JP6092067B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外形寸法よりも大きな外形寸法を有し、該電解質膜・電極構造体の両側に積層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一方側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ設けられた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。アノード電極及びカソード電極は、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）とにより構成されている。

燃料電池では、ガス漏れ等を防止するために、燃料ガス及び酸化剤ガスを気密に保持するとともに、冷却機能を維持するために、冷却媒体を液密に保持する必要がある。このため、種々のシール構造が採用されている。例えば、特許文献１には、簡単な構成で、反応ガスの洩れを確実に阻止することができ、所望の発電性能を確保することが可能な燃料電池が開示されている。

この燃料電池は、電解質膜の両側に第１の電極と該第１の電極よりも大きな表面積を有する第２の電極とを配設した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を第１及び第２のセパレータ間に配設している。

少なくとも第１のセパレータには、第１の電極に対向する一方の面にシール部材が設けられている。シール部材は、電解質膜と第１のセパレータとの間に配置される内側シールと、前記第１のセパレータ及び第２のセパレータ間に配置される外側シールとを有している。そして、内側シールと外側シールとの間隙には、該間隙に沿って反応ガスが流通することを阻止する複数の閉塞シールが配設されている。

特開２００５−７１９５５号公報

ところで、上記のシール部材は、セパレータ面に沿って平面状に延在する平面シール（ベースシール）を有するとともに、前記平面シールには、内側シールと外側シールとが一体成形されている。

この場合、平面シールの厚さを薄くすることにより、燃料電池の積層方向の寸法を短尺化（小型化）することができる。しかしながら、平面シールが薄肉化されると、ゴム成形時に塵埃等がゴムに混入した際、該ゴムにより形成された前記平面シールに絶縁破壊が発生し易いという問題がある。このため、平面シールの絶縁信頼性が低下するおそれがある。

一方、絶縁信頼性を向上させるために、平面シールの厚さを厚く構成すると、シール反力が増加してしまう。従って、特に内側シールが接する電解質膜・電極構造体には、過大な荷重が発生し易く、前記電解質膜・電極構造体が損傷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、所望のシール性を確実に保持することができるとともに、電解質膜・電極構造体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。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両側に一対の電極を設けたＭＥＡ構成部を有する電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に積層されるセパレータとを備えている。各セパレータは、電解質膜・電極構造体の外形寸法よりも大きな外形寸法を有している。

第１のセパレータには、積層方向に沿って電解質膜・電極構造体の外周縁部に重なり合う位置に配置される内側シール部材が設けられている。第１のセパレータ又は第２のセパレータには、外側シール部材が設けられている。外側シール部材は、電解質膜・電極構造体の外周端部からセパレータ面方向外方に位置し、第１のセパレータに隣接する第２のセパレータ、又は前記第２のセパレータに隣接する前記第１のセパレータにセパレータ面に沿って平面状に設けられた平面状シールに接する。

内側シール部材は、第１のセパレータのセパレータ面に沿って平面状に延在する第１平面シール部と、前記第１平面シール部から積層方向に膨出形成される第１凸状シール部とを有している。

外側シール部材は、第１のセパレータ又は第２のセパレータのセパレータ面に沿って平面状に延在する第２平面シール部と、前記第２平面シール部から積層方向に膨出形成される第２凸状シール部とを有している。

そして、第１凸状シール部の厚さは、第２凸状シール部の厚さと同一の寸法に設定され、且つ、第１平面シール部の厚さは、第２平面シール部の厚さよりも小さい寸法に設定されている。

また、この燃料電池では、平面状シールの厚さは、第１平面シール部の厚さよりも大きな寸法に設定されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、外側シール部材は、第２のセパレータとは反対のセパレータ面、又は第１のセパレータとは反対のセパレータ面に沿って平面状に延在する第３平面シール部を設けることが好ましい。その際、第２平面シール部の厚さは、第３平面シール部の厚さ（同等）以上に設定されることが好ましい。

