JP2010033963A - 燃料電池の発電セル - Google Patents

Abstract

【課題】アノード側のガス流路形成体の外周縁部に浸透水が残留した状態において、カソード側の電極触媒層の浸蝕を防止でき、アノード側のガス流路形成体の耐久性を向上でき、発電出力の低下を未然に防止できる燃料電池の発電セルを提供する。
【解決手段】環状のフレーム１３，１４の内側に装着された電解質膜１６の上面にアノード側の電極触媒層１７、ガス拡散層１９及びガス流路形成体２１を積層し、下面にカソード側の電極触媒層１８、ガス拡散層２０及びガス流路形成体２２を積層する。フレーム１３，１４にガス流路形成体２１のガス流路に燃料ガスを供給する供給通路Ｍ１を設けるとともに、燃料オフガスを導出する導出通路Ｍ２を設ける。アノード側のガス流路形成体２１の外周縁部に張出部２５を形成し、該張出部２５に浸透水を残留させて、浸透水がアノード側のガス拡散層１９及び電極触媒層１７の外周縁部の細隙に浸入するのを阻止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電気自動車などに搭載される燃料電池システムの燃料電池の発電セルに関する。

一般に、燃料電池は、多数枚の発電セルを積層した電池スタックを備えている。図９〜図１２により発電セル１２について説明すると、図９に示すように上下一対のフレーム１３，１４の接合部には電極構造体１５が装着されている。この電極構造体１５は外周縁を前記両フレーム１３，１４により挟着した固体電解質膜１６と、該電解質膜１６の上面に積層されたアノード側の電極触媒層１７と、下面に積層されたカソード側の電極触媒層１８とにより構成されている。前記電極触媒層１７の上面にはアノード側のガス拡散層１９が積層され、前記電極触媒層１８の下面にはカソード側のガス拡散層２０が積層されている。さらに、ガス拡散層１９の上面にはアノード側のガス流路形成体２１が積層され、前記ガス拡散層２０の下面にはカソード側のガス流路形成体２２が積層されている。前記ガス流路形成体２１の上面には平板状のセパレータ２３が接合され、ガス流路形成体２２の下面には平板状のセパレータ２４が接合されている。

前記固体電解質膜１６は、フッ素系の高分子膜により形成されている。前記電極触媒層１７，１８は、図１０に示すように、粒径が数μの炭素３１の表面に燃料電池の発電が行われる際に発電効率を高めるため触媒としての粒径が２ｎｍの白金（Ｐｔ）の粒子３２が多数付着されたものを用いて構成されている。前記ガス拡散層１９，２０はカーボンペーパーにより構成されている。さらに、前記ガス流路形成体２１（２２）は、図１１に示すように、六角形のリング部２１ａ（２２ａ）を千鳥状に多数箇所に形成したラスカットメタルにより形成され、各リング部２１ａ（２２ａ）及びその貫通孔２１ｂ（２２ｂ）により形成されたガス流路を通して燃料ガス（酸化ガス）が流れるようになっている。なお、図１１はガス流路形成体２１，２２の一部を拡大して描いたものである。

前記フレーム１３，１４には図９に示すように燃料ガスとしての水素ガスをアノード側の前記ガス流路形成体２１のガス流路に供給するための供給通路Ｍ１が形成されるとともに、ガス流路形成体２１のガス流路を通過した燃料オフガスを外部に導出するための導出通路Ｍ２が形成されている。又、前記フレーム１３，１４には、酸化ガスとしての空気をカソード側のガス流路形成体２２のガス流路に供給するための供給通路（図示しないが図９の紙面裏側）が形成されるとともに、該ガス流路を通過した酸化オフガスを外部に導出するための導出通路（図示しないが図９の紙面表側）が形成されている。

そして、図示しない水素ガス供給源から水素ガスを図９に矢印Ｐで示すように前記供給通路Ｍ１から前記ガス流路形成体２１に供給するとともに、図示しない空気供給源から空気をガス流路形成体２２に供給することにより発電セル内で電気化学反応により発電が行われる。即ち、アノード側のガス流路形成体２１に供給された水素ガス（Ｈ_２）はガス拡散層１９を通して電極触媒層１７に流入する。この電極触媒層１７において、水素（Ｈ_２）が次式（１）で示すようにプラスの水素イオン（Ｈ^＋）とマイナスの電子（ｅ⁻）となり、電極触媒層１７の電位は周知のように標準電極電位として零ボルトの状態となる。

Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
上記の反応によって得られたプラスの水素イオン（Ｈ^＋）は、アノード側の電極触媒層１７から固体電解質膜１６を浸透してカソード側の電極触媒層１８に至り、ここでガス流路形成体２２側から該電極触媒層１８に供給された空気中の酸素（Ｏ_２）、前記水素イオン（Ｈ^＋）及び電子（ｅ⁻）が化学的に反応して、次式（２）で示すように生成水が生成される。そして、この化学反応によって電極触媒層１８の電位は周知のように標準電極電位として、１．０ボルト前後となる。

１／２・Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・（２）
このように、正常な燃料電池の発電状態においては、図１２に示すように、アノード側の電極触媒層１７（ガス拡散層１９）の電位がカソード側の電極触媒層１８（ガス拡散層２０）の電位よりも低くなり、アノード側のガス流路形成体２１は、高電位による金属酸化が生じにくい。従って、図１２に示すように、ガス流路形成体２１として耐腐蝕性が低い例えばフェライト系ＳＵＳなどの安価なステンレススチールが用いられている。反対に、高電位となるカソード側のガス流路形成体２２は、図１２に示すように、耐腐蝕性に優れた例えば金などにより形成されている。（特許文献１には図９に示す構成と同様の燃料電池の発電セルが開示されている。）
特開２００７−８７７６８号公報

上記従来の燃料電池においては、発電の際に用いられなかった一部の水素ガスは、燃料オフガスとしてガス流路形成体２１のガス流路を通って導出通路Ｍ２から外部に排出される。又、発電の際に酸化されなかった酸素ガスの一部は窒素ガス及び前述した式（２）の反応で生成された生成水ともに酸化オフガスとなってフレーム１３，１４に形成された導出通路（図示略）から外部に排出される。さらに、前記生成水の一部はカソード側の前記電極触媒層１８、固体電解質膜１６、アノード側の電極触媒層１７及びガス拡散層１９を浸透して、ガス流路形成体２１のガス流路へ浸透水として流入する。そして、この浸透水は前記燃料オフガスとともにガス流路形成体２１のガス流路から導出通路Ｍ２を通して外部に排出される。

図１１において述べたように、ガス流路形成体２１は、六角形のリング部２１ａを千鳥状に多数箇所に形成したラスカットメタルにより形成され、各リング部２１ａ及び貫通孔２１ｂにより形成されたガス流路を通して燃料ガスが流れるようになっている。このため、ガス流路形成体２１の外周縁部のガス流路から浸透水が外部に排出されずにガス流路内に残留するので、以下のような問題があることが判った。

即ち、前記ガス流路形成体２１のガス流路を流れる水素ガスの流速は、図１１の速度分布曲線Ｌで示すように中央部ほど早く、左右両側部ほど遅くなるので、ガス流路形成体２１の左右両側部に浸透水の一部が残留する。又、ガス流路形成体２１のガス流路内を流れる水素ガスの圧力損失が高く、ガス流路の下流側、つまり導出通路Ｍ２側のガス流路の圧力損失が低い。このため、ガス流路形成体２１の下流側の端縁のうち例えば左右方向の中央で燃料オフガスが導出通路Ｍ２に流れ始めると、その中央部の端縁の流路抵抗が小さくなるので、後は主として中央部の端縁から燃料オフガスが導出通路Ｍ２に流れ、ガス流路形成体２１の下流側の端縁の左右両側部は燃料オフガスが流れにくくなる。従って、ガス流路形成体２１の燃料オフガスの流路方向の下流端においても、燃料オフガスの流速の遅速が生じるので、流速の遅い箇所に浸透水が残留する。このようにガス流路形成体２１の外周縁部のガス流路に浸透水が残留すると、例えば、図１０に示すようにガス流路形成体２１の下流側のガス流路が浸透水Ｗによって満たされると、水素ガスの進入が阻害されて、局所的に水素欠乏状態になる。さらに、前記浸透水Ｗが図１０においてガス拡散層１９の外周縁の細隙及び電極触媒層１７の外周縁部の細隙に浸入すると、両層１９，１７の外周縁部も水素欠乏状態となる。

