JPWO2007007708A1 - 高分子電解質形燃料電池及びそれに用いる燃料電池用シール部材 - Google Patents
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Abstract
燃料電池のアノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードの端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供する。燃料電池におけるアノード側シール部材及びカソード側シール部材のうちの少なくとも一方を、環状の本体部と；環状の本体部の内側面に設けられた少なくとも１つの形状変形可能な突起部と；で構成する。
Description
本発明は、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
高分子電解質形燃料電池は、反応ガスである水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。図８に、このような高分子電解質形燃料電池の一般的な基本構成（単電池）の要部断面図を示す。燃料電池１００は、図８に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１１０と、膜電極接合体１１０を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０を含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
膜電極接合体１１０は、アノード１１２及びカソード１１３の間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１１１が配置された構成を有している。更に、アノード１１２は、高分子電解質膜１１１側に密着した状態で配置される触媒層１１４と、当該触媒層１１４とアノード側セパレータ１２０との間に配置されるガス拡散層１１６とを少なくとも含み、カソード１１３は、高分子電解質膜１１１側に密着した状態で配置される触媒層１１５と、当該触媒層１１５とカソード側セパレータ１３０との間に配置されるガス拡散層１１７とを少なくとも含む。
触媒層１１４、１１５は、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末を主成分とする層である。また、ガス拡散層１１６、１１７は、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層１１６、１１７は、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。
ここで、図８に示すように、ＭＥＡ１１０においては、ガス漏れを防止するためシール部材（ガスケット）１４０、１５０を配置する観点から、高分子電解質膜１１１の主面の大きさが、アノード１１２及びカソード１１３の主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１１１の全外縁部がアノード１１２及びカソード１１３の外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。なお、本明細書においては、これらのアノード１１２及びカソード１１３の外縁部よりも外側に突出した高分子電解質膜１１１の外縁部を「はみ出し部」ともいう（図８中のＰ）。
アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０は、導電性を有しており、ＭＥＡ１１０を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ１１０を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ１１０同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０には、アノード１２０及びカソード１３０に反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ１１０の外部に運び去るためのガス流路１２４、１３５が一方の面（即ちアノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０の、それぞれアノード１１２及びカソード１１３に接する側の主面）に形成されている。
更に、アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０の他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路１２７、１３７が形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
ガス流路１２４、１３５は、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０の、それぞれアノード１１２及びカソード１１３に接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路１２７、１３７は、アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０の外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。
また、複数のＭＥＡ１１０間にアノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０を介在させ、複数のＭＥＡ１１０を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ１１０に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０に設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。
また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ１１０に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０に設けられた冷却流体用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。
更に、燃料電池１００においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード１１２側への漏れ、酸化剤ガスのアノード１１３側への漏れ、ＭＥＡ１１０外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０の間において、ＭＥＡ１１０の外縁部（アノード１１２及びカソード１１３の外部であって高分子電解質膜１１１の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するシール部材、即ちアノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０が配置されている。
このようなアノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０としては、アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０とアノード１１２及びカソード１１３との接触を行わせつつガスシールを行うため、高い寸法精度、十分な弾性及び締め代が必要とされる。そのため、例えば樹脂やゴムで作製されたＯリングやシート状シール部材、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等が用いられている。ＭＥＡ１１０の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のシール部材をＭＥＡ１１０と一体化させて用いることが多い。
また、最近では特許文献１や特許文献２に見られるように、燃料電池スタックの締結荷重を低下させ、構造部材の軽量化、簡素化及び低コスト化を行うため、シール部材のシールに必要な荷重を下げる試みも行われており、Ｏリング形状だけでなく三角形状や半円形状等の断面を持ったシール部材も提案されている。また、Ｏリング等のある程度の断面積を有するシール部材をセパレータ板側に設ける試みも行われている。
アノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０を、先に述べた高分子電解質膜１１１の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノード側セパレータ１２０、高分子電解質膜１１１及びアノード側シール部材１４０によって、アノード１１２を包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ１３０、高分子電解質膜１１１及びカソード側シール部材１５０によって、カソード１１３を包み込むまた別の閉空間が形成される。
これらの閉空間によって、アノード１１２及びカソード１１３に供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。また、アノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０と、膜電極接合体１１０との組合せを、膜電極シール材接合体（ＭＥＳＡ）と呼ぶこともある。
ここで、アノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０を上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０と、アノード１１２及びカソード１１３の端面とを十分に密着させることは極めて困難である。従って、図８に示すように、アノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０を上述の位置に配置する場合、それぞれアノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０とアノード１１２及びカソード１１３との間に隙間（即ちアノード側隙間１１２ａ及びカソード側隙間１１３ａ）が形成され易い。
このようなアノード側隙間１１２ａ及びカソード側隙間１１３ａが形成されると、反応ガスがアノード側隙間１１２ａ及びカソード側隙間１１３ａに漏れる場合がある。また、反応ガスの一部がアノード１１２及びカソード１１３の内部を流れずに当該アノード側隙間１１２ａ及びカソード側隙間１１３ａ内を進行してＭＥＡ１１０の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題もある。
また、アノード側隙間１１２ａ及びカソード側隙間１１３ａが小さい場合、アノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０にアノード１１２及びカソード１１３の一部が噛み込まれてシール不良が生じたり、アノード１１２及びカソード１１３にアノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０が当たったりして、電池性能の低下や、アノード１１２及びカソード１１３への過大な面圧が働き、高分子電解質膜１１１の破損及び耐久性の低下等を引き起こしていた。したがって、アノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０とＭＥＡ１１１の間にはある程度のアノード側隙間１１２ａ及びカソード側隙間１１３ａを設けざるを得なかった。
これに対し、例えば特許文献１では、締結力を低減させるとともに、ＭＥＡ１１の厚み方向においてアノード側隙間１１２ａ及びカソード側隙間１１３ａを拡大し、ガス洩れ等がなく所望のセル性能を有効に確保するとともに加工作業を簡素化することを意図して、チューブ状のシール材を用いることが提案されている。
特開平１１−２３３１２８号公報
特開２００２−１４１０８２号公報
しかしながら、上記特許文献３の技術でも、アノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードとの間におけるアノード側隙間及びカソード側隙間をバイパスとして燃料ガスや酸化剤ガスが流れることを有効に防ぐことは困難であり、未だ改善の余地があった。
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、それぞれアノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。更に、本発明は、上記のような高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるシール部材を提供することを目的とする。
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、それぞれアノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。更に、本発明は、上記のような高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるシール部材を提供することを目的とする。
本発明は、上記の目的を達成するために、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜並びに高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを有する膜電極接合体と、
アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ板及びカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータ板と、
膜電極接合体の外周部とアノード側セパレータ板の膜電極接合体側の側面との間に配置されており、アノードとアノード側セパレータ板との間の気密を保つアノード側シール部材と、
膜電極接合体の外周部とカソード側セパレータ板の膜電極接合体側の側面との間に配置されており、カソードとカソード側セパレータ板との間の気密を保つカソード側シール部材と、
を具備しており、
