JP2023059529A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】アノードから発生した二酸化炭素を外部空間に容易に放出することができる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１は、電解質膜２１と、電解質膜２１の一方の面上に設けられたアノード２２と、電解質膜２１の他方の面上に設けられたカソード２３と、を有するＭＥＡ２と、ＭＥＡ２におけるアノード２２上に設けられたアノード側セパレータ３と、ＭＥＡ２におけるカソード２３上に設けられたカソード側セパレータ４と、電解質膜２１とアノード側セパレータ３との間に介在するアノード側シール材５と、ＭＥＡ２、アノード側シール材５及びアノード側セパレータ３によって囲まれたアノード側内部空間５０とを有している。アノード側シール材５は、アノード側内部空間５０及び外部空間のうち少なくとも一方に開口し、アノード側内部空間５０と外部空間とを連通可能に構成された圧力解放孔５１を有している。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池等の燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面上に設けられたアノード電極と、電解質膜の他方の面上に設けられたカソード電極と、を含む膜電極接合体（いわゆるＭＥＡ）を有している。燃料電池は、ＭＥＡのアノードに燃料を供給するとともに、カソードに酸化剤を供給することにより、各電極において電極反応を生じさせることができる。そして、これらの電極反応の結果、アノードとカソードとの間に起電力を生じさせ、発電を行うことができる。

近年、固体高分子形燃料電池の中でも、燃料としてメタノールを用いる直接メタノール形燃料電池やギ酸を用いる直接ギ酸形燃料電池が注目されている。

例えば、特許文献１には、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、上記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、上記アノードに燃料を供給する燃料流路を有するアノード側セパレータと、上記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を有するカソード側セパレータと、上記アノード側セパレータと上記高分子電解質膜の周縁部との間、および上記カソード側セパレータと上記高分子電解質膜の周縁部との間の少なくともいずれかに介在され、上記アノードまたは上記カソードを囲み、一対の上記セパレータとともに上記高分子電解質膜をその厚さ方向に加圧するガスケットと、を備えた燃料電池が記載されている。

特開２０１０－１７０８９２号公報

燃料電池の燃料としてメタノールやギ酸などの炭素原子を含む液体を用いる場合には、電極反応によりアノードに二酸化炭素（ＣＯ_２）が発生する。アノードで発生した二酸化炭素の量が多くなると、燃料電池の単セルにおけるアノード側の内部空間、つまり、高分子電解質膜とアノード側セパレータとガスケットとにより囲まれた空間の内圧が上昇する。そして、内部空間の内圧が上昇すると、燃料流路内に局所的に圧力が高い領域と圧力が低い領域とが形成されやすくなり、燃料流路からアノードへの燃料の供給量に局所的な偏りが生じるおそれがある。

また、内部空間の内圧が上昇するとＭＥＡに加わる応力が増大するため、ＭＥＡの強度を高める必要がある。しかし、ＭＥＡの強度を高めようとすると、材料コストの上昇や発電効率の低下などの問題が生じるおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、アノードから発生した二酸化炭素を外部空間に容易に放出することができる燃料電池を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面上に設けられたアノードと、前記電解質膜の他方の面上に設けられたカソードと、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体における前記アノード上に設けられたアノード側セパレータと、
前記膜電極接合体における前記カソード上に設けられたカソード側セパレータと、
前記電解質膜と前記アノード側セパレータとの間に介在するアノード側シール材と、
前記膜電極接合体と、前記アノード側シール材と、前記アノード側セパレータとによって囲まれたアノード側内部空間と、を有し、
前記アノード側シール材は、前記アノード側内部空間及び外部空間のうち少なくとも一方に開口し、前記内部空間と外部空間とを連通可能に構成された圧力解放孔を有している、燃料電池にある。

前記燃料電池は、ＭＥＡとアノード側セパレータとの間に介在するアノード側シール材を有している。また、アノード側シール材には、アノード側内部空間及び外部空間のうち少なくとも一方に開口し、内部空間と外部空間とを連通可能に構成された圧力解放孔を有している。それ故、前記燃料電池においては、アノードにおいて生じ、アノード側内部空間に滞留した二酸化炭素を、圧力解放孔から外部空間に容易に排出することができる。そして、アノード側内部空間に滞留した二酸化炭素を外部空間に排出することにより、燃料流路内の圧力の偏りを低減するとともに、内部空間の内圧の過度の上昇を抑制することができる。

