JP5309574B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池に関する。

従来、燃料電池として、電極面上に形成されるガス流路を、多孔質体によって形成すると共に、多孔質体の外周にシール部を配置し、シール部によって、ガス流路におけるガスシール性を実現する構成が知られている。このような、流路形成多孔質体およびシール部を備える燃料電池においては、従来、シール部の劣化と、ガス利用率の低下の問題が生じていた。

シール部の劣化は、燃料電池の内部環境が強酸化することに起因して生じる。すなわち、燃料電池においては、発電と共に一方の極で水が発生するが、特に固体高分子型燃料電池においては、電解質膜を構成する固体高分子の経時的な劣化によって電解質膜が部分的に分解されることに起因して、生成水が強酸性を示すという性質がある。このような強酸性の環境下では、シール部が劣化しやすくなり、シール部が劣化すると、ガス流路におけるシール性が損なわれる可能性がある。

ガス利用率の低下は、シール部と、流路形成多孔質体との間に空間が形成されることに起因して生じる。すなわち、多孔質体内部の空間は、流路抵抗が大きくなるため、多孔質体の周囲に空間が存在すると、ガスは、抵抗がより小さい上記空間を流れようとする。そのため、多孔質体内を流れるガス流量が減少し、ガス利用率の低下が引き起こされる。

上記シール部の劣化を抑制するために、従来、シール部の表面に撥水層を設け、シール部の耐久性を高める構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−４８５２１ 特開２００５−２６７９０４ 特開２００２−３１３３７３ 特開２００７−１６５１５６

しかしながら、上記のようにシール部の表面に撥水層を設けても、ガスの利用率の改善に寄与することはできず、シール部の耐久性の向上に加えて、さらに、ガス利用率の改善が望まれていた。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、多孔質体によってガス流路を形成する燃料電池において、シール部の耐久性を向上させると共に、ガス利用率を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜上に形成された電極と、
前記電極表面を覆って配置されると共に、導電性多孔質体によって構成され、前記導電性多孔質体内の細孔によってガスの流路を形成するガス流路形成部と、
前記ガス流路形成部に接して前記ガス流路形成部上に配置されるガスセパレータと、
前記電解質膜および前記電極の外周部に設けられると共に、前記ガスセパレータと接触する接触部を備え、前記接触部によって前記ガスの流路におけるガスシール性を確保するシール部と、
前記ガス流路形成部の外周と前記接触部との間の空間全体における前記ガスの流れを抑止可能となる位置であって、前記ガス流路形成部の外周の一部に対応する位置において、前記流路形成部の外周と前記接触部との間を塞ぐ封止部と
を備えることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、封止部によってガス流路形成部の外側におけるガス流れを抑制することによってガス利用率の低下を抑える際に、封止部がガス流路形成部外周の一部の部位にのみ形成されているため、封止部の周囲の隙間における液水の滞留を抑制することができる。このように、液水の滞留を抑制することにより、封止部の周囲に滞留する液水に起因するシール部の劣化を抑制することができる。したがって、本発明によれば、ガス流路形成部の外周の一部にのみ封止部を設けることにより、ガス利用率低下の抑制とシール部の劣化の抑制とを両立させることができる。

本発明の燃料電池において、前記シール部は、ゴム弾性を示すエラストマーによって形成され、前記封止部は、熱可塑性樹脂によって形成されることとしても良い。このような構成とすれば、シール部が備える接触部は、ゴム弾性を有することにより生じる反力により、良好なガスシール性を実現することができる。また、このような接触部で生じる反力に起因するガス流路形成部の外周近傍における接触抵抗の増大を抑えるために、ガス流路形成部の外周から距離を置いて接触部を形成しても、封止部を設けることにより、ガス流路形成部外周と接触部との間を流れるガスに起因するガス利用率の低下を抑制することができる。ここで、封止部を熱可塑性樹脂により形成するため、燃料電池を構成する各部材の積層、組み立て時に加熱を伴う加圧を行なうならば、高い精度を要求される成形を行なうことなく、ガス流路形成部の外周と接触部との間を塞ぐ形状の封止部を、容易に形成することができる。

