燃料電池
【課題】アノード電極及びカソード電極間で反応ガスが混在することを阻止し、固体高分子電解質膜等の劣化を有効に抑制することができ、燃料電池を良好な状態で運転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とアノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６とが積層される。電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜３８の両側に、前記固体高分子電解質膜３８よりも小さな表面積を有するアノード電極４０及びカソード電極４２を設ける。アノード電極４０では、電極触媒層４０ａとガス拡散層４０ｂとの間に、発電面全面に亘って多孔質シート層４４ａが配置される一方、カソード電極４２では、電極触媒層４２ａとガス拡散層４２ｂとの間に、発電面全面に亘って多孔質シート層４４ｂが配置される。多孔質シート層４４ａ、４４ｂは、ガス拡散層４０ｂ、４２ｂの外周より外方に延在する外周縁部に、ガス不透過部４４ａａ、４４ｂｂを設ける。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２とアノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６とが積層される。電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜３８の両側に、前記固体高分子電解質膜３８よりも小さな表面積を有するアノード電極４０及びカソード電極４２を設ける。アノード電極４０では、電極触媒層４０ａとガス拡散層４０ｂとの間に、発電面全面に亘って多孔質シート層４４ａが配置される一方、カソード電極４２では、電極触媒層４２ａとガス拡散層４２ｂとの間に、発電面全面に亘って多孔質シート層４４ｂが配置される。多孔質シート層４４ａ、４４ｂは、ガス拡散層４０ｂ、４２ｂの外周より外方に延在する外周縁部に、ガス不透過部４４ａａ、４４ｂｂを設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層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（ガス拡散層）からなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・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】
一般的に、電解質膜・電極構造体では、アノード電極及びカソード電極が固体高分子電解質膜よりも小さな表面積を有しており、前記固体高分子電解質膜の外周縁部が前記アノード電極及び前記カソード電極の外周から外部に露呈している。このため、電解質膜・電極構造体の製造時に、固体高分子電解質膜にガス拡散層を熱圧着する際、前記ガス拡散層を構成する繊維が前記固体高分子電解質膜に突き刺さるという問題がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池セルが知られている。この燃料電池セルでは、図６に示すように、電解質膜１と、カソード側の触媒層２ａ及びアノード側の触媒層３ａとから形成される膜電極接合体４が、カソード側のガス拡散層２ｂ及びアノード側のガス拡散層３ｂにより挟持されている。触媒層２ａ、３ａは、電解質膜１に比してそれらの面積が狭小であるため、前記電解質膜１の外周縁部には、前記触媒層２ａ、３ａが存在しない露出領域１ａが形成されている。
【０００５】
さらに、膜電極接合体４の両側に配されるガス拡散層２ｂ、３ｂの端部には、触媒層２ａ、３ａの周縁となる箇所に窪み５ａ、５ｂが形成されている。窪み５ａ、５ｂと露出領域１ａとで画成される凹溝には、触媒層２ａ、３ａから前記露出領域１ａに亘って樹脂材６ａ、６ｂが収容されている。このため、ガス拡散層２ｂ、３ｂから突出する毛羽が、電解質膜１に突き刺さるのを防護する、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１４６３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の燃料電池では、固体高分子電解質膜（電解質膜１）がアノード電極及びカソード電極の外周から外方に突出している。このため、燃料ガスがアノード側からカソード側に前記固体高分子電解質膜を透過する一方、酸化剤ガスが前記カソード側から前記アノード側に前記固体高分子電解質膜を透過する場合がある。
【０００８】
このため、アノード側及びカソード側では、水素と酸素とが反応して過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が発生し易い（Ｈ２＋Ｏ２→Ｈ２Ｏ２）。この過酸化水素は、電極中のカーボン担体や白金（Ｐｔ）上で分解し、例えば、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）が発生する。これにより、固体高分子電解質膜及び電極触媒を劣化させるという問題がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、アノード電極及びカソード電極間で反応ガスが混在することを阻止し、固体高分子電解質膜等の劣化を有効に抑制することができ、良好な状態で運転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】
【００１０】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池に関するものである。
【００１１】
この燃料電池では、少なくとも一方の電極は、固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるとともに、一方の前記電極を構成する電極触媒層とガス拡散層との間には、発電面全面に亘って多孔質シート層が配置されている。そして、多孔質シート層は、ガス拡散層の外周より外方に延在する外周縁部を有し、前記外周縁部には、ガス不透過処理が施されたガス不透過部が設けられている。
【００１２】
また、この燃料電池では、ガス不透過部は、外周縁部にプレス処理又は樹脂含浸処理を施すことにより形成されることが好ましい。
【００１３】
さらに、この燃料電池では、ガス不透過部は、固体高分子電解質膜に直接対向することが好ましい。
【００１４】
さらにまた、この燃料電池では、ガス拡散層の外周には、額縁状のガス不透過シートが配設されることが好ましい。
【００１５】
