(57)【要約】      （修正有）【課題】触媒層端縁での膜の耐久性の低下を抑制することができる燃料電池とその製造方法の提供。【解決手段】（１）第１の拡散層部分（外周部）１３ａ、の密度は第２の拡散層部分（内周部）１３ｂ、の密度以上である燃料電池。（２）第１の拡散層部分が第２の拡散層部分より高い面圧で圧縮される。（３）第１の拡散層部分の厚みが第２の拡散層部分の厚みより大である。（４）第１のセパレータ部分１８ａは第２のセパレータ部分１８ｂよりも拡散層側に突出している。（５）膜−電極アッセンブリの厚みに応じて異なる条件にて拡散層１３、１６をＭＥＡ１２に圧着する燃料電池の製造方法。（６）条件が圧力である。（７）条件が温度である。（８）条件が時間である。（９）条件が拡散層の材料または撥水剤の量である。【選択図】図５
2006210027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極アッセンブリに拡散層を接合した膜−電極−拡散層アッセンブリと、該膜−電極−拡散層アッセンブリを挟む一対のセパレータとを備えた燃料電池であって、膜−電極アッセンブリは互いに厚みが異なる第１の部分と第２の部分を有し第１の部分の厚みは第２の部分の厚みより小であり、拡散層は膜−電極アッセンブリの第１の部分に接合される第１の拡散層部分と膜−電極アッセンブリの第２の部分に接合される第２の拡散層部分とを有し第１の拡散層部分の密度は第２の拡散層部分の密度以上である燃料電池。
【請求項２】
膜−電極アッセンブリの第１の部分は膜のみからなる部分であり、膜−電極アッセンブリの第２の部分は膜と電極触媒層を含む部分である請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
拡散層が膜−電極アッセンブリにホットプレスされる際に、第１の拡散層部分が第２の拡散層部分より高い面圧で圧縮され圧縮率が上げられている請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
膜−電極−拡散層アッセンブリが一対のセパレータで挟まれる前の、第１の拡散層部分の密度と第２の拡散層部分の密度が同じ状態では、第１の拡散層部分の厚みが第２の拡散層部分の厚みより大である請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
セパレータは膜−電極アッセンブリの第１の部分に対応する第１のセパレータ部分と膜−電極アッセンブリの第２の部分に対応する第２のセパレータ部分とを有し第１のセパレータ部分は第２のセパレータ部分よりも拡散層側に突出している請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
膜−電極アッセンブリは互いに厚みが異なる第１の部分と第２の部分を有し第１の部分の厚みは第２の部分の厚みより小である膜−電極アッセンブリに、膜−電極アッセンブリの第１の部分に接合される第１の拡散層部分と膜−電極アッセンブリの第２の部分に接合される第２の拡散層部分とを有する拡散層を接合して膜−電極−拡散層アッセンブリを形成する工程を有する燃料電池の製造方法であって、膜−電極アッセンブリの厚みに応じて異なる条件にて拡散層を膜−電極アッセンブリに圧着する燃料電池の製造方法。
【請求項７】
膜−電極アッセンブリの第１の部分は膜のみからなる部分であり、膜−電極アッセンブリの第２の部分は膜と電極触媒層を含む部分である請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】
前記条件は圧力であり、第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より高い圧力にて膜−電極アッセンブリに圧着する請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】
前記条件は温度であり、第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より高い温度にて膜−電極アッセンブリに圧着する請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
前記条件は時間であり、第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より長時間膜−電極アッセンブリに圧着する請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
前記長時間が再プレスの時間を含む請求項１０記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１２】
前記条件は拡散層の材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量であり、第１の拡散層部分の材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量を第２の拡散層部分の材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量より増やして拡散層を膜−電極アッセンブリに圧着する請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１３】
膜−電極−拡散層アッセンブリを形成する工程と、膜−電極アッセンブリの第１の部分に対応する第１のセパレータ部分と膜−電極アッセンブリの第２の部分に対応する第２のセパレータ部分とを有する一対のセパレータにて膜−電極−拡散層アッセンブリを挟んでセルを形成する工程と、を有する燃料電池の製造方法であって、セパレータの第１のセパレータ部分を第２のセパレータ部分よりも拡散層側に突出させておくことにより、一対のセパレータで膜−電極−拡散層アッセンブリを挟んだ時に第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より強く圧縮して第１の拡散層部分の密度を第２の拡散層部分の密度以上にする請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１４】
