JP3619737B2 - 燃料電池用セル及び燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子膜を用いた燃料電池に関し、特に耐久性に優れた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池とは、電極反応によって燃料（水素など）のもっている化学的エネルギーを直接電気エネルギーとして取り出すものである。これが燃料電池の基本的な発電原理である。その代表的なものの中に固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；以下「ＰＥＦＣ」と称する。）がある。
【０００３】
ＰＥＦＣは、一般的には、固体高分子膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）の両主表面にアノードとカソードとが配されてなるセルと、セルを挟持する１対のリブ付きセパレータ板と、セパレータ板の外周部とセルとの間に介挿されたこの部分をシールするシール部材とが積層された構成であって、上記アノード，カソード各々に反応ガスを供給し、下記化１及び化２の酸化還元反応によって電力を発生させるものである。
【０００４】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− … （化１）
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ … （化２）
このＰＥＦＣは、リン酸型などの他の種類の燃料電池と比べて作動温度は比較的低温でありながら、高い出力が得られる点を特徴としている。
固体高分子膜は、アノード側で生成されたプロトン（Ｈ＋）がカソード側に伝導する際の通路となるため、陽イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーをはじめとする陽イオン交換樹脂が一般的に用いられている。しかるに、かかる陽イオン伝導は、水和水とともになされることから、固体高分子膜は湿潤された状態（水分が含まれた状態）でなければならない。このため、固体高分子膜はＰＥＦＣを作動させる際には、常時、湿潤させておく必要が生じる。
【０００５】
そこで、ＰＥＦＣを作動させる際は、一般的には、加湿した燃料ガス又は酸化剤ガスをカソード又はアノードに供給し、カソード又はアノード側から水分を固体高分子膜に拡散させることで、固体高分子膜を湿潤状態とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近では、燃料電池の用途の多様化によってより高い性能が要求されるようになってきている。
その一つとして、固体高分子型燃料電池において固体高分子膜に従来一般的なものよりもより薄い厚み（５０μｍ程度）のものを用いることによって燃料電池内の内部抵抗を下げる技術がある。この技術によれば確かに、この目的を達成することができる。
【０００７】
しかしその一方で、このような厚みが薄い固体高分子膜を用いると、長期間使用する場合や過酷な条件下で使用する場合にセル電圧が低下し易いという問題は孕んでいる。
そこで、本発明は、このような問題点を踏まえてなされたものであって、セル電圧などの電池特性が劣化しにくい耐久性に優れる燃料電池用セル及びそれを備えた燃料電池を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、なぜ、厚みが薄い固体高分子膜を用いると、長期間或いは過酷な条件下で使用する場合にセル電圧が低下し易く燃料電池の耐久性が低下するのかをセルの構造との関係で検討した。
その結果、固体高分子膜からみて電極の背面側に位置するガス拡散層のエッジ部が固体高分子膜に食い込むことで、固体高分子膜が破れ、反応ガスのクロスリークが生じていたことが原因の一つである可能性が高いことが判明した。
【０００９】
そこで、上記目的を達成するために、本発明は、固体高分子膜の一方の主表面にアノードを、他方の主表面にカソードを配してなる燃料電池用セルであって、前記アノード及びカソードは、触媒支持部材上に触媒層が形成されてなり、前記アノード及びカソードの少なくとも何れか一方における触媒支持部材の外周部の少なくとも一部において、固体高分子膜に接触するエッジ部のエッジ角が鈍角となる形状を有することを特徴とする。
【００１０】
このような構成とすることによって、固体高分子膜に対して鈍角をもってエッジ部を接触させられ、燃料電池におけるセルの荷重によるエッジ部の食い込み、更に最も大きな要因であるセル作製時におけるエッジ部の食い込みを抑えることができる。この結果、固体高分子膜の損傷を抑えることができるため、耐久性の高い燃料電池が実現される。ここで、「固体高分子膜に接触するエッジ部」において「エッジ角が鈍角となる」としたのは、この部分は、固体高分子膜に対して他のエッジ部と比べて大きな圧接力で接触し、燃料電池の耐久性に最も大きな影響を与えることとなるため、その影響を低減するためである。
【００１１】
なお、「エッジ角」とは、触媒支持部材の固体高分子膜側の主表面と、これに隣接する側面とがなす角度のことである。
ここで、エッジ部は、触媒支持部材の外周部において、固体高分子膜に面する部分が、固体高分子膜側の触媒支持部材の主表面となす角度が１００°〜１６０°となるように厚み方向において全部分が平面状に面取り加工されることにより形成されたものとすることができる。
【００１２】
ここで、前記エッジ部は、触媒支持部材の外周部において、固体高分子膜に面する部分が、固体高分子膜側の触媒支持部材の主表面となす角度が１００°〜１７５°となるように厚み方向において一部分が平面状に面取り加工されることにより形成されたものとすることができる。
ここで、前記エッジ角が鈍角である前記エッジ部は、曲率半径が、触媒支持部材の厚みに対して、０．５以上１以下となるように曲面状に面取りされることで形成されたものとすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のＰＥＦＣにかかる実施の形態について図面を用いながら具体的に説明する。
［第一の実施の形態］
＜全体構成及び動作＞
図１は、本実施の形態にかかるＰＥＦＣ１の構成を示す要部組立図である。
【００１４】
ＰＥＦＣ１は、基本単位１００が冷却プレート１１０を適宜介在させながら複数個積層され、これが図示しない絶縁加工されたエンドプレートにより上下両端から挟持された構造体をなしている。なお、ＰＥＦＣ１において積層される基本単位１００の総数は、出力しようとする電圧に応じて設定される。
この基本単位１００は、電解質層としての固体高分子膜１１の中央部に、アノード１２およびカソード１３を配したセル１０と、このセル１０を挟持する複数本のアノードガスチャネル（下面側であって、この図では見えない。）が配されたセパレータ板２０および複数本のカソードガスチャネル３１が配されたセパレータ板３０と、セパレータ板２０，３０の外周部とセル１０との間に介挿されこの部分をシールするシール材４０，５０とから構成されている。
【００１５】
