燃料電池セル
【課題】反応ガスがリブを超えてパスカットするのを十分に抑制できるようにする。
【解決手段】セパレータ２０に設けられて反応ガスの流路を形成するリブ２１と電極３２とを液状封止材で固定し、電極３２に含浸した当該液状封止材にて電極３２の気孔率を他の部位よりも低減させる。セパレータ２０は、液状封止材の余剰分を貯留しておくため、リブ２１の頂部よりも厚み方向で窪んだ液状封止材溜まり部２２を有していることが好ましい。
【解決手段】セパレータ２０に設けられて反応ガスの流路を形成するリブ２１と電極３２とを液状封止材で固定し、電極３２に含浸した当該液状封止材にて電極３２の気孔率を他の部位よりも低減させる。セパレータ２０は、液状封止材の余剰分を貯留しておくため、リブ２１の頂部よりも厚み方向で窪んだ液状封止材溜まり部２２を有していることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池セルの構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。セパレータには、各反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）が流れる領域を仕切るようにして流路を形成するリブ（ガス流路リブ）が例えば互いに平行となるように設けられている。
【０００３】
従来、このようなリブをセパレータに設ける場合、反応ガスの流れが同じ向きとなっている隣接流路を仕切るリブよりも、流れが逆向きとなっている隣接流路を仕切るリブの方が幅広となるようにしている場合がある（例えば、特許文献１参照）。これは、反応ガスが当該リブをすり抜けるようにして隣接する流路にショートカットしてしまう現象（いわゆるパスカット）を抑制することを主眼としているもので、いわゆるサーペンタイン型のガス流路を有する燃料電池などにおいて採用されていることがある。
【特許文献１】特開２００１−７６７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような構成のリブであっても反応ガスのパスカットを十分程度にまで抑制することは難しかった。このようなパスカットの現象が生じて反応ガスが途中でショートカットすると、各ガス流路に沿うようなガスの流れが阻害される結果、発電領域内におけるガスストイキが減少して発電性能が低下するという問題が起こる。
【０００５】
そこで、本発明は、反応ガスがリブを超えてパスカットするのを十分に抑制することが可能な燃料電池セル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】
【０００６】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。上述のように反応ガスがリブを超えてパスカットしてしまうという現象は、特にＭＥＡ（膜−電極アッセンブリ）の電極部の周囲部分（電極外縁のすぐ外側の部分）において生じやすい。これは、セパレータとＭＥＡ間を例えばガスケット等を用いてシールする構造または接着してシールする構造のいずれにおいても、樹脂フレームなどの部品が配置される場合にはそれぞれの部品公差や組付公差の影響で流路最外周部に構造上隙間が生じうることが要因となっている。このように、ＭＥＡの電極外縁のすぐ外側の部分にてセパレータ間に隙間が生じやすく、当該隙間部分からガスが漏れ出て隣接する流路に抜け出てしまうことからすれば、このような現象を抑えてパスカットを効果的に抑制するには液状の封止材を有効に活用することが望ましいと考えられた。流動性を有し、ある程度周囲に拡がった後に固化する液状封止材であればガスケットやパッキンといった封止材よりも局所的な隙間を埋めやすく、尚かつ部品公差や組付公差に起因するセル毎の微妙な差異にも対応しやすい。この点に着目してさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
【０００７】
本発明はかかる知見に基づくもので、電極とセパレータが積層されてなる燃料電池セルであって、前記セパレータに設けられて反応ガスの流路を形成するリブと前記電極とが液状封止材で固定され、前記電極に含浸した前記液状封止材にて前記電極の気孔率が他の部位よりも低減していることを特徴とするものである。例えば接着剤等からなる液状封止材は、電極に含浸された状態となって当該電極の気孔率（透気度）を低下させる。これによれば、反応ガスが通過可能な透孔が詰まる分だけ、当該電極を通じた反応ガスのパスカットを抑制することができる。
【０００８】
このような燃料電池セルの場合、互いに同じ方向の流れの隣接する流路間を仕切る第１のリブと、逆向きの流れの隣接する流路間を仕切る第２のリブとを有し、前記液状封止材は前記第２のリブに対してのみ設けられていることが好ましい。例えば複数本の反応ガス流路が平行となるように形成されているような場合、同方向に流れる反応ガス流路間にて反応ガスのパスカットが生じたとしても、発電性能という観点からすれば問題とはなり難い。一方、逆向きの流れの隣接する流路間にて反応ガスのパスカットが生じるとガスストイキが減少して発電性能が低下するおそれがある。この点、流れが逆向きとなる流路間を仕切る第２のリブに対して液状封止材を設けることとした本発明によれば、このような発電性能の低下に結び付くようなパスカットを効果的に抑えることが可能である。
【０００９】
さらに、このような燃料電池セルの場合、前記液状封止材は前記反応ガスが流れる領域の外郭と前記第２のリブとの接続部分にのみ選択的に設けられていることも好ましい。上述したように、電極外縁のすぐ外側の部分においてセパレータ間に隙間が生じることがあり、当該隙間にてパスカットが生じることがある。この点、ガスが流れる領域と第２のリブ（流れが逆向きとなっている隣接する流路間を仕切るリブ）との接続部分に液状封止材を選択的に設けることとした本発明の場合には、発電性能を低下させうるパスカットを効果的に抑えることが可能である。
【００１０】
また、前記セパレータは、前記液状封止材の余剰分を貯留しておくための、リブの頂部よりも厚み方向で窪んだ液状封止材溜まり部を有していることが好ましい。上述したように、液状封止材は流動性を有するが故に塗布されてから固化するまでの間に流れ出るようにして拡がり、場合によっては所定の範囲を超えてＭＥＡ電極の表面を覆うこともある。この点、本発明にかかる燃料電池セルの場合には、セパレータが有する液状封止材溜まり部によって液状封止材の拡がりを一定範囲内に抑えることが可能であるから、ＭＥＡ電極が不必要に覆われて発電領域が減少するのを抑えることが可能である。
