JP6132697B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられる電解質膜・電極構造体を、プレート面が波形状に成形された一対の金属セパレータで挟持するとともに、前記金属セパレータには、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池に関する。

例えば、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の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した発電セルを構成している。燃料電池は、通常、複数の発電セルが積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。

上記の燃料電池では、波状に成形された金属セパレータが使用されるとともに、前記金属セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が金属セパレータの面方向に沿って設けられている。

この種の燃料電池では、良好なイオン伝導性を確保するために、電解質膜を保湿する必要がある。このため、反応ガスである酸化剤ガス（例えば、空気）や燃料ガス（例えば、水素ガス）を加湿して燃料電池に供給する方式が採用されている。

その際、加湿用の水分が、電解質膜に吸収されずに液状化され、反応ガス流路に滞留する場合がある。一方、燃料電池では、発電反応によりカソード電極に生成水が発生するとともに、アノード電極には、前記生成水が電解質膜を介して逆拡散している。このため、反応ガス流路には、水分が凝縮して滞留する場合がある。従って、例えば、カソード電極の端部やアノード電極の端部等に高電位及び電位勾配が発生すると、滞留水により金属セパレータから金属イオンの溶出が惹起され、溶出した金属イオンがＭＥＡに取り込まれることがある。これにより、電解質膜は、金属イオンによる劣化が著しくなるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図１６に示すように、少なくとも固体高分子電解質膜１を挟んで配置された燃料極２ａ及び酸化剤極２ｂを有する単電池を、セパレータ３を介して複数個積層して構成される電池スタックを備えている。

セパレータ３は、金属製の薄板で構成されており、前記セパレータ３の略中央部分には、プレス加工による複数の平行な波形状の溝が表裏に形成されている。このため、燃料極２ａと酸化剤極２ｂとの間には、反応ガスの流路４ａ、４ｂが設けられている。

セパレータ３には、前記セパレータ３の略中央部分を囲むように、シート状のシール部材５ａ、５ｂが表裏に配置されている。シール部材５ａ、５ｂの接触部には、反応ガスと冷却媒体をそれぞれ供給及び排出する複数のマニホールド孔（図示せず）が設けられている。さらに、セパレータ３の表面には、耐食性且つ導電性を有するコーティング６が施されている。

特開平１１−３５４１４２号公報

ところで、燃料電池では、燃料極２ａ又は酸化剤極２ｂを構成する電極触媒層の外周端部に、高電位及び電位勾配が発生し易い。このため、上記の特許文献１では、特に金属セパレータであるセパレータ３の外周端部に高電位及び電位勾配が発生し、前記セパレータ３から金属イオンが溶出するおそれがある。従って、セパレータ３の外周端部に対向する固体高分子電解質膜１の部分が、溶出した金属イオンにより損傷を受け易いという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、金属セパレータからの金属イオンの溶出を阻止し、固体高分子電解質膜の劣化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両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられる電解質膜・電極構造体を、プレート面が波形状に成形された一対の金属セパレータで挟持するとともに、前記金属セパレータには、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、金属セパレータには、電解質膜・電極構造体に接する凸部と前記電解質膜・電極構造体から離間する凹部とが交互に成形され、前記凹部に沿って複数本の反応ガス流路溝が形成されることにより、反応ガス流路が設けられている。そして、反応ガス流路溝は、反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差する幅方向外方に配置される端部反応ガス流路溝を有している。少なくとも一方の前記金属セパレータにおいて、前記端部反応ガス流路溝は当該一方の前記金属セパレータ側又は他方の前記金属セパレータ側の前記電極触媒層の外周端部に対向する。

燃料電池では、少なくとも一方の前記金属セパレータの端部反応ガス流路溝の内方に位置する凸部から当該一方の金属セパレータの外周側に連なる外部領域に、耐食性被膜が設けられる一方、少なくとも一方の前記金属セパレータにおいて、前記外部領域よりも内方に延在する内部領域は、前記外部領域に設けられる前記耐食性被膜と同一材料の被膜を設けない領域を構成している。

また、この燃料電池では、固体高分子電解質膜の一方側に設けられる第１の電極触媒層は、前記固体高分子電解質膜の他方側に設けられる第２の電極触媒層よりも小さな平面寸法を有するとともに、端部反応ガス流路溝は、前記第１の電極触媒層の外周端部に対向することが好ましい。

さらに、この燃料電池では、第２の電極触媒層の外周端部が対向する反応ガス流路の外側に位置する凸部には、耐食性被膜が設けられることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、固体高分子電解質膜の一方側に設けられる第１の電極触媒層は、前記固体高分子電解質膜の他方側に設けられる第２の電極触媒層よりも小さな平面寸法を有することが好ましい。端部反応ガス流路溝は、第２の電極触媒層の外周端部に対向している。

