(57)【要約】燃料電池アノード側及びカソード側において、それぞれ環状の本体部と膜電極接合体との間に形成された略矩形のアノード側隙間及びカソード側隙間に反応ガスが流れ込んだとしても、当該反応ガスが電極を通らずに出口へ流れ出して発電効率が低下することを防止する。燃料電池におけるアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットのうちの少なくとも一方に、アノード側隙間及びカソード側隙間において互いに対向する二対の隙間部分のうちの、燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路の上流側から下流側に向けて燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力勾配の大きいほうの一対の隙間部分、と交差するように、環状の本体部に連結された追加シール部を設ける。【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜並びに前記高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを含む膜電極接合体と、
前記アノードに燃料ガスを供給及び排出するための燃料ガス用流路を含む導電性を有するアノード側セパレータと、
前記カソードに酸化剤ガスを供給及び排出するための酸化剤ガス用流路を含む導電性を有するカソード側セパレータと、
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体側の面において、前記膜電極接合体の外周部に配置され、それぞれ前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと、
を具備する単電池を含んでおり、
前記アノード側及び前記カソード側において、それぞれ前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に略矩形のアノード側隙間及びカソード側隙間が形成された構成を有し、
前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットのうちの少なくとも一方が、前記膜電極接合体の外周部に沿って配置された環状の本体部と；前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間において互いに対向する二対の隙間部分のうちの、前記燃料ガス用流路及び前記酸化剤ガス用流路の上流側から下流側に向けて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの圧力勾配の大きいほうの一対の前記隙間部分、と交差するように前記本体部に連結された追加シール部と；を有すること、
を特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガス用流路及び前記酸化剤ガス用流路のうちの少なくとも一方が、複数の直線部と、隣接する前記直線部を連結する曲線部と、を含む蛇行形状を有すること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記追加シール部が、前記複数の直線部の間のリブに位置すること、を特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記追加シール部が途中で切断されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間のうちの少なくとも一方の幅が０．３ｍｍ超で１．５ｍｍ未満であること、特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記追加シール部が、前記燃料ガス用流路及び前記酸化剤ガス用流路の出口側より入口側に位置すること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、燃料電池、特に高分子電解質形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】  高分子電解質形燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。図１０に、このような高分子電解質燃料電池の一般的な基本構成の要部の概略分解断面図を示す。燃料電池１００は、図１０に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１０５と、膜電極接合体１０５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。【０００３】  膜電極接合体１０５は、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１０１が配置された構成を有している。更に、アノード１０４ａは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ａと、当該触媒層１０２ａとアノード側セパレータ１０６ａとの間に配置されるガス拡散層１０３ａとを少なくとも含み、カソード１０４ｂは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ｂと、当該触媒層１０２ｂとカソード側セパレータ１０６ｂとの間に配置されるガス拡散層１０３ｂとを少なくとも含む。【０００４】  触媒層１０２ａ、１０２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末を主成分とする層である。また、ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。【０００５】  ここで、図１０に示すように、ＭＥＡ１０４においては、ガス漏れを防止するためガスケット１０９ａ、１０９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１０１の主面の大きさが、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１０１の全外縁部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。なお、本明細書においては、これらのアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出した高分子電解質膜１０１の外縁部を「はみ出し部」ともいう（図１０中のＰ）。【０００６】  アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ１０４を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ１０４を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ１０４同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂには、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ１０４の外部に運び去るための燃料ガス用流路１０７ａ及び酸化剤ガス用流路、１０７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面）に形成されている。【０００７】  更に、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。【０００８】  燃料ガス用流路１０７ａ及び酸化剤ガス用流路１０７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂは、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。【０００９】  また、複数のＭＥＡ１０５間にアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを介在させ、複数のＭＥＡ１０５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。【００１０】  また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた冷却流体用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。【００１１】  ここで、図１１は、図１０に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線断面を示す図（即ち、従来の燃料電池１００におけるアノード側セパレータ１０６ａを燃料ガス用流路１０７ａ側からみた正面図）であり、アノード側ガスケット１０９ａが当接する部分はハッチングで示されている。図示しないが、従来の燃料電池１００におけるカソード側セパレータ１０６ｂを酸化剤ガス用流路１０７ｂ側からみた正面図も同様である。【００１２】  図１１に示すように、アノード側セパレータ１０９ａには、燃料ガス供給用マニホールド孔１１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１１５、冷却流体用マニホールド孔１１８、冷却流体排出用マニホールド孔１１９、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１１６、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１１７が設けられている。同様に、カソード側セパレータ１０６ｂにも各マニホールド孔が設けられている。【００１３】  つぎに、図１２は、図１０におけるＩＶ−ＩＶ線断面を示す図（即ち、図１０の燃料電池１００からアノード側セパレータ１０６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ１０６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。ここでは図示しないが、図１０の燃料電池１００からカソード側セパレータ１０６ｂを取り外し、当該カソード側セパレータ１０６ｂ側（取り外し前）から見た正面図も同様である。【００１４】  従来の燃料電池１００においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード１０４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード１０４ａ側への漏れ、ＭＥＡ１０５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの間において、ＭＥＡ１０５の外縁部（アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外部であって高分子電解質膜１０１のはみ出し部Ｐ）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂが配置されている。【００１５】  これらのアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂは、例えば断面形状が略矩形の連続環状体構造を有し、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等を用いて従来公知の方法によって作製することができ、先に述べた高分子電解質膜の全てのはみ出し部Ｐを挟み込んでいる。ＭＥＡ１０５の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のガスケットをＭＥＡ１０５と一体化させて用いることが多い。【００１６】  そして、このようなアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを、先に述べた高分子電解質膜１０１の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノード側セパレータ１０６ａ、高分子電解質膜１０１及びアノード側ガスケット１０９ａにより、アノード１０４ａを包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ１０６ｂ、高分子電解質膜１０１及びカソード側ガスケット１０９ｂにより、カソード１０４ｂを包み込むまた別の閉空間が形成される。これらの閉空間によって、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。【００１７】  ここで、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂと、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難である。従って、図１０〜１２に示すように、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを上述の位置に配置する場合、それぞれアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂとの間に隙間（即ちアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂ）が形成され易い。【００１８】  このようなアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂが形成されると、反応ガスがアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに漏れる場合がある。また、反応ガスの一部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの内部を流れずに当該アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂ内を進行してＭＥＡ１０５の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題もある。【００１９】  また、積層型の燃料電池スタックを作製する際には、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂと、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂとが重なり合ってしまうことを防ぐために、あえてアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂを設計段階から設け、生産性向上が図られているという一面もあり、かかる点からもアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂを無くすことは困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】  しかしながら、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに別のシール材を配置する上記の従来技術によっては、別のシール材により触媒層１０２ａ、１０２ｂやアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを歪ませてしまうことがあり、上述の問題を解決するには未だ改善の余地があった。更に、この従来技術においても、部材の加工公差や組み立て公差等が生じることは防ぐことができないため、別のシール材とアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難であり、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂを完全にシールすることは極めて困難であった。【００２１】  本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、それぞれアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットとアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、その隙間に反応ガスを流すことを防ぎ、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な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。
【課題を解決するための手段】
【００２２】  本発明は、上記の目的を達成するために、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜並びに高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを含む膜電極接合体と、
アノードに燃料ガスを供給及び排出するための燃料ガス用流路を含む導電性を有するアノード側セパレータと、
カソードに酸化剤ガスを供給及び排出するための酸化剤ガス用流路を含む導電性を有するカソード側セパレータと、
アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの膜電極接合体側の面において、膜電極接合体の外周部に配置され、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと、
を具備する単電池を含んでおり、
アノード側及びカソード側において、それぞれアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に略矩形のアノード側隙間及びカソード側隙間が形成された構成を有し、
アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットのうちの少なくとも一方が、膜電極接合体の外周部に沿って配置された環状の本体部と；アノード側隙間及びカソード側隙間において互いに対向する二対の隙間部分のうちの、燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路の上流側から下流側に向けて燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力勾配の大きいほうの一対の隙間部分、と交差するように本体部に連結された追加シール部と；を有すること、
