(57)【要約】【課題】膜電極接合体とセパレータとの間に、反応ガス流路としての多孔体が介装された構造を有する燃料電池において、膜電極接合体に加わる機械的損傷を抑制する。【解決手段】燃料電池１００は、膜電極接合体１０のアノードとセパレータ３０ａとの間および膜電極接合体１０のカソードとセパレータ３０ｃとの間に、それぞれ、燃料ガス流路構成部材２０ａおよび酸化剤ガス流路構成部材２０ｃを備える。燃料ガス流路構成部材２０ａはアノードと対向する側の表面にアノードと接触するアノード接触部を有しており、酸化剤ガス流路構成部材はカソードと対向する側の表面にカソードと接触するカソード接触部を有している。燃料ガス流路構成部材２０ａおよび酸化剤ガス流路構成部材２０ｃにおいて、アノード接触部およびカソード接触部は、それぞれ、アノード接触部の一部とカソード接触部の一部とが、膜電極接合体１０を挟んで互いに対向する位置に配置される。【選択図】図１
2009193724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体と、
導電性、および、ガス拡散性を有する多孔体からなり、前記アノードの表面に積層され、前記アノードに供給すべき燃料ガスを流すための流路を構成する燃料ガス流路構成部材と、
導電性、および、ガス拡散性を有する多孔体からなり、前記カソードの表面に積層され、前記カソードに供給すべき酸化剤ガスを流すための流路を構成する酸化剤ガス流路構成部材と、
前記燃料ガス流路構成部材、および、前記酸化剤ガス流路構成部材の表面にそれぞれ積層され、前記膜電極接合体で発電された電力を集電する集電部材と、を備え、
前記燃料ガス流路構成部材は、
前記アノードと対向する側の表面に、前記アノードと接触するアノード接触部と、前記アノードと接触しないアノード非接触部と、を有しており、
前記酸化剤ガス流路構成部材は、
前記カソードと対向する側の表面に、前記カソードと接触するカソード接触部と、前記カソードと接触しないカソード非接触部と、を有しており、
前記燃料ガス流路構成部材、および、前記酸化剤ガス流路構成部材において、前記アノード接触部、および、前記カソード接触部は、それぞれ、前記アノード接触部の少なくとも一部と前記カソード接触部の少なくとも一部とが、前記膜電極接合体を挟んで互いに対向する位置に配置されている、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記アノード接触部の前記アノードとの接触面、および、前記カソード接触部の前記カソードとの接触面は、それぞれ、第１の方向の長さと、前記第１の方向と直交する第２の方向の長さとが互いに異なる形状を有しており、
前記燃料ガス流路構成部材、および、前記酸化剤ガス流路構成部材において、前記アノード接触部、および、前記カソード接触部は、それぞれ、積層方向から見たときに、前記アノード接触部と前記カソード接触部とが、前記膜電極接合体を挟んで互いに交差する位置に配置されている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記燃料ガス流路構成部材には、複数の前記アノード接触部が、それぞれ略同一方向に向きが揃った状態で、前記第１の方向に第１の間隔で配置されているとともに、前記第２の方向に第２の間隔で配置されており、
前記酸化剤ガス流路構成部材には、複数の前記カソード接触部が、それぞれ略同一方向に向きが揃った状態で、前記第１の方向に前記第２の間隔で配置されているとともに、前記第２の方向に前記第１の間隔で配置されている、
燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記燃料ガス流路構成部材、および、前記酸化剤ガス流路構成部材において、前記複数のアノード接触部、および、前記複数のカソード接触部は、前記複数のアノード接触部のそれぞれの一部と、前記複数のカソード接触部のそれぞれの一部とが、前記膜電極接合体を挟んで互いに対向する位置に配置されている、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記燃料ガス流路構成部材は、
導電性を有し、前記アノードの表面と当接する平板状の部材であって、該部材の表面に対して略垂直な方向に貫通する複数の貫通孔を有するアノード当接部材と、
導電性、および、ガス拡散性を有し、前記アノード当接部材に積層された積層部材と、を備えており、
前記酸化剤ガス流路構成部材は、
導電性を有し、前記カソードの表面と当接する平板状の部材であって、該部材の表面に対して略垂直な方向に貫通する複数の貫通孔を有するカソード当接部材と、
導電性、および、ガス拡散性を有し、前記カソード側平板部材に積層された積層部材と、を備えている、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、一般に、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、ガス拡散電極（アノード、および、カソード）を接合してなる膜電極接合体を、セパレータ（集電部材）で挟持することによって構成される。
【０００３】
そして、従来、このような燃料電池に関し、膜電極接合体とセパレータとの間に、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔体からなり、各ガス拡散電極に反応ガス（燃料ガス、および、酸化剤ガス）をそれぞれ供給するための流路（反応ガス流路）を構成する多孔体を介装することが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９７０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した膜電極接合体とセパレータとの間に、反応ガス流路としての多孔体が介装された構造を有する燃料電池では、膜電極接合体と多孔体とをセパレータによって挟持する際には、膜電極接合体と多孔体との接触抵抗、および、多孔体とセパレータとの接触抵抗を低減するために、一般に、これらの積層方向に所定の押圧力が加えられる。