(57)【要約】【課題】補強膜が触媒層に積層している積層箇所が、スタッキング時の圧縮力のうちの相対的に多くの割合の圧縮力を過度に負担し、そのために、発電領域に十分な圧縮力が作用しなくなるという課題を、効果的に解消することのできる燃料電池を提供する。【解決手段】膜電極接合体４の両側にガス透過層５Ａ，５Ｂ、セパレータ７，７が配されて燃料電池セル１０を成し、該燃料電池セル１０が積層されてなる燃料電池であり、少なくとも、電解質膜１のうち、触媒層２，３で被覆されていない周縁の露出領域１’とガス透過層５Ａ，５Ｂの間には、補強膜８Ａ，８Ｂが介在し、かつ、補強膜８Ａ，８Ｂの一部が触媒層２，３上に積層して積層箇所を形成しており、この触媒層２，３において、積層箇所に対応する周縁領域２２，３２の厚みは、該周縁領域２２，３２の内側で補強膜が積層していない中央領域２１，３１の厚みよりも薄くなっている。【選択図】図１
2010244871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、これよりも狭小な平面積で該電解質膜の両側で当接する触媒層と、から膜電極接合体が形成され、該膜電極接合体の両側にガス透過層が配され、ガス透過層の両側にセパレータが配されて燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であって、
少なくとも、前記電解質膜のうち、触媒層で被覆されていない周縁の露出領域とガス透過層の間には、補強膜が介在し、かつ、該補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成しており、
前記触媒層において、前記積層箇所に対応する周縁領域の厚みは、該周縁領域の内側で補強膜が積層していない中央領域の厚みよりも薄くなっている、燃料電池。
【請求項２】
前記触媒層は、少なくとも第１の触媒層と、これに積層する第２の触媒層と、からなる積層構造を呈しており、
前記周縁領域の厚みが少なくとも前記第１の触媒層の厚みで規定され、前記中央領域の厚みが少なくとも前記第１の触媒層および前記第２の触媒層の厚みの和で規定される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記中央領域よりも前記周縁領域の厚みが薄くなっている触媒層が、アノード側もしくはカソード側のいずれか一方にのみ配されている、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料電池セルが積層され、スタッキングされた際の姿勢において、前記積層箇所に対応する触媒層の前記周縁領域の厚みと前記補強膜の厚みの和が、触媒層の前記中央領域の厚みと同じか、それよりも薄くなっている、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス透過層は、ガス拡散層、金属多孔体からなるガス流路層、該ガス拡散層と該ガス流路層の組み合わせ、のいずれかの形態からなり、
アノード側とカソード側双方のガス透過層が、複数の前記形態中の同一の形態、もしくは異なる形態のいずれかからなる、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒層の周縁であって、ガス透過層と電解質膜の間に補強膜を備えた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、この膜電極接合体とこれを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ）とから電極体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ＆  Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、電極体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための金属多孔体からなるガス流路層とセパレータが電極体の両側に配されて構成されている。なお、セパレータにガス流路溝が形成された燃料電池セルも従来一般のものであり、この形態の場合にはガス流路層となる金属多孔体は不要である。実際の燃料電池スタックは、所要電力に応じた基数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。
【０００３】
上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層（またはセパレータに形成されたガス流路溝）にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒層に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。
