JP2016139529A

JP2016139529A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2016139529A
Application number: JP2015013838A
Authority: JP
Inventors: 規寿吉本; Norihisa Yoshimoto; 良文田口; Yoshifumi Taguchi; 安本　栄一; Eiichi Yasumoto; 栄一安本
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-08-04

Abstract

【課題】経済的でガス導入部の信頼性が高い燃料電池を提供する。
【解決手段】アノードガス流路が導入側アノードマニホールドに接続したガス導入部と対向するガスケット１６の部分に、アノードセパレータ１側ガス導排出溝部７に対向するアノードガスケット側ガス導入溝部１９ａと、アノードセパレータ側ガス導排出リブ部９に対向するアノードガスケット側ガス導入リブ部２２を設ける。アノードガスケット側ガス導入溝部１９ａの溝形状は、その断面形状がアーチ形状である。
【選択図】図２

Description

本発明は、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持した構成を有する固体高分子電解質形燃料電池に係り、詳しくは、その燃料電池を構成する部材の構造に関するものである。

固体高分子電解質形燃料電池は、反応ガスである水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを、ガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいて、それぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。

図９に、固体高分子電解質形燃料電池の一般的な基本構成（単電池）の要部概略断面図を示す。図９に示すように、固体高分子電解質形燃料電池１００は、主として膜電極接合体（ＭＥＡ：Menbrane Electrode Assembly）１１７と、膜電極接合体１１７を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノードセパレータ１０１及びカソードセパレータ１０２を含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。

この固体高分子電解質型燃料電池１００のＭＥＡ１１７は、電解質膜１１１の両面にアノード触媒層１１３とカソード触媒層１１４を備え、その外層部には、それぞれアノードガス拡散層１１０とカソードガス拡散層１１２とを備える。アノード触媒層１１３とアノードガス拡散層１１０を合わせて、アノード極１１５とし、またカソード触媒層１１４とカソードガス拡散層１１２を合わせてカソード極１１６とする。

そして、アノード極１１５にアノードセパレータ１０１を、カソード極１１６にカソードセパレータ１０２を、それぞれ重ね合わせたセルをモジュールとし、そのモジュールを積層することでスタック（図示せず）が構成される。

ＭＥＡ１１７において、アノード側の燃料ガスをアノードガス流路１０４よりアノード極１１５に供給し、また、カソード側の酸化剤ガスは、カソードガス流路１０５よりカソード極１１６に供給する。また、これらのガスは、アノード側ガスケット材１１９およびカソード側ガスケット材１２０の双方によってシールされている。

アノード極１１５およびカソード極１１６とアノード側シール材１１９およびカソード側シール材１２０との間に、わずかな隙間１２１および隙間１２２が生じる。これらの隙間は、ガスが回り込みやすく、電極反応に必要なガスがアノードガス流路１０４およびカソードガス流路１０５に十分に供給されないため、ガスの供給効率が低下し、電池性能の低下を招く。

更に、アノードガス流路１０４およびカソードガス流路１０５へガスを供給するためのマニホールド（図示せず）とアノードガス流路１０４およびカソードガス流路１０５の間を連通するためのガス導入排出溝部（図示せず）は、ガスのリークや回り込みが発生しやすい。

ガス導入排出溝部のシール性を保持するため、マニホールドと流路の間のガス導入排出溝の構造は、セパレータ側にガス導入排出溝を成型し、更に、セパレータを積層した後、貫通孔を経てガスを電極に供給している（例えば、特許文献１参照）。

また、ガス導入排出溝が、ガスケット側に形成されているものもある（例えば、特許文献２参照）。図１０ａは、特許文献２に開示された従来の燃料電池に用いたセパレータを
ＭＥＡ側から見た平面図であり、図１０ｂは、特許文献２に開示された従来の燃料電池に用いたガスケット一体ＭＥＡの平面図である。

図１０ａおよび図１０ｂに示すように、燃料ガスは、導入側アノードマニホールド１０３ａとアノードガスケット側ガス導入溝部１０９ａからアノードガス流路１０４を経て、アノード側ガス反応領域１０６に供給され、余剰ガスは、アノードガスケット側ガス排出溝部１０９ｂを経て排出側アノードマニホールド１０３ｂへと排出される。

