(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と前記固体高分子電解質膜の両面に配置された金属触媒を有する電極及びガス拡散層とを備えた固体高分子電解質・電極接合体と、前記ガス拡散層を押圧すると共に、燃料ガス又は冷却媒体を流通する流通路を有し、黒鉛粉末と黒鉛繊維を主成分とするシートからなるガス拡散層と電気的に接触する導電性セパレータ、及び該セパレータ間に挿入された弾性体からなるガスケットを備えた単セルの複数個を積層してなる積層セルと、前記積層セルの両端に配置され、前記単セルと電気的に接続している集電板と、各集電板の外側に配置された端板と、前記積層セルを締め付ける締付手段とを備え、前記締付手段により前記端板間に挟持された積層セルを、上記積層セルの断面積当たり３ｋｇ／ｃｍ2〜７ｋｇ／ｃｍ2の締め付け圧力で締め付け、前記ガス拡散層は曲げ強度が０．２ＭＰａ以上で、空隙率が見かけの体積に対して６０％〜９０％で、厚さが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍのシート状であり、前記ガス拡散層は前記締め付け圧力により圧縮され、前記ガスケットの圧接側の先端部が凸状であり、これにより前記セパレータに対し線圧を与えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、上記ガス拡散層の体積変化量が無加圧時の体積に対して２０％以下であって、上記圧力範囲における上記ガス拡散層の体積抵抗率が１Ωｃｍ以下であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記ガスケットの凸部が無加圧時の高さに対して６０％〜８０％の高さに圧縮されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
請求項１において、前記積層セルの中間にはアノード用セパレータとカソード用セパレータとを冷却用セパレータを挟んで対向配置されてなる冷却用ユニットと、セパレータの一方面に形成したアノード用ガス通路とこれと反対側面に形成したカノード用ガス通路とを有するガス通路用ユニットとが配置されたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
請求項１又は４において、上記積層セルと上記端板との間、又上記端板と上記集電板との間に挿入された板ばねを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
電気自動車、家庭用発電設備又は業務用発電設備に請求項１乃至５のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池を用いたことを特徴とする電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子型燃料電池及びそれを用いた発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、出力が高い、寿命が長い、起動・停止による劣化が少ない、運転温度が低い（約７０〜８０℃）、精密な差圧制御が不要等の長所を有しているため、電気自動車用電源、業務用及び家庭用の分散電源等の幅広い用途が期待されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の単セルは、一般に、電解質にプロトン導電性を有する厚さ数１０μｍの固体高分子電解質膜の両側に白金または白金とルテニウム等の合金からなる金属触媒を担持した多孔質の電極層を設けた膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ
Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、ガスを供給するガス流路を備えたセパレータから構成される。通常、白金触媒を担持した触媒層をカソード極、合金からなる触媒層をアノード極として使用され、アノード極には水素を含むガス、カソード極に空気（酸素）が供給される。
【０００４】
更に、必要に応じて、電極層とセパレータの隙間に、ガスを拡散させて電極層の全面にてガスを反応させるためのガス拡散層を配置させる場合もある。このような単セルを要求出力に応じて複数個積層させた積層セル或いは電池スタックが、実際のシステムに用いられる。
