(57)【要約】 【課題】  電解質膜を伝って金属イオンが拡散するのを防止し、電解質膜の劣化を抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質膜１６の一面に燃料極の触媒層１８を、他面に酸化剤極の触媒層１８を配置し、これら触媒層１８を挟持するように、一面側に燃料ガス流路が形成された燃料極側セパレータを、他面側に酸化剤ガス流路が形成された酸化剤極側セパレータを設けて単位燃料電池を構成し、当該単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池であって、電解質膜１６の各触媒層１８を配置した範囲の外周側にマニホールド２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２４Ａ、２４Ｂを複数設け、各マニホールド２２Ａ〜２４Ｂのうち、少なくともこれらマニホールド２２Ａ〜２４Ｂを流通する流体の出口側のマニホールド２２Ｂ、２３Ｂ、２４Ｂ開口端周縁部に、当該流体に含まれるイオンの拡散を防止するイオン拡散防止部２５を設けた。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一面に燃料極の触媒層を、他面に酸化剤極の触媒層を配置し、これら触媒層を挟持するように、上記一面側に燃料ガス流路が形成された燃料極側セパレータを、上記他面側に酸化剤ガス流路が形成された酸化剤極側セパレータを設けて単位燃料電池を構成し、当該単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池であって、
上記電解質膜の上記触媒層を配置した範囲の外周側に、燃料ガス、酸化剤ガスまたは温調媒体が流れるマニホールドを複数設け、
各上記マニホールドのうち、少なくともこれらマニホールドを流通する流体のマニホールド開口端周縁部に、当該流体に含まれるイオンの拡散を防止するイオン拡散防止部を設けた
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
上記イオン拡散防止部は、上記マニホールド開口端周縁部の上記電解質膜を加熱加工して変性させることにより形成された
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池であって、
上記単位燃料電池は、上記電解質膜と各上記セパレータとの間に、それぞれ各上記マニホールドに対応した樹脂マニホールド部を有する樹脂層を設け、
上記樹脂マニホールド部を上記マニホールドよりも外径を小さく形成して、これらマニホールドおよび樹脂マニホールド部に臨む上記電解質膜と上記樹脂層との間に隙間部を備え、
この隙間部にイオン拡散防止樹脂を介在して上記イオン拡散防止部を形成した
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池であって、
上記単位燃料電池は、上記電解質膜と各上記セパレータとの間に、それぞれ各上記マニホールドに対応した樹脂マニホールド部を有する樹脂層を設け、
上記樹脂マニホールド部を上記マニホールドよりも外径を小さく形成し、当該樹脂マニホールド部の中心方向へと延設された上記樹脂層同士を接合して上記イオン拡散防止部とした
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池であって、
上記樹脂マニホールド部の中心方向へと延設された上記樹脂層は、上記電解質膜の一面側または他面側のいずれか一方であり、この延設された一方の樹脂層を他方の樹脂層側に向かって折り曲げて接合することにより、上記イオン拡散防止部を形成した
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池であって、
上記単位燃料電池は、上記電解質膜と各上記セパレータとの間に、それぞれ各上記マニホールドに対応したマニホールド部を有するガス拡散層を設け、
上記マニホールド部を上記マニホールドよりも外径を小さく形成して、これらマニホールドおよびマニホールド部に臨む上記電解質膜と上記ガス拡散層との間に隙間部を備え、
この隙間部を含めた上記マニホールド部近傍に樹脂部材を配置させて上記イオン拡散防止部を形成した
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池であって、
上記隙間部を介して向かい合うガス拡散層同士の少なくとも一方は、表面を上記含浸させた樹脂部材で被覆して絶縁処理した
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
少なくとも請求項１から請求項７のいずれか１つに記載された燃料電池であって、
上記イオン拡散防止部は、各上記マニホールドが流通する流体の入口側に隣接する各上記マニホールドを流通する流体の出口側に設けられた
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
少なくとも請求項１から請求項７のいずれか１つに記載された燃料電池であって、
上記イオン拡散防止部は、各上記マニホールドのうちの隣り合う部分に設けられた
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
少なくとも請求項１から請求項７のいずれか１つに記載された燃料電池であって、
上記イオン拡散防止部は、各上記マニホールドの全てに設けられた
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
電解質膜の一面に燃料極の触媒層を、他面に酸化剤極の触媒層を配置し、これら触媒層を挟持するように、上記一面側に燃料ガス流路が形成された燃料極側セパレータを、上記他面側に酸化剤ガス流路が形成された酸化剤極側セパレータを設けて単位燃料電池を構成し、当該単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池であって、
