(57)【要約】【課題】十分な発電能力を発揮でき、優れた耐久性を有し、かつ容易に製造可能な燃料電池のスタックを得る。【解決手段】本発明の燃料電池のスタックは、複数の膜電極接合体１と、複数のセパレータ２とを備えている。各膜電極接合体１は、電解質膜３と、電解質膜３の一面に接合されて空気が供給されるカソード極４と、電解質膜３の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極５とを有する。各セパレータ２は、各膜電極接合体１を間に挟んで積層され、個々が各カソード極４側に空気室６を形成するとともに、各アノード極５側に燃料室７を形成する。各膜電極接合体１は平板材が二次元又は三次元で屈曲されている。各膜電極接合体１は形状を保持する対をなす網４ａ、５ａに挟持され、各網４ａ、５ａは互いに引き合う磁力を有している。また、各セパレータ２は互いに引き合う磁力を有し、隣り合う網４ａ、５ａとセパレータ２とは互いに引き合う磁力を有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなすセパレータとを備え、
該膜電極接合体は平板材が二次元又は三次元で屈曲されている燃料電池のセルにおいて、
前記膜電極接合体は形状を保持する対をなす形状保持部材に挟持され、各該形状保持部材は互いに引き合う磁力を有していることを特徴とする燃料電池のセル。
【請求項２】
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなすセパレータとを備え、
該膜電極接合体は平板材が二次元又は三次元で屈曲されている燃料電池のセルにおいて、
各前記セパレータは互いに引き合う磁力を有していることを特徴とする燃料電池のセル。
【請求項３】
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなすセパレータとを備え、
該膜電極接合体は平板材が二次元又は三次元で屈曲されている燃料電池のセルにおいて、
前記膜電極接合体は形状を保持する対をなす形状保持部材に挟持され、各該形状保持部材は互いに引き合う磁力を有し、各前記セパレータは互いに引き合う磁力を有し、隣り合う該形状保持部材と該セパレータとは互いに引き合う磁力を有していることを特徴とする燃料電池のセル。
【請求項４】
前記形状保持部材は磁性金属製の網又は多孔板からなる請求項１又は３記載の燃料電池のセル。
【請求項５】
前記セパレータ及び前記形状保持部材は導電性である請求項４記載の燃料電池のセル。
【請求項６】
各前記セパレータが前記膜電極接合体の形状を保持するように形成されている請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池のセル。
【請求項７】
各前記セパレータは前記膜電極接合体と整合するように平板材が屈曲されたものである請求項６記載の燃料電池のセル。
【請求項８】
前記膜電極接合体及び各該セパレータは、前記空気室が前記燃料室よりも大きくなるように、各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲されていることを特徴とする請求項７記載の燃料電池のセル。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項記載のセルを多数積層してなることを特徴とする燃料電池のスタック。
【請求項１０】
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する複数の膜電極接合体と、
各該膜電極接合体を間に挟んで積層され、個々が各該カソード極側に空気室を形成するとともに、各該アノード極側に燃料室を形成する複数のセパレータとを備え、
各該膜電極接合体は平板材が二次元又は三次元で屈曲されている燃料電池のスタックにおいて、
各前記膜電極接合体は形状を保持する対をなす形状保持部材に挟持され、各該形状保持部材は互いに引き合う磁力を有していることを特徴とする燃料電池のスタック。
【請求項１１】
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する複数の膜電極接合体と、
各該膜電極接合体を間に挟んで積層され、個々が各該カソード極側に空気室を形成するとともに、各該アノード極側に燃料室を形成する複数のセパレータとを備え、
各該膜電極接合体は平板材が二次元又は三次元で屈曲されている燃料電池のスタックにおいて、
各前記セパレータは互いに引き合う磁力を有していることを特徴とする燃料電池のスタック。
【請求項１２】
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する複数の膜電極接合体と、
