(57)【要約】【課題】２枚の枠状シートを接合してなる枠部材が電解質膜・電極構造体の外周部に設けられた燃料電池において、反応ガス間の差圧による２枚の枠状シートの剥離を防止する。【解決手段】発電セル１２は、枠部材２４を備える。枠部材２４は、互いに接合された第１枠状シート２４ａ及び第２枠状シート２４ｂを有する。第２枠状シート２４ｂは、隙間Ｇを介して、カソード電極２２よりも外方に配置される。枠部材２４と第１セパレータ１４との間には、第２反応ガスの圧力よりも高い圧力に設定された第１反応ガスを流通させる流路３８ａが設けられる。枠部材２４と第２セパレータ１６との間には、第２反応ガスを流通させる流路３６ａが設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に第１電極及び第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の前記第１電極側に積層された第１セパレータと、前記電解質膜・電極構造体の前記第２電極側に積層された第２セパレータとを備え、前記第１電極に第１反応ガスが供給され、前記第２電極に第２反応ガスが供給される燃料電池であって、
前記電解質膜・電極構造体の外周部には、前記外周部を周回する枠部材が設けられ、
前記枠部材は、内周部が電解質膜・電極構造体の外周部に接合された第１枠状シートと、前記第１枠状シートよりも厚い第２枠状シートとを有し、前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとが厚さ方向に互いに接合されており、
前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に前記枠部材が挟持され、
前記第１枠状シートの内周部は、前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置され、
前記第２枠状シートの内周端は、隙間を介して、前記第２電極の外周端よりも外方に配置され、
前記枠部材と前記第１セパレータとの間には、前記第２反応ガスの圧力よりも高い圧力に設定された前記第１反応ガスを流通させる流路が設けられ、
前記枠部材と前記第２セパレータとの間には、前記第２反応ガスを流通させる流路が設けられる、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
前記枠部材と前記第１セパレータとの間の前記流路は、前記第１反応ガスとして燃料ガスを流通させ、
前記枠部材と前記第２セパレータとの間の前記流路は、前記第２反応ガスとして酸化剤ガスを流通させる、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、
前記第１電極及び前記第２電極において、一方の電極の平面寸法は、他方の電極の平面寸法よりも大きく設定される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池において、
前記第１電極は、前記第２電極の平面寸法よりも大きく設定される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項３又は４記載の燃料電池において、
前記電解質膜の外周端の位置は、前記他方の電極の外周端と同じ位置にある、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池において、
前記第１枠状シートの内周部は、前記電解質膜と前記第１電極との間に配置されている、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池において、
前記第１電極及び前記第２電極において、一方の電極は、前記電解質膜に重なる領域と前記第１枠状シートの内周部に重なる領域との間に前記電解質膜に対して傾斜する傾斜領域を有し、他方の電極は、前記電解質膜に重なる領域から前記第１枠状シートの内周部に重なる領域に亘って平坦状に形成され、
前記電解質膜の外周部は、前記他方の電極と前記第１枠状シートの内周部との間に配置される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池において、
前記第１枠状シートの前記第２枠状シート側の面には、全面に亘って接着層が設けられている、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項１記載の燃料電池において、
前記第１セパレータには、前記第１反応ガスの漏れを防止するために前記枠部材側に膨出したビードシールが設けられ、
前記第２セパレータには、前記第２反応ガスの漏れを防止するために前記枠部材側に膨出したビードシールが設けられ、
前記枠部材は、前記第１セパレータに設けられた前記ビードシールと、前記第２セパレータに設けられた前記ビードシールとにより挟持されている、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
電解質膜の両面に第１電極及び第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の前記第１電極側に積層された第１セパレータと、前記電解質膜・電極構造体の前記第２電極側に積層された第２セパレータとを備え、前記第１電極に第１反応ガスが供給され、前記第２電極に第２反応ガスが供給される燃料電池の運転方法であって、
前記電解質膜・電極構造体の外周部には、前記外周部を周回する枠部材が設けられ、
前記枠部材は、内周部が電解質膜・電極構造体の外周部に接合された第１枠状シートと、前記第１枠状シートよりも厚い第２枠状シートとを有し、前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとが厚さ方向に互いに接合されており、
前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に前記枠部材が挟持され、
