JP2005259465A

JP2005259465A - 高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2005259465A
Application number: JP2004067921A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Unoki; 重幸鵜木; Susumu Kobayashi; 晋小林; Eiichi Yasumoto; 栄一安本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2005-09-22

Abstract

【課題】良好なガスシール性および安定した出力電圧を有する高分子電解質型燃料電池を提供する。
【解決手段】高分子電解質型燃料電池におけるシール部材が、アノードを囲み、アノード側セパレータと電解質膜との間をシールする第１のアノード側シール部材、およびカソードを囲み、カソード側セパレータと電解質膜との間をシールする第１のカソード側シール部材を有し、第１のアノード側シール部材が少なくともアノード側セパレータのガス流入部付近においてアノード周縁部に密着形成され、第１のカソード側シール部材が少なくともカソード側セパレータのガス流入部付近においてカソード周縁部に密着形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、家庭用コジェネレーションシステム、または自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の電源として用いられる高分子電解質型燃料電池に関する。

水素イオン伝導性高分子電解質を用いた高分子電解質型燃料電池は、水素を含む燃料ガスと、空気など酸素を含む酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる。この高分子電解質型燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性高分子電解質膜、および高分子電解質膜を挟む一対の電極からなる電解質膜・電極接合体（以下、ＭＥＡと表す）を有する。電極は、白金族の金属触媒を担持した導電性カーボン粉末を主成分とする触媒層、およびこの触媒層の外側に配されたガス拡散層からなる。通気性および電子導電性を有するガス拡散層には、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーが用いられる。

電極に供給される燃料ガスや酸化剤ガスが外部にリークしたり、燃料ガスと酸化剤ガスが混合したりしないように、電極の周辺には水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟んでシール材が配置される。
さらに、ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性セパレータが配置される。セパレータは、ＭＥＡと接触する部分において、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を有する。ガス流路は、セパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を形成しガス流路とする方式が一般的である。

これらのＭＥＡとセパレータを交互に重ね、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定することにより一般的な積層電池が得られる。これをセルスタックと呼ぶ。
水素イオン伝導性高分子電解質膜は、水分を飽和状態で含むと膜の比抵抗が小さくなり、水素イオン伝導性を有する電解質として機能する。よって、燃料電池の稼動中は、水素イオン電導性高分子電解質膜の乾燥を防ぐために、燃料ガスおよび酸化剤ガスは加湿して供給される。また、発電時には、下記に示す電気化学反応が起こる。このとき、カソード側では反応生成物として水が生成される。
アノード：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
カソード：２Ｈ⁺＋（１／２）Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ（２）

これら、加湿された燃料ガスおよび酸化剤ガス中に含まれる水、および反応生成水は、電解質膜中の水分を飽和状態に保つために使用される。さらに、この水は、余剰の燃料ガス、および酸化剤ガスとともに燃料電池の外部へ排出される。
このとき、反応ガス中に液状の水が含まれると、この水は、セパレータのガス流路に、表面張力により液滴として付着する。ガス流路内に付着した水がガス流路を塞ぐと、反応ガスの流通が阻害され、フラッディング現象を生じる。その結果、電極の反応面積が減少し、電池の出力特性が低下する。

ガス流路に凝縮水が付着しても、ガス流の圧力が充分である場合は、このガス圧により凝縮水が排出される。しかし、ガス圧が十分でないと、ガス流路に付着した凝縮水の排出が不十分となる。このため、凝縮水によるガス流路の閉塞により、反応ガスの供給量が不足したり、ガス流路相互の間での流量が不均一となったりして、電池の出力特性が低下する可能性がある。

ここで、従来のシール構造の一例を図７に示す。図７は、ガスケットを配した単電池の概略縦断面図である。
カソード側セパレータ５１とアノード側セパレータ６１との間を面状にシールするガスケット５３、６３がＭＥＡ４を囲むように配置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このガスケット５３、６３は、一対のセパレータ５１、６１間で重ね合わせられており、セパレータ５１、６１のマニホールド孔５２、６２に対応する部分には、それぞれ穴が設けられている。ガスケット５３、６３は、カソード２、およびアノード３の周辺部の一部において高分子電解質膜１を介して重ね合わせられている。