上記電解質膜の上記触媒層を配置した範囲に、ガスまたは流体が流れるマニホールドを設け、
上記流体に含まれるイオンが上記ガスに混入しないようにイオン拡散防止部を設けた
ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、詳細には電解質膜ならびに触媒層への金属イオンの拡散を防止する技術に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを燃料電池スタックに供給することで、固体高分子などからなる電解質を介して電気化学的に反応させ、電極間から電気エネルギを直接取り出す燃料電池が知られている。
【０００３】
この燃料電池の動作原理は、以下の通りである。
【０００４】
陽極（アノード）反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                        ・・・（１）
陰極（カソード）反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ      ・・・（２）
すなわち、陽極としての燃料極（アノード）に燃料（水素）ガスが供給されると、前記式（１）で示す触媒による酸化反応によって、水素イオン（Ｈ＋、プロトン）と電子とが生成される。水素イオンは、水和状態（Ｈ＋・ｘＨ２Ｏ）で周囲に数個の水分子を伴って高分子電解質中を燃料極から陰極としての酸化剤極（カソード）へ移動する。一方、電子は電子導電性の電極を移動して外部の負荷回路を経てカソードへと移動する。外部回路を移動してきた電子と、高分子電解質中を移動してきた水素イオンは、外部から供給される空気中の酸素によってカソードで式（２）の還元反応が進行することにより水を生成する。
【０００５】
固体高分子型燃料電池で使用する固体高分子電解質は、湿潤状態でなければ良好な水素イオン伝導性を発揮しない。またアノードで解離した水素イオンは、水和状態で電解質中をカソードへ移動するため、電解質膜のアノード表面付近では、水が不足する状態となり、連続して発電を維持するためには水を補給する必要がある。通常、この水の補給は、アノードに供給する燃料ガスを加湿することで行われている。また、カソードへ供給する空気、すなわち酸化剤ガスを加湿する場合もある。
【０００６】
また、前記燃料極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、例えばガソリンやアルコール、天然ガス等の燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法が知られており、この水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンクおよび水素吸蔵合金タンクなどがある。一方、酸化剤極に供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００７】
かかる燃料電池は、電解質膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、前記一面に燃料ガス用流路が形成されたセパレータと、前記他面に酸化剤ガス用流路が形成されたセパレータとを対向させて構成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する（起電力を生じる）燃料電池セルとしての単位燃料電池（以下、これを単に単電池と称する）を複数積層して積層体を形成し、当該積層体の両端に端末部材としての集電板、絶縁板およびエンドプレートを配置して燃料電池スタックを構成している。
【０００８】
また、一般的に、前記セパレータには、流体通路を形成した範囲の外周側に、締め付けボルトを通す貫通穴や、セパレータ表面に形成した流体流路に各種ガスを送り込むためのガスマニホールド、および、積層面間を固定するためのガスケット等が設けられている。
【０００９】
そして、このような燃料電池は、発電効率が高いことに加え、有害な物質の排出が極めて少ないという利点を持つため、発電プラントや家庭用発電機など定置型発電に適用されるばかりでなく、電解質膜に固体高分子を用いた所謂、固体高分子型燃料電池の場合、運転温度が室温〜１００℃程度と低く、起動時間が短く、高出力密度で小型軽量であることから、車両の駆動源（すなわち、燃料電池自動車）として利用する技術も近年注目されている。
【００１０】
ただし、この固体高分子型燃料電池は、負荷出力時の単電池の電圧が１〔Ｖ〕程度と低いため、車両駆動用電源とする場合には、通常数百セルを積層してなる燃料電池スタックを構成して、セル間、すなわち単電池間の直列接続による数百Ｖの出力電圧が利用されている。
【００１１】
従来、両極のセパレータは、グラファイトや樹脂と黒鉛粉末とを主成分とした複合材料をプレス成形したカーボン系セパレータを使用していた。そして、近年、特に移動体（例えば、自動車など）への燃料電池の積載を目的とする場合には、小型化とそれに伴う出力密度向上が要求されるため、薄型化の可能な金属セパレータの開発が行われている。
【００１２】
ところが、セパレータとして金属を使用する場合、燃料電池内の雰囲気により金属の一部が腐食する問題が明らかになっており、この問題を解決するために、種々の研究や開発が行われている（例えば、特許文献１、２など参照）。
【特許文献１】特開平０５−２３４６０６号公報（第３頁および第４頁、第１図および第２図）
【特許文献２】特開２００３−３３１９０５号公報（第４頁および第５頁、第１図および第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、一般に金属イオンが燃料電池内に存在する場合、金属イオンは電解質膜内に拡散し、膜内のスルホン酸イオンと結合する。これにより、発電のために発生していたプロトンの電解質膜内の移動が阻害されるため、発電性能が低下することが明らかになっている。また、特定の金属イオンが発生している場合、これらがトリガーとなってカソード側でラジカルが発生し、電解質膜の分子鎖を切断する作用があることが明らかになっている。
