JP6663901B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜・電極構造体の外周部に枠部材が設けられた燃料電池に関する。

燃料電池（単位発電セル：以下、発電セルともいう）は、アノード電極、固体高分子電解質膜及びカソード電極を積層した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータと、を備える。積層状態では、アノード電極とセパレータの間に、燃料ガスが供給される燃料ガス流路が設けられ、カソード電極とセパレータの間に、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス流路が設けられる。この発電セルは、例えば、所定の数だけ積層されることにより車載用燃料電池スタックとして使用される。

また近年、電解質膜・電極構造体は、特許文献１に開示されているように、枠部材（サブガスケット）を外周に組み込んだ枠付きＭＥＡとして構成されることもある。枠部材は、高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減するとともに、薄膜状で強度が低い固体高分子電解質膜を保護する。

米国特許第８３９９１５０号明細書

ところで、枠付きＭＥＡにおいて、枠部材の内周部は、ＭＥＡに接合され、枠部材の外周部は、一対のセパレータに設けられた突起状のシール部間に挟持される。このような枠付きＭＥＡでは、枠部材の外周部に対し一対のセパレータが均等的にシールされ、またＭＥＡと一対のセパレータが適度な接触圧で接触している構造が求められる。

特に、酸化剤ガスに空気を用いる場合は、空気中に酸素以外のガス（窒素や二酸化炭素等）が多く含まれるため、燃料電池は、酸化剤ガス流路の酸化剤ガスの供給量が、燃料ガス流路の燃料ガスの供給量よりも多くなる。しかしながら、この構成を実現するために、例えば一対のセパレータのうち一方の反応ガス流路の高さを変えると、セパレータからＭＥＡと枠部材とにそれぞれ付与される圧力が不均等になり、燃料電池の発電性能及び耐久性が低下する等の不都合が生じる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、簡単な構成によってシール性能を良好に機能させつつ、最適な量の酸化剤ガス及び燃料ガスを供給可能とする燃料電池を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、電解質膜の両面に第１電極及び第２電極を備える電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の前記第１電極側に積層された第１セパレータと、前記電解質膜・電極構造体の前記第２電極側に積層された第２セパレータと、を備え、前記第１セパレータと前記第１電極の間に形成される第１流路に第１反応ガスが供給され、前記第２セパレータと前記第２電極の間に形成される第２流路に第２反応ガスが供給される燃料電池であって、前記電解質膜・電極構造体の外周部には、前記外周部を周回し前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に挟持される枠部材が設けられ、前記枠部材は、電解質膜・電極構造体に接合された枠部材側内周部と、枠部材側内周部に連なり該枠部材側内周部よりも厚い枠部材側外周部と、を有し、前記電解質膜・電極構造体に対し前記第２セパレータが形成する前記第２流路の高さは、前記電解質膜・電極構造体に対して前記第１セパレータが形成する前記第１流路の高さよりも高く設定され、且つ前記電解質膜・電極構造体の厚さ方向中心位置と前記枠部材側外周部の厚さ方向中心位置とは、相互にオフセットした位置にあり、前記第１セパレータの前記枠部材側外周部にシールされる第１シール部の高さと、前記第２セパレータの前記枠部材側外周部にシールされる第２シール部の高さと、が同一であり、前記第１シール部は、前記第１セパレータと一体で前記枠部材側外周部に向かって膨出するビードシール構造を形成し、前記第２シール部は、前記第２セパレータと一体で前記枠部材側外周部に向かって膨出するビードシール構造を形成することを特徴とする。

さらに、前記の目的を達成するために、本発明は、電解質膜の両面に第１電極及び第２電極を備える電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の前記第１電極側に積層された第１セパレータと、前記電解質膜・電極構造体の前記第２電極側に積層された第２セパレータと、を備え、前記第１セパレータと前記第１電極の間に形成される第１流路に第１反応ガスが供給され、前記第２セパレータと前記第２電極の間に形成される第２流路に第２反応ガスが供給される燃料電池であって、前記電解質膜・電極構造体の外周部には、前記外周部を周回し前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に挟持される枠部材が設けられ、前記枠部材は、電解質膜・電極構造体に接合された枠部材側内周部と、枠部材側内周部に連なり該枠部材側内周部よりも厚い枠部材側外周部と、を有し、前記電解質膜・電極構造体に対し前記第２セパレータが形成する前記第２流路の高さは、前記電解質膜・電極構造体に対して前記第１セパレータが形成する前記第１流路の高さよりも高く設定され、且つ前記電解質膜・電極構造体の厚さ方向中心位置と前記枠部材側外周部の厚さ方向中心位置とは、相互にオフセットした位置にあり、前記枠部材は、前記枠部材側内周部を有する第１枠状シートと、前記第１枠状シートに接合されて該第１枠状シートとともに前記枠部材側外周部を構成する第２枠状シートと、を含むことを特徴とする。