前記第１枠状シートの内周部は、前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置され、
前記第２枠状シートの内周端は、隙間を介して、前記第２電極の外周端よりも外方に配置され、
前記枠部材と前記第１セパレータとの間に形成された流路に、前記第２反応ガスの圧力よりも高い圧力の前記第１反応ガスを供給し、
前記枠部材と前記第２セパレータとの間に形成された流路に、前記第２反応ガスを供給する、
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池の運転方法において、
前記枠部材と前記第１セパレータとの間の前記流路に、前記第１反応ガスとして燃料ガスを流通させ、
前記枠部材と前記第２セパレータとの間の前記流路に、前記第２反応ガスとして酸化剤ガスを流通させる、
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１２】
請求項１０又は１１記載の燃料電池の運転方法において、
前記第１電極は、前記第２電極の平面寸法よりも大きく設定され、
前記電解質膜の外周端の位置は、前記第２電極の外周端と同じ位置にある、
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１３】
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、
前記第１セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って前記第１反応ガスを流す第１反応ガス流路と、前記第１反応ガスの漏れを防止するために前記第１反応ガス流路を囲むとともに前記枠部材側に膨出したビードシールとが形成され、
前記第１反応ガス流路は、前記電解質膜・電極構造体側に突出した複数の凸部間に形成された複数の流路溝を有し、前記複数の凸部は、前記第１反応ガス流路の流路幅方向に間隔を置いて形成され、
前記第１電極の外周端は、前記複数の凸部のうち前記流路幅方向の最も外側に位置する端部凸部と、前記ビードシールとの間に位置する、
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１４】
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、
前記第２セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って前記第２反応ガスを流す第２反応ガス流路と、前記第２反応ガスの漏れを防止するために前記第２反応ガス流路を囲むとともに前記枠部材側に膨出したビードシールとが形成され、
前記第２反応ガス流路は、前記電解質膜・電極構造体側に突出した複数の凸部間に形成された複数の流路溝を有し、前記複数の凸部は、前記第２反応ガス流路の流路幅方向に間隔を置いて形成され、
前記第２電極の外周端は、前記複数の凸部のうち前記流路幅方向の最も外側に位置する端部凸部と、前記ビードシールとの間に位置する、
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜・電極構造体の外周部に枠部材が設けられた燃料電池及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。
【０００３】
電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セル（単位燃料電池）が構成されている。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００４】
近年、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減するとともに、薄膜状で強度が低い固体高分子電解質膜を保護するために、外周に樹脂枠部材を組み込んだ枠付きＭＥＡが採用されている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１３７６０９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、枠付きＭＥＡでは、枠部材の内周部は、電解質膜・電極構造体に接合され、枠部材の外周部は、一対のセパレータに設けられた突起状のシール部間に挟持される。シール部を枠部材に接触させるために、枠部材の外周部は、枠部材の内周部よりも厚く設定される必要がある。そこで、異なる厚さの２枚の枠状シートを接合して、外周部が内周部よりも厚い枠状シートを構成することが考えられる。アノード電極に供給される反応ガスと、カソード電極に供給される反応ガスとは、圧力が異なる場合がある。この場合、反応ガス間の差圧によって２枚の枠状シートが剥離しないことが求められる。
【０００７】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、２枚の枠状シートを接合してなる枠部材が電解質膜・電極構造体の外周部に設けられた燃料電池において、反応ガス間の差圧によって２枚の枠状シートが剥離することを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明は、電解質膜の両面に第１電極及び第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の前記第１電極側に積層された第１セパレータと、前記電解質膜・電極構造体の前記第２電極側に積層された第２セパレータとを備え、前記第１電極に第１反応ガスが供給され、前記第２電極に第２反応ガスが供給される燃料電池であって、前記電解質膜・電極構造体の外周部には、前記外周部を周回する枠部材が設けられ、前記枠部材は、内周部が電解質膜・電極構造体の外周部に接合された第１枠状シートと、前記第１枠状シートよりも厚い第２枠状シートとを有し、前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとが厚さ方向に互いに接合されており、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に前記枠部材が挟持され、前記第１枠状シートの内周部は、前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置され、前記第２枠状シートの内周端は、隙間を介して、前記第２電極の外周端よりも外方に配置され、前記枠部材と前記第１セパレータとの間には、前記第２反応ガスの圧力よりも高い圧力に設定された前記第１反応ガスを流通させる流路が設けられ、前記枠部材と前記第２セパレータとの間には、前記第２反応ガスを流通させる流路が設けられることを特徴とする。
