(57)【要約】【課題】  水素透過性金属層と、電解質層とを積層させた電解質膜を備える燃料電池において、水素透過性金属層と電解質層との剥離を抑制する。【解決手段】  バナジウム層１０２の両面にパラジウム層１０４、１０６を成膜した水素透過性金属層１１０の一方の面に、所定の間隔で、部分的に電解質層１２０、および、カソード電極１３０を形成して、ＭＥＡ１００Ａを作製する。さらに、ＭＥＡ１００Ａの電解質層１２０が形成されていない部分Ａ２に、カソード電極１３０側からレーザ光を照射して加熱することによって、Ｐｄ−Ｖ合金層１１５を形成して、ＭＥＡ１００Ｂを作製する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層とを積層させた電解質膜を備える燃料電池であって、
前記燃料電池の運転時に、前記水素透過性金属層と、前記電解質層との界面に発生する応力を吸収するための応力吸収部を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記電解質膜の外周に配設され、前記電解質膜よりも弾性が高く、前記電解質膜を支持するための支持部材を、前記応力吸収部として備える、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、前記水素透過性金属層上に、前記電解質層が形成された電解質形成部と、前記電解質層が形成されていない電解質非形成部と、を備え、
前記電解質非形成部は、前記応力吸収部として機能する、
燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記電解質非形成部における前記水素透過性金属層の厚さは、前記電解質形成部における前記水素透過性金属層の厚さよりも薄い、
燃料電池。
【請求項５】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記電解質非形成部は、水素の透過を抑制する水素透過抑制構造を備える、
燃料電池。
【請求項６】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記電解質膜に積層されるセパレータを備え、
該セパレータは、前記燃料電池に、ガスを供給する流路を形成するための凹部、および、凸部を有しており、
前記凸部は、前記電解質膜の少なくとも前記電解質層を積層させた側の面において、前記電解質非形成部を覆うように配置されている、
燃料電池。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記電解質膜の外周部を面方向に挟持するとともに、前記応力吸収部として機能するフレームを備える、
燃料電池。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記フレームは、該フレームに対する前記電解質膜の移動を許容するすべり機構を備える、
燃料電池。
【請求項９】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記フレームは、
前記電解質膜の外周部を面方向に挟持するための第１部材と、
該第１部材を支持するための第２部材と、
該第２部材に対する前記第１部材の移動を許容するすべり機構と、
を備える燃料電池。
【請求項１０】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記電解質膜と、前記フレームとの間に充填され、前記燃料電池の運転時に、気密性を有するとともに、前記フレームに対する前記電解質膜の移動を許容する充填材と、
を備える、
燃料電池。
【請求項１１】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、凹凸曲面形状をなしている、
燃料電池。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池であって、
前記電解質膜と積層することによって、水素を含む燃料ガスの流路と、酸素を含む酸化ガスの流路とを形成するセパレータを備え、
前記電解質膜の凸部の一部は、前記セパレータに接合されている、
燃料電池。
【請求項１３】
請求項１１記載の燃料電池であって、
前記電解質膜を、複数積層させた積層構造を備え、
前記複数の電解質膜の間の空隙は、水素を含む燃料ガスの流路と、酸素を含む酸化ガスの流路とを形成する、