また、この燃料電池では、ガス不透過部は、電極触媒層の外周と積層方向に重なり部を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電極触媒層とガス拡散層との間には、発電面全面に亘って多孔質シート層が配置されるとともに、前記多孔質シート層は、前記ガス拡散層の外周より外方に延在する外周縁部にガス不透過部が設けられている。このため、ガス拡散層を構成する繊維が固体高分子電解質膜に突き刺さることがなく、前記固体高分子電解質膜を良好に保護することができる。
【００１７】
しかも、多孔質シート層の外周縁部から固体高分子電解質膜に反応ガスが透過することがなく、前記反応ガスが前記固体高分子電解質膜を透過して両極間で混在することを確実に抑制することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜等の劣化を有効に抑制することができ、燃料電池を良好な状態で運転することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の分解斜視説明図である。
【図４】前記電解質膜・電極構造体の製造方法を説明する分解断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図６】特許文献１に開示されている燃料電池セルの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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１２とアノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６とが、立位姿勢で矢印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、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６としては、例えば、カーボンセパレータが使用されるが、これに代えて金属セパレータを用いてもよい。
【００２０】
燃料電池１０は、横長形状を有し、矢印Ｂ方向（水平方向）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２０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２１】
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１８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２２】
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。
【００２３】
アノード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス出口連通孔２０ｂとに連通する燃料ガス流路２４が、矢印Ｂ方向に延在して設けられる。燃料ガス流路２４の入口側には、入口バッファ部２４ａが設けられる一方、前記燃料ガス流路２４の出口側には、出口バッファ部２４ｂが設けられる。
【００２４】
燃料ガス入口連通孔２０ａと入口バッファ部２４ａとの間には、複数本の入口連結流路２６ａを蓋体２７ａで覆ったブリッジ部２８ａが形成される。燃料ガス出口連通孔２０ｂと出口バッファ部２４ｂとの間には、複数本の出口連結流路２６ｂを蓋体２７ｂで覆ったブリッジ部２８ｂが形成される。
【００２５】
カソード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する酸化剤ガス流路３０が設けられる。酸化剤ガス流路３０は、燃料ガス流路２４と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。アノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６とは、互いに対向する面１４ｂ、１６ｂ同士の間に冷却媒体流路３２を一体的に形成する。
【００２６】
アノード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このアノード側セパレータ１４の外周縁部を周回して第１シール部材３４が一体的又は個別に設けられる。カソード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側セパレータ１６の外周縁部を周回して第２シール部材３６が一体的又は個別に設けられる。第１シール部材３４は、燃料ガス流路２４、入口バッファ部２４ａ及び出口バッファ部２４ｂを含む燃料ガス領域を囲繞する流路シール部３４ａを有する。第２シール部材３６は、酸化剤ガス流路３０、入口バッファ部（図示せず）及び出口バッファ部（図示せず）を含む酸化剤ガス領域を囲繞する流路シール部３６ａを有する。
【００２７】
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、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を挟持するアノード電極４０及びカソード電極４２とを備える。固体高分子電解質膜３８の外形寸法は、アノード電極４０及びカソード電極４２の外形寸法よりも大きく設定される。アノード電極４０とカソード電極４２とは、互いに異なる大きさに設定してもよい。
【００２９】
固体高分子電解質膜３８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。固体高分子電解質膜３８は、例えば、主鎖がポリフェニレン構造であり、スルホン酸基を有する側鎖を有する構造でもよい。
【００３０】
図２に示すように、アノード電極４０及びカソード電極４２は、後述するように、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を固体高分子電解質膜３８の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層４０ａ、４２ａと、カーボンペーパ等からなるガス拡散層４０ｂ、４２ｂとを有する。
【００３１】