上述のガスケットを用いた構造では、ガスの供給量が増加するセルスタックの出力増加時には、ガス流路の入口付近のマニホールド孔内のガス圧が上昇するため、マニホールド孔周縁部のガスケットにかかる圧力を上げておく必要がある。また、ガスケットがセパレータと接触する面積が大きいことから、締結圧を高くし、それに耐え得るセルスタックの構造が求められる。それには、端板または絶縁板を厚くする必要があるが、セルスタックが大型化し、その重量が増加するという問題があった。

さらに、高分子電解質膜とセパレータとの間をシールする部分のガスケットにかかる圧力は、一対のセパレータ間をシールする部分のガスケットにかかる圧力と同じであるため、セルスタックの出力の増大に伴い、ガスの供給量が増加すると、ガス流路の入口付近のマニホールド孔内のガス圧が上昇する。これに対しては、マニホールド孔周縁部をシールするガスケットにかかる圧力を高くしておく必要がある。しかし、締結圧が増大するため、電解質膜に大きな圧力がかかり、電解質膜が機械的ダメージを受け、電池の出力特性が低下するという問題があった。

これに対し、セルスタックの締結圧を低減する方法として、高分子電解質膜やセパレータと線状に接することによりシールするリップタイプのシール部材を用いたシール構造が提案されている。シール部材およびカソードを配したカソード側セパレータの正面図を図８に示す。また、セルスタックを構成する単セルにおける酸化剤ガス用マニホールド孔７２、８２付近の概略縦断面図を図９に示す。

リップタイプのカソード側シール部材は、カソード２の周りを囲むシール部材７５と、酸化剤ガス、燃料ガス、および冷却水用マニホールド孔７２、７３、および７４の周囲をそれぞれ囲むシール部材７２ａ、７３ａおよび７４ａからなる。また、リップタイプのアノード側シール部材は、アノード３の周りを囲むシール部材８５、酸化剤ガス用マニホールド孔８２の周りを囲むシール部材８２ａ、ならびに燃料ガスおよび冷却水用マニホールド孔の周りを囲むシール部材（図示しない）からなる。

シール部材７５は、高分子電解質膜１とセパレータ７１との間をシールする。また、シール部材８５は、高分子電解質膜１とセパレータ８１との間をシールする。また、シール部材７２ａおよび８２ａは、酸化剤ガスが外部にリークしないようにセパレータ７１とセパレータ８１との間をシールする。シール部材７３ａおよび７４ａは、これらと対向するアノード側のシール部材（図示しない）と接することによりセパレータ７１とセパレータ８１との間をシールする。

このように各シール部材を分割することが可能となるため、マニホールド孔７２、７３、および７４のシールに要するシール部材７２ａ、７３ａ、および７４ａとセパレータ７１との接触面積を小さくすることができる。アノード側も同様にセパレータ８１とシール部材との接触面積を小さくすることができる。したがって、上述したガスケットタイプの場合のように締結圧を高くする必要がない。

しかし、図８および９に示すように、高分子電解質膜１とセパレータ７１との間をシールするカソード２の周りを囲むシール部材７５が、カソード２に接していない場合、シール部材７５とカソード２との間に隙間７８が生じる。酸化剤ガスは、マニホールド孔７２からガス流入部７６ａを経てガス流路７６に供給されるが、その一部がこの隙間７８を経て、ガス流出部７６ｂより排出される。その結果、ガス流路７６を流れる酸化剤ガスの圧力が減少し、反応ガス中に含まれる水や反応生成水の排出が不充分となり、フラッディング現象が起こりやすくなる。また、アノード側においても、シール部材８５とアノード３との間に隙間８８が生じ、燃料ガスの一部が隙間８８に流出してしまう場合がある。
特許第３２４５１６１号

そこで、本発明は、上記の従来の問題を解決するために、シール部材と電極との間の隙間への反応ガスの流入を防止することにより、良好なガスシール性を有し、フラッディング現象の発生を防ぎ、安定した出力電圧を有する高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、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と、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と、前記アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に配されるシール部材とを具備する。

