JP2008034210A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス漏れを抑制することができ、かつ、シール部材を介した短絡を防止することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料電池は、アノードと電解質とカソードとが順に積層された発電部と、アノードと導通する第１導電材料と、カソードと導通しかつ第１導電材料とともに発電部を挟持する第２導電材料と、アノードと第１導電材料との間および／またはカソードと第２導電材料との間に配置された多孔質集電体５０と、少なくとも一部に金属を含み第１導電材料と第２導電材料との間に配置され少なくとも一部に第１導電材料と第２導電材料とを絶縁する第１絶縁部材を備えるシール部材６０と、シール部材と多孔質集電体との間に配置された第２絶縁部材７０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池の中には、アノードとカソードとによって電解質膜が挟持された発電部等が集電体およびセパレータを介して積層された構造を有するものがある。このような構成を有する燃料電池では、各構成部材からのガス漏れ等を防ぐ必要がある。そこで、集電体の外周部においてポリマーからなるシール部材を配置した構成が開示されている(例えば、特許文献１参照)。

特開２００２−２３１２７４号公報

しかしながら、ポリマーの耐熱温度以上の温度範囲で作動する燃料電池においては、ポリマーをシール部材として用いることができない。そこで、シール部材としてメタルを用いることが考えられる。しかしながら、シール部材としてメタルを用いると、シール部材を介した短絡が発生するおそれがある。

本発明は、ガス漏れを抑制することができ、かつ、シール部材を介した短絡を防止することができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、アノードと電解質とカソードとが順に積層された発電部と、アノードと導通する第１導電材料と、カソードと導通しかつ第１導電材料とともに発電部を挟持する第２導電材料と、アノードと第１導電材料との間および／またはカソードと第２導電材料との間に配置された多孔質集電体と、少なくとも一部に金属を含み第１導電材料と第２導電材料との間に配置され少なくとも一部に第１導電材料と第２導電材料とを絶縁する第１絶縁部材を備えるシール部材と、シール部材と多孔質集電体との間に配置された第２絶縁部材と、を備えることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池においては、金属を含むシール部材が配置されていることから、作動温度がポリマーの耐熱温度を超えても、シール部材のシール性への影響が抑制される。したがって、シール部材からのガス漏れ等を防止することができる。また、多孔質集電体とシール部材との間に第２絶縁部材が配置されていることから、多孔質集電体とシール部材との短絡を防止することができる。したがって、シール部材を介した短絡を防止することができる。

シール部材は、酸化剤ガス流路または燃料ガス流路を構成してもよい。また、第２絶縁部材は、多孔質集電体に比較して小さい気孔率および／または平均孔径を有していてもよい。この場合、多孔質集電体に供給されたガスの第２絶縁部材を経由した迂回を抑制することができる。したがって、本発明に係る燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。なお、第２絶縁部材は、非多孔質部材からなるものであってもよい。

第２絶縁部材は、マイカ系部材からなるものであってもよい。この場合、第２絶縁部材は、本発明に係る燃料電池の締結荷重によるシール部材の寸法変化を吸収することができる。また、シール部材には凹部が形成され、第２絶縁部材は、凹部にはまり込む形状を有していてもよい。さらに、第２絶縁部材は、多孔質部材に接触して多孔質部材側に突出する凸部を備えていてもよい。この場合、多孔質集電体の位置決めがなされる。したがって、第１導電材料および／または第２導電材料によって多孔質集電体の位置決めをする必要がなくなる。この場合、第１導電材料および／または第２導電材料に多孔質集電体の収納用の溝を設ける必要がない。また、第１導電材料および／または第２導電材料と多孔質集電体とを接合する必要がなくなる。この場合、接合による多孔質集電体の変形を抑制することができる。したがって、多孔質集電体と電極との均一面圧が形成されやすくなる。

