JP2003031237A - 膜・電極構造体及び燃料電池セル - Google Patents
膜・電極構造体及び燃料電池セルInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 固体高分子電解質膜のはみ出し部の強度を高
めて耐久性を増すとともに、固体高分子電解質膜の使用
を最小限度としてコストを低減することができる膜・電
極構造体を提供する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜２２の一方にアノー
ド電極２４を設けて、固体高分子電解質膜２２の他方に
カソード電極２６を設ける。前記固体高分子電解質膜２
２を外周部分が両側のアノード電極及びカソード電極か
らはみ出した形状とする。前記アノード電極またはカソ
ード電極の外周端面に額状の第１シール部材２７を密着
させて設ける。額状の第１シール部材２７により前記固
体高分子電解質膜２２のはみ出した部分２３の一面２３
ａを覆いかつ支持する。
めて耐久性を増すとともに、固体高分子電解質膜の使用
を最小限度としてコストを低減することができる膜・電
極構造体を提供する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜２２の一方にアノー
ド電極２４を設けて、固体高分子電解質膜２２の他方に
カソード電極２６を設ける。前記固体高分子電解質膜２
２を外周部分が両側のアノード電極及びカソード電極か
らはみ出した形状とする。前記アノード電極またはカソ
ード電極の外周端面に額状の第１シール部材２７を密着
させて設ける。額状の第１シール部材２７により前記固
体高分子電解質膜２２のはみ出した部分２３の一面２３
ａを覆いかつ支持する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、膜・電極構造体
及び燃料電池セルに係り、特に、前記固体高分子電解質
膜の外周部分が両側のアノード電極及びカソード電極か
らはみ出した形状の膜・電極構造体及び燃料電池セルに
関するものである。
及び燃料電池セルに係り、特に、前記固体高分子電解質
膜の外周部分が両側のアノード電極及びカソード電極か
らはみ出した形状の膜・電極構造体及び燃料電池セルに
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池の基本ユニットである燃料電池
セルは、燃料ガス流路が設けられたセパレータと、酸化
剤ガス流路が設けられたセパレータとで、膜・電極構造
体の両側を挟持して構成される。前記膜・電極構造体
は、固体高分子電解質膜の両側に対となる電極を設けた
構造であり、当該一対の電極は、電極触媒層とガス拡散
層とをそれぞれ備えている。従って、前記燃料ガス流路
から燃料ガス（例えば水素）が供給された電極（アノー
ド電極）では、水素がイオン化され、固体高分子電解質
膜を介して他方の電極（カソード電極）に移動する。こ
の間に生じた電子は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、酸化剤ガス（例えば、酸素を含んだ空気）が供給さ
れているため、水素イオン、電子および酸素が反応し
て、水が生成される。このような膜・電極構造体として
は、特開平５−２３４６０６号公報や、特開平６−９６
７８３号公報、特開平８−１４８１６９号公報、米国特
許５４６４７００号公報にて提案されたものがある。
セルは、燃料ガス流路が設けられたセパレータと、酸化
剤ガス流路が設けられたセパレータとで、膜・電極構造
体の両側を挟持して構成される。前記膜・電極構造体
は、固体高分子電解質膜の両側に対となる電極を設けた
構造であり、当該一対の電極は、電極触媒層とガス拡散
層とをそれぞれ備えている。従って、前記燃料ガス流路
から燃料ガス（例えば水素）が供給された電極（アノー
ド電極）では、水素がイオン化され、固体高分子電解質
膜を介して他方の電極（カソード電極）に移動する。こ
の間に生じた電子は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、酸化剤ガス（例えば、酸素を含んだ空気）が供給さ
れているため、水素イオン、電子および酸素が反応し
て、水が生成される。このような膜・電極構造体として
は、特開平５−２３４６０６号公報や、特開平６−９６
７８３号公報、特開平８−１４８１６９号公報、米国特
許５４６４７００号公報にて提案されたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】固体高分子電解質膜
は、アノード電極側の燃料ガスと、カソード電極側の酸
化剤ガスとの混合を防止するシールとしての機能を持た
せるため、外周部分が両側の電極からはみ出しているも
のが一般的である。しかし、固体高分子電解質膜自体は
厚みが非常に薄いため、前記電極からはみ出した部分
は、上記した燃料ガスや酸化剤ガスとの圧力差（極間差
圧）により破損しやすい。このような破損を防止するに
は、前記膜・電極構造体のはみ出した部分（はみ出し
部）を補強することが考えられる。
は、アノード電極側の燃料ガスと、カソード電極側の酸
化剤ガスとの混合を防止するシールとしての機能を持た
せるため、外周部分が両側の電極からはみ出しているも
のが一般的である。しかし、固体高分子電解質膜自体は
厚みが非常に薄いため、前記電極からはみ出した部分
は、上記した燃料ガスや酸化剤ガスとの圧力差（極間差
圧）により破損しやすい。このような破損を防止するに
は、前記膜・電極構造体のはみ出した部分（はみ出し
部）を補強することが考えられる。
【０００４】特開平５−２３４６０６号公報には、固体
高分子電解質膜のはみ出し部に接する額状の補強部材が
設けられた膜・電極構造体が開示されている。しかし、
