JP7018580B2 - 高分子電解質型燃料電池とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高分子電解質型の燃料電池とその製造方法に関するものである。

燃料電池は、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とを電気化学的に反応させる。このことで、燃料電池は、電力と熱とを同時に発生させる。図８は、従来の燃料電池の１形態である高分子電解質型燃料電池の単セルの基本構成を示す分解斜視図である。基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜２０１、及び、高分子電解質膜２０１の両面に形成された一対の電極、すなわち、アノード２０６とカソード２０７から構成される。

これらのアノード２０６，２０７は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜２０１の表面に形成される燃料側触媒層２０２及び酸化剤側触媒層２０３、及び、燃料側触媒層２０２又は酸化剤側触媒層２０３の外面に配置される、通気性と電子導電性とを併せ持つ燃料側ガス拡散層２０４又は酸化剤側ガス拡散層２０５を有する。高分子電解質膜２０１と燃料側触媒層２０２、酸化剤側触媒層２０３の接合対は、Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ ＣＣＭ（以降、「ＣＣＭ」とする）と呼ばれる。

燃料側触媒層２０２，酸化剤側触媒層２０３に供給されるガスの外部へのリーク及び燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止するために、アノード２０６とカソード２０７の周囲には、高分子電解質膜２０１を挟んで枠体２１１が配置されている。周縁部が枠体２１１で挟持されたＣＣＭに燃料側ガス拡散層２０４及び酸化剤側ガス拡散層２０５を接合した接合体は、電解質膜電極接合体（以降、「ＭＥＡ」とする）２１２と呼ぶ。

ＭＥＡ２１２の両側には、ＭＥＡ２１２を機械的に挟み込んで固定するとともに、隣接するＭＥＡ２１２を互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ２１０がそれぞれ配置される。各セパレータ２１０においてＭＥＡ２１２と接触する部分には、アノード２０６に燃料ガスを供給し、カソード２０７に酸化剤ガスなどの反応ガスを供給し、生成水又は余剰ガスを運び去るための燃料側流路溝２０８、酸化剤側流路溝２０９がそれぞれ形成される役割を有することもある。

ＭＥＡ２１２は、発電機能を有する最小単位であり、一対のセパレータ２１０で挟持されることにより、単電池モジュールを構成する。セパレータ２１０としては、耐食性に優れる材料が適し、例えばステンレス鋼が用いられる。

従来のＭＥＡとして、ＭＥＡの外周に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１参照）。図９には、特許文献１に記載のＭＥＡ３０１の製造プロセスが示されている。図９においては、金型３０５内にＭＥＡ３０１と補強枠体３０２とは互いに離間して配置されており、離間部にはゴム３０３が重点される。ＭＥＡ３０１を構成するガス拡散層３０４にゴム３０３が含浸することで、ＭＥＡ３０１と補強枠体３０２とが接着する。

以上のＭＥＡ２１２については、高分子電解質膜２０１、もしくは燃料側触媒層２０２，酸化剤側触媒層２０３が直接ガスに曝されることで、高分子電解質膜２０１の劣化が加速されて耐久性に課題を有するため、従来から様々な提案が行われている。

例えば、特許文献２では、ＭＥＡ２１２（図１０）として、燃料側ガス拡散層２０４，酸化剤側ガス拡散層２０５の一方と燃料側触媒層２０２，酸化剤側触媒層２０３と枠体２１１との間で生じる隙間２１３，２１４を、接着剤等による閉塞部材２２５で閉塞する構成が提案されている。これにより、燃料側触媒層２０２，酸化剤側触媒層２０３がガスに曝されにくくなり、高分子電解質膜２０１の耐久性が向上する。

特開２００８－１７７００１号公報 特開２０１６－１０３３９０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、閉塞部材２２５をガス拡散層側に予め付与する工程、あるいは、閉塞部材２２５を枠体側に配置する工程が必要となり、位置合わせが困難で、構造が複雑であった。

本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡素化された製造プロセスで電解質膜及び触媒層が反応ガスに暴露される隙間を防ぎ、ＭＥＡの耐久性が向上する高分子電解質型燃料電池とその製造方法を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
前記本発明の第一の形態は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された燃料側触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置された酸化剤側触媒層と、前記燃料側触媒層の主表面に積層される燃料側ガス拡散層と、前記酸化剤側触媒層の主表面に積層される酸化剤側ガス拡散層と、前記燃料側ガス拡散層と前記酸化剤側ガス拡散層とを挟む一対のセパレータと、前記一対のセパレータの間に配置され前記燃料側ガス拡散層と前記酸化剤側ガス拡散層と外周を囲む枠体と、前記燃料側ガス拡散層の主表面に積層される燃料側シール部材と、前記酸化剤側ガス拡散層の主表面に積層される酸化剤側シール部材と、
を備え、前記燃料側ガス拡散層及び前記酸化剤側ガス拡散層は、前記枠体の内縁部を覆いかつ、それぞれ、前記燃料側ガス拡散層と前記燃料側触媒層との間で隙間無くかつ前記酸化剤側ガス拡散層と前記酸化剤側触媒層との間で隙間無く、前記燃料側シール部材と前記酸化剤側シール部材とにそれぞれ密着している、燃料電池を提供する。

