(57)【要約】【課題】単位セルの組み付け精度を低下させることなく、交換時期等を高精度に予測することが可能な燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０は、単位セル１２を複数個積層して構成される。複数個の単位セル１２のうち、積層方向の少なくとも一方の端部に配置される端部単位セル１２ａでは、電解質膜４６に接合された電極触媒層５２、５６と、ガス拡散層５４、５８とが未接合の状態で積層されている。一方、端部単位セル１２ａ以外の中央部単位セル１２ｂでは、電解質膜４６に接合された電極触媒層５２、５６と、ガス拡散層５４、５８とが接合された状態で積層されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持するように積層した電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されるセパレータとを有する単位セルを複数個積層して構成される燃料電池スタックであって、
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、前記電解質膜に接合された電極触媒層と、前記電極触媒層に臨むガス拡散層とを有し、
前記複数個の単位セルのうち、積層方向の少なくとも一方の端部に配置される端部単位セルは、前記電極触媒層と、前記ガス拡散層とが未接合の状態で積層され、
前記端部単位セル以外の単位セルは、前記電極触媒層と、前記ガス拡散層とが接合された状態で積層されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
前記端部単位セルのガス拡散層は、前記単位セルの積層締結時及び運転時にのみ荷重が加わることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、
前記端部単位セルの前記電極触媒層と前記ガス拡散層との剥離強度が０．１０Ｎ／ｍｍ2未満であり、
前記端部単位セル以外の単位セルの前記剥離強度が０．２０Ｎ／ｍｍ2以上であることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記ガス拡散層は、前記電極触媒層に臨む多孔質層を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ、電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体を有する単位セルを複数積層して構成される燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、通常、所望の発電力を得るために、単位セルを所定数だけ積層し、この積層方向両端にエンドプレートが設けられた状態で燃料電池スタックとして使用される。単位セルのそれぞれは、固体高分子膜からなる電解質膜の両側に電極触媒層が接合され、且つ該電極触媒層の各々に対して、ガス拡散層が接合された構成を有している。
【０００３】
このような燃料電池スタックについて、例えば、特許文献１には、他の単位セルに比して、端部単位セルの発電時の発熱量を大きくすることが提案されている。これによって、端部単位セルの温度上昇を促進し、燃料電池スタックの低温始動性を高めるとのことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９６２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、本発明者らの鋭意検討によれば、燃料電池スタックの端部単位セルについて、ガス拡散層の荷重履歴を解析することによって、燃料電池スタックの交換時期等を予測可能であることが分かった。
【０００６】
つまり、燃料電池スタックを構成する単位セル中のガス拡散層には、該燃料電池スタックの積層締結時や運転時等に荷重が加わる。ガス拡散層はカーボンペーパ等の基材を含んで構成されるため、加えられた荷重の大きさに応じて、表面抵抗率が変化する。すなわち、ガス拡散層の表面抵抗率を測定することで、ガス拡散層に加えられた荷重の履歴（以下、単に荷重履歴ともいう）を解析することができる。
【０００７】
荷重履歴は、燃料電池スタックの使用に伴って経時的に変化する。従って、燃料電池スタックのメンテナンス時等に端部単位セルを取り出して荷重履歴を解析することで、該燃料電池スタックの劣化の度合い等を解析することができる。この結果から、燃料電池スタックの交換時期を予測することが可能になる。
【０００８】
また、ガス拡散層の表面抵抗率を測定することで、ガス拡散層の面内荷重分布を求めることができる。この面内荷重分布を解析することで、燃料電池スタック内に水が滞留している場合や、単位セルを構成する部材の厚みが不均一である場合等の異常事態を確認可能であることが分かった。
【０００９】
しかしながら、特許文献１記載の燃料電池スタックでは、上記の通り、端部単位セルの発熱量を増大させることのみに着目し、荷重履歴や面内荷重分布を解析することについては何ら着目されていない。つまり、荷重履歴や面内荷重分布を解析するべくガス拡散層の表面抵抗率を測定するためには、端部単位セルを取り出して、電解質膜−電極触媒層接合体（ＣＣＭ）からガス拡散層を剥離する必要がある。しかしながら、特許文献１記載の端部単位セルでは、ＣＣＭ（主に電極触媒層）とガス拡散層とが強固に接合されている。従って、ＣＣＭとガス拡散層とを剥離する際に、ガス拡散層に過大な荷重が加わると、表面抵抗率の値が変化してしまう懸念がある。すなわち、この場合、表面抵抗率の値に、燃料電池スタックの使用に伴う荷重履歴以外の荷重や、燃料電池スタックの異常に起因する荷重とは異なる荷重が反映されてしまう。従って、ガス拡散層の表面抵抗率を測定し、荷重履歴や面内荷重分布を解析しても、燃料電池スタックの交換時期の予測や、燃料電池スタックの異常事態の確認を精度よく行うことが困難である。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、単位セルの組み付け精度を低下させることなく、交換時期の予測や異常事態の確認等を高精度に行うことが可能な燃料電池スタック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】