各該膜電極接合体を間に挟んで積層され、個々が各該カソード極側に空気室を形成するとともに、各該アノード極側に燃料室を形成する複数のセパレータとを備え、
各該膜電極接合体は平板材が二次元又は三次元で屈曲されている燃料電池のスタックにおいて、
各前記膜電極接合体は形状を保持する対をなす形状保持部材に挟持され、各該形状保持部材は互いに引き合う磁力を有し、各前記セパレータは互いに引き合う磁力を有し、隣り合う該形状保持部材と該セパレータとは互いに引き合う磁力を有していることを特徴とする燃料電池のスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセル及びスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に従来の燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）及びセルが開示され、特許文献２には他の従来の燃料電池の膜電極接合体、セル及びスタックが開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示の燃料電池の膜電極接合体は、ナフィオン（登録商標、Nafion（Dupon社製））等の固体高分子膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有している。カソード極は及びアノード極は白金（Ｐｔ）等の触媒を担持したカーボン粒子等からなる。
【０００４】
この膜電極接合体の特徴的な構成として、電解質膜、カソード極及びアノード極は、凹凸形状に成形されており、金属製等の網によってその形状が保持されている。この膜電極接合体を一対の平板状のセパレータで挟むことにより最小発電単位である燃料電池のセルが構成され、このセルが多数積層されてスタックが構成される。
【０００５】
この燃料電池のスタックにおいては、セパレータと膜電極接合体とにより空気室及び燃料室が形成され、カソード極に空気が供給されるとともにアノード極に燃料が供給される。この間、膜電極接合体では、アノード極における電気化学的反応により、燃料から水素イオン（Ｈ+；プロトン）と電子とが生成される。そして、プロトンは水分子を伴ったＨ3Ｏ+の形で電解質膜内をカソード極に向かって移動する。また、電子は、スタックに接続された負荷を通り、カソード極に流れる。一方、カソード極においては、空気中に含まれる酸素とプロトンと電子とから水が生成される。このような電気化学的反応が連続して起こることにより、スタックは起電力を連続して発生することができる。
【０００６】
特許文献２に開示の膜電極接合体も特許文献１に開示の膜電極接合体と同様の膜電極接合体を開示している。また、特許文献２のセルやスタックは各セパレータの空気室及び燃料室に形状保持のための多孔体を充填している。
【０００７】
特許文献１、２に開示の膜電極接合体は、電解質膜、カソード極及びアノード極が凹凸形状に屈曲されていることから、カソード極及びアノード極の投影面積当たりの表面積がともに大きくなっている。このため、この種の膜電極接合体を用いたスタックは、単位体積当たり、大きな面積で電気化学反応を生じ、発電能力が高くなる。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２２４６７７号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４４２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記従来のセルは屈曲した膜電極接合体を採用していることから、スタックにおいては、たとえ各セルをある荷重の下で積層したとしても、その荷重が各膜電極接合体の山の頂点又は谷の底点のみに作用し、各膜電極接合体が拘束され難い。
【００１０】
このため、このスタックでは、カソード極又はアノード極がセパレータ等の集電板と離反しやすいことから、集電抵抗が高く、十分な発電能力を発揮し難い。
【００１１】
また、このスタックでは、各膜電極接合体の山の頂点又は谷の底点以外の部分において、電解質膜の膨潤による変形を支えきれず、カソード極又はアノード極が電解質膜から剥離し易く、耐久性が低いものとなり易い。
【００１２】
さらに、このスタックにおいて、各セルを積層する際の荷重を高めることとすれば、それによって各膜電極接合体の凹凸形状が逆に損なわれ易く、かつ製造も面倒になってしまう。
【００１３】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、十分な発電能力を発揮でき、優れた耐久性を有し、かつ容易に製造可能な燃料電池のスタックを得ることを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１発明の燃料電池のセルは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
