(57)【要約】【課題】反応ガス等の流体が所定の流体流路以外を流れることを有効に阻止し、簡単な構成で、所望の発電性能を確保することを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２が第１および第２セパレータ１４、１６に挟持されて構成される。第１セパレータ１４の面１４ａには、蛇行するサーペンタイン型の酸化剤ガス流路３６が形成されるとともに、この酸化剤ガス流路３６を覆って、すなわち、アノード側電極２８を覆ってシール部材５０が設けられる。このシール部材５０とカソード側電極３０との隙間５２には、酸化剤ガスが漏れ易い場所に対応して充填シール５４が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、積層方向に貫通する反応ガス入口連通孔と反応ガス出口連通孔とを連通して前記電極に反応ガスを供給する反応ガス流路が形成された燃料電池であって、
前記セパレータは、前記電極の周囲を覆ってシール部材を設けるとともに、
前記電極の外周端面と前記シール部材とに密着し、前記電極の外周から前記反応ガスが漏れることを阻止する充填シールが部分的に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、前記充填シールは、前記反応ガス入口連通孔の近傍と前記反応ガス出口連通孔の近傍とに配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池において、前記反応ガス流路は、屈曲する流路を含み、前記セパレータには、前記屈曲する流路から反応ガスが漏れることを阻止するために、該屈曲する流路に対応して前記充填シールが設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、少なくとも１のセパレータには、前記電極を冷却する冷却媒体流路が形成され、
前記１のセパレータは、前記冷却媒体流路の周囲を覆ってシール部材を設けるとともに、
前記冷却媒体流路と前記シール部材との隙間には、該隙間に前記冷却媒体が漏れることを阻止する充填シールが部分的に設けられることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、積層方向に貫通する反応ガス入口連通孔と反応ガス出口連通孔とを連通して前記電極に反応ガスを供給する反応ガス流路が形成された燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質（電解質膜）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを所定の数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
この場合、電解質・電極構造体とセパレータとのシール性を向上させることが必要であり、例えば、図７に示す燃料電池が知られている（特許文献１参照）。この燃料電池では、燃料電池セル１と、この燃料電池セル１を挟持する第１および第２セパレータ２、３とを備えている。燃料電池セル１は、固体高分子電解質膜４と、この固体高分子電解質膜４を挟んで配設されるカソード側電極５およびアノード側電極６を有するとともに、前記カソード側電極５および前記アノード側電極６は、ガス拡散層５ａ、６ａと電極触媒層５ｂ、６ｂとを設けている。
【０００５】
固体高分子電解質膜４は、カソード側電極５およびアノード側電極６の外周からはみ出すはみ出し部を有しており、第１および第２セパレータ２、３には、前記はみ出し部に対応して溝部２ａ、３ａが形成されている。溝部２ａ、３ａに液状シール７が塗布されて、固体高分子電解質膜４のはみ出し部が密着されるとともに、カソード側電極５およびアノード側電極６のガス拡散層５ａ、６ａと電極触媒層５ｂ、６ｂとの端面が密着されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３１９６６７号公報（図７）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のように、カソード側電極５およびアノード側電極６の外周を覆って設けられる液状シール７を、ガス拡散層５ａ、６ａと電極触媒層５ｂ、６ｂとの端面に確実に密着させることは、加工公差や組み立て公差等の関係から、実際上、極めて困難である。このため、液状シール７とガス拡散層５ａ、６ａとの間に隙間が発生し易く、この隙間に反応ガスが漏れる場合がある。これにより、酸化剤ガスや燃料ガスが、カソード側電極５やアノード側電極６の電極面を流れずに隙間を通って反応ガス出口に排出されてしまい、効率的な発電性能を維持することができないというおそれがある。
【０００８】
一方、図示していないが、電極面を冷却するための冷却媒体が供給される冷却媒体流路においても同様に、この電極面に沿って流れずに該電極面の周囲を通過して排出される冷却媒体が存在する場合がある。このため、冷却効率が低下するおそれがある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガス等の流体が所定の流体流路以外を流れることを有効に阻止し、簡単な構成で、所望の発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、積層方向に貫通する反応ガス入口連通孔と反応ガス出口連通孔とを連通して前記電極に反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されている。そして、セパレータは、電極の周囲を覆ってシール部材を設けるとともに、前記電極の外周端面と前記シール部材とに密着し、前記電極の外周から前記反応ガスが漏れることを阻止する充填シールが部分的に設けられている。
【００１１】
このため、反応ガスは、電極とシール部材との隙間を流れることがなく、前記反応ガスを電極面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能になる。しかも、電極とシール部材とに密着する充填シールを部分的に設けるだけでよい。これにより、構成が簡素化するとともに、経済的である。
【００１２】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、充填シールが、反応ガス入口連通孔の近傍と反応ガス出口連通孔の近傍とに配置されている。このため、特に反応ガスの漏れが発生し易い反応ガス入口連通孔の近傍および反応ガス出口連通孔の近傍を確実にシールすることができ、反応ガスの漏れが、簡単な構成で、可及的に低減される。
