(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス拡散電極の外側の部分とセパレータとの間隔と、高分子電解質膜のガス拡散電極が形成されている部分とセパレータとの間隔を一定にすることにより、ガス拡散電極面にかかる圧力を均一に保ち、高分子電解質膜への機械的ダメージを軽減することが可能な高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】高分子電解質膜３と高分子電解質膜３を挟む一対のガス拡散電極８を有するＭＥＡ９と、ＭＥＡ９に配設された一対のガスケット７と、ＭＥＡ９とガスケット７を挟むように配設され、内面に反応ガスが流れる溝状のガス流路５又はガス流路６が形成された一対の導電性のセパレータ４とを備え、ガス拡散電極８及びガスケット７の内部にそれぞれ１以上の対のスペーサ１００ａ、１００ｂが、セパレータ４と接するように、かつ高分子電解質膜３を挟むように配設されている高分子電解質型燃料電池。【選択図】図２
2007134163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対のガス拡散電極を有するＭＥＡと、該ＭＥＡの両面の周縁部に前記ガス拡散電極を囲むように配設された一対のガスケットと、前記ＭＥＡと前記ガスケットを挟むように配設され、内面に反応ガスが流れる溝状のガス流路が形成された一対の導電性のセパレータとを有するセルと、該セルが積層されたセルスタックとを備え、
前記ガス拡散電極及び前記ガスケットの内部にそれぞれ１以上の対のスペーサが、前記セルの積層方向において前記一対のセパレータに接し、かつ前記高分子電解質膜を挟むように配設されている、高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記溝状のガス流路は、複数の並走部分を有するように形成され、前記ガス拡散電極の内部に配設されている前記スペーサは、前記ガス流路の並走部分に接するように配設されている、請求項１に記載の高分子電解質型料電池。
【請求項３】
前記一対のガス拡散電極と前記一対のガスケットのそれぞれに前記セルの積層方向に貫通孔が設けられ、該貫通孔に前記スペーサが配設され、前記一対のセパレータは、前記貫通孔に対応する部分に突出部を有し、前記スペーサは前記突出部と接している、請求項１又は２に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記スペーサは、電気絶縁性を有する、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記スペーサのヤング率が、前記ガスケットのヤング率よりも高い、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用される燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質型燃料電池は、都市ガスなどの原料ガスを改質し水素を含む燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電気と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池の単電池（セル）は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極から構成される電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）と、ガスケットと、導電性のセパレータとを有している。そして、周縁部にガスケットが配置されたＭＥＡが一対のセパレータで挟まれて、セルが構成されている。
【０００３】
このような高分子電解質型燃料電池では、出力電流が電極面積の大きさに比例することや製造原価の低減を図るために、セルの電極面積を大きくすることが一般的であり、また、セルから得られる電圧は低いため、セルを積層して締結し、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続することにより、必要な出力電圧を得ている。燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要があり、通常、１〜３セルごとに、冷却水を流す冷却流路が設けられている。
