JP2013020723A - 燃料電池、及び、膜電極構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】膜電極構造体のへたりを未然に防止できるようにして、経時使用に伴う発電性能や気密性の低下を抑制可能な燃料電池、及び、膜電極構造体を提供する。
【解決手段】固体高分子電解質膜１５とその両側の拡散電極１６，１７とによって膜電極構造体１０を構成する。膜電極構造体１０を第１セパレータ１１と第２セパレータ１２で挟持して燃料電池セル１３を構成する。燃料電池セル１３を複数積層し、積層した燃料電池セル１３を、両端のエンドプレート１４を介して締結固定する。各ガス拡散層１８，１９は、第１，第２セパレータ１１，１２との当接部に多孔質金属部材３０を均等に分散して介在させる。カソード側のガス拡散層１９は、シール部材２５ａの圧接荷重の作用する部位に、さらに多孔質金属部材３０を介在させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池と、その燃料電池で用いられる膜電極構造体に関するものである。

車両等で用いられる燃料電池として、固体高分子電解質膜の両側にアノード側拡散電極とカソード側拡散電極を配置して膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を構成し、この膜電極構造体を一対のセパレータで挟み込んで燃料電池セルを構成したものがある。この燃料電池の燃料電池セルは、複数のものが層状に積層され、ボルト締結等によって相互に固定されている。また、燃料電池セルの各拡散電極は、燃料ガスまたは酸化剤ガスに接する多孔質カーボンペーパー等から成るガス拡散層と、このガス拡散層の固体高分子電解質膜側に付設される白金等を主体とする電極触媒層とを備えた構成とされている。（例えば、特許文献１参照）

この燃料電池では、各燃料電池セルのセパレータのうちの膜電極構造体（ガス拡散層）に接する側の面に流通溝が形成され、その流通溝を通して燃料ガス（例えば、水素ガス）や酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）が膜電極構造体の各面に供給されるようになっている。そして、この燃料電池においては、膜電極構造体のアノード電極側の流通溝に燃料ガスが供給されると、そこで燃料ガスがイオン化され、そのイオンが固体高分子電解質膜を通してカソード電極側に移動する。この間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。また、膜電極構造体のカソード電極側においては、カソード電極側の流通溝を通して供給された酸化剤ガスが水素イオン及び電子と反応して水を生成する。

特開２０１０−２１２２１６号公報

しかし、この従来の燃料電池においては、各燃料電池セルの膜電極構造体が一対のセパレータによって両側から挟持される構造とされているため、経時使用によって膜電極構造体、特に、そのガス拡散層部分にへたりが生じる可能性がある。そして、膜電極構造体にへたりが生じると、セパレータと膜電極構造体の間の接触面圧（電極面圧）が低下し、抵抗過電圧の上昇によって発電性能が低下したり、膜電極構造体の周縁部を、シール部材を押し当ててセパレータ間でシールしている場合には、シール部材の圧接部でのシール線圧の低下によって気密性が低下したりすることが懸念される。

そこでこの発明は、膜電極構造体のへたりを未然に防止できるようにして、経時使用に伴う発電性能や気密性の低下を抑制可能な燃料電池、及び、膜電極構造体を提供しようとするものである。

