(57)【要約】【課題】スタッキング時の圧縮力を所望の値に維持しながら、拡散層基材や集電層に多孔体の端面エッジが突き刺さるのを効果的に抑止することができ、もってクロスリーク耐久性に優れた燃料電池を提供する。【解決手段】膜電極接合体３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４，４と、から電極体１０が形成され、ガス流路層を形成する多孔体（エキスパンドメタル５）とセパレータ７が該電極体１０を挟持して燃料電池セル１００を成し、該燃料電池セル１００が積層されて形成される燃料電池において、ガス拡散層４は、膜電極接合体３を構成する触媒層２と当接する集電層４２と該集電層４２を包囲する拡散層基材４１とから形成されており、拡散層基材４１のうち、エキスパンドメタル５の端面の複数のエッジ５１ａと当接する箇所には、エキスパンドメタル５側に突出する突起４１ａが形成されている。【選択図】図１
2010123350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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と、から電極体が形成され、ガス流路層を形成する多孔体とセパレータが該電極体を挟持して燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されて形成される燃料電池において、
前記ガス拡散層は、膜電極接合体を構成する触媒層と当接する集電層と該集電層を包囲する拡散層基材とから形成されており、
前記拡散層基材のうち、前記多孔体の端面の複数のエッジと当接する箇所には、多孔体側に突出する突起が形成されている、燃料電池。
【請求項２】
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いずれか一方に配された、集電層と拡散層基材とからなるガス拡散層と、他方に配された集電層と、から電極体が形成され、ガス流路層を形成する多孔体とセパレータが該電極体を挟持して燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されて形成される燃料電池において、
前記拡散層基材および前記他方に配された集電層のうち、少なくとも該他方に配された集電層において前記多孔体の端面の複数のエッジと当接する箇所には、多孔体側に突出する突起が形成されている、燃料電池。
【請求項３】
前記多孔体がエキスパンドメタルからなる、請求項１または２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に係り、特に、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などの多孔体をガス流路層として備える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（電極層）とから膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を形成し、該膜電極接合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アノード側およびカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ）が挟持して電極体（ＭＥＧＡ）を形成し、この電極体を直線状もしくは蛇行状のガス流路溝が一体に形成されたセパレータが挟持して構成されている。なお、このセパレータには、ガス流路層をたとえば特許文献１で開示されるようなエキスパンドメタルや金属発泡焼結体から形成してセパレータから分離させた、いわゆるフラットタイプ型のセパレータもある。燃料電池スタックは、所要電力に応じてこの燃料電池セルを所定数積層す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（またはセパレータのガス流路溝）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】
燃料電池の組み付けにおいては、所定数の燃料電池セルを積層し、この両側端からテンションプレートを介して所与の圧縮力が付与されてスタッキングがおこなわれる。この圧縮力は、燃料電池セルの構成部材間（セパレータとガス拡散層の間や、ガス拡散層と膜電極接合体の間など）の界面の密着性を高め、もって界面における接触抵抗を可及的に低減させるようにその大きさが調整されている。さらには、燃料電池の使用環境（高負荷発電時の高温環境では構成部材が膨張したりガス圧が増加する、など）によって構成部材界面での相対的な圧縮力は変化するし、発電経過にともなう構成部材の厚み低減にともなって相対的な圧縮力が変化することなどから、これらを加味してスタッキング所期の圧縮力が設定されている。
【０００５】
スタッキング時に上記圧縮力が各燃料電池セルに作用すると、その構成部材であるセパレータや多孔体からなるガス流路層を介してガス拡散層に圧縮力が伝達される。
【０００６】
