燃料電池
【課題】簡単且つ経済的な構成で、電極触媒層の端部に劣化促進物質が滞留することを阻止し、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２４の両側に、前記固体高分子電解質膜２４よりも小さな表面積を有するアノード電極２６及びカソード電極２８を設ける。アノード側セパレータ１４には、アノード電極２６に対向して燃料ガス流路３４が形成される。燃料ガス流路３４を構成する外側流路溝３４ａの断面積は、内側流路溝３４ｂの断面積よりも大きく設定されるとともに、アノード電極２６を構成する電極触媒層２６ａの外周端部は、前記外側流路溝３４ａに対向して配置される。
【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２４の両側に、前記固体高分子電解質膜２４よりも小さな表面積を有するアノード電極２６及びカソード電極２８を設ける。アノード側セパレータ１４には、アノード電極２６に対向して燃料ガス流路３４が形成される。燃料ガス流路３４を構成する外側流路溝３４ａの断面積は、内側流路溝３４ｂの断面積よりも大きく設定されるとともに、アノード電極２６を構成する電極触媒層２６ａの外周端部は、前記外側流路溝３４ａに対向して配置される。
【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とともに、前記セパレータには、前記電極に対向して反応ガスを電極面方向に沿って流通させる反応ガス流路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（ガス拡散層）からなるアノード電極とカソード電極と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。さらに、アノード電極及びカソード電極では、電極触媒層がガス拡散層よりも小さな表面積に設定されている場合がある。
【０００４】
このため、特に電極触媒層の端部周囲には、固体高分子電解質膜とガス拡散層内部とにより空間部が形成されるとともに、前記空間部には、発電時（電気化学反応時）にカソード電極に生成される水が滞留し易い。さらに、空間部には、酸素と水素とが反応して生成された過酸化水素が溜まり易く、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の端部等が劣化し、前記固体高分子電解質膜の耐久性が低下し易くなるとともに、発電効率が低下するという問題がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用膜−電極接合体が知られている。この燃料電池用膜−電極接合体は、燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸素極とからなる一対の電極と、前記一対の電極の間に挟装された高分子電解質膜とを含んでいる。そして、電極は、高分子電解質膜と接合された触媒層と拡散層からなり、前記拡散層中には、過酸化物分解剤がセル面方向端部付近に対して端部以外よりも高濃度に存在している。
【０００６】
これにより、過酸化物分解剤が拡散層中のセル面方向端部付近に対して端部以外よりも高濃度に存在することで、発電性能を低下させることがなく、有害な過酸化水素等の過酸化物を効率良くセル内から除去することができる。このため、電解質膜や電極触媒層中の電解質の劣化を抑制し、耐久性を向上させた燃料電池を得ることが可能になる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−９８００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記の特許文献１では、拡散層の端部に、過酸化物分解剤として、例えば、セリウム溶液を塗布及び乾燥させた後、燃料電池用膜−電極接合体を作製している。このため、燃料電池用膜−電極接合体の製造作業全体が相当に煩雑化するとともに、効率的且つ経済的な製造作業が遂行されないという問題がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、電極触媒層の端部に劣化促進物質が滞留することを阻止し、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とともに、前記セパレータには、前記電極に対向して反応ガスを電極面方向に沿って流通させる反応ガス流路が形成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、反応ガス流路は、複数本の流路溝を備えている。そして、電極の外周に対向する外側流路溝の断面積は、前記電極の他の部位に対向する内側流路溝の断面積よりも大きく設定されるとともに、電極触媒層の外周端部は、前記外側流路溝内に対向して配置されている。
【００１２】
また、この燃料電池では、電極は、アノード電極とカソード電極とを有するとともに、前記アノード電極を構成するアノード電極触媒層の外周端部と、前記カソード電極を構成するカソード電極触媒層の外周端部とは、電解質膜・電極構造体とセパレータとの積層方向に対して互いにオフセットして配置される一方、反応ガス流路は、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを有し、前記アノード電極触媒層の前記外周端部は、前記燃料ガス流路の外側流路溝内に対向し、且つ前記カソード電極触媒層の前記外周端部は、前記酸化剤ガス流路の外側流路溝内に対向することが好ましい。
【００１３】
さらに、この燃料電池では、外側流路溝は、セパレータの凸部とシール部材とにより構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電極触媒層の外周端部は、反応ガス流路に対して電極の他の部位に対向する内側流路溝よりも大きな断面積に設定される外側流路溝内に対向して配置されている。このため、劣化が集中し易い電極触媒層の外周端部において、劣化促進物質が滞留することを良好に阻止することができる。
【００１５】
しかも、外側流路溝の断面積は、内側流路溝の断面積よりも大きく設定されるため、前記外側流路溝を流通する反応ガスの流量を増加させることが可能になる。従って、劣化促進物質の滞留が一層確実に阻止されるとともに、電解質膜・電極構造体とセパレータとの位置ずれを有効に吸収することができる。
【００１６】
これにより、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜等の劣化を有効に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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アノード側セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池の起動前の流路説明図である。
【図６】前記燃料電池の起動時のガス置換状態の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の概略断面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概略断面説明図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の概略断面説明図である。
【図１０】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１１】前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図１３】前記燃料電池の、図１２中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。
【図１４】前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１及び図２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がアノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６間に挟持され、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。
