JPWO2013171939A1 - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明の燃料電池は、シール部材（２１）が枠体（２０）に接触するとともに、シール部材（２１）とガス拡散層（１４）の外周部分（１４ｂ）の少なくとも一方が他方により高分子電解質膜（１１）の厚さ方向に押し潰されるように構成して、ガス拡散層（１４）とシール部材（２１）との間に隙間を生じないように構成されている。これにより、発電性能を一層向上させることができる。

Description

本発明は、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に関する。

燃料電池（例えば、高分子電解質形燃料電池）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とにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。

従来、この種の燃料電池としては、例えば、特許文献１（特開２００４−４７２３０号公報）及び特許文献２（特開２００７−２８０７５１号公報）に記載されたものが知られている。

図１２に示すように、特許文献１の燃料電池は、膜電極接合体１０１（以下、ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assemblyという）を一対の板状の導電性のセパレータ１０２，１０２で挟んで構成されている。

ＭＥＡ１０１は、高分子電解質膜１１１と、当該電解質膜１１１の両面に形成された一対の電極層１１２，１１２とで構成されている。電極層１１２は、高分子電解質膜１１１の表面に形成された触媒層１１３と、当該触媒層１１３上に形成されたガス拡散層１１４とで構成されている。

ＭＥＡ１０１は、ハンドリング性の向上のため、その周縁部（外周領域ともいう）を額縁状に形成された枠体１１５で保持されている。枠体１１５の内縁部は、触媒層１１３とガス拡散層１１４との間に位置している。言い換えれば、ガス拡散層１１４は、枠体１１５上に乗り上げるように構成されている。なお、ここでは、枠体１１５を備えるＭＥＡ１０１を電極−膜−枠接合体１０３という。

セパレータ１０２には、反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）が供給される反応ガス流路１２１が形成されている。一方のセパレータ１０２の反応ガス流路１２１に燃料ガスが供給されるとともに、他方のセパレータ１０２の反応ガス流路１２１に酸化剤ガスが供給されることにより、ＭＥＡ１０１内で電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。

セパレータ１０２の枠体１１５と対向する位置には、反応ガスの外部への漏出を遮断又は抑制するため、樹脂製のシール部材１２２が設けられている。

また、特許文献２には、セパレータに設けられた段差とガス拡散層の外縁との間に形成された隙間を多数の堰状シールで閉塞することで、発電性能を向上させることが開示されている。

特開２００４−４７２３０号公報 特開２００７−２８０７５１号公報

特許文献１及び２のような従来の燃料電池においては、発電性能を一層向上させるという観点において、未だ改善の余地があった。
従って、本発明の目的は、発電性能を一層向上させることができる燃料電池及びその製造方法を提供することにある。

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。
本発明によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、
前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、
前記高分子電解質膜の厚さ方向から見てその外縁が前記枠体の内縁よりも外側に位置するように、前記触媒層及び前記枠体上に設けられたガス拡散層と、
前記ガス拡散層上に設けられたセパレータと、
前記セパレータと前記枠体の両方に接触するように設けられた樹脂製のシール部材と、
を備え、
前記シール部材と前記ガス拡散層の外周部分の少なくとも一方が他方により前記厚さ方向に押し潰されている、
燃料電池を提供する。

また、本発明によれば、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、前記高分子電解質膜の厚さ方向から見てその外縁が前記枠体の内縁よりも外側に位置するように、前記触媒層及び前記枠体上に設けられたガス拡散層と、を備える電極−膜−枠接合体を用意し、
表面にシール部材が設けられたセパレータを用意し、
前記シール部材が前記枠体に接触するとともに、前記シール部材と前記ガス拡散層の外周部分の少なくとも一方が他方により押し潰されるように、前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとを締結する、
ことを含む、燃料電池の製造方法を提供する。

本発明にかかる燃料電池及びその製造方法によれば、発電性能を一層向上させることができるという効果を奏する。

本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施の形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の基本構造を模式的に示す断面図であり、 図２は、図１の燃料電池の一部拡大断面図であり、 図３は、図１の燃料電池の、電極−膜−枠接合体とセパレータとを締結する前の状態を示す一部拡大断面図であり、 図４は、図３の燃料電池の第１変形例を示す一部拡大断面図であり、 図５は、図３の燃料電池の第２変形例を示す一部拡大断面図であり、 図６は、図３の燃料電池の第３変形例を示す一部拡大断面図であり、 図７は、図３の燃料電池の第４変形例を示す一部拡大断面図であり、 図８は、図１の燃料電池を複数個連結した燃料電池スタックの基本構造を示す分解斜視図であり、 図９は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図であり、 図１０は、図９の燃料電池の、膜電極接合体とセパレータとを締結する前の状態を示す一部拡大断面図であり、 図１１は、第２シール部材とガス拡散層との隙間の一部にシール部材を設けた状態を模式的に示す平面図であり、 図１２は、従来の燃料電池の、電極−膜−枠接合体とセパレータとを締結する前の状態を示す断面図である。

