(57)【要約】【課題】本発明は、電解質膜の劣化を抑制する技術を提供する。【解決手段】燃料電池であって、電解質膜と、電解質膜の両面に配置される電極層と、電極層に反応ガスを供給するための反応ガス流路形成部と、電解質膜の周縁部を覆うように枠状に形成される枠状部材と、枠状部材の内枠と、反応ガス流路形成部の外周との間に配置される、吸水することにより膨張する吸水性部材とを備え、吸水性部材は、電解質膜に接着されると共に、枠状部材に固定される。【選択図】図３
2010218907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両面に配置される電極層と、
前記電極層に反応ガスを供給するための反応ガス流路形成部と、
前記電解質膜の周縁部を覆うように枠状に形成される枠状部材と、
前記枠状部材の内枠と、前記反応ガス流路形成部の外周との間に配置される、吸水することにより膨張する吸水性部材と、
を備え、
前記吸水性部材は、前記電解質膜に接着されると共に、前記枠状部材に固定される、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記吸水性部材は、
吸水すると膨張し、乾燥すると収縮する、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池であって、
前記枠状部材の内枠を形成する面が、前記反応ガス流路形成部の厚さ方向の面に対して傾斜するように形成され、前記枠状部材の内枠を形成する面と前記反応ガス流路形成部の厚さ方向の面とで形成される間隙が、前記電解質膜側の方が広く、外側に向かって狭くなる、燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記枠状部材は、突起部を備え、
前記吸水性部材は、前記突起部に挟持されることよって前記枠状部材に固定されている、燃料電池。
【請求項５】
燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両面に配置される電極層と、
前記電解質膜の周縁部を覆うように枠状に形成される枠状部材と、
前記電解質膜に接着されると共に、前記枠状部材に固定される部材であって、吸水することにより膨張する吸水性部材と、
を備え、
前記吸水性部材は、
前記膜電極接合体を用いて前記燃料電池を構成する場合に、前記電極層に反応ガスを供給するための反応ガス流路形成部が配置されると、前記枠状部材の内枠と、前記反応ガス流路形成部の外周との間に配置されるように形成される、膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両面に、反応ガスを流通させる反応ガス流路が積層されて成る燃料電池がある。このような燃料電池において、電解質膜の形状を維持するために、電解質膜の外周を電解質膜よりも硬いフレームで支持する場合がある。例えば、このようなフレームに、反応ガスの漏洩を抑制するためのシール部材としての機能を持たせる場合もある。
【０００３】
このように、フレームにシール部材としての機能を持たせる場合、例えば、フレームはシリコーンゴム等の樹脂から成るため、寸法ばらつきが比較的大きい。そのため、フレームの寸法ばらつきを考慮して、反応ガス流路は、上述したフレームの内枠内に、間隙を設けて配置される（例えば、特許文献１〜５参照。）。
【０００４】
燃料電池の運転時は、電気化学反応により水が生成されたり、加湿ガスが供給されるため、電解質膜は湿潤状態に保たれる。電解質膜は吸水性があるため、燃料電池の運転時は、吸水して膨張する。一方、燃料電池の運転停止後は、例えば、燃料電池内を乾燥させるためにパージガスを流すことがある。そのため、電解質膜は乾燥して収縮する。すなわち、電解質膜は、燃料電池の運転・停止に伴って膨張・収縮する。
【０００５】
上述したように、フレームと反応ガス流路との間に間隙があると、間隙の部分は、電解質膜が露出した状態になっている。そのため、電解質膜が、膜厚方向に膨張しやすく、膨張・収縮を繰り返すことにより、電解質膜に亀裂が生じて、電解質膜が劣化するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２０２５３５号公報
【特許文献２】特開２００５−２８５６７７号公報
【特許文献３】特開２０００−３４０２４７号公報
【特許文献４】特開２００１−０１５１３７号公報
【特許文献５】特開２０００−３２３１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
なお、このような問題は、フレームと反応ガス流路との間の間隙において、膜電極接合体が露出する場合や、ガス拡散層が配置された膜電極接合体が露出する場合にも共通する。
【０００８】
そこで、本発明は、電解質膜の劣化を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【００１０】
