JP3816369B2 - 電解質膜・電極構造体及び燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極で挟んでなる電解質膜・電極構造体及びこの電解質膜・電極構造体を一対のセパレータで挟持した燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、固体高分子電解質膜とその両側のアノード電極とカソード電極とで構成された電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータで挟持して燃料電池を構成し、この燃料電池を複数個積層し、燃料電池スタックを構成したものがある。
【０００３】
この一例を図５によって説明すると、この図において１は電解質膜・電極構造体を示し、この電解質膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜２と、その両側に設けた電極（アノード電極とカソード電極）３、４で構成されている。前記固体高分子電解質膜２は、その両側のアノード電極３とカソード電極４より平面寸法を大きく形成してあり、これらの電極３、４の外周に固体高分子電解質膜２がはみ出した構造となっている。この電解質膜・電極構造体１の両面には、一対のセパレータ５、６が配設されている。各セパレータ５、６同士の対向面周縁側にはシール部材７が配置され、このシール部材７により固体高分子電解質膜２を挟んでいる。さらに、この状態で両セパレータ５、６が電解質膜・電極構造体１を挟持することにより燃料電池８が構成され、この燃料電池８を複数積層することで燃料電池スタック１２が構成されている。なお、両セパレータ５、６には燃料ガスや酸化ガス、冷却媒体を供給するためのガス通路孔９、１０、冷却媒体通路孔１１が形成されている。
【０００４】
上記のように構成した燃料電池スタック１２においては、前記ガス通路孔９を通してアノード電極３の反応面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給すると、この反応面（触媒層）で水素がイオン化され、固体高分子電解質膜２を介してカソード電極４側に移動する。この間に生じた電子が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。カソード電極４においては前記ガス通路孔１０を通してカソード電極４の反応面に酸化ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。なお、前記冷却媒体通路孔１１には冷却水が供給され、これにより燃料電池８を一定以内の温度に抑制して発電させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電解質膜・電極構造体１においては、図５に示したように、電極３，４の端面が積層方向から見て同一位置に配されているため、この部分の固体高分子電解質膜２に過度に応力が集中するおそれがあった。特にアノード電極３とカソード電極４に供給される反応ガスに圧力差がある場合、固体高分子電解質膜２に応力が集中するおそれがあった。
【０００６】
また、従来の燃料電池スタック１２においては、電極３，４端面とシール部材７との位置が若干離れており、電極３，４端面とシール部材７との間でアノード側とカソード側とは、図５に示したように膜厚の薄い固体高分子電解質膜２により仕切られていた。したがって、この仕切り部分の固体高分子電解質膜２が破損した場合、アノード側とカソード側とでガスが混じり合うクロスリークが発生し、発電効率が低下するおそれがあった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、信頼性や耐久性を高めた電解質膜・電極構造体及び燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載した発明は、電解質膜（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜２２）を一対の電極（例えば、実施の形態におけるアノード電極２４、カソード電極２６）で挟んでなる電解質膜・電極構造体（例えば、実施の形態における電解質膜・電極構造体２０）であって、前記一対の電極のうち一方の電極（例えば、実施の形態におけるアノード電極２４）が、他方の電極（例えば、実施の形態におけるカソード電極２６）より大きな平面寸法に形成されているとともに、前記電解質膜が前記一対の電極からはみ出す平面寸法に形成され、前記電解質膜における前記一対の電極からはみ出した部分を、両側から挟み込むシール部材を設け、このシール部材の内側であって平面寸法の小さい方の電極の端面外側にもシール部材を設けて、このシール部材とこれに対向する平面寸法の大きい方の電極とで前記電解質膜を挟み込むことを特徴とする電解質膜・電極構造体である。
【０００９】
上記のように構成すると、電解質膜を挟む一対の電極のそれぞれの端面を、積層方向から見てずれた位置に設けることができる。これにより、それぞれの電極端面からの応力を電解質膜の同一箇所に集中させずに分散することができる。
また、上記のように電解質膜を内側（大きい方の電極の周縁部に接する部分）と外側（一対の電極からはみ出した部分）とを前記シール部材（シール部材３８、４０）にて挟み込むことにより、シール性を向上させることができる。すなわち、内側のシール部材に不具合が生じ、反応ガスが内側のシール部材から外側に漏れたとしても、その外側のアノード側とカソード側とは電解質膜で区画され、かつ、電解質膜のはみ出した部分がシールされているため、クロスリークの発生を防止することができる。また、電解質膜のはみ出した部分を挟み込む外側のシール部材に不具合が生じ、反応ガスが外側のシール部材から内側に流入したとしてもその内側の部分が上記した内側のシール部材と電極とで挟み込まれているため、クロスリークの発生を防止することができる。
【００１０】
請求項２に記載した発明は、電解質膜を一対の電極で挟んでなる電解質膜・電極構造体であって、前記一対の電極のうち一方の電極が、他方の電極より大きな平面寸法に形成されているとともに、前記電解質膜が前記一対の電極からはみ出す平面寸法に形成され、前記電解質膜における前記一対の電極からはみ出した部分を、両側から挟み込むシール部材が設けられ、前記一対の電極のうち平面寸法の大きい方の電極の周縁部が、シール部材（例えば、実施の形態におけるシール部材５２）で形成されるとともに、前記両側から挟み込むシール部材の内側であって平面寸法の小さい方の電極の端面外側にもシール部材を設けて、このシール部材とこれに対向する平面寸法の大きい方の電極の周縁部の前記シール部材とで前記電解質膜を挟み込むことを特徴とする電解質膜・電極構造体（例えば、実施の形態における電解質膜・電極構造体５０）である。
