JP2011253656A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】組付時等において、電解質膜の損傷を抑え、反応流体がリークするおそれを低減させるのに有利な燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体１の外縁部をシールする外縁シール部１０が設けられている。断面において、外縁シール部１０は、電解質膜４の外縁端面４ｐを外側から１周する内縁端面１１ｉを有するセンターシールフレーム１１と、アノード触媒層３の外縁端面３ｐを外側から１周する内縁端面１１ｉと電解質膜４の表面の第１露出面４１を被覆する内縁シール表面１２ｗとを有するアノードシールフレーム１２と、カソード触媒層５の外縁端面５ｐを外側から１周する内縁端面１３ｉと電解質膜４の表面の第２露出面４２を被覆する内縁シール表面１３ｗとを有するカソードシールフレーム１３とをもつ。
【選択図】図１

Description

本発明は電解質膜を有する燃料電池に関する。

燃料電池では、アノード拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード拡散層を厚み方向にこの順に積層方向に積層させて形成された膜電極接合体が設けられている。電解質の材質が損傷しやすい場合に対処するシール構造をもつ燃料電池として、特許文献１に係る技術が開示されている。特許文献１では、図９に示すように、アノード拡散層５００とアノード触媒層５０１との間にポリマーフレーム６００の内縁部６０２をこれの面方向に沿って進入させると共に、カソード拡散層７００とカソード触媒層７０１との間にポリマーフレーム６１０の内縁部６０４をこれの面方向に沿って進入させているガスシール構造が採用されている。

特開２００８−５０７１０７号公報

しかしながら、燃料電池を組み付けるとき、ポリマーフレーム６００，６１０の内縁部６０２，６０４の厚みにより、電解質膜８００が局所的に損傷するおそれがある。殊に、ポリマーフレーム６００，６１０の内縁部６０２，６０４付近に過度な荷重が作用し、電解質膜が局所的に損傷するおそれがある。この場合、アノードガスやカソードガスなどの反応流体がリークするおそれがある。殊に、近年、プロトン伝導基としてリン酸を浸透させた高分子材料で形成された電解質膜を組み付けた中温形の膜電極接合体や燃料電池が開発されている。このものによれば、作動温度を１００℃以上にできる利点を有するものの、リン酸を浸透させた高分子材料で形成された電解質膜は、燃料電池の組み付け時に組付荷重の条件によっては、パーフルオロスルホン酸樹脂ポリマーに比較して、損傷に対する耐久性が要請されている。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、電解質膜の損傷が抑制され、アノード流体やカソード流体などの反応流体がリークするおそれを低減させるのに有利な燃料電池を提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池は、（ｉ）アノード拡散層、アノード触媒層、イオン伝導性を有する電解質膜、カソード触媒層、カソード拡散層を厚み方向にこの順に積層方向に積層させて形成された膜電極接合体と、
（ｉｉ）アノード拡散層の厚み方向の外側に積層されアノード流体をアノード拡散層に供給する第１セパレータと、（ｉｉｉ）カソード拡散層の厚み方向の外側に積層されカソード流体をカソード拡散層に供給する第２セパレータと、（ｉｖ）膜電極接合体の外縁部を１周するように設けられ膜電極接合体の外縁部と第１セパレータと第２セパレータとの間をシールする外縁シール部とを具備しており、
（ｖ）膜電極接合体の厚みに沿った切断した断面において、 アノード触媒層の外縁端面は、積層方向と直交する方向において電解質膜の外縁端面よりも内方に退避して電解質膜の一方の表面の外縁表面を露出させて第１露出面を形成しており、カソード触媒層の外縁端面は、積層方向と直交する方向において電解質膜の外縁端面よりも内方に退避して電解質膜の他方の表面の外縁表面を露出させて第２露出面を形成しており、
外縁シール部は、
積層方向において電解質膜の外縁端面に対面する位置に配置され、電解質膜の外縁端面に対面しつつ電解質膜の外縁端面を外側から１周する内縁端面を有する枠状をなすセンターシールフレームと、
積層方向においてアノード触媒層の外縁端面に対面する位置に配置され、アノード触媒層の外縁端面に対面しつつアノード触媒層の外縁端面を外側から１周する内縁端面と、電解質膜の一方の表面の第１露出面をシールしつつ被覆する内縁シール表面とを有する枠状をなすアノードシールフレームと、
積層方向においてカソード触媒層の外縁端面に対面する位置に配置され、カソード触媒層の外縁端面に対面しつつカソード触媒層の外縁端面を外側から１周する内縁端面と、電解質膜の他方の表面の第２露出面をシールしつつ被覆する内縁シール表面とを有する枠状をなすカソードシールフレームとを具備する。