【００１５】
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなすセパレータとを備え、
【００１６】
該膜電極接合体は平板材が二次元又は三次元で屈曲されている燃料電池のセルにおいて、
【００１７】
前記膜電極接合体は形状を保持する対をなす形状保持部材に挟持され、各該形状保持部材は互いに引き合う磁力を有していることを特徴とする。
【００１８】
第１発明のセルでは、平板材が二次元又は三次元で屈曲された膜電極接合体を採用していることから、カソード極及びアノード極の投影面積当たりの表面積がともに大きくなっている。このため、このセルを用いたスタックは、単位体積当たり、大きな面積で電気化学反応を生じ、発電能力が高くなる。
【００１９】
また、第１発明のセルでは、膜電極接合体が一対の形状保持部材によって挟持され、膜電極接合体の形状が保持されている。特に、第１発明のセルでは、それら形状保持部材が互いに引き合う磁力を有しているため、よりその形状が強力に保持されている。このため、各セルをある荷重の下で積層してスタックとすれば、このスタックにおいては、各膜電極接合体が従来よりも拘束されることとなる。
【００２０】
第２発明の燃料電池のセルは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
【００２１】
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなすセパレータとを備え、
【００２２】
該膜電極接合体は平板材が二次元又は三次元で屈曲されている燃料電池のセルにおいて、
【００２３】
前記各セパレータは互いに引き合う磁力を有していることを特徴とする。
【００２４】
第２発明のセルにおいても、平板材が二次元又は三次元で屈曲された膜電極接合体を採用していることから、カソード極及びアノード極の投影面積当たりの表面積がともに大きくなっている。このため、このセルを用いたスタックは、単位体積当たり、大きな面積で電気化学反応を生じ、発電能力が高くなる。
【００２５】
また、第２発明のセルでは、互いに引き合う磁力を有する各セパレータによって、膜電極接合体の形状が強力に保持されている。このため、各セルをある荷重の下で積層してスタックとすれば、このスタックにおいては、各膜電極接合体が従来よりも拘束されることとなる。
【００２６】
第３発明の燃料電池のセルは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
【００２７】
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなすセパレータとを備え、
【００２８】
該膜電極接合体は平板材が二次元又は三次元で屈曲されている燃料電池のセルにおいて、
【００２９】
前記膜電極接合体は形状を保持する対をなす形状保持部材に挟持され、各該形状保持部材は互いに引き合う磁力を有し、前記各セパレータは互いに引き合う磁力を有し、隣り合う該形状保持部材と該セパレータとは互いに引き合う磁力を有していることを特徴とする。
【００３０】
第３発明のセルにおいても、平板材が二次元又は三次元で屈曲された膜電極接合体を採用していることから、カソード極及びアノード極の投影面積当たりの表面積がともに大きくなっている。このため、このセルを用いたスタックは、単位体積当たり、大きな面積で電気化学反応を生じ、発電能力が高くなる。
【００３１】
また、第３発明のセルでは、第１発明と同様、膜電極接合体が一対の形状保持部材によって挟持され、かつそれら形状保持部材が互いに引き合う磁力を有しているため、膜電極接合体の形状が強力に保持されている。また、第３発明のセルでは、第２発明と同様、互いに引き合う磁力を有する各セパレータによって、膜電極接合体の形状が強力に保持されている。さらに、第３発明のセルでは、隣り合う形状保持部材とセパレータとが互いに引き合う磁力を有しているため、膜電極接合体を挟持する一対の形状保持部材は互いに強力な磁力で引き合うこととなり、膜電極接合体又は一対の形状保持部材を含む膜電極接合体を挟む一対のセパレータも互いに強力な磁力で引き合うこととなり、膜電極接合体の形状がさらに強力に保持されている。このため、各セルをある荷重の下で積層してスタックとすれば、このスタックにおいては、各膜電極接合体が従来よりも拘束されることとなる。隣り合う形状保持部材及びセパレータは互いに引き合うため、外部からの拘束力（荷重）を低減することができる。
【００３２】
このため、第１〜３発明のセルによって得られるスタックでは、カソード極及びアノード極がセパレータ等の集電板と安定的に接触することから、集電抵抗が低く、十分な発電能力を発揮し易い。
