燃料電池
【課題】混合ガスを良好に酸素還元することができ、電極反応面に劣化促進物質が供給されることを確実に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とが積層される。燃料電池１０は、積層方向に貫通して、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、燃料ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂを設ける。第１セパレータ１４には、酸化剤ガス流路２４が形成される一方、第２セパレータ１６には、燃料ガス流路２８が形成される。電解質膜・電極構造体１２の突出部１２ｂには、燃料ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス流路２８との間に、アノード電極４２とは別体に構成された酸化還元触媒層４６が配設される。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とが積層される。燃料電池１０は、積層方向に貫通して、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、燃料ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂを設ける。第１セパレータ１４には、酸化剤ガス流路２４が形成される一方、第２セパレータ１６には、燃料ガス流路２８が形成される。電解質膜・電極構造体１２の突出部１２ｂには、燃料ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス流路２８との間に、アノード電極４２とは別体に構成された酸化還元触媒層４６が配設される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体が、一対のセパレータ間に積層され、前記電解質・電極構造体と各セパレータとの間には、それぞれ電極反応面の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（拡散層）からなるアノード電極及びカソード電極を対設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード電極には、燃料ガス（反応ガス）、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード電極には、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
上記の燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード電極及びカソード電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、内部マニホールドを構成する場合が多い。この内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を備えており、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路）の入口及び出口には、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔がそれぞれ連通している。
【０００５】
ところで、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路では、発電時に反応生成水が生成される一方、燃料ガスが流れる燃料ガス流路では、前記反応生成水の逆拡散や結露等による凝縮水が発生し易い。その際、凝縮水（生成水）が酸化剤ガス流路や燃料ガス流路に付着すると、酸化剤ガスや燃料ガスの流れが阻害されてしまい、発電性能の低下が惹起される。このため、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路から酸化剤ガス出口連通孔及び燃料ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）に、それぞれ凝縮水を確実に排出させる必要がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この特許文献１は、燃料極に供給された燃料ガスと空気極に供給された空気中の酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池システムにおいて、燃料極通路に燃料ガスを供給するか空気を供給するかを切り換える燃料極通路切換弁と、空気極と燃料極とを連通させる連通弁とを備え、運転状況に応じて燃料極通路に空気を供給するように前記燃料極通路切換弁を切り換えるとともに、前記連通弁を連通させて、空気で燃料極をパージする空気パージを行うことを要旨としている。
【０００７】
これにより、燃料ガスの代わりに空気により燃料極に溜まった水等を吹き飛ばして除去することができるので、発電に使われずに消費されてしまう燃料の量を減らし、燃費を向上させることができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３６６４１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献１では、燃料電池システムの起動時及び発電終了時に、空気により燃料極に溜まった水等を吹き飛ばしている。このため、反応ガス連通孔内には、水素ガス、窒素ガス及び酸素が混在した混合ガスが残存し易い。また、膜を水素が透過して拡散し易いため、反応ガス連通孔内に水素ガス、窒素ガス及び酸素が混在した混合ガスが残存し易い。また、停止時に、外部から窒素や酸素が混入し易い。従って、起動時には、反応ガス入口連通孔から電極反応面に混合ガスが流入する一方、停止時には、反応ガス出口連通孔から前記電極反応面に前記混合ガスの逆流が惹起するおそれがある。
【００１０】
従って、混合ガスが電極触媒層に最初に接触する部位で反応が起こり、前記電極触媒層の端部には、過酸化水素やラジカル等の物質が生成され易い。これにより、特に固体高分子電解質膜の局所的な劣化が発生するという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、混合ガスを良好に酸化還元することができ、電極反応面に劣化促進物質が供給されることを確実に阻止することが可能な燃料電池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】
【００１２】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体が、一対のセパレータ間に積層され、前記電解質・電極構造体と各セパレータとの間には、それぞれ電極反応面の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関するものである。
【００１３】
この燃料電池では、反応ガス連通孔と電極反応面との間には、電極とは別体に構成された酸化還元触媒層が配設されている。
【００１４】
また、この燃料電池では、酸化還元触媒層は、反応ガス連通孔に隣接して電解質・電極構造体の端部に設けられることが好ましい。
【００１５】
さらに、この燃料電池では、酸化還元触媒層は、絶縁部材を介装することにより電解質及び電極から電気的に絶縁されることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、この燃料電池では、酸化還元触媒層は、反応ガス連通孔に隣接してセパレータに設けられることが好ましい。
【００１７】
また、この燃料電池では、酸化還元触媒層は、劣化促進物質と電解質が直接接触しないようガスバリア性を有する部材を、前記電解質と前記酸化還元触媒層との間に介装することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、反応ガス連通孔と電極反応面との間には、酸化還元触媒層が配設されており、前記反応ガス連通孔から前記電極反応面側に流入する混合ガスは、前記酸化還元触媒層により酸素還元される。従って、電極反応面には、劣化促進物質が供給されることがなく、電解質、特に固体高分子電解質膜の劣化を良好に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図３】前記燃料電池の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】前記電解質膜・電極構造体の、図１中、Ｖ−Ｖ線断面図である。
