JP2006252811A - 膜電極接合体、燃料電池セル、及び燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膜電極接合体の熱伝導性を向上させる。
【解決手段】両面の中央に電極７，８が設けられた高分子電解質膜６と、高分子電解質膜６の両面に各電極７，８を囲んで設けられた２つのガスケット１１，１２とからなる膜電極接合体４である。高分子電解質膜６のガスケットに挟まれた部分には穴６ａが設けられており、２つのガスケット１１，１２は絶縁体であり、穴６ａ部分で互いに熱伝導する。このため、膜電極接合体の厚さ方向への熱伝導が促進され、燃料電池の性能を向上させることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、膜電極接合体、燃料電池セル、及び燃料電池装置に関する。

近年では、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んにおこなわれている。燃料電池は、アノードガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとを電気化学的に反応させて化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出すものであり、将来性に富む有望な電池であると位置付けられている。

従来の燃料電池は膜電極接合体とセパレータとを交互に重ねられることでスタック化されており、二つのセパレータとその間に挟持された膜電極接合体とにより構成される燃料電池セルが直列に接続されている。膜電極接合体は固体高分子電解質膜の両面にガス拡散層が設けられているとともに、ガス拡散層を囲繞するように枠状のガスケットが設けられたものである。セパレータは両面には、それぞれアノードガス流路及びカソードガス流路が形成され、アノードガス流路にはアノードガスが流れ、カソードガス流路にはカソードガスが流れる。

化学エネルギーから電気エネルギーを取り出す際の副産物として熱が発生するが、燃料電池を放熱するために、例えば燃料電池に伝熱部材やファンを設ける方法がある（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−３１０９６号公報

しかし、従来のガスケットや高分子電解質膜は熱伝導性が低く、隣接する燃料電池セルに熱が伝わりにくいため、より中央側の燃料電池セルでは十分放熱できずに、より外側の燃料電池セルとの間に大きな温度差が生じる。すると、中央側の燃料電池セルが異常高温になり燃料電池が運転できなくなり、燃料電池の性能低下や運転停止を引き起こす虞がある。また、燃料電池セルの発電効率は、温度に依存しているために、中央側の燃料電池セルと外側の燃料電池セルとに温度差があると、全燃料電池セルを良好に動作させる加湿条件が作れず、燃料電池全体の性能が低下する恐れがある。

また、携帯機器用の燃料電池に伝熱部材やファン等を設けると、装置の全体容積が大きくなるという問題があった。一方、携帯機器用の燃料電池では発熱量が小さいため、隣接する燃料電池セル間の熱伝導性を向上させれば、燃料電池の両端または片端を携帯機器の筐体等に接触させることで充分に放熱できる。

本発明の課題は、膜電極接合体の熱伝導性を向上することができる膜電極接合体、燃料電池セル、及び燃料電池装置を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、両面の中央に電極が設けられた電解質膜と、前記電解質膜の両面に各電極を囲んで設けられた２つのガスケットとからなる膜電極接合体において、前記電解質膜の前記ガスケットに挟まれた部分には穴が設けられており、前記２つのガスケットは前記穴部分で互いに熱伝導することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、電解質膜のガスケットに挟まれた部分に穴が設けられており、電解質膜の両面に設けられた２つのガスケットが穴部分で互いに熱伝導するため、電解質膜を介することなく速やかに熱伝搬することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の膜電極接合体において、２つのガスケットは前記穴部分で互いに接触することを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、前記２つのガスケットには、前記穴部分に対応する部分に充填穴部が設けられ、前記充填穴部には、前記ガスケット本体よりも熱伝導性のよい熱伝導性シートが充填されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、対向配置された２つのセパレータの間に請求項１〜３のいずれか一項に記載の膜電極接合体を挟んでなることを特徴とする燃料電池セルである。

請求項５に記載の発明は、対向配置された複数のセパレータの間に請求項１〜３のいずれか一項に記載の膜電極接合体を挟んでなることを特徴とする燃料電池装置である。

請求項５に記載の発明によれば、対向配置された複数のセパレータの間に請求項１〜３のいずれか一項に記載の膜電極接合体を挟んでいるので、複数の燃料電池セル間で速やかに熱伝搬することができる。

