(57)【要約】【課題】  燃料電池の駆動時に電解質膜に発生する内部応力を緩和し、耐久性に優れた燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質膜１５ａを一対の電極１５ｂで挟んだＭＥＡ１５と、ＭＥＡ１５を間に挟む一対のセパレータ１６，１７とを有するセル２を備える燃料電池１において、ＭＥＡ１５に、電解質膜１５ａの面方向に沿う伸長を許容する切れ目３０を設けた。電解質膜１５ａが膨潤する際には、切れ目３０から露出している電解質膜１５ａの露出部２０がガス流路溝１７ｄ内に伸びて盛り上がるように変形する。このように、電解質膜１５ａの伸長が許容されているので、膨潤時に電解質膜１５ａに発生する内部応力は緩和される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の面にアノード電極が配設され、他方の面にカソード電極が配設された膜・電極接合体と、膜・電極接合体に接触する接触部と前記電極に反応ガスを供給するガス流路部とを含むセパレータと、を有する燃料電池であって、
前記電極のうち前記ガス流路部に対応する部位の一部が前記接触部に対応する部位より積層方向の厚さを薄くされた燃料電池。
【請求項２】
前記電極が触媒層とガス拡散層からなり、少なくとも一方の厚さを薄くする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記厚さを薄くされた部位が、膨潤時における面方向の伸長が他の部位に比して大きい部位に対応している請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記厚さを薄くされた部位が、前記ガス流路部の上流側よりも下流側に面積的に多く設けられている請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項５】
電解質膜の一方の面にアノード電極が配設され、他方の面にカソード電極が配設された膜・電極接合体と、膜・電極接合体に接触する接触部と前記電極に反応ガスを供給するガス流路部とを含むセパレータと、を有する燃料電池であって、
前記電極は、前記電解質膜表面の複数箇所に互いに隙間を隔てて積層され、これら電極間の隙間は、前記ガス流路部の少なくとも一部に対応している燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜と電極とセパレータが積層された燃料電池に係り、特に、膨潤時に電解質膜に発生する内部応力の緩和に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる固体高分子型の燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜を一対の電極で挟んだＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータとを備えている。このような燃料電池の駆動時は、電解質膜が電気化学反応によって生成した水によって膨潤し、非駆動時に比べて面方向に伸長する。一方、電極の一部を構成するガス拡散層は多孔質体のカーボンによって形成されているので、駆動時であっても伸長の程度は電解質膜と比較して明らかに小さい。
【０００３】
そのため、燃料電池駆動時には、面方向に伸びようとする電解質膜をガス拡散層が拘束することになり、電解質膜に内部応力が発生する。その結果、電解質膜の劣化が速まって燃料電池の耐久性が低下する可能性がある。例えば特許文献１には、電解質膜や電極をエンボス形状とすることで、ＭＥＡの面方向の膨張収縮を吸収する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１３９７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、駆動時に膨潤変形した電解質膜は、例えば非駆動時に比べて最大で約２割（数ｍｍ）も伸長してしまうので、この伸長を特許文献１に開示のエンボス形状で十分に吸収することは困難である。よって、電解質膜ひいては燃料電池の耐久性を更に向上させるためには、エンボス形状に代わる何らかの対策が必要である。
【０００５】
本発明の目的は、駆動時において電解質膜に発生する内部応力を緩和し、耐久性に優れた燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、次のような構成の燃料電池を採用する。すなわち、本発明の燃料電池は、電解質膜の一方の面にアノード電極が配設され、他方の面にカソード電極が配設された膜・電極接合体と、膜・電極接合体に接触する接触部と前記電極に反応ガスを供給するガス流路部とを含むセパレータと、を有する燃料電池であって、前記電極のうち前記ガス流路部に対応する部位の一部が前記接触部に対応する部位より積層方向の厚さを薄くされている、言い換えれば、前記電極のうち前記ガス流路部に対応する部位の一部が前記接触部に対応する部位より容積を小さくされている。
