JP2018185977A

JP2018185977A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2018185977A
Application number: JP2017087156A
Authority: JP
Inventors: 良輔堀; Ryosuke Hori; 泰松廣; Yasushi Matsuhiro; 文成雫; Fuminari Shizuku; 卓也栗原; Takuya Kurihara; 俊明草刈; Toshiaki Kusakari
Original assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2018-11-22

Abstract

【課題】樹脂フレームに変形があった際、電解質膜の変形を抑制する技術の提供。【解決手段】燃料電池は、電解質膜１２１と、電解質膜の両面に設置された一対の電極触媒層１２２，１２３と、を備える膜電極接合体１２０と、膜電極接合体１２０の第１面の側に配置された第１ガス拡散層１３０と、膜電極接合体の第１面とは反対の第２面の側に配置された第２ガス拡散層１４０と、膜電極接合体１２０の第１面の側における第１ガス拡散層１３０の外周端１３０ａの外側に配置された樹脂フレーム８０と、を備える。樹脂フレーム８０が、樹脂フレーム８０の外周端１２１ａよりも内周端８０ａに近い箇所に形成された貫通穴９０または薄肉部を設ける技術。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に関する。

一般に、燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層したスタック構造を有している。各燃料電池セルは、膜電極接合体の両面にガス拡散層を配置した膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極ガス拡散層接合体を挟む２枚のセパレータとを有する。この燃料電池セルでは、２枚のセパレータの間における膜電極ガス拡散層接合体の外周部は、樹脂フレームによってシールされる構造を備える。具体的に、特許文献１には、膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層および電極触媒層の各外周端よりも、電解質膜が外側に延びる構成として、この延びた部分に樹脂フレームを接着層によって接着した構成が開示されている。

特開２０１６−１５２１０９号公報

前記先行技術では、燃料電池セルの組み付けの締結力によって樹脂フレームに内側方向の膨らみがあると、接着層に樹脂フレームの膨らみによる応力が伝わり、接着層が変形する。接着層が変形すると、応力が膜電極ガス拡散層接合体の電解質膜に伝わり、電解質膜が変形する虞があった。このため、燃料電池において、樹脂フレームに変形があった際に、電解質膜の変形を抑制することのできる技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態は、燃料電池である。この燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の両面に設置された一対の電極触媒層と、を備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の第１面の側に配置された第１ガス拡散層と、前記膜電極接合体の前記第１面とは反対の第２面の側に配置された第２ガス拡散層と、前記膜電極接合体の前記第１面の側における前記第１ガス拡散層の外周端の外側に配置された樹脂フレームと、を備える。前記樹脂フレームは、前記樹脂フレームの外周端よりも内周端に近い箇所に形成された貫通穴または薄肉部を有する。この形態の燃料電池によれば、燃料電池の組み付けの締結力が樹脂フレームに掛かった場合に、貫通穴または薄肉部によって樹脂フレームの変形が緩和される。このため、電解質膜に対する樹脂フレームの変形による影響が小さいものとなることから、電解質膜が変形することを抑制できる。

（２）上記形態の燃料電池において、前記樹脂フレームは、前記第１ガス拡散層の外周端から隙間を開けて配置され、前記膜電極接合体は、前記第１ガス拡散層の外周端よりも外側に延びる少なくとも前記電解質膜を含む外側延長部を有し、前記燃料電池は、更に、前記隙間を含む前記樹脂フレームと前記膜電極接合体の前記外側延長部との間に配置され、前記外側延長部を補強する補強用樹脂部材を備えていてもよい。この形態の燃料電池によれば、補強用樹脂部材によって、電解質膜の強度を高めることができる。この場合に、樹脂フレームが変形すると、変形による応力が補強用樹脂部材を介して電解質膜に伝わることになるが、この形態の燃料電池によれば、前述したように、貫通穴または薄肉部によって樹脂フレームの変形が緩和されることから、電解質膜に対する樹脂フレームの変形による影響が小さいものとなり、電解質膜が変形することを抑制できる。

（３）上記形態の燃料電池において、更に、前記膜電極接合体は、前記電解質膜の外周端が、前記一対の電極触媒層のうちの前記第１面の側に位置する第１電極触媒層の外周端よりも外側に位置する段付き構造を有し、前記外側延長部は、前記膜電極接合体における前記第１電極触媒層の外周端よりも外側の領域であってもよい。この形態の燃料電池によれば、外側延長部は、第１電極触媒層と第１ガス拡散層の双方によって被覆されない構成となる。電極触媒層やガス拡散層によって電解質膜が強固に保持されていない場合、発電に伴う生成水によって電解質膜が膨潤、収縮することによって、電解質膜が変位する。この場合に、電極触媒層にクラック等があると、電解質膜に応力集中が発生し、電解質膜が裂ける虞がある。これに対して、この形態の燃料電池によれば、外側延長部は、第１電極触媒層が存在しない構成とすることができることから、電極触媒層にクラックがあることに起因する電解質膜の裂けを抑制することができる。