［適用例１］  燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両面に配置される電極層と、
前記電極層に反応ガスを供給するための反応ガス流路形成部と、
前記電解質膜の周縁部を覆うように枠状に形成される枠状部材と、
前記枠状部材の内枠と、前記反応ガス流路形成部の外周との間に配置される、吸水することにより膨張する吸水性部材と、
を備え、
前記吸水性部材は、前記電解質膜に接着されると共に、前記枠状部材に固定される、燃料電池。
【００１１】
このようにすると、燃料電池の運転時、電解質膜が膨潤状態になる場合に、電解質膜から吸水性部材に水分が移動するため、電解質膜の膨張が抑制される。また、燃料電池の運転停止時、電解質膜が乾燥する場合に、吸水性部材から電解質膜に水分が移動するため、電解質膜の乾燥が抑制される。したがって、燃料電池の運転・停止に伴う電解質膜の膨張・収縮が抑制され、電解質膜の劣化が抑制される。
【００１２】
［適用例２］  適用例１に記載の燃料電池であって、
前記吸水性部材は、
吸水すると膨張し、乾燥すると収縮する、燃料電池。
【００１３】
電解質膜と吸水性部材とが接着されているため、吸水性部材が乾燥して収縮すると、電解質膜が吸水性部材に引っ張られて、電解質膜の収縮が抑制される。その結果、電解質膜の劣化が抑制される。
【００１４】
［適用例３］  適用例１または２に記載の燃料電池であって、
前記枠状部材の内枠を形成する面が、前記反応ガス流路形成部の厚さ方向の面に対して傾斜するように形成され、前記枠状部材の内枠を形成する面と前記反応ガス流路形成部の厚さ方向の面とで形成される間隙が、前記電解質膜側の方が広く、外側に向かって狭くなる、燃料電池。
【００１５】
このようにすると、吸水性部材が吸水して膨張する場合に、外側に向かう膨張押さえられる。そのため、吸水性部材が電解質膜の方に向かって膨張し、電解質膜を押さえる力が働き、電解質膜の膨張が抑制される。その結果、電解質膜の劣化が抑制される。
【００１６】
［適用例４］  適用例１ないし３のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記枠状部材は、突起部を備え、
前記吸水性部材は、前記突起部に挟持されることよって前記枠状部材に固定されている、燃料電池。
【００１７】
吸水性部材が突起部によって押さえられているため、吸水性部材の外側に向かう膨張が押さえられ、電解質膜を押さえる力が働く。その結果、電解質膜の膨張が抑制され、電解質膜の劣化が抑制される。
【００１８】
なお、本発明は、上記した燃料電池の態様に限ることなく、上記した燃料電池が搭載された車両としての態様、膜電極接合体としての態様など、種々の態様で実現することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施例の単セルの構成を模式的に示す説明図である。
【図２】第１の実施例の単セルの断面構成を示す断面図である。
【図３】図２におけるＸ１部を拡大して示す図である。
【図４】比較例１の単セルの断面構成の一部を示す図である。
【図５】比較例２の単セルの断面構成の一部を示す図である。
【図６】乾湿サイクル試験の条件を示す図である。
【図７】乾湿サイクル試験の実施時間と圧力低下率との関係を示す図である。
【図８】第２の実施例の単セルの断面構成の一部を示す図である。
【図９】第２の実施例のシール部材の構成を示す図である。
【図１０】比較例３の単セルの断面構成の一部を示す図である。
【図１１】乾湿サイクル試験の実施時間と圧力低下率との関係を示す図である。
【図１２】第３の実施例の単セルの断面構成の一部を示す図である。
【図１３】シール部材の断面形状の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．第１の実施例の構成：
本発明の第１の実施例としての燃料電池は、酸化ガスとしての空気と燃料ガスとしての水素とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池である。この燃料電池は、シール部材一体型ＭＥＡの両側に、反応ガス流路が形成されたセパレータが配置された単セルが複数積層されて構成される。図１は、単セルの構成を、模式的に示す説明図である。
【００２１】
単セル１００は、シール部材一体型ＭＥＡ４０と、アノード側ガス拡散層２２と、カソード側ガス拡散層（図示しない）と、アノード側セパレータ５０と、カソード側セパレータ６０と、を備える。図１において、カソード側ガス拡散層は、シール部材一体型ＭＥＡ４０の裏に隠れているため、図示しない。
【００２２】