を特徴とする燃料電池を提供する。【００２３】  このような本発明の構成を有していれば、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されたアノード側隙間及びカソード側隙間に反応ガスが流れ込んでしまったとしても、追加シール部によってその流れを遮断することができ、反応ガス供給用マニホールドから反応ガス排出用マニホールドまで電極反応に用いられることなく直接的に排出されることを効果的に抑制することができる。【００２４】  したがって、反応ガス供給用マニホールドの近傍でアノード側隙間又はカソード側隙間に反応ガスが流れ込んでも、当該反応ガスを追加シール部で確実にアノード又はカソード面内に導くことができ、電極反応で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な燃料電池を提供することができる。【００２５】  すなわち、本発明によれば、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することができる。
なお、本明細書における「反応ガス」には、燃料ガス及び酸化剤ガスはもとより、当該燃料ガス及び酸化剤ガスが、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含む場合も含まれる。
【発明の効果】
【００２６】  本発明によれば、ガスケットの構造としてＭＥＡを複数に分割するための追加シール部を設けることによって、ガスケットとＭＥＡとの間に形成される隙間に流れ込んでしまった反応ガスをそのシール部で遮断する。この結果、隙間に流れ込んだ反応ガスが供給用マニホールドから排出用のマニホールドまで直接的に流れることがなく、供給用マニホールド近傍で隙間に反応ガスが流れ込んでも追加シール部で確実にアノードあるいはカソード面内に導くことができる。【００２７】  したがって、燃料電池の作製時にその組立性向上を図るためのガスケットとＭＥＡとの間のクリアランス（隙間）があっても燃料電池の発電で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な燃料電池を提供することができる。【００２８】  また、本発明によれば、反応ガス用流路が蛇行形状であり、反応ガス用流路の長手方向に追加シール部を設けることによって、ガスケットとＭＥＡとの間の隙間に流れ込んだ反応ガスを確実に追加シール部で遮断することが可能となる。反応ガス用流路が供給用マニホールドから排出用マニホールドまで直線で流路構成されている場合は、蛇行形状に比べて反応ガス用流路の流路長が短くなるため反応ガスが流れる際の圧力損失が蛇行形状より相対的に小さくなる。【００２９】  その結果、直線的な流路構成であれば反応ガスがガスケットとＭＥＡとの間の隙間に流入する可能性が小さくなる。仮に直線流路であってもアスペクト比の大きい、流路長の長い流路構成で圧力損失を大きくすると反応ガス用流路に対するアノード側隙間及びカソード側隙間の割合が無視できないため、本発明を用いて電極面内に追加シール部を設けることが有効となるが、燃料電池の全体形状がアンバランスとなるおそれもある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の基本構成の要部を示す概略分解断面図である。
【図２】図１に示すＩ−Ｉ線断面を示す図（即ち、第一実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータ６ａを燃料ガス用流路７ａ側からみた正面図）である。
【図３】図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面を示す図（即ち、図１の燃料電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。
【図４】図３におけるＸ−Ｘ線断面のアノード４ａ側の要部を示す概略分解断面図である。
【図５】図３におけるＸ−Ｘ線断面のアノード４ａ側の要部（変形例）を示す概略分解断面図である。
【図６】第二実施形態において、図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面を示す図（図１の燃料電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。
【図７】第二実施形態の図３におけるＸ２−Ｘ２線断面のアノード４ａ側の要部を示す概略分解断面図である。
【図８】第三実施形態において、図１におけるＩ−Ｉ線断面を示す図（即ち、第三実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータ６ａを燃料ガス用流路７ａ側からみた正面図）である。
【図９】第一実施形態の燃料電池１０の変形例におけるアノード側セパレータ６ａを燃料ガス用流路７ａ側からみた正面図）である。
【図１０】従来の高分子電解質形燃料電池の要部の一般的な基本構成の要部を示す概略分解断面図である。
【図１１】図１０に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線断面を示す図（即ち、従来の燃料電池１００におけるアノード側セパレータ１０６ａを燃料ガス用流路１０７ａ側からみた正面図）でありる。
【図１２】図１０におけるＩＶ−ＩＶ線断面を示す図（即ち、図１０の燃料電池１００からアノード側セパレータ１０６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ１０６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】  以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。【００３２】  ［第一実施形態］
図１は、本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の基本構成の要部を示す概略分解断面図である。本発明の燃料電池１０は、図１に示す構成要素を破線で示される位置関係で組み合わせることにより構成され、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）５と、膜電極接合体５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。【００３３】  膜電極接合体５は、アノード４ａ及びカソード４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜（例えば米国Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社製のパーフルオロカーボンスルホン酸からなるＮａｆｉｏｎ１１２膜（商品名））１が配置された構成を有している。更に、アノード４ａは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ａと、当該触媒層２ａとアノード側セパレータ６ａとの間に配置されるガス拡散層３ａとを少なくとも含み、カソード４ｂは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ｂと、当該触媒層２ｂとカソード側セパレータ６ｂとの間に配置されるガス拡散層３ｂとを少なくとも含む。【００３４】  触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末（例えばカーボンブラック）を主成分とする層である。このような触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。【００３５】  また、ガス拡散層３ａ、３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層３ａ、３ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末（例えばカーボンブラック）とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。上記導電性多孔質基材としては、例えばカーボンペーパー、織布、フェルト等の一般的なものを用いることができる。【００３６】  ここで、図１に示すように、ＭＥＡ４においては、ガス漏れを防止するためガスケット９ａ、９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１の主面の大きさが、アノード４ａ及びカソード４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１の全外縁部（はみ出し部Ｐ）がアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。【００３７】  アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ４を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ４を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ４同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、アノード４ａ及びカソード４ｂに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ４の外部に運び去るための燃料ガス用流路７ａ、７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの、それぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面）に形成されている。【００３８】  一方、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却���等）を導入するための冷却流体流路８ａ、８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。【００３９】  燃料ガス用流路７ａ、７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの、それぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路８ａ、８ｂは、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの外側の主面に溝を設けて形成されている。【００４０】  また、本発明の燃料電池１０は、複数のＭＥＡ５間にアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを介在させ、複数のＭＥＡ５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）として用いることができる。この場合、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。【００４１】  また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂに設けられた冷却流体用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。【００４２】  ここで、図２は、図１に示すＩ−Ｉ線断面を示す図（即ち、本実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータ６ａを燃料ガス用流路７ａ側からみた正面図）であり、アノード側ガスケット９ａが当接する部分はハッチングで示されている。なお、図示しないが、燃料電池１０におけるカソード側セパレータ６ｂを酸化剤ガス用流路７ｂ側からみた正面図も同様である。【００４３】  図２に示すように、アノード側セパレータ９ａには、燃料ガス供給用マニホールド孔１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、冷却流体用マニホールド孔１８、冷却流体排出用マニホールド孔１９、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１６、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１７が設けられている。同様に、カソード側セパレータ６ｂにも各マニホールド孔が設けられている。【００４４】  つぎに、図３は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面を示す図（即ち、図１の燃料電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。なお、図示しないが、燃料電池１０からカソード側セパレータ６ｂを取り外し、当該カソード側セパレータ６ｂ側（取り外し前）から見た正面図も同様である。【００４５】  図１〜図３に示すように、本実施形態の燃料電池１０においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード４ａ側への漏れ、ＭＥＡ５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ６ａ及びカ��ード側セパレータ６ｂの間において、ＭＥＡ５の外縁部（アノード４ａ及びカソード４ｂの外部であって高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐ）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂが配置されている。【００４６】  ここではアノード側ガスケット９ａに代表させて説明するが、アノード側ガスケット９ａは、例えば断面形状が略矩形の連続環状体構造を有する環状の本体部（シール部）１２ａを有し、この環状の本体部１２ａは、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等を用いて従来公知の方法によって作製することができ、先に述べた高分子電解質膜の全てのはみ出し部Ｐを挟み込んでいる。ＭＥＡ５の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のガスケットをＭＥＡ５と一体化させて用いることが多い。【００４７】  そして、このようなアノード側ガスケット９ａの環状の本体部１２ａを、先に述べた高分子電解質膜１の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノード側セパレータ６ａ、高分子電解質膜１及び環状の本体部１２ａにより、アノード４ａを包み込む一つの閉空間が形成される。これらの閉空間、即ちアノード側隙間１０ａによって、アノード４ａに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。【００４８】  図示しないが、アノード側と同様に、カソード側ガスケット９ｂも環状の本体部を有し、カソード側ガスケット９ｂ、カソード側セパレータ６ｂ、高分子電解質膜１及び当該環状の本体部により、カソード４ｂを包み込むまた別の閉空間、即ちカソード側隙間１０ｂが形成されている（図１参照）。【００４９】  上述した従来のガスケットと同様に、環状の本体部１２ａのみからなるアノード側ガスケット９ａ及び環状の本体部（図示せず）のみからなるカソード側ガスケット９ｂを上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等により、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂが形成され、反応ガスがアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに漏れ、反応ガスの一部がアノード４ａ及びカソード４ｂの内部を流れずに当該アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂ内を進行してＭＥＡ５の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが極めて困難になる等の問題がある。【００５０】  ここで、本実施形態においては、図２及び図３に示すように、アノード側ガスケット９ａを、環状の本体部１２ａと追加シール部１１ａとで構成する。より具体的には、アノード側ガスケット９ａの環状の本体部１２ａに、アノード側隙間１０ａにおいて互いに対向する二対の隙間部分のうち、燃料ガスの上流側から下流側に向けて燃料ガスの圧力勾配の大きいほうの一対の隙間部分と交差するように、追加シール部１１ａを設ける。【００５１】  即ち、環状の本体部１２ａにおいて互いに対向する二対の辺のうち、上記のような圧力勾配の大きいほうの一対の隙間部分に隣接する一対の辺を連結する追加シール部１２ａを設ける。この追加シール部１１ａは環状の本体部１２ａとは独立して形成して、両者を接着して用いてもよいが、製造工程上の問題等から、両者は一体的に形成するのが好ま��い。【００５２】  図３に示すように、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から燃料ガス排出用マニホールド孔１５に繋がる燃料ガス用の燃料ガス用流路７ａは２本の並行する溝で構成されているが、上流側から下流側に向けては燃料ガスの圧力勾配が生じる。したがって、略矩形のアノード側隙間１０ａにおいても、矢印Ｄ２の方向と略平行な圧力勾配の小さい一対の隙間部分と、矢印Ｄ１の方向と略平行な圧力勾配の大きい一対の隙間部分（図３における一対のハッチング部分１０ａ１、１０ａ２）と、が含まれることになる。【００５３】  そこで、本実施形態においては、上記のような圧力勾配によって燃料ガスがより進行し易い矢印Ｄ１の方向と略平行な圧力勾配の大きい一対の隙間部分（図３における一対のハッチング部分１０ａ１、１０ａ２）と交差するように、環状の本体部１２ａに連結した追加シール部１１ａを設けるのである。【００５４】  また、図４に、図３におけるＸ−Ｘ線断面のアノード４ａ側の要部を示す概略分解断面図を示す。図４に示すように、本実施形態におけるアノード側ガスケット９ａは、環状の本体部１２ａと追加シール部１１ａとを有しており、追加シール部１１ａの断面においてアノード４ａと嵌合する部分Ｒ１では環状の本体部１２ａと追加シール部１１ａとの間に段差があり、直角形状を有している。【００５５】  これにより、アノード側隙間１０ａが確実に遮断されるとともに、アノード４ａが追加シール部１１ａに押しつぶされずかつ確実に固定（位置決め）されるという効果が得られる。なお、追加シール部１１ａと燃料ガス用の燃料ガス用流路７ａとが接触する部分には、仕切板５７ａを設けて、燃料ガスの漏れを防止すればよい。