ガス拡散層４０ｂ、４２ｂは、多孔質シート層４４ａ、４４ｂを介して電極触媒層４０ａ、４２ａに積層される。多孔質シート層４４ａ、４４ｂは、電子伝導性物質と撥水性樹脂とを含み、導電性を有している。電子伝導性物質としては、例えば、カーボン繊維やカーボンナノチューブ等のカーボン粉末（カーボンブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラック）が単独又は２種以上混合して使用されるとともに、撥水性樹脂としては、結晶性フッ素樹脂、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＦ（ポリフッ化ビニル）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、非晶質フッ素樹脂及びシリコーン樹脂等の少なくとも１種を含有している。
【００３２】
多孔質シート層４４ａ、４４ｂは、独立したシート形状の状態で、外周部にプレス処理又は樹脂材の含浸処理を施すことにより、額縁状のガス不透過部４４ａａ、４４ｂｂが形成される。ガス不透過部４４ａａ、４４ｂｂは、電極触媒層４０ａ、４２ａの外周と重なり部を有し、固体高分子電解質膜３８を介してガス透過を防止している。固体高分子電解質膜３８は、多孔質シート層４４ａ、４４ｂの外方まで延在しており、両極間で反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガス）の混合を確実に阻止することができる。
【００３３】
ガス拡散層４０ｂ、４２ｂの外周には、額縁状のガス不透過シート４６ａ、４６ｂが配設される。ガス不透過シート４６ａ、４６ｂの表面位置は、ガス拡散層４０ｂ、４２ｂの表面位置と同一位置に配置され、全体として段差のない同一平面を形成する。第１シール部材３４の流路シール部３４ａは、ガス拡散層４０ｂの外周端とガス不透過シート４６ａの内周端との境界部位を覆って配置される一方、第２シール部材３６の流路シール部３６ａは、ガス拡散層４２ｂの外周端とガス不透過シート４６ｂの内周端との境界部位を覆って配置される。なお、ガス不透過シート４６ａ、４６ｂは、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）製のフィルム等で構成される。
【００３４】
図２及び図３に示すように、電極触媒層４０ａ、４２ａの各表面積Ｓ１は、ガス拡散層４０ｂ、４２ｂの各表面積Ｓ２よりも小さく、又は、同等に設定される。多孔質シート層４４ａ、４４ｂは、固体高分子電解質膜３８よりも小さな外形寸法に、且つ電極触媒層４０ａ、４２ａ及びガス拡散層４０ｂ、４２ｂよりも大きな外形寸法に設定される。多孔質シート層４４ａ、４４ｂでは、ガス不透過部４４ａａ、４４ｂｂの内方に設けられるガス透過領域の各表面積Ｓ３が、電極触媒層４０ａ、４２ａの各表面積Ｓ１及びガス拡散層４０ｂ、４２ｂの各表面積Ｓ２よりも小さく設定される。
【００３５】
多孔質シート層４４ａは、燃料ガス流路２４、入口バッファ部２４ａ及び出口バッファ部２４ｂを含む燃料ガス領域よりも広い領域に設けられるとともに、多孔質シート層４４ｂは、酸化剤ガス流路３０、入口バッファ部（図示せず）及び出口バッファ部（図示せず）を含む酸化剤ガス領域よりも広い領域に設けられる。
【００３６】
次いで、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。
【００３７】
先ず、図３及び図４に示すように、固体高分子電解質膜３８が長方形状に作製された後、この固体高分子電解質膜３８の面３８ａ及び面３８ｂには、電極触媒層４０ａ及び電極触媒層４２ａが形成される。
【００３８】
具体的には、電極触媒層４０ａ及び電極触媒層４２ａは、例えば、それぞれ白金触媒とイオン伝導性ポリマー溶液とが混合された触媒ペーストを調整し、前記触媒ペーストをＰＴＦＥシート上に塗布することにより作製される。さらに、固体高分子電解質膜３８の両方の面３８ａ、３８ｂに、電極触媒層４０ａ及び電極触媒層４２ａの触媒層側が熱圧着された後、ＰＴＦＥシートが剥離されることにより転写される。
【００３９】
一方、上記のように、特にガス拡散層４０ｂ、４２ｂよりも外形寸法の大きな多孔質シート層４４ａ、４４ｂが用意される。多孔質シート層４４ａ、４４ｂの外周部には、プレス処理又は樹脂材の含浸処理を施すことにより、額縁状のガス不透過部４４ａａ、４４ｂｂが形成される。なお、上記のプレス処理は、多孔質シート層４４ａ、４４ｂの外周部を、予め他の部位よりも肉厚に構成しておき、前記外周部が前記他の部位と同等の厚さになるまで加圧することにより行ってもよい。
【００４０】
そこで、額縁状のガス不透過シート４６ａ、４６ｂが被覆された多孔質シート層４４ａ、４４ｂと、ガス拡散層４０ｂ、４２ｂとは、互いに位置決め配置される。この状態で、ガス拡散層４０ｂ、４２ｂが加圧及び加熱（ホットプレス）されることにより、多孔質シート層４４ａ、４４ｂに熱圧着される。
【００４１】
次に、上記のガス拡散層４０ｂ、４２ｂが熱圧着された多孔質シート層４４ａ、４４ｂは、両面３８ａ、３８ｂに電極触媒層４０ａ、４２ａが設けられた固体高分子電解質膜３８に一体化されるとともに、多孔質シート層４４ａ、４４ｂには、額縁状のガス不透過シート４６ａ、４６ｂが被覆される。これにより、電解質膜・電極構造体１２が製造される。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａからカソード側セパレータ１６の酸化剤ガス流路３０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３０に沿って矢印Ｂ方向に流通し、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極４２に沿って移動する。
【００４５】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２０ａからアノード側セパレータ１４の燃料ガス流路２４に導入される。この燃料ガス流路２４では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極４０に沿って移動する。
【００４６】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層４２ａ、４０ａ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４７】
次いで、カソード電極４２に供給されて消費された酸化剤ガスは、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４０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２０ｂに排出される。
【００４８】
一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６間に形成された冷却媒体流路３２に導入される。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。
