JP5713151B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関する。
燃料電池としては、２つの電極（アノード電極およびカソード電極）の間に電解質膜を接合した膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えるものが知られている。このような燃料電池において、反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を遮断する材質から成る板状部材（遮蔽材、シーリングプレート）を、ＭＥＡの電極における表面の一部に積層することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特許文献１の燃料電池では、板状部材が積層された電極の部位に対する反応ガスの供給が抑制されるため、その部位に隣接する電解質膜に痩せ（膜痩せ）が発生するという課題があった。例えば、カソード電極の一部に板状部材が積層されたＭＥＡにおいて、カソード電極に対する酸化ガスの供給が板状部材によって部分的に抑制された状態で、その反対側に位置するアノード電極に対して燃料ガスが十分に供給される場合、板状部材が積層されたカソード電極の部位では、過酸化水素によって酸素濃度が低下するため、カソード電極の電極電位が部分的に低下する。これによって、板状部材が積層されたカソード電極の部位では、発電中の過酸化水素の発生量が他の部位よりも多くなるため、電解質膜を劣化させるヒドロキシルラジカル（ＯＨラジカル）の発生量も多くなる。その結果、板状部材が積層されたカソード電極の部位に隣接する電解質膜に膜痩せが発生する。また、アノード電極に対する燃料ガスの供給が板状部材によって抑制された状態で、その反対側に位置するカソード電極に対して酸化ガスが十分に供給される場合にも、電解質膜の膜痩せが発生する。
そのため、ＭＥＡに対して板状部材が部分的に積層された燃料電池において、耐久性を向上させることが可能な技術が望まれていた。そのほか、燃料電池においては、発電性能の向上、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上などが望まれていた。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態は、燃料電池であって、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を接合した膜電極接合体と；前記カソード電極に隣接する流路であって前記カソード電極に酸化ガスを流すカソード流路を、形成する流路形成部材と；前記カソード流路に前記酸化ガスを導入する導入口と；前記カソード流路から前記酸化ガスを導出する導出口と；前記酸化ガスを遮断する材質から成り、前記カソード電極における前記カソード流路側の表面の一部に積層され、前記カソード流路のうち前記導入口に繋がる領域に隣接する第１の板状部材と；前記酸化ガスを遮断する材質から成り、前記カソード電極における前記カソード流路側の表面の一部に積層され、前記カソード流路のうち前記導出口に繋がる領域に隣接する第２の板状部材とを備え、前記第１の板状部材は、前記酸化ガスを透過させる構造であるガス透過構造を、前記第１の板状部材を前記カソード流路に対して積層する方向に前記アノード電極と前記カソード電極とが存在する部位に有し、前記第２の板状部材は、前記酸化ガスを透過させる構造であるガス透過構造を、前記第２の板状部材を前記カソード流路に対して積層する方向に前記アノード電極と前記カソード電極とが存在する部位に有する、燃料電池である。この形態によれば、カソード電極の部位のうち、第１の板状部材が積層されたカソード流路の導入口側の部位と、第２の板状部材が積層されたカソード流路の導出口側の部位とに対して、各板状部材のガス透過構造を通じて酸化ガスを供給できるため、各板状部材による酸化ガスの供給不足に起因する電解質膜の膜痩せを防止できる。その結果、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
本発明の一形態は、燃料電池であって、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を接合した膜電極接合体と；前記カソード電極に隣接する流路であって前記カソード電極に酸化ガスを流すカソード流路を、形成する流路形成部材と；前記カソード流路に前記酸化ガスを導入する導入口と；前記カソード流路から前記酸化ガスを導出する導出口と；前記酸化ガスを遮断する材質から成り、前記カソード電極における前記カソード流路側の表面の一部に積層され、前記カソード流路のうち前記導入口に繋がる領域に隣接する第１の板状部材と；前記酸化ガスを遮断する材質から成り、前記カソード電極における前記カソード流路側の表面の一部に積層され、前記カソード流路のうち前記導出口に繋がる領域に隣接する第２の板状部材とを備え、前記第１の板状部材は、前記酸化ガスを透過させる構造であるガス透過構造を、前記第１の板状部材を前記カソード流路に対して積層する方向に前記アノード電極と前記カソード電極とが存在する部位に有し、前記第２の板状部材は、前記酸化ガスを透過させる構造であるガス透過構造を、前記第２の板状部材を前記カソード流路に対して積層する方向に前記アノード電極と前記カソード電極とが存在する部位に有する、燃料電池である。