JP2016095902A

JP2016095902A - 燃料電池及びその製造方法

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Publication number: JP2016095902A
Application number: JP2014229385A
Authority: JP
Inventors: 美穂玄番; Miho Gemba; 規寿吉本; Norihisa Yoshimoto
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2016-05-26

Abstract

【課題】反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】アノード電極層３ａ、カソード電極層３ｂを囲むように配置されたアノード側シール部材８ａ、カソード側シール部材８ｂと、ＭＥＡ１とカソードセパレータ７ｂとカソード側シール部材８ｂとで囲まれた隙間部の少なくとも一部を埋めるように配置されたカソード側仕切り部材９ｂとを備え、アノード側シール部材８ａ、カソード側シール部材８ｂはアノードセパレータ７ａ、カソードセパレータ７ｂ側に成形され、カソード側仕切り部材９ｂはＭＥＡ１側に成形され、ＭＥＡ１とアノードセパレータ７ａ、カソードセパレータ７ｂとを所定加重で重ねた場合に、カソード側シール部材８ｂとカソード側仕切り部材９ｂとが接触するように配置され、カソード側シール部材８ｂはカソード側仕切り部材９ｂよりも弾性率が大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、高分子電解質形の燃料電池及びその製造方法に関するものである。

高分子電解質形燃料電池は、反応ガスである水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを、ガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいて、それぞれ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電池である。

図６に、このような高分子電解質形燃料電池の一般的な基本構成（単電池）の要部断面図を示す。燃料電池は、図６に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１０と、膜電極接合体１０を挟持する一対の板状のセパレータ（アノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ４０）を含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。

膜電極接合体１０は、アノード及びカソードとなる電極層１２の間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１１が配置された構成を有している。

更に、アノードになる電極層１２は、高分子電解質膜１１側に密着した状態で配置される触媒層１３と、当該触媒層１３とアノード側セパレータ３０との間に配置されるガス拡散層１４とを少なくとも含み、カソードになる電極層１２は、高分子電解質膜１１側に密着した状態で配置される触媒層１３と、当該触媒層１３とカソード側セパレータ４０との間に配置されるガス拡散層１４とを少なくとも含む。

触媒層１３は、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末を主成分とする層である。また、ガス拡散層１４は、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層１４は、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。

ここで、図６に示すように、ＭＥＡ１０においては、ガス漏れを防止するためシール部材（ガスケット）６０を配置する観点から、高分子電解質膜１１の主面の大きさが、電極層１２の主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１１の全外縁部が電極層１２の外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。

なお、本明細書においては、これらの電極層１２の外縁部よりも外側に突出した高分子電解質膜１１の外縁部を「はみ出し部」ともいう。

アノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ４０は、導電性を有しており、ＭＥＡ１０を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ１０を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ１０同士を互いに電気的に直列に接続するものである。

また、アノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ４０には、電極層１２に反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ１０の外部に運び去るためのガス流路３１，４１が一方の面（即ちアノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ４０の、それぞれ電極層１２に接する側の主面）に形成されている。

更に、アノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ４０の他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却水流路（図
示せず）が形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。

ガス流路３１，４１は、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ４０の、それぞれ電極層１２に接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却水流路は、アノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ４０の外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。

また、複数のＭＥＡ１０間にアノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ４０を介在させ、複数のＭＥＡ１０を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ１０に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ４０に設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。

また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ１０に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ４０に設けられた冷却流体供給用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。

更に、燃料電池においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソードとなる電極層１２側への漏れ、酸化剤ガスのアノードとなる電極層１２側への漏れ、ＭＥＡ１０外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ４０の間において、ＭＥＡ１０の外縁部（電極層１２の外部であって高分子電解質膜１１の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するシール部材、即ちアノード側シール部材６０及びカソード側シール部材６０が配置されている。

このようなアノード側シール部材６０及びカソード側シール部材６０としては、アノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ４０と電極層１２との接触を行わせつつガスシールを行うため、高い寸法精度、十分な弾性及び締め代が必要とされる。

そのため、例えば樹脂やゴムで作製されたＯリングやシート状シール部材、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等が用いられている。ＭＥＡ１０の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のシール部材をＭＥＡ１０と一体化させて用いることが多い。