【００３３】
また、このスタックでは、各膜電極接合体の山の頂点又は谷の底点以外の部分においても、電解質膜の膨潤による変形を好適に支え、カソード極やアノード極が電解質膜から剥離し難く、耐久性が高いものとなる。
【００３４】
さらに、このスタックにおいては、各セルを積層する際の荷重をむやみに高める必要性がないため、各膜電極接合体の凹凸形状を損ない難く、かつ製造も容易になる。
【００３５】
したがって、第１〜３発明のセルによれば、十分な発電能力を発揮でき、優れた耐久性を有する燃料電池のスタックを容易に製造することができる。
【００３６】
第１〜３発明に係る膜電極接合体は、平板材が二次元又は三次元で屈曲されている。つまり、膜電極接合体の平板材を屈曲することにより第１〜３発明に係る膜電極接合体が得られる。平板材の屈曲は、二次元（つまり、山及び谷が一方向に連続した波板形状）でもよく、三次元（つまり、山及び谷が連続せずに独立して形成された形状）でもよい。平板材の屈曲は、屈曲点又は屈曲線が緩やかな湾曲を含む。
【００３７】
第１、３発明に係る形状保持部材は、カソード極及びアノード極と一体でも、別体でもよい。形状保持部材がカソード極及びアノード極と一体であれば、膜電極接合体の屈曲した形状が保持され易く、長期に亘って本発明の作用効果が維持される。また、膜電極接合体が形状保持部材を有すれば、膜電極接合体自体が屈曲した形状を保持するため、別に用意したセパレータと容易に位置合わせを行い、製造コストの低廉化を実現することができる。
【００３８】
形状保持部材は磁性金属製の網又は多孔板からなることが好ましい。形状保持部材が磁性金属製であれば、高い剛性により形状保持機能が長期に亘って作用する。また、形状保持部材が網又は多孔板であることにより、燃料、プロトン又は空気を好適に伝導させることができる。なお、ここで、多孔板とは、気孔が厚さ方向に連続し、厚さ方向両側で外部に気孔が開くものをいう。
【００３９】
セパレータ及び形状保持部材は導電性であることが好ましい。この場合、形状保持部材が形状保持機能とともに集電機能も発揮し、別に集電材を設ける必要がなくなることから、スタックの小型化を実現できる。
【００４０】
第１〜３発明において、各セパレータは、平板状のものでもよく、膜電極接合体の形状を保持するように形成されていてもよい。平板状の各セパレータを採用すれば、特開平４−１５４０４７号公報に開示された各セパレータに比べ、各セパレータの製造が容易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。
【００４１】
各セパレータが膜電極接合体の形状を保持するように形成されている場合、セパレータによって膜電極接合体の屈曲した形状が保持され、長期に亘って本発明の作用効果が維持される。
【００４２】
この場合、各セパレータは、特開平４−１５４０４７号公報に開示されているように凸部又は凹部があるものでもよいが、膜電極接合体と整合するように平板材が屈曲されたものであることが好ましい。平板材を二次元又は三次元で屈曲させた各セパレータを採用しても、各セパレータの製造が容易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。セパレータの平板材を屈曲することにより本発明に係るセパレータが得られる。
【００４３】
膜電極接合体及び各セパレータは、空気室が燃料室よりも大きくなるように、各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲されていることが好ましい。この場合、スタックは、アノード極側での燃料の消費体積の増加に従ってカソード極側で空気の圧力損失を生じ難い。このため、スタックが消費動力を軽減できる。また、スタックにおける空気室の断面積を燃料室に応じて大きくすることで比較的小さくできることから、スタックの小型化も実現できる。
【００４４】
各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲された膜電極接合体及びセパレータを採用し、空気室が燃料室よりも大きくなるようにするためには、膜電極接合体の山と谷とを同一のピッチで形成しつつ、セパレータの山と谷との幅を変えることが可能である。また、膜電極接合体又はセパレータの山と谷とのピッチを変えることも可能である。
【００４５】
なお、空気室を燃料室よりもどの程度大きくするかは、２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏのモル数、燃料の供給圧力、空気の供給圧力及び空気中の酸素分圧によって設定することができる。
【００４６】
