JP6064465B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池などの燃料電池の改良に関し、とくに、膜電極接合体の機械劣化を抑制するようにした燃料電池に関するものである。

従来において、上記したような燃料電池としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の燃料電池は、固体高分子電解質膜と、その両面に接合された電極を備えたものであって、片面触媒領域の電解質膜にカチオンを混入させることにより、電解質膜の機械劣化と化学劣化の両方を抑制するようにしたものである。

特開２０１０−２１２２４７号公報

しかしながら、上記したような従来の燃料電池にあっては、カチオン置換部と非置換部との間で電解質膜の弾性が異なり、これにより機械劣化が生じるおそれがあるうえに、膜電極接合体の製造工程が増してその分コスト高になるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の状況の課題に着目して成されたもので、低コストで膜電極接合体の耐久性を向上させることができる燃料電池を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池は、周囲にフレームを有する膜電極接合体と、フレーム及び膜電極構造体との間にカソード及びアノードのガス流路を形成する一対のセパレータを備えると共に、両ガス流路におけるガスの流れ方向を互いに逆方向にしたものである。そして、燃料電池は、カソード下流側において膜電極接合体のカソード反応領域を調整する手段を備えたカソード側調整領域と、アノード下流側において膜電極接合体のアノード反応領域を調整する手段を備えたアノード側調整領域を備え、カソード及びアノードの各電極層は、電解質層に接触するカソード及びアノードの電極触媒層を備えており、前記反応領域を調整する手段は、カソード電極触媒層の端部位置とアノード電極触媒層の端部位置を調整する手段からなり、前記カソード側調整領域では、カソード電極触媒層の下流端部が、アノード電極触媒層の上流端部よりも電池外側に位置することでカソード反応領域を調整する手段を形成し、前記アノード側調整領域では、アノード電極触媒層の下流端部が、カソード電極触媒層の上流端部よりも電池外側に位置することでアノード反応領域を調整する手段を形成している構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の燃料電池は、上記構成を採用したことにより、カソード下流側での生成水量を抑制して電解質層の膨潤を緩和すると共に、アノード下流側での反応域を広げてカソード側への水の移動量を促進し、その結果として電解質層の乾燥を緩和する。これにより、燃料電池は、乾湿サイクルにより膜電極接合体に生じる応力を抑制して、低コストで膜電極接合体の耐久性を高めることができる。

本発明に係る燃料電池を積層して成る燃料電池スタックを説明する分解状態の斜視図（Ａ）、及び組立て後を示す斜視図（Ｂ）である。 本発明に係る燃料電池の一実施形態を説明する分解状態の平面図（Ａ）、及び組立て後を示す平面図（Ｂ）である。 図２（Ｂ）中のＡ−Ａ線に基づく断面図である。 本発明に係る燃料電池の他の実施形態を説明する断面図である。 本発明に係る燃料電池のさらに他の実施形態を説明する断面図である。 本発明に係る燃料電池のさらに他の実施形態を説明する断面図である。 本発明に係る燃料電池のさらに他の実施形態を説明する断面図である。 本発明に係る燃料電池のさらに他の実施形態を説明する平面図（Ａ）、及びアノードガスの流れを説明する平面図（Ｂ）である。 本発明に係る燃料電池のさらに他の実施形態を説明する各々平面図（Ａ）（Ｂ）である。 本発明に係る燃料電池のさらに他の実施形態を説明する平面図（Ａ）、カソード下流側の端部の拡大図（Ｂ）、及びカソード上流側の端部の拡大図（Ｃ）である。 本発明に係る燃料電池のさらに他の実施形態を説明する各々平面図（Ａ）（Ｂ）である。