また、この燃料電池では、第２の電極触媒層の外周部には、樹脂枠部材又はフィルム部材である保護部材が設けられることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、反応ガス流路の反応ガス流れ方向端部は、電極触媒層の外周端部よりも反応ガス流れ方向外方に延在する延在領域を有するとともに、前記延在領域には、耐食性被膜が設けられることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、耐食性被膜が設けられる一方の金属セパレータに固体高分子電解質膜を挟んで対向する他方の金属セパレータには、一方の前記金属セパレータにおける前記耐食性被膜が設けられる範囲と同一の範囲に該耐食性被膜が設けられることが好ましい。

また、この燃料電池では、金属セパレータには、電解質膜・電極構造体に接する凸部と前記電解質膜・電極構造体から離間する凹部とが交互に成形され、前記凹部に沿って複数本の反応ガス流路溝が形成されることにより、反応ガス流路が設けられている。反応ガス流路溝は、反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差する幅方向外方に配置される端部反応ガス流路溝を有し、一方の前記金属セパレータの電極触媒層の外周端部に対向し且つ他方の前記金属セパレータの前記端部反応ガス流路溝の内方に位置する凸部には、当該他方の前記金属セパレータの少なくとも外周端部に対向する位置から当該他方の金属セパレータの外周側に連なる外部領域に、耐食性被膜が設けられている。一方、少なくとも他方の前記金属セパレータにおいて、外部領域よりも内方に延在する内部領域は、前記外部領域に設けられる耐食性被膜と同一材料の被膜を設けない領域を構成している。

さらに、この燃料電池では、固体高分子電解質膜の一方側に設けられる第１の電極触媒層は、前記固体高分子電解質膜の他方側に設けられる第２の電極触媒層よりも小さな平面寸法を有することが好ましい。端部反応ガス流路溝の内方に位置する凸部は、第１の電極触媒層の外周端部に対向している。

本発明では、電極触媒層の外周端部に対向する端部反応ガス流路溝を有し、前記端部反応ガス流路溝の内方に隣接する凸部から金属セパレータの外周側に連なる外部領域に、耐食性被膜が設けられている。このため、特に高電位及び電位勾配が発生し易い金属セパレータの外側端部から金属イオンが溶出することが抑制される。

しかも、金属セパレータの外部領域よりも内方の内部領域は、耐食性被膜を設けない領域を構成している。従って、金属セパレータの発電領域には、例えば、金やカーボン等のめっき処理を施すことができるとともに、耐食性被膜として種々の材料、例えば、非導電性を有する材料を用いることが可能になる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、金属セパレータからの金属イオンの溶出を阻止し、固体高分子電解質膜の劣化を可及的に抑制することができるとともに、発電領域では、耐食性被膜による接触抵抗の増加を防止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を構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記発電セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記発電セルを構成する第２金属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を構成する発電セルの要部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部断面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部断面説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部断面説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部断面説明図である。 本発明の第８の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部断面説明図である。 本発明の第９の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部断面説明図である。 本発明の第１０の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部断面説明図である。 本発明の第１１の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部断面説明図である。 本発明の第１２の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部断面説明図である。 特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池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、複数の発電セル１２が、例えば、立位姿勢で水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。

発電セル１２は、横長形状を有するとともに、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６と、前記電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０とを備える。第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０は、薄板状の金属プレートを、それぞれ波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する（図２参照）。

第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０は、例えば、ステンレス鋼板、チタン板、ニオブ板又はアルミニウム板等で形成される。

発電セル１２の長辺方向（図１中、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、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２８ａ、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排出連通孔３０ｂが設けられる。

発電セル１２の長辺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ための燃料ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２６ｂが設けられる。

図３に示すように、第１金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとを連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３８が形成される。酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する凸部４０ａと凹部４０ｂとが、矢印Ｃ方向に交互に形成されることにより、各凹部４０ｂに沿って形成される複数本の酸化剤ガス流路溝（反応ガス流路溝）３８ａを有する。凸部４０ａは、電解質膜・電極構造体１６に接する一方、凹部４０ｂは、前記電解質膜・電極構造体１６から離間する。

酸化剤ガス流路３８の入口側には、複数のエンボス４１ａｅを有する入口バッファ部４１ａが設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路３８の出口側には、複数のエンボス４１ｂｅを有する出口バッファ部４１ｂが設けられる。

図４に示すように、第２金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス排出連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）４２が形成される。燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する凸部４４ａと凹部４４ｂとが、矢印Ｃ方向に交互に形成されることにより、各凹部４４ｂに沿って形成される複数本の燃料ガス流路溝（反応ガス流路溝）４２ａを有する。凸部４４ａは、電解質膜・電極構造体１６に接する一方、凹部４４ｂは、前記電解質膜・電極構造体１６から離間する。

燃料ガス流路４２の入口側には、複数のエンボス４５ａｅを有する入口バッファ部４５ａが設けられるとともに、前記燃料ガス流路４２の出口側には、複数のエンボス４５ｂｅを有する出口バッファ部４５ｂが設けられる。電解質膜・電極構造体１６は、両側からエンボス４１ａｅ、４１ｂｅと４５ｂｅ、４５ａｅとで挟持される。なお、以下に説明する第２以降の実施形態でも同様である。

