(57)【要約】【課題】セパレータにおいて冷却媒体流通路が存在しない燃料電池セルの周縁領域における発電経過時の異常過熱を抑制し、もって電極面積の利用率を効果的に向上させ、発電面積利用率の可及的に高い燃料電池を提供する。【解決手段】  膜電極接合体３とその両側のガス透過層と、セパレータ７と、マニホールドＭを具備するガスケット８と、からなる燃料電池セル１０を有する燃料電池であり、セパレータ７に形成されたガス供給用開口とガス排気用開口の間の内側に対応する中央領域に第１の触媒層２ｂ，２’ｂが形成され、中央領域の外側の周縁領域に、第１の触媒層２ｂ，２’ｂよりも発熱に寄与する抵抗の少ない第２の触媒層２ａ，２’ａが形成されている。【選択図】図１
2010262823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、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、いずれか一方のガス透過層側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスのいずれか一方を該ガス透過層に提供する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、
前記セパレータには、アノード側もしくはカソード側のガス透過層に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するための細長形状のガス供給用開口と、該アノード側もしくはカソード側のガス透過層から燃料ガスもしくは酸化剤ガスを排出するための細長形状のガス排気用開口が開設されており、
前記ガス供給用開口と前記ガス排気用開口の間の内側に対応する中央領域に第１の触媒層が形成されており、
前記中央領域の外側の周縁領域に、前記第１の触媒層よりも発熱に寄与する抵抗の少ない第２の触媒層が形成されている、燃料電池。
【請求項２】
前記中央領域は、セパレータの中間層における冷却媒体用流路が形成された領域で規定される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第２の触媒層が前記第１の触媒層よりも単位面積当たりの触媒量がリッチである、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第２の触媒層と前記第１の触媒層の層厚が同程度であり、かつ、第２の触媒層が第１の触媒層よりも担持触媒量が多いことで、第１の触媒層に比して第２の触媒層の単位面積当たりの触媒量が相対的にリッチとなっている、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第２の触媒層が前記第１の触媒層よりも層厚が厚くなっており、かつ、第２の触媒層と第１の触媒層の担持触媒密度が同程度となっていることで、第１の触媒層に比して第２の触媒層の単位面積当たりの触媒量が相対的にリッチとなっている、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第２の触媒層が前記第１の触媒層よりも層厚が薄くなっており、かつ、第２の触媒層と第１の触媒層の担持触媒量が同程度となっている、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記セパレータは、第１のプレート、中間層、第２のプレートが積層された３層構造を呈しており、該第１のプレートもしくは第２のプレートのいずれか一方に細長形状の前記開口が開設されており、該中間層のうち、前記中央領域に対応する位置において、冷却媒体が流通するようになっている、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
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１〜７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、広範な発電面積を有す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冷却媒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。
【０００５】
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（カソード側プレートとアノード側プレート）の間に流路が形成されたプレート（中間層、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り、この３層構造のセパレータを具備する燃料電池が特許文献１に開示されている。この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。
