(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の環状薄帯からなり、
前記環状薄帯は、芳香族ポリアミドまたはアルミニウムからなるガス難透過層と熱可塑性樹脂層とが積層されて構成され、
各環状薄帯が、前記の各熱可塑性樹脂層同士が対向されて配置され、かつ各環状薄帯の外周部における前記熱可塑性樹脂層同士が融着されていることを特徴とする燃料電池用の封止材。
【請求項２】
前記ガス難透過層の前記熱可塑性樹脂層側とは反対側に別の熱可塑性樹脂層が積層されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用の封止材。
【請求項３】
電解質膜と、前記電解質膜を狭持する一対の電極と、前記電解質膜の周縁部を囲む環状の封止材とを具備してなり、
前記環状の封止材は、前記電解質膜の周縁部をその厚み方向両側から挟む一対の環状薄帯から構成され、前記環状薄帯は、芳香族ポリアミドまたはアルミニウムからなるガス難透過層と、前記ガス難透過層に積層された熱可塑性樹脂層とから構成され、各環状薄帯は、前記の各熱可塑性樹脂層同士が対向されて配置され、
前記一対の環状薄帯の内周部によって前記電解質膜の周縁部が狭持されるとともに前記一対の環状薄帯の外周部における前記熱可塑性樹脂層同士が前記電解質膜の周縁部外側において相互に融着されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
前記ガス難透過層の前記熱可塑性樹脂層側とは反対側に別の熱可塑性樹脂層が積層されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
一方の前記環状薄帯の外周端が、他方の環状薄帯の外周端よりも外側に張り出されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記一対の電極の前記電解質層と反対側にガス流路付セパレータ板がそれぞれ配置され、前記の各ガス流路付セパレータ板には環状ガスケットがそれぞれ取り付けられ、前記環状ガスケットによって前記環状薄帯の前記外周部が狭持されていることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記熱可塑性樹脂層が、フッ素系の熱可塑性樹脂からなることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記別の熱可塑性樹脂層が、フッ素系の熱可塑性樹脂またはフッ素系ゴムからなることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
電解質膜の厚み方向両側に一対の電極を配置し、前記電解質膜の周縁部の厚み方向両側に一対の環状薄帯を重ねる準備工程と、前記電解質膜の周縁部の外側において前記の各環状薄帯の外周部同士を相互に融着して環状の封止材を形成する融着工程とから構成され、
前記一対の環状薄帯が、芳香族ポリアミドまたはアルミニウムからなるガス難透過層と、前記の各ガス難透過層にそれぞれ積層された熱可塑性樹脂層とからなり、
前記準備工程において各環状薄帯の各熱可塑性樹脂層を前記電解質膜側に向けて配置するとともに、前記融着工程において前記環状薄帯の前記外周側に位置する前記熱可塑性樹脂層同士を融着することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
前記融着工程後に、前記電解質膜の厚さ方向両側に、環状ガスケットを備えた一対のガス流路付セパレータ板をそれぞれ配置し、前記の各環状ガスケットによって前記環状薄帯の前記外周部を狭持するセパレータ板取付工程が備えられていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
前記熱可塑性樹脂層が、フッ素系の熱可塑性樹脂からなることを特徴とする請求項９または請求項１０のいずれかに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、燃料電池用の封止材、燃料電池及び燃料電池の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、酸素極に酸素ガスを、燃料極には水素ガスをそれぞれ導入し、水の生成反応である酸素と水素の酸化還元反応によって電気エネルギーを取り出すデバイスであり、電解質膜と酸素極と燃料極とからなる複数の単位発電素子が相互に接続されて構成されている。
【０００３】
このような燃料電池において発電効率を高めるには、単位発電素子内において、酸素ガスまたは水素ガスが反対側の極にリークしないように、電解質膜自体及び電解質膜の周縁部に配置される封止材のそれぞれのガス透過性を小さくする必要がある。
また、単位発電素子は通常、一対のセパレータ板に狭持されることによって単位発電素子同士が短絡しないように構成されているが、隣接する他の単位発電素子に対する酸素ガスまたは水素ガスのリークを防止する必要もある。
【０００４】