アノードは第１導電材料に接合された水素分離膜であり、電解質はプロトン伝導性電解質であり、多孔質集電体はカソードと第２導電材料との間に配置されていてもよい。この場合、水素分離膜とカソードとの短絡を防止することができる。

本発明によれば、ガス漏れを抑制することができ、かつ、シール部材を介した短絡を防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

以下、図１〜図４を参照しつつ、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００について説明する。本実施例においては、燃料電池１００の作動温度は、３００℃〜６００℃程度である。図１（ａ）および図１（ｂ）は、燃料電池１００の模式的断面図である。図２（ａ）は後述するセパレータ１０のアノード側を示す図であり、図２（ｂ）はセパレータ１０のカソード側を示す図である。図３は、後述する電池フレーム３０の発電部４０側を示す図である。図４は、後述するガスケット６０の拡大図である。なお、図１（ａ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、図１（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図１に示すように、燃料電池１００は、セパレータ１０上に集電体２０、電池フレーム３０、発電部４０および集電体５０が積層された単セル１が複数積層された構造を有する。セパレータ１０は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ１０の内部には、冷媒流路が形成されている。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、セパレータ１０は、矩形状を有する。セパレータ１０は、一例として９０ｍｍ×１７０ｍｍの大きさを有する。セパレータ１０の面積は、集電体２０，５０および発電部４０の面積よりも大きく設定されている。集電体２０，５０および発電部４０は、セパレータ１０の中央部に配置されている。

セパレータ１０の一方の短辺近傍には、当該短辺方向に沿って燃料ガス通路１１ａ、冷媒通路１２ａおよび酸化剤ガス通路１３ａがセパレータ１０を貫通するように順に形成されている。セパレータ１０の他方の短辺近傍には、当該短辺方向に沿って燃料ガス通路１１ｂ、冷媒通路１２ｂおよび酸化剤ガス通路１３ｂがセパレータ１０を貫通するように順に形成されている。集電体２０，５０は、弾力性を有する多孔質状の導電性材料からなる。集電体２０，５０としては、例えば、多孔質状のステンレス等の発泡焼結金属等を用いることができる。集電体２０は燃料ガスの流路として機能し、集電体５０は酸化剤ガスの流路として機能する。

図３に示すように、電池フレーム３０は、セパレータ１０と同様の大きさを有する平板状の導電性材料からなり、後述する水素分離膜４１を支持および補強する支持体として機能を有する。電池フレーム３０の一方の短辺近傍には、燃料ガス通路１１ａに対応する位置に燃料ガス通路３１ａが、冷媒通路１２ａに対応する位置に冷媒通路３２ａが、酸化剤ガス通路１３ａに対応する位置に酸化剤ガス通路３３ａが電池フレーム３０を貫通するように形成されている。また、電池フレーム３０の他方の短辺近傍には、燃料ガス通路１１ｂに対応する位置に燃料ガス通路３１ｂが、冷媒通路１２ｂに対応する位置に冷媒通路３２ｂが、酸化剤ガス通路１３ｂに対応する位置に酸化剤ガス通路３３ｂが電池フレーム３０を貫通するように形成されている。また、電池フレーム３０の中央部の領域３４には、複数の貫通孔３５が形成されている。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、発電部４０は、電池フレーム３０側から集電体５０側へ順に、水素分離膜４１、電解質膜４２、カソード電極４３が積層された構造を有する。発電部４０は、領域３４を覆うように形成されている。水素分離膜４１は、燃料ガスが供給されるアノード電極として機能するとともに、電解質膜４２を支持および補強する支持体として機能する。本実施例においては、水素分離膜４１は、パラジウム、パラジウム合金、または、表面にパラジウムが形成されたバナジウム等の水素透過性金属からなる。

