JP2006216424A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池において、気体の漏洩を抑制しつつ、発電性能の低下を抑制することを可能とする。
【解決手段】 燃料電池は、電解質層と電解質層の両面に配置されたガス拡散電極層とを有する発電体と、発電体の両面に配置されたセパレータとを備える。また燃料電池は、外部への気体の漏洩と、電解質層の両面のガス拡散電極層間における気体の流通とを抑制するために、発電体の端面の少なくとも一部に当接するように配置されたガスケットを備える。発電体は、ガスケットと結合されている端部である結合部と、結合部よりも内側に位置しセパレータと直接接している部分である稼働部とを含んでいる。発電体の稼働部がセパレータから受ける面圧の値が、発電体の結合部がセパレータから受ける面圧の値以上となるように、発電体とセパレータとの形状が設定されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に発電性能の低下を抑制可能な燃料電池に関する。

水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、一般的に、電解質層の一方の表面にカソード電極層が配置され他方の表面にアノード電極層が配置された発電体と、セパレータとを交互に積層することによって構成されている。カソード電極層にはセパレータを介して酸素を含む空気が供給され、アノード電極層にはセパレータを介して水素を含む燃料ガスが供給される。

燃料電池において、カソード電極層およびアノード電極層に供給された空気および燃料ガスの漏洩を防止するためのシール部材として、発電体にガスケットを設けることがある（例えば特許文献１）。

特開２００１−１５５７４５号公報 特開平６−３２５７７７号公報 特開平６−１８８００２号公報

発電体にガスケットを設ける場合、発電体のガスケットとの結合部分では、厚みが増加したり、ヤング率が増加したりすることがある。そのため、発電体とセパレータとを交互に積層して燃料電池を形成すると、発電体のガスケットとの結合部分にセパレータからの圧力が集中し、主に発電を行う発電体の部分におけるセパレータからの圧力が低下するため、接触抵抗が増大し、燃料電池の発電性能が低下するという問題があった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、気体の漏洩を抑制しつつ、発電性能の低下を抑制することを可能とする技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、電解質層と、前記電解質層の両面に配置されたガス拡散電極層と、を有する発電体と、
前記発電体の両面に配置されたセパレータと、
前記燃料電池の内部から外部への気体の漏洩と、前記発電体の電解質層の両面のガス拡散電極層間における気体の流通とを抑制するために、前記発電体の端面の少なくとも一部に当接するように配置されたガスケットと、を備え、
前記発電体は、前記ガスケットと結合されている端部である結合部と、前記結合部よりも内側に位置し前記セパレータと直接接している部分である稼働部と、を含み、
前記発電体の稼働部が前記セパレータから受ける面圧の値が、前記発電体の結合部が前記セパレータから受ける面圧の値以上となるように、前記発電体と前記セパレータとの形状が設定されている。

この燃料電池では、ガスケットによって気体の漏洩を抑制することができる。また、発電体の稼働部がセパレータから受ける面圧の値が、発電体の結合部がセパレータから受ける面圧の値以上となるため、主に発電を行う稼働部における接触抵抗の増大を抑制し、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。

上記燃料電池において、前記セパレータは、前記発電体に対向する表面が平坦な形状であり、
前記発電体の稼働部における厚さは、前記発電体の結合部の位置における前記発電体と前記ガスケットとを合わせた厚さ以上となっているとしてもよい。

この構成によれば、発電体に対向する表面が平坦な形状のセパレータを用いたときに、発電体の稼働部がセパレータから受ける面圧の値が、発電体の結合部がセパレータから受ける面圧の値以上となり、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。また、発電体の稼働部がセパレータから受ける面圧を平面方向に沿って均等にすることができ、燃料電池の発電性能のさらなる向上を図ることができると共に、荷重が集中することによる発電体の耐久性の低下を抑制することができる。また、セパレータの製造の容易化・低コスト化を図ることができる。

また、上記燃料電池において、前記発電体のガス拡散電極層は、前記稼働部における厚さが前記結合部における厚さよりも大きくなるように、段差が外周に沿って形成された断面形状を有するとしてもよい。

この構成によれば、発電体の稼働部における厚さを、発電体の結合部の位置における発電体とガスケットとを合わせた厚さ以上とすることができる。

また、上記燃料電池において、前記発電体のガス拡散電極層は、一方の表面が前記電解質層に接する第１の層と、前記第１の層の他方の表面に重ねて配置された第２の層と、を含み、
前記発電体のガス拡散電極層は、前記結合部においては前記第１の層により構成され、前記稼働部においては前記第１の層と前記第２の層とにより構成されるとしてもよい。