【００１１】
さらに、前記電極のうち、前記液状封止材との間に隙間を有している部分の少なくとも一部については当該電極の端部のみ厚く形成されていることが好ましい。ＭＥＡ（膜−電極アッセンブリ）とセパレータとを重ね合わせた場合、このように厚く形成されている部分がセパレータ内側の面に密着して反応ガスが当該ＭＥＡの外側に漏れ出るのを抑制する。
【００１２】
また、この場合においては、前記電極の端部のうち厚く形成された部分は、当該電極とは別の弾性を有する部材が設けられることによって形成されていることが好ましい。この場合、変形した弾性部材が弾性力を発揮しつつセパレータと密着することによって反応ガスが漏れ出るのをより効果的に抑制する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、反応ガスがリブを超えてパスカットするのを十分に抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１〜図９に本発明にかかる燃料電池セルの実施形態を示す。本実施形態における燃料電池セル（以下、単にセルともいう）２は、セパレータ２０に設けられたリブ２１と電極３２（３２ａ，３２ｂ）とが液状封止材で固定されているもので、電極３２に含浸した液状封止材にて電極３２の気孔率を他の部位よりも低減させている。そして、これにより、反応ガスが通過可能な透孔が詰まる分だけ当該電極３２を通じた反応ガスのパスカットを抑制するようにしている。
【００１６】
以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成するセル２および複数のセル２が積層されてなるセル積層体３の概略構成について説明し、その後、反応ガスのパスカットを効果的に抑制するための構成について説明する。
【００１７】
図１に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されてセル積層体３を構成している（図２参照）。また、このセル積層体３等で構成される燃料電池スタックは、例えばスタック両端を一対のエンドプレート８で挟まれ、さらにこれらエンドプレート８どうしを繋ぐようにテンションプレート９からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている（図２参照）。
【００１８】
なお、このような燃料電池スタック等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても用いることが可能である。
【００１９】
セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図１においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを付して示している）等で構成されている（図１参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。
【００２０】
ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図１参照）。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。
【００２１】
ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。
【００２２】
セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。
【００２３】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１参照）。例えば本実施形態の場合、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている。
【００２４】
さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。
【００２５】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ｂは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ａも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参照）。なお、図２等においてはａ，ｂの添字を省略した形で各マニホールドの符号を示している。
【００２６】
上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガスの入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガスの入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図１参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。
【００２７】
第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図１参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。
【００２８】
さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図１参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。
【００２９】
なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。
【００３０】
枠状部材４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（以下、樹脂フレームともいう）である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。
【００３１】
