JP5302481B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に関する。

燃料電池（例えば、高分子電解質形燃料電池）は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。この燃料電池によれば、燃料の持つ化学エネルギーを直接又は間接的に電気エネルギーに変換するので、高い発電効率を得ることができる。

燃料電池は、一般的には複数のセル（単電池）を積層し、それらをボルトなどの締結部材で加圧締結することにより構成されている。１つのセルは、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assemblyという）を一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。ＭＥＡは、ハンドリング性の向上のため、その周縁部（外周領域ともいう）を、額縁状に形成された枠体で保持されている。なお、ここでは、前記枠体を備えるＭＥＡを電極−膜−枠接合体という。

ＭＥＡは、外周領域（周縁部）を前記枠体に支持される高分子電解質膜と、当該電解質膜の両面に形成され、かつ前記枠体より内側に配置された一対の電極層とで構成されている。一対の電極層は、高分子電解質膜の両面に形成された触媒層と、当該触媒層上に形成されたガス拡散層とで構成されている。一対の電極層に反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）が供給されることにより、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。

また、枠体の表面には、反応ガスの外部への漏出を遮断又は抑制するため、セパレータと枠体との間をシールするようにガスケット（弾性部材）が設けられている。このガスケットは、通常、樹脂材料で構成されている。

前記ガスケットには、通常、ガス漏洩防止機能を保持するために必要な添加剤、軟化剤などが含まれている。また、前記ガスケットには、通常、射出成型などによりシールの形状を形成するために必要な可塑剤、添加剤、酸化防止剤、成型後に残ったこれらの反応物や分解物などが含まれている。これらのガスケットに含まれる物質の中には、燃料電池の発電反応を阻害する被毒物質となる不純物が含まれている場合がある。このため、前記構成を有する従来の燃料電池においては、ガスケットに含まれる不純物が、反応ガス中の水分や電気化学反応に伴って生成される生成水に溶出し、電極層が被毒されるという問題がある。電極層が被毒されると、電気化学反応が阻害され、燃料電池の発電性能の低下を招くことになる。

このため、従来は、ガスケットの材料として、不純物が溶出しない又は溶出しにくい樹脂材料（例えばフッ素系樹脂）を用いたり、ガスケットから溶出する不純物がＭＥＡを被毒しない又は被毒しにくい構成を適用したりするなどしている。

例えば、特許文献１（特開２００９−１７０２７３号公報）には、ガス拡散層の外周領域を覆うように枠体を形成し、当該枠体に設けた突起部をガス拡散層に突き刺して枠体の移動を抑制することにより、ガスケットを設ける必要性を無くした燃料電池が開示されている。

また、特許文献２（特開２００３−２１７６１３号公報）には、樹脂材料から溶出した不純物を、セパレータ又はガス拡散層中に分散配置した吸着媒体に吸着させることよって浄化するようにした燃料電池が開示されている。

特開２００９−１７０２７３号公報 特開２００３−２１７６１３号公報

しかしながら、ガスケットの材料として不純物が溶出しにくい材料を用いる場合には、シール性が十分ではなく、その結果、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。また、不純物が溶出しにくい材料は、通常、高価なため、生産コストが高くなる。

また、特許文献１の構成では、ガスケットを設けないことによりセパレータと枠体との密着性が十分ではなく、反応ガスのリーク不良が発生して、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。

また、特許文献２の構成では、セパレータ又はガス拡散層にガス流路を形成した場合に、セパレータ又はガス拡散層に分散配置した吸着媒体により、反応ガスの圧損が上昇して燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。また、吸着媒体を設けることにより、生産コストが高くなる。

従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、生産コストの増加を抑えるとともに、発電性能の低下を抑えることができる燃料電池を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、
前記触媒層上に設けられたガス拡散層と、
前記高分子電解質膜の厚さ方向から見て前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、
前記ガス拡散層上に設けられるとともに、前記枠体と密着する密着領域を有するように設けられたセパレータと、
前記厚さ方向から見て前記密着領域よりも外側において、前記セパレータと前記枠体との間をシールするように設けられたガスケットと、
を備え、
前記触媒層の外縁部は、前記厚さ方向から見て、前記ガス拡散層の外縁部よりも外側で且つ前記ガスケットの中心部よりも内側に位置するように設けられている、燃料電池を提供する。

