JP2009129650A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池において、リーク電流が生じることを抑制すること。
【解決手段】燃料電池であって、電解質膜と、電解質膜上に形成されると共に、電解質膜の膜面に沿った面方向において、周縁部が、電解質膜の周縁部より内側に位置する触媒電極層と、触媒電極層上に形成されると共に、面方向において、周縁部が、電解質膜の周縁部より内側に位置する第１ガス拡散層と、第１ガス拡散層上に形成されると共に、面方向において、周縁部が、触媒電極層の周縁部および第１ガス拡散層の周縁部より外側に位置する第２ガス拡散層と、少なくとも電解質膜の周縁部と、第２ガス拡散層の周縁部と、を支持するガスケットと、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜、触媒電極層、および、ガス拡散層を有する燃料電池に関する。

燃料電池では、電解質膜を触媒電極層としてのアノードおよびカソードで挟持し、そのサンドイッチ構造を、アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層で挟持して構成される積層体を有すると共に、この積層体の周縁部をガスケットで支持して構成される燃料電池が知られている（下記特許文献１参照）。

特開２００７−６６７６８号公報

しかしながら、上述の燃料電池では、上記積層体の周縁部において、カソード側ガス拡散層またはアノード側ガス拡散層の一部が、毛羽立ったり、振動等の外力によって電解質膜方向に突出するなどして、電解質膜に接触したり、電解質膜を突き破って電解質膜の向こう側の触媒電極層等に接触し、その結果、いわゆるリーク電流が生じるおそれがあった。このようにリーク電流が生じると、燃料電池の性能が低下するおそれがあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池において、リーク電流が生じることを抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

[適用例１]
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜上に形成されると共に、前記電解質膜の膜面に沿った面方向において、周縁部が、前記電解質膜の周縁部より内側に位置する触媒電極層と、前記触媒電極層上に形成されると共に、前記面方向において、周縁部が、前記電解質膜の前記周縁部より内側に位置する第１ガス拡散層と、前記第１ガス拡散層上に形成されると共に、前記面方向において、周縁部が、前記触媒電極層の前記周縁部および前記第１ガス拡散層の前記周縁部より外側に位置する第２ガス拡散層と、少なくとも前記電解質膜の前記周縁部と、前記第２ガス拡散層の前記周縁部と、を支持するガスケットと、を備えることを要旨とする。

上記構成の燃料電池によれば、リーク電流が生じることを抑制することができる。

[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池において、前記第２ガス拡散層は、前記面方向において、周縁部が、前記電解質膜の前記周縁部より内側に位置することを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、第２ガス拡散層の周縁部が、電解質膜の外側を越えることを抑制することができ、電解質膜の向こう側の部材と接触することを抑制することができる。

[適用例３]
適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、前記ガスケットは、枠状部材であり、枠部分において、前記電解質膜の前記周縁部と前記第２ガス拡散層の前記周縁部とを支持し、前記触媒電極層および前記第１ガス拡散層は、前記ガスケットの内枠部分に配置されることを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、第２ガス拡散層の周縁部と、電解質膜の周縁部との間に、ガスケットを形成することができ、第２ガス拡散層が電解質膜を突き抜けることを抑制することができる。その結果、リーク電流が生じることを抑制することができる。また、触媒電極層、または、第１ガス拡散層を流れる反応ガスが、電解質膜の外側を越えてリークすることを抑制することができる。

[適用例４]
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池において、前記触媒電極層の周縁部と、前記第１ガス拡散層の周縁部とは、前記面方向において、略同位置に配置されることを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、触媒電極層と第１ガス拡散層との間において、効率的に反応ガスを給排することが可能となる。

[適用例５]
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池において、前記第１ガス拡散層と前記第２ガス拡散層は、同材料で成る一体物であることを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、第１ガス拡散層と第２ガス拡散層との間の接触抵抗を軽減することができ、燃料電池の電池性能を向上させることができる。

[適用例６]
適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池において、前記第１ガス拡散層は、少なくとも一部に撥水性を有することを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、触媒電極層で生じた水を、効率的に燃料電池の外部に排出することができる。

