JP5564623B1 - 固体高分子電解質型燃料電池、および電解質膜−電極−枠接合体 - Google Patents

Abstract

高い耐久性を有する固体高分子電解質型燃料電池を提供する。電解質膜−電極−枠接合体と、一対のセパレータと、を備えて構成される単電池モジュールを積層してなる固体高分子電解質型燃料電池を提供する。電解質膜−電極−枠接合体は、高分子電解質膜とアノード触媒とカソード触媒とを含む触媒層付電解質膜と、触媒層付電解質膜の周縁部に配置された、矩形の内周を有する枠体と、前記触媒層付電解質膜の両面に配置された一対のガス拡散層と、を有する。一対のガス拡散層はそれぞれ、枠体の内周部を覆うように配置される。前記枠体の内周部の角部の少なくとも一部の厚みは、前記枠体の内周部の直線辺部の厚みよりも小さい。
【選択図】 図６

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池、および前記燃料電池の電解質膜−電極−枠接合体に関する。

固体高分子電解質型燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、及び電解質膜の両面に形成された一対の電極（アノードとカソード）から構成される。これらの電極は、電解質膜の表面に形成される触媒層、及び触媒層の外側に配置される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層（ＧＤＬ）を有する。このように電解質膜と電極とが一体的に接合されて組み立てられたものを電解質膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と称する。

ＭＥＡは、一対の導電性セパレータで挟み込まれて機械的に固定されると共に、隣接するＭＥＡは互いに直列に電気接続される。セパレータの、ＭＥＡと接触する部分には、ガス流路が形成されている。ガス流路を通じて、それぞれの電極に反応ガスが供給され、それぞれの電極から生成水や余剰ガスを除去する。このように、ＭＥＡが一対のセパレータにより挟み込まれた構造体を単電池モジュール（セル）という。

反応ガスをセパレータのガス流路に供給するために、セパレータの縁部にマニホールド孔と呼ばれる貫通孔を設ける。貫通孔を流れる反応ガスは、複数のセパレータのガス流路に分配される。

さらに、ガス流路に供給される反応ガス等が外部へリークしたり、混合したりしないように、ＭＥＡにおける電極形成部（すなわち、発電領域）の外周を囲むように、一対のセパレータの間にシール部材が配置される。

従来の電解質膜電極接合体として、ＭＥＡの外周に枠体や、補強シートや、ガスケットなどを成形しているものが知られる（例えば、特許文献１〜８を参照）。例えば図１１には、特許文献１に記載のＭＥＡ１０１の製造プロセスが示される。図１１において、金型１０５内にＭＥＡ１０１と補強枠体１０２とは互いに離間して配置され、離間部にはゴム１０３が充填される。ＭＥＡ１０１を構成するガス拡散層（ＧＤＬ）１０４にゴム１０３が含浸することで、ＭＥＡ１０１と補強枠体１０２とが接着する。

また、図１２は、特許文献２に記載された従来の電解質膜触媒積層体２０１を示す図である。図１２における電解質膜触媒積層体２０１は、触媒層２０２を両面に有する電解質膜２０３と、電解質膜２０３の外周側面に接着された接着層２０５と弾性層２０６とから構成される補強シート２０４とを有する。

さらに、固体高分子電解質型燃料電池におけるガス拡散層や電解質膜の損傷を抑制するための手法が提案されている（特許文献９、１０を参照）。

特開２００８−１７７００１号公報 特開２０１０−０６７６０２号公報 国際公開第２００８／１２６３５０号 米国特許出願公開第２０１０−０１０４９１３号明細書 特表２００９−５０５３６４号公報 米国特許出願公開第２０１０／０２９１４６２号明細書 国際公開第０２／００１６５８号 米国特許出願公開第２００３／０１０４２６２号明細書 特開２００５−２３５７３６号公報 米国特許出願公開第２００５／０１８１２６３号明細書

