JP4545725B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

この発明は、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持した燃料電池に係るものであり、特に、セパレータ間で電極膜構造体を確実にシールすることができる燃料電池に関するものである。

燃料電池の中には、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持して構成されたものがある。アノード側拡散電極の反応面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給すると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード電極側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極においては酸化ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。

この一例を図２０によって説明すると、図において１は固体高分子電解質膜を示し、この固体高分子電解質膜１を両側からガス拡散電極（アノード側拡散電極とカソード側拡散電極）２，３で挟持して燃料電池セル４が構成されている。この燃料電池セル４の両面には一対のセパレータ５，５が配設され、各セパレータ５に形成された溝部６にＯリング７をセットして、このＯリング７により固体高分子電解質膜１を挟持し、その状態で両セパレータ５，５で燃料電池セル４を挟持している（特許文献１参照）。
特開平８−１４８１６９号公報

上記従来の燃料電池にあっては、前記Ｏリング７によりセパレータ５とガス拡散電極２，３との間の空間部分が外部と遮断されるため、燃料ガス及び酸化ガスが外部に漏れることはなく、かつ、両者が混合することもないため、無駄のない発電を行なうことができる点で優れているが、Ｏリング７の位置が互いに僅かでもズレると、このズレにより十分なシール反力が得られずシール性を損ねる可能性があると共に、上記ズレによって薄肉の固体高分子電解質膜１が図１４において上下に引っ張られてよじれを起こすと、これが原因となって、固体高分子電解質膜１とガス拡散電極２，３との間に剥離方向の力が作用して好ましくないという問題がある。
よってこれを回避するためには、上記溝部６の寸法精度を厳密に管理しなければならずコストアップにつながるという問題がある。
そこで、この発明は、電極膜構造体とセパレータとのシール性を向上できる燃料電池を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜１８）とその両側のアノード側拡散電極（例えば、実施形態におけるアノード電極２２及び第２ガス拡散層２６）とカソード側拡散電極（例えば、実施形態におけるカソード電極２０及び第１ガス拡散層２４）とで構成された電極膜構造体（例えば、実施形態における燃料電池セル１２）を、一対のセパレータ（例えば、実施形態における第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６）で挟持して構成された燃料電池において、アノード側拡散電極とカソード側拡散電極とを、いずれか一方の面が他方の面内に収まるように配置して電極膜構造体を形成し、アノード側拡散電極とカソード側拡散電極のうち大きい表面積の拡散電極の外周部分と一方のセパレータとの間に、小さい表面積の拡散電極を囲むように第１のシール（例えば、実施形態における第１のシールＳ１）を設け、前記一方のセパレータと他方のセパレータとの間であって、大きい表面積の拡散電極を囲むように第２のシール（例えば、実施形態における第２のシールＳ２）を設けたことを特徴とする。
このように構成することで、第１シールと第２シールとを異なる位置で互いに独立して機能させることが可能となる。

請求項２に記載した発明は、前記固体高分子電解質膜が、前記大きい表面積の拡散電極よりも小さく形成されていることを特徴とする。
このように構成することで、高価な固体高分子電解質膜を小さくできる。

請求項３に記載した発明は、アノード側拡散電極とカソード側拡散電極のいずれかの端面に少なくとも第１のシールあるいは第２のシールが密着していることを特徴とする。
このように構成することで、上記端面に密着している第１あるいは第２のシールにより端面からの反応ガスの流出を阻止できる。

請求項４に記載した発明は、前記第１のシールが前記小さい表面積の拡散電極の端面に密着し、更に前記大きい表面積の拡散電極と同じ面積まで広がることを特徴とする。
このように構成することで、前記端面に密着している第１のシールにより端面からの反応ガスの流出を阻止できると共に、第２のシールとの間の空間部をなくすことができ、アノード側拡散電極とカソード側拡散電極のうち大きい表面積の拡散電極を第１のシールにより確実に支持することができる。

請求項５に記載した発明は、前記第２のシールが、第１のシールと前記大きい表面積の拡散電極の両方の端面に密着していることを特徴とする。
このように構成することで、第１のシールと前記大きい表面積の拡散電極の両方の端面に密着している第２のシールにより、前記大きい表面積の拡散電極の端面からの反応ガスの流出を阻止できると共に、第１のシールとの間の空間部をなくすことができ、アノード側拡散電極とカソード側拡散電極のうち大きい表面積の拡散電極を第１のシールにより確実に支持することができる。

