JP2006004677A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解質膜の機械的強度の低下を防止し、セル内での電気的短絡を防止することができ、優れたシール性を有する燃料電池を提供する。
【解決手段】 セル１０は、固体高分子電解質膜１を、燃料極触媒層、燃料極ガス拡散層からなる燃料極ガス拡散電極２、および酸化剤極触媒層、酸化剤極ガス拡散層からなる酸化剤極ガス拡散電極３とで挟み込み、燃料極ガス拡散電極２および酸化剤極ガス拡散電極３が電解質膜１と接する反対の面に、ガス流路４ａ、５ａを備えたセパレータ４、５をそれぞれ備えている。電解質膜１を燃料極ガス拡散電極２及び酸化剤極ガス拡散電極３より大きく構成し、両ガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設する。電解質膜１の周縁部の上下表面に対向する位置に突起が形成されたシール材３１を、前記電解質膜１の上下両側に配設された両ガス拡散電極２、３と接し、且つ電解質膜１と一体化して配設する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シール構造に改良を施した燃料電池に関するものである。

燃料電池は、水素等の燃料と空気等の酸化剤とを供給して、電解質を介して電気化学的反応を行って電気エネルギーを発生させる発電装置であり、低騒音で、エネルギー回収効率も他のエネルギー機器と比べて高くできることから、火力代替の発電機として、例えば工場単位やさらには家庭用としての開発が進められている。また、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するため、ＮＯｘやＳＯｘ等の排出がなく、地球環境に与える影響が極めて小さいことから、車載用としても、内燃機関に換えて作動するモータ電源として利用するための開発が急速に進められている。

このような燃料電池を、設置スペースに制約がある家庭用や車載用の用途に使用するには、可能な限り小型にすることが望ましく、また、高出力密度での運転が可能である点、常温からの動作が可能である点などから、特に、高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）が注目されている。

図１０は、従来から用いられているＰＥＦＣのセル構成の一例を示した図である。すなわち、ＰＥＦＣのセル１０は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜という）１を燃料極触媒層、燃料極ガス拡散層からなる燃料極ガス拡散電極２と、酸化剤極触媒層、酸化剤極ガス拡散層からなる酸化剤極ガス拡散電極３とで挟み込み、燃料極ガス拡散電極２および酸化剤極ガス拡散電極３が電解質膜１と接する反対の面に、ガス流路４ａ、５ａを備えたセパレータ４、５をそれぞれ備えている。

上記構成のＰＥＦＣのセル１０は、電極とセパレータの間のガス流路を確保しつつ、セル外部へのガス漏洩や燃料ガスと酸化剤ガスの混入（以下、ガスクロスという）を防止するため、ガス拡散電極の端部に例えば不透過性の材料を含浸した高密度の含浸層６を有し、かつ含浸層の周囲にガスシール材２１を有している。なお、このガスシール材２１の上下表面には突起２２ａ、２２ｂが形成され、セパレータ４、５に設けられた凹部４ｃ、５ｃに係合されている。

上記のようなセル構成を有するＰＥＦＣに用いられるガスシール技術に関しては、以下に述べるような種々の提案がなされている。例えば、特許文献１では、その図３Ａに示されたように、多孔質電極層（本発明のガス拡散電極に相当する）と電解質膜を同延とし、電気化学的活性領域を包囲する領域の多孔質電極層の中にシール材を含浸させ、その周囲に流体不透過性シール材を一体成形することで、電解質膜が反応ガスと接することなく、電解質膜の脱水を防止し、かつ、製造性の改善を図る技術が示されている。

また、特許文献１の図３Ｂには、燃料極と酸化剤極、及び電解質膜の端部に弾性を有するシール材を配置し、このシール材の上下に突起を設けることにより、セルの積層時にシール材を圧縮変形させて、より優れたシール効果を得ることができるという技術が示されている。

また、特許文献２では、電極より大きい面積を有する電解質膜を燃料極および酸化剤極の２つの電極で挟持して接合し、電極接合部よりはみ出した電解質膜周辺部を包み込むようにガスケットを設けて、ガスシール性を向上させている。さらに、特許文献３では、電解質膜にシール材を一体成形して、シール材の高さをガス拡散層より高く、かつ、ガス拡散層とシール材の高さのギャップを一定とすることで、一定のシール圧を確保している。
特表２００１−５１０９３２号公報 特開２００１−１０２０７２号公報 特開２００２−４２８３６号公報

