(57)【要約】【課題】十分な電気化学的活性領域を確保しながら確実にガスシールし、かつ固体高分子電解質膜を均一に支持する電極基材の封止部を有した燃料電池とその製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池は、固体高分子電解質膜の中央部に両面から接合されたカソード触媒層およびアノード触媒層を上記カソード触媒層より大きな面積の燃料電極基材および上記アノード触媒層より大きな面積の酸化剤電極基材でさらに両側から挟持した膜電極接合体を有する燃料電池において、上記燃料電極基材のうち上記カソード触媒層が接合されない燃料封止支持部の空孔の一部または全体が樹脂により充填され、上記酸化剤電極基材のうち上記アノード触媒層が接合されていない酸化剤封止支持部の空孔の一部または全体が樹脂により充填され、上記燃料封止支持部と上記酸化剤封止支持部とが上記固体高分子電解質膜と上記樹脂により接着されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の中央部に両面から接合されたカソード触媒層およびアノード触媒層を上記カソード触媒層より大きな面積の燃料電極基材および上記アノード触媒層より大きな面積の酸化剤電極基材でさらに両側から挟持した膜電極接合体を有する燃料電池において、
上記燃料電極基材のうち上記カソード触媒層を囲繞する燃料封止支持部の空孔の一部または全体が樹脂により充填され、
上記酸化剤電極基材のうち上記アノード触媒層を囲繞する酸化剤封止支持部の空孔の一部または全体が樹脂により充填され、
上記燃料封止支持部と上記酸化剤封止支持部とが上記固体高分子電解質膜と上記樹脂により接着されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
上記カソード触媒層の枠状の外縁部と上記アノード触媒層の枠状の外縁部とがそれぞれ上記樹脂により充填され、
上記カソード触媒層の外縁部および上記アノード触媒層の外縁部がそれぞれ上記固体高分子電解質膜に上記樹脂により接着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。
【請求項３】
上記カソード触媒層の外縁部および上記アノード触媒層の外縁部の枠幅が０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
上記酸化剤電極基材または上記燃料電極基材の少なくともいずれか一方の外周端部が上記固体高分子電解質膜の外周端部の内側に位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
上記酸化剤電極基材、上記燃料電極基材および上記固体高分子電解質膜の外周端部が上記樹脂により包囲されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
上記樹脂が流動性樹脂の硬化物であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
上記樹脂が燃料電池運転時の最高到達温度よりも高い融点を有する熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
上記燃料封止支持部および上記酸化剤封止支持部の空孔の５０体積％以上が上記樹脂により充填されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項９】
上記燃料封止支持部および上記酸化剤封止支持部と上記固体高分子電解質膜との間のピール強度が、０．３Ｎ／ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
上記膜電極接合体を両側から挟持する酸化剤セパレータ板および燃料セパレータ板を有し、
上記酸化剤電極基材が上記酸化剤セパレータ板に上記樹脂により接着され、上記燃料電極基材が上記燃料セパレータ板に上記樹脂により接着されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項１１】
上記アノード触媒層の外縁部が上記酸化剤セパレータ板に上記樹脂により接着され、上記カソード触媒層の外縁部が上記燃料セパレータ板に上記樹脂により接着されていることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
上記酸化剤封止支持部に充填された樹脂が上記固体高分子電解質膜と上記酸化剤セパレータ板との間でつながった連続した樹脂膜であり、
上記燃料封止支持部に充填された樹脂が上記固体高分子電解質膜と上記燃料セパレータ板との間でつながった連続した樹脂膜であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
上記燃料セパレータ板と上記酸化剤セパレータ板は、それぞれ、上記アノード触媒層の外側、かつ上記燃料セパレータ板と上記酸化剤セパレータ板との重畳する位置に設けられ、燃料および酸化剤が供給または排出される各種マニホールド、上記膜電極接合体に対向する面の反対面の上記酸化剤封止支持部に重畳する部分に上記各種マニホールドから面方向に延びるように設けられる供給連通溝および排出連通溝、上記アノード触媒層に重畳する部分に上記反対面から上記対向する面に貫通し、かつ上記供給連通溝および上記排出連通溝にそれぞれ連なるように設けられる供給貫通孔および排出貫通孔、上記対向する面に上記供給貫通孔と上記排出貫通孔とを連通するように設けられる流路を有することを特徴とする請求項１０または１１に記載の燃料電池。
【請求項１４】
上記燃料セパレータ板と上記酸化剤セパレータ板は、それぞれ、上記膜電極接合体の外側、かつ上記燃料セパレータ板と上記酸化剤セパレータ板との重畳する位置に設けられ、冷却水が供給および排出される冷却水供給マニホールドおよび冷却水排出マニホールド、上記膜電極接合体に対向する面の反対面に上記冷却水供給マニホールドと上記冷却水排出マニホールドとを連通するように設けられる冷却流路を有し、
上記膜電極接合体と横並びに配置され、上記酸化剤セパレータ板の各種マニホールドに重畳する位置に各種マニホールドが設けられたガスケットを有することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
上記燃料セパレータ板および上記酸化剤セパレータ板と上記ガスケットとの界面が上記樹脂と異なるシール材料によりシールされたことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池。
【請求項１６】
上記冷却水が、エチレングリコール、水、またはこれらの混合物であることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池。
【請求項１７】
枠状の熱可塑性樹脂シートを電極基材板に積層したのち、両面から加圧加熱して上記熱可塑性樹脂シートを溶融して上記電極基材板に熱可塑性樹脂を枠状に充填する工程と、
上記熱可塑性樹脂が充填された上記電極基材板の枠状の部分に囲繞される上記電極基材板の中央部の片面にカソード触媒ペーストを印刷乾燥してカソード触媒層が設けられた燃料電極基材を形成する工程と、
上記熱可塑性樹脂が充填された上記電極基材板の枠状の部分に囲繞される上記電極基材板の中央部の片面にアノード触媒ペーストを印刷乾燥してアノード触媒層が設けられた酸化剤電極基材を形成する工程と、
上記カソード触媒層および上記アノード触媒層が固体高分子電解質膜に接するように上記燃料電極基材と上記酸化剤電極基材とを上記固体高分子電解質膜の両面に積層して積層体を形成する工程と、
上記積層体の両面から加圧加熱して上記熱可塑性樹脂を再溶融して上記燃料電極基材および上記酸化剤電極基材をそれぞれ上記固体高分子電解質膜と接着して膜電極接合体を製造する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１８】
さらに、燃料セパレータ板と酸化剤セパレータ板とを上記膜電極接合体の上下に積層して単電池積層体を形成し、
上記単電池積層体の上下から加圧加熱しながら上記燃料セパレータ板と上記燃料電極基材および上記酸化剤セパレータ板と上記酸化剤電極基材を上記熱可塑性樹脂により接着して単電池を製造する工程を有することを特徴とする請求項１７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】
この発明は電気化学的な反応を利用して発電する燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜を介在して１対の電極を対向させ、この一方の電極に燃料を、他方の電極に酸化剤を供給し、燃料と酸化剤とを燃料電池内で電気化学的に反応させることにより化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池のうち固体高分子型燃料電池は電解質膜としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いているので、高出力の特性が得られる。
この固体高分子型燃料電池は反応ガスを供給し続けることにより電気化学反応が継続する。このときに電気化学反応で重要な役割を果たす電解質膜のイオン伝導性は、固体高分子電解質膜の水分含有量にほぼ比例する。さらに、固体高分子電解質膜の水分含有量が反応ガスの湿度に依存しているので、反応ガスを加湿して運転する。また、両極に流れるガスは外部だけではなく、両極間でも漏れないようにシールする必要がある。そして、固体高分子電解質膜が両極間の反応ガスの漏れを防ぐ役割を果たしているので、両極間のガスシールを損なうことがないように固体高分子電解質膜は電極部の外周部まで延ばされている。
【０００３】
