JP2008171615A - シール一体型膜電極接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】カソード電極側に設けられるガス流路の圧力損失を、アノード電極側に設けられるガス流路の圧力損失より小さくできる技術を提供する。
【解決手段】シール一体型膜電極接合体２０は、膜電極接合体ＭＥＡの厚み方向の中心Ｃｍがシールガスケット２２の厚み方向の中心Ｃｓよりアノード電極側に距離Ｘだけオフセットされている。このようにすることによって、アノード電極層２４ａに接するように配置されたアノードガス流路体２５ａの厚みより、カソード電極層２４ｃに接するように配置されたカソードガス流路体２５ｃの厚みを厚くすることができる。即ち、オフセット値Ｘに応じてカソード電極側のガス流路の圧力損失を低減することができる。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は通常、膜電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）のアノード電極及びカソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガス（反応ガス）が供給されてその電気化学反応（燃料電池反応）によって発電する。膜電極接合体は、セパレータによって挟持され、セパレータ及びセパレータと各電極との間には反応ガスを供給するためのガス流路が設けられる。これまで、そうしたガス流路を有する燃料電池に関する種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。

特開２００６−２１６４９２ 特開２０００−１３３２９０ 特開２００６−１６４７６４ 特開２００５−１９７１５０

ところで、一般に、燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスとはそれぞれ、供給量や圧力などが異なる。例えば、燃料ガスとして水素を供給し、酸化ガスとして空気を供給する燃料電池においては、一般に空気中の酸素濃度が約２割程度であるため、水素と酸素との反応量を考慮すると、空気の供給量を水素より多くすることが望ましい。従って、燃料電池の発電効率を向上するためには、カソード電極側に設けられるガス流路（カソードガス流路）の圧力損失を、アノード電極側に設けられるガス流路（アノードガス流路）の圧力損失より小さくできる構成を採用することが好ましい。しかし、これまでこうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。

本発明は、カソード電極側に設けられるガス流路の圧力損失を、アノード電極側に設けられるガス流路の圧力損失より小さくできる技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、外周縁にシールガスケットが成形された膜電極接合体であって、前記膜電極接合体が外部からの力を受けていない状態において、前記膜電極接合体の発電部位における厚み方向の第１の中心が、前記シールガスケットにおける厚み方向の第２の中心から前記膜電極接合体のアノード電極側にオフセットされていることを特徴とする。

この構成によれば、膜電極接合体の厚み方向の中心がオフセットされた分だけ、アノード電極側に設けられるガス流路の断面積が減少され、カソード電極側に設けられるガス流路の断面積を増加させることができる。従って、そのオフセット量に応じて変化したガス流路の断面積に応じて圧力損失を調整することができる。

前記膜電極接合体が燃料電池に使用されている状態においても、前記第１の中心が、前記第２の中心から前記膜電極接合体のアノード電極側にオフセットされているものとしても良い。

前記シールガスケットのアノード電極側の第１の面とカソード電極側の第２の面には流体をシールするための第１と第２のシールラインがそれぞれ形成されており、前記第１と第２のシールラインは、前記第２の中心を挟んで対向する位置に設けられているものとしても良い。

この構成によれば、シールラインが押圧されたときに、当該シールラインは、第２の中心を挟んで対向する位置に設けられたシールラインによって支持されるため、シールラインのシール性を向上することができる。

前記第１と第２のシールラインは前記シールガスケットが突起した第１と第２のリップ部によって形成されており、前記第１のリップ部と前記第２のリップ部とは高さが同じであるものとしても良い。

この構成によれば、膜電極接合体の厚み方向の中心がオフセットされた構成であっても、リップ部が受ける圧力がアノード電極側とカソード電極側とで偏ることを防止でき、さらにシール性を向上することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明は、上記膜電極接合体がセパレータによって挟持された燃料電池であって、前記膜電極接合体のアノード電極及びカソード電極と前記セパレータとの間にはガス流路を形成するための第１と第２のガス流路体がそれぞれ配置され、前記アノード電極側に配置された前記第１のガス流路体の厚みが、前記カソード電極側に配置された前記第２のガス流路体の厚みより薄いものとしても良い。

この構成によれば、燃料電池のカソード電極側のガス流路の圧力損失がアノード電極側のガス流路の圧力損失より小さくすることができる。従って、燃料電池の発電効率を向上することができる。

前記ガス流路体は多孔体であるものとしても良い。

前記第１と第２のガス流路体は、山部と谷部が交互に第１の方向に連続する複波板部を、前記山部と谷部の振幅方向と前記第１の方向とに交差する第２の方向に向かって複数連結した構成であるとともに、前記複数の波板部のうちの互いに隣接する２枚の波板部の間を、一方側の波板部の谷部が他方側の波板部の山部と連なるように連結して、当該谷部と山部との連結面によって段上の網目を形成した構成であり、前記複数の波板部のそれぞれは、該波板部の面方向を、前記膜電極接合体の電極面に対して所定の角度で傾斜させた構成であるものとしても良い。

