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公開番号2025118183
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-13
出願番号2024013336
出願日2024-01-31
発明の名称燃料電池用膜電極構造体および燃料電池システム
出願人本田技研工業株式会社
代理人個人,個人
主分類H01M 8/1004 20160101AFI20250805BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】ガスの湿度交換を良好に行うことができる耐久性の高い燃料電池用膜電極構造体を提供する。
【解決手段】燃料電池用膜電極構造体は、電解質膜とその両側のガス拡散電極層とを有する膜電極接合体と、膜電極接合体が配置される内縁部を有する枠部材と、を備える。枠部材は、互いに重なり合う略板状の第1および第2枠部材を有し、電解質膜は、ガス拡散電極層の外縁よりも外側である非発電領域に延設され、第1および第2枠部材は、それぞれ非発電領域における電解質膜を挟持する第1および第2挟持部を有し、第1および第2挟持部には、平面視で互いに異なる位置に第1および第2挟持部を貫通する第1および第2貫通孔がそれぞれ設けられる。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜の第１面に配置された第１ガス拡散電極層と、前記電解質膜の前記第１面の反対側の第２面に配置された第２ガス拡散電極層と、を積層して構成された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体が配置される開口を形成する内縁部を有する枠部材と、を備え、
前記枠部材は、それぞれ前記内縁部を有するとともに、互いに重なり合う略板状の第１枠部材と第２枠部材とを有し、
前記電解質膜は、前記第１ガス拡散電極層の外縁および前記第２ガス拡散電極層の外縁よりも外側である非発電領域に延設され、
前記第１枠部材および前記第２枠部材は、それぞれ前記非発電領域における前記電解質膜を挟持する第１挟持部および第２挟持部を有し、
前記第１挟持部および前記第２挟持部には、前記膜電極接合体の積層方向から視た平面視で、互いに異なる位置に前記第１挟持部を貫通する第１貫通孔および前記第２挟持部を貫通する第２貫通孔がそれぞれ設けられることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用膜電極構造体において、
前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は、前記第１挟持部および前記第２挟持部に前記平面視で互い違いに設けられることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池用膜電極構造体において、
前記枠部材には、反応ガスが流れる連通孔が設けられ、
前記非発電領域は、前記連通孔と、前記電解質膜と前記第１ガス拡散電極層と前記第２ガス拡散電極層とが積層された発電領域と、の間における、前記反応ガスが流れるガス流れ領域を含み、
前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は、前記ガス流れ領域に設けられることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池用膜電極構造体において、
前記連通孔は、第１反応ガスが流れる第１連通孔と第２反応ガスが流れる第２連通孔とを含み、
前記ガス流れ領域は、前記第１ガス拡散電極層側の前記第１連通孔と前記発電領域との間における前記第１反応ガスが流れる第１ガス流れ領域と、前記第２ガス拡散電極層側の前記第２連通孔と前記発電領域との間における前記第２反応ガスが流れる第２ガス流れ領域と、を含み、
前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は、前記平面視で前記第１ガス流れ領域と前記第２ガス流れ領域とが重なる領域に設けられることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池用膜電極構造体において、
前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は、前記ガス流れ領域に設けられた複数の第１貫通孔および複数の第２貫通孔であり、
前記複数の第１貫通孔および前記複数の第２貫通孔は、前記反応ガスの流れ方向にかけて開口面積が小さくなるように設けられることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
【請求項６】
請求項１または２に記載の燃料電池用膜電極構造体において、
前記枠部材には、反応ガスおよび冷却媒体が流れる複数の連通孔が設けられ、
前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は、前記複数の連通孔のうち、隣り合って配置される一対の連通孔の間に設けられることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
【請求項７】
請求項３に記載の燃料電池用膜電極接合体において、
前記ガス流れ領域は、前記第１枠部材に面して流れる第１反応ガスの流れ方向と前記第２枠部材に面して流れる第２反応ガスの流れ方向とが互いに反対方向となるように形成されることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池用膜電極構造体において、
前記ガス流れ領域は、前記第１反応ガスの流れ方向上流側かつ前記第２反応ガスの流れ方向下流側であり、前記電解質膜を挟んで一方側のガス流れ領域と、前記第１反応ガスの流れ方向下流側かつ前記第２反応ガスの流れ方向上流側であり、前記電解質膜を挟んで他方側のガス流れ領域と、を含み、