図１１は、ガスケット一体のＭＥＡ１１７とアノードセパレータ１０１およびカソードセパレータ１０２とをそれぞれ重ね合わせ、図１０ａのＩ−Ｉ線で切断して断面を矢印方向から見た部分断面図である。

ガスケット１０８は、そのゴム状弾性材料の一部がアノードガス拡散層１１０およびカソードガス拡散層１１２の周縁部に浸透硬化することによって、ＭＥＡ１１７の外周を包囲するように一体成形されている。

ガスケット１０８のアノードセパレータ１０１との対向面に、ガスケット１０８に開設されたマニホールド１０３ａとＭＥＡ１１７によるアノード側ガス反応領域１０６を互いに連通するようにアノードガスケット側ガス導入溝部１０９ａが延びた形で構成されている。

特開２００２−８３６１４号公報特開２０１３−２５９２８号公報

しかしながら、特許文献１では、マニホールドとＭＥＡのガス反応領域との間のガス導入溝のみ成型したセパレータを積層方向に別体として積層するため、スタックの積層時の厚みが増し、またセパレータ間をシールする必要があるため、余分なガスケット部材が必要になり、コスト低減が難しいという課題を有していた。

また、特許文献２では、セパレータのアノード側ガス反応領域１０６およびカソード側ガス反応領域１０７以外、全面にガスケットを設けた面シール構造であるため、単位面積当たりの締結圧が低く、シール性を保持するためには、ガスケットの硬度を下げる必要があり、長期使用時は、材料劣化を引き起こしやすい。

また、ガス導入溝の形状が角溝構造のため、締結時の荷重が分散しにくく、間に挟まれた電解質膜にダメージを与えるという課題を有していた。

そこで、本発明は、経済的でガス導入部の信頼性が高い燃料電池を提供することを目的としている。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極層を含む膜電極接合体と、前記電極層のガス拡散層の外周部に配置された環状ガスケットと、前記膜電極接合体及び前記ガスケットを挟むように配置された一対のセパレータと、を備えており、前記セパレータは、前記電極層側の面に形成され、反応ガスを通流する複数のガス流路と、前記ガス流路の端部にそれぞれ接続された一対のマニ
ホールドと、を有し、前記ガス流路が前記マニホールドに接続したガス導入部と対向する前記ガスケットの部分に、前記複数のガス流路に対向するように溝部が設けられ、前記複数のガス流路間のリブ部に対向するように凸部を設けたものである。

これにより、セパレータ側とガスケット側の双方に互いに対向するガス導入溝ができ、更に、セパレータ側の複数のリブでガスケットの凸部の荷重を受けるため、締結時のガスケットの変形を抑えられ、ガス導入溝の閉塞を防ぐことができる。また、ガス拡散層の外周部に配置された環状のガスケット構造であるため、部品点数を少なくすることができ、省工程およびコストを低減することができる。

本発明の燃料電池は、ガスケットが環状構造でシール性を確保しながら、ガス導入溝の変形を効果的に防ぐことができる。また、部品点数を少なくすることができ、ガス導入部の電解質膜の変形を抑制することができるため、経済的で信頼性の高い固体高分子電解質型燃料電池を得ることができる。

