(57)【要約】【課題】ＣＣＭとのセル組みを簡易化でき、吸水性能の低下も防ぐことができる固体電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】セパレータとガス拡散層とをセパレータのガス流路より外縁部で接着材にて接着して組み付けてなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータとガス拡散層を接着材にて接着して組み付け、前記セパレータと前記ガス拡散層との接着部は、セパレータのガス流路より外縁部にあることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータと前記ガス拡散層との接着部は、アノードセパレータとアノードガス拡散層との間、およびカソードセパレータとカソードガス拡散層との間のそれぞれに形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータと前記ガス拡散層との接着箇所は、複数の面接着もしくは点接着であることを特徴とする請求項１または２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記接着箇所に塗布される接着剤は、スプレーコーティング法により塗布する事を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
セパレータとガス拡散層の接着に用いられる接着剤は、エポキシ系接着剤であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
セパレータおよび／またはガス拡散層が、接着剤が溶出してセパレータ流路を塞ぐことを抑制する機能を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記セパレータ流路を塞ぐことを抑制する機能として、前記セパレータと前記ガス拡散層との接着部と、セパレータのガス流路との界面部であって、溶出した接着剤がセパレータ流路に移動する経路となる前記界面部に、当該接着剤の移動を妨げることのできるガイド部を設けてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
ホットプレスを行うことなくセパレータを接着したガス拡散層とＣＣＭとを組み付けを行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体電解質型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、固体電解質型燃料電池に関する。特に、吸水性に優れた固体電解質膜およびその作成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が移動体用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動することから、燃料電池自動車から携帯機器（例えば、携帯電話、携帯情報端末、携帯音楽プレイヤー、ノート型パソコンなど）までの各種移動体用の電源として期待されている。
【０００３】
こうした固体高分子型燃料電池の単セル構成は、一般的には、ＭＥＡをセパレータで挟持した構造となっている。ＭＥＡは、電解質膜（以下、単に膜とも称する。）が一対の電極（アノード電極およびカソード電極）により挟持されてなるものである。ここで電極は、通常、電極触媒層（以下、単に触媒層とも称する。）、更にはガス拡散層（以下、単にＧＤＬとも称する。）が積層されてなる構造を備えてなるものである。詳しくは、膜の両面に触媒層、ＧＤＬの順に配されてなるのが一般的である。さらに、燃料電池の単セル（セルユニット）構成では、単セルの外周部（エッジ）からの微量リークやクロスリークを防止する為に該外周部（エッジ）をシールするために、膜の両側（カソード側及びアノード側）の電極、ＧＤＬが形成されている部分の外周部に額縁状のガスケット層がそれぞれ配置された構成となっている。
【０００４】
特許文献１には、固体高分子電解質をガス拡散層（ＧＤＬ）で挟み、ホットプレスをすることにより固体高分子電解質とＧＤＬを一体化する技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、多孔質電極板（ＧＤＬ）をカーボンセパレータに炭化性接着材で接着させ、６００℃の高温で焼成を行うことで燃料電池用炭素質部材を製造する方法についての記載している。
【特許文献１】特開平３−２９５１７１号公報
【特許文献２】特公平３−２０８６２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、特許文献１に記載のように、ホットプレスを行い、ガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ）と触媒層付き電解質膜（ＣＣＭ：Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏａｔｅｄ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）を一体化すると膜の吸水性が低下し、性能が低下する。一方、ガス拡散層と触媒層付き電解質膜を一体化しないとセル組みが複雑となる問題があった。
【０００７】
また、特許文献２に記載の構成では、接着剤をカーボンセパレータ全面に塗布する為、接着剤がカーボンセパレータの流路に詰まらないように、６００℃の高温で散失する物質を多孔質電極板またはカーボンセパレータに含浸し、ホットプレス時に散失させＧＤＬとセパレータとを接着させている。従って、ホットプレスにより膜の吸水性が低下し、性能が低下する。一方、ＧＤＬとＣＣＭを一体化しないとセル組みが複雑となる問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、電解質膜の吸水性を低下することなく、性能低下も防ぐことができ、更にセル組みを簡易化できる固体電解質型燃料電池（高分子電解質型燃料電池、ないし固体高分子電解質型燃料電池ともいう）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】
【０００９】
そこで、本発明は、セパレータとＧＤＬとをセパレータのガス流路より外縁部で接着材にて接着して組み付けてなることを特徴とする固体電解質型燃料電池により上記目的達成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、固体電解質燃料電池においてセパレータとＧＤＬとをセパレータのガス流路より外縁部で接着材にて接着するようにして、ＣＣＭとのセル組み付けが行われているので膜の吸水性を低下させず、セル組み付け工程が簡易化でき、高品質な燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る固体電解質型燃料電池は、セパレータとＧＤＬを接着して組み付けてなることを特徴とするものである。セル組み時にＧＤＬをセパレータ側に軽く接着させることで、ＣＣＭとのセル組みを簡易化することができ高品質な電池を提供することができ、性能低下を防ぐこともできる点で優れている。
【００１２】
以下、本発明の燃料電池につき、好適な実施形態を図１〜６を参照して説明する。
【００１３】
本発明の説明を行うため、従来の燃料電池の技術例の断面を図１に、本発明の燃料電池の構成を図２〜５に示す。図６に本発明の電池特性を示す。以下に図を元に本発明の実施形態および実施例を概説する。
【００１４】
［Ｉ］  第一実施形態