前記補強部材と電極とに隙間があるため、この隙間に生
成水が付着するなどして、水分含有量が隙間部分とそれ
以外の部分とで差異が生じるおそれがある。水分含有量
が異なると、これによる伸縮力に差異が生じて、前記隙
間部分に応力が発生し、固体高分子電解質膜を破損する
おそれがあるという問題がある。また、膜・電極構造体
を用いて燃料電池セルを形成する際には、燃料ガス等が
外部に漏れることを防止するためにシール構造を設ける
必要があるが、特開平５−２３４６０６号公報に示され
た膜・電極構造体にはシール構造が開示されておらず、
補強部材を設けたことによりシール構造が複雑化すると
いう問題がある。
高分子電解質膜のはみ出し部に接する額状の補強部材が
設けられた膜・電極構造体が開示されている。しかし、
前記補強部材と電極とに隙間があるため、この隙間に生
成水が付着するなどして、水分含有量が隙間部分とそれ
以外の部分とで差異が生じるおそれがある。水分含有量
が異なると、これによる伸縮力に差異が生じて、前記隙
間部分に応力が発生し、固体高分子電解質膜を破損する
おそれがあるという問題がある。また、膜・電極構造体
を用いて燃料電池セルを形成する際には、燃料ガス等が
外部に漏れることを防止するためにシール構造を設ける
必要があるが、特開平５−２３４６０６号公報に示され
た膜・電極構造体にはシール構造が開示されておらず、
補強部材を設けたことによりシール構造が複雑化すると
いう問題がある。
【０００５】特開平６−９６７８３号公報には、額状の
ガスケットを固体高分子電解質の両側に設けた構造の膜
・電極構造体が開示されているが、この構成においては
ガスケットを膜の両側に設けることにより部品点数が増
加するとともに、作業工程も複雑化し、コスト的にも高
くなるという問題がある。特開平８−１４８１６９号公
報に開示された膜・電極構造体では、前記固体高分子電
解質膜が外周まで伸びているため、その分高価な固体高
分子電解質膜の材料が余分に必要となり、コスト的に高
くなるという問題がある。米国特許５４６４７００号公
報に開示された膜・電極構造体は、シールと電極と重ね
る必要があり、膜・電極構造体を積層して加圧すると、
重なる部分に荷重が集中してしまう一方で、他の部分に
は十分な面圧がかからず不安定になるおそれがあるとい
う問題がある。
ガスケットを固体高分子電解質の両側に設けた構造の膜
・電極構造体が開示されているが、この構成においては
ガスケットを膜の両側に設けることにより部品点数が増
加するとともに、作業工程も複雑化し、コスト的にも高
くなるという問題がある。特開平８−１４８１６９号公
報に開示された膜・電極構造体では、前記固体高分子電
解質膜が外周まで伸びているため、その分高価な固体高
分子電解質膜の材料が余分に必要となり、コスト的に高
くなるという問題がある。米国特許５４６４７００号公
報に開示された膜・電極構造体は、シールと電極と重ね
る必要があり、膜・電極構造体を積層して加圧すると、
重なる部分に荷重が集中してしまう一方で、他の部分に
は十分な面圧がかからず不安定になるおそれがあるとい
う問題がある。
【０００６】そこで、この発明は、固体高分子電解質膜
のはみ出し部の破損を防止するとともに、固体高分子電
解質膜の使用を最小限度としてコストを低減することが
できる膜・電極構造体を提供するものである。また、こ
の発明は、膜・電極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セルを提供するものである。
のはみ出し部の破損を防止するとともに、固体高分子電
解質膜の使用を最小限度としてコストを低減することが
できる膜・電極構造体を提供するものである。また、こ
の発明は、膜・電極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セルを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】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２２）
の一方にアノード電極（例えば、実施形態におけるアノ
ード電極２４）を設けるとともに、固体高分子電解質膜
の他方にカソード電極（例えば、実施形態におけるカソ
ード電極２６）を設けた膜・電極構造体（例えば、実施
形態における膜・電極構造体２）であって、前記固体高
分子電解質膜の外周部分が両側のアノード電極及びカソ
ード電極からはみ出した形状とし、前記アノード電極ま
たはカソード電極のいずれか一方のみの外周端面に、固
体高分子電解質膜より平面寸法の大きい額状の第１シー
ル部材（例えば、実施形態における額状の第１シール部
材２８）を密着させて設け、前記固体高分子電解質膜の
はみ出した部分（例えば、実施形態におけるはみ出し部
２３）の一面（例えば、実施形態における一面２３ａ）
を前記額状の第１シール部材により覆いかつ支持したこ
とを特徴とする。請求項２に記載した発明は、前記額状
の第１シール部材は、前記固体高分子電解質膜の端面
（例えば、実施形態における端面２３ｂ）を覆ってなる
ことを特徴とする。
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２２）
の一方にアノード電極（例えば、実施形態におけるアノ
ード電極２４）を設けるとともに、固体高分子電解質膜
の他方にカソード電極（例えば、実施形態におけるカソ
ード電極２６）を設けた膜・電極構造体（例えば、実施
形態における膜・電極構造体２）であって、前記固体高
分子電解質膜の外周部分が両側のアノード電極及びカソ
ード電極からはみ出した形状とし、前記アノード電極ま
たはカソード電極のいずれか一方のみの外周端面に、固
体高分子電解質膜より平面寸法の大きい額状の第１シー