本発明によれば、外側シール部材を構成する第２平面シール部の厚さは、内側シール部材を構成する第１平面シール部の厚さよりも大きな寸法に設定されている。このため、内側シール部材が配置される電解質膜・電極構造体の外周縁部には、過大な荷重が発生することがなく、前記電解質膜・電極構造体が損傷することを可及的に抑制することができる。しかも、外側シール部材は、第２平面シール部が肉厚状に構成されるため、前記第２平面シール部に絶縁破壊が発生することがない。従って、第２平面シール部は、所望のシール性を確実に保持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。 前記燃料電池を構成するカソードセパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成するアノードセパレータの正面説明図である。 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５中、ＶＩ−ＶＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第３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。

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、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用される。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２をカソードセパレータ（第２のセパレータ）１４及びアノードセパレータ（第１のセパレータ）１６で挟持する。カソードセパレータ１４及びアノードセパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。

図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、ＭＥＡ構成部１２ａを備える。ＭＥＡ構成部１２ａ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２０及びアノード電極２２とを有する。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。

固体高分子電解質膜１８、カソード電極２０及びアノード電極２２は、同一の平面寸法を有する。なお、カソード電極２０又はアノード電極２２の少なくとも一方は、固体高分子電解質膜１８よりも小さな平面寸法を有してもよい。カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置されるとともに、アノード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される。

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とを有する。第１電極触媒層２０ａと第１ガス拡散層２０ｂとは、同一の平面寸法に設定される。なお、第１電極触媒層２０ａは、第１ガス拡散層２０ｂよりも平面寸法が小さくてもよい。

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とを有する。第２電極触媒層２２ａと第２ガス拡散層２２ｂとは、同一の平面寸法に設定される。なお、第２電極触媒層２２ａは、第２ガス拡散層２２ｂよりも平面寸法が小さくてもよい。

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、白金合金が表面に担持され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。

図１及び図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８、カソード電極２０及びアノード電極２２の外周部に接合される樹脂製枠部材２４を備える。樹脂製枠部材２４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。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、冷却媒体入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２６ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔２８ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔３０ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、冷却媒体入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂは、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Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔２８ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２６ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

図３に示すように、カソードセパレータ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２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。酸化剤ガス流路３２の入口側には、複数のエンボスを有する入口バッファ部３４ａが設けられる。酸化剤ガス流路３２の出口側には、複数のエンボスを有する出口バッファ部３４ｂが設けられる。

図１及び図４に示すように、アノードセパレータ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３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとに連通する燃料ガス流路３６が形成される。燃料ガス流路３６の入口側には、複数のエンボスを有する入口バッファ部３８ａが設けられる。燃料ガス流路３６の出口側には、複数のエンボスを有する出口バッファ部３８ｂが設けられる。

アノードセパレータ１６には、燃料ガス入口連通孔３０ａを入口バッファ部３８ａに連通する複数の供給孔部４０ａと、前記燃料ガス流路３６を出口バッファ部３８ｂに連通する複数の排出孔部４０ｂとが形成される。カソードセパレータ１４の面１４ｂとアノードセパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２８ａと冷却媒体出口連通孔２８ｂとに連通する冷却媒体流路４２が形成される。

図１及び図２に示すように、カソードセパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このカソードセパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４４が一体化される。アノードセパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このアノードセパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４６が一体化される。

第１シール部材４４及び第２シール部材４６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。

図１〜図３に示すように、第１シール部材４４は、カソードセパレータ１４の面１４ａに一体化される平面シール部４４ａと、前記カソードセパレータ１４の面１４ｂに一体化される平面シール部４４ｂとを有する。平面シール部４４ａ、４４ｂは、面１４ａ、１４ｂに沿って（セパレータ面に沿って）平面状に延在する。

平面シール部４４ａは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、冷却媒体入口連通孔２８ａ、燃料ガス入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、冷却媒体出口連通孔２８ｂ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂを周回して設けられる。図２に示すように、平面シール部４４ａは、高さ方向（積層方向）の厚さｔ１を有する。

平面シール部４４ｂは、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂを周回して設けられる。

図１、図２及び図４に示すように、第２シール部材４６は、積層方向に沿って電解質膜・電極構造体１２の外周縁部、第１の実施形態では、樹脂製枠部材２４の外周縁部に重なり合う位置に配置される内側シール部材４６ａを設ける。内側シール部材４６ａは、電解質膜・電極構造体１２に対向し、アノードセパレータ１６の面１６ａに一体化される第１平面シール部（ベースシール）４６ａｆを有する。第１平面シール部４６ａｆは、面１６ａに沿って（セパレータ面に沿って）平面状に延在する。図２に示すように、第１平面シール部４６ａｆは、高さ方向（積層方向）の厚さｔ２を有する。

