(57)【要約】【課題】ガス拡散層と充填材との固着を抑制することを目的とする。【解決手段】枠状のシール部２５０と、前記シール部２５０の枠内に配置されている膜電極接合体と、前記シール部の枠内において前記膜電極接合体の両面に配置され、前記シール部と隣接する外縁部が平滑処理されているアノード側ガス拡散層２２２、カソード側ガス拡散層２２４と、前記シール部２５０の枠内において前記アノード側ガス拡散層２２２上の前記外縁部を除いた部分の上に前記シール部２５０の内壁と所定の間隔を空けて配置されているアノード側多孔体２３２と、前記アノード側ガス拡散層２２２の外縁部上、かつ、前記アノード側多孔体２３２の外壁に沿って配置されているアノード側充填材２４２を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電体であって、
枠状のシール部と、
前記シール部の枠内に配置されている膜電極接合体と、
前記シール部の枠内において前記膜電極接合体の両面に配置され、前記シール部と隣接する外縁部が平滑処理されているガス拡散層と、
前記シール部の枠内において前記ガス拡散層上の前記外縁部を除いた部分の上に配置されている多孔体と、
前記ガス拡散層の外縁部上、かつ、前記多孔体の周りに配置されている充填材と、
を備える、発電体。
【請求項２】
請求項１に記載の発電体において、
前記ガス拡散層は複数の空隙を有し、
前記複数の空隙のうち前記充填材と接触する部分の表面の空隙が前記充填材と異なる空隙充填材で充填されている、発電体。
【請求項３】
請求項２に記載の発電体において、
前記空隙充填材は、撥水ペースト、高分子電解質、樹脂のいずれかである、発電体。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の発電体を備える、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し、特に、燃料電池の発電体の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
多孔体流路とガスケット一体型膜・電極・ガス拡散層接合体を用いる燃料電池では、部品の加工精度あるいは組み立て時のバラツキを緩和するため、多孔体流路をガスケットから少し隙間を空けて配置している。この隙間部分は通気抵抗が低いため反応ガスは優先的にこの隙間部分に流れるが、この隙間部分を流れる反応ガスは燃料電池の発電に寄与しない。したがって、この隙間部分が大きいと発電に寄与する反応ガスが少なくなり、燃料電池の発電効率を高めることができなかった。従来は、この問題を解決するために、この隙間部分に充填材を入れることにより、この隙間部分に反応ガスが流れにくくなるようにしていた（特許文献１）
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１８３２１０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、従来技術によれば、充填材はガス拡散層に隣接して配置されている。一方、ガス拡散層は一般的に反応ガスを拡散するためにポーラス構造を有している。したがって、燃料電池締結時の圧力により、充填材がガス拡散層のポーラス構造の空隙部分に入り込む場合があった。この結果、ガス拡散層と充填材との接触面積が大きくなることによりガス拡散層と充填材の間の分子間力が大きくなること、あるいは充填材がガス拡散層の凹凸や空隙に侵入したあと硬化することにより接着性を増すアンカー効果が発生することなどの理由により、ガス拡散層と充填材とが強く接着していた。したがって、たとえば燃料電池を整備のために分解しようとすると、ガス拡散層と充填材とを容易に分離できずガス拡散層を破損してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は上記課題の少なくとも１つを解決するためになされたものであり、ガス拡散層と充填材との固着を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の少なくとも１つを解決するために、本発明の第１の態様に係る発電体は、枠状のシール部と、前記シール部の枠内に配置されている膜電極接合体と、前記シール部の枠内において前記膜電極接合体の両面に配置され、前記シール部と隣接する外縁部が平滑処理されているガス拡散層と、前記シール部の枠内において前記ガス拡散層上の前記外縁部を除いた部分の上に配置される多孔体と、前記ガス拡散層の外縁部上、かつ、前記多孔体の周りに配置されている充填材とを備える。本発明の第１の態様に係る発電体によれば、ガス拡散層の平滑処理されている外縁部上に充填材が配置されているので、燃料電池組み立て時の締結力が加えられても、充填材はガス拡散層のポーラス構造の空隙部分に入り込みにくい。その結果、ガス拡散層と充填材との接着面積を小さくできるのでガス拡散層と充填材との間の分子間力を小さくできる、また、アンカー効果も発生しにくい。したがって、ガス拡散層と充填材との固着を抑制できる。
