(57)【要約】【課題】  ガス拡散電極とガスケットとの間に隙間が形成されるのを抑制して電解質膜に反応ガスが直接接触するのを防止することにより、長期にわたって高い発電性能を維持することができる燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質膜１００の両側に、電極触媒層１１１およびガス拡散層１１２を含む一対のガス拡散電極１１０が配置されてなる膜電極接合体を有する燃料電池において、  前記電解質膜１００および前記ガス拡散電極１１０に接するように保護シート１５０が設けられた燃料電池である。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に、電極触媒層およびガス拡散層を含む一対のガス拡散電極が配置されてなる膜電極接合体を有する燃料電池において、
前記電解質膜および前記ガス拡散電極と接するように保護シートが配置された燃料電池。
【請求項２】
前記保護シートは、中央部が前記ガス拡散層とほぼ同等の大きさにカットされてなり、前記電解質膜の周縁部および前記ガス拡散電極の側面部と接するようにＬ字型に配置される請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
円錐台形状または四角錐台形状の前記保護シートが配置される請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
平板状の前記保護シートが配置される請求項２記載の燃料電池。
【請求項５】
前記保護シートは、分割して配置される請求項２〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記保護シートは、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、およびポリエーテルニトリルよりなる群から選択される少なくとも一種からなる請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に電解質膜に反応ガスが直接接触するのが防止された燃料電池に関する。
【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電気自動車用電源、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、電気自動車用電源として期待されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、一般的には、図７に示すように、高分子電解質膜１００を一対のガス拡散電極１１０で挟持されてなる膜電極接合体を、セパレータ１２０で挟持した構成を有する。ガス拡散電極１１０は、電極触媒層１１１およびガス拡散層１１２を有する。セパレータ１２０は、電極触媒層へ燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するためのガス供給溝１２１が形成されている。また、膜電極接合体とセパレータとの間にガスケット１３０を配置して膜電極接合体のエッジ領域をシールすることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとが相互に混合するのを防止している。
【０００４】
また、特許文献１では、図８に示すように、ガス拡散層１１２の一部にガスケット形成材料を含浸させてフレーム基材１３１と接合させることにより、ガスケット１３０とガス拡散層１１１とを一体化させた燃料電池が開示されている。これにより、ガスケット１３０とガス拡散層１１１とを纏めて取り扱うことが可能となり、燃料電池セルまたはスタックの組立工数を削減し、組立作業を容易化することができる。
【特許文献１】特開２００３−７３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の燃料電池では、ガス拡散電極とガスケットとの端を完全に接触させることは困難であるため、図７に示すように、ガス拡散電極１１０とガスケット１３０との間に隙間１４０が形成される恐れがあった。
【０００６】
このようにガス拡散電極１１０とガスケット１３０との間に隙間１４０が形成されると、高分子電解質膜１００に燃料ガスまたは酸化剤ガスなどの反応ガスが直接接触することになり、高分子電解質膜１００が孔開きなどにより劣化する恐れがあった。孔開きの発生は、プロトン伝導性の低下だけでなく、燃料ガスおよび酸化剤ガスの対極へのガスリークを招き電池出力の低下にもつながる。
【０００７】
また、特許文献１記載の燃料電池では、ガス拡散層の一部にガスケット形成材料を含浸させてガスケットを形成させているため、高分子電解質膜に反応ガスが直接接触することを防止することができる。しかしながら、ガス拡散層においてガスケットが形成された部分ではガス拡散機能を失い、燃料電池の発電性能が低下する恐れがある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ガス拡散電極とガスケットとの間に隙間が形成されるのを抑制して電解質膜に反応ガスが直接接触するのを防止することにより、長期にわたって高い発電性能を維持することができる燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電解質膜の両側に、電極触媒層およびガス拡散層を含む一対のガス拡散電極が配置されてなる膜電極接合体を有する燃料電池において、
前記電解質膜および前記ガス拡散電極に接するように保護シートが設けられた燃料電池である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ガス不透過性の保護シートを設けることにより、反応ガスが直接接触することによる電解質膜の劣化を抑制でき、長期にわたって高い発電性能を発揮することができる燃料電池を提供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】