スタックは、１枚の膜電極接合体及び１枚のセパレータを１ユニットとすると、１ユニットの膜電極接合体側の谷の裏面が隣のユニットのセパレータ側の山の表面に当接してもよく、１ユニットの膜電極接合体側の谷の裏面が隣のユニットのセパレータ側の谷の表面に当接してもよい。
【００４７】
本発明の燃料電池のスタックは、上記セルを多数積層してなることを特徴とする。
【００４８】
本発明のスタックは、上記セルを採用していることから、十分な発電能力を発揮でき、優れた耐久性を有し、かつ容易に製造可能である。
【００４９】
第１発明のセルによって第１発明のスタックを製造することができる。第１発明のスタックは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する複数の膜電極接合体と、
【００５０】
各該膜電極接合体を間に挟んで積層され、個々が各該カソード極側に空気室を形成するとともに、各該アノード極側に燃料室を形成する複数のセパレータとを備え、
【００５１】
各該膜電極接合体は平板材が二次元又は三次元で屈曲されている燃料電池のスタックにおいて、
【００５２】
各前記膜電極接合体は形状を保持する対をなす形状保持部材に挟持され、各該形状保持部材は互いに引き合う磁力を有していることを特徴とする。
【００５３】
第２発明のセルによって第２発明のスタックを製造することができる。第２発明のスタックは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する複数の膜電極接合体と、
【００５４】
各該膜電極接合体を間に挟んで積層され、個々が各該カソード極側に空気室を形成するとともに、各該アノード極側に燃料室を形成する複数のセパレータとを備え、
【００５５】
各該膜電極接合体は平板材が二次元又は三次元で屈曲されている燃料電池のスタックにおいて、
【００５６】
各前記セパレータは互いに引き合う磁力を有していることを特徴とする。
【００５７】
第３発明のセルによって第３発明のスタックを製造することができる。第３発明のスタックは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する複数の膜電極接合体と、
【００５８】
各該膜電極接合体を間に挟んで積層され、個々が各該カソード極側に空気室を形成するとともに、各該アノード極側に燃料室を形成する複数のセパレータとを備え、
【００５９】
各該膜電極接合体は平板材が二次元又は三次元で屈曲されている燃料電池のスタックにおいて、
【００６０】
各前記膜電極接合体は形状を保持する対をなす形状保持部材に挟持され、各該形状保持部材は互いに引き合う磁力を有し、各前記セパレータは互いに引き合う磁力を有し、隣り合う該形状保持部材と該セパレータとは互いに引き合う磁力を有していることを特徴とする。
【００６１】
第１〜３発明のスタックは、各膜電極接合体の形状が強力に保持されているため、十分な発電能力を発揮でき、優れた耐久性を有し、かつ容易に製造可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６２】
以下、本発明を具体化した実施例１〜５を図面を参照しつつ説明する。
【実施例１】
【００６３】
実施例１のスタックの詳細を図１に示す。このスタックは、セル１０が多数積層されて構成されている。セル１０は、膜電極接合体１と、膜電極接合体１を挟持する対をなすセパレータ２とからなる。隣り合う各セル１０は各々セパレータ２を共有している。
【００６４】
膜電極接合体１は、図２及び図３に示すように、電解質膜３と、この電解質膜３の一面に接合されたカソード極４と、電解質膜３の他面に接合されたアノード極５とからなる。この膜電極接合体１は、屈曲前の平板材が二次元で、つまり等脚台形状の山１ａ及び谷１ｂが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。膜電極接合体１は山１ａと谷１ｂとが同一のピッチで形成されている。
【００６５】
電解質膜３はナフィオン（登録商標、Nafion（Dupon社製））等の固体高分子膜からなる。
【００６６】
カソード極４は、図２に示すように、形状保持部材としての磁性金属製の網４ａと、この網４ａの電解質膜３側に形成されたカソード電極４ｂとからなる。網４ａは、外側がＳ極、電解質膜３側がＮ極になる磁力を有している。カソード電極４ｂは、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等のガス透過性のある基材と、この基材の両表面に形成され、カーボン粒子とＰＴＦＥの混合物からなる撥水層と、さらに電解質膜側の表面に形成され、白金（Ｐｔ）等の触媒を担持したカーボン粒子と電解質とからなる触媒層とからなる。
【００６７】