図１及び図２に示す燃料電池（単セルとも言う）Ｃは、複数枚積層して、図１に示す燃料電池スタックＦＳを構成する。

燃料電池スタックＦＳは、図１（Ａ）に示すように、燃料電池Ｃの積層体Ｓに対し、積層方向の一端部（図１中で右側端部）に、集電板５４Ａ及びスペーサ５５を介してエンドプレート５６Ａが設けてあると共に、他端部に、集電板５４Ｂを介してエンドプレート５６Ｂが設けてある。また、燃料電池スタックＦＳは、積層体Ａに対し、単セルＣの長辺側となる両面（図１中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。

そして、燃料電池スタックＦＳは、各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８ＢをボルトＢにより両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂに連結する。このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図１（Ｂ）に示すようなケース一体型構造となり、積層体Ａをその積層方向に拘束・加圧して個々の単セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。

燃料電池Ｃは、図２に示すように、周囲にフレーム５１を有する膜電極接合体１と、フレーム５１及び膜電極接合体１との間にカソード及びアノードのガス流路（ＧＣ，ＧＡ）を形成する一対のセパレータ２，２を備えている。そして、燃料電池Ｃは、両ガス流路（ＧＣ，ＧＡ）におけるガスの流れ方向を互いに逆方向にした構造になっている。

膜電極接合体１は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、図３に示すように、固体高分子から成る電解質層１１をカソード電極層１２とアノード電極層１３とで挟持した構造を有している。カソード電極層１２は、電解質層１１に接するカソード電極触媒層１２Ａと、その外側に配置したカソードガス拡散層１２Ｂを有している。他方、アノード電極層１３にあっても、同様にアノード電極触媒層１３Ａと、アノードガス拡散層１３Ｂを有している。

フレーム５１は、樹脂成形（例えば射出成形）により膜電極接合体１と一体化してあり、この実施形態では、膜電極接合体１を中央にして長方形状を成している。また、フレーム５１は、短辺両側に、各々三個ずつのマニホールド穴が配列してあり、各マニホールド穴群から膜電極接合体１に至る領域がディフューザ部Ｄとなる。このフレーム５１及び両セパレータ２，２は、いずれもほぼ同等の縦横寸法を有する長方形状である。

さらに、フレーム５１は、ディフューザ部Ｄに、図２に示す如く円形状の複数の突部５２が縦横に配列してある。これらの突部５２は、膜電極接合体１の経時変化などによって単セルＣに厚さ方向の変位が生じた際に、セパレータ２，２に接触して反応用ガスの流通空間を維持するものである。

各セパレータ２は、表裏反転形状を有する金属製の板部材であって、例えばステンレス製であり、プレス加工により適宜形状に成形し得る。図示例のセパレータ２は、少なくとも膜電極接合体１に対応する中央部分が断面凹凸形状に形成してある。このセパレータ２は、断面凹凸形状を長辺方向に連続的に有しており、膜電極接合体１に波形凸部を接触させると共に、波形凹部により、膜電極接合体１との間にカソード及びアノードのガス流路（ＧＣ，ＧＡ）を形成する。また、各セパレータ２は、両端部に、フレーム５１の各マニホールド穴と同等のマニホールド穴を有している。

上記のフレーム５１及び膜電極接合体１と両セパレータ２，２は、重ね合わせて燃料電池Ｃを構成する。このとき、単セルＣは、とくに図２（Ｂ）に示すように、中央に、膜電極接合体１の領域である発電領域Ｇを備えている。また、発電領域Ｇの両側に、反応用ガスの供給及び排出を行うマニホールド部Ｍと、各マニホールド部Ｍから発電部Ｇに至る反応用ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄを備えている。

図２（Ｂ）の左側に示す一方のマニホールド部Ｍにおいて、各マニホールド穴は、上側から、アノードガス供給用（ＡＩ）、冷却流体排出用（ＦＯ）及びカソードガス排出用（ＣＯ）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。また、図２（Ｂ）の右側に示す他方のマニホールド部Ｍにおいて、各マニホールド穴は、上側から、カソードガス供給用（ＣＩ）、冷却流体供給用（ＦＩ）及びカソードガス排出用（ＣＯ）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。

