JP4315219B2

JP4315219B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4315219B2
Application number: JP2007158542A
Authority: JP
Inventors: 拓士長野; 徳彦中村; 克己佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2027-06-15
Also published as: EP2169752A4; CN101682052A; US20100143808A1; CA2690185A1; KR20100006167A; WO2008153200A1; JP2008311113A; EP2169752A1

Description

本発明は、燃料電池、特に、小型で軽量化が図られ低熱容量化を可能とする燃料電池の改良に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、図７に示すように、固体高分子膜からなる電解質膜５２を燃料極５０と空気極５４との２枚の電極で挟んだ膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータ６０に挟持してなるセルを最小単位とし、通常、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタック（ＦＣスタック）とし、高圧電圧を得るようにしている。

固体高分子型燃料電池の発電の仕組みは、一般に、燃料極（アノード側電極）５０に燃料ガス、例えば水素含有ガスが、一方、空気極（カソード側電極）５４には酸化剤ガス、例えば主に酸素（Ｏ₂）を含有するガスあるいは空気が供給される。水素含有ガスは、燃料ガス流路を通って燃料極５０に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオン（Ｈ⁺）に分解される。電子は外部回路を通って、燃料極５０から空気極５４に移動し、電流を作り出す。一方、水素イオン（Ｈ⁺）は電解質膜５２を通過して空気極５４に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水（Ｈ₂Ｏ）になる。水素（Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）および電子の結合反応と同時に発生する熱は、冷却水によって回収される。また、空気極５４のあるカソード側に生成した水（以下「生成水」という）は、カソード側から排出される。

また、従来の燃料電池では、一つのセルと他のセルは、例えば１００μｍの厚みを有するセパレータ６０によって仕切られ、これにより各セルに対し個別に反応ガスが供給拡散されるとともに、各セル間を仕切るセパレータ６０間に冷却水を通過させ燃料電池を適温に保ち、安定した発電を行っている。

例えば、特許文献１には、冷却効率を向上させるために、冷却媒体流路として、例えば金属製多孔体を一対のプレートで挟んで構成された燃料電池が開示されている。

特開２００６−２８６５５７号公報

従来のセパレータは、上述したように例えば１００μｍの厚みを有するため、複数のセルを積層してなる燃料電池の厚みも増大する。一方、近年、燃料電池の小型化、軽量化が望まれている。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、小型化、軽量化が図られ低熱容量を可能とする燃料電池を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は以下の特徴を有する。

（１）電解質膜の一方面に燃料極を他方の面に空気極をそれぞれ配した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する一対の金属膜とから構成されるセルが積層してなる燃料電池であって、前記膜電極接合体と前記金属膜との間に設けられ燃料ガスを通過させる多孔体金属からなる多孔体燃料ガス流路と、前記膜電極接合体と前記金属膜との間に設けられ酸化剤ガスを通過させる多孔体金属からなる多孔体酸化剤ガス流路と、一のセルと他のセルとの間であって前記金属膜の間に設けられ冷却媒体を通過させる多孔体金属からなる多孔体冷却媒体流路と、を有し、前記多孔体燃料ガス流路および前記多孔体酸化剤ガス流路のそれぞれの外寸は、前記金属膜の外寸より小さく、前記金属膜の厚みは、１０μｍ以上５０μｍ以下であり、前記多孔体金属からなる多孔体酸化剤ガス流路および多孔体燃料ガス流路の外周に沿ってシール部材が貼着されている燃料電池である。

通常のセパレータより厚みの薄い金属膜を用い、反応ガス流路および冷却媒体流路を仕切っているため、セル自体の厚みを薄くすることができ且つ軽量化することができる。したがって、複数のセルを積層してなる燃料電池を小型化することができ、また軽量化することができる。また、従来のセパレータより薄い金属膜を用いることにより、熱伝導および放熱効果が高くなり、低熱容量を量ることができる。さらに、多孔体金属からなる反応ガス流路の外寸を金属膜の外寸より小さくすることによって、反応ガス流路を気密的にシールするためのシール幅を確保することができる。また、例えば、従来の厚み１００μｍのセパレータに比べ、半分以下の厚みであるため、セル自体を薄くすることができ、また軽量化することができる。これにより、複数セルを積層した燃料電池を小型化することができ、また軽量化することができる。

