(57)【要約】【課題】簡易な構成で、シール線圧が過大になることを抑制し、燃料電池全体の耐久性を有効に向上させることを可能にする。【解決手段】燃料電池１０では、第１電解質膜・電極構造体１６ａに第１フィルム部材５４が設けられる。第１シール部材４２の凸状シール部４２ａは、固体高分子電解質膜４８の外方に位置して第１フィルム部材５４のシール部５４ｂに当接することにより、外側シール５８ａを構成する。第１フィルム部材５４は、外側シール５８ａの内方で、第２セパレータ１８に密着して内側シール５８ｂを構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に電極を設ける電解質膜・電極構造体が、一対のセパレータ間に挟持される燃料電池であって、
前記電解質膜・電極構造体は、前記電解質膜の外方に突出するフィルム部材を設け、
前記一対のセパレータ間には、前記電解質膜の外方に位置してシール部材を設けることにより、外側シールを構成するとともに、
前記外側シールの内方で、前記フィルム部材が一方の前記セパレータに密着することにより、内側シールを構成す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、前記一対のセパレータ及び前記フィルム部材の外周縁部には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を該一対のセパレータの配列方向に流通させる燃料ガス連通孔、酸化剤ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が貫通形成さ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、電解質膜の両側に電極を設ける電解質膜・電極構造体が、一対のセパレータ間に挟持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電解質膜の一面側にアノード電極が、前記電解質膜の他面側にカソード電極が、配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、一対のセパレータ間に挟持されることにより単位セル（発電セル）を構成している。この燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、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】
燃料電池では、燃料ガスや酸化剤ガスのガス漏れ、又はこれらのクロスリークを抑制する必要があるとともに、冷却媒体の液漏れを抑制する必要がある。このため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。
【０００４】
この燃料電池では、アノード側拡散電極とカソード側拡散電極と固体高分子電解質膜とを同じ大きさに成形し、一方の拡散電極に外周部分を残して固体高分子電解質膜を露出させる溝を周設している。そして、一方のセパレータに、内周側に第１のシールと外周側に第２のシールとを配置し、前記第１のシールを一方の拡散電極の溝内に挿入して固体高分子電解質膜に密着するとともに、第２のシールを他のセパレータに密着している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３８６６０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記の特許文献１では、第１のシールの高さが小さくなり、所望のシール線圧を確保するために、前記第１のシールの弾性率を第２のシールの弾性率よりも大きくする必要がある。このため、第１のシールの線圧が過大となり易いという問題がある。従って、ＭＥＡに割れ等の損傷が発生するおそれがあり、燃料電池全体の耐久性が低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡易な構成で、シール線圧が過大になることを抑制し、燃料電池全体の耐久性を有効に向上させ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】
【０００８】
本発明は、電解質膜の両側に電極を設ける電解質膜・電極構造体が、一対のセパレータ間に挟持される燃料電池に関するものである。この燃料電池では、電解質膜・電極構造体は、電解質膜の外方に突出するフィルム部材を設けている。
【０００９】
一対のセパレータ間には、電解質膜の外方に位置してシール部材を設けることにより、外側シールを構成するとともに、前記外側シールの内方で、フィルム部材が一方のセパレータに密着することにより、内側シールを構成している。
【００１０】
また、一対のセパレータ及びフィルム部材の外周縁部には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を該一対のセパレータの配列方向に流通させる燃料ガス連通孔、酸化剤ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が貫通形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、シール部材により外側シールを構成するとともに、電解質膜・電極構造体に設けられたフィルム部材をセパレータに密着させることにより内側シールが構成されている。このため、簡易な構成で、特に内側シールのシール線圧が過大になることを抑制し、燃料電池全体の耐久性を有効に向上させることが可能になるとともに、シール構造を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図２】前記発電ユニットの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記発電ユニットの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。
【図４】前記発電ユニットの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１〜図４に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、発電ユニット１２を備える。複数の発電ユニット１２は、水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層されることにより、例えば、燃料電池電気自動車に搭載される燃料電池スタックを構成する。
【００１４】
発電ユニット１２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ｂ及び第３セパレータ２０を有する。
【００１５】
第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０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横長形状の金属板により構成される。第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属セパレータに代えて、カーボンセパレータ等を使用してもよい。
【００１６】
図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、冷却媒体入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２６ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔２４ａは、冷却媒体を供給する一方、燃料ガス出口連通孔２６ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
【００１７】
発電ユニット１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔２６ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔２４ｂ及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。
【００１８】
第１セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路２８が形成される。第１酸化剤ガス流路２８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝でもよい）を有する。
【００１９】
第１セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２４ａと冷却媒体出口連通孔２４ｂとを連通する冷却媒体流路３０の一部が形成される。冷却媒体流路３０は、第１酸化剤ガス流路２８が形成される第１セパレータ１４の裏面と、後述する第２燃料ガス流路３８が形成される第３セパレータ２０の裏面とが、重なり合って形成される。
【００２０】
第２セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２６ａと燃料ガス出口連通孔２６ｂとを連通する第１燃料ガス流路３２が形成される。第１燃料ガス流路３２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝（又は波状流路溝でもよい）を有する。
【００２１】
燃料ガス入口連通孔２６ａの近傍に位置して、複数の供給孔部３４ａが形成される。燃料ガス出口連通孔２６ｂの近傍に位置して、複数の排出孔部３４ｂが形成される。
【００２２】
第２セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路３６が形成される。第２酸化剤ガス流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝（又は波状流路溝でもよい）を有する。
【００２３】
第３セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス入口連通孔２６ａと燃料ガス出口連通孔２６ｂに連通する第２燃料ガス流路３８が形成される。第２燃料ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝（又は波状流路溝でもよい）を有する。
【００２４】
燃料ガス入口連通孔２６ａの近傍に位置して、複数の供給孔部４０ａが形成される。燃料ガス出口連通孔２６ｂの近傍に位置して、複数の排出孔部４０ｂが形成される。供給孔部４０ａは、積層方向に沿って供給孔部３４ａよりも内方（発電面側）にオフセットするとともに、排出孔部４０ｂは、前記積層方向に沿って排出孔部３４ｂよりも内方にオフセットしている。
【００２５】
図１〜図４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の外周端縁部を周回して第１シール部材４２が一体成形される。第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材４４が一体成形される。第３セパレータ２０の面２０ａには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材４６が一体成形される。
【００２６】
第１シール部材４２、第２シール部材４４及び第３シール部材４６としては、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。
【００２７】
図２〜図４に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂ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（陽イオン交換膜）４８を備える。固体高分子電解質膜４８は、カソード電極５０及びアノード電極５２により挟持される。
【００２８】
アノード電極５２は、カソード電極５０及び固体高分子電解質膜４８の平面寸法よりも小さな平面寸法を有する、所謂、段差型ＭＥＡ（段差型電解質膜・電極構造体）を構成する。カソード電極５０は、固体高分子電解質膜４８と同一の平面寸法に設定される。なお、アノード電極５２及び固体高分子電解質膜４８は、同一の平面寸法を有する一方、カソード電極５０は、これらの平面寸法よりも小さな平面寸法を有してもよい。
【００２９】
カソード電極５０及びアノード電極５２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４８の両面に形成される。
【００３０】
第１電解質膜・電極構造体１６ａは、アノード電極５２の終端部（外周端部）と固体高分子電解質膜４８との間に一部分５４ａが介装され、前記固体高分子電解質膜４８の外方に突出する第１フィルム部材５４を設ける。第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、アノード電極５２の終端部（外周端部）と固体高分子電解質膜４８との間に一部分５６ａが介装され、前記固体高分子電解質膜４８の外方に突出する第２フィルム部材５６を設ける。一部分５６ａは、アノード電極５２の外周と固体高分子電解質膜４８の内周との重なり部である。
【００３１】
第１フィルム部材５４及び第２フィルム部材５６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。第１フィルム部材５４及び第２フィルム部材５６は、その他、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィンで構成してもよい。
【００３２】
第１フィルム部材５４及び第２フィルム部材５６には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、冷却媒体入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２４ｂ、燃料ガス入口連通孔２６ａ及び燃料ガス出口連通孔２６ｂが形成される。図２〜図４に示すように、第１フィルム部材５４は、アノード電極５２の終端部で屈曲し、第２セパレータ１８の面１８ａに沿って接触するシール部５４ｂを有する。第２フィルム部材５６は、アノード電極５２の終端部で屈曲し、第３セパレータ２０の面２０ａに沿って接触するシール部５６ｂを有する。
【００３３】
図２に示すように、第１シール部材４２は、固体高分子電解質膜４８の外方に位置して第２シール部材４４側に突出する凸状シール部４２ａを有する。凸状シール部４２ａは、第１フィルム部材５４のシール部５４ｂに当接して外側シール５８ａを構成する。第１フィルム部材５４は、外側シール５８ａの内方で、第２セパレータ１８に密着して内側シール５８ｂを構成する。
【００３４】
第２シール部材４４は、固体高分子電解質膜４８の外方に位置して第３シール部材４６側に突出する凸状シール部４４ａを有する。凸状シール部４４ａは、第２フィルム部材５６のシール部５６ｂに当接して外側シール６０ａを構成する。第２フィルム部材５６は、外側シール６０ａの内方で、第３セパレータ２０に密着して内側シール６０ｂを構成する。
【００３５】
発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ２０との間には、冷却媒体流路３０が形成される。
【００３６】
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。
【００３７】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａには、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２６ａには、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２４ａには、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。
【００３８】
このため、酸化剤ガスは、図１及び図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから第１セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２８に供給される。残余の酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから第２セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路３６に導入される。
【００３９】