【０００６】
ここで、３層構造セパレータの理解を容易とするべく、図３に３層構造セパレータを具備する燃料電池セルの縦断面図を示している。
【０００７】
図３において、燃料電池セルは、電解質膜ａとこれを挟持する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ｄ１、ｄ２が挟持して電極体ｅが形成され、電極体ｅをカソード側およびアノード側のガス流路層ｆ１、ｆ２が挟持し、アノード側のガス流路層ｆ２の下方に、３層構造のセパレータｈが配され、電極体ｅの側方に流体流通用のマニホールドＭを具備するガスケットｇが射出成形等されてその全体が構成されている。この３層構造のセパレータｈは、２枚のステンレス製もしくはチタン製の第１のプレートｈ１（アノード側プレート）と第２のプレートｈ２（カソード側プレート）と、このプレートｈ１、ｈ２間に介在してガスや冷却水などの流体用の流路を画成する中間層ｈ３（中間プレート）と、から構成されている。なお、燃料電池スタックは、図示する燃料電池セルが複数積層され、スタッキングされることによって形成されるものであり、不図示の燃料電池セルが図示する燃料電池セルの上下に積層されるものである。
【０００８】
中間層ｈ３には、酸化剤ガスを不図示の燃料電池セル（図示する燃料電池セルの下方に位置することとなる燃料電池セル）のカソード側ガス流路層に提供するための酸化剤ガス導入路ｈ３ａ（酸化剤ガスの流れ：Ｚ１）と、図示する燃料電池セル自身のアノード側ガス流路層ｆ２に燃料ガスを提供するための燃料ガス導入路ｈ３ｂ（燃料ガスの流れ：Ｚ２）、さらには、発電経過における電極体ｅの昇温を抑止するための冷却媒体が流通する冷却用流路ｈ３ｃが形成されている。なお、図３は、酸化剤ガスが流通するマニホールドＭを通る断面で切断した縦断面図である。
【０００９】
ところで、燃料電池セルにおいては、その触媒層が形成された領域が一般に発電領域となっており、セパレータの全面積に対する該発電領域の割合は発電面積利用率と称され、この発電面積利用率を可及的に高くすることが求められている。
【００１０】
しかし、図３からも明らかなように、３層構造セパレータでは、その構造上の制約（ガスの導入路を設けたり、酸化剤ガスと燃料ガスのそれぞれに固有のガス流路層等へガスを供給するための開口（燃料ガス用のガス供給用開口ｈ１ａ、酸化剤ガス用のガス供給用開口ｈ２ａ）およびガス流路層等からガスを排気するための排気用開口（不図示）を同じ側面領域に設けるなど）から、電極体ｅの触媒層形成領域は、冷却媒体が流通する冷却用流路が形成されている平面範囲にしか設けることができない。より具体的には、平面視でカソード側のガス供給用開口ｈ２ａおよびガス排気用開口（不図示）よりもアノード側のガス供給用開口ｈ１ａおよびガス排気用開口（不図示）が内側に形成されている場合には、このアノード側のガス供給用開口ｈ１ａおよびガス排気用開口の内側範囲に触媒層形成領域（図中の中央領域）が限定されている。なお、これらの開口は、ガス流路層の全範囲に効果的にガスを提供するとともに、ガス流路層等からのガスの効率的な排気を図るべく、触媒層と同程度の幅をその延長とする細長形状に形成される形態もあり、このような細長形状のガス開口は、いわゆるコモンレールと称されることもある。
【００１１】
上記理由から触媒層形成領域が制限されているのに対して、発電領域を広げるべく、図３で示すように、この触媒層形成領域を中央領域のみならず、その外側の周縁領域まで広げた場合に（したがって、少なくとも上記コモンレールｈ１ａ、ｈ２ａに対応する平面位置、およびそれよりもさらに外側の領域に触媒層が形成される）、この周縁領域に対応するガス流路層等において（対応する位置には冷却用流路が形成されていない）、高密度電流通電時等の際に異常過熱が生じ、電解質膜にガスのクロスリーク路となり得る孔が開いたり、あるいは、異常過熱によってドライアップが助長され、燃料電池の局所的な発電落ち（発電性能低下、発電不可）が生じ得るという課題が危惧される。
【００１２】
さらに、上記する周縁領域は、マニホールドＭから導入されるガスリッチな酸化剤ガスや燃料ガスが流れ込んでくる領域でもあるため、発電経過において、電極体の中央領域よりも高温になり易く、上記する課題の発生が一層懸念される。
【００１３】
その一方で、発電面積を可及的に広げ、もって発電面積利用率のより一層高い燃料電池の開発が当該分野における急務の課題の一つとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−２５０１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、セパレータにおいて冷却媒体が流れる冷却用流路が存在しない燃料電池セルの周縁領域にも触媒層を形成することができ、しかも、発電経過において、冷却用流路が存在しないこの周縁領域における上記異常過熱を効果的に緩和もしくは抑制することができ、もって、異常過熱が生じる場合の上記課題を解消しながら、発電面積を可及的に広範囲とし、発電面積利用率の可及的に高い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】