【０００４】
上記するガス拡散層の形態として、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ：Ｍｉｃｒｏ  Ｐｏｒｏｕｓ  Ｌａｙｅｒ）とから構成されるものは一般に知られるところである。一般には、触媒層は電解質膜よりも狭小な平面積（小さな平面積）を有しており、電解質膜が触媒層にて被覆されていない触媒層の周縁の露出領域には、ポリマー素材の補強膜（もしくは保護フィルム）が配設されており、この補強膜が拡散層基材と電解質膜の間に介在した構造が一般的である。補強膜を触媒層の周縁領域で拡散層基材と電解質膜の間に介在させることにより、触媒層を有する電解質膜（膜電極接合体）とガス拡散層をたとえば１００〜１３０℃程度の高温雰囲気下、１〜３ＭＰａ程度の圧縮力で熱圧着する（電解質膜に影響を与えない熱圧着条件）際に、繊維質の拡散層基材の表面から突出する毛羽が電解質膜に突き刺さることを抑止することができる。
【０００５】
また、上記する燃料電池セルにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスや酸化剤ガス、さらにはセルの昇温を抑止するための冷却水などの流体をシールするためのガスケットが電極体や金属多孔体の周縁に形成されている。このガスケット成形は一般に射出成形や圧縮成形にておこなわれている。たとえばガス流路となる金属多孔体を具備する燃料電池セルにおいては、成形型のキャビティ内にアノード側もしくはカソード側の一方の金属多孔体を収容し、次いで電極体を収容し、次いでアノード側もしくはカソード側の他方の金属多孔体を収容した姿勢で、電極体および金属多孔体の周縁のガスケット形成用キャビティに樹脂を注入してガスケット成形がおこなわれている。なお、キャビティ内にアノード側もしくはカソード側いずれか一方のセパレータを最初に収容し、次いで上記する構成部材を収容して射出成形をおこなう方法もある。
【０００６】
上記するセパレータには、たとえばチタンやステンレスからなる２枚のプレートの間に流路が形成された中間プレートが介層された３層構造のものや、中間層を樹脂製の枠材とし、２枚のプレートの一方から多数のディンプルや流路を画成するリブを突出させて冷却水流路を形成するものなどがある。この３層構造のセパレータは、当該セル自体のアノード側もしくはカソード側のいずれか一方のセパレータであると同時に、積層姿勢において隣接するセルのアノード側もしくはカソード側の他方のセパレータとなるものである。すなわち、この３層構造セパレータを有する燃料電池セルのセル構成部材は、一つの３層構造セパレータと、アノード側およびカソード側のガス透過層（エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などの金属多孔体からなるガス流路層）と、電極体（膜電極接合体およびガス拡散層）と、からなり、複数の燃料電池セルが積層された姿勢において、任意の燃料電池セルは、その両端にアノード側およびカソード側のセパレータを有することとなる。
【０００７】
上記する補強膜とガスケットを備えた従来の燃料電池セルの構造を図４に示しており、同図にはさらに、スタッキング時の圧縮力による、電極体に作用する面圧を該電極体の部位ごとに示している。図４において、電解質膜ａと、カソード側およびアノード側の触媒層ｂ１、ｂ２と、から膜電極接合体ｃが形成され、この膜電極接合体ｃをカソード側およびアノード側のガス拡散層ｄ（拡散層基材ｄ１と集電層ｄ２とから構成される）が挟持して形成される。触媒層ｂ１、ｂ２は電解質膜ａに比して狭小であり、電解質膜ａが触媒層ｂ１、ｂ２で被覆されていない露出領域にはカソード側およびアノード側の補強膜ｅ１，ｅ２が配され、これらが電解質膜ａと拡散層基材ｄ１の間に介在している。また、図示例はガス流路となる金属多孔体ｆをカソード側およびアノード側に備えたものであり、電極体と金属多孔体ｆの周縁には、射出成形され、その内部に流体流通用のマニホールドＭを有するガスケットｇが形成されている。
【０００８】
