JP2008305674A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス漏れ抑制部材から溶出される溶出物により電解質膜が劣化することを抑制する燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜を挟持する一対の触媒層と前記触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層とを有する膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリを介して配置される一対のフレームと、前記フレームの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータと、隣接する部材間のガス漏れを抑制するガス漏れ抑制部材とを有する燃料電池であって、前記ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位の発電性能が、他の膜−電極アッセンブリの部位の発電性能より大きい燃料電池である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の技術に関する。

一般的に燃料電池は、電解質膜を介して配置される一対の電極（アノード極及びカソード極）を含む膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリを介して配置される一対のフレームと、フレームの両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。燃料電池の発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素イオンと電子とにする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。

上記燃料電池には、隣接する燃料電池部材間の反応ガス（アノードガス、カソードガス）のガス漏れを抑制するガス漏れ抑制部材が設けられる。

例えば、特許文献１には、燃料電池用セパレータの反応ガス流路を形成するリブが配置されるフレームの開口部とリブとの間にガス漏れ抑制部材を設けた燃料電池が提案されている。

燃料電池の発電時では、上記反応に加え副反応が起こり、過酸化水素、ＯＨラジカル等の酸化力の強い物質が生成する場合がある。

そして、ガス漏れ抑制部材と燃料電池の発電時に生成する水（過酸化水素、ＯＨラジカル等も含む）とが接触すると、ガス漏れ抑制部材と上記水とが反応し、膜−電極アッセンブリに悪影響を及ぼす物質が、ガス漏れ抑制部材から溶出される場合がある。その一例として、例えば、ガス漏れ抑制部材にシリコン系樹脂が用いられている場合、シリコン系樹脂と水とが反応すると、シリコン系樹脂からシリコン系物質が主に溶出される。溶出されたシリコン系物質が、膜−電極アッセンブリを構成する電解質膜に付着すると、電解質膜の膨張、固化等の劣化が引き起こされる。その結果、燃料電池の発電性能が低下する場合がある。

国際公開第２００６／０７５７８６号パンフレット

本発明は、ガス漏れ抑制部材から溶出される物質により電解質膜が劣化することを抑制する燃料電池である。

本発明は、電解質膜を挟持する一対の触媒層と前記触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層とを有する膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリを介して配置される一対のフレームと、前記フレームの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータと、隣接する部材間のガス漏れを抑制するガス漏れ抑制部材とを有する燃料電池であって、前記ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位の発電性能が、他の膜−電極アッセンブリの部位の発電性能より低い。

また、前記燃料電池において、前記燃料電池用セパレータは、反応ガス流路を形成するリブを有し、前記ガス漏れ抑制部材は、前記リブと隣接する部材との間に配置されることが好ましい。

また、前記燃料電池において、前記フレームは、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路が形成されるリブが配置される開口部を有し、前記ガス漏れ抑制部材は、前記リブと前記開口部の内周との間に配置されることが好ましい。

また、前記燃料電池において、前記ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位には、前記触媒層が配置されていないことが好ましい。

また、前記燃料電池において、前記ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位の拡散層上に電気絶縁層を配置することが好ましい。

また、前記燃料電池において、前記ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位の電解質膜の等価当量は、前記他の膜−電極アッセンブリの部位の電解質膜の等価当量より大きいことが好ましい。

また、前記燃料電池において、前記ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位の拡散層を通過する反応ガスの通過量は、前記他の膜−電極アッセンブリの部位の拡散層を通過する反応ガスの通過量より少ないことが好ましい。

本発明によれば、膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリを介して配置される一対のフレームと、前記フレームの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータと、隣接する部材間のガス漏れを抑制するガス漏れ抑制部材とを有する燃料電池であって、前記ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位の発電性能を他の膜−電極アッセンブリの部位の発電性能より低くすることによって、ガス漏れ抑制部材から溶出される物質により電解質膜が劣化することを抑制する燃料電池を提供することができる。

本発明の実施の形態について以下説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す一部拡大模式断面図である。図１に示すように燃料電池１は、膜−電極アッセンブリ１０と、フレーム１２と、燃料電池用セパレータとしてのアノード極セパレータ１４及びカソード極セパレータ１６と、接合部１８ａ，１８ｂと、ガス漏れ抑制部材４４とを備えるものである。