【００１６】
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、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、いずれか一方のガス透過層側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスのいずれか一方を該ガス透過層に提供する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、前記セパレータには、アノード側もしくはカソード側のガス透過層に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するための細長形状のガス供給用開口と、該アノード側もしくはカソード側のガス透過層から燃料ガスもしくは酸化剤ガスを排出するための細長形状のガス排気用開口が開設されており、前記ガス供給用開口と前記ガス排気用開口の間の内側に対応する中央領域に第１の触媒層が形成されており、前記中央領域の外側の周縁領域に、前記第１の触媒層よりも発熱に寄与する抵抗の少ない第２の触媒層が形成されているものである。
【００１７】
本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルは、たとえば３層構造のセパレータを有し、かつ、このセパレータに開設されて、ガス透過層へ燃料ガスや酸化剤ガスを提供するガス供給用開口と、ガス透過層からのガスを排気するためのガス排気用開口と、を有し、しかも、これらの開口が細長形状に形成されているものである。そして、これらの開口の間の中央領域に触媒層（第１の触媒層）が形成されるとともに、この開口に対応する位置、もしくはこの開口よりも外側の位置（周縁領域）に別途の触媒層（第２の触媒層）が形成され、しかも、この第２の触媒層が、第１の触媒層に比して発熱に寄与する抵抗が相対的に少なくなっていることにより、仮に、この第２の触媒層が十分に冷却されない場合でも、異常過熱の発生を効果的に抑制もしくは緩和することができ、もって発電面積利用率のより一層高い燃料電池となるものである。
【００１８】
ここで、３層構造のセパレータを有する形態においては、第１のプレート（たとえばアノード側プレート）、中間層（もしくは中間プレート）、第２のプレート（たとえばカソード側プレート）の積層構造を呈しており、３つのプレートともにステンレスやチタンなどから形成することができ、その軽量化を図るべく、中間層のみを熱可塑性樹脂から成形することもできる。また、３つのプレートが金属素材からなる場合には、それぞれのプレートをろう付けすることで一体化でき、中間層が樹脂製の場合には、第１のプレートと中間層、第２のプレートと中間層をそれぞれ耐熱性の接着剤等で一体化することができるものである。また、３層構造のセパレータ以外の形態、たとえば、セパレータの一方の側面にガス用の溝流路が形成され、他方の側面に冷却媒体用の溝流路が形成されたセパレータであってもよい。
【００１９】
また、上記する燃料電池セルの構造は、膜電極接合体（ＭＥＡ）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（ＭＥＧＡ）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。
【００２０】
上記する中央領域は、たとえば３層構造のセパレータの中間層における冷却媒体用流路が形成された領域で規定されるのが構成上明瞭であり、冷却媒体用流路が形成されていない周縁領域では、冷却効果を期待できないものの、この領域に形成された第２の触媒層が相対的に低発熱な性能を有していることにより、少なくとも異常過熱の発生を抑止するものである。
【００２１】
本発明者等によれば、燃料電池セルの電圧と通電電流密度との関係（Ｖ−Ｉ特性）において、電流密度の上昇に伴って発生電圧の低減割合が上昇する理由として、触媒層の抵抗（発熱に寄与する抵抗）、触媒層の活性、触媒層の触媒濃度などが関与することが特定されている。
【００２２】
したがって、冷却効果が期待できない周縁領域に形成される触媒層（第２の触媒層）の発熱に寄与する抵抗を可及的に低くすることにより、冷却媒体による冷却効果が期待できる範囲を変更させることなく、異常過熱の発生を効果的に抑止しながら、発電面積を可及的に広範囲とすることができる。また、第２の触媒層で発熱に寄与する抵抗が低くなることにより、この第２の触媒層が形成された周縁領域における発電量を増大させることができ、その発電面積の広がりと相俟って、燃料電池セルの発電性能の向上、ひいては、それが積層されてなる燃料電池スタックの発電性能の向上を図ることができる。