前記アノードガスチャネルはアノード１２の背面側１２Ａに対向して位置し、カソードガスチャネル３１はカソード１３の背面側１３Ａに対向して位置している。
固体高分子膜１１は、陽イオン交換樹脂であれば特にその種類は限定されるものではないが、例えば、ナフィオン（デュポン社の商品）の膜を用いることができる。
【００１６】
アノード１２は、触媒支持部材１２Ｂとその上に支持された触媒層１２Ｃとからなる。
カソード１３も、触媒支持部材１３Ｂとその上に支持された触媒層１３Ｃとからなる。
触媒支持部材１２Ｂ及び１３Ｂは、例えば、フッ素系の樹脂をスプレー噴霧することにより撥水処理が施されたカーボンペーパからなる。このカーボンペーパは、内部に、３次元状に張り巡らされた骨格間に形成された無数の孔を有した適度な剛性を有する部材である。このような多孔性でしかも導電性を備えたカーボンペーパからなる触媒支持部材１２Ｂ及び１３Ｂは、ガスチャネルから分配されるガスを触媒層全体に拡散させるガス拡散層としての機能を有するとともに、複数のセルを電気的に接続する集電体としての機能も担う。
【００１７】
触媒層１２Ｃは、触媒粒子と結着剤などの混合ペースト、例えば、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）と撥水性付与を兼ねるポリテトラフルオロエチレンなどの結着剤と、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーなどプロトン（Ｈ＋）伝導性を有する電解質との混合物を、前記触媒支持部材にスクリーン印刷法等公知の方法により層状に設けることによって作製したものである。
【００１８】
触媒層１３Ｃは、触媒層１２Ｃ同様の触媒粒子、電解質、結着剤との混合ペーストを、触媒支持部材にスクリーン印刷法等公知の方法により層状に設けることによって作製したものである。
セパレータ板２０，３０は、カーボンを用いて加工した緻密な導電性を有する基板である。冷却プレート１１０も同様に、導電性の緻密な基板である。
【００１９】
シール部材４０，５０は、固体高分子膜１１の外周部に対して押圧することにより、各電極に供給される反応ガスが電池外部に漏出しないように、この部分をシールする、フッ素樹脂等からなる適度な弾性のある部材である。また、シール部材４０、５０は固体高分子膜１１にこのように押圧されるので、前記固体高分子膜１１は、各電極に供給される反応ガスのクロスリークを防止する機能をも有する。
【００２０】
固体高分子膜１１，セパレータ板２０，３０および冷却プレート１１０の各々の四隅部分には反応ガス供給・排出用のマニホールドを構成する貫通孔Ｐ１〜Ｐ４が開設され、また、各プレートの一対の対向する辺の中央部に冷却水流入・流出用マニホールドを構成する貫通孔Ｐ５，Ｐ６が開設されている。セパレータ板２０の対角線上に位置する貫通孔Ｐ２，Ｐ４は前記アノードガスチャネルと連通され（不図示）、セパレータ板３０の対角線上に位置する貫通孔Ｐ１，Ｐ３は前記カソードガスチャネル３１と連通され、冷却プレート１１０の貫通孔Ｐ５，Ｐ６は当該冷却プレートに設けられた冷却水流流路１１１と連通されている。
【００２１】
このような構造のＰＥＦＣ１においては、酸素に代表されるカソードガスがカソードガス供給用のマニホールドに供給され、各カソードガスチャネル３１…からカソード１３に分配されることでカソードガスが反応に供される。そして、その過剰分がカソードガス排出用のマニホールドから排出される。
一方、図示しない加湿装置によって予め加湿された水素に代表されるアノードガスがアノードガス供給用のマニホールドに供給され、各アノードガスチャネルに分配されることで、当該アノードガス中に含有された水分が固体高分子膜１１の湿潤に供されると共に、アノード１２での反応に供される。そして、過剰分がアノードガス排出用のマニホールドから排出される。
【００２２】
このような動作が連続的に行われて、発電が行われるようになっている。
＜セルの作製方法＞
予め水に漬して湿潤させた固体高分子膜の中央部分に、触媒支持部材（後述する形状に外周部が加工されたもの）を用いてなるアノード１２及びカソード１３を置き、ホットプレス法などによって、熱及び圧力によってアノード１２及びカソード１３、並びに固体高分子膜を互いに融着させる。融着は、例えば、温度１５０℃，７０ｋｇ／ｃｍ２，処理時間９０秒の処理条件で行うことができる。
【００２３】
＜触媒支持部材１２Ｂ及び触媒支持部材１３Ｂの構造について＞
図２は、図１におけるセル完成状態におけるＡ−Ａ’線を含む部分垂直断面図である。この図と、図１を参照にして、触媒支持部材１２Ｂ及び触媒支持部材１３Ｂの構造について詳しく説明する。
これらの図に示すように、触媒支持部材１２Ｂ及び触媒支持部材１３Ｂは、固体高分子膜１１に面する側表面の外周部分において、平面状の面取り加工が施されて、平面面取り部１２Ｄ及び１３Ｄが形成されたものである。これにより、固体高分子膜側最も近くに位置するエッジ部が、鈍角をなすものとなる。このエッジ部を以下、圧接側エッジ部１２Ｅ及び１３Ｅと呼ぶ。
【００２４】
平面面取り部１２Ｄ及び１３Ｄは、固体高分子膜１１と所定の角度Θとなるように平面状に、厚み方向の途中（図では、中央付近）まで平面面取りが施されている。この面取りの角度は、圧接側エッジ部１２Ｅ及び１３Ｅのエッジ角Θ（触媒支持部材の主表面１２Ｆ、１３Ｆと、当該主表面１２Ｆ及び１３Ｆに隣接する面取り部の表面１２Ｇ、１３Ｇとがなす角度）と等しい。そして、面取り角度（エッジ角Θ）は、１００°〜１７５°に規定することが望ましい。
【００２５】
かかる平面面取り部１２Ｄ及び１３Ｄの形成は、カーボンペーパを所定のサイズに切断しただけの未加工のものの外周部を、研磨・切削・切断等の一般的な方法によって行うことができる。
なお、図２では、触媒支持部材１２Ｂ及び１３Ｂの圧接側エッジ部１２Ｅ及び１３Ｅは固体高分子膜に接触していないが、これは、説明を分り易くするために便宜上このように描いたものであって、実際には、セル作製時の圧力又は燃料電池組立後の押圧力によってアノード１２及びカソード１３が固体高分子膜１１に埋没する状態となっていると考えられるので、圧接側エッジ部１２Ｅ及び１３Ｅは固体高分子膜１１の表面と接触する。
【００２６】
＜作用・効果＞
触媒支持部材は、固体高分子膜とそれに最も近くに位置する圧接側エッジ部が、固体高分子膜に対して他のエッジ部と比べて大きな圧接力で接触することから、この部分の形状如何によっては、燃料電池における荷重及び固体高分子膜の膨張・収縮との相互作用によって、固体高分子膜が致命的な損傷が発生してしまうことになる。
【００２７】
つまり、従来の燃料電池の場合のように、触媒支持部材の固体高分子膜最も近くに位置する圧接側エッジ部が固体高分子膜と比較的鋭い角度（ほぼ９０°）をもって固体高分子膜と接触すると、燃料電池内のセル積層・締め付けによる荷重が作用することにより固体高分子膜に当該圧接側エッジ部が食い込むことにより固体高分子膜が損傷を招く。さらに、電池作動時において、固体高分子膜は水蒸気による湿潤状態を常時維持されるように、外部から水が適宜補給されるため、乾燥・湿潤に伴って固体高分子膜自体は収縮・膨張を繰り返す。このため、一度前記圧接側エッジ部が食い込むと、収縮・膨張に伴って更に深く食い込んで行くことで傷の深さが増大し、最悪の場合には、固体高分子膜が破損する。このように固体高分子膜が破損すると、アノードガスとカソードガスとのシール性が損なわれ、反応ガスのクロスリークが発生し、セル電圧が低下してしまう。燃料電池は、上下方向からセルが挟持されているため、固体高分子膜の収縮・膨張はある程度は抑えられるが、この膨張・収縮を完全に抑えることは不可能である。