【００１１】
まず、本発明の燃料電池の好ましい一実施形態を図１を用いて説明する。
【００１２】
本発明の燃料電池は、図１に示すように、電解質膜１００の両側に電極触媒層１１１およびガス拡散層１１２を含む一対のガス拡散電極１１０が配置されてなる膜電極接合体において、前記電解質膜１００および前記ガス拡散電極１１０に接するように保護シート１５０を設ける構成を有する。また、前記燃料電池は、膜電極接合体に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するためのガス流路１２１を有するセパレータ１２０、および、これらのガスをシールするためのガスケット１３０などを有する。
【００１３】
このように本発明の燃料電池では、電解質膜に燃料ガスまたは酸化剤ガスが直接接触するのを防止するための保護シートを電解質膜およびガス拡散電極と接するように設けることで、ガス拡散層における樹脂含浸部分、および、ガス拡散電極とガスケットとの間に形成され得る隙間を抑制することができる。これにより、外部から燃料電池内部に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスなどが電解質膜に直接接触するのを抑制でき、燃料電池の発電性能を低下させることなく電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。また、保護シートにより電解質膜が保護されるため、ガスケットの荷重が電解質膜に直接かかることを抑制することもできる。
【００１４】
本発明の燃料電池において、保護シートは、図１に示すように、中央部がガス拡散層とほぼ同等の大きさにカットされたものを用い、電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面部と接するようにＬ字型に配置されるのが好ましい。これにより、ガス拡散層のガス拡散機能を低下させずに、ガスケットとガス拡散電極との隙間を確実に抑制することが可能となる。
【００１５】
なお、電解質膜の周縁部とは、電解質膜のガス拡散電極が形成される面において、ガス拡散電極が形成される中央部を除く部位を意味する。
【００１６】
前記保護シートは、中央部がガス拡散層とほぼ同等の大きさにカットされたものを用いるが、より望ましくは中央部がガス拡散層と同等の大きさにカットされたものを用いる。
【００１７】
前記燃料電池に用いられる保護シートの形状は、電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面部と接するものであれば特に制限されないが、例えば、図２（Ａ）に示すように円錐台形状、図２（Ｂ）に示すように円柱台形状、または図３に示すように平板状などが好ましく挙げられる。保護シートの形状が、円錐台形状または円柱台形状であれば保護シートの設置を速やかに行うことができ、平板状であれば保護シートの加工を速やかに行うことができる。
【００１８】
保護シートにおいて、ガス拡散層とほぼ同等の大きさにカットされる中央部の形状は、ガス拡散層の形状に応じて適宜決定すればよく、長方形、正方形などの四角、三角などの多角形状、円状、楕円状などであってもよい。
【００１９】
本発明の燃料電池では、上述の通り、保護シートはＬ字型に配置されるのが好ましい。従って、平板状の保護シートを用いた場合には、後述する通りであるが、平板状保護シートを電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面にかぶせた後、所定の部材を用いて圧力などを加えることにより保護シートをＬ字型に配置するのがよい。
【００２０】
また、本発明の燃料電池において、保護シートは、少なくとも二以上に分割して配置してもよい。例えば、図４に示すように、四つに分割された平板状の保護シート１５２（図４（Ａ））を、ガス拡散電極１１０の側面部と接するように電解質膜の周縁部上に配置する（図４（Ｂ））のが望ましい。なお、図４（Ｂ）は、分割された保護シートが配置された膜電極接合体の上面模式図を示す。これにより、ガス拡散電極の側面に保護シートを容易に接着することができる。
【００２１】
前記燃料電池において、前記分割された保護シート同士が隣接する部分は、接着剤などにより固定されているのが好ましい。これにより、保護シートの位置ずれなどを防止することができる。接着剤により固定される部位は、膜電極接合体上に配置された際に、前記分割された保護シート同士が接触するまたは重なり合う、前記分割された保護シートの側面や端部などである。
【００２２】
また、本発明の燃料電池では保護シートは図１に示すようにＬ字型に配置されるのが好ましい。従って、分割された保護シートを電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面にかぶせた後、所定の部材を用いて圧力などを加えることにより保護シートをＬ字型に配置するのがよい。
【００２３】
本発明の燃料電池において、上述した保護シートは、好ましくはガス拡散電極の側面と接触して配置されるが、このとき、保護シート１５０のガス拡散電極１１０側に配置される内側側面は、図５に示すようにガス拡散層１１２のセパレータ側の面と同等の高さとなるように配置するのが望ましい。これにより、保護シートによるガス拡散層のガス拡散機能の低下を抑制することができる。なお、図５は、保護シートが配置された膜電極接合体の片側端部の断面模式図である。
【００２４】