請求項６に記載した発明は、前記固体高分子電解質膜と、前記大きい表面積の拡散電極との大きさが同一であることを特徴とする。
このように構成することで、固体高分子電解質膜と上記大きい表面積の拡散電極とを一体化した後その外周部を切断して面一にすることで製造できる。

請求項７に記載した発明は、前記大きい表面積の拡散電極の触媒部分の大きさを前記小さい表面積の拡散電極の触媒部分と同じ大きさにしたことを特徴とする。
このように構成することで、反応に寄与しない高価な触媒部分を削減できる。

請求項８に記載した発明のように、前記セパレータが緻密質カーボン製であってもよいし、請求項９に記載した発明のように、前記セパレータ（例えば、実施形態における第１セパレータ１１４、第２セパレータ１１６）が金属薄板製であってもよい。
前記セパレータが金属薄板製である場合には、プレス成形により容易に製造することが可能となり生産性が向上する。

請求項１０に記載した発明は、前記第１のシール（例えば、実施形態における第１のシールＳ１１）と第２のシール（例えば、実施形態における第２のシールＳ１２）はセパレータに一体成形されていることを特徴とする。
このように構成することで、両シールを一工程で製造することができる。

請求項１１に記載した発明は、前記第１のシールと第２のシールとが各々別のセパレータに設けられていることを特徴とする。
このように構成することで、金属製の各セパレータに対して各々別の異なる材質のシールを用いることができる。

以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、第１シールと第２シールとを異なる位置で互いに独立して機能させることが可能となるため、互いに同一位置で対向させた場合に比較して、位置ズレが原因となるシール切れ等がなくなり、確実に電極膜構造とセパレータとの間を確実にシールすることができるという効果がある。また、互いに同一位置で対向させて場合には反力を均等化させるため同一材質に限定されていたが、互いに反力を及ぼすことがなくなるため材質が自由に設定でき、材質の設定自由度が高められる効果がある。
請求項２に記載した発明によれば、高価な固体高分子電解質膜を小さくできる分だけ固体高分子電解質膜、及び全体のコストを下げることができる効果がある。
請求項３に記載した発明によれば、上記端面に密着している第１あるいは第２のシールにより端面からの反応ガスの流出を阻止できるため、反応ガスが発電面を通らず出口側まで吹き抜けてしまうことを防止して、より一層シール性を高めることができる効果がある。
請求項４に記載した発明によれば、前記端面に密着している第１のシールにより端面からの反応ガスの流出を阻止できると共に、第２のシールとの間の空間部をなくすことができるため、反応ガスが発電面を通らず出口側まで吹き抜けてしまうことを防止して、より一層シール性を高めることができると共に、第１のシールと第２のシールとの空間部をなくし、冷熱時の空間部の膨張収縮によりシール部に不必要な圧力が作用するのを防止できる効果がある。
請求項５に記載した発明によれば、上記効果に加え、第１のシールと第２のシールとにより拡散電極の両方の端面からの反応ガスの流出を阻止できるため、反応ガスが発電面を通らず出口側まで吹き抜けてしまうことを防止して、より一層シール性を高めることができる効果がある。
請求項６に記載した発明によれば、固体高分子電解質膜と大きい表面積の拡散電極とを一体化した後その外周部を切断して面一にすることで製造できるため、容易に製造することができる効果がある。
請求項７に記載した発明によれば、反応に寄与しない高価な触媒部分を削減できるため製造費を削減できる効果がある。
請求項８に記載した発明のようにセパレータが緻密質カーボン製であってもよいし請求項９に記載した発明のようにセパレータが金属薄板製であってもよい。 請求項９に記載した発明のようにセパレータが金属薄板製である場合には、プレス成形により容易に製造することが可能となるため、生産性を向上できる効果がある。
請求項１０に記載した発明によれば、両シールを一工程で製造することができるため、製造工数を削減することができる効果がある。
請求項１１に記載した発明によれば、金属製の各セパレータに対して、各々別の異なる材質のシールを用いることができるため、設計の自由度が高められる効果がある。

以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１はこの発明の実施形態の燃料電池を示す分解斜視図である。この燃料電池１０は燃料電池セル（電極膜構造体）１２とこれを挟持する緻密質カーボン製の第１及び第２セパレータ１４，１６を備え、これらが複数組積層されて車両用の燃料電池スタックが構成されるものである。
燃料電池セル１２は、固体高分子電解質膜１８と、この固体高分子電解質膜１８を挟んで配設されるカソード電極２０及びアノード電極２２とを有するとともに、前記カソード電極２０及び前記アノード電極２２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーからなる第１ガス拡散層２４及び第２ガス拡散層２６が配設されている。ここで、固体高分子電解質膜１８としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを用いている。また、カソード電極２０、アノード電極２２はＰｔを主体とした触媒である。尚、上記カソード電極２０と第１ガス拡散層２４とでカソード側拡散電極が構成され、上記アノード電極２２と第２ガス拡散層２６とでアノード側拡散電極が構成される。