【００１１】
前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持するように積層した電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されるセパレータとを有する単位セルを複数個積層して構成される燃料電池スタックであって、前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、前記電解質膜に接合された電極触媒層と、前記電極触媒層に臨むガス拡散層とを有し、前記複数個の単位セルのうち、積層方向の少なくとも一方の端部に配置される端部単位セルは、前記電極触媒層と、前記ガス拡散層とが未接合の状態で積層され、前記端部単位セル以外の単位セル（中央部単位セル）は、前記電極触媒層と、前記ガス拡散層とが接合された状態で積層されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る燃料電池スタックでは、端部単位セルの電解質膜及び電極触媒層、すなわち、電解質膜−電極触媒層接合体（ＣＣＭ）と、ガス拡散層とが未接合のまま積層されている。このため、メンテナンス時等に端部単位セルを取り出して、該端部単位セル中のＣＣＭとガス拡散層とを容易に剥離することが可能である。すなわち、ＣＣＭとガス拡散層とを剥離する際に、ＣＣＭ及びガス拡散層に対して、損傷が生じるような力や、ガス拡散層の表面抵抗率が変化するような力が加わることを回避できる。従って、ガス拡散層の荷重履歴や面内荷重分布を解析することで、燃料電池スタックの劣化の度合いや異常事態を高精度に解析することができる。
【００１３】
また、端部単位セル以外の単位セル（以下、中央部単位セルともいう）では、ＣＣＭ（主に電極触媒層）とガス拡散層とが接合されている。このため、例えば、ＣＣＭとガス拡散層との位置ずれ等を抑制しつつ、単位セルを容易に積層して締結すること等ができる。
【００１４】
以上から、単位セルの組み付け精度を維持しつつ、燃料電池スタックの交換時期の予測や異常事態の確認等を高精度に行うことが可能になる。
【００１５】
ここで、燃料電池スタックを構成する単位セルの個数は、特に車載用である場合、典型的には１０個以上であり、一層好適には２０個以上である。また、端部単位セルとは、燃料電池スタックの積層方向における両側最端（最端部）に配設されるそれぞれ１個の単位セルに限定されるものではない。積層された単位セルの全個数の１〜２０％を端部単位セルとすることができる。
【００１６】
例えば、積層された単位セルの個数が２０個であるとき、最端部から４個目まで（両端部で計８個）の単位セルを端部単位セルとし、残余の１２個を中央部単位セルとするようにしてもよい。勿論、両端部それぞれにおける端部単位セルの個数を１〜３個（両端部で合計２〜６個）とすることも可能である。また、端部単位セルは、燃料電池スタックの積層方向における一端部側にのみ配設されてもよい。
【００１７】
前記端部単位セルのガス拡散層は、前記単位セルの積層締結時及び運転時にのみ荷重が加わることが好ましい。例えば、ＣＣＭとガス拡散層の圧着接合時や、積層した単位セルのプリプレス時に、ガス拡散層に過大な荷重が加わると、この荷重によって、表面抵抗率が変化してしまう懸念がある。すなわち、単位セルの積層時及び燃料電池スタックの運転時以外に加わる荷重が、荷重履歴に反映されてしまい、燃料電池スタックの交換時期等を精確に予測することが妨げられる懸念がある。
【００１８】
本発明に係る燃料電池スタックでは、ＣＣＭとガス拡散層とが未接合であるため、ガス拡散層に対して、上記の圧着接合時の荷重が加わることを回避できる。また、例えば、中央部単位セルのみ積層してプリプレスを行った状態で、端部単位セルを積層して締結することにより、該端部単位セルでは、プリプレス時の荷重が加わることを回避できる。その結果、端部単位セルのガス拡散層に対して、単位セルの積層時及び燃料電池スタックの運転時にのみ荷重が加わることとなる。このため、端部単位セルのガス拡散層の荷重履歴を解析することで、燃料電池スタックの劣化度合い等を高精度に解析して、該燃料電池スタックの交換時期を精度良く予測することが可能になる。また、端部単位セルのガス拡散層の面内荷重分布を解析することで、燃料電池スタックの異常事態についても高精度に確認することが可能になる。
【００１９】
中央部単位セルに比して、端部単位セルの方が電極触媒層とガス拡散層との剥離強度が小さいことが好ましい。具体的には、前記端部単位セルの剥離強度が０．１０Ｎ／ｍｍ2未満であり、前記端部単位セル以外の単位セルの前記剥離強度が０．２０Ｎ／ｍｍ2以上であることが好ましい。この場合、端部単位セルでは、ＣＣＭとガス拡散層とを剥離する際に、ガス拡散層に対して、表面抵抗率が変化するような力が加わることをより効果的に回避できる。一方、中央部単位セルでは、単位セルの積層締結時等にＣＣＭとガス拡散層とに位置ずれが生じることをより効果的に抑制できる。従って、端部単位セルのガス拡散層の荷重履歴及び面内荷重分布から燃料電池スタックの交換時期や異常事態を高精度に解析すること、及び単位セルを一層容易に積層締結して燃料電池スタックを得ることが可能になる。
【００２０】