（本発明の基礎となった知見）
従来の燃料電池は、図１２に示す状態から、電極−膜−枠接合体１０３を一対のセパレータ１０２，１０２で挟んで締結することにより製造される。燃料電池の各部品は、ガス拡散層１１４の外縁１１４ａとシール部材１２２の内縁１２２ａとが隙間無く接触するように設計されている。

しかしながら、従来の燃料電池を量産すると、締結時の置きズレや公差（±０．５ｍｍ程度）により、ガス拡散層１１４の外縁１１４ａとシール部材１２２の内縁１２２ａとの間に隙間が生じることが起こり得る。外縁１１４ａと内縁１２２ａとの間に隙間が生じると、燃料電池の内部に供給された反応ガスが、反応ガス流路１２１を通らず、当該隙間を通じて燃料電池の外部に排出されてしまうことが起こり得る。以下、この現象をガスの回り込み現象という。この回り込み現象が発生すると、反応ガスの利用効率が低下し、燃料電池の発電性能が低下することになる。

ガスの回り込み現象を抑える方法として、シール部材１２２の体積を大きくすることが考えられる。この場合、締結時にシール部材１２２が圧縮されて弾性変形することで、前記隙間を埋められると考えられる。しかしながら、この場合、シール部材１２２の体積を大きくするので、当然ながらその分、コストアップにつながる。

また、本発明者らは鋭意検討したところ、特許文献２に開示されている高分子形燃料電池の構成によれば、確かにガスの回り込み現象を抑えることはできるものの、発電性能が十分でないことを見出した。すなわち、特許文献２の高分子電解質形燃料電池では、セパレータに設けられた段差とガス拡散層の外縁とにより形成される隙間の一部が、高分子電解質膜又は触媒層に接することになる。このため、高分子電解質膜又は触媒層と反応ガスとが直接接触することになり、当該直接接触する部分が劣化して、発電性能が低下することになる。

そこで、本発明者らは、鋭意検討した結果、シール部材１２２とガス拡散層１１４の少なくともいずれか一方が他方により厚さ方向に押し潰されるようにすることで、前記置きズレや公差が生じても、シール部材１２２の体積を大きくすることなく、当該押し潰されて変形した部分で前記隙間を埋めることができることを見出した。また、高分子電解質膜の外周領域上に枠体を設け、枠体の上にシール部材を、ガス拡散層を乗り上げるように設けることで、ガス拡散層の外縁と枠体とにより形成される隙間が高分子電解質膜又は触媒層に接することがなくなり、高分子電解質膜又は触媒層と反応ガスとが直接接触することにより生じる劣化を防ぐことができることを見出した。これらの知見に基づき、本発明者らは、以下の発明に至った。

本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、
前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、
前記高分子電解質膜の厚さ方向から見てその外縁が前記枠体の内縁よりも外側に位置するように、前記触媒層及び前記枠体上に設けられたガス拡散層と、
前記ガス拡散層上に設けられたセパレータと、
前記セパレータと前記枠体の両方に接触するように設けられた樹脂製のシール部材と、
を備え、
前記シール部材と前記ガス拡散層の外周部分の少なくとも一方が他方により前記厚さ方向に押し潰されている、
燃料電池を提供する。

本発明の第２態様によれば、前記シール部材と前記ガス拡散層の外周部分との接触圧力は、前記シール部材と前記枠体との接触圧力よりも小さい、第１態様に記載の燃料電池を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記シール部材と前記ガス拡散層の両方が押し潰されている、第１又は２態様に記載の燃料電池を提供する。

本発明の第４態様によれば、前記シール部材は、前記セパレータの表面に形成されている、第１〜３態様のいずれか１つに記載の燃料電池を提供する。

本発明の第５態様によれば、前記シール部材は、射出成形により前記セパレータの表面に形成されている、第４態様に記載の燃料電池を提供する。

本発明の第６態様によれば、前記セパレータと前記枠体との間に設けられた環状の第２シール部材を備え、
前記第２シール部材は、前記ガス拡散層の外縁に対して隙間を空けて配置され、
前記シール部材は、前記隙間の一部を塞ぐように設けられている、第１〜５態様のいずれか１つに記載の燃料電池を提供する。

本発明の第７態様によれば、前記シール部材と前記第２シール部材とは、同一の樹脂材料により一体に形成されている、第６態様に記載の燃料電池を提供する。

本発明の第８態様によれば、前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成されている、第１〜７態様のいずれか１つに記載の燃料電池を提供する。

本発明の第９態様によれば、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、前記高分子電解質膜の厚さ方向から見てその外縁が前記枠体の内縁よりも外側に位置するように、前記触媒層及び前記枠体上に設けられたガス拡散層と、を備える電極−膜−枠接合体を用意し、
表面にシール部材が設けられたセパレータを用意し、
前記シール部材が前記枠体に接触するとともに、前記シール部材と前記ガス拡散層の外周部分の少なくとも一方が他方により前記厚さ方向に押し潰されるように、前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとを締結する、
ことを含む、燃料電池の製造方法を提供する。

