燃料電池
【課題】燃料電池において、電解質膜の薄膜化を抑制する。
【解決手段】燃料電池１００は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０のアノード側の表面に接合されたアノード側ガス拡散層２０ａと、膜電極接合体１０のカソード側の表面において、膜電極接合体１０を挟んでアノード側ガス拡散層２０ａと対向する領域であって、アノード側ガス拡散層２０ａが接合された領域よりも内側の領域に接合されたカソード側ガス拡散層２０ｃと、膜電極接合体１０とアノード側ガス拡散層２０ａとカソード側ガス拡散層２０ｃとの積層体の外周部に形成されたガスケット３０と、アノード側セパレータプレート４０ａと、カソード側セパレータプレート４０ｃと、を備える。カソード側セパレータプレート４０ｃは、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位に凹部４２を備える。
【解決手段】燃料電池１００は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０のアノード側の表面に接合されたアノード側ガス拡散層２０ａと、膜電極接合体１０のカソード側の表面において、膜電極接合体１０を挟んでアノード側ガス拡散層２０ａと対向する領域であって、アノード側ガス拡散層２０ａが接合された領域よりも内側の領域に接合されたカソード側ガス拡散層２０ｃと、膜電極接合体１０とアノード側ガス拡散層２０ａとカソード側ガス拡散層２０ｃとの積層体の外周部に形成されたガスケット３０と、アノード側セパレータプレート４０ａと、カソード側セパレータプレート４０ｃと、を備える。カソード側セパレータプレート４０ｃは、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位に凹部４２を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、詳しくは、固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と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。そして、この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。固体高分子型燃料電池では、一般に、電解質膜の両面にそれぞれ触媒電極層（アノード、カソード）を接合してなる膜電極接合体の各表面に、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等からなり、導電性およびガス拡散性を有するガス拡散層が接合される。そして、膜電極接合体とガス拡散層との積層体の外周部には、燃料電池の内部からのガスの漏洩を防止するためのガスケットが設けられ、これらは、一対のセパレータによって挟持されて、上記各層の積層方向に押圧力が加えられる。
【０００３】
ところで、固体高分子型燃料電池では、電解質膜を介して、アノードとカソードとの間において、いわゆるクロスリークが生じることが知られている。そして、このクロスリークが生じると、水素と酸素とが反応して過酸化水素が生成され、この過酸化水素や、過酸化水素が分解するときに生じるヒドロキシルラジカルは、電解質膜を劣化させる。なお、固体高分子型燃料電池における、この過酸化水素等による電解質膜の劣化は、電解質膜とカソードとの界面における酸素濃度が発電時よりも高くなり、クロスリークが生じやすくなる開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）保持時に特に顕著である。
【０００４】
そこで、固体高分子型燃料電池について、上述した開回路電圧保持時の過酸化水素等による電解質膜の劣化を抑制するための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、膜電極接合体（電解質膜−電極接合体）において、アノードの面積をカソードの面積よりも大きくし、アノード側のガス拡散層とカソード側のガス拡散層との形成位置をずらすことが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２１４１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、固体高分子型燃料電池の長期使用による電解質膜の薄膜化については考慮されていなかった。すなわち、上述した固体高分子型燃料電池では、長期間使用すると、アノードとカソードとの間でのガス差圧や電解質膜の膨潤・乾燥（収縮）等によって、電解質膜がクリープ変形して、電解質膜の膜厚が薄くなることが知られている。特に、電解質膜の外周部は、応力が加わりやすく、クリープ変形しやすい。また、上記積層体をセパレータによって挟持したときに、セパレータからガス拡散層を介して電解質膜に加わる押圧力と、セパレータからガスケットを介して電解質膜に加わる押圧力とを等しくすることは困難であるため、電解質膜の外周部は、ガス拡散層のエッジ部によって加わるせん断応力により、クリープ変形しやすい。これらのことから、電解質膜の外周部では、他の部位よりも電解質膜の膜厚が薄くなりやすい。そして、電解質膜の膜厚が薄くなると、上記クロスリークがより生じやすくなり、上述した過酸化水素等による電解質膜の劣化を加速させることとなる。
【０００７】
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、燃料電池において、電解質膜の薄膜化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】
【０００８】
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なされたものであり、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。
【０００９】
［適用例１］
燃料電池であって、
電解質膜の両面にそれぞれ触媒電極層を接合してなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の第１の表面に接合された第１のガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記第１の表面と反対側の第２の表面において、前記膜電極接合体を挟んで前記第１のガス拡散層と対向する領域であって、前記第１のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合された第２のガス拡散層と、
前記膜電極接合体と前記第１のガス拡散層と前記第２のガス拡散層との積層体の外周部に形成されたガスケットと、
前記積層体および前記ガスケットの前記第１のガス拡散層側に積層された第１のセパレータプレートと、
前記積層体および前記ガスケットの前記第２のガス拡散層側に積層された第２のセパレータプレートと、を備え、
前記第２のセパレータプレートは、前記第２のガス拡散層のエッジ部と対向する部位に凹部を備える、
燃料電池。
【００１０】
適用例１の燃料電池では、上記第２のセパレータプレートが、上記第２のガス拡散層のエッジ部と対向する部位に凹部を備えるので、上記第２のセパレータプレートから上記第２のガス拡散層のエッジ部に加わる押圧力を緩和することができる。したがって、上記第２のガス拡散層のエッジ部によって電解質膜に加わるせん断応力を緩和することができる。この結果、電解質膜のクリープ変形を抑制し、電解質膜の薄膜化を抑制することができる。そして、燃料電池の長寿命化を図ることができる。
【００１１】
なお、複数の膜電極接合体を積層して、燃料電池スタックを構成する場合には、第１のセパレータプレートと、第２のセパレータプレートとを一体化して、１つのセパレータとしてもよい。
【００１２】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記第２のセパレータプレートにおける前記凹部は、前記燃料電池の外部から供給された反応ガスが流れる反応ガス流路と分離して形成されている、
燃料電池。
【００１３】