また、本発明の燃料電池において、図５に示すように、ガス拡散電極１１０の側面と保護シート１５０とを接着剤１６０により接着させるのが好ましい。すなわち、本発明の燃料電池の好ましい形態としては、保護シートが電解質膜および／またはガス拡散電極と接着剤により接着されているのが好ましい。これにより、保護シートの位置ずれなどを防止することができる。
【００２５】
接着剤により保護シートを接着させる部位は、保護シートが電解質膜および／またはガス拡散電極と接触される部位であれば特に制限されないが、特に好ましくは図５に示すようにガス拡散電極１１０の側面と保護シート１５０とを接着剤１６０により接着させる。これにより、電解質膜に反応ガスが直接接触するのを抑制し、電解質膜の劣化を防ぐことができる。
【００２６】
接着剤を塗布する厚さは、好ましくは０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ、より好ましくは０．０５ｍｍ〜０．０７ｍｍとするのがよい。前記厚さが、厚すぎると接着剤によるガス拡散層のガス拡散機能が低下する恐れがあり、薄すぎると接着剤による十分な接着効果が得られない。
【００２７】
前記接着剤としては、ガス拡散電極の側面と保護シートと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。
【００２８】
前記保護シートの材質としては、燃料ガスや酸化剤ガスなどを透過させないものであれば特に制限されないが、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）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、およびポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）よりなる群から選択される少なくとも一種が好ましく挙げられる。これらであれば、安価に入手することができる。保護シートは、これらの材質のうち一種単独のものからなってもよく、二種以上のものを併用して用いてもよい。
【００２９】
前記保護シートの厚さは、前記保護シートが電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面と接触するようにＬ字型に配置されるように適宜決定すればよいが、好ましくは１０〜２００μｍ、より好ましくは２５〜５０μｍとするのがよい。
【００３０】
本発明の燃料電池において上述した通りに保護シートを配置するには、電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面部に保護シートをかぶせた後、保護シートと電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面部とが接触して保護シートがＬ字型に配置されるように所定の部材を用いて圧力を加えるなどするのがよい。
【００３１】
平板状の保護シートの作製方法としては、特に制限されないが、所定の大きさを有するシートの中央部をガス拡散層の大きさに合わせて、型抜き、または、切り出し等の方法をなどを用いてカットすればよい。
【００３２】
この時、カットする部分の形状は、四角、三角などの多角形状、円状、楕円状など、ガス拡散層の大きさ、形状に合わせて決定すればよい。また、平板状の保護シートをＬ字型に配置した際に、平板状の保護シートと、電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面とが接するようにするため、カットする部分の大きさはガス拡散層の大きさよりも小さくするのが望ましい。具体的には、カットする部分の大きさをガス拡散層の大きさよりも一辺あたり０．１〜１．０ｍｍほど小さくなるようにするのがよい。
【００３３】
円錐台形状、円柱台形状の保護シートの作製方法としては、例えば、図６に示すように、保護シート１５０の周縁部を金属枠などの枠１７０で固定した後に、前記保護シートの中央部を四角柱や円柱などの所定の形状を有する部材１８０で打ち抜く方法などが用いられる。なお、図６（Ａ）は枠１７０で固定された保護シートの上面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）におけるＡ−Ａ’線での断面図を示す。
【００３４】
前記部材１８０の底面は、ガス拡散層の大きさとほぼ同等の大きさを有しているのがよい。前記部材１８０の底面の形状は、ガス拡散層の大きさによって適宜決定されればよく、長方形、正方形などの四角、三角などの多角形状、円状、楕円状などの形状を取り得る。
【００３５】
保護シートを複数に分割するには、所望の大きさを有するシートの中央部をガス拡散層とほぼ同等の大きさに上述したのと同様の方法を用いてカットし、このようにして得られた保護シートをさらに二以上に分割することにより得られる。この分割した保護シートを膜電極接合体に配置するには、前記分割した保護シートを個々に接着剤で張り合わせた後に、電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面部にかぶせるのがよい。分割した保護シートを個々に接着剤で張り合わせるには、電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面部に保護シートを配置した際に、分割した保護シート同士が接触および／または重なる部位に、接着剤を塗布して分割した保護シートを張り合わせればよい。分割した保護シートを接着するための前記接着剤およびその塗布方法は、後述するのと同様の方法が用いられる。
【００３６】
保護シートを電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面部と接するようにＬ字型に配置するには、燃料電池を組立てる際の締結圧などを用いることができる。すなわち、保護シートがかぶせられた電解質膜周縁部上にガスケットを配置した後、さらにセパレータで挟持して締結する際の締結圧により、保護シートをＬ字型に配置することもできる。
