JP5802181B2

JP5802181B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5802181B2
Application number: JP2012225024A
Authority: JP
Inventors: 杉浦　誠治; 誠治杉浦; 之人田中
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2032-10-10
Also published as: JP2014078377A

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両面に第１電極と第２電極とが設けられる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両面に配設されるセパレータとを備える燃料電池に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

電解質膜・電極構造体では、少なくとも一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定される場合がある。このため、固体高分子電解質膜の外周部の強度を確保する必要があり、例えば、特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体が知られている。

この電解質膜−電極接合体は、図７に示すように、高分子電解質膜１と、前記高分子電解質膜１の一方の面に形成されるカソード触媒層２と、前記高分子電解質膜１の他方の面に形成されるアノード触媒層３と、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積よりも大きくなるように、前記カソード触媒層２の端部の少なくとも一部に形成されるガスケット層４とを有している。

そして、高分子電解質膜１の少なくとも電解質膜−電極接合体の厚み方向に対し、カソード触媒層２の端部と重複する部位には、前記高分子電解質膜１よりも強度の高い補強層５が配置されている。このように、高分子電解質膜１の周縁部の強度を高めることにより、前記高分子電解質膜１の耐久性を向上させることができる、としている。

特開２００６−３３８９３８号公報

上記の特許文献１では、電解質膜−電極接合体がセパレータ間に挟持されることにより、燃料電池が構成されるとともに、複数の前記燃料電池が積層されて燃料電池スタックとして使用されている。燃料電池スタックには、所望の発電性能及びシール性能を確保するために、積層方向に所定の締め付け荷重が付与されている。

その際、カソード触媒層２の外周端部（エッジ部）は、補強層５に押し付けられるとともに、アノード触媒層３の外周端部（エッジ部）は、前記補強層５及び高分子電解質膜１に押し付けられている。このため、補強層５及び高分子電解質膜１は、各エッジ部近傍で面圧が高まって応力集中が惹起し易くなり、前記高分子電解質膜１がクリープ（変形）するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、保護フィルムと触媒層との重なり部位に応力が集中することを確実に阻止し、固体高分子電解質膜の損傷を可及的に抑制することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設される電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両面に配置されるセパレータと、を備える燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、電解質膜・電極構造体は、第１触媒層の外周縁部に第１重なり部位を有して固体高分子電解質膜の一方の面に配設される第１保護フィルムと、第２触媒層の外周縁部に第２重なり部位を有して前記固体高分子電解質膜の他方の面に配設される第２保護フィルムと、を設けている。

そして、一方のセパレータは、第１重なり部位に対向する部位に、厚さ方向に薄肉状の第１逃げ用段差部を設け、且つ、他方のセパレータは、第２重なり部位に対向する部位に、厚さ方向に薄肉状の第２逃げ用段差部を設けている。

また、この燃料電池では、第１重なり部位は、第１保護フィルムの内周縁部が第１触媒層と第１ガス拡散層との間に配置されて構成される一方、第２重なり部位は、第２保護フィルムの内周縁部が第２触媒層と第２ガス拡散層との間に配置されて構成されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、第１逃げ用段差部及び第２逃げ用段差部は、第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層の外周端部から内方側に入り込んで形成される平坦面を有することが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、固体高分子電解質膜の平面寸法は、第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層の平面寸法よりも大きく設定されるとともに、前記第１ガス拡散層と前記第２ガス拡散層とは、同一の平面寸法に設定されることが好ましい。

本発明によれば、一方のセパレータには、第１重なり部位に対向する部位に第１逃げ用段差部が設けられるとともに、他方のセパレータには、第２重なり部位に対向する部位に第２逃げ用段差部が設けられている。このため、発電部では、発電性能を確保するために必要な面圧を確保する一方、第１重なり部位及び第２重なり部位に付与される荷重が有効に低減される。

従って、簡単な構成で、保護フィルムと触媒層との重なり部位に応力が集中することを確実に阻止し、固体高分子電解質膜に応力集中が発生することを抑制することができる。これにより、所望の発電性能を有するとともに、固体高分子電解質膜の損傷等を可及的に抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。前記燃料電池の、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。前記燃料電池を構成するアノード側セパレータの正面説明図である。本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。特許文献１に開示された電解質膜−電極接合体の断面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する横長形状のカソード側セパレータ（一方のセパレータ）１４及びアノード側セパレータ（他方のセパレータ）１６とを備える。

カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、例えば、カーボンセパレータで構成される。なお、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、カーボンセパレータに代えて、例えば、金属薄板を波板状にプレス成形した金属セパレータにより構成してもよい。

図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極（第１電極）２０及びアノード電極（第２電極）２２とを有する。固体高分子電解質膜１８は、カソード電極２０及びアノード電極２２よりも大きな平面寸法（表面積）に設定され、外周縁部が前記カソード電極２０及び前記アノード電極２２の外周端部から外方に突出する。固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。カソード電極２０及びアノード電極２２は、複数の層から構成されてもよい。

カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される第１電極触媒層（第１触媒層）２０ａと、前記第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを設ける。第１電極触媒層２０ａの外周端部は、第１ガス拡散層２０ｂの外周端部よりも内方に離間した位置に配置される。

アノード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層（第２触媒層）２２ａと、前記第２電極触媒層２２ａに積層される第２ガス拡散層２２ｂとを設ける。第２電極触媒層２２ａの外周端部は、第２ガス拡散層２２ｂの外周端部よりも内方に離間した位置に配置される。第１電極触媒層２０ａの外周端部と第２電極触媒層２２ａの外周端部とは、積層方向に同一位置に配置されてもよく、又は、前記積層方向に互いにずれて配置されてもよい。

第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンペーパ等からなる。第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、白金合金を表面に担持した多孔質カーボン粒子が、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。

固体高分子電解質膜１８の面１８ａには、第１電極触媒層２０ａの外周縁部に第１重なり部位２４ａを有して第１保護フィルム２４が配設される。第１電極触媒層２０ａと第１保護フィルム２４とは、同一の厚さを有する。第１保護フィルム２４は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａと第１ガス拡散層２０ｂとの間に介装されるとともに、前記固体高分子電解質膜１８の外形寸法と同一の外形寸法を有する額縁状を有する。第１重なり部位２４ａは、第１電極触媒層２０ａと第１ガス拡散層２０ｂとの間に配置される。

固体高分子電解質膜１８の面１８ｂには、第２電極触媒層２２ａの外周縁部に第２重なり部位２６ａを有して第２保護フィルム２６が配設される。第２電極触媒層２２ａと第２保護フィルム２６とは、同一の厚さを有する。第２保護フィルム２６は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂと第２ガス拡散層２２ｂとの間に介装されるとともに、前記固体高分子電解質膜１８の外形寸法と同一の外形寸法を有する額縁状を有する。第２重なり部位２６ａは、第２電極触媒層２２ａと第２ガス拡散層２２ｂとの間に配置される。

第１保護フィルム２４及び第２保護フィルム２６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、フッ素ゴム又はＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等で構成される。

カソード側セパレータ１４は、第１重なり部位２４ａに対向する部位に、厚さ方向に薄肉状の第１逃げ用段差部２８ａを設ける。第１逃げ用段差部２８ａは、カソード側セパレータ１４のカソード電極２０に対向する面を厚さ方向に薄肉状の平坦面に形成することにより設けられる。

アノード側セパレータ１６は、第２重なり部位２６ａに対向する部位に、厚さ方向に薄肉状の第２逃げ用段差部２８ｂを設ける。第２逃げ用段差部２８ｂは、アノード側セパレータ１６のアノード電極２２に対向する面を厚さ方向に薄肉状の平坦面に形成することにより設けられる。第１逃げ用段差部２８ａ及び第２逃げ用段差部２８ｂは、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂの外周端部から内方側に入り込んで形成される平坦面を有する。

第１逃げ用段差部２８ａの厚さｔ１は、他の部位、例えば、後述する酸化剤ガス流路３６を形成する面の厚さｔ２よりも薄肉状（ｔ１＜ｔ２）に構成される。（ｔ２−ｔ１）は、第１保護フィルム２４の厚さｔ３に対し、（ｔ２−ｔ１）＞ｔ３の関係を有する。さらに、（ｔ２−ｔ１）は、第１保護フィルム２４の厚さｔ３、第１ガス拡散層２０ｂの初期厚さ（外部から荷重が付与されない状態の厚さ）ｔ４と前記第１ガス拡散層２０ｂの圧縮後厚さ（締め付け荷重が付与された状態の厚さ）ｔ５とに対し、（ｔ２−ｔ１）＞ｔ３＋（ｔ４−ｔ５）の関係を有する。

