(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単セルが複数積層された燃料電池において、
前記単セルは、
電解質膜の両面に触媒層が設けられ、中央部及び前記中央部を囲う外周部を有した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記中央部を間に挟むように位置する第１及び第２ガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記中央部を間に挟むように位置する金属製の第１及び第２中央部、前記第１及び第２中央部をそれぞれ囲う樹脂製の第１及び第２枠部、をそれぞれ有し、前記第１及び第２ガス拡散層と共に前記膜電極接合体を挟持する第１及び第２セパレータと、を含み、
前記第１及び第２枠部は、前記膜電極接合体の前記外周部よりも外側の位置に第１ガス、第２ガス、及び冷媒がそれぞれ流通する第１ガス流通孔、第２ガス流通孔、及び冷媒流通孔を有し、
前記第１及び第２中央部は、それぞれ、前記膜電極接合体側で第１及び第２ガス流路を画定し、前記第１及び第２ガス流路のそれぞれの裏側で第１及び第２冷媒流路を画定し、
前記第１枠部は、前記膜電極接合体側で前記第１ガス流通孔及び第１ガス流路の一方から他方に前記第１ガスを案内する凹凸状の第１ガス案内流路を画定し、前記第１ガス案内流路の裏側で前記冷媒流通孔及び第１冷媒流路の一方から他方に前記冷媒を案内する第１冷媒案内流路を画定し、
前記第２枠部は、前記第１枠部と共に前記膜電極接合体の前記外周部の一部を挟持し前記第２ガス流通孔及び第２ガス流路の一方から他方に前記第２ガスを案内する凹凸状の第２ガス案内流路を画定し、及び前記第２ガス案内流路の裏側で前記冷媒流通孔及び第２冷媒流路の一方から他方に前記冷媒を案内する第２冷媒案内流路を画定し、
前記膜電極接合体の前記外周部は、前記第１及び第２ガス案内流路に挟持される部分の少なくとも一方の面に、前記第１及び第２ガス拡散層のそれぞれよりも薄い多孔質状の補強部材が設けられている、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】
燃料電池のセパレータは、膜電極接合体側にガス流路を画定しその裏側に冷媒流路を画定する金属製の中央部と、この中央部を囲う樹脂製の枠部とを備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。枠部には、ガスマニホールド及び冷媒マニホールドが設けられている。また枠部は、膜電極接合体側にガスマニホールド及びガス流路の一方から他方にガスを案内するガス案内流路を画定し、ガス案内流路の裏側に冷媒マニホールド及び冷媒流路の一方から他方に冷媒を案内する冷媒案内流路を画定する。
【０００３】
ここで、セパレータの中央部のガス流路及び冷媒流路は、互いに同一方向に延びており、金属板をプレス成型することによって表裏一体に形成されている。このため、セパレータの中央部では厚みが抑制されている。
【０００４】
しかしながら、ガスマニホールド及び冷媒マニホールドは、膜電極接合体の平面方向で異なる位置にあるため、ガス案内流路及び冷媒案内流路は異なる方向に延びている。このため、ガス案内流路及び冷媒案内流路を枠部の厚み方向に間隔を開けて形成する必要があり、枠部のガス案内流路及び冷媒案内流路が設けられている部分は、金属製の中央部よりも厚みが増大している。燃料電池の単セルはこのようなセパレータを一対備え、枠部のガス案内流路が膜電極接合体側を向くようにして一対のセパレータがガス拡散層及び膜電極接合体を挟持している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−０３２００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、一対のセパレータの枠部のガス案内流路に挟持される部分にまでガス拡散層がある構成の場合には、燃料電池の厚みが増大する。一方、枠部のガス案内流路に挟持される部分にはガス拡散層を設けない構成とすることにより、燃料電池の厚みは抑制できる。しかしながら、ガス案内流路により膜電極接合体の一部が挟持されると、膜電極接合体はガス案内流路の凸部同士により挟持される部分と、ガス案内流路の少なくとも一方が凹部であり面圧が作用しない部分とが交互に並ぶことになる。このため、このような状態で膜電極接合体が膨潤及び収縮を繰り返すと、膜電極接合体の同一箇所に繰り返し応力が加わり、その部分の耐久性が低下する可能性がある。