適用例２の燃料電池では、燃料電池の外部から供給された反応ガスが、上記第２のセパレータプレートにおける凹部に直接的に流入することがないので、膜電極接合体において、上記第２のセパレータプレートにおける凹部と対向する部位での発電を抑制し、生成水の生成を抑制することができる。したがって、この部位において、生成水による電解質膜の膨潤（変形）を抑制することができる。この結果、電解質膜の薄膜化を抑制することができる。
【００１４】
［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池であって、さらに、
前記第１のセパレータプレートは、前記第１のガス拡散層のエッジ部と対向する部位に凹部を備える、
燃料電池。
【００１５】
適用例３の燃料電池では、上記第１のセパレータプレートが、上記第１のガス拡散層のエッジ部と対向する部位に凹部を備えるので、上記第１のセパレータプレートから上記第１のガス拡散層のエッジ部に加わる押圧力を緩和することができる。したがって、上記第１のガス拡散層のエッジ部によって電解質膜に加わるせん断応力を緩和することができる。この結果、電解質膜のクリープ変形を抑制し、電解質膜の薄膜化を抑制することができる。
【００１６】
［適用例４］
請求項３記載の燃料電池であって、
前記第１のセパレータプレートにおける前記凹部は、前記燃料電池の外部から供給された反応ガスが流れる反応ガス流路と分離して形成されている、
燃料電池。
【００１７】
適用例４の燃料電池では、燃料電池の外部から供給された反応ガスが、上記第１のセパレータプレートにおける凹部に直接的に流入することがないので、膜電極接合体において、上記第１のセパレータプレートにおける凹部と対向する部位での発電を抑制し、生成水の生成を抑制することができる。したがって、この部位において、生成水による電解質膜の膨潤（変形）を抑制することができる。この結果、電解質膜の薄膜化を抑制することができる。
【００１８】
［適用例５］
適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、前記第１または第２の表面に沿った第１の方向についての膨張率が、前記第１または第２の表面に沿った方向であって、前記第１の方向と直交する第２の方向についての膨張率よりも大きい特性を有する材料からなり、
前記電解質膜は、矩形形状を有するとともに、前記矩形形状における短辺方向が、前記第１の方向となり、前記矩形形状における長辺方向が、前記第２の方向となるように作製されている、
燃料電池。
【００１９】
適用例５の燃料電池では、上記特性を有する材料からなる電解質膜を用いた場合に、電解質膜の膨潤・乾燥（収縮）時の上記第１または第２の表面に沿った方向についての寸法の変化量を抑制することができる。したがって、電解質膜に加わる応力を抑制し、触媒電極層の破壊等、膜電極接合体のダメージを抑制することができる。
【００２０】
［適用例６］
適用例１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記膜電極接合体の第１の表面は、アノード側の表面であり、
前記膜電極接合体の第２の表面は、カソード側の表面である、
燃料電池。
【００２１】
適用例５の燃料電池では、カソードからアノードへの酸素のクロスリークを抑制して、アノードでの過酸化水素の生成を抑制することができる。また、カソード側の触媒電極層に含まれるカーボン微粒子の腐食を抑制することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】比較例の燃料電池１００Ｒの概略構成を示す説明図である。
【図３】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４】本発明の第３実施例としての燃料電池１００Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図５】第１実施例の変形例としての燃料電池１００Ｃの概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。図１（ａ）に、燃料電池１００の要部断面図を示した。また、図１（ｂ）に、カソード側セパレータプレート４０ｃの要部平面図を示した。また、図１（ｃ）に、電解質膜１０ｍの平面図を示した。
【００２４】
図１（ａ）に示したように、燃料電池１００は、膜電極接合体１０と、アノード側ガス拡散層２０ａと、カソード側ガス拡散層２０ｃと、ガスケット３０と、アノード側セパレータプレート４０ａと、カソード側セパレータプレート４０ｃと、を備えている。なお、図示は省略しているが、膜電極接合体１０は、電解質膜１０ｍの両面にそれぞれ触媒電極層（アノード、カソード）を接合することによって形成されている。各触媒電極層には、白金等の触媒を担持したカーボン微粒子や、アイオノマが含まれる。
【００２５】
そして、膜電極接合体１０のアノード側の表面には、アノード側ガス拡散層２０ａが接合されている。また、膜電極接合体１０のカソード側の表面において、膜電極接合体１０を挟んでアノード側ガス拡散層２０ａと対向する領域であって、アノード側ガス拡散層２０ａが接合された領域よりも内側の領域に、カソード側ガス拡散層２０ｃが接合されている。また、ガスケット３０は、膜電極接合体１０とアノード側ガス拡散層２０ａとカソード側ガス拡散層２０ｃとの積層体の外周部に形成されている。
【００２６】
また、上記積層体およびガスケット３０のアノード側ガス拡散層２０ａ側には、アノード側セパレータプレート４０ａが積層されている。また、上記積層体およびガスケット３０のカソード側ガス拡散層２０ｃ側には、カソード側セパレータプレート４０ｃが積層されている。そして、これらには、積層方向に押圧力が加えられている。なお、図１（ａ），（ｂ）に示したように、カソード側セパレータプレート４０ｃにおいて、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位には、凹部４２が形成されている。そして、カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２は、燃料電池１００の外部から供給された空気が流れるガス流路（図示省略）と分離して形成されている。
【００２７】
また、本実施例の燃料電池１００では、電解質膜１０ｍは、電解質膜１０ｍの表面に沿った第１の方向についての膨張率、すなわち、膨潤時の寸法変化率が、電解質膜１０ｍの表面に沿った方向であって、第１の方向と直交する第２の方向についての膨張率よりも大きい性質を有する材料からなるものとした。本実施例では、膜電極接合体１０の第１の方向についての膨張率がほぼ１０（％）であり、第２の方向についての膨張率がほぼ０（％）であるものとした。これらの各膨張率の値は、適宜、変更可能である。そして、図１（ｃ）に示したように、本実施例の燃料電池１００において、電解質膜１０ｍは、矩形形状を有するとともに、矩形形状における短辺方向が、上記第１の方向となり、矩形形状における長辺方向が上記第２の方向となるように作製されている。
【００２８】
以下、比較例の燃料電池１００Ｒの構成と第１実施例の燃料電池１００の構成とを比較して、第１実施例の燃料電池１００による効果について説明する。
【００２９】
図２は、比較例の燃料電池１００Ｒの概略構成を示す説明図である。燃料電池１００Ｒの要部断面図を示した。比較例の燃料電池１００Ｒは、第１実施例の燃料電池１００におけるカソード側セパレータプレート４０ｃの代わりに、カソード側セパレータプレート４０Ｒｃを備えている。そして、カソード側セパレータプレート４０Ｒｃには、カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２が形成されていない。その他の燃料電池１００Ｒの構成は、燃料電池１００の構成と同じである。
【００３０】