図示例のごとく、補強膜ｅ１，ｅ２は、その触媒層側端部が触媒層ｂ１、ｂ２にラップ（積層）しているのが一般的である。この補強膜ｅ１，ｅ２は、熱圧着時に拡散層基材の毛羽が電解質膜ａに突き刺さると、この突き刺さり箇所がガスのクロスリークを助長することとなり、燃料電池のクロスリーク耐久性が低下し、発電性能の低下に直結するという課題を解消するために設けられている。すなわち、電解質膜ａが触媒層ｂ１、ｂ２と接触している領域は、該触媒層ｂ１、ｂ２にて電解質膜ａが毛羽の突き刺さりから保護されている一方で、上記する電解質膜ａの露出領域は補強膜ｅ１，ｅ２で毛羽の突き刺さりから保護される。ここで、触媒層ｂ１、ｂ２の端部から毛羽が電解質膜ａに通じることを回避するべく、図示するように、補強膜ｅ１，ｅ２の端部を触媒層ｂ１、ｂ２に積層させるようにしている。上記補強膜の積層構造を呈する従来技術として、特許文献１に開示の燃料電池を挙げることができる。
【０００９】
なお、一般に補強膜は電解質膜や触媒層に比して高剛性であり、硬度も相対的に高いことから、上記する毛羽が突き刺さった場合でも、補強膜を貫通する毛羽の数は極めて少なくなり、結果として、補強膜を介し、電解質膜を介してアノード側とカソード側を毛羽が貫通することが効果的に抑止されている。
【００１０】
ところで、燃料電池スタックは複数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされて形成されるものであるが、このスタッキング時の圧縮力は各燃料電池セルに伝達され、図示のごとく膜電極接合体ｃに対してその上下から圧縮力Ｐとして作用する。ここで、図示のごとく補強膜ｅ１，ｅ２が触媒層ｂ１、ｂ２と積層している場合、相対的に高剛性の補強膜が積層している電極体箇所Ａ（補強膜の積層箇所）が相対的に多くの割合の圧縮力を負担することとなり、それに起因して、他の電極体箇所には所期の圧縮力が作用しなくなるという課題が生じ得る。
【００１１】
あるいは、図４の面圧グラフで示すように、補強膜が触媒層に積層してなる電極体箇所Ａでは面圧が過度に高くなり、その外側の補強膜が存在する領域は、該補強膜が電解質膜等に比して高剛性であるがゆえに過面圧領域となる。その一方で、電極体箇所Ａの内側は、ガス拡散層と触媒層が接触しない箇所Ｇが存在することにより、この箇所Ｇに対応する電極体箇所には面圧が作用せず、面圧無領域が形成される。
【００１２】
そして、一般に、この面圧無領域より内側は発電領域であり、それよりも外側の過面圧領域は非発電領域であるが、この非発電領域に図示のごとく過大な面圧が作用し、そのために、発電領域に十分な圧縮力が作用しない、さらには図示のごとく面圧無領域が生じてしまう、という不具合が生じ、燃料電池の発電性能を著しく低下させる要因となることは理解に易い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−７１５４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、触媒層の周縁であって、ガス透過層と電解質膜の間に補強膜（たとえば保護フィルム）を備え、この補強膜の端部が触媒層に積層（ラップ）している膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、を備えた燃料電池セルが積層されてなる燃料電池において、この補強膜が触媒層に積層している積層箇所が、スタッキング時の圧縮力のうちの相対的に多くの割合の圧縮力を過度に負担し、そのために、発電領域に十分な圧縮力が作用しなくなるという課題や、あるいは、本来的に発電領域であるはずの電極体の一部に面圧が作用せず、そのために発電量が低くならざるを得ないという課題、を効果的に解消することのできる燃料電池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】
【００１５】
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、電解質膜と、これよりも狭小な平面積で該電解質膜の両側で当接する触媒層と、から膜電極接合体が形成され、該膜電極接合体の両側にガス透過層が配され、ガス透過層の両側にセパレータが配されて燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であって、少なくとも、前記電解質膜のうち、触媒層で被覆されていない周縁の露出領域とガス透過層の間には、補強膜が介在し、かつ、該補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成しており、前記触媒層において、前記積層箇所に対応する周縁領域の厚みは、該周縁領域の内側で補強膜が積層していない中央領域の厚みよりも薄くなっているものである。
【００１６】