【００３７】
保護シートがかぶせられた膜電極接合体において、保護シートのガス拡散電極側に配置された内側側面がガス拡散層のセパレータ側の面よりも高く配置された場合、または、保護シートのガス拡散電極側に配置された内側側面の少なくとも一部がガス拡散層のセパレータ側の面を被覆した場合には、切取る、研磨する方法などを用いて、図５に示すように保護シートのガス拡散電極側に配置される内側側面をガス拡散層のセパレータ側の面と同等の高さとなるように調整するのが望ましい。
【００３８】
また、保護シートと電解質膜の周縁部および／またはガス拡散電極の側面部とを接着剤により接着する場合には、まず、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一般的な方法を用いて、電解質膜の周縁部、ガス拡散電極の側面部、および／または保護シートのガス拡散電極と接し得る部位に接着剤を塗布した後、保護シートをかぶせればよい。
【００３９】
本発明の燃料電池は、燃料ガスまたは酸化剤ガスが電解質膜に直接接触するのを防止するための保護シートが上述の通りに配置されてなることを特徴とするものであり、その他の構成としては従来一般的な燃料電池と同様である。以下に、燃料電池の構成について、一例を挙げて説明するが、本発明の燃料電池の構成が下記に限定されるわけではない。
【００４０】
前記燃料電池は、電解質膜の両側に、電極触媒層およびガス拡散層を含む一対のガス拡散電極、すなわち、カソード触媒層およびガス拡散層を含むカソード側ガス拡散電極と、アノード触媒層およびガス拡散層を含むアノード側ガス拡散電極が配置されてなる膜電極接合体を有する。
【００４１】
アノードおよびカソードに用いられる触媒層は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質と、を含む。
【００４２】
カソード触媒層に用いられる触媒成分は、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。具体的には、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、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できる。
【００４３】
電極触媒における導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。
【００４４】
本発明のカソードおよびアノードに用いられる各触媒層に用いられる高分子電解質としては、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。具体的には、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、ＤｕＰｏｎｔ社製）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標、旭硝子株式会社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成株式会社製）などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、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、一部がプロトン伝導性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伝導体、などが挙げられる。
【００４５】
アノードおよびカソードにおける各触媒層の厚さは、好ましくは１〜２０μｍ、より好ましくは５〜２０μｍとするのがよい。触媒層の厚さが、１μｍを超えると反応ガスの拡散性が低下して発電性能が低下する恐れがあり、２０μｍ未満であると十分な発電性能が得られない恐れがある。
【００４６】
次に、アノードおよびカソードにおけるガス拡散層としては、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、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の基材からなるものなどが挙げられる。
【００４７】
前記基材の厚さは、得られるガス拡散層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。厚さが、３０μｍ未満であると十分な機械的強度などが得られない恐れがあり、５００μｍを超えるとガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくない。
【００４８】
前記ガス拡散層は、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。
【００４９】
また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層は、前記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を有するものであってもよい。
【００５０】
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。
【００５１】
前記カーボン粒子層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。
【００５２】
