JP2007066767A - 燃料電池および燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】スタックを形成した際に、良好な耐久性を発揮し得る燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１２０、電解質膜１２０を挟んで配置され、ガス拡散層１４４，１３４をそれぞれ有するアノード電極１４０とカソード電極１３０、および、アノード電極１４０およびカソード電極１３０の外面に配置され、アノード電極１４０およびカソード電極１３０に相対する面にリブ１７２，１６２が形成された第１および第２セパレータ１７０，１６０を有する。ガス拡散層１４４，１３４は、相対しており、オフセットしている非重なり部１４６を有する。非重なり部１４６は、リブ１７２，１６２に隣接する溝部１７４，１６４に位置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池スタックに関する。

燃料電池単セルは、アノード電極、電解質膜およびカソード電極を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の両側にそれぞれ配置されるセパレータと、燃料および酸化剤の漏洩を抑制するためのガスケットとを有しており、アノード電極およびカソード電極とセパレータとの密着性を改善することで、発電特性を向上させている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３２４５５６号公報

しかし、アノード電極が有するガス拡散層の形状と、カソード電極が有するガス拡散層の形状とが異なり、オフセット領域が存在する場合、燃料電池単セルを積層してなるスタックの耐久性に、問題を有する。例えば、オフセット領域に付与されるスタック形成のための荷重は、電解質膜に曲げ応力を発生させ、電解質膜を破損させる恐れがある。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、スタックを形成した際に、良好な耐久性を発揮し得る燃料電池、および良好な耐久性を有する燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
電解質膜、
前記電解質膜を挟んで配置され、ガス拡散層をそれぞれ有するアノード電極とカソード電極、および、
前記アノード電極および前記カソード電極の外面に配置され、前記アノード電極および前記カソード電極に相対する面にリブが形成された第１および第２セパレータを有し、
前記ガス拡散層は、相対しており、オフセットしている非重なり部を有し、
前記非重なり部は、前記リブに隣接する溝部に位置する
ことを特徴とする燃料電池単セルである。

上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
請求項１〜２５のいずれか１項に記載の燃料電池単セルを複数有し、前記燃料電池単セルは、積層されていることを特徴とする燃料電池スタックである。

請求項１に記載の発明によれば、ガス拡散層のオフセットしている非重なり部は、リブに隣接する溝部に位置し、支持されていない。したがって、燃料電池単セルを積層した場合、スタック形成のための荷重は、非重なり部を変形させず、ガス拡散層の間に位置する電解質膜に対する曲げ応力を発生させないため、電解質膜の破損を防止することが可能である。つまり、スタックを形成した際に、良好な耐久性を発揮し得る燃料電池を提供することできる。

請求項２６に記載の発明によれば、スタック形成のための荷重は、非重なり部を変形させず、ガス拡散層の間に位置する電解質膜に対する曲げ応力を発生させないため、電解質膜の破損は、防止されている。つまり、良好な耐久性を有する燃料電池スタックを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、実施の形態１に係る燃料電池スタックを説明するための斜視図である。

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池単セル１００が積層されたスタック部２０を有しており、電源として利用される。電源の用途は、例えば、定置用、携帯電話などの民生用携帯機器用、非常用、レジャーや工事用電源などの屋外用、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用である。特に、移動体用電源は、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されるため、適用が好ましい。

燃料電池単セル１００は、後述するように、スタックを形成した際に、良好な耐久性を発揮し得る構造を備えており、燃料電池スタック１０は、良好な耐久性を有する。

スタック部２０の両側には、集電板３０，４０、絶縁板５０，６０およびエンドプレート７０，８０が配置される。集電板３０，４０は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材から形成され、また、スタック部２０で生じた起電力を出力するための出力端子３５，４５が設けられている。絶縁板５０，６０は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材から形成される。

エンドプレート７０，８０は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料から形成される。エンドプレート７０は、燃料ガス（例えば、水素）、酸化剤ガス（例えば、酸素）および冷却水を流通させるために、燃料ガス導入口７１、燃料ガス排出口７２、酸化剤ガス導入口７４、酸化剤ガス排出口７５、冷却水導入口７７、および冷却水排出口７８を有する。

