JP2004335453A - 燃料電池セル、燃料電池、燃料電池発電システム、およびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解質膜が劣化しにくい、燃料電池セル、その燃料電池セルを利用した燃料電池、その燃料電池を利用した燃料電池発電システム、およびそれらの製造方法を提供すること。
【解決手段】 高分子電解質膜２１、高分子電解質膜２１を挟む、触媒層２２ａ、２２ｂおよびガス拡散層２３ａ、２３ｂからなる一対の電極２４ａ、２４ｂ、電極２４ａ、２４ｂの一方に酸化剤ガスを供給するガス流路２６を有するカソード側導電性セパレータ１６ａ、並びに電極２４ａ、２４ｂの他方側に燃料ガスを供給するガス流路３５を有するアノード側導電性セパレータ１６ｂを具備し、少なくとも一方の導電性セパレータ１６ａ、１６ｂの、ガス拡散層２３ａ、２３ｂの少なくとも一部の周辺端部５０に対面する部分に周辺端部５０に加わる圧力を吸収または分散する形状または構造を有することを特徴とする燃料電池セル。
【選択図】 図４

Description

本発明は、特に高分子電解質型燃料電池、その燃料電池セル、それらの製造方法、および燃料電池発電システムに関する。さらに詳しくは、電解質膜およびこれを挟む電極からなる膜−電極接合体を挟むセパレータの改良に関する。

燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させて、電気と熱とを同時に発生させるものである。このような燃料電池の中で、特に高分子電解質燃料電池の一般的な構成を図１２に示した。図１２において、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１の両面には、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層１２が密着して配置されている。触媒層１２の外面には、通気性と導電性を兼ね備えた一対のガス拡散層１３がこれに密着して配置されている。このガス拡散層１３と触媒層１２により電極１４が構成される。ガス拡散層１３としては、一般にカーボンからなる多孔質基材の上に、カーボン粉末とフッ素樹脂からなる層を形成したものが用いられる。カーボン基材としては、カーボンペーパー、織布、フェルトなどが一般的に用いられる。この触媒層１２とガス拡散層１３を一体化したものを膜−電極接合体（ＭＥＡ）と呼ぶ。導電性セパレータ１６は、電極１４と高分子電解質膜１１とで形成されるＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続する。導電性セパレータ１６は、さらに電極１４に反応ガスを供給しかつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路１７を電極１４と対向する面に有する。

ガス流路１７は、セパレータ１６と別に設けることもできるが、セパレータ１６の電極１４側の表面に溝を設けてガス流路１７とする方式が一般的である。セパレータ１６の他方の面には、電池温度を一定に保つための冷却水を循環させる冷却水の流路１８が設けられる。このように冷却水を循環させることにより、反応により発生した熱エネルギーは、温水などの形で利用することができる。このような積層型の電池では、ガスの供給孔および排出孔、さらには冷却水の供給孔および排出孔を、積層電池内部に確保したいわゆる内部マニホールド型が一般的である。

電極１４の周辺端部５０には、それぞれ対向する電極１４へのガス漏れあるいは外部へのガスの漏れを防止するために、シール機能を有するガスケット１５が設けられる。ガスケット１５には、Ｏリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シートなどが用いられる。ＭＥＡの取り扱い性の観点から、ある程度剛性を有する複合材系のガスケット１５をＭＥＡと一体化させることが多い。上記のような高分子電解質型燃料電池スタックでは、バイポーラ板等の構成部品の電気的接触抵抗を低減するため、電池全体を恒常的に締め付けることが必要である。このためには、多数の単電池セルを一方向に積み重ね、その両端にそれぞれ端板を配置し、その２つの端板の間を締結用部材で固定することが効果的である。締め付け方式としては、単電池セルを同一面内でできるだけ均一に締め付けることが望ましい。機械的強度の観点から、端板等の締結用部材にはステンレス鋼などの金属材料が通常用いられる。

また、電極１４と高分子電解質膜１１との機械的固定は、図１３に示すように、高分子電解質膜１１、触媒層１２ａ、および１３ａ、並びにガス拡散層１２ｂおよび１３ｂが積層された後、プレス機１４０によりこれらがホットプレスされる。