【００１１】
上記のように構成すると、電極同士が対向する発電面の面積を維持しつつ平面寸法の大きい方の電極の材料を減らすことができるため、発電効率を低下させることなく電極に必要な高価な材料を低減することができ、低コスト化を図ることができる。さらに、前記大きい方の電極端面から電極の外側に反応ガスが漏れるのを防止することができる。
この場合において、平面寸法の大きい方の電極の、前記内側のシール部材と対向する箇所にシール部材を設けたので、該シール部材と前記内側のシール部材で挟み込まれる電解質膜に対するシール性をさらに高めることができる。すなわち、前記電解質膜における前記内側のシール部材で挟まれる箇所からの反応ガスの流出や、この箇所への反応ガスの流入をさらに効果的に防止することができる。したがって、燃料電池の性能面での信頼性や運転時における耐久性を一層高めることができる。
【００１２】
請求項３に記載した発明は、前記電解質膜における前記一対の電極からはみ出した部分を平面寸法の大きい方の電極の端面外側でシールするシール部材（例えば、実施の形態におけるシール部材６６）は、前記平面寸法の大きい方の電極の内側方向に延在して、この電極の前記電解質膜側と逆側の面の周縁部に当接するとともに、この電極との当接部のうちの、平面寸法の小さい方の電極の端面外側の前記シール部材（例えば、実施の形態におけるシール部材４０）のシール用凸部（例えば、実施の形態における凸部４０ｂ）に対向する箇所に凸部（例えば、実施の形態における凸部６６ｂ）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電解質膜・電極構造体である。
【００１３】
請求項４に記載した発明は、前記電解質膜・電極構造体を一対のセパレータ（例えば、実施の形態におけるセパレータ３４，３６）で挟持した燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池３０）であって、前記一対のセパレータが、前記電解質膜と同じか又はより大きな平面寸法に形成されていることを特徴とする燃料電池である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態における電解質膜・電極構造体及び燃料電池を図面と共に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態における電解質膜・電極構造体及び燃料電池を示す要部断面図である。電解質膜・電極構造体２０は、固体高分子電解質膜２２と、この固体高分子電解質膜２２を挟んで配設されるアノード電極２４及びカソード電極２６とを有する。前記アノード電極２４及びカソード電極２６は、固体高分子電解質膜２２に当接する触媒層（図示せず）と、その外側のガス拡散層（図示せず）とで形成されている。前記触媒層は白金を主成分とする材料で形成され、前記ガス拡散層は多孔質層である多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーで形成されている。また、前記固体高分子電解質膜２２はペルフルオロスルホン酸ポリマー（フッ素系樹脂）で形成されている。なお、固体高分子電解質膜膜２２の材料としては、炭化水素系樹脂を主成分とするものを用いることもできる。
【００１６】
図２は本実施の形態における電解質膜・電極構造体２０を示す平面図である。図２に示すように、アノード電極２４は、カソード電極２６よりも大きな平面寸法に形成されている。そして、前記固体高分子電解質膜２２は、前記アノード電極２４や前記カソード電極２６よりも平面寸法を大きく形成されており、これらの電極２４、２６からはみ出している。本実施の形態においては、図２に示したように、アノード電極２４とカソード電極２６のそれぞれの端面が、積層方向から見てずれた位置に設けられている。これにより、それぞれの電極２４，２６端面からの応力が固体高分子電解質膜２２の同一箇所に集中せずに分散する。したがって、固体高分子電解質膜２２が前記電極２４，２６端面から受ける応力を低減でき、固体高分子電解質膜２２の保護を高めることができる。
【００１７】
また、アノード電極２４をカソード電極２６より平面寸法を大きくすることにより、前記固体高分子電解質膜２２が両方の電極２４，２６からはみ出した部分を小さくすることができる。これにより、固体高分子電解質膜２２のアノード電極２４に当接している箇所をアノード電極２４で補強することができるので、固体高分子電解質膜２２の厚み方向への保護を高めることができる。さらに、それぞれの電極２４，２６は固体高分子電解質膜２２よりも平面寸法が小さいため、高価な電極２４，２６の材料を低減できる。
【００１８】
上記した電解質膜・電極構造体２０を用いた燃料電池３０について説明する。図１に示したように、この燃料電池３０は前記電解質膜・電極構造体２０とこれを挟持する一対のセパレータ３４、３６を備えている。前記燃料電池３０を複数積層することで燃料電池スタック３２が構成される。なお、前記セパレータ３４，３６には、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を流通させるための流路溝が形成されているが、従来とほぼ同様であるため、図示と説明を省略する。また、図１の４２は積層方向に隣接するセパレータ３４、３６間に形成される冷却流路をシールするシール部材を示しているが、これについても説明を省略する。
【００１９】
本実施の形態においては、セパレータ３４，３６が電解質膜・電極構造体２０よりも大きな平面寸法に形成されている。このため、以下に説明するように、カソード電極２６の外側にシール部材４０を設けるとともに、アノード電極２４の外側にシール部材３８を設けることができる。前記シール部材３８は断面凸状に形成され、凸部３８ａを備えている。また、前記シール部材４０は前記シール部材３８と同様に凸部４０ａを備えるとともに、その内側にも凸部４０ｂを備えている。これらのシール部材３８、４０の凸部３８ａ、４０ａは固体高分子電解質膜２２のはみ出し面（電極２４、２６からはみ出した面）を両側から圧接して、固体高分子電解質膜２２のシールを行っている。さらに、シール部材４０の凸部４０ｂはさらに内側の固体高分子電解質膜２２を圧接して、該凸部４０ｂと対向するアノード電極２４の周縁部とで固体高分子電解質膜２２を挟み込んでいる。
