JP2010198763A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】スタッキング時等で作用する圧縮力が補強膜の端部もしくはその近傍箇所に集中するのを抑制でき、圧縮力の集中箇所を起点として膜電極接合体を貫通するガスのクロスリーク路が形成されることを効果的に解消できる、燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１と、これよりも狭小な平面積で該電解質膜１の両側で当接する触媒層２，３と、から膜電極接合体４が形成されて燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であり、少なくとも、電解質膜１のうち、触媒層２，３で被覆されていない周縁の露出領域１’とガス透過層５，６の間には補強膜７Ａ，７Ｂが介在し、かつ、補強膜７Ａ，７Ｂの一部が触媒層２，３上に積層して積層箇所７Ａ’，７Ｂ’を形成し、積層箇所７Ａ’，７Ｂ’はその途中で厚みが変化するものであり、触媒層中央側の領域７Ａａ，７Ｂａに比して露出領域側の領域７Ａｂ、７Ｂｂが相対的に厚くなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、触媒層の周縁であって、ガス拡散層と電解質膜の間に補強膜を備え、かつガスケットを電極体の周縁に備えた燃料電池に関するものである。

固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、このＭＥＡとこれを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ）とから電極体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ＆ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、電極体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための金属多孔体からなるガス流路層とセパレータが電極体の両側に配されて構成されている。なお、セパレータにガス流路溝が形成された燃料電池セルも従来一般のものであり、この形態の場合にはガス流路層となる金属多孔体は不要である。実際の燃料電池スタックは、所要電力に応じた基数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。

上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層（またはセパレータに形成されたガス流路溝）にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒層に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。

上記するガス拡散層の形態として、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ：Ｍｉｃｒｏ Ｐｏｒｏｕｓ Ｌａｙｅｒ）とから構成されるものは一般に知られるところである。一般には、触媒層は電解質膜よりも狭小な平面積（小さな平面積）を有しており、電解質膜が触媒層にて被覆されていない触媒層の周縁の露出領域には、ポリマー素材の補強膜（もしくは保護フィルム）が配設されており、この補強膜が拡散層基材と電解質膜の間に介在した構造が一般的である。補強膜を触媒層の周縁領域で拡散層基材と電解質膜の間に介在させることにより、触媒層を有する電解質膜（膜電極接合体）とガス拡散層をたとえば１００〜１３０℃程度の高温雰囲気下、１〜３ＭＰａ程度の圧縮力で熱圧着する（電解質膜に影響を与えない熱圧着条件）際に、繊維質の拡散層基材の表面から突出する毛羽が電解質膜に突き刺さることを抑止することができる。

また、上記する燃料電池セルにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスや酸化剤ガス、さらにはセルの昇温を抑止するための冷却水などの流体をシールするためのガスケットが電極体や金属多孔体の周縁に形成されている。このガスケット成形は一般に射出成形や圧縮成形にておこなわれている。たとえばガス流路となる金属多孔体を具備する燃料電池セルにおいては、成形型のキャビティ内にアノード側もしくはカソード側の一方の金属多孔体を収容し、次いで電極体を収容し、次いでアノード側もしくはカソード側の他方の金属多孔体を収容した姿勢で、電極体および金属多孔体の周縁のガスケット形成用キャビティに樹脂を注入してガスケット成形がおこなわれている。なお、キャビティ内にアノード側もしくはカソード側いずれか一方のセパレータを最初に収容し、次いで上記する構成部材を収容して射出成形をおこなう方法もある。