なお、図示しないが、カソード側にも、アノード側ガスケット９ａと同様の追加シール部、及び仕切板を設ける。【００５６】  本実施形態によれば、上記のような追加シール部を設けることにより、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されたアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでしまったとしても、追加シール部によってその流れを遮断することができ、反応ガス供給用マニホールドから反応ガス排出用マニホールドまで電極反応に用いられることなく直接的に排出されることを効果的に抑制することができる。【００５７】  したがって、反応ガス供給用マニホールドの近傍でアノード側隙間１０ａ又はカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでも、当該反応ガスを追加シール部で確実にアノード４ａ又はカソード４ｂ面内に導くことができ、電極反応で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な燃料電池を提供することができる。【００５８】  なお、本実施形態における燃料ガス用の燃料ガス用流路７ａは、図２に示すように、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から燃料ガス排出用マニホールド孔１５に繋がる燃料ガス用の燃料ガス用流路７ａは２本の並行する溝で構成されており、この溝は、複数の直線部２７ａと、隣接する直線部２７ａを連結する曲線部３７ａと、を含む蛇行形状を有しており、図示しないが、酸化剤ガス用の酸化剤ガス用流路７ｂも同様の形状を有している。そして、追加シール部１２ａは、複数の直線部２７ａの間のリブ４７ａに位置するように設けられている。なお、カソード側も同様である。【００５９】  このような構成によって、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂそれぞれの二対の隙間部分に、圧力勾配の大きい一対の組合せと、圧力勾配の小さい一対の組合せと、を確実に形成することができ、燃料ガス用流路７ａ、７ｂにおける燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを妨げることなく上記のような本発明の効果をより確実に得ることができる。【００６０】  さらに、追加シール部１２ａは、図２に示すように、燃料ガス用燃料ガス用流路７ａの出口側（即ち、燃料ガス排出用マニホールド孔１５側）より入口側（即ち、燃料ガス供給用マニホールド孔１４側）に位置することが好ましい。【００６１】  アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５の間のアノード側隙間１０ａに流れる燃料ガスの量は、追加シール部１２ａまでのアノード側隙間１０ａの圧力損失と、同じく追加シール部１２ａまでの燃料ガス用流路７ａの圧力損失が等しくなったときのガス量である。また、追加シール部１２ａを設けることによってその上流側でアノード側隙間１０ａを流れていた燃料ガスは、燃料ガス用流路７ａを流れていた燃料ガスと追加シール部１２ａで混合され、その下流側へ流れていく。そのため、追加シール部１２ａ以降の電極（アノード４ａ）面では、燃料ガスのアノード側隙間１０ａ流入による損失はキャンセルされる。【００６２】  例えば、燃料ガスの１０％がアノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５の間のアノード側隙間１０ａに流れることが許容される場合、追加シール部１２ａまでのアノード側隙間１０ａへ燃料ガスの１０％が流れ込���だ際の圧力損失と、燃料ガス用流路７ａにその残りの９０％が流れた時の追加シール部１２ａまでの圧力損失が等しくなる位置に追加シール部１２ａを設けることとなる。【００６３】  したがって、電極面において必要な燃料ガス量に応じて追加シール部１２ａを設置する位置が決まる。発電時には燃料ガスが消費されるため燃料ガス用流路７ａの入口側から急激にガス圧力が低下する。そのため、結果的に追加シール部１２ａで仕切られた２つのアノード４ａ面で燃料ガス用流路７ａの入口側の面積が小さくなるように追加シール部１２ａを設置することがアノード側隙間１０ａへの燃料ガスの流れ込みによる電池性能の影響を抑制することができる。【００６４】  酸化剤ガスの流れるカソード側についても、上記と同様の理由により、酸化剤ガス用酸化剤ガス用流路７ｂの出口側（即ち、酸化剤ガス排出用マニホールド孔１７側）より入口側（即ち、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１６側）に位置することが好ましい。【００６５】  また、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂのうちの少なくとも一方の幅が０．３ｍｍ超で１．５ｍｍ未満であることが好ましい。本発明においては、従来反応ガスの回り込みを生じることによって好ましくないとされていたアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを確保するとともに積極的に利用し、上記のような効果を奏するものであり、その幅が上記範囲にあれば、より確実に本発明の効果を得ることができる。【００６６】  なお、図５に、本実施形態の追加シール部１１ａの変形例を示す。図５は、図３におけるＸ−Ｘ線断面のアノード４ａ側の要部（変形例）を示す概略分解断面図である。図５に示すように、本変形例におけるアノード側ガスケット９ａは、環状の本体部１２ａと追加シール部１１ａとを有しており、追加シール部１１ａの断面においてアノード４ａの角部と接触する部分Ｒ２は、斜め形状を有している。これにより、アノード側隙間１０ａが確実に遮断されるとともに、アノード４ａが追加シール部１１ａに押しつぶされる程度を低減させることができ、かつ確実に固定されるという効果が得られる。【００６７】  ［第二実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１０におけるアノード４ａ、カソード４ｂ及び追加シール部１２ａを異なる構成に代えたものであり、アノード４ａ、カソード４ｂ及び追加シール部１２ａ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。以下、第二実施形態の燃料電池に備えられるアノード４ａ、カソード４ｂ及び追加シール部１２ａについて説明する。【００６８】  図６は、第一実施形態における図３に相当し、図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面を示す図（図１の燃料電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。なお、図示しないが、燃料電池１０からカソード側セパレータ６ｂを取り外し、当該カソード側セパレータ６ｂ側（取り外し前）から見た正面図も同様である。
図６に示すように、本実施形態におけるアノード４ａは、追加シール部１２ａの部分で略同一の面積を有するように分割されており、このように分割されている部分では追加シール部１２ａはアノード４ａを押しつぶすことがない。【００６９】  そして、図７に、本実施形態の図６におけるＸ２−Ｘ２線断面のアノード４ａ側の要部を示す概略分解断面図を示す。
図７に示すように、本実施形態におけるアノード側ガスケット９ａは、環状の本体部１２ａと追加シール部１１ａとを有しているが、第一実施形態と異なり、直角形状を有する部分Ｒ１を設けず、環状の本体部１２ａの高さと追加シール部１１ａの高さとを略同一にすることができる。これにより、アノード側隙間１０ａが確実に遮断されるとともに、アノード４ａが追加シール部１１ａに押しつぶされることがないという効果が得られる。なお、図示しないが、カソード側にも、アノード側ガスケット９ａと同様の追加シール部を設ける。【００７０】  本実施形態によれば、上記のような追加シール部を設けることにより、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されたアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでしまったとしても、追加シール部によってその流れを遮断することができ、反応ガス供給用マニホールドから反応ガス排出用マニホールドまで電極反応に用いられることなく直接的に排出されることを効果的に抑制することができる。【００７１】  したがって、反応ガス供給用マニホールドの近傍でアノード側隙間１０ａ又はカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでも、当該反応ガスを追加シール部で確実にアノード４ａ又はカソード４ｂ面内に導くことができ、電極反応で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な燃料電池を提供することができる。【００７２】  ［第三実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第三実施形態について説明する。この第三実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１０における追加シール部１２ａを異なる構成に代えたものであり、追加シール部１２ａ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。以下、第三実施形態の燃料電池に備えられる追加シール部１２ａについて説明する。【００７３】  図８は、第一実施形態における図２に相当し、第三実施形態において図１におけるＩ−Ｉ線断面を示す図（即ち、本実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータ６ａを燃料ガス用流路７ａ側からみた正面図）であり、アノード側ガスケット９ａが当接する部分はハッチングで示されている。なお、図示しないが、燃料電池１０におけるカソード側セパレータ６ｂを酸化剤ガス用流路７ｂ側からみた正面図も同様である。【００７４】  本実施形態における追加シール部は、第一の追加シール部１１ａ１及び第二の追加シール部１１ａ２とで構成されている。即ち、上記第一実施形態において説明したように、略矩形のアノード側隙間１０ａにおいても、矢印Ｄ２の方向と略平行な圧力勾配の小さい一対の隙間部分と、矢印Ｄ１の方向と略平行な圧力勾配の大きい一対の隙間部分（図３におけるハッチング部分）と、が含まれることになるため、上記のような圧力勾配によって燃料ガスがより進行し易い矢印Ｄ１の方向と略平行な圧力勾配の大きい一対の隙間部分（図３におけるハッチング部分）と交差するように、環状の本体部１２ａに連結した第一の追加シール部１１ａ１及び第二の追加シール部１１ａ２とを設ける。図示しないが、カソード側にも二つの追加シール部を設ける。【００７５】  本実施形態によれば、上記のような二つの追加シール部を設けることにより、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されたアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでしまったとしても、追加シール部によってその流れをより確実に遮断することができ、反応ガス供給用マニホールドから反応ガス排出用マニホールドまで電極反応に用いられることなく直接的に排出されることを効果的に抑制することができる。【００７６】  したがって、反応ガス供給用マニホールドの近傍でアノード側隙間１０ａ又はカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでも、当該反応ガスを二つの追加シール部でより確実にアノード４ａ又はカソード４ｂ面内に導くことができ、電極反応で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な燃料電池を提供することができる。【００７７】  以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。また、それぞれの実施形態において他の実施形態の構成の一部を採用することも可能である。【００７８】  例えば、上記実施形態においては、環状の本体部１２ａにおいて互いに対向する二対の辺のうち、上記のような圧力勾配の大きいほうの一対の隙間部分に隣接する一対の辺を連結する追加シール部１２ａを設ける態様について説明したが、例えば第一実施形態においては追加シール部１２ａが、上記のような圧力勾配の大きいほうの一対の隙間部分に交差していればよく、途中で切断されていてもよい（図９参照）。図９においては、追加シール部１１ａの途中に切断部Ｓが設けられている。第二実施形態及び第三実施形態においても同様に追加シール部に切断部が設けられていてもよい。【００７９】  また、第三実施形態においては、第一実施形態で説明した図４及び図５に示されたいずれの断面構造を有する追加シール部１１ａも採用することができ、また、第二実施形態で説明した図７に示す断面構造を有する追加シール部１１ａを採用するとともに、アノード４ａ及びカソード４ｂをそれぞれ三分割して配置してもよい。【００８０】  また、例えば、水素と酸素との化学量論反応を考慮すると、水素は酸素の２倍体積必要となるが、酸化剤ガスに空気を用いる場合、空気中の酸素濃度は約２０体積％であるため、カソードへの空気の流量がアノードへの燃料ガスの流量よりも多くなる。更に、燃料利用率の向上という点からも、燃料ガスの流量を少なくする必要がある。【００８１】  そのため、燃料ガス用流路は、酸化剤ガス用流路よりも蛇行部分が多くかつ長くなって、燃料ガス用流路の長さとアノード側隙間の長さとの差が、酸化剤ガス用流路の長さとカソード側隙間の長さとの差よりも大きくなるため、反応ガスはカソード側隙間よりもアノード側隙間に流れ易い環境となる。従って、アノード側において追加シール部を優先的に設けることが、より有効である。【００８２】  また、上記実施形態のように、燃料ガス用ガス流路及び酸化剤ガス用流路が複数本の溝からなる場合、複数本の溝間で屈曲方向の数の違いより流路長（行路長）に差が生じる。この場合、複数本の溝のうち、反応ガス供給用マニホールド孔から反応ガス排出用マニホールド孔までの距離が長い方の溝の断面積を、反応ガス供給用マニホールド孔から反応ガス排出用マニホールド孔までの距離が短い方の溝の断面積よりも大きくするのが好ましい。この構成によれば、流路長の異なる溝間における圧損差をなくすことができ、反応ガスの流れを安定させることができる。【００８３】  さらに、上流側の燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路と下流側の燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路とが隣接する領域においては、流路間の幅（即ちリブ部の幅）を太くすることが好ましい。これにより、上流側の流路から下流側の流路へと反応ガスが直接流れ込むことを防止することができる。【００８４】  燃料ガスと酸化剤ガスとのクロスリークを防止するとともに、両者がガス流路の部分を流れることを有効に防止するという観点からは、アノード側セパレータ６ａにおいては、燃料ガス供給用マニホールド孔１４の位置と燃料ガス排出用マニホールド孔１５の位置とを離し、カソード側セパレータ６ｂにおいては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８の位置と酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９の位置とを離しておくのも好ましい。仮にマニホールド孔同士を近接させる場合には、マニホールド孔近辺において当該マニホールド孔に連通する流路間のリブ部の幅を厚めに設定するのが好ましい。【００８５】  本発明においては、アノード側セパレータにおける燃料ガス用流路の構成と、カソード側セパレータにおける酸化剤ガス用流路の構成と、を適宜変更してもよく、両者の構成を同���構成としても異なる構成としても構わない。また、上記の直線部の数及び曲線部の数も特に限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。【００８６】  加えて、アノード側セパレータにおける冷却流体流路及びカソード側セパレータにおける冷却流体流路の形状としては、特に限定されず、冷却流体供給用マニホールド孔と冷却流体排出用マニホールド孔とを連通する従来と同様の構成を採用することができる。例えば、冷却流体流路は、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちの少なくとも一方に設ければよく、必ずしも両方に設ける必要はない。【００８７】  更に、単電池を複数積層する場合には、単電池２個毎に１つの冷却流体流路を形成してもよい。この場合、例えばアノード側セパレータの一方の面に燃料ガス用流路を形成するとともに、他方の面に冷却流体流路を形成し、カソード側セパレータの一方の面に酸化剤ガス用流路を形成するとともに、他方の面は平面状としておいてもよい。
【実施例】
【００８８】  以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。【００８９】《実施例１》
ＭＥＡとしては、図１に示した構成を有する株式会社ジャパンゴアテックス製の「ＰＲＩＭＥＡ（商品名）」を用意し、ホットプレスにより、図１に示した構成となるように高分子電解質膜の外周部にガスケットを接合した。
ここで、本実施例では、カソード側のガス拡散層とガスケットの間に３ｍｍ幅のバイトンのシール材をはめ込んで、図２〜図４に示した追加シール部１１ａとした。その具体的な設置位置は、酸化剤ガスの圧力損失が大きくなる１対の辺を横断するように設置し、上流と下流部の真ん中の位置になるようにした。
アノード側セパレータ、カソード側セパレータにＭＥＡを配置し、その両端にそれぞれ集電板および絶縁板を重ね合わせ、その積層体を一対のエンドプレートの間に配置し、バネおよび締結具を用いて積層体を一対のエンドプレートの間に固定することにより本実施例の燃料電池を得た。
なお、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータは、上記ＭＥＡの大きさにあわせた導電性の平板の一方の主面にガス流路を切削加工により形成した。【００９０】  ここで、この実施例１においては、２本のガス流路のかわりに３本のガス流路を形成したこと以外は図２に示したガス流路と同様の幾何学的条件でアノード側セパレータの燃料ガスのガス流路を形成した。
また、この実施例１においては、２本のガス流路のかわりに７本のガス流路を形成したこと以外は図２に示したガス流路と同様の幾何学的条件でカソード側セパレータの酸化剤ガスのガス流路を形成した。【００９１】《比較例１》
実施例１の燃料電池と比較し、追加シール部がないこと以外は実施例１と同一の構成を有する燃料電池を作成した。【００９２】［評価試験］
実施例１の燃料電池及び比較例１の燃料電池スタックを用い、以下の作動条件で限界酸素ガス利用率を測定した。結果を表１に示す。
なお、この評価試験においては、実施例１の燃料電池スタック及び比較例１の燃料電池ごとに限界酸素ガス利用率を求め、相加平均を算出してこれを限界酸素ガス利用率とした。また、「限界酸素ガス利用率」とは、燃料電池が電圧降下を起こさずに安定して発電できる最大の酸素ガス利用率をいう。