従って、前記の態様によれば、アノードから発生した二酸化炭素を外部空間に容易に放出することができる燃料電池を提供することができる。

図１は、実施形態１における燃料電池の要部を示す断面図である。 図２は、図１における圧力解放孔近傍の拡大図である。 図３は、図２のIII－III線矢視断面図である。 図４は、実施形態２における、テーパ形状を有する圧力解放孔を備えた燃料電池の要部を示す一部断面図である。 図５は、図４のV－V線一部矢視断面図である。 図６は、実施形態２における、ステップ形状を有する圧力解放孔を備えた燃料電池の要部を示す一部断面図である。 図７は、図６のVII－VII線一部矢視断面図である。 図８は、実施形態３における、２つの圧力解放孔を備えたアノード側シール材を有する燃料電池の要部を示す一部断面図である。 図９は、図８における第２圧力解放孔近傍の拡大図である。 図１０は、図９のX－X線一部矢視断面図である。

（実施形態１）
前記燃料電池に係る実施形態について、図１～図３を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態の燃料電池１は、電解質膜２１と、電解質膜２１の一方の面上に設けられたアノード２２と、電解質膜２１の他方の面上に設けられたカソード２３と、を有するＭＥＡ２と、ＭＥＡ２におけるアノード２２上に設けられたアノード側セパレータ３と、ＭＥＡ２におけるカソード２３上に設けられたカソード側セパレータ４と、電解質膜２１とアノード側セパレータ３との間に介在するアノード側シール材５と、ＭＥＡ２と、アノード側シール材５と、アノード側セパレータ３とによって囲まれたアノード側内部空間５０と、を有している。図１～図３に示すように、アノード側シール材５は、アノード側内部空間５０及び外部空間のうち少なくとも一方に開口し、アノード側内部空間５０と外部空間とを連通可能に構成された圧力解放孔５１を有している。

本実施形態の燃料電池１は、炭素原子を含む液体を燃料として使用することができるように構成されている。例えば、燃料電池１は、ギ酸を燃料として使用する直接ギ酸形燃料電池として構成されていてもよく、メタノールを燃料として使用する直接メタノール形燃料電池として構成されていてもよい。燃料電池１は、アノード２２に燃料を供給するとともに、カソード２３に酸化剤を供給することにより発電することができる。燃料電池１に供給される酸化剤としては、例えば空気や酸素ガス等を使用することができる。

燃料電池１は、例えば図１に示すように、ＭＥＡ２、アノード側セパレータ３及びカソード側セパレータ４を含む単セル１１を１個以上有している。図には示さないが、燃料電池１が複数の単セル１１を有している場合、これらの単セル１１は、互いに積層されることによりセルスタックを構成していてもよい。また、燃料電池１が複数の単セル１１を有している場合、各単セル１１は、他の単セル１１と電気的に直列に接続されていてもよいし、並列に接続されていてもよい。

ＭＥＡ２における電解質膜２１は、電気絶縁性を有し、水素イオン（Ｈ^＋）等のカチオンを選択的に透過可能に構成されたカチオン交換樹脂からなる。カチオン交換樹脂としては、例えば、パーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマー（例えば、デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」）等を使用することができる。

アノード２２及びカソード２３は、電解質膜２１の中央部に配置されており、電解質膜２１上に層状に形成されている。アノード２２及びカソード２３は、電極反応を触媒可能に構成されている。例えば、アノード２２及びカソード２３には、パラジウム（Ｐｄ）や白金（Ｐｔ）などの貴金属触媒を担持した触媒担持カーボンが含まれていてもよい。また、アノード２２及びカソード２３には、触媒担持カーボンを保持可能に構成されたバインダが含まれていてもよい。

ＭＥＡ２におけるアノード２２上には、アノード拡散層２４が設けられていてもよい。アノード拡散層２４としては、具体的には、導電性炭素繊維と炭素との複合材料であるカーボンペーパーや導電性炭素繊維からなるカーボンクロス等の、細孔や隙間を有する導電性炭素材料を用いることができる。アノード拡散層２４として電気伝導性を有する材料を用いることにより、アノード２２とアノード側セパレータ３とを電気的に接続し、ＭＥＡ２で発電した電力を外部に取り出すことができる。また、アノード拡散層２４に微小な空隙を設けることにより、単セル１１内に供給された燃料をアノード拡散層２４内において拡散させつつアノード２２に導くことができる。その結果、燃料をアノード２２とより効率よく接触させ、発電効率を向上させることができる。

図２に示すように、ＭＥＡ２におけるアノード２２を取り囲む電解質膜２１上には、燃料の浸透を抑制するためのバリア材２６が設けられていてもよい。このように、アノード２２の周囲に存在する電解質膜２１をバリア材２６で覆うことにより、アノード側内部空間５０内の燃料が電解質膜２１に接触することを容易に回避することができる。その結果、燃料が電解質膜２１を浸透し、カソード２３に到達する燃料クロスオーバと呼ばれる現象の発生をより効果的に抑制することができる。

バリア材２６は、例えばポリエチレンテレフタレートなどの、電解質膜２１よりも燃料の浸透性が低い材料から構成されていることが好ましい。本実施形態のバリア材２６は、ポリエチレンテレフタレートからなり、片面に粘着層を有する粘着性フィルムである。バリア材２６は、粘着層を介して電解質膜２１に貼付されている。