第１実施形態における燃料電池セルの平面図である。燃料電池セルの分解図である。図１における３−３断面図である。樹脂フレームにおける貫通穴周辺を積層方向Ｙから見た平面図である。図３における５−５線矢視断面図である。本発明の第２実施形態における燃料電池セルの断面図である。締結力が掛かった場合の力の働きの様子を示す説明図である。比較例１の燃料電池セルにおける問題点を示す説明図である。第２実施形態の燃料電池セルの他の作用効果を示す説明図である。第３実施形態における燃料電池セルの断面図である。第４実施形態における燃料電池セルの断面図である。第５実施形態における燃料電池セルの断面図である。参考例１を示す断面図である。参考例２を示す断面図である。参考例３を示す断面図である。参考例４を示す平面図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池セル１００の平面図である。図２は、燃料電池セル１００の分解図である。燃料電池セル１００を複数積層して直列に接続することによって、燃料電池としての燃料電池スタックが構成される。燃料電池セル１００は、平面視で矩形状の外形を有しており、ＭＥＧＡプレート２００（図２）と、ＭＥＧＡプレート２００を両側から挟持する２つのセパレータ２１０，２２０（図２）とで構成されている。

ＭＥＧＡプレート２００は、膜電極ガス拡散層接合体（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly、以下、「ＭＥＧＡ」と呼ぶ）１１０の外周（外周端の外側）の全体に亘って樹脂フレーム８０が接合されたものである。平面視において、ＭＥＧＡ１１０は矩形状の外形を有し、樹脂フレーム８０は中央に開口部分のある矩形枠状の形状を有する。樹脂フレーム８０の開口部分にＭＥＧＡ１１０が配設されている。

図１に示すように、燃料電池セル１００には、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）と冷却剤のためのマニホールド孔１１〜１３，１６〜１８が短辺に沿ってそれぞれ形成されている。なお、燃料電池セル１００とＭＥＧＡ１１０と樹脂フレーム８０の平面形状は、矩形状に限らず、他の形状（例えば円状や長円状等）としてもよいが、直線状の辺を有する形状とすることが好ましい。

図３は、図１における３−３断面図である。この断面は、ＭＥＧＡ１１０の外形の辺の任意の位置において、その辺の方向に垂直な切断面で燃料電池セル１００を切断した断面に相当する。ＭＥＧＡ１１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１２０と、膜電極接合体１２０の両面に積層された第１ガス拡散層１３０及び第２ガス拡散層１４０を有する。第１ガス拡散層１３０及び第２ガス拡散層１４０として、複数の炭素繊維(カーボンファイバ)がバインダによって結着された構造を有するカーボン多孔質体を用いることができる。具体的には、カーボンペーパーを用いるものとした。第１ガス拡散層１３０及び第２ガス拡散層１４０として、カーボンクロス等、導電性およびガス透過性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。

膜電極接合体１２０は、電解質膜１２１と、電解質膜１２１の両面に接合された第１電極触媒層１２２及び第２電極触媒層１２３を有する。電解質膜１２１として、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜、例えばナフィオン（登録商標）を用いることができる。第１電極触媒層１２２及び第２電極触媒層１２３としては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。

図３中には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向を示した。Ｙ方向は、第１ガス拡散層１３０、膜電極接合体１２０、および第２ガス拡散層１４０の積層方向と一致する。Ｙ方向のうちの第１ガス拡散層１３０側を＋Ｙ方向側と呼び、Ｙ方向のうちの第２ガス拡散層１４０を−Ｙ方向側と呼ぶ。Ｙ方向を積層方向Ｙと呼ぶ。Ｘ−Ｚ平面は、膜電極接合体１２０の表面に沿った平面方向である。他の図面にも必要に応じてこのＸ、Ｙ、Ｚ方向を示した。

ＭＥＧＡ１１０において、第１ガス拡散層１３０の平面方向（Ｘ−Ｚ平面）のサイズは、第２ガス拡散層１４０の平面方向（Ｘ−Ｚ平面）のサイズよりも小さい。その上、積層方向Ｙから見た平面視において、第１ガス拡散層１３０の外周端１３０ａは、第２ガス拡散層１４０の外周端１４０ａよりも内側（図３における右側、すなわち−Ｘ方向側）に位置する。

膜電極接合体１２０において、第１電極触媒層１２２の平面方向（Ｘ−Ｚ平面）のサイズは、電解質膜１２１の平面方向（Ｘ−Ｚ平面）のサイズよりも小さい。第２電極触媒層１２３の平面方向（Ｘ−Ｚ平面）のサイズは、電解質膜１２１の平面方向（Ｘ−Ｚ平面）のサイズと一致している。このため、積層方向Ｙから見た平面視において、電解質膜１２１の外周端１２１ａと、第２電極触媒層１２３の外周端１２３ａとが、第１電極触媒層１２２の外周端１２２ａよりも外側（図３における＋Ｘ方向側）に突出した構成となっている。積層方向Ｙから見た平面視において、電解質膜１２１の外周端１２１ａと、第２電極触媒層１２３の外周端１２３ａとは、一致する。

