JP5230174B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池の発電部に関する。

固体高分子型燃料電池は、基本的にはプロトン伝導性を有する高分子電解質膜、及びその両面に配置された一対の触媒層、及び電極からなる。
触媒層は、一般に白金あるいは白金族金属触媒からなる。触媒層の外面には、ガス供給と集電を担うガス拡散層が設けられる。
高分子電解質膜と触媒層を一体化させたものを膜電極接合体（ＭＥＡ）と言い、一方の電極に燃料（水素）を、他方に酸化剤（酸素）を供給することで発電が行われ、両側の電極から電力が取り出される。

一組の膜電極接合体の理論電圧は約１．２３Ｖで、通常の運転状態においては０．７Ｖ程度で使用されることが多い。
そのため、より高い起電圧を必要とする場合には、複数の燃料電池セルを積層し、各燃料電池セルを電気的に直列化して用いられる。このような積層構造は燃料電池スタックと呼ばれる。
通常、スタック内では、酸化剤流路と燃料流路をセパレータと呼ばれる部材で隔離する。
板状のセパレータのそれぞれに凹凸の溝を形成し、膜電極接合体に面した凹部をガス流路、凸部を集電部として構成される。

携帯電子機器に使用される燃料電池においては、小型化、高出力化のために、なるべくファンやブロア等の補器類を省略することが求められる。
酸化剤である酸素は空気の自然拡散による供給が好ましい。また、積層型のスタック構成においては、空気の取り入れはスタック側面からのみとなる。
そのため、十分な空気の供給のためには、セパレータの厚みを増して、空気の取り入れ面積を大きくする必要がある。
一方で、スタックの小型・高出力化のためには、セパレータの厚みをなるべく薄くして高密度実装を図る必要がある。

ところで、上記の構成では、セパレータの膜電極接合体側の表面は凹凸の形状を有しており、各燃料電池セルへの空気の取り入れ面積は凹部の断面積の総和となっている。セパレータは、各燃料電池セルで発生した電流を接触部分を通して集め、隣接する燃料電池セルや外部への取り出し電極に流す機能も有しており、凸部の占める面積がある程度大きいことが必要である。凹部と凸部の面積のバランスは取り出そうとする電流の値に応じて適宜設定されるものであるが、両者はトレードオフの関係にある。すなわち、空気の充分な取り入れと充分な接触面積の確保を両立することは困難であった。
これに対して、特許文献１では、凹凸形状のセパレータに比べて、空気の取り入れ面積を大きくでき、また、集電の不均一性が改善された燃料電池が提案されている。
これらでは、円盤状の燃料電池セルを複数積層し、大気中の空気を利用する燃料電池スタックが用いられている。
また、ここでの酸化剤極側の空気取り入れ機構として、ガス流路の溝を形成したセパレータを用いず、導電性の多孔質部材が配置されている。
具体的には、膜電極接合体側からガス拡散層としてのカーボンペーパーと流路形成部材としての発泡金属が順に積層されている。
導電性の多孔質部材によって、ガス流路と集電の二つの機能を両立させている。したがって、凹凸形状のセパレータに比べて、空気の取り入れ面積を大きくでき、また、集電の不均一性が改善される。
また、これらにおいては、水素は円盤中心の貫通孔により各燃料電池セルの燃料極に供給され、燃料極側の外周の端面には、水素が漏れないようシール材が設けられている。
また、空気は酸化剤極側の外周部から自然拡散で供給され、酸化剤極側の内周の端面には、水素と混入しないようシール材が設けられている。
また、スタックは円盤の中心部をボルトで締め付けることにより構成されている。
特開２００４−１４６２６５号公報

しかしながら、特許文献１で見られる上記従来例では、燃料の封止において不完全な部分を有していた。
燃料電池スタックは、締め付けの力により、弾性体であるシール材を圧縮して燃料の封止を行っている。
しかし、このシール材の高分子電解質膜を挟んで対向する相手側部材は、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの弾性体である。
そのため、相手側の弾性体の圧縮変形によって、シール材に締結圧がかかりにくいという不都合が生じる。
また、カーボンクロスやカーボンペーパーでは、材料の持つ表面の粗さのため、シール材に均一に締結の圧力を加えることが困難であった。
逆に、シールのみを考えて締結圧を高くすると、高分子電解質膜の破損や、流路形成部材の過度の変形によるガス流路抵抗の増大、等の問題が生じるおそれが高まる。
このため、シールを完全に行うことが難しく、燃料の漏れに対する懸念が生じていた。

本発明は、上記課題に鑑み、空気を酸化剤として用いる燃料電池において、空気の取り入れ面積と集電性を確保しつつ、シール材に均一に締結圧を印加することができ、燃料の封止をより確実に行うことが可能となる燃料電池の提供を目的とする。