請求項６に記載の発明は、対向配置された第１セパレータと第２セパレータとの間に膜電極接合体を挟んでなる燃料電池セルにおいて、前記膜電極接合体の一方の面から他方の面に貫通孔が形成され、前記貫通孔には前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間で熱伝導させる熱伝導部材が挿入されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明によれば、膜電極接合体に貫通孔が形成され、貫通孔に第１セパレータと第２セパレータとの間で熱伝導させる熱伝導部材が挿入されているので、熱伝導部材を介して第１セパレータと第２セパレータとの間の熱伝導が促進できる。

請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の燃料電池セルにおいて、前記熱伝導部材は前記第１セパレータの前記膜電極接合体に向き合う面であって前記貫通孔に対応する位置に形成された突起であり、前記突起が前記貫通孔を通じて前記第２セパレータに接し且つ前記突起が前記第２セパレータに対して絶縁されていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項５または６に記載の燃料電池セルにおいて、前記膜電極接合体は両面の中央に電極が設けられた電解質膜と、前記電解質膜の両面に各電極を囲んで設けられた２つのガスケットとからなり、前記貫通孔は前記電解質膜及び前記２つのガスケットを貫通していることを特徴とする。

請求項８に記載の発明によれば、膜電極接合体のセパレータとの接触面積が大きいガスケット部分に貫通孔が形成されているので、第１セパレータと第２セパレータとの間の熱伝導効率を向上することができる。

本発明によれば、膜電極接合体の厚さ方向への熱伝導が促進され、燃料電池の性能を向上させることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発電装置２００のブロック図である。この発電装置２００は、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、その他の電子機器に備え付けられたものであり、電子機器本体を動作させるための電源として用いられる。

発電装置２００は、メタノール等の燃料と水を別々に又は混合した状態で貯留した燃料容器２０１と、燃料容器２０１から供給された燃料と水を気化させる気化器２０３と、燃料容器２０１から燃料と水を吸引するとともに吸引した燃料と水を気化器２０３に供給する燃料ポンプ２０２と、気化器２０３から供給された燃料と水の混合気を水素ガスと二酸化炭素ガス等を化学反応式（１）、（２）のように生成する改質器２０４と、改質器２０４から供給された混合気中の一酸化炭素を化学反応式（３）のように酸化させることで混合気から一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器２０５と、一酸化炭素除去器２０５から供給された混合気のうち水素ガスと外気の酸素ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池装置１と、外気の空気を吸引するとともに吸引した空気を一酸化炭素除去器２０５及び燃料電池装置１に供給する空気ポンプ２０６と、を備える。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
２ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→５Ｈ₂＋ＣＯ＋ＣＯ₂ …（２）
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ …（３）

なお、燃料容器２０１に貯留された燃料は、メタノールの代わりに、エタノール等のアルコール類やガソリンといった水素原子を含む化合物が適用可能である。

図２は、スタック型の燃料電池装置１の厚さ方向に平行な切断面の端面図である。図２に示すように、この燃料電池装置１は、マイナス極の片面セパレータ２と、この片面セパレータ２に対してほぼ平行なプラス極の片面セパレータ３と、片面セパレータ２と片面セパレータ３との間において交互に積層された複数の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）４及び複数の両面セパレータ５と、を備え、図示しないボルトナット結合により厚さ方向に締め付けられたものである。なお、ボルトナット結合をはずすと、この燃料電池装置１を片面セパレータ２，３、複数の膜電極接合体４及び複数の両面セパレータ５に分離することができる。

燃料電池装置１は、複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されるように積層されたスタックである。各燃料電池セルは、膜電極接合体４が両面を２枚の両面セパレータ５，５によって挟まれた構造、片面セパレータ２及び両面セパレータ５によって挟まれた構造又は片面セパレータ３及び両面セパレータ５によって挟まれた構造である。両面セパレータ５は隣接する燃料電池セルの双方の構造を兼ね、隣接する燃料電池セルは両面セパレータ５により直列に接続される。燃料電池セルの数は、各膜電極接合体４の起電力と、燃料電池装置１に要求される出力電圧によって定まる。