【００４９】
この場合、第１の実施形態では、図２及び図３に示すように、電極触媒層４０ａ、４２ａとガス拡散層４０ｂ、４２ｂとの間には、発電面全面に亘って多孔質シート層４４ａ、４４ｂが配置されるとともに、前記多孔質シート層４４ａ、４４ｂは、前記ガス拡散層４０ｂ、４２ｂの外周より外方に延在する外周縁部にガス不透過部４４ａａ、４４ｂｂが設けられている。
【００５０】
このため、電解質膜・電極構造体１２を製造する際、特にガス拡散層４０ｂ、４２ｂを固体高分子電解質膜３８に一体化させる際や、燃料電池１０に締め付け荷重を付与している際に、前記ガス拡散層４０ｂ、４２ｂを構成する繊維が前記固体高分子電解質膜３８に突き刺さることがない。従って、固体高分子電解質膜３８を良好に保護することができる。
【００５１】
しかも、固体高分子電解質膜３８の一方の面では、電極触媒層４０ａの外周縁部に跨って多孔質シート層４４ａのガス不透過部４４ａａが配置されるとともに、前記ガス不透過部４４ａａの内周縁部に積層されるガス拡散層４０ｂの外周端とガス不透過シート４６ａの内周端との境界部位を覆って、流路シール部３４ａが配置されている。同様に、固体高分子電解質膜３８の他方の面では、電極触媒層４２ａの外周縁部に跨って多孔質シート層４４ｂのガス不透過部４４ｂｂが配置されるとともに、前記ガス不透過部４４ｂｂの内周縁部に積層されるガス拡散層４２ｂの外周端とガス不透過シート４６ｂの内周端との境界部位を覆って、流路シール部３６ａが配置されている。
【００５２】
これにより、多孔質シート層４４ａ、４４ｂの外周縁部から固体高分子電解質膜３８に反応ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）が透過することがない。このため、反応ガスが固体高分子電解質膜３８を透過してアノード電極４０及びカソード電極４２間で混在することを確実に抑制することが可能になる。従って、固体高分子電解質膜３８等の劣化を有効に抑制することができ、燃料電池１０を良好な状態で運転することが可能になるという効果が得られる。
【００５３】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池５０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５４】
燃料電池５０は、アノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６の間に、電解質膜・電極構造体５２を挟持する。電解質膜・電極構造体５２は、固体高分子電解質膜３８をアノード電極５４及びカソード電極５６により挟持する。アノード電極５４を構成する電極触媒層４０ａＬは、カソード電極５６を構成する電極触媒層４２ａＳよりも大きな表面積に設定され、所謂、段差ＭＥＡを構成する。なお、上記とは反対に、カソード電極５６がアノード電極５４よりも外形寸法の大きな段差ＭＥＡを構成してもよい。
【００５５】
固体高分子電解質膜３８の一方の面側には、電極触媒層４０ａＬ、多孔質シート層４４ａＬ、ガス拡散層４０ｂＬ及びガス不透過シート４６ａＬが設けられる。固体高分子電解質膜３８の他方の面側には、一方の面側の構成要素に比べて寸法の小さな電極触媒層４２ａＳ、多孔質シート層４４ｂＳ、ガス拡散層４２ｂＳ及びガス不透過シート４６ｂＳが設けられる。
【００５６】
このように構成される第２の実施形態では、電極触媒層４０ａＬ、４２ａＳとガス拡散層４０ｂＬ、４２ｂＳとの間には、発電面全面に亘って多孔質シート層４４ａＬ、４４ｂＳが配置されるとともに、前記多孔質シート層４４ａＬ、４４ｂＳは、前記ガス拡散層４０ｂＬ、４２ｂＳの外周より外方に延在する外周縁部にガス不透過部４４ａａ、４４ｂｂが設けられている。
【００５７】
しかも、固体高分子電解質膜３８の一方の面では、電極触媒層４０ａＬの外周縁部に跨って多孔質シート層４４ａＬのガス不透過部４４ａａが配置されるとともに、前記ガス不透過部４４ａａの内周縁部に積層されるガス拡散層４０ｂＬの外周端とガス不透過シート４６ａＬの内周端との境界部位を覆って、流路シール部３４ａが配置されている。同様に、固体高分子電解質膜３８の他方の面では、電極触媒層４２ａＳの外周縁部に跨って多孔質シート層４４ｂＳのガス不透過部４４ｂｂが配置されるとともに、前記ガス不透過部４４ｂｂの内周縁部に積層されるガス拡散層４２ｂＳの外周端とガス不透過シート４６ｂＳの内周端との境界部位を覆って、流路シール部３６ａが配置されている。
【００５８】
このため、第２の実施形態では、固体高分子電解質膜３８を良好に保護するとともに、前記固体高分子電解質膜３８等の劣化を有効に抑制することができ、燃料電池５０を良好な状態で運転することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５９】
１０、５０…燃料電池 １２、５２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…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 ２４…燃料ガス流路
２４ａ…入口バッファ部 ２４ｂ…出口バッファ部
３０…酸化剤ガス流路 ３２…冷却媒体流路
３４、３６…シール部材 ３４ａ、３６ａ…流路シール部
３８…固体高分子電解質膜 ４０、５４…アノード電極
４０ａ、４０ａＬ、４２ａ、４２ａＳ…電極触媒層
４０ｂ、４０ｂＬ、４２ｂ、４２ｂＳ…ガス拡散層
４２、５６…カソード電極
４４ａ、４４ａＬ、４４ｂ、４４ｂＳ…多孔質シート層
４４ａａ、４４ｂｂ…ガス不透過部
４６ａ、４６ａＬ、４６ｂ、４６ｂＳ…ガス不透過シート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層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（ガス拡散層）からなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・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】