本発明は、次の（１）から（１１）のように構成した燃料電池を提供するものである。
（１）本発明の燃料電池は、高分子電解質膜の両面に触媒層を設けた膜電極接合体を有し、前記膜電極接合体を酸化剤極と燃料極で挟んでなる燃料電池セルを備え、大気中の空気を酸化剤として利用する燃料電池において、
前記燃料電池セルは、
少なくとも前記膜電極接合体の前記酸化剤極側の触媒層に積層して設けられるガス拡散層と、
前記ガス拡散層に積層して設けられ前記空気が流通するための流路形成部材と、前記ガス拡散層の前記膜電極接合体に接する部分を囲む支持部材と、を有し、
前記支持部材は、前記流路形成部材と前記高分子電解質膜との間であり、かつ、前記高分子電解質膜の前記燃料極側に配置された前記燃料極を封止するシール材と前記高分子電解質膜を挟んで対向する位置に配置されていることを特徴とする。
上記（１）の燃料電池の構成によれば、大気中の空気を酸化剤として用いる燃料電池において、空気の取り入れ面積と集電性を確保しつつ、シール材に均一に締結圧を印加することができるため、燃料の封止をより確実に行うことを可能とすることができる。
（２）また、本発明の燃料電池は、前記流路形成部材が、発泡金属で形成されていることを特徴とする。
上記（２）の燃料電池の構成によれば、流路形成部材として構造の均一性が高い発泡金属を用いるため、更に均一性の高い流路形成と締結圧力の伝達が可能となる。
（３）また、本発明の燃料電池は、前記発泡金属による流路形成部材が、前記膜電極接合体側に前記支持部材と接する面と前記ガス拡散層に接する面を有し、前記支持部材と接する面の高さと前記ガス拡散層に接する面の高さが同一であることを特徴とする。
上記（３）の燃料電池の構成によれば、流路形成部材の表面を加工する必要が無いため、流路形成部材に対する機械加工を簡便にすることができる。
（４）また、本発明の燃料電池は、前記発泡金属による流路形成部材が、前記膜電極接合体側に前記支持部材と接する面と前記ガス拡散層に接する面を有し、前記支持部材に接する面の高さが前記ガス拡散層に接する面の高さよりも小さいことを特徴とする。
上記（４）の燃料電池の構成によれば、流路形成部材に対する簡単な機械加工により、燃料電池作製時の部材同士のアライメントを簡便にすることができる。
（５）また、本発明の燃料電池は、前記発泡金属による流路形成部材が、前記膜電極接合体側に前記支持部材と接する面と前記ガス拡散層に接する面を有し、前記支持部材に接する面の高さが前記ガス拡散層に接する面の高さよりも大きいことを特徴とする。
上記（５）の燃料電池の構成によれば、流路形成部材の周辺部の過度の圧縮を防止しつつ、燃料電池作製時の部材同士のアライメントを簡便にすることができる。
（６）また、本発明の燃料電池は、前記ガス拡散層が、前記支持部材と前記流路形成部材の間に延在していることを特徴とする。
上記（６）の燃料電池の構成によれば、支持部材に対する締結の圧力を印加する部材が流路形成部材に比較して表面の平坦性の高いガス拡散層であるため、支持部材の厚みを更に小さくすることができ、側面からの空気の流通を阻害する要因を更に減らすことができる。
（７）また、本発明の燃料電池は、前記流路形成部材が、並列柱状部材、または三次元格子状の部材で構成されていることを特徴とする。
上記（７）の燃料電池の構成によれば、流路形成部材中の空隙をより大きくすることができるため、発電反応によって生成された水による流路が閉塞される可能性を減らすことができる。
（８）また、本発明の燃料電池は、前記支持部材が、剛性を有する材料で形成されていることを特徴とする。
上記（８）の燃料電池の構成によれば、支持部材の厚みを更に小さくすることが可能となるため、側面からの空気の流通を阻害する要因を更に減らすことができる。
（９）また、本発明の燃料電池は、前記支持部材が、前記高分子電解質膜側の表面が平坦であることを特徴とする。
上記（９）の燃料電池の構成によれば、シール材に均一に締結圧を印加することができるため、燃料の封止をより確実に行うことが可能となる。
（１０）また、本発明の燃料電池は、前記支持部材が、前記高分子電解質膜側の表面が前記ガス拡散層の表面よりも平坦性が高いことを特徴とする。
上記（１０）の燃料電池の構成によれば、シール材に更に均一に締結圧を印加することができるため、燃料の封止をより確実に行うことが可能となる。
（１１）また、本発明の燃料電池は、前記燃料電池が、前記燃料電池セルを複数積層して締結した燃料電池スタックによって構成され、
前記燃料電池スタックは、該燃料電池セルの高さを規定する構造保持部材を有することを特徴とする。
上記（１１）の燃料電池の構成によれば、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックにおいて、各燃料電池セルのガス拡散層と流路形成部材の過度の変形を防止することができる。

本発明によれば、空気を酸化剤として用いる燃料電池において、空気の取り入れ面積と集電性を確保しつつ、シール材に均一に締結圧を印加することができ、燃料の封止をより確実に行うことが可能となる。

つぎに、本発明の実施の形態における燃料電池について説明する。
図１に、本実施の形態の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための模式的分解斜視図を示す。
また、図２には本実施の形態における燃料電池システムの概略構成を説明するための図を、図３には本実施の形態における燃料電池システムが搭載された電子機器の構成を示す概略図を示す。
本実施の形態の燃料電池システム１は、図１に示す構成部からなる燃料電池セル５を複数積層してなる燃料電池スタックを備え、それらが図３に示すように電子機器９の筐体内に組み込まれている。
そして、電子機器９の筐体には、後述の本実施形態の燃料電池システム１に酸化剤（空気）を供給するための通気孔４が設けられている。

本実施の形態における燃料電池システムの概略構成を、図２に示す。
図２において、１は燃料電池システム、２は燃料タンク、３は燃料流路、４は通気孔、５は燃料電池セル、６は膜電極接合体、７は燃料極、８は酸化剤極、９は電子機器である。
本実施の形態の燃料電池システム１は、燃料極と酸化剤極とを含む発電部と、発電部に燃料を供給する燃料タンクとを備えている。
そして、燃料として純水素やメタノール等、どのような燃料を供給する方式のものでも用いることができる。
また、燃料電池の発電部の基本構成とし、両面に触媒層を設けたプロトン伝導性の高分子電解質膜からなる膜電極接合体６、両側の触媒層上に各々ガス拡散層、流路形成部材等からなる燃料極７、酸化剤極８の二つの電極を有する。
燃料極へは燃料タンク２から燃料流路３を通じて水素燃料が供給され、また、酸化剤極へは通気孔４を通して酸素が空気の自然拡散により供給される。

高分子電解質膜６には、プロトン伝導性及びガスバリアー性を有するものであればどのようなものを用いても良いが、とりわけパーフルオロスルホン酸系のプロトン交換樹脂膜が好ましい。
この高分子電解質膜６には、酸化剤極での反応によって生成した水の逆拡散で速やかに加湿される必要があるため、なるべく薄い膜であることが好ましいが、膜の機械的強度やガスバリアー性等を考えると、５０μｍ程度が好ましいと言える。