【００２０】
このように固体高分子電解質膜２２を内側（アノード電極２４の周縁部に接する部分）と外側（アノード電極２４及びカソード電極２６からはみ出した部分）とで挟み込むことにより、シール性を向上させることができる。すなわち、シール部材４０の凸部４０ｂに不具合が生じ、反応ガスがこの凸部４０ｂから外側に漏れたとしても、その外側のアノード側とカソード側とは固体高分子電解質膜２２のはみ出した面で区画され、かつ、固体高分子電解質膜２２のはみ出した部分がシール部材３８、４０の凸部３８ａ、４０ａでシールされているため、クロスリークの発生を防止することができる。また、固体高分子電解質膜２２のはみ出した部分を挟み込む外側のシール部材３８，４０の凸部３８ａ、４０ａに不具合が生じ、反応ガスがこの凸部３８ａ、４０ａから内側に流入したとしても、その内側の部分が上記したシール部材４０の凸部４０ｂとアノード電極２４とで挟み込まれているため、クロスリークの発生を防止することができる。
【００２１】
また、本実施の形態においては、平面寸法の大きい方の電極、すなわちアノード電極２４側のセパレータ３４に凸部３４ａを設けている。この凸部３４ａがアノード電極２４の周縁部に当接することで、アノード電極２４の周縁部を支持かつ補強するとともに、シール部材３８の凸部３８ａの高さ（矢印Ｐ）とシール部材４０の凸部４０ａの高さ（矢印Ｑ）が同一となるように調整している。このように、高さの等しいシール部材３８，４０を用いることで、固体高分子電解質膜２２を挟み込むシール部材３８，４０の接触面積の均等化を図ることができ、シール性を高めることができる。加えて、前記セパレータ３４の凸部３４ａとシール部材３８とにより、固体高分子電解質膜２２が折れ曲がらずに平坦に維持されるため、シール部材４０の外側の凸部４０ａの高さ（矢印Ｑ）と、内側の凸部４０ｂの高さ（矢印Ｒ）とを同一にすることができ、シール性を高めることができる。
【００２２】
また、図１に示したように、固体高分子電解質膜２２の両側に配されるアノード電極２４，カソード電極２６の平面寸法を異ならるともに、固体高分子電解質膜２２をこれらの電極２４、２６からはみ出させているため、これらの電極２４，２６の端面同士が固体高分子電解質膜２２を介して離間した位置に設けられる。このため、電極２４，２６にそれぞれ供給される反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）がこれらの電極２４、２６の端面付近で混合するおそれを低減できるとともに、これらの電極２４、２６の端面同士が電気的に短絡するおそれを低減できる。
【００２３】
なお、このような燃料電池２０に発電させる際には、平面寸法の小さい方の電極、すなわちカソード電極２６に供給する酸化剤ガスの圧力を、平面寸法の大きい方の電極、すなわちアノード電極２４に供給する燃料ガスよりも高い圧力となるように設定することが好ましい。このようにすると、固体高分子電解質膜２２のカソード電極２６からはみ出した面には、高い圧力の酸化剤ガスが供給され、この酸化剤ガスが固体高分子電解質膜２２のカソード電極２６からはみ出した面を押圧する。これにより、固体高分子電解質膜２２とアノード電極２４とが密着するように作用するため、固体高分子電解質膜２２をアノード電極２４で確実に厚み方向に補強することができ、固体高分子電解質膜２２の保護がより高まる。なお、本実施の形態においては、シール部材４０は内側の凸部４０ｂと外側の凸部４０ａを備えているが、これに限らず、それぞれの凸部４０ａ、４０ｂを別々のシール部材で形成してもよい。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施の形態における電解質膜・電極構造体について説明する。図３は本発明の第２の実施の形態における電解質膜・電極構造体５０及び燃料電池６０の断面図である。前記燃料電池６０を複数積層することで燃料電池スタック６１が構成される。本実施の形態は、平面寸法の大きい方の電極２４の周縁部を、例えばゴム材からなる額状のシール部材５２に置き換えた点が第１の実施の形態と異なるものである。このようにしても、固体高分子電解質膜２２を挟み込むアノード電極２４とカソード電極２６とが対向する部分（発電面）の面積を低減させずにすむため、発電効率を前実施の形態と同程度に維持するとともに、高価な電極２４の材料を低減することができ、低コスト化を図ることができるという効果がある。さらに、固体高分子電解質膜２２の内側の部分をシール部材５２と前記シール部材４０の凸部４０ｂとで挟み込むため、固体高分子電解質膜２２の前記シール部材５２，４０で挟み込まれた箇所からの反応ガスの流出や、この箇所への反応ガスの流入をさらに効果的に防止することができる。したがって、燃料電池６０の性能面での信頼性や運転時における耐久性を一層高めることができる。また、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、固体高分子電解質膜２２が前記電極２４，２６端面から受ける応力を分散させて低減できる。そして、第１の実施の形態と同様に、前記固体高分子電解質膜２２が一対の電極２４，２６からはみ出した部分を小さくすることができるため、固体高分子電解質膜２２の厚み方向への保護を高めることができる。さらに、第１の実施の形態と同様に、それぞれの電極２４，２６は固体高分子電解質膜２２よりも平面寸法が小さいため、高価な電極２４，２６の材料を低減できる。
【００２５】
本発明の第３の実施の形態における電解質膜・電極構造体及び燃料電池について説明する。図４は本発明の第３の実施の形態における電解質膜・電極構造体２０及び燃料電池７０の断面図である。前記燃料電池７０を複数積層することで燃料電池スタック７２が構成される。本実施の形態においては、セパレータにはステンレススチールなどからなる金属製セパレータ６２，６４を用いている点が第１の実施の形態と異なるものである。このようにすると、セパレータ６２，６４の厚みをさらに薄くすることができ、燃料電池７０の小型化を図ることができる。
【００２６】
