(57)【要約】【課題】  燃料電池における固体高分子電解質膜の損傷を防止する。【解決手段】  固体高分子電解質膜５１をアノード電極５２とカソード電極５３とで挟んでなる膜電極構造体５４を備え、アノード電極５２に面して燃料流路が蛇行して設けられ、カソード電極５３に面して酸化剤流路が設けられた燃料電池において、燃料流路を流れる燃料ガスの流れ方向が逆向きで且つ流れが隣り合っている部分に対応する部位には、膜電極構造体５４の厚さ方向へのガスの透過を阻止するガス不透過層６３が固体高分子電解質膜５１に隣接して設けられている。【選択図】    図３
2005228619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んでなる膜電極構造体を備え、アノード電極に面して燃料流路が蛇行して設けられ、カソード電極に面して酸化剤流路が設けられた燃料電池において、
前記燃料流路を流れる燃料ガスの流れ方向が逆向きで且つ流れが隣り合っている部分に対応する部位には、前記膜電極構造体の厚さ方向へのガスの透過を阻止するガス不透過層が前記固体高分子電解質膜に隣接して設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス不透過層を設けた部位には、固体高分子電解質膜に面して接着剤層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記接着剤層は前記アノード電極あるいは前記カソード電極の触媒層に代えて設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子電解質膜型の燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで膜電極構造体を形成し、アノード電極に燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソード電極に酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）を供給して、これら反応ガスの電気化学反応により電気エネルギを抽出するものがある。
この種の燃料電池は発電に伴い水が生成されるが、液滴となった水を燃料電池内に滞留させたまま氷点下環境に放置すると、液滴が凍結して燃料電池の構成部材（特に膜電極構造体）を損傷する虞がある。
【０００３】
そこで、一般に、燃料電池を停止するときに燃料電池内の反応ガス流路に乾燥ガスを流し、燃料電池内に滞留する液滴を吹き飛ばして除去するパージ処理を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３４３３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述したパージ処理を行っても、燃料電池内の反応ガス流路の構造に起因して、滞留している液滴を完全に吹き飛ばすことができない場合がある。
特に、アノード側の反応ガス流路が蛇行して形成されている場合には、アノード側の反応ガスの流れ方向が逆向きとなり且つ流れが隣り合っている部分に対応する膜電極構造体の内部に液滴が滞留し易く、ここに滞留した液滴は前述したパージ処理では除去することが難しく、膜電極構造体の内部に残留した液滴が氷点下環境で凍結して、膜電極構造体を損傷させる場合があることが、この出願の発明者の経験により知得された。
そこで、この発明は、膜電極構造体の凍結による損傷を防止することができる燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜５１）をアノード電極（例えば、後述する実施例におけるアノード電極５２）とカソード電極（例えば、後述する実施例におけるカソード電極５３）とで挟んでなる膜電極構造体（例えば、後述する実施例における膜電極構造体５４）を備え、アノード電極に面して燃料流路（例えば、後述する実施例における燃料流路５８）が蛇行して設けられ、カソード電極に面して酸化剤流路（例えば、後述する実施例における空気流路５９）が設けられた燃料電池（例えば、後述する実施例におけるセル５０）において、前記燃料流路を流れる燃料ガスの流れ方向が逆向きで且つ流れが隣り合っている部分に対応する部位には、前記膜電極構造体の厚さ方向へのガスの透過を阻止するガス不透過層（例えば、後述する実施例におけるガス不透過層６３）が前記固体高分子電解質膜に隣接して設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、ガス不透過層を設けた部位においてのみ膜電極構造体の発電機能を無くすことができ、その結果、該部位において生成水を生じないようにすることが可能になる。