【０００７】
そこで本発明は、厚みの増大を抑制しつつ膜電極接合体の耐久性を確保し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】
【０００８】
上記目的は、単セルが複数積層された燃料電池において、前記単セルは、電解質膜の両面に触媒層が設けられ、中央部及び前記中央部を囲う外周部を有した膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記中央部を間に挟むように位置する第１及び第２ガス拡散層と、前記膜電極接合体の前記中央部を間に挟むように位置する金属製の第１及び第２中央部、前記第１及び第２中央部をそれぞれ囲う樹脂製の第１及び第２枠部、をそれぞれ有し、前記第１及び第２ガス拡散層と共に前記膜電極接合体を挟持する第１及び第２セパレータと、を含み、前記第１及び第２枠部は、前記膜電極接合体の前記外周部よりも外側の位置に第１ガス、第２ガス、及び冷媒がそれぞれ流通する第１ガス流通孔、第２ガス流通孔、及び冷媒流通孔を有し、前記第１及び第２中央部は、それぞれ、前記膜電極接合体側で第１及び第２ガス流路を画定し、前記第１及び第２ガス流路のそれぞれの裏側で第１及び第２冷媒流路を画定し、前記第１枠部は、前記膜電極接合体側で前記第１ガス流通孔及び第１ガス流路の一方から他方に前記第１ガスを案内する凹凸状の第１ガス案内流路を画定し、前記第１ガス案内流路の裏側で前記冷媒流通孔及び第１冷媒流路の一方から他方に前記冷媒を案内する第１冷媒案内流路を画定し、前記第２枠部は、前記第１枠部と共に前記膜電極接合体の前記外周部の一部を挟持し前記第２ガス流通孔及び第２ガス流路の一方から他方に前記第２ガスを案内する凹凸状の第２ガス案内流路を画定し、及び前記第２ガス案内流路の裏側で前記冷媒流通孔及び第２冷媒流路の一方から他方に前記冷媒を案内する第２冷媒案内流路を画定し、前記膜電極接合体の前記外周部は、前記第１及び第２ガス案内流路に挟持される部分の少なくとも一方の面に、前記第１及び第２ガス拡散層のそれぞれよりも薄い多孔質状の補強部材が設けられている、燃料電池によって達成できる。
【発明の効果】
【０００９】
厚みの増大を抑制しつつ膜電極接合体の耐久性を確保した燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１Ａ及び図１Ｂは、燃料電池セルである単セルをそれぞれアノード側及びカソード側から見た図である。
【図２】図２Ａは、図１ＡのＡ−Ａ断面図であり、図２Ｂは、図１ＡのＢ−Ｂ断面図である。
【図３】図３Ａは、図１ＡのＣ―Ｃ断面図であり、図３Ｂは比較例の断面図である。
【図４】図４は、第１変形例の単セルの断面図である。
【図５】図５Ａは、第２変形例の単セルの断面図であり、図５Ｂは、金属多孔体６０の正面図であり、図５Ｃは、エキスパンド部の拡大斜視図である。
【図６】図６は、第３変形例の単セルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１Ａ及び図１Ｂは、燃料電池セルである単セル１をそれぞれアノード側及びカソード側から見た図である。燃料電池は、単セル１が複数積層されることで構成される。この燃料電池は、反応ガスとしてカソードガスと称される酸化剤ガス（例えば酸素）とアノードガスと称される燃料ガス（例えば水素）との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。アノードガス及びカソードガスは、第１及び第２ガスの一例である。
【００１２】
