JP5874679B2

JP5874679B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5874679B2
Application number: JP2013092212A
Authority: JP
Inventors: 大雄吉川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2033-04-25
Also published as: JP2014216162A

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、電解質膜の両膜面にアノード、カソードの電極触媒層を接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備え、アノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに酸化ガスの供給を受けて発電する。ＭＥＡは、通常、上記したガスの拡散透過を図るガス拡散層で挟持されたＭＥＧＡ（Membrane-Electrode＆Gas. Diffusion Layer Assembly）の状態で発電体を構成する。このＭＥＧＡは、その周縁がシール部で被覆された上で、アノード側とカソード側のセパレーターにて挟持される。そして、カソードガスである酸化ガスのマニホールドからガス拡散層へのガス供給の円滑とガス流によるシール部の持ち出し防止とを図るべく、ガス導入部において、遮蔽材たるシーリングプレートを配設する手法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１２−１２３９４９号公報

ところで、ＭＥＡでは、酸素と水素の電気化学反応が起きることから、この電気化学反応が定常的に進行することが望ましい。仮に、酸素不足が起きたまま電気化学反応が進行すると、水素過多の状況下での電気化学反応により、過酸化水素、およびこれから変遷したヒドロキシルラジカルがカソード側で生成される。ヒドロキシルラジカルは、活性を有する故に電解質膜の損傷を招き、いわゆる膜痩せと呼ばれる現象を引き起こす。通常、ＭＥＡの中央領域である発電領域では、ガスが拡散供給されるので、こうした酸素不足はさほど起きない。しかしながら、カソードのガス導入部では、シーリングプレートの配設によりＭＥＡの外縁側での酸素不足が危惧されるが、上記の特許文献1では、こうした点についての配慮に欠けているので、何らかの対処が要請されるに到った。この他、燃料電池の構造の簡略化や、低コスト化なども要請されている。

上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、アノードとカソードの電極触媒層を電解質膜の両膜面に接合した膜電極接合体と、該膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層とを有する電極体と、該電極体の周縁を、前記ガス拡散層の周縁端から前記電極体の周縁の側に延びる前記電極触媒層の周縁領域を含んで被覆するシール部と、該シール部で被覆された前記電極体を挟持する一対のセパレーターと、前記ガス拡散層と前記セパレーターとの間に配設され、前記ガス拡散層の表面に沿ったガス供給をなすガス流路を形成する流路形成部と、前記電極体の外側に形成され前記電極触媒層へのガス導入を図る導入孔と前記流路形成部との間に亘るガス導入流路に配設され、該ガス導入流路の経路において、前記シール部と前記ガス拡散層とを被覆するシーリングプレートとを備える。このシーリングプレートは、少なくとも前記カソードの前記電極触媒層へのガス導入を図る前記導入孔と前記流路形成部との間に亘る前記ガス導入流路に配設され、前記ガス拡散層を被覆する被覆領域に、前記ガス導入流路から前記被覆領域の前記ガス拡散層へのガス透過を来すガス透過部を有する。上記形態の燃料電池では、ガス導入の側のシーリングプレートで被覆されたカソードの側のガス拡散層の被覆領域において、ガス導入流路からガス透過部を経てカソード側のガス拡散層にカソードガスを供給する。よって、上記形態の燃料電池によれば、電極体を構成する膜電極接合体のガス導入の側のシーリングプレート被覆領域においても、ガス不足、具体的には酸素不足を抑制するので、酸素不足に伴う膜痩せを回避もしくは抑制できる。この場合、シーリングプレートは、アノードの側にも配設してもよい。こうすれば、アノードの側でのシーリングプレート被覆領域において、アノードガス、具体的には酸化ガスが供給されて電気化学反応が進行し、その際には、水素過多での反応とはならず、膜痩せを抑制できる。