図１に示すように、互いに隣接する第１金属セパレータ１８の面１８ｂと第２金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２８ａと冷却媒体排出連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路４６が一体的に形成される。冷却媒体流路４６は、酸化剤ガス流路３８及び燃料ガス流路４２の裏面形状を重ね合わせて構成される。

第１金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第１金属セパレータ１８の外周端部を周回して第１シール部材４７が一体成形される。第２金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第２金属セパレータ２０の外周端部を周回して第２シール部材４８が一体成形される。

第１シール部材４７及び第２シール部材４８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を使用する。

第１シール部材４７は、図１及び図３に示すように、面１８ａ、１８ｂ上に均一な厚さを有して成形される平面シール部４７ａを有する。第１シール部材４７は、面１８ａ側で平面シール部４７ａから突出し、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと酸化剤ガス流路３８とを連通させる凸状シール部４７ｂを有する（図３参照）。

第１シール部材４７は、面１８ｂ側で平面シール部４７ａから突出し、冷却媒体供給連通孔２８ａ及び冷却媒体排出連通孔２８ｂと冷却媒体流路４６とを連通させる凸状シール部４７ｃを有する（図１参照）。

第２シール部材４８は、面２０ａ、２０ｂ上に均一な厚さを有して形成される平面シール部４８ａを有する。第２シール部材４８は、面２０ａ側で平面シール部４８ａから突出し、燃料ガス供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３０ｂを燃料ガス流路４２に連通する凸状シール部４８ｂを有する（図１及び図４参照）。

電解質膜・電極構造体１６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５０と、前記固体高分子電解質膜５０を挟持するカソード電極５２及びアノード電極５４とを備える。固体高分子電解質膜５０は、カソード電極５２及びアノード電極５４と同等若しくは、これらよりも大きな平面寸法に設定され、外周縁部が前記カソード電極５２及び前記アノード電極５４の外周端部から外方に突出する。

図２に示すように、カソード電極５２及びアノード電極５４は、カーボンペーパ等からなるカソード側ガス拡散層５２ａ及びアノード側ガス拡散層５４ａと、白金や白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記カソード側ガス拡散層５２ａ及び前記アノード側ガス拡散層５４ａの表面に一様に塗布されたカソード側電極触媒層（第１の電極触媒層）５２ｂ及びアノード側電極触媒層（第２の電極触媒層）５４ｂとを有する。なお、電解質膜・電極構造体１６の作製方法は、種々の方法が採用可能であり、例えば、固体高分子電解質膜５０に触媒を転写又は塗布することにより、カソード電極５２及びアノード電極５４を作製してもよい。また、第２以降の実施形態においても、同様である。

カソード側電極触媒層５２ｂは、アノード側電極触媒層５４ｂよりも小さな平面寸法を有する。カソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅは、アノード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅよりも内方に距離Ｌだけ離間する。カソード側ガス拡散層５２ａは、アノード側ガス拡散層５４ａよりも大きな平面寸法を有する。

また、アノード側電極触媒層５４ｂは、カソード側電極触媒層５２ｂよりも小さな平面寸法を有してもよい。なお、カソード側ガス拡散層５２ａは、アノード側ガス拡散層５４ａと同一の平面寸法を有していてもよく、又は、前記カソード側ガス拡散層５２ａは、前記アノード側ガス拡散層５４ａよりも小さな平面寸法を有していてもよい。また、以下の第２以降の実施形態においても、同様である。

第１の実施形態では、図２及び図３に示すように、酸化剤ガス流路３８を構成する酸化剤ガス流路溝３８ａは、前記酸化剤ガス流路３８の酸化剤ガス流れ方向（矢印Ｂ方向）に交差する幅方向（矢印Ｃ方向）外方に配置され、且つ、カソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅに対向する端部酸化剤ガス流路溝３８ａｅを有する。

第１金属セパレータ１８の面１８ａには、端部酸化剤ガス流路溝３８ａｅの内方に隣接する凸部４０ａから前記第１金属セパレータ１８の外周側に、すなわち、金属表面と平面シール部４７ａとの境界部位に連なる外部領域Ｓａに、耐食性被膜５６ａが設けられる。耐食性被膜５６ａは、凸部４０ａの上面途上から設けられているが、前記凸部４０ａの上面全体を覆って設けられてもよい。

耐食性被膜５６ａは、水の滞留が発生し易い部位に配置することが好ましく、例えば、立位姿勢に配置される第１金属セパレータ１８では、少なくとも重力方向下方である下部側に設けることが好ましく、さらに酸化剤ガス排出連通孔２６ｂの近傍及び燃料ガス排出連通孔３０ｂの近傍に設けられることが好ましい。以下の耐食性被膜５６ｂでも、同様である。

