JP5853782B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、多数の単セルを積層して形成される積層体を有する。積層体は、締結されており、面圧が付与されている。単セルに含まれる膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、その強度が比較的弱く、膜電極接合体の両側に位置するリブを位置合せすることにより、リブずれによる破損を防止している。しかし、リブによって支持されていない領域（非当接面）の面圧が低下し（面圧が不均等なり）、電気抵抗が増大する問題を有する。

そのため、両側に配置されるリブの位置をずらし、かつ、リブの当接面幅を大きくし、当接面をオーバーラップさせることにより、少なくとも片側にリブの当接面が存在するように構成し、面圧の均等化を図っている（例えば、特許文献１参照。）。また、補強材を配置し、剛性を向上させることで、面圧の均等化を図っているものもある（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０００−３１５５０７号公報 特開２００６−３１０１０４号公報

しかし、当接面幅を大きくする場合、非当接面が小さくなり、非当接面を介したガス拡散性が低下する問題を有する。

また、補強材を配置する場合、単セルの厚みが増加し、燃料電池が大型化する問題を有する。一方、補強材の厚みを薄くし、単セルの厚みの増加を抑制する場合、面圧の均等化は限定的である。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、小型化が容易であり、良好なガス拡散性を有し、かつ、面圧を均等化し得る燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、高分子電解質膜の触媒層が配置されてなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノード側に配置されるアノードセパレータと、前記膜電極接合体のカソード側に配置されるカソードセパレータと、前記膜電極接合体と前記アノードセパレータとの間に位置するガス流路空間に離間して配置される複数の第１ボスと、前記膜電極接合体と前記カソードセパレータとの間に位置するガス流路空間になお離間して配置される複数の第２ボスと、前記膜電極接合体と前記第１ボスとの間および前記膜電極接合体と前記第２ボスとの間の少なくとも一方に配置される導電性多孔質基材からなる支持体と、を有する燃料電池である。前記膜電極接合体あるいは前記支持体に対する前記第１ボスの当接面と前記第２ボスの当接面とは、前記膜電極接合体および前記支持体を間に挟み、互いに重ならないように位置決めされている。

本発明によれば、第１ボスの当接面と第２ボスの当接面は、膜電極接合体および支持体を間に挟み、互いに重ならないように位置決めされている。これにより、曲げモーメントが発生するため、当接面（荷重点）近傍で圧縮力が作用し、発電エリア全面において、面圧が均等化される一方、支持体の存在により、剛性が向上しているため、曲げモーメントの発生による破損が抑制される。また、当接面の幅を大きくする必要がないため、第１および第２ボスによって支持されていない領域（非当接面）を介したガス拡散性が低下する問題を回避することができる。さらに、支持体単独（剛性のみ）で、面圧の均等化を図っていないため、支持体の厚みを薄くすることが可能である。つまり、小型化が容易であり、良好なガス拡散性を有しかつ面圧を均等化し得る燃料電池を提供することが可能である。

実施の形態１に係る燃料電池を説明するための分解斜視図である。 実施の形態１に係るセル構造を説明するための断面図である。 図２に示される支持体およびボスを説明するための断面図である。 ボスの配置構成を説明するための概略図である。 実施の形態１に係る変形例１を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る変形例２を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る変形例３を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る変形例４を説明するための断面図である。 実施の形態２に係る燃料電池を説明するための断面図である。 図９に示されるボスを説明するための断面図である。 実施の形態３に係る燃料電池を説明するための断面図である。 実施の形態４に係る燃料電池を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、実施の形態１に係る燃料電池を説明するための分解斜視図である。

実施の形態１に係る燃料電池１０は、小型化が容易であり、良好なガス拡散性を有し、かつ、面圧を均等化することが可能であり、例えば、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池からなり、電源として利用される。固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、小型化、高密度化および高出力化が可能であり、搭載スペースが限定される車両などの移動体の駆動用電源としての適用が好ましく、特に、システムの起動および停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途が特に好ましい。この場合、例えば、自動車（燃料電池車）の車体中央部の座席下、後部トランクルームの下部、車両前方のエンジンルームに搭載することが可能である。車内空間およびトランクルームを広く取る観点からは、座席下の搭載が好ましい。