アノード側シール部材及びカソード側シール部材のうちの少なくとも一方が、膜電極接合体の外周部に沿うように配置される環状の本体部と；本体部の内側面に設けられた少なくとも１つの形状変形可能な突起部と；を有することを特徴とする高分子電解質形燃料電池を提供する。
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜並びに高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを有する膜電極接合体と、
アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ板及びカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータ板と、
膜電極接合体の外周部とアノード側セパレータ板の膜電極接合体側の側面との間に配置されており、アノードとアノード側セパレータ板との間の気密を保つアノード側シール部材と、
膜電極接合体の外周部とカソード側セパレータ板の膜電極接合体側の側面との間に配置されており、カソードとカソード側セパレータ板との間の気密を保つカソード側シール部材と、
を具備しており、
アノード側シール部材及びカソード側シール部材のうちの少なくとも一方が、膜電極接合体の外周部に沿うように配置される環状の本体部と；本体部の内側面に設けられた少なくとも１つの形状変形可能な突起部と；を有することを特徴とする高分子電解質形燃料電池を提供する。
このような本発明の構成を有していれば、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの膜電極接合体側の面において、それぞれアノードとアノード側セパレータ板との間の気密及びカソードとカソード側セパレータ板との間の気密を保つことができるとともに、シール部材とアノード又はカソードの端面との間に上述のような隙間（アノード側隙間又はカソード側隙間）が形成される場合であっても、上記突起部によって当該隙間におけるガス流を抑制することができる。
より具体的には、上記のアノード側隙間又はカソード側隙間にそれぞれ燃料ガス又は酸化剤ガスが流れたとしても、上記の突起部が形状変形可能であることから、ガス流を受けて変形するとともに当該ガス流を抑制するように働く。したがって、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することができる。
更に、本発明によれば、上記突起部が、膜電極接合体とシール部材とを組み合わせる際の位置決め効果を有するため、本発明の高分子電解質形燃料電池の量産時の歩留まりを向上させることができ、更には、大幅なコスト低減を実現することができる。
また、本発明は、環状の本体部と；前記本体部の内側面に設けられた少なくとも１つの形状変形可能な突起部と；を有することを特徴とする燃料電池用シール部材を提供する。
このような本発明の構成を有していれば、上記燃料電池用シール部材を高分子電解質形燃料電池に用いた場合に、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの膜電極接合体側の面において、それぞれアノードとアノード側セパレータ板との間の気密及びカソードとカソード側セパレータ板との間の気密を保つことができるとともに、シール部材とアノード又はカソードの端面との間に上述のような隙間（アノード側隙間又はカソード側隙間）が形成される場合であっても、上記突起部によって当該隙間におけるガス流を抑制することができる。
このような本発明の構成を有していれば、上記燃料電池用シール部材を高分子電解質形燃料電池に用いた場合に、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの膜電極接合体側の面において、それぞれアノードとアノード側セパレータ板との間の気密及びカソードとカソード側セパレータ板との間の気密を保つことができるとともに、シール部材とアノード又はカソードの端面との間に上述のような隙間（アノード側隙間又はカソード側隙間）が形成される場合であっても、上記突起部によって当該隙間におけるガス流を抑制することができる。
より具体的には、上記のアノード側隙間又はカソード側隙間にそれぞれ燃料ガス又は酸化剤ガスが流れたとしても、上記の突起部が形状変形可能であることから、ガス流を受けて変形するとともに当該ガス流を抑制するように働く。したがって、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することができる。
更に、本発明の燃料電池用シール部材を用いれば、上記突起部が、膜電極接合体とシール部材とを組み合わせる際の位置決め効果を有するため、高分子電解質形燃料電池の量産時の歩留まりを向上させることができ、更には、大幅なコスト低減を実現することができる。
本発明によれば、それぞれアノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードの端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
更に、本発明によれば、上記のような、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるシール部材を提供することができる。
更に、本発明によれば、上記のような、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるシール部材を提供することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
［第一実施形態］
図１に、本発明の高分子電解質形燃料電池の基本構成（単電池）の要部断面図を示す。燃料電池１は、図１に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１０と、膜電極接合体１０を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０を含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
［第一実施形態］
図１に、本発明の高分子電解質形燃料電池の基本構成（単電池）の要部断面図を示す。燃料電池１は、図１に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１０と、膜電極接合体１０を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０を含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
膜電極接合体１０は、アノード１２及びカソード１３の間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１１が配置された構成を有している。更に、アノード１２は、高分子電解質膜１１側に密着した状態で配置される触媒層１４と、当該触媒層１４とアノード側セパレータ２０との間に配置されるガス拡散層１６とを少なくとも含み、カソード１３は、高分子電解質膜１１側に密着した状態で配置される触媒層１５と、当該触媒層１５とカソード側セパレータ３０との間に配置されるガス拡散層１７とを少なくとも含む。
触媒層１４、１５は、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末を主成分とする層である。また、ガス拡散層１６、１７は、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層１６、１７は、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。
ここで、図１に示すように、ＭＥＡ１０においては、ガス漏れを防止するためシール部材（ガスケット）４０、５０を配置する観点から、高分子電解質膜１１の主面の大きさが、アノード１２及びカソード１３の主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１１の全外縁部がアノード１２及びカソード１３の外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。
ここで、図１に示すように、ＭＥＡ１０においては、ガス漏れを防止するためシール部材（ガスケット）４０、５０を配置する観点から、高分子電解質膜１１の主面の大きさが、アノード１２及びカソード１３の主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１１の全外縁部がアノード１２及びカソード１３の外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。
アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０は、導電性を有しており、ＭＥＡ１０を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ１０を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ１０同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０には、アノード２０及びカソード３０に反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ１０の外部に運び去るためのガス流路２４、３５が一方の面（即ちアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０の、それぞれアノード１２及びカソード１３に接する側の主面）に形成されている。
更に、アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０の他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路２７、３７が形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
ガス流路２４、３５は、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０の、それぞれアノード１２及びカソード１３に接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路２７、３７は、アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０の外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。
また、複数のＭＥＡ１０間にアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０を介在させ、複数のＭＥＡ１０を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ１０に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０に設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。
また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ１０に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０に設けられた冷却流体用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。
ここで、図２は、図１におけるＩ−Ｉ線断面である。図２に示すアノード側セパレータ板２０は、例えば黒鉛板又は炭素粉末とバインダーの混合物を成形した炭素板で構成され、各一対の燃料ガス用マニホールド孔２２、酸化剤ガス用マニホールド孔２５及び冷却水用マニホールド孔２３を有する。また、アノード側セパレータ板２０は、アノード１２と対向する面に、一対の燃料ガス用マニホールド孔２２を連絡する燃料ガスの流路２４を有し、背面には、一対の冷却水用マニホールド孔２３を連絡する冷却水の流路２７を有する。
図２においては、ガス流路２４は並行する４本の溝で構成されている。このガス流路２４の燃料ガス用マニホールド孔２２と連絡する部分には、アノード側シール部材４０が溝内へ垂れ込むのを防止するためのカバープレート（仕切板）２６が設置され、この部分のガス流路２４はトンネル状になっている。このカバープレートに関しては、例えば特開２０００−１３３２８９号公報に記載されており、これを本明細書に引用する。
図示しないが、アノード側セパレータ板２０と同様に、カソード側セパレータ板３０は、各一対の燃料ガス用マニホールド孔、酸化剤ガス用マニホールド孔及び冷却水用マニホールド孔を有し、更に、カソードと対向する面に、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔を連絡する酸化剤ガスの流路３５を有し、背面には、一対の冷却水用マニホールド孔を連絡する冷却水の流路３７を有する。
更に、燃料電池１においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード１２側への漏れ、酸化剤ガスのアノード１３側への漏れ、ＭＥＡ１０外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０の間において、ＭＥＡ１０の外縁部（アノード１２及びカソード１３の外部であって高分子電解質膜１１の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するシール部材、即ちアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０が配置されている。
このように、アノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を、先に述べた高分子電解質膜１１の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノード側セパレータ２０、アノード側シール部材４０、ＭＥＡ１１、カソード側シール部材５０及びカソード側セパレータ３０を所定の締結圧で締結して、図１に示す構造を有する単電池を構成する。