比較例の燃料電池１００Ｒでは、例えば、製造上の誤差により、ガスケット３０の厚さが所望の厚さよりも薄い場合や、ガスケット３０の圧縮弾性率が所望の値よりも低い場合には、ガスケット３０を介して膜電極接合体１０（電解質膜１０ｍ）に加わる押圧力よりも、カソード側ガス拡散層２０ｃを介して膜電極接合体１０（電解質膜１０ｍ）に加わる押圧力の方が大きくなる。このため、膜電極接合体１０（電解質膜１０ｍ）において、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと当接する、破線円で示した部位Ｐには、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇによってせん断応力が加わる。したがって、電解質膜１０ｍにおける部位Ｐは、上記せん断応力によってクリープ変形しやすい。そして、電解質膜１０ｍがクリープ変形すると、電解質膜１０ｍの膜厚が薄くなる。そして、電解質膜１０ｍの膜厚が薄くなると、クロスリークがより生じやすくなり、クロスリークに伴って生成される過酸化水素等による電解質膜１０ｍの劣化を加速させることとなる。
【００３１】
これに対して、第１実施例の燃料電池１００では、カソード側セパレータプレート４０ｃが、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位に凹部４２を備えるので、カソード側セパレータプレート４０ｃからカソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇに加わる押圧力を緩和することができる。したがって、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇによって電解質膜１０ｍに加わるせん断応力を緩和することができる。この結果、電解質膜１０ｍのクリープ変形を抑制し、電解質膜１０ｍの薄膜化を抑制することができる。そして、燃料電池１００の長寿命化を図ることができる。
【００３２】
また、燃料電池１００では、カソード側セパレータプレート４０ｃにおいて、凹部４２は、燃料電池１００の外部から供給された空気が流れるガス流路と分離して形成されているので、この凹部４２には、燃料電池１００の外部から供給された空気が直接的に流入することがない。したがって、膜電極接合体１０において、カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２と対向する部位での発電を抑制し、生成水の生成を抑制することができる。この結果、この部位において、生成水による電解質膜１０ｍの膨潤（変形）を抑制することができる。そして、電解質膜１０ｍの薄膜化を抑制することができる。
【００３３】
また、燃料電池１００では、電解質膜１０ｍが、矩形形状を有するとともに、矩形形状における短辺方向の膨張率が、長辺方向の膨張率よりも大きくなるように作製されているので、電解質膜１０ｍの膨潤・乾燥（収縮）時の変形量を抑制することができる。したがって、電解質膜１０ｍに加わる応力を抑制し、触媒電極層の破壊等、膜電極接合体１０のダメージを抑制することができる。
【００３４】
また、燃料電池１００では、膜電極接合体１０のカソード側の表面において、膜電極接合体１０を挟んでアノード側ガス拡散層２０ａと対向する領域であって、アノード側ガス拡散層２０ａが接合された領域よりも内側の領域に、カソード側ガス拡散層２０ｃが接合されている。こうすることによって、カソードからアノードへの酸素のクロスリークを抑制して、アノードでの過酸化水素の生成を抑制することができる。また、カソード側の触媒電極層に含まれるカーボン微粒子の腐食を抑制することもできる。
【００３５】
Ｂ．第２実施例：
図３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。図３（ａ）に、燃料電池１００Ａの要部断面図を示した。また、図３（ｂ）に、カソード側セパレータプレート４０Ａｃの要部平面図を示した。
【００３６】
図３（ａ）に示したように、第２実施例の燃料電池１００Ａは、第１実施例の燃料電池１００におけるカソード側セパレータプレート４０ｃの代わりに、カソード側セパレータプレート４０Ａｃを備えている。そして、図３（ａ），（ｂ）に示したように、カソード側セパレータプレート４０Ａｃには、２つのＬ字型の凹部４２Ａと、空気およびカソードオフガスが流れるガス流路を構成する溝部４４とが形成されている。２つの凹部４２Ａと溝部４４とは、分離して形成されている。その他の燃料電池１００Ａの構成は、燃料電池１００の構成と同じである。なお、カソード側セパレータプレート４０Ａｃにおける２つの凹部４２Ａは、カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２と同様に、それぞれ、カソード側セパレータプレート４０Ａｃにおいて、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位に形成されている。
【００３７】
以上説明した第２実施例の燃料電池１００Ａによれば、第１実施例の燃料電池１００と同様に、カソード側セパレータプレート４０Ａｃが、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位に凹部４２Ａを備えるので、カソード側セパレータプレート４０Ａｃからカソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇに加わる押圧力を緩和することができる。したがって、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇによって電解質膜１０ｍに加わるせん断応力を緩和することができる。この結果、電解質膜１０ｍのクリープ変形を抑制し、電解質膜１０ｍの薄膜化を抑制することができる。そして、燃料電池１００Ａの長寿命化を図ることができる。
【００３８】
Ｃ．第３実施例：
図４は、本発明の第３実施例としての燃料電池１００Ｂの概略構成を示す説明図である。燃料電池１００Ｂの要部断面図を示した。図示するように、第３実施例の燃料電池１００Ｂは、第１実施例の燃料電池１００におけるアノード側セパレータプレート４０ａの代わりに、アノード側セパレータプレート４０Ｂａを備えている。そして、アノード側セパレータプレート４０Ｂａにおいて、アノード側ガス拡散層２０ａのエッジ部２０ａｅｄｇと対向する部位には、凹部４２が形成されている。なお、アノード側セパレータプレート４０Ｂａにおける凹部４２も、カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２と同様に、燃料電池１００の外部から供給された水素が流れるガス流路（図示省略）と分離して形成されている。これ以外の燃料電池１００Ｂの構成は、燃料電池１００の構成と同じである。
【００３９】
以上説明した第３実施例の燃料電池１００Ｂによれば、第１実施例の燃料電池１００と同様に、カソード側セパレータプレート４０ｃが、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位に凹部４２を備えるので、カソード側セパレータプレート４０ｃからカソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇに加わる押圧力を緩和することができる。したがって、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇによって電解質膜１０ｍに加わるせん断応力を緩和することができる。さらに、燃料電池１００Ｂでは、アノード側セパレータプレート４０Ｂａが、アノード側ガス拡散層２０ａのエッジ部２０ａｅｄｇと対向する部位に凹部４２を備えるので、アノード側セパレータプレート４０ａからアノード側ガス拡散層２０ａのエッジ部２０ａｅｄｇに加わる押圧力を緩和することができる。したがって、アノード側ガス拡散層２０ａのエッジ部２０ａｅｄｇによって電解質膜１０ｍに加わるせん断応力を緩和することができる。この結果、電解質膜１０ｍのクリープ変形を抑制し、電解質膜１０ｍの薄膜化を抑制することができる。そして、燃料電池１００Ｂの長寿命化を図ることができる。
【００４０】
また、燃料電池１００Ｂでは、アノード側セパレータプレート４０ａにおける凹部４２は、燃料電池１００の外部から供給された水素が流れるガス流路と分離して形成されているので、この凹部４２には、燃料電池１００の外部から供給された水素が直接的に流入することがない。したがって、膜電極接合体１０において、アノード側セパレータプレート４０ａにおける凹部４２と対向する部位での発電を抑制し、生成水の生成を抑制することができる。この結果、この部位において、生成水による電解質膜１０ｍの膨潤（変形）を抑制することができる。そして、電解質膜１０ｍの薄膜化を抑制することができる。
