JP2014063727A

JP2014063727A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2014063727A
Application number: JP2013175990A
Authority: JP
Inventors: Masataka Furuyama; 雅孝古山; Keiko Yamazaki; 山崎　　恵子
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2033-08-27
Also published as: JP6104103B2

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、樹脂枠部材の下部側に水が滞留することを可及的に抑制することができ、固体高分子電解質膜の膜劣化を有効に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１２を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持する。樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１２は、樹脂枠部材２４を備え、前記樹脂枠部材２４は、２つの辺２４ａ、２４ｂが内壁面２４_INから上方に延在するとともに、前記辺２４ａには、第１ガス拡散層２０ｂと外部とを繋ぐ第１開口部２６ａが形成され、前記辺２４ｂには、第２ガス拡散層２２ｂと外部とを繋ぐ第２開口部２６ｂが形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられるとともに、前記固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体とセパレータとが、水平方向に沿って積層される燃料電池に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持され、燃料電池を構成している。燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車に使用されている。

燃料電池では、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、外周に樹脂枠部材を組み込んだ樹脂枠付きＭＥＡが採用されている。

例えば、特許文献１に開示されている膜電極組立体が知られている。この膜電極組立体は、図１０に示すように、高分子電解質膜１を備えている。高分子電解質膜１の一方の面側に、第１の電極層２及び第１のガス拡散層３が設けられ、該高分子電解質膜１の他方の面側に、第２の電極層４及び第２のガス拡散層５が設けられ、膜電極接合体６が構成されている。高分子電解質膜１の外周縁の全部並びに第１のガス拡散層３及び第２のガス拡散層５の外周縁の少なくとも一部であって前記高分子電解質膜１の側を包囲するように、樹脂枠７が設けられている。

第１のガス拡散層３及び第１の電極層２は、前記第１のガス拡散層３の外周縁全体が高分子電解質膜１の外周縁の範囲内に収まっている。第１のガス拡散層３及び第１の電極層２は、前記第１の電極層２の外周縁全周に亘って該第１の電極層２の外周縁と高分子電解質膜１の外周縁との間に前記高分子電解質膜１の表面領域が残るように、該高分子電解質膜１の表面上に配置されている。第２のガス拡散層５は、高分子電解質膜１の外周縁全周に亘って該表面領域とは反対側の少なくとも一部にまで延在している。さらに、樹脂枠７は、表面領域の少なくとも一部に固着している。

特開２００８−４１３３７号公報

ところで、燃料電池では、良好なイオン伝導性を確保するために、高分子電解質膜１を保湿する必要がある。このため、反応ガスである酸化剤ガス（例えば、空気）や燃料ガス（例えば、水素ガス）を加湿して燃料電池に供給する方式が採用されている。

その際、加湿用の水分が、高分子電解質膜１に吸収されずに液状化され、反応ガス流路に滞留する場合がある。一方、燃料電池では、発電反応によりカソード電極に生成水が発生するとともに、アノード電極には、前記生成水が高分子電解質膜１を介して逆拡散している。

このため、樹脂枠７の下部側には、高分子電解質膜１の重力方向下端に対応して重力の作用により水分が凝縮し、滞留水領域８が形成され易くなる。滞留水領域８には、金属の溶出やラジカルの生成が惹起され易く、高分子電解質膜１の膜劣化が発生するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、樹脂枠部材の下部側に水が滞留することを可及的に抑制することができ、固体高分子電解質膜の膜劣化を有効に阻止することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられるとともに、前記固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる電解質膜・電極構造体を備えている。電解質膜・電極構造体とセパレータとは、水平方向に沿って積層されている。そして、樹脂枠部材の重力方向下端部には、電解質膜・電極構造体の内部と外部とを繋ぐ開口部が形成されている。

また、この燃料電池では、開口部は、電解質膜・電極構造体の内部であるガス拡散層と外部とを繋いで形成されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、開口部は、重力方向下端部に所定の間隔ずつ離間して複数個設けられることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、樹脂枠部材の重力方向下端部は、２辺が上方に延在する断面Ｕ字状又は１辺が上方に延在する断面Ｌ字状を有することが好ましい。