さらに、積層方向Ｙから見た平面視において、第１ガス拡散層１３０の外周端１３０ａと、第１電極触媒層１２２の外周端１２２ａとが、一致している。積層方向Ｙから見た平面視において、第２ガス拡散層１４０の外周端１４０ａと、第２電極触媒層１２３の外周端１２３ａとが、一致している。このため、ＭＥＧＡ１１０は、第１ガス拡散層１３０の外周端１３０ａおよび第１電極触媒層１２２の外周端１２２ａよりも外側に、電解質膜１２１、第２電極触媒層１２３、および第２ガス拡散層１４０が延びた構成となっている。この外側に延びた部分を、以下、「膜電極接合体１２０の外側延長部」と呼ぶ。典型的な例では、第１電極触媒層１２２はカソードであり、第２電極触媒層１２３はアノードである。

膜電極接合体１２０の＋Ｙ向きの側における第１ガス拡散層１３０の外周端１３０ａの外側回りに、樹脂フレーム８０が配置されている。具体的には、樹脂フレーム８０は、第１ガス拡散層１３０の外周端１３０ａから隙間Ｓを開けて配置されている。

樹脂フレーム８０は、コア層８１と、コア層８１の両面に形成された接着剤層８２，８３とを有する３層フィルムである。コア層８１の材質としては、電気絶縁性で、かつ、ガスバリア性（ガス不透過性）に優れた樹脂が使用される。具体的には、例えばＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）や、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン）をコア層８１として使用可能である。接着剤層８２，８３を構成する接着剤としては、接着性を付与した熱可塑性樹脂、例えば、シランカップリング剤が配合されたポリプロピレンやポリエチレン、ポリオレフィンに官能基を導入した変性ポリオレフィンを用いることができる。

２つのセパレータ２１０，２２０は、それぞれ凹凸を有するプレス成形板で構成されている。本明細書において、セパレータ２１０，２２０の凹凸のうち、樹脂フレーム８０やＭＥＧＡ１１０（すなわち図１のＭＥＧＡプレート２００）に接触する部分を凸部と呼び、これらから離れる部分を凹部と呼ぶ。また、凸部から凹部に繋がる傾斜部分は、凹部に属するものとする。外周側から順に、第１凸部２１１，２２１、第１凹部２１２，２２２、第２凸部２１３，２２３と呼ぶ。一方のセパレータ２１０の第１凸部２１１と他方のセパレータ２２０の第１凸部２２１は、互いに対向するように形成されている。第１凹部２１２，２２２と第２凸部２１３，２２３も同様である。

本実施形態では、セパレータ２１０，２２０としては、金属プレートを用いるものとした。セパレータ２１０，２２０として、ガス不透過で導電性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。２つのセパレータ２１０，２２０は、プレス成形以外の方法で作成されたものでもよい。

樹脂フレーム８０は、セパレータ２１０の第１凸部２１１とセパレータ２１０の第１凸部２１１との間に挟持され、接着剤層８２，８３によって、セパレータ２１０の第１凸部２１１およびセパレータ２２０の第１凸部２２１に接着されている。膜電極接合体１２０の外側延長部は、セパレータ２１０，２２０の第１凹部２１２，２２２で形成される空間内に収納されている。この外側延長部における電解質膜１２１の外周端１２１ａから予め定められた範囲に、樹脂フレーム８０が、接着剤層８３によって接着されている。

積層方向Ｙから見た平面視において、第１ガス拡散層１３０よりも内側（図３では右側）の領域が発電部となる。すなわち、積層方向Ｙにおいて、第１ガス拡散層１３０、第１電極触媒層１２２、電解質膜１２１、第２電極触媒層１２３、および第２ガス拡散層１４０が揃う箇所が発電部となる。発電部よりも外側（図３では左側）の領域が非発電部となる。

樹脂フレーム８０は、前述したように中央に開口部分のある矩形枠状の形状を有するが、樹脂フレーム８０の外周端（図示せず）よりも内周端８０ａに近い箇所には、貫通穴９０が形成されている。

図４は、樹脂フレーム８０における貫通穴９０周辺を積層方向Ｙから見た平面図である。図５は、図３における５−５線矢視断面図である。図４は、図５における４−４線矢視断面図に相当する。両図に示すように、樹脂フレーム８０の内周端８０ａに沿う方向、すなわち図４および図５ではＺ方向に、複数の貫通穴９０が並んでいる。即ち、複数の貫通穴９０は、樹脂フレーム８０の内周端８０ａに沿うように、内周端８０ａの全周に亘って並ぶ。各貫通穴９０は、丸孔であり、樹脂フレーム８０の厚さ方向、すなわち積層方向Ｙに貫通している。

以上の構成された本実施形態の燃料電池セル１００によれば、樹脂フレーム８０における外周端よりも内周端８０ａに近い箇所に、複数の貫通穴９０が形成されていることから、燃料電池セル１００の組み付けの締結力が樹脂フレーム８０に掛かった場合に、貫通穴９０によって樹脂フレーム８０の変形が緩和される。貫通穴９０がない場合には、樹脂フレーム８０の内周端８０ａの側では、内側に膨らむにように変形するが、貫通穴９０を有することによって、この変形が緩和される。したがって、本実施形態の燃料電池セル１００によれば、燃料電池セル１００の組み付けの締結力が樹脂フレーム８０に掛かった場合に、も、樹脂フレーム８０の変形が小さいことから、応力が接着層８３介して電解質膜１２１に伝わり電解質膜が変形することを抑制できる。

