(57)【要約】      （修正有）【課題】電解質膜の収縮に伴う発電体の変形を抑制する燃料電池を提供すること。【解決手段】電解質膜を備えた燃料電池であって、前記電解質膜の両外側に電極触媒層をそれぞれ形成し、前記各電極触媒層のさらに外側にガス拡散層を積層して、前記電解質膜と前記電極触媒層と該ガス拡散層とを前記燃料電池の発電体として一体で構成し、前記燃料電池内部を流れる流体の外部への漏れを抑えるシールラインを有し、前記発電体の外周を囲むシールガスケット３０を、該発電体と一体成形し、前記ガス拡散層の一部に、該ガス拡散層よりも剛性の高い高剛性部２３、２４を、当該ガス拡散層外周を囲むシールガスケット同士を接続して形成した燃料電池とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を備えた燃料電池であって、
前記電解質膜の両外側に電極触媒層をそれぞれ形成し、
前記各電極触媒層のさらに外側にガス拡散層を積層して、前記電解質膜と前記電極触媒層と該ガス拡散層とを前記燃料電池の発電体として一体で構成し、
前記燃料電池内部を流れる流体の外部への漏れを抑えるシールラインを有し、前記発電体の外周を囲むシールガスケットを、該発電体と一体成形し、
前記ガス拡散層の一部に、該ガス拡散層よりも剛性の高い高剛性部を、当該ガス拡散層外周を囲むシールガスケット同士を接続して形成した
燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記高剛性部を、前記ガス拡散層外周を囲む前記シールガスケットの対向する辺同士を接続する直線状に形成した燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池であって、
前記高剛性部を、前記ガス拡散層の一部に所定材料を含浸して成形した燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池であって、
前記所定材料は、前記シールガスケットを形成する樹脂材料と同一材料である燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記ガス拡散層および前記シールガスケットは、略長方形の外形形状を有し、
前記高剛性部は、前記ガス拡散層の長辺の略中央付近に、短辺方向に渡って形成された
燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記高剛性部は、前記ガス拡散層の表面から該ガス拡散層の厚み方向に所定の厚みを備えて形成されており、
前記高剛性部と前記電極触媒層との間に前記ガス拡散の一部を配置した
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の構造に関し、詳しくは反応ガスの供給を受けて発電する発電体、および、反応ガスの漏れを抑えるシールの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車載用の燃料電池として、水素と酸素との電気化学反応により発電を行なう燃料電池が知られている。この種の燃料電池は、固体高分子の電解質膜に電極、ガス拡散層を積層して一体で構成した発電体と、集電体であるセパレータとを交互に積層し、両端から所定の圧力をかけて保持する構成が採られている。外部から供給される水素や酸素などの反応ガスは、セパレータを積層することで形成される燃料電池内部のマニホールドを流れ、各発電体に供給される。かかる内部にマニホールドを備える燃料電池では、反応ガス等の漏れを抑えるシール（シールガスケット）が、積層過程で介装されている。
【０００３】
こうした構造の燃料電池の一例として、下記特許文献１には、三つのプレートを積層して形成したセパレータと、発電体とを積層した構造が開示されている。また、下記特許文献２には、電解質膜や電極、ガス拡散層からなる電極構造体（発電体）に、シールガスケットを一体成形した構造が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−６１０４号公報
