JP2011129367A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電セルが積層された発電領域の端部に非発電セルを具備する燃料電池に関し、非発電セルからガスや冷却媒体が外部等にリークすることが抑止され、もって発電性能に優れた燃料電池を提供する。
【解決手段】複数の発電セル５０，…からなる発電領域におけるセル積層方向の端部には、膜電極接合体を具備しない非発電セル４０が配されてなる燃料電池１００であり、非発電セル４０は、分離板１２と、該分離板１２を挟んで凹溝を有するセパレータ１１，１３とからなるガスバイパス層１０、導電性を有する断熱材２１を備えた断熱材層２０、第３のセパレータ３０、の積層構造を呈し、これらの部材は相互にそれらのマニホールドＭ周りで接着剤層６１，６２，６３，６４を介して固定されており、これらの接着剤層が、マニホールドＭの周縁から非発電セル４０の外周面に亘って連続し、かつ、マニホールドＭおよび該外周面の双方に臨んでいる。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電セルが積層された発電領域の端部に非発電セルを具備する燃料電池に関するものである。

固体高分子型燃料電池の燃料電池セル（発電セル）は、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、このＭＥＡとこれを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ）とから電極体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ＆ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、電極体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのセパレータが電極体の両側に配されて構成されている。実際の燃料電池は、所要電力に応じた基数の発電セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。

上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極ではセパレータに形成されたガス用溝流路にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒層に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。

ところで、多数の燃料電池セル（発電セル）が積層されてなる燃料電池の最端部の発電セルは、外部に最も近接していることから熱容量が大きく、たとえば、燃料電池を低温起動させた際に、特に燃料電池の最端部、もしくは最端から数基の発電セルにおいては、外部に熱が奪われることで燃料電池停止時等にそれらの内部に存在する水分を効果的に気化させることができない。したがって、液水状態で発電セル外へ排出せざるを得ないことから、気化させて外部排出し易い他の発電セルと比較して排水性が格段に悪く、フラッティングの原因となり易いといった課題を有している。

そこで、最端の発電セルのうち、各発電セル積層方向の端部に断熱層を有し、かつ膜電極接合体を具備しない非発電セルを配した構造とすることで、この断熱層にて端部の発電セルの熱容量を低減させ、もって上記課題の解消を図る燃料電池が現在開発されている。

また、燃料電池では、上記課題のほかにも、該燃料電池に提供される燃料ガスや酸化剤ガス中において、それらが燃料電池へ流入するまでの過程で不純物が混入することが往々にしてあり、このような不純物濃度の高いガスが発電セルに提供されると、燃料電池の発電性能低下に直結する。そこで、発電セルの外周側にあって、最先にガスが流通可能である上記非発電セルには、上記断熱層のほかにも、燃料ガスや酸化剤ガスをバイパスさせ、そのバイパス過程で不純物を除去する、もしくは不純物濃度を低下させるためのバイパス層がさらに具備されたものも開発されており、この発電セルと非発電セルからなる燃料電池の一実施の形態が特許文献１に開示されている。

なお、特許文献１に開示の燃料電池では、発電セルと非発電セルを貫通して流体連通されたマニホールドとその周囲領域、さらには、各セルの外周側（燃料電池の外周側）の図示やその具体的な説明が省略されている。そこで、その具体的な構造をも含め、図３には、上記する非発電セルを含む燃料電池の構造、特に、非発電セルと、その側方にあって発電セルの中でも最端に位置する発電セルを含む燃料電池の端部領域を示している。なお、実際の燃料電池は、１列の発電セルの積層体からなるもののほかにも、２列以上の積層体が並列し、共通するエンドプレートにて一体とされるとともに、電気的には直列に繋がれた形態発であってもよい。