燃料電池。
【請求項１４】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記電解質膜に積層され、水素を含む燃料ガスの流路を形成するための第１の凹部、および、第１の凸部を有する第１のセパレータと、
前記電解質膜に積層され、酸素を含む酸化ガスの流路を形成するための第２の凹部、および、第２の凸部を有する第２のセパレータと、を備え、
前記第１の凸部と、前記第２の凸部とは、互いに対向しない位置に配置されている、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層とを積層させた電解質膜を備える燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。近年では、燃料電池の一態様として、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層とを積層させた電解質膜を備える燃料電池が提案されている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２９９１０５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、上記燃料電池では、運転時に、水素透過性金属層と電解質層との界面で剥離が生じる場合があった。この剥離は、高温時、あるいは、水素吸蔵時の水素透過性金属層と電解質層との膨張率の差によって、両者に発生する応力に起因する。この課題は、電解質層に固体酸化物を適用した電解質膜で特に顕著である。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、水素透過性金属層と、電解質層とを積層させた電解質膜を備える燃料電池において、水素透過性金属層と電解質層との剥離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】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池は、
水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層とを積層させた電解質膜を備える燃料電池であって、
前記燃料電池の運転時に、前記水素透過性金属層と、前記電解質層との界面に発生する応力を吸収するための応力吸収部を備えることを要旨とする。
【０００７】
水素透過性金属層としては、パラジウム、パラジウム合金などの貴金属や、ＶＡ族元素、例えば、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）などを用いることができる。電解質層としては、固体酸化物、例えば、ＢａＣｅＯ3、ＳｒＣｅＯ3系のセラミックスや、固体高分子など、種々の電解質を用いることができる。
【０００８】
本発明では、燃料電池の運転時に、電解質膜内に発生する応力を、応力吸収部によって吸収することができる。したがって、水素透過性金属層と電解質層との剥離を抑制することができる。
【０００９】
応力吸収部は、種々の態様を採ることができる。例えば、
上記燃料電池において、
前記電解質膜の外周に配設され、前記電解質膜よりも弾性が高く、前記電解質膜を支持するための支持部材を、前記応力吸収部として備えるようにすることができる。
【００１０】
本発明では、例えば、複数の電解質膜の小片を上記支持部材で接合することによって、構成することができる。電解質膜の小片の外形形状は、任意に設定可能であり、例えば、円形や、楕円形や、多角形とすることができる。支持部材としては、例えば、電解質膜よりも弾性が高い樹脂や、金属を用いることができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池において、
前記電解質膜は、前記水素透過性金属層上に、前記電解質層が形成された電解質形成部と、前記電解質層が形成されていない電解質非形成部と、を備え、
前記電解質非形成部は、前記応力吸収部として機能するようにすることができる。
【００１２】
こうすることによって、燃料電池の運転時に、電解質形成部で発生した応力を、電解質非形成部によって吸収することができる。したがって、水素透過性金属層と電解質層との剥離を抑制することができる。
【００１３】
上記燃料電池において、