（２）上記形態の燃料電池において、前記電極体の外側に形成され前記電極触媒層に供給されたガスのガス排出を図る排出孔と前記流路形成部との間に亘るガス排出流路に配設され、該ガス排出流路の経路において、前記シール部と前記ガス拡散層とを被覆する排出側シーリングプレートを備え、該排出側シーリングプレートは、少なくとも前記カソードの前記電極触媒層からのガス排出を図る前記排出孔と前記流路形成部との間に亘る前記ガス排出流路に配設され、前記ガス拡散層を被覆する被覆領域に、該被覆された前記ガス拡散層から前記ガス排出流路へのガス透過を来す排出側ガス透過部を有するようにできる。こうすれば、ガス排出の側のシーリングプレートで被覆されたカソードの側のガス拡散層の被覆領域において、この被覆領域のカソードのガス拡散層から排出側ガス透過部を経たガス排出流路へのガスの流れを起こす。よって、上記形態の燃料電池によれば、電極体を構成する膜電極接合体のガス排出の側のシーリングプレート被覆領域においても、ガスの到達不足、具体的には酸素の到達不足を抑制するので、酸素不足に伴う膜痩せをガス排出の側でも回避もしくは抑制できる。

（３）上記のいずれか形態の燃料電池において、前記ガス透過部を、前記ガス導入流路におけるガスの流れと交差する方向に沿って点在形成された貫通孔とできる。こうすれば、貫通孔の穿孔で済むので簡便となり、燃料電池の構造の簡略化や、これを通した低コスト化を図ることができる。

（４）上記形態の燃料電池において、前記ガス透過部としての前記貫通孔は、前記ガスの流れと交差する方向に沿って多列に形成されているようにできる。こうすれば、シーリングプレート被覆領域におけるガス供給が高まるので、当該被覆領域のほぼ全域に亘るガス供給が可能となり、酸素不足に伴う膜痩せの回避もしくは抑制の実効性が高まる。

（５）上記形態の燃料電池において、前記ガス透過部としての前記貫通孔は、前記ガス導入流路におけるガスの流れ方向に沿った長径形状とされているようにできる。こうしても、シーリングプレート被覆領域におけるガス供給が高まるので、当該被覆領域のほぼ全域に亘るガス供給が可能となり、酸素不足に伴う膜痩せの回避もしくは抑制の実効性が高まる。

（６）上記形態の燃料電池において、前記ガス透過部は、前記ガス導入流路におけるガスの流れに沿った切欠を該ガスの流れと交差する方向に沿って点在させて形成されているようにできる。こうすれば、切欠の点在形成で済むので簡便となり、燃料電池の構造の簡略化や、これを通した低コスト化を図ることができる。また、シーリングプレート被覆領域におけるガス供給が高まるので、当該被覆領域のほぼ全域に亘るガス供給が可能となり、酸素不足に伴う膜痩せの回避もしくは抑制の実効性が高まる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、シール部で周縁が被覆された上でシーリングプレートを有する電極体としての形態や、スタック構造の燃料電池としての形態、燃料電池を搭載した車両等の形態として適用することもできる。

本発明の実施形態としての燃料電池１０の概略構成を示す説明図である。単セル４０の概略構成を平面視して示す説明図である。図２における３−３線断面図である。図３におけるＡ方向からのイン側シーリングプレート６０の周辺を示す説明図である。図２における５−５線断面図である。他の実施形態としての単セル４０Ａの概略構成を平面視して示す説明図である。図６における７−７線断面図である。図６における８−８線断面図である。他の実施形態のイン側シーリングプレート６０Ａを図４相当に示した説明図である。また別の実施形態のイン側シーリングプレート６０Ｂを図４相当に示した説明図である。他の実施形態のイン側シーリングプレート６０Ｃを図４相当に示した説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は本発明の実施形態としての燃料電池１０の概略構成を示す説明図、図２は単セル４０の概略構成を平面視して示す説明図、図３は図２における３−３線断面図、図４は図３におけるＡ方向からのイン側シーリングプレート６０の周辺を示す説明図、図５は図２における５−５線断面図である。