同図において、多数の発電セルが積層する積層体のうち、図示する端部の発電セルＥの側方には、非発電セルＤが配され、この側方には、ターミナルプレートｆ１、インシュレータｆ２、エンドプレートｆ３が配されており、冷却媒体や燃料ガス、酸化剤ガスが流通するマニホールドＭが、これらの周縁に同軸で貫通するようにして設けられている。そして、各部材の接合界面は、マニホールドを囲繞する位置に設けられた凹溝Ｒ５内のガスケットＧにてシールされ、流体シール性が担保されている。なお、同図において、端部の発電セルＥの右側側方には、同構造の発電セルＥが所定基数配されて燃料電池が構成される（隣接する発電セルＥのセパレータとの間で冷却媒体用の溝流路Ｒ４が形成されている）。

各構成をより具体的に説明するに、発電セルＥは、電解質膜とその両側の触媒層とからなる膜電極接合体ｅ１、アノード側およびカソード側のガス拡散層ｅ２，ｅ３、アノード側およびカソード側のセパレータｅ４，ｅ５の積層構造を呈している。また、図示例では、ガス拡散層ｅ２，ｅ３よりも側方に張り出した膜電極接合体ｅ１の端部を樹脂フレームｅ６が把持し、この樹脂フレームｅ６と各セパレータｅ４，ｅ５が接着剤層ｈ５を介して固定されている。なお、同図からも明らかなように、発電セルＥの各部材を接着固定する接着剤層ｈ５は、マニホールドＭの周縁から該発電セルＥの外周面に亘って連続し、かつ、マニホールドＭおよび該外周面の双方に臨んでいる。なお、非発電セルＤ，発電セルＥを貫通するマニホールドＭは、燃料ガスや酸化剤ガス、冷却媒体それぞれに固有のものが存在し、さらには、燃料電池への提供用のマニホールドと、燃料電池からの排出用のマニホールドと、が存在することは勿論のことである。

一方、非発電セルＤは、文字通り発電をおこなうものでないことから膜電極接合体を具備せず、基本的に５つの部材の積層構造を呈しており、発電セルＥと反対側の端部から順に、凹溝を有する第１のセパレータａ１と、分離板ａ２と、凹溝を有する第２のセパレータａ３と、からなるガスバイパス層Ａ、断熱材ｂ１と、この周縁の樹脂フレームｂ２と、からなる断熱材層Ｂ、この断熱材層Ｂの一側面と発電領域端部の発電セルＥのセパレータｅ４の間に介層されて該発電セルＥのセパレータｅ４との間で、冷却媒体用の溝流路Ｒ３を形成する第３のセパレータＣ、が積層構造を呈してなるものである。分離板ａ２と第１、第２のセパレータａ１，ａ３の各凹溝との間で第１、第２のガス用溝流路Ｒ１，Ｒ２が形成され、マニホールドＭを通して燃料電池に提供された酸化剤ガスや燃料ガスはそれぞれ、まず、この第１、第２のガス用溝流路Ｒ１，Ｒ２を流通されることで、それらが内包している不純物の全部もしくは一部が取り除かれ、不純物を具備しない、もしくはその濃度が極めて低い燃料ガスや酸化剤ガスが各発電セルＥ，…に提供される。

また、非発電セルＤを構成する断熱材層Ｂにより、端部の発電セルＥ，もしくは端部から数基の発電セルＥ，…の熱容量が低減され、特に低温起動時におけるそれらの内部に残留する水分の気化が促進されて、発電セルＥの排水性が向上される。

ここで、非発電セルＤにおいては、第１のセパレータａ１、分離板ａ２、第２のセパレータａ３、断熱材層Ｂの樹脂フレームｂ２のそれぞれが接着剤層ｈ１、ｈ２、ｈ３で固定されている。しかし、発電セルＥの接着剤層ｈ５と異なり、これらの接着剤層ｈ１、ｈ２、ｈ３はいずれも、マニホールドＭの外周に形成された密閉空間内に塗布もしくは注入されるようになっている。すなわち、各部材同士は、この密閉空間の周囲で相互に当接しており、発電セルＥの接着剤層ｈ５と異なって、接着剤層ｈ１、ｈ２、ｈ３はマニホールドＭおよび非発電セルＤの外周面の双方に臨んでいない。