【０００９】
上記の燃料電池において、前記枠部材と前記第１セパレータとの間の前記流路は、前記第１反応ガスとして燃料ガスを流通させ、前記枠部材と前記第２セパレータとの間の前記流路は、前記第２反応ガスとして酸化剤ガスを流通させるとよい。
【００１０】
上記の燃料電池において、前記第１電極及び前記第２電極において、一方の電極の平面寸法は、他方の電極の平面寸法よりも大きく設定されるとよい。
【００１１】
上記の燃料電池において、前記第１電極は、前記第２電極の平面寸法よりも大きく設定されるとよい。
【００１２】
上記の燃料電池において、前記電解質膜の外周端の位置は、前記他方の電極の外周端と同じ位置にあるとよい。
【００１３】
上記の燃料電池において、前記第１枠状シートの内周部は、前記電解質膜と前記第１電極との間に配置されているとよい。
【００１４】
上記の燃料電池において、前記第１電極及び前記第２電極において、一方の電極は、前記電解質膜に重なる領域と前記第１枠状シートの内周部に重なる領域との間に前記電解質膜に対して傾斜する傾斜領域を有し、他方の電極は、前記電解質膜に重なる領域から前記第１枠状シートの内周部に重なる領域に亘って平坦状に形成され、前記電解質膜の外周部は、前記他方の電極と前記第１枠状シートの内周部との間に配置されるとよい。
【００１５】
上記の燃料電池において、前記第１枠状シートの前記第２枠状シート側の面には、全面に亘って接着層が設けられるとよい。
【００１６】
前記第１セパレータには、前記第１反応ガスの漏れを防止するために前記枠部材側に膨出したビードシールが設けられ、前記第２セパレータには、前記第２反応ガスの漏れを防止するために前記枠部材側に膨出したビードシールが設けられ、前記枠部材は、前記第１セパレータに設けられた前記ビードシールと、前記第２セパレータに設けられた前記ビードシールとにより挟持されているとよい。
【００１７】
また、本発明は、電解質膜の両面に第１電極及び第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の前記第１電極側に積層された第１セパレータと、前記電解質膜・電極構造体の前記第２電極側に積層された第２セパレータとを備え、前記第１電極に第１反応ガスが供給され、前記第２電極に第２反応ガスが供給される燃料電池の運転方法であって、前記電解質膜・電極構造体の外周部には、前記外周部を周回する枠部材が設けられ、前記枠部材は、内周部が電解質膜・電極構造体の外周部に接合された第１枠状シートと、前記第１枠状シートよりも厚い第２枠状シートとを有し、前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとが厚さ方向に互いに接合されており、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に前記枠部材が挟持され、前記第１枠状シートの内周部は、前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置され、前記第２枠状シートの内周端は、隙間を介して、前記第２電極の外周端よりも外方に配置され、前記枠部材と前記第１セパレータとの間に形成された流路に、前記第２反応ガスの圧力よりも高い圧力の前記第１反応ガスを供給し、前記枠部材と前記第２セパレータとの間に形成された流路に、前記第２反応ガスを供給することを特徴とする。
【００１８】
前記枠部材と前記第１セパレータとの間の前記流路に、前記第１反応ガスとして燃料ガスを流通させ、前記枠部材と前記第２セパレータとの間の前記流路に、前記第２反応ガスとして酸化剤ガスを流通させるとよい。
【００１９】
前記第１電極は、前記第２電極の平面寸法よりも大きく設定され、前記電解質膜の外周端の位置は、前記第２電極の外周端と同じ位置にあるとよい。
【００２０】
前記第１セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って前記第１反応ガスを流す第１反応ガス流路と、前記第１反応ガスの漏れを防止するために前記第１反応ガス流路を囲むとともに前記枠部材側に膨出したビードシールとが形成され、前記第１反応ガス流路は、前記電解質膜・電極構造体側に突出した複数の凸部間に形成された複数の流路溝を有し、前記複数の凸部は、前記第１反応ガス流路の流路幅方向に間隔を置いて形成され、前記第１電極の外周端は、前記複数の凸部のうち前記流路幅方向の最も外側に位置する端部凸部と、前記ビードシールとの間に位置するとよい。
【００２１】