ガス流路層を形成する多孔体としては上記するエキスパンドメタルや金属発泡焼結体があるが、たとえばエキスパンドメタルからなるガス流路層を有する燃料電池セルにおいては、上記する圧縮力がエキスパンドメタルの電極体側のエッジからガス拡散層へ集中的に作用することは理解に易い。これを燃料電池セルのカソード側の構造を図示した図３を参照して説明する。図示する燃料電池セルは、電解質膜ａ１とカソード側およびアノード側の触媒層ａ２とから膜電極接合体ａが形成され、これを拡散層基材ｂ１と集電層ｂ２（ＭＰＬ）とからなるカソード側およびアノード側のガス拡散層ｂが挟持して電極体ｃを形成し、ガス拡散層ｂにガス流路層となるエキスパンドメタルｅが当接し、エキスパンドメタルｅにたとえば３層構造のフラットタイプセパレータｆが当接して燃料電池セルが構成されている。なお、一般には、電解質膜ａ１のうち、触媒層ａ２で被覆されていない周縁の露出領域には、拡散層基材ｂ１との間に保護フィルムｄが介層されており、これが拡散層基材ｄ１から突出する毛羽が電解質膜ａ１に突き刺さるのを効果的に防護している。また、燃料電池セルのうち、触媒層ａ２や集電層ｂ２が存在する領域を発電領域（図中のＡ１領域で、発電に直接的に寄与する領域）、その外周の領域を非発電領域（図中のＡ２領域）とそれぞれ称呼することができる。
【０００７】
図示する燃料電池セルが所定数積層され、スタッキングされた際には、各燃料電池セルにスタッキング時の圧縮力Ｐ（締結力）がセパレータｆを介してエキスパンドメタルｅおよび電極体ｃに作用することとなる。ここで、エキスパンドメタルｅのうち、拡散層基材ｂ１と当接する側面においては、図示するように多数のエッジが拡散層基材側に突出しており、上記する圧縮力Ｐは、これらのエッジを介して集中的に拡散層基材ｂ１を押圧し（集中荷重Ｐ１）、場合によってはこの圧縮力Ｐにてエッジが拡散層基材ｂ１を突き刺して拡散層基材ｂ１内に埋め込まれた状態となってしまう。これらのエッジの突き刺さりにより、場合によっては拡散層基材ｂ１が座屈してしまい、その破損に至ることもあり得る。また、エキスパンドメタルｅのエッジが拡散層基材ｂ１に突き刺さると、エッジを介して集中荷重が突き刺さり部位に作用し続けるため、突き刺さりに起因する亀裂が進展してガスのクロスリーク路を形成する可能性も生じてくる。
【０００８】
ところで、図示する非発電領域Ａ２では、比較的高剛性の保護フィルムｄが電解質膜ａ１と拡散層基材ｂ１の間に介在していることで、上記するエキスパンドメタルｅが拡散層基材ｂ１に突き刺さった場合でもガスのクロスリーク路の形成までには至らない。なお、図示のように保護フィルムｄを具備しない他のセル構造形態、たとえば、電極体の周縁に形成される不図示の樹脂製ガスケット用の樹脂材が図中の保護フィルムの介在部位に含浸して、図示の保護フィルムのごとき保護層を形成するセル構造の場合でも同様である。
【０００９】
しかし、保護フィルム等が存在しない発電領域Ａ１においては、進展した亀裂が膜電極接合体のアノード側電極とカソード側電極を貫通し、クロスリーク路の形成に至るという危険性を否定することはできない。
【００１０】
上記する課題を解消するべく、スタッキング時の圧縮力を低減させてエッジの突き刺さりを防止しようとすると、今度は圧縮力（締結力）不足によって燃料電池セルの構成部材間の界面における接触抵抗が増加してしまい、これは燃料電池の発電性能低下に直結することから適切な対処アプローチとは言えない。
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２９３９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、スタッキング時の所与の圧縮力を維持しながら、ガス流路層を形成する多孔体の端面から突出するエッジから集中的に圧縮力が作用した場合でも、少なくとも電極体の発電領域を構成するガス拡散層（拡散層基材もしくは集電層）に該エッジが突き刺さること、さらには、エッジの突き刺さりによって膜電極接合体を損傷させたり、ガスのクロスリーク路を形成するといった問題を効果的に抑止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】
【００１３】
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、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と、から電極体が形成され、ガス流路層を形成する多孔体とセパレータが該電極体を挟持して燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されて形成される燃料電池において、前記ガス拡散層は、膜電極接合体を構成する触媒層と当接する集電層と該集電層を包囲する拡散層基材とから形成されており、前記拡散層基材のうち、前記多孔体の端面の複数のエッジと当接する箇所には、多孔体側に突出する突起が形成されているものである。
【００１４】
本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルは、ガス流路層を形成する多孔体のガス拡散層側の端面から突出する端面エッジに対して、ガス拡散層（の拡散層基材）の該端面エッジに対応する位置に突起を設けておき、この突起に該端面エッジを当接させることにより、たとえばスタッキング時に多孔体の端面エッジから作用する集中荷重を該突起で直接的に支持し、突起を介して作用する集中荷重を該突起および拡散層基材内で分散させて膜電極接合体に伝達することにより、少なくとも膜電極接合体の発電領域において上記集中荷重による亀裂の発生を効果的に抑止できる燃料電池である。
【００１５】