内側シール部材４６ａは、第１平面シール部４６ａｆから電解質膜・電極構造体１２側に膨出形成される第１凸状シール部４６ａｔを設ける。第１凸状シール部４６ａｔは、樹脂製枠部材２４の外周縁部に直接接触するとともに、高さ方向（積層方向）の厚さｔ３を有する。

第２シール部材４６は、電解質膜・電極構造体１２の外周端部からセパレータ面方向外方に位置してカソードセパレータ１４の平面シール部４４ａに接する外側シール部材４６ｂを有する。外側シール部材４６ｂは、電解質膜・電極構造体１２に対向し、アノードセパレータ１６の面１６ａに一体化される第２平面シール部（ベースシール）４６ｂｆを有する。

第２平面シール部４６ｂｆは、面１６ａに沿って（セパレータ面に沿って）平面状に延在するとともに、内側端部は、第１平面シール部４６ａｆの外側端部に一体化される。図２に示すように、第２平面シール部４６ｂｆは、高さ方向（積層方向）の厚さｔ４を有する。

外側シール部材４６ｂは、第２平面シール部４６ｂｆから第１凸状シール部４６ａｔと同一方向に膨出形成される第２凸状シール部４６ｂｔを設ける。第２凸状シール部４６ｂｔは、カソードセパレータ１４の平面シール部４４ａに直接接するとともに、高さ方向（積層方向）の厚さｔ５を有する。

外側シール部材４６ｂは、アノードセパレータ１６の面１６ｂ（電解質膜・電極構造体１２とは反対のセパレータ面）に一体化される第３平面シール部（ベースシール）４６ｂｆｒを有する。第３平面シール部４６ｂｆｒは、面１６ｂに沿って（セパレータ面に沿って）平面状に延在するとともに、高さ方向（積層方向）の厚さｔ６を有する。

図２に示すように、第１凸状シール部４６ａｔの厚さｔ３は、第２凸状シール部４６ｂｔの厚さｔ５と同一の寸法に設定される（ｔ３＝ｔ５）。第１平面シール部４６ａｆの厚さｔ２は、第２平面シール部４６ｂｆの厚さｔ４よりも小さな寸法に設定される（ｔ２＜ｔ４）。

平面シール部４４ａの厚さｔ１は、第１平面シール部４６ａｆの厚さｔ２よりも大きな寸法に設定される（ｔ２＜ｔ１）。第２平面シール部４６ｂｆの厚さｔ４は、第３平面シール部４６ｂｆｒの厚さｔ６（同等）以上に設定される（ｔ６≦ｔ４）。

図４に示すように、第１凸状シール部４６ａｔは、燃料ガス流路３６、入口バッファ部３８ａ、出口バッファ部３８ｂ、供給孔部４０ａ及び排出孔部４０ｂを周回して樹脂製枠部材２４の外周縁部に当接する矩形状を有する。第２凸状シール部４６ｂｔは、冷却媒体入口連通孔２８ａ、燃料ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔２８ｂ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂを周回してシールする。第２凸状シール部４６ｂｔは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２６ｂを酸化剤ガス流路３２に連通するために、内方に開口部を設ける。

図２及び図４に示すように、第１凸状シール部４６ａｔと第２凸状シール部４６ｂｔとの間には、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通するカソード排水通路４８ｃａが形成される。アノードセパレータ１６の面１６ａ、内側シール部材４６ａ及び樹脂製枠部材２４の間には、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとに連通するアノード排水通路４８ａｎが形成される。

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２６ａに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３０ａに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２８ａに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２６ａからカソードセパレータ１４の酸化剤ガス流路３２に導入され、矢印Ｂ方向に移動してＭＥＡ構成部１２ａ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３０ａから供給孔部４０ａを通ってアノードセパレータ１６の燃料ガス流路３６に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ構成部１２ａのアノード電極２２に供給される。