本発明の第１０態様によれば、前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとを締結する前において、前記シール部材と前記枠体との距離が前記シール部材と前記ガス拡散層との距離よりも短くなるように、前記シール部材が形成されている、第９態様に記載の燃料電池の製造方法を提供する。

本発明の第１１態様によれば、前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとを締結する前において、前記ガス拡散層の外周部分が前記シール部材の形状に倣って傾斜するように形成されている、第９又は１０態様に記載の燃料電池の製造方法を提供する。

本発明の第１２態様によれば、前記シール部材は、射出成形により前記セパレータの表面に形成されている、第９〜１１態様のいずれか１つに記載の燃料電池の製造方法を提供する。

本発明の第１３態様によれば、前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成されている、第９〜１２態様のいずれか１つに記載の燃料電池の製造方法を提供する。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の全ての図において、同一又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。

《第１実施形態》
本発明の第１実施形態にかかる燃料電池について説明する。図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の基本構造を模式的に示す断面図であり、図２は、その一部拡大断面図である。

本第１実施形態にかかる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含む酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質形燃料電池である。なお、本発明は、高分子電解質形燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。

図１に示すように、本第１実施形態にかかる燃料電池１は、電極−膜−枠接合体２と、電極−膜−枠接合体２を挟んで配置される一対のセパレータ３０，４０とを備えている。電極−膜−枠接合体２は、ＭＥＡ（膜電極接合体）１０と、ＭＥＡ１０の外周領域（周縁部）上に設けられた額縁状の枠体２０とを備えている。

ＭＥＡ１０は、高分子電解質膜１１と、当該高分子電解質膜１１の両面に形成された一対の電極層１２，１２とを備えている。一対の電極層１２の一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。電極層１２は、触媒層１３とガス拡散層１４とを備えている。触媒層１３は、高分子電解質膜１１の表面に形成され、当該触媒層１３上にガス拡散層１４が形成されている。

高分子電解質膜１１は、触媒層１３及びガス拡散層１４よりもサイズが多く、外周領域が触媒層１３及びガス拡散層１４からはみ出すように設けられている。この高分子電解質膜１１の外周領域（周縁部）上に枠体２０が設けられている。

枠体２０の内縁２０ａは、触媒層１３とガス拡散層１４との間に位置している。言い換えれば、ガス拡散層１４は、枠体２０上に乗り上げるように構成されている。さらに言い換えれば、ガス拡散層１４は、高分子電解質膜１１の厚さ方向（図１の上下方向）から見てその外縁１４ａが枠体２０の内縁２０ａよりも外側に位置するように、触媒層１３及び枠体２０上に設けられている。

セパレータ３０は、一方のガス拡散層１４上に設けられている。セパレータ４０は、他方のガス拡散層１４上に設けられている。セパレータ３０と枠体２０との間、及びセパレータ４０と枠体２０との間には、それぞれ樹脂製のシール部材２１が設けられている。

シール部材２１は、環状に形成され、セパレータ３０と枠体２０の両方、又はセパレータ４０と枠体２０の両方に接触するように設けられている。シール部材２１と枠体２０との接触圧力は、燃料電池１の内部に供給された反応ガスが外部へ流れようとする圧力よりも高くなっている。これにより、反応ガスの外部への漏出が防止される。

また、シール部材２１は、ガス拡散層１４の外周部分１４ｂと接触し、当該外周部分１４ｂを高分子電解質膜１１の厚さ方向に押し潰すように設けられている。これにより、シール部材２１とガス拡散層１４との間には、隙間が生じないようになっている。

また、シール部材２１とガス拡散層１４の外周部分１４ｂとの接触圧力は、シール部材２１と枠体２０との接触圧力よりも小さくなっている。これにより、ガス拡散層１４の外周部分１４ｂが圧縮されることにより生じる反力により、高分子電解質膜１１に孔が空いて高分子電解質膜１１の耐久性や発電性能が低下するなどの不具合が発生することを回避することができる。なお、「接触圧力」とは、例えば、接触領域内での最大圧力（ｋｇ／ｃｍ^２又はｋｇ／ｍ）をいう。

本第１実施形態にかかる燃料電池によれば、シール部材２１が、枠体２０と接触するとともに、ガス拡散層１４の外周部分１４ｂを高分子電解質膜１１の厚さ方向に押し潰すように設けられている。これにより、シール部材２１とガス拡散層１４との隙間を無くすことができ、ガスの回り込み現象を抑えて、燃料電池の発電性能を一層向上させることができる。さらに、高分子電解質膜１１の厚さ方向から見て、触媒層１３と重ならない部分であるガス拡散層１４の外周部分１４ｂを押し潰すことができる。そのため、ガス拡散層１４の外周部分１４ｂを反応ガスが通流することを抑制できる。これにより、触媒層１３に供給されず、発電反応に寄与しない反応ガスがガス拡散層の外周部分１４ｂを通流することを抑制でき、反応ガスをより有効に利用することができる。