【００２８】
また、食い込みの程度が緩和されたとしても、繰返し行われる固体高分子膜の収縮・膨張によって、一旦生じた傷の深さが次第に増大してゆくため、最終的には、固体高分子膜自体の破損を招来し、反応ガスのクロスリークを引き起こす危険性が生じる。
更に、セル作製時にもっとも固体高分子膜の膨張・収縮の度合いは大きく、セル作製時に固体高分子膜に傷が入る可能性がもっとも高い。つまり、上記のようにセルの作製は、湿潤させた固体高分子膜をアノード及びカソードとで熱・圧力の作用によって融着させることにより行うが、このように、熱及び圧力を作用させる際に、触媒支持部材の圧接側エッジ部が固体高分子膜に食い込みが生じる。
【００２９】
このように圧接側エッジ部が食い込み、固体高分子膜に傷が生じたセルを用いて電池を作動すると、電池作動時に固体高分子膜の収縮・膨張が繰り返し行われることから、初期に生じた傷の深さが次第に増大してゆくため、最終的には、固体高分子膜自体の破損を招来し、反応ガスのクロスリークを引き起こす危険性が、上記同様に生じる。
【００３０】
一方、本実施の形態では、触媒支持部材の外周部で固体高分子膜に面する部分に平面面取り部が形成されており、固体高分子膜と接触する触媒支持部材の圧接側エッジ部１２Ｅ及び１３Ｅは、固体高分子膜に対して鈍角をもって接触しているので、燃料電池におけるセルの荷重や、セル作製時における圧接側エッジ部の食い込みを抑えることができる。この結果、固体高分子膜の損傷を抑えることができるため、セル電圧を長期間に渡って維持することができる。
【００３１】
このような効果を発揮させるには、圧接側エッジ部のエッジ角を、１００°〜１７５°程度の範囲に規定することが適切であるが、以下にこの根拠について具体的な実験の結果を基にして説明する。
＜面取りの度合つまり圧接側エッジ部１２Ｅ及び１３Ｅにおけるエッジ角Θについての検討＞
面取り部の面取りの度合いつまり圧接側エッジ部１２Ｅ及び１３Ｅにおけるエッジ角Θについて検討するために以下に示す加速試験を行った。
【００３２】
《加速試験》
（加速試験に供したセル）
固体高分子膜 ： パーフルオロカーボンスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ１１２膜、７ｃｍ×７ｃｍ四方の正方形状のもの、厚み５０μｍ）
触媒支持層 ： カーボンペーパ（５ｃｍ×５ｃｍ四方の正方形状のもの、厚み２００μｍ）の側部を研磨機で削ることによって厚み方向１／２程度の部分まで平面面取り加工を行い、前記エッジ角Θを１２０°に設定した。これをＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレンの略記）分散溶液に浸漬し、３８０℃で１時間焼成したものを触媒支持部材として用いた。
【００３３】
触媒層 ： 白金担持カーボン、イオン交換樹脂（Ｎａｆｉｏｎ溶液）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレンの略記）を重量比で、１００：２０：５の割合で混合し、触媒支持部材の一の主表面上に厚みが２０μｍとなるように塗布した。その後、８０℃で６０分間乾燥させた。
セルの作製 ： 上記の触媒層を塗布した触媒支持部材をアノード及びカソードとし固体高分子膜と１５０℃、５０ｋｇ／ｃｍ２の条件下で６０秒ホットプレスを施し、膜と電極とが接合されたセルを作製した。
【００３４】
同様に、前記エッジ角Θを９０°（比較例）、１００°（本発明の実施例）、１２０°（本発明の実施例）、１３５°（本発明の実施例）、１５０°（本発明の実施例）、１７０°（本発明の実施例）、１７５°（本発明の実施例）の値に設定した、数種類のセルを準備した。
（加速試験）
加速試験は、強制的に固体高分子膜の湿潤・乾燥状態を繰返し作り出し、実際の燃料電池の作動条件よりも過酷な条件にセルを曝す湿潤／乾燥サイクル試験によって行った。
【００３５】
（湿潤／乾燥サイクル試験条件）
１． 湿潤工程：セルを８０℃の温水中に浸漬し、１時間保持する工程。
２．乾燥工程：セルを８０℃の空気中に放置し、１時間保持する工程。
３． 上記１及び２の工程を交互に３０回繰り返す。
（セル性能確認）
セルの性能の確認は、上記湿潤／乾燥サイクル試験を行う前後に下記の条件で行った。なお、試験前のセル電圧は、全て６５０ｍＶ程度であった。
【００３６】
（結果及び考察）
上記実験の結果を図３に示した。この図３は、エッジ角Θ（°）とセル電圧（ｍＶ）との関係を示す特性図であり、横軸にエッジ角Θ（°）をとり、縦軸にセル電圧（ｍＶ）をとってある。
【００３７】
図３に示す結果からも明らかなように、エッジ角Θが９０°の場合には、セル電圧の低下が比較的大きかった。これは、上述のように圧接側エッジ部のエッジ角Θが鋭角であるため、セル作製時において、固体高分子膜に損傷が発生し、固体高分子膜の収縮・膨張の繰返しによって、この傷の深さが増大したためである。
【００３８】
ところが、触媒支持部材の圧接側エッジ部のエッジ角Θを大きくとり鈍角とすることによって、セル電圧の低下の度合いは低減していると言える。
これは、上述のように圧接側エッジ部のエッジ角Θを鈍角とすることによって、セル作製時において、固体高分子膜への損傷の発生が抑えられているからである。
【００３９】
この意味でエッジ角Θは１００°以上とすることが望ましいことが分る。
一方、エッジ角Θを大きくするほど、セル電圧の低下の度合いは更に低減することになるが、１７５°付近を超えると、加工が困難となることから、加工容易性の観点からするとエッジ角の上限としては１７５°程度が適切と言える。
［第二の実施の形態］
本実施の形態にかかる燃料電池では、上記実施の形態とは触媒支持部材の外周部の形状が異なる以外、その他の構成は上記燃料電池と同様であるので、相違点について説明する。
【００４０】
＜触媒支持部材１２Ｂ及び触媒支持部材１３Ｂの構造について＞
図４は、図２に相当する図であり、セル完成状態における部分垂直断面図である。
これらの図に示すように、本燃料電池では、触媒支持部材の外周部において、固体高分子膜に接する側に表面が曲面状の曲面面取り部１２Ｈ及び１３Ｈが形成されている点を特徴とする。
【００４１】
この曲面面取り部１２Ｈ及び１３Ｈの面取りの度合いつまり面取り部の半径は、触媒支持部材の厚みｄに対して０．５以上１以下に規定することが望ましい。
＜作用・効果＞
上記のように、固体高分子膜の両主表面に隣接して位置する触媒支持部材１２Ｂ及び触媒支持部材１３Ｂにおいて曲面面取り部１２Ｈ及び１３Ｈが形成されているので、上記した理由から固体高分子膜への触媒支持部材の圧接側エッジ部の食い込みによる固体高分子膜の損傷を抑えることができる。
【００４２】
＜面取りの度合つまり半径Ｒについての検討＞
