(57)【要約】【課題】燃料電池の発電効率を向上させる。【解決手段】１つの電池ユニット２００又は積層された複数の電池ユニットを含む燃料電池１００である。前記電池ユニットは膜電極接合体２１０と、前記膜電極接合体の両側にそれぞれ配置される複数の通気性層２２０〜２５０と、前記膜電極接合体と前記複数の通気性層とで構成される多層構造を支持するセパレータ２６０と、前記膜電極接合体と前記通気性層の外縁に射出成形されたシールガスケット２７０とを備え、前記複数の通気性層のうちお互いに隣り合う少なくとも一対の通気性層のうち、一方の通気性層２５０の外縁が他方の通気性層２３０より外側に拡張されている。反応に寄与しないガスの流れを抑制することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの電池ユニット又は積層された複数の電池ユニットを含む燃料電池であって、
前記電池ユニットは、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両側にそれぞれ配置される複数の通気性層と、
前記膜電極接合体と前記複数の通気性層とで構成される多層構造を支持するセパレータと、
前記膜電極接合体と前記通気性層の外縁に射出成形されたシールガスケットとを備え、
前記複数の通気性層のうちのお互いに隣り合う少なくとも一対の通気性層のうち、一方の通気性層の外縁が他方の通気性層より外側に拡張されている、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、前記一対の通気性層は、互いに接している、燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池において、
前記他方の通気性層と前記セパレータの間に前記一方の通気性層が位置している、燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記一方の通気性層と前記他方の通気性層は、同じ材質である、燃料電池。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記一方の通気性層と前記他方の通気性層は、剛性が同じである、燃料電池。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記一方の通気性層と前記他方の通気性層は、気孔率が同じである、燃料電池。
【請求項７】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記一方の通気性層と前記他方の通気性層は、同じ機能を担う層である、燃料電池。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の燃料電池において、
前記一方の通気性層と前記他方の通気性層は多孔体層である、燃料電池。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料電池において、
前記複数の通気性層は、前記セパレータから遠い位置に配置される通気性層から近い位置に配置される通気性層に向かって、外縁が内側に退行することなく単調に外側に拡張されている、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を製造する際に、セパレータと拡散層とをガスケットの射出成形により一体化する技術が知られている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８７８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来技術では、ガスケット材料の拡散層への含浸については考慮されていなかった。拡散層へのガスケット材料の含浸が十分でないと、非含浸部分を反応ガスが流れ、燃料電池の発電効率を向上させることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、燃料電池の発電効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の態様をとる。
【０００７】