しかしながら、特許文献１の図３Ａに示されたシール構造では、多孔質電極層と電解質膜の端部が同一の位置にあり、その外側周辺部にシール材を一体化する工程において、多孔質電極層の外周部で、多孔質電極層を構成する導電性材料（例えばカーボン繊維）が燃料極と酸化剤極を橋渡しして、セル内で電気的な短絡が発生し、特性の低下を招くといった問題点があった。

また、電解質膜と接する面まで多孔質電極層にシール材を含浸させるためには、多孔質電極層の厚み方向に貫通するようにシール材に圧力をかけて多孔質材料の気孔内にシール材を含ませる必要があるが、その際に、多孔質電極層を構成している材料が電解質膜を貫通して燃料極および酸化剤極間で電気的な短絡が発生し特性の低下を招く、あるいは電解質膜に破損等が生じてしまうといった問題点があった。

また、特許文献１の図３Ｂに示されたシール構造は、図５に示したような従来のセル構成にさらにシール材を設けているため、構造が複雑であるだけでなく、燃料極と酸化剤極、及び電解質膜の端部が同じ位置になっているので、たとえシール材が圧縮されたとしても、そのシール機能を果たすための圧力は燃料極と酸化剤極、及び電解質膜の積層方向には作用しないため、電解質膜の端部を迂回してガスクロスが発生する可能性があった。

また、特許文献２のシール構造では、ガスケットとガス拡散層あるいは触媒層の間でギャップが存在し、その部分では電解質膜が反応ガスと直接接するため、ガス温度よりも低い露点の反応ガスが電解質膜の表面を通過した場合には、電解質膜の水分が反応ガスに奪われて乾燥状態となるため、電解質膜の機械的強度が低下し、電解質膜の破損につながる、あるいはガスケット材の変形に伴い電解質膜に応力がかかるといった問題点があった。

さらに、特許文献３のシール構造では、シール材は電極触媒層のみと接し、ガス拡散層とは接していないため、シール材とガス拡散電極との結合が弱く、シール材にシール機能をもたせるために圧力をかけた場合に、シール材の変形に伴いシール材と触媒層の境界部のシール性が低下する、あるいは電極端部にて電解質膜に応力がかかり、電解質膜が破損するといった問題点があった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、電解質膜の機械的強度の低下を防止すると共に、セル内での電気的短絡を確実に防止することができ、優れたシール性を有する燃料電池を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極とを備えた燃料電池において、前記電解質膜が前記ガス拡散電極より大きく構成され、両ガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記ガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うように、突起が形成されたシール材が設けられ、前記シール材に形成された突起が、前記電解質膜の端部より内側かつ前記ガス拡散電極の端部よりも外側に配置されていることを特徴とする。

以上のような構成を有する請求項１に記載の発明では、ガス拡散電極に接し、且つ、ガス拡散電極より大きな面積をもつ電解質膜の周縁部を包み込むようにシール材を一体成形することにより、セル内の電気的な短絡を防止することができる。また、両ガス拡散電極の端部から電解質膜が側方に突出しているため、電解質膜の周縁部の表面でシール材が圧着され、より優れたシール効果を得ることができる。

請求項２に記載の発明は、電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極とを備えた燃料電池において、前記電解質膜が前記ガス拡散電極より大きく構成され、両ガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記ガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うように、突起が形成されたシール材が設けられ、前記シール材に形成された突起が、前記電解質膜の端部より内側かつ前記ガス拡散電極の端部よりも外側で、前記電解質膜を介して対峙する位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする。

以上のような構成を有する請求項２に記載の発明では、ガス拡散電極に接し、且つ、ガス拡散電極より大きな面積をもつ電解質膜の周縁部を包み込むようにシール材を一体成形することにより、セル内の電気的な短絡を防止することができる。また、両ガス拡散電極の端部から電解質膜が側方に突出しているため、電解質膜の周縁部の上下両側の表面でシール材が圧着され、結果として、表裏２ヶ所でシールがなされることになるため、より優れたシール効果を得ることができる。