さらに、燃料電池Ｃは、図２に示すように、フレーム５１と各セパレータ２の縁部同士の間や、マニホールド穴の周囲Ｅに、ガスシールＳＬが設けてある。また、燃料電池Ｃを複数枚積層した状態では、燃料電池Ｃ同士すなわち隣接するセパレータ２同士の間にもガスシールＳＬを設ける。このガスシールＳＬは、個々の層間において、カソードガス、アノードガス及び冷却液の夫々の流通域を気密的に分離すると共に、その層間に所定の流体が流れるように、マニホールド穴の周縁部の適当な箇所に開口を設ける。

このようにして、燃料電池Ｃは、図３中で上側に示すカソード側ガス流路ＧＣにおけるカソードガスの流れ方向と、図３中で下側に示すアノード側ガス流路ＧＡにおけるアノードガスの流れ方向が、夫々の矢印で示すように互いに逆方向になる。

上記構成を備えた燃料電池Ｃは、膜電極接合体１のカソード電極層１２にカソードガス（酸素含有ガス・空気）を供給すると共に、アノード電極層１３にアノードガス（水素含有ガス）を供給することにより、電気化学反応により発電をする。

すなわち、燃料電池Ｃは、アノード電極層１３では、アノード電極触媒層１３Ａにおいて、アノード触媒で水素（Ｈ_２）が反応してプロトン（２Ｈ^＋）になる。このプロトン（２Ｈ^＋）は、水（Ｈ_２Ｏ）とともに電解質層１１をカソード側へ移動する。また、カソード電極層１２では、カソード触媒でプロトン（２Ｈ^＋）と酸素（Ｏ_２）が反応して水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。さらに、カソード電極層１２で生成された水（Ｈ_２Ｏ）の一部は、電解質層１１を経てアノード電極層１３側へ移動する。

上記の燃料電池Ｃは、カソード及びアノードのガス流路ＧＣ，ＧＡにおけるガスの流れ方向を互いに逆方向にした構造において、上述の電気化学反応を行う。カソード電極触媒層１２Ａの上流端部１２ＡＥ１付近では、燃料電池Ｃの発電電流が小さく且つ相対湿度（ＲＨ）の低いカソードガスが供給された場合には乾燥し、電解質層１１の端部１１Ｅ付近が乾燥により収縮する傾向になる。一方、燃料電池Ｃの発電電流が大きい場合には、発電による生成水が多いために、電解質層１１の端部１１Ｅ付近が膨潤する傾向になる。

また、カソード電極触媒層１２Ａの下流端部１２ＡＥ２付近では、上流で生成した水の一部が水蒸気または液水としてガス流路ＧＣへ移動するため、燃料電池Ｃの発電電流が小さい場合においても、上流端部１２ＡＥ１付近に比べて乾燥は抑制される一方、燃料電池Ｃの発電電流が大きい場合には、上流端部１２ＡＥ１付近に比べて水の量が多く、電解質層１１の端部１１Ｅ付近の膨潤も上流端部１２ＡＥ１に比べて大きくなる。

そこで、本発明の燃料電池Ｃは、図３に示すように、カソード下流側において膜電極接合体１のカソード反応領域を調整する手段を備えたカソード側調整領域ＱＣと、アノード下流側において膜電極接合体のアノード反応領域を調整する手段を備えたアノード側調整領域ＱＡを備えたものとしている。これらの反応領域を調整する手段は、カソード電極触媒層１２Ａの端部１２ＡＥ１，１２ＡＥ２の位置と、とアノード電極触媒層１３Ａの端部１３ＡＥ１，１３ＡＥ２の位置とを夫々調整する手段からなる。

