(57)【要約】リン酸塩分子鎖からなる分散相と、水からなる分散媒とを有するプロトン伝導ゲルを主成分とするプロトン伝導体を電解質層に用いた燃料電池用発電体、該燃料電池用発電体の製造方法、及び該燃料電池用発電体の製造に用いる成形型を提供する。  この燃料電池用発電体は、プロトン伝導ゲルを主成分とする高粘性のプロトン伝導体７を、リン酸塩水和物結晶を析出させることにより、等厚な膜形状に硬化してなる電解質層６を備え、かつ該電解質層６の両面に、その硬化に伴って密着状に接合される電極２，３を備えてなるものである。その製造は、下型１１と上型１２の重ね合わせ状態で、燃料電池用発電体１を成形するための閉鎖キャビティ１３と、該閉鎖キャビティ１３と連通する電解質溜り溝３１とが形成される成形型１０を用いて、電極２，３間に配した高粘性のプロトン伝導体７を該閉鎖キャビティ１３内で、等厚な膜形状に成形した後に、プロトン伝導体７中にリン酸塩水和物結晶を析出させて、該電解質層６を硬化してなされる。
2004107487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層の両面に電極を対向状に接合してなる燃料電池用発電体において、
溶融法によって得られたリン酸塩ガラスが水と反応することによりリン原子にＯＨ基が結合してなる直鎖状構造又は／及び環状構造のリン酸塩分子鎖からなる分散相と、該リン酸塩分子鎖の各ＯＨ基の周囲に存在する水からなる分散媒とを有するプロトン伝導ゲルを主成分とする高粘性のプロトン伝導体を、リン酸塩水和物結晶を析出させることにより、等厚な膜形状に硬化してなる電解質層を備え、かつ該電解質層の両面に、その硬化に伴って密着状に接合される電極を備えてなる燃料電池用発電体。
【請求項２】
リン酸塩分子鎖は、Ｃａ２＋を含有し、且つリン酸をＰ２Ｏ５換算で４７〜５５ｍｏｌ％の範囲内で含有していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用発電体。
【請求項３】
電解質層の両面に電極を対向状に接合してなる燃料電池用発電体の製造方法であって、
ガス拡散導電層と触媒層とからなり、触媒層を内側とする一対の電極間に、溶融法によって得られたリン酸塩ガラスが水と反応することによりリン原子にＯＨ基が結合してなる直鎖状構造又は／及び環状構造のリン酸塩分子鎖からなる分散相と、該リン酸塩分子鎖の各ＯＨ基の周囲に存在する水からなる分散媒とを有するプロトン伝導ゲルを主成分とする高粘性のプロトン伝導体が介在した、等厚な膜形状に成形した後、プロトン伝導体中にリン酸塩水和物結晶を析出することにより、プロトン伝導体を硬化して電解質層としたことを特徴とする燃料電池用発電体の製造方法。
【請求項４】
上面に成形凹部と支持面とを備えた下型と、下面に該下型の支持面に圧接する押圧面を備えた上型とからなり、支持面と押圧面との重ね合わせ状態で、上下型間に、成形凹部を少なくともその一部とする燃料電池用発電体を成形するための閉鎖キャビティと、該閉鎖キャビティと連通する電解質溜り溝とが形成される成形型を用いて、
下型の成形凹部内に、一側電極を触媒層を上向きに配置し、次に一側電極上に高粘性のプロトン伝導体を供給し、さらにその上方に触媒層を下向きにした他側電極を配置した後、下型上に上型を上方から圧着することにより、閉鎖キャビティ内で、一対の電極間にプロトン伝導体が介在した、等厚な膜形状に成形するとともに、余剰のプロトン伝導体を電解質溜り溝に排出し、その後、プロトン伝導体中にリン酸塩水和物結晶を析出することにより、プロトン伝導体を硬化して電解質層としたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池用発電体の製造方法。
【請求項５】
プロトン伝導体中にリン酸塩水和物結晶を析出させる工程が、成形された燃料電池用発電体を、湿度６０〜１００％ＲＨ、温度６０〜１００℃の条件下で熱処理する工程を含むものであることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池用発電体の製造方法。
【請求項６】
リン酸塩分子鎖は、Ｃａ２＋を含有し、且つリン酸をＰ２Ｏ５換算で４７〜５５ｍｏｌ％の範囲内で含有し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用発電体の製造方法。
【請求項７】
請求項１又は請求項２記載の燃料電池用発電体の成形に用いられるものであって、
下型と、上型とからなり、両型の重ね合わせ状態で、上下型間に、燃料電池用発電体を成形するための閉鎖キャビティと、該閉鎖キャビティの周囲で、該閉鎖キャビティと連通する電解質溜り溝とが形成されることを特徴とする燃料電池用発電体の成形型。
【請求項８】
下型の上面に、閉鎖キャビティの少なくとも下部側を構成する成形凹部を設けると共に、該成形凹部の底部に、該成形凹部と連通する上下方向の摺動孔を設け、該摺動孔に昇降可能に内嵌し、その上面が成形凹部の底面と整一となる成形位置と、該上面が成形凹部の底面から突出し、成形凹部内の成形済み燃料電池用発電体を上方へ押し出す取出位置とに位置変換する押出子を備えたことを特徴とする請求項７記載の燃料電池用発電体の成形型。
【請求項９】
電解質層の両面に電極を対向状に接合してなる発電体を一対のセパレータ間に挟持してなる単位電池を複数備えた燃料電池において、
請求項１又は請求項２記載の発電体を用いると共に、
前記一対のセパレータの、発電体に面接触する発電体当接部に、夫々ガス流路溝が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
一対のセパレータの、発電体との対向面を、ガス流路溝が設けられた発電体当接部と、該発電体当接部の周囲のスペーサ支持部とに区分すると共に、
両セパレータのスペーサ支持部の間に、両セパレータの発電体当接部の間を所定間隔に規定する環状スペーサを介装したことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記発電体が、両電極と電解質層との外縁が一致した薄板状をなすものであって、