図１は、従来の燃料電池の構成図である。図１の従来の単位燃料電池（燃料電池セル）１０では、電解質膜１００の両面にアノード（燃料極）及びカソード（空気極）触媒層１１１ａ、１１１ｂが接合されてなる膜電極接合体（ＭＥＡ）１１０が設けられている。このＭＥＡ１１０の外側両面にはカーボンペーパーやカーボンクロス等のアノード及びカソードＧＤＬ１１２ａ、１１２ｂが配置されている。その外側両面には緻密で導電性のアノード及びカソードセパレータ１２０ａ、１２０ｂが配置されている。該アノード及びカソードセパレータ１２０ａ、１２０ｂの内部に設けられたアノード側水素含有ガス（Ｈ２ガス）流路（溝）１２１ａ、カソード側酸素含有ガス（Ａｉｒガス）流路（溝）１２１ｂを通じて、水素含有ガス（以下、単にＨ２とも略記する。）及び酸素含有ガス（以下、単にＡｉｒとも略記する。）がアノード側及びカソード側のＧＤＬ１１２ａ、１１２ｂ、触媒層１１１ａ、１１１ｂにそれぞれ供給される。そして、ガスが外部へ漏洩することを防止するために電解質膜１００外周部とセパレータ１２０ａ、１２０ｂ外周部との間に（アノード側及びカソード側の保護シート１５０ａ、１５０ｂ）ガスケット１３０ａ、１３０ｂがそれぞれ配置されている。
【００１５】
図２は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池の構成を表す断面図であって、その全体の上面図（セパレータを透過して流路とガスケットと接着部の位置関係が明確になるように表したもの）が図３に示されている。
【００１６】
図２、３に示すように、本発明の第一実施形態に係る単位燃料電池（燃料電池セル）１０の基本的な燃料電池の構成は、図１の従来の燃料電池の構成と同様であるが、本発明では、さらにアノード及びカソードＧＤＬ１１２ａ、１１２ｂをアノード及びカソードセパレータ１２０ａ、１２０ｂのＨ２ガス流路１２１ａ及びＡｉｒガス流路１２１ｂ外部に接着するようにアノード及びカソード接着部１４０ａ、１４０ｂがそれぞれ設けられていることを特徴とするものである。以下、当該接着部を中心に各構成要件を説明する。図３では、アノード側とカソード側の基本的な構成が同じである為、アノード側とカソード側の区別なく、セパレータ１２０、ガス流路（溝）１２１、ガスケット１３０、接着部１４０として表している。以下の各構成要件の説明においても、特に区別する必要がある場合を除いて、アノード側とカソード側の区別なく、触媒層１１１、ＧＤＬ１１２、セパレータ１２０、ガス流路（溝）１２１、ガスケット１３０、接着部１４０、保護シート１５０、ガイド１６０として表している。
【００１７】
（１）接着部
上記接着部１４０は、セル組み時にＧＤＬ１１２をセパレータ１２０側に軽く接着させることで、ＣＣＭ（ＭＥＡ）１１０とのセル組みを簡易化させ、性能低下を防ぐことを目的として形成されてなるものである。
【００１８】
上記接着部１４０の形成部位としては、上記接着部の形成目的から、ＧＤＬ１１２とセパレータ１２０の張り合わせ（積層面）であって、ガス流路１２１、ガスケット１３０、更には保護シート１５０の構成部材の特性を損なわない位置であれば特に制限されるものではない。
【００１９】
具体的には、図２に示すように、単位燃料電池（燃料電池セル）１０の厚さ方向での接着箇所としては、アノード側のＧＤＬ１１２ａとセパレータ１２０ａ、さらカソード側のＧＤＬ１１２ｂとセパレータ１２０ｂの双方に接着部１４０ａ、１４０ｂを形成するのがセル組みを簡易化の観点から特に望ましい。すなわち、前記セパレータ１２０と前記ＧＤＬとの接着部１４０は、アノードセパレータ１２０ａとアノードＧＤＬ１１２ａとの間、およびカソードセパレータ１２０ｂとカソードＧＤＬ１１２ｂとの間のそれぞれに形成されているのが望ましい。接着面はアノード、カソードのセパレータのそれぞれに行うのでセル組み付け工程がさらに簡易化出来るためである。ただし、いずれか一方の側だけでも、従来よりもセル組みを簡易化及び性能低下を防ぐ上では、有効である。
【００２０】
また、接着部１４０のアノード及びカソードのそれぞれの面内方向での配置（接着箇所）としては、特に制限されるものではなく、セパレータ１２０のガス流路１２１外部（外周部分）の全部または一部に接着部１４０を形成すればよい。好ましくは、図３に示すように、ＣＣＭ（ＭＥＡ）１２０とのセル組みの際に、接着固定されたＧＤＬ１１２とセパレータ１２０とが一体化され、取り扱い性に優れるように、前記セパレータ１２０と前記ＧＤＬ１１２との接着部１４０は、セパレータ１２０のガス流路１２１より外縁部にあることが望ましい。これにより、固体電解質燃料電池において、セパレータ１２０とＧＤＬ１１２との接着面はガス流路１２１より外にあるのでガスの流れを阻害することなく、組み付けを行う事が出来る点で優れている。詳しくはセパレータ１２０のガス流路１２１外部（外縁部ないし外周部）に複数箇所、好ましくはセパレータ１２０の４辺のガス流路１２１外部に形成しておくのが望ましい。これは、ＧＤＬ１１２とセパレータ１２０の接合体を取り扱う際に、振動やたわみや捩れが加わっても当該接着部１４０が剥離して、ＧＤＬ１１２とセパレータ１２０がズレたりするのをより効果的に防止できる為である。ただし、接着部１４０が１箇所のみであっても、接着後からセル組み付けまで比較的安定に移動・搬送し得る場合など、その取り扱い方によっては、十分にその目的を達成し得る場合もある。
【００２１】
また、ＧＤＬ１１２とセパレータ１２０を接着して固定させる際の接着部１４０の各配置（各接着箇所）は、図３に示すような面接着であってもよいし、点接着であってもよい。ここで、面接着と点接着とは、例えば、セパレータ１２０の１つの辺の一端から他端まで、ほぼ全域にわたって連続した接着部１４０とするものを面接着とし（図３Ｂ参照）、かかる１つの辺の一端から他端まで、２以上の接着部１４０を非連続的に点在して形成（配置）させている場合には、点接着とする（図３Ａ参照）。好ましくは、前記セパレータと前記ＧＤＬとの接着箇所は、複数の面接着もしくは点接着であることが望ましい。接着箇所を複数の面接着もしくは点接着とすることで、使用する接着剤の使用量を低減することが出来る点で優れている。ただし、セパレータ１２０のガス流路１２１外部（外縁部ないし外周部）全面に接着剤を塗布してもよいなど、特に制限されるものではない。
【００２２】
また、セパレータ１２０とＧＤＬ１１２の（接着部１４０の）接着剤の厚さは、接着量が多すぎるとＧＤＬ１１２内に接着剤が含浸され、ガス拡散性の阻害を引き起こすおそれがあることと、接着量不足による接着の剥離を引き起こすおそれがあることを考慮し、適宜決定すればよい。具体的には、０．１ｍｍ以下、望ましくは０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である。なお、当該接着剤の厚さは、接着剤をＧＤＬ上に塗布する際の厚さをいうものとする。また、当該接着剤の厚さは、ＧＤＬ１１２内部に含浸されている部分は含まないものとする。上記接着量は、単位面積当たりの接着剤の塗布量を言うものとする。上記接着剤の厚さのほか、接着剤を塗布後、セパレータとＧＤＬを張り合わせる際に、接着剤の面内方向への広がりによるガス流路やガスケット設置面への侵入防止の観点から、ＧＤＬ（又はセパレータ）上への塗布量と塗布位置を決定するのが望ましい。
【００２３】
上記接着部１４０に用いることのできる接着剤としては、本発明の作用効果を有効に発揮することができるものであれば特に制限されるものではない。例えば、熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、アクリル系接着剤、エポキシ系接着剤、ポリエステル系接着剤、ポリオレフィン（例えば、ポリプロピレンなど）等のオレフィン系接着剤等を用いることができる。セパレータとＧＤＬの接着に用いられてなる接着剤は、エポキシ系接着剤であるのが望ましい。接着剤にエポキシ系接着剤を用いることで接着を行うセパレータとの密着性がよく、耐熱性に優れるため、高温使用時での接着剤溶出を防止し、接着を剥がれにくくすることができるためである。また燃料電池の運転時やこれを搭載する車両の走行時などに加わる当該接着部への振動や衝撃に対する耐振性や耐衝撃性などにも優れるため、車両搭載用燃料電池として優れた耐久性を発揮することができる点でも優れている。
【００２４】
セパレータ１２０とＧＤＬ１１２の接着箇所（接着部１４０）への接着剤の塗布（コーティング）方法としては、ロールコーティング法、カーテンコーティング法、押し出しコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法などの方法を用いて行うことができる。好ましくは、前記接着箇所（接着部１４０）に塗布される接着剤は、スプレーコーティング法を用いて行われてなることが望ましい。スプレーコーティング法を用いて行うことで、接着面積や接着量を容易に制御でき、正確な位置に接着剤を塗布する事が出来るためである。