前記ガス拡散層は、前記電極触媒層に臨む多孔質層を有することが好ましい。多孔質層を備えることによって、発電時に電解質膜を湿潤状態に維持しつつ、余剰の水を効果的に排出することができる。これにより、電解質膜に良好なプロトン伝導性を発現させること、及び反応ガスの拡散性を向上させることが可能となり、単位セルにおける発電反応を効果的に促進することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の燃料電池スタックでは、端部単位セルの電解質膜−電極触媒層接合体（ＣＣＭ）とガス拡散層とが未接合であり、且つ端部単位セル以外の単位セル（中央部単位セル）のＣＣＭとガス拡散層とが接合されている。このため、燃料電池スタックから端部単位セルを取り出して、ＣＣＭとガス拡散層とを剥離しても、ガス拡散層に対して、表面抵抗率が変化するような力が加わることを回避できる。従って、ガス拡散層の表面抵抗率を測定することで、燃料電池スタックの使用等に伴う荷重履歴や面内荷重分布を解析することができるため、該燃料電池スタックの劣化度合いや異常事態等を高精度に予測することができる。
【００２２】
また、中央部単位セルでは、ＣＣＭとガス拡散層との位置ずれが抑制されているため、容易に積層締結することができる。従って、単位セルの組み付け精度を維持しつつ、交換時期の予測や異常事態の確認等を高精度に行うことが可能な燃料電池スタックを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。
【図２】図１に示す燃料電池スタックの要部概略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る燃料電池スタックにつき好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
図１は、燃料電池スタック１０の斜視説明図であり、図２は、燃料電池スタック１０の要部概略縦断面図である。
【００２６】
燃料電池スタック１０は、例えば２０個以上の複数個の単位セル１２が矢印Ａ方向に積層される。図２に示すように、単位セル１２の積層方向両端には、ターミナルプレート１４、１４及び絶縁プレート１６、１６を介装してエンドプレート１８、１８が配置される。
【００２７】
なお、単位セル１２を積層する個数は、燃料電池スタック１０によって所望の発電力が得られるように設定することが可能である。すなわち、燃料電池スタック１０を、例えば、燃料電池車両に搭載する場合、該車両を駆動するために必要な発電力が得られる個数の単位セル１２を積層して、燃料電池スタック１０を構成することができる。
【００２８】
ここで、複数個の単位セル１２のうち、積層方向の両端部に配置される単位セル１２を、端部単位セル１２ａとする。また、積層方向の中央部に配置される単位セル１２、すなわち、端部単位セル１２ａ以外の単位セル１２を、中央部単位セル１２ｂとする。
【００２９】
また、図１に示すように、燃料電池スタック１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸素含有ガス等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２０、純水やエチレングリコール等の冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２、水素含有ガス等の燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４が設けられる。
【００３０】
また、燃料電池スタック１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２６、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２８、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０が設けられる。
【００３１】
エンドプレート１８、１８は、積層した単位セル１２の両端を挟持した状態で、例えば、複数のタイロッド３２により積層方向に締め付けられる。これによって、単位セル１２に積層締結時の荷重が加わる。なお、タイロッド３２の先端側に配置されるエンドプレート１８には、タイロッド３２の雄ねじと螺合するねじ孔（図示せず）が形成されている。あるいは、エンドプレート１８に、前記ねじ孔に代えて貫通孔を形成し、タイロッド３２の先端にナット（図示せず）を螺合してもよい。
【００３２】
また、エンドプレート１８、１８間にプレート（図示せず）を介装して前記エンドプレート１８、１８間の距離を調整することにより、締め付け荷重を付与してもよい。さらに、エンドプレート１８と絶縁プレート１６との間に、皿ばね（図示せず）を介装して荷重を加えてもよい。
【００３３】
図２に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体３４と、アノード側セパレータ３６と、カソード側セパレータ３８とが、例えば、立位姿勢で積層されて構成される。なお、単位セル１２中、端部単位セル１２ａと中央部単位セル１２ｂとでは、基本的には同様の構成要素からなるため、以下、各構成要素につき具体的に説明する。
【００３４】
アノード側セパレータ３６及びカソード側セパレータ３８としては、例えば、カーボンセパレータが使用されるが、これに代えて金属セパレータを用いてもよい。
【００３５】
アノード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３４に臨む面には、燃料ガス入口連通孔２６と、燃料ガス出口連通孔２４とに連通する燃料ガス流路４０が、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在して設けられる。
【００３６】