固体高分子電解質型燃料電池のＭＥＡには、高い耐久性が求められる。しかしながら、例えば特許文献１のＭＥＡ（図１１）の製造においては、ゴム１０３を充填するときに、電解質膜或いはガス拡散層へ圧力が負荷され、電解質膜またはガス拡散層が機械的に破断する可能性がある。

また、特許文献２の電解質膜触媒層積層体２０１（図１２）は、電解質膜の両面に積層された触媒層と補強シートとの間に隙間があるため、電解質膜もしくは触媒層が直接ガス流体に曝される。そのため、電解質膜の劣化が加速され、耐久性に課題を有する。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、高耐久なＭＥＡを有する、固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の高分子電解質型燃料電池は、電解質膜−電極−枠接合体と、前記電解質膜−電極−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータと、一対のガス拡散層と、を備えて構成される単電池モジュールを積層してなる。電解質膜−電極−枠接合体は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の面に設けられたアノード触媒と、前記高分子電解質膜の他方の面に設けられたカソード触媒と、を含む触媒層付電解質膜と、前記触媒層付電解質膜の周縁部に配置され、かつ前記アノード触媒及びカソード触媒にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を具備し、矩形の内周を有する枠体と、を有する。一対のガス拡散層は、一対のセパレータと電解質膜−電極−枠接合体との間に配置され、枠体の内周部を覆うように積層されている。前記枠体の内周部の角部の少なくとも一部の厚みは、前記枠体の内周部の直線辺部の厚みよりも小さい。前記枠体の前記内周部の角部に設けられた空間に、ガス拡散層が充填される。

また、本発明の電解質膜−電極−枠接合体は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の面に設けられたアノード触媒と、前記高分子電解質膜の他方の面に設けられたカソード触媒と、を含む触媒層付電解質膜と、前記触媒層付電解質膜の周縁部に配置され、かつ前記アノード触媒及びカソード触媒にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を具備し、矩形の内周を有する枠体と、を有する。前記枠体の内周部の角部の少なくとも一部の厚みは、前記枠体の内周部の直線辺部の厚みよりも小さい。前記枠体の前記内周部の角部に設けられた空間に、ガス拡散層が配置される。

本構成により、枠体とガス拡散層との隙間が生じにくくなる。そのため、電解質膜もしくは触媒層が直接ガスに露出することなく、高耐久のＭＥＡを有する固体高分子電解質型燃料電池を提供することができる。また、単電池モジュールを積層してなる高分子電解質型燃料電池において、ガス拡散層がよれて重なりあうことで生じる過荷重が生じなくなる。そのため、過荷重によって生じる電解質膜やガス拡散層へのダメージが低減される。

これらの結果、電解質膜とガス拡散層へのダメージが少ない、高耐久なＭＥＡを提供することができる。

燃料電池スタックの分解斜視図 実施の形態１における電解質膜−電極−枠接合体の構成図 実施の形態１における電解質膜−電極−枠接合体の概略図 実施の形態１における単電池モジュールの分解状態を示しており、電解質膜−電極−枠接合体および一対のセパレータの一部断面図 実施の形態１における単電池モジュールの締結状態を示しており、電解質膜−電極−枠接合体のおよび一対のセパレータの一部断面図 枠体の内周部の全周が同じ高さであると仮定した場合の、電解質膜−電極−枠接合体の角部の断面図 実施の形態１における電解質膜−電極−枠接合体の分解状態を示しており、枠体の内周部の角部とガス拡散層（ＧＤＬ）の一部とを示す模式図 実施の形態１における単電池モジュールの分解状態を示しており、電解質膜−電極−枠接合体の角部とセパレータの一部の断面図 実施の形態１における電解質膜−電極−枠接合体の角部の断面図 実施の形態１における電解質膜−電極−枠接合体の枠体の角部の模式図 実施の形態１における電解質膜−電極−枠接合体の一部断面図 実施の形態２における電解質膜−電極−枠接合体の分解状態を示しており、枠体の内周部の角部とガス拡散層（ＧＤＬ）の一部とを示す模式図 実施の形態３における電解質膜−電極−枠接合体の分解状態を示しており、枠体の内周部の角部とガス拡散層（ＧＤＬ）の一部とを示す模式図 従来のＭＥＡを示す図 従来のＭＥＡを示す図