（２）上記（１）に記載の燃料電池において、さらに、一のセルの多孔体酸化剤ガス流路と多孔体冷却媒体流路と他のセルの多孔体燃料ガス流路は、それぞれ前記金属膜を介して一体接合されて形成される燃料電池である。

一のセルの多孔体酸化剤ガス流路と多孔体冷却媒体流路と他のセルの多孔体燃料ガス流路とをそれぞれ金属膜を介して一体接合した３層一体接合体を形成することにより、後に３層一体接合体と膜電極接合体とを順次接合するだけで燃料電池を容易に組み付けることができる。

（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池において、前記膜電極接合体は、膜電極接合体の周縁部にシール部材が一体成形されたシール一体型膜電極接合体であり、前記金属膜を介し一のセルの多孔体酸化剤ガス流路と多孔体冷却媒体流路と他のセルの多孔体燃料ガス流路とからなる一体接合体に、前記シール一体型膜電極接合体が接合されて形成された燃料電池である。

シール一体型膜電極接合体とすることにより、例えば熱圧着で、上記３層一体型接合体と膜電極接合体を順次簡便に組み付けることができる。

（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の燃料電池において、前記多孔体冷却媒体流路の多孔体金属と前記金属膜との接触点間隔を０．５ｍｍ以下とする燃料電池である。

上記接触点間隔とすることにより、上記金属膜の形状を維持しセパレータとして強度を確保することができる。

（５）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の燃料電池において、前記多孔体金属は、ラスカットメタルまたはエキスパンドメタルである燃料電池である。

（６）電解質膜の一方面に燃料極を他方の面に空気極をそれぞれ配した膜電極接合体と、燃料電池に係わる流体用のマニホールドが形成されたアノード側外枠プレートと、前記アノード側外枠プレート内に配置される燃料ガスを通過させる多孔体金属からなる多孔体燃料ガス流路と、燃料電池に係わる流体用のマニホールドが形成された中間外枠プレートと、前記中間外枠プレート内に配置される冷却媒体を通過させる多孔体金属からなる多孔体冷却媒体流路と、燃料電池に係わる流体用のマニホールドが形成されたカソード側外枠プレートと、前記カソード側外枠プレート内に配置される酸化剤ガスを通過させる多孔体金属からなる多孔体酸化剤ガス流路と、前記多孔体燃料ガス流路と多孔体冷却媒体流路との間および前記多孔体酸化剤ガス流路と多孔体冷却媒体流路との間を仕切る金属膜と、を有し、前記多孔体燃料ガス流路および前記多孔体酸化剤ガス流路のそれぞれの外寸は、前記金属膜の外寸より小さく、前記金属膜の厚みは、１０μｍ以上５０μｍ以下であり、前記多孔体金属からなる多孔体酸化剤ガス流路および多孔体燃料ガス流路のマニホールド側端部にシール部材が貼着され、前記膜電極接合体に対し、多孔体酸化剤ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜および多孔体燃料ガス流路の順、または多孔体燃料ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜および多孔体酸化剤ガス流路の順で積層され一体接合されて形成される燃料電池である。

中間外枠プレートの発電領域内に多孔体冷却媒体流路を配置し、またアノード側外枠プレートとカソード側外枠プレートの発電領域内にそれぞれ多孔体燃料ガス流路と多孔体酸化剤ガス流路を配置し、且つ多孔体金属からなる反応ガス流路の外寸を金属膜の外寸より小さくし、反応ガス流路を気密的にシールするためのシール幅を確保することによって、マニホールドを有し且つ多孔体酸化剤ガス流路と多孔体冷却媒体流路と多孔体燃料ガス流路とをそれぞれ金属膜を介して一体接合した３層一体接合体を形成することができる。また、通常のセパレータより厚みの薄い金属膜を用い、反応ガス流路および冷却媒体流路を仕切っているため、セル自体の厚みを薄くすることができ且つ軽量化することができる。したがって、複数のセルを積層してなる燃料電池を小型化することができ、また軽量化することができる。また、従来のセパレータより薄い金属膜を用いることにより、熱伝導および放熱効果が高くなり、低熱容量を量ることができる。また、上記膜電極接合体の両面に上記３層一体型接合体を一体接合した５層一体接合体を形成することができる。さらに、例えば、従来の厚み１００μｍのセパレータに比べ、半分以下の厚みであるため、セル自体を薄くすることができ、また軽量化することができる。これにより、複数セルを積層した燃料電池を小型化することができ、また軽量化することができる。