そして、前記アノード側ガス流路に燃料ガスを送り込むために、前記アノード側セパレータにアノード側ガス流入部を設け、前記カソード側ガス流路に酸化剤ガスを送り込むために、前記カソード側セパレータにカソード側ガス流入部を設ける。

前記シール部材は、前記アノードを囲み、前記アノード側セパレータと電解質膜との間をシールする第１のアノード側シール部材、および前記カソードを囲み、前記カソード側セパレータと電解質膜との間をシールする第１のカソード側シール部材を含む。

さらに、本発明に係る高分子電解質型燃料電池は、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間をシールする第２のアノード側シール部材および第２のカソード側シール部材を有するのが有効である。
そして、前記第１のアノード側シール部材が少なくとも前記アノード側セパレータのガス流入部付近においてアノード周縁部に密着形成され、前記第１のカソード側シール部材が少なくとも前記カソード側セパレータのガス流入部付近においてカソード周縁部に密着形成されている。

前記第１のアノード側シール部材が前記アノード周縁部全体に密着形成され、前記第１のカソード側シール部材がカソード周縁部全体に密着形成されているのが好ましい。
前記アノードおよびカソードが四角形状であり、前記第１のアノード側シール部材が、前記アノード周縁部における四つの辺のうち、ガス流入部側に位置する一辺、および前記一辺と連なり、ガス流入部に近い側に位置する他辺において密着形成され、前記第１のカソード側シール部材が、前記カソード周縁部における四つの辺のうち、ガス流入部側に位置する一辺、および前記一辺と連なり、ガス流入部に近い側に位置する他辺において密着形成されているのが好ましい。

前記第１のアノード側シール部材および前記第２のアノード側シール部材が同一の材料で構成され、前記第１のアノード側シール部材は、前記第２のアノード側シール部材よりも前記アノード側セパレータからの高さが低いことが好ましい。
前記第１のカソード側シール部材および前記第２のカソード側シール部材が同一の材料で構成され、前記第１のカソード側シール部材は、前記第２のカソード側シール部材よりも前記カソード側セパレータからの高さが低いことが好ましい。

前記第１のアノード側シール部材は、前記第２のアノード側シール部材よりも反発弾性力が小さいことが好ましい。
前記第１のカソード側シール部材は、前記第２のカソード側シール部材よりも反発弾性力が小さいことが好ましい。

前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータが、それぞれ燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水用のマニホールド孔を有し、前記第２のアノード側シール部材が前記アノード側セパレータの各マニホールド孔の周りをそれぞれ囲むように形成され、前記第２のカソード側シール部材が前記カソード側セパレータの各マニホールド孔の周りをそれぞれ囲むように形成されているのが好ましい。

本発明によれば、反応ガスが電極とシール部材との間をバイパスすることが抑制されるため、フラッディング現象の発生を防止し、安定した出力電圧を有し、かつ、良好なガスシール性を有する高分子電解質型燃料電池を提供することができる。

本発明に係る高分子電解質型燃料電池は、アノードを囲みアノード側セパレータと電解質膜との間をシールする第１のアノード側シール部材、カソードを囲みカソード側セパレータと電解質膜との間をシールする第１のカソード側シール部材を具備し、アノード側セパレータのアノード側ガス流路に燃料ガスを送り込むために前記アノード側セパレータにアノード側ガス流入部を設け、カソード側セパレータのカソード側ガス流路に酸化剤ガスを送り込むために前記カソード側セパレータにカソード側ガス流入部を設ける。

上記ガス流入部は、反応ガスである燃料ガスや酸化剤ガスを、マニホルド孔から前記ガス流路に連絡するものである。
そして、第１のアノード側シール部材が少なくともアノード側セパレータのガス流入部付近においてアノード周縁部に密着形成され、第１のカソード側シール部材が少なくともカソード側セパレータのガス流入部付近においてカソード周縁部に密着形成されていることを特徴とする。なお、「密着形成」とは、第１のシール部材を隙間無く電極周辺部に接触させて配置しているという意味である。