前記電解質非形成部における前記水素透過性金属層の厚さは、前記電解質形成部における前記水素透過性金属層の厚さよりも薄くすることが好ましい。
【００１４】
こうすることによって、電解質非形成部を変形しやすくできるので、燃料電池の運転時に、電解質膜内に発生する応力を、電解質非形成部によって、さらに吸収しやすくすることができる。
【００１５】
また、前記電解質非形成部は、水素の透過を抑制する水素透過抑制構造を備えるようにすることが好ましい。
【００１６】
こうすることによって、電解質非形成部における電解質膜のアノード側からカソード側への水素のリークを抑制することができる。
【００１７】
水素透過抑制機構としては、種々の態様を採ることができる。例えば、水素透過性金属層として、Ｖ（バナジウム）膜の両面にＰｄ（パラジウム）膜を形成した複合金属膜を用いる場合、電解質非形成部における複合膜にレーザ光を照射して加熱することによって、水素透過性を有しないＰｄ−Ｖ合金層を形成すれば、水素の透過を抑制することができる。また、電解質非形成部における複合膜のアノード側のパラジウム膜を除去することによって、水素の解離性を低下させ、水素の透過を抑制することができる。また、電解質非形成部における水素透過性金属層の表面を、水素非透過性の金属や、樹脂でコーティングするようにしてもよい。
【００１８】
また、上述した電解質膜が電解質形成部と電解質非形成部とを備える本発明の燃料電池において、
前記電解質膜に積層されるセパレータを備え、
該セパレータは、前記燃料電池に、ガスを供給する流路を形成するための凹部、および、凸部を有しており、
前記凸部は、前記電解質膜の少なくとも前記電解質層を積層させた側、すなわち、カソード側の面において、前記電解質非形成部を覆うように配置されているようにしてもよい。
【００１９】
こうすることによって、電解質非形成部が酸化ガスの流路と面しないようにすることができるので、電解質非形成部における電解質膜のアノード側からカソード側へ水素がリークすることを抑制することができる。
【００２０】
応力吸収部は、電解質膜の外部に備えるようにしてもよい。例えば、
本発明の燃料電池において、
前記電解質膜の外周部を面方向に挟持するとともに、前記応力吸収部として機能するフレームを備えるようにしてもよい。
【００２１】
こうすることによって、燃料電池の運転時に、電解質膜内に発生する応力を、フレームによって吸収することができる。したがって、水素透過性金属層と電解質層との剥離を抑制することができる。
【００２２】
例えば、フレームに、電解質膜よりも弾性が高い材料を用いることによって、電解質膜に発生する応力を吸収することができる。また、フレームに、電解質膜よりも弾性が低い材料を用いる場合には、電解質膜に発生する応力を吸収可能な構造を有する応力吸収機構を設けるようにしてもよい。
【００２３】
応力吸収機構としては、例えば、以下に示す態様が挙げられる。
上記燃料電池において、
前記フレームが、該フレームに対する前記電解質膜の移動を許容するすべり機構を備える態様である。
【００２４】
また、前記フレームが、
前記電解質膜の外周部を面方向に挟持するための第１部材と、
該第１部材を支持するための第２部材と、
該第２部材に対する前記第１部材の移動を許容するすべり機構と、
を備えるようにしてもよい。
【００２５】
これらの態様では、燃料電池の運転時に、電解質膜や、フレームが膨張しても、すべり機構によって、電解質膜に発生する応力を吸収することができる。したがって、水素透過性金属層と電解質層との剥離を抑制することができる。
【００２６】
また、前記電解質膜と、前記フレームとの間に充填され、前記燃料電池の運転時に、気密性を有するとともに、前記フレームに対する前記電解質膜の移動を許容する充填材と、
を備えるようにしてもよい。
【００２７】
こうすることによって、燃料電池の運転時に、電解質膜や、フレームが膨張しても、すべり機構によって、電解質膜に発生する応力を吸収することができるとともに、充填材の作用によって、電解質膜のアノード側からカソード側へ水素がリークすることを抑制することができる。
【００２８】
本発明の燃料電池において、
前記電解質膜は、凹凸曲面形状をなしているようにしてもよい。
【００２９】