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。

［実施の形態１］
燃料電池は、例えば固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電力、熱、及び水を同時に発生させる。

図１は、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）の一例である燃料電池スタック１の一部の構造を模式的に示す分解斜視図である。

図１に示すように、燃料電池スタック１は、複数個の単電池モジュール（セル）２を含み、それらは直列に積層されている。燃料電池スタック１は、複数個の単電池モジュール（セル）２とともに、両端に配置される一対の集電板３および一対の端板４を有する。燃料電池スタック１は、ボルト孔６を挿通する４本の締結ボルト７と、４個のナット８とで締結されている。

集電板３は、単電池モジュール２の積層体の両側に配置されている。集電板３は、単電池モジュールが発電した電気を効率よく集電するための部材である。集電板３は、例えば、金メッキが施された銅板である。なお、集電板３は、電気伝導性の良好な金属板、例えば、鉄、ステンレス鋼、アルミ等の金属板であってもよい。また、集電板３は、スズメッキ、ニッケルメッキなどの表面処理が施されていてもよい。

集電板３の外側には、電気絶縁性材料を用いた端板４が配置されている。端板４は、絶縁板の役割も有する。例えば、端板４は、ポリフェニレンサルファイド樹脂を射出成形で製作したものである。

端板４の内側には、バネ５が配置されている。バネ５は、単電池モジュール２の積層体に荷重を加える。端板４の中央領域にバネ５を配置して、ＭＥＡ１０の発電領域に荷重を加えやすくしている。バネ５による荷重は、燃料電池スタック１の組立時における締結ボルト７とナット８の締結圧によって調整される。

端板４は、一対の配管３０Ａ，配管３０Ｃ，配管３０Ｗと一体成形されている。配管３０Ａ，配管３０Ｃ，配管３０Ｗは、それぞれ単電池モジュール２のマニホールド孔１２（１２Ａ，１２Ｃ，１２Ｗ）と連通している。

単電池モジュール２は、ＭＥＡ１０の周縁部に枠体９を有する電解質膜−電極−枠接合体１４と、電解質膜−電極−枠接合体１４を挟む一対の導電性のセパレータ（アノード側セパレータ１１Ａ及びカソード側セパレータ１１Ｃ）と、冷却水セパレータ１１Ｗと、を含む。

電解質膜−電極−枠接合体１４を構成するＭＥＡ１０の周縁部に配置された枠体９およびセパレータ１１（１１Ａ，１１Ｃ，１１Ｗ）には、ボルト孔６と、マニホールド孔１２（１２Ａ，１２Ｃ，１２Ｗ）とが形成されている。マニホールド孔１２には、燃料ガスが流れる一対の貫通孔１２Ａと、酸化剤ガスが流れる一対の貫通孔１２Ｃと、冷却水が流れる一対の貫通孔１２Ｗとが含まれる。単電池モジュール２において、ボルト孔６同士がそれぞれ連通し、各マニホールド孔同士がそれぞれ連通する。

アノード側セパレータ１１Ａ及びカソード側セパレータ１１Ｃは平板状であって、ＭＥＡ１０と接触する側の面（内面）は、ＭＥＡ１０の形状にあわせて成形されている。さらに、アノード側セパレータ１１Ａの内面には燃料ガス流路溝１３Ａが、カソード側セパレータ１１Ｃの内面には酸化剤ガス流路溝１３Ｃが形成されている。セパレータ１１Ｗの表面には、冷却水流路溝１３Ｗが形成されている。

各セパレータ１１は、ガス不透過性の導電性材料で構成されており、例えば樹脂含浸カーボン材料を所定の形状に切削したもの、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したもの、金属を成形したものが一般的に用いられる。

複数の単電池モジュール２が積層されると、マニホールド孔１２Ａ同士が連通して燃料ガスマニホールドを構成し、マニホールド孔１２Ｃ同士が連通して酸化剤ガスマニホールドを構成し、マニホールド孔１２Ｗ同士が連通して冷却水マニホールドを構成する。