同様に、カソード側セパレータ３８の電解質膜・電極構造体３４に臨む面には、酸化剤ガス入口連通孔２０と、酸化剤ガス出口連通孔３０とに連通する酸化剤ガス流路４２が水平方向に延在して設けられる。
【００３７】
単位セル１２を複数個積層した際にアノード側セパレータ３６とカソード側セパレータ３８とが互いに対向する面同士の間には、冷却媒体入口連通孔２２と、冷却媒体出口連通孔２８とに連通する冷却媒体流路４４が一体的に形成されている。
【００３８】
電解質膜・電極構造体３４は、固体高分子膜からなる電解質膜４６と、該電解質膜４６を挟持するアノード電極４８及びカソード電極５０とを備える。電解質膜４６の外形寸法（表面積）は、アノード電極４８及びカソード電極５０の外形寸法よりも大きく設定される。これによって、アノード電極４８及びカソード電極５０の一方の電極に供給された反応ガスが他方の電極に移動することを防止できる。また、後述するシール部材６８、７０、７２によって、電解質膜・電極構造体３４からその外部へ反応ガスが漏れること（アウトリーク）を防止できる。
【００３９】
電解質膜４６は、例えば、陽イオン交換樹脂に属してプロトン伝導性を備えるポリマーを、フィルム状に形成したものを用いることができる。陽イオン交換樹脂としては、例えば、ポリスチレンスルホン酸等のビニル系ポリマーのスルホン化物や、パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー、パーフルオロアルキルカルボン酸ポリマー、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン等の耐熱性高分子にスルホン酸基又はリン酸基を導入したポリマーや、フェニレン連鎖からなる芳香族化合物を重合して得られる剛直ポリフェニレンを主成分として、これにスルホン酸基を導入したポリマー等が挙げられる。
【００４０】
アノード電極４８は、アノード電極触媒層５２と、アノードガス拡散層５４とを有している。一方、カソード電極５０は、カソード電極触媒層５６と、カソードガス拡散層５８とを有している。
【００４１】
アノード電極触媒層５２及びカソード電極触媒層５６の各々は、電解質膜４６と接合されている。すなわち、電解質膜４６、アノード電極触媒層５２、カソード電極触媒層５６によって、電解質膜−電極触媒層接合体（ＣＣＭ）を形成している。
【００４２】
アノード電極触媒層５２及びカソード電極触媒層５６は、触媒金属を担持した炭素粒子（触媒粒子）を含んで構成されている。炭素粒子としては、カーボンブラックを用いることができるが、この他にも、例えば、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバーやカーボンナノチューブ等の炭素化合物を採用することができる。一方、触媒金属としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属を単独で又は２種以上組み合わせて使用することができる。
【００４３】
なお、アノード電極触媒層５２及びカソード電極触媒層５６のそれぞれは、組成の異なる２層以上の触媒層から構成されていてもよく、互いの外形寸法が異なっていてもよい。また、アノード電極触媒層５２及びカソード電極触媒層５６は、電解質膜４６に接合して設けられ、外形寸法が該電解質膜４６に比して小さく設定される。
【００４４】
アノードガス拡散層５４は、基材６０と、多孔質層６２とが積層されて構成されている。また、カソードガス拡散層５８は、基材６４と、多孔質層６６とが積層されて構成されている。
【００４５】
基材６０、６４は、例えば、多数の繊維状カーボンがセルロース質に含有されることで構成されたカーボンペーパを含んで構成される。具体的には、基材６０、６４は、上記のカーボンペーパに、例えば、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）等からなる撥水性樹脂を含有させた構成としてもよい。
【００４６】
多孔質層６２、６６は、電子伝導性物質と撥水性樹脂とを含む多孔質性の層であり、該電子伝導性物質に基づいて導電性を示す。この電子伝導性物質の好適な例としては、ファーネスブラック（ケチェン・ブラック・インターナショナル社製「ケチェンブラックＥＣ」及び「ケチェンブラックＥＣＰ６００ＪＤ」、Ｃａｂｏｔ社製「バルカンＸＣ−７２」、東海カーボン社製「トーカブラック」、旭カーボン社製「旭ＡＸ」等；いずれも商品名）、アセチレンブラック（電気化学工業社製「デンカブラック」等；商品名）、グラッシーカーボンの粉砕品、気相法炭素繊維（昭和電工社製「ＶＧＣＦ」及び「ＶＧＣＦ−Ｈ」等；いずれも商品名）、カーボンナノチューブ、及びこれらを黒鉛化処理した粉末を単独又は２種以上混合したものが挙げられる。
【００４７】
一方の撥水性樹脂の素材としては、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＦ（ポリフッ化ビニル）、ＥＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰをはじめとする結晶性フッ素樹脂や、旭硝子社製の「ルミフロン」及び「サイトップ」（いずれも商品名）等の非晶質フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ポリエチレン樹脂及びポリプロピレン樹脂等が例示され、これらを単独で又は２種以上組み合わせて使用することができる。
【００４８】
多孔質層６２、６６の外形寸法は、基材６０、６４の外形寸法と略同等に設定されている。アノードガス拡散層５４の外形寸法は、アノード電極触媒層５２に比して大きく設定され、カソードガス拡散層５８の外形寸法は、カソード電極触媒層５６に比して大きく設定されている。
【００４９】