アノード側セパレータ５０は、シール部材一体型ＭＥＡ４０のアノードと対向して配置される。アノード側セパレータ５０においてシール部材一体型ＭＥＡ４０のアノードと対向する面には、アノードガスとしての水素が流通する、溝状のアノードガス流路が形成されている。一方、カソード側セパレータ６０は、シール部材一体型ＭＥＡ４０のカソードと対向して配置される。カソード側セパレータ６０においてシール部材一体型ＭＥＡ４０のカソードと対向する面には、カソードガスとしての空気が流通する、溝状のカソードガス流路が形成されている。
【００２３】
アノード側セパレータ５０と、カソード側セパレータ６０と、シール部材一体型ＭＥＡ４０には、周縁部に貫通孔がそれぞれ設けられている。シール部材一体型ＭＥＡ４０と、アノード側セパレータ５０と、カソード側セパレータ６０とを積層すると、それらの貫通孔は、アノードガスおよびカソードガス（以下、「反応ガス」ともいう。）を流通させるためのマニホールドを構成する。
【００２４】
図示するように、アノードガス流路と、カソードガス流路とが直行するように、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ６０とが配置されている。本実施例において、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ６０とは、ガス不透過の導電性部材である緻密質カーボンにより形成されているが、ステンレス、チタン、アルミニウム等の金属により形成されるものとしてもよい。
【００２５】
シール部材一体型ＭＥＡ４０は、ＭＥＡ１０と、シール部材３８と、吸水性部材３２、３４と、を備える。なお、図１において、吸水性部材３４は、裏側に配置されているため、図示されていない。
【００２６】
ＭＥＡ１０は、外形が略正方形状の薄膜状を成し、シール部材３８は、ＭＥＡ１０の形状を維持するために、ＭＥＡ１０の周縁に枠状に形成されている。吸水性部材３２は、枠状を成し、その外枠がシール部材３８の内枠と略一致するように配置されている。図１において、吸水性部材３２は、斜線ハッチングを付して示している。
【００２７】
シール部材３８は、シリコーンゴムを用いて形成される。シール部材３８は、ＭＥＡ１０の形状を維持すると共に、上記した貫通孔から反応ガスが漏洩するのを抑制する機能を果たす。本実施例において、シール部材３８としては、シリコーンゴムを用いるものとしたが、これに限られず、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。
【００２８】
アノード側ガス拡散層２２およびカソード側ガス拡散層（図示しない）は、シール部材３８の内枠より小さい外周の、略正方形状を有するカーボンクロスが用いられる。アノード側ガス拡散層２２およびカソード側ガス拡散層が、ＭＥＡ１０に積層されると、シール部材３８の内枠との間に、間隙が生じる。なお、アノード側ガス拡散層２２およびカソード側ガス拡散層として、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボン多孔体、金属多孔体等を用いてもよい。
【００２９】
図２は、単セルの断面構成を示す断面図である。図２では、図１において一点鎖線で示すＡ面によって、単セル１００切断した切断面を示す。
【００３０】
ＭＥＡ１０は、電解質膜１２の一方の面にアノード１４、他方の面にカソード１６が配置された構成を成す。本実施例において、電解質膜１２としては、フッ素系樹脂により形成された高分子電解質膜を、アノード１４およびカソード１６としては、触媒として白金および白金合金を担持したカーボンクロスより形成された電極を、それぞれ用いるものとした。なお、電解質膜として、炭素系樹脂により形成された高分子電解質膜を用いるものとしてもよい。電極は、炭素繊維からなるカーボンペーパーまたはカーボンフェルトにより形成してもよい。
【００３１】
ＭＥＡ１０において、電解質膜１２の外周形状は、アノード１４およびカソード１６よりも大きく形成されており、電解質膜１２の周縁部がアノード１４およびカソード１６から露出するように配置されている。また、拡散層は、アノード１４およびカソード１６と同一の平面形状に形成され、アノード１４およびカソード１６の外周と拡散層の外周とが略一致するように重ねて配置されている。
【００３２】
吸水性部材３２、３４は、電解質膜１２の両面にそれぞれ積層されている。枠状を成す吸水性部材３２の内枠は、アノード１４の外周と略一致する。同様に、吸水性部材３４の内枠は、カソード１６の外周と略一致する。吸水性部材３２、３４は、電解質膜１２と同様のフッ素系の樹脂から成り、吸水することに膨張し、乾燥することにより収縮する性質を有する。また、吸水性部材３２、３４は、乾燥したときに、電解質膜１２と同等以上の硬さになるものである。図示するように、吸水性部材３２、３４は、その一部がシール部材３８に覆われている。
【００３３】