また、本実施の形態におけるシール部材６６は外周側に凸部６６ａを備えており、この凸部６６ａと前記シール部材４０の凸部４０ａとで固体高分子電解質膜２２のはみ出し面を両側から圧接して、固体高分子電解質膜２２のシールを行っている。さらに、シール部材６６は内側に延在してなり、このシール部材６６の内周側をアノード電極２４の下面周縁部に当接させている。これにより、アノード電極２４の周縁部をシール部材６６で厚み方向に補強するとともに、シール部材６６の凸部６６ａの高さ（矢印Ｓ）とシール部材４０の凸部４０ａの高さ（矢印Ｑ）が同一となるように調整することができる。このように、本実施の形態においては、セパレータ６２，６４を切削加工することなく、成形の容易なシール部材６６で前記凸部６６ａ、４０ａ同士の高さを調整しているため、製造工程が容易となる。また、前記シール部材６６は、前記シール部材４０の凸部４０ｂに対向する箇所に若干の凸部６６ｂを設けている。これにより、固体高分子電解質膜２２をシール部材６６、４０で挟み込む際に、凸部６６ｂ付近で面圧が略均等となるようにすることができる。なお、この凸部６６ｂは上述した効果を奏するため好ましいが、必ずしも設ける必要は無い。また、６８は冷却面シール部材を示している。
【００２７】
本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、固体高分子電解質膜２２が前記電極２４，２６端面から受ける応力を分散させて低減できる。そして、第１の実施の形態と同様に、前記固体高分子電解質膜２２が一対の電極２４，２６からはみ出した部分を小さくすることができるため、固体高分子電解質膜２２の厚み方向への保護を高めることができる。さらに、第１の実施の形態と同様に、それぞれの電極２４，２６は固体高分子電解質膜２２よりも平面寸法が小さいため、高価な電極２４，２６の材料を低減できる。なお、シール部材４０、６６は、セパレータ６２，６４に一体成型することが好ましいがこれに限らない。また、この実施の形態においても、前実施の形態と同様に平面寸法の大きい方の電極２４の周縁部を額状のシール部材５２で置き換えてもよい。
【００２８】
以上の実施の形態においては、アノード電極２４の平面寸法をカソード電極２６よりも大きくした場合について説明したが、これに限らず、アノード電極２４の平面寸法をカソード電極２６よりも小さくしてもよい。また、燃料電池を複数積層して燃料電池スタックを構成した場合について説明したが、これに限らず燃料電池単体で用いる場合にも本発明が適用できることはもちろんである。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、電解質膜が電極端面から受ける応力を低減することができるとともに、一方の電極を他方の電極より平面寸法を大きくすることにより前記電解質膜が一対の電極からはみ出した部分を小さくすることができ、電解質膜を厚み方向に補強することができるため、電解質膜の保護を高めることができる。さらに、それぞれの電極は電解質膜よりも平面寸法が小さいため、高価な電極の材料を低減できる。
電解質膜の一対の電極からはみ出した部分を、両側から挟み込むシール部材を設けるとともに、このシール部材の内側であって平面寸法の小さい方の電極の端面外側にシール部材を設けて、このシール部材とこれに対向する平面寸法の大きい方の電極とで電解質膜を挟み込むようにしたため、電解質膜を間に挟むその両側の電極間のシール性を向上させ、クロスリークの発生を防止することができる。
【００３０】
請求項２に記載した発明によれば、電極同士が対向してなる発電面の面積を維持しつつ平面寸法の大きい方の電極の材料を減らすことができるため、発電効率を低下させることなく電極に必要な高価な材料を低減することができ、低コスト化を図ることができる。さらに、前記大きい方の電極をシール部材によりシールすることができる。
【００３１】
請求項３に記載の発明によれば、平面寸法の大きい方の電極の電解質膜側と逆側の面の周縁部に当接するシール部材を設け、そのシール部材のうちの、平面寸法の小さい方の電極の端面外側のシール部材のシール用凸部に対向する箇所に凸部を設けたため、電解質膜の表裏の凸部付近での面圧を略均等にしてシール性をより高めることができる。
請求項４に記載した発明によれば、電解質膜を内側（大きい方の電極の周縁部に接する部分）と外側（電解質膜のはみ出した部分）とで挟み込むことにより、電解質膜に対するシール性を向上させることができる。また、平面寸法の大きい方の電極の周縁部がシール部材である場合には、電解質膜に対するシール性をさらに高めることができるため、燃料電池の性能面での信頼性や運転時における耐久性を一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の第１の実施の形態における電解質膜・電極構造体及び燃料電池を示す要部断面図である。
【図２】 図２は本発明の第１の実施の形態における電解質膜・電極構造体を示す平面図である。
【図３】 図３は本発明の第２の実施の形態における電解質膜・電極構造体及び燃料電池を示す要部断面図である。
【図４】 図４は本発明の第３の実施の形態における電解質膜・電極構造体及び燃料電池を示す要部断面図である。
【図５】 図５は従来の電解質膜・電極構造体及び燃料電池を示す断面図である。
【符号の説明】
２０ 電解質膜・電極構造体
２２ 固体高分子電解質膜
２４ アノード電極
２６ カソード電極
３０ 燃料電池
３４、３６ セパレータ
３８、４０、４２ シール部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極で挟んでなる電解質膜・電極構造体及びこの電解質膜・電極構造体を一対のセパレータで挟持した燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、固体高分子電解質膜とその両側のアノード電極とカソード電極とで構成された電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータで挟持して燃料電池を構成し、この燃料電池を複数個積層し、燃料電池スタックを構成したものがある。
【０００３】