電解質膜４２は、プロトン伝導性を有する固体酸化物型電解質からなる。電解質膜４２としては、例えば、プロトン伝導性のペロブスカイト型電解質等を用いることができる。カソード電極４３は、酸化剤ガスが供給される電極であり、例えば、ランタンコバルトタイト、ランタンマンガネート、銀、白金、白金担持カーボン等の導電性材料から構成される。本実施例においては、電池フレーム３０および発電部４０は、互いに固定されるように一体的に形成されている。したがって、電池フレーム３０の位置決めが燃料電池１００の外形基準によってなされれば、発電部４０の位置ずれを防止することができる。

図２（ｂ）に示すように、本実施例に係る燃料電池１００においては、発電部４０を挟んで電池フレーム３０とセパレータ１０との間にガスケット６０が設けられている。ガスケット６０は、各セパレータ１０の周縁部と燃料ガス通路１１ａ，１１ｂおよび冷媒通路１２ａ，１２ｂの周囲とに配置されるように、一体的に形成されている。それにより、セパレータ１０のカソード側においては、酸化剤ガス通路１３ａと酸化剤ガス通路１３ｂとが集電体５０を介して連通している。

また、図２（ａ）に示すように、集電体２０を挟んでセパレータ１０と電池フレーム３０との間には、ガスケット６１が設けられている。ガスケット６１は、各セパレータ１０の周縁部と冷媒通路１２ａ，１２ｂおよび酸化剤ガス通路１３ａ，１３ｂの周囲とに配置されるように、一体的に形成されている。それにより、電池フレーム３０の集電体２０側においては、燃料ガス通路１１ａと燃料ガス通路１１ｂとが集電体２０を介して連通している。

以上の構成により、ガスケット６０，６１と燃料ガス通路１１ａ，３１ａとによって燃料ガス入口マニホールド１４ａが形成され、ガスケット６０，６１と冷媒通路１２ａ，３２ａとによって冷媒入口マニホールド１５ａが形成され、ガスケット６０，６１と酸化剤ガス通路１３ａ，３３ａとによって酸化剤ガス入口マニホールド１６ａが形成され、ガスケット６０，６１と燃料ガス通路１１ｂ，３１ｂとによって燃料ガス出口マニホールド１４ｂが形成され、ガスケット６０，６１と冷媒通路１２ｂ，３２ｂとによって冷媒出口マニホールド１５ｂが形成され、ガスケット６０，６１と酸化剤ガス通路１３ｂ，３３ｂとによって酸化剤ガス出口マニホールド１６ｂが形成される。

なお、セパレータ１０、電池フレーム３０およびガスケット６０，６１の両短辺部には、共通して切り欠きが形成されている。これらの部材の切り欠きは、それぞれの短辺部において燃料電池１００の積層方向に同一の切り欠き面を形成し、切り欠き８０を形成する。例えば、各切り欠き８０にシャフトを押し付けることによって、セパレータ１０、電池フレーム３０およびガスケット６０，６１の位置決めを容易に行うことができる。

ガスケット６０，６１は、主として、セパレータ１０よりもビッカース硬さＨｖが小さい金属材料からなる。この金属材料としては、例えば、ビッカース硬さＨｖが６０以下の無酸素銅（例えば、純度９９．９９％以上の銅）等を用いることができる。この場合、燃料電池１００に対して積層方向に荷重をかけて締結することによって、セパレータ１０が変形せずにガスケット６０，６１が変形して各部材がシールされる。それにより、各マニホールドの密閉性が向上する。また、無酸素銅の酸素含有率は非常に小さいことから、ガスケット６０，６１の水素脆化等の劣化を抑制することができる。

本実施例に係る燃料電池１００においては、電池フレーム３０はアノード電位を有しかつセパレータ１０はカソード電位を有している。したがって、発電部４０を挟む電池フレーム３０とセパレータ１０とは絶縁されている必要がある。単セル１内において短絡が発生するからである。図４（ａ）および図４（ｂ）にガスケット６０の具体例を示す。