この発明に係る燃料電池では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、電解質膜（例えば、実施形態の固体高分子電解質膜１５）とその両側の拡散電極（例えば、実施形態のアノード側拡散電極１６及びカソード側拡散電極１７）によって構成された膜電極構造体（例えば、実施形態の膜電極構造体１０）を一対のセパレータ（例えば、実施形態の第１セパレータ１１及び第２セパレータ１２）で挟持して燃料電池セル（例えば、実施形態の燃料電池セル１３）が構成され、この燃料電池セルが複数積層され、積層された複数の燃料電池セルが、積層方向の両端のエンドプレート（例えば、実施形態のエンドプレート１４）を介して押圧状態で締結固定される燃料電池であって、前記各拡散電極は、燃料ガスまたは酸化剤ガスに接するガス拡散層（例えば、実施形態のガス拡散層１８，１９）と、このガス拡散層と前記電解質膜の間に介装される電極触媒層とを備えるとともに、前記ガス拡散層部分が、前記エンドプレートを介した締結荷重を受けて隣接するセパレータの凸部（例えば、実施形態の突条２４，２７）に当接状態で支持され、前記一方の拡散電極は、前記他方の拡散電極と前記電解質膜よりも外形が小さく形成され、前記電解質膜の前記一方の拡散電極よりも外側に延出して露出した周縁露出面（例えば、実施形態の周縁露出面１５ａ）と、その周縁露出面に対向する一方のセパレータ（例えば、実施形態の第１セパレータ１１）との間は、前記エンドプレートを介した締結荷重を受けて第１シール部材（例えば、実施形態のシール部材２５ａ）によってシールされ、前記一対のセパレータの間は、前記電解質膜よりも外周側で前記エンドプレートを介した締結荷重を受けて第２シール部材（例えば、実施形態のシール部材２８）によってシールされ、前記各拡散電極のガス拡散層は、隣接する前記セパレータとの当接部に、当該ガス拡散層の一般部（例えば、実施形態の一般部１８ａ，１９ａ）よりもへたり強度の高いへたり補強部（例えば、実施形態の多孔質金属部材３０）が均等に分散して設けられ、前記他方の拡散電極（例えば、実施形態のカソード側拡散電極１７）のガス拡散層のうちの、前記第１シール部材の圧接荷重の作用する部位には、前記へたり補強部がさらに設けられていることを特徴とするものである。
これにより、各拡散電極のガス拡散層のうちの、隣接するセパレータとの当接部がへたり補強部によって均等に補強され、セパレータとの当接部の過圧縮とそれに伴うへたりが抑制されることになる。また、他方の拡散電極のガス拡散層のうちの、第１シール部材の圧接荷重の作用する部位もへたり補強部によって補強され、その部分の過圧縮とそれに伴うへたりも抑制されることになる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記へたり補強部は、多孔質金属部材によって構成されていることを特徴とするものである。

また、この発明に係る膜電極構造体では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項３に係る発明は、電解質膜とその両側の拡散電極によって構成された膜電極構造体であって、一対のセパレータで挟持されて燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルを複数積層し、積層された複数の燃料電池を、積層方向の両端のエンドプレートを介して押圧状態で締結固定することによって燃料電池を構成するものにおいて、前記各拡散電極は、燃料ガスまたは酸化剤ガスに接するガス拡散層と、このガス拡散層と前記電解質膜の間に介装される電極触媒層とを備えるとともに、前記ガス拡散層部分が、前記エンドプレートを介した締結荷重を受けて隣接するセパレータの凸部に当接状態で支持され、前記一方の拡散電極は、前記他方の拡散電極と前記電解質膜よりも外形が小さく形成され、前記電解質膜の前記一方の拡散電極よりも外側に延出して露出した周縁露出面と、その周縁露出面に対向する一方のセパレータとの間は、前記エンドプレートを介した締結荷重を受けて第１シール部材によってシールされ、前記一対のセパレータの間は、前記電解質膜よりも外周側で前記エンドプレートを介した締結荷重を受けて第２シール部材によってシールされ、前記各拡散電極のガス拡散層は、隣接する前記セパレータとの当接部に、当該ガス拡散層の一般部よりもへたり強度の高いへたり補強部が均等に分散して設けられ、前記他方の拡散電極のガス拡散層のうちの、前記第１シール部材の圧接荷重の作用する部位には、前記へたり補強部がさらに設けられていることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の膜電極構造体において、前記へたり補強部は、多孔質金属部材によって構成されていることを特徴とすることを特徴とするものである。

この発明によれば、各拡散電極のガス拡散層のうちの、隣接するセパレータとの当接部がへたり補強部によって均等に補強されるとともに、他方の拡散電極のガス拡散層のうちの、第１シール部材の圧接荷重の作用する部位もへたり補強部によって補強されるため、膜電極構造体のセパレータとの当接部やシール部材からの荷重入力部のへたりを未然に防止することができる。したがって、この発明によれば、セパレータと膜電極構造体の間の接触面圧の低下による発電性能の低下を抑制することができるとともに、膜電極構造体のシール部の気密性の低下も抑制することができる。
特に、この発明においては、各拡散電極のガス拡散層のうちの、隣接するセパレータとの当接部がへたり補強部によって均等に補強されることから、各拡散電極のガス拡散層に均一にガスを流すことができ、かつ、ガス拡散層の隣接するセパレータとの当接部に均等に締結荷重を担わせることによってガス拡散層の局部的なへたりをより少なくすることができる。