一般的に、電解質膜・電極構造体では、アノード電極及びカソード電極が固体高分子電解質膜よりも小さな表面積を有しており、前記固体高分子電解質膜の外周縁部が前記アノード電極及び前記カソード電極の外周から外部に露呈している。このため、電解質膜・電極構造体の製造時に、固体高分子電解質膜にガス拡散層を熱圧着する際、前記ガス拡散層を構成する繊維が前記固体高分子電解質膜に突き刺さるという問題がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池セルが知られている。この燃料電池セルでは、図６に示すように、電解質膜１と、カソード側の触媒層２ａ及びアノード側の触媒層３ａとから形成される膜電極接合体４が、カソード側のガス拡散層２ｂ及びアノード側のガス拡散層３ｂにより挟持されている。触媒層２ａ、３ａは、電解質膜１に比してそれらの面積が狭小であるため、前記電解質膜１の外周縁部には、前記触媒層２ａ、３ａが存在しない露出領域１ａが形成されている。
【０００５】
さらに、膜電極接合体４の両側に配されるガス拡散層２ｂ、３ｂの端部には、触媒層２ａ、３ａの周縁となる箇所に窪み５ａ、５ｂが形成されている。窪み５ａ、５ｂと露出領域１ａとで画成される凹溝には、触媒層２ａ、３ａから前記露出領域１ａに亘って樹脂材６ａ、６ｂが収容されている。このため、ガス拡散層２ｂ、３ｂから突出する毛羽が、電解質膜１に突き刺さるのを防護する、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１４６３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の燃料電池では、固体高分子電解質膜（電解質膜１）がアノード電極及びカソード電極の外周から外方に突出している。このため、燃料ガスがアノード側からカソード側に前記固体高分子電解質膜を透過する一方、酸化剤ガスが前記カソード側から前記アノード側に前記固体高分子電解質膜を透過する場合がある。
【０００８】
このため、アノード側及びカソード側では、水素と酸素とが反応して過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が発生し易い（Ｈ２＋Ｏ２→Ｈ２Ｏ２）。この過酸化水素は、電極中のカーボン担体や白金（Ｐｔ）上で分解し、例えば、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）が発生する。これにより、固体高分子電解質膜及び電極触媒を劣化させるという問題がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、アノード電極及びカソード電極間で反応ガスが混在することを阻止し、固体高分子電解質膜等の劣化を有効に抑制することができ、良好な状態で運転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】
【００１０】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池に関するものである。
【００１１】
この燃料電池では、少なくとも一方の電極は、固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるとともに、一方の前記電極を構成する電極触媒層とガス拡散層との間には、発電面全面に亘って多孔質シート層が配置されている。そして、多孔質シート層は、ガス拡散層の外周より外方に延在する外周縁部を有し、前記外周縁部には、ガス不透過処理が施されたガス不透過部が設けられている。
【００１２】
また、この燃料電池では、ガス不透過部は、外周縁部にプレス処理又は樹脂含浸処理を施すことにより形成されることが好ましい。
【００１３】
さらに、この燃料電池では、ガス不透過部は、固体高分子電解質膜に直接対向することが好ましい。
【００１４】
さらにまた、この燃料電池では、ガス拡散層の外周には、額縁状のガス不透過シートが配設されることが好ましい。
【００１５】
また、この燃料電池では、ガス不透過部は、電極触媒層の外周と積層方向に重なり部を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電極触媒層とガス拡散層との間には、発電面全面に亘って多孔質シート層が配置されるとともに、前記多孔質シート層は、前記ガス拡散層の外周より外方に延在する外周縁部にガス不透過部が設けられている。このため、ガス拡散層を構成する繊維が固体高分子電解質膜に突き刺さることがなく、前記固体高分子電解質膜を良好に保護することができる。
【００１７】
しかも、多孔質シート層の外周縁部から固体高分子電解質膜に反応ガスが透過することがなく、前記反応ガスが前記固体高分子電解質膜を透過して両極間で混在することを確実に抑制することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜等の劣化を有効に抑制することができ、燃料電池を良好な状態で運転することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の分解斜視説明図である。
【図４】前記電解質膜・電極構造体の製造方法を説明する分解断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図６】特許文献１に開示されている燃料電池セルの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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１２とアノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６とが、立位姿勢で矢印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、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６としては、例えば、カーボンセパレータが使用されるが、これに代えて金属セパレータを用いてもよい。
【００２０】
燃料電池１０は、横長形状を有し、矢印Ｂ方向（水平方向）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２０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２１】
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１８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２２】
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。
【００２３】
アノード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス出口連通孔２０ｂとに連通する燃料ガス流路２４が、矢印Ｂ方向に延在して設けられる。燃料ガス流路２４の入口側には、入口バッファ部２４ａが設けられる一方、前記燃料ガス流路２４の出口側には、出口バッファ部２４ｂが設けられる。
