WO2013084256A1 - 燃料電池 - Google Patents

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fuel cell
electrolyte membrane
cathode
anode
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梨良 平澤
義一 渡邉
淳二 中西
重樹 大須賀
大雄 吉川
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell.
  • Some fuel cells include a membrane electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) in which an electrolyte membrane is bonded between two electrodes.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the two electrodes sandwiching the electrolyte membrane are different in size, that is, the periphery of the smaller electrode is in the plane direction of each layer than the periphery of the larger electrode and the electrolyte membrane.
  • the present invention aims to provide a technique capable of improving the durability of a fuel cell based on the above-described problems.
  • the present invention has been made to solve at least a part of the problems described above, and can be realized as the following forms or application examples.
  • the fuel cell of Application Example 1 is bonded to an electrolyte membrane, a first electrode bonded to one surface of the electrolyte membrane, and another surface different from the one surface of the electrolyte membrane.
  • a first peripheral portion that is at least a part of the peripheral edge of the first electrode, and is located on the inner side along the surface direction of the first electrode from the peripheral edges of the electrolyte membrane and the second electrode.
  • a stress suppression structure that suppresses stress concentration at a site along the first peripheral edge of the electrolyte membrane. According to this application example, stress concentration in the electrolyte membrane can be suppressed. As a result, the durability of the fuel cell can be improved.
  • At least a part of the stress suppression structure has a lateral elastic modulus more than that of the electrolyte membrane on the first electrode side of the electrolyte membrane and outside the first peripheral edge portion in the plane direction.
  • a structure in which a small elastic member is press-contacted may be used. According to this application example, the elastic member is elastically deformed in the surface direction, and the movement of the electrolyte membrane along the surface direction is allowed, thereby suppressing the stress concentration of the electrolyte membrane.
  • At least a part of the stress suppressing structure has a bonding strength between the electrolyte membrane and the second electrode that is higher than the first peripheral edge than the inner side along the surface direction.
  • the structure may be smaller on the outer side along the surface direction than the peripheral edge.
  • the electrolyte membrane and the second electrode are relatively displaced outside the first peripheral edge portion where the bonding strength between the electrolyte membrane and the second electrode is relatively small. Stress concentration can be suppressed.
  • At least a part of the stress suppression structure includes a magnetic body that generates magnetic repulsion between the first peripheral edge of the first electrode and the second peripheral edge of the first electrode.
  • the electrode may have a structure arranged on the side opposite to the side bonded to the electrolyte membrane. According to this application example, stress concentration of the electrolyte membrane can be suppressed by relieving the pressing force received by the electrolyte membrane from the first peripheral portion by the repulsive force.
  • the first peripheral portion of the first electrode has magnetism, and a magnetic body that generates an attractive force between the first peripheral portion and the first peripheral portion is provided with the first
  • the electrode may have a structure arranged on the side opposite to the side bonded to the electrolyte membrane. According to this application example, stress concentration of the electrolyte membrane can be suppressed by reducing the pressing force received by the electrolyte membrane from the first peripheral portion by the attractive force.
  • At least a part of the stress suppressing structure may be a structure in which the electrolyte membrane and the second electrode are bent in advance toward the first electrode in accordance with the shape of the first peripheral edge.
  • the stress concentration of the electrolyte membrane can be suppressed by reducing the deformation of the electrolyte membrane before and after pressing the first electrode and the second electrode against the electrolyte membrane.
  • the second electrode has one electrode surface which is a surface bonded to the electrolyte membrane and the other electrode surface which is an opposite surface to the one electrode surface.
  • At least a part of the stress suppressing structure may be a structure in which the other electrode surface is softer than the one electrode surface.
  • the other electrode surface is deformed relatively larger than the one electrode surface, and the deformation of the electrolyte membrane is alleviated, thereby suppressing the stress concentration of the electrolyte membrane. Can do.
  • the second electrode has one electrode surface that is a surface bonded to the electrolyte membrane and the other electrode surface that is an opposite surface to the one electrode surface.
  • at least a part of the stress suppressing structure has a shape that matches a pressing member that presses the second electrode against the electrolyte membrane, and a dug-down portion that dug down a part of the other electrode surface includes the second electrode. It is good also as a structure shape
  • At least a part of the stress suppressing structure may be a structure in which the rigidity of the first electrode is smaller than the rigidity of the second electrode. According to this application example, the first electrode is deformed more greatly than the second electrode and the deformation of the electrolyte membrane is alleviated, whereby the stress concentration of the electrolyte membrane can be suppressed.
  • At least a part of the stress suppressing structure may be a structure in which the rigidity of the second electrode is smaller than the rigidity of the first electrode. According to this application example, the second electrode is deformed more greatly than the first electrode and the deformation of the electrolyte membrane is alleviated, whereby the stress concentration of the electrolyte membrane can be suppressed.
  • the form of the present invention is not limited to the fuel cell, and may be applied to various forms such as a vehicle that travels using the power of the fuel cell, a power generation system that supplies the power of the fuel cell, and a method for manufacturing the fuel cell. It is also possible to do. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various forms without departing from the spirit of the present invention.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a cross-sectional configuration of a fuel cell 10 according to the first embodiment.
  • the fuel cell 10 is a device that generates electricity electrochemically using a reaction gas.
  • the fuel cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell.
  • the fuel cell 10 uses a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen as reaction gases.
  • the fuel cell 10 includes a plurality of cells 15.
  • the cell 15 is a single cell that performs an electrochemical reaction that directly extracts electricity from a reaction gas.
  • the plurality of cells 15 are stacked on each other.
  • the direction in which the plurality of cells 15 are stacked in the fuel cell 10 is referred to as “stacking direction Ds”, and the direction along the surface of the cells 15 orthogonal to the stacking direction Ds is referred to as “plane direction Dp”. That's it.
  • the direction toward the center of the cell 15 in the surface direction Dp is referred to as “inside along the surface direction Dp”, and the opposite direction is referred to as “outside along the surface direction Dp”.
  • the cell 15 of the fuel cell 10 includes a membrane electrode assembly (MEA) 20, an anode separator 610, and a cathode separator 620.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the MEA 20 is sandwiched between the anode separator 610 and the cathode separator 620.
  • the anode separator 610 and the cathode separator 620 of the cell 15 have sufficient conductivity for collecting electricity generated in the MEA 20, and have sufficient durability, heat resistance, and gas impermeability for supplying the reaction gas to the MEA 20.
  • the material of the anode separator 610 and the cathode separator 620 is a carbon resin, but in other embodiments, for example, stainless steel, titanium, a titanium alloy, and conductive ceramics may be used.
  • the anode separator 610 and the cathode separator 620 are each configured separately. In another embodiment, in two adjacent cells 15, the anode separator 610 of one cell 15 and the cathode separator 620 of the other cell 15 may be integrally configured.
  • the anode separator 610 is in contact with the MEA 20, but in other embodiments, a flow path for flowing fuel gas may be formed between the anode diffusion layer 430 and the anode separator 610.
  • the cathode separator 620 is in contact with the MEA 20, but in other embodiments, a flow path for flowing an oxidizing gas may be formed between the cathode diffusion layer 530 and the cathode separator 620.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing the overall configuration of the MEA 20 in the first embodiment.
  • the MEA 20 shown in FIG. 2 is in a state before being sandwiched between the anode separator 610 and the cathode separator 620.
  • FIG. 2A illustrates the MEA 20 viewed from the side.
  • FIG. 2B illustrates the MEA 20 viewed from the cathode side.
  • the MEA 20 includes an electrolyte membrane 30, an anode electrode 40, and a cathode electrode 50.
  • the electrolyte membrane 30 of the MEA 20 is a membrane-like proton conductor having proton conductivity.
  • the electrolyte membrane 30 is a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane using an ionomer resin.