請求項３に記載の発明は、電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極とを備えた燃料電池において、前記電解質膜が前記ガス拡散電極のいずれか一方より大きく構成され、そのガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記一方のガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うように、突起が形成されたシール材が設けられ、前記シール材に形成された突起が、前記電解質膜の端部より内側かつ前記一方のガス拡散電極の端部よりも外側に配置されていることを特徴とする。

以上のような構成を有する請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の発明と同様にシール材と電解質膜との隙間が確実に封止されるため、ガスリークを防止することができる。また、一方のガス拡散電極の端部が電解質膜の端部と略同一位置まで延長されているため、セルの積層方向に締め付け圧力がかかった場合でも、電解質膜の変形を防止することができる。

請求項４に記載の発明は、電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極とを備えた燃料電池において、前記電解質膜が前記ガス拡散電極のいずれか一方より大きく構成され、そのガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記一方のガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うように突起が形成されたシール材が設けられ、前記シール材に形成された突起が、前記電解質膜の端部より内側かつ前記一方のガス拡散電極の端部よりも外側で、前記電解質膜を介して対峙する位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする。

以上のような構成を有する請求項４に記載の発明では、請求項２に記載の発明と同様にシール材と電解質膜との隙間が確実に封止されるため、ガスリークを防止することができる。また、一方のガス拡散電極の端部が電解質膜の端部と略同一位置まで延長されているため、セルの積層方向に締め付け圧力がかかった場合でも、電解質膜の変形を防止することができる。

請求項５に記載の発明は、電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極と、前記ガス拡散電極の前記電解質膜に接しない面に一対のガス流路板を備えた燃料電池において、前記電解質膜が前記ガス拡散電極より大きく構成され、両ガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記ガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うようにシール材が設けられ、前記一対のガス流路板の少なくとも一方の前記電解質膜の端部より内側かつガス拡散電極の端部よりも外側の位置に突起が設けられていることを特徴とする。

以上のような構成を有する請求項５に記載の発明では、ガス流路板に設けられた突起が、電解質膜の周縁部でガス拡散電極と接していない領域でセルの積層方向で重なりを持つ位置に配置されていることで、セル積層方法に締付け圧力がかけられた状態では、ガス流路板に設けられた突起部が最もシール材に締め付け圧力をかけるが、その力が直接電解質膜にかかるため、電解質膜とシール材の境界部でのガスリークを防止することができる。

請求項６に記載の発明は、電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極と、前記ガス拡散電極の前記電解質膜に接しない面に一対のガス流路板を備えた燃料電池において、前記電解質膜が前記ガス拡散電極より大きく構成され、両ガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記ガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うようにシール材が設けられ、前記一対のガス流路板の少なくとも一方の前記電解質膜の端部より内側かつガス拡散電極の端部よりも外側で、前記電解質膜を介して対峙する位置にそれぞれ配置されて突起が設けられていることを特徴とする。

以上のような構成を有する請求項６に記載の発明では、ガス流路板に設けられた突起が、電解質膜の周縁部でガス拡散電極と接していない領域でセルの積層方向で重なりを持つ位置に配置されていることで、セル積層方法に締付け圧力がかけられた状態では、ガス流路板に設けられた突起部が最もシール材に締め付け圧力をかけるが、その力が直接電解質膜の上下面にかかるため、電解質膜とシール材の境界部でより優れたガスリーク防止効果が得られる。

請求項７に記載の発明は、電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極と、前記ガス拡散電極の前記電解質膜に接しない面に一対のガス流路板を備えた燃料電池において、前記電解質膜が前記ガス拡散電極のいずれか一方より大きく構成され、そのガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記一方のガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うようにシール材が設けられ、前記ガス流路板の少なくとも一方には、前記電解質膜の端部より内側かつガス拡散電極の端部よりも外側の位置に突起が設けられていることを特徴とする。

以上のような構成を有する請求項７に記載の発明では、請求項５に記載の発明と同様にシール材と電解質膜との隙間が確実に封止されるため、ガスリークを防止することができる。また、一方のガス拡散電極の端部が電解質膜の端部と略同一位置まで延長されているため、セルの積層方向に締め付け圧力がかかった場合でも、電解質膜の変形を防止することができる。