図３、図４を用いて膜電極接合体４について説明する。なお、いずれの膜電極接合体４も同様に構成されている。図３は、膜電極接合体４の平面図であり、図４は、図３に示された切断線IV−IVに沿って膜電極接合体４を厚さ方向に切断したときの矢視断面図である。図３、図４に示すように、この膜電極接合体４は、固体高分子電解質膜６と、ガス拡散層７，８と、触媒９，１０と、ガスケット１１，１２とを備えて構成されている。

固体高分子電解質膜６は、ガスケット１１，１２と略同一形状、同一寸法の矩形状又は正方形状に形成された膜であって、水素イオン（Ｈ⁺）を選択的に透過させるものである。固体高分子電解質膜６の両面であってそれぞれの中央部には、触媒９，１０が矩形状又は正方形状に成膜されている。触媒９上には、ガス透過性と電気伝導性を有するガス拡散層７が成膜され、触媒１０上には、ガス透過性と電気伝導性を有するガス拡散層８が成膜されている。ガス拡散層７がアノード（水素極）として機能し、ガス拡散層８がカソード（酸素極）として機能する。

固体高分子電解質膜６の外周部であって、一方の面には、ガス拡散層７を囲繞するよう矩形枠型又は正方形枠型のガスケット１１が設けられており、他方の面には、ガス拡散層８を囲繞するよう矩形枠型又は正方形枠型のガスケット１２が設けられている。ガスケット１１，１２は絶縁体であり、弾性材であり、かつ高熱伝導性を備える物質で形成されている。ガスケット１１，１２は膜電極接合体４を挟む両面セパレータ５の間に、ガス拡散層７、８及び触媒９，１０を配置するためのスペーサーとして機能するとともに、両面セパレータ５より供給されるアノードガス及びカソードガスが燃料電池装置１から漏れ出すことを防ぐガスシールとしても機能する。このようなガスケット１１，１２は、例えばイソブチレンゴムにアルミナ等の熱伝導性がよい粒子を混入、分散させた熱伝導性シートを用いて形成することができる。

また、固体高分子電解質膜６のガスケット１１，１２によって挟持された外縁部には、複数の穴６ａが形成されている。
図５は穴６ａ部分を示す拡大断面図である。固体高分子電解質膜６の厚さが数μｍ〜数１０μｍであり、またガスケット１１，１２が弾性材であるため、ボルトナット結合により厚さ方向に締め付けられた状態では、ガスケット１１，１２は図５に示すように、穴６ａ部分において互いに接触する。このためガスケット１１，１２は当接部において、固体高分子電解質膜６を介することなく一方から他方への熱伝導が可能となっている。なおガスケット１１，１２は絶縁体であるため、ガスケット１１，１２が互いに接触しても、膜電極接合体４の両面に配置される片面セパレータ２と両面セパレータ５、両面セパレータ５，５同士、及び両面セパレータ５と片面セパレータ３とはいずれもショートしない。

さらに、図３に示すように、膜電極接合体４のガスケット１１，１２の各頂角近傍には、厚さ方向に貫通するボルト孔２９が形成され、加えてガス拡散層７，８の周囲に厚さ方向に貫通するアノードガス導入孔１５、アノードガス排出孔１６、カソードガス導入孔１７及びカソードガス排出孔１８が形成されている。ボルト孔２９、アノードガス導入孔１５、アノードガス排出孔１６、カソードガス導入孔１７及びカソードガス排出孔１８は、それぞれ固体高分子電解質膜６及びガスケット１１，１２を貫通している。

固体高分子電解質膜６は、ガスケット１１，１２と同様に、ガスケット１１，１２のボルト孔２９に対応する位置にボルト孔２９と略同一形状、同一寸法の孔が設けられ、ガスケット１１，１２のアノードガス導入孔１５、アノードガス排出孔１６、カソードガス導入孔１７及びカソードガス排出孔１８に対応する位置にそれぞれと略同一形状、同一寸法の孔が設けられている。

そしてボルト孔２９には、図示しないボルトが挿入され、ナットとともに膜電極接合体４が、両面セパレータ５とともに片面セパレータ２，３の間に挟み込まれている。

このように、固体高分子電解質膜６を介することなくガスケット１１，１２同士を当接させる手法としては、固体高分子電解質膜６をガス拡散層７，８と略同一形状、同一寸法にすることによっても可能ではあるが、この場合、高分子電解質膜６自体がボルト及びナットに係支されていないので製造プロセスとしてガスケット１１，１２の間に挟みづらく、またずれたり、皺が生じやすく不安定になってしまう。本実施形態での固体高分子電解質膜６は、ボルト孔２９の周囲にも設けられているのでボルト及びナットによってずれることなく固定でき、機械強度があるので皺もできにくくなる。