また、本発明の別の態様は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の主表面側に配置される燃料側触媒層と、前記電解質膜の他方の主表面側に配置される酸化剤側触媒層とを用意し、前記燃料側ガス拡散層と前記酸化剤側ガス拡散層とのそれぞれの外周を囲むように枠体を設ける工程と、前記枠体の燃料側触媒層側の主表面に積層される燃料側シール部材と、前記枠体の酸化剤側触媒層側の主表面に積層される酸化剤側シール部材とを配置し、前記燃料側触媒層の主表面に燃料側ガス拡散層を積層し、前記酸化剤側触媒層の主表面に酸化剤側ガス拡散層を積層する工程と、一対のセパレータのうち、一方を前記燃料側ガス拡散層の主表面に積層し、他方を前記酸化剤側ガス拡散層の主表面に積層する工程と、前記一対のセパレータに所定の圧力をかけながら、前記燃料側ガス拡散層と前記酸化剤側ガス拡散層とを変形させて前記枠体の内縁部を覆いつつ前記枠体に密着させる工程と、前記燃料側ガス拡散層と前記燃料側触媒層との間で隙間無くかつ前記酸化剤側ガス拡散層と前記酸化剤側触媒層との間で隙間無く、前記燃料側ガス拡散層と前記酸化剤側ガス拡散層とが前記燃料側シール部材と前記酸化剤側シール部材とに密着する工程と、を含む、燃料電池の製造方法を提供する。

以上のように、本発明の前記態様によれば、前記積層体が一対のセパレータに押圧され、ガス拡散層が変形して枠体に密着し、セパレータ側の枠体の主表面を被覆することにより、従来は枠体と触媒層との間に形成されていた隙間を無くして密着するように被覆され、高分子電解質膜の劣化を抑制する構造の燃料電池を提供することができる。また、そのような燃料電池を工程数の少ない製造プロセスで提供することができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池スタックの分解斜視図 本発明の実施の形態１における燃料電池の分解斜視図 本発明の実施の形態１における燃料電池の燃料側ガス拡散層側の枠体及び燃料側ガス拡散層の配置模式図 積層体が一対のセパレータで挟持される前の状態での図３のＡ－Ａ線の部分断面図 積層体が一対のセパレータで挟持された状態での図３のＡ－Ａ線の部分断面図 本発明の実施の形態２における燃料電池において積層体が一対のセパレータで挟持される前の状態での部分断面図（図３のＡ－Ａ線の部分断面図） 本発明の実施の形態２における燃料電池において積層体が一対のセパレータで挟持された状態での部分断面図（図３のＡ－Ａ線の部分断面図） 本発明の実施の形態３における燃料電池の製造方法を模式的に示す工程の断面図（図３のＡ－Ａ線の部分断面図） 本発明の実施の形態３における燃料電池の製造方法を模式的に示す工程の断面図（図３のＡ－Ａ線の部分断面図） 本発明の実施の形態３における燃料電池の製造方法を模式的に示す工程の断面図（図３のＡ－Ａ線の部分断面図） 本発明の実施の形態３における燃料電池の製造方法を模式的に示す工程の断面図（図３のＡ－Ａ線の部分断面図） 本発明の実施の形態４における燃料電池のシール部材の内面の拡大断面図 本発明の実施の形態４における燃料電池のシール部材の内面の拡大断面図 本発明の実施の形態４における燃料電池のシール部材の内面の拡大断面図 本発明の実施の形態４における燃料電池のシール部材の内面の拡大断面図 本発明の実施の形態４における燃料電池のシール部材の内面の拡大断面図 従来の燃料電池の１形態である単セルの基本構成を示す分解斜視図 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）
＜構造＞
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の一例である燃料電池１が複数個積層された燃料電池スタック１００の分解斜視図である。隣り合う燃料電池１の間にはガスカット（図示せず）が設けられている。燃料電池１の積層方向の両側端部のそれぞれには、各端に向けて集電板１１０、絶縁板１２０、及び締結板１３０が、この順に配置される。そして、積層方向の両端側から締結板１３０に所定の荷重がかけられることで、複数個積層された燃料電池１が締結され、燃料電池スタック１００が形成される。

それぞれの集電板１１０には、電流取り出し用の端子１０１ａが設けられる。燃料電池１の発電時に、端子１１０ａから電流が取り出される。それぞれの絶縁板１２０は、集電板１１０と締結板１３０との間を絶縁する。絶縁板１２０には、ガス又は冷却水の導入口及び排出口（図示せず）が設けられてもよい。それぞれの締結板１３０には、外部から所定の荷重がかけられる。これにより、一対の締結板１３０は、複数個積層された燃料電池１と一対の集電板１１０と一対の絶縁板１２０とを締結する。以下、燃料電池１の構造について詳細に説明する。