次に、燃料電池１の構成について簡単に説明する（図２参照）。本実施形態における燃料電池１は、複数のセル２を積層してなるセル積層体３を有し、当該セル積層体３の両端に位置するセル２，２の外側に順次、出力端子付きの集電板、絶縁板およびエンドプレート８が各々配置された構造となっている（図２参照）。また、セル積層体３等を積層状態で拘束するテンションプレート９は、両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対が当該スタックの両側に対向するように配置される（図２参照）。テンションプレート９は、各エンドプレート８，８に接続され、セル積層体３の積層方向に所定の締結力（圧縮荷重）を作用させた状態を維持する。また、テンションプレート９の内側面（セル積層体３を向く面）には漏電やスパークが生じるのを防止すべく絶縁膜（図示省略）が形成されている。絶縁膜は、例えば当該テンションプレート９の内側面に貼り付けられた絶縁テープ、あるいは当該面を覆うように塗布された樹脂コーティングなどによって形成されている。なお、符号１２は、燃料電池スタックに締結力（圧縮荷重）を作用させる例えばコイルスプリング等からなる弾性モジュールを挟持するための一対の板状部材である（図２参照）。
【００３２】
続いて、反応ガスのパスカットを効果的に抑制するようにした本実施形態にかかるセル（燃料電池セル）２の構成について説明する（図４等参照）。
【００３３】
本実施形態の場合、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の両面には複数のリブ２１が設けられており、これら複数のリブ２１の間に形成される凹部によって酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、さらには冷却水流路３６が構成されている。そして、上述したように、セル２においては、セパレータ２０に設けられたリブ２１と電極３２（３２ａ，３２ｂ）とが液状封止材で固定されており、電極３２に含浸した液状封止材が当該電極３２の気孔率（すなわち反応ガスが通過しうる気孔の割合）を低減させている。これによれば、液状封止材を含浸させた部分においては反応ガスの通過可能な気孔が少なくとも他の部分より少なく、反応ガスが通過し難くなっているからその分だけパスカットを抑制することが可能となっている。
【００３４】
ここで用いられる液状封止材の一例としては例えば液体のいわゆる接着剤を挙げることができるが、具体例がこのようなものに特に限定されることはなく、また、その流動性（粘度）などの性状が特に限定されることもない。これ以外にも例えばシーラントと呼ばれるシール材はもちろんのこと、ゲル状の封止材や液状パッキンなどを用いることも可能である。
【００３５】
以下では、いわゆるサーペンタイン型の流路３５をもつセパレータ２０に本発明を適用した実施形態を例示して説明する（図３、図４参照）。なお、図４においてはリブ２１のうちサーペンタイン流路を形成している主要なもの（逆向きの流れの隣接する流路間を仕切る第２のリブ２１ｂ）を概略的に示しているだけだが、これら各リブ２１の間にさらに別のリブ（互いに同じ方向の流れの隣接する流路間を仕切る第１のリブ２１ａ）が設けられることは妨げられない（図３、図５参照）。
【００３６】
ここで、本実施形態においては、上述のごとき第１のリブ２１ａと第２のリブ２１ｂとがある場合に、液状封止材を第２のリブ２１ｂに対してのみ設けることとしている。例えば複数本の水素ガス流路３５が平行となるように形成されているような場合、同方向に流れるこれら水素ガス流路３５間にて水素ガスのパスカットが生じたとしても発電性能という観点からすれば特に問題がないのに対し、逆向きの流れの隣接する水素ガス流路３５間にて水素ガスのパスカットが生じるとガスストイキが減少して発電性能が低下するおそれがある。この点、流れが逆向きとなる流路３５間を仕切る第２のリブ２１ｂに対して液状封止材を設けることとすれば、このような発電性能の低下に結び付くようなパスカットを効果的に抑えることが可能である。しかも、このように液状封止材の適用箇所を特に必要な部位に絞ることとすれば材料のロスを減らしつつ所望の効果が得られるという点でも効果的である。
【００３７】
また、このように液状封止材の適用箇所を絞る場合においては、当該液状封止材を、水素ガスが流れる領域の外郭と第２のリブ２１ｂとの接続部分にのみ選択的に設けることも好ましい。電極３２の外縁のすぐ外側の部分においてはセパレータ２０間に隙間が生じることがあり、当該隙間にてパスカットが生じることがあるのに対し、水素ガスが流れる領域と第２のリブ２１ｂとの接続部分に液状封止材を選択的に設けることとすれば、発電性能を低下させうるパスカットをさらに効果的に抑えることが可能である。
【００３８】
さらに、本実施形態においては、液状封止材の余剰分を貯留しておくため、リブ２１の頂部よりも厚み方向で窪んだ液状封止材溜まり部２２を設けることとしている（図４参照）。液状封止材は、材質によっては塗布されてから固化するまでの間に流れ出るようにして大きく拡がることがあり、所定の範囲を超えて電極３２の表面を覆うこともあるが、本実施形態においてはセパレータ２０に設けたこの液状封止材溜まり部２２によって液状封止材の拡がりを一定範囲内に抑えるようにしている。これによれば、所定範囲を超えて電極３２が不必要に覆われるのを回避し、発電領域が減少するのを抑えることが可能となる。
【００３９】
このような液状封止材溜まり部２２の具体例が特に限定されることはないが、例えば本実施形態では、サーペンタイン型流路３５のターン部、および水素ガスの入口（水素ガスの入口側マニホールド１６ａ）と出口（水素ガスの出口側マニホールド１６ｂ）の各コーナ部に斜交いのリブ２１ｃを設けて略三角形状のスペースを形成し、当該スペースを液状封止材溜まり部２２としている（図４参照）。ちなみに、第２のリブ２１ｂを挟んで両側に斜交いのリブ２１ｃが設けられている部分においてはリブ形状が略Ｙ字形となっており、およそ２倍の大きさの液状封止材溜まり部２２が形成されている。
【００４０】
また、水素ガスのパスカットをより効果的に抑制するという観点からすれば、別の構成をさらに組み合わせることも好適である。例えば本実施形態では、電極（拡散層）３２のうち、液状封止材との間に隙間を有している部分の少なくとも一部については当該電極３２の端部のみ厚く形成することとしている（図５参照）。こうした場合、電極（拡散層）３２における透気度（ガスの通過しやすさ）を部分的に低下させ、電極３２の周囲部分（電極外縁のすぐ外側の部分）に水素ガスが漏れ出て抜けるのをさらに抑制することが可能となる。
【００４１】