【０００５】
このようにガスをセパレータ面内に流通させるため、セパレータ間におけるガスのシール性を長期間にわたって維持することが重要である。この種の技術として、特開平７−２２０７４２号公報や特開平１０−２７００５７号公報には、板状のガスケットを用いた従来技術が開示されている。
【０００６】
また、固体高分子電解質膜，セパレータ，ガスケット，集電板など、複数の種類の部品を多数個、積層するため、位置決め精度の確保、組み立て工程の自動化が重要な課題となっている。特に、固体高分子電解質膜は、その抵抗による電力損失を抑えるために、１００μｍ以下の厚さの薄膜を用いることが一般的である。このような膜はフレキシブルであるために形状を保持しにくく、また、セパレータと十分な電気的接触が得られないことによる電極性能の低下がある。
【０００７】
これらに対して、例えば、特開平７−２２０７４２号公報、特開平１０−２７００５７号公報及び特開２００１−６６９９号公報がある。これによれば、電極層とセパレータの間に、ガスを透過させ、電子伝導性であって、ある程度弾力性を有するガス拡散層が用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のガス拡散層は、その弾力性を高め、柔軟性を付与したクロス状とすることにより、多数個のセパレータと膜（固体高分子電解質膜）−電極接合体の積層時に、ガス拡散層の折れ曲がり、破損が生じ無いようにしている。
【０００９】
しかし、ガス拡散層に柔軟性を付与した結果、図１０，１１に示すように、セパレータ上で凸部となっているリブ１−１で保持されている膜−電極接合体１−３が、セパレータ面内に形成された溝１−４の内部に入りこみ、ガスの流通を阻害し、電池性能が劣化するという問題がある。図では、膜−電極接合体１−３とガス拡散層１−２が下方に変形した例が示されているが、上方にも変形する場合もある。
【００１０】
これは、燃料電池を発電した後では、電解質膜のプロトン伝導性を高めるために、反応ガスと共に供給される水分が電解質膜に取り込まれることにより、電解質膜が膨張する（図１１）ためである。
【００１１】
さらに上記拡散層の内部に反応ガスを透過させるための空隙を確保させるために、繊維状部材を添加しているので、燃料電池として動作するために必要な膜−電極接合体とセパレータ間の電子伝導度を得るために、ある一定圧力以上の加圧が必要となる。
【００１２】
このような繊維状部材を用いたガス拡散層は弾力性があるため、加圧による電極層と電解質膜の破損を回避しやすい。しかし、その反面、セパレータの溝が広くなると、ガス拡散層と膜−電極接合体との接触抵抗の増大（集電性の低下）が起こり、セル内部での電圧損失の問題が生じる。さらに、電池組立時の際、ガス拡散層に加えられる圧力が所定の値よりも小さい場合も、接触抵抗が増大しやすい。
【００１３】
さらに、セパレータ間に挿入されるガスケットの形状が板状であると、ガスケットがセパレータ間で均一に加圧されないと、ガスのシールが保持されないという問題がある。
【００１４】
このように、従来技術では、圧縮面積が広いために、電池の組み立て時の加圧力を大きく設定しなければならず。また、ガスケットのシール性が発現するまでの数十時間から数日間、加圧状態に電池を保持しなくてはならず。燃料電池の生産効率を高める上での障害となっているばかりか、又前述のように接触抵抗の増加によって燃料電池の寿命を短縮する恐れがある。
【００１５】
本発明の目的は、燃料電池の寿命を延ばすと共に、コンパクト性能な固体高分子型燃料電池を提供するものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では単セルの複数個を積層してなる積層セルの両端に端板を配置し、端板間に挿入された絶縁手段を有する挿入手段に締付手段を装着し、締付手段を締め付けて端板間に積層セルを挟持すると共に、締付圧力を積層セルの断面積当たり３ｋｇ／ｃｍ2〜７ｋｇ／ｃｍ2の範囲に設定することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の単セル構成は、セパレータ／ガス拡散層／膜‐電極接合体（電極層‐固体高分子電解質膜‐電極層）／ガス拡散層／セパレータとなり、このような構成によって、燃料電池として発電するものである。つまり、膜‐電極接合体における一方の電極層の面内で水素の酸化が起こり、この酸化により生成した水素イオンは固体高分子電解質膜を透過し、他方の電極層に移動する。