例えば、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、ガスケット６０は、金属部材６０１および絶縁部材６０２を備える。図４（ａ）に示すように、セパレータ１０と金属部材６０１との間に絶縁部材６０２が介在していてもよい。また、図４（ｂ）に示すように絶縁部材６０２が、金属部材６０１をセパレータ１０側および電池フレーム３０側に分断するように層状に介在していてもよい。なお、電池フレーム３０とセパレータ１０との短絡が防止されていれば、金属部材６０１は電池フレーム３０およびセパレータ１０のいずれか一方と導通していてもよい。また、集電体２０を挟む電池フレーム３０とセパレータ１０とは、ガスケット６１を介して導通していてもよい。

本実施例においては、シール部材として主として金属成分からなるガスケット６０，６１を用いていることから、燃料電池１００の作動温度がポリマーの耐熱温度を超える数百度程度の高温に達しても、各マニホールドのシール性への影響を抑制することができる。したがって、各マニホールドからのガス漏れ等を防止することができる。

また、図２（ｂ）に示すように、本実施例ではセパレータ１０のカソード側において、セパレータ１０の長辺部のガスケット６０と集電体５０との間に絶縁部材７０が配置されている。絶縁部材７０は、燃料電池１００の作動温度において劣化しない絶縁材料から構成される。絶縁部材７０は、例えば、セラミックス、マイカ、紙等の絶縁性材料からなる。なお、絶縁部材７０は、マイカから構成されることが好ましい。この場合、絶縁部材７０は、燃料電池１００の締結時におけるガスケット６０の寸法変化を吸収できるからである。ガスケット６０と集電体５０との間の絶縁部材７０の幅は、例えば、２ｍｍ程度である。

集電体５０とガスケット６０との間に絶縁部材７０が配置されていることから、集電体５０とガスケット６０との短絡を防止することができる。この場合、ガスケット６０の金属部材６０１がセパレータ１０を介して水素分離膜４１およびカソード電極４３のいずれか一方と導通している場合であっても、水素分離膜４１とカソード電極４３との短絡を防止することができる。すなわち、金属部材６０１と水素分離膜４１とが導通している場合であっても、金属部材６０１とカソード電極４３との接触を絶縁部材７０によって防止することができる。また、金属部材６０１とカソード電極４３とが導通している場合であっても、金属部材６０１と水素分離膜４１との接触を絶縁部材７０によって防止することができる。

また、ガスケット６０と集電体５０との間に絶縁部材７０が配置されることによって、集電体５０の位置決めがなされる。したがって、セパレータ１０によって集電体５０の位置決めをする必要がなくなる。この場合、セパレータ１０に集電体５０の収納用の溝を設ける必要がない。また、セパレータ１０と集電体５０とを接合する必要がなくなる。この場合、接合による集電体５０の変形を抑制することができる。したがって、集電体５０とカソード電極４３との均一面圧が形成されやすくなる。

なお、絶縁部材７０の気孔率および／または平均孔径は、集電体５０の気孔率および／または平均孔径よりも小さいことが好ましい。この場合、集電体５０に供給された酸化剤ガスの絶縁部材７０を経由した迂回を抑制することができるからである。この場合、燃料電池１００の発電効率低下を抑制することができる。同様の理由により、絶縁部材７０は非多孔質状で緻密であることがより好ましい。

続いて、燃料電池１００の動作について説明する。まず、燃料ガスは、燃料ガス入口マニホールド１４ａに供給される。燃料ガス入口マニホールド１４ａを流動する燃料ガスは、集電体２０および貫通孔３５を介して水素分離膜４１に供給される。燃料ガス中に含まれる水素は、水素分離膜４１を透過し、水素分離膜４１と電解質膜４２との界面において電子とプロトンとに分離する。プロトンは、電解質膜４２を伝導してカソード電極４３に到達する。なお、水素分離膜４１に供給されなかった燃料ガスは、燃料ガス出口マニホールド１４ｂから外部に排出される。