なお、アノードガスとは、燃料電池装置１を発電するための燃料としての水素ガスを含むガスを意味し、具体的には改質器２０４で生成された水素ガスやその他の副生成ガス（例えば、二酸化炭素ガス）等を含むガスを意味する。カソードガスとは、燃料電池装置１を発電するための酸素ガスを含むガスを意味し、具体的には燃料電池装置１から取り込まれる空気を意味する。アノードガスは上述の一酸化炭素除去器２０５から供給され、カソードガスは空気ポンプ２０６によって供給される。

図６〜図８を用いて両面セパレータ５について説明する。図６は、両面セパレータ５の両面のうちガス拡散層８に接する面の平面図であり、図７は、図６の面とは反対となる面であってガス拡散層７に接する面の平面図であり、図８は、図６、図７に示された切断線VIII−VIIIに沿って両面セパレータ５を厚さ方向に切断したときの矢視断面図である。

両面セパレータ５は矩形板又は正方形板に形成した金属板を積層し、表面に低抵抗の金メッキを施したものである。ここで、金属板の素材としては、アルミニウムやステンレス等を用いることができる。両面セパレータ５には、その一方の面から他方の面まで貫通したボルト孔３０、アノードガス導入孔２５、アノードガス排出孔２６、カソードガス導入孔２７及びカソードガス排出孔２８が形成されている。ここで、ボルト孔３０、アノードガス導入孔２５、アノードガス排出孔２６、カソードガス導入孔２７及びカソードガス排出孔２８はそれぞれ、膜電極接合体４のボルト孔２９、アノードガス導入孔１５、アノードガス排出孔１６、カソードガス導入孔１７、カソードガス排出孔１８と相対する位置に形成されている。

両面セパレータ５の一方の面（ガス拡散層８に接する面）であってその中央部には、図６に示すように、葛折り状の蛇行溝３１が形成されている。蛇行溝３１の一端部はカソードガス導入流路３２を介してカソードガス導入孔２７に導かれ、他端部はカソードガス排出流路３３を介してカソードガス排出口２８に導かれている。蛇行溝３１がガス拡散層８により蓋されることで、カソードガス導入流路３２及びカソードガス排出流路３３を介してカソードガス導入孔２７からカソードガス排出口２８まで連なったカソードガス流路７２が形成される。

両面セパレータ５の他方の面（ガス拡散層７に接する面）であってその中央部には、図７に示すように、葛折り状の蛇行溝３４が形成されている。蛇行溝３４の一端部はアノードガス導入流路３５を介してアノードガス導入孔２５に導かれ、他端部はアノードガス排出流路３６を介してアノードガス排出口２６に導かれている。蛇行溝３４がガス拡散層７により蓋されることで、アノードガス導入流路３５及びアノードガス排出流路３６を介してアノードガス導入孔２５からアノードガス排出口２６まで連なったアノードガス流路７１が形成される。

図２を用いて片面セパレータ２，３について説明する。
片面セパレータ２は、図示しない電子機器の筐体と接触して固定されており、両面セパレータ５と同様に複数の金属板を積層し表面に金メッキを施してなる。片面セパレータ２には、アノードガス導入孔８５、蛇行溝３４、アノードガス排出孔８６、及びカソードガス排出孔８８が形成されている。

アノードガス導入孔８５は、膜電極接合体４のアノードガス導入孔１５及び両面セパレータ５のアノードガス導入孔２５に相対する位置に形成されている。アノードガス排出孔８６は、膜電極接合体４のアノードガス排出孔１６及び両面セパレータ５のアノードガス排出孔２６に相対する位置に形成され、カソードガス排出孔８８は、膜電極接合体４のカソードガス排出孔１８及び両面セパレータ５のカソードガス排出孔２８に相対する位置に形成されている。