【０００７】
本発明の第１の態様に係る発電体において、前記ガス拡散層はガスを拡散するための空隙を有し、前記空隙のうち前記充填材と接触する部分の表面の空隙が前記充填材と異なる空隙充填材で充填されているのが好ましい。ガス拡散層は、一般的に反応ガスを拡散するために空隙を有している。この場合には、前記空隙のうち前記充填材と接触する部分の表面の空隙は前記充填材と異なる空隙充填材で充填され、平滑処理されている。したがって、充填材はガス拡散層のポーラス構造の空隙部分に入り込みにくい。その結果、ガス拡散層と充填材との間の接着面積を小さくできるのでガス拡散層と充填材の間の分子間力を小さくできる。また、アンカー効果も発生しにくい。なお、ガス拡散層の空隙を充填材と異なる空隙充填材で埋めるのは、同じ材料の間では一般的に親和し易く、空隙充填材と充填材とが固着する恐れがあるが、ガス拡散層の空隙を充填材と異なる空隙充填材で埋めることにより空隙充填材と充填材との固着を抑制できるからである。
【０００８】
本発明の第１の態様に係る発電体において、前記空隙充填材は、撥水ペースト、高分子電解質、樹脂のいずれかであるのが好ましい。この場合には、空隙充填材として撥水ペースト、高分子電解質、樹脂を用いるのでガス拡散層と充填材との間を固着しにくくできる。
【０００９】
本発明の第２の態様に係る燃料電池は、上記記載の発電体を備える。本発明の第２の態様に係る燃料電池によれば、ガス拡散層と充填材との固着を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を用いて本実施例に係る燃料電池の外観について説明する。図１は、本実施例に係る燃料電池の外観を模式的に示す斜視図である。
【００１１】
燃料電池１００は発電体２００とセパレータ３００とが交互に積層されて構成される。本実施例では、燃料電池１００は図面右側（ｘ軸プラス側）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールド１１０と冷却水を供給する冷却水供給マニホールド１５０を備える。燃料電池１００は図面左側（ｘ軸マイナス側）に未反応の燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールド１２０と冷却水を排出する冷却水排出マニホールド１６０を備える。燃料電池１００は図面下方（ｙ軸マイナス側）に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールド１３０と、図面上法（ｙ軸プラス側）に未反応の酸化ガスおよび電気化学反応により生成した水を排出するための酸化ガス排出マニホールド１４０を備える。これらのマニホールド１１０〜１６０は、燃料電池１００の内部を積層方向（ｚ軸方向）に貫通する。
【００１２】
図２から図５を用いて、本実施例に係る燃料電池について説明する。図２は、本実施例に係る燃料電池を構成する部材を順に並べた分解平面図である。図２（ａ）はカソード対向プレート３２０、図２（ｂ）は中間プレート３３０、図２（ｃ）はアノード対向プレート３１０、図２（ｄ）はアノード側充填材２４２、図２（ｅ）はアノード側多孔体２３２、図２（ｆ）はフレーム４００、図２（ｇ）はカソード側多孔体２３４、図２（ｈ）はカソード側充填材２４４を示す。図３は図２に示す燃料電池の各構成部材を積層し、１−１線により切断した断面を模式的に示す断面図である。である。図４は図３のＡ部分を拡大した拡大図である。図５は図４のＢ部分を拡大した拡大図である。
【００１３】
燃料電池１００は発電体２００と発電体２００の両面に配置されるセパレータ３００を備える。
【００１４】
発電体２００は、電解質膜２１０と、電解質膜２１０のアノード側に形成されるアノード側触媒層２１２および電解質膜２１０のカソード側に形成されるカソード側触媒層２１４と、アノード側触媒層２１２の上に配置されるアノード側ガス拡散層２２２およびカソード側触媒層２１４の上に配置されるカソード側ガス拡散層２２４と、アノード側ガス拡散層２２２の上に配置されるアノード側多孔体２３２およびカソード側ガス拡散層２２４の上に配置されるカソード側多孔体２３４と、電解質膜２１０を支持するフレーム４００と、フレーム４００の上に配置されるガスケット２５０と、アノード側ガス拡散層２２２上であってアノード側多孔体２３２およびガスケット２５０の間に配置されるアノード側充填材２４２およびカソード側ガス拡散層２２４の上であってカソード側多孔体２３４とガスケット２５０の間に配置されるカソード側充填材２４４と、を備える。