この一例を図５によって説明すると、この図において１は電解質膜・電極構造体を示し、この電解質膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜２と、その両側に設けた電極（アノード電極とカソード電極）３、４で構成されている。前記固体高分子電解質膜２は、その両側のアノード電極３とカソード電極４より平面寸法を大きく形成してあり、これらの電極３、４の外周に固体高分子電解質膜２がはみ出した構造となっている。この電解質膜・電極構造体１の両面には、一対のセパレータ５、６が配設されている。各セパレータ５、６同士の対向面周縁側にはシール部材７が配置され、このシール部材７により固体高分子電解質膜２を挟んでいる。さらに、この状態で両セパレータ５、６が電解質膜・電極構造体１を挟持することにより燃料電池８が構成され、この燃料電池８を複数積層することで燃料電池スタック１２が構成されている。なお、両セパレータ５、６には燃料ガスや酸化ガス、冷却媒体を供給するためのガス通路孔９、１０、冷却媒体通路孔１１が形成されている。
【０００４】
上記のように構成した燃料電池スタック１２においては、前記ガス通路孔９を通してアノード電極３の反応面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給すると、この反応面（触媒層）で水素がイオン化され、固体高分子電解質膜２を介してカソード電極４側に移動する。この間に生じた電子が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。カソード電極４においては前記ガス通路孔１０を通してカソード電極４の反応面に酸化ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。なお、前記冷却媒体通路孔１１には冷却水が供給され、これにより燃料電池８を一定以内の温度に抑制して発電させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電解質膜・電極構造体１においては、図５に示したように、電極３，４の端面が積層方向から見て同一位置に配されているため、この部分の固体高分子電解質膜２に過度に応力が集中するおそれがあった。特にアノード電極３とカソード電極４に供給される反応ガスに圧力差がある場合、固体高分子電解質膜２に応力が集中するおそれがあった。
【０００６】
また、従来の燃料電池スタック１２においては、電極３，４端面とシール部材７との位置が若干離れており、電極３，４端面とシール部材７との間でアノード側とカソード側とは、図５に示したように膜厚の薄い固体高分子電解質膜２により仕切られていた。したがって、この仕切り部分の固体高分子電解質膜２が破損した場合、アノード側とカソード側とでガスが混じり合うクロスリークが発生し、発電効率が低下するおそれがあった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、信頼性や耐久性を高めた電解質膜・電極構造体及び燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載した発明は、電解質膜（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜２２）を一対の電極（例えば、実施の形態におけるアノード電極２４、カソード電極２６）で挟んでなる電解質膜・電極構造体（例えば、実施の形態における電解質膜・電極構造体２０）であって、前記一対の電極のうち一方の電極（例えば、実施の形態におけるアノード電極２４）が、他方の電極（例えば、実施の形態におけるカソード電極２６）より大きな平面寸法に形成されているとともに、前記電解質膜が前記一対の電極からはみ出す平面寸法に形成され、前記電解質膜における前記一対の電極からはみ出した部分を、両側から挟み込むシール部材を設け、このシール部材の内側であって平面寸法の小さい方の電極の端面外側にもシール部材を設けて、このシール部材とこれに対向する平面寸法の大きい方の電極とで前記電解質膜を挟み込むことを特徴とする電解質膜・電極構造体である。
【０００９】
上記のように構成すると、電解質膜を挟む一対の電極のそれぞれの端面を、積層方向から見てずれた位置に設けることができる。これにより、それぞれの電極端面からの応力を電解質膜の同一箇所に集中させずに分散することができる。
また、上記のように電解質膜を内側（大きい方の電極の周縁部に接する部分）と外側（一対の電極からはみ出した部分）とを前記シール部材（シール部材３８、４０）にて挟み込むことにより、シール性を向上させることができる。すなわち、内側のシール部材に不具合が生じ、反応ガスが内側のシール部材から外側に漏れたとしても、その外側のアノード側とカソード側とは電解質膜で区画され、かつ、電解質膜のはみ出した部分がシールされているため、クロスリークの発生を防止することができる。また、電解質膜のはみ出した部分を挟み込む外側のシール部材に不具合が生じ、反応ガスが外側のシール部材から内側に流入したとしてもその内側の部分が上記した内側のシール部材と電極とで挟み込まれているため、クロスリークの発生を防止することができる。
【００１０】
請求項２に記載した発明は、電解質膜を一対の電極で挟んでなる電解質膜・電極構造体であって、前記一対の電極のうち一方の電極が、他方の電極より大きな平面寸法に形成されているとともに、前記電解質膜が前記一対の電極からはみ出す平面寸法に形成され、前記電解質膜における前記一対の電極からはみ出した部分を、両側から挟み込むシール部材が設けられ、前記一対の電極のうち平面寸法の大きい方の電極の周縁部が、シール部材（例えば、実施の形態におけるシール部材５２）で形成されるとともに、前記両側から挟み込むシール部材の内側であって平面寸法の小さい方の電極の端面外側にもシール部材を設けて、このシール部材とこれに対向する平面寸法の大きい方の電極の周縁部の前記シール部材とで前記電解質膜を挟み込むことを特徴とする電解質膜・電極構造体（例えば、実施の形態における電解質膜・電極構造体５０）である。
【００１１】
上記のように構成すると、電極同士が対向する発電面の面積を維持しつつ平面寸法の大きい方の電極の材料を減らすことができるため、発電効率を低下させることなく電極に必要な高価な材料を低減することができ、低コスト化を図ることができる。さらに、前記大きい方の電極端面から電極の外側に反応ガスが漏れるのを防止することができる。
この場合において、平面寸法の大きい方の電極の、前記内側のシール部材と対向する箇所にシール部材を設けたので、該シール部材と前記内側のシール部材で挟み込まれる電解質膜に対するシール性をさらに高めることができる。すなわち、前記電解質膜における前記内側のシール部材で挟まれる箇所からの反応ガスの流出や、この箇所への反応ガスの流入をさらに効果的に防止することができる。したがって、燃料電池の性能面での信頼性や運転時における耐久性を一層高めることができる。