膜電極接合体は、例えば次のようにして作製される。
まず、白金黒や白金担持カーボン等の触媒担持粒子と固体高分子電解質溶液とイソプロピルアルコール等の有機溶媒を混合することで触媒インクを作製する。
次に、この触媒インクをスプレー塗工法やスクリーン印刷法、ドクターブレード法などでポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の高分子フィルム、導電性多孔質体のカーボン電極基板上などに成膜することで触媒層が作製される。
次に、得られた触媒層を、高分子電解質膜の両面に、触媒が担持された側を内側にして熱転写等で圧着することで、膜電極接合体を得ることができる。

燃料タンク２は、水素燃料を燃料電池に供給できるものならばどのようなものを用いても良い。
また、燃料としては、純水素や水素吸蔵材料に吸蔵された水素、メタノールやエタノールなどの液体燃料が挙げられる。
また、液体燃料及びその改質器を有して改質水素を燃料電池に供給する方式でも構わない。
高出力密度の燃料電池を得るためには、燃料として純水素を供給する方式が好ましい。
また、水素吸蔵合金を使用すれば、より低圧で効率良く水素を蓄えることができるためより好ましいと言える。
燃料流路３及び燃料極室は、燃料タンクから供給された水素燃料を系外へリークさせることのないよう、部品間の接続部分や燃料極の外周縁にはシール部材が配置されている。

次に、本実施の形態の燃料電池システムにおける燃料電池セルの構造について、図１を用いて説明する。
図１において、２１は膜電極接合体、２２、２６はガス拡散層、２３は電極板、２４は燃料極室、２５はシール材、２７は流路形成部材、２８は支持部材、２９は構造保持部材、３０はボルト穴、３１は燃料流路である。

本実施の形態における燃料電池セルは、膜電極接合体２１を間に挟む形で、燃料極側には電極板２３、ガス拡散層２２、シール材２５を、酸化剤極側にはガス拡散層２６、流路形成部材２７、支持部材２８、構造保持部材２９を備えている。
燃料極側電極板２３は、導電性のステンレス等の金属に金メッキが施されたものであり、燃料極に対応する位置には燃料極室２４が設けられている。
ガス拡散層２２はカーボンペーパーやカーボンクロス等の通気性のある導電性部材であり、前記燃料極室に収められている。
シール材２５はシール機能を有する材料であって、電極板の外周縁を囲むように配置されており、締結時に膜電極接合体２１と電極板２３との間に密閉空間を形成し、燃料極室からの水素の漏れを防いでいる。これらシール材には、ガスケットやＯ−リングなどが好適に用いられる。また、膜電極接合体と電極板とを接着させる接着剤などでも良く、中でもホットメルトタイプの接着性シートは生産性の点でも好ましい。
酸化剤極側には、ガス拡散層２６と流路形成部材２７が積層される。
ガス拡散層２６には燃料極側のガス拡散層２２と同様にカーボンペーパーやカーボンクロス等が用いられる。
流路形成部材２７の材料としては、ステンレスやニッケル、クロム等の金属が好適なものとして用いられ得る。流路形成部材２７の形状としては、それらの金属を多孔質化させた発泡金属が均一性の高い流路形成と締結圧力の伝達において優れており、好ましく用いられ得る。また、それらの金属から成る柱状部材で構成される並列柱状部材、もしくは三次元格子状の部材は、より大きな流路を形成でき、生成した水によって流路が閉塞される可能性を減らすことができるため、好ましく用いられ得る。

ガス拡散層２６と膜電極接合体２１の接触部分の周囲を囲み、かつ、燃料極側のシール材２５に対応する位置に支持部材２８が配置されている。
支持部材２８の材料としては、導電性は必要ないが、耐腐食性及び剛性が高いことが求められ、ステンレス等の金属やセラミックスあるいはプラスチックが好適に用いられ得る。

また、支持部材２８の高分子電解質膜側表面は平坦性が高いことが好ましい。支持部材の高分子電解質膜側表面の表面粗さは、用いたガス拡散層の表面粗さよりも小さいことが、シール材２５への締結圧力の均一性の高い印加を可能とするため、好ましい。
ガス拡散層として用いられる材料の代表的なものとして、カーボンペーパー（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−０３０、ＴＧＰ−Ｈ−０６０、ＴＧＰ−Ｈ−０９０、ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を例にとると、その表面粗さは８μｍである。
また、支持部材２８は流路形成部材２７の厚みに比較して十分薄く、燃料電池側面からの空気の流通を阻害しないことが好ましい。
また、支持部材２８の高分子電解質膜と接触する面とは反対側には流路形成部材２７が設けられており、締結時には、支持部材２８の少なくとも一部に対して、流路形成部材２７から直接的あるいは間接的に圧力を印加する。

構造保持部材２９は少なくとも流路形成部材２７よりも剛性の高い部材で形成され、燃料電池セルの高さ、具体的にはガス拡散層２６と流路形成部材２７の厚さを規定することで、ガス拡散層２６と流路形成部材２７の過度の変形を防止する部材である。
また、構造保持部材２９はボルト穴３０を有している。
また、構造保持部材２９には燃料流路３１が形成されており、燃料電池スタックを構成した後には燃料電池セルの積層方向に対して燃料マニホルドとなる。燃料マニホルドからの燃料の漏洩を防止するために、燃料の種類に応じて適宜シール部材を各構成部材間に挿入することが好ましい。このように形成した燃料マニホルドは、剛性の高い構造保持部材２９で形成されるため、締結時もしくは締結後の変形や位置ずれによる燃料の漏洩を防止することができる。
構造保持部材２９の材料として好適に用いられる剛性の高い材料としては、ステンレス等の金属やセラミックス、プラスチックが挙げられる。
構造保持部材が支持部材上に設けられていると、締結の圧力は構造保持部材を通して支持部材に伝えられることになり、支持部材のアライメントを向上させるために好ましい。
構造保持部材２９と支持部材２８は別々に構成されても良いが、それらが一体に構成されていると、燃料電池製造時のアライメント作業が更に低減されて好ましい。

次に、本実施の形態の燃料電池における燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックについて説明する。
図４から図８に、本実施の形態の燃料電池における燃料電池スタックの構成を説明するための図を示す。なお、図７は図６のＡ−Ａ断面を示す図である。
図４から図８において、１０は燃料電池スタック、１１はスタックボルト、１２はカプラ、１３はエンドプレートである。