面取り部の面取りの度合いつまり半径Ｒについて検討するために上記同様の加速試験を行った。
《加速試験》
（加速試験に供したセル）
曲面面取り部の半径Ｒ（ここでは、触媒支持部材の厚みとの比率で表記する。）を０．５、０．７５、１．０、１．５の値に設定した、数種類のセルを準備した。
【００４３】
比較例として、加工していない、触媒支持部材の圧接側エッジ部のエッジ角を９０°に設定したものを用いたセルを作製した。
（加速試験）
加速試験は、上記湿潤／乾燥サイクル試験によって行った。
（セル性能確認）
セルの性能の確認は、上記湿潤／乾燥サイクル試験を行う前後に上記同様の条件で行った。なお、試験前のセル電圧は、全て６５０ｍＶ程度であった。
【００４４】
（結果及び考察）
上記実験の結果を図５に示した。この図５は、曲面面取り部の半径Ｒとセル電圧（ｍＶ）との関係を示す特性図であり、横軸に半径Ｒ（カッコ内の数値は実際の値を表している。）をとり、縦軸にセル電圧（ｍＶ）をとってある。
図５に示す結果から、半径Ｒが０．５〜１の範囲で、セル電圧の低下が抑えられることが分る。これは、上述のように固体高分子膜に接する側の圧接側エッジ部のエッジ角を鈍角とすることによって、セル作製時において、固体高分子膜への損傷の発生が抑えられているからである。
【００４５】
一方、曲面面取り部を形成したセルであっても、半径Ｒが１を超える値となると、即ち、触媒支持部材の厚みよりも大きくなると、セル電圧は低下する傾向が認められた。これは、圧接側エッジ部のエッジ角Θは鈍角となるが、半径Ｒがあまりに大きくなると、触媒支持部材の外周縁部の角度が９０°近くの鋭い角度となり、この部分が固体高分子膜に押圧されることによって、固体高分子膜に食い込み損傷が発生するためと考えられる。
［変形例］
上記第一の実施の形態において、平面面取り部により圧接側エッジ部を形成したが、図６に示すように、触媒支持部材の断面形状が台形状になるように、厚み方向において全部分を平面状に面取り加工を施すことにより形成してもよい。ただし、この場合には、固体高分子膜と面する側と反対側の部分のエッジ部の食い込みにより、固体高分子膜を破損する可能性が高くなるので、前記平面面取りの場合と比べて固体高分子膜と接する圧接側エッジ部のエッジ角Θの適切な範囲は、狭くなる。
【００４６】
これは、エッジ角Θがあまりに大きくなると、触媒支持部材における外周縁部の角度がより鋭い角度となり、この部分が固体高分子膜に押圧されることによって、固体高分子膜に食い込み、損傷が発生するためと考えられる。
圧接側エッジ部のエッジ角Θを種々に設定した触媒支持部材を用いてセルを作製し、これを上記加速試験に供し、セル電圧を評価したところ、図７に示す結果となった（なお、試験前のセル電圧は、全て６５０ｍＶ程度であった。）。これに示すように、エッジ角Θを１００°〜１６０°に規定することにより、セル電圧の低下を抑制できることが分る。
【００４７】
また、第一の実施の形態における平面面取り部は、触媒支持部材の固体高分子膜に面する側の外周部において形成したが、両主表面側において平面面取り部を形成してもよい。
また、第二の実施の形態における曲面面取り部は、触媒支持部材の固体高分子膜に面する側の外周部において形成したが、両主表面側において曲面面取り部を形成してもよい。
【００４８】
なお、上記実施の形態では、アノード側・カソード側の双方において、面取り部を形成したが、少なくとも何れか一方に形成されていればその分耐久性を向上させる効果は得られる。
また、上記実施の形態のように、電極支持部材の外周部全体に渡って、面取り部を形成することが望ましいが、少なくとも一部に形成されていればその分耐久性を向上させる効果は得られる。なお、この場合、固体高分子膜の収縮・膨張がもっとも頻繁に生じる部分（セルの形状等にも因るが、上記四角形状のものであれば、四隅部分）に形成することが望ましい。
【００４９】
また、上記実施の形態では、アノードに水素ガスを供給して作動させる固体高分子型燃料電池を例に挙げて説明したが、アノードにメタノールを供給して作動させるＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）でも同様に適用することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明の燃料電池用セルは、前記アノード及びカソードは、触媒支持部材上に触媒層が形成されてなり、前記アノード及びカソードの少なくとも何れか一方における触媒支持部材の外周部の少なくとも一部において、固体高分子膜に接触するエッジ部のエッジ角が鈍角となる形状を有することを特徴とする。
【００５１】
このような構成とすることによって、固体高分子膜に対して鈍角をもってエッジ部を接触させられ、燃料電池におけるセルの荷重によるエッジ部の食い込み、更に最も大きな要因であるセル作製時におけるエッジ部の食い込みを抑えることができるため、耐久性の高い燃料電池が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施の形態にかかる燃料電池の構成を示す斜視図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’線を含む部分垂直断面図である。
【図３】第一の実施の形態にかかる燃料電池の触媒支持部材の圧接側エッジ部のエッジ角Θ（°）とセル電圧（ｍＶ）との関係を示す特性図である。
【図４】第二の実施の形態にかかる燃料電池の部分垂直断面図であり、図２に相当する図である。
【図５】曲面面取り部の半径Ｒとセル電圧（ｍＶ）との関係を示す特性図である。
【図６】変形例にかかる触媒支持部材の形状を示す断面図であり、図２に相当する図である。
【図７】変形例にかかるエッジ角Θ（°）とセル電圧（ｍＶ）との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）
１０ セル
１１ 固体高分子膜
１２ アノード
１３ カソード
１２Ｂ，１３Ｂ 触媒支持部材
１２Ｃ，１３Ｃ 触媒層
１２Ｄ，１３Ｄ 平面面取り部
１２Ｅ，１３Ｅ 圧接側エッジ部
１２Ｆ，１３Ｆ 主表面
１２Ｇ，１３Ｇ 面取り部表面
１２Ｈ，１３Ｈ 曲面面取り部
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子膜を用いた燃料電池に関し、特に耐久性に優れた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池とは、電極反応によって燃料（水素など）のもっている化学的エネルギーを直接電気エネルギーとして取り出すものである。これが燃料電池の基本的な発電原理である。その代表的なものの中に固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；以下「ＰＥＦＣ」と称する。）がある。
【０００３】
ＰＥＦＣは、一般的には、固体高分子膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）の両主表面にアノードとカソードとが配されてなるセルと、セルを挟持する１対のリブ付きセパレータ板と、セパレータ板の外周部とセルとの間に介挿されたこの部分をシールするシール部材とが積層された構成であって、上記アノード，カソード各々に反応ガスを供給し、下記化１及び化２の酸化還元反応によって電力を発生させるものである。