燃料電池１０は、図１に示されるように、スタック部２０、締結板７０、補強板７５、集電板８０、スペーサ８５、エンドプレート９０およびボルト９５を有する。

スタック部２０は、単セル２２の積層体から構成されている。単セル２２は、後述するように、膜電極接合体、セパレータ、ボスおよび支持体を有する。

締結板７０は、スタック部２０の底面および上面に配置され、補強板７５は、スタック部２０の両側に配置される。つまり、締結板７０および補強板７５は、スタック部２０の周囲を取り囲むケーシングを構成している。

集電板８０は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材から形成され、スタック部２０で生じた起電力を出力するための出力端子が設けられており、単セル２２の積層方向の両端（スタック部２０の正面および背面）に配置される。

スペーサ８５は、スタック部２０の背面に配置される集電板８０の外側に配置される。

エンドプレート９０は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料から形成され、スタック部２０の正面に配置される集電板８０の外側と、スペーサ８５の外側とに配置される。エンドプレート９０は、燃料ガス（水素）、酸化剤ガス（酸素）および冷媒（冷却水）を流通させるために、燃料ガス導入口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス導入口、酸化剤ガス排出口、冷却水導入口および冷却水排出口を有する。

ボルト９５は、エンドプレート９０、締結板７０および補強板７５を締結し、その締結力を単セル２２の積層方向に作用させることで、内部に位置するスタック部２０を押し圧状態に保持するために使用される。ボルト９５の本数およびボルト孔の位置は、適宜変更することが可能である。また、締結機構は、螺合に限定されず、他の手段を適用することも可能である。

図２は、実施の形態１に係るセル構造を説明するための断面図、図３は、図２に示される支持体およびボスを説明するための断面図、図４は、ボスの配置構成を説明するための概略図、図５〜７は、実施の形態１に係る変形例１〜４を説明するための断面図である。

単セル２２は、膜電極接合体３０、セパレータ４０，４５、複数のボス５０，５５および支持体６０，６５を有する。

膜電極接合体３０は、図２に示されるように、高分子電解質膜３２、触媒層３４，３６を有する。

触媒層３４は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、水素の酸化反応が進行するアノード触媒層であり、高分子電解質膜３２の一方の側に配置される。触媒層３６は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、酸素の還元反応が進行するカソード触媒層であり、高分子電解質膜３２の他方の側に配置される。

高分子電解質膜３２は、触媒層（アノード触媒層）３４で生成したプロトンを触媒層（カソード触媒層）３６へ選択的に透過させる機能およびアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。

セパレータ４０，４５は、単セルを電気的に直列接続する機能および燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を互いに遮断する隔壁としての機能を有し、膜電極接合体３０と略同一形状であり、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことで形成されている。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。

セパレータ４０は、膜電極接合体３０のアノード側に配置されるアノードセパレータであり、触媒層３４に相対している。セパレータ４５は、膜電極接合体３０のカソード側に配置されるカソードセパレータであり、触媒層３６に相対している。セパレータ４０，４５は、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を流通させるための複数のマニホールドを有する。マニホールドは、エンドプレート９０に配置される燃料ガス導入口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス導入口、酸化剤ガス排出口、冷却水導入口および冷却水排出口に連通している。

ボス５０，５５は、図２〜図４に示されるように、セパレータ４０，４５の一部からなる矩形状断面を有する突出部によって構成される。ボス５０，５５は、例えば、セパレータ４０，４５にエンボス加工を施すことによって形成される。エンボス加工は、セパレータ４０，４５を形成するプレス加工に一体化したり、独立に実施することも可能である。