耐食性被膜５６ａは、導電性及び耐食性を有する材料、例えば、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、クロムめっき等が使用される。また、耐食性被膜５６ａは、非導電性を有していてもよく、例えば、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート等を使用してもよい。

第１金属セパレータ１８の面１８ａにおいては、外部領域Ｓａよりも内方に近在する内部領域Ｓｂは、耐食性被膜５６ａを設けない領域を構成する。内部領域Ｓｂには、例えば、金やカーボン等による導電性めっき処理を施すことが好ましい。

図３に示すように、酸化剤ガス流路３８の酸化剤ガス流れ方向（矢印Ｂ方向）端部は、カソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅよりも外方に延在する延在領域（図３中、距離Ｌ１の範囲を含む）を有するとともに、前記延在領域を含む左右金属領域には、耐食性被膜５６ａが設けられる。

図２及び図４に示すように、燃料ガス流路４２を構成する燃料ガス流路溝４２ａは、アノード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅに対向する端部燃料ガス流路溝４２ａｅを有する。第２金属セパレータ２０の面２０ａには、端部燃料ガス流路溝４２ａｅの内方に隣接する凸部４４ａから前記第２金属セパレータ２０の外周側に、すなわち、金属表面と平面シール部４８ａとの境界部位に連なって、第１金属セパレータ１８の耐食性被膜５６ａに対向する耐食性被膜５６ｂが設けられる。

耐食性被膜５６ｂは、耐食性被膜５６ａと同様に構成される。第２金属セパレータ２０の面２０ａにおいては、外部領域Ｓａよりも内方の内部領域Ｓｂは、耐食性被膜５６ｂを設けない領域を構成する（図２参照）。この領域には、必要に応じて金やカーボン等による導電性めっき処理が施される。なお、耐食性被膜５６ａの端部５６ａｅと耐食性被膜５６ｂの端部５６ｂｅとは、互いに矢印Ｃ方向に対してずれていてもよい。

図４に示すように、燃料ガス流路４２の燃料ガス流れ方向（矢印Ｂ方向）端部は、アノード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅよりも外方に延在する延在領域（図４中、距離Ｌ２の範囲を含む）を有するとともに、前記延在領域を含む左右金属領域には、耐食性被膜５６ｂを設けてもよく、必要に応じて省略することもできる。

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。

図１に示すように、燃料電池１０内では、酸化剤ガス供給連通孔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、燃料ガス供給連通孔３０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２８ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、各発電セル１２では、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第１金属セパレータ１８の酸化剤ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体１６のカソード電極５２に沿って移動する。一方、燃料ガスは、図１及び図４に示すように、燃料ガス供給連通孔３０ａから第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体１６のアノード電極５４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード電極５２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５４に供給される燃料ガスとが、カソード側電極触媒層５２ｂ、アノード側電極触媒層５４ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード電極５２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに排出されて、矢印Ａ方向に流動する。同様に、アノード電極５４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３０ｂに排出されて、矢印Ａ方向に流動する。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２８ａから第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２８ｂを移動して燃料電池１０から排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ１８は、カソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅに対向する端部酸化剤ガス流路溝３８ａｅを有している。そして、端部酸化剤ガス流路溝３８ａｅの内方に隣接する凸部４０ａから第１金属セパレータ１８の外周側に連なる外部領域Ｓａには、耐食性被膜５６ａが設けられている。

カソード側電極触媒層５２ｂは、アノード側電極触媒層５４ｂよりも小さな平面寸法を有しており、前記カソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅは、前記アノード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅよりも内方に距離Ｌだけ離間している。このため、固体高分子電解質膜５０の片面にのみアノード側電極触媒層５４ｂが存在する距離Ｌの範囲に示す、所謂、両電極領域から半電極領域近傍（半電極領域から両側に電極が設けられている領域近傍にかけて）では、高電位及び電位勾配が発生し易い。

従って、第１金属セパレータ１８には、カソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅに対向して端部酸化剤ガス流路溝３８ａｅが設けられるとともに、アノード側電極触媒層５４ｂのみが存在する領域に亘って耐食性被膜５６ａが設けられている。これにより、特に高電位及び電位勾配が発生し易い第１金属セパレータ１８の外側端部から金属イオンが溶出することがない。

さらに、アノード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅが対向する燃料ガス流路４２の外側に位置する凸部４４ａには、耐食性被膜５６ｂが設けられている。従って、特に高電位及び電位勾配が発生し易い第２金属セパレータ２０の外側端部から金属イオンが溶出することがない。

しかも、第１金属セパレータ１８の外部領域Ｓａよりも内方の内部領域Ｓｂは、耐食性被膜５６ａを設けない領域を構成している。このため、第１金属セパレータ１８の発電領域には、例えば、金やカーボン等のめっき処理を施すことができるとともに、耐食性被膜５６ａとして種々の材料、例えば、非導電性を有する材料を用いることが可能になる。