【００２５】
（２）電解質膜１００
本発明の燃料電池に用いられる電解質膜１００としては、特に限定されず公知の高分子電解質からなる膜を用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる高分子電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。具体的には、ポリマー骨格の全部又は一部がフッ素化されたフッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた電解質、または、ポリマー骨格にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーであってイオン交換基を備えた電解質、などが挙げられる。
【００２６】
前記イオン交換基としては、特に制限されないが、−ＳＯ３Ｈ、−ＣＯＯＨ、−ＰＯ（ＯＨ）２、−ＰＯＨ（ＯＨ）、−ＳＯ２ＮＨＳＯ２−、−Ｐｈ（ＯＨ）（Ｐｈはフェニル基を表す）等の陽イオン交換基、−ＮＨ２、−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’、−ＮＲＲ’Ｒ’’＋、−ＮＨ３＋等（Ｒ、Ｒ’、Ｒ’’は、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基等を表す）等の陰イオン交換基などが挙げられる。
【００２７】
前記フッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた電解質としては、具体的には、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン‐テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン−ｇ−ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリフッ化ビニリデン−ｇ−ポリスチレンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。
【００２８】
前記炭化水素系ポリマーであってイオン交換基を備えた電解質としては、具体的には、ポリサルホンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸系ポリマー、架橋ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルサルホンスルホン酸系ポリマー等が好適な一例として挙げられる。
【００２９】
電解質膜１の材質は、高いイオン交換能を有し、化学的耐久性・力学的耐久性、などに優れることから、前記フッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた電解質を用いるのが好ましく、なかでも、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）などがより好ましく利用できる。
【００３０】
また、デュポン社製の各種のＮａｆｉｏｎ（デュポン社登録商標）やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。または、上記電解質膜としては、上記したようなフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂による膜に加えて、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などから形成された多孔質状の薄膜に、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸したものを使用してもよい。
【００３１】
電解質膜１の膜厚は、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよい。好ましくは５〜３００μｍ、より好ましくは１０〜２００μｍ、特に好ましくは１５〜１５０μｍである。電解質膜の膜厚が５μｍ以上であると製膜時の強度や燃料電池作動時の耐久性の点から好ましく、３００μｍ以下であると燃料電池作動時の出力特性の点から好ましい。
【００３２】
前記電解質膜の大きさは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよい。この際、電解質膜の外周部をガスケット構造体（図示せず）で代替してもよい。この場合には、膜の節約が出来る点で優れている。これは、例えば、自動車燃料電池用の燃料電池の価格は１億円以上ともいわれ、量産化によるコスト低減効果だけでは、現状のガソリンエンジン自動車並みの価格にするのは困難であるといわれている。そこで、燃料電池の性能の向上と共に、コスト低減に寄与する部品や構造の開発が重要なテーマになっている。このことは燃料電池を構成する膜に関しても言える課題の１つであり、特に高性能膜の１つであるフッ素系樹脂製膜では、低コスト化が大きなテーマである。そのため、既存の安価な樹脂シートであるＰＥＮ、ＰＥＴ、ＰＴＦＥなどが利用できるガスケット構造体でＭＥＡのエッジ領域部分の膜を代替することは大幅なコスト低減効果が得られる点で極めて優れたエッジ構造であるといる。
【００３３】
なお、本発明では、燃料電池の酸素極及び燃料極の両電極間に介在される電解質成分を含有してなる構成部材を、電解質膜と称したが、決してその名称に拘泥されるものではなく、燃料電池に用いられる使用目的からみて、例えば、電解質層や電解質などと称される場合であっても、本発明でいう電解質膜に含まれる場合があることはいうまでもない。他の構成要件についても同様であり、その名称に拘泥されるものではなく、使用目的に照らしてその同一性を判断すればよい。
【００３４】
（３）触媒層１１１
図１に示すように、アノード及びカソード側のいずれか一方における触媒層の大きさは、もう一方の触媒層の大きさよりも大きく、かつ前記触媒層の端部同士が厚さ方向で重ならないことが望ましい。特に、アノード触媒層の大きさを、カシード触媒層の大きさよりも大きくするのが望ましいといえる。これにより、上記起動停止／連続運転におけるカソード触媒の腐食、及びアイドル停止運転を想定したＯＣＶ保持時の電解質膜の分解抑制の点で優れているためである。
【００３５】
電解質膜の両面（空気極側および燃料極側）にそれぞれ接合される触媒層の構成としては、いずれも（ｉ）導電性担体に触媒粒子が担持されてなる触媒物質（以下、電極触媒ともいう）と、（ｉｉ）プロトン導電性を有する電解質（以下、バインダともいう）を含む。
【００３６】
（ｉ）電極触媒
電極触媒は、（ａ）触媒粒子が（ｂ）導電性担体に担持されてなるものである。
【００３７】
（ａ）触媒粒子
ここで、カソード触媒層に用いられる触媒粒子の成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、アノード触媒層に用いられる触媒粒子の成分もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。
【００３８】
