JP6280531B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面にカソード電極が、他方の面にアノード電極が、それぞれ設けられる電解質膜・電極構造体を有し、前記固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる長方形状の樹脂枠付きＭＥＡと、セパレータとが積層され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。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・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）とを有している。

電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セル（単位燃料電池）を構成している。この発電セルは、所定の数だけ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ている。

燃料電池では、アノード電極やカソード電極を作製する際に、触媒インクの塗工の向きや、固体高分子電解質膜や多孔質カーボンの製造時の長さ方向（ＭＤ）や製造時の幅方向（ＴＤ）における異方性や電極の大きさ、形状等の要因から、クラックが発生し易い。

そこで、触媒層におけるクラックの発生を抑制するために、例えば、特許文献１に開示されている膜接電極接合体の製造方法が提案されている。この製造方法では、触媒インクに用いられる混合溶液は、電解質膜に吸収される量が比較的低くなるように、水比率が調整されている。このため、電解質膜が、溶媒の吸収による膨張と乾燥による収縮とをする際に、不均一な膨張及び収縮を抑制し、前記電解質膜上に形成される触媒層のクラックの発生を抑制することができる、としている。

特開２０１３−０８９４０７号公報

しかしながら、実際上、どのような製造方式によっても、少なからず触媒層にはクラックが存在してしまう。このため、触媒層に発生したクラックを良好に管理することが望まれている。

本発明は、この種の要請に対応してなされたものであり、電極触媒層のクラックを良好に管理することができ、耐久性の向上を容易に図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、固体高分子電解質膜の一方の面にカソード電極が、他方の面にアノード電極が、それぞれ設けられる長方形状の電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されている。

アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス流路と、カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路とは、それぞれ長手方向のみに延在すると共に互いに対向流をなして形成されている。長方形状の長手方向一端側には、燃料ガスを電解質膜・電極構造体とセパレータとの積層方向に排出する燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガスを前記積層方向に供給する酸化剤ガス入口連通孔とが形成されている。長方形状の長手方向他端側には、燃料ガスを積層方向に供給する燃料ガス入口連通孔と、酸化剤ガスを前記積層方向に排出する酸化剤ガス出口連通孔とが形成されている。

そして、電解質膜・電極構造体は、前記固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂枠部材が設けられた樹脂枠付きＭＥＡを構成している。前記電解質膜・電極構造体は、前記樹脂枠部材に配置される長手方向一端側の角部の形状と長手方向他端側の角部の形状とが異なると共に、前記樹脂枠部材に設けられた開口の形状は、前記電解質膜・電極構造体の前記長手方向一端側の角部の形状と前記長手方向他端側の角部の形状と同じである。カソード電極又はアノード電極の少なくとも一方は、前記長手方向一端側の電極触媒層のクラック量であるクラックの長さ又は幅が、前記長手方向一端側を除く前記電極触媒層のクラック量であるクラックの長さ又は幅よりも少なく設定されている。

さらに、この燃料電池では、長手方向一端側は、電極触媒層の長手方向の全長Ｌに対して一端から０．０２×Ｌ〜０．１×Ｌの範囲内である。

さらにまた、この燃料電池では、第１セパレータ、第１樹脂枠付きＭＥＡ、第２セパレータ、第２樹脂枠付きＭＥＡ及び第３セパレータが積層される発電セルを備えることが好ましい。その際、互いに隣接する発電セル間に冷却媒体流路が形成されるとともに、電極触媒層は、前記冷却媒体流路に最も近接するアノード電極に固体高分子電解質膜を挟んで対向するカソード電極の電極触媒層であることが好ましい。