燃料電池１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セル４０を、図１に示すように、複数積層させて一対のエンドプレート１０ａで挟持したスタック構造とされている。この単セル４０のスタック構造を燃料電池スタック４０Ｓと称する。燃料電池１０は、燃料電池スタック４０Ｓを対向する一対のエンドプレート１０ａで挟持するに当たり、エンドプレート１０ａの側にそれぞれ絶縁板２０ａと前端側ターミナルプレート３１と後端側ターミナルプレート３２とを介在させる。燃料電池１０は、前端側のエンドプレート１０ａと絶縁板２０ａおよび前端側ターミナルプレート３１に、空気供給口１２ＩＮ、空気排気口１２ＯＵＴ、水素供給口１４ＩＮ、水素排気口１４ＯＵＴ、冷却水供給口１６ＩＮおよび冷却水排出口１６ＯＵＴを有する。

エンドプレート１０ａは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０ａは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。前端側ターミナルプレート３１と後端側ターミナルプレート３２は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。

燃料電池１０は、対向する一対のエンドプレート１０ａの間における燃料電池スタック４０Ｓの側方に締結シャフト１００を配置して備える。締結シャフト１００は、ボルト１０２によりエンドプレート１０ａに当接して固定されることで、上記した燃料電池スタック４０Ｓを対向する一対のエンドプレート１０ａの間において締結する。なお、燃料電池スタック４０Ｓにおける単セル４０の積層数は、燃料電池１０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

燃料電池スタック４０Ｓを構成するそれぞれの単セル４０は、図３〜図５に示すように、電解質膜４１とアノード４２とカソード４３とアノード側ガス拡散層４４とカソード側ガス拡散層４５とセパレーター４６とセパレーター４７と流路形成部４８とを備える。電解質膜４１は、固体高分子電解質樹脂、例えばフッ素系樹脂を用いて後述のように形成されてプロトン伝導性を備え、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード４２およびカソード４３は、例えば白金、あるいは白金合金等の触媒を担持した導電性粒子、例えばカーボン粒子を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層である。通常、アイオノマーは、電解質膜４１と同質の固体高分子材料である高分子電解質樹脂（例えばフッ素系樹脂）であり、その有するイオン交換基によりプロトン伝導性を有する。電解質膜４１は、その両膜面に接合されたアノード４２とカソード４３と共に膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成する。ＭＥＡは、ガスの拡散透過性を有するアノード側ガス拡散層４４とカソード側ガス拡散層４５とで挟持され、ＭＥＧＡを形成する。単セル４０は、このＭＥＧＡを枠状のシール部５０で保持した上で、当該シール部と共にＭＥＧＡをセパレーター４６とセパレーター４７で挟持する。シール部５０は、ＭＥＧＡにおけるカソード側ガス拡散層４５の周縁端からＭＥＡの周縁の側に延びるカソード４３の周縁領域を含んで、ＭＥＧＡの周縁を被覆し、アノード側ガス拡散層４４については、その周縁領域を被覆する。このシール部５０は、流動性を有する流動性シール材（例えば、液状ゴム）を硬化することによって形成される。流動性シール材としては、熱硬化前には常に流動性を有する熱硬化性のシール材や、加熱時に粘度が低下して流動性を発現する熱可塑性の半硬化状態のシール材が用いられる。この他、シール部５０は、熱硬化性の樹脂から形成してもよい。

単セル４０は、図３と図５に示すように、一対のセパレーター４６とセパレーター４７と備え、セパレーター４６は、アノード４２に供給すべき燃料ガスとしての水素の流路４６ａと図示しない冷却水流路とを備える。セパレーター４７は、セパレーター４６と対となって、ＭＥＧＡをシール部５０と共に挟持し、流路形成部４８を被覆する。流路形成部４８は、多孔体からなり、カソード側ガス拡散層４５とセパレーター４７との間に配設される。この流路形成部４８は、カソード４３に供給すべき酸化剤ガスとしての空気を流すためのガス流路を形成し、カソード側ガス拡散層４５の表面に沿って空気を供給する。流路形成部４８を形成する多孔体は、導電性を有する多孔体、例えばエキスパンドメタルや発泡金属焼結体等とできる。