そこで従来から、フッ素ゴム類をセパレータ板のガスケットに用いた技術が提案されており、例えば特許文献１には、ガスケットの材質を改良して長寿命化を実現した燃料電池が開示されている。
また、特許文献２には、ガスケットの断面形状を改良した燃料電池のシール構造が提案されている。しかし、この特許文献２に記載されたシール構造を、高分子電解質膜を備えた燃料電池に適用しようとすると、特に電解質膜の強度が不十分な場合に電解質膜を一対のガスケットで挟むと電解質膜が破れるおそれがあり、ガスリークを完全に防止できない可能性がある。
更に、特許文献３には、額縁状のシールを複数枚積層して電解質膜の周囲に配置してガスリークを低減させる方法が開示されている。しかし、シール同士が一体に接合されていないと、シール同士の間に物理的な隙間が生じてガスリークが起きる可能性があり、長期的な安定性にも問題がある。また、シールが樹脂フィルム等から構成された場合であってシールの柔軟性が高い場合には、単位発電素子を製造する際のネジ等の締め付けによってシールに歪みが発生し、これによりガスリークが起きる可能性がある。
【特許文献１】特開２００４−５１７２８号公報
【特許文献２】特開２００５−１０８５６５号公報
【特許文献３】特開平５−４１２２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、単位発電素子内におけるガスリークと、単位発電素子自体のガスリークとを防止することが可能な燃料電池用の封止材及び燃料電池並びに燃料電池の製造方法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】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池用の封止材は、一対の環状薄帯からなり、前記環状薄帯は、芳香族ポリアミドまたはアルミニウムからなるガス難透過層と熱可塑性樹脂層とが積層されて構成され、各環状薄帯が、前記の各熱可塑性樹脂層同士が対向されて配置され、かつ各環状薄帯の外周部における前記熱可塑性樹脂層同士が融着されていることを特徴とする。
また本発明の燃料電池用の封止材においては、前記ガス難透過層の前記熱可塑性樹脂層側とは反対側に別の熱可塑性樹脂層が積層されていることが好ましい。
【０００７】
上記の構成によれば、封止材を構成する環状薄帯に芳香族ポリアミドまたはアルミニウムからなるガス難透過層が備えられているので、環状薄帯を透過しようとするガスリークを遮断することができ、特に燃料電池の単位発電素子内におけるガスリークを防止することができる。また、一対の環状薄帯の外周部が相互に融着されているので、環状薄帯同士の間を透過しようとするガスリークを防止することができ、特に燃料電池の単位発電素子自体のガスリークを防止することができる。
【０００８】
次に本発明の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜を狭持する一対の電極と、前記電解質膜の周縁部を囲む環状の封止材とを具備してなり、前記環状の封止材は、前記電解質膜の周縁部をその厚み方向両側から挟む一対の環状薄帯から構成され、前記環状薄帯は、芳香族ポリアミドまたはアルミニウムからなるガス難透過層と、前記ガス難透過層に積層された熱可塑性樹脂層とから構成され、各環状薄帯は、前記の各熱可塑性樹脂層同士が対向されて配置され、前記一対の環状薄帯の内周部によって前記電解質膜の周縁部が狭持されるとともに前記一対の環状薄帯の外周部における前記熱可塑性樹脂層同士が前記電解質膜の周縁部外側において相互に融着されていることを特徴とする。
また本発明の燃料電池においては、前記ガス難透過層の前記熱可塑性樹脂層側とは反対側に別の熱可塑性樹脂が積層されていることが好ましい。
更に本発明の燃料電池においては、一方の前記環状薄帯の外周端が、他方の環状薄帯の外周端よりも外側に張り出されていることが好ましい。
更にまた本発明の燃料電池においては、前記一対の電極の前記電解質層と反対側にガス流路付セパレータ板がそれぞれ配置され、前記の各ガス流路付セパレータ板には環状ガスケットがそれぞれ取り付けられ、前記環状ガスケットによって前記環状薄帯の前記外周部が狭持されていることが好ましい。
また本発明の燃料電池においては、前記熱可塑性樹脂層が、フッ素系の熱可塑性樹脂からなることが好ましい。
更に本発明の燃料電池においては、前記別の熱可塑性樹脂層が、フッ素系の熱可塑性樹脂またはフッ素系ゴムからなることが好ましい。
【０００９】
上記の構成によれば、封止材を構成する環状薄帯に芳香族ポリアミドまたはアルミニウムからなるガス難透過層が備えられているので、環状薄帯を透過して一方の電極側から他方の電極側にリークしようとするガスの流れを遮断することができ、燃料電池の単位発電素子内におけるガスリークを防止することができる。また、一対の環状薄帯の外周部が相互に融着されているので、環状薄帯同士の間を透過しようとするガスを遮断することができ、燃料電池の単位発電素子自体のガスリークを防止することができる。
また、電解質膜の周縁部が環状薄帯の内周部によって狭持され、更に環状薄帯の外周部が融着されているので、電解質膜からのガスのリークを完全に遮断できる。