この形態によれば、カソード電極の部位のうち、第１の板状部材が積層されたカソード流路の導入口側の部位と、第２の板状部材が積層されたカソード流路の導出口側の部位とに対して、各板状部材のガス透過構造を通じて酸化ガスを供給できるため、各板状部材による酸化ガスの供給不足に起因する電解質膜の膜痩せを防止できる。その結果、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を接合した膜電極接合体と；前記アノード電極と前記カソード電極とのうちの一方の電極に隣接する流路であって前記一方の電極に反応ガスを流す流路を、形成する流路形成部材と；前記反応ガスを遮断する材質から成り、前記一方の電極における前記流路側の表面の一部に積層され、前記流路に隣接する板状部材とを備え、前記板状部材は、前記反応ガスを透過させる構造であるガス透過構造を、前記板状部材を前記一方の電極に対して積層する方向に前記アノード電極と前記カソード電極とが存在する部位に有する。この形態によれば、一方の電極における板状部材が積層された部分に対して、ガス透過構造を通じて反応ガスを供給できる。したがって、板状部材による反応ガスの供給不足に起因する電解質膜の膜痩せを防止できる。その結果、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
（２）上記形態の燃料電池において、前記アノード電極と前記カソード電極とのうち第１の電極の周縁は、前記アノード電極と前記カソード電極とのうち前記第１の電極とは異なる第２の電極の周縁よりも内側に位置してもよい。この形態によれば、アノード電極の周縁とカソード電極の周縁との大きさが異なる燃料電池の耐久性を向上させることができる。
（３）上記形態の燃料電池は、さらに、前記膜電極接合体および前記板状部材と一体的に成形され、前記膜電極接合体の外周を密封する密封部材を備えてもよい。この形態によれば、密封部材を備える燃料電池の耐久性を向上させることができる。
（４）上記形態の燃料電池において、前記流路形成部材は、前記流路として連続気孔を形成し、前記一方の電極および前記板状部材に隣接する多孔体を含んでもよい。この形態によれば、多孔体を備える燃料電池の耐久性を向上させることができる。
（５）上記形態の燃料電池において、前記ガス透過構造は、スリットと、貫通孔と、メッシュと、連続気孔との少なくとも１つを形成する構造であってもよい。この形態によれば、ガス透過構造を容易に実現できる。
（６）上記形態の燃料電池は、さらに、前記流路に前記反応ガスを導入する導入口と；前記流路から前記反応ガスを導出する導出口とを備えてもよく、前記板状部材は、前記流路のうち前記導入口に繋がる領域と、前記流路のうち前記導出口に繋がる領域との少なくとも一方の領域に隣接してもよい。この形態によれば、流路の閉塞に起因する反応ガスの流量低下を、板状部材によって防止しつつ、板状部材による反応ガスの供給不足に起因する電解質膜の膜痩せを、ガス透過構造によって防止できる。
（７）上記形態の燃料電池において、前記アノード電極は、前記電解質膜に積層されたアノード触媒層と；前記アノード触媒層に積層されたアノード拡散層とを含んでもよく、前記カソード電極は、前記電解質膜に積層されたカソード触媒層と；前記カソード触媒層に積層されたカソード拡散層とを含んでもよい。この形態によれば、触媒層と拡散層とを含む電極構造を有する燃料電池の耐久性を向上させることができる。
（８）上記形態の燃料電池において、前記板状部材は、前記膜電極接合体の外周を密封する密封部材における内側の端部よりも内側へと突出した部材であってもよい。この形態によれば、板状部材が密閉部材よりも内側へと突出した燃料電池の耐久性を向上させることができる。
（９）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を接合した膜電極接合体と；前記膜電極接合体と一体的に成形され、前記膜電極接合体の外周を密封する密封部材と；前記アノード電極に積層され、前記アノード電極に燃料ガスを流すアノード流路を形成するとともに、前記膜電極接合体のアノード側を外部から隔離するアノード隔離部材と；前記アノード流路に前記燃料ガスを導入する第１の導入口と；前記アノード流路から前記燃料ガスを導出する第１の導出口と；前記カソード電極に積層され、前記カソード電極に酸化ガスを流すカソード流路として連続気孔を形成する多孔体と；前記多孔体に積層され、前記膜電極接合体のカソード側を外部から隔離するカソード隔離部材と；前記カソード流路に前記酸化ガスを導入する第２の導入口と；前記カソード流路から前記酸化ガスを導出する第２の導出口と；前記燃料ガスを遮断する材質から成り、前記密封部材における