単セル４０は、図２に示すように、セパレーター４６とセパレーター４７およびシール部５０に、イン側空気マニホールド４０１とアウト側空気マニホールド４０２とイン側水素マニホールド４０３とアウト側水素マニホールド４０４とイン側冷却水マニホールド４０５およびアウト側冷却水マニホールド４０６を備える。これら各マニホールドは、ＭＥＧＡの外側に形成され、イン側の上記各マニホールドは、それぞれエンドプレート１０ａの空気供給口１２ＩＮ等のイン側供給口に繋がる。アウト側の各マニホールドは、それぞれエンドプレート１０ａの空気排気口１２ＯＵＴ等のアウト側排気口に繋がる。そして、単セル４０は、エンドプレート１０ａの空気供給口１２ＩＮを経てイン側空気マニホールド４０１から流れ込んだ空気を、図３に示すように、セパレーター４７で覆われた流路形成部４８に導き、流路形成部４８は、カソード側ガス拡散層４５にその表面に沿って空気を導き、ＭＥＡ中央領域の発電領域に亘って、ＭＥＧＡのカソード４３に空気を供給する。また、単セル４０は、エンドプレート１０ａのイン側水素マニホールド４０３から流れ込んだ水素ガスを、セパレーター４６の流路４６ａに導き、ＭＥＡ中央領域の発電領域に亘って、ＭＥＧＡのアノード４２に供給する。こうしたガス供給により、単セル４０は発電する。

また、単セル４０は、余剰の空気（オフガス）を、ＭＥＡ中央領域の発電領域からアウト側空気マニホールド４０２に導き、エンドプレート１０ａの空気排気口１２ＯＵＴからセル外に排出する。単セル４０は、余剰の水素ガスを、ＭＥＡ中央領域の発電領域からアウト側水素マニホールド４０４に導き、エンドプレート１０ａの水素排気口１４ＯＵＴからセル外に排出する。冷却水については、単セル４０は、エンドプレート１０ａの冷却水供給口１６ＩＮから流れ込んだ冷却水を、セパレーター４６の図示しない冷却水流路に導き、その冷却水をアウト側冷却水マニホールド４０６とエンドプレート１０ａの冷却水排出口１６ＯＵＴを経てセル外に導く。セル外に導かれた冷却水は、循環して、再度、単セル４０に導かれる。なお、単セル４０は、上記したイン側空気マニホールド４０１等の各マニホールドを、必要に応じてシール材５１にてシールする。

この他、単セル４０は、図２〜図５に示すように、イン側空気マニホールド４０１の側にイン側シーリングプレート６０を、アウト側空気マニホールド４０２の側にアウト側シーリングプレート７０を備える。イン側シーリングプレート６０は、図２に示すように、隣り合うイン側空気マニホールド４０１に跨がって位置し、カソード４３（図３参照）に供給される空気のイン側空気マニホールド４０１と流路形成部４８との間に亘るガス導入流路４８ｉｎに配設される。そして、このイン側シーリングプレート６０は、ガス導入流路４８ｉｎの経路において、シール部５０とカソード側ガス拡散層４５の外周縁とを含んで被覆し、カソード側ガス拡散層４５の被覆領域Ｃｉｎの側に、複数の貫通孔６１を有する。貫通孔６１は、図４に示すように、イン側シーリングプレート６０の長手方向に沿って点在形成され、ガス導入流路４８ｉｎを通過する空気を、イン側シーリングプレート６０で被覆された被覆領域Ｃｉｎのカソード側ガス拡散層４５に供給する。