【０００７】
このような構成によれば、燃料電池駆動時に水が生成されて電解質膜が膨潤変形する際にも、該膨潤変形に対する電極からの拘束力は減少するので、電解質膜に発生する内部応力が緩和される。
【０００８】
なお、「ガス流路部に対応する部位」とは、膜・電極接合体を平面視で見た時に反応ガス流路部に対向する領域を意味する。また、「電極」は、電解質膜上に配置した触媒層と、更に触媒層上に配置したガス拡散層とを含む構成でもよく、かかる構成の場合には、その少なくとも一方の厚さが薄くされていればよい。
【０００９】
さらに、電極の厚さを薄くするとは、以下の形態を含むものである。すなわち、（１）ガス流路部に対応する触媒層及びガス拡散層の両方を削除して、電解質膜をガス流路に対して露出させるもの、あるいは、ガス流路部に対応する触媒層及びガス拡散層の両方を含む厚さが接触部に対応する部位より薄いもの、（２）触媒層は接触部に対応する部位同様に残し、ガス流路部に対応するガス拡散層の厚さを接触部に対応する部位より薄くするもの、あるいは、ガス流路部に対応するガス拡散層を削除し、触媒層を露出させるものを含む。
【００１０】
要するに、本発明は、ガス流路部に対応する電極の厚さを薄くする（電極の容積を小さくする）ことで、電解質膜の変形に伴い生じる内部応力を緩和するものであり、そのためには、ガス流路部に対応する触媒層とガス拡散層のうちから適宜必要な厚さ（容積）となるように薄くすればよい。
【００１１】
前記厚さを薄くされた部位は、膨潤時における面方向の伸長が他の部位に比して大きい部位に対応させてもよい。例えば、前記ガス流路部の上流側よりも下流側に面積的に多く設けられていてもよい。
【００１２】
電解質膜の伸長の程度は、電解質膜のいずれの場所でも一定になるということはなく、場所によって異なる。つまり、電解質膜の膨潤時における伸長は不均一である。その理由は、例えばガス流路の配設パターン等に依存して、電気化学反応に伴い生成される水の面内分布に偏りが生じるためである。この生成水が多い部位ほど伸長の程度が大きく、電解質膜に発生する内部応力も大きくなる。一方、内部応力を緩和させるための構成を採用したことに起因する発電機能の低下は極力回避する必要がある。
【００１３】
上記の構成によれば、厚さを薄くされた部位が電解質膜の伸長の程度が大きな部位に対応して選択的に設けられているので、本来の発電機能が損なわれることなく、電解質膜に発生する内部応力が緩和される。
【００１４】
本発明の燃料電池は、電解質膜の一方の面にアノード電極が配設され、他方の面にカソード電極が配設された膜・電極接合体と、膜・電極接合体に接触する接触部と前記電極に反応ガスを供給するガス流路部とを含むセパレータと、を有する燃料電池であって、前記電極は、前記電解質膜表面の複数箇所に互いに隙間を隔てて積層され、これら電極間の隙間は、前記ガス流路部の少なくとも一部に対応している。つまり、電解質膜の一部が島状に配置された電極間の隙間からガス流路部を臨むように露出している。
【００１５】
このような構成によれば、燃料電池駆動時に水が生成されて電解質膜が膨潤する際、電解質膜のうちガス流路部を臨むようにセパレータ側に露出している部位がガス流路部内に伸びて盛り上がるように変形する。これにより、電極に対する電解質膜の相対的な伸長が許容されるので、膨潤時に電解質膜に発生する内部応力が緩和される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池駆動時における電解質膜の膨潤伸長が許容されるので、電解質膜に発生する内部応力が緩和される。これにより、燃料電池の耐久性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の燃料電池の実施形態を、図１から図４に示して説明する。本実施形態の燃料電池１は、図１に示すように、基本単位であるセル２が複数積層されたスタック本体３を備えている。セル２の積層方向に沿うスタック本体３の一端には、ターミナルプレート７が配置され、その外側に絶縁プレート８が配置されている。さらにその外側には、エンドプレート９ａが配置されている。
【００１８】
また、スタック本体３の他端には、ターミナルプレート７が配置され、その外側に絶縁プレート８が配置され、さらにその外側にはプレッシャプレート１３が配置されている。各ターミナルプレート７には、出力端子６が設けられている。