本発明の実施の形態１，３，４の燃料電池に用いたセパレータをＭＥＡ側から見た平面図本発明の実施の形態１〜４の燃料電池におけるガスケット一体ＭＥＡおよびカソードセパレータをアノードセパレータ側から見た平面図本発明の実施の形態１の燃料電池を、図１ｂのＡ−Ａ’線で切断した場合の切断面を示す部分断面図本発明の実施の形態１の燃料電池を、図１ｂのＢ−Ｂ’線で切断した場合の切断面を示す部分断面図本発明の実施の形態１の燃料電池のアノードガスケット側ガス導入溝部のガスケット形状の一例を示した図２の要部拡大図本発明の実施の形態２の燃料電池を、図１ｂのＡ−Ａ’線で切断した場合の切断面を示す部分断面図本発明の実施の形態２の燃料電池を、図１ｂのＢ−Ｂ’線で切断した場合の切断面を示す部分断面図本発明の実施の形態３の燃料電池を、図１ｂのＡ−Ａ’線で切断した場合の切断面におけるアノードガスケット側ガス導入溝部のセパレータとガスケットの嵌合例を示した要部拡大断面図本発明の実施の形態４の燃料電池を、図１ｂのＡ−Ａ’線で切断した場合の切断面におけるアノードガスケット側ガス導入溝部のセパレータとガスケットの他の嵌合例を示した要部拡大断面図従来の燃料電池の基本構成（単電池）を示す要部概略断面図特許文献２に開示された従来の燃料電池に用いたセパレータをＭＥＡ側から見た平面図特許文献２に開示された従来の燃料電池に用いたガスケット一体ＭＥＡの平面図特許文献２に開示された従来の燃料電池を図１０ａのＩ−Ｉ線で切断して断面を矢印方向から見た部分断面図

第１の発明は、高分子電解質膜及び前記高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極層を含む膜電極接合体と、前記電極層のガス拡散層の外周部に配置された環状のガスケットと、前記膜電極接合体及び前記ガスケットを挟むように配置された一対のセパレータとを備え、前記セパレータは、前記電極層側の面に形成され、反応ガスを通流する複数のガ
ス流路と、前記ガス流路の端部にそれぞれ接続された一対のマニホールドと、を有し、前記ガス流路が前記マニホールドに接続したガス導入部と対向する前記ガスケットの部分には、前記複数のガス流路に対向するように溝部が設けられ、前記複数のガス流路間のリブ部に対向するように凸部が設けられた、燃料電池である。

上記構成において、ガス導入部と対向するガスケットの部分に、ガス導入部の複数のガス流路に対向する溝部と、複数のガス流路間のリブ部に対向する凸部とを、それぞれ設けたことにより、セパレータ側とガスケット側の双方に互いに対向するガス導入溝ができ、更に、セパレータ側の複数のリブでガスケットの凸部の荷重を受けることになる。

そのため、締結時のガス導入部のガスケットの変形を抑えられる。これにより、ガス導入の溝部の閉塞を防ぐことができる。また部品点数を少なくすることができるため、省工程およびコストを低減することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明のガスケットのガス導入部の溝部の断面形状をアーチ形とすることにより、締結時のガスケットの溝部の荷重を分散し、ガスケットの変形を低減し、ガス導入の溝部の閉塞を防ぐことができる。

第３の発明は、特に第１の発明または第２の発明のガスケットの凸部とセパレータのリブ部とが互いに嵌合するよう構成することにより、組み立て時のガスケットのリブとセパレータの溝が嵌まり込む位置ずれを抑制することでガス導入の溝部の閉塞を防ぐことができる。

第４の発明は、特に第１から第３のいずれか１つの発明のガスケットが、フッ素ゴムで構成されることにより、燃料電池発電時の燃料ガスおよび酸化剤ガスに暴露された環境であっても耐化学劣化および耐圧縮永久歪性に優れているため、長期にわたり、ガス導入の溝部の閉塞を防ぐことができ、安定した発電を行うことができる。

以下、本発明の燃料電池の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。また、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する構成要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明は省略する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における燃料電池において、アノードセパレータ１とアノードガス拡散層１７との接合面で開いた場合の、アノードセパレータ１側のアノードセパレータ１の平面図を図１ａに、アノードガス拡散層１７側のガスケット一体ＭＥＡおよびカソードセパレータ２の平面図を図１ｂに示す。なお、図１ａをアノードセパレータ１としているが、カソードセパレータ２と共通形状の箇所には、同じ箇所に符号を付与している。

図１ａおよび図１ｂに示すように、アノードセパレータ１およびカソードセパレータ２には、導入側アノードマニホールド１３ａ、導入側冷却水マニホールド１４ａおよび導入側カソードマニホールド１５ａと、排出側アノードマニホールド１３ｂ、排出側冷却水マニホールド１４ｂおよび排出側カソードマニホールド１５ｂを有している。