ボス５０は、膜電極接合体３０とセパレータ４０との間に位置するガス流路空間４２に離間して配置される第１ボスである。ガス流路空間４２は、燃料ガスを触媒層３４に供給するために利用される。ボス５５は、膜電極接合体３０とセパレータ４５との間に位置するガス流路空間４７に離間して配置される第２ボスである。ガス流路空間４７は、酸化剤ガスを触媒層３６に供給するために利用される。ボス５０，５５の配置構成は、格子状（図３参照）であるが、特にこれに限定されず、例えば、千鳥状とすることも可能である。

ボス５０，５５は、リブ（溝）状でないため、ガスの流れる向きを規制しない。そのため、ガスの流れる向きを、並行、直行、斜めなど自由に設定することが可能であり、セパレータ４０，４５における燃料ガスおよび酸化剤ガスを流通させるためのマニホールドの配置位置の自由度が大きい。

なお、ボス５０，５５の断面形状は、円形状であるため、ボス５０，５５の当接面５２，５７の幅（当接面幅）Ｗ_１１，Ｗ_２１は、ボス５０，５５の直径（幅）と一致する。また、非当接面幅Ｗ_１２，Ｗ_２２は、当接面５２，５７間の距離（ボス５０，５５間の距離）によって規定される。

支持体６０，６５は、膜電極接合体３０の曲げ剛性より大きい曲げ剛性を有する導電性板状部材であり、触媒層にガスを供給するため、多孔質基材から構成される。具体的には、支持体６０，６５は、図３に示されるように、金属製の網（メタルメッシュ）から構成される。支持体６０は、触媒層３４とボス５０との間に配置される。支持体６５は、触媒層３６とボス５５との間に配置される。

ボス５０の当接面５２とボス５５の当接面５７とは、支持体６０、膜電極接合体３０および支持体６５を間に挟み、互いに重ならない（オフセットする）ように位置決めされている。これにより、曲げモーメントが発生するため、当接面（荷重点）５２，５７近傍で圧縮力が作用し、発電エリア全面において、当接面５２と当接面５７とが互いに重なる場合と比べて、面圧が均等化される一方、支持体６０，６５の存在により、剛性と強度が向上しているため、曲げモーメントの発生による膜電極接合体３０の破損が抑制される。また、当接面５２，５７の幅Ｗ_１１，Ｗ_２１を大きくする必要がないため、ボス５０，５５によって支持されていない領域（非当接面）を介したガス拡散性が低下する問題を回避することができる。さらに、支持体６０，６５単独（剛性のみ）で、面圧の均等化を図っていないため、支持体６０，６５の厚みＴ_１，Ｔ_２を薄くすることが可能である。つまり、小型化が容易であり、良好なガス拡散性を有しかつ面圧を均等化し得る燃料電池を提供することが可能である。

ボス５０の当接面５２とボス５５の当接面５７とは、発電エリアの全面に渡って、互いに重ならないように位置決めされる形態に限定されず、必要に応じ、一部の領域において重なるように位置決めすることも可能である。

支持体６０，６５は、膜電極接合体３０の曲げ剛性より大きい曲げ剛性を有しており、曲げ剛性が向上しているため、発電エリアの面圧の均一化が一層図られる。膜電極接合体３０の両側に、支持体６０，６５（導電性多孔質基材）が存在するため、単セル内部での面内方向の電気伝導性が向上し、また、膜電極接合体のどちら側にガス差圧が付加されても、テンティング（流路閉塞）を防ぐことが可能である。

支持体６０，６５は、金属製であるため、支持体６０，６５の強度を向上させることが容易であり、積層荷重に耐える強度を維持しながら、ボスピッチ（隣接するボス中心間の距離）Ｐ_１，Ｐ_２を増加させ（流路占有率を増加させ）、例えば、１００ＭＰａ以上の曲げ強度（引張り強度）を有する場合、ボスピッチＰ_１，Ｐ_２を６００μｍ以上に設定することにより、ガス拡散性を向上させることが可能である。実施の形態１において、ボス５０，５５は、格子状に配置されているため、ボスピッチＰ_１，Ｐ_２は、格子間隔によって規定することが可能である。

