JP6208997B2

JP6208997B2 - 燃料電池

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Publication number: JP6208997B2
Application number: JP2013139088A
Authority: JP
Inventors: 恵子山崎; 山崎　　恵子; 雅孝古山; 加藤　高士; 高士加藤; 亮神馬; 英明隅; 将嵩渋谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2033-07-02
Also published as: CN103545541B; US20140017588A1; JP2014032957A; CN103545541A; US9203102B2

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が設けられるとともに、前記第１電極触媒層は、前記第２電極触媒層よりも平面寸法が小さく設定される電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持す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、例えば、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。

電解質膜・電極構造体では、一方の電極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とともに、他方の電極が前記固体高分子電解質膜と同一の又は小さな平面寸法で且つ前記第１の電極よりも大きな平面寸法に設定される、所謂、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図３１に示すように、電解質膜１の一方の面には、電極２が設けられるとともに、前記電解質膜１の他方の面には、電極３が設けられている。電極２は、電極３よりも小さな平面寸法に設定されている。電解質膜１の外周端部には、電極２を周回してスペーサ４が配置される一方、電極３を周回してスペーサ５が配置されている。

電極２、３は、それぞれの電極面積が異なり、且つ、前記電極２、３の端部が電解質膜１に対して対称の位置にない。このため、電極２、３の周辺部では、いずれかが電解質膜１を支持し、該周辺部の機械的強度が向上する、としている。

特許第３２４２７３７号公報

ところで、上記の燃料電池では、電極２が電極３よりも小さな平面寸法に設定されている。このため、電解質膜１には、電極３の触媒層が外周部のみ設けられている、所謂、半電極領域が形成されている。従って、電極外周から半電極領域近傍において高電位又は電位勾配が発生し易く、特に金属セパレータが使用される際には、前記半電極領域近傍に対向する前記金属セパレータの外周端部から金属イオンが溶出するおそれがある。これにより、金属セパレータの外周端部に対向する電解質膜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一方の面には、第１電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が設けられるとともに、前記第１電極触媒層は、前記第２電極触媒層よりも平面寸法が小さく設定される電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持する燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、少なくとも第２電極触媒層の外周側には額縁状部材が設けられ、前記額縁状部材の内周側端部は、前記第１電極触媒層の外周及び前記第２電極触媒層の外周と重なる位置に設けられている。前記額縁状部材は、前記第２電極触媒層と前記第２ガス拡散層との間に配置されるガス不透過性フィルムを有し、前記第２電極触媒層の外周端部は、前記第２ガス拡散層の外周端部よりも内側に位置する。

また、この燃料電池では、少なくとも前記第２電極触媒層の外周側又は前記第１電極触媒層の外周側には額縁状部材が設けられ、前記額縁状部材の内周側端部は、前記第１電極触媒層の外周及び前記第２電極触媒層の外周と重なる位置に設けられている。額縁状部材は、第２ガス拡散層に樹脂を含浸して構成される樹脂含浸部を有する。

さらに、この燃料電池では、額縁状部材は、第２ガス拡散層の外周に設けられる樹脂枠部材を有し、前記樹脂含浸部は、前記樹脂枠部材の一部を構成することが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、少なくとも前記第２電極触媒層の外周側又は前記第１電極触媒層の外周側には額縁状部材としてガス不透過性フィルムが設けられ、前記ガス不透過性フィルムの内周側端部は、前記第１電極触媒層の外周及び前記第２電極触媒層の外周と重なる位置に設けられている。額縁状部材は、第２ガス拡散層と金属セパレータとの間に設けられるガス不透過性フィルムを有する。

また、この燃料電池では、第１電極触媒層の外周には、額縁状部材に対向して別のガス不透過性フィルム又は樹脂含浸部が設けられることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、少なくとも前記第２電極触媒層の外周側又は前記第１電極触媒層の外周側には額縁状部材が設けられ、前記額縁状部材の内周側端部は、前記第１電極触媒層の外周及び前記第２電極触媒層の外周と重なる位置に設けられている。第１電極触媒層は、第１ガス拡散層よりも大きな平面寸法を有し、前記第１ガス拡散層の外周端部に、前記額縁状部材として、樹脂枠部材又はガス不透過性フィルムが設けられる。

さらにまた、この燃料電池では、少なくとも第１電極触媒層又は第２電極触媒層の外周端部は、発電面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路を構成する反応ガス流路溝内に配置されることが好ましい。

本発明では、少なくとも第１電極触媒層の外周側又は第２電極触媒層の外周側には、額縁状遮断層が設けられている。額縁状遮断層は、電気的絶縁性を有している。この額縁状遮断層は、さらに金属イオン不透過性を有することが好ましい。このため、第１電極触媒層の端部付近から第２電極触媒層のみが存在する外周側に向かって電位が上昇したり、電位勾配が発生しても、金属セパレータの外側端部から金属イオンの溶出を抑制することができる。また、滞留水が発生しても、固体高分子電解質膜を良好に保護す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。