このように、相対的に高剛性な部材同士で画成された密閉空間内で接着剤が塗布もしくは注入されると、次のような問題が生じ得る。すなわち、図３のIV部を拡大した図４ａで示すように、相対的に高剛性な部材同士で画成された密閉空間内に注入等された接着剤は、硬化収縮（収縮：δ）してその接着性を発現するものであるが、その周囲は高剛性の部材が存在していることで、自身の硬化収縮に周囲の高剛性部材は追随してくれない。

したがって、接着剤は自身の硬化収縮過程で、密閉空間の壁面から剥がれながら硬化をおこなうこととなり、結果として、この密閉空間は接着剤にて十分に閉塞されず、隣接部材界面と、この密閉空間のうちで接着剤が存在しない空間と、からなる流体の漏れ流路形成の原因となってしまう。たとえば、図４ｂで示すように、密閉空間内で硬化収縮して縮んだ接着剤層ｈ１’、ｈ２’が形成され、マニホールドＭから、部材界面を通り、密閉空間の接着剤層ｈ１’、ｈ２’の存在しない空間を介して外部へガス等がリークしたり（Ｙ１方向）、あるいは、非発電セルのバイパス層とは関係のない内部にリークしてしまう（Ｙ２方向）。

非発電セルでガスや冷却媒体が図示のごとくリークすることで、燃料電池の発電性能低下が必至であることに鑑みれば、この非発電セルの構造の見直しは、当該技術分野における解決されるべき急務の課題である。

国際公開第２００７／０５８０５４号パンフレット

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、発電セルが積層された発電領域の端部に非発電セルを具備する燃料電池に関し、非発電セルからガスや冷却媒体が外部等にリークすることが抑止され、もって発電性能に優れた燃料電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、少なくとも、膜電極接合体と、これを挟持してガス用溝流路を有するアノード側およびカソード側のセパレータと、からなる発電セルが複数積層されて発電領域を形成し、前記発電領域におけるセル積層方向の端部には、膜電極接合体を具備しない非発電セルが配され、該非発電セルを介して発電領域を構成する各発電セルに燃料ガスと酸化剤ガスが提供されるようになっており、各発電セルと非発電セル双方の周縁において同軸で貫通する流体連通マニホールドを有した燃料電池において、前記非発電セルは、分離板と、該分離板を挟んで凹溝を有する第１、第２のセパレータと、からなるガスバイパス層と、該ガスバイパス層の一側面に当接して少なくとも導電性を有する断熱材を備えた断熱材層と、該断熱材層の一側面と発電領域端部の発電セルのセパレータの間に介層されて該発電セルのセパレータとの間で溝流路を形成する第３のセパレータと、の積層構造を呈し、分離板と、第１、第２のセパレータと、断熱材層と、第３のセパレータは、相互にそれらのマニホールド周りで接着剤層を介して固定されており、前記接着剤層が、マニホールドの周縁から非発電セルの外周面に亘って連続し、かつ、マニホールドおよび該外周面の双方に臨んでいることを特徴とするものである。

本発明の燃料電池は、所定基数の燃料電池セル（発電セル）の端部に、非発電セルを具備するものにおいて、この非発電セルを構成する各構成部材を繋ぐ接着剤層を密閉空間内に設けず、すなわち、マニホールドの周縁から非発電セルの外周面に亘って連続し、かつ、マニホールドおよび該外周面の双方に臨んでいる形態としたものである。この構成により、接着剤が被接続の部材界面間に注入等され、これが硬化収縮して接着剤層を形成する過程で、この接着剤は、少なくともマニホールドに臨む面、非発電セルの外周面に臨む面がともに自由端（無拘束端）となることから、被接続の部材界面と接着剤層との間の接着姿勢を保持しながら、自身の硬化収縮を図ることが可能となる。

非発電セルは、分離板と、この分離板との間でガスのバイパス流路を画成する凹溝を備えた第１、第２のセパレータと、からなるガスバイパス層、少なくとも導電性を有する断熱材を備えた断熱材層、発電領域端部の発電セルのセパレータとの間で冷却媒体用の溝流路を形成する第３のセパレータ、の積層構造を呈しており、その周縁には、発電セルと同軸で貫通する複数のマニホールド（ガス用、冷却媒体用で、それぞれ燃料電池内への供給用もの、燃料電池外への排出用のもの）が形成されている。

