WO2009104504A1 - 燃料電池 - Google Patents

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WO2009104504A1
WO2009104504A1 PCT/JP2009/052265 JP2009052265W WO2009104504A1 WO 2009104504 A1 WO2009104504 A1 WO 2009104504A1 JP 2009052265 W JP2009052265 W JP 2009052265W WO 2009104504 A1 WO2009104504 A1 WO 2009104504A1
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gas flow
sealing
layer
gasket
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飯塚　和孝
加藤　千智
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トヨタ自動車株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.
  • a cell of a polymer electrolyte fuel cell forms a membrane electrode assembly (MEA) from an ion permeable electrolyte membrane and an anode electrode layer and a cathode electrode layer sandwiching the electrolyte membrane.
  • a separator is arranged on the outside to form a single cell.
  • a gas diffusion layer (GDL) for promoting gas flow and increasing current collection efficiency is provided outside the electrode layer to form a membrane electrode assembly (MEGA: Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly).
  • GDL gas diffusion layer
  • MEGA Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly
  • a separator is disposed outside the diffusion layer. This separator defines the space between cells and has a concave and convex shape to act as a gas flow path and also has a current collecting function.
  • the gas flow path layer is a flat type.
  • a cell structure provided separately from the separator has been developed. In an actual fuel cell, a stack is formed by laminating a predetermined number of
  • hydrogen gas or the like is provided as a fuel gas to the anode electrode
  • oxygen or air is provided as the oxidant gas to the cathode electrode
  • each electrode has a gas flow layer in its in-plane direction. Then, the gas diffused in the gas diffusion layer is led to the electrode catalyst to cause an electrochemical reaction.
  • a gasket for imparting a gas sealing action is formed on the periphery of the above-mentioned MEA or MEGA.
  • the fuel cell disclosed in Patent Document 1 here, a membrane electrode assembly
  • a gasket c having double protrusions c1 and c2 is provided at the ends of the electrolyte membrane a (or membrane electrode assembly) and the gas diffusion layers b1 and b2 sandwiching the electrolyte membrane a (or membrane electrode assembly), and these are sandwiched between the separators d1 and d2.
  • FIG. 8 shows a state before the double projections c1 and c2 are crushed by the gaskets d1 and d2, and
  • FIG. 9 shows a state after the crushed.
  • the gas diffusion layers b1 and b2 have variations in thickness even after compression. According to the present inventors, it has been specified that variations of about ⁇ 35 ⁇ m can occur. This is a problem caused by variations, and there are problems inherent to each of the following cases depending on whether the thickness of the gas diffusion layer after compression is too thick or too thin.
  • the reaction force acting on the above-described protrusion c1 is large, but this relatively reduces the electrodes (electrolyte film a and gas diffusion layers b1, b2).
  • the load acting on is reduced.
  • the contact resistance between the separators d1 and d2 and the gas diffusion layers b1 and b2 is increased, which causes a decrease in power generation performance.
  • the reaction force acting on the protrusion c2 is smaller than a desired value, the gas sealing performance is also lowered.
  • the reaction force acting on the protrusion c1 is reduced, resulting in a decrease in gas sealing performance, and gas is likely to leak between the protrusion c1 and the separators d1 and d2. Further, since the reaction force acting on the protrusion c2 is relatively increased, the electrode is easily short-circuited, and the possibility that the protrusion c2 is broken is increased.
  • FIG. 10 shows a structure in which the cell structure shown in FIGS. 8 and 9 is provided with a gas flow path layer separated from the separator described above.
  • the gasket c provided with the sealing projection c2 is provided, and the projections c1 and c2 are crushed while being sandwiched between the separators d1 and d2.
  • the figure has shown the longitudinal cross section cut
  • the gap e exists between the gas flow path layers f1 and f2 and the gasket c (projection c1 thereof), and therefore, between the separators d2 via the manifold M as shown by arrows in the figure.
  • the gas that has flowed through is not supplied to the gas flow path layer f2, but flows into the gap e having a relatively low pressure loss.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and has high gas sealing performance even when there is a processing error (variation) as in the conventional gasket, and further, without being cut by a pass. It aims at providing the fuel cell provided with the seal structure which can provide gas to a membrane electrode assembly.
  • a fuel cell according to the present invention comprises a membrane electrode assembly comprising at least an electrolyte membrane and an anode electrode layer and a cathode electrode layer sandwiching the electrolyte membrane, and a gas flow path layer sandwiching the membrane electrode assembly. And a separator sandwiching the gas flow path layer, and a gasket comprising a membrane electrode assembly and a gasket formed on the periphery of the gas flow path layer and having a manifold as a gas flow path.