アノードガス導入孔８５及びカソードガス排出孔８８は片面セパレータ２の内部で屈曲し、片面セパレータ２の側面に開口している。また、アノードガス導入孔８５及びカソードガス排出孔８８の、片面セパレータ２の側面側の開口には、管状の口金６５，６８が嵌められている。口金６５は一酸化炭素除去器２０５に接続され、改質器２０４で生成されたアノードガスが一酸化炭素除去器２０５からアノードガス導入孔１５，２５，８５へ供給されるようになっている。

また、片面セパレータ２には、最上部の膜電極接合体４に対応する蛇行溝３４、当該蛇行溝３４とアノードガス導入孔８５とを連通させるアノードガス導入流路３５、当該蛇行溝３４とアノードガス排出孔８６とを連通させるアノードガス排出流路３６が形成されている。当該蛇行溝３４が最上部の膜電極接合体４のガス拡散層７により蓋されることで、アノードガス導入流路３５及びアノードガス排出流路３６を介してアノードガス導入孔８５からアノードガス排出口８６まで連なったアノードガス流路８９が形成される。

片面セパレータ３は、複数の金属板を積層してなる。片面セパレータ３には、アノードガス排出孔９６、カソードガス導入孔９７、及びカソードガス排出孔９８が形成されている。

アノードガス排出孔９６は、膜電極接合体４のアノードガス排出孔１６及び両面セパレータ５のアノードガス排出孔２６に相対する位置に形成され、カソードガス導入孔９７は、膜電極接合体４のカソードガス導入孔１７及び両面セパレータ５のカソードガス導入孔２７に相対する位置に形成され、カソードガス排出孔９８は、膜電極接合体４のカソードガス排出孔１８及び両面セパレータ５のカソードガス排出孔２８に相対する位置に形成されている。

アノードガス排出孔９６及びカソードガス導入孔９７は片面セパレータ３の内部で屈曲し、片面セパレータ３の側面に開口している。また、アノードガス排出孔９６及びカソードガス導入孔９７の、片面セパレータ３の側面側の開口には、管状の口金６６，６７が嵌められている。口金６７はポンプ２０６に通じており、ポンプ２０６によってカソードガスが口金６７を通じてカソードガス導入孔１７，２７，９７へ供給されるようになっている。

また、片面セパレータ３には、最下部の膜電極接合体４に対応する蛇行溝３１、当該蛇行溝３１とカソードガス導入孔９７とを連通させるカソードガス導入流路３２、当該蛇行溝３１とカソードガス排出孔９８とを連通させるカソードガス排出流路３３が形成されている。当該蛇行溝３１が最下部の膜電極接合体４のガス拡散層８により蓋されることで、カソードガス導入流路３２及びカソードガス排出流路３３を介してカソードガス導入孔９７からカソードガス排出口９８まで連なったカソードガス流路９０が形成される。

片面セパレータ２，３、膜電極接合体４及び両面セパレータ５を積層した場合、片面セパレータ２のアノードガス導入孔８５、各膜電極接合体４のアノードガス導入孔１５及び各両面セパレータ５のアノードガス導入孔２５が互いに連通し、片面セパレータ２のアノードガス排出孔８６、各膜電極接合体４のアノードガス排出孔１６、各両面セパレータ５のアノードガス排出孔２６及び片面セパレータ３のアノードガス排出孔９６が互いに連通し、各膜電極接合体４のカソードガス導入孔１７、各両面セパレータ５のカソードガス導入孔２７及び片面セパレータ３のカソードガス導入孔９７が互いに連通し、片面セパレータ２のカソードガス排出孔８８、各膜電極接合体４のカソードガス排出孔１８、各両面セパレータ５のカソードガス排出孔２８及び片面セパレータ３のカソードガス排出孔９８が互いに連通する。

なお、両面セパレータ５、片面セパレータ２，３は、アルミニウムやステンレス等の金属板を積層して形成する他に、例えばセラミックやカーボン等を成形し表面に金メッキを施して形成することもできる。

次に、燃料電池装置１による電力の生成について説明する。
口金６５を通じて、アノードガス導入孔１５，２５，８５に供給されたアノードガスは、アノードガス流路７１，８９を流動してアノードガス排出孔１６，２６，８６，９６から排出される。アノードガスがアノードガス流路７１，８９を流動している時は、電気化学反応式（４）に示すように水素ガスが触媒９の作用を受けて水素イオンと電子とに分離し、電子がガス拡散層７により取り出され、水素イオンが固体高分子電解質膜６を透過する。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（４）