そして、前記第１枠状シートは、前記電解質膜と前記第１電極又は前記第２電極との間に挟まれて接合されることが好ましい。

またさらに、前記第１電極がアノード電極である一方、前記第２電極がカソード電極であり、前記第１流路は、前記第１反応ガスである水素含有ガスを前記アノード電極に供給し、前記第２流路は、前記第２反応ガスである酸素含有ガスを前記カソード電極に供給することが好ましい。

さらにまた、前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、触媒層と、ガス拡散層とを相互に積層した構造であり、前記カソード電極の前記触媒層の厚さは、前記アノード電極の前記触媒層の厚さよりも厚いとよい。

本発明によれば、燃料電池は、第２セパレータが形成する第２流路の高さが、第１セパレータが形成する第１流路よりも高いことで、第２流路に供給される第２反応ガスの流量を増加させることができる。すなわち、反応に寄与するガス以外のガス成分（窒素や二酸化炭素等）が第２反応ガスに混じっていても、反応に寄与するガスを充分に供給して、電解質膜・電極構造体における発電を良好に行うことができる。しかも、電解質膜・電極構造体の厚さ方向中心位置と枠部材側外周部の厚さ方向中心位置が、相互にオフセットした位置に配置されている。これにより、第１セパレータが形成する第１流路よりも第２セパレータが形成する第２流路が高い構造でも、枠部材側外周部において各セパレータと枠部材のシール性能を良好に機能させることができる。このため、燃料電池は、発電性能及び耐久性を大幅に高めることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る発電セルの要部分解斜視図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。 燃料電池システムの全体概略図である。 本発明の第２実施形態に係る発電セルの要部を示す断面図である。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１に示すように、第１実施形態に係る発電セル（燃料電池）１２は、枠付き電解質膜・電極構造体１０（以下、枠付きＭＥＡ１０という）と、枠付きＭＥＡ１０の両面に配置された第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６と、を備える。発電セル１２は、例えば、横長（又は縦長）の長方形状の固体高分子型燃料電池である。複数の発電セル１２は、矢印Ａ方向（水平方向）に積層されて燃料電池スタック１１ａが構成される。なお、複数の発電セル１２は重力方向に積層されてもよい。燃料電池スタック１１ａは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（不図示）に搭載される。

枠付きＭＥＡ１０は、電解質膜・電極構造体１０ａ（以下、「ＭＥＡ１０ａ」という）を備える。ＭＥＡ１０ａは、電解質膜１８と、電解質膜１８の両面にそれぞれ配置されるアノード電極（第１電極）２０及びカソード電極（第２電極）２２を有する。

また発電セル１２は、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により枠付きＭＥＡ１０を挟持している。第１セパレータ１４及び第２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をプレス成形して断面を凹凸形状に形成する、カーボン部材を成形又は切削加工する等して構成される。

発電セル１２の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス（第２反応ガス）、例えば、空気等の酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔３２ａは、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス（第１反応ガス）、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

発電セル１２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３４ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１セパレータ１４の枠付きＭＥＡ１０に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路（第１流路）３８が設けられる（図２も参照）。具体的に、燃料ガス流路３８は、第１セパレータ１４とアノード電極２０との間に形成される。燃料ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）を有する。

第２セパレータ１６の枠付きＭＥＡ１０に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路（第２流路）３６が設けられる（図２も参照）。具体的に、酸化剤ガス流路３６は、第２セパレータ１６とカソード電極２２との間に形成される。酸化剤ガス流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）を有する。

また、複数の発電セル１２は、積層された状態で互いに隣接する第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間に、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通し矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路４０を形成する。

図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ（枠付きＭＥＡ１０と対向する面）には、燃料ガス流路３８を形成する凸部３９が複数設けられる。凸部３９は、アノード電極２０側に向かって膨出するとともにアノード電極２０に当接する。第２セパレータ１６の面１６ａ（枠付きＭＥＡ１０と対向する面）には、酸化剤ガス流路３６を形成する凸部３７が複数設けられる。凸部３７は、カソード電極２２側に向かって膨出するとともにカソード電極２２に当接する。つまり凸部３７と凸部３９は対向し、その間にＭＥＡ１０ａが挟持される。

また本実施形態において、第２セパレータ１６の凸部３７の高さＳＨ２は、第１セパレータ１４の凸部３９の高さＳＨ１よりも高くなっている。これに対し、第１及び第２セパレータ１４、１６の凸部３７、３９の平坦部（アノード電極２０及びカソード電極２２に接触する部分、及びセパレータ同士が接触する部分）の幅は互いに同一である。このため、第２セパレータ１６が形成する酸化剤ガス流路３６の流路断面積は、第１セパレータ１４が形成する燃料ガス流路３８の流路断面積よりも大きくなっている。

ＭＥＡ１０ａの電解質膜１８は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）であり、固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜を適用するとよい。なお、電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

アノード電極２０は、電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される第１電極触媒層２０ａと、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及び第１ガス拡散層２０ｂは、互いに同一の平面寸法（外形寸法）を有するとともに、電解質膜１８及びカソード電極２２よりも大きな平面寸法に設定される。

