燃料電池のセル及びスタック
【課題】消費動力の軽減及びスタックの小型化を実現可能にする。
【解決手段】本発明の燃料電池のスタックは、複数の膜電極接合体１と、複数のセパレータ２とを備えている。各膜電極接合体１は、電解質膜３と、電解質膜３の一面に接合されて空気が供給されるカソード極４と、電解質膜３の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極５とを有する。各セパレータ２は、各膜電極接合体１を間に挟んで積層され、個々が各カソード極４側に空気室６を形成するとともに、各アノード極５側に燃料室７を形成する。各膜電極接合体１及び各セパレータ２は各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲され、各空気室６は各燃料室７よりも大きい。
【解決手段】本発明の燃料電池のスタックは、複数の膜電極接合体１と、複数のセパレータ２とを備えている。各膜電極接合体１は、電解質膜３と、電解質膜３の一面に接合されて空気が供給されるカソード極４と、電解質膜３の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極５とを有する。各セパレータ２は、各膜電極接合体１を間に挟んで積層され、個々が各カソード極４側に空気室６を形成するとともに、各アノード極５側に燃料室７を形成する。各膜電極接合体１及び各セパレータ２は各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲され、各空気室６は各燃料室７よりも大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセル及びスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に従来の燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）及びセルが開示され、特許文献２には他の従来の燃料電池の膜電極接合体、セル及びスタックが開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示の燃料電池の膜電極接合体は、ナフィオン（登録商標、Nafion（Dupon社製））等の固体高分子膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有している。カソード極は及びアノード極は白金（Ｐｔ）等の触媒を担持したカーボン粒子等からなる。
【０００４】
この膜電極接合体の特徴的な構成として、電解質膜、カソード極及びアノード極は、凹凸形状に成形されており、金属製等の網によってその形状が保持されている。この膜電極接合体を一対の平板状のセパレータで挟むことにより最小発電単位である燃料電池のセルが構成され、このセルが多数積層されてスタックが構成される。
【０００５】
この燃料電池のスタックにおいては、セパレータと膜電極接合体とにより空気室及び燃料室が形成され、カソード極に空気が供給されるとともにアノード極に燃料が供給される。この間、膜電極接合体では、アノード極における電気化学的反応により、燃料から水素イオン（Ｈ+；プロトン）と電子とが生成される。そして、プロトンは水分子を伴ったＨ3Ｏ+の形で電解質膜内をカソード極に向かって移動する。また、電子は、スタックに接続された負荷を通り、カソード極に流れる。一方、カソード極においては、空気中に含まれる酸素とプロトンと電子とから水が生成される。このような電気化学的反応が連続して起こることにより、スタックは起電力を連続して発生することができる。
【０００６】
特許文献２に開示の膜電極接合体も特許文献１に開示の膜電極接合体と同様の膜電極接合体を開示している。また、特許文献２のセルやスタックは各セパレータの空気室及び燃料室に形状保持のための多孔体を充填している。
【０００７】
特許文献１、２に開示の膜電極接合体は、電解質膜、カソード極及びアノード極が凹凸形状に屈曲されていることから、カソード極及びアノード極の投影面積当たりの表面積がともに大きくなっている。このため、この種の膜電極接合体を用いたスタックは、単位体積当たり、大きな面積で電気化学反応を生じ、発電能力が高くなる。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２２４６７７号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４４２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記従来のセルは、カソード極及びアノード極を屈曲した膜電極接合体を採用しつつ、平板状の一対のセパレータを採用していることから、空気室と燃料室とが常に等しくされる。このため、この種のセルを用いたスタックでは、アノード極側での燃料の消費体積の増加に従ってカソード極側で空気の圧力損失が増大してしまう。
【００１０】
このため、そのスタックでは、空気の供給に必要な動力が増加してしまう。また、スタックにおける空気室の断面積をむやみに大きくして空気の圧力損失を小さく保とうとすれば、スタックの大型化を生じてしまう。
【００１１】
特許文献２開示のセルやスタックにおいても、セパレータの空気室及び燃料室に充填された多孔体によって空気及び燃料の圧力損失を生じ、やはり消費動力の増大及びスタックの大型化を生じてしまう。
【００１２】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、消費動力の軽減及びスタックの小型化を実現可能にすることを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の燃料電池のセルは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
【００１４】
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなすセパレータとを備えた燃料電池のセルにおいて、
【００１５】
前記膜電極接合体及び各該セパレータは、前記空気室が前記燃料室よりも大きくなるように、各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明のセルでは、平板材が二次元又は三次元で屈曲された膜電極接合体を採用していることから、カソード極及びアノード極の投影面積当たりの表面積がともに大きくなっている。このため、このセルを用いたスタックは、単位体積当たり、大きな面積で電気化学反応を生じ、発電能力が高くなる。
【００１７】
また、このセルでは、平板材が二次元又は三次元で屈曲された各セパレータを採用し、空気室が燃料室よりも大きくなるようにしている。このため、このセルを用いたスタックでは、アノード極側での燃料の消費体積の増加に従ってカソード極側で空気の圧力損失を生じ難い。
【００１８】
したがって、本発明のセルによれば、スタックの消費動力を軽減できる。また、スタックにおける空気室の断面積を燃料室に応じて大きくすることで比較的小さくできることから、スタックの小型化も実現できる。
【００１９】
また、本発明のセルは、平板材を二次元又は三次元で屈曲させた各セパレータを採用していることから、特開平４−１５４０４７号公報に開示された各セパレータに比べ、各セパレータの製造が容易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。
【００２０】
各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲された膜電極接合体及びセパレータを採用し、空気室が燃料室よりも大きくなるようにするためには、膜電極接合体の山と谷とを同一のピッチで形成しつつ、セパレータの山と谷との幅を変えることが可能である。また、膜電極接合体又はセパレータの山と谷とのピッチを変えることも可能である。
【００２１】
なお、空気室を燃料室よりもどの程度大きくするかは、２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏのモル数、燃料の供給圧力、空気の供給圧力及び空気中の酸素分圧によって設定することができる。