【００１０】
次に本発明の燃料電池の製造方法は、電解質膜の周縁部の厚み方向両側に一対の環状薄帯を重ねる準備工程と、前記電解質膜の周縁部の外側において前記の各環状薄帯の外周部同士を相互に融着して環状の封止材を形成する融着工程とから構成され、前記一対の環状薄帯が、芳香族ポリアミドまたはアルミニウムからなるガス難透過層と、前記の各ガス難透過層にそれぞれ積層された熱可塑性樹脂層とからなり、前記準備工程において各環状薄帯の各熱可塑性樹脂層を前記電解質膜側に向けて配置するとともに、前記融着工程において前記環状薄帯の前記外周側に位置する前記熱可塑性樹脂層同士を融着することを特徴とする。
また本発明の燃料電池の製造方法においては、前記融着工程後に、前記電解質膜の厚さ方向両側に、環状ガスケットを備えた一対のガス流路付セパレータ板をそれぞれ配置し、前記の各環状ガスケットによって前記環状薄帯の前記外周部を狭持するセパレータ板取付工程が備えられていることが好ましい。
更に本発明の燃料電池の製造方法においては、前記熱可塑性樹脂層が、フッ素系の熱可塑性樹脂からなることが好ましい。
【００１１】
上記の構成によれば、電解質膜の周縁部に一対の環状薄帯を重ねてから、各環状薄帯の外周部を融着するので、環状薄帯の内周部によって電解質膜が狭持され、かつ環状薄帯の外周部が融着された燃料電池を製造できる。この燃料電池によれば、環状薄帯を透過して一方の電極側から他方の電極側にリークしようとするガスの流れを遮断することができ、燃料電池の単位発電素子内におけるガスリークを防止することができる。また、一対の環状薄帯の外周部を相互に融着することで、環状薄帯同士の間を透過しようとするガスを遮断することができ、燃料電池の単位発電素子自体のガスリークを防止できる。また、電解質膜の周縁部を環状薄帯の内周部によって狭持し、更に環状薄帯の外周部を融着することで、電解質膜からのガスのリークを完全に遮断できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、単位発電素子内におけるガスリークと、単位発電素子自体のガスリークとを防止することが可能な燃料電池用の封止材及び燃料電池並びに燃料電池の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。尚、本実施形態において参照する図は、本発明に係る燃料電池用の封止材及び燃料電池並びにその製造方法を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の封止材及び燃料電池の寸法関係とは異なる場合がある。
図１は本発明の実施形態の燃料電池の一例を示す平面模式図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’線に対応する断面模式図であり、図３は、図１の燃料電池の要部を示す拡大断面模式図である。なお、図１に示す平面模式図は、図２に示すガス流路付セパレータ板５、６を取り除いた状態での平面図である。
【００１４】
本実施形態の燃料電池１は、例えば作動温度８０℃〜３００℃、作動湿度が無加湿〜相対湿度５０％以下の作動条件で作動するものであって、図１及び図２に示す単位発電素子１ａ単独で構成されるか、または複数個の単位発電素子１aが直列若しくは並列に接続されて構成されている。本実施形態では、説明の便宜上、図１に示す単位圧電素子１ａの単独で構成された燃料電池について説明する。
図１及び図２に示すように、本実施形態の燃料電池１は、電解質膜２と、この電解質膜２を挟む一対の電極３、４と、各電極３、４の電解質膜と反対側にそれぞれ配置されたガス流路付セパレータ板５、６と、電解質膜２の周縁部２ａを囲むように配置された環状の封止材１０とから概略構成されている。
【００１５】
電解質膜２は、所謂プロトン伝導性電解質から構成される厚みが２０μｍ〜２００μｍの膜である。この電解質膜２は、一方の電極において生成されたプロトン（水素イオン）を他方の電極に伝導させるものである。電解質膜２を構成するプロトン伝導性電解質としては例えば、パーフルオロ型のフッ素系スルホン酸樹脂（作動温度８０〜１００℃程度）、ポリベンズイミダゾールまたはその誘導体からなる基材にリン酸を含浸させたリン酸電解質（作動温度１００〜３００℃程度）等を例示することができる。
【００１６】
次に電極３、４は、電解質側に配置された触媒層３ａ、４ａと、触媒層３ａ、４ａに積層されたガス拡散層３ｂ、４ｂとから構成されている。図２及び図３に示すように、ガス拡散層３ｂ、４ｂは、触媒層３ａ、４ａよりも一回り大きく形成されている。即ち、ガス拡散層３ｂ、４ｂの周縁部３ｂ１、４ｂ１が、触媒層３ａ、４ａの周縁部３ａ１、４ａ１よりも電極層３、４の厚み方向と直交する方向に突出されている。触媒層３ａ、４ａの厚みは１μｍ〜３００μｍの範囲が好ましく、１０μｍ〜２００μｍの範囲が好ましい。また、ガス拡散層３ｂ、４ｂの厚みは５０μｍ〜５００μｍの範囲が好ましく、１５０μｍ〜４００μｍの範囲が好ましい。