請求項８に記載の発明は、電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極と、前記ガス拡散電極の前記電解質膜に接しない面に一対のガス流路板を備えた燃料電池において、前記電解質膜が前記ガス拡散電極のいずれか一方より大きく構成され、そのガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記一方のガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うようにシール材が設けられ、前記一対のガス流路板には、前記電解質膜の端部より内側かつガス拡散電極の端部よりも外側で、前記電解質膜を介して対峙する位置にそれぞれ配置されて突起が設けられていることを特徴とする。

以上のような構成を有する請求項８に記載の発明では、請求項６に記載の発明と同様にシール材と電解質膜との隙間が確実に封止されるため、ガスリークを防止することができる。また、一方のガス拡散電極の端部が電解質膜の端部と略同一位置まで延長されているため、セルの積層方向に締め付け圧力がかかった場合でも、電解質膜の変形を防止することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載の燃料電池において、前記シール材の一部が前記ガス拡散電極の一部に含浸されていることを特徴とする。
以上のような構成を有する請求項９に記載の発明では、シール材とガス拡散電極が確実に接続されるため、シール材が変形しても、ガス拡散電極とシール材との隙間が生じることなくシール機能がより確実となる。

請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載の燃料電池において、前記シール材の一部が前記ガス拡散電極の一部と重なりを持つように配置されていることを特徴とする。

以上のような構成を有する請求項１０に記載の発明では、シール材とガス拡散電極の接続が確実となり、シール材が変形してもガス拡散電極とシール材との隙間が生じることなく、さらにシール材とガス拡散電極が重なった位置においても、シール材に圧力をかけることで、シール機能をより確実なものとすることができる。

本発明によれば、電解質膜の機械的強度の低下を防止すると共に、セル内での電気的短絡を確実に防止することができ、優れたシール性を有する燃料電池を提供することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」と呼ぶ）について図面を参照して具体的に説明する。

（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態においては、図１に示したように、セル１０は、固体高分子電解質膜１を、燃料極触媒層、燃料極ガス拡散層からなる燃料極ガス拡散電極２、および酸化剤極触媒層、酸化剤極ガス拡散層からなる酸化剤極ガス拡散電極３とで挟み込み、燃料極ガス拡散電極２および酸化剤極ガス拡散電極３が電解質膜１と接する反対の面に、ガス流路４ａ、５ａを備えたセパレータ（請求項のガス流路板に相当する）４、５をそれぞれ備えている。

また、前記電解質膜１は、燃料極ガス拡散電極２及び酸化剤極ガス拡散電極３より大きく構成され、両ガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設されている。さらに、シール材３１が、前記電解質膜１の上下両側に配設された両ガス拡散電極２、３と接し、且つ電解質膜１と一体化されて配設されている。なお、シール材３１には、電解質膜端部より内側かつガス拡散電極の端部よりも外側に突起３２ａが設けられ、セパレータ４に形成された凹部４ｃと係合されている。

このように、電解質膜１の面積をガス拡散電極２、３より大きくすることで、電解質膜１の周縁部にはガス拡散電極２、３と重なりをもたない領域が形成される。つまり、シール成形前の状態では、電解質膜１の周縁部はガス拡散電極２、３に対して電解質膜１が露出した状態となっている。しかし、シール成形の際には、電解質膜１が燃料ガスあるいは酸化剤ガスと直接接することがないように、電解質膜１の周縁部を包み込むようにシール材３１をガス拡散電極２、３と一体化させている。

なお、この場合、ガス拡散電極２、３がセパレータ４、５と接する面において、シール材３１の一部がガス拡散電極２、３の表面層に含浸された構造とすることがより好ましい。ここで、シール材の含浸はシール材とガス拡散電極の結合をより確実とすることが目的であることから、ガス拡散電極の表面層とすることで、電解質膜への損傷を防止することができる。
また、シール材としてはゴム状の弾性体又は繊維強化されたゴム状の弾性体が使用可能であるが、耐熱性および耐久性の観点からシリコーンゴム、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリルゴム等が好適に使用できる。