【０００４】
このため、電池（正確には、セルスタック）全体を締結するような燃料電池においては、長期に運転を行うとＭＥＡを構成する高分子電解質膜やガス拡散電極等は、経時的に圧力がかかるためにクリープが生じて、高分子電解質膜に機械的なダメージを与える。その結果、燃料ガスや酸化剤ガスのクロスリーク等が発生することにより、燃料電池の寿命が著しく短くなるという問題が生じていた。
【０００５】
燃料電池を構成する部材のクリープによる高分子電解質膜へのダメージを軽減するものとして、ＭＥＡの周縁部にガス拡散電極の外側に位置するようにして間隔保持手段を設けた燃料電池が知られている(例えば、特許文献１参照)。また、ガスケットのセル積層方向において挟む領域を定寸構造とすることにより、クリープを防止することが知られている(例えば、特許文献２参照)。これらは、ガス拡散電極の周囲で、高分子電解質膜とセパレータとの間隔を一定にすることにより、セル内にかかる圧力を一定にし、クリープが過度に発生することを防止するものである。
【特許文献１】特開平６−３３３５８２号公報
【特許文献２】特開２００４−１６５１２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１の間隔保持手段や特許文献２の定寸構造は、ＭＥＡの周縁部にガス拡散電極の外側に位置するように設けられている。このため、特にセパレータを剛性の低い金属性のものを使用する場合やガス拡散電極面積を大きくする場合には、高分子電解質膜のガス拡散電極が形成されている部分とセパレータとの間隔（ガス拡散電極の厚み）を一定に保つことができず、クリープが過度に発生するといった問題があった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、高分子電解質膜のガス拡散電極の外側の部分とセパレータとの間隔と、高分子電解質膜のガス拡散電極が形成されている部分とセパレータとの間隔を一定にすることにより、セル内にかかる圧力を均一に保ち、高分子電解質膜への機械的ダメージを軽減することが可能な高分子電解質型燃料電池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】
【０００７】
このような課題を解決するために本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対のガス拡散電極を有するＭＥＡと、該ＭＥＡの両面の周縁部に前記ガス拡散電極を囲むように配設された一対のガスケットと、前記ＭＥＡと前記ガスケットを挟むように配設され、内面に反応ガスが流れる溝状のガス流路が形成された一対の導電性のセパレータとを有するセルと、該セルが積層されたセルスタックとを備え、前記ガス拡散電極及び前記ガスケットの内部にそれぞれ１以上の対のスペーサが、前記セルの積層方向において前記一対のセパレータに接し、かつ前記高分子電解質膜を挟むように配設されている。
【０００８】
かかる構成とすると、ガス拡散電極の周辺だけでなく電極内の間隔が一定に保たれるので、セル内にかかる圧力を均一に保ち、高分子電解質膜への機械的ダメージを軽減することができる。
【０００９】
前記溝状のガス流路は、複数の並走部分を有するように形成され、前記ガス拡散電極の内部に配設されている前記スペーサは、前記ガス流路の並走部分に接するように配設されていることが好ましい。
【００１０】
前記一対のガス拡散電極と前記一対のガスケットのそれぞれに前記セルの積層方向に貫通孔が設けられ、該貫通孔に前記スペーサが配設され、前記一対のセパレータは、前記貫通孔に対応する部分に突出部を有し、前記スペーサは前記突出部と接していることが好ましい。
【００１１】
前記スペーサは、電気絶縁性を有することが好ましい。
【００１２】
前記スペーサのヤング率は、前記ガスケットのヤング率よりも高いことが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の高分子電解質型燃料電池によれば、燃料電池運転時にセル内で生じるクリープによる高分子電解質膜への機械的ダメージを防止することにより、従来に比べて、長寿命で安定して発電することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池の概略を示す模式図である。また、図２は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池の構造の概略を示す断面図である。図２においては、説明の便宜上、高分子電解質型電池の積層構造の一部（単電池）を示す。