凹凸曲面形状としては、例えば、波形形状が挙げられる。この場合、波形形状の全ての凹凸部における曲率は、同じであることが好ましい。本発明によって、燃料電池の運転時に電解質膜に発生する応力を、電解質膜全体で均一に吸収することができる。したがって、水素透過性金属層と電解質層との剥離を抑制することができる。また、電解質膜の表面積を増大させ、発電性能を向上させることができるという利点もある。
【００３０】
上記燃料電池において、
前記電解質膜と積層することによって、水素を含む燃料ガスの流路と、酸素を含む酸化ガスの流路とを形成するセパレータを備え、
前記電解質膜の凸部の一部は、前記セパレータに接合されているようにすることができる。
【００３１】
こうすることによって、電解質膜の凹部を燃料ガスの流路、および、酸化ガスの流路として利用することができる。また、電解質膜の凹部を燃料ガスの流路、および、酸化ガスの流路として利用可能なため、セパレータを平板状にすることができ、セパレータの製造が容易になるという利点もある。さらに、セパレータを平板状にすることによって、内部に、冷媒を流すための流路を容易に形成することができるので、セパレータを冷却プレートとして兼用することができるという利点もある。
【００３２】
また、上述した電解質膜が凹凸曲面形状をなす本発明の燃料電池において、
前記電解質膜を、複数積層させた積層構造を備え、
前記複数の電解質膜の間の空隙は、水素を含む燃料ガスの流路と、酸素を含む酸化ガスの流路とを形成するようにしてもよい。
【００３３】
こうすることによって、セパレータを省略し、燃料電池の構成を簡易化することができる。
【００３４】
本発明の燃料電池において、
前記電解質膜に積層され、水素を含む燃料ガスの流路を形成するための第１の凹部、および、第１の凸部を有する第１のセパレータと、
前記電解質膜に積層され、酸素を含む酸化ガスの流路を形成するための第２の凹部、および、第２の凸部を有する第２のセパレータと、を備え、
前記第１の凸部と、前記第２の凸部とは、互いに対向しない位置に配置されているようにしてもよい。
【００３５】
電解質膜とセパレータとを積層させた従来の燃料電池では、前記第１の凸部と、前記第２の凸部とは、互いに対向する位置に配置され、燃料ガスの流路と、酸化ガスの流路とが対向するように構成されていた。しかし、この構成では、電解質膜に、前記第１の凸部と前記第２の凸部との双方によって拘束される部分が存在するため、凹部の中央付近における電解質膜に先に説明した応力が集中し、水素透過性金属層と電解質層との剥離が生じる場合があった。本発明では、前記第１の凸部と前記第２の凸部との双方で拘束される部分をなくすことによって、応力の集中を緩和し、電解質膜全体で応力を吸収することができる。したがって、上述した剥離を抑制することができる。
【００３６】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。また、本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、燃料電池の製造方法、燃料電池に用いられる電解質膜、この電解質膜の製造方法の発明として構成することもできる。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
Ａ２．ＭＥＡの構造：
Ａ３．ＭＥＡの作製工程：
Ｂ．第１実施例の変形例：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．第３実施例：
Ｅ．第４実施例：
Ｆ．第４実施例の変形例：
Ｇ．第５実施例：
【００３８】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。燃料電池を構成するセルの断面構造を模式的に示した。このセルは、膜・電極接合体１００の両面を、セパレータ１０で挟むことによって構成されている。なお、図示は省略したが、膜・電極接合体１００の外周部は、ＳＵＳ製のフレームによって支持されている。
【００３９】
セパレータ１０は、図示するように、凹凸形状を有しており、膜・電極接合体１００のアノード側、および、カソード側に、それぞれ水素リッチな燃料ガス、および、酸化ガスとしての空気を流すための流路を形成する。セパレータ１０の材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
【００４０】