すなわち、アノード電極触媒層５２及びカソード電極触媒層５６は、上記の通り、電解質膜４６及びアノードガス拡散層５４及びカソードガス拡散層５８に比して外形寸法が小さく設定される。このため、電解質膜４６の外周縁部は、アノード電極触媒層５２及びカソード電極触媒層５６の外周から外部に露呈する。この電解質膜４６の露呈する部位を、以下、露呈部位ともいう。
【００５０】
また、アノード電極触媒層５２及びカソード電極触媒層５６は、電解質膜４６を介して積層される際、互いの外周端部の位置が一致しないように配置される。これによって、電解質膜４６に対して、アノード電極触媒層５２及びカソード電極触媒層５６の外周端部による応力が集中することを防止できる。その結果、電解質膜４６の物理的な変形や損傷を効果的に防止することができる。
【００５１】
電解質膜・電極構造体３４では、電解質膜４６の露呈部位の一方側の面及びアノード電極触媒層５２に対して、アノードガス拡散層５４の多孔質層６２が接触している。また、上記の露呈部位の他方側の面及びカソード電極触媒層５６に対して、アノードガス拡散層５４の多孔質層６６が接触している。
【００５２】
さらに、上記の露呈部位のうち、アノードガス拡散層５４及びカソードガス拡散層５８の外周から外部に露呈する部位の一方側（アノード側セパレータ３６に臨む側）の面には、額縁形状をなすシール部材６８が当接するように設けられる。同様に、前記露呈する部位の他方側（カソード側セパレータ３８に望む側）の面には、額縁形状をなすシール部材７０が当接するように設けられる。
【００５３】
シール部材６８、７０は、ガス不透過性を有し、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）製の略平坦なフィルム等で構成される。また、シール部材６８の厚さとアノードガス拡散層５４の厚さは略同等であるため、シール部材６８及びアノードガス拡散層５４の面同士が面一の状態で、アノード側セパレータ３６に当接している。同様に、シール部材７０及びカソードガス拡散層５８の面同士が面一の状態で、カソード側セパレータ３８に当接している。
【００５４】
このように、シール部材６８、７０を設けることによって、アノード電極４８とカソード電極５０との間で反応ガスが移動して混在してしまうことや、アウトリークが起こることを効果的に回避できる。
【００５５】
アノード側セパレータ３６及びカソード側セパレータ３８には、それぞれ、アノードガス拡散層５４及びカソードガス拡散層５８の縁部を囲繞するようにしてシール部材７２、７２が設けられている。これによって、アウトリークが有効に防止されている。
【００５６】
以上の通り、アノード側セパレータ３６とカソード側セパレータ３８で電解質膜・電極構造体３４を挟持することにより、単位セル１２が構成される。この単位セル１２中、端部単位セル１２ａでは、アノードガス拡散層５４及びカソードガス拡散層５８の少なくともいずれか一方と、ＣＣＭとが接合工程を経ずに単に積層されるのみで構成されている。一方で、中央部単位セル１２ｂでは、アノードガス拡散層５４及びカソードガス拡散層５８の各々がＣＣＭと熱圧着等により接合されて構成されている。
【００５７】
ここで、端部単位セル１２ａの電解質膜・電極構造体３４を作製する方法について、具体的に説明する。なお、以降の説明では、アノード電極触媒層５２とカソード電極触媒層５６とを特に区別しないとき、これらを総称して電極触媒層ともいう。アノードガス拡散層５４とカソードガス拡散層５８とについて同様にガス拡散層ともいう。
【００５８】
電解質膜・電極構造体３４を作製するに際しては、はじめに、前述した陽イオン交換樹脂に属してプロトン伝導性を備えるポリマーから選択したポリマーを長方形のシート形状として電解質膜４６を作製する。
【００５９】
そして、この電解質膜４６の一方の面にアノード電極触媒層５２を形成し、且つ他方の面にカソード電極触媒層５６を形成する。具体的には、先ず、前記触媒粒子と、アイオノマー溶液とを混合することにより触媒ペーストを調製する。
【００６０】
次に、この触媒ペーストを、ＰＴＦＥ等から形成したフィルムの一方の面上に所定量塗布する。そして、前記フィルムにおける触媒ペーストを塗布した面を電解質膜４６の一方の面に対して熱圧着する。その後、フィルムを剥離すれば、触媒ペーストが電解質膜４６の一方の面に転写される。これによって、アノード電極触媒層５２を形成することができる。また、電解質膜４６の他方の面に対しても同様にして前記触媒ペーストを転写することで、カソード電極触媒層５６を形成することができる。すなわち、電解質膜４６と電極触媒層の接合体（ＣＣＭ）を形成することができる。
【００６１】
これとは別に、基材６０上に多孔質層６２を形成してアノードガス拡散層５４を得るとともに、基材６４上に多孔質層６６を形成してカソードガス拡散層５８を得る。
【００６２】
具体的には、例えば、前記電子伝導性物質と、前記撥水性樹脂とを、エタノール、プロパノール、エチレングリコール等の有機溶媒中で混合することにより多孔質層用ペーストを調製する。そして、この多孔質層用ペーストの所定量を、基材６０上に塗布した後、熱処理することで多孔質層６２を形成する。これによって、アノードガス拡散層５４を得ることができる。
【００６３】
同様に、前記多孔質層用ペーストの所定量を、基材６４上に塗布した後、熱処理することで多孔質層６６を形成する。これによって、カソードガス拡散層５８を得ることができる。なお、多孔質層６２、６６は、互いに異なるように調整された多孔質層用ペーストから形成されることで、互いに異なる特性を有していてもよい。
【００６４】
ここで、例えば、基材６０、６４上に塗布する多孔質層用ペーストの塗布量や、該多孔質層用ペーストの有機溶媒に対する電子伝導性物質及び撥水性樹脂の濃度（固形分濃度）等を適宜調整することで、ガス拡散層の物性値を調整できる。
【００６５】