環状スペーサの内縁から、内方へ突出して発電体の外縁と当接する複数の支持突部を設け、単位電池内の環状スペーサの内縁と発電体との外縁との間に、シール剤を充填する封入間隙を形成したことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、電解質層の両面に、一対の電極を対向状に接合した燃料電池用発電体及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】  燃料電池は、基本的に、電解質層の両面に電極を配置してなる発電体の中で水素と酸素とを反応させて水を生成し、その際に生じる化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、クリーンで発電効率の高いシステムとして注目されている。この燃料電池は、電解質層を構成するイオン伝導体（通常はプロトン伝導体）の材質ごとに作動温度等の特徴が大きく異なり、かかるイオン伝導体の種類により分類される。こうした燃料電池の中で固体高分子型燃料電池と呼ばれるものは、室温付近で作動することから自動車や携帯電話等への利用が期待されている。【０００３】  この固体高分子型燃料電池は、電解質層にプロトン伝導体であるイオン交換性高分子膜を用いたものである。そして、通常は、一側に白金等の触媒を担持した触媒層と、供給されるガスを拡散するガス拡散導電層とからなる一対の電極を、熱圧着により、該イオン交換性高分子膜の両面に接合させて発電体を構成し（例えば特許文献１）、この発電体をガス流路溝が形成された一対のセパレータで挟持してなる単位電池を電気的に複数接続することにより燃料電池を構成する。このイオン交換性高分子膜の中では、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ登録商標）に代表されるパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜を用いたものが最も開発が進んでおり実用化段階にまで迫っている。【０００４】  しかし、このナフィオン等のパーフルオロスルホン酸系のイオン交換膜にあっても、製造費の高さなどに問題点を抱えており、電解質層としてより優れた機能を有する材料の研究開発が盛んとなっている。【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３１３３５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  溶融法により得られたリン酸塩ガラスの粉末が、常温で水と反応して、リン酸塩分子鎖からなる分散相と、水からなる分散媒とからなる高粘性のゲルに変化し、かかるゲルが室温付近で高いイオン伝導度を有するプロトン伝導ゲルであることが見出されている（特願２００２−００７６８６）。特願２００２−００７６８６号公報の記述によれば、このプロトン伝導ゲルは、リン原子にＯＨ基が結合してなるリン酸塩分子鎖からなる分散相と、該リン酸塩分子鎖の各ＯＨ基の周囲に存在する水からなる分散媒とを有することが明らかとなっており、また、液体クロマトグラフ等の分析により、分散媒を構成するリン酸塩分子鎖は、直鎖状構造又は環状構造のいずれかであることが示されている。すなわち、かかるプロトン伝導ゲルでは、リン酸塩ガラス粉末が水と反応し、リン酸ガラスを構成するリン酸塩分子鎖がＯＨ基で分断されることにより、分断されてリン原子に多量のＯＨ基が結合したリン酸塩分子鎖が分散相となり、リン酸塩分子鎖の各ＯＨ基の周囲に存在する多量の水が分散媒となっていると考えられる。また、リン酸塩分子鎖のＯＨ基は、リン酸が強酸性であることからプロトンを解離しやすく、このプロトン伝導ゲルでは、解離したプロトンが、周囲に配位している水分子及び他のＯＨ基からなるプロトン伝導経路を介して順次伝達されると考えられている。そして、このプロトン伝導ゲルは、固体高分子型燃料電池の一般的な作動温度（８０℃）付近で、前記ナフィオンより高いプロトン伝導度を示し、かつ、そのプロトン伝導度は温度や湿度変化に対しても安定していることも明らかとなっており、さらに、かかる優れたプロトン伝導性に加え、前記ナフィオンと比べてはるかに低コストで製造可能であることから、このプロトン伝導ゲルを電解質層として好適に利用できれば、優れた燃料電池を低コストで提供可能となる。ここでプロトン伝導ゲルは通常、高粘性なものであるから、燃料電池用発電体の電解質に必要とされる、厚さ１ｍｍ以下の等厚な膜形状に延展することは容易であるが、柔軟であるためその形状が不安定であり、取り扱いが困難である。したがって、かかるプロトン伝導ゲルを有形化することができれば、燃料電池用発電体の電解質層としてのさらなる有用性が期待される。【０００７】  本発明は、かかる期待に応え得る、上述のリン酸塩分子鎖からなる分散相と、水からなる分散媒とを有するプロトン伝導ゲルを主成分とするプロトン伝導体を電解質層に用いた燃料電池用発電体、該燃料電池用発電体の製造方法、該燃料電池用発電体の製造に用いる成形型及び該燃料電池用発電体を用いた燃料電池の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明は、電解質層の両面に電極を対向状に接合してなる燃料電池用発電体において、溶融法によって得られたリン酸塩ガラスが水と反応することによりリン原子にＯＨ基が結合してなる直鎖状構造又は／及び環状構造のリン酸塩分子鎖からなる分散相と、該リン酸塩分子鎖の各ＯＨ基の周囲に存在する水からなる分散媒とを有するプロトン伝導ゲルを主成分とする高粘性のプロトン伝導体を、リン酸塩水和物結晶を析出させることにより、等厚な膜形状に硬化してなる電解質層を備え、かつ該電解質層の両面に、その硬化に伴って密着状に接合される電極を備えてなる燃料電池用発電体である（請求項１）。【０００９】  本発明者らは、上述のリン酸塩ガラス粉末を水と反応させて得られたプロトン伝導ゲルが、乾燥を防止した条件下で放置することにより、該ゲル中にリン酸塩水和物結晶が析出して流動性が失われて徐々に硬化していき、該リン酸塩水和物結晶と非晶質のゲル相とからなる複合体として固体状に硬化することを発見した。また、この硬化した複合体が、硬化する前のゲル状態の時と同様の優れたプロトン伝導性を有することが明らかとなった。そこで、燃料電池用発電体の電解質として、かかるプロトン伝導体を硬化したものを用いるようにした。【００１０】  かかる燃料電池用発電体にあっては、上述の優れたプロトン伝導度を有する電解質層が、触媒層と隙間なく密接したものであるため、反応効率が高く、高い起電力を生じ得ると共に、電解質層の材料が安価であるため、低廉に製造可能である。また、電解質層が硬化して変形し難く、また該電解質層と両側の電極とが密着して一体化しているため、取り扱いが非常に容易であり、この燃料電池用発電体を、後述するように、従来の固体高分子型燃料電池と同様に、ガス流路溝が形成されたセパレータ間で挟持して、それらを複数接続すれば、低コストで優れた燃料電池を製造できる。