ここで、アノード側セパレータ２０、高分子電解質膜１１及びアノード側シール部材４０によって、アノード１２を包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ３０、高分子電解質膜１１及びカソード側シール部材５０によって、カソード１３を包み込むまた別の閉空間が形成される。
これらの閉空間によって、アノード１２及びカソード１３に供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られているが、上述したように、アノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じるため、それぞれアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０と、アノード１２及びカソード１３の端面とを十分に密着させることは極めて困難である。そのため、図１に示すように、アノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を上述の位置に配置すると、それぞれアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０とアノード１２及びカソード１３との間に隙間（即ちアノード側隙間１２ａ及びカソード側隙間１３ａ）が形成され易い。
そこで、本実施形態においては、上記のようなアノード側隙間１２ａ及びカソード側隙間１３ａをバイパスとして反応ガスが回り込み、反応ガスの利用率が下がって効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題を解決すべく、アノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を、膜電極接合体１０の外周部に沿うように配置される環状の本体部と、当該本体部の内側面に設けられた少なくとも１つの形状変形可能な突起部と、で構成する。
図３は、図２におけるII部分を拡大した図、即ちII部におけるアノード側シール部材４０の構造を説明するための図である。図１及び３に示すように、アノード側シール部材４０においては、アノード１２を囲むように配置された環状の本体部４６に、可撓性を有することによって形状変形可能な毛状の突起部６０が、当該突起部６０の長さ方向と環状の本体部４６の内側面の面方向とが略直角に交差するように、複数個設けられており、当該突起部６０がアノード１２の側面に当接している。
この突起物６０は、アノード側隙間１２ａをバイパスとして燃料ガスが流れた際に、当該燃料ガスの流れを受けて形状変形することによって、その流れを抑制する効果を奏する。また、突起部６０は、アノード１２全体にわたって当該アノード１２の側面に当接するため、アノード側シール部材４０の内側においてアノード１２を容易かつ確実に位置決めすることができるという効果をも奏する。図示しないが、カソード側シール部材５０も、アノード側シール部材４０と同様の構造及び機能を有する。
ここで、本実施形態における突起部６０に必要な条件としては、主として、（１）ＭＥＡ１０や燃料電池１の組み立て時に形状変形して環状の本体部６０とアノード１２又はカソード１３の側面との間、即ちアノード側隙間１２ａ又はカソード側隙間１３ａに納まること、及び（２）化学的耐久性が高いこと、等が挙げられる。
したがって、突起部６０を構成する材料としては、例えばフッ素ゴム、ポリイソブレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、熱可塑性エラストマー、液晶ポリマー、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、テレフタルアミド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリサルホン樹脂、シンジオタクチックポリスチレン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、又はこれらを複数含む複合材等が挙げられる。
なかでも、弾力性を有する材料を用いることにより、ＭＥＡ１０や燃料電池１の組み立て時における突起物６０による位置決め効果をより向上させることができる。
なかでも、弾力性を有する材料を用いることにより、ＭＥＡ１０や燃料電池１の組み立て時における突起物６０による位置決め効果をより向上させることができる。
なお、アノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０の環状の本体部４６及び５６を構成する材料としては、従来のシール部材やガスケットに用いられている材料を用いることができるが、突起部６０と同じ材料を用い、突起部６０と環状の本体部４６、５６とを一体的に構成（成形）して一体化構造にするのが好ましい。これによれば、アノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０の製造工程を削減することができるとともに、耐久性を向上させることができ、大幅なコスト低減を図ることができる。
上記のように、本実施形態によれば、それぞれアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０とアノード１２及びカソード１３の端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
［第二実施形態］
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１におけるアノード側シール部材及びカソード側シール部材を異なる構成に代えたものであり、アノード側シール部材及びカソード側シール部材以外の構成は第一実施形態の燃料電池１と同様である。
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１におけるアノード側シール部材及びカソード側シール部材を異なる構成に代えたものであり、アノード側シール部材及びカソード側シール部材以外の構成は第一実施形態の燃料電池１と同様である。
以下、第二実施形態の燃料電池に備えられるアノード側シール部材について説明する。図４は、図２におけるII部分の要部を拡大した図、即ち第二実施形態の燃料電池におけるアノード側シール部材４０の構造を説明するための図である。
図４に示すように、本実施形態のアノード側シール部材４０においては、アノード１２を囲むように配置された環状の本体部４６ａに、可撓性を有することによって形状変形可能な針状の突起部６０ａが、当該突起部６０ａの長さ方向と環状の本体部４６ａの内側面の面方向とが略直角に交差するように、複数個設けられており、当該突起部６０ａがアノード１２の側面に当接している。
この突起物６０ａは、アノード側隙間１２ａをバイパスとして燃料ガスが流れた際に、当該燃料ガスの流れを受けて形状変形し、その流れを抑制する効果を奏する。また、突起部６０ａは、アノード１２全体にわたって当該アノード１２の側面に当接するため、アノード側シール部材４０の内側においてアノード１２を容易かつ確実に位置決めすることができるという効果をも奏する。図示しないが、カソード側シール部材５０も、アノード側シール部材４０と同様の構造及び機能を有する。
上記のように、本実施形態によれば、それぞれアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０とアノード１２及びカソード１３の端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
［第三実施形態］
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第三実施形態について説明する。この第三実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１におけるアノード側シール部材及びカソード側シール部材を異なる構成に代えたものであり、アノード側シール部材及びカソード側シール部材以外の構成は第一実施形態の燃料電池１と同様である。
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第三実施形態について説明する。この第三実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１におけるアノード側シール部材及びカソード側シール部材を異なる構成に代えたものであり、アノード側シール部材及びカソード側シール部材以外の構成は第一実施形態の燃料電池１と同様である。
以下、第三実施形態の燃料電池に備えられるアノード側シール部材について説明する。図５は、図２におけるII部分の要部を拡大した図、即ち第三実施形態の燃料電池におけるアノード側シール部材４０の構造を説明するための図である。
図５に示すように、本実施形態のアノード側シール部材４０においては、アノード１２を囲むように配置された環状の本体部４６ｂの内側面に、可撓性を有することによって形状変形可能な三日月状の突起部６０ｂが、環状の本体部４６ｂの内側面の面方向と略平行に流れるガス流を受けることができるような構成で複数個設けられており、当該突起部６０ｂの他端がアノード１２の側面に当接している。
なお、三日月状の突起部６０ｂの厚さは、環状の本体部４６ｂと同じかそれ以下であればよい。
なお、三日月状の突起部６０ｂの厚さは、環状の本体部４６ｂと同じかそれ以下であればよい。
この突起物６０ｂは、アノード側隙間１２ａをバイパスとして燃料ガスが流れた際に、当該燃料ガスの流れを受けて形状変形し、特にその流れを抑制する効果に優れている。また、突起部６０ｂは、アノード１２全体にわたって当該アノード１２の側面に当接するため、アノード側シール部材４０の内側においてアノード１２を容易かつ確実に位置決めすることができるという効果をも奏する。図示しないが、カソード側シール部材５０も、アノード側シール部材４０と同様の構造及び機能を有する。
上記のように、本実施形態によれば、それぞれアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０とアノード１２及びカソード１３の端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
［第四実施形態］
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第四実施形態について説明する。この第四実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１におけるアノード側シール部材及びカソード側シール部材を異なる構成に代えたものであり、アノード側シール部材及びカソード側シール部材以外の構成は第一実施形態の燃料電池１と同様である。
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第四実施形態について説明する。この第四実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１におけるアノード側シール部材及びカソード側シール部材を異なる構成に代えたものであり、アノード側シール部材及びカソード側シール部材以外の構成は第一実施形態の燃料電池１と同様である。
以下、第四実施形態の燃料電池に備えられるアノード側シール部材について説明する。図６及び７は、図２におけるII部分の要部を拡大した図、即ち第四実施形態の燃料電池におけるアノード側シール部材４０の構造を説明するための図である。より詳しくは、図６及び７は、本実施形態におけるアノード側シール部材の突起部が形状変形する様子を説明するための図である。
図６に示すように、本実施形態のアノード側シール部材４０においては、アノード１２を囲むように配置された環状の本体部４６ｃの内側面に、可撓性を有することによって形状変形可能な弁状の突起部６０ｃが、当該突起部６０ｃの長さ方向が環状の本体部４６ｂの内側面の面方向と略平行になるように、上記内側面に複数個設けられている。そして、図７に示すように、アノード側隙間１２ａにおいて矢印で示すように環状の本体部４６ｂの内側面の面方向と略平行に反応ガスが流れた場合、突起部６０ｃは上記反応ガスの流れを受けて開き、当該突起部６０ｃの他端がアノード１２の側面に当接する。
なお、弁状の突起部６０ｃの厚さは、環状の本体部４６ｂと同じかそれ以下であればよい。
なお、弁状の突起部６０ｃの厚さは、環状の本体部４６ｂと同じかそれ以下であればよい。
即ち、突起物６０ｃは、アノード側隙間１２ａをバイパスとして燃料ガスが流れた際に、当該燃料ガスの流れを受けて形状変形し、特にその流れを抑制する効果に優れている。また、突起部６０ｃは、アノード１２全体にわたって当該アノード１２の側面を押圧するため、アノード側シール部材４０の内側においてアノード１２を容易かつ確実に位置決めすることができるという効果をも奏する。特に、図６に示すように、ガスが流れていないときには突起部６０ｃは環状の本体部４６ｃの内側面に沿っているため、ＭＥＡ１１や燃料電池１の組立時の取扱性に優れる。なお、図示しないが、カソード側シール部材５０も、アノード側シール部材４０と同様の構造及び機能を有する。
上記のように、本実施形態によれば、それぞれアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０とアノード１２及びカソード１３の端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
上記実施形態においては、アノード側シール部材及びカソード側シール部材の両方について、本発明の燃料電池用シール部材を用いた場合について説明したが、アノード側及びカソード側のいずれか一方において本発明の燃料電池用シール部材を用いた場合でも同様の効果を奏することができる。また、突起部の形状は、例えばばね状であってもよく、ＭＥＡ１１や単電池の組立て後における位置決め・固定を確実にするためにも、ＭＥＡ１１に当接するだけでなくある程度の力でＭＥＡ１１を押圧しているのが好ましい。
また、上記突起物は、シール部材を例えば射出成形等の成形法で製造する際に、環状の本体部と同時に形成してもよく、また、先に環状のシール部材を製造した後にトムソン型等によって切り出して形成することも可能である。また、シール部材を成形法で作製する際に、樹脂流入ゲートによってできるバリを積極的に利用して、上記突起部を構成することも可能である。