この構成によれば、反応ガスは、ガス流路形成部材の複数の波板部により形成される流路を通って、電極の面に供給される。特に、複数の波板部のそれぞれが、面方向を、電極の面に対して所定の角度で傾斜させた構成となっていることから、反応ガスは、波板部の面に沿って、電極の面直方向の成分を少なくとも含む方向へ流れる。また、一方側の波板部の谷部と他方側の波板部の山部とから構成される連結面によって、流路形成部材の網目（貫通孔）が形成されていることから、電極の面直方向へのガスの流通性をより高めることができる。一方、波板部は、山部と谷部が交互に連続した構成であることから、反応ガスは谷部側にも逃れ、電極の面方向のガスの流れを損ねるようなこともない。したがって、電極の面方向に加え、電極の面直方向へも反応ガスを十分に送ることができることから、反応ガスの拡散効率を十分に高めることができる。

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、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

Ａ．第１実施例：
図１（Ａ）は、本発明の一実施例として燃料電池スタックの構成を示す概略図である。この燃料電池スタック１０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて、その電気化学反応（燃料電池反応）によって発電する固体高分子型燃料電池である。具体的には、燃料ガスとして水素が供給され、酸化ガスとして酸素を含有する高圧空気が供給される。なお、燃料電池スタックとしては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。

燃料電池スタック１０は、複数のシール一体型膜電極接合体２０（後述）がセパレータＳＰ（後述）によって挟持された状態で積層された積層体１１を備えている。積層体１１は、締結部材１３によって荷重を受けて、２枚のエンドプレート１２に挟持されている。

図１（Ｂ）は、１つのシール一体型膜電極接合体２０と、それを挟持する２つのセパレータＳＰを示す概略図である。このセパレータＳＰは、アノードプレートＳＰａ及びカソードプレートＳＰｃを備え、また、それらに挟持された中間プレートＳＰｉを備える３層式セパレータである。アノードプレートＳＰａは、シール一体型膜電極接合体２０のアノード電極層側に接し、カソードプレートＳＰｃは、シール一体型膜電極接合体２０のカソード電極層側に接している。セパレータＳＰは、カーボンや金属などの導電性部材によって構成することができる。

図２は、シール一体型膜電極接合体２０のアノード電極側の面を示す概略図である。なお、シール一体型膜電極接合体２０のカソード電極側は、アノード電極側と同様の構成であるため図示は省略する。

このシール一体型膜電極接合体２０は、燃料電池反応が行われる発電部２１と、その外周縁に設けられたシールガスケット２２とを有する略長方形の部材である。シールガスケット２２には、水素、空気、冷媒などの供給及び排出を行うための貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。具体的には以下の構成となる。

マニホールド孔Ｍ１は水素の供給を担い、マニホールド孔Ｍ２は反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスの排出を担う。マニホールド孔Ｍ３は空気の供給を担い、マニホールド孔Ｍ４は反応に供されることのなかった酸素や、反応によって生成した水分などを含むカソード排ガスの排出を担う。マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６はそれぞれ、発電によって生じた燃料電池スタック１０の熱を冷却するための冷媒（水）の供給、排出を担う。

水素供給用マニホールド孔Ｍ１及び冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５は、水素排出用マニホールド孔Ｍ２及び冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６と、発電部２１を挟んで対向する位置に、シール一体型膜電極接合体２０の長辺に沿って設けられている。また、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３は、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４と発電部２１を挟んで対向する位置に、シール一体型膜電極接合体２０の短辺に沿って略長辺形として、それぞれ１個ずつ設けられている。なお、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は、他の構成・配置であっても良い。

シール一体型膜電極接合体２０がセパレータＳＰによって挟持された状態では、シールガスケット２２がセパレータＳＰの各プレートＳＰａ、ＳＰｃに接する。シールガスケット２２のセパレータＳＰとの接触面には後述するリップ（突起部）によってシールラインＳＬ（二条線によって図示）が形成されている。シールラインＳＬは、個々のマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６と発電部２１とをそれぞれ囲むように形成されており、シールラインＳＬが囲む領域外への流体の漏洩を防止する。なお、シールガスケット２２はシリコンゴムなどの絶縁性シール部材で構成することができる。

図３（Ａ）は、図２の３−３切断におけるシール一体型膜電極接合体の断面を示す断面図である。発電部２１には、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜２３が含まれる。電解質膜２３は、アノード電極層２４ａとカソード電極層２４ｃとで挟持されて膜電極接合体ＭＥＡを構成する。

２つの電極層２４ａ、２４ｃはカーボンペーパーなどで構成することができ、供給された反応ガスを電解質膜２３の全体に行き渡らせるガス拡散層の役割を担う。また、２つの電極層２４ａ、２４ｃの電解質膜２３と接する面には、それぞれ燃料電池反応を促進するための触媒が担持された触媒層（図示せず）が設けられている。触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）を採用することができる。