【００２３】
ここで、第１の触媒層よりも発熱に寄与する抵抗の少ない第２の触媒層を形成する形態として、この第２の触媒層が第１の触媒層よりも単位面積当たりの触媒量がリッチな層で形成される形態を挙げることができる。なお、この「単位面積当たりの触媒量」は、単に「担持触媒量」と言うこともでき、触媒層中の触媒担持量を質量％で示す「担持触媒密度」とは異なる意味である。
【００２４】
この「第２の触媒層が第１の触媒層よりも単位面積当たりの触媒量がリッチな層」なる構成に関しは、具体的に、以下の２つの形態を挙げることができる。
【００２５】
その一つの形態は、前記第２の触媒層と前記第１の触媒層の層厚が同程度であり、かつ、第２の触媒層が第１の触媒層よりも担持触媒量が多いことで、第１の触媒層に比して第２の触媒層の単位面積当たりの触媒量が相対的にリッチとなっている形態である。すなわち、この形態では、第２の触媒層の層厚が第１の触媒層の層厚と同程度である一方で、担持触媒量が多いことから、第２の触媒層の担持触媒密度が相対的に高いと言うこともできる。
【００２６】
また、他の一つの形態は、前記第２の触媒層が前記第１の触媒層よりも層厚が厚くなっており、かつ、第２の触媒層と第１の触媒層の担持触媒密度が同程度となっていることで、第１の触媒層に比して第２の触媒層の単位面積当たりの触媒量が相対的にリッチとなっている形態である。すなわち、この形態は、第１の触媒層に比して、第２の触媒層の層厚を厚くし、担持触媒量を相対的に多くすることで、担持触媒密度は第１の触媒層と同程度であるものの、単位面積当たりの触媒量は自ずとリッチな層となるものである。
【００２７】
上記する２つの形態、すなわち、第２の触媒層の単位面積当たりの触媒量を相対的にリッチな層とすること以外に、第２の触媒層の層厚を相対的に薄くすることによっても、第２の触媒層で発熱に寄与する抵抗を低くすることができる。たとえば、前記第２の触媒層が前記第１の触媒層よりも層厚が薄くなっており、かつ、第２の触媒層と第１の触媒層の担持触媒量が同程度となっている形態を挙げることができる。
【００２８】
触媒層は、たとえば、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、これを電解質膜やガス拡散層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ものである。この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が、たとえば、担持される触媒量に関し、第２の触媒層を形成する導電性担体に担持される白金などの量を相対的に多くすること、より具体的には、第２の触媒層の白金などの量を、発電経過で異常過熱しない程度のリッチな量に調整することで、所定の高温雰囲気下で、かつ、無冷却状態下において、異常過熱の生じない第２の触媒層を簡易に形成することができる。
【００２９】
上記する本発明の燃料電池によれば、冷却効果が期待できない領域（周縁領域）に、発熱に寄与する抵抗が相対的に低い触媒層、たとえば、相対的に単位面積当たりの触媒量がリッチな触媒層を形成しておくだけの極めて簡易な構造変更により、当該周縁領域における異常過熱を効果的に抑制しながら、燃料電池セルの体格を増大させることなく、燃料電池セルの発電性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３０】
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、冷却効果が期待できない領域（周縁領域）に発熱に寄与する抵抗が相対的に低い触媒層を形成しておくことで、当該周縁領域における異常過熱を効果的に抑制しながら、燃料電池セルの体格を増大させることなく、発電面積を可及的に広範囲とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【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拡大した縦断面図である。
【図２】触媒層の発熱に寄与する抵抗の大小によって変化する、燃料電池セルのＶ−Ｉ特性の定性的な傾向を示したグラフである。
【図３】従来の燃料電池を構成する燃料電池セルの実施の形態の一部を拡大した縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
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、図示例は燃料電池セルの左側領域、より具体的には、燃料ガスが導入されるガス供給用開口を含む領域のみを取り出して拡大した図であり、実際の燃料電池セルはこれと同構造の右側領域であって、ガス排気用開口を具備する領域を有するものであることは言うまでもないことである。また、説明をより明瞭とするべく、酸化剤ガスの供給用開口などの図示は省略している。さらに、図示例は３層構造のセパレータを有する燃料電池セルを示しているが、従来構造のセパレータ、すなわち、その一方側にガス用の溝流路が形成され、その他方側に冷却媒体用の溝流路が形成され、いわゆるコモンレールをその一方側に有するセパレータを具備する燃料電池セルであってもよい。