  • the electrolyte membrane 30 has an anode surface 31 that is one surface of the electrolyte membrane 30, a cathode surface 32 that is the other surface of the electrolyte membrane 30, and a peripheral surface 38 that is the periphery of the electrolyte membrane 30.
  • An anode electrode 40 is joined to the anode surface 31 of the electrolyte membrane 30.
  • a cathode electrode 50 is joined to the cathode surface 32 of the electrolyte membrane 30.
  • the electrolyte membrane 30 is a rectangular membrane, the anode surface 31 and the cathode surface 32 are rectangular, and the peripheral surface 38 constitutes four sides of each surface of the anode surface 31 and the cathode surface 32. .
  • the anode electrode 40 of the MEA 20 includes an anode catalyst layer 410 and an anode diffusion layer 430 as shown in FIG.
  • An anode electrode 40 is formed on the anode surface 31 of the electrolyte membrane 30 by laminating an anode catalyst layer 410 and an anode diffusion layer 430 in this order.
  • the cathode electrode 50 of the MEA 20 includes a cathode catalyst layer 510 and a cathode diffusion layer 530 as shown in FIG.
  • a cathode electrode 50 is formed on the cathode surface 32 of the electrolyte membrane 30 by laminating a cathode catalyst layer 510 and a cathode diffusion layer 530 in this order.
  • the anode catalyst layer 410 and the cathode catalyst layer 510 are formed of a material having gas permeability and conductivity, and the material includes a catalyst (for example, platinum, platinum alloy) that promotes an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. ) Is carried.
  • the anode catalyst layer 410 and the cathode catalyst layer 510 are formed of a carbon support carrying a platinum-based catalyst.
  • the anode diffusion layer 430 and the cathode diffusion layer 530 are formed of a material having gas permeability and conductivity.
  • a material of the anode diffusion layer 430 and the cathode diffusion layer 530 for example, carbon cloth or carbon paper that is a porous body made of carbon can be used.
  • the anode electrode 40 has an electrode surface 41 that is one surface of the anode electrode 40, an electrode surface 42 that is the other surface of the anode electrode 40, and a peripheral surface 48 that is the periphery of the anode electrode 40.
  • the electrode surface 41 of the anode electrode 40 is joined to the anode surface 31 of the electrolyte membrane 30.
  • the anode electrode 40 is a rectangular electrode having the same size as the electrolyte membrane 30, the electrode surfaces 41 and 42 are rectangular, and the peripheral surface 48 is an electrode surface 41. , 42 constitute four sides on each surface.
  • the size of the anode electrode 40 may be larger or smaller than the electrolyte membrane 30.
  • the cathode electrode 50 has an electrode surface 51 that is one surface of the cathode electrode 50, an electrode surface 52 that is the other surface of the cathode electrode 50, and a peripheral surface 48 that is the periphery of the cathode electrode 50.
  • the electrode surface 51 of the cathode electrode 50 is joined to the cathode surface 32 of the electrolyte membrane 30.
  • the cathode electrode 50 is a rectangular electrode smaller than the electrolyte membrane 30 and the anode electrode 40, the electrode surfaces 51 and 52 are rectangular, and the peripheral surface 58 is an electrode. Four sides of each of the surfaces 51 and 52 are formed.
  • the cathode electrode 50 is a first electrode joined to one surface of the electrolyte membrane 30, and the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 is a first peripheral edge that is at least a part of the peripheral edge of the first electrode. Part.
  • the surface direction Dp in the fuel cell 10 is also a direction along the electrode surfaces 51 and 52 of the cathode electrode 50.
  • the anode electrode 40 is a second electrode that is bonded to the other surface of the electrolyte membrane 30 and is larger than the first electrode.
  • the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 is, as shown in FIGS.
  • the electrolyte membrane 30 is disposed on the inner side along the surface direction Dp from the peripheral surface 38 of the electrolyte membrane 30 and the peripheral surface 48 of the anode electrode 40.
  • the cell 15 of the fuel cell 10 includes a plate member 630 and an elastic member 640 in addition to the MEA 20, the anode separator 610, and the cathode separator 620.
  • the plate member 630 of the cell 15 is a plate made of a metal (for example, aluminum, stainless steel, etc.) also called a sealing plate or a sealing sheet.
  • the plate-like member 630 is located outside the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 along the surface direction Dp, between the electrode surface 42 of the anode electrode 40 and the anode separator 610, and between the elastic member 640 and the anode separator 610. Are stacked.
  • the plate-like member 630 seals between the anode electrode 40 and the anode separator 610 and prevents the elastic member 640 from entering the electrode surface 42 side of the anode electrode 40.
  • the anode separator 610 protrudes toward the anode electrode 40 so that the gap between the anode electrode 40 and the anode separator 610 may be sealed without providing the plate member 630 as a separate member.
  • the plate-like member 630 is also a pressing member that presses the electrode surface 42 of the anode electrode 40 against the electrolyte membrane 30.
  • a deformed portion 35 that is deformed toward the cathode electrode 50 side is formed along the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 in the electrolyte membrane 30.
  • the elastic member 640 of the cell 15 is a member made of a resin material.
  • the elastic member 640 is formed on the cathode electrode 50 side of the electrolyte membrane 30 and outside the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 along the surface direction Dp, and is in pressure contact with the cathode surface 32 of the electrolyte membrane 30. .
  • the elastic member 640 is further formed to extend to the peripheral surface 38 of the electrolyte membrane 30, the peripheral surface 48 of the anode electrode 40, and the plate-like member 630.
  • the elastic member 640 is formed by injection molding a resin material on the MEA 20.
  • the elastic member 640 may be formed separately from the MEA 20, or an adhesive resin material is injected and solidified between the anode separator 610 and the cathode separator 620 sandwiching the MEA 20. May be formed.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the transverse elastic modulus Gm of the electrolyte membrane 30 and the transverse elastic modulus Ge of the elastic member 640 in the first embodiment.
  • FIG. 3 shows the relationship between the horizontal elastic coefficient Gm of the electrolyte membrane 30 on the horizontal axis and the horizontal elastic coefficient Ge of the elastic member 640 on the vertical axis.
  • the lateral elastic modulus Ge of the elastic member 640 is smaller than the lateral elastic modulus Gm of the electrolyte membrane 30. That is, the relationship between the lateral elastic modulus Ge of the elastic member 640 and the lateral elastic modulus Gm of the electrolyte membrane 30 is in a range that satisfies “Ge ⁇ Gm” hatched in FIG.
  • the end surface 648 of the elastic member 640 extending from the cathode surface 32 of the electrolyte membrane 30 to the cathode separator 620 follows the deformation of the electrolyte membrane 30 as the compressive force increases along the stacking direction Ds.
  • the front end surface 648 is displaced inward from the initial position Lr along the surface direction Dp.
  • At least part of the stress suppression structure that suppresses stress concentration on the deformed portion 35 of the electrolyte membrane 30 is more along the surface direction Dp than the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50.
  • the elastic member 640 is elastically deformed in the surface direction Dp, and the movement of the electrolyte membrane 30 along the surface direction Dp is allowed, thereby suppressing the stress concentration of the electrolyte membrane 30. be able to. As a result, the durability of the fuel cell 10 can be improved.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a cross-sectional configuration of the fuel cell 10 according to the second embodiment.
  • the fuel cell 10 of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except that the characteristics of the MEA 20 are different.
  • the lateral elastic modulus Ge of the elastic member 640 is preferably smaller than the lateral elastic modulus Gm of the electrolyte membrane 30, but may be the same or larger.
  • the characteristic of the MEA 20 in the second embodiment is that the bonding strength between the electrolyte membrane 30 and the anode electrode 40 is smaller on the outer side than the inner side along the surface direction Dp rather than the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50.
  • This is the same as in the first embodiment. That is, the bonding strength SJo between the electrolyte membrane 30 and the anode electrode 40 outside the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 along the surface direction Dp is more along the surface direction Dp than the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50.