固体高分子電解質膜１８は、図６に示すように、これを挟んで配設されるカソード電極２０と第１ガス拡散層２４及びアノード電極２２と第２ガス拡散層２６の外周から僅かにはみ出す大きさのもので、アノード電極２２と第２ガス拡散層２６は固体高分子電解質膜１８よりも表面積が小さく、更にカソード電極２０と第１ガス拡散層２４はアノード電極２２と第２ガス拡散層２６よりも表面積が小さく形成されている。そして、これら固体高分子電解質膜１８、カソード電極２０と第１ガス拡散層２４及びアノード電極２２と第２ガス拡散層２６は、中央部が一致し図６における上下方向と左右方向の寸法格差の割合が均等になる様に設定されている。
図３に示すように、第１セパレータ１４は、その平面内であって外周縁部に位置する横方向両端上部側に、水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるための入口側燃料ガス連通孔３６ａと、酸素含有ガス又は空気である酸化剤ガスを通過させるための入口側酸化剤ガス連通孔３８ａとを備えている。

第１セパレータ１４の横方向両端中央側には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させるための入口側冷却媒体連通孔４０ａと、使用後の前記冷却媒体を通過させるための出口側冷却媒体連通孔４０ｂとが設けられている。また、第１セパレータ１４の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端下部側に、燃料ガスを通過させるための出口側燃料ガス連通孔３６ｂと、酸化剤ガスを通過させるための出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとが、入口側燃料ガス連通孔３６ａ及び入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと対角位置になるように設けられている。

図１に示すように、第１セパレータ１４のカソード電極２０に対向する面１４ａには、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに近接して複数本、例えば、６本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝４２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられている。第１酸化剤ガス流路溝４２は、３本の第２酸化剤ガス流路溝４４に合流し、この第２酸化剤ガス流路溝４４が出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに近接して終端している。

図３に示すように、第１セパレータ１４には、この第１セパレータ１４を貫通するとともに、一端が面１４ａとは反対側の面１４ｂで入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第１酸化剤ガス流路溝４２に連通する第１酸化剤ガス連結流路４６と、一端が前記面１４ｂ側で出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第２酸化剤ガス流路溝４４に連通する第２酸化剤ガス連結流路４８とが、前記第１セパレータ１４を貫通して設けられている。

図４、図５に示すように、第２セパレータ１６の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端側には、第１セパレータ１４と同様に、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂが形成されている。

前記第２セパレータ１６の面１６ａには、入口側燃料ガス連通孔３６ａに近接して複数本、例えば、６本の第１燃料ガス流路溝６０が形成される。この第１燃料ガス流路溝６０は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在し、３本の第２燃料ガス流路溝６２に合流してこの第２燃料ガス流路溝６２が出口側燃料ガス連通孔３６ｂの近傍で終端している。
また、第２セパレータ１６には、入口側燃料ガス連通孔３６ａを面１６ｂ側から第１燃料ガス流路溝６０に連通する第１燃料ガス連結流路６４と、出口側燃料ガス連通孔３６ｂを前記面１６ｂ側から第２燃料ガス流路溝６２に連通する第２燃料ガス連結流路６６とが、前記第２セパレータ１６を貫通して設けられている。

図２、図５に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、後述するシールＳで囲まれる範囲内に、入口側冷却媒体連通孔４０ａ及び出口側冷却媒体連通孔４０ｂに近接して冷却媒体流路を構成する複数本の主流路溝７２ａ、７２ｂが形成されている。主流路溝７２ａ、７２ｂ間には、それぞれ複数本に分岐する分岐流路溝７４が水平方向に延在して設けられている。
第２セパレータ１６には、入口側冷却媒体連通孔４０ａと主流路溝７２ａとを連通する第１冷却媒体連結流路７６と、出口側冷却媒体連通孔４０ｂと主流路溝７２ｂとを連通する第２冷却媒体連結流路７８とが、前記第２セパレータ１６を貫通して設けられている。