ガス拡散層３ｂ、４ｂは例えば、導電性の多孔質カーボンシート等から構成される。また、触媒層３ａ、４ａには例えば、電極触媒（触媒）と、この電極触媒を固化成形するための疎水性結着剤と、導電材とが含まれている。触媒層３ａ、４aを構成する触媒は、水素の酸化反応および酸素の還元反応を促進する金属であれば、特に限定されないが、例えば鉛、鉄、マンガン、コバルト、クロム、ガリウム、バナジウム、タングステン、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、白金、ロジウムまたはそれらの合金を挙げることができる。こうした金属または合金を活性炭に担持させることによって電極触媒を構成することができる。
【００１７】
また、触媒層３ａ、４ａを構成する疎水性結着剤には例えば、フッ素樹脂を用いることができる。フッ素樹脂の中でも融点が４００℃以下のものが好ましく、そのようなフッ素樹脂としてポリ四フッ化エチレン、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、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロエチレン共重合体、パーフルオロエチレン等といった疎水性および耐熱性に優れた樹脂を用いることができる。疎水性結着剤を添加することにより、発電反応に伴って生成した水によって触媒層３ａ、４ａが過剰に濡れるのを防止することができ、電極３、４内部における水素及び酸素の拡散阻害を防止することができる。
【００１８】
更に、触媒層３ａ、４ａを構成する導電材としては、電気伝導性物質であればどのようなものでもよく、各種金属や炭素材料などが挙げられる。たとえばアセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭および黒鉛等が挙げられ、これらは単独あるいは混合して使用される。
【００１９】
また触媒層３ａ、４ａには、疎水性結着剤に代えて、または疎水性結着剤とともに、電解質膜を構成するプロトン伝導性電解質を含有させても良い。プロトン伝導性電解質を添加することによって、触媒層３ａ、４ａにおけるプロトン伝導度を向上することができ、触媒層３ａ、４ａの内部抵抗を低減することができる。
【００２０】
このような電極３、４に対して、例えば電極３に水素ガスを供給し、電極４には酸素を含む空気を供給することにより、電極３が燃料極として機能し、電極４は酸素極として機能する。そして、燃料極３側で水素が酸化されてプロトンが生じ、このプロトンが電解質膜２を伝導して酸素極４に到達し、酸素極４においてプロトンと酸素が電気化学的に反応して水を生成するとともに、電気エネルギーを発生させる。
【００２１】
次に、ガス流路付セパレータ板５、６は、導電性を有する金属等から構成されており、各電極３、４にそれぞれ接合されている。ガス流路付セパレータ板５、６の電極３、４と対向する面には、ガス流路５ａ、６ａがそれぞれ設けられている。そして、ガス流路５ａを介して燃料極となる電極３に水素ガスが供給され、またガス流路６ａを介して酸素極となる電極４に酸素ガスが供給される。なお、水素ガスは、炭化水素若しくはアルコールの改質により発生された水素が供給されるものでも良く、また、酸素ガスは、空気に含まれる状態で供給されても良い。
また、ガス流路付セパレータ板５、６の電極３、４と対向する面には、環状のフッ素ゴム等からなるガスケット５ｂ、６ｂが備えられている。このガスケット５ｂ、６ｂは、封止材１０を構成する環状薄帯１１、１１の外周部１１ａ、１１ａに当接されており、環状薄帯１１の外周部１１ａはこのガスケット５ｂ、６ｂによって挟まれた状態になっている。
【００２２】
次に図１〜図３に示すように、封止材１０は、一対の環状薄帯１１、１１から構成されている。各環状薄帯１１は、芳香族ポリアミドまたはアルミニウムからなるガス難透過層１１ｃと熱可塑性樹脂層１１ｄとが積層されて構成されている。そして封止材１０は、一対の環状薄帯１１、１１が、それぞれの熱可塑性樹脂層１１ｄ、１１ｄ同士が対向するように配置されて構成されている。
【００２３】
また図２及び図３に示すように、封止材１０を構成する環状薄帯１１、１１によって電解質膜２の周縁部２ａがその厚み方向両側から挟まれて固定されている。より詳細に説明すると、一対の環状薄帯１１、１１の内周部１１ｂ、１１ｂによって電解質膜２の周縁部２ａがその厚み方向両側から挟まれている。
また、各環状薄帯１１の内周部１１ｂが、電解質膜２の周縁部２ａとガス拡散層３ｂ、４ｂの周縁部３ｂ１、４ｂ１とに挟まれて固定されていると同時に、電極層３ａ、４ａの周縁部３ａ１、４ａ１に突き合わされている。ここで、環状薄帯１０の厚みは、電極層３ａ、４ｂの厚みと同等か、電極層３ａ、４ｂの厚みより若干大きいことが好ましく、具体的には６μｍ〜３３０μｍの範囲が好ましく、１３μｍ〜２２０μｍの範囲が好ましい。環状薄帯１０の厚みが電極層３ａ、４ｂの厚みよりも大きければ、内周部１１ｂを電解質膜２の周縁部２ａとガス拡散層３ｂ、４ｂの周縁部３ｂ１、４ｂ１とで挟んで確実に固定できる。
【００２４】