【００１３】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、反応ガス流路が屈曲する流路を含み、セパレータには、前記屈曲する流路から反応ガスが漏れることを阻止するために、該屈曲する流路に対応して充填シールが設けられている。従って、例えば、サーペンタイン型の反応ガス流路であっても、簡単な構成で、反応ガスの漏れを確実に防止することが可能になる。
【００１４】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、少なくとも１のセパレータには、電極を冷却する冷却媒体流路が形成され、前記１のセパレータは、前記冷却媒体流路の周囲を覆ってシール部材を設けている。そして、冷却媒体流路とシール部材との隙間には、該隙間に冷却媒体が漏れることを阻止する充填シールが部分的に設けられている。
【００１５】
従って、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔から冷却媒体出口連通孔に短絡して流れることがなく、冷却媒体流路に沿って良好に流れることができる。これにより、電極面の冷却効率が有効に向上するとともに、構成が簡素化されて経済的なものとなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の要部断面説明図である。
【００１７】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２が、第１および第２セパレータ１４、１６に挟持されて構成される。燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、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、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス入口連通孔）２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００１８】
燃料電池１０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ための燃料ガス入口連通孔（反応ガス入口連通孔）２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００１９】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。
【００２０】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、図２に示すように、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（多孔質カーボン部材）３２ａ、３２ｂと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層３２ａ、３２ｂの表面に一様に塗布されてなる電極触媒層３４ａ、３４ｂとを有する。電極触媒層３４ａ、３４ｂは、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２１】
図１に示すように、第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、例えば、２つの屈曲する流路３６ａ、３６ｂを含むサーペンタイン型の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３６が設けられる。この酸化剤ガス流路３６は、図３に示すように、複数本の酸化剤ガス流路溝３８を備え、この酸化剤ガス流路溝３８は、水平方向（矢印Ｂ方向）に蛇行しながら重力方向（矢印Ｃ方向）に向かって設けられる。酸化剤ガス流路溝３８は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通するとともに、矢印Ｂ方向に一往復半だけ蛇行する流路構造を採用している。
【００２２】
第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ａには、図４に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通し、２つの屈曲する流路４０ａ、４０ｂを含むサーペンタイン型の燃料ガス流路（反応ガス流路）４０が形成される。この燃料ガス流路４０は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在する複数本の燃料ガス流路溝４２を備える。
【００２３】
図１および図２に示すように、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２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路４４が形成される。この冷却媒体流路４４は、２つの屈曲する流路４４ａ、４４ｂを有しており、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在する複数本の冷却媒体流路溝４６を備える。
【００２４】
図１〜図３に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａには、カソード側電極３０を覆って、すなわち、酸化剤ガス流路３６、酸化剤ガス入口連通孔２０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを覆ってシール溝４８が形成され、このシール溝４８にシール部材５０が配置される。図２および図３に示すように、カソード側電極３０とシール部材５０との隙間５２には、この隙間５２に酸化剤ガスが漏れることを阻止する充填シール５４が部分的に設けられる。
【００２５】
この充填シール５４は、例えば、液状シールや固体充填シール等であり、酸化剤ガスが漏れ易い場所、例えば、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの近傍、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍、および屈曲する流路３６ａ、３６ｂの近傍に埋め込まれる。
【００２６】