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。前記発電セルを構成する電解質膜・電極構造体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。本発明の第１３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１４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１５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１６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１７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１８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１９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２０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２１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２２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２３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２４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。額縁状遮断層を設ける範囲を規定する本発明の第２５の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。額縁状遮断層を設ける範囲を規定する本発明の第２６の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。特許文献１に開示されている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、アルミニウム板、ステンレス鋼板、チタン板又はニオブ板等で形成される。

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、電解質膜・電極構造体１６側に突出する複数のエンボス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、前記電解質膜・電極構造体１６側に突出する複数のエンボス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、電解質膜・電極構造体１６側に突出する複数のエンボス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、前記電解質膜・電極構造体１６側に突出する複数のエンボス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等の弾性を有するシール材を使用する。

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（第１電極）５２及びアノード電極（第２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、外周端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（第１ガス拡散層）５２ａ及びアノード側ガス拡散層（第２ガス拡散層）５４ａと、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電極触媒層）５２ｂ及びアノード側電極触媒層（第２電極触媒層）５４ｂとを有する。

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（表面寸法）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。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に対向して酸化剤ガス流路３８を構成する酸化剤ガス流路溝３８ａが配置される。また、以下に説明する第２以降の実施形態においても同様である。

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。

さらに、カソード電極５２とアノード電極５４とは、互いの寸法を逆にして構成してもよい。すなわち、カソード側電極触媒層５２ｂは、アノード側電極触媒層５４ｂよりも大き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５に示すように、アノード側電極触媒層５４ｂの外周には、額縁状遮断層、例えば、額縁状のガス不透過性フィルム５６が設けられる。ガス不透過性フィルム５６は、電気的絶縁性を有している。このガス不透過性フィルム５６は、さらに金属イオン不透過性を有することが好ましい。ガス不透過性フィルム５６の内周側端部５６ａは、少なくともカソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅと固体高分子電解質膜５０を挟んで重なる位置（図２中、距離Ｓ）に配置される。

第２金属セパレータ２０では、図４に示すように、高電位又は電位勾配が発生し易い部位５８が発電面を周回して存在する。

ガス不透過性フィルム５６は、アノード側電極触媒層５４ｂとアノード側ガス拡散層５４ａとの間から、前記アノード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅを超えて前記アノード側ガス拡散層５４ａと固体高分子電解質膜５０との間に配置される。

なお、ガス不透過性フィルム５６は、アノード側電極触媒層５４ｂと固体高分子電解質膜５０との間に配置してもよい。また、カソード電極５２及びアノード電極５４は、上述した第１の実施形態とは反対の大小関係に設定されるとともに、前記カソード電極５２側にガス不透過性フィルム５６を配置してもよい。以下に説明する第２以降の実施形態においても同様に、カソード電極とアノード電極とガス不透過性フィルムとは、互いの構成を変換することができる。

ガス不透過性フィルム５６は、絶縁性を有するとともに、耐熱水性、耐酸性及び耐熱性に優れた材料が使用される。ガス不透過性フィルム５６としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド又はポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等が使用される。

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。

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及び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、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いる。図２に示すように、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が存在する電極外周から半電極領域近傍（距離Ｓ〜Ｌの範囲）では、高電位又は電位勾配が発生し易い。

そこで、第１の実施形態では、図２及び図５に示すように、アノード側電極触媒層５４ｂの外周には、ガス不透過性フィルム５６が設けられている。そして、ガス不透過性フィルム５６の内周側端部５６ａは、少なくともカソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅと固体高分子電解質膜５０を挟んで重なる位置に配置されている。

従って、カソード側電極触媒層５２ｂの端部付近からアノード側電極触媒層５４ｂのみが存在する外周側に向かって高電位又は電位勾配が発生しても、第２金属セパレータ２０の外側端部から金属イオンの溶出を抑制することができる。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という効果が得られる。しかも、たとえ金属イオンが発生しても固体高分子電解質膜５０への進入を阻止することが可能になる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１０ａを構成する発電セル１２ａ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、その詳細な説明は省略する。

第２の実施形態では、ガス不透過性フィルム５６を備えるとともに、前記ガス不透過性フィルム５６は、固体高分子電解質膜５０の外形寸法と同一の外形寸法を有する。このため、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とともに、固体高分子電解質膜５０の保護が一層確実に遂行される。また、ガス不透過性フィルム５６は、アノード側電極触媒層５４ｂと固体高分子電解質膜５０との間に配置してもよい。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１０ｂを構成する発電セル１２ｂの要部断面説明図である。

第３の実施形態では、第２金属セパレータ２０には、アノード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅに対向して燃料ガス流路４２を構成する燃料ガス流路溝４２ａが配置される。従って、アノード側電極触媒層５４ｂの外周端部５４ｂｅでの燃料ガス及び生成水の滞留を確実に抑制することができるという効果が得られる。