（７）上記（６）に記載の燃料電池において、前記多孔体冷却媒体流路の多孔体金属と前記金属膜との接触点間隔を０．５ｍｍ以下とする燃料電池である。

（８）上記（６）または（７）に記載の燃料電池において、前記多孔体金属は、ラスカットメタルまたはエキスパンドメタルである燃料電池である。

（９）上記（６）から（８）のいずれか１つに記載の燃料電池において、前記アノード側外枠プレートと中間外枠プレートとカソード側外枠プレートは、樹脂から形成され、前記膜電極接合体は、膜電極接合体の周縁部にシール部材が一体成形されたシール一体型膜電極接合体であり、前記アノード側外枠プレートと中間外枠プレートとカソード側外枠プレートとシール一体型膜電極接合体とを加圧または加圧加熱することにより、多孔体酸化剤ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜、多孔体燃料ガス流路、前記シール一体型膜電極接合体、多孔体酸化剤ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜および多孔体燃料ガス流路の順、または多孔体燃料ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜、多孔体酸化剤ガス流路、シール一体型膜電極接合体、多孔体燃料ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜および多孔体酸化剤ガス流路の順で積層させて一体接合してなる燃料電池である。

シール一体型膜電極接合体とすることにより、例えば熱圧着で、上記多孔体酸化剤ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜、多孔体燃料ガス流路および膜電極接合体を簡便に組み付けることができる。

（１０）上記（９）に記載の燃料電池において、前記シール一体型膜電極接合体とアノード側外枠プレートの間および前記シール一体型膜電極接合体とカソード側外枠プレートの間に金属箔が配置されている燃料電池である。

上記アノード側外枠プレートと中間外枠プレートとカソード側外枠プレートが樹脂から形成されている場合、樹脂からなるプレートと金属膜とでは線膨張係数に差があるため、燃料電池が発電中に発熱すると、反り返りが発生する可能性があるが、樹脂からなるプレートとシール一体型膜電極接合体との間に金属箔を挿入することによって、熱膨張を緩和し、反り返りを抑制することができる。

本発明によれば、小型で軽量化され低熱容量の燃料電池を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

第１の実施の形態．
本実施の形態の燃料電池は、電解質膜の一方面に燃料極を他方の面に空気極をそれぞれ配した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する一対の金属膜とから構成されるセルが積層してなる燃料電池であって、前記膜電極接合体と前記金属膜との間に設けられ燃料ガスを通過させる多孔体金属からなる多孔体燃料ガス流路と、前記膜電極接合体と前記金属膜との間に設けられ酸化剤ガスを通過させる多孔体金属からなる多孔体酸化剤ガス流路と、一のセルと他のセルとの間であって前記金属膜の間に設けられ冷却媒体を通過させる多孔体金属からなる多孔体冷却媒体流路と、を有し、前記多孔体燃料ガス流路および前記多孔体酸化剤ガス流路のそれぞれの外寸は、前記金属膜の外寸より小さい。

さらに詳細に説明すると、図１に示すように、カソード側外枠プレート３２の外周部（すなわち非発電領域）には、酸化剤ガス供給用マニホールド１２ａと燃料ガス供給用マニホールド１４ａと冷却媒体供給用マニホールド１６ａ、および酸化剤ガス排出用マニホールド１２ｂと燃料ガス排出用マニホールド１４ｂと冷却媒体排出用マニホールド１６ｂが形成されている。一方、カソード側外枠プレート３２の内側の発電領域には、酸化剤ガスを通過させる多孔体金属３０からなる多孔体酸化剤ガス流路が配置され、さらに、カソード側外枠プレート３２には、多孔体金属３０からなる多孔体酸化剤ガス流路と酸化剤ガス供給用マニホールド１２ａおよび酸化剤ガス排出用マニホールド１２ｂとを連通するガス連通路が設けられている。また、カソード側外枠プレート３２には、多孔体金属３０からなる多孔体酸化剤ガス流路の外周に沿って所定のシール幅を有するシール部材１８が貼着されている。