また、上記実施形態においては特に説明しなかったが、シール部材は粘着剤でセパレータ板に固定してもよく、シール部材をセパレータ板に直接焼き付けなどにより固定してもよい。更に、セパレータ板に溝を設けて、当該溝にシール部材の環状の本体部を嵌め込んでもよい。
また、上記突起物は、可橈性を有していれば、上記隙間における反応ガスの流れ抑制効果及び位置決め効果を発揮するが、なかでも弁状、針状及び毛状等の微細な構造を有する突起部が、作り易さという点からシール部材の製造上好ましく、上記隙間に納まり易いという点から性能上好ましい。
また、上記突起物は、上記隙間を流れるガス流に逆らう方向に配置されていてもよく、更に、当該ガス流れを受けて形状変形し、当該ガス流れを抑制する構成であるのも好ましい。したがって、例えば上記第１実施形態及び第二実施形態における突起部６０、６０ａは、当該突起部６０、６０ａの長さ方向が、環状の本体部４６、４６ａの内側面に略平行な方向に対して鋭角に交差するように設け、ガス流れを受けて弁のように開き、当該ガス流れを抑制するように構成されていてもよい。
また、アノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０のうちの少なくとも一方が、例えば熱溶着（ホットプレス）又は接着剤を用いた接着等の方法によって、ＭＥＡ１０と一体化されていてもよい。
このような構成によれば、シール部材とＭＥＡとの接合体の取り扱いが容易であり、アノード側シール部材４０、カソード側シール部材５０、ＭＥＡ１０、アノード側セパレータ板２０、及びカソード側セパレータ板３０を用いて燃料電池１を作製し易い。特にアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０の両方がＭＥＡ１０と一体化されていれば、更に燃料電池１を作製し易い。
このような構成によれば、シール部材とＭＥＡとの接合体の取り扱いが容易であり、アノード側シール部材４０、カソード側シール部材５０、ＭＥＡ１０、アノード側セパレータ板２０、及びカソード側セパレータ板３０を用いて燃料電池１を作製し易い。特にアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０の両方がＭＥＡ１０と一体化されていれば、更に燃料電池１を作製し易い。
アノード側シール部材４０は、例えば熱溶着（ホットプレス）又は接着剤を用いた接着等の方法によって、アノード側セパレータ板２０と一体化されていてもよい。また、カソード側シール部材５０も、例えば熱溶着（ホットプレス）又は接着剤を用いた接着等の方法によって、カソード側セパレータ板３０と一体化されていてもよい。
このような構成によれば、シール部材とセパレータ板との接合体の取り扱いが容易であり、アノード側シール部材４０、カソード側シール部材５０、ＭＥＡ１０、アノード側セパレータ板２０、及びカソード側セパレータ板３０を用いて燃料電池１を作製し易い。
このような構成によれば、シール部材とセパレータ板との接合体の取り扱いが容易であり、アノード側シール部材４０、カソード側シール部材５０、ＭＥＡ１０、アノード側セパレータ板２０、及びカソード側セパレータ板３０を用いて燃料電池１を作製し易い。
以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これらのみに限定
されるものではない。
されるものではない。
（実施例１）
ＭＥＡとしては、図１に示した構成を有する株式会社ジャパンゴアテックス製の「ＰＲＩＭＥＡ（商品名）」（アノード及びカソードの主面の大きさは６ｃｍ×６ｃｍ）を用意した。
アノード側シール部材（厚さ：２８０μｍ）は、フッ素ゴム製シートを用い、これに対して図２に示した各マニホールド孔（燃料ガス用マニホールド孔２２、冷却水用マニホールド孔２３、酸化剤ガス用マニホールド孔２５）に対応する部分となる開口部及びＭＥＡが配置される部分となる中央の開口部を打ち抜き加工により形成することで作製した。なお、ＭＥＡが配置される部分となる中央の開口部の大きさはＭＥＡのアノードの主面の大きさよりも大きい６．２ｃｍ×６．２ｃｍとした。
すなわち、図１に示したアノード側隙間１２ａの幅が１ｍｍとなるように形成した。
ＭＥＡとしては、図１に示した構成を有する株式会社ジャパンゴアテックス製の「ＰＲＩＭＥＡ（商品名）」（アノード及びカソードの主面の大きさは６ｃｍ×６ｃｍ）を用意した。
アノード側シール部材（厚さ：２８０μｍ）は、フッ素ゴム製シートを用い、これに対して図２に示した各マニホールド孔（燃料ガス用マニホールド孔２２、冷却水用マニホールド孔２３、酸化剤ガス用マニホールド孔２５）に対応する部分となる開口部及びＭＥＡが配置される部分となる中央の開口部を打ち抜き加工により形成することで作製した。なお、ＭＥＡが配置される部分となる中央の開口部の大きさはＭＥＡのアノードの主面の大きさよりも大きい６．２ｃｍ×６．２ｃｍとした。
すなわち、図１に示したアノード側隙間１２ａの幅が１ｍｍとなるように形成した。
フッ素ゴム製シートのＭＥＡが配置される部分となる中央の開口部（略矩形の開口部）を打ち抜きの際に、図６に示した複数の突起部（長さ：約１ｃｍ、厚さ：約０．１ｍｍ）を略均等間隔で一辺に３個づつ合計１２個形成した。なお、突起部はアノード側隙間１２ａにガスが侵入してきた際に、図６及び図７に示したように、ガスがアノード側隙間１２ａを進行しないように開くよう（形状変形するよう）に形成した。
カソード側シール部材は、（厚さ：２８０μｍ）は、フッ素ゴム製シートを用い、これに対して図２に示した各マニホールド孔（燃料ガス用マニホールド孔２２、冷却水用マニホールド孔２３、酸化剤ガス用マニホールド孔２５）に対応する部分となる開口部及びＭＥＡが配置される部分となる中央の開口部を打ち抜き加工により形成することで作製した。なお、ＭＥＡが配置される部分となる中央の開口部の大きさはＭＥＡのカソードの主面の大きさよりも大きい６．１ｃｍ×６．１ｃｍとした。なお、このカソード側シール部材には突起部を設けなかった。
次に、上記ＭＥＡと、燃料ガス供給用のガス流路および冷却水流路を有するアノード側セパレータ板２０と、酸化剤ガス供給用のガス流路および冷却水流路を有するカソード側セパレータ板３０とで挟持した。その際、ＭＥＡのカソードの周囲にカソード側シール部材、アノードの周囲にアノード側シール部材を配置した。次に、得られたアノード側セパレータ板、ＭＥＡ、カソード側セパレータ板の積層体の両端にそれぞれ集電板および絶縁板を重ね合わせ、その積層体を一対のエンドプレートの間に配置し、得られる積層体を一対のエンドプレートの間に配置し、更に得られる積層体を一対のヒーターで挟持し、スプリング及び締結具（ボルト及びナット）を用いて締結した。なお、スプリングの長さを調整することにより、ＭＥＡの締結圧力を７〜１０ｋｇｆ／ｃｍ2となるように調節した。このようにして、単電池１（本発明の高分子電解質形燃料電池）を得た。
（比較例１）
実施例１の燃料電池と比較し、突起部がないアノード側シール部材（突起部がない以外は実施例１のアノード側シール部材と同一のもの）を用いたこと以外は実施例１と同一の構成を有する単電池２（高分子電解質形燃料電池）を作成した。
実施例１の燃料電池と比較し、突起部がないアノード側シール部材（突起部がない以外は実施例１のアノード側シール部材と同一のもの）を用いたこと以外は実施例１と同一の構成を有する単電池２（高分子電解質形燃料電池）を作成した。
［評価試験］
（１）エージング処理（活性化処理）
実施例１および比較例１で得られた単電池１及び単電池２を、６４℃に制御し、アノード側のガス流路に燃料ガスとして水素および二酸化炭素の混合ガス（体積比４：１）を供給し、カソード側のガス流路に空気をそれぞれ供給した。この際、水素ガス利用率を７５％に設定し、空気利用率を４０％に設定し、水素ガスおよび空気の露点がそれぞれ約６４℃となるように加湿してから単電池に供給した。そして電流密度０．２Ａ・ｃｍ-2で１２時間単電池を運転してエージングを行った。
（１）エージング処理（活性化処理）
実施例１および比較例１で得られた単電池１及び単電池２を、６４℃に制御し、アノード側のガス流路に燃料ガスとして水素および二酸化炭素の混合ガス（体積比４：１）を供給し、カソード側のガス流路に空気をそれぞれ供給した。この際、水素ガス利用率を７５％に設定し、空気利用率を４０％に設定し、水素ガスおよび空気の露点がそれぞれ約６４℃となるように加湿してから単電池に供給した。そして電流密度０．２Ａ・ｃｍ-2で１２時間単電池を運転してエージングを行った。
（２）電池出力特性評価試験
実施例１の単電池１及び比較例１の単電池２を用い、以下の作動条件で限界燃料ガス利用率を測定した。結果を表１に示す。ここで、「限界燃料ガス利用率」とは、燃料電池が電圧降下を起こさずに安定して発電できる最大の水素ガス利用率をいう。
・燃料電池の作動温度：６４℃
・燃料ガス（Ｈ2）利用率：８０〜９５％の間で変動
・酸化剤ガス（Ｏ2）利用率：４０％固定
・燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿温度：６４℃
この評価試験では、電流密度を０．２Ａ・ｃｍ-2とし、アノード側のガス流路に、水素および二酸化炭素の混合ガス（体積比４：１）を供給し、水素ガス利用率を８０〜９５％の間で変化させて、３０分経過後の出力電圧を記録した。
なお、この評価試験においては、実施例１の単電池１及び比較例１の単電池２ごとに限界燃料ガス利用率を求め、相加平均を算出してこれを限界燃料ガス利用率とした。
実施例１の単電池１及び比較例１の単電池２を用い、以下の作動条件で限界燃料ガス利用率を測定した。結果を表１に示す。ここで、「限界燃料ガス利用率」とは、燃料電池が電圧降下を起こさずに安定して発電できる最大の水素ガス利用率をいう。
・燃料電池の作動温度：６４℃
・燃料ガス（Ｈ2）利用率：８０〜９５％の間で変動
・酸化剤ガス（Ｏ2）利用率：４０％固定
・燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿温度：６４℃
この評価試験では、電流密度を０．２Ａ・ｃｍ-2とし、アノード側のガス流路に、水素および二酸化炭素の混合ガス（体積比４：１）を供給し、水素ガス利用率を８０〜９５％の間で変化させて、３０分経過後の出力電圧を記録した。
なお、この評価試験においては、実施例１の単電池１及び比較例１の単電池２ごとに限界燃料ガス利用率を求め、相加平均を算出してこれを限界燃料ガス利用率とした。
実施例１においては、燃料ガス利用率を９５％にしても、電圧降下が起こらなかった。一方、比較例１においては、酸素ガス利用率が９０％を超えると電圧降下が始まった。
表１に示した結果から明らかなように、本発明の燃料電池は、本発明における実施例１の単電池（燃料電池）はアノードシール部材に形成された突起部がアノード側隙間へのガスの流入を十分に抑制するため、高い限界燃料ガス利用率を有し、充分な発電性能を発揮することが確認された。
また、実施例１の単電池は、測定中に燃料ガス利用率を変動させても電圧の振動は起こらなかった。しかし、比較例１の単電池は、燃料ガス利用率を変動させた全範囲において電圧が実施例１の単電池よりも低くかつ電圧の振動が大きいことがわかった。
表１に示した結果から明らかなように、本発明の燃料電池は、本発明における実施例１の単電池（燃料電池）はアノードシール部材に形成された突起部がアノード側隙間へのガスの流入を十分に抑制するため、高い限界燃料ガス利用率を有し、充分な発電性能を発揮することが確認された。
また、実施例１の単電池は、測定中に燃料ガス利用率を変動させても電圧の振動は起こらなかった。しかし、比較例１の単電池は、燃料ガス利用率を変動させた全範囲において電圧が実施例１の単電池よりも低くかつ電圧の振動が大きいことがわかった。
本発明の高分子電解質形燃料電池は、それぞれアノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードの端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能であることから、家庭用コージェネレーションや車載用の燃料電池として好適に用いることができる。
また、本発明の燃料電池用シール部材は、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することができるため、家庭用コージェネレーションや車載用の燃料電池に好適に用いることができる。
また、本発明の燃料電池用シール部材は、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することができるため、家庭用コージェネレーションや車載用の燃料電池に好適に用いることができる。
本発明は、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
高分子電解質形燃料電池は、反応ガスである水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。図８に、このような高分子電解質形燃料電池の一般的な基本構成（単電池）の要部断面図を示す。燃料電池１００は、図８に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１１０と、膜電極接合体１１０を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０を含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
膜電極接合体１１０は、アノード１１２及びカソード１１３の間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１１１が配置された構成を有している。更に、アノード１１２は、高分子電解質膜１１１側に密着した状態で配置される触媒層１１４と、当該触媒層１１４とアノード側セパレータ１２０との間に配置されるガス拡散層１１６とを少なくとも含み、カソード１１３は、高分子電解質膜１１１側に密着した状態で配置される触媒層１１５と、当該触媒層１１５とカソード側セパレータ１３０との間に配置されるガス拡散層１１７とを少なくとも含む。
触媒層１１４、１１５は、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末を主成分とする層である。また、ガス拡散層１１６、１１７は、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層１１６、１１７は、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。