しかし、固体高分子電解質膜は乾燥すると縮み吸湿すると膨潤するので、運転と停止の繰り返しにより固体高分子電解質膜にストレスがかかる。さらに、酸化剤供給口に低加湿の空気を供給した場合、空気流路の上流域では固体高分子電解質膜が乾燥し、その下流域では生成水により固体高分子電解質膜が湿潤する。このようにして固体高分子電解質膜にストレスが加わるので、確実に固体高分子電解質膜を支えておかなければ固体高分子電解質膜が破損してしまうおそれがあった。
【０００４】
さらに、電解質膜の破損は、発電部とガスシール部との境界に位置する部分の電解質膜で発生することが多い。その原因の１つとして、発電部とガスシール部との境界では、電解質膜の少なくとも片面が固定されていないための電解質膜の変形や局所応力集中が挙げられる。特に、この部分の電解質膜が湿潤な反応ガスにさらされると、電解質膜の収縮等に伴う応力によって電解質膜の破損が起こりやすくなる。他の原因として、電解質膜の含水率の不均一に起因する応力集中が挙げられる。すなわち、発電部では反応生成水によって電解質膜が湿潤になりやすく、一方、ガスシール部では電解質膜が乾燥しやすい。
そして、このように電解質膜に亀裂が生じたり、ピンホールが空いたりすると、そこからガスが両極間で漏れ、燃料電池の出力電圧が低下する。さらに、そのまま運転を続けるとガスの漏れ量が大きくなり、触媒上で反応し、部分的に高温になるので、電解質膜の破損が拡大する。そして、最終的に燃料電池が機能しなくなる。
【０００５】
そこで、従来の燃料電池では、シール材と重なるガス透過性のあるポーラスな電極の部分がシール材により含浸されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、固体高分子電解質膜に処理を施して固体高分子電解質膜を確実に支持できるようにしている。例えば、固体高分子電解質膜が１対の電極より面積が大きくかつ１対の電極と接する通電部と１対の電極と接していない非通電部とを有している。その通電部と非通電部との境界部に補強材が含まれている。この補強材の材質としては含フッ素重合体が用いられている（例えば、特許文献２参照。）。
しかし、固体高分子電解質膜の通電部と補強材で補強された非通電部との境界部にストレスが集中し、境界部に沿って亀裂が生じる恐れがあった。
そこで、固体高分子電解質膜を支持する電極基材を補強して固体高分子電解質膜を確実に支持できるようにしている。例えば、電極基材が固体高分子電解質膜と同一の面積であり、かつ電極基材の周縁部が接着剤からなる緻密化剤で緻密化されている。この緻密化された周縁部で固体高分子電解質膜を支持し、かつガスシールしている。緻密化剤としてはポリテトラフルオロエチレン系のディスパージョンを使用し、周縁部に含浸後溶媒を取り除いて緻密化を行っている（例えば、特許文献３参照。）。
また、他の電極基材の補強方法としては、電極の発電領域を包囲する封止領域に射出成形可能な熱硬化性液体化合物を含浸し、硬化している（例えば、特許文献４参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−４５５１７号公報
【特許文献２】特開２０００―２６０４４３号公報
【特許文献３】特開平８―１４８１７０号公報
【特許文献４】特表２００１―５１０９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献３に示されているように、緻密化剤としてのポリテトラフルオロエチレン系のディスパージョンを電極基材に含浸したのち、溶媒を取り除くことにより電極基材の緻密化を行っている。しかし、含浸したのち溶媒を取り除いて硬化された樹脂は多くの連通空孔が残り燃料および酸化剤ガスをシールすることが難しいという問題がある。さらに、電極基材を緻密化したのち固体高分子電解質膜を積層しているので、電極基材の緻密化された部分の表面に固体高分子電解質膜の表面が単に当接しているだけで接合されていないために、ガスを完全にシールすることが難しいという問題がある。
また、特許文献４に示されているようにシーラント材料として射出成形可能な熱硬化性液体化合物を膜電極組立体の電極層の一部に含浸し、硬化して一体シールを形成している。しかし、電極部は導電性とガス拡散性とが要求されるために、カーボン系の多孔質材料が一般的に用いられている。そのため液体化合物を電極の封止領域だけに真空含浸だけで注入することが難しく電気化学的活性領域にも入り込んで活性領域が狭くなってしまうという問題があった。
【０００８】
この発明の目的は、十分な電気化学的活性領域を確保しながら確実にガスシールし、かつ固体高分子電解質膜を均一に支持する電極基材の封止部を有した燃料電池とその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係わる燃料電池は、固体高分子電解質膜の中央部に両面から接合されたカソード触媒層およびアノード触媒層を上記カソード触媒層より大きな面積の燃料電極基材および上記アノード触媒層より大きな面積の酸化剤電極基材でさらに両側から挟持した膜電極接合体を有する燃料電池において、上記燃料電極基材のうち上記カソード触媒層が接合されない燃料封止支持部の空孔の一部または全体が樹脂により充填され、上記酸化剤電極基材のうち上記アノード触媒層が接合されていない酸化剤封止支持部の空孔の一部または全体が樹脂により充填され、上記燃料封止支持部と上記酸化剤封止支持部とが上記固体高分子電解質膜と上記樹脂により接着されている。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の燃料電池に係わる効果は、確実にガスシールしながら、固体高分子電解質膜の局部的な変形および応力集中状態を防げるように支持する電極基材を有しているので、固体高分子電解質膜の破損を防止することができる。また、確実にガスシールするので、燃料電池の電圧低下率を低減しての長寿命化および燃料ガスの燃焼や燃料電池の異常過熱を防止して安全性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる固体高分子型燃料電池の断面模式図である。
この固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池と称す。）の単電池は、膜電極接合体１とその膜電極接合体１を両側から挟持する導電性酸化剤セパレータ板２と導電性燃料セパレータ板３とを有する。膜電極接合体１には、燃料としての水素がプロトンにイオン化され、プロトンがイオン伝導し、酸化剤としての酸素によりプロトンが酸化されることにより発電する発電部４と、その発電部４の周囲を囲むようにして燃料と酸化剤とを封止する封止部５とを有している。
この膜電極接合体１は、発電部４と封止部５との全面に亘って広がるプロトン伝導性の固体高分子電解質膜（以下、電解質膜と称す。）６、電解質膜６の一面の中央部に接し発電部４に位置するアノード触媒層７、電解質膜６の他面の中央部に接し発電部４に位置するカソード触媒層８、発電部４および封止部５に位置しアノード触媒層７を覆う酸化剤電極基材９、発電部４および封止部５に位置しカソード触媒層８を覆う燃料電極基材１０を有する。封止部５に位置する酸化剤電極基材９の酸化剤封止支持部１１と燃料電極基材１０の燃料封止支持部１２とには熱可塑性樹脂が充填されている。
【００１２】
また、電解質膜６は、酸化剤封止支持部１１とその界面１３で、燃料封止支持部１２とその界面１４でそれぞれ熱可塑性樹脂により接着されている。さらに、導電性酸化剤セパレータ板２と酸化剤封止支持部１１との界面１５で熱可塑性樹脂により互いに接着されている。さらに、導電性燃料セパレータ板３と燃料封止支持部１２との界面１６で熱可塑性樹脂により互いに接着されている。
【００１３】
また、酸化剤電極基材９に面する導電性酸化剤セパレータ板２の面に酸化剤を流す酸化剤ガス流路１７が設けられている。さらに、燃料電極基材１０に面する導電性燃料セパレータ板３の面に燃料を流す燃料ガス流路１８が設けられている。この酸化剤ガス流路１７は、導電性酸化剤セパレータ板２の外縁部１９に延在し、さらにその導電性酸化剤セパレータ板２の外縁部１９に厚み方向に穿設された穴に連なっている。単電池を複数個積層するときこの穴は上下に積層されている単電池の導電性燃料セパレータ板３に設けられた穴と連なり、さらにその上の導電性酸化剤セパレータ板２に設けられた穴と順次連なっていく。一番上に積層された単電池の導電性酸化剤セパレータ板２に設けられた穴を酸化剤供給口としてそこから酸化剤が供給される。一方、一番下に積層された単電池の導電性燃料セパレータ板３に設けられた穴を酸化剤排出口としてそこから余った酸化剤が排出される。燃料に関しても同様にして供給・排出される。
【００１４】
電解質膜６として、燃料電池内の環境において長期安定性に優れ、ガスバリア性が高く、かつプロトン伝導性が高く電子導電性の小さなものを用いることができる。一般にはパーフルオロ系主鎖とスルホン酸基からなる固体高分子電解質膜が用いられる。
【００１５】
カソード触媒層８およびアノード触媒層７は、触媒粒子および触媒粒子とプロトンの授受を行う高分子電解質からなっている。必要に応じて無機質粒子、ポリマー粒子またはカーボン粒子等の添加物を混入することも可能である。こうした添加物はカソード触媒層８およびアノード触媒層７の親水性および撥水性を制御したり、カソード触媒層８またはアノード触媒層７の空孔率を向上したりする目的で適宜用いられる。
カソード触媒層８とアノード触媒層７はそれぞれ電解質膜６と酸化剤電極基材９の間および電解質膜６と燃料電極基材１０の間に配される。これらカソード触媒層８およびアノード触媒層７の形成方法としては、電解質膜６上に直接形成する方法、別の基材上に形成した後に電解質膜６上に転写する方法、酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０上に形成した後に電解質膜６と接合する方法がある。この発明による燃料電池ではいずれの触媒層形成方法を用いることができる。