本実施の形態の燃料電池スタック１０は、燃料電池セル５が電子機器の負荷に応じて複数個直列に接続されて構成されている（本実施の形態では４つの燃料電池セル５を接続した構成例を示す）。
各燃料電池セルにはそれぞれボルト穴と燃料流路があり、図８に示すように積層してエンドプレート１３で挟み込む。
そして、ボルト穴にスタックボルト１１を通し締結する。この際に、各燃料電池セル及びエンドプレート１３が電気的に導通してしまわないよう、電気絶縁性を有するボルトを用いるか、ボルトと接触する可能性のある部材とボルトの間に絶縁部材を挿入することが好ましい。これにより、各燃料電池セルが電気的に直列に接続され、各燃料電池セル間の燃料極が燃料流路によって連結される。
また、このように電気的に直列に燃料電池セルを積層した構成では、前述の燃料極側・酸化剤極側の電極板は共通化されバイポーラプレートとなっている。

図５に示すように燃料電池スタック１０の燃料流路には、燃料タンクがカプラ１２を通して接続されている。
燃料である水素は図７に矢印で示すように燃料流路を通って各燃料電池セルに供給される。
また、酸化剤である空気を外部から取り込むに際し、燃料電池スタックの側面で、流路形成部材２７が露われた部分から供給される。
この場合、支持部材２８は流路形成部材２７に比して十分薄く構成されるため、側面から空気を流通させる燃料電池であっても、空気の流通を大きく阻害することは無い。

以上の本実施の形態の燃料電池の構成によれば、大気中の空気を酸化剤として用いる燃料電池において、空気の流通と集電性を確保しつつも、より確実に燃料の封止を行なうことができる。
すなわち、シール材の高分子電解質膜を挟んで対向する相手側部材が、剛性が高く、平坦性の高い支持部材で構成されている。このため、締結の圧力をシール材に、十分かつ均一に印加することができる。
これにより、シール性を向上させ燃料の封止をより確実に行うことが可能となる。
また、ガス拡散層の膜電極接合体に接する部分が、締結時に流路形成部材によって圧力を受ける支持部材で囲まれている。
このため、ガス拡散層を支持部材の内側に嵌め込んだり、流路形成部材と支持部材の一部を嵌合させたりすることで、部材のアライメントを良くし、燃料電池セルの組み立て性を向上させることができる。

以下に、本発明の様々な態様の各実施形態について、更に詳細に説明する。
（実施形態１）
図９に、本実施形態の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための模式的分解斜視図を示す。
また、図１０に図６の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図を示す。また、図１１に図１０の断面線Ｃ−Ｃに対応する位置で支持部材４８を切断した断面図を示す。本実施形態において燃料電池は、前記支持部材の電極と平行な断面の形状が矩形であって、前記構造保持部材は矩形形状の対向する２辺の両側に配置されており、前記流路形成は矩形形状のもう一方の対向する２辺の両側から外観的に露出している。
本実施形態では、燃料電池セルの構成に基づいて説明する。
まず、本発明者らは、支持部材の材料にステンレスを使用した場合の実施可能な構成の検討を行なった。
検討に用いた各部材の厚みや幅や長さは、それぞれが対応する部材に応じて値を変えていった。
本実施形態においては、支持部材４８の厚さ、及びそのビーム部４８ａの幅と長さを変えた場合について、燃料の封止の様子（リークレート）を調べた。
検討に用いた支持部材４８の厚みは０．０２５ｍｍ〜０．７５ｍｍ、ビーム部４８ａの幅は０．５ｍｍ〜２ｍｍ、長さは５ｍｍ〜５０ｍｍとした。
また、支持部材４８の表面粗さを、表面平均粗さＲａで約８μｍ以下にした。
シール材はガスケットのような面タイプのもので、厚みが０．１５ｍｍ〜０．５ｍｍ、幅は支持部材４８に対応し０．５ｍｍ〜１．５ｍｍとした。また、シール材が配置される燃料極室周囲の面はシール材に対応して幅を持たせた。
また、前記ガスケット４５に替えて、電極板４３のシール材が配置される面上に溝を形成してＯ−リングを配した場合の検討も行なった。Ｏ−リングの線径は０．４ｍｍ〜１ｍｍ程度が好適であった。

ガス拡散層４６には、東レ社やＥ−ＴＥＫ社やバラードマテリアルプロダクツ社等のカーボンペーパーやカーボンクロス、ＮＯＫ社やＦｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ社等のカーボン不織布などを使用した。
流路形成部材４７にはステンレスやニッケル、クロム等を多孔質化させた発泡金属を使用し、その呼び孔径を約９００μｍ以下とし、気孔率を８０〜９０％の範囲で変えながら検討を行なった。構造保持部材４９の材料としては、ステンレスを使用した。
ガス拡散層と発泡金属の厚みの和は締結時に構造保持部材４９の高さで規定される。また、ガス拡散層や発泡金属の各厚みは支持部材４８の厚みによっても変わり得る。
そのため、ガス拡散層と発泡金属の各厚みは構造保持部材４９と支持部材４８の高さに合わせて適宜調整した。

具体的には、構造保持部材４９の高さを１ｍｍ〜４ｍｍ、支持部材４８の厚みは前述のように０．０２５ｍｍ〜０．７５ｍｍで調整した。
膜電極接合体４１を構成する高分子電解質膜にはデュポン社のナフィオン膜（Ｎａｆｉｏｎ１１１，１１２，１１５，１１７）を使用し、厚みは０．０２５ｍｍ〜０．１７５ｍｍ前後とした。
上記の構成で燃料電池セルを締結したところ、高分子電解質膜に破損等の影響が現れる締結圧以下の範囲で良好なシール性を確認することができた。
ここで、高分子電解質膜への影響とは、過大な締結圧の印加による膜破損に伴うクロスリーク量の増大や、膜破損に伴う微小短絡の発生などである。これらは燃料電池セルの開回路電圧の低下などで検知することが可能である。
また、支持部材４８の材料として、ステンレスに替えてアルミニウム及びマグネシウムでも検討を行なったところ、支持部材の厚みや幅、長さを調整することで良好なシール性を得ることができた。
また、部材の数値に関しては、必ずしも上記範囲に限定されるものではなく、部材間の調整をもって適宜選択することが可能である。

