燃料電池
【課題】燃料電池の締め付け時に、電極触媒層の外周端部に過剰な荷重が付与されることがなく、固体高分子電解質膜の損傷を確実に阻止することを可能にする。
【解決手段】保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極２０及びアノード電極２２を備えるＭＥＡ１２ａと、前記固体高分子電解質膜１８の外周端縁部に接合される保護フイルム２４ａ、２４ｂとを備える。保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２は、発電部４６とエッジ部周辺４８とを有する。カソード側セパレータ１４は、ＭＥＡ１２ａに接する外周縁部に外周端部２０ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部１４ｃを設ける。アノード側セパレータ１６は、ＭＥＡ１２ａに接する外周縁部に外周端部２２ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部１６ｃを設ける。
【解決手段】保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極２０及びアノード電極２２を備えるＭＥＡ１２ａと、前記固体高分子電解質膜１８の外周端縁部に接合される保護フイルム２４ａ、２４ｂとを備える。保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２は、発電部４６とエッジ部周辺４８とを有する。カソード側セパレータ１４は、ＭＥＡ１２ａに接する外周縁部に外周端部２０ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部１４ｃを設ける。アノード側セパレータ１６は、ＭＥＡ１２ａに接する外周縁部に外周端部２２ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部１６ｃを設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する第１電極及び第２電極が、固体高分子電解質膜の両側に設けられる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両面に配置されるセパレータとを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、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、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）と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）によって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、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】
この種の電解質膜・電極構造体では、一方の触媒層の外周端部位置と他方の触媒層の外周端部位置とが、固体高分子電解質膜の膜厚さ方向に対して互いにずれている場合がある。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体は、図１１に示すように、高分子電解質膜１と、前記高分子電解質膜１の一方の面に形成されるカソード触媒層２と、前記高分子電解質膜１の他方の面に形成されるアノード触媒層３と、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積よりも大きくなるように、前記カソード触媒層２の端部の少なくとも一部に形成される第１のガスケット層４とを有している。
【０００５】
そして、高分子電解質膜１の少なくとも電解質膜−電極接合体の厚み方向に対し、カソード触媒層２の端部と重複する部位には、前記高分子電解質膜１よりも強度の高い補強層５が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３３８９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１では、電解質膜−電極接合体がセパレータ間に挟持されることにより、燃料電池が構成されるとともに、複数の前記燃料電池が積層されて燃料電池スタックとして使用されている。燃料電池スタックには、所望の発電性能及びシール性能を確保するために、積層方向に所定の締め付け荷重が付与されている。
【０００８】
その際、カソード触媒層２の外周端部（エッジ部）は、補強層５に押し付けられるとともに、アノード触媒層３の外周端部（エッジ部）は、前記補強層５及び高分子電解質膜１に押し付けられている。このため、補強層５及び高分子電解質膜１は、各エッジ部近傍で面圧が高まって薄肉化してしまい、耐久性が低下す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、燃料電池の締め付け時に、電極触媒層の外周端部に過剰な荷重が付与されることがなく、固体高分子電解質膜の損傷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】
【００１０】
本発明は、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する第１電極及び第２電極が、固体高分子電解質膜の両側に設けられる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両面に配置されるセパレータとを備える燃料電池に関するものである。
【００１１】
そして、電解質膜・電極構造体は、第１電極及び第２電極間に固体高分子電解質膜を挟んだ発電部と、前記第１電極及び前記第２電極のそれぞれの電極触媒層外周端部間に前記固体高分子電解質膜を挟んだエッジ部とを有し、セパレータには、前記電解質膜・電極構造体に接する面に、前記エッジ部を収容する凹部が形成されている。
【００１２】
また、この燃料電池では、第１電極を構成する電極触媒層の外周端部は、第２電極を構成する電極触媒層の外周端部よりも電極面方向外方に突出する寸法に設定されることが好ましい。
【００１３】
さらに、この燃料電池では、ガス拡散層の外周には、保護フイルムが設けられることが好ましい。
【００１４】
さらにまた、この燃料電池では、固体高分子電解質膜とガス拡散層との間には、保護フイルムが設けられることが好ましい。
【００１５】
また、この燃料電池では、前記燃料電池が積層された際、エッジ部よりも電極面方向外方で電解質膜・電極構造体とセパレータとの間には、隙間が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、セパレータには、電解質膜・電極構造体のエッジ部に対応して凹部が形成されている。このため、燃料電池が締め付けされた際、エッジ部における締め代は、発電部における締め代よりも小さな寸法に設定されている。従って、発電部では、発電性能を確保するために必要な面圧を確保する一方、エッジ部では、電極触媒層外周端部に過剰な締め付け力がかかることを抑制することができる。これにより、所望の発電性能を有するとともに、エッジ部での固体高分子電解質膜の破損を良好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説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する保護フイルム付き電解質膜・電極構造体のアノード電極側の正面説明図である。
【図４】前記燃料電池の締め付け前の要部断面説明図である。
【図５】セル厚さと発電部面圧及びエッジ部面圧との関係説明図である。
【図６】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説明図である。
【図７】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図８】前記燃料電池の締め付け前の要部断面説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図１１】特許文献１に開示された膜電極組立体の説明図である。