アウト側シーリングプレート７０は、図２に示すように、隣り合うアウト側空気マニホールド４０２に跨がって位置し、カソード４３からのオフガス（余剰空気）と水とが排出されるアウト側空気マニホールド４０２に到るガス排出流路４８ｏｕｔに配設される。そして、このアウト側シーリングプレート７０は、ガス排出流路４８ｏｕｔの経路において、シール部５０とカソード側ガス拡散層４５の外周縁とを含んで被覆し、このカソード側ガス拡散層４５の被覆領域Ｃｏｕｔに、イン側シーリングプレート６０と同様、複数の貫通孔７１をプレート長手方向に沿って有する。この貫通孔７１は、アウト側シーリングプレート７０で被覆された被覆領域Ｃｏｕｔのカソード側ガス拡散層４５にて生成される生成水やオフガスをガス排出流路４８ｏｕｔに送り出す。イン側シーリングプレート６０とアウト側シーリングプレート７０は、例えば、チタンプレート製とされ、セパレーター４７からガス導入流路４８ｉｎの側に延びた図示しないブリッジと固定されたり、シール部５０に接合設置される。或いは、図３や図５に示すイン側シーリングプレート６０とアウト側シーリングプレート７０とを、流路形成部４８の端面まで延ばし、流路形成部４８と溶接等により一体としてもよい。なお、イン側シーリングプレート６０とアウト側シーリングプレート７０とは、シール部５０が流動性シール材から形成されていれば、この流動性シール材の発電領域への流入やアウト側空気マニホールド４０２への流出を防止する。

以上説明した本実施形態の単セル４０によれば、次の利点がある。

ＭＥＡ中央領域の発電領域では、ＭＥＡのアノード４２には水素ガスが、カソード４３には空気が過不足なく供給されるので、下記の数式（１）で示される電気化学反応が円滑に進行する。

仮に、アノード４２とカソード４３とへのガス供給が水素過多或いは空気不足の状況でなされると、上記の数式（１）の進行は阻害され、下記の数式（２）〜（４）が進行する。

上記の反応式により発生した過酸化水素は、容易に分解してヒドロキシルラジカル（ＯＨラジカル）に変遷し、このＯＨラジカルは、ＭＥＡの電解質膜４１を構成する樹脂破壊を招いて、電解質膜４１の劣化（いわゆる膜痩せ）が発生する。図３に示す被覆領域Ｃｉｎでは、イン側シーリングプレート６０が貫通孔６１を備えないものであれば、カソード４３は、イン側シーリングプレート６０で空気供給が妨げられて空気不足となり、アノード４２は、流路４６ａからの水素がアノード側ガス拡散層４４にて支障なく拡散供給される。よって、貫通孔６１を備えないイン側シーリングプレート６０は、被覆領域Ｃｉｎにおいてガス供給が水素過多或いは空気不測の状況の上記の数式（２）〜（４）を進行させ、電解質膜４１の膜痩せを起こし得る。

これに対し、本実施形態の燃料電池１０では、被覆領域Ｃｉｎにあっても、当該領域のカソード側ガス拡散層４５、延いてはカソード４３に、イン側シーリングプレート６０の複数の貫通孔６１から空気を供給して、水素過多或いは空気不足を抑制する。よって、本実施形態の燃料電池１０によれば、上記の数式（２）〜（４）が進行しないようにして、ＯＨラジカルによる電解質膜４１の膜痩せを回避もしくは抑制する。

