(57)【要約】【課題】簡単な構成で、両電極の反応ガス同士が混合することを阻止し、電解質膜等の劣化を有効に抑制することを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを備える。電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８の両側に、それぞれアノード電極２０及びカソード電極２２を設けるとともに、前記カソード電極２２の外周端部は、前記アノード電極２０の外周端部よりも外側に突出する。第１セパレータ１４には、酸化剤ガス流路３６が形成されるとともに、前記酸化剤ガス流路３６の幅方向両端に位置する酸化剤ガス流路溝３６ａには、ガス拡散層２２ｂの外周縁部と前記第１セパレータ１４との間に位置してシール部材４８が配置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられるとともに、一方のガス拡散層の外周部が、他方のガス拡散層の外周部よりも電極面方向に突出する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池であって、
前記セパレータには、前記一方のガス拡散層側の電極面に対向して反応ガスを前記電極面方向に沿って流通させる反応ガス流路が形成されるとともに、
前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差する幅方向両端には、前記一方のガス拡散層の外周縁部と前記セパレータとの間に位置してシール部材が配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記一方のガス拡散層には、前記シール部材が当接する前記外周縁部から外周部に亘って樹脂含浸部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられるとともに、一方のガス拡散層の外周部が、他方のガス拡散層の外周部よりも電極面方向に突出する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（ガス拡散層）からなるアノード電極とカソード電極とを配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持した発電セルを用いている。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
電解質膜・電極構造体では、一方の電極触媒層の表面積が他方の電極触媒層の表面積よりも小さく設定される、所謂、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。この種の段差型ＭＥＡとして、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００４】
この固体高分子型燃料電池は、図５に示すように、複数の単位セル１が積層されている。単位セル１は、セル構造体２と、前記セル構造体２を挟持するセパレータ板３、４とを備えている。セル構造体２は、固体高分子膜５と、前記固体高分子膜５の一方の面にアノード６ａを配した集電体６ｂと、前記固体高分子膜５の他方の面にカソード７ａを配した集電体７ｂとを有している。
【０００５】
集電体６ｂは、アノード６ａと同一寸法を有し、固体高分子膜５の中央部に配置されている。一方、集電体７ｂは、カソード７ａよりも大きな寸法を有し、実質的には、固体高分子膜５と同等の外形寸法に設定されており、段差型ＭＥＡを構成している。
【０００６】
セパレータ板３は、集電体６ｂに対向してアノード６ａにアノードガスを供給するアノードガスチャネル３ａを備える一方、セパレータ板４は、集電体７ｂに対向してカソード７ａにカソードガスを供給するカソードガスチャネル４ａを備えている。セパレータ板３と固体高分子膜５との間には、シール部材８が接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２８９７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記の固体高分子型燃料電池では、セル構造体１が、段差ＭＥＡを構成している。このため、固体高分子型燃料電池に積層方向に締め付け荷重が付与される際や、発電時に固体高分子膜５が膨潤する際等に、前記固体高分子膜５の集電体６ｂの外周部から外方に露呈する外周縁部５ａにせん断力等の応力が作用し易い。
【０００９】
従って、特に外周縁部５ａには、外部荷重が付与されることにより膜損傷が発生するという問題がある。これにより、アノードガスチャネル３ａから固体高分子膜５の外周縁部５ａを通って集電体７ｂ側にアノードガスが透過し、前記アノードガスとカソードガスとが混在する場合がある。また、固体高分子膜５の中を自然に透過したアノードガスとカソードガスとが混在する場合がある。
【００１０】
その際、カソード側では、水素（アノードガス）と酸素（カソードガス）とが反応して過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が発生し易い（Ｈ２＋Ｏ２→Ｈ２Ｏ２）。この過酸化水素は、電極中のカーボン担体や白金（Ｐｔ）上で分解し、例えば、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）が発生する。これにより、固体高分子膜５及び電極を劣化させるという問題がある。
【００１１】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、両電極の反応ガス同士が混合することを阻止し、電解質膜等の劣化を有効に抑制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】
【００１２】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられるとともに、一方のガス拡散層の外周部が他方のガス拡散層の外周部よりも電極面方向に突出する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池に関するものである。
【００１３】
この燃料電池では、セパレータには、一方のガス拡散層側の電極面に対向して反応ガスを電極面方向に沿って流通させる反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差する幅方向両端には、前記一方のガス拡散層の外周縁部と前記セパレータとの間に位置してシール部材が配置されている。
【００１４】
また、この燃料電池では、一方のガス拡散層には、シール部材が当接する外周縁部から外周部に亘って樹脂含浸部が設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電解質膜・電極構造体の段差部位において、両極間で反応ガスの透過が惹起しても、反応ガス流路の幅方向両端に配置されるシール部材の作用下に、前記反応ガスが混合して過酸化水素やヒドロキシラジカル等が発生することがない。これにより、シール部材を配置するだけでよく、簡単な構成で、両電極の反応ガス同士が混合することを阻止し、電解質膜等の劣化を有効に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る電解質膜・電極構造体が組み込まれる燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】他のシール部材が設けられる第１セパレータの正面説明図である。