【００１５】
電解質膜２１０は、アノード側触媒層２１２からカソード側触媒層２１４に水素イオン（プロトン）を移動させるための略四角形状をした膜である。本実施例では、電解質膜２１０として、固体高分子材料、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂からなるイオン交換膜を用いている。電解質膜２１０は一方の面にアノード側触媒層２１２を形成し、他面にカソード側触媒層２１４を形成している。
【００１６】
アノード側触媒層２１２あるいはカソード側触媒層２１４は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒をカーボンに担持した触媒を備える層である。アノード側触媒層２１２およびカソード側触媒層２１４は、電解質膜２１０の外縁部を除いた部分に形成される。電解質膜２１０とアノード側触媒層２１２およびカソード側触媒層２１４とを合わせて膜電極接合体という場合もある。
【００１７】
アノード側ガス拡散層２２２は燃料電池に用いる燃料ガスを拡散するための部材であり、アノード側触媒層２１２の上に配置される。カソード側ガス拡散層２２４は、燃料電池１００に用いる酸化ガスを拡散するための部材であり、カソード側触媒層２１４の上に配置される。本実施例では、アノード側ガス拡散層２２２およびカソード側ガス拡散層２２４として、カーボン繊維を織ったカーボンクロスやカーボンペーパーを用いている。したがって、アノード側ガス拡散層２２２およびカソード側ガス拡散層２２４は、カーボン繊維間に多数の空隙を有するポーラス構造を有している。燃料ガスはアノード側ガス拡散層２２２を流れながら拡散し、アノード側触媒層２１２に移動する。一方、酸化ガスはカソード側ガス拡散層２２４を流れながら拡散し、カソード側触媒層２１４に移動する。
【００１８】
アノード側ガス拡散層２２２の外縁部は、ポーラス構造の空隙に撥水ペーストあるいは高分子電解質あるいは樹脂等の空隙充填材２２３が充填され、アノード側充填層２２２ａを形成している。アノード側充填層２２２ａのアノード側充填材２４２と接する面の表面はポーラス構造の空隙が空隙充填材２２３により埋められて平滑処理されているので表面積が小さい。したがって、アノード側ガス拡散層２２２とアノード側充填材２４２との間の接触面積を小さくすることができる。その結果、アノード側ガス拡散層２２２とアノード側充填材２４２との間の分子間力を小さくできる。また、アノード側ガス拡散層２２２のポーラス構造の空隙は空隙充填材２２３により充填されているので、燃料電池を組み立てるための締結圧力が加えられても、ポーラス構造の空隙にアノード側充填材２４２が入り込みにくい。したがって、アンカー効果が発生しにくい。以上の結果、アノード側ガス拡散層２２２とアノード側充填材２４２の固着を抑制することができる。
【００１９】
なお撥水ペーストは水をはじくため、高分子電解質は燃焼電池の電解質膜２１０に使われる材料と同じため、また、樹脂は水に溶けないため、燃料電池に例えば触媒毒のような悪影響を与えない。
【００２０】
なお、アノード側充填材２４２の材料と、アノード側ガス拡散層２２２のポーラス構造に充填される空隙充填材２２３の材料とは異なる材料であることが好ましい。同じ材料を用いる場合、同じ材料間では一般的に親和力があるため、燃料電池の組み立て時の締結圧力により、アノード側充填材２４２と空隙充填材２２３とが接着し易くなる。そうなると、例えばアンカー効果が発生し、アノード側ガス拡散層２２２とアノード側充填材２４２とが強く固着し、分離が困難になる恐れがある。したがって、アノード側充填材２４２の材料とアノード側ガス拡散層２２２のポーラス構造に充填される空隙充填材２２３の材料とを異なる材料にすることが好ましい。なお、本実施例では、アノード側充填材２４２としてゲル状の樹脂を用い、空隙充填材２２３として、例えば熱可塑性の樹脂を用いることにより材料を異ならせ、相互に固着しにくくしている。
【００２１】
アノード側ガス拡散層２２２への空隙充填材２２３として熱可塑性の樹脂を用いる場合、熱可塑性の樹脂を加熱溶解することにより、アノード側ガス拡散層２２２に容易に充填することができ、表面に平滑処理を施すことができる。
【００２２】
なお、カソード側についてもアノード側と同様の構造のカソード側ガス拡散層２２４を備えている。カソード側ガス拡散層２２４の構造についてはアノード側ガス拡散層２２２の構造と同じであるため、説明を省略する。
【００２３】