本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルは、補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成しているものに関し、この触媒層は発電領域となる中央領域と、その周縁の非発電領域となる周縁領域と、から構成し、この周縁領域を中央領域に比して相対的に薄層とすることにより、当該積層箇所にスタッキング時の圧縮力が過度に作用する（過度に圧縮力を負担する）のを効果的に抑制でき、もって、発電領域に所望の圧縮力を作用させることのできる燃料電池である。
【００１７】
すなわち、本発明の燃料電池では、触媒層の厚みを所望に調整しただけの極めて簡易な構造変更により、発電領域に十分な、しかも面内均一な圧縮力を作用させることができるものである。
【００１８】
ここで、本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの構造は、膜電極接合体のアノード側とカソード側の双方に拡散層基材と集電層からなるガス拡散層を具備する形態、アノード側とカソード側のいずれか一方は集電層のみを具備する（拡散層基材が廃された）形態の双方を含んでいる。また、本明細書では、これらのいずれの形態も電極体と称呼している。また、電極体の両側にガス流路溝が形成されたセパレータが直接配された形態は勿論のこと、いわゆるフラットタイプのセパレータと電極体の間に、ガス流路層（エキスパンドメタル等の金属多孔体）が配された形態を含むものである。さらに、「ガス透過層」とは、ガス拡散層とガス流路層の双方を含む意味である。したがって、ガス流路層を具備しないセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」を意味するものであり、ガス拡散層とガス流路層の双方を具備するセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」と「ガス流路層」の双方もしくはいずれか一方を意味するものである。
【００１９】
また、セパレータは、既述する３層構造のセパレータ、すなわち、第１のプレート（たとえばカソード側プレート）、中間層（もしくは中間プレート）、第２のプレート（たとえばアノード側プレート）が積層してなる３層構造のセパレータを有していてもよいし、一側面にガス用溝流路が形成され、他側面に冷却媒体用流路が形成された、従来一般のセパレータを有していてもよい。
【００２０】
ここで、中央領域と周縁領域で厚みが異なる触媒層は、たとえば、電解質膜表面に一気に形成してもよいし、周縁領域の厚みを有する触媒層を電解質膜表面に形成し、この厚みにさらに付加される厚み分の中央領域の触媒層をガス拡散層等のガス透過層の中央領域に対応する位置に形成し、双方の触媒層同士を当接させ、ホットプレスすることによって形成してもよい。この場合は、形成される触媒層が、少なくとも第１の触媒層と、これに積層する第２の触媒層と、からなる積層構造を呈しているものであり、周縁領域の厚みが少なくとも前記第１の触媒層の厚みで規定され、前記中央領域の厚みが少なくとも前記第１の触媒層および前記第２の触媒層の厚みの和で規定されることとなる。
【００２１】
補強膜が積層する箇所の触媒層が相対的に薄層となっており、したがって、相対的に薄くなっている触媒層の周縁領域の厚みに、積層した補強膜の厚みを付加した全厚みと、相対的に厚くなっている触媒層の中央領域の厚みと、の差分は、従来の均一な厚みを有する触媒層の場合の差分に比して格段に小さくなることから、非発電領域に作用し得る過大な面圧は緩和される。
【００２２】
ここで、上記する本発明の燃料電池において、前記燃料電池セルが積層され、スタッキングされた際の姿勢において、前記積層箇所に対応する触媒層の前記周縁領域の厚みと前記補強膜の厚みの和が、触媒層の前記中央領域の厚みと同じか、それよりも薄くなっているのが好ましい。
【００２３】
この形態によれば、補強膜の積層箇所に対応する非発電領域に過大な面圧が生じることが確実に抑止でき、触媒層の中央領域に対応する発電領域に所望の面圧を確実に作用させることができる。
【００２４】
さらには、上記する厚みの相違する触媒層は、アノード側とカソード側の双方に設ける形態以外にも、アノード側もしくはカソード側のいずれか一方にのみ当該触媒層が配された形態であってもよい。
【００２５】