【００１９】
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、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２０ｂ、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２２ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２０】
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２２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔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。
【００２１】
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２４と、前記固体高分子電解質膜２４を挟持するアノード電極２６及びカソード電極２８とを備える。固体高分子電解質膜２４の外形寸法は、アノード電極２６及びカソード電極２８の外形寸法よりも大きく設定される。
【００２２】
固体高分子電解質膜２４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２４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。
【００２３】
図２に示すように、アノード電極２６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２４の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（アノード電極触媒層）２６ａと、カーボンペーパ等からなるガス拡散層２６ｂとを有する。カソード電極２８は、同様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２４の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（カソード電極触媒層）２８ａと、カーボンペーパ等からなるガス拡散層２８ｂとを有する。
【００２４】
電極触媒層２６ａ、２８ａの表面積は、ガス拡散層２６ｂ、２８ｂの表面積よりも小さく設定される。電極触媒層２６ａ、２８ａの端部位置は、ガス拡散層２６ｂ、２８ｂの端部位置よりも内方に配置される。
【００２５】
固体高分子電解質膜２４は、ガス拡散層２６ｂ、２８ｂの端部位置から外方に突出する外周縁部に保護シート部材３０ａ、３０ｂを設ける。保護シート部材３０ａ、３０ｂは、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）製のフィルム等のガス不透過性材料で構成される。固体高分子電解質膜２４の端部が過酸化水素によりダメージを受けることを阻止することができる。
【００２６】
図３に示すように、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２２ａと燃料ガス出口連通孔２２ｂとに連通する燃料ガス流路３４が、矢印Ｂ方向に折り返しながら蛇行して矢印Ｃ方向に向かって設けられる。燃料ガス流路３４は、アノード電極２６を構成する電極触媒層２６ａの外周に対向する２本の外側流路溝３４ａと、前記外側流路溝３４ａ間に位置して前記電極触媒層２６ａの外周以外の部位に対向する複数本の内側流路溝３４ｂとを備える。
【００２７】
図２及び図３に示すように、外側流路溝３４ａの断面積は、内側流路溝３４ｂの断面積よりも大きく設定される。具体的には、外側流路溝３４ａの溝幅Ｌ１は、内側流路溝３４ｂの溝幅Ｌ２よりも長尺に設定される（Ｌ１＞Ｌ２）。外側流路溝３４ａの溝深さは、内側流路溝３４ｂの溝深さと同一である。電極触媒層２６ａの外周端部は、外側流路溝３４ａ内に対向して配置される。
【００２８】
図４に示すように、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３６が、矢印Ｂ方向に折り返しながら蛇行して矢印Ｃ方向に向かって設けられる。酸化剤ガス流路３６は、カソード電極２８を構成する電極触媒層２８ａの外周に対向する２本の外側流路溝３６ａと、前記外側流路溝３６ａ間に位置して前記電極触媒層２８ａの外周以外の部位に対向する複数本の内側流路溝３６ｂとを備える。
【００２９】
図２及び図４に示すように、外側流路溝３６ａの断面積は、内側流路溝３６ｂの断面積よりも大きく設定される。具体的には、外側流路溝３６ａの溝幅Ｌ３は、内側流路溝３６ｂの溝幅Ｌ４よりも長尺に設定される（Ｌ３＞Ｌ４）。外側流路溝３６ａの溝深さは、内側流路溝３６ｂの溝深さと同一である。電極触媒層２８ａの外周端部は、外側流路溝３６ａ内に対向して配置される。
【００３０】
図１及び図２に示すように、カソード側セパレータ１６の面１６ｂには、冷却媒体入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２０ｂとに連通する冷却媒体流路３８が設けられる。冷却媒体流路３８は、冷却媒体を矢印Ｂ方向に流通させる。
【００３１】
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４０が一体的又は個別に設けられる（図１〜図３参照）。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４２が一体的又は個別に設けられる（図１、図２及び図４参照）。
【００３２】
第１シール部材４０及び第２シール部材４２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。
【００３３】
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。
【００３４】
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２２ａ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２０ａ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。
【００３５】
図４に示すように、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３６に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６を構成する複数本の流路溝である外側流路溝３６ａ及び内側流路溝３６ｂに沿って、矢印Ｂ方向に折り返しながら蛇行して矢印Ｃ方向に向かって流通する。このため、酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２８に沿って移動する（図１及び図２参照）。
【００３６】
一方、燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス入口連通孔２２ａからアノード側セパレータ１４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガス流路３４では、燃料ガスが複数本の流路溝である外側流路溝３４ａ及び内側流路溝３４ｂに沿って、矢印Ｂ方向に折り返しながら蛇行して矢印Ｃ方向に向かって流通する。従って、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２６に沿って移動する（図１及び図２参照）。
【００３７】
これにより、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層２８ａ、２６ａ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３８】