そして、上述した多孔体は、膜電極接合体と対向する側の表面に、膜電極接合体の表面と接触する接触部と、接触部以外の、膜電極接合体の表面と接触しない非接触部とを有しており、また、膜電極接合体は、曲がりやすく、機械的強度が弱いため、一方の多孔体における接触部の少なくとも一部が、膜電極接合体を挟んで、他方の多孔体における接触部の少なくとも一部と互いに対向する位置関係にない場合には、上記膜電極接合体には、上記押圧力によって曲げ応力が作用し、機械的損傷が加わる場合がある。しかし、従来、上述した膜電極接合体に加わる機械的損傷については、考慮されていなかった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、膜電極接合体とセパレータとの間に、反応ガス流路としての多孔体が介装された構造を有する燃料電池において、膜電極接合体に加わる機械的損傷を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］燃料電池であって、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体と、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔体からなり、前記アノードの表面に積層され、前記アノードに供給すべき燃料ガスを流すための流路を構成する燃料ガス流路構成部材と、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔体からなり、前記カソードの表面に積層され、前記カソードに供給すべき酸化剤ガスを流すための流路を構成する酸化剤ガス流路構成部材と、前記燃料ガス流路構成部材、および、前記酸化剤ガス流路構成部材の表面にそれぞれ積層され、前記膜電極接合体で発電された電力を集電する集電部材と、を備え、前記燃料ガス流路構成部材は、前記アノードと対向する側の表面に、前記アノードと接触するアノード接触部と、前記アノードと接触しないアノード非接触部と、を有しており、前記酸化剤ガス流路構成部材は、前記カソードと対向する側の表面に、前記カソードと接触するカソード接触部と、前記カソードと接触しないカソード非接触部と、を有しており、前記燃料ガス流路構成部材、および、前記酸化剤ガス流路構成部材において、前記アノード接触部、および、前記カソード接触部は、それぞれ、前記アノード接触部の少なくとも一部と前記カソード接触部の少なくとも一部とが、前記膜電極接合体を挟んで互いに対向する位置に配置されている、燃料電池。
【０００９】
適用例１の燃料電池では、燃料ガス流路構成部材、および、酸化剤ガス流路構成部材において、アノード接触部、および、カソード接触部は、それぞれ、アノード接触部の少なくとも一部とカソード接触部の少なくとも一部とが、膜電極接合体を挟んで互いに対向する位置に配置されている。このため、膜電極接合体の両面に、それぞれ、燃料ガス流路構成部材、および、酸化剤ガス流路構成部材を積層し、これらをセパレータによって挟持して、先に説明したように、積層方向に所定の押圧力を加えた場合に、この押圧力を、アノード接触部の少なくとも一部とカソード接触部の少なくとも一部とによって、互いに支持することができる。したがって、膜電極接合体には、上記押圧力による曲げ応力は作用しにくい。この結果、膜電極接合体に加わる機械的損傷を抑制することができる。
【００１０】
なお、本発明において、「多孔体」とは、導電性、および、ガス拡散性を有しており、ガスを流すことが可能であればよく、例えば、発泡金属の焼結体等の多数の細孔を有する多孔質部材や、エキスパンドメタルや、金属メッシュや、いわゆるメタルウールを部分的に溶接して、平板状に固結したもの等を適用可能である。ただし、燃料ガス流路構成部材、および、酸化剤ガス流路構成部材において、アノード接触部、および、カソード接触部を、それぞれ、アノード接触部の少なくとも一部とカソード接触部の少なくとも一部とが、膜電極接合体を挟んで互いに対向する位置に配置する観点から、多孔体としては、アノード接触部、および、カソード接触部の配置を、所望の配置に設計可能なものが好ましく、発泡金属の焼結体等、アノード接触部、および、カソード接触部の配置を、所望の配置に設計することが容易でないものを単体で用いることは好ましくない。
【００１１】
また、上記多孔体は、単一の部材からなるものとしてもよいし、複数の部材を組み合わせてなるものとしてもよい。また、燃料ガス流路構成部材を構成する多孔体、および、酸化剤ガス流路構成部材を構成する多孔体は、互いに同一の部材からなるものとしてもよいし、互いに異なる部材からなるものとしてもよい。
【００１２】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、前記アノード接触部の前記アノードとの接触面、および、前記カソード接触部の前記カソードとの接触面は、それぞれ、第１の方向の長さと、前記第１の方向と直交する第２の方向の長さとが互いに異なる形状を有しており、前記燃料ガス流路構成部材、および、前記酸化剤ガス流路構成部材において、前記アノード接触部、および、前記カソード接触部は、それぞれ、積層方向から見たときに、前記アノード接触部と前記カソード接触部とが、前記膜電極接合体を挟んで互いに交差する位置に配置されている、燃料電池。
【００１３】
適用例２の燃料電池によって、アノード接触部の少なくとも一部とカソード接触部の少なくとも一部とが、膜電極接合体を挟んで互いに対向するように、燃料ガス流路構成部材、および、酸化剤ガス流路構成部材を、膜電極接合体のアノードの表面、および、膜電極接合体のカソードの表面にそれぞれ積層する際に、これらの積層位置の位置合わせを比較的容易に行うことができる。
【００１４】
［適用例３］適用例２記載の燃料電池であって、前記燃料ガス流路構成部材には、複数の前記アノード接触部が、それぞれ略同一方向に向きが揃った状態で、前記第１の方向に第１の間隔で配置されているとともに、前記第２の方向に第２の間隔で配置されており、