Ｂ．第２実施形態：
図６は、本発明の第２実施形態における燃料電池セル６００の断面図である。第２実施形態の燃料電池セル６００は、第１実施形態の燃料電池セル１００（図３）と比較して、膜電極接合体２０の外側延長部は電解質膜２１だけが延びている点と、外側延長部の両面は、第１補強用樹脂部材６１と第２補強用樹脂部材６２とによって覆われている点と、が主に相違する。残余の点、すなわち、樹脂フレーム８０、セパレータ２１０、およびセパレータ２２０の構成は同一である。図６において、第１実施形態と同一のパーツには第１実施形態と同じ符号を付して、その説明を省略する。

第２実施形態におけるＭＥＧＡ１０は、第１実施形態におけるＭＥＧＡ１０（図３）と比較して、積層方向Ｙから見た平面視において、第２電極触媒層２３の外周端２３ａと、第２ガス拡散層４０の外周端４０ａとが、電解質膜２１の外周端２１ａより内側にあり、かつ、第１電極触媒層２２の外周端２２ａおよび第２ガス拡散層４０の外周端４０ａと一致している点が相違する。この結果、膜電極接合体２０の外側延長部は、電解質膜２１だけが延びた構成を有する。

膜電極接合体２０の外側延長部における＋Ｙ方向側の部分は第１補強用樹脂部材６１によって覆われ、膜電極接合体２０の外側延長部における−Ｙ方向側の部分は第２補強用樹脂部材６２によって覆われている。第１補強用樹脂部材６１および第２補強用樹脂部材６２は、電解質膜２１を覆って電解質膜２１を補強する。第１補強用樹脂部材６１、第２補強用樹脂部材６２としては、例えば、ポリオレフィンのような熱硬化性樹脂や、ポリイソブチレンのような紫外線硬化性樹脂を用いることができる。ポリオレフィンとしては、ポリプロピレンやポリエチレンを用いることができる。

第１補強用樹脂部材６１は、樹脂フレーム８０と膜電極接合体２０の外側延長部における＋Ｙ方向側の部分との間と、樹脂フレーム８０の内周端８０ａと第１ガス拡散層３０の外周端３０ａとの間の隙間Ｓと、に配置される。

第１ガス拡散層３０と第１電極触媒層２２との間は、互いの全面で接合されている訳ではない。第１ガス拡散層３０の第１電極触媒層２２側の面における外周端３０ａ付近には、段差部３０ｂが全周に亘って形成されている。すなわち、第１ガス拡散層３０の第１電極触媒層２２側の面において、外周端３０ａから所定の幅の領域は、内側（図６では右側）の領域と比べて＋Ｙ方向側に凹んだ形状となっている。この段差部３０ｂと第１電極触媒層２２との間の隙間にも、第１補強用樹脂部材６１が配置されている。第２ガス拡散層４０の第２電極触媒層２３側の面における外周端４０ａ付近にも、同様に段差部４０ｂが形成されている。この段差部４０ｂと第２電極触媒層２３との間の隙間には、第２補強用樹脂部材６２が配置されている。

積層方向Ｙから見た平面視において、第１ガス拡散層３０における段差部３０ｂよりも内側（図６では右側）の領域が発電部となる。すなわち、積層方向Ｙにおいて、第１電極触媒層２２、電解質膜２１、第２電極触媒層２３が揃い、かつ、第１電極触媒層２２に対して第１ガス拡散層３０が接し、第２電極触媒層２３に対して第２ガス拡散層４０が接している箇所が発電部となる。発電部よりも外側（図６では左側）の領域が非発電部となる。

以上の構成された第２実施形態の燃料電池セル６００によれば、電解質膜２１は、第１電極触媒層２２の外周端２２ａ、第１ガス拡散層３０の外周端３０ａ、第２電極触媒層２３の外周端２３ａ、および第２ガス拡散層４０の外周端４０ａより外側に延びており、この外側に延びた外側延長部の両面が、第１補強用樹脂部材６１および第２補強用樹脂部材６２によって覆われている。このため、電解質膜２１を第１電極触媒層２２および第２電極触媒層２３によって補強することができる。また、セパレータ２１０の第１凹部２１２で形成される空間と、セパレータ２２０の第１凹部２２２で形成される空間とが、外側延長部としての電解質膜２１によって区分けされていることから、セパレータ２１０の第１凹部２１２に流れる水素ガスがセパレータ２２０の第１凹部２２２にクロスリークすることを、電解質膜２１によって抑制することができる。

さらに、燃料電池セル６００によれば、樹脂フレーム８０における外周端２２ａよりも内周端８０ａに近い箇所に、複数の貫通穴９０が形成されていることから、燃料電池セル６００の組み付けの締結力が樹脂フレーム８０に掛かった場合に、貫通穴９０によって樹脂フレーム８０の変形が緩和される。