・燃料電池温度：６２℃
・燃料ガス（Ｈ２）利用率：７５％
・酸化剤ガス（Ｏ２）利用率：５０〜９８％
・燃料ガス及び酸化剤ガス加湿温度：６６℃【００９３】
【表１】
2007013298.tif 000002
【００９４】  実施例１においては、酸素ガス利用率を９８％にしても、電圧降下が起こらなかった。一方、比較例１においては、酸素ガス利用率が８７％を超えると電圧降下が始まった。
表１に示した結果から明らかなように、本発明の燃料電池は、高い限界酸素ガス利用率を有し、充分な発電性能を発揮することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００９５】  本発明の固体高分子型燃料電池は、反応ガスの利用効率低下を抑制し、高分子型固体電解質膜を用いた燃料電池、特に定置型コジェネレーションシステムや電気自動車等に好適に応用することができる。
【図１】
2007013298.tif 000003
【図２】
2007013298.tif 000004
【図３】
2007013298.tif 000005
【図４】
2007013298.tif 000006
【図５】
2007013298.tif 000007
【図６】
2007013298.tif 000008
【図７】
2007013298.tif 000009
【図８】
2007013298.tif 000010
【図９】
2007013298.tif 000011
【図１０】
2007013298.tif 000012
【図１１】
2007013298.tif 000013
【図１２】
2007013298.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成19年4月26日(2007.4.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜並びに前記高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを含む膜電極接合体と、
前記アノードに燃料ガスを供給及び排出するための燃料ガス用流路を含む導電性を有するアノード側セパレータと、
前記カソードに酸化剤ガスを供給及び排出するための酸化剤ガス用流路を含む導電性を有するカソード側セパレータと、
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体側の面において、前記膜電極接合体の外周部に配置され、それぞれ前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと、
を具備する単電池を含んでおり、
前記アノード側及び前記カソード側において、それぞれ前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に略矩形のアノード側隙間及びカソード側隙間が形成された構成を有し、
前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットのうちの少なくとも一方が、前記膜電極接合体の外周部に沿って配置された環状の本体部と；前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間において互いに対向する二対の隙間部分のうちの、前記燃料ガス用流路及び前記酸化剤ガス用流路の上流側から下流側に向けて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの圧力勾配の大きいほうの一対の前記隙間部分の一部、と交差するように前記本体部に連結された追加シール部と；を有すること、
を特徴とする燃料電池。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、燃料電池、特に高分子電解質形燃料電池に関する。
背景技術
［０００２］
高分子電解質形燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。図１０に、このような高分子電解質燃料電池の一般的な基本構成の要部の概略分解断面図を示す。燃料電池１００は、図１０に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１０５と、膜電極接合体１０５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
［０００３］
膜電極接合体１０５は、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１０１が配置された構成を有している。更に、アノード１０４ａは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ａと、当該触媒層１０２ａとアノード側セパレータ１０６ａとの間に配置されるガス拡散層１０３ａとを少なくとも含み、カソード１０４ｂは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ｂと、当該触媒層１０２ｂとカソード側セパレータ１０６ｂとの間に配置されるガス拡散層１０３ｂとを少なくとも含む。
［０００４］
触媒層１０２ａ、１０２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末を主成分とする層である。また、ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。
［０００５］
ここで、図１０に示すように、ＭＥＡ１０５においては、ガス漏れを防止するためガスケット１０９ａ、１０９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１０１の主面の大きさが、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１０
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
１の全外縁部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。なお、本明細書においては、これらのアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出した高分子電解質膜１０１の外縁部を「はみ出し部」ともいう（図１０中のＰ）。
［０００６］
アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ１０５を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ１０５を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ１０５同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂには、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ１０５の外部に運び去るための燃料ガス用流路１０７ａ及び酸化剤ガス用流路１０７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面）に形成されている。
［０００７］
更に、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
［０００８］
燃料ガス用流路１０７ａ及び酸化剤ガス用流路１０７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂは、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。
［０００９］
また、複数のＭＥＡ１０５間にアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを介在させ、複数のＭＥＡ１０５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。
［００１０］
また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた冷却流体用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。
［００１１］
ここで、図１１は、図１０に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線断面を示す図（即ち、従来の燃料電池１００におけるアノード側セパレータ１０６ａを燃料ガス用流路１０７ａ側からみた正面図）であり、アノード側ガスケット１０９ａが当接する部分はハッチングで示されている。図示しないが、従来の燃料電池１００におけるカソード側セパレータ１０６ｂを酸化剤ガス用流路１０７ｂ側からみた正面図も同様である。
［００１２］
図１１に示すように、アノード側セパレータ１０６ａには、燃料ガス供給用マニホールド孔１１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１１５、冷却流体用マニホールド孔１１８、冷却流体排出用マニホールド孔１１９、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１１６、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１１７が設けられている。同様に、カソード側セパレータ１０６ｂにも各マニホールド孔が設けられている。
［００１３］
つぎに、図１２は、図１０におけるＩＶ−ＩＶ線断面を示す図（即ち、図１０の燃料電池１００からアノード側セパレータ１０６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ１０６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。ここでは図示しないが、図１０の燃料電池１００からカソード側セパレータ１０６ｂを取り外し、当該カソード側セパレータ１０６ｂ側（取り外し前）から見た正面図も同様である。
［００１４］
従来の燃料電池１００においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード１０４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード１０４ａ側への漏れ、ＭＥＡ１０５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの間において、ＭＥＡ１０５の外縁部（アノード１０４ａ及びカソ
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
ることもある。
［００３２］
［第一実施形態］
図１は、本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の基本構成の要部を示す概略分解断面図である。本発明の燃料電池１０は、図１に示す構成要素を破線で示される位置関係で組み合わせることにより構成され、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）５と、膜電極接合体５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
［００３３］
膜電極接合体５は、アノード４ａ及びカソード４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜（例えば米国Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社製のパーフルオロカーボンスルホン酸からなるＮａｆｉｏｎ１１２膜（商品名））１が配置された構成を有している。更に、アノード４ａは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ａと、当該触媒層２ａとアノード側セパレータ６ａとの間に配置されるガス拡散層３ａとを少なくとも含み、カソード４ｂは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ｂと、当該触媒層２ｂとカソード側セパレータ６ｂとの間に配置されるガス拡散層３ｂとを少なくとも含む。
［００３４］
触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末（例えばカーボンブラック）を主成分とする層である。このような触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。
［００３５］
また、ガス拡散層３ａ、３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層３ａ、３ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末（例えばカーボンブラック）とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。上記導電性多孔質基材としては、例えばカーボンペーパー、織布、フェルト等の一般的なものを用いることができる。
［００３６］
ここで、図１に示すように、ＭＥＡ５においては、ガス漏れを防止するためガスケット９ａ、９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１の主面の大きさが、アノード４ａ及びカ
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
ソード４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１の全外縁部（はみ出し部Ｐ）がアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。
［００３７］
アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ５を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ５を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ５同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、アノード４ａ及びカソード４ｂに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ５の外部に運び去るための燃料ガス用流路７ａ、７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの、それぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面）に形成されている。
［００３８］
一方、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路８ａ、８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
［００３９］
燃料ガス用流路７ａ、７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの、それぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路８ａ、８ｂは、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの外側の主面に溝を設けて形成されている。
［００４０］
また、本発明の燃料電池１０は、複数のＭＥＡ５間にアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを介在させ、複数のＭＥＡ５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）として用いることができる。この場合、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
［００４１］
また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂに設けられた冷却流体用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。
［００４２］
ここで、図２は、図１に示すＩ−Ｉ線断面を示す図（即ち、本実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータ６ａを燃料ガス用流路７ａ側からみた正面図）であり、アノード側ガスケット９ａが当接する部分はハッチングで示されている。なお、図示しないが、燃料電池１０におけるカソード側セパレータ６ｂを酸化剤ガス用流路７ｂ側からみた正面図も同様である。
［００４３］
図２に示すように、アノード側セパレータ６ａには、燃料ガス供給用マニホールド孔１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、冷却流体用マニホールド孔１８、冷却流体排出用マニホールド孔１９、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１６、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１７が設けられている。同様に、カソード側セパレータ６ｂにも各マニホールド孔が設けられている。
［００４４］
つぎに、図３は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面を示す図（即ち、図１の燃料電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。なお、図示しないが、燃料電池１０からカソード側セパレータ６ｂを取り外し、当該カソード側セパレータ６ｂ側（取り外し前）から見た正面図も同様である。
［００４５］
図１〜図３に示すように、本実施形態の燃料電池１０においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード４ａ側への漏れ、ＭＥＡ５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの間において、ＭＥＡ５の外縁部（アノード４ａ及びカソード４ｂの外部であって高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐ）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂが配置されている。
［００４６］