【００１２】
請求項３に記載した発明は、前記電解質膜における前記一対の電極からはみ出した部分を平面寸法の大きい方の電極の端面外側でシールするシール部材（例えば、実施の形態におけるシール部材６６）は、前記平面寸法の大きい方の電極の内側方向に延在して、この電極の前記電解質膜側と逆側の面の周縁部に当接するとともに、この電極との当接部のうちの、平面寸法の小さい方の電極の端面外側の前記シール部材（例えば、実施の形態におけるシール部材４０）のシール用凸部（例えば、実施の形態における凸部４０ｂ）に対向する箇所に凸部（例えば、実施の形態における凸部６６ｂ）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電解質膜・電極構造体である。
【００１３】
請求項４に記載した発明は、前記電解質膜・電極構造体を一対のセパレータ（例えば、実施の形態におけるセパレータ３４，３６）で挟持した燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池３０）であって、前記一対のセパレータが、前記電解質膜と同じか又はより大きな平面寸法に形成されていることを特徴とする燃料電池である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態における電解質膜・電極構造体及び燃料電池を図面と共に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態における電解質膜・電極構造体及び燃料電池を示す要部断面図である。電解質膜・電極構造体２０は、固体高分子電解質膜２２と、この固体高分子電解質膜２２を挟んで配設されるアノード電極２４及びカソード電極２６とを有する。前記アノード電極２４及びカソード電極２６は、固体高分子電解質膜２２に当接する触媒層（図示せず）と、その外側のガス拡散層（図示せず）とで形成されている。前記触媒層は白金を主成分とする材料で形成され、前記ガス拡散層は多孔質層である多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーで形成されている。また、前記固体高分子電解質膜２２はペルフルオロスルホン酸ポリマー（フッ素系樹脂）で形成されている。なお、固体高分子電解質膜膜２２の材料としては、炭化水素系樹脂を主成分とするものを用いることもできる。
【００１６】
図２は本実施の形態における電解質膜・電極構造体２０を示す平面図である。図２に示すように、アノード電極２４は、カソード電極２６よりも大きな平面寸法に形成されている。そして、前記固体高分子電解質膜２２は、前記アノード電極２４や前記カソード電極２６よりも平面寸法を大きく形成されており、これらの電極２４、２６からはみ出している。本実施の形態においては、図２に示したように、アノード電極２４とカソード電極２６のそれぞれの端面が、積層方向から見てずれた位置に設けられている。これにより、それぞれの電極２４，２６端面からの応力が固体高分子電解質膜２２の同一箇所に集中せずに分散する。したがって、固体高分子電解質膜２２が前記電極２４，２６端面から受ける応力を低減でき、固体高分子電解質膜２２の保護を高めることができる。
【００１７】
また、アノード電極２４をカソード電極２６より平面寸法を大きくすることにより、前記固体高分子電解質膜２２が両方の電極２４，２６からはみ出した部分を小さくすることができる。これにより、固体高分子電解質膜２２のアノード電極２４に当接している箇所をアノード電極２４で補強することができるので、固体高分子電解質膜２２の厚み方向への保護を高めることができる。さらに、それぞれの電極２４，２６は固体高分子電解質膜２２よりも平面寸法が小さいため、高価な電極２４，２６の材料を低減できる。
【００１８】
上記した電解質膜・電極構造体２０を用いた燃料電池３０について説明する。図１に示したように、この燃料電池３０は前記電解質膜・電極構造体２０とこれを挟持する一対のセパレータ３４、３６を備えている。前記燃料電池３０を複数積層することで燃料電池スタック３２が構成される。なお、前記セパレータ３４，３６には、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を流通させるための流路溝が形成されているが、従来とほぼ同様であるため、図示と説明を省略する。また、図１の４２は積層方向に隣接するセパレータ３４、３６間に形成される冷却流路をシールするシール部材を示しているが、これについても説明を省略する。
【００１９】
本実施の形態においては、セパレータ３４，３６が電解質膜・電極構造体２０よりも大きな平面寸法に形成されている。このため、以下に説明するように、カソード電極２６の外側にシール部材４０を設けるとともに、アノード電極２４の外側にシール部材３８を設けることができる。前記シール部材３８は断面凸状に形成され、凸部３８ａを備えている。また、前記シール部材４０は前記シール部材３８と同様に凸部４０ａを備えるとともに、その内側にも凸部４０ｂを備えている。これらのシール部材３８、４０の凸部３８ａ、４０ａは固体高分子電解質膜２２のはみ出し面（電極２４、２６からはみ出した面）を両側から圧接して、固体高分子電解質膜２２のシールを行っている。さらに、シール部材４０の凸部４０ｂはさらに内側の固体高分子電解質膜２２を圧接して、該凸部４０ｂと対向するアノード電極２４の周縁部とで固体高分子電解質膜２２を挟み込んでいる。
【００２０】
このように固体高分子電解質膜２２を内側（アノード電極２４の周縁部に接する部分）と外側（アノード電極２４及びカソード電極２６からはみ出した部分）とで挟み込むことにより、シール性を向上させることができる。すなわち、シール部材４０の凸部４０ｂに不具合が生じ、反応ガスがこの凸部４０ｂから外側に漏れたとしても、その外側のアノード側とカソード側とは固体高分子電解質膜２２のはみ出した面で区画され、かつ、固体高分子電解質膜２２のはみ出した部分がシール部材３８、４０の凸部３８ａ、４０ａでシールされているため、クロスリークの発生を防止することができる。また、固体高分子電解質膜２２のはみ出した部分を挟み込む外側のシール部材３８，４０の凸部３８ａ、４０ａに不具合が生じ、反応ガスがこの凸部３８ａ、４０ａから内側に流入したとしても、その内側の部分が上記したシール部材４０の凸部４０ｂとアノード電極２４とで挟み込まれているため、クロスリークの発生を防止することができる。