より具体的には、燃料電池Ｃは、前記カソード側調整領域ＱＣでは、カソード電極触媒層１２Ａの下流端部１２ＡＥ２が、アノード電極触媒層１３Ａの上流端部１３ＡＥ１よりも電池外側（図３中で左側）に位置する構成としている。また、前記アノード側調整領域ＱＡでは、アノード電極触媒層１３Ａの下流端部１３ＡＥ２が、カソード電極触媒層１２Ａの上流端部１２ＡＥ１よりも電池外側（図３中で右側）に位置する構成としている。

換言すれば、前記カソード側調整領域ＱＣでは、アノード電極触媒層１３Ａの上流端部１３ＡＥ１を、カソード電極触媒層１２Ａの下流端部１２ＡＥ２よりも電池内側（図３中で右側）にした構成にしてカソード反応域を調整する手段を形成している。同様に、前記アノード側調整領域ＱＡでは、カソード電極触媒層１２Ａの上流端部１２ＡＥ１を、アノード電極触媒層１３Ａの下流端部１３ＡＥ２よりも電池内側（図３中で左側）にした構成にしてアノード反応領域を調整する手段を形成している。

さらに、図示例では、カソード電極触媒層１２Ａの下流端部１２ＡＥ２と、アノード電極触媒層１３Ａの上流端部１３ＡＥ１との間において、電解質層１１が半分程度の厚さになっている。他方、アノード電極触媒層１３Ａの下流端部１３ＡＥ２と、カソード電極触媒層１２Ａの上流端部１２ＡＥ１との間においても、電解質層１１が半分程度の厚さになっている。

さらに、より好ましい実施形態として、燃料電池Ｃは、カソード電極触媒層１２Ａの上流及び下流の端部１２ＡＥ１，１２ＡＥ２、並びにアノード電極触媒層１３Ａの上流及び下流の端部１３ＡＥ１，１３ＡＥ２が、電解質層１１の端部１１Ｅと同じ位置又は同端部１１Ｅよりも電池内側の位置に設けてある。図３の構成では、カソード電極層１２及びアノード電極層１３の夫々の両端部１２Ｅ，１３Ｅが、電解質層１１の端部１１Ｅと同じ位置である。

上記構成を備えた燃料電池Ｃは、カソード側調整領域ＱＣにおいては、カソード電極層１２の反対側にフレーム５１が存在して、アノード電極層１３が存在しないので、膜電極接合体１のカソード反応量が低下し、カソード下流側での生成水量を抑制する。これにより、図３中の左上のグラフに示すように、電解質層（膜）１１の含水量及びカソード反応量が低下し、電解質層１１の膨潤を緩和する。また、アノード上流側では、図３中の左下のグラフに示すように、下流側に向けて電解質層（膜）１１の含水量が上昇する。

他方、アノード側調整領域ＱＡにおいては、アノード電極層１３の反対側にフレーム５１が存在して、カソード電極層１２が存在しないので、膜電極接合体１のアノード反応量が低下し、アノード下流側でのカソード側への水の移動量を抑制する。これにより、図３中の右下のグラフに示すように、アノードからカソードへの水の移動量が低下し、電解質層１１の乾燥を緩和する。また、カソード上流側では、図３中の右上のグラフに示すように、下流側に向けて電解質層（膜）１１の含水量が上昇する。

さらに、カソード側へ移動する水は、相対湿度（ＲＨ）によるものと、プロトンと共に移動するものがある。図３に示すアノード側調整領域ＱＡは、アノード下流側での反応域を拡大したものとも解釈することができる。この場合には、プロトンと共にカソード側へ移動する水の量が増大し、水の移動の促進効果により電解質層１１の乾燥を緩和する。

ここで、図３中において、膜（電解質層１１）の含水量及びカソード反応量の分布に示した領域（１）は、反応がゼロ又は極めて小さい領域であって、生成水が少ないので電解質層１１の膨潤量も小さくなる。領域（２）は、アノード電極触媒層１３Ａとの距離が短いほど（プロトンの移動距離が短いほど）反応量が大きくなる領域である。領域（３）は、反応量が充分に大きい領域である。

