(57)【要約】【課題】簡単な構成で、電解質膜・電極構造体に設けられる樹脂部材に偏力が付与されることを可及的に抑制することを可能にする。【解決手段】発電セル１０は、電解質膜・電極構造体１２を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持する。電解質膜・電極構造体１２は、酸化剤ガス流路２４と酸化剤ガス入口連通孔１８ａとの間に位置して第１セパレータ１４に積層される樹脂製バッファ部５０ａを設ける。電解質膜・電極構造体１２と樹脂製バッファ部５０ａとは、ゴム部材４６を介して接合される。【選択図】図１
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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面に電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、
電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路がセパレータ面内に形成されるとともに、前記反応ガス流路に連通して前記セパレータ面を貫通する反応ガス連通孔が形成されるセパレータと、
を備える燃料電池であって、
前記電解質膜・電極構造体は、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔との間に位置して前記セパレータに積層される樹脂製バッファ部を設けるとともに、
前記電解質膜・電極構造体と前記樹脂製バッファ部とは、ゴム部材を介して接合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、前記樹脂製バッファ部の外周には、枠形状の前記ゴム部材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、電解質膜・電極構造体とセパレータとを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、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。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。
【０００３】
電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セル（単位燃料電池）が構成されている。この発電セルは、所定の数だけ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。
【０００４】
電解質膜・電極構造体では、例えば、特許文献１に開示されている膜電極組立体が採用されている。この膜電極組立体では、高分子電解質膜の一方の面側に、第１の電極層が設けられるとともに、前記第１の電極層の該電解質膜とは反対側に、第１のガス拡散層が設けられている。
【０００５】
電解質膜の他方の面側に、第２の電極層が設けられ、前記第２の電極層の前記電解質膜とは反対側に、第２のガス拡散層が設けられることにより、膜電極接合体（ＭＥＡ）が構成されている。
【０００６】
膜電極接合体には、電解質膜の外周縁の全周並びに第１のガス拡散層及び第２のガス拡散層の外周縁の少なくとも一部であって前記電解質膜の側を包囲するように、樹脂枠が設けられている。
【０００７】
第１のガス拡散層及び第１の電極層は、前記第１のガス拡散層の外周縁全体が電解質膜の外周縁の範囲内に収まっている。そして、第１のガス拡散層及び第１の電極層は、第１の電極層の外周縁全周に亘って該第１の電極層の外周縁と電解質膜の外周縁との間に該電解質膜の表面領域が残るように、該電解質膜の表面上に配置されている。第２のガス拡散層は、電解質膜の外周縁全周に亘って該表面領域とは反対側の少なくとも一部にまで延在しており、さらに樹脂枠は、該表面領域の少なくとも一部に固着されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−４１３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献１では、膜電極接合体には、電解質膜の外周縁の全周並びに第１のガス拡散層及び第２のガス拡散層の外周縁を囲繞して樹脂枠が固着されている。このため、膜電極接合体の製作時や燃料電池の運転時に、温度変化が惹起されると、樹脂枠と第１のガス拡散層及び第２のガス拡散層とで、それぞれの伸縮寸法が異なって応力（偏力）が発生し易い。従って、膜電極接合体に反りが生じたり、樹脂枠の剥離が発生するという問題がある。
【００１０】
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、電解質膜・電極構造体に設けられる樹脂部材に偏力が付与されることを可及的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】
【００１１】
本発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとを備えている。セパレータは、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路がセパレータ面内に形成されるとともに、前記反応ガス流路に連通して前記セパレータ面を貫通する反応ガス連通孔が形成されている。
【００１２】
電解質膜・電極構造体は、反応ガス流路と反応ガス連通孔との間に位置してセパレータに積層される樹脂製バッファ部を設けるとともに、前記電解質膜・電極構造体と前記樹脂製バッファ部とは、ゴム部材を介して接合されている。
【００１３】
また、この燃料電池では、樹脂製バッファ部の外周には、枠形状のゴム部材が設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電解質膜・電極構造体と樹脂製バッファ部とは、ゴム部材を介して接合されている。このため、樹脂製バッファ部の成形が容易に遂行されるとともに、ゴム部材の弾性作用下に、簡単な構成で、前記樹脂製バッファ部に応力（偏力）が付与されることを可及的に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る発電セルの要部分解斜視説明図である。