【００１８】
この他方の電極層では、水素イオンが酸素によって還元されて水が生成する。水素の酸化により発生した電子は一方のセパレータに設けられた電極から負荷を経由して、酸素が還元される他方の電極が設けられたセパレータへ移動して、酸素還元の際に消費される。
【００１９】
本発明の燃料電池は、複数個の単セルが直列に接続され、両末端の集電板の間で大きな電圧が取り出せるような構成になっている。セパレータは、冷却水の流路を有し、２個の単セルごとに１個のセパレータが挿入された構造とすることで、単セルから発生する熱を取り除き、燃料電池の温度を所定温度にすることに特徴がある。
【００２０】
又、従来の技術によると、ガス拡散層にはそれまで繊維状の材料からなるフェルトのような多孔質シートが多用されている。本発明では、剛性を有した多孔質シートである黒鉛粉末と黒鉛繊維を主成分としてシート状に形成したもので、それまでのフェルトに比べて剛性の高いものである。
【００２１】
従来のガス拡散層は、フェルト状あるいはクロス状とすることにより、ガス拡散層の弾力性を高めると同時に、柔軟性を付与したものが多用されている。このような特性は、多数個のセパレータと膜−電極接合体を積層するため、積層時にガス拡散層の折れ曲がり、破損が生じてしまう問題を回避するためである。
【００２２】
しかし、ガス拡散層に柔軟性を付与した結果、図１０、図１１に示すように、膜−電極接合体１−３は、セパレータ上にて凸部となっているリブ１−１で保持されている。このため、セパレータ面内に形成された溝１−４の内部に入りこみ、ガスの流通を阻害し、電池性能が劣化する問題が発生する。
【００２３】
図１０に示すような組み立て直後の場合、組み立て前後においても膜−電極接合体１−３を構成する電解質膜は乾燥状態にある。このため、電解質膜内に含まれる水分量はほとんど変化しないため、体積変化が起こりにくい。この場合、セパレータの溝１−４に膜−電極接合体１−３やガス拡散層１−２が入り込む問題は生じにくい。
【００２４】
ところが、燃料電池を発電した後では、電解質膜のプロトン伝導性を高めるために、反応ガスともに供給される水分が電解質膜に取り込まれることにより、図11に示すように電解質膜が膨張する。
【００２５】
その結果、電解質膜が電極層、ガス拡散層を一方の溝の方向に押し、溝の一部を閉塞し、反応ガスの流通を阻害する問題が顕著となる。さらに、膜−電極接合体１−３とガス拡散層１−２の間に空隙２−１が発生し、電極層とガス拡散層の電気的接触の不良（集電性の低下）となる。
【００２６】
また、ガス拡散層に弾力性を持たせ、上記拡散層の内部に反応ガスを透過させるための空隙を確保させるために、繊維状部材を添加している。その結果、燃料電池として動作するために必要な膜−電極接合体とセパレータ間の電子伝導度を得るために、ある一定圧力以上の加圧が必要となる。
【００２７】
このような繊維状部材を用いたガス拡散層は弾力性があるため、加圧によって電極層と電解質膜を破損させる問題を回避できる反面、セパレータの溝が広くなると、集電性が劣化する問題が生じる。
【００２８】
即ち、ガス拡散層と電極層は、２枚のセパレータの凸部に挟まれた加圧部分でのみ接触されており、セパレータの溝の部分では加圧不足となり、特に溝幅が広くなったときに、従来のガス拡散層は使用することができない。
【００２９】
通常は、加圧なしの厚さに対して４０％から５０％まで圧縮する必要があり、その必要な圧力は８  ｋｇ／ｃｍ2から１０  ｋｇ／ｃｍ2に及ぶことがある。このため、燃料電池を組み立てる際に、油圧プレス等を用いてセパレータ、膜−電極接合体、ガス拡散層からなる積層セルを加圧し、ガス拡散層を所定の厚さにする。その際、加圧による燃料電池の各部品の変位が大きいため、加圧状態で最も安定な位置に落ち着くまで、長時間を要することがある。
【００３０】
このような問題は、電池への加圧力が大きくなるほど顕著になり、加圧時間が数十時間から数日に及ぶ場合もある。これは、単位時間当たりの燃料電池の生産量が低下し、多数個のプレス機を設置するための多大な設備投資が必要となり、ひいては燃料電池の低コスト化の障害となる。
【００３１】