【００１４】
そのため、かかる問題を背景に、従来、種々の耐食性を向上させた金属セパレータが開発されているが、材料の問題、もしくは表面上の僅かな傷が原因で完全に金属イオンの溶出を抑えることが困難である未だ不十分な問題があった。
【００１５】
溶出する金属イオンは、セル温度、加湿量、電位などに依存し、セル内で局部的に発生した金属イオンの溶出は同一極内や膜を介した対極面内に拡散すると考えられる。従来の燃料電池では、電解質膜上に触媒を担持した反応部位が形成されるとともに、流体の出入り口に相当する部分に貫通穴を加工していた。
【００１６】
このため、マニホールドの配置の仕方によって、出口側マニホールドから隣接する入口側マニホールドへの距離が小さくなり、その結果、金属イオンが濃度勾配によって拡散し、結果として出口側マニホールドが配された極側とは反対側の極が配された電解質膜の面全体に金属イオンを拡散させてしまう問題があった。
【００１７】
また、金属イオンがセパレータではなく、セル内を循環する温調媒体から供給される場合も、温調媒体のマニホールドから隣接する反応ガス入口マニホールドへ拡散する問題があった。
【００１８】
そこで、本発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、電解質膜を伝って金属イオンが拡散するのを防止し、電解質膜の劣化を抑制することが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】
【００１９】
本発明は、電解質膜の一面に燃料極の触媒層を、他面に酸化剤極の触媒層を配置し、これら触媒層を挟持するように、上記一面側に燃料ガス流路が形成された燃料極側セパレータを、上記他面側に酸化剤ガス流路が形成された酸化剤極側セパレータを設けて単位燃料電池を構成し、当該単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池である。
【００２０】
そして、本発明の燃料電池では、上記電解質膜の上記触媒層を配置した範囲の外周側に、燃料ガス、酸化剤ガスまたは温調媒体が流れるマニホールドを複数設け、各上記マニホールドのうち、少なくともこれらマニホールドを流通する流体のマニホールド開口周縁部に、当該流体に含まれるイオンの拡散を防止するイオン拡散防止部を設けたことを特徴としている。  
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、電解質膜に設けられるマニホールドのうち、少なくとも流体のマニホールド開口端周縁部に、当該流体に含まれるイオンの拡散を防止するイオン拡散防止部を設けたので、これらマニホールドを流通する流体に含まれるイオンが、他のマニホールドを流れる流体に混入するのを防止できる。
【００２２】
したがって、本発明によれば、凝縮水に含まれる種々の金属イオンが、電解質膜のマニホールドが設けられた断面（マニホールド切断面）から浸透して他のマニホールドへと拡散するのを防止でき、該イオン拡散によって電解質膜が劣化するのを抑制できる。
【００２３】
しかも、本発明によれば、イオン拡散防止部を各マニホールドのうちの、少なくとも流体の出口側となるマニホールド、すなわち、必要箇所のみに局所的に配置するようにしたことにより、実用上十分なイオン拡散抑制効果を得るとともに、このイオン拡散防止部を全てのマニホールドに配置するようにした場合に比較して、イオン拡散防止の配置作業を格段と軽減することができ、当該配置作業効率を向上させることができる利点を得ることができる。
【００２４】
かくして、本発明によれば、電解質膜を伝って金属イオンが拡散するのを防止し、電解質膜の劣化を抑制することができる燃料電池を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係る燃料電池の一実施の形態について説明する前に、本発明の燃料電池を用いた燃料電池システムについて、図面に基づいて詳細に説明する。
【００２６】
〔燃料電池システムの概要〕
図１は、本発明の燃料電池を適用した燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。
【００２７】
図１に示すように、燃料電池１には燃料電池スタック２が備えられ、この燃料電池スタック２には燃料極であるアノード３と酸化剤極であるカソード４とが配置される。燃料電池スタック２のアノード３には燃料ガス（水素ガス）用のガス供給流路である燃料供給ライン６が接続される一方、アノード３に供給されて反応したガスを排気する燃料ガス用のガス排出流路である燃料排気ライン７が接続される。燃料供給ライン６には燃料としての水素を供給する水素供給源８が備えられる一方、燃料排気ライン７には水素含有ガス処理装置９が備えられる。
【００２８】
また、燃料電池スタック２のカソード４には酸化剤ガス（空気）用のガス供給流路である酸化剤供給ライン１０が接続される一方、カソード４に供給されて反応した水素含有ガスを排気する酸化剤ガス用のガス排出流路である酸化剤排気ライン１１が接続される。酸化剤供給ライン１０には酸化剤としての空気を供給する酸化剤供給源１２が備えられる。さらに、燃料電池スタック２のアノード３とカソード４には、電気制御装置１３を介して電気配線１４が接続される。
【００２９】
因みに、図１では、燃料電池１の発電時の水素ガスと空気との流れを、それぞれ実線矢印ａ、ｂを用いて示しているとともに、燃料電池１の発電時の電流の流れを破線矢印ｃを用いて示している。
【００３０】
燃料電池１の発電では、燃料電池スタック２のアノード３に水素供給源８から燃料ガスとしての水素ガスを、およびカソード４に酸化剤供給源１２から酸化剤ガスとしての空気をそれぞれ供給し、発生した起電力を電気制御装置１３にて回収し出力させるように構成されている。