【図６】前記電解質・電極構造体の製造方法の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図８】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１２】前記燃料電池の、図１１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【図１３】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図１４】前記燃料電池の、図１１中、ＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２と第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とが、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に積層される。複数の燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、金属セパレータ又はカーボンセパレータが使用される。
【００２１】
燃料電池１０は、横長形状を有し、矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）１８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）２０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２２】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）２０ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）１８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２３】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向の一端縁部（上端縁部）には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂが設けられる。
【００２４】
第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）２４が設けられる。酸化剤ガス流路２４は、複数の酸化剤ガス流路溝２４ａを有するとともに、前記酸化剤ガス流路溝２４ａは、矢印Ｂ方向に延在する。酸化剤ガス流路溝２４ａの入口側には、入口バッファ部２４ｂが設けられる一方、前記酸化剤ガス流路溝２４ａの出口側には、出口バッファ部２４ｃが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａと入口バッファ部２４ｂとの間には、入口連結流路（ブリッジ部）２６ａが形成され、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと出口バッファ部２４ｃと間には、出口連結流路（ブリッジ部）２６ｂが形成される。
【００２５】
図２に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス流路（反応ガス流路）２８が設けられる。燃料ガス流路２８は、酸化剤ガス流路２４と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝２８ａを有する。燃料ガス流路溝２８ａの入口側には、入口バッファ部２８ｂが設けられる一方、前記燃料ガス流路溝２８ａの出口側には、出口バッファ部２８ｃが設けられる。燃料ガス入口連通孔２０ａと入口バッファ部２８ｂとの間には、入口連結流路（ブリッジ部）３０ａが形成され、燃料ガス出口連通孔２０ｂと出口バッファ部２８ｃと間には、出口連結流路（ブリッジ部）３０ｂが形成される。
【００２６】
第１セパレータ１４と第２セパレータ１６とは、互いに対向する面１４ｂ、１６ｂに冷却媒体流路３２を一体的に形成する（図１参照）。
【００２７】
第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周縁部を周回して第１シール部材３４が射出成形等により一体的に設けられる。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周縁部を周回して第２シール部材３６が射出成形等により一体的に設けられる。第１シール部材３４及び第２シール部材３６は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００２８】
電解質膜・電極構造体１２は、横長形状を有するとともに、矢印Ｂ方向の両端上下には、酸化剤ガス流路２４及び燃料ガス流路２８から酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、燃料ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂに向かって突出する突出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄが設けられる。突出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄは、入口連結流路２６ａ、入口連結流路３０ａ、出口連結流路２６ｂ及び出口連結流路３０ｂを覆って配置される。
【００２９】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するカソード電極４０及びアノード電極４２とを備える。
【００３０】
図３に示すように、カソード電極４０及びアノード電極４２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層４０ａ、４２ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層４０ａ、４２ａの表面に一様に塗布して形成される電極触媒層４０ｂ、４２ｂとを有する。ガス拡散層４０ａ、４２ａの端部は、電極触媒層４０ｂ、４２ｂの端部よりも外方に突出するとともに、前記電極触媒層４０ｂ、４２ｂにより電極反応面が形成される。
【００３１】
図４に示すように、電解質膜・電極構造体１２の突出部１２ｂ（突出部１２ｄも同様）では、アノード電極４２側のガス拡散層４２ａの先端が切り欠かれることにより、カソード電極４０側のガス拡散層４０ａよりも短尺に形成される。ガス拡散層４２ａの切り欠かれた端面４２ａｅと固体高分子電解質膜３８とに接して、前記端面４２ａｅと隙間なくガスバリア性を有する保護フイルム４４が配置される。保護フイルム４４は、例えば、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンナフタレート等の絶縁性材料で構成されるとともに、前記保護フイルム４４には、酸化還元触媒層４６と反応ガスが透過する絶縁メッシュ部材４８とが積層される。
【００３２】
酸化還元触媒層４６は、混合ガス（Ｏ2、Ｎ2及びＨ2等）を捕捉して迅速に酸化還元反応（ＯＲＲ）及び水素酸化反応（ＨＯＲ）を進行させる必要があるため、触媒表面積が多く、酸化還元反応活性の高い触媒が好ましい。酸化還元触媒層４６は、アノード電極４２とは別体に構成されるとともに、図２に示すように、突出部１２ｂでは、燃料ガス入口連通孔２０ａと入口バッファ部２８ｂとの間、すなわち、入口連結流路３０ａに対応して配置される。酸化還元触媒層４６は、突出部１２ｄでは、燃料ガス出口連通孔２０ｂと出口バッファ部２８ｃとの間、すなわち、出口連結流路３０ｂに対応して配置される。
【００３３】
酸化還元触媒層４６は、例えば、白金、白金担持カーボン、白金コバルト担持カーボン又は白金ニッケル担持カーボン等の触媒が使用され、前記触媒と電解質又は接着剤からなる。酸素還元反応は、（ＨＯＲ）Ｈ2⇔２Ｈ+＋２ｅ- 及び（ＯＲＲ）１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏである。
【００３４】
絶縁メッシュ部材４８は、耐熱温度が７０℃以上であり、耐酸化性及び絶縁性を有する。絶縁メッシュ部材４８は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンの共同合体したフッ素樹脂）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）又はポリイミド等により形成される。
