(57)【要約】【課題】電解質膜の破損を防止すると共に燃料電池の耐久性を向上させる。【解決手段】セパレータ３０の酸化ガス供給口４１から酸化ガス排出口４２への凹溝４３と燃料ガス供給口４６から燃料ガス排出口４７への凹溝４８に、電解質膜３１における面圧分布が電解質膜３１の強度に基づく分布となるようその大きさや分散分布状態が設定された複数のリブ３５，３６を全面に分散配置するよう形成する。こうしたセパレータ３０を用いて燃料電池を構成することにより、電解質膜３１に作用する面圧をその強度未満にすることができる。この結果、電解質膜３１の破損を防止することができると共に燃料電池の耐久性を向上させることができる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜および該電解質膜の両面に配置された触媒電極を有する膜電極接合体と、該膜電極接合体にガスを供給するガス流路が形成されたセパレータと、を積層してなる燃料電池であって、
前記セパレータは、前記膜電極接合体の前記電解質膜における面圧分布が該電解質膜の強度に基づく分布となるよう前記ガス流路に複数の突部を分散配置してなる
燃料電池。
【請求項２】
前記複数の突起は、前記電解質膜の強度に基づく分布となるよう断面と間隔とが調整されて形成されてなる請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電解質膜の厚さが２０〜１００μｍであるとき、前記断面は１辺が０．５〜１．０ｍｍの矩形または径が０．５〜１．０ｍｍの円形または楕円形であり、前記間隔は０．５〜１．０ｍｍである請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
電解質膜および該電解質膜の両面に配置された触媒電極を有する膜電極接合体と、該膜電極接合体にガスを供給するガス流路が形成されたセパレータと、を積層してなる燃料電池であって、
前記電解質膜は、厚さが２０〜１００μｍに形成されてなり、
前記セパレータは、前記ガス流路に、断面として１辺が０．５〜１．０ｍｍの矩形または径が０．５〜１．０ｍｍの円形または楕円形で間隔が０．５〜１．０ｍｍの複数の突部が分散配置されて形成されてなる
燃料電池。
【請求項５】
前記ガス流路は、ガスが全体として迂流するよう形成されてなる請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池。
【請求項６】
前記電解質膜は、固体高分子により形成されてなる請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、電解質膜および電解質膜の両面に配置された触媒電極を有する膜電極接合体とこの膜電極接合体にガスを供給するガス流路が形成されたセパレータとを積層してなる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池としては、膜電極接合体と全体としてガスが迂流するガス流路が形成されたセパレータとを積層してなるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池のセパレータのガス流路には、断面が矩形形状の複数の突部が分散配置されており、これによりガスの膜電極接合体への供給と集電とを効率よく行なうものとしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２２３１３７号公報（図５、図７）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池では、ガスの膜電極接合体への供給や集電を十分に行なうことができるものの耐久性が得られない場合がある。電解質膜は、湿潤状態でプロトン伝導性を示す材料により薄膜として形成されているから、水分状態や温度などにもよるが、ガス流路に形成される突部の形状やその間隔によっては電解質膜の一部に過大な圧力が作用して破損する場合が生じる。
【０００５】
本発明の燃料電池は、電解質膜の破損を防止することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池は、耐久性を向上させることを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の第１の燃料電池は、
電解質膜および該電解質膜の両面に配置された触媒電極を有する膜電極接合体と、該膜電極接合体にガスを供給するガス流路が形成されたセパレータと、を積層してなる燃料電池であって、
前記セパレータは、前記膜電極接合体の前記電解質膜における面圧分布が該電解質膜の強度に基づく分布となるよう前記ガス流路に複数の突部を分散配置してなる
ことを要旨とする。
【０００８】
この本発明の第１の燃料電池では、膜電極接合体の電解質膜における面圧分布が電解質膜の強度に基づく分布となるようにセパレータに形成されたガス流路に複数の突部を分散配置するから、電解質膜の破損を抑制することができる。この結果、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【０００９】
こうした本発明の第１の燃料電池において、前記複数の突起は、前記電解質膜の強度に基づく分布となるよう断面と間隔とが調整されて形成されてなるものとすることもできる。この場合、電解質膜の厚さが２０〜１００μｍであるときには、断面は１辺が０．５〜１．０ｍｍの矩形または径が０．５〜１．０ｍｍの円形または楕円形であり、間隔は０．５〜１．０ｍｍであるものとすることもできる。