アノード側多孔体２３２は燃料電池１００に用いる燃料ガスの流路を形成するための略長方形状の部材である。アノード側多孔体２３２は、例えば金属製の多孔体であり、アノード側ガス拡散層２２２の外縁部を除いた部分上に、フレーム４００と間隔を空けて配置される。本実施例では、すなわち、アノード側多孔体２３２は、アノード側ガス拡散層２２２の大きさよりも小さく作られている。これはアノード側多孔体２３２とフレーム４００の部材の加工精度のバラツキによる相互干渉を避けるためである。その結果、アノード側多孔体２３２とフレーム４００の間には隙間が生じる。なお、カソード側についても、アノード側多孔体２３２と同様な構造のカソード側多孔体２３４が配置される。
【００２４】
フレーム４００は、中央部に電解質膜２１０を支持するため開口部と、外縁部に図１で説明した各種マニホールドを形成するための開口部（燃料ガス供給マニホールド孔４１２、燃料ガス排出マニホールド孔４２２、酸化ガス供給マニホールド孔４３２、酸化ガス排出マニホールド孔４４２、冷却水供給マニホールド孔４５２、冷却水排出マニホールド孔４６２）を有する略長方形状の板状部材である。本実施例において、フレーム４００は樹脂材料でできており、例えば射出成形により、電解質膜２１０と一体に形成される。
【００２５】
ガスケット２５０は、フレーム４００の両面において、フレーム４００の開口部を囲うように配置されるリング状のシール部材である。本実施例において、ガスケット２５０はシリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料により構成される。燃料電池を組み立てるときの締結圧力により、ガスケット２５０はフレーム４００およびセパレータ３００に密着し、反応ガスが燃料電池１００の外に漏れることを抑制する。
【００２６】
アノード側充填材２４２は、アノード側多孔体２３２とガスケット２５０の間に、アノード側ガス拡散層２２２とアノード側多孔体２３２に接するように配置される枠状のシール部材である。本実施例では、アノード側充填材２４２の内壁の大きさは、アノード側多孔体２３２の大きさと同じである。また、本実施例では、アノード側充填材２４２として、例えば、ゲル状の樹脂を用いている。アノード側充填材２４２としてゲル状の樹脂を用いることによりにより、例えば、アノード側ガス拡散層２２２およびアノード側多孔体２３２との密着を高めることができる。なお、同様に、カソード側多孔体２３４とガスケット２５０の間に、カソード側充填材２４４が配置される。
【００２７】
本実施例では、セパレータ３００として、アノード対向プレート３１０とカソード対向プレート３２０と中間プレート３３０を備える３層構造のセパレータを用いている。
【００２８】
アノード対向プレート３１０は、アノード側多孔体２３２の上に配置される略四角形状の金属製の平板である。アノード対向プレート３１０は周辺部に図１に示す各種マニホールドを形成するための開口部（燃料ガス供給マニホールド孔３１２、燃料ガス排出マニホールド孔３２２、酸化ガス供給マニホールド孔３３２、酸化ガス排出マニホールド孔３４２、冷却水供給マニホールド孔３５２、冷却水排出マニホールド孔３６２）を有する。アノード対向プレートは、さらに、燃料ガスをアノード側多孔体２３２に導くための燃料ガス供給孔３１６と、未反応の燃料ガスをアノード側多孔体２３２から排出するための燃料ガス排出孔３２６を有する。
【００２９】
カソード対向プレート３２０は、カソード側多孔体２３４の上に配置される略四角形状の金属製の平板である。カソード対向プレート３２０は周辺部に図１に示す各種マニホールドを形成するための開口部（燃料ガス供給マニホールド孔３１２、燃料ガス排出マニホールド孔３２２、酸化ガス供給マニホールド孔３３２、酸化ガス排出マニホールド孔３４２、冷却水供給マニホールド孔３５２、冷却水排出マニホールド孔３６２）を有する。アノード対向プレートは、さらに、酸化ガスをカソード側多孔体２３４に導くための酸化ガス供給孔３３６と、未反応の酸化ガスをカソード側多孔体２３４から排出するための燃料ガス排出孔３２６を有する。
【００３０】
中間プレート３３０は、アノード対向プレート３１０とカソード対向プレート３２０の間に配置される略四角形状の金属製あるいは樹脂製の平板である。中間プレート３３０は周辺部および中央部に開口部を有する。中間プレート３３０は周辺部に図１に示す各種マニホールドを形成するための開口部（燃料ガス供給マニホールド孔３１２、燃料ガス排出マニホールド孔３２２、酸化ガス供給マニホールド孔３３２、酸化ガス排出マニホールド孔３４２、冷却水供給マニホールド孔３５２、冷却水排出マニホールド孔３６２）と、前記開口部に隣接する開口部（燃料ガス供給連通孔３１４、燃料ガス排出連通孔３２４、酸化ガス供給連通孔３３４、酸化ガス排出連通孔３４４）を有する。中間プレート３３０は、さらに、中央部に、冷却水供給マニホールド孔３５２と冷却水排出マニホールド孔３６２をつなぐ冷却水流路用孔３５４を有する。