本発明によれば、樹脂枠部材の重力方向下端部には、電解質膜・電極構造体の内部と外部とを繋ぐ開口部が形成されている。このため、電解質膜・電極構造体の内部に生成された水は、重力方向下方に移動すると、前記水は、開口部を通って前記電解質膜・電極構造体の外部に排出されている。

従って、簡単且つ経済的な構成で、樹脂枠部材の下部側に水が滞留することを可及的に抑制することができ、固体高分子電解質膜の膜劣化を有効に阻止することが可能になる。これにより、燃料電池は、最適な発電環境を良好に維持することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。前記燃料電池を構成する樹脂枠付き電解質膜・電極構造体のカソード電極側の正面説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。前記燃料電池を構成する樹脂枠付き電解質膜・電極構造体のカソード電極側の正面説明図である。本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。特許文献１に開示された膜電極組立体の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型燃料電池１０は、立位姿勢で水平方向（矢印Ａ方向）に複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックを構成する。

燃料電池１０は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１２を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。

図２に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１２は、電解質膜・電極構造体１２ａを備える。電解質膜・電極構造体１２ａは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極２０及びアノード電極２２とを有する。固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置されるとともに、アノード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される。

カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される第１電極触媒層２０ａと、前記第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを有する。第１電極触媒層２０ａは、第１ガス拡散層２０ｂよりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記第１ガス拡散層２０ｂは、固体高分子電解質膜１８と同一の平面寸法に設定される。なお、第１電極触媒層２０ａは、第１ガス拡散層２０ｂと同一の平面寸法に設定されてもよい。第１ガス拡散層２０ｂは、固体高分子電解質膜１８より小さな平面寸法に設定されてもよい。

アノード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに接合される第２電極触媒層２２ａと、前記第２電極触媒層２２ａに積層される第２ガス拡散層２２ｂとを有する。第２電極触媒層２２ａは、第２ガス拡散層２２ｂよりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記第２ガス拡散層２２ｂは、固体高分子電解質膜１８と同一の平面寸法に設定される。なお、第２電極触媒層２２ａは、第２ガス拡散層２２ｂと同一の平面寸法に設定されてもよい。第２ガス拡散層２２ｂは、固体高分子電解質膜１８より小さな平面寸法に設定されてもよい。

第１電極触媒層２０ａは、第２電極触媒層２２ａよりも小さな平面寸法を有する。具体的には、第１電極触媒層２０ａの端面２０ａｅは、第２電極触媒層２２ａの端面２２ａｅよりも内方に距離Ｓだけ離間している。なお、第１電極触媒層２０ａは、第２電極触媒層２２ａと、同一の平面寸法に設定されてもよい。

第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子と、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用している。高分子電解質の溶液中に、触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストが、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに印刷、塗布又は転写されることによって構成される。なお、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、予め固体高分子電解質膜１８に設けているが、これに代えて第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂに設けてもよい。

第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンブラック及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を含む下地層をカーボンペーパの膜側に塗布して形成される。下地層は、カーボンペーパと同じ表面寸法に設定されている。なお、下地層は、必要に応じて設ければよい。また、カソード電極２０及びアノード電極２２は、上記の各層以外の層を有していてもよい。

図１及び図２に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、アノード電極２２及びカソード電極２０に接合される樹脂枠部材２４を備える。

樹脂枠部材２４は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、フッ素ゴム又はＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等で構成される。

図１〜図３に示すように、樹脂枠部材２４は、枠形状を有するとともに、厚さ方向に離間する２つの辺２４ａ、２４ｂが内壁面２４_INから内方に延在する断面Ｕ字状に構成される。辺２４ａ、２４ｂは、電解質膜・電極構造体１２ａの外周部と重なり部を有する。図２に示すように、辺２４ａの内周端部は、第１電極触媒層２０ａの端面２０ａｅと略同一の位置に、又は、前記端面２０ａｅより内側に設定される。辺２４ｂの内周端部は、第２電極触媒層２２ａの端面２２ａｅと略同一の位置に、又は、前記端面２２ａｅより内側に設定される。