【００２２】
本発明に係る膜電極接合体及びセパレータは、各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲されている。つまり、膜電極接合体の平板材を屈曲することにより本発明に係る膜電極接合体が得られ、セパレータの平板材を屈曲することにより本発明に係るセパレータが得られる。平板材の屈曲は、二次元（つまり、山及び谷が一方向に連続した波板形状）でもよく、三次元（つまり、山及び谷が連続せずに独立して形成された形状）でもよい。平板材の屈曲は、屈曲点又は屈曲線が緩やかな湾曲を含む。
【００２３】
本発明のセルでは、膜電極接合体は、形状を保持する形状保持部材を有することが好ましい。この場合、形状保持部材によって膜電極接合体の屈曲した形状が保持され、長期に亘って本発明の作用効果が維持される。また、膜電極接合体が形状保持部材を有すれば、膜電極接合体自体が屈曲した形状を保持するため、別に用意したセパレータと容易に位置合わせを行い、製造コストの低廉化を実現することができる。
【００２４】
形状保持部材は、膜電極接合体の特性を損なわなければ、種々の材質、形状のものを採用することができる。材質としては、例えば金属、樹脂、セラミック、ガラス等を採用し得る。
【００２５】
電解質膜、カソード極及びアノード極の少なくとも一つが形状保持部材を含み得る。
【００２６】
形状保持部材は金属製の網又は多孔板からなることが好ましい。形状保持部材が金属製であれば、高い剛性により形状保持機能が長期に亘って作用する。また、形状保持部材が網又は多孔板であることにより、燃料、プロトン又は空気を好適に伝導させることができる。なお、ここで、多孔板とは、気孔が厚さ方向に連続し、厚さ方向両側で外部に気孔が開くものをいう。
【００２７】
セパレータが導電性のものであり、カソード極及びアノード極の少なくとも一つが電解質側とは逆側に形成されて空気又は燃料を拡散する拡散層を有する場合、拡散層に導電性の形状保持部材が一部を露出させて含まれていることが好ましい。この場合、形状保持部材が導電性のあるセパレータと当接すれば、形状保持機能とともに集電機能も発揮し、別に集電材を設ける必要がなくなることから、スタックのより一層の小型化を実現できる。
【００２８】
また、本発明のセルでは、各セパレータが膜電極接合体の形状を保持するように形成されていることもできる。この場合、セパレータによって膜電極接合体の屈曲した形状が保持され、長期に亘って本発明の作用効果が維持される。また、セパレータが膜電極接合体の形状を保持すれば、別に形状保持体を設ける必要がなく、製造コストの低廉化を実現することができる。この場合、セパレータは、剛性を有し、セパレータの特性を損なわなければ、種々の材質、形状のものを採用することができる。材質としては、例えば金属、樹脂、セラミック、ガラス等を採用し得る。導電性の金属によってセパレータを構成すれば、セパレータが形状保持機能とともに集電機能も発揮し、別に集電材を設ける必要がなくなることから、スタックのより一層の小型化を実現できる。
【００２９】
本発明の燃料電池のスタックは、上記セルを多数積層してなることを特徴とする。
【００３０】
本発明のスタックは、上記セルを採用していることから、消費動力を軽減できるとともに、小型化され得る。また、本発明のスタックは、上記セルの各セパレータを採用していることから、各セパレータの製造が容易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。
【００３１】
また、本発明の燃料電池のスタックは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する複数の膜電極接合体と、
【００３２】
各該膜電極接合体を間に挟んで積層され、個々が各該カソード極側に空気室を形成するとともに、各該アノード極側に燃料室を形成する複数のセパレータとを備えた燃料電池のスタックにおいて、
【００３３】
各前記膜電極接合体及び各前記セパレータは各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲され、前記各空気室は前記各燃料室よりも大きいことを特徴とする。
【００３４】
本発明のスタックは、消費動力を軽減できるとともに、小型化され得る。また、本発明のスタックは、平板材を二次元又は三次元で屈曲させた各セパレータを採用していることから、各セパレータの製造が容易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。
【００３５】
本発明のスタックは、１枚の膜電極接合体及び１枚のセパレータを１ユニットとすると、１ユニットの膜電極接合体側の谷の裏面が隣のユニットのセパレータ側の山の表面に当接してもよく、１ユニットの膜電極接合体側の谷の裏面が隣のユニットのセパレータ側の谷の表面に当接してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明を具体化した実施例１〜６を図面を参照しつつ説明する。
【実施例１】
【００３７】
実施例１のスタックの詳細を図１に示す。このスタックは、セル１０が多数積層されて構成されている。セル１０は、膜電極接合体１と、膜電極接合体１を挟持する対をなすセパレータ２とからなる。隣り合う各セル１０は各々セパレータ２を共有している。
【００３８】
膜電極接合体１は、図２に示すように、電解質膜３と、この電解質膜３の一面に接合されたカソード極４と、電解質膜３の他面に接合されたアノード極５とからなる。この膜電極接合体１は、屈曲前の平板材が二次元で、つまり緩やかな山１ａ及び谷１ｂが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。膜電極接合体１は山１ａと谷１ｂとが同一のピッチで形成されている。
【００３９】
電解質膜３はナフィオン（登録商標、Nafion（Dupon社製））等の固体高分子膜からなる。
【００４０】
カソード極４は、図３に示すように、形状保持部材としての網４ａと、この網４ａの電解質膜３側に形成されたカソード触媒層４ｂと、非電解質側で網４ａの目によって形成されたカソード拡散層４ｃとからなる。網４ａはステンレスに耐食性のコーティング（例えば、金メッキ）が施されたものである。また、網４ａはカソード拡散層４ｃから一部が露出している。カソード触媒層４ｂは、カーボン粒子に白金（Ｐｔ）等の触媒を担持したカーボン粒子と電解質とを混合したものであり、カソード拡散層４ｃは、カーボン粒子とＰＴＦＥとの混合物からなる。
【００４１】
また、アノード極５も、形状保持部材としての上記網５ａと、この網５ａの電解質膜３側に形成されたアノード触媒層５ｂと、非電解質側で網５ａの目によって形成されたアノード拡散層５ｃとからなる。網５ａはアノード拡散層５ｃから一部が露出している。アノード触媒層５ｂも、カーボン粒子に白金（Ｐｔ）等の触媒を担持したカーボン粒子と電解質とを混合したものであり、アノード拡散層５ｃも、カーボン粒子とＰＴＦＥとの混合物からなる。
【００４２】
膜電極接合体１は、以下のように製造され得る。まず、図４（Ａ）に示すように、平板状に成形された担体粒子からなる拡散層シート１１ａと、平板状に成形された網１１ｂとを用意する。そして、拡散層シート１１ａと網１１ｂとを所定の圧力でプレスする。こうして、図５に示すように、平板状に成形された電極シート１１が得られる。図５は連続式屈曲装置を示す。
【００４３】
一方、平板状に成形された電解質膜１２も用意する。そして、連続式屈曲装置において、対をなすローラ１３〜１５で電解質膜１２の両面に電極シート１１を位置させながらこれらを搬送し、対をなすローラ１６によって電解質膜１２と両電極シート１１とを所定の圧力でプレスする。これにより平板状に成形された膜電極接合体１７が得られる。
【００４４】
触媒層の形成方法は、拡散層シートと網とをプレスした後に触媒を塗布して電極シートを形成する手法と、電解質膜の両面にカソード触媒層及びアノード触媒層をそれぞれ予め形成する手法とを採用することもできる。
【００４５】
この膜電極接合体１７は、続いて対をなす変形ローラ１８間に搬送される。両変形ローラ１８は膜電極接合体１７を波板形状屈曲可能に形成されている。こうして、図６に示すように、波板形状の膜電極接合体１が得られる。
