JP5541057B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両膜面に電極を接合した膜電極接合体をガス拡散層で挟持した燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料とその酸化剤、例えば、水素と酸素の電気化学反応によって発電する。こうした燃料電池では、プロトン伝導性を有する電解質膜（例えば、固体高分子膜）の両膜面にアノードとカソードの両電極を形成し、この両電極に、ガス拡散層を経て燃料ガスと酸化ガス、例えば水素ガスと空気を供給する。下記の特許文献では、触媒層との接合を凹凸形状に倣って行ったり、触媒層の側に凹部を形成したりして、燃料電池の発電能力の向上が図られている。

特開２００６−３１０１６６号公報 特開２００３−２１７５９９号公報 特開２００７−３２８９３５号公報

ところで、電解質膜は、電気化学反応に伴ってカソード側で生成される生成水やガス加湿用の水蒸気に晒されて膨潤する他、乾燥したガスの供給等により乾燥も起こしかねない。こうした膨潤の継続や、膨潤と乾燥の繰り返しは、電解質膜に機械的な負荷となって現れ、電解質膜の破損やその破損箇所からのガス透過量の増加が危惧される。しかしながら、上記公報で提案された技術では、こうした電解質膜の膨潤に伴う負荷についての配慮に欠けており、改善の余地が残されていた。

本発明は、上述した従来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、電解質膜の耐久性を高めて燃料電池の耐久性をも向上させ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ことを目的としてなされたものであり、以下の構成を採用した。

[適用１：燃料電池]
電解質膜の両膜面に電極を接合した膜電極接合体をガス拡散層で挟持した燃料電池であって、
前記膜電極接合体の前記電極に対して所定の範囲を占める許容部と、該許容部が占める前記範囲に隣接した範囲を前記膜電極接合体の前記電極に対して占める規制部とを、前記電極の電極面の範囲において並べて複数備え、
前記許容部は、前記電極に対して占める前記所定の範囲において前記電解質膜の膨潤に伴う前記膜電極接合体の前記ガス拡散層の側への伸張を許容し、
前記規制部は、前記隣接した範囲において前記膜電極接合体の動きを前記ガス拡散層に対して規制し、
前記規制部と前記許容部とは、
前記許容部が前記電極に対して占める範囲の面積をＳＡとし、前記規制部が前記電極に対して占める範囲の面積をＳＢとして求まる面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）が０．５以上で１．０未満となるようにされている
ことを要旨とする。

上記構成を備える燃料電池では、膜電極接合体の電極に対して、その電極範囲を複数の許容部と規制部を並べて占めるようにし、許容部が電極に対して占める範囲において、電解質膜の膨潤に伴う膜電極接合体のガス拡散層の側への伸張を許容する。その一方、許容部が電極に対して占める範囲（以下、当該範囲を説明の便宜上、伸張許容範囲と称する）に隣接して規制部が電極に対して占める範囲（以下、当該範囲を説明の便宜上、伸張規制範囲と称する）では、膜電極接合体の動きをガス拡散層に対して規制する。つまり、上記構成を備える燃料電池では、許容部による膜電極接合体の伸張許容範囲と規制部による膜電極接合体の伸張規制範囲とを隣接させる。これにより、膜電極接合体の電解質膜の膨潤による伸びや乾燥による伸びの戻り、即ち膜電極接合体の伸張の繰り返しが起きた場合に、上記構成を備える燃料電池では、膜電極接合体の伸張の繰り返しを伸張許容範囲で起こし、この伸張許容範囲に隣接した伸張規制範囲では膜電極接合体の動きをガス拡散層に対して規制することになる。

その上で、上記構成を備える燃料電池では、許容部による膜電極接合体の伸張許容範囲（許容部が電極に対して占める範囲）と規制部による膜電極接合体の伸張規制範囲（規制部が電極に対して占める範囲）とを、前者の面積をＳＡとし後者の面積をＳＢとして求まる面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）が０．５以上で１．０未満となるようにした。これにより、次の利点がある。

膜電極接合体の膜面において、膜電極接合体の動きをガス拡散層に対して規制しないとすると、膜電極接合体は電解質膜の膨潤に伴って伸張し、膜面方向においては膜が波打つようなうねりを起こす。こうした状況を、上記したように隣接する伸張許容範囲と伸張規制範囲とにおいて前者では膜電極接合体のガス拡散層の側への伸張を許容し後者ではこれを規制する構成に照らすと、伸張許容範囲ではうねりが起き、伸張規制範囲ではそのうねりはほぼ起きないことになる。また、このようなうねりを起こす電解質膜の膨潤が継続されたり繰り返されると、電解質膜は塑性変形を起こしやすくなる。その一方、乾燥による伸びの戻りについては、膜の伸張やうねりが起きていた伸張許容範囲で顕著となる。よって、電解質膜の膨潤や乾燥による挙動は、伸張許容範囲と伸張規制範囲の境界で異なるものとなり、この境界では、膜電極接合体の電解質膜に応力が集中することになる。これに加え、伸張許容範囲の面積が小さくなると、電解質膜の伸張やこれに伴う膜のうねりは小さな面積の伸張許容範囲で起きざるを得ないために、膜の伸張やうねりに伴う膜の曲がりが制約され、電解質膜での応力集中も過度となる可能性がある。

電解質膜の膨潤に伴う挙動についての上記した新たな解析の観点から、上記構成を備える燃料電池では、許容部による膜電極接合体の伸張許容範囲の面積ＳＡと規制部による膜電極接合体の伸張規制範囲の面積ＳＢから求まる面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）を０．５以上で１．０未満としたので、膜電極接合体の電解質膜における応力の緩和や、応力の過度の集中を抑制できる。よって、上記構成を備える燃料電池によれば、電解質膜の耐久性を高めて、電解質膜を含む膜電極接合体を有する燃料電池についても、その耐久性を向上できる。

上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、前記面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）を０．６以上とすれば、許容部による膜電極接合体の伸張許容範囲の面積ＳＡが広がるので、その分、伸張許容範囲での膜の伸張やうねりに伴う曲がりを小さくできる。よって、膜電極接合体の電解質膜における応力緩和や応力集中の抑制の上から、好ましい。

また、前記面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）を前記膜電極接合体の前記電解質膜に対して作用する水分量に応じて異なるものとし、前記作用する水分量が多い範囲の前記面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）を、前記作用する水分量が少ない他の範囲の前記面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）より大きくするようにできる。電解質膜に対して作用する水分量が多いと、電解質膜の膨潤による伸張、引いては上記したうねりが顕著となるものの、水分量が多い範囲では面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）が大きいことから、規制部による膜電極接合体の伸張規制範囲の面積ＳＢに対して許容部による膜電極接合体の伸張許容範囲の面積ＳＡを水分量が多い範囲において相対的に広くできる。よって、電解質膜に対して作用する水分量が多い範囲であっても、上記したように伸張許容範囲での無理な膜の伸張やうねりを抑止したり、うねりに伴う曲がりを小さくできる。よって、膜電極接合体の電解質膜における応力緩和や応力集中の抑制を、電解質膜に対して作用する水分量の相違に拘わらず、高い実効性で達成できる。このため、電解質膜を含む膜電極接合体の全域における耐久性を向上でき、燃料電池の耐久性についても、これを向上できる。

また、前記膜電極接合体をガス拡散層で挟持した発電単位を複数積層したスタック構造を備えた上で、前記面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）を前記スタック構造における前記発電単位の積層位置に応じて異なるものとし、前記膜電極接合体の前記電解質膜に対して作用する水分量が多い積層位置の前記発電単位の前記面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）を、前記作用する水分量が少ない他の積層位置の前記発電単位の前記面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）より大きくするようにできる。こうすれば、電解質膜に対して作用する水分量が多い積層位置では、当該位置の発電単位において、許容部による膜電極接合体の伸張許容範囲の面積ＳＡを規制部による膜電極接合体の伸張規制範囲の面積ＳＢに対して相対的に広くして、上記したような伸張許容範囲での無理な膜の伸張やうねりを抑止したり、うねりに伴う曲がりを小さくできる。よって、膜電極接合体の電解質膜における応力緩和や応力集中の抑制を、スタック構造における発電単位の積層位置に拘わらず、高い実効性で達成できる。このため、電解質膜を含む膜電極接合体の全域における耐久性を向上できると共に、発電単位を複数積層したスタック構造全体として、燃料電池の耐久性を向上できる。