図７は、締結力が掛かった場合の力の働きの様子を示す説明図である。燃料電池セル６００の組み付けによって、樹脂フレーム８０の両面には、垂直に締結力Ｐ１が作用する。締結力Ｐ１が作用することによって、樹脂フレーム８０の内周端８０ａに近い側は、矢印Ａに示す方向に膨らもうとするが、貫通穴９０を有することから、膨らみによる変形が緩和される、このため、樹脂フレーム８０の変形が第１補強用樹脂部材６１を介して電解質膜２１の露出部分に伝わる本実施形態の構成であっても、そもそも樹脂フレーム８０の変形が小さいことから、電解質膜２１が変形することを抑制できる。

図８は、比較例１の燃料電池セル９００における問題点を示す説明図である。比較例１の燃料電池セル９００は、第２実施形態の燃料電池セル６００（図６）と比較して、樹脂フレーム９８０に貫通穴９０を有しない点と、第１ガス拡散層９３０の外周端９３０ａよりも外側に延びる外側延長部として第１電極触媒層９２２と電解質膜９２１と第２電極触媒層９２３と第２ガス拡散層９４０とが延びている点と、第２補強用樹脂部材６２を有しない点と、が相違し、残余の点は同一である。図８において、第２実施形態と同一のパーツには第２実施形態と同じ符号を付した。なお、図８においては、アノード側のセパレータ２２０を省略している。比較例１の燃料電池セル９００では、電解質膜９２１の端部付近において、電解質膜９２１の両面に第１電極触媒層９２２及び第２電極触媒層９２３が接合されており、第１電極触媒層９２２に第１補強用樹脂部材９６１が接合されている。

第１電極触媒層９２２に対する第１補強用樹脂部材９６１の接着力は低いため、第１電極触媒層９２２と第１補強用樹脂部材９６１との界面には隙間が生じやすい。燃料電池では、発電に伴い水が生成され、その生成水によって電解質膜が膨潤、収縮する。上述したように、第１電極触媒層９２２と第１補強用樹脂部材９６１との界面に隙間が生じると、上記膨潤、収縮によって電解質膜９２１が大きく動くことになる。電解質膜９２１が大きく動くと、電解質膜９２１に膜裂けが生じ易くなる。また、図８に示すように、第１電極触媒層９２２および第２電極触媒層９２３にクラック（ひび割れ）ＣＲがある場合に、上述したように電解質膜が大きく動くと、クラックＣＲの部分に応力集中し、電解質膜２１に膜裂けがより生じ易くなる。

これに対して、第２実施形態の燃料電池セル６００によれば、図６に示すように、第１補強用樹脂部材６１と電解質膜２１との間に電極触媒層が設けられていないことから、第１補強用樹脂部材６１は電解質膜２１に接着され、その接着力は高いものとなる。接着力が高いと、第１補強用樹脂部材６１と電解質膜２１との間に隙間が生じ難くなり、電解質膜２１の動きが小さくなる。このため、電解質膜９２１に膜裂けが生じることを防止することができる。

図９は、第２実施形態の燃料電池セル６００の他の作用効果を示す説明図である。第２実施形態の燃料電池セル６００によれば、第１ガス拡散層３０の第１電極触媒層２２側の面における外周端３０ａ付近に、段差部３０ｂが形成されており、この段差部３０ｂと第１電極触媒層２２との間の隙間にも、第１補強用樹脂部材６１が配置されている。第２ガス拡散層４０の第２電極触媒層２３側の面における外周端４０ａ付近にも、同様に段差部４０ｂが形成されており、この段差部３０ｂと第１電極触媒層２２との間の隙間には、第２補強用樹脂部材６２が配置されている。このため、図中の、楕円で示したエリアＴ１、すなわち、段差部３０ｂと第１補強用樹脂部材６１との界面において、第１ガス拡散層３０に含まれるカーボンファイバＣＦの伸びが第１補強用樹脂部材６１によって抑えられ、カーボンファイバＣＦが電解質膜２１に刺さることを防止できる。

一般に、第１ガス拡散層３０の外周端３０ａ付近、および第２ガス拡散層４０の外周端４０ａ付近は、内側よりもカーボンファイバＣＦが毛羽だった構成となっている。これに対して、第２実施形態の燃料電池セル６００によれば、第１ガス拡散層３０の第１電極触媒層２２側の面における外周端３０ａ付近、および第２ガス拡散層４０の第２電極触媒層２３側の面における外周端４０ａ付近では、第１補強用樹脂部材６１および第２補強用樹脂部材６２によって、カーボンファイバＣＦが電解質膜２１に刺さることを防止できる。

Ｃ．第３実施形態：
図１０は、本発明の第３実施形態における燃料電池セル１１００の断面図である。第２実施形態の燃料電池セル６００（図６）では、樹脂フレーム８０に貫通穴９０が形成されていた。これに対して、第３実施形態における燃料電池セル１１００では、樹脂フレーム１０８０に、貫通穴９０に換えて薄肉部１０９０が形成されている。樹脂フレーム１０８０の平面方向（図中のＸ方向）における薄肉部１０９０の形成位置は、第２実施形態における貫通穴９０の形成位置と同一である。薄肉部１０９０では、接着剤層１０８２，１０８３が省かれ、コア層１０８１が他の部位よりも厚さの薄い構成となっている。薄肉部１０９０では、コア層１０８１は、＋Ｙ方向側の面、−Ｙ方向側の面ともに凹んでいる。凹みの平面形状は円である。