【００１０】
本発明の第２の燃料電池は、
電解質膜および該電解質膜の両面に配置された触媒電極を有する膜電極接合体と、該膜電極接合体にガスを供給するガス流路が形成されたセパレータと、を積層してなる燃料電池であって、
前記電解質膜は、厚さが２０〜１００μｍに形成されてなり、
前記セパレータは、前記ガス流路に、断面として１辺が０．５〜１．０ｍｍの矩形または径が０．５〜１．０ｍｍの円形または楕円形で間隔が０．５〜１．０ｍｍの複数の突部が分散配置されて形成されてなる
ことを要旨とする。
【００１１】
この本発明の第２の燃料電池では、電解質膜の厚さを２０〜１００μｍとすると共にセパレータのガス流路に断面として１辺が０．５〜１．０ｍｍの矩形または径が０．５〜１．０ｍｍの円形または楕円形となるように間隔として０．５〜１．０ｍｍとなるように複数の突部を分散配置することにより、電解質膜の破損を抑制することができる。この結果、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００１２】
こうした本発明の第１または第２の燃料電池において、前記ガス流路は、ガスが全体として迂流するよう形成されてなるものとすることもできる。こうすれば、膜電極接合体の全体により均等にガスを供給することができる。
【００１３】
なお、本発明の第１または第２の燃料電池において、前記電解質膜は、固体高分子により形成されてなるものとすることもできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は実施例の燃料電池１０の構成の概略を示す説明図であり、図２は実施例の燃料電池１０の基本単位である単セル２０，２０ｂの構成を模式的に示す模式図であり、図３は同じく単セル２０，２０ｂの構成の概略を示す分解斜視図（図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ視図）である。実施例の燃料電池１０は、図１に示すように、例えば固体高分子型燃料電池として機能する基本単位である単セル２０を複数積層した燃料電池スタックを構築し、その両端に集電板１１，１２、絶縁板１３，１４を配置すると共に更にその両端にエンドプレート１５，１６を配置して構成されている。集電板１１，１２は緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板１３，１４はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エンドプレート１５，１６は剛性を備えた鋼等の金属によって形成されている。また、集電板１１，１２にはそれぞれ出力端子１１ａ、１２ａが設けられており、燃料電池１０で生じた起電力を出力可能となっている。なお、図示しない保持機構により、エンドプレート１５，１６は複数の単セル２０を積層方向に加圧した状態で保持している。
【００１５】
単セル２０は、図２に示すように、固体高分子材料（例えばフッ素系樹脂）により形成されたプロトン導電性のイオン交換膜（例えば、デュポン社製のナフィオン膜など）に白金または白金と他の金属からなる合金などの触媒電極３２ａ，３３ａが塗布された電解質膜３１と、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されて電解質膜３１の両側に配置されたガス拡散電極としてのアノード３２およびカソード３３と、ガス不透過の導電性部材（例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした成形カーボンなど）により形成され単セル２０，２０ｂの隔壁をなすと共にアノード３２およびカソード３３に水素を含有する燃料ガスや酸素を含有する酸化ガスを供給する燃料ガス通路４９および酸化ガス通路４４を形成するセパレータ３０とによって構成されている。なお、アノード３２と電解質膜３１およびカソード３３と電解質膜３１とは、熱圧着により一体化されて膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下ＭＥＡと略す）３４を形成している。
【００１６】
セパレータ３０には、図３に示すように、一辺に沿って酸化ガス供給口４１および酸化ガス排出口４２を構成する２つの孔部が設けられ、この辺に対向する辺に沿って燃料ガス供給口４６および燃料ガス排出口４７を構成する２つの孔部が設けられている。セパレータ３０の片方の面には、酸化ガス供給口４１から端を発して屈曲しながら酸化ガス排出口４２に至る凹溝４３が設けられ、セパレータ３０のもう片方の面には、燃料ガス供給口４６から端を発して屈曲しながら燃料ガス排出口４７に至る凹溝４８が設けられている。前者の凹溝４３は、セパレータ３０とＭＥＡ３４のカソード３３とが密着されることにより酸化ガス通路４４を形成し、後者の凹溝４８はセパレータ３０とＭＥＡ３４のアノード３２とが密着されることにより燃料ガス通路４９を形成する。酸化ガス通路４４および燃料ガス通路４９を形成する凹溝４３および凹溝４８には、矩形形状の複数のリブ３５，３６が全面に分散配置するよう形成されており、リブ３５，３６の頂部でアノード３２およびカソード３３に面圧を加えることができるようになっている。このリブ３５，３６は、電解質膜３１における面圧分布が電解質膜３１の強度に基づく分布となるようその大きさや分散分布状態が設計されている。実施例では、電解質膜３１として上述のイオン交換膜を用い、その厚さが２０〜１００μｍであるときに、リブ３５，３６を断面が１辺の長さが０．５〜１．０ｍｍの正方形状でその間隔が０．５〜１．０ｍｍとなるよう形成した。リブ３５，３６と電解質膜３１の面圧分布については後述する。なお、セパレータ３０間には図２に示すようにシール部材３９が配置されており、このシール部材３９は、電解質膜３１を挟み込み燃料ガスや酸化ガスのリークを防止したり、セパレータ３０間において両ガスの混合を防止したりする役割を果たす。