図２は、実施の形態１に係る燃料電池１の分解斜視図である。図２では、燃料電池１は、積層体２と、燃料側シール部材１０Ａと、酸化剤側シール部材１０Ｂと、枠体６とが一対のセパレータ４Ａ、４Ｂで挟み込まれた構造を有する。積層体２は、ＣＣＭ（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ）３０、燃料側ガス拡散層４０Ａ、及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂで構成されている。ＣＣＭ３０は、略平板状である。燃料側ガス拡散層４０Ａと酸化剤側ガス拡散層４０Ｂとは、ＣＣＭ３０を挟んで互いの主表面が対向するように設けられる。

図３は、積層体２が一対のセパレータ４Ａ，４Ｂで挟持された状態を示すが、燃料電池１の内部配置構造を説明するために、便宜的にセパレータ４Ａ及び燃料側シール部材１０Ａの図示を省略している。また、図３は、一例として燃料電池１の燃料側ガス拡散層４０Ａ側を示す。図４Ａ及び図４Ｂは、図３のＡ－Ａ線に沿った部分断面図である
図４Ａは、積層体２が一対のセパレータ４Ａ、４Ｂで挟持される前の状態を示し、図４Ｂは、積層体２が一対のセパレータ４Ａ、４Ｂで挟持された状態を示す。

燃料側ガス拡散層４０ＡとＣＣＭ３０とは反対側の主表面に、セパレータ４Ａが積層され、酸化剤側ガス拡散層４０ＢのＣＣＭ３０とは反対側の主表面に、セパレータ４Ｂが積層される。ＣＣＭ３０は、電解質膜３１、電解質膜３１の一方の主表面に配置される燃料側触媒層３２Ａ、及び電解質膜３１の他方の主表面に配置される酸化剤側触媒層３２Ｂで構成される。

＜電解質膜３１＞
電解質膜３１は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質のシートであればよいが、高分子電解質は、耐熱性と化学的安定性とに優れることが望ましい。高分子電解質としては、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子等が挙げられる。パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子としては、例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標）が挙げられる。

燃料側触媒層３２Ａ及び酸化剤側触媒層３２Ｂは、それぞれイオン交換樹脂及び触媒粒子、場合によって触媒粒子を担持する炭素粒子を有する。燃料側触媒層３２Ａ及び酸化剤側触媒層３２Ｂが有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜３１とを接続し、両者間においてプロトンを電導する役割を果たす。このイオン交換樹脂は、電解質膜３１と同様の高分子材料から形成することができる。触媒粒子としては、燃料側触媒層３２Ａの触媒金属としては、Ｐｔ－Ｒｕ合金等を用いることができる。酸化剤側触媒層３２Ｂの触媒金属としては、Ｐｔ、又はＰｔ－Ｃｏ合金等を用いることができる。また、炭素粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、又はカーボンナノチュープ等を用いることができる。

＜ガス拡散層＞
燃料側ガス拡散層４０Ａは、ＣＣＭ３０の燃料側触媒層３２Ａの主表面に積層される。燃料側ガス拡散層４０Ａは、熱可塑性樹脂及び導電性粒子の複合材料で形成される層である。熱可塑性樹脂は、導電性粒子同士を結着させるバインダーとして機能する。したがって、燃料側ガス拡散層４０Ａは、熱可塑性樹脂によって形成されるネットワーク中に導電性粒子が取り込まれた構造を有する。このため、燃料側ガス拡散層４０Ａは、多数の微細な空孔を有する導電性の層である。導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック、人造黒鉛、天然黒鉛、又は膨張黒鉛などのカーボン粒子、又は金属粒子等を用いることができる。

酸化剤側ガス拡散層４０Ｂは、ＣＣＭ３０の酸化剤側触媒層３２Ｂの主表面に積層される。酸化剤側ガス拡散層４０Ｂは、熱可塑性樹脂及び導電性粒子の複合材料で形成される層である。したがって、酸化剤側ガス拡散層４０Ｂは、燃料側ガス拡散層４０Ａと同様に多数の微細な空孔を有する導電性の層である。

＜枠体６＞
枠体６は、一対のセパレータ４Ａ，４Ｂの間に配置されて燃料側ガス拡散層４０Ａと酸化剤側ガス拡散層４０Ｂとのそれぞれの外周を囲む部材である。したがって、積層体２は、セパレータ４Ａ，４Ｂと枠体６とで区画される空間内に収容される。枠体６は、一端側に燃料供給用マニホールド６０Ａ、酸化剤排出用マニホールド７０Ｂ、及び冷却水用マニホールド８０を有し、当該一端側と対向する他端側に燃料排出用マニホールド６０Ｂ、酸化剤供給用マニホールド７０Ａ、及び冷却水用マニホールド８０を有する。

枠体６は、熱硬化性樹脂で形成される。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂又はＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂等を用いることができる。

燃料側シール部材１０Ａ及び酸化剤側シール部材１０Ｂは、枠体６が対峙するセパレータ側の主表面にそれぞれ配置される。燃料側シール部材１０Ａ、酸化剤側シール部材１０Ｂは、熱硬化性樹脂で形成され、少なくとも一部に絶縁性の繊維シートを含有する樹脂でもよい。熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂等を用いることができる。