【特許文献２】特開２００２−４２８３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、こうした燃料電池の電解質膜は、氷点下から１００℃程度の温度範囲で使用されることで熱の影響を受けると共に、乾燥状態や湿潤状態など湿度の影響も受ける。その結果、電解質膜は膨張、収縮を繰り返し、徐々に収縮方向に変形してしまう。この電解質膜の収縮により、電解質膜を含む発電体内部の積層面に応力が発生し、発電体が変形するという問題があった。
【０００６】
さらには、発電体とシールガスケットとを一体成形した場合には、電解質膜の収縮方向の変形に共にシールガスケットも引っ張られ、シールガスケットに設けられたシールラインが、マニホールドを覆う所定位置からずれてしまうことがあった。場合によっては、燃料電池内部のシール性が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、電解質膜が変形するといった問題を踏まえて、電解質膜の収縮に伴う発電体の変形を抑制する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】
【０００８】
本発明の燃料電池は、上記課題を解決するため、以下の手法を採った。すなわち、
電解質膜を備えた燃料電池であって、
前記電解質膜の両外側に電極触媒層をそれぞれ形成し、
前記各電極触媒層のさらに外側にガス拡散層を積層して、前記電解質膜と前記電極触媒層と該ガス拡散層とを前記燃料電池の発電体として一体で構成し、
前記燃料電池内部を流れる流体の外部への漏れを抑えるシールラインを有し、前記発電体の外周を囲むシールガスケットを、該発電体と一体成形し、
前記ガス拡散層の一部に、該ガス拡散層よりも剛性の高い高剛性部を、当該ガス拡散層外周を囲むシールガスケット同士を接続して形成した
ことを要旨としている。
【０００９】
本発明の燃料電池によれば、電解質膜，電極触媒層，ガス拡散層からなる発電体とシールガスケットとを一体で形成すると共に、ガス拡散層の一の部位に高剛性部を形成する。高剛性部はガス拡散層よりも剛性が高いため、ガス拡散層全体は変形し難いものとなる。したがって、電解質膜の膨張収縮に伴う発電体全体の変形を抑制することができる。さらに、発電体と一体に形成されたシールガスケットの変形も抑制することができ、燃料電池の外部への反応ガス等の漏れの抑制に効果を奏する。
【００１０】
上記の構成を有する燃料電池において、前記高剛性部を、前記ガス拡散層外周を囲む前記シールガスケットの対向する辺同士を接続する直線状に形成するものとしても良い。
【００１１】
かかる燃料電池によれば、高剛性部は、ガス拡散層外周を囲むシールガスケットの対向する辺同士を接続するように形成される。つまり、ガス拡散層の一部に形成した直線状の高剛性部によりシールガスケットが補強され、ガス拡散層と同様、シールガスケットは変形し難いものとなる。したがって、電解質膜の膨張収縮に伴うシールガスケットの変形を抑制することができる。
【００１２】
上記の構成を有する燃料電池において、前記高剛性部を、前記ガス拡散層の一部に所定材料を含浸して成形するものとしても良い。
【００１３】
かかる燃料電池によれば、ガス拡散層自体に所定材料を含浸することで高剛性部を形成する。すなわち、高剛性部を設けるために、予めガス拡散層に凹部を設けるなどの処理を施す必要がない。したがって、比較的容易に高剛性部を形成することができる。
【００１４】
上記の構成を有する燃料電池において、前記所定材料は、前記シールガスケットを形成する樹脂材料と同一材料であるものとしても良い。
【００１５】
かかる燃料電池によれば、高剛性部を形成するための含浸材料として、シールガスケットと同一の樹脂材料を用い、高剛性部によってシールガスケット同士を接続する。シールガスケットと同一の樹脂材料を用いるため、シールガスケットと高剛性部との接触界面における接着は良好となる。したがって、シールガスケットと高剛性部との接着を確実なものとすることができ、発電体やシールガスケットの変形を抑制することができる。
【００１６】
上記の構成を有する燃料電池において、
前記ガス拡散層および前記シールガスケットは、略長方形の外形形状を有し、
前記高剛性部は、前記ガス拡散層の長辺の略中央付近に、短辺方向に渡って形成されるものとしても良い。
【００１７】
かかる燃料電池によれば、ガス拡散層は略長方形外形に形成され、その長辺の略中央付近で短辺方向へ、高剛性部が形成される。換言すると、ガス拡散層外周を囲むシールガスケットは略長方形外形に形成され、その長辺の略中央付近で短辺方向へ、高剛性部が形成される。電解質膜の膨張収縮の影響を受けて変形変位が大きくなり易い略長方形の略中央付近に、高剛性部を形成することで、適切に発電体やシールガスケットの変形を抑制することができる。