図２Ａは、図１ＡのＡ−Ａ断面図であり、図２Ｂは、図１ＡのＢ−Ｂ断面図である。単セル１は、膜電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）１０、アノード側ガス拡散層２２ａ及びカソード側ガス拡散層２２ｃ（以下、拡散層と称する）、アノード側セパレータ３０ａ及びカソード側セパレータ３０ｃ（以下、セパレータと称する）、及び補強部材５０を含む。
【００１３】
ＭＥＡ１０は、略矩形状の電解質膜１１と、電解質膜１１の中央部の一方の面（図２Ａ及び図２Ｂにおいて、上側の面）及び他方の面（図２Ａ及び図２Ｂにおいて、下側の面）にそれぞれ形成されたアノード側触媒層１２ａ及びカソード側触媒層１２ｃ（以下、触媒層と称する）とを含む。即ち、触媒層１２ａ及び１２ｃは、電解質膜１１の外周部には形成されていない。触媒層１２ａ及び１２ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを、電解質膜１１に塗布することにより形成される。尚、電解質膜１１の外周部のカソード側の面の一部分に、補強部材５０が設けられている。補強部材５０については詳しくは後述する。
【００１４】
拡散層２２ａ及び２２ｃは、それぞれ触媒層１２ａ及び１２ｃに接合されている。尚、拡散層２２ａ及び２２ｃのＭＥＡ１０側には、不図示の撥水層が形成されている。拡散層２２ａ及び２２ｃ、及び撥水層は、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。撥水層は、拡散層２２ａ及び２２ｃと比べて、多孔質カーボン製部材の細孔が小さいため、ＭＥＡ１０内の水分を留めて電解質膜１１の乾燥による発電性能の低下を抑制する。
【００１５】
セパレータ３０ａ及び３０ｃは、拡散層２２ａ及び２２ｃと共にＭＥＡ１０を挟持している。セパレータ３０ａ及び３０ｃは、それぞれ、金属製の中央部３３ａ及び３３ｃ、中央部３３ａ及び３３ｃをそれぞれ囲う樹脂製の枠部３６ａ及び３６ｃを含む。中央部３３ａ及び３３ｃは、それぞれ、図２Ｂに示したように単セル１の短手方向に並んだ凹凸状の複数の溝が単セル１の長手方向に延びた形状であり、それぞれ金属板がプレス加工により複数の溝が形成されている。中央部３３ａ及び３３ｃは、それぞれ拡散層２２ａ及び２２ｃに部分的に接触して電気的に接続するとともに、中央部３３ａ及び拡散層２２ａの間及び中央部３３ｃ及び拡散層２２ｃの間でそれぞれアノードガス及びカソードガスが流通するアノードガス流路３４ａ及びカソードガス流路３４ｃ（以下、ガス流路と称する）が画定される。アノードガス及びカソードガスは、それぞれ第１及び第２ガスの一例である。
【００１６】
枠部３６ａ及び３６ｃは、それぞれ拡散層２２ａ及び２２ｃを囲うように開口部３７ａ及び３７ｃが形成されている。中央部３３ａ及び３３ｃは、それぞれ開口部３７ａ及び３７ｃを塞ぐように設けられている。詳しくは後述するが、枠部３６ａ及び３６ｃは電解質膜１１の外周部を挟持している。尚、セパレータ３０ａの製造方法は、例えば、金属板をプレス加工して凹凸状の複数の溝が形成された中央部３３ａを製造し、次に中央部３３ａを射出成形型にセットして樹脂を射出成型することにより中央部３３ａ周囲に枠部３６ｃを成形することにより行われる。セパレータ３０ｃの製造方法も同様である。
【００１７】
枠部３６ａ及び３６ｃの開口部３７ａ及び３７ｃの外側には、第１ガス連通孔ａ１及びａ２、第２ガス連通孔ｃ１及びｃ２、及び冷媒連通孔ｗ１及びｗ２（以下、孔と称する）が形成されている。セパレータ３０ａ及び３０ｃの一方の短辺側に孔ｃ１、ｗ２、及びａ２が形成され、他方の短辺側に孔ｃ２、ｗ１、及びａ１が形成されている。セパレータ３０ａ及び３０ｃにそれぞれ形成された孔ｃ１は、互いに連通してカソード入口マニホールドを画定する。同様に、セパレータ３０ａ及び３０ｃにそれぞれ形成された孔ｃ２、ａ１、ａ２、ｗ１、及びｗ２は、それぞれカソード出口マニホールド、アノード入口マニホールド、アノード出口マニホールド、冷媒入口マニホールド、冷媒出口マニホールドを画定する。
【００１８】