上記したような態様の他、前記ガス拡散層と前記膜電極接合体との間に、ガス透過性と導電性を有する中間層を接合して備えた上で、この中間層を、前記許容部と前記規制部とを前記膜電極接合体との接合面側に有するものとし、前記許容部については、これを前記膜電極接合体の側で開口した凹部として、前記許容部ごとの前記凹部の開口面積を前記ＳＡとすると共に、前記許容部としての前記凹部への前記膜電極接合体の入り込みにより、前記電解質膜の膨潤に伴う前記膜電極接合体の前記ガス拡散層の側への伸張を許容するものとし、前記規制部については、これを前記膜電極接合体に接合する凸部として、前記膜電極接合体に接合する前記凸部の前記規制部ごとの接合領域の面積を前記ＳＢとすると共に、前記規制部としての前記凸部と前記膜電極接合体との接合により、前記膜電極接合体の動きを前記ガス拡散層に対して規制するものとすることができる。こうすれば、隣り合う許容部と規制部を、形状は相違するものの単純な形状の凹部および凸部として、容易に中間層に設けることができる。また、許容部は膜電極接合体の側で開口した凹部であることから、電解質膜の膨潤に伴う膜の伸張やうねりが起きる箇所は、凹部の内側となるので、膜の伸張やうねりを阻害しないことから、凹部への膜電極接合体の入り込みは容易に起きる。よって、電解質膜に余分な緊張を与えないので、耐久性の向上の上から、好ましい。

この場合、前記許容部としての前記凹部を有底とすれば、許容部と規制部とを有する中間層を一体物として取り扱うことができるので、燃料電池の製造工程の簡略化が可能となる。

また、前記規制部としての前記凸部を、前記膜電極接合体との接合箇所において前記膜電極接合体と接着するようにできる。こうすれば、ガス拡散層に対する膜電極接合体の動きをより確実に規制できると共に、中間層と膜電極接合体とを一体物として取り扱うことができるので、燃料電池の製造工程の簡略化が可能となる。

この他の態様としては、前記ガス拡散層と前記膜電極接合体との間に、ガス透過性と導電性を有する中間層を接合して備えた上で、この中間層を、前記許容部と前記規制部とを前記膜電極接合体との接合面側に有するものとし、前記許容部については、これを前記膜電極接合体に接合する接合部とした上で、該接合部を前記電解質膜の膨潤に伴って該電解質膜に接合したまま伸張する性状とし、前記許容部ごとの前記接合部の面積を前記ＳＡとすると共に、前記接合部が膨潤する前記電解質膜と共に伸張することで、前記電解質膜の膨潤に伴う前記膜電極接合体の前記ガス拡散層の側への伸張を許容するものとし、前記規制部については、これを前記膜電極接合体に接着する接着部として、前記規制部ごとの前記接着部の面積を前記ＳＢとすると共に、前記規制部としての前記接着部と前記膜電極接合体との接着により、前記膜電極接合体の動きを前記ガス拡散層に対して規制するものとすることができる。こうすれば、隣り合う許容部と規制部を、前者については上記した性状とし、後者については接着可能として、両者を中間層に設けることができる。また、許容部は、電解質膜の膨潤に伴って該電解質膜に接合したまま伸張する性状であることから、電解質膜の膨潤に伴う膜の伸張やうねりを起きにくくしないので、電解質膜に大きな緊張を与えないようにできる。

更なる態様としては、前記膜電極接合体に含まれる前記電極を、前記電解質膜の膨潤に伴って該電解質膜に接合したまま伸張する性状を有するものとした上で、この電極を前記許容部と前記規制部とを前記ガス拡散層との接合面側に有するものとし、前記許容部については、これを前記ガス拡散層の側で開口した有底の凹部として、前記許容部ごとの前記凹部の開口面積を前記ＳＡとすると共に、前記許容部としての前記凹部の底部が膨潤する前記電解質膜と共に伸張することで、前記電解質膜の膨潤に伴う前記膜電極接合体の前記ガス拡散層の側への伸張を許容し、前記規制部については、これを前記ガス拡散層に接合する凸部として、前記ガス拡散層に接合する前記凸部の前記規制部ごとの接合領域の面積を前記ＳＢとすると共に、前記規制部としての前記凸部と前記ガス拡散層との接合により、前記膜電極接合体の動きを前記ガス拡散層に対して規制するものとすることができる。こうすれば、隣り合う許容部と規制部を、形状は相違するものの単純な形状の凹部および凸部として、容易に電極に設けることができる。また、許容部はガス拡散層の側で開口した凹部であることから、電解質膜の膨潤に伴う膜の伸張やうねりが起きる箇所は、凹部の底部であって、この底部は膨潤する前記電解質膜と共に伸張するので、膜の伸張やうねりを起きにくくしないようにできる。よって、電解質膜に大きな緊張を与えないようにできるので、耐久性の向上に寄与できる。しかも、この態様では、膜電極接合体における電極自体が許容部と規制部を隣り合わせて有するので、膜電極接合体をガス拡散層で挟持するだけで良く、簡便となる。

本発明は、上記した燃料電池の他、この燃料電池や膜電極接合体の製造方法としても適用できる。

本実施例の燃料電池１０を構成する単セル１５を断面視して概略的に示す説明図である。 中間層３０を概略的に斜視と正面視にて示す説明図である。 中間層３０の他の形状を概略的に斜視と正面視にて示す説明図である。 電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡの挙動を模式的に示す説明図である。 ＭＥＡの電解質膜２０の膨潤に伴ううねり幅Ｗと電解質膜２０の膨潤率との関係をＭＥＡの厚み毎に示すグラフである。 ＭＥＡのうねりと損傷の関係を模式的に示す説明図である。 電解質膜２０の膨潤と乾燥を経たＭＥＡに発生する応力を有限要素法による解析した結果を凸条３２の凸幅Ｂと凹条３３の溝幅Ａと関連付けて概略的に示す説明図である。 有限要素解析結果を凸条３２の凸幅Ｂと凹条３３の溝幅Ａの凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）に応じてプロットしたグラフである。 異なるＭＥＡの膨潤率εに対する凸条３２の溝幅Ａと凹条３３の凸幅Ｂおよび凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）の対応関係を示す説明図である。 第２実施例の単セル１５における中間層３０Ａを概略的に示す斜視図である。 図１０における１１−１１線断面図である。 隣り合う円形凹部３３Ａが隣接するようにした中間層３０Ａを平面視して示す説明図である。 凸条３２と凹条３３に代わる凸条および凹条をアノード２１に設けた第３実施例におけるＭＥＡを概略的に示す斜視図である。 接着と非接着により電解質膜２０の伸張の許容と規制の機能を果たす第４実施例の中間層３０Ｃを概略的に斜視にて示す説明図である。 第５実施例の単セル１５における中間層３０Ｄを概略的に示す斜視図である。 凸条３２Ｅを多列に有する実施例の中間層３０Ｅを概略的に斜視にて示す説明図である。 空気のセル内酸化ガス流路４８が多列に平行配設された形態を示す説明図である。 中間層３０における凸条３２と凹条３３の形状を定める設計手法を示す手順図である。 セル内酸化ガス流路４８が折り返し経路とされた形態を示す説明図である。 単セル１５における空気の入口側と出口側との間においてセル内酸化ガス流路４８が平行配設された形態を示す説明図である。 スタックに対するガス給排をそれぞれのエンドプレート１２で行う燃料電池１０を示す説明図である。 スタックに対するガス給排を一方のエンドプレート１２で行う燃料電池１０を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本実施例の燃料電池１０を構成する単セル１５を断面視して概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池１０は、図１に示す構成の単セル１５を複数積層したスタック構造の固体高分子型燃料電池である。

単セル１５は、電解質膜２０の両側にアノード２１とカソード２２の両電極を備える。このアノード２１とカソード２２は、電解質膜２０の両膜面に接合され電解質膜２０と共に膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を形成する。この他、単セル１５は、電極形成済みの電解質膜２０を両側から挟持するアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とガスセパレーター２５，２６を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。本実施例の単セル１５は、ＭＥＡのアノード２１とアノード側ガス拡散層２３の間にガス透過性と導電性を有する中間層３０を備え、この中間層３０をアノード側ガス拡散層２３に接合させている。

電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード２１およびカソード２２は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成される。

中間層３０は、ガス透過性と導電性を備えるべく、導電性多孔質部材によって形成され、アノード側ガス拡散層２３からＭＥＡのアノード２１への水素ガスの流路となる。中間層３０は、例えば、カーボンペーパやカーボンフェルトのような多孔質カーボン材料や、発泡金属などの種々の多孔質材料で形成することが可能である。この他、中間層３０を、いわゆる撥水層としてのＭＰＬ（ＭＰＬ: Micro Porous Layer）として形成することもでき、例えば、カーボン粒子と、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ： Poly tetra fluoro ethylene ）等の撥水性樹脂からなる樹脂粒子と、セリウム含有酸化物粒子とにより形成することができる。この中間層３０は、ＭＥＡのアノード２１の側に凹凸を備えるが、その詳細については後述する。