【００１１】  ここで、前記電解質層のプロトン伝導体を構成するリン酸塩分子鎖を分散相とするプロトン伝導ゲルは、リン酸塩ガラス粉末を水と反応させることにより得られる。ここで、リン酸塩ガラス粉末を構成するリン酸塩としては、少なくともリン酸カルシウム、リン酸亜鉛、リン酸マグネシウムを含有する場合にプロトン伝導ゲルを好適に得ることができる。さらに言えば、これらの中ではリン酸カルシウムが最もゲル化し易い。すなわち、プロトン伝導ゲルの分散相を構成するリン酸塩分子鎖は、Ｃａ２＋を含有していることが望ましい。また、プロトン伝導ゲルの分散相を構成するリン酸塩分子鎖は、そのリン酸成分の濃度が高すぎると、プロトン伝導ゲルが化学的に不安定となり、成形時に必要な粘性を得難い。またリン酸濃度が少なすぎると、プロトン伝導度が低下してしまう。これらの点から、プロトン伝導ゲル内のリン酸分子鎖は、リン酸をＰ２Ｏ５換算で、４０〜６０ｍｏｌ％の範囲内で含有することが望ましい。さらには、リン酸をＰ２Ｏ５換算で４７〜５５ｍｏｌ％の範囲内で含有するものをより好適に用いることができる（請求項２，６）。なお、本発明の燃料電池用発電体を構成するプロトン伝導体は、上述のプロトン伝導ゲルや、該ゲルとリン酸塩水和物結晶の複合体のみにより構成されるものだけでなく、上述の���うに、高粘性の状態から硬化し、かつ適度のプロトン伝導性を有する限りにおいては、該プロトン伝導ゲルや複合体に、他種のプロトン伝導物質や保水剤等を混合したものを用いてもよい。【００１２】  上記の硬化したプロトン伝導体からなる電解質層と、電極とが接合して一体化した燃料電池用発電体は、上記、イオン交換性高分子膜に用いられる熱圧着法で接合させるのは困難であるため、該電解質層と電極とを密着状に接合させる新たな方法が必要となる。ここで、かかる方法として、ガス拡散導電層と触媒層とからなり、触媒層を内側とする一対の電極間に、溶融法によって得られたリン酸塩ガラスが水と反応することによりリン原子にＯＨ基が結合してなる直鎖状構造又は／及び環状構造のリン酸塩分子鎖からなる分散相と、該リン酸塩分子鎖の各ＯＨ基の周囲に存在する水からなる分散媒とを有するプロトン伝導ゲルを主成分とする高粘性のプロトン伝導体が介在した、等厚な膜形状に成形した後、プロトン伝導体中にリン酸塩水和物結晶を析出することにより、プロトン伝導体を硬化して電解質層としたことを特徴とする燃料電池用発電体の製造方法が提案される（請求項３）。かかる方法にあっては、高粘性の前記プロトン伝導体を、電極間で等厚な膜形状に成形し、電極の触媒層側と当接させると、該プロトン伝導体は、電極表面の微小孔の中に僅かに浸透して電極と密接することとなる。そして、かかる状態のまま、プロトン伝導体を硬化することにより、電解質層が電極と一体化して、機械的に安定な燃料電池用発電体が製造されることとなる。なお、電解質層は、完全に固体状である必要はなく、電極と一体化して機械的に安定するだけの強度を有していればよい。したがって、ここでの「硬化」とは、プロトン伝導体を固体状にまで完全に変化させるものに限らず、固体状に近い状態に変化させることを含める。【００１３】  また、本発明の燃料電池用発電体を構成する一対の電極は、従来の固体高分子型燃料電池で用いられるような、一面に白金等の触媒を保持して触媒層とガス拡散導電層を形成した多孔性導電対を利用可能であり、電極材料としてはカーボンペーパーが好適に用いられ得る。【００１４】  ここで、プロトン伝導体からなる電解質層を等厚な膜形状にして電極間に配置する方法としては、上面に成形凹部と支持面とを備えた下型と、下面に該下型の支持面に圧接する押圧面を備えた上型とからなり、支持面と押圧面との重ね合わせ状態で、上下型間に、成形凹部を少なくともその一部とする燃料電池用発電体を成形するための閉鎖キャビティと、該閉鎖キャビティと連通する電解質溜り溝とが形成される成形型を用いて、下型の成形凹部内に、一側電極を触媒層を上向きに配置し、次に一側電極上に高粘性のプロトン伝導体を供給し、さらにその上方に触媒層を下向きにした他側電極を配置した後、下型上に上型を上方から圧着することにより、閉鎖キャビティ内で、一対の電極間にプロトン伝導体が介在した、等厚な膜形状に成形するとともに、余剰のプロトン伝導体を電解質溜り溝に排出し、その後、プロトン伝導体中にリン酸塩水和物結晶を析出することにより、プロトン伝導体を硬化して電解質層とした製造方法が提案される（請求項４）。すなわち、この方法にあって���、高粘性状態のプロトン伝導体を挟んだ一対の電極を、前記成形型の閉鎖キャビティ内に封入することで、両電極間が所定間隔になるように配置して、電極間のプロトン伝導体を、両電極と密接した状態で、厚さ１ｍｍ以下の膜形状の電解質層に成形させることとなる。この際に、成形型の閉鎖キャビティの周囲には、該閉鎖キャビティと連通する電解質溜り溝とが形成されているから（請求項７）、余剰なプロトン伝導体は、電極間の周縁から該電解質溜り溝へと押し出されることとなり、閉鎖キャビティ内に過剰な圧力が加わらず、柔軟なプロトン伝導体が確実に薄板状に成形される。【００１５】  なお、上述のプロトン伝導体を、電極間で等厚な膜形状に成形する工程にあっては、該プロトン伝導体の粘性が低すぎると、電極上に配したプロトン伝導体が触媒層の奥まで浸透し、水素又は酸素と該触媒との接触の障害となるため、化学反応電極の表面に僅かに浸透し、両電極からの挟圧により柔軟に変形できる程度に高い粘性を有することが望ましい。このプロトン伝導体の粘性は、上述のように材料プロトン伝導ゲルを構成するリン酸塩分子鎖の種類や、添加物により異なるが、それ以外にも含水率や、プロトン伝導体中に析出したリン酸塩水和物結晶の量によっても変化する。言い換えれば、プロトン伝導体の含水率や、内部のリン酸塩水和物結晶量を調節することにより、プロトン伝導体の粘性を適宜調節できる。ここで、含水率に関しては、リン酸塩ガラス粉末を水と反応して得られたプロトン伝導ゲルを遠心分離することにより、所要の粘性を有するプロトン伝導ゲルを分離可能である。【００１６】  また、成形されたプロトン伝導体は、乾燥を防いだ状態で室温放置することにより、リン酸塩水和物結晶の析出が進行して、徐々に硬化していく。しかし、このプロトン伝導体からなる電解質層と電極とが一体化するまでにかかる時間は、プロトン伝導体の種類や、粘性状態により異なるが、室温放置では長時間（例えば３０日間）を要することが多い。ここで、成形した発電体を、乾燥を防いだ高湿度下で熱処理した場合には、プロトン伝導体中のリン酸塩水和物結晶の析出が促進され、電解質層を充分な硬さにまで硬化する工程を短縮することができる。