【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、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２と、前記保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２を挟持するカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６とを備える。
【００１９】
カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、例えば、カーボンセパレータで構成される。なお、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、カーボンセパレータに代えて、例えば、金属薄板により構成してもよい。
【００２０】
図２に示すように、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２は、ＭＥＡ１２ａを備えるとともに、前記ＭＥＡ１２ａ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１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極（第２電極）２０及びアノード電極（第１電極）２２とを有する。固体高分子電解質膜１８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。
【００２１】
カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置されるとともに、アノード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される。固体高分子電解質膜１８の外周端部は、カソード電極２０及びアノード電極２２の外周端部よりも外方に延在する。
【００２２】
カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される電極触媒層２０ａと、前記電極触媒層２０ａに積層されるガス拡散層２０ｂとを設ける。アノード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される電極触媒層２２ａと、前記電極触媒層２２ａに積層されるガス拡散層２２ｂとを設ける。
【００２３】
アノード電極２２を構成する電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅは、カソード電極２０を構成する電極触媒層２０ａの外周端部２０ａｅよりも電極面方向外方に突出する寸法に設定される。なお、上記の構成とは逆に、カソード電極２０の外周端部２０ａｅを、アノード電極２２の外周端部２２ａｅよりも電極面方向外方に突出するように構成してもよい。
【００２４】
電極触媒層２０ａ、２２ａ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、固体高分子電解質膜１８の両面に印刷、塗布又は転写することによって構成される。ガス拡散層２０ｂ、２２ｂは、カーボンペーパ等からなるとともに、電極触媒層２０ａ、２２ａの外周端部２０ａｅ、２２ａｅよりも外方で終端する。
【００２５】
図１〜図３に示すように、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ、１８ｂの外周端縁部に接着剤で接合されるとともに、カソード電極２０及びアノード電極２２の先端部に接合される樹脂製枠部材からなる保護フイルム２４ａ、２４ｂを備える。保護フイルム２４ａ、２４ｂは、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＰＡ（ポリフタルアミド）等で構成される他、弾性を有する高分子材料を用いてもよい。
【００２６】
図２に示すように、カソード側セパレータ１４は、ＭＥＡ１２ａに接する外周縁部に外周端部２０ａｅ（エッジ部）を含むエッジ部周辺（後述する）を収容する凹部１４ｃを設ける。アノード側セパレータ１６は、ＭＥＡ１２ａに接する外周縁部に外周端部２２ａｅ（エッジ部）を含むエッジ部周辺（後述する）を収容する凹部１６ｃを設ける。
【００２７】
燃料電池１０が積層された状態（締め付けられた状態）で、保護フイルム２４ａ、２４ｂとカソード側セパレータ１４の面１４ａ及びアノード側セパレータ１６の面１６ｂとの間には、それぞれ隙間Ｓが形成される。カソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６とで保護フイルム２４ａ、２４ｂを直接挟持することにより、面圧が必要以上に高くなることを阻止するためである。
【００２８】
図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ａ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ｂ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３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、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３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２９】
燃料電池１０の矢印Ａ方向の他端縁部には、矢印Ｂ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３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、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３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００３０】
カソード側セパレータ１４の保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。
【００３１】
アノード側セパレータ１６の保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。カソード側セパレータ１４の面１４ｂとアノード側セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。
【００３２】
カソード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このカソード側セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が設けられるとともに、アノード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このアノード側セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が設けられる。
【００３３】
第１及び第２シール部材４２、４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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が用いられる。
【００３４】
図２に示すように、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２は、カソード電極２０及びアノード電極２２間に固体高分子電解質膜１８を挟んだ発電部４６と、電極触媒層２０ａ、２２ａの外周端部２０ａｅ、２２ａｅを含む領域を覆うエッジ部周辺４８とを有する。エッジ部周辺４８は、カソード側セパレータ１４の凹部１４ｃ及びアノード側セパレータ１６の凹部１６ｃが設けられる範囲Ｌに対応する。
【００３５】