具体例を示すと、例えば電極３２の周囲（側面）に沿ってガスケット２３を設け、当該ガスケット２３の表裏それぞれに形成したビード２３ａの分だけ電極３２の端部よりも厚く形成することを挙げることができる（図５、図６参照）。この場合、ＭＥＡ３０の両面に形成されたビード２３ａがセパレータ２０の面に圧接するリップとして機能し、押し付けられ変形した状態となって電極３２における透気度を部分的に低下させる。ガスケット２３の材質は特に限定されることはないが、このようなリップとしての機能を長期的に維持するといった点ではゴム材料などが好適である。
【００４２】
あるいは、電極３２の外周に沿うようにしてその表面と裏面とにそれぞれガスケット２３を設け、ビードを形成することとしてもよい（図７参照）。本実施形態においては、電極３２の外周部分に液状封止材を含浸させ、さらに当該部分の両面にガスケット２３を設けることによって透気度を相乗的に低下させるようにしている。
【００４３】
なお、図６や図７では好適な例を示したにすぎず、この他、例えば電極３２自体を部分的に厚く形成したり、電極３２の外周（側面）に形成したビード無しのガスケット２３の位置に合わせてセパレータ２０の内周面にリブ状の突起２０ｒを設けたり（図８参照）、あるいは液状封止材を含浸させた部分（図９において点を付している部分）に合わせてセパレータ２０の内周面にリブ状の突起２０ｒを設けたりすることによって電極３２における透気度を部分的に低下させることもできる。ただし、セパレータ２０に圧接するリップの高さやシール性といった観点からすれば、本実施形態にて示したように、当該電極３２とは別個のシール材（例えば上述のようなガスケット２３）を単独で設けることが好適である。
【００４４】
ここまで説明したように、本実施形態のセル（燃料電池セル）２においては液状の封止材をＭＥＡ３０の電極３２の一部に含浸させて当該電極３２の気孔率を低減させた構成となっている。例えばＭＥＡ３０の電極外縁のすぐ外側の部分にてセパレータ２０間に隙間が生じているような場合にも、このようなセル２によれば、水素ガスが当該隙間部分に漏れ出て隣接する流路３５に抜け出てしまうこと、リブ２１を超えるようにパスカットしてしまうことを抑制することが可能となる。
【００４５】
しかも、上述したように本実施形態においてはリブ２１の一部を仕切って液状封止材溜まり部２２を設け、液状封止材の余剰分を貯留しておくことを可能としているために、所望の領域を超えて液状封止材が拡がるのを回避することができる。したがって、電極３２の発電面が不必要に覆われて発電領域が減少してしまうのを抑制することができるから、液状封止材に起因して発電性能が低下してしまうのを避けることが可能である。
【００４６】
加えて、例えばガスケット２３のビード２３ａを設ける等により電極３２の端部のみを厚く形成するようにした本実施形態のセル２によれば、水素ガスが電極３２の外周部分における隙間に流れ出てショートカットする現象をさらに効果的に抑制することが可能となっている。
【００４７】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態ではサーペンタイン型の流路３５を有するセル２に本発明を適用した場合について説明したが、本発明の適用範囲がこのようなサーペンタイン型の場合に限られることはなく、例えば流路３５がストレート形状であるセル２に適用することももちろん可能である。ただし、反応ガスのパスカットは特に流路３５のターン部にて生じやすいことからすると、図４に示したようなサーペンタイン型のセパレータ２０からなるセル２に適用した場合に本発明は特に好適である。
【００４８】
また、上述した実施形態においては反応ガスが水素ガスである場合について説明したがこれも一例に過ぎず、酸化ガスについても上述した実施形態と同様に本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本実施形態における燃料電池セルの構造例を示す分解斜視図である。
【図２】燃料電池スタックの構造例を概略的に示す斜視図である。
【図３】水素ガスの流路側におけるセパレータの形状例を概略的に示す平面図である。
【図４】リブに液状封止材溜まり部が設けられたセルの形状例を概念的に示す平面図である。
【図５】燃料電池セルの断面形状の一例を概略的に示す図である。
【図６】電極の外周（側面）に形成されたガスケットのビードの一例を示す図である。
【図７】電極の外周（側面）に形成されたガスケットのビードの他の例を示す図である。
【図８】電極における透気度を部分的に低下させるための構成の他の例を示す図である。
【図９】電極における透気度を部分的に低下させるための構成のさらに他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…燃料電池、２…セル（燃料電池セル）、２１…リブ、２１ａ…第１のリブ、２１ｂ…第２のリブ、２２…液状封止材溜まり部、２３ａ…ガスケット２３のビード（電極３２の端部のうち厚く形成された部分）、３２（３２ａ，３２ｂ）…電極、３４…酸化ガスのガス流路（流路）、３５…水素ガスのガス流路（流路）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池セルの構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。セパレータには、各反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）が流れる領域を仕切るようにして流路を形成するリブ（ガス流路リブ）が例えば互いに平行となるように設けられている。
【０００３】
従来、このようなリブをセパレータに設ける場合、反応ガスの流れが同じ向きとなっている隣接流路を仕切るリブよりも、流れが逆向きとなっている隣接流路を仕切るリブの方が幅広となるようにしている場合がある（例えば、特許文献１参照）。これは、反応ガスが当該リブをすり抜けるようにして隣接する流路にショートカットしてしまう現象（いわゆるパスカット）を抑制することを主眼としているもので、いわゆるサーペンタイン型のガス流路を有する燃料電池などにおいて採用されていることがある。
【特許文献１】特開２００１−７６７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような構成のリブであっても反応ガスのパスカットを十分程度にまで抑制することは難しかった。このようなパスカットの現象が生じて反応ガスが途中でショートカットすると、各ガス流路に沿うようなガスの流れが阻害される結果、発電領域内におけるガスストイキが減少して発電性能が低下するという問題が起こる。