このような燃料電池に用いられる高分子電解質膜１１は、非常に薄く、機械的なダメージを受けやすい。例えば、ガスケット１５の切断面等でも損傷を受けることがある。そこで、ガスケットの切断部の形状を工夫するなどして膜の損傷を抑制することが図られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
特開２００１−３５１６５１号公報 特開２００２−３２９５０４号公報

しかし、上記の工夫のみでは問題は解決されず、図１３に示すように、電極１４ａ、１４ｂと高分子電解質膜１１とをホットプレスするときに、電極１４ａ、１４ｂの周辺端部５０に加圧力が集中することにより、高分子電解質膜１１を損傷することもあった。

また、上記のようにホットプレスにより作成されたＭＥＡをセパレータ１６を介して積層する際にも、積層時の締結圧力により、ガス拡散層１３ａ、１３ｂの周辺端部５０に加圧力が集中し、高分子電解質膜１１を損傷することもあった。

また、触媒層１２ａ、１２ｂ上に一体化されるガス拡散層１３ａ、１３ｂは、その切断時にカーボン繊維がバリとなって飛び出しやすく、そのため特にガス拡散層１３ａ、１３ｂの周辺端部５０において高分子電解質膜１１を傷つけやすい。ガス拡散層１３ａ、１３ｂの基材がカーボンペーパーであって、その厚みが薄い場合は、周辺端部部５０に微細な割れが生じ、これも高分子電解質膜１１を傷つける原因となる。

高分子電解質膜１１が破損すると、その部分で直接短絡が生じたり、ガスのリークが起こったりするなどして、燃料電池全体の劣化が加速される。

本発明は、上記の課題を鑑み、電解質膜が劣化しにくい、燃料電池セル、その燃料電池セルを利用した燃料電池、その燃料電池を利用した燃料電池発電システム、およびそれらの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第１の本発明は、電解質膜、前記電解質膜を挟む、触媒層およびガス拡散層からなる一対の電極、前記電極の一方に酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ並びに前記電極の他方に燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータを具備し、少なくとも一方の導電性セパレータの、ガス拡散層の少なくとも一部の周辺端部に対面する部分に前記周辺端部に加わる圧力を吸収または分散する形状または構造を有することを特徴とする燃料電池セルである。

第２の本発明は、前記周辺端部に対面する部分に前記導電性セパレータの材料よりもその弾性が高い材料が充填されている、第１の本発明の燃料電池セルである。

第３の本発明は、前記周辺端部に対面する部分に凹部が形成されている、第１の本発明の燃料電池セルである。

第４の本発明は、前記凹部の深さは、前記導電性セパレータの中心方向に向かって浅くなっている、第３の本発明の燃料電池セルである。

第５の本発明は、前記凹部の深さが、燃料電池の締結圧によりガス拡散層が圧縮される寸法の８０〜１２０％である、第３の本発明の燃料電池セルである。

第６の本発明は、前記凹部の深さが、前記燃料電池の締結圧によりガス拡散層が圧縮される寸法と実質上同一である、第３の本発明の燃料電池セルである。

第７の本発明は、前記セパレータの凹部よりも外側にガスケットが配置されている、第３の本発明の燃料電池セルである。

第８の本発明は、前記凹部は前記ガス流路と連通していない、第７の本発明の燃料電池セルである。

第９の本発明は、前記セパレータ上において前記ガス流路の入口付近または出口付近には前記凹部が形成されていない、第８の本発明の燃料電池セルである。

第１０の本発明は、前記セパレータの凹部よりも内側にガスケットが配置されている、第３の本発明の燃料電池セルである。

第１１の本発明は、前記電極のガス拡散層の少なくとも一部に緻密性物質が含浸され、その部分に前記ガスケットが当接するように配置されている、第１０の本発明の燃料電池セルである。

第１２の本発明は、第１にの本発明の燃料電池セルが積層されて構成されている、燃料電池である。

第１３の本発明は、燃料ガスを改質して水素を得る改質器と、
前記水素と酸化剤ガスが供給されて発電を行う、第１２にの本発明の燃料電池と、を備える、燃料電池発電システムである。