燃料電池１０では、この燃料電池１０が積層された際、エッジ部周辺４８における締め代は、発電部４６における締め代よりも小さな寸法に設定される。具体的には、図４に示すように、燃料電池１０の組立前において、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２の発電部４６の厚さＴａｍ、カソード側セパレータ１４の前記発電部４６の厚さＴａｃ、アノード側セパレータ１６の前記発電部４６の厚さＴａａ、前記保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２のエッジ部周辺４８の厚さＴｂｍ、前記カソード側セパレータ１４の前記エッジ部周辺４８の厚さＴｂｃ及びアノード側セパレータ１６の前記エッジ部周辺４８の厚さＴｂａは、Ｔａｍ＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定される。
【００３６】
より好ましくは、Ｔａｍ×０．８＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定される。さらに好ましくは、Ｔａｍ×０．６＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定される。なお、燃料電池１０が締め付けられた状態では、発電部４６を含む前記燃料電池１０の厚さ（セル厚さ）は、面圧で圧縮されることによりエッジ部周辺４８を含む前記燃料電池１０の厚さ（セル厚さ）と同一の寸法になる。
【００３７】
エッジ部周辺４８では、短尺側であるカソード電極２０の外周端部２０ａｅから凹部１４ｃ、１６ｃの内周側端部までの距離Ｌ１と、長尺側であるアノード電極２２の外周端部２２ａｅから前記凹部１４ｃ、１６ｃの外周側端部までの距離Ｌ２とが設定される。距離Ｌ１、Ｌ２は、好ましくは、０．１ｍｍ以上に設定され、さらに好ましくは、０．４ｍｍ以上に設定され、さらにまた好ましくは、２ｍｍ以上に設定される。
【００３８】
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。
【００３９】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ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３４ａ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３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４０】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａからカソード側セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ａ方向に移動してＭＥＡ１２ａのカソード電極２０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａからアノード側セパレータ１６の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ａ方向に移動し、ＭＥＡ１２ａのアノード電極２２に供給される。
【００４１】
従って、各ＭＥＡ１２ａでは、カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２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て発電が行われる。
【００４２】
次いで、カソード電極２０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３０ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。同様に、アノード電極２２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３４ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。
【００４３】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ａ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ１２ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００４４】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、カソード側セパレータ１４には、カソード電極２０の外周端部２０ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部１４ｃが設けられている。同様に、アノード側セパレータ１６には、アノード電極２２の外周端部２２ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部１６ｃが設けられている。
【００４５】
その際、図４に示すように、燃料電池１０の締め付け前には、Ｔａｍ＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定されている。より好ましくは、Ｔａｍ×０．８＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａ、さらに好ましくは、Ｔａｍ×０．６＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定されている。
【００４６】
このため、燃料電池１０の締め付け後の固体高分子電解質膜１８の面圧を、発電部面圧＞エッジ部面圧に設定することができる。すなわち、図５に示すように、燃料電池１０の厚さ（セル厚さ）と面圧との関係から、所望の発電部面圧及びエッジ部面圧に対応する締め付け後のセル厚さが算出される。
【００４７】
従って、燃料電池１０が締め付けされた際、エッジ部周辺４８における締め代は、発電部４６における締め代よりも小さな寸法に設定されている。これにより、発電部４６では、発電性能を確保するために必要な面圧を確保する一方、エッジ部周辺４８では、電極触媒層２０ａ、２２ａの外周端部２０ａｅ、２２ａｅに過剰な締め付け力がかかることを抑制することができる。
【００４８】
このため、所望の発電性能を有するとともに、エッジ部である外周端部２０ａｅ、２２ａｅによる固体高分子電解質膜１８の破損を良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。特に、図４に示すように、距離Ｌ１、Ｌ２は、好ましくは、０．１ｍｍ以上に設定され、さらに好ましくは、０．４ｍｍ以上に設定され、さらにまた好ましくは、２ｍｍ以上に設定されている。従って、固体高分子電解質膜１８の損傷が可及的に抑制される。
【００４９】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の要部分解斜視説明図である。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。
【００５０】
燃料電池６０は、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２と、前記保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２を挟持するカソード側セパレータ６４及びアノード側セパレータ６６とを備える。
【００５１】
図７に示すように、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２は、ＭＥＡ６２ａを備えるとともに、前記ＭＥＡ６２ａは、固体高分子電解質膜１８をカソード電極（第２電極）６８とアノード電極（第１電極）７０とにより挟持する。
【００５２】
カソード電極６８は、電極触媒層６８ａとガス拡散層６８ｂとを設ける一方、アノード電極７０は、電極触媒層７０ａとガス拡散層７０ｂとを設ける。電極触媒層６８ａ、７０ａは、固体高分子電解質膜１８よりも小さな外形寸法に設定されるとともに、ガス拡散層６８ｂ、７０ｂは、前記固体高分子電解質膜１８と同一の外形寸法に設定される。
【００５３】