図１及び図２に示すように、ＭＥＡ２におけるカソード２３上には、カソード拡散層２５が設けられていてもよい。カソード拡散層２５としては、アノード拡散層２４と同様に、導電性炭素繊維と炭素との複合材料であるカーボンペーパーや導電性炭素繊維からなるカーボンクロス等の、細孔や隙間を有する導電性炭素材料を用いることができる。カソード拡散層２５として電気伝導性を有する材料を用いることにより、カソード２３とカソード側セパレータ４とを電気的に接続し、ＭＥＡ２で発電した電力を外部に取り出すことができる。また、カソード拡散層２５に微小な空隙を設けることにより、単セル１１内に供給された酸化剤をカソード拡散層２５内において拡散させつつカソード２３に導くことができる。その結果、酸化剤をカソード２３とより効率よく接触させ、発電効率を向上させることができる。

アノード側セパレータ３は、ＭＥＡ２におけるアノード２２を有する側の面上に設けられている。アノード側セパレータ３は、金メッキが施されたステンレス鋼等の金属材料や、導電性カーボンなどの導電性非金属材料、導電性複合材料等の電気伝導体から構成されていてもよい。電気伝導性を有するアノード側セパレータ３は、ＭＥＡ２での電極反応によって生じた電子を集める集電体として機能し、ＭＥＡ２で発電した電力を外部へ導くことができる。

アノード側セパレータ３におけるアノード拡散層２４と当接する電極当接面３１には、アノード２２に燃料を供給可能に構成された燃料流路３２が設けられている。燃料流路３２の形状や配置などは、種々の態様をとり得る。例えば、燃料流路３２は、矩形状、三角形状及び半円状などの断面形状を有し、アノード側セパレータ３に設けられた溝であってもよい。また、燃料流路３２は、例えば、互いに平行に並んだ複数の直線部と、各直線部の端部と当該直線部に隣接する直線部の端部とを接続する折り返し部とを有しており、当接面側から見た平面視において、蛇行するように配置されていてもよいが、これ以外の配置も取り得る。

ＭＥＡ２におけるカソード２３を有する側の面上には、カソード側セパレータ４が設けられている。カソード側セパレータ４は、アノード側セパレータ３と同様に、金メッキが施されたステンレス鋼等の金属材料や、導電性カーボンなどの導電性非金属材料、導電性複合材料等の電気伝導体から構成されていてもよい。電気伝導性を有するカソード側セパレータ４は、ＭＥＡ２での電極反応によって生じた電子を集める集電体として機能し、ＭＥＡ２で発電した電力を外部へ導くことができる。

カソード側セパレータ４におけるカソード拡散層２５と当接する電極当接面４１には、酸化剤流路４２が設けられている。酸化剤流路４２の形状や配置などは、燃料流路３２と同様に種々の態様をとり得る。例えば、酸化剤流路４２は、矩形状、三角形状及び半円状などの断面形状を有し、カソード側セパレータ４に設けられた溝であってもよい。また、酸化剤流路４２は、例えば、互いに平行に並んだ複数の直線部と、各直線部の端部と当該直線部に隣接する直線部の端部とを接続する折り返し部とを有しており、当接面側から見た平面視において、蛇行するように配置されていてもよいが、これ以外の配置も取り得る。

ＭＥＡ２の電解質膜２１とアノード側セパレータ３との間には、アノード側シール材５が設けられている。また、単セル１１における、ＭＥＡ２、アノード側セパレータ３及びアノード側シール材５によって囲まれた部分はアノード側内部空間５０を構成している。

本実施形態におけるアノード側シール材５は、図３に示すように、アノード側セパレータ３と接する側から見た平面視において四角形状を有している。また、アノード側シール材５の中央にはアノード２２及びアノード拡散層２４を配置するための開口部５２が設けられている。図１及び図２に示すように、アノード側シール材５は、ＭＥＡ２のバリア材２６及びアノード側セパレータ３のそれぞれと密着しており、アノード側内部空間５０から外部空間への意図しない燃料の漏出を抑制することができるように構成されている。

また、図３に示すように、アノード側シール材５の開口部５２の内寸法は、アノード２２の外寸法よりもわずかに大きくなっている。これにより、アノード側シール材５とアノード２２との間に隙間５００が形成されている。アノード側シール材５とアノード２２との間の隙間５００は、アノード側内部空間５０の一部を構成している。