上記の作製方法に代えて、多孔質層６２、６６を、シート状成形体として得るようにしてもよい。この場合、有機溶媒に対する電子伝導性物質及び撥水性樹脂の濃度（固形分濃度）が高くなるように前記多孔質層用ペーストを調製した後、溶媒を抽出して延伸処理等を行うことによって、多孔質層６２、６６をシート状成形体として形成する。
【００６６】
そして、シート状成形体として得られた多孔質層６２、６６を、基材６０、６４の各々に積層する。この状態で、加圧及び加熱（ホットプレス）することにより、基材６０、６４と、多孔質層６２、６６とを熱圧着してガス拡散層を得ることができる。
【００６７】
このようにして得られたガス拡散層を、多孔質層６２、６６の各々がアノード電極触媒層５２、カソード電極触媒層５６に対向するように積層する。これによって、端部単位セル１２ａの電解質膜・電極構造体３４が得られるに至る。
【００６８】
すなわち、端部単位セル１２ａでは、ＣＣＭとガス拡散層との剥離強度が未接合であるため、たとえ、上記の積層締結時の荷重が加えられた後であっても、その剥離強度は極めて小さい。典型的な剥離強度は、０．１０Ｎ／ｍｍ2未満である。なお、ここでの剥離強度は、ＣＣＭとガス拡散層とを引張試験機にて引き離すのに要する力をＪＩＳ  Ｋ  ７１９４に準拠して１８０°ピール試験を行うことで算出された値である。
【００６９】
この場合、ガス拡散層の表面抵抗率が変化することを抑制しつつ、ＣＣＭとガス拡散層とを剥離することが可能になる。
【００７０】
中央部単位セル１２ｂの電解質膜・電極構造体３４を作製する場合、上記の端部単位セル１２ａと同様に、ＣＣＭと、ガス拡散層とを得る。そして、ガス拡散層を、多孔質層６２、６６の各々がアノード電極触媒層５２、カソード電極触媒層５６に対向するように積層して熱圧着等により接合（一体化）する。この際、上記した通り、多孔質層６２、６６が、ガス拡散層と電極触媒層の間に介在する。従って、ＣＣＭ及びガス拡散層に熱圧着による荷重が付加されても、ガス拡散層の繊維が電解質膜４６に突き刺さることを回避でき、電解質膜４６が物理的に変形することを抑制できる。
【００７１】
これによって、中央部単位セル１２ｂの電解質膜・電極構造体３４が得られるに至る。中央部単位セル１２ｂでは、ＣＣＭとガス拡散層との剥離強度が０．２０Ｎ／ｍｍ2以上となるように、該ＣＣＭとガス拡散層とを接合することが好ましい。この場合、複数個の中央部単位セル１２ｂを容易に積層することができ、燃料電池スタック１０の組み付け精度を維持することができる。
【００７２】
なお、互いに接合したＣＣＭとガス拡散層との剥離強度を測定する際には、先ず、接合部に１０μｍのすきまゲージを挿入することによって、剥離起点を形成する。この剥離起点について、ＣＣＭとガス拡散層とを引き離す（剥離する）のに要する力を上記の通り測定することで、剥離強度を求めることができる。
【００７３】
燃料電池スタック１０は、上記の通り積層した中央部単位セル１２ｂをプリプレスした状態で、その両端に端部単位セル１２ａを配置し、該端部単位セル１２ａをさらにエンドプレート１８、１８で挟持して構成することができる。この場合、プリプレス時の荷重は中央部単位セル１２ｂにのみ加えられ、該荷重が端部単位セル１２ａに加わることを回避できる。すなわち、端部単位セル１２ａのガス拡散層に、単位セル１２の積層締結時及び燃料電池スタック１０の運転時以外の荷重が加わることを回避できる。
【００７４】
燃料電池スタック１０を発電（運転）させるに際しては、酸化剤ガス入口連通孔２０に酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２６に燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２に冷却媒体が供給される。
【００７５】
冷却媒体入口連通孔２２に供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ３６及びカソード側セパレータ３８間に形成された冷却媒体流路４４に導入される。この冷却媒体流路４４では、冷却媒体が重力方向（図２中矢印Ｃ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３４の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔２８に排出される。
【００７６】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０からカソード側セパレータ３８の酸化剤ガス流路４２に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に流通し、電解質膜・電極構造体３４のカソード電極５０に沿って移動する。
【００７７】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２６からアノード側セパレータ３６の燃料ガス流路４０に導入される。この燃料ガス流路４０では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体３４のアノード電極４８に沿って移動する。
【００７８】
従って、電解質膜・電極構造体３４では、アノード電極４８に供給された燃料ガスがアノードガス拡散層５４を通過してアノード電極触媒層５２に到達する。また、カソード電極５０に供給された酸化剤ガスがカソードガス拡散層５８を通過してカソード電極触媒層５６に到達する。そして、アノード電極触媒層５２及びカソード電極触媒層５６内で、燃料ガス及び酸化剤ガス電気化学反応（電極反応）によりそれぞれ消費されることで、発電が行われる。
【００７９】