アノード電極７０を構成する電極触媒層７０ａの外周端部７０ａｅは、カソード電極６８を構成する電極触媒層６８ａの外周端部６８ａｅよりも電極面方向外方に突出する寸法に設定される。なお、上記の構成とは逆に、カソード電極６８の外周端部６８ａｅを、アノード電極７０の外周端部７０ａｅよりも電極面方向外方に突出するように構成してもよい。
【００５４】
保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２は、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂとガス拡散層６８ｂ、７０ｂとの間に接合されるとともに、それぞれの内周縁部側が、電極触媒層６８ａ、７０ａと前記ガス拡散層６８ｂ、７０ｂとの間に接合される樹脂製枠部材からなる保護フイルム７２ａ、７２ｂを備える。
【００５５】
カソード側セパレータ６４は、ＭＥＡ６２ａに接する外周縁部に外周端部６８ａｅ（エッジ部）を含むエッジ部周辺４８を収容する凹部６４ｃを設ける。アノード側セパレータ６６は、ＭＥＡ６２ａに接する外周縁部に外周端部７０ａｅ（エッジ部）を含むエッジ部周辺４８を収容する凹部６６ｃを設ける。
【００５６】
図８に示すように、燃料電池６０の組立前において、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２の発電部４６の厚さＴａｍ、カソード側セパレータ６４の前記発電部４６の厚さＴａｃ、アノード側セパレータ６６の前記発電部４６の厚さＴａａ、前記保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２のエッジ部周辺４８の厚さＴｂｍ、前記カソード側セパレータ６４の前記エッジ部周辺４８の厚さＴｂｃ及びアノード側セパレータ６６の前記エッジ部周辺４８の厚さＴｂａは、Ｔａｍ＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定される。
【００５７】
より好ましくは、Ｔａｍ×０．８＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定される。さらに好ましくは、Ｔａｍ×０．６＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定される。なお、燃料電池６０が締め付けられた状態では、発電部４６を含む前記燃料電池６０の厚さ（セル厚さ）は、エッジ部周辺４８を含む前記燃料電池６０の厚さ（セル厚さ）と同一の寸法になる。
【００５８】
エッジ部周辺４８では、短尺側であるカソード電極６８の外周端部６８ａｅから凹部６４ｃ、６６ｃの内周側端部までの距離Ｌ３と、長尺側であるアノード電極７０の外周端部７０ａｅから前記凹部６４ｃ、６６ｃの外周側端部までの距離Ｌ４とが設定される。距離Ｌ３、Ｌ４は、好ましくは、０．１ｍｍ以上に設定され、さらに好ましくは、０．４ｍｍ以上に設定され、さらにまた好ましくは、２ｍｍ以上に設定される。
【００５９】
このように構成される第２の実施形態では、図７に示すように、カソード側セパレータ６４には、エッジ部周辺４８を収容する凹部６４ｃが設けられるとともに、アノード側セパレータ６６には、前記エッジ部周辺４８を収容する凹部６６ｃが設けられている。このため、燃料電池６０は、所望の発電性能を有するとともに、エッジ部である外周端部６８ａｅ、７０ａｅによる固体高分子電解質膜１８の破損を良好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。
【００６０】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池８０の要部断面説明図である。
【００６１】
燃料電池８０は、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２と、前記保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２を挟持するカソード側セパレータ８２及びアノード側セパレータ８４とを備える。
【００６２】
カソード側セパレータ８２は、ＭＥＡ１２ａに接する外周縁部に外周端部２０ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部８２ｃを設ける。アノード側セパレータ８４は、ＭＥＡ１２ａに接する外周縁部に外周端部２２ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部８４ｃを設ける。燃料電池８０の締め付け状態では、凹部８２ｃの内壁面とガス拡散層２０ｂとの間に隙間Ｓ１が形成される一方、凹部８４ｃの内壁面とガス拡散層２２ｂとの間に隙間Ｓ２が形成される。
【００６３】
このように構成される第３の実施形態では、所望の発電性能を有するとともに、エッジ部である外周端部２０ａｅ、２２ａｅによる固体高分子電解質膜１８の破損を良好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。
【００６４】
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池９０の要部断面説明図である。
【００６５】
燃料電池９０は、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２と、前記保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２を挟持するカソード側セパレータ９２及びアノード側セパレータ９４とを備える。
【００６６】
カソード側セパレータ９２は、ＭＥＡ６２ａに接する外周縁部に外周端部６８ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部９２ｃを設ける。アノード側セパレータ９４は、ＭＥＡ６２ａに接する外周縁部に外周端部７０ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部９４ｃを設ける。燃料電池９０の締め付け状態では、凹部９２ｃの内壁面とガス拡散層６８ｂとの間に隙間Ｓ３が形成される一方、凹部９４ｃの内壁面とガス拡散層７０ｂとの間に隙間Ｓ４が形成される。
【００６７】
このように構成される第４の実施形態では、所望の発電性能を有するとともに、エッジ部である外周端部６８ａｅ、７０ａｅによる固体高分子電解質膜１８の破損を良好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。
【符号の説明】
【００６８】
１０、６０、８０、９０…燃料電池
１２、６２…保護フイルム付き電解質膜・電極構造体
１２ａ、６２ａ…ＭＥＡ
１４、１６、６４、６６、８２、８４、９２、９４…セパレータ
１４ｃ、１６ｃ、６４ｃ、６６ｃ、８２ｃ、８４ｃ、９２ｃ、９４ｃ…凹部
１８…固体高分子電解質膜 ２０、６８…カソード電極
２０ａ、２２ａ、６８ａ、７０ａ…電極触媒層
２０ａｅ、２２ａｅ、６８ａｅ、７０ａｅ…外周端部
２０ｂ、２２ｂ、６８ｂ、７０ｂ…ガス拡散層
２２、７０…アノード電極
２４ａ、２４ｂ、７２ａ、７２ｂ…保護フイルム
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路 ４６…発電部
４８…エッジ部周辺
【技術分野】
【０００１】
本発明は、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する第１電極及び第２電極が、固体高分子電解質膜の両側に設けられる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両面に配置されるセパレータとを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、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、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）と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）によって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、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】