前記第２セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って前記第２反応ガスを流す第２反応ガス流路と、前記第２反応ガスの漏れを防止するために前記第２反応ガス流路を囲むとともに前記枠部材側に膨出したビードシールとが形成され、前記第２反応ガス流路は、前記電解質膜・電極構造体側に突出した複数の凸部間に形成された複数の流路溝を有し、前記複数の凸部は、前記第２反応ガス流路の流路幅方向に間隔を置いて形成され、前記第２電極の外周端は、前記複数の凸部のうち前記流路幅方向の最も外側に位置する端部凸部と、前記ビードシールとの間に位置するとよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃料電池及びその運転方法によれば、第１枠状シート側（隙間が形成されていない側）から第２枠状シート側（隙間が形成されている側）に向かって、反応ガス間の差圧が作用する。このため、差圧は、第１枠状シートと第２枠状シートとの接合面（貼り合わせ面）に作用しない。従って、反応ガス間の差圧による第１枠状シートと第２枠状シートとの剥離を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの要部分解斜視図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】燃料電池システムの全体概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１及び図２に示すように、発電セル（燃料電池）１２は、枠付き電解質膜・電極構造体１０（以下、「枠付きＭＥＡ１０」という）と、枠付きＭＥＡ１０の両側に配置された第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを備える。発電セル１２は、例えば、横長（又は縦長）の長方形状の固体高分子型燃料電池である。複数の発電セル１２は、例えば、矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に積層されて燃料電池スタック１１ａが構成される。燃料電池スタック１１ａは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。
【００２５】
発電セル１２では、枠付きＭＥＡ１０が第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持される。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、横長（又は縦長）の長方形状を有する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。
【００２６】
長方形状の枠付きＭＥＡ１０は、電解質膜・電極構造体１０ａ（以下、「ＭＥＡ１０ａ」という）を備える。ＭＥＡ１０ａは、電解質膜１８と、電解質膜１８の一方の面に設けられたアノード電極（第１電極）２０と、電解質膜１８の他方の面に設けられたカソード電極（第２電極）２２とを有する。
【００２７】
電解質膜１８は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜１８は、アノード電極２０及びカソード電極２２に挟持される。電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。
【００２８】
アノード電極２０は、電解質膜１８及びカソード電極２２よりも大きな平面寸法（外形寸法）を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極２０は、電解質膜１８及びカソード電極２２よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。
【００２９】
アノード電極２０は、電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される第１電極触媒層２０ａと、第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを有する。第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜１８及びカソード電極２２よりも大きな平面寸法に設定される。
【００３０】
カソード電極２２は、電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層２２ａと、前記第２電極触媒層２２ａに積層される第２ガス拡散層２２ｂとを有する。第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜１８と同一の平面寸法に設定される。従って、電解質膜１８の面方向（図２で矢印Ｃ方向）において、カソード電極２２の外周端２２ｅは、電解質膜１８の外周端１８ｅと同じ位置にある。
【００３１】
カソード電極２２は、アノード電極２０よりも小さい平面寸法に設定される。カソード電極２２の外周端２２ｅ及び電解質膜１８の外周端１８ｅは、全周に亘ってアノード電極２０の外周端２０ｅよりも内方に位置する。
【００３２】
なお、カソード電極２２は、アノード電極２０よりも大きな平面寸法に設定され、カソード電極２２の外周端２２ｅは、全周に亘ってアノード電極２０の外周端２０ｅよりも外方に位置してもよい。あるいは、アノード電極２０とカソード電極２２は、同一の平面寸法に設定され、アノード電極２０の外周端２０ｅと、カソード電極２２の外周端２２ｅは、電解質膜１８の面方向（図２で矢印Ｃ方向）において、同一位置にあってもよい。
【００３３】
第１電極触媒層２０ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第１ガス拡散層２０ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層２２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第２ガス拡散層２２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。
【００３４】