膜−電極−拡散層アッセンブリを形成する工程と、一対のセパレータにて膜−電極−拡散層アッセンブリを挟んでセルを形成する工程と、を有する燃料電池の製造方法であって、一対のセパレータで膜−電極−拡散層アッセンブリを挟む前は第１の拡散層部分の厚みを第２の拡散層部分の厚みより大にしておくことにより、一対のセパレータで膜−電極−拡散層アッセンブリを挟んだ時に第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より強く圧縮して第１の拡散層部分の密度を第２の拡散層部分の密度以上にする請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池とその製造方法に関し、とくに触媒層端縁部位での膜の耐久性を向上できる燃料電池とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（Membrane-Electrode Assembly 、ＭＥＡ）に拡散層を接合して膜−電極−拡散層アッセンブリ（Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer Assembly 、ＭＥＧＡ）を形成し、ＭＥＧＡを一対のセパレータで挟んだものから構成される。少なくとも１つの単位燃料電池からモジュールを構成し、モジュールを複数積層して（積層方向は任意）燃料電池スタックが構成される。
一般に電極（触媒層）の平面形状は、電解質膜より一回り小さくされている（たとえば、特開２００４−１１９０６５号公報）。この種のＭＥＡでは、ＭＥＡはその端縁に沿った部位で膜のみの厚みとなって、それより内側の、膜とその両面に触媒層がある部分に比べて、厚みが薄い。このＭＥＡに従来の手法で拡散層を圧着すると、図１０に示すように、触媒層１２（１５）の端縁に電解質膜１１と拡散層１３（１６）の間に空間１ができ、その近傍の拡散層の密度が局所的に薄くなる。
【特許文献１】特開２００４−１１９０６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
触媒層端縁に空間ができること、あるいは触媒層端縁の近傍の拡散層密度が局所的に小さくなることによって、空間または拡散層の局所的な密度低下部分に発電の結果生成される生成水が溜まりやすくなり、生成水に含まれる、水生成の過程で中間生成物として一時的にできる過酸化水素とそれと共存するラジカルも溜まりやすくなる。その結果、空間または拡散層の局所的な密度低下部分の近傍で電解質膜が攻撃されて、電解質膜が局所的に徐々に痩せ、その結果その部位でクロスリークが生じやすくなるなど、膜の耐久性が局所的に低下する。
【０００４】
本発明の目的は、触媒層端縁での膜の耐久性の低下を抑制することができる燃料電池とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  膜−電極アッセンブリに拡散層を接合した膜−電極−拡散層アッセンブリと、該膜−電極−拡散層アッセンブリを挟む一対のセパレータとを備えた燃料電池であって、膜−電極アッセンブリは互いに厚みが異なる第１の部分と第２の部分を有し第１の部分の厚みは第２の部分の厚みより小であり、拡散層は膜−電極アッセンブリの第１の部分に接合される第１の拡散層部分と膜−電極アッセンブリの第２の部分に接合される第２の拡散層部分とを有し第１の拡散層部分の密度は第２の拡散層部分の密度以上である燃料電池。
（２）  膜−電極アッセンブリの第１の部分は膜のみからなる部分であり、膜−電極アッセンブリの第２の部分は膜と電極触媒層を含む部分である（１）記載の燃料電池。
（３）  拡散層が膜−電極アッセンブリにホットプレスされる際に、第１の拡散層部分が第２の拡散層部分より高い面圧で圧縮され圧縮率が上げられている（１）記載の燃料電池。
（４）  膜−電極−拡散層アッセンブリが一対のセパレータで挟まれる前の、第１の拡散層部分の密度と第２の拡散層部分の密度が同じ状態では、第１の拡散層部分の厚みが第２の拡散層部分の厚みより大である（１）記載の燃料電池。
（５）  セパレータは膜−電極アッセンブリの第１の部分に対応する第１のセパレータ部分と膜−電極アッセンブリの第２の部分に対応する第２のセパレータ部分とを有し第１のセパレータ部分は第２のセパレータ部分よりも拡散層側に突出している（１）記載の燃料電池。
（６）  膜−電極アッセンブリは互いに厚みが異なる第１の部分と第２の部分を有し第１の部分の厚みは第２の部分の厚みより小である膜−電極アッセンブリに、膜−電極アッセンブリの第１の部分に接合される第１の拡散層部分と膜−電極アッセンブリの第２の部分に接合される第２の拡散層部分とを有する拡散層を接合して膜−電極−拡散層アッセンブリを形成する工程を有する燃料電池の製造方法であって、膜−電極アッセンブリの厚みに応じて異なる条件にて拡散層を膜−電極アッセンブリに圧着する燃料電池の製造方法。
（７）  膜−電極アッセンブリの第１の部分は膜のみからなる部分であり、膜−電極アッセンブリの第２の部分は膜と電極触媒層を含む部分である（６）記載の燃料電池の製造方法。
（８）  前記条件は圧力であり、第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より高い圧力にて膜−電極アッセンブリに圧着する（６）記載の燃料電池の製造方法。
（９）  前記条件は温度であり、第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より高い温度にて膜−電極アッセンブリに圧着する（６）記載の燃料電池の製造方法。
（１０）  前記条件は時間であり、第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より長時間膜−電極アッセンブリに圧着する（６）記載の燃料電池の製造方法。
（１１）  前記長時間が再プレスの時間を含む（１０）記載の燃料電池の製造方法。
（１２）  前記条件は拡散層の材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量であり、第１の拡散層部分の材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量を第２の拡散層部分の材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量より増やして拡散層を膜−電極アッセンブリに圧着する（６）記載の燃料電池の製造方法。
（１３）  膜−電極−拡散層アッセンブリを形成する工程と、膜−電極アッセンブリの第１の部分に対応する第１のセパレータ部分と膜−電極アッセンブリの第２の部分に対応する第２のセパレータ部分とを有する一対のセパレータにて膜−電極−拡散層アッセンブリを挟んでセルを形成する工程と、を有する燃料電池の製造方法であって、セパレータの第１のセパレータ部分を第２のセパレータ部分よりも拡散層側に突出させておくことにより、一対のセパレータで膜−電極−拡散層アッセンブリを挟んだ時に第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より強く圧縮して第１の拡散層部分の密度を第２の拡散層部分の密度以上にする（６）記載の燃料電池の製造方法。
