JP2001243963A

JP2001243963A - 燃料電池用セル及び燃料電池

Info

Publication number: JP2001243963A
Application number: JP2000050222A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Isono; 隆博礒野; Hiroki Kabumoto; 浩揮株本; Yoshito Konno; 義人近野; Ikuro Yonezu; 育郎米津
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2001-09-07
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: JP3619737B2

Abstract

(57)【要約】【課題】セル電圧などの電池特性が劣化しにくい耐久
性に優れる燃料電池用セル及びそれを備えた燃料電池を
提供すること。【解決手段】固体高分子膜１１に面する側表面の外周
部分において、平面状の面取り加工が施されて、平面面
取り部１２D及び１３Dが形成された触媒支持部材１２及
び１３を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子膜を用
いた燃料電池に関し、特に耐久性に優れた燃料電池に関
する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池とは、電極反応によって燃料
（水素など）のもっている化学的エネルギーを直接電気
エネルギーとして取り出すものである。これが燃料電池
の基本的な発電原理である。その代表的なものの中に固
体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cel
l；以下「PEFC」と称する。）がある。

【０００３】PEFCは、一般的には、固体高分子膜（Poly
mer Electrolyte Membrane）の両主表面にアノードとカ
ソードとが配されてなるセルと、セルを挟持する１対の
リブ付きセパレータ板と、セパレータ板の外周部とセル
との間に介挿されたこの部分をシールするシール部材と
が積層された構成であって、上記アノード，カソード各
々に反応ガスを供給し、下記化１及び化２の酸化還元反
応によって電力を発生させるものである。

【０００４】Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- … （化１）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ … （化２）このPEFCは、リン酸型などの他の種類の燃料電池と比べ
て作動温度は比較的低温でありながら、高い出力が得ら
れる点を特徴としている。固体高分子膜は、アノード側
で生成されたプロトン（Ｈ⁺）がカソード側に伝導する
際の通路となるため、陽イオン伝導性を有するパーフル
オロカーボンスルホン酸ポリマーをはじめとする陽イオ
ン交換樹脂が一般的に用いられている。しかるに、かか
る陽イオン伝導は、水和水とともになされることから、
固体高分子膜は湿潤された状態（水分が含まれた状態）
でなければならない。このため、固体高分子膜はPEFCを
作動させる際には、常時、湿潤させておく必要が生じ
る。

【０００５】そこで、PEFCを作動させる際は、一般的に
は、加湿した燃料ガス又は酸化剤ガスをカソード又はア
ノードに供給し、カソード又はアノード側から水分を固
体高分子膜に拡散させることで、固体高分子膜を湿潤状
態とする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近では、
燃料電池の用途の多様化によってより高い性能が要求さ
れるようになってきている。その一つとして、固体高分
子型燃料電池において固体高分子膜に従来一般的なもの
よりもより薄い厚み（５０μｍ程度）のものを用いるこ
とによって燃料電池内の内部抵抗を下げる技術がある。
この技術によれば確かに、この目的を達成することがで
きる。

【０００７】しかしその一方で、このような厚みが薄い
固体高分子膜を用いると、長期間使用する場合や過酷な
条件下で使用する場合にセル電圧が低下し易いという問
題は孕んでいる。そこで、本発明は、このような問題点
を踏まえてなされたものであって、セル電圧などの電池
特性が劣化しにくい耐久性に優れる燃料電池用セル及び
それを備えた燃料電池を提供することを目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】発明者らは、なぜ、厚み
が薄い固体高分子膜を用いると、長期間或いは過酷な条
件下で使用する場合にセル電圧が低下し易く燃料電池の
耐久性が低下するのかをセルの構造との関係で検討し
た。その結果、固体高分子膜からみて電極の背面側に位
置するガス拡散層のエッジ部が固体高分子膜に食い込む
ことで、固体高分子膜が破れ、反応ガスのクロスリーク
が生じていたことが原因の一つである可能性が高いこと
が判明した。