前記アノード流路側の表面の一部から、前記アノード電極における前記アノード流路側の表面の一部にわたって積層され、前記アノード流路のうち前記第１の導入口に繋がる領域に隣接する第１の板状部材と；前記燃料ガスを遮断する材質から成り、前記密封部材における前記アノード流路側の表面の一部から、前記アノード電極における前記アノード流路側の表面の一部にわたって積層され、前記アノード流路のうち前記第１の導出口に繋がる領域に隣接する第２の板状部材と；前記酸化ガスを遮断する材質から成り、前記密封部材における前記カソード流路側の表面の一部から、前記カソード電極における前記カソード流路側の表面の一部にわたって積層され、前記カソード流路のうち前記第２の導入口に繋がる領域に隣接する第３の板状部材と；前記酸化ガスを遮断する材質から成り、前記密封部材における前記カソード流路側の表面の一部から、前記カソード電極における前記カソード流路側の表面の一部にわたって積層され、前記カソード流路のうち前記第２の導出口に繋がる領域に隣接する第４の板状部材とを備え、前記第１および第２の板状部材は、前記燃料ガスを透過させる構造を、前記第１および第２の板状部材を前記アノード電極に対して積層する方向に前記アノード電極と前記カソード電極とが存在する部位に有し、前記第３および第４の板状部材は、前記酸化ガスを透過させる構造を、前記第３および第４の板状部材を前記カソード電極に対して積層する方向に前記アノード電極と前記カソード電極とが存在する部位に有する。この形態によれば、第１から第４までの板状部材による反応ガスの供給不足に起因する電解質膜の膜痩せを防止できる。その結果、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
本発明は、燃料電池以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、本願発明は、燃料電池の電力を利用して走行する車両、燃料電池の電力を供給する発電システム、燃料電池の製造方法などの形態で実現することができる。
Ａ．第１実施形態
図１は、燃料電池１０の構成を示す説明図である。図２は、燃料電池１０の断面構成を示す説明図である。図２の下段には、図１の矢視Ｆ２−Ｆ２から見た燃料電池１０の断面構成が図示されている。図２の上段には、図２の矢視Ａ−Ａから見た燃料電池１０の断面構成が図示されている。
図１は、燃料電池１０の構成を示す説明図である。図２は、燃料電池１０の断面構成を示す説明図である。図２の下段には、図１の矢視Ｆ２−Ｆ２から見た燃料電池１０の断面構成が図示されている。図２の上段には、図２の矢視Ａ−Ａから見た燃料電池１０の断面構成が図示されている。
燃料電池１０は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する装置である。本実施例では、燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池である。本実施形態では、燃料電池１０は、反応ガスとして、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを用いる。燃料電池１０は、積層された複数のセル２０を備える。セル２０は、反応ガスから直接的に電気を取り出す電気化学反応を実現する単電池である。
図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｘ軸は、セル２０の長手方向に沿った軸である。Ｘ軸に沿ったＸ軸方向のうち、＋Ｘ軸方向は、紙面左から紙面右に向かう方向であり、−Ｘ軸方向は、＋Ｘ軸方向に対向する方向である。Ｙ軸は、セル２０の短手方向に沿った軸である。Ｙ軸に沿ったＹ軸方向のうち、＋Ｙ軸方向は、紙面下から紙面上に向かう方向であり、−Ｙ軸方向は、＋Ｙ軸方向に対向する方向である。Ｚ軸方向は、セル２０が積層された積層方向に沿った軸である。Ｚ軸に沿ったＺ軸方向のうち、＋Ｚ軸方向は、紙面奥から紙面手前に向かう方向であり、−Ｚ軸方向は、＋Ｚ軸方向に対向する方向である。
セル２０は、燃料ガス導入口２１と、燃料ガス導出口２２と、酸化ガス導入口２３と、酸化ガス導出口２４と、冷却水導入口２５と、冷却水導出口２６とを備える。セル２０の燃料ガス導入口２１は、セル２０の内部へと燃料ガスを導入する第１の導入口である。セル２０の燃料ガス導出口２２は、セル２０の内部から燃料ガスを導出する第１の導出口である。セル２０の酸化ガス導入口２３は、セル２０の内部へと酸化ガスを導入する第２の導入口である。セル２０の酸化ガス導出口２４は、セル２０の内部から酸化ガスを導出する第２の導出口である。セル２０の冷却水導入口２５は、セル２０の内部へと冷却水を導入する第３の導入口である。セル２０の冷却水導出口２６は、セル２０の内部から冷却水を導出する第３の導出口である。