本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池の組付時において、アノードシールフレームの内縁シール表面は、電解質膜の一方の表面に形成されている第１露出面を被覆する。同様に、カソードシールフレームの内縁シール表面は、電解質膜の他方の表面に形成されている第２露出面を被覆する。このように燃料電池の組付時において、電解質膜の外縁の第１露出面および第２露出面は、アノードシールフレームの内縁シール表面およびカソードシールフレームの内縁シール表面で被覆される。このため、燃料電池の組付時において、第１セパレータおよび第２セパレータからの荷重が電解質膜の外縁の第１露出面および第２露出面に伝達されにくくなり、従って、電解質膜の損傷が抑制される。このように電解質膜の損傷が抑制されるため、アノード触媒層側に供給されたアノードガス等のアノード流体が、対極であるカソード触媒層側に漏れることが抑えられている。カソード触媒層側に供給されたカソードガス等のカソード流体が、対極であるアノード触媒層側に漏れることが抑えられている。

本発明に係る燃料電池によれば、組み付けの際に電解質膜の損傷が抑制されるため、アノード流体やカソード流体などの反応流体がリークするおそれを低減させるのに有利である。

実施形態１に係り、燃料電池を分解して示す断面図である。 実施形態１に係り、燃料電池を分解して示す要部の断面図である。 実施形態１に係り、燃料電池を組み付けた状態の要部の断面図である。 実施形態１に係り、アノード拡散層とアノード触媒層との位置関係を示す平面図である。 実施形態１に係り、カソード拡散層とカソード触媒層との位置関係を示す平面図である。 実施形態１に係り、セパレータを示す平面図である。 実施形態１に係り、燃料電池を組み付ける過程を示す側面図である。 他の実施形態に係り、燃料電池を分解して示す要部の断面図である。 従来技術に係り、燃料電池の要部を分解して示す断面図である。

第１セパレータとアノードシールフレームとの間に介在するアノードガスケットと、第２セパレータとカソードシールフレームとの間に介在するカソードガスケットとが設けられていることが好ましい。シール性を高めるのに有利となる。

好ましくは、アノードシールフレームの内縁シール表面は、センターフレームの内縁端面およびガスケットよりも面方向において内方に向けて進出している。同様に、カソードシールフレームの内縁シール表面は、センターフレームの内縁端面およびガスケットよりも面方向において内方に向けて進出している。

電解質膜は、リン酸を高分子材料に浸透させた膜で形成されていても良いし、パーフルオロスルホン酸樹脂ポリマー等の炭化フッ素系の高分子材料で形成されていても良いし、炭化水素系の高分子材料で形成されていても良い。例えば、電解質膜は、イミダゾール環を有する高分子化合物に、無機酸の水素原子をフェニル基を有する官能基で置換した酸をドープしてなる固体高分子電解質材料で形成されていても良い。この場合、イミダゾール環を有する高分子化合物が、ポリベンズイミダゾールであり、かつ無機酸が、リン酸とすることができる。

燃料電池の組付前において、アノード触媒層は拡散層に被覆されていても良いし、電解質膜に被覆されていても良い。カソード触媒層は拡散層に被覆されていても良いし、電解質膜に被覆されていても良い。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について図１〜図７を参照して説明する。図１および図２は燃料電池を分解して示す。図３は燃料電池として組付けた後の要部を拡大して示す。燃料電池は、図３に示すように、膜電極接合体１を有する。膜電極接合体１は、アノード拡散層２、アノード触媒層３、電解質膜４、カソード触媒層５、カソード拡散層６を、これらの厚み方向にこの順に積層させて形成されている。アノード拡散層２およびカソード拡散層６は、ガス等の反応流体を透過拡散できるように、導電性繊維の集合体で形成されており、多孔質性をもつ。アノード触媒層３およびカソード触媒層５は、カーボンブラック等の導電性微小体と、白金等の触媒と、イオン伝導性をもつ電解質成分とを有する。電解質膜４は、リン酸を高分子材料に浸透させた膜で形成されている。具体的には、イミダゾール環を有する高分子化合物に、無機酸の水素原子をフェニル基を有する官能基で置換した酸をドープしてなる固体高分子電解質材料で形成されている。更に具体的には、電解質膜４はポリベンズイミダゾールが好ましく、無機酸はリン酸であることが好ましい。このような電解質膜４を搭載する燃料電池は、パーフルオロスルホン酸樹脂ポリマー等の炭化フッ素系の高分子材料等の電解質膜を搭載する燃料電池に比較して、作動温度を１００℃以上にできるため、液相状の水の排出を改善できる利点を有する。しかし、この電解質膜４は、パーフルオロスルホン酸樹脂ポリマー等の炭化フッ素系の高分子材料の電解質膜、または、炭化水素系の高分子材料で形成された膜に比較して、脆性が低いため、燃料電池の組付時において、電解質膜４を損傷させないような留意が必要である。なお、図１〜図３において矢印Ｔ方向は積層方向を示す。矢印Ｄ方向は積層方向と直交する方向（面方向）を示す。面方向はＸ方向とＸ方向に直交するＹ方向とで構成される（図４および図５参照）。

図１および図２に示すように、燃料電池の組付前では、アノード触媒層３は、アノード拡散層２のうち電解質膜４に対向する表面２ｘに積層されている。アノード拡散層２の表面２ｘには、アノード触媒層３が被覆されていない領域２ｍが枠状に１周するように形成されている。領域２ｍにはアノードシールフレーム１２が対面接触する。また、図１に示すように、カソード触媒層５はカソード拡散層６のうち電解質膜４に対向する表面６ｘに積層されている。カソード拡散層６の表面６ｘには、カソード触媒層５が被覆されていない領域６ｍが枠状に１周するように形成されている。領域６ｍにはカソードシールフレーム１３が対面接触する。