【００１６】
触媒粒子としては、カーボンブラック粒子の表面に白金など触媒活性を持つ金属微粒子を担持したものが一般的に用いられる。
【００１７】
酸化剤および燃料をカソード触媒層８およびアノード触媒層７に供給するために用いる拡散層の役割をはたす酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０としては、燃料電池内の環境において安定な導電性多孔体を用いることができる。一般的にはカーボンペーパーまたはカーボンクロスといったカーボン繊維で形成された多孔体が用いられる。
導電性酸化剤セパレータ板２および導電性燃料セパレータ板３としては、燃料電池内の環境において安定な通気性を有さない導電性板を用いることができる。一般にはカーボン板にガス流路用の溝を形成したものが用いられる。
【００１８】
ガスシールは、封止部５に位置する電解質膜６、酸化剤封止支持部１１、燃料封止支持部１２、電解質膜６と酸化剤封止支持部１１の界面１３、電解質膜６と燃料封止支持部１２の界面１４、導電性酸化剤セパレータ板２と酸化剤封止支持部１１との界面１５および導電性燃料セパレータ板３と燃料封止支持部１２との界面１６から構成されている。燃料電池内の環境のもとで安定なガスバリア性が高い材料をガスシールとして用いることが出来る。また、ガスシールには各単電池にガスおよび冷却液を分配供給するためのマニホールド穴が設けられることがあるので、ガスシールは冷却液に接しても安定である必要がある。
【００１９】
この発明による構造では電解質膜６を封止部５の両電極基材で両面から支持するために、酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０が発電部４より大きくなっている。封止部５にはガスを供給する必要がないために、酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０の酸化剤封止支持部１１と燃料封止支持部１２の空孔には樹脂材料が充填されている。
【００２０】
さらに、電解質膜６は酸化剤電極基材９または燃料電極基材１０の少なくとも一方より大きく、少なくとも酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０の端部よりも電解質膜６の端部が外側にある必要がある。これは酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０との間で電気的短絡状態にならないようにするためである。
【００２１】
さらに、カソード触媒層８およびアノード触媒層７の外縁部に樹脂が充填されている。そして、これに関連してカソード触媒層８およびアノード触媒層７の外縁部と酸化剤封止支持部１１および燃料封止支持部１２の内縁部が重なるよう配置されている。このようにすると、発電部４において触媒層７、８の有無による段差が存在せず、段差による応力が電解質膜６に集中することがないので、電解質膜６の破断を抑制することができる。
そのときの重なりの幅は、両電極基材９、１０の厚み以上であればよく、両電極基材９、１０により電解質膜６を十分に固定することができるので、電解質膜６の破損を抑制することができると同時に発電部４と外部との間でガス遮断を確実に行うことができる。一方、重なりの幅が、両電極基材９、１０の厚み未満であると、こうした効果が十分に得られない。
しかし、重なりが大きくなるほどより確実に電解質膜６を保持することが可能になるが、重なり幅が５ｍｍを超えると効果の向上が見られない。一方、重なりの触媒層に反応ガスが供給されないので、機能しない触媒量が増大する。高価な触媒の使用量を低減するという観点からは、両者の重なりの幅は電解質膜の破断を抑制できる範囲の中で小さくする必要がある。すなわち、５ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは２ｍｍ以下にする必要がある。
【００２２】
次に、酸化剤封止支持部１１、燃料封止支持部１２に充填する樹脂材料について説明する。この用途で用いることができる樹脂材料は、燃料電池内の環境下で安定性を有し、ガス透過性が十分に低い材料でなければならない。特に電池内の熱水および水蒸気に対して長期間耐える材料である必要がある。また、電極基材９、１０内部に充填する必要があるために、充填作業時には流動性が必要である。
充填する樹脂が酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０と電解質膜６、酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０と導電性酸化剤セパレータ板２および導電性燃料セパレータ板３とを接着することができれば、電解質膜６がより均一に酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０により支持されるうえに、電解質膜６、酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０および導電性酸化剤セパレータ板２と導電性燃料セパレータ板３を一体化することができる。このように一体化することで、燃料電池の単電池の取り扱いが容易になり、またガスが外部に漏れないようにすることが出来る。
充填する樹脂に電解質膜やセパレータ板と接着する機能があれば、電解質膜がより安定に支持されるうえに、セパレータ板と一体化することが可能になる。電解質膜やセパレータ板と一体化することで、燃料電池セルの取り扱いが容易になり、またガスが外部に漏れないようにすることが出来る。
【００２３】
充填する樹脂の量としては、電極基材９、１０中の空孔体積の５０体積％以上を占める量であればつながり、樹脂が連続した樹脂膜になる。さらに、空孔が連続しない状態となり、ガスリーク等の問題が起こりにくくなる。より好ましくは、９０体積％以上および１２０体積％未満であり、この範囲であれば、ガスリーク等の問題が特に少ない。また、余剰樹脂が発電部４または膜電極接合体１の外側面に滲み出して問題になることが少ない。１２０体積％を超えると樹脂の滲みだし量が多くなり、発電部４の電極基材９、１０内の空孔が樹脂で閉塞されるなどの問題が顕著になる。
【００２４】
上述の性能を有する樹脂材料としては電極基材９、１０に充填することができる流動性樹脂が挙げられる。流動性樹脂とは、充填するとき多孔体の内部に含浸することができる程度に粘度が小さい樹脂を意味する。流動性樹脂としては熱可塑性樹脂または硬化前に電極基材空孔に充填するのに十分な流動性がある熱硬化性樹脂などが挙げられる。これらの材料には必要に応じて無機系、有機系を問わず、粒子状の充填材が含まれていても良い。こうした充填材によって、流動性の制御や硬化後の強度、硬化収縮抑制等の機能を付与することが可能である。
充填する樹脂材料として好ましくは加熱によって充填に必要な流動性が得られる熱可塑性樹脂を用いることが出来る。熱可塑性樹脂を使用すると充填作業後に冷却することで直ちに硬化できるので作業効率が高くなる。
ただし、熱可塑性樹脂を用いる場合には、電池運転温度では流動しない材料である必要がある。従って少なくとも充填する樹脂の融点は電池運転温度の最高温度よりも高くなければならない。例えば、一般的な固体高分子型燃料電池の動作温度は９０℃以下であり、このような電池では、９０℃で流動しない樹脂を用いる必要がある。
また、熱可塑性樹脂の充填作業に要する温度が電解質膜６の耐熱温度より高い場合には、電解質膜６や電解質膜成分を含む触媒層７、８を電極基材９、１０に接合する前に、予め樹脂を電極基材９、１０に充填しておかなければならない。
なお、熱可塑性樹脂の融点が電解質膜６の耐熱温度より低い場合には、加熱によって熱可塑性樹脂を再溶融させることで電解質膜６と両電極基材９、１０とを接着一体化することができる。
【００２５】
一般に膜電極接合体１の製造において、両触媒層７、８と電解質膜６はホットプレスすることで接合する。この接合温度よりも熱可塑性樹脂の融点が低ければ、充填した樹脂によって両電極基材９、１０の封止支持部１１、１２と電解質膜６とを接着一体化することが出来る。
このような特性を持つ熱可塑性樹脂の例として、ホットメルトと総称される樹脂が好適に用いられる。代表的なホットメルト樹脂として、ポリエチレンやポリプロピレンに代表されるポリオレフィン系の樹脂またはポリオレフィンとポリ酢酸ビニル等とを共重合して溶融温度や接着性を改善した樹脂が挙げられる。このようなポリオレフィン系の樹脂を用いると一般的な電解質膜材料の耐熱温度である２００℃よりも十分に低い温度で樹脂を流動させることが出来る。従って、電極基材に電解質膜成分が接合した後でも充填できるなど、プロセスの自由度が高い。また、ポリオレフィン系の樹脂は燃料電池の動作温度である９０℃以下の高湿雰囲気に暴露されても比較的安定な材料であり、好適に用いることが出来る。
【００２６】
同様に使用できる熱可塑性樹脂としてナイロン１１、ナイロン１２、共重合ナイロン系の樹脂が挙げられる。また、ポリエチレンテレフタレートまたはその共重合体に代表されるポリエステル系の樹脂が挙げられる。この種のポリエステル系樹脂は耐水性に優れるため、水分にさらされる燃料電池に好適に用いることが出来る。また、ポリブチレン系樹脂、ポリメタクリル酸メチル系樹脂、無定型ポリアミド樹脂も同様に用いることが出来る。
【００２７】
また、特に長期間の信頼性を求められる場合には、燃料電池内の環境により安定な材料を使用する必要がある。充填する樹脂は燃料電池内の高温高湿にさらされるだけではなく、燃料電池構造によっては、冷却水と接する場合もある。充填する樹脂が分解して溶出する成分があると、燃料電池の性能を劣化させたり、冷却水の電気伝導度を上げる等の懸念がある。そのような場合は特に化学的安定性の高い材料を用いる必要がある。そのような場合、たとえばポリフェニレンサルファイドに代表される耐薬品に優れたエンジニアリングプラスチックを好適に用いることが出来る。