【００３１】
次に、本発明にかかる燃料電池について、第１〜第３の実施の形態を用いて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３２】
〔第１の実施の形態〕
図２および図３は、本発明にかかる燃料電池の第１の実施の形態を示し、図２は本発明の燃料電池を概略的に示す断面図、図３は図２の燃料電池の要部を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【００３３】
燃料電池スタック２は、図２に示すように、単位燃料電池としての単電池１５が複数積層された積層体によって構成されている。この単電池１５には、燃料極であるアノード３と酸化剤極であるカソード４とが備わっており、これらアノード３とカソード４に電解質膜１６が挟持されている。また、これらアノード３およびカソード４には、ガス拡散層１７と触媒層１８とがそれぞれ備わっている。さらに、単電池１５のアノード３には燃料ガス流路１９が備えられる一方、カソード４には酸化剤ガス流路２０が備えられる。
【００３４】
なお、燃料電池スタック２を構成する単電池１５が複数積層された積層体は、アノード３とカソード４とが交互に積層され、アノード３とカソード４とにそれぞれ供給されるガスを分離するために、個々の単電池１５間に、それぞれ対応する燃焼極側セパレータおよび酸化剤極側セパレータであるセパレータ２１（ここでは、便宜上、まとめてセパレータ２１として図示するが、このセパレータ２１はアノード３側には燃料ガス流路が形成され、カソード４側には酸化剤ガス流路が形成されている。）が挟持されており、各単電池１５は、その四隅部分に貫通して設けられた図示省略するロッド等によって固定されている。
【００３５】
そして、燃料供給ライン６（図１参照）から燃料電池スタック２に水素ガスが供給されると、この燃料電池スタック２を構成する個々の単電池１５のアノード３に備えられる燃料ガス流路１９に水素ガスが供給される。同時に、酸化剤供給ライン１０（図１参照）から燃料電池スタック２に空気が供給されると、この燃料電池スタック２を構成する個々の単電池１５のカソード４に備えられる酸化剤ガス流路２０に空気が供給される。これにより、燃料電池１の発電が行われる。
【００３６】
この実施の形態の場合、電解質膜１６は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、ほぼ中央に触媒層１８が塗布されて配置されており、この触媒層１８が配置された範囲の外周側に複数のマニホールドである水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂが設けられている。
【００３７】
また、この電解質膜１６には、燃料電池１内の温度を調整するための温調媒体であるエチレングリコール５０〔％〕を含有する不凍液（ＬＬＣ：Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｃｏｏｌａｎｔ）用の出入り口が、ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂとして設けられている。
【００３８】
かかる構成に加えて、この電解質膜１６の各マニホールド、つまり水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂ、ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂは、その形状とほぼ同一形状の刃物等によって切断形成された後、この刃物と同一形状の刃物を３５０〔℃〕〜４００〔℃〕程度に昇温させた状態で、該各マニホールド２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２４Ａ、２４Ｂ周囲に再度セットし、一定時間加熱加工することによって、これら各マニホールド２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２４Ａ、２４Ｂの開口端部から一定範囲の電解質膜１６を高分子変性させてなるイオン拡散防止部２５が形成されている。ただし、図３においては、後述する理由から出口側マニホールドのみ（ここでは便宜上、ＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂ部分）にイオン拡散防止部２５を設けた場合について図示した。
【００３９】
なお、この変性の際、電解質膜１６の収縮が発生するため、電解質膜１６の変性エリアにおける温度、加熱時間および収縮量の関係を予め把握しておくことが望ましい。
【００４０】
因みに、本実施の形態の場合、電解質膜１６としてパーフルオロスルホン酸に代表される種々の陽イオン交換膜を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、例えばハイドロカーボン系の材料からなる膜を用いるようにしてもよい。
【００４１】
通常、マニホールドの周囲には、マニホールドを流通する流体の混合や外部リークを防ぐため、ガスケットが電解質膜の両面に配置されている。しかしながら、マニホールドの開口端部は電解質膜の切断面が露出しているため、その露出部分から種々のイオンがガスケットの下を潜り抜けて拡散する可能性がある。
【００４２】
従って、本実施の形態では、種々のイオンが流通する各マニホールド２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２４Ａ、２４Ｂからのイオン拡散を防止するために、これら各マニホールド２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２４Ａ、２４Ｂ周囲の電解質膜１６を熱変性させた。
【００４３】