第１４の本発明は、触媒層およびガス拡散層からなる一対の電極と電解質膜とを一体化する第一工程と、一体化した膜−電極接合体を一対の導電性セパレータで挟んで燃料電池セルを形成する第二工程とを含む燃料電池セルの製造方法であって、前記第一工程において、前記ガス拡散層の周辺部分の加圧力が他の中央部分よりも低い状態で前記電極と前記電解質膜とを一体化することを特徴とする、燃料電池セルの製造方法である。

第１５の本発明は、前記第一工程は、前記ガス拡散層よりも小さい面積を有する加圧体で前記電極と前記電解質膜を加圧して一体化する工程を含む、第１４の本発明の燃料電池セルの製造方法である。

第１６の本発明は、第１４の本発明の燃料電池セルの製造方法により得られた燃料電池セルを積層する燃料電池の製造方法である。

本発明によれば、電解質膜が劣化しにくい、燃料電池セル、その燃料電池セルを利用した燃料電池、その燃料電池を利用した燃料電池発電システム、およびそれらの製造方法を提供することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１はＭＥＡ１０の長手断面図である。このＭＥＡ１０は、高分子電解質膜２１、これを挟むカソード電極２４ａおよびアノード電極２４ｂ、並びに各電極の周辺端部５０付近に配した一対のガスケット２５からなる。図２はカソード側導電性セパレータ１６ａ（以下、セパレータ１６ａという。）の正面図、図３はアノード側導電性セパレータ１６ｂ（以下、セパレータ１６ｂという。）の正面図である。図３はＭＥＡ１０、これを挟むセパレータ１６ａおよびセパレータ１６ｂを、図２に示すＶ−Ｖ線で切った断面図である。

カソード側セパレータ１６ａは、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔３０、一対の燃料ガス用マニホールド孔３３、一対の冷却水用マニホールド孔３４、および酸化剤ガス用マニホールド孔３０を相互に連絡するガス流路２６を有する。カソード側セパレータ１６ａは、さらにカソードのガス拡散層２３ａの周辺端部５０と対面する部分に、凹部２９を設けている。図２に示すハッチングで囲まれた部分にガス拡散層２３ａの周辺端部５０が対面する。凹部２９は、ガス流路２６がマニホールド孔３０と繋がる部分には設けられていない。

同様に、アノード側セパレータ１６ｂは、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔３０、一対の燃料ガス用マニホールド孔３３、一対の冷却水用マニホールド孔３４、および燃料ガス用マニホールド孔３３を相互に連絡するガス流路３５を有する。アノード側セパレータ１６ｂには、さらにアノードのガス拡散層２３ｂの周辺端部５０と対面する部分に凹部３７が設けられている。図中３に示すハッチングで囲まれた部分にガス拡散層２３ｂが対面する。凹部３７は、ガス流路３５がマニホールド孔３３と繋がる部分には設けてられていない。

図４に示す例では、凹部２９および３７は、各セパレータのの中心部に向かうに従って深さが浅くなっている。本発明では、少なくとも一方のセパレータ上の、いずれかの電極の周辺端部５０に対面して接する部分に凹部２９、３７が設けられている。この凹部２９、３７の深さｔは、このようにして作成した燃料電池セルを積層して締結する圧力をかけたときに、ガス拡散層２３ａ、２３ｂが圧縮される寸法（ｓ）の８０〜１２０％であることが望ましい。この範囲よりも深さが浅いと、ガス拡散層２３ａ、２３ｂが周辺端部５０において過剰に圧縮され、高分子電解質膜２１の損傷を抑制する効果が小さくなる。この範囲より凹部２９、３７の深さを深くすると、周辺端部５０に加わる圧力が必要以上に小さくなり、ガス流路２６、３７を流れるガスが、凹部２９、３７に漏れて出てしまう。また、凹部２９、３７が形成されている部分の強度を確保するためにセパレータ自体の厚みを増す必要がある。ｔとｓが実質上同一であれば、最も効果的である。

凹部２９、３７の形状は図４〜７に示すように種々の変形が可能である。図５は、断面半円形にした凹部２９および３７を設けた例であり、図６は断面矩形の凹部２９および３７を設けた例である。これらの凹部２９、３７は、ガス拡散層２３ａ、２３ｂの周辺端部５０における加圧を抑制するような形状であれば、これらに限定されるものではない。ただし、図４に示すような形状であれば、凹部２９、３７の周辺端部５０における圧力を徐々に変化させることができるため、周辺端部５０における高分子電解質膜２１やガス拡散層２３ａ、２３ｂへの損傷を抑制することができる。