この種の電解質膜・電極構造体では、一方の触媒層の外周端部位置と他方の触媒層の外周端部位置とが、固体高分子電解質膜の膜厚さ方向に対して互いにずれている場合がある。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体は、図１１に示すように、高分子電解質膜１と、前記高分子電解質膜１の一方の面に形成されるカソード触媒層２と、前記高分子電解質膜１の他方の面に形成されるアノード触媒層３と、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積よりも大きくなるように、前記カソード触媒層２の端部の少なくとも一部に形成される第１のガスケット層４とを有している。
【０００５】
そして、高分子電解質膜１の少なくとも電解質膜−電極接合体の厚み方向に対し、カソード触媒層２の端部と重複する部位には、前記高分子電解質膜１よりも強度の高い補強層５が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３３８９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１では、電解質膜−電極接合体がセパレータ間に挟持されることにより、燃料電池が構成されるとともに、複数の前記燃料電池が積層されて燃料電池スタックとして使用されている。燃料電池スタックには、所望の発電性能及びシール性能を確保するために、積層方向に所定の締め付け荷重が付与されている。
【０００８】
その際、カソード触媒層２の外周端部（エッジ部）は、補強層５に押し付けられるとともに、アノード触媒層３の外周端部（エッジ部）は、前記補強層５及び高分子電解質膜１に押し付けられている。このため、補強層５及び高分子電解質膜１は、各エッジ部近傍で面圧が高まって薄肉化してしまい、耐久性が低下す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、燃料電池の締め付け時に、電極触媒層の外周端部に過剰な荷重が付与されることがなく、固体高分子電解質膜の損傷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】
【００１０】
本発明は、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する第１電極及び第２電極が、固体高分子電解質膜の両側に設けられる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両面に配置されるセパレータとを備える燃料電池に関するものである。
【００１１】
そして、電解質膜・電極構造体は、第１電極及び第２電極間に固体高分子電解質膜を挟んだ発電部と、前記第１電極及び前記第２電極のそれぞれの電極触媒層外周端部間に前記固体高分子電解質膜を挟んだエッジ部とを有し、セパレータには、前記電解質膜・電極構造体に接する面に、前記エッジ部を収容する凹部が形成されている。
【００１２】
また、この燃料電池では、第１電極を構成する電極触媒層の外周端部は、第２電極を構成する電極触媒層の外周端部よりも電極面方向外方に突出する寸法に設定されることが好ましい。
【００１３】
さらに、この燃料電池では、ガス拡散層の外周には、保護フイルムが設けられることが好ましい。
【００１４】
さらにまた、この燃料電池では、固体高分子電解質膜とガス拡散層との間には、保護フイルムが設けられることが好ましい。
【００１５】
また、この燃料電池では、前記燃料電池が積層された際、エッジ部よりも電極面方向外方で電解質膜・電極構造体とセパレータとの間には、隙間が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、セパレータには、電解質膜・電極構造体のエッジ部に対応して凹部が形成されている。このため、燃料電池が締め付けされた際、エッジ部における締め代は、発電部における締め代よりも小さな寸法に設定されている。従って、発電部では、発電性能を確保するために必要な面圧を確保する一方、エッジ部では、電極触媒層外周端部に過剰な締め付け力がかかることを抑制することができる。これにより、所望の発電性能を有するとともに、エッジ部での固体高分子電解質膜の破損を良好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説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する保護フイルム付き電解質膜・電極構造体のアノード電極側の正面説明図である。
【図４】前記燃料電池の締め付け前の要部断面説明図である。
【図５】セル厚さと発電部面圧及びエッジ部面圧との関係説明図である。
【図６】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説明図である。
【図７】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図８】前記燃料電池の締め付け前の要部断面説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図１１】特許文献１に開示された膜電極組立体の説明図である。
【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、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２と、前記保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２を挟持するカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６とを備える。
【００１９】
カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、例えば、カーボンセパレータで構成される。なお、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、カーボンセパレータに代えて、例えば、金属薄板により構成してもよい。
【００２０】
図２に示すように、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２は、ＭＥＡ１２ａを備えるとともに、前記ＭＥＡ１２ａ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１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極（第２電極）２０及びアノード電極（第１電極）２２とを有する。固体高分子電解質膜１８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。
【００２１】
カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置されるとともに、アノード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される。固体高分子電解質膜１８の外周端部は、カソード電極２０及びアノード電極２２の外周端部よりも外方に延在する。
【００２２】
カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される電極触媒層２０ａと、前記電極触媒層２０ａに積層されるガス拡散層２０ｂとを設ける。アノード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される電極触媒層２２ａと、前記電極触媒層２２ａに積層されるガス拡散層２２ｂとを設ける。
【００２３】
アノード電極２２を構成する電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅは、カソード電極２０を構成する電極触媒層２０ａの外周端部２０ａｅよりも電極面方向外方に突出する寸法に設定される。なお、上記の構成とは逆に、カソード電極２０の外周端部２０ａｅを、アノード電極２２の外周端部２２ａｅよりも電極面方向外方に突出するように構成してもよい。
【００２４】