前記カーボン粒子層の厚さは、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは１０〜１５０μｍ、より好ましくは３０〜７０μｍとするのがよい。
【００５３】
膜電極接合体に用いられる高分子電解質膜としては、特に限定されず、触媒層に用いたものと同様の高分子電解質からなる膜が挙げられる。また、ＤｕＰｏｎｔ社製の各種のＮａｆｉｏｎ（ＤｕＰｏｎｔ社登録商標）やＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標、旭硝子株式会社製）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高分子電解質膜、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高分子微多孔膜にリン酸やイオン性液体等などの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。前記高分子電解質膜に用いられる高分子電解質と、各電極触媒層に用いられる高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各電極触媒層と高分子電解質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。
【００５４】
膜電極接合体は、セパレータで挟持されて燃料電池に用いられる。前記セパレータとしては、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、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、酸化剤ガス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の流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝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。
【００５５】
また、各ガス拡散電極に供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、膜電極接合体とセパレータとの間にガスケットを配置して膜電極接合体のエッジ領域をシールするのが望ましい。
【００５６】
前記ガスケットを構成する材料としては、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などが挙げられる。
【００５７】
ガスケットの厚さとしては、５０μｍ〜２ｍｍ、望ましくは１００μｍ〜１ｍｍ程度とすればよい。
【００５８】
さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。
【００５９】
前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では固体高分子型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池、に代表される酸型電解質の燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、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、固体高分子型燃料電池が好ましく挙げられる。
【００６０】
本発明の燃料電池は、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、軽量、小型化が可能であることから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。
【実施例】
【００６１】
以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。
【００６２】
（実施例１）
１．膜電極接合体の製造
（１）ガス拡散層の製造
基材としてカーボンペーパ（東レ株式会社製  ＴＧＰ−Ｈ−０６０、厚さ２００μｍ）を用い、これを１００ｍｍ×１００ｍｍ角に打ち抜いた後、ＰＴＦＥの水性ディスパージョン溶液（ダイキン工業社製  Ｄ１、ＰＴＦＥ６０質量％含有）を純水で所定の濃度に希釈した溶液中に２分間浸漬させた後、オーブン内にて６０℃、１０分間乾燥させることにより、基材の撥水処理を行った。このとき、基材中のＰＴＦＥ含有量は２０質量％であった。
【００６３】
（２）触媒インク調製
白金担持カーボン（田中貴金属工業株式会社製  ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、白金含量４６．５ｗｔ％）１０ｇ、固体高分子電解質溶液（ＤｕＰｏｎｔ社製  Ｎａｆｉｏｎ溶液ＤＥ５２０、電解質含量５ｗｔ％）９０ｇ、純水２５ｇ、２−プロパノール（和光純薬工業社製  特級試薬）１０ｇを、２０℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて３時間混合分散することで、触媒インクとした。
【００６４】
（２）電極触媒層の作製
厚さ２００μｍのＰＴＦＥ製シート（ニチアス社製ナフロン（登録商標）シート）の片面上に、スクリーンプリンターを用いて先に調製した触媒インクを塗布し、オーブン中で１００℃、３０分間乾燥させた後、一辺１０ｃｍの正方形に切り出した。
【００６５】
（３）膜電極接合体の組立て