  • a first sealing protrusion is formed around the manifold, a notch is formed in the end of the gas flow path layer, and the end of the gasket is The notch is closed, and has one or more second sealing protrusions protruding from the gas flow path layer surface and having a height equal to or lower than the first sealing protrusion, Separation Is in contact with the gas flow path layer in a posture in which the first sealing protrusion and the second sealing protrusion are crushed, and one or more linear sealing structures are formed by the second sealing protrusion and the separator. Is formed.
  • the fuel cell of the present invention is effective by improving the adhesion between the gas flow path layer sandwiching the membrane electrode assembly (which may include a gas diffusion layer) and the gas seal gasket formed on the periphery thereof.
  • gas can be provided to the membrane electrode assembly, and further, manufacturing errors such as a gas diffusion layer can be allowed to apply a uniform in-plane pressure to the membrane electrode assembly, thereby improving power generation efficiency and performance. It relates to an excellent fuel cell.
  • a notch is formed at the end of the gas flow path layer, and the end of the gasket is placed on the notch to close the notch and be placed on the notch.
  • One or more sealing protrusions that protrude from the surface of the gas flow path layer are formed at the end of the placed gasket.
  • a manifold for supplying or exhausting gas is formed on the gasket, and a known sealing ridge for gas sealing (first sealing ridge) is formed around the manifold. Yes.
  • the above-described second sealing protrusion protrudes from the gas flow path layer surface and has a height equal to or lower than that of the first sealing protrusion. Since the pressure acting on the second sealing protrusion directly acts on the membrane electrode assembly, if this is higher than the first sealing protrusion, excessive pressure is applied to the membrane electrode assembly. This is because it becomes a factor that damages the membrane electrode assembly and inhibits in-plane uniform power generation.
  • the second sealing protrusion may be a single line or a plurality of lines.
  • a notch is formed in a frame edge shape on the outer peripheral edge of the gas flow path layer, for example, in a plan view, and on this notch, At intervals, the second endless rectangular second sealing protrusion is placed.
  • At least one linear seal structure is formed between the second seal projection and the separator while being in contact with the gas flow path layer in the posture.
  • the adhesion between the gas flow path layer and the gasket is enhanced, and there is no gap that causes a pass cut as in the conventional structure described above. Further, one or more protrusions are placed on the notches formed at the end of the gas flow path layer, and this forms a seal structure with the separator together with the sealing protrusions around the manifold. The sealing property is further improved.
  • a membrane electrode assembly comprising at least an electrolyte membrane and an anode electrode layer and a cathode electrode layer sandwiching the electrolyte membrane, and a gas flow path sandwiching the membrane electrode assembly
  • a fuel cell comprising: a layer, and a separator sandwiching the gas flow path layer; and a gasket having a manifold formed as a gas flow path formed on the periphery of the membrane electrode assembly and the gas flow path layer.
  • a first sealing protrusion is formed around the manifold, a notch is formed in an end of the gas flow path layer, and an end of the gasket is The notch is closed, and a plurality of second sealing protrusions protruding at the same level as the gas flow path layer surface or projecting from the surface are provided so as to cross each other, and the separator is provided with the first seal. for The abuts against the gas flow path layer in a posture in which crushed condition, in which the planar seal structure is formed by the second seal protrusion and the separator which intersects the other.
  • the second seal protrusions instead of forming the second seal protrusions in a linear form, the second seal protrusions intersect with each other to form, for example, a grid pattern.
  • the protrusion is placed on the notch at the end of the gas flow path layer.
  • the fuel cell described above is excellent in gas sealability, power generation efficiency and power generation performance, and its production has been increasing recently, and a hybrid vehicle in which an onboard fuel cell with high power generation performance is an urgent issue It is suitable for electric vehicles and the like.
  • the adhesion between the gas flow path layer and the gasket can be improved, and a fuel cell with improved gas sealing properties can be obtained. Furthermore, even if there is a manufacturing error in the gas diffusion layer, this can be allowed, and the pressure at the time of uniform stack formation can be applied to the membrane electrode assembly, thereby obtaining a fuel cell with excellent power generation performance. be able to.
  • FIG. 2 is an II-II arrow view of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a part III in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state where a cathode-side separator is attached to the cross-sectional view of FIG. 2. It is the figure which showed other embodiment of the gasket, and is the top view to which the edge part of the membrane electrode assembly and the connection part of the gasket were expanded.
  • FIG. 6 is a view taken along arrow VI-VI in FIG. 5.
  • FIG. 5 is a view taken along arrow VI-VI in FIG. 5.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a state where a cathode-side separator is attached to the cross-sectional view of FIG. 6. It is sectional drawing demonstrated before forming the sealing structure by the gasket of the conventional membrane electrode assembly edge part. It is sectional drawing explaining the sealing structure by the gasket of the conventional membrane electrode assembly edge part. It is sectional drawing of other embodiment of the sealing structure by the gasket of the conventional membrane electrode assembly edge part.