【００３５】
酸化還元触媒層４６は、絶縁部材である保護フイルム４４と絶縁メッシュ部材４８との間に配置されるとともに、ガス拡散層４２ａの切り欠かれた端面４２ａｅから距離Ｓだけ離間する。酸化還元触媒層４６は、固体高分子電解質膜３８及びアノード電極４２の電極触媒層４２ｂから電気的に絶縁される。
【００３６】
図５に示すように、電解質膜・電極構造体１２の突出部１２ａ（突出部１２ｃも同様）では、カソード電極４０側のガス拡散層４０ａの先端が切り欠かれることにより、アノード電極４２側のガス拡散層４２ａよりも短尺に形成される。ガス拡散層４０ａの切り欠かれた端面４０ａｅと固体高分子電解質膜３８とに接して、保護フイルム４４が配置される。
【００３７】
酸化還元触媒層４６は、絶縁部材である保護フイルム４４と絶縁メッシュ部材４８との間に配置されるとともに、ガス拡散層４０ａの切り欠かれた端面４０ａｅから距離Ｓだけ離間する。酸化還元触媒層４６は、カソード電極４０とは別体に構成されるとともに、図１に示すように、突出部１２ａでは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと入口バッファ部２４ｂとの間、すなわち、入口連結流路２６ａに対応して配置される。酸化還元触媒層４６は、突出部１２ｃでは、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと出口バッファ部２４ｃとの間、すなわち、出口連結流路２６ｂに対応して配置される。
【００３８】
このように構成される燃料電池１０において、電解質膜・電極構造体１２を製造する方法について、以下に説明する。
【００３９】
先ず、図６中、（ａ）に示すように、長手方向両端部に切り欠き部位を有する固体高分子電解質膜３８が用意される。そして、図６中、（ｂ）に示すように、固体高分子電解質膜３８の両方の面には、電極触媒層４２ｂ、４０ｂが設けられるとともに、前記固体高分子電解質膜３８の四隅である突出部１２ａ〜１２ｄには、それぞれ所定の面側に保護フイルム４４を介装して酸化還元触媒層４６が形成される。
【００４０】
具体的には、電極触媒層４２ｂ、４０ｂは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を含む溶液を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを有する。この触媒ペーストが、固体高分子電解質膜３８の両面に、電極部がくり抜かれたマスクシートを介して印刷、塗布又は転写されることによって、触媒被覆膜５０が構成される。高分子電解質としては、フッ素系のイオン交換膜、例えば、デュポン社製のナフィオン（商品名）が用いられる。
【００４１】
次いで、図６中、（ｃ）に示すように、触媒被覆膜５０には、四隅の各酸化還元触媒層４６に絶縁メッシュ部材４８が設置された状態で、前記触媒被覆膜５０にガス拡散層４２ａ、４０ａがホットプレスにより一体化される。ここで、ガス拡散層４２ａは、突出部１２ａ、１２ｃに対応して対角位置に膨出部を有する一方、ガス拡散層４０ａは、突出部１２ｂ、１２ｄに対応して対角位置に膨出部を有する。これにより、電解質膜・電極構造体１２が製造される。
【００４２】
さらに、電解質膜・電極構造体１２の両側に、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６が配置されるとともに、締め付け荷重が付与されて燃料電池１０が組み付けられる（図１及び図２参照）。
【００４３】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４４】
図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００４５】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路２４に導入される。酸化剤ガス流路２４では、酸化剤ガスが入口連結流路２６ａから入口バッファ部２４ｂに導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝２４ａに分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝２４ａを介して電解質膜・電極構造体１２のカソード電極４０に沿って移動する。
【００４６】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２０ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路２８に導入される。この燃料ガス流路２８では、図２に示すように、燃料ガスが入口連結流路３０ａから入口バッファ部２８ｂに導入された後、複数の燃料ガス流路溝２８ａに分散される。さらに、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝２８ａを介して電解質膜・電極構造体１２のアノード電極４２に沿って移動する。
【００４７】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４８】
次いで、カソード電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部２４ｃから出口連結流路２６ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに排出される。同様に、アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部２８ｃから出口連結流路３０ｂを介して燃料ガス出口連通孔２０ｂに排出される（図２参照）。
【００４９】
一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ１４、１６間に形成された冷却媒体流路３２に導入される（図１参照）。この冷却媒体流路３２では、冷却媒体が重力方向（矢印Ｃ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。
【００５０】
燃料電池１０では、発電終了時に、酸化剤ガス流路２４及び燃料ガス流路２８に空気（酸化剤ガス）による掃気が行われている。また、燃料電池１０の起動時に、燃料ガス流路２８及び酸化剤ガス流路２４に燃料ガスを供給する場合がある。
【００５１】
このため、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂの他、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ内には、Ｏ2、Ｎ2及びＨ2等を含む混合ガスが存在し易い。
【００５２】
そこで、第１の実施形態では、図２及び図４に示すように、電解質膜・電極構造体１２を構成する突出部１２ｂでは、燃料ガス入口連通孔２０ａと入口バッファ部２８ｂとの間、すなわち、入口連結流路３０ａに対応して酸化還元触媒層４６が配設されている。このため、燃料ガス入口連通孔２０ａから燃料ガス流路２８（電極反応面側）に流入する混合ガスは、酸化還元触媒層４６により酸素が還元され、水素が酸化されることにより混合ガスがなくなる。
【００５３】
しかも、酸化還元触媒層４６は、燃料ガス入口連通孔２０ａに最も隣接する入口連結流路３０ａに対応して配置されている。従って、燃料ガス入口連通孔２０ａから流入した混合ガスは、入口バッファ部２８ｂで拡散する前に狭小な領域内で確実に捕捉することができる。その上、酸化還元触媒層４６は、電極触媒層４２ｂから比較的長い距離を確保することが可能になり、イオン伝導の影響を抑制することができる。
【００５４】
これにより、燃料ガス流路２８に劣化促進物質、例えば、過酸化水素が供給されることを可及的に阻止することが可能になる。このため、アノード電極４２を構成する電極触媒層４２ｂ及び固体高分子電解質膜３８の劣化を良好に抑制することができるという効果が得られる。
【００５５】
さらに、図４に示すように、酸化還元触媒層４６は、絶縁部材である保護フイルム４４と絶縁メッシュ部材４８との間に配置されるとともに、ガス拡散層４２ａの切り欠かれた端面４２ａｅから距離Ｓだけ離間している。従って、酸化還元触媒層４６は、固体高分子電解質膜３８及びアノード電極４２の電極触媒層４２ｂから実質的に電流が流れない程度に電気的に確実に絶縁されるという利点がある。
【００５６】