一方、周知のように、アノード側の前記ガス拡散層１９内の水素の一部は、前記電極触媒層１７、固体電解質膜１６及び電極触媒層１８を浸透して、ガス拡散層２０内に入る。又、カソード側のガス拡散層２０内の酸素の一部は、電極触媒層１８、固体電解質膜１６及び電極触媒層１７を浸透して、ガス拡散層１９に入る。このようにして、ガス拡散層１９とガス拡散層２０との間において、微量ではあるが水素と酸素のクロスリークが生じる。そして、前述したアノード側の水素欠乏状態の電極触媒層１７の外周縁の細隙においては、前述したクロスリークにより該電極触媒層１７の外周縁の細隙に入った酸素（Ｏ_２）を還元する水素が存在しないため、次の現象が生じる。

即ち、アノード側の電極触媒層１７内に進入した酸素（Ｏ_２）を酸化するために固体電解質膜１６を構成するフッ素系の高分子膜に存在している水和プロトン（水分子をともなった水素イオンＨ^＋・ｘＨ_２Ｏ）が用いられ、この水和プロトン、酸素及びマイナスの電子が反応して、次式（３）で示すように水が生成される。固体電解質膜１６を構成する高分子膜の電荷担体は、水和プロトンで、これが高分子膜のスルホン酸基（−ＳＯ_３ ⁻−）を渡り歩くことにより水和プロトンが固体電解質膜１６から電極触媒層１７へ移動する。

１／２×Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・（３）
この結果、アノード側の電極触媒層１７及びガス拡散層１９の電位は、前述したように通常は零ボルトであるが、式（３）の反応により水素欠乏状態の両層１７，１９の標準電極電位が１．０ボルト前後に上昇する。このため、前述したように耐腐蝕性が低いフェライト系ＳＵＳにより形成されたガス流路形成体２１が上昇した電位により腐蝕されて酸化し、耐久性が低下するという問題があった。又、前記ガス流路形成体２１が腐蝕されて酸化されると、腐蝕部の電気抵抗が高くなるので、発電された電気の流れが阻害されて、発電出力が低下するという問題もあった。

一方、カソード側の電極触媒層１８においては、前述したように固体電解質膜１６を形成する高分子膜内の水和プロトン（水素イオンＨ^＋・ｘＨ_２Ｏ）が低下するので、この水和プロトンの不足を補うために、該電極触媒層１８を構成する炭素（Ｃ）と水とが次式（４）のように反応して、二酸化炭素とプラスの水素イオン（Ｈ^＋）が生成される。

Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻・・・（４）
上記の化学反応によって、カソード側の電極触媒層１８の炭素が減少して、電極触媒層１８の層厚寸法が薄くなり、電池としての耐久性が低下するという問題があった。又、電極触媒層１８の炭素（Ｃ）が浸蝕されると、発電出力が低下するという問題もあった。即ち、電極触媒層１８は図１０において前述したように炭素３１の表面に前述した式（１）及び式（２）に基づいて発電が行われる際に発電効率を高めるため触媒として白金（Ｐｔ）の粒子３２が多数付着されている。前記炭素３１が浸蝕されることにより、白金の粒子３２が電極触媒層１８からガス拡散層２０を経てガス流路形成体２２のガス流路に流失する。このため、電極触媒層１８の触媒（白金）の量が減少して、触媒としての機能が低下し、発電効率が低下し、発電出力が低下する。

上記のカソード側の電極触媒層１７の触媒（白金）の減少による発電出力の低下と、前述したアノード側のガス流路形成体２１の腐蝕による発電出力の低下との双方を合わせた発電出力の低下を、１０年間を想定した出力試験により測定した。その結果、運転開始時の発電出力を１００％とすると、１０年後には、４０％に低下することが判明した。

なお、アノード側の前記ガス流路形成体２１として耐腐食性に優れた例えばチタンなどの材料を用いたり、フェライト系ＳＵＳに金メッキを施した材料でガス流路形成体２１を形成したりすることにより、ガス流路形成体２１の腐蝕を防止して、耐久性を向上することはできる。しかし、カソード側の電極触媒層１８の前述した耐久性及び発電出力の低下の問題を解決することはできない。