また、図２には、図１のＡ−Ａ線に沿った断面の一部であって、膜電極接合体ならびに反応ガス流路、冷却媒体流路の積層構成の一例が示されている。そこで、図１および図２を用いて、さらに詳細に説明する。

本実施の形態の燃料電池１００において、アノード側外枠プレート３４の外周部（すなわち非発電領域）にも、図１と同様に、酸化剤ガス供給用マニホールド１２ａと燃料ガス供給用マニホールド１４ａと冷却媒体供給用マニホールド１６ａ、および酸化剤ガス排出用マニホールド１２ｂと燃料ガス排出用マニホールド１４ｂと冷却媒体排出用マニホールド１６ｂが形成され、一方、アノード側外枠プレート３４の内側の発電領域には、燃料ガスを通過させる多孔体金属３０ａからなる多孔体燃料ガス流路２４が配置され、さらに、アノード側外枠プレート３４には、多孔体金属３０ａからなる多孔体燃料ガス流路２４と燃料ガス供給用マニホールド１４ａおよび燃料ガス排出用マニホールド１４ｂとを連通するガス連通路が設けられている。また、アノード側外枠プレートには、多孔体金属３０ａからなる多孔体燃料ガス流路２４の外周に沿って所定のシール幅Ｌを有するシール部材１８が貼着されている。

また、中間外枠プレート１０の外周部（すなわち非発電領域）にも、図１と同様に、酸化剤ガス供給用マニホールド１２ａと燃料ガス供給用マニホールド１４ａと冷却媒体供給用マニホールド１６ａ、および酸化剤ガス排出用マニホールド１２ｂと燃料ガス排出用マニホールド１４ｂと冷却媒体排出用マニホールド１６ｂが形成され、一方、中間外枠プレート１０の内側の発電領域には、冷却媒体（例えば冷却水）を通過させる多孔体金属３０ｂからなる多孔体冷却媒体流路２６が配置され、さらに、中間外枠プレートには、多孔体金属３０ｂからなる多孔体冷却媒体流路２６と冷却媒体供給用マニホールド１６ａおよび冷却媒体排出用マニホールド１６ｂとを連通する冷却媒体連通路が設けられている。ここで、多孔体金属３０ｂからなる多孔体冷却媒体流路２６は、ほぼ中間外枠プレート１０の発電領域範囲全体に嵌め込み配置されている。

さらに、図２に示すように、多孔体燃料ガス流路２４と多孔体冷却媒体流路２６との間および多孔体酸化剤ガス流路２２と多孔体冷却媒体流路２６との間を仕切るように金属膜２０がそれぞれ配置されている。

また、図１および図２に示すように、多孔体燃料ガス流路２４および多孔体酸化剤ガス流路２６のそれぞれの外寸、すなわち多孔体３０ａと多孔体３０ｃの外寸は、金属膜２０の外寸より小さい。したがって、反応ガス流路を気密的にシールするためのシール幅Ｌを確保することができる。さらに、上記シール材１８を用いて貼着することによって、多孔体酸化剤ガス流路２２、金属膜２０、多孔体冷却媒体流路２６、金属膜２０および多孔体燃料ガス流路２４の順で、上記３層を一体接合させ３層一体接合体を形成することができる。なお、図２では、上述の順に積層したがこれに限るものではなく、多孔体燃料ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜および多孔体酸化剤ガス流路の順で一体接合してもよい。

ここで、上記シール幅Ｌは、セルの大きさに応じて適宜選択されるが、例えば約５ｍｍ程度確保することによって反応ガス流路を気密シールすることができるとともに、上記３層一体接合体を形成することもできる。

さらに、本実施の形態では、電解質膜の一方面に燃料極を他方の面に空気極をそれぞれ配した膜電極接合体２８の周縁部にシール部材が一体成形されたシール一体型膜電極接合体３８を用いる。これにより、例えばガスケット３９からの押圧により、圧着により上記３層一体型接合体と膜電極接合体を順次簡便に組み付けることができる。

また、上記金属膜２０としては、チタン、ステンレス、アルミニウムなどからなり、必要に応じて表面に伝導性メッキが施されていてもよい。また、金属膜２０の厚みは、セパレータとしての機能を有するための形状維持性を考慮すると、１０μｍ以上５０μｍ以下であって、金属膜の強度および燃料電池の軽量化の両方を考慮すると、好ましくは２５μｍである。