本発明によれば、燃料ガス出口連通孔及び酸化剤ガス入口連通孔側の電極触媒層のクラック量が、燃料ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔側の電極触媒層のクラック量よりも少なく設定されている。このため、燃料ガス出口連通孔及び酸化剤ガス入口連通孔側の電極触媒層のクラック品質の管理が、厳しい基準に基づいて行われている。従って、発電において最も条件が厳しい領域の電極触媒層の損傷を抑制することができ、前記電極触媒層のクラックを良好に管理することが可能になるとともに、電解質膜・電極構造体の耐久性の向上を容易に図ることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記発電セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記発電セルを構成する第１金属セパレータの一方の面の説明図である。 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第１樹脂枠付きＭＥＡの分解斜視説明図である。 前記第１樹脂枠付きＭＥＡの一方の面からの説明図である。 前記第１樹脂枠付きＭＥＡの他方の面からの説明図である。 前記発電セルを構成する第２樹脂枠付きＭＥＡの一方の面からの説明図である。 前記第２樹脂枠付きＭＥＡの他方の面からの説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、発電セル１２を備え、複数の前記発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って積層される。燃料電池１０は、例えば、図示しないが燃料電池電気自動車に搭載される車載用燃料電池スタックとして使用される。

発電セル１２は、第１金属セパレータ１４、第１樹脂枠付きＭＥＡ（樹脂枠付き電解質膜・電極構造体）１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２樹脂枠付きＭＥＡ（樹脂枠付き電解質膜・電極構造体）１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。

第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等により構成される。第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０に代えて、カーボンセパレータを使用してもよい。

図１に示すように、発電セル１２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２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。燃料ガス出口連通孔２４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

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燃料ガス入口連通孔２４ａ及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。

発電セル１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方（酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側）には、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２５ａが上下に設けられる。発電セル１２の短辺方向の両端縁部他方（燃料ガス入口連通孔２４ａ側）には、冷却媒体を排出する一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが上下に設けられる。

図３に示すように、第１金属セパレータ１４の第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路２６が形成される。第１酸化剤ガス流路２６の裏面形状は、冷却媒体流路２７の一部を構成する。

第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）２６ａを有する。第１酸化剤ガス流路２６の入口近傍と出口近傍とには、第１酸化剤ガス入口バッファ部２８ａと第１酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂとが設けられる。

第１酸化剤ガス入口バッファ部２８ａは、三角形状を有するとともに、複数個のエンボス部２８ａｅを設ける。第１酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂは、三角形状を有するとともに、複数個のエンボス部２８ｂｅを設ける。なお、エンボス部２８ａｅ、２８ｂｅは、楕円や四角形でもよい。

第１酸化剤ガス入口バッファ部２８ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝３０ａが形成される。第１酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。

図１に示すように、第２金属セパレータ１８の第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａに向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する第１燃料ガス流路３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３４ａを有する。第１酸化剤ガス流路２６と第１燃料ガス流路３４とは、酸化剤ガスの流れ方向と燃料ガスの流れ方向とが対向流であるとともに、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの流れは、一方向のみである。

第１燃料ガス流路３４の入口近傍と出口近傍とには、第１燃料ガス入口バッファ部３６ａと第１燃料ガス出口バッファ部３６ｂとが設けられる。第１燃料ガス入口バッファ部３６ａ及び第１燃料ガス出口バッファ部３６ｂは、三角形状を有する。

第１燃料ガス入口バッファ部３６ａと燃料ガス入口連通孔２４ａとの間には、複数本の入口連結溝３５ａが形成され、前記入口連結溝３５ａが蓋体３７ａにより覆われる。第１燃料ガス出口バッファ部３６ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間には、複数本の出口連結溝３５ｂが形成され、前記出口連結溝３５ｂが蓋体３７ｂに覆われる。

図４に示すように、第２金属セパレータ１８の第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂに向かう面１８ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路３８が形成される。第２酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３８ａを有する。第２金属セパレータ１８に形成される第２酸化剤ガス流路３８の裏面形状が、第１燃料ガス流路３４の形状である。

第２酸化剤ガス流路３８の入口近傍と出口近傍とには、第２酸化剤ガス入口バッファ部４２ａと第２酸化剤ガス出口バッファ部４２ｂとが設けられる。第２酸化剤ガス入口バッファ部４２ａ及び第２酸化剤ガス出口バッファ部４２ｂは、三角形状を有する。

第２酸化剤ガス入口バッファ部４２ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝４６ａが形成される。第２酸化剤ガス出口バッファ部４２ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝４６ｂが形成される。