燃料電池１０のセル２０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）３０と、板状部材７１０，７２０，７３０，７４０と、密封部材７８０と、アノード隔離部材８１０と、カソード隔離部材８６０と、多孔体８８０とを備える。ＭＥＡ３０は、アノード隔離部材８１０とカソード隔離部材８６０との間に挟持されている。本実施形態では、ＭＥＡ３０とカソード隔離部材８６０との間には、多孔体８８０が挟持されている。
セル２０のＭＥＡ３０は、電解質膜４０と、アノード電極５０と、カソード電極６０とを備え、アノード電極５０とカソード電極６０との間に電解質膜４０を接合した接合体である。本実施形態では、ＭＥＡ３０は、板状部材７１０，７２０，７３０，７４０とともに密封部材７８０と一体的に接合されている。
本実施形態では、ＭＥＡ３０の＋Ｘ軸方向側には、＋Ｙ軸方向側から−Ｙ軸方向側に向けて順に、酸化ガス導入口２３と、冷却水導入口２５と、燃料ガス導出口２２とが設けられている。本実施形態では、ＭＥＡ３０の−Ｘ軸方向側には、＋Ｙ軸方向側から−Ｙ軸方向側に向けて順に、燃料ガス導入口２１と、冷却水導出口２６と、酸化ガス導出口２４とが設けられている。
ＭＥＡ３０の電解質膜４０は、プロトン伝導性を有する膜状のプロトン伝導体である。本実施形態では、電解質膜４０は、アイオノマ樹脂を用いたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。本実施形態では、電解質膜４０は、ＸＹ平面に沿って広がる矩形状を成す膜である。本実施形態では、電解質膜４０の−Ｚ軸方向側には、アノード電極５０が接合され、電解質膜４０の＋Ｚ軸方向側には、カソード電極６０が接合されている。
ＭＥＡ３０のアノード電極５０は、アノード触媒層５１０と、アノード拡散層５３０とを含む。電解質膜４０の−Ｚ軸方向側には、アノード触媒層５１０が積層され、アノード触媒層５１０の−Ｚ軸方向側には、アノード拡散層５３０がさらに積層されている。
ＭＥＡ３０のカソード電極６０は、カソード触媒層６１０と、カソード拡散層６３０とを含む。電解質膜４０の＋Ｚ軸方向側には、カソード触媒層６１０が積層され、カソード触媒層６１０の＋Ｚ軸方向側には、カソード拡散層６３０がさらに積層されている。
アノード触媒層５１０およびカソード触媒層６１０は、ガス透過性および導電性を有する材質から成り、水素と酸素との電気化学反応を促進させる触媒（例えば、白金、白金合金）が担持された層である。本実施形態では、アノード触媒層５１０およびカソード触媒層６１０は、白金系触媒を担持した炭素担体である。
アノード拡散層５３０およびカソード拡散層６３０は、ガス透過性および導電性を有する材質から成る層である。本実施形態では、アノード拡散層５３０およびカソード拡散層６３０は、炭素から成る多孔体（例えば、カーボンクロスやカーボンペーパ）である。
本実施形態では、アノード電極５０は、電解質膜４０と同じ矩形状を成す電極であり、カソード電極６０は、電解質膜４０よりも一回り小さい矩形状を成す電極である。本実施形態では、カソード電極６０の周縁６３７は、アノード電極５０の周縁５３７よりも内側に位置する。
セル２０のアノード隔離部材８１０は、ＭＥＡ３０のアノード側（−Ｚ軸方向側）を外部から隔離するセパレータである。アノード隔離部材８１０の材質は、ＭＥＡ３０で発生する電気の集電に十分な導電性を有するとともに、ＭＥＡ３０に対する反応ガスの供給に十分な耐久性、耐熱性およびガス不透過性を有する。本実施形態では、アノード隔離部材８１０の材質は、カーボン樹脂である。
本実施形態では、アノード隔離部材８１０は、アノード電極５０に燃料ガスを流すアノード流路８２０を、形成する流路形成部材でもあり、アノード電極５０に積層されている。他の実施形態では、アノード隔離部材８１０とアノード電極５０との間に、アノード流路として連続気孔を形成する多孔体を設けても良い。
セル２０のカソード隔離部材８６０は、ＭＥＡ３０のカソード側（＋Ｚ軸方向側）を外部から隔離するセパレータである。カソード隔離部材８６０の材質は、ＭＥＡ３０で発生する電気の集電に十分な導電性を有するとともに、ＭＥＡ３０に対する反応ガスの供給に十分な耐久性、耐熱性およびガス不透過性を有する。本実施形態では、カソード隔離部材８６０の材質は、カーボン樹脂である。本実施形態では、カソード隔離部材８６０は、多孔体８８０の＋Ｚ軸方向側に積層されている。
セル２０の多孔体８８０は、カソード電極６０に積層され、カソード電極６０に酸化ガスを流すカソード流路８７０として連続気孔を形成する流路形成部材である。多孔体８８０は、導電性を有する材質から成る。本実施形態では、多孔体８８０は、エキスパンドメタルである。
セル２０の密封部材７８０は、ＭＥＡ３０を中央に取り囲む形状に成形され、ＭＥＡ３０の外周（周縁５３７および周縁６３７を含む側面）を密閉するシール部材である。密封部材７８０は、弾性および電気絶縁性を有する樹脂材料（例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム）から成る。本実施形態では、密封部材７８０は、ＭＥＡ３０に対して樹脂材料を射出成形することによって形成され、ＭＥＡ３０および板状部材７１０，７２０，７３０，７４０と一体的に成形されている。