【０００５】
そこで、本発明は、反応ガスがリブを超えてパスカットするのを十分に抑制することが可能な燃料電池セル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】
【０００６】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。上述のように反応ガスがリブを超えてパスカットしてしまうという現象は、特にＭＥＡ（膜−電極アッセンブリ）の電極部の周囲部分（電極外縁のすぐ外側の部分）において生じやすい。これは、セパレータとＭＥＡ間を例えばガスケット等を用いてシールする構造または接着してシールする構造のいずれにおいても、樹脂フレームなどの部品が配置される場合にはそれぞれの部品公差や組付公差の影響で流路最外周部に構造上隙間が生じうることが要因となっている。このように、ＭＥＡの電極外縁のすぐ外側の部分にてセパレータ間に隙間が生じやすく、当該隙間部分からガスが漏れ出て隣接する流路に抜け出てしまうことからすれば、このような現象を抑えてパスカットを効果的に抑制するには液状の封止材を有効に活用することが望ましいと考えられた。流動性を有し、ある程度周囲に拡がった後に固化する液状封止材であればガスケットやパッキンといった封止材よりも局所的な隙間を埋めやすく、尚かつ部品公差や組付公差に起因するセル毎の微妙な差異にも対応しやすい。この点に着目してさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
【０００７】
本発明はかかる知見に基づくもので、電極とセパレータが積層されてなる燃料電池セルであって、前記セパレータに設けられて反応ガスの流路を形成するリブと前記電極とが液状封止材で固定され、前記電極に含浸した前記液状封止材にて前記電極の気孔率が他の部位よりも低減していることを特徴とするものである。例えば接着剤等からなる液状封止材は、電極に含浸された状態となって当該電極の気孔率（透気度）を低下させる。これによれば、反応ガスが通過可能な透孔が詰まる分だけ、当該電極を通じた反応ガスのパスカットを抑制することができる。
【０００８】
このような燃料電池セルの場合、互いに同じ方向の流れの隣接する流路間を仕切る第１のリブと、逆向きの流れの隣接する流路間を仕切る第２のリブとを有し、前記液状封止材は前記第２のリブに対してのみ設けられていることが好ましい。例えば複数本の反応ガス流路が平行となるように形成されているような場合、同方向に流れる反応ガス流路間にて反応ガスのパスカットが生じたとしても、発電性能という観点からすれば問題とはなり難い。一方、逆向きの流れの隣接する流路間にて反応ガスのパスカットが生じるとガスストイキが減少して発電性能が低下するおそれがある。この点、流れが逆向きとなる流路間を仕切る第２のリブに対して液状封止材を設けることとした本発明によれば、このような発電性能の低下に結び付くようなパスカットを効果的に抑えることが可能である。
【０００９】
さらに、このような燃料電池セルの場合、前記液状封止材は前記反応ガスが流れる領域の外郭と前記第２のリブとの接続部分にのみ選択的に設けられていることも好ましい。上述したように、電極外縁のすぐ外側の部分においてセパレータ間に隙間が生じることがあり、当該隙間にてパスカットが生じることがある。この点、ガスが流れる領域と第２のリブ（流れが逆向きとなっている隣接する流路間を仕切るリブ）との接続部分に液状封止材を選択的に設けることとした本発明の場合には、発電性能を低下させうるパスカットを効果的に抑えることが可能である。
【００１０】
また、前記セパレータは、前記液状封止材の余剰分を貯留しておくための、リブの頂部よりも厚み方向で窪んだ液状封止材溜まり部を有していることが好ましい。上述したように、液状封止材は流動性を有するが故に塗布されてから固化するまでの間に流れ出るようにして拡がり、場合によっては所定の範囲を超えてＭＥＡ電極の表面を覆うこともある。この点、本発明にかかる燃料電池セルの場合には、セパレータが有する液状封止材溜まり部によって液状封止材の拡がりを一定範囲内に抑えることが可能であるから、ＭＥＡ電極が不必要に覆われて発電領域が減少するのを抑えることが可能である。
【００１１】
さらに、前記電極のうち、前記液状封止材との間に隙間を有している部分の少なくとも一部については当該電極の端部のみ厚く形成されていることが好ましい。ＭＥＡ（膜−電極アッセンブリ）とセパレータとを重ね合わせた場合、このように厚く形成されている部分がセパレータ内側の面に密着して反応ガスが当該ＭＥＡの外側に漏れ出るのを抑制する。
【００１２】
また、この場合においては、前記電極の端部のうち厚く形成された部分は、当該電極とは別の弾性を有する部材が設けられることによって形成されていることが好ましい。この場合、変形した弾性部材が弾性力を発揮しつつセパレータと密着することによって反応ガスが漏れ出るのをより効果的に抑制する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、反応ガスがリブを超えてパスカットするのを十分に抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１〜図９に本発明にかかる燃料電池セルの実施形態を示す。本実施形態における燃料電池セル（以下、単にセルともいう）２は、セパレータ２０に設けられたリブ２１と電極３２（３２ａ，３２ｂ）とが液状封止材で固定されているもので、電極３２に含浸した液状封止材にて電極３２の気孔率を他の部位よりも低減させている。そして、これにより、反応ガスが通過可能な透孔が詰まる分だけ当該電極３２を通じた反応ガスのパスカットを抑制するようにしている。
【００１６】
以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成するセル２および複数のセル２が積層されてなるセル積層体３の概略構成について説明し、その後、反応ガスのパスカットを効果的に抑制するための構成について説明する。
【００１７】
図１に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されてセル積層体３を構成している（図２参照）。また、このセル積層体３等で構成される燃料電池スタックは、例えばスタック両端を一対のエンドプレート８で挟まれ、さらにこれらエンドプレート８どうしを繋ぐようにテンションプレート９からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている（図２参照）。