（１４）  膜−電極−拡散層アッセンブリを形成する工程と、一対のセパレータにて膜−電極−拡散層アッセンブリを挟んでセルを形成する工程と、を有する燃料電池の製造方法であって、一対のセパレータで膜−電極−拡散層アッセンブリを挟む前は第１の拡散層部分の厚みを第２の拡散層部分の厚みより大にしておくことにより、一対のセパレータで膜−電極−拡散層アッセンブリを挟んだ時に第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より強く圧縮して第１の拡散層部分の密度を第２の拡散層部分の密度以上にする（６）記載の燃料電池の製造方法。
【発明の効果】
【０００６】
上記（１）、（２）の燃料電池によれば、第１の拡散層部分の密度は第２の拡散層部分の密度以上であるので、触媒層端縁の第１の拡散層部分に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。
上記（３）の燃料電池によれば、拡散層が膜−電極アッセンブリにホットプレスされる際に、第１の拡散層部分が第２の拡散層部分より高い面圧で圧縮され圧縮率が上げられているので、触媒層端縁の空間が小さくなるとともに第１の拡散層部分の密度が高くなり、触媒層端縁の空間および触媒層端縁の第１の拡散層部分に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。
上記（４）の燃料電池によれば、膜−電極−拡散層アッセンブリが一対のセパレータで挟まれる前の、第１の拡散層部分の密度と第２の拡散層部分の密度が同じ状態では、第１の拡散層部分の厚みが第２の拡散層部分の厚みより大であるので、一対のセパレータで挟まれた際に、第１の拡散層部分の厚みが圧縮される。その結果、触媒層端縁の空間が小さくなるとともに第１の拡散層部分の密度が高くなり、触媒層端縁の空間および触媒層端縁の第１の拡散層部分に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。
上記（５）の燃料電池によれば、第１のセパレータ部分は第２のセパレータ部分よりも拡散層側に突出しているので、一対のセパレータで挟まれた際に、第１の拡散層部分の厚みが圧縮される。その結果、触媒層端縁の空間が小さくなるとともに第１の拡散層部分の密度が高くなり、触媒層端縁の空間および触媒層端縁の第１の拡散層部分に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。
【０００７】
上記（６）、（７）の燃料電池の製造方法によれば、膜−電極アッセンブリの厚みに応じて異なる条件にて拡散層を膜−電極アッセンブリに圧着するので、第１の拡散層部分の圧着条件を第２の拡散層部分の圧着条件より厳しくすることにより、触媒層端縁の空間を小さくするか、または、第１の拡散層部分の密度を高くすることができる。その結果、触媒層端縁の第１の拡散層部分に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。
上記（８）の燃料電池の製造方法によれば、第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より高い圧力にて膜−電極アッセンブリに圧着するので、触媒層端縁の空間を小さくするか、または、第１の拡散層部分の密度を高くすることができる。その結果、触媒層端縁の第１の拡散層部分に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。
上記（９）の燃料電池の製造方法によれば、第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より高い温度にて膜−電極アッセンブリに圧着するので、第１の拡散層部分をそのほとんど全域で膜に密着させるとともに溶着でき、触媒層端縁の空間を小さくすることができる。その結果、触媒層端縁の空間に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。第２の拡散層部分を高温で圧着しないため、膜の変質と発電性能低下は発生しない。
上記（１０）の燃料電池の製造方法によれば、第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より長時間膜−電極アッセンブリに圧着するので、第１の拡散層部分をそのほとんど全域で膜に密着させるとともに溶着でき、触媒層端縁の空間を小さくすることができる。その結果、触媒層端縁の空間に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。
上記（１１）の燃料電池の製造方法によれば、長時間が再プレスの時間を含み、第１の拡散層部分を条件を変えて再プレスすることにより、第１の拡散層部分をそのほとんど全域で膜に密着させるとともに溶着でき、触媒層端縁の空間を小さくすることができる。その結果、触媒層端縁の空間に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。発電領域に対応する第２の拡散層部分は長時間プレスせずガス拡散性、電極へのガス供給性を良好なままとする。
上記（１２）の燃料電池の製造方法によれば、第１の拡散層部分の材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量を第２の拡散層部分の材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量より増やして拡散層を膜−電極アッセンブリに圧着するので、第１の拡散層部分の密度を第２の拡散層部分の密度に比べて高くすることができる。その結果、触媒層端縁の第１の拡散層部分に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。
上記（１３）の燃料電池の製造方法によれば、セパレータの第１のセパレータ部分を第２のセパレータ部分よりも拡散層側に突出させておくので、一対のセパレータで膜−電極−拡散層アッセンブリを挟んだ時に第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より強く圧縮して第１の拡散層部分の密度を第２の拡散層部分の密度以上にするとともに、触媒層端縁の空間を縮小することができる。その結果、触媒層端縁の第１の拡散層部分および空間に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。
上記（１４）の燃料電池の製造方法によれば、一対のセパレータで膜−電極−拡散層アッセンブリを挟む前は第１の拡散層部分の厚みを第２の拡散層部分の厚みより大にしておくので、一対のセパレータで膜−電極−拡散層アッセンブリを挟んだ時に第１の拡散層部分を第２の拡散層部分より強く圧縮して第１の拡散層部分の密度を第２の拡散層部分の密度以上にするとともに、触媒層端縁の空間を縮小することができる。その結果、触媒層端縁の第１の拡散層部分および空間に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の燃料電池とその製造方法を、図１〜図９を参照して説明する。