図８は、本発明の第４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。

発電セル６２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５２及びアノード電極５４により挟持する。

アノード側電極触媒層５４ｂの外周には、額縁状遮断層、例えば、額縁状のガス不透過性フィルム５６が設けられるとともに、カソード側電極触媒層５２ｂの外方には、額縁状遮断層、例えば、額縁状のガス不透過性フィルム６６が設けられる。ガス不透過性フィルム６６の内周側端部６６ａは、カソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅに当接して、又は、前記外周端部５２ｂｅとカソード側ガス拡散層５２ａとの間で、該外周端部５２ｂｅに一部を重ねて、配置される。

このように構成される第４の実施形態では、カソード側電極触媒層５２ｂの外方には、額縁状のガス不透過性フィルム６６が設けられている。このため、カソード電極５２において、カソード側電極触媒層５２ｂの外方に滞留水が発生しても、固体高分子電解質膜５０を良好に保護することが可能になる。

また、カソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅに対向して、酸化剤ガス流路溝３８ａが配置されている。従って、外周端部５２ｂｅに対し、酸化剤ガスを確実に供給することができる。なお、カソード側電極触媒層５２ｂ側にのみガス不透過性フィルム６６を配置して、ガス不透過性フィルム５６を不要にしてもよい。

図９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池６７を構成する発電セル６８の要部断面説明図である。なお、第４の実施形態に係る燃料電池６０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。

発電セル６８では、アノード側電極触媒層５４ｂの外周には、ガス不透過性フィルム５６Ｌが設けられとともに、カソード側電極触媒層５２ｂの外方には、額縁状のガス不透過性フィルム６６Ｌが設けられている。ガス不透過性フィルム５６Ｌ、６６Ｌは、固体高分子電解質膜５０と同一の外形寸法に設定される。このため、第５の実施形態では、より確実に固体高分子電解質膜５０の保護が遂行されるという効果が得られる。

なお、ガス不透過性フィルム６６Ｌは、カソード側電極触媒層５２ｂと重なり部を有していてもよい。その際、重なり部は、ガス不透過性フィルム６６Ｌを固体高分子電解質膜５０とカソード側電極触媒層５２ｂとの間に伸ばすことにより構成することができる。一方、重なり部は、ガス不透過性フィルム６６Ｌをカソード側電極触媒層５２ｂとカソード側ガス拡散層５２ａとの間に伸ばすことにより構成することもできる。

図１０は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池７０を構成する発電セル７２の要部断面説明図である。

発電セル７２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）７４と、前記電解質膜・電極構造体７４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７４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極５２及びアノード電極７６により挟持する。

アノード電極７６は、アノード側ガス拡散層７６ａとアノード側電極触媒層（第２電極触媒層）７６ｂとを有する。アノード側電極触媒層７６ｂの外周端部７６ｂｅには、額縁状遮断層、例えば、額縁状の樹脂含浸部７８が、アノード側ガス拡散層７６ａに加熱溶融により含浸して設けられる。樹脂含浸部７８は、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂材料を採用することができる。樹脂含浸部７８は、金属イオン不透過性を有する。この樹脂含浸部７８の表面には、樹脂で覆われた電気絶縁層が設けられることが好ましい。電気絶縁層は、必ずしも全面を覆わなくてもよい。

このように構成される第６の実施形態では、アノード側電極触媒層７６ｂの外周には、樹脂含浸部７８が設けられている。このため、第２金属セパレータ２０の外側端部から金属イオンの溶出を抑制することができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、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以降の実施形態と同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の第７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。

発電セル８２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）８４と、前記電解質膜・電極構造体８４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８４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極８６及びアノード電極７６により挟持する。

カソード電極８６は、カソード側ガス拡散層８６ａとカソード側電極触媒層（第１電極触媒層）８６ｂとを有する。アノード側電極触媒層７６ｂの外周端部７６ｂｅには、樹脂含浸部７８が設けられるとともに、カソード側電極触媒層８６ｂの外周端部８６ｂｅには、額縁状遮断層、例えば、額縁状の樹脂含浸部７８ａがカソード側ガス拡散層８６ａに含浸されて設けられる。

樹脂含浸部７８ａは、カソード側電極触媒層８６ｂの外周端部８６ｂｅに接して、又は、前記外周端部８６ｂｅに一部を重ねて、配置される。

このように構成される第７の実施形態では、カソード側電極触媒層８６ｂの外方には、額縁状の樹脂含浸部７８ａが設けられている。このため、カソード電極８６において、カソード側電極触媒層８６ｂの外方に滞留水が発生しても、固体高分子電解質膜５０を良好に保護することが可能になる等、上記の第４の実施形態と同様の効果が得られる。

図１２は、本発明の第８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（ＭＥＡ）９４と、前記電解質膜・電極構造体９４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９４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極５２及びアノード電極５４により挟持する。

固体高分子電解質膜５０の外周端部には、樹脂製枠部材９６、９８が接合されるとともに、前記樹脂製枠部材９６は、アノード側電極触媒層５４ｂの外周に沿ってアノード側ガス拡散層５４ａに含浸される樹脂含浸部（額縁状遮断層）９６ａを有する。

樹脂製枠部材９６、９８は、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂材料を採用することができる。樹脂含浸部９６ａは、樹脂製枠部材９６に一体に設けられており、加熱及び加圧されることによってアノード側ガス拡散層５４ａに含浸される。