一般的には、湿度６０〜１００ＲＨで、温度６０〜１００℃の条件下で行うことが望ましい（請求項５）。なお、電解質層が柔軟な状態の発電体は変形し易いため、こうした電解質層を硬化する工程は、該発電体を成形型の閉鎖キャビティ内に保持した状態のままで行うことが望ましい。【００１７】  また、上述の成形型が、下型の上面に、閉鎖キャビティの少なくとも下部側を構成する成形凹部を設けると共に、該成形凹部の底部に、該成形凹部と連通する上下方向の摺動孔を設け、該摺動孔に昇降可能に内嵌し、その上面が成形凹部の底面と整一となる成形位置と、該上面が成形凹部の底面から突出し、成形凹部内の成形済み発電体を上方へ押し出す取出位置とに位置変換する押出子を備え（請求項８）、成形凹部内に嵌合した発電体を、該押出子により直下方から押し出すようにすれば、不用意な力をかけて発電体を変形させることなく、成形凹部から容易に取り出し可能となる。【００１８】  また、電解質層の両面に電極を対向状に接合して��る発電体を一対のセパレータ間に挟持してなる単位電池を複数備えた燃料電池において、上述の発電体を用いると共に、前記一対のセパレータの、発電体に面接触する発電体当接部に、夫々ガス流路溝が設けられていることを特徴とする燃料電池が提案される。（請求項９）かかる構成にあって、上述したように、機械的に安定した、発電効率の高い燃料電池となる。また、前記プロトン伝導体は、上記のナフィオン等のイオン交換性高分子膜と比べて低廉に作製可能であり、燃料電池の製造コストを抑えることができる。【００１９】  上記の発電体は、ガス流路溝が形成された従来構成のセパレータを用いて挟持することができる。しかし、従来構成の発電体のように強い力で発電体を挟持すると、徐々に電解質層に変形が生じ、電解質層が短期間で破損し易くなる。その一方で挟持する力が弱すぎると、発電体とセパレータとの接触が疎になり、セパレータと発電体間の接触抵抗により発電効率が低下するため、前記発電体を適度な力で挟持する機構が必要となる。ここで、一対のセパレータの、発電体との対向面を、ガス流路溝が設けられた発電体当接部と、該発電体当接部の周囲のスペーサ支持部とに区分すると共に、両セパレータのスペーサ支持部の間に、両セパレータの発電体当接部の間を所定間隔に規定する環状スペーサを介装した構成が提案される（請求項１０）。かかる構成にあっては、セパレータにより発電体が適度な力で挟持されて、該発電体が所定の厚みだけ収縮した時に、硬質な環状スペーサがセパレータの両スペーサ支持部と当接して、発電体当接部同士がそれ以上接近しないように支持すれば、発電体に過剰な圧力がかかって変形、破損するのを防止できる。なお、かかる環状スペーサは、テフロン（登録商標）のような硬質の絶縁体により製造可能である。【００２０】  さらに、単位電池内で燃料極側の燃料ガスと、空気極側の空気とが、発電体の外縁を介して混合して、発電効率が低下するのを防止する封入手段が必要となる。ここで、発電体が、両電極と電解質層との外縁が一致した薄板状をなすものであって、環状スペーサの内縁から、内方へ突出して発電体の外縁と当接する複数の支持突部を設け、単位電池内の環状スペーサの内縁と発電体との外縁との間に、シール剤を充填する封入間隙を形成した構成とすれば（請求項１１）、発電体の外縁と環状スペーサの間が確実に封入されて、発電体の外縁を介したガスの混合が防止される。ここでシール剤には絶縁性や耐熱性、充填時の高粘性などが要され、シリコングリス等が好適に用いられる。
【発明の効果】
【００２１】  以上説明したように本発明の、リン酸塩分子鎖からなる分散相と、水からなる分散媒とを有するプロトン伝導ゲルを主成分とする高粘性のプロトン伝導体を、リン酸塩水和物結晶を析出させることにより、等厚な膜形状に硬化することにより、電解質層の両面に電極を一体的に接合してなる燃料電池用発電体にあっては（請求項１）、電解質層を構成するプロトン伝導体がプロトン伝導性に優れ、製造コストが低いという利点がある。そして、硬化した電解質層と電極が一体化して取り扱いが容易であるから、本発明の燃料電池用発電体を用いることにより、発電効率の優れた燃料電池を低廉に製造し得る。【００２２】  こうした燃料電池用発電体は、触媒層を内側とする一対の電極間に、前記プロトン伝導ゲルを主成分とする高粘性のプロトン伝導体を介在させて、等厚な膜形状に成形した後、プロトン伝導体中にリン酸塩水和物結晶を析出することにより、プロトン伝導体を硬化することにより（請求項３）、プロトン伝導体からなる電解質層と電極とが隙間なく密着した一体の固体状のものとして製造することが可能となる。【００２３】  そして、上型と下型とからなり、両型の重ね合わせ状態で、上下型間に、燃料電池用発電体を成形するための閉鎖キャビティと、該閉鎖キャビティと連通する電解質溜り溝とが形成される成形型を用いて、下型の成形凹部内に、一側電極を触媒層を上向きに配置し、次に一側電極上に高粘性のプロトン伝導体を供給し、さらにその上方に触媒層を下向きにした他側電極を配置した後、下型上に上型を上方から圧着することにより、上下型の間に生ずる閉鎖キャビティ内に、一対の電極間にプロトン伝導体を介在してなる等厚な膜形状に成形するとともに、余剰のプロトン伝導体を電解質溜り溝に排出するようにした方法にあっては（請求項４）、高粘性のプロトン伝導体を配した一対の電極を、閉鎖キャビティ内に押し入れて、閉鎖キャビティ内で所定幅に規定することにより、電極間のプロトン伝導体を１ｍｍ以下の等厚な膜形状をなす電解質層に成形することができる。【００２４】  ここで、プロトン伝導体中にリン酸塩水和物結晶を析出させる工程が、成形された燃料電池発電体を、湿度６０〜１００％ＲＨ、温度６０〜１００℃の条件下での熱処理する工程を含むものであれば（請求項５）、プロトン伝導体中に、リン酸塩水和物結晶の析出が促進され、電解質層を迅速に硬化させることにより、燃料電池用発電体の製造時間を短縮できる。【００２５】  プロトン伝導ゲル内のリン酸分子鎖が、Ｃａ２＋を含有し、且つリン酸をＰ２Ｏ５換算で４７〜５５ｍｏｌ％の範囲内で含有する場合には（請求項２，請求項６）、該プロトン伝導ゲルは、充分なプロトン伝導度を有すると共に、ゲル化し易く量産性に富むため、本発明の燃料電池用発電体に用いるプロトン伝導体を簡単かつ大量に製造できる。【００２６】  また、上型と下型との重ね合わせ状態で、上下型間に、燃料電池用発電体を成形するための閉鎖キャビティと、該閉鎖キャビティと連通する電解質溜り溝とが形成される成形型（請求項７）を用いることにより、電極間の余剰のプロトン伝導体は電解質溜り溝へ円滑に排出されるため、成形の際に、閉鎖キャビティ内に過剰な圧力がかからず、柔軟なプロトン伝導体を確実に等厚な膜形状に成形できる。