上記接着剤層に関してより詳細に説明するに、非発電セルを構成する第１のセパレータ、分離板、第２のセパレータ、断熱材層、第３のセパレータ、のそれぞれを相互に接着する接着剤層は、それらがマニホールドと非発電セルの外周面に臨む形態とし、第３のセパレータと発電領域端部の発電セルの間の界面には、発電領域を構成する各発電セル間の界面シール性を担保するガスケット構造と同様の界面構造を適用すればよい。

すなわち、第３のセパレータと、これに隣接する発電領域端部の発電セルのセパレータと、の当接領域では、双方のセパレータによってマニホールドを囲繞するシール溝が形成され、このシール溝にガスケットが収容されるとともに、双方のセパレータは該シール溝周囲で当接している形態である。

このように、非発電セルを構成する各構成部材同士は、上記構造の接着剤層にて接着固定することでガスや冷却媒体のリーク路形成を抑止でき、第３のセパレータと発電領域端部の発電セルのセパレータとは、高剛性の部材同士が当接した接合領域とすることで、たとえばスタッキング時の圧縮力作用下において、発電セルに対して非発電セルがへたるのを防止することができる。

また、本発明の燃料電池の好ましい実施の形態は、第１のセパレータの凹溝と分離板とから第１のガス用溝流路が形成され、第２のセパレータの凹溝と分離板とから第２のガス用溝流路が形成され、第１のガス用溝流路と第２のガス用溝流路の一方に燃料ガスが、他方に酸化剤ガスがそれぞれ流通し、この流通過程でそれぞれのガス中の不純物の全部もしくは一部が除去されるようになっているものである。

本発明の燃料電池は、従来構造の接着剤層を具備する非発電セルを備えた燃料電池の奏する効果、すなわち、低温起動時の端部の発電セルの残留水の気化排出性が良好となり、不純物濃度の極めて低い燃料ガスや酸化剤ガスを各発電セルに提供できる、という効果を奏するものである。そして、本発明の燃料電池は、非発電セルの特に接着剤層を上記構成としたことで、従来構造の接着剤層を具備する非発電セルを備えた燃料電池に比して、その発電性能が一層向上することが実証されている。このことはすなわち、従来構造の場合において、既述する接着剤層に関する課題が顕在化し得ることを示すとともに、この課題が本発明構造によって解消されたことを示すものである。

ここで、前記断熱材の周縁に樹脂フレームが配され、該断熱材および樹脂フレームにて前記断熱材層が構成されており、該樹脂フレームにマニホールドが形成され、かつ、第２のセパレータおよび第３のセパレータそれぞれとの間で前記接着剤層が形成されている形態であってもよい。

断熱材層を構成する断熱材は、断熱性を有するとともに、導電性を有し、さらには、スタッキング時の圧縮力を各発電セルの発電領域に伝達できるための剛性、変形性を有するものがよく、たとえば発電セルを構成する多孔質のガスケットと同様の素材、構造のものや、導電性を有し、多孔質構造のセラミックスなどから形成できる。そして、断熱材層を構成する断熱材は、少なくとも、端部の発電セルの発電部に対応する領域に設けられればその目的を達することから、当該領域に相当する大きさの断熱材を使用し、その端部を樹脂フレームにて支持させるとともに、この樹脂フレームと、第２、第３のセパレータとを上記構造の接着剤層にて固定することができる。

なお、上記する本発明の燃料電池のより具体的な構成としては、非発電セルのうち、前記発電領域と反対側の側面には、ターミナルプレート、インシュレータ、エンドプレートが積層姿勢で配される形態となり得る。

また、上記する燃料電池、すなわち、所定基数の発電セルの積層体と、その両端部の非発電セルと、からなる燃料電池が２列以上併設され、共通するエンドプレートにて一体とされるとともに、相互に電気的に直列に繋がれて、燃料電池の外部に存在する、負荷装置を備えた発電電気回収用の回路に、この電気的に直列な正極と負極が繋がっている形態であってもよい。