上記する補強膜とガスケットを備えた従来の燃料電池セルの構造を図６に示している。電極体は、電解質膜ａと、カソード側およびアノード側の触媒層ｂ１、ｂ２と、から膜電極接合体ｃが形成され、この膜電極接合体ｃをカソード側およびアノード側のガス拡散層ｄ（拡散層基材ｄ１と集電層ｄ２とから構成される）が挟持して形成される。触媒層ｂ１、ｂ２は電解質膜ａに比して狭小であり、電解質膜ａが触媒層ｂ１、ｂ２で被覆されていない露出領域にはカソード側およびアノード側の補強膜ｅ１，ｅ２が配され、これらが電解質膜ａと拡散層基材ｄ１の間に介在している。また、図示例はガス流路となる金属多孔体ｆをカソード側およびアノード側に備えたものであり、電極体と金属多孔体ｆの周縁には、射出成形され、その内部に流体流通用のマニホールドＭを有するとともにその端部のマニホールドＭの周縁に該マニホールドＭを囲繞する無端リブｇ１を具備するガスケットｇが形成されている。

図示例のごとく、補強膜ｅ１，ｅ２は、その触媒層側端部が触媒層ｂ１、ｂ２にラップ（積層）しているのが一般的である。この補強膜ｅ１，ｅ２は、熱圧着時に拡散層基材の毛羽が電解質膜ａに突き刺さると、この突き刺さり箇所がガスのクロスリークを助長することとなり、燃料電池のクロスリーク耐久性が低下し、発電性能の低下に直結するという課題を解消するために設けられている。すなわち、電解質膜ａが触媒層ｂ１、ｂ２と接触している領域は、該触媒層ｂ１、ｂ２にて電解質膜ａが毛羽の突き刺さりから保護されている一方で、上記する電解質膜ａの露出領域は補強膜ｅ１，ｅ２で毛羽の突き刺さりから保護される。ここで、触媒層ｂ１、ｂ２の端部から毛羽が電解質膜ａに通じることを回避するべく、図示するように、補強膜ｅ１，ｅ２の端部を触媒層ｂ１、ｂ２にラップさせるようにしている。

ところで、燃料電池スタックは複数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされて形成されるものであるが、このスタッキング時の圧縮力は各燃料電池セルに伝達され、図示のごとく膜電極接合体ｃに対してその上下から圧縮力Ｐとして作用する。ここで、図示のごとく補強膜ｅ１，ｅ２が触媒層ｂ１、ｂ２とラップしている場合、該補強膜ｅ１，ｅ２の端部ｅ１’、ｅ２’はセル積層方向で揃っており、この端部ｅ１’、ｅ２’から集中的に荷重Ｐ１，Ｐ１が作用し易いために、該端部ｅ１’、ｅ２’に対応する触媒層部位で亀裂が生じ易くなり、これは、電解質膜の対応部位の亀裂をも助長してガスのクロスリーク路の形成に至るという大きな課題となっている。

さらに、電解質膜はその発電経過でその乾湿が変化し、その温度が変化することで膨張と収縮を繰り返すが、上記する補強膜ｅ１，ｅ２の端部ｅ１’、ｅ２’で拘束された電解質膜部位を起点としてその左右で膨張と収縮を繰り返す際に、やはり、端部ｅ１’、ｅ２’に対応する部位もしくはその近傍で亀裂が生じ易くなる。さらには、カソード側とアノード側で酸化剤ガスと燃料ガスに差圧がある場合においても、この差圧に起因する外力が補強膜ｅ１，ｅ２の端部ｅ１’、ｅ２’に対応する電解質膜部位に作用し、これによっても亀裂が生じ易くなるという課題を有している。

ところで、アノード側およびカソード側それぞれの補強膜のうち、膜電極接合体に積層しているそれぞれの端部をずらした構成の燃料電池が特許文献１に開示されており、この構造を適用することで上記する応力集中の緩和が可能となる。

しかし、単にアノード側およびカソード側の補強膜の端部を相互にずらす構成のみでは、補強膜がアノード側およびカソード側いずれか一方にのみ存在する場合の応力緩和効果を期待することができない。すなわち、アノード側とカソード側のいずれか一方にのみ補強膜が存在している場合であっても、該補強膜が存在する電極側の毛羽の突き刺さりを防止することで、膜電極接合体にクロスリーク路となる貫通孔の発生を回避できるという技術思想に立てば、必ずしもアノード側とカソード側の双方に補強膜を設ける必要性はないのである。