本実施形態のアノード側シール材５は、エラストマーから構成されている。アノード側シール材５をエラストマーから構成することにより、アノード側シール材５とＭＥＡ２との密着性及びアノード側シール材５とアノード側セパレータ３との密着性をより向上させることができる。その結果、アノード側内部空間５０から外部空間への意図しない燃料の漏出を抑制することができる。アノード側シール材５に用いられるエラストマーとしては、例えば、エチレン－プロピレン－ジエンゴム（つまり、ＥＰＤＭ）などの、ゴム弾性を有する高分子材料を使用することができる。

アノード側シール材５には、図１～図３に示すように、アノード側内部空間５０及び外部空間のうち少なくとも一方に開口し、アノード側内部空間５０と外部空間とを連通可能に構成された圧力解放孔５１が設けられている。圧力解放孔５１を介してアノード側内部空間５０と外部空間とを連通させることにより、アノード側内部空間５０内に滞留した物質のうち、主に二酸化炭素を外部空間に放出することができる。それ故、アノード２２において生じた二酸化炭素によってアノード側内部空間５０の内圧が上昇した場合においても、アノード側内部空間５０と外部空間とを圧力解放孔５１を介して連通させることにより、アノード側内部空間５０内の圧力を解放することができる。

アノード側シール材５に設けられる圧力解放孔５１の数、位置及び形状等は、種々の態様をとり得る。例えば、本実施形態においては、図３に示すように、アノード側シール材５における互いに対向する辺の中央にそれぞれ１つの圧力解放孔５１が設けられている。本実施形態の圧力解放孔５１は、具体的には、アノード側シール材５におけるアノード側セパレータ３と接する面に設けられた溝である。また、圧力解放孔５１は、四角形状の断面形状を有している。圧力解放孔５１の内側開口５１１は、アノード２２及びアノード拡散層２４に対面している。

なお、圧力解放孔５１の数は、１つであってもよいし、本実施形態のように２つであってもよい。さらに、アノード側シール材５に３つ以上の圧力解放孔５１を設けることもできる。また、圧力解放孔５１の位置は、アノード側内部空間５０や燃料流路３２内の圧力分布等に応じて適宜設定することができる。燃料流路３２内の圧力分布の偏りをより低減する観点からは、圧力解放孔５１は、少なくとも燃料流路３２における燃料の流入口の近傍に配置されていることが好ましい。また、アノード側シール材５が複数の圧力解放孔５１を有する場合には、複数の圧力解放孔５１は、アノード側セパレータ３と接触する側から見た平面視におけるアノード側シール材５の中央に対して点対称な位置に設けられていることが好ましい。

圧力解放孔５１の断面形状は、本実施形態のような四角形状に限定されることはなく、三角形状や円形状、半円形状などの種々の態様をとり得る。圧力解放孔５１は、内側開口５１１から外部空間側の先端に至るまで一定の断面形状を有していてもよいし、内側開口５１１の近傍における断面形状と、先端近傍の断面形状とが異なっていてもよい。

アノード側シール材５の厚み方向における圧力解放孔５１の位置は、本実施形態のようにアノード側シール材５とアノード側セパレータ３との間であってもよいし、アノード側シール材５とＭＥＡ２との間であってもよい。また、圧力解放孔５１を、アノード側シール材５の内部、つまり、アノード側セパレータ３及びＭＥＡ２のいずれからも離間した位置に設けることもできる。

しかし、圧力解放孔５１内には燃料が流入することがあるため、圧力解放孔５１をアノード側シール材５とＭＥＡ２との間に設けると、圧力解放孔５１内に流入した燃料が電解質膜２１と接触し、燃料クロスオーバが起こりやすくなるおそれがある。また、圧力解放孔５１の周辺は、アノード側内部空間５０内の圧力が上昇した際に応力が集中しやすいため、圧力解放孔５１をアノード側シール材５とＭＥＡ２との間に設けると、電解質膜２１に加わる応力が増大しやすくなる。従って、これらの問題を確実に回避する観点からは、圧力解放孔５１をＭＥＡ２から離隔した位置に設け、アノード側シール材５の全面をＭＥＡ２と接触させることが好ましい。

また、前述した問題を回避しつつアノード側シール材５の形状を単純化し、アノード側シール材５の生産性を向上させる観点からは、図１及び図２に示すように、圧力解放孔５１をアノード側シール材５とアノード側セパレータ３との間に設けることがより好ましい。

図には示さないが、圧力解放孔５１は、アノード側内部空間５０と外部空間とが常時連通するように構成されていてもよい。例えば、圧力解放孔５１は、アノード側内部空間５０に開口した内側開口５１１と、外部空間に開口した外側開口（図示略）とを有し、アノード側内部空間５０と外部空間とが常時連通するように構成されていてもよい。

また、圧力解放孔５１は、可撓性を有する可撓性蓋部５１２を有しており、可撓性蓋部５１２は、アノード側内部空間５０と外部空間とが連通した解放状態と、アノード側内部空間５０が外部空間に対して閉鎖された閉鎖状態とをアノード側内部空間５０の内圧に応じて切り替えることができるように構成されていてもよい。