【図２】前記発電セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記発電セルを構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図４】前記発電セルを構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図５】前記電解質膜・電極構造体の要部分解斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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である発電セル１０は、例えば、矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に複数積層されて燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。
【００１７】
発電セル１０は、電解質膜・電極構造体１２を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、横長（又は縦長）の長方形状を有する（図１参照）。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る。
【００１８】
発電セル１０の長辺方向である矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向（積層方向）に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔２０ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
【００１９】
発電セル１０の矢印Ｂ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ための燃料ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２０】
発電セル１０の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ側に近接し、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔２２ａが上下に設けられる。発電セル１０の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２０ａ側に近接し、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔２２ｂが上下に設けられる。
【００２１】
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、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路２４が形成される。酸化剤ガス流路２４は、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに連通する。面１４ａには、酸化剤ガス流路２４の矢印Ｂ方向両端に位置して略三角形状の平坦部２５ａ、２５ｂが設けられる。平坦部２５ａ、２５ｂは、後述する樹脂製バッファ部５０ａ、５０ｂに対向して配置される。
【００２２】
図３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、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路２６が設けられる。燃料ガス流路２６は、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂに連通する。面１６ａには、燃料ガス流路２６の矢印Ｂ方向両端に位置して略三角形状の平坦部２７ａ、２７ｂが設けられる。平坦部２７ａ、２７ｂは、後述する樹脂製バッファ部５０ａ、５０ｂに対向して配置される。
【００２３】
図１に示すように、互いに隣接する第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路２８が形成される。冷却媒体流路２８は、燃料ガス流路２６が形成された第２セパレータ１６の裏面形状と、酸化剤ガス流路２４が形成された第１セパレータ１４の裏面形状とが重なり合って形成される。
【００２４】
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、枠状の第１樹脂フィルム３０ａ、３０ｂが一体化される。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、枠状の第２樹脂フィルム３２ａ、３２ｂが一体化される。なお、第１樹脂フィルム３０ａ、３０ｂ及び第２樹脂フィルム３２ａ、３２ｂを用いることなく、耐食性を有するように表面処理を行うことも可能である。
【００２５】
第２樹脂フィルム３２ｂには、シール部材３４が一体化される。図１に示すように、シール部材３４は、凸状シール部３４ａを有する。凸状シール部３４ａは、冷却媒体入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び冷却媒体流路２８を一体に周回してこれらを連通する。凸状シール部３４ａは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂをそれぞれ個別に周回してシールする。
【００２６】
冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂの近傍には、ブリッジ部３４ｂが設けられる。ブリッジ部３４ｂは、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと冷却媒体流路２８とを連通する流路部を構成する。なお、ブリッジ部３４ｂに代えて、エンボスをプレス成形してもよい。平坦部２７ａ、２７ｂの裏面には、裏受け部３６ａ、３６ｂが設けられる。
【００２７】
シール部材３４には、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。
【００２８】
電解質膜・電極構造体１２は、図２に示すように、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）３８を有する。固体高分子電解質膜３８は、アノード電極４０及びカソード電極４２に挟持されてＭＥＡ接合体４４が形成される。固体高分子電解質膜３８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。