樹脂製枠部材９６、９８により、固体高分子電解質膜５０の露出を防止し、前記固体高分子電解質膜５０を保護することが可能になる。なお、以下に説明する第９の実施形態でも同様である。

このように構成される第８の実施形態では、アノード側電極触媒層５４ｂの外周には、樹脂製枠部材９６の一部がアノード側ガス拡散層５４ａに含浸された樹脂含浸部９６ａが設けられている。従って、第２金属セパレータ２０の外側端部から金属イオンの溶出を抑制することができ、簡単且つ経済的な構成で、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以降の実施形態と同様の効果が得られる。

図１３は、本発明の第９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。

発電セル１０２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１０４と、前記電解質膜・電極構造体１０４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１０４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極５２及びアノード電極５４により挟持する。

アノード側電極触媒層５４ｂの外方には、樹脂製枠部材９６の一部がアノード側ガス拡散層５４ａに含浸された樹脂含浸部９６ａが設けられる。カソード側電極触媒層５２ｂの外方には、樹脂製枠部材９８の一部がカソード側ガス拡散層５２ａに含浸された樹脂含浸部（額縁状絶縁部）９８ａが設けられる。樹脂含浸部９８ａは、カソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅに接して、又は、前記外周端部５２ｂｅに一部を重ねて、配置される。

このように構成される第９の実施形態では、カソード側電極触媒層５２ｂの外方には、額縁状の樹脂含浸部９８ａが設けられている。このため、カソード電極５２において、カソード側電極触媒層５２ｂの外方に滞留水が発生しても、固体高分子電解質膜５０を良好に保護することが可能になる等の効果が得られる。

図１４は、本発明の第１０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（ＭＥＡ）１１４と、前記電解質膜・電極構造体１１４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１１４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極５２及びアノード電極５４により挟持する。

アノード側電極触媒層５４ｂの外方には、より具体的には、アノード側ガス拡散層５４ａと第２金属セパレータ２０との間には額縁状遮断層、例えば、額縁状のガス不透過性フィルム１１６が設けられる。ガス不透過性フィルム１１６の内周側端部１１６ａは、少なくともカソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅと固体高分子電解質膜５０を挟んで重なる位置に配置される。

このように構成される第１０の実施形態では、アノード側ガス拡散層５４ａと第２金属セパレータ２０との間に位置して、ガス不透過性フィルム１１６が設けられている。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以降の実施形態と同様の効果が得られる。

図１５は、本発明の第１１の実施形態に係る燃料電池１１０ａを構成する発電セル１１２ａの要部断面説明図である。

第１１の実施形態では、ガス不透過性フィルム１１６を備えるとともに、前記ガス不透過性フィルム１１６は、固体高分子電解質膜５０の外形寸法と同一の外形寸法を有する。このため、第１１の実施形態では、固体高分子電解質膜５０の保護が一層確実に遂行される。

図１６は、本発明の第１２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（ＭＥＡ）１２４と、前記電解質膜・電極構造体１２４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１２４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極５２及びアノード電極５４により挟持する。

アノード側ガス拡散層５４ａと第２金属セパレータ２０との間には、ガス不透過性フィルム１１６が設けられるとともに、カソード側ガス拡散層５２ａと第１金属セパレータ１８との間には、額縁状遮断層、例えば、額縁状のガス不透過性フィルム１２６が設けられる。ガス不透過性フィルム１２６の内周側端部１２６ａは、積層方向に対してカソード側電極触媒層５２ｂの外周端部５２ｂｅに隣接若しくは一部を重ねるようにして、配置される。

このように構成される第１２の実施形態では、カソード側ガス拡散層５２ａの外方には、額縁状のガス不透過性フィルム１２６が設けられている。このため、固体高分子電解質膜５０を良好に保護することが可能になる等の効果が得られる。

図１７は、本発明の第１３の実施形態に係る燃料電池１２０ａを構成する発電セル１２２ａの要部断面説明図である。

第１３の実施形態では、ガス不透過性フィルム１１６は、固体高分子電解質膜５０の外形寸法と同一の外形寸法を有するとともに、ガス不透過性フィルム１２６は、前記固体高分子電解質膜５０の外形寸法と同一の外形寸法を有する。このため、第１３の実施形態では、固体高分子電解質膜５０の保護が一層確実に遂行される。

図１８は、本発明の第１４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を備える。電解質膜・電極構造体１３４を構成するカソード電極５２では、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、同一の平面寸法に設定され、且つ、固体高分子電解質膜５０よりも小さな平面寸法に設定される。電解質膜・電極構造体１３４を構成するアノード電極５４では、アノード側ガス拡散層５４ａ及びアノード側電極触媒層５４ｂ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の外周端部から外方に延在する外周端部には、ガス不透過性フィルム１３６が、前記カソード電極５２のカソード側電極触媒層５２ｂの外周端部に当接して設けられる。ガス不透過性フィルム１３６は、カソード電極５２と同等の厚さに設定されるとより好ましい。アノード電極５４の凸状シール部４８ｂとの接触部には、アノード側ガス拡散層５４ａとアノード側電極触媒層５４ｂに樹脂含浸が施された樹脂含浸部１３８が設けられる。