請求項２，４に係る発明によれば、へたり補強部が多孔質金属部材によって構成されていることから、高いへたり強度の維持と十分なガス拡散性を得ることができる。

この発明の第１の実施形態の燃料電池の図３のＡ−Ａ断面に対応する断面図である。 この発明の第１の実施形態の第１セパレータを図１のＢ矢視方向から見た図である。 この発明の第１の実施形態の第２セパレータを図１のＣ矢視方向から見た図である。 この発明の第１の実施形態のアノード側拡散電極を図１のＢ矢視方向から見た図である。 この発明の第１の実施形態のカソード側拡散電極を図１のＣ矢視方向から見た図である。 この発明の第２の実施形態の第１セパレータの図２に対応する図である。 この発明の第２の実施形態の第２セパレータの図３に対応する図である。 この発明の第２の実施形態のアノード側拡散電極の図４に対応する図である。 この発明の第２の実施形態のカソード側拡散電極の図５に対応する図である。

以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
最初に、図１〜図５に示す第１の実施形態について説明する。
図１は、この実施形態の燃料電池１の断面図を示すものである。この燃料電池１は、膜電極構造体１０の表裏両側に金属製の板材から成る第１セパレータ１１と第２セパレータ１２が配置され、これらのセパレータ１１，１２と膜電極構造体１０によって燃料電池セル１３が構成されている。燃料電池セル１３は厚み方向に複数積層され、積層方向の両端に配置された肉厚のエンドプレート１４で挟み込むようにして相互に固定されている。両側のエンドプレート１４は、複数の燃料電池セル１３を間に挟み込み、その状態においてボルト５２及びナット５３によって締結固定されている。
なお、図１中５０は、各エンドプレート１４の燃料電池セル１３に臨む側の面に配置されたインシュレータであり、５１は、インシュレータ５０とそのインシュレータ５０に隣接する燃料電池セル１３との間に介装されたターミナルプレートである。また、後に参照する図２，図３においては、ボルト５２の挿通される孔は図示都合上省略されている。

膜電極構造体１０は、ペルフルオロスルホン酸ポリマー等から成る固体高分子電解質膜１５（電解質膜）と、固体高分子電解質膜１５の表裏両側に付設されたアノード側拡散電極１６とカソード側拡散電極１７と、によって構成されている。アノード側拡散電極１６とカソード側拡散電極１７は、燃料ガス（例えば、水素ガス）や酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）に接するガス拡散層１８，１９と、このガス拡散層１８，１９の固体高分子電解質膜１５に対向する側の面に設けられた図示しない電極触媒層と、から構成されている。ガス拡散層１８，１９は、例えば、多孔質カーボンペーパー等を主要部として構成され、電極触媒層は、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を、ガス拡散層１８，１９の表面に一様に塗布して形成されている。ガス拡散層１８，１９の具体的な構造については後に詳述する。

図２は、第１セパレータ１１を図１のＢ矢視方向から見た図である。
第１セパレータ１１は、同図に示すように平面視が略長方形状に形成され、その長手方向の両側の縁部に、ガスや冷却媒体を各燃料電池セル１３に流通させるための複数の孔２０Ｆｉ，２０Ｆｏ，２１Ｆｉ，２１Ｆｏ，２２Ｆｉ，２２Ｆｏが設けられている。
具体的には、第１セパレータ１１の長手方向両側の縁部のうちの、図２中の上部位置には、燃料ガスを通過させるための入口側燃料ガス連通孔２０Ｆｉと、酸化剤ガスを通過させるための入口側酸化剤ガス連通孔２１Ｆｉとが設けられ、第１セパレータ１１の長手方向両側の縁部のうちの、図２中の中央位置には、純粋やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させるための入口側冷却媒体連通孔２２Ｆｉと、使用後の冷却媒体を通過させるための出口側冷却媒体連通孔２２Ｆｏとが設けられている。また、第１セパレータ１１の長手方向両側の縁部のうちの、図２中の下部位置には、燃料ガスを通過させるための出口側燃料ガス通路孔２０Ｆｏと、酸化剤ガスを通過させるための出口側酸化剤ガス連通孔２１Ｆｏとが、入口側燃料ガス連通孔２０Ｆｉ及び入口側酸化剤ガス連通孔２１Ｆｉと対角位置となるように設けられている。

また、第１セパレータ１１には、プレス成形等によって凹凸形状が形成され、その凹凸形状によってアノード側拡散電極１６（ガス拡散層１８）に臨む側の面（図２で正面に見える側の面）に、入口側燃料ガス連通孔２０Ｆｉから導入された燃料ガスを水平方向に一往復半蛇行しつつ、出口側燃料ガス連通孔２０Ｆｏに誘導する複数本の燃料ガス流通溝２３が造形されている。また、第１セパレータ１１のアノード側拡散電極１６に臨む側の面には、燃料ガス流通溝２３を隔成する帯状の突条２４（凸部）が複数設けられており、燃料電池セル１３が組み付けられたときに、その突条２４の頂部面がアノード側拡散電極１６のガス拡散層１８に規定荷重で圧接されるようになっている。
なお、図２中２５ａは、第１セパレータ１１のアノード側拡散電極１６に臨む側の面に、燃料ガス流通溝２３と入口側燃料ガス連通孔２０Ｆｉ及び出口側燃料ガス連通孔２０Ｆｏの外側領域を連続して取り囲むように取り付けられたシリコンゴム等から成るシール部材（第１シール部材）である。