可撓性蓋部５１２の配置は、種々の態様をとりうる。例えば、本実施形態の圧力解放孔５１は、図１～図３に示すように、アノード側内部空間５０側に開口した内側開口５１１を有するとともに、外部空間側の先端に可撓性を有する可撓性蓋部５１２を有している。

また、図には示さないが、圧力解放孔が外部空間に開口した外側開口を有している場合、可撓性蓋部はアノード側内部空間側の端部に配置されていてもよい。また、圧力解放孔が内側開口及び外側開口の両方を有している場合、可撓性蓋部は圧力解放孔における内側開口と外側開口との間に配置されていてもよい。

可撓性蓋部５１２は、アノード側内部空間５０の内圧と外部空間の圧力との圧力差が比較的小さく、可撓性蓋部５１２が自然状態、つまり、アノード側内部空間５０と外部空間との間に圧力差がほとんどない状態の形状を維持できる場合には、図２に示すように可撓性蓋部５１２がアノード側セパレータ３と密着する。この状態においては、アノード側内部空間５０を外部空間に対して閉鎖することができる。

また、可撓性蓋部５１２は、その周辺部よりも厚みが薄く、低い剛性を有しているため、アノード側内部空間５０の内圧と外部空間の圧力との圧力差に応じて可撓性蓋部５１２の周辺部よりも容易に変形することができる。そのため、アノード側内部空間５０の内圧が外部空間の圧力に対してある程度上昇し、可撓性蓋部５１２の剛性が圧力差に抗しきれなくなると、可撓性蓋部５１２が変形して可撓性蓋部５１２とアノード側セパレータ３との間に隙間が生じる。その結果、圧力解放孔５１の外部空間側の先端が外部空間に対して開口する。これにより、圧力解放孔５１を介してアノード側内部空間５０と外部空間とが連通し、アノード側内部空間５０内の二酸化炭素等を外部空間に放出することができる。

このように、可撓性蓋部５１２は、アノード側内部空間５０と外部空間との圧力差に応じて解放状態と閉鎖状態とを切り替えることができる。そのため、圧力解放孔５１に可撓性蓋部５１２を設けることにより、アノード側内部空間５０と外部空間との圧力差が比較的低い状態においてはアノード側内部空間５０から外部空間への意図しない燃料の漏出を抑制することができる。また、アノード側内部空間５０と外部空間との圧力差が上昇した場合においては、アノード側内部空間５０から外部空間に主に二酸化炭素を排出し、アノード側内部空間５０の圧力を解放することができる。従って、可撓性蓋部５１２を備えた圧力解放孔５１によれば、意図しない燃料の漏出を抑制するとともに、アノード側内部空間５０の内圧の過度の上昇を抑制することができる。

前述した作用効果をより確実に得る観点からは、可撓性蓋部５１２はエラストマーから構成されていることが好ましい。可撓性蓋部５１２を構成するエラストマーは、アノード側シール材５を構成するエラストマーと同一のエラストマーであってもよいし、異なるエラストマーであってもよい。可撓性蓋部５１２をより容易に変形させる観点からは、可撓性蓋部５１２を構成するエラストマーの弾性率が、アノード側シール材５を構成するエラストマーの弾性率よりも低いことが好ましい。本実施形態の可撓性蓋部５１２は、アノード側シール材５と一体的に形成されており、アノード側シール材５と同一のエラストマーから構成されている。

図１及び図２に示すように、ＭＥＡ２の電解質膜２１とカソード側セパレータ４との間には、カソード側シール材６が設けられていてもよい。本実施形態におけるカソード側シール材６は、圧力解放孔５１を有しない以外はアノード側シール材５と同様の構成を有している。ＭＥＡ２とカソード側セパレータ４との間にカソード側シール材６を設け、カソード側シール材６をＭＥＡ２及びカソード側セパレータ４にそれぞれ密着させることにより、カソード２３側の内部空間、つまり、ＭＥＡ２と、カソード側セパレータ４と、カソード側シール材６とによって囲まれた空間からの酸化剤の漏出を抑制することができる。

次に、本実施形態の燃料電池１の動作について説明する。燃料電池１の燃料流路３２に燃料を供給すると、燃料流路３２内の燃料がアノード拡散層２４を通過してアノード２２に供給される。また、酸化剤流路４２に酸化剤を供給すると、酸化剤流路４２内の酸化剤がカソード拡散層２５を通過してカソード２３に供給される。そして、アノード２２及びカソード２３においてそれぞれ電極反応が起きることにより、発電を行うことができる。