いずれか一方の電極に厚みが相違する触媒層が形成され、他方の電極には従来一般の全面が同一な厚みの触媒層が形成されるものであっても、非発電領域に生じ得る過度な面圧は効果的に緩和できる。なお、ガス拡散層からの毛羽の突き刺さりに起因した電解質膜を貫通する貫通孔が形成されないことを前提として、従来一般の全面が同一な厚みの触媒層が形成される電極において、補強膜を廃した構造としてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、少なくとも、電解質膜のうち、触媒層で被覆されていない周縁の露出領域とガス透過層の間に補強膜が介在し、かつ、該補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成するものに関し、この積層箇所に対応する触媒層の周縁領域を、補強膜が積層していない触媒層の中央領域よりも相対的に薄層にしただけの極めて簡易な構造変更により、非発電領域となる周縁領域に過度の面圧が作用することが効果的に抑制され、中央領域に対応する発電領域に所望の面圧を確実に作用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの一実施の形態の一部を示した縦断面図であって、スタッキング時の圧縮力が作用した状態を示した図である。
【図２】本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの他の実施の形態の一部を示した縦断面図であって、スタッキング時の圧縮力が作用した状態を示した図である。
【図３】本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルのさらに他の実施の形態の一部を示した縦断面図であって、スタッキング時の圧縮力が作用した状態を示した図である。
【図４】従来の燃料電池を構成する燃料電池セルの一部を示した縦断面図であって、スタッキング時の圧縮力による、電極体に作用する面圧をともに示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例は、カソード側およびアノード側の双方に補強膜が配されたセル構造を示しているが、ガス拡散層からの毛羽の突き刺さりに起因した電解質膜を貫通する貫通孔が形成されないことを前提として、アノード側およびカソード側のいずれか一方にのみ補強膜が配されたセル構造であってもよい。また、図示例では、電極体の両側（上下）に３層構造セパレータが配されて燃料電池セルを構成しているが、実際には、一つの燃料電池セルは、いずれか一方の３層構造セパレータがその構成部材である。すなわち、複数の燃料電池セルが積層された姿勢において、図示のごとく電極体の両側にセパレータが配されることとなるが、ここでは、便宜的に、図示例の構造を燃料電池セルの構造とする。
【００２９】
図１〜図３はそれぞれ、本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの一部を示した縦断面図である。この燃料電池セル１０は、電解質膜１と、カソード側およびアノード側の触媒層２，３と、から膜電極接合体４が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス拡散層５Ａ，５Ｂ（ガス透過層）が挟持して電極体を形成し、電極体の両側にカソード側およびアノード側のガス流路層６Ａ，６Ｂ（ガス透過層）が配され、ガス流路層６Ａ，６Ｂの両側に３層構造のセパレータ７，７が配され、電極体およびガス流路層６Ａ，６Ｂの周縁に樹脂素材のガスケット９が形成されて、その全体が大略構成されている。
【００３０】
ここで、触媒層２，３は電解質膜１に比してそれらの面積が狭小であり、したがって、電解質膜１の両側の触媒層２，３の周縁には該触媒層２，３が存在しない露出領域１’が形成される。
【００３１】
この露出領域１’には、カソード側およびアノード側の補強膜８Ａ，８Ｂが配されており、より具体的には、該補強膜８Ａ，８Ｂの一部が触媒層２，３上にラップして積層箇所を形成した姿勢で、触媒層２，３から露出領域１’に亘って補強膜８Ａ，８Ｂが配されており、ガス拡散層５Ａ，５Ｂから突出する毛羽が電解質膜１に突き刺さるのを防護している。
【００３２】
ここで、膜電極接合体４を構成する電解質膜１は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。
【００３３】
また、触媒層２，３は、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を生成し、これを電解質膜１やガス拡散層５Ａ，５Ｂ等の基材にたとえば塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。
【００３４】
ここで、触媒層２，３は、補強膜８Ａ，８Ｂが積層する領域、すなわち、非発電領域である周縁領域２２，３２と、補強膜８Ａ，８Ｂが積層しない領域、すなわち、発電領域である中央領域２１，３１で、それぞれの厚みが相違しており、中央領域２１，３１が相対的に厚層に形成されており、スタッキング時の圧縮力：Ｐが作用した図示の姿勢において、中央領域２１，３１の厚みと、周縁領域２２，３２の厚みに補強膜８Ａ，８Ｂを付加した厚みと、が同程度の厚み：ｔとなるものである（このときの、周縁領域２２，３２の厚み：ｔ’＜ｔ）。