スタック部２０、集電板３０，４０、絶縁板５０，６０およびエンドプレート７０，８０の四隅には、タイロッド９０が挿通される貫通孔が配置される。タイロッド９０は、その端部に形成される雄ねじ部に、ナット（不図示）が螺合され、燃料電池スタック１０を締結する。スタック形成のための荷重は、燃料電池単セル１００の積層方向に作用し、燃料電池単セル１００を押し圧状態に保持する。

タイロッド９０は、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料から形成され、また、燃料電池単セル１００同士の電気的短絡を防止するため、絶縁処理された表面部を有する。タイロッド９０の設置本数は、４本（四隅）に限定されない。タイロッド９０の締結機構は、螺合に限定されず、他の手段を適用することも可能である
図２は、実施の形態１に係る燃料電池単セルを説明するための分解図、図３は、実施の形態１に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。

燃料電池単セル１００は、膜電極接合体（ＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ））１１０、セパレータ１６０，１７０、およびガスケット１８０，１９０を有する。

膜電極接合体１１０は、電解質膜１２０と、電解質膜１２０を挟んで配置されるカソード電極（空気極）１３０およびアノード電極（燃料極）１４０とを有する。

電解質膜１２０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を呈する。イオン交換膜は、例えば、デュポン社製のナフィオン（登録商標）やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質膜や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜などの高分子電解質膜、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などから形成された高分子微多孔膜にリン酸やイオン性液体等などの液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜である。

電解質膜１２０の厚みは、製膜時の強度、作動時の耐久性、および作動時の出力特性の観点から、好ましくは５〜３００μｍ、より好ましくは１０〜２００μｍ、特に好ましくは１５〜１００μｍである。

カソード電極１３０は、電解質膜１２０の一方の面に配置され、カソード触媒層１３２およびガス拡散層１３４を有する。カソード触媒層１３２は、ガス拡散層１３４と電解質膜１２０との間に配置される。カソード触媒層１３２の端面は、ガス拡散層１３４の端面より、内側に位置している。

アノード電極１４０は、電解質膜１２０の他方の面に配置され、アノード触媒層１４２およびガス拡散層１４４を有する。アノード触媒層１４２は、ガス拡散層１４４と電解質膜１２０との間に配置される。アノード触媒層１４２の端面は、ガス拡散層１４４の端面より、内側に位置している。

カソード触媒層１３２およびアノード触媒層１４２は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含んでいる。

電極触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛である。

カソード触媒層１３２に適用される触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。アノード触媒層１４２に適用される触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。

触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。また、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが、好ましい。なお、カソード触媒層１３２およびアノード触媒層１４２に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜選択することが可能である。

電極触媒の高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。

フッ素系電解質は、例えば、ナフィオン（登録商標）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーである。

炭化水素系電解質は、例えば、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸である。

電極触媒の高分子電解質は、耐熱性および化学的安定性などの観点から、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標）などのフッ素系電解質が好ましい。

カソード触媒層１３２およびアノード触媒層１４２の厚さは、好ましくは１〜３０μｍ、より好ましくは１〜２０μｍである。

ガス拡散層１３４，１４４は、カソード触媒層１３２、電解質膜１２０およびアノード触媒層１４２を介して、相対しており、面積が異なることで、オフセットしている非重なり部１４６を有する。ガス拡散層１３４，１４４は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフェルトから形成される。

ガス拡散層１３４，１４４は、撥水剤を含ませることで、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことが好ましい。撥水剤は、特に限定されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。

ガス拡散層１３４，１４４の厚さは、機械的強度およびガスや水などの透過距離を考慮し、３０〜５００μｍ程度が好ましい。なお、撥水性は、独立した層を形成することで、向上させることも可能である。

次に、セパレータ１６０，１７０を説明する。

セパレータ１６０，１７０は、膜電極接合体１１０の表面に位置するカソード電極１３０およびアノード電極１４０の外面に配置される。セパレータ１６０は、カソード電極１３０に相対する面に配置される複数のリブ１６２を有する。隣接するリブ間の空間は、溝部１６４を形成する。溝部１６４は、酸化剤ガスを流通させるための流路を構成し、エンドプレート７０に配置される酸化剤ガス導入口７４および酸化剤ガス排出口７５に、接続されている。