ここで、図４に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａの入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲には溝部３０が形成され、この溝部３０にシールＳが取り付けられている。ここで、前記入口側冷却媒体連通孔４０ａと出口側冷却媒体連通孔４０ｂとの周囲の溝部３０は、各々第１冷却媒体連結流路７６、第２冷却媒体連結流路７８を囲むように形成されている。

また、図５に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂの入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲にも溝部３５が形成され、この溝部３５にもシールＳが取り付けられている。ここで、前記入口側燃料ガス連通孔３６ａと出口側燃料ガス連通孔３６ｂとの周囲の溝部３５は、各々第１燃料ガス連結流路６４、第２燃料ガス連結流路６６を囲むように形成されている。また、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとの周囲の溝部３５は前記第１セパレータ１４の面１４ｂの入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとを囲むように設けられている。

そして、図２、図３に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａには、第１酸化剤ガス連通流路溝４２と第２酸化剤ガス連通流路溝４４を囲み、かつ、固体高分子電解質膜１８に密接しカソード電極２０囲むように第１のシールＳ１が取り付けられている。
また、第１セパレータ１４の面１４ａには、上記第１のシールＳ１の周囲に、第２のシールＳ２が取り付けられ、この第２のシールＳ２が第２セパレータ１６の面１６ａに密接し、アノード電極２２を囲むようになっている。

したがって、図２、図７に示すように、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６とにより、燃料電池セル１２を挟持した状態では、第１セパレータ１４の面１４ａと第２セパレータ１６の面１６ａに設けられた入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲の溝部３０の各シールＳが密接して、上記入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲をシールすると共に、前述した第１のシールＳ１及び第２のシールＳ２により燃料電池セル１２の周囲を確実にシールすることができる。

また、図５に示すように、前記第２セパレータ１６の面１６ｂには、複数の燃料電池１０を積層した際に前記第１セパレータ１４の面１４ｂに対向する位置であって、分岐流路溝７４の周囲を取り囲む溝部３４が設けられ、この溝部３４にシールＳが取り付けられている。

このようにして、燃料電池１０を積層した場合に、第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとを重合すると、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲と分岐流路溝７４の周囲で第２セパレータ１６側のシールＳが第１セパレータ１４の面１４ｂに密着することで、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との水密性を確保している。

ここで前記シールＳ、第１のシールＳ１、第２のシールＳ２はシリコンゴム（例えば、硬度５０°程度）から成形され、非接着性、接着性のいずれをも使用可能である。尚、メインテナンス等で交換の必要がある部分、例えば第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間のシールＳは非接着性のものを使用することが望ましい。

このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
燃料電池１０には、燃料ガス、例えば、炭化水素を改質した水素を含むガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気または酸素含有ガス（以下、単に空気ともいう）が供給され、さらにその発電面を冷却するために、冷却媒体が供給される。燃料電池１０の入口側燃料ガス連通孔３６ａに供給された燃料ガスは、図２に示すように、第１燃料ガス連結流路６４を介して面１６ｂ側から面１６ａ側に移動し、この面１６ａ側に形成されている第１燃料ガス流路溝６０に供給される。

第１燃料ガス流路溝６０に供給された燃料ガスは、第２セパレータ１６の面１６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。その際、燃料ガス中の水素含有ガスは、第２ガス拡散層２６を通って単位燃料電池セル１２のアノード側電極２２に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第１燃料ガス流路溝６０に沿って移動しながらアノード側電極２２に供給される一方、未使用の燃料ガスが第２燃料ガス流路溝６２を介して第２燃料ガス連結流路６６に導入され、面１６ｂ側に移動した後に図１に示す出口側燃料ガス連通孔３６ｂに排出される。

また、燃料電池スタック１０内の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに供給された空気は、第１セパレータ１４の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに連通する第１酸化剤ガス連結流路４６を介して第１酸化剤ガス流路溝４２に導入される。第１酸化剤ガス流路溝４２に供給された空気は、水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する間、この空気中の酸素含有ガスが第１ガス拡散層２４からカソード側電極２０に供給される。一方、未使用の空気は、第２酸化剤ガス流路溝４４を介して第２酸化剤ガス連結流路４８から図１に示す出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに排出される。これにより、燃料電池１０で発電が行われ、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。

さらにまた、燃料電池１０に供給された冷却媒体は、図１に示す入口側冷却媒体連通孔４０ａに導入された後、図５に示すように、第２セパレータ１６の第１冷却媒体連結流路７６を介して面１６ｂ側の主流路溝７２ａに供給される。冷却媒体は、主流路溝７２ａから分岐する複数本の分岐流路溝７４を通って単位燃料電池セル１２の発電面を冷却した後、主流路溝７２ｂに合流する。そして、使用後の冷却媒体は、第２冷却媒体連結流路７８を通って出口側冷却媒体連通孔４０ｂから排出される。