辺２４ａ、２４ｂは、それぞれ薄板状を有しており、例えば、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂに溶着されてもよい。樹脂枠部材２４の重力方向下端部に位置して内壁面２４_INから上方に延在する辺２４ａには、電解質膜・電極構造体１２ａの内部、例えば、第１ガス拡散層２０ｂと外部とを繋ぐ１つ以上の第１開口部２６ａが形成される（図２参照）。第１開口部２６ａの底面は、カソード電極２０の外周と同一位置又は下方位置に設けられる。

図３に示すように、第１開口部２６ａは、長方形状を有し、矢印Ｂ方向に所定の間隔ずつ離間して複数個又は１個設けられる。第１開口部２６ａは、後述する酸化剤ガス流路３６に開口することにより、排水が一層確実に遂行される。なお、第１開口部２６ａの形状は、長方形状に限定されるものではなく、丸形状や正方形状等、種々の形状に設定することができる。また、第２開口部２６ｂも同様であり、さらに以下に説明する第２以降の実施形態でも、同様である。第２開口部２６ｂの底面は、アノード電極２２の外周と同一位置又は下方位置に設けられる。

図１及び図２に示すように、樹脂枠部材２４の重力方向下端部に位置して内壁面２４_INから上方に延在する辺２４ｂには、電解質膜・電極構造体１２ａの内部、例えば、第２ガス拡散層２２ｂと外部とを繋ぐ１つ以上の第２開口部２６ｂが形成される。第２開口部２６ｂは、矢印Ｂ方向に所定の間隔ずつ離間して複数個又は１個設けられる。第２開口部２６ｂは、第１開口部２６ａと積層方向に沿って同一位置に設定される（図２参照）。

なお、第１開口部２６ａと第２開口部２６ｂとは、積層方向に互いにオフセットして配置されてもよい。第２開口部２６ｂは、後述する燃料ガス流路３８に開口することにより、排水が一層確実に遂行される。また、第１開口部２６ａ又は第２開口部２６ｂのいずれか一方のみを設けてもよい。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔３２ａは、冷却媒体を供給するとともに、燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第２セパレータ１６の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。

第１セパレータ１４の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。互いに隣接する第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。

第１シール部材４２及び第２シール部材４４としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図１に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３４ａを燃料ガス流路３８に連通する供給孔部４６と、前記燃料ガス流路３８を燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する排出孔部４８とが形成される。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２ａのカソード電極２０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部４６を通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２ａのアノード電極２２に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１２ａでは、カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード電極２０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４８を通り燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、樹脂枠部材２４の重力方向下端部には、一方の辺２４ａに第１ガス拡散層２０ｂと外部とを繋ぐ第１開口部２６ａが形成されている。このため、電解質膜・電極構造体１２ａの内部に生成された水は、例えば、カソード電極２０側に反応により酸化剤ガス流路３６に生成された水（生成水）は、重力方向下方に移動する。そして、水は、図２に示すように、第１ガス拡散層２０ｂから第１開口部２６ａを通って電解質膜・電極構造体１２ａの外部に排出されている。

一方、カソード電極２０から固体高分子電解質膜１８を透過してアノード電極２２側の燃料ガス流路３８に逆拡散した水は、重力方向下方に移動する。この水は、第２ガス拡散層２２ｂから第２開口部２６ｂを通って電解質膜・電極構造体１２ａの外部に排出されている（図２参照）。

従って、簡単且つ経済的な構成で、樹脂枠部材２４の下部側に水が滞留することを可及的に抑制することができ、固体高分子電解質膜１８の膜劣化を有効に阻止することが可能になるという効果が得られる。これにより、燃料電池１０は、最適な発電環境を良好に維持することができる。