特開２００４−４７２３０号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、触媒層の周縁であって、ガス透過層と電解質膜の間に補強膜（たとえば保護フィルム）を備え、この補強膜の端部が触媒層に積層（ラップ）している電極体と、該電極体の周縁に射出成形等にて形成されたガスケットと、を備えた燃料電池セルが積層された燃料電池において、カソード側および／またはアノード側の補強膜端部から作用する圧縮力等により、該補強膜端部もしくはその近傍で触媒層や電解質膜に亀裂が生じ易くなるという課題を、効果的に解消することのできる燃料電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、電解質膜と、これよりも狭小な平面積で該電解質膜の両側で当接する触媒層と、から膜電極接合体が形成され、該膜電極接合体の両側にガス透過層が配され、該膜電極接合体およびガス透過層の周縁に流体シール用のガスケットが形成されて燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であって、少なくとも、前記電解質膜のうち、触媒層で被覆されていない周縁の露出領域とガス透過層の間には、補強膜が介在し、かつ、該補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成しており、補強膜の前記積層箇所は、その途中で厚みが変化するものであって、該積層箇所のうち、触媒層中央側の領域に比して前記露出領域側の領域が相対的に厚くなっているものである。

本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルは、アノード側およびカソード側の双方の電極に補強膜（たとえば保護フィルム）を有する形態、アノード側とカソード側のいずれか一方の電極に補強膜を有する形態の双方を包含するものである。そして、この補強膜は、電解質膜のうち、触媒層で被覆されていない周縁の露出領域とガス透過層の間に介在し、かつ、該補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成するものであり、この構造により、ガス透過層からの毛羽が膜電極接合体に突き刺さり、これがアノード側からカソード側へ貫通してガスのクロスリーク路を形成することを回避するものである。

ここで、燃料電池セルの構造は、膜電極接合体（ＭＥＡ）のアノード側とカソード側の双方に拡散層基材と集電層からなるガス拡散層を具備する形態、アノード側とカソード側のいずれか一方は集電層のみを具備する（拡散層基材が廃された）形態の双方を含んでいる。また、本明細書では、これらのいずれの形態も電極体（ＭＥＧＡ）と称呼している。また、電極体の両側にガス流路溝が形成されたセパレータが直接配された形態は勿論のこと、いわゆるフラットタイプのセパレータと電極体の間に、ガス流路層（エキスパンドメタル等の金属多孔体）が配された形態を含むものである。さらに、「ガス透過層」とは、ガス拡散層とガス流路層の双方を含む意味である。したがって、ガス流路層を具備しないセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」を意味するものであり、ガス拡散層とガス流路層の双方を具備するセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」と「ガス流路層」の双方もしくはいずれか一方を意味するものである。

上記する補強膜の膜電極接合体に積層する積層箇所は、その途中で厚みが変化するものであり、該積層箇所のうち、触媒層中央側の領域に比して電解質膜の露出領域側の領域が相対的に厚くなっている。この構造により、従来構造のごとく、補強膜の積層箇所の端部にスタッキング時の圧縮力が集中し、この集中部位を起点としてガスのクロスリーク路が形成され易くなっていたという課題が解消される。すなわち、補強膜の積層箇所において、従来構造の場合にその端部に集中していたスタッキング時の圧縮力は、補強膜の積層箇所の他の部位、すなわち上記する、触媒層中央側の領域に比して相対的に厚くなっている電解質膜の露出領域側の領域に分散されるため、補強膜の端部の荷重集中が緩和され、該端部に対応する膜電極接合体部位における内部応力（圧縮応力）は効果的に緩和される。

ここで、「補強膜の前記積層箇所は、その途中で厚みが変化するものであって、該積層箇所のうち、触媒層中央側の領域に比して前記露出領域側の領域が相対的に厚くなっている」なる構成として、例えば以下の複数の形態を挙げることができる。

