JP2009009780A - 燃料電池およびそのガスシール方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の電極におけるシールをより容易かつ確実なものとしてシール性能の向上を図る。
【解決手段】電解質膜３１と、該電解質膜３１の外側に設けられた多孔質の支持層３２Ｂ，３３Ｂと、該支持層３２Ｂ，３３Ｂのさらに外側に設けられて燃料電池セルの間を仕切るセパレータ２０ａ，２０ｂと、を有する燃料電池に対し、支持層３２Ｂ，３３Ｂの縁部をセパレータ２０ａ，２０ｂの縁から食み出させるとともに、該セパレータ２０ａ，２０ｂから食み出した支持層３２Ｂ，３３Ｂの縁部を外側からシール部材１３ｄでシールする。支持層３２Ｂ，３３Ｂは、例えばセパレータ２０ａ，２０ｂよりも大きく形成された多孔体３２ｃ，３３ｃと、該多孔体３２ｃ，３３ｃよりも大きく形成された拡散層３２ｂ，３３ｂとを含むものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池およびそのガスシール方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池の内部構造の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば固体高分子型燃料電池）は電解質膜およびその両面に配した一対の電極からなる接合体（例えばＭＥＡ）と、該接合体を挟持する一対のセパレータとで構成されている。また、このようなセルが複数積層されていわゆる燃料電池スタックが形成されている。

従来、このような燃料電池において、接合体とセパレータとの間やセパレータとセパレータとの間には、ガス漏洩を抑えるべくガスケット等のシール部材が設けられている。例示すれば、各セパレータのエッジ部を覆うようにシール部材を設けてガスをシールするようにした技術等が開示されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−２１３９３０号公報

しかしながら、上述のごとくシール部材によってシールした構造であっても、電極に隙間があると、ガスが本来通過すべき電極の反応部分を通過せずに流れやすい隙間に流れてしまうことがある。そうすると、反応ガス（酸化ガス、燃料ガス）の一部が発電反応に使われず、燃料電池としての性能が十分でなくなるおそれがある。しかも、電極における隙間は狭小であったりばらつきが大きかったりするため、既存のシール部材では十分にシールしきれないこともある。

そこで、本発明は、燃料電池の電極におけるシールをより容易かつ確実なものとしてシール性能の向上を図りうる燃料電池およびそのガスシール方法を提供することを目的とする。

上述のように、既存のシール部材では十分なシール性能が確保できないことがある。このことについて鋭意検討した本発明者は以下のごとき知見を得た。すなわち、例えば電極（多孔体、拡散層）の脇（つまりは縁の部分）もガスが通過することから当該部分もシールされている必要があるが、かかる脇の部分に隙間が生じていると、本来ならばこれら多孔体や拡散層を通って発電反応に使われるはずのガスの一部が流れやすい隙間に流出してしまうことがある（いわば脇流れ、バイパス）。

その一方で、電極を構成する例えば多孔体や拡散層の端の部分は完全には揃っていないため段差があり、これが極小の隙間を生じさせている場合がある。しかも、隙間のサイズにはばらつきがあることから、例えばＯリングといった既存のシール部材ではこれら隙間を埋めることが難しい。

さらに、セパレータでシール部材を挟む場合、多孔体や拡散層、触媒層、電解質膜とセパレータとの間にシール部材が介在することになるが、当該シール部材の入り込んだ量を一般には目視できないことから、集電面積や面圧などを管理することが難しいという問題もある。また、場合によってはシールできたか否かの確認すらも難しいことがある。

これらのことに着目してさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。本発明はかかる知見に基づくもので、電解質膜と、該電解質膜の外側に設けられた多孔質の支持層と、該支持層のさらに外側に設けられて燃料電池セルの間を仕切るセパレータと、を有する燃料電池において、支持層の縁部がセパレータの縁から食み出しているとともに、該セパレータから食み出した支持層の縁部が外側からシールされていることを特徴としている。

また、本発明にかかる燃料電池のガスシール方法は、電解質膜と、該電解質膜の外側に設けられた多孔質の支持層と、該支持層のさらに外側に設けられて燃料電池セルの間を仕切るセパレータと、を有する燃料電池に対し、支持層の縁部をセパレータの縁から食み出させるとともに、該セパレータから食み出した支持層の縁部を外側からシールするというものである。