【００１５】
まず、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池という）の構成を、図１を参照しながら説明する。
【００１６】
図１に示すように、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池はセルスタック３１を有している。セルスタック３１は、板状の全体形状を有するセル２４がその厚み方向に積層されてなるセル積層体４１と、セル積層体４１の両端に配置された第１及び第２の端板２１ａ、２１ｂと、セル積層体４１と第１及び第２の端板２１ａ、２１ｂとをセル２４の積層方向に置いて締結する図示されない締結具と、を有している。また、第１及び第２の端板２１ａ、２１ｂには、集電端子がそれぞれ配設されているが図示を省略している。
【００１７】
セル積層体４１の一方の側部の上部には、該セル積層体４１の積層方向に貫通するように燃料ガス供給用マニホルド１１が形成されている。燃料ガス供給用マニホルド１１の一端は、第１の端板２１ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に燃料ガス供給用配管２２が接続されている。燃料ガス供給用マニホルド１１の他端は、第２の端板２１ｂによって閉鎖されている。また、セル積層体４１の他方の側部の下部には、該セル積層体４１の積層方向に貫通するように燃料ガス排出用マニホルド１２が形成されている。燃料ガス排出用マニホルド１２の一端は、第２の端板２１ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に燃料ガス排出用配管２３が接続されている。燃料ガス供給用マニホルド１２の他端は、第１の端板２１ａによって閉鎖されている。
【００１８】
同様に、セル積層体４１の一方の側部の上部には、該セル積層体４１の積層方向に貫通するように図示されない酸化剤ガス供給用マニホルド及び冷却水供給用マニホルドが形成されている。酸化剤ガス供給用マニホルド及び冷却水供給用マニホルドの一端は、第１の端板２１ａに形成された図示されない貫通孔にそれぞれ連通し、この貫通孔に図示されない酸化剤ガス供給用配管及び冷却水供給用配管がそれぞれ接続されている。酸化剤ガス供給用マニホルド及び冷却水供給用マニホルドの他端は、第２の端板２１ｂによって閉鎖されている。また、セル積層体４１の他方の側部の下部には、該セル積層体４１の積層方向に貫通するように図示されない酸化剤ガス排出用マニホルド及び冷却水排出用マニホルドが形成されている。酸化剤ガス排出用マニホルド及び冷却水排出用マニホルドの一端は、第２の端板２１ｂに形成された図示されない貫通孔にそれぞれ連通し、この貫通孔に図示されない酸化剤ガス排出用配管及び冷却水排出用配管がそれぞれ接続されている。酸化剤ガス排出用マニホルド及び冷却水排出用マニホルドの他端は、第１の端板２１ａによって閉鎖されている。
【００１９】
図２に示すように、セル２４は、ＭＥＡ（電解質膜電極接合体）９と、ガスケット７と、セパレータ４とを有している。
【００２０】
ＭＥＡ９は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜３とガス拡散電極８を備えている。高分子電解質膜の両面には、その周縁部より内方に位置するように１対のガス拡散電極８が設けられている。ガス拡散電極８は、高分子電解質膜３の主面上に設けられ、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層（アノード触媒層２ａとカソード触媒層２ｂ）２と、触媒反応層２の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層１と、から構成されている。ガス拡散電極８の周囲には、高分子電解質膜３を挟んで一対のガスケット７が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、これらのガスが互いに混合されることが防止される。
【００２１】