本発明の燃料電池において、前記封止部は、前記ガス流路形成部の外周のうち、鉛直方向下端部とは異なる部位と前記接触部との間に配置されていることとしても良い。このような構成とすれば、ガスの流路において、液水が滞留しやすい鉛直方向下端部が、封止部で塞がれていない解放された空間となる。そのため、ガスの流路において、液水の気化を促進して液水の滞留を抑制し、シール部の劣化を抑制する効果を高めることができる。

本発明の燃料電池において、前記ガスは、前記電極と前記ガスセパレータとの間の空間において、鉛直方向上方から下方へと流れ、前記ガス流路形成部は、四角形状に形成され、前記封止部は、前記ガス流路形成部の外周のうち、鉛直方向に平行な２辺の各々における限られた部位と、前記接触部との間に配置されていることとしても良い。このような構成とすれば、ガス流路形成部外におけるガス流れを抑制するための封止部を、より小さくすることが可能となり、封止部を小さくすることにより、封止部の周囲に形成される隙間に滞留する液水量を抑え、滞留する液水に起因するシール部の劣化を抑える効果を高めることができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の製造方法などの形態で実現することが可能である。

Ａ．燃料電池の構成：
図１は、実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図であり、図２は、図１において破線で囲んだＸ領域を拡大して示す説明図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池である。また、本実施例の燃料電池は、電気化学反応が進行する単位であるセルアセンブリ１０を複数備えると共に、各々のセルアセンブリ１０間にガスセパレータ３０を介在させつつセルアセンブリ１０を積層させたスタック構造を有している。

セルアセンブリ１０は、図２に示すように、発電積層部１１と、シール部１６と、封止部１８と、によって構成されている。発電積層部１１は、発電体１２と、発電体１２を挟持する一対のガス流路形成部１４，１５とによって構成される。発電体１２は、電解質膜２０と、電解質膜２０の表面に形成された触媒電極（カソード２２およびアノード２４）と，から成るＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）１３と、ＭＥＡ１３を挟持する一対のガス拡散層２６，２８と、によって形成される。

電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード２２およびアノード２４は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。カソード２２およびアノード２４を形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜２０を構成する電解質と同様の電解質とを用いてペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜２０上に塗布すればよい。ガス拡散層２６，２８は、カーボン製の多孔質部材であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。電解質膜２０上に触媒電極を形成したＭＥＡ１３とガス拡散層２６，２８とを、プレス接合により一体化することで、発電体１２が作製される。このガス拡散層２６，２８は、後述するガス流路形成部１４，１５よりも平均細孔径が小さな多孔質体によって構成されている。ただし、ガス流路形成部１４，１５の構成材料や気孔率によっては、ガス拡散層２６，２８を設けないこととしても良い。

ガス流路形成部１４，１５は、発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体、あるいは、カーボン製の多孔質体によって形成される導電性の薄板状部材であり、本実施例では、チタン製の多孔質体を用いている。ガス流路形成部１４，１５は、発電体１２を覆って、すなわち触媒電極を覆って、一方の面全体で発電体１２と接すると共に、他方の面全体でガスセパレータ３０に当接している。これにより、ガス流路形成部１４，１５の内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガスが通過するセル内ガス流路として機能する。具体的には、カソード２２とガスセパレータ３０との間に配置されるガス流路形成部１４の細孔が形成する空間は、酸素を含有する酸化ガスが通過するセル内酸化ガス流路として機能する。また、アノード２４とガスセパレータ３０との間に配置されるガス流路形成部１５の細孔が形成する空間は、水素を含有する燃料ガスが通過するセル内燃料ガス流路として機能する。