前記酸化剤ガス流路構成部材には、複数の前記カソード接触部が、それぞれ略同一方向に向きが揃った状態で、前記第１の方向に前記第２の間隔で配置されているとともに、前記第２の方向に前記第１の間隔で配置されている、燃料電池。
【００１５】
適用例３の燃料電池によって、アノード接触部の少なくとも一部とカソード接触部の少なくとも一部とが、膜電極接合体を挟んで互いに対向するように、燃料ガス流路構成部材、および、酸化剤ガス流路構成部材を、膜電極接合体のアノードの表面、および、膜電極接合体のカソードの表面にそれぞれ積層する際に、これらの積層位置の位置合わせを、さらに容易に行うことができる。
【００１６】
［適用例４］適用例３記載の燃料電池であって、前記燃料ガス流路構成部材、および、前記酸化剤ガス流路構成部材において、前記複数のアノード接触部、および、前記複数のカソード接触部は、前記複数のアノード接触部のそれぞれの一部と、前記複数のカソード接触部のそれぞれの一部とが、前記膜電極接合体を挟んで互いに対向する位置に配置されている、燃料電池。
【００１７】
適用例４の燃料電池では、複数のアノード接触部のそれぞれの一部と、複数のカソード接触部のそれぞれの一部とによって、先に説明した押圧力を互いに支持することができる。したがって、膜電極接合体のアノードと燃料ガス流路構成部材との接触抵抗の面内分布、および、膜電極接合体のカソードと酸化剤ガス流路構成部材との接触抵抗の面内分布を、それぞれ均一化することができる。
【００１８】
［適用例５］適用例１記載の燃料電池であって、前記燃料ガス流路構成部材は、導電性を有し、前記アノードの表面と当接する平板状の部材であって、該部材の表面に対して略垂直な方向に貫通する複数の貫通孔を有するアノード当接部材と、導電性、および、ガス拡散性を有し、前記アノード当接部材に積層された積層部材と、を備えており、前記酸化剤ガス流路構成部材は、導電性を有し、前記カソードの表面と当接する平板状の部材であって、該部材の表面に対して略垂直な方向に貫通する複数の貫通孔を有するカソード当接部材と、導電性、および、ガス拡散性を有し、前記カソード側平板部材に積層された積層部材と、を備えている、燃料電池。
【００１９】
なお、適用例５の燃料電池では、燃料ガスは、アノード当接部材に積層された積層部材中を流れ、アノード当接部材に形成された複数の貫通孔から、膜電極接合体のアノードにそれぞれ供給される。また、酸化剤ガスは、カソード当接部材に積層された積層部材中を流れ、カソード当接部材に形成された複数の貫通孔から、膜電極接合体のカソードにそれぞれ供給される。アノード当接部材、および、カソード当接部材は、互いに同一の部材からなるものとしてもよいし、互いに異なる部材からなるものとしてもよい。また、アノード当接部材に積層される積層部材、および、カソード当接部材に積層される積層部材は、互いに同一の部材からなるものとしてもよいし、互いに異なる部材からなるものとしてもよい。また、アノード当接部材、および、カソード当接部材にそれぞれ形成される複数の貫通孔の形状、数、および、配置は、アノード接触部の少なくとも一部とカソード接触部の少なくとも一部とが、膜電極接合体を挟んで互いに対向する条件下で、任意に設定可能である。
【００２０】
そして、適用例５の燃料電池では、燃料ガス流路構成部材において、アノード当接部材に形成された貫通孔がアノード非接触部となり、アノード当接部材における、貫通孔以外の、膜電極接合体のアノードと当接する部位がアノード接触部となる。また、酸化剤ガス流路構成部材において、カソード当接部材に形成された貫通孔がカソード非接触部となり、カソード当接部材における、貫通孔以外の、膜電極接合体のカソードと当接する部位が、カソード接触部となる。つまり、適用例５の燃料電池では、燃料ガス流路構成部材、および、酸化剤ガス流路構成部材において、アノード接触部、および、カソード接触部は、それぞれ、連続的に繋がった状態で形成されている。したがって、燃料ガス流路構成部材、および、酸化剤ガス流路構成部材において、アノード接触部、および、カソード接触部が、それぞれ、連続的に繋がった状態で形成されていない場合よりも容易に、アノード接触部の少なくとも一部とカソード接触部の少なくとも一部とが、膜電極接合体を挟んで互いに対向する位置に配置することができる。
【００２１】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。また、本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、燃料電池の製造方法の発明として構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池１００の分解斜視図を示した。
【００２３】
図示するように、本実施例の燃料電池１００は、膜電極接合体１０と、燃料ガス流路構成部材２０ａと、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃと、アノード側セパレータ３０ａと、カソード側セパレータ３０ｃと、を備えている。そして、燃料電池１００は、膜電極接合体１０のアノード側の表面、および、カソード側の表面に、燃料ガス流路構成部材２０ａ、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃをそれぞれ積層し、これらの積層体を、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃで挟持することによって構成されている。そして、これらの積層方向には、膜電極接合体１０と燃料ガス流路構成部材２０ａとの接触抵抗、燃料ガス流路構成部材２０ａとアノード側セパレータ３０ａとの接触抵抗、膜電極接合体１０と酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとの接触抵抗、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとカソード側セパレータ３０ｃとの接触抵抗を低減するために、所定の押圧力が加えられている。