ガスセパレーター２５は、アノード側ガス拡散層２３の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路４７を備える。ガスセパレーター２６は、カソード側ガス拡散層２４の側に、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を流すセル内酸化ガス流路４８を備える。なお、図には記載していないが、隣り合う単セル１５間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。これらガスセパレーター２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。

図１では図示していないが、ガスセパレーター２５，２６の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、ガスセパレーター２５，２６が他の部材と共に積層されて燃料電池１０が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池１０内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路４７やセル内酸化ガス流路４８、あるいはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、あるいは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。

本実施例の燃料電池１０は、ガスセパレーター２５のセル内燃料ガス流路４７からの水素ガスを、アノード側ガス拡散層２３で拡散ししつつ中間層３０を経てアノード２１に供給する。空気については、ガスセパレーター２６のセル内酸化ガス流路４８からの空気を、カソード側ガス拡散層２４で拡散ししつつカソード２２に供給する。

次に、中間層３０の詳細な構成について説明する。図２は中間層３０を概略的に斜視と正面視にて示す説明図である。

図１〜図２に示すように、中間層３０は、アノード側ガス拡散層２３の側を平面状としてアノード側ガス拡散層２３に接合し、ＭＥＡのアノード２１の側には筋状に延びる凸条３２と、この凸条３２に隣接した有底の凹条３３とをアノード２１の電極範囲において交互に並べて複数備える。このように凸条３２と凹条３３とを交互に並べるに当たっては、平板状に形成した中間層３０の一方の面に、凹条３３の溝幅に相当するプレス金型を押し付け、凹条３３を所定深さで形成すれば、凸条３２と凹条３３を交互に並べた中間層３０を得ることができる。或いは、中間層３０を、まず凸条３２を有しない平板状の中間品とし、この中間品を既述したようにカーボン粒子とＰＴＦＥ等の樹脂粒子とセリウム含有酸化物粒子とから型成型する。次いで、この中間品の一方の面に、凸条３２の形状に相当する矩形の透孔を多列に有するマスク板を設置し、このマスク板の矩形の透孔に、上記粒子を加圧充填した後、マスク板を取り除くことで、凸条３２と凹条３３を交互に並べた中間層３０を得ることができる。この場合、マスク板の厚みが、凹条３３の深さとなる。

凸条３２と凹条３３を交互に並べた中間層３０をアノード側ガス拡散層２３とＭＥＡのアノード２１との間に接合すると、図１に示すように、凹条３３は、ＭＥＡのアノード２１に対してその溝幅に相当する範囲（以下、溝幅範囲）を占める。そして、この凹条３３は、ＭＥＡの側で開口した上で、溝の深さだけ底部をアノード２１から隔てることから、凹条３３へのＭＥＡの入り込みにより、溝幅範囲において電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡのアノード側ガス拡散層２３の側への伸張を許容する。その一方、凸条３２は、凹条３３が占める溝幅範囲に隣接した凸頂上範囲をＭＥＡのアノード２１に対して占める。そして、この凸条３２は、凸頂上範囲での凸条３２とＭＥＡとの接合により、凸頂上範囲においてＭＥＡの動きをアノード側ガス拡散層２３に対して規制する。

また、この中間層３０では、凸条３２と凹条３３とについて、次のようにその寸法を規定した。つまり、凹条３３がアノード２１に対して占める溝幅範囲をＳＡとし、凸条３２がアノード２１に対して占める凸頂上範囲の面積をＳＢとして求まる面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）が、０．６以上で１．０未満となるように、凸条３２の凸幅Ｂと、凹条３３の溝幅Ａを定めた。図２（Ａ）に示すように、凸条３２と凹条３３は、交互に並んでアノード２１の電極範囲をおいて同じ長さで延びることから、上記した面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）は、凸幅Ｂと溝幅Ａを用いた凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）で求まる。この場合、凸条３２については、その凸部頂上エッジを面取り円弧としても良いほか、凸条３２と凹条３３を、矩形の凹凸の他、三角状の凹凸とすることもできる。図３は中間層３０の他の形状を概略的に斜視と正面視にて示す説明図である。図示するように、凸条３２と凹条３３を、三角状の凹凸とした場合であっても、傾斜斜面で形成される凹条３３の溝幅Ａと、両傾斜面の頂上部である凸条３２の凸幅Ｂについては、Ａ／（Ａ＋Ｂ）が０．６以上で１．０未満となるように定めればよい。

凹条３３の深さｄは、ＭＥＡの厚みと同程度以上であることが望ましく、こうすれば、後述するように凹条３３へのＭＥＡの入り込みが確実となる。また、凹条３３の深さｄは、凹条３３あるいは凸条３２の表面粗さＲｚよりも大きいことが望ましく、こうすれば、凸条３２の底表面にＭＥＡが届いても、表面粗さによるいわゆる毛羽にて不用意にＭＥＡを損傷させないようにできる。

ここで、凹条３３の溝幅Ａと凸条３２の凸幅Ｂの算定について説明する。図４は電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡの挙動を模式的に示す説明図である。なお、図においては、膨潤挙動を強調すべく表したのであって、実際の単セル１５においては、ＭＥＡはその電解質膜２０が膨潤を起こし得るようアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４に挟持されている。

単セル１５（図１参照）に加湿過多でガス供給を行ったり、カソード２２の側での生成水の生成が進んで、ＭＥＡが生成水や水蒸気に晒されると、このＭＥＡは、その有する電解質膜２０（図１参照）の膨潤に伴って伸張し、図４に示すようにうねりを生じる。このうねりの幅をＷとすると、うねり幅Ｗは、次の数式１で表される。この数式１におけるｈはＭＥＡの厚みであり、νはＭＥＡのポアソン比、εはＭＥＡの膨潤率である。

図５はＭＥＡの電解質膜２０の膨潤に伴ううねり幅Ｗと電解質膜２０の膨潤率との関係をＭＥＡの厚み毎に示すグラフである。この図５に示すように、ＭＥＡの厚みが増すほど、うねり幅Ｗは大きくなり、膨潤率が大きくなるとうねり幅Ｗは小さくなる。図１の構成を備える単セル１５において、ＭＥＡの厚みを実情にあった３０μｍとし、４０％の膨潤率（詳しくは、４０％の電解質膜２０の膨潤率）でＭＥＡが膨潤した場合のうねり幅Ｗは、数式１から７３μｍとなる。上記厚みと膨潤率とした電解質膜２０を含むＭＥＡを有する単セル１５において、ＭＥＡの実際のうねりを走査顕微鏡で調べたところ、実際のうねり幅Ｗは８０〜９０となり、数式１から算出したうねり幅Ｗは、実用可能な範囲で実際のうねり幅Ｗに代用できることが判った。

図４に示したようなＭＥＡのうねりは、電解質膜２０の膨潤に伴って起き、電解質膜２０の膨潤の継続やその繰り返しは、電解質膜２０、引いてはＭＥＡの塑性変形を招きかねない。図６はＭＥＡのうねりと損傷の関係を模式的に示す説明図である。仮に、ＭＥＡ（電解質膜２０）に塑性変形が起きると、図６に示すように、ＭＥＡ（電解質膜２０）の乾燥により膜の伸び（うねり）が戻ろうとする際、ＭＥＡ（電解質膜２０）には伸びの戻りに伴う引っ張り応力が作用する。このため、塑性変形が進むほど、引っ張り応力は大きくなり、膜の損傷を招きかねない。こうした事態を抑制するため、本実施例では、上記したように、凹条３３にて、その溝幅範囲において電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡのアノード側ガス拡散層２３の側への伸張を許容し、凹条３３に隣接した凸条３２にて、その凸頂上範囲においてＭＥＡの動きをアノード側ガス拡散層２３に対して規制した上で、凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）が、０．５以上で１．０未満となるように、凸条３２の凸幅Ｂと、凹条３３の溝幅Ａを定めた。なお、上記の凹凸寸法比の関係から、凹条３３の溝幅Ａは凸条３２の凸幅Ｂより広いことになる。

ここで、凸条３２の凸幅Ｂと凹条３３の溝幅Ａを定める上での解析手法を説明する。図７は電解質膜２０の膨潤と乾燥を経たＭＥＡに発生する応力を有限要素法による解析した結果を凸条３２の凸幅Ｂと凹条３３の溝幅Ａと関連付けて概略的に示す説明図である。