ル部材（例えば、実施形態における額状の第１シール部
材２８）を密着させて設け、前記固体高分子電解質膜の
はみ出した部分（例えば、実施形態におけるはみ出し部
２３）の一面（例えば、実施形態における一面２３ａ）
を前記額状の第１シール部材により覆いかつ支持したこ
とを特徴とする。請求項２に記載した発明は、前記額状
の第１シール部材は、前記固体高分子電解質膜の端面
（例えば、実施形態における端面２３ｂ）を覆ってなる
ことを特徴とする。
【０００８】請求項３に記載した発明は、固体高分子電
解質膜の一方にアノード電極を設けるとともに、固体高
分子電解質膜の他方にカソード電極を設けた膜・電極構
造体を一対のセパレータ（例えば、実施形態におけるセ
パレータ１２、１４）で挟持してなる燃料電池セル（例
えば、実施形態における燃料電池セル１０）であって、
前記固体高分子電解質膜の外周部分が両側のアノード電
極及びカソード電極からはみ出した形状とし、前記アノ
ード電極またはカソード電極のいずれか一方（例えば、
実施形態におけるアノード電極２４）のみの外周端面
に、固体高分子電解質膜より平面寸法の大きい額状の第
１シール部材（例えば、実施形態における額状の第１シ
ール部材２８）を密着させて設け、当該額状の第１シー
ル部材により前記固体高分子電解質膜のはみ出した部分
の一面を覆いかつ支持し、前記額状の第１シール部材ま
たは固体高分子電解質膜と、他方の電極（例えば、実施
形態におけるカソード電極２６）に当接するセパレータ
（例えば、実施形態におけるセパレータ１４）との間
に、第２シール部材（例えば、実施形態における第２シ
ール部材３０）を設けることを特徴とする。
解質膜の一方にアノード電極を設けるとともに、固体高
分子電解質膜の他方にカソード電極を設けた膜・電極構
造体を一対のセパレータ（例えば、実施形態におけるセ
パレータ１２、１４）で挟持してなる燃料電池セル（例
えば、実施形態における燃料電池セル１０）であって、
前記固体高分子電解質膜の外周部分が両側のアノード電
極及びカソード電極からはみ出した形状とし、前記アノ
ード電極またはカソード電極のいずれか一方（例えば、
実施形態におけるアノード電極２４）のみの外周端面
に、固体高分子電解質膜より平面寸法の大きい額状の第
１シール部材（例えば、実施形態における額状の第１シ
ール部材２８）を密着させて設け、当該額状の第１シー
ル部材により前記固体高分子電解質膜のはみ出した部分
の一面を覆いかつ支持し、前記額状の第１シール部材ま
たは固体高分子電解質膜と、他方の電極（例えば、実施
形態におけるカソード電極２６）に当接するセパレータ
（例えば、実施形態におけるセパレータ１４）との間
に、第２シール部材（例えば、実施形態における第２シ
ール部材３０）を設けることを特徴とする。
【０００９】請求項４に記載した発明は、前記額状の第
１シール部材は、前記固体高分子電解質膜の端面（例え
ば、実施形態における端面２３ｂ）を覆ってなることを
特徴とする。請求項５に記載した発明は、前記額状の第
１シール部材及び第２シール部材の外側であって、前記
一対のセパレータ間に第３シール部材（例えば、実施形
態における第３シール部材３２）を設けたことを特徴と
する。
１シール部材は、前記固体高分子電解質膜の端面（例え
ば、実施形態における端面２３ｂ）を覆ってなることを
特徴とする。請求項５に記載した発明は、前記額状の第
１シール部材及び第２シール部材の外側であって、前記
一対のセパレータ間に第３シール部材（例えば、実施形
態における第３シール部材３２）を設けたことを特徴と
する。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態におけ
る膜・電極構造体を図面と共に説明する。図１はこの発
明の第１実施形態における膜・電極構造体を用いた燃料
電池セルの断面図である。この燃料電池セル１０は膜・
電極構造体２とこれを挟持する第１及び第２セパレータ
１２、１４を備え、これらが複数積層されて車両用の燃
料電池スタックが構成されるのである。前記第１及び第
２セパレータ１２，１４には、それぞれの反応ガスを流
通させるための流路溝１３，１５が形成してある。本実
施形態においては、前記第１セパレータ１２の流路溝１
３には燃料ガス（水素）を、前記第２セパレータ１４の
流路溝１５には酸化剤ガス（空気）をそれぞれ流通させ
ている。
る膜・電極構造体を図面と共に説明する。図１はこの発
明の第１実施形態における膜・電極構造体を用いた燃料
電池セルの断面図である。この燃料電池セル１０は膜・
電極構造体２とこれを挟持する第１及び第２セパレータ
１２、１４を備え、これらが複数積層されて車両用の燃
料電池スタックが構成されるのである。前記第１及び第
２セパレータ１２，１４には、それぞれの反応ガスを流
通させるための流路溝１３，１５が形成してある。本実
施形態においては、前記第１セパレータ１２の流路溝１
３には燃料ガス（水素）を、前記第２セパレータ１４の
流路溝１５には酸化剤ガス（空気）をそれぞれ流通させ
ている。
【００１１】膜・電極構造体２は、固体高分子電解質膜
２２と、この固体高分子電解質膜２２を挟んで配設され
るアノード電極２４及びカソード電極２６とを有する。
前記アノード電極２４及びカソード電極２６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ガス拡散層及び第２ガス拡
散層が配設されており、これらの拡散層における前記固
体高分子電解質膜２２との対向面には、白金を主成分と
する電極触媒層が設けられている。本実施形態において
は、固体高分子電解質膜２２の材料に、ペルフルオロス
ルホン酸ポリマーを用いている。なお、固体高分子電解
質膜膜２２の材料としては、炭化水素系樹脂を主成分と
するものを用いることもできる。