  • SYMBOLS 1 Electrolyte membrane (MEA), 2 ... Gas diffusion layer (GDL), 3 ... Gas flow path layer, 31 ... Notch, 32 ... Reinforcement material, 4 ... Separator, 41 ... Separator for the cell, 42 ... Gas distribution layer 43 ... Adjacent cell separator, 5, 5A ... Gasket, 51 ... Sealing ridge (first sealing ridge), 52 ... Linear sealing ridge (second sealing ridge) 53 ... Surface -Shaped sealing protrusion (second sealing protrusion), 54 ... groove, 6 ... manifold
  • FIG. 1 is a plan view of a cell structure in which a gas channel layer is sandwiched between membrane electrode assemblies
  • FIG. 2 is a view taken in the direction of arrows II-II in FIG. 1
  • FIG. 3 is an enlarged view of section III in FIG. is there.
  • 4 is a cross-sectional view showing a state in which a cathode-side separator is attached to the cross-sectional view of FIG.
  • the linear seal protrusion (second seal protrusion) shown in the figure is lower than the seal protrusion (first seal protrusion) around the manifold, but both are the same. Of course, it may be height.
  • the cell structure shown in FIGS. 1 and 2 is a membrane electrode formed of an electrolyte membrane 1 (MEA) that is an ion exchange membrane and gas diffusion layers 2 and 2 (GDL) on the anode side and cathode side that sandwich the membrane.
  • MEA electrolyte membrane 1
  • GDL gas diffusion layers 2 and 2
  • An assembly (MEA) and gas flow path layers 3 and 3 which are conductive porous bodies sandwiching the membrane electrode assembly are formed, and a resin gasket 5 such as rubber is integrally formed on the periphery thereof. ing.
  • a resin gasket 5 such as rubber
  • the electrolyte membrane 1 is made of a polymer material such as a fluorine-based membrane or an HC membrane, and the gas diffusion layer 2 is a porous material in which a catalyst made of platinum or an alloy thereof is supported on carbon or the like. Formed from cloth.
  • the gasket 5 can be formed by insert molding in which a membrane electrode assembly (MEGA) is accommodated in a mold and a desired resin is injected into the mold.
  • MEGA membrane electrode assembly
  • the gas flow path layer 3 is made of porous lath metal.
  • the end of the lath metal on the anode side is bent toward the cathode side, and further bent to extend toward the manifold 6 side.
  • Reinforcing material 32 is provided. Since the gas flow path layer 3 is formed of a relatively hard lath metal, it can be used as a reinforcing material.
  • the reinforcing material 32 of the gasket has holes (manifold 6) for supplying hydrogen gas and oxygen gas (or air) and holes for exhausting the gas after reaction (manifold 6).
  • Manifolds 6) are perforated by the number corresponding to each, and in an actual fuel cell, single cells are stacked in the number corresponding to the power generation capacity, and the corresponding holes are connected in the stacking direction for gas supply or exhaust.
  • the manifold 6 is formed.
  • a notch 31 is formed at the end of the gas flow path layer 3, and a linear sealing protrusion 52 formed at the end of the gasket 5 is formed on the notch 31.
  • the projection 52 is placed in close contact with the notch 31 to close it.
  • a separate sealing protrusion 51 is formed around the manifold 6 of the gasket 5.
  • the sealing protrusion 52 is formed in an endless shape having a rectangular outline along the edge of the rectangular membrane electrode assembly in plan view.
  • the sealing protrusion 51 is formed around each manifold 6. Is formed so as to surround.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a portion III in FIG. 2, but as shown in FIG. 3, the linear sealing protrusion 52 placed on the notch 31 is more than the upper surface of the gas flow path layer 3. It protrudes by h1 and is lower than the sealing protrusion 51 protruding by h2 higher than h1. Since the sealing protrusions 51 are formed relatively high, the sealing performance around the manifold 6 can be further increased, and the membrane electrode assembly below the linear sealing protrusions 52 is excessively large. No pressure will be applied.
  • the setting range of h1 is preferably about 0 ⁇ h1 ⁇ 50 ⁇ m because of the relationship between the gas sealing property and the pressure acting on the membrane electrode assembly.
  • h1 is preferably set to be larger than 0. In the case of a structure of two lines or more, the pressure loss with respect to the gas flow becomes high. It is also possible to set h1 to 0, that is, to set the same level as the upper surface of the gas flow path layer 3.
  • FIG. 4 shows a state where the gas flow path layers 3 and 3 having the structure shown in FIG.
  • oxygen gas is distributed to the cell separator 41 and hydrogen gas is distributed to the adjacent cell separator 43 between the flat type cell separator 41 and the adjacent cell separator 43. Therefore, a structure in which a gas distribution layer 42 is interposed is provided.
  • the separator 4 is a metal or carbon separator.