ここで、図８に示すように、ＭＥＡ１１０においては、ガス漏れを防止するためシール部材（ガスケット）１４０、１５０を配置する観点から、高分子電解質膜１１１の主面の大きさが、アノード１１２及びカソード１１３の主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１１１の全外縁部がアノード１１２及びカソード１１３の外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。なお、本明細書においては、これらのアノード１１２及びカソード１１３の外縁部よりも外側に突出した高分子電解質膜１１１の外縁部を「はみ出し部」ともいう（図８中のＰ）。
アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０は、導電性を有しており、ＭＥＡ１１０を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ１１０を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ１１０同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０には、アノード１２０及びカソード１３０に反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ１１０の外部に運び去るためのガス流路１２４、１３５が一方の面（即ちアノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０の、それぞれアノード１１２及びカソード１１３に接する側の主面）に形成されている。
更に、アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０の他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路１２７、１３７が形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
ガス流路１２４、１３５は、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０の、それぞれアノード１１２及びカソード１１３に接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路１２７、１３７は、アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０の外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。
また、複数のＭＥＡ１１０間にアノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０を介在させ、複数のＭＥＡ１１０を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ１１０に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０に設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。
また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ１１０に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０に設けられた冷却流体供給用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。
更に、燃料電池１００においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード１１２側への漏れ、酸化剤ガスのアノード１１３側への漏れ、ＭＥＡ１１０外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０の間において、ＭＥＡ１１０の外縁部（アノード１１２及びカソード１１３の外部であって高分子電解質膜１１１の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するシール部材、即ちアノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０が配置されている。
このようなアノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０としては、アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０とアノード１１２及びカソード１１３との接触を行わせつつガスシールを行うため、高い寸法精度、十分な弾性及び締め代が必要とされる。そのため、例えば樹脂やゴムで作製されたＯリングやシート状シール部材、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等が用いられている。ＭＥＡ１１０の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のシール部材をＭＥＡ１１０と一体化させて用いることが多い。
また、最近では特許文献１や特許文献２に見られるように、燃料電池スタックの締結荷重を低下させ、構造部材の軽量化、簡素化及び低コスト化を行うため、シール部材のシールに必要な荷重を下げる試みも行われており、Ｏリング形状だけでなく三角形状や半円形状等の断面を持ったシール部材も提案されている。また、Ｏリング等のある程度の断面積を有するシール部材をセパレータ板側に設ける試みも行われている。
アノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０を、先に述べた高分子電解質膜１１１の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノード側セパレータ１２０、高分子電解質膜１１１及びアノード側シール部材１４０によって、アノード１１２を包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ１３０、高分子電解質膜１１１及びカソード側シール部材１５０によって、カソード１１３を包み込むまた別の閉空間が形成される。
これらの閉空間によって、アノード１１２及びカソード１１３に供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。また、アノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０と、膜電極接合体１１０との組合せを、膜電極シール材接合体（ＭＥＳＡ）と呼ぶこともある。
ここで、アノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０を上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０と、アノード１１２及びカソード１１３の端面とを十分に密着させることは極めて困難である。従って、図８に示すように、アノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０を上述の位置に配置する場合、それぞれアノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０とアノード１１２及びカソード１１３との間に隙間（即ちアノード側隙間１１２ａ及びカソード側隙間１１３ａ）が形成され易い。
このようなアノード側隙間１１２ａ及びカソード側隙間１１３ａが形成されると、反応ガスがアノード側隙間１１２ａ及びカソード側隙間１１３ａに漏れる場合がある。また、反応ガスの一部がアノード１１２及びカソード１１３の内部を流れずに当該アノード側隙間１１２ａ及びカソード側隙間１１３ａ内を進行してＭＥＡ１１０の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題もある。
また、アノード側隙間１１２ａ及びカソード側隙間１１３ａが小さい場合、アノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０にアノード１１２及びカソード１１３の一部が噛み込まれてシール不良が生じたり、アノード１１２及びカソード１１３にアノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０が当たったりして、電池性能の低下や、アノード１１２及びカソード１１３への過大な面圧が働き、高分子電解質膜１１１の破損及び耐久性の低下等を引き起こしていた。したがって、アノード側シール部材１４０及びカソード側シール部材１５０とＭＥＡ１１０の間にはある程度のアノード側隙間１１２ａ及びカソード側隙間１１３ａを設けざるを得なかった。
これに対し、例えば特許文献１では、締結力を低減させるとともに、ＭＥＡ１１の厚み方向においてアノード側隙間１１２ａ及びカソード側隙間１１３ａを拡大し、ガス洩れ等がなく所望のセル性能を有効に確保するとともに加工作業を簡素化することを意図して、チューブ状のシール材を用いることが提案されている。
特開平１１−２３３１２８号公報
特開２００２−１４１０８２号公報
しかしながら、上記特許文献１の技術でも、アノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードとの間におけるアノード側隙間及びカソード側隙間をバイパスとして燃料ガスや酸化剤ガスが流れることを有効に防ぐことは困難であり、未だ改善の余地があった。
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、それぞれアノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。更に、本発明は、上記のような高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるシール部材を提供することを目的とする。
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、それぞれアノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。更に、本発明は、上記のような高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるシール部材を提供することを目的とする。
本発明は、上記の目的を達成するために、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜並びに高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを有する膜電極接合体と、
アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ板及びカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータ板と、
膜電極接合体の外周部とアノード側セパレータ板の膜電極接合体側の側面との間に配置されており、アノードとアノード側セパレータ板との間の気密を保つアノード側シール部材と、
膜電極接合体の外周部とカソード側セパレータ板の膜電極接合体側の側面との間に配置されており、カソードとカソード側セパレータ板との間の気密を保つカソード側シール部材と、
を具備しており、
アノード側シール部材及びカソード側シール部材のうちの少なくとも一方が、膜電極接合体の外周部に沿うように配置される環状の本体部と；本体部の内側面に設けられた少なくとも１つの形状変形可能な突起部と；を有することを特徴とする高分子電解質形燃料電池を提供する。
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜並びに高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを有する膜電極接合体と、
アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ板及びカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータ板と、
膜電極接合体の外周部とアノード側セパレータ板の膜電極接合体側の側面との間に配置されており、アノードとアノード側セパレータ板との間の気密を保つアノード側シール部材と、
膜電極接合体の外周部とカソード側セパレータ板の膜電極接合体側の側面との間に配置されており、カソードとカソード側セパレータ板との間の気密を保つカソード側シール部材と、
を具備しており、
アノード側シール部材及びカソード側シール部材のうちの少なくとも一方が、膜電極接合体の外周部に沿うように配置される環状の本体部と；本体部の内側面に設けられた少なくとも１つの形状変形可能な突起部と；を有することを特徴とする高分子電解質形燃料電池を提供する。
このような本発明の構成を有していれば、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの膜電極接合体側の面において、それぞれアノードとアノード側セパレータ板との間の気密及びカソードとカソード側セパレータ板との間の気密を保つことができるとともに、シール部材とアノード又はカソードの端面との間に上述のような隙間（アノード側隙間又はカソード側隙間）が形成される場合であっても、上記突起部によって当該隙間におけるガス流を抑制することができる。
より具体的には、上記のアノード側隙間又はカソード側隙間にそれぞれ燃料ガス又は酸化剤ガスが流れたとしても、上記の突起部が形状変形可能であることから、ガス流を受けて変形するとともに当該ガス流を抑制するように働く。したがって、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することができる。
更に、本発明によれば、上記突起部が、膜電極接合体とシール部材とを組み合わせる際の位置決め効果を有するため、本発明の高分子電解質形燃料電池の量産時の歩留まりを向上させることができ、更には、大幅なコスト低減を実現することができる。
また、本発明は、環状の本体部と；前記本体部の内側面に設けられた少なくとも１つの形状変形可能な突起部と；を有することを特徴とする燃料電池用シール部材を提供する。