【０００９】そこで、上記目的を達成するために、本発
明は、固体高分子膜の一方の主表面にアノードを、他方
の主表面にカソードを配してなる燃料電池用セルであっ
て、前記アノード及びカソードは、触媒支持部材上に触
媒層が形成されてなり、前記アノード及びカソードの少
なくとも何れか一方における触媒支持部材の外周部の少
なくとも一部において、固体高分子膜の最も近くに位置
するエッジ部のエッジ角が鈍角となる形状を有すること
を特徴とする。

【００１０】このような構成とすることによって、固体
高分子膜に対して鈍角をもってエッジ部を接触させら
れ、燃料電池におけるセルの荷重によるエッジ部の食い
込み、更に最も大きな要因であるセル作製時におけるエ
ッジ部の食い込みを抑えることができる。この結果、固
体高分子膜の損傷を抑えることができるため、耐久性の
高い燃料電池が実現される。ここで、「固体高分子膜の
最も近くに位置するエッジ部」において「エッジ角が鈍角
となる」としたのは、この部分は、固体高分子膜に対し
て他のエッジ部と比べて大きな圧接力で接触し、燃料電
池の耐久性に最も大きな影響を与えることとなるため、
その影響を低減するためである。

【００１１】なお、「エッジ角」とは、触媒支持部材の固
体高分子膜側の主表面と、これに隣接する側面とがなす
角度のことである。ここで、エッジ部は、触媒支持部材
の外周部において、固体高分子膜に面する部分が、固体
高分子膜側の触媒支持部材の主表面となす角度が１００
°〜１６０°となるように厚み方向において全部分が平
面状に面取り加工されることにより形成されたものとす
ることができる。

【００１２】ここで、前記エッジ部は、触媒支持部材の
外周部において、固体高分子膜に面する部分が、固体高
分子膜側の触媒支持部材の主表面となす角度が１００°
〜１７５°となるように厚み方向において一部分が平面
状に面取り加工されることにより形成されたものとする
ことができる。ここで、前記エッジ角が鈍角である前記
エッジ部は、曲率半径が、触媒支持部材の厚みに対し
て、0.5以上1以下となるように曲面状に面取りされるこ
とで形成されたものとすることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明のPEFCにかかる実
施の形態について図面を用いながら具体的に説明する。 [第一の実施の形態] <全体構成及び動作>図１は、本実施の形態にかかるPEFC
１の構成を示す要部組立図である。

【００１４】PEFC１は、基本単位１００が冷却プレート
１１０を適宜介在させながら複数個積層され、これが図
示しない絶縁加工されたエンドプレートにより上下両端
から挟持された構造体をなしている。なお、PEFC１にお
いて積層される基本単位１００の総数は、出力しようと
する電圧に応じて設定される。この基本単位１００は、
電解質層としての固体高分子膜１１の中央部に、アノー
ド１２およびカソード１３を配したセル１０と、このセ
ル１０を挟持する複数本のアノードガスチャネル（下面
側であって、この図では見えない。）が配されたセパレ
ータ板２０および複数本のカソードガスチャネル３１が
配されたセパレータ板３０と、セパレータ板２０，３０
の外周部とセル１０との間に介挿されこの部分をシール
するシール材４０，５０とから構成されている。

【００１５】前記アノードガスチャネルはアノード１２
の背面側１２Aに対向して位置し、カソードガスチャネ
ル３１はカソード１３の背面側１３Aに対向して位置し
ている。固体高分子膜１１は、陽イオン交換樹脂であれ
ば特にその種類は限定されるものではないが、例えば、
ナフィオン（デュポン社の商品）の膜を用いることがで
きる。