口金６７を通じて、酸素ガスを含むカソードガス（ここでは、空気）がカソードガス導入孔１７，２７，９７に供給され、カソードガス導入孔１７，２７，９７に供給されたカソードガスがカソードガス流路７２，９０を流動してカソードガス排出孔１８，２８，８８，９８から排出される。カソードガスがカソードガス流路７２，９０を流動している時は、電気化学反応式（５）に示すように酸素が触媒１０の作用を受け、固体高分子電解質膜６を透過した水素イオンとガス拡散層８に伝導した電子と反応し、水が生成される。
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（５）

以上のようにして、それぞれの膜電極接合体４の両面において起電力が発生する。膜電極接合体４のガス拡散層７，８が導電性の両面セパレータ５や片面セパレータ２，３と接するようにして膜電極接合体４、両面セパレータ５及び片面セパレータ２，３が積層されているので、膜電極接合体４を単位セルとした場合、単位セルが両面セパレータ５により直列接続された状態となっている。なお、ガス拡散層７と接する片面セパレータ２はマイナス極となり、ガス拡散層８と接する片面セパレータ３はプラス極となる。

上記の化学反応は発熱反応であるため、膜電極接合体４の温度が上昇すると反応速度が低下し、発電効率が低下する。本実施の形態の膜電極接合体４では、片面セパレータ２，３及び両面セパレータ５とともに膜電極接合体４を積層し、ボルトナット結合により厚さ方向に締め付けることで、ガスケット１１，１２が固体高分子電解質膜６の穴６ａ部分で接触するように構成されているため、当該接触部分でガスケット１１，１２間の熱伝導がなされる。そして熱伝導性が高い両面セパレータ５によって、隣接する燃料電池セルへの熱伝導がなされ、最終的に発生した熱は片面セパレータ２，３から電子機器の筐体へ伝導し、筐体から外部へ放出される。このように膜電極接合体４の熱伝導性を高めることにより、中央部分の燃料電池セルにおける温度上昇を防ぎ、発電効率の低下を防ぐことができる。

なお、穴６ａ部分に高熱伝導性を備える熱伝導部材（図示せず）を挿入し、ガスケット１１，１２の間に挟んだ熱伝導部材によりガスケット１１，１２の一方から他方への熱伝導を可能としてもよい。

〔変形例１〕
図９は第１の実施の形態における膜電極接合体４の変形例を示す平面図であり、図１０は、図９に示された切断線Ｘ−Ｘに沿って膜電極接合体４を厚さ方向に切断したときの矢視断面図である。この膜電極接合体４では、ガスケット１１，１２の形状が異なっている。すなわち、ガスケット１１，１２には、固体高分子電解質膜６の穴６ａを覆う部分に、厚さ方向に貫通する充填穴部１１ａ，１２ａが設けられ、充填穴部１１ａ，１２ａに高熱伝導性及び柔軟性を備える熱伝導性シート１３，１４が充填されている。このようなガスケット１１，１２には、例えば熱伝導性シート１３，１４を除く本体部分にイソブチレンを用い、熱伝導性シート１３，１４にシリコンゴムにアルミナ等の熱伝導性に優れた粒子を混入、分散させた、ガスケット１１，１２本体よりも熱伝導性がよい熱伝導性シートを用いて形成することができる。

膜電極接合体４が片面セパレータ２，３及び両面セパレータ５とともにボルトナット結合により厚さ方向に締め付けられた状態では、熱伝導性シート１３，１４が柔軟であるため、熱伝導性シート１３，１４の対向する面は穴６ａ部分において互いに当接する。一方、熱伝導性シート１３，１４の反対側の面は片面セパレータ２，３または両面セパレータ５に当接する。したがって、膜電極接合体４を挟む片面セパレータ２と両面セパレータ５との間、両面セパレータ５同士の間、両面セパレータ５と片面セパレータ３との間での熱伝導が、熱伝導性シート１３，１４を介して可能となる。