図３は、第２セパレータ１２を図１のＣ矢視方向から見た図である。
第２セパレータ１２は、第１セパレータ１１と同様に平面視が略長方形状に形成され、その長手方向の両側の縁部に、ガスや冷却媒体を各燃料電池セル１３に流通させるための複数の孔２０Ｓｉ，２０Ｓｏ，２１Ｓｉ，２１Ｓｏ，２２Ｓｉ，２２Ｓｏが設けられている。これらの孔２０Ｓｉ，２０Ｓｏ，２１Ｓｉ，２１Ｓｏ，２２Ｓｉ，２２Ｓｏは、第１セパレータ１１の孔２０Ｆｉ，２０Ｆｏ，２１Ｆｉ，２１Ｆｏ，２２Ｆｉ，２２Ｆｏに対応して設けられたものであり、２０Ｓｉは、入口側燃料ガス連通孔、２０Ｓｏは、出口側燃料ガス連通孔、２１Ｓｉは、入口側酸化剤ガス連通孔、２１Ｓｏは、出口側酸化剤ガス連通孔、２２Ｓｉは、入口側冷却媒体連通孔、２２Ｓｏは、出口側冷却媒体連通孔である。

第２セパレータ１２は、第１セパレータ１１と同様にプレス成形によって凹凸形状が形成され、その凹凸形状によってカソード側拡散電極１７（ガス拡散層１９）に臨む側の面（図３で正面に見える側の面）に、入口側酸化剤ガス連通孔２１Ｓｉから導入された酸化剤ガスを水平方向に一往復半蛇行させつつ、出口側酸化剤ガス連通孔２１Ｓｏに誘導する複数本の酸化剤ガス流通溝２６が造形されている。第２セパレータ１２の場合にも、カソード側拡散電極１７に臨む側の面に、酸化剤ガス流通溝２６を隔成する帯状の突条２７（凸部）が複数設けられている。この突条２７は、燃料電池セル１３が組み付けられたときに、その突条２７の頂部面がカソード側拡散電極１７のガス拡散層１９に規定荷重で圧接される。
図３中の２５ｂは、第２セパレータ１２のカソード側拡散電極１７に臨む側の面に、酸化剤ガス流通溝２６と入口側酸化剤ガス連通孔２１Ｓｉ及び出口側酸化剤ガス連通孔２１Ｓｏの外側領域を連続して取り囲むように取り付けられたシール部材であり、２８は、このシール部材２５ｂのさらに外側領域を連続して取り囲むように、第２セパレータ１２のうちの、対を成す第１セパレータ１１と対向する側の面に取り付けられたシール部材（第２シール部材）である。これらのシール部材２５ｂ，２８は、シリコンゴム等によって構成されている。

図４は、膜電極構造体１０のアノード側拡散電極１６を図１のＢ矢視方向から見た図であり、図５は、膜電極構造体１０のカソード側拡散電極１７を図１のＣ矢視方向から見た図である。なお、これらの図においては、アノード側拡散電極１６とカソード側拡散電極１７のガス拡散層１８，１９のみを示し、電極触媒層の図示は省略している。
アノード側拡散電極１６は、前述した第１セパレータ１１の長手方向中央の燃料ガス流通溝２３の全域を含む領域に重合される主要領域１６ａと、その主要領域１６ａの両側部から側方に膨出して設けられた一対の膨出領域１６ｂ，１６ｃと、を備え、一方の膨出領域１６ｂが第１セパレータ１１の入口側燃料ガス連通孔２０Ｆｉの周域部に重合され、他方の膨出領域１６ｃが第１セパレータ１１の出口側燃料ガス連通孔２０Ｆｏの周域部に重合されるようになっている。このアノード側拡散電極１６は、第１セパレータ１１に取り付けられたシール部材２５ａの内周面に対して一回り小さい相似形状とされている。