膜・電極接合体１００は、概ね水素を選択的に透過する水素透過性金属層１１０と、プロトン伝導性を有する電解質層１２０と、カソード電極１３０とを、この順序で積層することによって構成されている。水素透過性金属層１１０は、アノード電極としての機能も有している。これらの各層は、物理蒸着等、種々の手法によって、形成することができる。以下、膜・電極接合体を、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と呼ぶ。ＭＥＡの詳細な構造については、後述する。
【００４１】
本実施例では、水素透過性金属層１１０として、Ｖ（バナジウム）層１０２の両面に、Ｐｄ（パラジウム）層１０４、１０６を形成した複合金属膜を用いるものとした。水素透過性金属層１１０として、パラジウムや、パラジウム合金など、他の金属膜を用いるようにしてもよい。また、本実施例では、バナジウム層の膜厚は、５０（μｍ）とし、パラジウム層の膜厚は、０．１（μｍ）とした。これらの膜厚は、任意に設定可能である。
【００４２】
また、本実施例では、電解質層１２０として、ペロブスカイト型の固体電解質を用いるものとした。電解質層１２０の膜厚は、１（μｍ）とした。また、カソード電極１３０として、電気化学反応を促進する触媒能を有する白金（Ｐｔ）を用いるものとした。カソード電極１３０の膜厚は、０．１（μｍ）とした。これらの材質および膜厚は、任意に選択、設定可能である。
【００４３】
水素透過性金属層１１０と、電解質層１２０と、カソード電極１３０とを単純に積層してＭＥＡ１００を構成する場合、先に説明したように、燃料電池の運転時に、水素透過性金属層１１０と、電解質層１２０との界面で、高温、あるいは、水素吸蔵によって、両者の膨張率の差に起因して応力が発生し、剥離が生じる場合がある。本実施例では、この剥離を抑制するため、以下に説明する種々の改良を施した。
【００４４】
Ａ２．ＭＥＡの構造：
図２は、第１実施例におけるＭＥＡ１００Ａ、１００Ｂの断面構造を示す説明図である。第１実施例では、まず、図の上段に示すように、水素透過性金属層１１０の一方の面に、所定の間隔で、部分的に電解質層１２０、および、カソード電極１３０を形成することによって、ＭＥＡ１００Ａを作製する。ここで、水素透過性金属層１１０上に電解質層１２０が形成された部分Ａ１を電解質形成部と呼び、電解質層１２０が形成されていない部分Ａ２を電解質非形成部と呼ぶものとする。ＭＥＡ１００Ａによって、燃料電池の運転時に、電解質形成部で発生した応力を、電解質非形成部で吸収することができる。したがって、水素透過性金属層１１０と、電解質層１２０との剥離を抑制することができる。
【００４５】
本実施例では、さらに、ＭＥＡ１００Ａの電解質非形成部に、カソード電極１３０側からレーザ光を照射して加熱することによって、Ｐｄ−Ｖ合金層１１５を形成し、ＭＥＡ１００Ｂを作製する。Ｐｄ−Ｖ合金は、水素透過性を有しないから、電解質非形成部における、ＭＥＡ１００Ｂのアノード側からカソード側への水素のリークを抑制することができる。
【００４６】
Ａ３．ＭＥＡの作製工程：
図３は、ＭＥＡ１００Ａ、１００Ｂの作製工程の流れを示す工程図である。まず、Ｖ層１０２の両面に、Ｐｄ層１０４を成膜して、水素透過性金属層１１０を作製する（ステップＳ１００）。次に、水素透過性金属層１１０の一方の面に、所定の間隔で、部分的に電解質層１２０を作製する（ステップＳ１１０）。次に、電解質層１２０の上に、カソード電極１３０を作製する（ステップＳ１２０）。以上の工程によって、先に説明したＭＥＡ１００Ａを作製することができる。
【００４７】
次に、先に説明したように、ＭＥＡ１００Ａの電解質非形成部に、カソード電極１３０側からレーザ光を照射して加熱することによって、Ｐａ−Ｖ合金層１１５を形成する（ステップＳ１３０）。以上の工程によって、第１実施例のＭＥＡ１００Ｂを作製することができる。
【００４８】
Ｂ．第１実施例の変形例：
図４は、第１実施例の変形例としてのＭＥＡ１００Ｃ〜１００Ｆの断面構造を示す説明図である。
【００４９】
図４（ａ）に示したＭＥＡ１００Ｃは、先に説明したＭＥＡ１００Ａの電解質非形成部のアノード側のＰｄ層１０４を、除去した構造を有している。アノード側のＰｄ層１０４を除去することによって、この部分での水素の解離性を低下させることができるので、電解質非形成部におけるアノード側からカソード側への水素のリークを抑制することができる。図示したアノード側のＰｄ層１０４の間隔ｄ２、および、電解質層１２０の間隔ｄ１は、実験的、あるいは、解析的に任意に設定可能である。本変形例では、間隔ｄ２は、間隔ｄ１よりも広く設定した。間隔ｄ２を間隔ｄ１よりも広くすることによって、電解質形成部の水素透過性金属層１１０で分離された水素が、電解質非形成部のＶ層１０２に拡散して、カソード側にリークすることを抑制することができる。