＜セパレータ４Ａ，４Ｂ＞
セパレータ４Ａ，４Ｂは、積層体２、すなわち、燃料側ガス拡散層４０Ａと酸化剤側ガス拡散層４０Ｂとを機械的に挟み込んで固定するとともに、隣接する積層体２を互いに電気的に直列に接続するためのものである。セパレータ４Ａと４Ｂとは、燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂにガスを供給し、生成する水と余剰ガスとを運び去る経路としての役割も有する。

セパレータ４Ａと４Ｂの内面（燃料側ガス拡散層４０Ａと酸化剤側ガス拡散層４０Ｂに対向する面）には、ガス流路を形成してもよい。

セパレータ４Ａは、一方の主表面が燃料側ガス拡散層４０Ａの主表面４２Ａに当接する。セパレータ４Ａは、他方の主表面、すなわち、積層体２とは反対側の主表面に、積層体２を冷却するための冷却水流路５Ａを有する。セパレータ４Ｂは、一方の主表面が酸化剤側ガス拡散層４０Ｂの主表面４２Ｂに当接する。セパレータ４Ｂは、他方の主表面、すなわち積層体２とは反対側の主表面に、積層体２を冷却するための冷却水流路５Ｂを有する。冷却水流路５Ａ、５Ｂは、冷却水用マニホールド８０に連通される。

セパレータ４Ａと４Ｂは、気密性、電子伝導性、及び電気化学的安定性を有すればよく、材質は特に限定されない。

＜反応＞
固体高分子形の燃料電池１では、以下の反応が起こる。すなわち、燃料側ガス拡散層４０Ａを介して燃料側触媒層３２Ａに燃料ガスとしての水素ガスが供給されると、燃料側触媒層３２Ａにおいて、以下の式（１）で示す反応が起こり、水素がプロトンと電子とに分解される。プロトンは、電解質膜３１中を酸化剤側触媒層３２Ｂ側へ移動する。電子は、燃料側ガス拡散層４０Ａ及びセパレータ４Ａを経由して外部回路（図示せず）に移動し、外部回路からセパレータ４Ｂ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂを経由して酸化剤側触媒層３２Ｂに流れ込む。一方、酸化剤側ガス拡散層４０Ｂを介して酸化剤側触媒層３２Ｂに酸化剤ガスとしての空気が供給されると、酸化剤側触媒層３２Ｂにおいて、以下の式（２）で示す反応が起こり、空気中の酸素がプロトン及び電子と反応して水になる。この結果、外部回路において、アノードからカソードに向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。

燃料側触媒層３２Ａ：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ－ ・・・（１）
酸化剤側触媒層３２Ｂ：２Ｈ＋＋（１／２）Ｏ２＋２ｅ－→Ｈ２Ｏ ・・・（２）
＜組み立て＞
図４Ａに示すように、セパレータ４Ａ，４Ｂは、積層体２がセパレータ４Ａ，４Ｂの間に介在するように配置される。そして、一対の締結板１３０（図１参照）に所定の荷重がかけられると、セパレータ４Ａ，４Ｂは互いに近づく方向に変位する。そして、図４Ｂに示すように、セパレータ４Ａは、所定の圧力で積層体２を押圧し、燃料側シール部材１０Ａのセパレータ４Ａと対向する面７Ａに当接して停止する。セパレータ４Ｂは、所定の圧力で積層体２を押圧し、酸化剤側シール部材１０Ｂのセパレータ４Ｂと対向する面７Ｂに当接して停止する。

燃料側ガス拡散層４０Ａは、積層体２が一対のセパレータ４Ａ，４Ｂにより所定の圧力をもって挟まれていない状態で、燃料側シール部材１０Ａのセパレータ４Ａと対向する面７Ａよりもセパレータ４Ａ側に突出する突出部２０Ａを有する。また、酸化剤側ガス拡散層４０Ｂは、積層体２が一対のセパレータ４Ａ，４Ｂにより所定の圧力をもって挟まれていない状態で、酸化剤側シール部材１０Ｂのセパレータ４Ｂと対向する面７Ｂよりもセパレータ４Ｂ側に突出する突出部２０Ｂを有する。このため、積層体２が一対のセパレータ４Ａ，４Ｂにより所定の圧力をもって挟まれる際に、突出部２０Ａがセパレータ４Ａにより押圧されるとともに、突出部２０Ｂがセパレータ４Ｂにより押圧される。なお、突出割合が少なすぎると、燃料側ガス拡散層４０Ａが変形しても、燃料側触媒層３２Ａをすべて覆えないことがあるため、突出部２０Ａ、２０Ｂの突出割合は、燃料側ガス拡散層４０Ａ、４０Ｂの体積の少なくとも１０％以上であるのが好ましい。

前述のように、燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂは、熱可塑性樹脂の網目構造中に導電性粒子が取り込まれた構造を有する。一方、燃料側シール部材１０Ａ及び酸化剤側シール部材１０Ｂは、熱硬化性樹脂で形成される。したがって、燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂは、燃料側シール部材１０Ａ及び酸化剤側シール部材１０Ｂに比べて剛性が低い。