上記実施形態によれば、前記第１セパレータ１４の面１４ａとアノード電極２２との間に固体高分子電解質膜１８を介して介装された第１のシールＳ１によりカソード電極２０及び第１ガス拡散層２４の周囲を確実にシールすることができ、また、前記第１セパレータ１４の面１４ａと第２セパレータ１６の面１６ａとの間に介装された第２のシールＳ２によりアノード電極２２及び第２ガス拡散層２６の周囲を確実にシールすることができるため、第１のシールＳ１、第２のシールＳ２を互いに独立して機能させることができる。したがって、Ｏリングを対向させた状態で互いに押圧してシールを行なう場合に比較して、位置ズレが原因となるシール切れ等がなくなり、確実にシールを行なうことができる。
また、互いに同一位置で対向させた場合には反力を均等化させるため同一材質に限定されていたが、互いに反力を及ぼすことがなくなるため材質が自由に設定でき、材質の設定自由度が高められる。

そして、第１のシールＳ１は、固体高分子電解質膜１８によじれを起こすような力を作用させることはなく、また、第２のシールＳ２も燃料電池セル１２に対して接触しない構造となっているため、固体高分子電解質膜１８に対して剥離方向の力が作用することもない。
更に、第１のシールＳ１，第２のシールＳ２の配置位置を一致させる必要がない分だけ、寸法精度管理が容易となり、作業も行ない易くコストダウンを図ることができる。
また、第２のシールＳ２の断面積を大きくとることができるため、弾性変形量が増加し、シール性を向上することができる。

次に、図８はこの発明の第２実施形態を示すものである。
この実施形態は、固体高分子電解質膜１８の表面積よりもアノード電極２２及び第２ガス拡散層２６の表面積のほうが大きい点、つまり固体高分子電解質膜１８がアノード電極２２及び第２ガス拡散層２６（アノード側拡散電極とカソード側拡散電極のうち大きい表面積の拡散電極）よりも小さい表面積で形成されている点が異なるものである。この実施形態においても前述第１実施形態と同様に第１のシールＳ１，第２のシールＳ２により確実にシールすることができる効果がある。尚、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。この実施形態においては第２ガス拡散層２６からはみ出した固体高分子電解質膜１８の一部が必要なくなるので高価な固体高分子電解質膜１８を小さくでき、したがって、固体高分子電解質膜１８のコストを下げることができる。

次に、図９はこの発明の第３実施形態を示すものである。
この実施形態は前記第１セパレータ１４の面１４ａとアノード電極２２との間に固体高分子電解質膜１８を介して介装された第１のシールＳ１が、カソード電極２０及び第１ガス拡散層２４との端面に密着して配置されたものである。この実施形態によれば、カソード電極２０及び第１ガス拡散層２４との端面からの反応ガスの流出を阻止でき、反応ガスが発電面を通らず出口側まで吹き抜けてしまうのを防止しより一層シール性を高めることができる効果がある。

次に、図１０はこの発明の第４実施形態を示すものである。
この実施形態は第３実施形態と同様の位置に第１のシールＳ１を配置すると共に第２のシールＳ２をこの第１のシールＳ１とアノード電極２２及び第２ガス拡散層２６との端面に当接して配置されたものである。この実施形態によれば、カソード電極２０及び第１ガス拡散層２４との端面、及び、アノード電極２２及び第２ガス拡散層２６との端面からのガスの流出を確実に阻止でき、反応ガスが発電面を通らず出口側まで吹き抜けてしまうのを防止し更にシール性を高めることができる効果がある。

次に、図１１はこの発明の第５実施形態を示すものである。
この実施形態は第１のシールＳ１をカソード電極２０及び第１ガス拡散層２４との面方向に延長してアノード電極２２及び第２ガス拡散層２６と同じ面積まで広がるようにし、第１のシールＳ１と第２のシールＳ２との間の空間を無くすことにより、冷熱時の空間部の膨張収縮によるシール部への不必要な圧力がかかることをなくすために、第１のシールＳ１と第２のシールＳ２とが積層時に接触するようにしたものである。
したがって、この実施形態によれば上記第４実施形態と同様にカソード電極２０及び第１ガス拡散層２４との端面、及び、アノード電極２２及び第２ガス拡散層２６との端面からのガスの流出を確実に阻止できシール性を高めることができる。また、第１のシールＳ１と第２のシールＳ２との間の空間を無くすことにより、冷熱時の空間部の膨張収縮によるシール部への不必要な圧力がかかることをなくすことができると共にアノード電極２２及び第２ガス拡散層２６を第１のシールＳ１により確実に支持することができる効果がある。