また、最近では、燃料電池スタックの締結荷重を低下させ、構造部材の軽量化、簡素化及び低コスト化を行うため、シール部材のシールに必要な荷重を下げる試みも行われており、Ｏリング形状だけでなく三角形状や半円形状等の断面を持ったシール部材も提案されている。また、Ｏリング等のある程度の断面積を有するシール部材をセパレータ板側に設ける試みも行われている。

アノード側シール部材６０及びカソード側シール部材６０を、先に述べた高分子電解質膜１１の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノード側セパレータ３０、高分子電解質膜１１及びアノード側シール部材６０によって、アノードとなる電極層１２を包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ４０、高分子電解
質膜１１及びカソード側シール部材６０によって、カソードとなる電極層１２を包み込むまた別の閉空間が形成される。

これらの閉空間によって、電極層１２に供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。また、アノード側シール部材６０及びカソード側シール部材６０と、膜電極接合体１０との組合せを、膜電極シール材接合体（ＭＥＳＡ）と呼ぶこともある。

ここで、アノード側シール部材６０及びカソード側シール部材６０を上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側シール部材６０及びカソード側シール部材６０と、電極層１２の端面とを十分に密着させることは極めて困難である。

従って、図６に示すように、アノード側シール部材６０及びカソード側シール部材６０を上述の位置に配置する場合、それぞれアノード側シール部材６０及びカソード側シール部材６０と電極層１２との間に隙間（即ちアノード側隙間及びカソード側隙間）が形成され易い。

このようなアノード側隙間及びカソード側隙間が形成されると、反応ガスがアノード側隙間及びカソード側隙間に漏れる場合がある。また、反応ガスの一部がガス流路３１，４１を流れずに当該アノード側隙間及びカソード側隙間内を進行してＭＥＡ１０の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題もある。

また、アノード側隙間及びカソード側隙間が小さい場合には、アノード側シール部材６０及びカソード側シール部材６０に電極層１２の端部が噛み込まれてシール不良が生じたり、電極層１２にアノード側シール部材６０及びカソード側シール部材６０が当たったりして、電池性能の低下や、電極層１２への過大な面圧が働き、高分子電解質膜１１の破損及び耐久性の低下等を引き起こしていた。

したがって、アノード側シール部材６０及びカソード側シール部材６０とＭＥＡ１０の間にはある程度のアノード側隙間及びカソード側隙間を設けざるを得なかった。

これに対し、例えば特許文献１では、アノード側隙間とカソード側隙間に多数間隔をあけて堰状シールを設ける提案がなされている。

国際公開第２０１３／１７１９３９号

しかしながら、上記特許文献１の技術でも、アノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードとの間におけるアノード側隙間及びカソード側隙間をバイパスとして燃料ガスや酸化剤ガスが流れることを有効に防ぐことは困難であり、未だ改善の余地があった。

すなわち、隙間を完全に塞ぐことのできる形状の隙間用シールを設けると、メインシールや周りの部材と干渉して反力が増大し、シールに接触する部材の耐久性が落ちるという課題や、シールが十分に圧縮されずに面圧分布ができて発電分布が発生し、電極や膜の劣化や電圧低下を引き起こすという課題があり、逆に前記課題を解決するために組立公差を十分設けると、ガス拡散層と隙間用シールを完全に密着させることが難しく、隙間を流れ
るガスを有効に防ぐことが困難となるという課題があった。

また、特許文献１のように、セパレータ側にメインシールと隙間用シールを設ける場合に、少しでも確実に隙間を塞ぐために、柔らかい素材の材料でシールを成形すると、定置用燃料電池などで求められる長期の耐久性を確保することが難しいという課題があった。

そこで、隙間用シールとメインシールを異なる素材で成形しようとすると、成形温度が異なる二つのシールを順番に成形しなければならず、金型をセパレータに押し付ける面積が必要なために、二つのシールを密着させて成形することが困難であるという課題があった。

