CN101790810A - 燃料电池的单电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池的单电池，其能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对中央部施加足够的每单位面积的载荷。该燃料电池的单电池具有膜电极接合体和一对隔离件，所述膜电极接合体在固体高分子电解质膜的一面侧具有包括阳极催化剂层及气体扩散层的阳极电极，并在另一面侧具有包括阴极催化剂层及气体扩散层的阴极电极，所述燃料电池的单电池的特征为，在所述固体高分子电解质膜的阳极侧及阴极侧中的至少一面侧，所述阳极或阴极催化剂层具有比所述固体高分子电解质膜及所述气体扩散层小一圈的尺寸及形状，并且，从该阳极或阴极催化剂层的外周露出的所述固体高分子电解质膜的外周缘部和所述气体扩散层的外周缘部相对，设有框形的保护层，该框形的保护层具有介于相对的该高分子电解质膜的外周缘部和该气体扩散层的外周缘部之间的第一部位、及与所述阳极或阴极催化剂层的外周重叠的第二部位，所述燃料电池的单电池还具有单电池厚度调整层，并且该单电池厚度调整层在存在所述保护层的第二部位的区域上比不存在该保护层的中央部的所述单电池厚度调整层的厚度薄、或在存在所述保护层的第二部位的区域上不存在，以使存在所述保护层的第二部位的区域上的单电池的厚度为所述中央部的该单电池的厚度以下。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池的单电池。
背景技术
燃料电池向电连接的两个电极供给燃料和氧化剂，在电化学上引起燃料的氧化，由此将化学能直接转换为电能。与火力发电不同，燃料电池不受卡诺循环的制约，因此显示出较高的能量转换效率。燃料电池通常层叠多个单电池而构成，该单电池以用一对电极夹持电解质膜的膜电极接合体为基本结构。其中，尤其是使用固体高分子电解质膜作为电解质膜的固体高分子电解质型燃料电池，具有容易小型化、在低温下工作等优点，因此，特别是作为便携用、移动体用电源而备受关注。
在固体高分子电解质型燃料电池中，将氢气作为燃料时，在阳极(燃料极)进行(1)式的反应。
H2→2H++2e-……(1)
在(1)式产生的电子经由外部电路，在外部的负载进行工作后，到达阴极(氧化剂极)。而且，在(1)式产生的质子以水合的状态通过电渗在固体高分子电解质膜内从阳极侧向阴极侧移动。
另外，将氧作为氧化剂时，在阴极进行(2)式的反应。
2H++(1/2)O2+2e-→H2O……(2)
在阴极生成的水，主要通过气体扩散层向外部排出。这样，燃料电池没有水以外的排出物，为清洁的发电装置。
对于固体高分子电解质型燃料电池，燃料及氧化剂通常以气体状态(燃料气体、氧化剂气体)连续地向燃料电池供给。这些气体被导入与为导电体的载体上承载的催化剂颗粒、及确保离子传导路的高分子电解质的接合面即三相界面，进行上述反应。因此，公知的是，通常在燃料电池的电极中，使用含有在催化剂颗粒中均匀地混合了高分子电解质的多孔质的催化剂层的电极。
图21所示的两个图都是表示一般的固体高分子电解质型燃料电池的单电池100的图，是示意性表示在层叠方向上切断的剖面的图。单电池100包括具有氢离子传导性的固体高分子电解质膜(以下有时简称为电解质膜)1、及由夹持上述电解质膜1的一对阴极电极6及阳极电极7构成的膜电极接合体8，还具有从电极的外侧夹持上述膜电极接合体8的一对隔离件9及10。在隔离件和电极的边界上确保气体流路11及12，分别连续地在阳极侧供给氢气，并在阴极侧供给含有氧的气体(通常为空气)。通常，作为电极使用从电解质膜侧依次具有催化剂层和气体扩散层的电极。即，阴极电极6由具有阴极催化剂层2和气体扩散层4的电极构成，阳极电极7由具有阳极催化剂层3和气体扩散层5的电极构成。
如图21(a)所示，在气体扩散层上通常在相对催化剂层的一侧设置防水层。即，分别在阴极催化剂层2和气体扩散层4之间设置防水层13，并在阳极催化剂层3和气体扩散层5之间设置防水层14。防水层通常具有包含碳颗粒、碳纤维等导电性粉粒体、聚四氟乙烯(PTFE)等防水性树脂等的多孔质结构。防水层具有下述优点：能够适度地保持催化剂层及电解质膜内的水分量，并且能够提高气体扩散层的排水性，而且还能够改善催化剂层和气体扩散层之间的电接触。
另外，如图21(b)所示，还公知有不存在上述防水层的单电池。
用一对电极夹持的电解质膜1通常制作成比在实际发电时使用的电极面积、尤其是催化剂层2及催化剂层3的面积大。此时，未涂覆催化剂层的电解质膜端部较脆弱，尤其是如图22(a)所示，从构成气体扩散层4及气体扩散层5的碳质多孔质体或金属多孔质体产生的毛刺15贯通防水层13及防水层14，刺入电解质膜1中，或者如图22(b)所示，该毛刺15直接刺入电解质膜1中，从而导致电解质膜1破裂而引起短路，其结果是产生了初始电压降低等问题。
对于这种问题，已知有例如专利文献1列举的技术，其目的是通过在膜·催化剂层接合体端部设置增强膜而达到增强膜·催化剂层接合体的效果。
专利文献1：(日本)特开2004-47230号公报
如图23所示的两个图都是表示现有技术中设置了增强膜的单电池200的图，是示意性表示在层叠方向上切断的剖面的图。图23(a)表示设置有防水层13及14的单电池，图23(b)表示未设置该防水层的单电池。
将增强膜只设置在介于相对的高分子电解质膜1的外周缘部和气体扩散层4或5的外周缘部之间的第一部位16a上在技术上有困难，因此，如图23所示，实际上将增强膜也设置在与上述阳极或阴极催化剂层的外周重叠的第二部位16b上。因此，存在上述增强膜的第二部位16b的区域上的单电池的厚度17b比不存在该增强膜的中央部的该单电池的厚度17c厚，对于对单电池施加一定载荷时的每单位面积的载荷，存在上述增强膜的第二部位16b的区域上的该载荷比单电池中央部大。
另外，存在上述增强膜的第一部位16a的区域上的单电池的厚度17a，在增强膜16的厚度比催化剂层2或催化剂层3的厚度厚时，上述厚度17a比上述厚度17c厚，对于对单电池施加一定载荷时的每单位面积的载荷，存在上述增强膜的第一部位16a的区域上的该载荷比单电池中央部大。
其结果是，在层叠多个单电池而进行发电时，单电池外周缘部每单位面积的载荷增大，由此，产生了作用于电解质膜的力学的负荷增大的问题。另外，对发电中发挥主要作用的单电池的中央部不能施加足够的每单位面积的载荷，因此，也同时产生了不能进行如设计那样的充分的发电的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池的单电池及其制造方法，所述燃料电池的单电池能够通过抑制作用于电解质膜的力学的负荷并对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，从而进行如设计那样的充分的发电。
