JP2008171783A - 燃料電池セル及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数や製造工程の増加を抑制しつつ、アノード電極とカソード電極との間に圧力差が生じる環境においても、固体高分子電解質膜の破損が生じ難い燃料電池セル、及び燃料電池スタックを提供すること。
【解決手段】本発明によれば、固体高分子電解質膜を支持する第１及び第２支持部材における一方が、他方に比べて固体高分子電解質膜の面方向の内側方向に長く延びていると共に、固体高分子電解質膜の面方向の内側方向に長く延びている方の支持部材と、固体高分子電解質膜における他方の支持部材が当接する側に配置されるアノード電極又はカソード電極の電極縁端とが、固体高分子電解質膜を介して重なるように構成されている。よって、かかる部分における固体高分子電解質膜は支持部材によって補強されるので、アノード電極側及びカソード電極側からの加圧のいずれに対しても、固体高分子電解質膜に対するせん断応力の発生を防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池セル及び燃料電池スタックに関し、特に、固体高分子電解質膜の破損が生じ難い燃料電池セル及びそのような燃料電池セルから構成される燃料電池スタックに関するものである。

固体高分子型燃料電池の単位セルは、アノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、アノード電極へ供給される燃料ガス（例えば、水素）とカソード電極へ供給される酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させて電気を発生させる。

かかる固体高分子型燃料電池のアノード電極へ供給される燃料ガスは、一般的に高圧の状態で供給されるので、アノード電極は加圧運転にされることが多い。その結果、アノード電極とカソード電極との間に圧力差が生じると、これら一対の電極の間に介在される固体高分子電解質膜は、かかる圧力差によって荷重を受ける。

多くの場合、アノード電極及びカソード電極は、固体高分子電解質膜の面積より小さく構成されており、アノード電極及びカソード電極の外周が、固体高分子電解質膜の外周より面方向の内側になるように配置されている。よって、固体高分子電解質膜における一対の電極の端部付近は、アノード電極とカソード電極との間に生じた圧力差により荷重を受けると、その荷重によって発生するせん断応力により破損しやすい箇所の一つである。

固体高分子電解質膜が破損すると、燃料ガス及び酸化剤ガスのクロスリークが生じて電池性能が低下するばかりか、場合によっては、燃料ガスと酸化剤ガスとが直接混合して爆鳴気となって燃焼し、爆発による電池の破損事故が発生する可能性もある。

そこで、固体高分子電解質膜の破損を防ぐ技術として、固体高分子電解質膜が破損し易い箇所に保護膜を重ねる技術（例えば、特許文献１）や、電極端部やガスケットなどの端面を面取り加工し、せん断応力によって固体高分子電解質膜がこれらの端面から受ける負荷を軽減する技術（例えば、特許文献２）が提案されている。
特開平５−２１０７７号公報 特開２００２−３２９５０４号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２によって提案されている技術は、部品点数の増加や製造工程の増加を伴うものであるために、製造コストが増大するなどの問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、部品点数の増加や製造工程の増加を抑制しつつ、アノード電極とカソード電極との間に圧力差が生じる環境においても、固体高分子電解質膜の破損が生じ難い燃料電池セル、及びそのような燃料電池セルから構成される燃料電池スタックを提供することを目的としている。

この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜と、その固体高分子電解質膜の面積より小さい面積を有し、前記固体高分子電解質膜の一方の面に、電極縁端が前記固体高分子電解質膜の縁端部の面方向の内側となるように配置されたアノード電極と、そのアノード電極と対をなす電極であって、前記固体高分子電解質膜の面積より小さい面積を有し、前記固体高分子電解質膜の他方の面に、電極縁端が前記固体高分子電解質膜の縁端部の面方向の内側となるように配置されたカソード電極と、前記アノード電極における前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に配置され、前記アノード電極へ燃料ガスを供給する燃料ガス流路を形成可能な凹部を前記アノード電極側の面に有する導電性のアノード側セパレータと、前記カソード電極における前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に配置されて、前記アノード側セパレータと一対で前記固体高分子電解質膜の周縁を介装するセパレータであって、前記カソード電極へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を形成可能な凹部を前記カソード電極側の面に有する導電性のカソード側セパレータと、前記アノード側セパレータに一体化又は装着された部材であって、前記固体高分子電解質膜における前記アノード電極の電極縁端より面方向の外側にて前記固体高分子電解質膜に当接する第１支持部材と、前記カソード側セパレータに一体化又は装着された部材であって、前記固体高分子電解質膜における前記カソード電極の電極縁端より面方向の外側にて前記固体高分子電解質膜に当接し、前記第１支持部材と一対で前記固体高分子電解質膜を挟んで支持する第２支持部材とを備え、前記第１支持部材及び前記第２支持部材における一方の支持部材は、他方の支持部材に比べて前記固体高分子電解質膜の面方向の内側方向に長く延びており、前記他方の支持部材に比べて前記固体高分子電解質膜の面方向の内側方向に長く延びている前記一方の支持部材と、前記固体高分子電解質膜に対して前記一方の支持部材の反対側に位置する前記アノード電極又は前記カソード電極の電極縁端とが、前記固体高分子電解質膜を介して重なっている。