【００４１】
Ｄ．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。
【００４２】
Ｄ１．変形例１：
図５は、第１実施例の変形例としての燃料電池１００Ｃの概略構成を示す説明図である。燃料電池１００Ｃの要部断面図を示した。図示するように、燃料電池１００Ｃは、第１実施例の燃料電池１００におけるカソード側セパレータプレート４０ｃの代わりに、カソード側セパレータプレート４０Ｃｃを備えている。そして、膜電極接合体１０とカソード側セパレータプレート４０Ｃｃとの間には、導電性を有する多孔質部材５０ｃが挟持されており、この多孔質部材５０ｃは、空気およびカソードオフガスが流れるカソード側ガス流路を構成している。また、膜電極接合体１０とアノード側セパレータプレート４０ａとの間には、導電性を有する多孔質部材５０ａが挟持されており、この多孔質部材５０ａは、水素およびアノードオフガスが流れるアノード側ガス流路を構成している。
【００４３】
なお、カソード側セパレータプレート４０Ｃｃには、カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２と同様に、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位に、凹部４２Ｃが形成されている。ただし、カソード側セパレータプレート４０Ｃｃにおける凹部４２Ｃの幅Ｗは、カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２の幅よりも広い。こうすることによって、カソード側セパレータプレート４０Ｃｃにおける凹部４２Ｃの幅Ｗが比較的狭い場合よりも、カソード側セパレータプレート４０Ｃｃにおける凹部４２Ｃとカソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇとの間において、多孔質部材５０ｃがたわみやすくし、カソード側セパレータプレート４０Ｃｃから多孔質部材５０ｃを介してカソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇに加わる押圧力を緩和することができる。
【００４４】
以上説明した変形例の燃料電池１００Ｃによっても、第１実施例の燃料電池１００と同様に、カソード側セパレータプレート４０Ｃｃが、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位に凹部４２Ｃを備えるので、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇによって電解質膜１０ｍに加わるせん断応力を緩和することができる。この結果、電解質膜１０ｍのクリープ変形を抑制し、電解質膜１０ｍの薄膜化を抑制することができる。そして、燃料電池１００Ｃの長寿命化を図ることができる。
【００４５】
Ｄ２．変形例２：
例えば、上記第１実施例の燃料電池１００では、カソード側セパレータプレート４０ｃにおいて、凹部４２は、燃料電池１００の外部から供給された空気が直接的に流入しないように、空気が流れるガス流路と分離して形成されるものとしたが、本発明は、これに限られない。カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２に、空気が流入するものとしてもよい。
【００４６】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、電解質膜１０ｍが、矩形形状を有するとともに、矩形形状における短辺方向の膨張率が、長辺方向の膨張率よりも大きくなるように作製されているものとしたが、本発明は、これに限られない。電解質膜１０ｍにおいて、例えば、矩形形状における短辺方向の膨張率と、長辺方向の膨張率とが等しいものとしてもよい。
【００４７】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、膜電極接合体１０のカソード側の表面において、膜電極接合体１０を挟んでアノード側ガス拡散層２０ａと対向する領域であって、アノード側ガス拡散層２０ａが接合された領域よりも内側の領域に、カソード側ガス拡散層２０ｃが接合されるものとしたが、本発明は、これに限られない。膜電極接合体１０のアノード側の表面において、膜電極接合体１０を挟んでカソード側ガス拡散層２０ｃと対向する領域であって、カソード側ガス拡散層２０ｃが接合された領域よりも内側の領域に、アノード側ガス拡散層２０ａが接合されるものとしてもよい。
【００４８】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、アノード側セパレータプレートと、カソード側セパレータプレートと、を別々に記載したが、本発明は、これに限られない。複数の膜電極接合体１０を積層して、燃料電池スタックを構成する場合には、アノード側セパレータプレートと、カソード側セパレータプレートとを一体化して、１つのセパレータとしてもよい。
【００４９】
Ｄ６．変形例６：
上記燃料電池１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃの構成の一部を、適宜、組み合わせるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｒ…燃料電池
１０…膜電極接合体
１０ｍ…電解質膜
２０ａ…アノード側ガス拡散層
２０ａｅｄｇ…エッジ部
２０ｃ…カソード側ガス拡散層
２０ｃｅｄｇ…エッジ部
３０…ガスケット
４０ａ，４０Ｂａ…アノード側セパレータプレート
４０ｃ，４０Ａｃ，４０Ｃｃ，４０Ｒｃ…カソード側セパレータプレート
４２，４２Ａ，４２Ｃ…凹部
４４…溝部
５０ａ，５０ｃ…多孔質部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、詳しくは、固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と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。そして、この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。固体高分子型燃料電池では、一般に、電解質膜の両面にそれぞれ触媒電極層（アノード、カソード）を接合してなる膜電極接合体の各表面に、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等からなり、導電性およびガス拡散性を有するガス拡散層が接合される。そして、膜電極接合体とガス拡散層との積層体の外周部には、燃料電池の内部からのガスの漏洩を防止するためのガスケットが設けられ、これらは、一対のセパレータによって挟持されて、上記各層の積層方向に押圧力が加えられる。
【０００３】
ところで、固体高分子型燃料電池では、電解質膜を介して、アノードとカソードとの間において、いわゆるクロスリークが生じることが知られている。そして、このクロスリークが生じると、水素と酸素とが反応して過酸化水素が生成され、この過酸化水素や、過酸化水素が分解するときに生じるヒドロキシルラジカルは、電解質膜を劣化させる。なお、固体高分子型燃料電池における、この過酸化水素等による電解質膜の劣化は、電解質膜とカソードとの界面における酸素濃度が発電時よりも高くなり、クロスリークが生じやすくなる開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）保持時に特に顕著である。
【０００４】