また、アノード極５も、形状保持部材としての上記網５ａと、この網５ａの電解質膜３側に形成されたアノード電極５ｂとからなる。網５ａは、外側がＮ極、電解質膜３側がＳ極になる磁力を有している。アノード触媒層５ｂも、上記基材と撥水層と触媒層とからなる。
【００６８】
電解質膜３、カソード電極４ｂ及びアノード電極５ｂは、図４に示すように、公知の膜電極接合体６を屈曲させたものである。形状保持部材としての網４ａ、５ａは屈曲された後、屈曲後の膜電極接合体６に後付で接合されている。
【００６９】
図１及び図２に示す各セパレータ２は磁性金属からなる平板状のものである。膜電極接合体１の一面側（図中、上側）に位置するセパレータ２は、一面側（図中、上面）がＮ極、他面側（図中、下面）がＳ極になる磁力を有している。また、膜電極接合体１の他面側（図中、下側）に位置するセパレータ２も、一面側（図中、上面）がＮ極、他面側（図中、下面）がＳ極になる磁力を有している。
【００７０】
対をなすセパレータ２によって膜電極接合体１を挟持して各セル１０が構成されている。そして、セル１０が多数積層され、スタックが構成される。この際、隣り合う各セル１０は各々セパレータ２を共有するようにする。この際、膜電極接合体１は積層方向で山１ａ及び谷１ｂが整列される。そして、カソード極４の網４ａ及びアノード極５の網５ａがセパレータ２と当接する。こうして、スタックが得られる。
【００７１】
得られたスタックでは、セパレータ２は、膜電極接合体２のカソード極４側に空気室６を形成するとともに、アノード極５側に燃料室７を形成することとなる。つまり、スタックは、複数の膜電極接合体１と、各膜電極接合体１を間に挟んで積層され、個々が各カソード極４側に空気室６を形成するとともに、各アノード極５側に燃料室７を形成する複数のセパレータ２とを備えている。
【００７２】
以上のように構成されたスタックは、平板材が二次元で屈曲された膜電極接合体１を採用していることから、カソード極４及びアノード極５の投影面積当たりの表面積がともに大きくなっている。このため、このスタックは、単位体積当たり、大きな面積で電気化学反応を生じ、発電能力が高くなる。
【００７３】
また、このスタックでは、膜電極接合体１が一対の網４ａ、５ａによって挟持され、かつそれら網４ａ、５ａが互いに引き合う磁力を有しているため、膜電極接合体１の形状が強力に保持されている。また、このスタックでは、互いに引き合う磁力を有する各セパレータ２によって、膜電極接合体１の形状が強力に保持されている。さらに、このスタックでは、隣り合う網４ａ、５ａとセパレータ２とが互いに引き合う磁力を有しているため、膜電極接合体１を挟持する一対の網４ａ、５ａは互いに強力な磁力で引き合うこととなり、膜電極接合体１を挟む一対のセパレータ２も互いに強力な磁力で引き合うこととなり、膜電極接合体１の形状がさらに強力に保持されている。このため、各セル１０をある荷重の下で積層してスタックとすれば、このスタックにおいては、各膜電極接合体１が従来よりも拘束されることとなる。
【００７４】
このため、このスタックでは、カソード極４及びアノード極５が各々の網４ａ、５ａを介してセパレータ２と安定的に接触することから、集電抵抗が低く、十分な発電能力を発揮し易い。
【００７５】
また、このスタックでは、各膜電極接合体１の山１ａの頂点又は谷１ｂの底点以外の部分においても、電解質膜３の膨潤による変形を好適に支え、カソード極４やアノード極５が電解質膜３から剥離し難く、耐久性が高いものとなる。
【００７６】
さらに、このスタックにおいては、各セル１０を積層する際の荷重をむやみに高める必要性がないため、各膜電極接合体１の凹凸形状を損ない難く、かつ製造も容易になる。特に、このスタックにおいては、膜電極接合体１の山１ａ及び谷１ｂ並びにセパレータ２の山２ａが等脚台形状であることから、高い剛性を有している。このため、スタックを図示しないハウジングとともにボルトによって締結する際、膜電極接合体１及びセパレータ２に座屈を生じにくい。
【００７７】
したがって、このスタックは、十分な発電能力を発揮でき、優れた耐久性を有し、かつ容易に製造可能である。
【００７８】
また、このスタックは、磁性金属製の網４ａ、５ａを採用していることから、高い剛性により形状保持機能が長期に亘って作用するとともに、燃料、プロトン又は空気を好適に伝導させることができる。
【００７９】
さらに、このスタックでは、網４ａ、５ａがセパレータ２と当接して集電機能も発揮することができ、一層の小型化を実現している。
【００８０】
また、このスタックでは、各セパレータ２が平板状のものであるため、各セパレータ２の製造が容易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。
【実施例２】
【００８１】