【００２４】
燃料ガス入口連通孔２０ａと入口バッファ部２４ａとの間には、複数本の入口連結流路２６ａを蓋体２７ａで覆ったブリッジ部２８ａが形成される。燃料ガス出口連通孔２０ｂと出口バッファ部２４ｂとの間には、複数本の出口連結流路２６ｂを蓋体２７ｂで覆ったブリッジ部２８ｂが形成される。
【００２５】
カソード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する酸化剤ガス流路３０が設けられる。酸化剤ガス流路３０は、燃料ガス流路２４と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。アノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６とは、互いに対向する面１４ｂ、１６ｂ同士の間に冷却媒体流路３２を一体的に形成する。
【００２６】
アノード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このアノード側セパレータ１４の外周縁部を周回して第１シール部材３４が一体的又は個別に設けられる。カソード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側セパレータ１６の外周縁部を周回して第２シール部材３６が一体的又は個別に設けられる。第１シール部材３４は、燃料ガス流路２４、入口バッファ部２４ａ及び出口バッファ部２４ｂを含む燃料ガス領域を囲繞する流路シール部３４ａを有する。第２シール部材３６は、酸化剤ガス流路３０、入口バッファ部（図示せず）及び出口バッファ部（図示せず）を含む酸化剤ガス領域を囲繞する流路シール部３６ａを有する。
【００２７】
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、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を挟持するアノード電極４０及びカソード電極４２とを備える。固体高分子電解質膜３８の外形寸法は、アノード電極４０及びカソード電極４２の外形寸法よりも大きく設定される。アノード電極４０とカソード電極４２とは、互いに異なる大きさに設定してもよい。
【００２９】
固体高分子電解質膜３８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。固体高分子電解質膜３８は、例えば、主鎖がポリフェニレン構造であり、スルホン酸基を有する側鎖を有する構造でもよい。
【００３０】
図２に示すように、アノード電極４０及びカソード電極４２は、後述するように、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を固体高分子電解質膜３８の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層４０ａ、４２ａと、カーボンペーパ等からなるガス拡散層４０ｂ、４２ｂとを有する。
【００３１】
ガス拡散層４０ｂ、４２ｂは、多孔質シート層４４ａ、４４ｂを介して電極触媒層４０ａ、４２ａに積層される。多孔質シート層４４ａ、４４ｂは、電子伝導性物質と撥水性樹脂とを含み、導電性を有している。電子伝導性物質としては、例えば、カーボン繊維やカーボンナノチューブ等のカーボン粉末（カーボンブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラック）が単独又は２種以上混合して使用されるとともに、撥水性樹脂としては、結晶性フッ素樹脂、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＦ（ポリフッ化ビニル）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、非晶質フッ素樹脂及びシリコーン樹脂等の少なくとも１種を含有している。
【００３２】
多孔質シート層４４ａ、４４ｂは、独立したシート形状の状態で、外周部にプレス処理又は樹脂材の含浸処理を施すことにより、額縁状のガス不透過部４４ａａ、４４ｂｂが形成される。ガス不透過部４４ａａ、４４ｂｂは、電極触媒層４０ａ、４２ａの外周と重なり部を有し、固体高分子電解質膜３８を介してガス透過を防止している。固体高分子電解質膜３８は、多孔質シート層４４ａ、４４ｂの外方まで延在しており、両極間で反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガス）の混合を確実に阻止することができる。
【００３３】
ガス拡散層４０ｂ、４２ｂの外周には、額縁状のガス不透過シート４６ａ、４６ｂが配設される。ガス不透過シート４６ａ、４６ｂの表面位置は、ガス拡散層４０ｂ、４２ｂの表面位置と同一位置に配置され、全体として段差のない同一平面を形成する。第１シール部材３４の流路シール部３４ａは、ガス拡散層４０ｂの外周端とガス不透過シート４６ａの内周端との境界部位を覆って配置される一方、第２シール部材３６の流路シール部３６ａは、ガス拡散層４２ｂの外周端とガス不透過シート４６ｂの内周端との境界部位を覆って配置される。なお、ガス不透過シート４６ａ、４６ｂは、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）製のフィルム等で構成される。
【００３４】
図２及び図３に示すように、電極触媒層４０ａ、４２ａの各表面積Ｓ１は、ガス拡散層４０ｂ、４２ｂの各表面積Ｓ２よりも小さく、又は、同等に設定される。多孔質シート層４４ａ、４４ｂは、固体高分子電解質膜３８よりも小さな外形寸法に、且つ電極触媒層４０ａ、４２ａ及びガス拡散層４０ｂ、４２ｂよりも大きな外形寸法に設定される。多孔質シート層４４ａ、４４ｂでは、ガス不透過部４４ａａ、４４ｂｂの内方に設けられるガス透過領域の各表面積Ｓ３が、電極触媒層４０ａ、４２ａの各表面積Ｓ１及びガス拡散層４０ｂ、４２ｂの各表面積Ｓ２よりも小さく設定される。
【００３５】
多孔質シート層４４ａは、燃料ガス流路２４、入口バッファ部２４ａ及び出口バッファ部２４ｂを含む燃料ガス領域よりも広い領域に設けられるとともに、多孔質シート層４４ｂは、酸化剤ガス流路３０、入口バッファ部（図示せず）及び出口バッファ部（図示せず）を含む酸化剤ガス領域よりも広い領域に設けられる。
【００３６】
次いで、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。
【００３７】