本発明の第１の態様は、１つの電池ユニット又は積層された複数の電池ユニットを含む燃料電池である。前記電池ユニットは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側にそれぞれ配置される複数の通気性層と、前記膜電極接合体と前記複数の通気性層とで構成される多層構造を支持するセパレータと、前記膜電極接合体と前記通気性層の外縁に射出成形されたシールガスケットとを備え、前記複数の通気性層のうちのお互いに隣り合う少なくとも一対の通気性層のうち、一方の通気性層の外縁が他方の通気性層より外側に拡張されている。この態様によれば、シールガスケット形成時にシールガスケット材料が通気性層に含浸し易くなる。その結果、反応に寄与しないガスの流れを抑制することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【０００８】
本発明の第１の態様において、前記一対の通気性層は、互いに接していてもよい。接していると、より含浸し易い。
【０００９】
本発明の第１の態様において、前記他方の通気性層と前記セパレータの間に前記一方の通気性層が位置していてもよい。この態様によれば、セパレータに近い側の通気性層の方が外側に拡張されているので、セパレータから遠い側の通気性層を支持しやすい。
【００１０】
本発明の第１の態様において、前記一方の通気性層と前記他方の通気性層は、同じ材質であってもよい。前記一方の通気性層と前記他方の通気性層は、剛性が同じであってもよい。前記一方の通気性層と前記他方の通気性層は、気孔率が同じであってもよい。前記一方の通気性層と前記他方の通気性層は、同じ機能を担う層であってもよい。前記一方の通気性層と前記他方の通気性層は多孔体層であってもよい。
【００１１】
本発明の第１の態様において、前記複数の通気性層は、前記セパレータから遠い位置に配置される通気性層から近い位置に配置される通気性層に向かって、外縁が内側に退行することなく単調に外側に拡張されていてもよい。この態様によれば、通気性層は、セパレータから遠い方から近い方に向かって、外縁が内側に退行することなく単調に外側に拡張されているので、セパレータから遠い位置に配置される通気性層を支持しやすい。
【００１２】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、通気性層の配置方法、シールガスケットの形成方法等、様々な形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の実施例：
図１は、第１の実施例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。燃料電池１００は、発電体２００とエンドプレート２０２、２０４を備える。本実施例では、発電体２００は複数積層されているが、発電体２００は１個であってもよい。なお、発電体２００を「電池ユニット」とも呼ぶ。エンドプレート２０２、２０４は、発電体２００の積層方向の両端にそれぞれ配置されている。燃料電池１００には、発電体２００に燃料ガス、酸化ガス、冷却水を供給し、あるいは排出するためのマニホールド１１０〜１６０が積層方向に貫通している。
【００１４】
図２は、発電体２００の構成を模式的に示す平面図である。図３は、図２において発電体２００を３−３切断線で切ったときの断面図である。発電体２００は、膜電極接合体２１０と、カソード側ガス拡散層２２０と、アノード側ガス拡散層２３０と、カソード側多孔体層２４０と、アノード側多孔体層２５０と、セパレータ２６０と、シールガスケット２７０とを備える。
【００１５】
図３に示すように、膜電極接合体２１０は、電解質膜２１２と、カソード側触媒層２１４及びアノード側触媒層２１６とを有する。本実施例では、電解質膜２１２として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いている。カソード側触媒層２１４、アノード側触媒層２１６は、電解質膜２１２の両面にそれぞれ配置されている。本実施例では、カソード側触媒層２１４、アノード側触媒層２１６として、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を例えばカーボン粒子上に担持した触媒層を用いている。なお、カソード側触媒層２１４、アノード側触媒層２１６は、電解質膜２１２の全面に配置されている訳ではなく、外縁部には配置されていない。
【００１６】
カソード側ガス拡散層２２０、アノード側ガス拡散層２３０は、膜電極接合体２１０の両面にそれぞれ配置されている通気性層である。本実施例では、カソード側ガス拡散層２２０およびアノード側ガス拡散層２３０として、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いている。カソード側多孔体層２４０、アノード側多孔体層２５０は、カソード側ガス拡散層２２０、アノード側ガス拡散層２３０の外面にそれぞれ配置されている通気性層である。本実施例では、カソード側多孔体層２４０、アノード側多孔体層２５０として、例えば、チタン製、ステンレス製などの金属製の多孔体を用いている。なお、カソード側多孔体層２４０、アノード側多孔体層２５０は、チタン製、ステンレス製でなくても、導電性、耐腐食性があれば、他の金属材料、金属以外の他の材料で構成されていてもよい。