図４には、本発明の第２の実施形態に係る固体高分子型燃料電池６０の要部断面説明図が示される。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池６０は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６２を備えるとともに、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６２は、電解質膜・電極構造体６２ａを有する。電解質膜・電極構造体６２ａは、固体高分子電解質膜１８をカソード電極２０及びアノード電極２２で挟持する。

カソード電極２０を構成する第１電極触媒層２０ａは、アノード電極２２を構成する第２電極触媒層２２ａよりも大きな平面寸法を有する。具体的には、第２電極触媒層２２ａの端面２２ａｅは、第１電極触媒層２０ａの端面２０ａｅよりも内方に距離Ｓ１だけ離間している。すなわち、第１の実施形態とは、第１電極触媒層２０ａと第２電極触媒層２２ａの大きさの関係が逆に設定される。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６２は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、アノード電極２２及びカソード電極２０に接合される樹脂枠部材６４を備える。

樹脂枠部材６４は、枠形状を有するとともに、厚さ方向に離間する２つの辺６４ａ、６４ｂが内壁面６４_INから内方に延在する断面Ｕ字状に構成される。辺６４ａの内周端部は、第１電極触媒層２０ａの端面２０ａｅと略同一の位置に、又は、前記端面２０ａｅより内側に設定される。辺６４ｂの内周端部は、第２電極触媒層２２ａの端面２２ａｅと略同一の位置に、又は、前記端面２２ａｅより内側に設定される。内壁面６４_INから上方に延在する辺６４ａには、第１開口部２６ａが形成されるとともに、前記内壁面６４_INから上方に延在する辺６４ｂには、第２開口部２６ｂが形成される。

このように構成される第２の実施形態では、電解質膜・電極構造体６２ａの内部に生成された水は、重力方向下方に移動した後、第１開口部２６ａ及び第２開口部２６ｂを通って外部に排出されている。このため、簡単且つ経済的な構成で、樹脂枠部材６４の下部側に水が滞留することを可及的に抑制することができ、固体高分子電解質膜１８の膜劣化を有効に阻止することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図５には、本発明の第３の実施形態に係る固体高分子型燃料電池７０の要部断面説明図が示される。

燃料電池７０は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７２を備えるとともに、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７２は、電解質膜・電極構造体６２ａ（第２の実施形態参照）を有する。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７２は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、アノード電極２２及びカソード電極２０に接合される樹脂枠部材７４を備える。

樹脂枠部材７４は、枠形状を有するとともに、厚さ方向に離間する２つの辺７４ａ、７４ｂが内壁面７４_INから内方に延在する断面Ｕ字状に構成される。辺７４ａの内周端部は、第１電極触媒層２０ａの端面２０ａｅと略同一の位置に、又は、前記端面２０ａｅより内側に設定される。辺７４ｂの内周端部は、第２電極触媒層２２ａの端面２２ａｅと略同一の位置に、又は、前記端面２２ａｅより内側に設定される。なお、図５に示すように、アノード電極２２の第２電極触媒層２２ａは、カソード電極２０の第１電極触媒層２０ａよりも小さな平面寸法に設定されているが、前記第２電極触媒層２２ａは、前記第１電極触媒層２０ａよりも大きな平面寸法に設定されてもよい。

図５及び図６に示すように、内壁面７４_INから上方に延在する辺７４ａには、第１開口部７６ａが形成されるとともに、前記内壁面７４_INから上方に延在する辺７４ｂには、第２開口部７６ｂが形成される。第１開口部７６ａは、辺７４ａの上面から内壁面７４_INまで切り欠いた溝形状を有する一方、第２開口部７６ｂは、辺７４ｂの上面から前記内壁面７４_INまで切り欠いた溝形状を有する。第１開口部７６ａの底面は、カソード電極２０の外周と同一位置又は下方位置に設けられる。第２開口部７６ｂの底面は、アノード電極２２の外周と同一位置又は下方位置に設けられる。