この構成によれば、容易に、発電体の稼働部における厚さが、発電体の結合部の位置における発電体とガスケットとを合わせた厚さ以上となる発電体を製造することができる。

また、上記燃料電池において、前記発電体のガス拡散電極層は、前記稼働部における厚さが前記結合部における厚さよりも大きくなるように、傾斜が外周に沿って形成された断面形状を有するとしてもよい。

この構成によっても、発電体の稼働部における厚さを、発電体の結合部の位置における発電体とガスケットとを合わせた厚さ以上とすることができる。

また、上記燃料電池において、前記セパレータは、前記ガス拡散電極層に気体を供給するための供給口と、前記ガス拡散電極層から気体を排出するための排出口とを有し、
少なくとも前記供給口と前記排出口との内の一方は、前記発電体の稼働部に対向する前記セパレータの部分よりも外側の部分に配置されていると共に、前記ガス拡散電極層の端面の少なくとも一部に面する空間に面しているとしてもよい。

この構成によれば、気体の供給および排出において、空間内で気体の向きを積層方向から平面方向へと変えることができ、圧力損失を低減することができる。また、面内発電量の不均一を低減することができると共に、表面に気体を流通させるための溝が無い平坦な形状のセパレータを用いても、気体を平面方向に満遍なく供給することが容易となる。さらに、ガス拡散電極層とセパレータとの接触面積を大きくとることができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

また、上記燃料電池において、前記発電体は、前記結合部と前記稼働部との間に、前記稼働部よりも厚さの小さい中間部を有し、
少なくとも前記供給口と前記排出口との内の一方は、前記中間部に対向する前記セパレータの部分に配置されているとしてもよい。

この構成によれば、発電体の稼働部における厚さと発電体の結合部の位置における発電体とガスケットとを合わせた厚さとの関係に関わらず、供給口および排出口を発電体の稼働部に対向するセパレータの部分よりも外側の部分に配置することができる。

また、上記燃料電池において、前記ガスケットは、前記発電体の電解質層の最外周端面と、前記発電体の電解質層の両側のガス拡散電極層の最外周端面とを覆うように、一体として形成されているとしてもよい。

この構成によれば、気体の漏洩を確実に抑制することができると共に、ガスケットの形成の容易化を図ることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池の発電体、燃料電池のガス拡散電極層等の態様で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．その他の変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池の構成を概略的に示す説明図である。また、図２は、本発明の第１実施例としての燃料電池に用いられるセパレータの平面を概略的に示す説明図である。図１（ａ）は、図２のＡ−Ａ切断面に沿った燃料電池１０の断面構成を表しており、図１（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ切断面に沿った燃料電池１０の断面構成を表している。燃料電池１０は、発電体１００とセパレータ２００とが交互に積層された構成を有している。なお、図１（ａ）および（ｂ）では、燃料電池１０に含まれる発電体１００およびセパレータ２００の内の一部（単セル）を抜き出して示しており、他の発電体１００およびセパレータ２００は図示を省略している。

発電体１００は、プロトン伝導性を有する電解質層１２０と、電解質層１２０を両面から挟むように配置されたアノード側ガス拡散電極層１１０およびカソード側ガス拡散電極層１３０とを有している。アノード側ガス拡散電極層１１０およびカソード側ガス拡散電極層１３０は、例えば金属多孔体によって形成されており、内部における気体の流通が容易となっている。なお以下の説明では、アノード側ガス拡散電極層１１０を単に「アノード電極層１１０」とも呼ぶものとし、カソード側ガス拡散電極層１３０を単に「カソード電極層１３０」とも呼ぶものとする。また、発電体１００は、一般的に、膜・電極接合体またはＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と呼ばれることがある。

セパレータ２００は、金属板を３層積層した構造であり、発電体１００に対向する表面は平坦な形状となっている。セパレータ２００には、水素リッチな燃料ガスが流通する流路が形成されている。すなわち、セパレータ２００の表面には、燃料ガスを供給する燃料供給路３１０（図１（ａ））が貫通する貫通口２１２と、燃料ガスを排出する燃料排出路３２０（図１（ｂ））が貫通する貫通口２２２とが形成されている。また、セパレータ２００の内部には、燃料ガスを燃料供給路３１０からセパレータ２００の内部へと導くための燃料流路２１４（図１（ａ））と、燃料ガスをセパレータ２００の内部から燃料排出路３２０へと導くための燃料流路２２４（図１（ｂ））とが形成されている。さらに、セパレータ２００の一方の表面には、燃料流路２１４および２２４と発電体１００のアノード側（図１（ａ）および（ｂ）の上側）とをそれぞれ連通する燃料供給口２１６（図１（ａ））および燃料排出口２２６（図１（ｂ））が形成されている。図１（ａ）および（ｂ）に矢印で示したように、燃料供給路３１０に供給された燃料ガスは、燃料流路２１４、燃料供給口２１６を経てアノード電極層１１０に供給され、アノード電極層１１０の内部を通過し、燃料排出口２２６、燃料流路２２４を経て燃料排出路３２０に排出される。