【００１９】
プレッシャプレート１３の外側には、エンドプレート９ｂがプレッシャプレート１３から離間して配置されており、プレッシャプレート１３とエンドプレート９ｂとの間には、バネ部材１４が介装されている。スタック本体３の両側に配置された２枚のエンドプレート９ａ，９ｂの間には、セル２の積層方向に沿って複数のテンションプレート１１が架設されている。各テンションプレート１１は、両方の端部を各エンドプレート９ａ，９ｂにボルト１２によってそれぞれ固定されている。
【００２０】
２枚のエンドプレート９ａ，９ｂが複数のテンションプレート１１を介して連結される際、バネ部材１４には圧縮力が導入されており、バネ部材１４はスタック本体３に対してセル２の積層方向に付勢力を作用させている。バネ部材１４の付勢力に対する反力はテンションプレート１１が負担しており、これによってテンションプレート１１には張力が作用している。
【００２１】
セル２は、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１５ａを一対の電極１５ｂで挟んだＭＥＡ（膜・電極接合体）１５と、ＭＥＡ１５を挟む一対のセパレータ１６，１７とを備えている。なお、各セパレータ１６，１７には、各電極１５ｂに酸化ガス（例えば、空気）を給排するための酸化ガスマニホールド１６ａ，１７ａと、水素ガスを給排するための水素ガスマニホールド１６ｂ，１７ｂと、冷媒（例えば、水）を流通させるための冷媒マニホールド１６ｃ，１７ｃと、が形成されている（図１参照）。
【００２２】
セパレータ１６には、ＭＥＡ１５の一面と向き合う面に、水素ガスの流路となる複数のガス流路溝（ガス流路部）１６ｄが形成され、反対の面には、冷媒の流路となる複数の冷媒流路溝（図示略）が形成されている。そして、互いに隣り合うガス流路溝１６ｄとガス流路溝１６ｄとの間がＭＥＡ１５に接触する接触部１６Ａとなる。各ガス流路溝１６ｄは、セパレータ１６に形成された入口側の水素ガスマニホールド１６ｂおよび出口側の水素ガスマニホールド１７ｂに連通している。
【００２３】
一方、セパレータ１７には、ＭＥＡ１５の他方の面と向き合う面に、酸化ガスの流路となる複数のガス流路溝（ガス流路部）１７ｄが形成され、反対の面には、冷媒の流路となる複数の冷媒流路溝（図示略）が形成されている。そして、互いに隣り合うガス流路溝１７ｄとガス流路溝１７ｄとの間がＭＥＡ１５に接触する接触部１７Ａとなる。各ガス流路溝１７ｄは、セパレータ１７に形成された入口側の酸化ガスマニホールド１６ａおよび出口側の酸化ガスマニホールド１７ａに連通している。
【００２４】
酸化ガスマニホールド１６ａを通じて各セル２に供給された酸化ガスは、一方のセパレータ１７とＭＥＡ１５との間に画成された酸化ガスの流路（図２の符号Ｏｐ）に流入して一方の電極１５ｂに接し、水素ガスマニホールド１６ｂを通じて各セル２に供給された水素ガスは、他方のセパレータ１６とＭＥＡ１５との間に画成された水素ガスの流路（図２の符号Ｈｐ）に流入して他方の電極１５ｂに接する。
【００２５】
双方の電極１５ｂにそれぞれ接した酸化ガスおよび水素ガスは、電解質膜１５ａにおいて電気化学反応を起こし、起電力を発生させる。各セル２において発生した起電力は、ターミナルプレート７に設けられた出力端子６から取り出すことができる。酸化ガスと水素ガスとが反応することによって生じた水は、酸化ガスマニホールド１７ａを通じて酸化ガスのオフガスとともに燃料電池１外に排出される。
【００２６】
図２に示すように、電極１５ｂは、多孔質体であるカーボンによって形成されたガス拡散層１５ｃと、電解質膜１５ａとガス拡散層１５ｃとの間に介装された触媒層１５ｄとを備えている。セル２内には、一方のセパレータ１６のガス流路溝１６ｄとＭＥＡ１５とで画成された水素ガスの流路（ガス流路）Ｈｐと、他方のセパレータ１７のガス流路溝１７ｄとＭＥＡ１５とで画成された酸化ガスの流路（ガス流路）Ｏｐとが形成されている。
【００２７】
ＭＥＡ１５は、電解質膜１５ａの膨潤時に該電解質膜１５ａに発生する内部応力を緩和するために、電極１５ｂのうちガス流路溝１６ｄ，１７ｄに対応する部位の一部が接触部１６Ａ，１７Ａに対応する部位よりも積層方向の厚さが薄くなるように削除されている。つまり、ＭＥＡ１５には、図４に示すように、電解質膜１５ａの一部を当該ＭＥＡ１５の両表面に露出させる複数の切れ目（厚さを薄くされた部位、隙間）３０が形成されている、言い換えれば、電解質膜１５ａの一部がセパレータ１６，１７の一面側にそれぞれ形成されたガス流路溝１６ｄ，１７ｄを臨むように、複数の切れ目３０が形成されている。