図１に示すように、第３金属セパレータ２０の第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する第２燃料ガス流路４８が形成される。第２燃料ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）４８ａを有する。第２酸化剤ガス流路３８と第２燃料ガス流路４８とは、酸化剤ガスの流れ方向と燃料ガスの流れ方向とが対向流であるとともに、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの流れは、一方向のみである。

第２燃料ガス流路４８の入口近傍と出口近傍とには、第２燃料ガス入口バッファ部５０ａと第２燃料ガス出口バッファ部５０ｂとが設けられる。第２燃料ガス入口バッファ部５０ａ及び第２燃料ガス出口バッファ部５０ｂは、略三角形状を有する。

第２燃料ガス入口バッファ部５０ａと燃料ガス入口連通孔２４ａとの間には、複数本の入口連結溝５４ａが形成され、前記入口連結溝５４ａが蓋体５６ａにより覆われる。第２燃料ガス出口バッファ部５０ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間には、複数本の出口連結溝５４ｂが形成され、前記出口連結溝５４ｂが蓋体５６ｂに覆われる。

第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路４８の裏面形状である冷却媒体流路２７の一部が形成される。第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、前記第３金属セパレータ２０に隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂが積層されることにより、冷却媒体流路２７が一体に設けられる。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材５８ａが一体成形される。第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材５８ｂが一体成形される。第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材５８ｃが一体成形される。

第１シール部材５８ａ、第２シール部材５８ｂ及び第３シール部材５８ｃ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ゴムシール部材が用いられる。

第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａは、横長形状（長方形状）を有するとともに、第１電解質膜・電極構造体６０を備える。第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂは、横長形状（長方形状）を有するとともに、第２電解質膜・電極構造体６２を備える。図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体６０及び第２電解質膜・電極構造体６２は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜６４を備える。固体高分子電解質膜６４は、カソード電極６６及びアノード電極６８により挟持される。

カソード電極６６は、アノード電極６８及び固体高分子電解質膜６４の平面寸法よりも小さな平面寸法を有する段差型ＭＥＡを構成している。なお、カソード電極６６、アノード電極６８及び固体高分子電解質膜６４は、段差型ＭＥＡに限定されるものではなく、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極６８は、カソード電極６６及び固体高分子電解質膜６４よりも小さな平面寸法を有してもよい。

図５及び図６に示すように、カソード電極６６の酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ側（長手方向一端側）の両角部には、所定の曲率を有する曲率半径Ｒ１が設定される。カソード電極６６の燃料ガス出口連通孔２４ｂ側（長手方向他端側）の両角部には、所定の曲率を有する曲率半径Ｒ２が設定される。曲率半径Ｒ１と曲率半径Ｒ２とは、異なる寸法に設定される。例えば、Ｒ１＜Ｒ２の関係を有する。なお、Ｒ形状に代えて、それぞれ異なるＣ面を形成してもよい。また、Ｒ１とＲ２との大小関係は、逆でもよく、長手方向一端側と長手方向他端側との角部形状が異なっていればよく、Ｒ形状やＣ面に限定されるものではない。

アノード電極６８の酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ側の両角部には、所定の曲率を有する曲率半径Ｒ３が設定される。アノード電極６８の燃料ガス出口連通孔２４ｂ側の両角部には、所定の曲率を有する曲率半径Ｒ４が設定される。曲率半径Ｒ３と曲率半径Ｒ４とは、好ましくは、異なる寸法に設定される。例えば、Ｒ３＜Ｒ４の関係を有する。また、Ｒ３とＲ４との大小関係は、逆でもよく、長手方向一端側と長手方向他端側との角部形状が異なっていればよく、Ｒ形状やＣ面に限定されるものではない。

図２に示すように、カソード電極６６及びアノード電極６８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜６４の両面に形成される。

第１電解質膜・電極構造体６０には、カソード電極６６の終端部外方に位置して、固体高分子電解質膜６４の外周縁部に第１樹脂枠部材７０が、例えば、接着及び溶着により一体化される。第２電解質膜・電極構造体６２には、カソード電極６６の終端部外方に位置して、固体高分子電解質膜６４の外周縁部に第２樹脂枠部材７２が、例えば、接着及び溶着により一体化される。