セパレータ１７０は、アノード電極１４０に相対する面に配置される複数のリブ１７２を有する。隣接するリブ間の空間は、溝部１７４を形成する。溝部１７４は、燃料ガスを流通させるための流路を構成し、エンドプレート７０に配置される燃料ガス導入口７１および燃料ガス排出口７２に、接続されている。リブ１６２，１７２の形状および配置は、ガスの拡散性、圧力損失、生成水の排出性、冷却性能等を考慮し、適宜設定される。

リブ１６２，１７２に隣接する溝部１６４，１７４は、ガス拡散層１３４，１４４のオフセットしている非重なり部１４６が、位置している。つまり、非重なり部１４６は、支持されていない。したがって、燃料電池単セル１００を積層方向に押し圧状態に保持しているスタック形成のための荷重は、非重なり部１４６を変形させず、ガス拡散層１３４，１４４の間に位置する電解質膜１２０に対する曲げ応力を発生させない。

つまり、燃料電池単セル１００においては、電解質膜１２０の破損を防止することが可能である。したがって、複数の燃料電池単セル１００が積層されたスタック部２０を有する燃料電池スタック１０は、良好な耐久性を有する。

セパレータ１６０，１７０は、適当な導電性、強度および耐食性を有し、粉末状のカーボン材を有する成形材料や、金属材料から形成される。

成形材料は、カーボン材（例えば、７０〜９０ｗｔ％）およびバインダー樹脂（例えば、１０〜３０ｗｔ％）を有する粉末状の混合物である。カーボン材は、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛である。

バインダー樹脂は、例えば、フェノール樹脂やメラミン樹脂やポリアミド樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリプロピレン等などの熱可塑性樹脂である。フェノール樹脂は、経済性、作業性、成形性、物性（耐酸性、耐熱性、流体不透過性）などに優れており、好ましい。成形材料は、粉末状の形態で直接利用することに限定されず、シート状の予備成形体の形態やビレット状の予備成形体の集成体の形態で、適用することも可能である。

金属材料は、例えば、ステンレス鋼鈑である。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましい。ステンレス鋼板は、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。また、アルミニウム板や、クラッド材を適用することも可能である。

なお、セパレータ１６０，１７０は、冷却水を流通させるための流路（不図示）を有しており、エンドプレート７０に配置される冷却水導入口７７および冷却水排出口７８に、接続されている。

次に、ガスケット１８０，１９０を説明する。

ガスケット１８０，１９０は、膜電極接合体１１０の表面に位置するカソード電極１３０およびアノード電極１４０の外周を、取り囲むように配置されるシール部材であり、接着層１８４，１９４を介して、膜電極接合体１１０の電解質膜１２０の外面に固定されている。

ガスケット１８０および接着層１８４の合計厚みは、カソード電極１３０の厚み（カソード触媒層１３２およびガス拡散層１３４の合計厚み）より小さく、また、ガスケット１９０および接着層１９４の合計厚みは、アノード電極１４０の厚み（アノード触媒層１４２およびガス拡散層１４４の合計厚み）より小さい。これは、スタック形成のための荷重によって発生する電解質膜１２０に対する応力を緩和するためである。

ガスケット１８０，１９０の端面は、接着層１８４，１９４の端面と位置合せされており、また、ガス拡散層１３４，１４４の端面と接触している。しかし、ガスケット１８０，１９０の端面とガス拡散層１３４，１４４の端面とは、必要に応じ、間隔をあけて位置決めすることも可能である。ガスケット１８０，１９０は、接着層１８４，１９４の少なくとも一部と接触して配置されればよいが、膜電極接合体１１０のシール性を考慮すると、電解質膜１２０の全周縁部に、額縁状に配置されることが好ましい。

カソード触媒層１３２の端面は、ガス拡散層１３４の端面より、内側に位置しているため、並置される接着層１８４の端面との間に隙間が生じている。同様に、アノード触媒層１４２の端面は、ガス拡散層１４４の端面より、内側に位置しているため、並置される接着層１９４の端面との間に隙間が生じている。

ガスケット１８０，１９０は、気体、特に、燃料ガスや酸化剤ガスに対して不透過性を有する材料（ガス不透過材料）から形成される。ガス不透過材料は、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、（ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）である。ガスケット１８０，１９０の厚さは、特に限定されないが、好ましくは１０〜２００μｍ、より好ましくは１５〜４０μｍである。