同様に、セパレータ２００には、酸化ガスとしての空気が流通する流路が形成されている。すなわち、セパレータ２００の表面には、空気供給路３３０（図１（ａ））が貫通する貫通口２３２と、空気排出路３４０（図１（ｂ））が貫通する貫通口２４２とが形成され、セパレータ２００の内部には、空気を空気供給路３３０から内部へと導くための空気流路２３４（図１（ａ））と、空気を空気排出路３４０へと導くための空気流路２４４（図１（ｂ））とが形成され、セパレータ２００の燃料供給口２１６が形成された表面とは異なる他方の表面には、空気流路２３４および２４４と発電体１００のカソード側（図１（ａ）および（ｂ）の下側）とをそれぞれ連通する空気供給口２３６（図１（ａ））および空気排出口２４６（図１（ｂ））が形成されている。空気供給路３３０に供給された空気は、空気流路２３４、空気供給口２３６を経てカソード電極層１３０に供給され、カソード電極層１３０の内部を通過し、空気排出口２４６、空気流路２４４を経て空気排出路３４０に排出される。

さらに、セパレータ２００には、冷却用の水が流通する流路が形成されている。すなわち、セパレータ２００の表面には、冷却水を供給する図示しない冷却水供給路が貫通する貫通口２５２（図２）と、冷却水を排出する図示しない冷却水排出路が貫通する貫通口２６２（図２）とが形成されている。また、セパレータ２００の内部には、２つの貫通口２５２および２６２を連通する冷却水流路２５４が形成されている。冷却水供給路に供給された冷却水は、冷却水流路２５４を流通し、冷却水排出路に排出される。

発電体１００の端部には、発電体１００の最外周の端面に当接するようにガスケット４００（図１）が設けられている。ガスケット４００は、発電体１００に供給された燃料ガスおよび空気の外部への漏洩を抑制するとともに、発電体１００の端面を介したアノード電極層１１０とカソード電極層１３０との間における燃料ガスおよび空気の流通（いわゆるクロスリーク）を抑制するために設けられている。ガスケット４００の詳細な構造については、後述する。

図３は、本発明の第１実施例の燃料電池の断面構成を詳細に示す説明図である。図３では、図１（ａ）のＸ部を拡大して示している。上述したように、発電体１００の端部にはガスケット４００が設けられている。ガスケット４００は、例えばゴムを用いた射出成形により形成される。ガスケット４００は、発電体１００の電解質層１２０の最外周端面と、発電体１００のアノード電極層１１０およびカソード電極層１３０の最外周端面とを覆うように、一体として形成されている。また、ガスケット４００は、アノード電極層１１０およびカソード電極層１３０の最外周端面よりも外側に位置する凸型形状のリップ部４１０をアノード側（図３の上側）とカソード側（図３の下側）との両側に有している。ガスケット４００の形成の際には、ガスケット４００を形成するゴム材料を発電体１００の内部に含浸させ、いわゆるアンカー効果によりガスケット４００と発電体１００とを結合する。図３では、発電体１００の内部に含浸したゴム材料を、ガスケット４００を示すハッチングと同じハッチングを付して示している。なお、本実施例では、ゴム材料を発電体１００の内部に良好に含浸させるために、発電体１００の端面に向けてのみならず、発電体１００の端部表面に向けても射出を行っており、そのためガスケット４００は発電体１００の端部表面を覆う被覆部４２０を有する形状となっている。

ガスケット４００のリップ部４１０の位置における厚さは、発電体１００の最大厚さよりも大きくなっている。そのため、発電体１００とセパレータ２００とを積層したときには、ガスケット４００のリップ部４１０がセパレータ２００により圧縮されてセパレータ２００の表面に密着する。従って、燃料電池１０内部から外部への燃料ガスおよび空気の漏洩が抑制される。また、ガスケット４００がアノード電極層１１０およびカソード電極層１３０の最外周端面を覆っている上に、発電体１００の端部の内部にゴム材料が含浸しているため、クロスリークが抑制される。このように、本実施例の燃料電池１０では、ガスケット４００によって、燃料ガスや空気等の気体の漏洩が抑制される。