第１樹脂枠部材７０及び第２樹脂枠部材７２を構成する樹脂材としては、例えば、電気的絶縁性を有する汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。樹脂材は、例えば、フィルム等により構成してもよい。第１樹脂枠部材７０及び第２樹脂枠部材７２の外形形状は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａを含む各連通孔の内側に配置される寸法に設定される。

図２及び図５に示すように、第１樹脂枠部材７０には、カソード電極６６が収容される内側開口部７３ａとアノード電極６８が収容される外側開口部７３ｂとが形成される。内側開口部７３ａは、カソード電極６６の外形形状と同一形状を有する開口形状を有する。図５に示すように、内側開口部７３ａの長手方向一端側（酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ側）の両角部には、曲率半径Ｒ１が設定されるとともに、長手方向他端側（燃料ガス出口連通孔２４ｂ側）の両角部には、曲率半径Ｒ２が設定される。Ｒ１、Ｒ２は、カソード電極６６の外周形状と同一に設定される。

外側開口部７３ｂは、アノード電極６８の外形形状と同一形状を有する開口形状を有する。外側開口部７３ｂの長手方向一端側（酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ側）の両角部には、曲率半径Ｒ３が設定されるとともに、長手方向他端側（燃料ガス出口連通孔２４ｂ側）の両角部には、曲率半径Ｒ４が設定される。Ｒ３、Ｒ４は、アノード電極６８の外周形状と同一に設定される。

図８に示すように、第２電解質膜・電極構造体６２では、カソード電極６６を構成する電極触媒層に複数個のクラックＣｒが形成されている。カソード電極６６では、長手方向一端側（燃料ガス出口連通孔２４ｂ側）の電極触媒層のクラック量が、長手方向他端側（酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ側）の電極触媒層のクラック量よりも少なく設定される。

具体的には、カソード電極６６の長手方向一端側、すななわち、電極触媒層の長手方向の全長Ｌに対して一端から０．０２×Ｌ〜０．１×Ｌの範囲内の第１領域６６ａ（Ｌｒの範囲）と、その他の第２領域６６ｂとが設定される。０．０２×Ｌ〜０．１×Ｌの範囲内は、最も損傷を受け易い領域である。

本実施形態では、第１領域６６ａのクラックＣｒの長さ又は幅（単独クラックの最大値又は複数クラックの平均値）が、第２領域６６ｂのクラックＣｒの長さ又は幅（単独クラックの最大値又は複数クラックの平均値）よりも小さく設定される。なお、第１電解質膜・電極構造体６０では、上記の第２電解質膜・電極構造体６２と同様に構成される。

図１及び図６に示すように、第１樹脂枠部材７０のカソード電極６６側の面には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１酸化剤ガス流路２６の入口側との間に位置して、入口バッファ部７４ａが設けられる。第１樹脂枠部材７０のカソード電極６６側の面には、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第１酸化剤ガス流路２６の出口側との間に位置して、出口バッファ部７４ｂが設けられる。

入口バッファ部７４ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）７６ａと、第１酸化剤ガス流路２６に近接して設けられる複数本の直線状入口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）７８ａとを有する。出口バッファ部７４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）７６ｂと、第１酸化剤ガス流路２６に近接して設けられる複数本の直線状出口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）７８ｂとを有する。

図７に示すように、第１樹脂枠部材７０のアノード電極６８側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４との間に位置して、入口バッファ部８２ａが設けられる。第１樹脂枠部材７０のアノード電極６８側の面には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４との間に位置して、出口バッファ部８２ｂが設けられる。

入口バッファ部８２ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）８４ａと、第１燃料ガス流路３４に近接して設けられる複数本の直線状入口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）８６ａとを有する。出口バッファ部８２ｂは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）８４ｂと、第１燃料ガス流路３４に近接して設けられる複数本の直線状出口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）８６ｂとを有する。

図１及び図８に示すように、第２樹脂枠部材７２のカソード電極６６側の面には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路３８の入口側との間に位置して入口バッファ部９０ａが設けられる。第２樹脂枠部材７２のカソード電極６６側の面には、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８の出口側との間に位置して、出口バッファ部９０ｂが設けられる。