【００２７】  さらに、下型の成形凹部の摺動孔に昇降可能に内嵌する押出子により、成形凹部内の成形済み燃料電池用発電体を上方へ押し出すようにした構成にあっては（請求項８）、成形された燃料電池用発電体を該押出子により、容易に取り出すことができると共に、取出しの際に該燃料電池用発電体を変形させ難い。【００２８】  上述の発電体を用いて、該発電体を挟持する一対のセパレータの、発電体に面接触する発電体当接部に、夫々ガス流路溝を設けるようにした燃料電池は（請求項９）、低廉で、プロトン伝導性に優れた材料により電解質層が構成されるため、発電効率が高く、かつ極めて低コストで製造できる。このため、ナフィオン等のイオン交換膜を用いた従来の固体高分子型燃料電池に替わり、自動車や携帯電話等に使用される主流の燃料電池となり得る。【００２９】  また、一対のセパレータの、発電体との対向面を、ガス流路溝が設けられた発電体当接部と、該発電体当接部の周囲のスペーサ支持部とに区分すると共に、両セパレータのスペーサ支持部の間に、両セパレータの発電体当接部の間を所定間隔に規定する環状スペーサを介装した構成にあっては（請求項１０）、簡素な環状スペーサで、両セパレータを支持して、両セパレータが発電体を適当な力で挟持するようにその間隔を一定に維持することにより発電体の変形、破損が防止されるから、燃料電池が長期間の使用に耐え得る実用性に富んだものとなる。【００３０】  さらに、発電体が、両電極と電解質層との外縁が一致した薄板状をなすものであって、環状スペーサの内縁から、内方へ突出して発電体の外縁と当接する複数の支持突部を設け、単位電池内の環状スペーサの内縁と発電体との外縁との間に、シール剤を充填する封入間隙を形成すれば（請求項１１）、発電体の外縁がシール剤により確実に封入されることとなり、両電極内のガス混合による燃料電池の発電効率低下を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】  以下に本発明の一実施形態を説明する。
本実施例の燃料電池用発電体１（以下、発電体１）は、図１に示すように、等厚な膜形状の電解質層６と、該電解質層６の両面に対向状に接合する一対の燃料極側電極２と空気極側電極３とからなる。電解質層６を構成するプロトン伝導体７は、リン酸カルシウム分子鎖からなる分散相と、水からなる分散媒とを有するプロトン伝導ゲル（以下、単にプロトン伝導ゲル）と、該プロトン伝導ゲル中に析出したリン酸カルシウム水和物結晶とからなる固体状の複合体により構成される。この電解質層６は、電極２，３と外縁を一致させた厚さ１ｍｍ以下の膜形状をなし、適度の機械的強度を有する。また、プロトン伝導ゲルをさらに詳しく規定すると、溶融法によって得られたリン酸塩ガラスが水と反応することによりリン原子にＯＨ基が結合してなる直鎖状構造又は／及び環状構造のリン酸塩分子鎖からなる分散相と、該リン酸塩分子鎖の各ＯＨ基の周囲に存在する水からなる分散媒とを有するものである。【００３２】  一方、一対の燃料極側電極２と空気極側電極３は、厚さ１ｍｍ以下の多孔性カーボンペーパーを所定形状に切り抜いてなる。そして、その一側面には白金を担持したカーボンを付着させて触媒層４を形成し、該触媒層４以外の部分をガス拡散導電層５とする。かかる電極２，３としては、従来の固体高分子型燃料電池に用いられる触媒層とガス拡散導電層とからなる電極を好適に使用可能であり、その構造、製造方法についての詳細な説明は省略する。【００３３】  両電極２，３は、触媒層４，４側を内向きにして、電解質層６の両面に配置される。電解質層６と両電極２，３の表面とはそれぞれ密着状に接合しており、発電体１は、電解質層６と両電極２，３とが一体化した膜形状の固形物となり、取扱い容易となっている。このため容易に単位電池４１を構成することができる。図１０に、本実施例の発電体１により構成した単位電池４１を示す。かかる単位電池４１にあっては、発電体１は、ガス流路溝５２が形成されたセパレータ４４ａ，４４ｂ間で挟持されて、両電極２，３のガス拡散導電層５側をセパレータ４４ａ，４４ｂのガス流路溝５２と当接させる。また、発電体１の周囲には、セパレータ４４ａ，４４ｂ間に環状スペーサ４５を介装し、セパレータ４４ａ，４４ｂ間の厚みを一定幅に保持する。かかる、単位電池４１については、別途に詳述する。【００３４】  このように、本実施例の発電体１は、電解質層６と電極２，３が密着して一体的な固体状となっているため、従来の発電体同様に単位電池を製造可能であり、またかかる単位電池４１を複数積層すれば燃料電池を構成できる。そして、電解質層６を構成するプロトン伝導体７は、ナフィオン等のイオン交換性高分子膜と比べて、プロトン伝導性に優れると共に、きわめて安価に製造できるため、かかる発電体１を用いることにより、低廉で高い起電力を有する燃料電池を製造することが可能となる。【００３５】  以下にこの発電体１の製造方法について説明する。
本実施例の発電体１の製造方法は、溶融法により得られたリン酸カルシウムガラスからプロトン伝導ゲルを製造する工程と、得られたプロトン伝導ゲルからなるプロトン伝導体７を前記電極２，３の間に介在して、膜形状に成形し、その後にプロトン伝導体７を硬化して発電体１として用いられ得る電解質層６とする工程とからなる。【００３６】  プロトン伝導ゲルの製造工程について述べると、まず、正リン酸がＰ２Ｏ５換算で５０ｍｏｌ％の組成となるように、炭酸カルシウムと正リン酸の乾燥混合粉末を調製する。そして該乾燥混合粉末を電気炉中で、１３００℃で０．５時間の熱処理を行い、溶融させる。その後、溶融物をカーボン板上に流し出し、室温まで急冷するとリン酸カルシウムガラスが得られる。このリン酸カルシウムガラスを乳鉢により粒子の直径が１０μｍ以下になるまで粉砕する。そして、得られたガラス粉末をプラスチックシャーレに入れ、等重量の蒸留水を加えて攪拌した後、施蓋して乾燥を防いだ状態で約３日間室温放置すると、流動性を有する高粘性のプロトン伝導ゲルを得られる。【００３７】  発電体１の成形工程を述べる前に、該工程で用いる成形型１０の構造を、図２〜７を参照して説明する。成形型１０は、上面に成形凹部２０と支持面２１とを備える下型１１と、下面に該下型１１の支持面２１に圧接する押圧面３０を備えた上型１２とを備える。【００３８】  この下型１１と上型１２とは、平面視が相互に合同な正方形をなすように成形した肉厚なステンレス板よりなる。