【００３５】
一般的に、触媒層２，３は、補強膜８Ａ，８Ｂに比して低剛性であり、圧縮力に対する変形量も大きなことを勘案すれば、スタッキング時の圧縮力が作用し、触媒層２，３および補強膜８Ａ，８Ｂがそれぞれに固有の変形量で変形した際に、中央領域２１，３１の厚みと、周縁領域２２，３２の厚みに補強膜８Ａ，８Ｂを付加した厚みと、が同程度となるようにするためには、スタッキングされる前の状態で、中央領域の厚みが所定量だけ厚くなるように調整されているのがよい。
【００３６】
図示例のように、中央領域と周縁領域で双方の触媒層の厚みを異ならせる方法として、次のような方法を挙げることができる。まず、周縁領域２２，３２の厚みとなるまで触媒インクを塗工し、これを温風乾燥炉やホットプレート等で乾燥させて所望の剛性を付与させた後に、補強膜８Ａ，８Ｂの一部を積層させるようにして配設する。次に、たとえば、平面視が矩形枠状の補強膜８Ａ，８Ｂで包囲された中央領域に、この補強膜８Ａ，８Ｂの表面よりも触媒層が高くなるようにして触媒インクを塗工し、同様に乾燥させることで、中央領域の２層目の触媒インクに所望の剛性を付与し、図示のように厚みが異なる触媒層２，３を形成することができる。
【００３７】
なお、他の形成方法として、中央領域で付加される分の触媒層の形成に際し、たとえばガス拡散層５Ａ，５Ｂの中央領域に対応する位置に触媒インクを塗工し、乾燥させる方法もある。このガス拡散層５Ａ，５Ｂ側で形成された触媒層を、周縁領域２２，３２の厚みを有し、その端部に補強膜８Ａ，８Ｂが配された電解質膜１表面の触媒層に当接し、ホットプレスすることで、図示のように厚みが異なる触媒層２，３を形成することができる。なお、この形成方法では、電解質膜１側に形成された周縁領域２２，３３の厚みを有する触媒層が第１の触媒層となり、ガス拡散層５Ａ，５Ｂ側に形成された触媒層が第２の触媒層となるもので、この複数層の触媒層から、図示のように厚みの異なる触媒層２，３が形成されることとなる。
【００３８】
ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒（金属触媒）としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。
【００３９】
また、ガス拡散層５Ａ，５Ｂは、拡散層基材５１ａ，５１ｂと集電層５２ａ，５２ｂからなるものであり、拡散層基材５１ａ，５１ｂとしては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材５１ａ，５１ｂの導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、紋織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層５２ａ，５２ｂはアノード側、カソード側の触媒層３，２から電子を集める電極の役割を果たすとともに、生成水等を排水する撥水作用を有するものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料と、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）などから形成できる。
【００４０】
また、ガス流路層６Ａ，６Ｂは、エキスパンドメタルや金属発砲焼結体などの金属多孔体から形成されており、この発砲焼結体においては、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材が使用されるのがよく、さらには、ステンレス中にクロム炭化物や鉄−クロム炭化物などを分散した発泡体であってもよい。
【００４１】
さらに、補強膜８Ａ，８Ｂは、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ（二フッ化ポリビニル）、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどから形成されるものである。
【００４２】
ガスケット９は、その端部のマニホールドＭの周縁に該マニホールドＭを囲繞する無端リブ（不図示）を有するものである。その成形方法の概要は、不図示の成形型内に３層構造のセパレータ７、アノード側のガス流路層６Ｂ，電極体、カソード側のガス流路層６Ａの順に収容して型閉めし、膜電極接合体４の側方のガスケット用キャビティ内に樹脂を注入する（射出成形）等の方法でおこなわれる。ここで、このガスケットの材料としては、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ウレタンＲＴＶゴムやブチルゴム系樹脂、シリコーンＲＴＶゴム、ＥＰＤＭ系樹脂等が使用できる。