【００１８】
上記の構成を有する燃料電池において、
前記高剛性部は、前記ガス拡散層の表面から該ガス拡散層の厚み方向に所定の厚みを備えて形成されており、
前記高剛性部と前記電極触媒層との間に前記ガス拡散の一部を配置したものとしても良い。
【００１９】
かかる燃料電池によれば、電解質膜を中心に、厚み方向に、電極触媒層、ガス拡散層の順に積層される発電体において、ガス拡散層の表面から厚み方向、つまり電極触媒層に向かって所定の厚みを備えた高剛性部を形成する。つまり、所定の厚みの高剛性部と電極触媒層との間にガス拡散層の一部を配置する。こうすることで、電極触媒層の全面に渡ってガス拡散層を介した反応ガスの供給が行なわれる。したがって、高剛性部を設けることによる有効発電面積の減少を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、上述した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の概略構成：
Ｂ．発電体の構造：
Ｃ．セパレータの構造：
Ｄ．第１実施例のシール一体型ＭＥＧＡの構造：
Ｅ．第２実施例のシール一体型ＭＥＧＡの構造：
Ｆ．変形例：
【００２１】
Ａ．燃料電池の概略構成：
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。この燃料電池は、水素ガスと空気との供給を受け、水素と酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池であり、車両に搭載されている。
【００２２】
図示するように、燃料電池１０は、電解質膜や電極触媒層などを備えた発電体２０，セパレータ４０，エンドプレート８５ａ，８５ｂなどを備え、発電体２０とセパレータ４０とを交互に複数積層し、その両端にそれぞれターミナル８３，インシュレータ８４を介装し、これを２つのエンドプレート８５ａ，８５ｂにより挟み込んで形成されている。なお、エンドプレート８５ａ，８５ｂは、テンションプレート取り付け用のボルト締結部（図示なし）を備えており、エンドプレート８５ａ，８５ｂ間をテンションプレートで接続することで、積層方向に所定の圧縮力を与える構造となっている。
【００２３】
発電体２０，セパレータ４０，エンドプレート８５ａは、長方形外形に形成されており、４辺に沿って、厚み方向に複数の貫通孔が設けられている。これらの部品を積層することで、燃料電池１０の内部には水素，空気，冷却水用のマニホールドが形成される。外部から供給される水素ガスや空気は、燃料電池１０内部の各マニホールドを流れて、滞り無く各発電体２０に供給されている。なお、燃料電池１０への水素ガスの供給は図示しない水素タンクにより、また、空気の供給は図示しないコンプレッサにより、それぞれ行なわれている。
【００２４】
Ｂ．発電体の構造：
図２は、燃料電池１０の積層方向の断面の一部を示す概略断面図である。図示するように、発電体２０は、電解質膜と電極触媒層とを一体化したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２５と、ＭＥＡ２５の外側に配置された第１ガス拡散層２７，２８と、主にＭＥＡ２５の外周を囲むシールガスケット３０と、第１ガス拡散層２７，２８に当接する第２ガス拡散層３５，３６とから構成されている。
【００２５】
ＭＥＡ２５の電解質膜は、プロトン伝導性を備える固体高分子材料の薄膜からなり、セパレータ４０外形よりも小さい長方形外形に形成されている。この電解質膜は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜の表面には、それぞれ電極触媒層（アノード、カソード）が形成されている。電極触媒層は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金などを備えている。
【００２６】