【００１７】
セパレータ２６０は、アノード側多孔体層２５０の外側に配置されている。セパレータ２６０は、例えば金属製の板状部材であり、燃料ガスと酸化ガスが混じらないように分離する機能を有する。本実施例では、セパレータ２６０の構造は特に限定しないが、単層構造、２層構造、３層構造等いずれの構造であってもよい。なお、セパレータ２６０の外縁部には、マニホールド１１０〜１６０を形成するための開口部が開いているが、図２、図３においては、図示されていない。
【００１８】
シールガスケット２７０は、膜電極接合体２１０、カソード側ガス拡散層２２０、アノード側ガス拡散層２３０、カソード側多孔体層２４０、アノード側多孔体層２５０の外縁部及びセパレータ２６０の上部に配置されている。シールガスケット２７０は、ゴム、樹脂などの材料を用いて射出成形することにより形成される。図２に示すように、シールガスケット２７０の外縁部には、マニホールド１１０〜１６０を形成するための開口部１１２〜１６２が開いている。シールガスケット２７０の開口部１１２〜１６２回りにはシール用リブ２７５が設けられている。発電体２００が積層されたときに、シール用リブ２７５は隣接する発電体２００のセパレータ２６０と圧着し、セパレータ２６０が為す面と平行な方向への反応ガスのリークを抑制する。
【００１９】
膜電極接合体２１０、カソード側ガス拡散層２２０、アノード側ガス拡散層２３０、カソード側多孔体層２４０、アノード側多孔体層２５０の面方向の大きさについて説明する。本実施例では、各層の面積が、カソード側多孔体層２４０＜カソード側ガス拡散層２２０＜膜電極接合体２１０＝アノード側ガス拡散層２３０＜アノード側多孔体層２５０となっている。すなわち、４つの通気性層（カソード側多孔体層２４０、カソード側ガス拡散層２２０、アノード側ガス拡散層２３０、アノード側多孔体層２５０）のうちの隣り合う任意の２つの通気性層では、セパレータ２６０に近い側の通気性層の方が、外側に拡張されている。ここで、隣り合うとは、通気性層同士がお互いに接している場合と、２つの通気性層の間に他の層、例えば膜電極接合体２１０を挟んでいる場合との両方を含む。
【００２０】
シールガスケット２７０を形成する際には、セパレータ２６０の上に、アノード側多孔体層２５０、アノード側ガス拡散層２３０、膜電極接合体２１０、カソード側ガス拡散層２２０、カソード側多孔体層２４０を配置して型に入れ、シールガスケット材料を図３の矢印３００の向きに流して充填する。本実施例では、カソード側ガス拡散層２２０は、カソード側多孔体層２４０よりも、外縁が外側に拡張されている。そのため、シールガスケット材料を充填する際に、カソード側ガス拡散層２２０のカソード側多孔体層２４０よりも外側に拡張した部分に、シールガスケット材料が含浸し易い。カソード側ガス拡散層２２０にシールガスケット材料が含浸すると、その含浸部分には反応ガスが流れにくくなる。ここで、シールガスケット材料の含浸部分は、カソード側ガス拡散層２２０の外縁部である。反応ガスは、カソード側ガス拡散層２２０がカソード側触媒層２１４と接していない外縁部を流れにくくなり、カソード側触媒層２１４と接しているカソード側ガス拡散層２２０中央部を流れる。その結果、燃料電池の電気化学反応に寄与せずに流れる反応ガスの量を減らし、発電効率を向上させることができる。アノード側多孔体層２５０のアノード側ガス拡散層２３０よりも外縁が拡張した部分についても同様である。
【００２１】
なお、カソード側ガス拡散層２２０あるいは、アノード側多孔体層２５０にシールガスケット材料を含浸させることにより、カソード側ガス拡散層２２０あるいは、アノード側多孔体層２５０の剛性を上げることができるという効果も生じる。
【００２２】