[適用例７]
適用例１ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池において、前記第１ガス拡散層は、前記第２ガス拡散層よりも平均孔径が小さい孔を有する多孔質体であることを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、触媒電極層からの水の排水性を向上させることができる。

なお、本発明は、上記した燃料電池の他、燃料電池セルや、膜電極接合体など、他の装置発明の態様で実現することも可能である。また、装置発明の態様に限ることなく、燃料電池の製造方法や燃料電池セルの製造方法など、方法発明としての態様で実現することも可能である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池１０００の外観構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池１０００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０００は、複数の燃料電池セル１００と、エンドプレートＥＰと、テンションプレートＴＳと、インシュレータＩＳと、ターミナルＴＭと、を備えている。複数の燃料電池セル１００は、インシュレータＩＳおよびターミナルＴＭを挟んで、２枚のエンドプレートＥＰによって挟持される。すなわち、燃料電池１０００は、燃料電池セル１００が、複数個積層されたスタック構造である。また、燃料電池１０００は、テンションプレートＴＳがボルトＢＴによって各エンドプレートＥＰに結合され、各燃料電池セル１００を、各部材を積層する方向に所定の力で締結する構造となっている。

燃料電池１０００には、酸化ガスが供給され、各燃料電池セル１００の後述するＭＥＡ２１０に酸化ガスを導入するための酸化ガス供給マニホールド（後述）と、各燃料電池セル１００のＭＥＡ２１０から排出される酸化ガスを収集する酸化ガス排出マニホールド（後述）とが形成され、また、燃料ガスが供給され、各燃料電池セル１００の後述するＭＥＡ２１０に燃料ガスを導入するための燃料ガス供給マニホールド（後述）と、各燃料電池セル１００のＭＥＡ２１０から排出される燃料ガスを収集する燃料ガス排出マニホールド（後述）とが形成される。さらに、燃料電池１０００には、冷却媒体を各燃料電池セル１００に供給する冷媒供給マニホールド（図示せず）と、各燃料電池セル１００と熱交換を終えた冷媒を収集する冷媒排出マニホールド（図示せず）とが形成される。

図２および図３は、燃料電池セル１００の断面構成を概略的に示す説明図である。また、図４および図５は、燃料電池セル１００の平面構成を概略的に示す説明図である。図２（ａ）は、図４および図５におけるＡ−Ａ切断面に沿った燃料電池セル１００の断面構成を示しており、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＸ１部を拡大して示している。図３（ａ）は、図４および図５におけるＢ−Ｂ切断面に沿った燃料電池セル１００の断面構成を示しており、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＸ２部を拡大して示している。図４は、具体的には、図２および図３における燃料電池セル１００を上側から見た場合におけるセパレータ３００の平面構成を示している。図４において、二点鎖線で囲んだ領域ＰＡは、後述する多孔体積層ＭＥＡ２００（より詳細には後述のカソード側多孔体２３０）と接する領域を表している。図５は、具体的には、図２および図３おける燃料電池セル１００を上側から見た場合における後述するシール一体アセンブリＡＳＳＹの平面構成を示している。

燃料電池セル１００は、固体高分子型の燃料電池であり、酸化ガスと、燃料ガスとを用いて発電を行う装置である。燃料電池セル１００は、図２および図３に示すように、シール一体アセンブリＡＳＳＹとセパレータ３００とが交互に積層された構成を有している。図２および図３では、燃料電池セル１００に含まれるシール一体アセンブリＡＳＳＹおよびセパレータ３００の内の一部を抜き出して示しており、他のシール一体アセンブリＡＳＳＹおよびセパレータ３００は図示を省略している。なお、本実施例では、酸化ガスとして、空気を用い、燃料ガスとして水素を用いている。また、以下では、燃料電池セル１００の各部材を積層する方向、すなわち、図２および図３における上下方向（図１における左右方向）を「積層方向」とも呼び、積層方向に直交し、面状部材の面に沿った方向を「面方向」と呼び、また、面状部材の厚さ方向に平行な表面を「端面」と呼ぶ。