支持体６０の厚みＴ_１と支持体６５の厚みＴ_２とは、同一であることが好ましい。この場合、膜電極接合体３０が曲げ中立面近傍（曲げ応力が０の位置）に位置することとなるため、膜電極接合体３０に対する曲げ応力が緩和される。

ボスピッチＰ_１およびＰ_２は、同一であることが好ましい。この場合、ボス５０の当接面５２とボス５５の当接面５７との間の最短距離からなる相対ズレ量Ｓ（図４参照）が最大となるように設定することが容易であり、例えば、ボス５０の当接面５２とボス５５の当接面５７とを、単にボスピッチの半分に相当する距離分ずらすことにより、曲げモーメントを最大とし、かつ、曲げモーメント発生箇所が均等に配置されることにより、面圧バラツキを減少させることが可能である。なお、相対ズレ量Ｓは、ボス５０，５５の当接面５２，５７の幅（当接面幅）Ｗ_１１，Ｗ_２１より大きいことが好ましい。

ボスピッチＰ_１，Ｐ_２は、（２×（支持体６０，６５のガス流路幅方向の長さ）×（支持体６０，６５の厚み）^２×（支持体６０，６５の曲げ強度））÷（ボス５０，５５の一つあたりの積層荷重）以下であることが好ましい。この場合、流路占有率が大きくなるため、ガス拡散性を向上させることが可能である。

支持体６０，６５は触媒層３４，３６に直接接触し、ボス５０，５５はセパレータ４０，４５に一体化されているため、触媒層３４，３６とセパレータ４０，４５との間の導電は十分に確保されており、セル抵抗が低く抑えられる。したがって、十分なガス拡散性および導電性が確保されるため、カーボンペーパ等のガス拡散層（ＧＤＬ）を省略することで、燃料電池の薄層化が図られる。なお、必要に応じ、支持体６０，６５をガス拡散層によって構成することも可能である。

ボス５０，５５の断面形状は、円形状に限定されず、図５に示される矩形状、図６に示される三角形状、あるいは、他の形状（楕円状、多角形状など）を適用することも可能である。なお、円形状以外の形状においては、ボス５０，５５の当接面５２，５７の幅Ｗ_１１，Ｗ_２１は、外接円の直径によって規定することが可能である。

ボス５０，５５の全体形状は、断面形状が一定である柱状に限定されず、例えば、図７に示される頂点が平らなテーパー形状（円錐台状、角錐台状など）、図８に示される頂点が鋭角なテーパー形状（円錐状、角錐状など）を適用することも可能である。

次に、各構成部材の材質およびサイズ等について詳述する。

高分子電解質膜３２は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン株式会社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等である。多孔質状の膜は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から形成される。

高分子電解質膜３２の厚みは、特に限定されないが、強度、耐久性および出力特性の観点から５μｍ〜３００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜２００μｍである。

触媒層（カソード触媒層）３６に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。触媒層（アノード触媒層）３４に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。

具体的な触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モボスデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード触媒層およびアノード触媒層に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜選択することが可能である。

触媒層３４，３６に用いられる触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。

触媒層３４，３６に用いられる高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。触媒層３４，３６に用いられる高分子電解質は、高分子電解質膜３２に用いられる高分子電解質と同一であっても異なっていてもよいが、高分子電解質膜３２に対する触媒層３４，３６の密着性を向上させる観点から、同一であることが好ましい。

セパレータ４０，４５は、ステンレス鋼鈑から構成する形態に限定されず、ステンレス鋼鈑以外の金属材料（例えば、アルミニウム板やクラッド材）、緻密カーボングラファイトや炭素板などのカーボンを適用することも可能である。カーボンを適用する場合、ボス５０，５５は、例えば、切削加工やスクリーン印刷によって形成することが可能である。