ここで、ガス流路層を形成する多孔体は、エキスパンドメタル、金属発泡焼結体のいずれであってもよいが、多孔体の端面から突出するエッジ長が相対的に長く、かつ、エッジ数が相対的に少ないために集中荷重が相対的に大きくなってしまうエキスパンドメタルを使用する場合に、上記特徴構成を有する本発明の燃料電池は特に効果を奏する。また、多孔体がエキスパンドメタルからなる場合には、これがメタル板を連続的に押出しながら断続的にせん断加工され、せん断後のメタル板（メタルメッシュ）を引き伸ばした際に、台形、菱形等の気孔を有する多孔体が形成されることになる。それを縦断面的に見ると、この気孔を画成するメタルメッシュは傾斜したメタルビーム（該メタルビームの端面が上記するエッジとなる）が間欠的に並んだ態様を呈している。したがって、多孔体がエキスパンドメタルからなる場合はその端面エッジの間隔や位置を特定し易いことから、多数の端面エッジに対応した位置に突起を有するガス拡散層（の拡散層基材）を製造し易い。
【００１６】
上記する突起は、アノード側とカソード側のいずれか一方の拡散層基材の多孔体側端面に設けてもよいし、双方の拡散層基材の多孔体側端面に設けてもよい。アノード側とカソード側のいずれか一方のみに設ける場合であっても、圧縮力の大きさや拡散層基材の素材やその厚み等の条件によっては、アノード側およびカソード側の双方から作用する集中荷重に対して、ガス流路層や膜電極接合体に亀裂が生じないと判断できる場合には、双方に設ける必要は必ずしもない。また、少なくとも膜電極接合体の発電領域に亀裂が生じないようにするために、拡散層基材の多孔体側端面のうち、少なくともその発電領域に上記する突起が設けられていればよい。
【００１７】
また、本発明による燃料電池の他の実施の形態は、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いずれか一方に配された、集電層と拡散層基材とからなるガス拡散層と、他方に配された集電層と、から電極体が形成され、ガス流路層を形成する多孔体とセパレータが該電極体を挟持して燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されて形成される燃料電池において、前記拡散層基材および前記他方に配された集電層のうち、少なくとも該他方に配された集電層において前記多孔体の端面の複数のエッジと当接する箇所には、多孔体側に突出する突起が形成されているものである。
【００１８】
本実施の形態の燃料電池を構成する燃料電池セルは、アノード側とカソード側のいずれか一方のガス拡散層が拡散層基材を具備しない、すなわち、一方は拡散層基材および集電部からなるガス拡散層を有し、他方は集電層のみからなるガス拡散層を有する燃料電池セルである。すなわち、本明細書では、この形態の燃料電池セルにおいて、拡散層基材が存在せず、集電層のみからなる場合もガス拡散層に含めることとする。
【００１９】
本実施の形態は、燃料電池セルの構成部材内において弾性変形が可能な拡散層基材が両電極のいずれか一方のみにしか存在しない場合であっても、その弾性変形によって作用圧縮力を膜電極接合体の一方面に均一に付与できればよいという思想の下で、他方の拡散層基材を廃したものである。たとえば、プロトンと酸素との化学反応がおこなわれるカソード側において、膜電極接合体へ作用する圧縮力を可及的に面内均一にしたいという設計思想に則れば、カソード側には拡散層基材を有するガス拡散層を設け、アノード側に集電層のみを設けた構成とするのがよい。
【００２０】
さらに、本実施の形態では、少なくとも、拡散層基材を具備しない電極側の集電層の多孔体側端面に上記する突起を設けておき、この突起で多孔体の端面エッジを支持させるものである。なお、他方極の拡散層基材の多孔体側側面にも同様の突起を設けた形態であってもよい。
【００２１】
また、拡散層基材を具備しない電極側の集電層は、たとえば、シート状（もしくはフィルム状）として製造することにより、その加工性（ハンドリング性）を担保できる。製造されたフィルム状の触媒層を触媒層表面にホットプレス等することで膜電極接合体の一方面に集電層を設けることができる。なお、この集電層は、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（カーボン）材料などと、フッ素樹脂等の撥水性ポリマーとから形成することができる。
【００２２】
上記する多孔体を具備する本発明の燃料電池によれば、スタッキング時の圧縮力を所望の値に維持しながら（スタッキング時の圧縮力を低減することなく）、少なくとも電極体（拡散層基材や集電層）の発電領域に多孔体の端面エッジが突き刺さること、さらには、エッジの突き刺さりによって膜電極接合体を損傷させたり、ガスのクロスリーク路を形成するといった問題を効果的に解消することが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
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、スタッキング時の圧縮力を所望の値に維持しながら、拡散層基材や集電層に多孔体の端面エッジが突き刺さるのを効果的に抑止することができ、もってクロスリーク耐久性に優れた燃料電池を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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、図示例の金属多孔体はエキスパンドメタルからなるものであるが、金属多孔体は該エキスパンドメタル以外にも、金属発泡焼結体から形成されるものであってもよい。この場合は、たとえば、ニッケル、チタン、ステンレス等の導電性金属粒子からなる金属粒子と、炭化水素ナトリウム、ＴｉＨ２などからなる発泡材と、溶媒と、からなるペーストを所定形状に焼成することにより、金属発泡焼結体からなる多孔体が得られる。