次に、図１２はこの発明の第６実施形態を示すものである。
この実施形態は、図７に示す第１実施形態の固体高分子電解質膜１８の大きさとアノード電極２２及び第２ガス拡散層２６とを同じ大きさにしたものである。
同じ大きさの両者を位置決めすることでこのような構成にすることは困難であるが、製造に際して固体高分子電解質膜１８とアノード電極２２及び第２ガス拡散層２６とを一体化した後その端部を面一で切断することで、少しくらい位置がズレていても、両者の位置をそろえて製造できるため、製造上有利である。また、このように正確に固体高分子電解質膜１８とアノード電極２２及び第２ガス拡散層２６を位置決めできるため、燃料電池を小型化できる。

次に、図１３はこの発明の第７実施形態を示すものである。
この実施形態は、図８に示す第２実施形態において、アノード電極２２をカソード電極２０と同じ大きさにしたものである。これにより、反応に寄与しない高価な触媒を削減できるため、製造費を削減できる。
また、この実施形態では削減したアノード電極２２の部分に接着剤５０を配置して、固体高分子電解質膜１８を接着剤５０により第２ガス拡散層２６に接着する構造となっている。よって、接着剤５０によりアノード電極２２を除去した部分とそうでない部分との段差を解消でき、固体高分子電解質膜１８が段差部分で曲がるのを防止してこの部分から固体高分子電解質膜１８がはがれるのを防止できる。

次に、図１４はこの発明の第８実施形態を示すものである。
この実施形態の燃料電池は、燃料電池セル（電極膜構造体）１２とこれを挟持するステンレススチールなどの金属薄板製の第１及び第２セパレータ１１４，１１６を備え、これらが複数組積層されて車両用の燃料電池スタックが構成されるものである。尚、以下に説明する第９〜第１１実施形態の燃料電池も金属製のセパレータを備えている。

同図において、燃料電池セル１２は、固体高分子電解質膜１８を挟んでカソード電極２０及びアノード電極２２を備えている。前記カソード電極２０及び前記アノード電極２２には、上述した実施形態と同様に、多孔質層である多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーからなる第１ガス拡散層２４及び第２ガス拡散層２６が配設されている。ここで、固体高分子電解質膜１８としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを用いている。また、カソード電極２０とアノード電極２２はＰｔを主体とした触媒である。
固体高分子電解質膜１８は、アノード電極２２と第２ガス拡散層２６と同じ大きさに成形され、更にカソード電極２０と第１ガス拡散層２４はアノード電極２２と第２ガス拡散層２６よりも表面積が小さく形成されている。

このように構成された、燃料電池セル１２の第１ガス拡散層２４の外側に第１セパレータ１１４が、第２ガス拡散層２６の外側に第２セパレータ１１６が各々配置されている。ここで、前記第１セパレータ１１４には、反応ガス導入のためのブリッジ部（セパレータ）１５１が形成され、このブリッジ部１５１には内周側の第１のシールＳ１１と外周側の第２のシールＳ１２が一体成形されている。ここで、第１のシールＳ１１と第２のシールＳ１２はベース部１５２を共通にして一体成形されている。
尚、上記ブリッジ部１５１は図示都上第１セパレータ１１４と離れて記載されているが、両者は一体となっている。前記第１のシール部Ｓ１１は固体高分子電解質膜１８を介して、アノード電極２２及び第２ガス拡散層２６に密着し、第２のシールＳ１２は第２セパレータ１１６に密着している。

したがって、この実施形態においても、第１のシールＳ１１と第２のシールＳ１２とによりアノード電極２２及び第２ガス拡散層２６の周囲を確実にシールすることができるため、第１のシールＳ１１、第２のシールＳ１２を互いに独立して機能させることができる。したがって、Ｏリングを対向させた状態で互いに押圧してシールを行なう場合に比較して、位置ズレが原因となるシール切れ等がなくなり、確実にシールを行なうことができる。