アノード電極層１１０は、電解質層１２０に接する第１のアノード層１１２と、第１のアノード層１１２の電解質層１２０側とは反対側の表面に重ねて配置された第２のアノード層１１４とから構成されている。同様に、カソード電極層１３０は、電解質層１２０に接する第１のカソード層１３２と、第１のカソード層１３２の電解質層１２０側とは反対側の表面に重ねて配置された第２のカソード層１３４とから構成されている。そして、第１のアノード層１１２と第１のカソード層１３２とは、電解質層１２０と共に、発電体１００の最外周端面に至るまで配置されている。一方、第２のアノード層１１４と第２のカソード層１３４とは、発電体１００の最外周端面よりも内側までしか配置されていない。

ここで、本明細書では、発電体１００の内、ガスケット４００と結合されている端部の部分を「結合部」と呼ぶものとする。なお、発電体１００の内、ガスケット４００と結合されている端部の部分とは、少なくとも内部にゴム材料が含浸しているか、表面が被覆部４２０により覆われているかしている部分を意味している。また、結合部よりも内側に位置し、セパレータ２００と直接接している部分を「稼働部」と呼び、残りの部分を「中間部」と呼ぶものとする。すなわち、発電体１００の稼働部は、主に発電を行う部分である。図３に示すように、本実施例では、発電体１００の稼働部は、第２のアノード層１１４および第２のカソード層１３４が配置されている部分となる。また、発電体１００の結合部および中間部は、第２のアノード層１１４および第２のカソード層１３４が配置されていない部分となる。

本実施例では、発電体１００の稼働部における厚さＴｒが、発電体１００の結合部の位置における発電体１００とガスケット４００（被覆部４２０）とを合わせた厚さＴｃよりも大きくなるように、発電体１００の各層の厚さやガスケット４００の形状が設定されている。また、発電体１００の稼働部における厚さＴｒは、中間部における厚さよりも、第２のアノード層１１４および第２のカソード層１３４の分だけ大きい。そのため、発電体１００とセパレータ２００とを積層したときに、発電体１００の稼働部がセパレータ２００から受ける面圧の値は、発電体１００の結合部がセパレータ２００から受ける面圧の値（本実施例ではゼロ）以上となっている。なお、発電体１００の結合部がセパレータ２００から受ける面圧は、ガスケット４００を仲介して受ける面圧を含むものとする。また、発電体１００の稼働部および結合部の面圧の値とは、発電体１００の稼働部および結合部のそれぞれにおける平均値とする。

図４は、比較例としての燃料電池の断面構成を詳細に示す説明図である。比較例の燃料電池１０ａが図３に示した第１実施例の燃料電池１０と異なっている点は、比較例の燃料電池１０ａのアノード電極層１１０ａおよびカソード電極層１３０ａが全面的に単一の層によって構成されている点である。そのため、発電体１００ａの厚さＴｒは、全面にわたって一定の厚さとなっている。ここで、比較例においても第１実施例と同様に、発電体１００ａの内、ガスケット４００と結合されている部分を「結合部」と呼び、その他の部分であって主に発電を行う部分を「稼働部」と呼ぶものとする。このとき、結合部の位置における発電体１００ａとガスケット４００（被覆部４２０）とを合わせた厚さＴｃは、被覆部４２０の分だけ発電体１００ａの厚さＴｒよりも大きくなる。また、発電体１００ａの結合部は、内部にゴム材料が含浸しているため、稼働部よりもヤング率が大きくなっている。従って、発電体１００ａとセパレータ２００とを積層したときに、発電体１００ａの稼働部は、セパレータ２００と接することなくセパレータ２００から受ける面圧の値がゼロとなる。あるいは、発電体１００ａの稼働部がセパレータ２００と接するとしても、セパレータ２００から受ける面圧の値は、結合部がセパレータ２００から受ける面圧の値より小さくなる。このように、発電体１００ａの稼働部における面圧が十分でないと、接触抵抗が増大し、燃料電池１０ａの発電性能が低下してしまう。なお、比較例において、ガスケット４００が被覆部４２０を有さない形状に形成されていたとしても、発電体１００ａの結合部におけるヤング率の増加によって結合部に荷重が集中し、同様に発電体１００ａの稼働部における面圧は十分ではなくなる。

これに対し、図３に示した第１実施例の燃料電池１０では、上述したように、発電体１００の稼働部がセパレータ２００から受ける面圧の値は、発電体１００の結合部がセパレータ２００から受ける面圧の値以上となっている。そのため、稼働部における接触抵抗の増大を抑制し、燃料電池１０の発電性能の低下を抑制することができる。このように、本実施例の燃料電池１０では、ガスケット４００によって気体の漏洩を抑制しつつ、発電性能の低下を抑制することができる。なお、本実施例の燃料電池１０では、アノード電極層１１０およびカソード電極層１３０とセパレータ２００とを、共に金属を用いて形成しているため、接触抵抗を良好に低減し、発電性能の低下を良好に抑制することができる。