  • oxygen gas provided through the oxygen gas supply manifold 6 flows in the direction of the arrow shown in the figure, and is supplied to the gas flow path layer 3 and then supplied to the membrane electrode assembly in a diffused manner.
  • the linear sealing protrusion 52 on the notch 31 formed at the end of the gas flow path layer 3 is in close contact with the notch 31, and the linear sealing protrusion is in this posture.
  • the strips 52 are pressed and crushed by the separator 4
  • no gap is formed in which gas passes, and all of the supply gas is effectively passed through the gas flow path layer 3 to the membrane electrode assembly.
  • FIG. 5 is a plan view showing another embodiment of the sealing protrusion placed on the notch 31, and FIG. 6 is a view taken along the line VI-VI. Further, FIG. 7 is a view showing a state in which a cathode-side separator is attached to the configuration of FIG.
  • the sealing protrusion 53 shown in the figure has a grid pattern (grooves 54 are formed) by alternately intersecting linear sealing protrusions, and this is the linear sealing protrusion shown in FIG. It is formed in the same plane arrangement as 52.
  • the sealing protrusions 52 shown in FIG. 2 are linear, whereas the sealing protrusions 53 are in contact with the separator 4 at a number of flat top surfaces of the grid-like sealing protrusions 53, that is, The surface sealing protrusions 53 are formed because the surface is in contact with the line shape.
  • FIG. 6 shows a form in which the planar sealing protrusion 53 slightly protrudes from the upper surface of the gas flow path layer 3.
  • the protrusion 53 and the gas flow path layer 3 are at the same level. May be. Since the surface sealing protrusions 53 have a grid shape, even if this is in a state where no pressure is applied to the contact surface with the separator 4, the grid-like contact structure prevents gas flow. This is because the pressure loss becomes high, and therefore gas leakage through the contact surface between the separator 4 and the planar sealing protrusion 53 is suppressed.
  • Single cells having the sealing structure described above are stacked in a number corresponding to the power generation capacity to form a stack, and a terminal plate, an insulator and an end plate are provided on the outer periphery of the stack, and a desired pressure is applied between the end plates. As a result, the fuel cell is manufactured.
  • This fuel cell is a fuel cell with excellent power generation efficiency and power generation performance due to the sealing structure described above.