ここで、電解質膜２３の外周縁を膜端部２３ｅと呼び、２つの電極層２４ａ、２４ｃの外周縁を電極層端部２４ｅと呼ぶ。膜端部２３ｅは、電極層端部２４ｅから突出するように設けられており、シールガスケット２２は、この膜端部２３ｅと電極層端部２４ｅとを被覆するように成形されている。この構成によって、膜電極接合体ＭＥＡがシールガスケット２２に保持されるとともに、電極層端部２４ｅの付近においてクロスリークの発生が抑制される。ここで、「クロスリーク」とは、燃料電池の発電の際に水素が反応に供されることなくカソード側に移動してしまう現象をいう。

シールガスケット２２の両面には、突起部であるリップ２６が設けられている。このリップ２６によって、上述したようにシールラインＳＬ（図２）が形成される。リップ２６は、その頂点である頂部２６ｔがセパレータＳＰに押圧される。リップ２６はアノード電極側とカソード電極側のそれぞれの面に、シールガスケット２２の厚み方向の中心Ｃｓを挟んで対称に設けられている。ここで、「シールガスケット２２の厚み方向の中心Ｃｓ」とは、アノード電極側のリップの頂部２６ｔからカソード電極側のリップの頂部２６ｔまでの距離の中心のことである。

このシールガスケット２２は、図に示すように、膜電極接合体ＭＥＡの厚み方向の中心Ｃｍが、シールガスケット２２の厚み方向の中心Ｃｓからアノード電極側に距離Ｘだけオフセットされるように成形されている。ここで、「膜電極接合体ＭＥＡの厚み方向の中心Ｃｍ」とは、アノード電極層２４ａの電解質膜２３と接しない外面から、カソード電極層２４ｃの電解質膜２３と接しない外面までの距離の中心のことである。なお、このときのシールガスケット２２の厚み方向の中心Ｃｓは、シールガスケット２２が、外部からの力を受けていない状態、即ち、リップ２６が圧縮されるなど変形していない状態における厚み方向の中心である。以後、上記距離Ｘをオフセット値Ｘと呼ぶ。オフセット値Ｘは、０より大きい値であればよく、例えば、単位時間あたりに供給される水素量と酸素量の比によって決められるものとしても良い。

図３（Ｂ）は、シール一体型膜電極接合体２０がセパレータＳＰ（破線で図示）によって挟持された状態を模式的に示した図である。図３（Ｂ）は、リップ２６の頂部２６ｔがセパレータＳＰによって押圧されている点と、後述するガス流路体２５ａ、２５ｃが設けられている点以外は図３（Ａ）とほぼ同じである。

アノードガス流路体２５ａ及びカソードガス流路体２５ｃは、２つの電極層２４ａ、２４ｃとセパレータＳＰとの間にそれぞれ配置されている。２つのガス流路体２５ａ、２５ｃは、２つの電極層２４ａ、２４ｃの全体に反応ガスを行き渡らせるためのガス流路の機能を有する。また、２つの電極層２４ａ、２４ｃとセパレータＳＰとに接することによって、発電した電気をセパレータＳＰへ導く導電機能を有する。ガス流路体２５ａ、２５ｃは、カーボンや、焼結金属などの導電性を有する多孔体で構成することができる。

図に示すように、シール一体型膜電極接合体２０は、セパレータＳＰに挟持された状態、即ち、燃料電池において使用されるときと同様な状態においても、膜電極接合体ＭＥＡの厚み方向の中心Ｃｍがシールガスケット２２の厚み方向の中心Ｃｓからアノード電極側にオフセットされていることが好ましい。このようにすれば、アノードガス流路体２５ａの厚みＧｔａは、オフセットされた分だけカソードガス流路体２５ｃの厚みＧｔｃより薄くすることが可能である（Ｇｔａ＜Ｇｔｃ）。即ち、カソード電極側に設けられるガス流路の圧力損失を、アノード電極側に設けられるガス流路の圧力損失より小さくすることができる。

図４は、セパレータＳＰを構成するアノードプレートＳＰａの構成を示す概略図である。なお、図には、燃料電池スタック１０を構成した際に、シール一体型膜電極接合体２０の発電部２１と重なる領域である発電部領域２１ａと、シールガスケット２２のシールラインＳＬと接する部位であるシール領域Ｓａとを破線で示してある。

アノードプレートＳＰａには、シール一体型膜電極接合体２０と同様に貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。また、水素供給用マニホールド孔Ｍ１の近傍には水素流入孔Ｐ１が設けられおり、水素排出用マニホールド孔Ｍ２の近傍には、水素流出孔Ｐ２が設けられている。水素流入孔Ｐ１及び水素流出孔Ｐ２は、発電部領域２１ａ内において、発電部領域２１ａの短辺方向に沿って設けられた長辺形の貫通孔である。水素流入孔Ｐ１及び水素流出孔Ｐ２を介して、シール一体型膜電極接合体２０のアノード電極側への水素の供給・排出が行われる。具体的な水素の流れについては後述する。なお、アノードプレートＳＰａとしては、他の構成を有していても良い。