本発明にかかる燃料電池によれば、前記密着領域を設けるという簡単な構成により、ガスケットから溶出する不純物がガス拡散層側に流れることを防止することができる。これにより、生産コストの増加を抑えるとともに、発電性能の低下を抑えることができる。

本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施の形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の基本構造を模式的に示す断面図であり、 図２は、図１の燃料電池の一部拡大断面図であり、 図３は、図１の燃料電池を複数個連結した燃料電池スタックの基本構造を示す分解斜視図であり、 図４は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図であり、 図５は、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図であり、 図６は、本発明の第４実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図であり、 図７は、本発明の第５実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図であり、 図８は、図７の燃料電池の変形例を示す一部拡大断面図であり、 図９は、本発明の第６実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図であり、 図１０は、本発明の第７実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図であり、 図１１は、本発明の第８実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図である。

本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、
前記触媒層上に設けられたガス拡散層と、
前記高分子電解質膜の厚さ方向から見て前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、
前記ガス拡散層上に設けられるとともに、前記枠体と密着する密着領域を有するように設けられたセパレータと、
前記厚さ方向から見て前記密着領域よりも外側において、前記セパレータと前記枠体との間をシールするように設けられたガスケットと、
を備え、
前記触媒層の外縁部は、前記厚さ方向から見て、前記ガス拡散層の外縁部よりも外側で且つ前記ガスケットの中心部よりも内側に位置するように設けられている、燃料電池を提供する。

本発明の第２態様によれば、前記ガス拡散層の外縁部と前記枠体の内縁部とが密着している、第１態様に記載の燃料電池を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記枠体を構成する樹脂材料の一部が前記ガス拡散層の外周領域に混在している、第２態様に記載の燃料電池を提供する。

本発明の第４態様によれば、前記厚さ方向から見て前記密着領域における内縁部と外縁部との最短距離が、前記ガスケットの厚さよりも長い、第１〜３態様のいずれか１つに記載の燃料電池を提供する。

本発明の第５態様によれば、前記厚さ方向から見て前記密着領域における内縁部と外縁部との最短距離が、前記ガスケットの厚さの２倍以上である、第１〜３態様のいずれか１つに記載の燃料電池を提供する。

本発明の第６態様によれば、前記密着領域において前記セパレータと前記枠体とを接着する接着部材が設けられている、第１〜５態様のいずれか１つに記載の燃料電池を提供する。

本発明の第７態様によれば、前記枠体は、前記密着領域において前記セパレータと密着する環状の凸部を備える、第１態様に記載の燃料電池を提供する。

本発明の第８態様によれば、前記セパレータは、前記密着領域において前記枠体の凸部を受け入れる環状の凹部を備える、第７態様に記載の燃料電池を提供する。

本発明の第９態様によれば、前記セパレータは、前記密着領域において前記枠体と密着する環状の凸部を備える、第１態様に記載の燃料電池を提供する。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

《第１実施形態》
本発明の第１実施形態にかかる燃料電池について説明する。図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の基本構造を模式的に示す断面図であり、図２は、その一部拡大断面図である。

本第１実施形態にかかる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含む酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質形燃料電池である。なお、本発明は、高分子電解質形燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。

図１に示すように、本第１実施形態にかかる燃料電池１は、電極−膜−枠接合体２と、電極−膜−枠接合体２を挟んで配置される一対のセパレータ３０，４０とを備えている。電極−膜−枠接合体２は、ＭＥＡ（膜電極接合体）１０と、ＭＥＡ１０の外周領域（周縁部）上に設けられた額縁状の枠体２０とを備えている。

ＭＥＡ１０は、高分子電解質膜１１と、当該高分子電解質膜１１の両面に形成された一対の電極層１２，１２とを備えている。一対の電極層１２の一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。電極層１２は、触媒層１３とガス拡散層１４とを備えている。触媒層１３は、高分子電解質膜１１の表面に形成され、当該触媒層１３上にガス拡散層１４が形成されている。