【００２４】
膜電極接合体１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１０ｍの一方の面に、アノードとして、アノード側触媒層１０ａｃと、アノード側ガス拡散層１０ａｄとを、この順に備えている。また、膜電極接合体１０は、電解質膜１０ｍの他方の面に、カソードとして、カソード側触媒層１０ｃｃと、カソード側ガス拡散層１０ｃｄとを、この順に備えている。本実施例では、電解質膜１０ｍとして、例えば、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜１０ｍとして、他の材料からなる電解質膜を用いるようにしてもよい。また、本実施例では、アノード側ガス拡散層１０ａｄ、および、カソード側ガス拡散層１０ｃｄとして、カーボンクロスを用いるものとした。アノード側ガス拡散層１０ａｄ、および、カソード側ガス拡散層１０ｃｄとして、カーボンクロスの代わりに、カーボンペーパ等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。
【００２５】
燃料ガス流路構成部材２０ａは、膜電極接合体１０のアノードに供給すべき燃料ガスとしての水素を流すための流路を構成する。また、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃは、膜電極接合体１０のカソードに供給すべき酸化剤ガスとしての酸素を含む空気を流すための流路を構成する。本実施例では、燃料ガス流路構成部材２０ａ、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとして、互いに同一の構造を有するエキスパンドメタルを用いるものとした。ただし、燃料ガス流路構成部材２０ａとして用いられるエキスパンドメタルと、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとして用いられるエキスパンドメタルとは、後述するように、膜電極接合体１０の表面に積層するときの向きが互いに異なっている。なお、本実施例では、燃料ガスとしての水素、および、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気は、燃料ガス流路構成部材２０ａ、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃに、図示したｘ方向から、それぞれ供給されるものとした。これらガスの供給方向は、各ガスの流路抵抗、すなわち、圧力損失がなるべく小さくなるように設定することが好ましい。
【００２６】
図２は、エキスパンドメタルの構造を示す斜視図である。図示するように、本実施例におけるエキスパンドメタルでは、六角形の貫通孔が千鳥状、かつ、階段状に形成されている。このようなエキスパンドメタルを膜電極接合体１０の各表面に積層した場合、図示は省略するが、各六角形の１辺を構成するエッジ部分が、それぞれ、膜電極接合体１０の各表面と接触することになる。燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタルの、膜電極接合体１０のアノード側ガス拡散層１０ａｄと対向する側の面において、アノード側ガス拡散層１０ａｄと接触する部分は、本発明におけるアノード接触部に相当し、アノード接触部以外の、アノード側ガス拡散層１０ａｄと接触しない部分は、本発明におけるアノード非接触部に相当する。また、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルの、膜電極接合体１０のカソード側ガス拡散層１０ｃｄと対向する側の面において、カソード側ガス拡散層１０ｃｄと接触する部分は、本発明におけるカソード接触部に相当し、カソード接触部以外の、カソード側ガス拡散層１０ｃｄと接触しない部分は、本発明におけるカソード非接触部に相当する。
【００２７】
図３は、エキスパンドメタルと膜電極接合体１０における各ガス拡散層との接触部について示す説明図である。図３（ａ）に、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルにおけるカソード接触部ＣＲｃの接触面の形状、および、配列を示した。また、図３（ｂ）に、燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタルにおけるアノード接触部ＣＲａの接触面の形状、および、配列を示した。また、図３（ｃ）に、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃ、および、燃料ガス流路構成部材２０ａを、それぞれ、膜電極接合体１０のカソード側ガス拡散層１０ｃｄ、および、アノード側ガス拡散層１０ａｄに積層させたときの、カソード接触部ＣＲｃとアノード接触部ＣＲａとの位置関係を示した。
【００２８】
図３（ａ）に示したように、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルにおける複数のカソード接触部ＣＲｃの接触面は、それぞれ、図示したｘ方向の長さがｄ１、ｙ方向の長さがｄ２（＜ｄ１）の矩形形状を有している。そして、これらは、カソード接触部ＣＲｃの長手方向がｘ方向に揃った状態で、千鳥状に配列されているとともに、ｘ方向に間隔Ｌ１、ｙ方向に間隔Ｌ２（＞Ｌ１）で配列されている。
【００２９】
また、図３（ｂ）に示したように、燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタルにおける複数のアノード接触部ＣＲａの接触面は、それぞれ、図示したｘ方向の長さがｄ２、ｙ方向の長さがｄ１の矩形形状を有している。そして、これらは、アノード接触部ＣＲａの長手方向がｙ方向に揃った状態で、千鳥状に配列されているとともに、ｘ方向に間隔Ｌ２、ｙ方向に間隔Ｌ１で配列されている。つまり、燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタルは、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルを９０度回転させた向きで、アノード側ガス拡散層１０ａｄに積層される。