【図５】特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、縦長形状の電解質膜・電極構造体１２を縦長形状の第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持するとともに、立位姿勢で水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。燃料電池１０は、矢印Ａ方向に複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックを構成する。
【００１８】
第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。
【００１９】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード電極２０及びカソード電極２２とを備える。固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。
【００２０】
カソード電極２２の外周端部は、全周に亘ってアノード電極２０の外周端部よりも外側に突出するとともに、前記アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置される。アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の外周を額縁状に露呈させる。なお、露呈された部分を保護シートで覆ってもよい。カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置され、前記固体高分子電解質膜１８の外周端部は、前記カソード電極２２の外周端部と同一位置に配置される。
【００２１】
アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される電極触媒層２０ａと、前記電極触媒層２０ａに積層されるガス拡散層２０ｂとを設ける。カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される電極触媒層２２ａと、前記電極触媒層２２ａに積層されるガス拡散層２２ｂとを設ける。電極触媒層２０ａ、２２ａは、同一の表面積を有するとともに、ガス拡散層２０ｂの内方に所定の寸法だけ離間した位置で終端する。
【００２２】
電極触媒層２０ａ、２２ａは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜１８の両面に印刷、塗布又は転写することによって構成される。
【００２３】
ガス拡散層２０ｂ、２２ｂは、カーボンペーパ等からなるとともに、前記ガス拡散層２０ｂの平面は、前記ガス拡散層２２ｂの平面よりも小さく設定される。ガス拡散層２２ｂの外周縁部には、後述するシール部材４８が当接する領域から外周部に亘って（距離Ｈに亘って）、樹脂含浸部２４が設けられる。樹脂含浸部２４は、含浸用樹脂部材として、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂材料を採用することができる。
【００２４】
図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｃ方向（図１中、鉛直方向）の上端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２６ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２８ａとが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。
【００２５】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２８ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００２６】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３０ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３０ｂが設けられる。
【００２７】
第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、図１及び図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路溝３６ａを有する。
【００２８】
酸化剤ガス流路３６の上流側には、複数のエンボスを備える入口バッファ部３８ａが設けられ、この入口バッファ部３８ａを介して前記酸化剤ガス流路３６の上流側が酸化剤ガス入口連通孔２６ａに連通する。酸化剤ガス流路３６の下流側には、同様に、複数のエンボスを有する出口バッファ部３８ｂが設けられ、前記出口バッファ部３８ｂを介して前記酸化剤ガス流路３６の下流側が酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに連通する。
【００２９】
図１に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路４０が設けられる。燃料ガス流路４０は、酸化剤ガス流路３６と同様に矢印Ｃ方向に延在する複数本の燃料ガス流路溝４０ａを有するとともに（図２参照）、図示しないが、第１セパレータ１４と同様に、入口バッファ部及び出口バッファ部を介して燃料ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂに連通する。
【００３０】
第１セパレータ１４の面１４ａとは反対の面１４ｂと、第２セパレータ１６面１６ａとは反対の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３０ａと冷却媒体出口連通孔３０ｂとに連通する冷却媒体流路４２が形成される。冷却媒体流路４２は、酸化剤ガス流路３６及び燃料ガス流路４０の裏面形状が重なり合って形成され、冷却媒体を水平方向（矢印Ｂ方向）に向かって流通させる。
【００３１】
図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４４が一体化されるとともに、第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４６が一体化される。
【００３２】
第１シール部材４４及び第２シール部材４６は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
【００３３】
第１シール部材４４は、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、酸化剤ガス流路３６及び酸化剤ガス出口連通孔２６ｂの外周を覆って、これらを一体に連通させる凸状シール部４４ａを有する。第２シール部材４６は、図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２を構成する固体高分子電解質膜１８の外周縁部（アノード電極２０の外方）に直接接触する凸状シール部４６ａを有する。