２２と、この固体高分子電解質膜２２を挟んで配設され
るアノード電極２４及びカソード電極２６とを有する。
前記アノード電極２４及びカソード電極２６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ガス拡散層及び第２ガス拡
散層が配設されており、これらの拡散層における前記固
体高分子電解質膜２２との対向面には、白金を主成分と
する電極触媒層が設けられている。本実施形態において
は、固体高分子電解質膜２２の材料に、ペルフルオロス
ルホン酸ポリマーを用いている。なお、固体高分子電解
質膜膜２２の材料としては、炭化水素系樹脂を主成分と
するものを用いることもできる。
【００１２】前記固体高分子電解質膜２２の外周部分
は、前記アノード電極２４及びカソード電極２６から若
干（例えば、１〜２ｍｍ）はみ出しており、このはみ出
した部分（はみ出し部）２３の外周側に、固体高分子電
解質膜２２より平面寸法の大きい額状の第１シール部材
（額状部材）２７を一体的に設けている。前記額状部材
２８は、一対の電極２４，２６のうち、アノード電極２
４のみの外周端面に密着して一体化している。また、前
記額状部材２７は、前記固体高分子電解質膜２２のはみ
出し部２３の一面２３ａに密着し、かつ、前記固体高分
子電解質膜２２に一体化することにより、前記固体高分
子電解質膜２２を保持している。すなわち、前記額状部
材２７により前記固体高分子電解質膜２２のはみ出し部
２３の一面２３ａを覆いかつ支持している。このように
したため、前記固体高分子電解質膜２２のはみ出し部２
３の厚み方向強度を前記額状部材２７により高めること
ができ、耐久性が向上する。このため、固体高分子電解
質膜２２のアノード電極２４側とカソード電極２６側と
で供給する反応ガスの圧力が異なり、従来破損のおそれ
があった場合でも、健全な状態に保持することができ
る。
は、前記アノード電極２４及びカソード電極２６から若
干（例えば、１〜２ｍｍ）はみ出しており、このはみ出
した部分（はみ出し部）２３の外周側に、固体高分子電
解質膜２２より平面寸法の大きい額状の第１シール部材
（額状部材）２７を一体的に設けている。前記額状部材
２８は、一対の電極２４，２６のうち、アノード電極２
４のみの外周端面に密着して一体化している。また、前
記額状部材２７は、前記固体高分子電解質膜２２のはみ
出し部２３の一面２３ａに密着し、かつ、前記固体高分
子電解質膜２２に一体化することにより、前記固体高分
子電解質膜２２を保持している。すなわち、前記額状部
材２７により前記固体高分子電解質膜２２のはみ出し部
２３の一面２３ａを覆いかつ支持している。このように
したため、前記固体高分子電解質膜２２のはみ出し部２
３の厚み方向強度を前記額状部材２７により高めること
ができ、耐久性が向上する。このため、固体高分子電解
質膜２２のアノード電極２４側とカソード電極２６側と
で供給する反応ガスの圧力が異なり、従来破損のおそれ
があった場合でも、健全な状態に保持することができ
る。
【００１３】また、前記額状部材２７は、はみ出し部２
３の一面２３ａと重なって（ラップして）いるため、前
記額状部材２７と、固体高分子電解質膜２２との接合力
を高めることができる。特に、額状部材２７に密着する
電極（本実施形態においてはアノード電極２４）が薄肉
（薄い厚み）の場合にも、接合力を高く保つことができ
るため、アノード電極２４あるいはカソード電極２６を
薄肉化した膜・電極構造体２に好適に用いることができ
る。また、前記額状部材２７と前記アノード電極２４の
外周端面が密着しているため、固体高分子電解質膜２２
の一面（本実施形態においては、アノード電極２４側の
面）２３ａを全体に亘って保護することができる。一
方、カソード電極２６側のはみ出し部２３は開放されて
いるため、はみ出し部２３の水分含有率が局所的に変化
して応力が発生することを防止することができる。
３の一面２３ａと重なって（ラップして）いるため、前
記額状部材２７と、固体高分子電解質膜２２との接合力
を高めることができる。特に、額状部材２７に密着する
電極（本実施形態においてはアノード電極２４）が薄肉
（薄い厚み）の場合にも、接合力を高く保つことができ
るため、アノード電極２４あるいはカソード電極２６を
薄肉化した膜・電極構造体２に好適に用いることができ
る。また、前記額状部材２７と前記アノード電極２４の
外周端面が密着しているため、固体高分子電解質膜２２
の一面（本実施形態においては、アノード電極２４側の
面）２３ａを全体に亘って保護することができる。一
方、カソード電極２６側のはみ出し部２３は開放されて
いるため、はみ出し部２３の水分含有率が局所的に変化
して応力が発生することを防止することができる。
【００１４】本実施形態においては、前記額状部材２７
の表面と、第２シール部材３０とを密着させることで、
膜・電極構造体２を外部に対してシールしている。上記
したように、額状部材２７は、アノード電極２４の端面
と、固体高分子電解質膜２２の一面２３ａとを覆ってい
る。このため、セパレータ１２、１４間で額状部材２７
と第２シール部材３０とを密着させることで、前記アノ
ード電極２４、固体高分子電解質膜２２、カソード電極
２６は、外部に対してシールされ、各々の反応ガスが反
応面から外に漏れることを防止することができる。従っ
て、１重のシール構造で外部に対してシールすることが
できる。また、前記第１シール部材２７が額状であり、
第２シール部材３０との当接面が平坦であるため、第１
シール部材２７がリング状の場合と比べて第２シール部
材３０の配置位置の自由度が増加し、これにより燃料電
池セル１０の製造工程が容易化する。また、固体高分子
電解質膜２２のはみ出し部２３に第２シール部材３０を
当接させなくてもよく、額状部材２７に当接させてもよ