カソード電極２２は、電解質膜１８の他方の面１８ｂに接合される第２電極触媒層２２ａと、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及び第２ガス拡散層２２ｂは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜１８と同一の平面寸法に設定される。従って、電解質膜１８の面方向（図２で矢印Ｃ方向）において、カソード電極２２の外周端２２ｅは、電解質膜１８の外周端１８ｅと同じ位置にある。

カソード電極２２の外周端２２ｅ及び電解質膜１８の外周端１８ｅは、全周に亘ってアノード電極２０の外周端２０ｅよりも内方に位置する。なお、カソード電極２２は、アノード電極２０よりも大きな平面寸法に設定され、カソード電極２２の外周端２２ｅは、全周に亘ってアノード電極２０の外周端２０ｅよりも外方に位置してもよい（図４も参照）。あるいは、アノード電極２０とカソード電極２２は、同一の平面寸法に設定され、アノード電極２０の外周端２０ｅと、カソード電極２２の外周端２２ｅは、電解質膜１８の面方向（図２で矢印Ｃ方向）において、同一位置にあってもよい。

第１電極触媒層２０ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第１ガス拡散層２０ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層２２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第２ガス拡散層２２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層２２ａの平面寸法は、第１電極触媒層２０ａの平面寸法よりも小さく設定される。

第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成される。第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法は、第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法よりも小さく設定される。

そして本実施形態において、第２電極触媒層２２ａの厚さＣＴ２は、第１電極触媒層２０ａの厚さＣＴ１よりも厚く設定されている。これに対し、第１ガス拡散層２０ｂと第２ガス拡散層２２ｂの厚さは、互いに同じである。従って、アノード電極２０よりもカソード電極２２のほうが若干厚くなっている。つまり、ＭＥＡ１０ａの厚さ方向中心位置ＭＯは、電解質膜１８の厚さ方向中心位置からカソード電極２２側に寄っている。なお、第１電極触媒層２０ａと第１ガス拡散層２０ｂの間、第２電極触媒層２２ａと第２ガス拡散層２２ｂとの間に導電性多孔質層を介装させてもよい。

図１及び図２に示すように、枠付きＭＥＡ１０は、電解質膜１８の外周を周回するとともに、アノード電極２０及びカソード電極２２に接合される枠部材（サブガスケット）２４をさらに備える。枠部材２４は、枠部材側外周部２５において厚さが異なる２枚の枠状シートを有する。具体的には、枠部材２４の枠部材側外周部２５から内側に延在してＭＥＡ１０ａの外周部に接合される第１枠状シート２４ａと、この第１枠状シート２４ａの外周部２４ａｏに接合される第２枠状シート２４ｂと、を有する。第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとは、接着剤からなる接着層２４ｃにより、厚さ方向に互いに接合されている。これにより、枠部材２４の枠部材側外周部２５は、枠部材２４の枠部材側内周部２６よりも厚く構成される。

第１枠状シート２４ａは、第２枠状シート２４ｂよりも薄く形成されている。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、第２枠状シート２４ｂに接合される外周部２４ａｏから内方に延在し、ＭＥＡ１０ａの内部に配置されて接合される枠部材側内周部２６を構成している。

具体的に、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、電解質膜１８の外周部１８ｃとアノード電極２０の外周部２０ｃとの間に挟持される。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎと電解質膜１８の外周部１８ｃとは、接着層２４ｃを介して接合される。

このため、アノード電極２０には、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅに対応する位置に段差が形成される。つまり、アノード電極２０は、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２１ａと電解質膜１８に重なる領域２１ｂとの間に傾斜領域２１ｃを有する。傾斜領域２１ｃにおける第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、電解質膜１８に対して傾斜している。

アノード電極２０において、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２１ａの第１セパレータ１４側の面は、電解質膜１８に重なる領域２１ｂの第１セパレータ１４側の面よりも、電解質膜１８から離間した位置にある。

一方、カソード電極２２は、電解質膜１８に重なる領域２３ｂから第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２３ａに亘って、平坦状に形成される。従って、電解質膜１８に重なる領域２３ｂから第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２３ａに亘って、第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂは、電解質膜１８と平行である。なお、カソード電極２２は、アノード電極２０の傾斜領域２１ｃに対応する領域に傾斜領域を有していてもよい。

第１枠状シート２４ａの外周部２４ａｏの厚さＦＴ１（接着層２４ｃの中心から第１枠状シート２４ａの外側までの厚さ）と第２枠状シート２４ｂの厚さＦＴ２（接着層２４ｃの中心から第２枠状シート２４ｂの外側までの厚さ）は、ＦＴ１＜ＦＴ２の関係に設定されている。そのため、枠部材２４の枠部材側外周部２５は、枠部材側内周部２６に比べて充分に厚くなっている。そして、枠部材側外周部２５の厚さ方向中心位置ＦＯは、第２枠状シート２４ｂ内に位置している。