【００１８】
なお、このような燃料電池スタック等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても用いることが可能である。
【００１９】
セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図１においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを付して示している）等で構成されている（図１参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。
【００２０】
ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図１参照）。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。
【００２１】
ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。
【００２２】
セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。
【００２３】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１参照）。例えば本実施形態の場合、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている。
【００２４】
さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。
【００２５】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ｂは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ａも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参照）。なお、図２等においてはａ，ｂの添字を省略した形で各マニホールドの符号を示している。
【００２６】
上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガスの入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガスの入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図１参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。
【００２７】
第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図１参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。
【００２８】
さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図１参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。
【００２９】
なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。
【００３０】
枠状部材４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（以下、樹脂フレームともいう）である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。
【００３１】
次に、燃料電池１の構成について簡単に説明する（図２参照）。本実施形態における燃料電池１は、複数のセル２を積層してなるセル積層体３を有し、当該セル積層体３の両端に位置するセル２，２の外側に順次、出力端子付きの集電板、絶縁板およびエンドプレート８が各々配置された構造となっている（図２参照）。また、セル積層体３等を積層状態で拘束するテンションプレート９は、両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対が当該スタックの両側に対向するように配置される（図２参照）。テンションプレート９は、各エンドプレート８，８に接続され、セル積層体３の積層方向に所定の締結力（圧縮荷重）を作用させた状態を維持する。また、テンションプレート９の内側面（セル積層体３を向く面）には漏電やスパークが生じるのを防止すべく絶縁膜（図示省略）が形成されている。絶縁膜は、例えば当該テンションプレート９の内側面に貼り付けられた絶縁テープ、あるいは当該面を覆うように塗布された樹脂コーティングなどによって形成されている。なお、符号１２は、燃料電池スタックに締結力（圧縮荷重）を作用させる例えばコイルスプリング等からなる弾性モジュールを挟持するための一対の板状部材である（図２参照）。
【００３２】
続いて、反応ガスのパスカットを効果的に抑制するようにした本実施形態にかかるセル（燃料電池セル）２の構成について説明する（図４等参照）。
【００３３】
本実施形態の場合、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の両面には複数のリブ２１が設けられており、これら複数のリブ２１の間に形成される凹部によって酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、さらには冷却水流路３６が構成されている。そして、上述したように、セル２においては、セパレータ２０に設けられたリブ２１と電極３２（３２ａ，３２ｂ）とが液状封止材で固定されており、電極３２に含浸した液状封止材が当該電極３２の気孔率（すなわち反応ガスが通過しうる気孔の割合）を低減させている。これによれば、液状封止材を含浸させた部分においては反応ガスの通過可能な気孔が少なくとも他の部分より少なく、反応ガスが通過し難くなっているからその分だけパスカットを抑制することが可能となっている。
【００３４】
ここで用いられる液状封止材の一例としては例えば液体のいわゆる接着剤を挙げることができるが、具体例がこのようなものに特に限定されることはなく、また、その流動性（粘度）などの性状が特に限定されることもない。これ以外にも例えばシーラントと呼ばれるシール材はもちろんのこと、ゲル状の封止材や液状パッキンなどを用いることも可能である。