このように、各マニホールド２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２４Ａ、２４Ｂの周囲にイオン拡散防止加工を施すことによって、これらマニホールド２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２４Ａ、２４Ｂを流れる流体に含まれるイオンが他のマニホールド２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２４Ａ、２４Ｂを流れる流体に混入するのを防止することができる。
【００４４】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、電解質膜１６における水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂ、ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂの周囲にイオン拡散防止部２５を設けるようにしたことにより、これらマニホールド２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２４Ａ、２４Ｂを流れる流体に含まれるイオンが他のマニホールド２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２４Ａ、２４Ｂを流れる流体に混入するのを防止することができる。これにより、凝縮水に含まれる種々の金属イオンがマニホールド切断面から隣接する他の流体マニホールド（ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡまたはＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂ）へと拡散していくのを防止することができる。
【００４５】
また、燃料電池スタック２内を流通するＬＬＣに含まれる金属イオンが、電解質膜１６におけるマニホールド切断面から近傍のガスマニホールドとしての水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂへと拡散していくのを防止することができる。
【００４６】
さらに、これらマニホールド切断面における電解質膜１６の露出部分またはマニホールド周囲における電解質膜１６の高分子構造を意図的に変えることで、イオンの吸着や拡散を抑制することも可能となる。
【００４７】
かくして、この実施の形態によれば、電解質膜１６を伝って金属イオンが拡散するのを防止し、電解質膜１６の劣化を抑制することができる燃料電池１を実現することができる。
【００４８】
なお、本実施の形態においては、イオン拡散防止部２５を、全てのマニホールド、すなわち、水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂ、ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂの周囲（外周）に設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、このイオン拡散防止部２５を流体の出口側となるマニホールド、すなわち、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気出口マニホールド２３ＢおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂ部分のみに設けるようにしてもよい。この場合、イオン拡散防止部２５を必要箇所のみに局所的に配置することで、実用上十分なイオン拡散抑制効果を得るとともに、このイオン拡散防止部２５を形成するイオン拡散防止加工を必要な部分のみに施して、当該イオン拡散防止施工作業効率を向上させることができる利点を得ることができる。
【００４９】
また、本実施の形態では、イオン拡散防止部２５を各マニホールド２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２４Ａ、２４Ｂ周囲全体に形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、隣接するマニホールド（例えば、水素ガス出口マニホールド２２Ｂと空気入口マニホール２３Ａ、空気入口マニホール２３ＡとＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂ）同士が向かい合う部分のみに設けるようにしてよい。この場合においても、実用上十分なイオン拡散防止効果を得ることができるとともに、このイオン拡散防止部２５を形成するイオン拡散防止加工を必要最低限な部分のみに施して、更なる作業効率の向上を図ることができる利点を得ることができる。
【００５０】
さらに、電解質膜１６におけるマニホールド切断面における隣接するマニホールド（例えば、水素ガス出口マニホールド２２Ｂと空気入口マニホール２３Ａ、空気入口マニホール２３ＡとＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂ）同士が対向する部分および触媒層１８側にのみイオン拡散防止部２５を設けるようにしても上述とほぼ同様なイオン拡散防止効果および作業効率向上の効果を得ることができる。
【００５１】
〔第２の実施の形態〕
図３との対応部分に同一符号を付した図４は、本発明による燃料電池の第２の実施の形態を示し、（ａ）はその燃料電池における燃料ガスおよび酸化剤ガスを消費して発電を行う部位である膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ   Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｅｂｌｙ）の正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。
【００５２】