本发明的燃料电池的单电池，具有膜电极接合体和一对隔离件，所述膜电极接合体在固体高分子电解质膜的一面侧具有包括阳极催化剂层及气体扩散层的阳极电极，并在另一面侧具有包括阴极催化剂层及气体扩散层的阴极电极，所述燃料电池的单电池的特征为，在所述固体高分子电解质膜的阳极侧及阴极侧中的至少一面侧，所述阳极或阴极催化剂层具有比所述固体高分子电解质膜及所述气体扩散层小一圈的尺寸及形状，并且，从该阳极或阴极催化剂层的外周露出的所述固体高分子电解质膜的外周缘部和所述气体扩散层的外周缘部相对，所述燃料电池的单电池设有框形的保护层，该框形的保护层具有介于相对的该高分子电解质膜的外周缘部和该气体扩散层的外周缘部之间的第一部位、及与所述阳极或阴极催化剂层的外周重叠的第二部位，所述燃料电池的单电池还具有单电池厚度调整层，并且该单电池厚度调整层在存在所述保护层的第二部位的区域上比不存在该保护层的中央部的所述单电池厚度调整层的厚度薄、或在存在所述保护层的第二部位的区域上不存在，以使存在所述保护层的第二部位的区域上的单电池的厚度为所述中央部的该单电池的厚度以下。
这种构成的燃料电池的单电池，为了使通过设置保护层而产生的、存在所述保护层的第二部位的区域上的单电池的厚度为不存在该保护层的中央部的单电池的厚度以下，使存在所述第二部位的区域上的所述单电池厚度调整层的厚度比所述中央部的所述单电池厚度调整层的厚度薄、或不设置存在所述第二部位的区域上的所述单电池厚度调整层，由此，在层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，并且，能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
作为本发明的燃料电池的单电池的一种方式，可采用如下结构：所述单电池厚度调整层为介于所述阳极或阴极催化剂层和所述气体扩散层之间的防水层。
这种构成的燃料电池的单电池，使在所述第二部位所存在的区域上本来不需要的防水层的厚度比不存在该保护层的中央部的所述防水层的厚度薄、或不设置在所述第二部位所存在的区域上本来不需要的防水层，以使通过设置保护层而产生的、所述保护层的第二部位所存在的区域上的单电池的厚度为所述中央部的单电池的厚度以下，由此，在层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，并且，能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
作为本发明的燃料电池的单电池的一种方式，可采用如下结构：所述单电池厚度调整层为进一步夹持所述膜电极接合体的多孔质层，再通过一对不具有气体流路的平板隔离件夹持该夹持物。
这种构成的燃料电池的单电池，使用没有气体流路的平板隔离件，采用从与该平板隔离件相接且设于比该平板隔离件靠单电池的内侧的多孔质层供给气体的结构，因此，能够通过多孔质层具有的弹性使作用于单电池内部的膜电极接合体的压力为恒定。另外，使存在所述第二部位的区域上的多孔质层的厚度比不存在该保护层的中央部的所述多孔质层的厚度薄，以使通过设置所述保护层而产生的、所述保护层的第二部位所存在的区域上的单电池的厚度为所述中央部的单电池的厚度以下，由此，在层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，并且，能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
本发明的燃料电池的单电池，在所述固体高分子电解质膜的阳极侧及阴极侧的两面上，所述单电池厚度调整层优选在存在所述保护层的第二部位的区域上比不存在该保护层的中央部的所述单电池厚度调整层的厚度薄、或在存在所述保护层的第二部位的区域上不存在，以使存在所述保护层的第二部位的区域上的单电池的厚度为所述中央部的该单电池的厚度以下。
这种构成的燃料电池的单电池，在所述阳极侧及所述阴极侧的两面上，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷。
本发明的燃料电池的单电池，在所述固体高分子电解质膜的阳极侧及阴极侧中的至少一面侧，所述单电池厚度调整层优选在存在所述保护层的第一及第二部位的区域上比不存在该保护层的中央部的所述单电池厚度调整层的厚度薄、或在存在所述保护层的第一及第二部位的区域上不存在，以使存在所述保护层的第一及第二部位的区域上的单电池的厚度为所述中央部的该单电池的厚度以下。
这种构成的燃料电池的单电池，调节存在所述第二部位的区域上的所述单电池厚度调整层的厚度，并且，使存在所述第一部位的区域上的所述单电池厚度调整层的厚度比不存在该保护层的中央部的所述单电池厚度调整层的厚度薄、或不设置存在所述第一部位的区域上的所述单电池厚度调整层，以使通过设置所述保护层而产生的、所述保护层的第一部位所存在的区域上的单电池的厚度为所述中央部的单电池的厚度以下，由此，在层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
本发明的燃料电池的单电池，在所述单电池厚度调整层为所述防水层的情况下，优选通过一对多孔质层夹持所述膜电极接合体，再通过一对不具有气体流路的平板隔离件夹持该夹持物。
这种构成的燃料电池的单电池，与例如使用槽流路的有无对不同部位的每单位面积的载荷产生偏差的带槽流路的隔离件的情况不同，通过使用没有槽流路的平板隔离件，能够在板的整个面上施加每单位面积的载荷。另外，能够减少制作带槽流路的隔离件时花费的形成槽流路的成本。另外，通过使多孔质层介于膜电极接合体和平板隔离件之间，能够提高气体供给性。
本发明的燃料电池的单电池，优选所述多孔质层的多孔度为70％以上，且空孔径为20～100nm。
这种构成的燃料电池的单电池，所述多孔质层具有足够的多孔度及空孔径，因此，在发电时能够供给足够量的燃料气体及氧化剂气体。
本发明的燃料电池的单电池，在所述单电池厚度调整层为所述防水层的情况下，优选存在所述保护层的第一及第二部位的区域上的所述防水层的厚度为所述保护层的厚度以下。
这种构成的燃料电池的单电池，通过选择存在所述保护层的第一及第二部位的区域上的适当的所述防水层的厚度，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷。
本发明的燃料电池的单电池，优选的是，在所述单电池厚度调整层为所述防水层的情况下，优选在存在所述保护层的第一及第二部位的区域上不存在所述防水层。
这种构成的燃料电池的单电池，在所述阳极催化剂层或所述阴极催化剂层的外缘部不设置本来不需要的防水层，由此，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷。
本发明的燃料电池的单电池，优选在存在所述保护层的第一及第二部位的区域上的所述多孔质层的厚度为200～600μm。
这种构成的燃料电池的单电池，能够保持具有足够的弹性的多孔质层的厚度以使作用于单电池内部的膜电极接合体的压力为恒定。
本发明提供一种燃料电池的单电池的制造方法，是上述本发明的燃料电池的单电池的制造方法，其特征为，包括下述工序：通过对设置于阳极侧及阴极侧中至少一侧的多孔质层上存在所述保护层的第一及第二部位的区域进行切削或挤压，选择位置地使所述多孔质层的厚度变薄。
通过使用这种构成的燃料电池的单电池的制造方法，能够得到本发明的燃料电池的单电池。另外，通过对存在所述保护层的第一及第二部位的区域上的所述多孔质层进行切削或挤压的简便方法，能够使存在所述保护层的第一及第二部位的区域中至少一方的所述多孔质层的厚度变薄。