また、ガスケット１１，１２の全体部分には最適な硬度、ガスシール性を有する素材を用い、熱伝導性シート１３，１４には最適な柔軟性、熱伝導性の素材を用いることができるので、高い耐久性と熱伝導性を具備する膜電極接合体４とすることができる。

〔第２の実施の形態〕
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第２の実施の形態における燃料電池装置は、以下に説明することを除いて、第１の実施の形態における燃料電池装置１と同様に構成されている。そのため、第２の実施の形態の燃料電池装置については、第１の実施の形態の燃料電池装置の各部と同じ構成要素に同様の符号を付してそれらの説明を省略する。

図１１は本実施の形態に係る膜電極接合体４の平面図であり、図１２は、図１１に示された切断線XII−XIIに沿って膜電極接合体４を厚さ方向に切断したときの矢視断面図である。また、図１３は、本実施の形態に係る両面セパレータ５の両面のうちガス拡散層７に接する面の平面図であり、図１４は、図１３の面とは反対となる面であってガス拡散層８に接する面の平面図であり、図１５は、図１３、図１４に示された切断線XV−XVに沿って両面セパレータ５を厚さ方向に切断したときの矢視断面図である。

図１１、図１２に示すように、本実施の形態に係る膜電極接合体４には、固体高分子電解質膜６及びガスケット１１，１２を貫通する複数の貫通孔４ａが複数設けられている。そして、図１３、図１５に示すように、本実施の形態に係る両面セパレータ５のガス拡散層７に接する側の面には、貫通孔４ａと対応する位置に、貫通孔４ａと同形状の突起５ａが設けられている。両面セパレータ５の突起５ａは、固体高分子電解質膜６やガスケット１１，１２よりも熱伝導性がよい。また、図示しないが、片面セパレータ３のガス拡散層７に接する側の面には、両面セパレータ５と同様の突起３ａが設けられている。片面セパレータ３の突起３ａは、固体高分子電解質膜６やガスケット１１，１２よりも熱伝導性がよい。

また、図１４、図１５に示すように、本実施の形態に係る両面セパレータ５のガス拡散層８に接する側の面には、貫通孔４ａ及び突起５ａと対応する位置に、貫通孔４ａ及び突起５ａの径よりも一回り大きい絶縁皮膜５ｂが設けられている。絶縁皮膜５ｂには、例えば半導体の封止に用いられるエポキシ樹脂等の熱伝導性が高い素材が用いられる。また、図示しないが、片面セパレータ２のガス拡散層８に接する側の面には、両面セパレータ５と同様の絶縁皮膜２ｂが設けられている。

上記の片面セパレータ２，３、膜電極接合体４、及び両面セパレータ５を積層し、図示しないボルトナット結合により厚さ方向に締め付けると、図１６に示すように、突起５ａ，３ａが貫通孔４ａに挿通された状態で絶縁皮膜５ｂ，２ｂと接触する。突起５ａ，３ａ及び絶縁皮膜５ｂ，２ｂは熱伝導性が高いので、片面セパレータ２と両面セパレータ５との間、両面セパレータ５同士の間、両面セパレータ５と片面セパレータ３との間で、絶縁皮膜５ｂを介して熱伝導させることができる。これにより、中央部分の燃料電池セルにおける温度上昇を防ぎ、発電効率の低下を防ぐことができる。一方、片面セパレータ２と両面セパレータ５との間、両面セパレータ５，５同士の間、両面セパレータ５と片面セパレータ３との間は絶縁皮膜５ｂ，２ｂで絶縁されているため、同じ膜電極接合体４のガス拡散層７とガス拡散層８とがショートする恐れがない。

なお、突起５ａ，３ａには金メッキを施さなくてもよく、また突起５ａ，３ａに選択的にセラミック等の絶縁性の素材を用いてもよい。突起５ａ，３ａに金メッキを施さず、かつ突起５ａ，３ａに選択的に絶縁性の素材を用いた場合には、片面セパレータ２と両面セパレータ５、両面セパレータ５，５同士、及び両面セパレータ５と片面セパレータ３とが接触してもショートしないので、絶縁皮膜５ｂ，２ｂが不要となる。