これら導電性担体に担持される触媒粒子の成分としては、具体的には、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、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、ケイ素、リン、チタン、銅、ゲルマニウム、セレン、ジルコニウム、すず、アンチモン、テルル、レニウム、金およびビスマスよりなる群から選択される１種、もしくは、この群から選択される少なくとも２種の合金を用いることができる。これらのうち、発電特性、耐久性、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。具体的には、白金、白金−鉄合金、白金−コバルト合金、白金−ニッケル合金、白金−モリブデン合金、または白金−ルテニウム合金などが挙げられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が３０〜９０原子％、合金化する金属が１０〜７０原子％とするのがよい。カソード触媒をして合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が３０〜９０原子％、合金化する他の金属が１０〜７０原子％とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に１種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、カソード触媒層に用いられる触媒成分及びアノード触媒層に用いられる触媒粒子の成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒粒子の成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。
【００３９】
上記触媒粒子の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒粒子と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒粒子は、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる。従って、触媒粒子の平均粒子径は、１〜３０ｎｍ、より好ましくは１．５〜２０ｎｍ、さらにより好ましくは２〜１０ｎｍ、特に好ましくは２〜５ｎｍの粒状であることが好ましい。担持の容易さ、比表面積に見合った触媒活性が得られるという観点から１ｎｍ以上であることが好ましい。触媒活性、触媒利用率の観点から３０ｎｍ以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒径」は、Ｘ線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より得られる触媒粒子の粒子径の平均値を求めることにより得ることができる。
【００４０】
（ｂ）導電性担体
前記導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として機能する電子導電性を有しているものであればよい。導電性担体の材質としては、例えば、ケッチェンブラックＴＭまたはアセチレンブラックなどのカーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛または人造黒鉛などのグラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ガラス状炭素粉体、およびカーボンナノチューブなどの主成分がカーボンであるカーボン粒子が好ましい。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、２〜３質量％程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。
【００４１】
前記導電性担体のＢＥＴ比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは２０〜１６００ｍ２／ｇ、より好ましくは８０〜１２００ｍ２／ｇとするのがよい。前記比表面積が、２０ｍ２／ｇ以上であると前記導電性担体への触媒成分および高分子電解質の分散性が向上し、十分な発電性能が得られる点で優れている。一方、１６００ｍ２／ｇ以下であると触媒成分および高分子電解質の高い有効利用率を有効に保持することができる点で優れている。
【００４２】
また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、導電性担体の平均一次粒子径は、２ｎｍ〜１μｍが好ましく、より好ましくは５〜２００ｎｍ、特に好ましくは１０〜１００ｎｍである。平均一次粒子径が２ｎｍ以上であると有効な導電性ネットワークを形成するという点から好ましく、１μｍ以下であると触媒層の厚みを適切な範囲で制御できる点から好ましい。
【００４３】
前記導電性担体に触媒粒子が担持された電極触媒において、触媒粒子の担持量は、電極触媒の全量に対して、５〜８０質量％、好ましくは１０〜７５質量％、より好ましくは１５〜７０質量％、特に３０〜７０質量％とするのがよい。前記担持量が、８０質量％以下であると、触媒成分の導電性担体上での優れた分散度を有効に保持することができ、担持量の増加に見合った発電性能の向上効果を有効に発現させることができ、高い耐久性を維持できる利点がある。また、前記担持量が、５質量％以上であると、単位質量あたりの触媒活性に優れ、担持量に応じた所望の発電性能を得ることができる。そのため、所望の電池性能を確保するための担持量設計が比較的容易になし得る点で優れている。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ）によって調べることができる。
【００４４】
また、導電性担体への触媒粒子の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル（マイクロエマルジョン法）などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。
【００４５】
（ｉｉ）電解質（バインダ）
本発明のカソード触媒層／アノード触媒層（以下、単に「触媒層」とも称する）には、電極触媒の他に、電解質が含まれる。触媒層に含まれるプロトン導電性を有する電解質は、三層界面を形成しえるように電極触媒の少なくとも一部を被覆しているのが好ましい。これにより、プロトン伝導性などを向上させるだけでなく、電極構造を安定して維持することができ、電極性能を高めることができる。前記電解質としては、特に限定されず、上記膜に用いたものと同様の高分子電解質が使用できる。前記膜に用いられる電解質と、各触媒層に用いられる電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各触媒層と膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。
【００４６】
前記電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。すなわち、上述の電解質膜の項で記載した高分子電解質を好ましく用いることができる。例えば、Ｎａｆｉｏｎ溶液などのパーフルオロスルホン酸ポリマー系のプロトン導電体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン導電体の官能基で置換された有機／無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン導電体などからなるイオン交換樹脂が挙げられる。パーフルオロスルホン酸ポリマー系のプロトン導電体として、具体的には、炭素原子とフッ素原子のみからなる重合体だけではなく、水素原子が全てフッ素原子と置換されていれば酸素原子等を含有するものなどが挙げられ、ＣＦ２＝ＣＦ２に基づく重合単位とＣＦ２＝ＣＦ−（ＯＣＦ２ＣＦＸ）ｍ−Ｏｐ−（ＣＦ２）ｎ−ＳＯ３Ｈに基づく重合単位（式中、Ｘはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、ｍは０〜３の整数であり、ｎは１〜１２の整数であり、ｐは０又は１である。）とを含む共重合体などがある。
【００４７】
前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。
【００４８】
前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。
【００４９】
高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。
【００５０】
