JP5259888B1 - 高分子電解質形燃料電池 - Google Patents

Abstract

本発明の高分子電解質型燃料電池は、膜−電極接合体（５）と、セパレータ（６Ａ、６Ｂ）と、を備え、電極（４Ａ、４Ｂ）は、一方の主面が高分子電解質膜（１）と接触する触媒層（２Ａ、２Ｂ）とガス拡散層（３Ａ、３Ｂ）を有し、セパレータ（６Ａ）は、周部（１６Ａ）と該周部以外の部分（２６Ａ）とを有していて、セパレータ（６Ａ）の周部（１６Ａ）は、セパレータ（６Ａ）の厚み方向から見て、環状に形成されていて、セパレータ（６Ａ）の外周よりも内方の部分を含む領域であり、セパレータ（６Ａ）は、周部（１６Ａ）の多孔度が該セパレータ（６Ａ）の周部以外の部分（２６Ａ）の多孔度よりも大きくなるように構成されている。

Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池の構造に関する。

高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素を含有した燃料ガスと空気等の酸素を含有した酸化剤ガスとを電気化学反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させるものである。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）と、ガスケットと、導電性の板状のセパレータと、を有している。そして、ＰＥＦＣは、一般的には、このセルを複数積層し、積層されたセルの両端を端板で挟み、該端板とセルを締結具により締結することにより、形成されている（例えば、特許文献１参照）。

このため、高分子電解質膜には、ガス拡散電極の触媒層の外周と接触する部分近傍（以下、高分子電解質膜の外周接触部という）には、他の部分より大きい応力（締結圧）がかかる。また、ＰＥＦＣの起動・停止動作を繰り返すことにより、高分子電解質膜には、引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかることになるが、特に、高分子電解質膜の外周接触部には、これらの応力が大きくかかり、当該部分の歪みや亀裂等の損傷が生じやすいという問題があった。

特開２００３−６８３１８号公報

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高分子電解質膜が劣化しやすい箇所における劣化要因を抑制し、電池性能の低下を抑制することができる高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状に形成され、導電性を有する一対のセパレータと、前記セパレータは、周部と該周部以外の部分を有していて、前記セパレータの周部は、前記セパレータの厚み方向から見て、環状に形成されていて、前記セパレータの外周よりも内方の領域であり、前記セパレータは、前記周部の多孔度が前記セパレータの周部以外の部分の多孔度よりも大きくなるように構成されている。

上述したように、高分子電解質形燃料電池において、セパレータの厚み方向から見て、高分子電解質膜の電極周縁部と対向する部分には、強い応力がかかることにより、高分子電解質膜の当該部分がつぶれて、反応ガスのクロスリーク量が増加し、反応副生成物である過酸化水素からラジカルが生成される。そして、生成されたラジカルが高分子電解質膜を攻撃することにより、高分子電解質膜が損傷、劣化して、燃料電池の性能が低下すると考えられている。

そこで、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、セパレータの厚み方向から見て、セパレータの周部の多孔度を、セパレータの周部以外の部分の多孔度よりも大きくなるように構成することで、水流路を通流する水の一部を、該周部を介して、電極に供給することができる。これにより、反応ガスのクロスリークにより生成された過酸化水素を電極に供給された水に溶解させることで、過酸化水素を高分子電解質膜から離れた位置に移動させることができる。このため、過酸化水素から生成されたラジカルの高分子電解質膜への攻撃を抑制することができる。このようにして、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、高分子電解質膜の耐久性を向上させることができ、電池性能の低下を抑制することができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。

本発明の高分子電解質形燃料電池によれば、高分子電解質膜の劣化を抑制して、耐久性を向上することが可能となり、また、燃料電池の性能低下を抑制することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池を備える、燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１に示す燃料電池スタックにおける高分子電解質形燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図３は、図２に示す燃料電池におけるカソードセパレータの内面の概略構成を模式的に示す正面図である。 図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図５は、本実施の形態２における変形例１の燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図６は、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池のセルの概略構成を示す模式図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、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。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素を抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している場合がある。さらに、本発明は、以下の実施の形態に限定されない。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状に形成され、導電性を有する一対のセパレータと、を備え、セパレータは、周部と該周部以外の部分を有していて、セパレータの周部は、セパレータの厚み方向から見て、環状に形成されていて、セパレータの外周よりも内方の領域であり、セパレータは、周部の多孔度がセパレータの周部以外の部分の多孔度よりも大きくなるように構成されている態様を例示するものである。