シール部１６は、隣り合うガスセパレータ３０間において、発電積層部１１の外周部に設けられている。シール部１６は、ゴム弾性を示すエラストマー、すなわち、ゴム（例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム）や、熱可塑性エラストマーによって形成される。このようなシール部１６は、発電体１２と一体で形成されている。また、シール部１６の両面には、ガスセパレータ３０に接触する接触部として、ガスシール性を実現するための線状の凸部であるリップ１７が形成されている。このようなシール部１６は、例えば、シール部１６に対応する形状の金型のキャビティ内に発電体１２の外周部が収まるように発電体１２を配置し、上記樹脂材料を射出成形することによって、発電体１２と一体で形成される。

封止部１８は、発電積層部１１の外周部であって、ガス流路形成部１４，１５の外周とシール部１６との間に配置されている。具体的には、封止部１８は、シール部１６に設けられたリップ１７とガス流路形成部１４，１５の外縁との間の空間を塞ぐように、ガス流路形成部１４，１５の外縁と、シール部１６と、ガスセパレータ３０とに接して設けられている。この封止部は１８は、例えば、熱可塑性樹脂から成るガス不透過な部材によって構成されている。本実施例の燃料電池は、このような封止部１８が、ガス流路形成部１４，１５の外縁とリップ１７との間の空間のうちの、一部のみを塞ぐように設けられていることを特徴としている。

図３は、ＭＥＡ１３と一体形成されたシール部１６の概略構成を表わす平面図である。図３においては、シール部１６を組み込んだ燃料電池を発電のために配置したときに鉛直方向となる方向を、矢印Ａによって表わしており、水平方向となる方向を、矢印Ｂによって表わしている。図３に示すように、シール部１６は、略四角形状の薄板状部材であり、外周部において辺に沿って細長く形成された複数の穴部と、中央部に設けられてＭＥＡ１３が組み込まれている略四角形の穴部とを有している。具体的には、複数の穴部としては、シール部１６の辺のうちの鉛直方向上端に対応する辺に沿って設けられた３つの穴部４０と、鉛直方向下端に対応する辺に沿って設けられた３つの穴部４１と、鉛直方向に平行な辺の一方に沿って設けられた穴部４２，４３と、鉛直方向に平行な辺の他方に沿って設けられた穴部４４，４５と、を有している。上記複数の穴部は、ガスセパレータ３０およびセルアセンブリ１０を積層して燃料電池を組み立てたときに、燃料電池内部を積層方向に貫通し、内部を所定の流体が流れるマニホールドを形成する。なお、シール部１６に設けられたリップ１７は、図３に示すように、上記複数の穴部および略四角形の穴部を取り囲む位置に設けられている。

また、図３では、シール部１６と一体化された発電体１２において、ガス拡散層が露出している部分を、ハッチを付して示している。この、発電体１２におけるガス拡散層が露出している部分は、酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて、発電体１２が備える触媒電極で電気化学反応が進行する領域であるということができる。そこで、燃料電池内部において、上記ガス拡散層が露出している部分に重なる領域を、以下、発電領域ＤＡと呼ぶ。ガス流路形成部１４，１５は、発電領域ＤＡと略同一形状に形成されており、この領域と重なるように発電体１２上に配設されている。

さらに図３では、封止部１８の平面的な配置を示している。ただし本実施例では、燃料電池を組み立てる際には、封止部１８は、後述するようにシール部１６ではなくガスセパレータ３０およびガス流路形成部１４，１５と一体で形成している。封止部１８は、図３に示すように、ガス流路形成部１４，１５の外縁を成す４辺のうち、鉛直方向に平行な２辺と、シール部１６に設けられたリップ１７と、の間に設けられている。すなわち、ガス流路形成部１４，１５の外縁を成す４辺のうち、鉛直方向上端に対応する辺とリップ１７との間、および、鉛直方向下端に対応する辺とリップ１７との間は、封止部１８が設けられていない空間となっている。本実施例の燃料電池では、ガス流路形成部１４，１５が形成するセル内ガス流路において、燃料ガスおよび酸化ガスは、鉛直方向に平行に流れる。そのため、本実施例では、図３に示す位置に封止部１８を設けることによって、ガス流路形成部１４，１５の外縁とリップ１７との間の空間におけるガス流れを抑制可能となる。