従って、簡単且つ経済的な構成で、第１金属セパレータ１８からの金属イオンの溶出を阻止し、固体高分子電解質膜５０の劣化を可及的に抑制することができるという効果が得られる。

また、第２金属セパレータ２０には、第１金属セパレータ１８の耐食性被膜５６ａに対向して耐食性被膜５６ｂが設けられている。これにより、第２金属セパレータ２０は、上記の第１金属セパレータ１８と同様の効果が得られる。なお、必要に応じて、耐食性被膜５６ａと耐食性被膜５６ｂのいずれか一方を設けてもよい。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０を構成する発電セル６２の要部断面説明図である。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以降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、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）６４と、前記電解質膜・電極構造体６４を挟持する第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０とを備える。電解質膜・電極構造体６４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極６６及びアノード電極６８により挟持する。

カソード電極６６は、カソード側ガス拡散層６６ａとカソード側電極触媒層（第２の電極触媒層）６６ｂとを有するとともに、アノード電極６８は、アノード側ガス拡散層６８ａとアノード側電極触媒層（第１の電極触媒層）６８ｂとを有する。

アノード側電極触媒層６８ｂは、カソード側電極触媒層６６ｂよりも小さな平面寸法を有する。アノード側電極触媒層６８ｂの外周端部６８ｂｅは、カソード側電極触媒層６６ｂの外周端部６６ｂｅよりも内方に距離Ｌ０だけ離間する。アノード側ガス拡散層６８ａは、カソード側ガス拡散層６６ａよりも大きな平面寸法を有する。なお、ガス拡散層の大小は、どちらでもよい。

燃料ガス流路４２を構成する燃料ガス流路溝４２ａは、前記燃料ガス流路４２の燃料ガス流れ方向（矢印Ｂ方向）に交差する幅方向（矢印Ｃ方向）外方に配置され、且つ、アノード側電極触媒層６８ｂの外周端部６８ｂｅに対向する端部燃料ガス流路溝４２ａｅを有する。

第２金属セパレータ２０の面２０ａには、端部燃料ガス流路溝４２ａｅの内方に隣接する凸部４４ａから前記第２金属セパレータ２０の外周側に、すなわち、金属表面と平面シール部４８ａとの境界部位に連なる耐食性被膜５６ｂが設けられる。第１金属セパレータ１８の面１８ａには、第２金属セパレータ２０の耐食性被膜５６ｂに対向して耐食性被膜５６ａが設けられる。なお、耐食性被膜５６ｂは、凸部４４ａの途上から設けられているが、前記凸部４４ａ全面を覆って設けてもよい。

このように構成される第２の実施形態では、第２金属セパレータ２０には、カソード側電極触媒層６６ｂのみが存在する、所謂、両電極領域から半電極領域近傍（半電極領域から両側に電極が設けられている領域近傍にかけて）に耐食性被膜５６ｂが設けられている。このため、特に高電位及び電位勾配が発生し易い第２金属セパレータ２０の外側端部から金属イオンが溶出することがない。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、第２金属セパレータ２０からの金属イオンの溶出を阻止し、固体高分子電解質膜５０の劣化を可及的に抑制することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、耐食性被膜５６ａは、必要に応じて設ければよく、耐食性被膜５６ａと耐食性被膜５６ｂのいずれか一方を設けてもよい。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池８０を構成する発電セル８２の要部断面説明図である。

燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体１６を第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０で挟持して構成される。第１金属セパレータ１８の面１８ａには、耐食性被膜８４ａが設けられるとともに、第２金属セパレータ２０の面２０ａには、耐食性被膜８４ｂが設けられる。

耐食性被膜８４ａは、端部酸化剤ガス流路溝３８ａｅの内方に隣接する凸部４０ａの内側から前記第１金属セパレータ１８の外周側に、すなわち、金属表面と平面シール部４７ａとの境界部位に連なる外部領域Ｓａに設けられる。耐食性被膜８４ｂは、耐食性被膜８４ａと同様に、端部燃料ガス流路溝４２ａｅの内方に隣接する凸部４４ａの内側から前記第２金属セパレータ２０の外周側に、すなわち、金属表面と平面シール部４８ａとの境界部位に連なって設けられる。

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。

図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池９０を構成する発電セル９２の要部断面説明図である。

発電セル９２は、電解質膜・電極構造体９４を第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０で挟持して構成される。電解質膜・電極構造体９４は、カソード電極５２及びアノード電極５４間に固体高分子電解質膜５０を介装するとともに、前記カソード電極５２は、前記アノード電極５４よりも小さな平面寸法に設定される。

カソード電極５２を構成するカソード側ガス拡散層５２ａ及びカソード側電極触媒層５２ｂは、同一の平面寸法を有する一方、アノード電極５４を構成するアノード側ガス拡散層５４ａは、アノード側電極触媒層５４ｂと同一の平面寸法を有する。カソード側電極触媒層５２ｂは、アノード側電極触媒層５４ｂよりも小さな平面寸法を有する。