したがって、突出部２０Ａ，２０Ｂが押圧されると、燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂは、燃料電池１の外周方向（例えば図５Ａ及び図５Ｂの左方向、すなわち、燃料側シール部材１０Ａ及び酸化剤側シール部材１０Ｂに接近する方向）に拡がるように変形する。そして、燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂの側面４１Ａ，４１Ｂが、枠体６の内側面、すなわち面６Ａ、６Ｂに当接して密着する。このとき、例えば、図５Ａに示すように、積層体２が一対のセパレータ４Ａ，４Ｂにより所定の圧力をもって挟まれていないときに燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂから露出していた燃料側触媒層３２Ａと酸化剤側触媒層３２Ｂとの部分について、燃料側ガス拡散層４０Ａと燃料側触媒層３２Ａとの間で隙間無くかつ酸化剤側ガス拡散層４０Ｂと酸化剤側触媒層３２Ｂとの間で隙間無く密着するように、燃料側ガス拡散層４０Ａと酸化剤側ガス拡散層４０Ｂとで覆う。

なお、燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂ、燃料側シール部材１０Ａ及び酸化剤側シール部材１０Ｂは、それぞれ固体状態である。そのため、上記のように、燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂを加圧して、燃料側シール部材１０Ａ及び酸化剤側シール部材１０Ｂと密着させることで、上記隙間が無くなる。最終熱処理で、燃料側シール部材１０Ａ及び酸化剤側シール部材１０Ｂは硬化される。

そして、燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂは、枠体６の主表面の一部（例えば、図５Ａに示すように、積層体２が一対のセパレータ４Ａ，４Ｂにより所定の圧力をもって挟まれていないとき燃料側シール部材１０Ａ及び酸化剤側シール部材１０Ｂから露出していた部分）を覆うように変形し、燃料側シール部材１０Ａ及び燃料側シール部材の内側面１１Ａ及び酸化剤側シール部材の内側面１１Ｂにそれぞれ密着する。

燃料側ガス拡散層４０Ａが変形する際、燃料側ガス拡散層４０Ａにおけるセパレータ４Ａと枠体６との接続部の近傍に位置する部分は、当該接続部の形状に追従して変形する。また、酸化剤側ガス拡散層４０Ｂが変形する際、酸化剤側ガス拡散層４０Ｂにおけるセパレータ４Ｂと枠体６との接続部の近傍に位置する部分は、当該接続部の形状に追従して変形する。

また、燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂが変形前の状態で、燃料側触媒層３２Ａと酸化剤側触媒層３２Ｂの一部が露出していても、燃料側ガス拡散層４０Ａ，酸化剤側ガス拡散層４０Ｂの変形によって、当該露出部がガス拡散層で被覆される。

これにより、燃料側触媒層３２Ａ，酸化剤側触媒層３２Ｂが反応ガスに曝されず、電解質膜３１の耐久性が向上する。さらに、燃料電池１の発電に寄与する燃料側触媒層３２Ａ，酸化剤側触媒層３２Ｂの面積を増加させることができ、したがって、燃料電池１における発電有効面積を増加させることができる。また、燃料側触媒層３２Ａ，酸化剤側触媒層３２Ｂの露出部におけるクロスリークも抑制することができる。

実施の形態１によれば、積層体２が一対のセパレータ４Ａ、４Ｂに押圧され、燃料側ガス拡散層４０Ａ，酸化剤側ガス拡散層４０Ｂが変形して枠体６に密着し、各セパレータ側の枠体６の主表面をそれぞれ被覆することにより、枠体６と燃料側触媒層３２Ａ，酸化剤側触媒層３２Ｂとの間に形成されていた隙間を無くして密着するように被覆され、電解質膜３１の劣化を抑制することができる。

（実施の形態２）
図５Ａ及び図５Ｂを用いて実施の形態２を説明する。図５Ａ及び図５Ｂは、燃料電池１において図４Ａ及び図４Ｂと同じ位置の図３のＡ－Ａ線の部分断面図である。図５Ａ及び図５Ｂについて、図４Ａ及び図４Ｂ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。

積層体２が、セパレータ４Ａ、４Ｂにより所定の圧力をもって挟まれた図５Ｂの状態において、枠体６の内縁部６ｇであって電解質膜３１からセパレータ４Ａと対向する面までの平均的な厚さをＨ１Ａとし、燃料側ガス拡散層４０Ａの燃料側触媒層３２Ａからセパレータ４Ａと対向する面までの平均的な厚さをＨ２Ａとし、Ｈ１Ａ＜Ｈ２Ａとなっている。

すなわち、積層体２が、セパレータ４Ａ、４Ｂにより所定の圧力をもって挟まれていない図５Ａの状態においても、燃料側ガス拡散層４０Ａの燃料側触媒層３２Ａからセパレータ４Ａと対向する面までの平均的な厚さＨ４Ａは、枠体６の電解質膜３１からセパレータ４Ａと対向する面までの平均的な厚さＨ３Ａより、厚くなる構成となる。

これらの厚みの関係は、酸化剤側ガス拡散層４０Ｂ側についても同様である。すなわち、積層体２が、セパレータ４Ａ、４Ｂにより所定の圧力をもって挟まれた図５Ｂの状態において、枠体６の内縁部６ｇであって電解質膜３１からセパレータ４Ａと対向する面までの平均的な厚さをＨ１Ｂとし、酸化剤側ガス拡散層４０Ｂの酸化剤側触媒層３２Ｂからセパレータ４Ｂと対向する面までの平均的な厚さをＨ２Ｂとし、Ｈ１Ｂ＜Ｈ２Ｂとなっている。