本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、それぞれアノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極と、を備えた膜−電極接合体と、前記電極上に配置され、前記電極との間に反応ガスが流れるガス流路を構成するセパレータと、前記電極を囲むように配置され、前記膜−電極接合体と前記セパレータの両方に接触するように設けられた弾性変形可能なシール部材と、前記膜−電極接合体と前記セパレータと前記シール部材とで囲まれた隙間部に、前記隙間部の少なくとも一部を埋めるように配置された１以上の弾性変形可能な仕切り部材と、を備え、前記シール部材は前記セパレータ側に成形され、前記仕切り部材は前記膜−電極接合体側に成形され、前記膜−電極接合体と前記セパレータとを所定加重で重ねた場合に、前記シール部材と前記仕切り部材とが、接触するように配置され、前記シール部材は前記仕切り部材よりも弾性率が大きいのである。

本構成によって、弾性率が大きいシール部材をセパレータ側に設けることにより、高い弾性率を持つことは高い反力を得ることにつながり、長期耐久後においても外部リークを許しにくい耐久性の高い耐リーク性を持つことにつながる。

また、弾性率の低い仕切り部材を設けることにより、より柔軟に変形して隙間を埋めることができるので、セパレータや膜電極接合体（ＭＥＡ）を押しのけることなく確実に隙間を埋めることができ、かつ反力が弱いために、シールが肩当たりして電極面の荷重ばらつきが出来て電圧が下がることを防ぐことができる。

また、膜―電極接合体とセパレータとを所定荷重で重ねた場合に、シール部材と仕切り部材とが接触するように配置することにより、柔軟に変形する仕切り部材がガス拡散層側に押し出され、確実に隙間を埋めるとともに、あふれた仕切り部材は隙間の長辺方向に押し出されることにより過剰な反力が発生することを防ぐことができる。

また、前記膜−電極接合体は、前記高分子電解質膜の外周領域上に配置された環状の枠体を含む構成を有してもよい。本構成にすることにより、燃料電池を組み立てる時の膜―電極接合体の取り扱いをしやすくし、また周囲の環境の変化や仕切り部材成型時の温度変化による膜の寸法変化をより抑えることができる。

また、前記電極は、前記高分子電解質膜側に配置された触媒層と、前記セパレータ側に配置されたガス拡散層とを備え、前記ガス拡散層は、前記枠体の内縁部の上に乗り上げるように構成されてもよい。この構成により、ガス拡散層の端部が直接高分子電解質膜に当
たらないので、ガス拡散層の切断面に繊維が飛び出していたとしても、膜への突き刺しの懸念がなく、膜の耐久性向上につながる。

また、前記膜−電極接合体と前記セパレータとを所定加重で重ねた場合に、前記シール部材と前記仕切り部材とが、押し付け合うことにより、前記仕切り部材が、前記ガス拡散層側に押し出されるように変形する、という構成を有してもよい。

この構成により、膜−電極接合体とセパレータとを所定加重で重ねた場合に、セパレータ側に成形されたシール部材と、膜−電極接合体側に成形された仕切り部材とが、押し付け合うことにより、仕切り部材が、シール部材からガス拡散層側に押し出される力を受けて、ガス拡散層側に押し出されるよう変形する。そのため、仕切り部材とガス拡散層との間の隙間をより確実に埋めることができ、前記膜−電極接合体と前記セパレータと前記シール部材とで囲まれた隙間部を伝って迂回する反応ガスの流れをより確実に遮断することができる。

また、前記シール部材は前記仕切り部材よりも成形に必要な温度が高く、前記シール部材の成形に必要な温度は、前記セパレータが変形する温度よりも低い、という構成を有する。この構成によって、シール部材の成型時にセパレータの変形が起こらない。

また、前記仕切り部材の成形に必要な温度は、前記膜−電極接合体における前記仕切り部材が成形される部分が変形する温度よりも低い、という構成を有する。この構成によって、仕切り部材を成型するときに、仕切り部材周辺の膜―電極接合体や枠体が変形することを防ぐことが出来る。

前記シール部材及び前記仕切り部材は、エラストマーであるという構成を有する。この構成により、シール部材、仕切り部材がゴム弾性を持つので、ガスリークを抑えたり、隙間を埋めるという役割をより確実に果たすことが出来る。