前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は、前記一方側のガス流れ領域に設けられず、前記他方側のガス流れ領域に設けられることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
【請求項９】
請求項３に記載の燃料電池用膜電極構造体を有する発電セルを積層して構成された燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
前記反応ガスはアノードガスであり、
前記燃料電池スタックから流出したアノードガスを、前記燃料電池スタックに還流するガス還流部をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用膜電極構造体および燃料電池システムに関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、より多くの人が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギの効率化に貢献する燃料電池に関する技術開発が行われている。この種の燃料電池に用いられる発電セルに関する技術として、発電領域の外側でアノード側とカソード側のガスの湿度を交換するようにした発電セルが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１記載の発電セルでは、カソード側のガス拡散層の周囲に、アノード側のガス拡散層に重ねて略板状の樹脂フレームを配置するとともに、樹脂フレームに複数の貫通孔を設け、複数の貫通孔を介してアノード側とカソード側のガスの湿度を交換するように膜電極構造体が構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０１７－１８３０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１記載のように樹脂フレームに湿度交換のための複数の貫通孔を設けると、樹脂フレームの強度が低下し、十分な耐久性を得ることが難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様である燃料電池用膜電極構造体は、電解質膜と、電解質膜の第１面に配置された第１ガス拡散電極層と、電解質膜の第１面の反対側の第２面に配置された第２ガス拡散電極層と、を積層して構成された膜電極接合体と、膜電極接合体が配置される開口を形成する内縁部を有する枠部材と、を備える。枠部材は、それぞれ内縁部を有するとともに、互いに重なり合う略板状の第１枠部材と第２枠部材とを有し、電解質膜は、第１ガス拡散電極層の外縁および第２ガス拡散電極層の外縁よりも外側である非発電領域に延設され、第１枠部材および第２枠部材は、それぞれ非発電領域における電解質膜を挟持する第１挟持部および第２挟持部を有し、第１挟持部および第２挟持部には、膜電極接合体の積層方向から視た平面視で、互いに異なる位置に第１挟持部を貫通する第１貫通孔および第２挟持部を貫通する第２貫通孔がそれぞれ設けられる。
【０００６】
本発明の他の態様は、上述した燃料電池用膜電極構造体を有する発電セルを積層して構成された燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、反応ガスはアノードガスであり、燃料電池スタックから流出したアノードガスを、燃料電池スタックに還流するガス還流部をさらに備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、膜電極構造体の十分な耐久性を確保しつつ、ガスの湿度交換を良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を概略的に示す図。
図１の燃料電池システムに含まれる燃料電池スタックの全体構成を概略的に示す斜視図。
図２のIII-III線に沿った断面図。
図２の燃料電池スタックに含まれる電極アッセンブリの概略構成を示す斜視図。
図２の燃料電池スタックに含まれるセパレータの後面図。
図２の燃料電池スタックに含まれるセパレータの正面図。
図４のIV-IV線に沿った断面図。
図４の矢視VII図。
図７Ａの変形例を示す図。
図４の変形例を示す図。
図４の他の変形例を示す図。
図４のさらなる他の変形例を示す図。
図５Ａの変形例を示す図。
図１０のセパレータに対向する電極アッセンブリの後面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図１～図１１を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム５００の要部構成を概略的に示すブロック図である。燃料電池システム５００は、例えば車両に搭載され、車両駆動用の電力を発生する。図１に示すように、燃料電池システム５００は、複数の発電セルを積層して構成された燃料電池スタック１００と、燃料ガス給排部５１０と、酸化剤ガス給排部５２０と、冷却媒体給排部５３０とを有する。燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれアノードガスおよびカソードガスと呼ぶこともある。
【００１０】
燃料ガス給排部５１０は、高圧の燃料ガスが貯留されたタンク５１１と、燃料ガスを吐出するインジェクタ５１２と、エジェクタ５１３とを有する。タンク５１１内の燃料ガスは、インジェクタ５１２、エジェクタ５１３および供給管路５１０ａを介して燃料電池スタック１００に供給される。燃料ガスは、水素を含むアノードガス（例えば水素ガス）である。燃料電池スタック１００からは、排出管路５１０ｂを介して、水分を含む燃料ガス（燃料排ガス）が排出される。エジェクタ５１３では、インジェクタ５１２から吐出された燃料ガスの流れによって生じる負圧により、循環管路５１０ｃを介して燃料排ガスが吸引される。これにより燃料電池スタック１００に燃料ガスが還流される。図示は省略するが、排出管路５１０ｂには気液分離器が介装され、気液分離器で、燃料排ガスに含まれる必要以上の水分が除去される。
（【００１１】以降は省略されています）

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