膜−電極アッセンブリ１０は、電解質膜２０を挟持するアノード極触媒層２２、カソード極触媒層２４と、アノード極触媒層２２、カソード極触媒層２４の両外側を挟持するアノード極拡散層２６、カソード極拡散層２８とにより構成されている。

アノード極セパレータ１４及びカソード極セパレータ１６は、膜−電極アッセンブリ１０を介して配置される。

図２（イ）は、本実施形態に用いられるアノード極セパレータの模式平面図であり、図２（ロ）は、本実施形態に用いられるカソード極セパレータの模式平面図である。図２（イ），（ロ）に示すように、アノード極セパレータ１４及びカソード極セパレータ１６は、アノードガスが流れるアノードガス流路３０又はカソードガスが流れるカソードガス流路３２と、アノードガス流路３０又はカソードガス流路３２を形成するリブ３４と、アノードガス流路３０にアノードガスを供給するアノードガス供給マニホールド３６ａと、アノードガス流路３０からアノードガスを外部へ排出するアノードガス排出マニホールド３６ｂと、カソードガス流路３２にカソードガスを供給するカソードガス供給マニホールド３８ａと、カソードガス流路３２からカソードガスを外部へ排出するカソードガス排出マニホールド３８ｂと、冷媒が流れる冷媒供給排出マニホールド４０とを備える。

図３は、本実施形態に用いられるフレームの模式平面図である。図３に示すように、フレーム１２は、開口部４２と、上記燃料電池用セパレータ（アノード極セパレータ１４及びカソード極セパレータ１６）と同様にアノードガス供給マニホールド３６ａと、アノードガス排出マニホールド３６ｂと、カソードガス供給マニホールド３８ａと、カソードガス排出マニホールド３８ｂと、冷媒供給排出マニホールド４０とを備える。

図４は、燃料電池用セパレータ上にフレームを配置した状態を示す模式平面図である。図４では、アノード極セパレータ１４上にフレーム１２を配置したものを例として説明する。図４に示すように、アノード極セパレータ１４及びフレーム１２の各マニホールド同士が重なり合うようにアノード極セパレータ１４上にフレーム１２が配置される。また、フレーム１２の開口部４２には、アノード極セパレータ１４のアノードガス流路３０、リブ３４が配置される。

図４を用いて、燃料電池１内の反応ガスの流れを説明する。図４に示すように、アノード極セパレータ１４では、アノードガス供給マニホールド３６ａからアノードガス流路３０内へアノードガスが供給される。供給されたアノードガスは、リブ３４に沿ってアノードガス流路３０内を流れ、アノードガス排出マニホールド３６ｂから外部に排出される。

しかし、アノードガス流路３０へ供給されたアノードガスの一部は、リブ３４に沿ってアノードガス流路３０内を流れず、リブ３４を横切るようなガス漏れが生じる場合がある。

図５は、図４に示す点線枠Ｘにおいて本実施形態に係るガス漏れ抑制部材を配置した状態の一例を示す燃料電池用セパレータの一部拡大模式図である。例えば、燃料電池１を組み立てる際に、フレーム１２がアノード極セパレータ１４のリブ３４に乗り上げることがないように、開口部４２の大きさ、リブ３４の長さが規定されるため、開口部４２の内周４２ａとリブ３４（具体的には、リブ３４の端部３４ａ）との間に隙間が生じる場合がある。このような場合、アノードガス流路３０へ供給されたアノードガスの一部が、開口部４２の内周４２ａとリブ３４の端部３４ａとの間から漏れ易い（図５に示す矢印Ｂ）。カソード極側も同様である。

本実施形態では、例えば、図５に示すように、フレーム１２の開口部４２の内周４２ａとリブ３４の端部３４ａとの間にガス漏れ抑制部材４４を設けることによって、フレーム１２の開口部４２の内周４２ａとリブ３４の端部３４ａとの間から反応ガスが漏れることを抑制することができる。カソード極側も同様である。

図６は、図４に示す点線枠Ｘにおいて本実施形態に係るガス漏れ抑制部材を配置した状態の他の一例を示す燃料電池用セパレータの一部拡大模式図である。図６に示すように、反応ガスは、アノード極セパレータ１４のリブ３４を乗り越えるように反応ガスが漏れる（図６に示す矢印Ｃ）場合がある。これは、図６に示すリブ３４の頂面３４ｔと頂面３４ｔに接する拡散層（図１に示すアノード極拡散層２６）との間に隙間が生じる場合があるからである。図６に示すように、リブ３４の頂面３４ｔ上（すなわち、リブの頂面３４ｔと拡散層との間）にガス漏れ抑制部材４４を設けることによって、リブ３４を越える反応ガスのガス漏れ（すなわち、リブ３４の頂面３４ｔと拡散層との間からの反応ガスのガス漏れ）を抑制することができる。カソード極側も同様である。