ここではアノード側ガスケット９ａに代表させて説明するが、アノード側ガスケット９ａは、例えば断面形状が略矩形の連続環状体構造を有する環状の本体部（シール部）１
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
部１１ａを設ける。この追加シール部１１ａは環状の本体部１２ａとは独立して形成して、両者を接着して用いてもよいが、製造工程上の問題等から、両者は一体的に形成するのが好ましい。
［００５２］
図３に示すように、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から燃料ガス排出用マニホールド孔１５に繋がる燃料ガス用流路７ａは２本の並行する溝で構成されているが、上流側から下流側に向けては燃料ガスの圧力勾配が生じる。したがって、略矩形のアノード側隙間１０ａにおいても、矢印Ｄ２の方向と略平行な圧力勾配の小さい一対の隙間部分と、矢印Ｄ１の方向と略平行な圧力勾配の大きい一対の隙間部分（図３における一対のハッチング部分１０ａ１、１０ａ２）と、が含まれることになる。
［００５３］
そこで、本実施形態においては、上記のような圧力勾配によって燃料ガスがより進行し易い矢印Ｄ１の方向と略平行な圧力勾配の大きい一対の隙間部分（図３における一対のハッチング部分１０ａ１、１０ａ２）と交差するように、環状の本体部１２ａに連結した追加シール部１１ａを設けるのである。
［００５４］
また、図４に、図３におけるＸ−Ｘ線断面のアノード４ａ側の要部を示す概略分解断面図を示す。図４に示すように、本実施形態におけるアノード側ガスケット９ａは、環状の本体部１２ａと追加シール部１１ａとを有しており、追加シール部１１ａの断面においてアノード４ａと嵌合する部分Ｒ１では環状の本体部１２ａと追加シール部１１ａとの間に段差があり、直角形状を有している。
［００５５］
これにより、アノード側隙間１０ａが確実に遮断されるとともに、アノード４ａが追加シール部１１ａに押しつぶされずかつ確実に固定（位置決め）されるという効果が得られる。なお、追加シール部１１ａと燃料ガス用流路７ａとが接触する部分には、仕切板５７ａを設けて、燃料ガスの漏れを防止すればよい。
なお、図示しないが、カソード側にも、アノード側ガスケット９ａと同様の追加シール部、及び仕切板を設ける。
［００５６］
本実施形態によれば、上記のような追加シール部を設けることにより、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されたアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでしまったとしても、追加シール部によってその流れを遮断することができ、反応ガス供給用マニホールドから
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
反応ガス排出用マニホールドまで電極反応に用いられることなく直接的に排出されることを効果的に抑制することができる。
［００５７］
したがって、反応ガス供給用マニホールドの近傍でアノード側隙間１０ａ又はカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでも、当該反応ガスを追加シール部で確実にアノード４ａ又はカソード４ｂ面内に導くことができ、電極反応で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な燃料電池を提供することができる。
［００５８］
なお、本実施形態における燃料ガス用流路７ａは、図２に示すように、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から燃料ガス排出用マニホールド孔１５に繋がる２本の並行する溝で構成されており、この溝は、複数の直線部２７ａと、隣接する直線部２７ａを連結する曲線部３７ａと、を含む蛇行形状を有しており、図示しないが、酸化剤ガス用流路７ｂも同様の形状を有している。そして、追加シール部１１ａは、複数の直線部２７ａの間のリブ４７ａに位置するように設けられている。なお、カソード側も同様である。
［００５９］
このような構成によって、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂそれぞれの二対の隙間部分に、圧力勾配の大きい一対の組合せと、圧力勾配の小さい一対の組合せと、を確実に形成することができ、燃料ガス用流路７ａ、７ｂにおける燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを妨げることなく上記のような本発明の効果をより確実に得ることができる。
［００６０］
さらに、追加シール部１１ａは、図２に示すように、燃料ガス用流路７ａの出口側（即ち、燃料ガス排出用マニホールド孔１５側）より入口側（即ち、燃料ガス供給用マニホールド孔１４側）に位置することが好ましい。
［００６１］
アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５の間のアノード側隙間１０ａに流れる燃料ガスの量は、追加シール部１１ａまでのアノード側隙間１０ａの圧力損失と、同じく追加シール部１１ａまでの燃料ガス用流路７ａの圧力損失が等しくなったときのガス量である。また、追加シール部１１ａを設けることによってその上流側でアノード側隙間１０ａを流れていた燃料ガスは、燃料ガス用流路７ａを流れていた燃料ガスと追加シール部１１ａで混合され、その下流側へ流れていく。そのため、追加シール部１１ａ以降の電極（アノード４ａ）面では、燃料ガスのアノード側隙間１０ａ流入による損失はキャンセルさ
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
れる。
［００６２］
例えば、燃料ガスの１０％がアノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５の間のアノード側隙間１０ａに流れることが許容される場合、追加シール部１１ａまでのアノード側隙間１０ａへ燃料ガスの１０％が流れ込んだ際の圧力損失と、燃料ガス用流路７ａにその残りの９０％が流れた時の追加シール部１１ａまでの圧力損失が等しくなる位置に追加シール部１１ａを設けることとなる。
［００６３］
したがって、電極面において必要な燃料ガス量に応じて追加シール部１１ａを設置する位置が決まる。発電時には燃料ガスが消費されるため燃料ガス用流路７ａの入口側から急激にガス圧力が低下する。そのため、結果的に追加シール部１１ａで仕切られた２つのアノード４ａ面で燃料ガス用流路７ａの入口側の面積が小さくなるように追加シール部１１ａを設置することがアノード側隙間１０ａへの燃料ガスの流れ込みによる電池性能の影響を抑制することができる。
［００６４］
酸化剤ガスの流れるカソード側についても、上記と同様の理由により、酸化剤ガス用流路７ｂの出口側（即ち、酸化剤ガス排出用マニホールド孔１７側）より入口側（即ち、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１６側）に位置することが好ましい。
［００６５］
また、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂのうちの少なくとも一方の幅が０．３ｍｍで１．５ｍｍ未満であることが好ましい。本発明においては、従来反応ガスの回り込みを生じることによって好ましくないとされていたアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを確保するとともに積極的に利用し、上記のような効果を奏するものであり、その幅が上記範囲にあれば、より確実に本発明の効果を得ることができる。
［００６６］
なお、図５に、本実施形態の追加シール部１１ａの変形例を示す。図５は、図３におけるＸ−Ｘ線断面のアノード４ａ側の要部（変形例）を示す概略分解断面図である。図５に示すように、本変形例におけるアノード側ガスケット９ａは、環状の本体部１２ａと追加シール部１１ａとを有しており、追加シール部１１ａの断面においてアノード４ａの角部と接触する部分Ｒ２は、斜め形状を有している。これにより、アノード側隙間１０ａが確実に遮断されるとともに、アノード４ａが追加シール部１１ａに押しつぶされる程度を低減させることができ、かつ確実に固定されるという効果が得られる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
［００６７］
［第二実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１０におけるアノード４ａ、カソード４ｂ及び追加シール部１１ａを異なる構成に代えたものであり、アノード４ａ、カソード４ｂ及び追加シール部１１ａ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。以下、第二実施形態の燃料電池をと備えられるアノード４ａ、カソード４ｂ及び追加シール部１１ａについて説明する。
［００６８］
図６は、第一実施形態における図３に相当し、図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面を示す図（図１の燃料電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。なお、図示しないが、燃料電池１０からカソード側セパレータ６ｂを取り外し、当該カソード側セパレータ６ｂ側（取り外し前）から見た正面図も同様である。
図６に示すように、本実施形態におけるアノード４ａは、追加シール部１１ａの部分で略同一の面積を有するように分割されており、このように分割されている部分では追加シール部１１ａはアノード４ａを押しつぶすことがない。
［００６９］
そして、図７に、本実施形態の図６におけるＸ２−Ｘ２線断面のアノード４ａ側の要部を示す概略分解断面図を示す。
図７に示すように、本実施形態におけるアノード側ガスケット９ａは、環状の本体部１２ａと追加シール部１１ａとを有しているが、第一実施形態と異なり、直角形状を有する部分Ｒ１を設けず、環状の本体部１２ａの高さと追加シール部１１ａの高さとを略同一にすることができる。これにより、アノード側隙間１０ａが確実に遮断されるとともに、アノード４ａが追加シール部１１ａに押しつぶされることがないという効果が得られる。なお、図示しないが、カソード側にも、アノード側ガスケット９ａと同様の追加シール部を設ける。
［００７０］
本実施形態によれば、上記のような追加シール部を設けることにより、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されたアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでしまったとしても、追加シール部によってその流れを遮断することができ、反応ガス供給用マニホールドから
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
反応ガス排出用マニホールドまで電極反応に用いられることなく直接的に排出されることを効果的に抑制することができる。
［００７１］
したがって、反応ガス供給用マニホールドの近傍でアノード側隙間１０ａ又はカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでも、当該反応ガスを追加シール部で確実にアノード４ａ又はカソード４ｂ面内に導くことができ、電極反応で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な燃料電池を提供することができる。
［００７２］
［第三実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第三実施形態について説明する。この第三実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１０における追加シール部１１ａを異なる構成に代えたものであり、追加シール部１１ａ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。以下、第三実施形態の燃料電池に備えられる追加シール部１１ａについて説明する。
［００７３］
図８は、第一実施形態における図２に相当し、第三実施形態において図１におけるＩ−Ｉ線断面を示す図（即ち、本実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータ６ａを燃料ガス用流路７ａ側からみた正面図）であり、アノード側ガスケット９ａが当接する部分はハッチングで示されている。なお、図示しないが、燃料電池１０におけるカソード側セパレータ６ｂを酸化剤ガス用流路７ｂからみた正面図も同様である。
［００７４］
本実施形態における追加シール部は、第一の追加シール部１１ａ１及び第二の追加シール部１１ａ２とで構成されている。即ち、上記第一実施形態において説明したように、略矩形のアノード側隙間１０ａにおいても、矢印Ｄ２の方向と略平行な圧力勾配の小さい一対の隙間部分と、矢印Ｄ１の方向と略平行な圧力勾配の大きい一対の隙間部分（図３におけるハッチング部分）と、が含まれることになるため、上記のような圧力勾配によって燃料ガスがより進行し易い矢印Ｄ１の方向と略平行な圧力勾配の大きい一対の隙間部分（図３におけるハッチング部分）と交差するように、環状の本体部１２ａに連結した第一の追加シール部１１ａ１及び第二の追加シール部１１ａ２とを設ける。図示しないが、カソード側にも二つの追加シール部を設ける。
［００７５］
本実施形態によれば、上記のような二つの追加シール部を設けることにより、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されたア
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
ノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでしまったとしても、追加シール部によってその流れをより確実に遮断することができ、反応ガス供給用マニホールドから反応ガス排出用マニホールドまで電極反応に用いられることなく直接的に排出されることを効果的に抑制することができる。
［００７６］
したがって、反応ガス供給用マニホールドの近傍でアノード側隙間１０ａ又はカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでも、当該反応ガスを二つの追加シール部でより確実にアノード４ａ又はカソード４ｂ面内に導くことができ、電極反応で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な燃料電池を提供することができる。
［００７７］
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。また、それぞれの実施形態において他の実施形態の構成の一部を採用することも可能である。
［００７８］
例えば、上記実施形態においては、環状の本体部１２ａにおいて互いに対向する二対の辺のうち、上記のような圧力勾配の大きいほうの一対の隙間部分に隣接する一対の辺を連結する追加シール部１１ａを設ける態様について説明したが、例えば第一実施形態においては追加シール部１１ａが、上記のような圧力勾配の大きいほうの一対の隙間部分に交差していればよく、途中で切断されていてもよい（図９参照）。図９においては、追加シール部１１ａの途中に切断部Ｓが設けられている。第二実施形態及び第三実施形態においても同様に追加シール部に切断部が設けられていてもよい。
［００７９］
また、第三実施形態においては、第一実施形態で説明した図４及び図５に示されたいずれの断面構造を有する追加シール部１１ａも採用することができ、また、第二実施形態で説明した図７に示す断面構造を有する追加シール部１１ａを採用するとともに、アノード４ａ及びカソード４ｂをそれぞれ三分割して配置してもよい。
［００８０］
また、例えば、水素と酸素との化学量論反応を考慮すると、水素は酸素の２倍体積必要となるが、酸化剤ガスに空気を用いる場合、空気中の酸素濃度は約２０体積％であるため、カソードへの空気の流量がアノードへの燃料ガスの流量よりも多くなる。更に、燃料利用率の向上という点からも、燃料ガスの流量を少なくする必要がある。
【手続補正書】
【提出日】平成19年4月26日(2007.4.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜並びに前記高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを含む膜電極接合体と、
前記アノードに燃料ガスを供給及び排出するための燃料ガス用流路を含む導電性を有するアノード側セパレータと、
前記カソードに酸化剤ガスを供給及び排出するための酸化剤ガス用流路を含む導電性を有するカソード側セパレータと、
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体側の面において、前記膜電極接合体の外周部に配置され、それぞれ前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと、
を具備する単電池を含んでおり、
前記アノード側及び前記カソード側において、それぞれ前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に略矩形のアノード側隙間及びカソード側隙間が形成された構成を有し、
前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットのうちの少なくとも一方が、前記膜電極接合体の外周部に沿って配置された環状の本体部と；前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間において互いに対向する二対の隙間部分のうちの、前記燃料ガス用流路及び前記酸化剤ガス用流路の上流側から下流側に向けて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの圧力勾配の大きいほうの一対の前記隙間部分の一部、と交差するように前記本体部に連結された追加シール部と；を有すること、