図２および図４に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａには、アノード側電極２８を覆って、すなわち、燃料ガス流路４０、燃料ガス入口連通孔２４ａおよび燃料ガス出口連通孔２４ｂを覆ってシール溝５６が形成され、このシール溝５６にシール部材５８が配置される。
【００２７】
アノード側電極２８とシール部材５８との隙間６０には、充填シール６２が設けられる。この充填シール６２は、上記の充填シール５４と同様に燃料ガスが漏れ易い場所、例えば、燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍および屈曲する流路４０ａ、４０ｂの近傍に埋め込まれる。
【００２８】
図１に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、冷却媒体流路４４を覆ってシール溝６４が形成され、このシール溝６４にシール部材６６が配置される。冷却媒体流路４４とシール部材６６との隙間６８には、冷却媒体が漏れ易い場所、例えば、冷却媒体入口連通孔２２ａの近傍、冷却媒体出口連通孔２２ｂの近傍および屈曲する流路４４ａ、４４ｂの近傍に充填シール７０が埋め込まれる。
【００２９】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３０】
まず、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに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。
【００３１】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に蛇行しながら電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極３０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路４０に導入され、矢印Ｂ方向に蛇行しながら電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極２８に沿って移動する。
【００３２】
従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３４ａ、３４ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３３】
次いで、アノード側電極２８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２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極３０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２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３４】
また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に蛇行しながら流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂから排出される。
【００３５】
この場合、第１の実施形態では、図２および図３に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａには、サーペンタイン型の酸化剤ガス流路３６が形成されるとともに、この酸化剤ガス流路３６を覆って形成されたシール溝４８には、シール部材５０が配置されている。そして、酸化剤ガス流路３６とシール部材５０との隙間５２には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの近傍、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍、および屈曲する流路３６ａ、３６ｂの近傍に対応して充填シール５４が設けられている。
【００３６】
このように、第１の実施形態では、酸化剤ガスが隙間５２に漏れ易い場所に対応して充填シール５４が設けられるため、この酸化剤ガスは前記隙間５２に沿って流れることがなく、酸化剤ガスをカソード側電極３０の電極面内に確実に供給することができる。従って、酸化剤ガスがガス拡散層３２ｂからカソード側電極３０の外周を通って排出されることがなく、この酸化剤ガスを効率的に使用することができ、発電性能を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００３７】
しかも、酸化剤ガスが隙間５２に漏れ易い場所に対応して、充填シール５４を設けるだけでよい。このため、第１セパレータ１４の構成が有効に簡素化されるとともに、この第１セパレータ１４を経済的に製造することができる。
【００３８】
一方、図２および図４に示すように、第２セパレータ６の面１６ａには、上記の酸化剤ガス流路３６と同様に、サーペンタイン型の燃料ガス流路４０が形成され、この燃料ガス流路４０を覆ってシール部材５８が設けられている。そして、シール部材５８と燃料ガス流路４０との隙間６０には、燃料ガスが漏れ易い場所に対応して充填シール６２が設けられている。
【００３９】
これにより、燃料ガスがガス拡散層３２ａから隙間６０を通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出されることがない。従って、この燃料ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることができる等、第１セパレータ１４と同様の効果が得られる。
【００４０】
また、図１に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、サーペンタイン型の冷却媒体流路４４が形成され、この冷却媒体流路４４を覆ってシール部材６６が設けられている。さらに、シール部材６６と冷却媒体流路４４との隙間６８には、冷却媒体の漏れが発生し易い場所に対応して充填シール７０が設けられている。
【００４１】
このため、冷却媒体は、隙間６８に漏れることがなく、冷却媒体流路４４に沿って良好に流れることができる。これにより、電解質膜・電極構造体１２の電極面の冷却効率が有効に向上するとともに、経済的であるという利点がある。
