(57)【要約】【課題】膜−電極接合体の外周にガスケット部が一体成形された構造において、ＭＥＡ部とガスケット部との面圧管理を良好に行うことが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜１３が一対の電極１４で挟持され、かつ外周が樹脂によって一体成形されてガスケット部２１とされたＭＥＡ１５と、ＭＥＡ１５の両面側に配置されたセパレータ１６と、を有する燃料電池において、セパレータ１６が、ＭＥＡ１５のガスケット部２１よりも面方向内側の接合体本体２０に対向した接合体対向部３０と、ガスケット部２１に対向したガスケット対向部３１と、これら接合体対向部３０とガスケット対向部３１との間を連結すると共に接合体対向部３０及びガスケット対向部３１の面方向に交差する方向の変位を吸収する連結部３２とを備えた構造とされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜が一対の電極で挟持され、かつその外周にシール材が一体成形されてガスケット部とされた膜−電極接合体と、該膜−電極接合体の両面側に配置されたセパレータと、を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、前記膜−電極接合体の前記ガスケット部よりも面方向内側の接合体本体に対向した接合体対向部と、前記ガスケット部に対向したガスケット対向部と、これら接合体対向部とガスケット対向部との間を連結すると共に前記接合体対向部及びガスケット対向部の面方向と交差する方向の変位を吸収可能な連結部と、を備えた燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、金属あるいはカーボンによって一体に成形されている燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池であって、
前記セパレータの連結部は、断面視にて凹凸形状とすることにより蛇腹状に形成されている燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外周にガスケット部が一体成形された膜−電極接合体を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池自動車等が注目されている。このような燃料電池では、通常、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電するセルを所要数積層した燃料電池スタックが用いられることになるが、セルの構造は、電解質膜及びその両面側に配置された一対の電極を有するＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、このＭＥＡを挟持する一対のセパレータと、で構成される。
【０００３】
そして、セルは、各セパレータに形成されたガス流路を介して酸化ガス又は燃料ガスが各電極に供給されることで発電するようになっている。この種の燃料電池においては、ＭＥＡに加わる面圧をコントロールし、面圧によるＭＥＡの損傷を低減する技術が開示されている（例えば、特許文献１〜５参照）。
【特許文献１】特開２００４−３３５４５３号公報
【特許文献２】特開平１１−３２９４６８号公報
【特許文献３】特開平７−１５３４７３号公報
【特許文献４】特開２００３−３３８２９５号公報
【特許文献５】特開２００２−１１７８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、生産性の向上等の目的のため、ＭＥＡの外周側のガスケット部分を一体成形することが行われている。このガスケット部は、シール性を確保するために、比較的面圧を高くする必要があるが、ガスケット部を一体成形した燃料電池では、ガスケット部における高い面圧がセパレータによって、ガスケット部の面方向内側の発電部分である接合体本体へ伝達されるため、接合体本体の面圧が高くなり過ぎてしまう。
【０００５】
つまり、接合体本体の外周にガスケット部が一体成形された構造の燃料電池では、ガスケット部におけるシール性の確保と接合体本体における面圧管理とを両立させることが難しかった。このため、ガスケット部を一体成形した構造において、接合体本体とその外周側のガスケット部における面圧をそれぞれ管理することが可能な構造が望まれていた。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、膜−電極接合体の外周にガスケット部が一体成形された構造において、接合体本体とガスケット部との面圧管理を良好に行うことが可能な燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、電解質膜が一対の電極で挟持され、かつその外周にシール材が一体成形されてガスケット部とされた膜−電極接合体と、該膜−電極接合体の両面側に配置されたセパレータと、を有する燃料電池であって、前記セパレータは、前記膜−電極接合体の前記ガスケット部よりも面方向内側の接合体本体に対向した接合体対向部と、前記ガスケット部に対向したガスケット対向部と、これら接合体対向部とガスケット対向部との間を連結すると共に前記接合体対向部及びガスケット対向部の面方向と交差する方向の変位を吸収可能な連結部と、を備えている。
【０００８】
この構成によれば、セパレータの連結部によって接合体対向部及びガスケット対向部の面方向と交差する方向の変位を吸収することが可能になるので、一体成形したガスケット部と接合体本体とに異なった面圧を付与することができる。
【０００９】
つまり、生産性向上のために膜−電極接合体の外周を樹脂によって一体成形してガスケット部とした構造の燃料電池において、接合体本体とガスケット部との面圧管理を各々良好に行うことができ、良好なシール性を確保しつつ、接合体本体への過剰な面圧をなくすことができる。
【００１０】
この場合、前記セパレータは、金属あるいはカーボンによって一体に成形されていることが好ましい。
【００１１】