【００３０】
そして、図３（ｃ）中に破線の丸印で示したように、燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタル、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルは、複数のアノード接触部ＣＲａのそれぞれの一部（ほぼ中央部）と複数のカソード接触部ＣＲｃのそれぞれの一部（ほぼ中央部）とが、膜電極接合体１０を挟んで互いに直交して対向するように、膜電極接合体１０のアノード側ガス拡散層１０ａｄ、および、膜電極接合体１０のカソード側ガス拡散層１０ｃｄにそれぞれ積層されている。
【００３１】
本実施例において、上述したように、燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタルが、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルを９０度回転させた向きで、アノード側ガス拡散層１０ａｄに積層されるものとした理由は以下の通りである。
【００３２】
燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタル、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルを、同じ向き、例えば、アノード接触部ＣＲａ、および、カソード接触部ＣＲｃの長手方向が、図示したｘ方向や、ｙ方向にともに揃った状態で、それぞれ、アノード側ガス拡散層１０ａｄ、および、カソード側ガス拡散層１０ｃｄに積層する場合、各積層位置のわずかなずれによって、複数のアノード接触部ＣＲａのそれぞれの一部と複数のカソード接触部ＣＲｃのそれぞれの一部とが、膜電極接合体１０を挟んで互いに対向する位置関係にならなくなる。すなわち、燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタルにおけるアノード接触部ＣＲａと、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルにおけるカソード非接触部とが、膜電極接合体１０を挟んで互いに対向するとともに、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルにおけるカソード接触部ＣＲｃと、燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタルにおけるアノード非接触部とが、膜電極接合体１０を挟んで互いに対向する位置関係となる。そして、この場合、膜電極接合体１０には、先に説明した積層方向に加えられた押圧力によって、曲げ応力が作用し、機械的損傷が加わる場合がある。
【００３３】
これに対して、本実施例では、燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタル、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルの積層位置がわずかにずれたとしても、複数のアノード接触部ＣＲａのそれぞれの一部と複数のカソード接触部ＣＲｃのそれぞれの一部とが、膜電極接合体１０を挟んで互いに直交して対向するように、膜電極接合体１０のアノード側ガス拡散層１０ａｄ、および、膜電極接合体１０のカソード側ガス拡散層１０ｃｄにそれぞれ積層することができる。
【００３４】
以上説明した第１実施例の燃料電池１００によれば、燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタル、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルにおいて、アノード接触部ＣＲａ、および、カソード接触部ＣＲｃが、それぞれ、アノード接触部ＣＲａの一部とカソード接触部ＣＲｃの一部とが、膜電極接合体１０を挟んで互いに対向する位置に配置されている。このため、膜電極接合体１０の両面に、それぞれ、燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタル、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルを積層し、これらをアノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃによって挟持して、先に説明したように、積層方向に所定の押圧力を加えた場合に、この押圧力を、アノード接触部ＣＲａの一部とカソード接触部ＣＲｃの一部とによって、互いに支持することができる。したがって、膜電極接合体１０には、上記押圧力による曲げ応力は作用しにくい。この結果、膜電極接合体１０に加わる機械的損傷を抑制することができる。
【００３５】
また、第１実施例の燃料電池１００では、燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタル、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルにおいて、複数のアノード接触部ＣＲａのそれぞれの一部（中央部）と複数のカソード接触部ＣＲｃのそれぞれの一部（中央部）とが、それぞれ、膜電極接合体１０を挟んで互いに直交して対向する位置に配置されている。したがって、複数のアノード接触部のそれぞれの一部と、複数のカソード接触部のそれぞれの一部とによって、先に説明した押圧力を互いに支持することができる。したがって、膜電極接合体１０のアノード側ガス拡散層１０ａｄと燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタルとの接触抵抗の面内分布、および、膜電極接合体１０のカソード側ガス拡散層１０ｃｄと酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルとの接触抵抗の面内分布を、それぞれ均一化することができる。