電極触媒層２０ａ、２２ａ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、固体高分子電解質膜１８の両面に印刷、塗布又は転写することによって構成される。ガス拡散層２０ｂ、２２ｂは、カーボンペーパ等からなるとともに、電極触媒層２０ａ、２２ａの外周端部２０ａｅ、２２ａｅよりも外方で終端する。
【００２５】
図１〜図３に示すように、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ、１８ｂの外周端縁部に接着剤で接合されるとともに、カソード電極２０及びアノード電極２２の先端部に接合される樹脂製枠部材からなる保護フイルム２４ａ、２４ｂを備える。保護フイルム２４ａ、２４ｂは、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＰＡ（ポリフタルアミド）等で構成される他、弾性を有する高分子材料を用いてもよい。
【００２６】
図２に示すように、カソード側セパレータ１４は、ＭＥＡ１２ａに接する外周縁部に外周端部２０ａｅ（エッジ部）を含むエッジ部周辺（後述する）を収容する凹部１４ｃを設ける。アノード側セパレータ１６は、ＭＥＡ１２ａに接する外周縁部に外周端部２２ａｅ（エッジ部）を含むエッジ部周辺（後述する）を収容する凹部１６ｃを設ける。
【００２７】
燃料電池１０が積層された状態（締め付けられた状態）で、保護フイルム２４ａ、２４ｂとカソード側セパレータ１４の面１４ａ及びアノード側セパレータ１６の面１６ｂとの間には、それぞれ隙間Ｓが形成される。カソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６とで保護フイルム２４ａ、２４ｂを直接挟持することにより、面圧が必要以上に高くなることを阻止するためである。
【００２８】
図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ａ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ｂ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３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、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３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２９】
燃料電池１０の矢印Ａ方向の他端縁部には、矢印Ｂ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３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、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３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００３０】
カソード側セパレータ１４の保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。
【００３１】
アノード側セパレータ１６の保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。カソード側セパレータ１４の面１４ｂとアノード側セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。
【００３２】
カソード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このカソード側セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が設けられるとともに、アノード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このアノード側セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が設けられる。
【００３３】
第１及び第２シール部材４２、４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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が用いられる。
【００３４】
図２に示すように、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２は、カソード電極２０及びアノード電極２２間に固体高分子電解質膜１８を挟んだ発電部４６と、電極触媒層２０ａ、２２ａの外周端部２０ａｅ、２２ａｅを含む領域を覆うエッジ部周辺４８とを有する。エッジ部周辺４８は、カソード側セパレータ１４の凹部１４ｃ及びアノード側セパレータ１６の凹部１６ｃが設けられる範囲Ｌに対応する。
【００３５】
燃料電池１０では、この燃料電池１０が積層された際、エッジ部周辺４８における締め代は、発電部４６における締め代よりも小さな寸法に設定される。具体的には、図４に示すように、燃料電池１０の組立前において、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２の発電部４６の厚さＴａｍ、カソード側セパレータ１４の前記発電部４６の厚さＴａｃ、アノード側セパレータ１６の前記発電部４６の厚さＴａａ、前記保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２のエッジ部周辺４８の厚さＴｂｍ、前記カソード側セパレータ１４の前記エッジ部周辺４８の厚さＴｂｃ及びアノード側セパレータ１６の前記エッジ部周辺４８の厚さＴｂａは、Ｔａｍ＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定される。
【００３６】
より好ましくは、Ｔａｍ×０．８＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定される。さらに好ましくは、Ｔａｍ×０．６＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定される。なお、燃料電池１０が締め付けられた状態では、発電部４６を含む前記燃料電池１０の厚さ（セル厚さ）は、面圧で圧縮されることによりエッジ部周辺４８を含む前記燃料電池１０の厚さ（セル厚さ）と同一の寸法になる。
【００３７】
エッジ部周辺４８では、短尺側であるカソード電極２０の外周端部２０ａｅから凹部１４ｃ、１６ｃの内周側端部までの距離Ｌ１と、長尺側であるアノード電極２２の外周端部２２ａｅから前記凹部１４ｃ、１６ｃの外周側端部までの距離Ｌ２とが設定される。距離Ｌ１、Ｌ２は、好ましくは、０．１ｍｍ以上に設定され、さらに好ましくは、０．４ｍｍ以上に設定され、さらにまた好ましくは、２ｍｍ以上に設定される。
【００３８】
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。
【００３９】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ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３４ａ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３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４０】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａからカソード側セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ａ方向に移動してＭＥＡ１２ａのカソード電極２０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａからアノード側セパレータ１６の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ａ方向に移動し、ＭＥＡ１２ａのアノード電極２２に供給される。