また、前記シール部材のエラストマーは、フッ素ゴム及びシリコーンゴムのうちの少なくとも一方を含むエラストマーであるという構成を有する。この構成によって、大変長期の間、外部リークを決して許してはならないという役割を確実にこなすことが出来る。

また、前記仕切り部材のエラストマーは、熱可塑性エラストマーである、という構成を有する。この構成によって、熱を一定の温度以上かけて流動性を持たせることができるので、電解質膜上や枠体上などのわずかな凹凸や表面性状に合わせて密着させた仕切り部材を、容易に成型することが出来る。

また、前記仕切り部材を前記膜−電極接合体上に成形する時に、前記ガス拡散層を冷却しながら成形金型部を加熱する、という製造方法を行う。この製造方法により、電極面の膜の軟化や、寸法変化を抑制することが出来るので、ガス拡散層の凹凸が膜にくいこみ、燃料電池の耐久性が落ちてしまったり、膜が寸法変化することにより膜―電極接合体の寸法が変化したりすることなく、膜―電極接合体への仕切り部材成型ができる。

本発明によれば、それぞれアノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードの端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池を提供することができる。

更に、本発明によれば、上記のような、簡単な構成で、十分な発電性能を確保すること
が可能な高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるシール部材を提供することができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池の基本構成（単電池）の要部断面図本発明の実施の形態１における膜―電極接合体にシール位置を投影させた平面図本発明の実施の形態１における燃料電池の基本構成（単電池）の要部断面図本発明の実施の形態２における燃料電池の基本構成（単電池）の要部断面図本発明の実施の形態３における燃料電池の基本構成（単電池）の要部断面図従来の燃料電池の基本構成（単電池）の要部断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池の基本構成（単電池）の要部断面図である。さらに、図２は、本発明の実施の形態１における膜−電極接合体にシール位置を投影させてカソード電極側から見た平面図である。なお、図１は図２のＡ−Ａ線断面図である。図３は、本発明の実施の形態１における締結後の燃料電池の基本構成（単電池）を図２のＡ−Ａ線で切断した断面図である。

燃料電池は、図１に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１と、ＭＥＡ１を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。

ＭＥＡ１は、アノード電極層３ａ及びカソード電極層３ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜２が配置された構成を有している。更に、アノード電極層３ａは、高分子電解質膜２側に密着した状態で配置されるアノード触媒層４ａと、アノード触媒層４ａとアノードセパレータ７ａとの間に配置されるアノードガス拡散層５ａとを少なくとも含み、カソード電極層３ｂは、高分子電解質膜２側に密着した状態で配置されるカソード触媒層４ｂと、カソード触媒層４ｂとカソードセパレータ７ｂとの間に配置されるカソードガス拡散層５ｂとを少なくとも含む。

アノード触媒層４ａ、カソード触媒層４ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末を主成分とする層である。また、アノードガス拡散層５ａ、カソードガス拡散層５ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このアノードガス拡散層５ａ、カソードガス拡散層５ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。

ここで、図１に示すように、ＭＥＡ１においては、外部へのガス漏れを防止するためにアノード側シール部材８ａ、カソード側シール部材８ｂを配置する観点から、高分子電解質膜２の主面の大きさが、アノード電極層３ａ及びカソード電極層３ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜２の全外縁部がアノード電極層３ａ及びカソード電極層３ｂの外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。

アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ１を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ１を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ１同士を互いに電気的に直列に接続するものである。

また、アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂには、アノード電極層３ａ及びカソード電極層３ｂに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ１の外部に運び去るためのアノード側反応ガス流路２１ａ、カソード側反応ガス流路２１ｂが一方の面（即ちアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの、それぞれアノード電極層３ａ及びカソード電極層３ｂに接する側の主面）に形成されている。

更に、アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却水流路２２が形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。

アノード側反応ガス流路２１ａ、カソード側反応ガス流路２１ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの、それぞれアノード電極層３ａ及びカソード電極層３ｂに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却水流路２２は、アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。

また、複数のＭＥＡ１間にアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂを介在させ、複数のＭＥＡ１を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ１に供給するためのマニホールド（アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂに設けられたアノード側反応ガスマニホールド２３、カソード側反応ガスマニホールド２４及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず）が設けられる。