ガス漏れ抑制部材４４は、隣接する燃料電池部材間のガス漏れを抑制するためのものである。そのため、ガス漏れを生じる燃料電池部材間に配置されるものであれば、上記これらに限定されるものではない。例えば、図１に示すフレーム１２間に設けられる接合部１８ａ、燃料電池用セパレータ（アノード極セパレータ１４、カソード極セパレータ１６）とフレーム１２との間に設けられる接合部１８ｂが、ガス漏れ抑制部材４４であってもよい。または、接合部１８ａとフレーム１２、膜−電極アッセンブリ１０との間、接合部１８ｂと燃料電池用セパレータ、フレーム１２との間であってもよい。

しかし、発電時に生成する水（過酸化水素、ＯＨラジカル等も含む）と接触する機会が多い点で、図５に示すフレーム１２の開口部４２の内周４２ａとリブ３４の端部３４ａとの間、図６に示すリブ３４の頂面３４ｔ上（すなわち、リブ３４の頂面３４ｔと拡散層との間）等のリブ３４と隣接する燃料電池部材との間に、ガス漏れ抑制部材４４が配置されることが好ましい。さらに、リブ３４と隣接する燃料電池部材との間でのガス漏れは、主に図５に示すフレーム１２の開口部４２の内周４２ａとリブ３４の端部３４ａとの間で起こり易い。そのため、ガス漏れ抑制部材４４は、上記説明したフレーム１２の開口部４２の内周４２ａとリブ３４の端部３４ａとの間に設けられることが好ましい。

次に、図１、２、５を用いて、燃料電池１の発電によって生じる水（過酸化水素、ＯＨラジカル等の酸化剤も含む）の流れについて説明する。燃料電池１の発電によって、図１に示すカソード極触媒層２４上で生じた水は、カソード極拡散層２８を介して、カソード極セパレータ１６のカソードガス流路３２を流れ、燃料電池１外へ排水される。または、カソード極触媒層２４上で生成した水は、電解質膜２０を通過し、アノード極触媒層２２、アノード極拡散層２６を介して、アノード極セパレータ１４のアノードガス流路３０を流れ、燃料電池１外へ排水される。

例えば、図５に示すリブ３４とフレーム１２の開口部４２の内周４２ａとの間、図６に示すリブ３４の頂面３４ｔ（頂面３４ｔと拡散層との間）に設けられているガス漏れ抑制部材４４は、反応ガス流路（アノードガス流路３０、カソードガス流路３２）を通る水（過酸化水素、ＯＨラジカル等も含む）と接触する機会が多い。また、その他上記説明した隣接する燃料電池部材間、例えば、フレーム１２間、フレーム１２と燃料電池用セパレータ間等も、燃料電池１の発電時に生成した水と接触する場合がある。

また、ガス漏れ抑制部材４４を構成する材料としては、一般的に使用される熱硬化性樹脂、例えば、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が用いられる。

例えば、シリコン樹脂から構成されるガス漏れ抑制部材４４と上記水（過酸化水素、ＯＨラジカル等も含む）とが接触し反応すると、ガス漏れ抑制部材４４からシリコン系物質が溶出される。溶出したシリコン系物質が、膜−電極アッセンブリ１０を構成する電解質膜２０に付着すると、電解質膜２０の膨張、固化等の劣化を引き起こす場合がある。

本実施形態では、ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１０の部位の発電性能は、他の膜−電極アッセンブリ１０の部位の発電性能より低いものである。膜−電極アッセンブリ１０の発電性能を低下させれば、発電による水の生成を抑えることができる。したがって、ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１０の部位の発電性能を低下させて、上記部位での水の生成を抑えれば、対向する位置にあるガス漏れ抑制部材４４と水との反応を抑制することができる。そして、ガス漏れ抑制部材４４と水との反応を抑制すれば、ガス漏れ抑制部材４４から溶出される物質の量を低減させることができるため、電解質膜２０の劣化を抑制することができる。

ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１０の部位の発電性能を低下させるには、例えば図１に示すように、ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１０の部位に、膜−電極アッセンブリ１０を構成する触媒層（アノード極触媒層２２、カソード極触媒層２４）を配置せず、空間部４６を形成する。上記構成によって、ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１０の部位では、ほとんど発電が起こらず、水の生成を抑制することができる。

本実施形態における空間部４６の形成の具体例を以下に示す。

図７は、本発明の実施形態に係る燃料電池の一部透過模式平面図である。図７は、図１の燃料電池１において、アノード極セパレータ１４上から見た一部模式平面図であり、点線は、アノード極触媒層２２を表している。図７に示すように、ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１０の部位のアノード極触媒層２２を切り欠くことによって、空間部４６を形成することができる。また、図６に示すように、ガス漏れ抑制部材４４がリブ３４の頂面３４ｔ上に設けられるような場合も、上記同様にその部位に対向するアノード極触媒層２２を切り欠くことによって、空間部４６を形成することができる。

図８は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部透過模式平面図である。図８の点線は、上記同様にアノード極触媒層２２を表している。図８に示すように、フレーム１２の開口部４２の内周４２ａの一部を切り欠き、切り欠いた部分にガス漏れ抑制部材４４を配置するものであってもよい。上記構成は、アノード極触媒層２２が配置されていない空間を空間部４６として利用したものである。

以下に、燃料電池１を構成する他の部材について説明する。

膜−電極アッセンブリ１０の構成部材としてのアノード極触媒層２２、カソード極触媒層２４は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンと電解質等とを混合してアノード極拡散層２６、又はカソード極拡散層２８上に成膜することにより形成される。本実施形態で使用される電解質としては、プロトン電導性を有するものであり、例えば、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、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、パーフルオロスルホン酸系の電解質、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等のフッ素系電解質、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等の炭化水素系電解質等が挙げられる。本実施形態に用いられる電解質は、耐熱性、化学的安定性等に優れることから、フッ素原子を含むものが好ましく、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、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が好ましい。

膜−電極アッセンブリ１０の構成部材としての電解質膜２０は、プロトン伝導性を有する電解質から構成される膜が挙げられる。電解質膜２０としては、例えば、デュポン社製の各種のナフィオン（デュポン社登録商標）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等、一般的に市販されている高分子電解質膜、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の液体電解質を含浸させた膜、多孔質体にプロトン伝導性電解質を充填させた膜等が挙げられる。電解質膜２０に用いられる電解質と、上記アノード極触媒層２２及びカソード極触媒層２４に用いられる電解質とは、同じものであっても異なるものであってもよい。

膜−電極アッセンブリ１０の構成部材としてのアノード極拡散層２６、カソード極拡散層２８は、例えば、カーボンクロス等の多孔質導電性材料等が用いられる。また、アノード極拡散層２６、カソード極拡散層２８内の水分の排水性を高めるために、多孔質導電性材料に撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、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）等のフッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂等、又は上記これらの樹脂にカーボン粒子、カーボン繊維等を含有させたペースト等が挙げられる。

本実施形態に用いられるアノード極セパレータ１４、カソード極セパレータ１６は、金属板、カーボン板等の導電性材料により構成されている。

本実施形態に用いられるフレーム１２は、膜−電極アッセンブリ１０を固定するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の樹脂板等が使用される。

本実施形態に用いられる接合部１８ａは、フレーム１２同士をシールするものであり、１８ｂは、燃料電池用セパレータ（アノード極セパレータ１４、カソード極セパレータ１６）とフレーム１２とをシールするものである。接合部１８ａ，１８ｂを構成する材料は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂等が挙げられる。また、熱硬化性樹脂等に下記のような可塑剤等を添加してもよい。可塑剤としては、例えば、アジピン酸エステル等の脂肪族ジカルボン酸エステル系化合物、リン酸エステル系化合物等を使用することができる。アジピン酸エステルは、特に限定されるものではなく、例えば、アジピン酸ジメチル、アジピン酸ジエチル、アジピン酸ジブチル、アジピン酸ジイソブチル、アジピン酸ジイソプロピル、アジピン酸ジオクチル、アジピン酸ジイソノニル、アジピン酸ジデシル等を使用することができる。リン酸エステルも、特に限定されるものではなく、例えば、トリフェニルフォスフェート、トリクレジルフォスフェート、クレジルジフェニルフォスフェート、トリオクチルフォスフェート、トリブチルフォスフェート等を使用することができる。