図７は、ＭＥＡに起きたうねりを、隣接する凸条３２で挟まれた凹条３３に対応させた場合の応力発生の様子を示しており、既述した溝幅範囲において電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡのアノード側ガス拡散層２３の側への伸張を許容する凹条３３には、ＭＥＡが入り込むよう伸張してうねっている。その一方、凸頂上範囲においてＭＥＡの動きをアノード側ガス拡散層２３に対して規制する凸条３２では、うねりはほぼ起きていない。そして、このようなうねりを起こす電解質膜２０の膨潤が継続されたり繰り返されると、電解質膜２０は塑性変形を起こしやすくなって、乾燥時には、伸びの戻りにより引っ張り応力が高まることが、図７の解析結果からも判明した。つまり、この解析結果から、電解質膜２０の膨潤やその乾燥によるＭＥＡの挙動は、凹条３３と凸条３２の境界で異なるものとなり、この境界で応力集中が起きると言える。これに加え、図２に示す凹条３３の溝幅Ａが小さくなると、電解質膜２０の伸張やこれに伴うＭＥＡのうねりが小さな溝幅Ａの凹条３３で起きざるを得ないために、膜の伸張やうねりに伴う膜の曲がりが制約され、境界で応力集中も過度となると予想される。なお、図７では、ＭＥＡのうねりによる一つの膜の曲がりを凹条３３に対応させているが、凹条３３の凸幅Ｂが大きくなれば、その大きな凸幅Ｂの凹条３３では、ＭＥＡのうねりにより複数の膜の曲がりが起きると考えられる。

図８は有限要素解析結果を凸条３２の凸幅Ｂと凹条３３の溝幅Ａの凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）に応じてプロットしたグラフである。この図８の結果から、凸条３２の凸幅Ｂと凹条３３の溝幅Ａの凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）が０．５より小さいと（サンプルＮｏ．Ｓ１〜Ｓ４）、図７に示したうねりによる湾曲部長さと凹条３３の溝幅Ａの差分を凹条３３の溝幅Ａで除算した変形部の歪み（図８のグラフの左側縦軸）は大きくなり、これに伴って最大主応力（図８のグラフの右側縦軸）も大きいことが判明した。これに対し、凸条３２の凸幅Ｂと凹条３３の溝幅Ａの凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）が０．５以上であれば、変形部の歪みも最大主応力も小さくなり、凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）が０．６以上で１．０未満であれば（サンプルＮｏ．Ｓ５〜Ｓ６）、変形部の歪みと最大主応力とをより確実に小さくできることが判明した。また、この図８の結果から、凹条３３の溝幅Ａについては、これを上記した数式１で定まるうねり幅Ｗより大きくしておくことが、上記の凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）の規定と相まって望ましいと言える。

次に、数式１で定まるうねり幅Ｗは、ＭＥＡの膨潤率εを変数とすることから、このＭＥＡの膨潤率εと溝幅Ａと凸幅Ｂおよび凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）の関係について説明する。図９は異なるＭＥＡの膨潤率εに対する凸条３２の溝幅Ａと凹条３３の凸幅Ｂおよび凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）の対応関係を示す説明図である。

既述したように、本実施例では、凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）を０．５以上としたので、凹条３３の溝幅Ａは凸条３２の凸幅Ｂより広いことになる。その上で、凹条３３の溝幅Ａを上記した数式１で定まるうねり幅Ｗより大きくすると（溝幅Ａ＞うねり幅Ｗ）、凸条３２の凸幅Ｂは数式１で定まるうねり幅Ｗより必然的に小さくなる（凸幅Ｂ＜うねり幅Ｗ）。こうした関係を維持しつつＭＥＡの厚みを７５μｍ、或いは１５０μｍとすると、各厚みについて、凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）が大きいほど凹条３３の溝幅Ａは凸条３２の凸幅Ｂの採択の幅は広がり、この採択幅は、ＭＥＡの膨潤率εが小さいほど広くなる。こうした解析結果を踏まえ、本実施例では、ＭＥＡの厚みを３０μｍとした場合に、凹条３３の溝幅Ａを４００μｍ、凸条３２の凸幅Ｂを５０μｍとして、凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）を０．８９（＝４００／４５０）とした。また、凹条３３の深さｄについては、ＭＥＡの厚み（３０μｍ）より大きな５０μｍとした。こうしたスペックのＭＥＡと中間層３０を有する単セル１５について、乾燥状態でのガス供給・発電と加湿過多（相対湿度１００％）でのガス供給・発電を繰り返す乾湿サイクルリーク試験を行ったところ、リーク回避が確認された。

このようにリーク回避が可能となったのは、隣接する凹条３３と凸条３２とにおいて、凹条３３については、その溝幅範囲において電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡのアノード側ガス拡散層２３の側への伸張を許容するようにし、凹条３３に隣接した凸条３２については、その凸頂上範囲においてＭＥＡの動きをアノード側ガス拡散層２３に対して規制した上で、凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）が、０．５以上で１．０未満となるように、凸条３２の凸幅Ｂと、凹条３３の溝幅Ａを定めたことに起因すると考えられる。つまり、このようにすることで、電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡの凹条３３の内部への入り込みが確実に起き、ＭＥＡの乾燥に伴う伸びの戻りも支障なく起きることから、ＭＥＡにおける電解質膜２０の応力緩和や、応力の過度の集中を抑制でき、これにより、電解質膜２０、引いてはＭＥＡの耐久性を高めて、単セル１５および燃料電池１０についても、その耐久性を向上できる。

また、図８に示した本実施例のサンプルＮｏ．Ｓ５〜Ｓ６の単セル１５では、面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）に相当する凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）を０．６以上としたので、凹条３３によるＭＥＡの溝幅Ａ（伸張許容範囲の面積ＳＡ）は凸条３２の凸幅Ｂ（伸張規制範囲の面積ＳＢ）に対して相対的に広がるので、その分、凹条３３にＭＥＡが入り込む際のＭＥＡの伸張やうねりに伴う曲がりを小さくできる。よって、本実施例によれば、ＭＥＡの電解質膜２０における応力をより緩和できると共に、応力集中の抑制効果が高まり、耐久性向上により一層寄与できる。

本実施例では、ＭＥＡの厚みを３０μｍとした場合に、凹条３３の溝幅Ａを４００μｍ、その深さｄを５０μｍ、凸条３２の凸幅Ｂを５０μｍとしたので、凹条３３と凸条３２の表面積を、溝幅範囲の面積と凸条３２の凸頂上範囲の面積の和で除算した面積比は、１．２２となる。その一方、３０μｍの厚みのＭＥＡが給水状態にある場合のその面積増加率は１．９６であり、ＭＥＡの面積増加率の方が上記の面積比より大きい。よって、電解質膜２０の膨潤に伴って、ＭＥＡは凹条３３の溝内に隙が少ない状態で入り込むことになるので、凹条３３の溝内の隙に水分がたまりにくくなり、フラッディングの抑制の上から好ましい。また、凹条３３における中間層３０とＭＥＡとの接触面積も確保できることから、電池性能の維持もしくはその向上を図ることができる。この場合、凹条３３と凸条３２の表面積は、凹条３３の深さｄを用いて算出されることから、ＭＥＡの面積増加率の方が上記の面積比より大きくなるように、凹条３３の深さｄについても考慮して定めればよい。

また、上記したような耐久性向上を、凸条３２と凹条３３とを交互に並べた中間層３０を、凹条３３の開口側がアノード２１に向くよう、アノード２１とアノード側ガス拡散層２３の間に介在させるだけでよいので、簡便である。しかも、凹条３３は有底であることから、中間層３０だけを取り扱えばよいことから、単セル１５、延いては燃料電池１０の製造工程も簡略化できる。

次に、凸条３２と凹条３３の他の形態について説明する。図１０は第２実施例の単セル１５における中間層３０Ａを概略的に示す斜視図、図１１は図１０における１１−１１線断面図である。

図示するように、この実施例の中間層３０Ａは、その一表面側に、有底の円形凹部３３Ａを縦横に等ピッチで備え、一つの円形凹部３３Ａを取り囲む矩形範囲を凸部３２Ａとする。図１０では、一つの円形凹部３３Ａを取り囲む凸部３２Ａの矩形範囲が太線とその内部の平行線にて表されている。凸部３２Ａは、中間層３０Ａの一表面において円形凹部３３Ａを除く範囲として連続しているが、これは、一つの円形凹部３３Ａを取り囲む矩形範囲が連続していると捕られることができると共に、円形凹部３３Ａの凹部形状範囲は凸部３２Ａの矩形範囲に隣接しているとも言える。そして、円形凹部３３Ａは、その凹部形状範囲において、先の実施例における凹条３３の溝幅範囲と同様に、電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡのアノード側ガス拡散層２３の側への伸張を許容し、凸部３２Ａは、円形凹部３３Ａを取り囲む矩形範囲において、先の実施例の凸条３２と同様に、ＭＥＡの動きをアノード側ガス拡散層２３に対して規制する。つまり、この実施例の中間層３０Ａによっても、円形凹部３３Ａと凸部３２Ａとが凹条３３と凸条３２と同様の機能を果たす。なお、円形凹部３３Ａは、平板状の中間層３０Ａの一表面を円形の凸状プレス金型で押圧することで形成される。