カソード側セパレータ６０は、カソードガス流路６２の溝を形成する突起部の両端の２辺が、拡散層の対向する２辺と略一致するように配置されている。このようにカソード側セパレータ６０が配置された場合に、シール部材３８とカソードガス流路６２の外周との間には、間隙が形成される。この間隙は、上述のとおり、シール部材３８がシリコーンゴムより成り、寸法ばらつきが生じやすいため、その寸法ばらつきを吸収するために設けられているものである。
【００３４】
図３は、図２におけるＸ１部を拡大して示す図である。吸水性部材３２、３４は、接着層３６、３７を介して、それぞれ、電解質膜１２に接着されている。接着層３６、３７は、電解質膜１２、吸水性部材３２、３４と同様に、フッ素系の樹脂から成る。吸水性部材３２、３４と電解質膜１２との間に、それぞれ、接着層３６、３７を挟んで、加熱するとともに加圧することにより、吸水性部材３２、３４が、接着層３６、３７を介して、それぞれ、電解質膜１２に接着される。
【００３５】
本実施例において、電解質膜１２と、吸水性部材３２と、吸水性部材３４と、接着層３６と、接着層３７とは、同様のフッ素系樹脂によって形成される。ただし、電解質膜１２のＥＷ（Ｅｑｕｉｖｑｌｅｎｔ  Ｗｅｉｇｈｔ）値は、１２００〜１３００、吸水性部材３２、３４のＥＷ値は８００〜１０００、接着層３６、３７のＥＷ値は１０５０〜１１５０であって、それぞれの吸水性（膨張率）は、吸水性部材３２、３４＞接着層３６、３７＞電解質膜１２である。
【００３６】
シール部材３８は、枠状を成す２枚のプレート（アノード側シール部材３８ａ、カソード側シール部材３８ｃ）が貼りあわされて形成されている。吸水性部材３２、３４が接着されたＭＥＡ１０を、アノード側シール部材３８ａとカソード側シール部材３８ｃとで挟んで、電解質膜１２と、アノード側シール部材３８ａと、カソード側シール部材３８ｃとを、接着剤４２にて接着することによって製造される。吸水性部材３２、３４は、アノード側シール部材３８ａとカソード側シール部材３８ｃとに挟持されることによって、シール部材３８に固定されている。
【００３７】
なお、シール部材３８の内部において、シール部材３８と吸水性部材３２との間に間隙が設けられている。この間隙は、吸水性部材３２が吸水した場合に、吸水性部材３２が面方向に膨張することを考慮して、吸水性部材３２の膨張率に基づいて、定められている。シール部材３８と吸水性部材３４との間にも、同様に間隙が設けられている。
【００３８】
Ａ２．第１の実施例の効果：
第１の実施例の単セル１００と、比較例１の単セル１００Ａと、比較例２の単セル１００Ｂとを用いて、乾湿サイクル試験を実施し、乾湿サイクル試験後のクロスリーク量を調べた。
【００３９】
図４は、比較例１の単セルの断面構成の一部を示す図である。図４は、図３に示す第１の実施例の単セル１００のＸ１部に相当する部分を示している。単セル１００Ａにおける初期状態を図４（Ａ）に、後述する乾湿サイクルにおけるウェットガスが供給されている状態を図４（Ｂ）に示す。
【００４０】
比較例１の単セル１００Ａが第１の実施例の単セル１００と異なる点は、吸水性部材３２、３４を備えない点であり、その結果、シール部材３８Ａの形状も、第１の実施例の単セル１００と異なる形状になっている。比較例１の単セル１００Ａにおいても、シール部材３８Ａとカソード側セパレータ６０との間に間隙が設けられている。そして、単セル１００Ａは、吸水性部材３２、３４を備えないため、電解質膜１２が、その間隙に露出した状態になっている。
【００４１】
図５は、比較例２の単セルの断面構成の一部を示す図である。図５は、図４と同様に、図３に示す第１の実施例の単セル１００のＸ１部に相当する部分を示している。単セル１００Ｂにおける初期状態を図５（Ａ）に、後述する乾湿サイクルにおけるウェットガスが供給されている状態を図５（Ｂ）に示す。
【００４２】
比較例２の単セル１００Ｂが第１の実施例の単セル１００と異なる点は、吸水性部材３２Ｂ、３４Ｂが電解質膜１２に接着されていない点と、吸水性部材３２Ｂ、３４Ｂが３８Ｂに固定されていない点であり、その結果、シール部材３８Ｂの形状も、第１の実施例の単セル１００と異なる形状になっている。比較例２の単セル１００Ｂにおいても、シール部材３８Ｂとカソード側セパレータ６０との間に間隙が設けられている。そして、吸水性部材３２Ｂ、３４Ｂは、その間隙に設けられている。
【００４３】
図６は、乾湿サイクル試験の条件を示す図である。本実施例における乾湿サイクルは、８０℃におけるガスの相対湿度が５％のドライガスを３０分間供給した後、８０℃におけるガスの相対湿度が７０％のウェットガスを３０分間供給するという１時間を１サイクルとして、そのサイクルを繰り返すものである。乾湿サイクル試験は、単セル１００のアノード側とカソード側に、同時に、図６に示すような湿度のガスを供給する試験である。カソード側とアノード側には、同一のガス（例えば、窒素ガス）が供給される。