このような本発明の構成を有していれば、上記燃料電池用シール部材を高分子電解質形燃料電池に用いた場合に、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの膜電極接合体側の面において、それぞれアノードとアノード側セパレータ板との間の気密及びカソードとカソード側セパレータ板との間の気密を保つことができるとともに、シール部材とアノード又はカソードの端面との間に上述のような隙間（アノード側隙間又はカソード側隙間）が形成される場合であっても、上記突起部によって当該隙間におけるガス流を抑制することができる。
このような本発明の構成を有していれば、上記燃料電池用シール部材を高分子電解質形燃料電池に用いた場合に、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの膜電極接合体側の面において、それぞれアノードとアノード側セパレータ板との間の気密及びカソードとカソード側セパレータ板との間の気密を保つことができるとともに、シール部材とアノード又はカソードの端面との間に上述のような隙間（アノード側隙間又はカソード側隙間）が形成される場合であっても、上記突起部によって当該隙間におけるガス流を抑制することができる。
より具体的には、上記のアノード側隙間又はカソード側隙間にそれぞれ燃料ガス又は酸化剤ガスが流れたとしても、上記の突起部が形状変形可能であることから、ガス流を受けて変形するとともに当該ガス流を抑制するように働く。したがって、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することができる。
更に、本発明の燃料電池用シール部材を用いれば、上記突起部が、膜電極接合体とシール部材とを組み合わせる際の位置決め効果を有するため、高分子電解質形燃料電池の量産時の歩留まりを向上させることができ、更には、大幅なコスト低減を実現することができる。
本発明によれば、それぞれアノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードの端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
更に、本発明によれば、上記のような、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるシール部材を提供することができる。
更に、本発明によれば、上記のような、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるシール部材を提供することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
［第一実施形態］
図１に、本発明の高分子電解質形燃料電池の基本構成（単電池）の要部断面図を示す。燃料電池１は、図１に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１０と、膜電極接合体１０を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０を含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
［第一実施形態］
図１に、本発明の高分子電解質形燃料電池の基本構成（単電池）の要部断面図を示す。燃料電池１は、図１に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１０と、膜電極接合体１０を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０を含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
膜電極接合体１０は、アノード１２及びカソード１３の間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１１が配置された構成を有している。更に、アノード１２は、高分子電解質膜１１側に密着した状態で配置される触媒層１４と、当該触媒層１４とアノード側セパレータ２０との間に配置されるガス拡散層１６とを少なくとも含み、カソード１３は、高分子電解質膜１１側に密着した状態で配置される触媒層１５と、当該触媒層１５とカソード側セパレータ３０との間に配置されるガス拡散層１７とを少なくとも含む。
触媒層１４、１５は、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末を主成分とする層である。また、ガス拡散層１６、１７は、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層１６、１７は、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。
ここで、図１に示すように、ＭＥＡ１０においては、ガス漏れを防止するためシール部材（ガスケット）４０、５０を配置する観点から、高分子電解質膜１１の主面の大きさが、アノード１２及びカソード１３の主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１１の全外縁部がアノード１２及びカソード１３の外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。
ここで、図１に示すように、ＭＥＡ１０においては、ガス漏れを防止するためシール部材（ガスケット）４０、５０を配置する観点から、高分子電解質膜１１の主面の大きさが、アノード１２及びカソード１３の主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１１の全外縁部がアノード１２及びカソード１３の外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。
アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０は、導電性を有しており、ＭＥＡ１０を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ１０を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ１０同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０には、アノード２０及びカソード３０に反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ１０の外部に運び去るためのガス流路２４、３５が一方の面（即ちアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０の、それぞれアノード１２及びカソード１３に接する側の主面）に形成されている。
更に、アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０の他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路２７、３７が形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
ガス流路２４、３５は、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０の、それぞれアノード１２及びカソード１３に接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路２７、３７は、アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０の外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。
また、複数のＭＥＡ１０間にアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０を介在させ、複数のＭＥＡ１０を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ１０に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０に設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。
また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ１０に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０に設けられた冷却流体供給用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。
ここで、図２は、図１におけるＩ−Ｉ線断面である。図２に示すアノード側セパレータ板２０は、例えば黒鉛板又は炭素粉末とバインダーの混合物を成形した炭素板で構成され、各一対の燃料ガス用マニホールド孔２２、酸化剤ガス用マニホールド孔２５及び冷却水用マニホールド孔２３を有する。また、アノード側セパレータ板２０は、アノード１２と対向する面に、一対の燃料ガス用マニホールド孔２２を連絡する燃料ガスの流路２４を有し、背面には、一対の冷却水用マニホールド孔２３を連絡する冷却水の流路２７を有する。
図２においては、ガス流路２４は並行する４本の溝で構成されている。このガス流路２４の燃料ガス用マニホールド孔２２と連絡する部分には、アノード側シール部材４０が溝内へ垂れ込むのを防止するためのカバープレート（仕切板）２６が設置され、この部分のガス流路２４はトンネル状になっている。このカバープレートに関しては、例えば特開２０００−１３３２８９号公報に記載されており、これを本明細書に引用する。
図示しないが、アノード側セパレータ板２０と同様に、カソード側セパレータ板３０は、各一対の燃料ガス用マニホールド孔、酸化剤ガス用マニホールド孔及び冷却水用マニホールド孔を有し、更に、カソードと対向する面に、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔を連絡する酸化剤ガスの流路３５を有し、背面には、一対の冷却水用マニホールド孔を連絡する冷却水の流路３７を有する。
更に、燃料電池１においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード１２側への漏れ、酸化剤ガスのアノード１３側への漏れ、ＭＥＡ１０外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０の間において、ＭＥＡ１０の外縁部（アノード１２及びカソード１３の外部であって高分子電解質膜１１の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するシール部材、即ちアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０が配置されている。
このように、アノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を、先に述べた高分子電解質膜１１の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノード側セパレータ２０、アノード側シール部材４０、ＭＥＡ１０、カソード側シール部材５０及びカソード側セパレータ３０を所定の締結圧で締結して、図１に示す構造を有する単電池を構成する。
ここで、アノード側セパレータ２０、高分子電解質膜１１及びアノード側シール部材４０によって、アノード１２を包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ３０、高分子電解質膜１１及びカソード側シール部材５０によって、カソード１３を包み込むまた別の閉空間が形成される。
これらの閉空間によって、アノード１２及びカソード１３に供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られているが、上述したように、アノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じるため、それぞれアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０と、アノード１２及びカソード１３の端面とを十分に密着させることは極めて困難である。そのため、図１に示すように、アノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を上述の位置に配置すると、それぞれアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０とアノード１２及びカソード１３との間に隙間（即ちアノード側隙間１２ａ及びカソード側隙間１３ａ）が形成され易い。
そこで、本実施形態においては、上記のようなアノード側隙間１２ａ及びカソード側隙間１３ａをバイパスとして反応ガスが回り込み、反応ガスの利用率が下がって効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題を解決すべく、アノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を、膜電極接合体１０の外周部に沿うように配置される環状の本体部と、当該本体部の内側面に設けられた少なくとも１つの形状変形可能な突起部と、で構成する。
図３は、図２におけるII部分を拡大した図、即ちII部におけるアノード側シール部材４０の構造を説明するための図である。図１及び３に示すように、アノード側シール部材４０においては、アノード１２を囲むように配置された環状の本体部４６に、可撓性を有することによって形状変形可能な毛状の突起部６０が、当該突起部６０の長さ方向と環状の本体部４６の内側面の面方向とが略直角に交差するように、複数個設けられており、当該突起部６０がアノード１２の側面に当接している。
この突起物６０は、アノード側隙間１２ａをバイパスとして燃料ガスが流れた際に、当該燃料ガスの流れを受けて形状変形することによって、その流れを抑制する効果を奏する。また、突起部６０は、アノード１２全体にわたって当該アノード１２の側面に当接するため、アノード側シール部材４０の内側においてアノード１２を容易かつ確実に位置決めすることができるという効果をも奏する。図示しないが、カソード側シール部材５０も、アノード側シール部材４０と同様の構造及び機能を有する。