そして、この実施例では、図１１に示すように、円形凹部３３Ａの直径Ａを４００μｍ、深さｄを５０μｍ、隣り合う円形凹部３３Ａの間隔Ｂを５０μｍとしたので、円形凹部３３Ａの凹部形状範囲の面積ＳＡと凸部３２Ａの矩形範囲の面積ＳＢを用いた面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）は、０．６２（＝２００²π／（（４５０ｘ４５０−２００²π）＋２００²π）となる。しかも、円形凹部３３Ａの凹部形状範囲の直径Ａは、上記した数式１で定まるうねり幅Ｗより大きくなる。この結果、この実施例の中間層３０Ａによっても、電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡの円形凹部３３Ａの内部への入り込みが確実に起き、ＭＥＡの乾燥に伴う伸びの戻りも支障なく起きることから、ＭＥＡにおける電解質膜２０の応力緩和や、応力の過度の集中を抑制でき、これにより、電解質膜２０、引いてはＭＥＡの耐久性を高めて、単セル１５および燃料電池１０についても、その耐久性を向上できる。

また、この実施例では、ＭＥＡの厚みを３０μｍとした場合に、既述したように円形凹部３３Ａの直径Ａを４００μｍ、深さｄを５０μｍ、隣り合う円形凹部３３Ａの間隔Ｂを５０μｍとしたので、円形凹部３３Ａと凸部３２Ａの表面積を、円形凹部３３Ａの凹部形状範囲の面積ＳＡと凸部３２Ａの矩形範囲の面積ＳＢの和で除算した面積比は、１．３９となる。その一方、３０μｍの厚みのＭＥＡが給水状態にある場合のその面積増加率は１．９６であり、ＭＥＡの面積増加率の方が上記の面積比より大きい。よって、電解質膜２０の膨潤に伴って、ＭＥＡは円形凹部３３Ａの溝内に隙が少ない状態で入り込むことになるので、円形凹部３３Ａの溝内の隙に水分がたまりにくくなり、フラッディングの抑制の上から好ましい。なお、円形凹部３３Ａを、矩形形状で凹とされた凹部とすることもできる。

図１２は隣り合う円形凹部３３Ａが隣接するようにした中間層３０Ａを平面視して示す説明図である。このようにした場合、円形凹部３３Ａの半径をａとすると、円形凹部３３Ａの凹部形状範囲の面積ＳＡと凸部３２Ａの矩形範囲の面積ＳＢを用いた面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）は、０．７８５（＝πａ²／（（４ａ²−πａ²）＋πａ²）となる。また、円形凹部３３Ａと凸部３２Ａの表面積を、円形凹部３３Ａの凹部形状範囲の面積ＳＡと凸部３２Ａの矩形範囲の面積ＳＢの和で除算した面積比は、円形凹部３３Ａの深さをｄとすると、（πｄ＋２ａ）／ａとなるので、この面積比が３０μｍの厚みのＭＥＡが給水状態にある場合の面積増加率は１．９６より小さくなるように定めることができる。

次に、中間層３０を用いない実施例について説明する。図１３は凸条３２と凹条３３に代わる凸条および凹条をアノード２１に設けた第３実施例におけるＭＥＡを概略的に示す斜視図である。

図示するように、この実施例では、電解質膜２０に接合したアノード２１とカソード２２のうち、アノード２１に凸条３２Ｂと凹条３３Ｂを交互に並べて有する。この場合、アノード２１は、電解質膜２０に接合して形成された触媒を含む電極であるため、電解質膜２０の膨潤に伴ってこの電解質膜２０に接合したまま伸張する性状を有する。そして、アノード２１は、凸条３２Ｂと凹条３３Ｂを、電解質膜２０と反対側の表面、即ち、アノード側ガス拡散層２３（図１参照）との接合面側に備える。この実施例にあっても、凹条３３Ｂは、アノード側ガス拡散層２３の側で開口した有底の凹部とされ、凹部の底部（即ち、アノード２１自体）が膨潤する電解質膜２０と共に伸張することで、電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡのアノード側ガス拡散層２３の側への伸張を許容する。凸条３２Ｂは、アノード側ガス拡散層２３に接合することで、ＭＥＡの動きをアノード側ガス拡散層２３に対して規制する。この場合、凹条３３Ｂの溝幅Ａとその深さｄや凸条３２Ｂの凸幅Ｂについては、先の実施例と同様に定めることができる。なお、図におけるｈは、ＭＥＡの厚み（例えば、既述した３０μｍ）を表している。

こうした構成のアノード２１を有するＭＥＡを得るに当たっては、予めアノード２１を平板状とした上で、電解質膜２０と反対側の面に凹条３３Ｂの溝幅に相当するプレス金型を押し付け、凹条３３Ｂを所定深さで形成すれば、凸条３２Ｂと凹条３３Ｂを交互に並べたアノード２１を有するＭＥＡを得ることができる。或いは、アノード２１を、まず凸条３２Ｂを有しない平板状の中間品とし、この中間品を白金等の触媒を担持した担体と電解質樹脂のいわゆる電極ペーストから形成し、次いで、この中間品の一方の面に、凸条３２Ｂの形状に相当する矩形の透孔を多列に有するマスク板を設置し、このマスク板の矩形の透孔に、上記電極ペーストを充填した後、マスク板を取り除くことで、凸条３２Ｂと凹条３３Ｂを交互に並べたアノード２１を得ることができる。そして、このアノード２１を電解質膜２０に転写することで、凸条３２Ｂと凹条３３Ｂを交互に並べたアノード２１を有するＭＥＡを得ることができる。この場合、マスク板の厚みが、凹条３３Ｂの深さとなる。また、凸条３２Ｂを反転させた形状の凹条と、凹条３３Ｂを反転させた形状の凸条とを交互に有するフッ素系樹脂シート（例えば、テフロン：登録商標）の表面に、上記の電極ペーストにてアノード２１を形成し、このアノード２１を電解質膜２０に転写することで、凸条３２Ｂと凹条３３Ｂを交互に並べたアノード２１を有するＭＥＡを得ることができる。

この図１３に示したＭＥＡを有する単セル１５にあっても、アノード２１の凸条３２Ｂと凹条３３Ｂが既述した実施例の凸条３２と凹条３３と同様の機能を果たすことから、電解質膜２０、延いては燃料電池１０の耐久性を向上できる。また、この実施例では、図１２に示すＭＥＡをアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４で挟持すればよいことから、簡便となる。

次に、凸条３２と凹条３３とそれぞれの機能（電解質膜２０の伸張の許容・規制）では同じであるものの、その機能の果たし方が相違する実施例について説明する。図１４は接着と非接着により電解質膜２０の伸張の許容と規制の機能を果たす第４実施例の中間層３０Ｃを概略的に斜視にて示す説明図である。

図示するように、この実施例の中間層３０Ｃは、アノード側ガス拡散層２３と接合した上で、アノード側ガス拡散層２３と反対側、即ち図１に示したアノード２１の側に、接着機能を有する帯状の接着部３２Ｃと接着機能を有しない帯状の非接着部３３Ｃを交互に並べて有する。この中間層３０Ｃは、既述した撥水層としてのＭＰＬとして形成され、配合するカーボン粒子の粒径や配合の状況を調整することで塑性特性が付与され、電解質膜２０の膨潤に伴ってその電解質膜２０に接合したまま伸張する性状を有する。

この中間層３０Ｃを、接着部３２Ｃと非接着部３３Ｃがアノード２１の側となるよう、アノード２１とアノード側ガス拡散層２３の間に配設すると、接着部３２Ｃは、ＭＥＡ（詳しくは、アノード２１）との接着により、このＭＥＡの動きをアノード側ガス拡散層２３（図１参照）に対して規制する。非接着部３３Ｃは、当該部位の中間層３０Ｃが膨潤する電解質膜２０と共に伸張することで、電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡのアノード側ガス拡散層２３の側への伸張を許容する。つまり、非接着部３３Ｃは、既述した凹条３３等と同様の機能をアノード２１と接着しないことで果たし、接着部３２Ｃは、既述した凸条３２等と同様の機能をアノード２１に接着することで果たす。そして、非接着部３３Ｃの帯幅Ａや接着部３２Ｃの帯幅Ｂについては、凹条３３の溝幅Ａや凸条３２の凸幅Ｂと同様に定めることができる。