  • the bonding strength SJi between the electrolyte membrane 30 and the anode electrode 40 on the inner side is smaller.
  • the bonding strength between the electrolyte membrane 30 and the anode electrode 40 can be changed by changing the amount and type of bonding material, bonding conditions (pressure, temperature, humidity, processing time), and the like.
  • the electrolyte membrane 30 and the anode electrode 40 are joined to each other on the inner side along the surface direction Dp than the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50, and the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50.
  • they may be non-bonded to each other outside along the surface direction Dp. Accordingly, it is possible to easily realize a structure in which the bonding strength between the electrolyte membrane 30 and the anode electrode 40 is smaller than the inner side along the surface direction Dp than the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the tensile strength ST and the bonding strength SJo of the electrolyte membrane 30 in the second embodiment.
  • the horizontal axis represents the tensile strength ST of the electrolyte membrane 30, and the vertical axis represents the bonding strength SJo between the electrolyte membrane 30 and the anode electrode 40, and the relationship between the two is illustrated.
  • the bonding strength SJo between the electrolyte membrane 30 and the anode electrode 40 is preferably smaller than the tensile strength ST of the electrolyte membrane 30. That is, it is preferable that the relationship between the bonding strength SJo and the tensile strength ST is within a range satisfying “SJ ⁇ ST” hatched in FIG.
  • At least a part of the stress suppressing structure that suppresses stress concentration on the deformed portion 35 of the electrolyte membrane 30 is more along the surface direction Dp than the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50.
  • the bonding strength SJo between the electrolyte membrane 30 and the anode electrode 40 on the outer side is equal to the bonding strength SJi between the electrolyte membrane 30 and the anode electrode 40 on the inner side along the surface direction Dp from the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50. It has a smaller structure.
  • the electrolyte membrane 30 and the anode electrode 40 are relatively displaced on the outer side along the surface direction Dp from the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50, thereby causing stress of the electrolyte membrane 30. Concentration can be suppressed. As a result, the durability of the fuel cell 10 can be improved.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing a cross-sectional structure of the fuel cell 10 according to the third embodiment.
  • the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 has magnetism, and the magnetic body that generates the repulsive force Frp between the cathode electrode 50 and the peripheral surface 58 is the electrode surface 42 side of the anode electrode 40. 2 except that a space is provided between the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 and the cathode separator 620.
  • the lateral elastic modulus Ge of the elastic member 640 is preferably smaller than the lateral elastic modulus Gm of the electrolyte membrane 30, but may be the same or larger.
  • the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 has magnetism.
  • magnetism is imparted to the entire area of the cathode diffusion layer 530 of the cathode electrode 50 so that the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 is magnetized.
  • the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 may be magnetized by imparting magnetism to a part of the cathode diffusion layer 530 around the peripheral surface 58.
  • the magnetic body that generates the repulsive force Frp between the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 is the plate-like member 630 laminated on the electrode surface 42 side of the anode electrode 40.
  • the plate-like member 630 is magnetized by giving magnetism with a polarity different from that of the cathode electrode 50 to the inside of the plate-like member 630 along the surface direction Dp.
  • the plate member 630 may be magnetized by providing magnetism with a polarity different from that of the cathode electrode 50 to the entire area of the plate member 630.
  • the plate-like member 630 may not be magnetized, but the anode separator 610 may be magnetized, or separately from the plate-like member 630 and the anode separator 610, the magnetism that generates the repulsive force Frp.
  • the body may be disposed on the electrode surface 42 side of the anode electrode 40.
  • a gas flow path member 650 that forms a flow path for flowing an oxidizing gas is provided between the cathode electrode 50 and the cathode separator 620. Since the gas channel member 650 is smaller than the cathode electrode 50, a space is formed between the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 and the cathode separator 620.
  • the gas flow path member 650 is a porous body made of conductive foam metal.
  • the porous body may be a porous body made of a carbon sintered body, an expanded metal or a punching metal. It may be.
  • the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 has magnetism as at least a part of the stress suppressing structure that suppresses stress concentration on the deformed portion 35 of the electrolyte membrane 30, and the cathode A plate-like member 630 that is a magnetic body that generates a repulsive force Frp between the peripheral surface 58 of the electrode 50 is provided on the electrode surface 42 side of the anode electrode 40.
  • stress concentration on the electrolyte membrane 30 can be suppressed by reducing the pressing force received by the electrolyte membrane 30 from the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 by the repulsive force Frp. As a result, the durability of the fuel cell 10 can be improved.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing a cross-sectional structure of the fuel cell 10 according to the fourth embodiment.
  • the fuel cell 10 of the fourth embodiment is the same as that of the third embodiment, except that a magnetic body that generates an attractive force Fat between the cathode electrode 50 and the peripheral surface 58 is disposed on the electrode surface 52 side of the cathode electrode 50. It is.
  • the magnetic body that generates the attractive force Fat with respect to the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 is the cathode separator 620 disposed on the electrode surface 52 side of the cathode electrode 50.
  • the cathode separator 620 is magnetized by imparting magnetism having the same polarity as the cathode electrode 50 to a part of the cathode separator 620 facing the electrode surface 52 of the cathode electrode 50.
  • the cathode separator 620 may be magnetized by providing magnetism having the same polarity as the cathode electrode 50 throughout the cathode separator 620. In another embodiment, the cathode separator 620 may not be magnetized, and a magnetic body that generates the repulsive force Frp may be disposed on the electrode surface 52 side of the cathode electrode 50 separately from the cathode separator 620.
  • the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 has magnetism as the at least part of the stress suppressing structure that suppresses stress concentration on the deformed portion 35 of the electrolyte membrane 30, and the cathode A cathode separator 620, which is a magnetic body that generates an attractive force Fat between the peripheral surface 58 of the electrode 50, is disposed on the electrode surface 52 side of the cathode electrode 50.
  • stress concentration on the electrolyte membrane 30 can be suppressed by reducing the pressing force received by the electrolyte membrane 30 from the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 by the attractive force Fat.
  • the durability of the fuel cell 10 can be improved.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing a cross-sectional configuration of the MEA 20 in the fifth embodiment.
  • the fuel cell 10 of the fifth embodiment is the same as that of the first embodiment except that the configuration of the MEA 20 is different.
  • the lateral elastic modulus Ge of the elastic member 640 is preferably smaller than the lateral elastic modulus Gm of the electrolyte membrane 30, but may be the same or larger.
  • the electrolyte membrane 30 and the anode electrode 40 are bent in advance toward the cathode electrode 50 in accordance with the shape of the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50. That is, in the fifth embodiment, the deformed portion 35 is formed in the MEA 20 before the MEA 20 is sandwiched between the anode separator 610 and the cathode separator 620.
  • the fuel cell 10 according to the fifth embodiment described above includes an electrolyte in accordance with the shape of the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 as at least a part of the stress suppressing structure that suppresses stress concentration on the deformed portion 35 of the electrolyte membrane 30.
  • a structure in which the membrane 30 and the anode electrode 40 are bent in advance toward the cathode electrode 50 side is provided.
  • the deformation of the electrolyte membrane 30 before and after the anode electrode 40 and the cathode electrode 50 are pressed against the electrolyte membrane 30 is alleviated, thereby suppressing the stress concentration of the electrolyte membrane 30. Can do. As a result, the durability of the fuel cell 10 can be improved.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing a cross-sectional configuration of the MEA 20 in the sixth embodiment.
  • the fuel cell 10 of the sixth embodiment is the same as that of the first embodiment except that the configuration of the MEA 20 is different.
  • the lateral elastic modulus Ge of the elastic member 640 is preferably smaller than the lateral elastic modulus Gm of the electrolyte membrane 30, but may be the same or larger.