【００３６】
また、第１実施例の燃料電池１００では、図３（ａ）に示したように、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルにおける複数のカソード接触部ＣＲｃの各接触面は、それぞれ、図示したｘ方向の長さがｄ１、ｙ方向の長さがｄ２（＜ｄ１）の矩形形状を有している。そして、これらは、カソード接触部ＣＲｃの長手方向がｘ方向に揃った状態で、千鳥状に配列されているとともに、ｘ方向に間隔Ｌ１、ｙ方向に間隔Ｌ２（＞Ｌ１）で配列されている。また、図３（ｂ）に示したように、燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタルにおける複数のアノード接触部ＣＲａの各接触面は、それぞれ、図示したｘ方向の長さがｄ２、ｙ方向の長さがｄ１の矩形形状を有している。そして、これらは、アノード接触部ＣＲａの長手方向がｙ方向に揃った状態で、千鳥状に配列されているとともに、ｘ方向に間隔Ｌ２、ｙ方向に間隔Ｌ１で配列されている。したがって、アノード接触部ＣＲａの一部とカソード接触部ＣＲｃの一部とが、膜電極接合体１０を挟んで互いに対向するように、燃料ガス流路構成部材２０ａとしてのエキスパンドメタル、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとしてのエキスパンドメタルを、膜電極接合体１０のアノード側ガス拡散層１０ａｄの表面、および、膜電極接合体１０のカソード側ガス拡散層１０ｃｄの表面にそれぞれ積層する際に、これらの積層位置の位置合わせを容易に行うことができる。
【００３７】
Ｂ．第２実施例：
図４は、本発明の第２実施例としての燃料電池１００Ａの概略構成を示す説明図である。燃料電池１００Ａの分解斜視図を示した。
【００３８】
図示するように、本実施例の燃料電池１００Ａは、膜電極接合体１０と、燃料ガス流路構成部材２０Ａａと、酸化剤ガス流路構成部材２０Ａｃと、アノード側セパレータ３０ａと、カソード側セパレータ３０ｃと、を備えている。そして、燃料電池１００は、膜電極接合体１０のアノード側の表面、および、カソード側の表面に、燃料ガス流路構成部材２０Ａａ、および、酸化剤ガス流路構成部材２０Ａｃをそれぞれ積層し、これらの積層体を、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃで挟持することによって構成されている。
【００３９】
なお、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける膜電極接合体１０と、アノード側セパレータ３０ａと、カソード側セパレータ３０ｃとは、第１実施例の燃料電池１００における膜電極接合体１０と、アノード側セパレータ３０ａと、カソード側セパレータ３０ｃと同じである。そして、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける燃料ガス流路構成部材２０Ａａ、および、酸化剤ガス流路構成部材２０Ａｃは、それぞれ、第１実施例の燃料電池１００における燃料ガス流路構成部材２０ａ、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃと異なっている。すなわち、本実施例の燃料電池１００Ａにおける燃料ガス流路構成部材２０Ａａは、導電性を有し、膜電極接合体１０のアノード側ガス拡散層１０ａｄの表面と当接する平板状の部材であって、表面に対して垂直な方向に貫通する複数の貫通孔を有する平板状のアノード当接板２０Ａａ１と、このアノード当接板２０Ａａ１に積層された発泡金属焼結体２０Ａａ２とからなる。また、酸化剤ガス流路構成部材２０Ａｃは、導電性を有し、膜電極接合体１０のカソード側ガス拡散層１０ｃｄの表面と当接する平板状の部材であって、表面に対して垂直な方向に貫通する複数の貫通孔を有する平板状のカソード当接板２０Ａｃ１と、このカソード当接板２０Ａｃ１に積層された発泡金属焼結体２０Ａｃ２とからなる。
【００４０】
本実施例では、アノード当接板２０Ａａ１、および、カソード当接板２０Ａｃ１として、それぞれ、ステンレス鋼製の平板を用いるものとした。アノード当接板２０Ａａ１、および、カソード当接板２０Ａｃ１として、導電性を有する他の平板状の部材を用いるようにしてもよい。また、本実施例では、発泡金属焼結体２０Ａａ２，２０Ａｃ２として、発泡チタン焼結体を用いるものとした。発泡金属焼結体２０Ａａ２，２０Ａｃ２の代わりに、導電性、および、ガス拡散性を有する他の多孔体を用いるようにしてもよい。アノード当接板２０Ａａ１、および、カソード当接板２０Ａｃ１は、それぞれ、本発明におけるアノード当接部材、および、カソード当接部材に相当する。また、発泡金属焼結体２０Ａａ２，２０Ａｃ２は、導電性、および、ガス拡散性を有しており、それぞれ、本発明における積層部材に相当する。
【００４１】
図５は、アノード当接板２０Ａａ１、および、カソード当接板２０Ａｃ１を示す説明図である。図５（ａ）に、アノード当接板２０Ａａ１を、膜電極接合体１０のアノード側から見た平面図を示した。また、図５（ｂ）に、カソード当接板２０Ａｃ１を、膜電極接合体１０のカソード側から見た平面図を示した。
【００４２】
図５（ａ）に示したように、アノード当接板２０Ａａ１には、六角形の形状を有する複数の貫通孔２０Ａａｈがハニカム状に形成されている。そして、本実施例の燃料電池１００Ａでは、燃料ガスとしての水素は、アノード側の発泡金属焼結体２０Ａａ２に供給され、発泡金属焼結体２０Ａａ２中を拡散しつつ流れ、アノード当接板２０Ａａ１に形成された各貫通孔２０Ａａｈから、膜電極接合体１０のアノード側ガス拡散層１０ａｄに供給される。なお、アノード当接板２０Ａａ１における複数の貫通孔２０Ａａｈは、それぞれ、本発明におけるアノード非接触部に相当する。また、アノード当接板２０Ａａ１における複数の貫通孔２０Ａａｈ以外の、膜電極接合体１０のアノード側ガス拡散層１０ａｄと当接するハッチングが付された部位は、本発明におけるアノード接触部に相当する。