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、発電セルが積層された発電領域の端部に非発電セルを具備する燃料電池に関し、この非発電セルを構成する構成部材を繋ぐ接着剤層の構造を簡易に改良したことにより、従来構造の燃料電池の有する、低温起動時の端部発電セルの排水性の向上、不純物のない、もしくはその濃度が格段に低減されたガスの発電セルへの提供に加えて、接着剤層からの流体漏れが抑止され、より一層発電性能に優れた燃料電池を提供できるものである。

本発明の燃料電池の一実施の形態の概略図である。 図１のII部の拡大横断図である。 従来の燃料電池を構成する、端部の発電セルと非発電セル等を示す横断図であって、図２と対比するための図である。 図３のIV部の拡大図であり、（ａ）は密閉空間内で接着剤が硬化収縮している状況を説明した図であり、（ｂ）はマニホールドから外部等へ流体漏れが生じていることを説明した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例では、発電セルや非発電セル等からなる積層体が２列並列で、かつ電気的に直列に接続されている燃料電池を示しているが、本発明の燃料電池の特徴構成である非発電セルの構造を有することを前提として、１列の上記積層体からなる形態、３列以上の上記積層体が電気的に直列に接続された形態などであってもよいことは勿論のことである。

図１は、本発明の燃料電池の一実施の形態の概略図である。図示する燃料電池１００は、複数の発電セル５０，…が一列に積層され、その両端部に非発電セル４０，４０が配され、さらにそれらの両端部に、ターミナルプレート７１，７１、インシュレータ７２，７２が配されて１列の積層体を構成し、この積層体を２列併設するとともに、それらの両端部を共通するエンドプレート７３，７３にて一体化することで、その全体が大略構成される。

一方のエンドプレート７３には、燃料ガスもしくは酸化剤ガス供給用の分岐配管８１がそれぞれの積層体内のガス供給用マニホールド（不図示）に流体連通しており、各積層体内では、分岐配管８１を流れ（Ｘ１方向）、分岐して（Ｘ２方向）さらにガス供給用マニホールドを流れ（Ｘ３方向）、各発電セル５０，…内に層状にガスが提供されるとともに（Ｘ３'方向）、不図示のガス排気用マニホールドを介し、これに流体連通する排気配管８２を介して外部排気されるようになっている（Ｘ４方向）。なお、燃料ガスもしくは酸化剤ガスの他方のガスも不図示の分岐配管を介して、同様の形態で各発電セルに提供され、外部排気されるようになっている。

また、冷却水等の冷却媒体が、冷媒提供用の配管８３を介して各積層体の冷却媒体提供用のマニホールド（不図示）に提供され（Ｘ５方向）、これも各発電セル５０を層状に流れて、別途の冷却媒体排出用のマニホールド（不図示）を介し、これに流体連通する排出配管８４を介して外部排出されるようになっている（Ｘ６方向）。

ここで、図示する燃料電池１００は、２列の積層体が電気的に直列に繋がれており、図示のように、一方の積層体の端部に正極があり、他方の積層体の端部に負極があって、これら正極、負極が負荷装置９２を具備する外部回路９１に繋がれて、発電電気の回収（集電）が実行されるようになっている。

次に、図２を参照して、燃料電池１００を構成する非発電セル４０と、発電セル５０，…の積層体（発電領域）の端部に位置する発電セル５０の各構成と、さらにそれら相互の接続形態について概説する。

まず、発電セル５０は、電解質膜とアノード側およびカソード側の触媒層とからなる膜電極接合体５１、このアノード側およびカソード側に配されたガス拡散層５２，５３、これらのガス拡散層５２，５３を挟むアノード側およびカソード側のセパレータ５４，５５、の積層構造体からなる。そして、その一方側で隣接する非発電セル４０を構成する第３のセパレータ３０、その他方側で隣接する不図示の発電セルのセパレータ、双方との界面は、これら非発電セル４０、発電セル５０，…を同軸で貫通する流体用のマニホールドＭを囲繞する位置に設けられた凹溝Ｒ５内のガスケットＧにてシールされ、該界面における流体シール性が担保されている。なお、膜電極接合体１はその端部がガス拡散層５２，５３よりも側方に張り出しており、この張り出し箇所を樹脂フレーム５６が挟持するとともに、セパレータ５４，５５と接着剤層６５にて固定されている。