また、図３中において、水移動量の分布に示した領域（４）は、カソード電極触媒層１２Ａとの距離が短いほど（水の移動距離が短いほど）水移動量が大きくなる領域である。領域（５）は、アノード／カソードの相対湿度（ＲＨ）の差が大きいほど水移動量が大きくなる領域である。

このようにして、燃料電池Ｃは、膜電極接合体１を構成する各層１１，１２，１３の材料特性を変えずに、それらの端部の配置を工夫したことにより、乾湿サイクルによって膜電極接合体１に生じる引張応力や圧縮応力を緩和して、低コストで膜電極接合体１の耐久性を高めることができる。

図４〜図１２は、本発明に係る燃料電池の他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図４に示す燃料電池Ｃは、カソード電極触媒層１２Ａの上流及び下流の端部１２ＡＥ１，１２ＡＥ２、並びにアノード電極触媒層１３Ａの上流及び下流の端部１３ＡＥ１，１３ＡＲ２が、電解質層１１の端部１１Ｅよりも電池内側の位置に設けてある。図示例では、カソード電極層１２及びアノード電極層１３の各端部１２Ｅ，１３Ｅが、電解質層１１の端部１１Ｅよりも電池内側の位置に設けてある。

上記の燃料電池Ｃにあっても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるほか、電極触媒層１２Ａ，１３Ａを含む各電極層１２，１３の面積が小さくなるので、貴金属を含む触媒の量も低減することができ、さらなる低コスト化に貢献する。

図５に示す燃料電池Ｃは、カソード電極触媒層１２Ａの上流及び下流の端部１２ＡＥ１，１２ＡＥ２、並びにアノード電極触媒層１３Ａの上流及び下流の端部１３ＡＥ１，１３ＡＥ２が、電解質層１１の端部１１Ｅよりも電池内側の位置に設けてある。ただし、カソード及びアノードのガス拡散層１２Ｂ，１３Ｂの各端部１２ＢＥ，１３ＢＥは、電解質層１１の端部１１Ｅと同じ位置に設けてある。上記の燃料電池Ｃにあっても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができ、ガス拡散層１２Ｂ，１３Ｂの延長部分により強度を維持し得る。

図６に示す燃料電池Ｃは、図４に示すものと同様に、カソード電極層１２及びアノード電極層１３の各端部１２Ｅ，１３Ｅが、電解質層１１の端部１１Ｅよりも電池内側の位置に設けてあると共に、電解質層１１が全体的に均一な厚さを有するものになっている。この燃料電池Ｃにあっても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

図７に示す燃料電池Ｃは、図５に示すものと同様に、カソード電極触媒層１２Ａ及びアノード電極触媒層１３Ａの各端部１２ＡＥ１，１２ＡＥ２，１３ＡＥ１，１３ＡＥ２が、電解質層１１の端部１１Ｅよりも電池内側の位置に設けてあると共に、カソード及びアノードのガス拡散層１２Ｂ，１３Ｂの各端部１２ＢＥ，１３ＢＥが、電解質層１１の端部１１Ｅと同じ位置に設けてあり、さらに、電解質層１１が全体的に均一な厚さを有するものになっている。この燃料電池Ｃにあっても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

図８に示す燃料電池Ｃにおいて、カソードガスは、図８（Ａ）中の右側上部のカソードガス供給部ＣＩから供給され、長辺方向に一往復半流れ、図８（Ａ）中の左側下部のカソードガス排出部ＣＯから排出される。したがって、アノードガスは、図８（Ｂ）に示すように、アノードガス供給部ＡＩから供給されて、カソードガスの流れと逆方向に一往復半流れ、アノードガス排出部ＡＯから排出される。