請求項２記載の燃料電池セルは、請求項１記載の燃料電池セルにおいて、前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記固体高分子電解質膜に当接する触媒層を有し、前記アノード電極及び前記カソード電極の触媒層は、前記固体高分子電解質膜における前記固体高分子電解質膜の面方向の内側方向により長く延びた方の支持部材を避けた領域内に配置可能な略同一の大きさに構成されて重ねられている。

請求項３記載の燃料電池セルは、請求項１又は２に記載の燃料電池セルにおいて、前記アノード電極及び前記カソード電極は、いずれも、前記固体高分子電解質膜に当接する触媒層を有する板状の多孔体であり、それぞれ、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの凹部に収容されて各凹部の底面と前記固体高分子電解質膜との間に挟持されて、前記触媒層が前記固体高分子電解質膜に当接されるものであり、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の少なくとも一部は、前記多孔体の空孔によって構成されている。

請求項４記載の燃料電池スタックは、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セルを複数備え、前記複数のセルを電気的に直列接続することによって構成される。

請求項１記載の燃料電池セルによれば、固体高分子電解質膜と、その固体高分子電解質膜の片面に配置されたアノード電極と、他方の面に配置されたカソード電極と、アノード電極における固体高分子電解質膜とは反対側の面に配置され、アノード電極へ燃料ガスを供給する燃料ガス流路を形成可能な凹部を有する導電性のアノード側セパレータと、カソード電極における固体高分子電解質膜とは反対側の面に配置されて、カソード電極へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を形成可能な凹部をカソード電極側の面に有する導電性のカソード側セパレータとから構成されており、アノード電極へ供給される燃料ガスとカソード電極へ供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電気を発生させることができる。

なお、アノード電極及びカソード電極は、いずれも、固体高分子電解質膜の面積より小さい面積に構成され、その電極縁端が固体高分子電解質膜の縁端部の面方向の内側となるように配置されており、固体高分子電解質膜の周縁は、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に介装されれている。

ここで、アノード側セパレータには、第１支持部材が、該アノード側セパレータに一体化又は装着されており、一方で、カソード側セパレータには、第２支持部材が、該カソード側セパレータに一体化又は装着されている。そして、固体高分子電解質膜は、アノード電極又はカソード電極の電極端縁より面方向の外側において、これらの第１支持部材と第２支持部材によって挟持されて支持されている。

このとき、これらの第１支持部材及び第２支持部材における一方の支持部材が、他方の支持部材に比べて固体高分子電解質膜の面方向の内側方向に長く延びていると共に、そのように固体高分子電解質膜の面方向の内側方向に長く延びている方の支持部材と、固体高分子電解質膜における他方の支持部材が当接する側（即ち、固体高分子電解質膜に対して反対側）に配置されるアノード電極又はカソード電極の電極縁端とが、固体高分子電解質膜を介して重なるように構成されている。例えば、第１支持部材が固体高分子電解質膜の面方向の内側方向に長く延びている方の支持部材であった場合には、カソード電極の電極縁端が、固体高分子電解質膜を介して、第１支持部材に重なっている。

よって、アノード電極とカソード電極との間の圧力差によって発生するせん断応力により固体高分子電解質膜が破損し易い位置のうち、少なくとも、固体高分子電解質膜を介して第１又は第２支持部材と重なっている電極縁端については、支持部材によって固体高分子電解質膜が補強されるので、アノード電極側からの加圧及びカソード電極側からの加圧のいずれに対しても、固体高分子電解質膜に対するせん断応力の発生を防止することができる。その結果、固体高分子電解質膜が破損し難くなるという効果がある。即ち、別途保護膜を配設したり電極縁端を面取りしたりなど、部品点数の増加や製造工程の増加を特に伴わずとも、固体高分子電解質膜が破損し難い燃料電池セルを提供することができるという効果がある。

なお、請求項１において、「ガス流路（燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路）を形成可能な凹部」は、凹部自体がガス流路を形成することに限定されず、凹部とその凹部の内部にガス流路として採用可能な部材（例えば、空孔をガス流路として使用できる多孔体など）とによってガス流路を形成することができる場合も含むことを意図している。

請求項２記載の燃料電池セルによれば、請求項１記載の燃料電池セルの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。アノード電極及びカソード電極は、固体高分子電解質膜に当接する触媒層を有しており、これらの触媒層は、固体高分子電解質膜における、固体高分子電解質膜の面方向の内側方向により長く延びた方の支持部材を避けた領域内に配置可能な略同一の大きさに構成されて重ねられている。

固体高分子電解質において支持部材と重なる箇所は、支持部材が障害となって燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応が阻害されるために、かかる箇所に触媒層を設けたとしても、その触媒層は殆ど機能せず無駄となる。一般的に、触媒層は、プラチナなどの高価な貴金属材料を使用しているので、固体高分子電解質膜の面方向の内側方向により長く延びた方の支持部材を避けた領域、即ち、第１支持部材も第２支持部材も配置されていない領域のみに触媒層を配置することによって、貴金属の使用量を無駄に増大させることを抑制し、製造コストを有効に抑制することができるという効果がある。