  • the electrode surface 42 of the anode electrode 40 is softer than the electrode surface 41 of the anode electrode 40.
  • the longitudinal elastic modulus Esft on the electrode surface 42 side in the anode diffusion layer 430 is made smaller than the longitudinal elastic modulus Ehrd on the electrode surface 41 side in the anode diffusion layer 430, so that the electrode surface 42 rather than the electrode surface 41.
  • the anode electrode 40 that is softer is formed.
  • the hardness of the anode diffusion layer 430 can be changed by changing the type and density of the constituent material.
  • the anode diffusion layer 430 has a two-layer structure including a layer having a longitudinal elastic modulus Esft and a layer having a longitudinal elastic modulus Ehrd.
  • the anode diffusion layer 430 may have a structure composed of three or more types of layers having different longitudinal elastic modulus, or a structure that gradually softens from the electrode surface 41 side toward the electrode surface 42. You may have.
  • the electrode surface 42 of the anode electrode 40 is softer than the electrode surface 41 as at least a part of the stress suppression structure that suppresses stress concentration on the deformed portion 35 of the electrolyte membrane 30.
  • the structure is provided. According to the structure of the sixth embodiment, in the anode electrode 40, the electrode surface 42 is deformed relatively larger than the electrode surface 41, and the deformation of the electrolyte membrane 30 is alleviated. Can be suppressed. As a result, the durability of the fuel cell 10 can be improved.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing a cross-sectional configuration of the MEA 20 in the seventh embodiment.
  • the fuel cell 10 of the seventh embodiment is the same as that of the first embodiment except that the configuration of the MEA 20 is different.
  • the lateral elastic modulus Ge of the elastic member 640 is preferably smaller than the lateral elastic modulus Gm of the electrolyte membrane 30, but may be the same or larger.
  • a dug-down portion 49 that dug down the electrode surface 42 of the anode electrode 40 in a shape that matches the plate-like member 630 that is a pressing member that presses the anode electrode 40 against the electrolyte membrane 30 includes an anode electrode. 40 is pre-shaped. That is, in the seventh embodiment, before the MEA 20 is sandwiched between the anode separator 610 and the cathode separator 620, the dug portion 49 is formed in the MEA 20. In the present embodiment, the dug portion 49 is formed by cutting the electrode surface 42 of the anode electrode 40.
  • the fuel cell 10 according to the seventh embodiment described above has electrodes in a shape that matches the plate-like member 630 that is a pressing member as at least a part of the stress suppression structure that suppresses stress concentration on the deformed portion 35 of the electrolyte membrane 30.
  • a structure in which a dug portion 49 obtained by dug down the surface 42 is formed on the anode electrode 40 in advance is provided.
  • the stress concentration of the electrolyte membrane 30 can be suppressed by reducing the deformation of the electrolyte membrane 30 via the anode electrode 40 by the plate-like member 630. As a result, the durability of the fuel cell 10 can be improved.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram showing a cross-sectional configuration of the fuel cell 10 according to the eighth embodiment.
  • the fuel cell 10 of the eighth embodiment is the same as that of the first embodiment except that the rigidity of the cathode electrode 50 is smaller than the rigidity of the anode electrode 40.
  • the lateral elastic modulus Ge of the elastic member 640 is preferably smaller than the lateral elastic modulus Gm of the electrolyte membrane 30, but may be the same or larger.
  • the rigidity of the cathode electrode 50 is made smaller than the rigidity of the anode electrode 40 by making the rigidity Gc of the cathode diffusion layer 530 smaller than the rigidity modulus Ga of the anode diffusion layer 430.
  • the rigidity of the anode diffusion layer 430 and the cathode diffusion layer 530 can be changed by changing the type and density of the constituent materials.
  • the rigidity of the cathode electrode 50 is smaller than the rigidity of the anode electrode 40, the cathode electrode 50 is larger than the anode electrode 40 and compressed in the stacking direction Ds as shown in FIG.
  • the cathode diffusion layer 530 is more than the rigidity modulus Ga of the anode diffusion layer 430 as at least part of the stress suppression structure that suppresses stress concentration on the deformed portion 35 of the electrolyte membrane 30.
  • the structure having a reduced rigidity Gc is provided.
  • the cathode electrode 50 is deformed more greatly than the anode electrode 40 and the deformation of the electrolyte membrane 30 is alleviated, whereby the stress concentration of the electrolyte membrane 30 can be suppressed. As a result, the durability of the fuel cell 10 can be improved.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram showing a cross-sectional configuration of the fuel cell 10 according to the ninth embodiment.
  • the fuel cell 10 of the ninth embodiment is the same as that of the first embodiment except that the rigidity of the anode electrode 40 is smaller than the rigidity of the cathode electrode 50.
  • the lateral elastic modulus Ge of the elastic member 640 is preferably smaller than the lateral elastic modulus Gm of the electrolyte membrane 30, but may be the same or larger.
  • the rigidity of the anode electrode 40 is made smaller than the rigidity of the cathode electrode 50 by making the rigidity Ga of the anode diffusion layer 430 smaller than the rigidity Gc of the cathode diffusion layer 530.
  • the rigidity of the anode diffusion layer 430 and the cathode diffusion layer 530 can be changed by changing the type and density of the constituent materials.
  • the anode electrode 40 is compressed in the stacking direction Ds larger than the cathode electrode 50 as shown in FIG.
  • the rigidity Ga of the anode diffusion layer 430 is set as the value of the cathode diffusion layer 530 as at least a part of the stress suppression structure that suppresses stress concentration on the deformed portion 35 of the electrolyte membrane 30. It has a structure that is smaller than the rigidity Gc. According to the structure of the ninth embodiment, the anode electrode 40 is deformed more greatly than the cathode electrode 50 and the deformation of the electrolyte membrane 30 is alleviated, whereby the stress concentration of the electrolyte membrane 30 can be suppressed. As a result, the durability of the fuel cell 10 can be improved.
  • the fuel cell in which the cathode electrode 50 is smaller than the anode electrode 40 has been described.
  • the present invention is applied to a fuel cell in which the anode electrode 40 is smaller than the cathode electrode 50. May be applied.
  • the peripheral surface 58 of the cathode electrode 50 is disposed over the entire region disposed on the inner side along the surface direction Dp than the peripheral surface 38 of the electrolyte membrane 30 and the peripheral surface 48 of the anode electrode 40.
  • the stress suppressing structure of each embodiment may be provided in at least a part of the region.