この実施の形態の場合、電解質膜１６の一面側および他面側には、接着部材を介して、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などの樹脂材料からなる樹脂層３０が設けられている。このとき、この樹脂層３０は、接着部材を介することによって、電解質膜１６と接合するとともに、リークを抑える構造を構成している。
【００５３】
また、この樹脂層３０には、電解質膜１６のマニホールド（すなわち、水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂ、ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂ）に対応した樹脂マニホールド部が設けられているとともに、これら樹脂マニホールド部近傍には、ガスおよび温調媒体であるＬＬＣ等の流体の混合・リークを防止するためのガスケット３１が配置されている。因みに、この樹脂マニホールド部は、電解質膜１６に形成したマニホールドとは別々に形成される。
【００５４】
そして、これら樹脂マニホールド部は、それぞれ各マニホールド（すなわち、水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂ、ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂ）よりも、外径が小さく穿設されている。
【００５５】
このため、これらマニホールド近傍における電解質膜１６と、これを挟持する樹脂層３０との間には隙間部が形成され、この隙間部には、電解質膜１６の厚み相当のイオン拡散防止樹脂３２が配置されており、このイオン拡散防止樹脂３２がイオン拡散防止部２５（図３参照）の役割を果たすようになっている。
【００５６】
このイオン拡散防止樹脂３２は、燃料電池１の運転温度下で軟化することなく、またマニホールド部分に配置されることから酸性の液滴と触れるため耐酸性であり、特にＬＬＣ入口マニホールド２４ＡやＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂにて使用する場合には、ＬＬＣの構成成分と反応しないことが好ましい。      
以上、説明したように、本実施の形態によれば、電解質膜１６の両面を樹脂層３０で挟持し、各マニホールド（水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂ、ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂ）と連通している樹脂層３０に設けた樹脂マニホールド部を、前記マニホールドよりも小さい外径で形成するとともに、これによって形成された隙間部に電解質膜１６とほぼ同等の厚みからなるイオン拡散防止樹脂３２を配置するようにしたことにより、上述した第１の実施の形態と同様のイオン拡散防止効果を得ることができる。
【００５７】
しかも、本実施の形態では、前記マニホールド近傍の樹脂層３０と電解質膜１６との間の隙間部にイオン拡散防止樹脂３２を配置することのみで、上述した第１の実施の形態と同様のイオン拡散防止効果を得ることができるため、この第１の実施の形態の場合と比較して、より一層燃料電池の組立て作業効率や生産効率を向上させることができる。
【００５８】
〔第３の実施の形態〕
図４（ｂ）との対応部分に同一符号を付した図５は、本発明による燃料電池の第３の実施の形態を示し、（ａ）はその燃料電池のＭＥＡにおけるイオン拡散防止加工前の断面図、（ｂ）は（ａ）のＭＥＡにおけるイオン拡散防止加工後の断面図である。
【００５９】
図５（ａ）に示すように、本実施の形態の場合、上述した第２の実施の形態におけるイオン拡散防止樹脂３２に代わって、マニホールド（水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂ、ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂ）近傍の樹脂層３０と電解質膜１６との間の隙間部に接着剤３３が配置されている。  
そして、図５（ｂ）に示すように、これら電解質膜１６の両面に配置された樹脂層３０の当該電解質膜１６よりも前記マニホールド中心方向へ延設された樹脂層３０同士を接合することによって、電解質膜１６が露出するマニホールド切断面を被覆するようになっている。
【００６０】
このように、電解質膜１６に形成したマニホールド開口端面（マニホールド切断面）を樹脂層３０によって被覆するようにしたことにより、上述した第１の実施の形態同様に、マニホールドを流通する凝縮水に含まれる種々の金属イオンがマニホールド切断面から隣接する他の流体マニホールドとしてのＬＬＣ入口マニホールド２４ＡまたはＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂへと拡散していくのを防止することができる。
【００６１】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、電解質膜１６の両面を樹脂層３０で挟持し、各マニホールド（水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂ、ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂ）と連通している樹脂層３０に設けた樹脂マニホールド部を、前記マニホールドよりも小さい外径で形成するとともに、これによって形成された隙間部に接着剤３３を配置して、向かい合う樹脂層３０同士を接合し、電解質膜１６のマニホールド切断面を被覆するようにしたことにより、上述した第１の実施の形態と同様のイオン拡散防止効果を得ることができる。
【００６２】