【００１６】アノード１２は、触媒支持部材１２Bとそ
の上に支持された触媒層１２Cとからなる。カソード１
３も、触媒支持部材１３Bとその上に支持された触媒層
１３Cとからなる。触媒支持部材１２B及び１３Bは、例
えば、フッ素系の樹脂をスプレー噴霧することにより撥
水処理が施されたカーボンペーパからなる。このカーボ
ンペーパは、内部に、３次元状に張り巡らされた骨格間
に形成された無数の孔を有した適度な剛性を有する部材
である。このような多孔性でしかも導電性を備えたカー
ボンペーパからなる触媒支持部材１２B及び１３Bは、ガ
スチャネルから分配されるガスを触媒層全体に拡散させ
るガス拡散層としての機能を有するとともに、複数のセ
ルを電気的に接続する集電体としての機能も担う。

【００１７】触媒層１２Cは、触媒粒子と結着剤などの
混合ペースト、例えば、白金担持カーボン（Pt/C）と撥
水性付与を兼ねるポリテトラフルオロエチレンなどの結
着剤と、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーなど
プロトン（Ｈ⁺）伝導性を有する電解質との混合物を、
前記触媒支持部材にスクリーン印刷法等公知の方法によ
り層状に設けることによって作製したものである。

【００１８】触媒層１３Cは、触媒層１２C同様の触媒粒
子、電解質、結着剤との混合ペーストを、触媒支持部材
にスクリーン印刷法等公知の方法により層状に設けるこ
とによって作製したものである。セパレータ板２０，３
０は、カーボンを用いて加工した緻密な導電性を有する
基板である。冷却プレート１１０も同様に、導電性の緻
密な基板である。

【００１９】シール部材４０，５０は、固体高分子膜１
１の外周部に対して押圧することにより、各電極に供給
される反応ガスが電池外部に漏出しないように、この部
分をシールする、フッ素樹脂等からなる適度な弾性のあ
る部材である。また、シール部材４０、５０は固体高分
子膜１１にこのように押圧されるので、前記固体高分子
膜１１は、各電極に供給される反応ガスのクロスリーク
を防止する機能をも有する。

【００２０】固体高分子膜１１，セパレータ板２０，３
０および冷却プレート１１０の各々の四隅部分には反応
ガス供給・排出用のマニホールドを構成する貫通孔Ｐ１
〜Ｐ４が開設され、また、各プレートの一対の対向する
辺の中央部に冷却水流入・流出用マニホールドを構成す
る貫通孔Ｐ５，Ｐ６が開設されている。セパレータ板２
０の対角線上に位置する貫通孔Ｐ２，Ｐ４は前記アノー
ドガスチャネルと連通され（不図示）、セパレータ板３
０の対角線上に位置する貫通孔Ｐ１，Ｐ３は前記カソー
ドガスチャネル３１と連通され、冷却プレート１１０の
貫通孔Ｐ５，Ｐ６は当該冷却プレートに設けられた冷却
水流流路１１１と連通されている。

【００２１】このような構造のPEFC１においては、酸素
に代表されるカソードガスがカソードガス供給用のマニ
ホールドに供給され、各カソードガスチャネル３１…か
らカソード１３に分配されることでカソードガスが反応
に供される。そして、その過剰分がカソードガス排出用
のマニホールドから排出される。一方、図示しない加湿
装置によって予め加湿された水素に代表されるアノード
ガスがアノードガス供給用のマニホールドに供給され、
各アノードガスチャネルに分配されることで、当該アノ
ードガス中に含有された水分が固体高分子膜１１の湿潤
に供されると共に、アノード１２での反応に供される。
そして、過剰分がアノードガス排出用のマニホールドか
ら排出される。

【００２２】このような動作が連続的に行われて、発電
が行われるようになっている。 <セルの作製方法>予め水に漬して湿潤させた固体高分子
膜の中央部分に、触媒支持部材（後述する形状に外周部
が加工されたもの）を用いてなるアノード１２及びカソ
ード１３を置き、ホットプレス法などによって、熱及び
圧力によってアノード１２及びカソード１３、並びに固
体高分子膜を互いに融着させる。融着は、例えば、温度
１５０℃，７０ｋｇ／ｃｍ²，処理時間９０秒の処理条
件で行うことができる。