さらに、セパレータ間に挿入されるガスケットの形状が板状であると、ガスケットがセパレータ間で均一に加圧されないと、ガスのシールが保持されない問題が顕在化する。板状ガスケットは、電池を組み立てる際にガスケットの圧縮面積が広いため、セパレータ表面の微小な凹凸にガスケットの表面が変形し、セパレータ表面と密着するために時間が必要となる。また、ガスケットとセパレータの間に電解質膜が挿入される場合においても、同様の問題が生じる。
【００３２】
このため、従来の技術では、圧縮面積が広いために、電池の組み立て時の加圧力を大きく設定し、ガスケットのシール性が発現するまで、加圧状態にて数十時間から数日、電池を保持する必要があった。このため、燃料電池の生産効率を高める上での障害となっていた。
【００３３】
本発明は、低加圧下で燃料電池の組み立てを可能とし、過剰なプレス設備を削減することにより、低価格な燃料電池を提供する。このために、水素イオンを透過させる機能を有する固体高分子電解質膜、上記膜の両面に形成した電極層、上記電極層を挟持するように配置されたセパレータからなる基本構成を単セルとした。通常、十分な電力を得るために単セルを複数個直列に接続した積層セル構成を有する固体高分子型燃料電池としている。
【００３４】
水素イオンを透過させる機能を有する固体高分子電解質膜とは、フッ素系高分子のフッ素の一部をスルホン酸に置換したものが一般的であり、水素イオンを移動させる機能を有する高分子膜であれば、本発明に適用可能である。例えば、４フッ化エチレンを基本単位とする高分子鎖に含まれるフッ素原子を２〜５個程度のアルキル鎖（−ＣＦ2ＣＦ2−、−ＣＦ2ＣＦ2（ＣＦ3）−など）を介して、アルキル鎖の末端にスルホン酸基（−ＳＯ3Ｈ）を有する高分子膜がある。
【００３５】
電極層とは、白金、或いは白金とルテニウム等の異種元素との合金を電極触媒とし、上記触媒と炭素粉末とバインダーからなる層であり、電極触媒上で水素の酸化反応（化１）、或いは酸素の還元反応（化２）が進行する。水素の酸化反応にて生じた水素イオンは、固体高分子電解質膜に受け渡され、水素イオンは反対側の電極層にて酸素と結合することにより水が生成する。
【００３６】
Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ−        （化１）
２Ｈ＋＋１／２Ｏ2＋２ｅ−→Ｈ2Ｏ        （化２）
この反応の際に、ガスの拡散、プロトンの移動を伴うため、これらの物質移動抵抗による燃料電池の電圧降下を抑制するため、電極層と固体高分子電解質膜を薄くする必要がある。そこで、本発明では、固体高分子電解質膜とその両面に電極層を設けた膜−電極接合体を用いる。
【００３７】
セパレータには、ガスを流通させるための溝（流路と定義する。）が設けられ、溝を通じて水素、或いは酸素または空気が電池外部より供給される。流路に隣接する凸部は電極層に押し付けられることにより、電極層と電子の授受を行い、セパレータと接触する集電板を介して外部に電力を取り出すことができる。
【００３８】
セパレータの溝より供給されるガスを、電極層全体に供給される目的と、電極層全体より低抵抗にて電力を得るために、多孔質のガス拡散層を電極層とセパレータの間に設ける方法を採用することができる。
【００３９】
また、セパレータには、外部からガスを供給し、電極層にて反応したガスを排出する供給口及び排出口を有している。また、一部のセパレータには、セパレータの面内を冷却水が流通できるようにする流路が形成され、この冷却水を外部から供給または排出する供給口と排出口がセパレータに備えられている場合がある。
【００４０】
セパレータの面内に貫通孔を設け、上記貫通孔にボルトを通すことにより、膜−電極接合体、ガス拡散層、セパレータからなる積層セルを固定することもできる。
【００４１】
ボルトには、絶縁性高分子チューブにて被覆することにより、セパレータ間の短絡を防止することが容易となる。絶縁性高分子の例として、熱収縮性ポリ４フッ化エチレンがある。尚、本発明では、２個の端板の間に電池の積層セルを挿入し、積層セルの外側に設置した複数のボルトにより、積層セルを加圧、保持することも可能である。
【００４２】
本発明で利用できるガス拡散層は、その空隙率が見かけの体積に対して６０から９０％の範囲にある必要がある。またガス拡散層の体積抵抗率が１Ωｃｍ以下であることが必要である。