この際、アノード拡散層２４及びアノード２２に供給された燃料の一部は、アノード拡散層２４及びアノード２２からアノード２２とアノード側シール材５との隙間５００に流出する。さらに、電極反応によってアノード２２から生じた二酸化炭素の一部も、アノード拡散層２４及びアノード２２を介してアノード２２とアノード側シール材５との隙間５００に進入する。従って、アノード側シール材５とアノード２２との間の隙間５００を含むアノード側内部空間５０には、燃料及び二酸化炭素が存在している。

アノード２２から発生した二酸化炭素の量が比較的少ない間は、アノード２２側のアノード側内部空間５０と外部空間との圧力差が比較的小さい。そのため、圧力解放孔５１に設けられた可撓性蓋部５１２が自然状態の形状を維持することができる。従って、アノード２２から発生した二酸化炭素の量が比較的少ない間は、図２に示すように可撓性蓋部５１２がアノード側セパレータ３と密着し、アノード側内部空間５０が外部空間に対して閉鎖されている。

一方、アノード側内部空間５０内に滞留する二酸化炭素の量が増加し、アノード側内部空間５０の内圧が外部空間の圧力に対して上昇すると、アノード側内部空間５０と外部空間との圧力差によって可撓性蓋部５１２に応力が加わる。可撓性蓋部５１２の剛性が圧力差に抗しきれなくなると、可撓性蓋部５１２が変形し、圧力解放孔５１の外部空間側の先端が外部空間に対して開口する。その結果、圧力解放孔５１を介してアノード側内部空間５０と外部空間とが連通する。アノード側内部空間５０内に存在する二酸化炭素は、燃料に比べて粘性が低いため、圧力解放孔５１が外部空間に対して開口すると、主にアノード側内部空間５０内の二酸化炭素等が外部空間に放出される。

以上のように、アノード側シール材５に燃料流路３２と外部空間とを連通可能に構成された圧力解放孔５１を設けることにより、アノード２２から発生した二酸化炭素を外部空間に容易に放出することができる。

（実施形態２）
本実施形態においては、圧力解放孔の他の態様の例を説明する。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。アノード側シール材に設けられた圧力解放孔は、内側開口から外部空間側の先端に至るまで一定の断面形状を有していてもよいが、可撓性蓋部が内側開口よりも外部空間に近い位置に設けられている場合には、内側開口から可撓性蓋部までの範囲において、可撓性蓋部側の端部における圧力解放孔の断面積が内側開口の開口面積よりも狭くなっていることが好ましい。このように、圧力解放孔における可撓性蓋部側の端部の断面積を狭くすることにより、アノード側内部空間の内圧が上昇した際に、可撓性蓋部に応力が集中しやすくなる。その結果、可撓性蓋部をより容易に変形させ、二酸化炭素をより容易にアノード側内部空間から外部空間へ排出することができる。

より具体的には、アノード側シール材５には、図４及び図５に示すように、アノード側内部空間５０に開口した内側開口５３１と、内側開口５３１よりも外部空間に近い位置に設けられた可撓性蓋部５３２とを備え、内側開口５３１から可撓性蓋部５３２側の端部に向かうにつれて断面積が狭くなるテーパ形状を有する圧力解放孔５３が設けられていてもよい。

図４及び図５に示す圧力解放孔５３は、四角形状の断面形状を有しており、内側開口５３１から可撓性蓋部５３２に近づくほど、アノード側セパレータ３からの深さと幅との両方が小さくなっている。また、可撓性蓋部５３２は、圧力解放孔５３における外部空間側の先端に設けられており、アノード側内部空間５０の内圧に応じて、アノード側内部空間５０と外部空間とが連通した連通状態と、アノード側内部空間５０が外部空間に対して閉鎖された閉鎖状態とを切り替えることができるように構成されている。

なお、図４及び図５においては、深さ及び幅の両方が可撓性蓋部５３２に近づくほど小さくなるテーパ形状の例を説明したが、圧力解放孔５３は、内側開口５３１から可撓性蓋部５３２までの全体に亘ってアノード側セパレータ３からの深さが一定であり、内側開口５３１から可撓性蓋部５３２に近づくほど幅が小さくなるテーパ形状（図示略）を有していてもよい。また、圧力解放孔５３は、内側開口５３１から可撓性蓋部５３２までの全体に亘って幅が一定であり、内側開口５３１から可撓性蓋部５３２に近づくほどアノード側セパレータ３からの深さが小さくなるテーパ形状（図示略）を有していてもよい。

また、アノード側シール材５には、図６及び図７に示すように、アノード側内部空間５０に開口した内側開口５４１と、内側開口５４１よりも外部空間に近い位置に設けられた可撓性蓋部５４２と、内側開口５４１から可撓性蓋部５４２側の端部までの間に設けられた１か所以上の段部５４３とを備え、段部５４３よりも可撓性蓋部５４２側の部分の断面積が段部５４３よりも内側開口５４１側の部分の断面積よりも狭くなるステップ形状を有する圧力解放孔５４が設けられていてもよい。