【０００４】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− … （化１）
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ … （化２）
このＰＥＦＣは、リン酸型などの他の種類の燃料電池と比べて作動温度は比較的低温でありながら、高い出力が得られる点を特徴としている。
固体高分子膜は、アノード側で生成されたプロトン（Ｈ＋）がカソード側に伝導する際の通路となるため、陽イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーをはじめとする陽イオン交換樹脂が一般的に用いられている。しかるに、かかる陽イオン伝導は、水和水とともになされることから、固体高分子膜は湿潤された状態（水分が含まれた状態）でなければならない。このため、固体高分子膜はＰＥＦＣを作動させる際には、常時、湿潤させておく必要が生じる。
【０００５】
そこで、ＰＥＦＣを作動させる際は、一般的には、加湿した燃料ガス又は酸化剤ガスをカソード又はアノードに供給し、カソード又はアノード側から水分を固体高分子膜に拡散させることで、固体高分子膜を湿潤状態とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近では、燃料電池の用途の多様化によってより高い性能が要求されるようになってきている。
その一つとして、固体高分子型燃料電池において固体高分子膜に従来一般的なものよりもより薄い厚み（５０μｍ程度）のものを用いることによって燃料電池内の内部抵抗を下げる技術がある。この技術によれば確かに、この目的を達成することができる。
【０００７】
しかしその一方で、このような厚みが薄い固体高分子膜を用いると、長期間使用する場合や過酷な条件下で使用する場合にセル電圧が低下し易いという問題は孕んでいる。
そこで、本発明は、このような問題点を踏まえてなされたものであって、セル電圧などの電池特性が劣化しにくい耐久性に優れる燃料電池用セル及びそれを備えた燃料電池を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、なぜ、厚みが薄い固体高分子膜を用いると、長期間或いは過酷な条件下で使用する場合にセル電圧が低下し易く燃料電池の耐久性が低下するのかをセルの構造との関係で検討した。
その結果、固体高分子膜からみて電極の背面側に位置するガス拡散層のエッジ部が固体高分子膜に食い込むことで、固体高分子膜が破れ、反応ガスのクロスリークが生じていたことが原因の一つである可能性が高いことが判明した。
【０００９】
そこで、上記目的を達成するために、本発明は、固体高分子膜の一方の主表面にアノードを、他方の主表面にカソードを配してなる燃料電池用セルであって、前記アノード及びカソードは、触媒支持部材上に触媒層が形成されてなり、前記アノード及びカソードの少なくとも何れか一方における触媒支持部材の外周部の少なくとも一部において、固体高分子膜に接触するエッジ部のエッジ角が鈍角となる形状を有することを特徴とする。
【００１０】
このような構成とすることによって、固体高分子膜に対して鈍角をもってエッジ部を接触させられ、燃料電池におけるセルの荷重によるエッジ部の食い込み、更に最も大きな要因であるセル作製時におけるエッジ部の食い込みを抑えることができる。この結果、固体高分子膜の損傷を抑えることができるため、耐久性の高い燃料電池が実現される。ここで、「固体高分子膜に接触するエッジ部」において「エッジ角が鈍角となる」としたのは、この部分は、固体高分子膜に対して他のエッジ部と比べて大きな圧接力で接触し、燃料電池の耐久性に最も大きな影響を与えることとなるため、その影響を低減するためである。
【００１１】
なお、「エッジ角」とは、触媒支持部材の固体高分子膜側の主表面と、これに隣接する側面とがなす角度のことである。
ここで、エッジ部は、触媒支持部材の外周部において、固体高分子膜に面する部分が、固体高分子膜側の触媒支持部材の主表面となす角度が１００°〜１６０°となるように厚み方向において全部分が平面状に面取り加工されることにより形成されたものとすることができる。
【００１２】
ここで、前記エッジ部は、触媒支持部材の外周部において、固体高分子膜に面する部分が、固体高分子膜側の触媒支持部材の主表面となす角度が１００°〜１７５°となるように厚み方向において一部分が平面状に面取り加工されることにより形成されたものとすることができる。
ここで、前記エッジ角が鈍角である前記エッジ部は、曲率半径が、触媒支持部材の厚みに対して、０．５以上１以下となるように曲面状に面取りされることで形成されたものとすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のＰＥＦＣにかかる実施の形態について図面を用いながら具体的に説明する。
［第一の実施の形態］
＜全体構成及び動作＞
図１は、本実施の形態にかかるＰＥＦＣ１の構成を示す要部組立図である。
【００１４】
ＰＥＦＣ１は、基本単位１００が冷却プレート１１０を適宜介在させながら複数個積層され、これが図示しない絶縁加工されたエンドプレートにより上下両端から挟持された構造体をなしている。なお、ＰＥＦＣ１において積層される基本単位１００の総数は、出力しようとする電圧に応じて設定される。
この基本単位１００は、電解質層としての固体高分子膜１１の中央部に、アノード１２およびカソード１３を配したセル１０と、このセル１０を挟持する複数本のアノードガスチャネル（下面側であって、この図では見えない。）が配されたセパレータ板２０および複数本のカソードガスチャネル３１が配されたセパレータ板３０と、セパレータ板２０，３０の外周部とセル１０との間に介挿されこの部分をシールするシール材４０，５０とから構成されている。
【００１５】
前記アノードガスチャネルはアノード１２の背面側１２Ａに対向して位置し、カソードガスチャネル３１はカソード１３の背面側１３Ａに対向して位置している。
固体高分子膜１１は、陽イオン交換樹脂であれば特にその種類は限定されるものではないが、例えば、ナフィオン（デュポン社の商品）の膜を用いることができる。
【００１６】
アノード１２は、触媒支持部材１２Ｂとその上に支持された触媒層１２Ｃとからなる。
カソード１３も、触媒支持部材１３Ｂとその上に支持された触媒層１３Ｃとからなる。
触媒支持部材１２Ｂ及び１３Ｂは、例えば、フッ素系の樹脂をスプレー噴霧することにより撥水処理が施されたカーボンペーパからなる。このカーボンペーパは、内部に、３次元状に張り巡らされた骨格間に形成された無数の孔を有した適度な剛性を有する部材である。このような多孔性でしかも導電性を備えたカーボンペーパからなる触媒支持部材１２Ｂ及び１３Ｂは、ガスチャネルから分配されるガスを触媒層全体に拡散させるガス拡散層としての機能を有するとともに、複数のセルを電気的に接続する集電体としての機能も担う。