セル２０の板状部材７１０，７２０，７３０，７４０は、シーリングプレートおよびシーリングシートとも呼ばれ、燃料ガスを遮断する材質（例えば、アルミニウム、ステンレスなどの金属、セラミック、樹脂、カーボン、ガラスなど）から成る板である。板状部材７１０，７２０，７３０，７４０は、密封部材７８０における内側の端部７８８よりも内側へと突出した部材である。本実施形態では、板状部材７１０，７２０，７３０，７４０は、ＭＥＡ３０とともに密封部材７８０と一体的に接合されている。
セル２０の板状部材７１０は、アノード流路８２０のうち燃料ガス導入口２１に繋がる領域ＡｎＩＮに隣接する第１の板状部材である。板状部材７１０は、密封部材７８０の−Ｚ軸方向側の表面７８１の一部から、アノード電極５０の−Ｚ軸方向側の表面５３１の一部にわたって積層されている。板状部材７１０は、密封部材７８０によってアノード流路８２０の領域ＡｎＩＮが閉塞されることを防止する。板状部材７１０は、板状部材７１０をアノード電極５０に対して積層する方向（＋Ｚ軸方向）にアノード電極５０とカソード電極６０とが存在する部位ＣＰ１に、燃料ガスを透過させるガス透過構造７１５を有する。
セル２０の板状部材７２０は、アノード流路８２０のうち燃料ガス導出口２２に繋がる領域ＡｎＯＵＴに隣接する第２の板状部材である。板状部材７２０は、密封部材７８０の−Ｚ軸方向側の表面７８１の一部から、アノード電極５０の−Ｚ軸方向側の表面５３１の一部にわたって積層されている。板状部材７２０は、密封部材７８０によってアノード流路８２０の領域ＡｎＯＵＴが閉塞されることを防止する。板状部材７２０は、板状部材７２０をアノード電極５０に対して積層する方向（＋Ｚ軸方向）にアノード電極５０とカソード電極６０とが存在する部位ＣＰ２に、燃料ガスを透過させるガス透過構造７４５を有する。
セル２０の板状部材７３０は、カソード流路８７０のうち酸化ガス導入口２３に繋がる領域ＣａＩＮに隣接する第３の板状部材である。板状部材７３０は、密封部材７８０の＋Ｚ軸方向側の表面７８２の一部から、カソード電極６０の＋Ｚ軸方向側の表面６３１の一部にわたって積層されている。板状部材７３０は、密封部材７８０によってカソード流路８７０の領域ＣａＩＮが閉塞されることを防止する。板状部材７３０は、板状部材７３０をカソード電極６０に対して積層する方向（−Ｚ軸方向）にアノード電極５０とカソード電極６０とが存在する部位ＣＰ３に、酸化ガスを透過させるガス透過構造７３５を有する。
セル２０の板状部材７４０は、カソード流路８７０のうち酸化ガス導出口２４に繋がる領域ＣａＯＵＴに隣接する第４の板状部材である。板状部材７４０は、密封部材７８０の＋Ｚ軸方向側の表面７８２の一部から、カソード電極６０の＋Ｚ軸方向側の表面６３１の一部にわたって積層されている。板状部材７４０は、密封部材７８０によってカソード流路８７０の領域ＣａＯＵＴが閉塞されることを防止する。板状部材７４０は、板状部材７４０をカソード電極６０に対して積層する方向（−Ｚ軸方向）にアノード電極５０とカソード電極６０とが存在する部位ＣＰ４に、酸化ガスを透過させるガス透過構造７２５を有する。
図２に示すように、ガス透過構造７３５は、スリット（細隙）を形成する構造である。本実施形態では、ガス透過構造７３５は、両端が閉塞した複数のスリットを形成する。他の実施形態では、ガス透過構造７３５は、一端が開放され櫛歯状に並ぶ複数のスリットを形成してもよい。本実施形態では、ガス透過構造７１５，７２５，７４５は、ガス透過構造７３５と同様の構造である。
以上説明した第１実施形態によれば、アノード電極５０における板状部材７１０，７２０が積層された部位に対して、ガス透過構造７１５，７２５を通じて燃料ガスを供給できるとともに、カソード電極６０における板状部材７３０，７４０が積層された部位に対して、ガス透過構造７３５，７４５を通じて酸化ガスを供給できる。したがって、板状部材７１０，７２０，７３０，７４０による反応ガスの供給不足に起因する電解質膜４０の膜痩せを防止できる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
また、アノード電極５０の周縁５３７とカソード電極６０の周縁６３７との大きさが異なる燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。また、密封部材７８０を備える燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。また、多孔体８８０を備える燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
また、ガス透過構造７１５，７２５，７３５，７４５がスリットを形成する構造であるため、ガス透過構造７１５，７２５，７３５，７４５を容易に実現できる。また、密封部材７８０によるアノード流路８２０の閉塞に起因する燃料ガスの流量低下を、板状部材７１０，７２０によって防止しつつ、板状部材７１０，７２０による燃料ガスの供給不足に起因する電解質膜４０の膜痩せを、ガス透過構造７１５，７２５によって防止できる。また、密封部材７８０によるカソード流路８７０の閉塞に起因する酸化ガスの流量低下を、板状部材７３０，７４０によって防止しつつ、板状部材７３０，７４０による酸化ガスの供給不足に起因する電解質膜４０の膜痩せを、ガス透過構造７３５，７４５によって防止できる。