また、枠部３６ａの電解質膜１１側には、アノードガス案内流路ａ１２及びａ２１（以下、案内流路と称する）が画定される。案内流路ａ１２及びａ２１は、中央部３３ａを挟んだ反対側に位置している。案内流路ａ１２は、枠部３６ａに凹凸状に形成された複数の溝と、この複数の溝に対向した電解質膜１１の外周部の一部とにより画定される。案内流路ａ１２を画定する複数の溝は、孔ａ１から開口部３７ａに向けて間隔が徐々に広がるように延びている。案内流路ａ１２は、孔ａ１からガス流路３４ａにアノードガスを案内する。
【００１９】
同様に、案内流路ａ２１は、枠部３６ａに凹凸状に形成された複数の溝と、この複数の溝に対向した電解質膜１１の外周部の一部とにより画定される。案内流路ａ２１を画定する複数の溝は、開口部３７ａから孔ａ２に向けて間隔が徐々に狭くなるように延びている。案内流路ａ２１は、ガス流路３４ａから孔ａ２にアノードガスを案内する。従ってアノードガスは、案内流路ａ１２により孔ａ１からガス流路３４ａに分配され、案内流路ａ２１によりガス流路３４ａから孔ａ２で合流している。
【００２０】
また、枠部３６ｃの電解質膜１１側には、カソードガス案内流路ｃ１２及びｃ２１（以下、案内流路と称する）が画定される。案内流路ｃ１２及びｃ２１は、中央部３３ａを挟んだ反対側に位置している。案内流路ｃ１２は、枠部３６ｃに凹凸状に形成された複数の溝と、この複数の溝に対向した補強部材５０とにより画定される。案内流路ｃ１２を画定する複数の溝は、孔ｃ１から開口部３７ｃに向けて間隔が徐々に広がるように延びている。案内流路ｃ１２は、孔ｃ１からガス流路３４ｃにカソードガスを案内する。
【００２１】
同様に、案内流路ｃ２１は、枠部３６ｃに凹凸状に形成された複数の溝と、この複数の溝に対向した補強部材５０とにより画定される。案内流路ｃ２１を画定する複数の溝は、開口部３７ｃから孔ｃ２に向けて間隔が徐々に狭くなるように延びている。案内流路ｃ２１は、ガス流路３４ｃから孔ｃ２にカソードガスを案内する。従ってカソードガスは、案内流路ｃ１２により孔ｃ１からガス流路３４ｃに分配され、案内流路ｃ２１によりガス流路３４ｃから孔ｃ２で合流している。
【００２２】
案内流路ａ１２及びｃ２１は、電解質膜１１の外周部の一部及び補強部材５０を介して対向しており、同様に案内流路ａ２１及びｃ１２も電解質膜１１の外周部の一部及び補強部材５０を介して対向している。案内流路ａ１２及びｃ２１は、第１及び第２ガス案内流路の一例であり、同様に案内流路ａ２１及びｃ１２も、第１及び第２ガス案内流路の一例である。詳しくは後述する。
【００２３】
ここで、孔ａ１及びｃ１は、図１Ａ及び１Ｂに示すように、ＭＥＡ１０を介して互いに反対側に位置し、孔ａ２及びｃ２もＭＥＡ１０を介して互いに反対側に位置している。このため、アノードガス及びカソードガスはＭＥＡ１０を挟んで互いに逆方向に流れる。
【００２４】
枠部３６ａの案内流路ａ１２及びａ２１の反対側には、それぞれ冷媒案内流路ｗ１２及びｗ２１（以下、案内流路と称する）が画定される。同様に、枠部３６ｃの案内流路ｃ１２及びｃ２１の反対側には、それぞれ冷媒案内流路ｗ２１及びｗ１２（以下、案内流路と称する）が画定される。
【００２５】
ここで、図２Ａ及び図２Ｂにおいては単セル１のみを示しているが、実際には燃料電池は単セル１が複数積層されて構成される。従って、図２Ａ及び図２Ｂに示しているセパレータ３０ａの上方側に、不図示の他の単セルのカソード側セパレータが配置される。これらの間で冷媒が流通する流路が画定され、冷媒は孔ｗ１から案内流路ｗ１２を介して冷媒流路３５ａに流通し、案内流路ｗ２１を介して孔ｗ２へと排出される。同様に、図２Ａ及び図２Ｂに示しているセパレータ３０ｃの下方側に不図示の他の単セルのアノード側セパレータが配置される。従って、冷媒は枠部３６ａ及び３６ｃの案内流路ｗ１２により孔ｗ１から冷媒流路３５ａ及び３６ａに分配され枠部３６ａ及び３６ｃの案内流路ｗ２１により孔ｗ２で合流する。
【００２６】
尚、枠部３６ａ及び３６ｃの案内流路ｗ１２を画定する凹凸状の複数の溝は、それぞれ、孔ｗ１から開口部３７ａ及び３７ｃに向けて間隔が徐々に広くなるように延びている。枠部３６ａ及び３６ｃの案内流路ｗ２１を画定する凹凸状の複数の溝は、それぞれ開口部３７ａ及び３７ｃから孔２に向けて間隔が徐々に狭くなるように延びている。