すなわち、積層体２が、セパレータ４Ａ、４Ｂにより所定の圧力をもって挟まれていない図５Ａの状態においても、酸化剤側ガス拡散層４０Ｂの酸化剤側触媒層３２Ｂからセパレータ４Ｂと対向する面までの平均的な厚さＨ４Ｂは、枠体６の電解質膜３１からセパレータ４Ｂと対向する面までの平均的な厚さＨ３Ｂより、厚くなる構成となる。

これらの構成により、前記実施の形態１の効果に加えて、枠体６の内側面、すなわち面６Ａ、６Ｂに、燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂの側面４１Ａ、４１Ｂが確実に密着し、燃料側触媒層３２Ａ、酸化剤側触媒層３２Ｂの主表面を各々の燃料側ガス拡散層４０Ａ，酸化剤側ガス拡散層４０Ｂが確実に覆うため、反応ガスの暴露による電解質膜３１の劣化をより確実に抑制することができる。

（実施の形態３）
図６Ａ～図６Ｄを用いて実施の形態３を説明する。図６Ａ～図６Ｄは、本発明の燃料電池１の製造方法を模式的に示す工程断面図である。

図６Ａに示すように、電解質膜３１、電解質膜３１の一方の主表面側に配置される燃料側触媒層３２Ａ、及び電解質膜３１の他方の主表面側に配置される酸化剤側触媒層３２Ｂを用意する。

次いで、燃料側ガス拡散層４０Ａと酸化剤側ガス拡散層４０Ｂとのそれぞれの外周を囲むように枠体６を設ける。

次いで、図６Ｂに示すように、枠体６の燃料側触媒層３２Ａ側の主表面に燃料側シール部材１０Ａを積層して配置するとともに、枠体６の酸化剤側触媒層３２Ｂ側の主表面に酸化剤側シール部材１０Ｂを積層して配置する。また、燃料側触媒層３２Ａの主表面に燃料側ガス拡散層４０Ａを積層し、酸化剤側触媒層３２Ｂの主表面に酸化剤側ガス拡散層４０Ｂを積層する。こうして積層体２を形成する。これにより、燃料側ガス拡散層４０Ａの側面４１Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂの側面４１ｂは、枠体６の内側面すなわち６Ａ、６Ｂと対向する。

次いで、図６Ｃに示すように、一対のセパレータ４Ａ、４Ｂのうち一方のセパレータ４Ａを燃料側ガス拡散層４０Ａの接合体３０とは反対側の主表面４２Ａに積層し、他方のセパレータ４Ｂを酸化剤側ガス拡散層４０Ｂの接合体３０とは反対側の主表面４２Ｂに積層する。

次いで、図６Ｄに示すように、一対のセパレータ４Ａ、４Ｂに所定の圧力をかけながら、図６Ｃの突出部２０Ａ、２０Ｂを押圧する。これにより、燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂを変形させて燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂで枠体６の内縁部６ｇを覆いつつ枠体６に燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂを密着させる。

次いで、燃料側ガス拡散層４０Ａと燃料側触媒層３２Ａとの間で隙間無くかつ酸化剤側ガス拡散層４０Ｂと酸化剤側触媒層３２Ｂとの間で隙間無く、燃料側ガス拡散層４０Ａと燃料側シール部材の内側面１１Ａとが密着するとともに、酸化剤側ガス拡散層４０Ｂと酸化剤側シール部材の内側面１１Ｂとが密着する。

すなわち、積層体２が一対のセパレータ４Ａ，４Ｂにより所定の圧力をもって挟まれていないとき燃料側ガス拡散層４０Ａ及び酸化剤側ガス拡散層４０Ｂから露出していた燃料側触媒層３２Ａと酸化剤側触媒層３２Ｂとの部分について、燃料側ガス拡散層４０Ａと燃料側触媒層３２Ａとの間で隙間無くかつ酸化剤側ガス拡散層４０Ｂと酸化剤側触媒層３２Ｂとの間で隙間無くなって密着するように、燃料側ガス拡散層４０Ａと酸化剤側ガス拡散層４０Ｂとで覆うことができる。

以上の工程により、燃料電池１を製造することができる。

この実施の形態２によれば、積層体２が一対のセパレータ４Ａ，４Ｂに押圧され、燃料側ガス拡散層４０Ａ，酸化剤側ガス拡散層４０Ｂが変形して枠体６に密着し、各セパレータ側の枠体６の主表面をそれぞれ被覆することにより、従来は枠体６と燃料側触媒層３２Ａ、酸化剤側触媒層３２Ｂとの間に形成されていた隙間を無くして密着するように被覆され、電解質膜３１の劣化を抑制する構造の燃料電池１を工程数の少ない製造プロセスで提供することができる。すなわち、製造時に、前記隙間を無くして密着するように被覆するための特別な部材を用意して位置合わせして配置する工程が不要であり、構造も複雑化することなく製造が可能である。