このように、本発明においては、支持層の一部（縁部）がセパレータから食み出した状態の燃料電池を構成することとしている。こうした場合、シール部材によってシールすべき部分、とくに支持層の縁の部分がいわば剥き出し状態となり見やすい状態（可視化状態）となるため、シールする作業がより容易なものとなる。

また、かかる発明においては、支持層が、セパレータよりも大きく形成された多孔体と、該多孔体よりも大きく形成された拡散層とを含むものであってもよい。この場合、電解質膜、拡散層および多孔体のそれぞれの縁部が階段状に形成されていることが好ましい。また、かかる多孔体および拡散層のうち、少なくともセパレータの縁から食み出している部分がシール部材によって覆われていることがさらに好ましい。

支持層が多孔体と拡散層とを含む場合に、各部材のサイズ（大きさ）が「セパレータ＜多孔体＜拡散層」の順で大きくなるようにし、セパレータの端から多孔体や拡散層を食み出させることによりシールがより行いやすい状態となる。つまり、このような構造の場合、シールすべき部分である多孔体、拡散層が剥き出しの可視状態で階段状に並ぶため、シール作業が極めて容易である。しかも、このように剥き出し状態となった部分を外側からシールすれば部材間の狭小な隙間をシール部材で埋めることができるからシール性能をさらに向上させることが可能である。

本発明によれば、燃料電池の電極におけるシールがより容易かつ確実なものとなり、シール性能を向上させることが可能となる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図５に本発明の実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池１は、電解質膜３１と、該電解質膜３１の外側に設けられた触媒層３２Ａ，３３Ａおよび多孔質の支持層３２Ｂ，３３Ｂと、該支持層３２Ｂ，３３Ｂのさらに外側に設けられて燃料電池セル２の間を仕切るセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）と、を有するものである。さらに本実施形態における燃料電池１は、支持層３２Ｂ，３３Ｂの縁部がセパレータ２０の縁から食み出しているとともに、該セパレータ２０から食み出した支持層３２Ｂ，３３Ｂの縁部が外側からシールされたものとなっている。

以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成するセル（発電セル）２および複数のセル２が積層されてなる燃料電池スタックの概略構成について説明し、その後、支持層３２Ｂ，３３Ｂの縁部を外側からシールするための構造について説明することとする。

図１に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されてセル積層体３を構成している（図２参照）。また、このセル積層体３等で構成される燃料電池スタックは、例えばスタック両端を一対のエンドプレート７で挟まれ、さらにこれらエンドプレート７どうしを繋ぐようにテンションプレート８からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている（図２参照）。

なお、このような燃料電池スタック等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムにおいて利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。

セル２に含まれる電解質としては、膜−電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）あるいは膜−電極−拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly）を用いることができる。例えば本実施形態では、膜−電極−拡散層接合体（以下、ＭＥＧＡともいう）３０を用いている（図１等参照）。

セル２は、ＭＥＧＡ３０、該ＭＥＧＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図１等においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂで示している）等で構成されている（図１参照）。ＭＥＧＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＧＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＧＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２，３３とで構成されている（図１参照）。電解質膜３１は、各電極３２，３３よりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３４を残した状態で各電極３２，３３が例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＧＡ３０を構成する電極３２，３３は、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層３２ｂ，３３ｂ）で構成されている。一方の電極（アノード）３２には燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３３には空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＧＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。

セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２，３３側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３５や水素ガスのガス流路３６、あるいは冷却水流路３７を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２側となる内側の面には水素ガスのガス流路３６が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３７が形成されている（図１参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３３側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３５が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３７が形成されている（図１参照）。例えば本実施形態の場合、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３７が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている。

さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３６を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３７を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３６を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３７を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３７を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３７を形成する凸形状（凸リブ）である。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ａは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１等参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ｂも略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１参照）。

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３６に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３５に連通している（図１参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３７に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３６に流入し、ＭＥＧＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。