第３実施形態における燃料電池セル１１００において、薄肉部１０９０を除いた残余の構成は、第２実施形態の燃料電池セル６００と同一である。図１０において、第２実施形態と同一のパーツには第２実施形態と同じ符号を付した。なお、図１０においては、アノード側のセパレータ２２０を省略している。

以上のように構成された第３実施形態の燃料電池セル１１００によれば、組み付けの締結力が樹脂フレーム１０８０に掛かった場合に、薄肉部１０９０によって樹脂フレーム１０８０の変形が緩和される。このため、電解質膜２１に対する樹脂フレーム１０８０の変形による影響が小さいものとなることから、電解質膜２１が変形することを抑制できる。

Ｄ．第４実施形態：
図１１は、本発明の第４実施形態における燃料電池セル２１００の断面図である。第２実施形態の燃料電池セル６００（図６）では、樹脂フレーム８０に貫通穴９０が形成されていた。これに対して、第４実施形態における燃料電池セル２１００では、樹脂フレーム２０８０に、貫通穴９０に換えて薄肉部２０９０が形成されている。樹脂フレーム２０８０の平面方向（図中のＸ方向）における薄肉部２０９０の形成位置は、第２実施形態における貫通穴９０の形成位置と同一である。第３実施形態における薄肉部１０９０（図１０）では、接着剤層１０８２，１０８３が省かれ、コア層１０８１が他の部位よりも厚さの薄い構成となっていた。これに対して、第４実施形態における薄肉部２０９０は、接着剤層２０８２，２０８３だけが省かれ、コア層２０８１は薄肉となっていない。接着剤層２０８２，２０８３の削りとられて部分、すなわち、薄肉部２０９０の平面形状は円である。

第４実施形態における燃料電池セル２１００において、薄肉部２０９０を除いた残余の構成は、第２実施形態の燃料電池セル６００と同一である。図１１において、第２実施形態と同一のパーツには第２実施形態と同じ符号を付した。なお、図１１においては、アノード側のセパレータ２２０を省略している。

以上のように構成された第４実施形態の燃料電池セル２０１０では、組み付けの際に高温となった場合に、熱可塑性樹脂である接着剤層２０８２，２０８３の流動性が高くなり、接着剤層２０８２，２０８３の変形が大きくなる。しかし、薄肉部２０９０では、接着剤層２０８２，２０８３が省かれていることから、薄肉部２０９０が熱可塑性樹脂の流れ代となり、接着剤層２０８２，２０８３が平面方向に膨らむことを緩和することができる。このため、電解質膜２１に対する樹脂フレーム２０８０の変形による影響が小さいものとなることから、電解質膜２１が変形することを抑制できる。

Ｅ．第５実施形態：
図１２は、本発明の第５実施形態における燃料電池セル３１００の断面図である。第５実施形態の燃料電池セル３１００は、第２実施形態の燃料電池セル６００（図６）と比較して、第１ガス拡散層３０３０の外周端３０３０ａよりも外側に延びる外側延長部として第１電極触媒層３０２２と電解質膜３０２１と第２電極触媒層３０２３と第２ガス拡散層３０４０とが延びている点と、第２補強用樹脂部材６２を有しない点と、段差部３０ｂ（図６）および段差部４０ｂを有しない点とが相違し、残余の点は同一である。図１２において、第２実施形態と同一のパーツには第２実施形態と同じ符号を付した。なお、図１２においては、アノード側のセパレータ２２０を省略している。

第５実施形態の燃料電池セル３１００では、電解質膜３０２１の端部付近においても、電解質膜３０２１の両面に第１電極触媒層３０２２及び第２電極触媒層３０２３が接合されている。カソード側に配置された第１ガス拡散層３０３０のサイズは、アノード側に配置された第２ガス拡散層３０４０のサイズよりも小さい。樹脂フレーム８０は、第２実施形態と同一の構成である。この樹脂フレーム８０と第１電極触媒層３０２２との間と、樹脂フレーム８０の内周端８０ａと第１ガス拡散層３０３０の外周端３０３０ａとの間の隙間Ｓと、に、第１補強用樹脂部材３０６１が配置されている。

以上の構成された第５実施形態の燃料電池セル３１００によれば、第２実施形態の燃料電池セル６００と同様に、燃料電池セル３１００の組み付けの締結力が樹脂フレーム８０に掛かった場合に、貫通穴９０によって樹脂フレーム８０の変形が緩和される。このため、樹脂フレーム８０の変形が膜電極接合体３０２０に直接、伝わる本実施形態の構成であっても、そもそも樹脂フレーム８０の変形が小さいことから、電解質膜３０２１が変形することを抑制できる。

なお、第５実施形態の変形例として、第２実施形態に対する第３実施形態の変形と同様に、貫通穴９０を薄肉部１０９０（図１０）に換えた構成としてもよい。また、第５実施形態の他の変形例として、第２実施形態に対する第４実施形態の変形と同様に、貫通穴９０を薄肉部２０９０（図１１）に換えた構成としてもよい。