ここで、枠部材２４の枠部材側外周部２５の厚さ方向中心位置ＦＯと、ＭＥＡ１０ａの厚さ方向中心位置ＭＯとは、側面断面視で、相互にずれている（オフセットしている）。例えば、枠部材２４の厚さ方向中心位置ＦＯは、ＭＥＡ１０ａの厚さ方向中心位置ＭＯよりも第２セパレータ１６側に寄っている。換言すれば、発電セル１２は、枠部材２４の枠部材側外周部２５の配置位置及び厚さと、ＭＥＡ１０ａの配置位置及び厚さとが互いにずれて各セパレータ１４、１６に挟持される。枠部材２４の厚さ方向中心位置ＦＯとＭＥＡ１０ａの厚さ方向中心位置ＭＯとのずれ量αは、ＭＥＡ１０ａと枠部材側外周部２５を含む発電セル１２の厚さや各セパレータ１４、１６の厚さ等を勘案して設計されるとよい。

第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅは、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅよりも外方（ＭＥＡ１０ａから離れる方向）に位置するとともに、アノード電極２０の外周端２０ｅ及びカソード電極２２の外周端２２ｅよりも外方に位置する。第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅと、カソード電極２２の外周端２２ｅとの間には、隙間Ｇが形成されている。隙間Ｇは、後述する流路３６ａの一部を構成する。

第１枠状シート２４ａ及び第２枠状シート２４ｂは樹脂材料により構成される。第１枠状シート２４ａ及び第２枠状シート２４ｂの構成材料としては、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）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィン等が挙げられる。

接着層２４ｃは、第１枠状シート２４ａの第２枠状シート２４ｂ側（カソード側）の面２４ａｓに、全面に亘って設けられる。第１枠状シート２４ａは、上述した隙間Ｇの箇所で、接着層２４ｃを介して隙間Ｇ（流路３６ａ）に露出する。接着層２４ｃを構成する接着剤としては、例えば、液状接着剤やホットメルトシートが設けられる。なお、接着剤は、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。

第１セパレータ１４の面１４ａには、この第１セパレータ１４の外周部を周回する第１シールライン４２（メタルビードシール：第１シール部）が設けられる。第１シールライン４２は、第１セパレータ１４と一体で枠部材２４に向かって膨出しており、弾性変形しながら第１枠状シート２４ａの外周部２４ａｏ（第２枠状シート２４ｂと重なる領域）に気密且つ液密に当接する。第１シールライン４２は、外側ビード部４２ａと、外側ビード部４２ａよりも内側に設けられた内側ビード部４２ｂと、を有する。なお、第１シールライン４２は、外側ビード部４２ａと内側ビード部４２ｂのいずれか一方のみで構成されてもよい。また、第１シールライン４２と第１枠状シート２４ａとの間に樹脂材料を塗布してもよい。

内側ビード部４２ｂは、燃料ガス流路３８、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂを周回し且つこれらを連通させる。各ビード部４２ａ、４２ｂは、側面断面視で、燃料ガス流路３８を形成する凸部３９と同様に、枠部材２４側に向かって幅狭となり、その突出端が平坦状の台形に形成されている。第１シールライン４２よりも内方（ＭＥＡ１０ａ側）で、第１セパレータ１４と枠部材２４との間に形成された流路３８ａは、燃料ガス流路３８と連通し、燃料ガスが供給される。

第２セパレータ１６の面１６ａには、この第２セパレータ１６の外周部を周回する第２シールライン４４（メタルビードシール：第２シール部）が設けられる。第２シールライン４４は、第２セパレータ１６と一体で枠部材２４に向かって膨出しており、弾性変形しながら第２枠状シート２４ｂに気密及び液密に当接する。第１シールライン４２と第２シールライン４４は、枠部材２４を介して対向し合って、その間に枠部材２４を挟持する。第２シールライン４４も、外側ビード部４４ａと、外側ビード部４４ａよりも内側に設けられた内側ビード部４４ｂとを有する。なお、第２シールライン４４と第２枠状シート２４ｂとの間に樹脂材料を塗布してもよい。

内側ビード部４４ｂは、酸化剤ガス流路３６、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを周回し且つこれらを連通させる。各ビード部４４ａ、４４ｂは、側面断面視で、酸化剤ガス流路３６を形成する凸部３７と同様に、枠部材２４側に向かって幅狭となり、その突出端が平坦状の台形に形成されている。第２シールライン４４よりも内方（ＭＥＡ１０ａ側）で、第２セパレータ１６と枠部材２４との間に形成された流路３６ａは、酸化剤ガス流路３６と連通し、酸化剤ガスが供給される。第１シールライン４２及び第２シールライン４４は、弾性を有するゴム材料をセパレータ１４、１６に一体化で形成した構成でもよい。