また、本実施の形態の燃料電池１００において、多孔体冷却媒体流路２６の多孔体金属３０ｂと金属膜２０との接触点間隔は０．５ｍｍ以下である。これにより、金属膜２０の形状を維持しセパレータとして強度を確保することができる。

多孔体金属３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、ラスカットメタルまたはエキスパンドメタルを用いることができる。

ここで、本実施の形態において、「ラスカットメタル」とは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに加工した切れ目を押し曲げることによって、網目状の小径の貫通孔が形成されたものである。また、「エキスパンドメタル」とは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに加工した切れ目を押し曲げることによって網目状の小径の貫通孔が形成され、さらに、圧延加工されて略平板状とされたものである。エキスパンドメタルは略平板状に成形されるため、例えば、最終成形後の製品において不必要な曲がりや凹凸などを除去するための工程を設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。

第２の実施の形態．
また、第２の実施の形態の燃料電池１１０の構成について図３を用いて説明する。なお、上記第１の実施の形態の燃料電池１００と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１の実施の形態では、アノード側外枠プレート３４と中間外枠プレート１０とカソード側外枠プレート３２は、金属製であっても樹脂製であってもよいが、本実施の形態では、図３に示すアノード側外枠プレート３４と中間外枠プレート１０とカソード側外枠プレート３２は樹脂から形成されている。これにより、ホットプレスにより、これらのプレートを熱圧着させ、簡便に、多孔体酸化剤ガス流路２２、金属膜２０、多孔体冷却媒体流路２６、金属膜２０および多孔体燃料ガス流路２４の順で、上記３層を一体接合させ３層一体接合体を形成することができる。なお、上述同様に、多孔体燃料ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜および多孔体酸化剤ガス流路の順で一体接合して３層一体接合体を形成してもよい。

また、樹脂により上述したプレートを形成することによって、金属部材によりプレートを形成するより小型・軽量化が可能になる。また、マニホールド部分を樹脂で形成することにより、すなわち非発電領域を樹脂で形成することによって、金属素材に比べ熱伝導率を下げることができる。これにより、発電領域では金属膜２０により積極的に放熱され、且つ非発電領域では放熱を抑制し、例えば氷点下での起動時の電極昇温速度を早くすることができる。

アノード側外枠プレート３４と中間外枠プレート１０とカソード側外枠プレート３２を形成する樹脂としては、例えば熱硬化型シリコン系樹脂、熱可塑性樹脂を用いることができる。

また、第２の実施の形態でも、電解質膜の一方面に燃料極を他方の面に空気極をそれぞれ配した膜電極接合体２８の周縁部にシール部材が一体成形されたシール一体型膜電極接合体３８を用いてもよい。これにより、例えばガスケット３９からの押圧により、圧着され上記３層一体型接合体と膜電極接合体を順次簡便に組み付けることができる。ここで、図３に示すように、シール一体型膜電極接合体３８とカソード側外枠プレート３２の間に金属箔４２を配置させてから接合することが好ましい。樹脂からなるプレートと金属膜２０とでは線膨張係数に差があるため、燃料電池が発電中に発熱すると、反り返りが発生する可能性があるが、樹脂からなるプレートとシール一体型膜電極接合体３８との間に金属箔４２を挿入することによって、熱膨張を緩和し、反り返りを抑制することができる。したがって、図示しないが、シール一体型膜電極接合体３８とアノード側外枠プレート３４の間にも金属箔４２を挿入配置する。上記金属箔４２の厚みは薄い程よく、例えば１０μｍから２５μｍ程度が望ましい。

第３の実施の形態．
また、本発明の第３の実施の形態の燃料電池の構成が示されており、上述した第１の実施の形態の燃料電池とは、多孔体流路を形成する多孔体金属をマニホールドまで一部延伸形成されている。すなわち、図４に示すように、本実施の形態の燃料電池のカソード側外枠プレート３２の外周部（すなわち非発電領域）には、酸化剤ガス供給用マニホールド１２ａと燃料ガス供給用マニホールド１４ａと冷却媒体供給用マニホールド１６ａ、および酸化剤ガス排出用マニホールド１２ｂと燃料ガス排出用マニホールド１４ｂと冷却媒体排出用マニホールド１６ｂが形成されている。一方、カソード側外枠プレート３２の内側の発電領域には、酸化剤ガスを通過させる多孔体金属４０からなる多孔体酸化剤ガス流路が配置され、また、カソード側外枠プレート３２には、多孔体金属４０からなる多孔体酸化剤ガス流路の外周に沿って所定のシール幅を有するシール部材１８が貼着されている。さらに、多孔体金属４０からなる多孔体酸化剤ガス流路と酸化剤ガス供給用マニホールド１２ａおよび酸化剤ガス排出用マニホールド１２ｂとを連通するガス連通路にも、多孔体金属４０が充填されている。