そして両型１１，１２には、図２，４，５に示すように、周辺の同位置に上下方向の位置決め孔２４，３３を二箇所ずつ形成し、該位置決め孔２４，３３に位置決め杆１４，１４を密嵌状に挿入して、上型１２を、該位置決め杆１４，１４に沿って摺動可能に保持し、上型１２の押圧面３０を、下型１１の支持面２１と重ね合わせる位置と、該支持面２１の上方に退避させる位置とに昇降可能とする。【００３９】  下型１１の上面中央に設けられる成形凹部２０は、浅く窪んだ正方形状をなす。この成形凹部２０には、図３に示すように、両型１１，１２の重ね合わせ状態で、押圧面３０が上方から重なり、該成形凹部２０の内部に、発電体１を成形する閉鎖キャビティ１３を形成する。すなわちこの成形凹部２０の深さにより発電体１の厚みが規定されることとなる。【００４０】  また、この成形凹部２０の底部に、該成形凹部と連通する上下方向の摺動孔２２を形成し、この摺動孔２２に密嵌する形状の押出子２３を、該摺動孔２２に沿って摺動可能に内嵌する。この押出子２３は定常状態で、その上面が成形凹部２０の底面と整一となり、成形凹部２０の底面に形成される摺動孔２２の開口部を閉塞する下方の成形位置Ｉ（図６参照）に保持されて、発電体１を成形凹部２０から取り外す際に、その上面が成形凹部２０の底面から突出する上方の取出位置ＩＩへ変位されて、該上面で発電体１を成形凹部２０から押し出すようになっている（図７（ｆ）参照）。【００４１】  一方、上型１２の押圧面３０は、下型１１の支持面２１との重ね合わせ状態で、上型１２の該成形凹部２０と重なる正方形の部分を成形面部３２とし、該成形面部３２を囲繞する位置には、閉鎖キャビティ１３内から余剰のプ���トン伝導体７が排出される電解質溜り溝３１を形成する。【００４２】  以下に、かかる成形型１０を用いた、発電体１を成形し、電解質層６を硬化する工程について図６，７にしたがって順次説明する。【００４３】  まず、図６（ａ）に示すように、押出子２３を成形位置Ｉに保持した下型１１の成形凹部２０内に燃料極側電極２を、その触媒層４を上向きにして装着する。尚、ここで装着する電極は、一対の電極２，３のうち、どちらか一側のものでよく、燃料極側電極２の替わりに空気極側電極３を装着してもかまわない。また、両電極２，３は成形凹部２０に密嵌する平面形状に事前に切断する。【００４４】  次に成形凹部２０に装着した燃料極側電極２上全面に、上記のプロトン伝導体７を配置する。ここで、プロトン伝導体７が少なすぎると、電解質層６を成形した際に、空気極側電極３と電解質層６との間に空隙が生じるため、成形凹部２０の全域にいきわたる程度までプロトン伝導体７を供給する（図６（ｂ）参照）。【００４５】  さらに、図６（ｃ）のように、燃料極側電極２上に配したプロトン伝導体７の上方に、他側の空気極側電極３を、その触媒層４側を下向きにして載置して、該プロトン伝導体７を、触媒層４を内向きにした両電極２，３間で挟んだ状態とする。かかる状態にあっては、プロトン伝導体７は、両電極２，３の表面の空隙中に僅かに滲入していると考えられる。【００４６】  次いで、かかる状態で上型１２を位置決め杆１４に沿って下降させていくと、上型１２の押圧面３０の成形面部３２が空気極側電極３のガス拡散導電層５と当接し（図７（ｄ））、さらなる下降により空気極側電極３は成形凹部２０内に押し込まれていく。そして、図７（ｅ）に示すように、押圧面３０が支持面２１に圧接した重ね合わせ状態となり、成形凹部２０と成形面部３２の間で閉鎖キャビティ１３が形成された状態では、空気極側電極３全体が成形凹部２０内、すなわち閉鎖キャビティ１３内に入り込む。【００４７】  そして、空気極側電極３の成形凹部２０への嵌入に伴い、両電極２，３の間の間隔が小さくなり、電極２，３間のプロトン伝導体７の多くは電極２，３間の周縁から電解質溜り溝３１へと排出され、押圧面３０が支持面２１に圧接した重ね合わせ状態にあっては、電極２，３の間には、残留したプロトン伝導体７により、等厚な膜形状をなし、両電極２，３と密着する硬化前の電解質層６が形成されることとなる。【００４８】  このように電極２，３の間にプロトン伝導体７を配し、ガス拡散導電層側から挟圧して、触媒層間に所定幅の電解質層を形成することにより、電極２，３とプロトン伝導体７とが一体的に接合した膜形状の発電体１が成形される。このようにして成形された発電体１の電解質層６は充分なプロトン伝導性を有するものであるが、プロトン伝導体７の柔軟性のため、発電体１は力学的に不安定な状態にあり、取り扱いが困難であるため、続いて、成形型１０内に保持した状態で、熱処理工程を行いプロトン伝導体７を短期間で固体状に硬化させる。【００４９】  熱処理工程は、成形直後の発電体１を成形型１０内に保持したまま、９０℃、１００％ＲＨの条件下で６時間放置する。かかる熱処理により、プロトン伝導体７中のリン酸カルシウム水和物結晶の析出を促進させて、プロトン伝導体７を短時間で固体状に硬化させる。なお、かかるリン酸カルシウム水和物結晶の析出は、常温でも緩やかに進行するため、室温でも長時間（例えば３０日間）放置することによってプロトン伝導体７を固体状にすることが可能である。【００５０】  こうして固体状に硬化した電解質層６は、多孔質の電極２，３表面に僅かに浸透した状態で硬化したものであるから、機械的に安定であると共に、両電極２，３と隙間なく密着している。したがって、発電体１は、電解質層６と電極２，３とが一体化した薄板状をなすこととなり、取扱いが極めて容易である。なお、かかるリン酸カルシウム水和物結晶を析出させる工程は、より高温の条件下（例えば９０℃）で行うと、結晶の析出が促進され、電解質層６を短期間で固体状にすることができる。【００５１】  そして、図７（ｆ）に示すように、電解質層６が硬化し、一体となった発電体１は、下型１１の押出子２３を上方の取出位置ＩＩへ変位させることにより、直下方から押し上げられて、成形凹部２０内から取り出される。このように、かかる押出子２３を用いることにより、成形凹部２０内に嵌り込んだ発電体１を変形させることなく簡便に取り外すことができる。【００５２】  尚、本発明の発電体１は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、かかる実施例にあっては、プロトン伝導ゲルのリン酸塩分子鎖を構成するリン酸塩としてリン酸カルシウムを用いたが、リン酸塩として、リン酸亜鉛、リン酸マグネシウムを用いても、本実施例と同様の方法でプロトン伝導ゲルを製造し、該プロトン伝導ゲルを燃料電池用発電体の電解質層として利用できる。