【００２９】
ＭＥＡ接合体４４では、固体高分子電解質膜３８、アノード電極４０及びカソード電極４２は、同一の平面寸法（外形寸法）を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極４０は、固体高分子電解質膜３８及びカソード電極４２よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい（段差ＭＥＡ）。また、カソード電極４２は、固体高分子電解質膜３８及びアノード電極４０よりも小さな平面寸法に設定されてもよい（段差ＭＥＡ）。
【００３０】
アノード電極４０は、固体高分子電解質膜３８の一方の面３８ａに接合される第１電極触媒層４０ａと、前記第１電極触媒層４０ａに積層される第１ガス拡散層４０ｂとを設ける。カソード電極４２は、固体高分子電解質膜３８の他方の面３８ｂに接合される第２電極触媒層４２ａと、前記第２電極触媒層４２ａに積層される第２ガス拡散層４２ｂとを設ける。
【００３１】
第１電極触媒層４０ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第１ガス拡散層４０ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層４２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第２ガス拡散層４２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層４０ｂ及び第２ガス拡散層４２ｂは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。第１電極触媒層４０ａ及び第２電極触媒層４２ａは、固体高分子電解質膜３８の両方の面３８ａ、３８ｂに形成される。
【００３２】
ＭＥＡ接合体４４は、発電領域に対応する矩形状を有するとともに、前記ＭＥＡ接合体４４の外周を周回して枠状のゴム部材４６が一体成形される。図２に示すように、ＭＥＡ接合体４４の外周部には、ゴム部材４６の内周部に覆われるアノード電極４０の外周縁部及びカソード電極４２の外周縁部からＭＥＡ接合体４４の先端部に亘って緻密化処理層４８を設けることが好ましい。緻密化処理層４８は、液状の樹脂材料を塗布することにより形成される。
【００３３】
図１に示すように、ゴム部材４６は、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６の外形寸法と同一の外形寸法を有するとともに、前記第１セパレータ１４に対向するゴム面４６ａと、前記第２セパレータ１６に対向するゴム面４６ｂとを有する。図４に示すように、ゴム面４６ａには、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂを酸化剤ガス流路２４に連通する第１凸状シール部４６ｔａが形成される。第１凸状シール部４６ｔａは、燃料ガス入口連通孔２０ａ、燃料ガス出口連通孔２０ｂ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂをそれぞれ個別に周回してシールする。
【００３４】
図１及び図５に示すように、ゴム面４６ｂには、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂを燃料ガス流路２６に連通する第２凸状シール部４６ｔｂが形成される。第２凸状シール部４６ｔｂは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂをそれぞれ個別に周回してシールする。
【００３５】
ゴム部材４６には、ＭＥＡ接合体４４の矢印Ｂ方向両側に位置して、樹脂製バッファ部５０ａ、５０ｂが取り付けられる。樹脂製バッファ部５０ａ、５０ｂは、酸化剤ガス流路２４と酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとの間、並びに、燃料ガス流路２６と燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂとの間に、配置される。
【００３６】
樹脂製バッファ部５０ａ、５０ｂは、図２に示すように、ゴム部材４６に外周面を断面コ字状に挟持されるように、前記ゴム部材４６に装着される。樹脂製バッファ部５０ａ、５０ｂは、好ましくは、ゴム部材４６に形成された三角形状の開口部４６ｆ１、４６ｆ２に着脱自在に構成される（図５参照）。
【００３７】
樹脂製バッファ部５０ａは、図４に示すように、ゴム面４６ａ側に複数本の棒状突起５２ａを設け、前記棒状突起５２ａ間には、複数本の直線状通路５４ａが形成される。直線状通路５４ａは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス流路２４とを連通する。なお、樹脂製バッファ部５０ａは、エンボス部のみ、又は前記エンボス部と棒状突起５２ａとを有してもよい。また、樹脂製バッファ部５０ａのゴム面４６ｂ側及び樹脂製バッファ部５０ｂも、前記樹脂製バッファ部５０ａのゴム面４６ａ側と同様に構成してもよい。
【００３８】
樹脂製バッファ部５０ｂは、ゴム面４６ａ側に複数本の棒状突起５２ｂを設け、前記棒状突起５２ｂ間には、複数本の直線状通路５４ｂが形成される。直線状通路５４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと酸化剤ガス流路２４とを連通する。
【００３９】
樹脂製バッファ部５０ｂは、図１及び図５に示すように、ゴム面４６ｂ側に複数本の棒状突起５６ａを設け、前記棒状突起５６ａ間には、複数本の直線状通路５８ａが形成される。直線状通路５８ａは、燃料ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス流路２６とを連通する。
【００４０】
樹脂製バッファ部５０ａは、ゴム面４６ｂ側に複数本の棒状突起５６ｂを設け、前記棒状突起５６ｂ間には、複数本の直線状通路５８ｂが形成される。直線状通路５８ｂは、燃料ガス出口連通孔２０ｂと燃料ガス流路２６とを連通する。
【００４１】