このように構成される第１４の実施形態では、上記の第４以降の実施形態と同様の効果が得られる。

図１９は、本発明の第１５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を備える。電解質膜・電極構造体１４４を構成するカソード電極５２では、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、同一の平面寸法に設定され、且つ、固体高分子電解質膜５０よりも小さな平面寸法に設定される。電解質膜・電極構造体１４４を構成するアノード電極５４では、アノード側ガス拡散層５４ａ及びアノード側電極触媒層５４ｂは、同一の平面寸法に設定され、且つ、固体高分子電解質膜５０よりも小さな平面寸法に設定される。アノード電極５４は、カソード電極５２よりも大きな平面寸法に設定される。

アノード電極５４のアノード側電極触媒層５４ｂの外周端部は、燃料ガス流路溝４２ａ内に配置されることが好ましい。燃料ガスや生成水が滞留することがないからである。

固体高分子電解質膜５０のカソード電極５２の外周端部から外方に延在する外周端部には、ガス不透過性フィルム１３６が、前記カソード電極５２のカソード側電極触媒層５２ｂの外周端部に当接して設けられる。固体高分子電解質膜５０のアノード電極５４の外周端部から外方に延在する外周端部には、ガス不透過性フィルム１４６が、前記アノード電極５４のアノード側電極触媒層５４ｂの外周端部に当接して設けられる。ガス不透過性フィルム１４６は、アノード電極５４と同等の厚さに設定されるとより好ましい。

このように構成される第１５の実施形態では、上記の第４以降の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第１４及び第１５の実施形態では、アノード電極５４は、カソード電極５２よりも大きな平面寸法に設定されているが、これとは反対に、前記カソード電極５２は、前記アノード電極５４よりも大きな平面寸法に設定されてもよい。

図２０は、本発明の第１６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。

発電セル１５２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１５４と、前記電解質膜・電極構造体１５４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１５４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極５２及びアノード電極５４により挟持する。

アノード電極５４では、アノード側電極触媒層５４ｂとアノード側ガス拡散層５４ａとは、同一の平面寸法に設定される。カソード電極５２では、カソード側電極触媒層５２ｂの外周部に内周側端部１５６ａを重ねて額縁状遮断層、例えば、額縁状のガス不透過性フィルム１５６が設けられる。ガス不透過性フィルム１５６は、固体高分子電解質膜５０と同一の外形寸法に設定される。

アノード側電極触媒層５４ｂの外周端部は、燃料ガス流路溝４２ａ内に配置されるとともに、カソード側電極触媒層５２ｂの外周端部は、酸化剤ガス流路溝３８ａ内に配置される。ガス不透過性フィルム１５６は、固体高分子電解質膜５０とカソード側電極触媒層５２ｂとの間に配置してもよい。

このように構成される第１６の実施形態では、上記の第４以降の実施形態と同様の効果が得られる。

図２１は、本発明の第１７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。

発電セル１６２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６４と、前記電解質膜・電極構造体１６４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１６４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極１６６及びアノード電極５４により挟持する。

カソード電極１６６は、カソード側電極触媒層１６６ｂと、カソード側ガス拡散層１６６ａとを有する。カソード側ガス拡散層１６６ａの外周端部１６６ａｅには、額縁状遮断層、例えば、額縁状の樹脂含浸部１６８が、カソード側電極触媒層１６６ｂと重なり部を有して前記カソード側ガス拡散層１６６ａに含浸されて設けられる。樹脂含浸部１６８は、カソード側電極触媒層１６６ｂに当接してもよい。カソード側ガス拡散層１６６ａのカソード側電極触媒層１６６ｂの外方と固体高分子電解質膜５０との間には、接着層１６９が設けられる。

このように構成される第１７の実施形態では、カソード電極１６６のみに樹脂含浸部１６８が設けられており、上記の第４以降の実施形態と同様の効果が得られる。

図２２は、本発明の第１８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。

発電セル１７２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１７４と、前記電解質膜・電極構造体１７４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１７４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極５２及びアノード電極５４により挟持する。

カソード電極５２では、カソード側電極触媒層５２ｂとカソード側ガス拡散層５２ａとが同一の平面寸法に設定される。アノード電極５４では、アノード側電極触媒層５４ｂとアノード側ガス拡散層５４ａとが同一の平面寸法に設定される。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とともに、カソード電極５２よりも大きな平面寸法を有する。

電解質膜・電極構造体１７４の外周部には、樹脂製枠部材１７６が接合される。樹脂製枠部材１７６は、電気的絶縁性を有している。この樹脂製枠部材１７６は、さらに金属イオン不透過性を有することが好ましい。樹脂製枠部材１７６は、断面Ｌ字状を有し、積層方向に延在する底面部１７６ａには、アノード電極５４の外周端部及び固体高分子電解質膜５０の外周端部が当接して接合される。樹脂製枠部材１７６の内方に突出する内側端部１７６ｂには、カソード電極５２の外周端部が当接して接合される。カソード電極５２の外周端部には、樹脂含浸された樹脂含浸部１７８ａを設けてもよく、一方、アノード電極５４の外周端部には、樹脂含浸された樹脂含浸部１７８ｂを設けてもよい。