一方、カソード側拡散電極１７は、前述した第２セパレータ１２の長手方向中央の酸化剤ガス流通溝２６の全域を含む領域に重合される主要領域１７ａと、その主要領域１７ａの両側部から側方に膨出して設けられた一対の膨出領域１７ｂ，１７ｃと、を備えている。一方の膨出領域１７ｂは、第２セパレータ１２の入口側酸化剤ガス連通孔２１Ｓｉの周域部に重合され、他方の膨出領域１７ｃは、第２セパレータ１２の出口側酸化剤ガス連通孔２１Ｓｏの周域部に重合される。このカソード側拡散電極１７の外周部の形状は、第２セパレータ１２に取り付けられたシール部材２５ｂの外形形状とほぼ合致する形状とされている。

ところで、カソード側拡散電極１７は、固体高分子電解質膜１５とサイズと形状がほぼ同じに設定され、固体高分子電解質膜１５の一方の面のほぼ全域に重合状態で接合されている。これに対し、アノード側拡散電極１６は、固体高分子電解質膜１５やカソード側拡散電極１７よりも一回り小さい外形に形成され、アノード側拡散電極１６とカソード側拡散電極１７を固体高分子電解質膜１５に接合した状態において、固体高分子電解質膜１５とカソード側拡散電極１７の外周縁部がアノード側拡散電極１６の外周部から外側に延出するようになっている。なお、図１中１５ａは、固体高分子電解質膜１５のアノード側拡散電極１６の外側に延出して露出した周縁露出面である。

アノード側拡散電極１６の外周部から外側に延出した固体高分子電解質膜１５とカソード側拡散電極１７の外周縁部は、燃料電池セル１３が組み付けられた状態において、図１に示すように、第１セパレータ１１のシール部材２５ａと第２セパレータ１２のシール部材２５ｂによってそれぞれ上下から圧接され、それによって燃料ガス流通溝２３の周域が密閉状態で封止されるようになっている。なお、このときシール部材２５ａは固体高分子電解質膜１５の周縁露出面１５ａに当接する。また、第２セパレータ１２の外側のシール部材２８は、膜電極構造体１０の外側において第１セパレータ１１の対応する部位に直接圧接され、それによって燃料ガス流通溝２３の周域をシール部材２５ａ，２５ｂとともに二重にシールする。

アノード側拡散電極１６とカソード側拡散電極１７の各ガス拡散層１８，１９は、主要領域のほぼ全域がカーボンペーパー等の均一密度の多孔質カーボンによって形成されている。以下、この均一密度の多孔質カーボンによって形成されている部分をガス拡散層１８，１９の一般部１８ａ，１９ａと呼ぶ。
各ガス拡散層１８，１９は、一般部１８ａ，１９ａ内の複数箇所に、一般部１８ａ，１９ａよりもへたり強度（弾性限界内の低い応力下において塑性歪が発生する「へたり」現象に対する強度）の高い多孔質金属部材３０が介在されている。この実施形態においては、多孔質金属部材３０がへたり補強部を構成している。多孔質金属部材３０は、例えば、焼結金属やニッケルセルメット等の樹脂金属、微細加工を施した金属等によって構成することができる。

各ガス拡散層１８，１９に介在される多孔質金属部材３０は、各ガス拡散層１８，１９のうちの、隣接する第１，第２セパレータ１１，１２の突条２４，２７の当接する領域で、かつ両突条２４，２７が積層方向で重なる領域、つまり、両突条２４，２７からエンドプレート１４を介した締結荷重を受ける領域に、均等に分散して配置されている。この実施形態の例の場合、多孔質金属部材３０は図示では正面視で正方形状に描かれているが、正面視の形状は正方形状に限らず任意である。
なお、多孔質金属部材３０は、一般部１８ａ，１９ａを肉厚方向に貫通するように配置され、多孔質金属部材３０と一般部１８ａ，１９ａの肉厚は全域において同一厚みとされている。

また、カソード側拡散電極１７のガス拡散層１９は、図５に示すように、シール部材２５ｂの当接する外周縁部（シール部材２５ａの圧接荷重の作用する部位）にも、へたり補強部である多孔質金属部材３０が帯状に配置されている。

また、積層方向で隣接する燃料電池セル１３，１３は、一方の燃料電池セル１３の第１セパレータ１１と他方の燃料電池セル１３の第２セパレータ１２が相互に背中合わせにして重合されるが、背中合わせに重合される第１セパレータ１１と第２セパレータ１２の間には、図１に示すようにシリコンゴム等から成るシール部材３１が介装されている。このシール部材３１は、背中合わせの第１セパレータ１１と第２セパレータ１２の間において、入口側冷却媒体連通孔２２Ｆｉ，２２Ｓｉと出口側冷却媒体連通孔２２Ｆｏ，２２Ｓｏの各周囲と、これらを接続する中間領域の周囲を取り囲み、隣接する燃料電池セル１３，１３間に冷却媒体流通路３２を形成するようになっている。