【００２７】
図１Ａ及び図２Ａに示すように、枠部３６ａには両側にそれぞれ案内流路ａ２１及びｗ２１が画定されている部分と、案内流路ａ１２及びｗ１２が画定されている部分とがある。また、図１Ａに示すように、案内流路ａ２１及びｗ２１が延びる方向は互いに異なっており、案内流路ａ１２及びｗ１２についても同様である。このため、案内流路ａ２１及びｗ２１をそれぞれ画定する溝は、図２Ａに示すように枠部３６ａの厚み方向に間隔を開けて設けられており、案内流路ａ２１及びｗ２１が画定される部分では、中央部３３ａよりも厚く形成されている。案内流路ａ１２及びｗ１２についても同様である。同様に、枠部３６ｃの案内流路ｃ１２及びｗ２１が画定される部分と、案内流路ｃ２１及びｗ１２が画定される部分とについても、中央部３３ｃよりも厚く形成されている。
【００２８】
図３Ａは、図１ＡのＣ―Ｃ断面図である。図２Ａ及び図３Ａに示すように、電解質膜１１の外周部のうち、案内流路ａ２１及びｃ１２に挟持される部分、及び案内流路ａ１２及びｃ２１に挟持される部分に、多孔質状の補強部材５０が設けられている。補強部材５０は、電解質膜１１の中央部を除く外周部のカソード側の面の一部に設けられており、薄いシート状である。補強部材５０は、案内流路ａ２１及びｃ１２に挟持される部分と、案内流路ａ１２及びｃ２１に挟持される部分とに設けられているが、これに限定されず、例えば拡散層２２ｃの周囲を囲うように枠状であってもよい。補強部材５０は、例えばチタンやステンレス及びカーボンを含む材料により形成された発泡焼結体であるがこれに限定されず、金属製の繊維をメッシュ状に加工したものや、金属板を切り曲げ加工したものであってもよい。
【００２９】
図３Ｂは、比較例の断面図である。比較例では、補強部材５０は設けられておらず、電解質膜１１は案内流路ａ２１及びｃ１２の凸部同士に直接挟持される部分と、案内流路ａ２１及びｃ１２の少なくとも一方が凹部であり面圧が作用しない部分とが交互に並ぶ。この状態で電解質膜１１が膨潤及び収縮を繰り返すことにより、凸部に挟持された部分は膨潤及び収縮がし難い一方で面圧が作用しない部分だけば膨潤及び収縮を繰り返して、電解質膜１１の所定の個所に繰り返し応力が作用して電解質膜１１の耐久性が低下する恐れがある。案内流路ａ１２及びｃ２１に挟持される電解質膜１１の部分についても同様である。
【００３０】
本実施例では図２Ａ及び図３Ａに示したように、電解質膜１１は補強部材５０により補強されている。このため、図３Ｂに示すような電解質膜１１の膨潤収縮の繰り返しによる局所での応力集中が緩和され、電解質膜１１の耐久性、即ちＭＥＡ１０の耐久性が確保されている。また、案内流路ａ２１及びｃ１２の間と案内流路ａ１２及びｃ２１の間には、拡散層２２ａ及び２２ｃの何れも存在していない。これにより単セル１の厚みの増大が抑制されている。
【００３１】
また、補強部材５０は多孔質状であるため、案内流路ａ２１及びｃ１２をそれぞれ流通するアノードガス及びカソードガスとの間で補強部材５０及び電解質膜１１を介して水が透過する。ここで、上述したようにアノードガス及びカソードガスは、ＭＥＡ１０を介して互いに反対方向に流れ、案内流路ａ２１は、案内流路ａ１２よりアノードガスの下流側に位置し、案内流路ｃ１２は、案内流路ｃ２１よりカソードガスの上流側に位置する。ここで、ＭＥＡ１０の発電により生成された水分はアノードガス及びカソードガスの下流側へ流通するため、アノード側及びカソード側に存在する水分量はアノードガス及びカソードガスの下流側で多いが上流側では少なくなる。このため、アノードガス及びカソードガスのそれぞれの上流側で、電解質膜１１の最適な湿潤状態よりも乾燥した状態となる恐れがある。
【００３２】
しかしながら本実施例では、アノードガスの下流側に位置する案内流路ａ２１とカソードガスの上流側に位置する案内流路ｃ１２とが電解質膜１１と多孔質状の補強部材５０とを介して対向している。これにより、案内流路ａ２１から電解質膜１１及び補強部材５０を介して案内流路ｃ１２への水分の透過を確保することができ、電解質膜１１のカソード側の上流側を最適な湿潤状態に維持することができる。同様に、案内流路ｃ２１から電解質膜１１及び補強部材５０を介して案内流路ａ１２への水分の透過を確保することができ、電解質膜１１のアノード側の上流側を最適な湿潤状態に維持することができる。これにより、ＭＥＡ１０の発電効率の低下が抑制されている。