また、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池では、高分子電解質膜の周縁部に設けられているガスケットをさらに備えていてもよい。

また、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池では、電極は、セパレータの厚み方向から見て、その外周がセパレータの外周より内方に位置するように形成され、セパレータの周部は、セパレータの厚み方向から見て、その外周が、セパレータの外周と電極の外周との間に位置し、その内周が、電極の外周と電極の外周に最も近いリブ部との間に位置するように、環状に形成されていてもよい。

また、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池では、電極が、触媒層とガス拡散電極を有しており、セパレータのガス拡散層と接触する一方の主面及びガス拡散層のセパレータと接触する主面の少なくとも一方の主面には、溝状の反応ガス流路と該反応ガス流路の間にリブ部が形成されていて、一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータの他方の主面には、溝状の水流路が形成されていてもよい。

また、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池では、水流路は、セパレータの厚み方向から見て、その一部が、セパレータの周部と重なるように形成されていてもよい。

さらに、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池では、セパレータの周部は、セパレータの厚み方向から見て、その外周が電極の外周から５ｍｍ外方に位置する部分と電極の外周との間に位置し、その内周が電極の外周と電極の外周から５ｍｍ内方に位置する部分との間に位置するように形成されていてもよい。

以下、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の一例について、図面を参照しながら説明する。
［燃料電池スタックの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）を備える、燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、図１において、燃料電池スタックの上下方向を図における上下方向として表している。

図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタック６１は、セル積層体６２を有している。セル積層体６２は、複数の燃料電池１００が、その厚み方向に積層されることにより、形成されている。セル積層体６２の両端には、それぞれ、端板６３、６４が配置されている。また、端板６３とセル積層体６２の間、及び端板６４とセル積層体６２の間には、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されている（図示せず）。そして、セル積層体６２等は、図示されない締結具により、締結されている。

セル積層体６２における一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、燃料ガス供給マニホールド１３１が設けられており、その下部には、冷却水排出マニホールド１３６が設けられている。また、セル積層体６２の第１の側部の燃料ガス供給マニホールド１３１が配設されている上部の内側には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、酸化剤ガス供給マニホールド１３３が設けられており、同様に、冷却水排出マニホールド１３６が配設されている下部の内側には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、酸化剤ガス排出マニホールド１３４が設けられている。さらに、セル積層体６２における他方の側部（図面右側の側部：以下、第２の側部）の上部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、冷却水供給マニホールド１３５が設けられており、その下部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、燃料ガス排出マニホールド１３２が設けられている。

そして、それぞれのマニホールドには、適宜な配管が設けられている。これにより、適宜な配管を介して、燃料電池スタック６１に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水が供給され、排出される。なお、本実施の形態１においては、燃料電池１００は、いわゆる内部マニホールド形の燃料電池スタックを採用したが、これに限定されず、外部マニホールド形の燃料電池スタックを採用してもよい。

［高分子電解質形燃料電池の構成］
次に、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の構成について、図２を参照しながら説明する。

図２は、図１に示す燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。

図２に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池１００は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）５と、ガスケット７と、アノードセパレータ６Ａと、カソードセパレータ６Ｂと、を備えている。

ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード電極４Ａと、カソード電極４Ｂと、を有している。高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード電極４Ａとカソード電極４Ｂがそれぞれ設けられている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔２３１、冷却水供給マニホールド孔２３５等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。

アノード電極４Ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層２Ａと、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３Ａと、を有している。アノード触媒層２Ａは、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されていて、アノード触媒層２Ａの他方の主面には、アノードガス拡散層３Ａが配置されている。

同様に、カソード電極４Ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層２Ｂと、カソード触媒層２Ｂの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３Ｂと、を有している。カソード触媒層２Ｂは、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されていて、カソード触媒層２Ｂの他方の主面には、カソードガス拡散層３Ｂが配置されている。

なお、本実施の形態１においては、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、アノード触媒層２Ａは、その外端がアノードガス拡散層３Ａの外端よりも外方に位置するように（はみ出すように）形成されており、また、カソード触媒層２Ｂは、その外端がカソードガス拡散層３Ｂの外端よりも外方に位置するように形成されているが、これに限定されず、アノード触媒層２Ａは、その外端がアノードガス拡散層３Ａよりも内方に位置するように形成されてもよく、カソード触媒層２Ｂは、その外端がカソードガス拡散層３Ｂよりも内方に位置するように形成されてもよい。