次に、本発明の他の実施形態に係る燃料電池の構成の一例について説明する。

図９は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す一部拡大模式断面図である。図９に示すように燃料電池２は、膜−電極アッセンブリ１０と、フレーム１２と、燃料電池用セパレータとしてのアノード極セパレータ１４及びカソード極セパレータ１６と、接合部１８ａ，１８ｂと、ガス漏れ抑制部材４４と、電気絶縁層４８とを備えるものである。図９に示す燃料電池２において、図１に示す燃料電池１と同様の構成については同一の符号を付してある。

電気絶縁層４８は、ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１０の部位の発電性能を低下させるためのものである。そして、電気絶縁層４８は、上記説明したガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１０の部位の拡散層（アノード極拡散層２６、カソード極拡散層２８）上に配置されるものである。上記構成によって、ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１０の部位では、電子の授受が抑制されるため、上記部位の発電性能を低下させることができる。

本実施形態では、電気絶縁層４８を触媒層（アノード極触媒層２２、カソード極触媒層２４）側の拡散層の面に配置したものを例としているが、燃料電池用セパレータ（アノード極セパレータ１４、カソード極セパレータ１６）側の拡散層の面に配置したものであってもよいし、触媒層側及び燃料電池用セパレータ側両方の拡散層の面に配置したものであってもよい。

電気絶縁層４８は、電気絶縁性を有する樹脂等から構成される膜、板等であれば特に制限されるものではないが、電気絶縁層４８付近に滞留する水の排水性を高める点で、撥水性を有する樹脂等から構成される膜、板等であることが好ましい。電気絶縁性及び撥水性を有する樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、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）等のフッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂等が挙げられる。

図１０は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す一部拡大模式断面図である。図１０に示すように燃料電池３は、膜−電極アッセンブリ１１と、フレーム１２と、燃料電池用セパレータとしてのアノード極セパレータ１４及びカソード極セパレータ１６と、接合部１８ａ，１８ｂと、ガス漏れ抑制部材４４とを備えるものである。図１０に示す燃料電池３において、図１に示す燃料電池１と同様の構成については同一の符号を付してある。

ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１１の部位の発電性能を低下させるために、本実施形態に用いられる電解質膜２１は、ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１１の部位の電解質膜２１の等価当量を他の部位の電解質膜２１の等価当量より大きくしたものである。上記構成にすることによって、ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１１の部位（電解質膜２１）の水素イオン伝導性が低下するため、上記部位の発電性能を低下させることができる。

ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１１の部位の電解質膜２１の組成を等価当量の大きい組成に変えることによって、上記部位の電解質膜２１の等価当量を低下させることができる。

本実施形態における等価当量（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｗｅｉｇｈｔ）とは、電解質膜２１内のイオン交換基の数を表す指数で、イオン交換基１個当たりの平均分子量に相当し、ＥＷ値が大きいほど、電解質膜２１のプロトン電導性が低いことを示す。ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１１の部位の電解質膜２１の等価当量は、ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１１の部位の発電性能を抑制することができる範囲であれば、特に制限されるものではないが、例えば、千数百ｇ／ｍｏｌ〜数千ｇ／ｍｏｌの範囲であることが好ましい。なお、等価当量は、中和滴定法により測定することができる。

図１１は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す一部拡大模式断面図である。図１１に示すように燃料電池４は、膜−電極アッセンブリ１０と、フレーム１３と、燃料電池用セパレータとしてのアノード極セパレータ１４及びカソード極セパレータ１６と、接合部１８ａ，１８ｂと、ガス漏れ抑制部材４４とを備えるものである。図１１に示す燃料電池４において、図１に示す燃料電池１と同様の構成については同一の符号を付してある。

本実施形態では、ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１０の部位の拡散層（アノード極拡散層２６、カソード極拡散層２８）を通過する反応ガスの通過量を他の部位の拡散層を通過する反応ガスの通過量より少なくすることによって、ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１０の部位の発電性能を低下させることができる。例えば、図１１に示すように、カソード極側のガス漏れ抑制部材４４に対向するアノード極側のアノード極拡散層２６の部位に、アノード極側のフレーム１３を配置する。上記構成によって、カソード極側のガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１０の部位の反応ガスの供給が低下するため、上記部位の発電性能を低下させることができる。

ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１０の部位の拡散層の反応ガス通過量の抑制は、上記に限定されるものではない。例えば、拡散層（アノード極拡散層２６、カソード極拡散層２８）を構成する多孔質導電性材料、又は撥水剤の目付けを上げることによって、拡散層の膜厚を厚く、また密度を高くすることができる。すなわち、ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリの部位の拡散層の目付けを上げることによって、拡散層内の反応ガスの拡散を抑制することができる。電解質膜２０の劣化を抑制することができる。上記目付けは、ガス漏れ抑制部材４４に対向する膜−電極アッセンブリ１０の部位の拡散層の反応ガスの通過量を抑制することができる範囲であれば、特に制限されるものではないが、百数十μｍ〜数百μｍの範囲であることが好ましい。

以上のように、本実施形態の燃料電池では、ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位の発電性能をガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位以外の部位の発電性能より低くすることによって、ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリから生成される水とガス漏れ抑制部材との反応を抑制することができる。そして、水とガス漏れ抑制部材との反応を抑制することができれば、ガス漏れ抑制部材から溶出される物質の量を低減させることができるため、電解質膜の劣化を抑制することができ、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、ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位の発電性能発電性能を低下させるには、上記部位に触媒層を配置しないこと、上記部位の拡散層に電気絶縁層を配置すること、上記部位の電解質膜の等価当量を低くすること、上記部位の拡散層のガス拡散性を低下させることにより行われることが好ましい。

上記本実施形態に係る燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として使用することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す一部拡大模式断面図である。 本実施形態に用いられる燃料電池用セパレータの模式平面図である。 本実施形態に用いられるフレームの模式平面図である。 燃料電池用セパレータ上にフレームを配置した状態を示す模式平面図である。 図４に示す点線枠Ｘにおいて本実施形態に係るガス漏れ抑制部材を配置した状態の一例を示す燃料電池用セパレータの一部拡大模式図である。 図４に示す点線枠Ｘにおいて本実施形態に係るガス漏れ抑制部材を配置した状態の他の一例を示す燃料電池用セパレータの一部拡大模式図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す一部拡大模式断面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部透過模式平面図である。 アノード極セパレータ上にフレームを配置した状態を示す一部模式拡大図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す一部拡大模式断面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す一部拡大模式断面図である。

符号の説明

１，２，３，４ 燃料電池、１０，１１ 膜−電極アッセンブリ、１２，１３ フレーム、１４ アノード極セパレータ、１６ カソード極セパレータ、１８ａ，１８ｂ 接合部、１９ 溶出物付着抑制部材、２０，２１ 電解質膜、２２ アノード極触媒層、２４ カソード極触媒層、２６ アノード極拡散層、２８ カソード極拡散層、３０ アノードガス流路、３２ カソードガス流路、３４ リブ、３４ａ 端部、３６ａ アノードガス供給マニホールド、３６ｂ アノードガス排出マニホールド、３８ａ カソードガス供給マニホールド、３８ｂ カソードガス排出マニホールド、４０ 冷媒供給排出マニホールド、４２ 開口部、４２ａ 内周、４４ ガス漏れ抑制部材、４６ 空間部、４８ 電気絶縁層。

Claims (7)

1. 電解質膜を挟持する一対の触媒層と前記触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層とを有する膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリを介して配置される一対のフレームと、前記フレームの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータと、隣接する部材間のガス漏れを抑制するガス漏れ抑制部材とを有する燃料電池であって、
   前記ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位の発電性能が、他の膜−電極アッセンブリの部位の発電性能より低いことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、前記燃料電池用セパレータは、反応ガス流路を形成するリブを有し、
   前記ガス漏れ抑制部材は、前記リブと隣接する部材との間に配置されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池であって、前記フレームは、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路が形成されるリブが配置される開口部を有し、
   前記ガス漏れ抑制部材は、前記リブと前記開口部の内周との間に配置されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池であって、前記ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位には、前記触媒層が配置されていないことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池であって、前記ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位の拡散層上に電気絶縁層を配置することを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池であって、前記ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位の電解質膜の等価当量は、前記他の膜−電極アッセンブリの部位の電解質膜の等価当量より大きいことを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池であって、前記ガス漏れ抑制部材に対向する膜−電極アッセンブリの部位の拡散層を通過する反応ガスの通過量は、前記他の膜−電極アッセンブリの部位の拡散層を通過する反応ガスの通過量より少ないことを特徴とする燃料電池。

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