その一つの形態は、補強膜の前記積層箇所の端部に関し、その厚みが触媒層表面に向かって薄くなっている形態である。

たとえば、テーパー状に直線的に厚みが薄くなる形態、湾曲状に厚みが薄くなる形態、階段状に厚みが薄くなる形態など、その具体的な形態は多様である。

また、他の形態は、少なくとも２つの補強膜がそれぞれの端部をずらした姿勢で積層されることで前記補強膜が形成されるものであり、外側の該補強膜の端部の左右で前記積層箇所の厚みが変化している形態である。

たとえば、一般に使用される補強膜の厚みが２０〜３０μｍの場合に、その厚みを二等分してなる薄厚な２つの補強膜を用意し、その端部をずらして積層させて一つの補強膜を形成し、これを触媒層で被覆されていない電解質膜の周縁の露出領域とガス透過層の間に介在させるものである。なお、この実施例の場合には、補強膜の積層箇所の途中で、その厚みがたとえば１５μｍ等から階段状に３０μｍ等に変化する。なお、補強膜の端部、すなわち、相対的に薄い層の端部をさらに上記のごとくテーパー状に厚みを変化させるようにしてもよい。

また、本発明による燃料電池の他の実施の形態において、前記補強膜は、カソード側とアノード側の双方に配されており、それぞれの補強膜の前記積層箇所の端部が、燃料電池セルの積層方向で相互にずらされているものである。

カソード側とアノード側の双方の電極に補強膜を有する形態に関し、それぞれの補強膜の積層箇所の厚みがその途中で変化する構造に加えて、カソード側とアノード側双方の補強膜の端部を燃料電池セルの積層方向で相互にずらすことで、膜電極接合体を貫通するクロスリーク路の形成をより効果的に抑止できる。

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、少なくとも、電解質膜のうち、触媒層で被覆されていない周縁の露出領域とガス透過層の間に補強膜が介在し、かつ、該補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成するものに関し、アノード側およびカソード側の双方の電極に補強膜を有する場合であっても、アノード側とカソード側のいずれか一方の電極に補強膜を有する場合であっても、スタッキング時等で作用する圧縮力がたとえば補強膜の端部もしくはその近傍箇所に集中するのを抑制することができ、圧縮力の集中箇所を起点として膜電極接合体を貫通するガスのクロスリーク路が形成されることを効果的に解消できるため、クロスリーク耐久に優れた燃料電池を提供することが可能となる。

本発明の燃料電池の一実施の形態の電極体とガスケットの一部を拡大した縦断面図である。 本発明の燃料電池の他の実施の形態の電極体とガスケットの一部を拡大した縦断面図である。 本発明の燃料電池のさらに他の実施の形態の電極体とガスケットの一部を拡大した縦断面図である。 本発明の燃料電池のさらに他の実施の形態の電極体とガスケットの一部を拡大した縦断面図である。 本発明の燃料電池のさらに他の実施の形態の電極体とガスケットの一部を拡大した縦断面図である。 従来の燃料電池の電極体とガスケットの一部を拡大した縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例は電極体の両側にガス流路となる金属多孔体が配されたものであり、これは、３層構造のセパレータがさらに配されて燃料電池セルを形成する形態のものであるが、セパレータにガス流路溝が形成されて金属多孔体が不要な燃料電池セルの場合には、ガスケットの上下端面はカソード側およびアノード側のガス拡散層の端面付近に位置することになる。また、アノード側およびカソード側のいずれか一方からガス拡散層の拡散層基材が廃された形態であってもよい。

図１は、本発明の燃料電池（燃料電池セル）の一実施の形態の電極体とガスケットの一部を拡大した縦断面図である。この電極体１０は、電解質膜１と、カソード側およびアノード側の触媒層２，３と、から膜電極接合体４が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス拡散層５，６が挟持して形成されている。なお、図示例では、電極体１０の両側にカソード側およびアノード側のガス流路となる金属多孔体８Ａ，８Ｂが配され、この電極体１０および多孔体８Ａ，８Ｂの周縁に樹脂素材のガスケット９が形成されている。

ここで、触媒層２，３は電解質膜１に比してそれらの面積が狭小であり、したがって、電解質膜１の両側の触媒層２，３の周縁には該触媒層２，３が存在しない露出領域１’が形成される。