次に、燃料電池１を構成する各部材についてより詳しく説明する。

高分子電解質膜１１は、好ましくは、水素イオン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜１１としては、特に限定されるものではないが、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜（例えば、米国DuPont社製のNafion（登録商標）、旭化成（株）製のAciplex（登録商標）、旭硝子（株）製のFlemion（登録商標）など）や各種炭化水素系電解質膜を使用することができる。高分子電解質膜１１の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであればよい。高分子電解質膜１１の形状は、特に限定されるものではないが、本第１実施形態では略矩形とする。

触媒層１３は、好ましくは、水素又は酸素の酸化還元反応に対する触媒を含む層である。触媒層１３は、好ましくは、外縁１３ａが、高分子電解質膜１１の厚さ方向から見て、シール部材２１の中心部よりも内側に位置するように設けられる。触媒層１３の外縁１３ａがシール部材２１の中心部よりも外側にあると、多孔質な触媒層１３の内部を通過した反応ガスが外側に抜けやすくなり、（外部リーク）ガスロスが生じる。また、触媒層１３は、特に限定されるものではないが、例えば、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料とを主成分とした多孔質部材により構成することができる。触媒層１３は、導電性を有し、且つ水素及び酸素の酸化還元反応に対する触媒能を有するものであればよい。触媒層１３の形状は、特に限定されるものではないが、本第１実施形態では略矩形とする。触媒層１３は、高分子電解質膜１１の表面に触媒層形成用インクを塗工又はスプレーするなどして形成することができる。また、一般的な転写法により作製しても良い。

ガス拡散層１４は、好ましくは、炭素繊維を基材として用いずに構成したいわゆる基材レスガス拡散層で構成される。具体的には、ガス拡散層１４は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成される。ここで、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材とすることなく、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される構造（いわゆる自己支持体構造）を持つ多孔質部材を意味する。導電性粒子と高分子樹脂とで多孔質部材を製造する場合、例えば、界面活性剤と分散溶媒とを用いる。この場合、製造工程中に、焼成により界面活性剤と分散溶媒とを除去するが、十分に除去できずにそれらが多孔質部材中に残留することが有り得る。従って、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材として使用しない自己支持体構造である限り、そのようにして残留した界面活性剤と分散溶媒が多孔質部材に含まれてもよいことを意味する。また、炭素繊維を基材として基材として使用しない自己支持体構造であれば、他の材料（例えば、短繊維の炭素繊維など）が多孔質部材に含まれてもよいことも意味する。

ガス拡散層１４は、高分子樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造することができる。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌・混錬機に投入後、混錬して粉砕・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。次いで、高分子樹脂であるフッ素樹脂をさらに攪拌・混錬機に投下して、攪拌及び混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒、界面活性剤を除去する。これにより、シート状のガス拡散層１４を製造することができる。

ガス拡散層１４を構成する導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭などのカーボン材料が挙げられる。前記カーボンブラックとしては、アセチレンブラック（ＡＢ）、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカンなどが挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。また、カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状であってもよい。

ガス拡散層１４を構成する高分子樹脂の材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等が挙げられる。これらの中でも、高分子樹脂の材料としてＰＴＦＥが使用されることが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から好ましい。ＰＴＦＥの原料形態としては、ディスパージョン、粉末状などがあげられる。それらの中でも、ＰＴＦＥの原料形態としてディスパージョンが採用されることが、作業性の観点から好ましい。なお、ガス拡散層１４を構成する高分子樹脂は、導電性粒子同士を結着するバインダとしての機能を有する。また、前記高分子樹脂は、撥水性を有するため、燃料電池の内部にて水を系内に閉じ込める機能（保水性）も有する。

また、ガス拡散層１４には、上述したように、導電性粒子及び高分子樹脂以外に、製造時に使用する界面活性剤及び分散溶媒などが微量含まれていてもよい。分散溶媒としては、例えば、水、メタノール及びエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどのノニオン系、アルキルアミンオキシドなどの両性イオン系が挙げられる。製造時に使用する分散溶媒の量及び界面活性剤の量は、導電性粒子の種類、高分子樹脂の種類、それらの配合比率などに応じて適宜設定すればよい。なお、一般的には、分散溶媒の量、界面活性剤の量が多いほど、高分子樹脂と導電性粒子が均一分散しやすい傾向がある一方で、流動性が高くなり、ガス拡散層のシート化が難しくなる傾向がある。なお、界面活性剤は、導電性粒子の材料、分散溶媒の種類により適宜選択することができる。また、界面活性剤を使用しなくてもよい。

なお、ガス拡散層１４は、カソード電極側及びアノード電極側において同じ構造のガス拡散層を用いても、異なる構造のガス拡散層を用いてもよい。例えば、カソード電極側及びアノード電極側のいずれか一方に炭素繊維を基材としたガス拡散層を用い、いずれか他方に前述した基材レスガス拡散層を用いてもよい。

枠体２０は、ＭＥＡ１０のハンドリング性の向上のために設けられる部材である。枠体２０の材料としては、一般的な熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを用いることができる。例えば、枠体２０の材料として、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン、液晶性ポリマー、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン、ガラス繊維強化樹脂などを用いることができる。枠体２０の形状は、特に限定されるものではないが、本第１実施形態では略矩形環状とする。