なお、非発電セル４０のうち、発電セル５０と反対側の側面と、これに隣接するターミナルプレート７１との界面、ターミナルプレート７１とインシュレータ７２の界面、インシュレータ７２とエンドプレート７３の界面も同様に、マニホールドＭを囲繞する位置に設けられた凹溝Ｒ５内のガスケットＧにてシールされ、各界面における流体シール性が担保されている。

ここで、発電セル５０を構成する各部材の適用素材を概説する。まず、膜電極接合体１を構成する電解質膜は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。

また、触媒層は、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を生成し、これを電解質膜やガス拡散層５２，５３等の基材に塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。

なお、市販素材としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。

また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。

さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒（金属触媒）としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。

また、ガス拡散層５２，５３は、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ）から構成でき、拡散層基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層はアノード側、カソード側の触媒層から電子を集める電極の役割を果たすとともに、生成水等を排水する撥水作用を有するものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料と、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）などから形成できる。

また、ガスケットＧは、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ウレタンＲＴＶゴムやブチルゴム系樹脂、シリコーンＲＴＶゴム、ＥＰＤＭ系樹脂等が使用され、これらを材料として射出成形等することで成形できる。

また、セパレータ５４，５５は、集電性能のある、カーボン、ステンレス等から形成でき、これに形成された凹溝と、積層姿勢で対向する非発電セル４０の第３のセパレータ３０に形成された凹溝とが位置合わせされて、冷却媒体用の溝流路Ｒ３が画成される。
次に、非発電セル４０の構造を詳述する。

図示する非発電セル４０は、分離板１２と、該分離板１２を挟んで凹溝を有する第１、第２のセパレータ１１，１３と、からなるガスバイパス層１０と、該ガスバイパス層１０の一側面に当接して導電性を有する断熱材２１と、この側方で該断熱材２１を支持する樹脂フレーム２２と、からなる断熱材層２０と、既述する第３のセパレータ３０と、の積層構造体である。なお、これらの部材は導電性を有するものであり、発電セル５０，…で発電された電気を外部回路９１に通電できるようになっている。

分離板１２と第１、第２のセパレータ１１，１３の各凹溝との間で第１、第２のガス用溝流路Ｒ１，Ｒ２が形成され、マニホールドＭを通して燃料電池に提供された酸化剤ガスや燃料ガスはそれぞれ、まず、この第１、第２のガス用溝流路Ｒ１，Ｒ２を流通されることで、それらが内包している不純物の全部もしくは一部が取り除かれ、不純物を具備しない、もしくはその濃度が極めて低い燃料ガスや酸化剤ガスが各発電セル５０，…に提供される。ガスバイパス層１０を設ける最大の理由は、この作用効果を奏する点である。

分離板１２と、第１、第２のセパレータ１１，１３と、断熱材層２０の特に樹脂フレーム２２と、第３のセパレータ３０は、相互にマニホールドＭの周りで接着剤層６１，６２、６３，６４を介して接着固定されている。

ここで、従来構造を説明する図３と対比することで、図２で示す接着剤層６１，６２、６３，６４と従来構造のものとの相違が明りょうとなるが、各接着剤層６１，６２、６３，６４は、マニホールドＭの周縁から非発電セル４０の外周面に亘って連続し、かつ、マニホールドＭおよび該外周面の双方に臨んでいる構造となっている。すなわち、各接着剤層６１，６２、６３，６４のうち、このマニホールドＭおよび非発電セル外周面の双方に臨んでいる箇所は、たとえば図示のように接着剤層用の凹溝に注入等された接着剤が硬化収縮する（収縮：δ）際の自由端（無拘束端）となるものである。