また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ１に供給するためのマニホールド（アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂに設けられた冷却水マニホールド２５及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。

また、アノードセパレータ７ａは、例えば黒鉛板又は炭素粉末とバインダーの混合物を成形した炭素板で構成され、各一対のアノード側反応ガスマニホールド２３、カソード側反応ガスマニホールド２４及び冷却水マニホールド２５を有する。また、アノードセパレータ７ａは、アノード電極層３ａと対向する面に、一対のアノード側反応ガスマニホールド２３を連絡するアノード側反応ガス流路２１ａを有し、背面には、一対の冷却水マニホールド２５を連絡する冷却水流路２２を有する。

図示しないが、アノードセパレータ７ａと同様に、カソードセパレータ７ｂは、各一対の燃料ガス用マニホールド孔、酸化剤ガス用マニホールド孔及び冷却水用マニホールド孔を有し、更に、カソードと対向する面に、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔を連絡するカソード側反応ガス流路２１ｂを有し、背面には、一対の冷却水用マニホールド孔を連絡する冷却水流路２２を有する。

更に、燃料電池においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード電極層３ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード電極層３ａ側への漏れ、ＭＥＡ１外部への反応ガスの漏れ
等）を防止するために、互いに対向するアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの間において、ＭＥＡ１の外縁部（アノード電極層３ａ及びカソード電極層３ｂの外部であって高分子電解質膜２の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するシール部材、即ちアノード側シール部材８ａ及びカソード側シール部材８ｂが配置されている。

このように、アノード側シール部材８ａ及びカソード側シール部材８ｂを、先に述べた高分子電解質膜２の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノードセパレータ７ａ、アノード側シール部材８ａ、ＭＥＡ１、カソード側シール部材８ｂ及びカソードセパレータ７ｂを所定の締結圧で締結して、図１に示す構造を有する単電池を構成する。

ここで、アノードセパレータ７ａ、高分子電解質膜２及びアノード側シール部材８ａによって、アノード電極層３ａを包み込む一つの閉空間が形成され、また、カソードセパレータ７ｂ、高分子電解質膜２及びカソード側シール部材８ｂによって、カソード電極層３ｂを包み込むまた別の閉空間が形成される。

これらの閉空間によって、アノード電極層３ａ及びカソード電極層３ｂに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られているが、上述したように、アノード側シール部材８ａ及びカソード側シール部材８ｂを上述の位置に配置する際には、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じるため、それぞれアノード側シール部材８ａ及びカソード側シール部材８ｂと、アノード電極層３ａ及びカソード電極層３ｂの端面とを十分に密着させることは、極めて困難である。

そのため、図３に示すように、アノード側シール部材８ａ及びカソード側シール部材８ｂを上述の位置に配置すると、それぞれアノード側シール部材８ａ及びカソード側シール部材８ｂとアノード電極層３ａ及びカソード電極層３ｂとの間に隙間（即ちアノード側隙間２６ａ及びカソード側隙間２６ｂ）が形成され易い。

そこで、本実施の形態においては、上記のようなアノード側隙間２６ａ及びカソード側隙間２６ｂをバイパスとして反応ガスが回り込み、反応ガスの利用率が下がって効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題を解決すべく、アノード電極層３ａ及びカソード電極層３ｂの端部の外側の高分子電解質膜上に、アノード側仕切り部材９ａ及びカソード側仕切り部材９ｂとを少なくとも一つずつ、配置する。

図２に示すように、弾性変形可能なカソード側仕切り部材９ｂは、カソード側シール部材８ｂとカソード電極層３ｂとに挟まれたカソード側隙間２６ｂを横切って塞ぐ形状で、複数個設けられており、燃料電池の締結後には、カソード側仕切り部材９ｂがカソード電極層３ｂとカソード側シール部材８ｂとに当接する。また、アノード側シール部材８ａ，９ａも同様の構造を有する。