【００３３】
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一部を拡大した縦断面図である。まず、図１で示す燃料電池セル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２，２’と、から膜電極接合体３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’（ガス透過層）が挟持して電極体５が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス流路層６，６’（ガス透過層、金属多孔体）が挟持し、さらに、アノード側のガス流路層６’側に３層構造のセパレータ７が配されて構成される。
【００３４】
触媒層２，２’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１ａが形成され、この露出領域１ａには、カソード側およびアノード側の不図示の保護フィルムが配されて、ガス拡散層４，４’から突出する毛羽が電解質膜１の露出領域に突き刺さるのを防護している。
【００３５】
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。
【００３６】
また、触媒層２，２’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４，４’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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
また、ガス拡散層４，４’は、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ）からなるものであり、拡散層基材としては、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。
【００４１】
織布としては、紋織、平織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、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。
【００４２】
また、金属多孔体６，６’は、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などから形成でき、たとえば、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の発泡焼結体からガス流路層が形成されるものである。
【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金属製の第１、第２のプレート７１，７２と、その間に介在する中間層７３（中間プレート）と、がろう付け等で一体化されたものである。
【００４４】
図示するセパレータ７を構成する中間層７３には、自身が構成要素となる燃料電池セルのアノード側の金属多孔体６'に燃料ガスを供給するための燃料ガスの導入路７３ｂと、セルの積層姿勢において、隣接する不図示の燃料電池セルのカソード側の金属多孔体６に酸化剤ガスを供給する（Ｚ１方向）ための導入路７３ａが形成されている。さらには、冷却水等の冷却媒体が流通する冷却用流路７３ｃが形成されている。
【００４５】
ここで、中間層７３には、その内側の領域に冷却用流路７３ｃが形成されており、中間層７３には燃料ガス用の導入路７３ｂが形成され、これに連通する第１のプレート７１には、細長形状の燃料ガス用のガス供給用開口７１ａ（コモンレールとも称される）が形成され、このコモンレールを介して燃料ガスがガス流路層６’に提供されるようになっている（Ｚ２方向）。また、同様に、酸化剤ガス用の導入路７３ａに連通する第２のプレート７２には、細長形状の燃料ガス用のガス供給用開口７２ａ（コモンレールとも称される）が形成されており、このコモンレールを介して酸化剤ガスが不図示の燃料電池セルのカソード側のガス流路層に提供されるようになっている（Ｚ１方向）。なお、図示しない燃料ガスや酸化剤ガスの排出路やガス排気用開口も、不図示の燃料電池セルの右側領域に形成されている。
【００４６】