第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成される。第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法は、第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法よりも小さく設定される。第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、各々電解質膜１８の両面に形成される。
【００３５】
枠付きＭＥＡ１０は、電解質膜１８の外周を全周に亘って周回するとともに、アノード電極２０及びカソード電極２２に接合される枠部材２４をさらに備える。枠部材２４は、厚さの異なる２枚の枠状シートを有する。具体的には、枠部材２４は、内周部２４ａｎがＭＥＡ１０ａの外周部に接合された第１枠状シート２４ａと、第１枠状シート２４ａに接合された第２枠状シート２４ｂとを有する。第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとは、接着剤からなる接着層２４ｃにより、厚さ方向に互いに接合されている。第２枠状シート２４ｂは、第１枠状シート２４ａの外周部に接合される。これにより、枠部材２４の外周部は、枠部材２４の内周部よりも厚く構成される。
【００３６】
第１枠状シート２４ａ及び第２枠状シート２４ｂは樹脂材料により構成される。第１枠状シート２４ａ及び第２枠状シート２４ｂの構成材料としては、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィン等が挙げられる。
【００３７】
第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、アノード電極２０の外周部２０ｃとカソード電極２２の外周部２２ｃとの間に配置される。具体的に、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、電解質膜１８の外周部１８ｃとアノード電極２０の外周部２０ｃとの間に挟持される。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎと電解質膜１８の外周部１８ｃとは、接着層２４ｃを介して接合される。なお、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、電解質膜１８とカソード電極２２との間に挟持されてもよい。
【００３８】
上述したアノード電極２０には、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅに対応する位置に段差が設けられる。具体的に、アノード電極２０は、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２１ａと電解質膜１８に重なる領域２１ｂとの間に、電解質膜１８に対して傾斜した傾斜領域２１ｃを有する。従って、傾斜領域２１ｃでは、第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、電解質膜１８に対して傾斜する。
【００３９】
アノード電極２０において、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２１ａの第１セパレータ１４側の面は、電解質膜１８に重なる領域２１ｂの第１セパレータ１４側の面よりも、電解質膜１８から離間した位置にある。
【００４０】
一方、カソード電極２２は、電解質膜１８に重なる領域２３ｂから第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２３ａに亘って、平坦状に形成される。従って、電解質膜１８に重なる領域２３ｂから第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２３ａに亘って、第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂは、電解質膜１８と平行である。
【００４１】
なお、上記構成と異なり、アノード電極２０が、電解質膜１８に重なる領域２１ｂから第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２１ａに亘って平坦状に形成され、カソード電極２２が、電解質膜１８に重なる領域２３ｂと第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２３ａとの間に、電解質膜１８に対して傾斜する傾斜領域を有してもよい。
【００４２】
第２枠状シート２４ｂは、第１枠状シート２４ａの外周部に接合される。第２枠状シート２４ｂの厚さＴ２は、第１枠状シート２４ａの厚さＴ１よりも厚い。これにより枠部材２４の外周部が厚くなるので、ビードシールで良好にシールすることができる。第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅは、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅよりも外方（ＭＥＡ１０ａから離れる方向）に位置するとともに、アノード電極２０の外周端２０ｅ及びカソード電極２２の外周端２２ｅよりも外方に位置する。第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅと、カソード電極２２の外周端２２ｅとの間には、隙間Ｇが形成されている。当該隙間Ｇは、後述する流路３６ａの一部を構成する。
【００４３】
接着層２４ｃは、第１枠状シート２４ａの第２枠状シート２４ｂ側（カソード側）の面２４ａｓに、全面に亘って設けられる。第１枠状シート２４ａは、上述した隙間Ｇの箇所で、接着層２４ｃを介して隙間Ｇ（流路３６ａ）に露出する。接着層２４ｃを構成する接着剤としては、例えば、液状接着剤やホットメルトシートが設けられる。なお、接着剤は、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。
【００４４】