また、第１実施例の燃料電池１０では、発電体１００の各部における厚さの設定を、アノード電極層１１０およびカソード電極層１３０を２層構造にすることによって行うことができる。具体的には、例えば、厚さ一定の２枚のアノード層（カソード層）を異なる大きさに加工し、それらを積層してアノード電極層１１０（カソード電極層１３０）を形成することにより、発電体１００の各部における厚さの設定を行うことができる。そのため、発電性能の低下を抑制した燃料電池１０を容易に製造することができる。

また、第１実施例の燃料電池１０では、セパレータ２００の発電体１００に対向する表面が平坦な形状となっているため、発電体１００の稼働部がセパレータ２００から受ける面圧を平面方向に沿って均等にすることができる。そのため、燃料電池１０の発電性能のさらなる向上を図ることができると共に、荷重が集中することによる発電体１００の耐久性の低下を抑制することができる。また、セパレータ２００を、金属板を３層積層することによって製造することができ、セパレータ２００の製造の容易化・低コスト化を図ることができる。

さらに、第１実施例の燃料電池１０では、図３に示すように、燃料供給口２１６が、発電体１００の稼働部に対向するセパレータ２００の部分よりも外側（図３の左側）で、かつガスケット４００のリップ部４１０に接しているセパレータ２００の部分よりも内側（図３の右側）の部分に配置されている。より具体的には、燃料供給口２１６は、発電体１００の中間部に対向するセパレータ２００の部分に配置されている。また、燃料供給口２１６は、アノード電極層１１０の端面の少なくとも一部に面する空間（以下「アノード電極端面当接空間」と呼ぶ）に面している。そのため、セパレータ２００の燃料流路２１４内の燃料ガスは、燃料供給口２１６を通って、発電体１００およびガスケット４００とセパレータ２００との間に形成されたアノード電極端面当接空間内に供給される。燃料ガスは、その後、アノード電極端面当接空間内において積層方向（図３の上下方向）から平面方向（図３の左右方向および奥行方向）へと向きを変え、第２のアノード層１１４の端面からアノード電極層１１０の内部に供給される。アノード電極層１１０の内部に供給された燃料ガスは、アノード電極層１１０の内部を平面方向に流通しつつ電解質層１２０に供給される。これに対し、図４に示した比較例の燃料電池１０ａでは、燃料ガスは、燃料供給口２１６を通ってアノード電極層１１０ａの表面から直接アノード電極層１１０ａ内部に供給される。その後、燃料ガスは、アノード電極層１１０ａ内部において積層方向から平面方向へと向きを変え、アノード電極層１１０ａの内部を流通しつつ電解質層１２０に供給される。

このように、第１実施例の燃料電池１０では、アノード電極端面当接空間内で燃料ガスの向きを変えることができるため、アノード電極層１１０ａ内部で燃料ガスの向きを変える比較例の燃料電池１０ａと比較して、圧力損失を低減することができる。また、第１実施例の燃料電池１０では、燃料ガスの向きをより効果的に平面方向へと変えることができるため、燃料供給口２１６近辺の電解質層１２０に燃料ガスが集中して供給されることによって起こる面内発電量の不均一を低減することができる。また、第１実施例の燃料電池１０のように、表面にガスを流通させるための溝が無い平坦な形状のセパレータ２００を用いても、燃料ガスを平面方向に満遍なく供給することが容易となる。さらに、第１実施例の燃料電池１０では、発電体１００の稼働部に対向するセパレータ２００の部分に燃料供給口２１６を設ける必要が無いため、アノード電極層１１０とセパレータ２００との接触面積を大きくとることができ、発電効率を向上させることができる。

なお、詳細には図示していないが、燃料排出口２２６、空気供給口２３６、空気排出口２４６（図１（ａ）および（ｂ））も同様に、発電体１００の中間部に対向するセパレータ２００の部分に配置されていると共に、アノード電極層１１０またはカソード電極層１３０の端面の少なくとも一部に面する空間に面している。従って、本実施例の燃料電池１０では、燃料ガスおよび空気の供給および排出において、空間内で燃料ガスまたは空気の向きを積層方向から平面方向へと変えることができ、圧力損失を低減することができる。また、面内発電量の不均一を低減することができると共に、表面に燃料ガスまたは空気を流通させるための溝が無い平坦な形状のセパレータ２００を用いても、燃料ガスまたは空気を平面方向に満遍なく供給することが容易となる。さらに、アノード電極層１１０またはカソード電極層１３０とセパレータ２００との接触面積を大きくとることができ、発電効率を向上させることができる。