このように構成される第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図７には、本発明の第４の実施形態に係る固体高分子型燃料電池８０の要部断面説明図が示される。

燃料電池８０は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体８２を備えるとともに、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体８２は、電解質膜・電極構造体１２ａ（第１の実施形態参照）を有する。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体８２は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、アノード電極２２及びカソード電極２０に接合される樹脂枠部材８４を備える。

樹脂枠部材８４は、枠形状を有するとともに、１つの辺８４ａが内壁面８４_INから内方に延在する断面Ｌ字状に構成される。辺８４ａの内周端部は、第１電極触媒層２０ａの端面２０ａｅと略同一の位置に、又は、前記端面２０ａｅより内側に設定される。内壁面８４_INから上方に延在する辺８４ａには、１つ以上の開口部８６が形成されるとともに、前記開口部８６は、第１開口部２６ａ（第１の実施形態参照）と同様に構成される。開口部８６の底面は、カソード電極２０の外周と同一位置又は下方位置に設けられる。

このように構成される第４の実施形態では、酸化剤ガス流路３６に生成された水は、重力方向下方に移動した後、開口部８６を通って外部に排出される。一方、燃料ガス流路３８に逆拡散した生成水は、重力方向下方に移動した後、樹脂枠部材８４の角部から外部に排出される。従って、第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。なお、図７に示すように、アノード電極２２の第２電極触媒層２２ａは、カソード電極２０の第１電極触媒層２０ａよりも大きな平面寸法に設定されているが、前記第２電極触媒層２２ａは、前記第１電極触媒層２０ａよりも小さな平面寸法に設定されてもよい。

図８には、本発明の第５の実施形態に係る固体高分子型燃料電池９０の要部断面説明図が示される。

燃料電池９０は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体９２を備えるとともに、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体９２は、電解質膜・電極構造体９２ａを有する。

電解質膜・電極構造体９２ａは、固体高分子電解質膜１８をカソード電極９４及びアノード電極９６で挟持する。カソード電極９４は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される第１電極触媒層９４ａと、前記第１電極触媒層９４ａに積層される第１ガス拡散層９４ｂとを有する。第１電極触媒層９４ａは、第１ガス拡散層９４ｂと同一の平面寸法に設定されるとともに、前記第１電極触媒層９４ａ及び前記第１ガス拡散層９４ｂは、固体高分子電解質膜１８よりも小さな平面寸法に設定される。

アノード電極９６は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層９６ａと、前記第２電極触媒層９６ａに積層される第２ガス拡散層９６ｂとを有する。第２電極触媒層９６ａは、第２ガス拡散層９６ｂと同一の平面寸法に設定されるとともに、前記第２電極触媒層９６ａ及び前記第２ガス拡散層９６ｂは、固体高分子電解質膜１８よりも小さな平面寸法に設定される。カソード電極９４は、アノード電極９６よりも小さな平面寸法に設定され、所謂、段差ＭＥＡを構成する。なお、カソード電極９４は、アノード電極９６よりも大きな平面寸法に設定されてもよい。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体９２は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、アノード電極９６及びカソード電極９４に接合される樹脂枠部材９８を備える。

樹脂枠部材９８は、枠形状を有するとともに、厚さ方向に離間する２つの辺９８ａ、９８ｂが内壁面９８_INから内方に、それぞれ異なる長さだけ延在する断面Ｕ字状に構成される。辺９８ａ、９８ｂは、比較的肉厚に形成され、前記辺９８ａ、９８ｂ間には、固体高分子電解質膜１８を配置するための溝部１００が形成される。

長尺な辺９８ａの内周端部は、カソード電極９４の外周端面位置又は内側位置に設定される。辺９８ａと第１ガス拡散層９４ｂとは、溶着されてもよい。短尺な辺９８ｂの内周端部は、アノード電極９６の外周端面位置又は内側位置に設定される。辺９８ｂと第２ガス拡散層９６ｂとは、溶着されてもよい。辺９８ａと固体高分子電解質膜１８の面１８ａとは、接着剤１０１ａにより固着されてもよい。界面は、気密性が確保されている。同様に、辺９８ｂと固体高分子電解質膜１８の面１８ｂとは、接着剤１０１ｂにより固着されてもよい。界面は、気密性が確保されている。固体高分子電解質膜１８の外周端１８ｅは、内壁面９８_INに密着しており、アノード電極９６とカソード電極９４との間で気密性が確保されている。