その他、ポリビニルホルマール・フェノリック系、ニトリルゴム・フェノリック系、ナイロン・エポキシ系、ニトリルゴム・エポキシ系といったポリマーアロイ型の樹脂のうち無溶剤系のものを用いることが出来る。
【００２８】
このような燃料電池は、空孔に充填されている樹脂が燃料電池運転時の最高到達温度よりも高い融点の熱可塑性樹脂であるので、樹脂の融点以上の温度に加熱することにより容易に電極基材９、１０内に樹脂を充填することが可能になる。同時に、燃料電池運転の際には樹脂が溶融することが無いので、ガスシール性能の信頼性が高い。
【００２９】
また、充填のための樹脂として未硬化段階では十分な流動性があり、その後、硬化剤との反応または加熱によって硬化せしめることの出来る樹脂も同様に用いることが出来る。例えば、硬化剤を混合したエポキシ樹脂を充填し、その後加熱等の硬化処理を行うことで使用することが出来る。同様に使用できる樹脂材料として、液状アクリルゴム系樹脂、シリコーン系樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、ポリウレタン樹脂などが挙げられる。また、硬化型シリコーン系樹脂を用いる場合は電解質膜との接着性が高く、ガスシール性に優れた膜電極接合体１を形成し得る。
【００３０】
このような燃料電池は、流動性のある樹脂材料を電極基材９、１０の封止支持部１１、１２に充填したのちに該樹脂材料を硬化せしめる。この方法により、大半が微細な空孔からなる電極基材９、１０の空孔に他の材料を充填することが困難なときにも流動性樹脂を用いることにより電極基材９、１０の封止支持部１１、１２の連通空孔を閉塞することができる。
【００３１】
熱可塑性樹脂を電極基材９、１０に充填する方法としては、射出成形あるいはそれに類似する方法、圧縮成型あるいはそれに類似する方法等などを用いることが出来る。例えば電極基材９、１０を型に入れて、流動性のある樹脂を圧入する方法が挙げられる。また、もっと簡便且つ面積当たりの充填量を均一に出来る方法として、所定厚みの熱可塑性樹脂シートと電極基材９、１０を重ねてホットプレスで圧入する方法が挙げられる。これらの樹脂充填作業を減圧下で行えば、樹脂充填層の内部に気泡等ができないので、よりガス遮断性の高い樹脂充填層が得られる。充填する樹脂の量は電極基材９、１０の内部空孔を充填しガスを遮断できる量であれば良い。このように充填された樹脂は、熱可塑性樹脂であれば冷却することで、熱硬化性樹脂であれば所定の硬化処理を行うことで膜電極接合体１用として使用できる状態になる。
電極基材９、１０に熱可塑性樹脂を充填した場合には、まず膜電極接合体１を形成し、その後に膜電極接合体１と両セパレータ板２、３とを積層して加圧しながら昇温することで、充填した熱可塑性樹脂を再流動させ、両セパレータ板２、３と膜電極接合体１とを一体化することが出来る。このような方法で一体化された燃料電池の単電池は樹脂層で電解質膜６から両セパレータ板２、３までが単純な構造で一体化されて、電解質膜６の保持安定性のみならず、ガスシール信頼性および取り扱い性に優れた燃料電池の単電池を得ることができる。
以下、実施例を示して具体的に本発明を説明する。
【実施例１】
【００３２】
次に、この発明に係わる燃料電池の実施例１を説明する。この実施例１の燃料電池の単電池の構造は図１と同様である。
まず、厚さ３００μｍのカーボンペーパー（東レ(株)製ＴＧＰ−Ｈ−９０）から１辺９０ｍｍの正方形の電極基材板２０を準備した。このカーボンペーパーの空隙率は約７８％であった。また、厚さ２５７μｍの樹脂フィルムから外形が１辺９０ｍｍの正方形状で、その中央に１辺５４ｍｍの正方形の穴が空いたロの字型の樹脂シート２１を切り出した。図２に示すようにこの樹脂シート２１を電極基材板２０と重ね合わせてホットプレス機２２の平盤２３の間にセットし、その後真空状態にして温度１５０℃、加圧４９Ｎ／ｃｍ２でホットプレスすることで樹脂シート２１の樹脂を電極基材板２０内部に充填して酸化剤封止支持部１１、燃料封止支持部１２が設けられた酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０を作製した。充填した樹脂の体積は、電極基材板２０内空孔体積の約１１０体積％である。ここで、樹脂フィルムとしてはポリオレフィン系のホットメルトフィルムを用いた。この樹脂フィルムの流動開始温度は約１２０℃であり、１５０℃における溶融粘度は約４００００ｐｏｉｓであった。またＤＳＣ法で測定した融点は約９５℃であった。
【００３３】
次に、アノード触媒としては白金をカーボンブラック上に５０重量％担持してアノード触媒粒子を作製した。また、カソード触媒としては白金-ルテニウム系合金をカーボンブラック上に５０重量％担持してカソード触媒粒子を作製した。
このアノード触媒粒子１重量部に水１重量部とパーフルオロ系高分子電解質溶液（旭硝子製フレミオン９％溶液）３重量部とを添加し、攪拌混合して均一な状態のアノード触媒ペーストを得た。また、カソード触媒粒子１重量部に水１重量部とパーフルオロ系高分子電解質溶液（旭硝子製フレミオン９％溶液）６重量部とを添加し、攪拌混合して均一な状態のカソード触媒ペーストを得た。
これらの触媒ペーストをそれぞれ酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０の中央部にスクリーン印刷し、減圧乾燥してアノード触媒層７、カソード触媒層８を得た。印刷にはスクリーンマスクを用い、印刷する形状が１辺５０ｍｍの正方形になるようにした。
【００３４】
次に、図３を参照して膜電極接合体１の作製を説明する。カソード触媒層８が形成された燃料電極基材１０とアノード触媒層７が形成された酸化剤電極基材９とを電解質膜６の中央にカソード触媒層８およびアノード触媒層７とが対向するように積層して積層体を作製した。次にこの積層体を温度１５０℃、加圧４９Ｎ／ｃｍ２で５分間ホットプレスして膜電極接合体１を形成した。電解質膜６として、厚さ５０μｍの旭化成(株)製アシプレックス（登録商標）膜から１辺１００ｍｍの正方形に切り出したものを用いた。このように燃料電極基材１０および酸化剤電極基材９よりも大きな電解質膜６を用い、電解質膜６が燃料電極基材１０および酸化剤電極基材９の端部よりも外にはみ出るような構造にすることで、燃料電極基材１０と酸化剤電極基材９とが直接接触して電気的短絡状態にならない。ホットプレス操作によって燃料電極基材１０および酸化剤電極基材９に充填された樹脂が再溶融し、電解質膜６と接着することで、電解質膜６が強固に燃料電極基材１０および酸化剤電極基材９と一体化される共に、より確実にガス遮断するようになった。
【００３５】
次に、図４に示すように膜電極接合体１をガス流路が設けられたカーボン板２４で両側から挟み、その外部から、発熱体２５を内蔵した金属板２６で面圧をかけて、性能評価の評価用セルを形成した。金属板２６から図示しない外部端子を取り出し、図示しない外部負荷と接続した。
次に、評価用セルを運転して評価を行った。評価用セルの入出力端子を外部負荷に接続し、カソード側には常圧の水素ガスを、アノード側には常圧の空気を供給して発電を行った。水素ガスの利用率は７０％に、空気の酸素利用率は４０％になるように流量を設定した。ガスは図示しない外部加湿器で加湿を行ってから評価用セルに供給した。また評価用セルの温度は８０℃になるように発熱体２５を加熱して温度調節した。供給ガスの湿度についてはカソード側およびアノード側共に運転開始後１２時間に限り、露点８０℃の供給ガスを供給し、電解質膜６のイオン伝導抵抗が十分に低くなる条件で運転した。その後は露点７５℃となるように外部加湿器を調節した。そして、この評価用セルを電流密度３００ｍＡ／ｃｍ２で連続２０００時間運転した。この性能評価では同じ仕様で１５台の評価用セルを作製し、それぞれの運転条件で運転を行った。
この実施例１で作製した５台の評価用セルは、運転開始約５０時間後の初期段階の特性としてはいずれも７００ｍＶを超える出力電圧を示し、５台の出力電圧の平均値は７０４ｍＶであった。その後これらの評価用セルを連続運転すると徐々に電圧が低下した。２０００時間までの運転の間に５００ｍＶ未満の電圧になったものについては電池が寿命に達したと判断して運転を停止することとした。実施例１において実際には２０００時間までに５００ｍＶを下回った評価用セルはなかった。２０００時間運転終了後に膜電極接合体１を評価用セルから取り出し、マイクロフォーカスＸ線検査装置で電解質膜６の状態を観察したが、電解質膜６の破損等の異常は見られなかった。これらの結果を図５に示す。
【００３６】
さらに、５台の評価用セルを電流密度３００ｍＡ／ｃｍ２の条件の下連続運転８時間停止１６時間を繰り返す運転パターンで評価を行った。これはいわゆるＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ  Ｓｔａｒｔ  ｕｐ  ａｎｄ  Ｓｈｕｔ  ｄｏｗｎ）運転を模擬した場合である。２０００時間までに５００ｍＶ未満の出力電圧になったものについては電池が寿命に達したと判断して運転を停止することとした。実際には２０００時間までに出力電圧が５００ｍＶを下回ったセルはなかった。２０００時間運転終了後に膜電極接合体１を評価用セルから取り出し、マイクロフォーカスＸ線検査装置で電解質膜の状態を観察したが、電解質膜の破損等の異常は見られなかった。これらの結果を図５に示す。
【００３７】
さらに、５台の評価用セルを運転開始１２時間以後アノード加湿およびカソード加湿共に露点６０℃の加湿条件のガスを供給した。これはいわゆる低加湿運転である。２０００時間までに５００ｍＶ未満の電圧になったものについては電池が寿命に達したと判断して運転を停止することとした。実際には２０００時間までに５００ｍＶを下回った評価用セルが１台あった。２０００時間運転終了後に膜電極接合体１を評価用セルから取り出し、マイクロフォーカスＸ線検査装置で電解質膜の状態を観察したが、電解質膜の破損等の異常は見られなかった。これらの結果を図５に示す。