電解質と導電性担体との質量比は、順に、０．３：１〜１．３：１が好ましく、より好ましくは０．５：１〜１．１：１である。導電性担体質量に対して電解質成分である高分子電解質の質量比が０．３倍以上であると触媒層内の良好なイオン伝導性の点で好ましく、１．３倍以下であると触媒層内のガス拡散及び水の排出の点で好ましい。
【００５１】
上記触媒層には、さらに、撥水性高分子や、その他の各種添加剤が含まれていてもよい。撥水性高分子が含まれていることにより、得られる触媒層の撥水性を高めることができ、発電時に生成した水などを速やかに排出することができる。撥水性高分子の混合量は、本発明の作用効果に影響を与えない範囲で適宜決定することができる。上述の撥水性高分子として例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、または、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリヘキサフルオロプロピレンもしくはこれらのモノマーの共重合体（例えば、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など）などのフッ素系の高分子材料などを用いることができる。その他の各種添加剤には、例えば、りん系酸化防止剤、フェノール系酸化防止剤などの各種酸化防止剤などが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
【００５２】
本発明における触媒層の厚さは、特に限定されないが、０．１〜１００μｍが好ましく、より好ましくは１〜２０μｍである。触媒層の厚さが０．１μｍ以上であると所望する発電量が得られる点で好ましく、１００μｍ以下であると高出力を維持できる点で好ましい。
【００５３】
（４）ＧＤＬ１１２
ＧＤＬ１１２は、電解質膜１００の両側のアノード及びカソード触媒層１１１ａ、１１１ｂ上にそれぞれ配置されてなるものである。具体的には、ＭＥＡ（膜＋触媒層）１１０をさらにセパレータ１２０と一体化したＧＤＬ１１２で挟持することで得ることができる。従来は、ＭＥＡ（膜＋触媒層）１１０をさらにＧＤＬ１１２で挟持し、これをホットプレスにより挟持・接合していたため、膜の吸水性が低下し、性能低下が引き起こされていた。本発明では、こうしたホットプレスを行わずとも、ＣＣＭ（ＭＥＡ）１１０とのセル組みを簡易に行うことができる点で優れている。
【００５４】
本発明では、電解質膜１００の両側のアノードＧＤＬ１１２ａ及びカソード１１２ｂの面積の大きさ（大小関係）は、図２に示すように、同じ面積（大きさ）にしてもよいし、アノードＧＤＬ１１２ａの面積をカソードＧＤＬ１１２ｂの面積よりも小さくしてもよい。あるいは、逆にアノードＧＤＬ１１２ａの面積をカソードＧＤＬ１１２ｂの面積よりも大きくなるようにしてもよい。好ましくは、アノードＧＤＬ１１２ａの面積をカソードＧＤＬ１１２ｂの面積よりも小さくするのが望ましい構造である。
【００５５】
ＧＤＬ１１２と触媒層１１１との位置関係としては、ＧＤＬ１１２と触媒層１１１の外周部端面が面一に揃うように、同じ面積に形成してもよいし、あるいは外周部端面が異なるように、ＧＤＬ１１２よりも触媒層１１１の面積を大きくしてもよい。あるいは、逆にＧＤＬ１１２よりも触媒層１１１の面積を小さくなるようにして形成してもよい（図２、４参照）。特にガスケット構造体の一部として電解質膜１００両面上の外周部（触媒層１１１よりも外周部分）に接着性のある保護シート層１５０を設けた場合には、該保護シート層１５０がＧＤＬ１１２とも接するように、触媒層１１１を小さくするのが望ましい（図２、４参照のこと）。
【００５６】
ＧＤＬ１１２としては、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、例えば、（ｉ）炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。前記ＧＤＬ１１２は、（ｉｉ）撥水性をより向上させるために、前記（ｉ）のＧＤＬ（基材）上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層（図示せず）を有するものであってもよい。
【００５７】
（ｉ）ＧＤＬ（基材）
本発明の燃料電池において、触媒層１１１、ＧＤＬ１１２、および電解質膜１００の厚さは、燃料ガスの拡散性などを向上させるには薄い方が望ましいが、薄すぎると十分な電極出力が得られない。従って、所望の特性を有する燃料電池が得られるように適宜決定すればよい。かかる観点から、上記ＧＤＬ（基材）の厚さは、得られるＧＤＬ（後述するＭＩＬを含む場合もある。）の特性を考慮して適宜決定すればよいが、３０〜５００μｍ程度とすればよい。ＧＤＬ（基材）の厚さが３０μｍ以上であれば、十分な機械的強度などが得られるため望ましい。一方、ＧＤＬ（基材）の厚さが５００μｍ以下であれば、ガスや水などが透過する距離が長くなり過ぎることも無く、良好なガス拡散性や水の拡散（排水）性を得ることができる点で優れている。
【００５８】
前記ＧＤＬ１１２は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記ＧＤＬ（基材）に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、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）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。
【００５９】
（ｉｉ）カーボン粒子層（単にＭＩＬともいう）
ＭＩＬは、撥水性をより向上させるために、前記ＧＤＬ（基材）上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるＭＩＬとして形成されるものである。詳しくは、当該ＭＩＬ形成面が、触媒層と接するように配置され、ＧＤＬ（基材）面がセパレータと接するように配置されるものである。
【００６０】
前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。前記カーボン粒子の粒径は、１０〜１００ｎｍ程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。
【００６１】
前記ＭＩＬに用いられる撥水剤としては、前記基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。
【００６２】
前記ＭＩＬにおける、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、９０：１０〜４０：６０程度とするのがよい。
【００６３】
前記ＭＩＬの厚さは、得られるＧＤＬ１１２全体の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。
【００６４】
ＧＤＬに撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ＧＤＬに用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。
【００６５】
ＧＤＬにおいて転写用台紙上にＭＩＬを形成する場合には、カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、前記スラリーを転写用台紙上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて２５０〜４００℃程度で熱処理を施すのが好ましい。
【００６６】
ＭＩＬとＧＤＬ（ＭＩＬを除く）と触媒層との位置関係についても、ＧＤＬと触媒層と同様であり、これらの外周部端面が面一に揃うように同じ面積としてもよいし、異なる面積としてもよい。好ましくは、接着層を設けた側では、接着層がＭＩＬまたはＧＤＬ（ＭＩＬを除く）とも接するように、触媒層を小さくするのが望ましい。
【００６７】
ここではＧＤＬ１１２（ＭＩＬを含む）をＭＥＡ１１０以外の燃料電池セル１０の構成部材として説明しているが、ＧＤＬをＭＥＡ１１０に含めるか否かは問題ではなく、ＭＥＡ１１０の構成部材に含めてもよい。ＧＤＬをＭＥＡ１１０に含める場合には、上記接着部１４０は、セル組み時にＧＤＬ１１２をセパレータ１２０側に軽く接着させることで、ＣＣＭ１１０とのセル組みを簡易化させ、性能低下を防ぐことを目的として形成されてなるものということになる。