また、ＭＥＡ５のアノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂ（正確には、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂ）の周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池１００内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット７の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔２３１、冷却水供給マニホールド孔２３５等の各マニホールド孔が設けられている。

また、ＭＥＡ５とガスケット７を挟むように、導電性のアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の燃料電池１００をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた導電性粒子とバインダー樹脂を混合したものを使用することができる。

アノードセパレータ６Ａは、周部１６Ａと該周部１６Ａ以外の部分２６Ａを有していて、周部１６Ａの多孔度が、部分２６Ａの多孔度よりも大きくなるように構成されている。同様に、カソードセパレータ６Ｂは、周部１６Ｂと該周部１６Ｂ以外の部分２６Ｂを有していて、周部１６Ｂの多孔度が、部分２６Ｂの多孔度よりも大きくなるように構成されている。なお、周部１６Ａ、周部１６Ａ、部分２６Ａ、及び部分２６Ｂの詳細については、後述する。

アノードセパレータ６Ａのアノード電極４Ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路８が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却水が通流するための溝状の冷却水流路（水流路）１０が設けられている。同様に、カソードセパレータ６Ｂのカソード電極４Ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路９が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却水が通流するための溝状の冷却水流路１０が設けられている。

なお、燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９、及び冷却水流路１０の流路の形状は任意であり、例えば、いわゆるストレート状に形成されていてもよく、サーペンタイン状に形成されていてもよく、また、渦巻状に形成されていてもよい。また、冷却水流路１０は、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの少なくとも一方のセパレータの外面に設けられていればよく、本実施の形態のように、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの両方のセパレータの外面に設けられていてもよい。

さらに、燃料ガス流路８を構成する溝と溝との間の部分が、アノード電極４Ａと当接する第１リブ部を形成する。同様に、酸化剤ガス流路９を構成する溝と溝との間の部分が、カソード電極４Ｂと当接する第２リブ部１２を形成する。

これにより、アノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水を冷却水流路１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。

なお、このように構成された燃料電池１００を単電池（セル）として使用してもよく、燃料電池１００を複数積層して燃料電池スタック６１として使用してもよい。

［セパレータの構成］
次に、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの構成について、図２及び図３を参照しながら、さらに詳細に説明する。なお、アノードセパレータ６Ａの構成は、カソードセパレータ６Ｂと同様に構成されているので、以下では、カソードセパレータ６Ｂの構成について説明をし、アノードセパレータ６Ａの構成については、説明を省略する。

図３は、図２に示す燃料電池におけるカソードセパレータの内面の概略構成を模式的に示す正面図である。なお、図３においては、カソードセパレータ６Ｂにおける上下方向を図における上下方向として表し、カソードセパレータ６Ｂの周部１６Ｂをハッチングで示している。

図２及び図３に示すように、カソードセパレータ６Ｂは、周部１６Ｂと部分（中央部）２６Ｂを有している。カソードセパレータ６Ｂの周部１６Ｂは、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、環状に形成されている。

周部１６Ｂは、その外周は、カソードセパレータ６Ｂの外周とカソード電極４Ｂとの間に位置し、その内周は、カソード電極４Ｂの外周と、該カソード電極４Ｂの外周に最も近い第２リブ部１２との間に位置するように形成されている。

換言すると、周部１６Ｂは、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、その外周がカソード電極４Ｂの外周から５ｍｍ外方に位置する部分とカソード電極４Ｂの外周との間に位置し、その内周がカソード電極４Ｂの外周と電極の外周から５ｍｍ内方に位置する部分との間に位置するように形成されている。

ここで、カソード電極４Ｂの外周は、カソード触媒層２Ｂの外周を基準としてもよく、カソードガス拡散層３Ｂの外周を基準としてもよい。また、図２に示すように、カソード触媒層２Ｂの外周の方がカソードガス拡散層３Ｂの外周よりも外方に位置する場合には、周部１６Ｂは、その外周が、カソードセパレータ６Ｂの外周とカソード触媒層２Ｂの外周との間に位置し、その内周が、カソードガス拡散層３Ｂの外周と該カソードガス拡散層３Ｂの外周に最も近い第２リブ部１２との間に位置するように、形成されていてもよい。