シール一体アセンブリＡＳＳＹは、図２（ａ）および図３（ａ）に示すように、膜電極接合体（以下では、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ぶ）２１０と、ＭＥＡ２１０を両側から挟むように配置されたアノード側多孔体２２０およびカソード側多孔体２３０と、ガスケット５１０と、から構成される。なお、アノード側多孔体２２０およびカソード側多孔体２３０を、まとめて「多孔体２２０および２３０」とも呼び、多孔体２２０および２３０でＭＥＡ２１０を両側から挟持して成る積層体を「多孔体積層ＭＥＡ２００」とも呼ぶ。

ＭＥＡ２１０は、図２（ｂ）および図３（ｂ）に示すように、電解質膜２１２と、アノード２１４と、カソード２１５と、第１ガス拡散層２１６，２１７と、第２ガス拡散層２１８，２１９と、を備えている。ＭＥＡ２１０は、電解質膜２１２をアノード２１４およびカソード２１５で挟持し、そのサンドイッチ構造を、第１ガス拡散層２１６，２１７で挟持し、さらに、そのサンドイッチ構造を、第２ガス拡散層２１８，２１９で挟持して構成される。

電解質膜２１２は、炭化水素系樹脂またはフッ素系樹脂によって形成され、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する。

アノード２１４およびカソード２１５は、触媒担持担体としての白金担持カーボンと、炭化水素系樹脂またはフッ素系樹脂から成る電解質とを備える。そして、アノード２１４は、電解質膜２１２上に形成されると共に、図３（ａ）、または、図５に示すように、面方向において、その周縁部が、電解質膜２１２の周縁部より内側に位置するように配置される。また、カソード２１５も同様に、電解質膜２１２上に形成されると共に、図２（ｂ）、または、図５に示すように、面方向において、その周縁部が、電解質膜２１２の周縁部より内側に位置するように配置される。

第１ガス拡散層２１６および第１ガス拡散層２１７は、カーボン粒子と、テフロン（ＰＴＦＥ）とを備え、撥水性を有すると共に、比較的平均孔径が小さい孔から成る多孔質体である。第１ガス拡散層２１６は、アノード２１４上に形成されると共に、図３（ｂ）、または、図５に示すように、面方向において、その周縁部が、電解質膜２１２の周縁部より内側に位置するように配置される。また、第１ガス拡散層２１７は、カソード２１５上に形成されると共に、図２（ｂ）、または、図５に示すように、面方向において、その周縁部が、電解質膜２１２の周縁部より内側に位置するように配置される。第１ガス拡散層２１６および第１ガス拡散層２１７を構成する上記カーボン粒子としては、例えば、カーボンブラックなどを用いることができる。

第２ガス拡散層２１８および第２ガス拡散層２１９は、第１ガス拡散層２１６および第１ガス拡散層２１７より平均孔径が大きい孔から成るカーボン製多孔体で形成される。カーボン製多孔体としては、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルトなどを用いることができる。また、カーボン製多孔体の代わりに、例えば、メタルファイバークロスなどの金属製多孔体を用いるようにしてもよい。第２ガス拡散層２１８は、第１ガス拡散層２１６上に形成されると共に、図３（ｂ）、または、図５に示すように、面方向において、その周縁部が、アノード２１４および第１ガス拡散層２１６の各周縁部より外側に位置するように配置される。また、第２ガス拡散層２１９は、第１ガス拡散層２１７上に形成されると共に、図２（ｂ）、または、図５に示すように、面方向において、その周縁部が、カソード２１５および第１ガス拡散層２１７の各周縁部より外側に位置するように配置される。また、第２ガス拡散層２１８および第２ガス拡散層２１９は、周縁部が、電解質膜２１２の周縁部と、面方向において、略同位置に配置される。

多孔体２２０および２３０は、内部空隙率が高く気体が内部を流通する際の圧力損失が小さい金属製多孔体やカーボン製多孔体から形成され、ＭＥＡ２１０における発電に用いられる反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）を流通させる流路として機能する。この金属製多孔体やカーボン製多孔体としては、例えば、エキスパンドメタル、パンチングメタル、メッシュ、フェルトなどを用いることができる。