更に、図１に示すように、アノード拡散層２の厚み方向の外側に積層される第１セパレータ７が設けられている。第１セパレータ７は、カーボン材料または耐食性が良い金属材料で形成されており、アノードガスをアノード拡散層２に供給する溝状の第１配流通路７０と、第１配流通路７０を形成する複数の配流突起７２と、後述するアノードガスケット２０を嵌合させるために第１セパレータ７の外縁部に沿って１周するように形成されたガスケット溝７１と、ガスケット溝７１の外周側に位置するように第１セパレータ７の外縁部を１周して第１配流通路７０をシールするように突出するシール突起７３と、ガスケット溝７１の内周側を１周するシール突起７５とをもつ。

カソード拡散層６の厚み方向の外側に積層される第２セパレータ８が設けられている。第２セパレータ８は、カーボン材料または耐食性が良い金属材料で形成されており、カソードガス等のカソード流体をカソード拡散層６に供給する第２配流通路８０と、第２配流通路８０を形成する複数の配流突起８２と、後述するカソードガスケット３０を嵌合させるガスケット溝８１と、ガスケット溝８１の外周側に位置するように第２セパレータ８の外縁部を１周して第２配流通路８０をシールするように突出するシール突起８３と、ガスケット溝８１の内周側を１周するシール突起８５とをもつ。シール突起７３，８３は互いに対向する。シール突起７３，８３はシール突起７５，８５よりもセパレータ７，８の厚み方向の突出量が大きくされている。なお、図６に示すように、第１セパレータ７および第２セパレータ８は平面視で四角形状をなす。但しこれに限定されるものではない。

図４は、アノード触媒層２と電解質膜４との関係を平面で透視した状態を模式的に示す。図５は、カソード触媒層５と電解質膜４との関係を平面で透視した状態を模式的に示す。図４に示すように、電解質膜４は、平面視における輪郭を形成する外縁端面４ｐをもち、平面視で四角形状をなす。アノード触媒層３は、平面視における輪郭を形成する外縁端面３ｐをもち、平面視で四角形状をなす。図５に示すように、カソード触媒層５は、平面視における輪郭を形成する外縁端面５ｐをもち、平面視で四角形状をなす。図４および図５に示すように、電解質膜４は、アノード触媒層３およびカソード触媒層５よりも面方向において、つまり、Ｘ方向およびＹ方向において外方にはみ出るように大きくされている。

図４に示すように、アノード触媒層３の外縁端面３ｐは、積層方向と直交する方向において、即ち、Ｘ方向およびＹ方向において、電解質膜４の外縁端面４ｐよりも寸法ＤＡぶん内方に退避しており、電解質膜４の一方の表面４ａにおいて外縁表面を露出させて四角枠形状の第１露出面４１を形成している。第１露出面４１は、電解質膜４の外縁端面４ｐに沿って四角枠状をなすように１周している。

図５に示すように、カソード触媒層５の外縁端面５ｐは、積層方向と直交する方向において、即ち、図５に示すＸ方向およびＹ方向において、電解質膜４の外縁端面４ｐよりも寸法ＤＣぶん内方に退避しており、電解質膜４の他方の表面４ｃにおいて外縁表面を露出させて第２露出面４２を形成している。第２露出面４２は、電解質膜４の外縁端面４ｐに沿って四角枠状をなすように１周している。
図１および図２に示すように、膜電極接合体１の外縁部を１周するようにシールするための外縁シール部１０が設けられている。外縁シール部１０は本実施形態を特徴づけるものであり、センターシールフレーム１１と、アノードシールフレーム１２と、カソードシールフレーム１３とに分割されて形成されている。ここで、センターシールフレーム１１は樹脂やゴム等の高分子材料で形成されたシール材料で構成されており、内縁端面１１ｉ、外縁端面１１ｐ、一方の表面１１ｓ、他方の表面１１ｆをもつ四角枠状をなしている。図３に示すように、燃料電池の組付時において、センターシールフレーム１１の内縁端面１１ｉは、積層方向（矢印Ｔ方向）において、電解質膜４に対面する位置に配置されている。即ち、図３に示すように、センターシールフレーム１１の内縁端面１１ｉは、電解質膜４の外縁端面４ｐに対面すると共に電解質膜４の外縁端面４ｐを１周する。

アノードシールフレーム１２は、組付荷重により容易に弾性変形できるような樹脂やゴム等の高分子材料（例えばＰＴＦＥ）で形成されたシール材料で構成されており、図３に示すように、内縁端面１２ｉ、外縁端面１２ｐ、一方の表面１２ｓ、他方の表面１２ｆをもち、四角枠状をなしている。図３に示すように、アノードシールフレーム１２の内縁端面１２ｉは、積層方向（矢印Ｔ方向）において、アノード触媒層３の外縁端面３ｐに対面する位置に配置されている。従って、アノードシールフレーム１２の内縁端面１２ｉは、アノード触媒層３の外縁端面３ｐに対面すると共にアノード触媒層３の外縁端面３ｐを１周する。