そして、ＭＥＡ９とガスケット７を挟むように、一対の導電性のセパレータ４（アノードセパレータ４ａとカソードセパレータ４ｂ）が配設されている。セパレータ４の材質は、カーボン製であっても金属製であってもよい。セパレータ４により、ＭＥＡ９が機械的に固定されるとともに、隣接するＭＥＡ同士が互いに電気的に直列に接続される。
【００２２】
アノードセパレータ４ａの内面（ＭＥＡ９に当接する面）には、燃料ガスを流すためのガス流路５が設けられている。また、セパレータ４ａの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給用マニホルド孔１１ａと燃料ガス排出用マニホルド孔１２ａが設けられている（図３参照）。ガス流路５は、溝状に形成されていて、燃料ガス供給用マニホルド孔１１ａと燃料ガス排出用マニホルド１２ａ孔の間を結ぶように配設されている。
【００２３】
一方、カソードセパレータ４ｂの内面には、酸化剤ガスを流すためのガス流路６が設けられており、酸化剤ガスを供給・排出するための図示されないマニホルド孔が設けられている。ガス流路６は、溝状に形成されていて、これらのマニホルド孔の間を結ぶように配設されている。
【００２４】
また、セパレータ４の外面には、冷却水を流すための冷却流路１３が溝状に形成されており、冷却水を供給・排出するための図示されないマニホルド孔が設けられている。冷却流路１３は、溝状にこれらのマニホルド孔の間を結ぶように設けられている。
【００２５】
ガスケット７には、セパレータ４に設けられた燃料ガス供給用マニホルド孔１１ａ及び燃料ガス排出用マニホルド孔１２ａに対応するように燃料ガス供給用マニホルド孔１１ｂ及び燃料ガス排出用マニホルド孔１２ｂが設けられている（図４参照）。また、酸化剤ガス供給用マニホルド孔及び酸化剤ガス排出マニホルド孔と冷却水供給用マニホルド孔及び冷却水排出用マニホルド孔がそれぞれ設けられている（図示せず）。
【００２６】
また、高分子電解質膜３には、セパレータ４に設けられた燃料ガス供給用マニホルド孔１１ａ及び燃料ガス排出用マニホルド孔１２ａに対応するように燃料ガス供給用マニホルド孔１１ｃ及び燃料ガス排出用マニホルド孔１２ｃが設けられている（図５参照）。また、酸化剤ガス供給用マニホルド孔及び酸化剤ガス排出マニホルド孔と冷却水供給用マニホルド孔及び冷却水排出用マニホルド孔がそれぞれ設けられている（図示せず）。
【００２７】
このように形成したセル２４をその厚み方向に積層することにより、セル積層体４１が形成される。セパレータ４、ガスケット７及び高分子電解質膜３に設けられた燃料ガス供給用マニホルド孔１１ａ、１１ｂ、１１ｃ及び燃料ガス排出用マニホルド孔１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、セル２４を積層したときに厚み方向につながって、燃料ガス供給用マニホルド１１及び燃料ガス排出用マニホルド１２がそれぞれ形成される。同様にして、図示されない酸化剤ガス供給用マニホルド、酸化剤ガス排出用マニホルド、冷却水供給用マニホルド及び冷却水排出用マニホルドがそれぞれ形成される。
【００２８】
これにより、燃料ガス供給用マニホルド１１からガス流路５に燃料ガスが分配供給され、燃料ガス排出用マニホルド１２から未使用の燃料ガスが排出される。同様に、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給用マニホルドからガス流路６に供給され、酸化剤ガス排出用マニホルドから排出される。また、冷却水が、冷却水供給用マニホルドから冷却流路に供給され、冷却水排出用マニホルドから排出される。
【００２９】
次に、本発明の特徴的構成について、図２乃至図５を参照して説明する。
図３は、図２に示すセルのセパレータとスペーサの構成を示す模式図である。図４は、図２に示すセルのガスケットの構成を示す模式図である。図５は、図２に示すセルのＭＥＡの構成を示す模式図である。
【００３０】
図３に示すように、アノードセパレータ４ａの内面には、溝状に形成されたガス流路５がサーペンタイン状に形成されている。同様に、カソードセパレータ４ｂの内面には、溝状に形成されたガス流路６がサーペンタイン状に形成されている。したがって、水平に形成されている部分は、互いに並走している。なお、ガス流路５及びガス流路６は、サーペンタイン状に限られず、ガス流路の一方の主流路と他方の主流路との間に複数の支流路を形成するような構成としてもよく、複数の流路が互いに並走するような構成としてもよい。
【００３１】