また、第１シールライン４２の各ビード部４２ａ、４２ｂの高さＢＨ１と第２シールライン４４の各ビード部４４ａ、４４ｂの高さＢＨ２は、相互に同一に設定されている。すなわち、枠部材２４と各セパレータ１４、１６の接合部分において、第１シールライン４２と第２シールライン４４が同じ高さＢＨ１＝ＢＨ２となっている。その一方で、電解質膜１８と各セパレータ１４、１６が積層されるアクティブエリアは、燃料ガス流路３８を形成する凸部３９の高さＳＨ１に対し、酸化剤ガス流路３６を形成する凸部３７の高さＳＨ２が高く設定されている。

さらに、第１セパレータ１４において、燃料ガス流路３８を形成する凸部３９の底部と、第１シールライン４２の各ビード部４２ａ、４２ｂの底部とは、同一面（同じ高さ）となるように設定される。同様に、第２セパレータ１６において、酸化剤ガス流路３６を形成する凸部３７の底部と、第２シールライン４４の各ビード部４４ａ、４４ｂの底部とは、同一面（同じ高さ）となるように設定される。

図３に示すように、燃料電池システム１１は、上述の燃料電池スタック１１ａと、燃料電池スタック１１ａに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置５０と、燃料電池スタック１１ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置５２と、燃料電池スタック１１ａに冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置５４と、を備える。

酸化剤ガス供給装置５０は、燃料電池スタック１１ａに設けられた酸化剤ガス供給マニホールド５８ａを介して酸化剤ガス入口連通孔３０ａ（図１参照）に連通する酸化剤ガス供給配管６４ａと、燃料電池スタック１１ａに設けられた酸化剤ガス排出マニホールド５８ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ（図１参照）に連通する酸化剤ガス排出配管６４ｂとを有する。酸化剤ガス供給配管６４ａには、エアポンプ６６が配設される。酸化剤ガス排出配管６４ｂには、背圧調整弁６８が配設される。

酸化剤ガス供給配管６４ａ及び酸化剤ガス排出配管６４ｂには、供給する空気を加湿する加湿器６７が配設される。酸化剤ガス供給配管６４ａにおいて、エアポンプ６６は、加湿器６７よりも上流側に配設される。酸化剤ガス排出配管６４ｂにおいて、加湿器６７よりも下流側には、背圧調整弁６８が配設される。燃料電池システム１１の制御部７０は、例えば、エアポンプ６６の動作速度と背圧調整弁６８の弁開度の少なくとも一方を制御することにより、酸化剤ガス流路３６を流通する酸化剤ガスの圧力を制御する。

燃料ガス供給装置５２は、燃料電池スタック１１ａに設けられた燃料ガス供給マニホールド６０ａを介して燃料ガス入口連通孔３４ａ（図１参照）に連通する燃料ガス供給配管７２ａと、燃料電池スタック１１ａに設けられた燃料ガス排出マニホールド６０ｂを介して燃料ガス出口連通孔３４ｂ（図１参照）に連通する燃料ガス排出配管７２ｂとを有する。

燃料ガス供給配管７２ａの上流には、高圧の水素を貯留する水素タンク７４が配置される。燃料ガス供給配管７２ａにおいて、燃料ガス供給マニホールド６０ａと水素タンク７４との間には、封止弁７６、圧力調整弁７７及びエゼクタ７８が配設される。エゼクタ７８と燃料ガス排出配管７２ｂには、水素循環路８０が接続される。水素循環路８０には、水素循環用の水素ポンプ８２が配設される。制御部７０は、水素ポンプ８２の駆動速度を制御することにより、燃料ガス流路３８を流通する燃料ガスの流量を制御する。

冷却媒体供給装置５４は、燃料電池スタック１１ａに冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環路８４を備える。冷却媒体循環路８４は、燃料電池スタック１１ａに設けられた冷却媒体供給マニホールド６２ａを介して冷却媒体入口連通孔３２ａ（図１参照）に連通するとともに、冷却媒体排出マニホールド６２ｂを介して冷却媒体出口連通孔３２ｂ（図１参照）に連通する。冷却媒体循環路８４には、ラジエータ８６及び冷却ポンプ８８が配置される。制御部７０は、冷却ポンプ８８の駆動速度を制御することにより、冷却媒体流路４０を流通する冷却媒体の流量を制御する。

本実施形態に係る発電セル（燃料電池）１２は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下、発電セル１２の製造、及びこの発電セル１２を適用した燃料電池システム１１の動作について説明する。

発電セル１２は、まず、電解質膜１８とアノード電極２０の間に枠部材２４を挟んで相互に接合して枠付きＭＥＡ１０を製造する。この場合、枠部材２４の接着層２４ｃが電解質膜１８に接着される。続いて、枠付きＭＥＡ１０の一方の面に第１セパレータ１４を配置するとともに、枠付きＭＥＡ１０の他方の面に第２セパレータ１６を配置して、枠付きＭＥＡ１０を挟持し、ビードシール構造を形成する。ビードシールに代えて弾性を有するゴム材料から成るシールを用いてもよい。この場合シールの高さは同じである。