【００４４】
クロスリーク量は、一般的な差圧法によって測定される。具体的には、以下の手順にしたがって、測定される。
【００４５】
１．単セル１００へのガスの供給口と排出口を密閉し、外部漏れがないことを確認する。
２．ガス供給口からアノード側に１００ｋＰａ、カソード側に５０ｋＰａの窒素ガスを入れ、密閉する。
３．密閉したまま、１０分間保持した後、アノード圧を読み取る。
４．圧力低下率を算出する。
圧力低下率（％）＝（初期のアノード圧−１０分後のアノード圧）／初期のアノード圧×１００
【００４６】
圧力低下率に基づいて、クロスリーク量の多少を判断する。すなわち、圧力低下率が高いほど、クロスリーク量が多いと判断する。本実施例において、圧力低下率が３％以上の場合に、クロスリークが発生していると判断する。
【００４７】
図７は、乾湿サイクル試験の実施時間と圧力低下率との関係を示す図である。図７において、第１の実施例を実線、比較例１を一点鎖線、比較例２を破線で示す。
【００４８】
図示するように、本実施例の単セル１００では、乾湿サイクル試験を１０００時間行った後でも、圧力低下率は３％未満である。すなわち、クロスリークが発生したとは判断されない。
【００４９】
これに対して、比較例１の単セル１００Ａでは、約５００時間経過後、徐々に圧力低下率が増加し、比較例２の単セル１００Ｂでは、約７００時間経過後、徐々に圧力低下率が増加し、比較例１、２ともに、１０００時間経過後には、圧力低下率が３％を超えている。すなわち、比較例１、２ともに、クロスリークが発生したとは判断される。また、比較例１、２ともに、１０００時間経過後には、電解質膜に亀裂が観察された。
【００５０】
電解質膜１２は吸水性があるため、ウェットガスが供給されているときは、吸水して膨張する。一方、ドライガスが供給されているときは、電解質膜１２は乾燥して収縮する。すなわち、電解質膜１２は、乾湿サイクル試験中に、膨張・収縮を繰り返す。
【００５１】
比較例１の単セル１００Ａは、電解質膜１２が露出した状態の部分があるため、その部分が、膜厚方向に膨張する(図４（Ｂ）)。したがって、電解質膜１２が膨張・収縮を繰り返すことにより、電解質膜１２が露出している部分から、亀裂が生じやすく、クロスリークが生じやすいと考えられる。
【００５２】
比較例２の単セル１００Ｂは、比較例１の単セル１００Ａにおいて電解質膜１２が露出している部分に吸水性部材３２Ｂ、３４Ｂが積層されている。電解質膜１２に吸水性部材３２Ｂ、３４Ｂが積層されていると、ウェットガスが供給されており、電解質膜１２が湿潤状態になったときに、電解質膜１２内の水分が、吸水性部材３２Ｂ、３４Ｂに移動する。その結果、電解質膜１２の含水量が低下する。上述したように、電解質膜１２は、吸水することによって膨張するため、電解質膜１２の含水量を低下させれば、電解質膜１２の膨張を抑制することができ、その結果、比較例１の単セル１００Ａに比べて、比較例２の単セル１００Ｂでは電解質膜１２の劣化を抑制することができると考えられる。
【００５３】
比較例２の単セル１００Ｂでは、電解質膜１２と、吸水性部材３２Ｂ、３４Ｂとが接着されていないので、図５（Ｂ）に示すように、ウェットガスが供給されているとき、電解質膜１２も、吸水性部材３２Ｂ、３４Ｂも、それぞれ、吸水して膨張する。また、比較例２の単セル１００Ｂにおいて、吸水性部材３４Ｂは、シール部材３８Ｂに固定されていないため、電解質膜１２が膨張することによって、吸水性部材３４Ｂは電解質膜１２の膜厚方向に押し上げられる。
【００５４】
これに対して、本実施例の単セル１００では、電解質膜１２に吸水性部材３２、３４が接着されているため、比較例２の単セル１００Ｂに比べて、電解質膜１２と吸水性部材３２、３４との密着性がよい。そのため、本実施例の単セル１００では、電解質膜１２から吸水性部材３２、３４への水の移動が、比較例２の単セル１００Ｂに比べて良好になる。
【００５５】
また、吸水性部材３２、３４は、シール部材３８に挟持されることによって固定されている。そのため、吸水性部材３２、３４が吸水して膨張すると、電解質膜１２を押さえつけるようになる。その結果、さらに、電解質膜１２の膨張を抑制することができると考えられる。
【００５６】
また、電解質膜１２が乾燥した場合に、吸水性部材３２、３４から、電解質膜１２に水が移動するため、電解質膜１２の乾燥が抑制される。その結果、電解質膜１２の収縮を抑制することができると考えられる。また、電解質膜１２が乾燥した場合、吸水性部材３２、３４も乾燥する。吸水性部材３２、３４が乾燥して収縮することにより、電解質膜１２が吸水性部材３２、３４側に引っ張られ、電解質膜１２の収縮が抑制されると考えられる。すなわち、本実施例の単セル１００によれば、電解質膜１２の湿潤・乾燥に伴う電解質膜１２の劣化を抑制することができると考えられる。
【００５７】