〔燃料電池の一般構成〕
本発明の燃料電池セパレータが組み付けられる燃料電池１０は、低温型燃料電池であり、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
図７〜図９に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ１２（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８とを重ねたものからなる。
【０００９】
膜−電極アッセンブリ１２は、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。拡散層１３、１６は膜−電極アッセンブリ１２に圧着（熱圧着である場合を含む）されてもよく、その場合は、膜−電極アッセンブリ１２とそれに圧着された拡散層１３、１６は膜−電極−拡散層アッセンブリ１５（ＭＥＧＡ：Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer Assembly)を構成する。
【００１０】
セパレータ１８には、中央部に、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。
また、セパレータ１８には、外周部に、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールド３１、冷媒流路２６に冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールド２９が形成されている。
【００１１】
膜−電極アッセンブリ１２とセパレータ１８を重ねて単位燃料電池（「単セル」ともいう）１０を構成し、セルを１つ以上積層してモジュール１９とし、モジュール積層体（セル積層体ともいう）のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、エンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）に、ボルト・ナット２５により固定し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、燃料電池スタック２３を構成する。
【００１２】
流体流路２６、２７、２８、２９、３０、３１、３４をシールするために、ガス側のシール材３３および冷媒側のシール３２が設けられる。図示例では、ガス側シール材３３が接着剤からなり、冷媒側シール材３２がゴムガスケットからなる場合を示している。ただし、ガス側シール材３３も冷媒側シール材３２も、接着剤とゴムガスケットの何れから構成されてもよい。
【００１３】
各セル１９の、アノード側１４では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に電離する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１４】
一般に触媒層１４、１７（アノード触媒層はアノード電極１４と同じであるため符号を１４とし、カソード触媒層はカソード電極１７と同じであるため符号を１７とする）の平面形状は電解質膜１１の平面形状より一回り小さいため、ＭＥＡ１２のうち、膜１１のみからなる第１の部分（外周部）１２ａと、膜１１と触媒層１４、１７とからなる第２の部分１２ｂ（内周部、発電領域部）とは、厚さが互いに異なり、ＭＥＡ１２の第１の部分１２ａの厚さはＭＥＡ１２の第２の部分１２ｂの厚さより小である。このため、ＭＥＡ１２に拡散層１３、１６を圧着してＭＥＧＡ１５を製作した場合、従来は、図１０に示すように、触媒層１２（１５）の端縁に電解質膜１１と拡散層１３（１６）の間に空間１ができ、その近傍の拡散層の密度が局所的に薄くなって、空間または拡散層の密度が局所的に薄くなった部位に生成水、過酸化水素、ラジカルが溜まりやすくなり、膜１１の比較的早期の劣化につながるという問題があることは前述した通りである。
これを抑制するための、本発明の燃料電池１０と、燃料電池１０の製造方法は、以下の通りである。
【００１５】
〔燃料電池１０の生成水溜まり抑制のための実施例１〜３の共通構成〕
図４〜６に示すように、燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ１２が互いに厚みが異なる第１の部分１２ａと第２の部分１２ｂを有し第１の部分１２ａの厚みは第２の部分の厚み１２ｂより小であり、拡散層１３、１６は膜−電極アッセンブリ１２の第１の部分１２ａに接合（圧着）される第１の拡散層部分１３ａ、１６ａと膜−電極アッセンブリ１２の第２の部分１２ｂに接合される第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂとを有する。
第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度は第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度以上である。また、触媒層１４、１７の端縁に沿って、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａと膜１１との間に形成される空間２は、空間２に対応する従来の空間１に比べて小さいか、あるいは空間２が形成されていない。
膜−電極アッセンブリ１２の電極触媒層１４、１７は膜の一面に形成されたアノード触媒層１４と膜の他面に形成されたカソード触媒層１７を含み、カソード触媒層１７の縁がアノード触媒層１４の縁とセル面内方向において同じ位置に位置する。ただし、カソード触媒層１７の縁がアノード触媒層１４の縁よりセル面内において内側に位置していてもよい。
第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度を第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度以上とする構成は以下の実施例１〜３の何れかによる。
【００１６】
〔燃料電池１０の生成水溜まり抑制のための実施例１の構成〕
本発明の実施例１では、図４に示すように、拡散層１３、１６が膜−電極アッセンブリ１２にホットプレスされる際に拡散層１３、１６の外周部である第１の部分１３ａ、１６ａに拡散層１３、１６の内周部である第２の部分１３ｂ、１６ｂより高い面圧をかけることにより、拡散層１３、１６の第１の部分１３ａ、１６ａの圧縮率を拡散層１３、１６の第２の部分１３ｂ、１６ｂの圧縮率より上げ、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度を第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度以上とする。