【００２３】<触媒支持部材１２B及び触媒支持部材１３
Bの構造について>図２は、図１におけるセル完成状態に
おけるＡ−Ａ'線を含む部分垂直断面図である。この図
と、図１を参照にして、触媒支持部材１２B及び触媒支
持部材１３Bの構造について詳しく説明する。これらの
図に示すように、触媒支持部材１２B及び触媒支持部材
１３Bは、固体高分子膜１１に面する側表面の外周部分
において、平面状の面取り加工が施されて、平面面取り
部１２D及び１３Dが形成されたものである。これによ
り、固体高分子膜側最も近くに位置するエッジ部が、鈍
角をなすものとなる。このエッジ部を以下、圧接側エッ
ジ部１２E及び１３Eと呼ぶ。

【００２４】平面面取り部１２D及び１３Dは、固体高分
子膜１１と所定の角度Θとなるように平面状に、厚み方
向の途中（図では、中央付近）まで平面面取りが施され
ている。この面取りの角度は、圧接側エッジ部１２E及
び１３Eのエッジ角Θ（触媒支持部材の主表面１２F、１
３Fと、当該主表面１２F及び１３Fに隣接する面取り部
の表面１２G、１３Gとがなす角度）と等しい。そして、
面取り角度（エッジ角Θ）は、１００°〜１７５°に規
定することが望ましい。

【００２５】かかる平面面取り部１２D及び１３Dの形成
は、カーボンペーパを所定のサイズに切断しただけの未
加工のものの外周部を、研磨・切削・切断等の一般的な
方法によって行うことができる。なお、図２では、触媒
支持部材１２B及び１３Bの圧接側エッジ部１２E及び１
３Eは固体高分子膜に接触していないが、これは、説明
を分り易くするために便宜上このように描いたものであ
って、実際には、セル作製時の圧力又は燃料電池組立後
の押圧力によってアノード１２及びカソード１３が固体
高分子膜１１に埋没する状態となっていると考えられる
ので、圧接側エッジ部１２E及び１３Eは固体高分子膜１
１の表面と接触する。

【００２６】<作用・効果>触媒支持部材は、固体高分子
膜とそれに最も近くに位置する圧接側エッジ部が、固体
高分子膜に対して他のエッジ部と比べて大きな圧接力で
接触することから、この部分の形状如何によっては、燃
料電池における荷重及び固体高分子膜の膨張・収縮との
相互作用によって、固体高分子膜が致命的な損傷が発生
してしまうことになる。

【００２７】つまり、従来の燃料電池の場合のように、
触媒支持部材の固体高分子膜最も近くに位置する圧接側
エッジ部が固体高分子膜と比較的鋭い角度（ほぼ９０
°）をもって固体高分子膜と接触すると、燃料電池内の
セル積層・締め付けによる荷重が作用することにより固
体高分子膜に当該圧接側エッジ部が食い込むことにより
固体高分子膜が損傷を招く。さらに、電池作動時におい
て、固体高分子膜は水蒸気による湿潤状態を常時維持さ
れるように、外部から水が適宜補給されるため、乾燥・
湿潤に伴って固体高分子膜自体は収縮・膨張を繰り返
す。このため、一度前記圧接側エッジ部が食い込むと、
収縮・膨張に伴って更に深く食い込んで行くことで傷の
深さが増大し、最悪の場合には、固体高分子膜が破損す
る。このように固体高分子膜が破損すると、アノードガ
スとカソードガスとのシール性が損なわれ、反応ガスの
クロスリークが発生し、セル電圧が低下してしまう。燃
料電池は、上下方向からセルが挟持されているため、固
体高分子膜の収縮・膨張はある程度は抑えられるが、こ
の膨張・収縮を完全に抑えることは不可能である。