図８は、図４に示す凹部２９を使用した場合、その深さｔが上述の範囲にある場合のガス拡散層２３ａの周辺端部５０が凹部２９に沿って変形する様子を示したものである。深さｔが上述の適正範囲にある場合は、周辺端部５０が高分子電解質膜２１を損傷することなく、かつ、適切な圧力でガス拡散層２３ａと凹部２９との界面４５が加圧されるため、ガス流路２６のガスが凹部２９に漏れ出すことが少ない。しかし、図９に示すように、その深さｔが上述の範囲よりも深い場合は、周辺端部５０が高分子電解質膜２１を損傷することはなくても、界面４５が適切な圧力で加圧されていないか、ガス拡散層２３ａとセパレータ１６ａとの間に隙間が生じるため、ガス流路２６のガスが凹部２９に漏れ出す割合が多くなり、燃料電池の運転効率が落ちる。ガス拡散層２３ｂの周辺端部５０と凹部３７の関係についても同様である。

燃料電池のカソード側セパレータ１６ａとアノード側セパレータ１６ｂは、さらにガスの漏れを防ぐために、ガスケット２５を介して高分子電解質膜２１と一体化されている。このとき、各セパレータの凹部２９、３７とガスケット２５の関係は２通りある。すなわち、ガスケット２５が凹部２９、３７よりも外側にある場合と、内側にある場合である。ガスケット２５が凹部２９、３７の外側に配置される場合は、ガスの外部への気密性に対しては問題ない。しかし、上述のようにｔ／ｓを適正値に設定していても、本来ガス流路２６、３５を流れるべきガスが、凹部２９、３７に流れて反応に寄与しないことも考えられる。特に凹部２９、３７の深さが深く、ガス拡散層２３ａ、２３ｂと凹部２９、３７の間に隙間ができるような状態であると、その影響が大きくなると考えられる。すなわち、ガス流路２６、３５から凹部２９、３７に漏れ出たガスは、出口側のマニホールド孔３０、３３付近でガス流路２６、３５に戻り、反応に寄与することなく、外部に排出されてしまう。

また、入口側マニホールド孔３０、３３から反応部へガスを導くガス流路２６、３５の部分に凹部２９、３７を形成すると、そこからガスが凹部２９、３７へと流れてしまう。同様に、反応部から出口側マニホールド孔３０、３３へガス導く部分に凹部２９、３７を形成すると、凹部２９、３７から反応に寄与しないガスが外部に流れてしまう。

このように、ガスケット２５を凹部２９、３７の外側に配置する場合は、図２および図３に示すように、ガス流路２６、３５の入口付近および出口付近に凹部２９、３７を設けないことで、ガスのバイパスを防ぐことができる。この場合、入口付近および出口付近のガス流路２６、３５の部分では、ガス拡散層２３ａ、２３ｂの周辺端部５０に強い圧力がかかる。しかし、周辺端部５０の全周に対する加圧部分の割合は非常に小さいため、高分子電解質膜２１全体としてはその損傷は十分抑制できる。

さらに入口付近および出口付近のガス流路２６、３５だけでなく、それ以外の部分にも凹部２９、３７を設けない構造にすることもできる。凹んでいない部分を複数個設けることにより、ガス流路２６、３５の入口から出口までのガスのショートカットをさらに抑制できるだけでなく、例えばジグザグに設けられたガス流路２６、３５の屈曲部から屈曲部へのガスのショートカットも抑制することができる。

一方、ガスケット２５が凹部２９、３７の内側に配置される場合は、ガス拡散層２３ａ、２３ｂの上部および下部からガスケット２５が当たるため、ガス拡散層２３ａ、２３ｂのガスケット２５と当接する部分が内部を通過するガスを遮断するほど充分につぶれず、そのため気密性が保てない場合がある。このような場合は、ガス拡散層２３ａ、２３ｂの、ガスケット２５が当接する部分に緻密性物質を含浸することが望ましい。図７において、カソード電極２４ａおよびアノード電極２４ｂの、それぞれ４６および４７で示す部分に緻密性物質を含浸させる。緻密性物質としては、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化エチレンプロピレンコンパウンドなどのフッ素樹脂や、フッ化ビニリデン系、フッ素ゴム、シリコーンゴムなどを用いることができる。このように、部分４６、４７に緻密性物質を含浸させることにより、ガス流路２２６、３５からのガスの漏れを、ガスケット２５との協働作用により充分に抑制することができる。