いため、固体高分子電解質膜２２の大きさをその分だけ
小さくすることができ、固体高分子電解質膜２２の高価
な材料の使用量をその分だけ減らして低コスト化を図る
ことができる。また、第２のシール部材３０は断面円形
状であるため、燃料電池セル１０形成時に厚み方向に圧
縮されて（断面楕円形状に変形して）額状部材２７との
密着度が増し、高いシール性を発揮することができる。
の表面と、第２シール部材３０とを密着させることで、
膜・電極構造体２を外部に対してシールしている。上記
したように、額状部材２７は、アノード電極２４の端面
と、固体高分子電解質膜２２の一面２３ａとを覆ってい
る。このため、セパレータ１２、１４間で額状部材２７
と第２シール部材３０とを密着させることで、前記アノ
ード電極２４、固体高分子電解質膜２２、カソード電極
２６は、外部に対してシールされ、各々の反応ガスが反
応面から外に漏れることを防止することができる。従っ
て、１重のシール構造で外部に対してシールすることが
できる。また、前記第１シール部材２７が額状であり、
第２シール部材３０との当接面が平坦であるため、第１
シール部材２７がリング状の場合と比べて第２シール部
材３０の配置位置の自由度が増加し、これにより燃料電
池セル１０の製造工程が容易化する。また、固体高分子
電解質膜２２のはみ出し部２３に第２シール部材３０を
当接させなくてもよく、額状部材２７に当接させてもよ
いため、固体高分子電解質膜２２の大きさをその分だけ
小さくすることができ、固体高分子電解質膜２２の高価
な材料の使用量をその分だけ減らして低コスト化を図る
ことができる。また、第２のシール部材３０は断面円形
状であるため、燃料電池セル１０形成時に厚み方向に圧
縮されて（断面楕円形状に変形して）額状部材２７との
密着度が増し、高いシール性を発揮することができる。
【００１５】また、本実施形態においては、前記額状部
材２７及び第２シール部材３０の外側であって、前記セ
パレータ１２、１４間に第３シール部材３２を設けて、
燃料電池セル１０を形成している。このように燃料電池
セル１０を２重にシールすることで、膜・電極構造体１
０を外部に対してより一層確実にシールすることができ
る。また、第２シール部材３０と第３シール部材３２と
は、独立した部材であり、異なる位置に設けるため、材
料や配置位置の選定自由度が増し、燃料電池セル１０の
製造が容易化する。また、多様な燃料電池セル１０の製
造が可能となる。なお、本実施形態においては、２重シ
ール構造の燃料電池セル１０について説明したが、これ
に限らず、３重またはそれ以上のシール構造としてもよ
い。また、第２シール部材３０は、額状部材２７と対向
する位置に設けることで固体高分子電解質膜２２の外部
に対するシール性が増すため好ましいが、固体高分子電
解質膜２７と対向する位置に設けてもよい。
材２７及び第２シール部材３０の外側であって、前記セ
パレータ１２、１４間に第３シール部材３２を設けて、
燃料電池セル１０を形成している。このように燃料電池
セル１０を２重にシールすることで、膜・電極構造体１
０を外部に対してより一層確実にシールすることができ
る。また、第２シール部材３０と第３シール部材３２と
は、独立した部材であり、異なる位置に設けるため、材
料や配置位置の選定自由度が増し、燃料電池セル１０の
製造が容易化する。また、多様な燃料電池セル１０の製
造が可能となる。なお、本実施形態においては、２重シ
ール構造の燃料電池セル１０について説明したが、これ
に限らず、３重またはそれ以上のシール構造としてもよ
い。また、第２シール部材３０は、額状部材２７と対向
する位置に設けることで固体高分子電解質膜２２の外部
に対するシール性が増すため好ましいが、固体高分子電
解質膜２７と対向する位置に設けてもよい。
【００１６】図２はこの発明の第２実施形態における膜
・電極構造体を用いた燃料電池セル４０の断面図であ
る。なお、以下において、第１実施形態と同一の部材に
ついては、同一番号を付してその説明を省略する。本実
施形態の膜・電極構造体２０において、額状の第１シー
ル部材（額状部材）２８は、前記固体高分子電解質膜２
２のはみ出し部２３の一面２３ａ及び端面２３ｂに密着
し、かつ、前記固体高分子電解質膜２２に一体化するこ
とにより、前記固体高分子電解質膜２２を保持してい
る。すなわち、前記額状部材２８により前記固体高分子
電解質膜２２のはみ出し部２３の一面２３ａ及び端面２
３ｂを覆いかつ支持している。このようにしたため、前
記固体高分子電解質膜２２のはみ出し部２３の厚み方向
強度と端面方向の強度を前記額状部材２８により高める
ことができ、耐久性が向上する。このため、固体高分子
電解質膜２２のアノード電極２４側とカソード電極２６
側とで供給する反応ガスの圧力が異なり、従来破損のお
それがあった場合でも、より一層健全な状態に保持する
ことができる。
・電極構造体を用いた燃料電池セル４０の断面図であ
る。なお、以下において、第１実施形態と同一の部材に
ついては、同一番号を付してその説明を省略する。本実
施形態の膜・電極構造体２０において、額状の第１シー
ル部材（額状部材）２８は、前記固体高分子電解質膜２
２のはみ出し部２３の一面２３ａ及び端面２３ｂに密着
し、かつ、前記固体高分子電解質膜２２に一体化するこ
とにより、前記固体高分子電解質膜２２を保持してい
る。すなわち、前記額状部材２８により前記固体高分子
電解質膜２２のはみ出し部２３の一面２３ａ及び端面２
３ｂを覆いかつ支持している。このようにしたため、前
記固体高分子電解質膜２２のはみ出し部２３の厚み方向
強度と端面方向の強度を前記額状部材２８により高める
ことができ、耐久性が向上する。このため、固体高分子
電解質膜２２のアノード電極２４側とカソード電極２６
側とで供給する反応ガスの圧力が異なり、従来破損のお