請求項３記載の燃料電池セルによれば、請求項１又は２に記載の燃料電池セルの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。アノード電極及びカソード電極は、いずれも、固体高分子電解質膜に当接する触媒層を有する板状の多孔体であり、この多孔体の空孔が、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の少なくとも一部として構成されるので、気体流路が別途設けられているセパレータ（アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ）を採用する必要がないので、セルの薄型化を図ることができるという効果がある。

請求項４記載の燃料電池スタックによれば、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セルが電気的に直列接続されて構成されているので、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セルが奏する効果と同様の効果を奏する。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池セル１０を有する燃料電池スタック５０を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、燃料電池スタック５０は、後述する燃料電池セル１０の複数個が矢印Ｘ−Ｘ方向に積層された積層体である。

燃料電池スタック５０において、隣接する燃料電池セル１０は、一方の燃料電池セル１０における導電性のカソード側セパレータ１１（図２（ｂ）参照）と、他方の燃料電池セル１０における導電性のアノード側セパレータ１２（図２（ｂ）参照）との接触によって、電気的に直列接続されている。

燃料電池スタック５０には、各燃料電池セル１０のカソード電極１３（図２（ｂ）参照）へ酸化剤ガス（本実施形態では、空気）を供給する酸化剤ガス流路が、各燃料電池セル１０の酸化剤ガス供排出口１１ａ１，１１ａ２（図２（ｂ）参照）を介して連通されている。また、各燃料電池セル１０のアノード電極１４（図２（ｂ）参照）へ燃料ガス（本実施形態では、水素）を供給する燃料ガス流路が、各燃料電池セル１０の燃料ガス供排出口１２ａ１，１２ａ２（図２（ｂ）参照）を介して連通されている。これらの酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路へ、それぞれ、酸化剤ガス及び燃料ガスを流通させることにより、各燃料電池セル１０を発電させることができ、その結果として、燃料電池スタック５０から直流電流を取り出すことができる。

次に、図２及び図３を参照して、燃料電池スタック５０を構成する第１実施形態の燃料電池セル１０について具体的に説明する。図２（ａ）は、図１の矢印ＩＩａ方向から見た燃料電池セル１０の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＩＩｂ−ＩＩｂ線における燃料電池セル１０の断面図である。また、図３は、図２（ｂ）におけるＥ部の拡大図である。

なお、理解を容易にするために、図２（ａ）において、カソード側セパレータ１１の裏面側（紙面裏側）に位置する構造の一部を隠れ線によって図示し、図２（ｂ）において、酸化剤ガス供排出口１１ａ１及び燃料ガス供排出口１２ａ２を隠れ線によって図示し、酸化剤ガス供排出口１１ａ２及び燃料ガス供排出口１２ａ１を仮想線によって図示している。

図２（ａ）に示すように、燃料電池セル１０は、平面視において略矩形に形成され、図２（ｂ）に示すように、固体高分子電解質膜１５と、その固体高分子電解質１５の両面に配設されたカソード電極１３及びアノード電極１４と、これらの一対の電極１３，１４の両側に配された導電性のカソード側セパレータ１１及びアノード側セパレータ１２とから構成される積層体である。

固体高分子電解質膜１５としては、例えば、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標，旭化成（株）製）など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。かかる固体高分子電解質膜１５は、その周縁が、カソード側セパレータ１１とアノード側セパレータ１２との間に介装されることによって支持されている。また、詳細は後述するが、この固体高分子電解質膜１５は、対向する２辺が、二組ある一対の支持板（支持板１６及び支持板１７を一対とする組と、支持板１８及び支持板１９を一対とする組との二組）によっても支持されている。

カソード電極１３は、図３に示すように、板状の多孔体１３ａと、その多孔体１３ａの片面に配設された細孔層（ＭＰＬ：Ｍｉｃｒｏ Ｐｏｒｏｕｓ Ｌａｙｅｒ）１３ｂと、その細孔層１３ｂにおける多孔体１３ａとは反対側の面に配設された触媒層１３ｃとが一体的に形成されたものである。

触媒層１３ｃは、例えば、カーボン粒子にプラチナなどの触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを含んで構成された触媒層を採用することができる。図３に示すように、カソード電極１３は、触媒層１３ｃを固体高分子電解質膜１５に当接させて配置されており、固体高分子電解質膜１５における他方の面に当接するアノード電極１４の触媒層１４ｃと共に、酸素と水素との電気化学反応を促進する。

多孔体１３ａは、導電性を有すると共に、相互に連通する多くの空孔（例えば、最小内径が１０μｍ〜５００μｍ程度の空孔）を有する。かかる多孔体１３ａは、三次元の網目状に形成された網材や、連続気泡が形成された発泡材から構成することができる。ここで、例えば、繊維からなる網材を多孔体として採用する場合には、網材が導電性を有する必要性から導電性の繊維が使用される。導電性の繊維としては、例えば、チタン、ＳＵＳ、タンタル、ハステロイなどの耐食性及び導電性を有する金属繊維や、ニッケル、カーボンなどの繊維を使用することができる。なお、網材は織布であっても不織布であってもよい。

本実施形態では、多孔体１３ａとして、相互の連通する多くの空孔を有するものが採用されているので、かかる空孔が、酸化剤ガス（本実施形態では、空気）の流路の一部として機能する。即ち、本実施形態のカソード電極１３は、カソード電極としての機能と、気体流路（酸化剤ガス流路）としての機能との両方を兼ね備えている。