次いで、カソード電極２８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２６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２２ｂに排出される。
【００３９】
一方、冷却媒体入口連通孔２０ａ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３８に導入される。冷却媒体は、冷却媒体流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、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２０ｂに排出される。
【００４０】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、燃料ガス流路３４を構成する外側流路溝３４ａの断面積は、内側流路溝３４ｂの断面積よりも大きく設定されるとともに、アノード電極２６を構成する電極触媒層２６ａの外周端部は、前記外側流路溝３４ａに対向して配置されている。このため、外側流路溝３４ａでの燃料ガスの流通量は、内側流路溝３４ｂでの燃料ガスの流通量よりも増加し、劣化が集中し易い電極触媒層２６ａの外周端部において、劣化促進物質が滞留することを確実に阻止することが可能になる。
【００４１】
同様に、酸化剤ガス流路３６を構成する外側流路溝３６ａの断面積は、内側流路溝３６ｂの断面積よりも大きく設定されるとともに、カソード電極２８を構成する電極触媒層２８ａの外周端部は、前記外側流路溝３６ａに対向して配置されている。従って、外側流路溝３６ａでの酸化剤ガスの流通量は、内側流路溝３６ｂでの酸化剤ガスの流通量よりも増加し、劣化が集中し易い電極触媒層２８ａの外周端部において、劣化促進物質が滞留することを確実に阻止することができる。
【００４２】
しかも、外側流路溝３４ａ、３６ａの断面積は、内側流路溝３４ｂ、３６ｂの断面積よりも大きく設定されるため、燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を増加させることが可能になる。これにより、劣化促進物質の滞留が一層確実に阻止されるとともに、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との位置ずれを有効に吸収することができる。このため、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２４等の劣化を有効に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００４３】
また、第１の実施形態では、燃料電池１０の起動時にガス置換を行う際、電極触媒層２６ａ、２８ａの外周端部の劣化を良好に抑制することができる。具体的には、図５に示すように、燃料電池１０の停止時には、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３６に酸化剤ガス（空気）が充填されている。
【００４４】
そして、燃料電池１０を起動する際には、先ず、燃料ガス流路３４を酸化剤ガスから燃料ガス（水素ガス）に置換させる処理が施される。ここで、燃料ガス流路３４に燃料ガスが供給されると、図６に示すように、アノード電極２６を構成するガス拡散層２６ｂでは、内側流路溝３４ｂ及び外側流路溝３４ａに対向する部位に存在していた酸化剤ガスが燃料ガスと置換する。
【００４５】
一方、ガス拡散層２６ｂのアノード側セパレータ１４の山部（内側流路溝３４ｂ間及び前記内側流路溝３４ｂと外側流路溝３４ａとの間）に対向する部位では、酸化剤ガスが燃料ガスに置換され難い。従って、山部に対向する部位が高電位になり、カーボンの腐食が惹起され易い。
【００４６】
その際、特に電極触媒層２６ａの外周端部に対応する部位は、外側流路溝３４ａに対向して燃料ガスの置換が良好に遂行されている。これにより、電極触媒層２６ａの外周端部での劣化を確実に抑制することができる。その後、山部に対向する部位でも、燃料ガスの置換が行われ、燃料電池１０の始動が開始される。
【００４７】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池５０の概略断面説明図である。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。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
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２４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２６ａＳは、カソード電極５６を構成する電極触媒層２８ａＬよりも小さな表面積に設定される。
【００４９】
電極触媒層２６ａＳの外周端部は、燃料ガス流路３４を構成する外側流路溝３４ａ内に対向して配置されるとともに、電極触媒層２８ａＬの外周端部は、酸化剤ガス流路３６を構成する外側流路溝３６ａ内に対向して配置される。
【００５０】
このように構成される第２の実施形態では、それぞれ外周端部位置が積層方向に異なる電極触媒層２６ａＳ、２８ａＬの各外周端部は、外側流路溝３４ａ、３６ａ内に対向して配置されている。これにより、電極触媒層２６ａＳ、２８ａＬの各外周端部において、劣化物質が滞留することを阻止することができ、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２４等の劣化を有効に抑制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。
【００５１】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池６０の概略断面説明図である。
【００５２】
燃料電池６０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６２を挟持する。電解質膜・電極構造体６２は、固体高分子電解質膜２４をアノード電極６４及びカソード電極６６により挟持する。アノード電極６４を構成する電極触媒層２６ａＬは、カソード電極６６を構成する電極触媒層２８ａＳよりも大きな表面積に設定される。
【００５３】
電極触媒層２６ａＬの外周端部は、燃料ガス流路３４を構成する外側流路溝３４ａ内に対向して配置されるとともに、電極触媒層２８ａＳの外周端部は、酸化剤ガス流路３６を構成する外側流路溝３６ａ内に対向して配置される。
【００５４】
このように構成される第３の実施形態では、それぞれ外周端部位置が積層方向に異なる電極触媒層２６ａＬ、２８ａＳの各外周端部は、外側流路溝３４ａ、３６ａ内に対向して配置されている。これにより、電極触媒層２６ａＬ、２８ａＳの各外周端部において、劣化物質が滞留することを阻止することができ、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２４等の劣化を有効に抑制することが可能になる等、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。
【００５５】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池７０の概略断面説明図である。
【００５６】
燃料電池７０は、アノード側セパレータ７２とカソード側セパレータ７４の間に、電解質膜・電極構造体１２を挟持する。アノード側セパレータ７２は、矢印Ｃ方向に幅広な外側流路溝３４ａＬと幅狭な内側流路溝３４ｂとを有する一方、カソード側セパレータ７４は、矢印Ｃ方向に幅広な外側流路溝３６ａＬと幅狭な内側流路溝３６ｂとを有する。
【００５７】
外側流路溝３４ａＬの範囲内には、アノード電極２６の電極触媒層２６ａが配置されるとともに、第１シール部材４０が配置される。外側流路溝３６ａＬの範囲内には、カソード電極２８の電極触媒層２８ａが配置されるとともに、第２シール部材４２が配置される。
【００５８】