こうした構成の中間層３０Ｃを得るに当たっては、中間層３０Ｃの表面に、接着部３２Ｃの帯幅Ｂに相当する範囲に亘って帯状に接着剤を等ピッチ（ピッチは非接着部３３Ｃの帯幅Ａ）で塗布或いは転写することで、接着部３２Ｃと非接着部３３Ｃを交互に並べた中間層３０Ｃを得ることができる。或いは、中間層３０Ｃにアノード２１を重ねて配置し、接着部３２Ｃの帯幅Ｂで延びる帯状の熱圧着プレートスプレーにて中間層３０Ｃとアノード２１とを熱圧着し、その熱圧着部位を、非接着部３３Ｃの帯幅Ａをピッチとしてズラせば、中間層３０Ｃは、熱圧着部位を接着部３２Ｃとしてアノード２１に接着し、熱圧着部位の間で熱圧着を受けない部位を非接着部３３Ｃとしてアノード２１に接着させないようにする。

この図１４に示した中間層３０Ｃを有する単セル１５にあっても、中間層３０Ｃの接着部３２Ｃと非接着部３３Ｃが既述した実施例の凸条３２と凹条３３と同様の機能を果たすことから、電解質膜２０、延いては燃料電池１０の耐久性を向上できる。この場合、非接着部３３Ｃでは、中間層３０Ｃが電解質膜２０の膨潤に伴って伸張する性状であることから、電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡの伸張やうねりを起きにくくしない。よって、電解質膜２０に大きな緊張を与えないようにできるので、接着部３２Ｃと非接着部３３Ｃによる耐久性の向上を損なわない。

次に、接着部３２Ｃと非接着部３３Ｃの他の形態について説明する。図１５は第５実施例の単セル１５における中間層３０Ｄを概略的に示す斜視図である。

図示するように、この実施例の中間層３０Ｄは、アノード側ガス拡散層２３と接合した上で、アノード側ガス拡散層２３と反対側、即ち図１に示したアノード２１の側に、接着機能を有しない円形非接着部３３Ｄを縦横に等ピッチで備え、一つの円形非接着部３３Ｄを取り囲む矩形範囲を接着部３２Ｄとする。図１０では、一つの円形非接着部３３Ｄを取り囲む接着部３２Ｄの矩形範囲が太線とその内部の平行線にて表されている。接着部３２Ｄは、中間層３０Ａの一表面において円形非接着部３３Ｄを除く範囲として連続しているが、これは、一つの円形非接着部３３Ｄを取り囲む矩形範囲が連続していると捕られることができると共に、円形非接着部３３Ｄの範囲は接着部３２Ｄの矩形範囲に隣接しているとも言える。そして、円形非接着部３３Ｄは、その円形形状範囲において、先の実施例における非接着部３３Ｃの溝幅範囲と同様に、電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡのアノード側ガス拡散層２３の側への伸張を許容し、接着部３２Ｄは、円形非接着部３３Ｄを取り囲む矩形範囲において、先の実施例の接着部３２Ｃと同様に、ＭＥＡの動きをアノード側ガス拡散層２３に対して規制する。つまり、この実施例の中間層３０Ｄによっても、円形非接着部３３Ｄと接着部３２Ｄとが非接着部３３Ｃと接着部３２Ｃと同様の機能を果たす。

この実施例では、図１１において説明した円形凹部３３Ａの凹部形状範囲の面積ＳＡと凸部３２Ａの矩形範囲の面積ＳＢを用いた面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）を、円形非接着部３３Ｄの円形形状範囲の面積ＳＡと接着部３２Ｄの矩形範囲の面積ＳＢを用いた面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）とし、この面積比が０．５以上、好ましくは０．６以上となるように、円形非接着部３３Ｄの直径や接着部３２Ｄの矩形範囲の縦横寸法（詳しくは、円形非接着部３３Ｄの形成ピッチ）を定めればよい。

こうした構成の中間層３０Ｄを得るに当たっては、中間層３０Ｄの表面に、円形非接着部３３Ｄを除く領域に亘って接着剤を塗布或いは転写することで、円形非接着部３３Ｄを縦横に並べ、一つの円形非接着部３３Ｄを取り囲む接着部３２Ｄを交互に並べた中間層３０Ｄを得ることができる。或いは、中間層３０Ｄにアノード２１を重ねて配置し、円形非接着部３３Ｄを除く領域において熱圧着を図る熱圧着プレートスプレーにて中間層３０Ｄとアノード２１とを熱圧着すれば、中間層３０Ｃは、熱圧着部位を接着部３２Ｄとしてアノード２１に接着し、熱圧着部位の間で熱圧着を受けない部位を円形非接着部３３Ｄとしてアノード２１に接着させないようにする。

この図１５に示した中間層３０Ｄを有する単セル１５にあっても、中間層３０Ｄの接着部３２Ｄと円形非接着部３３Ｄが既述した実施例の凸条３２と凹条３３、および接着部３２Ｃと非接着部３３Ｃと同様の機能を果たすことから、電解質膜２０、延いては燃料電池１０の耐久性を向上できる。この場合、円形非接着部３３Ｄでは、中間層３０Ｄが電解質膜２０の膨潤に伴って伸張する性状であることから、電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡの伸張やうねりを起きにくくしない。よって、電解質膜２０に大きな緊張を与えないようにできるので、接着部３２Ｄと円形非接着部３３Ｄによる耐久性の向上を損なわない。

次に、中間層３０の他の実施例について説明する。図１６は凸条３２Ｅを多列に有する実施例の中間層３０Ｅを概略的に斜視にて示す説明図である。この実施例では、中間層３０Ｅは、アノード側ガス拡散層２３の側を平面状としてアノード側ガス拡散層２３に接合し、ＭＥＡのアノード２１の側には筋状に延びる凸条３２Ｅを多列に平行に備える。つまり、中間層３０Ｅは、既述した実施例の凹条３３を備えず、多列の凸条３２Ｅの間の凹条間部位３３Ｅを、凹条３３に代用し、この凹条間部位３３Ｅにおいて、電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡのアノード側ガス拡散層２３の側への伸張を許容する。この場合、凸条３２Ｅを多列に平行に備えるに当たっては、アノード側ガス拡散層２３の一方の表面に、凸条３２Ｅの形状に相当する矩形の透孔を多列に有するマスク板を設置し、このマスク板の矩形の透孔に、カーボン粒子とＰＴＦＥ等の樹脂粒子等の既述した粒子を加圧充填した後、マスク板を取り除くことで、凸条３２Ｅを多列に備え、その列間を凹条間部位３３Ｅとする中間層３０Ｅを得ることができる。この場合、マスク板の厚みが、凸条３２Ｅの突出高さ、即ち凹条３３におけるその深さｄ（図２参照）となる。この実施例によっても、多列の凸条３２Ｅと列間の凹条間部位３３Ｅが先の実施例における凸条３２と凹条３３と同様の機能を果たすので、既述した効果を奏することができる。

次に、単セル１５におけるガス流路軌跡との関係について説明する。単セル１５におけるガス流路、例えば、カソード２２の側で空気供給を図るセル内酸化ガス流路４８は、種々の軌跡で単セル１５に形成される。図１７は空気のセル内酸化ガス流路４８が多列に平行配設された形態を示す説明図である。その他の流路形態については後述する。

図１７に示す単セル１５は、多列のセル内酸化ガス流路４８を平行に備え、空気入口側から、空気をそれぞれのセル内酸化ガス流路４８を経て空気出口側に流す。このようにしてガス供給を受ける単セル１５は、電気化学反応の進行に伴ってカソード２２の側で水を生成する。この生成水は、上記した平行で多列のセル内酸化ガス流路４８のそれぞれでガス下流側の空気出口に運ばれる。生成水は、ＭＥＡの電解質膜２０に対して作用するので、電解質膜２０は膨潤を起こす。ところが、生成水は、流路を流れる空気によって下流側に運ばれることから、空気入口側から出口側に掛けては、ＭＥＡの電解質膜２０に対して作用する生成水量が相違することになる。これにより、電解質膜２０の膨潤の程度は、セル内酸化ガス流路４８の流路軌跡において異なることとなる。

本実施例では、ＭＥＡの電解質膜２０に対して作用する水分量の相違に対処すべく、以下に説明するような中間層３０の凸条３２と凹条３３の設計手法を用いた。図１８は中間層３０における凸条３２と凹条３３の形状を定める設計手法を示す手順図である。