図示する燃料電池セル１０では、セパレータ７において冷却媒体用流路７３ｃが形成され、したがって、冷却媒体にて冷却効果が期待できる領域（中央領域）と、その外側で、冷却媒体用流路が存在せず、したがって冷却媒体による冷却効果の期待できない領域（周縁領域）と、で、アノード側の触媒層２’とカソード側の触媒層２の双方が、触媒層を形成する触媒量の相違する２つの触媒層から形成されるものである。
【００４７】
具体的には、アノード側の触媒層２’とカソード側の触媒層２において、周縁領域に対応する第２の触媒層２’ａ，２ａと、中央領域に対応する第１の触媒層２’ｂ，２ｂと、の層厚が同程度であって、かつ、第２の触媒層２’ａ，２ａにおける触媒量を、第１の触媒層２’ｂ，２ｂに比して相対的に多く調整するものである。なお、図示を省略するが、この形態以外にも、第２の触媒層２’ａ，２ａが第１の触媒層２’ｂ，２ｂよりも層厚が厚くなっていて、かつ、第２の触媒層２’ａ，２ａと第１の触媒層２’ｂ，２ｂの担持触媒密度が同程度となっている形態であってもよい。さらには、第２の触媒層２’ａ，２ａが第１の触媒層２’ｂ，２ｂよりも層厚が薄くなっていて、かつ、第２の触媒層２’ａ，２ａと第１の触媒層２’ｂ，２ｂの担持触媒量が同程度となっている形態であってもよい。
【００４８】
相対的に触媒量が多くなった第２の触媒層２’ａ，２ａでは、発熱に寄与する抵抗が相対的に小さくなるため、第１の触媒層２’ｂ，２ｂと同じ高温雰囲気下に置かれた場合には、その発熱量の低下を期待でき、冷却媒体による冷却効果が期待できない状況下での異常過熱の発生を抑止することができる。
【００４９】
実際には、燃料電池の発電経過において想定される高温雰囲気において、冷却効果を期待できない状態で、周縁領域に対応する触媒層やガス透過層等が異常過熱されない、すなわち、異常過熱に至らない程度にその担持量が調整される。
【００５０】
図２は、触媒層の発熱に寄与する抵抗の大小によって変化する、燃料電池セルのＶ−Ｉ特性の定性的な傾向を示したグラフであり、Ｘは抵抗が相対的に大きな触媒層を、Ｙは抵抗が相対的に小さな触媒層をそれぞれ具備する燃料電池セルに関するグラフである。
任意の電流密度：ＩＡにおいて、ＲＸ、ＲＹはそれぞれ、発熱に寄与する抵抗を示しており、この抵抗の結果として、発生電圧の大小が決定される。
【００５１】
本発明者等はこの定性的な特徴に注目し、冷却効果の期待できない周縁領域に触媒量リッチな触媒層を形成することで、少なくとも発電経過における周縁領域での異常過熱を抑制し、もって燃料電池セルの発電可能面積を可及的に広範囲にするという新規な技術思想に至ったものである。
【００５２】
なお、図示を省略しているが、触媒層の周縁であって電解質膜が該触媒層と密着していない露出領域には、ガス拡散層から突出する毛羽が電解質膜に突き刺さるのを防止し、さらには、射出成形されるガスケットに対して電解質膜を補強する効果を奏する保護ポリマーフィルムが接着されている。この保護ポリマーフィルムは、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。
【００５３】
また、ガスケット８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８ａ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アノード側の金属多孔体６’、電極体５、カソード側の金属多孔体６の順に収容して型閉めし、膜電極接合体３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。
【００５４】
実際の燃料電池は、所望する発電量に応じて図示する燃料電池セル１０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、およびエンドプレートが配され、セル積層方向に延設する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。
【００５５】
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】
【００５６】
１…電解質膜、１ａ…張り出している箇所、２…カソード側の触媒層、２ａ…第２の触媒層、２ｂ…第１の触媒層、２’…アノード側の触媒層、２’ａ…第２の触媒層、２’ｂ…第１の触媒層、３…膜電極接合体、４…カソード側のガス拡散層（ガス透過層）、４’…アノード側のガス拡散層（ガス透過層）、５…電極体、６…カソード側の金属多孔体（ガス透過層、ガス流路層）、６’…アノード側の金属多孔体（ガス透過層、ガス流路層）、７…セパレータ、７１…第１のプレート（アノード側プレート）、７２…第２のプレート（カソード側プレート）、７３…中間層（中間プレート）、７３ａ…酸化剤ガスの導入路、７３ｂ…燃料ガスの導入路、７３ｃ…冷却用流路、８…ガスケット、１０…燃料電池セル、Ｍ…マニホールド
【図１】
2010262823.tif 000003
【図２】
2010262823.tif 000004
【図３】
2010262823.tif 000005