【００５０】
図４（ｂ）に示したＭＥＡ１００Ｄは、図４（ａ）に示したＭＥＡ１００Ｃの電解質非形成部にＵ字型の曲げ構造を設けた構造を有している。こうすることによって、燃料電池の運転時に、電解質形成部で発生した応力を、電解質非形成部で、さらに吸収しやすくすることができる。
【００５１】
図４（ｃ）に示したＭＥＡ１００Ｅは、先に説明したＭＥＡ１００Ａにおいて、電解質非形成部のカソード側に、水素非透過性の樹脂からなるコーティング部１０８を備える構造を有している。こうすることによって、電解質非形成部におけるアノード側からカソード側への水素のリークを抑制することができる。
【００５２】
図４（ｄ）に示したＭＥＡ１００Ｆは、ＭＥＡ１００Ｃ〜１００ｄの特徴を組み合わせた構造を有している。すなわち、ＭＥＡ１００Ｆは、電解質非形成部のアノード側のＰｄ層１０４が除去してあり、電解質非形成部にＵ字型の曲げ構造を有しており、電解質非形成部のカソード側に水素非透過性の樹脂からなるコーティング部１０８を備える構造を有している。こうすることによって、燃料電池の運転時に、電解質形成部で発生した応力を、電解質非形成部で吸収しやすくすることができるとともに、電解質非形成部におけるアノード側からカソード側への水素のリークを抑制することができる。
【００５３】
図５は、第１実施例の他の変形例としてのＭＥＡ１００Ｇ、および、ＭＥＡ１００Ｇを用いたセルの断面構造を示す説明図である。
【００５４】
図５（ａ）に示したＭＥＡ１００Ｇは、先に説明したＭＥＡ１００Ａの電解質非形成部における水素透過性金属層１１０の膜厚ｔ２を、電解質形成部における水素透過性金属層１１０の膜厚ｔ１よりも薄くした構造を有している。膜厚ｔ２は、実験的、あるいは、解析的に任意に設定可能である。電解質非形成部における水素透過性金属層１１０は、例えば、図５（ａ）左側に示したように、カソード側から薄くするようにしてもよいし、図５（ａ）右側に示したように、アノード側から薄くするようにしてもよい。また、アノード側、カソード側の双方から薄くするようにしてもよい。こうすることによって、ＭＥＡ１００Ａと比較して、電解質非形成層を変形しやすくすることができるので、燃料電池の運転時に、電解質形成部で発生した応力を、電解質非形成部で吸収しやすくすることができる。
【００５５】
図５（ｂ）には、ＭＥＡ１００Ｇをセパレータ１０と積層したセルの断面構造を示した。図示するように、セパレータ１０の凸部は、ＭＥＡ１００Ｇの電解質非形成部を覆うように配置する。すなわち、セパレータ１０の凸部は、ガスの流路を形成するセパレータ１０の凹部が、電解質形成部からみ出さないように配置する。こうすることによって、電解質非形成部がガス流路と面しないようにすることができるので、電解質非形成部におけるアノード側からカソード側への水素のリークを抑制することができる。
【００５６】
Ｃ．第２実施例：
図６は、第２実施例としてのＭＥＡ１００Ｈを示す説明図である。図６（ａ）には、ＭＥＡ１００Ｈの平面図を示し、図６（ｂ）には、ＭＥＡ１００Ｈの断面図を示した。
【００５７】
図６（ａ）に示すように、ＭＥＡ１００Ｈは、正六角形の外形形状を有する複数のＭＥＡ小片１００Ｈａの外周を、ＭＥＡ小片１００Ｈａよりも弾性が高く、水素非透過性の樹脂からなる支持部１００Ｈｂで接合した構造を有している。ＭＥＡ小片１００Ｈａの外形形状は、任意に設定可能であり、円形や、楕円形や、他の多角形としてもよい。また、支持部１００Ｈｂとして、ＭＥＡ小片１００Ｈａよりも弾性が高い金属を用いるものとしてもよい。各ＭＥＡ小片１００Ｈａの層構成は、図６（ｂ）に示したように、先に説明したＭＥＡ１００と同じである。
【００５８】
第２実施例のＭＥＡ１００Ｈによれば、燃料電池の運転時に、ＭＥＡの小片１００Ｈａに発生する応力を、支持部１００Ｈｂによって吸収することができる。したがって、水素透過性金属層１１０と電解質層１２０との剥離を抑制することができる。
【００５９】
Ｄ．第３実施例：