図１に示すように、発電セル１２の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔３２ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００４５】
発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００４６】
第２セパレータ１６の枠付きＭＥＡ１０に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。具体的に、酸化剤ガス流路３６は、第２セパレータ１６と枠付きＭＥＡ１０との間に形成される。酸化剤ガス流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の流路溝３６ｒを有する。流路溝３６ｒは、直線状流路溝又は波状流路溝である。
【００４７】
第１セパレータ１４の枠付きＭＥＡ１０に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が設けられる。具体的に、燃料ガス流路３８は、第１セパレータ１４と枠付きＭＥＡ１０との間に形成される。燃料ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の流路溝３８ｒを有する。流路溝３８ｒは、直線状流路溝又は波状流路溝である。
【００４８】
互いに隣接する第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が、矢印Ｂ方向に延在して形成される。
【００４９】
図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ（枠付きＭＥＡ１０と対向する面）には、燃料ガス流路３８を形成する凸部３９が複数設けられる。凸部３９は、アノード電極２０側に向かって膨出するとともにアノード電極２０に当接する。複数の凸部３９は、燃料ガス流路３８の流路方向に沿って延在するとともに、燃料ガス流路３８の流路幅方向（矢印Ｃ方向）に間隔を置いて形成される。複数の凸部３９間に複数の流路溝３８ｒが形成される。
【００５０】
第２セパレータ１６の面１６ａ（枠付きＭＥＡ１０と対向する面）には、酸化剤ガス流路３６を形成する凸部３７が複数設けられる。凸部３７は、カソード電極２２側に向かって膨出するとともにカソード電極２２に当接する。複数の凸部３７は、酸化剤ガス流路３６の流路方向に沿って延在するとともに、酸化剤ガス流路３６の流路幅方向（矢印Ｃ方向）に間隔を置いて形成される。複数の凸部３７間に複数の流路溝３６ｒが形成される。凸部３７、３９間に、ＭＥＡ１０ａが挟持される。
【００５１】
第１セパレータ１４の面１４ａには、外部への燃料ガスの漏れを防止するために、この第１セパレータ１４の外周部を周回する第１シールライン４２（メタルビードシール）が設けられる。第１シールライン４２は、枠部材２４に向かって膨出するとともに、第１枠状シート２４ａ（第２枠状シート２４ｂと重なる領域）に気密及び液密に当接する。第１シールライン４２は、外側ビード部４２ａと、外側ビード部４２ａよりも内側に設けられた内側ビード部４２ｂとを有する。アノード電極２０の外周端２０ｅは、複数の凸部３９のうち流路幅方向の最も外側に位置する端部凸部３９ｅと、第１シールライン４２（内側ビード部４２ｂ）との間に位置する。なお、第１シールライン４２は、外側ビード部４２ａと内側ビード部４２ｂのいずれか一方のみで構成されてもよい。
【００５２】
内側ビード部４２ｂは、燃料ガス流路３８、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂを周回し且つこれらを連通させる。各ビード部４２ａ、４２ｂの断面形状は、先端側（枠部材２４側）に向かって先細り形状である。各ビード部４２ａ、４２ｂの先端は、平坦形状（湾曲形状でもよい）を有する。
【００５３】
第１シールライン４２よりも内方（ＭＥＡ１０ａ側）で、第１セパレータ１４と枠部材２４との間に形成された流路３８ａは、燃料ガス流路３８と連通する。従って、当該流路３８ａには、燃料ガスが供給される。
【００５４】
第２セパレータ１６の面１６ａには、外部への酸化剤ガスの漏れを防止するために、この第２セパレータ１６の外周部を周回する第２シールライン４４（メタルビードシール）が設けられる。第２シールライン４４は、枠部材２４に向かって膨出するとともに、第２枠状シート２４ｂに気密及び液密に当接する。第１シールライン４２と第２シールライン４４は枠部材２４を介して対向する。枠部材２４は、第１シールライン４２と第２シールライン４４との間に挟持される。第２シールライン４４は、外側ビード部４４ａと、外側ビード部４４ａよりも内側に設けられた内側ビード部４４ｂとを有する。
【００５５】
内側ビード部４４ｂは、酸化剤ガス流路３６、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを周回し且つこれらを連通させる。各ビード部４４ａ、４４ｂの断面形状は、先端側（枠部材２４側）に向かって先細り形状である。各ビード部４４ａ、４４ｂの先端は、平坦形状（湾曲形状でもよい）を有する。カソード電極２２の外周端２２ｅは、複数の凸部３７のうち流路幅方向の最も外側に位置する端部凸部３７ｅと、第２シールライン４４（内側ビード部４４ｂ）との間に位置する。
【００５６】
第２シールライン４４よりも内方（ＭＥＡ１０ａ側）で、第２セパレータ１６と枠部材２４との間に形成された流路３６ａは、酸化剤ガス流路３６と連通する。従って、当該流路３６ａには、酸化剤ガスが供給される。
【００５７】
図３において、燃料電池システム１１は、上述した燃料電池スタック１１ａと、燃料電池スタック１１ａに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置５０と、燃料電池スタック１１ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置５２と、燃料電池スタック１１ａに冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置５４とを備える。