本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、アノード側のガス流路形成体の外周縁部のガス流路に浸透水が残留した状態において、カソード側の電極触媒層の浸蝕を防止することができるとともに、アノード側のガス流路形成体の耐久性を向上することができ、発電出力の低下を未然に防止することができる燃料電池の発電セルを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、環状のフレームの内側に電解質膜を装着し、該電解質膜の片面にアノード側の電極触媒層を積層し、電解質膜の他面にカソード側の電極触媒層を積層し、前記アノード側の電極触媒層の表面に燃料ガスの供給用のガス流路を備えたガス流路形成体を積層し、前記カソード側の電極触媒層の表面に酸化ガスの供給用のガス流路を備えたガス流路形成体を積層し、前記フレームにアノード側の前記ガス流路形成体のガス流路に燃料ガスを供給する供給通路を設けるとともに、燃料オフガスを導出する導出通路を設けた燃料電池の発電セルにおいて、アノード側のガス流路形成体の外周縁部のガス流路に残留する水がアノード側の電極触媒層に浸入するのを阻止する水浸入阻止手段を設けたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記水浸入阻止手段は、アノード側の電極触媒層の外周縁を囲繞する前記フレームの表面に対し、アノード側のガス流路形成体の外周縁部を張り出して張出部を形成し、該張出部に水を残留させることによって水が前記電極触媒層に流入しないように構成されていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記張出部の張り出し寸法は、５〜１０ｍｍの範囲に設定されていることを要旨とする。
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３において、前記フレームは四角枠状に形成され、アノード側のガス流路形成体のガス流路の流路方向に関して左右両側縁部に前記張出部が形成されるとともに、流路方向の下流側の縁部に前記張出部が形成されていることを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１において、前記水浸入阻止手段は、前記フレームの内周縁に設けられ、かつ前記電解質膜の表面と、アノード側のガス流路形成体の外周縁部の裏面との間に介在された帯板状の遮蔽板によって構成されていることを要旨とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記アノード側のガス流路形成体は、ラスカットメタルにより形成されていることを要旨とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項において、前記アノード側の電極触媒層とガス流路形成体との間及びカソード側の電極触媒層とガス流路形成体の間には、それぞれガス拡散層が介在されていることを要旨とする。

（作用）
この発明は、水浸入阻止手段によって、アノード側のガス流路形成体の外周縁部のガス流路に残留する水がアノード側の電極触媒層の外周縁部の細隙に浸入することが阻止されるため、電極触媒層の外周縁部の細隙の水素欠乏状態が回避される。この水素欠乏状態によって発生するアノード側の電極触媒層の電位の上昇が防止されるとともに、ガス流路形成体の腐蝕が防止され、カソード側の電極触媒層の浸蝕が無くなる。

本発明によれば、アノード側のガス流路形成体の外周縁部に浸透水が残留した状態において、アノード側のガス流路形成体の耐久性を向上することができるとともに、カソード側の電極触媒層の浸蝕を防止することができ、さらに、発電出力の低下を未然に防止することができる。

以下、本発明を具体化した燃料電池の一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
この実施形態の固体高分子型の燃料電池スタック１１は、図１に示すように多数の発電セル１２を積層して構成されている。

発電セル１２は、図１及び図３に示すように、四角枠状をなし、それぞれ燃料ガス通路空間Ｓ１及び酸化ガス通路空間Ｓ２を有する合成ゴム（又は合成樹脂）製の第１，第２フレーム１３，１４と、両フレーム１３，１４間に配設される電極構造体としてのＭＥＡ１５（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ: 膜−電極接合体）とを備えている。又、前記発電セル１２は、前記燃料ガス通路空間Ｓ１に収容されたフェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）よりなる第１ガス流路形成体２１と、前記酸化ガス通路空間Ｓ２に収容されたチタン或いは金よりなる第２ガス流路形成体２２とを備えている。さらに、前記発電セル１２は、前記第１フレーム１３及び第１ガス流路形成体２１の図示上面に接着された平板状のチタンよりなる第１セパレータ２３と、前記フレーム１４及び第２ガス流路形成体２２の図示下面に接着されたチタンよりなる第２セパレータ２４とを備えている。図３においては、前記ガス流路形成体２１，２２の構成は平板状に簡略化して図示されている。

