JPWO2016157714A1 - 燃料電池、及び燃料電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

燃料電池は、膜電極接合体と、アノードガス拡散層と、カソードガス拡散層と、これらで構成される積層体を挟む一対のセパレータと、熱硬化性樹脂で形成され、セパレータの間に配置されて積層体の外周を囲む枠体とを備える。アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の少なくとも一方のガス拡散層は、熱可塑性樹脂及び導電性粒子の複合材料で形成され、積層体がセパレータにより所定の圧力をもって挟まれていない状態で、枠体の一対のセパレータの１つと対向する面よりも突出する突出部を有し、積層体がセパレータにより所定の圧力をもって挟まれた状態で、突出部が一対のセパレータの１つにより押圧され、少なくとも一方のガス拡散層が変形して枠体に当接している。

Description

本開示は、燃料電池、及び燃料電池の製造方法に関する。
燃料電池は、水素と酸素とから電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ずに化学エネルギーから直接発電するので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギーを有効に利用でき、環境にやさしい特性を備えるため、２１世紀を担うエネルギー供給システムとして期待されている。そして、燃料電池は、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、また大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
特許文献１には、電解質膜を挟んでアノード及びカソードが積層されて形成された構造体が一対のセパレータで挟持された構造を有する燃料電池が開示されている。この燃料電池では、構造体をセパレータで挟持する前の状態でセパレータ側に突出する凸部を有するシール部材が、構造体の外周を囲むように設けられている。そして、一対のセパレータで構造体を挟持する際に、シール部材の凸部がセパレータにより押圧されて弾性変形する。これにより、特許文献１の燃料電池では構造体の端部におけるガスリークを防いでいる。
また、特許文献２には、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の両面に積層された電極層と、電極層を挟む一対のセパレータとで構成される単電池モジュールが、複数個積層されて形成された燃料電池が開示されている。この燃料電池において、電解質膜の周縁部は枠体に挟持されている。枠体は、電解質膜の周縁部に沿って連続して並ぶ凹凸構造を有している。枠体の凹部及び凸部は、電解質膜を介して対向するように配置されている。そして、枠体の凹部に弾性部材が配置されている。特許文献２の燃料電池では、枠体の凹部に配置された弾性部材によって枠体と電極層との間の隙間を埋めることで、燃料電池のガスシール性を確保している。
特開２００２−４２８３８号公報 特開２００９−２１８２３１号公報
本開示の第１の態様に係る燃料電池は、膜電極接合体、アノードガス拡散層、カソードガス拡散層、一対のセパレータ、および枠体を有する。膜電極接合体は、第１面と第１面と反対側の第２面を有する電解質膜、電解質膜の第１面に対向して配置されるアノード触媒層、及び電解質膜の第２面に対向して配置されるカソード触媒層で構成される。アノードガス拡散層は、アノード触媒層の電解質膜と反対側に配置される。カソードガス拡散層は、カソード触媒層の電解質膜と反対側に配置される。一対のセパレータは、アノードガス拡散層の膜電極接合体と反対側及びカソードガス拡散層の膜電極接合体と反対側にそれぞれ配置され、膜電極接合体、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層で構成される積層体を挟む。枠体は、一対のセパレータの間に配置されて積層体の外周を囲む。アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の少なくとも一方のガス拡散層は、枠体よりも剛性が低く、積層体が一対のセパレータにより所定の圧力をもって挟まれていない状態で、枠体の一対のセパレータの１つと対向する面よりも突出する突出部を有する。積層体が一対のセパレータにより所定の圧力をもって挟まれた状態では、突出部が一対のセパレータの１つにより押圧され、少なくとも一方のガス拡散層が変形して枠体に当接している。
第１の態様によれば、燃料電池の薄型化にともなうガスシール性の低下を抑制することができる。
本開示の第２の態様に係る燃料電池の製造方法では、導電性粒子と熱可塑性樹脂との複合材料を圧延して、主表面に平行な第１方向における伸縮率が、主表面に平行で且つ第１方向と交わる第２方向における伸縮率よりも高いアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を形成する。また、アノードガス拡散層へ供給される燃料ガスが流れる燃料ガス流体流路を、燃料ガス流体流路の延びる方向がアノードガス拡散層における第２方向と平行に設ける。一方、カソードガス拡散層へ供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流体流路を、酸化剤ガス流体流路の延びる方向がカソードガス拡散層における第２方向と平行に設ける。そして、第１面と第１面と反対側の第２面を有する電解質膜、電解質膜の第１面に対向して配置されるアノード触媒層、及び電解質膜の第２面に対向して配置されるカソード触媒層で構成される膜電極接合体を用意する。この膜電極接合体の外周を囲むように枠体を配置するとともに、枠体の外表面よりも突出する突出部がアノードガス拡散層に形成されるようにアノード触媒層の電解質膜と反対側にアノードガス拡散層を配置するか、または、枠体の外表面よりも突出する突出部がカソードガス拡散層に形成されるようにカソード触媒層の電解質膜と反対側にカソードガス拡散層を配置するかの少なくともいずれか一方を行って積層体を形成する。さらに、一対のセパレータのうち一方のセパレータをアノードガス拡散層の膜電極接合体と反対側に配置し、他方のセパレータをカソードガス拡散層の膜電極接合体と反対側に配置して、一対のセパレータに所定の圧力をかけて積層体を挟み、突出部を押圧することによりアノードガス拡散層またはカソードガス拡散層を変形させて枠体に当接させる。
第２の態様によれば、燃料電池のガスシール構造を簡略化して形成することができる。
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池を含む燃料電池スタックの構造を模式的に示す分解斜視図である。 図２Ａは、第１の実施の形態に係る燃料電池の概略構造を示す断面図である。 図２Ｂは、第１の実施の形態に係る燃料電池の概略構造を示す断面図である。 図３は、第２の実施の形態に係る燃料電池を含む燃料電池スタックの構造を模式的に示す分解斜視図である。 図４は、第２の実施の形態に係る燃料電池の概略構造を示す平面図である。 図５Ａは、図４のＶＡ−ＶＡ線に沿った断面図である。 図５Ｂは、図５Ａ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を示す断面図である。 図６Ａは、第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を模式的に示す斜視図である。 図６Ｂは、第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を模式的に示す工程断面図である。 図６Ｃは、第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を模式的に示す工程断面図である。 図６Ｄは、第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を模式的に示す工程断面図である。 図７Ａは、第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を模式的に示す工程断面図である。 図７Ｂは、第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を模式的に示す工程断面図である。 図７Ｃは、第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を模式的に示す工程断面図である。 図７Ｄは、第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を模式的に示す工程断面図である。 図８は、第３の実施の形態に係る燃料電池の概略構造を示す平面図である。 図９Ａは、図８のＩＸＡ−ＩＸＡ線に沿った断面図である。 図９Ｂは、図９Ａ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を示す断面図である。 図１０Ａは、図８のＸＡ−ＸＡ線に沿った断面図である。 図１０Ｂは、図１０Ａ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を示す断面図である。 図１１Ａは、図８における凸部の近傍領域を拡大して示す平面図である。 図１１Ｂは、図１１Ａ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を示す平面図である。 図１２Ａは、第４の実施の形態に係る燃料電池における凸部の近傍領域を拡大して示す平面図である。 図１２Ｂは、図１２Ａ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を示す平面図である。
本開示の実施の形態の説明に先立ち、従来技術における問題点を簡単に説明する。
近年、燃料電池のさらなる薄型化が求められている。本発明者らは燃料電池の薄型化について鋭意検討を重ねた結果、特許文献１の燃料電池に採用されていたガスシール構造では、燃料電池を薄型化した場合に燃料電池のガスシール性が低下するおそれがあることを見出した。
また、上述したように、特許文献２の燃料電池はガスシール構造として、枠体に凹凸構造を形成するとともに、凹部に弾性部材を配置した構造を有している。このため、特許文献２の燃料電池はガスシール構造が複雑である。
本開示は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、燃料電池の薄型化にともなうガスシール性の低下を抑制する技術を提供する。また、本開示は、燃料電池のガスシール構造を簡略化する技術を提供する。