【００３５】
以下では、いわゆるサーペンタイン型の流路３５をもつセパレータ２０に本発明を適用した実施形態を例示して説明する（図３、図４参照）。なお、図４においてはリブ２１のうちサーペンタイン流路を形成している主要なもの（逆向きの流れの隣接する流路間を仕切る第２のリブ２１ｂ）を概略的に示しているだけだが、これら各リブ２１の間にさらに別のリブ（互いに同じ方向の流れの隣接する流路間を仕切る第１のリブ２１ａ）が設けられることは妨げられない（図３、図５参照）。
【００３６】
ここで、本実施形態においては、上述のごとき第１のリブ２１ａと第２のリブ２１ｂとがある場合に、液状封止材を第２のリブ２１ｂに対してのみ設けることとしている。例えば複数本の水素ガス流路３５が平行となるように形成されているような場合、同方向に流れるこれら水素ガス流路３５間にて水素ガスのパスカットが生じたとしても発電性能という観点からすれば特に問題がないのに対し、逆向きの流れの隣接する水素ガス流路３５間にて水素ガスのパスカットが生じるとガスストイキが減少して発電性能が低下するおそれがある。この点、流れが逆向きとなる流路３５間を仕切る第２のリブ２１ｂに対して液状封止材を設けることとすれば、このような発電性能の低下に結び付くようなパスカットを効果的に抑えることが可能である。しかも、このように液状封止材の適用箇所を特に必要な部位に絞ることとすれば材料のロスを減らしつつ所望の効果が得られるという点でも効果的である。
【００３７】
また、このように液状封止材の適用箇所を絞る場合においては、当該液状封止材を、水素ガスが流れる領域の外郭と第２のリブ２１ｂとの接続部分にのみ選択的に設けることも好ましい。電極３２の外縁のすぐ外側の部分においてはセパレータ２０間に隙間が生じることがあり、当該隙間にてパスカットが生じることがあるのに対し、水素ガスが流れる領域と第２のリブ２１ｂとの接続部分に液状封止材を選択的に設けることとすれば、発電性能を低下させうるパスカットをさらに効果的に抑えることが可能である。
【００３８】
さらに、本実施形態においては、液状封止材の余剰分を貯留しておくため、リブ２１の頂部よりも厚み方向で窪んだ液状封止材溜まり部２２を設けることとしている（図４参照）。液状封止材は、材質によっては塗布されてから固化するまでの間に流れ出るようにして大きく拡がることがあり、所定の範囲を超えて電極３２の表面を覆うこともあるが、本実施形態においてはセパレータ２０に設けたこの液状封止材溜まり部２２によって液状封止材の拡がりを一定範囲内に抑えるようにしている。これによれば、所定範囲を超えて電極３２が不必要に覆われるのを回避し、発電領域が減少するのを抑えることが可能となる。
【００３９】
このような液状封止材溜まり部２２の具体例が特に限定されることはないが、例えば本実施形態では、サーペンタイン型流路３５のターン部、および水素ガスの入口（水素ガスの入口側マニホールド１６ａ）と出口（水素ガスの出口側マニホールド１６ｂ）の各コーナ部に斜交いのリブ２１ｃを設けて略三角形状のスペースを形成し、当該スペースを液状封止材溜まり部２２としている（図４参照）。ちなみに、第２のリブ２１ｂを挟んで両側に斜交いのリブ２１ｃが設けられている部分においてはリブ形状が略Ｙ字形となっており、およそ２倍の大きさの液状封止材溜まり部２２が形成されている。
【００４０】
また、水素ガスのパスカットをより効果的に抑制するという観点からすれば、別の構成をさらに組み合わせることも好適である。例えば本実施形態では、電極（拡散層）３２のうち、液状封止材との間に隙間を有している部分の少なくとも一部については当該電極３２の端部のみ厚く形成することとしている（図５参照）。こうした場合、電極（拡散層）３２における透気度（ガスの通過しやすさ）を部分的に低下させ、電極３２の周囲部分（電極外縁のすぐ外側の部分）に水素ガスが漏れ出て抜けるのをさらに抑制することが可能となる。
【００４１】
具体例を示すと、例えば電極３２の周囲（側面）に沿ってガスケット２３を設け、当該ガスケット２３の表裏それぞれに形成したビード２３ａの分だけ電極３２の端部よりも厚く形成することを挙げることができる（図５、図６参照）。この場合、ＭＥＡ３０の両面に形成されたビード２３ａがセパレータ２０の面に圧接するリップとして機能し、押し付けられ変形した状態となって電極３２における透気度を部分的に低下させる。ガスケット２３の材質は特に限定されることはないが、このようなリップとしての機能を長期的に維持するといった点ではゴム材料などが好適である。
【００４２】
あるいは、電極３２の外周に沿うようにしてその表面と裏面とにそれぞれガスケット２３を設け、ビードを形成することとしてもよい（図７参照）。本実施形態においては、電極３２の外周部分に液状封止材を含浸させ、さらに当該部分の両面にガスケット２３を設けることによって透気度を相乗的に低下させるようにしている。
【００４３】
なお、図６や図７では好適な例を示したにすぎず、この他、例えば電極３２自体を部分的に厚く形成したり、電極３２の外周（側面）に形成したビード無しのガスケット２３の位置に合わせてセパレータ２０の内周面にリブ状の突起２０ｒを設けたり（図８参照）、あるいは液状封止材を含浸させた部分（図９において点を付している部分）に合わせてセパレータ２０の内周面にリブ状の突起２０ｒを設けたりすることによって電極３２における透気度を部分的に低下させることもできる。ただし、セパレータ２０に圧接するリップの高さやシール性といった観点からすれば、本実施形態にて示したように、当該電極３２とは別個のシール材（例えば上述のようなガスケット２３）を単独で設けることが好適である。
【００４４】
ここまで説明したように、本実施形態のセル（燃料電池セル）２においては液状の封止材をＭＥＡ３０の電極３２の一部に含浸させて当該電極３２の気孔率を低減させた構成となっている。例えばＭＥＡ３０の電極外縁のすぐ外側の部分にてセパレータ２０間に隙間が生じているような場合にも、このようなセル２によれば、水素ガスが当該隙間部分に漏れ出て隣接する流路３５に抜け出てしまうこと、リブ２１を超えるようにパスカットしてしまうことを抑制することが可能となる。
【００４５】
しかも、上述したように本実施形態においてはリブ２１の一部を仕切って液状封止材溜まり部２２を設け、液状封止材の余剰分を貯留しておくことを可能としているために、所望の領域を超えて液状封止材が拡がるのを回避することができる。したがって、電極３２の発電面が不必要に覆われて発電領域が減少してしまうのを抑制することができるから、液状封止材に起因して発電性能が低下してしまうのを避けることが可能である。