高分子電解質膜１１は、触媒層１３及びガス拡散層１４よりもサイズが多く、外周領域が触媒層１３及びガス拡散層１４からはみ出すように設けられている。この高分子電解質膜１１の外周領域（周縁部）上に枠体２０が設けられている。

セパレータ３０は、一方のガス拡散層１４上に設けられるとともに、高分子電解質膜１１の厚さ方向（図１の上下方向）から見て一方のガス拡散層１４の外縁部１４ａよりも外側で枠体２０と密着する密着領域Ｅ１を有するように設けられている。高分子電解質膜１１の厚さ方向から見て密着領域Ｅ１よりも外側には、セパレータ３０と枠体２０との間をシールするように環状のガスケット２１が設けられている。同様に、セパレータ４０は、他方のガス拡散層１４上に設けられるとともに、高分子電解質膜１１の厚さ方向から見て他方のガス拡散層１４の外縁部１４ａよりも外側で枠体２０と密着する密着領域Ｅ１を有するように設けられている。高分子電解質膜１１の厚さ方向から見て密着領域Ｅ１よりも外側には、セパレータ４０と枠体２０との間をシールするように環状のガスケット２１が設けられている。

ガスケット２１は、ＭＥＡ１０に悪影響を与える成分（以下、単に不純物という）を含む樹脂材料で構成されている。このため、樹脂材料に含まれる不純物が溶出するおそれがある。これに対し、本第１実施形態においては、ガスケット２１と電極層１２との間に密着領域Ｅ１が設けられているので、ガスケット２１から溶出した不純物がガス拡散層１４側へ流れるのを抑えることができる。従って、燃料電池の発電性能の低下を抑えることができる。また、密着領域Ｅ１を設けるという簡単な構成であるので、生産コストの増加を抑えることができる。

次に、燃料電池１を構成する各部材についてより詳しく説明する。

高分子電解質膜１１は、好ましくは、水素イオン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜１１としては、特に限定されるものではないが、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜（例えば、米国DuPont社製のNafion（登録商標）、旭化成（株）製のAciplex（登録商標）、旭硝子（株）製のFlemion（登録商標）など）や各種炭化水素系電解質膜を使用することができる。高分子電解質膜１１の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであればよい。高分子電解質膜１１の形状は、特に限定されるものではないが、本第１実施形態では略矩形とする。

触媒層１３は、好ましくは、水素又は酸素の酸化還元反応に対する触媒を含む層である。触媒層１３は、好ましくは、外縁部１３ａが、高分子電解質膜１１の厚さ方向から見て、ガス拡散層１４の外縁部１４ａよりも外側で且つガスケット２１の中心部よりも内側に位置するように設けられる。触媒層１３の外縁部１３ａがガスケット２１の中心部よりも外側にあると、多孔質な触媒層１３の内部を通過した反応ガスが外側に抜けやすくなり、（外部リーク）ガスロスが生じる。また、触媒層１３の外縁部１３ａがガス拡散層１４の外縁部１４ａより内側にあると、ガス拡散層１４と高分子電解質膜１１とが直接接触してしまい、膜劣化が加速する懸念がある。また、触媒層１３は、特に限定されるものではないが、例えば、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料とを主成分とした多孔質部材により構成することができる。触媒層１３は、導電性を有し、且つ水素及び酸素の酸化還元反応に対する触媒能を有するものであればよい。触媒層１３の形状は、特に限定されるものではないが、本第１実施形態では略矩形とする。触媒層１３は、高分子電解質膜１１の表面に触媒層形成用インクを塗工又はスプレーするなどして形成することができる。また、一般的な転写法により作製しても良い。