（実施の形態４）
図７Ａ～図７Ｅを用いて実施の形態４を説明する。図７Ａ～図７Ｅは、本発明の燃料電池１のシール部材の内側面の拡大断面図である。

上記実施の形態１～３の製造方法で、燃料電池を作製すると、燃料側ガス拡散層４０Ａが燃料側シール部材１０Ａを押すこととなる。この時、燃料側ガス拡散層４０Ａを多めに、または、大きく、燃料側シール部材１０Ａを押すのが好ましい。

その時の形状を図７Ａ～図７Ｅに示す。

図７Ａでは、燃料側ガス拡散層４０Ａが燃料側シール部材１０Ａを最小限度押した場合である。燃料側シール部材の内側面１１Ａが、電解質膜３１、または、枠体６に対して、垂直となっている。図４Ｂ，図５Ｂ、図６Ｄと同等の効果がある。

図７Ｂでは、燃料側ガス拡散層４０Ａが燃料側シール部材１０Ａを最小限度以上に押した場合である。燃料側シール部材の内側面１１Ａが、電解質膜３１、または、枠体６に対して、傾斜している。垂直より傾斜することでより接触面積が増加し、燃料側ガス拡散層４０Ａと燃料側シール部材１０Ａとがより密着する。

傾斜の方向に関して、燃料側ガス拡散層４０Ａは、燃料側シール部材１０Ａに対して、セパレータ４Ａ側で、より燃料側シール部材１０Ａに入り込んである。

図７Ｃでは、燃料側ガス拡散層４０Ａが燃料側シール部材１０Ａを、酸化剤側ガス拡散層４０Ｂが酸化剤側シール部材１０Ｂを、最小限度以上に押した場合である。燃料側シール部材の内側面１１Ａの位置と、酸化剤側シール部材の内側面１１Ｂとの位置が異なっている。これは、上下で、押す力が異なったため、または、重力の影響などためである。

位置が対象でないので、負荷が集中しない。両面とも同様の密着性となる
図７Ｄでは、燃料側ガス拡散層４０Ａが燃料側シール部材１０Ａを最小限度以上に押した場合である。燃料側シール部材の内側面１１Ａにおいて、燃料側シール部材１０Ａの頂部が丸くなっている。この部分で、燃料側ガス拡散層４０Ａがより外部へ分布している。燃料側シール部材の内側面１１Ａにおいて、接触面積が増加し、燃料側ガス拡散層４０Ａと燃料側シール部材１０Ａとがより密着する。

図７Ｅでは、燃料側ガス拡散層４０Ａが燃料側シール部材１０Ａを最小限度以上に押した場合である。燃料側シール部材１０Ａの上面、つまり、セパレータ４Ａ側の面に、燃料側シール部材の内側面１１Ａが分布している。燃料側シール部材の内側面１１Ａにおいて、接触面積が増加し、燃料側ガス拡散層４０Ａと燃料側シール部材１０Ａとがより密着する。

なお、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｄ、図７Ｅでは、燃料側で説明したが、酸化剤側でも同様である。また、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｄ、図７Ｅは、それぞれ、燃料側と燃料側で構造を組み合わせることができる。

図７Ｂ～図７Ｅの構造をとることで、図７Ａの構造より、内部の密着度が高い燃料電池となる。
（全体として）
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかる高分子電解質型燃料電池とその製造方法は、枠体と触媒層の隙間を無くして被覆され、高分子電解質膜の劣化を抑制する構造の燃料電池と当該燃料電池を工程数の少ない製造プロセスの製造方法とを提供でき、家庭用コージェネレーションシステム用電源、ポータブル電源、又は車両用電源とそれらの製造方法として用いることができる。

１ 燃料電池
２ 積層体
４Ａ セパレータ
４Ｂ セパレータ
５Ａ 冷却水流路
５Ｂ 冷却水流路
６ 枠体
６Ａ 面
７Ａ 面
７Ｂ 面
１０Ａ 燃料側シール部材
１０Ｂ 酸化剤側シール部材
１１Ａ 燃料側シール部材の内側面
１１Ｂ 酸化剤側シール部材の内側面
２０Ａ 突出部
２０Ｂ 突出部
３０ 接合体
３１ 電解質膜
３２Ａ 燃料側触媒層
３２Ｂ 酸化剤側触媒層
４０Ａ 燃料側ガス拡散層
４０Ｂ 酸化剤側ガス拡散層
４１Ａ 側面
４１ｂ 側面
４２Ａ 主表面
４２Ｂ 主表面
６０Ａ 燃料供給用マニホールド
６０Ｂ 燃料排出用マニホールド
７０Ａ 酸化剤供給用マニホールド
７０Ｂ 酸化剤排出用マニホールド
８０ 冷却水用マニホールド
１００ 燃料電池スタック
１０１ａ 端子
１１０ 集電板
１１０ａ 端子
１２０ 絶縁板
１３０ 締結板
２０１ 高分子電解質膜
２０２ 燃料側触媒層
２０３ 酸化剤側触媒層
２０４ 燃料側ガス拡散層
２０５ 酸化剤側ガス拡散層
２０６ アノード
２０７ カソード
２０８ 燃料側流路溝
２０９ 酸化剤側流路溝
２１０ セパレータ
２１１ 枠体
２１２ ＭＥＡ
２１３ 隙間
２２５ 閉塞部材
３０１ ＭＥＡ
３０２ 補強枠体
３０３ ゴム
３０４ ガス拡散層
３０５ 金型