また、突起５ａの代わりに、貫通孔４ａ部分に高熱伝導性を備える熱伝導部材（図示せず）を挿入し、熱伝導部材により両面セパレータ５，５同士の一方から他方への熱伝導を可能としてもよい。この場合には、熱伝導部材は絶縁体であることが好ましい。また両面セパレータ５の突起５ａは、片面セパレータ２に向けて突出していたが、片面セパレータ３に向けて突出するようにしてもよい。この場合、両面セパレータ５の上面に、絶縁皮膜５ｂ同様の絶縁皮膜が設けられている。

また、本実施の形態の膜電極接合体４には、第１の実施の形態に係る穴６ａがなく、穴６ａと同位置に貫通孔４ａが設けられているが、貫通孔４ａとともに、固体高分子電解質膜６のみを貫通する穴６ａ（図示せず）が設けられていてもよく、さらに穴６ａに熱伝導部材（図示せず）が挿入されていてもよい。

以上の実施の形態においては、水素を改質して燃料電池装置１に供給したが、これに限らず、気化器２０３、改質器２０４、一酸化炭素除去器２０５を設けることなしにメタノール等の燃料を気化した状態で燃料電池装置１に供給して発電する直接型燃料電池に利用してもよい。その場合、固体高分子電解質膜６をダイレクトメタノール型用の電解質膜に変更する。

発電装置２００のブロック図である。 燃料電池装置１の断面図である。 膜電極接合体４の平面図である。 図３の切断線IV−IVの矢視断面図である。 固体高分子電解質膜６の穴６ａ部分の拡大断面図である。 両面セパレータ５の一方の面の平面図である。 両面セパレータ５の他方の面の平面図である。 図６及び図７の切断線VIII−VIIIの矢視断面図である。 膜電極接合体４の平面図である。 図９の切断線X−Xの矢視断面図である。 膜電極接合体４の平面図である。 図１１の切断線XII−XIIの矢視断面図である。 両面セパレータ５の一方の面の平面図である。 両面セパレータ５の他方の面の平面図である。 図１３及び図１４の切断線XV−XVの矢視断面図である。 貫通孔４ａ、突起５ａ及び絶縁皮膜５ｂの拡大断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池装置
４ 膜電極接合体
４ａ 貫通孔
５ セパレータ
５ａ 突起（熱伝導部材）
５ｂ 絶縁皮膜
６ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
６ａ 穴
１１，１２ ガスケット
１１ａ，１２ａ 充填穴部
１３，１４ 熱伝導性シート

Claims (8)

1. 両面の中央に電極が設けられた電解質膜と、前記電解質膜の両面に各電極を囲んで設けられた２つのガスケットとからなる膜電極接合体において、
   前記電解質膜の前記ガスケットに挟まれた部分には穴が設けられており、
   前記２つのガスケットは前記穴部分で互いに熱伝導することを特徴とする膜電極接合体。
2. 前記２つのガスケットは前記穴部分で互いに接触することを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体。
3. 前記２つのガスケットには、前記穴部分に対応する部分に充填穴部が設けられ、前記充填穴部には、前記ガスケット本体よりも熱伝導性のよい熱伝導性シートが充填されていることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体。
4. 対向配置された２つのセパレータの間に請求項１〜３のいずれか一項に記載の膜電極接合体を挟んでなることを特徴とする燃料電池セル。
5. 対向配置された複数のセパレータの間に請求項１〜３のいずれか一項に記載の膜電極接合体を挟んでなることを特徴とする燃料電池装置。
6. 対向配置された第１セパレータと第２セパレータとの間に膜電極接合体を挟んでなる燃料電池セルにおいて、
   前記膜電極接合体の一方の面から他方の面に貫通孔が形成され、
   前記貫通孔には前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間で熱伝導させる熱伝導部材が挿入されていることを特徴とする燃料電池セル。
7. 前記熱伝導部材は前記第１セパレータの前記膜電極接合体に向き合う面であって前記貫通孔に対応する位置に形成された突起であり、
   前記突起が前記貫通孔を通じて前記第２セパレータに接し且つ前記突起が前記第２セパレータに対して絶縁されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池セル。
8. 前記膜電極接合体は両面の中央に電極が設けられた電解質膜と、前記電解質膜の両面に各電極を囲んで設けられた２つのガスケットとからなり、
   前記貫通孔は前記電解質膜及び前記２つのガスケットを貫通していることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池セル。

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