セパレータ４の内面には、サーペタイン状に形成された溝状のガス流路とガス流路との間の部分、すなわち、リブ部１０と呼ばれる凸部分（ガス流路の並走部分）に、第１のスペーサ１００ａが複数箇所（ここでは、４箇所）設けられている。このような構成とすると、ガス流路５又はガス流路６内を流れる反応ガスや未使用の反応ガス等の流れを妨げることがないので、長期に安定して燃料電池を運転することができる。
【００３２】
第１のスペーサ１００ａは、本発明の効果を十分に得られる観点から１００〜４００ｃｍ2のガス拡散電極８に対して１〜１０個設けられていることが好ましく、セルにかかる圧力を確実に均一にする観点から４個以上設けることがより好ましく、製造工程を容易にする観点から６個以下に設けられていることがより好ましい。
【００３３】
また、第１のスペーサ１００ａの間隔は、互いに適度な間隔（ここでは、等間隔）になるように設けられている。
【００３４】
第１のスペーサ１００ａの形状は、柱状（ここでは四角柱状）に形成されているが、その断面形状は特に限定されない。
【００３５】
一方、ＭＥＡ９のガス拡散電極８には、第１のスペーサ１００ａに対応する位置に、第１のスペーサ収容孔１０１ａ（貫通孔）が設けられている（図５参照）。この第１のスペーサ収容孔１０１ａは、ガス拡散電極８を厚み方向に貫通するように形成されている。また、第１のスペーサ収容孔１０１ａは、第１のスペーサ１００ａと丁度嵌合するように形成されている。第１のスペーサ収容孔１０１ａは、燃料電池が締結されたときに第１のスペーサ１００ａとの間に隙間がないような大きさであることが好ましい。
【００３６】
また、アノードセパレータ４ａの周縁部には、サーペタイン状のガス流路５全体を囲むように、第２のスペーサ１００ｂが複数箇所（ここでは、８箇所）に設けられている（図３参照）。同様に、カソードセパレータ４ｂの周縁部にも、サーペタイン状のガス流路６全体を囲むように、第２のスペーサ１００ｂが複数箇所（ここでは、８箇所）に設けられている。第２のスペーサ１００ｂの設置箇所は、ここではサーペタイン状のガス流路５又はガス流路６全体を囲むように設けられているが、これに限定されるものではなく、高分子電解質膜３を挟んで互いに対抗する一対のセパレータ４の間隔が一定となるように構成すれば、その設置箇所はどのような位置に配置されていてもよい。また、第２のスペーサ１００ｂの設置する個数についても、高分子電解質膜３を挟んで互いに対抗する一対のセパレータ４の間隔が一定となるように構成すれば、その設置個数についても特に限定されない。第２のスペーサ１００ｂの形状は、第１のスペーサ１００ａの形状と同様に、柱状（ここでは四角柱状）に形成されているが、その断面形状は特に限定されない。
【００３７】
一方、ガスケット７には、第２のスペーサ１００ｂに対応する位置に、第２のスペーサ収容孔１０１ｂ（貫通孔）が設けられている（図４参照）。この第２のスペーサ収容孔１０１ｂは、ガスケット７を厚み方向に貫通するように形成されている。また、第２のスペーサ収容孔１０１ｂは、第２のスペーサ１００ｂと嵌合するように形成されている。なお、第２のスペーサ収容孔１０１ｂは、燃料電池が締結されたときに第２のスペーサ１００ｂとの間に隙間がある構成としてもよい。
【００３８】
また、第１のスペーサ１００ａと第２のスペーサ１００ｂの高さは等しいことが好ましい。
【００３９】
セルスタック３１に組み立てられ、締結具で締結された燃料電池においては、図２に示すように、第１のスペーサ１００ａ及び第２のスペーサ１００ｂが、それぞれ高分子電解質膜３を挟むように設けられており、第１のスペーサ１００ａ及び第２のスペーサ１００ｂの高さｈ１まで、ガス拡散電極８の厚みが圧縮される。スペーサの高さｈ１は、ガス拡散電極８及びガスケット７の圧縮される程度を考慮して設定されることが好ましい。
【００４０】
図２に示すように、第１のスペーサ１００ａ及び第２のスペーサ１００ｂの高分子電解質膜３と当接する部分は、例えばスペーサの形状を直方体とした場合、当接する面の角を削っていることが好ましい。これにより、高分子電解質膜を傷つけずに締結することが可能となる。
【００４１】
第１のスペーサ１００ａ及び第２のスペーサ１００ｂの材料は、高分子電解質膜３を挟んで互いに対抗する第１のスペーサ（又は、第２のスペーサ）が、近接することによる短絡の危険性を確実に防止する観点から電気絶縁性を有することが好ましい。電気絶縁性を有するものとしては、例えばポリフェニレンエーテル、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、ポリエチレンナフタレン等が挙げられる。