上記のように本発明の燃料電池においては、セパレータ１６ａ、１６ｂのガス拡散層２３ａ、２３ｂの周辺端部５０と対面する部分に凹部２９、３７が形成されている。このために、セパレータ１６ａ、１６ｂがガス拡散層２３ａ、２３ｂの周辺端部５０を加圧する圧力が弱められ、あるいは加圧されなくなるため、高分子電解質膜２１の損傷の程度を大幅に低減させることができる。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図１０を参照して記載する。燃料電池を製造する際、高分子電解質膜２１、触媒層２２ａ、２２ｂ、およびガス拡散層２３ａ、２３ｂを熱圧着等によりあらかじめ一体化しておく。そしてこの一体化されたものをセパレータ１６ａ、１６ｂ、およびガスケット２５と組み合わせて積層することが一般的に行われている。この一体化の工程において、ガス拡散層２３ａ、２３ｂの周辺端部５０に圧力がかかれば、同様に高分子電解質膜２１の損傷が起こりやすくなる。したがって、この一体化の工程においても、ガス拡散層２３ａ、２３ｂの周辺端部５０に強い圧力をかけないようにすることが望ましい。

具体的には図１０に示すように、高分子電解質膜２１、触媒層２２ａおよび２２ｂ、並びにガス拡散層２３ａおよび２３ｂを積層してホットプレスを行う場合に、その圧縮すべき部分がガス拡散層２３ａ、２３ｂの周辺端部５０よりも内側に配置されるようにすればよい。すなわち、ガス拡散層２３ａ、２３ｂをプレス機４０のプレス面より若干大きいサイズにするのである。例えば、ガス拡散層２３ａ、２３ｂの周囲がプレス面の周囲より３〜５ｍｍ程度外側に出るような寸法にすればよい。

すなわち、本実施の形態の燃料電池セルの製造方法によれば、ガス拡散層２３ａ、２３ｂの周辺端部５０を加圧する圧力が弱い、あるいは加圧されない状態で一体化することができるので、さらに、高分子電解質膜２１の損傷を抑制することができる。

このとき、ガス拡散層２３ａ、２３ｂの周辺端部５０には、その切断時にバリが形成されていることがあり、この部分を高分子電解質膜２１に圧着させると高分子電解質膜２１を破損する原因となる。本実施の形態によれば、その影響も少なくすることができる。

本発明に好適の実施例を、図面を参照しながらさらに詳細に説明する。

まず、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０の作製方法について示す。

アセチレンブラック（電気化学工業（株）製のデンカブラック（登録商標）に、結着材であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディスパージョンを乾燥重量として１５ｗｔ％添加して撥水層インクを調製した。このときの混合は、コロイドミルで３０分間分散させることにより行った。この撥水層インクを厚み３００μｍのカーボンペーパーの片面に塗工し、熱風乾燥機により１５０℃で熱処理し、さらに３５０℃で２時間焼成してガス拡散層２３ａ、２３ｂを作製した。塗工量は１ｃｍ^２あたり５ｍｇとした。これを所定の大きさに抜き型で打ち抜いた。

一方、高分子電解質膜（米国デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１２膜）２１の両面に触媒層２２ａ、２２ｂを形成した。この触媒層２２ａ、２２ｂは、導電性炭素微粉末（ライオン（株）のケッチェンブラック（登録商標）ＥＣ）に白金触媒を重量比１：１の割合で担持したもの７０重量部と前記高分子電解質膜２１と同じ高分子電解質３０重量部との混合物を成形したものである。この高分子電解質膜２１の触媒層２２ａ、２２ｂと接するように前記のガス拡散層２３ａ、２３ｂを重ね、１００℃で５分間、１ＭＰａの圧力でプレスすることにより接合してＭＥＡ１０を作製した。この際、用いたプレス機４０のプレス面の大きさは、図９に示すように、ガス拡散層２３ａ、２３ｂの大きさよりも縦横それぞれ８ｍｍ小さく、プレスする際にはプレス面がガス拡散層２３ａ、２３ｂの周辺端部５０にかからないようにした。