しかも、本実施の形態では、前記マニホールド近傍の樹脂層３０と電解質膜１６との間の隙間部に接着剤３３を配置して、向かい合う樹脂層３０同士を接合することのみで、上述した第１の実施の形態と同様のイオン拡散防止効果を得ることができるため、この第１の実施の形態の場合と比較して、より一段と燃料電池の組立て作業効率や生産効率を向上させることができる。
【００６３】
〔第４の実施の形態〕
図５との対応部分に同一符号を付した図６は、本発明による燃料電池の第４の実施の形態を示し、（ａ）はその燃料電池のＭＥＡにおけるイオン拡散防止加工前の断面図、（ｂ）は（ａ）のＭＥＡにおけるイオン拡散防止加工後の断面図である。
【００６４】
図６（ａ）に示すように、本実施の形態の場合、上述した第３の実施の形態におけるマニホールド（水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂ、ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂ）近傍の樹脂層３０における樹脂マニホールド部が、電解質膜１６の一方の面側のみ前記マニホールドとほぼ同じ外径で形成されている点を除いて、上述した第３の実施の形態とほぼ同様に構成されている。
【００６５】
本実施の形態では、例えば、図６（ａ）中の上方側の樹脂層３０における樹脂マニホールド部のみ前記マニホールド（水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂ、ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂ）よりも外径が小さく形成されており、この場合、電解質膜１６における前記マニホールド切断面を覆うことが可能な程度の長さで設定されている。
【００６６】
そして、このマニホールド内側に突出した樹脂層３０（すなわち、外径の小さい樹脂マニホールド部）の電解質膜１６側には接着剤３３が塗布されており、図６（ｂ）に示すように、電解質膜１６のマニホールド切断面を覆うように折り曲げて（または溶融させて）接合されている。
【００６７】
これにより、上述した第３の実施の形態と同様に、前記マニホールド切断面を被覆することができ、上述した第１の実施の形態同様に、マニホールドを流通する凝縮水に含まれる種々の金属イオンが電解質膜１６におけるマニホールド切断面から隣接する他の流体マニホールドとしてのＬＬＣ入口マニホールド２４ＡまたはＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂへと拡散していくのを防止することができる。
【００６８】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、電解質膜１６の両面を樹脂層３０で挟持し、各マニホールド（水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂ、ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂ）と連通している樹脂層３０に設けた樹脂マニホールド部の一方を、前記マニホールドよりも小さい外径で形成するとともに、これを向かい合う樹脂層３０側へと折り曲げて接合し、電解質膜１６のマニホールド切断面を被覆するようにしたことにより、上述した第１および第３の実施の形態と同様のイオン拡散防止効果を得ることができる。
【００６９】
しかも、本実施の形態では、前記樹脂層３０に設けた樹脂マニホールド部の一方を、前記マニホールドよりも小さい外径で形成するとともに、これを向かい合う樹脂層３０側へと折り曲げて接合することのみで、上述した第１および第３の実施の形態と同様のイオン拡散防止効果を得ることができるため、第３の実施の形態に比べて効率的にマニホールドの外径の大きさを確保することができるとともに、第１の実施の形態よりも効率のよい第３の実施の形態の場合と比較して、さらに一段と燃料電池の組立て作業効率や生産効率を向上させることができる。
【００７０】
〔第５の実施の形態〕
図４（ｂ）との対応部分に同一符号を付した図７は、本発明による燃料電池の第５の実施の形態を示し、（ａ）はその燃料電池のＭＥＡにおけるイオン拡散防止加工前の断面図、（ｂ）は（ａ）のＭＥＡにおけるイオン拡散防止加工後の断面図である。
【００７１】
図７（ａ）に示すように、本実施の形態の場合、電解質膜１６の両面に配置されたガス拡散層１７に、前記マニホールド（水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂ、ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂ）に対応したマニホールド部が穿設されており、このマニホールド部は前記マニホールドよりも小さい外径で形成されてアセンブリー化されている。
【００７２】
そして、図７（ｂ）に示すように、このマニホールド近傍の電解質膜１６とガス拡散層１７との間の隙間部を含めたガス拡散層１７のマニホールド部近傍に、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などの樹脂材料を配置させて樹脂層３０を設けることにより、電解質膜１６におけるマニホールド切断面を被覆するイオン拡散防止部３４が形成されている。
【００７３】
このように、電解質膜１６におけるマニホールド切断面をイオン拡散防止部３４によって被覆するようにしたことにより、上述した第１の実施の形態同様に、マニホールドを流通する凝縮水に含まれる種々の金属イオンが電解質膜１６に形成したマニホールド切断面から隣接する他の流体マニホールドとしてのＬＬＣ入口マニホールド２４ＡまたはＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂへと拡散していくのを防止することができる。