また、本実施例では、隣り合う任意の２つの通気性層を見たとき、よりセパレータ２６０に近い側の通気性層の方が、外側に拡張されている。図４を用いて、この効果について説明する。図４は、比較例を示す説明図である。図４に示す比較例では、アノード側多孔体層２５０の外縁は、アノード側ガス拡散層２３０の外縁よりも小さく、カソード側多孔体層２４０の外縁とほぼ同じ大きさになっている。比較例では、シールガスケット２７０形成時に、シールガスケット材料の流れの圧力により、カソード側ガス拡散層２２０、膜電極接合体２１０、アノード側ガス拡散層２３０が曲がり、シールガスケット材料が充填されない空隙部２８０が生じる場合がある。かかる空隙部２８０が生じると、反応ガスは、通気抵抗の少ない空隙部２８０を流れ、アノード側ガス拡散層２３０、アノード側多孔体層２５０の中を流れにくくなる。その結果、反応に寄与する反応ガスの量が少なくなり、燃料電池１００の発電効率が低下する恐れがある。しかし、図３に示す本実施例では、セパレータ２６０によりアノード側多孔体層２５０を支え、アノード側多孔体層２５０によりアノード側ガス拡散層２３０と膜電極接合体２１０を支え、アノード側ガス拡散層２３０と膜電極接合体２１０によりカソード側ガス拡散層２２０を支え、カソード側ガス拡散層２２０によりカソード側多孔体層２４０を支えることができるので、シールガスケット材料の流れの圧力によるカソード側ガス拡散層２２０、膜電極接合体２１０、アノード側ガス拡散層２３０の曲がりを抑制できる。その結果、空隙部２８０が生じず、燃料電池１００の発電効率の低下が抑制される。
【００２３】
上記説明では、４つの通気性層（カソード側多孔体層２４０、カソード側ガス拡散層２２０、アノード側ガス拡散層２３０、アノード側多孔体層２５０）のうちの隣り合う任意の２つの通気性層の外縁を比較していたが、外縁の大きさを比べる通気性層として、同じ材質や機能を有するもの同士を取り上げてもよい。例えば、カソード側多孔体層２４０とアノード側多孔体層２５０は、例えば、金属製の多孔体であり、同じ材質、同じ剛性、同じ気孔率であり、カソード側ガス拡散層２２０あるいはアノード側ガス拡散層２３０に反応ガスを供給するという同じ機能を担う。本実施例では、セパレータ２６０側のアノード側多孔体層２５０の外縁の方がカソード側多孔体層２４０の外縁よりも大きいので、アノード側多孔体層２５０を用いて、カソード側多孔体層２４０を支えやすい。また、外縁の大きさを比べる通気性層は、カソード側ガス拡散層２２０とアノード側ガス拡散層２３０であってもよい。カソード側ガス拡散層２２０とアノード側ガス拡散層２３０は、例えばカーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーであり、同じ材質、同じ剛性、同じ気孔率であり、反応ガスを通過させ、カソード側多孔体層２４０とアノード側多孔体層２５０から供給された反応ガスを、カソード側触媒層２１４、アノード側触媒層２１６に供給するという同じ機能を担う。本実施例では、セパレータ２６０側のアノード側ガス拡散層２３０の外縁の方がカソード側ガス拡散層２２０の外縁よりも大きいので、アノード側ガス拡散層２３０を用いて、カソード側ガス拡散層２２０を支えやすい。
【００２４】
他の実施例：
図５は、第２の実施例を示す説明図である。第２の実施例は、アノード側ガス拡散層２３０の外縁とアノード側多孔体層２５０の外縁が同じ大きさになっている点が、図３に示した第１の実施例と異なる。このような構造であっても、「４つの通気性層は、セパレータ２６０から遠い位置に配置される通気性層からセパレータ２６０に近い位置に配置される通気性層に向かって、外縁が内側に退行することなく単調に外側に拡張されている。」と言うことができる。第２の実施例の構成であっても、カソード側ガス拡散層２２０は、カソード側多孔体層２４０よりも、外縁が外側に拡張されているので、第１の実施例と同様に、発電効率を向上させることができる効果がある。
【００２５】
図６は、第３の実施例を示す説明図である。第３の実施例は、アノード側ガス拡散層２３０の外縁の方がアノード側多孔体層２５０の外縁よりもわずかに大きい点が、第２の実施例と異なる。第３の実施例では、アノード側ガス拡散層２３０の外縁とアノード側多孔体層２５０の外縁との差ｘは、アノード側多孔体層２５０の厚みｈ以下とすることが好ましい。この理由は、カソード側ガス拡散層２２０、膜電極接合体２１０、アノード側ガス拡散層２３０が図４に示すように曲がったとしても、差ｘが厚みｈより小さい場合には、アノード側ガス拡散層２３０がセパレータ２６０と接触しないので空隙部２８０が発生せず、差ｘと厚みｈが同じ場合には、アノード側ガス拡散層２３０がセパレータ２６０と接触しても空隙部２８０が発生しないからである。第３の実施例の構成であっても、カソード側ガス拡散層２２０は、カソード側多孔体層２４０よりも、外縁が外側に拡張されているので、第１の実施例と同様に、発電効率を向上させることができる効果がある。
【００２６】