そして、図示例の燃料電池Ｃでは、最初の対向流の範囲において、カソード電極触媒層の下流端部１２ＡＥ２を、アノード電極触媒層の上流端部１３ＡＥ１よりも電池外側に配置している。また、アノード電極触媒層の下流端部１３ＡＥ２を、カソード電極触媒層の上流端部１２ＡＥ１よりも電池外側に配置している。この燃料電池Ｃにあっても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

図９に示す燃料電池Ｃは、カソード側調整領域ＱＣでは、カソード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部１２ＡＳが、アノード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部１３ＡＳよりも電池外側に位置している。また、アノード側調整領域ＱＡでは、アノード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部１３ＡＳが、カソード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部１２ＡＳよりも電池外側に位置している。

すなわち、先の各実施形態では、カソード側調整領域ＱＣ及びアノード側調整領域ＱＡをガス流れ方向のみに配置したのに対して、図９に示す実施形態では、カソード側調整領域ＱＣ及びアノード側調整領域ＱＡを、ガス流れの幅方向にも拡大したものである。

図９（Ａ）に示す燃料電池Ｃは、カソード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部１２ＡＳと、アノード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部１３ＡＳを傾斜させて、互いに交差させたものである。他方、図９（Ｂ）に示す燃料電池Ｃは、夫々の下流域において、カソード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部１２ＡＳと、アノード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部１３ＡＳを互いに平行にずらせて配置したものである。

また、より好ましい実施形態として、燃料電池Ｃは、カソード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部１２ＡＳ、並びにアノード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部１３ＡＳが、電解質層の端部と同じ位置又は同端部よりも電池内側の位置に設けてある構成にすることができる。

上記の二例の燃料電池Ｃにあっても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができ、カソード側調整領域ＱＣ及びアノード側調整領域ＱＡの拡大に伴って、カソード下流側での生成水量の抑制効果や、カソード上流端部への水移動の促進効果がより顕著なものとなる。そして、膜電極接合体１のガス流れ方向に沿う縁部に生じる引張応力や圧縮応力をも緩和するので、膜電極接合体１の耐久性をより一層高めることができる。

図１０（Ａ）に示す燃料電池Ｃは、先述の如く、セパレータ２の発電領域Ｇに対応する中央部分が断面凹凸形状を有している。すなわち、セパレータ２は、膜電極接合体１に当接する凸部２Ａと、膜電極接合体１との間にガス流路ＧＣ，ＧＡを形成する凹部２Ｂとから成る凹凸形状の断面をガス流れ方向に連続して有している。

そのうえで、燃料電池Ｃは、カソード電極触媒層１２Ａの上流及び下流の端部のうちの少なくとも一方の端部１２ＡＥ１（１２ＡＥ２）が、面内方向への波形状を有している。この波形は、斜辺により形成され、ガス流れ方向を横切る方向に連続している。そして、燃料電池Ｃは、図１０（Ｂ）及び（Ｃ）に凸部２Ａと端部１２ＡＥ１（１２ＡＥ２）とを重ねて示すように、セパレータ２の凸部２Ａと、カソード電極触媒層１２Ａの電池外側への波形山部とが、互いに対応する（重なる）配置になっている。

上記の燃料電池Ｃは、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるほか、以下の作用及び効果をもたらす。

すなわち、この燃料電池Ｃのカソード電極触媒層１２Ａの下流端部１２ＡＥ２付近では、発電電流が大きい場合において、特に、セパレータ２の凹部２Ｂに対応する領域の発電の方が、凸部２Ａに対応する領域の発電に比べて大きくなる。これは、ガス流路ＧＣからカソード電極触媒層１２Ａまでの距離が、凸部２Ａに対応する領域に比べて凹部２Ｂに対応する領域の方が短いために、カソード電極触媒層１２Ａにおける酸素濃度も凹部２Ｂに対応する領域の方が大きくなることによる。