【００２８】また、食い込みの程度が緩和されたとして
も、繰返し行われる固体高分子膜の収縮・膨張によっ
て、一旦生じた傷の深さが次第に増大してゆくため、最
終的には、固体高分子膜自体の破損を招来し、反応ガス
のクロスリークを引き起こす危険性が生じる。更に、セ
ル作製時にもっとも固体高分子膜の膨張・収縮の度合い
は大きく、セル作製時に固体高分子膜に傷が入る可能性
がもっとも高い。つまり、上記のようにセルの作製は、
湿潤させた固体高分子膜をアノード及びカソードとで熱
・圧力の作用によって融着させることにより行うが、こ
のように、熱及び圧力を作用させる際に、触媒支持部材
の圧接側エッジ部が固体高分子膜に食い込みが生じる。

【００２９】このように圧接側エッジ部が食い込み、固
体高分子膜に傷が生じたセルを用いて電池を作動する
と、電池作動時に固体高分子膜の収縮・膨張が繰り返し
行われることから、初期に生じた傷の深さが次第に増大
してゆくため、最終的には、固体高分子膜自体の破損を
招来し、反応ガスのクロスリークを引き起こす危険性
が、上記同様に生じる。

【００３０】一方、本実施の形態では、触媒支持部材の
外周部で固体高分子膜に面する部分に平面面取り部が形
成されており、固体高分子膜と接触する触媒支持部材の
圧接側エッジ部１２E及び１３Eは、固体高分子膜に対し
て鈍角をもって接触しているので、燃料電池におけるセ
ルの荷重や、セル作製時における圧接側エッジ部の食い
込みを抑えることができる。この結果、固体高分子膜の
損傷を抑えることができるため、セル電圧を長期間に渡
って維持することができる。

【００３１】このような効果を発揮させるには、圧接側
エッジ部のエッジ角を、１００°〜１７５°程度の範囲
に規定することが適切であるが、以下にこの根拠につい
て具体的な実験の結果を基にして説明する。 <面取りの度合つまり圧接側エッジ部１２E及び１３Eに
おけるエッジ角Θについての検討>面取り部の面取りの
度合いつまり圧接側エッジ部１２E及び１３Eにおけるエ
ッジ角Θについて検討するために以下に示す加速試験を
行った。

【００３２】《加速試験》 (加速試験に供したセル) 固体高分子膜：パーフルオロカーボンスルホン酸（Na
fion112膜、７ｃｍ×７ｃｍ四方の正方形状のもの、厚
み５０μｍ）触媒支持層：カーボンペーパ（５ｃｍ×５ｃｍ四方
の正方形状のもの、厚み２００μｍ）の側部を研磨機で
削ることによって厚み方向１／２程度の部分まで平面面
取り加工を行い、前記エッジ角Θを１２０°に設定し
た。これをPTFE（ポリテトラフルオロエチレンの略記）
分散溶液に浸漬し、３８０℃で１時間焼成したものを触
媒支持部材として用いた。

【００３３】触媒層：白金担持カーボン、イオ
ン交換樹脂（Nafion溶液）、PTFE（ポリテトラフルオロ
エチレンの略記）を重量比で、１００：２０：５の割合
で混合し、触媒支持部材の一の主表面上に厚みが２０μ
ｍとなるように塗布した。その後、８０℃で６０分間乾
燥させた。セルの作製：上記の触媒層を塗布した触媒支持部材
をアノード及びカソードとし固体高分子膜と１５０℃、
５０kg／cm²の条件下で６０秒ホットプレスを施し、膜
と電極とが接合されたセルを作製した。

【００３４】同様に、前記エッジ角Θを９０°（比較
例）、１００°（本発明の実施例）、１２０°（本発明
の実施例）、１３５°（本発明の実施例）、１５０°
（本発明の実施例）、１７０°（本発明の実施例）、１
７５°（本発明の実施例）の値に設定した、数種類のセ
ルを準備した。 (加速試験)加速試験は、強制的に固体高分子膜の湿潤・
乾燥状態を繰返し作り出し、実際の燃料電池の作動条件
よりも過酷な条件にセルを曝す湿潤／乾燥サイクル試験
によって行った。