ガス拡散層１４は、好ましくは、炭素繊維を基材として用いずに構成したいわゆる基材レスガス拡散層で構成される。具体的には、ガス拡散層１４は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成される。ここで、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材とすることなく、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される構造（いわゆる自己支持体構造）を持つ多孔質部材を意味する。導電性粒子と高分子樹脂とで多孔質部材を製造する場合、例えば、界面活性剤と分散溶媒とを用いる。この場合、製造工程中に、焼成により界面活性剤と分散溶媒とを除去するが、十分に除去できずにそれらが多孔質部材中に残留することが有り得る。従って、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材として使用しない自己支持体構造である限り、そのようにして残留した界面活性剤と分散溶媒が多孔質部材に含まれてもよいことを意味する。また、炭素繊維を基材として基材として使用しない自己支持体構造であれば、他の材料（例えば、短繊維の炭素繊維など）が多孔質部材に含まれてもよいことも意味する。

ガス拡散層１４は、高分子樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造することができる。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌・混錬機に投入後、混錬して粉砕・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。次いで、高分子樹脂であるフッ素樹脂をさらに攪拌・混錬機に投下して、攪拌及び混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒、界面活性剤を除去する。これにより、シート状のガス拡散層１４を製造することができる。

ガス拡散層１４を構成する導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭などのカーボン材料が挙げられる。前記カーボンブラックとしては、アセチレンブラック（ＡＢ）、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカンなどが挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。また、カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状であってもよい。

ガス拡散層１４を構成する高分子樹脂の材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等が挙げられる。これらの中でも、高分子樹脂の材料としてＰＴＦＥが使用されることが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から好ましい。ＰＴＦＥの原料形態としては、ディスパージョン、粉末状などがあげられる。それらの中でも、ＰＴＦＥの原料形態としてディスパージョンが採用されることが、作業性の観点から好ましい。なお、ガス拡散層１４を構成する高分子樹脂は、導電性粒子同士を結着するバインダとしての機能を有する。また、前記高分子樹脂は、撥水性を有するため、燃料電池の内部にて水を系内に閉じ込める機能（保水性）も有する。

また、ガス拡散層１４には、上述したように、導電性粒子及び高分子樹脂以外に、製造時に使用する界面活性剤及び分散溶媒などが微量含まれていてもよい。分散溶媒としては、例えば、水、メタノール及びエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどのノニオン系、アルキルアミンオキシドなどの両性イオン系が挙げられる。製造時に使用する分散溶媒の量及び界面活性剤の量は、導電性粒子の種類、高分子樹脂の種類、それらの配合比率などに応じて適宜設定すればよい。なお、一般的には、分散溶媒の量、界面活性剤の量が多いほど、高分子樹脂と導電性粒子が均一分散しやすい傾向がある一方で、流動性が高くなり、ガス拡散層のシート化が難しくなる傾向がある。なお、界面活性剤は、導電性粒子の材料、分散溶媒の種類により適宜選択することができる。また、界面活性剤を使用しなくてもよい。

なお、ガス拡散層１４は、カソード電極側及びアノード電極側において同じ構造のガス拡散層を用いても、異なる構造のガス拡散層を用いてもよい。例えば、カソード電極側及びアノード電極側のいずれか一方に炭素繊維を基材としたガス拡散層を用い、いずれか他方に前述した基材レスガス拡散層を用いてもよい。

枠体２０は、ＭＥＡ１０のハンドリング性の向上のために設けられる部材である。枠体２０の材料としては、一般的な熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを用いることができる。例えば、枠体２０の材料として、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン、液晶性ポリマー、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン、ガラス繊維強化樹脂などを用いることができる。枠体２０の形状は、特に限定されるものではないが、本第１実施形態では略矩形環状とする。

セパレータ３０，４０は、好ましくはＭＥＡ１０を機械的に固定するための部材である。セパレータ３０，４０は、好ましくは、カーボンを含む材質や金属を含む材質で構成される。セパレータ３０，４０がカーボンを含む材質で構成される場合、セパレータ３０，４０は、カーボン粉末と樹脂バインダとを混合した原料粉を金型内に供給し、当該金型内に供給された原料粉に圧力と熱を加えることによって形成することができる。セパレータ３０，４０が金属を含む材質で構成される場合、セパレータ３０，４０は、金属プレートからなるものであってもよい。また、セパレータ３０，４０として、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。