Ｆ．参考例：
・参考例１：
図１３は、参考例１を示す断面図である。参考例１の燃料電池セル４１００は、第２実施形態の燃料電池セル６００（図６）と比較して、樹脂フレーム４０８０に貫通穴９０が形成されていない点が相違し、残余の点は同一である。樹脂フレーム４０８０は、第２実施形態の樹脂フレーム８０と同一の材料によって形成されている。図１３において、第２実施形態と同一のパーツには第２実施形態と同じ符号を付した。なお、図１２においては、アノード側のセパレータ２２０を省略している。

参考例１の燃料電池セル４１００では、第２実施形態の燃料電池セル６００と同様に、第１補強用樹脂部材６１と電解質膜２１との間に電極触媒層が設けられていないことから、第１補強用樹脂部材６１は電解質膜２１に接着され、その接着力は高いものとなる。接着力が高いと、第１補強用樹脂部材６１と電解質膜２１との間に隙間が生じ難くなり、電解質膜２１の動きが小さくなる。このため、電解質膜２１に膜裂けが生じることを防止することができる。さらに、電極触媒層にクラック等があると、電解質膜に応力集中が発生し、電解質膜が裂ける虞があるが、この形態の燃料電池によれば、上記の隙間に連通する部分には第１電極触媒層が存在しない構成とすることができることから、電極触媒層にクラックがあることに起因する電解質膜２１の裂けを抑制することができる。

・参考例２：
図１４は、参考例２を示す断面図である。参考例２の燃料電池セル５１００は、参考例１の燃料電池セル４１００（図１３）と比較して、電解質膜２１より＋Ｙ方向側、すなわち、アノード側の構成は同一であり、電解質膜２０より−Ｙ方向側、すなわち、カソード側の構成は相違する。図１４において、参考例２と同一のパーツには参考例２と同じ符号を付した。カソード側の構成は、第１実施形態の燃料電池セル１００のカソード側の構成と同一である。

参考例２の燃料電池セル５１００は、参考例１の燃料電池セル４１００と同様に、第１補強用樹脂部材６１と電解質膜２１との間に電極触媒層が設けられていないことから、第１補強用樹脂部材６１は電解質膜２１に接着され、その接着力は高いものとなる。接着力が高いと、第１補強用樹脂部材６１と電解質膜２１との間に隙間が生じ難くなり、電解質膜２１の動きが小さくなる。このため、電解質膜２１に膜裂けが生じることを防止することができる。さらに、参考例１と同様に、電極触媒層にクラックがあることに起因する電解質膜２１の裂けを抑制することができる。

・参考例３：
図１５は、参考例３を示す断面図である。参考例３の燃料電池セル６１００は、参考例２の燃料電池セル５１００（図１４）と比較して、電解質膜６０２１より＋Ｙ方向側、すなわちアノード側の構成と、電解質膜６０２１より−Ｙ方向側、すなわちカソード側の構成と、が反転している。すなわち、ＭＥＧＡ６０１０は、第２ガス拡散層６０４０の外周端６０４０ａおよび第２電極触媒層６０２３の外周端６０２３ａよりも外側（図１５においては左側）に、電解質膜６０２１、第１電極触媒層６０２２、および第１ガス拡散層６０３０が延びた構成（外側延長部）となっている。第１電極触媒層６０２２はカソードであり、第２電極触媒層６０２３はアノードである。

膜電極接合体６０２０の−Ｙ向きの側における第２ガス拡散層６０４０の外周端６０４０ａの外側回りに、樹脂フレーム６０８０が配置されている。樹脂フレーム６０８０と膜電極接合体６０２０の外側延長部における−Ｙ方向側の部分との間と、樹脂フレーム６０８０の内周端６０８０ａと第２ガス拡散層６０４０の外周端６０４０ａとの間の隙間とに、補強用樹脂部材６０６２が配置されている。

参考例３の燃料電池セル６１００は、補強用樹脂部材６０６２と電解質膜６０２１との間に電極触媒層が設けられていないことから、補強用樹脂部材６０６２は電解質膜６０２１に接着され、その接着力は高いものとなる。接着力が高いと、補強用樹脂部材６０６２と電解質膜６０２１との間に隙間が生じ難くなり、電解質膜６０２１の動きが小さくなる。このため、電解質膜６０２１に膜裂けが生じることを防止することができる。さらに、参考例２と同様に、電極触媒層にクラックがあることに起因する電解質膜６０２１の裂けを抑制することができる。