【００２５】
図１は、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縦断面図である。図１に示す燃料電池セル１００の構造は、イオン交換膜である電解質膜１とカソード側およびアノード側の触媒層２，２とから膜電極接合体３（ＭＥＡ）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４、４（ＧＤＬ）が挟持して電極体１０（ＭＥＧＡ）が形成され、この電極体１０をカソード側およびアノード側のガス流路層５，５が挟持し、さらにこのガス流路層５，５を３層構造のセパレータ７，７が挟持し、電極体１０の周縁には樹脂製のガスケット８が一体に形成されたものである。さらに、触媒層２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２，２の周縁には該触媒層２，２が存在しない露出領域が形成されており、この露出領域には、カソード側およびアノード側の保護フィルム６，６が配されており、ガス拡散層４，４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。なお、図で示す燃料電池セル１００は、スタッキング時の圧縮力が作用する前の状態を示しており、したがって、後述する拡散層基材４１の多孔体側の端面に設けられた突起４１ａ，…がエキスパンドメタル５の端面エッジ５１ａから作用する集中荷重にて潰されていない状態である。
【００２６】
ここで、膜電極接合体３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。また、触媒層２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４等の基材に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。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。
【００２７】
また、ガス流路層５を流れた酸化剤ガスや燃料ガスを膜電極接合体３に拡散提供するガス拡散層４は、拡散層基材４１と集電層４２（ＭＰＬ）とからなるものであり、拡散層基材４１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４１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４１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４２はアノード側、カソード側の触媒層２，２から電子を集める電極の役割を果たすものであり、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、導電性炭素材料などから形成できる。
【００２８】
また、保護フィルム６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。
【００２９】
また、電極体の周縁であってセパレータ７と電極体１０で画成された領域に設けられたガスケット８は、たとえば成形型内に電極体を収容し、その周縁に樹脂を射出成形することで成形される。ここで、ガスケット８は、ブチル系ゴムやウレタン系ゴム、シリコーンＲＴＶゴム、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、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、炭化水素樹脂などの樹脂素材にて成形される。
【００３０】
さらに、セパレータ７は、隣接する燃料電池セルとの間でセル間を画成するカソード側プレート７１と、アノード側プレート７３と、これらのプレート７１，７３間に介層され、プレート７１，７３の外周輪郭に沿う枠状（無端状）に形成されたスペーサ７２と、から構成されている。このプレート７１，７３は、導電性金属であるステンレスやチタンなどから形成されており、スペーサ７２は、同様の導電性金属もしくは樹脂から形成されている。一つの実施形態としては、プレート７１におけるプレート７３に対向する側面に多数のディンプルが備えてあり、このディンプルがスペーサ７２の厚み分の高さを有していることにより、３層構造となった際に、ディンプルの先端がプレート７３の側面と当接されて冷媒流路を形成する形態がある。また、他の形態としては、スペーサ７２に直線状もしくは蛇行状の冷媒流路が形成された形態もある。この３層構造セパレータでは、燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒のそれぞれがセパレータ内に流入し、さらに流出する固有のマニホールドＭが形成されており、ガスケット８に同軸に形成されたマニホールドＭと流体連通している。なお、ガスケット８のうち、マニホールドＭの周縁には無端リブ８１が形成されており、これをセパレータ７が押圧することで流体シール構造が形成される。
【００３１】