を特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガス用流路及び前記酸化剤ガス用流路のうちの少なくとも一方が、複数の直線部と、隣接する前記直線部を連結する曲線部と、を含む蛇行形状を有すること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記追加シール部が、前記複数の直線部の間のリブに位置すること、を特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記追加シール部が途中で切断されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間のうちの少なくとも一方の幅が０．３ｍｍ超で１．５ｍｍ未満であること、特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記追加シール部が、前記燃料ガス用流路及び前記酸化剤ガス用流路の出口側より入口側に位置すること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に高分子電解質形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。図１０に、このような高分子電解質燃料電池の一般的な基本構成の要部の概略分解断面図を示す。燃料電池１００は、図１０に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１０５と、膜電極接合体１０５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
【０００３】
膜電極接合体１０５は、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１０１が配置された構成を有している。更に、アノード１０４ａは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ａと、当該触媒層１０２ａとアノード側セパレータ１０６ａとの間に配置されるガス拡散層１０３ａとを少なくとも含み、カソード１０４ｂは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ｂと、当該触媒層１０２ｂとカソード側セパレータ１０６ｂとの間に配置されるガス拡散層１０３ｂとを少なくとも含む。
【０００４】
触媒層１０２ａ、１０２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末を主成分とする層である。また、ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。
【０００５】
ここで、図１０に示すように、ＭＥＡ１０５においては、ガス漏れを防止するためガスケット１０９ａ、１０９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１０１の主面の大きさが、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１０１の全外縁部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。なお、本明細書においては、これらのアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出した高分子電解質膜１０１の外縁部を「はみ出し部」ともいう（図１０中のＰ）。
【０００６】
アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ１０５を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ１０５を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ１０５同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂには、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ１０５の外部に運び去るための燃料ガス用流路１０７ａ及び酸化剤ガス用流路１０７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面）に形成されている。
【０００７】
更に、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
【０００８】
燃料ガス用流路１０７ａ及び酸化剤ガス用流路１０７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂは、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。
【０００９】
また、複数のＭＥＡ１０５間にアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを介在させ、複数のＭＥＡ１０５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。
【００１０】
また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた冷却流体用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。
【００１１】
ここで、図１１は、図１０に示すIII-III線断面を示す図（即ち、従来の燃料電池１００におけるアノード側セパレータ１０６ａを燃料ガス用流路１０７ａ側からみた正面図）であり、アノード側ガスケット１０９ａが当接する部分はハッチングで示されている。図示しないが、従来の燃料電池１００におけるカソード側セパレータ１０６ｂを酸化剤ガス用流路１０７ｂ側からみた正面図も同様である。
【００１２】
図１１に示すように、アノード側セパレータ１０６ａには、燃料ガス供給用マニホールド孔１１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１１５、冷却流体用マニホールド孔１１８、冷却流体排出用マニホールド孔１１９、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１１６、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１１７が設けられている。同様に、カソード側セパレータ１０６ｂにも各マニホールド孔が設けられている。
【００１３】
つぎに、図１２は、図１０におけるIV−IV線断面を示す図（即ち、図１０の燃料電池１００からアノード側セパレータ１０６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ１０６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。ここでは図示しないが、図１０の燃料電池１００からカソード側セパレータ１０６ｂを取り外し、当該カソード側セパレータ１０６ｂ側（取り外し前）から見た正面図も同様である。
【００１４】
従来の燃料電池１００においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード１０４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード１０４ａ側への漏れ、ＭＥＡ１０５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの間において、ＭＥＡ１０５の外縁部（アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外部であって高分子電解質膜１０１のはみ出し部Ｐ）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂが配置されている。
【００１５】
これらのアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂは、例えば断面形状が略矩形の連続環状体構造を有し、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等を用いて従来公知の方法によって作製することができ、先に述べた高分子電解質膜の全てのはみ出し部Ｐを挟み込んでいる。ＭＥＡ１０５の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のガスケットをＭＥＡ１０５と一体化させて用いることが多い。
【００１６】
そして、このようなアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを、先に述べた高分子電解質膜１０１の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノード側セパレータ１０６ａ、高分子電解質膜１０１及びアノード側ガスケット１０９ａにより、アノード１０４ａを包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ１０６ｂ、高分子電解質膜１０１及びカソード側ガスケット１０９ｂにより、カソード１０４ｂを包み込むまた別の閉空間が形成される。これらの閉空間によって、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。
【００１７】
ここで、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂと、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難である。従って、図１０〜１２に示すように、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを上述の位置に配置する場合、それぞれアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂとの間に隙間（即ちアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂ）が形成され易い。
【００１８】
このようなアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂが形成されると、反応ガスがアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに漏れる場合がある。また、反応ガスの一部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの内部を流れずに当該アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂ内を進行してＭＥＡ１０５の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題もある。
【００１９】
また、積層型の燃料電池スタックを作製する際には、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂと、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂとが重なり合ってしまうことを防ぐために、あえてアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂを設計段階から設け、生産性向上が図られているという一面もあり、かかる点からもアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂを無くすことは困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに別のシール材を配置する上記の従来技術によっては、別のシール材により触媒層１０２ａ、１０２ｂやアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを歪ませてしまうことがあり、上述の問題を解決するには未だ改善の余地があった。更に、この従来技術においても、部材の加工公差や組み立て公差等が生じることは防ぐことができないため、別のシール材とアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難であり、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂを完全にシールすることは極めて困難であった。
【００２１】
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、それぞれアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットとアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、その隙間に反応ガスを流すことを防ぎ、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な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。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、上記の目的を達成するために、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜並びに高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを含む膜電極接合体と、
アノードに燃料ガスを供給及び排出するための燃料ガス用流路を含む導電性を有するアノード側セパレータと、
カソードに酸化剤ガスを供給及び排出するための酸化剤ガス用流路を含む導電性を有するカソード側セパレータと、
アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの膜電極接合体側の面において、膜電極接合体の外周部に配置され、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと、
を具備する単電池を含んでおり、
アノード側及びカソード側において、それぞれアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に略矩形のアノード側隙間及びカソード側隙間が形成された構成を有し、
アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットのうちの少なくとも一方が、膜電極接合体の外周部に沿って配置された環状の本体部と；アノード側隙間及びカソード側隙間において互いに対向する二対の隙間部分のうちの、燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路の上流側から下流側に向けて燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力勾配の大きいほうの一対の隙間部分、と交差するように本体部に連結された追加シール部と；を有すること、
を特徴とする燃料電池を提供する。
【００２３】
このような本発明の構成を有していれば、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されたアノード側隙間及びカソード側隙間に反応ガスが流れ込んでしまったとしても、追加シール部によってその流れを遮断することができ、反応ガス供給用マニホールドから反応ガス排出用マニホールドまで電極反応に用いられることなく直接的に排出されることを効果的に抑制することができる。
【００２４】
したがって、反応ガス供給用マニホールドの近傍でアノード側隙間又はカソード側隙間に反応ガスが流れ込んでも、当該反応ガスを追加シール部で確実にアノード又はカソード面内に導くことができ、電極反応で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な燃料電池を提供することができる。
【００２５】
すなわち、本発明によれば、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することができる。
なお、本明細書における「反応ガス」には、燃料ガス及び酸化剤ガスはもとより、当該燃料ガス及び酸化剤ガスが、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含む場合も含まれる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、ガスケットの構造としてＭＥＡを複数に分割するための追加シール部を設けることによって、ガスケットとＭＥＡとの間に形成される隙間に流れ込んでしまった反応ガスをそのシール部で遮断する。この結果、隙間に流れ込んだ反応ガスが供給用マニホールドから排出用のマニホールドまで直接的に流れることがなく、供給用マニホールド近傍で隙間に反応ガスが流れ込んでも追加シール部で確実にアノードあるいはカソード面内に導くことができる。
【００２７】
したがって、燃料電池の作製時にその組立性向上を図るためのガスケットとＭＥＡとの間のクリアランス（隙間）があっても燃料電池の発電で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な燃料電池を提供することができる。
【００２８】
また、本発明によれば、反応ガス用流路が蛇行形状であり、反応ガス用流路の長手方向に追加シール部を設けることによって、ガスケットとＭＥＡとの間の隙間に流れ込んだ反応ガスを確実に追加シール部で遮断することが可能となる。反応ガス用流路が供給用マニホールドから排出用マニホールドまで直線で流路構成されている場合は、蛇行形状に比べて反応ガス用流路の流路長が短くなるため反応ガスが流れる際の圧力損失が蛇行形状より相対的に小さくなる。
【００２９】
その結果、直線的な流路構成であれば反応ガスがガスケットとＭＥＡとの間の隙間に流入する可能性が小さくなる。仮に直線流路であってもアスペクト比の大きい、流路長の長い流路構成で圧力損失を大きくすると反応ガス用流路に対するアノード側隙間及びカソード側隙間の割合が無視できないため、本発明を用いて電極面内に追加シール部を設けることが有効となるが、燃料電池の全体形状がアンバランスとなるおそれもある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
【００３１】
［第一実施形態］
図１は、本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の基本構成の要部を示す概略分解断面図である。本発明の燃料電池１０は、図１に示す構成要素を破線で示される位置関係で組み合わせることにより構成され、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）５と、膜電極接合体５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
【００３２】