【００４３】
これは、燃料電池にガス拡散層を組み込んだ際、ガス拡散層内部の抵抗が燃料電池全体の抵抗に比べて問題ない程度に小さいことが必要であるためである。例えば、燃料電池の端子間のインピーダンスは、定格電流が１００Ａ、電極層の有効表面積が１００ｃｍ2の燃料電池の場合、数ミリオーム以下である必要があり、望ましくは１ｍΩ以下である。
【００４４】
このような場合、ガス拡散層での電圧損失が小さくなるため、ジュール発熱量の低減による触媒活性や膜のイオン伝導性の劣化を防止でき、燃料電池の高出力化と長寿命化の両立が可能となる。ガス拡散層の低い抵抗値を実現するために、ガス拡散層の厚さは少なくとも０．１ｍｍから０．５ｍｍの範囲にあり、０．１ｍｍから０．３ｍｍの範囲にあるとさらに望ましい。
【００４５】
上述したように厚さの薄いガス拡散層を取り扱うため、燃料電池の組み立て時におけるガス拡散層の破損を防止する必要がある。これを満足させるためには、ガス拡散層の曲げ強度が０．２ＭＰａ以上のシート状部品であることが望ましい。
【００４６】
特に、曲げ強度は、ガス拡散層を加圧したときの圧力が３〜７ｋｇ／ｃｍ2の範囲にあるとき、圧力範囲におけるガス拡散層の圧縮率が２０％以下となる程度に剛性を有するが、本発明に適している。この性質は、後に述べる燃料電池の加圧工程を容易にさせる効果の他に、ガス拡散層を所定の位置に移送した際に、めくれ、折れ曲がり等の不具合を生じずに積層することを容易にする。
【００４７】
これらの要件を満たす本発明のガス拡散層を、膜−電極接合体とセパレータの間に挿入し、積層セルを構成し、上記積層セルの両末端にそれぞれ集電体と端板を設置させ、端板をボルトや固定板等を用いて、積層セルに荷重を加えた状態にて固定する。このような燃料電池の組み立て時において、端板から積層セルに加わる圧力を、端板より加圧される上記積層セルの断面積当たり３〜７ｋｇ／ｃｍ2の範囲とする必要がある。
【００４８】
これは、ガス拡散層の圧縮率が、上記圧力範囲にて２０％以下であることに関係があり、上記圧力範囲にて十分に低い抵抗が得られることによる。
【００４９】
即ち、圧力３〜７ｋｇ／ｃｍ2が加わった燃料電池の単セルにおけるインピーダンスは、定格電流が１００Ａ、電極層の有効表面積が１００ｃｍ2の燃料電池の場合、数ミリオーム以下(例えば、１．５〜２ｍΩ)となる。それ以上の圧力を加えると、ガス拡散層を使用できないことではないが、加圧する必要がないことを意味する。このため、従来技術よりも低圧力範囲にて、少なくとも従来と同等
な燃料電池の性能が得られ、加圧工程が容易になる。
【００５０】
特に、本発明のガス拡散層は、セパレータの溝構造とも関係があり、曲げ強度が１０〜３０ＭＰａのとき、直線型の溝構造を有するセパレータに使用した。このとき、ガス拡散層が膜−電極接合体の変形を防止する作用があり、電池の出力の向上や長寿命化をする上で特に望ましい。
【００５１】
これは、ガス流路の溝が０．５〜１．５ｍｍの狭い間隔の場合は、従来のガス拡散層を適用することは可能である。本発明のガス拡散層を用いると、溝幅が数ミリメートル、例えば１．５〜２ｍｍの直線流路を有する黒鉛セパレータ、金属セパレータに有効である。尚、このような直線流路は、ガス拡散層の少なくとも一部に有していればよい。
【００５２】
また、本発明のガス拡散層の適用範囲は、直線流路のセパレータに限定されず、０．５〜１．５ｍｍの狭い間隔の流路構造を取ることができない任意の形状の流路構造を有するセパレータに適用可能である。
【００５３】
固体高分子型燃料電池を製造するために用いられる部品には、例えば高分子固体電解質膜のように非常に薄く、形状を保持する機能に欠けたものが含まれる。そのため、電池を組み立てる際に、これらの部品を所定の位置に移送し、めくれ、折れ曲がり等の不具合を生じずに積層していくことが困難であった。
【００５４】
本発明は、このように取扱い性の悪い部品を、所定の位置に精度良く移送可能とし、固体高分子型燃料電池の組み立て工程の容易化を図ろうとするものである。
【００５５】
本発明のガス拡散層は、電解質膜の高分子を溶媒に溶解させた溶液と共に、膜−電極接合体の電極層に接着し、ガス拡散層と膜−電極接合体を一体化したものを本発明に使用しても、同様な効果が得られる。この一体化部品を、２枚のセパレータにより挟持させることにより、単セルを構成することができる。
【００５６】