セパレータ３０のガス拡散層１４と接触する主面（以下、電極面ともいう）には、燃料ガス用のガス流路３１が設けられている。また、セパレータ４０のガス拡散層１４と接触する主面（以下、電極面ともいう）には、酸化剤ガス用のガス流路４１が設けられている。ガス流路３１を通じて一方の電極層１２に燃料ガスが供給され、ガス流路４１を通じて他方の電極層１２に酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。

ガスケット２１は、好ましくは、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。ガスケット２１を構成する材料としては、例えば、ゴム材料や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２１を構成するシール材の具体例としては、フッ素ゴム、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、フッ素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２１を構成するシール材として、具体的には、ポリプロピレン及びＥＰＤＭを有してなるポリオレフィン系熱可塑性エラストマーであるサントプレン８１０１−５５等を用ることができる。ガスケット２１の形状は、特に限定されるものではないが、本第１実施形態では略矩形環状とする。

次に、図１に示す燃料電池（単電池）１を複数個直列に連結して、いわゆる燃料電池スタックとして使用する場合の構造について説明する。図３は、燃料電池１を複数個連結した燃料電池スタック３の基本構造を示す分解斜視図である。

複数個の燃料電池１を燃料電池スタック３として使用する場合、ガス流路３１，４１に反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を供給するためには、反応ガスを供給する配管を、セパレータ３０，４０の枚数に対応する数に分岐し、それらの分岐先をガス流路３１，４１につなぐマニホールドが必要となる。

このため、本第１実施形態では、図３に示すように、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０にそれぞれ、燃料ガスが供給される一対の貫通孔である燃料ガスマニホールド孔２２，３２，４２が設けられている。また、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０にはそれぞれ、酸化剤ガスが流通する一対の貫通孔である酸化剤ガスマニホールド孔２３，３３，４３が設けられている。枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０が燃料電池１として連結された状態では、燃料ガスマニホールド孔２２，３２，４２が連結され、燃料ガスマニホールドが形成される。同様に、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０が燃料電池１として連結された状態では、酸化剤ガスマニホールド孔２３，３３，４３が連結され、酸化剤ガスマニホールドが形成される。

また、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０には、冷却媒体（例えば、純水やエチレングリコール）が流通するそれぞれ二対の貫通孔である冷却媒体マニホールド孔２４，３４，４４が設けられている。枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０が燃料電池１として連結された状態では、冷却媒体マニホールド孔２４，３４，４４が連結され、二対の冷却媒体マニホールドが形成される。

また、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０には、それぞれの角部の近傍に４つのボルト孔５０が設けられている。各ボルト孔５０に締結ボルトが挿通され、当該締結ボルトにナットが結合することによって複数個の燃料電池１が締結される。

ガス流路３１は、一対の燃料ガスマニホールド３２，３２間を結ぶように設けられている。ガス流路４１は、一対の酸化剤ガスマニホールド４３，４３間を結ぶように設けられている。なお、図３では、ガス流路３１，４１をサーペンタイン型の流路として示したが、その他の形態（例えば直線型）の流路であってもよい。

また、セパレータ３０の電極面とは反対側の主面及びセパレータ４０の電極面とは反対側の主面には、図示していないが、好ましくは、それぞれ冷却媒体流路が形成される。冷却媒体流路は、二対の冷却媒体マニホールド孔３４，４４間を結ぶように形成される。すなわち、冷却媒体がそれぞれ供給側の冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路に分岐して、それぞれ排出側の冷却媒体マニホールドに流通するように構成されている。これにより、冷却媒体の伝熱能力を利用して、燃料電池１を電気化学反応に適した所定の温度に保つようにしている。