膜電極接合体５は、アノード４ａ及びカソード４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜（例えば米国Du Pont社製のパーフルオロカーボンスルホン酸からなるNafion112膜（商品名））１が配置された構成を有している。更に、アノード４ａは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ａと、当該触媒層２ａとアノード側セパレータ６ａとの間に配置されるガス拡散層３ａとを少なくとも含み、カソード４ｂは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ｂと、当該触媒層２ｂとカソード側セパレータ６ｂとの間に配置されるガス拡散層３ｂとを少なくとも含む。
【００３３】
触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末（例えばカーボンブラック）を主成分とする層である。このような触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。
【００３４】
また、ガス拡散層３ａ、３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層３ａ、３ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末（例えばカーボンブラック）とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。上記導電性多孔質基材としては、例えばカーボンペーパー、織布、フェルト等の一般的なものを用いることができる。
【００３５】
ここで、図１に示すように、ＭＥＡ５においては、ガス漏れを防止するためガスケット９ａ、９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１の主面の大きさが、アノード４ａ及びカソード４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１の全外縁部（はみ出し部Ｐ）がアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。
【００３６】
アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ５を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ５を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ５同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、アノード４ａ及びカソード４ｂに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ５の外部に運び去るための燃料ガス用流路７ａ、７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの、それぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面）に形成されている。
【００３７】
一方、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路８ａ、８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
【００３８】
燃料ガス用流路７ａ、７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの、それぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路８ａ、８ｂは、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの外側の主面に溝を設けて形成されている。
【００３９】
また、本発明の燃料電池１０は、複数のＭＥＡ５間にアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを介在させ、複数のＭＥＡ５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）として用いることができる。この場合、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。
【００４０】
また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂに設けられた冷却流体用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。
【００４１】
ここで、図２は、図１に示すＩ−Ｉ線断面を示す図（即ち、本実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータ６ａを燃料ガス用流路７ａ側からみた正面図）であり、アノード側ガスケット９ａが当接する部分はハッチングで示されている。なお、図示しないが、燃料電池１０におけるカソード側セパレータ６ｂを酸化剤ガス用流路７ｂ側からみた正面図も同様である。
【００４２】
図２に示すように、アノード側セパレータ６ａには、燃料ガス供給用マニホールド孔１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、冷却流体用マニホールド孔１８、冷却流体排出用マニホールド孔１９、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１６、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１７が設けられている。同様に、カソード側セパレータ６ｂにも各マニホールド孔が設けられている。
【００４３】
つぎに、図３は、図１におけるII−II線断面を示す図（即ち、図１の燃料電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。なお、図示しないが、燃料電池１０からカソード側セパレータ６ｂを取り外し、当該カソード側セパレータ６ｂ側（取り外し前）から見た正面図も同様である。
【００４４】
図１〜図３に示すように、本実施形態の燃料電池１０においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード４ａ側への漏れ、ＭＥＡ５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの間において、ＭＥＡ５の外縁部（アノード４ａ及びカソード４ｂの外部であって高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐ）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂが配置されている。
【００４５】
ここではアノード側ガスケット９ａに代表させて説明するが、アノード側ガスケット９ａは、例えば断面形状が略矩形の連続環状体構造を有する環状の本体部（シール部）１２ａを有し、この環状の本体部１２ａは、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等を用いて従来公知の方法によって作製することができ、先に述べた高分子電解質膜の全てのはみ出し部Ｐを挟み込んでいる。ＭＥＡ５の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のガスケットをＭＥＡ５と一体化させて用いることが多い。
【００４６】
そして、このようなアノード側ガスケット９ａの環状の本体部１２ａを、先に述べた高分子電解質膜１の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノード側セパレータ６ａ、高分子電解質膜１及び環状の本体部１２ａにより、アノード４ａを包み込む一つの閉空間が形成される。これらの閉空間、即ちアノード側隙間１０ａによって、アノード４ａに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。
【００４７】
図示しないが、アノード側と同様に、カソード側ガスケット９ｂも環状の本体部を有し、カソード側ガスケット９ｂ、カソード側セパレータ６ｂ、高分子電解質膜１及び当該環状の本体部により、カソード４ｂを包み込むまた別の閉空間、即ちカソード側隙間１０ｂが形成されている（図１参照）。
【００４８】
上述した従来のガスケットと同様に、環状の本体部１２ａのみからなるアノード側ガスケット９ａ及び環状の本体部（図示せず）のみからなるカソード側ガスケット９ｂを上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等により、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂが形成され、反応ガスがアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに漏れ、反応ガスの一部がアノード４ａ及びカソード４ｂの内部を流れずに当該アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂ内を進行してＭＥＡ５の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが極めて困難になる等の問題がある。
【００４９】
ここで、本実施形態においては、図２及び図３に示すように、アノード側ガスケット９ａを、環状の本体部１２ａと追加シール部１１ａとで構成する。より具体的には、アノード側ガスケット９ａの環状の本体部１２ａに、アノード側隙間１０ａにおいて互いに対向する二対の隙間部分のうち、燃料ガスの上流側から下流側に向けて燃料ガスの圧力勾配の大きいほうの一対の隙間部分と交差するように、追加シール部１１ａを設ける。
【００５０】
即ち、環状の本体部１２ａにおいて互いに対向する二対の辺のうち、上記のような圧力勾配の大きいほうの一対の隙間部分に隣接する一対の辺を連結する追加シール部１１ａを設ける。この追加シール部１１ａは環状の本体部１２ａとは独立して形成して、両者を接着して用いてもよいが、製造工程上の問題等から、両者は一体的に形成するのが好ましい。
【００５１】
図３に示すように、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から燃料ガス排出用マニホールド孔１５に繋がる燃料ガス用流路７ａは２本の並行する溝で構成されているが、上流側から下流側に向けては燃料ガスの圧力勾配が生じる。したがって、略矩形のアノード側隙間１０ａにおいても、矢印Ｄ2の方向と略平行な圧力勾配の小さい一対の隙間部分と、矢印Ｄ1の方向と略平行な圧力勾配の大きい一対の隙間部分（図３における一対のハッチング部分１０ａ1、１０ａ2）と、が含まれることになる。
【００５２】
そこで、本実施形態においては、上記のような圧力勾配によって燃料ガスがより進行し易い矢印Ｄ1の方向と略平行な圧力勾配の大きい一対の隙間部分（図３における一対のハッチング部分１０ａ1、１０ａ2）と交差するように、環状の本体部１２ａに連結した追加シール部１１ａを設けるのである。
【００５３】
また、図４に、図３におけるＸ−Ｘ線断面のアノード４ａ側の要部を示す概略分解断面図を示す。図４に示すように、本実施形態におけるアノード側ガスケット９ａは、環状の本体部１２ａと追加シール部１１ａとを有しており、追加シール部１１ａの断面においてアノード４ａと嵌合する部分Ｒ1では環状の本体部１２ａと追加シール部１１ａとの間に段差があり、直角形状を有している。
【００５４】
これにより、アノード側隙間１０ａが確実に遮断されるとともに、アノード４ａが追加シール部１１ａに押しつぶされずかつ確実に固定（位置決め）されるという効果が得られる。なお、追加シール部１１ａと燃料ガス用流路７ａとが接触する部分には、仕切板５７ａを設けて、燃料ガスの漏れを防止すればよい。
なお、図示しないが、カソード側にも、アノード側ガスケット９ａと同様の追加シール部、及び仕切板を設ける。
【００５５】
本実施形態によれば、上記のような追加シール部を設けることにより、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されたアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでしまったとしても、追加シール部によってその流れを遮断することができ、反応ガス供給用マニホールドから反応ガス排出用マニホールドまで電極反応に用いられることなく直接的に排出されることを効果的に抑制することができる。
【００５６】
したがって、反応ガス供給用マニホールドの近傍でアノード側隙間１０ａ又はカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでも、当該反応ガスを追加シール部で確実にアノード４ａ又はカソード４ｂ面内に導くことができ、電極反応で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な燃料電池を提供することができる。
【００５７】
なお、本実施形態における燃料ガス用流路７ａは、図２に示すように、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から燃料ガス排出用マニホールド孔１５に繋がる２本の並行する溝で構成されており、この溝は、複数の直線部２７ａと、隣接する直線部２７ａを連結する曲線部３７ａと、を含む蛇行形状を有しており、図示しないが、酸化剤ガス用流路７ｂも同様の形状を有している。そして、追加シール部１１ａは、複数の直線部２７ａの間のリブ４７ａに位置するように設けられている。なお、カソード側も同様である。
【００５８】
このような構成によって、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂそれぞれの二対の隙間部分に、圧力勾配の大きい一対の組合せと、圧力勾配の小さい一対の組合せと、を確実に形成することができ、燃料ガス用流路７ａ、７ｂにおける燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを妨げることなく上記のような本発明の効果をより確実に得ることができる。
【００５９】
さらに、追加シール部１１ａは、図２に示すように、燃料ガス用流路７ａの出口側（即ち、燃料ガス排出用マニホールド孔１５側）より入口側（即ち、燃料ガス供給用マニホールド孔１４側）に位置することが好ましい。
【００６０】
アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５の間のアノード側隙間１０ａに流れる燃料ガスの量は、追加シール部１１ａまでのアノード側隙間１０ａの圧力損失と、同じく追加シール部１１ａまでの燃料ガス用流路７ａの圧力損失が等しくなったときのガス量である。また、追加シール部１１ａを設けることによってその上流側でアノード側隙間１０ａを流れていた燃料ガスは、燃料ガス用流路７ａを流れていた燃料ガスと追加シール部１１ａで混合され、その下流側へ流れていく。そのため、追加シール部１１ａ以降の電極（アノード４ａ）面では、燃料ガスのアノード側隙間１０ａ流入による損失はキャンセルされる。
【００６１】
例えば、燃料ガスの１０％がアノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５の間のアノード側隙間１０ａに流れることが許容される場合、追加シール部１１ａまでのアノード側隙間１０ａへ燃料ガスの１０％が流れ込んだ際の圧力損失と、燃料ガス用流路７ａにその残りの９０％が流れた時の追加シール部１１ａまでの圧力損失が等しくなる位置に追加シール部１１ａを設けることとなる。
【００６２】
したがって、電極面において必要な燃料ガス量に応じて追加シール部１１ａを設置する位置が決まる。発電時には燃料ガスが消費されるため燃料ガス用流路７ａの入口側から急激にガス圧力が低下する。そのため、結果的に追加シール部１１ａで仕切られた２つのアノード４ａ面で燃料ガス用流路７ａの入口側の面積が小さくなるように追加シール部１１ａを設置することがアノード側隙間１０ａへの燃料ガスの流れ込みによる電池性能の影響を抑制することができる。
【００６３】
酸化剤ガスの流れるカソード側についても、上記と同様の理由により、酸化剤ガス用流路７ｂの出口側（即ち、酸化剤ガス排出用マニホールド孔１７側）より入口側（即ち、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１６側）に位置することが好ましい。
【００６４】
また、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂのうちの少なくとも一方の幅が０．３ｍｍ超で１．５ｍｍ未満であることが好ましい。本発明においては、従来反応ガスの回り込みを生じることによって好ましくないとされていたアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを確保するとともに積極的に利用し、上記のような効果を奏するものであり、その幅が上記範囲にあれば、より確実に本発明の効果を得ることができる。
【００６５】
なお、図５に、本実施形態の追加シール部１１ａの変形例を示す。図５は、図３におけるＸ−Ｘ線断面のアノード４ａ側の要部（変形例）を示す概略分解断面図である。図５に示すように、本変形例におけるアノード側ガスケット９ａは、環状の本体部１２ａと追加シール部１１ａとを有しており、追加シール部１１ａの断面においてアノード４ａの角部と接触する部分Ｒ2は、斜め形状を有している。これにより、アノード側隙間１０ａが確実に遮断されるとともに、アノード４ａが追加シール部１１ａに押しつぶされる程度を低減させることができ、かつ確実に固定されるという効果が得られる。
【００６６】
［第二実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１０におけるアノード４ａ、カソード４ｂ及び追加シール部１１ａを異なる構成に代えたものであり、アノード４ａ、カソード４ｂ及び追加シール部１１ａ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。以下、第二実施形態の燃料電池に備えられるアノード４ａ、カソード４ｂ及び追加シール部１１ａについて説明する。
【００６７】
図６は、第一実施形態における図３に相当し、図１におけるII−II線断面を示す図（図１の燃料電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。なお、図示しないが、燃料電池１０からカソード側セパレータ６ｂを取り外し、当該カソード側セパレータ６ｂ側（取り外し前）から見た正面図も同様である。
図６に示すように、本実施形態におけるアノード４ａは、追加シール部１１ａの部分で略同一の面積を有するように分割されており、このように分割されている部分では追加シール部１１ａはアノード４ａを押しつぶすことがない。