【００４６】
また、図４（Ｂ）に示すように、平板状に成形された網１１ｂを用意し、スキージ１９によって担体粒子のスラリー１１ｃをこの網１１ｂに含浸させてもよい。こうして得られた平板状に成形された電極シート１１を用い、上記と同様に波板形状の膜電極接合体１を得ることもできる。
【００４７】
さらに、平板状に成形された電極シート１１及び電解質膜１２を図５に示す連続式屈曲装置によってそれぞれ波板形状に屈曲し、図７に示すように、それぞれ波板形状の電極シート２２及び電解質膜２１とすることもできる。これら電極シート２２及び電解質膜２１は、図８に示すように、電解質膜２１の両面に電極シート２２を位置させた状態でプレス型２３によってホットプレスされ得る。プレス型２３の上型２３ａ及び下型２３ｂは、電極シート２２及び電解質膜２１の波板形状と整合する成形面を有している。こうして、図６に示す波板形状の膜電極接合体１が得られる。
【００４８】
また、平板状に成形された電極シート１１及び電解質膜１２を図８に示すプレス型２３によってホットプレスし、上記と同様に波板形状の膜電極接合体１を得ることもできる。
【００４９】
図１及び図２に示す各セパレータ２は、ステンレスに耐食性のコーティング（例えば、金メッキ）が施されたものである。これらのセパレータ２も、屈曲前の平板材が二次元、つまり山２ａ及び谷２ｂが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。セパレータ２は山２ａの方が谷２ｂよりも幅広に形成されている。
【００５０】
そして、対をなすセパレータ２によって膜電極接合体１を挟持して各セル１０を構成する。そして、セル１０を多数積層する。この際、隣り合う各セル１０が各々セパレータ２を共有するようにする。
【００５１】
この際、各膜電極接合体１の各山１ａと各セパレータ２の各山２ａとが整合し、各膜電極接合体１の各谷１ｂと各セパレータ２の各谷２ｂとが整合するようにする。１枚の膜電極接合体１及び１枚のセパレータ２を１ユニットとすると、このユニットは、膜電極接合体１の山１ａの表面がセパレータ２の山２ａの裏面と当接し、膜電極接合体１の谷１ｂの表面はセパレータ２の谷２ｂの裏面と間隙を有している。そして、各膜電極接合体１の各谷１ｂのカソード極４側である裏面が各セパレータ２の各山２ａの表面と当接するようにする。
【００５２】
また、カソード拡散層４ｃから露出した網４ａ及びアノード拡散層５ｃから露出した網５ａがセパレータ２と当接するようにする。こうして、スタックが得られる。
【００５３】
得られたスタックでは、セパレータ２は、膜電極接合体２のカソード極４側に空気室６を形成するとともに、アノード極５側に燃料室７を形成することとなる。つまり、スタックは、複数の膜電極接合体１と、各膜電極接合体１を間に挟んで積層され、個々が各カソード極４側に空気室６を形成するとともに、各アノード極５側に燃料室７を形成する複数のセパレータ２とを備えている。
【００５４】
以上のように構成されたスタックは、平板材が二次元で屈曲された膜電極接合体１を採用していることから、カソード極４及びアノード極５の投影面積当たりの表面積がともに大きくなっている。このため、このスタックは、単位体積当たり、大きな面積で電気化学反応を生じ、発電能力が高くなる。
【００５５】
また、このスタックでは、平板材が二次元で屈曲された各セパレータ２を採用し、空気室６が燃料室７よりも大きくなるようにしている。このため、このスタックでは、アノード極５側での燃料の消費体積の増加に従ってカソード極４側で空気の圧力損失を生じ難い。
【００５６】
したがって、このスタックであれば、消費動力を軽減できる。また、スタックにおける空気室６の断面積を燃料室７に応じて大きくすることで比較的小さくできることから、小型化も実現できる。
【００５７】
また、このスタックは、平板材を二次元で屈曲させた各セパレータ２を採用していることから、各セパレータ２の製造が容易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。
【００５８】
さらに、このスタックでは、各膜電極接合体１が網４ａ、５ａを有し、各セパレータ２に挟持されている。このため、網４ａ、５ａ及びセパレータ２によって膜電極接合体１の屈曲した形状が保持され、長期に亘って上記作用効果が維持される。特に、網４ａ、５ａ及びセパレータ２がステンレス製であり、かつ耐食性のコーティングを有するものであるため、高い剛性により形状保持機能が長期に亘って作用するとともに、電解質膜３の酸に対する優れた耐食性も発揮する。なお、網４ａ、５ａが目を有することから、燃料、プロトン又は空気を好適に伝導させることは維持されている。
【００５９】
また、このスタックでは、膜電極接合体１が網４ａ、５ａを有することにより、膜電極接合体１自体が屈曲した形状を保持するため、セパレータ２と容易に位置合わせを行い、製造コストの低廉化を実現することができる。
【００６０】
さらに、このスタックでは、網４ａ、５ａがセパレータ２と当接して集電機能も発揮することができ、一層の小型化を実現している。
【実施例２】
【００６１】
実施例２のスタックは、図９に示す膜電極接合体３０を採用している。この膜電極接合体３０は、図１０に分解断面図を示すように、電解質膜３と、この電解質膜３の一面に接合されたカソード極３１と、カソード極３１の非電解質側に接合された金属製の網３２と、電解質膜３の他面に接合されたアノード極３３と、アノード極３３の非電解質側に接合された金属製の網３４とからなる。
【００６２】
カソード極３１は、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等のガス透過性のある基材と、この基材の電解質膜３側に形成され、白金（Ｐｔ）等の触媒が担持されたカソード触媒層とからなる。カソード極３１におけるカソード触媒層以外の部分は基材によって構成されており、ここは非電解質側でカソード触媒層に空気を拡散するカソード拡散層とされている。
【００６３】
また、アノード極３３も、上記基材と、この基材の電解質膜３側に形成され、触媒が担持されたアノード触媒層とからなる。アノード極３３におけるアノード触媒層以外の部分も基材によって構成されており、ここは非電解質側でアノード触媒層に空気を拡散するアノード拡散層とされている。
【００６４】
電解質膜３、カソード極３１及びアノード極３３によって公知の膜電極接合体３５が形成されている。形状保持部材としての網３２、３４は、この公知の膜電極接合体３５に後付で接合されている。他の構成は実施例１と同様である。
【００６５】
このスタックは、網３２、３４が公知の膜電極接合体３５に後付で接合されることから、公知の膜電極接合体３５を有効利用することができる。他の作用効果は実施例１と同様である。
【実施例３】
【００６６】
実施例３のスタックは、図１１及び図１２に示すように、実施例１のセパレータ２とは形状が異なるセパレータ４０を採用している。
【００６７】
このスタックでは、１枚の膜電極接合体１及び１枚のセパレータ４０からなるユニットは、膜電極接合体１の山１ａの表面がセパレータ４０の山４０ａの裏面及び両側面と当接し、膜電極接合体１の谷１ｂの表面はセパレータ４０の谷４０ｂの裏面と間隙を有している。そして、各膜電極接合体１の各谷１ｂのカソード極４側である裏面は各セパレータ４０の各山４０ａの側壁の表面と当接されている。
【００６８】
こうして、このスタックでは、カソード極４側に空気室６ａ、６ｂが形成され、アノード極５側に燃料室７ａ、７ｂが形成されている。空気室６ａ、６ｂの合計の断面積は燃料室７ａ、７ｂの合計の断面積よりも大きくなっている。他の構成は実施例１と同様である。
【００６９】
このスタックにおいても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。なお、膜電極接合体１の代わりに実施例２の膜電極接合体３０を採用することもできる。
【実施例４】
【００７０】
実施例４のスタックは、図１３及び図１４に示すように、実施例１の膜電極接合体１及びセパレータ２とは形状が異なる膜電極接合体５０及びセパレータ５１を採用している。
【００７１】