そして、第１のシールＳ１１は、固体高分子電解質膜１８によじれを起こすような力を作用させることはなく、また、第２のシールＳ１２も燃料電池セル１２に対して接触しない構造となっているため、固体高分子電解質膜１８に対して剥離方向の力が作用することもない。また、第１のシールＳ１１，第２のシールＳ１２の配置位置を一致させる必要がない分だけ、寸法精度管理が容易となり、作業も行ない易くコストダウンを図ることができる。
更に、この実施形態では両セパレータ１１４，１１６が金属で成形されているため、プレス成形により容易に成形することができ製造コストを低減できる。また、第１シールＳ１１及び第２シールＳ１２が同じ側で一体成形されているため、その点でも容易に製造でき、製造工数も少なくて済む。

次に、図１５はこの発明の第９実施形態を示すものである。この実施形態において前記実施形態と同一構成部分には同一符号を付して説明は省略する（以下の実施形態において同様）。
この実施形態は、第８実施形態における第２のシールＳ１２を第１のシールＳ１１と分離して、第２セパレータ１１６側に取り付け、この第２のシールＳ１２を前記第１セパレータ１１４のブリッジ部１５１に密着したものである。
したがって、この実施形態によれば、前記実施形態の基本的効果に加え、第１のシールＳ１１と第２のシールＳ１２との各々を別の異なる材質で成形でき設計の自由度を高められる。

次に、図１６は参考例を示すものである。
この参考例は、アノード電極２２及び第２ガス拡散層２６と、カソード電極２０及び第１ガス拡散層２４との外周に、第１のシールＳ１１と第２のシールＳ１２とを、内側と外側とに位置をずらして２重に配置したものである。
具体的には、第８実施形態におけるカソード電極２０及び第１ガス拡散層２４とが、アノード電極２２及び第２ガス拡散層２６とが同じ大きさに成形され、第１ガス拡散層２４と第２ガス拡散層２６よりも固体高分子電解質膜１８の方が大きく形成されている。また、カソード電極２０と第１ガス拡散層２４、アノード電極２２と第２ガス拡散層２６とに挟持された固体高分子電解質膜１８が第２セパレータ１１６上に配置されている。そして、ブリッジ部１５１に形成された内周側の第１のシールＳ１１と外周側の第２のシールＳ１２とが同じ大きさでベース部１５２に一体成形され、第１のシールＳ１１が固体高分子電解質膜１８に密着し、第２のシールＳ１２が第２セパレータ１１６に密着している。
この参考例によれば、第８実施形態の基本的効果に加え、第１ガス拡散層２４、第２ガス拡散層２６が小さくて済む分、製造コストを低減でき効果がある。また、第１のシールの内側の反応ガスに対して２重のシールを設けることができ、反応ガスの漏れに対する安全性が向上する。

次に図１７は他の参考例を示すものである。
この参考例では、カソード電極２０及び第１ガス拡散層２４と、アノード電極２２及び第２ガス拡散層２６と、固体高分子電解質膜１８とが同じ大きさに成形されている。また、第２ガス拡散層２６の周縁近傍に固体高分子電解質膜１８が露出するように溝１５３が形成されている。つまり、第２ガス拡散層２６には、外周部分を残して固体高分子電解質膜１８を露出させる溝１５３が形成されている。そして、ブリッジ部１５１にベース部１５２を介して一体成形された内側の第１のシールＳ１１と外側の第２のシールＳ１２とが設けられ、第１のシールＳ１１は前記溝１５３内に挿入されて固体高分子電解質膜１８に密着している。第２のシールＳ１２は第２セパレータ１１６に密着している。
この参考例によれば、固体高分子電解質膜１８の前面を両側から押圧することができるため、固体高分子電解質膜１８の水分含有量が変化しても伸び縮みして固体高分子電解質膜１８にクラックが入るのを防止できる。

次に、図１８はリークテスト装置を示すものである。このリークテスト装置によるテストは、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６とを、燃料電池セル１２を挟持した状態でボルトで締め付けて、第１セパレータ１４の中央部にヘリウムボンベＨＢからヘリウムガスを反応ガス流路に供給し、流量計Ｆによりシール部から外部へのヘリウムの漏れ量を確認したものである。テスト条件は締結荷重１Ｎ／ｍｍ、測定雰囲気温度２０〜２４℃、ガス圧力２００ｋＰａで行なった。
使用サンプルは、第１のシールＳ１及び第２のシールＳ２を用いて固体高分子電解質膜１８を挟持した構造のもの、サンプル１（図１〜７に示す第１実施形態の構造）、サンプル２（図８に示す第２実施形態の構造）、サンプル３（図９に示す第３実施形態の構造）、サンプル４（図１０に示す第４実施形態の構造）を用いた。尚、図１８はサンプル２のテストを行なっている様子を示す。また、サンプル１〜サンプル４においては実験の都合上ステンレス製のセパレータを用いた。
リークテストはテスト初期と冷熱サイクル（−４０℃／１ｈｒ〜９０℃／１ｈｒ）と高温耐熱（９０℃）で行なった。その結果を表１に示す。