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Abstract

　燃料電池１０は、電解質膜３０と、アノード電極４０と、カソード電極５０とを備え、カソード電極５０の周縁面５８は、電解質膜３０の周縁面３８およびアノード電極４０の周縁面４８よりも、面方向Ｄｐに沿った内側に配置されており、更に、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造を備える。

Description

燃料電池
　本発明は、燃料電池に関する。
　燃料電池には、２つの電極の間に電解質膜を接合してなる膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」ともいう）を備えるものがある。このような燃料電池には、電解質膜を挟持する２つの電極の大きさが異なるもの、すなわち、小さい方の電極の周縁が、大きい方の電極および電解質膜の各周縁よりも、各層の面方向に沿った内側に配置されているものが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０１０－２２５４８４号公報
　電解質膜の損傷を防止する観点からすると、電解質膜における応力集中の発生を回避することが望ましいが、電解質膜を挟持する２つの電極の大きさが異なる場合、電解質膜における小さい方の電極の周縁に沿った部位に応力集中が発生し易いという問題があった。
　本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池の耐久性を向上させることができる技術を提供することを目的とする。
　本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
　適用例１）適用例１の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に接合された第１電極と、前記電解質膜における前記一方の面とは異なる他方の面に接合された第２電極とを備え、前記第１電極の周縁の少なくとも一部である第１周縁部は、前記電解質膜および前記第２電極の各周縁よりも、前記第１電極の面方向に沿った内側に配置されており、更に、前記電解質膜における前記第１周縁部に沿った部位への応力集中を抑制する応力抑制構造を備えることを特徴とする。この適用例によれば、電解質膜における応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
　適用例２）前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記電解質膜の前記第１電極側、かつ前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った外側に、前記電解質膜よりも横弾性係数が小さい弾性部材を圧接した構造であっても良い。この適用例によれば、弾性部材が面方向に弾性変形して、面方向に沿った電解質膜の移動を許容することによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。
　適用例３）前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記電解質膜と前記第２電極との間の接合強度を、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った内側よりも、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った外側で小さくした構造であっても良い。この適用例によれば、電解質膜と第２電極との間の接合強度が比較的に小さい第１周縁部の外側において、電解質膜と第２電極とが相対的にずれることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。
　適用例４）上述の適用例において、前記電解質膜と前記第２電極との間は、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った内側において相互に接合されていると共に、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った外側において相互に非接合であるとしても良い。この適用例によれば、電解質膜と第２電極との間の接合強度を第１周縁部の内側よりも第１周縁部の外側で小さくした構造を容易に実現することができる。
　適用例５）前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１電極の前記第１周縁部が磁性を有すると共に、前記第１周縁部との間に斥力を発生させる磁性体を、前記第２電極における前記電解質膜に接合される側に対する反対側に配置した構造であっても良い。この適用例によれば、斥力によって第１周縁部から電解質膜が受ける押圧力が緩和されることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。
　適用例６）前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１電極の前記第１周縁部が磁性を有すると共に、前記第１周縁部との間に引力を発生させる磁性体を、前記第１電極における前記電解質膜に接合される側に対する反対側に配置した構造であっても良い。この適用例によれば、引力によって第１周縁部から電解質膜が受ける押圧力が緩和されることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。
　適用例７）前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１周縁部の形状に合わせて、前記電解質膜および前記第２電極を前記第１電極側へと予め折り曲げた構造であっても良い。この適用例によれば、電解質膜に対して第１電極および第２電極を押し付ける前後における電解質膜の変形が緩和されることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。
　適用例８）前記第２電極は、前記電解質膜に対して接合される側の面である一方の電極面と、前記一方の電極面に対する反対側の面である他方の電極面とを有し、前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記一方の電極面よりも前記他方の電極面の方を軟らかくした構造であるとしても良い。この適用例によれば、第２電極において一方の電極面よりも他方の電極面が比較的に大きく変形して、電解質膜の変形が緩和されることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。
　適用例９）前記第２電極は、前記電解質膜に対して接合される側の面である一方の電極面と、前記一方の電極面に対する反対側の面である他方の電極面とを有し、前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第２電極を前記電解質膜へと押圧する押圧部材に合わせた形状で、前記他方の電極面の一部を掘り下げた掘り下げ部を、前記第２電極に予め成形した構造であるとしても良い。この適用例によれば、押圧部材による第２電極を介した電解質膜の変形が緩和されることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。
　適用例１０）前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１電極の剛性を前記第２電極の剛性よりも小さくした構造であっても良い。この適用例によれば、第１電極が第２電極よりも大きく変形して電解質膜の変形が緩和されることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。
　適用例１１）前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第２電極の剛性を前記第１電極の剛性よりも小さくした構造であっても良い。この適用例によれば、第２電極が第１電極よりも大きく変形して電解質膜の変形が緩和されることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。
　本発明の形態は、燃料電池に限るものではなく、例えば、燃料電池の電力を利用して走行する車両、燃料電池の電力を供給する発電システム、燃料電池の製造方法などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
第１実施形態における燃料電池の断面構成を示す説明図である。 第１実施形態におけるＭＥＡの全体構成を示す説明図である。 第１実施形態における電解質膜の横弾性係数と弾性部材の横弾性係数との関係を示す説明図である。 第２実施形態における燃料電池の断面構成を示す説明図である。 第２実施形態における電解質膜の引張強度と接合強度との関係を示す説明図である。 第３実施形態における燃料電池の断面構造を示す説明図である。 第４実施形態における燃料電池の断面構造を示す説明図である。 第５実施形態におけるＭＥＡの断面構成を示す説明図である。 第６実施形態におけるＭＥＡの断面構成を示す説明図である。 第７実施形態におけるＭＥＡの断面構成を示す説明図である。 第８実施形態における燃料電池の断面構成を示す説明図である。 第９実施形態における燃料電池の断面構成を示す説明図である。
　以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池について説明する。
Ａ．第１実施形態：
　図１は、第１実施形態における燃料電池１０の断面構成を示す説明図である。燃料電池１０は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する装置である。本実施例では、燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池である。本実施形態では、燃料電池１０は、反応ガスとして、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを用いる。
　燃料電池１０は、複数のセル１５を備える。セル１５は、反応ガスから直接的に電気を取り出す電気化学反応を行う単電池である。燃料電池１０において、複数のセル１５は、相互に積層されている。
　本実施形態の説明では、燃料電池１０において複数のセル１５が積層されている方向を「積層方向Ｄｓ」といい、積層方向Ｄｓに直交するセル１５の面に沿った方向を「面方向Ｄｐ」という。本実施形態の説明では、面方向Ｄｐのうち、セル１５の中心に向かう方向を「面方向Ｄｐに沿った内側」といい、その逆方向を「面方向Ｄｐに沿った外側」という。
　燃料電池１０のセル１５は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２０と、アノードセパレータ６１０と、カソードセパレータ６２０とを備える。セル１５において、ＭＥＡ２０は、アノードセパレータ６１０とカソードセパレータ６２０との間に挟持されている。