また、前記セパレータの連結部は、断面視にて凹凸形状とすることにより蛇腹状に形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、膜−電極接合体の外周にガスケット部が一体成形された構造において、接合体本体とガスケット部との面圧管理を良好に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明に係る燃料電池の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する単一のセル（燃料電池）を示すものであり、このセルは、厚さ方向に所要数積層され燃料電池スタックとされて使用されるものである。
【００１４】
なお、この燃料電池スタックは、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能である。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池ス+タックを構成するセル１１は、電解質膜１３とその両面側に設けられた一対の電極１４とを有する薄板形状のＭＥＡ（膜−電極接合体）１５と、このＭＥＡ１５の厚さ方向の両側に配設された薄板形状の一対のセパレータ１６とで構成される。なお、ＭＥＡ１５を構成する電極１４は、電極触媒層と、これら電極触媒層のそれぞれの電解質膜１３とは反対側に形成された一対の拡散層との積層構造とされている。
【００１６】
また、ＭＥＡ１５は、上記した電解質膜１３と一対の電極１４とで構成される接合体本体２０を有しており、この接合体本体２０は、中央の電解質膜１３が、一対の電極１４の外周部よりも外側に全周にわたって突出しており、この接合体本体２０の外周部には、例えば樹脂（シール材）によって一体成形したガスケット部２１が全周にわたって設けられている。なお、このガスケット部２１は、例えば、射出成形あるいは薄い材料を層状に貼り合わせるラミネートによって一体成形されたものである。
【００１７】
図２に示すように、セパレータ１６は、ＭＥＡ１５の接合体本体２０と対向する部分が接合体対向部３０とされ、ＭＥＡ１５のガスケット部２１と対向する部分がガスケット対向部３１とされている。そして、これら接合体対向部３０とその周囲のガスケット対向部３１との間は、周方向にわたって対向部３０，３１間を連結する連結部３２とされている。
【００１８】
この連結部３２は、断面視にて凹凸形状とすることにより蛇腹状に形成されて容易に変形可能とされており、この連結部３２は、構造的に、接合体対向部３０及びガスケット対向部３１の積層方向（面方向に交差する（垂直な）方向）の変位を吸収することが可能である。凹凸の数、凹凸の高さ等は図示された形態に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更することが可能である。
【００１９】
接合体対向部３０には、その接合体本体２０と対向する対向面に、燃料ガス及び酸化ガスのいずれか対応する一方を流すための凹状のガス流路溝４１が形成されており、逆側の面に、冷却液を流すための凹状の冷却流路溝４２が形成されている。また、ＭＥＡ１５のガスケット部２１及びセパレータ１６のガスケット対向部３１には、これら燃料ガス、酸化ガス及び冷却液の供給、排出用のマニホールド４３が厚さ方向に貫通するように形成されている。
【００２０】
上記構造のセル１１では、ＭＥＡ１５のガスケット部２１とセパレータ１６のガスケット対向部３１との積層部分が、ガスケット面圧領域αとされ、ＭＥＡ１５の接合体本体２０とセパレータ１６の接合体対向部３０との積層部分が、接合体面圧領域βとされている。
【００２１】
そして、図３に示すように、上記構成のセル１１は、セパレータ１６のガスケット対向部３１に、環状のシール部材４４を介して厚さ方向に複数（数１０〜数１００枚）積層され、積層方向の両側から接合体部挟持用エンドプレート５１及びガスケット部挟持用エンドプレート５２によって挟持されて燃料電池スタック１０が構成され、ガスケット部挟持用エンドプレート５２及び接合体部挟持用エンドプレート５１によってそれぞれのセル１１のガスケット面圧領域α及び接合体面圧領域βに面圧が付与される。
【００２２】
このように、上記実施形態に係る燃料電池によれば、セパレータ１６の連結部３２が当該セパレータ１６の他の部位に比して変形容易とされて接合体対向部３０及びガスケット対向部３１の積層方向の変位を吸収することが可能になるので、一体成形したガスケット部２１と接合体本体２０とに異なった面圧を付与することができる。
【００２３】
つまり、生産性向上のためにＭＥＡ１５の外周を樹脂等のシール材によって一体成形してガスケット部２１とした構造の燃料電池において、接合体本体２０とガスケット部２１との面圧管理を各々良好に行うことができ、良好なシール性を確保しつつ、接合体本体２０への過剰な面圧をなくすことができる。
【００２４】
また、セパレータ１６を、金属あるいはカーボンによって一体に成形することにより、構造の簡略化を図ることができる。
【００２５】
しかも、連結部３２が、断面視にて凹凸形状とすることにより蛇腹状に形成されているので、この連結部３２にて、接合体本体２０及びガスケット部２１の積層方向の変位を簡易な構成にて良好に吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る実施形態の燃料電池を構成するセルの断面図である。
【図２】本発明に係る実施形態の燃料電池を構成するセルの平面図である。
【図３】セルを積層させた燃料電池スタックを説明する燃料電池スタックの断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１３…電解質膜、１４…電極、１５…ＭＥＡ（膜−電極接合体）、１６…セパレータ、２０…接合体本体、２１…ガスケット部、３０…接合体対向部、３１…ガスケット対向部、３２…連結部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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