細孔層１３ｂは、導電性を有すると共に、相互に連通する多くの空孔をを有する。なお、細孔層１３ｂにおける空孔は、上述した多孔体１３ａの空孔より小さい細孔（例えば、最小内径が０．０１μｍ〜数μｍ程度であり、ピークが２μｍ程度より小さい空孔）である。また、細孔層１３ｂには、触媒は含まれていない。

かかる細孔層１３ｂは、例えば、２００μｍ以下の厚さで形成されて、触媒層１３ｃから多孔体１３ａへ電子を移動させ易くすると共に、触媒層１３ａ内の水を細孔層１３ｂへ移動させて、適度に触媒層を保水しつつ余剰水を系外に排出し、水によって触媒層１３ｃでの電気化学反応が阻害されることを抑制する機能を担う。

なお、細孔層１３ｂは、例えば、カーボン粒子とＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ））とを含んで構成された撥水性の細孔層を採用することができる。

アノード電極１４は、大きさ（面積）以外、上述したカソード電極１３と同様に構成されている。即ち、アノード電極１４は、図３に示すように板状体であって多孔体１３ａと同様に構成されている多孔体１４ａは、その多孔体１４ａの片面に配設された層であって細孔層１３ｂと同様に構成されている細孔層１４ｂと、その細孔層１４ｂにおける多孔体１４ａとは反対側の面に配設された層であって触媒層１３ｃと同様に構成されている触媒層１４ｃとが一体的に形成されたものである。

なお、アノード電極１４は、多孔体１４ａが上述した多孔体１３ａと同様に構成される、即ち、相互の連通する多くの空孔を有するものが採用されているので、かかる空孔が、燃料ガス（本実施形態では、水素）の流路の一部として機能することになる。よって、実施形態のアノード電極１４は、アノード電極としての機能と、気体流路（燃料ガス流路）としての機能との両方を兼ね備える。

アノード電極１４及びカソード電極１３は、いずれも、固体高分子電解質膜１５の面積より小さく形成されており、これらの電極１３，１４の縁端（電極縁端）が、固体高分子電解質１５の縁端の面方向の内側となるように配置されている。よって、カソード側セパレータ１１とアノード側セパレータ１２との間に介装される固体高分子電解質膜１５の周縁は、これらの電極１３，１４の配設されていない周縁領域である。

なお、固体高分子電解質膜１５をカソード側セパレータ１１とアノード側セパレータ１２との間に介装させる場合には、内部から燃料ガスや酸化剤ガスが漏れ出さないように、シール材（例えば、弾性体で構成されたＯ−リング、樹脂、接着剤など）によるガスシールが施される。本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、アノード側セパレータ１２の周縁に形成された凹部１２ｄに嵌着されたＯ−リング２０を介在させることによって、ガスシールを施す。

カソード側セパレータ１１及びアノード側セパレータ１２は、それぞれ、カソード電極１３を収容する凹部１１ｂ、及びアノード電極１４を収容する凹部１２ｂが形成されている。なお、図２（ｂ）に示すように、凹部１１ｂ及び凹部１２ｂは、いずれも、カソード電極１３及びアノード電極１４より大きく形成されている。

図２（ｂ）に示すように、凹部１１ｂの底面１１ｂ１と固体高分子電解質膜１５との間にカソード電極１３が挟持され、一方で、凹部１２ｂの底面１２ｂ１と固体高分子電解質膜１５との間にアノード電極１４が挟持される。

図２（ａ）に示すように、カソード側セパレータ１１は、対角となる角部付近に開口された一対の酸化剤ガス供排出口１１ａ１，１１ａ２を有している。これらの酸化剤ガス供排出口１１ａ１，１１ａ２は、それぞれ、凹部１１ｂによって形成された空間Ｌ１ａ及び空間Ｌ１ｂに連通されている。

これらの酸化剤ガス供排出口１１ａ１，１１ａ２は、燃料電池スタック５０における酸化剤ガス流路の一部であり、例えば、酸化剤ガス供排出口１１ａ１から燃料電池セル１０へ供給された酸化剤ガスは、矢印Ａの方向、即ち、空間Ｌ１ａ、多孔体１３ａ（多孔体１３ａの空孔）、及び空間Ｌ１ｂを経て、酸化剤ガス供排出口１１ａ２から排出される。

一方、アノード側セパレータ１２もまた、図２（ａ）に示すように、酸化剤ガス供排出口１１ａ１，１１ａ２とは異なる対角の角部付近に燃料ガス供排出口１２ａ１，１２ａ２を有している。これらの燃料ガス供排出口１２ａ１，１２ａ２は、それぞれ、凹部１２ｂによって形成された空間Ｌ２ａ及び空間Ｌ２ｂに連通されている。

これらの燃料ガス供排出口１２ａ１，１２ａ２は、燃料電池スタック５０における燃料ガス流路の一部であり、例えば、燃料ガス供排出口１２ａ２から燃料電池セル１０へ供給された燃料ガスは、矢印Ｂの方向、即ち、空間Ｌ２ｂ、多孔体１４ａ（多孔体１４ａの空孔）、及び空間Ｌ２ａを経て、燃料ガス供排出口１２ａ１から排出される。