また、アノード触媒層５１０とアノード拡散層５３０とカソード触媒層６１０とカソード拡散層６３０とを含む電極構造を有する燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。また、板状部材７１０，７２０，７３０，７４０が密封部材７８０の周縁６３７よりも内側へと突出した燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
Ｂ．第２実施形態
図３は、第２実施形態の燃料電池１０Ｂの断面構成を示す説明図である。図３の下段には、図１の矢視Ｆ２−Ｆ２に相当する矢視Ｆ３−Ｆ３から見た燃料電池１０Ｂの断面構成が図示されている。図２の上段には、図３の矢視Ｂ−Ｂから見た燃料電池１０Ｂの断面構成が図示されている。
図３は、第２実施形態の燃料電池１０Ｂの断面構成を示す説明図である。図３の下段には、図１の矢視Ｆ２−Ｆ２に相当する矢視Ｆ３−Ｆ３から見た燃料電池１０Ｂの断面構成が図示されている。図２の上段には、図３の矢視Ｂ−Ｂから見た燃料電池１０Ｂの断面構成が図示されている。
第２実施形態の燃料電池１０Ｂは、板状部材のガス透過構造が異なる点を除き、第１実施形態の燃料電池１０と同様である。第２実施形態では、板状部材７３０は、ガス透過構造７３５に代えて、ガス透過構造７３５Ｂを部位ＣＰ３に有する。ガス透過構造７３５Ｂは、貫通孔を形成する構造である。本実施形態では、ガス透過構造７３５Ｂは、２列に互い違いに並ぶ複数の貫通孔を形成する。他の実施形態では、１列に並ぶ複数の貫通孔を形成してもよいし、３列以上に並ぶ複数の貫通孔を形成してもよいし、不規則に並ぶ複数の貫通孔を形成してもよい。本実施形態では、板状部材７１０，７２０，７４０についても、板状部材７３０と同様に、ガス透過構造７３５Ｂと同様の構造を有する。
以上説明した第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、燃料電池１０Ｂの耐久性を向上させることができる。
Ｃ．第３実施形態
図４は、第３実施形態の燃料電池１０Ｃの断面構成を示す説明図である。図４の下段には、図１の矢視Ｆ２−Ｆ２に相当する矢視Ｆ４−Ｆ４から見た燃料電池１０Ｃの断面構成が図示されている。図４の上段には、図４の矢視Ｃ−Ｃから見た燃料電池１０Ｃの断面構成が図示されている。
図４は、第３実施形態の燃料電池１０Ｃの断面構成を示す説明図である。図４の下段には、図１の矢視Ｆ２−Ｆ２に相当する矢視Ｆ４−Ｆ４から見た燃料電池１０Ｃの断面構成が図示されている。図４の上段には、図４の矢視Ｃ−Ｃから見た燃料電池１０Ｃの断面構成が図示されている。
第３実施形態の燃料電池１０Ｃは、板状部材のガス透過構造が異なる点を除き、第１実施形態の燃料電池１０と同様である。第３実施形態では、板状部材７３０は、ガス透過構造７３５に代えて、ガス透過構造７３５Ｃを部位ＣＰ３に有する。ガス透過構造７３５Ｃは、メッシュ（網目）を形成する構造である。本実施形態では、板状部材７１０，７２０，７４０についても、板状部材７３０と同様に、ガス透過構造７３５Ｃと同様の構造を有する。
以上説明した第３実施形態によれば、第１実施形態と同様に、燃料電池１０Ｃの耐久性を向上させることができる。
Ｄ．第４実施形態
図５は、第４実施形態の燃料電池１０Ｄの断面構成を示す説明図である。図５の下段には、図１の矢視Ｆ２−Ｆ２に相当する矢視Ｆ５−Ｆ５から見た燃料電池１０Ｄの断面構成が図示されている。図５の上段には、図５の矢視Ｄ−Ｄから見た燃料電池１０Ｄの断面構成が図示されている。
図５は、第４実施形態の燃料電池１０Ｄの断面構成を示す説明図である。図５の下段には、図１の矢視Ｆ２−Ｆ２に相当する矢視Ｆ５−Ｆ５から見た燃料電池１０Ｄの断面構成が図示されている。図５の上段には、図５の矢視Ｄ−Ｄから見た燃料電池１０Ｄの断面構成が図示されている。
第４実施形態の燃料電池１０Ｄは、板状部材のガス透過構造が異なる点を除き、第１実施形態の燃料電池１０と同様である。第４実施形態では、板状部材７３０は、ガス透過構造７３５に代えて、ガス透過構造７３５Ｄを部位ＣＰ３に有する。ガス透過構造７３５Ｄは、連続気孔を形成する多孔体である。本実施形態では、ガス透過構造７３５Ｄは、エキスパンドメタルである。他の実施形態では、ガス透過構造７３５Ｄは、発泡焼結体であってもよい。本実施形態では、板状部材７１０，７２０，７４０についても、板状部材７３０と同様に、ガス透過構造７３５Ｄと同様の構造を有する。
以上説明した第４実施形態によれば、第１実施形態と同様に、燃料電池１０Ｄの耐久性を向上させることができる。
Ｅ．第５実施形態