なお、本実施形態においては、冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂとをそれぞれセパレータ２０の冷却水流れ方向両側の一方寄りおよび他方寄りに配置している（図１参照）。すなわち、本実施形態においては冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂをセパレータ２０の対角線上に配置することとし、これによってセパレータ２０に対し冷却水が全面的に行き渡りやすくなるようにしている。

第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは必要に応じて設けられる（図１参照）。セパレータ２０ａ，２０ｂ間に設けられる場合、これら第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、例えば、ともに複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成される（図１参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＧＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３４と、セパレータ２０ａのうちガス流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＧＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３４と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。

さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図１参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３７の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３７の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。

なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。

枠状部材４０は、ＭＥＧＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（以下、樹脂フレームともいう）である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＧＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３４に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。

続いて、燃料電池１の構成について簡単に説明する（図２参照）。本実施形態における燃料電池１は、複数のセル２を積層してなるセル積層体３を備え、当該セル積層体３の両端に位置するセル（端セル）２，２の外側に順次、断熱セル４、出力端子５ａ付のターミナルプレート５、インシュレータ（絶縁プレート）６およびエンドプレート７をさらに備えた構成となっている。セル積層体３に対しては、両エンドプレート７をつなぐように架け渡されたテンションプレート８によって積層方向への所定の圧縮力が加えられている。さらに、セル積層体３の一端側のエンドプレート７とインシュレータ６との間にはプレッシャプレート９とばね機構９ａとが設けられており、セル２に作用する荷重の変動が吸収されるようになっている。

断熱セル４は例えば２枚のセパレータとシール部材とで断熱層が形成されているもので、発電に伴い生じる熱が大気等に放熱されるのを抑える役割を果たす。すなわち、一般に、セル積層体３の端部は大気との熱交換により温度が低くなりやすいことから、当該セル積層体３の端部に断熱層を形成することによって熱交換（放熱）を抑えることが行われている。このような断熱層としては、例えば、セル２におけるものと同様の一対のセパレータに、膜−電極アッセンブリの代わりとして導電板などの断熱部材１０を挟み込んだ構成のものがある。この場合に用いられる断熱部材１０は断熱性に優れるほど好適であり、具体的には例えば導電性多孔質シートなどが用いられる。また、このような断熱部材１０の周囲をシール部材で封止することによって空気層が形成される。

ターミナルプレート５は集電板として機能する部材であり、例えば鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されている。ターミナルプレート５のうち断熱セル４側の表面には、めっき処理等の表面処理が施されており、かかる表面処理により断熱セル４との接触抵抗が確保されている。めっきとしては、金、銀、アルミ、ニッケル、亜鉛、すず等を挙げることができ、例えば本実施形態では導電性、加工性および低廉性を勘案してすずめっき処理を施している。

インシュレータ６は、ターミナルプレート５とエンドプレート７等とを電気的に絶縁する機能を果たす部材である。このような機能を果たすため、かかるインシュレータ６は例えばポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されている。

エンドプレート７は、ターミナルプレート５と同様、各種金属（鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等）で板状に形成されている。例えば本実施形態では銅を用いてこのエンドプレート７を形成しているがこれは一例に過ぎず、他の金属で形成されていても構わない。

テンションプレート８は両エンドプレート７，７間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体３の両側に対向するように配置される（図２参照）。テンションプレート８は、各エンドプレート７，７にボルト等で固定され、単セル２の積層方向に所定の締結力（圧縮力）を作用させた状態を維持する。このテンションプレート８の内側面（セル積層体３を向く面）には漏電やスパークが生じるのを防止すべく絶縁膜が形成されている。絶縁膜は、具体的には例えば当該テンションプレート８の内側面に貼り付けられた絶縁テープ、あるいは当該面を覆うように塗布された樹脂コーティングなどによって形成されている。

続いて、燃料電池１の支持層３２Ｂ，３３Ｂの縁部またはその近傍におけるシール構造について説明する（図３等参照）。

本実施形態では、燃料電池１の電極３２，３３におけるシールをより容易かつ確実とし、さらにシール性能を向上させるべく、支持層３２Ｂ，３３Ｂの縁部を外側からシールする構造としている（図３等参照）。より具体的には、支持層３２Ｂ，３３Ｂの縁部をセパレータ２０ａ，２０ｂの縁から食み出させるとともに、該セパレータ２０ａ，２０ｂから食み出した支持層３２Ｂ，３３Ｂの縁部を外側からシールするようにしている。