したがって、図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である図５に示すように、薄膜化した金属膜２０により酸化剤ガス連通路部分がやや弱くなったとしても、多孔体金属４０が充填されているので、連通路の断面積を確保することができ、安定した酸化剤ガスの供給ならびに反応水の排出を行うことができる。また図示しないが、カソード側外枠プレートおよび中間外枠プレートにおける連通路内に、図４，５と同様に、多孔体金属を充填してもよい。これにより、反応ガスおよび冷却媒体の供給排出を安定して行うことができ、その結果、燃料電池の発電効率を安定維持することができる。

実施例１．
図１に示す構造であって、チタンからなる金属膜２０の厚みが２５μｍのものを用い、燃料電池の１スタック（セル総数：４００枚、金属膜総数：８００枚）で燃料電池を形成した。

実施例２．
図１に示す構造であって、チタンからなる金属膜２０の厚みが１０μｍのものを用い、燃料電池の１スタック（セル総数：４００枚、金属膜総数：８００枚）で燃料電池を形成した。

実施例３．
図１に示す構造であって、チタンからなる金属膜２０の厚みが５０μｍのものを用い、燃料電池の１スタック（セル総数：４００枚、金属膜総数：８００枚）で燃料電池を形成した。

比較例．
図６に示す構造であって、チタンからなる金属膜４４の厚みが１００μｍのものを用い、燃料電池の１スタック（セル総数：４００枚、金属膜総数：８００枚）で燃料電池を形成した。

実施例１から実施例３の燃料電池は、比較例の燃料電池に比べ、それぞれ燃料電池の容積を３５％、２５％、２０％削減することができ、また燃料電池の重量をそれぞれ４０％、３５％、２５％削減することができた。

本発明の燃料電池は、燃料電池を用いる用途であれば、いかなる用途にも有効であるが、例えば車両搭載用の燃料電池の用途に好適である。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池のセルにおけるカソード側の構成の一例を説明する平面図である。本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池のセル構造の一例を示す部分断面模式図である。本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池のセル構造の一例を示す部分断面模式図である。本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池のセルにおけるカソード側の構成の一例を説明する平面図である。図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。比較例の燃料電池のセル構造の一例を示す部分断面模式図である。燃料電池のセルの構成および発電時のメカニズムを説明する図である。

符号の説明

１０中間外枠プレート、１２ａ酸化剤ガス供給用マニホールド、１２ｂ酸化剤ガス排出用マニホールド、１４ａ燃料ガス供給用マニホールド、１４ｂ燃料ガス排出用マニホールド、１６ａ冷却媒体供給用マニホールド、１６ｂ冷却媒体排出用マニホールド、１８シール部材、２０金属膜、２２多孔体酸化剤ガス流路、２４多孔体燃料ガス流路、２６多孔体冷却媒体流路、２８膜電極接合体、３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，４０多孔体金属、３２カソード側外枠プレート、３４アノード側外枠プレート、３８シール一体型膜電極接合体、３９ガスケット、４２金属箔、１００，１１０燃料電池。