以下、本開示の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、実施の形態は、開示を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示の本質的なものであるとは限らない。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池を含む燃料電池スタックの構造を模式的に示す分解斜視図である。燃料電池スタック１００は、本実施の形態に係る燃料電池１が複数個積層された構造を有する。隣り合う燃料電池１の間にはガスケット（図示せず）が設けられる。燃料電池１の積層方向の両側には、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１１０ａ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及び締結板１３０には、ガスや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。一対の締結板１３０によって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とが挟まれた状態で、これらの集合体は締結部材（図示せず）によって積層方向に加圧されるとともに締結される。なお、絶縁板１２０と締結板１３０とは絶縁物で一体成形されてもよい。燃料電池１は、積層体２がセパレータ４ａ，４ｂで挟み込まれた構造を有する。以下、燃料電池１の構造について詳細に説明する。
図２Ａ及び図２Ｂは、第１の実施の形態に係る燃料電池の概略構造を示す断面図である。図２Ａは、積層体２がセパレータ４ａ，４ｂで挟持される前の状態を示し、図２Ｂは、積層体２がセパレータ４ａ，４ｂで挟持された状態を示す。燃料電池１は、積層体２と、セパレータ４ａ，４ｂと、枠体６とを備える。
積層体２は、膜電極接合体１０、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０で構成される。膜電極接合体１０は、略平板状である。アノードガス拡散層２０とカソードガス拡散層４０とは、膜電極接合体１０を挟んで互いの主表面が対向するように設けられる。また、アノードガス拡散層２０の膜電極接合体１０とは反対側の主表面に、セパレータ４ａが積層され、カソードガス拡散層４０の膜電極接合体１０とは反対側の主表面に、セパレータ４ｂが積層される。
膜電極接合体１０は、電解質膜１２、電解質膜１２の一方の主表面（第１面）に対向して配置されるアノード触媒層１４、及び電解質膜１２の他方の主表面（第２面）に対向して配置されるカソード触媒層１６で構成される。
電解質膜１２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード触媒層１４とカソード触媒層１６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜１２は、例えば含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成される。電解質膜１２の材料としては、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例としては、ナフィオン（デュポン社製、登録商標）１１２等が挙げられる。非フッ素重合体の例としては、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトンやポリスルホン等が挙げられる。電解質膜１２の厚さは、例えば１０μｍ以上、２００μｍ以下である。
アノード触媒層１４及びカソード触媒層１６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。アノード触媒層１４及びカソード触媒層１６が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜１２を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を果たす。このイオン交換樹脂は、電解質膜１２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、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体といった触媒金属が挙げられる。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、カーボンナノチューブ等を用いることができる。アノード触媒層１４及びカソード触媒層１６の厚さは、それぞれ、例えば１０μｍ以上、４０μｍ以下である。
アノードガス拡散層２０は、アノード触媒層１４の電解質膜１２と反対側に配置される。アノードガス拡散層２０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。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、アノードガス拡散層２０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、アノードガス拡散層２０は導電性であり、多数の微細な空孔を有する。また、アノードガス拡散層２０は、伸縮性を有する。アノードガス拡散層２０の厚さは、セパレータ４ａ，４ｂで押圧されていない状態で、例えば２５０μｍ以上、６００μｍ以下であり、セパレータ４ａ，４ｂで押圧された状態で、例えば２００μｍ以上、５００μｍ以下である。
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、膨張黒鉛などのカーボン粒子や、金属粒子等を用いることができる。導電性粒子の平均粒子径は、例えば一次粒子で０．０１μm以上、５０μm以下である。熱可塑性樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、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）、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）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）等のフッ素系樹脂を用いることができる。
アノードガス拡散層２０の主成分は、導電性粒子と熱可塑性樹脂であるが、好ましくは、長さが３０μｍ以下の導電性繊維を、３０質量％以下含む。導電性繊維の含有量は、例えば導電性粒子と熱可塑性樹脂の合計含有量よりも少ない。アノードガス拡散層２０に導電性繊維を含有させることで、アノードガス拡散層２０の剛性、導電性及びガス拡散性を向上させることができる。導電性繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）等のカーボンファイバーや、金属繊維、あるいは炭素で被覆された金属繊維などの金属と炭素の複合材料等を用いることができる。
導電性繊維の長さの測定方法は以下の通りである。すなわち、まずアノードガス拡散層２０を切断して断面を形成する。当該断面を研磨した後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で断面を撮像する。そして、得られた断面の画像において、導電性繊維の長さを測定する。また、他の測定方法としては以下の方法を挙げることができる。すなわち、アノードガス拡散層２０の一部を切り出し、当該一部を熱可塑性樹脂を溶解させる溶媒に投入する。これにより、アノードガス拡散層２０中の熱可塑性樹脂が溶解する。そして、ろ過などの公知の操作により、互いに分離された導電性繊維を溶媒中から回収する。分離された導電性繊維を無作為に例えば４００本抽出し、光学顕微鏡もしくはＳＥＭを用いて各導電性繊維の長さを測定する。導電性繊維を分離する方法としては、熱可塑性樹脂を溶解させる溶媒を用いない方法を採用することもできる。この方法では、切り出されたアノードガス拡散層２０の一部を、例えば温度５００℃で３０分間加熱する。これにより、熱可塑性樹脂を焼き飛ばして、導電性繊維を分離する。
また、アノードガス拡散層２０は、セパレータ４ａに対向する主表面２０ａに溝状の流体流路２２を有する。流体流路２２は、アノードガス拡散層２０の主表面２０ａに設けられる凹部によって構成される。流体流路２２は、セパレータ４ａに対向して配置され、燃料ガスの流路として機能する。水素ガス等の燃料ガスは、燃料供給用のマニホールド（図示せず）から流体流路２２に分配され、流体流路２２からアノードガス拡散層２０を経て、膜電極接合体１０のアノード触媒層１４に供給される。流体流路２２の寸法は、例えば、流体流路２２の深さは３０μｍ以上、４５０μｍ以下、流体流路２２の幅は１００μｍ以上、１０００μｍ以下であり、隣り合う流体流路２２間の距離は１００μｍ以上、１０００μｍ以下である。なお、本実施の形態では、流体流路２２は５つ設けられているが、その数は特に限定されず、アノードガス拡散層２０や流体流路２２の大きさ等に応じて適宜設定することができる。アノードガス拡散層２０において、主表面２０ａのうち流体流路２２が形成されていない領域がセパレータ４ａに接触する。
カソードガス拡散層４０は、カソード触媒層１６の電解質膜１２と反対側に配置される。カソードガス拡散層４０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。したがって、カソードガス拡散層４０は導電性であり、アノードガス拡散層２０と同様に多数の微細な空孔を有する。また、カソードガス拡散層４０は、伸縮性を有する。カソードガス拡散層４０の厚さは、セパレータ４ａ，４ｂで押圧されていない状態で、例えば２５０μｍ以上、６００μｍ以下であり、セパレータ４ａ，４ｂで押圧された状態で、例えば２００μｍ以上、５００μｍ以下である。
導電性粒子及び熱可塑性樹脂としては、アノードガス拡散層２０が含有する導電性粒子及び熱可塑性樹脂と同じものが例示される。カソードガス拡散層４０の主成分は、導電性粒子と熱可塑性樹脂であるが、好ましくは、長さが３０μｍ以下の導電性繊維を、３０質量％以下含む。導電性繊維の含有量は、例えば導電性粒子と熱可塑性樹脂の合計含有量よりも少ない。カソードガス拡散層４０に導電性繊維を含有させることで、カソードガス拡散層４０の剛性、導電性及びガス拡散性を向上させることができる。導電性繊維としては、アノードガス拡散層２０が含有する導電性繊維と同じものが例示される。導電性繊維の長さの測定方法は上述の通りである。