【００１７】
触媒層１２Ｃは、触媒粒子と結着剤などの混合ペースト、例えば、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）と撥水性付与を兼ねるポリテトラフルオロエチレンなどの結着剤と、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーなどプロトン（Ｈ＋）伝導性を有する電解質との混合物を、前記触媒支持部材にスクリーン印刷法等公知の方法により層状に設けることによって作製したものである。
【００１８】
触媒層１３Ｃは、触媒層１２Ｃ同様の触媒粒子、電解質、結着剤との混合ペーストを、触媒支持部材にスクリーン印刷法等公知の方法により層状に設けることによって作製したものである。
セパレータ板２０，３０は、カーボンを用いて加工した緻密な導電性を有する基板である。冷却プレート１１０も同様に、導電性の緻密な基板である。
【００１９】
シール部材４０，５０は、固体高分子膜１１の外周部に対して押圧することにより、各電極に供給される反応ガスが電池外部に漏出しないように、この部分をシールする、フッ素樹脂等からなる適度な弾性のある部材である。また、シール部材４０、５０は固体高分子膜１１にこのように押圧されるので、前記固体高分子膜１１は、各電極に供給される反応ガスのクロスリークを防止する機能をも有する。
【００２０】
固体高分子膜１１，セパレータ板２０，３０および冷却プレート１１０の各々の四隅部分には反応ガス供給・排出用のマニホールドを構成する貫通孔Ｐ１〜Ｐ４が開設され、また、各プレートの一対の対向する辺の中央部に冷却水流入・流出用マニホールドを構成する貫通孔Ｐ５，Ｐ６が開設されている。セパレータ板２０の対角線上に位置する貫通孔Ｐ２，Ｐ４は前記アノードガスチャネルと連通され（不図示）、セパレータ板３０の対角線上に位置する貫通孔Ｐ１，Ｐ３は前記カソードガスチャネル３１と連通され、冷却プレート１１０の貫通孔Ｐ５，Ｐ６は当該冷却プレートに設けられた冷却水流流路１１１と連通されている。
【００２１】
このような構造のＰＥＦＣ１においては、酸素に代表されるカソードガスがカソードガス供給用のマニホールドに供給され、各カソードガスチャネル３１…からカソード１３に分配されることでカソードガスが反応に供される。そして、その過剰分がカソードガス排出用のマニホールドから排出される。
一方、図示しない加湿装置によって予め加湿された水素に代表されるアノードガスがアノードガス供給用のマニホールドに供給され、各アノードガスチャネルに分配されることで、当該アノードガス中に含有された水分が固体高分子膜１１の湿潤に供されると共に、アノード１２での反応に供される。そして、過剰分がアノードガス排出用のマニホールドから排出される。
【００２２】
このような動作が連続的に行われて、発電が行われるようになっている。
＜セルの作製方法＞
予め水に漬して湿潤させた固体高分子膜の中央部分に、触媒支持部材（後述する形状に外周部が加工されたもの）を用いてなるアノード１２及びカソード１３を置き、ホットプレス法などによって、熱及び圧力によってアノード１２及びカソード１３、並びに固体高分子膜を互いに融着させる。融着は、例えば、温度１５０℃，７０ｋｇ／ｃｍ２，処理時間９０秒の処理条件で行うことができる。
【００２３】
＜触媒支持部材１２Ｂ及び触媒支持部材１３Ｂの構造について＞
図２は、図１におけるセル完成状態におけるＡ−Ａ’線を含む部分垂直断面図である。この図と、図１を参照にして、触媒支持部材１２Ｂ及び触媒支持部材１３Ｂの構造について詳しく説明する。
これらの図に示すように、触媒支持部材１２Ｂ及び触媒支持部材１３Ｂは、固体高分子膜１１に面する側表面の外周部分において、平面状の面取り加工が施されて、平面面取り部１２Ｄ及び１３Ｄが形成されたものである。これにより、固体高分子膜側最も近くに位置するエッジ部が、鈍角をなすものとなる。このエッジ部を以下、圧接側エッジ部１２Ｅ及び１３Ｅと呼ぶ。
【００２４】
平面面取り部１２Ｄ及び１３Ｄは、固体高分子膜１１と所定の角度Θとなるように平面状に、厚み方向の途中（図では、中央付近）まで平面面取りが施されている。この面取りの角度は、圧接側エッジ部１２Ｅ及び１３Ｅのエッジ角Θ（触媒支持部材の主表面１２Ｆ、１３Ｆと、当該主表面１２Ｆ及び１３Ｆに隣接する面取り部の表面１２Ｇ、１３Ｇとがなす角度）と等しい。そして、面取り角度（エッジ角Θ）は、１００°〜１７５°に規定することが望ましい。
【００２５】
かかる平面面取り部１２Ｄ及び１３Ｄの形成は、カーボンペーパを所定のサイズに切断しただけの未加工のものの外周部を、研磨・切削・切断等の一般的な方法によって行うことができる。
なお、図２では、触媒支持部材１２Ｂ及び１３Ｂの圧接側エッジ部１２Ｅ及び１３Ｅは固体高分子膜に接触していないが、これは、説明を分り易くするために便宜上このように描いたものであって、実際には、セル作製時の圧力又は燃料電池組立後の押圧力によってアノード１２及びカソード１３が固体高分子膜１１に埋没する状態となっていると考えられるので、圧接側エッジ部１２Ｅ及び１３Ｅは固体高分子膜１１の表面と接触する。
【００２６】
＜作用・効果＞
触媒支持部材は、固体高分子膜とそれに最も近くに位置する圧接側エッジ部が、固体高分子膜に対して他のエッジ部と比べて大きな圧接力で接触することから、この部分の形状如何によっては、燃料電池における荷重及び固体高分子膜の膨張・収縮との相互作用によって、固体高分子膜が致命的な損傷が発生してしまうことになる。
【００２７】
つまり、従来の燃料電池の場合のように、触媒支持部材の固体高分子膜最も近くに位置する圧接側エッジ部が固体高分子膜と比較的鋭い角度（ほぼ９０°）をもって固体高分子膜と接触すると、燃料電池内のセル積層・締め付けによる荷重が作用することにより固体高分子膜に当該圧接側エッジ部が食い込むことにより固体高分子膜が損傷を招く。さらに、電池作動時において、固体高分子膜は水蒸気による湿潤状態を常時維持されるように、外部から水が適宜補給されるため、乾燥・湿潤に伴って固体高分子膜自体は収縮・膨張を繰り返す。このため、一度前記圧接側エッジ部が食い込むと、収縮・膨張に伴って更に深く食い込んで行くことで傷の深さが増大し、最悪の場合には、固体高分子膜が破損する。このように固体高分子膜が破損すると、アノードガスとカソードガスとのシール性が損なわれ、反応ガスのクロスリークが発生し、セル電圧が低下してしまう。燃料電池は、上下方向からセルが挟持されているため、固体高分子膜の収縮・膨張はある程度は抑えられるが、この膨張・収縮を完全に抑えることは不可能である。
【００２８】
また、食い込みの程度が緩和されたとしても、繰返し行われる固体高分子膜の収縮・膨張によって、一旦生じた傷の深さが次第に増大してゆくため、最終的には、固体高分子膜自体の破損を招来し、反応ガスのクロスリークを引き起こす危険性が生じる。
更に、セル作製時にもっとも固体高分子膜の膨張・収縮の度合いは大きく、セル作製時に固体高分子膜に傷が入る可能性がもっとも高い。つまり、上記のようにセルの作製は、湿潤させた固体高分子膜をアノード及びカソードとで熱・圧力の作用によって融着させることにより行うが、このように、熱及び圧力を作用させる際に、触媒支持部材の圧接側エッジ部が固体高分子膜に食い込みが生じる。