図１に示されていないが、セパレータ１１（１１Ａ，１１Ｃ）と枠体９との間にガスケットが配置される。ガスケットは、弾性体で構成される。ガスケットは、セパレータ１１と一体形成されていることが好ましい。ガスケットは、燃料電池スタック１において押圧され、ＭＥＡ１０の枠体９の形状に応じて変形し、ＭＥＡ１０の外周、及びマニホールド孔１２の外周をシールする。これによって、隣接する単電池モジュール２の隙間や、各マニホールド孔１２の連結部からの燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の漏出が防止される。

図２〜図４に、電解質膜−電極−枠接合体１４（図１参照）の構成を示す。

図２Ｂは、電解質膜−電極−枠接合体１４の上面図である。図２Ａは、電解質膜−電極−枠接合体１４のＭＥＡ１０の部分断面図である。

図２Ａの部分断面図に示す通り、ＭＥＡ１０は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１５と、高分子電解質膜１５のアノード面側に配置された触媒層（アノード触媒層）１６と、高分子電解質膜１５のカソード面側に配置された触媒層（カソード触媒層）１７と、を有する。

電解質膜１５は、プロトン伝導性を示す固体高分子材料、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（デュポン社製ナフィオン膜など）が一般に使用される。触媒層（アノード触媒）１６は、白金ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層でありうる。触媒層（カソード触媒）１７は、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層でありうる。

さらにＭＥＡ１０には、触媒層（アノード触媒）１６および触媒層（カソード触媒）１７の外側に配置された、燃料ガス或いは酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層（ＧＤＬ）１８が積層されている。ただし、ガス拡散層（ＧＤＬ）１８は、電解質膜１５、触媒層（アノード触媒）１６および触媒層（カソード触媒）１７と一体化されていても、いなくてもよい。

図３は、電解質膜−電極−枠接合体１４の上面図である。線Ａで囲まれた領域が、電解質膜１５と触媒層１６および１７とが配置された領域である。線Ｂ囲まれた領域が、ガス拡散層（ＧＤＬ）１８が配置される領域である。線Ｃが、枠体９の内周辺を示す。線Ｄで囲まれた領域は、発電領域である。

図４ＡＢに、図２における電解質膜−電極−枠接合体１４のＤ−Ｄ断面を含む、単電池モジュール２（図１参照）の一部断面図を示す。図４Ａは、単電池モジュール２の分解状態を示す一部断面図である。図４Ｂは、燃料電池スタック１に組み込まれた単電池モジュール２の状態を示す一部断面図である。

図４ＡＢに示す通り、電解質膜−電極−枠接合体１４は、その両面に触媒層１６と１７を積層した電解質膜１５と、電解質膜１５の周縁部を挟み込む、額縁状の枠体９とを含む。なお、図４Ａ及びＢに、触媒層１６と１７は省略されている。

枠体９は、樹脂成形物でありうる。また、枠体９は、電解質膜１５の周縁部を挟むこむ２つの枠体前駆体を接合することで得られる。２つの枠体前駆体の接合は、接合面に接合部１９を配置することで行われる。接合部１９は、樹脂成形部品でもよいし、接着剤などで構成されてもよい。２つの枠体前駆体を接合することで、触媒層１６と１７を積層した電解質膜１５と枠体９とが一体化されて、触媒層付電解質膜−枠接合体となる。

触媒層付電解質膜−枠接合体の両面に、一対のガス拡散層（ＧＤＬ）１８が配置される。ガス拡散層（ＧＤＬ）１８は、枠体９内周部と重なるように枠体９に積層している。このように、枠体９で電解質膜１５を挟み込み、さらにガス拡散層（ＧＤＬ）１８を接合する。