根据本发明，为了使通过设置所述保护层而产生的、所述保护层的第二部位所存在的区域上的单电池的厚度为不存在该保护层的中央部的单电池的厚度以下，而使存在所述第二部位的区域上的所述单电池厚度调整层的厚度比所述中央部的所述单电池的厚度调整层的厚度薄、或不设置存在所述第二部位的区域上的所述单电池厚度调整层，由此，在层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
附图说明
图1是表示电解质膜、催化剂层及保护层的位置关系的例的剖面示意图；
图2为单电池厚度调整层为防水层时的仅层叠了一面的电极的本发明的膜电极接合体的典型例的剖面示意图；
图3为单电池厚度调整层为防水层时的仅层叠了一面的电极的本发明的膜电极接合体的第二典型例的剖面示意图；
图4为单电池厚度调整层为防水层时的仅层叠了一面的电极的本发明的膜电极接合体的第三典型例的剖面示意图；
图5是表示单电池厚度调整层为多孔质层时的仅在电解质膜的一面层叠有电极及多孔质层的典型例的剖面示意图；
图6是表示单电池厚度调整层为多孔质层时的仅在电解质膜的一面层叠有电极及多孔质层的第二典型例的剖面示意图；
图7是表示在图1所示的例中应用了图2所示的防水层的厚度调节的膜电极接合体的剖面示意图；
图8是表示在图1所示的例中应用了图2所示的防水层的厚度调节的膜电极接合体的剖面示意图；
图9是表示在图1所示的例中应用了图3所示的防水层的厚度调节的膜电极接合体的剖面示意图；
图10是表示在图1所示的例中应用了图3所示的防水层的厚度调节的膜电极接合体的剖面示意图；
图11是表示在图1所示的例中应用了图4所示的防水层的厚度调节的膜电极接合体的剖面示意图；
图12是表示在图1所示的例中应用了图4所示的防水层的厚度调节的膜电极接合体的剖面示意图；
图13是表示在图1所示的例中应用了图5所示的多孔质层的厚度调节的层叠体的剖面示意图；
图14是表示在图1所示的例中应用了图5所示的多孔质层的厚度调节的层叠体的剖面示意图；
图15是表示在图1所示的例中应用了图6所示的多孔质层的厚度调节的层叠体的剖面示意图；
图16是表示在图1所示的例中应用了图6所示的多孔质层的厚度调节的层叠体的剖面示意图；
图17是表示本发明的单电池的典型例的图；
图18是表示本发明的单电池的第二典型例的图；
图19是表示本发明的单电池的第三典型例的图；
图20是表示本发明的单电池的第四典型例的图；
图21是表示一般的固体高分子电解质型燃料电池的单电池100的图，是示意性表示在层叠方向上切断的剖面的图；
图22是表示一般的固体高分子电解质型燃料电池的单电池100的示意图，是表示毛刺15刺入电解质膜1的情形的图；
图23是表示目前技术的设置有增强膜的单电池200的图，是示意性表示在层叠方向上切断的剖面的图。
标号说明
1…固体高分子电解质膜
2…阴极催化剂层
3…阳极催化剂层
4、5…气体扩散层
6…阴极电极
7…阳极电极
8…膜电极接合体
9、10…隔离件
11、12…气体流路
13、14…防水层
15…毛刺
16…增强膜
16a…增强膜的第一部位
16b…增强膜的第二部位
17a…增强膜的第一部位16a所存在的区域上的单电池的厚度
17b…增强膜的第二部位16b所存在的区域上的单电池的厚度
17c…增强膜不存在的单电池中央部的厚度
21…固体高分子电解质膜
22…催化剂层
23…保护层
23a…保护层的第一部位
23b…保护层的第二部位
24…防水层
24a…保护层的第一部位23a所存在的区域上的防水层的厚度
24b…保护层的第二部位23b所存在的区域上的防水层的厚度
24c…保护层不存在的中央部的防水层的厚度
25…气体扩散层
26a…保护层的第一部位23a所存在的区域上的膜电极接合体的厚度
26b…保护层的第二部位23b所存在的区域上的膜电极接合体的厚度
26c…保护层不存在的中央部的膜电极接合体的厚度
27…多孔质层
27a…保护层的第一部位23a所存在的区域上的多孔质层27的厚度
27b…保护层的第二部位23b所存在的区域上的多孔质层27的厚度
27c…中央部的多孔质层27的厚度
28a…保护层的第一部位23a所存在的区域上的层叠体的厚度
28b…保护层的第二部位23b所存在的区域上的层叠体的厚度
28c…中央部的层叠体的厚度
29…平板隔离件
30a…保护层的第一部位23a所存在的区域上的单电池的厚度
30b…保护层的第二部位23b所存在的区域上的单电池的厚度
30c…保护层不存在的中央部的单电池的厚度
100…单电池
200…设置有增强膜的单电池
具体实施方式
本发明的燃料电池的单电池，具有膜电极接合体和一对隔离件，上述膜电极接合体在固体高分子电解质膜的一面侧具有包括阳极催化剂层及气体扩散层的阳极电极，并在另一面侧具有包括阴极催化剂层及气体扩散层的阴极电极，上述燃料电池的单电池的特征为，在上述固体高分子电解质膜的阳极侧及阴极侧中的至少一面侧，上述阳极或阴极催化剂层具有比上述固体高分子电解质膜及上述气体扩散层小一圈的尺寸及形状，并且，从该阳极或阴极催化剂层的外周露出的上述固体高分子电解质膜的外周缘部和上述气体扩散层的外周缘部相对，设有框形的保护层，其具有介于相对的该高分子电解质膜的外周缘部和该气体扩散层的外周缘部之间的第一部位、及与上述阳极或阴极催化剂层的外周重叠的第二部位，上述燃料电池的单电池还具有单电池厚度调整层，并且该单电池厚度调整层在存在上述保护层的第二部位的区域上比上述中央部的上述单电池厚度调整层的厚度薄、或在存在上述保护层的第二部位的区域上不存在，以使存在上述保护层的第二部位的区域上的单电池的厚度为不存在该保护层的中央部的该举电池的厚度以下。
作为本发明的燃料电池的单电池的一种方式，可采用上述单电池厚度调整层为介于上述阳极或阴极催化剂层和上述气体扩散层之间的防水层的结构。
作为本发明的燃料电池的单电池的另一方式，可采用上述单电池厚度调整层为进一步夹持上述膜电极接合体的多孔质层，且进一步通过没有气体流路的一对平板隔离件夹持该夹持物的结构。
在本发明中，从设计及制造的观点考虑，使固体高分子电解质膜、阳极催化剂层及阴极催化剂层、气体扩散层、保护层以及隔离件在整个面上具有大致均匀的厚度，仅通过单电池厚度调整层进行单电池区域上的厚度调节。另外，固体高分子电解质膜、阳极催化剂层及阴极催化剂层、气体扩散层、保护层以及隔离件在整个面上不中断地连续。
在本发明中，单电池厚度调整层是指，根据单电池的部位而使该调整层自身的厚度变化，由此可将目前的技术中通过在单电池的外缘部设置保护层而增加的单电池的外缘部的厚度设定为单电池的中央部的厚度以下。通过这样调整单电池的厚度，能够在层叠单电池时抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
除了直接或间接有助于单电池内的发电的层之外，也可以新增加单电池厚度调整层，但是，优选将直接或间接有助于单电池内的发电的层作为单电池厚度调整层。即，优选的是，将直接或间接有助于单电池内的发电的层在不影响发电的程度上部分地切削、或挤压、或减少面积，从而能够调整单电池整体的厚度。
作为单电池厚度调整层，具体而言，可以列举后述的防水层、多孔层等。