【００２９】
このように圧接側エッジ部が食い込み、固体高分子膜に傷が生じたセルを用いて電池を作動すると、電池作動時に固体高分子膜の収縮・膨張が繰り返し行われることから、初期に生じた傷の深さが次第に増大してゆくため、最終的には、固体高分子膜自体の破損を招来し、反応ガスのクロスリークを引き起こす危険性が、上記同様に生じる。
【００３０】
一方、本実施の形態では、触媒支持部材の外周部で固体高分子膜に面する部分に平面面取り部が形成されており、固体高分子膜と接触する触媒支持部材の圧接側エッジ部１２Ｅ及び１３Ｅは、固体高分子膜に対して鈍角をもって接触しているので、燃料電池におけるセルの荷重や、セル作製時における圧接側エッジ部の食い込みを抑えることができる。この結果、固体高分子膜の損傷を抑えることができるため、セル電圧を長期間に渡って維持することができる。
【００３１】
このような効果を発揮させるには、圧接側エッジ部のエッジ角を、１００°〜１７５°程度の範囲に規定することが適切であるが、以下にこの根拠について具体的な実験の結果を基にして説明する。
＜面取りの度合つまり圧接側エッジ部１２Ｅ及び１３Ｅにおけるエッジ角Θについての検討＞
面取り部の面取りの度合いつまり圧接側エッジ部１２Ｅ及び１３Ｅにおけるエッジ角Θについて検討するために以下に示す加速試験を行った。
【００３２】
《加速試験》
（加速試験に供したセル）
固体高分子膜 ： パーフルオロカーボンスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ１１２膜、７ｃｍ×７ｃｍ四方の正方形状のもの、厚み５０μｍ）
触媒支持層 ： カーボンペーパ（５ｃｍ×５ｃｍ四方の正方形状のもの、厚み２００μｍ）の側部を研磨機で削ることによって厚み方向１／２程度の部分まで平面面取り加工を行い、前記エッジ角Θを１２０°に設定した。これをＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレンの略記）分散溶液に浸漬し、３８０℃で１時間焼成したものを触媒支持部材として用いた。
【００３３】
触媒層 ： 白金担持カーボン、イオン交換樹脂（Ｎａｆｉｏｎ溶液）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレンの略記）を重量比で、１００：２０：５の割合で混合し、触媒支持部材の一の主表面上に厚みが２０μｍとなるように塗布した。その後、８０℃で６０分間乾燥させた。
セルの作製 ： 上記の触媒層を塗布した触媒支持部材をアノード及びカソードとし固体高分子膜と１５０℃、５０ｋｇ／ｃｍ２の条件下で６０秒ホットプレスを施し、膜と電極とが接合されたセルを作製した。
【００３４】
同様に、前記エッジ角Θを９０°（比較例）、１００°（本発明の実施例）、１２０°（本発明の実施例）、１３５°（本発明の実施例）、１５０°（本発明の実施例）、１７０°（本発明の実施例）、１７５°（本発明の実施例）の値に設定した、数種類のセルを準備した。
（加速試験）
加速試験は、強制的に固体高分子膜の湿潤・乾燥状態を繰返し作り出し、実際の燃料電池の作動条件よりも過酷な条件にセルを曝す湿潤／乾燥サイクル試験によって行った。
【００３５】
（湿潤／乾燥サイクル試験条件）
１． 湿潤工程：セルを８０℃の温水中に浸漬し、１時間保持する工程。
２．乾燥工程：セルを８０℃の空気中に放置し、１時間保持する工程。
３． 上記１及び２の工程を交互に３０回繰り返す。
（セル性能確認）
セルの性能の確認は、上記湿潤／乾燥サイクル試験を行う前後に下記の条件で行った。なお、試験前のセル電圧は、全て６５０ｍＶ程度であった。
【００３６】
上記実験の結果を図３に示した。この図３は、エッジ角Θ（°）とセル電圧（ｍＶ）との関係を示す特性図であり、横軸にエッジ角Θ（°）をとり、縦軸にセル電圧（ｍＶ）をとってある。
【００３７】
図３に示す結果からも明らかなように、エッジ角Θが９０°の場合には、セル電圧の低下が比較的大きかった。これは、上述のように圧接側エッジ部のエッジ角Θが鋭角であるため、セル作製時において、固体高分子膜に損傷が発生し、固体高分子膜の収縮・膨張の繰返しによって、この傷の深さが増大したためである。
【００３８】
ところが、触媒支持部材の圧接側エッジ部のエッジ角Θを大きくとり鈍角とすることによって、セル電圧の低下の度合いは低減していると言える。
これは、上述のように圧接側エッジ部のエッジ角Θを鈍角とすることによって、セル作製時において、固体高分子膜への損傷の発生が抑えられているからである。
【００３９】
この意味でエッジ角Θは１００°以上とすることが望ましいことが分る。
一方、エッジ角Θを大きくするほど、セル電圧の低下の度合いは更に低減することになるが、１７５°付近を超えると、加工が困難となることから、加工容易性の観点からするとエッジ角の上限としては１７５°程度が適切と言える。
［第二の実施の形態］
本実施の形態にかかる燃料電池では、上記実施の形態とは触媒支持部材の外周部の形状が異なる以外、その他の構成は上記燃料電池と同様であるので、相違点について説明する。
【００４０】
＜触媒支持部材１２Ｂ及び触媒支持部材１３Ｂの構造について＞
図４は、図２に相当する図であり、セル完成状態における部分垂直断面図である。
これらの図に示すように、本燃料電池では、触媒支持部材の外周部において、固体高分子膜に接する側に表面が曲面状の曲面面取り部１２Ｈ及び１３Ｈが形成されている点を特徴とする。
【００４１】
この曲面面取り部１２Ｈ及び１３Ｈの面取りの度合いつまり面取り部の半径は、触媒支持部材の厚みｄに対して０．５以上１以下に規定することが望ましい。
＜作用・効果＞
上記のように、固体高分子膜の両主表面に隣接して位置する触媒支持部材１２Ｂ及び触媒支持部材１３Ｂにおいて曲面面取り部１２Ｈ及び１３Ｈが形成されているので、上記した理由から固体高分子膜への触媒支持部材の圧接側エッジ部の食い込みによる固体高分子膜の損傷を抑えることができる。
【００４２】
＜面取りの度合つまり半径Ｒについての検討＞
面取り部の面取りの度合いつまり半径Ｒについて検討するために上記同様の加速試験を行った。
《加速試験》
（加速試験に供したセル）
曲面面取り部の半径Ｒ（ここでは、触媒支持部材の厚みとの比率で表記する。）を０．５、０．７５、１．０、１．５の値に設定した、数種類のセルを準備した。
【００４３】
比較例として、加工していない、触媒支持部材の圧接側エッジ部のエッジ角を９０°に設定したものを用いたセルを作製した。
（加速試験）
加速試験は、上記湿潤／乾燥サイクル試験によって行った。
（セル性能確認）
セルの性能の確認は、上記湿潤／乾燥サイクル試験を行う前後に上記同様の条件で行った。なお、試験前のセル電圧は、全て６５０ｍＶ程度であった。
【００４４】
（結果及び考察）
上記実験の結果を図５に示した。この図５は、曲面面取り部の半径Ｒとセル電圧（ｍＶ）との関係を示す特性図であり、横軸に半径Ｒ（カッコ内の数値は実際の値を表している。）をとり、縦軸にセル電圧（ｍＶ）をとってある。