一方、環状薄帯１１、１１の外周部１１ａ、１１ａは相互に熱融着されて接合されている。即ち、環状薄帯１１、１１の外周部１１ａ、１１ａ側に位置する熱可塑性樹脂１１ｄ、１１ｄ同士が熱融着されて一体化されて封止材１０が形成されている。また、各環状薄帯１１の外周部１１ａには、ガス流路付セパレータ板５、６のガスケット５ｂ、６ｂが当接されている。即ち、各環状薄帯１１の外周部１１ａが、ガスケット５ｂ、６ｂを介してガス流路付セパレータ板５、６によって締めつけられており、この構成によって電解質膜２、ガス流路付セパレータ板５、６、ガスケット５ｂ、６ｂ及び封止材１０により区画された部分が密閉されている。
【００２５】
なお、本実施形態において環状薄帯１１の内周部１１ｂとは、環状薄帯１１の内周側であって電解質膜２の周縁部２ａに接している部分を指す。一方、環状薄帯１１の外周部１１ａとは、環状薄帯１１の外周側であって電解質膜２の周縁部２ａに接していない部分をいう。
【００２６】
環状薄帯１１は、上述したように、芳香族ポリアミドまたはアルミニウムからなるガス難透過層１１ｃと、熱可塑性樹脂層１１ｄとが積層されて構成されている。ガス難透過層１１ｃは、ガス透過性が極めて低い材料により構成することが好ましく、この点において芳香族ポリアミドまたはアルミニウムはいずれもガス難透過層１１ｃの構成材料として好適である。また、芳香族ポリアミドまたはアルミニウムは、比較的変形されやすく、また変形された後も強度が大幅に低下することがなく、更に３００℃程度の高温に耐えるので、こうした点からも燃料電池１の封止材１０の構成材料として好適である。ガス難透過性層１１ｃの厚みは、５μｍ〜３２９μｍの範囲が好ましく、１０μｍ〜１９０μｍの範囲が好ましい。厚みが５μｍ以上であれば、ガス透過性が増大することがなく、封止材１０を介してのガスリーク発生のおそれが少なくなる。また、厚みが３２９μｍ以下であれば、単位発電素子１ａ自体の厚みを薄くすることができ、省スペース化を実現できる。
【００２７】
次に、熱可塑性樹脂層１１ｄは、環状薄帯１１、１１同士を融着させる際に接着層として機能するものであり、また、環状薄帯１１の内周部１１ｂにおいて電解質膜２と直接に接するものであることから、熱可塑性を有するとともに耐熱性を有し、かつ耐食性に優れたものが好ましい。このような熱可塑性樹脂層１１ｄとしては例えばフッ素系の熱可塑性樹脂が好ましく、より具体的にはポリ四フッ化エチレン樹脂、ポリ四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体樹脂等が好ましい。また熱可塑性樹脂層１１ｄの厚みは、１μｍ〜１２μｍの範囲が好ましく、３μｍ〜１０μｍの範囲が好ましい。厚みが１μｍ以上であれば、環状薄帯１０、１０同士を確実に融着させることができ、封止材１０を介してのガスリーク発生のおそれが少なくなる。また、厚みが１２μｍ以下であれば、単位発電素子自体の厚みを薄くすることができ、省スペース化を実現できる。
【００２８】
図４には、図１の燃料電池の要部におけるガスの流れを模式的に示す。ガスの流れを水素ガスを例にして説明すると、ガス流路付セパレータ板５のガス流路５ａから供給された水素ガスは、ガス拡散層３ｂ内部で均一に拡散されて電極層３ａに供給される（矢印Ｂ）。電極層３ａにおいては、水素ガスの一部が酸化反応によりプロトンに変換される。残りの水素ガスは電極層３ａ及びガス拡散層３ｂの内部を流動し（矢印Ｂ）、順次、電極層３ａにおける酸化反応に供される。
【００２９】
この時、ガス拡散層３ｂに供給された水素ガスの一部がその周縁部３ｂ１から封止材１０側に漏れ出る場合がある。この漏れ出た水素ガスは、封止材１０を透過して酸素極４側にリークする可能性があるが（矢印Ｃ）、封止材１０にはガス難透過性層１１ｃ、１１ｃが備えられているので、水素ガスが酸素極４側にリークする虞はない。
また、ガス拡散層３ｂの周縁部３ｂ１から封止材１０側に漏れ出た水素ガスは、ガスケット５ｂと封止材１０との間を抜けて燃料電池１（単位発電素子）の外部にリークする可能性があるが（矢印Ｄ）、封止材１０はその厚み方向両側からガスケット５ｂ、６ｂによって強固に締め付けられているので、水素ガスが燃料電池１の外部にリークする虞はない。
【００３０】
更に、水素ガスが環状薄帯１１、１１と電解質膜２との接合面を伝って環状薄帯１１、１１の接合部から燃料電池１（単位発電素子）の外部にリークする可能性があるが（矢印Ｅ）、環状薄帯１１、１１の外周部１１ａ、１１ａが相互に融着されて一体化されているので、水素ガスが燃料電池１の外部にリークする虞はない。
なお、水素ガスが電解質膜２を透過して酸素極４側にリークすることはほとんど無い。
【００３１】
以上、水素ガスを例にして説明したが、酸素極側の酸素ガスの挙動についても水素ガスの場合と同様である。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池１によれば、封止材１０を構成する環状薄帯１１に芳香族ポリアミドまたはアルミニウムからなるガス難透過層１１ｃが備えられているので、例えば環状薄帯１１を透過して一方の電極３側から他方の電極４側にリークしようとする水素ガスの流れを遮断することができ、燃料電池１（単位発電素子）内におけるガスリークを防止することができる。また、一対の環状薄帯１１、１１の外周部１１ａ、１１ａが相互に融着されているので、環状薄帯１１、１１同士の間を透過しようとするガスを遮断することができ、燃料電池１（単位発電素子）自体のガスリークを防止することができる。