第１ガス拡散層２７，２８は、カーボンペーパなどの黒鉛化炭素繊維を有する材質からなり、ＭＥＡ２５とほぼ同等の長方形外形に形成されている。第１ガス拡散層２７は、第２ガス拡散層３５を介して供給された空気をＭＥＡ２５のカソード側の電極触媒層に拡散する。他方の第１ガス拡散層２８は、第２ガス拡散層３６を介して供給された水素ガスをＭＥＡ２５のアノード側の電極触媒層に拡散する。こうしてＭＥＡ２５の表面に拡散された空気および水素ガスは、電解質膜を介して反応している。
【００２７】
シールガスケット３０は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの弾性を有する絶縁性樹脂材料からなり、ＭＥＡ２５の外周を囲むように形成されている。シールガスケット３０の外形は、セパレータ４０と同一の長方形形状に形成されており、その長方形の４辺に沿って上述の貫通孔が形成されている。こうしたシールガスケット３０は、２つの第１ガス拡散層２７，２８で挟持したＭＥＡ２５の外周に射出成形することで形成される。すなわち、ＭＥＡ２５，第１ガス拡散層２７，２８，シールガスケット３０は一体化されて、発電体２０の主要部分を構成している。以下、これを、シール一体型ＭＥＧＡ２２と呼ぶこととする。
【００２８】
シールガスケット３０には、その厚み方向に、上記の各貫通孔を覆い囲む凸状の部位が形成されている。こうしたシールガスケット３０を備えた発電体２０とセパレータ４０とを交互に積層して積層方向の圧縮力を与えると、シールガスケット３０の凸状の部位は、２つの隣接するセパレータ４０に接触し、積層方向に潰れて変形する。その結果、凸状の部位は、マニホールド内からの反応ガス（空気、水素ガス）などの漏れを抑制するシールラインＳＬを形成する。
【００２９】
すなわち、反応ガスの漏れの抑制には、一体構造のシールガスケット３０を挟み込む構造で対応し、樹脂フレーム等をセパレータ４０間に挟んで接着する構成を採っていない。こうした構造とすることで、樹脂フレーム等、部品点数を低減し、燃料電池１０の容積、重量を低減することができる。
【００３０】
こうしたシール一体型ＭＥＧＡ２２の両外側に配置される第２ガス拡散層３５，３６は、発泡金属や金属メッシュなど、内部に多数の細孔を備えた金属製の多孔質体からなり、シールガスケット３０の内側に収まる長方形の外形形状に形成されている。また、第２ガス拡散層３５，３６の厚みは、発電体２０とセパレータ４０とを積層して所定の圧縮力を与えた時に、セパレータ４０表面と第１ガス拡散層２７，２８表面とに当接すると同時に、セパレータ４０表面とシールガスケット３０が隙間なく当接する厚みとなるように設定されている。
【００３１】
第２ガス拡散層３５，３６の多孔質体の内部の細孔により形成される空間は、ＭＥＡ２５に空気，水素ガスを供給する流路として機能する。つまり、第２ガス拡散層３５は、ＭＥＡ２５のカソード側とセパレータ４０との空間に配置されて空気の流路として働き、第２ガス拡散層３６は、ＭＥＡ２５のアノード側とセパレータ４０との空間に配置されて水素ガスの流路として働く。例えば、空気の供給用マニホールド内を流れる空気の一部は、セパレータ４０に設けた孔部５８から第２ガス拡散層３５，第１ガス拡散層２７を介して、ＭＥＡ２５に至り、電気化学反応に供される。反応後のガスは、セパレータ４０に設けた孔部５９から空気の排気用マニホールド内に流れて外部へ排出されている。
【００３２】
Ｃ．セパレータの構造：
次に、セパレータ４０の詳細構造について説明する。図２に示すように、セパレータ４０は、空気の流路となる第２ガス拡散層３５と接触するカソード側プレート５０と、水素ガスの流路となる第２ガス拡散層３６と接触するアノード側プレート７０と、両プレートの中間に配置される中間プレート６０との３つのプレートを備えている。セパレータ４０は、これらのプレートを、カソード側プレート５０，中間プレート６０，アノード側プレート７０の順に積層した三層構造から形成されている。
【００３３】
図３は、カソード側プレート５０の平面形状を示す説明図である。図示するように、カソード側プレート５０は、長方形の外形形状に形成され、長方形の４辺に沿って複数の長方形の貫通孔を備えている。なお、以下の説明では、長方形外形の長辺方向をＸ方向、短辺方向をＹ方向とする。
【００３４】