なお、カソード電極５２とアノード電極５４とは、それぞれ上記とは反対の大小関係の寸法に設定されてもよい。また、以下に説明する第５以降の実施形態では、第４の実施形態と同様の構成を用いているが、その構成に限定されるものではない。

固体高分子電解質膜５０のカソード電極５２の外周部から外方に延在する外周縁部には、樹脂枠部材又はフィルム部材である保護部材９６が接合される。保護部材９６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。この保護部材９６は、ガス透過を阻止する機能及びガスシール機能を有する。

第２金属セパレータ２０の面２０ａには、耐食性被膜９８が設けられる一方、第１金属セパレータ１８の面１８ａにも、耐食性被膜を設けてもよい。耐食性被膜９８は、端部燃料ガス流路溝４２ａｅの内方に隣接する凸部４４ａの内側から前記第２金属セパレータ２０の外周側に、すなわち、金属表面と平面シール部４８ａとの境界部位に連なって設けられる。

この第４の実施形態では、カソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅに対向し且つ端部燃料ガス流路溝４２ａｅの内方に隣接する凸部４４ａには、少なくとも前記外周端部５２ｂｅに対向する位置から第２金属セパレータ２０の外周側に連なる外部領域に、耐食性被膜９８が設けられている。

図８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１００を構成する発電セル１０２の要部断面説明図である。なお、第４の実施形態に係る発電セル９２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。なお、以下に説明する第６以降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。

発電セル１０２は、電解質膜・電極構造体１０４を第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０で挟持して構成される。電解質膜・電極構造体１０４を構成する固体高分子電解質膜５０は、カソード電極５２側に保護部材９６を設けるとともに、アノード電極５４側に保護部材１０６を設ける。保護部材１０６は、保護部材９６と同様の材料から構成される。第２金属セパレータ２０の面２０ａには、耐食性被膜１０８が設けられる。耐食性被膜１０８は、凸部４４ａの途上から若しくは前記凸部４４ａを覆って第２金属セパレータ２０の外周側に設けられる。また、第１金属セパレータ１８にも、対向する第２金属セパレータ２０と同様の範囲に耐食性被膜を設けてもよい。

図９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１１０を構成する発電セル１１２の要部断面説明図である。

発電セル１１２は、電解質膜・電極構造体１１４を第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０で挟持して構成される。電解質膜・電極構造体１１４は、カソード電極５２及びアノード電極５４間に固体高分子電解質膜５０を介装する。カソード電極５２は、アノード電極５４よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記アノード電極５４は、固体高分子電解質膜５０と同一の平面寸法に設定される。固体高分子電解質膜５０のカソード電極５２の外周部から外方に延在する外周縁部には、保護部材９６が接合される。

第１金属セパレータ１８の面１８ａには、耐食性被膜１１６が設けられる一方、第２金属セパレータ２０の面２０ａには、耐食性被膜１０８が設けられる。耐食性被膜１１６は、凸部４０ａの内側から第１金属セパレータ１８の外周側に設けられる。なお、耐食性被膜１１６又は耐食性被膜１０８のいずれか一方でもよい。

図１０は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池１２０を構成する発電セル１２２の要部断面説明図である。

発電セル１２２は、電解質膜・電極構造体１２４を第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０で挟持して構成される。電解質膜・電極構造体１２４を構成する固体高分子電解質膜５０は、カソード電極５２側に保護部材９６を設けるとともに、アノード電極５４側に保護部材１０６を設ける。第１金属セパレータ１８の面１８ａには、耐食性被膜１１６が設けられる一方、第２金属セパレータ２０の面２０ａには、耐食性被膜１０８が設けられる。なお、耐食性被膜１１６又は耐食性被膜１０８のいずれか一方でもよい。

図１１は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池１３０を構成する発電セル１３２の要部断面説明図である。

発電セル１３２は、電解質膜・電極構造体１３４を第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０で挟持して構成される。電解質膜・電極構造体１３４には、固体高分子電解質膜５０の外周を周回し、前記固体高分子電解質膜５０の両面に接合される樹脂枠部材である保護部材１３６が設けられる。保護部材１３６は、カソード電極５２及びアノード電極５４の外周端部に接合される。保護部材１３６は、ガスシール機能も有する。

第２金属セパレータ２０の面２０ａには、耐食性被膜１０８が設けられる一方、第１金属セパレータ１８の面１８ａには、耐食性被膜が設けられていない。

図１２は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池１４０を構成する発電セル１４２の要部断面説明図である。

発電セル１４２は、電解質膜・電極構造体１４４を第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０で挟持して構成される。電解質膜・電極構造体１４４には、固体高分子電解質膜５０の外周を周回して保護部材１３６が設けられる。第１金属セパレータ１８の面１８ａには、耐食性被膜１１６が設けられる一方、第２金属セパレータ２０の面２０ａには、耐食性被膜１０８が設けられる。なお、耐食性被膜１１６又は耐食性被膜１０８のいずれか一方でもよい。また、耐食性被膜１１６又は耐食性被膜１０８は、少なくとも電解質膜・電極構造体１４４とセパレータ金属部分が接する部分のみに設けられていればよい。