このようにすることで、接合部１９を配置する際に、電解質膜１５に過剰な圧力（例えば成形圧）を加えなくてよい。しかも、一対のガス拡散層（ＧＤＬ）１８を配置する（積層する）ときにも、その圧力は弱いので、電解質膜１５に過剰な圧力が加わらない。その結果、電解質膜１５に過剰な圧力を加えることなく電解質膜−電極−枠接合体１４を製造することができ、電解質膜−電極−枠接合体１４のＭＥＡ１０の耐久性を高めることができる。

図４Ａに示す通り、電解質膜−電極−枠接合体１４において、電解質膜１５を挟みこむ枠体９は、その内周部の一部（凸部Ｅ）の厚みが、外周部の厚みよりも大きくされている。ガス拡散層（ＧＤＬ）１８は、厚みの大きい凸部Ｅに乗り上げている。また、図４Ｂに示す通り、燃料電池スタック１に組み込まれた単電池モジュール２において、枠体９の内周部に乗り上げたガス拡散層（ＧＤＬ）１８は、セパレータ１１と枠体９との空間（隙間）を充填するように構成されている。

このように枠体９の内周部に乗り上げるようにガス拡散層（ＧＤＬ）１８を配置することで、触媒層を接合した電解質膜１５が露出することを防ぐことができる。露出した電解質膜１５は、直接ガスと接触するなどして劣化することがある。実施の形態１におけるＭＥＡの電解質膜１５は、劣化が防止され、耐久性が向上する。

さらに、枠体９の内周部に乗り上げるようにガス拡散層（ＧＤＬ）１８を配置することで、発電領域（図３において、線Ｄで囲まれた領域）よりも外側において、セパレータ１１と枠体９との隙間が、弾性体であるガス拡散層（ＧＤＬ）１８で充填される。そのため、発電領域の外部へガスがリークすることが防止されるとともに、電解質膜１５の端面を介して、ガスがアノード電極からカソード電極に回り込むクロスリークも抑制される。

図５には、枠体９の内周部が全周にわたって同じ高さであるとした場合の、図３に示した電解質膜−電極−枠接合体１４のＧ−Ｇ断面を示す。枠体９の内周部が全周にわたって同じ高さであるとは、枠体９の内周部の全周に亘って、凸部Ｅが形成されていることでありうる。

枠体９の内周部が全周にわたって同じ高さである場合には、枠体９の内周部に乗り上げたガス拡散層（ＧＤＬ）１８が、枠体９の内周部の角部（コーナー部）αで、よれたり重なったりする。それにより、当該角部αでの単電池モジュール２の厚みが大きくなる（図５参照）。その結果、燃料電池スタック１を締結するために必要な荷重が過剰になったり、ガス拡散層（ＧＤＬ）１８が重なったりよれた領域（角部）に過剰な荷重がかかる。そのため、電解質膜１５およびガス拡散層（ＧＤＬ）１８が破断するおそれがある。

図６は、実施の形態１の電解質膜−電極−枠接合体１４の分解図である。図６には、枠体９の内周部の角部αと、ガス拡散層（ＧＤＬ）１８の一部の構成が示される。図６に示される構成により、図５で示した角部αでのガス拡散層（ＧＤＬ）１８の重なりやよれが生じても、角部に過剰な荷重がかかりにくくなる。つまり、電解質膜１５およびガス拡散層（ＧＤＬ）１８が破断しにくくなる。以下、その理由を説明する。

図６は、図３における電解質膜−電極−枠接合体１４の、線Ｈで囲まれた範囲を分解して拡大した模式図である。枠体９の内周部の直線辺部に沿った部分は、紙面に対して概鉛直手前方向に突出して凸部Eを構成している。一方、枠体９の内周部の角部αの高さは、枠体９の外周部と同じ高さとされている。つまり、枠体９の内周部の角部αの高さは、枠体９の内周部の直線辺部に沿った凸部Eの高さよりも低く構成されている。

図６の点線は、ガス拡散層（ＧＤＬ）１８の配置領域を示す。ガス拡散層（ＧＤＬ）１８は、枠体９の内周部の直線辺部に沿った凸部Eに乗り上げるように配置される。

図７は、図６における電解質膜−電極−枠接合体１４のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。図８は、実施の形態１の電解質膜−電極−枠接合体１４の角部のＧ−Ｇ断面（図３参照）を示す。