また、電解質膜２の周縁部２ａが環状薄帯１１、１１の内周部１１ｂ、１１ｂによって狭持され、更に環状薄帯１１、１１の外周部１１ａ、１１ａが融着されているので、電解質膜２からのガスのリークを完全に遮断できる。
【００３３】
また、ガス流路付セパレータ板５、６の環状ガスケット５ｂ、６ｂによって環状薄帯１１、１１の外周部１１ａ、１１ａが狭持されており、これにより、電解質膜２、ガス流路付セパレータ板５、６、ガスケット５ｂ、６ｂ及び封止材１０によって区画される水素ガス及び酸素ガスの流通部分が密閉されているので、燃料電池１（単位発電素子）自体のガスリークを確実に防止することができる。このように本発明においては、封止材１０自体によるガスリーク防止機能と、封止材１０と環状ガスケット５ｂ、６ｂとによるガスリーク防止機能とを相乗的に利用することで、燃料電池１（単位発電素子）自体のガスリークを確実に防止することができる。
【００３４】
図５には、本発明の実施形態の燃料電池の他の例を示す。なお、図５に示す燃料電池の構成部材のうち、図１〜４に示す燃料電池の構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付してその説明を省略するか、あるいは簡単に説明する。
図５に示す燃料電池の封止材と、図１〜４に示す燃料電池の封止材との相違点は、環状薄帯に別の熱可塑性樹脂層が備えられている点である。
【００３５】
即ち、図５に示す封止材２０を構成する環状薄帯２１は、別の熱可塑性樹脂層２１ａと、芳香族ポリアミドまたはアルミニウムからなるガス難透過層１１ｃと、熱可塑性樹脂層１１ｄとが順次積層されて構成されている。封止材２０は、一対の環状薄帯２１、２１が、それぞれの熱可塑性樹脂層１１ｄ、１１ｄ同士が対向するように配置されて構成されている。各環状薄帯２１の厚みは、図１〜図４に示した環状薄帯１１の厚みと同じである。
【００３６】
ガス難透過層１１ｃは、図１〜図４の場合と同様に、芳香族ポリアミドまたはアルミニウムからなることが好ましい。ガス難透過性層１１ｃの厚みは、５μｍ〜２０５μｍの範囲が好ましく、１０μｍ〜２００μｍの範囲が好ましい。
また熱可塑性樹脂層１１ｄは、図１〜図４の場合と同様に、ポリ四フッ化エチレン樹脂、ポリ四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体樹脂等からなることが好ましい。また熱可塑性樹脂層１１ｄの厚みは、１μｍ〜１５μｍの範囲が好ましく、３μｍ〜１０μｍの範囲が好ましい。
【００３７】
次に、別の熱可塑性樹脂層２１ａは、フッ素系の熱可塑性樹脂またはフッ素系ゴムが好ましく、より具体的にはポリ四フッ化エチレン樹脂、ポリ四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体樹脂またはフッ素系ゴム等が好ましい。この別の熱可塑性樹脂層２１ａの厚みは、１μｍ〜１５μｍの範囲が好ましく、３μｍ〜１０μｍの範囲が好ましい。別の熱可塑性樹脂層２１ａをガス流路付セパレータ板側に積層することによって、封止材２０と環状ガスケット５ｂ、６ｂとの密着性を向上させることができる。
これにより、ガスケット５ｂ、６ｂと封止材２０との間におけるガスリークを確実に防止することができる。
【００３８】
図６には本発明の実施形態の燃料電池の別の例を示す。図６に示す燃料電池の構成部材のうち、図１〜４に示す燃料電池の構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付してその説明を省略するか、あるいは簡単に説明する。
図６に示す燃料電池の封止材と、図１〜４に示す燃料電池の封止材との相違点は、図６に示すように一方の環状薄帯３１の外周端３１ａが、他方の環状薄帯４１の外周端４１ａよりも外側に張り出されている点である。即ち、一方の環状薄帯２１の幅が、他方の環状薄帯４１の幅よりも大きく設定されており、かつ各環状薄帯３１、４１の内周端３１ｂ、４１ｂが、環状薄帯３１、４１を平面視した場合に重なるように配置されている。これによって、一方の環状薄帯３１の外周端３１ａが、他方の環状薄帯４１の外周端４１ａよりも外側に張り出されている。
【００３９】
この図６に示す形態は、特にガス難透過性層１１ｃ、１１ｃをアルミニウムで構成した場合に有効である。ガス難透過性層１１ｃ、１１ｃをアルミニウムで構成した場合には、各ガス難透過性層１１ｃ、１１ｃがそれぞれ電極３、４に接触しているために、ガス難透過性層１１ｃ、１１ｃ同士の間で電位差が生じている。このガス難透過性層１１ｃ、１１ｃを含む環状薄帯は、上述したように比較的薄い部材であるから、各環状薄帯の外周端において相互に短絡する虞がある。
このような場合において、図６に示すように一方の環状薄帯３１の外周端３１ａを他方の環状薄帯４１の外周端４１ａよりも外側に張り出させることで、結果的に外周端３１ａ、４１ａ同士が離間されることになり、これにより外周端３１ａ、４１ａ同士の短絡を防止することができる。