なお、本実施の形態のように、内部マニホールド形の燃料電池スタックを採用する場合には、反応ガス及び冷却水のリークを抑制する観点から、周部１６Ｂの外周は、各マニホールド孔とカソード電極４Ｂとの間に位置することが好ましい。また、本実施の形態においては、周部１６Ｂは、その外周とその内周との間の距離を一定にするように形成しているが、これに限定されず、その外周とその内周との間の距離を一定にしないように形成してもよい。

また、図２に示すように、アノードセパレータ６Ａにおいて、冷却水流路１０が、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、その一部が、周部１６Ａと重なるように形成されている。同様に、カソードセパレータ６Ｂにおいて、冷却水流路１０がカソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、その一部が、周部１６Ｂと重なるように形成されている。これにより、冷却水流路１０を通流する冷却水の一部を、周部１６Ａを介して、アノード電極４Ａに供給することが容易となる。同様に、冷却水流路１０を通流する冷却水の一部を、周部１６Ｂを介して、カソード電極４Ｂに供給することが容易となる。

［セパレータの製造方法］
次に、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの製造方法について、図２及び図３を参照しながら説明する。

上述したように、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂは、導電性粒子と樹脂を用いて作成することができる。導電性粒子としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等が挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。また、上記カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状でもよい。樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂及び／又はポリフェニレン樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。

そして、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂは、導電性粒子と樹脂の混合物を金型成形によって、直接作成してもよく、また、平板を作成し、反応ガス流路等を機械加工によって形成することにより、作成してもよい。さらに、予め、周部１６Ａを作成しておき、作成した周部１６Ａを金型に配置して、原材料を金型に投入して、アノードセパレータ６Ａを作成してもよく、同様に、予め、周部１６Ｂを作成しておき、作成した周部１６Ｂを金型に配置して、原材料を金型に投入して、カソードセパレータ６Ｂを作成してもよい。

このとき、周部１６Ａとなる部分には、部分（中央部）２６Ａに用いられる導電性粒子よりも粒子径の大きい導電性粒子を配置することで、周部１６Ａの多孔度を部分２６Ａの多孔度よりも大きくなるようにすることができる。同様に、周部１６Ｂとなる部分には、部分２６Ｂに用いられる導電性粒子よりも粒子径の大きい導電性粒子を配置することで、周部１６Ｂの多孔度を部分２６Ｂの多孔度よりも大きくなるようにすることができる。

また、部分２６Ａとなる部分の方が、周部１６Ａとなる部分よりも投入する原材料（導電性粒子と樹脂）の量を大きくすることで、周部１６Ａの多孔度を部分２６Ａの多孔度よりも大きくなるようにすることができる。同様に、部分２６Ｂとなる部分の方が、周部１６Ｂとなる部分よりも投入する原材料（導電性粒子と樹脂）の量を大きくすることで、周部１６Ｂの多孔度を部分２６Ｂの多孔度よりも大きくなるようにすることができる。

なお、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの多孔度は、１〜９９％の間で設定することができる。また、アノードセパレータ６Ａは、周部１６Ａの多孔度が部分２６Ａの多孔度よりも大きくなるように構成されている。具体的には、アノードセパレータ６Ａは、周部１６Ａの多孔度が、例えば、部分２６Ａの多孔度よりも５％以上高くなるように構成してもよく、周部１６Ａの多孔度が、部分２６Ａの多孔度よりも１０％以上、２０％以上、又は３０％以上高くなるように構成してもよい。

同様に、カソードセパレータ６Ｂは、周部１６Ｂの多孔度が部分２６Ｂの多孔度よりも大きくなるように構成されている。具体的には、カソードセパレータ６Ｂは、周部１６Ｂの多孔度が、例えば、部分２６Ｂの多孔度よりも５％以上高くなるように構成してもよく、周部１６Ｂの多孔度が、部分２６Ｂの多孔度よりも１０％以上、２０％以上、又は３０％以上高くなるように構成してもよい。

また、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの多孔度は、水銀ポロシメータ（島津製作所製、オートポアＩＩＩ９４１０）を用いて、圧力範囲０．５０〜６００００Ｐｓｉａで測定することができる。