第２逃げ用段差部２８ｂの厚さｔ１ａは、他の部位、例えば、後述する燃料ガス流路３８を形成する面の厚さｔ２ａよりも薄肉状（ｔ１ａ＜ｔ２ａ）に構成される。（ｔ２ａ−ｔ１ａ）は、第２保護フィルム２６の厚さｔ３ａに対し、（ｔ２ａ−ｔ１ａ）＞ｔ３ａの関係を有する。さらに、（ｔ２ａ−ｔ１ａ）は、第２保護フィルム２６の厚さｔ３ａ、第２ガス拡散層２２ｂの初期厚さ（外部から荷重が付与されない状態の厚さ）ｔ４ａと前記第２ガス拡散層２２ｂの圧縮後厚さ（締め付け荷重が付与された状態の厚さ）ｔ５ａとに対し、（ｔ２ａ−ｔ１ａ）＞ｔ３ａ＋（ｔ４ａ−ｔ５ａ）の関係を有する。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ａ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ｂ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ａ方向の他端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

カソード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。

アノード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。カソード側セパレータ１４の面１４ｂとアノード側セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。

カソード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このカソード側セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が設けられる。アノード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このアノード側セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が設けられる。

第１シール部材４２及び第２シール部材４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａからカソード側セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ａ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａからアノード側セパレータ１６の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２２に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード電極２０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。同様に、アノード電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ａ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、カソード側セパレータ１４において、第１電極触媒層２０ａの外周縁部と第１保護フィルム２４との第１重なり部位２４ａに対向する部位に、厚さ方向に薄肉状の第１逃げ用段差部２８ａが設けられている。一方、アノード側セパレータ１６において、第２電極触媒層２２ａの外周縁部と第２保護フィルム２６との第２重なり部位２６ａに対向する部位に、厚さ方向に薄肉状の第２逃げ用段差部２８ｂが設けられている。

このため、電解質膜・電極構造体１２がカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６に挟持された状態で、積層方向に締め付け荷重が付与されると、発電部（最外周の酸化剤ガス流路３６及び燃料ガス流路３８が対向する部位の内方）では、発電性能を確保するために必要な面圧が確保されている。しかも、第１重なり部位２４ａ及び第２重なり部位２６ａに付与される荷重が有効に低減されている。

従って、簡単な構成で、第１電極触媒層２０ａの外周縁部と第１保護フィルム２４との第１重なり部位２４ａ及び第２電極触媒層２２ａの外周縁部と第２保護フィルム２６との第２重なり部位２６ａに応力が集中することを確実に阻止し、固体高分子電解質膜１８に応力集中が発生することを抑制することができる。これにより、所望の発電性能を有するとともに、固体高分子電解質膜１８の損傷等を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

図３及び図４に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０は、電解質膜・電極構造体６２と、前記電解質膜・電極構造体６２を挟持する横長形状のカソード側セパレータ（一方のセパレータ）６４及びアノード側セパレータ（他方のセパレータ）６６とを備える。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

カソード側セパレータ６４及びアノード側セパレータ６６は、第１の実施形態と同様に、例えば、カーボンセパレータで構成されているが、金属セパレータにより構成してもよい。

図３に示すように、カソード側セパレータ６４の電解質膜・電極構造体６２に向かう面６４ａには、酸化剤ガス流路３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、矢印Ａ方向に延在する複数の直線状突起部３６ａ間に形成される複数の直線状流路溝３６ｂを有する。カソード側セパレータ６４は、第１重なり部位２４ａに対向する部位に、すなわち、複数の直線状突起部３６ａの矢印Ａ方向両端縁部に、厚さ方向に薄肉状の第１逃げ用段差部３６ａｔを設ける。

酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス流路３６の入口側との間は、入口連結流路６８ａ及び入口バッファ部７０により連通するとともに、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと前記酸化剤ガス流路３６の出口側との間は、出口連結流路６８ｂ及び出口バッファ部７２により連通する。入口バッファ部７０は、電解質膜・電極構造体６２側に突出する複数のエンボス７０ａを有する一方、出口バッファ部７２は、前記電解質膜・電極構造体６２側に突出する複数のエンボス７２ａを有する。

図５に示すように、アノード側セパレータ６６の電解質膜・電極構造体６２に向かう面６６ａには、燃料ガス流路３８が設けられる。燃料ガス流路３８は、矢印Ａ方向に延在する複数の直線状突起部３８ａ間に形成される複数の直線状流路溝３８ｂを有する。アノード側セパレータ６６は、第２重なり部位２６ａに対向する部位に、すなわち、複数の直線状突起部３８ａの矢印Ａ方向両端縁部に、厚さ方向に薄肉状の第２逃げ用段差部３８ａｔを設ける。

燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス流路３８の入口側との間は、入口連結流路７４ａ及び入口バッファ部７６により連通するとともに、燃料ガス出口連通孔３４ｂと前記燃料ガス流路３８の出口側との間は、出口連結流路７４ｂ及び出口バッファ部７８により連通する。入口バッファ部７６は、電解質膜・電極構造体６２側に突出する複数のエンボス７６ａを有する一方、出口バッファ部７８は、前記電解質膜・電極構造体６２側に突出する複数のエンボス７８ａを有する。

図３に示すように、アノード側セパレータ６６の面６６ａとは反対の面６６ｂには、面６４ｂとの間に冷却媒体流路４０が設けられる。冷却媒体流路４０は、矢印Ａ方向に延在する複数の直線状突起部４０ａ間に形成される複数の直線状流路溝４０ｂを有する。

冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体流路４０の入口側との間は、入口連結流路８０ａ及び入口バッファ部８２により連通するとともに、冷却媒体出口連通孔３２ｂと前記冷却媒体流路４０の出口側との間は、出口連結流路８０ｂ及び出口バッファ部８４により連通する。入口バッファ部８２は、複数のエンボス８２ａを有する一方、出口バッファ部８４は、複数のエンボス８４ａを有する。

図４に示すように、第１逃げ用段差部３６ａｔの厚さｔ６は、他の部位、例えば、酸化剤ガス流路３６を形成する面（直線状突起部３６ａ）の厚さｔ７よりも薄肉状（ｔ６＜ｔ７）に構成される。第１逃げ用段差部３６ａｔは、第１重なり部位２４ａの内周端部２４ａｅから内方側に距離Ｌ１だけ入り込んだ位置まで形成される。距離Ｌ１は、例えば、０．５ｍｍを超える値に設定される。

（ｔ７−ｔ６）は、第１保護フィルム２４の厚さｔ３に対し、（ｔ７−ｔ６）＞ｔ３の関係を有する。さらに、（ｔ７−ｔ６）は、第１保護フィルム２４の厚さｔ３、第１ガス拡散層２０ｂの初期厚さ（外部から荷重が付与されない状態の厚さ）ｔ４と前記第１ガス拡散層２０ｂの圧縮後厚さ（締め付け荷重が付与された状態の厚さ）ｔ５とに対し、（ｔ７−ｔ６）＞ｔ３＋（ｔ４−ｔ５）の関係を有する。

第２逃げ用段差部３８ａｔの厚さｔ６ａは、他の部位、例えば、燃料ガス流路３８を形成する面（直線状突起部３８ａ）の厚さｔ７ａよりも薄肉状（ｔ６ａ＜ｔ７ａ）に構成される。第２逃げ用段差部３８ａｔは、第２重なり部位２６ａの内周端部２６ａｅから内方側に距離Ｌ２だけ入り込んだ位置まで形成される。距離Ｌ２は、例えば、０．５ｍｍを超える値に設定される。

（ｔ７ａ−ｔ６ａ）は、第２保護フィルム２６の厚さｔ３ａに対し、（ｔ７ａ−ｔ６ａ）＞ｔ３ａの関係を有する。さらに、（ｔ７ａ−ｔ６ａ）は、第２保護フィルム２６の厚さｔ３ａ、第２ガス拡散層２２ｂの初期厚さ（外部から荷重が付与されない状態の厚さ）ｔ４ａと前記第２ガス拡散層２２ｂの圧縮後厚さ（締め付け荷重が付与された状態の厚さ）ｔ５ａとに対し、（ｔ７ａ−ｔ６ａ）＞ｔ３ａ＋（ｔ４ａ−ｔ５ａ）の関係を有する。