カソード側プレート５０の４辺の貫通孔のうち、長辺に沿って空気用の貫通孔が、短辺に沿って水素ガス用および冷却水用の貫通孔が、それぞれ設けられている。具体的には、２つの長辺の一辺に沿って、３つの空気供給用（図中に空気inと記す）の貫通孔５１ａ，５１ｂ，５１ｃを備え、他辺に沿って、３つの空気排出用（図中に空気outと記す）の貫通孔５２ａ，５２ｂ，５２ｃを備えている。また、２つの短辺の一辺に沿って、水素ガス供給用（水素inと記す）の貫通孔５３と、冷却水排出用（水outと記す）の貫通孔５６とを備え、他辺に沿って、冷却水供給用（水inと記す）の貫通孔５５と、水素ガス排出用（水素outと記す）の貫通孔５４とを備えている。
【００３５】
さらに、カソード側プレート５０は、空気供給用の貫通孔５１ａ，５１ｂ，５１ｃの位置からプレートの中心方向（Ｙ方向）へ、所定距離だけ移動した位置に、Ｘ方向に連なる複数の略円形の孔部５８を備えている。同様に、空気排出用の貫通孔５２ａ，５２ｂ，５２ｃの位置からプレートの中心方向（Ｙ方向）へ、所定距離だけ移動した位置に、Ｘ方向に連なる複数の略円形の孔部５９を備えている。この複数の孔部５８，５９は、各貫通孔と対応する位置関係にあり、上述したように空気の流路の一部として機能している。
【００３６】
図４は、アノード側プレート７０の平面形状を示す説明図である。図示するように、アノード側プレート７０は、カソード側プレート５０と同一の長方形の外形形状に形成され、カソード側プレート５０と同一の位置に、同一形状の貫通孔を備えている。なお、カソード側プレート５０と同一の貫通孔には、同一の符号を付して説明を省略する。また、図３と同様、長方形外形の長辺方向をＸ方向、短辺方向をＹ方向とする。
【００３７】
アノード側プレート７０は、水素ガス供給用の貫通孔５３の位置からプレートの中心方向（Ｘ方向）へ、所定距離だけ移動した位置に、Ｙ方向に連なる複数の略円形の孔部７８を備えている。同様に、水素ガス排出用の貫通孔５４の位置からプレートの中心方向（Ｘ方向）へ、所定距離だけ移動した位置に、Ｙ方向に連なる複数の略円形の孔部７９を備えている。この複数の孔部７８，７９は、各貫通孔５３，５４と対応する位置関係にあり、水素ガスの流路の一部として機能している。
【００３８】
図５は、中間プレート６０の平面形状を示す説明図である。図示するように、中間プレート６０は、カソード側プレート５０と同一の長方形の外形形状に形成されている。なお、図３と同様、長方形外形の長辺方向をＸ方向、短辺方向をＹ方向とする。
【００３９】
中間プレート６０は、２つの長辺のうち、一辺に沿って空気供給用の貫通部６１ａ，６１ｂ，６１ｃを、他辺に沿って空気排出用の貫通部６２ａ，６２ｂ，６２ｃを、それぞれ備えている。貫通部６１ａ，６１ｂ，６１ｃは、図３に示した各孔部５８を、空気供給用の貫通孔５１ａ，５１ｂ，５１ｃまで、Ｙ方向に伸ばした形に形成されている。同様に、貫通部６２ａ，６２ｂ，６２ｃは、図３に示した各孔部５９を、空気排出用の貫通孔５２ａ，５２ｂ，５２ｃまで、Ｙ方向に伸ばした形に形成されている。
【００４０】
さらに、中間プレート６０は、２つの短辺のうち、一辺に沿って水素ガス供給用の貫通部６３を、他辺に沿って水素ガス排出用の貫通部６４を、それぞれ備えている。貫通部６３は、図４に示した各孔部７８を、水素ガス供給用の貫通孔５３まで、Ｘ方向に伸ばした形に形成されている。同様に、貫通部６４は、図４に示した各孔部７９を、水素ガス排出用の貫通孔５４まで、Ｘ方向に伸ばした形に形成されている。
【００４１】
また、中間プレート６０は、図３，図４に示した冷却水供給用の貫通孔５５の位置と、冷却水排出用の貫通孔５６の位置とを接続し、Ｘ方向に細長く形成された穴部６７を複数備えている。この穴部６７の中央付近はＸ方向に直線状に形成され、直線部分の両端は冷却水用の貫通孔５５，５６の大きさに収まるように斜めに形成されている。
【００４２】
かかる平面形状の３つのプレートは、流路などの凹凸形状のない平坦な表面を有し、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から形成されている。これらのプレートを重ね合わせて接合することで、セパレータ４０が完成する。平坦なプレートを積層してセパレータ４０を構成することで、エッチング等の複雑な製造方法による凹凸の流路溝を形成する必要がない。なお、図３，図４，図５に矢印で示したＡＡ断面は、図２に示したセパレータ４０の断面形状に該当している。
【００４３】