【００２１】
また、本実施の形態においては、平面寸法の大きい方の電極、すなわちアノード電極２４側のセパレータ３４に凸部３４ａを設けている。この凸部３４ａがアノード電極２４の周縁部に当接することで、アノード電極２４の周縁部を支持かつ補強するとともに、シール部材３８の凸部３８ａの高さ（矢印Ｐ）とシール部材４０の凸部４０ａの高さ（矢印Ｑ）が同一となるように調整している。このように、高さの等しいシール部材３８，４０を用いることで、固体高分子電解質膜２２を挟み込むシール部材３８，４０の接触面積の均等化を図ることができ、シール性を高めることができる。加えて、前記セパレータ３４の凸部３４ａとシール部材３８とにより、固体高分子電解質膜２２が折れ曲がらずに平坦に維持されるため、シール部材４０の外側の凸部４０ａの高さ（矢印Ｑ）と、内側の凸部４０ｂの高さ（矢印Ｒ）とを同一にすることができ、シール性を高めることができる。
【００２２】
また、図１に示したように、固体高分子電解質膜２２の両側に配されるアノード電極２４，カソード電極２６の平面寸法を異ならるともに、固体高分子電解質膜２２をこれらの電極２４、２６からはみ出させているため、これらの電極２４，２６の端面同士が固体高分子電解質膜２２を介して離間した位置に設けられる。このため、電極２４，２６にそれぞれ供給される反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）がこれらの電極２４、２６の端面付近で混合するおそれを低減できるとともに、これらの電極２４、２６の端面同士が電気的に短絡するおそれを低減できる。
【００２３】
なお、このような燃料電池２０に発電させる際には、平面寸法の小さい方の電極、すなわちカソード電極２６に供給する酸化剤ガスの圧力を、平面寸法の大きい方の電極、すなわちアノード電極２４に供給する燃料ガスよりも高い圧力となるように設定することが好ましい。このようにすると、固体高分子電解質膜２２のカソード電極２６からはみ出した面には、高い圧力の酸化剤ガスが供給され、この酸化剤ガスが固体高分子電解質膜２２のカソード電極２６からはみ出した面を押圧する。これにより、固体高分子電解質膜２２とアノード電極２４とが密着するように作用するため、固体高分子電解質膜２２をアノード電極２４で確実に厚み方向に補強することができ、固体高分子電解質膜２２の保護がより高まる。なお、本実施の形態においては、シール部材４０は内側の凸部４０ｂと外側の凸部４０ａを備えているが、これに限らず、それぞれの凸部４０ａ、４０ｂを別々のシール部材で形成してもよい。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施の形態における電解質膜・電極構造体について説明する。図３は本発明の第２の実施の形態における電解質膜・電極構造体５０及び燃料電池６０の断面図である。前記燃料電池６０を複数積層することで燃料電池スタック６１が構成される。本実施の形態は、平面寸法の大きい方の電極２４の周縁部を、例えばゴム材からなる額状のシール部材５２に置き換えた点が第１の実施の形態と異なるものである。このようにしても、固体高分子電解質膜２２を挟み込むアノード電極２４とカソード電極２６とが対向する部分（発電面）の面積を低減させずにすむため、発電効率を前実施の形態と同程度に維持するとともに、高価な電極２４の材料を低減することができ、低コスト化を図ることができるという効果がある。さらに、固体高分子電解質膜２２の内側の部分をシール部材５２と前記シール部材４０の凸部４０ｂとで挟み込むため、固体高分子電解質膜２２の前記シール部材５２，４０で挟み込まれた箇所からの反応ガスの流出や、この箇所への反応ガスの流入をさらに効果的に防止することができる。したがって、燃料電池６０の性能面での信頼性や運転時における耐久性を一層高めることができる。また、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、固体高分子電解質膜２２が前記電極２４，２６端面から受ける応力を分散させて低減できる。そして、第１の実施の形態と同様に、前記固体高分子電解質膜２２が一対の電極２４，２６からはみ出した部分を小さくすることができるため、固体高分子電解質膜２２の厚み方向への保護を高めることができる。さらに、第１の実施の形態と同様に、それぞれの電極２４，２６は固体高分子電解質膜２２よりも平面寸法が小さいため、高価な電極２４，２６の材料を低減できる。
【００２５】
本発明の第３の実施の形態における電解質膜・電極構造体及び燃料電池について説明する。図４は本発明の第３の実施の形態における電解質膜・電極構造体２０及び燃料電池７０の断面図である。前記燃料電池７０を複数積層することで燃料電池スタック７２が構成される。本実施の形態においては、セパレータにはステンレススチールなどからなる金属製セパレータ６２，６４を用いている点が第１の実施の形態と異なるものである。このようにすると、セパレータ６２，６４の厚みをさらに薄くすることができ、燃料電池７０の小型化を図ることができる。
【００２６】
また、本実施の形態におけるシール部材６６は外周側に凸部６６ａを備えており、この凸部６６ａと前記シール部材４０の凸部４０ａとで固体高分子電解質膜２２のはみ出し面を両側から圧接して、固体高分子電解質膜２２のシールを行っている。さらに、シール部材６６は内側に延在してなり、このシール部材６６の内周側をアノード電極２４の下面周縁部に当接させている。これにより、アノード電極２４の周縁部をシール部材６６で厚み方向に補強するとともに、シール部材６６の凸部６６ａの高さ（矢印Ｓ）とシール部材４０の凸部４０ａの高さ（矢印Ｑ）が同一となるように調整することができる。このように、本実施の形態においては、セパレータ６２，６４を切削加工することなく、成形の容易なシール部材６６で前記凸部６６ａ、４０ａ同士の高さを調整しているため、製造工程が容易となる。また、前記シール部材６６は、前記シール部材４０の凸部４０ｂに対向する箇所に若干の凸部６６ｂを設けている。これにより、固体高分子電解質膜２２をシール部材６６、４０で挟み込む際に、凸部６６ｂ付近で面圧が略均等となるようにすることができる。なお、この凸部６６ｂは上述した効果を奏するため好ましいが、必ずしも設ける必要は無い。また、６８は冷却面シール部材を示している。
【００２７】