従って、各ＭＥＡ構成部１２ａ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内及び第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２６ｂに沿って矢印Ａ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、排出孔部４０ｂを通り、燃料ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２８ａに供給された冷却媒体は、カソードセパレータ１４とアノードセパレータ１６との間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ構成部１２ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔２８ｂ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、外側シール部材４６ｂを構成する第２平面シール部４６ｂｆの厚さｔ４は、内側シール部材４６ａを構成する第１平面シール部４６ａｆの厚さｔ２よりも大きな寸法に設定されている（ｔ２＜ｔ４）。

このため、内側シール部材４６ａが接する電解質膜・電極構造体１２の外周縁部には、第１の実施形態では、樹脂製枠部材２４の外周縁部には、過大な荷重が発生することがない。従って、樹脂製枠部材２４が損傷することを可及的に抑制することができる。

しかも、外側シール部材４６ｂは、第２平面シール部４６ｂｆが肉厚状に構成されている。これにより、例えば、ゴム成形時に塵埃等が混入しても、第２平面シール部４６ｂｆに絶縁破壊が発生することがない。このため、第２平面シール部４６ｂｆは、所望のシール性を確実に保持することが可能になるという効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、電解質膜・電極構造体１２は、ＭＥＡ構成部１２ａの外周部に樹脂製枠部材２４を固着して構成されているが、これに限定されるものではない。

例えば、樹脂製枠部材２４を用いずに、固体高分子電解質膜１８の両側にカソード電極２０及びアノード電極２２を設けた電解質膜・電極構造体を使用してもよい。その際、カソード電極２０とアノード電極２２との平面寸法を異ならせた、所謂、段差ＭＥＡを採用し、平面寸法の大きなガス拡散層に内側シール部材４６ａが接するように構成してもよい。この場合、内側シール部材４６ａは、平面寸法の大きなガス拡散層に過大な荷重を発生させることがなく、前記平面寸法の大きなガス拡散層の破損を可及的に抑制することが可能になる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の要部分解斜視説明図である。複数の燃料電池６０が矢印Ａ方向に積層されて燃料電池スタック６１が構成される（図６参照）。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。

燃料電池６０は、第１セパレータ６２、第１電解質膜・電極構造体（樹脂枠付きＭＥＡ）６４、第２セパレータ６６、第２電解質膜・電極構造体（樹脂枠付きＭＥＡ）６８及び第３セパレータ７０を設ける。第１セパレータ６２、第２セパレータ６６及び第３セパレータ７０は、例えば、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。

燃料電池６０の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料電池６０の長辺方向（矢印Ｂ方向）の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが設けられる。

燃料電池６０の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ側の一方に、矢印Ａ方向に互いに連通して一対の冷却媒体入口連通孔２８ａが設けられる。燃料電池６０の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔３０ａ側の他方に、矢印Ａ方向に互いに連通して一対の冷却媒体出口連通孔２８ｂが設けられる。

図７に示すように、第１セパレータ６２の第１電解質膜・電極構造体６４に向かう面６２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路３２ａが形成される。

図５に示すように、第１セパレータ６２の面６２ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔２８ａと一対の冷却媒体出口連通孔２８ｂとに連通する冷却媒体流路４２の一部が形成される。

第２セパレータ６６の第１電解質膜・電極構造体６４に向かう面６６ａには、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとに連通する第１燃料ガス流路３６ａが形成される。燃料ガス入口連通孔３０ａの近傍には、前記燃料ガス入口連通孔３０ａと第１燃料ガス流路３６ａとを連通する複数の供給流路溝部７２ａが形成される。複数の供給流路溝部７２ａは、ブリッジである蓋体７４ａにより覆われる。燃料ガス出口連通孔３０ｂの近傍には、前記燃料ガス出口連通孔３０ｂと第１燃料ガス流路３６ａとを連通する複数の排出流路溝部７２ｂが形成される。複数の排出流路溝部７２ｂは、ブリッジである蓋体７４ｂにより覆われる。

図８に示すように、第２セパレータ６６の第２電解質膜・電極構造体６８に向かう面６６ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する第２酸化剤ガス流路３２ｂが形成される。