ここで、多孔質の支持層３２Ｂ，３３Ｂについて説明しておくと以下のとおりである。すなわち、支持層３２Ｂ，３３Ｂは、電解質膜３１の両面に設けられた触媒層３２Ａ，３３Ａのさらに外側に設けられているもので、かかる触媒層３２Ａ，３３Ａに対して反応ガス（酸化ガス、燃料ガス）を供給するガス供給層として機能する。これら支持層３２Ｂ，３３Ｂと触媒層３２Ａ，３３Ａとで燃料電池１の電極（ガス拡散電極）３２，３３が形成されている（図３参照）。このような多孔質の支持層３２Ｂ，３３Ｂの具体的な構成が特に限定されることはないが、例えば本実施形態においてはガス拡散層３２ｂ，３３ｂおよび層状の多孔体３２ｃ，３３ｃとで当該支持層３２Ｂ，３３Ｂを構成している（図３参照）。

また、本実施形態においては、各部材のサイズ（大きさ）に関し、多孔体３２ｃ，３３ｃをセパレータ２０ａ，２０ｂよりも大きくし、さらにガス拡散層３２ｂ，３３ｂをこれら多孔体３２ｃ，３３ｃよりもさらに大きくしている。なお、電解質膜３１のサイズはこれら多孔体３２ｃ，３３よりも大きい。以上により、本実施形態の燃料電池１においては、電解質膜３１、拡散層３２ｂ，３３ｂ、多孔体３２ｃ，３３ｃのそれぞれの縁部が、セパレータ２０ａ，２０ｂの縁部に至るまでいわば剥き出しの階段状となっている（図３、図４の楕円部分参照）。

こうした場合、拡散層３２ｂ，３３ｂおよび多孔体３２ｃ，３３ｃおよびのうち、少なくともセパレータ２０ａ，２０ｂの縁から食み出して可視化した部分をシール部材（図３において符号１３ｄで示す）によって覆いやすい。このため、シールに要する作業が極めて容易になる（図３等参照）。しかも、このように縁部が階段状になった電極３２，３３に対してシールを施す本実施形態の場合には、各部材間に生じうる狭小な隙間をシール部材（例えば液状ガスケット）１３ｄで埋めることが可能または容易になるから、ガス流出をブロックしてシール性能をさらに向上させることが可能である（図５（Ａ）、図５（Ｂ）参照）。

すなわち、従前のような構造であれば、支持層（拡散層３２ｂ，３３ｂや多孔体３２ｃ，３３ｃ）が本実施形態のように階段状になっているわけではないからセパレータ２０ａ，２０ｂの間に隙間が生じていることがある（図６参照）。この場合、本来ならば拡散層３２ｂ，３３ｂや多孔体３２ｃ，３３ｃを通過して化学反応（つまり発電）に使われるはずの反応ガスが、より流れやすい隙間に流出してしまうことがあり、燃料電池１の発電反応部（図７中において符号Ｒで示す）を回避するような反応ガスのいわば脇流れが生じ（図７中の破線矢印参照）、バイパスする分だけ発電に使用されず発電性能が低下してしまう（図７参照）。

また、従前構造の場合には、シールしたい隙間がよく見えないためシール作業が難しく、尚かつシールできたかどうかの確認も困難である。しかも、電極３２，３３の縁部をシールしても隙間が残り、当該シール部材１３ｄが潰れたとしても隙間に入っていかず、十分にシールしきれないおそれがある（図８参照）。加えて、このような場合にシール部材１３ｄを無理やり内側へ挿し込むと、当該シール部材１３ｄの一部が部材間に入り込んで集電面積（ガスの化学反応領域）に影響を及ぼしたり、当該シール部材１３ｄの反力によって面圧（セパレータ２０や各部材間の作用する圧力）に影響を及ぼしたりする可能性がある（図９参照）。