図５に示す結果から、半径Ｒが０．５〜１の範囲で、セル電圧の低下が抑えられることが分る。これは、上述のように固体高分子膜に接する側の圧接側エッジ部のエッジ角を鈍角とすることによって、セル作製時において、固体高分子膜への損傷の発生が抑えられているからである。
【００４５】
一方、曲面面取り部を形成したセルであっても、半径Ｒが１を超える値となると、即ち、触媒支持部材の厚みよりも大きくなると、セル電圧は低下する傾向が認められた。これは、圧接側エッジ部のエッジ角Θは鈍角となるが、半径Ｒがあまりに大きくなると、触媒支持部材の外周縁部の角度が９０°近くの鋭い角度となり、この部分が固体高分子膜に押圧されることによって、固体高分子膜に食い込み損傷が発生するためと考えられる。
［変形例］
上記第一の実施の形態において、平面面取り部により圧接側エッジ部を形成したが、図６に示すように、触媒支持部材の断面形状が台形状になるように、厚み方向において全部分を平面状に面取り加工を施すことにより形成してもよい。ただし、この場合には、固体高分子膜と面する側と反対側の部分のエッジ部の食い込みにより、固体高分子膜を破損する可能性が高くなるので、前記平面面取りの場合と比べて固体高分子膜と接する圧接側エッジ部のエッジ角Θの適切な範囲は、狭くなる。
【００４６】
これは、エッジ角Θがあまりに大きくなると、触媒支持部材における外周縁部の角度がより鋭い角度となり、この部分が固体高分子膜に押圧されることによって、固体高分子膜に食い込み、損傷が発生するためと考えられる。
圧接側エッジ部のエッジ角Θを種々に設定した触媒支持部材を用いてセルを作製し、これを上記加速試験に供し、セル電圧を評価したところ、図７に示す結果となった（なお、試験前のセル電圧は、全て６５０ｍＶ程度であった。）。これに示すように、エッジ角Θを１００°〜１６０°に規定することにより、セル電圧の低下を抑制できることが分る。
【００４７】
また、第一の実施の形態における平面面取り部は、触媒支持部材の固体高分子膜に面する側の外周部において形成したが、両主表面側において平面面取り部を形成してもよい。
また、第二の実施の形態における曲面面取り部は、触媒支持部材の固体高分子膜に面する側の外周部において形成したが、両主表面側において曲面面取り部を形成してもよい。
【００４８】
なお、上記実施の形態では、アノード側・カソード側の双方において、面取り部を形成したが、少なくとも何れか一方に形成されていればその分耐久性を向上させる効果は得られる。
また、上記実施の形態のように、電極支持部材の外周部全体に渡って、面取り部を形成することが望ましいが、少なくとも一部に形成されていればその分耐久性を向上させる効果は得られる。なお、この場合、固体高分子膜の収縮・膨張がもっとも頻繁に生じる部分（セルの形状等にも因るが、上記四角形状のものであれば、四隅部分）に形成することが望ましい。
【００４９】
また、上記実施の形態では、アノードに水素ガスを供給して作動させる固体高分子型燃料電池を例に挙げて説明したが、アノードにメタノールを供給して作動させるＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）でも同様に適用することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明の燃料電池用セルは、前記アノード及びカソードは、触媒支持部材上に触媒層が形成されてなり、前記アノード及びカソードの少なくとも何れか一方における触媒支持部材の外周部の少なくとも一部において、固体高分子膜に接触するエッジ部のエッジ角が鈍角となる形状を有することを特徴とする。
【００５１】
このような構成とすることによって、固体高分子膜に対して鈍角をもってエッジ部を接触させられ、燃料電池におけるセルの荷重によるエッジ部の食い込み、更に最も大きな要因であるセル作製時におけるエッジ部の食い込みを抑えることができるため、耐久性の高い燃料電池が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施の形態にかかる燃料電池の構成を示す斜視図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’線を含む部分垂直断面図である。
【図３】第一の実施の形態にかかる燃料電池の触媒支持部材の圧接側エッジ部のエッジ角Θ（°）とセル電圧（ｍＶ）との関係を示す特性図である。
【図４】第二の実施の形態にかかる燃料電池の部分垂直断面図であり、図２に相当する図である。
【図５】曲面面取り部の半径Ｒとセル電圧（ｍＶ）との関係を示す特性図である。
【図６】変形例にかかる触媒支持部材の形状を示す断面図であり、図２に相当する図である。
【図７】変形例にかかるエッジ角Θ（°）とセル電圧（ｍＶ）との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）
１０ セル
１１ 固体高分子膜
１２ アノード
１３ カソード
１２Ｂ，１３Ｂ 触媒支持部材
１２Ｃ，１３Ｃ 触媒層
１２Ｄ，１３Ｄ 平面面取り部
１２Ｅ，１３Ｅ 圧接側エッジ部
１２Ｆ，１３Ｆ 主表面
１２Ｇ，１３Ｇ 面取り部表面
１２Ｈ，１３Ｈ 曲面面取り部
Claims (6)
- 固体高分子膜の一方の主表面にアノードを、他方の主表面にカソードを配してなる燃料電池用セルであって、
前記アノード及びカソードは、触媒支持部材上に触媒層が形成されてなり、
前記アノード及びカソードの少なくとも何れか一方における触媒支持部材の外周部の少なくとも一部において、固体高分子膜に接触するエッジ部のエッジ角が鈍角となる形状を有する
ことを特徴とする燃料電池用セル。 - 前記エッジ部は、触媒支持部材の外周部において、固体高分子膜に面する部分が、固体高分子膜側の触媒支持部材の主表面となす角度が１００°〜１６０°となるように厚み方向において全部分が平面状に面取り加工されることにより形成されたものである
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セル。 - 前記エッジ部は、触媒支持部材の外周部において、固体高分子膜に面する部分が、固体高分子膜側の触媒支持部材の主表面となす角度が１００°〜１７５°となるように厚み方向において一部分が平面状に面取り加工されることにより形成されたものである
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セル。 - 前記エッジ部は、曲率半径が、触媒支持部材の厚みに対して、０．５以上１以下となるように曲面状に面取りされることで形成されたものである
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セル。 - 前記アノード及びカソードとは固体高分子膜に融着されていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の燃料電池用セル。
- 前記セルを配してなることを特徴とする請求項１から請求項５に何れかに記載の燃料電池。
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