セパレータ３０，４０は、好ましくはＭＥＡ１０を機械的に固定するための部材である。セパレータ３０，４０は、好ましくは、カーボンを含む材質や金属を含む材質で構成される。セパレータ３０，４０がカーボンを含む材質で構成される場合、セパレータ３０，４０は、カーボン粉末と樹脂バインダとを混合した原料粉を金型内に供給し、当該金型内に供給された原料粉に圧力と熱を加えることによって形成することができる。セパレータ３０，４０が金属を含む材質で構成される場合、セパレータ３０，４０は、金属プレートからなるものであってもよい。また、セパレータ３０，４０として、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。

セパレータ３０のガス拡散層１４と接触する主面（以下、電極面ともいう）には、燃料ガス用のガス流路３１が設けられている。また、セパレータ４０のガス拡散層１４と接触する主面（以下、電極面ともいう）には、酸化剤ガス用のガス流路４１が設けられている。ガス流路３１を通じて一方の電極層１２に燃料ガスが供給され、ガス流路４１を通じて他方の電極層１２に酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。

シール部材２１は、好ましくは、適度な機械的強度と柔軟性を有する合成樹脂で構成される。シール部材２１を構成する材料としては、例えば、ゴム材料や熱可塑性エラストマーや接着剤等の化合物を使用することができる。シール部材２１を構成するシール材の具体例としては、フッ素ゴム、シリコーンゴム、天然ゴム、ＥＰＤＭ、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、臭化ブチルゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、エチレン−酢酸ビニルゴム、アクリルゴム、ポリイソプロピレンポリマー、パーフルオロカーボン、ポリベンゾイミダゾール、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、あるいはイソプレンゴム及びブタジエンゴム等のラテックスを用いた接着剤、液状のポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロロプレン、シリコーンゴム、フッ素ゴム及びアクリロニトリル−ブタジエンゴム等を用いた接着剤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、これらの化合物を単体で用いても、あるいは２種類以上を混合もしくは複合して用いてもよい。また、シール部材２１を構成するシール材として、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等を用いることができる。シール部材２１の形状は、特に限定されるものではないが、本第１実施形態では略矩形環状とする。

次に、本第１実施形態にかかる燃料電池１の製造方法について説明する。

まず、図３に示すように、電極−膜−枠接合体２とセパレータ３０，４０を用意する。本第１実施形態において、シール部材２１は、断面が半楕円形に形成されている。また、シール部材２１は、セパレータ３０，４０の表面に形成されている。

次いで、高分子電解質膜１１の厚さ方向から見て、シール部材２１の頂部２１ａよりも内側（図３の左側）にある内周部分２１ｂとガス拡散層１４の外周部分１４ｂとが重なるように位置合わせする。

次いで、電極−膜−枠接合体２と各セパレータ３０，４０とを締結する。これにより、シール部材２１の内周部分２１ｂがガス拡散層１４の外周部分１４ｂを高分子電解質膜１１の厚さ方向に押し潰すとともに、シール部材２１の頂部２１ａが枠体２０に接触する。このとき、ガス拡散層１４の外周部分１４ｂが変形することにより、シール部材２１とガス拡散層１４との間に隙間が発生しないようになっている。

以上のようにして、図２に示す燃料電池１が製造される。

本第１実施形態にかかる燃料電池の製造方法によれば、シール部材２１が、枠体２０に接触するとともに、ガス拡散層１４の外周部分１４ｂを高分子電解質膜１１の厚さ方向に押し潰すように、電極−膜−枠接合体２とセパレータ３０，４０とを締結している。これにより、シール部材２１とガス拡散層１４との隙間を無くすことができ、ガスの回り込み現象を抑えて、発電性能を一層向上させることができる。

なお、ガス拡散層１４は、前述したような、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成することが好ましい。この場合、当該多孔質部材が弾性を有するので、当該多孔質部材が押し潰された際に弾性変形して、シール部材２１とガス拡散層１４との間に隙間が発生することをより確実に防ぐことができる。

なお、ガス拡散層１４として剛性の高い部材を用いた場合には、当該ガス拡散層１４とシール部材２１とが接触した際に生じる反力により、シール部材２１やセパレータ３０，４０、枠体２０に割れや欠けが生じるおそれがある。このため、ガス拡散層１４は、剛性の低い部材で構成することが好ましい。

また、前記では、ガス拡散層１４の外周部分１４ｂが押し潰されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。シール部材２１の内周部分２１ｂが押し潰されるようにしてもよい。この場合、ガス拡散層１４として剛性の高い部材を用いることができる。また、ガス拡散層１４の外周部分１４ｂとシール部材２１の内周部分２１ｂの両方が押し潰されるようにしてもよい。この場合、シール部材２１とガス拡散層１４とが密着し、シール部材２１とガス拡散層１４との間に隙間が発生することをより確実に抑えることができる。また、ガス拡散層１４及びシール部材２１の材料の選択の幅を拡げることができる。