この点、ここまで説明したように、本実施形態においては支持層（拡散層３２ｂ，３３ｂや多孔体３２ｃ，３３ｃ）をセパレータ２０ａ，２０ｂの外側にいわば剥き出しの状態として可視化しているため、電極３２，３３におけるシールをより容易かつ確実なものとしてシール性能を向上させやすい。しかも、シール部材１３ｄを内側へと挿し込む必要もないから、集電面積（ガスの化学反応領域）や面圧（セパレータ２０や各部材間の作用する圧力）に影響を及ぼすこともない（図５等参照）。さらには、拡散層３２ｂ，３３ｂや多孔体３２ｃ，３３ｃ等のサイズを変えることのみによって実現可能であるから他の特別な装置等を必要としないという利点もある。

ちなみに、拡散層３２ｂ，３３ｂや多孔体３２ｃ，３３ｃの一部が触媒層３２Ａ，３３Ａよりも外側へと食み出した状態になっていると、食み出していない場合と比較して反応ガスの通過面積（通過領域）は増えることになる。しかし、隙間の形状等の変更に伴うガス流れの変化に比べれば、通過面積増加によるガス流れの均一さ、分布、流速等への影響は小さく、発電性能に与える影響はほとんどない。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれ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いて種々変形実施可能である。例えば本実施形態ではＭＥＧＡ（膜−電極−拡散層接合体）３０が用いられている場合を例示して説明したが、これがＭＥＡ（膜−電極接合体）であっても同様の作用効果を実現しうる。

また、本実施形態では拡散層３２ｂ，３３ｂや多孔体３２ｃ，３３ｃ等の縁部がほぼ直線状に並んだ均等な階段状の支持層３２Ｂ，３３Ｂを例示したが（図３参照）、これは好適な一例にすぎず階段の幅が必ずしも均等でなくても構わない。要は、シールが容易かつ確実となるように各部材が段差のある状態で剥き出しとなっていれば足りる。

本実施形態における燃料電池のセルの構造例を示す分解斜視図である。 燃料電池の構造例を示す側面図である。 本発明の概念を示す燃料電池のセルの部分側面図である。 燃料電池における反応ガスの流れの様子を示す概略図である。 （Ａ）従前構造の隙間におけるシール材と、（Ｂ）本発明におけるシール材とを比較して示す概略図である。 本発明にかかる燃料電池の作用効果を比較により示すための従前構造の燃料電池の部分側面図である。 燃料電池の発電反応部をバイパスするガスの脇流れの様子を示す外略図である。 従前構造の燃料電池の部分側面図である。 従前構造の燃料電池の部分側面図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル（燃料電池セル）、１３ｄ…シール部材、２０（２０ａ，２０ｂ）…セパレータ、３１…高分子電解質膜（電解質膜）、３２…アノード側拡散電極（電極）、３２Ｂ，３３Ｂ…（多孔質の）支持層、３３…カソード側拡散電極（電極）、３２ｂ，３３ｂ…ガス拡散層（拡散層）、３２ｃ，３３ｃ…多孔体

Claims (5)

1. 電解質膜と、該電解質膜の外側に設けられた多孔質の支持層と、該支持層のさらに外側に設けられて燃料電池セルの間を仕切るセパレータと、を有する燃料電池において、
   前記支持層の縁部が前記セパレータの縁から食み出しているとともに、該セパレータから食み出した前記支持層の縁部が外側からシールされていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記支持層が、前記セパレータよりも大きく形成された多孔体と、該多孔体よりも大きく形成された拡散層とを含むものである請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記電解質膜、前記拡散層および前記多孔体のそれぞれの縁部が階段状に形成されている請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記多孔体および前記拡散層のうち、少なくとも前記セパレータの縁から食み出している部分がシール部材によって覆われている請求項２または３に記載の燃料電池。
5. 電解質膜と、該電解質膜の外側に設けられた多孔質の支持層と、該支持層のさらに外側に設けられて燃料電池セルの間を仕切るセパレータと、を有する燃料電池に対し、前記支持層の縁部を前記セパレータの縁から食み出させるとともに、該セパレータから食み出した前記支持層の縁部を外側からシールすることを特徴とする燃料電池のガスシール方法。

Images