こうした構造のセパレータ４０における各貫通孔に供給された反応ガスは、滞りなく発電体２０の第２ガス拡散層３５，３６に供給される。図６は、反応ガスの流れを示した説明図である。セパレータ４０の空気供給用の貫通孔（図３に示した貫通孔５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）を流れる空気の一部は、図示するように、孔部５８を通って、第２ガス拡散層３５に供給される。供給された空気は、第２ガス拡散層３５を図示する上方から下方へ流れると共に、シール一体型ＭＥＧＡ２２の第１ガス拡散層２７を介して、ＭＥＡ２５に至り、電気化学反応に供される。
【００４４】
また、セパレータ４０の水素ガス供給用の貫通孔（図３に示した貫通孔５３）を流れる水素ガスの一部は、図示するように、孔部７８を通って、第２ガス拡散層３６に供給される。供給された水素ガスは、第２ガス拡散層３６を図示する右方から左方へ流れると共に、シール一体型ＭＥＧＡ２２の第１ガス拡散層２８を介して、ＭＥＡ２５に至り、電気化学反応に供される。
【００４５】
以上の構成の燃料電池１０は、氷点下から１００℃程度の温度範囲で運転されるため、電解質膜は、熱の影響や湿度の影響を受ける。その結果、電解質膜は膨張、収縮を繰り返し、徐々に収縮方向に変形し、電解質膜を含むシール一体型ＭＥＧＡ２２も変形しようとする。本実施例では、シール一体型ＭＥＧＡ２２に、電解質膜の膨張収縮に伴う変形を抑制する補強用の部材を設けている。以下、こうした部材を有するシール一体型ＭＥＧＡ２２の構造について説明する。
【００４６】
Ｄ．第１実施例のシール一体型ＭＥＧＡの構造：
図７は、第１実施例としてのシール一体型ＭＥＧＡ２２の一断面形状を示す斜視図である。図７の一断面形状は、図６におけるシール一体型ＭＥＧＡ２２のＢＢ断面の斜視図を示している。
【００４７】
上述のように、シール一体型ＭＥＧＡ２２は、ＭＥＡ２５の両側に第１ガス拡散層２７，２８を備え、これらの外周を囲むようにシールガスケット３０を形成し、一体化したものである。図示するように、シールガスケット３０の各辺には、セパレータ４０の各貫通孔に対応した貫通孔およびシールラインＳＬが形成されている。なお、シールガスケット３０の各貫通孔についは、セパレータ４０の対応する貫通孔と同一符号とし、詳細な説明は省略する。
【００４８】
本実施例のシール一体型ＭＥＧＡ２２には、水素ガスの供給を受ける第１ガス拡散層２８側に補強用としての高剛性部２３が、空気の供給を受ける第１ガス拡散層２７側に補強用としての高剛性部２４が、それぞれ形成されている。これらの高剛性部２３，２４は、第１ガス拡散層２７，２８よりも剛性が高く、長方形形状の第１ガス拡散層２７，２８の長辺の略中央位置であって、短辺方向に直線状に伸び、シールガスケット３０同士を接続する梁として形成されている。
【００４９】
具体的には、カーボンペーパなどの黒鉛化炭素繊維を有する材料の第１ガス拡散層２７，２８に、シリコンゴム等からなるシールガスケット３０と同一材料である絶縁性樹脂材料を含浸させることで、高剛性部２３，２４を形成している。こうして形成された高剛性部２３，２４は、ＭＥＡ２５および第１ガス拡散層２７，２８の外周と、シールガスケット３０との境界部分と同様、炭素繊維入り樹脂材料のごとく高強度となり、第１ガス拡散層２７，２８よりも高剛性の梁となる。つまり、第１ガス拡散層２７，２８の厚み方向でＭＥＡ２５に到達する深さまで含浸することで、第１ガス拡散層２７，２８の一部位を高剛性の部材に置き換えている。
【００５０】
以上のように、シール一体型ＭＥＧＡ２２の平面上の一つの発電部を構成する第１ガス拡散層２７，２８に高剛性部２３，２４を備えることで、電解質膜や、それを含むシール一体型ＭＥＧＡ２２全体の変形を抑制することができる。その結果、一体化されたシールガスケット３０が電解質膜の変形につられて大きく変形してしまうこともない。すなわち、シールガスケット３０上のシールラインＳＬの変形や、位置のずれを抑制することができ、燃料電池１０からの反応ガス等の外部への漏れを抑制することができる。
【００５１】
さらには、梁の効果により変形に対する剛性が増すため、シール一体型ＭＥＧＡ２２を構成する各層間に生じる応力を低減することができる。そのため、ＭＥＡ２５（具体的には電極触媒層）と第１ガス拡散層２７，２８との間の応力を低減し、広い運転範囲に渡って安定したシール一体型ＭＥＧＡ２２を構築することができる。
【００５２】