另外，不一定限定在一个单电池内仅设置一种单电池厚度调整层，也可以在一个单电池内设置多种的单电池厚度调整层。在这样设置多种单电池厚度调整层的情况下，各层可以设置成独立地实现本发明的效果，也可以设置成各层协作实现本发明的效果。
高分子电解质膜是燃料电池中使用的高分子电解质膜，除了以Nafion(商品名)为代表的含有全氟代烃磺酸树脂之类的氟类高分子电解质的氟类高分子电解质膜之外，还可以列举出含有在聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚砜、聚苯硫醚、聚苯醚、聚对苯撑等工程塑料、及聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等常用的塑料等烃类高分子中导入了磺酸基、羧酸基、磷酸基、硼酸基等质子酸基(质子传导性基团)的烃类高分子电解质的烃类高分子电解质膜等。
催化剂层可使用含有催化剂、导电性材料及高分子电解质的催化剂油墨而形成。
作为催化剂，通常使用使导电性颗粒承载催化剂成分的材料。作为催化剂成分，只要对于燃料极的燃料的氧化反应或氧化剂极的氧化剂的还原反应具有催化剂活性即可，没有特别的限定，可使用固体高分子型燃料电池中一般使用的催化剂成分。例如，可以使用铂、或钌、铁、镍、锰、钴、铜等金属和铂的合金等。
作为催化剂载体的导电性颗粒，也可以使用碳黑等碳颗粒、碳纤维那样的导电性碳素材料、金属颗粒及金属纤维等金属材料。导电性材料也承担作为用于赋予催化剂层导电性的导电性材料的作用。
催化剂层的形成方法没有特别的限定，例如，可以通过在气体扩散层片材的表面涂覆催化剂油墨并进行干燥，在气体扩散层片材表面形成催化剂层，或者，也可以通过在电解质膜表面涂覆催化剂油墨并进行干燥，在电解质膜表面形成催化剂层。或者，也可以通过在转印用基体材料表面涂覆催化剂油墨并进行干燥，制作转印片材，通过热压接等将该转印片材与电解质膜或气体扩散片材进行接合后，剥离转印片材的基体材料薄膜，通过上述方法，在电解质膜表面上形成催化剂层，或在气体扩散层片材表面形成催化剂层。
催化剂油墨为在溶剂中溶解或分散上述的催化剂和电极用电解质而得到。催化剂油墨的溶剂适当地选择即可，例如，可以使用甲醇、乙醇、丙醇等醇类、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)等有机溶剂、或这些有机溶剂的混合物及这些有机溶剂和水的混合物。在催化剂油墨中除了催化剂及电解质之外，也可以根据需要含有粘结剂、防水性树脂等其它的成分。
催化剂油墨的涂覆方法、干燥方法等可以适当地选择。例如，作为涂覆方法，可以列举喷涂法、丝网印刷法、刮涂法、照相凹版印刷法、模涂法等。另外，作为干燥方法，可以列举例如减压干燥、加热干燥、减压加热干燥等。对于减压干燥、加热干燥的具体条件没有限制，适当地设定即可。
催化剂油墨的涂覆量根据催化剂油墨的组成、电极催化剂所使用的催化剂金属的催化剂性能等而不同，但是，每单位面积的催化剂成分量为0.01～2.0mg/cm2的范围即可。另外，催化剂层的膜厚没有特别的限定，为1～50μm的范围即可。
可以在对电解质膜形成催化剂层的形成前、形成途中或形成后，形成框形的保护层。
保护层是厚度为5～100μm的膜，其材料可以使用硅橡胶、EPDM、SBR橡胶、氟橡胶等橡胶类、含有以Nafion(商品名)膜等为代表的全氟代烃磺酸树脂之类的氟类高分子电解质的氟类高分子电解质膜，除此之外也可以使用PEN薄膜、PTFE、PET、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜等。
图1是表示电解质膜、催化剂层及保护层的位置关系的例的剖面示意图。另外，在该图中，为了明确地表示位置关系，断续地表示催化剂层22、保护层23，但是，以同样的形式表示的层实际上为连续的层。另外，在图的右侧和左侧分开表示的保护层23实际上具有包围催化剂层22的外周的框形，因此，它们也形成为一个连续的层。对于保护层23，仅设置于高分子电解质膜21的外周缘部存在的区域上在技术上有困难，因此，实际上上述保护层23的内周端部也与催化剂层22的外周重叠而设置。
图1(a)～(b)是表示在电解质膜21的一面设置催化剂层22及保护层23的例的图。设置催化剂层及保护层的顺序有如下两种：(a)在电解质膜21的一面设置催化剂层22后，形成保护层23；(b)在电解质膜21的一面设置保护层23后，形成催化剂层22。在任何一种情况下都设置上述催化剂层22和上述保护层23重叠的部位。
图1(c)～(e)是表示在电解质膜21的两面设置催化剂层22及保护层23的例的图。设置催化剂层及保护层的顺序有如下三种：(c)在电解质膜21的两面设置催化剂层22后，在两面形成保护层23；(d)在电解质膜21的两面设置保护层23后，在两面形成催化剂层22；(e)在电解质膜21的一面以(a)的顺序、在另一面以(b)的顺序形成催化剂层22及保护层23。
另外，保护层23具有绝缘性，从不参与发电的理由考虑，也可以如图1(f)～(h)所示，采取两面连续的结构。即，设置催化剂层及保护层的顺序有如下三种：(f)在电解质膜21的两面设置催化剂层22后，在两面形成连续的保护层23；(g)在电解质膜21的两面设置连续的保护层23后，在两面形成催化剂层22；(h)在电解质膜21的一面设置催化剂层22后，在两面形成连续的保护层23，再在另一面设置催化剂层22。
另外，与上述的催化剂层的形成方法所记载的相同，也有在气体扩散层片材表面形成催化剂层的方法等，使用这些方法时，结果是电解质膜、催化剂层及保护层的位置关系为图1(a)～(h)中的任一种即可。
作为形成气体扩散层的气体扩散层片材，是具有能够向催化剂层高效地供给气体的气体扩散性、导电性及作为构成气体扩散层的材料所要求的强度的片材，例如可以列举由如下材料构成的片材：复写纸、碳布、碳毡等碳质多孔质体、或由钛、铝、铜、镍、镍铬合金、铜及其合金、银、铝合金、锌合金、铅合金、钛、铌、钽、铁、不锈钢、金、铂等金属构成的金属网或金属多孔质体等导电性金属多孔质体。导电性多孔质体的厚度优选50～500μm的范围。
气体扩散层片材可以是由上述的导电性多孔质体的单层构成的片材，但也可以在与催化剂层相对的一侧设置防水层。防水层通常具有含有碳颗粒、碳纤维等的导电性粉粒体、聚四氟乙烯(PTFE)等防水性树脂等的多孔质结构。防水层具有下述优点：不仅能够适度地保持催化剂层及电解质膜内的水分量，同时能够提高气体扩散层的排水性，而且能够改善催化剂层和气体扩散层之间的电接触。
在导电性多孔质体上形成防水层的方法没有特别的限定。例如，将碳颗粒等导电性粉粒体和防水性树脂及根据需要添加的其它成分与乙醇、丙醇、丙二醇等有机溶剂、水或它们的混合物等的溶剂混合而成的防水层油墨涂覆于导电性多孔质体的至少相对于催化剂层的一侧，之后，进行干燥及/或烧结即可。防水层的厚度通常为1～50μm的范围即可。作为在导电性多孔质体上涂覆防水层油墨的方法，例如，可以列举丝网印刷法、喷涂法、刮涂法、照相凹版印刷法、模涂法等。
另外，导电性多孔质体也可以通过在与催化剂层相对的一侧利用棒涂机等浸渍涂覆聚四氟乙烯等防水性树脂而加工，以将催化剂层内的水分向气体扩散层外高效地排出。
通过上述方法形成有催化剂层的电解质膜及气体扩散层片材，被适当地重合并进行热粘接等而相互接合，由此得到膜电极接合体。