固体高分子電解質膜１８の重力方向下端部に位置して内壁面９８_INから上方に延在する辺９８ａには、前記固体高分子電解質膜１８と外部とを繋ぐ第１開口部１０２ａが形成される。固体高分子電解質膜１８の重力方向下端部に位置して内壁面９８_INから上方に延在する辺９８ｂには、前記固体高分子電解質膜１８と外部とを繋ぐ第２開口部１０２ｂが形成される。また、樹脂枠部材９８では、辺９８ａ、９８ｂの長尺及び短尺は、逆形状又は同一でもよい。第１開口部１０２ａの底面及び第２開口部１０２ｂの底面は、固体高分子電解質膜１８の外周と同一位置又は下方位置に設けられる。

このように構成される第５の実施形態では、電解質膜・電極構造体９２ａの内部に生成された水は、例えば、カソード電極９４の生成水は、重力方向下方に移動した後、樹脂枠部材９８の辺９８ａの上面から外部に排出される。また、アノード電極９６に逆拡散した生成水は、重力方向下方に移動した後、樹脂枠部材９８の辺９８ｂの上面から外部に排出される。

さらに、固体高分子電解質膜１８に沿って重力方向下方に移動した水は、この固体高分子電解質膜１８の下端部から第１開口部１０２ａ及び第２開口部１０２ｂを通って外部に排出される。

従って、第５の実施形態では、特に固体高分子電解質膜１８の下端部に滞留水が発生することを可及的に抑制することができ、前記固体高分子電解質膜１８の膜劣化を確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。

図９には、本発明の第６の実施形態に係る固体高分子型燃料電池１１０の要部断面説明図が示される。

燃料電池１１０は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１１２を備えるとともに、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１１２は、電解質膜・電極構造体１１２ａを有する。

電解質膜・電極構造体１１２ａは、固体高分子電解質膜１８をカソード電極１１４及びアノード電極１１６で挟持する。カソード電極１１４は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される第１電極触媒層１１４ａと、前記第１電極触媒層１１４ａに積層される第１ガス拡散層１１４ｂとを有する。第１電極触媒層１１４ａは、第１ガス拡散層１１４ｂよりも大きな平面寸法に設定されるとともに、前記第１電極触媒層１１４ａ及び前記第１ガス拡散層１１４ｂは、固体高分子電解質膜１８よりも小さな平面寸法に設定される。

アノード電極１１６は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層１１６ａと、前記第２電極触媒層１１６ａに積層される第２ガス拡散層１１６ｂとを有する。第２電極触媒層１１６ａは、第２ガス拡散層１１６ｂよりも大きな平面寸法に設定されるとともに、前記第２電極触媒層１１６ａ及び前記第２ガス拡散層１１６ｂは、固体高分子電解質膜１８よりも小さな平面寸法に設定される。

第１電極触媒層１１４ａは、第２電極触媒層１１６ａよりも大きな平面寸法に設定される一方、第１ガス拡散層１１４ｂは、第２ガス拡散層１１６ｂと同一の平面寸法に設定される。なお、第２電極触媒層１１６ａは、第１電極触媒層１１４ａよりも大きな平面寸法に設定されてもよい。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１１２は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、アノード電極１１６及びカソード電極１１４に接合される樹脂枠部材１１８を備える。樹脂枠部材１１８は、電解質膜・電極構造体１１２ａより大きな幅寸法に設定される。なお、同一の幅寸法に設定してもよい。