　セル１５のアノードセパレータ６１０およびカソードセパレータ６２０は、ＭＥＡ２０で発生する電気の集電に十分な導電性を有すると共に、ＭＥＡ２０に対する反応ガスの供給に十分な耐久性、耐熱性およびガス不透過性を有する材料で形成されている。本実施形態では、アノードセパレータ６１０およびカソードセパレータ６２０の材料は、カーボン樹脂であるが、他の実施形態では、例えば、ステンレス、チタン、チタン合金、導電性セラミックスであっても良い。
　本実施形態では、アノードセパレータ６１０およびカソードセパレータ６２０は、それぞれ別々に構成されている。他の実施形態において、隣接する２つのセル１５において、一方のセル１５のアノードセパレータ６１０と、他方のセル１５のカソードセパレータ６２０とを一体的に構成しても良い。
　本実施形態では、アノードセパレータ６１０はＭＥＡ２０に当接しているが、他の実施形態では、アノード拡散層４３０とアノードセパレータ６１０との間に燃料ガスを流す流路を形成しても良い。
　本実施形態では、カソードセパレータ６２０はＭＥＡ２０に当接しているが、他の実施形態では、カソード拡散層５３０とカソードセパレータ６２０との間に酸化ガスを流す流路を形成しても良い。
　図２は、第１実施形態におけるＭＥＡ２０の全体構成を示す説明図である。図２に示すＭＥＡ２０は、アノードセパレータ６１０とカソードセパレータ６２０との間に挟持する前の状態である。図２（Ａ）には、側面から見たＭＥＡ２０を図示した。図２（Ｂ）には、カソード側から見たＭＥＡ２０を図示した。ＭＥＡ２０は、電解質膜３０と、アノード電極４０と、カソード電極５０とを備える。
　ＭＥＡ２０の電解質膜３０は、プロトン伝導性を有する膜状のプロトン伝導体である。本実施形態では、電解質膜３０は、アイオノマ樹脂を用いたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。
　電解質膜３０は、電解質膜３０における一方の面であるアノード面３１と、電解質膜３０における他方の面であるカソード面３２と、電解質膜３０の周縁である周縁面３８とを有する。電解質膜３０のアノード面３１には、アノード電極４０が接合されている。電解質膜３０のカソード面３２には、カソード電極５０が接合されている。本実施形態では、電解質膜３０は矩形状の膜であり、アノード面３１およびカソード面３２は矩形状であり、周縁面３８はアノード面３１およびカソード面３２の各面における４つの辺を構成する。
　ＭＥＡ２０のアノード電極４０は、図１に示すように、アノード触媒層４１０と、アノード拡散層４３０とを含む。電解質膜３０のアノード面３１には、アノード触媒層４１０、アノード拡散層４３０の順に積層してアノード電極４０が形成されている。
　ＭＥＡ２０のカソード電極５０は、図１に示すように、カソード触媒層５１０と、カソード拡散層５３０とを含む。電解質膜３０のカソード面３２には、カソード触媒層５１０、カソード拡散層５３０の順に積層してカソード電極５０が形成されている。
　アノード触媒層４１０およびカソード触媒層５１０は、ガス透過性および導電性を有する材料で形成されており、その材料には、水素と酸素との電気化学反応を促進させる触媒（例えば、白金、白金合金）が担持されている。本実施形態では、アノード触媒層４１０およびカソード触媒層５１０は、白金系触媒を担持した炭素担体で形成されている。
　アノード拡散層４３０およびカソード拡散層５３０は、ガス透過性および導電性を有する材料で形成されている。アノード拡散層４３０およびカソード拡散層５３０の材料には、例えば、カーボン製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパを用いることができる。
　アノード電極４０は、アノード電極４０における一方の面である電極面４１と、アノード電極４０における他方の面である電極面４２と、アノード電極４０の周縁である周縁面４８とを有する。アノード電極４０の電極面４１は、電解質膜３０のアノード面３１に接合されている。本実施形態では、図２に示すように、アノード電極４０は、電解質膜３０と同じ大きさの矩形状の電極であり、電極面４１，４２は矩形状であり、周縁面４８は電極面４１，４２の各面における４つの辺を構成する。他の実施形態において、アノード電極４０の大きさは、電解質膜３０よりも大きくても良いし、小さくても良い。
　カソード電極５０は、カソード電極５０における一方の面である電極面５１と、カソード電極５０における他方の面である電極面５２と、カソード電極５０の周縁である周縁面４８とを有する。カソード電極５０の電極面５１は、電解質膜３０のカソード面３２に接合されている。本実施形態では、図２に示すように、カソード電極５０は、電解質膜３０およびアノード電極４０よりも小さな矩形状の電極であり、電極面５１，５２は矩形状であり、周縁面５８は電極面５１，５２の各面における４つの辺を構成する。
　本実施形態では、カソード電極５０は、電解質膜３０の一方の面に接合された第１電極であり、カソード電極５０の周縁面５８は、第１電極の周縁の少なくとも一部である第１周縁部である。本実施形態では、燃料電池１０における面方向Ｄｐは、カソード電極５０の電極面５１，５２に沿った方向でもある。本実施形態では、アノード電極４０は、電解質膜３０の他方の面に接合され、第１電極よりも大きな第２電極である。
　本実施形態では、カソード電極５０の面方向Ｄｐに沿った大きさが電解質膜３０およびアノード電極４０よりも小さいことから、図１および図２に示すように、カソード電極５０の周縁面５８は、電解質膜３０の周縁面３８およびアノード電極４０の周縁面４８よりも面方向Ｄｐに沿った内側に配置されている。
　図１に示すように、本実施形態では、燃料電池１０のセル１５は、ＭＥＡ２０，アノードセパレータ６１０およびカソードセパレータ６２０の他、板状部材６３０と、弾性部材６４０とを備える。
　セル１５の板状部材６３０は、シーリングプレートやシーリングシートとも呼ばれる金属（例えば、アルミニウム、ステンレスなど）製の板である。板状部材６３０は、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った外側に、アノード電極４０の電極面４２とアノードセパレータ６１０との間から、弾性部材６４０とアノードセパレータ６１０との間にわたって、積層されている。板状部材６３０は、アノード電極４０とアノードセパレータ６１０との間を密閉すると共に、アノード電極４０の電極面４２側への弾性部材６４０の侵入を防止する。他の実施形態において、アノードセパレータ６１０をアノード電極４０側に突出させることによって、板状部材６３０を別部材として設けることなく、アノード電極４０とアノードセパレータ６１０との間を密閉しても良い。
　板状部材６３０は、アノード電極４０の電極面４２を電解質膜３０へと押圧する押圧部材でもある。アノード電極４０が板状部材６３０によって押圧されることによって、電解質膜３０には、カソード電極５０側へと変形した変形部３５が、カソード電極５０の周縁面５８に沿って形成されている。
　セル１５の弾性部材６４０は、樹脂材料からなる部材である。弾性部材６４０は、電解質膜３０のカソード電極５０側、かつ、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った外側に形成されており、電解質膜３０のカソード面３２に圧接されている。本実施形態では、弾性部材６４０は、更に、電解質膜３０の周縁面３８、アノード電極４０の周縁面４８および板状部材６３０にまでわたって形成されている。
　本実施形態では、弾性部材６４０は、ＭＥＡ２０に対して樹脂材料を射出成形することによって形成されている。他の実施形態において、弾性部材６４０は、ＭＥＡ２０とは別に形成しても良いし、ＭＥＡ２０を挟んだアノードセパレータ６１０とカソードセパレータ６２０との間に、接着性を有する樹脂材料を注入し固化させることによって形成しても良い。
　図３は、第１実施形態における電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍと弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅとの関係を示す説明図である。図３には、横軸に電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍをとり、縦軸に弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅをとって、両者の関係を図示した。第１実施形態では、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい。すなわち、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅと電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍとの関係は、図３にハッチングを施した「Ｇｅ＜Ｇｍ」を満たす範囲内にある。
　図１に示すように、電解質膜３０のカソード面３２からカソードセパレータ６２０にわたる弾性部材６４０の端面６４８は、積層方向Ｄｓに沿った圧縮力の増加に伴う電解質膜３０の変形に追従して、圧縮前における端面６４８の初期位置Ｌｒから面方向Ｄｐに沿った内側へと変位する。
　以上説明した第１実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った外側における電解質膜３０のカソード面３２に、電解質膜３０よりも横弾性係数が小さい弾性部材６４０を圧接した構造を備える。この第１実施形態の構造によれば、弾性部材６４０が面方向Ｄｐに弾性変形して、面方向Ｄｐに沿った電解質膜３０の移動を許容することによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
Ｂ．第２実施形態：
　図４は、第２実施形態における燃料電池１０の断面構成を示す説明図である。第２実施形態の燃料電池１０は、ＭＥＡ２０の特性が異なる点を除き、第１実施形態と同様である。なお、第２実施形態において、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい方が好ましいが、同じでも良いし、大きくても良い。
　第２実施形態におけるＭＥＡ２０の特性は、電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度を、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った内側よりも外側で小さくした点を除き、第１実施形態と同様である。すなわち、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った外側における電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度ＳＪｏは、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った内側における電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度ＳＪｉよりも小さい。電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度は、接合材料の量や種類、接合条件（圧力、温度、湿度、処理時間）などを変更することによって変化させることができる。