  • Such fuel cells can be applied to a variety of applications, such as for moving objects such as aircraft, ships, and mobile robots, and also for stationary applications such as houses. Among them, in-vehicle fuel cells with high power generation performance are urgently needed. It is suitable for application to a hybrid vehicle, an electric vehicle or the like, which is a problem.

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Abstract

　ガスケットに従来のような加工誤差（ばらつき）が存在する場合でも、高いガスシール性能を有し、さらには、パスカットされることなくガスを膜電極接合体に提供することのできるシール構造を備えた燃料電池を提供すること。 　膜電極接合体の周縁に設けられるガスケット５において、マニホールド６の周囲には第１のシール用突条５１が形成されており、ガス流路層３の端部には切欠き３１が形成されており、ガスケット５の端部は、該切欠き３１を閉塞するとともに、ガス流路層３表面から突出して第１のシール用突条５１と同レベルまたはそれ以下の高さを有する１以上の第２のシール用突条５２を備えており、セパレータ４が第１のシール用突条５１および第２のシール用突条５２を押しつぶした姿勢でガス流路層３に当接され、第２のシール用突条５２とセパレータ４によって１以上の線状シール構造が形成されている。

Description

燃料電池
　本発明は、固体高分子型の燃料電池に関するものである。
　固体高分子型燃料電池のセルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード電極層およびカソード電極層と、から膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を形成し、この外側にセパレータが配されて単セルを形成している。なお、電極層の外側にガス流れの促進と集電効率を高めるためのガス拡散層（ＧＤＬ）が設けられて膜電極接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　＆　Ｇａｓ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｌａｙｅｒ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を成し、このガス拡散層の外側にセパレータが配される形態もある。このセパレータは、セル間を画成するとともに、凹凸形状を有することでガス流路として作用し、集電作用をも備えるものであるが、昨今のセル構造においては、ガス流路層をフラットタイプのセパレータと別体に設けたセル構造も開発されている。実際の燃料電池は、これらの単セルが発電能力に応じて所定段数積層されてスタックが形成されている。
上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。
　ところで、燃料電池のセル構造では、上記するＭＥＡもしくはＭＥＧＡの周縁にガスシール作用を付与するためのガスケットが形成されており、たとえば特許文献１に開示の燃料電池（ここでは、膜電極アッセンブリ）を挙げることができる。この膜電極アッセンブリにおけるガスケットの構造を図８，９を参照して説明する。電解質膜ａ（または膜電極接合体）とこれを挟持するガス拡散層ｂ１、ｂ２の端部に、２重の突起ｃ１、ｃ２を備えたガスケットｃを設け、これらをセパレータｄ１、ｄ２で挟み込みながら２重突起ｃ１、ｃ２を潰すことにより、各種ガスのシール性を高めることとしている。なお、図８は、ガスケットｄ１、ｄ２で２重突起ｃ１、ｃ２を潰す前の状態を示しており、図９は、潰した後の状態を示している。
　しかし、上記する従来技術には以下の課題が存在する。その一つは、図９に示すごとく、セパレータｄ１、ｄ２とガスケットｃ（の突起ｃ１）との間に隙間ｅが存在することで、ガス拡散層ｂ１、ｂ２を矢印の方向に流れたガスは、電解質膜ａに提供されずに、相対的に圧力損失の低い上記隙間ｅに流れてしまうことである（これを、一般にパスカットと称することもある）。
　その他の課題として、ガス拡散層ｂ１、ｂ２は圧縮後においてもその厚みにばらつきがあり、本発明者等によれば、±３５μｍ程度ものばらつきが生じ得ることが特定されているが、この厚みのばらつきに起因する課題であり、圧縮後のガス拡散層の厚みが厚すぎる場合と薄すぎる場合とで、以下のようなそれぞれに固有の課題が存在する。
　まず、ガス拡散層の厚みが薄すぎる場合に関し、上記する突起ｃ１に作用する反力が大きくなることは理解に易いが、これによって相対的に電極（電解質膜ａおよびガス拡散層ｂ１，ｂ２）に作用する荷重は小さくなる。その結果、セパレータｄ１、ｄ２とガス拡散層ｂ１、ｂ２との接触抵抗が高められ、発電性能の低下の原因となるものである。さらには、突起ｃ２に作用する反力が所望の値よりも小さくなることから、ガスシール性が低下する原因にもなる。
　一方、ガス拡散層の厚みが厚すぎる場合には、突起ｃ１に作用する反力が小さくなる結果、ガスシール性が低下し、突起ｃ１とセパレータｄ１、ｄ２の間をガスがリークし易くなる。また、相対的に突起ｃ２に作用する反力が大きくなることで電極は短絡し易くなり、突起ｃ２が破断に至る可能性が高くなるというものである。