一層詳細には、燃料ガス中の水素ガスがアノード電極触媒層５２で電離し、プロトン（Ｈ+）と電子が生成される。この電子は、燃料電池スタック１０に電気的に接続された負荷（不図示）を付勢するための電気エネルギとして取り出され、一方、プロトンは、電解質膜・電極構造体３４を構成する電解質膜４６を介してカソード電極５０に到達する。なお、プロトンは、電解質膜４６に含まれる水を伴って、アノード電極４８側からカソード電極５０側へ移動する。
【００８０】
カソード電極５０のカソード電極触媒層５６では、前記プロトンと、外部負荷を付勢した後に該カソード電極５０に到達した電子と、酸化剤ガス中の酸素ガスとが結合し、水が生成される。以下、この水を生成水ともいう。
【００８１】
電解質膜・電極構造体３４においては、上記したように電解質膜４６と基材６０、６４との間に多孔質層６２、６６が介在している。この多孔質層６２、６６の存在により、上記の電極反応の最中、アノード電極４８及びカソード電極５０における保水性と排水性との均衡を適切に図ることができる。
【００８２】
すなわち、アノード電極４８においては燃料ガスに含まれる水蒸気、カソード電極５０においては生成水が、多孔質層６２、６６を過剰に透過することや、多孔質層６２、６６によって過剰に堰止されることを回避できる。従って、電解質膜４６を湿潤状態に保つための保水性が十分となり、なお且つ反応ガスを迅速に拡散させるための排水性も十分となる。このため、電解質膜４６においてプロトン伝導が容易に進行するとともに、アノード電極４８及びカソード電極５０においてフラッディングが生じることが回避されて反応ガスが容易に拡散する。その結果、電解質膜４６に良好なプロトン伝導性を発現させることができるとともに、反応ガスの拡散性を向上させて発電反応を促すことができる。
【００８３】
以上のように発電を行い、燃料電池スタック１０を運転する際、端部単位セル１２ａのガス拡散層に荷重が加わる場合がある。この荷重の大きさによってガス拡散層の表面抵抗率が変化するため、該表面抵抗率を測定することで、ガス拡散層の荷重履歴を解析することができる。
【００８４】
また、ガス拡散層の表面抵抗率から求められる面内荷重分布は、燃料電池スタック１０内に水が滞留することや、単位セル１２を構成する部材の厚みが不均一であること等に起因して変化する。従って、ガス拡散層の面内荷重分布を解析することで、燃料電池スタック１０の異常事態を確認することができる。
【００８５】
例えば、エンドプレート１８、１８に対するタイロッド３２の螺合を解いて、単位セル１２の積層方向両端に配置された端部単位セル１２ａの少なくともいずれか一方を取り出す。そして、取り出した端部単位セル１２ａ中、アノードガス拡散層５４及びカソードガス拡散層５８の少なくともいずれか一方について、ＣＣＭとガス拡散層とを剥離する。
【００８６】
この際、上記の通り、端部単位セル１２ａのＣＣＭとガス拡散層は未接合であるため、ガス拡散層に対して、表面抵抗率が変化するような大きさの荷重が加わることを回避できる。従って、ＣＣＭから剥離したガス拡散層についての表面抵抗率は、上記の積層締結時及び運転時に加えられた荷重を反映する値となっている。すなわち、この表面抵抗率から荷重履歴を解析することで、燃料電池スタック１０の劣化度合い等を精度良く解析して、該燃料電池スタック１０の交換時期等を高精度に予測することが可能になる。また、この表面抵抗率から面内荷重分布を解析することで、燃料電池スタック１０の異常事態等を高精度に確認することが可能になる。
【００８７】
ここで、表面抵抗率は、例えば、ＪＩＳ  Ｋ  ７１９４に準拠した四探針法等によって求めることができる。具体的には、ガス拡散層に４本の針状の電極を直線上に置き、外側の二探針間に一定の電流を流す。そして、内側の二探針間に生じる電位差を測定し、抵抗値（Ｖ／Ｉ）を算出する。この抵抗値に抵抗率補正係数（ＲＣＦ）を乗ずることにより、表面抵抗率（Ω／□）を算出することができる。
【００８８】
なお、本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００８９】
例えば、上記の実施形態では、多孔質層６２、６６を有する電解質膜・電極構造体３４を例示しているが、特にこれに限定されるものではなく、多孔質層６２、６６を設けずにガス拡散層を構成してもよい。
【００９０】
また、多孔質層６２、６６のいずれか一方のみを設けるようにしてもよい。この場合、特に、電極反応によって生成水が生じるカソード電極５０側に多孔質層６６を設けることが好ましい。
【００９１】
また、上記の実施形態では、端部単位セル１２ａが燃料電池スタック１０の積層方向における両側最端（最端部）に配設されるそれぞれ１個の単位セル１２から構成されることとしたが、特にこれに限定されるものではない。端部単位セル１２ａの個数は、燃料電池スタック１０を構成する単位セル１２の全個数の１〜２０％の間で任意に設定することが可能である。また、端部単位セル１２ａは、燃料電池スタック１０の積層方向における一端部側にのみ配設されてもよい。
【実施例】
【００９２】
剥離強度の測定試料用として、ＣＣＭとガス拡散層とを未接合とした端部単位セルＡと、ＣＣＭとガス拡散層とを接合した中央部単位セルＢとを、以下の通り作製した。
【００９３】
［端部単位セルＡ］
（１）  ガス拡散層の基材として、嵩密度が０．３１ｇ／ｍ2、厚さが１９０μｍのカーボンペーパに、三井・デュポンフロロケミカル社製のテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）の分散液「ＦＥＰ  １２０−ＪＲＢ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ」（商品名）を含浸させ、１２０℃で３０分間乾燥させることで、撥水処理を行った。この際、カーボンペーパは、該カーボンペーパに対するＦＥＰの乾燥重量が、２．４重量％となるように分散液に含浸させた。
【００９４】