［実施例１］
実施形態１の燃料電池において、代表的な材料と数値を用いて作製した場合における構成例を、以下に実施例１として具体的に説明する。
燃料電池の幅は約１０ｍｍ、長さは約３０ｍｍである。
燃料極側の電極板４３は、厚み約０．５ｍｍのステンレス表面に金メッキ処理を施したものを使用した。
電極板４３には、燃料極に対応する部分を深さ約０．２ｍｍに掘り下げて燃料極室４４を形成している。
前記燃料極室４４にはガス拡散層４２としてカーボンクロスが配置されている。カーボンクロスにはＥ−ＴＥＫ社のＬＴ２５００Ｗを使用し、締結前の厚みが約０．４ｍｍで、締結時には約０．３ｍｍに圧縮される。
このため、締結時に燃料極室４４に収まりつつ、膜電極接合体４１と電極板４３との間で接触抵抗を下げ集電性を保つことができる。
燃料極側電極板４３の外周縁にはシール材４５を配置し、締結時に膜電極接合体４１と電極板４３の間で密閉空間を形成し、燃料極室４４からの水素の漏れを防いでいる。

シール材４５には、厚み０．１ｍｍ、幅１ｍｍのバイトン（デュポン社の商標）製シール材を使用した。
酸化剤極側には、ガス拡散層４６として厚み約０．４ｍｍのカーボンクロス（Ｅ−ＴＥＫ社、ＬＴ２５００）と、流路形成部材４７として発泡金属を設置した。発泡金属はニッケル−クロムを主成分とする剛性の高い材料であり、呼び孔径が約９００μｍ、気孔率が約９０％のものを使用した。また、厚みを約１．７ｍｍとした。
カーボンクロスと発泡金属を積層するのは、両者が担う主な役割が異なるためである。
カーボンクロスは弾性体であり、締結時に圧縮することで触媒層に密着する。集電面積を大きくするが、圧縮されることでガス拡散性を多少低下させる。
そのため、燃料電池の側面から空気の取り入れを行うために、より気孔率の高い発泡金属を配置した。発泡金属は膜電極接合体４１と接するのでなく、カーボンクロスと電極板との間で導電性を持たせる役割であるので、カーボンクロスを略均一に圧縮できれば集電面積がカーボンクロスより多少小さくても構わない。
また、発泡金属は膜電極接合体４１側に支持部材４８と接する面と、カーボンクロスと接する面を有するが、機械加工を簡便とするために両方の面に対する厚みは同一とした。
すなわち、支持部材に接する面の高さをカーボンクロスに接する面の高さと同一とした。

構造保持部材４９と支持部材４８はステンレス材料をもって一体形成されている。構造保持部材と支持部材はカーボンクロスの周囲を覆うように、かつ、燃料極側のシール材に対応するように配置されている。
そして、構造保持部材の厚みを約２ｍｍに、支持部材の厚みを約０．３ｍｍにした。また、支持部材のビーム部の幅は約１ｍｍ、長さは約２０ｍｍとした。
また、構造保持部材と支持部材の、膜電極接合体を構成する高分子電解質膜と接する側の面は、表面研磨によりガス拡散層４６に比較して平坦性の高い状態となっており、具体的には表面平均粗さＲａで２μｍ以下である。構造保持部材は締結時に燃料電池セルの高さを規定するため、締結時にはカーボンクロスが約０．１ｍｍ圧縮され、カーボンクロスと発泡金属の厚みの総和が構造保持部材の高さに等しくなる。

このとき、カーボンクロスは発泡金属に押されて圧縮されていくが、発泡金属は支持部材と接する面を有するため、カーボンクロスの高さと支持部材の高さがほぼ揃ったところでカーボンクロスの圧縮が止まる。
このため、予め部材間の高さを調整しておくことで、カーボンクロスが潰れすぎてガス拡散性を阻害することなく、カーボンクロスと発泡金属の間の接触抵抗を小さくすることが可能である。
また、支持部材の厚みを発泡金属の厚みに比して小さくすることで、側面から空気を流通させる燃料電池であっても、支持部材が空気の取り入れを阻害することが少ない。また、カーボンクロスを支持部材の内側に嵌め込む構成のため、部材同士のアライメントの手間が少なくて済み、燃料電池セルの組立て効率を向上させることができる。

本実施例の燃料電池の構成によれば、燃料極を封止するシール材と、高分子電解質膜を挟んで対向する位置に配置されている酸化剤極側の支持部材が、平坦性が高くかつ剛性の高い材料で形成される。このため、締結の圧力をシール材に、十分かつ均一に印加することができる。
これにより、シール性を向上させ燃料の封止をより確実に行うことが可能となった。

（比較例）
本発明の燃料電池の比較例として、実施例１の燃料電池で用いられている支持部材を除いた従来の構成の燃料電池を作製した。
比較例の燃料電池の構成は、支持部材が無い以外は実施例１と同様である。
図１７に、比較例の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための図６の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図を示す。
発泡金属の厚みを約１．７ｍｍ、酸化剤極側カーボンクロスの厚みを約０．４ｍｍ、構造保持部材の厚みを約２ｍｍとした。また、酸化剤極側カーボンクロスは支持部材の無くなった分だけ外側に延長されている。
作製した比較例の燃料電池に対して、水素のリークレートを調べた。リークレートは、燃料極に水素燃料を約１００ｋＰａＧで供給し、燃料電池の下流側を封止した場合の、上流側のフローレートをもって判断した。