制作出的膜电极接合体再由隔离件夹持，形成单电池。作为隔离件，可以使用具有导电性及气体密封性而可作为集电体及气体密封体发挥作用的材料，例如高浓度地含有碳纤维且由和树脂的复合材料构成的碳隔离件、使用金属材料的金属隔离件等。作为金属隔离件，可以列举由耐腐蚀性优异的金属材料构成的隔离件、用碳或耐腐蚀性优异的金属材料等覆盖表面而实施了提高耐腐蚀性的表面涂层的隔离件等。
另外，优选上述的膜电极接合体进一步由一对多孔质层夹持，再用没有气体流路的一对平板隔离件夹持该夹持物，形成单电池。
此时，作为多孔质层，在发电时发挥气体扩散、电子导电及吸排水的作用，因此，可以使用由钛和镍构成的发泡烧结体等。它们刚性高，即使在高面压下也能够维持气体扩散性，与具有气体流路的隔离件相比具有在面内均匀地施加载荷的优点。另外，作为此时使用的多孔质层，优选使用多孔度为60％以上、空孔径为10～1000nm及厚度为50～500μm的钛的发泡烧结体。这是因为，由于上述多孔质层具有足够的多孔度及空孔径，因此，在发电时能够供给足够的量的燃料气体及氧化剂气体。另外，更优选上述多孔度为70％以上、空孔径为20～100nm，进而最优选上述多孔度为80％以上、空孔径为40～80nm。
另外，作为平板隔离件，在发电时起到电子导电的作用，因此，可以使用SUS、钛材料、碳等。尤其是钛材料等耐腐蚀性高，引起燃料电池的性能降低的离子洗脱较少。另外，作为此时使用的平板隔离件，优选使用厚度为50～800μm的钛薄板。
图2为单电池厚度调整层为防水层时的仅层叠了一面的电极的本发明的膜电极接合体的典型例的剖面示意图。具体而言，是表示从图1(a)所示的状态进一步在上述催化剂层22侧相对的一侧层叠了气体扩散层25的形态的图，该气体扩散层25在催化剂层22侧设置了防水层24。另外，将膜电极接合体的右侧一半省略而绘制，因此，在图2中，右端为膜电极接合体的中央部，左端为膜电极接合体的平面方向外侧。
如图2所示，设置有框形的保护层，其具有介于相对的高分子电解质膜21的外周缘部和气体扩散层25的外周缘部之间的第一部位23a、及与催化剂层22的外周重叠的第二部位23b。
另外，在不存在保护层23的中央部设置有介于上述催化剂层22和上述气体扩散层25之间的防水层24，并且，在存在上述保护层的第二部位的区域上的防水层24的厚度24b形成为比上述中央部的防水层的厚度24c薄，以使存在上述保护层的第二部位23b的区域上的膜电极接合体的厚度26b处于不存在该保护层23的中央部的膜电极接合体的厚度26c以下。另外，厚度24b也可以为0，即存在上述保护层的第二部位的区域上的防水层24不存在。该情况下，不仅在存在上述保护层的第二部位23b的区域，而且在存在第一部位23a的区域也不存在防水层24。
通过采用这样的结构，在另一面同样地设置电极并进而具有隔离件的单电池完成时，在层叠单电池时，能够抑制对电解质膜施加的力学的负荷，并且对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
另外，在存在保护层的第二部位23b的区域，上述催化剂层22和上述气体扩散层25本来通过上述保护层的第二部位23b而分离，因此，供给的气体不会到达上述催化剂层22，因此，不会产生作为电极反应的生成物的水。因此，即使如上所述在上述区域调节防水层的厚度，也不会对完成的单电池整体的防水性产生恶劣影响。
图3为单电池厚度调整层为防水层时的仅层叠了一面的电极的本发明的膜电极接合体的第二典型例的剖面示意图。高分子电解质膜21、催化剂层22、保护层23及气体扩散层25的构成与图2所示的膜电极接合体相同。
如图3所示，上述防水层优选存在上述保护层的第一部位23a及第二部位23b的区域上的厚度24a及24b分别比上述中央部的防水层的厚度24c薄，以使存在上述保护层的第一部位23a及第二部位23b的区域上的膜电极接合体的厚度26a及26b处于不存在该保护层的中央部上的膜电极接合体的厚度26c以下。
另外，在催化剂层22的厚度比保护层23的厚度厚或两者大致相等时，上述厚度24a和上述厚度24c也可以大致相等。这是因为，在催化剂层22的厚度比保护层23的厚度厚或两者大致相等时，上述厚度26a自然处于上述厚度24c以下，因此可得到本发明的效果。另外，上述厚度24a和上述厚度24b、及上述厚度26a和上述厚度26b分别是相互独立的值。
另外，厚度24a也可以为0，即存在上述保护层的第一部位的区域上的防水层24不存在。
另外，在存在保护层的第一部位23a的区域，不存在催化剂层，因此不参与电极反应，所以不会产生作为生成物的水。因此，在上述区域，不需要特别地将防水层设置得比单电池的中央部厚，所以即使如上所述调节防水层的厚度，也不会对完成的单电池整体的防水性产生恶劣影响。
图4为单电池厚度调整层为防水层时的仅层叠了一面的电极的本发明的膜电极接合体的第三典型例的剖面示意图。高分子电解质膜21、催化剂层22、保护层23及气体扩散层25的构成与图2所示的膜电极接合体相同。
如图4所示，防水层24更优选在存在上述保护层的第一部位23a及第二部位23b的区域上不存在。通过采用这样的结构，可使存在上述保护层的第一部位23a及第二部位23b的区域上的膜电极接合体的厚度26a及26b处于不存在该保护层的中央部的膜电极接合体的厚度26c以下。
另外，如上所述，由于在存在保护层的第一部位23a及第二部位23b的区域不需要设置防水层，因此，即使在上述区域除去防水层，也不会对完成的单电池整体的防水性产生恶劣影响。
图5为表示单电池厚度调整层为多孔质层时的仅在电解质膜的一面层叠有电极及多孔质层的典型例的剖面示意图。具体而言，是表示从图1(a)所示的状态进一步将气体扩散层25及多孔质层27依次层叠于催化剂层22侧相对的一侧的形态的图。另外，将层叠体的右侧一半省略而绘制，因此，在图5中，右端为层叠体的中央部，左端为层叠体的面方向外侧。另外，在图5中，防水层是气体扩散层的一部分，或未设置防水层，因此没有特别地图示出防水层。
如图5所示，设置有框形的保护层，其具有介于相对的高分子电解质膜21的外周缘部和气体扩散层25的外周缘部之间的第一部位23a、及与催化剂层22的外周重叠的第二部位23b。
另外，上述多孔质层27在存在上述保护层的第二部位23b的区域上的厚度27b形成为比上述中央部的上述多孔质层的厚度27c薄，以使存在上述保护层的第二部位23b的区域上的层叠体的厚度28b处于不存在该保护层23的中央部的层叠体的厚度28c以下。即，设定为27b＜27c，以使28b≤28c。
通过采用这样的结构，在另一面同样地设置电极并进而具有隔离件的单电池完成时，在层叠单电池时，能够抑制对电解质膜施加的力学的负荷，并且在单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
另外，在存在保护层的第二部位23b的区域，上述催化剂层22和上述气体扩散层25本来通过上述保护层的第二部位23b而分离，因此，供给的气体不会到达上述催化剂层22，因此，在存在保护层的第二部位23b的区域上，不需要特别地将多孔质层设置得比单电池的中央部厚。因此，即使如上述那样调节多孔质层的厚度，也不会对完成的单电池整体的气体供给性能产生恶劣影响。