シール１８１，１９１の材質は、セパレータ１６０，１７０と膜電極接合体１１０とのシール性を確保する機能を有しており、シール性を確保できる材料であれば特に限定されず、例えば、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂である。

接着層１８４，１９４は、接着性を確保することを考慮すると、ガスケット１８０，１９０の形状に対応し、電解質膜１２０の全周縁部に、額縁状に配置されることが好ましい。接着層１８４，１９４の厚さは、特に限定されないが、１０〜２５μｍが好ましい。なお、接着層１８４，１９４の厚みは、並置されている触媒層１３２，１４２の厚みと、略一致させることが好ましい。この場合、スタック形成のための荷重によって発生する電解質膜１２０に対する応力を緩和することが可能である。

接着層１８４，１９４に適用可能な材料は、ガスケット１８０，１９０と電解質膜１２０とを強固に接着可能であれば、特に限定されず、例えば、ポリオレフィン、ポリプロピレン、熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、アクリル系接着剤、ポリエステル、ポリオレフィン等のオレフィン系接着剤である。接着層１８４，１９４の厚さは、特に限定されないが、１０〜２５μｍが好ましい。

以上のように、実施の形態１においては、スタックを形成した際に、良好な耐久性を発揮し得る燃料電池、および良好な耐久性を有する燃料電池スタックを提供することが可能である。

なお、非重なり部１４６が位置する溝部は、酸化剤ガスを流通させるための流路および燃料ガスを流通させるための流路に利用されるものに、限定されず、専用のものとして用意したり、他の用途のものを利用したりすることも可能である。

また、燃料電池スタック１０の締結機構は、内部を延長するタイロッド９０を利用する形態に限定されず、外部を延長するテンションロッドを利用することも可能である。例えば、図４に示される締結機構は、第２エンドプレート８２、テンションロッド９２および加圧装置８４を有する。第２エンドプレート８２は、エンドプレート８０の外側に配置される。

テンションロッド９２は、スタック部２０、集電板３０，４０および絶縁板５０，６０の外側を延長し、その一端および他端は、エンドプレート７０および第２エンドプレート８２に固定される。エンドプレート８０は、テンションロッド９２が挿通され、摺動自在とされる。テンションロッド９２と、エンドプレート７０との固定は、ナットを使用する必要はなく、例えば、テンションロッド９２の一端にねじ部を形成し、エンドプレート７０に、ねじ部に対応するねじ孔を形成し、螺合締結を適用することも可能である。

加圧装置８４は、例えば、バネ部材を有しており、エンドプレート８０と第２エンドプレート８２との間に配置され、エンドプレート８０を、隣接する絶縁板６０に向かって移動させることが可能である。絶縁板６０は、集電板４０、スタック部２０、集電板３０および絶縁板５０を介して、エンドプレート７０によって支持されている。したがって、エンドプレート８０の移動は、スタック形成のための荷重を発生させ、燃料電池単セル１００を押し圧状態に保持する。

次に、実施の形態２〜８を、説明する。なお、実施の形態１と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。

図５は、実施の形態２に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。

実施の形態２においては、接着層２８４，２９４の端面は、載置（積層）されるガスケット２８０，２９０の端面と位置合せされておらず、ガス拡散層２３４，２４４と電解質膜２２０との間を延長する拡張部２８５，２９５を、有する。

接着層２８４，２９４の拡張部２８５，２９５の存在は、ガス拡散層２３４，２４４と、カソード触媒層２３２およびアノード触媒層２４２との一体化を容易とする。したがって、膜電極接合体２１０の組立性が向上し、省力化を図ることが可能となる。

図６は、実施の形態３に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。

実施の形態３においては、アノード電極側の接着層３８４の面積と、カソード電極側の接着層３９４の面積とは、異なる。つまり、接着層３８４，３９４の拡張部３８５，３９５は、その端面がずれており、オフセットしている非重なり部３８６を有する。

非重なり部３８６は、スタック形成のための荷重によって発生する電解質膜３２０に対する応力を緩和することが可能である。したがって、電解質膜３２０の破損が抑制されるため、燃料電池単セルが積層されたスタック部を有する燃料電池スタックの耐久性を、向上させることが可能である。