一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口マニホールド１６ａに供給される。酸化剤ガス入口マニホールド１６ａを流動する燃料ガスは、集電体５０を介してカソード電極４３に供給される。カソード電極４３においては、酸化剤ガスに含まれる酸素とプロトンとによって発電が行われるとともに水が発生する。発生した電力は、集電体２０，５０およびセパレータ１０を介して外部に取り出される。なお、カソード電極４３に供給されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口マニホールド１６ｂから外部に排出される。

なお、本実施例においては、絶縁部材７０は、セパレータ１０の長辺部のガスケット６０と集電体５０との間に配置されているが、それに限られない。絶縁部材７０は、燃料ガス通路１１ａ，１１ｂおよび冷媒通路１２ａ，１２ｂの周囲のガスケット６０と集電体５０との間に配置されていてもよい。

本実施例においては、水素分離膜４１がアノードに相当し、電解質膜４２が電解質に相当し、カソード電極４３がカソードに相当し、電池フレーム３０が第１導電材料に相当し、セパレータ１０が第２導電材料に相当し、集電体５０が多孔質集電体に相当し、ガスケット６０がシール部材に相当し、絶縁部材６０２が第１絶縁部材に相当し、絶縁部材７０が第２絶縁部材に相当する。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａについて説明する。燃料電池１００ａが図１の燃料電池１００と異なる点は、ガスケット６０の代わりにガスケット６０ａが設けられている点および絶縁部材７０の代わりに絶縁部材７０ａが設けられている点である。ガスケット６０ａがガスケット６０と異なる点および絶縁部材７０ａが絶縁部材７０と異なる点は、形状である。

図５は、セパレータ１０のカソード側を示す図である。図５に示すように、ガスケット６０ａは、絶縁部材７０ａと接触している部分においては、セパレータ１０の周縁部側に凸状であり、絶縁部材７０ａ側に凹状に形成されている。絶縁部材７０ａは、この凹部内にはめ込まれている。それにより、絶縁部材７０ａの位置ずれが抑制される。また、絶縁部材７０ａは、両端部においてセパレータ１０の中央部に対して突出する凸部を有している。それにより、集電体５０の位置ずれが抑制される。この場合の凸部の突出距離は、例えば２ｍｍ程度である。なお、この凸部は、絶縁部材７０ａの両端に限らず、絶縁部材７０ａのいずれの箇所に設けられていてもよい。

続いて、図６および図７を参照しつつ、本発明の第３実施例に係る燃料電池１００ｂについて説明する。本実施例においては、燃料電池１００ｂの作動温度は、６０℃〜１２０℃程度である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、燃料電池１００ｂの模式的断面図である。図７（ａ）はセパレータ１１０のアノード側を示す図であり、図７（ｂ）はセパレータ１１０のカソード側を示す図である。なお、図６（ａ）は図７（ａ）のＣ−Ｃ線断面図であり、図６（ｂ）は図７（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。

図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、燃料電池１００ｂは、セパレータ１１０上に集電体１２０、膜−電極接合体１４０および集電体１５０が積層された単セル１０１が複数積層された構造を有する。セパレータ１１０は、セパレータ１０と同様の大きさの平板形状を有し、セパレータ１０と同様の材料から構成される。セパレータ１１０の内部には、冷媒流路が形成されている。セパレータ１１０の面積は、膜−電極接合体１４０および集電体１２０，１５０の面積よりも大きく設定されている。膜−電極接合体１４０および集電体１２０，１５０は、セパレータ１１０の中央部に配置されている。

図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、セパレータ１１０の一方の短辺近傍には、当該短辺方向に沿って燃料ガス通路１１１ａ、冷媒通路１１２ａおよび酸化剤ガス通路１１３ａがセパレータ１１０を貫通するように順に形成されている。セパレータ１１０の他方の短辺近傍には、当該短辺方向に沿って燃料ガス通路１１１ｂ、冷媒通路１１２ｂおよび酸化剤ガス通路１１３ｂがセパレータ１１０を貫通するように順に形成されている。