【００４３】
また、図５（ｂ）に示したように、カソード当接板２０Ａｃ１にも、アノード当接板２０Ａａ１と同様に、六角形の形状を有する複数の貫通孔２０Ａｃｈがハニカム状に形成されている。そして、本実施例の燃料電池１００Ａでは、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気は、カソード側の発泡金属焼結体２０Ａｃ２に供給され、発泡金属焼結体２０Ａｃ２中を拡散しつつ流れ、カソード当接板２０Ａｃ１に形成された複数の貫通孔２０Ａｃｈから、膜電極接合体１０のカソード側ガス拡散層１０ｃｄに供給される。なお、カソード当接板２０Ａｃ１における複数の貫通孔２０Ａｃｈは、本発明におけるカソード非接触部に相当する。また、カソード当接板２０Ａｃ１における複数の貫通孔２０Ａｃｈ以外の、膜電極接合体１０のカソード側ガス拡散層１０ｃｄと当接するハッチングが付された部位は、本発明におけるカソード接触部に相当する。
【００４４】
つまり、本実施例の燃料電池１００Ａでは、燃料ガス流路構成部材２０Ａａ、および、酸化剤ガス流路構成部材２０Ａｃにおいて、アノード接触部、および、カソード接触部は、それぞれ、連続的に繋がった状態で形成されている。したがって、燃料ガス流路構成部材２０Ａａ、および、酸化剤ガス流路構成部材２０Ａｃにおいて、アノード接触部、および、カソード接触部が、それぞれ、連続的に繋がった状態で形成されていない場合よりも容易に、アノード接触部とカソード接触部とが、膜電極接合体１０を挟んで互いに対向する位置に配置することができる。
【００４５】
以上説明した第２実施例の燃料電池１００Ａによれば、燃料ガス流路構成部材２０Ａａを構成するアノード当接板２０Ａａ１、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃを構成するカソード当接板２０Ａｃ１が、連続的に繋がったアノード接触部、および、カソード接触部を、それぞれ備えており、アノード接触部とカソード接触部とが、膜電極接合体１０を挟んで互いに対向する位置に配置されている。このため、膜電極接合体１０の両面に、それぞれ、燃料ガス流路構成部材２０Ａａ、および、酸化剤ガス流路構成部材２０Ａｃを積層し、これらをアノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃによって挟持して、先に説明したように、積層方向に所定の押圧力を加えた場合に、この押圧力を、アノード接触部とカソード接触部とによって、互いに支持することができる。したがって、膜電極接合体１０には、上記押圧力による曲げ応力は作用しにくい。この結果、膜電極接合体１０に加わる機械的損傷を抑制することができる。
【００４６】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００４７】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例では、燃料ガス流路構成部材２０ａ、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとして、エキスパンドメタルを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明は、一般に、燃料ガス流路構成部材、および、酸化剤ガス流路構成部材において、アノード接触部、および、カソード接触部が、アノード接触部の少なくとも一部とカソード接触部の少なくとも一部とが、膜電極接合体１０を挟んで互いに対向する位置に配置さればよく、エキスパンドメタルの代わりに、他の多孔体を用いるようにしてもよい。
【００４８】
図６は、第１の変形例としての酸化剤ガス流路構成部材２０Ｂｃを示す説明図である。図６（ａ）に、酸化剤ガス流路構成部材２０Ｂｃの平面図を示した。また、図６（ｂ）に、図６（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００４９】
図６（ａ）に示したように、本変形例の酸化剤ガス流路構成部材２０Ｂｃは、金属メッシュからなる。そして、図示したように、ｘ方向の複数の金属ワイヤＭＷｘ間の間隔と、ｙ方向の複数の金属ワイヤＭＷｙ間の間隔とが互いに異なっている。このため、図６（ａ），（ｂ）から分かるように、膜電極接合体１０のカソード側ガス拡散層１０ｃｄと接触する複数のカソード接触部は、長手方向が同一方向に揃った状態で配列されることとなる。なお、図示は省略したが、本変形例の燃料ガス流路構成部材は、酸化剤ガス流路構成部材２０Ｂｃの向きを９０度回転させたものである。したがって、本変形例の酸化剤ガス流路構成部材２０Ｂｃ、および、燃料ガス流路構成部材を、燃料電池１００に適用することによっても、第１実施例と同様に、膜電極接合体１０に加わる機械的損傷を抑制することができる。
【００５０】
Ｃ２．変形例２：
図７は、第２の変形例としての酸化剤ガス流路構成部材２０Ｃｃを示す説明図である。図７（ａ）に、酸化剤ガス流路構成部材２０Ｃｃのプレス前の平面図を示した。また、図７（ｂ）に、プレス後の、図７（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００５１】
図示するように、本変形例の酸化剤ガス流路構成部材２０Ｃｃは、ｘ方向の幅とｙ方向の幅とが互いに異なる複数の貫通孔２０Ｃｃｈを千鳥状に配列して形成した金属製の平板を、波板状にプレス加工したものである。このような酸化剤ガス流路構成部材２０Ｃｃにおいても、膜電極接合体１０のカソード側ガス拡散層１０ｃｄと接触する複数のカソード接触部は、長手方向が同一方向に揃った状態で配列されることとなる。なお、図示は省略したが、本変形例の燃料ガス流路構成部材は、酸化剤ガス流路構成部材２０Ｃｃの向きを９０度回転させたものである。したがって、本変形例の酸化剤ガス流路構成部材２０Ｃｃ、および、燃料ガス流路構成部材を、燃料電池１００に適用することによっても、第１実施例と同様に、膜電極接合体１０に加わる機械的損傷を抑制することができる。