図７は、第４の実施例を示す説明図である。第４の実施例は、カソード側多孔体層２４０の外縁がカソード側ガス拡散層２２０の外縁よりも大きい点が、図３に示した第１の実施例と異なる。第４の実施例では、シールガスケット材料を充填する際に、カソード側多孔体層２４０のカソード側ガス拡散層２２０よりも外側に拡張した部分に、シールガスケット材料が含浸し易い。その結果、シールガスケット材料の含浸部分には反応ガスが流れにくくなる。反応ガスは、カソード側多孔体層２４０の中央部分を流れやすくなり、カソード側触媒層２１４と接しているカソード側ガス拡散層２２０中央部に供給されやすくなる。その結果、燃料電池１００の発電効率を向上させることができる。アノード側多孔体層２５０のアノード側ガス拡散層２３０よりも外縁が拡張した部分についても同様である。
【００２７】
図８は、第５の実施例を示す説明図である。第５の実施例は、通気性層としてカソード側多孔体層２４０及びアノード側多孔体層２５０を備えるが、カソード側ガス拡散層２２０及びアノード側ガス拡散層２３０を備えない点が、第１の実施例と異なる。第５の実施例では、シールガスケット２７０形成時にアノード側多孔体層２５０の外縁部にシールガスケット材料が含浸する。シールガスケット材料の含浸部分には反応ガスが流れにくくなる。反応ガスは、カソード側多孔体層２４０の中央部分を流れやすくなる。その結果、燃料電池１００の発電効率が向上する。
【００２８】
以上のように、上述した各種の実施例によれば、隣り合うガス拡散層と多孔体層の外縁の大きさが異なるので、シールガスケット材料を外縁が大きい方の外縁部に含浸させることができる。その結果、反応せずに流れる反応ガスを少なくし、燃料電池の発電効率を向上させることができる。また、ガス拡散層あるいは多孔体層にシールガスケット材料を含浸させることにより、ガス拡散層あるいは多孔体層の剛性を高めることができる。さらに、よりセパレータ２６０に近い側の通気性層（ガス拡散層または、多孔体層）の外縁を大きくすることにより、セパレータ２６０から遠い通気性層を支えることができる。
【００２９】
なお、上記説明では、セパレータ２６０側にアノードが位置する実施例を用いて説明したが、セパレータ２６０側にカソードが位置するものであってもよい。
【００３０】
また、発電体２００の構成によっては、両側にセパレータ２６０が配置される構成も考えられるが、その場合には、一方の側のセパレータを基準セパレータとし、基準セパレータから近いか遠いかを判断すればよい。
【００３１】
変形例：
第１の実施例から第４の実施例では、膜電極接合体２１０の両側に通気性層をそれぞれ２層設けられており、第５の実施例では、膜電極接合体２１０の両側に通気性層がそれぞれ１層設けられているが、通気性層については、様々な態様が可能である。例えば、通気性層は、膜電極接合体２１０の両側にそれぞれ少なくとも１層設けられていてもよい。また、通気性層は、片側につき１層ずつ設けてられていてもよい。さらに、通気性層は、片側に複数層設けられていてもよい。
【００３２】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１の実施例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図２】発電体２００の構成を模式的に示す平面図である。
【図３】図２において発電体２００を３−３切断線で切ったときの断面図である。
【図４】比較例を示す説明図である。
【図５】第２の実施例を示す説明図である。
【図６】第３の実施例を示す説明図である。
【図７】第４の実施例を示す説明図である。
【図８】第５の実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１００…燃料電池
１１０〜１６０…マニホールド
１１２〜１６２…開口部
２００…発電体
２０２、２０４…エンドプレート
２１０…膜電極接合体
２１２…電解質膜
２１４…カソード側触媒層
２１６…アノード側触媒層
２２０…カソード側ガス拡散層
２３０…アノード側ガス拡散層
２４０…カソード側多孔体層
２５０…アノード側多孔体層
２６０…セパレータ
２７０…シールガスケット
２７５…シール用リブ
２８０…空隙部
３００…矢印
【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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【図７】
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【図８】
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