また、電解質膜・電極構造体１２を構成する突出部１２ｄにも同様に、酸化還元触媒層４６は、燃料ガス出口連通孔２０ｂと出口バッファ部２８ｃとの間、すなわち、出口連結流路３０ｂに対応して配置されている。これにより、燃料ガス出口連通孔２０ｂから燃料ガス流路２８に逆流した混合ガスは、酸化還元触媒層４６により確実に捕捉されて酸化還元処理が施される。このため、燃料ガス流路２８に劣化促進物質、例えば、過酸化水素が供給されることがなく、電極触媒層４２ｂ及び固体高分子電解質膜３８の劣化を良好に抑制することができるという効果が得られる。
【００５７】
一方、突出部１２ａでは、図１及び図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと入口バッファ部２４ｂとの間、すなわち、入口連結流路２６ａに対応して酸化還元触媒層４６が配置されるとともに、突出部１２ｃでは、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと出口バッファ部２４ｃとの間、すなわち、出口連結流路２６ｂに対応して前記酸化還元触媒層４６配置されている。従って、酸化剤ガス流路２４では、上記の燃料ガス流路２８と同様の効果が得られる。
【００５８】
図７に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６の間に、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）６２を挟持する。
【００５９】
電解質膜・電極構造体６２は、横長形状を有するとともに、矢印Ｂ方向の両端上下には、入口連結流路２６ａ、入口連結流路３０ａ、出口連結流路２６ｂ及び出口連結流路３０ｂに向かって突出する突出部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄが設けられる。突出部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄは、入口バッファ部２４ｂ、入口バッファ部２８ｂ、出口バッファ部２４ｃ及び出口バッファ部２８ｃの一部を覆って配置される。
【００６０】
突出部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄには、第１の実施形態と同様に酸化還元触媒層４６が配設される。酸化還元触媒層４６は、図７及び図８に示すように、入口バッファ部２４ｂ、入口バッファ部２８ｂ、出口バッファ部２４ｃ及び出口バッファ部２８ｃの一部を覆って入口連結流路２６ａ、入口連結流路３０ａ、出口連結流路２６ｂ及び出口連結流路３０ｂに隣接する位置に配置される。
【００６１】
酸化還元触媒層４６は、実質的に連結流路幅と略同一のバッファ領域に設定される（図８参照）。
【００６２】
このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、反応面積を有効に確保することができるという利点がある。
【００６３】
図９に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池では、酸化還元触媒層４６は、バッファ領域全域に設けられており、図１０に示すよう、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池では、酸化還元触媒層４６は、バッファ領域全域及び連結流路全域に設けられている。従って、第３及び第４の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６４】
図１１に示すように、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池７０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）７２と第１セパレータ７４及び第２セパレータ７６とが、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に積層される。
【００６５】
第１セパレータ７４は、入口連結流路２６ａ及び出口連結流路２６ｂを覆って酸化還元触媒層７８を設ける（図１１及び図１２参照）。酸化還元触媒層７８は、第１セパレータ７４の表面に、例えば、白金を蒸着することにより形成される。なお、蒸着の他、めっきやインクジェット等による塗布方式も採用可能である。第１セパレータ７４と酸化還元触媒層７８との間には、絶縁層（図示せず）が設けられる。
【００６６】
第２セパレータ７６は、図１３に示すように、入口連結流路３０ａ及び出口連結流路３０ｂを覆って酸化還元触媒層７８を設ける。酸化還元触媒層７８は、第２セパレータ７６の表面に、例えば、白金を蒸着することにより形成される（図１４参照）。なお、第２セパレータ７６と酸化還元触媒層７８との間には、絶縁層（図示せず）が設けられる。
【００６７】
電解質膜・電極構造体７２は、横長形状を有するとともに、矢印Ｂ方向の両端上下には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、燃料ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂに向かって突出する突出部７２ａ、７２ｂ、７２ｃ及び７２ｄが設けられる。突出部７２ａ、７２ｂ、７２ｃ及び７２ｄには、酸素還元触媒層等が設けられていない。
【００６８】
このように構成される第５の実施形態では、第１セパレータ７４及び第２セパレータ７６に酸化還元触媒層７８が設けられており、前記酸化還元触媒層７８により混合ガスの酸素還元処理が行われている。これにより、第５の実施形態は、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６９】
なお、第５の実施形態では、酸化還元触媒層７８が入口連結流路２６ａ、入口連結流路３０ａ、出口連結流路２６ｂ及び出口連結流路３０ｂを覆って配置されているが、これに限定されるものではない。例えば、第２の実施形態と同様に、酸化還元触媒層７８が入口バッファ部２４ｂ、入口バッファ部２８ｂ、出口バッファ部２４ｃ及び出口バッファ部２８ｃの一部を覆って配置されていてもよい。
【００７０】
また、電解質膜・電極構造体７２では、突出部７２ａ、７２ｂ、７２ｃ及び７２ｄに、例えば、過酸化水素による電極触媒層４２ｂ及び固体高分子電解質膜３８の劣化を良好に抑制するため、酸化還元触媒層７８と電気的に絶縁を図るための絶縁部材（図示せず）を膜と触媒層との間に配設してもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１０、６０、７０…燃料電池 １２、６２、７２…電解質膜・電極構造体
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ…突出部
１４、１６、７４、７６…セパレータ １８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
１８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２０ａ…燃料ガス入口連通孔
２０ｂ…燃料ガス出口連通孔 ２２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ２４ｂ、２８ｂ…入口バッファ部
２４ｃ、２８ｃ…出口バッファ部 ２６ａ、３０ａ…入口連結流路
２６ｂ、３０ｂ…出口連結流路 ２８…燃料ガス流路
３２…冷却媒体流路 ３８…固体高分子電解質膜
４０…カソード電極 ４２…アソード電極
４０ａ、４２ａ…ガス拡散層 ４０ｂ、４２ｂ…電極触媒層
４４…保護フイルム ４６、７８…酸化還元触媒層
４８…絶縁メッシュ部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体が、一対のセパレータ間に積層され、前記電解質・電極構造体と各セパレータとの間には、それぞれ電極反応面の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（拡散層）からなるアノード電極及びカソード電極を対設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード電極には、燃料ガス（反応ガス）、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード電極には、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