上述した乾湿サイクル試験は、燃料電池の運転・停止時の単セルの状態を模擬したものと考えることができる。したがって、本実施例の単セル１００（燃料電池）によれば、燃料電池の運転・停止に伴う、電解質膜１２の劣化を抑制することができる。
【００５８】
Ｂ．第２の実施例：
図８は、第２の実施例の単セルの断面構成の一部を示す図である。図８は、図３に示す第１の実施例の単セル１００のＸ１部に相当する部分を示している。第２の実施例の単セル１００Ｃが第１の実施例の単セル１００と異なる点は、シール部材３８Ｃの断面形状と、吸水性部材３２、３４の配置である。
【００５９】
図９は、本実施例のシール部材の構成を示す図である。図９（Ａ）は、シール部材３８Ｃを示す斜視図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）におけるＢ−Ｂ切断面を示す断面図である。図９（Ｂ）に示すように、シール部材３８Ｃは、シール部材３８Ｃの厚さ方向に４分割されており、紙面中の最上層から順に、第１シール部材３８１、第２シール部材３８２、第３シール部材３８３、第４シール部材３８４と称する。
【００６０】
第１シール部材３８１と、第４シール部材３８４は、その内枠を形成する面が、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ６０の反応ガス流路の厚さ方向の面（図９（Ｂ）において、反応ガス流路の厚さ方向の面と平行な面を点線にて示す。）に対して角度θだけ傾斜するように形成されている。本実施例において、θ＝４０度である。
【００６１】
シール部材一体型ＭＥＡ４０Ｃは、以下の手順で製造される。
１．第２シール部材３８２と第３シール部材３８３とで、ＭＥＡ１０の電解質膜１２を挟んで、第２シール部材３８２、第３シール部材３８３と、電解質膜１２の端部を接着剤４２で接着する。
２．吸水性部材３２、３４を、第３シール部材３８３、第２シール部材３８２に沿って、それぞれ配置して、電解質膜１２と重なる部分を、接着層３６、３７でそれぞれ接着する。
３．第１シール部材３８１と第４シール部材３８４とを、吸水性部材３４と吸水性部材３２とにそれぞれ被せて、第１シール部材３８１と第２シール部材３８２とを接着剤４３で、第３シール部材３８３と第４シール部材３８４とを接着剤４４で、それぞれ、接着する。
【００６２】
シール部材一体型ＭＥＡ４０Ｃの両面にアノード側ガス拡散層２２とカソード側ガス拡散層２４とをそれぞれ配置して、さらに、その両側にアノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ６０とを配置すると、単セル１００Ｃが完成する（図８）。上述の通り、第１シール部材３８１と、第４シール部材３８４は、その内枠を形成する面が、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ６０の反応ガス流路の厚さ方向の面に対して角度θだけ傾斜するように形成されているため、第１シール部材３８１と第４シール部材３８４の内枠を形成する面と、反応ガス流路の厚さ方向の面とで形成される間隙が、電解質膜側の方が広く、外側に向かって狭くなる(図８)。
【００６３】
第２の実施例の単セル１００Ｃと、第１の実施例の単セル１００と、比較例１の単セル１００Ａと、比較例２の単セル１００Ｂと、比較例３の単セルを用いて、乾湿サイクル試験を実施し、乾湿サイクル試験後のクロスリーク量を調べた。比較例１の単セル１００Ａと比較例２の単セル１００Ｂは、第１の実施例において用いたものと同様の単セルであるため、構成の説明を省略する。
【００６４】
図１０は、比較例３の単セルの断面構成の一部を示す図である。図１０に示す部分は、図８に示す第２の実施例の単セル１００Ｃの部分に相当する。比較例３の単セル１００Ｇは、本実施例の単セル１００Ｃにおいて、接着層３６、３７を備えない構成を成す。すなわち、比較例３の単セル１００Ｇにおいて、吸水性部材３２および吸水性部材３４が、電解質膜１２に接着されていない。
【００６５】
図１１は、乾湿サイクル試験の実施時間と圧力低下率との関係を示す図である。本実施例における乾湿サイクル試験は、第１の実施例において説明した乾湿サイクル試験と同様である。図７において、第１の実施例と第２の実施例を実線、比較例１を一点鎖線、比較例２を破線、比較例３を２点鎖線で示す。第１の実施例、比較例１、比較例２における、乾湿サイクル試験の実施時間と圧力低下率との関係については、第１の実施例において述べたため、その説明を省略する。
【００６６】
図示するように、本実施例の単セル１００Ｃでは、乾湿サイクル試験を１０００時間行った後でも、圧力低下率は３％未満である。すなわち、クロスリークが発生したとは判断されない。さらに、第１の実施例の単セル１００よりも、圧力低下率が低い。
【００６７】