入口バッファ部９０ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）９２ａと、第２酸化剤ガス流路３８に近接して設けられる複数本の直線状入口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）９４ａとを有する。出口バッファ部９０ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）９２ｂと、第２酸化剤ガス流路３８に近接して設けられる複数本の直線状出口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）９４ｂとを有する。

図９に示すように、第２樹脂枠部材７２のアノード電極６８側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４８との間に位置して、入口バッファ部９８ａが設けられる。第２樹脂枠部材７２のアノード電極６８側の面には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４８との間に位置して、出口バッファ部９８ｂが設けられる。

入口バッファ部９８ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）１００ａと、第２燃料ガス流路４８に近接して設けられる複数本の直線状入口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）１０２ａとを有する。出口バッファ部９８ｂは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して設けられる複数個のエンボス部（又は平坦面でもよい）１００ｂと、第２燃料ガス流路４８に近接して設けられる複数本の直線状出口ガイド流路（又はエンボス部でもよい）１０２ｂとを有する。

発電セル１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電セル１２を構成する第１金属セパレータ１４と、他方の発電セル１２を構成する第３金属セパレータ２０との間には、冷却媒体流路２７が形成される（図１及び図２参照）。

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２２ａには、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２４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａには、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。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部７４ａ及び第１酸化剤ガス入口バッファ部２８ａを通って第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に供給される（図１及び図３参照）。残余の酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部９０ａ及び第２酸化剤ガス入口バッファ部４２ａを通って第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路３８に導入される（図１及び図４参照）。

酸化剤ガスは、図１、図３及び図４に示すように、第１酸化剤ガス流路２６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６０のカソード電極６６に供給される。同様に、酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体６２のカソード電極６６に供給される。

一方、燃料ガスは、図１及び図８に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属セパレータ１８の入口連結溝３５ａを通って入口バッファ部８２ａ及び第１燃料ガス入口バッファ部３６ａに供給される。同様に、燃料ガスは、図１及び図９に示すように、第３金属セパレータ２０の入口連結溝５４ａを通って入口バッファ部９８ａ及び第２燃料ガス入口バッファ部５０ａに供給される。このため、燃料ガスは、第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４及び第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４８に供給される。

燃料ガスは、第１燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体６０のアノード電極６８に供給される。同様に、燃料ガスは、第２燃料ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体６２のアノード電極６８に供給される。

従って、第１電解質膜・電極構造体６０及び第２電解質膜・電極構造体６２では、各カソード電極６６に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極６８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６０及び第２電解質膜・電極構造体６２の各カソード電極６６に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部７４ｂ、９０ｂに排出される。酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂ及び第２酸化剤ガス出口バッファ部４２ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。

第１電解質膜・電極構造体６０及び第２電解質膜・電極構造体６２のアノード電極６８に供給されて一部が消費された燃料ガスは、出口バッファ部８２ｂ、９８ｂに排出される。燃料ガスは、第１燃料ガス出口バッファ部３６ｂ及び第２燃料ガス出口バッファ部５０ｂから出口連結溝３５ｂ、５４ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、上下一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体流路２７に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路２７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６０及び第２電解質膜・電極構造体６２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２５ｂに排出される。

この場合、カソード電極６６では、燃料ガス出口連通孔２４ｂ及び酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側の電極触媒層のクラック量が、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ側の電極触媒層のクラック量よりも少なく設定されている。具体的には、図８に示すように、カソード電極６６の第１領域６６ａのクラックＣｒの長さ又は幅は、前記カソード電極６６の第２領域６６ｂのクラックＣｒの長さ又は幅よりも小さく設定されている。

このため、燃料ガス出口連通孔２４ｂ及び酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側のカソード電極６６を構成する電極触媒層のクラック品質の管理が、厳しい基準に基づいて行われている。従って、発電において最も条件が厳しい領域であるカソード電極６６の電極触媒層の損傷を抑制することができ、前記電極触媒層のクラックＣｒを良好に管理することが可能になる。