Claims

電解質膜の一方面に燃料極を他方の面に空気極をそれぞれ配した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する一対の金属膜とから構成されるセルが積層してなる燃料電池であって、
前記膜電極接合体と前記金属膜との間に設けられ燃料ガスを通過させる多孔体金属からなる多孔体燃料ガス流路と、
前記膜電極接合体と前記金属膜との間に設けられ酸化剤ガスを通過させる多孔体金属からなる多孔体酸化剤ガス流路と、
一のセルと他のセルとの間であって前記金属膜の間に設けられ冷却媒体を通過させる多孔体金属からなる多孔体冷却媒体流路と、を有し、
前記多孔体燃料ガス流路および前記多孔体酸化剤ガス流路のそれぞれの外寸は、前記金属膜の外寸より小さく、
前記金属膜の厚みは、１０μｍ以上５０μｍ以下であり、
前記多孔体金属からなる多孔体酸化剤ガス流路および多孔体燃料ガス流路の外周に沿ってシール部材が貼着されていることを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、
さらに、一のセルの多孔体酸化剤ガス流路と多孔体冷却媒体流路と他のセルの多孔体燃料ガス流路は、それぞれ前記金属膜を介して一体接合されて形成されることを特徴とする燃料電池。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体は、膜電極接合体の周縁部にシール部材が一体成形されたシール一体型膜電極接合体であり、
前記金属膜を介し一のセルの多孔体酸化剤ガス流路と多孔体冷却媒体流路と他のセルの多孔体燃料ガス流路とからなる一体接合体に、前記シール一体型膜電極接合体が接合されて形成されたことを特徴とする燃料電池。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池において、
前記多孔体冷却媒体流路の多孔体金属と前記金属膜との接触点間隔を０．５ｍｍ以下とすることを特徴とする燃料電池。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池において、
前記多孔体金属は、ラスカットメタルまたはエキスパンドメタルであることを特徴とする燃料電池。
電解質膜の一方面に燃料極を他方の面に空気極をそれぞれ配した膜電極接合体と、
燃料電池に係わる流体用のマニホールドが形成されたアノード側外枠プレートと、
前記アノード側外枠プレート内に配置される燃料ガスを通過させる多孔体金属からなる多孔体燃料ガス流路と、
燃料電池に係わる流体用のマニホールドが形成された中間外枠プレートと、
前記中間外枠プレート内に配置される冷却媒体を通過させる多孔体金属からなる多孔体冷却媒体流路と、
燃料電池に係わる流体用のマニホールドが形成されたカソード側外枠プレートと、
前記カソード側外枠プレート内に配置される酸化剤ガスを通過させる多孔体金属からなる多孔体酸化剤ガス流路と、
前記多孔体燃料ガス流路と多孔体冷却媒体流路との間および前記多孔体酸化剤ガス流路と多孔体冷却媒体流路との間を仕切る金属膜と、を有し、
前記多孔体燃料ガス流路および前記多孔体酸化剤ガス流路のそれぞれの外寸は、前記金属膜の外寸より小さく、
前記金属膜の厚みは、１０μｍ以上５０μｍ以下であり、
前記多孔体金属からなる多孔体酸化剤ガス流路および多孔体燃料ガス流路のマニホールド側端部にシール部材が貼着され、
前記膜電極接合体に対し、多孔体酸化剤ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜および多孔体燃料ガス流路の順、または多孔体燃料ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜および多孔体酸化剤ガス流路の順で積層され一体接合されて形成されることを特徴とする燃料電池。
請求項６に記載の燃料電池において、
前記多孔体冷却媒体流路の多孔体金属と前記金属膜との接触点間隔を０．５ｍｍ以下とすることを特徴とする燃料電池。
請求項６または請求項７に記載の燃料電池において、
前記多孔体金属は、ラスカットメタルまたはエキスパンドメタルであることを特徴とする燃料電池。
請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池において、
前記アノード側外枠プレートと中間外枠プレートとカソード側外枠プレートは、樹脂から形成され、
前記膜電極接合体は、膜電極接合体の周縁部にシール部材が一体成形されたシール一体型膜電極接合体であり、
前記アノード側外枠プレートと中間外枠プレートとカソード側外枠プレートとシール一体型膜電極接合体とを加圧または加圧加熱することにより、多孔体酸化剤ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜、多孔体燃料ガス流路、前記シール一体型膜電極接合体、多孔体酸化剤ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜および多孔体燃料ガス流路の順、または多孔体燃料ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜、多孔体酸化剤ガス流路、シール一体型膜電極接合体、多孔体燃料ガス流路、金属膜、多孔体冷却媒体流路、金属膜および多孔体酸化剤ガス流路の順で積層させて一体接合してなることを特徴とする燃料電池。
請求項９に記載の燃料電池において、
前記シール一体型膜電極接合体とアノード側外枠プレートの間および前記シール一体型膜電極接合体とカソード側外枠プレートの間に金属箔が配置されていることを特徴とする燃料電池。