先ず、図３及び図４に示すように、固体高分子電解質膜３８が長方形状に作製された後、この固体高分子電解質膜３８の面３８ａ及び面３８ｂには、電極触媒層４０ａ及び電極触媒層４２ａが形成される。
【００３８】
具体的には、電極触媒層４０ａ及び電極触媒層４２ａは、例えば、それぞれ白金触媒とイオン伝導性ポリマー溶液とが混合された触媒ペーストを調整し、前記触媒ペーストをＰＴＦＥシート上に塗布することにより作製される。さらに、固体高分子電解質膜３８の両方の面３８ａ、３８ｂに、電極触媒層４０ａ及び電極触媒層４２ａの触媒層側が熱圧着された後、ＰＴＦＥシートが剥離されることにより転写される。
【００３９】
一方、上記のように、特にガス拡散層４０ｂ、４２ｂよりも外形寸法の大きな多孔質シート層４４ａ、４４ｂが用意される。多孔質シート層４４ａ、４４ｂの外周部には、プレス処理又は樹脂材の含浸処理を施すことにより、額縁状のガス不透過部４４ａａ、４４ｂｂが形成される。なお、上記のプレス処理は、多孔質シート層４４ａ、４４ｂの外周部を、予め他の部位よりも肉厚に構成しておき、前記外周部が前記他の部位と同等の厚さになるまで加圧することにより行ってもよい。
【００４０】
そこで、額縁状のガス不透過シート４６ａ、４６ｂが被覆された多孔質シート層４４ａ、４４ｂと、ガス拡散層４０ｂ、４２ｂとは、互いに位置決め配置される。この状態で、ガス拡散層４０ｂ、４２ｂが加圧及び加熱（ホットプレス）されることにより、多孔質シート層４４ａ、４４ｂに熱圧着される。
【００４１】
次に、上記のガス拡散層４０ｂ、４２ｂが熱圧着された多孔質シート層４４ａ、４４ｂは、両面３８ａ、３８ｂに電極触媒層４０ａ、４２ａが設けられた固体高分子電解質膜３８に一体化されるとともに、多孔質シート層４４ａ、４４ｂには、額縁状のガス不透過シート４６ａ、４６ｂが被覆される。これにより、電解質膜・電極構造体１２が製造される。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａからカソード側セパレータ１６の酸化剤ガス流路３０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３０に沿って矢印Ｂ方向に流通し、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極４２に沿って移動する。
【００４５】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２０ａからアノード側セパレータ１４の燃料ガス流路２４に導入される。この燃料ガス流路２４では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極４０に沿って移動する。
【００４６】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層４２ａ、４０ａ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４７】
次いで、カソード電極４２に供給されて消費された酸化剤ガスは、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４０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２０ｂに排出される。
【００４８】
一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６間に形成された冷却媒体流路３２に導入される。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。
【００４９】
この場合、第１の実施形態では、図２及び図３に示すように、電極触媒層４０ａ、４２ａとガス拡散層４０ｂ、４２ｂとの間には、発電面全面に亘って多孔質シート層４４ａ、４４ｂが配置されるとともに、前記多孔質シート層４４ａ、４４ｂは、前記ガス拡散層４０ｂ、４２ｂの外周より外方に延在する外周縁部にガス不透過部４４ａａ、４４ｂｂが設けられている。
【００５０】
このため、電解質膜・電極構造体１２を製造する際、特にガス拡散層４０ｂ、４２ｂを固体高分子電解質膜３８に一体化させる際や、燃料電池１０に締め付け荷重を付与している際に、前記ガス拡散層４０ｂ、４２ｂを構成する繊維が前記固体高分子電解質膜３８に突き刺さることがない。従って、固体高分子電解質膜３８を良好に保護することができる。
【００５１】
しかも、固体高分子電解質膜３８の一方の面では、電極触媒層４０ａの外周縁部に跨って多孔質シート層４４ａのガス不透過部４４ａａが配置されるとともに、前記ガス不透過部４４ａａの内周縁部に積層されるガス拡散層４０ｂの外周端とガス不透過シート４６ａの内周端との境界部位を覆って、流路シール部３４ａが配置されている。同様に、固体高分子電解質膜３８の他方の面では、電極触媒層４２ａの外周縁部に跨って多孔質シート層４４ｂのガス不透過部４４ｂｂが配置されるとともに、前記ガス不透過部４４ｂｂの内周縁部に積層されるガス拡散層４２ｂの外周端とガス不透過シート４６ｂの内周端との境界部位を覆って、流路シール部３６ａが配置されている。
【００５２】
これにより、多孔質シート層４４ａ、４４ｂの外周縁部から固体高分子電解質膜３８に反応ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）が透過することがない。このため、反応ガスが固体高分子電解質膜３８を透過してアノード電極４０及びカソード電極４２間で混在することを確実に抑制することが可能になる。従って、固体高分子電解質膜３８等の劣化を有効に抑制することができ、燃料電池１０を良好な状態で運転することが可能になるという効果が得られる。
【００５３】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池５０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５４】
燃料電池５０は、アノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６の間に、電解質膜・電極構造体５２を挟持する。電解質膜・電極構造体５２は、固体高分子電解質膜３８をアノード電極５４及びカソード電極５６により挟持する。アノード電極５４を構成する電極触媒層４０ａＬは、カソード電極５６を構成する電極触媒層４２ａＳよりも大きな表面積に設定され、所謂、段差ＭＥＡを構成する。なお、上記とは反対に、カソード電極５６がアノード電極５４よりも外形寸法の大きな段差ＭＥＡを構成してもよい。
【００５５】