［燃料電池の作用効果］
このように構成された本実施の形態１に係る燃料電池１００では、アノードセパレータ６Ａにおける周部１６Ａの多孔度を部分２６Ａの多孔度よりも大きくすることで、冷却水流路１０を通流する冷却水の一部をアノード電極４Ａに供給することができる。アノード電極４Ａに供給された冷却水は、毛管現象等の作用により、高分子電解質膜１側に移動する。

これにより、高分子電解質膜１の周縁部における反応ガスのクロスリークにより生成された過酸化水素を、アノード電極４Ａに供給された冷却水に溶解させることで、過酸化水素を高分子電解質膜１から離れた位置に移動させることができる。このため、過酸化水素から生成されたラジカルの高分子電解質膜１への攻撃を抑制することができる。このようにして、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、高分子電解質膜１の耐久性を向上させることができ、電池性能の低下を抑制することができる。

同様に、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、カソードセパレータ６Ｂにおける周部１６Ｂの多孔度を部分２６Ｂの多孔度よりも大きくすることで、冷却水流路１０を通流する冷却水の一部をカソード電極４Ｂに供給することができる。カソード電極４Ｂに供給された冷却水は、毛管現象等の作用により、高分子電解質膜１側に移動する。

これにより、高分子電解質膜１の周縁部における反応ガスのクロスリークにより生成された過酸化水素を、カソード電極４Ｂに供給された冷却水に溶解させることで、過酸化水素を高分子電解質膜１から離れた位置に移動させることができる。このため、過酸化水素から生成されたラジカルの高分子電解質膜１への攻撃を抑制することができる。このようにして、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、高分子電解質膜１の耐久性を向上させることができ、電池性能の低下を抑制することができる。

なお、本実施の形態１においては、アノードセパレータ６Ａの周部１６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの周部１６Ｂの両方の多孔度を、それぞれ、部分２６Ａ及び部分２６Ｂの多孔度よりも大きくする形態を採用したが、これに限定されない。アノードセパレータ６Ａの周部１６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの周部１６Ａのいずれか一方の周部の多孔度を、周部以外の部分の多孔度よりも大きくする形態を採用してもよい。

また、アノードセパレータ６Ａの周部１６Ａは、本発明の作用効果を奏する範囲内で、その一部の多孔度が、周部１６Ａにおける他の部分の多孔度よりも小さくなるように構成されていてもよい。すなわち、アノードセパレータ６Ａの周部１６Ａは、本発明の作用効果を奏する範囲内において、完全に環状に形成されている必要がない。

同様に、カソードセパレータ６Ｂの周部１６Ｂは、本発明の作用効果を奏する範囲内で、その一部の多孔度が、周部１６Ｂにおける他の部分の多孔度よりも小さくなるように構成されていてもよい。すなわち、カソードセパレータ６Ｂの周部１６Ｂは、本発明の作用効果を奏する範囲内において、完全に環状に形成されている必要がない。

また、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、アノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂを、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、その外周がアノードセパレータ６Ａ（高分子電解質膜１）の外周より内方に位置するように形成されている形態を採用したが、これに限定されない。アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１の外周と、アノード電極４Ａの外周及び／又はカソード電極４Ｂの外周と、が一致するように構成されている形態を採用してもよい。

この場合、アノードセパレータ６Ａの周部１６Ａは、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、その外周がアノード電極４Ａの外周とアノード電極４Ａの外周に最も近い第１リブ部１１との間に位置し、その内周がアノード電極４Ａの外周に最も近い第１リブ部１１とアノード電極４Ａの外周に２番目に近い第１リブ部１１との間に位置するように、環状に形成されていてもよい。また、アノードセパレータ６Ａの周部１６Ａは、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、その外周がアノード電極４Ａの外周とアノード電極４Ａの外周から５ｍｍ内方に位置する部分との間に位置し、その内周がアノード電極４Ａの外周から５ｍｍ内方に位置する部分とアノード電極４Ａの外周から１０ｍｍ内方に位置する部分との間に位置するように、環状に形成されていてもよい。