【００２８】
さらに言い換えれば、本実施形態の電極１５ｂは、電解質膜１５ａの表面の複数箇所に互いに隙間（切れ目３０）を隔てて積層されていると共に、これら電極１５ｂ間の隙間がガス流路溝１６ｄ，１７ｄの少なくとも一部に対応している結果、島状に配置された電極１５ｂ間の隙間から電解質膜１５ａの一部がガス流路溝１６ｄ，１７ｄを臨むように露出している。
【００２９】
これら切れ目３０は、セパレータ１６，１７のガス流路溝１６ｄ，１７ｄに沿って形成されている。また、切れ目３０の幅は均一である。本実施形態の切れ目３０は、図４に示すように、セパレータ１６，１７にそれぞれ形成された全てのガス流路溝１６ｄ，１７ｄに対応して設けられているわけではなく、一部のガス流路溝１６ｄ，１７ｄに対応して設けられている。
【００３０】
次に、図３を参照しながら、上記のように構成された燃料電池１を駆動させたときに電解質膜１５ａに生じる形状変化について説明する。なお、図３は、セル２の要部拡大図であるが、図示都合上、セパレータ１６の記載は省略している。
【００３１】
燃料電池１の駆動時に電解質膜１５ａが膨潤すると、電解質膜１５ａは面方向に沿って伸長しようとする。このとき、電解質膜１５ａのうち、切れ目３０から露出している露出部２０がガス流路溝１７ｄに向けて盛り上がるように変形する。つまり、電解質膜１５ａの一部がガス流路溝１７ｄ内に逃げることによって、電極１５ｂに対する電解質膜１５ａの伸長が許容される。これにより、電解質膜１５ａに発生する内部応力が緩和される。したがって、電解質膜１５ａの劣化が抑制され、燃料電池１の耐久性が向上する。
＜他の実施形態＞
【００３２】
ところで、ＭＥＡ１５を構成する電解質膜１５ａの伸長の程度は、電解質膜１５ａのいずれの場所でも一定になるということはない。つまり、電解質膜１５ａの伸長は不均一に発生する。その理由は、例えばガス流路Ｏｐ，Ｈｐの配設パターン等に依存して、電気化学反応に伴い生成される水の面内分布に偏りが生じるためである。この生成水が多い部位ほど伸長の程度が大きく、電解質膜１５ａに発生する内部応力も大きくなる。一方、露出部２０の面積を増やすと、発電に寄与する電極１５ｂの面積が減ってしまうため、露出部２０は必要最小限にとどめることが好ましい
【００３３】
そこで、図５に示すように、切れ目３０ａを、電解質膜１５ａのうち伸長の程度が他の部位と比較して相対的に大きい部位、例えば酸化ガス（あるいは水素ガス）の出口（下流）側に集中させる（面積的に多く設ける）という具合に、切れ目３０ａの形成位置を不均一に形成してもよい。切れ目３０ａがこのように形成された燃料電池１においては、ＭＥＡ１５本来の発電機能が損なわれることなく、電解質膜１５ａの伸長量が大きな部位に発生する内部応力が効果的に緩和される。
【００３４】
また、図６に示すように、電解質膜１５ａの伸長量の小さい部位、例えば酸化ガス（あるいは水素ガス）の入口側に近いほど幅が狭く、伸長量の大きい部位、例えば酸化ガス（あるいは水素ガス）の出口側に近いほど幅の広い切れ目３０ｂを形成する（切れ目３０ｂを面積的に多く設ける）という具合に、切れ目３０ｂの幅を不均一に形成してもよい。切れ目３０ｂがこのように形成された燃料電池１においても、ＭＥＡ１５本来の発電機能が損われることなく、電解質膜１５ａの伸長量が大きな部位に発生する内部応力が効果的に緩和される。また、切れ目の広狭ではなく、切れ目の数で調節してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の燃料電池の一実施形態を示す図であって、燃料電池を側方から断面視した側断面図である。
【図２】セルの要部を示す厚さ方向の断面図である。
【図３】燃料電池を駆動させたときに電解質膜に生じる形状変化の状態を示す説明図である。
【図４】膜・電極接合体を示す平面図である。
【図５】本発明の燃料電池の他の実施形態を示す平面図である。
【図６】本発明の燃料電池の更に他の実施形態を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…燃料電池、２…セル、１５…ＭＥＡ（膜・電極接合体）、１５ａ…電解質膜、１５ｂ…電極、１５ｃ…ガス拡散層、１５ｄ…触媒層、１６，１７…セパレータ、１６ｄ，１７ｄ…ガス流路溝（ガス流路部）、１６Ａ，１７Ａ…接触部、２０…露出部、３０，３０ａ，３０ｂ…切れ目（厚さを薄くされた部位、隙間）
【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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