また、シール部材２１は、前述したように、セパレータ３０，４０の表面に形成されることが好ましい。この場合、セパレータ３０，４０は、枠体２０よりも寸法精度が高く、反りも少ないので、歩留まりが高いという利点がある。また、シール部材２１を射出成形によりセパレータ３０，４０の表面に形成する場合、セパレータ３０，４０は剛性が高いため、当該射出成形が容易であるという利点がある。なお、シール部材２１を射出成形により枠体２０に形成した場合には、射出成形時に発生する熱により、高分子電解質膜１１が劣化するおそれがある。この場合、発電性能が低下することになる。

また、シール部材２１は、図４に示すように、頂部２１ａがガス拡散層１４の外縁１４ａから離れる方向にずれるように形成されることが好ましい。この場合、頂部２１ａと枠体２０とを容易に接触させることができる。また、シール部材２１の内周部分２１ｂの体積を少なくすることができるので、ガス拡散層１４の外周部分１４ｂが圧縮されることにより生じる反力を小さくすることができる。これにより、高分子電解質膜１１に孔が空いて高分子電解質膜１１の耐久性や発電性能が低下するなどの不具合が発生することをより一層回避することができる。

また、シール部材２１は、図５に示すように、断面矩形に形成されてもよい。この場合、枠体２０には、シール部材２１と対向する位置に、突起部２０ｂが設けられることが好ましい。これにより、シール部材２１とガス拡散層１４の外周部分１４ｂとの接触圧力を、シール部材２１と枠体２０との接触圧力よりも小さくすることが容易になる。

また、シール部材２１は、図５に示すように、シール部材２１と枠体２０との距離ｈ１がシール部材２１とガス拡散層１４との距離ｈ２よりも短くなるように、シール部材２１が形成されることが好ましい。これにより、シール部材２１とガス拡散層１４の外周部分１４ｂとの接触圧力を、シール部材２１と枠体２０との接触圧力よりも小さくすることが容易になる。

また、ガス拡散層１４，１４は、図６に示すように、カソード電極側とアノード電極側とで、外縁１４ａ，１４ａの位置が異なることが有り得る。この場合、シール部材２１の内周部分２１ｂの長さＬ１を長くすることで、外縁１４ａの位置を過度に考慮することなく、シール部材２１の内周部分２１ｂとガス拡散層１４の外周部分１４ｂとを接触させることができる。

また、ガス拡散層１４の外周部分１４ｂは、図７に示すように、シール部材２１の形状に倣って傾斜していることが好ましい。これにより、シール部材２１の頂部２１ａと枠体２０とを容易に接触させることができるとともに、ガス拡散層１４の外周部分１４ｂが圧縮されることにより生じる反力を小さくすることができる。従って、高分子電解質膜１１に孔が空いて高分子電解質膜１１の耐久性や発電性能が低下するなどの不具合が発生することをより一層回避することができる。

また、セパレータ３０，４０は、図１〜図６に示すような段差を有する形状のものに限定されるものではなく、図７に示すような平板状のものであってもよい。

次に、図１に示す燃料電池（単電池）１を複数個直列に連結して、いわゆる燃料電池スタックとして使用する場合の構造について説明する。図８は、燃料電池１を複数個連結した燃料電池スタック３の基本構造を示す分解斜視図である。

複数個の燃料電池１を燃料電池スタック３として使用する場合、ガス流路３１，４１に反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を供給するためには、反応ガスを供給する配管を、セパレータ３０，４０の枚数に対応する数に分岐し、それらの分岐先をガス流路３１，４１につなぐマニホールドが必要となる。

このため、本第１実施形態では、図８に示すように、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０にそれぞれ、燃料ガスが供給される一対の貫通孔である燃料ガスマニホールド孔２２，３２，４２が設けられている。また、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０にはそれぞれ、酸化剤ガスが流通する一対の貫通孔である酸化剤ガスマニホールド孔２３，３３，４３が設けられている。枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０が燃料電池１として連結された状態では、燃料ガスマニホールド孔２２，３２，４２が連結され、燃料ガスマニホールドが形成される。同様に、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０が燃料電池１として連結された状態では、酸化剤ガスマニホールド孔２３，３３，４３が連結され、酸化剤ガスマニホールドが形成される。

また、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０には、冷却媒体（例えば、純水やエチレングリコール）が流通するそれぞれ二対の貫通孔である冷却媒体マニホールド孔２４，３４，４４が設けられている。枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０が燃料電池１として連結された状態では、冷却媒体マニホールド孔２４，３４，４４が連結され、二対の冷却媒体マニホールドが形成される。

また、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０には、それぞれの角部の近傍に４つのボルト孔５０が設けられている。各ボルト孔５０に締結ボルトが挿通され、当該締結ボルトにナットが結合することによって複数個の燃料電池１が締結される。