図５は、第１実施例の第１の変形例としての燃料電池の断面構成を詳細に示す説明図である。図３に示した第１実施例と異なっている点は、第１実施例の第１の変形例の燃料電池１０ｂでは、発電体１００ｂの稼働部における厚さＴｒが、結合部の位置における発電体１００ｂとガスケット４００（被覆部４２０）とを合わせた厚さＴｃと同じとなっている点である。第１実施例の第１の変形例の燃料電池１０ｂにおいては、発電体１００ｂの稼働部がセパレータ２００から受ける面圧の値は、発電体１００ｂの結合部がセパレータ２００から受ける面圧の値と略同一となる。そのため、第１実施例の第１の変形例の燃料電池１０ｂにおいても、燃料電池１０ｂの発電性能の低下を抑制することができる。すなわち、燃料電池の発電性能の低下を抑制するためには、発電体１００の稼働部における厚さＴｒが、発電体１００の結合部の位置における発電体１００とガスケット４００とを合わせた厚さＴｃ以上となっていればよい。

図６は、第１実施例の第２の変形例としての燃料電池の断面構成を詳細に示す説明図である。図３に示した第１実施例と異なっている点は、第１実施例の第２の変形例の燃料電池１０ｃでは、発電体１００ｃが稼働部および結合部のみを有し、中間部が無い点である。すなわち、第１実施例の第２の変形例の燃料電池１０ｃでは、第２のアノード層１１４ｃおよび第２のカソード層１３４ｃが、結合部の直前まで配置されている。第１実施例の第２の変形例の燃料電池１０ｃにおいても、発電体１００ｃの稼働部がセパレータ２００から受ける面圧の値は、発電体１００ｃの結合部がセパレータ２００から受ける面圧の値よりも大きくなり、燃料電池１０ｃの発電性能の低下を抑制することができる。また、第１実施例の第２の変形例では、発電体１００ｃの稼働部を広くとることができるため、燃料電池の出力密度を向上させることができる。また、第１実施例の第２の変形例でも、燃料供給口２１６、燃料排出口２２６、空気供給口２３６、空気排出口２４６（以下これらをまとめて「各供給排出口」とも呼ぶ）は、発電体１００ｃの稼働部に対向するセパレータ２００の部分よりも外側で、かつガスケット４００のリップ部４１０に接しているセパレータ２００の部分よりも内側の部分に配置されていると共に、アノード電極層１１０またはカソード電極層１３０の端面の少なくとも一部に面する空間に面している。そのため、図３に示す第１実施例と同様に、空間内で燃料ガスまたは空気の向きを積層方向から平面方向へと変えることができ、圧力損失を低減することができる。また、面内発電量の不均一を低減することができると共に、表面に燃料ガスまたは空気を流通させるための溝が無い平坦な形状のセパレータ２００を用いても、燃料ガスまたは空気を平面方向に満遍なく供給することが容易となる。さらに、アノード電極層１１０またはカソード電極層１３０とセパレータ２００との接触面積を大きくとることができ、発電効率を向上させることができる。

なお、図６に示した第１実施例の第２の変形例において、図５に示した第１実施例の第１の変形例のように、発電体１００の稼働部における厚さＴｒが、結合部の位置における発電体１００とガスケット４００とを合わせた厚さＴｃと同じであるとすると、各供給排出口を発電体１００ｃの稼働部に対向するセパレータ２００の部分に配置せざるを得なくなる。すなわち、各供給排出口を発電体１００ｃの稼働部に対向するセパレータ２００の部分よりも外側の部分に配置することができなくなる。これに対し、図３に示した第１実施例では、発電体１００が中間部を有するため、厚さＴｒと厚さＴｃとの関係に関わらず各供給排出口を発電体１００の稼働部に対向するセパレータ２００の部分よりも外側の部分に配置することができる。

Ｂ．第２実施例：
図７は、本発明の第２実施例としての燃料電池の断面構成を詳細に示す説明図である。図３に示した第１実施例と異なっている点は、第２実施例の燃料電池１０ｄでは、アノード電極層１１０ｄおよびカソード電極層１３０ｄが、単一の層で構成されている点である。第２実施例の燃料電池１０ｄでは、アノード電極層１１０ｄおよびカソード電極層１３０ｄの断面の外形は、第１実施例における断面の外形と略同一となっている。すなわち、発電体１００ｄの稼働部における厚さＴｒが結合部における厚さよりも大きくなるように、段差がアノード電極層１１０ｄおよびカソード電極層１３０ｄの外周に沿って形成されている。また、発電体１００ｄの稼働部における厚さＴｒが、結合部の位置における発電体１００ｄとガスケット４００とを合わせた厚さＴｃ以上となっている。