【００４２】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の要部分解斜視説明図であり、図６は、前記燃料電池８０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４３】
燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体８２が、第１および第２金属セパレータ８４、８６に挟持されて構成される。電解質膜・電極構造体８２は、固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極８８およびカソード側電極９０とを備えるとともに、前記アノード側電極８８は、前記カソード側電極９０よりも大きな表面積を有している。アノード側電極８８を構成するガス拡散層３２ａは、カソード側電極９０を構成するガス拡散層３２ｂの外周部から外方に突出する外周縁部８５を設けている。
【００４４】
図６に示すように、第１金属セパレータ８４には、シール部材９２が配置され、あるいは、焼き付け等によって設けられている。シール部材９２は、アノード側電極８８を構成するガス拡散層３２ａの外周縁部８５に対応して、固体高分子電解質膜２６と第１金属セパレータ８４との間に配置されるシール本体部９４を備える。シール本体部９４には、ガス拡散層３２ｂの外周縁部と第１金属セパレータ８４との間に介装される流路形成部９６が一体的に形成される。
【００４５】
シール本体部９４は、固体高分子電解質膜２６の外周縁部と、酸化剤ガス入口連通孔２０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとを囲繞する（図５参照）。流路形成部９６は、シール本体部９４よりも薄肉状に成形されており、ガス拡散層３２ｂの外周縁部を周回するように設けられている。シール部材９２は、シール本体部９４に一体的に成形され、酸化剤ガス流路３６の折り返し部内に配置される２つの流路境界シール部９８を設ける。
【００４６】
図６に示すように、シール部材９２とカソード側電極９０を構成するガス拡散層３２ｂおよびガス拡散層３２ｂの端面との隙間９９には、この隙間９９に酸化剤ガスが漏れることを阻止する充填シール１００が部分的に設けられる。この充填シール１００は、例えば、液状シールや固体充填シール等であり、酸化剤ガスが漏れ易い場所、例えば、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの近傍、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍、および屈曲する流路３６ａ、３６ｂの近傍に埋め込まれる（図５参照）。
【００４７】
図５および図６に示すように、第１および第２金属セパレータ８４、８６間には、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路１０２が形成される。この冷却媒体流路１０２は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の冷却媒体流路溝１０４を備える。第１および第２金属セパレータ８４、８６間には、シール部材９２のシール本体部９４に対向する位置にシール部材１０６が介装される。冷却媒体流路１０２は、このシール部材１０６を介して冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通し、かつ気密に保持される。
【００４８】
このように構成される第２の実施形態では、シール部材９２とカソード側電極９０のガス拡散層３２ｂおよびガス拡散層３２ｂの端面との隙間９９に、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの近傍、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍、および屈曲する流路３６ａ、３６ｂの近傍に対応して充填シール１００が設けられている。これにより、酸化剤ガスがガス拡散層３２ｂからカソード側電極９０の外周を通って排出されることがなく、この酸化剤ガスを効率的に使用することができ、発電性能を良好に向上させることが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、反応ガスが、電極とシール部材との隙間を流れることがなく、前記反応ガスを電極面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用することができ、発電性能を良好に向上させることが可能になる。しかも、電極とシール部材とに密着する充填シールを部分的に設けるだけでよい。これにより、構成が簡素化するとともに、経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図７】従来技術に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【符号の説明】
１０、８０…燃料電池　　　　　　　１２、８２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、８４、８６…セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔　　　２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔　　　　２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔　　　　２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…固体高分子電解質膜　　　　　２８、８８…アノード側電極
３０、９０…カソード側電極　　　　３２ａ、３２ｂ…ガス拡散層
３４ａ、３４ｂ…電極触媒層　　　　３６…酸化剤ガス流路
３８…酸化剤ガス流路溝　　　　　　４０…燃料ガス流路
４２…燃料ガス流路溝　　　　　　　４４、１０２…冷却媒体流路
４６、１０４…冷却媒体流路溝
５０、５８、６６、９２、１０６…シール部材
【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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【図７】
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