また、プロトン伝導体としては、本実施例のようにリン酸塩分子鎖と水からなるプロトン伝導ゲル中にリン酸塩水和物結晶を析出させた複合体に限らず、他のプロトン伝導物質を混合したものを用いることも可能である。さらに、本実施例では、成形型１０の閉鎖キャビティ１３の形状に合わせて、発電体１は、電解質層６と電極２，３の外縁を一致させて平面正方形状に形成されるが、電解質層６と電極２，３の外縁は上下に一致していなくてもよいし、その平面形状も適宜変更可能である。【００５３】  次に、上述のようにして得られた発電体１を用いた燃料電池４０についての実施形態を説明する。図８に示すように、燃料電池４０は、薄板状の単位電池４１を積層して直列接続したスタック４８を主体とする。この単位電池４１は、発電体１を一対のセパレータ４４ａ，４４ｂで挟持することにより構成される。スタック４８には各単位電池４１を貫通する複数のマニホールド４６，４６を上下方向に形成し、この各マニホールド４６を介して、燃料ガスである水素や、空気を各単位電池４１へ供給し、スタック４８外へ排出する。また、本実施例の燃料電池４０には、前記マニホールド４６にガスを供給するガス供給装置や集電装置、冷却装置等（図示省略）が装着されるが、これらは従来の固体高分子型燃料電池と同構成のものを好適に用い得るため説明を省略する。【００５４】  単位電池４１を図９〜１１により詳しく説明する。単位電池４１は、水素と酸素が反��して燃料極側電極２と空気極側電極３の間に電位差を生じる発電体１と、ガス流路溝５２が設けられた発電体当接部５０で発電体１を挟持する一対の燃料極側セパレータ４４ａ，空気極側セパレータ４４ｂと、発電体１の周囲でセパレータ４４ａ，４４ｂ間に介装される環状スペーサ４５とからなる。この単位電池４１の外周部には、上下方向の位置決め孔４７，４７を形成し、各位置決め孔４７を位置決め杆４９に外嵌することにより、複数の単位電池４１を上下に積層してスタック４８を構成する（図８参照）。また、図１０に示すように、単位電池４１の外周部を上下に貫通する各マニホールド４６，４６は夫々がガス流路溝５２と連通し、供給用のマニホールド４６からガス流路溝５２を通って、発電体１に水素や空気を供給し、反応済みのガスを排出用のマニホールド４６から排出する。また、発電体１の外縁と、環状スペーサ４５の内縁との間に形成された封入間隙５６には、シリコングリスからなるシール剤５７を充填する。なお、本実施例の単位電池４１は上下対称形状をなし、セパレータ４４ａ，４４ｂや電極２，３の構成は燃料極と空気極の両側で同構成であるが、燃料極側、空気極側の特性に合わせて両極の構成を非対称としても何ら問題はない。【００５５】  上述の発電体１を用いた単位電池４１の各部材の構成を詳細に説明する。
発電体１を挟持する燃料極側セパレータ４４ａと空気極側セパレータ４４ｂは、水素非透過性カーボン板を切削加工することによる製造する。上述のように両セパレータ４４ａ，４４ｂは同形状であるため、一側のセパレータ４４ａのみを図１１に示して説明すると、セパレータ４４ａは、発電体１と対向する一面を、発電体１と面接触する中央の発電体当接部５０と、環状スペーサ４５と圧接する発電体当接部５０周囲のスペーサ支持部５１とに区分される。そして、発電体当接部５０には、つづら折状のガス流路溝５２を形成し、スペーサ支持部５１には、マニホールド４６や位置決め孔４７を構成する上下方向の貫通孔５３ａ，５３ｂを複数形成する。また、前記ガス流路溝５２の両端は、マニホールド４６を形成するスペーサ支持部５１の貫通孔５３ａ，５３ａとそれぞれ連通させる。さらに、ガス流路溝５２の、発電体当接部５０とスペーサ支持部５１との境界を跨ぐ部分は、シール剤５７が充填される封入間隙５６と当接する部分であるため、予め形成した凹部５８にカーボン製の蓋部５９を装着してガス流路溝５２を上方から覆い、単位電池４１の組付けの際に余剰のシール剤５７の侵入によるガス流路溝５２の閉塞を防止する。なお、本発明のセパレータは、本実施例の形状に限らず、燃料極側と空気極側でガス流路溝５２やその他の形状を変化させてよいし、各セパレータは隣接する単位電池４１のセパレータと一体成形したものであっても構わない。また、セパレータの材質としてはカーボンに替えてステンレス合金等も使用可能である。【００５６】  環状スペーサ４５は板状のテフロンを切削加工することによりなり、図１２に示すように、中央に発電体１が内嵌する正方形状の内周域６２を有する矩形枠状に形成する。そして、環状スペーサ４５は、発電体１の厚みよりも僅かに薄く形成し（例えば０．１ｍｍ）、セパレータ４４ａ，４４ｂ間で発電体１を挟持する際に、セパレータ４４ａ，４４ｂと発電体１との間に適当な力で圧接し、発電体１が幅方向に圧縮すると、該環状スペーサ４５がセパレータ４４ａ，４４ｂの発電体当接部５０間を支持し、発電体１に過剰な圧力がかかるのを防止する。また、環状スペーサ４５内縁の各辺に、内方へ突出する支持突部６１，３１を配設し、該支持突部６１を、内周域６２に嵌合した発電体１の外縁に当接させて、発電体１を四方から支持し、発電体１の外縁と環状スペーサ４５の内縁との間に、シール剤５７を充填する封入間隙５６を形成する。さらに、環状スペーサ４５の上下面には、単位電池４１の組み付け時にマニホールド４６を構成する貫通孔５５ａや、位置決め孔４７を構成する貫通孔５５ｂを適宜位置に形成する。【００５７】  そして、この一体の薄板状となった発電体１を、図９，１０に示すように、一側のセパレータ４４ａの発電体当接部５０に載置し、発電体１に環状スペーサ４５を外嵌する。そして、環状スペーサ４５と発電体１の間に生じる封入間隙５６にシリコングリスからなるシール剤５７を充填して発電体１の外縁を介したガス漏れを防止した状態で、反対側のセパレータ４４ｂを上方から重ね合わせて、両セパレータ４４ａ，４４ｂの発電体当接部５０の間で発電体１を挟持することにより、単位電池４１が製造される。��こで、両セパレータ４４ａ，４４ｂを一定量以上の力で挟みつけると、発電体１が圧縮されて、硬質の環状スペーサ４５が発電体１の外方で、セパレータ４４ａ，４４ｂを支持し、発電体１に所定量以上の圧力が加わらないように、セパレータ４４ａ，４４ｂ間の幅を規定する。【００５８】  このように、本実施例の燃料電池４０にあっては、前記プロトン伝導ゲルを主成分とするプロトン伝導体７を、電極２，３に密着状に接合する膜状の電解質層６として用いているから、高く、安定した発電効率を実現し得る。また、このプロトン伝導体７の材料費はナフィオンに比べて極めて安価であり、上記のような簡単な製造方法により、プロトン伝導体７を電解質層６に用いた単位電池４１を作製できるため、本実施例の燃料電池４０は製造コストが低く、量産化に適する。【００５９】  尚、本発明の燃料電池４０は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、かかる実施例にあっては、セパレータ４４ａ、４４ｂの発電体当接部５０と、スペーサ支持部５１とを同一面上に形成しているが、相互に高低差を有するものであっても構わない。また、単位電池４１の積層機構やマニホールド４６の形状、冷却機構等は、様々な既知の構成を適宜用い得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】［図１］本実施例の発電体１の縦断側面図である。