【００６８】
そして、図７に、本実施形態の図６におけるＸ2−Ｘ2線断面のアノード４ａ側の要部を示す概略分解断面図を示す。
図７に示すように、本実施形態におけるアノード側ガスケット９ａは、環状の本体部１２ａと追加シール部１１ａとを有しているが、第一実施形態と異なり、直角形状を有する部分Ｒ1を設けず、環状の本体部１２ａの高さと追加シール部１１ａの高さとを略同一にすることができる。これにより、アノード側隙間１０ａが確実に遮断されるとともに、アノード４ａが追加シール部１１ａに押しつぶされることがないという効果が得られる。なお、図示しないが、カソード側にも、アノード側ガスケット９ａと同様の追加シール部を設ける。
【００６９】
本実施形態によれば、上記のような追加シール部を設けることにより、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されたアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでしまったとしても、追加シール部によってその流れを遮断することができ、反応ガス供給用マニホールドから反応ガス排出用マニホールドまで電極反応に用いられることなく直接的に排出されることを効果的に抑制することができる。
【００７０】
したがって、反応ガス供給用マニホールドの近傍でアノード側隙間１０ａ又はカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでも、当該反応ガスを追加シール部で確実にアノード４ａ又はカソード４ｂ面内に導くことができ、電極反応で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な燃料電池を提供することができる。
【００７１】
［第三実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第三実施形態について説明する。この第三実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１０における追加シール部１１ａを異なる構成に代えたものであり、追加シール部１１ａ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。以下、第三実施形態の燃料電池に備えられる追加シール部１１ａについて説明する。
【００７２】
図８は、第一実施形態における図２に相当し、第三実施形態において図１におけるＩ-Ｉ線断面を示す図（即ち、本実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータ６ａを燃料ガス用流路７ａ側からみた正面図）であり、アノード側ガスケット９ａが当接する部分はハッチングで示されている。なお、図示しないが、燃料電池１０におけるカソード側セパレータ６ｂを酸化剤ガス用流路７ｂ側からみた正面図も同様である。
【００７３】
本実施形態における追加シール部は、第一の追加シール部１１ａ1及び第二の追加シール部１１ａ2とで構成されている。即ち、上記第一実施形態において説明したように、略矩形のアノード側隙間１０ａにおいても、矢印Ｄ2の方向と略平行な圧力勾配の小さい一対の隙間部分と、矢印Ｄ1の方向と略平行な圧力勾配の大きい一対の隙間部分（図３におけるハッチング部分）と、が含まれることになるため、上記のような圧力勾配によって燃料ガスがより進行し易い矢印Ｄ1の方向と略平行な圧力勾配の大きい一対の隙間部分（図３におけるハッチング部分）と交差するように、環状の本体部１２ａに連結した第一の追加シール部１１ａ1及び第二の追加シール部１１ａ2とを設ける。図示しないが、カソード側にも二つの追加シール部を設ける。
【００７４】
本実施形態によれば、上記のような二つの追加シール部を設けることにより、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されたアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでしまったとしても、追加シール部によってその流れをより確実に遮断することができ、反応ガス供給用マニホールドから反応ガス排出用マニホールドまで電極反応に用いられることなく直接的に排出されることを効果的に抑制することができる。
【００７５】
したがって、反応ガス供給用マニホールドの近傍でアノード側隙間１０ａ又はカソード側隙間１０ｂに反応ガスが流れ込んでも、当該反応ガスを二つの追加シール部でより確実にアノード４ａ又はカソード４ｂ面内に導くことができ、電極反応で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な燃料電池を提供することができる。
【００７６】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。また、それぞれの実施形態において他の実施形態の構成の一部を採用することも可能である。
【００７７】
例えば、上記実施形態においては、環状の本体部１２ａにおいて互いに対向する二対の辺のうち、上記のような圧力勾配の大きいほうの一対の隙間部分に隣接する一対の辺を連結する追加シール部１１ａを設ける態様について説明したが、例えば第一実施形態においては追加シール部１１ａが、上記のような圧力勾配の大きいほうの一対の隙間部分に交差していればよく、途中で切断されていてもよい（図９参照）。図９においては、追加シール部１１ａの途中に切断部Ｓが設けられている。第二実施形態及び第三実施形態においても同様に追加シール部に切断部が設けられていてもよい。
【００７８】
また、第三実施形態においては、第一実施形態で説明した図４及び図５に示されたいずれの断面構造を有する追加シール部１１ａも採用することができ、また、第二実施形態で説明した図７に示す断面構造を有する追加シール部１１ａを採用するとともに、アノード４ａ及びカソード４ｂをそれぞれ三分割して配置してもよい。
【００７９】
また、例えば、水素と酸素との化学量論反応を考慮すると、水素は酸素の２倍体積必要となるが、酸化剤ガスに空気を用いる場合、空気中の酸素濃度は約２０体積％であるため、カソードへの空気の流量がアノードへの燃料ガスの流量よりも多くなる。更に、燃料利用率の向上という点からも、燃料ガスの流量を少なくする必要がある。
【００８０】
そのため、燃料ガス用流路は、酸化剤ガス用流路よりも蛇行部分が多くかつ長くなって、燃料ガス用流路の長さとアノード側隙間の長さとの差が、酸化剤ガス用流路の長さとカソード側隙間の長さとの差よりも大きくなるため、反応ガスはカソード側隙間よりもアノード側隙間に流れ易い環境となる。従って、アノード側において追加シール部を優先的に設けることが、より有効である。
【００８１】
また、上記実施形態のように、燃料ガス用ガス流路及び酸化剤ガス用流路が複数本の溝からなる場合、複数本の溝間で屈曲方向の数の違いより流路長（行路長）に差が生じる。この場合、複数本の溝のうち、反応ガス供給用マニホールド孔から反応ガス排出用マニホールド孔までの距離が長い方の溝の断面積を、反応ガス供給用マニホールド孔から反応ガス排出用マニホールド孔までの距離が短い方の溝の断面積よりも大きくするのが好ましい。この構成によれば、流路長の異なる溝間における圧損差をなくすことができ、反応ガスの流れを安定させることができる。
【００８２】
さらに、上流側の燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路と下流側の燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路とが隣接する領域においては、流路間の幅（即ちリブ部の幅）を太くすることが好ましい。これにより、上流側の流路から下流側の流路へと反応ガスが直接流れ込むことを防止することができる。
【００８３】
燃料ガスと酸化剤ガスとのクロスリークを防止するとともに、両者がガス流路の部分を流れることを有効に防止するという観点からは、アノード側セパレータ６ａにおいては、燃料ガス供給用マニホールド孔１４の位置と燃料ガス排出用マニホールド孔１５の位置とを離し、カソード側セパレータ６ｂにおいては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８の位置と酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９の位置とを離しておくのも好ましい。仮にマニホールド孔同士を近接させる場合には、マニホールド孔近辺において当該マニホールド孔に連通する流路間のリブ部の幅を厚めに設定するのが好ましい。
【００８４】
本発明においては、アノード側セパレータにおける燃料ガス用流路の構成と、カソード側セパレータにおける酸化剤ガス用流路の構成と、を適宜変更してもよく、両者の構成を同じ構成としても異なる構成としても構わない。また、上記の直線部の数及び曲線部の数も特に限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。
【００８５】
加えて、アノード側セパレータにおける冷却流体流路及びカソード側セパレータにおける冷却流体流路の形状としては、特に限定されず、冷却流体供給用マニホールド孔と冷却流体排出用マニホールド孔とを連通する従来と同様の構成を採用することができる。例えば、冷却流体流路は、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちの少なくとも一方に設ければよく、必ずしも両方に設ける必要はない。
【００８６】
更に、単電池を複数積層する場合には、単電池２個毎に１つの冷却流体流路を形成してもよい。この場合、例えばアノード側セパレータの一方の面に燃料ガス用流路を形成するとともに、他方の面に冷却流体流路を形成し、カソード側セパレータの一方の面に酸化剤ガス用流路を形成するとともに、他方の面は平面状としておいてもよい。
【実施例】
【００８７】
以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。
【００８８】
《実施例１》
ＭＥＡとしては、図１に示した構成を有する株式会社ジャパンゴアテックス製の「ＰＲＩＭＥＡ（商品名）」を用意し、ホットプレスにより、図１に示した構成となるように高分子電解質膜の外周部にガスケットを接合した。
ここで、本実施例では、カソード側のガス拡散層とガスケットの間に３ｍｍ幅のバイトンのシール材をはめ込んで、図２〜図４に示した追加シール部１１ａとした。その具体的な設置位置は、酸化剤ガスの圧力損失が大きくなる１対の辺を横断するように設置し、上流と下流部の真ん中の位置になるようにした。
アノード側セパレータ、カソード側セパレータにＭＥＡを配置し、その両端にそれぞれ集電板および絶縁板を重ね合わせ、その積層体を一対のエンドプレートの間に配置し、バネおよび締結具を用いて積層体を一対のエンドプレートの間に固定することにより本実施例の燃料電池を得た。
なお、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータは、上記ＭＥＡの大きさにあわせた導電性の平板の一方の主面にガス流路を切削加工により形成した。
【００８９】
ここで、この実施例１においては、２本のガス流路のかわりに３本のガス流路を形成したこと以外は図２に示したガス流路と同様の幾何学的条件でアノード側セパレータの燃料ガスのガス流路を形成した。
また、この実施例１においては、２本のガス流路のかわりに７本のガス流路を形成したこと以外は図２に示したガス流路と同様の幾何学的条件でカソード側セパレータの酸化剤ガスのガス流路を形成した。
【００９０】
《比較例１》
実施例１の燃料電池と比較し、追加シール部がないこと以外は実施例１と同一の構成を有する燃料電池を作成した。
【００９１】
［評価試験］
実施例１の燃料電池及び比較例１の燃料電池スタックを用い、以下の作動条件で限界酸素ガス利用率を測定した。結果を表１に示す。
なお、この評価試験においては、実施例１の燃料電池スタック及び比較例１の燃料電池ごとに限界酸素ガス利用率を求め、相加平均を算出してこれを限界酸素ガス利用率とした。また、「限界酸素ガス利用率」とは、燃料電池が電圧降下を起こさずに安定して発電できる最大の酸素ガス利用率をいう。
・燃料電池温度：６２℃
・燃料ガス（Ｈ2）利用率：７５％
・酸化剤ガス（Ｏ2）利用率：５０〜９８％
・燃料ガス及び酸化剤ガス加湿温度：６６℃
【００９２】
【表１】
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【００９３】
実施例１においては、酸素ガス利用率を９８％にしても、電圧降下が起こらなかった。一方、比較例１においては、酸素ガス利用率が８７％を超えると電圧降下が始まった。
表１に示した結果から明らかなように、本発明の燃料電池は、高い限界酸素ガス利用率を有し、充分な発電性能を発揮することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明の固体高分子型燃料電池は、反応ガスの利用効率低下を抑制し、高分子型固体電解質膜を用いた燃料電池、特に定置型コジェネレーションシステムや電気自動車等に好適に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】図１は、本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の基本構成の要部を示す概略分解断面図である。
【図２】図１に示すＩ-Ｉ線断面を示す図（即ち、第一実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータ６ａを燃料ガス用流路７ａ側からみた正面図）である。
【図３】図１におけるII−II線断面を示す図（即ち、図１の燃料電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。
【図４】図３におけるＸ−Ｘ線断面のアノード４ａ側の要部を示す概略分解断面図である。
【図５】図３におけるＸ−Ｘ線断面のアノード４ａ側の要部（変形例）を示す概略分解断面図である。
【図６】第二実施形態において、図１におけるII−II線断面を示す図（図１の燃料電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。
【図７】第二実施形態の図３におけるＸ2−Ｘ2線断面のアノード４ａ側の要部を示す概略分解断面図である。
【図８】第三実施形態において、図１におけるＩ-Ｉ線断面を示す図（即ち、第三実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータ６ａを燃料ガス用流路７ａ側からみた正面図）である。
【図９】第一実施形態の燃料電池１０の変形例におけるアノード側セパレータ６ａを燃料ガス用流路７ａ側からみた正面図）である。
【図１０】従来の高分子電解質形燃料電池の要部の一般的な基本構成の要部を示す概略分解断面図である。
【図１１】図１０に示すIII-III線断面を示す図（即ち、従来の燃料電池１００におけるアノード側セパレータ１０６ａを燃料ガス用流路１０７ａ側からみた正面図）でありる。
【図１２】図１０におけるIV−IV線断面を示す図（即ち、図１０の燃料電池１００からアノード側セパレータ１０６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ１０６ａ側（取り外し前）から見た正面図）である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年4月27日(2007.4.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜並びに前記高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを含む膜電極接合体と、
前記アノードに燃料ガスを供給及び排出するための燃料ガス用流路を含む導電性を有するアノード側セパレータと、
前記カソードに酸化剤ガスを供給及び排出するための酸化剤ガス用流路を含む導電性を有するカソード側セパレータと、
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体側の面において、前記膜電極接合体の外周部に配置され、それぞれ前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと、
を具備する単電池を含んでおり、
前記アノード側及び前記カソード側において、それぞれ前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に略矩形のアノード側隙間及びカソード側隙間が形成された構成を有し、
前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットのうちの少なくとも一方が、前記膜電極接合体の外周部に沿って配置された環状の本体部と；前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間において互いに対向する二対の隙間部分のうちの、前記燃料ガス用流路及び前記酸化剤ガス用流路の上流側から下流側に向けて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの圧力勾配の大きいほうの一対の前記隙間部分の一部、と交差するように前記本体部に連結された追加シール部と；を有すること、
を特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガス用流路及び前記酸化剤ガス用流路のうちの少なくとも一方が、複数の直線部と、隣接する前記直線部を連結する曲線部と、を含む蛇行形状を有すること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記追加シール部が、前記複数の直線部の間のリブに位置すること、を特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記追加シール部が、前記追加シール部と前記本体部とを連結している１対の連結部分に隣接する一対の隙間部分の間で切断されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間のうちの少なくとも一方の幅が０．３ｍｍ超で１．５ｍｍ未満であること、特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記追加シール部が、前記燃料ガス用流路及び前記酸化剤ガス用流路の出口側より入口側に位置すること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。                                      
【国際調査報告】
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