図５は、カソードプレートＳＰｃの構成を示す概略図である。図５は、水素流入孔Ｐ１及び水素流出孔Ｐ２に替えて、酸素流入孔Ｐ３及び酸素流出孔Ｐ４が設けられている点以外は、図４のアノードプレートＳＰａと同じである。

酸素流入孔Ｐ３及び酸素流出孔Ｐ４はそれぞれ、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３及び酸素排出用マニホールド孔Ｍ４と並列に設けられた長辺形の貫通孔であり、それぞれ１つずつ設けられている。酸素流入孔Ｐ３及び酸素流出孔Ｐ４は、発電部領域２１ａ内に設けられており、酸素流入孔Ｐ３及び酸素流出孔Ｐ４を介して、シール一体型膜電極接合体２０のカソード電極側への空気の供給・排出が行われる。具体的な空気の流れについては後述する。なお、カソードプレートＳＰｃとしては、他の構成を有していても良い。

図６は、中間プレートＳＰｉの構成を示す概略図である。図６には、図４及び図５と同様に発電部領域２１ａが破線で示してある。また、セパレータＳＰを構成した際に、アノードプレートＳＰａの水素流入孔Ｐ１及び水素流出孔Ｐ２と重なる連通領域Ｐ１ａ、Ｐ２ａと、カソードプレートＳＰｃの酸素流入孔Ｐ３及び酸素流出孔Ｐ４と重なる連通領域Ｐ３ａ、Ｐ４ａとを破線で示してある。

中間プレートＳＰｉには、他のプレートＳＰａ、ＳＰｃと同様に水素用マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ２及び酸素用マニホールド孔Ｍ３〜Ｍ４が設けられている。中間プレートＳＰｉには、２つのアノード流路ＡＰ１、ＡＰ２が貫通して設けられている。第１のアノード流路ＡＰ１は、水素供給用マニホールド孔Ｍ１と連通しており、連通領域Ｐ１ａとほぼ重なるように設けられている。第２のアノード流路ＡＰ２は、水素排出用マニホールド孔Ｍ２と連通しており、連通領域Ｐ２ａとほぼ重なるように設けられている。

また、中間プレートＳＰｉには、櫛歯状のスリットである２組のカソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２が貫通して設けられている。第１のカソード流路列ＣＰ１は、一端が酸素供給用マニホールド孔Ｍ３と連通しており、他端が連通領域Ｐ３ａと重なるように設けられている。第２のカソード流路列ＣＰ２は、一端が酸素排出用マニホールド孔Ｍ４と連通しており、他端が連通領域Ｐ４ａと重なるように設けられている。具体的な水素及び空気の流れについては後述する。

さらに、中間プレートＳＰｉには、複数の冷媒流路ＷＰが貫通して設けられている。冷媒流路ＷＰは、中間プレートＳＰｉが他のプレートＳＰａ、ＳＰｃに挟持されたときに、２つのプレートＳＰａ、ＳＰｃに設けられた冷媒用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６と連通するように設けられている。従って、燃料電池スタック１０の外部からマニホールド孔Ｍ５へ冷媒が供給されると、冷媒の一部が分岐して、図６の矢印が示すように、冷媒流路ＷＰを通過し、発電によって生じた熱を伴って冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６へと至る。なお、冷媒流路ＷＰは、冷媒が発電部領域２１ａの全体を冷却できるように設けられていることが好ましい。

次に、図７（Ａ）〜（Ｃ）を用いて、燃料電池スタック１０内における水素及び空気の流れを説明する。図７（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、燃料電池スタック１０として組み付けられた際のセパレータＳＰに挟持された任意のシール一体型膜電極接合体２０における一部位の断面図を示している。具体的には以下の通りである。

図７（Ａ）、（Ｂ）は、図６に示した７Ａ−７Ａ切断及び７Ｂ−７Ｂ切断にあたる部位における断面図であり、水素の流路を示している。燃料電池スタック１０の外部からマニホールド孔Ｍ１へ供給された水素の一部は、図７（Ａ）の矢印に示すように、中間プレートＳＰｉに設けられた第１のアノード流路ＡＰ１へと流入する。その後、アノードプレートＳＰａに設けられた水素流入孔Ｐ１を介してアノードガス流路体２５ａへと至る。一方、アノード排ガスは、図７（Ｂ）の矢印に示すように、水素流出孔Ｐ２から第２のアノード流路ＡＰ２を経て水素排出用マニホールド孔Ｍ２へと至り、燃料電池スタック１０の外部へ排出される。