【００５２】
Ｃ３．変形例３：
図８は、第３の変形例としての酸化剤ガス流路構成部材２０Ｄｃを示す説明図である。図示するように、本変形例の酸化剤ガス流路構成部材２０Ｄｃは、金属ワイヤＭＷを板状に並べて積層し、焼結したものである。このような酸化剤ガス流路構成部材２０Ｄｃにおいても、膜電極接合体１０のカソード側ガス拡散層１０ｃｄと接触する複数のカソード接触部は、長手方向が同一方向に揃った状態で配列されることとなる。なお、図示は省略したが、本変形例の燃料ガス流路構成部材は、酸化剤ガス流路構成部材２０Ｄｃの向きを９０度回転させたものである。したがって、本変形例の酸化剤ガス流路構成部材２０Ｃｃ、および、燃料ガス流路構成部材を、燃料電池１００に適用することによっても、第１実施例と同様に、膜電極接合体１０に加わる機械的損傷を抑制することができる。
【００５３】
なお、上記第１実施例、および、変形例では、燃料ガス流路構成部材、および、酸化剤ガス流路構成部材において、アノード接触部、および、カソード接触部は、それぞれ、膜電極接合体１０を挟んで互いに直交して対向する位置に配置されるものとしたが、本発明は、これに限られない。また、上記実施例、および、変形例では、燃料ガス流路構成部材における複数のアノード接触部、および、酸化剤ガス流路構成部材における複数のカソード接触部は、長手方向が同一方向に揃った状態で配列されるものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料ガス流路構成部材、および、酸化剤ガス流路構成部材において、アノード接触部、および、カソード接触部が、膜電極接合体１０を挟んで互いに交差して対向する位置に配置されるものとしてもよい。
【００５４】
また、図示、および、詳細な説明は省略するが、第１実施例の燃料電池１００において、燃料ガス流路構成部材２０ａ、および、酸化剤ガス流路構成部材２０ｃとして、エキスパンドメタルの代わりに、いわゆるメタルウールを所定方向に引っ張って、繊維の方向が略同一方向に有意に揃った状態で、繊維同士を部分的に溶接して、平板状に固結したものを適用するようにしてもよい。ただし、燃料ガス流路構成部材、および、酸化剤ガス流路構成部材において、燃料ガス流路構成部材、および、酸化剤ガス流路構成部材を、アノード接触部の少なくとも一部とカソード接触部の少なくとも一部とが、膜電極接合体１０を挟んで互いに対向する位置に配置する観点から、多孔体（燃料ガス流路構成部材、および、酸化剤ガス流路構成部材）としては、アノード接触部、および、カソード接触部の配置を、所望の配置に設計可能なものが好ましく、発泡金属の焼結体等、アノード接触部、および、カソード接触部の配置を、所望の配置に設計することが容易でないものを単体で用いることは好ましくない。
【００５５】
Ｃ４．変形例４：
上記第２実施例では、燃料ガス流路構成部材２０Ａａ、および、酸化剤ガス流路構成部材２０Ａｃをそれぞれ構成するアノード当接板２０Ａａ１、および、カソード当接板２０Ａｃ１に、それぞれ、六角形の形状を有する複数の貫通孔２０Ａａｈ、および、貫通孔２０Ａｃｈがハニカム状に形成されているものとしたが、本発明はこれに限られない。アノード当接板２０Ａａ１、および、カソード当接板２０Ａｃ１に、それぞれ形成される複数の貫通孔の形状、数、および、配置は、アノード接触部の少なくとも一部とカソード接触部の少なくとも一部とが、膜電極接合体１０を挟んで互いに対向する条件下で、任意に設定可能である。
【００５６】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例、および、変形例の燃料ガス流路構成部材、および、酸化剤ガス流路構成部材を、適宜、組み合わせて用いるようにしてもよい。
【００５７】
Ｃ６．変形例６：
上記実施例では、本発明の燃料電池について、単電池を一例として説明したが、本発明は、これに限られない。単電池を複数積層した燃料電池スタックに本発明を適用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】エキスパンドメタルの構造を示す斜視図である。
【図３】エキスパンドメタルと膜電極接合体１０における各ガス拡散層との接触部について示す説明図である。
【図４】本発明の第２実施例としての燃料電池１００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図５】アノード当接板２０Ａａ１およびカソード当接板２０Ａｃ１を示す説明図である。
【図６】第１の変形例としての酸化剤ガス流路構成部材２０Ｂｃを示す説明図である。
【図７】第２の変形例としての酸化剤ガス流路構成部材２０Ｃｃを示す説明図である。
【図８】第３の変形例としての酸化剤ガス流路構成部材２０Ｄｃを示す説明図である。
【符号の説明】
【００５９】
１００，１００Ａ…燃料電池
１０…膜電極接合体
１０ｍ…電解質膜
１０ａｃ…アノード側触媒層
１０ｃｃ…カソード側触媒層
１０ａｄ…アノード側ガス拡散層
１０ｃｄ…カソード側ガス拡散層
２０ａ，２０Ａａ…燃料ガス流路構成部材
ＣＲａ…アノード接触部
２０ｃ，２０Ａｃ，２０Ｂｃ，２０Ｄｃ…酸化剤ガス流路構成部材
ＣＲｃ…カソード接触部
２０Ａａ１…アノード当接板
２０Ａｃｈ…貫通孔
２０Ａａ２…発泡金属焼結体
２０Ａｃ１…カソード当接板
２０Ａｃ２…発泡金属焼結体
２０Ａａｈ…貫通孔
２０Ｃｃｈ…貫通孔
３０ａ…アノード側セパレータ
３０ｃ…カソード側セパレータ
ＭＷ，ＭＷｘ、ＭＷｙ…金属ワイヤ
【図１】
2009193724.tif 000003
【図２】
2009193724.tif 000004
【図３】
2009193724.tif 000005
【図４】
2009193724.tif 000006
【図５】
2009193724.tif 000007
【図６】
2009193724.tif 000008
【図７】
2009193724.tif 000009
【図８】
2009193724.tif 000010