【００３８】
ここで比較のために図６に示すような比較例の燃料電池を作製した。アノード触媒層７とカソード触媒層８は実施例１と同様に酸化剤電極基材２７と燃料電極基材２８上に形成した。そのアノード触媒層７とカソード触媒層８の大きさは１辺５０ｍｍの正方形である。しかし、酸化剤電極基材２７と燃料電極基材２８の大きさは実施例１と異なりアノード触媒層７およびカソード触媒層８の大きさと同一な１辺５０ｍｍの正方形である。但し、厚みおよび空孔率は実施例１と同一である。また、厚さ２５０μｍのポリエチレンテレフタレートフィルムから外形が１辺９０ｍｍの正方形状で、その中央に１辺５１ｍｍの正方形の穴が空いたロの字型に切り出してガスケット２９を準備した。電解質膜６は実施例１と同一のものを準備した。
この燃料電極基材２８と酸化剤電極基材２７とを１辺１００mmの正方形状の電解質膜６中央にカソード触媒層８とアノード触媒層７とが対向するように積層した。さらに電解質膜６の外縁部にガスケット２９を積層した。これら積層した部材全体を温度１５０℃、４９Ｎ／ｃｍ２で５分間ホットプレスすることで膜電極接合体３０を形成した。次に、この膜電極接合体３０をガス流路が設けられたカーボン板２４で両側から挟み、図４と同様にその外部から、発熱体２５を内蔵した金属板２６で面圧をかけて、比較例の評価用セルを作製した。
【００３９】
次に、実施例１の評価用セルと同一の条件でこの比較例の評価用セルを運転して評価を行った。
この比較例の５台の評価用セルは、連続運転開始約５０時間後の初期段階の特性としてはいずれも７００ｍＶを超える出力電圧を示した。その後これらの評価用セルを連続運転すると徐々に電圧は低下した。２０００時間までに５００ｍＶ未満の出力電圧になったものについては電池が寿命に達したと判断して運転を停止することとした。実際には、２０００時間までに５００ｍＶを下回った評価用セルが１台あった。２０００時間運転終了後に膜電極接合体３０を評価用セルから取り出し、Ｘ線透過検査装置で電解質膜６の状態を観察したが、電解質膜６の破損等の異常は見られなかった。これらの結果を図５に示す。
【００４０】
次に、この比較例の５台の評価用セルを実施例１と同様にＤＳＳ運転を行った。２０００時間までに５００ｍＶ未満の電圧になったものが３台あった。その後Ｘ線透過検査装置で電解質膜の状態を観察したが、２台の評価用セルでは電解質膜６の破損が確認された。これらの結果を図５に示す。
【００４１】
次に、この比較例の５台の評価用セルを実施例１と同様に両極の加湿条件として露点６０℃で低加湿運転した。その結果、２０００時間までに全評価用セルが５００ｍＶ未満の出力電圧になった。その後Ｘ線透過検査装置で電解質膜６の状態を観察したが、４台の評価用セルでは電解質膜６の破損が確認された。これらの結果を図５に示す。
【００４２】
次に、実施例１の評価用セルを高加湿条件で運転しても２０００時間経過しても電解質膜６の破損が認められなかった。さらに２０００時間経過しても出力電圧が５００ｍＶを下回る評価用セルはなかった。逆に、比較例の燃料電池では高加湿条件で運転すると２０００時間経過すると電解質膜６の破損が認められなかったが出力電圧が５００ｍＶを下回る評価用セルが見られた。
【００４３】
この評価結果をまとめると、この発明に係わる燃料電池は、ＤＳＳ運転のように膜電極接合体１の温度またはその内部の水分量が大きく変動を繰り返すような運転条件においても電解質膜６が破損し、出力電圧が大きく低下することはなかった。
さらに、低加湿運転のように電解質膜６の水分量が低下し膜がダメージを受けやすい運転条件においても、電解質膜６が破損した膜電極接合体１はなかった。
【００４４】
このような燃料電池は、電極基材９、１０の外縁部に樹脂が充填されているので、電解質膜６を支持する部材に継ぎ目がないために、電解質膜６が継ぎ目部分で破損することがない。その結果、低加湿ガスで運転しても、運転と停止とを繰り返すような過酷な条件下で運転しても性能低下を抑制することが出来る。
【００４５】
また、電極基材９、１０と電解質膜６が、封止支持部１１、１２に充填された樹脂によって接着されているので、電解質膜６と電極基材９、１０間の隙間からガスが外部に漏れることがない。さらに、電解質膜６と電極基材９、１０が一体化されるために、製造上取り扱いが容易になる。
【００４６】
また、電解質膜６をより積極的に両面から保持するために、電極基材９、１０の外縁部に充填される樹脂が電解質膜６と電極基材９、１０とを接着している。このことにより、発電部４の電解質膜６が両面から固定され、変形と応力集中がより効果的に抑制される。両者が接着によって固定されていなければ、局所的に面圧が低い部分における電解質膜６の固定が十分ではなく破損に繋がる恐れがある。
【００４７】
また、発電部と封止部とは、アノード触媒層７およびカソード触媒層８の有無によって分けられるのではなく、充填された樹脂の有無によって分けられるので、その境界における電解質膜の変形と応力集中とが効果的に抑制される。
【実施例２】
【００４８】
図７は、この発明の実施例２の燃料電池の単電池の断面図である。この単電池のうち、膜電極接合体１は実施例１と同様に形成されている。その後この膜電極接合体１をガス流路が設けられた導電性酸化剤セパレータ板２と導電性燃料セパレータ板３とで両側から挟んで単電池積層体を形成した。その単電池積層体を温度１２０℃、加圧４９Ｎ／ｃｍ２で２分間ホットプレスを施した。この処理により酸化剤封止支持部１１および燃料封止支持部１２に充填された熱可塑性樹脂が再度軟化して、導電性酸化剤セパレータ板２および導電性燃料セパレータ板３と膜電極接合体１とが接着されて単電池が作製された。
【００４９】
次に、この単電池を図４と同様に外側から発熱体２５を内蔵した金属板２６で面圧をかけて評価を行った。この単電池を膜電極接合体１全面積に対して４９Ｎ／ｃｍ２の圧力なるように外部からバネによって加圧した。この状態で燃料極の電極に通じるガス流路に窒素ガスを流し、ガス入り口側が２００ｍｍ水柱の圧力となるように入り口ガス流量をマスフローコントローラで調節した。この状態でガス出口流量を測定して漏れ量を見積もった。その結果、ガスは漏れていなかった。
【００５０】
次に、温度１２０℃でのホットプレスの効果を確認するために、実施例２と異なり膜電極接合体１をガス流路が設けられた導電性酸化剤セパレータ板２と導電性燃料セパレータ板３とで両側から挟んだ後そのまま、外側から発熱体２５を内蔵した金属板２６で面圧をかけて評価を行った。このように作製された単電池を膜電極接合体全面積に対して４９Ｎ／ｃｍ２の圧力なるように外部からバネによって加圧した。この状態で燃料極の電極に通じるガス流路に窒素ガスを流し、ガス入り口側が２００ｍｍ水柱の圧力となるように入り口ガス流量をマスフローコントローラで調節した。この状態でガス出口流量を測定して漏れ量を見積もった。その結果、約７％のガスが燃料極から外部に漏れていることがわかった。また、このようにして形成した単電池は両セパレータ板２、３と膜電極接合体３０が一体化していないために、組み立て作業等が実施例２の場合に比較して難しかった。
【００５１】
また、温度１２０℃でのホットプレスの効果を確認するために別の評価を行った。実施例１同様に膜電極接合体１を形成した。その後この膜電極接合体１をガス流路が設けられた両導電性セパレータ板２、３で挟み、その積層体をバネによって加圧する治具にセットした。この積層体に対して、膜電極接合体全面積に対して４９Ｎ／ｃｍ２の圧力なるように外部からバネによって加圧した。この状態で積層体の電極に通じるガス流路に窒素ガスを流し、ガス入り口側が２００ｍｍ水柱の圧力となるようにガス流量を調節した。この状態でガス出口流量を測定して漏れ量を見積もった結果、約１２％のガスが外部に漏れていた。この状態で治具ごと１２０℃に設定したオーブンに入れて、２時間保持し、その後冷却した。冷却後再度前記圧力になるようにバネ圧縮量を調整し、再度前述の方法でガス漏れを測定したところ、ガスは漏れていなかった。
【００５２】
このように、膜電極接合体１と両セパレータ板２、３を積層し、加熱することによって電極基材９、１０の一部に充填した熱可塑性樹脂を再度軟化させることで、両セパレータ板２、３と膜電極接合体１とを接合することが可能になる。また、その接合によってガスがリークしない十分なガスシール性が得られる。
【００５３】
また、膜電極接合体１と両セパレータ板２、３が一体化することによって単電池の組み立て作業が容易になると共にガスシール性が向上した。
【００５４】
また、単電池が積層され、面圧が掛けられた状態で樹脂が軟化するため、自然に単電池の最も安定な形状および位置の状態で固定される。そのため、より高いガスシール性が得られる。
【００５５】
このような燃料電池は、電極基材９、１０と両セパレータ板２、３が封止支持部１１、１２に充填された樹脂によって接着されているので、両セパレータ板２、３と電極基材９、１０間の隙間からガスが外部に漏れることがない。さらに両セパレータ板２、３と膜電極接合体１とが一体化されるので、製造上取り扱いが容易になる。
【００５６】
また、電極基材９、１０の封止支持部１１、１２に充填された樹脂が電解質膜６と両セパレータ板２、３間でつながっているので、電極基材９、１０と電解質膜６間、あるいは電極基材９、１０とセパレータ板２、３間の気密性がありガスが外部に漏れることがない。
【実施例３】
【００５７】