・参考例４：
図１６は、参考例４を示す平面図である。参考例４は、参考例１（図１３参照）に対する変形例である。図１６は、カソード側のセパレータと第１補強用樹脂部材とを取り除いて積層方向Ｙから見た平面視を示す。参考例１は、第１補強用樹脂部材６１と電解質膜２１との間に電極触媒層が設けられていない構成としたが、この電極触媒層が設けられていない範囲は、樹脂フレーム４０８０の内周端４０８０ａの全周に亘る範囲であった。これに対して、この変形例の燃料電池セルでは、図１６に示すように、カソード入口Ａｉｎからカソード出口Ａｏｕｔまでの上流側の半分（図中のハッチの部分）に、第１補強用樹脂部材と電解質膜との間に第１電極触媒層２２を設ける。下流側の半分には、第１補強用樹脂部材６１と電解質膜２１との間に電極触媒層の間に第１電極触媒層が設けられない構成（図１３参照）とした。カソード入口Ａｉｎ側はカソード出口Ａｏｕｔ側に比べて生成水が滞留しづらいことから、電解質膜２１が膨潤することが少ない。これに対して、生成水が滞留し易いカソード出口Ａｏｕｔ側については、参考例１と同様に、第１補強用樹脂部材６１と電解質膜２１との間に電極触媒層が設けられない構成とすることで、電解質膜２１に膜裂けが生じることを防止することができる。

Ｇ．変形例：
前記第１ないし第５実施形態では、カソード側に本発明を適用する構成とした。これに対して、アノード側の構成とカソード側の構成とを判定して、アノード側に本発明を適用する構成としてもよい。さらに、カソード側とアノード側の双方に本発明を適用する構成とした。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した各実施形態における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…ＭＥＧＡ
１１…マニホールド孔
１２…電解質膜
２０…電解質膜
２１…電解質膜
２１ａ…外周端
２２…第１電極触媒層
２２ａ…外周端
２３…第２電極触媒層
２３ａ…外周端
３０…第１ガス拡散層
３０ａ…外周端
３０ｂ…段差部
４０…第２ガス拡散層
４０ａ…外周端
４０ｂ…段差部
６１…第１補強用樹脂部材
６２…第２補強用樹脂部材
８０…樹脂フレーム
８０ａ…内周端
８１…コア層
８２…接着剤層
８３…接着剤層
９０…貫通穴
１００…燃料電池セル
１１０…ＭＥＧＡ
１２０…膜電極接合体
１２１…電解質膜
１２１ａ…外周端
１２２…第１電極触媒層
１２２ａ…外周端
１２３…第２電極触媒層
１２３ａ…外周端
１３０…第１ガス拡散層
１３０ａ…外周端
１４０…第２ガス拡散層
１４０ａ…外周端
２００…ＭＥＧＡプレート
２１０…セパレータ
２１１…第１凸部
２１２…第１凹部
２１３…第２凸部
２２０…セパレータ
２２１…第１凸部
２２２…第１凹部
２２３…第２凸部
６００…燃料電池セル
９００…燃料電池セル
９２１…電解質膜
９２２…第１電極触媒層
９２３…第２電極触媒層
９３０…第１ガス拡散層
９３０ａ…外周端
９４０…第２ガス拡散層
９６２…第１補強用樹脂部材
９８０…樹脂フレーム
１０８０…樹脂フレーム
１０８２…接着剤層
１０９０…薄肉部
１１００…燃料電池セル
２０１０…燃料電池セル
２０８０…樹脂フレーム
２０８１…コア層
２０８２…接着剤層
２０９０…薄肉部
２１００…燃料電池セル
３０２０…膜電極接合体
３０２１…電解質膜
３０２２…第１電極触媒層
３０２３…第２電極触媒層
３０３０…第１ガス拡散層
３０３０ａ…外周端
３０４０…第２ガス拡散層
３０６１…第１補強用樹脂部材
３１００…燃料電池セル
４０８０…樹脂フレーム
４１００…燃料電池セル
５１００…燃料電池セル
６０２０…膜電極接合体
６０２１…電解質膜
６０２２…第１電極触媒層
６０２３…第２電極触媒層
６０２３ａ…外周端
６０３０…第１ガス拡散層
６０４０…第２ガス拡散層
６０４０ａ…外周端
６０６１…補強用樹脂部材
６０６２…補強用樹脂部材
６０８０…樹脂フレーム
６０８０ａ…内周端
６１００…燃料電池セル
Ｙ…積層方向

Claims

燃料電池であって、
電解質膜と、前記電解質膜の両面に設置された一対の電極触媒層と、を備える膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の第１面の側に配置された第１ガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記第１面とは反対の第２面の側に配置された第２ガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記第１面の側における前記第１ガス拡散層の外周端の外側に配置された樹脂フレームと、
を備え、
前記樹脂フレームは、前記樹脂フレームの外周端よりも内周端に近い箇所に形成された貫通穴または薄肉部を有する、
燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記樹脂フレームは、前記第１ガス拡散層の外周端から隙間を開けて配置され、
前記膜電極接合体は、前記第１ガス拡散層の外周端よりも外側に延びる少なくとも前記電解質膜を含む外側延長部を有し、
前記燃料電池は、更に、
前記隙間を含む前記樹脂フレームと前記膜電極接合体の前記外側延長部との間に配置され、前記外側延長部を補強する補強用樹脂部材を備える、燃料電池。
請求項２に記載の燃料電池であって、更に、
前記膜電極接合体は、前記電解質膜の外周端が、前記一対の電極触媒層のうちの前記第１面の側に位置する第１電極触媒層の外周端よりも外側に位置する段付き構造を有し、
前記外側延長部は、前記膜電極接合体における前記第１電極触媒層の外周端よりも外側の領域である、燃料電池。