【００６８】
（５）セパレータ１２０
アノードセパレータ１２０ａ及びカソードセパレータ１２０ｂとしては、カーボンペーパー、カーボンクロス、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、特に制限されるものではなく、従来公知のものを用いることができる。また、前記セパレータ１２０ａ、１２０ｂは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するために所望の形状に加工された、アノード側の燃料ガス（Ｈ２）のガス流路（溝）１２１ａ及びカソード側の空気（Ａｉｒ）のガス流路１２１ｂが形成されているのが望ましく、従来公知の技術を適宜利用することができる。セパレータ１２０ａ、１２０ｂの厚さや大きさ、流路溝１２１ａ、１２１ｂの形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。
【００６９】
（６）ガスケット１３０、保護シート層１５０
上記アノード側及びカソード側のガスケット１３０ａ、１３０ｂは、気体、特に酸素や水素ガスに対して不透過であればよいが、一般的には、ガス不透過材料からなるＯリングなどの単一の不透過部により構成されていればよい（図１参照）。また電解質膜１００やアノード及びカソード触媒層１１１ａ、１１１ｂのエッジとの接着を目的として、接着剤付きのガスシールテープ等のような保護シート層１５０ａ、１５０ｂをさらに設けてなる複合的な構成（アノード側のガスケット１３０ａ＋保護シート層１５０ａの積層シール構造、及びカソード側のスケット１３０ｂ＋保護シート層１５０ｂの積層シール構造）としてもよい（図２、４参照のこと）。Ｏリングやガスシールテープの不透過部を構成する材料は、設置後に所定の圧力がかかった状態で、酸素や水素ガスに対して不透過性を示すものであれば特に制限されない。
【００７０】
（ｉ）ガスケット１３０
上記アノード側及びカソード側のガスケット１３０ａ、１３０ｂを構成する酸素や水素ガスに対して不透過の材料としては、例えば、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、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）等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂のほか、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）などの耐応力特性を有するものが挙げられる。
【００７１】
また、アノード側及びカソード側のガスケット１３０ａ、１３０ｂの厚さとしては、ＧＤＬや触媒層の厚さに応じて、設置後に所定の圧力がかかった状態で、酸素や水素ガスに対して不透過性を示すことができるように適宜決定すればよい。
【００７２】
（ｉｉ）保護シート層１５０
上記アノード側及びカソード側の保護シート層１５０ａ、１５０ｂを設けることにより、電解質膜１００が保護されるため、ガスケット１３０ａ、１３０ｂの荷重が電解質膜１００に直接かかることを防げる点で優れている。
【００７３】
上記アノード側及びカソード側の保護シート層１５０ａ、１５０ｂの不透過部を構成する材料としても、上記ガスケットと同様のフッ素系の高分子材料、熱可塑性樹脂のほか、耐応力特性を有するものなどを用いることができる。例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）などが好適に利用することができる。
【００７４】
また、アノード側及びカソード側の保護シート層１５０ａ、１５０ｂの接着部を構成する材料としては、電解質膜１００やアノード及びカソード触媒層１１１と、ガスケット１３０を密接に接着できるものであれば特に制限されないが、ポリオレフィン、ポリプロピレン、熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、アクリル系接着剤、ポリエステル、ポリオレフィン等のオレフィン系接着剤などが使用できる。
【００７５】
上記アノード側及びカソード側の保護シート層１５０ａ、１５０ｂの形成方法は、特に制限されず、公知の方法が使用できる。例えば、電解質膜１００上に、あるいは触媒層１１１のエッジを被覆しながら電解質膜１００上に、上記保護シート層１５０の接着部として用いる接着剤を、５〜３０μｍの厚みになるように塗布した後、上記したような保護シート層１５０の不透過部を構成するガス不透過材料を１０〜２００μｍの厚みになるように塗布し、これを２５〜１５０℃で、１０秒〜１０分間加熱することによって硬化させる方法が使用できる。または、予め、保護シート層１５０の不透過部を構成するガス不透過材料をシート状に成形した後に、この不透過膜に、保護シート層１５０の接着部として用いる接着剤を塗布して、保護シート層１５０を形成した後、これを電解質膜１００上に、あるいは触媒層１１１のエッジを被覆しながら電解質膜１００上に、貼り合わせてもよい。あるいは、予め、保護シート層１５０の不透過部を構成するガス不透過材料をシート状に成形した後に、この不透過膜を保護シート層１５０の接着部として用いる接着層上に貼り合わせたものを膜上に配置してもよい。
【００７６】
上記アノード側及びカソード側の保護シート層１５０ａ、１５０ｂの厚さは、電解質膜１００及びガスケット１３０（更にはＧＤＬ基材やＭＩＬ）との十分な接着が達成できる厚みであれば特に制限されない。したがって、ガスケットやＧＤＬや触媒層の厚さに応じて、設置後に所定の圧力がかかった状態で、酸素や水素ガスに対して不透過性を示すことができるように適宜決定すればよい。例えば、図２、４に示すように、触媒層１１１の厚さと略同じ厚さに形成する場合には、上述した触媒層の厚さに合わせればよい。具体的には１〜３０μｍ、より好ましくは１〜２０μｍの厚みであること好ましい。また、図示していないが、触媒層＋ＭＩＬ層の合計厚さと略同じ厚さに形成する場合には、上述した触媒層＋ＭＩＬ層の合計厚さの厚さに合わせればよい。具体的には、５〜１００μｍ、より好ましくは１０〜５０μｍの厚みであること好ましい。
【００７７】
上記ガスケット１３０及び保護シート層１５０については、市販のものを購入して用いてもよい。ここでいう市販のものには、購入者側の仕様（寸法、形状、材料、特性など）に応じてメーカーが製造したような発注品ないし特注品等も含まれるものとする。
【００７８】
保護シート層１５０の設置範囲は、図２、４に示すように、膜とガスケットとの接着部分に設ければよい。例えば、図２に示すように、ＧＤＬとも接着することができるように、ＧＤＬ外周部端面よりも内側まで形成してもよい。また、ガスケット１３０の設置範囲は、図２、４に示すように、ＧＤＬ外周部端面とガスケット１３０とが接するようにするのが望ましいが、ＧＤＬ外周部端面とガスケットとの間に隙間が形成されていてもよい。こうした場合には、保護シート層１５０は、ＧＤＬ外周部端面よりも外側（例えば、ガスケットの内周部端面）まで形成すればよい。望ましくは、保護シート層１５０の面内方向内端部は、前記ガスケット１３０の面内方向内端部を超えて内側に位置し、かつ保護シート層１５０の一部は前記ＧＤＬの一部と重なるように位置するのが望ましい。
【００７９】
本実施形態の燃料電池のセルユニットの構成としては、図２、３に示す構成に何ら限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよい。例えば、ＭＥＡとセパレータの挟持構造に関しては、接着層を介して接着挟持してもよいし、リップを介して挟持（この場合には、燃料電池スタックを組み立てることでの圧縮固定された構造）としてもよい。また、リップはＭＥＡ側に形成してもよいし、セパレータ側に形成してもよいなど、特に制限されるものではない。
【００８０】