カソードシールフレーム１３は、組付荷重により容易に弾性変形できるような樹脂やゴム等の高分子材料（例えばＰＴＦＥ）で形成されたシール材料で構成されており、図３に示すように、内縁端面１３ｉ、外縁端面１３ｐ、表面１３ｓ、表面１３ｆをもち、四角枠状をなす。カソードシールフレーム１３の内縁端面３ｉは、積層方向（矢印Ｔ方向）において、カソード触媒層５の外縁端面５ｐに対面する位置に配置されている。カソードシールフレーム１３の内縁端面１３ｉは、カソード触媒層５の外縁端面５ｐに対面すると共にカソード触媒層５の外縁端面５ｐを１周する。

前述したように、電解質膜４の表面４ａ，４ｃにおいて、アノード触媒層３およびカソード触媒層５から露出する第１露出面４１および第２露出面４２が厚み方向に互いに背向するように形成されている。アノードシールフレーム１２は、樹脂やゴム等の高分子材料で形成されたシール材料で構成されており、図３に示すように、電解質膜４の一方の表面４ａの第１露出面４１をシールしつつ被覆する内縁シール表面１２ｗを有する。カソードシールフレーム１３は、樹脂やゴム等の高分子材料で形成されたシール材料で構成されており、図３に示すように、電解質膜４の他方の表面４ｃの第２露出面４２をシールしつつ被覆する内縁シール表面１３ｗを有する。このように電解質膜４の第１露出面４１，第２露出面４２は、アノードシールフレーム１２の内縁シール表面１２ｗおよびカソードシールフレーム１３の内縁シール表面１３ｗでシールしつつ被覆されて厚み方向に挟持されている（図３参照）。このためアノード拡散層２およびアノード触媒層３に供給されたアノード流体（例えば水素ガス等）がカソード触媒層５側に漏れることが抑制されている。且つ、カソード拡散層６およびカソード触媒層５に供給されたカソード流体（例えば空気）がアノード触媒層３側に漏れることが抑制されている。つまり、クロスリークが抑制されている。

更に本実施形態によれば、図３に示すように、第１セパレータ７とアノードシールフレーム１２との間に介在する枠状のアノードガスケット２０がガスケット溝７１に嵌合して設けられている。更に、第２セパレータ８とカソードシールフレーム１３との間に介在する枠状のカソードガスケット３０がガスケット溝８１に嵌合して設けられている。これによりシール性が確保され、反応流体がセパレータ７，８の外方に漏れることが抑制されている。アノードガスケット２０およびカソードガスケット３０は、荷重により容易に弾性変形できるゴムや樹脂等の高分子材料で形成されたシール材料（例えばＰＴＦＥ等のフッ素樹脂）で形成されていることが好ましい。なお、ガスケット２０，３０は内縁端面２０ｉ，３０ｉおよび外縁端面２０ｐ，３０ｐをもつ。

本実施形態によれば、アノードガスケット２０およびカソードガスケット３０を構成するシール材料は、センターシールフレーム１１、アノードシールフレーム１２およびカソードシールフレーム１３を構成するシール材料よりも柔らかくされていることが好ましい。その理由としては、積層方向（矢印Ｔ方向）において電解質膜４と同じ位置に配置されるセンターシールフレーム１１付近におけるシール性、ひいては電解質膜４付近におけるシール性を高めるためである。更に、アノード触媒層３、カソード触媒層５付近におけるシール性を高めるためである。

なお、アノードガスケット２０およびカソードガスケット３０を構成するシール材料よりも、アノードシールフレーム１２およびカソードシールフレーム１３を構成するシール材料は、締結荷重の負担等ができるように、高い弾性率（硬い）をもつことが好ましい。

本実施形態によれば、同様に、アノードガスケット２０およびカソードガスケット３０を構成するシール材料よりも、センターシールフレーム１１を構成するシール材料は、高い弾性率（硬い）をもつことが好ましい。その理由としては、主として、組付時において、積層方向（矢印Ｔ方向）においてセンターシールフレーム１１は電解質膜４と同じ位置に配置されるため、電解質膜４の厚み方向の過剰圧縮を抑制し、電解質膜４を保護するためである。仮にセンターシールフレーム１１が過剰に軟質であると、電解質膜１が過剰圧縮される。

但し、アノードシールフレーム１２、カソードシールフレーム１３を構成するシール材料よりも、センターシールフレーム１１を構成するシール材料は、軟質とされている。その理由としては、センターシールフレーム１１が硬過ぎると、センターシールフレーム１１付近におけるシール能が低下するためである。換言すると、アノードシールフレーム１２、カソードシールフレーム１３を構成するシール材料は、センターシールフレーム１１を構成するシール材料よりも硬質とされている。後述するように燃料電池の組付時において、シールを確保するためのシール締結荷重経路Ｆは、第１セパレータ７，アノードガスケット２０、アノードシールフレーム１２、センターシールフレーム１１、カソードシールフレーム１３、カソードガスケット３０、第２セパレータ８を繋ぐ方向に沿って主に作用するためである。