そこで、固体高分子型燃料電池について、上述した開回路電圧保持時の過酸化水素等による電解質膜の劣化を抑制するための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、膜電極接合体（電解質膜−電極接合体）において、アノードの面積をカソードの面積よりも大きくし、アノード側のガス拡散層とカソード側のガス拡散層との形成位置をずらすことが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２１４１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、固体高分子型燃料電池の長期使用による電解質膜の薄膜化については考慮されていなかった。すなわち、上述した固体高分子型燃料電池では、長期間使用すると、アノードとカソードとの間でのガス差圧や電解質膜の膨潤・乾燥（収縮）等によって、電解質膜がクリープ変形して、電解質膜の膜厚が薄くなることが知られている。特に、電解質膜の外周部は、応力が加わりやすく、クリープ変形しやすい。また、上記積層体をセパレータによって挟持したときに、セパレータからガス拡散層を介して電解質膜に加わる押圧力と、セパレータからガスケットを介して電解質膜に加わる押圧力とを等しくすることは困難であるため、電解質膜の外周部は、ガス拡散層のエッジ部によって加わるせん断応力により、クリープ変形しやすい。これらのことから、電解質膜の外周部では、他の部位よりも電解質膜の膜厚が薄くなりやすい。そして、電解質膜の膜厚が薄くなると、上記クロスリークがより生じやすくなり、上述した過酸化水素等による電解質膜の劣化を加速させることとなる。
【０００７】
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、燃料電池において、電解質膜の薄膜化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】
【０００８】
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なされたものであり、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。
【０００９】
［適用例１］
燃料電池であって、
電解質膜の両面にそれぞれ触媒電極層を接合してなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の第１の表面に接合された第１のガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記第１の表面と反対側の第２の表面において、前記膜電極接合体を挟んで前記第１のガス拡散層と対向する領域であって、前記第１のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合された第２のガス拡散層と、
前記膜電極接合体と前記第１のガス拡散層と前記第２のガス拡散層との積層体の外周部に形成されたガスケットと、
前記積層体および前記ガスケットの前記第１のガス拡散層側に積層された第１のセパレータプレートと、
前記積層体および前記ガスケットの前記第２のガス拡散層側に積層された第２のセパレータプレートと、を備え、
前記第２のセパレータプレートは、前記第２のガス拡散層のエッジ部と対向する部位に凹部を備える、
燃料電池。
【００１０】
適用例１の燃料電池では、上記第２のセパレータプレートが、上記第２のガス拡散層のエッジ部と対向する部位に凹部を備えるので、上記第２のセパレータプレートから上記第２のガス拡散層のエッジ部に加わる押圧力を緩和することができる。したがって、上記第２のガス拡散層のエッジ部によって電解質膜に加わるせん断応力を緩和することができる。この結果、電解質膜のクリープ変形を抑制し、電解質膜の薄膜化を抑制することができる。そして、燃料電池の長寿命化を図ることができる。
【００１１】
なお、複数の膜電極接合体を積層して、燃料電池スタックを構成する場合には、第１のセパレータプレートと、第２のセパレータプレートとを一体化して、１つのセパレータとしてもよい。
【００１２】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記第２のセパレータプレートにおける前記凹部は、前記燃料電池の外部から供給された反応ガスが流れる反応ガス流路と分離して形成されている、
燃料電池。
【００１３】
適用例２の燃料電池では、燃料電池の外部から供給された反応ガスが、上記第２のセパレータプレートにおける凹部に直接的に流入することがないので、膜電極接合体において、上記第２のセパレータプレートにおける凹部と対向する部位での発電を抑制し、生成水の生成を抑制することができる。したがって、この部位において、生成水による電解質膜の膨潤（変形）を抑制することができる。この結果、電解質膜の薄膜化を抑制することができる。
【００１４】
［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池であって、さらに、
前記第１のセパレータプレートは、前記第１のガス拡散層のエッジ部と対向する部位に凹部を備える、
燃料電池。
【００１５】
適用例３の燃料電池では、上記第１のセパレータプレートが、上記第１のガス拡散層のエッジ部と対向する部位に凹部を備えるので、上記第１のセパレータプレートから上記第１のガス拡散層のエッジ部に加わる押圧力を緩和することができる。したがって、上記第１のガス拡散層のエッジ部によって電解質膜に加わるせん断応力を緩和することができる。この結果、電解質膜のクリープ変形を抑制し、電解質膜の薄膜化を抑制することができる。
【００１６】
［適用例４］
請求項３記載の燃料電池であって、
前記第１のセパレータプレートにおける前記凹部は、前記燃料電池の外部から供給された反応ガスが流れる反応ガス流路と分離して形成されている、
燃料電池。
【００１７】
適用例４の燃料電池では、燃料電池の外部から供給された反応ガスが、上記第１のセパレータプレートにおける凹部に直接的に流入することがないので、膜電極接合体において、上記第１のセパレータプレートにおける凹部と対向する部位での発電を抑制し、生成水の生成を抑制することができる。したがって、この部位において、生成水による電解質膜の膨潤（変形）を抑制することができる。この結果、電解質膜の薄膜化を抑制することができる。
【００１８】
［適用例５］
適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、前記第１または第２の表面に沿った第１の方向についての膨張率が、前記第１または第２の表面に沿った方向であって、前記第１の方向と直交する第２の方向についての膨張率よりも大きい特性を有する材料からなり、
前記電解質膜は、矩形形状を有するとともに、前記矩形形状における短辺方向が、前記第１の方向となり、前記矩形形状における長辺方向が、前記第２の方向となるように作製されている、
燃料電池。
【００１９】
適用例５の燃料電池では、上記特性を有する材料からなる電解質膜を用いた場合に、電解質膜の膨潤・乾燥（収縮）時の上記第１または第２の表面に沿った方向についての寸法の変化量を抑制することができる。したがって、電解質膜に加わる応力を抑制し、触媒電極層の破壊等、膜電極接合体のダメージを抑制することができる。
【００２０】
［適用例６］
適用例１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記膜電極接合体の第１の表面は、アノード側の表面であり、
前記膜電極接合体の第２の表面は、カソード側の表面である、
燃料電池。
【００２１】
適用例５の燃料電池では、カソードからアノードへの酸素のクロスリークを抑制して、アノードでの過酸化水素の生成を抑制することができる。また、カソード側の触媒電極層に含まれるカーボン微粒子の腐食を抑制することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】比較例の燃料電池１００Ｒの概略構成を示す説明図である。
【図３】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４】本発明の第３実施例としての燃料電池１００Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図５】第１実施例の変形例としての燃料電池１００Ｃの概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。図１（ａ）に、燃料電池１００の要部断面図を示した。また、図１（ｂ）に、カソード側セパレータプレート４０ｃの要部平面図を示した。また、図１（ｃ）に、電解質膜１０ｍの平面図を示した。