固体高分子電解質膜３８の一方の面側には、電極触媒層４０ａＬ、多孔質シート層４４ａＬ、ガス拡散層４０ｂＬ及びガス不透過シート４６ａＬが設けられる。固体高分子電解質膜３８の他方の面側には、一方の面側の構成要素に比べて寸法の小さな電極触媒層４２ａＳ、多孔質シート層４４ｂＳ、ガス拡散層４２ｂＳ及びガス不透過シート４６ｂＳが設けられる。
【００５６】
このように構成される第２の実施形態では、電極触媒層４０ａＬ、４２ａＳとガス拡散層４０ｂＬ、４２ｂＳとの間には、発電面全面に亘って多孔質シート層４４ａＬ、４４ｂＳが配置されるとともに、前記多孔質シート層４４ａＬ、４４ｂＳは、前記ガス拡散層４０ｂＬ、４２ｂＳの外周より外方に延在する外周縁部にガス不透過部４４ａａ、４４ｂｂが設けられている。
【００５７】
しかも、固体高分子電解質膜３８の一方の面では、電極触媒層４０ａＬの外周縁部に跨って多孔質シート層４４ａＬのガス不透過部４４ａａが配置されるとともに、前記ガス不透過部４４ａａの内周縁部に積層されるガス拡散層４０ｂＬの外周端とガス不透過シート４６ａＬの内周端との境界部位を覆って、流路シール部３４ａが配置されている。同様に、固体高分子電解質膜３８の他方の面では、電極触媒層４２ａＳの外周縁部に跨って多孔質シート層４４ｂＳのガス不透過部４４ｂｂが配置されるとともに、前記ガス不透過部４４ｂｂの内周縁部に積層されるガス拡散層４２ｂＳの外周端とガス不透過シート４６ｂＳの内周端との境界部位を覆って、流路シール部３６ａが配置されている。
【００５８】
このため、第２の実施形態では、固体高分子電解質膜３８を良好に保護するとともに、前記固体高分子電解質膜３８等の劣化を有効に抑制することができ、燃料電池５０を良好な状態で運転することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５９】
１０、５０…燃料電池 １２、５２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…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 ２４…燃料ガス流路
２４ａ…入口バッファ部 ２４ｂ…出口バッファ部
３０…酸化剤ガス流路 ３２…冷却媒体流路
３４、３６…シール部材 ３４ａ、３６ａ…流路シール部
３８…固体高分子電解質膜 ４０、５４…アノード電極
４０ａ、４０ａＬ、４２ａ、４２ａＳ…電極触媒層
４０ｂ、４０ｂＬ、４２ｂ、４２ｂＳ…ガス拡散層
４２、５６…カソード電極
４４ａ、４４ａＬ、４４ｂ、４４ｂＳ…多孔質シート層
４４ａａ、４４ｂｂ…ガス不透過部
４６ａ、４６ａＬ、４６ｂ、４６ｂＳ…ガス不透過シート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池であって、
少なくとも一方の前記電極は、前記固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるとともに、一方の前記電極を構成する前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間には、発電面全面に亘って多孔質シート層が配置され、
前記多孔質シート層は、前記ガス拡散層の外周より外方に延在する外周縁部を有し、前記外周縁部には、ガス不透過処理が施されたガス不透過部が設けら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、前記ガス不透過部は、前記外周縁部にプレス処理又は樹脂含浸処理を施すことにより形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記ガス不透過部は、前記固体高分子電解質膜に直接対向することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記ガス拡散層の外周には、額縁状のガス不透過シートが配設されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記ガス不透過部は、前記電極触媒層の外周と積層方向に重なり部を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池であって、
少なくとも一方の前記電極は、前記固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるとともに、一方の前記電極を構成する前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間には、発電面全面に亘って多孔質シート層が配置され、
前記多孔質シート層は、前記ガス拡散層の外周より外方に延在する外周縁部を有し、前記外周縁部には、ガス不透過処理が施されたガス不透過部が設けら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、前記ガス不透過部は、前記外周縁部にプレス処理又は樹脂含浸処理を施すことにより形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記ガス不透過部は、前記固体高分子電解質膜に直接対向することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記ガス拡散層の外周には、額縁状のガス不透過シートが配設されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記ガス不透過部は、前記電極触媒層の外周と積層方向に重なり部を有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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１１４８４２（Ｐ２０１３−１１４８４２Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５８７４８（Ｐ２０１１−２５８７４８）
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【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２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【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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