ガスケット５１０は、枠状部材であり、図２、図３、または、図５に示すように、ＭＥＡ２１０（多孔体積層ＭＥＡ２００）の周囲に配置される。具体的には、このガスケット５１０は、ＭＥＡ２１０のうち、電解質膜２１２、第２ガス拡散層２１８、および、第２ガス拡散層２１９の周縁部を覆い、ＭＥＡ２１０の周囲を取り囲むように形成されている。ガスケット５１０は、エラストマー系樹脂やゴム系のシール材料を用いて射出成形により形成される。この際、第２ガス拡散層２１８および第２ガス拡散層２１９の周縁部では、ガスケット５１０を形成するシール材料が内部に含浸し、いわゆるアンカー効果によりガスケット５１０と結合する。図２（ｂ）および図３（ｂ）では、第２ガス拡散層２１８および第２ガス拡散層２１９の内部に含浸したシール材料を、ガスケット５１０を示すハッチングと同じハッチングを付して示している。

ガスケット５１０は、凸型形状のリップ部５１２をアノード側とカソード側との両側に有している。リップ部５１２は、セパレータ３００の表面（積層面）に密着しており、セパレータ３００との間でシールラインＳＬを形成する（図２、図３および図５参照）。これにより、燃料電池セル１００内部から外部への反応ガスの漏洩を抑制することができる。なお、図５にはアノード側のガスケット５１０のみが示されているが、カソード側も同様に、ガスケット５１０がＭＥＡ２１０の周囲を取り囲むように配置されている。

なお、図２（ｂ）、図３（ｂ）、または、図５に示すように、アノード２１４の周縁部（端面）と、第１ガス拡散層２１６の周縁部（端面）とは、面方向において、略同位置に配置されると共に、ガスケット５１０の内枠部分に配置される。同様に、カソード２１５の周縁部（端面）と、第１ガス拡散層２１７の周縁部（端面）とは、面方向において、略同位置に配置されると共に、ガスケット５１０の内枠部分に配置される。すなわち、アノード２１４、第１ガス拡散層２１６、カソード２１５、および、第１ガス拡散層２１７は、ガスケット５１０によって支持されていない。

セパレータ３００は、図２（ｂ）および図３（ｂ）に示すように、カソード側多孔体２３０に対向するカソード対向プレート３１０と、アノード側多孔体２２０に対向するアノード対向プレート３３０と、カソード対向プレート３１０およびアノード対向プレート３３０に狭持された中間プレート３２０と、が積層された３層構造を有している。セパレータ３００を構成する３枚のプレート（カソード対向プレート３１０、アノード対向プレート３３０、中間プレート３２０）は、金属製の略四角形平面の薄板である。

各燃料電池セル１００には、図２（ａ）に示すように、酸化ガス供給マニホールド６４０の一部と、酸化ガス排出マニホールド６５０の一部と、が形成される。

セパレータ３００には、図２および図４に示すように、酸化ガス供給マニホールド６４０から供給された空気を多孔体積層ＭＥＡ２００に導くと共に、多孔体積層ＭＥＡ２００から排出された空気を酸化ガス排出マニホールド６５０へと導くための流路が形成されている。すなわち、セパレータ３００は、酸化ガス供給マニホールド６４０が貫通する貫通口３４２と、空気を酸化ガス供給マニホールド６４０から内部へと導くための空気流路３４４と、空気流路３４４とカソード側多孔体２３０の表面とを連通するためにカソード対向プレート３１０に形成された空気供給口３４６と、を有している。また、セパレータ３００は、酸化ガス排出マニホールド６５０が貫通する貫通口３５２と、空気を酸化ガス排出マニホールド６５０へと導くための空気流路３５４と、空気流路３５４とカソード側多孔体２３０の表面とを連通するためにカソード対向プレート３１０に形成された空気排出口３５６と、を有している。

図２において矢印で示したように、酸化ガス供給マニホールド６４０に供給された空気は、貫通口３４２、空気流路３４４、空気供給口３４６を経てカソード側多孔体２３０内部に流入する。その後、空気は、カソード側多孔体２３０内部を通過しつつＭＥＡ２１０で発電に利用され、利用されなかった空気は、空気排出口３５６、空気流路３５４、貫通口３５２を経て酸化ガス排出マニホールド６５０に排出される。