このような構成により、膜−電極接合体、ガス拡散層からなる一体化電極を一部品として取扱うことが可能となる。また、ガス拡散層の内部をガスが容易に透過できるため、電極層に到達したガスが電極層にて反応し、発電した電力はガス拡散層を介してセパレータに電子を伝達させることもできる。
【００５７】
本発明のガスケットはセパレータ面内に設け、ガスケットの先端部の形状が凸状である弾性材料を用いることができる。弾性材料としては、シリコンゴム、エチレン−プロピレンゴム、フッ素ゴム等のゴムを用いることができるが、本発明はこれらの材料に限定されない。
【００５８】
これらの弾性材料は、円形、角型などの任意の形状を有する部品として使用することも可能であるが、加硫剤を用いて一方のセパレータ面内に接着して用いることもできる。他方のセパレータにおいては、ガスケットと対向する部分を平坦とし、ガスケットの先端部が凸状の形状となっており、上記先端部がセパレータに圧接される構成とする。
【００５９】
この結果、ガスケットはセパレータに対して、圧着される領域の幅が０．１から２ｍｍの範囲にある線圧を加えることができ、板状またはシート状のガスケットよりも低圧にてガスシールが可能となる。即ち、先で述べたガス拡散層の集電性とガス透過性が両立される加圧条件、つまり３〜７ｋｇ／ｃｍ2の圧力範囲にてガスシールが実現される。
【００６０】
本発明で用いることができるガスケットは、ガスケットが無加圧時の凸部の高さ又は厚みに対して３０％以下に圧縮されていることが望ましい。
【００６１】
しかし、あまり大きな圧縮量にすると、シールのクリープによる劣化が顕著となるため、圧縮率は１０％以上であることが望ましい。特に、本発明のガスケットの圧縮率は、２０〜３０％の範囲に調整すると、ガスシールを確保すると同時に経時劣化によるクリープを抑制できることで、最も望ましい効果が得られる。なお、ガスケットの先端部の形状は、幅０．１〜２ｍｍの範囲での線圧をセパレータに加えることができれば良いため、半円状、三角状、四角形状など任意の形状を選択できる。
【００６２】
さらに、積層セルの体積をできるだけ小さくするために、ガスケットの厚みは２ｍｍ以下であることが良く、加圧時において１ｍｍ以下であることがさらに望ましい。
【００６３】
本発明のガスケットを用いると、従来の板状ゴムを用いた場合よりも、シールされる面積が狭くなるため、低圧力にてシールが可能となり、セパレータ表面の微小な凹凸に対してもガスケットが密着しやすく、電池の組み立て加圧工程の時間を短縮できる。
【００６４】
本発明のガス拡散層と、固体高分子電解質膜と電極層からなる膜―電極接合体と、上記接合体と上記ガス拡散層を挟持するセパレータからなる複数の積層セルと、上記積層セルの両端に電気を取り出す集電体を、２個の端板で挟み込み、１以上のボルト或いは締め板で固定することにより、組み立てが容易な固体高分子型燃料電池を製作することができる。
【００６５】
ボルトにて端板を固定する場合は、端板の外面とナットの間に、皿ばね、スプリングを挿入し、積層セルに加わる圧力が３〜７ｋｇ／ｃｍ2になるようにナットを固定する。別の方法として、積層セルの最末端のセパレータと集電板の間、または集電板と端板の間に金属製板ばねを挿入し、端板を固定する。これにより積層セルに加わる圧力が３〜７ｋｇ／ｃｍ2の圧力範囲に設定することにより、本発明の燃料電池を製造することができる。
【００６６】
ばね及びスプリングの素材は、耐食性の優れたステンレス鋼が最も望ましいが、これに限定されず、鉄などの他の金属であっても良い。また、金属と樹脂との複合体であっても良い。端板を固定するナットは、端板内部に掘り込み部分を設け、その部分にナットが入り込む構造にすると、コンパクトな固体高分子型燃料電池を製造することができる。
【００６７】
上述の構成の固体高分子型燃料電池は、膜−電極接合体、ガス拡散層、セパレータ、集電体などの積層セル構成部品の厚さを自動計測する。その値をコンピューターにより自動積算することにより、積層セルに加わる圧力が３〜７ｋｇ／ｃｍ2となるような積層セルの目標厚さを容易に決定することができる。その目標厚さまで端板を介してプレス機により加圧した後に、ナットを締め付けることにより、３〜７ｋｇ／ｃｍ2の加圧範囲にて燃料電池を製造することができ、製造時間の短縮化が可能となる。
【００６８】