ガスセパレータ３０は、図１に示すように、ガス流路形成部１４と接するカソード側プレート３１と、ガス流路形成部１５と接するアノード側プレート３２と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２に挟持される中間プレート３３と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼あるいはチタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材であり、カソード側プレート３１、中間プレート３３、アノード側プレート３２の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。図４は、ガスセパレータ３０を構成する各プレートの概略構成を表わす説明図である。図４（Ａ）は、カソード側プレート３１の形状を示す平面図であり、図４（Ｂ）は、中間プレート３３の形状を示す平面図であり、図４（Ｃ）は、アノード側プレート３２の形状を示す平面図である。これら図４（Ａ）〜（Ｃ）では、既述した発電領域ＤＡを、一点破線で囲んで示している。

カソード側プレート３１、アノード側プレート３２は、既述したように、その外周部においてシール部１６と同様の位置に、マニホールドを形成するための複数の穴部である穴部４０〜４５を備えている。なお、中間プレート３３は、上記穴部４０〜４５のうち、穴部４２，４５は有していないが、後述する複数の冷媒孔５９が、穴部４２，４５に対応する位置に重なるように設けられている。

上記各薄板状部材が備える穴部４１は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各セル内酸化ガス流路に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｏ₂ inと表わす）、穴部４０は、各セル内酸化ガス流路から排出されて集合した酸化ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｏ₂ outと表わす）。また、穴部４４は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各セル内燃料ガス流路に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ₂ inと表わす）、穴部４３は、各セル内燃料ガス流路から排出されて集合した燃料ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ₂ outと表わす）。さらに、穴部４２は、燃料電池に対して供給された冷却水などの冷媒を各ガスセパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、ＣＬＴ inと表わす）、穴部４５は、各ガスセパレータ３０から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、ＣＬＴ outと表わす）。

また、カソード側プレート３１は、穴部４１におけるプレート中央部側の辺の近傍において発電領域ＤＡの一辺（鉛直方向下端側の辺）に沿って設けられ、カソード側プレート３１を貫通して形成された酸化ガス供給スリット５１を備えている。同様に、穴部４０におけるプレート中央部側の辺の近傍において発電領域ＤＡの他の一辺（鉛直方向上端側の辺）に沿って設けられた酸化ガス排出スリット５０を備えている（図４（Ａ）参照）。

アノード側プレート３２は、穴部４０におけるプレート中央部側の辺の近傍において発電領域ＤＡの一辺（鉛直方向上端側の辺）に沿って設けられ、アノード側プレート３２を貫通して形成された燃料ガス供給スリット５４を備えている。また、穴部４１におけるプレート中央部側の辺の近傍において発電領域ＤＡの他の一辺（鉛直方向下端側の辺）に沿って設けられた燃料ガス排出スリット５３を備えている（図４（Ｃ）参照）。これらの燃料ガス供給スリット５４および燃料ガス排出スリット５３は、それぞれ、酸化ガス供給スリット５１および酸化ガス排出スリット５０と重ならないように、プレートのさらに中央部寄りに形成されている。

中間プレート３３においては、穴部４０の形状が他のプレートとは異なっており、中間プレート３３の穴部４０は、この穴部４０のプレート中央部側の辺が、プレート中央部方向へと突出する複数の突出部を備える形状となっている。穴部４０が有する上記複数の突出部を、連通部５５と呼ぶ。この連通部５５は、中間プレート３３とカソード側プレート３１とが積層されたときに酸化ガス排出スリット５０と重なり合うように形成されており、酸化ガス排出マニホールドと酸化ガス排出スリット５０とを連通させる。穴部４１においても同様に、酸化ガス供給スリット５１に対応して、複数の連通部５６が設けられている（図４（Ｂ）参照）。さらに、中間プレート３３には、穴部４４および穴部４３の各々に連通して、アノード側プレート３２の燃料ガス供給スリット５４あるいは燃料ガス排出スリット５３と重なる形状の、連通部５８および連通部５７が設けられている。