また、燃料電池セル１００には、図３（ａ）に示すように、燃料ガス供給マニホールド６６０の一部と、燃料ガス排出マニホールド６７０の一部と、が形成される。

セパレータ３００には、図３および図４に示すように、燃料ガス供給マニホールド６６０から供給された燃料ガスを多孔体積層ＭＥＡ２００に導くと共に、多孔体積層ＭＥＡ２００から排出された燃料ガスを燃料ガス排出マニホールド６７０へと導くための流路が形成されている。すなわち、セパレータ３００は、燃料ガス供給マニホールド６６０が貫通する貫通口３６２と、燃料ガスを燃料ガス供給マニホールド６６０から内部へと導くための燃料流路３６４と、燃料流路３６４とアノード側多孔体２２０の表面とを連通するためにアノード対向プレート３３０に形成された燃料供給口３６６と、を有している。また、セパレータ３００は、燃料ガス排出マニホールド６７０が貫通する貫通口３７２と、燃料ガスを燃料ガス排出マニホールド６７０へと導くための燃料流路３７４と、燃料流路３７４とアノード側多孔体２２０の表面とを連通するためにアノード対向プレート３３０に形成された燃料排出口３７６と、を有している。

図３において矢印で示したように、燃料ガス供給マニホールド６６０に供給された燃料ガスは、貫通口３６２、燃料流路３６４、燃料供給口３６６を経てアノード側多孔体２２０内部に流入する。その後、燃料ガスは、アノード側多孔体２２０内部を通過しつつＭＥＡ２１０における発電に利用され、利用されなかった燃料ガスは、燃料排出口３７６、燃料流路３７４、貫通口３７２を経て燃料ガス排出マニホールド６７０に排出される。

さらに、セパレータ３００には、燃料電池セル１００を冷却する冷却媒体が流通する流路が形成されている。すなわち、セパレータ３００は、冷媒供給マニホールド（図示せず）が貫通する貫通口３８２（図４参照）と、冷媒排出マニホールドが貫通する貫通口３９２（図４参照）と、２つの貫通口３８２および３９２を連通させる冷却媒体流路３８４（図４および図２（ａ）参照）と、を備えている。冷媒供給マニホールドに供給された冷却媒体は、貫通口３８２、冷却媒体流路３８４、貫通口３９２を経て、冷媒排出マニホールドに排出される。

セパレータ３００は、多孔体積層ＭＥＡ２００に対向する表面が平坦形状に形成されており、表面に反応ガスの流路としての溝を有していない。セパレータ３００における上述した空気、燃料ガス、冷却媒体が流通する流路の形成は、セパレータ３００を構成する３枚のプレート（カソード対向プレート３１０、アノード対向プレート３３０、中間プレート３２０）に、所定の打ち抜き加工を施すことによって行われる。

以上のように、本実施例の燃料電池１０００のシール一体アセンブリＡＳＳＹでは、ＭＥＡ２１０において、第２ガス拡散層２１８、第２ガス拡散層２１９、および、電解質膜２１２は、面方向において、各周縁部が、アノード２１４、カソード２１５、第１ガス拡散層２１６、および、第１ガス拡散層２１７の各周縁部より外側に配置された状態で、第２ガス拡散層２１８、第２ガス拡散層２１９、および、電解質膜２１２の各周縁部をガスケット５１０で支持するようにしている。このようにすれば、ＭＥＡ２１０の周縁部において、第２ガス拡散層２１８または第２ガス拡散層２１９の周縁部と、電解質膜２１２の周縁部との間に、ガスケット５１０が存在するので、第２ガス拡散層２１８または第２ガス拡散層２１９の周縁部における一部が、電解質膜２１２と接触したり、電解質膜２１２の向こう側の部材（例えば、カソード２１５やアノード２１４など）と接触することを抑制することができ、その結果、リーク電流が生じることを抑制することができる。