本実施形態の燃料電池セル１０では、多孔体１３ａ及び多孔体１４ａの空孔が気体流路（酸化剤ガス流路、燃料ガス流路）の一部として構成されているので、カソード側セパレータ１１及びアノード側セパレータ１２に別途気体流路を設ける必要がなく、その分、燃料電池セルを薄くすることができる。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、燃料電池セル１０は、４枚の支持板１６〜１９を有しており、支持板１６及び支持板１７を一対とする組と、支持板１８及び支持板１９を一対とする組とによって、対向する二辺に沿った位置で固体高分子電解質膜１５を支持している。

なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、カソード電極１３側に配置される支持板１６，１８は、それぞれ、凹部１１ｂより面方向の外側に浅く形成された凹部１１ｃ１，１１ｃ２に装着され、一方で、アノード電極１４側に配置される支持板１７，１９は、凹部１２ｂより面方向の外側に浅く形成された凹部１２ｃ１，１２ｃ２に装着されている。

図２（ａ）に示すように、一対の支持板１６及び支持板１７は、酸化剤ガス供排出口１１ａ１及び燃料ガス供排出口１２ａ１を臨むように配設されており、他方の一対となる支持板１８及び支持板１９は、酸化剤ガス供排出口１１ａ２及び燃料ガス供排出口１２ａ２を臨むように配設されている。

これらの支持板１６〜１９による支持によって、カソード電極１３側を流通する酸化剤ガスの圧力とアノード電極１４側を流通する燃料ガスの圧力との圧力差による固体高分子電解質膜１５の撓みが防止され、固体高分子電解質膜１５によって酸化剤ガス供排出口１１ａ１，１１ａ２、燃料ガス供排出口１２ａ１，１２ａ２、及び空間Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂが塞がれることが防止される。

本実施形態の燃料電池セル１０では、一対の支持板を構成する各支持板には、それぞれ異なる大きさのものを採用しており、その結果として、一方の支持板が他方の支持板に比べて固体高分子電解質膜１５の面方向の内側方向に延びた構成とされている。具体的には、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、一対の支持板１６及び支持板１７では、アノード電極１４側の支持板１７の方が、カソード電極１３側の支持板１６に比べて固体高分子電解質膜１５の面方向の内側方向（図２における矢印Ｚ１方向）に長く延び、他方の一対の支持板１８及び支持板１９においても、アノード電極１４側の支持板１９の方が、カソード電極１３側の支持板１８に比べて固体高分子電解質膜１５の面方向の内側方向（図２における矢印Ｚ２方向）に長く延びた構成とされている。

ここで、図２（ｂ）に示すように、本実施形態の燃料電池セル１０では、一対の支持板における固体高分子電解質膜１５の面方向の内側方向により長く延びた方の支持板、即ち、支持板１７，１９が、固体高分子電解質膜１５を介してカソード電極１３の電極縁端に重なるように構成されている。

従来、固体高分子電解質膜１５上に配置された電極縁端は、カソード電極側を流通する酸化剤ガスの圧力とアノード電極側を流通する燃料ガスの圧力との圧力差によって発生するせん断応力により破損しやすい箇所の一つであった。しかし、本実施形態の燃料電池セル１０は、支持板１７，１９とカソード電極１３の電極縁端とが固体高分子電解質膜１５を介して重なる構成であることにより、固体高分子電解質膜１５が支持板１７，１９によって補強されて、アノード電極１４側からの加圧及びカソード電極１３側からの加圧のいずれに対しても、せん断応力の発生を防止することができるのである。その結果、固体高分子電解質膜１５の破損が抑制される。

なお、支持板１７とカソード電極１３との重なり部分の距離Ｗ１、及び、支持板１９とカソード電極１３との重なり部分の距離Ｗ２は、１ｍｍ以上に設定することが好ましい。かかる距離Ｗ１，Ｗ２を１ｍｍ以上とすることにより、燃料電池セル１０の組み立て時に、支持板１６〜１９や電極１３，１４の組み付け位置にズレが生じたとしても、支持板１７，１９とカソード電極１３の電極縁端との重なりを保証できる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池セル１０によれば、支持板１７，１９とカソード電極１３の電極縁端とが固体高分子電解質膜１５を介して重なっているので、固体高分子電解質膜１５が、支持板１７，１９によって補強され、アノード電極１４側からの加圧及びカソード電極１３側からの加圧のいずれに対しても、せん断応力の発生を防止することができ、その結果として、固体高分子電解質膜１５の破損を抑制することができる。

従来、固体高分子電解質膜１５の破損防止のために、保護膜を別途設けたり、電極縁端部の面取り加工を行うなどが行われていたが、本実施形態の燃料電池セル１０によれば、元々使用していた支持板１６〜１９の大きさ及び電極１３，１４の組み付け位置の変更に基づくものであるので、従来のような部品点数の増加や製造工程の増加を特に伴わずとも、固体高分子電解質膜１５が破損し難い燃料電池セル１０を提供することができる。

また、本実施形態の燃料電池スタック５０によれば、上述した固体高分子電解質膜１５が破損し難い燃料電池セル１０が電気的に直列接続されて構成されているので、固体高分子電解質膜１５の破損による不具合が生じ難い。