集電体１２０，１５０は、集電体２０，５０と同様の材料から構成される。膜−電極接合体１４０は、集電体１２０側から集電体１５０側へ順に、燃料ガス拡散層１４１、アノード電極１４２、電解質膜１４３、カソード電極１４４および酸化剤ガス拡散層１４５が積層された構造を有する。燃料ガス拡散層１４１および酸化剤ガス拡散層１４５は、カーボンペーパ等の多孔質状の導電性材料からなる。アノード電極１４２およびカソード電極１４４は、白金等の触媒を担持するカーボン等からなる。電解質膜１４３は、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質からなる。膜−電極接合体１４０は、それぞれの部材が互いに接合されている。

本実施例に係る燃料電池１００ｂにおいては、各セパレータ１１０間にガスケット１６０が設けられている。ガスケット１６０は、各セパレータ１１０の両面の周縁部と燃料ガス通路１１１ａ，１１１ｂ、冷媒通路１１２ａ，１１２ｂおよび酸化剤ガス通路１１３ａ，１１３ｂの周囲とに配置されるように、一体的に形成されている。

それにより、ガスケット１６０と燃料ガス通路１１１ａとによって燃料ガス入口マニホールド１１４ａが形成され、ガスケット１６０と冷媒通路１１２ａとによって冷媒入口マニホールド１１５ａが形成され、ガスケット１６０と酸化剤ガス通路１１３ａとによって酸化剤ガス入口マニホールド１１６ａが形成され、ガスケット１６０と燃料ガス通路１１１ｂとによって燃料ガス出口マニホールド１１４ｂが形成され、ガスケット１６０と冷媒通路１１２ｂとによって冷媒出口マニホールド１１５ｂが形成され、ガスケット１６０と酸化剤ガス通路１１３ｂとによって酸化剤ガス出口マニホールド１１６ｂが形成される。

なお、セパレータ１１０およびガスケット１６０の両短辺部には、共通して切り欠きが形成されている。これらの部材の切り欠きは、それぞれの短辺部において燃料電池１００ｂの積層方向に同一の切り欠き面を形成し、切り欠き１８０を形成する。例えば、各切り欠き１８０にシャフトを押し付けることによって、セパレータ１１０およびガスケット１６０の位置決めを容易に行うことができる。

ガスケット１６０は、ガスケット６０，６１と同様の材料から構成される。したがって、ガスケット１６０は、金属部材と絶縁部材から構成されている。本実施例に係る燃料電池１００ｂは、ガスケット１６０を介したアノード電極１４２とカソード電極１４４との短絡を防止する構成を有している。なお、アノード電極１４２とカソード電極１４４との短絡が防止されていれば、ガスケット１６０の金属成分は、アノード電極１４２およびカソード電極１４４のいずれか一方と導通していてもよい。

このように、シール部材として主として金属成分からなるガスケット１６０が用いられていることから、燃料電池１００ｂの作動温度がポリマーの耐熱温度を超える数百度程度の高温に達しても、各マニホールドのシール性への影響が抑制される。したがって、各マニホールドからのガス漏れ等を防止することができる。

上記の電解質膜１４３は、集電体１２０、燃料ガス拡散層１４１、アノード電極１４２、カソード電極１４４、酸化剤ガス拡散層１４５および集電体１５０に比して、セパレータ１１０の両短辺方向に伸び、ガスケット１６０に接触している。電解質膜１４３は絶縁体であるから、電解質膜１４３とガスケット１６０とが接触していても短絡は発生しない。

図６（ａ）に示すように、セパレータ１１０のアノード側においては、ガスケット１６０の酸化剤ガス通路１１３ｂを囲む部位の膜−電極接合体１４０側は、セパレータ１１０から電解質膜１４３まで形成されている。また、図６（ｂ）に示すように、ガスケット１６０の酸化剤ガス通路１１３ａを囲む部位の膜−電極接合体１４０側は、セパレータ１１０から電解質膜１４３まで形成されている。したがって、酸化剤ガス入口マニホールド１１６ａと酸化剤ガス出口マニホールド１１６ｂとは、集電体１５０を介して連通している。