ここで上述したように、発電セル１２は、第１セパレータ１４の第１シールライン４２の各ビード部４２ａ、４２ｂの高さＢＨ１と、第２セパレータ１６の第２シールライン４４の各ビード部４４ａ、４４ｂの高さＢＨ２とが同じ高さに設定されている（ＢＨ１＝ＢＨ２）。このため、各セパレータ１４、１６の各シールライン４２、４４が、枠部材２４を両側から良好に押し合って相互に密着させることができる。

製造後の発電セル１２は、第２セパレータ１６の凸部３７の高さＳＨ２が第１セパレータ１４の凸部３９の高さＳＨ１よりも高い一方で、各セパレータ１４、１６に挟持されるＭＥＡ１０ａの厚さ方向中心位置ＭＯと、枠部材２４の枠部材側外周部２５の厚さ方向中心位置ＦＯとがずれている。従って、各セパレータ１４、１６は、凸部３７、３９の高さが相互に異なっても、ＭＥＡ１０ａに対しオフセットされた枠部材２４によって両側に配置された第１シールライン４２と第２シールライン４４から同じ接触圧が付与され良好なシール機能を発揮する。また、各セパレータ１４、１６は、アノード電極２０とカソード電極２２に対して同程度の接触圧を面方向に亘ってかけることができ、積層構造の圧力を良好に均一化させることが可能となる。

燃料電池システム１１は、上記の発電セル１２を複数積層した燃料電池スタック１１ａを用いて構成される。図３に示すように、酸化剤ガス供給装置５０では、エアポンプ６６の駆動作用下に、酸化剤ガス供給配管６４ａに空気が送られる。この空気は、加湿器６７を通って加湿された後、酸化剤ガス供給マニホールド５８ａを介して酸化剤ガス入口連通孔３０ａ（図１参照）に供給される。加湿器６７は、酸化剤ガス排出マニホールド５８ｂから排出された水分と熱を、供給される空気に添加する。

一方、燃料ガス供給装置５２では、封止弁７６の開放下に、水素タンク７４から燃料ガス供給配管７２ａに燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド６０ａを介して燃料ガス入口連通孔３４ａ（図１参照）に供給される。

また、冷却媒体供給装置５４では、冷却ポンプ８８の作用下に、冷却媒体循環路８４から冷却媒体入口連通孔３２ａ（図１参照）に冷却媒体が供給される。

従って、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸化剤ガスが供給され、燃料ガス入口連通孔３４ａに燃料ガスが供給され、冷却媒体入口連通孔３２ａに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３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動してＭＥＡ１０ａのカソード電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ１０ａのアノード電極２０に供給される。

従って、ＭＥＡ１０ａでは、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２０に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層２２ａ及び第１電極触媒層２０ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

ここで、酸化剤ガスには、酸素以外にも窒素や二酸化炭素等が含まれる。このため、発電セル１２は、燃料ガス流路３８に供給する燃料ガスの流量よりも酸化剤ガス流路３６に供給する酸化剤ガスの流量のほうが大きいことが好ましい。本実施形態では、図２に示すように、第２セパレータ１６の凸部３７の高さＳＨ２が、第１セパレータ１４の凸部３９の高さＳＨ１よりも高くなっていることで、例えば、酸化剤ガス流路３６及び燃料ガス流路３８に供給する反応ガスの圧力が同程度のまま、酸化剤ガスの流量を増加させることができる。なお、酸化剤ガス流路３６及び燃料ガス流路３８の反応ガスの圧力は、燃料電池システム１１の運転状態等により差圧が発生してもよい。

また本実施形態では、カソード電極２２の第２電極触媒層２２ａの厚さが、アノード電極２０の第１電極触媒層２０ａの厚さよりも厚くなっている。このため、カソード電極２２側の反応性をアノード電極２０側よりも高めることができる。

図１に戻り、発電で消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、発電で消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂ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３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、各セパレータ１４、１６及びＭＥＡ１０ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

以上のように、本実施形態に係る発電セル１２（燃料電池）は、第２セパレータ１６が形成する酸化剤ガス流路３６の高さが、第１セパレータ１４が形成する燃料ガス流路３８の高さよりも高いことで、酸化剤ガス流路３６に供給される酸化剤ガスの流量を増加させることができる。すなわち、反応に寄与するガス以外のガス成分（窒素や二酸化炭素等）が酸化剤ガスに混じっていても、酸素を充分に供給して、ＭＥＡ１０ａにおける発電を良好に行うことができる。しかも、発電セル１２は、ＭＥＡ１０ａの厚さ方向中心位置ＭＯと枠部材２４の枠部材側外周部２５の厚さ方向中心位置ＦＯとが、相互にオフセットした位置に配置される。これにより、第１セパレータ１４が形成する燃料ガス流路３８よりも第２セパレータ１６が形成する酸化剤ガス流路３６が高い構造でも、枠部材側外周部２５において各セパレータ１４、１６と枠部材２４のシール性能を良好に機能させることができる。このため、発電セル１２は、発電性能及び耐久性を大幅に高めることが可能となる。