燃料電池の内部において、穴部４１が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート３３の連通部５６が形成する空間と、カソード側プレート３１の酸化ガス供給スリット５１とを介して、ガス流路形成部１４内に形成されるセル内酸化ガス流路へと流入する。流入した酸化ガスは、電気化学反応に供されつつ、セル内酸化ガス流路を通過し、ガス流路形成部１４から、カソード側プレート３１の酸化ガス排出スリット５０および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間を介して、穴部４０が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。同様に、燃料電池の内部において、穴部４４が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート３３の連通部５８が形成する空間と、アノード側プレート３２の燃料ガス供給スリット５４とを介して、ガス流路形成部１５内に形成されるセル内燃料ガス流路へと流入する。流入した燃料ガスは、電気化学反応に供されつつ、セル内燃料ガス流路を通過し、ガス流路形成部１５から、アノード側プレート３２の燃料ガス排出スリット５３および中間プレート３３の連通部５７が形成する空間を介して、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。

なお、中間プレート３３は、さらに、発電領域ＤＡを含む領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔５９を備えている。これらの冷媒孔５９の端部は、中間プレート３３を他の薄板状部材と重ね合わせたときに、穴部４２，４５と重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をガスセパレータ３０内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、穴部４２が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷媒孔５９によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。

ここで、図３および図４（Ｂ）では、図１に示した断面図に相当する位置を、１−１断面として示しており、図１は、上記１−１断面の様子を、穴部４２が形成する冷媒供給マニホールドが上方となるように表わしたものである。この図１では、穴部４２が形成する冷媒供給マニホールドから、冷媒孔５９が形成するセル間冷媒流路へと冷媒が分配され、各々のセル間冷媒流路から排出された冷媒が、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドへと集合する様子が表わされている。

Ｂ．燃料電池の製造工程：
図５は、本実施例の燃料電池の製造工程の一部を表わす説明図である。なお、図５に示す各図は、図１と同様に、封止部１８が設けられた位置に対応する断面図を示している。

本実施例では、既述したように、シール部１６は、発電体１２と一体形成している（図５（Ａ）参照）。また、封止部１８は、ガスセパレータ３０およびガス流路形成部と一体で形成している（図５（Ｂ）参照）。封止部１８を、ガスセパレータ３０およびガス流路形成部と一体で形成するには、例えば、封止部１８に対応する形状の金型のキャビティ内にガスセパレータ３０を配置すると共に、このガスセパレータ３０上にガス流路形成部を適宜位置決めして配置し、成形材料である熱可塑性樹脂を射出成形すればよい。このような射出成形を行なうことで、封止部１８の成形材料の一部が、ガス流路形成部である多孔質体内に含浸される。なお、本実施例では、図５（Ｂ）に示すように、射出成形により形成する封止部１８には、線状の凸部であるリップを設けている。封止部１８に設けたこのようなリップは、ガス流路形成部の高さよりも高くなるように形成される。

本実施例では、燃料電池の組み立ての際に、上記シール部１６と一体化した発電体１２と、封止部１８およびガス流路形成部と一体化したガスセパレータ３０とを積層し、このような積層構造を、加熱しつつ加圧する（図５（Ｃ）参照）。上記加熱の温度は、封止部１８を構成する熱可塑性樹脂が充分に軟化する温度、例えば熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上の温度とすることができる。このように、加熱と共に加圧を行なうことにより、封止部１８が軟化して、封止部１８が備える既述したリップが押さえられる。これにより、封止部１８全体が、ガスセパレータ３０とシール部１６のリップ１７との間の空間内に広がって、ガス流路形成部内を流れるガスのガス流路形成部外への漏れ出しが抑えられるように、上記空間が封止部１８によって塞がれる。なお、図５では、ガスセパレータ３０の一方の面上だけにガス流路形成部（図５ではガス流路形成部１４）を配置して封止部１８を形成しているが、ガス流路形成部および封止部１８は、ガスセパレータ３０の両面に形成すればよい。この場合には、燃料電池の構成部材を、シール部１６と一体化した発電体１２と、ガス流路形成部１４，１５および封止部１８と一体化したガスセパレータ３０と、の２つにまとめることができ、組み立ての動作を容易にすることができる。また、図５では、一組の発電体１２およびガスセパレータ３０の積層状態のみを示しているが、実際には、複数組の発電体１２およびガスセパレータ３０を一度に積層して、組み立てを行なえばよい。