マスフローメーターとして堀場エステック社のＳＥＣ−４４００Ｒ（流量レンジ２００ｃｃｍ、水素用）を使用した。
比較例の燃料電池においては、作製でリークレートにばらつきが生じ、１ｃｃｍ以上の水素のリークが見られるものもあった。また、作製時にはマスフローメーターの検出精度の範囲でリークが観測されなくても、駆動中に突然リークが発生するものも見られた。リークの発生箇所はシール面に見られたことから、高分子電解質膜が水分を含んで膨潤するなど部材の変形を受け、シール性が不安定になったためと考えられる。
一方、実施例１の燃料電池のように支持部材を配置して作製されたものに対して、リークレートについて測定したが、マスフローメーターの検出精度の範囲でリークは観測されず、一様に１ｃｃｍ以下であることが示された。また、比較例に比べて、高分子電解質膜の膨潤・収縮が生じてもシール性が安定であった。

（実施形態２）
実施形態２においては、本発明を適用した別の形態の燃料電池について説明する。
本実施形態の燃料電池の構成は、後述するように流路形成部材４７のガス拡散層４６側の形状を予め凸形状とした以外は、基本的には図９に示した実施形態１と同様である。図１２に、本実施形態の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための図６の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図を示す。
本実施形態においても、実施形態１の場合と同様に、燃料電池セルの構成に基づいて説明する。
本実施形態では、実施形態１と同様の材料、数値の範囲で実施可能な構成の検討を行った結果、良好なシール性が得られた。

［実施例２］
実施形態２の燃料電池において、代表的な材料と数値を用いて作製した場合における構成例を、以下に実施例２として具体的に説明する。
尚、用いた材料と燃料電池のサイズは実施例１と同様であり、本実施例では実施例１と異なる部材の厚みについてのみ説明する。
酸化剤極側のガス拡散層４６としてのカーボンクロスの厚みを約０．４ｍｍ、流路形成部材４７としての発泡金属の全体の厚みを約１．７ｍｍとし、構造保持部材４９の高さを約２ｍｍに、支持部材４８の厚みを約０．５ｍｍとした。
構造保持部材４９と支持部材４８はステンレス材料をもって一体形成されている。構造保持部材４９と支持部材４８はカーボンクロスと膜電極接合体４１との接触部分の周囲を囲むように、かつ、燃料極側のシール材４５に対応するように配置されている。
また、構造保持部材４９と支持部材４８の、膜電極接合体４１を構成する高分子電解質膜と接触する面は表面研磨によりガス拡散層４６に比較して平坦性の高い状態となっている。具体的には、表面平均粗さＲａで２μｍ以下である。

流路形成部材４７である発泡金属は、膜電極接合体４１側に、支持部材４８と接する面とガス拡散層４６であるカーボンクロスと接する面を有するが、本実施例では、支持部材に接する面の高さをカーボンクロスに接する面の高さよりも小さくした。即ち、発泡金属は、ガス拡散層４６であるカーボンクロスと接する部分においては、膜電極接合体４１側に突き出た凸形状を有し、支持部材４８と接する面からさらにカーボンクロスを押し込む形になる。
このように発泡金属に凸形状を持たせるためには、ワイヤー加工等によって支持部材４８に接する部分の発泡金属を削り落とすことで可能である。
或いは、燃料電池セルの組立てを行なう前に、発泡金属と支持部材４８と構造保持部４９を重ね合わせた状態でプレスすることで、全体の厚みを保ちつつ支持部材４８に接する部分の発泡金属を潰した発泡金属を予め形成することができる。

本実施例では、発泡金属とカーボンクロスとの接面の高さを支持部材との接面の高さより約０．２ｍｍ高くしている。
これにより、カーボンクロスは発泡金属によって、発泡金属と支持部材の接面よりさらに約０．２ｍｍ押し込まれたところで、即ちカーボンクロスが約０．１ｍｍ圧縮されたところでカーボンクロスの圧縮が止まる。このため、予め部材間の高さを調整しておくことで、カーボンクロスが潰れすぎてガス拡散性を阻害させることなく、カーボンクロスと発泡金属の間の接触抵抗を小さくすることが可能である。
また、カーボンクロスは支持部材４８の内側に嵌めこまれ、また、発泡金属と支持部材４８とは互いに嵌合する構成となっているため、部材同士のアライメントの手間が少なくて済み、燃料電池セルの組立て効率を向上させることができる。本実施例では、嵌合による燃料電池セルの組立て性の向上を発泡金属の端部の切削もしくは圧縮という簡単な加工によって達成するべく前記構成とした。
本実施例の燃料電池の構成によれば、燃料極を封止するシール材の、高分子電解質膜を挟んで対向する酸化剤極側の部材が、平坦性が高くかつ剛性の高い部材である。
このため、締結の圧力をシール材に、十分かつ均一に印加することができる。これにより、シール性を向上させ燃料の封止をより確実に行うことが可能となる。

（実施形態３）
実施形態３においては、本発明を適用した上記各実施形態とは別の形態の燃料電池について説明する。
本実施形態の燃料電池の構成は、後述するように流路形成部材４７のガス拡散層４６側の形状を予め凹形状とした以外は、基本的には図９に示した実施形態１と同様である。
図１３に、本実施形態の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための図６の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図を示す。
本実施形態では、上記各実施形態と同様に、燃料電池セルの構成に基づいて説明する。
本実施形態では、実施形態１と同様な材料、数値の範囲で実施可能な構成の検討を行なった結果、良好なシール性が得られた。

［実施例３］
実施形態３の燃料電池において、代表的な材料と数値を用いて作製した場合における構成例を、以下に実施例３として具体的に説明する。
尚、用いた材料と燃料電池のサイズは実施例１と同様であり、本実施例では実施例１と異なる部材の厚みについてのみ説明する。
酸化剤極側のガス拡散層４６としてのカーボンクロスには厚みが約０．５ｍｍのものを使用した。
また、流路形成部材４７である発泡金属の全体の厚みを約１．７ｍｍとし、構造保持部材４９の高さを約２ｍｍに、支持部材４８の厚みを約０．３ｍｍとした。

構造保持部材４９と支持部材４８はステンレス材料をもって一体形成されている。構造保持部材４９と支持部材４８はカーボンクロスと膜電極接合体４１との接触部分の周囲を囲むように、かつ、燃料極側のシール材４５に対応するように配置されている。
また、構造保持部材４９と支持部材４８の、膜電極接合体４１を構成する高分子電解質膜と接触する面は表面研磨によりガス拡散層４６に比較して平坦性の高い状態となっている。具体的には、表面平均粗さＲａで２μｍ以下である。