また、カソードガス拡散層４０は、セパレータ４ｂに対向する主表面４０ａに溝状の流体流路４２を有する。流体流路４２は、カソードガス拡散層４０の主表面４０ａに設けられる凹部によって構成される。流体流路４２は、セパレータ４ｂに対向して配置され、酸化剤ガスの流路として機能する。空気等の酸化剤ガスは、酸化剤供給用のマニホールド（図示せず）から流体流路４２に分配され、流体流路４２からカソードガス拡散層４０を経て、膜電極接合体１０のカソード触媒層１６に供給される。また、流体流路４２は、カソード触媒層１６で生成される水の排水路としても機能する。流体流路４２の寸法、設置数等は、アノードガス拡散層２０の流体流路２２と同様である。カソードガス拡散層４０において、主表面４０ａのうち流体流路４２が形成されていない領域がセパレータ４ｂに接触する。
アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０は例えば以下のようにして製造することができる。すなわち、熱可塑性樹脂と導電性粒子との複合材料を焼成し圧延して、伸縮性を有する多孔質シートを形成する。この過程で、熱可塑性樹脂は繊維化し、繊維化した熱可塑性樹脂により導電性粒子同士が接続される。次いで、この多孔質シートを、流体流路２２，４２の形状に対応する凸部を有する第１金型と平坦面を有する第２金型との間に配置する。続いて、第１金型と第２金型とを型閉じし、多孔質シートを所定の温度及び圧力で加熱及び加圧する。成型時の温度及び圧力は、例えば２〜３ＭＰａ、１００〜２００℃である。所定時間の経過後、第１金型と第２金型とを型開きする。この結果、主表面２０ａに流体流路２２を有するアノードガス拡散層２０が形成される。また、主表面４０ａに流体流路４２を有するカソードガス拡散層４０が形成される。
なお、アノード触媒層１４とアノードガス拡散層２０とが積層された構造をアノードと称し、カソード触媒層１６とカソードガス拡散層４０とが積層された構造をカソードと称する場合がある。
枠体６は、セパレータ４ａ，４ｂの間に配置されて積層体２の外周を囲む。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。本実施の形態では、枠体６の積層体２に対向する面６ｃに溝部が形成されており、当該溝部に電解質膜１２の端部が挿入される。電解質膜１２の端部において、枠体６に設けられる燃料ガスマニホールド及び酸化剤ガスマニホールド（ともに図示せず）と接する領域を除く領域が枠体６の溝部に挿入される。そして、枠体６は、燃料電池１が締結された状態で、アノード触媒層１４、カソード触媒層１６、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０のそれぞれにおける一方の主表面と他方の主表面とをつなぐ側面に当接する。この側面は、流体流路２２，４２の延びる方向に対して平行である。なお、アノード触媒層１４の側面はアノードガス拡散層２０で覆われ、カソード触媒層１６の側面はカソードガス拡散層４０で覆われて、アノードガス拡散層２０の側面とカソードガス拡散層４０の側面とだけが枠体６に当接してもよい。
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、フェノール樹脂等を用いることができる。枠体６の厚さは、例えば４００μｍ以上、１１００μｍ以下である。
セパレータ４ａの一方の主表面は、アノードガス拡散層２０の主表面２０ａ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。また、セパレータ４ｂの一方の主表面は、カソードガス拡散層４０の主表面４０ａ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。セパレータ４ａ，４ｂは、例えばカーボンの平板や、ステンレス、チタン等の金属の平板で形成される。セパレータ４ａ，４ｂの厚さは、例えば１００μｍ以上、３００μｍ以下である。
図２Ａに示すように、セパレータ４ａ，４ｂは、積層体２が両者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２Ｂ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、枠体６のセパレータ４ａと対向する面６ａ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、枠体６のセパレータ４ｂと対向する面６ｂに当接して停止する。
アノードガス拡散層２０は、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状態で、枠体６のセパレータ４ａと対向する面６ａよりもセパレータ４ａに向かって突出する突出部２４を有する。また、カソードガス拡散層４０は、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状態で、枠体６のセパレータ４ｂと対向する面６ｂよりもセパレータ４ｂに向かって突出する突出部４４を有する。
上述のように、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０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、枠体６は、熱硬化性樹脂で形成される。したがって、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０は、枠体６に比べて剛性が低い。このため、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る際に、突出部２４がセパレータ４ａにより押圧され、突出部４４がセパレータ４ｂにより押圧される。これにより、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０が変形し、枠体６の内側面、すなわち面６ｃに当接する。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状態で、突出部２４，４４がセパレータ４ａ，４ｂにより押圧され、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０が変形して枠体６に当接している。
アノードガス拡散層２０が変形する際、アノードガス拡散層２０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。同様に、枠体６と電解質膜１２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、カソードガス拡散層４０が変形する際、カソードガス拡散層４０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。同様に、枠体６と電解質膜１２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。セパレータ４ａ，４ｂで積層体２が挟持された状態、すなわちアノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０の変形後の状態における、積層体２及びセパレータ４ａ，４ｂの合計厚さＸは、例えば０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下である。
従来の燃料電池は、概ね１〜２ｃｍ程度の厚さを有している。燃料電池を薄型化、例えば従来の１／１０程度にする場合、従来の燃料電池におけるガスシール構造では、積層体の外周を囲むシール材の圧縮代（寸法）を確保することが困難である。このため、従来のガスシール構造のまま燃料電池を薄型化すると、燃料電池のガスシール性が低下するおそれがある。
これに対し、燃料電池１では、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０がシール材としての機能を有している。すなわち、本実施の形態では、積層体２の外周に剛性の高い枠体６を設けている。そして、突出部２４，４４をセパレータ４ａ，４ｂでの押圧により変形させている。これにより、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０がセパレータ４ａ，４ｂと枠体６との接続部の形状に追従して変形し、枠体６に当接する。共に剛性の高い枠体６とセパレータ４ａ，４ｂとが当接する場合、両者の間に隙間が生じやすいが、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０の変形によって枠体６とセパレータ４ａ，４ｂ間の隙間を塞ぐことができる。このため、燃料電池を薄型化した場合であっても、ガスシール性の低下を抑制することができる。
また、燃料電池を薄型化する場合、当然ながら燃料電池の剛性が低下する傾向にある。これに対し、熱硬化性樹脂で形成される枠体６を用いることで、燃料電池１の剛性を維持することができる。よって、本実施の形態によれば、燃料電池の剛性とガスシール性とを両立することができる。
上述した固体高分子型の燃料電池１では、以下の反応が起こる。すなわち、アノードガス拡散層２０を介してアノード触媒層１４に燃料ガスとしての水素ガスが供給されると、アノード触媒層１４において下記式（１）で示す反応が起こり、水素がプロトンと電子に分解される。プロトンは、電解質膜１２中をカソード触媒層１６へ移動する。電子は、アノードガス拡散層２０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及びカソードガス拡散層４０を経由してカソード触媒層１６に流れ込む。一方、カソードガス拡散層４０を介してカソード触媒層１６に酸化剤ガスとしての空気が供給されると、カソード触媒層１６において下記式（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。
アノード触媒層１４：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− （１）
カソード触媒層１６：２Ｈ＋＋（１／２）Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ （２）
以上説明したように、燃料電池１は、膜電極接合体１０と、アノードガス拡散層２０と、カソードガス拡散層４０と、セパレータ４ａ，４ｂと、枠体６とを備える。枠体６は、熱硬化性樹脂で形成され、膜電極接合体１０及びガス拡散層の側面を覆う。アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０は、熱可塑性樹脂及び導電性粒子の複合材料で形成され、積層体２がセパレータ４ａ，４ｂにより挟持されていない状態で、枠体６のセパレータ４ａ，４ｂと接する面６ａ，６ｂよりも突出する突出部２４，４４を有する。そして、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０は、セパレータ４ａ，４ｂにより挟持される際に、突出部２４，４４がセパレータ４ａ，４ｂで押圧されることで変形し、枠体６の面６ｃに当接する。これにより、積層体２の端部における燃料ガス及び酸化剤ガスのリークを抑制することができる。よって、燃料電池１の薄型化にともなうガスシール性の低下を抑制することができる。また、積層体２の端部におけるガスリークを抑制することができるため、電極反応に寄与しない燃料ガス及び酸化剤ガスの量を減らすことができる。よって、燃料電池１の効率低下を抑制することができる。