しかも、上記のクラック管理は、特に冷却媒体流路２７にアノード電極６８が最も近接する第２電解質膜・電極構造体６２のカソード電極６６に行われている。これにより、第２電解質膜・電極構造体６２の耐久性の向上を容易に図ることができるという効果が得られる。一方、第１電解質膜・電極構造体６０においても、クラックＣｒにより発電時の損傷の程度が影響を受けるため、クラック管理を行うことが好ましい。

さらに、本実施形態では、図５及び図６に示すように、カソード電極６６の酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ側の両角部には、曲率半径Ｒ１が設定されている。一方、カソード電極６６の燃料ガス出口連通孔２４ｂ側の両角部には、曲率半径Ｒ１とは異なる曲率半径Ｒ２が設定されている。例えば、Ｒ１＜Ｒ２の関係を有している。

このため、図５に示すように、第１電解質膜・電極構造体６０を第１樹脂枠部材７０に接合する際、カソード電極６６の向きを反対にして前記第１電解質膜・電極構造体６０と前記第１樹脂枠部材７０とが配置されることがない。同様に、第２電解質膜・電極構造体６２を第２樹脂枠部材７２に接合する際、カソード電極６６の向きを反対にして前記第２電解質膜・電極構造体６２と前記第２樹脂枠部材７２とが配置されることがない。

従って、燃料ガス出口連通孔２４ｂ及び酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側のカソード電極６６を構成する電極触媒層のクラック品質の管理を、厳しい基準に基づいて確実に行うことが可能になる。

１０…燃料電池 １２…発電セル
１４、１８、２０…金属セパレータ １６ａ、１６ｂ…樹脂枠付きＭＥＡ
２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２５ａ…冷却媒体入口連通孔 ２５ｂ…冷却媒体出口連通孔
２６、３８…酸化剤ガス流路 ２７…冷却媒体流路
３４、４８…燃料ガス流路 ６０、６２…電解質膜・電極構造体
６４…固体高分子電解質膜 ６６…カソード電極
６８…アノード電極 ７０、７２…樹脂枠部材
７３ａ…内側開口部 ７３ｂ…外側開口部

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面にカソード電極が、他方の面にアノード電極が、それぞれ設けられる長方形状の電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス流路と、前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路とが、それぞれ長手方向のみに延在すると共に互いに対向流をなして形成され、前記長方形状の長手方向一端側には、前記燃料ガスを前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向に排出する燃料ガス出口連通孔と、前記酸化剤ガスを前記積層方向に供給する酸化剤ガス入口連通孔とが形成され、前記長方形状の長手方向他端側には、前記燃料ガスを前記積層方向に供給する燃料ガス入口連通孔と、前記酸化剤ガスを前記積層方向に排出する酸化剤ガス出口連通孔とが形成される燃料電池であって、
   前記電解質膜・電極構造体は、前記固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂枠部材が設けられた樹脂枠付きＭＥＡを構成しており、
   前記電解質膜・電極構造体は、前記樹脂枠部材に配置される前記長手方向一端側の角部の形状と前記長手方向他端側の角部の形状とが異なると共に、前記樹脂枠部材に設けられた開口の形状は、前記電解質膜・電極構造体の前記長手方向一端側の角部の形状と前記長手方向他端側の角部の形状と同じであり、
   前記カソード電極又は前記アノード電極の少なくとも一方は、前記長手方向一端側の電極触媒層のクラック量であるクラックの長さ又は幅が、前記長手方向一端側を除く前記電極触媒層のクラック量であるクラックの長さ又は幅よりも少なく設定されており、
   前記長手方向一端側は、前記電極触媒層の長手方向の全長Ｌに対して一端から０．０２×Ｌ〜０．１×Ｌの範囲内であることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、第１セパレータ、第１樹脂枠付きＭＥＡ、第２セパレータ、第２樹脂枠付きＭＥＡ及び第３セパレータが積層される発電セルを備え、
   互いに隣接する前記発電セル間に冷却媒体流路が形成されるとともに、
   前記電極触媒層は、前記冷却媒体流路に最も近接する前記アノード電極に前記固体高分子電解質膜を挟んで対向する前記カソード電極の電極触媒層であることを特徴とする燃料電池。

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