【００５８】
酸化剤ガス供給装置５０は、燃料電池スタック１１ａに設けられた酸化剤ガス供給マニホールド５８ａを介して酸化剤ガス入口連通孔３０ａ（図１参照）に連通する酸化剤ガス供給配管６４ａと、燃料電池スタック１１ａに設けられた酸化剤ガス排出マニホールド５８ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ（図１参照）に連通する酸化剤ガス排出配管６４ｂとを有する。酸化剤ガス供給配管６４ａには、エアポンプ６６が配設される。酸化剤ガス排出配管６４ｂには、圧力調整弁６８が配設される。
【００５９】
酸化剤ガス供給配管６４ａ及び酸化剤ガス排出配管６４ｂには、加湿器６７が配設される。加湿器６７としては、供給する空気を加湿できればよく、構造は特に限定されない。酸化剤ガス供給配管６４ａにおいて、エアポンプ６６は加湿器６７よりも上流側に配設される。酸化剤ガス排出配管６４ｂにおいて、加湿器６７よりも下流側には、圧力調整弁６８が配設される。燃料電池システム１１の制御部７０は、例えば、エアポンプ６６の動作速度と圧力調整弁６８の弁開度の少なくとも一方を制御することにより、酸化剤ガス流路３６を流通する酸化剤ガスの圧力を制御する。
【００６０】
燃料ガス供給装置５２は、燃料電池スタック１１ａに設けられた燃料ガス供給マニホールド６０ａを介して燃料ガス入口連通孔３４ａ（図１参照）に連通する燃料ガス供給配管７２ａと、燃料電池スタック１１ａに設けられた燃料ガス排出マニホールド６０ｂを介して燃料ガス出口連通孔３４ｂ（図１参照）に連通する燃料ガス排出配管７２ｂとを有する。
【００６１】
燃料ガス供給配管７２ａの上流には、高圧水素を貯留する水素タンク７４が配置される。燃料ガス供給配管７２ａにおいて、燃料ガス供給マニホールド６０ａと水素タンク７４との間には、封止弁７６、圧力調整弁７７及びエゼクタ７８が配設される。エゼクタ７８と燃料ガス排出配管７２ｂには、水素循環路８０が接続される。水素循環路８０には、水素循環用の水素ポンプ８２が配設される。制御部７０は、水素ポンプ８２の駆動速度を制御することにより、燃料ガス流路３８を流通する燃料ガスの流量を制御する。
【００６２】
冷却媒体供給装置５４は、燃料電池スタック１１ａに冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環路８４を備える。冷却媒体循環路８４は、燃料電池スタック１１ａに設けられた冷却媒体供給マニホールド６２ａを介して冷却媒体入口連通孔３２ａ（図１参照）に連通するとともに、冷却媒体排出マニホールド６２ｂを介して冷却媒体出口連通孔３２ｂ（図１参照）に連通する。冷却媒体循環路８４には、ラジエータ８６及び冷却ポンプ８８が配置される。
【００６３】
このように構成される発電セル１２（燃料電池スタック１１ａ）を含む燃料電池システム１１の動作について、本実施形態に係る燃料電池の運転方法との関係で、以下に説明する。
【００６４】
図３に示すように、酸化剤ガス供給装置５０では、エアポンプ６６の駆動作用下に、酸化剤ガス供給配管６４ａに空気が送られる。この空気は、加湿器６７を通って加湿された後、酸化剤ガス供給マニホールド５８ａを介して酸化剤ガス入口連通孔３０ａ（図１参照）に供給される。加湿器６７は、酸化剤ガス排出マニホールド５８ｂから排出された水分と熱を、供給される空気に添加する。一方、燃料ガス供給装置５２では、封止弁７６の開放作用下に、水素タンク７４から燃料ガス供給配管７２ａに燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド６０ａを介して燃料ガス入口連通孔３４ａ（図１参照）に供給される。また、冷却媒体供給装置５４では、冷却ポンプ８８の作用下に、冷却媒体循環路８４から冷却媒体入口連通孔３２ａ（図１参照）に冷却媒体が供給される。
【００６５】
従って、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００６６】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動してＭＥＡ１０ａのカソード電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ１０ａのアノード電極２０に供給される。
【００６７】
従って、ＭＥＡ１０ａでは、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２０に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層２２ａ及び第１電極触媒層２０ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
【００６８】
この場合、燃料ガス流路３８に供給される第１反応ガス（燃料ガス）の圧力は、酸化剤ガス流路３６に供給される第２反応ガス（酸化剤ガス）の圧力よりも高く設定される。従って、図２において、第１セパレータ１４と枠部材２４の間に形成された流路３８ａは、第２反応ガスよりも高い圧力に設定された第１反応ガスを流通させる。このため、流路３６ａと流路３８ａとの間に配置された枠部材２４には、第１枠状シート２４ａ側から第２枠状シート２４ｂ側（すなわち、第１セパレータ１４側から第２セパレータ１６側）に向かって、差圧Ｐが作用する。差圧Ｐは、例えば、５〜３００ｋＰａであり、好ましくは１０〜２００ｋｐａである。
【００６９】
次いで、図１において、カソード電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００７０】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ１０ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００７１】