上記の燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード電極及びカソード電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、内部マニホールドを構成する場合が多い。この内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を備えており、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路）の入口及び出口には、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔がそれぞれ連通している。
【０００５】
ところで、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路では、発電時に反応生成水が生成される一方、燃料ガスが流れる燃料ガス流路では、前記反応生成水の逆拡散や結露等による凝縮水が発生し易い。その際、凝縮水（生成水）が酸化剤ガス流路や燃料ガス流路に付着すると、酸化剤ガスや燃料ガスの流れが阻害されてしまい、発電性能の低下が惹起される。このため、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路から酸化剤ガス出口連通孔及び燃料ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）に、それぞれ凝縮水を確実に排出させる必要がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この特許文献１は、燃料極に供給された燃料ガスと空気極に供給された空気中の酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池システムにおいて、燃料極通路に燃料ガスを供給するか空気を供給するかを切り換える燃料極通路切換弁と、空気極と燃料極とを連通させる連通弁とを備え、運転状況に応じて燃料極通路に空気を供給するように前記燃料極通路切換弁を切り換えるとともに、前記連通弁を連通させて、空気で燃料極をパージする空気パージを行うことを要旨としている。
【０００７】
これにより、燃料ガスの代わりに空気により燃料極に溜まった水等を吹き飛ばして除去することができるので、発電に使われずに消費されてしまう燃料の量を減らし、燃費を向上させることができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３６６４１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献１では、燃料電池システムの起動時及び発電終了時に、空気により燃料極に溜まった水等を吹き飛ばしている。このため、反応ガス連通孔内には、水素ガス、窒素ガス及び酸素が混在した混合ガスが残存し易い。また、膜を水素が透過して拡散し易いため、反応ガス連通孔内に水素ガス、窒素ガス及び酸素が混在した混合ガスが残存し易い。また、停止時に、外部から窒素や酸素が混入し易い。従って、起動時には、反応ガス入口連通孔から電極反応面に混合ガスが流入する一方、停止時には、反応ガス出口連通孔から前記電極反応面に前記混合ガスの逆流が惹起するおそれがある。
【００１０】
従って、混合ガスが電極触媒層に最初に接触する部位で反応が起こり、前記電極触媒層の端部には、過酸化水素やラジカル等の物質が生成され易い。これにより、特に固体高分子電解質膜の局所的な劣化が発生するという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、混合ガスを良好に酸化還元することができ、電極反応面に劣化促進物質が供給されることを確実に阻止することが可能な燃料電池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】
【００１２】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体が、一対のセパレータ間に積層され、前記電解質・電極構造体と各セパレータとの間には、それぞれ電極反応面の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関するものである。
【００１３】
この燃料電池では、反応ガス連通孔と電極反応面との間には、電極とは別体に構成された酸化還元触媒層が配設されている。
【００１４】
また、この燃料電池では、酸化還元触媒層は、反応ガス連通孔に隣接して電解質・電極構造体の端部に設けられることが好ましい。
【００１５】
さらに、この燃料電池では、酸化還元触媒層は、絶縁部材を介装することにより電解質及び電極から電気的に絶縁されることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、この燃料電池では、酸化還元触媒層は、反応ガス連通孔に隣接してセパレータに設けられることが好ましい。
【００１７】
また、この燃料電池では、酸化還元触媒層は、劣化促進物質と電解質が直接接触しないようガスバリア性を有する部材を、前記電解質と前記酸化還元触媒層との間に介装することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、反応ガス連通孔と電極反応面との間には、酸化還元触媒層が配設されており、前記反応ガス連通孔から前記電極反応面側に流入する混合ガスは、前記酸化還元触媒層により酸素還元される。従って、電極反応面には、劣化促進物質が供給されることがなく、電解質、特に固体高分子電解質膜の劣化を良好に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図３】前記燃料電池の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】前記電解質膜・電極構造体の、図１中、Ｖ−Ｖ線断面図である。
【図６】前記電解質・電極構造体の製造方法の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図８】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１２】前記燃料電池の、図１１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【図１３】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図１４】前記燃料電池の、図１１中、ＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２と第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とが、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に積層される。複数の燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、金属セパレータ又はカーボンセパレータが使用される。
【００２１】
燃料電池１０は、横長形状を有し、矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）１８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）２０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２２】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）２０ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）１８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２３】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向の一端縁部（上端縁部）には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂが設けられる。
【００２４】