この露出領域１’には、カソード側およびアノード側の補強膜７Ａ，７Ｂが配されており、より具体的には、該補強膜７Ａ，７Ｂの一部が触媒層２，３上にラップして積層領域７Ａ’、７Ｂ’を形成した姿勢で、触媒層２，３から露出領域１’に亘って補強膜７Ａ，７Ｂが配されており、ガス拡散層５，６から突出する毛羽が電解質膜１に突き刺さるのを防護している。

この補強膜７Ａ，７Ｂの積層領域７Ａ’、７Ｂ’はさらに、触媒層中央側の領域７Ａａ、７Ｂａと、露出領域側の領域７Ａｂ、７Ｂｂと、から構成されており、触媒層中央側の領域７Ａａ、７Ｂａの厚みは、その端部に向かってテーパー状に薄厚に形成されている。

このように、積層領域７Ａ’、７Ｂ’がその途中で厚みが変化し、触媒層中央側の領域７Ａａ、７Ｂａに比して露出領域側の領域７Ａｂ、７Ｂｂが相対的に厚くなっていることにより、露出領域側の領域７Ａｂ、７Ｂｂの剛性を相対的に高くすることができる。その結果、たとえばスタッキング時に積層領域７Ａ’、７Ｂ’に圧縮力が作用した際に、この圧縮力を積層領域７Ａ’、７Ｂ’の端部のみならず、該積層領域７Ａ’、７Ｂ’の他の領域（露出領域側の領域７Ａｂ、７Ｂｂ）に分散させることができる。したがって、図６で示したように、従来構造の燃料電池セルにおいてスタッキング時等の圧縮力がその補強膜の端部から集中的に膜電極接合体に作用し、これを起点としてガスのクロスリーク路が形成されることを効果的に解消できる。

ここで、膜電極接合体４を構成する電解質膜１は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。

また、触媒層２，３は、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を生成し、これを電解質膜１やガス拡散層５，６等の基材に塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒（金属触媒）としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。

また、ガス拡散層５，６は、拡散層基材５１，６１と集電層５２，６２（ＭＰＬ）からなるものであり、拡散層基材５１，６１としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材５１，６１の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材５１，６１としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、紋織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層５２，６２はアノード側、カソード側の触媒層３，２から電子を集める電極の役割を果たすとともに、生成水等を排水する撥水作用を有するものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料と、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）などから形成できる。

また、金属多孔体８Ａ,８Ｂは、エキスパンドメタルや金属発砲焼結体からなり、この発砲焼結体においては、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材が使用されるのがよく、さらには、ステンレス中にクロム炭化物や鉄−クロム炭化物などを分散した発泡体であってもよい。

さらに、補強膜７Ａ,７Ｂは、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ（二フッ化ポリビニル）、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどから形成されるものである。

ガスケット９は、その端部のマニホールドＭの周縁に該マニホールドＭを囲繞する無端リブ９ａを有するものである。その成形方法の概要は、不図示の成形型内にアノード側の金属多孔体８Ｂ，アノード側のガス拡散層６、膜電極接合体４、カソード側のガス拡散層５、カソード側の金属多孔体８Ａの順に収容して型閉めし、膜電極接合体４の側方のガスケット用キャビティ内に樹脂を注入する（射出成形）等の方法でおこなわれる。ここで、このガスケットの材料としては、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ウレタンＲＴＶゴムやブチルゴム系樹脂、シリコーンＲＴＶゴム、ＥＰＤＭ系樹脂等が使用できる。

図２は、本発明の燃料電池の他の実施の形態の電極体とガスケットの一部を拡大した縦断面図である。

この燃料電池の電極体１０Ａは、そのカソード側電極にのみ電極体１０と同様の補強膜７Ａを有し、アノード側電極の補強膜が省略されている。なお、図示例以外にも、アノード側電極にのみ補強膜を具備する形態であってもよい。この電極体１０Ａは、アノード側とカソード側のいずれか一方にのみ補強膜が存在している場合であっても、該補強膜が存在する電極側の毛羽の突き刺さりを防止することにより、膜電極接合体４にクロスリーク路となる貫通孔の発生を回避できるという技術思想に立脚したものである。