また、ＭＥＡ２１０では、第２ガス拡散層２１８、第２ガス拡散層２１９、および、電解質膜２１２は、面方向において、各周縁部が、アノード２１４、カソード２１５、第１ガス拡散層２１６、および、第１ガス拡散層２１７の各周縁部より外側に配置されている。このようにすれば、そのＭＥＡ２１０の周囲にシール材料を射出してガスケット５１０を成形する際、第２ガス拡散層２１８および第２ガス拡散層２１９において、電解質膜２１２側の面からもシール材料が内部に含侵してくるので、第２ガス拡散層２１８および第２ガス拡散層２１９と、ガスケット５１０との結合を強固にすることができる。

さらに、シール一体アセンブリＡＳＳＹにおいて、アノード２１４、カソード２１５、第１ガス拡散層２１６、および、第１ガス拡散層２１７は、ガスケット５１０に支持されず、ガスケット５１０の内枠部分に配置されている。このようにすれば、ＭＥＡ２１０の周縁部において、第２ガス拡散層２１８または第２ガス拡散層２１９の周縁部と、電解質膜２１２の周縁部との間に、ガスケット５１０を形成することができ、第２ガス拡散層２１８または第２ガス拡散層２１９が電解質膜２１２を突き抜けることを抑制することができる。その結果、リーク電流が生じることを抑制することができる。また、アノード２１４、カソード２１５、第１ガス拡散層２１６、および、第１ガス拡散層２１７を流れる反応ガスが、電解質膜２１２の外側を越えてリークすることを抑制することができる。

また、シール一体アセンブリＡＳＳＹにおいて、第１ガス拡散層２１７および第２ガス拡散層２１８は、テフロンを備え、撥水性を有する撥水層として形成されている。このようにすれば、アノード２１４またはカソード２１５で生じた水を、効率的に燃料電池セル１００の外部に排出することができる。

上記燃料電池セル１００は、例えば、以下のようにして製造する。まず、白金担持カーボンと、電解質（フッ素系電解質など）と、溶媒（水、メタノールなど）を用意し、白金担持カーボンと、電解質と、溶媒とから触媒インクを作成する。そして、電解質膜２１２を用意し、その周縁部にマスキングテープを施した後、その電解質膜２１２上に作成した触媒インクを塗布し、それをホットプレスして、電解質膜２１２上にアノード２１４およびカソード２１５が形成された電解質膜／触媒電極層構造体を作成する。この電解質膜／触媒電極層構造体において、電解質膜２１２のマスキングテープが施された部分には、アノード２１４およびカソード２１５は、形成されないので、アノード２１４およびカソード２１５の周縁部は、面方向において、電解質膜２１２の周縁部より内側に位置するように配置されている。また、カーボン粒子（カーボンブラックなど）と、ＰＴＦＥディスパージョンとを用意し、それらを混合し、カーボン／ＰＴＦＥ混合ペーストを作成する。次に、第２ガス拡散層となるカーボン製多孔体（カーボンペーパーなど）を用意し、カーボン製多孔体の周縁部にマスキングテープを施した後、そのカーボン製多孔体上に、カーボン／ＰＴＦＥ混合ペーストを塗布し、さらに、それを乾燥・焼成する。そうすると、面方向において、第２ガス拡散層の片面に、周縁部が第２ガス拡散層の周縁部よりも内側に位置する第１ガス拡散層が形成されたガス拡散層構造体が作成される。そして、電解質膜／触媒電極層構造体を、ガス拡散層構造体で挟持して、ホットプレスを実施し、さらに、そのサンドイッチ構造を、多孔体２２０および２３０で挟持して、加圧することで、多孔体積層ＭＥＡ２００を作成する。その後、多孔体積層ＭＥＡ２００において、射出成形によって、ＭＥＡ２１０の周縁部にガスケット５１０を形成することで、シール一体アセンブリＡＳＳＹを作成する。最後に、シール一体アセンブリＡＳＳＹをセパレータ３００で挟持することにより、燃料電池セル１００を製造することができる。