第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）２４が設けられる。酸化剤ガス流路２４は、複数の酸化剤ガス流路溝２４ａを有するとともに、前記酸化剤ガス流路溝２４ａは、矢印Ｂ方向に延在する。酸化剤ガス流路溝２４ａの入口側には、入口バッファ部２４ｂが設けられる一方、前記酸化剤ガス流路溝２４ａの出口側には、出口バッファ部２４ｃが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａと入口バッファ部２４ｂとの間には、入口連結流路（ブリッジ部）２６ａが形成され、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと出口バッファ部２４ｃと間には、出口連結流路（ブリッジ部）２６ｂが形成される。
【００２５】
図２に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス流路（反応ガス流路）２８が設けられる。燃料ガス流路２８は、酸化剤ガス流路２４と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝２８ａを有する。燃料ガス流路溝２８ａの入口側には、入口バッファ部２８ｂが設けられる一方、前記燃料ガス流路溝２８ａの出口側には、出口バッファ部２８ｃが設けられる。燃料ガス入口連通孔２０ａと入口バッファ部２８ｂとの間には、入口連結流路（ブリッジ部）３０ａが形成され、燃料ガス出口連通孔２０ｂと出口バッファ部２８ｃと間には、出口連結流路（ブリッジ部）３０ｂが形成される。
【００２６】
第１セパレータ１４と第２セパレータ１６とは、互いに対向する面１４ｂ、１６ｂに冷却媒体流路３２を一体的に形成する（図１参照）。
【００２７】
第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周縁部を周回して第１シール部材３４が射出成形等により一体的に設けられる。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周縁部を周回して第２シール部材３６が射出成形等により一体的に設けられる。第１シール部材３４及び第２シール部材３６は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００２８】
電解質膜・電極構造体１２は、横長形状を有するとともに、矢印Ｂ方向の両端上下には、酸化剤ガス流路２４及び燃料ガス流路２８から酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、燃料ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂに向かって突出する突出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄが設けられる。突出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄは、入口連結流路２６ａ、入口連結流路３０ａ、出口連結流路２６ｂ及び出口連結流路３０ｂを覆って配置される。
【００２９】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するカソード電極４０及びアノード電極４２とを備える。
【００３０】
図３に示すように、カソード電極４０及びアノード電極４２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層４０ａ、４２ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層４０ａ、４２ａの表面に一様に塗布して形成される電極触媒層４０ｂ、４２ｂとを有する。ガス拡散層４０ａ、４２ａの端部は、電極触媒層４０ｂ、４２ｂの端部よりも外方に突出するとともに、前記電極触媒層４０ｂ、４２ｂにより電極反応面が形成される。
【００３１】
図４に示すように、電解質膜・電極構造体１２の突出部１２ｂ（突出部１２ｄも同様）では、アノード電極４２側のガス拡散層４２ａの先端が切り欠かれることにより、カソード電極４０側のガス拡散層４０ａよりも短尺に形成される。ガス拡散層４２ａの切り欠かれた端面４２ａｅと固体高分子電解質膜３８とに接して、前記端面４２ａｅと隙間なくガスバリア性を有する保護フイルム４４が配置される。保護フイルム４４は、例えば、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンナフタレート等の絶縁性材料で構成されるとともに、前記保護フイルム４４には、酸化還元触媒層４６と反応ガスが透過する絶縁メッシュ部材４８とが積層される。
【００３２】
酸化還元触媒層４６は、混合ガス（Ｏ2、Ｎ2及びＨ2等）を捕捉して迅速に酸化還元反応（ＯＲＲ）及び水素酸化反応（ＨＯＲ）を進行させる必要があるため、触媒表面積が多く、酸化還元反応活性の高い触媒が好ましい。酸化還元触媒層４６は、アノード電極４２とは別体に構成されるとともに、図２に示すように、突出部１２ｂでは、燃料ガス入口連通孔２０ａと入口バッファ部２８ｂとの間、すなわち、入口連結流路３０ａに対応して配置される。酸化還元触媒層４６は、突出部１２ｄでは、燃料ガス出口連通孔２０ｂと出口バッファ部２８ｃとの間、すなわち、出口連結流路３０ｂに対応して配置される。
【００３３】
酸化還元触媒層４６は、例えば、白金、白金担持カーボン、白金コバルト担持カーボン又は白金ニッケル担持カーボン等の触媒が使用され、前記触媒と電解質又は接着剤からなる。酸素還元反応は、（ＨＯＲ）Ｈ2⇔２Ｈ+＋２ｅ- 及び（ＯＲＲ）１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏである。
【００３４】
絶縁メッシュ部材４８は、耐熱温度が７０℃以上であり、耐酸化性及び絶縁性を有する。絶縁メッシュ部材４８は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンの共同合体したフッ素樹脂）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）又はポリイミド等により形成される。
【００３５】
酸化還元触媒層４６は、絶縁部材である保護フイルム４４と絶縁メッシュ部材４８との間に配置されるとともに、ガス拡散層４２ａの切り欠かれた端面４２ａｅから距離Ｓだけ離間する。酸化還元触媒層４６は、固体高分子電解質膜３８及びアノード電極４２の電極触媒層４２ｂから電気的に絶縁される。
【００３６】
図５に示すように、電解質膜・電極構造体１２の突出部１２ａ（突出部１２ｃも同様）では、カソード電極４０側のガス拡散層４０ａの先端が切り欠かれることにより、アノード電極４２側のガス拡散層４２ａよりも短尺に形成される。ガス拡散層４０ａの切り欠かれた端面４０ａｅと固体高分子電解質膜３８とに接して、保護フイルム４４が配置される。
【００３７】
酸化還元触媒層４６は、絶縁部材である保護フイルム４４と絶縁メッシュ部材４８との間に配置されるとともに、ガス拡散層４０ａの切り欠かれた端面４０ａｅから距離Ｓだけ離間する。酸化還元触媒層４６は、カソード電極４０とは別体に構成されるとともに、図１に示すように、突出部１２ａでは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと入口バッファ部２４ｂとの間、すなわち、入口連結流路２６ａに対応して配置される。酸化還元触媒層４６は、突出部１２ｃでは、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと出口バッファ部２４ｃとの間、すなわち、出口連結流路２６ｂに対応して配置される。
【００３８】
このように構成される燃料電池１０において、電解質膜・電極構造体１２を製造する方法について、以下に説明する。
【００３９】
先ず、図６中、（ａ）に示すように、長手方向両端部に切り欠き部位を有する固体高分子電解質膜３８が用意される。そして、図６中、（ｂ）に示すように、固体高分子電解質膜３８の両方の面には、電極触媒層４２ｂ、４０ｂが設けられるとともに、前記固体高分子電解質膜３８の四隅である突出部１２ａ〜１２ｄには、それぞれ所定の面側に保護フイルム４４を介装して酸化還元触媒層４６が形成される。
【００４０】
具体的には、電極触媒層４２ｂ、４０ｂは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を含む溶液を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを有する。この触媒ペーストが、固体高分子電解質膜３８の両面に、電極部がくり抜かれたマスクシートを介して印刷、塗布又は転写されることによって、触媒被覆膜５０が構成される。高分子電解質としては、フッ素系のイオン交換膜、例えば、デュポン社製のナフィオン（商品名）が用いられる。