【００１７】
〔燃料電池１０の生成水溜まり抑制のための実施例２の構成〕
本発明の実施例２では、図５に示すように、膜−電極−拡散層アッセンブリ１５が一対のセパレータ１８で挟まれる前の、第１の拡散層部分１３ａの密度と第２の拡散層部分１６ｂの密度が同じ状態では、第１の拡散層部分１３ａの厚みが第２の拡散層部分１６ｂの厚みより大とする。こうすることによって、膜−電極−拡散層アッセンブリ１５が一対のセパレータ１８で挟まれた後には、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａがセパレータ１８で圧縮されて、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度は第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度以上となる。
【００１８】
〔燃料電池１０の生成水溜まり抑制のための実施例３の構成〕
本発明の実施例３では、図６に示すように、セパレータ１８が膜−電極アッセンブリ１２の第１の部分１２ａに対応する第１のセパレータ部分１８ａと膜−電極アッセンブリ１２の第２の部分１２ｂに対応する第２のセパレータ部分１８ｂとを有し、第１のセパレータ部分１８ａは第２のセパレータ部分１８ｂよりも拡散層１３、１６側に突出している。こうすることによって、膜−電極−拡散層アッセンブリ１５が一対のセパレータ１８で挟まれた後には、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａがセパレータ１８の第１の部分１８ａで圧縮されて、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度は第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度以上となる。実施例１と実施例３の違いは、実施例３では、第１の拡散層部分１３ａの密度と第２の拡散層部分１６ｂの密度が同じ状態では、第１の拡散層部分１３ａの厚みが第２の拡散層部分１６ｂの厚みより大であるのに対し、実施例１では、第１の拡散層部分１３ａの密度と第２の拡散層部分１６ｂの密度が同じ状態では、第１の拡散層部分１３ａの厚みと第２の拡散層部分１６ｂの厚みとが同じであってもよく、ホットプレスの際に拡散層１３、１６の第１の部分１３ａ、１６ａの面圧を上げて圧縮率を高くした点である。
【００１９】
〔燃料電池１０の実施例１〜３の共通構成による作用・効果〕
第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度が第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度より高いので、触媒層１２、１５端縁の第１の拡散層部分１３ａ、１６ａに生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質（過酸化水素、ラジカル）も溜まりにくく、電解質膜１１の耐久性が向上する。
【００２０】
〔燃料電池１０の実施例１の構成による作用・効果〕
本発明の実施例１の燃料電池では、拡散層１３、１６が膜−電極アッセンブリ１２にホットプレスされる際に、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａが第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂより高い面圧で圧縮され圧縮率が上げられているので、触媒層端縁の空間２が小さくなるとともに第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度が高くなり、触媒層端縁の空間２および触媒層端縁の第１の拡散層部分１３ａ、１６ａに生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質（過酸化水素、およびそれと共存するラジカル）も溜まりにくく、膜１１の耐久性が向上する。
【００２１】
〔燃料電池１０の実施例２の構成による作用・効果〕
本発明の実施例２の燃料電池では、膜−電極−拡散層アッセンブリ１５が一対のセパレータ１８で挟まれる前の、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度と第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度が同じ状態では、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの厚みが第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの厚みより大とされた場合は、膜−電極−拡散層アッセンブリ１５が一対のセパレータ１８で挟まれた際に、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの厚みが圧縮される。その結果、触媒層１４、１７端縁の空間２が小さくなるとともに、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度が高くなり、触媒層端縁の空間２および触媒層端縁の第１の拡散層部分１３ａ、１６ａに生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜１１の耐久性が向上する。
【００２２】
〔燃料電池１０の実施例３の構成による作用・効果〕
本発明の実施例２の燃料電池では、第１のセパレータ部分１８ａが第２のセパレータ部分１８ｂよりも拡散層１３、１６側に突出しているので、一対のセパレータ１８で挟まれた際に、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの厚みが縮小され、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａが圧縮される。その結果、触媒層端縁の空間２が小さくなる（あるいは、なくなる）とともに第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度が高くなり、触媒層端縁の空間２および触媒層端縁の第１の拡散層部分１３ａ、１６ａに生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質（過酸化水素、およびそれと共存するラジカル）も空間２または第１の拡散層部分１３ａ、１６ａに溜まりにくく、膜１１の耐久性が向上する。
【００２３】
〔燃料電池１０の製造方法の生成水溜まり抑制のための実施例１〜３の共通構成〕