流路形成部材４７である発泡金属は、膜電極接合体４１側に、支持部材４８と接する面とガス拡散層４６であるカーボンクロスと接する面を有するが、本実施例では、支持部材に接する面の高さをカーボンクロスに接する面の高さよりも大きくした。
即ち、発泡金属は、ガス拡散層４６であるカーボンクロスと接する部分においては、膜電極接合体４１から離れるように窪んだ凹形状を有す。
発泡金属の一部分での高さを全体の高さよりも小さくする場合、プレス加工によって加工を行なうときは、被加工部分が過度の圧縮を受けて、気孔率が小さくなりすぎないように注意が必要である。とりわけ過度の圧縮を受けた箇所が燃料電池セルの側面、すなわち大気に対して開口する部分に配置されると、空気の取り入れに影響が生じる場合がある。
そのため、本実施例では、嵌合による燃料電池セルの組立て効率の向上と空気の取り入れとを両立させるべく前記構成とした。

本実施例では、発泡金属とカーボンクロスとの接面の高さを支持部材との接面の高さより約０．１ｍｍ小さくしている。
これにより、カーボンクロスは発泡金属によって押し込まれ、約０．１ｍｍ圧縮したところで、発泡金属と支持部材の接面によりカーボンクロスの圧縮が止まる。
このため、予め部材間の高さを調整しておくことで、カーボンクロスが潰れすぎてガス拡散性を阻害させることなく、カーボンクロスと発泡金属の間の接触抵抗を小さくすることが可能である。
また、発泡金属とカーボンクロスとは互いに嵌合する構成となっているため、燃料電池セルの組組立ての際に位置合わせや固定などの組立性を向上させることができる。
本実施例の燃料電池の構成によれば、燃料極を封止するシール材の、高分子電解質膜を挟んで対向する酸化剤極側の部材が、平坦性が高くかつ剛性の高い部材である。
このため、締結の圧力をシール材に、十分かつ均一に印加することができる。これにより、シール性を向上させ燃料の封止をより確実に行うことが可能となる。

（実施形態４）
実施形態４においては、本発明を適用した上記各実施形態とは別の形態の燃料電池について説明する。
本実施形態の燃料電池の構成は、後述するように酸化剤極側のカーボンクロスが支持部材と発泡金属の間に延在するよう外側に延長されている点以外は、基本的には図９に示した実施形態１と同様である。
図１４に、本実施形態の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための図６の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図を示す。
本実施形態では、上記各実施形態と同様に、燃料電池セルの構成に基づいて説明する。
本実施形態では、実施形態１と同様な材料、数値の範囲で実施可能な構成の検討を行なった結果、良好なシール性が得られた。

［実施例４］
実施形態４の燃料電池において、代表的な材料と数値を用いて作製した場合における構成例を、以下に実施例４として具体的に説明する。
尚、用いた材料と燃料電池のサイズは実施例１と同様であり、本実施例では実施例１と異なる部材の厚みについてのみ説明する。
酸化剤極側のガス拡散層４６としてのカーボンクロスには厚みが約０．４ｍｍのものを使用した。
また、流路形成部材４７としての発泡金属の全体の厚みを約１．７ｍｍとし、構造保持部材４９の高さを約２ｍｍに、支持部材４８の厚みを約０．０５ｍｍとした。
構造保持部材４９と支持部材４８はステンレス材料をもって分離して形成され、支持部材４８の面上に構造保持部材４９が配置される。支持部材４８は燃料極側のシール材４５に対応するように配置されている。
また、構造保持部材４９と支持部材４８の、膜電極接合体４１を構成する高分子電解質膜と接触する面は表面研磨によりガス拡散層４６に比較して平坦性の高い状態となっている。具体的には、表面平均粗さＲａで２μｍ以下である。
酸化剤極側のガス拡散層４６であるカーボンクロスは、実施例１のものに比べて、外側に延長された構成となっており、支持部材４８と発泡金属の間に延在する。
構造保持部材４９と支持部材４８はカーボンクロスと膜電極接合体４１との接触部分の周囲を囲むように、かつ、燃料極側のシール材４５に対応するように配置されている。

締結時に発泡金属はカーボンクロスを圧縮していくが、構造保持部材によって高さが規定されているため、約０．１ｍｍ押し込んだところで圧縮が止まる。
このとき、カーボンクロスの支持部材と発泡金属の間に延在した部分では、支持部材の厚み分だけさらに圧縮され、支持部材に締結の圧力を与えている。
本実施例の燃料電池の構成によれば、燃料極を封止するシール材４５の、膜電極接合体４１を構成する高分子電解質膜を挟んで対向する酸化剤極側の部材はカーボンクロスであり、発泡金属よりも平坦性が高い部材である。
そのため、発泡金属によって支持部材４８に直接締結の圧力を印加する場合に比べて、支持部材４８の厚みを薄くさせることができ、空気の取り込み面積をより大きくすることができる。
これにより、シール性を向上させて燃料の封止をより確実に行うことを可能としつつ、空気の取り入れ効率を向上させることが可能となる。

（実施形態５）
実施形態５においては、本発明を適用した別の形態の燃料電池について説明する。
図１５に、本実施形態における燃料電池の構成の概略図を示す。
本実施形態においては、シール材としてガスケットの代わりにＯ−リング５０を使用している。使用したＯ−リングは、線径約０．６ｍｍのものである。
また、シール材が配置される燃料極側電極板にはＯ−リングを落とし込むための溝が面上に形成されている。
Ｏ−リングはガスケットに比べ、シールの接触面積を小さくすることができるため、より少ない締結圧でシールを行なうことが可能となる。

（実施形態６）
実施形態６においては、本発明を適用した別の形態の燃料電池について説明する。
図１６に、本実施例における燃料電池の構成の概略図を示す。
本実施形態においては、流路形成部材として発泡金属の代わりに並列柱状部材５１を使用している。
ここで、並列柱状部材とは、平行に並べた複数の柱状部材からなり、導電性を有し、ガス拡散層と酸化剤極側電極板との間隔を均一に保つための部材である。