実施例２のスタックは、図５に示す膜電極接合体３０を採用している。この膜電極接合体３０は、図６に分解断面図を示すように、電解質膜３と、この電解質膜３の一面に接合されたカソード極３１と、電解質膜３の他面に接合されたアノード極３２とからなる。
【００８２】
カソード極３１は、図７に示すように、磁性金属製の網３１ａと、この網３１ａの電解質膜３側に形成されたカソード触媒層３１ｂと、非電解質側で網３１ａの目によって形成されたカソード拡散層３１ｃとからなる。網３１ａはカソード拡散層３１ｃから一部が露出している。カソード触媒層３１ｂは、カーボン粒子に白金（Ｐｔ）等の触媒を担持したカーボン粒子と電解質とを混合したものであり、カソード拡散層３１ｃは、カーボン粒子とＰＴＦＥとの混合物からなる。
【００８３】
また、アノード極３２も、上記網３２ａと、この網３２ａの電解質膜３側に形成されたアノード触媒層３２ｂと、非電解質側で網３２ａの目によって形成されたアノード拡散層３２ｃとからなる。網３２ａはアノード拡散層３２ｃから一部が露出している。アノード触媒層３２ｂも、カーボン粒子に白金（Ｐｔ）等の触媒を担持したカーボン粒子と電解質とを混合したものであり、アノード拡散層３２ｃも、カーボン粒子とＰＴＦＥとの混合物からなる。他の構成は実施例１と同様である。
【００８４】
このスタックは、網３１ａ、３２ａがカソード極３１及びアノード極３２と一体であるため、膜電極接合体３０の屈曲した形状が保持され易く、長期に亘って本発明の作用効果が維持される。また、膜電極接合体３０が網３１ａ、３２ａを有するため、膜電極接合体３０自体が屈曲した形状を保持し、別に用意したセパレータ２と容易に位置合わせを行い、製造コストの低廉化を実現することができる。他の作用効果は実施例１と同様である。
【実施例３】
【００８５】
実施例３のスタックは、図８に示すように、網の代わりに、多孔板４ｃ、５ｃを採用した膜電極接合体６０を用いている。多孔板４ｃ、５ｃは、気孔が厚さ方向に連続し、厚さ方向両側で外部に気孔が開くものである。他の構成は実施例１又は２と同様である。
【００８６】
このスタックにおいても、実施例１又は２と同様の作用効果を奏することができる。
【実施例４】
【００８７】
実施例４のスタックの詳細を図９に示す。このスタックは、セル２０が多数積層されて構成されている。セル２０は、膜電極接合体４０と、膜電極接合体４０を挟持する対をなすセパレータ４１とからなる。
【００８８】
膜電極接合体４０は、図１０に示すように、電解質膜３と、この電解質膜３の一面に接合されたカソード極４２と、電解質膜３の他面に接合されたアノード極４３とからなる。この膜電極接合体４０は、屈曲前の平板材が二次元で、つまり緩やかな山４０ａ及び谷４０ｂが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。膜電極接合体４０は山４０ａと谷４０ｂとが同一のピッチで形成されている。
【００８９】
カソード極４２は実施例２のカソード極３１と同様の構成であり、アノード極４３は実施例２のアノード極３２と同様の構成である。
【００９０】
各セパレータ４１も、屈曲前の平板材が二次元、つまり山４１ａ及び谷４１ｂが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。セパレータ４１は山４１ａの方が谷４１ｂよりも幅広に形成されている。
【００９１】
そして、対をなすセパレータ４１によって膜電極接合体４０を挟持して各セル２０を構成する。そして、セル２０を多数積層する。この際、隣り合う各セル２０が各々セパレータ４１を共有するようにする。
【００９２】
この際、各膜電極接合体４０の各山４０ａと各セパレータ４１の各山４１ａとが整合し、各膜電極接合体４０の各谷４０ｂと各セパレータ４１の各谷４１ｂとが整合するようにする。
【００９３】
このスタックでは、１枚の膜電極接合体４０及び１枚のセパレータ４１からなるユニットは、膜電極接合体４０の山４０ａの表面がセパレータ４１の山４１ａの裏面及び両側面と当接し、膜電極接合体４０の谷４０ｂの表面はセパレータ４１の谷４１ｂの裏面と間隙を有している。そして、各膜電極接合体４０の各谷４０ｂのカソード極４２側である裏面は各セパレータ４１の各山４１ａの側壁の表面と当接されている。
【００９４】
このスタックでは、カソード極４２側に空気室６ａ、６ｂが形成され、アノード極４３側に燃料室７が形成されている。空気室６ａ、６ｂの合計の断面積は燃料室７の合計の断面積よりも大きくなっている。他の構成は実施例１〜３と同様である。
【００９５】
このスタックにおいては、空気室６ａ、６ｂが燃料室７よりも大きいため、アノード極４３側での燃料の消費体積の増加に従ってカソード極４２側で空気の圧力損失を生じ難い。このため、スタックが消費動力を軽減できる。また、スタックにおける空気室６ａ、６ｂの断面積を燃料室７に応じて大きくすることで比較的小さくできることから、スタックの小型化も実現できる。