また、本実施例のように、長方形形状のシール一体型ＭＥＧＡ２２の場合には、長辺の中央付近に梁を設ける。電解質膜の収縮等の影響で最も変位量が大きくなる位置に梁を設けるため、変形の抑制に特に効果がある。
【００５３】
本実施例では、第１ガス拡散層２７，２８に絶縁性樹脂材料を含浸させることで高剛性部２３，２４を形成する。つまり、第１ガス拡散層２７，２８を基材として、その上から絶縁性樹脂材料を射出し、基材に含浸させる。したがって、高剛性部２３，２４を形成するために、第１ガス拡散層２７，２８の長辺の中央付近を削り取り、あるいは、第１ガス拡散層２７，２８を予め複数に分割しておく必要はない。換言すると、高剛性部２３，２４を形成するために他の部位の構成を変更するなどの処理を必要としない。
【００５４】
また、本実施例では、高剛性部２３，２４としての梁を入れることで、シールガスケット３０同士を接続する。したがって、シールガスケット３０，シールラインＳＬの変形を抑制することができる。また、高剛性部２３，２４の形成ではシールガスケット３０と同一部材である絶縁性樹脂材料を用いる。そのため、シールガスケット３０と高剛性部２３，２４である梁との接触界面における接着性も良好となる。よって、電解質膜の変形によるシールガスケット３０と高剛性部２３，２４と剥離等を抑制することができる。
【００５５】
本実施例のように、シールガスケット３０と同一部材による梁を形成する場合には、シール一体型ＭＥＧＡ２２を形成する際、つまり、ＭＥＡ２５の両外側に第１ガス拡散層２７，２８を設けて、射出成形によりシールガスケット３０を成形する際に、併せて射出成形により高剛性部２３，２４を形成するものとすれば良い。こうすることで、比較的簡単に高剛性部２３，２４を形成することができる。
【００５６】
本実施例では、ＭＥＡ２５を挟む２つの第１ガス拡散層２７，２８のそれぞれに、高剛性部２３，２４を形成している。そのため、ＭＥＡ２５の両面とも、ほぼ同等な剛性を有することとなる。したがって、シール一体型ＭＥＧＡ２２の反りの発生を抑えることができ、燃料電池１０の組立に影響を与えることもない。
【００５７】
なお、シール一体型ＭＥＧＡ２２に設ける梁は、ＭＥＡ２５の片側にのみ設けるものとしても良い。この場合であっても、梁がない場合に比べて、電解質膜等の変形を抑制することができる。
【００５８】
また、本実施例では、第１ガス拡散層２７，２８に絶縁性樹脂材料を含浸させることで高剛性部２３，２４を形成するものとしたが、予め第１ガス拡散層２７，２８に凹部を設け、所定の高強度材料をシリコンゴム等で包んだ部材を、第１ガス拡散層２７，２８の凹部に収めて固定するものとしても良い。さらには、シールガスケット３０とは別の樹脂材料により、高剛性部を形成するものとしても良い。この場合であっても、高剛性部がない場合に比べて、電解質膜等の変形を抑制することができる。
【００５９】
Ｅ．第２実施例のシール一体型ＭＥＧＡの構造：
図８は、第２実施例としてのシール一体型ＭＥＧＡの一部分の断面形状を示す斜視図である。図８（ａ）に示すように、第２実施例のシール一体型ＭＥＧＡ２２ａは、第１実施例のシール一体型ＭＥＧＡ２２と同様、ＭＥＡ２５の両外側に第１ガス拡散層２７，２８をそれぞれ設け、これらを囲むシールガスケット３０を備えているが、高剛性部の形状が第１実施例とは異なる。したがって、高剛性部２３ａ，２４ａの形状について説明し、その他の部分については説明を省略する。
【００６０】
図８（ｂ）は、高剛性部２３ａ，２４ａの一部（図中のＣ部分）を拡大した拡大断面図である。図示するように、第２実施例における高剛性部２３ａ，２４ａは、第１実施例と同様、第１ガス拡散層２７，２８の長方形形状の長辺の中央付近に、短辺方向に直線状に設けられている。この高剛性部２３ａ，２４ａは、第１ガス拡散層２７，２８の厚み方向の所定深さまで、樹脂材料を含浸させることで形成されており、樹脂材料はＭＥＡ２５まで到達していない。つまり、第２実施例では、厚み方向において、高剛性部２３ａ，２４ａと、対応するＭＥＡ２５の電極触媒層との間に、第１ガス拡散層２８，２７の一部が存在する構成となっている。
【００６１】
こうした高剛性部２３ａ，２４ａを備えることで、電解質膜や、それを含むシール一体型ＭＥＧＡ２２ａの変形を抑制し、シールガスケット３０上のシールラインＳＬの変形や、位置のずれを抑制できる第１実施例と同等な効果に加えて、有効発電面積を確保することができる。つまり、高剛性部２３ａ，２４ａと電極触媒層との間に残した第１ガス拡散層２８，２７により、電極触媒層の全面を有効に利用することができる。