図７に示す通り、枠体９の内周部の角部αの高さは、枠体９の外周部の高さと同一である。つまり、枠体９の内周部の角部αの高さは、枠体９の内周部の直線辺部に沿った凸部Ｅの高さよりも低く構成されている。そのため、図８に示すように、枠体９の内周部の角部αでガス拡散層（ＧＤＬ）１８が重なったりよれたりしても、単電池モジュール２の厚みが大きくならず、所定の厚みに設定できる。

このように、ガス拡散層（ＧＤＬ）１８が乗り上げる枠体９の内周部の角部αの厚みを、枠体９の内周部の直線辺部の凸部Ｅの厚みよりも小さくすることで、当該角部αにおいてガス拡散層（ＧＤＬ）１８が重なったりよれたりしても、単電池モジュール２の厚みが所定の厚みに保たれるように設定される。その結果、燃料電池スタック１の締結荷重を適正に保つことができ、枠体９或いは電解質膜１５に過剰な荷重がかからず、電解質膜１５やガス拡散層（ＧＤＬ）１８の破断がない。そのため、単電池モジュールの耐久性を高めることが可能となる。

枠体９の内周部の角部αの範囲を、図９を用いて説明する。図９Ａは、図６と同様に、図３における電解質膜−電極−枠接合体１４の線Ｈで囲まれた範囲の枠体９の模式図である。図９Ｂは、図９ＡにおけるＫ−Ｋ断面図である。

図９Ａに示されるように、枠体９の内周部の角部を、点線Ｊで囲まれた四角領域とする。そして、図９Ｂに示されるように、枠体９の内周部の直線辺部に沿った凸部の厚みを厚みｊとする。点線Ｊで囲まれた四角領域の一辺の長さは、厚みｊの１〜１０倍であることが好ましい。実施の形態１では、角部を構成する点線Ｊで囲まれた四角領域の一辺の長さを、厚みｊの５倍とした。セパレータ１１と枠体９との隙間は小さい方が好ましい。そのため、枠体９の内周部の角部である点線Ｊで囲まれた四角領域の面積は、ガス拡散層（ＧＤＬ）１８の重なりによって前記角部での単電池モジュール２の厚みが大きくならない範囲でで、小さくすることが好ましい。

［実施の形態２］
図１０Ａに、実施の形態２の電解質膜−電極−枠接合体１４における枠体９の内周部の角部αの構成が示される。実施の形態２の構成によっても、ガス拡散層（ＧＤＬ）１８の重なりによる過荷重やＭＥＡ１０の劣化が抑制される。

図１０Ａに示される電解質膜−電極−枠接合体１４における枠体９の内周部の角部αの内周辺と、ガス拡散層（ＧＤＬ）１８の角部の外辺とは、いずれも円弧形状を有する。実施の形態１と同様に、ガス拡散層（ＧＤＬ）１８が枠体９の内周部の角部αでよれたり重なったりしても、単電池モジュール２の厚みを所定の厚みに保つことができる。そのため、燃料電池スタック１の締結荷重を適正に保つことができ、枠体９、或いは、電解質膜１５に過剰な荷重がかかることがない。よって、単電池モジュールの耐久性を高める。さらに、実施の形態２では、枠体９の内周部の角部αの内周辺が円弧形状であるため、枠体９の樹脂成型が容易になる。

［実施の形態３］
図１０Ｂに、実施の形態３の電解質膜−電極−枠接合体１４における枠体９の内周部の角部αの構成が示される。実施の形態３の構成によっても、ガス拡散層（ＧＤＬ）１８の重なりによる過荷重やＭＥＡ１０の劣化が抑制される。