Claims (4)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の面に配置された燃料側触媒層と、
   前記電解質膜の他方の面に配置された酸化剤側触媒層と、
   前記燃料側触媒層の主表面に積層される燃料側ガス拡散層と、
   前記酸化剤側触媒層の主表面に積層される酸化剤側ガス拡散層と、
   前記燃料側ガス拡散層と前記酸化剤側ガス拡散層とを挟む一対のセパレータと、
   前記一対のセパレータの間に配置され前記燃料側触媒層の外周の全部と前記酸化剤側触媒層の外周の全部と、前記燃料側ガス拡散層の外周の一部と前記酸化剤側ガス拡散層の外周の一部とを囲む１つの枠体と、
   前記枠体と対峙する燃料側前記セパレータの主表面に積層される燃料側シール部材と、
   前記枠体と対峙する酸化剤側前記セパレータの主表面に積層される酸化剤側シール部材と、を備え、
   前記燃料側ガス拡散層及び前記酸化剤側ガス拡散層は、前記枠体の内縁部を覆いかつ、それぞれ、前記燃料側ガス拡散層と前記燃料側触媒層との間で隙間無くかつ前記酸化剤側ガス拡散層と前記酸化剤側触媒層との間で隙間無く、前記燃料側シール部材と前記酸化剤側シール部材とにそれぞれ密着している、
   燃料電池であり、
   前記燃料側シール部材と前記燃料側ガス拡散層との界面である前記燃料側シール部材の内側面が、１つの平面のみで、前記枠体の主表面、または、前記電解質膜の主表面に対して、傾斜しており、前記燃料側ガス拡散層が、前記セパレータ側でより、燃料側シール部材へ入り込むことで傾斜している燃料電池。
2. 前記燃料側触媒層側の前記主表面に積層されている前記燃料側ガス拡散層の平均的な厚みは、前記枠体の前記電解質膜から燃料側の前記セパレータと対向する面までの前記枠体の前記内縁部の平均的な厚みよりも厚く、前記酸化剤側ガス拡散層の前記主表面に積層されている前記酸化剤側ガス拡散層の平均的な厚みは、前記枠体の前記電解質膜から酸化剤側の前記セパレータと対向する面までの前記枠体の前記内縁部の平均的な厚みよりも厚い、請求項１に記載の燃料電池。
3. 燃料側シール部材と燃料側ガス拡散層との前記界面において、前記セパレータ側の前記界面の部分は、燃料側ガス拡散層が、前記燃料側シール部材へ、他の前記界面の部分より入り込んでいる請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の主表面側に配置される燃料側触媒層と、前記電解質膜の他方の主表面側に配置される酸化剤側触媒層とを用意し、前記燃料側触媒層と前記酸化剤側触媒層とのそれぞれの全外周を囲むように１つの枠体を設ける工程と、
   前記枠体の燃料側触媒層側の主表面に積層される燃料側シール部材と、前記枠体の酸化剤側触媒層側の主表面に積層される酸化剤側シール部材とを配置し、前記燃料側触媒層の主表面に燃料側ガス拡散層を積層し、前記酸化剤側触媒層の主表面に酸化剤側ガス拡散層を積層する工程と、
   一対のセパレータのうち、一方を前記燃料側ガス拡散層の主表面に積層し、他方を前記酸化剤側ガス拡散層の主表面に積層する工程と、
   前記一対のセパレータに所定の圧力をかけながら、前記燃料側ガス拡散層と前記酸化剤側ガス拡散層とを変形させて前記枠体の内縁部を覆いつつ前記枠体に密着させる工程と、
   前記燃料側ガス拡散層と前記燃料側触媒層との間で隙間無くかつ前記酸化剤側ガス拡散層と前記酸化剤側触媒層との間で隙間無く、前記燃料側ガス拡散層と前記酸化剤側ガス拡散層とが前記燃料側シール部材と前記酸化剤側シール部材とに密着する工程と、
   を含む、燃料電池の製造方法であり、
   前記配置積層工程では、前記燃料側ガス拡散層の表面は、前記枠体の燃料側触媒層側の主表面と前記燃料側シール部材の表面とより、前記一方のセパレータ側にあり、
   前記酸化剤側ガス拡散層の表面は、前記枠体の酸化剤側触媒層側の主表面と前記酸化剤側シール部材の表面とより、前記他方のセパレータ側にあり、
   前記密着する工程において、前記燃料側ガス拡散層が押し出され、前記燃料側シール部材との間に１面のみの界面ができ、前記界面は、前記枠体、または、前記電解質膜に対して、傾斜しており、燃料側ガス拡散層が、セパレータ側でより、燃料側シール部材へ入り込むことで傾斜している燃料電池の製造方法。

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