このように構成される第１８の実施形態では、樹脂製枠部材１７６を備えており、特に上記の第８の実施形態と同様の効果が得られる。

図２３は、本発明の第１９の実施形態に係る燃料電池１８０を構成する発電セル１８２の要部断面説明図である。

発電セル１８２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１８４と、前記電解質膜・電極構造体１８４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１８４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極５２及びアノード電極５４により挟持する。

カソード電極５２では、カソード側電極触媒層５２ｂは、カソード側ガス拡散層５２ａよりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記カソード側ガス拡散層５２ａは、固体高分子電解質膜５０と略同一の平面寸法に設定される。アノード電極５４では、アノード側電極触媒層５４ｂとアノード側ガス拡散層５４ａとが同一の平面寸法に設定される。アノード電極５４は、カソード側電極触媒層５２ｂよりも大きな平面寸法で、且つ、カソード側ガス拡散層５２ａよりも小さな平面寸法を有する。

電解質膜・電極構造体１８４の外周部には、樹脂製枠部材１８６が接合される。樹脂製枠部材１８６は、断面Ｌ字状を有し、積層方向に延在する底面部１８６ａには、カソード側ガス拡散層５２ａの外周端部及び固体高分子電解質膜５０の外周端部が当接して接合される。樹脂製枠部材１８６の内方に突出する内側端部１８６ｂには、アノード電極５４の外周端部が当接して接合される。

カソード電極５２の外周端部には、樹脂含浸された樹脂含浸部１８８ａを設けてもよく、一方、アノード電極５４の外周端部には、樹脂含浸された樹脂含浸部１８８ｂを設けてもよい。

このように構成される第１９の実施形態では、樹脂製枠部材１８６を備えており、特に上記の第１８の実施形態と同様の効果が得られる。

図２４は、本発明の第２０の実施形態に係る燃料電池１９０を構成する発電セル１９２の要部断面説明図である。

発電セル１９２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１９４と、前記電解質膜・電極構造体１９４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１９４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極５２及びアノード電極５４により挟持する。

カソード電極５２では、カソード側電極触媒層５２ｂがカソード側ガス拡散層５２ａよりも大きな平面寸法に設定される。アノード電極５４では、アノード側電極触媒層５４ｂとアノード側ガス拡散層５４ａとが同一の平面寸法に設定される。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とともに、カソード電極５２よりも大きな平面寸法を有する。

電解質膜・電極構造体１９４の外周部には、樹脂製枠部材１９６が接合される。樹脂製枠部材１９６は、断面Ｌ字状を有し、積層方向に延在する底面部１９６ａには、アノード電極５４の外周端部及び固体高分子電解質膜５０の外周端部が当接して接合される。樹脂製枠部材１９６の内方に突出する内側端部１９６ｂには、カソード側ガス拡散層５２ａの外周端部が当接して接合される。樹脂製枠部材１９６の内側端部１９６ｂの内面と、固体高分子電解質膜５０との間には、接着層１９８が設けられる。

このように構成される第２０の実施形態では、樹脂製枠部材１９６を備えており、特に上記の第１８及び第１９の実施形態と同様の効果が得られる。

図２５は、本発明の第２１の実施形態に係る燃料電池２００を構成する発電セル２０２の要部断面説明図である。

発電セル２０２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２０４と、前記電解質膜・電極構造体２０４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２０４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極５２及びアノード電極５４により挟持する。

カソード電極５２では、カソード側電極触媒層５２ｂがカソード側ガス拡散層５２ａよりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記カソード側ガス拡散層５２ａは、固体高分子電解質膜５０と略同一の平面寸法に設定される。アノード電極５４では、アノード側電極触媒層５４ｂがアノード側ガス拡散層５４ａよりも大きな平面寸法に設定される。アノード側電極触媒層５４ｂ及びアノード側ガス拡散層５４ａは、カソード側電極触媒層５２ｂよりも大きな平面寸法を有する。

電解質膜・電極構造体２０４の外周部には、樹脂製枠部材２０６が接合される。樹脂製枠部材２０６は、断面Ｌ字状を有し、積層方向に延在する底面部２０６ａには、カソード側ガス拡散層５２ａの外周端部及び固体高分子電解質膜５０の外周端部が当接して接合される。樹脂製枠部材２０６の内方に突出する内側端部２０６ｂには、アノード側ガス拡散層５４ａの外周端部が当接して接合される。

カソード電極５２の外周端部には、樹脂含浸された樹脂含浸部２０７を設けてもよい。樹脂製枠部材２０６の内側端部２０６ｂの内面と、固体高分子電解質膜５０との間には、接着層２０８が設けられる。