従って、第４の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２４等の劣化を有効に抑制することが可能になる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５９】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池８０の要部分解斜視図である。
【００６０】
燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体８２とアノード側セパレータ８４及びカソード側セパレータ８６とを備える。電解質膜・電極構造体８２は、例えば、上記した電解質膜・電極構造体１２、５２又は６２のいずれを使用してもよい。アノード側セパレータ８４及びカソード側セパレータ８６は、例えば、カーボンセパレータにより構成される。
【００６１】
アノード側セパレータ８４の電解質膜・電極構造体８２に向かう面８４ａには、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路８８が設けられる。燃料ガス流路８８は、アノード電極２６を構成する電極触媒層２６ａの外周上下に対向する２本の外側流路溝８８ａと、前記外側流路溝８８ａ間に位置して前記電極触媒層２６ａの外周以外の部位に対向する複数本の内側流路溝８８ｂとを備える。外側流路溝８８ａの断面積は、流路幅を広く設定することにより内側流路溝８８ｂの断面積よりも大きく設定される。
【００６２】
図１１に示すように、カソード側セパレータ８６の電解質膜・電極構造体８２に向かう面８６ａには、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路９０が設けられる。酸化剤ガス流路９０は、カソード電極２８を構成する電極触媒層２８ａの外周に対向する２本の外側流路溝９０ａと、前記外側流路溝９０ａ間に位置して前記電極触媒層２８ａの外周以外の部位に対向する複数本の内側流路溝９０ｂとを備える。外側流路溝９０ａの断面積は、流路幅を広く設定することにより内側流路溝９０ｂの断面積よりも大きく設定される。
【００６３】
図１０に示すように、カソード側セパレータ８６の他方の面８６ｂには、アノード側セパレータ８４の他方の面８４ｂに対向して冷却媒体流路９２が形成される。冷却媒体流路９２は、冷却媒体を矢印Ｂ方向に向かって流通させる。
【００６４】
このように構成される第５の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２４等の劣化を有効に抑制することが可能になる等、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
図１２及び図１３に示すように、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１００は、電解質膜・電極構造体１０２とアノード側セパレータ１０４及びカソード側セパレータ１０６とを備える。電解質膜・電極構造体１０２は、例えば、上記した電解質膜・電極構造体１２、５２又は６２のいずれを使用してもよく、例えば、前記電解質膜・電極構造体１２と同様に構成される。
【００６６】
アノード側セパレータ１０４及びカソード側セパレータ１０６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板等の金属セパレータにより構成される。
【００６７】
アノード側セパレータ１０４の電解質膜・電極構造体１０２に向かう面１０４ａには、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する燃料ガス流路１０８が形成される。燃料ガス流路１０８は、アノード電極２６を構成する電極触媒層２６ａの外周上下に対向する２本の外側流路溝１０８ａと、前記外側流路溝１０８ａ間に位置して前記電極触媒層２６ａの外周以外の部位に対向する複数本の内側流路溝１０８ｂとを備える。外側流路溝１０８ａの断面積は、流路幅を広く設定することにより内側流路溝１０８ｂの断面積よりも大きく設定される。
【００６８】
燃料ガス流路１０８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部１１０ａ及び出口バッファ部１１０ｂが設けられる。
【００６９】
図１４に示すように、カソード側セパレータ１０６の電解質膜・電極構造体１０２に向かう面１０６ａには、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路１１２が設けられる。酸化剤ガス流路１１２は、カソード電極２８を構成する電極触媒層２８ａの外周に対向する２本の外側流路溝１１２ａと、前記外側流路溝１１２ａ間に位置して前記電極触媒層２８ａの外周以外の部位に対向する複数本の内側流路溝１１２ｂとを備える。外側流路溝１１２ａの断面積は、流路幅を広く設定することにより内側流路溝１１２ｂの断面積よりも大きく設定される。
【００７０】
酸化剤ガス流路１１２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部１１４ａ及び出口バッファ部１１４ｂが設けられる。
【００７１】
カソード側セパレータ１０６の他方の面１０６ｂには、アノード側セパレータ１０４の他方の面１０４ｂに対向して冷却媒体流路１１６が形成される（図１２参照）。冷却媒体流路１１６は、冷却媒体を矢印Ｂ方向に向かって流通させる。
【００７２】
このように構成される第６の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２４等の劣化を有効に抑制することが可能になる等、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。なお、流路深さを深くすることにより、外側流路溝の断面積を大きくしてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１０、５０、６０、７０、８０、１００…燃料電池
１２、５２、６２、８２、１０２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、７２、７４、８４、８６、１０４、１０６…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…冷却媒体入口連通孔 ２０ｂ…冷却媒体出口連通孔
２２ａ…燃料ガス入口連通孔 ２２ｂ…燃料ガス出口連通孔
２４…固体高分子電解質膜 ２６、５４、６４…アノード電極
２８、５６、６６…カソード電極
２６ａ、２６ａＬ、２６ａＳ、２８ａ、２８ａＬ、２８ａＳ…電極触媒層
２６ｂ、２８ｂ…ガス拡散層 ３０ａ、３０ｂ…保護シート部材
３４、８８、１０８…燃料ガス流路
３４ａ、３６ａ、３４ａＬ、３６ａＬ、９０ａ、１０８ａ、１１２ａ…外側流路溝
３４ｂ、３６ｂ、９０ｂ、１０８ｂ、１１２ｂ…内側流路溝
３６、１１２…酸化剤ガス流路 ３８…冷却媒体流路
【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とともに、前記セパレータには、前記電極に対向して反応ガスを電極面方向に沿って流通させる反応ガス流路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（ガス拡散層）からなるアノード電極とカソード電極と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。さらに、アノード電極及びカソード電極では、電極触媒層がガス拡散層よりも小さな表面積に設定されている場合がある。
【０００４】
このため、特に電極触媒層の端部周囲には、固体高分子電解質膜とガス拡散層内部とにより空間部が形成されるとともに、前記空間部には、発電時（電気化学反応時）にカソード電極に生成される水が滞留し易い。さらに、空間部には、酸素と水素とが反応して生成された過酸化水素が溜まり易く、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の端部等が劣化し、前記固体高分子電解質膜の耐久性が低下し易くなるとともに、発電効率が低下するという問題がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用膜−電極接合体が知られている。この燃料電池用膜−電極接合体は、燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸素極とからなる一対の電極と、前記一対の電極の間に挟装された高分子電解質膜とを含んでいる。そして、電極は、高分子電解質膜と接合された触媒層と拡散層からなり、前記拡散層中には、過酸化物分解剤がセル面方向端部付近に対して端部以外よりも高濃度に存在している。