ここで、本実施の形態におけるアノード側仕切り部材９ａ及びカソード側仕切り部材９ｂに必要な条件としては、主として、（１）ＭＥＡ１や燃料電池の組み立て時に形状変形して環状のアノード側シール部材８ａとアノード電極層３ａ又はカソード電極層３ｂの側面との間、即ちアノード側隙間２６ａ又はカソード側隙間２６ｂに納まること、及び（２）セパレータや高分子電解質膜や電極を押しのけないように弾性変形しやすく弾性力が低い素材であること、（３）化学的耐久性が高いこと、（４）成形時にかける温度が電解質膜の変形温度よりも低いこと等が挙げられる。

したがって、アノード側仕切り部材９ａ及びカソード側仕切り部材９ｂを構成する材料
としては、例えばフッ素ゴム、ポリイソプレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、天然ゴム、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系、及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマー、液晶ポリマー、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、テレフタルアミド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリサルホン樹脂、シンジオタクチックポリスチレン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、又はこれらを複数含む複合材等を挙げることができるが、これらの化合物に限定されない。

また、アノード側仕切り部材９ａ及びカソード側仕切り部材９ｂを構成する材料として、ゴム弾性を有するエラストマーであることが好ましく、また熱可塑性であると射出成形など生産がより楽にできるので好ましい。より具体的には、ポリプロピレン及びＥＰＤＭを有してなるポリオレフィン系熱可塑性エラストマーであるサントプレン８１０１−５５などを用いることができる。

次に、燃料電池の作成方法について説明する。仕切り部材よりも弾性率が大きいシール部材をセパレータ上に成形する工程と、仕切り部材を膜−電極接合体上に成形する工程を経た後、シール部材が膜−電極接合体に接触して高分子電解質膜の厚さ方向に押しつぶされると共にシール部材と仕切り部材とが接触し、仕切り部材がセパレータ及びシール部材との接触により変形して前期ガス拡散層側に押し出されるように、膜―電極接合体とセパレータとを所定荷重で重ねて締結する。

ガス拡散層とシール部材とセパレータと高分子電解質膜に密着して押し出されてさらにはみ出た仕切り部材は、隙間の長辺方向に押し出されることにより隙間を密着して塞ぎつつ過剰な反力が発生するのを防ぐことができる。

また、アノード側仕切り部材９ａ及びカソード側仕切り部材９ｂを膜−電極接合体に成形する工程について説明する。仕切り部材の材料は、熱可塑性のエラストマーや樹脂やゴムを使用すると、射出成形やトランスファー成形など、一般的な樹脂成形やゴム成形の方法が使用できる。

金型を膜―電極接合体に押し付けるよう設置して、材料の融点以上の熱をかけて流動性を持った材料を流し込み、加硫温度に保った後、ゆっくりと温度を下げて硬化させる。

この工程でのポイントは、（１）膜−電極接合体に熱がかかる際に、金型の加熱と同時に電極面も圧力をかけながら冷却すること（２）成形時にかける温度を電解質膜の変形温度よりも低くすること、という２点である。

これにより、成形時の熱や湿度の変化による電解質膜の収縮を抑え、膜―電極接合体の寸法変化を抑制することができる。また、仕切り部材を成形するための金型部分だけではなく全体に圧力をかけると、膜の収縮力が金型押さえ部の端部で膜に集中し、膜が伸びて膜劣化が加速することを避けることができる。

一方、アノード側シール部材８ａ及びカソード側シール部材８ｂを構成する材料に必要な条件としては、（１）高い弾性率を持つこと（２）高い化学耐久性を持つこと（３）セパレータの変形温度よりもシール部材材料の成形温度が低いことなどが挙げられる。

したがって、シール部材を構成する材料としては、例えばフッ素ゴム、ポリイソプレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、天然ゴム、ポ
リスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系、及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマー、などのゴム弾性を有する材料が挙げられる。

少なくとも、仕切り部材よりは高い弾性率を持つ材料が好ましく、弾性率と耐久性の高い材料という観点で具体的に挙げると、例えば、フッ素ゴムやシリコーンゴムを用いることができる。