次に、図４を参照して、本発明における第２実施形態について説明する。図４は、本発明の第２実施形態の燃料電池セル６０の断面図である。なお、図４に示す断面図は、図２（ｂ）の断面図に対応する断面（即ち、ＩＩｂ−ＩＩｂ線における断面）を示す図である。

上述した第１実施形態の燃料電池セル１０は、カソード電極１３及びアノード電極１４をいずれも電極と気体流路を兼ねるものとしたが、この第２実施形態の燃料電池セル６０では、電極としての機能のみを有するカソード電極１３０とアノード電極１４０を採用している。なお、この第２実施形態の燃料電池セル６０を説明する上で、上記の第１実施形態の燃料電池セル１０と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

第２実施形態の燃料電池セル６０において、カソード電極１３０は、固体高分子電解質膜１５に当接して配置される触媒層１３０ａと、触媒層１３０ａにおける固体高分子電解質膜１５とは反対側の面に配設されるガス拡散層１３０ｂとから構成される。

また、アノード電極１４０は、固体高分子電解質膜１５に当接して配置される触媒層１４０ａと、触媒層１４０ａにおける固体高分子電解質膜１５とは反対側の面に配設されるガス拡散層１４０ｂとから構成される。

なお、触媒層１３０ａ及び触媒層１４０ａとしては、いずれも、第１実施形態の燃料電池セル１０において採用された触媒層１３ｃ及び触媒層１４ｃと同様の触媒層を採用できる。また、ガス拡散層１３０ｂ，１４０ｂは、空孔を有する導電性の層であり、例えば、金属やカーボンから構成された多孔体を採用できる。

この第２実施形態の燃料電池セル６０におけるカソード側セパレータ１１には、凹部１１ｂの内部に、複数のリブ１１ｅが設けられている。なお、これらのリブ１１ｅは、リブ１１ｅ間に形成される凹部１１ｆが空間Ｌ３ａと空間Ｌ３ｂとを連通するような位置に配置されている。

同様に、燃料電池セル６０におけるアノード側セパレータ１２には、凹部１２ｂの内部に、複数のリブ１２ｅが、リブ１２ｅ間に形成される凹部１２ｆが空間Ｌ５ａと空間Ｌ５ｂとを連通するような位置に配置されている。

カソード側セパレータ１１のリブ１１ｅ及びアノード側セパレータ１２のリブ１２ｅは、それぞれ、カソード電極１３０及びアノード電極１４０に当接し、これらの電極１３０，１４０との電子の授受に関与する。

また、カソード側セパレータ１１に形成された凹部１１ｆは、空間Ｌ３ａと空間Ｌ３ｂとを連通しているので、例えば、酸化剤ガス供排出口１１ａ１から燃料電池セル６０へ供給された酸化剤ガスは、空間Ｌ３ａ、凹部１１ｆによって形成される空間Ｌ４、及び空間Ｌ３ｂを経て、酸化剤ガス供排出口１１ａ２から排出される。

同様に、アノード側セパレータ１２に形成された凹部１２ｆは、空間Ｌ５ａと空間Ｌ５ｂとを連通しているので、例えば、燃料ガス供排出口１２ａ２から燃料電池セル６０へ供給された酸化剤ガスは、空間Ｌ５ｂ、凹部１２ｆによって形成される空間Ｌ６、及び空間Ｌ５ａを経て、燃料ガス供排出口１２ａ１から排出される。

図４に示すように、この第２実施形態の燃料電池セル６０もまた、一対の支持板における固体高分子電解質膜１５の面方向の内側方向により長く延びた方の支持板、即ち、支持板１７，１９が、固体高分子電解質膜１５を介してカソード電極１３０の電極縁端に重なるように構成されているので、固体高分子電解質膜１５が支持板１７，１９によって補強されて、アノード電極１４０側からの加圧及びカソード電極１３０側からの加圧のいずれに対しても、せん断応力の発生を防止することができる。その結果として、固体高分子電解質膜１５の破損を抑制することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、上記各実施形態では、アノード電極（１４，１４０）側に配置された支持板１７，１９を、対をなす他方の支持板１６，１８に比べて固体高分子電解質膜１５の面方向の内側方向に長く延びるものとして構成したが、一対の支持板における一方の支持板が、他方の支持板に比べて固体高分子電解質膜１５の面方向の内側方向に長く延びる構成であれば、上記各実施形態と同様に、固体高分子電解質膜１５の破損を抑制することができる。

例えば、カソード電極（１３，１３０）側に配置された支持板１６，１８を、対をなす他方の支持板１７，１９に比べて固体高分子電解質膜１５の面方向の内側方向に長く延びるものとして構成してもよい。

あるいは、二組のうちの一方の支持板の対では、カソード電極（１３，１３０）側に配置された支持板が、対をなす他方の支持板に比べて固体高分子電解質膜１５の面方向の内側方向に長く延びるが、他方の組の支持板の対では、アノード電極（１４，１４０）側に配置された支持板が、対をなす他方の支持板に比べて固体高分子電解質膜１５の面方向の内側方向に長く延びるように構成してもよい。