【００３３】
また、上述したように本実施例では、電解質膜１１の外周部であって枠部３６ａ及び３６ｃに挟持される部分には、触媒層１２ａ及び１２ｃは形成されていない。このため、触媒層１２ａ及び１２ｃの面積増大に伴って白金の使用量の増大することが抑制されるため、単セル１の製造コストの増大が抑制されている。
【００３４】
次に、変形例について説明する。図４は、第１変形例の単セル１ａの断面図である。図４は、図２Ａに対応している。尚、上述した実施例と同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
【００３５】
補強部材５０ａは、電解質膜１１のカソード側のほぼ全面に接着され、拡散層２２ａ及び２２ｃ何れよりも薄いシート状である。補強部材５０ａの基材は、テフロン（登録商標）等のフッ素系樹脂とカーボン粒子の細孔層からなり、更にフッ素系イオン交換樹脂と、平均繊維径が１〜３０μｍであるカーボンファイバーが含まれている。ここで補強部材５０ａは、第１実施例における撥水層としても機能するため、カソード拡散層２２ｃに撥水層を備える必要がない。本例においては、アノード側には撥水層の機能を有する補強部材５０ａを備えないため、アノード拡散層２２ａには不図示の撥水層を備える。フッ素系イオン交換樹脂は、電解質膜１１の材料であるイオン交換樹脂との接着性、及び触媒層１２ｃとの接着性が良好であるため、補強部材５０ａとＭＥＡ１０との接着性が確保されている。また、フッ素系イオン交換樹脂にはカーボンファイバーが含まれているため、補強部材５０ａの剛性が確保されている。フッ素系イオン交換樹脂は、多孔質状であるため水分の透過性も確保されている。
【００３６】
このように、補強部材５０ａは電解質膜１１のカソード側のほぼ全面に設けられ拡散層２２ａ及び２２ｃ何れよりも薄いため、ＭＥＡ１０の耐久性を確保しつつ単セル１ａの厚みの増大が抑制されている。また、補強部材５０ａは水分の透過性も確保されているため、電解質膜１１のカソード側の上流側及びアノード側の上流側を最適な湿潤状態に維持することができる。また、補強部材５０ａにカーボンファイバーが含まれ拡散層２２ｃとＭＥＡ１０との間に設けられているため、拡散層２２ｃのカーボンファイバーが電解質膜１１を貫通することを抑制できる。
【００３７】
尚、カーボンファイバーは、例えばＰＡＮ系カーボンファイバー、ピッチ系カーボンファイバー等が挙げられる。カーボンファイバーの形態としては、チュップドファイバー、ミルドファイバー等が挙げられる。また、ＭＥＡ１０と補強部材５０ａとの接着は、例えばホットプレス法等により行われる。
【００３８】
また、第１変形例においても、電解質膜１１の外周部には触媒層１２ａ及び１２ｃは形成されていないため、単セル１ａの製造コストの増大が抑制されている。また、電解質膜１１の外周部は触媒層１２ｃを介さずに直接補強部材５０ａに接着されており、電解質膜１１と補強部材５０ａとの接着性が確保されている。
【００３９】
尚、補強部材５０ａは、電解質膜１１の中央部には設けられておらず、案内流路ａ２１及びｃ１２により挟持される部分、及び案内流路ａ１２及びｃ２１により挟持される部分にのみ設けられていてもよい。これによっても電解質膜１１を補強できるからである。
【００４０】
図５Ａは、第２変形例の単セル１ｂの断面図である。図５Ａは、図２Ａ及び図４に対応している。第１変形例とは異なり第２変形例では、補強部材５０ａ及び拡散層２２ｃの代わりに撥水シート５０ｂ及び金属多孔体６０が設けられている。また、撥水シート５０ｂは、形状及び大きさは補強部材５０ａと同じであるが、カーボンファイバーが含まれていない。即ち、撥水シート５０ｂは補強部材５０ａと比較して剛性が確保されていない。撥水シート５０ｂは、上述した実施例における撥水層として機能する。電解質膜１１は、撥水シート５０ｂを介して金属多孔体６０と接着している。