このような酸素濃度の大小に伴う発電量の大小の傾向は、酸素濃度の小さいカソード下流側で特に顕著になる傾向がある。発電量の大小に伴って、凹部２Ｂに対応する領域の膨潤量の方が、凸部２Ａに対応する領域の膨潤量に比べて大きくなる。

その結果、図１０（Ｂ）に示すように、ガス流れ方向（Ｘ方向）への力と、これに直交する方向（Ｙ方向）への力が生じる。これに対して、燃料電池Ｃは、圧縮応力を受けるカソード側の下流端部１２ＡＥ２が波形状であるから、直線状に比べて下流端部１２ＡＥ２の全長が長くなり、しかも、凹部２Ｂに対応する位置（ガス流路ＧＣ）では、ガス流れ方向に対して直交する方向（Ｙ方向）への力が斜辺の引張方向に働くこととなる。これにより、燃料電池Ｃは、膜電極接合体１の圧縮応力を緩和して、膜電極接合体１の耐久性を向上させることができる。

一方、カソード側の上流端部１２ＡＥ１付近では、カソードガスの相対湿度（ＲＨ）が小さい場合においては、特に、セパレータ２の凸部２Ａに対応する領域の発電の方が、凹部２Ｂに対応する領域の発電に比べて大きくなる。これは、カソードガス流量が、凸部２Ａに対応する領域の方よりも、凹部２Ｂに対応する領域に比べて少ないために、ガスにより持ち出される生成水の量も、凸部２Ａに対応する領域の方が少なくなり、相対的に湿潤状態が保たれるためである。

したがって、凸部２Ａに対応する領域の膨潤量の方が、凹部２Ｂに対応する領域の膨潤量に比べて大きくなり、その結果、図１０（Ｃ）に示すように、ガス流れ方向（Ｘ方向）への力と、これに直交する方向（Ｙ方向）への力が生じる。これに対して、燃料電池Ｃは、引張応力を受けるカソード側の上流端部１２ＡＥ１が波形状であるから、直線状に比べて上流端部１２ＡＥ１の全長が長くなり、しかも、凸部２Ａに対応する位置では、ガス流れ方向に対して直交する方向への力が斜辺の圧縮方向に働くことになる。これにより、燃料電池Ｃは、膜電極接合体１の引張応力を緩和して、膜電極接合体１の耐久性を向上させることができる。

なお、上記の如くカソード電極触媒層１２Ａの端部１２ＡＥ１，１２ＡＥ２を波形状にした構成は、とくに、膜電極接合体１の膨潤に対してより効果的であるから、アノード側には無くても構わない。しかし、アノード電極触媒層１３Ａの上流及び下流の端部１３ＡＥ１，１３ＡＥ２のうちの少なくとも一方の端部を波形状にし、セパレータ２の凸部２Ａと、アノード電極触媒層１３Ａの電池外側への波形山部とを互いに対応する（重なる）配置にすることも可能であり、この場合には、膜電極接合体１の乾燥によって生じる引張応力や圧縮応力の緩和に有効であり、膜電極接合体１の耐久性の向上に貢献し得る。

図１１に示す燃料電池Ｃは、先の図１０に示すものと同等の構成を備えているうえに、セパレータ２の凸部２Ａと、カソード電極触媒層１２Ａのカソード上流側におけるガス流れ方向に沿う縁部１２ＡＳとが、互いに対応する（重なる）配置になっている。

上記の燃料電池Ｃにあっても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、膜電極接合体１のガス流れ方向の端部と、ガス流れ方向に沿う縁部の両方において、引張応力を緩和することができ、膜電極接合体１の耐久性が向上する。

本発明に係わる燃料電池は、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更したり、上記各実施形態の構成を適宜組み合わせたりすることが可能である。