第１実施例、および、第２実施例では、ＭＥＡ内部に、応力を吸収するための機能を備えるようにしたが、ＭＥＡ第３実施例では、ＭＥＡの外周部を支持するフレームに、応力を吸収するための機能を備えるようにする。
【００６０】
図７は、第３実施例、および、その変形例におけるフレームの構造を示す断面図である。本実施例では、フレームは、ＳＵＳ製とした。フレームに、他の金属や、樹脂等を用いるものとしてもよい。
【００６１】
図示するように、図７（ａ）に示したフレーム２００は、Ｕ字型の曲げ構造を備えている。また、図７（ｂ）に示したフレーム２００Ａは、ＭＥＡ１００の外周部を、面方向に所定の力で挟持するとともに、ＭＥＡ１００の移動を許容するすべり機構を備えている。また、図７（ｃ）に示したフレーム２００Ｃは、ＭＥＡ１００との接合部に、ＭＥＡ１００よりも弾性が高い樹脂製の緩衝部２００Ｂが設けられている。また、図７（ｄ）に示したフレームは、ＭＥＡ１００の外周部を、面方向に挟持する第１部材２００Ｄと、この第１部材２００Ｄを支持する第２部材２００Ｅとから構成されている。そして、第２部材２００Ｅは、第１部材２００Ｄを面方向に所定の力で挟持するとともに、第１部材２００Ｄの移動を許容するすべり機構を備えている。
【００６２】
以上説明した各種フレームによって、燃料電池の運転時に、ＭＥＡ１００に発生する応力を吸収することができる。したがって、水素透過性金属層１１０と電解質層１２０との剥離を抑制することができる。
【００６３】
さらに、図７（ｄ）に示したフレーム２００Ｄでは、ＭＥＡ１００と、フレーム２００Ｄとの間に、燃料電池の運転時に、気密性を有するとともに、フレーム２００Ｄに対するＭＥＡ１００の移動を許容する充填材２１０を備えている。充填剤２１０としては、例えば、セラミックス球形微粒子や、燃料電池の作動温度下で液化するガラスや、低融点金属などを用いることができる。
【００６４】
このような構成によれば、燃料電池の運転時に、ＭＥＡ１００に発生する応力を、充填材２１０によって吸収することができるとともに、電解質膜のアノード側からカソード側へ水素がリークすることを抑制することができる。
【００６５】
Ｅ．第４実施例：
図８は、第４実施例としてのセルの断面構造を示す説明図である。第４実施例のセルは、波形形状を有する複数のＭＥＡ１００Ｉと、平板状の複数のセパレータ１０Ａとを積層した構造を有している。ＭＥＡ１００Ｉの波形形状の各凹凸部の頂部近傍における曲率は、全て同じである。この曲率は、任意に設定可能である。ＭＥＡ１００Ｉの層構成は、先に説明したＭＥＡ１００と同じである。図示は省略したが、ＭＥＡ１００Ｉは、空気の流路側に電解質層１２０、および、カソード電極１３０が形成されている。ＭＥＡ１００Ｉの各凸部は、セパレータ１０Ａに、絶縁体２０を挟んで、ろう付け接合されている。ＭＥＡ１００Ｉの凹部と、セパレータ１０Ａとによって形成される空隙は、ガスの流路として利用される。
【００６６】
このように、ＭＥＡ１００Ｉを波形形状とすることによって、燃料電池の運転時に発生する応力を、ＭＥＡ１００Ｉ全体で、ほぼ均一に吸収することができる。したがって、水素透過性金属層と電解質層との剥離を抑制することができる。また、ＭＥＡ１００Ｉの表面積を増大さ、発電性能を向上せることができるという利点もある。
【００６７】
第４実施例のセルによれば、ＭＥＡ１００Ｉの凹部をガスの流路として利用することができる。また、セパレータを平板状にすることができるので、セパレータ１０Ａの製造が容易になるという利点もある。さらに、セパレータ１０Ａを平板状にすることによって、内部に、冷媒を流すための流路を容易に形成することができるので、セパレータ１０Ａを冷却プレートとして兼用することができるという利点もある。
【００６８】
図９は、ＭＥＡ１００Ｉの作製工程の流れを示す工程図である。まず、Ｖ層１０２の両面に、Ｐｄ層１０４を成膜して、水素透過性金属層１１０を作製する（ステップＳ２００）。そして、プレス加工によって、水素透過性金属層１１０を波形に成形する（ステップＳ２１０）。次に、水素透過性金属層１１０の一方の面に、電解質層１２０を作製する（ステップＳ２２０）。次に、電解質層１２０の上に、カソード電極１３０を作製する（ステップＳ２３０）。以上の工程によって、ＭＥＡ１００Ｉを作製することができる。
【００６９】
Ｆ．第４実施例の変形例：
図８に示した第４実施例のセルにおいて、セパレータ１０Ａを省略することも可能である。図１０は、第４実施例の変形例としてのセルの断面構造を示す説明図である。この変形例のセルは、波形形状を有する複数のＭＥＡ１００Ｉを積層した構造を有している。