【００３１】
以上、本実施例によれば、アノード側ガス拡散層２２２はポーラス構造に空隙充填材２２３が充填されて平滑化されているので、アノード側ガス拡散層２２２とアノード側充填材２４２との接触面積を小さくできる。したがって、アノード側ガス拡散層２２２とアノード側充填材２４２の間の分子間力を小さくできる。また、アノード側充填材２４２がアノード側ガス拡散層２２２のポーラス構造の空隙に入り込まないので、アンカー効果が発生しにくい。以上の結果、アノード側ガス拡散層２２２とアノード側充填材との固着を抑制できる。なお、カソード側についても同様である。
【００３２】
本実施例によれば、本実施例に係る燃料電池は、上記説明した発電体２００を備えているので、整備等行うために燃料電池を分解するときに、アノード側ガス拡散層２２２とアノード側充填材２４２とが固着しにくいので、アノード側ガス拡散層２２２とアノード側充填材２４２とを容易に分離できる。なお、カソード側についても同様である。
【００３３】
また、本実施例では、アノード側充填材２４２に用いる材料とアノード側ガス拡散層２２２のポーラス構造に充填する空隙充填材２２３の材料を異ならせている。その結果、例えばアノード側充填材２４２と空隙充填材２２３との間の親和力を強くさせない。その結果、アノード側ガス拡散層２２２とアノード側充填材との固着を抑制できる。
【００３４】
本実施例では、空隙充填材２２３として、撥水ペースト、高分子電解質を用いている。これらの材料は、燃料電池の構成材料として使われているので、燃料電池の反応に例えば触媒毒のような悪影響を与えない。
【００３５】
本実施例では、空隙充填材２２３として、熱可塑性樹脂などに樹脂を用いてもよい。熱可塑性樹脂を用いる場合には、熱可塑性の樹脂は常温で固体であり、常温でゲル状のゲル状樹脂と相互に接着しにくい。また、熱可塑性の樹脂は加熱溶解することにより、アノード側ガス拡散層２２２に容易に充填することができる。その結果、アノード側ガス拡散層２２２の表面を滑らかにすることができる。なお、カソード側についても同様である。
【００３６】
本実施例では、セパレータとして３層セパレータ構造を用いたが、他の構成であってもよい。例えば、表面に溝が形成されたカーボン製セパレータを用いてもよい。
【００３７】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施例に係る燃料電池の外観を模式的に示す斜視図。
【図２】本実施例に係る燃料電池を構成する部材を順に並べた分解平面図。
【図３】図２に示す燃料電池の各構成部材を積層し、１−１線により切断した断面を模式的に示す断面図。
【図４】図３のＡ部分を拡大した拡大図。
【図５】図４のＢ部分を拡大した拡大図。
【符号の説明】
【００３９】
１００…燃料電池
１１０…燃料ガス供給マニホールド
１２０…燃料ガス排出マニホールド
１３０…酸化ガス供給マニホールド
１４０…酸化ガス排出マニホールド
１５０…冷却水供給マニホールド
１６０…冷却水排出マニホールド
２００…発電体
２１０…電解質膜
２１２…アノード側触媒層
２１４…カソード側触媒層
２２２…アノード側ガス拡散層
２２２ａ…アノード側充填層
２２３…空隙充填材
２２４…カソード側ガス拡散層
２３２…アノード側多孔体
２３４…カソード側多孔体
２４２…アノード側充填材
２４４…カソード側充填材
２５０…ガスケット
３００…セパレータ
３１０…アノード対向プレート
３１２…燃料ガス供給マニホールド孔
３１４…燃料ガス供給連通孔
３１６…燃料ガス供給孔
３２０…カソード対向プレート
３２２…燃料ガス排出マニホールド孔
３２４…燃料ガス排出連通孔
３２６…燃料ガス排出孔
３３０…中間プレート
３３２…酸化ガス供給マニホールド孔
３３４…酸化ガス供給連通孔
３３６…酸化ガス供給孔
３４２…酸化ガス排出マニホールド孔
３４４…酸化ガス排出連通孔
３５２…冷却水供給マニホールド孔
３５４…冷却水流路用孔
３６２…冷却水排出マニホールド孔
４００…フレーム
４１２…燃料ガス供給マニホールド孔
４２２…燃料ガス排出マニホールド孔
４３２…酸化ガス供給マニホールド孔
４４２…酸化ガス排出マニホールド孔
４５２…冷却水供給マニホールド孔
４６２…冷却水排出マニホールド孔
【図１】
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【図２】
2008198461.tif 000004
【図３】
2008198461.tif 000005
【図４】
2008198461.tif 000006
【図５】
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