膜電極接合体５０は、図１５及び図１６に示すように、実施例２で説明した公知の膜電極接合体３５を異なる形状に屈曲したものである。この膜電極接合体５０は、等脚台形状の山５０ａ及び谷５０ｂが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。
【００７２】
セパレータ５１も、等脚台形状の山５１ａ及び二等辺三角形形状の谷５１ｂが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。他の構成は実施例１と同様である。
【００７３】
このスタックにおいては、膜電極接合体５０の山５０ａ及び谷５０ｂ並びにセパレータ５１の山５１ａが等脚台形状であることから、高い剛性を有している。このため、スタックを図示しないハウジングとともにボルトによって締結する際、膜電極接合体５０及びセパレータ５１に座屈を生じにくい。他の作用効果は実施例１と同様である。なお、膜電極接合体５０の代わりに実施例１〜３の膜電極接合体１、３０を採用することもできる。
【実施例５】
【００７４】
実施例５のスタックは、図１７及び図１８に示すように、実施例４の膜電極接合体５０及びセパレータ５１が異なる形状で組み付けられている。
【００７５】
このスタックでは、１枚の膜電極接合体５０及び１枚のセパレータ５１からなるユニットは、膜電極接合体５０の山５０ａの表面がセパレータ５１の山５０ａの裏面と当接し、膜電極接合体５０の谷５０ｂの表面はセパレータ５１の谷５１ｂを跨いでいる。そして、各膜電極接合体５０の各谷５０ｂのカソード極４側である裏面は各セパレータ５１の各山５１ａの表面と当接されている。
【００７６】
こうして、このスタックでは、カソード極４側に空気室６ａ、６ｂが形成され、アノード極５側に燃料室７が形成されている。空気室６ａ、６ｂの合計の断面積は燃料室７の断面積よりも大きくなっている。他の構成は実施例１、４と同様である。
【００７７】
このスタックにおいても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【実施例６】
【００７８】
実施例６のスタックは、図１９に示す膜電極接合体５５を採用している。この膜電極接合体５５は、図２０に分解断面図を示すように、実施例１の膜電極接合体１を異なる形状に屈曲させたものであり、実施例４の膜電極接合体５０と同様、等脚台形状の山５５ａ及び谷５５ｂが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。他の構成は実施例１、４と同様である。
【００７９】
このスタックにおいても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【００８０】
以上において、本発明を実施例１〜６に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜６に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【００８１】
例えば、網の代わりに多孔板を用いることができる。また、各セパレータによって各膜電極接合体の形状を保持し、膜電極接合体を網等の形状保持部材によって保持することをやめることも可能である。さらに膜電極接合体やセパレータは、二次元に屈曲されたものに限定されず、三次元に屈曲されたものでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、車両等に用いる燃料電池システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】実施例１のスタック及びセルに係り、スタックの拡大断面図である。
【図２】実施例１のスタック及びセルに係り、スタックのより拡大した断面図である。
【図３】実施例１のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の拡大した断面図である。
【図４】実施例１のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の製造方法を示す断面図である。図（Ａ）は一方法を示し、図（Ｂ）は他の方法を示している。
【図５】実施例１のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の製造方法を示す断面図である。
【図６】実施例１のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の断面図である。
【図７】実施例１のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の分解断面図である。
【図８】実施例１のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の他の製造方法を示す断面図である。
【図９】実施例２のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の断面図である。
【図１０】実施例２のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の分解断面図である。
【図１１】実施例３のスタック及びセルに係り、スタックの拡大断面図である。
【図１２】実施例３のスタック及びセルに係り、スタックのより拡大した断面図である。
【図１３】実施例４のスタック及びセルに係り、スタックの拡大断面図である。
【図１４】実施例４のスタック及びセルに係り、スタックのより拡大した断面図である。
【図１５】実施例４のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の断面図である。
【図１６】実施例４のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の分解断面図である。
【図１７】実施例５のスタック及びセルに係り、スタックの拡大断面図である。
【図１８】実施例５のスタック及びセルに係り、スタックのより拡大した断面図である。
【図１９】実施例６のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の断面図である。
【図２０】実施例６のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の分解断面図である。
【符号の説明】
【００８４】
３、１２、２１…電解質膜
４、３１…カソード極
５、３３…アノード極
１、１７、３０、３５、５０、５５…膜電極接合体
６、６ａ、６ｂ…空気室
７、７ａ、７ｂ…燃料室
２、４０、５１…セパレータ
１０…セル
４ａ、４ｂ、１１ｂ、３２、３４…網（形状保持部材）
４ｃ…カソード拡散層
５ｃ…アノード拡散層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセル及びスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に従来の燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）及びセルが開示され、特許文献２には他の従来の燃料電池の膜電極接合体、セル及びスタックが開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示の燃料電池の膜電極接合体は、ナフィオン（登録商標、Nafion（Dupon社製））等の固体高分子膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有している。カソード極は及びアノード極は白金（Ｐｔ）等の触媒を担持したカーボン粒子等からなる。
【０００４】
この膜電極接合体の特徴的な構成として、電解質膜、カソード極及びアノード極は、凹凸形状に成形されており、金属製等の網によってその形状が保持されている。この膜電極接合体を一対の平板状のセパレータで挟むことにより最小発電単位である燃料電池のセルが構成され、このセルが多数積層されてスタックが構成される。
【０００５】