【００７４】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、電解質膜１６の両面に配置されたガス拡散層１７に、前記マニホールドよりも小さい外径でマニホールド部を形成してアセンブリー化し、ガス拡散層１７のマニホールド部近傍に樹脂材料を配置させてイオン拡散防止部３４を設け、電解質膜１６のマニホールド切断面を被覆するようにしたことにより、上述した第１の実施の形態と同様のイオン拡散防止効果を得ることができる。
【００７５】
しかも、本実施の形態では、前記マニホールド部近傍のガス拡散層１７に樹脂材料を配置させることのみで、上述した第１の実施の形態と同様のイオン拡散防止効果を得ることができるため、この第１の実施の形態の場合と比較して、格段と燃料電池の組立て作業効率や生産効率を向上させることができる。
【００７６】
〔他の実施の形態〕
以上、本発明における燃料電池について、上述した第１ないし第５の実施の形態を例にとって説明したが、本発明はこれに限ることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の実施の形態を採用することができる。
【００７７】
例えば、第２ないし第５の実施の形態においては、電解質膜１６のマニホールド切断面（マニホールド開口端）を被覆することによるイオン拡散防止加工やイオン拡散防止部３４を、全てのマニホールド、すなわち、水素ガス入口マニホールド２２Ａ、水素ガス出口マニホールド２２Ｂ、空気入口マニホールド２３Ａ、空気出口マニホールド２３Ｂ、ＬＬＣ入口マニホールド２４ＡおよびＬＬＣ出口マニホールド２４Ｂに設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、第１の実施の形態と同様に、必要なマニホールド（例えば、流体の出口側となるマニホールド）にのみ局所的に設けてもよく、また、マニホールド周囲全体ではなく、隣接するマニホールドの対向する部分にのみ設けるようにしてもよい。
【００７８】
この場合、第２ないし第５の実施の形態におけるイオン拡散防止効果は勿論のこと、イオン拡散防止加工の作業効率を格段と向上させることができる利点を得ることができる。
【００７９】
また、上記実施の形態では、ガスおよび流体はセパレータ内にマニホールドを備えるもの（内部マニホールド）を用いたが、ガスまたは流体の一方を内部マニホールドとし、他方を外部マニホールドとする燃料電池に用いることもできる。この場合、イオンが拡散する可能性がある媒体が電解質膜を介して、イオンが混入する可能性がある箇所に、イオン拡散防止部を設ければよい。
【００８０】
また、上述の実施の形態では、触媒層を配置した範囲の外周側にマニホールドを形成したが、電解質膜の上記触媒層を配置した範囲にガスまたは流体が流れるマニホールドを設け、流体に含まれるイオンが上記ガスに混入しないように、当該マニホールド開口端周縁部にイオン拡散防止部を設けるようにしても同様の作用効果を得ることができる。
【００８１】
さらに、上記実施の形態では、流体として温調媒体を用いたが、これに限定せず、例えば、内部加湿型燃料電池に用いる加湿流路に適応することもできる。
【００８２】
さらに、上記の実施形態では、イオンが拡散しないようにイオンを含む流体のマニホールド開口部に設けたが、イオンが混入しないようにガスのマニホールド開口部に設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の燃料電池を適用した燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明による燃料電池の第１の実施の形態を概略的に示し、この燃料電池における燃料電池スタックを拡大して示す断面図である。
【図３】図２の燃料電池の要部を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図４】本発明による燃料電池の第２の実施の形態を示し、（ａ）はその燃料電池におけるＭＥＡの正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。
【図５】本発明による燃料電池の第３の実施の形態を示し、（ａ）はその燃料電池のＭＥＡにおけるイオン拡散防止加工前の断面図、（ｂ）は（ａ）のＭＥＡにおけるイオン拡散防止加工後の断面図である。
【図６】本発明による燃料電池の第４の実施の形態を示し、（ａ）はその燃料電池のＭＥＡにおけるイオン拡散防止加工前の断面図、（ｂ）は（ａ）のＭＥＡにおけるイオン拡散防止加工後の断面図である。
【図７】本発明による燃料電池の第５の実施の形態を示し、（ａ）はその燃料電池のＭＥＡにおけるイオン拡散防止加工前の断面図、（ｂ）は（ａ）のＭＥＡにおけるイオン拡散防止加工後の断面図である。
【符号の説明】
【００８４】
１…燃料電池
２…燃料電池スタック
３…アノード（燃料極）
４…カソード（酸化剤極）
６…燃料供給ライン
７…燃料排気ライン
８…水素供給源
９…水素含有ガス処理装置
１０…酸化剤供給ライン
１１…酸化剤排気ライン
１２…酸化剤供給源
１３…電気制御装置
１４…電気配線
１５…単電池（単位燃料電池）
１６…電解質膜
１７…ガス拡散層
１８…触媒層
１９…燃料ガス流路
２０…酸化剤ガス流路
２１…セパレータ（燃料極側セパレータ、酸化剤極側セパレータ）
２２Ａ…水素ガス入口マニホールド（マニホールド）
２２Ｂ…水素ガス出口マニホールド（マニホールド）
２３Ａ…空気入口マニホールド（マニホールド）
２３Ｂ…空気出口マニホールド（マニホールド）
２４Ａ…ＬＬＣ入口マニホールド（マニホールド）
２４Ｂ…ＬＬＣ出口マニホールド（マニホールド）
２５、３４…イオン拡散防止部
３１…ガスケット
３２…イオン拡散防止樹脂
３３…接着剤
【図１】
2006085926.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006085926.tif 000007
【図６】
2006085926.tif 000008
【図７】
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