【００４１】
従って、各ＭＥＡ１２ａでは、カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２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て発電が行われる。
【００４２】
次いで、カソード電極２０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３０ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。同様に、アノード電極２２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３４ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。
【００４３】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ａ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ１２ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００４４】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、カソード側セパレータ１４には、カソード電極２０の外周端部２０ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部１４ｃが設けられている。同様に、アノード側セパレータ１６には、アノード電極２２の外周端部２２ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部１６ｃが設けられている。
【００４５】
その際、図４に示すように、燃料電池１０の締め付け前には、Ｔａｍ＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定されている。より好ましくは、Ｔａｍ×０．８＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａ、さらに好ましくは、Ｔａｍ×０．６＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定されている。
【００４６】
このため、燃料電池１０の締め付け後の固体高分子電解質膜１８の面圧を、発電部面圧＞エッジ部面圧に設定することができる。すなわち、図５に示すように、燃料電池１０の厚さ（セル厚さ）と面圧との関係から、所望の発電部面圧及びエッジ部面圧に対応する締め付け後のセル厚さが算出される。
【００４７】
従って、燃料電池１０が締め付けされた際、エッジ部周辺４８における締め代は、発電部４６における締め代よりも小さな寸法に設定されている。これにより、発電部４６では、発電性能を確保するために必要な面圧を確保する一方、エッジ部周辺４８では、電極触媒層２０ａ、２２ａの外周端部２０ａｅ、２２ａｅに過剰な締め付け力がかかることを抑制することができる。
【００４８】
このため、所望の発電性能を有するとともに、エッジ部である外周端部２０ａｅ、２２ａｅによる固体高分子電解質膜１８の破損を良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。特に、図４に示すように、距離Ｌ１、Ｌ２は、好ましくは、０．１ｍｍ以上に設定され、さらに好ましくは、０．４ｍｍ以上に設定され、さらにまた好ましくは、２ｍｍ以上に設定されている。従って、固体高分子電解質膜１８の損傷が可及的に抑制される。
【００４９】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の要部分解斜視説明図である。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。
【００５０】
燃料電池６０は、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２と、前記保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２を挟持するカソード側セパレータ６４及びアノード側セパレータ６６とを備える。
【００５１】
図７に示すように、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２は、ＭＥＡ６２ａを備えるとともに、前記ＭＥＡ６２ａは、固体高分子電解質膜１８をカソード電極（第２電極）６８とアノード電極（第１電極）７０とにより挟持する。
【００５２】
カソード電極６８は、電極触媒層６８ａとガス拡散層６８ｂとを設ける一方、アノード電極７０は、電極触媒層７０ａとガス拡散層７０ｂとを設ける。電極触媒層６８ａ、７０ａは、固体高分子電解質膜１８よりも小さな外形寸法に設定されるとともに、ガス拡散層６８ｂ、７０ｂは、前記固体高分子電解質膜１８と同一の外形寸法に設定される。
【００５３】
アノード電極７０を構成する電極触媒層７０ａの外周端部７０ａｅは、カソード電極６８を構成する電極触媒層６８ａの外周端部６８ａｅよりも電極面方向外方に突出する寸法に設定される。なお、上記の構成とは逆に、カソード電極６８の外周端部６８ａｅを、アノード電極７０の外周端部７０ａｅよりも電極面方向外方に突出するように構成してもよい。
【００５４】
保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２は、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂとガス拡散層６８ｂ、７０ｂとの間に接合されるとともに、それぞれの内周縁部側が、電極触媒層６８ａ、７０ａと前記ガス拡散層６８ｂ、７０ｂとの間に接合される樹脂製枠部材からなる保護フイルム７２ａ、７２ｂを備える。
【００５５】
カソード側セパレータ６４は、ＭＥＡ６２ａに接する外周縁部に外周端部６８ａｅ（エッジ部）を含むエッジ部周辺４８を収容する凹部６４ｃを設ける。アノード側セパレータ６６は、ＭＥＡ６２ａに接する外周縁部に外周端部７０ａｅ（エッジ部）を含むエッジ部周辺４８を収容する凹部６６ｃを設ける。
【００５６】
図８に示すように、燃料電池６０の組立前において、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２の発電部４６の厚さＴａｍ、カソード側セパレータ６４の前記発電部４６の厚さＴａｃ、アノード側セパレータ６６の前記発電部４６の厚さＴａａ、前記保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２のエッジ部周辺４８の厚さＴｂｍ、前記カソード側セパレータ６４の前記エッジ部周辺４８の厚さＴｂｃ及びアノード側セパレータ６６の前記エッジ部周辺４８の厚さＴｂａは、Ｔａｍ＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定される。
【００５７】
より好ましくは、Ｔａｍ×０．８＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定される。さらに好ましくは、Ｔａｍ×０．６＋Ｔａｃ＋Ｔａａ＞Ｔｂｍ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａの関係に設定される。なお、燃料電池６０が締め付けられた状態では、発電部４６を含む前記燃料電池６０の厚さ（セル厚さ）は、エッジ部周辺４８を含む前記燃料電池６０の厚さ（セル厚さ）と同一の寸法になる。
【００５８】
エッジ部周辺４８では、短尺側であるカソード電極６８の外周端部６８ａｅから凹部６４ｃ、６６ｃの内周側端部までの距離Ｌ３と、長尺側であるアノード電極７０の外周端部７０ａｅから前記凹部６４ｃ、６６ｃの外周側端部までの距離Ｌ４とが設定される。距離Ｌ３、Ｌ４は、好ましくは、０．１ｍｍ以上に設定され、さらに好ましくは、０．４ｍｍ以上に設定され、さらにまた好ましくは、２ｍｍ以上に設定される。
【００５９】