また、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０を変形させているため、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０をカーボンペーパー等の伸縮性の低い部材で形成する場合に比べて、アノードガス拡散層２０とセパレータ４ａとの接触面積、及びカソードガス拡散層４０とセパレータ４ｂとの接触面積をより確実に確保することができる。これにより、アノードガス拡散層２０とセパレータ４ａとの間の接触抵抗の増加、及びカソードガス拡散層４０とセパレータ４ｂとの間の接触抵抗の増加を抑制することができる。また、枠体６等の燃料電池１を構成する部材に要求される寸法精度を低減することができる。また、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０は、熱や生成水による膜電極接合体１０の膨張、収縮に追従することができる。
また、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０は、セパレータ４ａ，４ｂに対向する主表面２０ａ，４０ａに溝状の流体流路２２，４２を有する。これにより、セパレータ４ａ，４ｂでアノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０を押圧する際のアノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０の変形量を増大させることができる。したがって、燃料電池１のガスシール性の低下をより確実に抑制することができる。
本開示は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本開示の範囲に含まれうるものである。
上述した実施の形態では、複数個の燃料電池１が積層されて燃料電池スタック１００が構成されているが、燃料電池１は１つのみであってもよい。また、上述した実施の形態では、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０がともに突出部２４，４４を有し、セパレータ４ａ，４ｂにより押圧されて変形する。しかしながら、特にこの構成に限定されず、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０のいずれか一方のガス拡散層のみが突出部を有し、セパレータにより押圧されて変形してもよい。この場合、他方のガス拡散層には、従来公知のガスシール構造を設けてもよい。
また、上述した実施の形態では、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０がともに、各ガス拡散層の主表面２０ａ，４０ａに設けられた溝部で構成される流体流路２２，４２を有する。しかしながら、特にこの構成に限定されず、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０のいずれか一方のガス拡散層のみが、当該構成の流体流路を有してもよい。この場合、他方のガス拡散層には、セパレータに設けられる溝部で構成される流体流路等の、従来公知の流体流路が設けられてもよい。また、上述した実施の形態では、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０がともに導電性繊維を含有する。しかしながら、特にこの構成に限定されず、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０のいずれか一方のガス拡散層のみが導電性繊維を含有してもよい。
（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態に係る燃料電池を含む燃料電池スタックの構造を模式的に示す分解斜視図である。燃料電池スタック１０１は、本実施の形態に係る燃料電池５１が複数個積層された構造を有する。燃料電池５１は、積層体５２がセパレータ５４ａ，５４ｂで挟み込まれた構造を有する。燃料電池スタック１０１の他の構成は、第１の実施の形態の燃料電池スタック１００と同様である。以下、燃料電池５１の構造について詳細に説明する。
図４は、燃料電池５１の概略構造を示す平面図である。図５Ａは、図４のＶＡ−ＶＡ線に沿った断面図である。図４は、積層体５２がセパレータ５４ａ，５４ｂで挟持された状態を示すが、燃料電池５１の内部構造を説明するため便宜的にセパレータ５４ａ，５４ｂを省略している。また、図４は、一例としてアノードガス拡散層７０が設けられた面を示す。図５Ａは、積層体５２がセパレータ５４ａ，５４ｂで挟持された状態を示し、図５Ｂは、積層体５２がセパレータ５４ａ，５４ｂで挟持される前の状態を示す。
燃料電池５１は、積層体５２と、セパレータ５４ａ，５４ｂと、枠体５６とを備える。積層体５２は、膜電極接合体６０、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０で構成される。膜電極接合体６０は、略平板状である。アノードガス拡散層７０とカソードガス拡散層９０とは、膜電極接合体６０を挟んで互いの主表面が対向するように設けられる。また、アノードガス拡散層７０の膜電極接合体６０とは反対側の主表面に、セパレータ５４ａが積層され、カソードガス拡散層９０の膜電極接合体６０とは反対側の主表面に、セパレータ５４ｂが積層される。
膜電極接合体６０は、電解質膜６２、電解質膜６２の一方の主表面（第１面）に対向して配置されるアノード触媒層６４、及び電解質膜６２の他方の主表面（第２面）に対向して配置されるカソード触媒層６６で構成される。
電解質膜６２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード触媒層６４とカソード触媒層６６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜６２は、例えば含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成される。電解質膜６２の材料としては、第１の実施の形態と同様の材料を用いることができる。電解質膜６２の厚さは、例えば５μｍ以上、５０μｍ以下である。
アノード触媒層６４及びカソード触媒層６６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。アノード触媒層６４及びカソード触媒層６６が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜６２を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を果たす。このイオン交換樹脂は、電解質膜６２と同様の高分子材料から形成することができる。触媒粒子及び炭素粒子としては、第１の実施の形態と同様の材料を用いることができる。アノード触媒層６４及びカソード触媒層６６の厚さは、それぞれ、例えば１μｍ以上、１００μｍ以下である。
アノードガス拡散層７０は、アノード触媒層６４の電解質膜６２と反対側に配置される。アノードガス拡散層７０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。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、アノードガス拡散層７０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、アノードガス拡散層７０は導電性であり、多数の微細な空孔を有する。
また、アノードガス拡散層７０は、異方的な伸縮性を有する。すなわち、アノードガス拡散層７０は、主表面に平行な第１方向Ｘ（図４中の矢印Ｘで示す方向）における伸縮率が、主表面に平行で且つ第１方向Ｘと交わる第２方向Ｙ（図４中の矢印Ｙで示す方向）における伸縮率よりも高い。例えば、アノードガス拡散層７０は、主表面に平行な第１方向Ｘに伸びやすく、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに伸びにくい。アノードガス拡散層７０の厚さは、セパレータ５４ａ，５４ｂで押圧されていない状態で、例えば１５０μｍ以上、５５０μｍ以下であり、セパレータ５４ａ，５４ｂで押圧された状態で、例えば１００μｍ以上、５００μｍ以下である。
導電性粒子及び熱可塑性樹脂としては、第１の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
アノードガス拡散層７０の主成分は、導電性粒子と熱可塑性樹脂であるが、好ましくは、長さが３０μｍ以下の導電性繊維を、２０質量％以下含む。導電性繊維の含有量は、例えば導電性粒子と熱可塑性樹脂の合計含有量よりも少ない。アノードガス拡散層７０に導電性繊維を含有させることで、アノードガス拡散層７０の剛性、導電性及びガス拡散性を向上させることができる。導電性繊維としては、第１の実施の形態と同様の材料を用いることができる。また、導電性繊維の長さは、第１の実施の形態と同様の方法により測定することができる。
燃料電池５１は、アノードガス拡散層７０の主表面に沿って一端側から他端側へ延びる流体流路７２を有する。流体流路７２は、アノードガス拡散層７０へ供給される燃料ガスが流れる流路である。本実施の形態では、流体流路７２は、アノードガス拡散層７０のセパレータ５４ａに対向する主表面７０ａに設けられる溝部あるいは凹部で構成される。流体流路７２は、アノードガス拡散層７０における燃料供給用マニホールド１６０ａ対向する端部から、燃料排出用マニホールド１６０ｂに対向する端部に延びている。水素ガス等の燃料ガスは、燃料供給用マニホールド１６０ａから流体流路７２に分配され、流体流路７２からアノードガス拡散層７０を経て、膜電極接合体６０のアノード触媒層６４に供給される。アノード触媒層６４で反応しなかった燃料ガス（燃料オフガス）は、燃料排出用マニホールド１６０ｂから排出される。流体流路７２は、アノードガス拡散層７０の伸縮性についての第１方向Ｘと交わるように延びている。例えば、流体流路７２は、第１方向Ｘと直交するように配置される。また、第２方向は、アノードガス拡散層７０へ供給される燃料ガスが流れる流体流路７２の延びる方向である。すなわち、流体流路７２は、第２方向に平行に延びている。