【００４６】
加えて、例えばガスケット２３のビード２３ａを設ける等により電極３２の端部のみを厚く形成するようにした本実施形態のセル２によれば、水素ガスが電極３２の外周部分における隙間に流れ出てショートカットする現象をさらに効果的に抑制することが可能となっている。
【００４７】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態ではサーペンタイン型の流路３５を有するセル２に本発明を適用した場合について説明したが、本発明の適用範囲がこのようなサーペンタイン型の場合に限られることはなく、例えば流路３５がストレート形状であるセル２に適用することももちろん可能である。ただし、反応ガスのパスカットは特に流路３５のターン部にて生じやすいことからすると、図４に示したようなサーペンタイン型のセパレータ２０からなるセル２に適用した場合に本発明は特に好適である。
【００４８】
また、上述した実施形態においては反応ガスが水素ガスである場合について説明したがこれも一例に過ぎず、酸化ガスについても上述した実施形態と同様に本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本実施形態における燃料電池セルの構造例を示す分解斜視図である。
【図２】燃料電池スタックの構造例を概略的に示す斜視図である。
【図３】水素ガスの流路側におけるセパレータの形状例を概略的に示す平面図である。
【図４】リブに液状封止材溜まり部が設けられたセルの形状例を概念的に示す平面図である。
【図５】燃料電池セルの断面形状の一例を概略的に示す図である。
【図６】電極の外周（側面）に形成されたガスケットのビードの一例を示す図である。
【図７】電極の外周（側面）に形成されたガスケットのビードの他の例を示す図である。
【図８】電極における透気度を部分的に低下させるための構成の他の例を示す図である。
【図９】電極における透気度を部分的に低下させるための構成のさらに他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…燃料電池、２…セル（燃料電池セル）、２１…リブ、２１ａ…第１のリブ、２１ｂ…第２のリブ、２２…液状封止材溜まり部、２３ａ…ガスケット２３のビード（電極３２の端部のうち厚く形成された部分）、３２（３２ａ，３２ｂ）…電極、３４…酸化ガスのガス流路（流路）、３５…水素ガスのガス流路（流路）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極とセパレータが積層されてなる燃料電池セルであって、
前記セパレータに設けられて反応ガスの流路を形成するリブと前記電極とが液状封止材で固定され、前記電極に含浸した前記液状封止材にて前記電極の気孔率が他の部位よりも低減していることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
互いに同じ方向の流れの隣接する流路間を仕切る第１のリブと、逆向きの流れの隣接する流路間を仕切る第２のリブとを有し、前記液状封止材は前記第２のリブに対してのみ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記液状封止材は前記反応ガスが流れる領域の外郭と前記第２のリブとの接続部分にのみ選択的に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記セパレータは、前記液状封止材の余剰分を貯留しておくための、リブの頂部よりも厚み方向で窪んだ液状封止材溜まり部を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記電極のうち、前記液状封止材との間に隙間を有している部分の少なくとも一部については当該電極の端部のみ厚く形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項６】
前記電極の端部のうち厚く形成された部分は、当該電極とは別の弾性を有する部材が設けられることによって形成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セル。
【請求項１】
電極とセパレータが積層されてなる燃料電池セルであって、
前記セパレータに設けられて反応ガスの流路を形成するリブと前記電極とが液状封止材で固定され、前記電極に含浸した前記液状封止材にて前記電極の気孔率が他の部位よりも低減していることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
互いに同じ方向の流れの隣接する流路間を仕切る第１のリブと、逆向きの流れの隣接する流路間を仕切る第２のリブとを有し、前記液状封止材は前記第２のリブに対してのみ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記液状封止材は前記反応ガスが流れる領域の外郭と前記第２のリブとの接続部分にのみ選択的に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記セパレータは、前記液状封止材の余剰分を貯留しておくための、リブの頂部よりも厚み方向で窪んだ液状封止材溜まり部を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記電極のうち、前記液状封止材との間に隙間を有している部分の少なくとも一部については当該電極の端部のみ厚く形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項６】
前記電極の端部のうち厚く形成された部分は、当該電極とは別の弾性を有する部材が設けられることによって形成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−４４７８（Ｐ２００８−４４７８Ａ）
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１７５２２３（Ｐ２００６−１７５２２３）
【出願日】平成１８年６月２６日（２００６．６．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２６日（２００６．６．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]