本実施形態の燃料電池１０は、図５に示すように、カソード４３に供給された余剰空気であるオフガス排出のためのアウト側空気マニホールド４０２に到るガス排出流路４８ｏｕｔにアウト側シーリングプレート７０を配設して、当該プレートにてカソード側ガス拡散層４５の外周縁とシール部５０とを被覆する。その上で、カソード側ガス拡散層４５の被覆領域Ｃｏｕｔに、図４で示したような複数の貫通孔７１を有する。よって、本実施形態の燃料電池１０では、オフガス排出の側のカソード側ガス拡散層４５の被覆領域Ｃｏｕｔにおいて、カソード側ガス拡散層４５から貫通孔７１を経たガス排出流路４８ｏｕｔへのガスの流れを起こすので、被覆領域Ｃｏｕｔでのオフガス溜まりや生成水溜まりを起こさない。この結果、本実施形態の燃料電池１０によれば、オフガス排出の側の被覆領域Ｃｏｕｔにおいても、空気の到達不足を抑制するので、酸素不足に伴う膜痩せをオフガス排出の側でも回避もしくは抑制できる。

本実施形態の燃料電池１０は、イン側シーリングプレート６０とアウト側シーリングプレート７０とにおいて、複数の貫通孔６１或いは貫通孔７１を、該当するガス流路におけるガスの流れと交差する方向に沿って点在形成したに過ぎない。よって、本実施形態の燃料電池１０によれば、貫通孔穿孔という簡便な工程を経るに過ぎないので、燃料電池１０の構造の簡略化や、これを通した低コスト化を図ることができる。

次に、他の実施形態について説明する。この実施形態は、アノードの側にもイン側シーリングプレート８０およびアウト側シーリングプレート９０を有する点に特徴がある。図６は他の実施形態としての単セル４０Ａの概略構成を平面視して示す説明図、図７は図６における７−７線断面図、図８は図６における８−８線断面図である。

図示するように、この実施形態の単セル４０Ａは、イン側水素マニホールド４０３の側にイン側シーリングプレート８０を、アウト側水素マニホールド４０４の側にアウト側シーリングプレート９０を備える。イン側シーリングプレート８０は、図６に示すように、隣り合うイン側水素マニホールド４０３に跨がって位置し、アノード４２（図３参照）に供給される水素ガスのアウト側空気マニホールド４０２から延びて、シール部５０とアノード側ガス拡散層４４の外周縁とを含んで被覆する。このイン側シーリングプレート８０は、アノード側ガス拡散層４４の被覆領域Ｃｉｎの側に、複数の貫通孔８１を有する。貫通孔８１は、既述したイン側シーリングプレート６０と同様、プレート長手方向に沿って点在形成され、イン側水素マニホールド４０３から流入した水素ガスを、図７に示すように、イン側シーリングプレート８０で被覆された被覆領域Ｃｉｎのアノード側ガス拡散層４４に供給する。

アウト側シーリングプレート９０は、図６に示すように、隣り合うアウト側水素マニホールド４０４に跨がって位置し、アノード４２からのオフガス（余剰水素ガス）が排出されるアウト側水素マニホールド４０４から延びて、シール部５０とアノード側ガス拡散層４４の外周縁とを含んで被覆する。このアウト側シーリングプレート９０は、アノード側ガス拡散層４４の被覆領域Ｃｏｕｔの側に、複数の貫通孔９１を有する。貫通孔９１は、既述したイン側シーリングプレート６０と同様、プレート長手方向に沿って点在形成され、イン側水素マニホールド４０３（図７参照）からアウト側水素マニホールド４０４に向けて流れる水素ガスを、アウト側シーリングプレート９０で被覆された被覆領域Ｃｏｕｔのアノード側ガス拡散層４４に供給する。イン側シーリングプレート８０とアウト側シーリングプレート９０にあっても、例えば、チタンプレート製とされ、セパレーター４６からガス流路側に延びた図示しないブリッジと固定されたり、シール部５０に接合設置される。なお、イン側シーリングプレート８０とアウト側シーリングプレート９０とは、シール部５０が流動性シール材から形成されていれば、この流動性シール材の発電領域への流入やアウト側水素マニホールド４０４への流出を防止する。