ここで、本実施形態における突起部６０に必要な条件としては、主として、（１）ＭＥＡ１０や燃料電池１の組み立て時に形状変形して環状の本体部４６とアノード１２又はカソード１３の側面との間、即ちアノード側隙間１２ａ又はカソード側隙間１３ａに納まること、及び（２）化学的耐久性が高いこと、等が挙げられる。
したがって、突起部６０を構成する材料としては、例えばフッ素ゴム、ポリイソプレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、熱可塑性エラストマー、液晶ポリマー、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、テレフタルアミド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリサルホン樹脂、シンジオタクチックポリスチレン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、又はこれらを複数含む複合材等が挙げられる。
なかでも、弾力性を有する材料を用いることにより、ＭＥＡ１０や燃料電池１の組み立て時における突起物６０による位置決め効果をより向上させることができる。
なかでも、弾力性を有する材料を用いることにより、ＭＥＡ１０や燃料電池１の組み立て時における突起物６０による位置決め効果をより向上させることができる。
なお、アノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０の環状の本体部４６及び５６を構成する材料としては、従来のシール部材やガスケットに用いられている材料を用いることができるが、突起部６０と同じ材料を用い、突起部６０と環状の本体部４６、５６とを一体的に構成（成形）して一体化構造にするのが好ましい。これによれば、アノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０の製造工程を削減することができるとともに、耐久性を向上させることができ、大幅なコスト低減を図ることができる。
上記のように、本実施形態によれば、それぞれアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０とアノード１２及びカソード１３の端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
［第二実施形態］
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１におけるアノード側シール部材及びカソード側シール部材を異なる構成に代えたものであり、アノード側シール部材及びカソード側シール部材以外の構成は第一実施形態の燃料電池１と同様である。
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１におけるアノード側シール部材及びカソード側シール部材を異なる構成に代えたものであり、アノード側シール部材及びカソード側シール部材以外の構成は第一実施形態の燃料電池１と同様である。
以下、第二実施形態の燃料電池に備えられるアノード側シール部材について説明する。図４は、図２におけるII部分の要部を拡大した図、即ち第二実施形態の燃料電池におけるアノード側シール部材４０の構造を説明するための図である。
図４に示すように、本実施形態のアノード側シール部材４０においては、アノード１２を囲むように配置された環状の本体部４６ａに、可撓性を有することによって形状変形可能な針状の突起部６０ａが、当該突起部６０ａの長さ方向と環状の本体部４６ａの内側面の面方向とが略直角に交差するように、複数個設けられており、当該突起部６０ａがアノード１２の側面に当接している。
この突起物６０ａは、アノード側隙間１２ａをバイパスとして燃料ガスが流れた際に、当該燃料ガスの流れを受けて形状変形し、その流れを抑制する効果を奏する。また、突起部６０ａは、アノード１２全体にわたって当該アノード１２の側面に当接するため、アノード側シール部材４０の内側においてアノード１２を容易かつ確実に位置決めすることができるという効果をも奏する。図示しないが、カソード側シール部材５０も、アノード側シール部材４０と同様の構造及び機能を有する。
上記のように、本実施形態によれば、それぞれアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０とアノード１２及びカソード１３の端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
［第三実施形態］
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第三実施形態について説明する。この第三実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１におけるアノード側シール部材及びカソード側シール部材を異なる構成に代えたものであり、アノード側シール部材及びカソード側シール部材以外の構成は第一実施形態の燃料電池１と同様である。
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第三実施形態について説明する。この第三実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１におけるアノード側シール部材及びカソード側シール部材を異なる構成に代えたものであり、アノード側シール部材及びカソード側シール部材以外の構成は第一実施形態の燃料電池１と同様である。
以下、第三実施形態の燃料電池に備えられるアノード側シール部材について説明する。図５は、図２におけるII部分の要部を拡大した図、即ち第三実施形態の燃料電池におけるアノード側シール部材４０の構造を説明するための図である。
図５に示すように、本実施形態のアノード側シール部材４０においては、アノード１２を囲むように配置された環状の本体部４６ｂの内側面に、可撓性を有することによって形状変形可能な三日月状の突起部６０ｂが、環状の本体部４６ｂの内側面の面方向と略平行に流れるガス流を受けることができるような構成で複数個設けられており、当該突起部６０ｂの他端がアノード１２の側面に当接している。
なお、三日月状の突起部６０ｂの厚さは、環状の本体部４６ｂと同じかそれ以下であればよい。
なお、三日月状の突起部６０ｂの厚さは、環状の本体部４６ｂと同じかそれ以下であればよい。
この突起物６０ｂは、アノード側隙間１２ａをバイパスとして燃料ガスが流れた際に、当該燃料ガスの流れを受けて形状変形し、特にその流れを抑制する効果に優れている。また、突起部６０ｂは、アノード１２全体にわたって当該アノード１２の側面に当接するため、アノード側シール部材４０の内側においてアノード１２を容易かつ確実に位置決めすることができるという効果をも奏する。図示しないが、カソード側シール部材５０も、アノード側シール部材４０と同様の構造及び機能を有する。
上記のように、本実施形態によれば、それぞれアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０とアノード１２及びカソード１３の端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
［第四実施形態］
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第四実施形態について説明する。この第四実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１におけるアノード側シール部材及びカソード側シール部材を異なる構成に代えたものであり、アノード側シール部材及びカソード側シール部材以外の構成は第一実施形態の燃料電池１と同様である。
次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第四実施形態について説明する。この第四実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の燃料電池１におけるアノード側シール部材及びカソード側シール部材を異なる構成に代えたものであり、アノード側シール部材及びカソード側シール部材以外の構成は第一実施形態の燃料電池１と同様である。
以下、第四実施形態の燃料電池に備えられるアノード側シール部材について説明する。図６及び７は、図２におけるII部分の要部を拡大した図、即ち第四実施形態の燃料電池におけるアノード側シール部材４０の構造を説明するための図である。より詳しくは、図６及び７は、本実施形態におけるアノード側シール部材の突起部が形状変形する様子を説明するための図である。
図６に示すように、本実施形態のアノード側シール部材４０においては、アノード１２を囲むように配置された環状の本体部４６ｃの内側面に、可撓性を有することによって形状変形可能な弁状の突起部６０ｃが、当該突起部６０ｃの長さ方向が環状の本体部４６ｃの内側面の面方向と略平行になるように、上記内側面に複数個設けられている。そして、図７に示すように、アノード側隙間１２ａにおいて矢印で示すように環状の本体部４６ｃの内側面の面方向と略平行に反応ガスが流れた場合、突起部６０ｃは上記反応ガスの流れを受けて開き、当該突起部６０ｃの他端がアノード１２の側面に当接する。
なお、弁状の突起部６０ｃの厚さは、環状の本体部４６ｃと同じかそれ以下であればよい。
なお、弁状の突起部６０ｃの厚さは、環状の本体部４６ｃと同じかそれ以下であればよい。
即ち、突起物６０ｃは、アノード側隙間１２ａをバイパスとして燃料ガスが流れた際に、当該燃料ガスの流れを受けて形状変形し、特にその流れを抑制する効果に優れている。また、突起部６０ｃは、アノード１２全体にわたって当該アノード１２の側面を押圧するため、アノード側シール部材４０の内側においてアノード１２を容易かつ確実に位置決めすることができるという効果をも奏する。特に、図６に示すように、ガスが流れていないときには突起部６０ｃは環状の本体部４６ｃの内側面に沿っているため、ＭＥＡ１０や燃料電池１の組立時の取扱性に優れる。なお、図示しないが、カソード側シール部材５０も、アノード側シール部材４０と同様の構造及び機能を有する。
上記のように、本実施形態によれば、それぞれアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０とアノード１２及びカソード１３の端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
更に、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０を提供することができる。
上記実施形態においては、アノード側シール部材及びカソード側シール部材の両方について、本発明の燃料電池用シール部材を用いた場合について説明したが、アノード側及びカソード側のいずれか一方において本発明の燃料電池用シール部材を用いた場合でも同様の効果を奏することができる。また、突起部の形状は、例えばばね状であってもよく、ＭＥＡ１０や単電池の組立て後における位置決め・固定を確実にするためにも、ＭＥＡ１０に当接するだけでなくある程度の力でＭＥＡ１０を押圧しているのが好ましい。
また、上記突起物は、シール部材を例えば射出成形等の成形法で製造する際に、環状の本体部と同時に形成してもよく、また、先に環状のシール部材を製造した後にトムソン型等によって切り出して形成することも可能である。また、シール部材を成形法で作製する際に、樹脂流入ゲートによってできるバリを積極的に利用して、上記突起部を構成することも可能である。
また、上記実施形態においては特に説明しなかったが、シール部材は粘着剤でセパレータ板に固定してもよく、シール部材をセパレータ板に直接焼き付けなどにより固定してもよい。更に、セパレータ板に溝を設けて、当該溝にシール部材の環状の本体部を嵌め込んでもよい。
また、上記突起物は、可橈性を有していれば、上記隙間における反応ガスの流れ抑制効果及び位置決め効果を発揮するが、なかでも弁状、針状及び毛状等の微細な構造を有する突起部が、作り易さという点からシール部材の製造上好ましく、上記隙間に納まり易いという点から性能上好ましい。
また、上記突起物は、上記隙間を流れるガス流に逆らう方向に配置されていてもよく、更に、当該ガス流れを受けて形状変形し、当該ガス流れを抑制する構成であるのも好ましい。したがって、例えば上記第１実施形態及び第二実施形態における突起部６０、６０ａは、当該突起部６０、６０ａの長さ方向が、環状の本体部４６、４６ａの内側面に略平行な方向に対して鋭角に交差するように設け、ガス流れを受けて弁のように開き、当該ガス流れを抑制するように構成されていてもよい。
また、アノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０のうちの少なくとも一方が、例えば熱溶着（ホットプレス）又は接着剤を用いた接着等の方法によって、ＭＥＡ１０と一体化されていてもよい。
このような構成によれば、シール部材とＭＥＡとの接合体の取り扱いが容易であり、アノード側シール部材４０、カソード側シール部材５０、ＭＥＡ１０、アノード側セパレータ板２０、及びカソード側セパレータ板３０を用いて燃料電池１を作製し易い。特にアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０の両方がＭＥＡ１０と一体化されていれば、更に燃料電池１を作製し易い。
このような構成によれば、シール部材とＭＥＡとの接合体の取り扱いが容易であり、アノード側シール部材４０、カソード側シール部材５０、ＭＥＡ１０、アノード側セパレータ板２０、及びカソード側セパレータ板３０を用いて燃料電池１を作製し易い。特にアノード側シール部材４０及びカソード側シール部材５０の両方がＭＥＡ１０と一体化されていれば、更に燃料電池１を作製し易い。
アノード側シール部材４０は、例えば熱溶着（ホットプレス）又は接着剤を用いた接着等の方法によって、アノード側セパレータ板２０と一体化されていてもよい。また、カソード側シール部材５０も、例えば熱溶着（ホットプレス）又は接着剤を用いた接着等の方法によって、カソード側セパレータ板３０と一体化されていてもよい。