图6为表示单电池厚度调整层为多孔质层时的仅在电解质膜的一面层叠有电极及多孔质层的第二典型例的剖面示意图。高分子电解质膜21、催化剂层22、保护层23及气体扩散层25的构成与图5所示的层叠体相同。另外，在图6中也因为和上述图5同样的理由，没有特别地图示出防水层。
如图6所示，优选存在上述保护层的第一部位23a及第二部位23b的区域上的多孔质层的厚度27a及27b分别比上述中央部的多孔质层的厚度27c薄，以使存在上述保护层的第一部位23a及第二部位23b的区域上的层叠体的厚度28a及28b分别处于不存在该保护层的中央部的层叠体的厚度28c以下。即，优选设定为27a＜27c且27b＜27c，以使28a≤28c且28b≤28c。
另外，在催化剂层22的厚度比保护层23的厚度厚或两者大致相等时，上述厚度27a也可以与上述厚度27c大致相等。这是因为，在催化剂层22的厚度比保护层23的厚度厚或两者大致相等时，上述厚度28a自然处于上述厚度28c以下，因此，可得到本发明的效果。另外，上述厚度27a和上述厚度27b、及上述厚度28a和上述厚度28b分别是相互独立的值。
另外，在存在保护层的第一部位的区域上，不存在催化剂层，因此不参与电极反应。因此，在上述区域，不需要特别地将多孔质层设置得比单电池的中央部厚，因此，即使如上述那样调节多孔质层的厚度，也不会对完成的单电池整体的气体供给性能产生恶劣影响。
图2、图3及图4所示的防水层的厚度调节，及图5和图6所示的多孔质层的厚度调节能够在图1所示的全部的例中应用。
图7及图8是表示在图1所示的例中应用了图2所示的防水层的厚度调节的膜电极接合体的剖面示意图。另外，在这些图中与图1相同，用同样的形式所示的层实际上为连续的层。
图7(a)～(b)是表示在电解质膜21的一面设置电极的例的剖面示意图。图7(a)和图7(b)分别是在图1(a)和图1(b)中设置进行了图2所示的厚度调节的防水层24、气体扩散层25的图，图7(a)和图2是表示同一例的图。图7(c)～(e)及图8(a)～(c)是表示在电解质膜21的两面设置电极的例的剖面示意图。图7(c)、图7(d)、图7(e)、图8(a)、图8(b)分别是在图1(c)、图1(d)、图1(e)、图1(f)、图1(g)、图1(h)中设置进行了图2所示的厚度调节的防水层24、气体扩散层25的图。
图7(a)～(e)及图8(a)～(c)中的任一情况下，存在上述保护层的第二部位23b的区域上的膜电极接合体的厚度26b都处于不存在该保护层23的中央部的膜电极接合体的厚度26c以下，因此，使用了这些膜电极接合体的单电池可采用如下结构：存在上述保护层23的第二部位23b的区域上的单电池的厚度为不存在该保护层23的中央部的该单电池的厚度以下。因此，层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
另外，在图7(a)～(b)的情况下，也可以在电解质膜21的另一面设置没有保护层的电极。该情况下，不需要调节另一面的防水层的厚度，以上述的方式仅调节具有保护层的面的防水层的厚度，就可得到本发明的效果。
图9及图10是表示在图1所示的例中应用了图3所示的防水层的厚度调节的膜电极接合体的剖面示意图。另外，在这些图中与图1相同，以同样的形式表示的层实际上为连续的层。
图9(a)～(b)是表示在电解质膜21的一面设置电极的例的剖面示意图。图9(a)、图9(b)分别是在图1(a)、图1(b)中设置进行了图3所示的厚度调节的防水层24、气体扩散层25的图，图9(a)和图3是表示同一例的图。图9(c)～(e)及图10(a)～(c)是表示在电解质膜21的两面设置电极的例的剖面示意图。图9(c)、图9(d)、图9(e)、图10(a)、图10(b)、图10(c)分别是在图1(c)、图1(d)、图1(e)、图1(f)、图1(g)、图1(h)中设置进行了图3所示的厚度调节的防水层24、气体扩散层25的图。
在图9(a)～(e)及图10(a)～(c)中的任一情况下，存在上述保护层的第一部位23a及第二部位23b的区域上的膜电极接合体的厚度26a及26b都处于不存在该保护层的中央部的膜电极接合体的厚度26c以下，因此，使用了这些膜电极接合体的单电池可采用如下结构：存在上述保护层23的第一部位23a及第二部位23b的区域上的单电池的厚度为不存在该保护层23的中央部的该单电池的厚度以下。因此，层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
另外，在图9(a)～(b)的情况下，也可以在电解质膜21的另一面设置没有保护层的电极。该情况下，不需要调节另一面的防水层的厚度，以上述的方式仅调节具有保护层的面的防水层的厚度，就可得到本发明的效果。
图11及图12是表示在图1所示的例中应用了图4所示的防水层的厚度调节的膜电极接合体的剖面示意图。另外，在这些图中与图1相同，以同样的方式表示的层实际上为连续的层。
图11(a)～(b)是表示在电解质膜21的一面设置电极的例的剖面示意图。图11(a)、图11(b)分别是在图1(a)、图1(b)中设置进行了图4所示的厚度调节的防水层24、气体扩散层25的图，图11(a)和图4是表示同一例的图。图11(c)～(e)及图12(a)～(c)是表示在电解质膜21的两面设置电极的例的剖面示意图。图11(c)、图11(d)、图11(e)、图12(a)、图12(b)、图12(c)分别是在图1(c)、图1(d)、图1(e)、图1(f)、图1(g)、图1(h)中设置进行了图4所示的厚度调节的防水层24、气体扩散层25的图。
图11(a)～(e)及图12(a)～(c)的任一情况下，存在上述保护层的第一部位23a及第二部位23b的区域上的膜电极接合体的厚度26a及26b都处于不存在该保护层的中央部的膜电极接合体的厚度26c以下，因此，使用了这些膜电极接合体的单电池可采用如下结构：存在上述保护层23的第一部位23a及第二部位23b的区域上的单电池的厚度为不存在该保护层23的中央部的该单电池的厚度以下。因此，层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
另外，在图11(a)～(b)的情况下，也可以在电解质膜21的另一面设置没有保护层的电极。该情况下，不需要调节另一面的防水层的厚度，以上述的方式仅调节具有保护层的面的防水层的厚度，就可得到本发明的效果。
图13及图14是表示在图1所示的例中应用了图5所示的多孔质层的厚度调节的层叠体的剖面示意图。另外，在这些图中与图1相同，以同样的方式表示的层实际上为连续的层。
图13(a)～(b)是表示在电解质膜21的一面设置电极及多孔质层的例的剖面示意图。图13(a)、图13(b)分别是在图1(a)、图1(b)中设置进行了图5所示的厚度调节的气体扩散层25、多孔质层27的图，图13(a)和图5是表示同一例的图。图13(c)～(e)及图14(a)～(c)是表示在电解质膜21的两面设置电极及多孔质层的例的剖面示意图。图13(c)、图13(d)、图13(e)、图14(a)、图14(b)、图14(c)分别是在图1(c)、图1(d)、图1(e)、图1(f)、图1(g)、图1(h)中设置进行了图5所示的厚度调节的气体扩散层25、多孔质层27的图。