【００２４】
図１（ａ）に示したように、燃料電池１００は、膜電極接合体１０と、アノード側ガス拡散層２０ａと、カソード側ガス拡散層２０ｃと、ガスケット３０と、アノード側セパレータプレート４０ａと、カソード側セパレータプレート４０ｃと、を備えている。なお、図示は省略しているが、膜電極接合体１０は、電解質膜１０ｍの両面にそれぞれ触媒電極層（アノード、カソード）を接合することによって形成されている。各触媒電極層には、白金等の触媒を担持したカーボン微粒子や、アイオノマが含まれる。
【００２５】
そして、膜電極接合体１０のアノード側の表面には、アノード側ガス拡散層２０ａが接合されている。また、膜電極接合体１０のカソード側の表面において、膜電極接合体１０を挟んでアノード側ガス拡散層２０ａと対向する領域であって、アノード側ガス拡散層２０ａが接合された領域よりも内側の領域に、カソード側ガス拡散層２０ｃが接合されている。また、ガスケット３０は、膜電極接合体１０とアノード側ガス拡散層２０ａとカソード側ガス拡散層２０ｃとの積層体の外周部に形成されている。
【００２６】
また、上記積層体およびガスケット３０のアノード側ガス拡散層２０ａ側には、アノード側セパレータプレート４０ａが積層されている。また、上記積層体およびガスケット３０のカソード側ガス拡散層２０ｃ側には、カソード側セパレータプレート４０ｃが積層されている。そして、これらには、積層方向に押圧力が加えられている。なお、図１（ａ），（ｂ）に示したように、カソード側セパレータプレート４０ｃにおいて、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位には、凹部４２が形成されている。そして、カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２は、燃料電池１００の外部から供給された空気が流れるガス流路（図示省略）と分離して形成されている。
【００２７】
また、本実施例の燃料電池１００では、電解質膜１０ｍは、電解質膜１０ｍの表面に沿った第１の方向についての膨張率、すなわち、膨潤時の寸法変化率が、電解質膜１０ｍの表面に沿った方向であって、第１の方向と直交する第２の方向についての膨張率よりも大きい性質を有する材料からなるものとした。本実施例では、膜電極接合体１０の第１の方向についての膨張率がほぼ１０（％）であり、第２の方向についての膨張率がほぼ０（％）であるものとした。これらの各膨張率の値は、適宜、変更可能である。そして、図１（ｃ）に示したように、本実施例の燃料電池１００において、電解質膜１０ｍは、矩形形状を有するとともに、矩形形状における短辺方向が、上記第１の方向となり、矩形形状における長辺方向が上記第２の方向となるように作製されている。
【００２８】
以下、比較例の燃料電池１００Ｒの構成と第１実施例の燃料電池１００の構成とを比較して、第１実施例の燃料電池１００による効果について説明する。
【００２９】
図２は、比較例の燃料電池１００Ｒの概略構成を示す説明図である。燃料電池１００Ｒの要部断面図を示した。比較例の燃料電池１００Ｒは、第１実施例の燃料電池１００におけるカソード側セパレータプレート４０ｃの代わりに、カソード側セパレータプレート４０Ｒｃを備えている。そして、カソード側セパレータプレート４０Ｒｃには、カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２が形成されていない。その他の燃料電池１００Ｒの構成は、燃料電池１００の構成と同じである。
【００３０】
比較例の燃料電池１００Ｒでは、例えば、製造上の誤差により、ガスケット３０の厚さが所望の厚さよりも薄い場合や、ガスケット３０の圧縮弾性率が所望の値よりも低い場合には、ガスケット３０を介して膜電極接合体１０（電解質膜１０ｍ）に加わる押圧力よりも、カソード側ガス拡散層２０ｃを介して膜電極接合体１０（電解質膜１０ｍ）に加わる押圧力の方が大きくなる。このため、膜電極接合体１０（電解質膜１０ｍ）において、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと当接する、破線円で示した部位Ｐには、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇによってせん断応力が加わる。したがって、電解質膜１０ｍにおける部位Ｐは、上記せん断応力によってクリープ変形しやすい。そして、電解質膜１０ｍがクリープ変形すると、電解質膜１０ｍの膜厚が薄くなる。そして、電解質膜１０ｍの膜厚が薄くなると、クロスリークがより生じやすくなり、クロスリークに伴って生成される過酸化水素等による電解質膜１０ｍの劣化を加速させることとなる。
【００３１】
これに対して、第１実施例の燃料電池１００では、カソード側セパレータプレート４０ｃが、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位に凹部４２を備えるので、カソード側セパレータプレート４０ｃからカソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇに加わる押圧力を緩和することができる。したがって、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇによって電解質膜１０ｍに加わるせん断応力を緩和することができる。この結果、電解質膜１０ｍのクリープ変形を抑制し、電解質膜１０ｍの薄膜化を抑制することができる。そして、燃料電池１００の長寿命化を図ることができる。
【００３２】
また、燃料電池１００では、カソード側セパレータプレート４０ｃにおいて、凹部４２は、燃料電池１００の外部から供給された空気が流れるガス流路と分離して形成されているので、この凹部４２には、燃料電池１００の外部から供給された空気が直接的に流入することがない。したがって、膜電極接合体１０において、カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２と対向する部位での発電を抑制し、生成水の生成を抑制することができる。この結果、この部位において、生成水による電解質膜１０ｍの膨潤（変形）を抑制することができる。そして、電解質膜１０ｍの薄膜化を抑制することができる。
【００３３】
また、燃料電池１００では、電解質膜１０ｍが、矩形形状を有するとともに、矩形形状における短辺方向の膨張率が、長辺方向の膨張率よりも大きくなるように作製されているので、電解質膜１０ｍの膨潤・乾燥（収縮）時の変形量を抑制することができる。したがって、電解質膜１０ｍに加わる応力を抑制し、触媒電極層の破壊等、膜電極接合体１０のダメージを抑制することができる。
【００３４】
また、燃料電池１００では、膜電極接合体１０のカソード側の表面において、膜電極接合体１０を挟んでアノード側ガス拡散層２０ａと対向する領域であって、アノード側ガス拡散層２０ａが接合された領域よりも内側の領域に、カソード側ガス拡散層２０ｃが接合されている。こうすることによって、カソードからアノードへの酸素のクロスリークを抑制して、アノードでの過酸化水素の生成を抑制することができる。また、カソード側の触媒電極層に含まれるカーボン微粒子の腐食を抑制することもできる。
【００３５】
Ｂ．第２実施例：
図３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。図３（ａ）に、燃料電池１００Ａの要部断面図を示した。また、図３（ｂ）に、カソード側セパレータプレート４０Ａｃの要部平面図を示した。
【００３６】