このような構成によれば、シール部材とセパレータ板との接合体の取り扱いが容易であり、アノード側シール部材４０、カソード側シール部材５０、ＭＥＡ１０、アノード側セパレータ板２０、及びカソード側セパレータ板３０を用いて燃料電池１を作製し易い。
このような構成によれば、シール部材とセパレータ板との接合体の取り扱いが容易であり、アノード側シール部材４０、カソード側シール部材５０、ＭＥＡ１０、アノード側セパレータ板２０、及びカソード側セパレータ板３０を用いて燃料電池１を作製し易い。
以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これらのみに限定
されるものではない。
されるものではない。
（実施例１）
ＭＥＡとしては、図１に示した構成を有する株式会社ジャパンゴアテックス製の「ＰＲＩＭＥＡ（商品名）」（アノード及びカソードの主面の大きさは６ｃｍ×６ｃｍ）を用意した。
アノード側シール部材（厚さ：２８０μｍ）は、フッ素ゴム製シートを用い、これに対して図２に示した各マニホールド孔（燃料ガス用マニホールド孔２２、冷却水用マニホールド孔２３、酸化剤ガス用マニホールド孔２５）に対応する部分となる開口部及びＭＥＡが配置される部分となる中央の開口部を打ち抜き加工により形成することで作製した。なお、ＭＥＡが配置される部分となる中央の開口部の大きさはＭＥＡのアノードの主面の大きさよりも大きい６．２ｃｍ×６．２ｃｍとした。
すなわち、図１に示したアノード側隙間１２ａの幅が１ｍｍとなるように形成した。
ＭＥＡとしては、図１に示した構成を有する株式会社ジャパンゴアテックス製の「ＰＲＩＭＥＡ（商品名）」（アノード及びカソードの主面の大きさは６ｃｍ×６ｃｍ）を用意した。
アノード側シール部材（厚さ：２８０μｍ）は、フッ素ゴム製シートを用い、これに対して図２に示した各マニホールド孔（燃料ガス用マニホールド孔２２、冷却水用マニホールド孔２３、酸化剤ガス用マニホールド孔２５）に対応する部分となる開口部及びＭＥＡが配置される部分となる中央の開口部を打ち抜き加工により形成することで作製した。なお、ＭＥＡが配置される部分となる中央の開口部の大きさはＭＥＡのアノードの主面の大きさよりも大きい６．２ｃｍ×６．２ｃｍとした。
すなわち、図１に示したアノード側隙間１２ａの幅が１ｍｍとなるように形成した。
フッ素ゴム製シートのＭＥＡが配置される部分となる中央の開口部（略矩形の開口部）を打ち抜きの際に、図６に示した複数の突起部（長さ：約１ｃｍ、厚さ：約０．１ｍｍ）を略均等間隔で一辺に３個づつ合計１２個形成した。なお、突起部はアノード側隙間１２ａにガスが侵入してきた際に、図６及び図７に示したように、ガスがアノード側隙間１２ａを進行しないように開くよう（形状変形するよう）に形成した。
カソード側シール部材は、（厚さ：２８０μｍ）は、フッ素ゴム製シートを用い、これに対して図２に示した各マニホールド孔（燃料ガス用マニホールド孔２２、冷却水用マニホールド孔２３、酸化剤ガス用マニホールド孔２５）に対応する部分となる開口部及びＭＥＡが配置される部分となる中央の開口部を打ち抜き加工により形成することで作製した。なお、ＭＥＡが配置される部分となる中央の開口部の大きさはＭＥＡのカソードの主面の大きさよりも大きい６．１ｃｍ×６．１ｃｍとした。なお、このカソード側シール部材には突起部を設けなかった。
次に、上記ＭＥＡと、燃料ガス供給用のガス流路および冷却水流路を有するアノード側セパレータ板２０と、酸化剤ガス供給用のガス流路および冷却水流路を有するカソード側セパレータ板３０とで挟持した。その際、ＭＥＡのカソードの周囲にカソード側シール部材、アノードの周囲にアノード側シール部材を配置した。次に、得られたアノード側セパレータ板、ＭＥＡ、カソード側セパレータ板の積層体の両端にそれぞれ集電板および絶縁板を重ね合わせ、その積層体を一対のエンドプレートの間に配置し、更に得られる積層体を一対のヒーターで挟持し、スプリング及び締結具（ボルト及びナット）を用いて締結した。なお、スプリングの長さを調整することにより、ＭＥＡの締結圧力を７〜１０ｋｇｆ／ｃｍ2となるように調節した。このようにして、単電池１（本発明の高分子電解質形燃料電池）を得た。
（比較例１）
実施例１の燃料電池と比較し、突起部がないアノード側シール部材（突起部がない以外は実施例１のアノード側シール部材と同一のもの）を用いたこと以外は実施例１と同一の構成を有する単電池２（高分子電解質形燃料電池）を作成した。
実施例１の燃料電池と比較し、突起部がないアノード側シール部材（突起部がない以外は実施例１のアノード側シール部材と同一のもの）を用いたこと以外は実施例１と同一の構成を有する単電池２（高分子電解質形燃料電池）を作成した。
［評価試験］
（１）エージング処理（活性化処理）
実施例１および比較例１で得られた単電池１及び単電池２を、６４℃に制御し、アノード側のガス流路に燃料ガスとして水素および二酸化炭素の混合ガス（体積比４：１）を供給し、カソード側のガス流路に空気をそれぞれ供給した。この際、水素ガス利用率を７５％に設定し、空気利用率を４０％に設定し、水素ガスおよび空気の露点がそれぞれ約６４℃となるように加湿してから単電池に供給した。そして電流密度０．２Ａ・ｃｍ-2で１２時間単電池を運転してエージングを行った。
（１）エージング処理（活性化処理）
実施例１および比較例１で得られた単電池１及び単電池２を、６４℃に制御し、アノード側のガス流路に燃料ガスとして水素および二酸化炭素の混合ガス（体積比４：１）を供給し、カソード側のガス流路に空気をそれぞれ供給した。この際、水素ガス利用率を７５％に設定し、空気利用率を４０％に設定し、水素ガスおよび空気の露点がそれぞれ約６４℃となるように加湿してから単電池に供給した。そして電流密度０．２Ａ・ｃｍ-2で１２時間単電池を運転してエージングを行った。
（２）電池出力特性評価試験
実施例１の単電池１及び比較例１の単電池２を用い、以下の作動条件で限界燃料ガス利用率を測定した。結果を表１に示す。ここで、「限界燃料ガス利用率」とは、燃料電池が電圧降下を起こさずに安定して発電できる最大の水素ガス利用率をいう。
・燃料電池の作動温度：６４℃
・燃料ガス（Ｈ2）利用率：８０〜９５％の間で変動
・酸化剤ガス（Ｏ2）利用率：４０％固定
・燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿温度：６４℃
この評価試験では、電流密度を０．２Ａ・ｃｍ-2とし、アノード側のガス流路に、水素および二酸化炭素の混合ガス（体積比４：１）を供給し、水素ガス利用率を８０〜９５％の間で変化させて、３０分経過後の出力電圧を記録した。
なお、この評価試験においては、実施例１の単電池１及び比較例１の単電池２ごとに限界燃料ガス利用率を求め、相加平均を算出してこれを限界燃料ガス利用率とした。
実施例１の単電池１及び比較例１の単電池２を用い、以下の作動条件で限界燃料ガス利用率を測定した。結果を表１に示す。ここで、「限界燃料ガス利用率」とは、燃料電池が電圧降下を起こさずに安定して発電できる最大の水素ガス利用率をいう。
・燃料電池の作動温度：６４℃
・燃料ガス（Ｈ2）利用率：８０〜９５％の間で変動
・酸化剤ガス（Ｏ2）利用率：４０％固定
・燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿温度：６４℃
この評価試験では、電流密度を０．２Ａ・ｃｍ-2とし、アノード側のガス流路に、水素および二酸化炭素の混合ガス（体積比４：１）を供給し、水素ガス利用率を８０〜９５％の間で変化させて、３０分経過後の出力電圧を記録した。
なお、この評価試験においては、実施例１の単電池１及び比較例１の単電池２ごとに限界燃料ガス利用率を求め、相加平均を算出してこれを限界燃料ガス利用率とした。
実施例１においては、燃料ガス利用率を９５％にしても、電圧降下が起こらなかった。一方、比較例１においては、燃料ガス利用率が９０％を超えると電圧降下が始まった。
表１に示した結果から明らかなように、本発明の燃料電池は、本発明における実施例１の単電池（燃料電池）はアノードシール部材に形成された突起部がアノード側隙間へのガスの流入を十分に抑制するため、高い限界燃料ガス利用率を有し、充分な発電性能を発揮することが確認された。
また、実施例１の単電池は、測定中に燃料ガス利用率を変動させても電圧の振動は起こらなかった。しかし、比較例１の単電池は、燃料ガス利用率を変動させた全範囲において電圧が実施例１の単電池よりも低くかつ電圧の振動が大きいことがわかった。
表１に示した結果から明らかなように、本発明の燃料電池は、本発明における実施例１の単電池（燃料電池）はアノードシール部材に形成された突起部がアノード側隙間へのガスの流入を十分に抑制するため、高い限界燃料ガス利用率を有し、充分な発電性能を発揮することが確認された。
また、実施例１の単電池は、測定中に燃料ガス利用率を変動させても電圧の振動は起こらなかった。しかし、比較例１の単電池は、燃料ガス利用率を変動させた全範囲において電圧が実施例１の単電池よりも低くかつ電圧の振動が大きいことがわかった。
本発明の高分子電解質形燃料電池は、それぞれアノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードの端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能であることから、家庭用コージェネレーションや車載用の燃料電池として好適に用いることができる。
また、本発明の燃料電池用シール部材は、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することができるため、家庭用コージェネレーションや車載用の燃料電池に好適に用いることができる。
また、本発明の燃料電池用シール部材は、上記のような簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することができるため、家庭用コージェネレーションや車載用の燃料電池に好適に用いることができる。
Claims (18)
- 水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜並びに前記高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを有する膜電極接合体と、
前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ板及び前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータ板と、
前記膜電極接合体の外周部と前記アノード側セパレータ板の前記膜電極接合体側の側面との間に配置されており、前記アノードと前記アノード側セパレータ板との間の気密を保つアノード側シール部材と、
前記膜電極接合体の外周部と前記カソード側セパレータ板の前記膜電極接合体側の側面との間に配置されており、前記カソードと前記カソード側セパレータ板との間の気密を保つカソード側シール部材と、
を具備しており、
前記アノード側シール部材及び前記カソード側シール部材のうちの少なくとも一方が、前記膜電極接合体の前記外周部に沿うように配置される環状の本体部と；前記本体部の内側面に設けられた少なくとも１つの形状変形可能な突起部と；を有することを特徴とする高分子電解質形燃料電池。 - 前記本体部と前記膜電極接合体との間に隙間が形成されており、前記突起部が前記隙間に位置すること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
- 前記突起部が前記隙間において前記膜電極接合体を当接又は押圧していること、を特徴とする請求項２記載の高分子電解質形燃料電池。
- 前記突起部の長さ方向と前記内側面の面方向とが交差するように、前記突起部が前記内側面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
- 前記突起部が弾力性を有すること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
- 前記環状の本体部と前記突起部とが一体的に形成されていること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
- 前記突起部が三日月状、弁状、針状、ばね状又は毛状であること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
- 前記突起部が、前記隙間を流れるガス流に逆らう方向に配置されていること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
- 前記突起部が、前記隙間を流れるガス流によって変形し、前記膜電極接合体の側面に当接するような構成を有すること、を特徴とする請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
- 前記アノード側シール部材及び前記カソード側シール部材のうちの少なくとも一方が、前記膜電極接合体と一体化されていること、
を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。 - 前記アノード側シール部材及び前記カソード側シール部材が、前記膜電極接合体と一体化されていること、
を特徴とする請求項１０に記載の高分子電解質形燃料電池。 - 前記アノード側シール部材が前記アノード側セパレータ板と一体化されていること、
を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。 - 前記カソード側シール部材が前記カソード側セパレータ板と一体化されていること、
を特徴とする請求項１又は１２に記載の高分子電解質形燃料電池。 - 環状の本体部と；前記本体部の内側面に設けられた少なくとも１つの形状変形可能な突起部と；を有することを特徴とする燃料電池用シール部材。
- 前記突起部の長さ方向と前記内側面の面方向とが交差するように、前記突起部が前記内側面に設けられていることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池用シール部材。
- 前記突起部が弾力性を有すること、を特徴とする請求項１４に記載の燃料電池用シール部材。
- 前記本体部と前記突起部とが一体的に形成されていること、を特徴とする請求項１４に記載の燃料電池用シール部材。
- 前記突起部が三日月状、弁状、針状、ばね状又は毛状であること、を特徴とする請求項１４に記載の燃料電池用シール部材。
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