本発明の固体高分子型燃料電池を、水素を含む燃料ガスを流通させる配管を介して、水素を製造する機器、または水素を貯蔵する機器と連結することにより、クリーンな発電システムを提供することができる。
【００６９】
水素を製造する機器の例として、天然ガスやメタノールを原料とした改質装置、或いは太陽光、風力等の自然エネルギーより水電解により水素を製造する装置などがある。また、水素を貯蔵する機器の例は、前述の水素を製造する機器より発生した水素を貯蔵させた水素ボンベ、或いはその水素を低圧にて吸収することが可能な水素吸蔵合金を有する水素貯蔵装置がある。
【００７０】
さらに、本発明の固体高分子型燃料電池或いは発電システムを、据置式発電設備、携帯式発電機などの発電機器、電動式車椅子や歩行補助器具等を含む医療介護用機器、電気自動車等の種々の機器を駆動させるための電源として応用できる。このため、クリーンで高性能な製品を提供することも可能になる。
【００７１】
以下に実施例により、本発明の内容を更に詳細に説明する。なお、本発明は以下に述べる実施例だけに限定されるものではない。
（実施例１）
図1は本発明の実施例である単セル１０の構造を示すものであり、図２は単セル１０の１構成要素である膜（固体高分子電解質）−電極接合体1１(以下、電極接合体と称する)の構造を示す図である。単セル１０は中央に膜−電極接合体1１を配置している。
【００７２】
電極接合体１１は、固体高分子電解質膜１２（以下、電解質膜と称する）と、この電解質膜１２の両面に配置された金属触媒層よりなるアノード１３と、アノード１３の反対面に配置されたカソード１４からなる。更にアノード１３及びカソード１４の電極の外側面にはガス拡散層１６を配置している。
【００７３】
ガス拡散層１６と端板６−５との間にアノード用セパレータ３−３Ｘ及びカソード用セパレータ３−３Ｙと冷却用セパレータ３−３Ｚとアノード集電板６−３Ａ及びカソード集電板６−３Ｋと絶縁シール６−４とを配置している。絶縁シール６−４は端板６−５を絶縁部材で構成している時には、省略できる。
【００７４】
そして、アノード用セパレータ３−３Ｘ及びカソード用セパレータ３−３Ｙと冷却用セパレータ３−３Ｚとの詳細は、図３及び図４と図５により後述する。
【００７５】
端板６−５間の各アノード用セパレータ３−３Ｘ及びカソード用セパレータ３−３Ｙと冷却用セパレータ３−３Ｚと、アノード集電板６−３Ａ及びカソード集電板６−３Ｋと、絶縁シール６−４及び端板６−５とに貫通穴３−６を図３に示すように形成している。この貫通穴３−６に挿入したボルト６−７Ａに皿バネ６−７Ｂ及びナット６−７Ｃを装着し、ナッ６−７Ｃトを締付け端板６−５間に単セル１０を支持する。ボルト６−７Ａには絶縁被覆を施しているが、ボルト６−７Ａを絶縁部材により構成するときには絶縁皮膜を施す必要はない。
【００７６】
この場合には、ボルト６−７Ａの周囲の各アノード用セパレータ３−３Ｘ及びカソード用セパレータ３−３Ｙと冷却用セパレータ３−３Ｚと電極接合体11の端部との間にはガスケット３−７を設け、ガス、冷却水等が外部に漏れるのを防止している。
【００７７】
端板６−５の右側にはそれぞれアノード用セパレータ３−３Ｘ及びカソード用セパレータ３−３Ｙと冷却用アノード３−３Ｚとのガス流通路及び冷却路に連通しているアノードガス供給口６−８Ａ、カソードガス供給口６−９Ａ及び冷却水供給口６−１０Ａを設けている。また端板６−５の左側には前述の供給口と連通するアノードガス排気口６−８Ｂ、カソードガス排気口６−９Ｂ及び排水口６−１０Ｂを設けている。
【００７８】
これらの供給口及び排気口等に連通するガス流通路及び冷却路を有する各セパレータの詳細を図３，図４，図５により説明する。
【００７９】
この実施例では、図３はアノード用セパレータ３−３Ｘである。図４はカソード用セパレータ３−３Ｙである。図５は冷却用セパレータ３−３Ｚである。
【００８０】
アノード用セパレータ３−３Ｘ及びカソード用セパレータ３−３Ｙの素材は、黒鉛をフェノール樹脂で成型したものである。セパレータの面内に、ガス流路３−４が加工されている。
【００８１】
ガス流路３−４である５本の溝３−４Ａと４本のリブ３−５が交互に配置されている。アノードのガス流路３−４は、ガス供給口３−３Ａより蛇行しながらガス排出口３−３Ｂに連通されている。リブ３−５は溝加工がなされていない凸部であり、リブと称する。ガス流路３−４の一部はセパレータの内部を貫通する貫通孔となっており、その上に、ガスケットとしてシリコンゴム製のシール３−７を固定した。