第２実施例の燃料電池１０ｄにおいても、第１実施例と同様に、発電体１００ｄの稼働部がセパレータ２００から受ける面圧の値は、発電体１００ｄの結合部がセパレータ２００から受ける面圧の値以上となるため、燃料電池１０ｄの発電性能の低下を抑制することができる。

図８は、第２実施例の変形例としての燃料電池の断面構成を詳細に示す説明図である。図７に示した第２実施例と異なっている点は、第２実施例の変形例の燃料電池１０ｅでは、第２実施例における段差の代わりに傾斜が形成されている点である。この傾斜は、発電体１００ｅの稼働部における厚さＴｒが結合部における厚さよりも大きくなるように、アノード電極層１１０ｅおよびカソード電極層１３０ｅの外周に沿って形成されている。そして、発電体１００ｅの稼働部における厚さＴｒが、結合部の位置における発電体１００ｅとガスケット４００とを合わせた厚さＴｃ以上となっている。

第２実施例の変形例の燃料電池１０ｅにおいても、発電体１００ｅの稼働部がセパレータ２００から受ける面圧の値は、発電体１００ｅの結合部がセパレータ２００から受ける面圧の値以上となるため、第２実施例と同様に、燃料電池１０ｅの発電性能の低下を抑制することができる。

Ｃ．その他の変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ−１．その他の変形例１：
上記第１実施例では、アノード電極層１１０およびカソード電極層１３０は、第１の層と第２の層との２層によって構成されるとしているが、アノード電極層１１０およびカソード電極層１３０は３つ以上の層によって構成されるとしてもよい。また、上記第２実施例では、アノード電極層１１０およびカソード電極層１３０の断面形状は、１段の段差を有する形状としているが、２段以上の段差を有する形状としてもよい。また、上記第２実施例の変形例では、アノード電極層１１０およびカソード電極層１３０の断面形状は、直線状の傾斜を有する形状としているが、曲線状の傾斜を有する形状としてもよい。また、アノード電極層１１０およびカソード電極層１３０の断面形状は、段差と傾斜とを有する形状としてもよい。

Ｃ−２．その他の変形例２：
上記各実施例では、発電体１００のアノード電極層１１０、電解質層１２０およびカソード電極層１３０の端面は、同一の平面上に位置している、すなわち発電体１００の端面が１つの平面によって形成されているが、必ずしもそうである必要は無い。発電体１００のアノード電極層１１０、電解質層１２０およびカソード電極層１３０の端面は、それぞれずれた位置にあってもよい、すなわち発電体１００の端面が複数の平面によって形成されていてもよい。

Ｃ−３．その他の変形例３：
上記各実施例では、アノード電極層１１０およびカソード電極層１３０を、金属多孔体を用いて形成するとしているが、例えばカーボン多孔体といった他の材料を用いて形成することも可能である。また、上記第１実施例において、第１のアノード層１１２（または第１のカソード層１３２）と第２のアノード層１１４（または第２のカソード層１３４）とを異なる材料を用いて形成することも可能である。

Ｃ−４．その他の変形例４：
上記各実施例では、セパレータ２００は３層の金属板を積層した構成であり、その形状は表面が平坦な形状であるとしているが、セパレータ２００の構成は他の任意の構成とすることが可能であり、またセパレータ２００の形状は他の任意の形状とすることが可能である。また、上記各実施例では、セパレータ２００を金属を用いて形成するとしているが、例えばカーボンといった他の材料を用いることも可能である。

Ｃ−５．その他の変形例５：
上記各実施例では、燃料電池１０は、発電体１００とセパレータ２００とが交互に積層された構成を有しているとしているが、燃料電池１０を発電体１００とその両側に配置したセパレータ２００とによって構成（すなわち単セルとして構成）することも可能である。

本発明の第１実施例としての燃料電池の構成を概略的に示す説明図。 本発明の第１実施例としての燃料電池に用いられるセパレータの平面を概略的に示す説明図。 本発明の第１実施例の燃料電池の断面構成を詳細に示す説明図。 比較例としての燃料電池の断面構成を詳細に示す説明図。 第１実施例の第１の変形例としての燃料電池の断面構成を詳細に示す説明図。 第１実施例の第２の変形例としての燃料電池の断面構成を詳細に示す説明図。 本発明の第２実施例としての燃料電池の断面構成を詳細に示す説明図。 第２実施例の変形例としての燃料電池の断面構成を詳細に示す説明図。