図５に示すように、第３セパレータ７０の第２電解質膜・電極構造体６８に向かう面７０ａには、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとに連通する第２燃料ガス流路３６ｂが形成される。燃料ガス入口連通孔３０ａの近傍には、前記燃料ガス入口連通孔３０ａと第２燃料ガス流路３６ｂとを連通する複数の供給流路溝部７６ａが形成される。複数の供給流路溝部７６ａは、ブリッジである蓋体７８ａにより覆われる。燃料ガス出口連通孔３０ｂの近傍には、前記燃料ガス出口連通孔３０ｂと第２燃料ガス流路３６ｂとを連通する複数の排出流路溝部７６ｂが形成される。複数の排出流路溝部７６ｂは、ブリッジである蓋体７８ｂにより覆われる。

図９に示すように、第３セパレータ７０の面７０ｂには、第２燃料ガス流路３６ｂの裏面形状である冷却媒体流路４２の一部が形成される。第３セパレータ７０の面７０ｂには、前記第３セパレータ７０に隣接する第１セパレータ６２の面６２ｂが積層されることにより、冷却媒体流路４２が一体に設けられる。

図６に示すように、第１電解質膜・電極構造体６４及び第２電解質膜・電極構造体６８は、ＭＥＡ構成部６４ａ及びＭＥＡ構成部６８ａを備える。ＭＥＡ構成部６４ａ、６８ａは、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２０及びアノード電極２２とを有する。カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８及びアノード電極２２よりも小さな平面寸法を有する。

第１電解質膜・電極構造体６４は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、アノード電極２２及びカソード電極２０に接合される第１樹脂製枠部材８０を備える。第１樹脂製枠部材８０は、樹脂製枠部材２４と同一の材料で構成される。

第１樹脂製枠部材８０は、カソード電極２０の外周側に突出する薄肉状内側膨出部８０ａが一体に設けられる。内側膨出部８０ａは、ＭＥＡ構成部６４ａに接着剤等により固着される。

図５及び図６に示すように、第２電解質膜・電極構造体６８は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、アノード電極２２及びカソード電極２０に接合される第２樹脂製枠部材８２を備える。第２樹脂製枠部材８２は、第１樹脂製枠部材８０と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

図５に示すように、第１樹脂製枠部材８０のカソード電極２０側の面には、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと第１酸化剤ガス流路３２ａの入口側との間に位置して入口バッファ部８４ａが設けられる。第１樹脂製枠部材８０のカソード電極２０側の面には、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂと第１酸化剤ガス流路３２ａの出口側との間に位置して、出口バッファ部８４ｂが設けられる。入口バッファ部８４ａ及び出口バッファ部８４ｂは、複数本のライン状凸部及びエンボス部を有する。以下に説明するバッファ部は、同様に構成される。

第１樹脂製枠部材８０のアノード電極２２側の面には、燃料ガス入口連通孔３０ａと第１燃料ガス流路３６ａとの間に位置して入口バッファ部８６ａが設けられる。第１樹脂製枠部材８０のアノード電極２２側の面には、燃料ガス出口連通孔３０ｂと第１燃料ガス流路３６ａとの間に位置して、出口バッファ部８６ｂが設けられる。

第２電解質膜・電極構造体６８に設けられる第２樹脂製枠部材８２は、カソード電極２０側の面に、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと第２酸化剤ガス流路３２ｂとの間に位置して入口バッファ部８８ａが設けられる。第２樹脂製枠部材８２のカソード電極２０側の面には、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂと第２酸化剤ガス流路３２ｂとの間に位置して、出口バッファ部８８ｂが形成される。

第２樹脂製枠部材８２のアノード電極２２側の面には、燃料ガス入口連通孔３０ａと第２燃料ガス流路３６ｂとの間に位置して入口バッファ部９０ａが設けられる。第２樹脂製枠部材８２のアノード電極２２側の面には、燃料ガス出口連通孔３０ｂと第２燃料ガス流路３６ｂとの間に位置して、出口バッファ部９０ｂが設けられる。

第１セパレータ６２の面６２ａ、６２ｂには、この第１セパレータ６２の外周端縁部を周回して第１シール部材９２が一体成形される。第２セパレータ６６の面６６ａ、６６ｂには、この第２セパレータ６６の外周端縁部を周回して第２シール部材９４が一体成形される。第３セパレータ７０の面７０ａ、７０ｂには、この第３セパレータ７０の外周端縁部を周回して第３シール部材９６が一体成形される。