　他の実施形態では、電解質膜３０とアノード電極４０との間は、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った内側において相互に接合されていると共に、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った外側において相互に非接合であるとしても良い。これによって、電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度を、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った内側よりも外側で小さくした構造を容易に実現することができる。
　図５は、第２実施形態における電解質膜３０の引張強度ＳＴと接合強度ＳＪｏとの関係を示す説明図である。図５には、横軸に電解質膜３０の引張強度ＳＴをとり、縦軸に電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度ＳＪｏをとって、両者の関係を図示した。第２実施形態では、電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度ＳＪｏは、電解質膜３０の引張強度ＳＴよりも小さいことが好ましい。すなわち、接合強度ＳＪｏと引張強度ＳＴとの関係は、図５にハッチングを施した「ＳＪｏ＜ＳＴ」を満たす範囲内にあることが好ましい。
　以上説明した第２実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った外側における電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度ＳＪｏを、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った内側における電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度ＳＪｉより小さくした構造を備える。この第２実施形態の構造によれば、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った外側において、電解質膜３０とアノード電極４０とが相対的にずれることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
Ｃ．第３実施形態：
　図６は、第３実施形態における燃料電池１０の断面構造を示す説明図である。第３実施形態の燃料電池１０は、カソード電極５０の周縁面５８が磁性を有する点、カソード電極５０の周縁面５８との間に斥力Ｆｒｐを発生させる磁性体をアノード電極４０の電極面４２側に配置した点、カソード電極５０の周縁面５８とカソードセパレータ６２０との間に空間が設けられている点を除き、第１実施形態と同様である。なお、第３実施形態において、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい方が好ましいが、同じでも良いし、大きくても良い。
　第３実施形態では、カソード電極５０の周縁面５８は磁性を有する。本実施形態では、カソード電極５０のカソード拡散層５３０の全域に磁性を付与することによって、カソード電極５０の周縁面５８に磁性を持たせている。他の実施形態において、周縁面５８周辺におけるカソード拡散層５３０の一部分に磁性を付与することによって、カソード電極５０の周縁面５８に磁性を持たせても良い。
　本実施形態では、カソード電極５０の周縁面５８との間に斥力Ｆｒｐを発生させる磁性体は、アノード電極４０の電極面４２側に積層されている板状部材６３０である。本実施形態では、板状部材６３０における面方向Ｄｐに沿った内側に、カソード電極５０とは異なる極性の磁性を付与することによって、板状部材６３０に磁性を持たせている。
　他の実施形態において、板状部材６３０の全域にカソード電極５０とは異なる極性の磁性を付与することによって、板状部材６３０に磁性を持たせても良い。他の実施形態において、板状部材６３０に磁性を持たせるのではなく、アノードセパレータ６１０に磁性を持たせても良いし、板状部材６３０やアノードセパレータ６１０とは別に、斥力Ｆｒｐを発生させる磁性体を、アノード電極４０の電極面４２側に配置しても良い。
　本実施形態では、カソード電極５０とカソードセパレータ６２０との間には、酸化ガスを流す流路を形成するガス流路部材６５０が設けられている。ガス流路部材６５０の大きさは、カソード電極５０よりも小さいため、カソード電極５０の周縁面５８とカソードセパレータ６２０との間には空間が形成されている。本実施形態では、ガス流路部材６５０は、導電性を有する発泡金属による多孔体であるが、他の実施形態において、カーボン焼結体による多孔体であっても良いし、エキスパンドメタルやパンチングメタルであっても良い。
　以上説明した第３実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、カソード電極５０の周縁面５８が磁性を有すると共に、カソード電極５０の周縁面５８との間に斥力Ｆｒｐを発生させる磁性体である板状部材６３０を、アノード電極４０の電極面４２側に配置した構造を備える。この第３実施形態の構造によれば、斥力Ｆｒｐによってカソード電極５０の周縁面５８から電解質膜３０が受ける押圧力が緩和されることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
Ｄ．第４実施形態：
　図７は、第４実施形態における燃料電池１０の断面構造を示す説明図である。第４実施形態の燃料電池１０は、カソード電極５０の周縁面５８との間に引力Ｆａｔを発生させる磁性体をカソード電極５０の電極面５２側に配置した点を除き、第３実施形態と同様である。なお、第４実施形態において、カソード電極５０の周縁面５８との間に斥力Ｆｒｐを発生させる磁性体をアノード電極４０の電極面４２側に配置することが好ましいが、このような斥力Ｆｒｐを発生させる磁性体を設けなくても良い。
　本実施形態では、カソード電極５０の周縁面５８との間に引力Ｆａｔを発生させる磁性体は、カソード電極５０の電極面５２側に配置されているカソードセパレータ６２０である。本実施形態では、カソード電極５０の電極面５２に対向するカソードセパレータ６２０の一部分に、カソード電極５０とは同じ極性の磁性を付与することによって、カソードセパレータ６２０に磁性を持たせている。
　他の実施形態において、カソードセパレータ６２０の全域に、カソード電極５０とは同じ極性の磁性を付与することによって、カソードセパレータ６２０に磁性を持たせても良い。他の実施形態において、カソードセパレータ６２０に磁性を持たせるのではなく、カソードセパレータ６２０とは別に、斥力Ｆｒｐを発生させる磁性体を、カソード電極５０の電極面５２側に配置しても良い。
　以上説明した第４実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、カソード電極５０の周縁面５８が磁性を有すると共に、カソード電極５０の周縁面５８との間に引力Ｆａｔを発生させる磁性体であるカソードセパレータ６２０をカソード電極５０の電極面５２側に配置した構造を備える。この第４実施形態の構造によれば、引力Ｆａｔによってカソード電極５０の周縁面５８から電解質膜３０が受ける押圧力が緩和されることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
Ｅ．第５実施形態：
　図８は、第５実施形態におけるＭＥＡ２０の断面構成を示す説明図である。第５実施形態の燃料電池１０は、ＭＥＡ２０の構成が異なる点を除き、第１実施形態と同様である。なお、第５実施形態において、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい方が好ましいが、同じでも良いし、大きくても良い。
　第５実施形態のＭＥＡ２０では、電解質膜３０およびアノード電極４０が、カソード電極５０の周縁面５８の形状に合わせてカソード電極５０側へと予め折り曲げられている。すなわち、第５実施形態では、ＭＥＡ２０をアノードセパレータ６１０とカソードセパレータ６２０との間に挟持する前に、ＭＥＡ２０には変形部３５が形成されている。
　以上説明した第５実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、カソード電極５０の周縁面５８の形状に合わせて、電解質膜３０およびアノード電極４０をカソード電極５０側へと予め折り曲げた構造を備える。この第５実施形態の構造によれば、電解質膜３０に対してアノード電極４０およびカソード電極５０を押し付ける前後における電解質膜３０の変形が緩和されることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
Ｆ．第６実施形態：
　図９は、第６実施形態におけるＭＥＡ２０の断面構成を示す説明図である。第６実施形態の燃料電池１０は、ＭＥＡ２０の構成が異なる点を除き、第１実施形態と同様である。なお、第６実施形態において、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい方が好ましいが、同じでも良いし、大きくても良い。
　第６実施形態のＭＥＡ２０では、アノード電極４０の電極面４２は、アノード電極４０の電極面４１よりも軟らかい。本実施形態では、アノード拡散層４３０における電極面４２側の縦弾性係数Ｅｓｆｔを、アノード拡散層４３０における電極面４１側の縦弾性係数Ｅｈｒｄよりも小さくすることによって、電極面４１よりも電極面４２の方が軟らかいアノード電極４０が形成されている。アノード拡散層４３０の硬さは、構成材料の種類、密度などを変更することによって変化させることができる。
　本実施形態では、アノード拡散層４３０は、縦弾性係数Ｅｓｆｔの層と、縦弾性係数Ｅｈｒｄの層との２層構造を有する。他の実施形態において、アノード拡散層４３０は、３種類以上の異なる縦弾性係数の層からなる構造を有しても良いし、電極面４１側から電極面４２に向けて徐々に軟らかくなる構造を有していても良い。
　以上説明した第６実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、アノード電極４０の電極面４２を電極面４１よりも軟らかくした構造を備える。この第６実施形態の構造によれば、アノード電極４０において電極面４１よりも電極面４２が比較的に大きく変形して、電解質膜３０の変形が緩和されることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
Ｇ．第７実施形態：
　図１０は、第７実施形態におけるＭＥＡ２０の断面構成を示す説明図である。第７実施形態の燃料電池１０は、ＭＥＡ２０の構成が異なる点を除き、第１実施形態と同様である。なお、第７実施形態において、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい方が好ましいが、同じでも良いし、大きくても良い。