電極体１０Ａにおいても、触媒層中央側の領域７Ａａの厚みが、その端部に向かってテーパー状に薄厚に形成されていることにより、露出領域側の領域７Ａｂの剛性を相対的に高くすることができ、スタッキング時に積層領域７Ａ’に圧縮力が作用した際に、この圧縮力を積層領域７Ａ’の端部のみならず、該積層領域７Ａ’の他の領域（露出領域側の領域７Ａｂ）に分散させることができる。

図３は、本発明の燃料電池のさらに他の実施の形態の電極体とガスケットの一部を拡大した縦断面図である。

この燃料電池の電極体１０Ｂは、カソード側およびアノード側の補強膜７Ｃ，７Ｄが、それぞれ薄層の外側の補強膜７Ｃ１および内側の補強膜７Ｃ２、外側の補強膜７Ｄ１および内側の補強膜７Ｄ２の積層構造を呈するものであり、外側の補強膜７Ｃ１、７Ｄ１の先端が、内側の補強膜７Ｃ２，７Ｄ２の途中位置で留まっていることで、積層領域７Ｃ’、７Ｄ’はその途中で厚みが変化し、触媒層中央側の領域に比して露出領域側の領域が相対的に厚くなっている構造を有するものである。

なお、たとえば、外側の補強膜７Ｃ１と内側の７Ｃ２、外側の補強膜７Ｄ１と内側の補強膜７Ｄ２それぞれの厚みを、図１，２で示す電極体１０，１０Ａで使用した補強膜７Ａ，７Ｂの半分程度の厚みとすることで、補強膜７Ｃ１、７Ｃ２の積層箇所、補強膜７Ｄ１，７Ｄ２の積層箇所の厚みを補強膜７Ａ，７Ｂと同程度とすることができ、これらと同等の毛羽の突き刺さり防止効果を期待できる。

また、補強膜の製造効率、製造容易性の観点からすれば、電極体１０Ｂのごとく２つの薄層の補強膜を積層する形態の方が、２０〜３０μｍ程度の極薄の補強膜の先端をテーパー状に加工する形態よりも好ましい。なお、この積層構造の補強膜の場合においても、アノード側もしくはカソード側の一方にのみ補強膜を設ける形態であってもよい。

図４は、本発明の燃料電池のさらに他の実施の形態の電極体とガスケットの一部を拡大した縦断面図である。

この燃料電池の電極体１０Ｃは、図１で示す電極体１０に構造変更を加えたものであり、具体的には、カソード側の補強膜７Ａの積層箇所７Ａ’の触媒層中央側の領域７Ａａと、アノード側の補強膜７Ｂ１の積層箇所７Ｂ”の触媒層中央側の領域７Ｂａ”と、を燃料電池セル積層方向Ｘに対してずらしたものである。

カソード側とアノード側で双方の補強膜の先端がずらされていることで、スタッキング時に該先端から膜電極接合体４に集中荷重が作用した場合でも、その作用線をセル積層方向Ｘでずらすことができ、膜電極接合体４に過度の圧縮力が作用するのを回避することで貫通孔の形成可能性を低減できる。

図５は、本発明の燃料電池のさらに他の実施の形態の電極体とガスケットの一部を拡大した縦断面図である。

この燃料電池の電極体１０Ｄは、図３で示す電極体１０Ｂに図４で示す電極体１０Ｃのごとき構造変更を加えたものである。具体的には、カソード側の補強膜７Ｃの積層箇所７Ｃ’の触媒層中央側の領域と、アノード側の補強膜７Ｄ”の積層箇所７Ｄ”ａの触媒層中央側の領域と、を燃料電池セル積層方向Ｘに対してずらした構造を有している。