本発明の燃料電池１０の製造方法は、膜−電極アッセンブリ１２は互いに厚みが異なる第１の部分１２ａと第２の部分１２ｂを有し第１の部分１２ａの厚みは第２の部分１２ｂの厚みより小である膜−電極アッセンブリ１２に、膜−電極アッセンブリの第１の部分に圧着される第１の拡散層部分１３ａ、１６ａと膜−電極アッセンブリの第２の部分１２ｂに接合される第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂとを有する拡散層１３、１６を接合して膜−電極−拡散層アッセンブリ１５を形成する工程を有する燃料電池の製造方法であって、膜−電極アッセンブリ１２の厚みに応じて異なる条件にて拡散層１３、１６を膜−電極アッセンブリ１２に圧着する方法からなる。
第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度は第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度以上である。また、触媒層１４、１７の端縁に沿って、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａと膜１１との間に形成される空間２は、空間２に対応する従来の空間１に比べて小さいか、あるいは空間２が形成されていない。
【００２４】
膜−電極アッセンブリ１２の第１の部分１２ａは膜１１のみからなる部分であり、膜−電極アッセンブリ１２の第２の部分１２ｂは膜１１と電極触媒層１４、１７を含む部分である。
膜−電極アッセンブリ１２の電極触媒層１４、１７は膜の一面に形成されたアノード触媒層１４と膜の他面に形成されたカソード触媒層１７を含み、カソード触媒層１７の縁がアノード触媒層１４の縁とセル面内方向において同じ位置に位置する。ただし、カソード触媒層１７の縁がアノード触媒層１４の縁よりセル面内において内側に位置していてもよい。
膜−電極アッセンブリ１２の厚みに応じて異なる条件にて拡散層１３、１６を膜−電極アッセンブリ１２に圧着する方法は以下の方法の実施例１〜３の何れかによる。
【００２５】
〔燃料電池１０の製造方法の、生成水溜まり抑制のための実施例１の構成〕
本発明の製造方法の実施例１は第１、第２、第３の方法を含む。
本発明の製造方法の実施例１の第１の方法では、図１に示すように、膜−電極アッセンブリ１２の厚みに応じて異なる条件が圧力であり、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂより高い圧力にて膜−電極アッセンブリ１２に圧着する。図１では、同一工程内で、プレス機５０の、触媒端部を接合する部位の高さを変更する。プレス機５０の、膜−電極アッセンブリ１２の第１の部分１２ａを押す第１の部分５０ａと、膜−電極アッセンブリ１２の第２の部分１２ｂを押す第２の部分５０ｂとの高さを変え、第１の部分５０ａが第２の部分５０ｂより膜−電極アッセンブリ１２側に突出するようにする。このプレス機５０を用いてプレスすることにより、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度を第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度以上にする。
【００２６】
本発明の製造方法の実施例１の第２の方法では、図２に示すように、膜−電極アッセンブリ１２の厚みに応じて異なる条件が温度であり、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂより高い温度にて膜−電極アッセンブリ１２に圧着する。たとえば、プレス機５０の第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂを押す部分５０ｂの温度が１００℃とすると、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを押す部分５０ａの温度が、それより所定温度（たとえば、２０℃）以上高くされて、１２０℃以上といった具合である。このプレス機５０を用いてプレスすることにより、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度を第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度以上にする。
温度と圧力を同時にかけてもよい。すなわち、本発明の実施例１の第１の方法と第２の方法とを同時に実行してもよい。
【００２７】
本発明の製造方法の実施例１の第３の方法では、図３に示すように、膜−電極アッセンブリ１２の厚みに応じて異なる条件が時間であり、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂより長時間膜−電極アッセンブリ１２に圧着する。
長時間の圧着は再プレスの時間を含んでもよい。図３は、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂを一体型で押圧した後、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａのみを再プレス型５０ａで再プレスする場合を示している。第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂより長時間膜−電極アッセンブリ１２に圧着することにより、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度を第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度以上にする。
【００２８】
本発明の製造方法の実施例１の第４の方法では、図６に示すように、膜−電極アッセンブリ１２の厚みに応じて異なる条件が拡散層の材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量であり、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量をを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量より増やして拡散層１３、１６を膜−電極アッセンブリ１２にプレス機にて圧着する。プレスによる圧着後は、一対のセパレータ１８で挟む前の段階で、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａと第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの厚さが同じで、かつ、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度が第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度以上となる。