図７（Ｃ）は、図６に示した７Ｃ−７Ｃ切断にあたる部位における断面図であり、空気の流路を示している。燃料電池スタック１０の外部からマニホールド孔Ｍ３へ供給された空気の一部は、図７（Ｃ）の矢印に示すように、中間プレートＳＰｉに設けられた第１のカソード流路列ＣＰ１へと流入する。その後、カソードプレートＳＰｃに設けられた酸素流入孔Ｐ３を介してカソードガス流路体２５ｃへと至る。一方、カソード排ガスは、酸素流出孔Ｐ４から第２のカソード流路列ＣＰ２を経て酸素排出用マニホールド孔Ｍ４へと至り、燃料電池スタック１０の外部へ排出される。

上述した経路によりガス流路体２５ａ、２５ｃには反応ガスが供給されるるとともに、排ガスが外部へと誘導される。なお、本明細書中において、セパレータＳＰに設けられたアノード流路ＡＰ１、ＡＰ２及びアノードガス流路体２５ａを含む水素の経路を「アノードガス流路」と呼ぶ。また、セパレータＳＰに設けられたカソード流路列ＣＰ１、ＣＰ２及びカソードガス流路体２５ｃを含む空気の経路を「カソードガス流路」と呼ぶ。

ところで、水素の拡散係数は空気に含まれる酸素の拡散係数より大きい。従って、上述したようにアノードガス流路体２５ａの厚みが薄くとも、アノードガス流路体２５ａ内において水素は十分に拡散できるため、アノード電極層２４ａの全体に水素を行き渡らせることができる。一方、カソードガス流路体２５ｃにおいては、その厚みによってカソードガス流路体２５ｃ内において酸素が十分に拡散できる流路が確保され、カソード電極層２４ｃの全体に酸素を行き渡らせることができる。

また、図３で説明したように、カソードガス流路体２５ｃの厚みが増している分、カソードガス流路の圧力損失は、アノードガス流路の圧力損失より低減される。すると、カソード電極層２４ｃへの酸素の供給量を増加させることができる。また、空気の圧力によって燃料電池反応によってカソード電極側に発生する水分を排水している場合には、その排水性を向上させることができる。従って、燃料電池スタック１０の発電効率が向上する。なお、カソードガス流路体２５ｃの厚みを増していても、その分アノードガス流路体２５ａの厚みが薄くなっているため、燃料電池スタック１０として組み付けたときに、カソードガス流路体２５ｃの厚みの増加によって、燃料電池スタック１０の体積が増加することはない。また、次のような効果も得られる。

図８（Ａ）は、比較例としてのシール一体型膜電極接合体２０Ａの構成を示す断面図である。図８（Ａ）は、膜電極接合体ＭＥＡの中心Ｃｍがシールガスケット２２の中心Ｃｓからオフセットされていない点以外は、図３（Ａ）に示すシール一体型膜電極接合体２０と同じである。また、図８（Ｂ）は、このシール一体型膜電極接合体２０Ａに、図３（Ｂ）で説明したものと同じ厚みのガス流路体２５ａ、２５ｃを発電部２１に配置して、セパレータＳＰによって挟持した状態を示している。

このような構成であっても、ガス流路体２５ａ、２５ｃの厚みの違いにより、上述したような効果を期待できる。しかし、図８（Ｂ）の破線領域Ｄに示すように、膜電極接合体ＭＥＡの端部において歪みが生じ、電解質膜２３や電極層２４ａ、２４ｃの劣化につながる。また、カソードガス流路体２５ｃに対しても余分な応力が発生して好ましくない。

このように、本実施例のシール一体型膜電極接合体２０によれば、膜電極接合体ＭＥＡの厚み方向の中心とシールガスケット２２の厚み方向の中心とのオフセット値Ｘを調整することにより、アノードガス流路とカソードガス流路の圧力損失を調整することができる。従って、燃料電池における流体の供給及び排出を効率よく行うことができるようになり、燃料電池の発電効率を向上することができる。

Ｂ．第２実施例：
図９（Ａ）は、本発明の第２実施例としてのシール一体型膜電極接合体の構成を示す断面図である。図９（Ａ）は、シールガスケット２２Ｂの形状が異なる点以外は図３（Ａ）とほぼ同じである。また、図９（Ｂ）は、シール一体型膜電極接合体２０ＢがセパレータＳＰによって挟持された状態を模式的に示す説明図である。図９（Ｂ）は、シール一体型膜電極接合体２０がシール一体型膜電極接合体２０Ｂに置換されている点以外は、図３（Ｂ）と同じである。なお、セパレータＳＰ及び燃料電池スタック１０の構成は、第１実施例と同様である。

図９（Ａ）からも理解できるように、このシール一体型膜電極接合体２０Ｂのカソード電極側に設けられたリップ２６ｃは、アノード電極側に設けられたリップ２６ａより高く突起している。これによって、このシール一体型膜電極接合体２０Ｂは、第１実施例のシール一体型膜電極接合体２０Ａと同様に、膜電極接合体ＭＥＡの厚み方向の中心Ｃｍが、シールガスケット２２Ｂの厚み方向の中心Ｃｓよりアノード電極側にオフセットされた状態となっている。