前記ＭＥＡ１５は、図１及び図２に示すように電解質膜１６と、該電解質膜１６の図示上面（片面）及び下面（他面）に対し所定の触媒を積層して形成された電極触媒層１７及び電極触媒層１８と、前記電極触媒層１７，１８の表面にぞれぞれ接着された導電性を有するガス拡散層１９，２０とにより構成されている。

前記固体電解質膜１６は、フッ素系の高分子膜により形成されている。前記電極触媒層１７，１８は、図４に示すように、粒径が数μの炭素３１の表面に燃料電池の発電が行われる際に発電効率を高めるため触媒としての粒径が例えば２ｎｍの白金（Ｐｔ）の粒子３２が多数付着されたものを用いて構成されている。前記ガス拡散層１９，２０はカーボンペーパーにより構成されている。さらに、前記ガス流路形成体２１（２２）は、図５に示すように、六角形のリング部２１ａ（２２ａ）を千鳥状に多数箇所に形成したラスカットメタルにより形成され、各リング部２１ａ（２２ａ）及びその貫通孔２１ｂ（２２ｂ）により形成されたガス流路を通して燃料ガス（酸化ガス）が流れるようになっている。なお、図５はガス流路形成体２１，２２の一部を拡大して簡略化したものである。

前記第１フレーム１３の燃料ガス通路空間Ｓ１は、図３に示すように平面視四角形状に形成され、その内周面Ｓ１ａの下半部には水平方向内側に迫り出す四角環状のフランジ部Ｓ１ｂが一体に形成されている。前記フランジ部Ｓ１ｂの対向する平行な二辺には、それぞれ長孔状のガス導入口１３ａ及びガス導出口１３ｂが形成されている。又、フレーム１３の前記燃料ガス通路空間Ｓ１が形成されていない二辺であって、前記ガス導入口１３ａ、ガス導出口１３ｂと直交する二辺には、それぞれ長孔状のガス導入口１３ａ' 及びガス導出口１３ｂ' が形成されている。

前記第２フレーム１４には前記フレーム１３のガス導入口１３ａ、ガス導出口１３ｂ及びガス導入口１３ａ' 及びガス導出口１３ｂ' と対応するように、ガス導入口１４ａ及びガス導出口１４ｂ及びガス導入口１４ａ' 及びガス導出口１４ｂ' が形成されている。

第１セパレータ２３の平行な二辺には、ガス導入口２３ａ及びガス導出口２３ｂが形成され、他の平行な二辺には、ガス導入口２３ａ' 及びガス導出口２３ｂ' が形成されている。同様に、第２セパレータ２４の平行な二辺には、ガス導入口２４ａ及びガス導出口２４ｂが形成され、他の直交する二辺には、ガス導入口２４ａ' 及びガス導出口２４ｂ' が形成されている。

前記第１，第２ガス流路形成体２１，２２は、それぞれ第１，第２フレーム１３，１４の燃料ガス通路空間Ｓ１、酸化ガス通路空間Ｓ２内において、前記ガス拡散層１９，２０の表面と、第１，第２セパレータ２３，２４の内面とに接触されている。

図１及び図３に示すように、前記第１セパレータ２３のガス導入口２３ａ、フレーム１３のガス導入口１３ａ、第２フレーム１４のガス導入口１４ａ及び第２セパレータ２４のガス導入口２４ａによって、各発電セル１２に燃料ガスを供給するための供給通路Ｍ１が形成されている。又、前記第１セパレータ２３のガス導出口２３ｂ、第１フレーム１３のガス導出口１３ｂ、第２フレーム１４のガス導出口１４ｂ、セパレータ２３のガス導出口２３ｂ及び第２セパレータ２４のガス導出口２４ｂなどによって、各発電セル１２に燃料オフガスの導出通路Ｍ２が形成されている。そして、燃料電池の外部から供給通路Ｍ１に供給された燃料ガスが前記燃料ガス通路空間Ｓ１に配設された第１ガス流路形成体２１のガス流路を通り、発電に供された後、前記導出通路Ｍ２に燃料オフガスとして導かれるようになっている。