本発明の製造方法の実施例１の第４の方法と本発明の方法の実施例３との違いは、実施例３ではＭＥＧＡの段階で第１の部分と第２の部分とが異なり、セパレータで挟まれてスタックの荷重がかかることにより第１の部分と第２の部分とが同じ厚さになるのに対し、本発明の製造方法の実施例１の第４の方法では、ＭＥＧＡの段階では第１の部分と第２の部分とが同じ厚さであり、プレス機でプレスされて第１の部分と第２の部分とが同じ厚さになることである。
【００２９】
〔燃料電池１０の製造方法の、生成水溜まり抑制のための実施例２の構成〕
本発明の実施例２の製造方法は、図５に示すように、膜−電極−拡散層アッセンブリ１５を形成する工程と、膜−電極アッセンブリの第１の部分に対応する第１のセパレータ部分１８ａと膜−電極アッセンブリの第２の部分に対応する第２のセパレータ部分１８ｂとを有する一対のセパレータ１８にて膜−電極−拡散層アッセンブリ１５を挟んでセル１０を形成する工程と、を有する燃料電池の製造方法であって、セパレータ１８の第１のセパレータ部分１８ａを第２のセパレータ部分１８ｂよりも拡散層１３、１６側に突出させておくことにより、一対のセパレータ１８で膜−電極−拡散層アッセンブリ１５を挟んだ時に第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂより強く圧縮して第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度を第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度以上とする方法からなる。実施例２ではセパレータ１８にリブ（第１のセパレータ部分１８ａで拡散層１３、１６側に突出させた部分）を形成しておいてリブで第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを強く圧縮する。
【００３０】
〔燃料電池１０の製造方法の、生成水溜まり抑制のための実施例３の構成〕
本発明の実施例３の製造方法は、図６に示すように、膜−電極−拡散層アッセンブリ１５を形成する工程と、一対のセパレータ１８にて膜−電極−拡散層アッセンブリ１５を挟んでセル１０を形成する工程と、を有する燃料電池の製造方法であって、一対のセパレータ１８で膜−電極−拡散層アッセンブリ１５を挟む前は第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの厚みを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの厚みより大にしておくことにより、一対のセパレータ１８で膜−電極−拡散層アッセンブリ１５を挟んだ時に第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂより強く圧縮して第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度を第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度以上とする方法からなる。本発明の実施例３の製造方法では、一対のセパレータ１８で膜−電極−拡散層アッセンブリ１５を挟み、セル１０を積層してスタック化する時にスタック締結荷重をかけて第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂより強く圧縮する（プレス機で第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを圧縮するのではない）。
【００３１】
〔燃料電池１０の製造方法の実施例１〜３に共通の作用・効果〕
本発明の燃料電池の製造方法では、膜−電極アッセンブリ１２の厚みに応じて異なる条件にて拡散層１３、１６を膜−電極アッセンブリ１２に圧着するので、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの圧着条件を第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの圧着条件より厳しくすることにより、触媒層１４、１７端縁の空間２を小さくするか、または、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度を高くすることができる。その結果、触媒層端縁の第１の拡散層部分１３ａ、１６ａに生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜１１の耐久性が向上する。
【００３２】
〔燃料電池１０の製造方法の実施例１の作用・効果〕
本発明の実施例１の第１の方法では、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂより高い圧力にて膜−電極アッセンブリ１２に圧着するので、触媒層１４、１７の端縁の空間２を小さくするか、または、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度を高くすることができる。その結果、触媒層端縁の第１の拡散層部分１３ａ、１６ａに生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜１１の耐久性が向上する。
【００３３】
本発明の実施例１の第２の方法では、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂより高い温度にて膜−電極アッセンブリ１２に圧着するので、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａをそのほとんど全域で膜１１に密着させるとともに溶着でき、触媒層１４、１７の端縁の空間２を小さくすることができる。その結果、触媒層端縁の空間に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜１１の耐久性が向上する。第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂを高温で圧着しないため、膜１１の変質と発電性能低下は発生しない。
【００３４】
本発明の実施例１の第３の方法では、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂより長時間、膜−電極アッセンブリ１２に圧着するので、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａをそのほとんど全域で膜１１に密着させるとともに溶着でき、触媒層端縁の空間２を小さくすることができる。その結果、触媒層端縁の空間２に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。