即ち、本実施例の構成によっても、第１実施例と同様に、カソードガス流路体２５ｃの厚みをアノードガス流路体２５ａより厚くすることができる。従って、第１実施例と同様に、燃料電池の発電効率を向上することができる。

ただし、リップ２６ａ、２６ｃは、セパレータＳＰによって押圧されたときに、リップ２６ａ、２６ｃのぞれぞれの圧縮率が等しくなるように、その形状が設計されていることが好ましい。そのように構成することによって、リップ２６ａ、２６ｃの受ける圧力がいずれか一方に偏ることを防ぎ、リップ２６ａ、２６ｃの劣化を抑制することができる。

Ｃ．第３実施例：
図１０（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第３実施例としてのシール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図である。図１０（Ａ）は、シール一体型膜電極接合体２０Ｃのアノード電極側を示している。このシール一体型膜電極接合体２０Ｃは、アノード電極側のシールラインＳＬａが、水素用マニホールド孔Ｍ１、Ｍ２と発電部２１とを一つの領域として囲むように形成されている点以外は第１実施例のシール一体型膜電極接合体２０（図２）と同様である。

図１０（Ｂ）は、シール一体型膜電極接合体２０Ｃのカソード電極側を示している。カソード電極側のシールラインＳＬｃは、酸素用マニホールド孔Ｍ３、Ｍ４と発電部２１とを一つの領域として囲むように形成されている、シール一体型膜電極接合体２０Ｃのカソード電極側のその他の点は、アノード電極側と同様である。

図１１は、図１０（Ａ）に示した１１−１１切断におけるシール一体型膜電極接合体２０Ｃの断面図である。図１１は、アノード電極側において発電部２１とマニホールド孔Ｍ１との間にリップ２６が設けられていない点以外は、図３（Ａ）と同じである。

図１０（Ａ）、（Ｂ）及び図１１からも理解できるように、このシール一体型膜電極接合体２０Ｃでは、アノード電極側とカソード電極側のシールラインＳＬａ、ＳＬｃは、シールガスケット２２Ｃの厚み方向の中心Ｃｓを挟んで対称には設けられていない。このような構成であっても、第１実施例と同様に、厚みの異なるカソードガス流路体２５ｃ及びアノードガス流路体２５ａ（図３（Ｂ））を発電部２１に配置することができる。従って、第１実施例と同様に、燃料電池内の流体の供給・排出の効率が良くなり、燃料電池の発電効率が向上する。

なお、このような構成とすることによって、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示す矢印のように、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ４と発電部２１との間を流体が流れる。即ち、このシール一体型膜電極接合体２０Ｃの構成によれば、第１実施例のようにセパレータＳＰの中間プレートＳＰｉに設けられた流路ＡＰ１、ＡＰ２、ＣＰ１、ＣＰ２を介することなくガスを供給・排出できる。従って、第１実施例のセパレータＳＰのような３層式セパレータ以外のセパレータを採用することも可能である。

Ｄ．第４実施例：
第１実施例ないし第３実施例において用いられたガス流路体２５ａ、２５ｃは、後述するガス流路形成部材によって構成することもできる。

図１２は本実施例におけるガス流路形成部材３０を示す斜視図であり、図１３はガス流路形成部材３０の平面図であり、図１４はガス流路形成部材３０の正面図であり、図１５はガス流路形成部材３０を図４のＢ−Ｂ断面で切断した断面図である。これらの図に示すように、ガス流路形成部材３０は、山部３２ａと谷部３２ｂが交互に連続する波板部３２を基本構造としており、この波板部３２を複数、連結した構成である。複数の波板部３２は、同一の形状であり、横幅Ｗも同一のサイズである。なお、山部３２ａ、谷部３２ｂは、開口部が上辺（底辺）よりも開いた、すなわち、側辺が垂直方向に対して傾斜した形状となっている。

図１２中の破線は、隣接する２つの波板部３２の間を区分けするために便宜的に付けたものである。図１２ないし図１４において、波板部３２は、連結数が６つであるものとして例示している。

複数の波板部３２の連結は、詳細には次のようなものである。山部３２ａと谷部３２ｂの振幅の方向をｘ軸方向、山部３２ａと谷部３２ｂが連続する方向をｙ軸方向（ｘ軸方向に対して垂直方向）とすると、複数の波板部３２は、ｘ軸方向、ｙ軸方向の双方に垂直なｚ軸方向に向かって順に連結される。この連結は、互いに隣接する２つの波板部３２、３２の間が、図３に示すように、一方側の波板部３２の谷部３２ｂが他方側の波板部３２の山部３２ａと連なるようにしたものである。詳細には、上記他方側の波板部３２を、上記一方側の波板部３２に対して表裏を反転させたものとして、谷部３２ｂを山部３２ａに、山部３２ａを谷部３２ｂにそれぞれ変換した上で、その山部３２ａを、上記一方側の波板部３２の谷部３２ｂに連なるようにする。