例えば、カソード電極（１３，１３０）側に配置された支持板１６は、対をなす他方の支持板１７に比べて固体高分子電解質膜１５の面方向の内側方向に長く延びるが、その一方で、アノード電極（１４，１４０）側に配置された支持板１８が、対をなす他方の支持板１９に比べて固体高分子電解質膜１５の面方向の内側方向に長く延びる構成としてもよい。なお、かかる構成の場合には、カソード電極（１３，１３０）とアノード電極（１４，１４０）の大きさを略同一に形成することができる。

また、上記各実施形態では、一対の支持板１６，１７及びもう一対の支持板１８，１９を、略矩形状の燃料電池セル１０における短手方向の対辺に１組ずつ配置される構成であったが、長手方向の対辺に１組ずつ配置される構成や、周縁にわたって（額縁状）１対の支持板を配置する構成であってもよい。

また、上記各実施形態では、支持板１６〜１９が、カソード側セパレータ１１又はアノード側セパレータ１２に形成された凹部（１１ｃ１，１１ｃ２，１２ｃ１，１２ｃ２）に装着される構成としたが、これらの支持板１６〜１９が、カソード側セパレータ１１又はアノード側セパレータ１２と一体化された構成であってもよい。

また、上記各実施形態では、固体高分子電解質膜１５を介して支持板１７，１９に電極縁端が重なるカソード電極（１３又は１３０）において、触媒層（１３ｃ又は１３０ａ）が支持板１７，１９に重なるように構成したが、この触媒層を他方の電極の触媒層（１４ｃ又は１４０ａ）と略同一の大きさに形成するように構成してもよい。即ち、触媒層（１３ｃ又は１３０ａ）を支持板１７，１９から避けた領域に形成するように構成してもよい。

ここで、固体高分子電解質１５において支持板１６〜１９と重なる箇所は、これらの支持板１６〜１９が障害となって燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応が阻害される。そのため、かかる箇所に触媒層を設けたとしても、その触媒層は殆ど機能せず無駄となる。一般的に、触媒層は、プラチナなどの高価な貴金属材料を使用しているので、触媒層（１３ｃ又は１３０ａ）を支持板１７，１９から避けた領域に形成することによって、高価な貴金属の使用量を無駄に増大させることを抑制し、製造コストを有効に抑制することが可能となる。

なお、上記各実施形態として例示した本発明の燃料電池セル及び燃料電池スタックは、電気自動車などの移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源、携帯電子機器用電源などの各種電源として利用可能である。

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に基づいて限定されるものではない。

［実施例］
図２に示した燃料電池セル１０を使用した。なお、多孔体１３ａ，１４ａとしては、板厚１ｍｍのチタン繊維焼結板（線径７０μｍ）を使用し、細孔層１３ｂ，１４ｂとしては、ＰＴＦＥとカーボンブラックとを含んで構成される細孔層（ＰＴＦＥ含量：３５ｗｔ％）を使用し、触媒層１３ｃ、１４ｃとしては、プラチナ担持カーボンと電解質としてＮａｆｉｏｎ（登録商標，デュポン社製）とを含む触媒層を使用した。また、固体高分子電解質膜１５として、膜厚５０μｍのＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標，旭化成（株）製）ＳＦ−１００２を使用した。また、支持板１７及び支持板１９とカソード電極１３との重なり部分の距離Ｗ１，Ｗ２をいずれも３ｍｍとした。

［比較例］
図５に示した燃料電池セル１００を使用した。なお、図５は、比較例として使用した燃料電池セル１００を説明する図であり、図５（ａ）は、燃料電池セル１００の平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＶｂ−Ｖｂ線における燃料電池セル１００の断面図である。なお、図５に示した燃料電池セル１００を説明する上で、上述した燃料電池セル１０（即ち、実施例で使用した燃料電池セル）と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

この比較例で使用した燃料電池セル１００は、一対の支持板を構成する各支持板として同じ大きさのものを採用した点で、実施例で使用した燃料電池セル１０と異なっている。即ち、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、一対の支持板１６０と支持板１７０とを同じ大きさに構成し、もう一対の支持板１８０と支持板１９０とが同じ大きさに構成した。よって、比較例で使用した燃料電池セル１００では、支持板１７及び支持板１９とカソード電極１３との重なり部分の距離も、支持板１６及び支持板１８とアノード電極１４との重なり部分の距離もゼロである。

なお、多孔体１３ａ，１４ａ、細孔層１３ｂ，１４ｂ、触媒層１３ｃ、１４ｃ、及び固体高分子電解質膜１５のいずれも、実施例の燃料電池セル１０で使用したものと同じものを使用した。

［加圧実験］
上記構成を有する燃料電池セル１０については、アノード電極１４側又はカソード電極１３側を加圧し、アノード電極１３側とカソード電極側とに圧力差を発生させ、リークが発生したか否かを確認した。また、比較例とする燃料電池セル１００については、アノード電極１４の加圧によって圧力差を発生させた場合について、リークが発生したか否かを確認した。

なお、リークが発生したか否かの判断は、加圧後、約５分間、５ｋＰａ以上の圧力低下が確認されない場合には「リークが発生しなかった」とし、それ以前に５ｋＰａ以上の圧力低下が確認された場合には「リークが発生した」とした。