【００４３】
また、３層構造のセパレータ７は、ステンレスやチタンからなるカソード側プレート７１，アノード側プレート７２と、その間に、金属素材もしくは樹脂素材で冷却水等の冷却媒体用流路が形成された中間層７３（中間プレート）が介層されたものである。このセパレータ７は、自身が構成要素となる燃料電池セルのアノード側のガス流路層６Ｂに燃料ガスを供給するためのガス流路（不図示）と、セルの積層姿勢において隣接するセルのカソード側のガス流路層６Ａに酸化剤ガスを供給するためのガス流路（不図示）が形成されており、さらには、上記する冷却媒体用流路（不図示）が形成されている。
【００４４】
図１で示すように、スタッキング時の圧縮力：Ｐが作用した姿勢において、触媒層２，３の中央領域２１，３１、すなわち、発電領域の厚みと、触媒層２，３の周縁領域２２，３２（に補強膜８Ａ，８Ｂの厚みが付加されたもの）の厚みが同程度となることにより、従来構造のように、相対的に突出した補強膜を介して非発電領域に過度の圧縮力（もしくは面圧）が作用するという課題が効果的に解消され、発電領域に対して、所与の圧縮力を面内均一に作用させることができる。
【００４５】
図２で示す燃料電池セル１０Ａは、スタッキング時の圧縮力：Ｐが作用した姿勢において、カソード側の触媒層２Ａの中央領域２１Ａ，アノード側の触媒層３Ａの中央領域３１Ａの厚み：ｔ１がそれぞれ、周縁領域２２，３２の厚みに補強膜８Ａ，８Ｂを付加した厚み：ｔに比して相対的に厚くなっている実施の形態を示している。
【００４６】
このような形態の膜電極接合体４Ａを具備する燃料電池セル１０Ａにおいても、非発電領域に過度の面圧が作用することを回避でき、所与の圧縮力を発電領域に付与することが可能となる。
【００４７】
図３で示す燃料電池セル１０Ｂは、図１で示す燃料電池セル１０の構成から、アノード側の触媒層の中央領域の厚み増分を廃した構造を有するものである。
すなわち、この膜電極接合体４Ｂにおいて、アノード側の触媒層３'は、その中央領域３１’と周縁領域３２の厚みが同程度である。
【００４８】
この形態でも、少なくともカソード側電極において、触媒層２の中央領域２１の厚みと、周縁領域２２の厚みに補強膜８Ａの厚みを付加した厚みと、が同程度となっていることから、たとえば図４で示す従来構造の燃料電池セルに比して、非発電領域に生じ得る過大な面圧は抑制される。
【００４９】
なお、図３で示す触媒層の構造が、アノード側とカソード側で逆転した形態であってもよいことは勿論のことである。さらには、図３の構造において、アノード側の補強膜８Ｂをさらに廃した形態であってもよい。尤も、その場合には、カソード側の補強膜８Ａのみで、ガス拡散層５Ａ，５Ｂからの毛羽の突き刺さりに起因した電解質膜１を貫通する貫通孔が形成されないことが担保される必要がある。
【００５０】
図１〜３で示す燃料電池セルが積層され、スタッキングされてなる燃料電池によれば、触媒層の厚みを、発電領域に対応する中央領域と、非発電領域に対応する周縁領域で変化させただけの極めて簡易な構造変更により、非発電領域に過大な面圧が作用するのを効果的に抑止することができ、もって、発電性能に優れた燃料電池となる。
【００５１】
なお、実際の燃料電池は、図１〜３で示す燃料電池セルが所定段積層されて燃料電池スタックが形成される。さらに、この燃料電池スタックは、最外側にターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレートが配され、テンションプレートを介して圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５３】
１…電解質膜、１’…電解質膜の露出領域、２，２Ａ…カソード側の触媒層、２１，２１Ａ…中央領域、２２…周縁領域，３Ａ，３’…アノード側の触媒層、３１，３１Ａ，３１’…中央領域、３２…周縁領域、４，４Ａ，４Ｂ…膜電極接合体、５Ａ…カソード側のガス拡散層（ガス透過層）、５Ｂ…アノード側のガス拡散層（ガス透過層）、６Ａ…カソード側のガス流路層（ガス透過層）、６Ｂ…アノード側のガス流路層（ガス透過層）、７…セパレータ、７１…カソード側プレート、７２…アノード側プレート、７３…中間層（中間プレート）、８Ａ…カソード側の補強膜、８Ｂ…アノード側の補強膜、９…ガスケット、１０，１０Ａ，１０Ｂ…燃料電池セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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