第１シール部材９２、第２シール部材９４及び第３シール部材９６としては、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材が用いられる。

図６及び図７に示すように、第１シール部材９２は、第１セパレータ６２の面６２ａに一体化される平面シール部９２ａと、前記第１セパレータ６２の面６２ｂに一体化される平面シール部９２ｂとを有する。平面シール部９２ａには、積層方向に膨出して第２シール部材９４に接する凸状シール部９２ａｔが一体成形される。

第２シール部材９４は、図６に示すように、第２セパレータ６６の面６６ａに一体化される平面シール部９４ａと、前記第２セパレータ６６の面６６ｂに一体化される平面シール部９４ｂとを有する。平面シール部９４ａには、積層方向に膨出して第１樹脂製枠部材８０に接する凸状シール部９４ａｔが一体成形される。平面シール部９４ｂには、積層方向に膨出して第３シール部材９６に接する凸状シール部９４ｂｔが一体成形される。

図５及び図６に示すように、第３シール部材９６は、第３セパレータ７０の面７０ａに一体化される第１平面シール部９６ａ１及び第２平面シール部９６ａ２を有する。第１平面シール部９６ａ１は、第２樹脂製枠部材８２に対向しており、前記第２樹脂製枠部材８２に接する凸状シール部９６ａｔが膨出形成される。第２平面シール部９６ａ２は、第１平面シール部９６ａ１よりも肉厚に形成される。

第３シール部材９６は、図６及び図９に示すように、第３セパレータ７０の面７０ｂに一体成形される内側シール部材９８ａを設ける。内側シール部材９８ａは、第１平面シール部９６ａ１に対応する位置で、面７０ｂに一体化される第１平面シール部（ベースシール）９８ａｆを有する。第１平面シール部９８ａｆは、面７０ｂに沿って（セパレータ面に沿って）平面状に延在する。

内側シール部材９８ａは、第１平面シール部９８ａｆから第２樹脂製枠部材８２に接する凸状シール部９６ａｔとは反対側に膨出し、第３セパレータ７０の面７０ｂに一体化される第１凸状シール部９８ａｔを設ける。第１凸状シール部９８ａｔは、第１セパレータ６２の平面シール部９２ｂに、凸状シール部９６ａｔと積層方向に重なり合う位置で接する。

第３シール部材９６は、第１電解質膜・電極構造体６４及び第２電解質膜・電極構造体６８の外周端部からセパレータ面方向外方に位置して外側シール部材９８ｂを有する。外側シール部材９８ｂは、第３セパレータ７０の面７０ｂに一体化される第２平面シール部（ベースシール）９８ｂｆを有する。

第２平面シール部９８ｂｆは、面７０ｂに沿って（セパレータ面に沿って）平面状に延在するとともに、内側端部は、第１平面シール部９８ａｆの外側端部に一体化される。外側シール部材９８ｂは、第１シール部材９２の凸状シール部９２ａｔと積層方向に重なり合う位置に、第２平面シール部９８ｂｆから第２凸状シール部９８ｂｔが膨出形成される。第２凸状シール部９８ｂｔは、第１セパレータ６２の平面シール部９２ｂに、凸状シール部９２ａｔ、９４ｂｔと積層方向に重なり合う位置で接する。

図６に示すように、第１凸状シール部９８ａｔの厚さｔ１０は、第２凸状シール部９８ｂｔの厚さｔ１１と同一の寸法に設定される（ｔ１０＝ｔ１１）。第１平面シール部９８ａｆの厚さｔ１２は、第２平面シール部９８ｂｆの厚さｔ１３よりも小さい寸法に設定される（ｔ１２＜ｔ１３）。

平面シール部９２ｂの厚さｔ１４は、第１平面シール部９８ａｆの厚さｔ１２よりも大きな寸法に設定される（ｔ１２＜ｔ１４）。第２平面シール部９８ｂｆの厚さｔ１３は、第２平面シール部９６ａ２の厚さｔ１５（同等）以上に設定される（ｔ１３≧ｔ１５）。