図示するように、まず、セル内酸化ガス流路４８に対して、図１７に示す単セル１５であれば、平行に多列のセル内酸化ガス流路４８を有する単セル１５に対して、セル面内、もしくは電極面内でのＭＥＡの含水量を算出する（ステップＳ１００）。この含水量算出は、コンピューターを用いたシミュレーション計算にて行うことができるほか、単セル１５の流路各部位に歪みゲージや圧力センサーなどを設置し、これらのセンシング結果に基づいて、ＭＥＡ含水量を算出するようにすることもできる。なお、シミュレーション計算の際の因子は、ガス流量、ガス温度、セル温度並びに上記したセル内酸化ガス流路４８の形状などである。

次に、単セル１５に想定される各運転条件での膜（ＭＥＡ）の含水量を求め、その含水量に基づいたセル内各位置での最大膨潤率を算出する（ステップＳ１１０）。例えば、図１７に示す流路構成の単セル１５であれば、セル内酸化ガス流路４８をガス流れ方向にほぼ等分に区画した場合のガス入口側の第１領域（Ｓｅｃ１）と、中央の第２領域（Ｓｅｃ２）と、ガス出口側の第３領域（Ｓｅｃ３）とし、各領域での最大膨潤率を求める。図１７には、この結果が付してあり、これによれば、下流側の領域ほど、ＭＥＡ含水量が多くなって最大膨潤率が高いことが判る。この結果は、それぞれのセル内酸化ガス流路４８は、上流側から下流側に単純に空気を流すので、流路を流れる空気に運ばれる生成水は、下流側の領域ほど増えることに符合する。

ステップＳ１１０に続くステップＳ１２０では、求めた各領域毎の最大膨潤率から、中間層３０の凸条３２と凹条３３の形状を設定する。この際、図９で説明したＭＥＡの膨潤率εに対する凸条３２の溝幅Ａと凹条３３の凸幅Ｂおよび凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）の対応関係や、数式１で得られるＭＥＡのうねり幅Ｗを考慮することになる。例えば、図１７に示す流路軌跡のセル内酸化ガス流路４８を有する１５では、第１〜第３の領域のいずれも、凹条３３の溝幅Ａを数式１のうねり幅Ｗ（ＭＥＡの厚み：３０μｍ）を超える４００μｍとし、凹条３３の深さｄをＭＥＡの厚み（３０μｍ）以上の５０μｍとし、凸条３２の凸幅Ｂについては、第１領域（Ｓｅｃ１）では１４０μｍ、第２領域（Ｓｅｃ２）では１００μｍ、第３領域（Ｓｅｃ３）では６０μｍとした。

この場合、各領域での凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）は、第１領域（Ｓｅｃ１）では０．７４（＝４００／（４００＋１４０））、第２領域（Ｓｅｃ２）では０．８（＝４００／（４００＋１００））、第３領域（Ｓｅｃ３）では０．８７（＝４００／（４００＋６０））となる。つまり、上記の各領域でＭＥＡの電解質膜２０に対して作用する生成水の水分量に応じて異なることから、ステップＳ１２０では、凸条３２と凹条３３の凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）を、上記の各領域で異なるものとし、水分量が多い下流側の第３領域（Ｓｅｃ３）の凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）を、当該領域より上流であるために水分量が少ない第１、第２の領域の凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）より大きくする。第１領域（Ｓｅｃ１）と第２領域（Ｓｅｃ２）の関係についても同様である。

こうしてした中間層３０の凸条３２と凹条３３の形状を設定した後は、ステップＳ１３０で、その設定した形状の凸条３２と凹条３３とを有する中間層３０を作製し、この中間層３０とＭＥＡやアノード側ガス拡散層２３等から単セル１５を作製する。この単セル１５を用いて燃料電池１０が製造される。

このようにして、図１７に示す流路軌跡のセル内酸化ガス流路４８を有する１５について、下流側で電解質膜２０に対して作用する水分量が多い第３領域（Ｓｅｃ３）の凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）をその上流領域より大きくした。よって、次の利点がある。

電解質膜２０に対して作用する水分量が多いと、電解質膜２０の膨潤率も大きくなり、膜膨潤によるＭＥＡの伸張、引いては上記したうねりが顕著となる。ところが、本実施例では、水分量が多い第３領域（Ｓｅｃ３）では凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）が大きいことから、凹条３３によるＭＥＡの伸張許容範囲（溝幅Ａ）は、凸条３２によるＭＥＡの伸張規制範囲（凸幅Ｂ）に対して相対的に広くなる。このため、水分量が多い第３領域（Ｓｅｃ３）であっても、当該領域の凹条３３の溝幅Ａにおいては、ＭＥＡの無理な伸張やうねりを抑止して、うねりに伴う曲がりを小さくできるので、ＭＥＡの電解質膜２０における応力緩和や応力集中の抑制を、電解質膜２０に対して作用する水分量の相違に拘わらず、高い実効性で達成できる。この結果、電解質膜２０に対して作用する水分量に応じて凸条３２と凹条３３の凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）を調整する本実施例によれば、電解質膜２０を含むＭＥＡの全域における耐久性を向上でき、燃料電池の耐久性についても、これを確実に高めることができる。

セル内酸化ガス流路４８の流路軌跡は種々のものがあるので、これらについても説明する。図１９はセル内酸化ガス流路４８が折り返し経路とされた形態を示す説明図、図２０は単セル１５における空気の入口側と出口側との間においてセル内酸化ガス流路４８が平行配設された形態を示す説明図である。

図１９に示す単セル１５は、一筋のセル内酸化ガス流路４８を、空気入口側から空気出口に到るまで折り返して形成し、空気をセル内で折り返しながら流す。こうした折り返し軌跡のセル内酸化ガス流路４８を有する単セル１５にあっても、セル内酸化ガス流路４８の下流側ほど、空気に運ばれる生成水が多くなる。よって、図示するように、空気入口側から空気の流れに沿って第１領域（Ｓｅｃ１）と、中央の第２領域（Ｓｅｃ２）と、ガス出口側の第３領域（Ｓｅｃ３）とし、各領域について、既述したように含水量算出と最大膨潤率の算出（ステップＳ１００〜１１０）、中間層３０の凸条３２と凹条３３の形状設定（ステップＳ１２０）を行い、中間層３０および単セル１５を作製する（ステップＳ１３０）。こうすれば、図１９に示すように折り返し流路軌跡のセル内酸化ガス流路４８を有する単セル１５にあっても、既述したように電解質膜２０を含むＭＥＡの全域における耐久性を向上でき、燃料電池の耐久性も高めることができる。

図２０に示す単セル１５は、空気の入口側において、その下流に平行で多列とされたセル内酸化ガス流路４８に空気を分流し、各流路の末端から流れ出た空気を合流させて出口から排出させる。こうした流路軌跡のセル内酸化ガス流路４８を有する単セル１５では、入口側での分流と出口側での合流を起こす都合から、セル内酸化ガス流路４８を上流下流に２分割して、それぞれの領域についての含水量算出と最大膨潤率の算出等を行った。その結果、上流側領域は、図１７で説明した第２領域（Ｓｅｃ２）と第３領域（Ｓｅｃ３）に相当する含水量と最大膨潤率であったので、この第２領域（Ｓｅｃ２）と第３領域（Ｓｅｃ３）で採用した凹凸形状に倣うことにした。そして、図２０に示す分流・合流を起こす流路軌跡のセル内酸化ガス流路４８を有する単セル１５にあっても、既述したように電解質膜２０を含むＭＥＡの全域における耐久性を向上でき、燃料電池の耐久性も高めることができる。

次に、燃料電池１０における単セル１５のスタック構造との関係について説明する。燃料電池１０は、対向するエンドプレート１２にて単セル１５を積層挟持したスタック構造を採る。このスタックに対するガス供排は、二つに大別される。図２１はスタックに対するガス給排をそれぞれのエンドプレート１２で行う燃料電池１０を示す説明図、図２２はスタックに対するガス給排を一方のエンドプレート１２で行う燃料電池１０を示す説明図である。

図２１に示す燃料電池１０は、一方のエンドプレート１２の側からガスを供給し、その供給したガスを、それぞれの単セル１５に行き渡らせ、単セル１５で未消費のガスを、他方のエンドプレート１２の側から排出する。こうしたガス給排を行う燃料電池１０では、ガス入口側の単セル１５で余剰となった生成水やガス加湿用の水蒸気は、ガスに運ばれて下流側の単セル１５に入り込む。このため、スタック構造におけるガス入口側から出口側に掛けては、ＭＥＡの電解質膜２０に対して作用する水分量が単セル１５の積層位置で相違することになる。これにより、電解質膜２０の膨潤の程度は、単セル１５の積層位置において異なることとなる。