図７は、実施の形態４に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。

実施の形態４においては、カソード触媒層４３２の端面は、並置される接着層４８４の端面と密着しており、隙間は存在しない。同様に、アノード触媒層４４２の端面は、並置される接着層４９４の端面と密着しており、隙間は存在しない。

つまり、カソード触媒層４３２およびアノード触媒層４４２は、並置される接着層４８４および接着層４９４と密着しており、これらに覆われた電解質膜４２０は、隙間から露出していないため、カソード電極４３０およびアノード電極４４０の間における電解質膜４２０を経由しての水素（燃料ガス）クロスリークおよび酸素（酸化剤ガス）クロスリークが、抑制される。したがって、水素および酸素の化学反応において生成する水による電解質膜４２０の分解劣化を抑制し、耐久性を向上させると共に、燃費の向上を図ることが可能である。なお、符号４３４，４４４は、ガス拡散層を示している。

図８は、実施の形態５に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。

実施の形態５においては、カソード触媒層５３２およびアノード触媒層５４２は、移行部５３８，５４８を介して、並置されている接着層５８４および接着層５９４と、密着している
移行部５３８は、例えば、カソード触媒層５３２の端部と接着層５８４の端部を、重ね合せて形成され、カソード触媒層５３２および接着層５８４の成分が混在している。移行部５４８は、アノード触媒層５４２の端部と接着層５９４の端部を、重ね合せて形成され、アノード触媒層５４２と接着層５９４の成分が混在している。

移行部５３８，５４８の存在により、密着させるための公差を大きく設定することが可能となるため、膜電極接合体５１０および燃料電池単セルの組立性が向上し、省力化を図ることが可能となる。

移行部５３８，５４８の厚みは、接着層５８４，５９４、および並置されている触媒層５３２，５４２の厚みと、略一致させることが好ましい。この場合、スタック形成のための荷重によって発生する電解質膜５２０に対する応力を緩和することが可能である。なお、符号５３４，５４４は、ガス拡散層を示している。

図９は、実施の形態６に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。

実施の形態６は、撥水性を向上させる第２ガス拡散層を有する点で、実施の形態１〜５と概して異なっている。詳述すると、燃料電池単セルのカソード電極６３０およびアノード電極６４０は、触媒層６３２，６４２とガス拡散層６３４，６４４との間に配置される第２ガス拡散層６３５，６４５を、それぞれ有する。

第２ガス拡散層６３５，６４５は、隣接する触媒層６３２，６４２と略一致する形状を有し、第２ガス拡散層６３５，６４５の端部と、隣接する触媒層６３２，６４２の端部とは、位置合せされている。また、第２ガス拡散層６３５，６４５の厚みと隣接する触媒層６３２，６４２の厚みの合計は、並置されている接着層６８４，６９４の厚みと、それぞれ、略一致している。

第２ガス拡散層６３５，６４５の平均気孔径は、隣接するガス拡散層６３４，６４４の平均気孔径よりも小さく設定されている。

第２ガス拡散層６３５，６４５は、例えば、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体から形成され、撥水性を向上させることが可能であり、その厚さは、目的とする撥水性のレベルを考慮して、適宜決定される。

カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛であり、電子伝導性および比表面積の観点から、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましい。カーボン粒子の粒径は、毛細管力による排水性および触媒層との接触性を考慮し、１０〜１００ｎｍ程度が好ましい。

撥水剤は、ガス拡散層６３４，６４４に用いられる撥水剤と同様のものが適用可能であり、撥水性および電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましい。カーボン粒子と撥水剤との混合比（質量比）は、撥水性および電子伝導性を考慮し、９０：１０〜４０：６０程度が好ましい。

なお、第２ガス拡散層６３５，６４５および隣接する触媒層６３２，６４２は、並置されている接着層６８４，６９４と、密着していることが好ましい。この場合、実施の形態４と同様に、水素および酸素の化学反応において生成する水による電解質膜６２０の分解劣化を抑制し、耐久性を向上させると共に、燃費の向上を図ることが可能である。

また、第２ガス拡散層６３５，６４５および隣接する触媒層６３２，６４２は、移行部を介して、並置されている接着層６８４，６９４の端部と、密着していることも好ましい。移行部は、第２ガス拡散層６３５，６４５、触媒層６３２，６４２および接着層６８４，６９４を適宜重ね合せて形成され、第２ガス拡散層６３５，６４５、触媒層６３２，６４２および接着層６８４，６９４の成分が混在している。この場合、実施の形態５と同様に、公差を大きく設定することが可能となるため、膜電極接合体６１０および燃料電池単セルの組立性が向上し、省力化を図ることが可能となる。