このように構成される第２１の実施形態では、樹脂製枠部材２０６を備えており、特に上記の第１８〜第２０の実施形態と同様の効果が得られる。

図２６は、本発明の第２２の実施形態に係る燃料電池２１０を構成する発電セル２１２の要部断面説明図である。

発電セル２１２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２１４と、前記電解質膜・電極構造体２１４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２１４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極５２及びアノード電極５４により挟持する。

アノード電極５４では、アノード側電極触媒層５４ｂとアノード側ガス拡散層５４ａとは、同一の平面寸法に設定される。カソード電極５２では、カソード側電極触媒層５２ｂがカソード側ガス拡散層５２ａよりも小さな平面寸法に設定される。

カソード側ガス拡散層５２ａの外周部には、内周側端部２１６ａを重ねて額縁状遮断層、例えば、額縁状のガス不透過性フィルム２１６が設けられる。内周側端部２１６ａは、積層方向に対してカソード側電極触媒層５２ｂと一部が重なり合う位置に配置される。ガス不透過性フィルム２１６は、固体高分子電解質膜５０と同一の外形寸法に設定される。なお、ガス不透過性フィルム２１６は、固体高分子電解質膜５０よりも小さな外形寸法に設定してもよく、凸状シール部４７ｂに当接しない位置で終端してもよい。

このように構成される第２２の実施形態では、上記の第４以降の実施形態と同様の効果が得られる。

図２７は、本発明の第２３の実施形態に係る燃料電池２２０を構成する発電セル２２２の要部断面説明図である。なお、燃料電池２２０は、第１４の実施形態に係る燃料電池１３０と略同様に構成される。

発電セル２２２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２２４と、前記電解質膜・電極構造体２２４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２２４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極５２及びアノード電極５４により挟持する。

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を有するとともに、カソード側電極触媒層５２ｂは、カソード側ガス拡散層５２ａよりも大きな平面寸法に設定される。固体高分子電解質膜５０の外周端部には、前記固体高分子電解質膜５０と同一の平面寸法を有するガス不透過性フィルム２２６が設けられる。ガス不透過性フィルム２２６の内側端部２２６ａは、カソード側電極触媒層５２ｂと重なり部を有し、及びカソード側ガス拡散層５２ａの外周部に接合されて段差状に構成される。

このように構成される第２３の実施形態では、ガス不透過性フィルム２２６を備えており、特に上記の第１４の実施形態等と同様の効果が得られる。

図２８は、本発明の第２４の実施形態に係る燃料電池２３０を構成する発電セル２３２の要部断面説明図である。なお、燃料電池２３０は、第１５の実施形態に係る燃料電池１４０と略同様に構成される。

発電セル２３２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２３４と、前記電解質膜・電極構造体２３４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２３４は、固体高分子電解質膜５０をカソード電極５２及びアノード電極５４により挟持する。

カソード電極５２は、上記の第２３の実施形態と同様に構成される。アノード電極５４は、アノード側電極触媒層５４ｂが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。カソード電極５２及びアノード電極５４は、固体高分子電解質膜５０よりも小さな平面寸法に設定される。

固体高分子電解質膜５０のアノード電極５４の外周端部から外方に延在する外周端部には、ガス不透過性フィルム２３６が設けられる。ガス不透過性フィルム２３６の内側端部２３６ａは、アノード側電極触媒層５４ｂと重なり部を有し、及びアノード側ガス拡散層５４ａの外周部に接合されて段差状に構成される。アノード電極５４のアノード側電極触媒層５４ｂの外周端部は、燃料ガス流路溝４２ａ内に配置されることが好ましい。カソード電極５２のカソード側電極触媒層５２ｂの外周端部は、酸化剤ガス流路溝３８ａ内に配置されることが好ましい。

このように構成される第２４の実施形態では、ガス不透過性フィルム２２６、２３６を備えており、特に上記の第１５の実施形態等と同様の効果が得られる。

なお、上記の第１〜第２４の実施形態のみの組み合わせ、形状等に限定されず、また額縁状遮断層として、ガス不透過性フィルムや樹脂部材等を使用しているが、それぞれの用途によって組み合わせ、形状等種々選択することが可能である。

図２９は、額縁状遮断層を設ける範囲を規定する本発明の第２５の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータ２４０を示す。なお、第１金属セパレータでも同様である。

第２金属セパレータ２４０では、ガス不透過性フィルムや樹脂部材等の額縁状遮断層が、遮断層範囲２４２に設けられる。遮断層範囲２４２は、発電範囲（カソード側電極触媒層５２ｂとアノード側電極触媒層５４ｂとが固体高分子電解質膜５０を挟んで対向する範囲）の外周から入口バッファ部４５ａ及び出口バッファ部４５ｂを覆う範囲に亘っている。

なお、額縁状遮断層は、カソード側電極触媒層５２ｂ側、アノード側電極触媒層５４ｂ側又は両方であってもよい。以下に説明する第２６の実施形態でも、同様である。

図３０は、額縁状遮断層を設ける範囲を規定する本発明の第２６の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータ２５０を示す。