上記する電極体１０、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄを具備する燃料電池セル、この燃料電池セルが積層されてなる燃料電池によれば、ガス透過層からの毛羽の膜電極接合体への突き刺さりに起因するガスのクロスリーク路形成を補強膜によって抑止しながら、この補強膜が触媒層に積層することで生じ得る圧縮力等に起因するガスのクロスリーク路の形成をも効果的に抑止することができ、クロスリーク耐久性に優れた燃料電池となる。

なお、実際の燃料電池は、図示する多孔体８Ａ，８Ｂの両側に３層構造のセパレータが配されて燃料電池セルをなし、所望する発電量に応じて該燃料電池セルが所定段積層されて燃料電池スタックが形成される。さらに、この燃料電池スタックは、最外側にエンドプレート、テンションプレート等を備え、両端のテンションプレート間に圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。なお、３層構造のセパレータとは、導電性金属（ステンレスやチタンなど）からなる２枚の金属プレートと、その間に、金属素材で冷却水流路が形成された中間層が介層された形態や、樹脂素材の枠材を中間層とし、２枚の金属プレートの一方のプレートから多数のディンプル、もしくは流路画成用のリブが突出された形態のセパレータのことである。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…電解質膜、１’…電解質膜の露出領域、２…カソード側の触媒層、３…アノード側の触媒層、４…膜電極接合体、５…カソード側のガス拡散層（ガス透過層）、５１…拡散層基材、５２…集電層、６…アノード側のガス拡散層（ガス透過層）、６１…拡散層基材、６２…集電層、７Ａ，７Ｃ…カソード側の補強膜、７Ａ’，７Ｃ’…補強膜の積層箇所、７Ａａ…触媒層中央側の領域、７Ａｂ…露出領域側の領域、７Ｂ，７Ｂ１，７Ｄ，７Ｄ”…アノード側の補強膜、７Ｂ’，７Ｂ”，７Ｄ’，７Ｄ”ａ…補強膜の積層箇所、７Ｂａ，７Ｂａ”…触媒層中央側の領域、７Ｂｂ，７Ｂｂ”…露出領域側の領域、７Ｃ１…外側の補強膜、７Ｃ２…内側の補強膜、７Ｄ１，７Ｄ１’…外側の補強膜、７Ｄ２，７Ｄ２’…内側の補強膜、８Ａ…カソード側の金属多孔体、８Ｂ…アノード側の金属多孔体、９…ガスケット、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…電極体、Ｘ…セル積層方向

Claims (6)

1. 電解質膜と、これよりも狭小な平面積で該電解質膜の両側で当接する触媒層と、から膜電極接合体が形成され、該膜電極接合体の両側にガス透過層が配され、該膜電極接合体およびガス透過層の周縁に流体シール用のガスケットが形成されて燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であって、
   少なくとも、前記電解質膜のうち、触媒層で被覆されていない周縁の露出領域とガス透過層の間には、補強膜が介在し、かつ、該補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成しており、
   補強膜の前記積層箇所は、その途中で厚みが変化するものであって、該積層箇所のうち、触媒層中央側の領域に比して前記露出領域側の領域が相対的に厚くなっている、燃料電池。
2. 補強膜の前記積層箇所の端部は、その厚みが触媒層表面に向かって薄くなっている、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記補強膜は、少なくとも２つの補強膜がそれぞれの端部をずらした姿勢で積層されるものであり、外側の該補強膜の端部の左右で前記積層箇所の厚みが変化している、請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記補強膜は、カソード側とアノード側の双方に配されており、それぞれの補強膜の前記積層箇所の端部が、燃料電池セルの積層方向で相互にずらされている、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記補強膜は、カソード側とアノード側のいずれか一方にのみ配されている、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
6. 前記ガス透過層は、ガス拡散層、金属多孔体からなるガス流路層、該ガス拡散層と該ガス流路層の組み合わせ、のいずれかの形態からなり、
   アノード側とカソード側双方のガス透過層が、複数の前記形態中の同一の形態、もしくは異なる形態のいずれかからなる、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。

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