【００３５】(湿潤／乾燥サイクル試験条件）１. 湿潤工程：セルを８０℃の温水中に浸漬し、１時間
保持する工程。２．乾燥工程：セルを８０℃の空気中に放置し、１時間
保持する工程。３. 上記１及び２の工程を交互に３０回繰り返す。 (セル性能確認)セルの性能の確認は、上記湿潤／乾燥サ
イクル試験を行う前後に下記の条件で行った。なお、試
験前のセル電圧は、全て６５０ｍＶ程度であった。

【００３６】セル温度：８０℃ アノードガス：水素カソードガス：空気アノードガス利用率：７０％カソードガス利用率：４０％ガス加湿温度：アノード側８０℃ カソード側７０℃ 電流密度：0.5A／cm² (結果及び考察) 上記実験の結果を図３に示した。この図３は、エッジ角
Θ（°）とセル電圧（ｍＶ）との関係を示す特性図であ
り、横軸にエッジ角Θ（°）をとり、縦軸にセル電圧
（ｍＶ）をとってある。

【００３７】図３に示す結果からも明らかなように、エ
ッジ角Θが９０°の場合には、セル電圧の低下が比較的
大きかった。これは、上述のように圧接側エッジ部のエ
ッジ角Θが鋭角であるため、セル作製時において、固体
高分子膜に損傷が発生し、固体高分子膜の収縮・膨張の
繰返しによって、この傷の深さが増大したためである。

【００３８】ところが、触媒支持部材の圧接側エッジ部
のエッジ角Θを大きくとり鈍角とすることによって、セ
ル電圧の低下の度合いは低減していると言える。これ
は、上述のように圧接側エッジ部のエッジ角Θを鈍角と
することによって、セル作製時において、固体高分子膜
への損傷の発生が抑えられているからである。

【００３９】この意味でエッジ角Θは１００°以上とす
ることが望ましいことが分る。一方、エッジ角Θを大き
くするほど、セル電圧の低下の度合いは更に低減するこ
とになるが、１７５°付近を超えると、加工が困難とな
ることから、加工容易性の観点からするとエッジ角の上
限としては１７５°程度が適切と言える。 [第二の実施の形態]本実施の形態にかかる燃料電池で
は、上記実施の形態とは触媒支持部材の外周部の形状が
異なる以外、その他の構成は上記燃料電池と同様である
ので、相違点について説明する。

【００４０】<触媒支持部材１２B及び触媒支持部材１３
Bの構造について>図４は、図２に相当する図であり、セ
ル完成状態における部分垂直断面図である。これらの図
に示すように、本燃料電池では、触媒支持部材の外周部
において、固体高分子膜に接する側に表面が曲面状の曲
面面取り部１２H及び１３Hが形成されている点を特徴と
する。

【００４１】この曲面面取り部１２H及び１３Hの面取り
の度合いつまり面取り部の半径は、触媒支持部材の厚み
ｄに対して0.5以上1以下に規定することが望ましい。 <作用・効果>上記のように、固体高分子膜の両主表面に
隣接して位置する触媒支持部材１２B及び触媒支持部材
１３Bにおいて曲面面取り部１２H及び１３Hが形成され
ているので、上記した理由から固体高分子膜への触媒支
持部材の圧接側エッジ部の食い込みによる固体高分子膜
の損傷を抑えることができる。

【００４２】<面取りの度合つまり半径Ｒについての検
討>面取り部の面取りの度合いつまり半径Ｒについて検
討するために上記同様の加速試験を行った。《加速試験》 (加速試験に供したセル)曲面面取り部の半径Ｒ（ここで
は、触媒支持部材の厚みとの比率で表記する。）を０.
５、０.７５、１.０、１.５の値に設定した、数種類の
セルを準備した。