このように構成される第４の実施形態〜第９の実施形態では、上記の第１の実施形態〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図１３は、本発明の第１０の実施形態に係る燃料電池１５０を構成する発電セル１５２の要部断面説明図である。なお、第１０の実施形態は、実質的に、図７に示す第４の実施形態に係る燃料電池９０と同様に構成されており、その詳細な説明は、省略する。

発電セル１５２を構成する第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０では、凸部４０ａと凸部４４ａとが、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに重なる位置に配置される。アノード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅは、端部燃料ガス流路溝４２ａｅと積層方向に重なる位置に配置される。カソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅは、酸化剤ガス流路溝３８ａと積層方向に重なる位置に配置される。

第２金属セパレータ２０と、固体高分子電解質膜５０の外周縁部、すなわち、アノード電極５４の外方に露呈する前記固体高分子電解質膜５０の外周縁部との間には、シール部材１５４が介装される。なお、第１金属セパレータ１８と保護部材９６の外周縁部との間にも、シール部材を介装してもよい。また、保護部材９６の対向面には、コーティングを設けなくてもよい。さらに、第１金属セパレータ１８には、範囲Ｓに示す領域で耐食性被膜を設ける一方、第１金属セパレータ１８には、耐食性被膜を設けなくてもよい。

このように構成される第１０の実施形態では、アノード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅは、端部燃料ガス流路溝４２ａｅと積層方向に重なる位置に配置されている。このため、溶出した金属イオンは、流通する燃料ガスにより排出され、滞留することがない。従って、金属イオンが電解質膜・電極構造体９４に取り込まれることがない。その他、上記の第４の実施形態と同様の効果が得られる。また、第１０の実施形態は、図８に示す第５の実施形態に係る燃料電池１００、図９に示す第６の実施形態に係る燃料電池１１０及び図１０に示す第７の実施形態に係る燃料電池１２０を基本にして構成することもできる。

図１４は、本発明の第１１の実施形態に係る燃料電池１６０を構成する発電セル１６２の要部断面説明図である。なお、第１１の実施形態は、実質的に、図１１に示す第８の実施形態に係る燃料電池１３０と同様に構成されており、その詳細な説明は、省略する。

発電セル１６２を構成する第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０では、凸部４０ａと凸部４４ａとが、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに重なる位置に配置される。アノード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅは、端部燃料ガス流路溝４２ａｅと積層方向に重なる位置に配置される。カソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅは、酸化剤ガス流路溝３８ａと積層方向に重なる位置に配置される。

第２金属セパレータ２０と保護部材１３６の外周縁部との間には、シール部材１６４が介装される。なお、シール部材１６４に代えて、又は、前記シール部材１６４と共に、第１金属セパレータ１８と保護部材１３６の外周縁部との間には、シール部材１６４を介装してもよい。

このように構成される第１１の実施形態では、上記の第８の実施形態と同様の効果が得られる。また、第１１の実施形態は、図１２に示す第９の実施形態に係る燃料電池１４０を基本にして構成することもできる。

図１５は、本発明の第１２の実施形態に係る燃料電池１７０を構成する発電セル１７２の要部断面説明図である。なお、第１２の実施形態は、実質的に、図８に示す第５の実施形態に係る燃料電池１００と同様に構成されており、その詳細な説明は、省略する。

発電セル１７２は、電解質膜・電極構造体１７４を第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０で挟持して構成される。電解質膜・電極構造体１７４を構成する固体高分子電解質膜５０は、カソード電極５２側に保護部材（樹脂枠部材又はフィルム）９６を設けるとともに、アノード電極５４側に保護部材（樹脂枠部材又はフィルム）１７６を設ける。なお、カソード電極５２とアノード電極５４とは、逆の大小関係（寸法）であってもよい。

第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０では、凸部４０ａと凸部４４ａとが、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに重なる位置に配置される。アノード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅは、端部燃料ガス流路溝４２ａｅと積層方向に重なる位置に配置される。カソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅは、酸化剤ガス流路溝３８ａと積層方向に重なる位置に配置される。