以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、シール部１６のリップ１７とガス流路形成部１４，１５との間に、ガス流路形成部１４，１５の外周に近接する封止部１８が設けられているため、ガス流路形成部１４，１５の外周に形成される空間をガスが流れることに起因するガス利用率の低下を抑制することができる。ここで、封止部１８は、ガス流路形成部１４，１５の外周の辺の内、鉛直方向に平行な２辺のみに沿って設けられており、鉛直方向下端の辺とリップ１７との間には設けられていない。すなわち、セル内ガス流路で生じた液水が滞留しやすい鉛直方向下端部を、封止部１８で塞がれていない解放された空間としているため、セル内ガス流路における液水の気化を促進して液水の滞留を抑制することができる。このように、液水の滞留を抑制することにより、セル内ガス流路内の液水が強酸性となることに起因するシール部１６の劣化を抑制することができる。したがって、本実施例によれば、ガス流路形成部１４，１５の外周の限られた部分にのみ封止部１８を設けることにより、ガス利用率低下の抑制と、シール部１６の劣化の抑制とを、両立させることができる。

シール部１６の劣化抑制の効果について、さらに詳しく説明する。封止部１８は、熱可塑性樹脂により形成されているため、既述したように封止部１８をガス流路形成部と一体形成すると共に、発電体１２と一体形成したシール部１６との積層時に加圧と共に加熱を行なうことにより、ガス流路形成部の外周近傍における隙間の形成を抑制することができる。しかしながら、隙間の形成を完全に抑えることは困難であると共に、例えば燃料電池の発電を繰り返して、燃料電池の構成部材が膨張・収縮を繰り返すと、封止部１８と、シール部１６やガスセパレータ３０との間に、次第に隙間が生じるようになる。このような微少な隙間に滞留した液水は、隙間の外部とつながる部位の面積が小さいために蒸発が抑えられる。また、微小な隙間に溜まった水は、表面張力により隙間の内部に強力に保持されるため、後に生じた液水との置き換わりが起こりにくくなる。そのため、隙間内では、溜まった液水が次第に濃縮される。燃料電池の内部では、発電に伴って、電解質膜を構成する高分子電解質がわずかずつ分解され、分解されたスルホン酸基から硫酸が生じると共に、高分子電解質がフッ素系樹脂である場合には分解されたフッ素からフッ酸が生じる。そのため、燃料電池内の生成水は強酸を示し、上記隙間内に滞留する液水は、濃縮の進行によりさらに酸性度が上昇して、シール部１６の劣化を引き起こす。本実施例では、ガス流路形成部の外周の一部においてのみ、リップ１７との間に封止部１８を設けているため、封止部１８の周囲における隙間の形成を抑え、隙間に滞留する液水を削減することができる。特に本実施例では、ガス流路形成部の外周において、液水が滞留しやすい鉛直方向下端部には封止部１８を設けず解放された空間とすることにより、液水が滞留しやすい部位における液水の蒸発を促進すると共に、滞留した液水の置き換わりを促進している。これにより、濃縮された強酸化水に起因するシール部１６の劣化を、シール部１６全体として抑制することができる。