図２は、実施の形態１の燃料電池を、図１ｂのＡ−Ａ’線で切断した場合の切断面（ガス導入部の積層状態）を示す部分断面図である。また、図３は、実施の形態１の燃料電池を、図１ｂのＢ−Ｂ’線で切断した場合の切断面（ガス導入部の積層状態）を示す部分断面図である。

導入側アノードマニホールド１３ａ、導入側冷却水マニホールド１４ａおよび導入側カソードマニホールド１５ａと、排出側アノードマニホールド１３ｂ、排出側冷却水マニホールド１４ｂおよび排出側カソードマニホールド１５ｂのそれぞれの周囲は、ガスケット１６でシールされている。また、アノードガス拡散層１７の周囲に配置されたガスケット１６と、それぞれのマニホールド周囲のガスケットとは、一体化されている。

アノードセパレータ１側のガス導入部は、アノードセパレータ側ガス導排出溝部７およびアノードセパレータ側ガス導排出リブ部９がそれぞれアノードガスケット側ガス導入溝部１９ａおよびアノードガスケット側ガス導入リブ部２２と合わさるように構成されている。また、図２に示すガスケット１６には、リップ構造を有し、そのリップを収めるためのシール溝３が、ガス導入部の両脇に控えている。

図３に示すアノードセパレータ１およびカソードセパレータ２には、それぞれガスケット１６のマニホールド周囲のガスケットのリップ構造を納めるため、シール溝３およびシール溝４を有している。また、図２のようにアノードガスケット側ガス導入溝部１９ａを複数設けている。

また、電解質膜２４は、ガスケット１６によって挟持されている。ＭＥＡ２７は、カソードセパレータ２側から、順にカソードガス拡散層１８、カソード触媒層２６、電解質膜２４、アノード触媒層２５およびアノードガス拡散層１７の順に積層され、ＭＥＡ２７の外縁部にガスケット１６を設置した構造となっている。

以上のように構成された本実施の形態の燃料電池について、以下その作用について説明する。

まず、図１ａおよび図１ｂの平面図を互いにアノードガス拡散層１７を内側にして、積層すると、図２および図３に示すようにアノードガスケット側ガス導入溝部１９ａとアノードセパレータ側ガス導排出溝部７とが互いに合わさることで、燃料ガスをアノードガス流路５へ導入する連通孔２１が形成される。

この形状は、カソードガスケット側ガス導入溝部２０ａとカソードセパレータ側ガス導排出溝部８とが嵌合し、酸化剤ガスがカソードガス流路６へ導入する場合においても連通孔２１が形成される。

図１ａに示す導入側アノードマニホールド１３ａから導入された燃料ガスは、連通孔２１を通り、アノードガス流路５に供給され、アノード側ガス反応領域１１で消費される。そして余剰分は、排出側アノードマニホールド１３ｂへ排出される。また、図２のシール溝３へ収まるようにガスケット１６にリップ構造を有することで、外部へのガスリークを防いでいる。

また、カソードセパレータ２の導入側カソードマニホールド１５ａから導入された酸化剤ガスは、連通孔２１を通り、カソードガス流路６に供給され、カソード側ガス反応領域１２で消費される。そして余剰分は、排出側カソードマニホールド１５ｂへ排出される。リップ構造を有するガスケット１６はシール溝４へ収まることで、外部へのガスリークを防いでいる。

アノードガス拡散層１７の周縁部に直接ガスケットを設置しているため、ガスケット１６とアノードガス拡散層１７の間には、隙間のない構造となっている。また、カソードガス拡散層１８の周縁部に直接ガスケットを設置しているため、ガスケット１６とカソードガス拡散層１８の間には、隙間のない構造となっている。

ガスケット１６は、適度な機械的強度と柔軟性を有する合成樹脂で構成される。構成する材料としては、耐久性を考慮した場合、フッ素ゴムを用いることができる。また、フッ素ゴム以外においては、熱可塑性エラストマーや接着剤等の化合物を使用することができる。