この燃料電池のスタックにおいては、セパレータと膜電極接合体とにより空気室及び燃料室が形成され、カソード極に空気が供給されるとともにアノード極に燃料が供給される。この間、膜電極接合体では、アノード極における電気化学的反応により、燃料から水素イオン（Ｈ+；プロトン）と電子とが生成される。そして、プロトンは水分子を伴ったＨ3Ｏ+の形で電解質膜内をカソード極に向かって移動する。また、電子は、スタックに接続された負荷を通り、カソード極に流れる。一方、カソード極においては、空気中に含まれる酸素とプロトンと電子とから水が生成される。このような電気化学的反応が連続して起こることにより、スタックは起電力を連続して発生することができる。
【０００６】
特許文献２に開示の膜電極接合体も特許文献１に開示の膜電極接合体と同様の膜電極接合体を開示している。また、特許文献２のセルやスタックは各セパレータの空気室及び燃料室に形状保持のための多孔体を充填している。
【０００７】
特許文献１、２に開示の膜電極接合体は、電解質膜、カソード極及びアノード極が凹凸形状に屈曲されていることから、カソード極及びアノード極の投影面積当たりの表面積がともに大きくなっている。このため、この種の膜電極接合体を用いたスタックは、単位体積当たり、大きな面積で電気化学反応を生じ、発電能力が高くなる。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２２４６７７号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４４２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記従来のセルは、カソード極及びアノード極を屈曲した膜電極接合体を採用しつつ、平板状の一対のセパレータを採用していることから、空気室と燃料室とが常に等しくされる。このため、この種のセルを用いたスタックでは、アノード極側での燃料の消費体積の増加に従ってカソード極側で空気の圧力損失が増大してしまう。
【００１０】
このため、そのスタックでは、空気の供給に必要な動力が増加してしまう。また、スタックにおける空気室の断面積をむやみに大きくして空気の圧力損失を小さく保とうとすれば、スタックの大型化を生じてしまう。
【００１１】
特許文献２開示のセルやスタックにおいても、セパレータの空気室及び燃料室に充填された多孔体によって空気及び燃料の圧力損失を生じ、やはり消費動力の増大及びスタックの大型化を生じてしまう。
【００１２】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、消費動力の軽減及びスタックの小型化を実現可能にすることを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の燃料電池のセルは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
【００１４】
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなすセパレータとを備えた燃料電池のセルにおいて、
【００１５】
前記膜電極接合体及び各該セパレータは、前記空気室が前記燃料室よりも大きくなるように、各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明のセルでは、平板材が二次元又は三次元で屈曲された膜電極接合体を採用していることから、カソード極及びアノード極の投影面積当たりの表面積がともに大きくなっている。このため、このセルを用いたスタックは、単位体積当たり、大きな面積で電気化学反応を生じ、発電能力が高くなる。
【００１７】
また、このセルでは、平板材が二次元又は三次元で屈曲された各セパレータを採用し、空気室が燃料室よりも大きくなるようにしている。このため、このセルを用いたスタックでは、アノード極側での燃料の消費体積の増加に従ってカソード極側で空気の圧力損失を生じ難い。
【００１８】
したがって、本発明のセルによれば、スタックの消費動力を軽減できる。また、スタックにおける空気室の断面積を燃料室に応じて大きくすることで比較的小さくできることから、スタックの小型化も実現できる。
【００１９】
また、本発明のセルは、平板材を二次元又は三次元で屈曲させた各セパレータを採用していることから、特開平４−１５４０４７号公報に開示された各セパレータに比べ、各セパレータの製造が容易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。
【００２０】
各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲された膜電極接合体及びセパレータを採用し、空気室が燃料室よりも大きくなるようにするためには、膜電極接合体の山と谷とを同一のピッチで形成しつつ、セパレータの山と谷との幅を変えることが可能である。また、膜電極接合体又はセパレータの山と谷とのピッチを変えることも可能である。
【００２１】
なお、空気室を燃料室よりもどの程度大きくするかは、２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏのモル数、燃料の供給圧力、空気の供給圧力及び空気中の酸素分圧によって設定することができる。
【００２２】
本発明に係る膜電極接合体及びセパレータは、各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲されている。つまり、膜電極接合体の平板材を屈曲することにより本発明に係る膜電極接合体が得られ、セパレータの平板材を屈曲することにより本発明に係るセパレータが得られる。平板材の屈曲は、二次元（つまり、山及び谷が一方向に連続した波板形状）でもよく、三次元（つまり、山及び谷が連続せずに独立して形成された形状）でもよい。平板材の屈曲は、屈曲点又は屈曲線が緩やかな湾曲を含む。
【００２３】
本発明のセルでは、膜電極接合体は、形状を保持する形状保持部材を有することが好ましい。この場合、形状保持部材によって膜電極接合体の屈曲した形状が保持され、長期に亘って本発明の作用効果が維持される。また、膜電極接合体が形状保持部材を有すれば、膜電極接合体自体が屈曲した形状を保持するため、別に用意したセパレータと容易に位置合わせを行い、製造コストの低廉化を実現することができる。
【００２４】
形状保持部材は、膜電極接合体の特性を損なわなければ、種々の材質、形状のものを採用することができる。材質としては、例えば金属、樹脂、セラミック、ガラス等を採用し得る。
【００２５】
電解質膜、カソード極及びアノード極の少なくとも一つが形状保持部材を含み得る。
【００２６】
形状保持部材は金属製の網又は多孔板からなることが好ましい。形状保持部材が金属製であれば、高い剛性により形状保持機能が長期に亘って作用する。また、形状保持部材が網又は多孔板であることにより、燃料、プロトン又は空気を好適に伝導させることができる。なお、ここで、多孔板とは、気孔が厚さ方向に連続し、厚さ方向両側で外部に気孔が開くものをいう。
【００２７】
セパレータが導電性のものであり、カソード極及びアノード極の少なくとも一つが電解質側とは逆側に形成されて空気又は燃料を拡散する拡散層を有する場合、拡散層に導電性の形状保持部材が一部を露出させて含まれていることが好ましい。この場合、形状保持部材が導電性のあるセパレータと当接すれば、形状保持機能とともに集電機能も発揮し、別に集電材を設ける必要がなくなることから、スタックのより一層の小型化を実現できる。
【００２８】
また、本発明のセルでは、各セパレータが膜電極接合体の形状を保持するように形成されていることもできる。この場合、セパレータによって膜電極接合体の屈曲した形状が保持され、長期に亘って本発明の作用効果が維持される。また、セパレータが膜電極接合体の形状を保持すれば、別に形状保持体を設ける必要がなく、製造コストの低廉化を実現することができる。この場合、セパレータは、剛性を有し、セパレータの特性を損なわなければ、種々の材質、形状のものを採用することができる。材質としては、例えば金属、樹脂、セラミック、ガラス等を採用し得る。導電性の金属によってセパレータを構成すれば、セパレータが形状保持機能とともに集電機能も発揮し、別に集電材を設ける必要がなくなることから、スタックのより一層の小型化を実現できる。
【００２９】
本発明の燃料電池のスタックは、上記セルを多数積層してなることを特徴とする。
【００３０】