例えば、流体流路７２の深さは３０μｍ以上、４５０μｍ以下、流体流路７２の幅は１００μｍ以上、１０００μｍ以下であり、隣り合う流体流路７２間の距離は１００μｍ以上、１０００μｍ以下である。なお、流体流路７２の数は特に限定されず、アノードガス拡散層７０や流体流路７２の大きさ等に応じて適宜設定することができる。アノードガス拡散層７０において、主表面７０ａのうち流体流路７２が形成されていない領域がセパレータ５４ａに接触する。
カソードガス拡散層９０は、カソード触媒層６６の電解質膜６２と反対側に配置される。カソードガス拡散層９０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。したがって、カソードガス拡散層９０は導電性であり、アノードガス拡散層７０と同様に多数の微細な空孔を有する。また、カソードガス拡散層９０は、異方的な伸縮性を有する。すなわち、カソードガス拡散層９０は、アノードガス拡散層７０と同様に、主表面に平行な第１方向における伸縮率が、主表面に平行で且つ第１方向と交わる第２方向における伸縮率よりも高い。例えば、カソードガス拡散層９０は、主表面に平行な第１方向に伸びやすく、第１方向に直交する第２方向に伸びにくい。カソードガス拡散層９０の厚さは、セパレータ５４ａ，５４ｂで押圧されていない状態で、例えば１５０μｍ以上、５５０μｍ以下であり、セパレータ５４ａ，５４ｂで押圧された状態で、例えば１００μｍ以上、５００μｍ以下である。
導電性粒子及び熱可塑性樹脂としては、アノードガス拡散層７０が含有する導電性粒子及び熱可塑性樹脂と同じものが例示される。カソードガス拡散層９０の主成分は、導電性粒子と熱可塑性樹脂であるが、好ましくは、長さが３０μｍ以下の導電性繊維を、２０質量％以下含む。導電性繊維の含有量は、例えば導電性粒子と熱可塑性樹脂の合計含有量よりも少ない。カソードガス拡散層９０に導電性繊維を含有させることで、カソードガス拡散層９０の剛性、導電性及びガス拡散性を向上させることができる。導電性繊維としては、カソードガス拡散層９０が含有する導電性繊維と同じものが例示される。導電性繊維の長さの測定方法は上述の通りである。
燃料電池５１は、カソードガス拡散層９０の主表面に沿って一端側から他端側へ延びる流体流路９２を有する。流体流路９２には、カソードガス拡散層９０へ供給される酸化剤ガスが流れる。流体流路９２は、カソードガス拡散層９０のセパレータ５４ｂに対向する主表面９０ａに設けられる溝部あるいは凹部で構成される。流体流路９２は、カソードガス拡散層９０における酸化剤供給用マニホールド１７０ａに対向する端部から、酸化剤排出用マニホールド１７０ｂに対向する端部に延びている。空気等の酸化剤ガスは、酸化剤供給用マニホールド１７０ａから流体流路９２に分配され、流体流路９２からカソードガス拡散層９０を経て、膜電極接合体６０のカソード触媒層６６に供給される。また、流体流路９２は、カソード触媒層６６で生成される水の排水路としても機能する。カソード触媒層６６で反応しなかった酸化剤ガス（酸化剤オフガス）は、酸化剤排出用マニホールド１７０ｂから排出される。流体流路９２は、カソードガス拡散層９０の伸縮性についての第１方向Ｘと交わるように延びている。例えば、流体流路９２は、第１方向Ｘと直交するように配置される。すなわち、流体流路９２は、第２方向に平行に延びている。
流体流路９２の寸法、設置数等は、アノードガス拡散層７０の流体流路７２と同様である。カソードガス拡散層９０において、主表面９０ａのうち流体流路９２が形成されていない領域がセパレータ５４ｂに接触する。
なお、アノード触媒層６４とアノードガス拡散層７０とが積層された構造をアノードと称し、カソード触媒層６６とカソードガス拡散層９０とが積層された構造をカソードと称する場合がある。
枠体５６は、セパレータ５４ａ，５４ｂの間に配置されて積層体５２の外周を囲む。したがって、積層体５２は、セパレータ５４ａ，５４ｂと枠体５６とで区画される空間内に収容される。枠体５６は、一端側に燃料供給用マニホールド１６０ａ、酸化剤排出用マニホールド１７０ｂ及び冷却水用マニホールド１８０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１６０ｂ、酸化剤供給用マニホールド１７０ａ及び冷却水用マニホールド１８０を有する。
本実施の形態では、枠体５６の積層体５２に対向する面５６ｃに溝部が形成されており、この溝部に電解質膜６２の端部が挿入される。電解質膜６２の端部において、枠体５６に設けられる燃料供給用マニホールド１６０ａ、燃料排出用マニホールド１６０ｂ、酸化剤供給用マニホールド１７０ａ及び酸化剤排出用マニホールド１７０ｂと接する領域を除く領域が枠体５６の溝部に挿入される。そして、燃料電池５１が締結された状態で、枠体５６は、アノードガス拡散層７０の一方の主表面と他方の主表面とをつなぐ側面７０ｂに当接する。この側面７０ｂは、流体流路７２の延びる方向に対して平行である。また、燃料電池５１が締結された状態で、枠体５６は、カソードガス拡散層９０の一方の主表面と他方の主表面とをつなぐ側面９０ｂに当接する。この側面９０ｂ、流体流路９２の延びる方向に対して平行である。燃料電池５１が未締結の状態では、枠体５６と側面７０ｂ，９０ｂとは離間している。
枠体５６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、エポキシ樹脂や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。枠体５６の厚さは、例えば２０７μｍ以上、１２５０μｍ以下である。
セパレータ５４ａにおいて、一方の主表面がアノードガス拡散層７０の主表面７０ａに当接し、他方の主表面、すなわち積層体５２とは反対側の主表面に、積層体５２を冷却するための冷却水流路５５ａを有する。セパレータ５４ｂにおいて、一方の主表面がカソードガス拡散層９０の主表面９０ａに当接し、他方の主表面、すなわち積層体５２とは反対側の主表面に、積層体５２を冷却するための冷却水流路５５ｂを有する。冷却水流路５５ａ，５５ｂは、冷却水用マニホールド１８０に連通される。セパレータ５４ａ，５４ｂは、例えばステンレス、チタン、カーボン等で形成される。セパレータ５４ａ，５４ｂの厚さは、例えば５０μｍ以上、３００μｍ以下である。
図５Ｂに示すように、セパレータ５４ａ，５４ｂは、積層体５２が両者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３参照）に所定の荷重がかけられると、セパレータ５４ａ，５４ｂは互いに近づく方向に変位する。そして、図５Ａに示すように、セパレータ５４ａは、所定の圧力で積層体５２を押圧し、枠体５６のセパレータ５４ａと対向する面５６ａに当接して停止する。セパレータ５４ｂは、所定の圧力で積層体５２を押圧し、枠体５６のセパレータ５４ｂと対向する面５６ｂに当接して停止する。
アノードガス拡散層７０は、積層体５２がセパレータ５４ａ，５４ｂにより所定の圧力をもって挟まれていない状態で、枠体５６のセパレータ５４ａと対向する面５６ａよりもセパレータ５４ａに向かって突出する突出部７４を有する。また、カソードガス拡散層９０は、積層体５２がセパレータ５４ａ，５４ｂにより所定の圧力をもって挟まれていない状態で、枠体５６のセパレータ５４ｂと対向する面５６ｂよりもセパレータ５４ｂに向かって突出する突出部９４を有する。このため、積層体５２がセパレータ５４ａ，５４ｂにより所定の圧力をもって挟まれる際に、突出部７４がセパレータ５４ａにより押圧され、突出部９４がセパレータ５４ｂにより押圧される。すなわち、積層体５２がセパレータ５４ａ，５４ｂにより所定の圧力をもって挟まれた状態で、突出部７４，９４がセパレータ５４ａ，５４ｂにより押圧され、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０が変形して枠体５６に当接している。
上述のように、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０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、枠体５６は、熱硬化性樹脂で形成される。したがって、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０は、枠体５６に比べて剛性が低い。さらに、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０は、第１方向Ｘにおける伸縮率が第２方向Ｙにおける伸縮率よりも高く、且つ第１方向Ｘが流体流路７２，９２の延びる方向と交わるように配置されている。したがって、突出部７４，９４が押圧されると、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０は、燃料ガス及び酸化剤ガスの流通方向に対して交わる方向により拡がるように変形する。そして、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０の側面７０ｂ，９０ｂが、枠体５６の内側面、すなわち面５６ｃに当接する。
アノードガス拡散層７０が変形する際、アノードガス拡散層７０におけるセパレータ５４ａと枠体５６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。同様に、枠体５６と電解質膜６２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、カソードガス拡散層９０が変形する際、カソードガス拡散層９０におけるセパレータ５４ｂと枠体５６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。同様に、枠体５６と電解質膜６２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。セパレータ５４ａ，５４ｂで積層体５２が挟持された状態、すなわちアノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０の変形後の状態における、積層体５２及びセパレータ５４ａ，５４ｂの合計厚さＸは、例えば０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下である。
また、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０が変形前の状態で、アノード触媒層６４及びカソード触媒層６６の一部が露出していても、両ガス拡散層の変形によって当該露出部がガス拡散層で被覆される。このため、燃料電池５１の発電に寄与する触媒層の面積を増加させることができ、したがって、燃料電池５１における発電有効面積を増加させることができる。また、触媒層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。