　燃料電池を構成するセルごとの性能やガスのシール性は上記するガス拡散層のばらつきに左右されると言っても過言ではないが、その一方で、上記ばらつきを許容して所望のシール性を担保するのは非常に困難である。また、上記のごとくその部位ごとにばらつきのあるガスケットを使用した場合には、燃料電池をスタックとして一体とした際の圧力、すなわち、膜電極接合体に作用する圧力にばらつきが存在することとなり、このことは面内均一な発電を阻害し、燃料電池の発電性能の低下に直結するものである。
　さらに、図８，９のセル構造に対し、これに、既述するセパレータから分離したガス流路層を具備した構造を図１０に示す。同図において、電解質膜ａとこれを挟持するガス拡散層ｂ１、ｂ２と、さらにこれを挟持するガス流路層ｆ１，ｆ２と、からなり、これらの周縁に突起ｃ１とマニホールドＭの周囲に形成されたシール用突起ｃ２を備えたガスケットｃを設け、これらをセパレータｄ１、ｄ２で挟み込みながら突起ｃ１、ｃ２を潰すものである。なお、同図はガス流路となるマニホールドＭが形成された箇所で切断された縦断面を示している。
　図１０で示すセル構造においても、ガス流路層ｆ１、ｆ２とガスケットｃ（の突起ｃ１）の間に隙間ｅが存在することにより、図中の矢印で示すごとくマニホールドＭを介し、セパレータｄ２間を流れたガスは、ガス流路層ｆ２に提供されずに、相対的に圧力損失の低い上記隙間ｅに流れてしまうことになる。
特表２００６－５２９０４９号公報
　本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、ガスケットに従来のような加工誤差（ばらつき）が存在する場合でも、高いガスシール性能を有し、さらには、パスカットされることなくガスを膜電極接合体に提供することのできるシール構造を備えた燃料電池を提供することを目的とする。
　前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、少なくとも電解質膜とこれを挟持するアノード電極層およびカソード電極層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持するガス流路層と、ガス流路層を挟持するセパレータと、からなり、該膜電極接合体および該ガス流路層の周縁に形成され、ガス流路となるマニホールドを備えたガスケットと、からなる燃料電池であって、前記ガスケットのうち、マニホールドの周囲には第１のシール用突条が形成されており、前記ガス流路層の端部には切欠きが形成されており、前記ガスケットの端部は、該切欠きを閉塞するとともに、ガス流路層表面から突出して前記第１のシール用突条と同レベルまたはそれ以下の高さを有する１以上の第２のシール用突条を備えており、前記セパレータが第１のシール用突条および第２のシール用突条を押しつぶした姿勢で前記ガス流路層に当接され、前記第２のシール用突条とセパレータによって１以上の線状シール構造が形成されているものである。
　本発明の燃料電池は、膜電極接合体（ガス拡散層を含んでもよい）を挟持するガス流路層とそれらの周縁に形成されるガスシール用のガスケットとの密着性を高めることで効果的にガスを膜電極接合体に提供することができ、さらには、ガス拡散層等の製造誤差をも許容して膜電極接合体に面内均一な圧力を作用させ、もって発電効率と発電性能に優れた燃料電池に関するものである。
　そのための構成として、ガス流路層の端部に切欠きを形成しておき、ガスケットの端部をこの切欠き上に載置することで該切欠きを閉塞するとともに、この切欠き上に載置されたガスケットの端部にガス流路層表面から突出する１以上のシール用突条（第２のシール用突条）を形成しておくものである。
　ガスケットには、ガスを提供し、もしくは排気するためのマニホールドが形成されており、このマニホールドの周囲には公知のガスシール用のシール用突条（第１のシール用突条）が形成されている。
　上記する第２のシール用突条は、ガス流路層表面から突出するものであり、かつ、第１のシール用突条と同レベルかまたはそれ以下の高さを有するものである。第２のシール用突条に作用する圧力は直接的に膜電極接合体に作用することとなるため、仮にこれが第１のシール用突条よりも高くなると、膜電極接合体に過度の圧力が作用してしまい、膜電極接合体を損傷させたり、面内均一な発電を阻害する要因となるからである。
　上記するように、この第２のシール用突条は、一条であってもよいし、複数条であってもよい。たとえば２条の第２のシール用突条を形成する場合には、平面視がたとえば矩形のガス流路層の外周縁に枠縁状に切欠きを形成しておき、この切欠き上に、間隔をおいて、２条の無端矩形状の第２のシール用突条を載置する形態となる。
　アノード側およびカソード側から２つのセパレータでガス流路層を挟持し、さらにスタック形成時の圧力が加わることにより、このセパレータが第１のシール用突条および第２のシール用突条を押しつぶした姿勢でガス流路層に当接されるとともに、第２のシール用突条とセパレータの間には、１以上の線状シール構造が形成される。
　上記する本発明の燃料電池によれば、ガス流路層とガスケットとの間の密着性が高められ、既述する従来構造のごとくパスカットを生じる隙間が生じることはなくなる。さらに、ガス流路層の端部に形成された切欠き上に１条以上の突条が載置され、これがマニホールド周囲のシール用突条とともにセパレータとの間でシール構造を形成するため、ガスシール性が一層高められるものである。
　また、本発明による燃料電池の他の実施の形態は、少なくとも電解質膜とこれを挟持するアノード電極層およびカソード電極層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持するガス流路層と、ガス流路層を挟持するセパレータと、からなり、該膜電極接合体および該ガス流路層の周縁に形成され、ガス流路となるマニホールドを備えたガスケットと、からなる燃料電池であって、前記ガスケットのうち、マニホールドの周囲には第１のシール用突条が形成されており、前記ガス流路層の端部には切欠きが形成されており、前記ガスケットの端部は、該切欠きを閉塞するとともに、ガス流路層表面と同レベルもしくは該表面から突出する複数の第２のシール用突条を相互に交差した姿勢で備えており、前記セパレータが第１のシール用突条を押しつぶした姿勢で前記ガス流路層に当接され、前記相互に交差した第２のシール用突条とセパレータによって面状シール構造が形成されているものである。