同様に、カソードセパレータ６Ｂの周部１６Ｂは、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、その外周がカソード電極４Ｂの外周とカソード電極４Ｂの外周に最も近い第２リブ部１２との間に位置し、その内周がカソード電極４Ｂの外周に最も近い第２リブ部１２とカソード電極４Ｂの外周に２番目に近い第２リブ部１２との間に位置するように、環状に形成されていてもよい。また、カソードセパレータ６Ｂの周部１６Ｂは、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、その外周がカソード電極４Ｂの外周とカソード電極４Ｂの外周から５ｍｍ内方に位置する部分との間に位置し、その内周がカソード電極４Ｂの外周から５ｍｍ内方に位置する部分とカソード電極４Ｂの外周から１０ｍｍ内方に位置する部分との間に位置するように、環状に形成されていてもよい。

また、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、燃料ガス流路８をアノードセパレータ６Ａの内面に設ける形態を採用したが、これに限定されず、燃料ガス流路８をアノードガス拡散層３Ａのアノードセパレータ６Ａと当接する主面（以下、外面）に設ける形態を採用してもよく、アノードガス拡散層３Ａの外面とアノードセパレータ６Ａの内面の両方に設ける形態を採用してもよい。

同様に、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、酸化剤ガス流路９をカソードセパレータ６Ｂの内面に設ける形態を採用したが、これに限定されず、酸化剤ガス流路９をカソードガス拡散層３Ｂのカソードセパレータ６Ｂと当接する主面（以下、外面）に設ける形態を採用してもよく、カソードガス拡散層３Ｂの外面とカソードセパレータ６Ｂの内面の両方に設ける形態を採用してもよい。

また、アノードセパレータ６Ａの周部１６Ａ及び／又はカソードセパレータ６Ｂの周部１６Ｂには、厚み方向に貫通する貫通孔を設けてもよい。この場合、貫通孔は、各マニホールド孔のような開口面積が大きなものではなく、その開口面積が、数μｍ^２〜数百μｍ^２程度の小さなものを意味する。このような貫通孔を設けることで、周部１６Ａ及び／又は周部１６Ｂの多孔度を大きくした場合と同様の効果を得ることができる。

さらに、本実施の形態１に係る燃料電池１００を燃料電池システムに搭載して、燃料電池システムを作動させる際に、冷却水流路１０を通流する冷却水の圧力が、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９のそれぞれを通流する燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力よりも高くなるように、燃料電池システムを構成してもよい。具体的には、例えば、燃料電池システムが、本実施の形態１に係る燃料電池１００、燃料ガス供給器、酸化剤ガス供給器、冷却水供給器、及び制御器を備え、制御器が、冷却水流路１０を通流する冷却水の圧力が、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９のそれぞれを通流する燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力よりも高くなるように、燃料ガス供給器、酸化剤ガス供給器、及び冷却水供給器を制御するように構成されていればよい。

このように構成された燃料電池システムでは、冷却水流路１０を通流する冷却水の一部をセパレータの内面側に透過させるのが容易となり、本実施の形態１に係る燃料電池１００の作用効果が顕著になる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池は、補強部材をさらに備え、補強部材が、セパレータの厚み方向から見て、高分子電解質膜の周縁部に設けられている態様を例示するものである。

また、本実施の形態２に係る燃料電池では、補強部材の一部が、触媒層の他方の主面と接触し、かつ、セパレータの厚み方向から見て、触媒層と重なるように配設されていてもよい。

さらに、本実施の形態２に係る燃料電池では、補強部材は、樹脂で形成されていてもよい。

以下、本発明の実施の形態２に係る燃料電池の一例について、図面を参照しながら説明する。

［燃料電池の構成］
図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。

図４に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、補強部材１３をさらに備える点が異なる。具体的には、補強部材１３は、高分子電解質膜１とガスケット７との間に、これらの部材に挟まれるように配設されている。

補強部材１３は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、略矩形で、かつ、ドーナツ状に形成されている。また、補強部材１３は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、その内周端が、アノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂの外周端よりも内側に位置するように配設されている。換言すると、補強部材１３は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、補強部材１３の内周部分とアノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂの外周部分とが、互いに重なるように配設されている。

さらに、補強部材１３は、その一部が、アノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂの他方の主面と接触するように配設されている。換言すると、補強部材１３は、その一部が、アノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂの他方の主面に乗り上げるように配置されている。

［燃料電池の作用効果］
次に、本実施の形態２に係る燃料電池１００の作用効果について説明する。

まず、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池の問題点について、図６を参照しながら説明する。

図６は、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池のセルの概略構成を示す模式図である。なお、図６では、一部を省略している。