また、上記電解質膜１は、通常、フッ素系の高分子膜中にスルフォン基を導入したフッ素系スルフォン酸樹脂等の陽イオン交換膜から形成されており、一般的には厚みが１５〜１５０μｍの範囲で使用される。また、燃料極ガス拡散電極２および酸化剤極ガス拡散電極３は、スクリーンプリンターやダイコータなどの塗布機を用いて、ガス拡散層となる多孔質材料に触媒インクを塗布して製造することができ、プレス等を用いて電解質膜１と一体化された後、セパレータ４、５と交互に積層される。さらに、セパレータ４、５は樹脂とカーボンの複合材によるモールド成形あるいは金属材料をプレス成形して製造されるのが一般的である。

また、図２はセパレータ４あるいは５の正面図であり、水素等の燃料ガスおよび空気等の酸化剤ガスは、入口マニホールド５１より各セルに分配されるように構成されている。また、セル面内では、反応ガスは、セパレータ４あるいは５に備えられたガス流路４ａあるいは５ａに沿って流れ、燃料ガス中の水素および酸化剤ガス中の酸素は、電気化学反応に伴い消費されながら排出マニホールド５２まで到達し、排出マニホールド５２を通過してスタック外に排出されるように構成されている。

ここで、セル１０は、電極とセパレータの間のガス流路を確保しつつ、電極材料から外部へのガス漏洩や、燃料ガスの酸化剤極への混入、あるいは酸化剤ガスの燃料極への混入を防止するため、電気化学的に活性でないセル周縁部にシール材３１を配置し、ガスシール性を向上させている。また、高いシール性を確保するために、セル構成材料の積層方向にタイロッドなどで締め付けることでシール材３１を変形させ、シール材３１とセパレータ４、５を密着させている。

（１−２）作用
上記のような構成を有する本実施形態においては、電解質膜１の面積をガス拡散電極２、３より大きくし、電解質膜１の周縁部でガス拡散電極と重なりをもたない領域を設けることにより、燃料極と酸化剤極の電気的な短絡防止効果を得ることができる。

すなわち、シール材３１をガス拡散電極２、３と一体成形する際には、電解質膜１とともにガス拡散電極２、３を金型にて締め付け、シール材を加圧注入する方法が一般的であるが、上述した従来型のようにガス拡散電極と電解質膜が同延の場合には、シール材の注入圧力により、ガス拡散電極の端部でガス拡散層を構成している材料が電解質膜端部をバイパスして、燃料極と酸化剤極を電気的に短絡させてしまうことが問題となっていた。

一方、本実施形態においては、電解質膜１の面積をガス拡散電極２、３の面積より大きくすることにより、電解質膜１で燃料極と酸化剤極の絶縁を確保している。また、シール成形の際には、電解質膜１が燃料ガスあるいは酸化剤ガスと直接接することがないように、電解質膜１の周縁部を包み込むようにシール材３１をガス拡散電極と一体化させることで、電解質膜１の乾燥を防止することができるので、電解質膜１の乾燥による機械的強度の低下を防止することができる。

また、本実施形態においては、シール材３１に凸状の突起３２ａが形成されており、この突起３２ａが、燃料極と酸化剤極の端部から突出した電解質膜１の周縁部の表面に位置するように設けられているため、セルの積層方向に締め付け圧力がかけられた場合には、圧縮されたシール材３１の圧力は電解質膜１の周縁部の表面部分に作用する。その結果、シール材３１と電解質膜１の隙間は押圧されたシール材の圧力で確実に塞がれるので、高いシール効果が得られる。また、たとえ燃料ガスあるいは酸化剤ガスが電解質膜１の表面に沿ってリークしたとしても、シール材３１と電解質膜１との圧着部分によって確実に遮断されるので、ガスクロスによる不都合が防止される。

さらに、ガス拡散電極２、３がセパレータ４、５と接する面において、シール材３１の一部をガス拡散電極２、３の表面層に含浸した構造とした場合には、シール材が締め付け圧力を受けて変形した場合においても、ガス拡散電極とシール材の境界部は変形が抑制されるためにシール機能が確保される。

（１−３）効果
以上述べたように、ガス拡散電極に接し、かつ、ガス拡散電極より大きな面積をもつ電解質膜の周縁部を包み込むようにシール材を一体成形することにより、セル内の電気的な短絡を防止することができるので、特性の低下を防止することができる。また、電解質膜の乾燥による機械的強度の低下を防ぐことができ、さらに、電解質膜周縁部の表面でシール材が圧着され、より優れたシール効果を得ることができる。