【００１７】
次に、こうして構成された実施例の燃料電池１０の状態、特にリブ３５，３６と電解質膜３１の面圧分布との関係について説明する。実施例の燃料電池１０は、上述したように、図示しない保持機構により、エンドプレート１５，１６が複数の単セル２０を積層方向に加圧した状態で保持しており、セパレータ３０の凹溝４３や凹溝４８に形成された複数のリブ３５，３６がＭＥＡ３４に面圧を作用させるから、電解質膜３１には、保持機構によって作用させる力の大きさやリブ３５，３６の形状、リブ３５，３６の分散配置に基づいて定まる面圧が作用する。リブと電解質膜に作用する面圧と関係の一例を図４に示す。ここで、図４（ａ）は実施例の単セル２０を用いたときのリブ３５，３６と電解質膜３１の面圧との関係を示し、図４（ｂ）は比較例の単セル１２０を用いたときのリブ１３５，１３６と電解質膜１３１の面圧との関係を示す。比較例の単セル１２０は、実施例の電解質膜３１，アノード３２，カソード３３と同一の電解質膜１３１，アノード１３２、カソード１３３により接合したＭＥＡを用いると共にセパレータ３０と同様の構成ではあるが凹溝４３や凹溝４８の全面に断面が１辺の長さが２．０ｍｍの正方形状のリブ１３５，１３６をリブ間の間隔が２．０ｍｍとなるよう分散配置したセパレータを用いている。なお、保持機構により燃料電池に作用させる力は実施例の燃料電池１０に対しても比較例の燃料電池に対しても同一にした。図から解るように、実施例の単セル２０の電解質膜３１に作用する面圧は、比較例の単セル１２０の電解質膜１３１に作用する面圧に比して、ピーク値が低く、その間隔が狭い。これは、同じ電解質膜を用いても実施例の単セル２０の方が比較例の単セル１２０より耐久性に優れていることを示す。即ち、実施例の燃料電池１０は、比較例の燃料電池に比して高い耐久性を保持しているといえる。なお、リブ３５，３６の形状（大きさ）やその間隔は、電解質膜３１に作用する面圧のピーク値を電解質膜３１に作用する応力に換算したときに、換算した応力が電解質膜３１が許容する強度（単純破壊に対する許容応力や疲労破壊に対する許容応力）未満となるよう設定すればよいことになる。なお、出願人の実験によれば、実施例の単セル２０は、電解質膜３１の耐久性能としては比較例に比して２０〜４０％程度の向上が認められている。
【００１８】
以上説明した実施例の燃料電池１０によれば、電解質膜３１における面圧分布が電解質膜３１の強度に基づく分布となるようセパレータ３０の凹溝４３や凹溝４８にリブ３５，３６を形成することにより、電解質膜３１の破損を防止することができる。この結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【００１９】
実施例の燃料電池１０では、電解質膜３１における面圧分布が電解質膜３１の強度に基づく分布となるよう、電解質膜３１の厚さが２０〜１００μｍであるときに、リブ３５，３６を断面が１辺の長さが０．５〜１．０ｍｍの正方形状でその間隔が０．５〜１．０ｍｍとなるよう形成したが、電解質膜３１の強度によってリブ３５，３６の断面形状（大きさ）やその間隔を変更してもよいのは勿論である。また、リブ３５，３６の断面形状は正方形状に限られず、矩形形状としてもよいし、円形状や楕円形状としても構わない。
【００２０】
実施例の燃料電池１０では、触媒電極３２ａ，３３ａが塗布された電解質膜３１とアノード３２とカソード３３とを熱圧着により一体化して膜電極接合体３４としたが、これらを熱圧着せずに単セル２０を構成するものとしても差し支えない。
【００２１】
実施例の燃料電池１０では、セパレータ３０の凹溝４３や凹溝４８は全体として屈曲（迂流）するように形成したが、屈曲しないように形成するものとしても構わない。
【００２２】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の燃料電池１０の構成の概略を示す説明図である。
【図２】実施例の単セル２０の構成を模式的に示す模式図である。
【図３】実施例の単セル２０の構成の概略を示す分解斜視図である。
【図４】リブと電解質膜に作用する面圧との関係の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０  燃料電池、１１，１２  集電板、１１ａ、１２ａ  出力端子、１３，１４  絶縁板、１５，１６  エンドプレート、２０，１２０  単セル、３０  セパレータ、３１，１３１  電解質膜、３２，１３２  アノード、３２ａ，３３ａ  触媒電極、３３，１３３  カソード、３４  膜電極接合体（ＭＥＡ）、３５，３６，１３５，１３６  リブ、４１  酸化ガス供給口、４２  酸化ガス排出口、４３  凹溝、４４  酸化ガス通路、４６  燃料ガス供給口、４７  燃料ガス排出口、４８  凹溝、４９  燃料ガス通路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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