【００４０】
次に、図１〜図３に示す燃料電池の製造方法について、図７〜図１０を参照して説明する。図７〜図１０は、燃料電池の製造方法を説明するための工程図である。
本実施形態の燃料電池の製造方法は、準備工程と準備工程とセパレータ板取付工程とから構成されている。
【００４１】
準備工程では、まず図７に示すように、電解質膜２を用意し、この電解質膜２の厚さ方向両側に電極３、４を配置する。また、電解質膜２の周縁部２ａの厚さ方向両側には、一対の環状薄帯１１、１１を配置する。環状薄帯１１を配置する場合には、その内周部１１ｂが電解質膜２の周縁部２ａに重なるように配置する。また、環状薄帯１１、１１の各熱可塑性樹脂層１１ｄ、１１ｄを電解質膜２側に向けて配置する。
【００４２】
次に接合工程では、電解質膜２を電極３、４で挟んで固定する。この時、電解質膜２の周縁部２ａと、ガス拡散層３ｂ、４ｂの周縁部３ｂ１、４ｂ１とによって、環状薄帯１１、１１を挟んで固定する。そして、電解質膜２の周縁部２ａの外側にはみ出された環状薄帯１１、１１の外周部１１ａ、１１ａ同士を、熱プレス機Ｐによって熱融着する。
図９には、熱プレス後の状態を示す。熱プレスによって、環状薄帯１１、１１の外周部１１ａ、１１ａにおける熱可塑性樹脂層１１ｄ、１１ｄが熱融着されて一体化されている。このようにして封止材１０が形成される。
【００４３】
次にセパレータ板取付工程では、電極３、４の電解質膜２と反対側に、環状ガスケット５ｂ、６ｂを備えた一対のガス流路付セパレータ板５、６をそれぞれ配置し、各環状ガスケット５ｂ、６ｂによって環状薄帯１１、１１の外周部１１ａ、１１ａを挟んで固定する。
このようにして、図１〜図３に示す燃料電池（単位発電素子）が製造される。
【００４４】
上記の構成によれば、電解質膜２の周縁部２ａに一対の環状薄帯１１、１１を重ねてから、各環状薄帯１１、１１の外周部１１ａ、１１ａを融着するので、環状薄帯１１、１１の内周部１１ｂ、１１ｂによって電解質膜２が狭持され、かつ外周部１１ａ、１１ａが融着された燃料電池１を容易に製造できる。
なお、上記の製造方法においては、準備工程の際に電解質膜の厚さ方向両側に電極を配置したが、本発明はこれに限ることなく、融着工程後に電解質膜の厚さ方向両側に電極を配置しても良い。
【実施例】
【００４５】
（実施例１）
本発明に係る封止材を評価するにあたって、発電の単位セルにあたる単位発電素子を以下の手順により作製した。
まず、８５％のリン酸にポリベンズイミダゾールのフィルムを浸漬させて、ゲル状の高分子電解質膜を得た。リン酸のドープ率は４５０％であり、電解質膜の厚みは７５μｍであった。また、電解質膜の大きさは５．４ｃｍ×５．４ｃｍの正方形状とした。
電極には、Ｅ−ＴＥＫ社製の電極(白金触媒を３０％担持したバルカンＸＪ−７２を密度０．５ｍｇ／ｃｍ２でカーボンペーパー上に形成したもの)を用いた。電極の大きさは燃料極、空気極ともに、５ｃｍ×５ｃｍの正方形とした。
また、ガス流路付セパレータ板としてガス流路(溝)を設けたカーボンセパレータ（大きさ７ｃｍ×７ｃｍの正方形）を用意し、更に、集電体およびエンドプレートを用意した。カーボンセパレータの電極の対抗面となる端部には溝を設け、この溝にフッ素ゴムのガスケットを配置した。
【００４６】
次に、ガス難透過性層として厚み１２μｍのパラ系ポリアラミド膜を用意し、このガス難透過性層の両面に四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体樹脂（フッ素樹脂）の水性ディスパージョンをマイクログラビア印刷で塗布し、一次乾燥で水分を除去した。次に、遠赤外線ヒーターによって３００℃まで加熱してフッ素樹脂を溶融し、ガス難透過性層の一面にフッ素樹脂からなる熱可塑性樹脂層を形成するとともに、同じフッ素樹脂からなる別の熱可塑性樹脂層を形成した。各熱可塑性樹脂層の厚みはそれぞれ３μｍであった。
次に、ガス難透過性層／熱可塑性樹脂層からなる積層体を環状薄帯に成形すべく、外形をまずカーボンセパレータと同じ７ｃｍ×７ｃｍの正方形状に裁断し、さらに４．６ｃｍ×４．６ｃｍの打ち抜きポンチで穴を形成して環状薄帯とした。
この環状薄帯と電解質膜との寸法関係から、環状薄帯の内周部の幅は４ｍｍであり、外周部の幅は８ｍｍとなり、内周部と外周部の合計幅（環状薄帯の幅）は１２ｍｍとなる。また、環状薄帯と電極との寸法関係から、環状薄帯に重なる電極の周縁部の幅は２ｍｍとなる。
【００４７】
そして、電解質膜の周縁部に、一対の環状薄帯を重ねあわせ、更に電解質膜を一対の電極で挟み、熱プレスにより環状薄帯の外周部を熱融着した。そして、各電極にそれぞれカーボンセパレータ、集電体及びエンドプレートを重ね合わせ、締め付け圧５Ｎで締め付けを行うことにより、実施例１の燃料電池の単位発電素子を製造した。
【００４８】
（実施例２）
熱可塑性樹脂層及び別の熱可塑性樹脂層の厚みがそれぞれ５μｍであること以外は実施例１と同等にして、実施例２の燃料電池の単位発電素子を製造した。
【００４９】
（実施例３）