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記ガス不透過層を設けた部位には、固体高分子電解質膜に面して接着剤層（例えば、後述する実施例における接着剤層６４）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、ガス不透過層を設けた部位において固体高分子電解質膜が剥離するのを防止することができる。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記接着剤層は前記アノード電極あるいは前記カソード電極の触媒層に代えて設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、ガス不透過層を設けた部位における膜電極構造体の発電機能を確実に無くすことができる。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に係る発明によれば、ガス不透過層を設けた部位においてのみ膜電極構造体の発電機能を無くすことができ、該部位において生成水を生じないようにすることが可能になるので、該部位における水の凍結を防止することができるとともに、膜電極構造体および固体高分子電解質膜の損傷を防止することができる。
請求項２に係る発明によれば、ガス不透過層を設けた部位において固体高分子電解質膜が剥離するのを防止することができるので、固体高分子電解質膜の損傷を防止することができるとともに、膜電極構造体の強度アップを図ることができる。
請求項３に係る発明によれば、ガス不透過層を設けた部位における膜電極構造体の発電機能を確実に無くすことができるので、該部位における水の凍結防止、固体高分子電解質膜の損傷防止、膜電極構造体の強度アップが確実になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明に係る燃料電池の一実施例を図１から図５の図面を参照して説明する。
この燃料電池は固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、図１に示すように、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜５１をアノード電極５２とカソード電極５３とで両側から挟み込んで膜電極構造体５４を形成し、膜電極構造体５４の両側にセパレータ５５，５６を密接して配置してセル（単位燃料電池）５０が構成される。また、このセル５０を複数積層して燃料電池スタックが構成される。
【００１０】
セパレータ５５，５６は金属プレートを断面波形にプレス成形して形成されている。金属製のセパレータは、カーボン製のセパレータよりも薄くでき燃料電池スタックの積層方向寸法を短くすることができるとともに、カーボン製のセパレータよりも熱容量が小さくでき暖め易いという特徴を有している。
アノード電極５２に面して配置されるアノード側セパレータ５５は、アノード電極５２に対向して配置される面に燃料流路溝５５ｃを備え、反対側の面に冷媒流路溝５５ｄを備えている。
一方、カソード電極５３に面して配置されるカソード側セパレータ５６は、カソード電極５３に対向して配置される面に酸化剤流路溝５６ｃを備え、反対側の面に冷媒流路溝５６ｄを備えている。
【００１１】
図４は、アノード側セパレータ５５を冷媒流路溝５５ｄが形成されている側から見た正面図であり、裏面に燃料流路溝５５ｃが形成されている。燃料流路溝５５ｃおよび冷媒流路溝５５ｄは所定本数平行に配列されていて、正面から見て逆Ｓ字状に蛇行して形成されており、アノード側セパレータ５５の燃料流路溝５５ｃとアノード電極５２との間に形成される空間は水素ガス（燃料）が流通する燃料流路５８とされている。
【００１２】
図５は、カソード側セパレータ５６を空気流路溝５６ｃが形成されている側から見た正面図であり、裏面に冷媒流路溝５６ｄが形成されている。空気流路溝５６ｃおよび冷媒流路溝５６ｄは、燃料流路溝５５ｃおよび冷媒流路溝５５ｄと同本数だけ平行に配列され、Ｓ字状に蛇行して形成されており、カソード側セパレータ５６の酸化剤流路溝５６ｃとカソード電極５３との間に形成される空間は酸化剤としての酸素を含む空気が流通する空気流路（酸化剤流路）５９とされている。
また、セル５０を複数積層したときに互いに隣接して配置された両セパレータ５５，５６間に形成される空間は、冷却液が流通する冷媒流路６０とされている。
【００１３】