次に、セパレータ１６ａ、１６ｂの凹部２９、３７の深さの検討を行った。

燃料電池セルの構造は図４に示すものと同様とし、マニホールド孔３０、３３から反応部へのガス流路２６、３５の部分も同様に凹部２９、３７を設ける構造とした。ここで用いたガス拡散層２３ａ、２３ｂは、基材のカーボンペーパーが３００μｍ、撥水層が８０μｍで計３８０μｍの厚みであった。これを燃料電池の締結圧と同じ１ＭＰａで圧縮すると３３０μｍまで厚みが小さくなった。すなわち５０μｍ圧縮されたことになる。この厚みをｓとする。そこで、セパレータ１６ａ、１６ｂの凹部２９、３７の深さｔ＝３０、４０、５０、６０、８０μｍと変化させ、その電池特性を調べた。さらに比較例として、凹部２９、３７を設けない（ｔ＝０）ものも作製した。

ＭＥＡ１０をフッ素ゴムのガスケット（デュポンダウエラストマジャパン製ＶＩＴＯＮ（登録商標） ＧＢＬ）２５を介してセパレータ１６ａ、１６ｂで挟み、一体化して燃料電池を構成した。評価条件は、アノードに露点が６５℃となるように加湿した純水素ガスを、カソードに露点が７０℃となるように加湿した空気をそれぞれ供給し、電池温度を７０℃、燃料ガス利用率を７０％、空気利用率を４０または７０％とした。

単電池としてそれぞれ１０セルずつ作製し、電池特性はその１０セルの平均値で比較した。

表１にｔの値とガス拡散層２３ａ、２３ｂの圧縮厚みｓに対するｔの割合、初期の開回路電圧、電流密度０．２Ａ／ｃｍ^２で放電したときの空気利用率４０％の場合の電圧に対する７０％の場合の電圧の比率（以下空気利用率特性という）を示す。

凹部２９、３７の深さが４０〜６０μｍ、すなわちｔ／ｓが８０〜１２０％の領域においては、開回路電圧および空気利用率特性が良い結果が得られた。しかし、凹部２９、３７の深さが浅い場合には、周辺端部５０の圧縮により高分子電解質膜２１が損傷し、開回路電圧が下がる傾向が見られた。この場合、開回路電圧が９５０ｍＶを下回ると、膜中を流れる短絡電流が多くなり、発電効率の低下や、局部的な発熱により電解質膜の劣化を促進する。

また、凹部２９、３７が深い場合には、ガスが凹部２９、３７を流れる影響により、実質的なガスの流量が減少するため、空気利用率特性の低下が見られた。これは流路を通るガスの圧力が低下するため反応によって生成された水を排出する能力が減少したためであり、電圧比が９５％を下回るとガス供給のバラツキによる電圧の振動が顕著になり、最悪の場合、電圧下限値に到達してシステムの停止に至る。したがって、ｔ／ｓとしては８０〜１２０％の間が最も優れた特性が得られる。

なお、ｓが３０μｍ、８０μｍの場合の結果を表２、３に示す。

ｓが３０μｍの場合は、実施例のカーボンペーパーに代えて２００μｍの厚みのカーボンペーパーを用いた。同様に撥水層を形成したところ２８０μｍの厚みであり１ＭＰａの締結により２５０μｍに圧縮された。また、ｓが８０μｍの場合は、３８０μｍのガス拡散層を用いて、締結力を１．５ＭＰａとした。この場合、ガス拡散層は３００μｍまで圧縮された。いずれの場合も、ほぼｔ／ｓが８０〜１２０％の間において優れた特性を示しており、ガス拡散層の材料や圧縮率が変化しても同様の特性が得られることがわかった。

次に、実施例１においてｔ＝６０μｍの場合に、図２および図３に示すように、マニホールド３０、３３とガス流路２６、３５の連結部分に凹部２９、３７を設けない構造のセパレータ１６ａ、１６ｂを用いて電池評価を行った。セパレータ１６ａ、１６ｂを変えた以外は実施例１と同様にセルを構成した。その結果、開回路電圧は９６３ｍＶが９６２ｍＶとなり、ほとんど影響は見られなかった。一方、空気利用率特性は９６．２％が９７．９％に改善し、凹部２９、３７にガスが流れることを抑制する効果が現れた。