上記のように、本実施の形態によれば、それぞれアノード側シール部材８ａ及びカソード側シール部材８ｂとアノード電極層３ａ及びカソード電極層３ｂの端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池となる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２の燃料電池の基本構成（単電池）の要部断面図である。図４において、図１〜図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図４において、ＭＥＡ１のアノード電極層３ａ、カソード電極層３ｂの周囲に高分子電解質膜を挟み込むような形でアノード側枠体２０ａ、カソード側枠体２０ｂを設けている。このアノード側枠体２０ａ、カソード側枠体２０ｂは、アノード電極層３ａ、カソード電極層３ｂ周囲の高分子電解質膜２を保護したり、組み立ての際の取り扱いをよくしたりする役割があり、アノード電極層３ａ、カソード電極層３ｂと高分子電解質膜２に接する構造となっている。

アノード側枠体２０ａ、カソード側枠体２０ｂに使用できる材料としては、燃料電池の運転条件の範囲で劣化やＭＥＡ汚染物質の溶出がなく、ガス透過性の低い材料がよく、種々のプラスチック、ゴム、金属などが使用できる。

例えば、フッ素ゴム、ポリイソプレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、熱可塑性エラストマー、液晶ポリマー、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、テレフタルアミド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリサルホン樹脂、シンジオタクチックポリスチレン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ステンレス、チタン、アルミ又はこれらを複数含む複合材等が挙げられる。

アノード側枠体２０ａ、カソード側枠体２０ｂ上にはアノード側仕切り部材９ａ、カソード側仕切り部材９ｂが配置され、燃料電池を締結した後に、セパレータ上に形成されたアノード側シール部材８ａ、カソード側シール部材８ｂとアノード側枠体２０ａ、カソード側枠体２０ｂとアノード電極層３ａ、カソード電極層３ｂとの間にできたアノード側隙間２６ａ、カソード側隙間２６ｂをアノード側仕切り部材９ａ及びカソード側仕切り部材９ｂが塞ぐ構造を有する。

この構造により、前記隙間が形成される場合であっても、仕切り部材がその隙間を塞ぐことによって、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができる。その他の構造は、実施の形態１と同様である。

また、仕切り部材を成形する際に、枠体の変形温度は仕切り部材の成形温度よりも低いことが望ましい。そうすることにより、膜−電極接合体の各部材の変形なく、かつ膜劣化することなく、仕切り部材を形成をすることができる。また、枠体を設けることにより、仕切り部材の下に当たる膜の部分も熱や湿度変化からより守られることになり、膜の変形
がより抑えられる。その他の製造方法は実施の形態１と同様である。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３の燃料電池の基本構成（単電池）の要部断面図である。図５において、図１〜図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図５において、アノードガス拡散層５ａ、カソードガス拡散層５ｂの端部は、アノード側枠体２０ａ、カソード側枠体２０ｂの上に乗り上げるように形成される。この構造により、アノードガス拡散層５ａ、カソードガス拡散層５ｂの端部にバリなどが発生し繊維が高分子電解質膜に突き刺さる可能性があっても、ガス拡散層の端部は枠体で覆われているので、高分子電解質膜に突き刺さることはなく、ショートや膜劣化が加速する懸念はなくなる。

また、このような端部構造であっても、ガスが電極面を通らずに回り込む隙間は、ガス拡散層端部と枠体とセパレータとシール部材に囲まれた空間であるので、そこに位置するように仕切り部材を設けることによって、隙間を通るガスの流れをとめることができる。その他の構造および生産方法は、実施の形態１、２と同様である。

本発明の高分子電解質形燃料電池は、それぞれアノード側シール部材及びカソード側シール部材とアノード及びカソードの端面との間に隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能であることから、家庭用コージェネレーションや車載用の燃料電池として好適に用いることができる。

１ＭＥＡ
２高分子電解質膜
３ａアノード電極層
３ｂカソード電極層
４ａアノード触媒層
４ｂカソード触媒層
５ａアノードガス拡散層
５ｂカソードガス拡散層
７ａアノードセパレータ
７ｂカソードセパレータ
８ａアノード側シール部材
８ｂカソード側シール部材
９ａアノード側仕切り部材
９ｂカソード側仕切り部材
２０ａアノード側枠体
２０ｂカソード側枠体
２１ａアノード側反応ガス流路
２１ｂカソード側反応ガス流路
２２冷却水流路
２３アノード側反応ガスマニホールド
２４カソード側反応ガスマニホールド
２５冷却水マニホールド
２６ａアノード側隙間
２６ｂカソード側隙間