本実施例では、ＭＥＡの電解質膜２０に対して作用する水分量がセル積層位置により異なることに対処すべく、既述した中間層３０の凸条３２と凹条３３の設計手法に倣って、単セル１５の積層位置に応じて中間層３０における凸条３２と凹条３３の形状を定めることにした。つまり、スタック構造におけるガス入口側に積層される単セル１５を第１領域セル群（Ｓｅｃ１）とし、スタック中央に積層される単セル１５を第２領域セル群（Ｓｅｃ２）とし、スタック構造におけるガス出口側に積層される単セル１５を第３領域セル群（Ｓｅｃ３）とし、各セル群毎に既述したように含水量算出と最大膨潤率の算出（ステップＳ１００〜１１０）、中間層３０の凸条３２と凹条３３の形状設定（ステップＳ１２０）を行った。このため、スタック構造における単セル１５の積層位置に拘わらず、ＭＥＡの電解質膜２０における応力緩和や応力集中の抑制を高い実効性で達成できるので、電解質膜２０を含むＭＥＡの全域における耐久性の向上ばかりか、単セル１５を複数積層したスタック構造全体として、燃料電池の耐久性を向上できる。この場合、それぞれの単セル１５においては、図１７等で示したようにガス流路における流路位置（第１領域：Ｓｅｃ１〜第３領域：Ｓｅｃ３）で凹条３３の凸幅Ｂ等を定めた上で、その定めた領域ごとの凸幅Ｂ等を、更に、スタック構造における単セル１５の積層位置に応じた第１領域セル群〜第３領域セル群に対応させて設定するようにすることもできる。

図２２に示す燃料電池１０は、一方のエンドプレート１２の側からガスを供給し、その供給したガスを、それぞれの単セル１５に行き渡らせ、単セル１５で未消費のガスを他方のエンドプレート１２の側で折り返すようにして、ガス供給側のエンドプレート１２から排出する。つまり、図２２に示す燃料電池１０は、スタック構造において、いわゆるデッドエンドの流路構造を有する。このようにしてガス給排を行う燃料電池１０では、ガス折り返しエンドプレート１２の側に積層された単セル１５に余剰生成水やガス加湿用の水蒸気が運ばれるので、ガス折り返しエンドプレート１２の積層位置では、ＭＥＡの電解質膜２０に対して作用する水分量が多くなる。また、ガス折り返しの都合から、ＭＥＡの電解質膜２０に対して作用する水分量が多くなる単セル１５の数も増える。

本実施例では、ＭＥＡの電解質膜２０に対して作用する水分量がセル積層位置とデッドエンドでのガス給排の様子により異なることに対処すべく、既述した中間層３０の凸条３２と凹条３３の設計手法に倣って、単セル１５の積層位置に応じて中間層３０における凸条３２と凹条３３の形状を定めることにした。つまり、スタック構造におけるガス入口側に積層される単セル１５を第１領域セル群（Ｓｅｃ１）とし、スタック中央に積層される単セル１５を第２領域セル群（Ｓｅｃ２）とし、スタック構造におけるガス出口側に積層される単セル１５を第３領域セル群（Ｓｅｃ３）とした上で、第３領域セル群（Ｓｅｃ３）に含まれる単セル１５の数を多くし、各セル群毎に既述したように含水量算出と最大膨潤率の算出（ステップＳ１００〜１１０）、中間層３０の凸条３２と凹条３３の形状設定（ステップＳ１２０）を行った。このため、スタック構造における単セル１５の積層位置に拘わらず、ＭＥＡの電解質膜２０における応力緩和や応力集中の抑制を高い実効性で達成できるので、既述した効果を奏することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、アノード２１に接合する第１実施例の凸条３２や、アノード側ガス拡散層２３に接合する第３実施例の凸条３２Ｂ、或いは凸条３２Ｅにおいて、その凸部頂上面に接着剤を塗布または転写するようにできる。こうすれば、凸条３２等とＭＥＡ（詳しくは、アノード２１）の接着により、ＭＥＡの動きをより確実に規制できる。しかも、中間層３０とＭＥＡとを一体物として取り扱うことができるので、その取扱が簡便となり、燃料電池１０の製造工程を簡略化できる。

また、上記の凸条３２等の凸条を、その形成時におけるカーボン粒子の粒径調整や配向調整により、凸条３２以外の箇所、具体的には凹条３３よりその硬度を高くするようにできる。こうすれば、凸条３２の間の凹条３３の形状維持を図ることができるので、電解質膜２０の膨潤に伴うＭＥＡのアノード側ガス拡散層２３の側への伸張を凹条３３においてより確実に許容できるので、耐久性向上により寄与できる。

また、図２１〜図２２では、燃料電池１０のスタック構造における単セル１５の積層方向を考慮しないで説明したが、セル積層方向を考慮することもできる。例えば、単セル１５が鉛直方向に積層されたスタック構造の燃料電池１０では、重力により、鉛直下方側に積層された単セル１５ほど、余剰生成水が集まりやすい。よって、単セル１５の積層位置が鉛直下方側であれば、ＭＥＡの電解質膜２０に対して作用する水分量が多くなるとして、凸条３２や凹条３３の形状設定を行う、具体的には、凸条３２の凸幅Ｂや凹条３３の溝幅Ａ、並びに凹凸寸法比Ａ／（Ａ＋Ｂ）を調整すればよい。

更に、中間層３０については、カソード２２の側にも配設するようにすることもできる。

１０…燃料電池
１２…エンドプレート
１５…単セル
２０…電解質膜
２１…アノード
２２…カソード
２３…アノード側ガス拡散層
２４…カソード側ガス拡散層
２５…ガスセパレーター
２６…ガスセパレーター
３０、３０Ａ〜３０Ｅ…中間層
３２…凸条
３２Ａ…凸部
３２Ｂ…凸条
３２Ｃ…接着部
３２Ｄ…接着部
３２Ｅ…凸条
３３…凹条
３３Ａ…円形凹部
３３Ｂ…凹条
３３Ｃ…非接着部
３３Ｄ…円形非接着部
３３Ｅ…凹条間部位
４７…セル内燃料ガス流路
４８…セル内酸化ガス流路

Claims (6)

1. 電解質膜の両膜面に電極を接合した膜電極接合体をガス拡散層で挟持した燃料電池であって、
   前記膜電極接合体の前記電極に対して所定の範囲を占める許容部と、該許容部が占める前記範囲に隣接した範囲を前記膜電極接合体の前記電極に対して占める規制部とを、前記電極の電極面の範囲において並べて複数備え、
   前記許容部は、前記電極に対して占める前記所定の範囲において前記電解質膜の膨潤に伴う前記膜電極接合体の前記ガス拡散層の側への伸張を許容し、
   前記規制部は、前記隣接した範囲において前記膜電極接合体の動きを前記ガス拡散層に対して規制し、
   前記規制部と前記許容部とは、
   前記許容部が前記電極に対して占める範囲の面積をＳＡとし、前記規制部が前記電極に対して占める範囲の面積をＳＢとして求まる面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）が０．５以上で１．０未満となるようにされ、
   前記ガス拡散層と前記膜電極接合体との間に、ガス透過性と導電性を有する中間層を接合して備え、
   該中間層は、
   前記許容部と前記規制部とを前記膜電極接合体との接合面側に有し、
   前記許容部を前記膜電極接合体の側で開口した凹部として、前記許容部ごとの前記凹部の開口面積を前記ＳＡとすると共に、前記許容部としての前記凹部への前記膜電極接合体の入り込みにより、前記電解質膜の膨潤に伴う前記膜電極接合体の前記ガス拡散層の側への伸張を許容し、
   前記規制部を前記膜電極接合体に接合する凸部として、前記膜電極接合体に接合する前記凸部の前記規制部ごとの接合領域の面積を前記ＳＢとすると共に、前記規制部としての前記凸部と前記膜電極接合体との接合により、前記膜電極接合体の動きを前記ガス拡散層に対して規制する
   燃料電池。
2. 前記面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）が０．６以上である請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）を前記膜電極接合体の前記電解質膜に対して作用する水分量に応じて異なるものとし、前記作用する水分量が多い範囲の前記面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）を、前記作用する水分量が少ない他の範囲の前記面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）より大きくした請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
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であって、
   前記膜電極接合体をガス拡散層で挟持した発電単位を複数積層したスタック構造を備え、
   前記面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）を前記スタック構造における前記発電単位の積層位置に応じて異なるものとし、前記膜電極接合体の前記電解質膜に対して作用する水分量が多い積層位置の前記発電単位の前記面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）を、前記作用する水分量が少ない他の積層位置の前記発電単位の前記面積比ＳＡ／（ＳＡ＋ＳＢ）より大きくした
   燃料電池。
5. 前記許容部としての前記凹部は有底とされている請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記規制部としての前記凸部は、前記膜電極接合体との接合箇所において前記膜電極接合体と接着されている請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。

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