【０００６】
これにより、過酸化物分解剤が拡散層中のセル面方向端部付近に対して端部以外よりも高濃度に存在することで、発電性能を低下させることがなく、有害な過酸化水素等の過酸化物を効率良くセル内から除去することができる。このため、電解質膜や電極触媒層中の電解質の劣化を抑制し、耐久性を向上させた燃料電池を得ることが可能になる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−９８００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記の特許文献１では、拡散層の端部に、過酸化物分解剤として、例えば、セリウム溶液を塗布及び乾燥させた後、燃料電池用膜−電極接合体を作製している。このため、燃料電池用膜−電極接合体の製造作業全体が相当に煩雑化するとともに、効率的且つ経済的な製造作業が遂行されないという問題がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、電極触媒層の端部に劣化促進物質が滞留することを阻止し、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とともに、前記セパレータには、前記電極に対向して反応ガスを電極面方向に沿って流通させる反応ガス流路が形成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、反応ガス流路は、複数本の流路溝を備えている。そして、電極の外周に対向する外側流路溝の断面積は、前記電極の他の部位に対向する内側流路溝の断面積よりも大きく設定されるとともに、電極触媒層の外周端部は、前記外側流路溝内に対向して配置されている。
【００１２】
また、この燃料電池では、電極は、アノード電極とカソード電極とを有するとともに、前記アノード電極を構成するアノード電極触媒層の外周端部と、前記カソード電極を構成するカソード電極触媒層の外周端部とは、電解質膜・電極構造体とセパレータとの積層方向に対して互いにオフセットして配置される一方、反応ガス流路は、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを有し、前記アノード電極触媒層の前記外周端部は、前記燃料ガス流路の外側流路溝内に対向し、且つ前記カソード電極触媒層の前記外周端部は、前記酸化剤ガス流路の外側流路溝内に対向することが好ましい。
【００１３】
さらに、この燃料電池では、外側流路溝は、セパレータの凸部とシール部材とにより構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電極触媒層の外周端部は、反応ガス流路に対して電極の他の部位に対向する内側流路溝よりも大きな断面積に設定される外側流路溝内に対向して配置されている。このため、劣化が集中し易い電極触媒層の外周端部において、劣化促進物質が滞留することを良好に阻止することができる。
【００１５】
しかも、外側流路溝の断面積は、内側流路溝の断面積よりも大きく設定されるため、前記外側流路溝を流通する反応ガスの流量を増加させることが可能になる。従って、劣化促進物質の滞留が一層確実に阻止されるとともに、電解質膜・電極構造体とセパレータとの位置ずれを有効に吸収することができる。
【００１６】
これにより、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜等の劣化を有効に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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アノード側セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池の起動前の流路説明図である。
【図６】前記燃料電池の起動時のガス置換状態の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の概略断面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概略断面説明図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の概略断面説明図である。
【図１０】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１１】前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図１３】前記燃料電池の、図１２中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。
【図１４】前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１及び図２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がアノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６間に挟持され、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。
【００１９】
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、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２０ｂ、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２２ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２０】
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２２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔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。
【００２１】
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２４と、前記固体高分子電解質膜２４を挟持するアノード電極２６及びカソード電極２８とを備える。固体高分子電解質膜２４の外形寸法は、アノード電極２６及びカソード電極２８の外形寸法よりも大きく設定される。
【００２２】
固体高分子電解質膜２４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２４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。
【００２３】
図２に示すように、アノード電極２６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２４の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（アノード電極触媒層）２６ａと、カーボンペーパ等からなるガス拡散層２６ｂとを有する。カソード電極２８は、同様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２４の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（カソード電極触媒層）２８ａと、カーボンペーパ等からなるガス拡散層２８ｂとを有する。
【００２４】