なお、前記では、セパレータ３０，４０に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各マニホールド孔を設け、積層した際に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各供給マニホールドが形成されるように構成した、いわゆる内部マニホールド方式の燃料電池を例示して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料電池スタック３の側面に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各供給マニホールドを設けた、いわゆる外部マニホールド方式の燃料電池であってもよい。この場合でも、同様の効果を得ることができる。また、セパレータ３０，４０を多孔状の導電材にて形成し、冷却媒体流路を流れる冷却水の圧力が、ガス流路３１，４１を流れる反応ガスの圧力よりも高くなるようにして、冷却水の一部を電極面側にセパレータ３０，４０を透過させて、高分子電解質膜１１を湿らせる、いわゆる内部加湿型の燃料電池であってもよい。

また、前記では、セパレータ３０，４０にガス流路３１，４１を設けるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、一方のガス拡散層１４にガス流路３１を設け、他方のガス拡散層１４にガス流路４１を設けるようにしてもよい。また、セパレータ３０と一方のガス拡散層１４の両方にガス流路３１を形成するようにしてもよい。また、セパレータ４０と他方のガス拡散層１４の両方にガス流路４１を形成するようにしてもよい。

以上、本発明の第１実施形態によれば、高分子電解質膜１１の厚さ方向から見てガスケット２１とガス拡散層１４との間に密着領域Ｅ１が設けられているので、ガスケット２１から溶出した不純物がガス拡散層１４側へ流れるのを抑えることができる。従って、燃料電池の発電性能の低下を抑えることができる。また、密着領域Ｅ１を設けるという簡単な構成であるので、生産コストの増加を抑えることができる。

《第２実施形態》
次に、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池について説明する。図４は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図である。本第２実施形態の燃料電池が前記第１実施形態の燃料電池と異なる点は、枠体２０の厚さが電極層１２の厚さよりも厚く、セパレータ３０，４０に段差部３０ａ，４０ａが設けられている点である。

本第２実施形態によれば、密着領域Ｅ１が設けられているので、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本発明の第２実施形態によれば、セパレータ３０，４０に段差部３０ａ，４０ａが設けられているので、前記第１実施形態（図２参照）に比べて、ガスケット２１から溶出した不純物が電極層１２に至るまでの経路が長くなっている。これにより、ガスケット２１から溶出した不純物が電極層１２に到達する量を抑えることができ、燃料電池の発電性能の低下を一層抑えることができる。

《第３実施形態》
次に、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池について説明する。図５は、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図である。本第３実施形態の燃料電池が前記第１実施形態の燃料電池と異なる点は、密着領域Ｅ１の幅Ｗ１がガスケット２１の幅Ｗ２の２倍以上である点である。ここで、「密着領域Ｅ１の幅」とは、高分子電解質膜１１の厚さ方向から見て密着領域Ｅ１における内縁部と外縁部との最短距離をいう。

本第３実施形態によれば、密着領域Ｅ１の幅Ｗ１をガスケット２１の幅Ｗ２の２倍以上にしているので、セパレータ３０，４０と枠体２０との密着性をより一層向上させることができる。また、前記第１実施形態（図２参照）に比べて、ガスケット２１から溶出した不純物が電極層１２に至るまでの経路が長くなっているので、ガスケット２１から溶出した不純物が電極層１２に到達する量を抑えることができる。従って、燃料電池の発電性能の低下をより一層抑えることができる。

なお、本第３実施形態では、密着領域Ｅ１の幅Ｗ１をガスケット２１の幅Ｗ２の２倍以上にしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、密着領域Ｅ１の幅Ｗ１は、ガスケット２１の幅Ｗ２よりも短くてもよい。但し、密着領域Ｅ１の幅Ｗ１は、長ければ長いほど、燃料電池の発電性能の低下を抑えることができる。このため、密着領域Ｅ１の幅Ｗ１は、ガスケット２１の幅Ｗ２よりも長いことが好ましく、本第３実施形態のようにガスケット２１の幅Ｗ２の２倍以上であることがより好ましい。また、密着領域Ｅ１の幅Ｗ１は、ガスケット２１の幅Ｗ２の３倍以上であることが更に好ましい。

《第４実施形態》
次に、本発明の第４実施形態にかかる燃料電池について説明する。図６は、本発明の第４実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図である。本第４実施形態の燃料電池が前記第１実施形態の燃料電池と異なる点は、ガス拡散層１４の外縁部１４ａと枠体２０の内縁部２０とが密着している点である。