本発明者等は、図６に示す特許文献１の固体高分子型燃料電池のセル２００の耐久試験を行ったところ、以下の問題点を見出した。すなわち、セル２００の厚み方向から見て、高分子膜２０１の補強部材２０４、２０５の内側端部２０４Ｅ、２０５Ｅと対向する（重なる）部分２０１Ｐの膜厚が、他の部分よりも薄くなっていた。これは、補強部材２０４、２０５の内側端部２０４Ｅ、２０５Ｅが、酸素極触媒層２０２Ｃ及び／又は燃料極触媒層２０３Ｃを介して、高分子膜２０１の部分２０１Ｐに強い応力をかけることにより、部分２０１Ｐの膜厚が、他の部分よりも薄くなり、その結果として、部分２０１Ｐでの反応ガスのクロスリークが多くなることを示唆するものである。つまり、特許文献１に開示されているセル２００では、高分子膜２０１の部分２０１Ｐ周辺で、反応ガスのクロスリークが生じ、クロスリークした反応ガスによって、酸素極触媒層２０２Ｃ及び／又は燃料極触媒層２０３Ｃの触媒上で過酸化水素が生成され、フェントン反応などにより生じたラジカルによって高分子膜２０１が攻撃される。その結果、高分子膜２０１が劣化し、電池性能の低下を引き起こしていたことを本発明者等は見出した。

しかしながら、本実施の形態２に係る燃料電池１００では、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノードセパレータ６Ａにおける補強部材１３の内周と対向する（重なる）部分（すなわち、周部１６Ａ）の多孔度が、部分２６Ａの多孔度よりも大きいので、冷却水流路１０を通流する冷却水の一部をアノード電極４Ａに供給することができる。アノード電極４Ａに供給された冷却水は、毛管現象等の作用により、高分子電解質膜１側に移動する。

これにより、高分子電解質膜１における補強部材１３の内周と対向する（重なる）部分での反応ガスのクロスリークにより生成された過酸化水素を、アノード電極４Ａに供給された冷却水に溶解させることで、過酸化水素を高分子電解質膜１から離れた位置に移動させることができる。このため、過酸化水素から生成されたラジカルの高分子電解質膜１への攻撃を抑制することができる。このようにして、本実施の形態２に係る燃料電池１００では、高分子電解質膜１の耐久性を向上させることができ、電池性能の低下を抑制することができる。

同様に、本実施の形態２に係る燃料電池１００では、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、カソードセパレータ６Ｂにおける補強部材１３の内周と対向する（重なる）部分（すなわち、周部１６Ｂ）の多孔度が、部分２６Ｂの多孔度よりも大きいので、冷却水流路１０を通流する冷却水の一部をカソード電極４Ｂに供給することができる。カソード電極４Ｂに供給された冷却水は、毛管現象等の作用により、高分子電解質膜１側に移動する。

これにより、高分子電解質膜１における補強部材１３の内周と対向する（重なる）部分での反応ガスのクロスリークにより生成された過酸化水素を、カソード電極４Ｂに供給された冷却水に溶解させることで、過酸化水素を高分子電解質膜１から離れた位置に移動させることができる。このため、過酸化水素から生成されたラジカルの高分子電解質膜１への攻撃を抑制することができる。このようにして、本実施の形態２に係る燃料電池１００では、高分子電解質膜１の耐久性を向上させることができ、電池性能の低下を抑制することができる。

［変形例１］
次に、本実施の形態２に係る燃料電池１００の変形例について説明する。

図５は、本実施の形態２における変形例１の燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。

図５に示すように、本変形例１の燃料電池１００では、補強部材１３が、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード触媒層２Ａ又はカソード触媒層２Ｂと互いに重ならないように配設されている。

このように構成された本変形例１の燃料電池１００であっても、実施の形態２に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。

本発明の高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜の劣化を抑制して、耐久性を向上することが可能となり、また、燃料電池の性能低下を抑制することが可能であるため、燃料電池の分野で有用である。