図６及び図７に示す圧力解放孔５４は、四角形状の断面形状を有しており、内側開口５４１から可撓性蓋部５４２までの間に１か所の段部５４３を有している。また、圧力解放孔５４は、内側開口５４１から可撓性蓋部５４２までの全体に亘って幅が一定であり、段部５４３よりも可撓性蓋部５４２側の部分におけるアノード側セパレータ３からの深さが、段部５４３よりも内側開口５４１側の部分における深さよりも浅くなっている。また、可撓性蓋部５４２は、圧力解放孔５４における外部空間側の先端に設けられており、アノード側内部空間５０の内圧に応じて、アノード側内部空間５０と外部空間とが連通した連通状態と、アノード側内部空間５０が外部空間に対して閉鎖された閉鎖状態とを切り替えることができるように構成されている。

なお、図６及び図７においては、幅が一定であり、段部５４３よりも可撓性蓋部５４２側の部分におけるアノード側セパレータ３からの深さが段部５４３よりも内側開口５４１側の部分における深さよりも浅いステップ形状の例を説明したが、圧力解放孔５４は、アノード側セパレータ３からの深さが一定であり、段部５４３よりも可撓性蓋部５４２側の部分における幅が段部５４３よりも内側開口５４１側の部分における幅よりも小さいステップ形状（図示略）を有していてもよい。また、圧力解放孔５４は、段部５４３よりも可撓性蓋部５４２側の部分における幅及び深さが段部５４３よりも内側開口５４１側の部分における幅及び深さよりも小さいステップ形状（図示略）を有していてもよい。

（実施形態３）
本実施形態においては、外部空間に対して常時開口した圧力解放孔を有する燃料電池１０２の例を説明する。本実施形態の燃料電池１０２は、図８に示すように、ＭＥＡ２と、アノード側セパレータ３と、カソード側セパレータ４と、アノード側シール材５と、カソード側シール材６と、を有している。燃料電池１０２におけるＭＥＡ２、アノード側セパレータ３、カソード側セパレータ４及びカソード側シール材６の構成は、それぞれ、実施形態１の燃料電池１における対応する部分の構成と同様である。

すなわち、ＭＥＡ２は、電解質膜２１と、電解質膜２１上に設けられたアノード２２及びカソード２３と、アノード２２上に設けられたアノード拡散層２４と、カソード２３上に設けられたカソード拡散層２５と、を有している。また、アノード２２の周囲の電解質膜２１はバリア材２６により覆われている。また、カソード側シール材６はＭＥＡ２の電解質膜２１とカソード側セパレータ４との間に介在している。

アノード側シール材５は、エラストマーから構成されており、図８に示すように、ＭＥＡ２の電解質膜２１とアノード側セパレータ３との間に設けられている。また、アノード側シール材５は、第１圧力解放孔５５と、第２圧力解放孔５６との２つの圧力解放孔を有している。

第１圧力解放孔５５は、実施形態１の圧力解放孔５１と同様に、アノード側シール材５とアノード側セパレータ３との間に設けられている。図には示さないが、第１圧力解放孔５５は、内側開口５５１から外部空間側の先端までの全体に亘って四角形状の断面形状を有している。図８及び図１０に示すように、第１圧力解放孔５５の外部空間側の先端には、アノード側シール材５と同一のエラストマーからなる可撓性蓋部５５２が設けられている。

第１圧力解放孔５５は、第２圧力解放孔５６を上方に向けた状態において、第２圧力解放孔５６よりも下方となる位置に設けられている。より具体的には、図１０に示すように、第１圧力解放孔５５は、アノード側シール材５における、第２圧力解放孔５６が設けられた辺に対して対向する辺に設けられている。また、第１圧力解放孔５５及び第２圧力解放孔５６は、それぞれ、アノード側シール材５の辺の中央に設けられている。それ故、第２圧力解放孔５６が上方を向くようにして燃料電池１０２を設置した場合、第１圧力解放孔５５は第２圧力解放孔５６の鉛直下方に配置される。

図９に示すように、第２圧力解放孔５６は、アノード側シール材５とアノード側セパレータ３との間に設けられている。図９及び図１０に示すように、第２圧力解放孔５６は、アノード側内部空間５０における、アノード２２とアノード側シール材５との隙間５００に開口した第２内側開口５６１と、外部空間に開口した第２外側開口５６２とを有している。つまり、本実施形態の燃料電池１０２においては、アノード側内部空間５０と外部空間とが第２圧力解放孔５６を介して常に連通している。また、第２圧力解放孔５６は、第２内側開口５６１から第２外側開口５６２までの全体に亘って四角形状の断面形状を有している。