電極触媒層２６ａ、２８ａの表面積は、ガス拡散層２６ｂ、２８ｂの表面積よりも小さく設定される。電極触媒層２６ａ、２８ａの端部位置は、ガス拡散層２６ｂ、２８ｂの端部位置よりも内方に配置される。
【００２５】
固体高分子電解質膜２４は、ガス拡散層２６ｂ、２８ｂの端部位置から外方に突出する外周縁部に保護シート部材３０ａ、３０ｂを設ける。保護シート部材３０ａ、３０ｂは、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）製のフィルム等のガス不透過性材料で構成される。固体高分子電解質膜２４の端部が過酸化水素によりダメージを受けることを阻止することができる。
【００２６】
図３に示すように、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２２ａと燃料ガス出口連通孔２２ｂとに連通する燃料ガス流路３４が、矢印Ｂ方向に折り返しながら蛇行して矢印Ｃ方向に向かって設けられる。燃料ガス流路３４は、アノード電極２６を構成する電極触媒層２６ａの外周に対向する２本の外側流路溝３４ａと、前記外側流路溝３４ａ間に位置して前記電極触媒層２６ａの外周以外の部位に対向する複数本の内側流路溝３４ｂとを備える。
【００２７】
図２及び図３に示すように、外側流路溝３４ａの断面積は、内側流路溝３４ｂの断面積よりも大きく設定される。具体的には、外側流路溝３４ａの溝幅Ｌ１は、内側流路溝３４ｂの溝幅Ｌ２よりも長尺に設定される（Ｌ１＞Ｌ２）。外側流路溝３４ａの溝深さは、内側流路溝３４ｂの溝深さと同一である。電極触媒層２６ａの外周端部は、外側流路溝３４ａ内に対向して配置される。
【００２８】
図４に示すように、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３６が、矢印Ｂ方向に折り返しながら蛇行して矢印Ｃ方向に向かって設けられる。酸化剤ガス流路３６は、カソード電極２８を構成する電極触媒層２８ａの外周に対向する２本の外側流路溝３６ａと、前記外側流路溝３６ａ間に位置して前記電極触媒層２８ａの外周以外の部位に対向する複数本の内側流路溝３６ｂとを備える。
【００２９】
図２及び図４に示すように、外側流路溝３６ａの断面積は、内側流路溝３６ｂの断面積よりも大きく設定される。具体的には、外側流路溝３６ａの溝幅Ｌ３は、内側流路溝３６ｂの溝幅Ｌ４よりも長尺に設定される（Ｌ３＞Ｌ４）。外側流路溝３６ａの溝深さは、内側流路溝３６ｂの溝深さと同一である。電極触媒層２８ａの外周端部は、外側流路溝３６ａ内に対向して配置される。
【００３０】
図１及び図２に示すように、カソード側セパレータ１６の面１６ｂには、冷却媒体入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２０ｂとに連通する冷却媒体流路３８が設けられる。冷却媒体流路３８は、冷却媒体を矢印Ｂ方向に流通させる。
【００３１】
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４０が一体的又は個別に設けられる（図１〜図３参照）。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４２が一体的又は個別に設けられる（図１、図２及び図４参照）。
【００３２】
第１シール部材４０及び第２シール部材４２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。
【００３３】
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。
【００３４】
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２２ａ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２０ａ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。
【００３５】
図４に示すように、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３６に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６を構成する複数本の流路溝である外側流路溝３６ａ及び内側流路溝３６ｂに沿って、矢印Ｂ方向に折り返しながら蛇行して矢印Ｃ方向に向かって流通する。このため、酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２８に沿って移動する（図１及び図２参照）。
【００３６】
一方、燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス入口連通孔２２ａからアノード側セパレータ１４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガス流路３４では、燃料ガスが複数本の流路溝である外側流路溝３４ａ及び内側流路溝３４ｂに沿って、矢印Ｂ方向に折り返しながら蛇行して矢印Ｃ方向に向かって流通する。従って、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２６に沿って移動する（図１及び図２参照）。
【００３７】
これにより、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層２８ａ、２６ａ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３８】
次いで、カソード電極２８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２６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２２ｂに排出される。
【００３９】
一方、冷却媒体入口連通孔２０ａ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３８に導入される。冷却媒体は、冷却媒体流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、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２０ｂに排出される。
【００４０】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、燃料ガス流路３４を構成する外側流路溝３４ａの断面積は、内側流路溝３４ｂの断面積よりも大きく設定されるとともに、アノード電極２６を構成する電極触媒層２６ａの外周端部は、前記外側流路溝３４ａに対向して配置されている。このため、外側流路溝３４ａでの燃料ガスの流通量は、内側流路溝３４ｂでの燃料ガスの流通量よりも増加し、劣化が集中し易い電極触媒層２６ａの外周端部において、劣化促進物質が滞留することを確実に阻止することが可能になる。
【００４１】
同様に、酸化剤ガス流路３６を構成する外側流路溝３６ａの断面積は、内側流路溝３６ｂの断面積よりも大きく設定されるとともに、カソード電極２８を構成する電極触媒層２８ａの外周端部は、前記外側流路溝３６ａに対向して配置されている。従って、外側流路溝３６ａでの酸化剤ガスの流通量は、内側流路溝３６ｂでの酸化剤ガスの流通量よりも増加し、劣化が集中し易い電極触媒層２８ａの外周端部において、劣化促進物質が滞留することを確実に阻止することができる。
【００４２】
しかも、外側流路溝３４ａ、３６ａの断面積は、内側流路溝３４ｂ、３６ｂの断面積よりも大きく設定されるため、燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を増加させることが可能になる。これにより、劣化促進物質の滞留が一層確実に阻止されるとともに、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との位置ずれを有効に吸収することができる。このため、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２４等の劣化を有効に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００４３】