【００４１】
金属多孔体６０は、導電性を有したステンレス又はチタン等の金属製の多孔質状であり、枠部３６ｃの開口部３７ｃ内に位置したエキスパンド部６２、案内流路ａ２１及びｃ１２の間に位置したパンチング部６１、及び案内流路ａ１２及びｃ２１の間に位置したパンチング部６３、を含む。図５Ｂは、金属多孔体６０の正面図である。エキスパンド部６２は、パンチング部６１及び６３の間に位置し、切り曲げ加工によりパンチング部６１及び６３よりも厚く形成され、拡散層２２ａと略同じ厚みである。パンチング部６１及び６３の厚みは略同じであり、エキスパンド部６２及び拡散層２２ａのそれぞれよりも薄く、パンチングにより複数の孔が形成されている。
【００４２】
上述したように撥水シート５０ｂは補強部材５０ａと比較して剛性が確保されていないが、案内流路ａ２１及びｃ１２の間で撥水シート５０ｂにパンチング部６１が接着され、案内流路ａ１２及びｃ２１の間で撥水シート５０ｂにパンチング部６３が接着している。従って、パンチング部６１及び６３により、ＭＥＡ１０の耐久性が確保されている。このように、パンチング部６１及び６３は、補強部材として機能する。また、パンチング部６１及び６３のそれぞれの厚みは、エキスパンド部６２及び拡散層２２ａの何れよりも薄いため、単セル１ｂの厚みの増大が抑制されている。また、パンチング部６１及び６３は多孔質状であるため、電解質膜１１のカソード側の上流側及びアノード側の上流側を最適な湿潤状態に維持することができる。
【００４３】
図５Ｃは、エキスパンド部６２の拡大斜視図である。エキスパンド部６２は、亀甲型のメッシュが互い違いに配置されており、ＭＥＡ１０側を流れるカソードガスとセパレータ３０ｃ側を流れるカソードガスが互いに連通する孔が複数設けられている。メッシュは、金属板を送りながら金型によって一段ずつ切れ込みを入れる切り曲げ加工により形成される。切り曲げ加工により形成された隙間を通してカソード触媒層にカソードガスが拡散供給される。したがって、エキスパンド部６２は、ガス拡散層として機能する。ここで、金属多孔体６０は、エキスパンド部６２とパンチング部６１及び６３とが一体に形成されているため、ガス拡散層と補強部材との機能を有し、部品点数が削減されている。
【００４４】
尚、金属多孔体６０と撥水シート５０ｂとは、撥水シート５０ｂの基材であるフッ素系イオン交換樹脂により接着されている。例えば金属多孔体６０の接着面はブラスト処理により粗面加工が施され、ホットプレスにより撥水シート５０ｂと接着されている。また、撥水シート５０ｂには電解質アイオノマが含まれているため、金属多孔体６０の接着面をプラズマ処理等の親水化処理が施され、ホットプレスにより撥水シート５０ｂと接着される。また、金属多孔体６０の接着面に親水化処理を施し、アイオノマ溶液を金属多孔体６０の接着面に塗布して、撥水シート５０ｂを貼り付けて乾燥させることにより接着してもよい。
【００４５】
また、第２変形例においても、電解質膜１１の外周部には触媒層１２ａ及び１２ｃは形成されていないため、単セル１ｂの製造コストの増大が抑制されている。また、電解質膜１１の外周部は触媒層１２ｃを介さずに直接撥水シート５０ｂに接着されており、電解質膜１１と撥水シート５０ｂとの接着性が確保されている。
【００４６】
図６は、第３変形例の単セル１ｃの断面図である。尚、図６は、図２Ａ、図４、及び図５Ａに対応している。第３変形例の中央部３３ｃｃは、前述した中央部３３ｃとは異なり、凹凸は形成されていない平板状である。また、金属多孔体６０ｃのエキスパンド部６２ｃは、中央部３３ｃｃに接触しており、中央部３３ｃｃが平板状である分、第２変形例の金属多孔体６０のエキスパンド部６２よりも厚く形成されている。
【００４７】