樹脂枠部材１１８は、枠形状を有するとともに、厚さ方向に離間する２つの辺１１８ａ、１１８ｂが内壁面１１８_INから内方に、互いに同一の長さだけ延在する断面Ｕ字状に構成される。辺１１８ａ、１１８ｂは、比較的肉厚に形成され、前記辺１１８ａ、１１８ｂ間には、固体高分子電解質膜１８を配置するための溝部１２０が形成される。

固体高分子電解質膜１８の外周端１８ｅは、樹脂枠部材１１８の内部に埋設される。アノード電極１１６とカソード電極１１４との間において、気密性を一層確実に確保することができるからである。なお、上記の第１〜第５の実施形態においても、図示しないが、固体高分子電解質膜１８の外周端１８ｅを樹脂枠部材内に埋設して構成することが好ましい。

辺１１８ａの内周端部は、カソード電極１１４を構成する第１ガス拡散層１１４ｂの外周端面位置に設定され、第１電極触媒層１１４ａの外周部を周回して接着される。辺１１８ｂの内周端部は、アノード電極１１６を構成する第２ガス拡散層１１６ｂの外周端面位置に設定され、第２電極触媒層１１６ａの外周部を周回して接着される。辺１１８ａ及び辺１１８ｂと固体高分子電解質膜１８の面１８ａ及び面１８ｂとは、界面の気密性が確保されている。

固体高分子電解質膜１８の重力方向下端部に位置して内壁面１１８_INから上方に延在する辺１１８ａには、前記固体高分子電解質膜１８と外部とを繋ぐ第１開口部１２２ａが形成される。固体高分子電解質膜１８の重力方向下端部に位置して内壁面１１８_INから上方に延在する辺１１８ｂには、前記固体高分子電解質膜１８と外部とを繋ぐ第２開口部１２２ｂが形成される。第１開口部１２２ａ及び第２開口部１２２ｂは、矩形又は円形の断面形状を有する。

このように構成される第６の実施形態では、特に固体高分子電解質膜１８の下端部に滞留水が発生することを可及的に抑制することができ、前記固体高分子電解質膜１８の膜劣化を確実に阻止することが可能になる等、上記の第５の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明は、電極触媒層、ガス拡散層及び固体高分子電解質膜の表面形状の大小関係に依存することがなく、適用可能である。

１０、６０、７０、８０、９０、１１０…燃料電池
１２、６２、７２、８２、９２、１１２…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１２ａ、６２ａ、９２ａ、１１２ａ…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ１８…固体高分子電解質膜
２０、９４、１１４…カソード電極
２０ａ、２２ａ、９４ａ、９６ａ、１１４ａ、１１６ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ、９４ｂ、９６ｂ、１１４ｂ、１１６ｂ…ガス拡散層
２２、９６、１１６…アノード電極
２４、６４、７４、８４、９８、１１８…樹脂枠部材
２４ａ、２４ｂ、６４ａ、６４ｂ、７４ａ、７４ｂ、８４ａ、９８ａ、９８ｂ、１１８ａ、１１８ｂ…辺
２４_IN、６４_IN、７４_IN、８４_IN、９８_IN、１１８_IN…内壁面
２６ａ、２６ｂ、７６ａ、７６ｂ、８６、１０２ａ、１０２ｂ、１２２ａ、１２２ｂ…開口部
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路４２、４４…シール部材
１００、１２０…溝部

Claims

固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられるとともに、前記固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体とセパレータとが、水平方向に沿って積層される燃料電池であって、
前記樹脂枠部材の重力方向下端部には、前記電解質膜・電極構造体の内部と外部とを繋ぐ開口部が形成されることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記開口部は、前記電解質膜・電極構造体の内部である前記ガス拡散層と外部とを繋いで形成されることを特徴とする燃料電池。
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記開口部は、前記重力方向下端部に所定の間隔ずつ離間して複数個設けられることを特徴とする燃料電池。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記樹脂枠部材の前記重力方向下端部は、２辺が上方に延在する断面Ｕ字状又は１辺が上方に延在する断面Ｌ字状を有することを特徴とする燃料電池。