在图13(a)～(e)及图14(a)～(c)的任一情况下，存在上述保护层的第二部位23b的区域上的层叠体的厚度28b都处于不存在该保护层23的中央部的层叠体的厚度28c以下，因此，使用了这些层叠体的单电池可采用如下结构：存在上述保护层23的第二部位23b的区域上的单电池的厚度为不存在该保护层23的中央部的该单电池的厚度以下。因此，层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
另外，在图13(a)～(b)的情况下，也可以在电解质膜21的另一面设置没有保护层的电极。该情况下，不需要调节另一面的多孔质层的厚度，以上述的方式仅调节具有保护层的面的多孔质层的厚度，就可得到本发明的效果。
图15及图16是表示在图1所示的例中应用了图6所示的多孔质层的厚度调节的层叠体的剖面示意图。另外，在这些图中与图1相同，以同样的方式表示的层实际上为连续的层。
图15(a)～(b)是表示在电解质膜21的一面设置电极及多孔质层的例的剖面示意图。图15(a)、图15(b)分别是在图1(a)、图1(b)中设置进行了图6所示的厚度调节的气体扩散层25、多孔质层27的图，图15(a)和图6是表示同一例的图。图15(c)～(e)及图16(a)～(c)是表示在电解质膜21的两面设置电极及多孔质层的例的剖面示意图。图15(c)、图15(d)、图15(e)、图16(a)、图16(b)、图16(c)分别是在图1(c)、图1(d)、图1(e)、图1(f)、图1(g)、图1(h)中设置进行了图6所示的厚度调节的气体扩散层25、多孔质层26的图。
在图15(a)～(e)及图16(a)～(c)的任一情况下，存在上述保护层的第一部位23a及第二部位23b的区域上的层叠体的厚度28a及28b分别处于不存在该保护层的中央部的层叠体的厚度28c以下，因此，使用了这些层叠体的单电池可采用如下结构：存在上述保护层23的第一部位23a及第二部位23b的区域上的单电池的厚度分别处于不存在该保护层23的中央部的该单电池的厚度以下。因此，层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
另外，在图15(a)～(b)的情况下，也可以在电解质膜21的另一面设置没有保护层的电极。该情况下，不需要调节另一面的多孔质层的厚度，以上述的方式仅调节具有保护层的面的多孔质层的厚度，就可得到本发明的效果。
与仅一面具有保护层而调节该面的单电池厚度调整层的厚度的结构相比，优选如图7(c)～(e)、图8(a)～(c)、图9(c)～(e)、图10(a)～(c)、图11(c)～(e)、图12(a)～(c)、图13(c)～(e)、图14(a)～(c)、图15(c)～(e)、图16(a)～(c)所示，两面的电极都具有保护层及单电池厚度调整层(该情况下为防水层或多孔质层)，上述单电池厚度调整层在存在上述保护层的第二部位的区域上比上述中央部的单电池厚度调整层的厚度薄、或在存在上述保护层的第二部位的区域上不存在，以使存在上述保护层的第二部位的区域上的膜电极接合体的厚度或具有膜电极接合体和多孔质层的层叠体的厚度为不存在该保护层的中央部的该膜电极接合体的厚度或该层叠体的厚度以下。这是因为，无论在阳极电极侧及阴极电极侧的哪一侧，在完成的单电池中，都能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的单位面积的载荷，由此，能够得到本发明的效果。
在上述单电池厚度调整层为上述防水层的情况下，优选存在上述保护层的第一及第二部位的区域上的上述防水层的厚度为上述保护层的厚度以下。这是因为，通过选择存在上述保护层的第一及第二部位的区域上的适当的上述防水层的厚度，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷。
在上述单电池厚度调整层为上述防水层的情况下，优选在存在上述保护层的第一及第二部位的区域上，上述防水层不存在。这是因为，通过在上述阳极催化剂层或上述阴极催化剂层的外缘部不设置本来不需要的防水层，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷。
优选在存在上述保护层的第一及第二部位的区域上的上述多孔质层的厚度为200～600μm。
尤其是，考虑上述保护层的厚度时，在存在上述保护层的第二部位的区域，上述多孔质层的厚度更优选200～500μm。这是因为，上述多孔质层的厚度超过500μm时，存在上述保护层的第二部位的区域上的单电池的厚度超过单电池中央部的厚度，另外，上述多孔质层的厚度不足200μm时，不能保持为了使作用于单电池内部的膜电极接合体的压力为恒定而具有充分的弹性的多孔质层的厚度。进一步，在存在上述保护层的第二部位的区域，上述多孔质层的厚度最优选200～400μm。
另外，尤其是考虑上述保护层的厚度时，在存在上述保护层的第一部位的区域，上述多孔质层的厚度更优选200～500μm。这是因为，上述多孔质层的厚度超过500μm时，存在上述保护层的第一部位的区域上的单电池的厚度超过单电池中央部的厚度，另外，上述多孔质层的厚度不足200μm时，不能保持为了使作用于单电池内部的膜电极接合体的压力为恒定而具有充分的弹性的多孔质层的厚度。进一步，在存在上述保护层的第一部位的区域，上述多孔质层的厚度最优选200～500μm。
另外，在不存在上述保护层的中央部的上述多孔质层的厚度优选300～600μm。这是因为这是为了使作用于单电池内部的膜电极接合体的压力为恒定而具有充分的弹性的厚度。
图17是表示本发明的单电池的典型例的图。另外，在图17中，为了强调单电池的部位引起的厚度的不同，夸张了平板隔离件的挠曲而绘制。
本典型例的单电池为用一对多孔质层27夹持图11(c)所示的膜电极接合体，再用没有气体流路的一对平板隔离件29夹持该夹持物而形成的单电池。上述多孔质层27及上述平板隔离件29的厚度不依赖于单电池的部位而分别大致均匀，因此上述平板隔离件29在夹持时，由于膜电极接合体的部位引起的厚度的不同而挠曲。此时，通过采用在存在上述保护层的第一部位23a及第二部位23b的区域上不存在上述防水层24的膜电极接合体，可以形成如下结构：上述保护层的第一部位23a及第二部位23b存在的区域上的单电池的厚度30a及30b分别处于不存在该保护层的中央部的该单电池的厚度30c以下。因此，在层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
图18是表示本发明的单电池的第二典型例的图。另外，在图18中也与图17相同，夸张了单电池的部位引起的厚度的不同而绘制。
本第二典型例的单电池为用一对多孔质层27夹持如图8(a)所示的膜电极接合体，再用没有气体流路的一对平板隔离件29夹持该夹持物而形成的单电池。该情况下，采用上述防水层24的厚度在存在上述保护层的第二部位23b的区域上比上述中央部的上述防水层24的厚度薄的膜电极接合体，可以形成如下结构：存在上述保护层的第二部位23b的区域上的单电池的厚度30b处于不存在该保护层的中央部的该单电池的厚度30c以下。因此，在层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