前記高分子電解質型燃料電池は、さらにアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間をシールする第２のアノード側シール部材および第２のカソード側シール部材を具備するのが有効である。
本発明の好ましい実施の形態においては、第１のアノード側シール部材がアノード周縁部全体に密着形成され、第１のカソード側シール部材がカソード周縁部全体に密着形成されている。
また、本発明の好ましい他の実施の形態においては、アノードおよびカソードが四角形状であり、第１のアノード側シール部材が、前記アノード周縁部における四つの辺のうち、ガス流入部側に位置する一辺、および前記一辺と連なり、ガス流入部に近い側に位置する他辺において密着形成され、第１のカソード側シール部材が、カソード周縁部における四つの辺のうち、ガス流入部側に位置する一辺、および前記一辺と連なり、ガス流入部に近い側に位置する他辺において密着形成されている。
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。

実施の形態１
上述したセパレータと電解質膜との間をシールする第１のシール部材が電極の周縁部全てに密着形成された場合の一例を図１〜３を参照しながら説明する。図１は、カソードおよび断面形状が四角形のシール部材を配したカソード側セパレータの正面図である。図２は、アノードおよび断面形状が四角形のシール部材を配したアノード側セパレータの正面図である。図３は、単電池を図１のIII−III’線で切った概略断面図である。

カソード側セパレータ１１は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１２、燃料ガス用マニホールド孔１３、および冷却水用マニホールド孔１４を有する。セパレータ１１のカソード２と対向する面には、カソード２に酸化剤ガスを供給するガス流路１６が形成され、ガス流路１６は一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１２を連絡する。なお、図１では、ガス流路１６を、経路を示す矢印で表す。酸化剤ガスは、マニホールド孔１２の一方からガス流入部１６ａを経てガス流路１６に流入し、余剰ガスおよび水はガス流出部１６ｂよりマニホールド孔１２の他方に排出される。なお、ガス流入部１６ａおよびガス流出部１６ｂの上部開放部は、プレート１７により覆われており、プレート１７がセパレータ１１の主面の一部を構成している。そして、第１のカソード側シール部材１５は、カソード２の周りを囲むように配されている。第２のカソード側シール部材１２ａ、１３ａおよび１４ａは、マニホールド孔１２、１３および１４の周りをそれぞれ囲むように配されている。

アノード側セパレータ２１は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔２２、燃料ガス用マニホールド孔２３、および冷却水用マニホールド孔２４を有する。セパレータ２１のアノード３と対向する面には、アノード３に燃料ガスを供給するガス流路２６が形成され、ガス流路２６は一対の燃料ガス用マニホールド孔２３を連絡する。なお、図２では、ガス流路２６を、経路を示す矢印で表す。燃料ガスは、マニホールド孔２３の一方よりガス流入部２６ａを経てガス流路２６に流入し、余剰ガスおよび水はガス流出部２６ｂよりマニホールド孔２３の他方に排出される。なお、ガス流入部２６ａおよびガス流出部２６ｂの上部開放部は、プレート２７により覆われており、プレート２７はセパレータ２１の主面の一部を構成している。そして、第１のアノード側シール部材は、アノード３の周りを囲むように配されている。第２のアノード側シール部材２２ａ、２３ａおよび２４ａは、マニホールド孔２２、２３および２４の周りをそれぞれ囲むように配されている。

第１のカソード側シール部材１５は、カソード２の周縁部に予め密着形成されている。また、第１のアノード側シール部材２５は、アノード３の周縁部に予め密着形成されている。そして、シール部材１５と２５とにより、電解質膜１が挟まれている。すなわち、第１のカソード側シール部材１５は、カソード側セパレータ１１と電解質膜１との間をシールし、第１のアノード側シール部材２５は、アノード側セパレータ２１と電解質膜１との間をシールする。これにより、カソード２とシール部材１５との間、およびアノード３とシール部材２５との間に隙間が生じないため、従来生じていたシール部材と電極との間の隙間を反応ガスがバイパスするのを防止することができる。従って、セパレータ１１、２１のガス流路内のガス圧の低下を防ぎ、フラッディング現象の発生を抑制できる。また、電解質膜１とセパレータ１１との間、および電解質膜１とセパレータ２１との間において良好なガスシール性が得られる。