【００４３】比較例として、加工していない、触媒支持
部材の圧接側エッジ部のエッジ角を９０°に設定したも
のを用いたセルを作製した。 (加速試験)加速試験は、上記湿潤／乾燥サイクル試験に
よって行った。 (セル性能確認)セルの性能の確認は、上記湿潤／乾燥サ
イクル試験を行う前後に上記同様の条件で行った。な
お、試験前のセル電圧は、全て６５０ｍＶ程度であっ
た。

【００４４】(結果及び考察)上記実験の結果を図５に示
した。この図５は、曲面面取り部の半径Ｒとセル電圧
（ｍＶ）との関係を示す特性図であり、横軸に半径Ｒ
（カッコ内の数値は実際の値を表している。）をとり、
縦軸にセル電圧（ｍＶ）をとってある。図５に示す結果
から、半径Ｒが0.5〜1の範囲で、セル電圧の低下が抑え
られることが分る。これは、上述のように固体高分子膜
に接する側の圧接側エッジ部のエッジ角を鈍角とするこ
とによって、セル作製時において、固体高分子膜への損
傷の発生が抑えられているからである。

【００４５】一方、曲面面取り部を形成したセルであっ
ても、半径Ｒが１を超える値となると、即ち、触媒支持
部材の厚みよりも大きくなると、セル電圧は低下する傾
向が認められた。これは、圧接側エッジ部のエッジ角Θ
は鈍角となるが、半径Ｒがあまりに大きくなると、触媒
支持部材の外周縁部の角度が９０°近くの鋭い角度とな
り、この部分が固体高分子膜に押圧されることによっ
て、固体高分子膜に食い込み損傷が発生するためと考え
られる。 [変形例]上記第一の実施の形態において、平面面取り部
により圧接側エッジ部を形成したが、図６に示すよう
に、触媒支持部材の断面形状が台形状になるように、厚
み方向において全部分を平面状に面取り加工を施すこと
により形成してもよい。ただし、この場合には、固体高
分子膜と面する側と反対側の部分のエッジ部の食い込み
により、固体高分子膜を破損する可能性が高くなるの
で、前記平面面取りの場合と比べて固体高分子膜と接す
る圧接側エッジ部のエッジ角Θの適切な範囲は、狭くな
る。

【００４６】これは、エッジ角Θがあまりに大きくなる
と、触媒支持部材における外周縁部の角度がより鋭い角
度となり、この部分が固体高分子膜に押圧されることに
よって、固体高分子膜に食い込み、損傷が発生するため
と考えられる。圧接側エッジ部のエッジ角Θを種々に設
定した触媒支持部材を用いてセルを作製し、これを上記
加速試験に供し、セル電圧を評価したところ、図７に示
す結果となった（なお、試験前のセル電圧は、全て６５
０ｍＶ程度であった。）。これに示すように、エッジ角
Θを１００°〜１６０°に規定することにより、セル電
圧の低下を抑制できることが分る。

【００４７】また、第一の実施の形態における平面面取
り部は、触媒支持部材の固体高分子膜に面する側の外周
部において形成したが、両主表面側において平面面取り
部を形成してもよい。また、第二の実施の形態における
曲面面取り部は、触媒支持部材の固体高分子膜に面する
側の外周部において形成したが、両主表面側において曲
面面取り部を形成してもよい。

【００４８】なお、上記実施の形態では、アノード側・
カソード側の双方において、面取り部を形成したが、少
なくとも何れか一方に形成されていればその分耐久性を
向上させる効果は得られる。また、上記実施の形態のよ
うに、電極支持部材の外周部全体に渡って、面取り部を
形成することが望ましいが、少なくとも一部に形成され
ていればその分耐久性を向上させる効果は得られる。な
お、この場合、固体高分子膜の収縮・膨張がもっとも頻
繁に生じる部分（セルの形状等にも因るが、上記四角形
状のものであれば、四隅部分）に形成することが望まし
い。