ガス流路３１は、一対の燃料ガスマニホールド３２，３２間を結ぶように設けられている。ガス流路４１は、一対の酸化剤ガスマニホールド４３，４３間を結ぶように設けられている。なお、図８では、ガス流路３１，４１をサーペンタイン型の流路として示したが、その他の形態（例えば直線型）の流路であってもよい。

また、セパレータ３０の電極面とは反対側の主面及びセパレータ４０の電極面とは反対側の主面には、図示していないが、好ましくは、それぞれ冷却媒体流路が形成される。冷却媒体流路は、二対の冷却媒体マニホールド孔３４，４４間を結ぶように形成される。すなわち、冷却媒体がそれぞれ供給側の冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路に分岐して、それぞれ排出側の冷却媒体マニホールドに流通するように構成されている。これにより、冷却媒体の伝熱能力を利用して、燃料電池１を電気化学反応に適した所定の温度に保つようにしている。

なお、前記では、セパレータ３０，４０に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各マニホールド孔を設け、積層した際に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各供給マニホールドが形成されるように構成した、いわゆる内部マニホールド方式の燃料電池を例示して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料電池スタック３の側面に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各供給マニホールドを設けた、いわゆる外部マニホールド方式の燃料電池であってもよい。この場合でも、同様の効果を得ることができる。また、セパレータ３０，４０を多孔状の導電材にて形成し、冷却媒体流路を流れる冷却水の圧力が、ガス流路３１，４１を流れる反応ガスの圧力よりも高くなるようにして、冷却水の一部を電極面側にセパレータ３０，４０を透過させて、高分子電解質膜１１を湿らせる、いわゆる内部加湿型の燃料電池であってもよい。

また、前記では、セパレータ３０，４０にガス流路３１，４１を設けるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、一方のガス拡散層１４にガス流路３１を設け、他方のガス拡散層１４にガス流路４１を設けるようにしてもよい。また、セパレータ３０と一方のガス拡散層１４の両方にガス流路３１を形成するようにしてもよい。また、セパレータ４０と他方のガス拡散層１４の両方にガス流路４１を形成するようにしてもよい。

《第２実施形態》
次に、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池について説明する。図９は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図である。本第２実施形態の燃料電池が前記第１実施形態の燃料電池と異なる点は、セパレータ３０，４０と枠体２０との間に第２シール部材６０を備える点である。

第２シール部材６０は、環状に形成され、セパレータ３０と枠体２０の両方、又はセパレータ４０と枠体２０の両方に接触するように設けられている。また、第２シール部材６０は、シール部材２１に外側で隣接するように設けられている。シール部材２１と枠体２０との接触圧力は、燃料電池１の内部に供給された反応ガスが外部へ流れようとする圧力よりも高くなっている。

本第２実施形態にかかる燃料電池によれば、第２シール部材６０を更に備えることにより、第２シール部材６０で、セパレータ３０，４０と枠体２０との隙間を十分にシールすることができる。これにより、反応ガスの外部への漏出をより確実に防ぐことができる。さらに、高分子電解質膜１１の厚さ方向から見て、触媒層１３と重ならない部分であるガス拡散層１４の外周部分１４ｂをシール部材２１で押し潰すことができる。そのため、ガス拡散層１４の外周部分１４ｂを反応ガスが通流することを抑制できる。これにより、触媒層１３に供給されず、発電反応に寄与しない反応ガスがガス拡散層の外周部分１４ｂを通流することを抑制でき、反応ガスをより有効に利用することができる。なお、シール部材２１を第２シール部材６０とガス拡散層１４との隙間Ｃ１の全部を塞ぐように設ける場合は、シール部材２１と第２シール部材６０とで、セパレータ３０，４０と枠体２０との隙間を二重にシールすることができる。これにより、反応ガスの外部への漏出をより一層防ぐことができる。

なお、第２シール部材６０により、反応ガスの外部への漏出を防ぐことができるので、シール部材２１は、反応ガスの外部への漏出を防ぐものでなくてもよく、ガス拡散層１４と第２シール部材６０との隙間を埋められるものであればよい。このため、図１０に示すように、セパレータ３０，４０と電極−膜−枠接合体２とを接合する前において、シール部材２１は、頂部２１ａが第２シール部材６０の頂部６０ａよりも低くなるように形成されてもよい。

また、シール部材２１と第２シール部材６０とは、異なる樹脂材料で構成されてもよい。例えば、シール部材２１は、第２シール部材６０よりも柔らかい樹脂材料で構成されてもよい。この場合、シール部材２１が弾性変形し易くなるため、ガス拡散層１４と第２シール部材６０との隙間をより確実に埋めることができる。

また、シール部材２１と第２シール部材６０とは、同一の樹脂材料により一体に形成されてもよい。この場合、シール部材２１と第２シール部材６０とを同時に形成することができるので、製造工程の増加を抑えることができる。