さらに、移行部の厚みは、第２ガス拡散層６３５，６４５の厚みと隣接する触媒層６３２，６４２の厚みの合計、および、並置されている接着層６８４，６９４の厚みと、略一致させることが好ましい。この場合、スタック形成のための荷重によって発生する電解質膜６２０に対する応力を緩和することが可能である。

図１０は、実施の形態７に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。

実施の形態７は、シール用の突出部を有する点で、実施の形態１〜６と概して異なっている。詳述すると、燃料電池単セル７００のガスケット７８０，７９０には、三角形状断面を有する突出部７８５，７９５が配置されている。

突出部（シール）７８５，７９５は、セパレータ７６０，７７０のリブ７６２，７７２に隣接する溝部７６４，７７４に相対して延長しており、溝部７６４，７７４に当接し、弾性変形することで、シール性を向上させる。溝部７６４，７７４は、ガス拡散層７３４，７４４のオフセットしている非重なり部７４６が、位置している。なお、符号７２０，７３２，７４２は、電解質膜、カソード触媒層、アノード触媒層を示している。

シール７８５，７９５の材質は、セパレータ７６０，７７０と膜電極接合体７１０とのシール性を確保できる材料であれば特に限定されず、例えば、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂である。

シール７８５，７９５の断面形状は、三角形状に限定されず、例えば、三角以上の多角形、四辺形、長方形、円柱、円錐台、多角柱、多角錐台が適用可能である。

シール７８５，７９５はガスケット７８０，７９０の面に配置されることによって、スタック積層時における、シールの組立て工数を減少することが可能となる。

図１１は、実施の形態８に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。

実施の形態８は、水蒸気透過抑止部材を有する点で、実施の形態１〜７と概して異なっている。詳述すると、燃料電池単セルは、電解質膜８２０の外周を取り囲むように配置される水蒸気透過抑止部材８２５を有する。

電解質膜８２０の端部は、カソード電極８３０およびアノード電極８４０の端部から突出しており、水蒸気透過抑止部材８２５は、電解質膜８２０から離間して位置している。水蒸気透過抑止部材８２５の厚みは、電解質膜８２０の厚みと略一致しており、電解質膜８２０からの水蒸気の透過を、効率的に防止している。なお、符号８３２，８３４，８４２，８４４は、カソード触媒層、ガス拡散層、アノード触媒層、ガス拡散層を示している。

水蒸気透過抑止部材８２５は、電解質膜８２０の周辺部の（特に、水蒸気などのガスに対する）シール性を向上させるためには、電解質膜８２０の外周形状に対応する形状を有し、連続的に配置されることが好ましい。水蒸気透過抑止部材８２５の幅は、一定である必要はなく、例えば、水蒸気の透過が起こり易い部位の幅は広くするなど、適宜設定することも可能である。

水蒸気透過抑止部材８２５は、水蒸気透過性および圧縮応力に対する耐性などを考慮すると、接着剤、あるいは、電解質膜８２０よりも圧縮弾性率の高い材料から形成されることが好ましい。

接着剤は、水蒸気を透過しないものであれば特に限定されず、例えば、ポリオレフィン、ポリプロピレン、熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、アクリル系接着剤、ポリエステル、ポリオレフィン等のオレフィン系接着剤である。なお、ホットメルト系接着剤は、接着のしやすさ、正確な接着位置及び長時間接着力を有しているため、好ましい。

電解質膜８２０よりも圧縮弾性率の高い材料は、水蒸気透過抑止部材８２５の圧縮弾性率を向上させ、電解質膜８２０の変形および破損を抑制し、短絡などを防止できるため好ましい。材料は、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、（ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの硬質樹脂である。

なお、材料は、ガスケット８８０，８９０の材料と同一にすることが好ましい。これは、多種類の材料を用意する必要がなく、経済的に有利であるのに加えて、接着剤の選定が不要であるという利点がある。つまり、水蒸気透過抑止部材８２５とガスケット８８０，８９０の材料が同じであれば、接着剤が共通となり、同等の接着力が発揮されるため、良好な密着性が得られるからである。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。