また、発電セル１２は、第１シールライン４２の各ビード部４２ａ、４２ｂの高さと第２シールライン４４の各ビード部４４ａ、４４ｂの高さが同一であることで、ビードシール時に、第１シールライン４２と第２シールライン４４から枠部材２４に対して同じ接触圧を付与してシールすることができる。そのため、ＭＥＡ１０ａ及び枠部材２４に対し各セパレータ１４、１６を、設計どおりの圧力で良好に挟持することが可能となる。

さらに、第１及び第２シールライン４２、４４は、ビードシール構造を形成することで、枠部材２４に良好に接合される。これにより、第１及び第２シールライン４２、４４の内側におけるＭＥＡ１０ａと、第１及び第２セパレータ１４、１６との積層構造を安定的に形成することができる。

あるいは、第１及び第２シールライン４２、４４は、弾性を有するゴム材料により構成されることでも、ＭＥＡ１０ａと、第１及び第２セパレータ１４、１６との積層構造を安定的に形成することができる。

そして、発電セル１２は、電解質膜１８とアノード電極２０の間に第１枠状シート２４ａが挟まれることで、ＭＥＡ１０ａと枠部材２４のオフセット状態を良好に構築しつつ、ＭＥＡ１０ａと枠部材２４を強固に固定することができる。

第２セパレータ１６の高さが第１セパレータ１４よりも高い発電セル１２は、酸化剤ガス流路３６の流路断面積を簡単に大きくして、各セパレータ１４、１６が積層支持し合う構造を構築することができる。従って、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスの流量を増やして、ＭＥＡ１０ａの発電効率をより高めることができる。

発電セル１２は、カソード電極２２の第２電極触媒層２２ａの厚さがアノード電極２０の第１電極触媒層２０ａの厚さよりも厚いことで、カソード電極２２側の反応性をアノード電極２０側よりも高めることができる。

発電セル１２は、カソード電極２２の第２ガス拡散層２２ｂの厚さがアノード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂの厚さと同じであることで、素材を共用化して利用できる。発電セル１２により燃料電池スタック１１ａを構成する場合に、燃料電池スタック１１ａの小型化や（負荷電流に依存する）発電性能の向上等を図ることができる。

〔第２実施形態〕
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態に係る発電セル（燃料電池）１２Ａについて説明する。なお、以降の説明において、第１実施形態に係る発電セル１２と同一の構成又は同一の機能を有する構成については、同一の符号を付しその詳細な説明は省略する。

この発電セル１２Ａは、電解質膜１８とカソード電極２２の間に、枠部材９０の枠部材側内周部２６を接合した構成となっている点で、第１実施形態に係る発電セル１２と異なる。この場合、アノード電極２０は、電解質膜１８に重なる領域２１ｂから第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２１ａに亘って平坦状に形成されるとよい。なお、アノード電極２０は、カソード電極２２の傾斜領域２３ｃに対応する領域に傾斜領域を有していてもよい。

一方、カソード電極２２は、電解質膜１８に重なる領域２３ｂと第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２３ａとの間に、電解質膜１８に対して傾斜する傾斜領域２３ｃを有するとよい。また、カソード電極２２の平面寸法は、アノード電極２０の平面寸法よりも大きく設定されている（カソード電極２２の外周端２２ｅがアノード電極２０の外周端２０ｅの外方に位置している）。

また、発電セル１２Ａの枠部材９０は、枠部材側外周部２５において、第１枠状シート２４ａが第２セパレータ１６側に位置し、第２枠状シート２４ｂが第１セパレータ１４側に位置している。そして、枠部材９０の第１枠状シート２４ａの外周部２４ａｏの厚さＦＴ１と、第２枠状シート２４ｂの厚さＦＴ２を同じ寸法としている（ＦＴ１＝ＦＴ２）。これにより第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂを接着する接着層２４ｃの中央に、枠部材９０の厚さ方向中心位置ＦＯが位置するようになる。また、枠部材９０の厚さ方向中心位置ＦＯは、ＭＥＡ１０ａのアクティブエリアの厚さ方向中心位置ＭＯに対してオフセットして配置される。

すなわち、発電セル１２Ａは、外周部における第１セパレータ１４、第２セパレータ１６及び枠部材９０の積層状態で、第１シールライン４２の各ビード部４２ａ、４２ｂの高さＢＨ１と第２シールライン４４の各ビード部４４ａ、４４ｂの高さＢＨ２が等しく、且つ第１枠状シート２４ａの厚さＦＴ１と第２枠状シート２４ｂの厚さＦＴ２が等しい。これにより、発電セル１２Ａは、第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂに対し各セパレータ１４、１６が良好に押し合って相互に密着する。このため、ビードシール部分よりも内方側のアノード電極２０とカソード電極２２に対して各セパレータ１４、１６は同程度の接触圧を面方向に亘ってかけることができ、積層構造の圧力を良好に均一化させることが可能となる。