また、第１の実施形態では、燃料電池１０の起動時にガス置換を行う際、電極触媒層２６ａ、２８ａの外周端部の劣化を良好に抑制することができる。具体的には、図５に示すように、燃料電池１０の停止時には、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３６に酸化剤ガス（空気）が充填されている。
【００４４】
そして、燃料電池１０を起動する際には、先ず、燃料ガス流路３４を酸化剤ガスから燃料ガス（水素ガス）に置換させる処理が施される。ここで、燃料ガス流路３４に燃料ガスが供給されると、図６に示すように、アノード電極２６を構成するガス拡散層２６ｂでは、内側流路溝３４ｂ及び外側流路溝３４ａに対向する部位に存在していた酸化剤ガスが燃料ガスと置換する。
【００４５】
一方、ガス拡散層２６ｂのアノード側セパレータ１４の山部（内側流路溝３４ｂ間及び前記内側流路溝３４ｂと外側流路溝３４ａとの間）に対向する部位では、酸化剤ガスが燃料ガスに置換され難い。従って、山部に対向する部位が高電位になり、カーボンの腐食が惹起され易い。
【００４６】
その際、特に電極触媒層２６ａの外周端部に対応する部位は、外側流路溝３４ａに対向して燃料ガスの置換が良好に遂行されている。これにより、電極触媒層２６ａの外周端部での劣化を確実に抑制することができる。その後、山部に対向する部位でも、燃料ガスの置換が行われ、燃料電池１０の始動が開始される。
【００４７】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池５０の概略断面説明図である。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。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
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２４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２６ａＳは、カソード電極５６を構成する電極触媒層２８ａＬよりも小さな表面積に設定される。
【００４９】
電極触媒層２６ａＳの外周端部は、燃料ガス流路３４を構成する外側流路溝３４ａ内に対向して配置されるとともに、電極触媒層２８ａＬの外周端部は、酸化剤ガス流路３６を構成する外側流路溝３６ａ内に対向して配置される。
【００５０】
このように構成される第２の実施形態では、それぞれ外周端部位置が積層方向に異なる電極触媒層２６ａＳ、２８ａＬの各外周端部は、外側流路溝３４ａ、３６ａ内に対向して配置されている。これにより、電極触媒層２６ａＳ、２８ａＬの各外周端部において、劣化物質が滞留することを阻止することができ、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２４等の劣化を有効に抑制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。
【００５１】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池６０の概略断面説明図である。
【００５２】
燃料電池６０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６２を挟持する。電解質膜・電極構造体６２は、固体高分子電解質膜２４をアノード電極６４及びカソード電極６６により挟持する。アノード電極６４を構成する電極触媒層２６ａＬは、カソード電極６６を構成する電極触媒層２８ａＳよりも大きな表面積に設定される。
【００５３】
電極触媒層２６ａＬの外周端部は、燃料ガス流路３４を構成する外側流路溝３４ａ内に対向して配置されるとともに、電極触媒層２８ａＳの外周端部は、酸化剤ガス流路３６を構成する外側流路溝３６ａ内に対向して配置される。
【００５４】
このように構成される第３の実施形態では、それぞれ外周端部位置が積層方向に異なる電極触媒層２６ａＬ、２８ａＳの各外周端部は、外側流路溝３４ａ、３６ａ内に対向して配置されている。これにより、電極触媒層２６ａＬ、２８ａＳの各外周端部において、劣化物質が滞留することを阻止することができ、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２４等の劣化を有効に抑制することが可能になる等、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。
【００５５】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池７０の概略断面説明図である。
【００５６】
燃料電池７０は、アノード側セパレータ７２とカソード側セパレータ７４の間に、電解質膜・電極構造体１２を挟持する。アノード側セパレータ７２は、矢印Ｃ方向に幅広な外側流路溝３４ａＬと幅狭な内側流路溝３４ｂとを有する一方、カソード側セパレータ７４は、矢印Ｃ方向に幅広な外側流路溝３６ａＬと幅狭な内側流路溝３６ｂとを有する。
【００５７】
外側流路溝３４ａＬの範囲内には、アノード電極２６の電極触媒層２６ａが配置されるとともに、第１シール部材４０が配置される。外側流路溝３６ａＬの範囲内には、カソード電極２８の電極触媒層２８ａが配置されるとともに、第２シール部材４２が配置される。
【００５８】
従って、第４の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２４等の劣化を有効に抑制することが可能になる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５９】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池８０の要部分解斜視図である。
【００６０】
燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体８２とアノード側セパレータ８４及びカソード側セパレータ８６とを備える。電解質膜・電極構造体８２は、例えば、上記した電解質膜・電極構造体１２、５２又は６２のいずれを使用してもよい。アノード側セパレータ８４及びカソード側セパレータ８６は、例えば、カーボンセパレータにより構成される。
【００６１】
アノード側セパレータ８４の電解質膜・電極構造体８２に向かう面８４ａには、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路８８が設けられる。燃料ガス流路８８は、アノード電極２６を構成する電極触媒層２６ａの外周上下に対向する２本の外側流路溝８８ａと、前記外側流路溝８８ａ間に位置して前記電極触媒層２６ａの外周以外の部位に対向する複数本の内側流路溝８８ｂとを備える。外側流路溝８８ａの断面積は、流路幅を広く設定することにより内側流路溝８８ｂの断面積よりも大きく設定される。
【００６２】
図１１に示すように、カソード側セパレータ８６の電解質膜・電極構造体８２に向かう面８６ａには、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路９０が設けられる。酸化剤ガス流路９０は、カソード電極２８を構成する電極触媒層２８ａの外周に対向する２本の外側流路溝９０ａと、前記外側流路溝９０ａ間に位置して前記電極触媒層２８ａの外周以外の部位に対向する複数本の内側流路溝９０ｂとを備える。外側流路溝９０ａの断面積は、流路幅を広く設定することにより内側流路溝９０ｂの断面積よりも大きく設定される。
【００６３】
図１０に示すように、カソード側セパレータ８６の他方の面８６ｂには、アノード側セパレータ８４の他方の面８４ｂに対向して冷却媒体流路９２が形成される。冷却媒体流路９２は、冷却媒体を矢印Ｂ方向に向かって流通させる。
【００６４】
このように構成される第５の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２４等の劣化を有効に抑制することが可能になる等、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