さらに、セルとセパレータを積層する作業においても、シール材とセルが一体となっているため工数低減が可能となると共に、積層作業の機械化が容易となるといった利点もある。なお、基板シートに触媒を塗布した後に、電解質膜１に転写する方法により製作したされたガス拡散電極を使用した場合も、同様の効果が得られることは言うまでもない。

（２）第２実施形態
本実施形態は上記第１実施形態の変形例であって、シール材に設けられた突起が、電解質膜の端部よりも内側かつガス拡散電極の端部よりも外側で、電解質膜を介して対峙する位置にそれぞれ配置された構成としたものである。

（２−１）構成
本実施形態においては、図３に示したように、シール材３１に設けられた突起３２ａ、３２ｂが、電解質膜の端部よりも内側かつガス拡散電極の端部よりも外側で、電解質膜を介して対峙する位置にそれぞれ配置された構成とされている。

（２−２）作用・効果
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様、シール材と電解質膜との隙間が確実に封止されるため、ガスリークを防止することができる。また、本実施形態においては、電解質膜周縁部の上下両側の表面でシール材が圧着され、結果として、表裏２ヶ所でシールがなされることになる。従って、ガスリークの防止効果としては二重構造となるため、より優れたシール効果を得ることができる。

（３）第３実施形態
本実施形態は上記第１実施形態の変形例であって、燃料極または酸化剤極の一方の端部を電解質膜端部と略同一位置まで延長しておき、シール材の突起が電解質膜の一方の表面にのみ対向する構成としたものである。

（３−１）構成
本実施形態においては、図４に示したように、燃料極または酸化剤極の一方の端部が電解質膜１の端部と略同一位置まで延長され、シール材３１に形成された突起３２ａが電解質膜１の表面に対向する構成とされている。

（３−２）作用・効果
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様、シール材と電解質膜との隙間が確実に封止されるため、ガスリークを防止することができる。また、本実施形態においては、燃料極または酸化剤極の一方の端部が電解質膜１の端部と略同一位置まで延長されているため、セルの積層方向に締め付け圧力がかかった場合でも、電解質膜１の変形を防止することができる。

すなわち、燃料極と酸化剤極はガス拡散層となる多孔質の硬質材料から構成されているが、電解質膜１は、イオン交換膜のように燃料極と酸化剤極に比較すると柔軟な材質から構成されているため、電解質膜１を燃料極または酸化剤極の一方と重ね合わせた構成とすることにより、電解質膜１だけに締め付け圧力がかかることを防止することができる。その結果、ガス拡散電極がシール材の突起部まで延長された側では、シール材の支持がガス拡散電極が延長された分確実となり、シール材が面圧を受けて変形した場合でも、ガス拡散電極とシール材の接触が確実に保持される。また、電解質膜の外周を通過する燃料極と酸化剤極間のガスシールについては、ガス拡散電極が小さい側でシール材と電解質膜が直接面圧を受けるため、シール性が確保される。

なお、本実施形態の場合、酸化剤極側を延長する方がより好ましい。その理由は、酸化剤ガスのリークを酸化剤極に近い箇所で防止することができるので、より優れた腐蝕防止効果を得ることができるからである。

（４）第４実施形態
本実施形態は上記第３実施形態の変形例であって、シール材３１に設けられた突起が、電解質膜の端部よりも内側かつガス拡散電極の端部よりも外側で、電解質膜を介して対峙する位置にそれぞれ配置された構成としたものである。

（４−１）構成
本実施形態においては、図５に示したように、燃料極または酸化剤極の一方の端部が電解質膜１の端部と略同一位置まで延長され、シール材３１に形成された突起３２ａ、３２ｂが、電解質膜の端部よりも内側かつガス拡散電極の端部よりも外側で、電解質膜を介して対峙する位置にそれぞれ配置された構成とされている。

（４−２）作用・効果
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様、シール材と電解質膜との隙間が確実に封止されるため、ガスリークを防止することができる。また、本実施形態においては、電解質膜周縁部の上下両側の表面でシール材が圧着され、結果として、表裏２ヶ所でシールがなされることになる。従って、ガスリークの防止効果としては二重構造となるため、より優れたシール効果を得ることができる。