図２は膜電極構造体５４をアノード電極５２側から見た正面図であり、膜電極構造体５４は、固体高分子電解質膜５１の周縁部に電極５２，５３を有さない領域（以下、電極５２，５３を有する領域を「発電部」、有さない領域を「非発電部」と称す）を有し、前述した燃料流路５８、空気流路５９、および冷媒流路６０は発電部に対応する領域に形成されている。
【００１４】
膜電極構造体５４の非発電部には、左端部に３つの開口７１，７２，７３が設けられ、右端部に３つの開口７４，７５、７６が設けられている。また、セパレータ５５，５６の左右端部にも膜電極構造体５４と同様に開口７１〜７６が設けられている。これら開口７１〜７６は膜電極構造体５４とセパレータ５５，５６を積層した状態（すなわち、燃料電池スタックとして組み立てられた状態）においてシール材（図示略）を介して各開口毎にそれぞれ１本の管の如く連通し、分配流路もしくは集合流路として機能する。
【００１５】
ここで、左端部側の開口は上から順に、燃料供給開口７１，冷媒排出開口７２、空気排出開口７３とされており、右端部側の開口は上から順に、空気供給開口７４、冷媒供給開口７５、燃料排出開口７６とされている。そして、燃料供給開口７１同士が連通して燃料分配流路７１Ａを構成し、冷媒排出開口７２同士が連通して冷媒集合流路７２Ａを構成し、空気排出開口７３同士が連通して空気集合流路７３Ａを構成し、空気供給開口７４同士が連通して空気分配流路７４Ａを構成し、冷媒供給開口７５同士が連通して冷媒分配流路７５Ａを構成し、燃料排出開口７６同士が連通して燃料集合流路７６Ａを構成する。
【００１６】
さらに、図４に示すように、アノード側セパレータ５５において左上部分に位置する燃料流路溝５５ｃの始端が燃料供給開口７１に連通し、図中右下部分に位置する燃料流路溝５５ｃの終端が燃料排出開口７６に連通している。したがって、水素ガスは、燃料分配流路７１Ａから燃料供給開口７１を介して燃料流路５８に導入され、燃料流路５８に沿って逆Ｓ字状に流通した後、燃料排出開口７６を介して燃料集合流路７６Ａに排出される。
【００１７】
一方、図５に示すように、カソード側セパレータ５６において右上部分に位置する空気流路溝５６ｃの始端が空気供給開口７４に連通し、図中左下部分に位置する空気流路溝５６ｃの終端が空気排出開口７３に連通している。したがって、空気は、空気分配流路７４Ａから空気供給開口７４を介して空気流路５９に導入され、空気流路５９に沿ってＳ字状に流通した後、空気排出開口７３を介して空気集合流路７３Ａに排出される。
【００１８】
また、図１に示すように、両セパレータ５５，５６において右側に位置する冷媒流路溝５５ｄ，５６ｄの始端が冷媒供給開口７５に連通し、図中左側に位置する冷媒流路溝５５ｄ，５６ｄの終端が冷媒排出開口７２に連通しており、冷却液は、冷媒分配流路７５Ａから冷媒供給開口７５を介して冷媒流路６０に導入され、冷媒流路６０を水平方向に流通した後、冷媒排出開口７２を介して冷媒集合流路７２Ａに排出される。
【００１９】
このように構成された燃料電池スタックでは、アノード電極５２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５１を透過してカソード電極５３まで移動し、カソード電極５３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水を生成する。このこの発電に伴う発熱により燃料電池スタックが所定の作動温度を越えないように、冷媒流路６０を流れる冷却液で熱を奪い冷却する。
【００２０】
ところで、このように燃料流路５８が蛇行している場合には、最初に水素ガスの流れ方向が逆向きとなり且つ流れが隣り合う部分（図４において二点鎖線で示す領域Ａ）に対応する膜電極構造体５４の内部に液滴が滞留し易いので、この燃料電池スタックにおいては、膜電極構造体５４において領域Ａに対応する部分（以下、ガス不透過部と称す）Ｂにガス不透過層を設けることによって、ガス不透過部Ｂの発電機能をなくして生成水を生じさせないようにするとともに、ガス不透過部Ｂに水を浸透させないようにしている。
【００２１】
以下、図３を参照してガス不透過層について詳述する。図３は、ガス不透過部Ｂおよびその近傍における膜電極構造体５４の断面図（図２のIII-III断面図）である。
初めに、ガス不透過部Ｂ以外の部分（すなわち、ガス不透過層を有さない部分）の膜電極構造体５４の断面構造を説明すると、アノード電極５２およびカソード電極５３はいずれも、触媒層６１とガス拡散層６２から構成されている。触媒層６１は例えばフッ素系ポリマーにＰｔ系の触媒等を担持してなり、固体高分子電解質膜５１に密接して設けられている。ガス拡散層６２は例えばカーボンペーパー等の多孔質な材料からなり、触媒層６１の外側に密接して設けられている。
【００２２】