また、第２のカソード側シール部材１２ａ〜１４ａおよび第２のアノード側シール部材２２ａ〜２４ａによりセパレータ１１とセパレータ２１との間がシールされる。これらのシール部材１２ａ〜１４ａおよび２２ａ〜２４ａは、マニホールド孔１２〜１４および２２〜２４をそれぞれ囲むように形成されているため、良好なシール性を有し、反応ガスおよび冷却水の外部へのリークを防止できる。

第１のカソード側シール部材１５は、第２のカソード側シール部材１２ａ〜１４ａよりも反発弾性力が小さいことが好ましい。
また、第１のアノード側シール部材２５は、第２のアノード側シール部材２２ａ〜２４ａよりも反発弾性力が小さいことが好ましい。そのようにすると、電解質膜１にかかるシール圧を電解質膜１の機械的ダメージがない程度に弱めることができる。

実施の形態２
本実施の形態のカソードおよびシール部材を配したカソード側セパレータの正面図を図４に示す。
高分子電解質膜１とカソード側セパレータ３１との間をシールする第１のカソード側シール部材３５が、四角形のカソード２における周縁部の四つの辺のうち、セパレータ３１のガス流路３６へのガス流入部３６ａ側に位置する一辺３５ａ、および前記一辺と連なり、ガス流入部３６ａに近い側に位置する他辺３５ｂにおいて予め密着形成されている。

このように、第１のシール部材であるシール部材３５とカソード２とが、少なくとも、ガス流入部３６ａのガス流路３６への入口付近において密着形成されているため、カソード２とシール部材３５との間の隙間への酸化剤ガスの流入を防止できる。このため、セパレータ３１のガス流路３６内のガス圧の低下を防止することができる。また、高分子電解質膜１とセパレータ３１との間において良好なガスシール性が得られる。

アノード側においても、上述したカソード側の場合と同様に、高分子電解質膜とアノード側セパレータとの間をシールする第１のアノード側シール部材が、四角形のアノードにおける周縁部の四つの辺のうち、セパレータのガス流路へのガス流入部側に位置する一辺、および前記一辺と連なり、ガス流入部に近い側に位置する他辺において予め密着形成されてもよい。

実施の形態３
本実施の形態は、アノード側シール部材の断面形状を図５に示すように変えた以外は、実施の形態１における図２に示すアノード側セパレータと同様の構成である。図５は、シール部材を配したアノード側セパレータ４１の酸化剤ガス用マニホールド孔４２付近の概略縦断面図である。

アノード３の周縁部に密着形成された第１のアノード側シール部材４５、および酸化剤ガス用マニホールド孔４２の周りを囲む第２のアノード側シール部材４２ａが、同一の材料で構成されている。シール部材４５、４２ａの断面形状は、それぞれ土台部分を四角形とした下部４５ｂ、４２ｃと、先端部分を三角形とした上部４５ａ、４２ｂからなる。シール部材４５、４２ａにおける下部４５ｂ、４２ｃの高さＺは同じである。また、第１のアノード側シール部材４５の上部４５ａの高さＹは、第２のアノード側シール部材４２ａの上部４２ｂの高さＸよりも小さい。

なお、図示しないが、燃料ガス用マニホールド孔および冷却水用マニホールド孔の周りをそれぞれ囲む第２のアノード側シール部材（図２のシール部材２３ａ、２４ａに対応する部分）も、それぞれシール部材４２ａと同様の断面形状であり、かつその高さＸおよびＺも同じである。
そして、例えば、本実施の形態のアノード側シール部材を配したアノード側セパレータと、実施の形態１のカソード側シール部材を配したカソード側セパレータとを組み合わせて単電池を構成すると、電解質膜が機械的ダメージを受けない程度に電解質膜にかかるシール圧を弱めることができる。なお、カソード側に上述した本実施例と同様の断面形状のシール部材を用い、アノード側に実施の形態１と同様の断面形状のシール部材を用いてもよい。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されない。
《実施例１》
（１）ＭＥＡの作製
比表面積８００ｍ²／ｇ、ＤＢＰ吸油量３６０ｍｌ／１００ｇのケッチェンブラックＥＣ（ケッチェンブラック・インターナショナル社製のファーネスブラック）に、白金を担持させて触媒体（５０重量％が白金）を得た。この粉末状の触媒体１０ｇに、水３５ｇおよび水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液（旭硝子（株）製の９％ＦＳＳ）５９ｇを混合し、超音波攪拌機を用いて分散させ、触媒層インクを調製した。