図３（ａ）に示したように、第２実施例の燃料電池１００Ａは、第１実施例の燃料電池１００におけるカソード側セパレータプレート４０ｃの代わりに、カソード側セパレータプレート４０Ａｃを備えている。そして、図３（ａ），（ｂ）に示したように、カソード側セパレータプレート４０Ａｃには、２つのＬ字型の凹部４２Ａと、空気およびカソードオフガスが流れるガス流路を構成する溝部４４とが形成されている。２つの凹部４２Ａと溝部４４とは、分離して形成されている。その他の燃料電池１００Ａの構成は、燃料電池１００の構成と同じである。なお、カソード側セパレータプレート４０Ａｃにおける２つの凹部４２Ａは、カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２と同様に、それぞれ、カソード側セパレータプレート４０Ａｃにおいて、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位に形成されている。
【００３７】
以上説明した第２実施例の燃料電池１００Ａによれば、第１実施例の燃料電池１００と同様に、カソード側セパレータプレート４０Ａｃが、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位に凹部４２Ａを備えるので、カソード側セパレータプレート４０Ａｃからカソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇに加わる押圧力を緩和することができる。したがって、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇによって電解質膜１０ｍに加わるせん断応力を緩和することができる。この結果、電解質膜１０ｍのクリープ変形を抑制し、電解質膜１０ｍの薄膜化を抑制することができる。そして、燃料電池１００Ａの長寿命化を図ることができる。
【００３８】
Ｃ．第３実施例：
図４は、本発明の第３実施例としての燃料電池１００Ｂの概略構成を示す説明図である。燃料電池１００Ｂの要部断面図を示した。図示するように、第３実施例の燃料電池１００Ｂは、第１実施例の燃料電池１００におけるアノード側セパレータプレート４０ａの代わりに、アノード側セパレータプレート４０Ｂａを備えている。そして、アノード側セパレータプレート４０Ｂａにおいて、アノード側ガス拡散層２０ａのエッジ部２０ａｅｄｇと対向する部位には、凹部４２が形成されている。なお、アノード側セパレータプレート４０Ｂａにおける凹部４２も、カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２と同様に、燃料電池１００の外部から供給された水素が流れるガス流路（図示省略）と分離して形成されている。これ以外の燃料電池１００Ｂの構成は、燃料電池１００の構成と同じである。
【００３９】
以上説明した第３実施例の燃料電池１００Ｂによれば、第１実施例の燃料電池１００と同様に、カソード側セパレータプレート４０ｃが、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位に凹部４２を備えるので、カソード側セパレータプレート４０ｃからカソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇに加わる押圧力を緩和することができる。したがって、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇによって電解質膜１０ｍに加わるせん断応力を緩和することができる。さらに、燃料電池１００Ｂでは、アノード側セパレータプレート４０Ｂａが、アノード側ガス拡散層２０ａのエッジ部２０ａｅｄｇと対向する部位に凹部４２を備えるので、アノード側セパレータプレート４０ａからアノード側ガス拡散層２０ａのエッジ部２０ａｅｄｇに加わる押圧力を緩和することができる。したがって、アノード側ガス拡散層２０ａのエッジ部２０ａｅｄｇによって電解質膜１０ｍに加わるせん断応力を緩和することができる。この結果、電解質膜１０ｍのクリープ変形を抑制し、電解質膜１０ｍの薄膜化を抑制することができる。そして、燃料電池１００Ｂの長寿命化を図ることができる。
【００４０】
また、燃料電池１００Ｂでは、アノード側セパレータプレート４０ａにおける凹部４２は、燃料電池１００の外部から供給された水素が流れるガス流路と分離して形成されているので、この凹部４２には、燃料電池１００の外部から供給された水素が直接的に流入することがない。したがって、膜電極接合体１０において、アノード側セパレータプレート４０ａにおける凹部４２と対向する部位での発電を抑制し、生成水の生成を抑制することができる。この結果、この部位において、生成水による電解質膜１０ｍの膨潤（変形）を抑制することができる。そして、電解質膜１０ｍの薄膜化を抑制することができる。
【００４１】
Ｄ．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。
【００４２】
Ｄ１．変形例１：
図５は、第１実施例の変形例としての燃料電池１００Ｃの概略構成を示す説明図である。燃料電池１００Ｃの要部断面図を示した。図示するように、燃料電池１００Ｃは、第１実施例の燃料電池１００におけるカソード側セパレータプレート４０ｃの代わりに、カソード側セパレータプレート４０Ｃｃを備えている。そして、膜電極接合体１０とカソード側セパレータプレート４０Ｃｃとの間には、導電性を有する多孔質部材５０ｃが挟持されており、この多孔質部材５０ｃは、空気およびカソードオフガスが流れるカソード側ガス流路を構成している。また、膜電極接合体１０とアノード側セパレータプレート４０ａとの間には、導電性を有する多孔質部材５０ａが挟持されており、この多孔質部材５０ａは、水素およびアノードオフガスが流れるアノード側ガス流路を構成している。
【００４３】
なお、カソード側セパレータプレート４０Ｃｃには、カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２と同様に、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位に、凹部４２Ｃが形成されている。ただし、カソード側セパレータプレート４０Ｃｃにおける凹部４２Ｃの幅Ｗは、カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２の幅よりも広い。こうすることによって、カソード側セパレータプレート４０Ｃｃにおける凹部４２Ｃの幅Ｗが比較的狭い場合よりも、カソード側セパレータプレート４０Ｃｃにおける凹部４２Ｃとカソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇとの間において、多孔質部材５０ｃがたわみやすくし、カソード側セパレータプレート４０Ｃｃから多孔質部材５０ｃを介してカソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇに加わる押圧力を緩和することができる。
【００４４】
以上説明した変形例の燃料電池１００Ｃによっても、第１実施例の燃料電池１００と同様に、カソード側セパレータプレート４０Ｃｃが、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇと対向する部位に凹部４２Ｃを備えるので、カソード側ガス拡散層２０ｃのエッジ部２０ｃｅｄｇによって電解質膜１０ｍに加わるせん断応力を緩和することができる。この結果、電解質膜１０ｍのクリープ変形を抑制し、電解質膜１０ｍの薄膜化を抑制することができる。そして、燃料電池１００Ｃの長寿命化を図ることができる。
【００４５】
Ｄ２．変形例２：
例えば、上記第１実施例の燃料電池１００では、カソード側セパレータプレート４０ｃにおいて、凹部４２は、燃料電池１００の外部から供給された空気が直接的に流入しないように、空気が流れるガス流路と分離して形成されるものとしたが、本発明は、これに限られない。カソード側セパレータプレート４０ｃにおける凹部４２に、空気が流入するものとしてもよい。
【００４６】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、電解質膜１０ｍが、矩形形状を有するとともに、矩形形状における短辺方向の膨張率が、長辺方向の膨張率よりも大きくなるように作製されているものとしたが、本発明は、これに限られない。電解質膜１０ｍにおいて、例えば、矩形形状における短辺方向の膨張率と、長辺方向の膨張率とが等しいものとしてもよい。