樹脂製バッファ部５０ａ、５０ｂ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）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、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。樹脂製バッファ部５０ａ、５０ｂ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。
【００４２】
このように構成される発電セル１０の動作について、以下に説明する。
【００４３】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ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２０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、上下一対の冷却媒体入口連通孔２２ａ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。
【００４４】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから第１セパレータ１４の面１４ａと電解質膜・電極構造体１２のゴム面４６ａとの間に導入される。図４に示すように、酸化剤ガスは、樹脂製バッファ部５０ａの直線状通路５４ａを流通して酸化剤ガス流路２４に導入される。図１に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極４２に供給される。
【００４５】
一方、燃料ガスは、樹脂製バッファ部５０ｂの直線状通路５８ａを流通して燃料ガス流路２６に導入される。図３に示すように、燃料ガスは、燃料ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極４０に供給される。
【００４６】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４０に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層４２ａ及び第１電極触媒層４０ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
【００４７】
次いで、カソード電極４２に供給されて消費された酸化剤ガスは、図４に示すように、樹脂製バッファ部５０ｂの直線状通路５４ｂを流通して酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに排出される。同様に、アノード電極４０に供給されて消費された燃料ガスは、図１に示すように、樹脂製バッファ部５０ａの直線状通路５８ｂを流通して燃料ガス出口連通孔２０ｂに排出される。
【００４８】
また、上下一対の冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路２８に導入される。冷却媒体は、一旦、矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、上下一対の冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。
【００４９】
この場合、本実施形態では、電解質膜・電極構造体１２と樹脂製バッファ部５０ａ、５０ｂとは、ゴム部材４６を介して接合されている。このため、樹脂製バッファ部５０ａ、５０ｂの成形が容易に遂行される。しかも、ゴム部材４６の弾性作用下に、簡単な構成で、樹脂製バッファ部５０ａ、５０ｂに応力（偏力）が付与されることを可及的に抑制することが可能になる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、高品質な発電セル１０を製造することができるという効果が得られる。
【００５０】
また、樹脂製バッファ部５０ａ、５０ｂは、ゴム部材４６に対して着説自在である（図５参照）。従って、酸化剤ガスや燃料ガスの流配や圧損を変更する際には、樹脂製バッファ部５０ａ、５０ｂのみを交換すればよく、特に調整作業時に作業の効率化が容易に遂行可能になる。
【００５１】
なお、本実施形態では、発電セル１０は、１枚のＭＥＡを一対のセパレータにより挟持して構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、第１セパレータ、第１ＭＥＡ、第２セパレータ、第２ＭＥＡ及び第３セパレータの順に積層された発電ユニットを有し、各発電ユニット間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造の発電セルを採用してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０…発電セル                      １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ              １８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
１８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ２０ａ…燃料ガス入口連通孔
２０ｂ…燃料ガス出口連通孔          ２２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ｂ…冷却媒体出口連通孔          ２４…酸化剤ガス流路
２６…燃料ガス流路                  ２８…冷却媒体流路
３０ａ、３０ｂ、３２ａ、３２ｂ…樹脂フィルム
３４…シール部材                    ３４ａ…凸状シール部
３８…固体高分子電解質膜            ４０…アノード電極
４２…カソード電極                  ４４…ＭＥＡ接合体
４６…ゴム部材                      ４６ａ、４６ｂ…ゴム面
４６ｆ１、４６ｆ２…開口部          ５０ａ、５０ｂ…樹脂製バッファ部
５２ａ、５２ｂ、５６ａ、５６ｂ…棒状突起
５４ａ、５４ｂ、５８ａ、５８ｂ…直線状通路
【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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