この触媒層インクを、ポリプロピレンフィルム（東レ（株）製のトレファン５０−２５００）上に塗布し、乾燥させることにより触媒層を形成した。得られた触媒層を８０ｍｍ角に切断し、９０ｍｍ角の高分子電解質膜１（デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ１１７膜、厚み５０μｍ）の両面中央部に、温度１３５℃および圧力３２ｋｇｆ／ｃｍ²の条件で転写した。

つぎに、８２ｍｍ角のサイズで、厚み０．３ｍｍの炭素繊維布（ジャパンゴアテックス（株）製のカーベルＣＬ３００）の片面に、あらかじめ水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液（旭硝子（株）製の９％ＦＳＳ）をエタノールで濃度５重量％に希釈して得られた接着剤をスプレーにより塗布し、ガス拡散層を得た。このガス拡散層２枚で、両面に触媒層を有する高分子電解質膜を挟み、温度１００℃、時間６０分間および圧力５０×１０⁵Ｐａの条件でホットプレスし、電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）を得た。なお、ガス拡散層と触媒層とが電極（アノードおよびカソード）を構成する。

（２）単電池の組み立て
第１のカソード側シール部材には、実施の形態１と同様のものを用い、第１のアノード側シール部材には、実施の形態３と同様のものを用いた。両シール部材には幅４０ｍｍのフッ素ゴムを用いた。第２のアノード側シール部材における上部の高さＸを６ｍｍとし、第１のアノード側シール部材における上部の高さＹを５ｍｍとし、土台部分の下部の高さＺを３ｍｍとした。また、断面形状が四角形であるカソード側シール部材の高さを３ｍｍとした。
なお、第１のカソード側シール部材１５および第１のアノード側シール部材４５は、カソードおよびアノードの外周と同じ寸法を有する開口部を持つシール部材を用意し、これをＭＥＡにおけるカソードおよびアノードの周縁部全体にそれぞれ密着させて配置した。

そして、上記で得られた第１のカソード側シール部材が密着形成されたカソード側に、実施の形態１と同様のカソード側セパレータを配し、第１のアノード側シール部材が密着形成されたＭＥＡのアノード側に実施の形態３と同様のアノード側セパレータを配した。
なお、カソード側セパレータ１１およびアノード側セパレータ４１は、東海カーボン（株）製のグラッシーカーボンを材料として用い切削機械加工により作製した（１６０ｍｍ角、厚さが５ｍｍ）。そして、カソード側セパレータおよびアノード側セパレータの背面には、それぞれ、一対の冷却水用マニホールド孔を連絡する冷却水用の流路（図示しない）を設けた。
このとき、カソード側セパレータとアノード側セパレータとの間に、各マニホールド孔の周りをそれぞれ囲む第２のカソード側シール部材および第２のアノード側シール部材を配した。これらのシール部材は、粘着剤によりセパレータに固定した。また、第２のシール部材だけでなく、電極に密着形成されている第１のシール部材も、セパレータに対しては粘着剤を用いて固定した。

（３）燃料電池の組み立て
上記で得られた単電池を３０個積層してセルスタックを得た。このとき、隣接するセパレータの冷却水用の流路を有する面同士が重なり合い、冷却水用の流路が対向することにより、冷却部が形成された。セルスタックの両端に、集電板と絶縁板を介して端板を配し、締結ボルトで締め付け、燃料電池Ａを構成した。このときの、締結圧を１４００ｋｇｆとした。なお、セルスタックの両端部に位置するカソード側セパレータおよびアノード側セパレータには、背面に冷却水用の流路のないものを用いた。

《実施例２》
実施の形態２と同様に、四角形のカソードにおける周縁部の隣り合う２辺に、第１のカソード側シール部材を、実施例１と同様の方法により密着形成した。そして、図４と同様の構成になるように、第１のカソード側シール部材が密着形成されたＭＥＡのカソード側にカソード側セパレータを配した以外は、実施例１と同様の方法により単電池を作製した。この単電池を用いて実施例１と同様の方法により燃料電池Ｂを作製した。