なお、本実施例において、電解質膜２１２は、請求項における電解質膜に該当し、アノード２１４またはカソード２１５は、請求項における触媒電極層に該当し、第１ガス拡散層２１６または第１ガス拡散層２１７は、請求項における第１ガス拡散層に該当し、第２ガス拡散層２１８または第２ガス拡散層２１９は、請求項における第２ガス拡散層に該当し、ガスケット５１０は、請求項におけるガスケットに該当する。

Ａ２．実験結果：
図６は、燃料電池セル１００の実験結果を表わす図である。詳しくは、上述のように、アノード２１４、カソード２１５、および、第１ガス拡散層２１６，２１７の各周縁部が、面方向において、電解質膜２１２および第２ガス拡散層２１８，２１９の各周縁部よりそれぞれ内側に配置され、ガスケット５１０が、第２ガス拡散層２１８，２１９と電解質膜２１２のみを支持している燃料電池セル１００（以下では、単に実施例とも呼ぶ）と、電解質膜、アノード、カソード、第１ガス拡散層、第２ガス拡散層が面方向に同じ大きさで、面方向における周縁部の位置が、互いに同じであって、ガスケットが、これらすべてを支持する比較例の燃料電池セル（以下では、単に比較例とも呼ぶ）と、を用いて比較した実験結果を示す。なお、実施例と比較例において、上記相違点以外は、同様の構成である。

実験に伴う発電の際には、燃料ガスとしては純度の高い水素ガスを用い、酸化ガスとしては空気を用いた。燃料電池セルの温度は、８０［℃］とし、燃料ガスおよび酸化ガスは、それぞれ、相対湿度を低くし、いわゆる、低加湿状態で実験を行なった。発電は、負荷を、０．１［Ａ／ｃｍ²］とし、２２００時間継続した。そして、発電後、実施例と比較例において、０．４［Ｖ］の電圧を印加して、ＭＥＡ間のリーク電流値［ｍＡ］を測定した。また、実施例と比較例において、発電後のセル電圧［Ｖ］も測定した。

図６に示すように、比較例に比べて実施例の方が、リーク電流値が低いことがわかる。このことから、比較例に比べて実施例では、第２ガス拡散層が電解質膜に接触したり、電解質膜の向こう側の部材に接触したりすることが抑制されていることがわかる。また、比較例に比べて実施例の方が、リーク電流値が低いため、セル電圧を高く維持することが可能であることがわかる。その結果、比較例に比べて実施例の方が、燃料電池の電池性能がよいということが言える。

Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、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、例えば以下のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例のシール一体アセンブリＡＳＳＹでは、第２ガス拡散層２１８、第２ガス拡散層２１９、および、電解質膜２１２の各周縁部のみをガスケット５１０で支持するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。ＭＥＡ２１０において、第２ガス拡散層２１８、第２ガス拡散層２１９、および、電解質膜２１２は、面方向において、各周縁部が、アノード２１４、カソード２１５、第１ガス拡散層２１６、および、第１ガス拡散層２１７の各周縁部より外側に配置されていればよく、例えば、第２ガス拡散層２１８、第２ガス拡散層２１９、および、電解質膜２１２の他、アノード２１４、カソード２１５、および、第１ガス拡散層２１６，２１７も、ガスケット５１０で支持するようにしてもよい。この場合、アノード２１４、カソード２１５、および、第１ガス拡散層２１６，２１７の周縁部には、ガスケット５１０を形成するシール材料が含侵した状態となっている。このようにしても、上記実施例の効果を奏することが可能である。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例のシール一体アセンブリＡＳＳＹでは、第２ガス拡散層２１８および第２ガス拡散層２１９は、周縁部が、電解質膜２１２の周縁部と、面方向において、略同位置に配置されるが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、第２ガス拡散層２１８および第２ガス拡散層２１９は、面方向において、周縁部が、電解質膜２１２の周縁部より内側に位置するように配置してもよい。このようにすれば、ＭＥＡ２１０の周縁部において、第２ガス拡散層２１８または第２ガス拡散層２１９の周縁部が、電解質膜２１２の外側を越えることを抑制することができ、電解質膜２１２の向こう側の部材と接触することを抑制することができる。その結果、リーク電流が生じることを抑制することができる。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例のシール一体アセンブリＡＳＳＹでは、第２ガス拡散層２１８および第２ガス拡散層２１９は、周縁部が、電解質膜２１２の周縁部と、面方向において、略同位置に配置されるが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、第２ガス拡散層２１８および第２ガス拡散層２１９は、周縁部が、電解質膜２１２の周縁部より、面方向の外側に位置するように配置してもよい。このようにすれば、ＭＥＡ２１０の周縁部において、第２ガス拡散層２１８または第２ガス拡散層２１９の周縁部が、ガスケット５１０とより強固に結合し、その結果、ＭＥＡ２１０とガスケット５１０との結合力を強めることができる。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例のシール一体アセンブリＡＳＳＹにおいて、第１ガス拡散層と第２ガス拡散層とが同材料で一体物であってもよい。このようにすれば、第１ガス拡散層と第２ガス拡散層との間の接触抵抗を軽減することができ、燃料電池の電池性能を向上させることができる。