本実施の形態に係る燃料電池５１では、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０に、シール材としての機能を持たせている。すなわち、本実施の形態では、積層体５２の外周に剛性の高い枠体５６を設けている。そして、突出部７４，９４をセパレータ５４ａ，５４ｂでの押圧により変形させている。これにより、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０がセパレータ５４ａ，５４ｂと枠体５６との接続部、及び電解質膜６２と枠体５６との接続部の形状に追従して変形し、枠体５６に当接する。これにより、積層体５２の枠体５６と接する端部における燃料ガス及び酸化剤ガスのリークを抑制することができる。例えば、燃料ガス及び酸化剤ガスが、流体流路７２，９２を経ずにアノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０を通過してしまうことを抑制することができる。
上述した固体高分子形の燃料電池５１では、第１の実施の形態と同様の反応が起こり、電力を取り出すことができる。
燃料電池５１は例えば以下のようにして製造することができる。図６Ａ〜図６Ｄ及び図７Ａ〜図７Ｄは、第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
まず、図６Ａに示すように、導電性粒子と熱可塑性樹脂との複合材料７１ａを圧延ローラ２００に通して圧延し、多孔質シート７１を形成する。多孔質シート７１は、異方的な伸縮性を有する。すなわち、多孔質シート７１は、圧延方向Ｐ（図６Ａ中で矢印Ｐで示す方向）に対して直交する方向Ｌの伸縮率が、圧延方向Ｐに対して平行な方向Ｍの伸縮率よりも高い。
次に、図６Ｂに示すように、多孔質シート７１を、第１金型１９０と第２金型１９２との間に配置する。第１金型１９０には、流体流路７２，９２の形状に対応する凸部１９４が設けられている。凸部１９４と対向する第２金型１９２の表面は、平坦である。多孔質シート７１は、伸縮率が高い方向Ｌが凸部１９４の延びる方向に対して直交し、伸縮率が低い方向Ｍが凸部１９４の延びる方向に対して平行になるように配置される。
そして、図６Ｃに示すように、第１金型１９０と第２金型１９２とを型閉じし、多孔質シート７１を、所定の温度及び圧力で加熱及び加圧する。これにより、多孔質シート７１中の熱可塑性樹脂が塑性変形して、多孔質シート７１の一方の主表面に、溝状の流体流路７２，９２が形成される。成型時の温度及び圧力は、例えば５〜５０ＭＰａ、常温〜２００℃である。所定時間の経過後、第１金型１９０と第２金型１９２とを型開きする。
以上の工程により、図６Ｄに示すように、一方の主表面に流体流路７２を有するアノードガス拡散層７０、あるいは一方の主表面に流体流路９２を有するカソードガス拡散層９０とが形成される。アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０は、図４における主表面に平行な第１方向Ｘが多孔質シート７１の状態での方向Ｌに対応し、主表面に平行で且つ第１方向Ｘと交わる第２方向Ｙが多孔質シート７１における方向Ｍに対応する。したがって、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０では、第１方向Ｘにおける伸縮率が、第２方向Ｙにおける伸縮率よりも高い。また、上述した工程により、延びる方向がアノードガス拡散層７０における第１方向Ｘと交わるように流体流路７２が設けられ、延びる方向がカソードガス拡散層９０における第１方向Ｘと交わるように流体流路９２が設けられる。
続いて、図７Ａに示すように、電解質膜６２、電解質膜６２の一方の主表面に対向して配置されるアノード触媒層６４、及び電解質膜６２の他方の主表面に対向して配置されるカソード触媒層６６で構成される膜電極接合体６０を用意する。そして、膜電極接合体６０の外周を囲むように枠体５６を設ける。
次に、図７Ｂに示すように、アノード触媒層６４の電解質膜６２と反対側にアノードガス拡散層７０を積層する。また、カソード触媒層６６の電解質膜６２と反対側にカソードガス拡散層９０を積層する。これにより、膜電極接合体６０、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０で構成される積層体５２の外周が枠体５６で囲まれた構造体が得られる。アノードガス拡散層７０の側面７０ｂ及びカソードガス拡散層９０の側面９０ｂは、枠体５６の内側面すなわち面５６ｃと対向する。そして、図７Ｃに示すように、セパレータ５４ａをアノードガス拡散層７０の膜電極接合体６０とは反対側の主表面７０ａに積層し、セパレータ５４ｂをカソードガス拡散層９０の膜電極接合体６０とは反対側の主表面９０ａに積層する。
続いて、図７Ｄに示すように、セパレータ５４ａ，５４ｂに所定の圧力をかけて積層体５２を挟み、突出部７４，９４を押圧する。そして、これによりアノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０を変形させて枠体５６に当接させる。以上の工程により、燃料電池５１を製造することができる。
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池５１は、膜電極接合体６０と、アノードガス拡散層７０と、カソードガス拡散層９０と、セパレータ５４ａ，５４ｂと、流体流路７２，９２と、枠体５６とを備える。アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０では、第１方向Ｘにおける伸縮率が第２方向Ｙにおける伸縮率よりも高く、第１方向Ｘが流体流路７２，９２の延びる方向に対して交わる方向に延びている。また、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０は、積層体５２がセパレータ５４ａ，５４ｂで押圧されていない状態で、枠体５６よりもセパレータ５４ａ，５４ｂに向かって突出する突出部７４，９４を有する。
そして、積層体５２がセパレータ５４ａ，５４ｂで押圧されると突出部７４，９４が押圧され、これによりアノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０が変形して枠体５６に当接する。この結果、積層体５２の端部におけるガスリークを抑制することができる。よって、電極反応に寄与しない燃料ガス及び酸化剤ガスの量を減らすことができ、燃料電池の効率低下を抑制することができる。
本実施の形態では、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０を変形させて枠体５６に当接させることで、燃料電池５１におけるガスシール性を確保している。このため、燃料電池５１のガスシール構造を簡略化することができる。また、燃料電池５１の部品点数の削減、及び低コスト化が可能である。また、本実施の形態では、異方的な伸縮性を有するアノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０における、より伸びやすい第１方向Ｘを、流体流路７２，７４の延びる方向に対して交わる方向に配置している。このため、セパレータ５４ａ，５４ｂで突出部７４，９４を押圧した際に、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０の側面７０ｂ，９０ｂをより確実に枠体５６に当接させることができる。よって、燃料電池５１のガスシール性を確保しながら、ガスシール構造の簡略化を図ることができる。
また、枠体５６は、熱硬化性樹脂で形成されるため比較的剛性が高い。このため、燃料電池５１の剛性を高めることができる。したがって、燃料電池５１の薄型化を図ることができる。また、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０をセパレータ５４ａ、５４ｂで押圧して変形させているため、アノードガス拡散層７０とセパレータ５４ａとの接触面積、及びカソードガス拡散層９０とセパレータ５４ｂとの接触面積をより確実に確保することができる。これにより、アノードガス拡散層７０とセパレータ５４ａとの間の接触抵抗の増加、及びカソードガス拡散層９０とセパレータ５４ｂとの間の接触抵抗の増加を抑制することができる。また、枠体５６等の燃料電池５１を構成する部材に要求される寸法精度を低減することができる。また、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０は、熱や生成水による膜電極接合体６０の膨張、収縮に追従することができる。
また、アノードガス拡散層７０は、セパレータ５４ａに対向する主表面７０ａに溝状の流体流路７２を有し、カソードガス拡散層９０は、セパレータ５４ｂに対向する主表面９０ａに溝状の流体流路９２を有する。これにより、セパレータ５４ａ，５４ｂでアノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０を押圧する際のアノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０の変形量を増大させることができる。したがって、燃料電池５１のガスシール性をより確実に確保することができる。
また、本実施の形態では、圧延によって、異方的な伸縮性を有するアノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０を形成している。このため、簡単な方法で燃料電池５１のガスシール性の確保とガスシール構造の簡略化とを実現することができる。
（第３の実施の形態）
図８は、第３の実施の形態に係る燃料電池の概略構造を示す平面図である。図９Ａは、図８のＩＸＡ−ＩＸＡ線に沿った断面図である。図１０Ａは、図８のＸＡ−ＸＡ線に沿った断面図である。図１１Ａは、図８における凸部の近傍領域を拡大して示す平面図である。図８は、積層体５２がセパレータ５４ａ，５４ｂで挟持された状態を示すが、燃料電池５１の内部構造を説明するため便宜的にセパレータの図示を省略している。また、図８は、一例として燃料電池５１のアノードガス拡散層７０が設けられた面を示す。図９Ａ、図１０Ａ及び図１１Ａは、積層体５２がセパレータ５４ａ，５４ｂで挟持された状態を示し、図９Ｂ、図１０Ｂ及び図１１Ｂは、積層体５２がセパレータ５４ａ，５４ｂで挟持される前の状態を示す。
第３の実施の形態に係る燃料電池５１の構成は、枠体５６が凸部５６ｄを備える点を除き、第２の実施の形態に係る燃料電池５１の構成と共通する。以下、第３の実施の形態に係る燃料電池５１について、第２の実施の形態と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。