本発明のスタックは、上記セルを採用していることから、消費動力を軽減できるとともに、小型化され得る。また、本発明のスタックは、上記セルの各セパレータを採用していることから、各セパレータの製造が容易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。
【００３１】
また、本発明の燃料電池のスタックは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する複数の膜電極接合体と、
【００３２】
各該膜電極接合体を間に挟んで積層され、個々が各該カソード極側に空気室を形成するとともに、各該アノード極側に燃料室を形成する複数のセパレータとを備えた燃料電池のスタックにおいて、
【００３３】
各前記膜電極接合体及び各前記セパレータは各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲され、前記各空気室は前記各燃料室よりも大きいことを特徴とする。
【００３４】
本発明のスタックは、消費動力を軽減できるとともに、小型化され得る。また、本発明のスタックは、平板材を二次元又は三次元で屈曲させた各セパレータを採用していることから、各セパレータの製造が容易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。
【００３５】
本発明のスタックは、１枚の膜電極接合体及び１枚のセパレータを１ユニットとすると、１ユニットの膜電極接合体側の谷の裏面が隣のユニットのセパレータ側の山の表面に当接してもよく、１ユニットの膜電極接合体側の谷の裏面が隣のユニットのセパレータ側の谷の表面に当接してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明を具体化した実施例１〜６を図面を参照しつつ説明する。
【実施例１】
【００３７】
実施例１のスタックの詳細を図１に示す。このスタックは、セル１０が多数積層されて構成されている。セル１０は、膜電極接合体１と、膜電極接合体１を挟持する対をなすセパレータ２とからなる。隣り合う各セル１０は各々セパレータ２を共有している。
【００３８】
膜電極接合体１は、図２に示すように、電解質膜３と、この電解質膜３の一面に接合されたカソード極４と、電解質膜３の他面に接合されたアノード極５とからなる。この膜電極接合体１は、屈曲前の平板材が二次元で、つまり緩やかな山１ａ及び谷１ｂが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。膜電極接合体１は山１ａと谷１ｂとが同一のピッチで形成されている。
【００３９】
電解質膜３はナフィオン（登録商標、Nafion（Dupon社製））等の固体高分子膜からなる。
【００４０】
カソード極４は、図３に示すように、形状保持部材としての網４ａと、この網４ａの電解質膜３側に形成されたカソード触媒層４ｂと、非電解質側で網４ａの目によって形成されたカソード拡散層４ｃとからなる。網４ａはステンレスに耐食性のコーティング（例えば、金メッキ）が施されたものである。また、網４ａはカソード拡散層４ｃから一部が露出している。カソード触媒層４ｂは、カーボン粒子に白金（Ｐｔ）等の触媒を担持したカーボン粒子と電解質とを混合したものであり、カソード拡散層４ｃは、カーボン粒子とＰＴＦＥとの混合物からなる。
【００４１】
また、アノード極５も、形状保持部材としての上記網５ａと、この網５ａの電解質膜３側に形成されたアノード触媒層５ｂと、非電解質側で網５ａの目によって形成されたアノード拡散層５ｃとからなる。網５ａはアノード拡散層５ｃから一部が露出している。アノード触媒層５ｂも、カーボン粒子に白金（Ｐｔ）等の触媒を担持したカーボン粒子と電解質とを混合したものであり、アノード拡散層５ｃも、カーボン粒子とＰＴＦＥとの混合物からなる。
【００４２】
膜電極接合体１は、以下のように製造され得る。まず、図４（Ａ）に示すように、平板状に成形された担体粒子からなる拡散層シート１１ａと、平板状に成形された網１１ｂとを用意する。そして、拡散層シート１１ａと網１１ｂとを所定の圧力でプレスする。こうして、図５に示すように、平板状に成形された電極シート１１が得られる。図５は連続式屈曲装置を示す。
【００４３】
一方、平板状に成形された電解質膜１２も用意する。そして、連続式屈曲装置において、対をなすローラ１３〜１５で電解質膜１２の両面に電極シート１１を位置させながらこれらを搬送し、対をなすローラ１６によって電解質膜１２と両電極シート１１とを所定の圧力でプレスする。これにより平板状に成形された膜電極接合体１７が得られる。
【００４４】
触媒層の形成方法は、拡散層シートと網とをプレスした後に触媒を塗布して電極シートを形成する手法と、電解質膜の両面にカソード触媒層及びアノード触媒層をそれぞれ予め形成する手法とを採用することもできる。
【００４５】
この膜電極接合体１７は、続いて対をなす変形ローラ１８間に搬送される。両変形ローラ１８は膜電極接合体１７を波板形状屈曲可能に形成されている。こうして、図６に示すように、波板形状の膜電極接合体１が得られる。
【００４６】
また、図４（Ｂ）に示すように、平板状に成形された網１１ｂを用意し、スキージ１９によって担体粒子のスラリー１１ｃをこの網１１ｂに含浸させてもよい。こうして得られた平板状に成形された電極シート１１を用い、上記と同様に波板形状の膜電極接合体１を得ることもできる。
【００４７】
さらに、平板状に成形された電極シート１１及び電解質膜１２を図５に示す連続式屈曲装置によってそれぞれ波板形状に屈曲し、図７に示すように、それぞれ波板形状の電極シート２２及び電解質膜２１とすることもできる。これら電極シート２２及び電解質膜２１は、図８に示すように、電解質膜２１の両面に電極シート２２を位置させた状態でプレス型２３によってホットプレスされ得る。プレス型２３の上型２３ａ及び下型２３ｂは、電極シート２２及び電解質膜２１の波板形状と整合する成形面を有している。こうして、図６に示す波板形状の膜電極接合体１が得られる。
【００４８】
また、平板状に成形された電極シート１１及び電解質膜１２を図８に示すプレス型２３によってホットプレスし、上記と同様に波板形状の膜電極接合体１を得ることもできる。
【００４９】
図１及び図２に示す各セパレータ２は、ステンレスに耐食性のコーティング（例えば、金メッキ）が施されたものである。これらのセパレータ２も、屈曲前の平板材が二次元、つまり山２ａ及び谷２ｂが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。セパレータ２は山２ａの方が谷２ｂよりも幅広に形成されている。
【００５０】
そして、対をなすセパレータ２によって膜電極接合体１を挟持して各セル１０を構成する。そして、セル１０を多数積層する。この際、隣り合う各セル１０が各々セパレータ２を共有するようにする。
【００５１】
この際、各膜電極接合体１の各山１ａと各セパレータ２の各山２ａとが整合し、各膜電極接合体１の各谷１ｂと各セパレータ２の各谷２ｂとが整合するようにする。１枚の膜電極接合体１及び１枚のセパレータ２を１ユニットとすると、このユニットは、膜電極接合体１の山１ａの表面がセパレータ２の山２ａの裏面と当接し、膜電極接合体１の谷１ｂの表面はセパレータ２の谷２ｂの裏面と間隙を有している。そして、各膜電極接合体１の各谷１ｂのカソード極４側である裏面が各セパレータ２の各山２ａの表面と当接するようにする。
【００５２】
また、カソード拡散層４ｃから露出した網４ａ及びアノード拡散層５ｃから露出した網５ａがセパレータ２と当接するようにする。こうして、スタックが得られる。
【００５３】
得られたスタックでは、セパレータ２は、膜電極接合体２のカソード極４側に空気室６を形成するとともに、アノード極５側に燃料室７を形成することとなる。つまり、スタックは、複数の膜電極接合体１と、各膜電極接合体１を間に挟んで積層され、個々が各カソード極４側に空気室６を形成するとともに、各アノード極５側に燃料室７を形成する複数のセパレータ２とを備えている。
【００５４】
以上のように構成されたスタックは、平板材が二次元で屈曲された膜電極接合体１を採用していることから、カソード極４及びアノード極５の投影面積当たりの表面積がともに大きくなっている。このため、このスタックは、単位体積当たり、大きな面積で電気化学反応を生じ、発電能力が高くなる。