本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、固体高分子電解質膜２２が前記電極２４，２６端面から受ける応力を分散させて低減できる。そして、第１の実施の形態と同様に、前記固体高分子電解質膜２２が一対の電極２４，２６からはみ出した部分を小さくすることができるため、固体高分子電解質膜２２の厚み方向への保護を高めることができる。さらに、第１の実施の形態と同様に、それぞれの電極２４，２６は固体高分子電解質膜２２よりも平面寸法が小さいため、高価な電極２４，２６の材料を低減できる。なお、シール部材４０、６６は、セパレータ６２，６４に一体成型することが好ましいがこれに限らない。また、この実施の形態においても、前実施の形態と同様に平面寸法の大きい方の電極２４の周縁部を額状のシール部材５２で置き換えてもよい。
【００２８】
以上の実施の形態においては、アノード電極２４の平面寸法をカソード電極２６よりも大きくした場合について説明したが、これに限らず、アノード電極２４の平面寸法をカソード電極２６よりも小さくしてもよい。また、燃料電池を複数積層して燃料電池スタックを構成した場合について説明したが、これに限らず燃料電池単体で用いる場合にも本発明が適用できることはもちろんである。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、電解質膜が電極端面から受ける応力を低減することができるとともに、一方の電極を他方の電極より平面寸法を大きくすることにより前記電解質膜が一対の電極からはみ出した部分を小さくすることができ、電解質膜を厚み方向に補強することができるため、電解質膜の保護を高めることができる。さらに、それぞれの電極は電解質膜よりも平面寸法が小さいため、高価な電極の材料を低減できる。
電解質膜の一対の電極からはみ出した部分を、両側から挟み込むシール部材を設けるとともに、このシール部材の内側であって平面寸法の小さい方の電極の端面外側にシール部材を設けて、このシール部材とこれに対向する平面寸法の大きい方の電極とで電解質膜を挟み込むようにしたため、電解質膜を間に挟むその両側の電極間のシール性を向上させ、クロスリークの発生を防止することができる。
【００３０】
請求項２に記載した発明によれば、電極同士が対向してなる発電面の面積を維持しつつ平面寸法の大きい方の電極の材料を減らすことができるため、発電効率を低下させることなく電極に必要な高価な材料を低減することができ、低コスト化を図ることができる。さらに、前記大きい方の電極をシール部材によりシールすることができる。
【００３１】
請求項３に記載の発明によれば、平面寸法の大きい方の電極の電解質膜側と逆側の面の周縁部に当接するシール部材を設け、そのシール部材のうちの、平面寸法の小さい方の電極の端面外側のシール部材のシール用凸部に対向する箇所に凸部を設けたため、電解質膜の表裏の凸部付近での面圧を略均等にしてシール性をより高めることができる。
請求項４に記載した発明によれば、電解質膜を内側（大きい方の電極の周縁部に接する部分）と外側（電解質膜のはみ出した部分）とで挟み込むことにより、電解質膜に対するシール性を向上させることができる。また、平面寸法の大きい方の電極の周縁部がシール部材である場合には、電解質膜に対するシール性をさらに高めることができるため、燃料電池の性能面での信頼性や運転時における耐久性を一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の第１の実施の形態における電解質膜・電極構造体及び燃料電池を示す要部断面図である。
【図２】 図２は本発明の第１の実施の形態における電解質膜・電極構造体を示す平面図である。
【図３】 図３は本発明の第２の実施の形態における電解質膜・電極構造体及び燃料電池を示す要部断面図である。
【図４】 図４は本発明の第３の実施の形態における電解質膜・電極構造体及び燃料電池を示す要部断面図である。
【図５】 図５は従来の電解質膜・電極構造体及び燃料電池を示す断面図である。
【符号の説明】
２０ 電解質膜・電極構造体
２２ 固体高分子電解質膜
２４ アノード電極
２６ カソード電極
３０ 燃料電池
３４、３６ セパレータ
３８、４０、４２ シール部材
Claims (4)
- 電解質膜を一対の電極で挟んでなる電解質膜・電極構造体であって、
前記一対の電極のうち一方の電極が、他方の電極より大きな平面寸法に形成されているとともに、
前記電解質膜が前記一対の電極からはみ出す平面寸法に形成され、
前記電解質膜における前記一対の電極からはみ出した部分を、両側から挟み込むシール部材を設け、
このシール部材の内側であって平面寸法の小さい方の電極の端面外側にもシール部材を設けて、このシール部材とこれに対向する平面寸法の大きい方の電極とで前記電解質膜を挟み込むことを特徴とする電解質膜・電極構造体。 - 電解質膜を一対の電極で挟んでなる電解質膜・電極構造体であって、
前記一対の電極のうち一方の電極が、他方の電極より大きな平面寸法に形成されているとともに、
前記電解質膜が前記一対の電極からはみ出す平面寸法に形成され、
前記電解質膜における前記一対の電極からはみ出した部分を、両側から挟み込むシール部材が設けられ、
前記一対の電極のうち平面寸法の大きい方の電極の周縁部が、シール部材で形成されるとともに、
前記両側から挟み込むシール部材の内側であって平面寸法の小さい方の電極の端面外側にもシール部材を設けて、このシール部材とこれに対向する平面寸法の大きい方の電極の周縁部の前記シール部材とで前記電解質膜を挟み込むことを特徴とする電解質膜・電極構造体。 - 前記電解質膜における前記一対の電極からはみ出した部分を平面寸法の大きい方の電極の端面外側でシールするシール部材は、前記平面寸法の大きい方の電極の内側方向に延在して、この電極の前記電解質膜側と逆側の面の周縁部に当接するとともに、
この電極との当接部のうちの、平面寸法の小さい方の電極の端面外側の前記シール部材のシール用凸部に対向する箇所に凸部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電解質膜・電極構造体。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解質膜・電極構造体を一対のセパレータで挟持した燃料電池であって、
前記一対のセパレータが、前記電解質膜と同じか又はより大きな平面寸法に形成されていることを特徴とする燃料電池。
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