１ 膜電極接合体
２ セパレータ
２Ａ 凸部
２Ｂ 凹部
１１ 電解質層
１１Ｅ 電解質層の端部
１２ カソード電極層
１２Ａ カソード電極触媒層
１２ＡＥ１ カソード電極触媒層の上流端部
１２ＡＥ２ カソード電極触媒層の下流端部
１２ＡＳ カソード電極触媒層の縁部
１３ アノード電極層
１３Ａ アノード電極触媒層
１３ＡＥ１ アノード電極触媒層の上流端部
１３ＡＥ２ アノード電極触媒層の下流端部
１３ＡＳ アノード電極触媒層の縁部
５１ フレーム
ＧＡ アノードのガス流路
ＧＣ カソードのガス流路
ＱＡ アノード側調整領域
ＱＣ カソード側調整領域

Claims (7)

1. 周囲にフレームを有する膜電極接合体と、
   フレーム及び膜電極構造体との間にカソード及びアノードのガス流路を形成する一対のセパレータを備えると共に、
   両ガス流路におけるガスの流れ方向を互いに逆方向にした燃料電池であって、
   カソード下流側において膜電極接合体のカソード反応領域を調整する手段を備えるカソード側調整領域と、
   アノード下流側において膜電極接合体のアノード反応領域を調整する手段を備えるアノード側調整領域とを備え、
   カソード及びアノードの各電極層は、電解質層に接触するカソード及びアノードの電極触媒層を備えており、
   前記反応領域を調整する手段は、カソード電極触媒層の端部位置とアノード電極触媒層の端部位置を調整する手段からなり、
   前記カソード側調整領域では、カソード電極触媒層の下流端部が、アノード電極触媒層の上流端部よりも電池外側に位置することでカソード反応領域を調整する手段を形成し、 前記アノード側調整領域では、アノード電極触媒層の下流端部が、カソード電極触媒層の上流端部よりも電池外側に位置することでアノード反応領域を調整する手段を形成していることを特徴とする燃料電池。
2. カソード電極触媒層の上流及び下流の端部、並びにアノード電極触媒層の上流及び下流の端部が、電解質層の端部と同じ位置又は同端部よりも電池内側の位置に設けてあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. カソード及びアノードの各電極層は、電解質層に接触するカソード及びアノードの電極触媒層を備えており、
   前記カソード側調整領域では、カソード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部が、アノード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部よりも電池外側に位置することでカソード反応領域を調整する手段を形成し、
   前記アノード側調整領域では、アノード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部が、カソード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部よりも電池外側に位置していることでアノード反応領域を調整する手段を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の記載の燃料電池。
4. カソード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部、並びにアノード電極触媒層のガス流れ方向に沿う縁部が、電解質層の縁部と同じ位置又は同縁部よりも電池内側の位置に設けてあることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. セパレータが、膜電極接合体に当接する凸部と、膜電極接合体との間にガス流路を形成する凹部とから成る凹凸形状の断面をガス流れ方向に連続して有していると共に、
   カソード電極触媒層の上流及び下流の端部のうちの少なくとも一方の端部が、面内方向への波形状を有しており、
   セパレータの凸部と、カソード電極触媒層の電池外側への波形山部とが、前記セパレータと膜電極接合体との積層方向において互いに重なる配置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. セパレータが、膜電極接合体に当接する凸部と、膜電極接合体との間にガス流路を形成する凹部とから成る凹凸形状の断面をガス流れ方向に連続して有していると共に、
   アノード電極触媒層の上流及び下流の端部のうちの少なくとも一方の端部が、面内方向への波形状を有しており、
   セパレータの凸部と、アノード電極触媒層の電池外側への波形山部とが、前記セパレータと膜電極接合体との積層方向において互いに重なる配置であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
7. セパレータが、膜電極接合体に当接する凸部と、膜電極接合体との間にガス流路を形成する凹部とから成る凹凸形状の断面をガス流れ方向に連続して有していると共に、
   セパレータの凸部と、カソード電極触媒層の上流側におけるガス流れ方向に沿う縁部とが、前記セパレータと膜電極接合体との積層方向において互いに重なる配置であ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。

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