図１２及び図１３に示すように、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１００は、電解質膜・電極構造体１０２とアノード側セパレータ１０４及びカソード側セパレータ１０６とを備える。電解質膜・電極構造体１０２は、例えば、上記した電解質膜・電極構造体１２、５２又は６２のいずれを使用してもよく、例えば、前記電解質膜・電極構造体１２と同様に構成される。
【００６６】
アノード側セパレータ１０４及びカソード側セパレータ１０６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板等の金属セパレータにより構成される。
【００６７】
アノード側セパレータ１０４の電解質膜・電極構造体１０２に向かう面１０４ａには、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する燃料ガス流路１０８が形成される。燃料ガス流路１０８は、アノード電極２６を構成する電極触媒層２６ａの外周上下に対向する２本の外側流路溝１０８ａと、前記外側流路溝１０８ａ間に位置して前記電極触媒層２６ａの外周以外の部位に対向する複数本の内側流路溝１０８ｂとを備える。外側流路溝１０８ａの断面積は、流路幅を広く設定することにより内側流路溝１０８ｂの断面積よりも大きく設定される。
【００６８】
燃料ガス流路１０８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部１１０ａ及び出口バッファ部１１０ｂが設けられる。
【００６９】
図１４に示すように、カソード側セパレータ１０６の電解質膜・電極構造体１０２に向かう面１０６ａには、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路１１２が設けられる。酸化剤ガス流路１１２は、カソード電極２８を構成する電極触媒層２８ａの外周に対向する２本の外側流路溝１１２ａと、前記外側流路溝１１２ａ間に位置して前記電極触媒層２８ａの外周以外の部位に対向する複数本の内側流路溝１１２ｂとを備える。外側流路溝１１２ａの断面積は、流路幅を広く設定することにより内側流路溝１１２ｂの断面積よりも大きく設定される。
【００７０】
酸化剤ガス流路１１２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部１１４ａ及び出口バッファ部１１４ｂが設けられる。
【００７１】
カソード側セパレータ１０６の他方の面１０６ｂには、アノード側セパレータ１０４の他方の面１０４ｂに対向して冷却媒体流路１１６が形成される（図１２参照）。冷却媒体流路１１６は、冷却媒体を矢印Ｂ方向に向かって流通させる。
【００７２】
このように構成される第６の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２４等の劣化を有効に抑制することが可能になる等、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。なお、流路深さを深くすることにより、外側流路溝の断面積を大きくしてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１０、５０、６０、７０、８０、１００…燃料電池
１２、５２、６２、８２、１０２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、７２、７４、８４、８６、１０４、１０６…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…冷却媒体入口連通孔 ２０ｂ…冷却媒体出口連通孔
２２ａ…燃料ガス入口連通孔 ２２ｂ…燃料ガス出口連通孔
２４…固体高分子電解質膜 ２６、５４、６４…アノード電極
２８、５６、６６…カソード電極
２６ａ、２６ａＬ、２６ａＳ、２８ａ、２８ａＬ、２８ａＳ…電極触媒層
２６ｂ、２８ｂ…ガス拡散層 ３０ａ、３０ｂ…保護シート部材
３４、８８、１０８…燃料ガス流路
３４ａ、３６ａ、３４ａＬ、３６ａＬ、９０ａ、１０８ａ、１１２ａ…外側流路溝
３４ｂ、３６ｂ、９０ｂ、１０８ｂ、１１２ｂ…内側流路溝
３６、１１２…酸化剤ガス流路 ３８…冷却媒体流路
【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とともに、前記セパレータには、前記電極に対向して反応ガスを電極面方向に沿って流通させる反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
前記反応ガス流路は、複数本の流路溝を備え、
前記電極の外周に対向する外側流路溝の断面積は、前記電極の他の部位に対向する内側流路溝の断面積よりも大きく設定されるとともに、
前記電極触媒層の外周端部は、前記外側流路溝内に対向して配置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、前記電極は、アノード電極とカソード電極とを有するとともに、
前記アノード電極を構成するアノード電極触媒層の外周端部と、前記カソード電極を構成するカソード電極触媒層の外周端部とは、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向に対して互いにオフセットして配置される一方、
前記反応ガス流路は、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを有し、
前記アノード電極触媒層の前記外周端部は、前記燃料ガス流路の外側流路溝内に対向し、且つ前記カソード電極触媒層の前記外周端部は、前記酸化剤ガス流路の外側流路溝内に対向す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、前記外側流路溝は、前記セパレータの凸部とシール部材とにより構成され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とともに、前記セパレータには、前記電極に対向して反応ガスを電極面方向に沿って流通させる反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
前記反応ガス流路は、複数本の流路溝を備え、
前記電極の外周に対向する外側流路溝の断面積は、前記電極の他の部位に対向する内側流路溝の断面積よりも大きく設定されるとともに、
前記電極触媒層の外周端部は、前記外側流路溝内に対向して配置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、前記電極は、アノード電極とカソード電極とを有するとともに、
前記アノード電極を構成するアノード電極触媒層の外周端部と、前記カソード電極を構成するカソード電極触媒層の外周端部とは、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向に対して互いにオフセットして配置される一方、
前記反応ガス流路は、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを有し、
前記アノード電極触媒層の前記外周端部は、前記燃料ガス流路の外側流路溝内に対向し、且つ前記カソード電極触媒層の前記外周端部は、前記酸化剤ガス流路の外側流路溝内に対向す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、前記外側流路溝は、前記セパレータの凸部とシール部材とにより構成され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２０１３−１１４８４３（Ｐ２０１３−１１４８４３Ａ）
【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２０１１−２５８７５０（Ｐ２０１１−２５８７５０）
【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）】
[ Back to top ]