［図２］成形型１０の斜視図である。
［図３］成形型１０の中央縦断側面図である。
［図４］下型１１の上面図である。
［図５］上型１２の下面図である。
［図６］発電体１の成形工程を示す説明図（ａ），（ｂ），（ｃ）である。
［図７］発電体１の成形工程を示す説明図（ｄ），（ｅ），（ｆ）である。
［図８］単位電池４１の積層態様を示す燃料電池４０の拡大正面図である。
［図９］単位電池４１の分解斜視図である。
［図１０］単位電池４１の中央縦断側面図である。
［図１１］セパレータ４４ａの平面図である。
［図１２］環状スペーサ４５の平面図である。
【符号の説明】
【００６１】    １  燃料電池用発電体（発電体）
２  燃料極側電極
３  空気極側電極
４  触媒層
５  ガス拡散導電層
６  電解質層
７  プロトン伝導体
１０  成形型
１１  下型
１２  上型
１３  閉鎖キャビティ
２０  成形凹部
２１  支持面
２２  摺動孔
２３  押出子
３０  押圧面
３１  電解質溜り溝
４１  単位電池
４４ａ，４４ｂ  セパレータ
４５  環状スペーサ
５０  発電体当接部
５１  スペーサ支持部
５２  ガス流路溝
５６  封入間隙
５７  シール剤
６１  支持突部
Ｉ  成形位置
ＩＩ  取出位置
【図１】
2004107487.tif 000003
【図２】
2004107487.tif 000004
【図３】
2004107487.tif 000005
【図４】
2004107487.tif 000006
【図５】
2004107487.tif 000007
【図６】
2004107487.tif 000008
【図７】
2004107487.tif 000009
【図８】
2004107487.tif 000010
【図９】
2004107487.tif 000011
【図１０】
2004107487.tif 000012
【図１１】
2004107487.tif 000013
【図１２】
2004107487.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成16年10月25日(2004.10.25)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（削除）
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
電解質層の両面に電極を対向状に接合してなる燃料電池用発電体の製造方法であって、
ガス拡散導電層と触媒層とからなり、触媒層を内側とする一対の電極間に、溶融法によって得られたリン酸塩ガラスが水と反応することによりリン原子にＯＨ基が結合してなる直鎖状構造又は／及び環状構造のリン酸塩分子鎖からなる分散相と、該リン酸塩分子鎖の各ＯＨ基の周囲に存在する水からなる分散媒とを有するプロトン伝導ゲルを主成分とする高粘性のプロトン伝導体が介在した、等厚な膜形状に成形した後、プロトン伝導体中にリン酸塩水和物結晶を析出することにより、プロトン伝導体を硬化して電解質層としたことを特徴とする燃料電池用発電体の製造方法。
【請求項４】
上面に成形凹部と支持面とを備えた下型と、下面に該下型の支持面に圧接する押圧面を備えた上型とからなり、支持面と押圧面との重ね合わせ状態で、上下型間に、成形凹部を少なくともその一部とする燃料電池用発電体を成形するための閉鎖キャビティと、該閉鎖キャビティと連通する電解質溜り溝とが形成される成形型を用いて、
下型の成形凹部内に、一側電極を触媒層を上向きに配置し、次に一側電極上に高粘性のプロトン伝導体を供給し、さらにその上方に触媒層を下向きにした他側電極を配置した後、下型上に上型を上方から圧着することにより、閉鎖キャビティ内で、一対の電極間にプロトン伝導体が介在した、等厚な膜形状に成形するとともに、余剰のプロトン伝導体を電解質溜り溝に排出し、その後、プロトン伝導体中にリン酸塩水和物結晶を析出することにより、プロトン伝導体を硬化して電解質層としたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池用発電体の製造方法。
【請求項５】
プロトン伝導体中にリン酸塩水和物結晶を析出させる工程が、成形された燃料電池用発電体を、湿度６０〜１００％ＲＨ、温度６０〜１００℃の条件下で熱処理する工程を含むものであることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池用発電体の製造方法。
【請求項６】
リン酸塩分子鎖は、Ｃａ２＋を含有し、且つリン酸をＰ２Ｏ５換算で４７〜５５ｍｏｌ％の範囲内で含有し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用発電体の製造方法。
【請求項７】
請求項１又は請求項２記載の燃料電池用発電体の成形に用いられるものであって、
下型と、上型とからなり、両型の重ね合わせ状態で、上下型間に、燃料電池用発電体を成形するための閉鎖キャビティと、該閉鎖キャビティの周囲で、該閉鎖キャビティと連通する電解質溜り溝とが形成されることを特徴とする燃料電池用発電体の成形型。
【請求項８】
下型の上面に、閉鎖キャビティの少なくとも下部側を構成する成形凹部を設けると共に、該成形凹部の底部に、該成形凹部と連通する上下方向の摺動孔を設け、該摺動孔に昇降可能に内嵌し、その上面が成形凹部の底面と整一となる成形位置と、該上面が成形凹部の底面から突出し、成形凹部内の成形済み燃料電池用発電体を上方へ押し出す取出位置とに位置変換する押出子を備えたことを特徴とする請求項７記載の燃料電池用発電体の成形型。
【請求項９】
（削除）
【請求項１０】
（削除）
【請求項１１】
（削除）
【国際調査報告】
2004107487.tif 000015
2004107487.tif 000016
2004107487.tif 000017
2004107487.tif 000018