実施例３は、充填する樹脂を供給する樹脂シートの厚みが実施例１と異なっており、その他は同様であり、同様な部分の説明は省略する。樹脂シートの厚みを２１２μｍと１６４μｍの２種類として、充填した樹脂の量が電極基材９、１０内空孔体積の約９０体積％と５０体積％を占めるように調整した。その後この膜電極接合体１をガス流路が設けられた導電性酸化剤セパレータ板２および導電性燃料セパレータ板３とで挟み、１２０℃で２分間ホットプレスした。この処理によって酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０の封止支持部１１、１２に充填された熱可塑性樹脂が再度軟化して、導電性酸化剤セパレータ板２および導電性燃料セパレータ板３と膜電極接合体１とが接着された。その後単電池をバネによって加圧する治具にセットした。この膜電極接合体全面積に対して４９Ｎ／ｃｍ２の圧力なるように外部からバネによって加圧した。この状態で燃料極（カソード）の電極に通じるガス流路に窒素ガスを流し、ガス入り口側が２００mm水柱の圧力となるように入り口ガス流量をマスフローコントローラで調節した。この状態でガス出口流量を測定して漏れ量を見積もった。その結果、充填した樹脂の量が９０体積％の場合、ガス漏れは殆どなく、また充填した樹脂の量が５０体積％の場合、約２％のガスが燃料極から外部に漏れていたが、実用上は十分に使用可能な単電池である。
【００５８】
次に、電極基材９、１０内の空孔体積当たりの樹脂量を比較するために、樹脂シートの厚みを薄くして評価を行った。充填する樹脂シートの厚みは１４０μｍとした。充填した樹脂の量は電極基材内空孔体積の約４０体積％を占めるように調整した。その後この膜電極接合体１をガス流路が設けられた導電性酸化剤セパレータ板２および導電性燃料セパレータ板３とで挟み、１２０℃で２分間ホットプレスした。この処理によって酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０の封止支持部１１、１２に充填された熱可塑性樹脂が再度軟化して、導電性酸化剤セパレータ板２および導電性燃料セパレータ板３と膜電極接合体１とが接着された。その後単電池をバネによって加圧する治具にセットした。この膜電極接合体全面積に対して４９Ｎ／ｃｍ２の圧力なるように外部からバネによって加圧した。この状態で燃料極の電極に通じるガス流路に窒素ガスを流し、ガス入り口側が２００ｍｍ水柱の圧力となるように入り口ガス流量をマスフローコントローラで調節した。この状態でガス出口流量を測定して漏れ量を見積もった。その結果、約１８％のガスが燃料極から外部に漏れており、実用上使用は不可能な単電池である。
【００５９】
このように電極基材９、１０の空孔を樹脂により少なくとも５０体積％以上充填しなければ、導電性酸化剤セパレータ板２と酸化剤電極基材９および導電性燃料セパレータ板３と燃料電極基材１０との間のガスシールが十分ではない。さらに好ましくは、９０体積％以上充填されていればガスシールの可能性が非常に小さくなる。
【実施例４】
【００６０】
図８は、この発明の実施例４に係わる膜電極接合体の断面図である。
実施例４の膜電極接合体４０は、実施例１の膜電極接合体１と電解質膜６、燃料電極基材１０、酸化剤電極基材９、アノード触媒層７、カソード触媒層８の外形寸法が異なり、その他は同様であるので同様な部分の説明は省略する。電解質膜６、燃料電極基材１０および酸化剤電極基材９の外形は、一辺が６０ｍｍの正方形である。また、アノード触媒層７およびカソード触媒層８の外形は、一辺が５０ｍｍの正方形である。
また、燃料封止支持部１２および酸化剤封止支持部１１の形状は、内寸が６種類の異なる値のものを用意した。その内寸は、カソード触媒層８およびアノード触媒層７の外寸より０．４ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、６ｍｍ、１０ｍｍ、１４ｍｍ小さくなっている。
さらに、アノード触媒層７およびカソード触媒層８のうち、外周から内側に枠状の外縁部４１が樹脂により充填されている。この外縁部４１の内寸は燃料封止支持部１２および酸化剤封止支持部１１の内寸と同等である。
そして、アノード触媒層７およびカソード触媒層８は、樹脂が充填された外縁部４１において電解質膜６と両面から接着されている。枠状の接着幅Ｗは、０．２、０．５、１．０、３．０、５．０および７．０ｍｍである。なお、燃料封止支持部１２および酸化剤封止支持部１１は実施例１と同様に電解質膜６と接着されている。
なお、燃料封止支持部１２、酸化剤封止支持部１１および外縁部４１への樹脂の充填は、まずポリエステル系樹脂シートを実施例１と同様にロの字状に切り出し、すでにカソード触媒層８が形成済みの燃料電極基材１０とアノード触媒層７が形成済みの酸化剤電極基材９とにより電解質膜６の両側からその間にポリエステル系樹脂シートを挟んでホットプレスして樹脂を充填している。そして、電解質膜６を燃料封止支持部１２および酸化剤封止支持部１１から剥がして１８０度ピール強度を測定したところ、幅１ｃｍ当りのピール強度が約１．２Ｎ／ｃｍであった。
【００６１】
次に、これらの膜電極接合体４０を用いて実施例１と同様に単電池を接着幅Ｗ毎５台作製して２０００時間の連続発電を行なった。図９は、接着幅Ｗ毎の、発電開始時と２０００時間後とにおける開回路電圧（５台の平均値）を示す。
【００６２】
図９から分かるように、接着幅Ｗが０．５ｍｍより狭い場合、２０００時間の連続発電の間に両触媒層７、８の外縁部４１で両触媒層７、８と電解質膜６との剥離が生じ、電解質膜６の応力集中によるダメージによって開回路電圧が低下した。また、接着幅Ｗが５．０ｍｍより広い場合、樹脂により充填された触媒層７、８の面積が増えるため、燃料あるいは酸化剤がこの領域には浸透せず、電気化学反応を行なう触媒層の面積が狭くなり、発電開始時の負荷電圧が低くなる。このように、接着幅Ｗは０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下が好ましい。
【００６３】
このように触媒層の外縁部と電解質膜とを樹脂で接着したことにより、燃料電池の運転中に電解質膜の湿潤差に起因する応力集中が緩和され、触媒層、電極基材および電解質膜が一体化されているので、触媒層の剥離、電解質膜の破損、電解質膜と触媒層との界面の剥がれなどが発生せず、安定した発電特性をもつ燃料電池が得られた。
【実施例５】
【００６４】
図１０は、この発明の実施例５に係わる膜電極接合体の断面図である。
実施例５の膜電極接合体４３は、実施例４の膜電極接合体４０と燃料電極基材１０および酸化剤電極基材９の外形が電解質膜６より小さいことが異なっており、その他は同様であるので同様な部分に同じ符号を付記して説明を省略する。なお、外縁部４１の接着幅Ｗは１ｍｍである。
燃料電極基材１０および酸化剤電極基材９の外形は、一辺が５８ｍｍの正方形である。
実施例４のように燃料電極基材１０および酸化剤電極基材９の外形が電解質膜６の外形と等しいと、燃料電極基材１０および酸化剤電極基材９に樹脂を充填しながら電解質膜６を接着するとき位置ずれが起こった場合、電解質膜６の外周部より外側に燃料電極基材１０または酸化剤電極基材９が突出する部分ができる。電解質膜６は厚さが５０μｍと薄いため、燃料電極基材１０と酸化剤電極基材９とが同じ位置で突出した場合には両電極基材が接触して電気的短絡状態になる恐れがある。
【００６５】
このように構成された実施例５の膜電極接合体４３では、樹脂を充填しながら接着するとき位置ずれが起こっても、両電極基材９、１０は電解質膜６の外周部より外側には突出しないので、両電極基材が接触して電気的短絡状態になることを防ぐことができる。
【００６６】
なお、実施例５では、燃料電極基材１０および酸化剤電極基材９の両方を電解質膜６より小さい形状のものを用いたが、燃料電極基材１０および酸化剤電極基材９のどちらか一方だけを小さい形状にすることでも同様な効果がある。
【実施例６】
【００６７】
図１１は、この発明の実施例６に係わる膜電極接合体の断面図である。
実施例６の膜電極接合体４５は、実施例４の膜電極接合体４０と膜電極接合体４５の側端面が樹脂４６により覆われていることが異なっており、その他は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明を省略する。
実施例６では、ポリエステル系樹脂シートを外形が一辺６５ｍｍの枠状に切り出したものを用いて樹脂の充填を行っている。
もし、電解質膜６と燃料電極基材１０あるいは酸化剤電極基材９との接着面が外部とつながっているとき、燃料電池を構成して発電を行うと、電解質膜６と燃料電極基材１０または酸化剤電極基材９との接着面を経由して燃料または酸化剤がリークする恐れがある。
【００６８】
しかし、電解質膜６の外形より大きなポリエステル系樹脂シートを用いて電極基材９、１０の外縁部に樹脂を充填すると、樹脂が電極基材９、１０および電解質膜６の外端面の全体を覆うので、発電を行なった場合、電解質膜６と燃料電極基材１０あるいは酸化剤電極基材９との接着面の端部が樹脂で包囲されて外部とつながっていないので、ガスリークのない安定した発電を行なうことができる。
【実施例７】
【００６９】
図１２は、この発明の実施例７に係わる単電池の断面図である。この実施例７の酸化剤電極基材９と電解質膜６の形状が実施例１と異なっており、その他は同様であるので同様な部分の説明は省略する。実施例７の酸化剤電極基材９の外形は１辺（Ｌ１）が８７ｍｍの正方形であり、電解質膜６の形状は１辺（Ｌ２）が９０ｍｍの正方形である。なお、燃料電極基材１０の形状は１辺９０ｍｍの正方形と実施例１と同一である。これらの酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０を電解質膜６に積層してホットプレスで接合するときには、酸化剤電極基材９、燃料電極基材１０および電解質膜６の中心が一致するように位置決めした。すなわち、同じ大きさである燃料電極基材１０と電解質膜６の外周が揃うように積層し、さらに酸化剤電極基材９の外周端部が電解質膜６の外周端部より１．５ｍｍ内側に位置するようにした。接合後の膜電極接合体１の外周部を目視で観察したところ、酸化剤電極基材９の端部は電解質膜６の端部より内側にあり、両極間が直接接触しているところはなかった。この膜電極接合体１を実施例１と同様の方法で運転し、運転開始後５０時間の時点での出力電圧を測定したところ７０５ｍＶであった。