本発明の燃料電池のセルユニットを用いることのできる燃料電池の種類としては、上記した説明中では高分子電解質型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質型燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動／停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。
【００８１】
前記高分子電解質型燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体の腐食、および、運転時に高い出力電圧が取り出されることにより高分子電解質の劣化が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。
【００８２】
前記高分子電解質型燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体の腐食、および、運転時に高い出力電圧が取り出されることにより高分子電解質の劣化が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。
【００８３】
［ＩＩ］  第二実施形態
図４は、本発明の第二実施形態に係る燃料電池の構成の断面図であって、その全体の上面図（セパレータを透過して流路とガスケットと接着部の位置関係が明確になるように表したもの）が図５に示されている。
【００８４】
燃料電池の使用温度によっては第一実施形態で述べた接着部１４０に用いた接着剤の溶出が起こる可能性が示唆される。そのため、本実施形態に係る単位燃料電池（燃料電池セル）では、セパレータおよび／またはガス拡散層が、接着剤が溶出してセパレータ流路を塞ぐことを抑制する機能を有するものである。当該機能を有することにより、接着剤が溶出してガス流路を塞ぐことを抑制するので、ガス流路の詰まりによる性能低下を抑制する事が出来る点で優れている。
【００８５】
本実施形態に係る単位燃料電池（燃料電池セル）１０では、図４、５に示すように、接着剤が溶出してセパレータ流路を塞ぐことを抑制する機能を有するものとして、ガス流路１２１ａ、１２１ｂの手前に接着部１４０ａ、１４０ｂの接着剤の溶出防止を目的としたアノード側及びカソード側のガイド１６０ａ、１６０ｂを供えている例を示している。当該ガイド１６０ａ、１６０ｂを設けることにより、接着部１４０ａ、１４０ｂの接着剤が溶出してガス流路１２１ａ、１２１ｂを塞ぐことを抑制するので、流路１２１ａ、１２１ｂの詰まりによる性能低下を抑制する事が出来る。すなわち、図４、５に示すように、本発明の第二実施形態に係る単位燃料電池（燃料電池セル）１０は、基本的な燃料電池の構成は、図２、３の本発明の第一実施形態に係る燃料電池の構成と同様であるが、本実施形態では、さらにガス流路１２１ａ、１２１ｂの手前に接着部１４０ａ、１４０ｂの接着剤の溶出防止を目的としたアノード側及びカソード側のガイド１６０ａ、１６０ｂが設けられていることを特徴とするものである。図５でも、図３と同様に、アノード側とカソード側の基本的な構成が同じである為、アノード側とカソード側の区別なく、セパレータ１２０、ガス流路（溝）１２１、ガスケット１３０、接着部１４０、ガイド１６０として表している。以下、当該ガイド１６０の構成要件を説明する。他の構成要件に関しては、上述した本発明の第一実施形態に係る燃料電池の各構成要件で説明したのと同様である為、ここでの説明は省略する。
【００８６】
（７）ガイド１６０
上記ガイド１６０に用いることのできるガイド材には、セパレータ１２０と同一の材料を使用することができる。具体的には、カーボンペーパー、カーボンクロス、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、特に制限されるものではなく、従来公知のものを用いることができる。さらにガイド材には、ＧＤＬ１１２と同一の部材を用いてもよい。さらに、当該ガイドとしての機能を有効に発揮し、燃料電池の性能に影響を及ぼさないものであれば、これらに何ら制限されるものではなく、種々の材料を用いることができる。
【００８７】
すなわち、セパレータやＧＤＬと同一の部材であっても、形状（構造）や硬度等を工夫することにより、接着剤が溶出しや接着剤がセパレータとＧＤＬの界面を伝ってガス流路に流れ込むのを防止できればよい。したがって、例えば、セパレータやＧＤＬの一部を凹凸形状として、当該接着剤が当該界面の隙間を伝わって流れないようにできればよい。そのため、図４、５に示す当該ガイド１６０部分（凸構造部分：堰構造）を空隙構造部分（凹構造部分）としてもよい。当該空隙構造部分（凹構造部分：溝構造）を形成しても、溶出した接着剤が当該部分に流れ込み、その先のガス流路まで到達しないため、ガス流路を塞ぐのを防止できる。また、空隙構造部分（凹構造部分：溝構造）を図４、５に示すガイド１６０と同じ位置及び形状として配置しても、セパレータおよびＧＤＬ本来の機能を損なうものではないため、セパレータおよび／またはガス拡散層が、接着剤が溶出してセパレータ流路を塞ぐことを抑制する機能を十分に発揮することができる。
【００８８】
ガイド１６０（ないし空隙構造部分）として、接着剤が溶出してガス流路１２１を塞ぐことを抑制するために形成される部分の高さ（ないし溝の深さ）Ｈ１及びＨ２は、いずれも０．２ｍｍ以下、望ましくは０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下である。かかる高さ（ないし深さ）を有することで、溶出した接着剤が、セパレータとＧＤＬの界面の隙間を移動するのを堰きとめることができる。
【００８９】
また、図４に示すように、ガイド１６０部分は、セパレータ１２０側に高さＨ１のガイド部分を、ＧＤＬ１１２側に高さＨ２のガイドを一体的に形成することで、接着剤が溶出してガス流路１２１を塞ぐのを効果的に防止することができ、また組み付けも容易となる点で優れている。
【００９０】
また、ガイドの面内方向の設置箇所は、図５に示すように、接着剤が溶出してガス流路に入り込まないように、接着箇所とガス流路の間に連続して配置するのがよい。したがって、ガイドの両端部は、図５に示すように、ガスケットに達するようにするのが望ましい。ガイドが不連続で間隙部分があると、当該間隙部分を通じて溶出した接着剤がガス流路に流れ込むおそれがあるためである。
【００９１】
上記したような構成を有する本発明の燃料電池では、後述する実施例に示すように、従来のホットプレスを行い組み付けた燃料電池に比較して電池性能が向上させることができる。これは従来の燃料電池では、ＧＤＬとＣＣＭの一体化（組み付け）目的で行っているホットプレスによって膜の吸水性が低下してしまい、抵抗分極に差が生じてしまう。しかしながら、本発明の燃料電池では、セパレータとＧＤＬを接着することにより、当該ホットプレスに行うことなく、該セパレータと一体化したＧＤＬと、ＣＣＭとの組み付け（一体化）が可能となるため、膜の吸水性の低下を防止でき、抵抗分極差を生じさせることなく優れた電池性能を発現できるものと考える。以上説明したように、本発明の燃料電池は、ホットプレスを行うことなく、セパレータと接着したＧＤＬと、ＣＣＭとを組み付けてなることを特徴とするものであるとも言える。更に、本発明の燃料電池は、セパレータとＧＤＬとを接着した接着部を有することを特徴とするものであるとも言える。
【００９２】
前記燃料電池の種類としては、高分子電解質型燃料電池；ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。特に高分子電解質型燃料電池は、小型かつ高密度・高出力化が可能であることから、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。
【実施例】
【００９３】
以下に、本発明の燃料電池を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００９４】
実施例１および比較例１：燃料電池（試験サンプル）の作製