本実施の形態の燃料電池５１においても第２の実施の形態と同様に、セパレータ５４ａ，５４ｂでの突出部７４，９４の押圧によって、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０が変形する。すなわち、図９Ｂ及び図１０Ｂに示すように、セパレータ５４ａ，５４ｂは、積層体５２が両者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３参照）に所定の荷重がかけられると、セパレータ５４ａ，５４ｂは互いに近づく方向に変位する。そして、図９Ａ及び図１０Ａに示すように、セパレータ５４ａ，５４ｂは所定の圧力で突出部７４，９４を押圧し、これにより、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０は、第２方向Ｙに比べて第１方向Ｘにより拡がるように変形する。
ここで、本実施の形態に係る燃料電池５１が備える枠体５６は、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０に対向する面５６ｃに、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０に向かって突出する凸部５６ｄを有する。このため、図８及び図９Ａに示すように、枠体５６は、積層体５２がセパレータ５４ａ，５４ｂにより所定の圧力をもって挟まれた状態で、少なくとも凸部５６ｄにおいてアノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０に接する。このように、枠体５６に凸部５６ｄを設けることで、枠体５６とアノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０とをより確実に当接させることができる。よって、積層体５２の端部におけるガスリークをより確実に抑制することができる。
さらに、枠体５６に凸部５６ｄを設けることで、図１０Ａに示すように、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０の側面７０ｂ，９０ｂにおける凸部５６ｄと接する領域以外の領域を、枠体５６から離間させることができる。これにより、燃料電池５１の組み立て時に、枠体５６とセパレータ５４ａとの間にアノードガス拡散層７０が進入してしまうこと、及び枠体５６とセパレータ５４ｂとの間にカソードガス拡散層９０が進入してしまうことを、抑制することができる。これにより、燃料電池５１の製造工程を簡略化することができる。
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、アノードガス拡散層７０には、枠体５６の凸部５６ｄが設けられる面５６ｃと対向する側面７０ｂから側面７０ｂに最も近い流体流路７２までの距離Ｑが、凸部５６ｄの突出長さＲよりも長くなるように、流体流路７２が設けられる。カソードガス拡散層９０についても同様に、側面９０ｂから側面９０ｂに最も近い流体流路９２までの距離が、突出長さＲよりも長くなるように流体流路９２が設けられる。これにより、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０の側面７０ｂ，９０ｂが、凸部５６ｄに当接する位置よりもさらに枠体５６に対して進行し、凸部５６ｄがアノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０に陥入した場合であっても、枠体５６に最も近い流体流路７２，９２まで凸部５６ｄが達することをより確実に抑制することができる。このため、枠体５６に最も近い流体流路７２，９２が凸部５６ｄにより閉塞されることを防ぐことができる。したがって、燃料電池５１の発電効率の低下を抑制することができる。
（第４の実施の形態）
図１２Ａ及び図１２Ｂは、第４の実施の形態に係る燃料電池における凸部の近傍領域を拡大して示す平面図である。図１２Ａ及び図１２Ｂは、一例として燃料電池５１のアノードガス拡散層７０が設けられた面を示す。
第４の実施の形態に係る燃料電池５１の構成は、枠体５６が凸部５６ｄを備え、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０が接続流路７６を備える点を除き、第２の実施の形態に係る燃料電池５１の構成と共通する。以下、第４の実施の形態に係る燃料電池５１について、第２の実施の形態と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。
本実施の形態に係る燃料電池５１が備える枠体５６は、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０に対向する面５６ｃに、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０に向かって突出する凸部５６ｄを有する。また、アノードガス拡散層７０は、枠体５６に最も近い第１の流体流路７２ａと、第１の流体流路７２ａの隣に位置する第２の流体流路７２ｂとを接続する接続流路７６を有する。カソードガス拡散層９０についても同様に、側面９０ｂに最も近い第１の流体流路と、隣に位置する第２の流体流路とを接続する接続流路を有する。
本実施の形態の燃料電池５１においても第３の実施の形態と同様に、セパレータ５４ａ，５４ｂでの突出部７４及び突出部９４の押圧によって、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０が変形する。これにより、少なくとも凸部５６ｄが、アノードガス拡散層７０の側面７０ｂ及びカソードガス拡散層９０の側面９０ｂに当接する。これにより、積層体５２の端部におけるガスリークをより確実に抑制することができる。
図１２Ａに示すように、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０の変形によって、凸部５６ｄがアノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０に陥入する可能性がある。これに対し、本実施の形態では、アノードガス拡散層７０に陥入した凸部５６ｄと、第１の流体流路７２ａとが交わる位置Ｓよりも、第１の流体流路７２ａにおけるガス流れ方向の上流側と下流側とに、接続流路７６が配置される。
すなわち、第１の接続流路７６によって、第１の流体流路７２ａにおける凸部５６ｄが陥入した位置Ｓよりも上流側と、第２の流体流路７２ｂとが接続される。第１の接続流路７６と第２の流体流路７２ｂとの接続部は、好ましくは第１の流体流路７２ａと第１の接続流路７６との接続部よりも下流側に位置する。また、第２の接続流路７６によって、第２の流体流路７２ｂと、第１の流体流路７２ａにおける凸部５６ｄが陥入した位置Ｓよりも下流側とが接続される。第２の接続流路７６と第２の流体流路７２ｂとの接続部は、好ましくは第１の流体流路７２ａと第２の接続流路７６との接続部よりも上流側であって、且つ第１の接続流路７６と第２の流体流路７２ｂとの接続部よりも下流側に位置する。
このため、第１の流体流路７２ａを流れる燃料ガスは、第１の流体流路７２ａから、第１の接続流路７６を経て第２の流体流路７２ｂに流入し、さらに第２の接続流路７６を経て再び第１の流体流路７２ａに流入する。これにより、第１の流体流路７２ａを流れる燃料ガスは、凸部５６ｄを迂回して、第１の流体流路７２ａにおける凸部５６ｄの陥入位置よりも下流側に流れることができる。したがって、燃料電池５１の発電効率の低下を抑制することができる。
第１の流体流路７２ａと凸部５６ｄとが交わる位置Ｓは、例えば、凸部５６ｄの先端を通り第１の流体流路７２ａの延びる方向に対して直交する仮想線Ａと、第１の流体流路７２ａの第２の流体流路７２ｂに近い方の側壁とが交わる交点とすることができる。なお、カソードガス拡散層９０についても、アノードガス拡散層７０と同様に接続流路が配置され、同様の効果が得られる。
本開示は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本開示の範囲に含まれうるものである。
上述した実施の形態では、複数個の燃料電池５１が積層されて燃料電池スタック１０１が構成されているが、燃料電池５１は１つのみであってもよい。また、上述した実施の形態では、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０がともに異方的な伸縮性と突出部７４，９４とを有し、セパレータ５４ａ，５４ｂにより押圧されて変形する。しかしながら、特にこの構成に限定されず、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０のいずれか一方のガス拡散層のみが異方的な伸縮性と突出部とを有し、セパレータにより押圧されて変形してもよい。この場合、他方のガス拡散層には、従来公知のガスシール構造を設けてもよい。
また、上述した実施の形態において、凸部５６ｄはアノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０の両方に接するが、特にこの構成に限定されず、いずれか一方のガス拡散層のみに接してもよい。この場合、他方のガス拡散層には、従来公知のガスシール構造を設けてもよい。また、凸部５６ｄの設置位置及び設置数は特に限定されない。また、上述した実施の形態において、各ガス拡散層の枠体５６と対向する側面７０ｂ，９０ｂから、枠体５６に最も近い流体流路７２，９２までの距離を、隣り合う流体流路７２，９２間の距離よりも長くしてもよい。これにより、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０が枠体５６に当接する際に、枠体５６に最も近い流体流路７２，９２が変形することを抑制することができる。
また、上述した実施の形態では、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０がともに、各ガス拡散層の主表面７０ａ，９０ａに設けられた溝部で構成される流体流路７２，９２を有する。しかしながら、特にこの構成に限定されず、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０のいずれか一方のガス拡散層のみが、当該構成の流体流路を有してもよい。この場合、他方のガス拡散層には、セパレータに設けられる溝部で構成される流体流路等の、従来公知の流体流路が設けられてもよい。また、上述した実施の形態では、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０がともに導電性繊維を含有する。しかしながら、特にこの構成に限定されず、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０のいずれか一方のガス拡散層のみが導電性繊維を含有してもよい。