流路形成部材の役割は、燃料電池セルの側面から空気を流通させガス拡散層に供給すること、ガス拡散層を略均等に圧縮しガス拡散層と電極板との間で導電性を持たせること、支持部材に締結の圧力を与えることなどである。
ガス拡散層に対して集電面積が多少小さくても構わないことから、支持部材に均等に締結の圧力が加えられれば並列柱状部材のようなものも用いることができる。
並列柱状部材は導電性を有する部材からなる。また、並列柱状部材は支持部材に均等に締結の圧力を加えつつ、カーボンクロスを均等に圧縮するよう設計されている。
また、カーボンクロスと並列柱状部材の間には多数の孔が穿たれた薄い金属板が設置されても良く、この場合、カーボンクロスはより均等に圧縮される。
また、並列柱状部材の代わりに三次元格子状の金属部材等でも用いることができる。また、発泡金属や並列柱状部材、三次元格子状の金属部材等を組み合わせて流路形成部材として用いることも可能である。
例えば、燃料電池セルの側面には並列柱状部材を配置し、支持部材に締結の圧力を加え、並列柱状部材よりも内側のカーボンクロスに対応する位置には発泡金属を配置することもできる。
これらの並列柱状部材、もしくは三次元格子状の部材は、より大きな流路を形成でき、燃料電池の発電反応に伴って生成した水によって流路が閉塞される可能性を減らすことができるため、好ましいものである。

本実施形態の燃料電池の構成によれば、燃料極を封止するシール材の、高分子電解質膜を挟んで対向する酸化剤極側の部材が、平坦性が高くかつ剛性の高い部材である。
このため、締結の圧力をシール材に、十分かつ均一に印加することができる。これにより、シール性を向上させ燃料の封止をより確実に行うことが可能となる。

本発明の実施の形態の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための分解斜視図。 本発明の実施の形態における燃料電池システムの概略構成を説明するための図。 本発明の実施の形態における燃料電池システムが搭載された電子機器の構成を示す概略図。 本実施の形態の燃料電池における燃料電池スタックの構成を説明するための斜視図。 本実施の形態の燃料電池における燃料電池スタックの構成を説明するための断面図。 本実施の形態の燃料電池における燃料電池スタックの構成を説明するための斜視図。 本実施の形態の燃料電池における燃料電池スタックの構成を説明するための断面図。 本実施の形態の燃料電池における燃料電池スタックの構成を説明するための斜視図。 本発明の実施形態１の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための分解斜視図。 本発明の実施形態１の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための図６の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図。 本発明の実施形態１の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための図１０の断面線Ｃ−Ｃに対応する位置で切断した断面図。 本発明の実施形態２の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための図６の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図。 本発明の実施形態３の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための図６の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図。 本発明の実施形態４の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための図６の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図。 本発明の実施形態５の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための分解斜視図。 本発明の実施形態６の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための分解斜視図。 本発明の比較例の燃料電池における燃料電池セルの構成を説明するための図６の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図。

符号の説明

１：燃料電池システム
２：燃料タンク
３：燃料流路
４：通気孔
５：燃料電池セル
６：膜電極接合体
７：燃料極
８：酸化剤極
９：電子機器
１０：燃料電池スタック
１１：スタックボルト
１２：カプラ
１３：エンドプレート
２１：膜電極接合体
２２，２６：ガス拡散層
２３：電極板
２４：燃料極室
２５：シール材
２７：流路形成部材
２８：支持部材
２９：構造保持部材
３０：ボルト穴
３１：燃料流路
４１：膜電極接合体
４２，４６：カーボンクロス
４３：電極板
４４：燃料極室
４５：シール材
４７：発泡金属
４８：支持部材
４９：構造保持部材
５０：Ｏ−リング
５１：並列柱状部材

Claims (11)

1. 高分子電解質膜の両面に触媒層を設けた膜電極接合体を有し、前記膜電極接合体を酸化剤極と燃料極で挟んでなる燃料電池セルを備え、大気中の空気を酸化剤として利用する燃料電池において、
   前記燃料電池セルは、
   少なくとも前記膜電極接合体の前記酸化剤極側の触媒層に積層して設けられるガス拡散層と、
   前記ガス拡散層に積層して設けられ前記空気が流通するための流路形成部材と、前記ガス拡散層の前記膜電極接合体に接する部分を囲む支持部材と、を有し、
   前記支持部材は、前記流路形成部材と前記高分子電解質膜との間であり、かつ、前記高分子電解質膜の前記燃料極側に配置された前記燃料極を封止するシール材と前記高分子電解質膜を挟んで対向する位置に配置されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記流路形成部材は、発泡金属で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記発泡金属による流路形成部材は、前記膜電極接合体側に前記支持部材と接する面と前記ガス拡散層に接する面を有し、前記支持部材と接する面の高さと前記ガス拡散層に接する面の高さが同一であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記発泡金属による流路形成部材は、前記膜電極接合体側に前記支持部材と接する面と前記ガス拡散層に接する面を有し、前記支持部材に接する面の高さが前記ガス拡散層に接する面の高さよりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
5. 前記発泡金属による流路形成部材は、前記膜電極接合体側に前記支持部材と接する面と前記ガス拡散層に接する面を有し、前記支持部材に接する面の高さが前記ガス拡散層に接する面の高さよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
6. 前記ガス拡散層は、前記支持部材と前記流路形成部材の間に延在していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
7. 前記流路形成部材は、並列柱状部材、または三次元格子状の部材で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
8. 前記支持部材は、剛性を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
9. 前記支持部材は、前記高分子電解質膜側の表面が平坦であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
10. 前記支持部材は、前記高分子電解質膜側の表面が前記ガス拡散層の表面よりも平坦性が高いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
11. 前記燃料電池は、前記燃料電池セルを複数積層して締結した燃料電池スタックによって構成され、
    前記燃料電池スタックは、該燃料電池セルの高さを規定する構造保持部材を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

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