【００４９】また、上記実施の形態では、アノードに水
素ガスを供給して作動させる固体高分子型燃料電池を例
に挙げて説明したが、アノードにメタノールを供給して
作動させるＤＭＦＣ（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌ
ＦｕｅｌＣｅｌｌ）でも同様に適用することができ
る。

【００５０】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の燃料
電池用セルは、前記アノード及びカソードは、触媒支持
部材上に触媒層が形成されてなり、前記アノード及びカ
ソードの少なくとも何れか一方における触媒支持部材の
外周部の少なくとも一部において、固体高分子膜の最も
近くに位置するエッジ部のエッジ角が鈍角となる形状を
有することを特徴とする。

【００５１】このような構成とすることによって、固体
高分子膜に対して鈍角をもってエッジ部を接触させら
れ、燃料電池におけるセルの荷重によるエッジ部の食い
込み、更に最も大きな要因であるセル作製時におけるエ
ッジ部の食い込みを抑えることができるため、耐久性の
高い燃料電池が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の実施の形態にかかる燃料電池の構成を示
す斜視図である。

【図２】図１におけるＡ-Ａ'線を含む部分垂直断面図で
ある。

【図３】第一の実施の形態にかかる燃料電池の触媒支持
部材の圧接側エッジ部のエッジ角Θ（°）とセル電圧
（ｍＶ）との関係を示す特性図である。

【図４】第二の実施の形態にかかる燃料電池の部分垂直
断面図であり、図２に相当する図である。

【図５】曲面面取り部の半径Ｒとセル電圧（ｍＶ）との
関係を示す特性図である。

【図６】変形例にかかる触媒支持部材の形状を示す断面
図であり、図２に相当する図である。

【図７】変形例にかかるエッジ角Θ（°）とセル電圧
（ｍＶ）との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１固体高分子型燃料電池（PEFC) １０セル１１固体高分子膜１２アノード１３カソード１２B，１３B 触媒支持部材１２C，１３C 触媒層１２D，１３D 平面面取り部１２E，１３E 圧接側エッジ部１２F，１３F 主表面１２G，１３G 面取り部表面１２H，１３H 曲面面取り部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者近野義人大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者米津育郎大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H018 AA06 DD06 EE05 HH03 5H026 AA06 BB01 CC03 CC08 HH03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子膜の一方の主表面にアノード
を、他方の主表面にカソードを配してなる燃料電池用セ
ルであって、前記アノード及びカソードは、触媒支持部材上に触媒層
が形成されてなり、前記アノード及びカソードの少なくとも何れか一方にお
ける触媒支持部材の外周部の少なくとも一部において、
固体高分子膜の最も近くに位置するエッジ部のエッジ角
が鈍角となる形状を有することを特徴とする燃料電池用
セル。
【請求項２】前記エッジ部は、触媒支持部材の外周部
において、固体高分子膜に面する部分が、固体高分子膜
側の触媒支持部材の主表面となす角度が１００°〜１６
０°となるように厚み方向において全部分が平面状に面
取り加工されることにより形成されたものであることを
特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セル。
【請求項３】前記エッジ部は、触媒支持部材の外周部
において、固体高分子膜に面する部分が、固体高分子膜
側の触媒支持部材の主表面となす角度が１００°〜１７
５°となるように厚み方向において一部分が平面状に面
取り加工されることにより形成されたものであることを
特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セル。
【請求項４】前記エッジ部は、曲率半径が、触媒支持
部材の厚みに対して、0.5以上1以下となるように曲面状
に面取りされることで形成されたものであることを特徴
とする請求項１に記載の燃料電池用セル。
【請求項５】前記アノード及びカソードとは固体高分
子膜に融着されていることを特徴とする請求項１から４
の何れかに記載の燃料電池用セル。
【請求項６】前記セルを配してなることを特徴とする
請求項１から請求項５に何れかに記載の燃料電池。