　第７実施形態のＭＥＡ２０では、アノード電極４０を電解質膜３０へと押圧する押圧部材である板状部材６３０に合わせた形状で、アノード電極４０の電極面４２を掘り下げた掘り下げ部４９が、アノード電極４０に予め成形されている。すなわち、第７実施形態では、ＭＥＡ２０をアノードセパレータ６１０とカソードセパレータ６２０との間に挟持する前に、ＭＥＡ２０には掘り下げ部４９が形成されている。本実施形態では、アノード電極４０の電極面４２を切削することによって掘り下げ部４９が形成されている。
　以上説明した第７実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、押圧部材である板状部材６３０に合わせた形状で電極面４２を掘り下げた掘り下げ部４９をアノード電極４０に予め成形した構造を備える。この第７実施形態の構造によれば、板状部材６３０によるアノード電極４０を介した電解質膜３０の変形が緩和されることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
Ｈ．第８実施形態：
　図１１は、第８実施形態における燃料電池１０の断面構成を示す説明図である。第８実施形態の燃料電池１０は、アノード電極４０の剛性よりもカソード電極５０の剛性を小さくした点を除き、第１実施形態と同様である。なお、第８実施形態において、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい方が好ましいが、同じでも良いし、大きくても良い。
　第８実施形態では、アノード拡散層４３０の剛性率Ｇａよりもカソード拡散層５３０の剛性率Ｇｃを小さくすることによって、アノード電極４０の剛性よりもカソード電極５０の剛性を小さくしている。アノード拡散層４３０およびカソード拡散層５３０の剛性率は、構成材料の種類、密度などを変更することによって変化させることができる。第８実施形態では、アノード電極４０の剛性よりもカソード電極５０の剛性が小さいため、図１１に示すように、アノード電極４０よりもカソード電極５０が大きく積層方向Ｄｓに圧縮される。
　以上説明した第８実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、アノード拡散層４３０の剛性率Ｇａよりもカソード拡散層５３０の剛性率Ｇｃを小さくした構造を備える。この第８実施形態の構造によれば、アノード電極４０よりもカソード電極５０が大きく変形して電解質膜３０の変形が緩和されることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
Ｉ．第９実施形態：
　図１２は、第９実施形態における燃料電池１０の断面構成を示す説明図である。第９実施形態の燃料電池１０は、アノード電極４０の剛性をカソード電極５０の剛性よりも小さくした点を除き、第１実施形態と同様である。なお、第９実施形態において、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい方が好ましいが、同じでも良いし、大きくても良い。
　第９実施形態では、アノード拡散層４３０の剛性率Ｇａをカソード拡散層５３０の剛性率Ｇｃよりも小さくすることによって、アノード電極４０の剛性をカソード電極５０の剛性よりも小さくしている。アノード拡散層４３０およびカソード拡散層５３０の剛性率は、構成材料の種類、密度などを変更することによって変化させることができる。第９実施形態では、アノード電極４０の剛性がカソード電極５０の剛性よりも小さいため、図１２に示すように、アノード電極４０がカソード電極５０よりも大きく積層方向Ｄｓに圧縮される。
　以上説明した第９実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、アノード拡散層４３０の剛性率Ｇａをカソード拡散層５３０の剛性率Ｇｃよりも小さくした構造を備える。この第９実施形態の構造によれば、アノード電極４０がカソード電極５０よりも大きく変形して電解質膜３０の変形が緩和されることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
Ｊ．他の実施形態：
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
　例えば、上述した実施形態では、アノード電極４０よりもカソード電極５０の方が小さい燃料電池について説明したが、他の実施形態において、アノード電極４０の方がカソード電極５０よりも小さい燃料電池に本発明を適用しても良い。
　また、カソード電極５０の周縁面５８が、電解質膜３０の周縁面３８およびアノード電極４０の周縁面４８よりも、面方向Ｄｐに沿った内側に配置されている部位の全域に、上述した実施形態の応力抑制構造を設ける必要はなく、少なくとも一部の領域に、各実施形態の応力抑制構造を設けても良い。
　また、上述した実施形態における２種類以上の応力抑制構造を適宜組み合わせても良い。
　　１０…燃料電池
　　１５…セル
　　２０…ＭＥＡ
　　３０…電解質膜
　　３１…アノード面
　　３２…カソード面
　　３５…変形部
　　３８…周縁面
　　４０…アノード電極
　　４１…電極面
　　４２…電極面
　　４８…周縁面
　　４９…掘り下げ部
　　５０…カソード電極
　　５１…電極面
　　５２…電極面
　　５８…周縁面
　　４１０…アノード触媒層
　　４３０…アノード拡散層
　　５１０…カソード触媒層
　　５３０…カソード拡散層
　　６１０…アノードセパレータ
　　６２０…カソードセパレータ
　　６３０…板状部材
　　６４０…弾性部材
　　６４８…端面
　　６５０…ガス流路部材

Claims (11)

  1. 　燃料電池であって、
    　電解質膜と、
    　前記電解質膜の一方の面に接合された第１電極と、
    　前記電解質膜における前記一方の面とは異なる他方の面に接合された第２電極と
    　を備え、
    　前記第１電極の周縁の少なくとも一部である第１周縁部は、前記電解質膜および前記第２電極の各周縁よりも、前記第１電極の面方向に沿った内側に配置されており、
    　更に、前記電解質膜における前記第１周縁部に沿った部位への応力集中を抑制する応力抑制構造を備える燃料電池。
  2. 　請求項１に記載の燃料電池であって、
    　前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記電解質膜の前記第１電極側、かつ前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った外側に、前記電解質膜よりも横弾性係数が小さい弾性部材を圧接した構造である、燃料電池。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
    　前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記電解質膜と前記第２電極との間の接合強度を、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った内側よりも、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った外側で小さくした構造である、燃料電池。
  4. 　請求項３に記載の燃料電池であって、
    　前記電解質膜と前記第２電極との間は、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った内側において相互に接合されていると共に、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った外側において相互に非接合である、燃料電池。
  5. 　請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
    　前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１電極の前記第１周縁部が磁性を有すると共に、前記第１周縁部との間に斥力を発生させる磁性体を、前記第２電極における前記電解質膜に接合される側に対する反対側に配置した構造である、燃料電池。
  6. 　請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
    　前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１電極の前記第１周縁部が磁性を有すると共に、前記第１周縁部との間に引力を発生させる磁性体を、前記第１電極における前記電解質膜に接合される側に対する反対側に配置した構造である、燃料電池。
  7. 　請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
    　前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１周縁部の形状に合わせて、前記電解質膜および前記第２電極を前記第１電極側へと予め折り曲げた構造である、燃料電池。
  8. 　請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
    　前記第２電極は、
    　　前記電解質膜に対して接合される側の面である一方の電極面と、
    　　前記一方の電極面に対する反対側の面である他方の電極面と
    　を有し、
    　前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記一方の電極面よりも前記他方の電極面の方を軟らかくした構造である、燃料電池。
  9. 　請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
    　前記第２電極は、
    　　前記電解質膜に対して接合される側の面である一方の電極面と、
    　　前記一方の電極面に対する反対側の面である他方の電極面と
    　を有し、
    　前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第２電極を前記電解質膜へと押圧する押圧部材に合わせた形状で、前記他方の電極面の一部を掘り下げた掘り下げ部を、前記第２電極に予め成形した構造である、燃料電池。
  10. 　請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
    　前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１電極の剛性を前記第２電極の剛性よりも小さくした構造である、燃料電池。
  11. 　請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
    　前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第２電極の剛性を前記第１電極の剛性よりも小さくした構造である、燃料電池。
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