【００４１】
次いで、図６中、（ｃ）に示すように、触媒被覆膜５０には、四隅の各酸化還元触媒層４６に絶縁メッシュ部材４８が設置された状態で、前記触媒被覆膜５０にガス拡散層４２ａ、４０ａがホットプレスにより一体化される。ここで、ガス拡散層４２ａは、突出部１２ａ、１２ｃに対応して対角位置に膨出部を有する一方、ガス拡散層４０ａは、突出部１２ｂ、１２ｄに対応して対角位置に膨出部を有する。これにより、電解質膜・電極構造体１２が製造される。
【００４２】
さらに、電解質膜・電極構造体１２の両側に、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６が配置されるとともに、締め付け荷重が付与されて燃料電池１０が組み付けられる（図１及び図２参照）。
【００４３】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４４】
図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００４５】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路２４に導入される。酸化剤ガス流路２４では、酸化剤ガスが入口連結流路２６ａから入口バッファ部２４ｂに導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝２４ａに分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝２４ａを介して電解質膜・電極構造体１２のカソード電極４０に沿って移動する。
【００４６】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２０ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路２８に導入される。この燃料ガス流路２８では、図２に示すように、燃料ガスが入口連結流路３０ａから入口バッファ部２８ｂに導入された後、複数の燃料ガス流路溝２８ａに分散される。さらに、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝２８ａを介して電解質膜・電極構造体１２のアノード電極４２に沿って移動する。
【００４７】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４８】
次いで、カソード電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部２４ｃから出口連結流路２６ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに排出される。同様に、アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部２８ｃから出口連結流路３０ｂを介して燃料ガス出口連通孔２０ｂに排出される（図２参照）。
【００４９】
一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ１４、１６間に形成された冷却媒体流路３２に導入される（図１参照）。この冷却媒体流路３２では、冷却媒体が重力方向（矢印Ｃ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。
【００５０】
燃料電池１０では、発電終了時に、酸化剤ガス流路２４及び燃料ガス流路２８に空気（酸化剤ガス）による掃気が行われている。また、燃料電池１０の起動時に、燃料ガス流路２８及び酸化剤ガス流路２４に燃料ガスを供給する場合がある。
【００５１】
このため、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂの他、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ内には、Ｏ2、Ｎ2及びＨ2等を含む混合ガスが存在し易い。
【００５２】
そこで、第１の実施形態では、図２及び図４に示すように、電解質膜・電極構造体１２を構成する突出部１２ｂでは、燃料ガス入口連通孔２０ａと入口バッファ部２８ｂとの間、すなわち、入口連結流路３０ａに対応して酸化還元触媒層４６が配設されている。このため、燃料ガス入口連通孔２０ａから燃料ガス流路２８（電極反応面側）に流入する混合ガスは、酸化還元触媒層４６により酸素が還元され、水素が酸化されることにより混合ガスがなくなる。
【００５３】
しかも、酸化還元触媒層４６は、燃料ガス入口連通孔２０ａに最も隣接する入口連結流路３０ａに対応して配置されている。従って、燃料ガス入口連通孔２０ａから流入した混合ガスは、入口バッファ部２８ｂで拡散する前に狭小な領域内で確実に捕捉することができる。その上、酸化還元触媒層４６は、電極触媒層４２ｂから比較的長い距離を確保することが可能になり、イオン伝導の影響を抑制することができる。
【００５４】
これにより、燃料ガス流路２８に劣化促進物質、例えば、過酸化水素が供給されることを可及的に阻止することが可能になる。このため、アノード電極４２を構成する電極触媒層４２ｂ及び固体高分子電解質膜３８の劣化を良好に抑制することができるという効果が得られる。
【００５５】
さらに、図４に示すように、酸化還元触媒層４６は、絶縁部材である保護フイルム４４と絶縁メッシュ部材４８との間に配置されるとともに、ガス拡散層４２ａの切り欠かれた端面４２ａｅから距離Ｓだけ離間している。従って、酸化還元触媒層４６は、固体高分子電解質膜３８及びアノード電極４２の電極触媒層４２ｂから実質的に電流が流れない程度に電気的に確実に絶縁されるという利点がある。
【００５６】
また、電解質膜・電極構造体１２を構成する突出部１２ｄにも同様に、酸化還元触媒層４６は、燃料ガス出口連通孔２０ｂと出口バッファ部２８ｃとの間、すなわち、出口連結流路３０ｂに対応して配置されている。これにより、燃料ガス出口連通孔２０ｂから燃料ガス流路２８に逆流した混合ガスは、酸化還元触媒層４６により確実に捕捉されて酸化還元処理が施される。このため、燃料ガス流路２８に劣化促進物質、例えば、過酸化水素が供給されることがなく、電極触媒層４２ｂ及び固体高分子電解質膜３８の劣化を良好に抑制することができるという効果が得られる。
【００５７】
一方、突出部１２ａでは、図１及び図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと入口バッファ部２４ｂとの間、すなわち、入口連結流路２６ａに対応して酸化還元触媒層４６が配置されるとともに、突出部１２ｃでは、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと出口バッファ部２４ｃとの間、すなわち、出口連結流路２６ｂに対応して前記酸化還元触媒層４６配置されている。従って、酸化剤ガス流路２４では、上記の燃料ガス流路２８と同様の効果が得られる。
【００５８】
図７に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６の間に、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）６２を挟持する。
【００５９】
電解質膜・電極構造体６２は、横長形状を有するとともに、矢印Ｂ方向の両端上下には、入口連結流路２６ａ、入口連結流路３０ａ、出口連結流路２６ｂ及び出口連結流路３０ｂに向かって突出する突出部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄが設けられる。突出部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄは、入口バッファ部２４ｂ、入口バッファ部２８ｂ、出口バッファ部２４ｃ及び出口バッファ部２８ｃの一部を覆って配置される。
【００６０】
突出部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄには、第１の実施形態と同様に酸化還元触媒層４６が配設される。酸化還元触媒層４６は、図７及び図８に示すように、入口バッファ部２４ｂ、入口バッファ部２８ｂ、出口バッファ部２４ｃ及び出口バッファ部２８ｃの一部を覆って入口連結流路２６ａ、入口連結流路３０ａ、出口連結流路２６ｂ及び出口連結流路３０ｂに隣接する位置に配置される。
【００６１】