また、図６（ａ）に示すように、セパレータ１１０のカソード側においては、ガスケット１６０の燃料ガス通路１１１ａを囲む部位の膜−電極接合体１４０側は、セパレータ１１０から電解質膜１４３まで形成されている。また、図６（ｂ）に示すように、ガスケット１６０の燃料ガス通路１１１ｂを囲む部位の膜−電極接合体１４０側は、セパレータ１１０から電解質膜１４３まで形成されている。したがって、燃料ガス入口マニホールド１１４ａと燃料ガス出口マニホールド１１４ｂとは、集電体１２０を介して連通している。

本実施例では、セパレータ１１０のアノード側において、セパレータ１１０の長辺部のガスケット１６０と集電体１２０との間に絶縁部材１７１が配置されている。セパレータ１１０のカソード側においては、セパレータ１１０の長辺部のガスケット１６０と集電体１５０との間に絶縁部材１７２が配置されている。絶縁部材１７１，１７２は、絶縁部材７０と同様の材料からなる。ガスケット１６０と集電体１２０との間の絶縁部材１７１の幅およびガスケット１６０と集電体１５０との間の絶縁部材１７２の幅は、例えば、２ｍｍ程度である。

このように、集電体１２０，１５０とガスケット１６０との間にそれぞれ絶縁部材１７１，１７２が配置されていることから、集電体１２０，１５０とガスケット１６０との短絡を防止することができる。この場合、ガスケット１６０がセパレータ１１０を介してアノード電極１４２およびカソード電極１４４のいずれか一方と導通している場合であっても、アノード電極１４２とカソード電極１４４との短絡を防止することができる。すなわち、ガスケット１６０とアノード電極１４２とが導通している場合であっても、ガスケット１６０とカソード電極１４４との接触を絶縁部材１７２によって防止することができる。また、ガスケット１６０とカソード電極１４４とが導通している場合であっても、ガスケット１６０とアノード電極１４２との接触を絶縁部材１７１によって防止することができる。

また、ガスケット１６０と集電体１２０の間に絶縁部材１７１が配置されることによって、集電体１２０の位置決めがなされる。また、ガスケット１６０と集電体１５０との間に絶縁部材１７２が配置されることによって、集電体１５０の位置決めがなされる。したがって、セパレータ１１０によって集電体１２０，１５０の位置決めをする必要がなくなる。この場合、セパレータ１１０に集電体１２０，１５０の収納用の溝を設ける必要がない。また、セパレータ１１０と集電体１２０，１５０とを接合する必要がなくなる。この場合、接合による集電体１２０，１５０の変形を抑制することができる。したがって、集電体１２０，１５０と膜−電極接合体１４０との均一面圧が形成されやすくなる。

なお、絶縁部材１７１，１７２の気孔率および／または平均孔径は、集電体１２０，１５０の気孔率および／または平均孔径よりも小さいことが好ましい。この場合、集電体１２０，１５０に供給されたガスの絶縁部材１７１，１７２を経由した迂回を抑制することができるからである。この場合、燃料電池１００ｂの発電効率低下を抑制することができる。同様の理由により、絶縁部材１７１，１７２は非多孔質状で緻密であることがより好ましい。

続いて、燃料電池１００ｂの動作について説明する。まず、燃料ガスは、燃料ガス入口マニホールド１１４ａに供給される。燃料ガス入口マニホールド１１４ａを流動する燃料ガスは、集電体１２０および燃料ガス拡散層１４１を介してアノード電極１４２に供給される。アノード電極１４２においては、燃料ガスに含まれる水素は、プロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜１４３を伝導してカソード電極１４４に到達する。なお、アノード電極１４２に供給されなかった燃料ガスは、燃料ガス出口マニホールド１１４ｂから外部に排出される。