本実施形態によれば、燃料電池の組付前において、図２に示すように、電解質膜４の厚みをｔ１とし、センターシールフレーム１１の厚みをｔ２とし、アノード触媒層３の厚みをｔ３とし、アノードシールフレーム１２の厚みをｔ４とし、アノード拡散層２の厚みをｔ５とし、アノードガスケット２０の厚みをｔ６とし、更に、カソード触媒層５の厚みをｔ７とし、カソードシールフレーム１３の厚みをｔ８とし、カソード拡散層６の厚みをｔ９とし、カソードガスケット３０の厚みをｔ１０として示す。ここで、ｔ１＞ｔ２が好ましい。ｔ１／ｔ２＝１．０２〜１．４０の範囲内、１．０５〜１．２５の範囲内が好ましい。このようにすれば、燃料電池の組付時に電解質膜４が厚み方向に微小量弾性変形し、電解質膜４の一方の表面４ａとアノード触媒層３との接触抵抗を低減させ、電解質膜４の他方の表面４ｃとカソード触媒層５との接触抵抗を低減させるのに有利であり、セル抵抗を低下させるのに有利となる。但し、場合によっては、ｔ１＝ｔ２、ｔ１≒ｔ２とすることもできる。なお電解質膜４の厚みｔ１としては、１０〜２００マイクロメートル、２０〜１５０マイクロメートルが例示されるが、これらに限定されるものではない。

組付前において、アノード触媒層３の厚みｔ３とアノードシールフレーム１２の厚みｔ４との関係については、ｔ３＝ｔ４またはｔ３≒ｔ４（ｔ３／ｔ４＝０．８〜１．２の範囲内、あるいは、０．９〜１．１の範囲内）が好ましい。燃料電池を組み付けたとき、積層方向（矢印Ｔ方向）においてアノード触媒層３およびアノードシールフレーム１２はほぼ同位置に配置されるため、アノード触媒層３の外周側をアノードシールフレーム１２が良好にシールするためである。なお厚みｔ３，ｔ４としては、１０〜２００マイクロメートル、２０〜１５０マイクロメートルが例示されるが、これらに限定されるものではない。

組付前において、カソード触媒層５の厚みｔ７とカソードシールフレーム１３の厚みｔ８との関係については、ｔ７＝ｔ８またはｔ７≒ｔ８（ｔ７／ｔ８＝０．８〜１．２の範囲内、あるいは、０．９〜１．１の範囲内）が好ましい。燃料電池を組み付けたとき、積層方向（矢印Ｔ方向）においてカソード触媒層５およびカソードシールフレーム１３はほぼ同位置に配置されるため、カソード触媒層５の外周側をカソードシールフレーム１３が良好にシールするためである。なお厚みｔ７，ｔ８としては、１０〜３００マイクロメートル、２０〜２００マイクロメートルが例示されるが、これらに限定されるものではない。

本実施形態によれば、アノードガスケット２０の厚みｔ６については、アノードガスケット２０による高シール性の確保を考慮すると、ｔ６≧ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５の関係にできる。カソードガスケット３０の厚みｔ１０については、アノードガスケット２０による高シール性の確保を考慮すると、ｔ１０≧ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ７，ｔ８，ｔ９の関係にできる。なおｔ６＝ｔ１０、ｔ６≒ｔ１０（ｔ６／ｔ１０＝０．８〜１．２の範囲内、あるいは、０．９〜１．１の範囲内）が好ましい。

燃料電池が組み付けられたときには、図３に示すように、第１セパレータ７のシール突起７３と第２セパレータ８のシール突起８３とがセンターシールフレーム１１をこれの厚み方向に挟持し、燃料電池の内部を外気に対してシールする。シール突起７３，８３は、シールフレーム１１，１２，１３よりも硬質であり、センターシールフレーム１１をこれの厚み方向に弾性変形させつつ挟持できる。

このとき、図３から理解できるように、第１セパレータ７および第２セパレータ８からのシール締結荷重経路Ｆは、基本的には、第１セパレータ７，アノードガスケット２０，アノードシールフレーム１２，センターシールフレーム１１，カソードシールフレーム１３，カソードガスケット３０、第２セパレータ８に作用して負担される。この場合、高いシール性の確保のため、ガスケット２０，３０の厚み方向の弾性収縮が期待される。従って、第１セパレータ７および第２セパレータ８から伝達されるシール用のシール締結荷重経路Ｆは、基本的には、電解質膜４の外縁の第１露出面４１および第２露出面４２を直接的に通過することが抑えられている。図３から理解できるように、電解質膜４の第１露出面４１および第２露出面４２は、シール締結荷重経路Ｆよりも面方向Ｄにおいて内方に位置しているため、即ち、シール締結荷重経路Ｆを構成するセンターフレーム１１の内縁端面１１ｉよりも面方向Ｄにおいて内方に位置しているためである。