酸化還元触媒層４６は、実質的に連結流路幅と略同一のバッファ領域に設定される（図８参照）。
【００６２】
このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、反応面積を有効に確保することができるという利点がある。
【００６３】
図９に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池では、酸化還元触媒層４６は、バッファ領域全域に設けられており、図１０に示すよう、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池では、酸化還元触媒層４６は、バッファ領域全域及び連結流路全域に設けられている。従って、第３及び第４の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６４】
図１１に示すように、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池７０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）７２と第１セパレータ７４及び第２セパレータ７６とが、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に積層される。
【００６５】
第１セパレータ７４は、入口連結流路２６ａ及び出口連結流路２６ｂを覆って酸化還元触媒層７８を設ける（図１１及び図１２参照）。酸化還元触媒層７８は、第１セパレータ７４の表面に、例えば、白金を蒸着することにより形成される。なお、蒸着の他、めっきやインクジェット等による塗布方式も採用可能である。第１セパレータ７４と酸化還元触媒層７８との間には、絶縁層（図示せず）が設けられる。
【００６６】
第２セパレータ７６は、図１３に示すように、入口連結流路３０ａ及び出口連結流路３０ｂを覆って酸化還元触媒層７８を設ける。酸化還元触媒層７８は、第２セパレータ７６の表面に、例えば、白金を蒸着することにより形成される（図１４参照）。なお、第２セパレータ７６と酸化還元触媒層７８との間には、絶縁層（図示せず）が設けられる。
【００６７】
電解質膜・電極構造体７２は、横長形状を有するとともに、矢印Ｂ方向の両端上下には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、燃料ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂに向かって突出する突出部７２ａ、７２ｂ、７２ｃ及び７２ｄが設けられる。突出部７２ａ、７２ｂ、７２ｃ及び７２ｄには、酸素還元触媒層等が設けられていない。
【００６８】
このように構成される第５の実施形態では、第１セパレータ７４及び第２セパレータ７６に酸化還元触媒層７８が設けられており、前記酸化還元触媒層７８により混合ガスの酸素還元処理が行われている。これにより、第５の実施形態は、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６９】
なお、第５の実施形態では、酸化還元触媒層７８が入口連結流路２６ａ、入口連結流路３０ａ、出口連結流路２６ｂ及び出口連結流路３０ｂを覆って配置されているが、これに限定されるものではない。例えば、第２の実施形態と同様に、酸化還元触媒層７８が入口バッファ部２４ｂ、入口バッファ部２８ｂ、出口バッファ部２４ｃ及び出口バッファ部２８ｃの一部を覆って配置されていてもよい。
【００７０】
また、電解質膜・電極構造体７２では、突出部７２ａ、７２ｂ、７２ｃ及び７２ｄに、例えば、過酸化水素による電極触媒層４２ｂ及び固体高分子電解質膜３８の劣化を良好に抑制するため、酸化還元触媒層７８と電気的に絶縁を図るための絶縁部材（図示せず）を膜と触媒層との間に配設してもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１０、６０、７０…燃料電池 １２、６２、７２…電解質膜・電極構造体
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ…突出部
１４、１６、７４、７６…セパレータ １８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
１８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２０ａ…燃料ガス入口連通孔
２０ｂ…燃料ガス出口連通孔 ２２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ２４ｂ、２８ｂ…入口バッファ部
２４ｃ、２８ｃ…出口バッファ部 ２６ａ、３０ａ…入口連結流路
２６ｂ、３０ｂ…出口連結流路 ２８…燃料ガス流路
３２…冷却媒体流路 ３８…固体高分子電解質膜
４０…カソード電極 ４２…アソード電極
４０ａ、４２ａ…ガス拡散層 ４０ｂ、４２ｂ…電極触媒層
４４…保護フイルム ４６、７８…酸化還元触媒層
４８…絶縁メッシュ部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体が、一対のセパレータ間に積層され、前記電解質・電極構造体と各セパレータとの間には、それぞれ電極反応面の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
前記反応ガス連通孔と前記電極反応面との間には、前記電極とは別体に構成された酸化還元触媒層が配設されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記酸化還元触媒層は、前記反応ガス連通孔に隣接して前記電解質・電極構造体の端部に設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池において、前記酸化還元触媒層は、絶縁部材を介装することにより前記電解質及び前記電極から電気的に絶縁されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池において、前記酸化還元触媒層は、前記反応ガス連通孔に隣接して前記セパレータに設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池において、前記酸化還元触媒層は、劣化促進物質と前記電解質が直接接触しないようガスバリア性を有する部材を、前記電解質と前記酸化還元触媒層との間に介装することを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体が、一対のセパレータ間に積層され、前記電解質・電極構造体と各セパレータとの間には、それぞれ電極反応面の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
前記反応ガス連通孔と前記電極反応面との間には、前記電極とは別体に構成された酸化還元触媒層が配設されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記酸化還元触媒層は、前記反応ガス連通孔に隣接して前記電解質・電極構造体の端部に設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池において、前記酸化還元触媒層は、絶縁部材を介装することにより前記電解質及び前記電極から電気的に絶縁されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池において、前記酸化還元触媒層は、前記反応ガス連通孔に隣接して前記セパレータに設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池において、前記酸化還元触媒層は、劣化促進物質と前記電解質が直接接触しないようガスバリア性を有する部材を、前記電解質と前記酸化還元触媒層との間に介装することを特徴とする燃料電池。
【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】
【公開番号】特開２０１２−１８２０９３（Ｐ２０１２−１８２０９３Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４５８３６（Ｐ２０１１−４５８３６）
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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