図１０Ｂに示される電解質膜−電極−枠接合体１４における枠体９の内周部の角部αの一部に、枠体９の内周部の直線辺部の凸部と同じ高さの突起βを設けている。実施の形態１と同様に、ガス拡散層（ＧＤＬ）１８が枠体９の内周部の角部αでよれたり重なったりしても、単電池モジュール２の厚みを所定の厚みに保つことができる。そのため、燃料電池スタック１の締結荷重を適正に保つことができ、枠体９、或いは、電解質膜１５に過剰な荷重がかかることがない。よって、単電池モジュールの耐久性を高める。さらに、実施の形態３では、枠体９の内周部の角部αの一部に突起βを設けることで、ガス拡散層（ＧＤＬ）１８の位置あわせがし易いという利点がある。

上述の実施の形態２に係る高分子電解質型燃料電池の作製を説明する。まず、高分子電解質膜を、例えば、Ｄｕｐｏｎｔ社のナフィオン「Ｎａｆｉｏｎ（商標登録）Ｎ−１１７」、５０μｍ厚の樹脂材料からトムソン型により打ち抜いて得た。

得られた高分子電解質膜の両面それぞれに、アノード触媒層およびカソード触媒層を塗布形成して、触媒層付電解質膜を得た。アノード触媒層およびカソード触媒層は、高分子電解質膜の全面ではなく、中央部に形成し、外周辺の近傍には形成しなかった。

次に、変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）を樹脂成形して２つの枠体前駆体を作製した。２つの枠体前駆体で触媒付電解質膜の周縁を挟み込んだ。図４Ｂに示されるように、変性ＰＰＥを用いて接合部１９を接合面に樹脂成型して、２つの枠体前駆体を接合した。このようにして、触媒層付電解質膜−枠接合体を得た。

枠体の外周部の厚みを０．８ｍｍとし、枠体の内周部の直線辺部の凸部Ｅの高さｊ（図９Ｂ参照）を０．５ｍｍとした。また、凸部Ｅの幅を２．５ｍｍとした。角部αの範囲（点線Ｊで囲まれた資格領域）の一辺は３．５ｍｍとした。また、角部の内周辺を円弧状とした（図１０Ａ参照）。

触媒層付電解質膜−枠接合体のアノード側およびカソード側の両面に、ガス拡散層を接合して電解質膜−電極−枠接合体を形成した。ガス拡散層の面積は、塗布形成した触媒層の面積と同じとした。それにより、図１０Ａにおける点線で示す通り、凸部Ｅの外周端にまでガス拡散層（ＧＤＬ）が乗りあがるようにして積層した。また、ガス拡散層（ＧＤＬ）は、炭素を主成分とした空孔率５０％前後の拡散層とした。

以上のように作製した電解質膜−電極−枠接合体を、アノード側セパレータとカソード側セパレータとで両側から挟みこむことにより、単電池モジュールとした。このような単電池モジュールを５０個積層し、積層した単電池モジュールの両端部に、金属製の集電板３と電気絶縁材料の絶縁板を兼ねた端板４とを配置した（図１参照）。さらに、これらを締結ボルト７とナット８とで固定し、高分子電解質型燃料電池とした。

高分子電解質型燃料電池の任意の単電池モジュールにおける、電解質膜−電極−枠接合体１４とセパレータ１１との積層面に、感圧紙を配置した。圧力を受けた部分が赤く発色する、超極低圧用（０．２〜０．６ＭＰａ）と超低圧用（０．５〜２．５ＭＰａ）との２種類の感圧紙を用いた。感圧紙を観察することで、面圧測定・評価を行った。

その結果、線Ｄで囲まれた発電領域（図３参照）と、セパレータのガスケットに締結荷重の９０％以上の面圧が負荷されていた。一方、枠体の内周部に乗り上げたガス拡散層（ＧＤＬ）にかかる荷重は、締結荷重の１０％以下であった。また、枠体の内周部の角部にも過剰な面圧はかかっていなかった。

枠体の内周部の厚みの大きい箇所（凸部Ｅ）もしくはガス拡散層（ＧＤＬ）が乗り上げている箇所、及び枠体の内周部の角部において過剰な圧力がかかることなく、膜等が劣化することがない状態であることが確認された。