１ 高分子電解質膜
２Ａ アノード触媒層
２Ｂ カソード触媒層
３Ａ アノードガス拡散層
３Ｂ カソードガス拡散層
４Ａ アノード電極
４Ｂ カソード電極
５ ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）
６Ａ アノードセパレータ
６Ｂ カソードセパレータ
７ ガスケット
８ 燃料ガス流路
９ 酸化剤ガス流路
１０ 冷却水流路
１１ 第１リブ部
１２ 第２リブ部
１３ 補強部材
１６Ａ 周部
１６Ｂ 周部
２６Ａ 部分
２６Ｂ 部分
６１ 燃料電池スタック
６２ セル積層体
６３ 端板
６４ 端板
１００ 燃料電池
１３１ 燃料ガス供給マニホールド
１３２ 燃料ガス排出マニホールド
１３３ 酸化剤ガス供給マニホールド
１３４ 酸化剤ガス排出マニホールド
１３５ 冷却水供給マニホールド
１３６ 冷却水排出マニホールド
２３１ 燃料ガス供給マニホールド孔
２３５ 冷却水供給マニホールド孔

Claims (13)

1. 高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、
   板状に形成され、導電性を有する一対のセパレータと、を備え、
   前記セパレータは、周部と該周部以外の部分を有していて、
   前記セパレータの周部は、前記セパレータの厚み方向から見て、環状に形成されていて、前記セパレータの外周よりも内方の領域であり、
   前記セパレータは、前記周部の多孔度が前記セパレータの周部以外の部分の多孔度よりも大きくなるように構成され、
   前記電極は、前記セパレータの厚み方向から見て、その外周が前記セパレータの外周より内方に位置するように形成され、
   前記セパレータの周部は、前記セパレータの厚み方向から見て、その外周が、前記セパレータの外周と前記電極の外周との間に位置する、高分子電解質形燃料電池。
2. 前記電極は、触媒層とガス拡散電極を有しており、
   前記セパレータの前記ガス拡散層と接触する一方の主面及び前記ガス拡散層の前記セパレータと接触する主面の少なくとも一方の主面には、溝状の反応ガス流路と該反応ガス流路の間にリブ部が形成されていて、
   前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータの他方の主面には、溝状の水流路が形成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
3. 前記セパレータの周部は、前記セパレータの厚み方向から見て、その内周が、前記電極の外周と前記電極の外周に最も近いリブ部との間に位置するように、環状に形成されている、請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池。
   
4. 前記電極は、前記セパレータの厚み方向から見て、その外周が前記セパレータの外周より内方に位置するように形成され、
   前記セパレータの周部は、前記セパレータの厚み方向から見て、その外周が前記電極の外周から５ｍｍ外方に位置する部分と前記電極の外周との間に位置し、その内周が前記電極の外周と前記電極の外周から５ｍｍ内方に位置する部分との間に位置するように、環状に形成されている、請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池。
5. 前記電極は、前記セパレータの厚み方向から見て、その外周が前記セパレータの外周と一致するように形成され、
   前記セパレータの周部は、前記セパレータの厚み方向から見て、その外周が前記電極の外周と前記電極の外周に最も近いリブ部との間に位置し、その内周が前記電極の外周に最も近いリブ部と前記電極の外周に２番目に近いリブ部との間に位置するように、環状に形成されている、請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池。
6. 前記電極は、前記セパレータの厚み方向から見て、その外周が前記セパレータの外周と一致するように形成され、
   前記セパレータの周部は、前記セパレータの厚み方向から見て、その外周が前記電極の外周と前記電極の外周から５ｍｍ内方に位置する部分との間に位置し、その内周が前記電極の外周から５ｍｍ内方に位置する部分と前記電極の外周から１０ｍｍ内方に位置する部分との間に位置するように、環状に形成されている、請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池。
7. 前記水流路は、前記セパレータの厚み方向から見て、その一部が、前記セパレータの周部と重なるように形成されている、請求項２〜６のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
8. 補強部材をさらに備え、
   前記補強部材は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記高分子電解質膜の周縁部に設けられている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
9. 前記補強部材は、その一部が、前記触媒層の他方の主面と接触し、かつ、前記セパレータの厚み方向から見て、前記触媒層と重なるように配設されている、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
10. 前記補強部材は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記触媒層と重ならないように配設されている、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
11. 前記補強部材は、樹脂で形成されている、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
12. 前記セパレータは、前記周部において、厚み方向に貫通する貫通孔を有している、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
13. 前記セパレータは、中央部を有していて、
    前記セパレータの中央部は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記セパレータの周部よりも内方の部分を含む領域であり、
    前記セパレータは、前記周部の多孔度が前記セパレータの中央部の多孔度よりも５％以上大きくなるように構成されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
    

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