ガスケット材の具体例としては、シリコーンゴム、天然ゴム、ＥＰＤＭ、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、臭化ブチルゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、エチレン−酢酸ビニルゴム、アクリルゴム、ポリイソプロピレンポリマー、パーフルオロカーボン、ポリベンゾイミダゾール、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマー、あるいはイソプレンゴム及びブタジエンゴム等のラテックスを用いた接着剤、液状のポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロロプレン、シリコーンゴム及びアクリロニトリル−ブタジエンゴム等を用いた接着剤等を挙げることができるが、これらの化合物に限定されない。

また、これらの化合物を単体で用いても、あるいは２種類以上を混合もしくは複合して用いてもよい。また、ガスケットの形状は、特に限定されるものではないが、略矩形環状が好適に用いられる。

アノードセパレータ１およびカソードセパレータ２は、一般に黒鉛粉末あるいはそれに類するカーボン粉と熱硬化性あるいは熱可塑性樹脂の混練物を加熱成型加工することで得られる方法であれば、特に制限はされないが、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂を配合したセパレータ材料を用いることが好適である。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂やクレゾール樹脂などを用いることができる。

また、上記セパレータ材料は、ガス不透過の導電性材料として、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンで形成したものも使用することができる。

スタックおよびアノードセパレータ１およびカソードセパレータ２において、炭素材料を用いた場合の機械的強度は、曲げ強度、曲げ弾性率、圧縮強度および衝撃に対する強さ（靭性）が求められる。曲げ強度および圧縮強度は大きくなる反面、靭性が低下する。このため、曲げ強度が２０〜５０ＭＰａおよび圧縮強度が５０〜１００ＭＰａの範囲が好適である。

以上のように、本実施の形態においては、複数のアノードガスケット側ガス導入リブ部２２と複数のアノードセパレータ側ガス導排出リブ部９が合わさるように位置しているため、アノードガスケット側ガス導入リブ部２２への荷重を分散することができるため、ガス導入溝を閉塞することを防ぐことができる。

さらに、カソードセパレータ２側のカソードガスケット側ガス導入リブ部（図示せず）とカソードセパレータ２側のカソードセパレータ側ガス導排出リブ部１０においても、アノードセパレータ１側と同じく、複数で互いに合わさるように位置しているため、カソードガスケット側ガス導入リブ部（図示せず）への荷重を分散することができ、連通孔２１の変形を抑えることができる。連通孔２１の変形量を抑えることができるため、電解質膜２４への負荷を最小限にすることができる。

また、本実施の形態では、図２のシール溝３へ収まるようにガスケット１６にリップ構造を有することで、外部へのガスリークを防ぐと共にセパレータとガスケット双方の溝部とリブ部のずれも抑制することができる。また、リップ構造は、線状にシールすることができるため、荷重面積は小さくなる。

このため、締結荷重は低く抑えることができる。また、連通孔２１の形状は、図４に示すように、導入溝部のガスケットの稜線をすべて曲線にすることで、締結時のガスケットへの荷重を均一に分散させることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における燃料電池において、アノードセパレータ１とアノードガス拡散層１７との接合面で開いた場合の、アノードセパレータ１側のアノードセパレータ１の平面図は、図１ａからシール溝３，４を無くした構成になるが、アノードガス拡散層１７側のガスケット一体ＭＥＡおよびカソードセパレータ２の平面図は、図１ｂと同様である。

なお、実施の形態１と同一又は相当する構成要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明は省略する。

図５は、実施の形態２の燃料電池を、図１ｂのＡ−Ａ’線で切断した場合の切断面（ガス導入部の積層状態）を示す部分断面図である。また、図６は、実施の形態２の燃料電池を、図１ｂのＢ−Ｂ’線で切断した場合の切断面（ガス導入部の積層状態）を示す部分断面図である。

図５および図６に示すように、実施の形態２の燃料電池のガスケット１６は、リップ構造をなくし、図１ａと図２に示したリップを収めるためのシール溝３，４をそれぞれアノードセパレータ１およびカソードセパレータ２から無くした構成になっている。

まず、図１ａ（正確には図１ａかシール溝３，４を無くした構成の図面）および図１ｂの平面図を互いにアノードガス拡散層１７を内側にして、積層すると、図５に示すようにアノードガスケット側ガス導入溝部１９ａとアノードセパレータ側ガス導排出溝部７とが互いに合わさることで、燃料ガスをアノードガス流路５へ導入する連通孔２１が形成される。