図１で示すガス流路層５は、エキスパンドメタルから形成される。これは、メタル製の板材を回転ロール上で連続的に押出しながら、断続的に順次せん断加工をおこない、次いで、せん断後のメタル板（メタルメッシュ）を引き伸ばすことにより、台形や菱形等の気孔を有するエキスパンドメタル５を形成するものである。それを縦断面的に見ると、この気孔を画成するメタルメッシュは、図示のごとく傾斜したメタルビーム５１，…（該メタルビーム５１の端面がエッジ５１ａとなる）が間欠的に並んだ態様を呈している（図示を省略するが、図に直交する方向から見ると、メタルビームにて台形や菱形形状に画成された多数の気孔を視認できる）。
【００３２】
一方、アノード側およびカソード側の拡散層基材４１，４１の多孔体側端面には、上記するエキスパンドメタル５の各メタルビーム５１の端面エッジ５１ａに対応する位置において、エキスパンドメタル側に突出する突起４１ａが設けられている。したがって、図示のごとく、それぞれの突起４１ａが対応する端面エッジ５１ａを支持した姿勢を呈している。スタッキング時に各燃料電池セル１００に圧縮力が作用し、これが該端面エッジ５１ａから集中荷重として拡散層基材４１に作用する際に、該集中荷重を突起４１ａが直接的に受け、ここで集中荷重を分散させて拡散層基材４１に伝達することができる。拡散層基材４１に集中荷重が直接作用することがなく、分散された分散荷重が均等に作用することにより、さらには、この拡散層基材４１にてさらに荷重分散がおこなわれることにより、拡散層基材４１をはじめとする電極体１０の構成部材に亀裂が生じることを効果的に抑止することができる。
【００３３】
なお、図示例はアノード側とカソード側の双方の拡散層基材４１，４１に突起４１ａを設けた形態であるが、作用する圧縮力、拡散層基材の厚み等の条件によっては、アノード側とカソード側のいずれか一方の拡散層基材４１にのみ突起４１ａを設けた形態であってもよい。
【００３４】
図示する燃料電池セル１００が所要電力に応じた基数だけ積層されて（たとえば２００〜４００基）セル積層体を形成し、この両側にエンドプレートが配され、さらに、テンションプレートやインシュレータ等が積層され、所与の圧縮力にてスタッキングされることによっ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。
【００３５】
また、図２は燃料電池セルの他の実施の形態を示した縦断面図である。
【００３６】
この燃料電池セル１００Ａでは、アノード側のガス拡散層が集電層４２Ａのみからなるものであり、この集電層４２Ａのエキスパンドメタル５側に突起４２Ａａ、…が設けてあり、突起４２Ａａにてメタルビーム５１の端面エッジ５１ａを支持するようになっている。
【００３７】
ここで，カソード側の集電層４２は、導電性カーボン粉末と撥水性のフッ素樹脂（四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）など）エマルジョンを十分に攪拌混合してスラリー状にし、粘度調整されたスラリーをカソード側の拡散層基材４１に塗布し、次いで、１００℃程度の高温雰囲気にて乾燥させ、さらに３００℃以上で焼成することによって製造される。
【００３８】
一方、アノード側の集電層４２Ａは、拡散層基材を有していないことからそれ自身が自立できる程度の剛性や可撓性を備えた、シート状（もしくはフィルム状）に加工されたものを触媒層２にホットプレスするものである。なお、フィルム状の集電層を製造する場合も、上記と同素材のスラリーを、所定厚のシートとその表面上の所定位置に突起４２Ａａが形成できるキャビティを備えた型内に流し込み、乾燥および焼成を実施して製造できる。
【００３９】
図２で示す燃料電池セル１００Ａによれば、アノード側の拡散層基材４１が省略されていることで、セル厚を可及的に薄くでき、燃料電池の小型化に寄与できる。
【００４０】
なお、スタッキング時の圧縮力や拡散層基材４１の厚みや素材などの条件によっては、図２で示す燃料電池セルの変形例として、カソード側の拡散層基材４１が突起４１ａを具備しない燃料電池セルであってもよい。
【００４１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【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縦断面図である。
【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縦断面図である。
【図３】従来の燃料電池セルにおいて、エキスパンドメタルからなる多孔体が拡散層基材に突き刺さっている状態を説明した図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…電解質膜、２…触媒層、３…膜電極接合体（ＭＥＡ）、４…ガス拡散層、４１…拡散層基材、４１ａ…突起、４２，４２Ａ…集電層（ＭＰＬ）、４２Ａａ…突起、５…ガス流路層（多孔体、エキスパンドメタル）、５１…メタルビーム、５１ａ…端面エッジ、６…保護フィルム、７…セパレータ、７１…カソード側プレート、７２…中間プレート（スペーサ）、７３…アノード側プレート、８…ガスケット、８１…無端リブ、１０…電極体（ＭＥＧＡ）、１００，１００Ａ…燃料電池セル、Ｍ…マニホールド
【図１】
2010123350.tif 000003
【図２】
2010123350.tif 000004
【図３】
2010123350.tif 000005