また、本実施例では、封止部１８を、熱可塑性樹脂によって形成して、加圧および加熱によってガス流路形成部とガスセパレータ３０とリップ１７とに沿う形状としているため、封止部１８によって望ましくない反力が発生することが無く、ガス流路形成部に近接して封止部１８を設けても、ガス流路形成部の外周近傍において接触抵抗が増大することがない。ここで、シール部１６は、既述したようにゴムなどの弾性体から成るリップにおいて生じる反力によってガスシール性を実現している。そのため、リップにおいて生じる反力によってガス流路形成部の外周近傍の接触抵抗が増大することがないように、ガス流路形成部の外周とリップとは、ある程度の距離をおいて配置する必要があり、その結果、ガス流路形成部とリップとの間には、ガス利用率の低下を引き起こす空間が形成されることになる。本実施例では、上記した特徴的な形状を有する封止部を、熱可塑性樹脂によって形成しているため、ガス流路形成部外周に近接して封止部を設けても、封止部で生じる反力に起因する接触抵抗の増大を抑制することができる。

さらに、封止部１８を熱可塑性樹脂を用いて形成することにより、加熱を伴う加圧を行なうことにより、ガス流路形成部の外周とリップ１７とガスセパレータ３０との間の空間を、封止部１８によって容易に塞ぐことができる。すなわち、高い精度が要求される成形を行なうことなく、上記空間を塞ぐ封止部１８を、容易に成形することができる。したがって、ガス流路形成部やリップ１７を成形する際の精度にある程度のばらつきがあり、ガス流路形成部の外周とリップ１７とガスセパレータ３０との間の空間の大きさがばらつく場合であっても、加熱を伴う加圧という簡便な動作を一様に行なうことにより、効率よく上記空間を塞ぐことができる。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｅ１．変形例１：
実施例では、封止部１８を、ガス流路形成部１４，１５の外周の辺の内、鉛直方向に平行な２辺に沿って設けることとしたが、異なる構成としても良い。実施例とは異なる形状に形成した封止部を備える変形例の一例として、封止部１１８を備える構成を、図６に示す。図６に示す変形例の燃料電池は、封止部の配置以外は実施例と同様の構成を有しているため、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。図６（Ａ）は、図２と同様に、発電体１２と一体で形成したシール部１６上における配置として、封止部１１８の配置を示しており、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）において破線で囲んだＹ領域を拡大して示している。

図６に示すように、封止部１１８は、ガス流路形成部１４，１５の外周の辺の内、鉛直方向に平行な２辺の各々の中ほどの位置に設けられている。このような構成としても、鉛直方向に平行にガスが流れるセル内ガス流路において、ガス流路形成部の外周の空間におけるガス流れを抑制して、ガス利用率の低下を抑える同様の効果が得られる。そして、実施例に比べてさらに限られた部分のみに封止部を設けることにより、封止部の周囲の隙間における水の滞留を抑え、滞留した強酸水に起因するシール部の劣化を抑制する効果を、さらに高めることができる。なお、このように、より限られた部分のみに封止部を設ける場合であっても、積層時に行なう加熱を伴う加圧によって軟化した封止部が広がって上記空間を塞ぐことができるように、ガス流路形成部の外周の隙間における水平方向の断面積に基づいて、ガスセパレータ上に配置する加圧前の封止部の体積を設定すればよい。

上記のように、封止部は、ガス流路形成部の外周とリップ１７との間の空間全体におけるガスの流れを抑止可能となる位置であって、ガス流路形成部の外周の一部に対応する位置において、流路形成部の外周とリップとの間を塞ぐものであれば良く、特に、ガス流路形成部の鉛直方向下方の空間が開放された状態となるように配置されることが望ましい。ここで、ガス流路形成部の外周とリップ１７との間の空間全体におけるガスの流れを抑止可能となる位置とは、封止部を設けない場合におけるガス流路形成部の外周とリップとの間の空間全体のガス流れであって、ガスを給排するマニホールドの位置に応じて定まる方向へのガス流れを、抑止可能となる位置をいう。

Ｅ２．変形例２：
実施例では、シール部１６は発電体１２と一体で形成し、封止部１８は流路形成多孔質体およびガスセパレータ３０と一体で形成したが、異なる構成としても良い。例えば、封止部１８は、ガスセパレータとは一体化することなく、ガス流路形成部１４または１５とのみ一体化しても良い。あるいは、発電体１２と一体形成したシール部１６とガス流路形成部とガスセパレータ３０とを積層配置した後に、別体で用意した封止部を、ガス流路形成部の外周とリップ１７との間に別途配置しても良い。