ここで、図３から理解できるように、アノードシールフレーム１２の内縁シール表面１２ｗは、センターフレーム１１の内縁端面１１ｉおよびガスケット２０，３０よりも面方向Ｄにおいて内方（図３に示す矢印Ｄｉ方向）に向けて進出している。従って、内縁シール表面１２ｗは、電解質膜４の第１露出面４１（電解質膜４のうちアノード触媒層３に非接触の膜部分）をこれに弾性的にシール接触しつつ被覆している。同様に、カソードシールフレーム１３の内縁シール表面１３ｗは、センターフレーム１１の内縁端面１１ｉおよびガスケット２０，３０よりも面方向Ｄにおいて内方（図３に示す矢印Ｄｉ方向）に向けて進出している。従って、内縁シール表面１３ｗは、電解質膜４の第２露出面４２（電解質膜４のうちカソード触媒層５に非接触の膜部分）をこれに弾性的にシール接触しつつ被覆している。なお、図３から理解できるように、組付後では、電解質膜４の外縁端面４ｐは、ガスケット２０，３０の内縁端面２０ｉ，３０ｉ、センターシールフレーム１０の内縁端面１０ｉよりも、面方向Ｄにおいて内方（図３に示す矢印Ｄｉ方向）に向けて退避している。

このように本実施形態によれば、電解質膜４のうち電解質材料が露出する第１露出面４１および第２露出面４２は、シール材料で形成されているアノードシールフレーム１２の内縁シール表面１２ｗと、カソードシールフレーム１３の内縁シール表面１３ｗとでシールされつつ被覆されている（図３参照）。このため、前述したように、第１セパレータ７および第２セパレータ８からのシール締結荷重経路Ｆは、電解質膜４の外縁の第１露出面４１および第２露出面４２で直接的に負荷されることが抑えられている。シール締結荷重経路Ｆは、シール材料で形成されているアノードシールフレーム１２、センターシールフレーム１１およびカソードシールフレーム１３を介して負荷される。このため、燃料電池の組付時および組付後において、パーフルオロスルホン酸樹脂ポリマー等に比較して強度が必ずしも充分ではない電解質膜４に対する保護性を高めることができ、組付時および組付後における電解質膜４の損傷が抑制されている。従って燃料電池の耐久性の向上、長寿命化に貢献できる。

なお、図３に示すように、シール締結荷重経路Ｆよりも内側でかつアノードシールフレーム１２の内縁端面１２ｉおよびカソードシールフレーム１３の内縁端面１３ｉよりも外側の経路Ｗ１に沿って観察すると、第１セパレータ７，アノード拡散層２，アノードシールフレーム１２，電解質膜４の第１露出面４１および第２露出面４２，カソードシールフレーム１３，カソード拡散層６，第２セパレータ８がこの順に存在する。また図３に示すように、経路Ｗ１よりも内側でかつアノード触媒層３の外縁端面３ｐおよびカソード触媒層５の外縁端面５ｐよりも内側の経路Ｗ２に沿って観察すると、第１セパレータ７，アノード拡散層２，アノード触媒層３，電解質膜４のうち第１露出面４１および第２露出面４２ではない部分，カソード触媒層５，カソード拡散層６，第２セパレータ８がこの順に存在する。

図７は組付過程の一例を示す。図７に示すように、組付装置１００は、互いに並設された第１支持体１０１および第２支持体１０２と、第１支持体１０１および第２支持体１０２を支持する支持軸１０３と、第２支持体１０２に装備された加圧要素１０５と、第１支持体１０１および第２支持体１０２間に配置された第１加圧盤１１１および第２加圧盤１１２と、第１加圧盤１１１および第２加圧盤１１２に架設された複数の螺子軸１１３とを有する。複数の螺子軸１１３で包囲された空間に、燃料電池設置スペース１１４が形成される。加圧検知要素１０５は、本体部１０６と、積層方向（矢印Ｔ方向）に延びる検知軸１０７と、検知軸１０７の先端部に設けられた検出子１０９をもつ検出部１０８とを有する。組付時において、燃料電池に対して積層方向に印加される荷重は、荷重表示器２００で表示される。第１加圧盤１１１および第２加圧盤１１２間の電気抵抗（セル抵抗）は抵抗表示器２２０で表示される。