図１に示すように、酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路２８に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード電極５０に供給される。残余の酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路３６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード電極５０に供給される。
【００４０】
一方、燃料ガスは、図１及び図３に示すように、燃料ガス入口連通孔２６ａから第２セパレータ１８の供給孔部３４ａを通って第１燃料ガス流路３２に供給される。残余の燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２６ａから第３セパレータ２０の供給孔部４０ａを通って第２燃料ガス流路３８に供給される。
【００４１】
燃料ガスは、図１に示すように、第１燃料ガス流路３２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード電極５２に供給される。残余の燃料ガスは、第２燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極５２に供給される。
【００４２】
従って、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂでは、各カソード電極５０に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極５２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、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂの各カソード電極５０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２２ｂに排出される。
【００４４】
第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極５２に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部３４ｂ、４０ｂを通って燃料ガス出口連通孔２６ｂに排出される。
【００４５】
一方、冷却媒体入口連通孔２４ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路３０に沿って矢印Ｂ方向に流動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂを冷却する。この冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔２４ｂに排出される。
【００４６】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、第１シール部材４２の凸状シール部４２ａは、固体高分子電解質膜４８の外方に位置して第１フィルム部材５４のシール部５４ｂに当接することにより、外側シール５８ａを構成している。さらに、第１フィルム部材５４は、外側シール５８ａの内方で、第２セパレータ１８に密着して内側シール５８ｂを構成している。
【００４７】
このため、第２シール部材４４には、内側シール５８ｂを構成し、第１電解質膜・電極構造体１６ａの固体高分子電解質膜４８に当接する凸状シール部を設ける必要がない。従って、簡易な構成で、特に内側シール５８ｂのシール線圧が過大になることを抑制し、例えば、第１電解質膜・電極構造体１６ａに割れ等の損傷が発生することを有効に阻止することができる。
【００４８】
一方、第２シール部材４４の凸状シール部４４ａは、固体高分子電解質膜４８の外方に位置して第２フィルム部材５６のシール部５６ｂに当接することにより、外側シール６０ａを構成している。さらに、第２フィルム部材５６は、外側シール６０ａの内方で、第３セパレータ２０に密着して内側シール６０ｂを構成している。
【００４９】
このため、第３シール部材４６には、内側シール６０ｂを構成し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂの固体高分子電解質膜４８に当接する凸状シール部を設ける必要がない。従って、簡易な構成で、特に内側シール６０ｂのシール線圧が過大になることを抑制し、例えば、第２電解質膜・電極構造体１６ｂに割れ等の損傷が発生することを有効に阻止することができる。
【００５０】
これにより、第１の実施形態では、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂの損傷を回避することが可能になり、燃料電池１０全体の耐久性を有効に向上させることができるという効果が得られる。
【００５１】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池７０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００５２】
燃料電池７０を構成する発電ユニット７２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）７４ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）７４ｂ及び第３セパレータ２０を有する。
【００５３】
第１電解質膜・電極構造体７４ａ及び第２電解質膜・電極構造体７４ｂは、固体高分子電解質膜４８をカソード電極５０ａ及びアノード電極５２により挟持する。固体高分子電解質膜４８、カソード電極５０ａ及びアノード電極５２は、同一の平面寸法に設定される。
【００５４】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池８０の一部断面説明図である。
【００５５】
燃料電池８０を構成する発電ユニット８２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）８４ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）８４ｂ及び第３セパレータ２０を有する。
【００５６】
第１電解質膜・電極構造体８４ａ及び第２電解質膜・電極構造体８４ｂは、固体高分子電解質膜４８Ｌをカソード電極５０ａ及びアノード電極５２により挟持する。カソード電極５０ａ及びアノード電極５２は、同一の平面寸法に設定されるとともに、固体高分子電解質膜４８Ｌは、前記カソード電極５０ａ及び前記アノード電極５２よりも大きな平面寸法に設定される。
【００５７】
第１セパレータ１４には、第１電解質膜・電極構造体８４ａを構成する固体高分子電解質膜４８Ｌの外部に突出する先端側を保持する凸状部１４ｔが設けられる。第２セパレータ１８には、第２電解質膜・電極構造体８４ｂを構成する固体高分子電解質膜４８Ｌの外部に突出する先端側を保持する凸状部１８ｔが設けられる。
【００５８】
このように構成される第２及び第３の実施形態では、第１フィルム部材５４及び第２フィルム部材５６によって内側シール５８ｂ、６０ｂが構成されており、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５９】
１０、７０、８０…燃料電池          １２、７２、８２…発電ユニット
１４、１８、２０…セパレータ
１６ａ、１６ｂ、７４ａ、７４ｂ、８４ａ、８４ｂ…電解質膜・電極構造体
２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔        ２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２４ａ…冷却媒体入口連通孔          ２４ｂ…冷却媒体出口連通孔
２６ａ…燃料ガス入口連通孔          ２６ｂ…燃料ガス出口連通孔
２８、３６…酸化剤ガス流路          ３０…冷却媒体流路
３２、３８…燃料ガス流路            ４２、４４、４６…シール部材
４８、４８Ｌ…固体高分子電解質膜    ５０、５０ａ…カソード電極
５２…アノード電極                  ５４、５６…フィルム部材
５４ｂ、５６ｂ…シール部            ５８ａ、６０ａ…外側シール
５８ｂ、６０ｂ…内側シール
【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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