例えば、燃料電池は、固体高分子型に限定されず、例えば、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池に代表される酸型電解質の燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、マイクロ燃料電池に、適用可能である。

実施の形態１に係る燃料電池スタックを説明するための斜視図である。 実施の形態１に係る燃料電池単セルを説明するための分解図である。 実施の形態１に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。 実施の形態１に係る燃料電池スタックの変形例を説明するための平面図である。 実施の形態２に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。 実施の形態３に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。 実施の形態４に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。 実施の形態５に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。 実施の形態６に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。 実施の形態７に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。 実施の形態８に係る燃料電池単セルを説明するための断面図である。

符号の説明

１０・・燃料電池スタック、
２０・・スタック部、
３０，４０・・集電板、
３５，４５・・出力端子
５０，６０・・絶縁板、
７０，８０・・エンドプレート、
７１・・燃料ガス導入口、
７２・・燃料ガス排出口、
７４・・酸化剤ガス導入口、
７５・・酸化剤ガス排出口、
７７・・冷却水導入口、
７８・・冷却水排出口、
８２・・第２エンドプレート、
８４・・加圧装置、
９０・・タイロッド、
９２・・テンションロッド、
１００・・燃料電池単セル、
１１０・・膜電極接合体、
１２０・・電解質膜、
１３０・・カソード電極、
１３２・・カソード触媒層、
１３４・・ガス拡散層、
１４０・・アノード電極、
１４２・・アノード触媒層、
１４４・・ガス拡散層、
１４６・・非重なり部、
１６０・・セパレータ、
１６２・・リブ、
１６４・・溝部、
１７０・・セパレータ、
１７２・・リブ、
１７４・・溝部、
１８０，１９０・・ガスケット、
１８１,１９１・・シール
１８４，１９４・・接着層、
２１０・・膜電極接合体、
２２０・・電解質膜、
２３２・・カソード触媒層、
２３４・・ガス拡散層、
２４２・・アノード触媒層、
２４４・・ガス拡散層、
２８０，２９０・・ガスケット、
２８４，２９４・・接着層、
２８５，２９５・・拡張部、
３２０・・電解質膜、
３８４，３９４・・接着層、
３８５，３９５・・拡張部、
３８６・・非重なり部、
４２０・・電解質膜、
４３０・・カソード電極、
４３２・・カソード触媒層、
４３４・・ガス拡散層、
４４０・・アノード電極、
４４２・・アノード触媒層、
４４４・・ガス拡散層、
４８４，４９４・・接着層、
５１０・・膜電極接合体、
５２０・・電解質膜、
５３２・・カソード触媒層、
５３４・・ガス拡散層、
５３８・・移行部、
５４２・・アノード触媒層、
５４４・・ガス拡散層、
５４８・・移行部、
５８４，５９４・・接着層、
６１０・・膜電極接合体、
６２０・・電解質膜、
６３０・・カソード電極、
６３２・・カソード触媒層、
６３４・・ガス拡散層、
６３５・・第２ガス拡散層、
６４０・・アノード電極、
６４２・・アノード触媒層、
６４４・・ガス拡散層、
６４５・・第２ガス拡散層、
６８４，６９４・・接着層、
７００・・燃料電池単セル、
７１０・・膜電極接合体、
７２０・・電解質膜、
７３２・・カソード触媒層、
７３４・・ガス拡散層、
７４２・・アノード触媒層、
７４４・・ガス拡散層、
７４６・・非重なり部、
７６０，７７０・・セパレータ、
７６２，７７２・・リブ、
７６４，７７４・・溝部、
７８０，７９０・・ガスケット、
７８５，７９５・・突出部（シール）、
８２０・・電解質膜、
８２５・・水蒸気透過抑止部材、
８３０・・カソード電極、
８３２・・カソード触媒層、
８３４・・ガス拡散層、
８４０・・アノード電極、
８４２・・アノード触媒層、
８４４・・ガス拡散層、
８８０，８９０・・ガスケット。

Claims (26)