このように構成された燃料電池１の動作について、以下に説明する。
燃料電池１には、燃料ガスと酸化剤ガスが供給されるとともに、各燃料電池セル１３の発電面を冷却するために冷却媒体が供給される。各燃料電池セル１３の入口側燃料ガス連通孔２０Ｆｉに供給された燃料ガスは、図２中の矢印で示すように第１セパレータ１１の複数の燃料ガス流通溝２３内を蛇行して流れる。また、このとき各燃料電池セル１３の入口側酸化剤ガス連通孔２１Ｓｉに供給された酸化剤ガスは、図３中の矢印で示すように第２セパレータ１２の複数の酸化剤ガス流通溝２６内を蛇行して流れる。

第１セパレータ１１の燃料ガス流通溝２３に供給された燃料ガスは、燃料ガス流通溝２３に面するガス拡散層１８を通ってアノード側の電極触媒層に供給され、第２セパレータ１２の酸化剤ガス流通溝２６に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流通溝２６に面するガス拡散層１９を通ってカソード側の電極触媒層に供給される。こうして、膜電極構造体１０のアノード側とカソード側に燃料ガスと酸化剤ガスがそれぞれ供給されると、燃料ガスがアノード側でイオン化されて固体高分子電解質膜１５内を移動し、その間に生じた電子が電気エネルギーとして取り出され、カソード側では水が生成される。

また、この燃料電池１では、積層された複数の燃料電池セル１３が両端のエンドプレート１４を介してボルト５２及びナット５３によって締結されることにより、各燃料電池セル１３の第１セパレータ１１と第２セパレータ１２が膜電極構造体１０の表裏に規定荷重で圧接される。具体的には、このとき、第１，第２セパレータ１１，１２の各突条２４，２７の頂部面が膜電極構造体１０のガス拡散層１８，１９の各面に圧接されるとともに、第１セパレータ１１側のシール部材２５ａと第２セパレータ１２側のシール部材２５ｂが固体高分子電解質膜１５とカソード側拡散電極１７の外周縁部に表裏から圧接される。
なお、このとき各燃料電池セル１３内の第１セパレータ１１と第２セパレータ１２の間は、膜電極構造体１０の外側においてシール部材２８によって直接シールされ、隣接する燃料電池セル１３，１３の背中合わせの第１セパレータ１１と第２セパレータ１２の間は、シール部材３１によってシールされる。

この燃料電池１においては、膜電極構造体１０のガス拡散層１８，１９のうちの、第１セパレータ１１と第２セパレータ１２の突条２４，２７を通してエンドプレート１４を介した締結荷重が受ける部位に、へたり補強部である多孔質金属部材３０が均等に分散して介在されているため、経時使用に伴う各ガス拡散層１８，１９の圧接部位のへたりを未然に防止することができる。
即ち、この実施形態の場合、膜電極構造体１０の各ガス拡散層１８，１９のうちの、第１セパレータ１１と第２セパレータ１２の突条２４，２７を通して締結荷重が受ける部位に多孔質金属部材３０が均等に分散して介在されていることから、多孔質金属部材３０部分が経時使用によってへたりを生じにくいうえ、多孔質金属部材３０が存在しない部分についても多孔質金属部材３０部分で突条２４，２７による過圧縮を規制でき、そのことから多孔質金属部材３０の存在しない部分のへたりも抑制することができる。

したがって、この燃料電池１においては、経時使用によるガス拡散層１８，１９のへたりによって第１，第２セパレータ１１，１２の突条２４，２７と膜電極構造体１０のガス拡散層１８，１９の間の接触面圧が低下するのを抑制できるため、抵抗過電圧が上昇するのを防止し、それによって高い発電性能を長期に亙って維持することができる。

また、この燃料電池１においては、シール部材２５ａの圧接荷重の作用するカソード側のガス拡散層１９の外周縁部にも帯状の多孔質金属部材３０が介在されているため、多孔質金属部材３０でガス拡散層１９の周縁部のへたりを直接抑制することができる。
したがって、この燃料電池１においては、経時使用によるガス拡散層１９の外周縁部のへたりによって、固体高分子電解質膜１５の周縁露出面１５ａに対するシール部材２５ａの接触面圧が低下するのを抑制できるため、膜電極構造体１０の周囲のシール線圧の低下による気密性の低下を防止することができる。