一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口マニホールド１１６ａに供給される。酸化剤ガス入口マニホールド１１６ａを流動する燃料ガスは、集電体１５０および酸化剤ガス拡散層１４５を介してカソード電極１４４に供給される。カソード電極１４４においては、酸化剤ガスに含まれる酸素とプロトンとによって発電が行われるとともに水が発生する。発生した電力は、集電体１２０，１５０およびセパレータ１１０を介して外部に取り出される。なお、カソード電極１４４に供給されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口マニホールド１１６ｂから外部に排出される。

なお、本実施例においては、絶縁部材１７１，１７２は、セパレータ１１０の長辺部のガスケット１６０と集電体１２０，１５０との間に配置されているが、それに限られない。絶縁部材１７１は、冷媒通路１１２ａ，１１２ｂおよび酸化剤ガス通路１１３ａ，１１３ｂの周囲のガスケット１６０と集電体１２０との間に配置されていてもよい。また、絶縁部材１７２は、燃料ガス通路１１１ａ，１１１ｂおよび冷媒通路１１２ａ，１１２ｂの周囲のガスケット１６０と集電体１５０との間に配置されていてもよい。

本実施例においては、アノード電極１４２がアノードに相当し、電解質膜１４３が電解質に相当し、カソード電極１４４がカソードに相当し、集電体１２０下に配置されたセパレータ１１０が第１導電材料に相当し、集電体１５０上に配置されたセパレータ１１０が第２導電材料に相当し、集電体１２０，１５０が多孔質集電体に相当し、ガスケット１６０がシール部材に相当し、絶縁部材１７１，１７２が第２絶縁部材に相当する。

本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 セパレータのアノード側およびカソード側を示す図である。 電池フレームの発電部側を示す図である。 ガスケットの拡大図である。 第２実施例に係るセパレータのカソード側を示す図である。 第３実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 セパレータのアノード側およびカソード側を示す図である。

符号の説明

１ 単セル
１０ セパレータ
１１ａ，１１ｂ 燃料ガス通路
１２ａ，１２ｂ 冷媒通路
１３ａ，１３ｂ 酸化剤ガス通路
２０，５０ 集電体
３０ 電池フレーム
４０ 発電部
４１ 水素分離膜
４２ 電解質膜
４３ カソード電極
６０，６１ ガスケット
７０ 絶縁部材
１００ 燃料電池
６０１ 金属部材
６０２ 絶縁部材

Claims (8)

1. アノードと、電解質と、カソードとが順に積層された発電部と、
   前記アノードと導通する第１導電材料と、
   前記カソードと導通しかつ前記第１導電材料とともに前記発電部を挟持する第２導電材料と、
   前記アノードと前記第１導電材料との間および／または前記カソードと前記第２導電材料との間に配置された多孔質集電体と、
   少なくとも一部に金属を含み、前記第１導電材料と前記第２導電材料との間に配置され、少なくとも一部に前記第１導電材料と前記第２導電材料とを絶縁する第１絶縁部材を備えるシール部材と、
   前記シール部材と前記多孔質集電体との間に配置された第２絶縁部材と、を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記シール部材は、酸化剤ガス流路または燃料ガス流路を構成することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記第２絶縁部材は、前記多孔質集電体に比較して小さい気孔率および／または平均孔径を有することを特徴とする燃料電池１または２記載の燃料電池。
4. 前記第２絶縁部材は、非多孔質部材からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記第２絶縁部材は、マイカ系部材からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
6. 前記シール部材には、凹部が形成され、
   前記第２絶縁部材は、前記凹部にはまり込む形状を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
7. 前記第２絶縁部材は、前記多孔質部材に接触して前記多孔質部材側に突出する凸部を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
8. 前記アノードは、前記第１導電材料に接合された水素分離膜であり、
   前記電解質は、プロトン伝導性電解質であり、
   前記多孔質集電体は、前記カソードと前記第２導電材料との間に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。

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