図７に示すように、ガスケット２５が凹部２９、３７の内側にあるような構造の場合の検討を行った。

凹部２９、３７の深さは６０μｍとした。ガスケット２５は、セパレータ１６ａ、１６ｂに別の凹部を設けてはめ込む構造とし、セパレータ１６ａ、１６ｂの表面からガスケット２５が１００μｍ飛び出しているようにガスケット２５の厚みを調整した。その他、セパレータ１６ａ、１６ｂとガスケット２５の形状を変えた以外は実施例１と同様にしてセルを作製した。その結果、開回路電圧は９６０ｍＶと良い値が得られたが、空気利用率特性は９５．３％と劣化した。これはガス拡散層２３ａ、２３ｂを通してガスが外部に漏れているためと考えられる。

次に、ガス拡散層２３ａ、２３ｂのガスケット２５と接する部分４６、４７にフッ素ゴムを射出し、充填した。このガス拡散層２３ａ、２３ｂを用いて同様の試験を行ったところ、空気利用率特性が９８．０％に改善した。

高分子電解質膜２１、電極２４ａ、２４ｂ、およびガス拡散層２３ａ、２３ｂを一体化する工程について検討した。実施例１では、プレス面の大きさはガス拡散層２３ａ、２３ｂの大きさよりも縦横それぞれ８ｍｍ小さいものを用いて、プレス面がガス拡散層２３ａ、２３ｂの周辺端部５０にかからないようにした。本実施例では、プレス面がガス拡散層２３ａ、２３ｂよりも大きいプレス機を用いて高分子電解質膜２１、電極２４ａ、２４ｂ、およびガス拡散層２３ａ、２３ｂの一体化を行った。一体化の条件は、実施例１と同様に、１００℃で５分間、１ＭＰａの圧力である。

セルは、実施例１においてセパレータ１６ａ、１６ｂの凹部２９、３７の深さが６０μｍのものを用いた他は同様の条件で構成した。その結果、開回路電圧が実施例１の９６３ｍＶから９３１ｍＶに低下した。したがって、一体化においてもガス拡散層２３ａ、２３ｂの周辺端部５０を高分子電解質膜２１に加圧しないことが、高分子電解質膜２１の損傷を抑制し、開回路電圧を改善したものと考えられる。

なお、上記実施例においては、凹部２９、３７はすべて空間として実施したが、ガス拡散層２３ａ、２３ｂにかかる圧力を吸収するような材料を凹部２９、３７に充填することもできる。

例えば、スポンジやゴムのような材料を凹部２９、３７に充填し、セルを構成すれば凹部２９、３７におけるガス拡散層２３ａ、２３ｂとセパレータ１６ａ、１６ｂの間の隙間を効果的に解消でき、凹部２９、３７でのガスの回り込みを抑制することができる。

さらに、ガス拡散層２３ａ、２３ｂよりも弾性が高い材料が凹部２９、３７に充填されている構造であればよく、その場合、外見上、凹部２９、３７は形成されていない。あるいは、最初から凹部２９、３７が形成されず、公知の何らかの方法により、当該部分が上記の弾性の高い材料に置換されている構造であってもよい。すなわち、ガス拡散層２３ａ、２３ｂの少なくとも一部の周辺端部５０に対面する部分に周辺端部５０に加わる圧力を吸収または分散する形状または構造が形成されていれば、上記と同様の効果を得ることができる。

なお、以上までの説明では、本発明の電解質膜は、高分子電解質膜であるとして説明してきたが、他のタイプの電解質膜であってもよい。電解質膜が加圧により損傷しやすい、という性質があれば、どのような電解質膜であっても、上記と同様の効果を得ることができる。

また、図１１に示すように、以上までに説明した燃料電池６１を利用して燃料電池発電システム６０を構成することができる。燃料電池６１のアノード側には、改質器６２により燃料ガスが改質されて得られた水素が供給され、カソード側には、空気等の酸化剤ガスが供給される。このようなシステムによれば、耐久性が高い燃料電池発電システムが得られる。