さらに、この燃料電池１においては、アノード側とカソード側の各ガス拡散層１８，１９の第１，第２セパレータ１１，１２との当接部が均等に分散配置された多孔質金属部材３０によって補強されるため、各ガス拡散層１８，１９に均一にガスを流すことができるとともに、各ガス拡散層１８，１９の隣接する第１，第２セパレータ１１，１２との当接部に均等に締結荷重を担わせることで、ガス拡散層１８，１９の局部的なへたりをより少なくすることができる。

また、この実施形態の燃料電池１においては、ガス拡散層１８，１９に介在されるへたり補強部が多孔質金属材料３０によって形成されているため、高いへたり強度の維持と十分なガス拡散性を維持することができる。

さらに、この燃料電池１においては、ガス拡散層１８，１９の全域を多孔質金属材料によって構成するのではなく、他部材との圧接部の一部にだけ多孔質金属材料３０を介在させるようにしているため、重量の軽量化を図ることができるとともに、大半の領域のガス拡散性をカーボン含有量の調整によって容易調整することができる。

つづいて、図６〜図９に示す第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略するものとする。また、第１の実施形態の図１に対応する断面の図示は省略しているが、この第２の実施形態の断面構造は第１の実施形態のものとほぼ同様であるため、以下の説明においては図１を適宜参照するものとする。
この実施形態の燃料電池は、基本的な構成は第１の実施形態とほぼ同様であるが、第１セパレータ１１１と第２セパレータ１１２に形成される燃料ガス流通溝１２３と酸化剤ガス流通溝１２６の形状が大きく異なっている。

図６は、第１セパレータ１１１を図１のＢ矢視に対応する方向から見た図であり、図７は、第２セパレータ１１２を図１のＣ矢視に対応する方向から見た図である。
第１セパレータ１１１と第２セパレータ１１２は、第１の実施形態と同様に長方形状の金属板がプレス成形等によって凹凸形状に形成されている。そして、第１セパレータ１１１と第２セパレータ１１２には、この凹凸形状により、燃料ガス流通溝１２３と酸化剤ガス流通溝１２６がそれぞれ造形されている。燃料ガス流通溝１２３は、第１セパレータ１１１の幅方向（図中の上下方向）に小さく蛇行して長手方向に延出し、かつ、第１セパレータ１１１の幅方向に並列に並ぶように複数設けられている。同様に、酸化剤ガス流通溝１２６は、第２セパレータ１１２の幅方向（図中の上下方向）に小さく蛇行して長手方向に延出し、かつ、第２セパレータ１１２の幅方向に並列に並ぶように複数設けられている。

そして、第１セパレータ１１１には、燃料ガス流通溝１２３を隔成する波形に蛇行した突条１２４が複数設けられ、その各突条１２４の頂部面がアノード側拡散電極１６のガス拡散層１１８（図８参照）に圧接されるようになっている。また、同様に第２セパレータ１１２には、酸化剤ガス流通溝１２６を隔成する波形に蛇行した突条１２７が複数設けられ、その各突条１２７の頂部面がカソード側拡散電極１７のガス拡散層１１９（図９参照）に圧接されるようになっている。

図８は、アノード側拡散電極１６のガス拡散層１１８を図１のＢ矢視に対応する方向から見た図であり、図９は、カソード側拡散電極１７のガス拡散層１１９を図１のＣ矢視に対応する方向から見た図である。
アノード側とカソード側の各ガス拡散層１１８，１１９は、第１の実施形態と同様に、カーボンペーパー等の均一密度の多孔質カーボンによって形成された一般部１１８ａ，１１９ａの複数箇所に、へたり補強部である多孔質金属部材３０が介在されている。各ガス拡散層１１８，１１９に介在される多孔質金属部材３０は、各ガス拡散層１１８，１１９のうちの、第１，第２セパレータ１１１，１１２の両突条１２４，１２７からエンドプレートを介した締結荷重を受ける領域に、均等に分散して配置されている。

また、カソード側拡散電極１１７のガス拡散層１１９は、図９に示すように、シール部材２５ｂ（図１参照）の当接する外周縁部（シール部材２５ａの圧接荷重の作用する部位）にも、へたり補強部である多孔質金属部材３０が帯状に配置されている。
この実施形態の場合も、多孔質金属部材３０と一般部１１８ａ，１１９ａの肉厚は全域において同一厚みとされている。