【００９６】
また、このスタックでは、平板材を二次元で屈曲させた各セパレータ４１を採用し、これによって各セパレータ４１が膜電極接合体４０の形状を保持するように形成されているため、セパレータ４１によって膜電極接合体４０の屈曲した形状が保持され、長期に亘って本発明の作用効果が維持される。
【００９７】
また、各セパレータ４１は、膜電極接合体４０と整合するように平板材が屈曲されたものであるため、各セパレータ４１の製造が容易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。他の作用効果は実施例１〜３と同様である。
【実施例５】
【００９８】
実施例５のスタックは、図１１及び図１２に示すように、実施例４の膜電極接合体１とは形状が異なる膜電極接合体５０を採用している。
【００９９】
膜電極接合体５０は、公知の膜電極接合体６を実施例４と同様に屈曲させ、同様に屈曲させた網４ａ、５ａによってその膜電極接合体６を挟持したものである。他の構成は実施例１と同様である。
【０１００】
このスタックにおいても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【０１０１】
以上において、本発明を実施例１〜５に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜５に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【０１０２】
例えば、膜電極接合体やセパレータは、二次元に屈曲されたものに限定されず、三次元に屈曲されたものでもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明は、車両等に用いる燃料電池システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】実施例１のスタック及びセルに係り、スタックの拡大断面図である。
【図２】実施例１のスタック及びセルに係り、スタックのより拡大した断面図である。
【図３】実施例１のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の拡大した断面図である。
【図４】実施例１のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の分解断面図である。
【図５】実施例２のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の断面図である。
【図６】実施例２のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の分解断面図である。
【図７】実施例２のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の拡大した断面図である。
【図８】実施例３のスタック及びセルに係り、スタックの拡大断面図である。
【図９】実施例４のスタック及びセルに係り、スタックの拡大断面図である。
【図１０】実施例４のスタック及びセルに係り、スタックのより拡大した断面図である。
【図１１】実施例５のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の断面図である。
【図１２】実施例５のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の分解断面図である。
【符号の説明】
【０１０５】
３…電解質膜
４、３１、４２…カソード極
５、３２、４３…アノード極
１、３０、６０、４０、５０…膜電極接合体
６、６ａ、６ｂ…空気室
７…燃料室
２、４１…セパレータ
１０、２０…セル
４ａ、５ａ、３１ａ、３２ａ、４ｃ、５ｃ…形状保持部材（４ａ、５ａ、３１ａ、３２ａ、４ｃ…網、５ｃ…多孔板）
【図１】
2007087862.tif 000003
【図２】
2007087862.tif 000004
【図３】
2007087862.tif 000005
【図４】
2007087862.tif 000006
【図５】
2007087862.tif 000007
【図６】
2007087862.tif 000008
【図７】
2007087862.tif 000009
【図８】
2007087862.tif 000010
【図９】
2007087862.tif 000011
【図１０】
2007087862.tif 000012
【図１１】
2007087862.tif 000013
【図１２】
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