【００４２】
また、第１のスペーサ１００ａ及び第２のスペーサ１００ｂの材料のヤング率は、スペーサとしての機能を十分に果たすために、ガスケット７の材料よりも高いことが好ましい。例えば、ガスケット７に使用されるフッ素ゴムのようなゴム材料のヤング率は、約１０ＭＰａであることから、第１のスペーサ１００ａ及び第２のスペーサ１００ｂの材料のヤング率は、それ以上であればよい。
【００４３】
第１のスペーサ１００ａ及び第２のスペーサ１００ｂの材料が上記のようなヤング率の関係にある場合、さらに、本発明のスペーサの機能を十分に果たす観点から第１のスペーサ１００ａ及び第２のスペーサ１００ｂの材料の熱膨張率は、ガスケットの材料の熱膨張率より大きいことが好ましい。
【００４４】
なお、本発明の燃料電池におけるＭＥＡ９は、ガス拡散電極８内の第１のスペーサ１００ａを設置する部分に高分子電解質膜３だけからなる部分（第１のスペーサ収容孔１０１ａ）を有するが、これは電極が電気的に分割されているものではなく、一電極として機能するものである。
【００４５】
このような構成とすることにより、ガス拡散電極の周辺だけでなく電極内もセパレータと高分子電解質膜との間隔を一定に保つことができるので、セル内での締結圧力が均一化され、高分子電解質膜への機械的ダメージを軽減することが可能となる。
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係る高分子電解質型燃料電池の構造の概略を示す断面図である。図６においては、図２（実施の形態１）と同様に説明の便宜上、高分子電解質型電池の積層構造の一部（単電池）を示している。図６において、上述の実施の形態１の燃料電池と同等の構成要素には同じ符号を付しており、その基本的構成も実施の形態１と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
図６に示すように、セパレータ１４には、実施の形態１に示した第１のスペーサ１００ａが配設される部分に、第１のスペーサ設置部２０１ａ（突出部）が形成されている。第１のスペーサ設置部２０１ａの先端には、第１のスペーサ２００ａが配設されている。第１のスペーサ設置部２０１ａは、第１のスペーサ２００ａと同じ断面形状で、所定の高さｈ４となるように設けられており、第１のスペーサ２００ａと一体的に柱状に形成されている。
【００４７】
ガス拡散電極８の高さｈ２は、セルスタック締結後、第１のスペーサ設置部２０１ａの高さｈ４と第１のスペーサ２００ａの高さｈ３まで圧縮される。
【００４８】
また、セパレータ１４の周縁部には、実施の形態１に示した第２のスペーサ１００ｂが配設される部分に、第２のスペーサ設置部２０１ｂ（突出部）が形成されている。第２のスペーサ設置部２０１ｂの先端には、第２のスペーサ２００ｂが配設されている。第２のスペーサ設置部２０１ｂの設置箇所は、ここではガス流路５又はガス流路６を囲むように設けられているが、これに限定されるものではなく、高分子電解質膜３を挟んで互いに対抗する一対のセパレータの間隔が一定となるように構成すれば、その設置箇所はどのような位置に配置されていてもよく、またその設置個数についても特に限定されない。第２のスペーサ設置部２０１ｂは、第２のスペーサ２００ｂと同じ断面形状で、所定の高さｈ６となるように設けられており、第２のスペーサ２００ｂと一体的に柱状に形成されている。
【００４９】
ガス拡散電極８の高さｈ２は、セルスタック締結後、第２のスペーサ設置部２０１ｂの高さｈ６と第２のスペーサ２００ｂの高さｈ５まで圧縮される。
【００５０】
第１のスペーサ設置部２０１ａの高さｈ４と第２のスペーサ設置部２０１ｂの高さｈ６は等しいことが好ましい。
【００５１】
第１のスペーサ設置部２０１ａの高さｈ４と第２のスペーサ設置部２０１ｂの高さｈ６は、セルスタック締結後のガス拡散電極８の高さｈ２よりも小さければよいが、セルの作製を容易にする観点から０％より大きいことが好ましく、スペーサの強度を十分に保ち、その機能を確実に発揮するためにガス拡散電極８の高さｈ２の８０％以下であることが好ましい。
【００５２】
なお、スペーサの材料等については、実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００５３】