この実施形態の燃料電池は、第１セパレータ１１１の燃料ガス流通溝１２３と第２セパレータ１１２の酸化剤ガス流通溝１２６の形状が異なるものの、各ガス拡散層１１８，１１９のうちの、第１，第２セパレータ１１１，１１２の当接部からエンドプレートを介した締結荷重を受ける領域に、多孔質金属部材３０が均等に分散して配置されるとともに、カソード側のガス拡散層１１９の外周縁部に帯状の多孔質金属部材３０が配置されている点では第１の実施形態と同様であるため、第１の実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば、上記の実施形態においては、各ガス拡散層の一般部の複数箇所にへたり補強部として多孔質金属部材が介在さされているが、へたり補強部は、多孔質金属部材に限らず、金属以外の多孔質材料によって構成するようにしても良い。この場合、多孔質カーボンの密度を部分的に高めて、へたり補強部とすることも可能である。

１…燃料電池セル
１０…膜電極構造体
１１，１１１…第１セパレータ（セパレータ）
１２，１１２…第２セパレータ（セパレータ）
１３…燃料電池セル
１５…固体高分子電解質膜（電解質膜）
１５ａ…周縁露出面
１６…アノード側拡散電極（拡散電極）
１７…カソード側拡散電極（拡散電極）
１８，１９，１１８，１１９…ガス拡散層
１８ａ，１９ａ，１１８ａ，１１９ａ…一般部
２４，２７，１２４，１２７…突条（凸部）
２５ａ…シール部材（第１シール部材）
２８…シール部材（第２シール部材）
３０…多孔質金属部材（へたり補強部）

Claims (4)

1. 電解質膜とその両側の拡散電極によって構成された膜電極構造体を一対のセパレータで挟持して燃料電池セルが構成され、この燃料電池セルが複数積層され、積層された複数の燃料電池セルが、積層方向の両端のエンドプレートを介して押圧状態で締結固定される燃料電池であって、
   前記各拡散電極は、燃料ガスまたは酸化剤ガスに接するガス拡散層と、このガス拡散層と前記電解質膜の間に介装される電極触媒層とを備えるとともに、前記ガス拡散層部分が、前記エンドプレートを介した締結荷重を受けて隣接するセパレータの凸部に当接状態で支持され、
   前記一方の拡散電極は、前記他方の拡散電極と前記電解質膜よりも外形が小さく形成され、
   前記電解質膜の前記一方の拡散電極よりも外側に延出して露出した周縁露出面と、その周縁露出面に対向する一方のセパレータとの間は、前記エンドプレートを介した締結荷重を受けて第１シール部材によってシールされ、
   前記一対のセパレータの間は、前記電解質膜よりも外周側で前記エンドプレートを介した締結荷重を受けて第２シール部材によってシールされ、
   前記各拡散電極のガス拡散層は、隣接する前記セパレータとの当接部に、当該ガス拡散層の一般部よりもへたり強度の高いへたり補強部が均等に分散して設けられ、
   前記他方の拡散電極のガス拡散層のうちの、前記第１シール部材の圧接荷重の作用する部位には、前記へたり補強部がさらに設けられていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記へたり補強部は、多孔質金属部材によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 電解質膜とその両側の拡散電極によって構成された膜電極構造体であって、
   一対のセパレータで挟持されて燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルを複数積層し、積層された複数の燃料電池を、積層方向の両端のエンドプレートを介して押圧状態で締結固定することによって燃料電池を構成するものにおいて、
   前記各拡散電極は、燃料ガスまたは酸化剤ガスに接するガス拡散層と、このガス拡散層と前記電解質膜の間に介装される電極触媒層とを備えるとともに、前記ガス拡散層部分が、前記エンドプレートを介した締結荷重を受けて隣接するセパレータの凸部に当接状態で支持され、
   前記一方の拡散電極は、前記他方の拡散電極と前記電解質膜よりも外形が小さく形成され、
   前記電解質膜の前記一方の拡散電極よりも外側に延出して露出した周縁露出面と、その周縁露出面に対向する一方のセパレータとの間は、前記エンドプレートを介した締結荷重を受けて第１シール部材によってシールされ、
   前記一対のセパレータの間は、前記電解質膜よりも外周側で前記エンドプレートを介した締結荷重を受けて第２シール部材によってシールされ、
   前記各拡散電極のガス拡散層は、隣接する前記セパレータとの当接部に、当該ガス拡散層の一般部よりもへたり強度の高いへたり補強部が均等に分散して設けられ、
   前記他方の拡散電極のガス拡散層のうちの、前記第１シール部材の圧接荷重の作用する部位には、前記へたり補強部がさらに設けられていることを特徴とする膜電極構造体。
4. 前記へたり補強部は、多孔質金属部材によって構成されていることを特徴とすることを特徴とする請求項３に記載の膜電極構造体。

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