燃料電池６０同士が互いに積層されることにより、一方の燃料電池６０を構成する第１セパレータ６２と、他方の燃料電池６０を構成する第３セパレータ７０との間には、冷却媒体流路４２が形成される。

このように構成される燃料電池６０の動作について、以下に説明する。

先ず、図５に示すように、酸化剤ガスは、一部が酸化剤ガス入口連通孔２６ａから入口バッファ部８４ａを通って第１セパレータ６２の第１酸化剤ガス流路３２ａに供給される。酸化剤ガスは、他の一部が入口バッファ部８８ａを通って第２セパレータ６６の第２酸化剤ガス流路３２ｂに導入される。

酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路３２ａ及び第２酸化剤ガス流路３２ｂに沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体６４及び第２電解質膜・電極構造体６８の各カソード電極２０に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３０ａから供給流路溝部７２ａ、７６ａを通って第２セパレータ６６の第１燃料ガス流路３６ａ及び第３セパレータ７０の第２燃料ガス流路３６ｂに供給される。燃料ガスは、第１燃料ガス流路３６ａ及び第２燃料ガス流路３６ｂに沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体６４及び第２電解質膜・電極構造体６８の各アノード電極２２に供給される。

従って、第１電解質膜・電極構造体６４及び第２電解質膜・電極構造体６８では、各カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極２２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層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、第１電解質膜・電極構造体６４及び第２電解質膜・電極構造体６８の各カソード電極２０に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部８４ｂ、８８ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに排出される。第１電解質膜・電極構造体６４及び第２電解質膜・電極構造体６８のアノード電極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３０ｂに排出される。

一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔２８ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路４２に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２８ａから冷却媒体流路４２に供給され、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して第１電解質膜・電極構造体６４及び第２電解質膜・電極構造体６８を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２８ｂに排出される。

この場合、第２の実施形態では、図６に示すように、外側シール部材９８ｂを構成する第２平面シール部９８ｂｆの厚さｔ１３は、内側シール部材９８ａを構成する第１平面シール部９８ａｆの厚さｔ１２よりも大きな寸法に設定されている（ｔ１２＜ｔ１３）。

このため、内側シール部材９８ａの裏面側で凸状シール部９６ａｔが接する第２電解質膜・電極構造体６８の外周縁部には、第２の実施形態では、第２樹脂製枠部材８２の外周縁部には、過大な荷重が発生することがない。従って、第２樹脂製枠部材８２が損傷することを可及的に抑制することができる。その他、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の要部断面説明図である。燃料電池１００は、電解質膜・電極構造体１２をカソードセパレータ（第２のセパレータ）１０２及びアノードセパレータ（第１のセパレータ）１０４で挟持する。

カソードセパレータ１０２には、第１シール部材１０６が一体成形されるとともに、アノードセパレータ１０４には、第２シール部材１０８が一体成形される。第１シール部材１０６は、外側シール部材１０６ａを有する一方、第２シール部材１０８は、内側シール部材１０８ａを有する。

外側シール部材１０６ａは、電解質膜・電極構造体１２に対向し、カソードセパレータ１０２の面１０２ａに一体化される第２平面シール部（ベースシール）１０６ａｆを有する。外側シール部材１０６ａは、第２平面シール部１０６ａｆから電解質膜・電極構造体１２側に膨出形成される第２凸状シール部１０６ａｔを設ける。

外側シール部材１０６ａは、カソードセパレータ１０２の面１０２ｂ（電解質膜・電極構造体１２とは反対のセパレータ面）に一体化される第３平面シール部（ベースシール）１０６ａｆｒを有する。

内側シール部材１０８ａは、第１平面シール部１０８ａｆから電解質膜・電極構造体１２側に膨出形成される第１凸状シール部１０８ａｔを設ける。第２シール部材１０８は、第１平面シール部１０８ａｆの外周端部に一体成形される平面シール部（ベースシール）１０８ｂｆを有する。平面シール部１０８ｂｆには、第２凸状シール部１０６ａｔが当接する。アノードセパレータ１０４の面１０４ｂには、平面シール部１０８ｂｆｒが一体成形される。