テスト結果から、サンプル１〜サンプル４はテスト初期、冷熱サイクル、高温耐熱の全てにおいて漏れが生じなかった。
したがって、第１のシールＳ１、第２のシールＳ２のズレ許容範囲を大きくとれ、上下のシールの位置合わせの許容値を大きく取れるという点で生産技術上有利である。

尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、図１９に示すように、第１のシールＳ１、第２のシールＳ２を溝部６内にセットする構造としてもよい。このように構成することにより、第１のシールＳ１、第２のシールＳ２の位置決めを容易に行なうことができ、シール断面積を大きく取れることができる。また、上記第１のシールＳ１を予め第１セパレータ１４に取り付けたり、上記第２のシールＳ２を第１セパレータ１４あるいは第２セパレータ１６のいずれかに取り付けたりするなど、種々の態様が採用可能である。
また、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲の溝部３０の各シールＳの溝をなくしたりすることは可能である。
そして、各シールＳ、第１のシールＳ１、第２のシールＳ２として熱硬化型の液状シールを用いても良い。

この発明の第１実施形態の分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 この発明の実施形態の第１セパレータの図１のＢ矢視図である。 この発明の実施形態の第２セパレータの図１のＣ矢視図である。 この発明の実施形態の第２セパレータの図１のＤ矢視図である。 この発明の第１実施形態の燃料電池セルの平面図である。 この発明の第１実施形態の図２の要部概略断面図である。 この発明の第２実施形態の図７に相当する断面図である。 この発明の第３実施形態の図７に相当する断面図である。 この発明の第４実施形態の図７に相当する断面図である。 この発明の第５実施形態の図７に相当する断面図である。 この発明の第６実施形態の図７に相当する断面図である。 この発明の第７実施形態の図７に相当する断面図である。 この発明の第８実施形態の図７に相当する断面図である。 この発明の第９実施形態の図７に相当する断面図である。 参考例の図７に相当する断面図である。 他の参考例の図７に相当する断面図である。 この発明のリークテスト装置の説明図である。 この発明の他の実施形態の図７に相当する断面図である。 従来技術の断面図である。

符号の説明

１２ 燃料電池セル（電極膜構造体）
１４、１１４ 第１セパレータ
１６、１１６ 第２セパレータ
１８ 固体高分子電解質膜
２０ カソード電極
２２ アノード電極
２４ 第１ガス拡散層
２６ 第２ガス拡散層
Ｓ１、Ｓ１１ シール（第１のシール）
Ｓ２、Ｓ１２ シール（第２のシール）
１５３ 溝

Claims (11)

1. 固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持して構成された燃料電池において、アノード側拡散電極とカソード側拡散電極とを、いずれか一方の面が他方の面内に収まるように配置して電極膜構造体を形成し、アノード側拡散電極とカソード側拡散電極のうち大きい表面積の拡散電極の外周部分と一方のセパレータとの間に、小さい表面積の拡散電極を囲むように第１のシールを設け、前記一方のセパレータと他方のセパレータとの間であって、大きい表面積の拡散電極を囲むように第２のシールを設けたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記固体高分子電解質膜が、前記大きい表面積の拡散電極よりも小さく形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. アノード側拡散電極とカソード側拡散電極のいずれかの端面に少なくとも第１のシールあるいは第２のシールが密着していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記第１のシールが前記小さい表面積の拡散電極の端面に密着し、更に前記大きい表面積の拡散電極と同じ面積まで広がることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記第２のシールが、第１のシールと前記大きい表面積の拡散電極の両方の端面に密着していることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記固体高分子電解質膜と、前記大きい表面積の拡散電極との大きさが同一であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
7. 前記大きい表面積の拡散電極の触媒部分の大きさを前記小さい表面積の拡散電極の触媒部分と同じ大きさにしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
8. 前記セパレータが緻密質カーボン製であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
9. 前記セパレータが金属薄板製であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
10. 前記第１のシールと第２のシールはセパレータに一体成形されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
11. 前記第１のシールと第２のシールとが各々別のセパレータに設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。

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