本発明の一実施例に係る燃料電池１０００の外観構成を示す説明図である。 燃料電池セル１００の断面構成を概略的に示す説明図である。 燃料電池セル１００の断面構成を概略的に示す説明図である。 燃料電池セル１００の平面構成を概略的に示す説明図である。 燃料電池セル１００の平面構成を概略的に示す説明図である。 燃料電池セル１００の実験結果を表わす図である。

符号の説明

１００…燃料電池セル
２００…多孔体積層ＭＥＡ
２１０…ＭＥＡ
２１２…電解質膜
２１４…アノード
２１５…カソード
２１６…第１ガス拡散層
２１７…第１ガス拡散層
２１８…第２ガス拡散層
２１９…第２ガス拡散層
２２０…アノード側多孔体
２２０…多孔体
２３０…カソード側多孔体
３００…セパレータ
３１０…カソード対向プレート
３２０…中間プレート
３３０…アノード対向プレート
３４２…貫通口
３４４…空気流路
３４６…空気供給口
３５２…貫通口
３５４…空気流路
３５６…空気排出口
３６２…貫通口
３６４…燃料流路
３６６…燃料供給口
３７２…貫通口
３７４…燃料流路
３７６…燃料排出口
３８２…貫通口
３８４…冷却媒体流路
３９２…貫通口
５１０…ガスケット
５１２…リップ部
６４０…酸化ガス供給マニホールド
６５０…酸化ガス排出マニホールド
６６０…燃料ガス供給マニホールド
６７０…燃料ガス排出マニホールド
１０００…燃料電池
ＡＳＳＹ…シール一体アセンブリ
ＳＬ…シールライン

Claims (7)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と、
   前記電解質膜上に形成されると共に、前記電解質膜の膜面に沿った面方向において、周縁部が、前記電解質膜の周縁部より内側に位置する触媒電極層と、
   前記触媒電極層上に形成されると共に、前記面方向において、周縁部が、前記電解質膜の前記周縁部より内側に位置する第１ガス拡散層と、
   前記第１ガス拡散層上に形成されると共に、前記面方向において、周縁部が、前記触媒電極層の前記周縁部および前記第１ガス拡散層の前記周縁部より外側に位置する第２ガス拡散層と、
   少なくとも前記電解質膜の前記周縁部と、前記第２ガス拡散層の前記周縁部と、を支持するガスケットと、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記第２ガス拡散層は、
   前記面方向において、周縁部が、前記電解質膜の前記周縁部より内側に位置することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
   前記ガスケットは、
   枠状部材であり、枠部分において、前記電解質膜の前記周縁部と前記第２ガス拡散層の前記周縁部とを支持し、
   前記触媒電極層および前記第１ガス拡散層は、
   前記ガスケットの内枠部分に配置されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記触媒電極層の周縁部と、前記第１ガス拡散層の周縁部とは、前記面方向において、略同位置に配置されることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記第１ガス拡散層と前記第２ガス拡散層は、同材料で成る一体物であることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記第１ガス拡散層は、少なくとも一部に撥水性を有することを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記第１ガス拡散層は、前記第２ガス拡散層よりも平均孔径が小さい孔を有する多孔質体であることを特徴とする燃料電池。

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