　本実施の形態は、線状に第２のシール用突条を形成する代わりに、第２のシール用突条を相互に交差させてたとえば碁盤目形状とし、この碁盤目状の２のシール用突条をガス流路層の端部の切欠き上に載置するものである。
　第２のシール用突条が相互に交差していることにより、仮に、第２のシール用突条とガス流路層との高さが同レベルであったとしても（したがって、スタック形成時の圧力が第２のシール用突条に作用しない）、第２のシール用突条が相互に交差することでこれとセパレータとの間のガス流れに対する圧力損失は極めて高くなり、ガス流路層からのガスリークが効果的に抑止される。
　上記する燃料電池は、ガスシール性に優れ、発電効率、発電性能に優れていることより、近時その生産が拡大しており、発電性能の高い車載用燃料電池を急務の課題としているハイブリッド車や電気自動車等に好適である。
　以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、ガス流路層とガスケットとの間の密着性が高められ、ガスシール性が高められた燃料電池を得ることができる。さらには、ガス拡散層に製造誤差がある場合でも、これを許容して、膜電極接合体に面内均一なスタック形成時の圧力を作用させることができ、発電性能に優れた燃料電池を得ることができる。
膜電極接合体をガス流路層が挟持したセル構造の平面図である。 図１のII－II矢視図である。 図２のIII部の拡大図である。 図２の断面図にカソード側のセパレータが取り付けられた状態を示した断面図である。 ガスケットの他の実施の形態を示した図であり、膜電極接合体の端部とガスケットの接続部を拡大した平面図である。 図５のVI－VI矢視図である。 図６の断面図にカソード側のセパレータが取り付けられた状態を示した断面図である。 従来の膜電極接合体端部のガスケットによるシール構造を形成する前の説明した断面図である。 従来の膜電極接合体端部のガスケットによるシール構造を説明した断面図である。 従来の膜電極接合体端部のガスケットによるシール構造の他の実施の形態の断面図である。
符号の説明
　１…電解質膜（ＭＥＡ）、２…ガス拡散層（ＧＤＬ）、３…ガス流路層、３１…切欠き、３２…補強材、４…セパレータ、４１…当該セル用セパレータ、４２…ガス分配層、４３…隣接セル用セパレータ、５，５Ａ…ガスケット、５１…シール用突条（第１のシール用突条）、５２…線状シール用突条（第２のシール用突条）５３…面状シール用突条（第２のシール用突条）、５４…溝、６…マニホールド
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は膜電極接合体をガス流路層が挟持したセル構造の平面図であり、図２は図１のII－II矢視図であり、図３は図２のIII部の拡大図である。図４は図２の断面図にカソード側のセパレータが取り付けられた状態を示した断面図である。なお、図示する線状シール用突条（第２のシール用突条）はマニホールド周囲のシール用突条（第１のシール用突条）よりも高さの低いものであるが、双方が同じ高さであってもよいことは勿論のことである。
　図１，２に示すセル構造は、イオン交換膜である電解質膜１（ＭＥＡ）と、これを挟持するアノード側、カソード側のガス拡散層２，２（ＧＤＬ）と、から形成される膜電極接合体（ＭＥＡ）と、この膜電極接合体を挟持する導電性多孔体であるガス流路層３，３と、からなり、その周縁にたとえばゴム等の樹脂製のガスケット５が一体に形成されている。なお、図１の理解を助けるために、図１では図２で示すガスケット５の図示を省略している。
　電解質膜１は、高分子材料であるフッ素系膜、ＨＣ膜などからなり、ガス拡散層２は、白金やその合金からなる触媒をカーボン等に担持させた多孔質素材であり、カーボンペーパーやカーボンクロスから形成される。また、ガスケット５は、膜電極接合体（ＭＥＧＡ）を成形型内に収容し、所望の樹脂を成形型内に射出するインサート成形にて形成することができる。
　図示する実施例において、ガス流路層３は多孔質のラスメタルからなるもので、たとえばアノード側のラスメタルの端部がカソード側に屈曲し、さらに屈曲してマニホールド６側に延びることでガスケット５の補強材３２となっている。ガス流路層３が比較的硬質のラスメタルから形成されることにより、かかる補強材としての兼用が可能となっている。
　図１の平面図で示すように、ガスケットの補強材３２には、水素ガス、酸素ガス（または空気）を供給するための孔（マニホールド６）と、反応後のガスを排気するための孔（マニホールド６）がそれぞれに対応する基数だけ穿孔されており、実際の燃料電池では、単セルが発電能力に応じた基数だけ積層され、対応する孔が積層方向に繋がることでガス供給用もしくは排気用のマニホールド６が形成される。
　図２で示すように、ガス流路層３の端部には切欠き３１が形成されており、この切欠き３１上に、ガスケット５の端部に形成された線状シール用突条５２が載置され、この突起５２が切欠き３１と完全に密着してこれを閉塞する。一方、ガスケット５のマニホールド６の周囲箇所には別途のシール用突条５１が形成されている。図１に戻り、このシール用突条５２は、平面視矩形の膜電極接合体の端辺に沿って矩形輪郭の無端状に形成され、シール用突条５１は、各マニホールド６の周囲でこれを囲繞するように形成される。