【００３５】
本発明の実施例１の第３の方法における、長時間は再プレスの時間を含み、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを条件を変えて再プレスすることにより、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａをそのほとんど全域で膜１１に密着させるとともに溶着でき、触媒層端縁の空間２を小さくすることができる。その結果、触媒層端縁の空間２に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。発電領域に対応する第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂは長時間プレスせずガス拡散性、電極へのガス供給性を良好なままとする。
【００３６】
本発明の実施例１の第４の方法では、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量を第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量より増やして拡散層を膜−電極アッセンブリに圧着するので、第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度を第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度に比べて高くすることができる。その結果、触媒層端縁の第１の拡散層部分１３ａ、１６ａに生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜１１の耐久性が向上する。
【００３７】
〔燃料電池１０の製造方法の実施例２の作用・効果〕
本発明の実施例２の方法では、セパレータ１８の第１のセパレータ部分１８ａを第２のセパレータ部分１８ｂよりも拡散層１３、１６側に突出させておくので、一対のセパレータ１８で膜−電極−拡散層アッセンブリ１５を挟んでスタック締結荷重をかけた時に第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂより強く圧縮して第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度を第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度以上とするとともに、触媒層端縁の空間２を縮小することができる。その結果、触媒層端縁の第１の拡散層部分１３ａ、１６ａおよび空間２に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜１１の耐久性が向上する。
【００３８】
〔燃料電池１０の製造方法の実施例３の作用・効果〕
本発明の実施例３の方法では、一対のセパレータ１８で膜−電極−拡散層アッセンブリ１５を挟む前は第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの厚みを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの厚みより大にしておくので、セル化、スタック化時に、一対のセパレータ１８で膜−電極−拡散層アッセンブリ１５を挟んだ時に第１の拡散層部分１３ａ、１６ａを第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂより強く圧縮して第１の拡散層部分１３ａ、１６ａの密度を第２の拡散層部分１３ｂ、１６ｂの密度以上とするとともに、触媒層端縁の空間２を縮小することができる。その結果、触媒層端縁の第１の拡散層部分１３ａ、１６ａおよび空間２に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜１１の耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施例１の燃料電池の製造方法の第１の方法を実施している途中の膜−電極−拡散層アッセンブリとプレス機の一部の断面図である。
【図２】本発明の実施例１の燃料電池の製造方法の第２の方法を実施している途中の膜−電極−拡散層アッセンブリとプレス機の一部の断面図である。
【図３】本発明の実施例１の燃料電池の製造方法の第３の方法を実施している途中の膜−電極−拡散層アッセンブリとプレス機の斜視図である。
【図４】本発明の実施例１の燃料電池の膜−電極−拡散層アッセンブリとセパレータの正面図である。
【図５】本発明の実施例２の燃料電池の一部の断面図である。
【図６】本発明の実施例３の燃料電池の膜−電極−拡散層アッセンブリの一部の（セパレータで挟む前の）断面図である。
【図７】本発明の燃料電池のスタックの側面図である。
【図８】図７の一部の拡大断面図である。
【図９】図７のセルの正面図である。
【図１０】従来の燃料電池の一部の断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  燃料電池
１１  電解質膜
１２  膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）
１２ａ  第１の部分
１２ｂ  第２の部分
１３  拡散層
１３ａ  第１の拡散層部分
１３ｂ  第２の拡散層部分
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  膜−電極−拡散層アッセンブリ（ＭＥＧＡ）
１６  拡散層
１６ａ  第１の拡散層部分
１６ｂ  第２の拡散層部分
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１８ａ  第１のセパレータ部分
１８ｂ  第２のセパレータ部分
１９  モジュール
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  冷媒側シール材（たとえば、ゴムガスケット）
３３  ガス側シール材（たとえば、接着剤）
５０  プレス機
５０ａ  プレス機の第１の部分
５０ｂ  プレス機の第２の部分
【図１】
2006210027.tif 000003
【図２】
2006210027.tif 000004
【図３】
2006210027.tif 000005
【図４】
2006210027.tif 000006
【図５】
2006210027.tif 000007
【図６】
2006210027.tif 000008
【図７】
2006210027.tif 000009
【図８】
2006210027.tif 000010
【図９】
2006210027.tif 000011
【図１０】
2006210027.tif 000012