图19是表示本发明的单电池的第三典型例的图。另外，在图19中也与图17相同，为了强调单电池的部位引起的厚度的不同，夸张了平板隔离件的挠曲而绘制。
本第三典型例的单电池为用一对不具有气体流路的平板隔离件29夹持图13(c)所示的层叠体而形成的单电池。另外，单电池的外缘部的多孔质层27通过切削而使该多孔质层27的厚度变薄。平板隔离件29的厚度不依赖于单电池的部位而分别大致均匀，上述平板隔离件29在夹持时，由于层叠体的部位引起的厚度的不同而挠曲。此时，采用上述多孔质层27的厚度在存在上述保护层的第二部位23b的区域上比上述中央部的上述多孔质层27的厚度薄的层叠体，由此，可采用如下结构：存在上述保护层的第二部位23b区域上的单电池的厚度30b处于不存在该保护层的中央部的该单电池的厚度30c以下。因此，在层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
图20是表示本发明的单电池的第四典型例的图。另外，在图20中也与图17相同，强调了平板隔离件的挠曲而绘制。
本第四典型例的单电池为用一对不具有气体流路的平板隔离件29夹持图16(a)所示的层叠体而形成的单电池。另外，单电池的外缘部的多孔质层27通过挤压而使该多孔质层27的厚度变薄。上述平板隔离件29的厚度不依赖于单电池的部位而分别大致均匀，上述平板隔离件29在夹持时，由于膜电极接合体的部位引起的厚度的不同而挠曲。此时，采用上述多孔质层27的厚度在存在上述保护层的第一部位23a及第二部位23b的区域分别比上述中央部的上述多孔质层27的厚度薄的层叠体，可以形成如下结构：存在上述保护层的第一部位23a及第二部位23b的区域上的单电池的厚度30a及30b分别处于不存在该保护层的中央部的该单电池的厚度30c以下。因此，在层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
根据本发明，为了使通过设置保护层而产生的、存在保护层的第二部位的区域上的单电池的厚度为不存在该保护层的中央部的单电池的厚度以下，而使存在第二部位的区域上的单电池厚度调整层的厚度比中央部的单电池厚度调整层的厚度薄、或不设置存在第二部位的区域上的单电池厚度调整层，由此，在层叠单电池时，能够抑制作用于电解质膜的力学的负荷，且能够对单电池的中央部施加足够的每单位面积的载荷，能够进行如设计那样的充分的发电。
本发明的燃料电池的单电池的制造方法，是上述本发明的燃料电池的单电池的制造方法，其特征为，具有下述工序：通过对设置于阳极侧及阴极侧中至少一方的多孔质层的、存在上述保护层的第一及第二部位的区域进行切削或挤压，选择位置地使上述多孔质层的厚度变薄。
除多孔质层之外的单电池的构成要素即用于固体高分子电解质膜、催化剂层、保护层、气体扩散层、防水层及平板隔离件的材料及形成方法与上述相同。另外，关于用于上述多孔质层的材料也与上述相同。
作为选择位置地切削上述多孔质层的方法，可列举通过由一般的切割机等进行的切削而进行加工的方法。
作为选择位置地挤压上述多孔质层的方法，可列举通过施加规定载荷的冲压而进行加工的方法。
通过使用这种结构的燃料电池的单电池的制造方法，能够得到本发明的燃料电池的单电池。另外，通过对存在保护层的第一及第二部位的区域上的多孔质层进行切削或挤压的简便方法，能够使存在保护层的第一及第二部位的区域上的多孔质层的厚度变薄。
Claims (11)
1.一种燃料电池的单电池，具有膜电极接合体和一对隔离件，所述膜电极接合体在固体高分子电解质膜的一面侧具有包括阳极催化剂层及气体扩散层的阳极电极，并在另一面侧具有包括阴极催化剂层及气体扩散层的阴极电极，所述燃料电池的单电池的特征在于，
在所述固体高分子电解质膜的阳极侧及阴极侧中的至少一面侧，所述阳极或阴极催化剂层具有比所述固体高分子电解质膜及所述气体扩散层小一圈的尺寸及形状，并且，从该阳极或阴极催化剂层的外周露出的所述固体高分子电解质膜的外周缘部和所述气体扩散层的外周缘部相对，
所述燃料电池的单电池设有框形的保护层，该框形的保护层具有介于相对的该高分子电解质膜的外周缘部和该气体扩散层的外周缘部之间的第一部位、及与所述阳极或阴极催化剂层的外周重叠的第二部位，
所述燃料电池的单电池还具有单电池厚度调整层，并且该单电池厚度调整层在存在所述保护层的第二部位的区域上比不存在该保护层的中央部的所述单电池厚度调整层的厚度薄、或在存在所述保护层的第二部位的区域上不存在，以使存在所述保护层的第二部位的区域上的单电池的厚度为所述中央部的该单电池的厚度以下。
2.如权利要求1所述的燃料电池的单电池，其中，所述单电池厚度调整层为介于所述阳极或阴极催化剂层和所述气体扩散层之间的防水层。
3.如权利要求1所述燃料电池的单电池，其中，所述单电池厚度调整层为进一步夹持所述膜电极接合体的多孔质层，再通过一对不具有气体流路的平板隔离件夹持该夹持物。
4.如权利要求1～3中任一项所述的燃料电池的单电池，其中，在所述固体高分子电解质膜的阳极侧及阴极侧的两面上，所述单电池厚度调整层在存在所述保护层的第二部位的区域上比不存在该保护层的中央部的所述单电池厚度调整层的厚度薄、或在存在所述保护层的第二部位的区域上不存在，以使存在所述保护层的第二部位的区域上的单电池的厚度为所述中央部的该单电池的厚度以下。
5.如权利要求1～4中任一项所述的燃料电池的单电池，其中，在所述固体高分子电解质膜的阳极侧及阴极侧中的至少一面侧，所述单电池厚度调整层在存在所述保护层的第一及第二部位的区域上比不存在该保护层的中央部的所述单电池厚度调整层的厚度薄、或在存在所述保护层的第一及第二部位的区域上不存在，以使存在所述保护层的第一及第二部位的区域上的单电池的厚度为所述中央部的该单电池的厚度以下。
6.如权利要求2、4及5中任一项所述的燃料电池的单电池，其中，在所述单电池厚度调整层为所述防水层的情况下，通过一对多孔质层夹持所述膜电极接合体，再通过一对不具有气体流路的平板隔离件夹持该夹持物。
7.如权利要求3～6中任一项所述的燃料电池的单电池，其中，所述多孔质层的多孔度为70％以上，且空孔径为20～100nm。
8.如权利要求2及4～7中任一项所述的燃料电池的单电池，其中，在所述单电池厚度调整层为所述防水层的情况下，存在所述保护层的第一及第二部位的区域上的所述防水层的厚度为所述保护层的厚度以下。
9.如权利要求2及4～8中任一项所述的燃料电池的单电池，其中，在所述单电池厚度调整层为所述防水层的情况下，在存在所述保护层的第一及第二部位的区域上不存在所述防水层。
10.如权利要求3～9中任一项所述的燃料电池的单电池，其中，存在所述保护层的第一及第二部位的区域上的所述多孔质层的厚度为200～600μm。
11.一种燃料电池的单电池的制造方法，是所述权利要求3～10中任一项所述的燃料电池的单电池的制造方法，其特征在于，
包括下述工序：通过对设置于阳极侧及阴极侧中至少一侧的多孔质层上存在所述保护层的第一及第二部位的区域进行切削或挤压，选择位置地使所述多孔质层的厚度变薄。
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