ガス不透過部Ｂ以外の部分では、燃料流路５８内の水素ガスがアノード電極５２のガス拡散層６２を通ってアノード電極５２の触媒層６１に到達することができ、空気流路５９内の空気がカソード電極５３の拡散層６２を通ってカソード電極５３の触媒層に到達することができる。その結果、アノード電極５２の触媒層６１において触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５１を透過してカソード電極５３の触媒層６１まで移動し、カソード電極５３の触媒層６１で酸素と電気化学反応を起こして発電を行い、発電に伴って生成水を生成する。
【００２３】
一方、膜電極構造体５４のガス不透過部Ｂにおいては、固体高分子電解質膜５１の両側の触媒層６１とガス拡散層６２に対応する部分にガス不透過層６３が形成されている。ガス不透過層６３は、触媒層６１の基材と同質の樹脂（この実施例ではフッ素系樹脂）からなる接着剤層６４と、ガス拡散層６２の空孔に樹脂（この実施例で接着剤層６４と同質のフッ素系樹脂）を充填して形成された樹脂充填層６５とから構成されている。接着剤層６４は固体高分子電解質膜５１と樹脂充填層６５とを接着しており、接着剤層６４に触媒は担持されていない。また、樹脂充填層６５は充填した樹脂により空孔が塞がれており、ガスの透過が不可能にされている。
すなわち、この実施例では、接着剤層６４は触媒層６１に代えて固体高分子電解質膜５１に面して設けられている。また、ガス不透過層６３は固体高分子電解質膜５１に隣接して設けられ、膜電極構造体５４の厚さ方向へのガスの透過を阻止している。
【００２４】
このように構成されたガス不透過部Ｂにおいては、燃料流路５８内の水素ガスはアノード側のガス不透過層６３を透過することができず、空気流路５９内の空気はカソード側のガス不透過層６３を透過することができない。しかも、ガス不透過部Ｂにおいてはアノード側にもカソード側にも触媒が存在しない。したがって、このガス不透過部Ｂにおいては水素のイオン化が行われず、発電機能がないので、生成水が生成されることもない。
また、ガス不透過部Ｂにおいては、燃料流路５８内の水もアノード側のガス不透過層６３を透過することができず、空気流路５９内の水もカソード側のガス不透過層６３を透過することができない。
したがって、ガス不透過層６３内に水が存在することはない。
【００２５】
その結果、発電を停止して氷点下環境に放置しても、膜電極構造体５４のガス不透過部Ｂにおいては、ガス不透過層６３内で水が凍結することはなく、その結果、固体高分子電解質膜５１の損傷を防止することができる。また、ガス不透過部Ｂでは固体高分子電解質膜５１が接着剤層６４を介して樹脂充填層６５に接合されているので、固体高分子電解質膜５１の剥離を防止することができ、その結果、膜電極構造体５４の強度アップを図ることができる。
【００２６】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では固体高分子電解質膜の両側にガス不透過層を設けたが、固体高分子電解質膜のアノード側にのみガス不透過層を設けてもよいし、カソード側にのみガス不透過層を設けてもよい。
また、前述した実施例では、触媒層に代えて接着剤層を設けたが、触媒層とは別に接着剤層を設けてもよい。
さらに、接着剤層を設けなくてもこの発明は成立し、その場合も、ガス不透過層内で水が凍結することがないので、固体高分子電解質膜および膜電極構造体の損傷を防止することができる。
また、前述した実施例では燃料通路と同様に酸化剤通路も蛇行させているが、酸化剤通路は蛇行していなくてもこの発明は成立する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明に係る燃料電池スタックの一実施例の分解斜視図である。
【図２】前記実施例における燃料電池スタックの膜電極構造体の正面図である。
【図３】図２のIII−III断面を示す膜電極構造体の断面図である。
【図４】前記実施例における燃料電池スタックのアノード側セパレータの正面図である。
【図５】前記実施例における燃料電池スタックのカソード側セパレータの正面図である。
【符号の説明】
【００２８】
５０  セル（燃料電池）
５１  固体高分子電解質膜
５２  アノード電極
５３  カソード電極
５４  膜電極構造体
５８  燃料流路
５９  空気流路（酸化剤流路）
６３  ガス不透過層
６４  接着剤層
【図１】
2005228619.tif 000003
【図２】
2005228619.tif 000004
【図３】
2005228619.tif 000005
【図４】
2005228619.tif 000006
【図５】
2005228619.tif 000007