符号の説明

１０...燃料電池
１００...発電体
１１０...アノード側ガス拡散電極層
１１２...第１のアノード層
１１４...第２のアノード層
１２０...電解質層
１３０...カソード側ガス拡散電極層
１３２...第１のカソード層
１３４...第２のカソード層
２００...セパレータ
２１２...貫通口
２１４...燃料流路
２１６...燃料供給口
２２２...貫通口
２２４...燃料流路
２２６...燃料排出口
２３２...貫通口
２３４...空気流路
２３６...空気供給口
２４２...貫通口
２４４...空気流路
２４６...空気排出口
２５２...貫通口
２５４...冷却水流路
２６２...貫通口
３１０...燃料供給路
３２０...燃料排出路
３３０...空気供給路
３４０...空気排出路
４００...ガスケット
４１０...リップ部
４２０...被覆部

Claims (9)

1. 燃料電池であって、
   電解質層と、前記電解質層の両面に配置されたガス拡散電極層と、を有する発電体と、
   前記発電体の両面に配置されたセパレータと、
   前記燃料電池の内部から外部への気体の漏洩と、前記発電体の電解質層の両面のガス拡散電極層間における気体の流通とを抑制するために、前記発電体の端面の少なくとも一部に当接するように配置されたガスケットと、を備え、
   前記発電体は、前記ガスケットと結合されている端部である結合部と、前記結合部よりも内側に位置し前記セパレータと直接接している部分である稼働部と、を含み、
   前記発電体の稼働部が前記セパレータから受ける面圧の値が、前記発電体の結合部が前記セパレータから受ける面圧の値以上となるように、前記発電体と前記セパレータとの形状が設定されている、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記セパレータは、前記発電体に対向する表面が平坦な形状であり、
   前記発電体の稼働部における厚さは、前記発電体の結合部の位置における前記発電体と前記ガスケットとを合わせた厚さ以上となっている、燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池であって、
   前記発電体のガス拡散電極層は、前記稼働部における厚さが前記結合部における厚さよりも大きくなるように、段差が外周に沿って形成された断面形状を有する、燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池であって、
   前記発電体のガス拡散電極層は、一方の表面が前記電解質層に接する第１の層と、前記第１の層の他方の表面に重ねて配置された第２の層と、を含み、
   前記発電体のガス拡散電極層は、前記結合部においては前記第１の層により構成され、前記稼働部においては前記第１の層と前記第２の層とにより構成される、燃料電池。
5. 請求項２記載の燃料電池であって、
   前記発電体のガス拡散電極層は、前記稼働部における厚さが前記結合部における厚さよりも大きくなるように、傾斜が外周に沿って形成された断面形状を有する、燃料電池。
6. 請求項２記載の燃料電池であって、
   前記セパレータは、前記ガス拡散電極層に気体を供給するための供給口と、前記ガス拡散電極層から気体を排出するための排出口とを有し、
   少なくとも前記供給口と前記排出口との内の一方は、前記発電体の稼働部に対向する前記セパレータの部分よりも外側の部分に配置されていると共に、前記ガス拡散電極層の端面の少なくとも一部に面する空間に面している、燃料電池。
7. 請求項６記載の燃料電池であって、
   前記発電体は、前記結合部と前記稼働部との間に、前記稼働部よりも厚さの小さい中間部を有し、
   少なくとも前記供給口と前記排出口との内の一方は、前記中間部に対向する前記セパレータの部分に配置されている、燃料電池。
8. 請求項２記載の燃料電池であって、
   前記ガスケットは、前記発電体の電解質層の最外周端面と、前記発電体の電解質層の両側のガス拡散電極層の最外周端面とを覆うように、一体として形成されている、燃料電池。
9. 燃料電池であって、
   電解質層と、前記電解質層の両面に配置されたガス拡散電極層と、を有する発電体と、
   前記発電体の両面に配置されたセパレータと、
   前記燃料電池の内部から外部への気体の漏洩と、前記発電体の電解質層の両面のガス拡散電極層間における気体の流通とを抑制するために、前記発電体の端面の少なくとも一部に当接するように配置されたガスケットと、を備え、
   前記セパレータは、前記発電体に対向する表面が平坦な形状であり、
   前記発電体は、前記ガスケットと結合されている端部である結合部と、前記結合部よりも内側に位置し前記セパレータと直接接している部分である稼働部と、を含み、
   前記発電体の稼働部における厚さは、前記発電体の結合部の位置における前記発電体と前記ガスケットとを合わせた厚さ以上となっている、燃料電池。

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