それがあった場合でも、より一層健全な状態に保持する
ことができる。
【００１７】図３はこの発明の第３実施形態における燃
料電池セル５０の断面図である。本実施形態において
は、燃料電池セル５０のシールを、額状部材２８と第２
シール部材３０とで行い、セパレータ４２、４４を、膜
・電極構造体２０と同一サイズとなるように形成してい
る。前記セパレータ４２，４４には、第１実施形態と同
様にそれぞれの反応ガスを流通させるための流路溝４
３，４５が形成してあり、流路溝４３には燃料ガス（水
素）を、流路溝４５には酸化剤ガス（空気）をそれぞれ
流通させている。このようにしたため、燃料電池セル５
０全体の体積を小さくしてコンパクトにすることができ
る。また、燃料電池セル５０の大きさを、前記燃料電池
セル１０、４０と同じにした場合には、膜・電極構造体
２０のサイズをその分大きくすることができ、燃料電池
５０の出力する発電量を高めることができる。
料電池セル５０の断面図である。本実施形態において
は、燃料電池セル５０のシールを、額状部材２８と第２
シール部材３０とで行い、セパレータ４２、４４を、膜
・電極構造体２０と同一サイズとなるように形成してい
る。前記セパレータ４２，４４には、第１実施形態と同
様にそれぞれの反応ガスを流通させるための流路溝４
３，４５が形成してあり、流路溝４３には燃料ガス（水
素）を、流路溝４５には酸化剤ガス（空気）をそれぞれ
流通させている。このようにしたため、燃料電池セル５
０全体の体積を小さくしてコンパクトにすることができ
る。また、燃料電池セル５０の大きさを、前記燃料電池
セル１０、４０と同じにした場合には、膜・電極構造体
２０のサイズをその分大きくすることができ、燃料電池
５０の出力する発電量を高めることができる。
【００１８】額状部材２８を電極（例えば、アノード電
極２４）の外周に成型する工程を図４及び図５を用いて
説明する。図４（ａ）は、額状部材２８の成型に使用す
る金型７０の断面図である。前記金型７０は、上型７２
と下型７４で構成され、当該上型７２と下型７４とでキ
ャビティ７５が区画されている。前記キャビティ７５の
底部は断面凸状になっており、この凸部の大きさは、前
記固体高分子電解質膜２２に対応している。また、金型
７０には、キャビティ７５に額状部材２８の材料を供給
する材料供給経路７６が設けられている。図４（ｂ）及
び図５は、額状部材２８の製造工程図である。図４
（ｂ）に示したように、キャビティ７５内の中央部にア
ノード電極２４をセットして、注入口７６から額状部材
２８の材料であるフッ素系樹脂を流し込む。そして、こ
の状態でキャビティ７５内を冷却して一定時間保持する
ことで、キャビティ７５内の樹脂が固化してアノード電
極２４の周囲に額状部材２８が成型される。
極２４）の外周に成型する工程を図４及び図５を用いて
説明する。図４（ａ）は、額状部材２８の成型に使用す
る金型７０の断面図である。前記金型７０は、上型７２
と下型７４で構成され、当該上型７２と下型７４とでキ
ャビティ７５が区画されている。前記キャビティ７５の
底部は断面凸状になっており、この凸部の大きさは、前
記固体高分子電解質膜２２に対応している。また、金型
７０には、キャビティ７５に額状部材２８の材料を供給
する材料供給経路７６が設けられている。図４（ｂ）及
び図５は、額状部材２８の製造工程図である。図４
（ｂ）に示したように、キャビティ７５内の中央部にア
ノード電極２４をセットして、注入口７６から額状部材
２８の材料であるフッ素系樹脂を流し込む。そして、こ
の状態でキャビティ７５内を冷却して一定時間保持する
ことで、キャビティ７５内の樹脂が固化してアノード電
極２４の周囲に額状部材２８が成型される。
【００１９】そして、額状部材２８が成型されたアノー
ド電極２４を、前記金型７０から取り出す。このとき、
図５（ａ）に示すように、額状部材２８にバリ８０が付
着しているので、図５（ｂ）に示したように、バリ８０
を額状部材２８から切断して、額状部材２８の製造工程
が完了する。このようにして、図７に示したように、ア
ノード電極２４の外周側に額状部材２８を一体的に成型
することができる。このように額状部材２８が成型され
たアノード電極２４と、カソード電極２６とで固体高分
子電解質膜２２を挟持することで、膜・電極構造体２０
が形成される。なお、この製造工程は、額状部材２８の
材質により異なり、額状部材２８の材質が樹脂であると
きには射出成型が好ましいが、材質がカーボンのときに
はモールド成型を、材質が金属のときには鋳造を好まし
く用いることができる。
ド電極２４を、前記金型７０から取り出す。このとき、
図５（ａ）に示すように、額状部材２８にバリ８０が付
着しているので、図５（ｂ）に示したように、バリ８０
を額状部材２８から切断して、額状部材２８の製造工程
が完了する。このようにして、図７に示したように、ア
ノード電極２４の外周側に額状部材２８を一体的に成型
することができる。このように額状部材２８が成型され
たアノード電極２４と、カソード電極２６とで固体高分
子電解質膜２２を挟持することで、膜・電極構造体２０
が形成される。なお、この製造工程は、額状部材２８の
材質により異なり、額状部材２８の材質が樹脂であると
きには射出成型が好ましいが、材質がカーボンのときに
はモールド成型を、材質が金属のときには鋳造を好まし
く用いることができる。
【００２０】また、額状部材２８を外周に設けるアノー
ド電極２４の形状は、必要に応じて変えることができ
る。図６は額状の第１シール部材を設けるアノード電極
の変形例を示す。図６（ａ）に示したように、アノード
電極２４は、端面の中央部を突出させて形成してもよ
い。このようにすると、額状部材２８とアノード電極２
４との接合力を強化することができる。また、図６
（ｂ）に示したように、アノード電極２４は略台形状に