図６は、第５実施形態の燃料電池１０Ｅの断面構成を示す説明図である。図６の下段には、図１の矢視Ｆ２−Ｆ２に相当する矢視Ｆ６−Ｆ６から見た燃料電池１０Ｅの断面構成が図示されている。図６の上段には、図６の矢視Ｅ−Ｅから見た燃料電池１０Ｅの断面構成が図示されている。
図６は、第５実施形態の燃料電池１０Ｅの断面構成を示す説明図である。図６の下段には、図１の矢視Ｆ２−Ｆ２に相当する矢視Ｆ６−Ｆ６から見た燃料電池１０Ｅの断面構成が図示されている。図６の上段には、図６の矢視Ｅ−Ｅから見た燃料電池１０Ｅの断面構成が図示されている。
第５実施形態の燃料電池１０Ｅは、アノード側の構成が異なる点を除き、第１実施形態の燃料電池１０と同様である。燃料電池１０Ｅは、カソード隔離部材８６０および多孔体８８０に代えて、カソード隔離部材８６０Ｅを備える。
カソード隔離部材８６０Ｅは、カソード電極６０に酸化ガスを流すカソード流路８７０Ｅを、形成する流路形成部材でもある点、カソード電極６０に積層されている点を除き、第１実施形態のカソード隔離部材８６０と同様である。本実施形態では、カソード隔離部材８６０Ｅは、アノード隔離部材８１０と同じ形状である。
以上説明した第５実施形態によれば、第１実施形態と同様に、燃料電池１０Ｅの耐久性を向上させることができる。
Ｆ．他の実施形態
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
燃料電池１０には、板状部材７１０，７２０，７３０，７４０のうち、少なくとも１つの板状部材が設けられていれば良い。ＭＥＡ３０の任意の部位に積層される板状部材に、上述のガス透過構造を適用してもよい。上述のアノード流路を形成する構成をカソード流路に適用してもよいし、上述のカソード流路を形成する構成をアノード流路に適用してもよい。
カソード電極６０の周縁６３７は、アノード電極５０の周縁５３７よりも外側に位置してもよい。カソード電極６０の周縁６３７は、アノード電極５０の周縁５３７と同じ大きさであってもよい。
アノード隔離部材８１０およびカソード隔離部材８６０の材質は、ステンレス、チタン、チタン合金、導電性セラミックスの少なくとも１つであってもよい。アノード隔離部材８１０およびカソード隔離部材８６０は、それぞれ別々に構成された態様に限らず、隣接する２つのセル２０において、一方のセル２０のアノード隔離部材８１０と、他方のセル２０のカソード隔離部材８６０とが、一体的に構成されてもよい。
１０…燃料電池
１０Ｂ…燃料電池
１０Ｃ…燃料電池
１０Ｄ…燃料電池
１０Ｅ…燃料電池
２０…セル
２１…燃料ガス導入口
２２…燃料ガス導出口
２３…酸化ガス導入口
２４…酸化ガス導出口
２５…冷却水導入口
２６…冷却水導出口
３０…膜電極接合体（ＭＥＡ）
４０…電解質膜
５０…アノード電極
６０…カソード電極
５１０…アノード触媒層
５３０…アノード拡散層
５３１…表面
５３７…周縁
６１０…カソード触媒層
６３０…カソード拡散層
６３１…表面
６３７…周縁
７１０…板状部材
７１５…ガス透過構造
７２０…板状部材
７２５…ガス透過構造
７３０…板状部材
７３５…ガス透過構造
７３５Ｂ…ガス透過構造
７３５Ｃ…ガス透過構造
７３５Ｄ…ガス透過構造
７４０…板状部材
７４５…ガス透過構造
７８０…密封部材
７８１…表面
７８２…表面
７８８…端部
８１０…アノード隔離部材
８２０…アノード流路
８６０…カソード隔離部材
８６０Ｅ…カソード隔離部材
８７０…カソード流路
８７０Ｅ…カソード流路
８８０…多孔体
１０Ｂ…燃料電池
１０Ｃ…燃料電池
１０Ｄ…燃料電池
１０Ｅ…燃料電池
２０…セル
２１…燃料ガス導入口
２２…燃料ガス導出口
２３…酸化ガス導入口
２４…酸化ガス導出口
２５…冷却水導入口
２６…冷却水導出口
３０…膜電極接合体（ＭＥＡ）
４０…電解質膜
５０…アノード電極
６０…カソード電極
５１０…アノード触媒層
５３０…アノード拡散層
５３１…表面
５３７…周縁
６１０…カソード触媒層
６３０…カソード拡散層
６３１…表面
６３７…周縁
７１０…板状部材
７１５…ガス透過構造
７２０…板状部材
７２５…ガス透過構造
７３０…板状部材
７３５…ガス透過構造
７３５Ｂ…ガス透過構造
７３５Ｃ…ガス透過構造
７３５Ｄ…ガス透過構造
７４０…板状部材
７４５…ガス透過構造
７８０…密封部材
７８１…表面
７８２…表面
７８８…端部
８１０…アノード隔離部材
８２０…アノード流路
８６０…カソード隔離部材
８６０Ｅ…カソード隔離部材
８７０…カソード流路
８７０Ｅ…カソード流路
８８０…多孔体
Claims (8)
- 燃料電池であって、
アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を接合した膜電極接合体と、
前記カソード電極に隣接する流路であって前記カソード電極に酸化ガスを流すカソード流路を、形成する流路形成部材と、
前記カソード流路に前記酸化ガスを導入する導入口と、
前記カソード流路から前記酸化ガスを導出する導出口と、
前記酸化ガスを遮断する材質から成り、前記カソード電極における前記カソード流路側の表面の一部に積層され、前記カソード流路のうち前記導入口に繋がる領域に隣接する第１の板状部材と、