このように構成される第２の実施形態では、図７に示すように、カソード側セパレータ６４には、エッジ部周辺４８を収容する凹部６４ｃが設けられるとともに、アノード側セパレータ６６には、前記エッジ部周辺４８を収容する凹部６６ｃが設けられている。このため、燃料電池６０は、所望の発電性能を有するとともに、エッジ部である外周端部６８ａｅ、７０ａｅによる固体高分子電解質膜１８の破損を良好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。
【００６０】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池８０の要部断面説明図である。
【００６１】
燃料電池８０は、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２と、前記保護フイルム付き電解質膜・電極構造体１２を挟持するカソード側セパレータ８２及びアノード側セパレータ８４とを備える。
【００６２】
カソード側セパレータ８２は、ＭＥＡ１２ａに接する外周縁部に外周端部２０ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部８２ｃを設ける。アノード側セパレータ８４は、ＭＥＡ１２ａに接する外周縁部に外周端部２２ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部８４ｃを設ける。燃料電池８０の締め付け状態では、凹部８２ｃの内壁面とガス拡散層２０ｂとの間に隙間Ｓ１が形成される一方、凹部８４ｃの内壁面とガス拡散層２２ｂとの間に隙間Ｓ２が形成される。
【００６３】
このように構成される第３の実施形態では、所望の発電性能を有するとともに、エッジ部である外周端部２０ａｅ、２２ａｅによる固体高分子電解質膜１８の破損を良好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。
【００６４】
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池９０の要部断面説明図である。
【００６５】
燃料電池９０は、保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２と、前記保護フイルム付き電解質膜・電極構造体６２を挟持するカソード側セパレータ９２及びアノード側セパレータ９４とを備える。
【００６６】
カソード側セパレータ９２は、ＭＥＡ６２ａに接する外周縁部に外周端部６８ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部９２ｃを設ける。アノード側セパレータ９４は、ＭＥＡ６２ａに接する外周縁部に外周端部７０ａｅを含むエッジ部周辺４８を収容する凹部９４ｃを設ける。燃料電池９０の締め付け状態では、凹部９２ｃの内壁面とガス拡散層６８ｂとの間に隙間Ｓ３が形成される一方、凹部９４ｃの内壁面とガス拡散層７０ｂとの間に隙間Ｓ４が形成される。
【００６７】
このように構成される第４の実施形態では、所望の発電性能を有するとともに、エッジ部である外周端部６８ａｅ、７０ａｅによる固体高分子電解質膜１８の破損を良好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。
【符号の説明】
【００６８】
１０、６０、８０、９０…燃料電池
１２、６２…保護フイルム付き電解質膜・電極構造体
１２ａ、６２ａ…ＭＥＡ
１４、１６、６４、６６、８２、８４、９２、９４…セパレータ
１４ｃ、１６ｃ、６４ｃ、６６ｃ、８２ｃ、８４ｃ、９２ｃ、９４ｃ…凹部
１８…固体高分子電解質膜 ２０、６８…カソード電極
２０ａ、２２ａ、６８ａ、７０ａ…電極触媒層
２０ａｅ、２２ａｅ、６８ａｅ、７０ａｅ…外周端部
２０ｂ、２２ｂ、６８ｂ、７０ｂ…ガス拡散層
２２、７０…アノード電極
２４ａ、２４ｂ、７２ａ、７２ｂ…保護フイルム
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路 ４６…発電部
４８…エッジ部周辺
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する第１電極及び第２電極が、固体高分子電解質膜の両側に設けられる電解質膜・電極構造体と、
前記電解質膜・電極構造体の両面に配置されるセパレータと、
を備える燃料電池であって、
前記電解質膜・電極構造体は、前記第１電極及び前記第２電極間に前記固体高分子電解質膜を挟んだ発電部と、
前記第１電極及び前記第２電極のそれぞれの電極触媒層外周端部間に前記固体高分子電解質膜を挟んだエッジ部と、
を有し、
前記セパレータには、前記電解質膜・電極構造体に接する面に、前記エッジ部を収容する凹部が形成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、前記第１電極を構成する電極触媒層の外周端部は、前記第２電極を構成する電極触媒層の外周端部よりも電極面方向外方に突出する寸法に設定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、前記ガス拡散層の外周には、保護フイルムが設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記固体高分子電解質膜と前記ガス拡散層との間には、保護フイルムが設けら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、前記燃料電池が積層された際、前記エッジ部よりも電極面方向外方で前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの間には、隙間が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する第１電極及び第２電極が、固体高分子電解質膜の両側に設けられる電解質膜・電極構造体と、
前記電解質膜・電極構造体の両面に配置されるセパレータと、
を備える燃料電池であって、
前記電解質膜・電極構造体は、前記第１電極及び前記第２電極間に前記固体高分子電解質膜を挟んだ発電部と、
前記第１電極及び前記第２電極のそれぞれの電極触媒層外周端部間に前記固体高分子電解質膜を挟んだエッジ部と、
を有し、
前記セパレータには、前記電解質膜・電極構造体に接する面に、前記エッジ部を収容する凹部が形成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、前記第１電極を構成する電極触媒層の外周端部は、前記第２電極を構成する電極触媒層の外周端部よりも電極面方向外方に突出する寸法に設定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、前記ガス拡散層の外周には、保護フイルムが設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記固体高分子電解質膜と前記ガス拡散層との間には、保護フイルムが設けら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、前記燃料電池が積層された際、前記エッジ部よりも電極面方向外方で前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの間には、隙間が形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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−９８０４３（Ｐ２０１３−９８０４３Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４０３６６（Ｐ２０１１−２４０３６６）
【出願日】平成２３年１１月１日（２０１１．１１．１）
【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５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１日（２０１１．１１．１）
【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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