（２）  多孔質層用ペーストは、昭和電工社製の気相成長カーボン「ＶＧＣＦ」（商品名）を１２ｇと、三井・デュポンフロロケミカル社製のＦＥＰ分散液（固形分濃度５４％）「ＦＥＰ１２０ＪＲＢ」（商品名）を２０ｇと、エチレングリコールを２００ｇとをボールミルで撹拌して混合することにより調製した。
【００９５】
（３）  前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストをインクとして、多孔質層の厚みが７．４μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。そして、３８０℃で３０分間の熱処理を行うことによって多孔質層を形成し、ガス拡散層を得た。
【００９６】
（４）  触媒ペーストは、デュポン社製のイオン伝導性ポリマー溶液「ＤＥ２０２０ＣＳ」（商品名）に対し、ＢＡＳＦ社製の白金触媒「ＬＳＡ」（商品名）の重量比が０．１となるように添加し、さらに、ボールミルで撹拌して混合することにより調製した。
【００９７】
（５）  ＰＴＦＥシート上に、前記（４）で調製した触媒ペーストを白金の重量が０．４ｍｇ／ｃｍ2となるように塗布した後、１２０℃で６０分間の熱処理を行うことにより、カソード電極のカソード電極触媒層を電解質膜の一方の面に転写するためのシートを作製した。
【００９８】
（６）  ＰＴＦＥシート上に、前記（４）で調製した触媒ペーストを白金の重量が０．１ｍｇ／ｃｍ2となるように塗布した以外、前記（５）と同様にして、アノード電極のアノード電極触媒層を電解質膜の他方の面に転写するためのシートを作製した。
【００９９】
（７）  厚さ２４μｍ、イオン交換容量１．０５ｍｅｑ／ｇとしたフッ素系の電解質膜の一方の面に、前記（５）で作製したシートの触媒ペースト塗布側を、且つ前記電解質膜の他方の面に、前記（６）で作製したシートの触媒ペースト塗布側をそれぞれ熱圧着させた後、ＰＴＦＥシートを剥離した。すなわち、デカール法により、電解質膜の一方の面にアノード電極触媒層を、他方の面にカソード電極触媒層をそれぞれ形成した。
【０１００】
（８）前記（７）で作製した電解質膜に形成された各電極触媒層に、前記（３）で作製したガス拡散層の多孔質層を接合することなく積層した。以上の方法で、アノード電極及びカソード電極のそれぞれを同様に作製して、電解質膜・電極構造体を得た。
【０１０１】
（９）  前記（７）で作製した電解質膜・電極構造体をセパレータで挟持して、端部単位セルＡを作製した。
【０１０２】
［中央部単位セルＢ］
前記（８）の工程に代えて、前記（７）で作製した電解質膜に形成された各電極触媒層に、前記（３）で作製したガス拡散層の多孔質層を１２０℃で面圧１５ｋｇｆ／ｃｍ2の条件で熱圧着させた。それ以外は端部単位セルＡと同様にして、中央部単位セルＢを作製した。
【０１０３】
上記の端部単位セルＡ及び中央部単位セルＢについて、上記の方法で剥離強度を測定した。その結果、端部単位セルＡの剥離強度は、０．１０Ｎ／ｍｍ2を超えることはなかった。また、中央部単位セルＢの剥離強度は、０．３０〜１．００Ｎ／ｍｍ2の範囲内、すなわち、０．２０Ｎ／ｍｍ2以上であり、端部単位セルＡの剥離強度よりも大きくなった。
【０１０４】
また、上記のように剥離した端部単位セルＡ及び中央部単位セルＢの各々のガス拡散層について、三菱化学アナリテック社製の低抵抗自動システム「ＭＣＰ−Ｓ５２１」を用いて表面抵抗率を測定した。具体的には、ガス拡散層の表面に対して、１ｃｍ間隔の格子状に設けた複数の測定点の表面抵抗率を測定した。
【０１０５】
その結果、端部単位セルＡのガス拡散層では、上記の複数の測定点の表面抵抗率が全体的にほぼ一様な大きさとなり、最大値及び最小値がともに１．１Ω／□未満であった。これに対して、中央部単位セルＢのガス拡散層では、特にＣＣＭと剥離する際に荷重が加えられ易い外周端部の表面抵抗率が他の部分に比して大きくなり、最大値は１．３Ω／□以上であった。
【０１０６】
従って、端部単位セルＡでは、ＣＣＭとガス拡散層を剥離しても、該ガス拡散層の表面抵抗率を変化させるような大きさの荷重が加えられないことが分かった。すなわち、端部単位セルＡでは、表面抵抗率の値に、燃料電池スタックの使用に伴う荷重履歴以外の荷重や、燃料電池スタックの異常に起因する荷重とは異なる荷重が反映されることが抑制されている。これによって、ガス拡散層の表面抵抗率を測定し、荷重履歴や面内荷重分布を解析することで、燃料電池スタックの交換時期の予測や、燃料電池スタックの異常事態の確認を精度よく行うことが可能である。
【符号の説明】
【０１０７】
１０…燃料電池スタック              １２…単位セル
１２ａ…端部単位セル                １２ｂ…中央部単位セル
１４…ターミナルプレート            １６…絶縁プレート
１８…エンドプレート                ２０…酸化剤ガス入口連通孔
２２…冷却媒体入口連通孔            ２４…燃料ガス出口連通孔
２６…燃料ガス入口連通孔            ２８…冷却媒体出口連通孔
３０…酸化剤ガス出口連通孔          ３２…タイロッド
３４…電解質膜・電極構造体          ３６…アノード側セパレータ
３８…カソード側セパレータ          ４０…燃料ガス流路
４２…酸化剤ガス流路                ４４…冷却媒体流路
４６…電解質膜                      ４８…アノード電極
５０…カソード電極                  ５２…アノード電極触媒層
５４…アノードガス拡散層            ５６…カソード電極触媒層
５８…カソードガス拡散層            ６０、６４…基材
６２、６６…多孔質層                ６８、７０、７２…シール部材
【図１】
2015125928.tif 000003
【図２】
2015125928.tif 000004