ボス５０，５５の当接面５２，５７の幅（当接面幅）Ｗ_１１，Ｗ_２１は３００μｍを超えると、ガス流路空間４２，４７から供給されるガスが、ボス直下のエリアまで拡散し難くなるため、ガス輸送抵抗が増大し、発電性能が低下する。燃料電池の高出力密度化を考慮すると、当接面幅Ｗ_１１，Ｗ_２１は、５０〜３００μｍが好ましく、１００〜２００μｍが特に好ましい。

当接面５２，５７間の距離（ボス５０，５５間の距離）である非当接面幅Ｗ_１２，Ｗ_２２は、１００μｍ未満であると、十分な量のガス（燃料ガスや酸化剤ガス）を供給することができず、発電エリアにおいて流路が占める比率が減少するため、ガス輸送抵抗が増大し、発電性能が低下する。また、隣り合うボス同士の間隔が狭くなるため、ボス５０，５５を形成する際に精密な位置決めや微細な加工等が必要となって、部品のコストが増大する。したがって、非当接面幅Ｗ_１２，Ｗ_２２は、１００〜２０００μｍが好ましく、２００〜１０００μｍが特に好ましい。

支持体６０，６５を構成する導電性材料は、特に限定されないが、例えば、セパレータ４０，４５に適用される構成材料と同様な材料を適宜用いることが可能である。また、表面が金属で被覆されたものを適用することも可能であり、この場合、表面の金属は、上記と同様の材料が使用でき、また、芯材は、導電性を有することが好ましく、例えば、導電性高分子材料や導電性炭素材料を適用することが可能である。

支持体６０，６５の表面は、防食処理、撥水処理、親水処理を施すことも可能である。親水処理は、例えば、金あるいは炭素のコーティングであり、支持体６０，６５の腐食を抑制することが可能である。

撥水処理は、例えば、撥水剤のコーティングであり、支持体６０，６５の開孔部における水の滞留を減少させ、水によるガス供給の阻害やフラッディングを抑制し、触媒層３４，３６に対するガスの安定供給を確実とし、セル電圧の急激な低下を抑えて、セル電圧を安定させることが可能である。撥水剤は、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＶｄＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、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（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。

親水処理は、例えば、親水剤のコーティングであり、触媒層３４，３６からの液水を流路側に引き寄せるため、触媒層３４，３６の水詰まりを低減し、セル電圧の急激な低下を抑えて、セル電圧を安定させることが可能である。親水剤は、例えば、シランカップリング剤やポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）である。なお、支持体６０，６５におけるセパレータ側の面に親水処理を施し、触媒層側の面に撥水処理を施すことも可能である。

支持体６０，６５を構成する網のメッシュは、ガスの供給性およびセル電圧の観点から、１００以上であることが好ましく、１００〜５００であることがより好ましい。網の線径は、触媒層３４，３６およびボス５０，５５に対する当接面積（セル内の電気抵抗）の観点から、２５〜１１０μｍであることが好ましい。網の織り方（編み方）は、特に限定されず、例えば、平織、綾織、平畳織、綾畳織を適用することが可能である。また、織ることなく線材同士を固定（例えば溶接）して、網を形成することも可能である。

支持体６０，６５は、金属製の網を適用する形態に限定されず、例えば、パンチングメタル、エキスパンドメタル、エッチングメタルを適用することも可能である。

以上のように、実施の形態１においては、ボス５０の当接面５２とボス５５の当接面５７とは、支持体６０、膜電極接合体３０および支持体６５を間に挟み、互いに重ならないように位置決めされている。これにより、曲げモーメントが発生するため、当接面（荷重点）５２，５７近傍で圧縮力が作用し、発電エリア全面において、面圧が均等化される一方、支持体６０，６５の存在により、剛性と強度が向上しているため、曲げモーメントの発生による膜電極接合体３０の破損が抑制される。また、当接面５２，５７の幅Ｗ_１１，Ｗ_２１を大きくする必要がないため、ボス５０，５５によって支持されていない領域（非当接面）を介したガス拡散性が低下する問題を回避することができる。さらに、支持体６０，６５単独（剛性のみ）で、面圧の均等化を図っていないため、支持体６０，６５の厚みＴ_１，Ｔ_２を薄くすることが可能である。つまり、小型化が容易であり、良好なガス拡散性を有しかつ面圧を均等化し得る燃料電池を提供することが可能である。