（５）第５実施形態
（５−１）構成
本実施形態においては、図６（Ａ）（Ｂ）に示したように、シール材４１がガス拡散電極２、３の周縁部に電解質膜１とともに一体化されて配設されているが、このシール材４１には突起部を形成せずに、シール材４１と積層方向で重なる位置に、セパレータ４あるいは５の少なくともいずれか一方に突起４ｂあるいは５ｂを設けた構造となっている。
なお、本実施形態においても、セパレータ４あるいは５に設けられた突起４ｂあるいは５ｂは、電解質膜１の周縁部でガス拡散電極２、３と接していない領域とセルの積層方向で重なりを持つ位置に配置されている。

（５−２）作用・効果
上記第１、第２、第３および第４実施形態と同様に、セパレータ４あるいは５に設けられた凸状の突起４ｂあるいは５ｂが、電解質膜１の周縁部でガス拡散電極と接していない領域でセルの積層方向で重なりを持つ位置に配置されていることで、セル積層方法に締付け圧力がかけられた状態では、セパレータ４、５に設けられた凸部が最もシール材４１に締め付け圧力をかけるが、その力が直接電解質膜１にかかるため、電解質膜１とシール材４１の境界部でのガスリークを防止することができる。

（６）他の実施形態
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、シール材あるいはセパレータに形成される突起は、同一面内に２ヶ所以上としても良い。

また、上記第５実施形態の変形例として、図７（Ａ）（Ｂ）に示したように、燃料極または酸化剤極の一方の端部が電解質膜の端部と略同一位置まで延長された構成としても良い。セパレータ４、５の両方に突起を設けた場合には、図７（Ｂ）に示したように、突起４ｂ、５ｂの一方が、電解質膜１の周縁部でガス拡散電極と接していない領域でセルの積層方向で重なりを持つ位置に配置され、他方の突起が、延長された燃料極または酸化剤極の一方の表面と対向する位置に配置されるように構成する。

また、図８（Ａ）（Ｂ）に示したように、シール材の一部がガス拡散電極の一部に含浸された構造とすることもできる。この場合、シール材とガス拡散電極が確実に接続されるため、シール材が変形しても、ガス拡散電極とシール材との隙間が生じることなくシール機能がより確実なものとなる。

さらに、図９（Ａ）（Ｂ）に示したように、シール材の一部がガス拡散電極の一部と重なりを持つように配置することもできる。この場合、シール材とガス拡散電極の接続が確実となり、シール材が変形してもガス拡散電極とシール材との隙間が生じることなく、さらにシール材とガス拡散電極が重なった位置においても、シール材に圧力をかけることで、シール機能をより確実なものとすることができる。

なお、上述した各実施形態においては固体高分子形燃料電池について説明したが、燃料極にメタノールなどの液体燃料を供給するタイプの燃料電池においても同様の効果が得られることは言うまでもない。

本発明に係る固体高分子形燃料電池の第１実施形態のセル構成を示す要部断面図 本発明に係る固体高分子形燃料電池の第１実施形態のセパレータの構成を示す平面図 本発明に係る固体高分子形燃料電池の第２実施形態のセル構成を示す要部断面図 本発明に係る固体高分子形燃料電池の第３実施形態のセル構成を示す要部断面図 本発明に係る固体高分子形燃料電池の第４実施形態のセル構成を示す要部断面図 本発明に係る固体高分子形燃料電池の第５実施形態のセル構成を示す要部断面図であり、（Ａ）は一方のセパレータに突起を設けた例、（Ｂ）は両方のセパレータに突起を設けた例 本発明に係る固体高分子形燃料電池の他の実施形態のセル構成を示す要部断面図であり、（Ａ）は一方のセパレータに突起を設けた例、（Ｂ）は両方のセパレータに突起を設けた例 本発明に係る固体高分子形燃料電池の他の実施形態のセル構成を示す要部断面図であり、（Ａ）はシール材に突起を設けた例、（Ｂ）はセパレータに突起を設けた例 本発明に係る固体高分子形燃料電池の他の実施形態のセル構成を示す要部断面図であり、（Ａ）はシール材に突起を設けた例、（Ｂ）はセパレータに突起を設けた例 従来の固体高分子形燃料電池のセル構成の一例を示す要部断面図