熱可塑性樹脂層及び別の熱可塑性樹脂層の厚みがそれぞれ１０μｍであること以外は実施例１と同等にして、実施例３の燃料電池の単位発電素子を製造した。
【００５０】
（実施例４）
ガス難透過性層の一面に、厚さ５μｍの四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体樹脂からなる熱可塑性樹脂層を形成して環状薄帯を製造し、環状薄帯の熱可塑性樹脂を電解質膜に向けて配置したこと以外は実施例１と同等にして、実施例４の燃料電池の単位発電素子を製造した。
【００５１】
（実施例５）
熱可塑性樹脂層及び別の熱可塑性樹脂層の材質がポリ四フッ化エチレン樹脂であり、厚みがそれぞれ３μｍであること以外は実施例１と同等にして、実施例５の燃料電池の単位発電素子を製造した。
【００５２】
（実施例６）
ガス難透過性層に厚さ１５ｍｍのアルミニウム箔を用いたこと以外は実施例１と同等にして、実施例２の燃料電池の単位発電素子を製造した。
【００５３】
（比較例１）
大きさが７ｃｍ×７ｃｍの正方形状としたこと以外は実施例１と同様にして電解質膜を調製した。また、電極、カーボンセパレータ、集電体およびエンドプレートについては実施例１と同じものを用意した。なお、電解質膜とカーボンセパレータとの寸法関係によれば、電解質膜とカーボンセパレータは同じ大きさである。
【００５４】
そして、電解質膜を一対の電極で挟み、更に各電極にそれぞれカーボンセパレータ、集電体及びエンドプレートを重ね合わせ、締め付け圧５Ｎで締め付けを行うことにより、比較例１の燃料電池の単位発電素子を製造した。
【００５５】
（比較例２）
熱可塑性樹脂層及び別の熱可塑性樹脂層の厚みがそれぞれ１５μｍであること以外は実施例１と同等にして、比較例２の燃料電池の単位発電素子を製造した。
【００５６】
（評価）
燃料極に流量１００ｍｌ／分の水素ガスを導入し、酸素極には流量２００ｍｌ／分の空気を導入し、単位発電素子を１５０℃まで昇温したのち、４時間保持し、その後６０℃まで温度を下げて、さらに4時間保持後、再度１５０℃に昇温する温度サイクルを１サイクルとし、この温度サイクルを１０回繰り返した。そして、各サイクル毎の燃料極及び酸素極間の１５０℃における開回路電圧を測定した。図１１に、実施例１〜６及び比較例１、２の燃料電池の温度サイクルと１５０℃での開回路電圧との関係を示す。
【００５７】
図１に示すように、実施例１〜６の単位発電素子については、開回路電圧の変化がほとんど見られなかった。一方、比較例１及び２については、温度サイクル数の増加に伴って開回路電圧が低下し、特に比較例１の開回路電圧の低下が顕著であった。比較例１については、本発明に係る封止材を備えていなかったために、単位発電素子の内部においてガスリークが発生し、これにより回路電圧が大幅に低下したものと思われる。比較例２については、本発明に係る封止材に用いる熱可塑性樹脂層と比較して厚いものを用いたため、熱プレスした際に熱可塑性樹脂層の変形が著しくなり、単位発電素子の外部に向けてガスリークが発生し、これにより回路電圧が低下したものと思われる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】図１は本発明の実施形態の燃料電池の一例を示す平面模式図。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ’線に対応する断面模式図。
【図３】図３は、図１の燃料電池の要部を示す拡大断面模式図。
【図４】図４は、図１の燃料電池の要部におけるガスの流れを説明する拡大断面模式図。
【図５】図５は本発明の実施形態の燃料電池の他の例を示す拡大断面模式図。
【図６】図６は本発明の実施形態の燃料電池の別の例を示す拡大断面模式図。
【図７】図７は、本発明の実施形態である燃料電池の製造方法を説明する工程図。
【図８】図８は、本発明の実施形態である燃料電池の製造方法を説明する工程図。
【図９】図９は、本発明の実施形態である燃料電池の製造方法を説明する工程図。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態である燃料電池の製造方法を説明する工程図。
【図１１】図１１は、実施例１〜６及び比較例１、２の燃料電池の温度サイクルと１５０℃での開回路電圧との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５９】
１…燃料電池、１ａ…単位発電素子（燃料電池）、２…電解質膜、２ａ…電解質膜の周縁部、３…燃料極（電極）、４…酸素極（電極）、５、６…ガス流路付セパレータ板、５ｂ、６ｂ…環状ガスケット、１０、２０…封止材（燃料電池用の封止材）、１１、２１、３１、４１…環状薄帯、１１ａ…環状薄帯の外周部、１１ｂ…環状薄帯の内周部、１１ｃ…ガス難透過層、１１ｄ…熱可塑性樹脂層、２１ａ…別の熱可塑性樹脂層、３１ａ…一方の環状薄帯の外周端、４１ａ…他方の環状薄帯の外周端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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