本実施形態の燃料電池１０２におけるアノード側シール材５は、可撓性蓋部５５２を備えた第１圧力解放孔５５と、外部空間に開口した第２外側開口５６２を備えた第２圧力解放孔５６との２つの圧力解放孔を有しており、第１圧力解放孔５５は、第２圧力解放孔５６を上方に向けた状態において第２圧力解放孔５６よりも下方となる位置に配置されている。

燃料電池１０２の内部空間内に滞留した二酸化炭素は燃料よりも上方に浮上する。そのため、第１圧力解放孔５５及び第２圧力解放孔５６を有する燃料電池１０２においては、第２圧力解放孔５６が上方となるように燃料電池１０２を設置することにより、内部空間内に滞留した二酸化炭素を第２圧力解放孔５６からより容易に外部空間に排出することができる。また、例えばアノードから急激に二酸化炭素が発生し、内部空間の圧力が急上昇した場合であっても、第１圧力解放孔５５の可撓性蓋部５５２が変形することにより、第１圧力解放孔５５と第２圧力解放孔５６との両方から二酸化炭素を排出することができる。それ故、燃料電池１０２によれば、燃料の漏出を抑制しつつ、内部空間の圧力の過度の上昇をより確実に回避することができる。

本発明は上記各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において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、実施形態１～３においては、アノード側シール材５が単一のエラストマーから構成されている例を示したが、アノード側シール材５は、２種類以上のエラストマーから構成されていてもよい。より具体的には、アノード側シール材に、第１エラストマーからなるシール材基部と、第１エラストマーよりも弾性率の低い第２エラストマーからなる低弾性部とを設け、低弾性部に可撓性蓋部を備えた圧力解放孔を設ける構成が考えられる。このように、圧力解放孔の周辺を比較的弾性率の低い第２エラストマーから構成することにより、可撓性蓋部をより容易に変形させることができる。

１、１０２ 燃料電池
２ 膜電極接合体
２１ 電解質膜
２２ アノード
２３ カソード
３ アノード側セパレータ
４ カソード側セパレータ
５ アノード側シール材
５０ アノード側内部空間
５１ 圧力解放孔
５１１ 内側開口

Claims (10)

1. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面上に設けられたアノードと、前記電解質膜の他方の面上に設けられたカソードと、を有する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体における前記アノード上に設けられたアノード側セパレータと、
   前記膜電極接合体における前記カソード上に設けられたカソード側セパレータと、
   前記電解質膜と前記アノード側セパレータとの間に介在するアノード側シール材と、
   前記膜電極接合体と、前記アノード側シール材と、前記アノード側セパレータとによって囲まれたアノード側内部空間と、を有し、
   前記アノード側シール材は、前記アノード側内部空間及び外部空間のうち少なくとも一方に開口し、前記内部空間と外部空間とを連通可能に構成された圧力解放孔を有している、燃料電池。
2. 前記圧力解放孔は、可撓性を有する可撓性蓋部を有しており、前記可撓性蓋部は、前記アノード側内部空間と外部空間とが連通した解放状態と、前記アノード側内部空間が外部空間に対して閉鎖された閉鎖状態とを前記アノード側内部空間の内圧に応じて切り替え可能に構成されている、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記可撓性蓋部はエラストマーから構成されている、請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記圧力解放孔は前記アノード側内部空間に開口した内側開口を有しており、前記可撓性蓋部は前記内側開口よりも外部空間に近い位置に設けられており、前記内側開口から前記可撓性蓋部までの範囲において、前記可撓性蓋部側の端部における前記圧力解放孔の断面積が前記内側開口の開口面積よりも狭い、請求項２または３に記載の燃料電池。
5. 前記圧力解放孔は、前記内側開口から前記可撓性蓋部に近づくにつれて断面積が狭くなるテーパ形状を有している、請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記圧力解放孔は、前記内側開口から前記可撓性蓋部までの範囲に１か所以上の段部を有しており、前記段部よりも前記可撓性蓋部側の部分の断面積が当該段部よりも前記内側開口側の部分の断面積よりも狭くなるステップ形状を有している、請求項４に記載の燃料電池。
7. 前記アノード側シール材は、さらに、前記アノード側内部空間に開口した内側開口と外部空間に開口した外側開口とを備え、前記アノード側内部空間と外部空間とを連通する第２圧力解放孔を有しており、前記圧力解放孔は、前記第２圧力解放孔を上方に向けた状態において、前記第２圧力解放孔よりも下方となる位置に配置されている、請求項２～６のいずれか１項に記載の燃料電池。
8. 前記圧力解放孔は、前記膜電極接合体から離隔した位置に設けられている、請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池。
9. 前記圧力解放孔は、前記アノード側シール材と前記アノード側セパレータとの間に設けられている、請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記アノード側シール材はエラストマーから構成されている、請求項１～９のいずれか１項に記載の燃料電池。

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