符号の説明

１…固体高分子電解質膜
２…燃料極ガス拡散電極
３…酸化剤極ガス拡散電極
４、５…セパレータ
４ａ、５ａ…ガス流路
４ｂ、５ｂ…突起
２１、３１、４１…シール材
３２ａ、３２ｂ…突起

Claims (10)

1. 電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極とを備えた燃料電池において、
   前記電解質膜が前記ガス拡散電極より大きく構成され、両ガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、
   前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記ガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うように、突起が形成されたシール材が設けられ、
   前記シール材に形成された突起が、前記電解質膜の端部より内側かつ前記ガス拡散電極の端部よりも外側に配置されていることを特徴とする燃料電池。
2. 電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極とを備えた燃料電池において、
   前記電解質膜が前記ガス拡散電極より大きく構成され、両ガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、
   前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記ガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うように、突起が形成されたシール材が設けられ、
   前記シール材に形成された突起が、前記電解質膜の端部より内側かつ前記ガス拡散電極の端部よりも外側で、前記電解質膜を介して対峙する位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする燃料電池。
3. 電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極とを備えた燃料電池において、
   前記電解質膜が前記ガス拡散電極のいずれか一方より大きく構成され、そのガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、
   前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記一方のガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うように、突起が形成されたシール材が設けられ、
   前記シール材に形成された突起が、前記電解質膜の端部より内側かつ前記一方のガス拡散電極の端部よりも外側に配置されていることを特徴とする燃料電池。
4. 電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極とを備えた燃料電池において、
   前記電解質膜が前記ガス拡散電極のいずれか一方より大きく構成され、そのガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、
   前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記一方のガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うように、突起が形成されたシール材が設けられ、
   前記シール材に形成された突起が、前記電解質膜の端部より内側かつ前記一方のガス拡散電極の端部よりも外側で、前記電解質膜を介して対峙する位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする燃料電池。
5. 電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極と、前記ガス拡散電極の前記電解質膜に接しない面に一対のガス流路板を備えた燃料電池において、
   前記電解質膜が前記ガス拡散電極より大きく構成され、両ガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、
   前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記ガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うようにシール材が設けられ、
   前記一対のガス流路板の少なくとも一方の、前記電解質膜の端部より内側かつガス拡散電極の端部よりも外側の位置に突起が設けられていることを特徴とする燃料電池。
6. 電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極と、前記ガス拡散電極の前記電解質膜に接しない面に一対のガス流路板を備えた燃料電池において、
   前記電解質膜が前記ガス拡散電極より大きく構成され、両ガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、
   前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記ガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うようにシール材が設けられ、
   前記一対のガス流路板には、前記電解質膜の端部より内側かつガス拡散電極の端部よりも外側で、前記電解質膜を介して対峙する位置に配置されて突起がそれぞれ設けられていることを特徴とする燃料電池。
7. 電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極と、前記ガス拡散電極の前記電解質膜に接しない面に一対のガス流路板を備えた燃料電池において、
   前記電解質膜が前記ガス拡散電極のいずれか一方より大きく構成され、そのガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、
   前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記一方のガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うようにシール材が設けられ、
   前記一対のガス流路板の少なくとも一方の、前記電解質膜の端部より内側かつガス拡散電極の端部よりも外側の位置に突起が設けられていることを特徴とする燃料電池。
8. 電解質膜と、前記電解質膜に接してその両側に配設されたガス拡散電極と、前記ガス拡散電極の前記電解質膜に接しない面に一対のガス流路板を備えた燃料電池において、
   前記電解質膜が前記ガス拡散電極のいずれか一方より大きく構成され、そのガス拡散電極の端部から側方に突出するように配設され、
   前記両ガス拡散電極の端部と接し、且つ、前記電解質膜の前記一方のガス拡散電極と重なりをもたない周縁部を覆うようにシール材が設けられ、
   前記一対のガス流路板には、前記電解質膜の端部より内側かつガス拡散電極の端部よりも外側で、前記電解質膜を介して対峙する位置にそれぞれ配置されて突起が設けられていることを特徴とする燃料電池。
9. 前記シール材の一部が前記ガス拡散電極の一部に含浸されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載の燃料電池。
10. 前記シール材の一部が前記ガス拡散電極の一部と重なりを持つように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載の燃料電池。

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