この場合、本実施形態では、図２に示すように、枠部材２４は、内周部２４ａｎがＭＥＡ１０ａの外周部に接合された第１枠状シート２４ａと、第１枠状シート２４ａよりも厚い第２枠状シート２４ｂとを有し、第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとが厚さ方向に互いに接合される。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、アノード電極２０の外周部２０ｃとカソード電極２２の外周部２２ｃとの間に配置され、第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅは、隙間Ｇを介して、カソード電極２２の外周端２２ｅよりも外方に配置される。そして、枠部材２４と第１セパレータ１４との間には、第２反応ガス（本実施形態では酸化剤ガス）の圧力よりも高い圧力に設定された第１反応ガス（本実施形態では燃料ガス）を流通させる流路３８ａが設けられる一方、枠部材２４と第２セパレータ１６との間には、第２反応ガスを流通させる流路３６ａが設けられる。
【００７２】
このように、発電セル１２では、反応ガスの圧力が低い側に、隙間Ｇが設けられる。すなわち、反応ガスの圧力が低い側に、第２枠状シート２４ｂが配置される。このため、第１枠状シート２４ａ側（隙間Ｇが形成されていない側）から第２枠状シート２４ｂ側（隙間Ｇが形成されている側）に向かって、反応ガス間の差圧Ｐが作用する。当該差圧Ｐは、第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとの接合面（貼り合わせ面）に作用しない。従って、反応ガス間の差圧Ｐによる第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとの剥離を防止することができるという作用効果が得られる。
【００７３】
一方、本実施形態と異なり、反応ガスの圧力が高い側に、隙間Ｇが設けられる（第２枠状シート２４ｂが配置される）場合、隙間Ｇが形成されている側から隙間Ｇが形成されていない側に向かって、反応ガス間の差圧が作用する。当該差圧は、特に、第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅの箇所で、第１枠状シート２４ａを第２枠状シート２４ｂから離す方向に作用する。このため、第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂの剥離が惹起される。
【００７４】
これに対し、本実施形態では、上述のように、反応ガスの圧力が低い側に、隙間Ｇが設けられることから、差圧Ｐは、第１枠状シート２４ａを第２枠状シート２４ｂ側に押し付ける方向に作用するため、第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとの剥離が防止される。
【００７５】
また、本実施形態では、第１電極及び第２電極（アノード電極２０及びカソード電極２２）において、一方の電極（アノード電極２０）は、電解質膜１８に重なる領域２１ｂと第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２１ａとの間に、電解質膜１８に対して傾斜する傾斜領域２１ｃを有する。他方の電極（カソード電極２２）は、電解質膜１８に重なる領域２３ｂから第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２３ａに亘って平坦状に形成される。そして、電解質膜１８の外周部１８ｃは、他方の電極（カソード電極２２）と第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎとの間に配置される。この構成により、電解質膜１８に段差が形成されないため、製造時に電解質膜１８が損傷することを抑制することができる。
【００７６】
さらに、本実施形態では、第１枠状シート２４ａの第２枠状シート２４ｂ側の面には、全面に亘って接着層２４ｃが設けられている。このため、枠部材２４の内周部（第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎ）とＭＥＡ１０ａの外周部とを良好に接合することができる。また、第１枠状シート２４ａに接着層２４ｃを設けることが容易であるとともに、マスキング等が不要である。
【００７７】
アノード電極２０は、カソード電極２２の平面寸法よりも大きく設定され、電解質膜１８の外周端１８ｅの位置は、カソード電極２２の外周端２２ｅと同じ位置にある。これにより、カソード電極２２の外周端２２ｅに対応する電解質膜１８の部位に差圧が作用して電解質膜１８が損傷を受けるのを防止することができる。
【００７８】
本発明は上述した実施形態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において、種々の改変が可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１０…枠付きＭＥＡ                      １０ａ…ＭＥＡ
１２…発電セル                          １４…第１セパレータ
１６…第２セパレータ                    １８…電解質膜
２０…アノード電極                      ２２…カソード電極
２４…枠部材                            ２４ａ…第１枠状シート
２４ｂ…第２枠状シート                  ２４ｃ…接着層
【図１】
2018085334.tif 000003
【図２】
2018085334.tif 000004
【図３】
2018085334.tif 000005