導入された燃料ガスは、連通孔２１を通り、アノードガス流路５に供給され、アノード側ガス反応領域１１で消費される。そして、余剰分は、排出側アノードマニホールド１３ｂへ排出される。またガスケット１６にはリップ構造がなく、ガスケット１６の密着性によって、シールしている。

以上のように、本実施の形態においては、複数のアノードガスケット側ガス導入リブ部２２と複数のアノードセパレータ側ガス導排出リブ部９が合わさるように位置しているため、アノードガスケット側ガス導入リブ部２２への荷重を分散することができるため、ガス導入溝を閉塞することを防ぐことができる。また、連通孔２１の変形を低減することができる。

また、ガスケット１６にリップ構造を無くすことで、セパレータへの局所荷重を抑えることができる。また本実施の形態では、比較的粘弾性の低いガスケットが好適に用いられる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における燃料電池において、アノードセパレータ１とアノードガ
ス拡散層１７との接合面で開いた場合の、アノードセパレータ１側のアノードセパレータ１の平面図は、図１ａと同様であり、アノードガス拡散層１７側のガスケット一体ＭＥＡおよびカソードセパレータ２の平面図は、図１ｂと同様である。

図７は、実施の形態３の燃料電池を、図１ｂのＡ−Ａ’線で切断した場合の切断面におけるアノードガスケット側ガス導入溝部のセパレータとガスケットの嵌合例を示した要部拡大断面図である。

アノードセパレータ１において、アノードセパレータ側ガス導排出溝部７とアノードセパレータ側ガス導排出リブ部９がそれぞれ、アノードガスケット側ガス導入溝部１９ａおよびアノードガスケット側ガス導入リブ部２２に合わさるように設置されており、またアノードセパレータ側ガス導排出リブ部９の一部が、アノードガスケット側ガス導入リブ部２２に鍵型状に嵌合するように構成されている。

まず、図１ａおよび図１ｂの平面図を互いにアノードガス拡散層１７を内側にして、積層すると、図７に示すようにアノードガスケット側ガス導入溝部１９ａとアノードセパレータ側ガス導排出溝部７とが互いに合わさることで、燃料ガスをアノードガス流路５へ導入する連通孔２１が形成される。アノードガスケット側ガス導入リブ部２２とアノードセパレータ側ガス導排出リブ部９の凹凸形状が、互いにかみ合う。

以上のように、本実施の形態においては、アノードセパレータ側ガス導排出リブ部９の一部をガスケットのアノードガスケット側ガス導入リブ部２２に鍵型状に嵌合するように構成することにより、リブ部の位置ずれを防止することができる。これにより精度よく組み付けることができ、製造時のばらつきがなく、安定して流路へガスを供給させることができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４における燃料電池において、アノードセパレータ１とアノードガス拡散層１７との接合面で開いた場合の、アノードセパレータ１側のアノードセパレータ１の平面図は、図１ａと同様であり、アノードガス拡散層１７側のガスケット一体ＭＥＡおよびカソードセパレータ２の平面図は、図１ｂと同様である。

図８は、本発明の実施の形態４の燃料電池を、図１ｂのＡ−Ａ’線で切断した場合の切断面におけるアノードガスケット側ガス導入溝部のセパレータとガスケットの他の嵌合例を示した要部拡大断面図である。

アノードセパレータ１において、アノードセパレータ側ガス導排出溝部７とアノードセパレータ側ガス導排出リブ部９がそれぞれ、アノードガスケット側ガス導入溝部１９ａおよびアノードガスケット側ガス導入リブ部２２に合わさるように設置されており、またアノードガスケット側ガス導入リブ部２２と椀型状のアノードセパレータ側ガス導排出リブ部９が互いに嵌合するように構成されている。

まず、図１ａおよび図１ｂの平面図を互いにアノードガス拡散層１７を内側にして、積層すると、図８に示すようにアノードガスケット側ガス導入溝部１９ａとアノードセパレータ側ガス導排出溝部７とが互いに合わさることで、燃料ガスをアノードガス流路５へ導入する連通孔２１が形成される。