一辺２０ｃｍの正方形で厚さ３０μｍの高分子電解質膜（ＤｕＰｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ  ＮＲ−１１２）を挟んで、先に作製した２枚の電極触媒層形成ＰＴＦＥ製シートの電極触媒層形成側が対向するように重ねて、片側ＰＴＦＥ製シートあたり３ＭＰａの圧力で、１３０℃、１０分間ホットプレスし、冷却後ＰＴＦＥ製シートのみを剥がすことで、高分子電解質膜に電極触媒層を転写させ接合体を得た。このとき、ＰＴＦＥ製シートから高分子電解質膜への電極触媒層の転写率が１００％で、高分子電解質膜上の片面電極触媒層面積１ｃｍ２あたりの白金重量が０．４０ｍｇとなるようにした。また、電極触媒層の厚さは、それぞれ１０μｍであった。
【００６６】
得られた接合体を、先に作製したガス拡散層を２枚用いて挟持することにより膜電極接合体を得た。
【００６７】
２．保護シートの配置
図６に示すように、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）の材質からなるシート（大きさ２００ｍｍ×２００ｍｍ、厚さ２５μｍ）の周縁部をステンレス製枠で固定した後、四角柱状のステンレス製カッター（大きさ１００ｍｍ×１００ｍｍ×２５０ｍｍ）を用いて前記シートの中央部を打ち抜くことにより、中央部がカットされた四角錐台形状の保護シートを得た。
【００６８】
次に、ポリオレフィンからなる接着剤をロールコーティング法を用いて中央部がカットされた保護シートの接着部に厚さ０．０７ｍｍに塗布した後、前記保護シートを先に作製した膜電極接合体にかぶせた。これと同様にして膜電極接合体の他方の面にも保護シートをかぶせた。
【００６９】
その後、保護シートがかぶせられた高分子電解質膜の周縁部上に、ポリテトラフルオロエチレンからなる額縁状のガスケット（厚さ０．２５ｍｍ）を配置した後、高分子電解質膜の他方の面にも同様にしてガスケットを配置し、さらに、膜電極接合体をグラファイト製セパレータで挟持し、さらに金メッキしたステンレス製集電板で挟持して、評価用単セルとした。
【００７０】
３．単セル評価
上記で作製した評価用単セルの発電試験を下記手順に従って行った。
【００７１】
評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気を供給した。両ガスともセル出口圧力は大気圧とし、水素は７０℃および相対湿度１００％、空気は７０℃および相対湿度１００％、セル温度は７０℃に設定し、水素利用率は６０％、空気利用率は４０％とした。この条件下で、電流密度１．０Ａ／ｃｍ２にて３分発電した後、発電を停止した。停止後、水素および空気の供給を停止し、乾燥空気を単セルに供給しセル内を１分間置換した後、２分間アノード側に水素ガスを上記利用率で供給した。その後、カソード側に空気を上記と同様の利用率で供給し、再度発電した。この発電／停止動作を繰り返し、発電／停止サイクル試験中に無負荷時電圧が初期値から０Ｖに低下するまでの回数を測定した。結果を図９に示す。
【００７２】
（実施例２）
ポリエチレンナフタレートからなるシート（大きさ２００ｍｍ×２００ｍｍ、厚さ２５μｍ）の中央部を、１００ｍｍ×１００ｍｍの大きさにカットすることにより、中央部がカットされた平板状の保護シートを作製した。前記保護シートを用いた以外は、実施例１と同様にして評価用単セルを組み立てた。
【００７３】
（実施例３）
ポリエチレンナフタレートからなるシート（大きさ２００ｍｍ×２００ｍｍ、厚さ２５μｍ）の中央部を、１００ｍｍ×１００ｍｍの大きさにカットした後に、図４（Ａ）に示すように四分割し、各分割された保護シートの端部側面にポリオレフィンからなる接着剤をロールコーティング法を用いて塗布した後、この分割された保護シートを図４（Ｂ）に示す保護シート１５２のように張り合わせて、保護シートを作製した。前記保護シートを用いた以外は、実施例１と同様にして評価用単セルを組み立てた。
【００７４】
（比較例１）
保護シートを配置しなかった以外は実施例１と同様にして評価用単セルを組み立て、評価を行った。結果を図１０に示す。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明によれば耐久性に優れる燃料電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の燃料電池の模式断面図を示す。
【図２】図２（Ａ）は本発明の燃料電池に用いられる円錐台形状の保護シートの模式図を示し、図２（Ｂ）は本発明の燃料電池に用いられる円柱台形状の保護シートの模式図を示す。
【図３】本発明の燃料電池に用いられる平板状の保護シートの模式図を示す。
【図４】図４（Ａ）は本発明の燃料電池に用いられる分割された保護シートの上面模式図を示し、図４（Ｂ）は分割された保護シートが配置された膜電極接合体の上面図を示す。
【図５】本発明の燃料電池に用いられる保護シートが配置された膜電極接合体端部の断面図を示す。
【図６】図６（Ａ）は枠１７０で固定された保護シートの上面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）におけるＡ−Ａ’線での断面図を示す。
【図７】従来の燃料電池の模式断面図を示す。
【図８】従来の燃料電池の模式断面図を示す。
【図９】実施例で作製した膜電極接合体の評価結果を示すグラフである。
【図１０】比較例で作製した膜電極接合体の評価結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７７】
１００…高分子電解質膜、１１０…ガス拡散電極、１１１…電極触媒層、１１２…ガス拡散層、１２０…セパレータ、１２１…ガス供給路、１３０…ガスケット、１３１…フレーム基材、１４０…空隙、１５０…保護シート、１５１…カット部、１５２…分割された保護シート、１６０…接着剤、１７０…枠、１８０…カッター。
【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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