本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池は、電解質膜及びガス拡散層（ＧＤＬ）への成形圧を加えることなく、作製することができる。そのため、電解質膜及びガス拡散層（ＧＤＬ）の劣化が抑制される。さらに、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池によれば、過剰な締結荷重による電解質膜の劣化を抑えることができる。そのため本発明は、高分子電解質型燃料電池の性能を改善することができる。

本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池は、例えば、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池として有用である。

１０１ ＭＥＡ
１０２ 補強枠体
１０３ 液状ゴム
１０４ ガス拡散層（ＧＤＬ）
２０１ 電解質膜触媒積層体
２０２ 触媒層
２０３ 電解質膜
２０４ 補強シート
１ 燃料電池スタック
２ 単電池モジュール（セル）
３ 集電板
４ 端板
５ バネ
６ ボルト孔
７ 締結ボルト
８ ナット
９ 枠体
１０ ＭＥＡ
１１ セパレータ
１１Ａ アノード側セパレータ
１１Ｃ カソード側セパレータ
１１Ｗ 冷却水セパレータ
１２ マニホールド孔
１３Ａ 燃料ガス流路溝
１３Ｃ 酸化剤ガス流路溝
１３Ｗ 冷却水流路溝
１４ 電解質膜−電極−枠接合体
１５ 高分子電解質膜（電解質膜）
１６ 触媒層（アノード触媒）
１７ 触媒層（カソード触媒）
１８ ガス拡散層（ＧＤＬ）
１９ 枠体の接合部
２０ 触媒層付電解質膜−枠接合体
２１ ガスケット

Claims (7)

1. 高分子電解質膜、前記高分子電解質膜の一方の面に設けられたアノード触媒、および前記高分子電解質膜の他方の面に設けられたカソード触媒を含む触媒層付電解質膜と、前記触媒層付電解質膜の周縁部に配置され、かつ前記アノード触媒及びカソード触媒にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を具備し、矩形の内周を有する枠体と、を有する電解質膜−電極−枠接合体と、
   前記電解質膜−電極−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータと、
   前記一対のセパレータと前記電解質膜−電極−枠接合体との間に配置され、前記枠体の内周部を覆うように積層された一対のガス拡散層と、
   を備えて構成される単電池モジュールを積層してなる高分子電解質型燃料電池であって、
   前記枠体の内周部の角部の少なくとも一部の厚みは、前記枠体の前記内周部の直線辺部の厚みよりも小さく、前記枠体の前記内周部の角部に設けられた空間に、ガス拡散層が充填される、固体高分子電解質型燃料電池。
2. 前記枠体の前記内周部の角部の内周は、円弧形状である、請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
3. 前記枠体の前記内周部の角部には、前記単電池モジュールが積層される方向に凸部が配置されており、
   前記ガス拡散層は、前記凸部を覆うように配置されている、請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
4. 高分子電解質膜、前記高分子電解質膜の一方の面に設けられたアノード触媒、および前記高分子電解質膜の他方の面に設けられたカソード触媒を含む触媒層付電解質膜と、前記触媒層付電解質膜の周縁部に配置され、かつ前記アノード触媒及びカソード触媒にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を具備し、矩形の内周を有する枠体と、を有する電解質膜−電極−枠接合体であって、
   前記枠体の内周部の角部の少なくとも一部の厚みは、前記枠体の前記内周部の直線辺部の厚みよりも小さく、前記枠体の前記内周部の角部に設けられた空間に、ガス拡散層が充填される、電解質膜−電極−枠接合体。
5. 前記枠体の前記内周部の角部の内周は、円弧形状である、請求項４に記載の電解質膜−電極−枠接合体。
6. 前記枠体の前記内周部の角部には、前記ガス拡散層が積層される方向に凸部が配置されており、
   前記ガス拡散層は、前記凸部を覆うように配置されている、請求項４に記載の電解質膜−電極−枠接合体。
7. 前記枠体の前記内周部を覆うように、前記ガス拡散層が積層される、請求項４に記載の電解質膜−電極−枠接合体。
   
   

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