支持体６０，６５は、膜電極接合体３０の曲げ剛性より大きい曲げ剛性を有しており、曲げ剛性が向上しているため、当接面５２、５７に作用する圧縮力がその周辺にも伝わり、発電エリアの面圧の均一化が一層図られる。膜電極接合体３０の両側に、支持体６０，６５（導電性多孔質基材）が存在するため、単セル内部での面内方向の電気伝導性が向上し、また、膜電極接合体のどちら側にガス差圧が付加されても、テンティング（流路閉塞）を防ぐことが可能である。

支持体６０，６５は、金属製であるため、支持体６０，６５の強度を向上させることが容易であり、積層荷重に耐える強度を維持しながら、ボスピッチ（隣接するボス中心間の距離）Ｐ_１，Ｐ_２を増加させることにより（流路占有率を増加させることにより）、ガス拡散性を向上させることが可能である。

支持体６０の厚みＴ_１と支持体６５の厚みＴ_２とは、同一であることが好ましい。この場合、膜電極接合体３０が曲げ中立面近傍（曲げ応力が０の位置）に位置することとなるため、膜電極接合体３０に対する曲げ応力が緩和される。

ボスピッチＰ_１およびＰ_２は、同一であることが好ましい。この場合、ボス５０の当接面５２とボス５５の当接面５７との間の距離からなる相対ズレ量Ｓが最大となるように設定することが容易であり、例えば、ボス５０の当接面５２とボス５５の当接面５７とを、単にボスピッチの半分に相当する距離分ずらすことにより、曲げモーメントを最大とし、かつ、曲げモーメント発生箇所が均等に配置されることにより、面圧バラツキを減少させることが可能である。

ボスピッチＰ_１，Ｐ_２は、（２×（支持体６０，６５のガス流路幅方向の長さ）×（支持体６０，６５の厚み）^２×（支持体６０，６５の曲げ強度））÷（ボス５０，５５の一つあたりの積層荷重）以下であることが好ましい。この場合、流路占有率が大きくなるため、ガス拡散性を向上させることが可能である。

図９は、実施の形態２に係る燃料電池を説明するための断面図、図１０は、図９に示されるボスを説明するための断面図である。

実施の形態２に係る燃料電池は、セパレータ４０，４５と一体的に形成されていない別体のボス５０Ａ，５５Ａを有する点で、実施の形態１に係る燃料電池と概して異なる。なお、以下において、実施形態１と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。

ボス５０Ａ，５５Ａは、円柱状中実部材からなり、支持体６０，６５に固定されており、セパレータ４０，４５から独立している。したがって、ボス５０Ａ，５５Ａの材料選択の自由度が大きく、また、セパレータ４０，４５の製造が簡略化される。

支持体６０，６５に対するボス５０Ａ，５５Ａの固定方法は、特に限定されないが、例えば、溶接、焼結、溶着などの熱接合を適用することが可能である。熱接合は、支持体６０，６５およびボス５０Ａ，５５Ａにおいて面圧が付与されない部位や非接触の部位があっても電気伝導性を確保でき、かつ、操作が容易であるため、有利である。

ボス５０Ａ，５５Ａの形状は、円柱状に限定されず、実施の形態１の場合と同様に、適宜変更することが可能である。例えば、断面形状として、矩形状、三角形状あるいは他の形状（楕円状、多角形状など）を適用したり、全体形状として、頂点が平らなテーパー形状（円錐台状、角錐台状など）や、頂点が鋭角なテーパー形状（円錐状、角錐状など）を適用することができる。