上記した第１セパレータ７、膜電極接合体１、アノードシールフレーム１２、シールフレーム、カソードシールフレーム１３、第２セパレータ８を、それぞれ、燃料電池設置スペース１１４に配置して積層体を形成する。この状態で、この積層体を第１加圧盤１１１と第２加圧盤１１２との間に配置する。複数の螺子軸１１３がこれの軸線周りで一方向に同期して回転すると、第１加圧盤１１１と第２加圧盤１１２とが互いに接近し、積層体が積層方向に加圧される。荷重表示器２００で荷重を表示しつつ、且つ、抵抗表示器２２０でセル抵抗を表示しつつ、複数の螺子軸１１３を回転させることにより、積層体の積層方向に荷重を印加させる。セル抵抗が定常的な領域に到達したら、荷重の印加を停止し、燃料電池の組付を終える。その後、複数の螺子軸１１３をこれの軸線周りで他方向に同期して回転させ、燃料電池を取り出す。
以上説明したように本実施形態によれば、電解質膜４の表面４ａ，４ｃにおいて、アノード触媒層３およびカソード触媒層５から露出する第１露出面４１および第２露出面４２が形成されている。アノードシールフレーム１２の内縁シール表面１２ｗは、電解質膜４の一方の表面４ａの第１露出面４１を弾性的にシール接触しつつ被覆する。カソードシールフレーム１３の内縁シール表面１３ｗは、電解質膜４の他方の表面４ｃの第２露出面４２を弾性的にシール接触しつつ被覆する。このように電解質膜４の外縁の第１露出面４１および第２露出面４２は、アノードシールフレーム１２の内縁シール表面１２ｗおよびカソードシールフレーム１３の内縁シール表面１３ｗでシール接触されつつ被覆され、厚み方向に挟持されている（図３参照）。このため、燃料電池の組付時において、第１セパレータ７および第２セパレータ８からの荷重が電解質膜４の外縁の第１露出面４１および第２露出面４２に伝達されにくくなり、従って、電解質膜４の第１露出面４１および第２露出面４２の損傷が抑制される。このように電解質膜４の損傷が抑制されるため、このためアノード触媒層３側に供給されたアノードガス等のアノード流体が、対極であるカソード触媒層５側に漏れることが抑えられている。カソード触媒層５側に供給されたカソードガス等のカソード流体が、対極であるアノード触媒層３側に漏れることが抑えられている。

更に、電解質膜４をハンドリングするときには、電解質膜４は、センターシールフレーム１１に嵌合されつつ、アノードシールフレーム１２、カソードシールフレーム１３で厚み方向に挟持され、ユニット化される。従って、強度が必ずしも充分ではない電解質膜４は、センターシールフレーム１１に嵌合されつつ、アノードシールフレーム１２、カソードシールフレーム１３で厚み方向に挟持され、ユニット化される。この状態では、電解質膜４の外縁の第１露出面４１および第２露出面４２は、アノードシールフレーム１２およびカソードシールフレーム１３で厚み方向に被覆されて挟持されている。このため損傷しやすい電解質膜４に対するハンドリング操作性および保護性を高めることができる。

なお、実施形態１の場合において、各端面の積層方向（矢印Ｔ方向）に直交する方向（矢印Ｄ方向，面方向）の位置関係について説明を加える。部位の端面の全周において、表１に示す大小関係とされている。表１に示す＊は、サイズの好ましい大小関係を示す。

即ち、次のようになる。
・センターシールフレーム１１の内縁端面１１ｉは、積層方向に直交する方向（面方向）において１周にわたって、電解質膜４の外縁端面４ｐに当接しているか、電解質膜４の外縁端面４ｐよりも外方に位置している。
・センターシールフレーム１１の外縁端面１１ｐは、積層方向に直交する方向（面方向）において１周にわたって、アノードシールフレーム１２の外縁端面１２ｐおよびカソードシールフレーム１３の外縁端面１３ｐよりも外方に位置していることが望ましい。またセンターシールフレーム１１の外縁端面１１ｐは、積層方向に直交する方向（面方向）において１周にわたって、第１セパレータ７のシール突起７３の内縁端面および第２セパレータ８のシール突起８３の内縁端面よりも外方に位置していることが望ましい。
さらに望ましくは、センターシールフレーム１１の外縁端面１１ｐは、積層方向に直交する方向（面方向）において１周にわたって、第１セパレータ７のシール突起７３の外縁端面（第１セパレータ７の外縁端面）および第２セパレータ８のシール突起８３の外縁端面（第２セパレータ８の外縁端面）とほぼ同じところに位置していることである。
・アノードシールフレーム１２の内縁端面１２ｉは、積層方向に直交する方向（面方向）において１周にわたって、アノード触媒層３の外縁端面３ｐに当接しているか、アノード触媒層３の外縁端面３ｐよりも外方に位置している。
・カソードシールフレーム１３の内縁端面３ｉは、積層方向に直交する方向（面方向）において１周にわたって、カソード触媒層５の外縁端面５ｐに当接しているか、カソード触媒層５の外縁端面５ｐよりも外方に位置している。

シール突起７５，８５，７３，８３について、次の必要な条件を満足することが好ましい。
（シール突起８３の高さ）−（シ−ル突起８５の高さ）＝
（シール突起８３，８５の高さの差）＜ｔ７＋ｔ９
（シール突起７３の高さ）−（シ−ル突起７５の高さ）＝
（シール突起７３，７５の高さの差）＜ｔ３＋ｔ５
ただし、拡散層や触媒層の破損に至るような変形が起こらない範囲内が好ましい。

（実施形態２）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図７を準用する。電解質膜４は、パーフルオロスルホン酸樹脂ポリマー等の炭化フッ素系の高分子材料の電解質膜、または、炭化水素系の高分子材料で形成された膜で形成されている。本実施形態においても、電解質膜４の表面４ａ，４ｃにおいて、アノード触媒層３およびカソード触媒層５から露出する第１露出面４１および第２露出面４２が形成されている。アノードシールフレーム１２の内縁シール表面１２ｗは、電解質膜４の一方の表面４ａに形成されている第１露出面４１を被覆する。カソードシールフレーム１３の内縁シール表面１３ｗは、電解質膜４の他方の表面４ｃに形成されている第２露出面４２を被覆する。このように電解質膜４の外縁の第１露出面４１および第２露出面４２は、アノードシールフレーム１２およびカソードシールフレーム１３で被覆されて厚み方向に挟持されている。このためアノード触媒層３側に供給されたアノードガス等のアノード流体が、対極であるカソード触媒層５側に漏れることが抑えられている。カソード触媒層５側に供給されたカソードガス等のカソード流体が、対極であるアノード触媒層３側に漏れることが抑えられている。