【００７０】
実施例１では、電解質膜６の外形寸法に対して酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０との外形寸法が小さくなっている。さらに、実施例７では電解質膜６の外形寸法に対して酸化剤電極基材９の外形寸法が小さくなっている。そこで電解質膜６の外形寸法と酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０との外形寸法が等しいときの燃料電池を評価した。この燃料電池の単電池は酸化剤電極基材９の外形の１辺が９０ｍｍの正方形であることだけが実施例１と異なっており、その他は同様であるので同様な部分の説明は省略する。このような部材を準備して実施例１と同様に膜電極接合体１を形成した。その膜電極接合体１の外周端部を目視と実体顕微鏡で観察したところ、電解質膜６の外周端部が酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０の外周端部よりも内側に入り、その結果酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０とが接触して短絡しているのではないかと思われる部分があった。そこで膜電極接合体１を実施例１と同様の方法で運転し、運転開始後５０時間時点での出力電圧を測定したところ、５６３ｍＶと図１２の単電池に比較して著しく低かった。
【００７１】
このような膜電極接合体１では酸化剤電極基材９が電解質膜６より小さくて、酸化剤電極基材９の外周端部が電解質膜６の外周端部よりも内側に位置するため、酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０とが電気的に短絡状態にならず正常な電圧が得られた。従って実施例１のように電解質膜６の大きさを必ずしも酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０よりも大きくする必要がなく、酸化剤電極基材９または燃料電極基材１０の少なくとも一方の外周端部が電解質膜６の外周端部よりも内側にあればよい。
逆に、酸化剤電極基材９および燃料電極基材１０をともに電解質膜６と同じ大きさにしたときは、酸化剤電極基材９と燃料電極基材１０との間を電解質膜６で完全に絶縁することが困難であり、電気的短絡状態になったために、低い出力電圧となった。
【実施例８】
【００７２】
図１３は、この発明の実施例８に係わる膜電極接合体を用いた単電池のピール強度と２０００時間後の開回路電圧低下量の関係を表す図である。
実施例８の膜電極接合体は、実施例４の膜電極接合体と電極基材に充填される樹脂が異なっており、その他は同様であるので同様な部分の説明は省略する。
充填に用いる樹脂は、実施例４のポリエステル樹脂系の他に、２種類のポリエチレン系、ポリプロピレン系、ポリブテン系の５種類からなる。
そして、実施例４と同様にして膜電極接合体を作製した。このとき、アノード触媒層７およびカソード触媒層８の外縁部、すなわち接着幅は１ｍｍと一定にしている。さらに、樹脂の充填率は、９０％位とこれも一定にした。
この膜電極接合体のうち、電極基材９、１０に樹脂により接着された電解質膜６を引きはがすときのピール強度をオートグラフで測定した。試料幅１ｃｍの電解質膜を３０ｍｍ／分の速度で１８０度方向に引きはがして測定した。
その結果、ポリエステル系、第１のポリエチレン系、第２のポリエチレン系、ポリプロピレン系、ポリブテン系でピール強度は、それぞれ１．１８Ｎ／ｃｍ、０．４９Ｎ／ｃｍ、０．３Ｎ／ｃｍ、０．１５Ｎ／ｃｍ、０．１Ｎ／ｃｍであった。
そして、それぞれ５個の膜電極接合体を用いて実施例１と同様に燃料電池の運転を行った。発電開始時の開回路電圧はすべての樹脂に関して平均９５１ｍＶであった。
そして、図１３から分かるように、ピール強度が０．３Ｎ／ｃｍ以上では２０００時間経過後の開回路電圧の低下量が４％を越えていない。しかし、それより低いピール強度では低下量が大きくなり、実用に供することができない。
【００７３】
このように電解質膜６と電極基材９、１０とのピール強度が０．３Ｎ／ｃｍを下回るとアノード触媒層７およびカソード触媒層８の外縁部においてアノード触媒層７およびカソード触媒層８と電解質膜６との剥離が生じ、電解質膜６の応力集中によるダメージによって開回路電圧が大きく低下した。
一方、電解質膜６と電極基材９、１０とのピール強度が０．３Ｎ／ｃｍ以上であれば、アノード触媒層７およびカソード触媒層８と電解質膜６との剥離が見られずに開回路電圧の低下も少なくすることができる。
【実施例９】
【００７４】
図１４は、この発明の実施例９に係わる単電池の平面図である。図１５は、図１４のＢＢ断面における単電池の断面図である。図１６は、図１４のＣＣ断面における単電池の断面図である。図１７は、図１４のＤＤ断面における単電池の断面図である。
実施例９の単電池は、図１５に示すような、実施例１と同様な膜電極接合体１、膜電極接合体の１対の相対する端部に膜電極接合体１と同一平面上で外接する１対のガスケット５１、５２、両端部に燃料、酸化剤および冷却水を供給・排出する各種マニホールドが厚み方向に設けられた燃料セパレータ板３Ｂおよび酸化剤セパレータ板２Ｂから構成されている。さらに、燃料セパレータ板３Ｂとガスケット５１、５２および酸化剤セパレータ板２Ｂとガスケット５１、５２との接触面にＥＰＤＭ製Ｏ−リング５３を用いてシールしている。
【００７５】
膜電極接合体１は、実施例１の膜電極接合体１と同様であるので説明は省略する。
ガスケット５１、５２は、ポリエチレン製であり、厚さは膜電極接合体１の厚さと同一である。また、両方のガスケット５１、５２を膜電極接合体１の両端部に外接するように並べたとき、それらを合わせた外形は燃料セパレータ板３Ｂの外形と等しくなる。
そして、一方のガスケット５１には、燃料供給マニホールド５４ａ、酸化剤排出マニホールド５５ａおよび冷却水供給マニホールド５６ａが厚み方向に貫通するようにして設けられている。また、他方のガスケット５２には、燃料排出マニホールド５７ａ、酸化剤供給マニホールド５８ａおよび冷却水排出マニホールド５９ａが厚み方向に貫通するようにして設けられている。
【００７６】
燃料セパレータ板３Ｂおよび酸化剤セパレータ板２Ｂは、カーボン板（東海カーボン製）にガス流路と冷却水路が機械加工により設けられたものである。
また、燃料セパレータ板３Ｂおよび酸化剤セパレータ板２Ｂは、単電池として組み立てたとき、両方のガスケット５１、５２に設けられた各種マニホールドと導通するように両端部に燃料供給マニホールド５４ｂ、５４ｃ、酸化剤排出マニホールド５５ｂ、５５ｃ、冷却水供給マニホールド５６ｂ、５６ｃ、燃料排出マニホールド５７ｂ、５７ｃ、酸化剤供給マニホールド５８ｂ、５８ｃおよび冷却水排出マニホールド５９ｂ、５９ｃが厚み方向に貫通するように設けられている。
また、燃料セパレータ板３Ｂの膜電極接合体１と対向する面（以下、対向面と称す。）６０ａの反対の面（以下、反対面と称す。）６１ａに燃料供給マニホールド５４ｂに連通する供給連通溝６２ａおよび燃料排出マニホールド５７ｂに連通する排出連通溝６３ａが設けられている。この供給連通溝６２ａおよび排出連通溝６３ａは、封止部５に位置する燃料セパレータ板３Ｂの部分を経由して発電部４に位置する燃料セパレータ板３Ｂの部分まで延びている。そして、供給連通溝６２ａおよび搬出連通溝６３ａのそれぞれの発電部４に位置する先端に燃料セパレータ板３Ｂを反対面６１ａから対向面６０ａに貫通して連なる供給貫通孔６４ａおよび排出貫通孔６５ａが設けられている。さらに、対向面６０ａにおいて供給貫通孔６４ａと排出貫通孔６５ａとをつなぐサーペンタイン型の燃料流路６６が設けられている。
そして供給された燃料は、燃料供給マニホールド５４ｂから反対面６１ａの供給連通溝６２ａ、供給貫通孔６４ａ、対向面６０ａの燃料流路６６、排出貫通孔６５ａ、反対面６１ａの排出連通溝６３ａを経由して燃料排出マニホールド５７ｂから排出される。
【００７７】
また、酸化剤セパレータ板２Ｂも、燃料セパレータ板３Ｂと同様に、酸化剤セパレータ板２Ｂの膜電極接合体１と対向する面（以下、対向面と称す。）６０ｂの反対の面（以下、反対面と称す。）６１ｂに酸化剤供給マニホールド５８ｃに連通する供給連通溝６２ｂおよび酸化剤排出マニホールド５５ｃに連通する排出連通溝６３ｂが設けられている。この供給連通溝６２ｂおよび搬出連通溝６３ｂは、封止部５に位置する酸化剤セパレータ板２Ｂの部分を経由して発電部４に位置する酸化剤セパレータ板２Ｂの部分ｍまで延びている。そして、供給連通溝６２ｂおよび搬出連通溝６３ｂの発電部４に位置する先端に酸化剤セパレータ板２Ｂを反対面６１ｂから対向面６０ｂに貫通して連なる供給貫通孔６４ｂおよび排出貫通孔６５ｂが設けられている。さらに、対向面６０ｂに供給貫通孔６４ｂと排出貫通孔６５ｂとをつなぐサーペンタイン型の酸化剤流路６７が設けられている。
そして供給された酸化剤は、酸化剤供給マニホールド５８ｃから反対面６１ｂの供給連通溝６２ｂ、供給貫通孔６４ｂ、対向面６０ｂの酸化剤流路６７、排出貫通孔６５ｂ、反対面６１ｂの排出連通溝６３ｂを経由して酸化剤排出マニホールド５５ｃから排出される。
さらに、酸化剤セパレータ板２Ｂは、反対面６１ｂに冷却水供給マニホールド５６ｃと冷却水排出マニホールド５９ｃとをつなげるサーペンタイン型の冷却流路６８が設けられている。
【００７８】