【００３４】
図２及び図３に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａには、酸化剤ガス流路３６の酸化剤ガス流れ方向（矢印Ｃ方向）に交差する幅方向（矢印Ｂ方向）両端に、具体的には、矢印Ｂ方向両端に設けられている酸化剤ガス流路溝３６ａに、シール部材４８が配置される。図３に示すように、両端の酸化剤ガス流路溝３６ａは、電極触媒層２０ａ、２２ａの外周端部から外方に延在する固体高分子電解質膜１８と樹脂含浸部２４との重なり部位の範囲に対応しており、この範囲内にシール部材４８が配置される。
【００３５】
シール部材４８は、例えば、第１シール部材４４と同一の材料で形成され、矢印Ｃ方向に延在するとともに、両端が凸状シール部４４ａに接続されて前記第１セパレータ１４に一体成形される。なお、別体のシール部材を挟んでもよい。シール部材４８は、矢印Ｂ方向両端の酸化剤ガス流路溝３６ａに１以上、例えば、２本設けてもよく、電解質膜・電極構造体１２を構成するガス拡散層２２ｂの外周縁部に対し、樹脂含浸部２４に接触して配置される。
【００３６】
なお、図２に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａには、燃料ガス流路４０の燃料ガス流れ方向（矢印Ｃ方向）に交差する幅方向（矢印Ｂ方向）両端に、具体的には、矢印Ｂ方向両端に設けられている燃料ガス流路溝４０ａに、シール部材４８ａを配置することができる。その際、ガス拡散層２０ｂの外周縁部から外周部に亘って樹脂含浸部（図示しない）を設けてもよい。
【００３７】
また、図４に示すように、第１セパレータ１４には、図３のシール部材４８に代えてシール部材４８ｂを設けてもよい。シール部材４８ｂは、両端が酸化剤ガス入口連通孔２６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに近接して凸状シール部４４ａに接続されている。
【００３８】
図１に示すように、第２セパレータ１６には、燃料ガス入口連通孔２８ａを燃料ガス流路４０に連通する供給孔部５０と、前記燃料ガス流路４０を燃料ガス出口連通孔２８ｂに連通する排出孔部５２とが形成される。
【００３９】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４０】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３０ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４１】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｃ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２８ａから供給孔部５０を通って第２セパレータ１６の燃料ガス流路４０に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４０に沿って矢印Ｃ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２０に供給される。
【００４２】
従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００４３】
次いで、カソード電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部５２を通り燃料ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４４】
また、冷却媒体入口連通孔３０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３０ｂから排出される。
【００４５】
この場合、本実施形態では、図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２が、ガス拡散層２０ｂをガス拡散層２２ｂよりも寸法の小さな段差ＭＥＡとして構成されるとともに、前記ガス拡散層２２ｂ側に形成される酸化剤ガス流路３６では、幅方向両端に配置される酸化剤ガス流路溝３６ａにシール部材４８が配置されている。このため、特に、寸法の小さなガス拡散層２０ｂの外周端部近傍に、固体高分子電解質膜１８を反応ガスが透過し易い領域１８ｃが形成されても、燃料ガス流路４０から酸化剤ガス流路３６側に前記領域１８ｃを透過して燃料ガスが移動することがない。
【００４６】
従って、酸化剤ガス流路３６内において、酸化剤ガスと燃料ガスとが混合反応し、過酸化水素が発生したり、さらには、ヒドロキシラジカルが発生したりすることを、良好に抑制することが可能になる。これにより、幅方向両端の酸化剤ガス流路溝３６ａに、シール部材４８を配置するだけでよく、簡単な構成で、アノード電極２０とカソード電極２２との反応ガスの混合を阻止することができる。このため、固体高分子電解質膜１８等の劣化を有効に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００４７】
さらに、本実施形態では、ガス拡散層２０ｂよりも表面積の大きなガス拡散層２２ｂには、外周縁部から外周端部に亘って樹脂含浸部２４が設けられている。従って、反応ガスの透過を一層確実に阻止するとともに、ガス拡散層２２ｂの強度向上を図ることができるという利点がある。
【００４８】
なお、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６とに流通させる反応ガスは、上記とは逆、すなわち、前記第１セパレータ１４に燃料ガスを流通させる一方、前記第２セパレータ１６に酸化剤ガスを流通させてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１０…燃料電池                          １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ                  １８…固体高分子電解質膜
２０…アノード電極                      ２０ａ、２２ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層              ２２…カソード電極
２４…樹脂含浸部                        ２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔            ２８ａ…燃料ガス入口連通孔
２８ｂ…燃料ガス出口連通孔              ３０ａ…冷却媒体入口連通孔
３０ｂ…冷却媒体出口連通孔              ３６…酸化剤ガス流路
３６ａ…酸化剤ガス流路溝                ４０…燃料ガス流路
４０ａ…燃料ガス流路溝                  ４２…冷却媒体流路
４４、４６、４８、４８ａ、４８ｂ…シール部材
【図１】
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【図２】
2013120627.tif 000004
【図３】
2013120627.tif 000005
【図４】
2013120627.tif 000006
【図５】
2013120627.tif 000007