本発明にかかる、燃料電池セルおよびその製造方法によれば、電解質膜が劣化しにくいという効果が得られ、燃料電池、燃料電池発電システムに利用可能である。

本発明の実施の形態における燃料電池セルのＭＥＡの長手断面略図である。 本発明の実施の形態における燃料電池セルのカソード側セパレータの正面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池セルのアノード側セパレータの正面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池セルの一部断面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池セルの一部断面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池セルの一部断面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池セルの一部断面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池セルの断面の一部拡大図である。 本発明の実施の形態における燃料電池セルの断面の一部拡大図である。 本発明の実施の形態の燃料電池セルのＭＥＡを一体化する様子を示す長手断面図である。 本発明の実施の形態の燃料電池セルを利用した燃料電池発電システムである。 従来の高分子電解質型燃料電池の代表的な構成を示す長手断面図である。 従来の燃料電池セルにおけるＭＥＡを一体化する様子を示す長手断面図である

符号の説明

１０ ＭＥＡ
１１、２１ 高分子電解質膜
２２ａ、２２ｂ 触媒層
２３ａ、２３ｂ ガス拡散層
２５ ガスケット
１６ａ カソード側セパレータ
１６ｂ アノード側セパレータ
２４ａ カソード電極
２４ｂ アノード電極
２６、３５ ガス流路
２９、３７ 凹部
４０ プレス機

Claims (16)

1. 電解質膜、前記電解質膜を挟む、触媒層およびガス拡散層からなる一対の電極、前記電極の一方に酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ並びに前記電極の他方に燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータを具備し、少なくとも一方の導電性セパレータの、ガス拡散層の少なくとも一部の周辺端部に対面する部分に前記周辺端部に加わる圧力を吸収または分散する形状または構造を有する、燃料電池セル。
2. 前記周辺端部に対面する部分に前記導電性セパレータの材料よりもその弾性が高い材料が充填されている、請求項１記載の燃料電池セル。
3. 前記周辺端部に対面する部分に凹部が形成されている、請求項１記載の燃料電池セル。
4. 前記凹部の深さは、前記導電性セパレータの中心方向に向かって浅くなっている、請求項３記載の燃料電池セル。
5. 前記凹部の深さが、燃料電池の締結圧によりガス拡散層が圧縮される寸法の８０〜１２０％である、請求項３記載の燃料電池セル。
6. 前記凹部の深さが、前記燃料電池の締結圧によりガス拡散層が圧縮される寸法と実質上同一である、請求項３記載の燃料電池セル。
7. 前記セパレータの凹部よりも外側にガスケットが配置されている、請求項３記載の燃料電池セル。
8. 前記凹部は前記ガス流路と連通していない、請求項７記載の燃料電池セル。
9. 前記セパレータ上において前記ガス流路の入口付近または出口付近には前記凹部が形成されていない、請求項８記載の燃料電池セル。
10. 前記セパレータの凹部よりも内側にガスケットが配置されている、請求項３記載の燃料電池セル。
11. 前記電極のガス拡散層の少なくとも一部に緻密性物質が含浸され、その部分に前記ガスケットが当接するように配置されている、請求項１０記載の燃料電池セル。
12. 請求項１に記載の燃料電池セルが積層されて構成されている、燃料電池。
13. 燃料ガスを改質して水素を得る改質器と、
    前記水素と酸化剤ガスが供給されて発電を行う、請求項１２記載の燃料電池と、を備える、燃料電池発電システム。
14. 触媒層およびガス拡散層からなる一対の電極と電解質膜とを一体化する第一工程と、一体化した膜−電極接合体を一対の導電性セパレータで挟んで燃料電池セルを形成する第二工程とを含む燃料電池セルの製造方法であって、前記第一工程において、前記ガス拡散層の周辺部分の加圧力が他の中央部分よりも低い状態で前記電極と前記電解質膜とを一体化することを特徴とする、燃料電池セルの製造方法。
15. 前記第一工程は、前記ガス拡散層よりも小さい面積を有する加圧体で前記電極と前記電解質膜を加圧して一体化する工程を含む、請求項１４記載の燃料電池セルの製造方法。
16. 請求項１４記載の燃料電池セルの製造方法により得られた燃料電池セルを積層する燃料電池の製造方法。

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