1. 電解質膜、
   前記電解質膜を挟んで配置され、ガス拡散層をそれぞれ有するアノード電極とカソード電極、および、
   前記アノード電極および前記カソード電極の外面に配置され、前記アノード電極および前記カソード電極に相対する面にリブが形成された第１および第２セパレータを有し、
   前記ガス拡散層は、相対しており、オフセットしている非重なり部を有し、
   前記非重なり部は、前記リブに隣接する溝部に位置する
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
2. 前記アノード電極のガス拡散層と前記カソード電極のガス拡散層とは、面積が異なることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池単セル。
3. 前記非重なり部は、前記リブに隣接していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池単セル。
4. 隣接するリブ間の空間は、溝部を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池単セル
5. 前記第１セパレータの溝部は、燃料ガスを流通させるための流路を構成し、前記第２セパレータの溝部は、酸化剤ガスを流通させるための流路を構成することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池単セル。
6. 前記アノード電極および前記カソード電極の外周を、取り囲むように配置される第１および第２シール部材、および、前記第１および第２シール部材を、前記電解質膜の外面に固定するための接着層を、さらに有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池単セル。
7. 前記接着層の端部は、前記ガス拡散層と前記電解質膜との間を延長する拡張部を、有することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池単セル。
8. 前記接着層の拡張部は、相対しており、オフセットしている非重なり部を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池単セル。
9. 前記アノード電極側の接着層の面積と、前記カソード電極側の接着層の面積とは、異なることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池単セル。
10. 前記アノード電極および前記カソード電極は、前記ガス拡散層と前記電解質膜との間に配置される触媒層を、さらに有することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の燃料電池単セル。
11. 前記触媒層は、並置されている前記接着層と、密着していることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の燃料電池単セル。
12. 前記触媒層は、前記触媒層および前記接着層の成分が混在している移行部を介して、並置されている前記接着層と、密着していることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池単セル。
13. 前記触媒層の厚み、および、並置されている前記接着層の厚みは、略一致していることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池単セル。
14. 前記触媒層の厚み、前記移行部の厚み、および並置されている前記接着層の厚みは、略一致していることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池単セル。
15. 前記アノード電極および前記カソード電極は、前記触媒層と前記ガス拡散層との間に配置される第２ガス拡散層を、それぞれ有し、前記第２ガス拡散層の平均気孔径は、隣接する前記ガス拡散層の平均気孔径よりも小さいことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池単セル。
16. 前記第２ガス拡散層は、隣接する前記触媒層と略一致する形状を有し、前記第２ガス拡散層の端部と隣接する前記触媒層の端部とは、位置合せされていることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池単セル。
17. 前記第２ガス拡散層および隣接する前記触媒層は、並置されている前記接着層と、密着していることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池単セル。
18. 前記第２ガス拡散層および隣接する前記触媒層は、前記前記第２ガス拡散層、隣接する前記触媒層および前記接着層の成分が混在している移行部を介して、並置されている前記接着層と、密着していることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池単セル。
19. 前記第２ガス拡散層の厚みと隣接する前記触媒層の厚みの合計は、並置されている前記接着層の厚みと、略一致していることを特徴とする請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の燃料電池単セル。
20. 前記第２ガス拡散層の厚みと隣接する前記触媒層の厚みの合計、前記移行部の厚み、および並置されている前記接着層の厚みは、略一致していることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池単セル。
21. 前記シール部材の厚みは、前記ガス拡散層の厚みより小さいことを特徴とする請求項６〜２０のいずれか１項に記載の燃料電池単セル。
22. 前記第１シール部材に配置され、前記第１セパレータに当接するシール用の突出部、および／又は、前記第２シール部材に配置され、前記第２セパレータに当接するシール用の突出部を有することを特徴とする請求項６〜２１のいずれか１項に記載の燃料電池単セル。
23. 前記突出部は、前記非重なり部が位置する溝部に相対して配置されていることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池単セル。
24. 前記電解質膜の外周を、取り囲むように配置される水蒸気透過抑止部材を、さらに有することを特徴とする請求項１〜２３のいずれか１項に記載の燃料電池単セル。
25. 前記電解質膜の端部は、前記アノード電極と前記カソード電極の端部から突出していることを特徴とする請求項２４に記載の燃料電池単セル。
26. 請求項１〜２５のいずれか１項に記載の燃料電池単セルを複数有し、前記燃料電池単セルは、積層されていることを特徴とする燃料電池スタック。

Images