結果を表１に示す。表１において、「結果」欄の「ＯＫ」は、「リークが発生しなかった」ことを意味し、「ＮＧ」は、「リークが発生した」ことを意味する。

表１に示したように、本発明の燃料電池セル（実施例の燃料電池セル）は、アノード電極１４側を加圧した場合に、圧力差が３００ｋＰａになってもリークが発生しなかった。また、カソード電極１３側を加圧した場合もまた、圧力差が１００ｋＰａになってもリークが発生しなかった。

これに対し、比較例の燃料電池セルは、アノード電極１４側を加圧した場合に、１００ｋＰａの圧力差においてリークの発生が確認された。

従って、表１の結果から明らかなように、支持板１７及び支持板１９とカソード電極１３とが重なっている本発明の燃料電池セルは、かかる重なりのない比較例の燃料電池セルに比べ、固体高分子電解質膜が破損し難いことを示した。

本発明の第１実施形態における燃料電池セルを有する燃料電池スタックを模式的に示す斜視図である。 （ａ）は、図１の矢印ＩＩａ方向から見た燃料電池セルの平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＩＩｂ−ＩＩｂ線における燃料電池セルの断面図である。 図２（ｂ）におけるＥ部の拡大図である。 第２実施形態の燃料電池セルの断面図である。 （ａ）比較例の燃料電池セルの平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＶｂ−Ｖｂ線における比較例の燃料電池セルの断面図である。

符号の説明

１０，６０ 燃料電池セル
１１ カソード側セパレータ
１１ｂ 凹部（酸化剤ガス流路を形成可能な凹部）
１１ｆ 凹部（酸化剤ガス流路を形成可能な凹部）
１２ アノード側セパレータ
１２ｂ 凹部（燃料ガス流路を形成可能な凹部）
１２ｆ 凹部（燃料ガス流路を形成可能な凹部）
１３，１３０ カソード電極
１３ｃ，１３０ａ 触媒層
１４，１４０ アノード電極
１４ｃ，１４０ａ 触媒層
１５ 固体高分子電解質膜
１６ 支持板（第２支持部材）
１７ 支持板（第１支持部材）
１８ 支持板（第２支持部材）
１９ 支持板（第１支持部材）
５０ 燃料電池スタック

Claims (4)

1. 固体高分子電解質膜と、
   その固体高分子電解質膜の面積より小さい面積を有し、前記固体高分子電解質膜の一方の面に、電極縁端が前記固体高分子電解質膜の縁端部の面方向の内側となるように配置されたアノード電極と、
   そのアノード電極と対をなす電極であって、前記固体高分子電解質膜の面積より小さい面積を有し、前記固体高分子電解質膜の他方の面に、電極縁端が前記固体高分子電解質膜の縁端部の面方向の内側となるように配置されたカソード電極と、
   前記アノード電極における前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に配置され、前記アノード電極へ燃料ガスを供給する燃料ガス流路を形成可能な凹部を前記アノード電極側の面に有する導電性のアノード側セパレータと、
   前記カソード電極における前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に配置されて、前記アノード側セパレータと一対で前記固体高分子電解質膜の周縁を介装するセパレータであって、前記カソード電極へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を形成可能な凹部を前記カソード電極側の面に有する導電性のカソード側セパレータと、
   前記アノード側セパレータに一体化又は装着された部材であって、前記固体高分子電解質膜における前記アノード電極の電極縁端より面方向の外側にて前記固体高分子電解質膜に当接する第１支持部材と、
   前記カソード側セパレータに一体化又は装着された部材であって、前記固体高分子電解質膜における前記カソード電極の電極縁端より面方向の外側にて前記固体高分子電解質膜に当接し、前記第１支持部材と一対で前記固体高分子電解質膜を挟んで支持する第２支持部材とを備え、
   前記第１支持部材及び前記第２支持部材における一方の支持部材は、他方の支持部材に比べて前記固体高分子電解質膜の面方向の内側方向に長く延びており、
   前記他方の支持部材に比べて前記固体高分子電解質膜の面方向の内側方向に長く延びている前記一方の支持部材と、前記固体高分子電解質膜に対して前記一方の支持部材の反対側に位置する前記アノード電極又は前記カソード電極の電極縁端とが、前記固体高分子電解質膜を介して重なっていることを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記アノード電極及び前記カソード電極は、前記固体高分子電解質膜に当接する触媒層を有し、
   前記アノード電極及び前記カソード電極の触媒層は、前記固体高分子電解質膜における、前記固体高分子電解質膜の面方向の内側方向により長く延びた方の支持部材を避けた領域内に配置可能な略同一の大きさに構成されて重ねられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。
3. 前記アノード電極及び前記カソード電極は、いずれも、前記固体高分子電解質膜に当接する触媒層を有する板状の多孔体であり、それぞれ、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの凹部に収容されて各凹部の底面と前記固体高分子電解質膜との間に挟持されて、前記触媒層が前記固体高分子電解質膜に当接されるものであり、
   前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の少なくとも一部は、前記多孔体の空孔によって構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セルを複数備え、
   前記複数のセルを電気的に直列接続することによって構成される燃料電池スタック。
   
   
   

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