以上説明した実施形態の単セル４０Ａを有する燃料電池１０では、イン側シーリングプレート８０で覆われた被覆領域Ｃｉｎと、アウト側シーリングプレート９０で覆われた被覆領域Ｃｏｕｔとにおいて、上記各被覆領域のアノード４２にアノード側ガス拡散層４４を経て水素ガスを供給する。よって、この実施形態の単セル４０Ａを有する燃料電池１０によれば、シーリングプレートで覆われた上記の両被覆領域においても、過不足のない水素ガス・空気の供給を図って上記の数式（１）の電気化学反応を進行させ、ＭＥＡ中央領域である発電領域の外周領域をも発電に有効利用できる。しかも、この際には、水素過多での反応とはしないので、上記の両被覆領域における膜痩せを抑制できる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

図１〜図５で説明した実施形態の単セル４０を有する燃料電池１０では、アウト側空気マニホールド４０２の側においてもアウト側シーリングプレート７０を配設したが、イン側空気マニホールド４０１に跨がるイン側シーリングプレート６０だけを有するようにしたり、このイン側シーリングプレート６０だけに貫通孔６１を設けてもよい。また、図６〜図８で説明した実施形態の単セル４０Ａを有する燃料電池１０では、イン側水素マニホールド４０３或いはアウト側水素マニホールド４０４のいずれかの側に、イン側シーリングプレート８０或いはアウト側シーリングプレート９０を有するようにしたり、いずれかのシーリングプレートだけに貫通孔を設けてもよい。

この他、次のような実施形態としてもよい。図９は他の実施形態のイン側シーリングプレート６０Ａを図４相当に示した説明図である。図示するように、イン側シーリングプレート６０Ａは、貫通孔６１を、図における上下方向、即ち図３に示した空気の流れと交差する方向に沿って多列に備える。このイン側シーリングプレート６０Ａを有する単セル４０では、図３に示した被覆領域Ｃｉｎのカソード側ガス拡散層４５への空気供給が高まる。よって、この実施形態のイン側シーリングプレート６０Ａを有する燃料電池１０によれば、被覆領域Ｃｉｎのほぼ全域に亘る空気供給が可能となり、酸素不足に伴う膜痩せを高い実効性で回避もしくは抑制できる。

図１０はまた別の実施形態のイン側シーリングプレート６０Ｂを図４相当に示した説明図である。図示するように、イン側シーリングプレート６０Ｂは、長径形状の貫通孔６１Ａを複数備える。この貫通孔６１Ａは、図における左右方向、即ち図３に示した空気の流れに沿った長径形状であり、図３に示した被覆領域Ｃｉｎのカソード側ガス拡散層４５への空気供給を高める。よって、この実施形態のイン側シーリングプレート６０Ｂを有する燃料電池１０であっても、被覆領域Ｃｉｎのほぼ全域に亘る空気供給が可能となり、酸素不足に伴う膜痩せを高い実効性で回避もしくは抑制できる。

図１１は他の実施形態のイン側シーリングプレート６０Ｃを図４相当に示した説明図である。図示するように、イン側シーリングプレート６０Ｃは、イン側空気マニホールド４０１から遠ざかった側の端縁に、図における左右方向、即ち図３に示した空気の流れに沿った切欠６１Ｃを複数備える。この切欠６１Ｃは、図における上下方向、即ち図３に示した空気の流れと交差する方向に沿って点在し、図３に示した被覆領域Ｃｉｎのカソード側ガス拡散層４５への空気供給を高める。よって、この実施形態のイン側シーリングプレート６０Ｃを有する燃料電池１０であっても、被覆領域Ｃｉｎのほぼ全域に亘る空気供給が可能となり、酸素不足に伴う膜痩せを高い実効性で回避もしくは抑制できる。また、切欠６１Ｃの点在形成で済むのでその加工が簡便となるので、燃料電池１０の構造の簡略化や、これを通した低コスト化を図ることができる。