上記連結の結果、図１４に示すように、正面方向から見たとき、互いに隣接する２つの波板部３２、３２は、ｙ軸方向に山部３２ａと谷部３２ｂの周期Ｔの２分の１分だけずれ、ｘ軸方向に山部３２ａと谷部３２ｂの振幅Ｈだけずれた位置関係となる。上記谷部３２ｂと山部３２ａの連結部分は、一平面（以下、この平面を「連結面」と呼ぶ）Ｓを形成することから、図示からわかるように、一つの連結面Ｓ１と、次の谷部３２ｂと山部３２ａで形成された連結面Ｓ２との間に六角形の貫通孔Ｃが形成される。六角形の貫通孔Ｃは千鳥状に配列されることになり、正面方向から見たとき、いわゆるハニカム形状となる。なお、この実施例では、上記六角形は、各辺の長さが等しく、角も１２０度と一定な正六角形である。各辺の長さは０．２６［ｍｍ］である。波板部３２の横幅Ｗは０．３［ｍｍ］である。この実施例の変形例として、正六角形以外の六角形とすることもできる。

図１２ないし図１５の例示では、山部３２ａと谷部３２ｂの繰り返しの回数（以下、単に「山谷の周波数」と呼ぶ）は３であり、波板部３２の連結数は６つであることから、図３，５に示すように、六角形の貫通孔Ｃは、３＋２＋３＋２＋３の１３個だけ形成することができる。なお、ガス流路形成部材３０は、実際は、山谷の周波数は３５０程度であり、波板部３２の連結数は２５０程度であり、８７０００個程度の六角形の貫通孔Ｃを備える構成となっている。

以上のように構成されたガス流路形成部材３０は、上記実施例で説明したシール一体型膜電極接合体とセパレータＳＰとの間に配設されるが、その配設の態様について、次に説明する。

図１５に示すように、前述した構成のガス流路形成部材３０では、隣接する谷部３２ｂと山部３２ａで形成される複数の連結面Ｓは一方向に向かって並ぶ。この並びの方向は、複数の連結面Ｓの中心点を結んだ方向によって示され、図中ではＡＸ軸方向となっている。各波板部３２の横幅Ｗは同一サイズであることから、各連結面Ｓのｚ軸方向の一方側（図中において左側）の辺Ｌ１は、上記ＡＸ軸に平行な一平面（以下、上面と呼ぶ）ＵＳ上に乗る。また、連結面Ｓの他方側（図中において右側）の辺Ｌ２は、上記ＡＸ軸に平行な一平面（以下、下面と呼ぶ）ＤＳ上に乗る。すなわち、上面ＵＳと底面ＤＳとは平行となる。この上面ＵＳがシール一体型膜電極接合体のカソード側の表面と接し、底面ＤＳがセパレータＳＰの表面と接するように、ガス流路形成部材３０はシール一体型膜電極接合体のカソード側とセパレータＳＰとの間に配設されている。

換言すれば、ガス流路形成部材３０は、上面ＵＳおよび底面ＤＳの方向がシール一体型膜電極接合体のカソード側の表面（または、セパレータＳＰの表面）と平行となるようにして、シール一体型膜電極接合体のカソード側とセパレータＳＰとの間に配設（積層）されている。なお、上面ＵＳおよび底面ＤＳは、複数の連結面Ｓの並びの方向であるＡＸ軸方向に対して平行であることから、ガス流路形成部材３０は、複数の連結面Ｓの並びの方向であるＡＸ軸方向がシール一体型膜電極接合体のカソード側の表面（または、セパレータＳＰの表面）と平行となるようにして、シール一体型膜電極接合体のカソード側とセパレータＳＰとの間に配設されているとも言える。

なお、このガス流路形成部材３０の厚みは、上面ＵＳと底面ＤＳとの距離Ｔｅ（図１５）であり、カソード電極側に配設されるガス流路形成部材３０の厚みは、アノード電極側に配設されるガス流路形成部材３０の厚みより厚くなる。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｅ１．変形例１：
上記実施例において、電極層２４ａ、２４ｃとセパレータＳＰとの間にはガス流路体を配置していたが、ガス流路体を配置しない構成であるとしても良い。例えば、セパレータＳＰの電極層２４ａ、２４ｃと接する面にそれぞれガス流路溝が設けられることによってガス流路が形成されるものとしても良い。このような構成であっても、カソードガス流路の断面積がオフセット値Ｘの分だけ増加するため、カソードガス流路の圧力損失を低減できる。

Ｅ２．変形例２：
上記実施例において、アノードガス流路体２５ａ及びカソードガス流路体２５ｃの構成部材としては同じものを採用していたが、それぞれ異なる構成部材によって形成されるものとしても良い。例えば、カソードガス流路体２５ｃの構成部材としてアノードガス流路体２５ａの構成部材より気孔率の大きいものを採用するものとしても良い。このように、ガス流路体の厚みに加えて、その構成部材によってカソードガス流路の圧力損失を小さくするものとしても良い。