なお、本発明は、上述の第１及び第２実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、発電セル１２は、ＭＥＡ１０ａと第１セパレータ１４との間に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３６を備え、ＭＥＡ１０ａと第２セパレータ１６との間に燃料ガスを供給する燃料ガス流路３８を備えた構成（つまり、アノード電極２０とカソード電極２２の配置が逆の構成）としてもよい。この場合でも、第２セパレータ１６の高さを第１セパレータ１４の高さよりも高く設定した構成を採用し得る。

１０…枠付き電解質膜・電極構造体（枠付きＭＥＡ）
１０ａ…電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）
１１…燃料電池システム １２、１２Ａ…発電セル（燃料電池）
１４…第１セパレータ １６…第２セパレータ
１８…電解質膜 ２０…アノード電極
２０ａ…第１電極触媒層 ２０ｂ…第１ガス拡散層
２２…カソード電極 ２２ａ…第２電極触媒層
２２ｂ…第２ガス拡散層 ２４、９０…枠部材
２４ａ…第１枠状シート ２４ｂ…第２枠状シート
２５…枠部材側外周部 ２６…枠部材側内周部
３６…酸化剤ガス流路 ３８…燃料ガス流路
４２…第１シールライン ４４…第２シールライン

Claims (5)

1. 電解質膜の両面に第１電極及び第２電極を備える電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の前記第１電極側に積層された第１セパレータと、前記電解質膜・電極構造体の前記第２電極側に積層された第２セパレータと、を備え、前記第１セパレータと前記第１電極の間に形成される第１流路に第１反応ガスが供給され、前記第２セパレータと前記第２電極の間に形成される第２流路に第２反応ガスが供給される燃料電池であって、
   前記電解質膜・電極構造体の外周部には、前記外周部を周回し前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に挟持される枠部材が設けられ、
   前記枠部材は、電解質膜・電極構造体に接合された枠部材側内周部と、枠部材側内周部に連なり該枠部材側内周部よりも厚い枠部材側外周部と、を有し、
   前記電解質膜・電極構造体に対し前記第２セパレータが形成する前記第２流路の高さは、前記電解質膜・電極構造体に対して前記第１セパレータが形成する前記第１流路の高さよりも高く設定され、
   且つ前記電解質膜・電極構造体の厚さ方向中心位置と前記枠部材側外周部の厚さ方向中心位置とは、相互にオフセットした位置にあり、
   前記第１セパレータの前記枠部材側外周部にシールされる第１シール部の高さと、前記第２セパレータの前記枠部材側外周部にシールされる第２シール部の高さと、が同一であり、
   前記第１シール部は、前記第１セパレータと一体で前記枠部材側外周部に向かって膨出するビードシール構造を形成し、前記第２シール部は、前記第２セパレータと一体で前記枠部材側外周部に向かって膨出するビードシール構造を形成する
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 電解質膜の両面に第１電極及び第２電極を備える電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の前記第１電極側に積層された第１セパレータと、前記電解質膜・電極構造体の前記第２電極側に積層された第２セパレータと、を備え、前記第１セパレータと前記第１電極の間に形成される第１流路に第１反応ガスが供給され、前記第２セパレータと前記第２電極の間に形成される第２流路に第２反応ガスが供給される燃料電池であって、
   前記電解質膜・電極構造体の外周部には、前記外周部を周回し前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に挟持される枠部材が設けられ、
   前記枠部材は、電解質膜・電極構造体に接合された枠部材側内周部と、枠部材側内周部に連なり該枠部材側内周部よりも厚い枠部材側外周部と、を有し、
   前記電解質膜・電極構造体に対し前記第２セパレータが形成する前記第２流路の高さは、前記電解質膜・電極構造体に対して前記第１セパレータが形成する前記第１流路の高さよりも高く設定され、
   且つ前記電解質膜・電極構造体の厚さ方向中心位置と前記枠部材側外周部の厚さ方向中心位置とは、相互にオフセットした位置にあり、
   前記枠部材は、前記枠部材側内周部を有する第１枠状シートと、前記第１枠状シートに接合されて該第１枠状シートとともに前記枠部材側外周部を構成する第２枠状シートと、を含む
   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１枠状シートは、前記電解質膜と、前記第１電極又は前記第２電極との間に挟まれて接合される
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   前記第１電極がアノード電極である一方、前記第２電極がカソード電極であり、
   前記第１流路は、前記第１反応ガスである水素含有ガスを前記アノード電極に供給し、
   前記第２流路は、前記第２反応ガスである酸素含有ガスを前記カソード電極に供給する
   ことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池において、
   前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、触媒層と、ガス拡散層とを相互に積層した構造であり、
   前記カソード電極の前記触媒層の厚さは、前記アノード電極の前記触媒層の厚さよりも厚い
   ことを特徴とする燃料電池。

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