アノードガスケット側ガス導入リブ部２２には、締結荷重が加わるが、その荷重を半円形状のアノードガスケット側ガス導入リブ部２２で受け、アノードセパレータ側ガス導排出リブ部９は、その形状を受けるような椀型状になっている。

以上のように、本実施の形態においては、椀型状のアノードセパレータ側ガス導排出リブ部９とアノードガスケット側ガス導入リブ部２２が半円形状を取ることによって、締結荷重を均一に分散することで、アノードガスケット側ガス導入リブ部２２の変形を抑えることができる。

なお、実施の形態１から４において、アノードガスケット側ガス排出溝部１９ｂをアノードガスケット側ガス導入溝部１９ａと同様に構成し、カソードガスケット側ガス排出溝部２０ｂをカソードガスケット側ガス導入溝部２０ａと同様に構成しても構わない。

以上のように、本発明にかかる燃料電池は、ガス拡散層の外周部に配置された環状のガスケットにおいて、ガス流路がマニホールドに接続したガス導入部と対向するガスケットの部分に、ガス流路に対向するよう溝部が設けられ、ガス流路間のリブ部に対向するように凸部を設け、ガス導入部の溝形状は、その断面形状がアーチ形状でまた、前記凸部とセパレータのリブ部とが互いに嵌合する。これによって、環状のガスケット構造でシール性を確保しながら、ガス導入溝の変形を効果的に防ぐことができる。またガスケットのガス導入溝部が複数で構成されているため、ガス導入部に挟まれた電解質膜の変形も抑制することができる。

本発明は、部品点数を減らし、組立性を向上させ、コスト低減すると共に燃料電池の信頼性向上と電池性能に寄与することができるため、固体高分子電解質形燃料電池とそれを用いた燃料電池システムに有用である。

１アノードセパレータ
２カソードセパレータ
３，４シール溝
５アノードガス流路
６カソードガス流路
７アノードセパレータ側ガス導排出溝部
８カソードセパレータ側ガス導排出溝部
９アノードセパレータ側ガス導排出リブ部
１０カソードセパレータ側ガス導排出リブ部
１１アノード側ガス反応領域
１２カソード側ガス反応領域
１３ａ導入側アノードマニホールド
１３ｂ排出側アノードマニホールド
１４ａ導入側冷却水マニホールド
１４ｂ排出側冷却水マニホールド
１５ａ導入側カソードマニホールド
１５ｂ排出側カソードマニホールド
１６ガスケット
１７アノードガス拡散層
１８カソードガス拡散層
１９ａアノードガスケット側ガス導入溝部
１９ｂアノードガスケット側ガス排出溝部
２０ａカソードガスケット側ガス導入溝部
２０ｂカソードガスケット側ガス排出溝部
２１連通孔
２２アノードガスケット側ガス導入リブ部
２４電解質膜
２５アノード触媒層
２６カソード触媒層
２７ＭＥＡ（膜電極接合体）

Claims

高分子電解質膜及び前記高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極層を含む膜電極接合体と、
前記電極層のガス拡散層の外周部に配置された環状のガスケットと、
前記膜電極接合体及び前記ガスケットを挟むように配置された一対のセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、前記電極層側の面に形成され、反応ガスを通流する複数のガス流路と、前記ガス流路の端部にそれぞれ接続された一対のマニホールドと、を有し、
前記ガス流路が前記マニホールドに接続したガス導入部と対向する前記ガスケットの部分には、前記複数のガス流路に対向するように溝部が設けられ、前記複数のガス流路間のリブ部に対向するように凸部が設けられた、
燃料電池。
前記ガスケットの前記溝部は、その断面形状がアーチ形である、請求項１に記載の燃料電池。
前記ガスケットの前記凸部とセパレータのリブ部とが互いに嵌合するよう構成された、請求項１又は２に記載の燃料電池。
前記ガスケットが、フッ素ゴムである、請求項１から３のいずれか１つに記載のガスケットを有する燃料電池。