《比較例１》
第１のカソード側シール部材および第１のアノード側シール部材を、それぞれＭＥＡにおけるカソードおよびアノードの周縁部に密着形成せずに、電解質膜とセパレータとの間に配した。なお、第１のシール部材は、粘着剤によりセパレータ上に固定した。このとき、第１のアノード側シール部材とアノードとの間、および第１のカソード側シール部材とカソードとの間に、それぞれ２ｍｍの間隙を生じた。これ以外は、実施例１と同様の方法により単電池を作製した。この単電池を用いて実施例１と同様の方法により燃料電池Ｃを作製した。
実施例１および２、ならびに比較例１の燃料電池Ａ〜Ｃについて以下の評価を行った。

［出力特性の評価］
燃料電池を７０℃に保持し、アノードおよびカソードに、それぞれ露点が７０℃となるように加温、加湿した水素ガスおよび空気を供給し、燃料ガス利用率を７０％、酸化ガス利用率を４０％に設定し、連続運転した。このときの単セルの平均電圧の推移を図６に示す。

図６より、電池Ｃでは、電圧が不安定になり、フラッディング現象が起こっていることがわかった。一方、実施例の電池ＡおよびＢでは、電池Ｃと比較して安定した出力特性が得られた。この結果より、実施例の電池ＡおよびＢでは、フラッディング現象の発生が抑制されることが確認された。

《実施例３》
第１のアノード側シール部材の上部の高さＹを３ｍｍとし、第２のアノード側シール部材の上部の高さＸを６ｍｍとした以外は、実施例１と同様の方法により燃料電池Ｄを構成した。

《実施例４》
第１のアノード側シール部材の上部の高さＹを６ｍｍとし、第２のアノード側シール部材にシリコーンゴムを用い、その上部の高さＸを６ｍｍとした。第２のカソード側シール部材にシリコーンゴムを用いた。これら以外は、実施例１と同様の方法により燃料電池Ｅを作製した。なお、反発弾性力は、フッ素ゴムよりシリコーンゴムの方が大きい。

《参考例１および２》
ここで、第１のアノード側シール部材の上部の高さＹを６ｍｍとし、第２のアノード側シール部材の上部の高さＸを３ｍｍとした以外は、実施例１と同様の方法により燃料電池Ｆを作製した。
また、第１のアノード側シール部材にシリコーンゴムを用い、その上部の高さＹを６ｍｍとした。また、第２のアノード側シール部材の上部の高さＸを６ｍｍとした。一方、第１のカソード側シール部材にシリコーンゴムを用いた。これら以外は、実施例１と同様の方法により燃料電池Ｇを作製した。

上記で作製した実施例１、３および４、ならびに参考例１および２の燃料電池ＡおよびＤ〜Ｇについて上記と同様の連続運転試験を１０００時間行った。その後、酸化剤ガスを空気から窒素に変え、アノード側からカソード側にリークする水素ガス量をガスクロマトグラフィーにより測定した。その結果を表１に示す。

表１より、電池Ａ、Ｄ、およびＥでは、連続運転試験１０００時間後においてアノード側からカソード側にリークした水素ガス量が０．３％以下であった。これに対し、電池ＦおよびＧでは、電池Ａ、ＤおよびＥの１０倍程度の水素ガス量が測定された。このことから、実施例１、３および４では、電解質膜を挟む第１のシール部材にかかる圧力が、第２のシール部材にかかる圧力より小さいため、電解質膜の機械的ダメージが低減されることが確認された。
なお、本発明に係る高分子電解質型燃料電池のシール部材は、各実施例で用いられた材料および形状などに限定されない。

本発明の高分子電解質型燃料電池は、家庭用コジェネレーションシステム、または自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の電源として有用である。

本発明の実施の形態１のカソード側セパレータの正面図である。本発明の実施の形態１のアノード側セパレータの正面図である。本発明の実施の形態１の燃料電池を構成する単電池の概略縦断面図である。本発明の実施の形態２のカソード側セパレータの正面図である。本発明の実施の形態３のアノード側セパレータの概略縦断面図である。本発明の実施例１および２の電池ＡおよびＢ、ならびに比較例１の電池Ｃの出力特性を示す図である。従来のガスケットを用いた単電池の酸化剤ガス用マニホールド孔付近の概略縦断面図である。従来のリップ状シール部材を用いたカソード側セパレータの正面図である。従来のリップ状シール部材を用いた単電池における酸化剤ガス用マニホールド孔付近の概略縦断面図である。