【００６２】
また、高剛性部２３ａ，２４ａと電極触媒層との間に第１ガス拡散層２８，２７を残すことで、第１ガス拡散層２７，２８を反応ガスの流路としても機能させることができる。したがって、第２ガス拡散層３５，３６を省略して燃料電池を構成することも可能となり、部品点数を低減した燃料電池を構築することができる。
【００６３】
Ｆ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【００６４】
本実施例では、長方形形状のシール一体型ＭＥＧＡ２２，２２ａの長辺中央付近に短辺方向に伸びる梁を形成するものとしたが、高剛性部としての梁を、一の面に複数箇所形成するものとしても良い。燃料電池１０の性能等を考慮して、複数の梁を形成することで、より一層、電解質膜等の変形を抑制することができる。
【００６５】
また、本実施例ではシール一体型ＭＥＧＡ２２，２２ａが長方形形状であることを考慮して長辺中央付近に梁を設けたが、シール一体型ＭＥＧＡ２２，２２ａ、電解質膜や第１ガス拡散層の形状等を考慮し、電解質膜の変形の影響を受けて変位量が大きくなる位置を想定し、その変形を抑制する位置に梁を入れるものとすれば良い。こうすることで、効果的に電解質膜等の変形を抑制することができる。
【００６６】
本実施例では、シール一体型ＭＥＧＡ２２，２２ａの両側に、短辺方向に伸びる高剛性部を形成するものとしたが、シール一体型ＭＥＧＡ２２，２２ａの各表面を流れる反応ガスの流れと平行に梁を設けるものとしても良い。こうすることで、流路としての第２ガス拡散層を省略し、部品点数を低減することができる。
【００６７】
さらに、本実施例では、表面が平坦であるセパレータ４０を用いた燃料電池１０について説明したが、流路用の溝を形成したセパレータであっても、本実施例とほぼ同様の高剛性部を備えたシール一体型ＭＥＧＡを採用することができる。この場合、第２ガス拡散層に代えて、セパレータの凹凸溝が反応ガスの流路となり、シール一体型ＭＥＧＡと流路溝を備えたセパレータとを交互に積層して燃料電池を形成する。こうした構成の燃料電池１０であっても、高合成部の作用により電解質膜の変形を抑制し、安定した燃料電池１０を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【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】燃料電池の積層方向の断面の一部を示す概略断面図である。
【図３】カソード側プレートの平面形状を示す説明図である。
【図４】アノード側プレートの平面形状を示す説明図である。
【図５】中間プレートの平面形状を示す説明図である。
【図６】反応ガスの流れを示した説明図である。
【図７】第１実施例としてのシール一体型ＭＥＧＡの一断面形状を示す斜視図である。
【図８】第２実施例としてのシール一体型ＭＥＧＡの一断面形状を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０...燃料電池
２０...発電体
２２，２２ａ...シール一体型ＭＥＧＡ
２３，２３ａ...高剛性部
２４，２４ａ...高剛性部
２５...ＭＥＡ
２７，２８...第１ガス拡散層
３０...シールガスケット
３５，３６...第２ガス拡散層
４０...セパレータ
５０...カソード側プレート
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ...貫通孔
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ...貫通孔
５３，５４，５５，５６...貫通孔
５８，５９...孔部
６０...中間プレート
６１ａ，６１ｂ，６１ｃ...貫通部
６２ａ，６２ｂ，６２ｃ...貫通部
６３，６４...貫通部
６７...穴部
７０...アノード側プレート
７８，７９...孔部
８３...ターミナル
８４...インシュレータ
８５ａ，８５ｂ...エンドプレート
【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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