【００５５】
また、このスタックでは、平板材が二次元で屈曲された各セパレータ２を採用し、空気室６が燃料室７よりも大きくなるようにしている。このため、このスタックでは、アノード極５側での燃料の消費体積の増加に従ってカソード極４側で空気の圧力損失を生じ難い。
【００５６】
したがって、このスタックであれば、消費動力を軽減できる。また、スタックにおける空気室６の断面積を燃料室７に応じて大きくすることで比較的小さくできることから、小型化も実現できる。
【００５７】
また、このスタックは、平板材を二次元で屈曲させた各セパレータ２を採用していることから、各セパレータ２の製造が容易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。
【００５８】
さらに、このスタックでは、各膜電極接合体１が網４ａ、５ａを有し、各セパレータ２に挟持されている。このため、網４ａ、５ａ及びセパレータ２によって膜電極接合体１の屈曲した形状が保持され、長期に亘って上記作用効果が維持される。特に、網４ａ、５ａ及びセパレータ２がステンレス製であり、かつ耐食性のコーティングを有するものであるため、高い剛性により形状保持機能が長期に亘って作用するとともに、電解質膜３の酸に対する優れた耐食性も発揮する。なお、網４ａ、５ａが目を有することから、燃料、プロトン又は空気を好適に伝導させることは維持されている。
【００５９】
また、このスタックでは、膜電極接合体１が網４ａ、５ａを有することにより、膜電極接合体１自体が屈曲した形状を保持するため、セパレータ２と容易に位置合わせを行い、製造コストの低廉化を実現することができる。
【００６０】
さらに、このスタックでは、網４ａ、５ａがセパレータ２と当接して集電機能も発揮することができ、一層の小型化を実現している。
【実施例２】
【００６１】
実施例２のスタックは、図９に示す膜電極接合体３０を採用している。この膜電極接合体３０は、図１０に分解断面図を示すように、電解質膜３と、この電解質膜３の一面に接合されたカソード極３１と、カソード極３１の非電解質側に接合された金属製の網３２と、電解質膜３の他面に接合されたアノード極３３と、アノード極３３の非電解質側に接合された金属製の網３４とからなる。
【００６２】
カソード極３１は、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等のガス透過性のある基材と、この基材の電解質膜３側に形成され、白金（Ｐｔ）等の触媒が担持されたカソード触媒層とからなる。カソード極３１におけるカソード触媒層以外の部分は基材によって構成されており、ここは非電解質側でカソード触媒層に空気を拡散するカソード拡散層とされている。
【００６３】
また、アノード極３３も、上記基材と、この基材の電解質膜３側に形成され、触媒が担持されたアノード触媒層とからなる。アノード極３３におけるアノード触媒層以外の部分も基材によって構成されており、ここは非電解質側でアノード触媒層に空気を拡散するアノード拡散層とされている。
【００６４】
電解質膜３、カソード極３１及びアノード極３３によって公知の膜電極接合体３５が形成されている。形状保持部材としての網３２、３４は、この公知の膜電極接合体３５に後付で接合されている。他の構成は実施例１と同様である。
【００６５】
このスタックは、網３２、３４が公知の膜電極接合体３５に後付で接合されることから、公知の膜電極接合体３５を有効利用することができる。他の作用効果は実施例１と同様である。
【実施例３】
【００６６】
実施例３のスタックは、図１１及び図１２に示すように、実施例１のセパレータ２とは形状が異なるセパレータ４０を採用している。
【００６７】
このスタックでは、１枚の膜電極接合体１及び１枚のセパレータ４０からなるユニットは、膜電極接合体１の山１ａの表面がセパレータ４０の山４０ａの裏面及び両側面と当接し、膜電極接合体１の谷１ｂの表面はセパレータ４０の谷４０ｂの裏面と間隙を有している。そして、各膜電極接合体１の各谷１ｂのカソード極４側である裏面は各セパレータ４０の各山４０ａの側壁の表面と当接されている。
【００６８】
こうして、このスタックでは、カソード極４側に空気室６ａ、６ｂが形成され、アノード極５側に燃料室７ａ、７ｂが形成されている。空気室６ａ、６ｂの合計の断面積は燃料室７ａ、７ｂの合計の断面積よりも大きくなっている。他の構成は実施例１と同様である。
【００６９】
このスタックにおいても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。なお、膜電極接合体１の代わりに実施例２の膜電極接合体３０を採用することもできる。
【実施例４】
【００７０】
実施例４のスタックは、図１３及び図１４に示すように、実施例１の膜電極接合体１及びセパレータ２とは形状が異なる膜電極接合体５０及びセパレータ５１を採用している。
【００７１】
膜電極接合体５０は、図１５及び図１６に示すように、実施例２で説明した公知の膜電極接合体３５を異なる形状に屈曲したものである。この膜電極接合体５０は、等脚台形状の山５０ａ及び谷５０ｂが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。
【００７２】
セパレータ５１も、等脚台形状の山５１ａ及び二等辺三角形形状の谷５１ｂが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。他の構成は実施例１と同様である。
【００７３】
このスタックにおいては、膜電極接合体５０の山５０ａ及び谷５０ｂ並びにセパレータ５１の山５１ａが等脚台形状であることから、高い剛性を有している。このため、スタックを図示しないハウジングとともにボルトによって締結する際、膜電極接合体５０及びセパレータ５１に座屈を生じにくい。他の作用効果は実施例１と同様である。なお、膜電極接合体５０の代わりに実施例１〜３の膜電極接合体１、３０を採用することもできる。
【実施例５】
【００７４】
実施例５のスタックは、図１７及び図１８に示すように、実施例４の膜電極接合体５０及びセパレータ５１が異なる形状で組み付けられている。
【００７５】
このスタックでは、１枚の膜電極接合体５０及び１枚のセパレータ５１からなるユニットは、膜電極接合体５０の山５０ａの表面がセパレータ５１の山５０ａの裏面と当接し、膜電極接合体５０の谷５０ｂの表面はセパレータ５１の谷５１ｂを跨いでいる。そして、各膜電極接合体５０の各谷５０ｂのカソード極４側である裏面は各セパレータ５１の各山５１ａの表面と当接されている。
【００７６】
こうして、このスタックでは、カソード極４側に空気室６ａ、６ｂが形成され、アノード極５側に燃料室７が形成されている。空気室６ａ、６ｂの合計の断面積は燃料室７の断面積よりも大きくなっている。他の構成は実施例１、４と同様である。
【００７７】
このスタックにおいても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【実施例６】
【００７８】
実施例６のスタックは、図１９に示す膜電極接合体５５を採用している。この膜電極接合体５５は、図２０に分解断面図を示すように、実施例１の膜電極接合体１を異なる形状に屈曲させたものであり、実施例４の膜電極接合体５０と同様、等脚台形状の山５５ａ及び谷５５ｂが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。他の構成は実施例１、４と同様である。
【００７９】
このスタックにおいても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【００８０】
以上において、本発明を実施例１〜６に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜６に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【００８１】