符号の説明

１水素イオン伝導性高分子電解質膜
２カソード
３アノード
４電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）
１１、３１カソード側セパレータ
１２、２２、３２、４２酸化剤ガス用マニホールド孔
１３、２３、３３燃料ガス用マニホールド孔
１４、２４、３４冷却水用マニホールド孔
１５、３５第１のカソード側シール部材
１２ａ、１３ａ、１４ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ第２のカソード側シール部材
１６、２６、３６ガス流路
１６ａ、２６ａ、３６ａガス流入部
１６ｂ、２６ｂ、３６ｂガス流出部
２１、４１アノード側セパレータ
２５、４５第１のアノード側シール部材
２２ａ、２３ａ、２４ａ、４２ａ第２のアノード側シール部材

Claims

水素イオン伝導性高分子電解質膜と；
前記電解質膜を挟むアノードおよびカソードと；
前記アノードに燃料ガスを供給するアノード側ガス流路を有するアノード側セパレータ、および前記カソードに酸化剤ガスを供給するカソード側ガス流路を有するカソード側セパレータと；
前記アノード側ガス流路に燃料ガスを送り込むために前記アノード側セパレータに設けられたアノード側ガス流入部、および前記カソード側ガス流路に酸化剤ガスを送り込むために前記カソード側セパレータ設けられたカソード側ガス流入部と；
前記アノードを囲んで前記アノード側セパレータと前記電解質膜との間をシールする第１のアノード側シール部材、および前記カソードを囲んで前記カソード側セパレータと前記電解質膜との間をシールする第１のカソード側シール部材とを具備し、
前記第１のアノード側シール部材が少なくとも前記アノード側ガス流入部付近においてアノード周縁部に密着形成され、前記第１のカソード側シール部材が少なくとも前記カソード側ガス流入部付近においてカソード周縁部に密着形成されていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間をシールする第２のアノード側シール部材および第２のカソード側シール部材を有する請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
前記第１のアノード側シール部材が前記アノード周縁部全体に密着形成され、前記第１のカソード側シール部材がカソード周縁部全体に密着形成されている請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
前記アノードおよびカソードが四角形状であり、
前記第１のアノード側シール部材が、前記アノード周縁部における四つの辺のうち、ガス流入部側に位置する一辺、および前記一辺と連なり、ガス流入部に近い側に位置する他辺において密着形成され、
前記第１のカソード側シール部材が、前記カソード周縁部における四つの辺のうち、ガス流入部側に位置する一辺、および前記一辺と連なり、ガス流入部に近い側に位置する他辺において密着形成されている請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
前記第１のアノード側シール部材および前記第２のアノード側シール部材が同一の材料で構成され、前記第１のアノード側シール部材は、前記第２のアノード側シール部材よりも前記アノード側セパレータからの高さが低い請求項１〜４のいずれかに記載の高分子電解質型燃料電池。
前記第１のカソード側シール部材および前記第２のカソード側シール部材が同一の材料で構成され、前記第１のカソード側シール部材は、前記第２のカソード側シール部材よりも前記カソード側セパレータからの高さが低い請求項１〜４のいずれかに記載の高分子電解質型燃料電池。
前記第１のアノード側シール部材は、前記第２のアノード側シール部材よりも反発弾性力が小さい請求項１〜４のいずれかに記載の高分子電解質型燃料電池。
前記第１のカソード側シール部材は、前記第２のカソード側シール部材よりも反発弾性力が小さい請求項１〜４のいずれかに記載の高分子電解質型燃料電池。
前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータが、それぞれ燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水用のマニホールド孔を有し、
前記第２のアノード側シール部材が前記アノード側セパレータの各マニホールド孔の周りをそれぞれ囲むように形成され、
前記第２のカソード側シール部材が前記カソード側セパレータの各マニホールド孔の周りをそれぞれ囲むように形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の高分子電解質型燃料電池。