ボス５０Ａ，５５Ａを構成する導電性材料は、特に限定されないが、支持体６０，６５に適用される構成材料と同様な材料や、導電性樹脂を適宜用いることが可能である。導電性樹脂は、導電性高分子や、樹脂に導電性フィラーが混合されてなる複合材から構成される。導電性高分子は、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、ポリオキサジアゾールである。導電性フィラーは、例えば、銀、金、アルミニウム、ステンレス、カーボンである。

以上のように、実施の形態２においては、ボス５０Ａ，５５Ａの材料選択の自由度が大きく、また、セパレータ４０，４５の製造を簡略化することが可能である。なお、必要に応じて、ボス５０Ａ，５５Ａをセパレータ４０，４５に固定することも可能である。さらに、スクリーン印刷などで導電性カーボン材料により構成されたボス５０Ａ，５５Ａを直接セパレータ４０，４５に転写して形成することも可能である。

図１１は、実施の形態３に係る燃料電池を説明するための断面図である。

実施の形態３に係る燃料電池は、単一の支持体６５Ａを有する点で、実施の形態１に係る燃料電池と概して異なる。

支持体６５Ａは、膜電極接合体３０の曲げ剛性より小さい曲げ剛性を有し、膜電極接合体３０のカソード側に配置されており、触媒層３６とセパレータ４５との間に位置している。

支持体６５Ａの曲げ剛性を膜電極接合体３０の曲げ剛性より小さくしたのは、膜電極接合体３０のアノード側には支持体６５Ａが存在しないため、曲げ剛性を小さくした方が、面圧が均一化されるためである。支持体６５Ａをカソード側に配置するのは、カソード側はガス拡散性の影響が大きいためである。

以上のように、実施の形態３においては、膜電極接合体３０のカソード側にのみ支持体６５Ａが配置されているため、燃料電池の小型化が容易である。

なお、たわみに対する強度に関し、膜電極接合体３０および支持体６５Ａは、同等であることが好ましい。また、ボス５０，５５は、実施の形態２と同様に、別体とすることも可能である。

図１２は、実施の形態４に係る燃料電池を説明するための断面図である。

実施の形態４に係る燃料電池は、支持体６０，６５と膜電極接合体３０との間に配置される導電性の中間層３５，３７を有する点で、実施の形態１に係る燃料電池と概して異なる。

中間層３５，３７は、十分な機械的強度を有するマイクロポーラス層（ＭＰＬ：ｍｉｃｒｏ ｐｏｒｏｕｓ ｌａｙｅｒ）から構成され、膜電極接合体３０に対して支持体６０，６５から付加される応力を緩和することが可能である。また、支持体６０，６５と膜電極接合体３０との直接接触が避けられるため、例えば、支持体６０，６５が金属製の網から構成される場合であっても、支持体６０，６５から付加される応力によって膜電極接合体３０が破損することを、抑制することが可能である。

マイクロポーラス層は、カーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層から形成される。カーボン粒子は、特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛を適用することが可能である。カーボンブラックは、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいため、好ましい。カーボン粒子の平均粒子径は、１０〜１００ｎｍ程度が好ましく、これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層３４，３６との接触性を向上させることが可能である。

カーボン粒子層は、撥水性を向上させてフラッディング現象などを防ぐ観点から、撥水剤を含ませることも可能である。この場合、支持体６０，６５の開孔に溜まった液水の排出が容易となり、支持体６０，６５の耐食性を向上させることが可能である。

撥水剤は、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＶｄＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、ＦＥＰなどのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。フッ素系の高分子材料は、撥水性および電極反応時の耐食性に優れるため、好ましい。カーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で９０：１０〜４０：６０（カーボン粒子：撥水剤）が好ましい。

以上のように、実施の形態４においては、膜電極接合体３０に対して支持体６０，６５から付加される応力を緩和する中間層３５，３７が存在し、支持体６０，６５と膜電極接合体３０との直接接触が避けられるため、例えば、支持体６０，６５が金属製の網から構成される場合であっても、支持体６０，６５から付加される応力によって膜電極接合体３０が破損することを、抑制することが可能である。