このように構成される第１２の実施形態では、上記の第５の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、６０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０…燃料電池
１２、６２、８２、９２、１０２、１１２、１２２、１３２、１４２、１５２、１６２、１７２…発電セル
１６、６４、９４、１０４、１１４、１２４、１３４、１４４、１７４…電解質膜・電極構造体
１８、２０…セパレータ ２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ２８ａ…冷却媒体供給連通孔
２８ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３０ａ…燃料ガス供給連通孔
３０ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３８…酸化剤ガス流路
３８ａ…酸化剤ガス流路溝 ３８ａｅ…端部酸化剤ガス流路溝
４０ａ、４４ａ…凸部 ４０ｂ、４４ｂ…凹部
４２…燃料ガス流路 ４２ａ…燃料ガス流路溝
４２ａｅ…端部燃料ガス流路溝 ４６…冷却媒体流路
４７、４８、１５４、１６４…シール部材
５０…固体高分子電解質膜 ５２、６６…カソード電極
５２ｂ、６６ｂ…カソード側電極触媒層
５４、６８…アノード電極
５４ｂ、６８ｂ…アノード側電極触媒層
５６ａ、５６ｂ、８４ａ、８４ｂ、９８、１０８、１１６…耐食性被膜
９６、１０６、１３６、１７６…保護部材

Claims (9)

1. 固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられる電解質膜・電極構造体を、プレート面が波形状に成形された一対の金属セパレータで挟持するとともに、前記金属セパレータには、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
   前記金属セパレータには、前記電解質膜・電極構造体に接する凸部と前記電解質膜・電極構造体から離間する凹部とが交互に成形され、前記凹部に沿って複数本の反応ガス流路溝が形成されることにより、前記反応ガス流路が設けられるとともに、
   前記反応ガス流路溝は、前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差する幅方向外方に配置される端部反応ガス流路溝を有し、
   少なくとも一方の前記金属セパレータにおいて、前記端部反応ガス流路溝は当該一方の前記金属セパレータ側又は他方の前記金属セパレータ側の前記電極触媒層の外周端部に対向し、
   少なくとも一方の前記金属セパレータの前記端部反応ガス流路溝の内方に位置する前記凸部から当該一方の前記金属セパレータの外周側に連なる外部領域に、耐食性被膜が設けられる一方、
   少なくとも一方の前記金属セパレータにおいて、前記外部領域よりも内方に延在する内部領域は、前記外部領域に設けられる前記耐食性被膜と同一材料の被膜を設けない領域を構成す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、前記固体高分子電解質膜の一方側に設けられる第１の電極触媒層は、前記固体高分子電解質膜の他方側に設けられる第２の電極触媒層よりも小さな平面寸法を有するとともに、
   前記端部反応ガス流路溝は、前記第１の電極触媒層の外周端部に対向することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池において、前記第２の電極触媒層の外周端部が対向する前記反応ガス流路の外側に位置する前記凸部には、前記耐食性被膜が設けられることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１記載の燃料電池において、前記固体高分子電解質膜の一方側に設けられる第１の電極触媒層は、前記固体高分子電解質膜の他方側に設けられる第２の電極触媒層よりも小さな平面寸法を有するとともに、
   前記端部反応ガス流路溝は、前記第２の電極触媒層の外周端部に対向することを特徴とする燃料電池。
5. 請求項２又は４記載の燃料電池において、前記第２の電極触媒層の外周部には、樹脂枠部材又はフィルム部材である保護部材が設けられることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記反応ガス流路の前記反応ガス流れ方向端部は、前記電極触媒層の前記外周端部よりも反応ガス流れ方向外方に延在する延在領域を有するとともに、
   前記延在領域には、前記耐食性被膜が設けられることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記耐食性被膜が設けられる一方の前記金属セパレータに前記固体高分子電解質膜を挟んで対向する他方の前記金属セパレータには、一方の前記金属セパレータにおける前記耐食性被膜が設けられる範囲と同一の範囲に該耐食性被膜が設けられることを特徴とする燃料電池。
8. 固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられる電解質膜・電極構造体を、プレート面が波形状に成形された一対の金属セパレータで挟持するとともに、前記金属セパレータには、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
   前記金属セパレータには、前記電解質膜・電極構造体に接する凸部と前記電解質膜・電極構造体から離間する凹部とが交互に成形され、前記凹部に沿って複数本の反応ガス流路溝が形成されることにより、前記反応ガス流路が設けられるとともに、
   前記反応ガス流路溝は、前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差する幅方向外方に配置される端部反応ガス流路溝を有し、
   一方の前記金属セパレータの前記電極触媒層の外周端部に対向し且つ他方の前記金属セパレータの前記端部反応ガス流路溝の内方に位置する前記凸部には、当該他方の前記金属セパレータの少なくとも前記外周端部に対向する位置から当該他方の前記金属セパレータの外周側に連なる外部領域に、耐食性被膜が設けられる一方、
   少なくとも他方の前記金属セパレータにおいて、前記外部領域よりも内方に延在する内部領域は、前記外部領域に設けられる前記耐食性被膜と同一材料の被膜を設けない領域を構成することを特徴とする燃料電池。
9. 請求項８記載の燃料電池において、前記固体高分子電解質膜の一方側に設けられる第１の電極触媒層は、前記固体高分子電解質膜の他方側に設けられる第２の電極触媒層よりも小さな平面寸法を有するとともに、
   前記端部反応ガス流路溝の内方に位置する前記凸部は、前記第１の電極触媒層の外周端部に対向することを特徴とする燃料電池。

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