これに対して、比較例３の単セル１００Ｇも、乾湿サイクル試験を１０００時間行った後でも、圧力低下率は３％未満である。すなわち、クロスリークが発生したとは判断されない。しかしながら、第２の実施例の単セル１００Ｃよりも、圧力低下率が高い。
【００６８】
本実施例の単セル１００Ｃは、第１の実施例の単セル１００と同様に、吸水性部材３２、３４が、それぞれ接着層３６、３７を介して、電解質膜１２に接着されている。そのため、第１の実施例と同様に、電解質膜１２から吸水性部材３２、３４への水の移動が良好になり、電解質膜の膨張・収縮を抑制することができる。
【００６９】
また、本実施例の単セル１００Ｃを第１の実施例の単セル１００と比較すると、第１の実施例の単セル１００では、吸水性部材３２、３４の全面が電解質膜１２に接着されていたのに対して、本実施例の単セル１００Ｃでは、吸水性部材３２、３４がなければ露出する、電解質膜１２の一部にのみ、吸水性部材３２、３４の一部が接着されている。このようにすると、電解質膜１２において吸水性部材３２、吸水性部材３４が接着されている部分の水分を重点的に吸水性部材３２、３４に移動させることができる。したがって、第１の実施例の単セル１００よりも、電解質膜１２の膨張・収縮を抑制することができると考えられる。
【００７０】
さらに、本実施例の単セル１００Ｃが備えるシール部材３８Ｃは、上述の通り、その内枠を形成する面が、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ６０の反応ガス流路の厚さ方向の面に対して角度θだけ傾斜するように形成されている。そのため、第１シール部材３８１と第４シール部材３８４の内枠を形成する面と、反応ガス流路の厚さ方向の面とで形成される間隙が、電解質膜１２側の方が広く、外側に向かって狭くなる。
【００７１】
そのため、ウェットガスが供給されて電解質膜１２が湿潤状態になっているときに、吸水性部材３２、３４が吸水しても、吸水性部材３２、３４は、アノード側セパレータ５０、カソード側セパレータ６０側（外側）に向かう膨張が抑制される。そのため、吸水性部材３２、３４が吸水して膨張する場合に、電解質膜１２を押さえる力が働く。その結果、電解質膜１２の膨張が抑制され、電解質膜１２の湿潤・乾燥に伴う電解質膜１２の劣化が、第１の実施例よりも、抑制されると考えられる。
【００７２】
比較例３の単セル１００Ｇは、第２の実施例の単セル１００Ｃと同様のシール部材３８Ｃを備える。そのため、上述の通り、吸水性部材３２、３４が吸水して膨張する場合に、電解質膜１２を押さえる力が働く。その結果、電解質膜１２の膨張が抑制され、比較例１、２に比べて、電解質膜１２の劣化が抑制されると考えられる。なお、比較例３の単セル１００Ｇでは、吸水性部材３２、３４と電解質膜１２とが接着されていないため、電解質膜１２と吸水性部材３２、３４との間の水分の移動が、第２の実施例の単セル１００Ｃよりも少なく、第２の実施例の単セル１００Ｃと比べると、圧力低下率が高いと考えられる。
【００７３】
以上説明したように、本実施例の単セル１００Ｃ（燃料電池）によれば、燃料電池の運転・停止に伴う、電解質膜１２の劣化を抑制することができる。
【００７４】
Ｃ．第３の実施例：
図１２は、第３の実施例の単セルの断面構成の一部を示す図である。図１２に示す部分は、図８に示す第２の実施例の単セル１００Ｃの部分に相当する。第３の実施例の単セル１００Ｄが第２の実施例の単セル１００Ｃと異なる点は、シール部材３８Ｄの断面形状である。
【００７５】
単セル１００Ｄにおいて、シール部材３８Ｄの第１シール部材３８５は、吸水性部材３４と接する面に、突起部３８５ａを備える。同様に、シール部材３８Ｄの第４シール部材３８６は、吸水性部材３２と接する面に、突起部３８６ａを備える。
【００７６】
シール部材３８Ｄにおける突起部３８５ａ、３８６ａによって、吸水性部材３４、３２が挟持されているため、吸水性部材３２、３４が吸水することにより膨張しようとしても、アノード側セパレータ５０、６０側への膨張が抑制され、電解質膜１２を押さえる力が働く。したがって、本実施例の単セル１００Ｄ（燃料電池）によれば、燃料電池の運転・停止に伴う、電解質膜１２の劣化を抑制することができる。
【００７７】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７８】
（１）シール部材の断面形状、吸水性部材３２、３４の配置は、上述の実施例に限定されない。例えば、図１３に示すように、シール部材の断面形状を形成してもよい。図１３は、シール部材の断面形状の変形例を示す図である。図１３は、図３に示す第１の実施例の単セル１００のＸ１部に相当する部分を示している。図１３（Ａ）は、第１の実施例の単セル１００の変形例１の単セル１００Ｅを示す。変形例１の単セル１００Ｅにおけるシール部材３８Ｅは、カソード側シール部材３８Ｅｃとアノード側シール部材３８Ｅａとを備え、その内枠を形成する面が、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ６０の反応ガス流路の厚さ方向の面に対して傾斜するように形成されている。