第２金属セパレータ２５０では、ガス不透過性フィルムや樹脂部材等の額縁状遮断層が、遮断層範囲２５２に設けられる。遮断層範囲２５２は、発電範囲の外周から第２金属セパレータ２５０の全面に亘っている。額縁状遮断層は、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、冷却媒体供給連通孔２８ａ、冷却媒体排出連通孔２８ｂ、燃料ガス供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３０ｂまで拡張して設けられる。なお、額縁状遮断層は、これらの連通孔を設けてもよい。

１０、１０ａ、１０ｂ、６０、６７、７０、８０、９０、１００、１１０、１１０ａ、１２０、１２０ａ、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０…燃料電池
１２、１２ａ、１２ｂ、６２、６８、７２、８２、９２、１０２、１１２、１１２ａ、１２２、１２２ａ、１３２、１４２、１５２、１６２、１７２、１８２、１９２、２０２、２１２、２２２、２３２…発電セル
１６、６４、７４、８４、９４、１０４、１１４、１２４、１３４、１４４、１５４、１６４、１７４、１８４、１９４、２０４、２１４、２２４、２３４…電解質膜・電極構造体
１８、２０、２４０、２５０…金属セパレータ
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
４２…燃料ガス流路４２ａ…燃料ガス流路溝
４６…冷却媒体流路４７、４８…シール部材
５０…固体高分子電解質膜５２、８６、１６６…カソード電極
５２ａ、８６ａ…カソード側ガス拡散層
５２ｂ、８６ｂ、１６６ｂ…カソード側電極触媒層
５４、７６…アノード電極
５４ａ、７６ａ、１６６ａ…アノード側ガス拡散層
５４ｂ、７６ｂ…アノード側電極触媒層
５６、５６Ｌ、６６、６６Ｌ、１１６、１２６、１３６、１４６、１５６、２１６、２２６、２３６…ガス不透過性フィルム
７８、７８ａ、９６ａ、９８ａ、１３８、１６８、１７８ａ、１７８ｂ、１８８ａ、１８８ｂ、２０７…樹脂含浸部
９６、９８、１７６、１８６、１９６、２０６…樹脂製枠部材

Claims

固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が設けられるとともに、前記第１電極触媒層は、前記第２電極触媒層よりも平面寸法が小さく設定される電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持する燃料電池であって、
少なくとも前記第２電極触媒層の外周側には額縁状部材が設けられ、前記額縁状部材の内周側端部は、前記第１電極触媒層の外周及び前記第２電極触媒層の外周と重なる位置に設けられ、
前記額縁状部材は、前記第２電極触媒層と前記第２ガス拡散層との間に配置されるガス不透過性フィルムを有し、
前記第２電極触媒層の外周端部は、前記第２ガス拡散層の外周端部よりも内側に位置することを特徴とする燃料電池。
固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が設けられるとともに、前記第１電極触媒層は、前記第２電極触媒層よりも平面寸法が小さく設定される電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持する燃料電池であって、
少なくとも前記第２電極触媒層の外周側又は前記第１電極触媒層の外周側には額縁状部材が設けられ、前記額縁状部材の内周側端部は、前記第１電極触媒層の外周及び前記第２電極触媒層の外周と重なる位置に設けられ、
前記額縁状部材は、前記第２ガス拡散層に樹脂を含浸して構成される樹脂含浸部を有することを特徴とする燃料電池。
請求項２記載の燃料電池において、前記額縁状部材は、前記第２ガス拡散層の外周に設けられる樹脂枠部材を有し、
前記樹脂含浸部は、前記樹脂枠部材の一部を構成することを特徴とする燃料電池。
固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が設けられるとともに、前記第１電極触媒層は、前記第２電極触媒層よりも平面寸法が小さく設定される電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持する燃料電池であって、
少なくとも前記第２電極触媒層の外周側又は前記第１電極触媒層の外周側には額縁状部材としてガス不透過性フィルムが設けられ、前記ガス不透過性フィルムの内周側端部は、前記第１電極触媒層の外周及び前記第２電極触媒層の外周と重なる位置に設けられ、
前記ガス不透過性フィルムは、前記第２ガス拡散層と前記金属セパレータとの間に設けられることを特徴とする燃料電池。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記第１電極触媒層の外周には、前記額縁状部材に対向して別のガス不透過性フィルム又は樹脂含浸部が設けられることを特徴とする燃料電池。
固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が設けられるとともに、前記第１電極触媒層は、前記第２電極触媒層よりも平面寸法が小さく設定される電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持する燃料電池であって、
少なくとも前記第２電極触媒層の外周側又は前記第１電極触媒層の外周側には額縁状部材が設けられ、前記額縁状部材の内周側端部は、前記第１電極触媒層の外周及び前記第２電極触媒層の外周と重なる位置に設けられ、
前記第１電極触媒層は、前記第１ガス拡散層よりも大きな平面寸法を有し、前記第１ガス拡散層の外周端部に、前記額縁状部材として、樹脂枠部材又はガス不透過性フィルムが設けられ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、少なくとも前記第１電極触媒層又は前記第２電極触媒層の外周端部は、発電面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路を構成する反応ガス流路溝内に配置されることを特徴とする燃料電池。