１０…燃料電池
１０ａ…エンドプレート
１２ＩＮ…空気供給口
１２ＯＵＴ…空気排気口
１４ＩＮ…水素供給口
１４ＯＵＴ…水素排気口
１６ＩＮ…冷却水供給口
１６ＯＵＴ…冷却水排出口
２０ａ…絶縁板
３１…前端側ターミナルプレート
３２…後端側ターミナルプレート
４０、４０Ａ…単セル
４０Ｓ…燃料電池スタック
４１…電解質膜
４２…アノード
４３…カソード
４４…アノード側ガス拡散層
４５…カソード側ガス拡散層
４６…セパレーター
４６ａ…流路
４７…セパレーター
４８…流路形成部
４８ｉｎ…ガス導入流路
４８ｏｕｔ…ガス排出流路
５０…シール部
５１…シール材
６０、６０Ａ〜６０Ｃ…イン側シーリングプレート
６１、６１Ａ…貫通孔
６１Ｃ…切欠
７０…アウト側シーリングプレート
７１…貫通孔
８０…イン側シーリングプレート
８１…貫通孔
９０…アウト側シーリングプレート
９１…貫通孔
１００…締結シャフト
１０２…ボルト
４０１…イン側空気マニホールド
４０２…アウト側空気マニホールド
４０３…イン側水素マニホールド
４０４…アウト側水素マニホールド
４０５…イン側冷却水マニホールド
４０６…アウト側冷却水マニホールド
Ｃｉｎ…被覆領域
Ｃｏｕｔ…被覆領域

Claims

燃料電池であって、
アノードとカソードの電極触媒層を電解質膜の両膜面に接合した膜電極接合体と、該膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層とを有する電極体と、
該電極体の周縁を、前記ガス拡散層の周縁端から前記電極体の周縁の側に延びる前記電極触媒層の周縁領域を含んで被覆するシール部と、
該シール部で被覆された前記電極体を挟持する一対のセパレーターと、
前記ガス拡散層と前記セパレーターとの間に配設され、前記ガス拡散層の表面に沿ったガス供給をなすガス流路を形成する流路形成部と、
前記電極体の外側に形成され前記電極触媒層へのガス導入を図る導入孔と前記流路形成部との間に亘るガス導入流路に配設され、該ガス導入流路の経路において、前記シール部と前記ガス拡散層とを被覆するシーリングプレートとを備え、
該シーリングプレートは、
少なくとも前記カソードの前記電極触媒層へのガス導入を図る前記導入孔と前記流路形成部との間に亘る前記ガス導入流路に配設され、前記ガス拡散層を被覆する被覆領域に、前記ガス導入流路から前記被覆領域の前記ガス拡散層へのガス透過を来すガス透過部を有する
燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記電極体の外側に形成され前記電極触媒層に供給されたガスのガス排出を図る排出孔と前記流路形成部との間に亘るガス排出流路に配設され、該ガス排出流路の経路において、前記シール部と前記ガス拡散層とを被覆する排出側シーリングプレートを備え、
該排出側シーリングプレートは、
少なくとも前記カソードの前記電極触媒層からのガス排出を図る前記排出孔と前記流路形成部との間に亘る前記ガス排出流路に配設され、前記ガス拡散層を被覆する被覆領域に、該被覆された前記ガス拡散層から前記ガス排出流路へのガス透過を来す排出側ガス透過部を有する
燃料電池。
前記ガス透過部は、前記ガス導入流路におけるガスの流れと交差する方向に沿って点在形成された貫通孔である請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
前記ガス透過部としての前記貫通孔は、前記ガスの流れと交差する方向に沿って多列に形成されている請求項３に記載の燃料電池。
前記ガス透過部としての前記貫通孔は、前記ガス導入流路におけるガスの流れ方向に沿った長径形状とされている請求項３に記載の燃料電池。
前記ガス透過部は、前記ガス導入流路におけるガスの流れに沿った切欠を該ガスの流れと交差する方向に沿って点在させて形成されている請求項１または請求項２に記載の燃料電池。