【００４７】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、膜電極接合体１０のカソード側の表面において、膜電極接合体１０を挟んでアノード側ガス拡散層２０ａと対向する領域であって、アノード側ガス拡散層２０ａが接合された領域よりも内側の領域に、カソード側ガス拡散層２０ｃが接合されるものとしたが、本発明は、これに限られない。膜電極接合体１０のアノード側の表面において、膜電極接合体１０を挟んでカソード側ガス拡散層２０ｃと対向する領域であって、カソード側ガス拡散層２０ｃが接合された領域よりも内側の領域に、アノード側ガス拡散層２０ａが接合されるものとしてもよい。
【００４８】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、アノード側セパレータプレートと、カソード側セパレータプレートと、を別々に記載したが、本発明は、これに限られない。複数の膜電極接合体１０を積層して、燃料電池スタックを構成する場合には、アノード側セパレータプレートと、カソード側セパレータプレートとを一体化して、１つのセパレータとしてもよい。
【００４９】
Ｄ６．変形例６：
上記燃料電池１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃの構成の一部を、適宜、組み合わせるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｒ…燃料電池
１０…膜電極接合体
１０ｍ…電解質膜
２０ａ…アノード側ガス拡散層
２０ａｅｄｇ…エッジ部
２０ｃ…カソード側ガス拡散層
２０ｃｅｄｇ…エッジ部
３０…ガスケット
４０ａ，４０Ｂａ…アノード側セパレータプレート
４０ｃ，４０Ａｃ，４０Ｃｃ，４０Ｒｃ…カソード側セパレータプレート
４２，４２Ａ，４２Ｃ…凹部
４４…溝部
５０ａ，５０ｃ…多孔質部材
【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触媒電極層を接合してなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の第１の表面に接合された第１のガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記第１の表面と反対側の第２の表面において、前記膜電極接合体を挟んで前記第１のガス拡散層と対向する領域であって、前記第１のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合された第２のガス拡散層と、
前記膜電極接合体と前記第１のガス拡散層と前記第２のガス拡散層との積層体の外周部に形成されたガスケットと、
前記積層体および前記ガスケットの前記第１のガス拡散層側に積層された第１のセパレータプレートと、
前記積層体および前記ガスケットの前記第２のガス拡散層側に積層された第２のセパレータプレートと、を備え、
前記第２のセパレータプレートは、前記第２のガス拡散層のエッジ部と対向する部位に凹部を備える、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第２のセパレータプレートにおける前記凹部は、前記燃料電池の外部から供給された反応ガスが流れる反応ガス流路と分離して形成されている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、さらに、
前記第１のセパレータプレートは、前記第１のガス拡散層のエッジ部と対向する部位に凹部を備える、
燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記第１のセパレータプレートにおける前記凹部は、前記燃料電池の外部から供給された反応ガスが流れる反応ガス流路と分離して形成されている、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、前記第１または第２の表面に沿った第１の方向についての膨張率が、前記第１または第２の表面に沿った方向であって、前記第１の方向と直交する第２の方向についての膨張率よりも大きい特性を有する材料からなり、
前記電解質膜は、矩形形状を有するとともに、前記矩形形状における短辺方向が、前記第１の方向となり、前記矩形形状における長辺方向が、前記第２の方向となるように作製されている、
燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記膜電極接合体の第１の表面は、アノード側の表面であり、
前記膜電極接合体の第２の表面は、カソード側の表面である、
燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面にそれぞれ触媒電極層を接合してなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の第１の表面に接合された第１のガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記第１の表面と反対側の第２の表面において、前記膜電極接合体を挟んで前記第１のガス拡散層と対向する領域であって、前記第１のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合された第２のガス拡散層と、
前記膜電極接合体と前記第１のガス拡散層と前記第２のガス拡散層との積層体の外周部に形成されたガスケットと、
前記積層体および前記ガスケットの前記第１のガス拡散層側に積層された第１のセパレータプレートと、
前記積層体および前記ガスケットの前記第２のガス拡散層側に積層された第２のセパレータプレートと、を備え、
前記第２のセパレータプレートは、前記第２のガス拡散層のエッジ部と対向する部位に凹部を備える、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第２のセパレータプレートにおける前記凹部は、前記燃料電池の外部から供給された反応ガスが流れる反応ガス流路と分離して形成されている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、さらに、
前記第１のセパレータプレートは、前記第１のガス拡散層のエッジ部と対向する部位に凹部を備える、
燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記第１のセパレータプレートにおける前記凹部は、前記燃料電池の外部から供給された反応ガスが流れる反応ガス流路と分離して形成されている、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、前記第１または第２の表面に沿った第１の方向についての膨張率が、前記第１または第２の表面に沿った方向であって、前記第１の方向と直交する第２の方向についての膨張率よりも大きい特性を有する材料からなり、
前記電解質膜は、矩形形状を有するとともに、前記矩形形状における短辺方向が、前記第１の方向となり、前記矩形形状における長辺方向が、前記第２の方向となるように作製されている、
燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記膜電極接合体の第１の表面は、アノード側の表面であり、
前記膜電極接合体の第２の表面は、カソード側の表面である、
燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１３４０３３（Ｐ２０１２−１３４０３３Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８５７１２（Ｐ２０１０−２８５７１２）
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【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２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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