前記第１セパレータ２３のガス導入口２３ａ' 、フレーム１３のガス導入口１３ａ' 、第２フレーム１４のガス導入口１４ａ' 及び第２セパレータ２４のガス導入口２４ａ' などによって、各発電セル１２に酸化ガスの供給用の供給通路Ｒ１が形成されている。又、前記第１セパレータ２３のガス導出口２３ｂ' 、第１フレーム１３のガス導出口１３ｂ' 、第２フレーム１４のガス導出口１４ｂ' 及び第２セパレータ２４のガス導出口２４ｂ' などによって、各発電セル１２に酸化オフガスの導出用の導出通路Ｒ２が形成されている。そして、燃料電池の外部から供給通路Ｒ１に供給された酸化ガスが前記酸化ガス通路空間Ｓ２に配設された第２ガス流路形成体２２のガス流路を通り、発電に供された後、前記導出通路Ｒ２に酸化オフガスとして導かれるようになっている。

次に、この実施形態の要部の構成について説明する。
図１、図３及び図５に示すように、アノード側のガス流路形成体２１の外周縁部のうちガス流路の方向に関して、左右両側端縁部及び下流側の端縁部は、前記フレーム１３の燃料ガス通路空間Ｓ１のフランジ部Ｓ１ｂの表面に張り出されている。この構成によりガス流路形成体２１の三辺にそれぞれ張出部２５が形成されている。この実施形態では、前記ガス流路形成体２１に形成された張出部２５を、前記フレーム１３のフランジ部Ｓ１ｂの上面に接触させる構成によって、張出部２５のガス流路に進入した浸透水が前記ガス拡散層１９の外周縁部の細隙に浸入するのを阻止するための水進入阻止手段が構成されている。そして、燃料電池の発電時に、該張出部２５に水が残留していても、この浸透水がアノード側の前記ガス拡散層１９及び電極触媒層１７の外周縁部の細隙に浸入しないように構成されている。前記各張出部２５の張出寸法Ｄは、ガス流路形成体２１の厚さ寸法が例えば０．５〜１ｍｍの場合に、例えば５〜１０ｍｍの範囲に設定されている。張出寸法Ｄが５ｍｍ以下の場合には、張出部２５の浸透水がガス拡散層１９側に移動し易くなるので望ましくない。１０ｍｍ以上の場合は、ガス流路形成体２１が大きくなるので望ましくない。

次に、前記のように構成した燃料電池の作用について説明する。
図１及び図２において、前記供給通路Ｍ１及び供給通路Ｒ１に供給された燃料ガス及び酸化ガスは、前記第１，第２ガス流路形成体２１，２２によって、ガス通路空間Ｓ１、酸化ガス通路空間Ｓ２内を拡散して流れることになる。即ち、燃料ガス通路空間Ｓ１内における燃料ガスは、前記第１ガス流路形成体２１に形成された図５に示す千鳥配置の多数の貫通孔２１ｂにより形成されたガス流路を通過することによって乱流となり、燃料ガスはガス通路空間Ｓ１内において拡散した状態となる。燃料ガスがガス拡散層１９を通過することによってさらに適正に拡散されて、電極触媒層１７に燃料ガスが均一に供給される。一方、酸化ガス通路空間Ｓ２内における酸化ガスは、前記第２ガス流路形成体２２に形成された千鳥配置の多数の貫通孔２２ｂにより形成されたガス流路を通過することによって乱流となり、酸化ガスはガス通路空間Ｓ２内において拡散した状態となる。酸化ガスがガス拡散層２０を通過することによってさらに適正に拡散されて、電極触媒層１８に酸化ガスが均一に供給される。そして、燃料ガスと酸化ガスとの供給によりＭＥＡ１５において電極反応が起きることによって発電される。発電セル１２は、複数積層されているため、所望の出力が得られる。

上述の発電状態においては、背景の技術で述べたように、アノード側の電極触媒層１７において、水素（Ｈ_２）が次式（１）で示すようにプラスの水素イオン（Ｈ^＋）とマイナスの電子（ｅ⁻）となり、電極触媒層１７の電位は標準電極電位として零ボルトの状態となる。

Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
上記の反応によって得られたプラスの水素イオン（Ｈ^＋）は、アノード側の電極触媒層１７から固体電解質膜１６を浸透してカソード側の電極触媒層１８に至り、ここでガス流路形成体２２側から該電極触媒層１８に供給された空気中の酸素（Ｏ_２）、前記水素イオン（Ｈ^＋）、電子（ｅ⁻）が化学的に反応して、次式（２）で示すように生成水が生成される。そして、この化学反応によって電極触媒層１８の電位は標準電極電位として、１．０ボルト前後となる。

１／２・Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・（２）
燃料電池においては、発電の際に用いられなかった一部の水素ガスは、燃料オフガスとしてガス流路形成体２１のガス流路を通って導出通路Ｍ２から外部に排出される。又、発電の際に酸化されなかった酸素ガスの一部は窒素ガス及び前述した式（２）の反応で生成された生成水とともに酸化オフガスとなってフレーム１３，１４に形成された導出通路Ｒ２から外部に排出される。さらに、前記生成水の一部はカソード側の前記電極触媒層１８、固体電解質膜１６、アノード側の電極触媒層１７及びガス拡散層１９を浸透して、ガス流路形成体２１のガス流路へ浸透水として流入する。この浸透水は、燃料オフガスとともに導出通路Ｍ２から外部に排出される。

前記ガス流路形成体２１のガス流路においては、図５に示すように、燃料ガスが速度分布曲線Ｌで示すように流れる。このため、ガス流路形成体２１のガスの流路方向に関して左右両側縁部及び下流側の縁部に流速の遅い部分が生じて浸透水が残留する。この浸透水Ｗは、図２に示すようにガス流路形成体２１のガスの流れる方向に関して左右両側の張出部２５及び図１，４に示すように下流側の張出部２５に残留する。このため、残留した浸透水Ｗは、フレーム１３の燃料ガス通路空間Ｓ１を形成するフランジ部Ｓ１ｂの上面に受承されるが、ガス拡散層１９及び電極触媒層１７の外周縁部の細隙には浸入することはない。従って、両層１９，１７の外周縁部の細隙に燃料ガス（水素ガス）が適正に供給されて、水素欠乏状態が回避される。この結果、背景の技術で述べたように、前記水素欠乏状態によって生じるアノード側の電極触媒層１７の電位の上昇が阻止されて、ガス流路形成体２１の腐蝕が防止されるとともに、カソード側の電極触媒層１８の炭素の浸蝕が無くなって、電極触媒層１８の耐久性を向上することができ、発電出力の低下を未然に防止することができる。

上記実施形態の燃料電池によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、ガス流路形成体２１のガスの流れる方向に関して、左右両側及び下流側の縁部にフレーム１３のフランジ部Ｓ１ｂに張り出す張出部２５を設け、この張出部２５に浸透水が残留するようにした。このため、ガス拡散層１９及び電極触媒層１７の外周縁部の細隙には浸透水が浸入することはない。従って、両層１９，１７の外周縁部の細隙に燃料ガス（水素ガス）が適正に供給されて、水素欠乏状態が回避され、水素欠乏状態によって生じるアノード側の電極触媒層１７の電位の上昇によるガス流路形成体２１の腐蝕が防止される。又、カソード側の電極触媒層１８の炭素の浸蝕が無くなって、耐久性を向上することができ、発電出力の低下を未然に防止することができる。

（２）上記実施形態では、ガス流路形成体２１に張出部２５を一体的に形成するという構成のため、水浸入阻止手段の構成を簡素化することができ、製造及び組付け作業を容易に行い、コストを低減することができる。

次に、この発明の別の実施形態を図６及び図７に基づいて説明する。
この実施形態では、前記フレーム１３のフランジ部Ｓ１ｂの内周面に対し、例えば必要に応じて金メッキした銅などの導電材よりなる水浸入阻止手段としての遮蔽板２６を接着剤により接着して取り付けている。この遮蔽板２６は固体電解質膜１６の表面とガス流路形成体２１の裏面との間に介在されている。遮蔽板２６は図７に示すように、ガス流路形成体２１のガスの流れる方向に関して、左右両側及び下流側の縁部と対応するように平面視コ字状に形成されている。前記遮蔽板２６の基端部を前記フランジ部Ｓ１ｂにインサート成形して、フランジ部Ｓ１ｂに遮蔽板２６を連結してもよい。