【００７９】
図１３（Ｂ）は、第１の実施例の単セル１００の変形例２の単セル１００Ｆを示す。変形例２の単セル１００Ｆにおけるシール部材３８Ｆは、カソード側シール部材３８Ｆｃとアノード側シール部材３８Ｆａとを備え、その内枠を形成する面が、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ６０の反応ガス流路の厚さ方向の面に対して傾斜するように形成されている。さらに、カソード側シール部材３８Ｆｃの吸水性部材３４と接する面に突起部３８ａ１を備え、アノード側シール部材３８Ｆａの吸水性部材３２と接する面に突起部３８ｃ１を備える。このようにしても、電解質膜１２の劣化を抑制することができる。
【００８０】
（２）上述の実施例において、吸水性部材３２、３４、接着層３６、３７は、電解質膜１２よりも吸水性(膨張率)が大きいものを例示したが、これに限定されず、電解質膜１２と同程度の吸水性のものを用いてもよい。また、電解質膜１２よりも、吸水性の小さいものを用いてもよい。
【００８１】
（３）シール部材の内枠を形成する面の、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ６０の反応ガス流路の厚さ方向の面に対する角度θは、上述の実施例に限定されず、０〜９０度の範囲で任意に設定することができる。ただし、角度θを、あまり大きく設定すると、シール部材３８と反応ガス流路との間に形成される間隙が大きくなるため、角度θは、５〜４０度が好ましい。
【００８２】
（４）上述の実施例において、吸水性部材として、吸水すると膨張し、乾燥すると収縮するフッ素系の樹脂を例示しているが、これに限定されない。例えば、炭素系の樹脂を用いてもよい。また、吸水すると膨張する部材であればよい。
【００８３】
（５）上述の実施例において、ＭＥＡ１０として、アノード側ガス拡散層２２、カソード側ガス拡散層２４を備えない構成を例示したが、ＭＥＡ１０がアノード側ガス拡散層２２、カソード側ガス拡散層２４を備える構成にしてもよい。
【００８４】
（６）上述の実施例において、電解質膜１２がアノード１４およびカソード１６より大きく形成され、電解質膜１２が露出する構成のＭＥＡ１０を例示したが、電解質膜１２と、アノード１４と、カソード１６とが同一の大きさの構成にしてもよい。
【００８５】
（７）上述の実施例において、吸水性部材３２、３４をシール部材３８によって挟持することにより、吸水性部材３２、３４をシール部材３８に固定する方法を例示したが、吸水性部材３２、３４をシール部材３８に固定する方法は、上述の実施例に限定されない。例えば、吸水性部材３２、３４を、シール部材３８の内枠を形成する面と反応ガス流路の厚さ方向の面との間の間隙に嵌入するような形状に形成して、接着層によって、シール部材３８の内枠を形成する面に接着してもよい。このようにしても、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００８６】
（８）上述の実施例において、反応ガス流路として、溝流路を例示したが、溝流路に限定されず、種々の流路を適用することができる。例えば、互いに連通する複数の空孔を備える多孔体（金属多孔体、カーボン多孔体等）を、反応ガス流路として用いてもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１０…ＭＥＡ
１２…電解質膜
１４…アノード
１６…カソード
２２…アノード側ガス拡散層
２４…カソード側ガス拡散層
３２、３２Ｂ、３４、３４Ｂ…吸水性部材
３６、３７…接着層
３８、３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ、３８Ｄ、３８Ｅ、３８Ｆ…シール部材
３８ａ、３８Ｅａ、３８Ｆａ…アノード側シール部材
３８ｃ、３８Ｅｃ、３８Ｆｃ…カソード側シール部材
３８ａ１、３８ｃ１…突起部
３８Ｆｃ…カソード側シール部材
４０、４０Ｃ…シール部材一体型ＭＥＡ
４２、４３、４４…接着剤
５０…アノード側セパレータ
６０…カソード側セパレータ
６２…カソードガス流路
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、１００Ｇ…単セル
３８１…第１シール部材
３８２…第２シール部材
３８３…第３シール部材
３８４…第４シール部材
３８５…第１シール部材
３８５ａ…突起部
３８６…第４シール部材
３８６ａ…突起部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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