また、このような燃料電池を作成する場合は、第１のスペーサ２００ａを予めＭＥＡ９に接着しておくと組み立てが簡単になる。
【００５４】
上記のような構成にすることにより、ガス拡散電極の周辺だけでなく電極内もセパレータと高分子電解質膜との間隔を一定に保つことができるので、セル内での締結圧力が均一化され、高分子電解質膜への機械的ダメージを軽減することが可能となる。
【実施例】
【００５５】
以下、本発明の実施例について、実施の形態の燃料電池の製造方法の例示を兼ねて説明する。
【００５６】
（実施例１）
本実施例では、実施の形態１で説明した高分子電解質型燃料電池を、以下のプロセスで作製した。
【００５７】
まず、ＭＥＡ９の形成について説明する。
【００５８】
高分子電解質膜３（米国デュポン社製  ＮＡＦＩＯＮ  １１２）に、燃料ガス供給用マニホルド孔１１ｃ及び燃料ガス排出用マニホルド孔１２ｃ等のマニホルド孔を設けた。
【００５９】
触媒となる白金粒子をカーボン粒子に適量担持させ、周知の方法でペースト状にした。この白金粒子を含むカーボン粒子のペーストを用いて、スクリーン印刷法により、高分子電解質膜３の両面に面積が４００ｃｍ2で、厚みが２０μｍとなるように印刷し、触媒反応層２を形成した。このとき、図５に示すように、溝状のガス流路とガス流路との間の並走部分（リブ部１０）に対応する位置に、１辺が２ｍｍの正方形状の孔を４箇所設けた。この孔は、ペーストを塗装しないようなパターニングで印刷を行うことにより形成した。
【００６０】
ガス拡散層１となるカーボン不織布の、上記孔に対応する位置を周知の方法（例えば、プレス加工）で除去した。この孔部分を除去したカーボン不織布を、上記高分子電解質膜３に印刷した触媒反応層２と接するようにホットプレスにより接合し、ＭＥＡ９を作製した。このとき、形成されたガス拡散電極８の厚みは２５０μｍであった。また、触媒反応層２に設けられた孔とガス拡散層１に設けられた孔とから、第１のスペーサ収容孔１０１ａが形成された。
【００６１】
なお、ガス拡散層１となるカーボン不織布に、上記ペーストをスクリーン印刷法で印刷することにより、ガス拡散電極８を作製し、第１のスペーサ収容孔１０１ａが配設される部分を周知の方法で除去した後に、このガス拡散電極８を高分子電解質膜３にホットプレスにより接合し、ＭＥＡ９を作製してもよい。
【００６２】
フッ素ゴム製シートを、図４に示す燃料ガス供給用マニホルド孔１１ｂ及び燃料ガス排出用マニホルド孔１２ｂ等のマニホルド孔と第２のスペーサ１００ｂが嵌合される第２のスペーサ収容部１０１ｂを打ち抜いて、ガスケット７を作製した。第２のスペーサ収容部１０１ｂは、ガスケット７の周縁部にガス流路５又はガス流路６を囲むように、それぞれが等間隔になるように配設した。
【００６３】
このガスケット７を、ガス拡散電極５又はガス流路６の外周に露出する高分子電解質膜３の周縁部に配置し、ホットプレスで接合一体化させた。
【００６４】
セパレータ４は、厚さ３ｍｍの等方性黒鉛板に機械加工によってガス流路５又はガス流路６、燃料ガス供給用マニホルド孔１１ａ及び燃料ガス排出用マニホルド孔１２ａ等のマニホルド孔等を形成することによって作製した（図２及び図３参照）。ガス流路の溝幅は２ｍｍ、深さは１ｍｍ、流路間の幅は２ｍｍとする構成とした。また、冷却流路１３は、溝幅を１ｍｍとした以外は、他の構成はガス流路と同じとした。
【００６５】
第１のスペーサ１００ａ及び第２のスペーサ１００ｂを、ヤング率が約１８ＧＰａであるポリエチレンナフタレンを用いて、形状が２ｍｍ角の正方形状で高さを２００μｍとなるように作製し、高分子電解質膜３と接触する面の角を削って丸みを帯びさせるようにした。このように作製した第１のスペーサ１００ａ及び第２のスペーサ１００ｂを、セパレータ４の内面であって、第１のスペーサ収容部及び第２のスペーサ収容部に対応する位置にそれぞれ接着した。
【００６６】
ＭＥＡ９とガスケット７を１対のセパレータ４で挟み、セル２４を形成した。セル２４を積層し、セル積層体４１を形成し、締結具を用いて荷重をかけて締結しセルスタック３１を形成した。締結後のセル２４のガス拡散電極８の厚みは、スペーサの高さｈ１（２００μｍ）まで圧縮された。
【００６７】
このようにして作製した本実施例の燃料電池は、ガス拡散電極の周辺だけでなく電極内もセパレータと高分子電解質膜との間隔を一定に保つことができるので、セル内での締結圧力が均一化され、高分子電解質膜への機械的ダメージを軽減することが可能となる。