このように構成される第２の実施形態では、図４に示すように、カソード側セパレータ６４において、第１電極触媒層２０ａの外周縁部と第１保護フィルム２４との第１重なり部位２４ａに対向する部位に、厚さ方向に薄肉状の第１逃げ用段差部３６ａｔが設けられている。一方、アノード側セパレータ６６において、第２電極触媒層２２ａの外周縁部と第２保護フィルム２６との第２重なり部位２６ａに対向する部位に、厚さ方向に薄肉状の第２逃げ用段差部３８ａｔが設けられている。

このため、固体高分子電解質膜１８に応力集中が発生することを抑制することができる。従って、所望の発電性能を有するとともに、固体高分子電解質膜１８の破損等を良好に抑制することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図６に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池９０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する横長形状のカソード側セパレータ（一方のセパレータ）９２及びアノード側セパレータ（他方のセパレータ）９４とを備える。

カソード側セパレータ９２は、第１重なり部位２４ａに対向する部位に、厚さ方向に薄肉状の第１逃げ用段差部９６ａを設ける。第１逃げ用段差部９６ａは、カソード側セパレータ９２のカソード電極２０に対向する面に局所的に凹状部を形成することにより設けられる。

アノード側セパレータ９４は、第２重なり部位２６ａに対向する部位に、厚さ方向に薄肉状の第２逃げ用段差部９６ｂを設ける。第２逃げ用段差部９６ｂは、アノード側セパレータ９４のアノード電極２２に対向する面に局所的に凹状部を形成することにより設けられる。

このように構成される第３の実施形態では、所望の発電性能を有するとともに、固体高分子電解質膜１８の破損等を良好に抑制することが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、６０、９０…燃料電池１２、６２…電解質膜・電極構造体
１４、６４、９２…カソード側セパレータ
１６、６６、９４…アノード側セパレータ
１８…固体高分子電解質膜２０…カソード電極
２０ａ、２２ａ…電極触媒層２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層
２２…アノード電極２４、２６…保護フィルム
２４ａ、２６ａ…重なり部位
２８ａ、２８ｂ、３６ａｔ、３８ａｔ、９６ａ、９６ｂ…逃げ用段差部
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路３６ａ、３８ａ、４０ａ…直線状突起部
３８…燃料ガス流路４０…冷却媒体流路
４２、４４…シール部材

Claims

固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設される電解質膜・電極構造体と、
前記電解質膜・電極構造体の両面に配置されるセパレータと、
を備える燃料電池であって、
前記電解質膜・電極構造体は、前記第１触媒層の外周縁部に第１重なり部位を有して前記固体高分子電解質膜の一方の面に配設される第１保護フィルムと、
前記第２触媒層の外周縁部に第２重なり部位を有して前記固体高分子電解質膜の他方の面に配設される第２保護フィルムと、
を設けるとともに、
一方の前記セパレータは、前記第１重なり部位に対向する部位に、厚さ方向に薄肉状の第１逃げ用段差部を設け、且つ、他方の前記セパレータは、前記第２重なり部位に対向する部位に、厚さ方向に薄肉状の第２逃げ用段差部を設けることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記第１重なり部位は、前記第１保護フィルムの内周縁部が前記第１触媒層と前記第１ガス拡散層との間に配置されて構成される一方、
前記第２重なり部位は、前記第２保護フィルムの内周縁部が前記第２触媒層と前記第２ガス拡散層との間に配置されて構成されることを特徴とする燃料電池。
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記第１逃げ用段差部及び前記第２逃げ用段差部は、前記第１ガス拡散層及び前記第２ガス拡散層の外周端部から内方側に入り込んで形成される平坦面を有することを特徴とする燃料電池。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記固体高分子電解質膜の平面寸法は、前記第１ガス拡散層及び前記第２ガス拡散層の平面寸法よりも大きく設定されるとともに、
前記第１ガス拡散層と前記第２ガス拡散層とは、同一の平面寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。