図３で示す従来構造のように、接着剤層ｈ１、ｈ２、ｈ３、ｈ４が密閉空間に収容されている形態では、図４ｂで示すように硬化収縮後の接着剤層が密閉空間の界面から剥離し、ガスや冷却媒体の漏れ流路となり得るものであったが、図２で示す接着剤層の構造によれば、マニホールドＭおよび非発電セル外周面の双方に臨んでいる自由端によって、自身は硬化収縮し易くなり、この良好な硬化収縮性に起因して、接着剤層と被接着部材との接着が保障される。

このように、非発電セルを構成する接着剤層に関する簡易な構造改良により、接着剤の硬化収縮の際の変形自由度をもたせることができ、接着剤層と非発電セルの各構成部材との良好な接着が保障され、流体シール性に優れた燃料電池となり得る。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１０…ガスバイパス層、１１…第１のセパレータ、１２…分離板、１３…第２のセパレータ、２０…断熱材層、２１…断熱材、２２…樹脂フレーム、３０…第３のセパレータ、４０…非発電セル、５０…発電セル、５１…膜電極接合体、５２，５３…ガス拡散層、５４，５５…セパレータ、６１，６２，６３，６４，６５…接着剤層、７１…ターミナルプレート、７２…インシュレータ、７３…エンドプレート、１００…燃料電池、Ｇ…ガスケット、Ｒ１、Ｒ２…ガス用溝流路（バイパス流路）、Ｒ３、Ｒ４…冷却媒体用の溝流路、Ｒ５…ガスケット用の凹溝、Ｍ…マニホールド

Claims (6)

1. 少なくとも、膜電極接合体と、これを挟持してガス用溝流路を有するアノード側およびカソード側のセパレータと、からなる発電セルが複数積層されて発電領域を形成し、
   前記発電領域におけるセル積層方向の端部には、膜電極接合体を具備しない非発電セルが配され、該非発電セルを介して発電領域を構成する各発電セルに燃料ガスと酸化剤ガスが提供されるようになっており、各発電セルと非発電セル双方の周縁において同軸で貫通する流体連通マニホールドを有した燃料電池において、
   前記非発電セルは、分離板と、該分離板を挟んで凹溝を有する第１、第２のセパレータと、からなるガスバイパス層と、該ガスバイパス層の一側面に当接して少なくとも導電性を有する断熱材を備えた断熱材層と、該断熱材層の一側面と発電領域端部の発電セルのセパレータの間に介層されて該発電セルのセパレータとの間で溝流路を形成する第３のセパレータと、の積層構造を呈し、分離板と、第１、第２のセパレータと、断熱材層と、第３のセパレータは、相互にそれらのマニホールド周りで接着剤層を介して固定されており、
   前記接着剤層が、マニホールドの周縁から非発電セルの外周面に亘って連続し、かつ、マニホールドおよび該外周面の双方に臨んでいることを特徴とする、燃料電池。
2. 前記断熱材の周縁に樹脂フレームが配され、該断熱材および樹脂フレームにて前記断熱材層が構成されており、該樹脂フレームにマニホールドが形成され、かつ、第２のセパレータおよび第３のセパレータそれぞれとの間で前記接着剤層が形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
3. 第１のセパレータの凹溝と分離板とから第１のガス用溝流路が形成され、第２のセパレータの凹溝と分離板とから第２のガス用溝流路が形成され、第１のガス用溝流路と第２のガス用溝流路の一方に燃料ガスが、他方に酸化剤ガスがそれぞれ流通し、この流通過程でそれぞれのガス中の不純物の全部もしくは一部が除去されるようになっている、請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記第３のセパレータと、これに隣接する発電領域端部の発電セルのセパレータと、の当接領域では、双方のセパレータによってマニホールドを囲繞するシール溝が形成され、このシール溝にガスケットが収容されるとともに、双方のセパレータは該シール溝周囲で当接している、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 非発電セルのうち、前記発電領域と反対側の側面には、ターミナルプレート、インシュレータ、エンドプレートが積層姿勢で配されている、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池が、２列以上併設され、共通するエンドプレートにて一体とされるとともに、相互に電気的に直列に繋がれている、燃料電池。

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