例えば、網の代わりに多孔板を用いることができる。また、各セパレータによって各膜電極接合体の形状を保持し、膜電極接合体を網等の形状保持部材によって保持することをやめることも可能である。さらに膜電極接合体やセパレータは、二次元に屈曲されたものに限定されず、三次元に屈曲されたものでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、車両等に用いる燃料電池システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】実施例１のスタック及びセルに係り、スタックの拡大断面図である。
【図２】実施例１のスタック及びセルに係り、スタックのより拡大した断面図である。
【図３】実施例１のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の拡大した断面図である。
【図４】実施例１のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の製造方法を示す断面図である。図（Ａ）は一方法を示し、図（Ｂ）は他の方法を示している。
【図５】実施例１のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の製造方法を示す断面図である。
【図６】実施例１のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の断面図である。
【図７】実施例１のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の分解断面図である。
【図８】実施例１のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の他の製造方法を示す断面図である。
【図９】実施例２のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の断面図である。
【図１０】実施例２のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の分解断面図である。
【図１１】実施例３のスタック及びセルに係り、スタックの拡大断面図である。
【図１２】実施例３のスタック及びセルに係り、スタックのより拡大した断面図である。
【図１３】実施例４のスタック及びセルに係り、スタックの拡大断面図である。
【図１４】実施例４のスタック及びセルに係り、スタックのより拡大した断面図である。
【図１５】実施例４のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の断面図である。
【図１６】実施例４のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の分解断面図である。
【図１７】実施例５のスタック及びセルに係り、スタックの拡大断面図である。
【図１８】実施例５のスタック及びセルに係り、スタックのより拡大した断面図である。
【図１９】実施例６のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の断面図である。
【図２０】実施例６のスタック及びセルに係り、膜電極接合体の分解断面図である。
【符号の説明】
【００８４】
３、１２、２１…電解質膜
４、３１…カソード極
５、３３…アノード極
１、１７、３０、３５、５０、５５…膜電極接合体
６、６ａ、６ｂ…空気室
７、７ａ、７ｂ…燃料室
２、４０、５１…セパレータ
１０…セル
４ａ、４ｂ、１１ｂ、３２、３４…網（形状保持部材）
４ｃ…カソード拡散層
５ｃ…アノード拡散層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなすセパレータとを備えた燃料電池のセルにおいて、
前記膜電極接合体及び各該セパレータは、前記空気室が前記燃料室よりも大きくなるように、各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲されていることを特徴とする燃料電池のセル。
【請求項２】
前記膜電極接合体は、形状を保持する形状保持部材を有する請求項１記載の燃料電池のセル。
【請求項３】
前記電解質膜、前記カソード極及び前記アノード極の少なくとも一つが前記形状保持部材を含む請求項２記載の燃料電池のセル。
【請求項４】
前記形状保持部材は金属製の網又は多孔板からなる請求項２又は３記載の燃料電池のセル。
【請求項５】
前記セパレータは導電性のものであり、
前記カソード極及び前記アノード極の少なくとも一つは、前記電解質側とは逆側に形成されて前記空気又は前記燃料を拡散する拡散層を有し、該拡散層に導電性の前記形状保持部材が一部を露出させて含まれている請求項４記載の燃料電池のセル。
【請求項６】
前記各セパレータが前記膜電極接合体の形状を保持するように形成されている請求項１記載の燃料電池のセル。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項記載のセルを多数積層してなることを特徴とする燃料電池のスタック。
【請求項８】
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する複数の膜電極接合体と、
各該膜電極接合体を間に挟んで積層され、個々が各該カソード極側に空気室を形成するとともに、各該アノード極側に燃料室を形成する複数のセパレータとを備えた燃料電池のスタックにおいて、
各前記膜電極接合体及び各前記セパレータは各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲され、前記各空気室は前記各燃料室よりも大きいことを特徴とする燃料電池のスタック。
【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなすセパレータとを備えた燃料電池のセルにおいて、
前記膜電極接合体及び各該セパレータは、前記空気室が前記燃料室よりも大きくなるように、各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲されていることを特徴とする燃料電池のセル。
【請求項２】
前記膜電極接合体は、形状を保持する形状保持部材を有する請求項１記載の燃料電池のセル。
【請求項３】
前記電解質膜、前記カソード極及び前記アノード極の少なくとも一つが前記形状保持部材を含む請求項２記載の燃料電池のセル。
【請求項４】
前記形状保持部材は金属製の網又は多孔板からなる請求項２又は３記載の燃料電池のセル。
【請求項５】
前記セパレータは導電性のものであり、
前記カソード極及び前記アノード極の少なくとも一つは、前記電解質側とは逆側に形成されて前記空気又は前記燃料を拡散する拡散層を有し、該拡散層に導電性の前記形状保持部材が一部を露出させて含まれている請求項４記載の燃料電池のセル。
【請求項６】
前記各セパレータが前記膜電極接合体の形状を保持するように形成されている請求項１記載の燃料電池のセル。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項記載のセルを多数積層してなることを特徴とする燃料電池のスタック。
【請求項８】
電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する複数の膜電極接合体と、
各該膜電極接合体を間に挟んで積層され、個々が各該カソード極側に空気室を形成するとともに、各該アノード極側に燃料室を形成する複数のセパレータとを備えた燃料電池のスタックにおいて、
各前記膜電極接合体及び各前記セパレータは各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲され、前記各空気室は前記各燃料室よりも大きいことを特徴とする燃料電池のスタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００７−８７８６０（Ｐ２００７−８７８６０Ａ）
【公開日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２７７６０６（Ｐ２００５−２７７６０６）
【出願日】平成１７年９月２６日（２００５．９．２６）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２６日（２００５．９．２６）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]