第２平面シール部１０６ａｆの厚さｔ２１は、第１平面シール部１０８ａｆの厚さｔ２２よりも大きな寸法に設定される（ｔ２１＞ｔ２２）。平面シール部１０８ｂｆの厚さｔ２３は、第１平面シール部１０８ａｆの厚さｔ２２よりも大きな寸法に設定される（ｔ２３＞ｔ２２）。第２凸状シール部１０６ａｔの厚さｔ２４は、第１凸状シール部１０８ａｔの厚さｔ２５と同一の寸法に設定される（ｔ２４＝ｔ２５）。第２平面シール部１０６ａｆの厚さｔ２１は、第３平面シール部１０６ａｆｒの厚さｔ２６（同等）以上に設定される（ｔ２６≦ｔ２１）。

このように構成される第３の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、第３の実施形態は、上記の第２の実施形態にも適用することが可能である。

１０、６０、１００…燃料電池
１２、６４、６８…電解質膜・電極構造体
１２ａ、６４ａ、６８ａ…ＭＥＡ構成部
１４、１０２…カソードセパレータ １６、１０４…アノードセパレータ
１８…固体高分子電解質膜 ２０、８６…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、８０、８２…樹脂製枠部材
２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２８ａ…冷却媒体入口連通孔 ２８ｂ…冷却媒体出口連通孔
３０ａ…燃料ガス入口連通孔 ３０ｂ…燃料ガス出口連通孔
３２、３２ａ、３２ｂ…酸化剤ガス流路
３６、３６ａ、３６ｂ…燃料ガス流路 ４２…冷却媒体流路
４４、４６、９２、９４、９６、１０６、１０８…シール部材
４４ａ、４４ｂ、４６ａｆ、４６ｂｆ、４６ｂｆｒ、９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂ、９６ａ１、９６ａ２、９８ａｆ、９８ｂｆ、１０６ａｆ、１０６ａｆｒ、１０８ａｆ、１０８ｂｆ、１０８ｂｆｒ…平面シール部
４６ａ、９８ａ、１０８ａ…内側シール部材
４６ａｔ、４６ｂｔ、９２ａｔ、９４ａｔ、９４ｂｔ、９６ａｔ、９８ａｔ、９８ｂｔ、１０６ａｔ、１０８ａｔ…凸状シール部
４６ｂ、９８ｂ、１０６ａ…外側シール部材
４８ａｎ…アノード排水通路 ４８ｃａ…カソード排水通路
６２、６６、７０…セパレータ

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けたＭＥＡ構成部を有する電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外形寸法よりも大きな外形寸法を有し、該電解質膜・電極構造体の両側に積層されるセパレータとを備え、第１のセパレータには、積層方向に沿って前記電解質膜・電極構造体の外周縁部に重なり合う位置に配置される内側シール部材が設けられ、前記第１のセパレータ又は第２のセパレータには、該電解質膜・電極構造体の外周端部からセパレータ面方向外方に位置し、前記第１のセパレータに隣接する前記第２のセパレータ、又は前記第２のセパレータに隣接する前記第１のセパレータにセパレータ面に沿って平面状に設けられた平面状シールに接する外側シール部材が設けられる燃料電池であって、
   前記内側シール部材は、前記第１のセパレータのセパレータ面に沿って平面状に延在する第１平面シール部と、
   前記第１平面シール部から前記積層方向に膨出形成される第１凸状シール部と、
   を有し、
   前記外側シール部材は、前記第１のセパレータ又は前記第２のセパレータの前記セパレータ面に沿って平面状に延在する第２平面シール部と、
   前記第２平面シール部から前記積層方向に膨出形成される第２凸状シール部と、
   を有するとともに、
   前記第１凸状シール部の厚さは、前記第２凸状シール部の厚さと同一の寸法に設定され、且つ、前記第１平面シール部の厚さは、前記第２平面シール部の厚さよりも小さい寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記平面状シールの厚さは、前記第１平面シール部の厚さよりも大きな寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記外側シール部材は、前記第２のセパレータとは反対のセパレータ面、又は前記第１のセパレータとは反対のセパレータ面に沿って平面状に延在する第３平面シール部を設けるとともに、
   前記第２平面シール部の厚さは、前記第３平面シール部の厚さ以上に設定されることを特徴とする燃料電池。

Images