　図３は、図２のIII部を拡大した図であるが、同図で示すように、切欠き３１上に載置された線状シール用突条５２はガス流路層３の上面よりもｈ１だけ突出しており、ｈ１よりも高いｈ２だけ突出するシール用突条５１よりも低く形成されている。シール用突条５１が相対的に高く形成されていることにより、マニホールド６の周囲のシール性をより高めることができ、さらには、線状シール用突条５２の下方の膜電極接合体に過大な圧力が作用しないこととなる。なお、このｈ１の設定範囲としては、ガスシール性と膜電極接合体に作用する圧力との関係から、０≦ｈ１≦５０μｍ程度とするのが好ましい。ここで、線状シール用突条５２が一条の場合には、ｈ１は０より大きく設定しておくのが望ましく、２条以上の構造の場合にはガス流れに対する圧力損失が高くなることより、ｈ１を０に設定すること、すなわち、ガス流路層３の上面と同レベルに設定することも可能となる。
　図４は、図２で示す構造のガス流路層３，３をセパレータ４，４で挟持した状態を示している。ここで、図示するセパレータ４は、フラットタイプの当該セル用セパレータ４１と隣接セル用セパレータ４３の間に、酸素ガスを当該セル用セパレータ４１に分配し、水素ガスを隣接セル用セパレータ４３に分配するためのガス分配層４２が介在した構造を呈している。なお、このセパレータ４は、メタル製やカーボン製のセパレータである。
　たとえば、酸素ガス供給用のマニホールド６を介して提供された酸素ガスは図示の矢印の方向で流れ、ガス流路層３に提供された後に膜電極接合体に拡散供給される。
　図４からも明らかなように、ガス流路層３の端部に形成された切欠き３１上の線状シール用突条５２が該切欠き３１と密着し、この姿勢で線状シール用突条５２がセパレータ４にて押圧されて押し潰されることにより、ガスがパスカットする隙間が形成されることはなく、供給ガスの全てが効果的にガス流路層３を介して膜電極接合体に提供される。
　図５は切欠き３１上に載置されるシール用突条の他の実施の形態を示した平面図であり、図６はこのVI－VI矢視図である。さらに、図７は、図６の構成にカソード側のセパレータが取り付けられた状態を示した図である。
　図示するシール用突条５３は、線状のシール用突条が交互に交差して碁盤目状（溝５４が形成されている）を呈しており、これが、図１の線状シール用突条５２と同様の平面配置で形成されるものである。図２で示すシール用突条５２が線状であるのに対し、このシール用突条５３は碁盤目状のシール用突条５３の多数のフラット頂面でセパレータ４と当接しており、すなわち、線状に対して面状に当接していることから、面状シール用突条５３を形成するものである。
　なお、図６では、この面状シール用突条５３がガス流路層３の上面から若干突出した形態が示されているが、該突条５３とガス流路層３とが同レベルであってもよい。面状シール用突条５３が碁盤目状を呈していることより、これがセパレータ４との当接面で圧力を受けていない状態であっても、かかる碁盤目状の接触構造にてガス流れに対する圧力損失は高くなり、したがって、セパレータ４と面状シール用突条５３の接触面を介したガスリークは抑止されるからである。
　上記するシール構造を呈する単セルが発電能力に応じた基数だけ積層されてスタックを形成し、さらに該スタックの外周にターミナルプレート、インシュレータおよびエンドプレートが設けられ、このエンドプレート間で所望の圧力をかけて一体とすることにより、燃料電池が製造される。
　この燃料電池は、上記するシール構造を呈していることにより、発電効率と発電性能に優れた燃料電池となる。かかる燃料電池は、航空機、船舶、移動ロボットなどの移動体用として、さらには家屋等の定置用として、多様な用途に適用可能であるが、中でも、発電性能の高い車載用燃料電池を急務の課題としているハイブリッド車や電気自動車等への適用に好適である。
　以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

Claims (2)

  1. 　少なくとも電解質膜とこれを挟持するアノード電極層およびカソード電極層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持するガス流路層と、ガス流路層を挟持するセパレータと、からなり、該膜電極接合体および該ガス流路層の周縁に形成され、ガス流路となるマニホールドを備えたガスケットと、からなる燃料電池であって、
    　前記ガスケットのうち、マニホールドの周囲には第１のシール用突条が形成されており、
    　前記ガス流路層の端部には切欠きが形成されており、前記ガスケットの端部は、該切欠きを閉塞するとともに、ガス流路層表面から突出して前記第１のシール用突条と同レベルまたはそれ以下の高さを有する１以上の第２のシール用突条を備えており、
    　前記セパレータが第１のシール用突条および第２のシール用突条を押しつぶした姿勢で前記ガス流路層に当接され、前記第２のシール用突条とセパレータによって１以上の線状シール構造が形成されている、燃料電池。
  2. 　少なくとも電解質膜とこれを挟持するアノード電極層およびカソード電極層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持するガス流路層と、ガス流路層を挟持するセパレータと、からなり、該膜電極接合体および該ガス流路層の周縁に形成され、ガス流路となるマニホールドを備えたガスケットと、からなる燃料電池であって、
    　前記ガスケットのうち、マニホールドの周囲には第１のシール用突条が形成されており、
    　前記ガス流路層の端部には切欠きが形成されており、前記ガスケットの端部は、該切欠きを閉塞するとともに、ガス流路層表面と同レベルもしくは該表面から突出する複数の第２のシール用突条を相互に交差した姿勢で備えており、
    　前記セパレータが第１のシール用突条を押しつぶした姿勢で前記ガス流路層に当接され、前記相互に交差した第２のシール用突条とセパレータによって面状シール構造が形成されている、燃料電池。
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