本第４実施形態によれば、ガス拡散層１４の外縁部１４ａと枠体２０の内縁部２０ａとを密着させることにより、ガスケット２１から溶出した不純物がガス拡散層１４と枠体２０の間を通じて触媒層１３又は高分子電解質膜１１に流れることを抑えることができる。これにより、燃料電池の発電性能の低下をより一層抑えることができる。

なお、ガス拡散層１４の外縁部１４ａと枠体２０の内縁部２０ａとをより一層密着させる観点では、枠体２０を構成する樹脂材料の一部がガス拡散層１４の外周領域に混在している（浸み込んでいる）ことが好ましい。これにより、燃料電池の発電性能の低下をより一層抑えることができる。なお、「ガス拡散層１４の外周領域」とは、主として発電に寄与することを意図しない領域をいう。

《第５実施形態》
次に、本発明の第５実施形態にかかる燃料電池について説明する。図７は、本発明の第５実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図である。本第５実施形態の燃料電池が前記第１実施形態の燃料電池と異なる点は、密着領域Ｅ１において、枠体２０が凸部２０ｂを備え、セパレータ３０，４０が凸部２０ｂを受け入れる凹部３０ｂ，４０ｂを備えている点である。

本第５実施形態によれば、枠体２０の凸部２０ｂとセパレータ３０，４０の凹部３０ｂとを密着させることにより、ガスケット２１から溶出した不純物がガス拡散層１３又は高分子電解質膜１１に流れることをより一層抑えることができる。また、前記第１実施形態（図２参照）に比べて、ガスケット２１から溶出した不純物が電極層１２に至るまでの経路が長くなっているので、ガスケット２１から溶出した不純物が電極層１２に到達する量を抑えることができる。また、前記第３実施形態（図５参照）のように枠体２０の幅（図５の左右方向）を長くする必要がなく、燃料電池の大型化を抑えることができる。

また、枠体２０は、一般に、ＭＥＡ１０を金型内に配置し、当該金型内に溶融した樹脂材料を流し込んだ後、冷却することで形成される。この冷却の際、溶融した樹脂材料は収縮するが、その収縮のバラツキによって枠体２０が反ることが起こり得る。特に、ＭＥＡ１０のガス拡散層１４が前述した基材レスガス拡散層である場合には、当該ガス拡散層１４の剛性が低いので、枠体２０の反りが起こり易い。これに対し、本第５実施形態によれば、枠体２０に環状の凸部２０ｂを設けることで、当該凸部２０ｂがリブとして機能し、枠体２０の反りを抑えることができる。

なお、本第５実施形態では、ガスケット２１から溶出した不純物がガス拡散層１３又は高分子電解質膜１１に流れることを抑える観点で、セパレータ３０，４０に凹部３０ｂ，４０ｂを設けたが、当該凹部３０ｂ，４０ｂは必ずしも設ける必要はない。また、図７では、枠体２０の内縁部に対して凸部２０ｂが面一になるように示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８に示すように、枠体２０の内縁部よりも外側に凸部２０ｂを設けてもよい。

《第６実施形態》
次に、本発明の第６実施形態にかかる燃料電池について説明する。図９は、本発明の第６実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図である。本第６実施形態の燃料電池が前記第１実施形態の燃料電池と異なる点は、枠体２０の厚さが電極層１２の厚さよりも薄く、セパレータ３０，４０に凸部３０ｃ，４０ｃが設けられている点である。

本第６実施形態によれば、ガスケット２１と電極層１２との間に密着領域Ｅ１が設けられているので、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本発明の第６実施形態によれば、セパレータ３０，４０に凸部３０ｃ，４０ｃが設けられているので、前記第１実施形態（図２参照）に比べて、ガスケット２１から溶出した不純物が電極層１２に至るまでの経路が長くなっている。これにより、ガスケット２１から溶出した不純物が電極層１２に到達する量を抑えることができ、燃料電池の発電性能の低下を一層抑えることができる。