（実施形態３）
図８は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図３を準用する。図８に示すように、電解質膜４の一方の表面４ａにはアノード触媒層３が被覆されているが、表面４ａの外縁においてはアノード触媒層３が被覆されておらず、電解質材料を露出させている第１露出面４１が形成されている。図８に示すように、電解質膜４の他方の表面４ｃにはカソード触媒層５が被覆されているが、表面４ｃの外縁においてはカソード触媒層５が被覆されておらず、電解質材料を露出させている第２露出面４２が形成されている。燃料電池の組付時には、アノードシールフレーム１２の内縁側の内縁シール表面１２ｗは、電解質膜４の一方の表面４ａに形成されている第１露出面４１をシールしつつ被覆する。カソードシールフレーム１３の内縁シール表面１３ｗは、電解質膜４の他方の表面４ｃに形成されている第２露出面４２をシールしつつ被覆する。

（実施形態４）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。但し本実施形態では、ガスケット２０，３０が省略されている。この場合、アノードシールフレーム１２、カソードシールフレーム１３を柔らかい材料にすることが好ましい。但し、触媒層３，４の破損に至る変形は避けることが好ましい。セパレータ７，８の構造を変えることが好ましい。アノードシールフレーム１２、カソードシールフレーム１３はセパレータ７，８の端面まで延びている方が好ましい。

（その他）本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。

１は膜電極接合体、２はアノード拡散層、３はアノード触媒層、３ｐは外端端面、４は電解質膜、４ｐは外縁端面４ｐ、４１は第１露出面、４２は第２露出面、５はカソード触媒層、５ｐは外端端面、６はカソード拡散層、７は第１セパレータ、８は第２セパレータ、１０は外縁シール部、１１はセンターシールフレーム、１１ｉは内縁端面、１１ｐは外縁端面、１２はアノードシールフレーム、１２ｉは内縁端面、１２ｐは外縁端面、１２ｗは内縁シール表面、１３はカソードシールフレーム、１３ｉは内縁端面、１３ｐは外縁端面、１３ｗは内縁シール表面、２０はアノードガスケット、３０はカソードガスケットを示す。

Claims (3)

1. アノード拡散層、アノード触媒層、イオン伝導性を有する電解質膜、カソード触媒層、カソード拡散層を厚み方向にこの順に積層方向に積層させて形成された膜電極接合体と、
   前記アノード拡散層の厚み方向の外側に積層されアノード流体をアノード拡散層に供給する第１セパレータと、
   前記カソード拡散層の厚み方向の外側に積層されカソード流体をカソード拡散層に供給する第２セパレータと、
   前記膜電極接合体の外縁部を１周するように設けられ前記膜電極接合体の外縁部と前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間で前記アノード流体および前記カソード流体をシールする外縁シール部とを具備しており、
   前記膜電極接合体の厚みに沿った切断した断面において、
   前記アノード触媒層の外縁端面は、前記積層方向と直交する方向において前記電解質膜の外縁端面よりも内方に退避して前記電解質膜の一方の表面の外縁表面を露出させて第１露出面を形成しており、前記カソード触媒層の外縁端面は、前記積層方向と直交する方向において前記電解質膜の外縁端面よりも内方に退避して前記電解質膜の他方の表面の外縁表面を露出させて第２露出面を形成しており、
   前記外縁シール部は、
   前記積層方向において前記電解質膜の外縁端面に対面する位置に配置され、前記電解質膜の外縁端面に対面しつつ前記電解質膜の外縁端面を外側から１周する内縁端面を有する枠状をなすセンターシールフレームと、
   前記積層方向において前記アノード触媒層の外縁端面に対面する位置に配置され、前記アノード触媒層の外縁端面に対面しつつ前記アノード触媒層の外縁端面を外側から１周する内縁端面と、前記電解質膜の一方の表面の前記第１露出面を被覆する内縁シール表面とを有する枠状をなすアノードシールフレームと、
   前記積層方向において前記カソード触媒層の外縁端面に対面する位置に配置され、前記カソード触媒層の外縁端面に対面しつつ前記カソード触媒層の外縁端面を外側から１周する内縁端面と、前記電解質膜の他方の表面の前記第２露出面を被覆する内縁シール表面とを有する枠状をなすカソードシールフレームとを具備する燃料電池。
2. 請求項１において、前記第１セパレータと前記アノードシールフレームとの間に介在するアノードガスケットと、前記第２セパレータと前記カソードシールフレームとの間に介在するカソードガスケットとが設けられている燃料電池。
3. 請求項１または２において、前記電解質膜は、リン酸を浸透させた高分子材料で形成された膜で形成されている燃料電池。

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