また、シール部材２１は、図１１に示すように、第２シール部材６０とガス拡散層１４との隙間Ｃ１の全部を塞ぐのではなく、当該隙間Ｃ１の一部を塞ぐように設けられてもよい。この場合でも、反応ガスが隙間Ｃ１を通じて燃料電池の外部に排出されること（ガスの回り込み現象）を抑えることができるので、従来の燃料電池よりも発電性能を向上させることができる。高分子電解質膜１１の厚さ方向から見て、触媒層１３と重ならない部分であるガス拡散層１４の外周部分１４ｂの一部を押し潰すことができる。ガス拡散層１４の外周部分１４ｂの一部を押し潰すことによって、ガス拡散層１４の外周部分１４ｂを反応ガスが通流することを抑制できる。これにより、触媒層１３に供給されず、発電反応に寄与しない反応ガスがガス拡散層の外周部分１４ｂを通流することを抑制でき、反応ガスをより有効に利用することができる。また、シール部材２１を配置する面積を少なくすることで、電極−膜−枠接合体２とセパレータ３０，４０とを締結する際に、当該シール部材２１を押し潰すために必要な締結荷重が増加することを抑えることができる。これにより、セパレータ３０，４０に強度の低い部材を用いることができ、コストを抑えることができる。

また、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池によれば、ガス拡散層１４の外縁と第２シール部材６０とにより形成される隙間Ｃ１は、高分子電解質膜１１又は触媒層１３に接しない。従って、高分子電解質膜１１又は触媒層１１と反応ガスとが直接接触することにより生じる劣化を防ぐことができる。

なお、図１１では、複数のシール部材２１が隙間Ｃ１に設けられる例を示したが、本発明はこれに限定されない。隙間Ｃ１にシール部材２１を１つ設けた場合でも、ガスの回り込み現象を抑えることができ、従来の燃料電池よりも発電性能を向上させることができる。

また、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態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。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術に熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

２０１２年５月１７日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２０１２−１１３６６１号の明細書、図面、および特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。

本発明にかかる燃料電池は、発電性能を一層向上させることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池として有用である。

１ 燃料電池
２ 電極−膜−枠接合体
３ 燃料電池スタック
１０ ＭＥＡ（膜電極接合体）
１１ 高分子電解質膜
１２ 電極層
１３ 触媒層
１３ａ 外縁
１４ ガス拡散層
１４ａ 外縁
１４ｂ 外周部分
２０ 枠体
２０ａ 内縁
２０ｂ 突起部
２１ シール部材
２１ａ 頂部
２１ｂ 内周部分
３０，４０ セパレータ
３１，４１ ガス流路
６０ 第２シール部材
６０ａ 頂部
Ｃ１ 隙間

Claims (13)

1. 高分子電解質膜と、
   前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、
   前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、
   前記高分子電解質膜の厚さ方向から見てその外縁が前記枠体の内縁よりも外側に位置するように、前記触媒層及び前記枠体上に設けられたガス拡散層と、
   前記ガス拡散層上に設けられたセパレータと、
   前記セパレータと前記枠体の両方に接触するように設けられた樹脂製のシール部材と、
   を備え、
   前記シール部材と前記ガス拡散層の外周部分の少なくとも一方が他方により前記厚さ方向に押し潰されている、燃料電池。
2. 前記シール部材と前記ガス拡散層の外周部分との接触圧力は、前記シール部材と前記枠体との接触圧力よりも小さい、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記シール部材と前記ガス拡散層の両方が押し潰されている、請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記シール部材は、前記セパレータの表面に形成されている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池。
5. 前記シール部材は、射出成形により前記セパレータの表面に形成されている、請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記セパレータと前記枠体との間に設けられた環状で樹脂製の第２シール部材を備え、
   前記第２シール部材は、前記ガス拡散層の外縁に対して隙間を空けて配置され、
   前記シール部材は、前記隙間の一部を塞ぐように設けられている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池。
7. 前記シール部材と前記第２シール部材とは、同一の樹脂材料により一体に形成されている、請求項６記載の燃料電池。
8. 前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成されている、請求項１〜７のいずれか１つに記載の燃料電池。
9. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、前記高分子電解質膜の厚さ方向から見てその外縁が前記枠体の内縁よりも外側に位置するように、前記触媒層及び前記枠体上に設けられたガス拡散層と、を備える電極−膜−枠接合体を用意し、
   表面にシール部材が設けられたセパレータを用意し、
   前記シール部材が前記枠体に接触するとともに、前記シール部材と前記ガス拡散層の外周部分の少なくとも一方が他方により前記厚さ方向に押し潰されるように、前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとを締結する、
   ことを含む、燃料電池の製造方法。
10. 前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとを締結する前において、前記シール部材と前記枠体との距離が前記シール部材と前記ガス拡散層との距離よりも短くなるように、前記シール部材が形成されている、請求項９に記載の燃料電池の製造方法。
11. 前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとを締結する前において、前記ガス拡散層の外周部分が前記シール部材の形状に倣って傾斜するように形成されている、請求項９又は１０に記載の燃料電池の製造方法。
12. 前記シール部材は、射出成形により前記セパレータの表面に形成されている、請求項９〜１１のいずれか１つに記載の燃料電池の製造方法。
13. 前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成されている、請求項９〜１２のいずれか１つに記載の燃料電池の製造方法。

Images