燃料電池スタックの構成を示す概略図である。 シール一体型膜電極接合体を示す概略図である。 シール一体型膜電極接合体の断面を示す断面図である。 セパレータを構成するアノードプレートを示す概略図である。 セパレータを構成するカソードプレートを示す概略図である。 セパレータを構成する中間プレートを示す概略図である。 水素及び空気の流れを説明するための説明図である。 比較例としてのシール一体型膜電極接合体を示す断面図である。 第２実施例におけるシール一体型膜電極接合体の断面を示す断面図である。 第３実施例におけるシール一体型膜電極接合体を示す概略図である。 第３実施例におけるシール一体型膜電極接合体の断面を示す断面図である。 第４実施例のガス流路形成部材の構成を示す斜視図である。 第４実施例のガス流路形成部材の構成を示す説明図である。 第４実施例のガス流路形成部材の構成を示す説明図である。 第４実施例のガス流路形成部材の構成を示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック
１１…積層体
１２…エンドプレート
１３…締結部材
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…シール一体型膜電極接合体
２１…発電部
２１ａ…発電部領域
２２、２２Ｂ、２２Ｃ…シールガスケット
２３…電解質膜
２３ｅ…膜端部
２４ａ…アノード電極層
２４ｃ…カソード電極層
２４ｅ…電極層端部
２５ａ…アノードガス流路体
２５ｃ…カソードガス流路体
２６、２６ａ、２６ｃ…リップ
２６ｔ…頂部
３０…ガス流路形成部材
３２…波板部
３２ａ…山部
３２ｂ…谷部
ＡＰ１、ＡＰ２…アノード流路
Ｃ…エキスパンドメタルの貫通孔
ＣＰ１、ＣＰ２…カソード流路列
Ｃｍ…膜電極接合体の厚み方向の中心
Ｃｓ…シールガスケットの厚み方向の中心
ＤＳ…仮想的無限平面
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド孔
ＭＥＡ…膜電極接合体
Ｐ１…水素流入孔
Ｐ２…水素流出孔
Ｐ３…酸素流入孔
Ｐ４…酸素流出孔
Ｐ１ａ〜Ｐ４ａ…連通領域
Ｓ、Ｓ１、Ｓ２…連結面
ＳＬ、ＳＬａ、ＳＬｃ…シールライン
Ｓａ…シール領域
ＳＰ…セパレータ
ＳＰａ…アノードプレート
ＳＰｃ…カソードプレート
ＳＰｉ…中間プレート
ＵＳ…上面
ＤＳ…底面
ＷＰ…冷媒流路

Claims (7)

1. 外周縁にシールガスケットが成形された膜電極接合体であって、
   前記膜電極接合体が外部からの力を受けていない状態において、前記膜電極接合体の発電部位における厚み方向の第１の中心が、前記シールガスケットにおける厚み方向の第２の中心から前記膜電極接合体のアノード電極側にオフセットされていることを特徴とする、膜電極接合体。
2. 請求項１に記載の膜電極接合体であって、
   前記膜電極接合体が燃料電池に使用されている状態においても、前記第１の中心が、前記第２の中心から前記膜電極接合体のアノード電極側にオフセットされている、膜電極接合体。
3. 請求項１または請求項２に記載の膜電極接合体であって、
   前記シールガスケットのアノード電極側の第１の面とカソード電極側の第２の面には流体をシールするための第１と第２のシールラインがそれぞれ形成されており、
   前記第１と第２のシールラインは、前記第２の中心を挟んで対向する位置に設けられている、膜電極接合体。
4. 請求項３に記載の膜電極接合体であって、
   前記第１と第２のシールラインは前記シールガスケットが突起した第１と第２のリップ部によって形成されており、
   前記第１のリップ部と前記第２のリップ部とは高さが同じである、膜電極接合体。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の膜電極接合体がセパレータによって挟持された燃料電池であって、
   前記膜電極接合体のアノード電極及びカソード電極と前記セパレータとの間にはガス流路を形成するための第１と第２のガス流路体がそれぞれ配置され、
   前記アノード電極側に配置された前記第１のガス流路体の厚みが、前記カソード電極側に配置された前記第２のガス流路体の厚みより薄い、燃料電池。
6. 請求項５に記載の燃料電池であって、
   前記第１と第２のガス流路体は多孔体である、燃料電池。
7. 請求項５に記載の燃料電池であって、
   前記第１と第２のガス流路体は、
   山部と谷部が交互に第１の方向に連続する複波板部を、前記山部と谷部の振幅方向と前記第１の方向とに交差する第２の方向に向かって複数連結した構成であるとともに、前記複数の波板部のうちの互いに隣接する２枚の波板部の間を、一方側の波板部の谷部が他方側の波板部の山部と連なるように連結して、当該谷部と山部との連結面によって段上の網目を形成した構成であり、
   前記複数の波板部のそれぞれは、
   該波板部の面方向を、前記膜電極接合体の電極面に対して所定の角度で傾斜させた構成である、燃料電池。

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