Claims

高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極と、を備えた膜−電極接合体と、
前記電極上に配置され、前記電極との間に反応ガスが流れるガス流路を構成するセパレータと、
前記電極を囲むように配置され、前記膜−電極接合体と前記セパレータの両方に接触するように設けられた弾性変形可能なシール部材と、
前記膜−電極接合体と前記セパレータと前記シール部材とで囲まれた隙間部に、前記隙間部の少なくとも一部を埋めるように配置された１以上の弾性変形可能な仕切り部材と、を備え、
前記シール部材は前記セパレータ側に成形され、
前記仕切り部材は前記膜−電極接合体側に成形され、
前記膜−電極接合体と前記セパレータとを所定加重で重ねた場合に、前記シール部材と前記仕切り部材とが、接触するように配置され、
前記シール部材は前記仕切り部材よりも弾性率が大きい、
燃料電池。
前記膜−電極接合体は、前記高分子電解質膜の外周領域上に配置された環状の枠体を含む、
請求項１に記載の燃料電池。
前記電極は、前記高分子電解質膜側に配置された触媒層と、前記セパレータ側に配置されたガス拡散層とを備え、
前記ガス拡散層は、前記枠体の内縁部の上に乗り上げるように構成された、
請求項２に記載の燃料電池。
前記膜−電極接合体と前記セパレータとを所定加重で重ねた場合に、前記シール部材と前記仕切り部材とが、押し付け合うことにより、前記仕切り部材が、前記ガス拡散層側に押し出されるように変形する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記シール部材は前記仕切り部材よりも成形に必要な温度が高く、
前記シール部材の成形に必要な温度は、前記セパレータが変形する温度よりも低い、
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記仕切り部材の成形に必要な温度は、前記膜−電極接合体における前記仕切り部材が成形される部分が変形する温度よりも低い、
請求項５に記載の燃料電池。
前記シール部材及び前記仕切り部材は、エラストマーである、
請求項５または６に記載の燃料電池。
前記シール部材のエラストマーは、フッ素ゴム及びシリコーンゴムのうちの少なくとも一方を含むエラストマーである、
請求項５から７に記載の燃料電池。
前記仕切り部材のエラストマーは、熱可塑性エラストマーである、
請求項７又は８に記載の燃料電池。
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極と、を備えた膜−電極接合体と、
前記電極上に配置され、前記電極との間に反応ガスが流れるガス流路を構成するセパレータと、
前記電極を囲むように配置され、前記膜−電極接合体と前記セパレータの両方に接触するように設けられた弾性変形可能なシール部材と、
前記膜−電極接合体と前記セパレータと前記シール部材とで囲まれた隙間部に、前記隙間部の少なくとも一部を埋めるように配置された１以上の弾性変形可能な仕切り部材と、を備えた、燃料電池の製造方法であって、
前記仕切り部材よりも弾性率が大きい前記シール部材を前記セパレータ上に成形する工程と、
前記仕切り部材を前記膜−電極接合体上に成形する工程と、
前記シール部材が前記膜−電極接合体に接触して前記高分子電解質膜の厚さ方向に押し潰されると共に、前記シール部材と前記仕切り部材とが接触し、前記仕切り部材が前記セパレータ及び前記シール部材との接触により変形して前記ガス拡散層側に押し出されるように、前記膜−電極接合体と前記セパレータとを所定加重で重ねて締結する工程と、
を有する燃料電池の製造方法。
前記シール部材の成形温度は、前記仕切り部材の成形温度よりも高く、且つ、前記セパレータが変形する温度よりも低い、
請求項１０に記載の燃料電池の製造方法。
前記仕切り部材の成形温度は、前記膜−電極接合体における前記仕切り部材が成形される部分が変形する温度よりも低い、
請求項１１に記載の燃料電池の製造方法。
前記シール部材及び前記仕切り部材は、エラストマーである、
請求項１１又は１２に記載の燃料電池の製造方法。
前記仕切り部材を前記膜−電極接合体上に成形する時に、前記ガス拡散層を冷却しながら成形金型部を加熱する、
請求項１１から１３のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。