また、セパレータ３０ｃｃの枠部３６ｃｃには、案内流路ｗ１２及びｗ２１を画定する凹凸状の複数の溝は形成されておらず、上記実施例及び変形例の案内流路ｗ１２及びｗ２１が形成されている部分は平坦である。このため、セパレータ３０ｃｃは、第２変形例のセパレータ３０ｃよりも薄く形成されている。但し、セパレータ３０ａには案内流路ｗ１２及びｗ２１が形成されており、図６では図示していないが図６の単セル１ｃの下方側に積層される不図示の他の単セルのアノード側セパレータの冷媒案内流路と、単セル１ｃのセパレータ３０ｃｃとにより、冷媒が流通する案内流路が画定され、単セル１ｃの中央部３３ｃｃのＭＥＡ１０とは反対側に冷媒流路３５ｃが画定される。また、中央部３３ｃｃのＭＥＡ１０側でありエキスパンド部６２ｃ内でガス流路３４ｃが画定される。
【００４８】
このような構成においても、単セル１ｃの厚みを抑制しつつＭＥＡ１０の耐久性が確保され、電解質膜１１のカソード側の上流側及びアノード側の上流側を最適な湿潤状態に維持することができる。
【００４９】
また、第３変形例において、カソード側のセパレータ３０ｃｃが凹凸状ではなく平板である点、枠部３６ｃｃに第２冷媒流路に相当する溝が設けられていない点が、第２変形例と異なる。ここで、エキスパンド部６２ｃは第２ガス拡散層の機能を兼ね備える。第３変形例においても、電解質膜１１の外周部には触媒層１２ａ及び１２ｃは形成されていないため、単セル１ｃの製造コストの増大が抑制されている。また、電解質膜１１の外周部は触媒層１２ｃを介さずに直接撥水シート５０ｂに接着されており、電解質膜１１と撥水シート５０ｂとの接着性が確保されている。
【００５０】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【００５１】
上記実施例及び変形例において、電解質膜１１の外周部であって枠部３６ａ及び３６ｃに挟持される部分にまで触媒層１２ａ及び１２ｃを形成してもよい。この場合、枠部３６ａ及び３６ｃの触媒層１２ａ及び１２ｃを挟持する部分を、カーボンブラックやグラファイト、又は金属の粉末や繊維が分散された樹脂により製造することにより、導電性を確保して、電解質膜１１の発電可能な面積を確保することもできる。
【００５２】
尚、上記実施例及び変形例では、補強部材５０及び５０ａ、パンチング部６１及び６３、金属多孔体６０及び６０ｃはカソード側に設けられているが、アノード側に設けられていてもよい。尚、金属多孔体６０ｃをアノード側に設ける場合、カソード側ではなくアノード側に平板状の中央部を有したセパレータを配置しカソード側には凹凸状の中央部を有したセパレータを配置する必要がある。また、補強部材５０及び５０ａは、カソード側及びアノード側の双方に設けられていてもよい。
【００５３】
上記実施例及び変形例では、拡散層２２ａ及び２２ｃの何れも枠部３６ａ及び３６ｃに挟持されないが、拡散層２２ａ及び２２ｃの一方のみが枠部３６ａ及び３６ｃに挟持されてもよい。また、上記実施例及び変形例では、アノードガス及びカソードガスはＭＥＡ１０を挟んで互いに逆方向に流れるが、同一方向に流れる構成であってもよい。
【００５４】
第２及び第３変形例において、撥水シート５０ｂの代わりに補強部材５０ａを用いてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ  単セル
１０  膜電極接合体（ＭＥＡ）
１１  電解質膜
１２ａ  アノード側触媒層（触媒層）
１２ｃ  カソード側触媒層（触媒層）
２２ａ  アノード側ガス拡散層（ガス拡散層）
２２ｃ  カソード側ガス拡散層（ガス拡散層）
３０ａ  アノード側セパレータ（第１セパレータ）
３０ｃ  カソード側セパレータ（第２セパレータ）
３３ａ、３３ｃ  中央部（第１及び第２中央部）
３４ａ  アノードガス流路
３４ｃ  カソードガス流路
３５ａ、３５ｃ  冷媒流路
３６ａ、３６ｃ  枠部（第１及び第２枠部）
５０、５０ａ  補強部材
５０ｂ  撥水シート
６０、６０ｃ  金属多孔体
６１、６３  パンチング部
６２  エキスパンド部
ａ１、ａ２  アノードガス連通孔
ｃ１、ｃ２  カソードガス連通孔
ｗ１、ｗ２  冷媒連通孔
ａ１２、ａ２１、ｃ１２、ｃ２１  ガス案内流路
ｗ１２、ｗ２１  冷媒案内流路
【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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