形成してもよい。このようにすると、アノード電極２４
の必要量を低減して低コスト化を図ることができるとと
もに、接合力を強化することができる。なお、実施形態
においては、前記アノード電極２４の外周に額状部材２
８を設けたが、額状の第１シール部材２８を設ける位置
はこれに限らず、カソード電極２６の外周に設けてもよ
い。
ド電極２４の形状は、必要に応じて変えることができ
る。図６は額状の第１シール部材を設けるアノード電極
の変形例を示す。図６（ａ）に示したように、アノード
電極２４は、端面の中央部を突出させて形成してもよ
い。このようにすると、額状部材２８とアノード電極２
４との接合力を強化することができる。また、図６
（ｂ）に示したように、アノード電極２４は略台形状に
形成してもよい。このようにすると、アノード電極２４
の必要量を低減して低コスト化を図ることができるとと
もに、接合力を強化することができる。なお、実施形態
においては、前記アノード電極２４の外周に額状部材２
８を設けたが、額状の第１シール部材２８を設ける位置
はこれに限らず、カソード電極２６の外周に設けてもよ
い。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載し
た発明によれば、前記固体高分子電解質膜のはみ出した
部分の一面及び端面を前記額状の第１シール部材により
覆いかつ支持するため、固体高分子電解質膜の厚み方向
強度を高めることができ、耐久性が向上する。また、額
状の第１シール部材は、固体高分子電解質膜のはみ出し
た部分を覆っているため、固体高分子電解質膜と額状の
第１シール部材との密着力を高めることができる。請求
項２に記載した発明によれば、前記固体高分子電解質膜
のはみ出し部の厚み方向強度と端面方向の強度を前記額
状部材により高めることができ、耐久性がさらに向上す
る。請求項３に記載した発明によれば、第２のシール部
材を額状の第１シール部材または固体高分子電解質膜に
密着させることで、膜・電極構造体を外部に対してシー
ルすることができるため、シール構造が一重で済む分だ
けコンパクト化、低コスト化を図ることができる。ま
た、固体高分子電解質膜をシール部材で両側から挟み込
んで保持する必要がないため、固体高分子電解質膜のは
み出した部分を最小限度とすることができ、その分さら
に低コスト化を図ることができる。請求項４に記載した
発明によれば、前記固体高分子電解質膜の耐久性がさら
に向上するため、固体高分子電解質膜のアノード電極側
とカソード電極側とで供給する反応ガスの圧力が異な
り、従来破損のおそれがあった場合でも、より一層健全
な状態に保持することができる。請求項５に記載した発
明によれば、額状の第１シール部材と第２シール部材と
でシールされた膜・電極構造体を、さらに第３シール部
材によりシールして、２重のシール構造とすることがで
きるため、外部に対するシール性をより一層高めること
ができる。また、前記第１シール部材は額状に形成して
あるため、第２シール部材との位置合わせの自由度が増
し、位置合わせに必要な時間が短縮できる。また、第２
シール部材と第３シール部材とは、それぞれ異なる位置
に設けるため、材料や配置位置の選定の自由度が増し、
燃料電池セルの製造を容易化することができる。
た発明によれば、前記固体高分子電解質膜のはみ出した
部分の一面及び端面を前記額状の第１シール部材により
覆いかつ支持するため、固体高分子電解質膜の厚み方向
強度を高めることができ、耐久性が向上する。また、額
状の第１シール部材は、固体高分子電解質膜のはみ出し
た部分を覆っているため、固体高分子電解質膜と額状の
第１シール部材との密着力を高めることができる。請求
項２に記載した発明によれば、前記固体高分子電解質膜
のはみ出し部の厚み方向強度と端面方向の強度を前記額
状部材により高めることができ、耐久性がさらに向上す
る。請求項３に記載した発明によれば、第２のシール部
材を額状の第１シール部材または固体高分子電解質膜に
密着させることで、膜・電極構造体を外部に対してシー
ルすることができるため、シール構造が一重で済む分だ
けコンパクト化、低コスト化を図ることができる。ま
た、固体高分子電解質膜をシール部材で両側から挟み込
んで保持する必要がないため、固体高分子電解質膜のは
み出した部分を最小限度とすることができ、その分さら
に低コスト化を図ることができる。請求項４に記載した
発明によれば、前記固体高分子電解質膜の耐久性がさら
に向上するため、固体高分子電解質膜のアノード電極側
とカソード電極側とで供給する反応ガスの圧力が異な
り、従来破損のおそれがあった場合でも、より一層健全
な状態に保持することができる。請求項５に記載した発
明によれば、額状の第１シール部材と第２シール部材と
でシールされた膜・電極構造体を、さらに第３シール部
材によりシールして、２重のシール構造とすることがで
きるため、外部に対するシール性をより一層高めること
ができる。また、前記第１シール部材は額状に形成して
あるため、第２シール部材との位置合わせの自由度が増
し、位置合わせに必要な時間が短縮できる。また、第２
シール部材と第３シール部材とは、それぞれ異なる位置
に設けるため、材料や配置位置の選定の自由度が増し、
燃料電池セルの製造を容易化することができる。
【図１】 図１はこの発明の第１実施形態における膜・
電極構造体を用いた燃料電池セルの断面図である。
電極構造体を用いた燃料電池セルの断面図である。
【図２】 図２はこの発明の第２実施形態における膜・
電極構造体を用いた燃料電池セルの断面図である。
電極構造体を用いた燃料電池セルの断面図である。
【図３】 図３はこの発明の第３実施形態における膜・
電極構造体を用いた燃料電池セルの断面図である。
電極構造体を用いた燃料電池セルの断面図である。