前記酸化ガスを遮断する材質から成り、前記カソード電極における前記カソード流路側の表面の一部に積層され、前記カソード流路のうち前記導出口に繋がる領域に隣接する第２の板状部材と
を備え、
前記第１の板状部材は、前記酸化ガスを透過させる構造であるガス透過構造を、前記第１の板状部材を前記カソード流路に対して積層する方向に前記アノード電極と前記カソード電極とが存在する部位に有し、
前記第２の板状部材は、前記酸化ガスを透過させる構造であるガス透過構造を、前記第２の板状部材を前記カソード流路に対して積層する方向に前記アノード電極と前記カソード電極とが存在する部位に有する、燃料電池。 - 前記カソード電極の周縁は、前記アノード電極の周縁よりも内側に位置する、請求項１に記載の燃料電池。
- さらに、前記膜電極接合体、前記第１の板状部材および前記第２の板状部材と一体的に成形され、前記膜電極接合体の外周を密封する密封部材を備える請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
- 前記流路形成部材は、前記カソード流路として連続気孔を形成し、前記カソード電極、前記第１の板状部材および前記第２の板状部材に隣接する多孔体を含む、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記ガス透過構造は、スリットと、貫通孔と、メッシュと、連続気孔との少なくとも１つを形成する構造である、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池。
- 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記アノード電極は、
前記電解質膜に積層されたアノード触媒層と、
前記アノード触媒層に積層されたアノード拡散層と
を含み、
前記カソード電極は、
前記電解質膜に積層されたカソード触媒層と、
前記カソード触媒層に積層されたカソード拡散層と
を含む、燃料電池。 - 前記第１の板状部材および前記第２の板状部材は、前記膜電極接合体の外周を密封する密封部材における内側の端部よりも内側へと突出した部材である、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の燃料電池。
- 燃料電池であって、
アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を接合した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体と一体的に成形され、前記膜電極接合体の外周を密封する密封部材と、
前記アノード電極に積層され、前記アノード電極に燃料ガスを流すアノード流路を形成するとともに、前記膜電極接合体のアノード側を外部から隔離するアノード隔離部材と、
前記アノード流路に前記燃料ガスを導入する第１の導入口と、
前記アノード流路から前記燃料ガスを導出する第１の導出口と、
前記カソード電極に積層され、前記カソード電極に酸化ガスを流すカソード流路として連続気孔を形成する多孔体と、
前記多孔体に積層され、前記膜電極接合体のカソード側を外部から隔離するカソード隔離部材と、
前記カソード流路に前記酸化ガスを導入する第２の導入口と、
前記カソード流路から前記酸化ガスを導出する第２の導出口と、
前記燃料ガスを遮断する材質から成り、前記密封部材における前記アノード流路側の表面の一部から、前記アノード電極における前記アノード流路側の表面の一部にわたって積層され、前記アノード流路のうち前記第１の導入口に繋がる領域に隣接する第１の板状部材と、
前記燃料ガスを遮断する材質から成り、前記密封部材における前記アノード流路側の表面の一部から、前記アノード電極における前記アノード流路側の表面の一部にわたって積層され、前記アノード流路のうち前記第１の導出口に繋がる領域に隣接する第２の板状部材と、
前記酸化ガスを遮断する材質から成り、前記密封部材における前記カソード流路側の表面の一部から、前記カソード電極における前記カソード流路側の表面の一部にわたって積層され、前記カソード流路のうち前記第２の導入口に繋がる領域に隣接する第３の板状部材と、
前記酸化ガスを遮断する材質から成り、前記密封部材における前記カソード流路側の表面の一部から、前記カソード電極における前記カソード流路側の表面の一部にわたって積層され、前記カソード流路のうち前記第２の導出口に繋がる領域に隣接する第４の板状部材と
を備え、
前記第１および第２の板状部材は、前記燃料ガスを透過させる構造を、前記第１および第２の板状部材を前記アノード電極に対して積層する方向に前記アノード電極と前記カソード電極とが存在する部位に有し、
前記第３および第４の板状部材は、前記酸化ガスを透過させる構造を、前記第３および第４の板状部材を前記カソード電極に対して積層する方向に前記アノード電極と前記カソード電極とが存在する部位に有する、燃料電池。
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