Ｅ３．変形例３：
実施例では、ガスセパレータ３０を、内部に冷媒流路を形成すると共に、穴部以外の部分は平坦面として形成された３層構造セパレータとしたが、異なる構成としても良い。例えば、マニホールドとセル内ガス流路を接続する流路を形成する溝が表面に設けられたセパレータを用いても良い。このような構成であっても、セル内ガス流路を多孔質体から成るガス流路形成部によって形成し、ガス流路形成部の外周とシール部との間の空間において、鉛直方向下端部などの限られた位置のみに封止部を設けるならば、同様の効果が得られる。

Ｅ４．変形例４：
実施例では、電解質膜を、フッ素系の高分子電解質によって構成したが、他種の高分子電解質によって構成しても良い。例えば、高分子電解質がフッ素を含んでいない場合には、燃料電池内で生じる水がフッ酸によって酸性化することはないが、プロトン伝導性を実現するスルホン酸基を有していれば、強酸である硫酸を生じる。そのため、本発明を適用することにより、強酸化した液水に起因するシール部材の劣化を抑制する同様の効果が得られる。

実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。 図１において破線で囲んだＸ領域を拡大して示す説明図である。 ＭＥＡ１３と一体形成されたシール部１６の概略構成を表わす平面図である。 ガスセパレータ３０を構成する各プレートの概略構成を表わす説明図である。 本実施例の燃料電池の製造工程の一部を表わす説明図である。 封止部の配置に係る変形例の構成を示す説明図である。

符号の説明

１０…セルアセンブリ
１１…発電積層部
１２…発電体
１３…ＭＥＡ
１４，１５…ガス流路形成部
１６…シール部
１７…リップ
１８，１１８…封止部
２０…電解質膜
２２…カソード
２４…アノード
２６，２８…ガス拡散層
３０…ガスセパレータ
３１…カソード側プレート
３２…アノード側プレート
３３…中間プレート
４０〜４５…穴部
５０…酸化ガス排出スリット
５１…酸化ガス供給スリット
５３…燃料ガス排出スリット
５４…燃料ガス供給スリット
５５〜５８…連通部
５９…冷媒孔

Claims (3)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と、
   前記電解質膜上に形成された電極と、
   前記電極表面を覆って配置されると共に、導電性多孔質体によって構成され、前記導電性多孔質体内の細孔によってガスの流路を形成するガス流路形成部と、
   前記ガス流路形成部に接して前記ガス流路形成部上に配置されるガスセパレータと、
   前記電解質膜および前記電極の外周部に設けられると共に、前記ガスセパレータと接触する接触部を備え、前記接触部によって前記ガスの流路におけるガスシール性を確保し、前記ガス流路形成部の外周部の端面および前記ガスセパレータの表面と共に空間を形成するシール部と、
   前記ガス流路形成部の外周と前記接触部との間の前記空間における前記ガスの流れを抑止可能となる位置であって、前記ガス流路形成部の外周の一部に対応する位置において、前記流路形成部の外周と前記接触部との間を塞ぐ封止部と
   を備え、
   前記ガス流路形成部は、四角形状に形成されており、対向する１組の辺は鉛直方向に平行であり、他の一組の辺は水平方向に平行となるように配置されており、
   前記封止部は、前記ガス流路形成部の外周のうち、鉛直方向下端に位置する辺とは異なる部位と前記接触部との間に配置されている
   燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記ガスは、前記電極と前記ガスセパレータとの間の空間において、鉛直方向上方から下方へと流れ、
   前記封止部は、前記ガス流路形成部の外周のうち、鉛直方向に平行な２辺の辺全体または前記２辺の各々における一部分と、前記接触部との間に配置されている
   燃料電池。
3. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記シール部は、ゴム弾性を示すエラストマーによって形成され、
   前記封止部は、熱可塑性樹脂によって形成される
   燃料電池。

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