（実施例２）
本実施例では、実施の形態２で説明した高分子電解質型燃料電池を作製した。
本実施例は、実施例１と基本的態様は同じであるが、スペーサとセパレータが以下の点が異なる。
【００６８】
第１のスペーサ２００ａ及び第２のスペーサ２００ｂは、材質等は実施例１と同様のものを使用した。これらのスペーサの形状は、２ｍｍ角の正方形状で厚みが５０μｍとし、高分子電解質膜と当接する面の角を削って丸みを帯びさせるように作製した。
【００６９】
セパレータ１４は、実施例１と同様に、等方性黒鉛板に機械加工によってガス流路５又はガス流路６、マニホルド孔等を形成したが、第１のスペーサ設置部２０１ａ及び第２のスペーサ設置部２０１ｂを、スペーサが配設されない他の部分よりも厚み方向に１５０μｍ厚くなるようにセパレータ１４を形成した。すなわち、第１のセパレータ設置部２０１ａをセパレータ１４の内面から１５０μｍだけ突出するように、柱状に形成した。同様に、第２のセパレータ設置部２０１ｂをセパレータ１４の内面から１５０μｍだけ突出するように、柱状に形成した。
【００７０】
本実施例の燃料電池では、締結時にはガス拡散電極が、第１のスペーサ設置部２０１ａと第１のスペーサ２００ａ（又は第２のスペーサ設置部２０１ｂと第２のスペーサ２００ｂ）の厚みの合計である２００μｍまで圧縮された。
【００７１】
なお、本実施例では、第１のスペーサ２００ａをＭＥＡ９に予め接着しておくとセルの作製が容易となる。
【００７２】
このようにして作製した本実施例の燃料電池は、実施例１の燃料電池と同様に、ガス拡散電極の周辺だけでなく、電極内もセパレータと高分子電解質膜との間隔を一定に保つことができるので、セル内での締結圧力が均一化され、高分子電解質膜への機械的ダメージを軽減することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明にかかる高分子電解質型燃料電池は、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池の概略を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池の構成の概略を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池のセパレータとスペーサの構成を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池のガスケットの構成を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池のＭＥＡの構成を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る高分子電解質型燃料電池の構成の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１  ガス拡散層
２  触媒反応層
２ａ  アノード触媒層
２ｂ  カソード触媒層
３  高分子電解質膜
４  セパレータ
４ａ  アノードセパレータ
４ｂ  カソードセパレータ
５  ガス流路
６  ガス流路
７  ガスケット
８  ガス拡散電極
９  ＭＥＡ
１０  リブ部
１１  燃料ガス供給用マニホルド
１１ａ  燃料ガス供給用マニホルド孔
１１ｂ  燃料ガス供給用マニホルド孔
１１ｃ  燃料ガス供給用マニホルド孔
１２  燃料ガス排出用マニホルド
１２ａ  燃料ガス排出用マニホルド孔
１２ｂ  燃料ガス排出用マニホルド孔
１２ｃ  燃料ガス排出用マニホルド孔
１３  冷却流路
２１ａ  端板
２１ｂ  端板
２２  燃料ガス供給用配管
２３  燃料ガス排出用配管
２４  セル
３１  セルスタック
４１  セル積層体
１００ａ  第１のスペーサ
１００ｂ  第２のスペーサ
１０１ａ  第１のスペーサ収容孔
１０１ｂ  第２のスペーサ収容孔
２００ａ  第１のスペーサ
２００ｂ  第２のスペーサ
２０１ａ  第１のスペーサ設置部
２０１ｂ  第２のスペーサ設置部
【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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