本開示による燃料電池は、薄型化しても良好なガスシール性を有し、車載用電源や携帯機器用電源など幅広い用途に適用可能である。
１，５１ 燃料電池
２，５２ 積層体
４ａ，４ｂ，５４ａ，５４ｂ セパレータ
６，５６ 枠体
１０，６０ 膜電極接合体
１２，６２ 電解質膜
１４，６４ アノード触媒層
１６，６６ カソード触媒層
２０，７０ アノードガス拡散層
２２，７２ 流体流路（燃料ガス流体流路）
２４，７４ 突出部
４０，９０ カソードガス拡散層
４２，９２ 流体流路（酸化剤ガス流体流路）
４４，９４ 突出部
７２ａ 第１の流体流路
７２ｂ 第２の流体流路
７６ 接続流路
導電性粒子及び熱可塑性樹脂としては、アノードガス拡散層７０が含有する導電性粒子及び熱可塑性樹脂と同じものが例示される。カソードガス拡散層９０の主成分は、導電性粒子と熱可塑性樹脂であるが、好ましくは、長さが３０μｍ以下の導電性繊維を、２０質量％以下含む。導電性繊維の含有量は、例えば導電性粒子と熱可塑性樹脂の合計含有量よりも少ない。カソードガス拡散層９０に導電性繊維を含有させることで、カソードガス拡散層９０の剛性、導電性及びガス拡散性を向上させることができる。導電性繊維としては、アノードガス拡散層７０が含有する導電性繊維と同じものが例示される。導電性繊維の長さの測定方法は上述の通りである。
本実施の形態では、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０を変形させて枠体５６に当接させることで、燃料電池５１におけるガスシール性を確保している。このため、燃料電池５１のガスシール構造を簡略化することができる。また、燃料電池５１の部品点数の削減、及び低コスト化が可能である。また、本実施の形態では、異方的な伸縮性を有するアノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０における、より伸びやすい第１方向Ｘを、流体流路７２，９２の延びる方向に対して交わる方向に配置している。このため、セパレータ５４ａ，５４ｂで突出部７４，９４を押圧した際に、アノードガス拡散層７０及びカソードガス拡散層９０の側面７０ｂ，９０ｂをより確実に枠体５６に当接させることができる。よって、燃料電池５１のガスシール性を確保しながら、ガスシール構造の簡略化を図ることができる。
このため、第１の流体流路７２ａを流れる燃料ガスは、第１の流体流路７２ａから、第１の接続流路７６を経て第２の流体流路７２ｂに流入し、さらに第２の接続流路７６を経て再び第１の流体流路７２ａに流入する。これにより、第１の流体流路７２ａを流れる燃料ガスは、凸部５６ｄを迂回して、第１の流体流路７２ａにおける凸部５６ｄの陥入位置Ｓよりも下流側に流れることができる。したがって、燃料電池５１の発電効率の低下を抑制することができる。

Claims (12)

  1. 第１面と前記第１面と反対側の第２面を有する電解質膜、前記電解質膜の前記第１面に対向して配置されるアノード触媒層、及び前記電解質膜の前記第２面に対向して配置されるカソード触媒層で構成される膜電極接合体と、
    前記アノード触媒層の前記電解質膜と反対側に配置されるアノードガス拡散層と、
    前記カソード触媒層の前記電解質膜と反対側に配置されるカソードガス拡散層と、
    前記アノードガス拡散層の前記膜電極接合体と反対側及び前記カソードガス拡散層の前記膜電極接合体と反対側にそれぞれ配置され、前記膜電極接合体、前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層で構成される積層体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て前記積層体の外周を囲む枠体と、
    を備え、
    前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の少なくとも一方のガス拡散層は、前記枠体よりも剛性が低く、前記積層体が前記一対のセパレータにより所定の圧力をもって挟まれていない状態で、前記枠体の前記一対のセパレータの１つと対向する面よりも突出する突出部を有し、前記積層体が前記一対のセパレータにより所定の圧力をもって挟まれた状態で、前記突出部が前記一対のセパレータの前記１つにより押圧され、前記少なくとも一方のガス拡散層が変形して前記枠体に当接していることを特徴とする燃料電池。
  2. 前記枠体は、熱硬化性樹脂で形成され、
    前記少なくとも一方のガス拡散層は、熱可塑性樹脂及び導電性粒子の複合材料で形成されている請求項１に記載の燃料電池。
  3. 前記少なくとも一方のガス拡散層は、前記一対のセパレータの１つと対向する面に溝状の流体流路を有する請求項１又は２に記載の燃料電池。
  4. 前記積層体及び前記一対のセパレータの合計厚さが０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下である請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池。
  5. 前記少なくとも一方のガス拡散層は、長さが３０μｍ以下の導電性繊維を、３０質量％以下含む請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池。
  6. 前記アノードガス拡散層へ供給される燃料ガスが流れる燃料ガス流体流路と、
    前記カソードガス拡散層へ供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流体流路と、
    をさらに備え、
    前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の少なくとも一方のガス拡散層において、前記一対のセパレータの１つと対向する主表面に平行な第１方向における伸縮率が、前記主表面に平行で且つ前記第１方向と交わる第２方向における伸縮率よりも高く、前記第２方向は、前記燃料ガス流体流路と前記酸化剤ガス流体流路の内、当該少なくとも一方のガス拡散層へ供給されるガスが流れる流体流路の延びる方向である請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池。
  7. 前記枠体は、前記少なくとも一方のガス拡散層に向く面に、前記積層体が前記一対のセパレータにより所定の圧力をもって挟まれた状態で、前記少なくとも一方のガス拡散層に接する凸部を有する請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池。
  8. 前記燃料ガス流体流路は、前記アノードガス拡散層において、前記一対のセパレータの１つに対向する主表面に設けられ、
    前記酸化剤ガス流体流路は、前記カソードガス拡散層において、前記一対のセパレータの１つに対向する主表面に設けられ、
    前記少なくとも一方のガス拡散層において、前記枠体の前記凸部に対向する面から前記凸部に最も近い前記流体流路までの距離が、前記凸部の突出長さよりも長い請求項７に記載の燃料電池。
  9. 前記燃料ガス流体流路は、前記アノードガス拡散層において、前記一対のセパレータの１つに対向する主表面に設けられ、
    前記酸化剤ガス流体流路は、前記カソードガス拡散層において、前記一対のセパレータの１つに対向する主表面に設けられ、
    前記少なくとも一方のガス拡散層は、前記流体流路の中で前記凸部に最も近い第１の流体流路と、当該第１の流体流路の隣に位置する第２の流体流路と、前記第１の流体流路と前記第２の流体流路とを接続する複数の接続流路とを有し、
    前記複数の接続流路は、前記第１の流体流路と前記凸部とが交わる位置に対して、前記第１の流体流路における上流側と下流側のそれぞれに配置される請求項７に記載の燃料電池。
  10. アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を準備する工程と、
    第１面と前記第１面と反対側の第２面を有する電解質膜、前記電解質膜の前記第１面に対向して配置されるアノード触媒層、及び前記電解質膜の前記第２面に対向して配置されるカソード触媒層で構成される膜電極接合体を用意する工程と、
    前記膜電極接合体の外周を囲むように、前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の少なくとも一方のガス拡散層よりも高い剛性を有する枠体を配置するとともに、前記枠体の外表面よりも突出する突出部が前記アノードガス拡散層に形成されるように前記アノード触媒層の前記電解質膜と反対側に前記アノードガス拡散層を配置するか、または、前記枠体の外表面よりも突出する突出部が前記カソードガス拡散層に形成されるように前記カソード触媒層の前記電解質膜と反対側に前記カソードガス拡散層を配置するかの少なくともいずれか一方を行って積層体を形成する工程と、
    一対のセパレータのうち一方のセパレータを前記アノードガス拡散層の前記膜電極接合体と反対側に配置し、他方のセパレータを前記カソードガス拡散層の前記膜電極接合体と反対側に配置して、前記一対のセパレータに所定の圧力をかけて前記積層体を挟み、前記突出部を押圧することにより前記アノードガス拡散層または前記カソードガス拡散層を変形させて前記枠体に当接させる工程と、
    を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
  11. 熱硬化性樹脂を用いて前記枠体を形成し、
    導電性粒子と熱可塑性樹脂との複合材料を圧延して前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層を形成する請求項１０に記載の燃料電池の製造方法。
  12. 主表面に平行な第１方向における伸縮率が、前記主表面に平行で且つ前記第１方向と交わる第２方向における伸縮率よりも高くなるように、前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層を形成し、
    前記アノードガス拡散層へ供給される燃料ガスが流れる燃料ガス流体流路を、当該燃料ガス流体流路の延びる方向が前記アノードガス拡散層における前記第２方向と平行に設け、
    前記カソードガス拡散層へ供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流体流路を、当該酸化剤ガス流体流路の延びる方向が前記カソードガス拡散層における前記第２方向と平行に設ける請求項１０に記載の燃料電池の製造方法。
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