なお、中間層３５，３７は、マイクロポーラス層から構成される形態に限定されず、ガス拡散層や、ガス拡散層とマイクロポーラス層との組み合わせを適用することも可能である。また、実施の形態２および３において、中間層３５，３７を備えることも可能である。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。例えば、燃料電池は、メタノールを燃料とする固体高分子形燃料電池（例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）やマイクロ燃料電池（パッシブ型ＤＭＦＣ））によって構成したり、定置用電源として適用したりすることも可能である。また、水素やメタノール以外の燃料としては、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、第１級ブタノール、第２級ブタノール、第３級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどを適用することも可能である。

１０ 燃料電池、
２０ スタック部、
２２ 単セル、
３０ 膜電極接合体、
３２ 高分子電解質膜、
３４ 触媒層（アノード触媒層）、
３５ 中間層、
３６ 触媒層（カソード触媒層）、
３７ 中間層、
４０ セパレータ（アノードセパレータ）、
４２ ガス流路空間、
４５ セパレータ（カソードセパレータ）、
４７ ガス流路空間、
５０，５０Ａ ボス（第１ボス）、
５２ 当接面、
５５，５５Ａ ボス（第２ボス）、
５７ 当接面、
６０，６５，６５Ａ 支持体、
７０ 締結板、
７５ 補強板、
８０ 集電板、
８５ スペーサ、
９０ エンドプレート、
９５ ボルト、
Ｐ_１，Ｐ_２ ボスピッチ、
Ｓ 相対ズレ量、
Ｔ_１，Ｔ_２ 厚み、
Ｗ_１１，Ｗ_２１ 当接面幅、
Ｗ_１２，Ｗ_２２ 非当接面幅（当接面間の距離）。

Claims (8)

1. 高分子電解質膜の触媒層が配置されてなる膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体のアノード側に配置されるアノードセパレータと、
   前記膜電極接合体のカソード側に配置されるカソードセパレータと、
   前記膜電極接合体と前記アノードセパレータとの間に位置するガス流路空間に離間して配置される複数の第１ボスと、
   前記膜電極接合体と前記カソードセパレータとの間に位置するガス流路空間になお離間して配置される複数の第２ボスと、
   前記膜電極接合体と前記第１ボスとの間および前記膜電極接合体と前記第２ボスとの間の少なくとも一方に配置される導電性多孔質基材からなる支持体と、を有しており、
   前記膜電極接合体あるいは前記支持体に対する前記第１ボスの当接面と前記第２ボスの当接面とは、前記膜電極接合体および前記支持体を間に挟み、互いに重ならないように位置決めされている
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 前記支持体は、前記膜電極接合体の曲げ剛性より大きい曲げ剛性を有し、かつ、前記膜電極接合体と前記第１ボスとの間および前記膜電極接合体と前記第２ボスとの間の両方に配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第１ボスのボスピッチと前記第２ボスのボスピッチとは、同一であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記支持体は、金属製であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. 前記第１ボスおよび前記第２ボスのボスピッチは、（２×（前記支持体のガス流路幅方向の長さ）×（前記支持体の厚み）^２×（前記支持体の曲げ強度））÷（前記第１ボスおよび前記第２ボスの一つあたりの積層荷重）以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記アノード側と前記第１ボスとの間に配置される前記支持体の厚みと前記カソード側と前記第２ボスとの間に配置される前記支持体の厚みとは、同一であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
7. 前記第１ボスおよび前記第２ボスは、前記第１ボスの当接面と前記第２ボスの当接面との間の距離からなる相対ズレ量が最大となるように配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
8. 前記支持体と前記膜電極接合体との間に配置される中間層を有しており、
   前記中間層は、前記膜電極接合体に対して前記支持体から付加される応力を緩和することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池。

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