試験サンプルには、炭化水素系膜であるスルホン化されたポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）電解質膜を用いた。触媒層にはＮａｆｉｏｎを電解質とした触媒層シートを転写法にてＳ−ＰＥＳ電解質膜に転写し、膜−触媒接合体（ＣＣＭ）を作成した。
【００９５】
ここで、触媒層シートの作製には、ケッチェンブラックに白金が５０ｗｔ％で担持された白金担持カーボン粉末（田中貴金属工業社製  ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）５ｇと水４．６ｇを混合し、攪拌・脱泡処理を行った。次に、１−プロパノール（ＮＰＡ）で希釈した５ｗｔ％高分子電解質（Ｎａｆｉｏｎ）分散液（Ｄｕｐｏｎｔ社製、ＤＥ−５２０）５５ｇを混合し、十分に攪拌及び脱泡処理を行い、さらにホモジナイザーを用いて常温で３時間以上粉砕及び均一化処理することにより、触媒層インクを調製した。上記触媒インクを転写シート上に流延塗布し、大気雰囲気下、２５℃で２４時間かけて溶媒を除去し、触媒層（厚さ２０μｍ、面積５ｃｍ×５ｃｍ）シートを作製した。
【００９６】
その後、得られたＣＣＭとＧＤＬをホットプレスして一体化を行ったもの（燃料電池セル）を比較例１の単位燃料電池（燃料電池セル）とし、ホットプレスを行わずに、得られたＣＣＭとＧＤＬを別々に組み付けたもの（燃料電池セル）が本発明の実施例１の単位燃料電池（燃料電池セル）とした。ここで、ＧＤＬにはカーボンペーパ（東レ株式会社製  カーボンペーパＴＧＰ−Ｈ−０６０、厚さ１９０μｍ）を７ｃｍ角に打ち抜いたものを用いた。また、比較例１のホットプレス条件は加熱温度１３０℃  プレス圧力２Ｍｐａ、圧力保持時間５ｍｉｎとした。得られたＣＣＭとＧＤＬの一体化したものの電解質膜の外周部に、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）製の保護シート及びシリコンゴム製のガスケットを配置し、セパレータで両側から挟持した。これを、さらに集電板と絶縁板を介して２枚のステンレス鋼製のエンドプレートで挟み、エンドプレート同士を締結ロッドで締結して、比較例１の試験サンプル用の燃料電池セルとした。
【００９７】
また、実施例１では、予め、ＧＤＬとセパレータを、図２、３Ｂに示すように、接着して組み付けを行った。詳しくは、アノード及びカソードセパレータの各ガス流路より外縁部に、エポキシ系接着剤をスプレーコーティング法により、複数の面接着になるように（詳しくは、図３Ｂに示す接着箇所）に塗布し、接着して固定させてからＣＣＭとのセル組み付けを行った。すなわちセパレータを接着したＧＤＬでＣＣＭの両側（両面）を挟持した。これを、比較例１と同じ集電板と絶縁板を介して２枚のステンレス鋼製のエンドプレートで挟み、エンドプレート同士を締結ロッドで締結して、実施例１の試験サンプル用の燃料電池セルとした。
【００９８】
ここでセパレータには緻密カーボングラファイトを用いた。このセパレータを用いて外形寸法を厚さ２ｍｍ、高さ１３０ｍｍ、幅２６０ｍｍとし、カソードまたはアノードと対向する面には、セパレータ板の中央部２０ｃｍ×９ｃｍの領域に、２．９ｍｍピッチ、幅約２ｍｍのガス流路を形成した。
【００９９】
≪電池特性評価試験≫
実施例１及び比較例１で得られた燃料電池セルの電池特性は、セル温度７０℃、アノードにＨ２、カソードにＡｉｒを使用し、ガス利用率はアノード６６％、カソード４０％で行った。加湿条件はアノード湿度６０％、カソード湿度５０％、アノード及びカソードともに無加圧条件で試験を行った。得られた結果を図６に示す。
【０１００】
電流密度を０〜１．１（Ａ／ｃｍ２）に変化させ、セル電圧、セル抵抗の計測を行った。
【０１０１】
セル抵抗の計測には交流抵抗計を用い、周波数１ｋＨｚに固定して行った。
【０１０２】
≪電池特性評価試験による結果並びに考察≫
実施例１における燃料電池（本発明の第一実施形態に係る燃料電池の構成例：図２、３Ｂ参照）と比較例１における燃料電池（従来の燃料電池の構成例：図１参照）の電池特性図を図６に示す。図６は実施例１と比較例１における燃料電池の電流密度とその電圧との関係を表す電池特性のグラフである。図中の実施例にあたる燃料電池は比較例のホットプレスを行い組み付けたものに比較して性能が向上している事が判る。
【０１０３】
これは比較例で行っているホットプレスによって膜の吸水性が低下してしまい、抵抗分極に差が生じてしまうためであると考えられる。
【０１０４】
すなわち、図６よりホットプレスを行い、ＧＤＬとＣＣＭを一体化すると一体化しないものに比べて電池性能が低下していることが分かる。さらに図示していないが、抵抗分極を差し引くと性能が一致することが分かる。このことからホットプレスを行うことで膜の吸水性が低下し、性能低下が引き起こされている事が推察される。そこで、ＧＤＬとＣＣＭを一体化しないでセル組みを行う方が性能面の向上には望ましいことがわかる。ただし、ＧＤＬとセパレータを別々のままで組み立てを行うとセル組みが複雑になってしまう。本実施例では、図２〜５に示すようにＧＤＬをセパレータの流路の存在しない部分に軽く接着させ、その状態でセル組みを行うことで、セル組みを複雑化せず、なおかつ電池性能も向上できるという、優れた作用効果を発現できることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】従来の燃料電池の代表的な単位燃料電池（燃料電池セル）の構成を模式的に表した断面概略図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る燃料電池の代表的な単位燃料電池（燃料電池セル）の構成を模式的に表した断面図である。
【図３】図２の単位燃料電池（燃料電池セル）全体の上面図（セパレータを透過して流路とガスケットと接着部の位置関係が明確になるように表したもの）である。図３Ａは、セパレータとＧＤＬの接着箇所（接着部）を複数の点接着で形成した例を模式的に表した上面概略図であり、図３Ｂは、セパレータとＧＤＬの接着箇所（接着部）を複数の面接着で形成した例を模式的に表した上面概略図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る燃料電池セルの代表的な単位燃料電池（燃料電池セル）の構成を模式的に表した断面図である。
【図５】図４の単位燃料電池（燃料電池セル）全体の上面図（セパレータを透過して流路とガスケットと接着部の位置関係が明確になるように表したもの）である。図５Ａは、セパレータとＧＤＬの接着箇所（接着部）を複数の点接着で形成した例を模式的に表した上面概略図であり、図５Ｂは、セパレータとＧＤＬの接着箇所（接着部）を複数の面接着で形成した例を模式的に表した上面概略図である。
【図６】実施例１と比較例１における燃料電池の電流密度とその電圧との関係を表す電池特性のグラフである。
【符号の説明】
【０１０６】
１０    燃料電池セル。
【０１０７】
１００    電解質膜、
１１０    ＣＣＭ（ＭＥＡ）、
１１１    触媒層、
１１１ａ    アノード触媒層、
１１１ｂ    カソード触媒層、
１１２    ＧＤＬ、
１１２ａ    アノードＧＤＬ、
１１２ｂ    カソードＧＤＬ、
１２０    セパレータ、
１２０ａ    アノードセパレータ、
１２０ｂ    カソードセパレータ、
１２１    ガス流路（溝）、
１２１ａ    アノード側Ｈ２ガス流路（溝）、
１２１ｂ    カソード側Ａｉｒガス流路（溝）、
１３０    ガスケット、
１３０ａ    アノード側ガスケット、
１３０ｂ    カソード側ガスケット、
１４０    接着部、
１４０ａ    アノード接着部、
１４０ｂ    カソード接着部、
１５０    保護シート層、
１５０ａ    アノード側保護シート層、
１５０ｂ    カソード側保護シート層、
１６０    ガイド、
１６０ａ    アノード側ガイド、
１６０ｂ    カソード側ガイド
Ｈ１    ガイド部のセパレータ側の高さ、
Ｈ２    ガイド部のＧＤＬ側の高さ。
【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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