【図４】 図４はこの発明の実施形態における額状の第
１シール部材の製造に用いる金型の断面図及び額状の第
１シール部材の製造工程図である。
１シール部材の製造に用いる金型の断面図及び額状の第
１シール部材の製造工程図である。
【図５】 図５はこの発明の実施形態における額状の第
１シール部材の製造工程図である。
１シール部材の製造工程図である。
【図６】 図６はこの発明の実施形態におけるアノード
電極及び額状の第１シール部材の変形例を示す断面図で
ある。
電極及び額状の第１シール部材の変形例を示す断面図で
ある。
【図７】 図７はこの発明の実施形態におけるアノード
電極及び額状の第１シール部材を示す平面図である。
電極及び額状の第１シール部材を示す平面図である。
１０ 燃料電池セル
１２ セパレータ
１４ セパレータ
２０ 膜・電極構造体
２２ 固体高分子電解質膜
２４ アノード電極
２６ カソード電極
２８ 額状の第１シール部材（額状部材）
３０ 第２シール部材
３２ 第３シール部材
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 西山 忠志
埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会
社本田技術研究所内
Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB01 CX08 EE18
Claims (5)
- 【請求項１】 固体高分子電解質膜の一方にアノード電
極を設けるとともに、固体高分子電解質膜の他方にカソ
ード電極を設けた膜・電極構造体であって、 前記固体高分子電解質膜の外周部分が両側のアノード電
極及びカソード電極からはみ出した形状とし、 前記アノード電極またはカソード電極のいずれか一方の
みの外周端面に、固体高分子電解質膜より平面寸法の大
きい額状の第１シール部材を密着させて設け、前記固体
高分子電解質膜のはみ出した部分の一面を前記額状の第
１シール部材により、覆いかつ支持したことを特徴とす
る膜・電極構造体。 - 【請求項２】 前記額状の第１シール部材は、前記固体
高分子電解質膜の端面を覆ってなることを特徴とする請
求項１に記載の膜・電極構造体。 - 【請求項３】 固体高分子電解質膜の一方にアノード電
極を設けるとともに、固体高分子電解質膜の他方にカソ
ード電極を設けた膜・電極構造体を一対のセパレータで
挟持してなる燃料電池セルであって、 前記固体高分子電解質膜の外周部分が両側のアノード電
極及びカソード電極からはみ出した形状とし、 前記アノード電極またはカソード電極のいずれか一方の
みの外周端面に、固体高分子電解質膜より平面寸法の大
きい額状の第１シール部材を密着させて設け、当該額状
の第１シール部材により前記固体高分子電解質膜のはみ
出した部分の一面を覆いかつ支持し、 前記額状の第１シール部材または固体高分子電解質膜
と、他方の電極に当接するセパレータとの間に、第２シ
ール部材を設けることを特徴とする燃料電池セル。 - 【請求項４】 前記額状の第１シール部材は、前記固体
高分子電解質膜の端面を覆ってなることを特徴とする請
求項３に記載の燃料電池セル。 - 【請求項５】 前記額状の第１シール部材及び第２シー
ル部材の外側であって、前記一対のセパレータ間に第３
シール部材を設けたことを特徴とする請求項３または４
に記載の燃料電池セル。
Priority Applications (5)
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|---|---|---|---|
| JP2001209831A JP4316164B2 (ja) | 2001-07-10 | 2001-07-10 | 膜・電極構造体及び燃料電池セル |
| CA002392622A CA2392622C (en) | 2001-07-10 | 2002-07-05 | Membrane electrode assembly and fuel cell unit |
| DE60220595T DE60220595T2 (de) | 2001-07-10 | 2002-07-05 | Membranelektrodenanordnung und Brennstoffzelleneinheit |
| EP02015106A EP1276164B1 (en) | 2001-07-10 | 2002-07-05 | Membrane electrode assembly and fuel cell unit |
| US10/191,007 US7056614B2 (en) | 2001-07-10 | 2002-07-08 | Membrane electrode assembly and fuel cell unit |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001209831A JP4316164B2 (ja) | 2001-07-10 | 2001-07-10 | 膜・電極構造体及び燃料電池セル |
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|---|---|
| JP2003031237A true JP2003031237A (ja) | 2003-01-31 |
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ID=19045432
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|---|---|---|---|
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