上記実施形態においても前記遮蔽板２６によってガス流路形成体２１の左右両側縁部及び下流側縁部に残留した浸透水がアノード側の電極触媒層１７及びガス拡散層１９の外周縁部の細隙に浸入することはないので、前述した効果と同様の効果を奏する。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・図８に示すように、フレーム１３のフランジ部Ｓ１ｂの内周縁を内側に所定寸法だけ張り出して、前記遮蔽板２６と同様の遮蔽板２６をフレーム１３に一体に形成してもよい。この場合には、水浸入阻止手段の構造を簡素化して、その製造を容易に行うことができる。

・第１，第２ガス流路形成体２１，２２の材料として、ステンレス板以外に導電性を有する例えば、アルミニウム、銅等の金属板を用いてもよい。
・前記ガス拡散層１９，２０を省略した燃料電池の発電セルに具体化してもよい。

この発明の燃料電池を具体化した１実施形態を示す縦断面図。 図１の１−１線断面図。 第１及び第２フレーム、電極構造体、第１及び第２ガス流路形成体、セパレータの分離斜視図。 燃料電池の要部の拡大縦断面図。 ガス流路形成体の斜視図。 この発明の別の実施形態を示す発電セルの縦断面図。 図６に示す燃料電池に用いられる遮蔽板の斜視図。 この発明の別の実施形態を示す第１フレームの斜視図。 従来の燃料電池の断面図。 図９に示す燃料電池の部分拡大断面図。 図９に示す燃料電池に用いられるガス流路形成体の斜視図。 燃料電池のアノード側とカソード側の電位と腐蝕電流との関係を示すグラフ。

符号の説明

Ｍ１，Ｒ１…供給通路、Ｍ２，Ｒ２…導出通路、１２…発電セル、１３，１４…フレーム、１６…電解質膜、１７，１８…電極触媒層、１９，２０…ガス拡散層、２１，２２…ガス流路形成体、２５…張出部、２６…遮蔽板。

Claims (7)

1. 環状のフレームの内側に電解質膜を装着し、該電解質膜の片面にアノード側の電極触媒層を積層し、電解質膜の他面にカソード側の電極触媒層を積層し、前記アノード側の電極触媒層の表面に燃料ガスの供給用のガス流路を備えたガス流路形成体を積層し、前記カソード側の電極触媒層の表面に酸化ガスの供給用のガス流路を備えたガス流路形成体を積層し、前記フレームにアノード側の前記ガス流路形成体のガス流路に燃料ガスを供給する供給通路を設けるとともに、燃料オフガスを導出する導出通路を設けた燃料電池の発電セルにおいて、
   アノード側のガス流路形成体の外周縁部のガス流路に残留する水がアノード側の電極触媒層に浸入するのを阻止する水浸入阻止手段を設けたことを特徴とする燃料電池の発電セル。
2. 請求項１において、前記水浸入阻止手段は、アノード側の電極触媒層の外周縁を囲繞する前記フレームの表面に対し、アノード側のガス流路形成体の外周縁部を張り出して張出部を形成し、該張出部に水を残留させることによって水が前記電極触媒層に流入しないように構成されていることを特徴とする燃料電池の発電セル。
3. 請求項２において、前記張出部の張り出し寸法は、５〜１０ｍｍの範囲に設定されていることを特徴とする燃料電池の発電セル。
4. 請求項２又は３において、前記フレームは四角枠状に形成され、アノード側のガス流路形成体のガス流路の流路方向に関して左右両側縁部に前記張出部が形成されるとともに、流路方向の下流側の縁部に前記張出部が形成されていることを特徴とする燃料電池の発電セル。
5. 請求項１において、前記水浸入阻止手段は、前記フレームの内周縁に設けられ、かつ前記電解質膜の表面と、アノード側のガス流路形成体の外周縁部の裏面との間に介在された帯板状の遮蔽板によって構成されていることを特徴とする燃料電池の発電セル。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、前記アノード側のガス流路形成体は、ラスカットメタルにより形成されていることを特徴とする燃料電池の発電セル。
7. 請求項１〜６のいずれか一項において、前記アノード側の電極触媒層とガス流路形成体との間及びカソード側の電極触媒層とガス流路形成体の間には、それぞれガス拡散層が介在されていることを特徴とする燃料電池の発電セル。

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