一方、実施例９の単電池と比較するため、比較例１の単電池を作製した。比較例１の単電池は、実施例９の単電池のガスケット５１、５２が省略されていることが異なっている。その替わりに、比較例１の膜電極接合体の電解質膜６の外形が、図１８に示すように、燃料セパレータ板３Ｂの外形と等しいなっている。燃料電極基材１０および酸化剤電極基材９を囲繞する電解質膜６の部分にロの字状の厚さ２５０μｍのフッ素樹脂性ガスケット６９が両面から圧着して設けられている。そして、この圧着されたフッ素樹脂性ガスケット６９に図示しない燃料供給マニホールド、図示しない酸化剤排出マニホールド、冷却水供給マニホールド５６ｄ、図示しない燃料排出マニホールド、図示しない酸化剤供給マニホールドおよび冷却水排出マニホールド５９ｄが厚み方向に貫通するように設けられている。その他は実施例１の膜電極接合体１と同様であるので同様な部分の説明は省略する。
【００７９】
この実施例９と比較例１との単電池をリークテスターで漏れ量を測定したが、ともにガスの漏れはなかった。
しかし、比較例１の単電池では、冷却水供給マニホールド５６ｄおよび冷却水排出マニホールド５９ｄに電解質膜６が露出しているので、冷却水として、電解質膜６を汚染するイオンを多量に含む液体や、電解質膜６を膨潤させたり、溶解したりする溶媒を用いることはできない。
他方、実施例９の単電池では、冷却水路がポリエチレン製のガスケット５１、５２とカーボンのセパレータ板２Ｂ、３Ｂだけに接しているので、ポリエチレンおよびカーボンが水やエチレングリコールに対して高い耐久性を示す。また電解質膜６が冷却水に接していないので、冷却水中のイオンによって電解質膜６が汚染されることがない。
また、電解質膜６や電極基材９、１０といった高価な材料で形成される部分が、必要最小限の大きさで構成されているので、安価な燃料電池を提供できる。
【００８０】
このようにセパレータ板２Ｂ、３Ｂと膜電極接合体１の封止支持部１１、１２との界面に燃料および酸化剤用の流路が設けられていないので、この界面で膜電極接合体１をシールすることができる。そのため、各種マニホールドが設けられるガスケット５１、５２を安価な材料に置き換えることができる。
さらに、ガスケット５１、５２には電位が掛からないので、腐食の影響を受けなくなる。
さらに、冷却水と電解質膜６とが直接接触しないので、純水以外の冷却水を使用することができる。
さらに、冷却水としてエチレングリコールなどを含んだ水を用いることができるので、凍結防止など燃料電池の特性に合わせた冷却水を使用できる。
【実施例１０】
【００８１】
図１９は、この発明の実施例１０の単電池に用いる燃料セパレータ板の膜電極接合体に接する面の平面図である。図２０は、図１９のＥＥ断面における燃料セパレータ板の断面図である。図２１は、実施例１０の単電池に用いる酸化剤セパレータ板の膜電極接合体に接する面の反対面の平面図である。図２２は、実施例１０の単電池の図１９と同様なＥＥ断面での断面図である。
実施例１０の単電池は、実施例９の単電池と燃料セパレータ板３Ｃおよび酸化剤セパレータ板２Ｃが異なり、その他は同様であるので、同様な部分に同じ番号を付記して説明は省略する。
【００８２】
燃料セパレータ板３Ｃは、図１９と図２０とに示すように、実施例９の燃料セパレータ板３Ｂの反対面６１ａに酸化剤供給マニホールド５８ｂから延びる供給連通溝６２ｃと酸化剤排出マニホールド５５ｂから延びる排出連通溝６３ｃとが設けられている。この供給連通溝６２ｃの延びた先端は図２１に示す酸化剤セパレータ板２Ｃの供給貫通孔６４ｂ上に位置し、排出連通溝６３ｃの延びた先端は酸化剤セパレータ板２Ｃの排出貫通孔６５ｂ上に位置している。
一方、酸化剤セパレータ板２Ｃは、図２１に示すように、発電部４に位置する供給貫通孔６４ｂと排出貫通孔６５ｂとが貫通するようにして設けられ、対向面６０ｂに供給貫通孔６４ｂと排出貫通孔６５ｂとを連通する酸化剤流路６７が設けられている。
【００８３】
そして、実施例１０の単電池は、図２２に示すように、実施例９の単電池と酸化剤の供給・排出の経路が異なっている。酸化剤は、酸化剤供給マニホールド５８ｂから供給連通溝６２ｃ、供給貫通孔６４ｂ、酸化剤流路６７、排出貫通孔６５ｂおよび排出連通溝６３ｃを経由して酸化剤排出マニホールド５５ｂに流される。
【００８４】
このように燃料セパレータ板の両面と酸化剤セパレータ板の片面とを機械加工すれば済むので、加工費用を削減することができる。
なお、燃料セパレータ板の両面に溝加工を施したが、酸化剤セパレータ板の両面に溝加工しても、加工費の削減ができる。
【実施例１１】
【００８５】
図２３は、この発明の実施例１１の単電池の積層の様子を示す図である。
実施例１１の単電池は、実施例９の単電池のＥＰＤＭ製Ｏ−リング５３の替わりに弾性変形する柔らかい樹脂７１を用いていることが異なっており、その他は実施例９と同様であるので同様な部分に同じ符号を付記して説明を省略する。
弾性変形する柔らかい樹脂７１は、例えば、ＥＰＤＭやシリコーン系ゴム状樹脂を使用することができるがこれらに限るものではない。
【００８６】
このように各種マニホールドの周囲を弾性変形する柔らかい樹脂によりシールすることにより、面圧を膜電極接合体に確実にかけることができるので、各種マニホールドの周囲で単電池にかけられる圧力を受けてしまい膜電極接合体に面圧がかからないということを防ぐことができる。
また、封止部に位置する膜電極接合体に充填する樹脂を各種マニホールドの周囲をシールするシール樹脂と異なるようにすることができるので、それぞれに相応しい樹脂を採用することができる。充填する樹脂は、燃料電池の運転温度以上電解質膜の耐熱温度以下で溶融して電極基材の内部に入っていく特性や空気、水素および化学反応で生成する水に対する特性を考慮して選択することができる。一方、マニホールドの周囲をシールする樹脂は、溶解する必要がないのでシール性に優れた特性やエチレングリコールなど有機溶媒に対する耐油性を考慮して選択することができる。
なお、ガスケット５０の全面を燃料セパレータ３および酸化剤セパレータ２に柔らかい樹脂により接着した例について説明したが、各種マニホールドの周囲だけシールしても同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】この発明に係わる燃料電池の断面図である。
【図２】電極基材に樹脂を充填するためにホットプレス機に樹脂フィルムと電極機材板をセットした様子を示す図である。
【図３】膜電極接合体をホットプレス機で作製する様子を示す図である。
【図４】評価用セルの断面図である。
【図５】評価結果を示す図である。
【図６】比較例の燃料電池の断面図である。
【図７】膜電極接合体とセパレータ板をホットプレス機で接着する様子を示す図である。
【図８】この発明の実施例４に係わる膜電極接合体の断面図である。
【図９】接着幅に関する発電開始時と２０００時間後との開回路電圧を示す。
【図１０】この発明の実施例５に係わる膜電極接合体の断面図である。
【図１１】この発明の実施例６に係わる膜電極接合体の断面図である。
【図１２】この発明の実施例７に係わる単電池の断面図である。
【図１３】この発明の実施例８に係わる膜電極接合体を用いた単電池のピール強度と２０００時間後の開回路電圧低下量の関係を表す図である。
【図１４】この発明の実施例９に係わる単電池の平面図である。
【図１５】図１４のＢＢ断面における単電池の断面図である。
【図１６】図１４のＣＣ断面における単電池の断面図である。
【図１７】図１４のＤＤ断面における単電池の断面図である。
【図１８】比較例１の単電池の断面図である。
【図１９】この発明の実施例１０の単電池に用いる燃料セパレータ板の膜電極接合体に接する面から見た平面図である。
【図２０】図１９のＥＥ断面における燃料セパレータ板の断面図である。
【図２１】実施例１０の単電池に用いる酸化剤セパレータ板の膜電極接合体に接する面の反対側から見た平面図である。
【図２２】実施例１０の単電池の図１９と同様なＥＥ断面での断面図である。
【図２３】この発明の実施例１１の単電池の積層の様子を示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
１、３０、４０、４３、４５  膜電極接合体、２、２Ｂ、２Ｃ  酸化剤セパレータ板、３、３Ｂ、３Ｃ  燃料セパレータ板、４  発電部、５  封止部、６  電解質膜、７  アノード触媒層、８  カソード触媒層、９、２７  酸化剤電極基材、１０、２８  燃料電極基材、１１  酸化剤封止支持部、１２  燃料封止支持部、１３、１４、１５、１６  界面、１７  酸化剤ガス流路、１８  燃料ガス流路、１９、４１  外縁部、２０  電極基材板、２１、７１  樹脂シート、２２  ホットプレス機、２３  平盤、２４  カーボン板、２５  発熱体、２６  金属板、２９、５０、５１、５２  ガスケット、４６、７１  樹脂、５３  Ｏ−リング、５４ａ、５４ｂ、５４ｃ  燃料供給マニホールド、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ  酸化剤排出マニホールド、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ  冷却水供給マニホールド、５７ａ、５７ｂ、５７ｃ  燃料排出マニホールド、５８ａ、５８ｂ、５８ｃ  酸化剤供給マニホールド、５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、５９ｄ  冷却水排出マニホールド、６０ａ、６０ｂ  対向面、６１ａ、６１ｂ  反対面、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ  供給連通溝、６３ａ、６３ｂ、６３ｃ  排出連通溝、６４ａ、６４ｂ  供給貫通孔、６５ａ、６５ｂ  排出貫通孔、６６  燃料流路、６７  酸化剤流路、６８  冷却流路、６９  フッ素樹脂性ガスケット。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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