《第７実施形態》
次に、本発明の第７実施形態にかかる燃料電池について説明する。図１０は、本発明の第７実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図である。本第７実施形態の燃料電池が前記第６実施形態の燃料電池と異なる点は、枠体２０にセパレータ３０，４０の凸部３０ｃ，４０ｃを受け入れる段差部２０ｃが設けられている点である。

本第７実施形態によれば、本発明の第６実施形態によれば、セパレータ３０，４０に凸部３０ｃ，４０ｃが設けられるとともに、枠体２０に段差部２０ｃが設けられているので、前記第６実施形態（図９参照）に比べて、ガスケット２１から溶出した不純物が電極層１２に至るまでの経路が長くなっている。これにより、ガスケット２１から溶出した不純物が電極層１２に到達する量を抑えることができ、燃料電池の発電性能の低下をより一層抑えることができる。

《第８実施形態》
次に、本発明の第７実施形態にかかる燃料電池について説明する。図１１は、本発明の第８実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図である。本第８実施形態の燃料電池が前記第１実施形態の燃料電池と異なる点は、セパレータ３０，４０と枠体２０とを接着する接着部材６０が密着領域Ｅ１に設けられている点である。

本第８実施形態によれば、密着領域Ｅ１に接着部材６０を設けることにより、セパレータ３０，４０と枠体２０との密着性をより一層向上させることができる。これにより、燃料電池の発電性能の低下をより一層抑えることができる。

なお、接着部材６０の材料としては、例えば、ポリイソブチレン系（スリーボンド製ＴＢ１１５２等）、シリコーン系、エポキシ樹脂系、付加重合型オレフィン系、アクリル樹脂系、スチレン系、ニトリル系、フェノール系、ホットメルト系、ラテックス系、フッ素系などのシール剤を使用することができる。

なお、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記各実施形態では、高分子電解質膜１１を挟むようにアノード電極側とカソード電極側のそれぞれに枠体２０を配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、アノード電極側の枠体２０とカソード電極側の枠体２０とが端部において接続されるように構成してもよい。また、前記では、額縁状の枠体を示したが、この態様に限定されず、種々の形態を採ることができる。

また、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる燃料電池は、生産コストの増加を抑えるとともに、発電性能の低下を抑えることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池として有用である。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術に熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

２０１１年８月１０日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２０１１−１７４６２５号の明細書、図面、および特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。

Claims (9)

1. 高分子電解質膜と、
   前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、
   前記触媒層上に設けられたガス拡散層と、
   前記高分子電解質膜の厚さ方向から見て前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、
   前記ガス拡散層上に設けられるとともに、前記枠体と密着する密着領域を有するように設けられたセパレータと、
   前記厚さ方向から見て前記密着領域よりも外側において、前記セパレータと前記枠体との間をシールするように設けられたガスケットと、
   を備え、
   前記触媒層の外縁部は、前記厚さ方向から見て、前記ガス拡散層の外縁部よりも外側で且つ前記ガスケットの中心部よりも内側に位置するように設けられている、燃料電池。
2. 前記ガス拡散層の外縁部と前記枠体の内縁部とが密着している、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記枠体を構成する樹脂材料の一部が前記ガス拡散層の外周領域に混在している、請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記厚さ方向から見て前記密着領域における内縁部と外縁部との最短距離が、前記ガスケットの幅よりも長い、請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池。
5. 前記厚さ方向から見て前記密着領域における内縁部と外縁部との最短距離が、前記ガスケットの幅の２倍以上である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池。
6. 前記密着領域において前記セパレータと前記枠体とを接着する接着部材が設けられている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池。
7. 前記枠体は、前記密着領域において前記セパレータと密着する環状の凸部を備える、請求項１に記載の燃料電池。
8. 前記セパレータは、前記密着領域において前記枠体の凸部を受け入れる環状の凹部を備える、請求項７に記載の燃料電池。
9. 前記セパレータは、前記密着領域において前記枠体と密着する環状の凸部を備える、請求項１に記載の燃料電池。

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