【００７０】
図１０（ａ）には、ＭＥＡ１００Ｉの波形形状の凹部と、凸部とを、絶縁体２０を挟んで、ろう付け接合した例を示した。また、図１０（ｂ）には、ＭＥＡ１００Ｉの波形形状の凸部同士を、絶縁体２０を挟んで、ろう付け接合した例を示した。いずれの場合においても、ＭＥＡ１００Ｉの間に形成される空隙が、ガス流路として利用される。
【００７１】
こうすることによって、燃料電池の構成を簡略化することができる。
【００７２】
Ｇ．第５実施例：
図１１は、第５実施例としてのセルの断面構造を示す説明図である。第５実施例のセルでは、図１１（ａ）に示したように、ＭＥＡ１００のアノード側に接するセパレータ１０の凸部と、カソード側に接するセパレータの凸部とが、互いに対向しない位置に配置される。さらに具体的には、ＭＥＡ１００のアノード側に接するセパレータ１０の凹部中央に対向する位置に、カソード側に接するセパレータ１０の凸部が配置されるようにした。各セパレータ１０の凹部、および、凸部の寸法は、任意に設定可能であるが、本実施例では、アノード側からカソード側への水素の透過が効率的に行われるように、カソード側の凸部の接触面積を、アノード側の凸部の接触面積よりも小さくした。
【００７３】
ＭＥＡ１００とセパレータ１０とを積層させた従来の燃料電池では、ＭＥＡ１００のアノード側に接するセパレータ１０の凸部と、カソード側に接するセパレータの凸部とは、互いに対向する位置に配置され、燃料ガスの流路と、酸化ガスの流路とが対向するように構成されていた。しかし、この構成では、ＭＥＡ１００に、両セパレータ１０の凸部によって拘束される部分が存在するため、燃料電池の運転時に、凹部の中央付近におけるＭＥＡ１００に先に説明した応力が集中し、水素透過性金属層１１０と電解質層１２０との剥離が生じる場合があった。本実施例では、両セパレータ１０の凸部で拘束される部分をなくすことによって、応力の集中を緩和し、ＭＥＡ１００全体で応力を吸収することができる。したがって、上述した剥離を抑制することができる。
【００７４】
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、第１実施例、および、その変形例で説明したＭＥＡ１００Ｂ〜１００Ｆや、第２実施例で説明したＭＥＡ１００Ｈと、第３実施例で説明したフレームとを組み合わせるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例におけるＭＥＡＭＥＡ１００Ａ、１００Ｂの断面構造を示す説明図である。
【図３】ＭＥＡ１００Ａ、１００Ｂの作製工程の流れを示す工程図である。
【図４】第１実施例の変形例としてのＭＥＡ１００Ｃ〜１００Ｆの断面構造を示す説明図である。
【図５】第１実施例の他の変形例としてのＭＥＡ１００Ｇ、および、ＭＥＡ１００Ｇを用いたセルの断面構造を示す説明図である。
【図６】第２実施例としてのＭＥＡ１００Ｈを示す説明図である。
【図７】第３実施例、および、その変形例におけるフレームの構造を示す断面図である。
【図８】第４実施例としてのセルの断面構造を示す説明図である。
【図９】ＭＥＡ１００Ｉの作製工程の流れを示す工程図である。
【図１０】第４実施例の変形例としてのセルの断面構造を示す説明図である。
【図１１】第５実施例としてのセルの断面構造を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０、１０Ａ...セパレータ
２０...絶縁体
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、１００Ｇ、１００Ｈ、１００Ｉ...膜・電極接合体（ＭＥＡ）
１００Ｈａ...ＭＥＡ小片
１００Ｈｂ...支持部
１０８...コーティング部
１１０...水素透過性金属層
１１５...Ｐｄ−Ｖ合金層
１２０...電解質層
１３０...カソード電極
２００、２００Ａ、２００Ｃ、２００Ｆ...フレーム
２００Ｂ...緩衝部
２００Ｄ...第１部材
２００Ｅ...第２部材
２１０...充填材
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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