【００８２】
ガス流路３−４の上側及び下側には供給口３−３Ａ，３−１Ａ及び排気口３−３Ｂ，３−３Ｂを設けている。これらの供給口及び排気口はガス流路３−４の上端及び下端に連通している。アノードガスは供給口３−３Ａ及び排気口３−３Ｂを矢印方向に流通する。またカノードガスは供給口３−１Ａ及び排気口３−３Ｂを矢印方向に流通する。
【００８３】
図５の冷却用セパレータ３−３Ｚには冷却水が矢印方向に蛇行する冷却流路４−１が形成されている。冷却流路４−１の上端及び下端には冷却水の供給口３−２Ａ及び排水口３−２Ｂを形成している。
【００８４】
アノードガス及びカノードガスと冷却水の供給口及び排気口と排水口とは前述のアノードガス供給口６−８Ａ、カソードガス供給口６−９Ａ及び冷却水供給口６−１０Ａとアノードガス排気口６−８Ｂ、カソードガス排気口６−９Ｂ及び排水口６−１０Ｂとに連通している。
【００８５】
尚、本実施例では、シール３−７が溝を閉塞しないように流路の一部を貫通孔としたが、溝の上部にフェノール樹脂からなる平板を設置し、その上にシリコンゴムを固定することも可能である。
【００８６】
各セパレータの面内にはボルト６−７Ａの貫通孔３−６を設け、ポリ４フッ化エチレンの熱収縮チューブによりボルト６−７Ａを絶縁被覆した後、ボルト６−７Ａを上記貫通孔３−６に通して単セル１０を固定した。ボルト６−７Ａを絶縁部材で構成するときには、絶縁被覆は必要としない。ボルト６−７Ａに単セル同士が互いに電気的に短絡しないように絶縁手段を施して有ればよい。
【００８７】
シール３−７は、ボルト貫通孔３−６、ガス及び冷却水の供給口及び排出口及び排水口の周囲にも固定し、ガス及び冷却水の漏洩を防止している。
【００８８】
尚、セパレータの平坦部での厚さは２ｍｍ、溝深さは０．５ｍｍ、溝幅は１ｍｍ、リブ幅は１ｍｍとした。
【００８９】
また、本実施例で用いたシリコンゴムは高さ１ｍｍ、幅は１ｍｍ、先端部のＲ値は０．５とした。このシールは、セパレータ単位面積当りの加圧力が３ｋｇ／ｃｍ2のとき圧縮量１２％、７ｋｇ／ｃｍ2のときで圧縮量２８％であった。３〜７ｋｇ／ｃｍ2の加圧条件の範囲では、水素ガスの漏洩がなく、ガスケットのシール性に問題がないことを確認した。
（実施例２）
図５は、冷却水用セパレータの構造を示す。冷却水は、供給口３−２Ａより導入され、上記セパレータ面内に形成された冷却流路４−１を流れ、排水口３−２Ｂより排出される。冷却水の流路の途中は、セパレータの内部に埋め込まれ、貫通孔を有する。この貫通孔の上のセパレータ表面にシリコンゴムのシール４−２を固定した。シリコンゴムの形状は実施例１と同じとした。実施例１と同様に、溝の上部にフェノール樹脂からなる平板を設置し、その上にシリコンゴムを固定することも可能である。
【００９０】
この冷却水用セパレータ３−３Ｚの裏面は、図３，図４に示した電極用のセパレータと同じ溝加工をおこなった。セパレータの平坦部での厚さは２ｍｍ，溝深さは０．５ｍｍ，溝幅は８ｍｍ，リブ幅は５ｍｍとした。
（実施例３）
実施例１，２のアノード用セパレータ３−３Ｘ，カノード用セパレータ３−３Ｙ，冷却水用セパレータ３−３Ｚとを用いて図１の単セル１０を組み立てた。
【００９１】
電解質膜１１は、水素イオンを膜内中に移動させるためのスルホン酸基（−ＳＯ3Ｈ）を有する高分子からなる。上記スルホン酸基を介して水素イオンが膜内を移動することができる。
【００９２】
本実施例では、４フッ化エチレンを基本単位とする高分子鎖に含まれるフッ素原子を２〜５個程度のアルキル鎖（−ＣＦ2ＣＦ2−，−ＣＦ2ＣＦ2（ＣＦ3）−など）を介して、上記アルキル鎖の末端にスルホン酸基（−ＳＯ3Ｈ）を有する高分子膜を用いた。高分子膜の厚さは厚さ２０μｍとした。
【００９３】
この電解質膜１１の一方の面には、炭素粒子の表面に微小な白金とルテニウムの触媒合金を分散させた粉末に固体高分子電解質を少量混合し十分に混合した後、固体高分子電解質膜状にブレードコーターにより塗布、乾燥し、さらにホットプレスにより電極層１３，１４を固体高分子膜１２に固定した。他方の面には、炭素粒子の表面に微小な白金のみを分散させた電極層を形成させた。
【００９４】
本発明のガス拡散層１６は、厚さ３００μｍ，空隙率８０％，体積抵抗率０．８Ωｃｍ，曲げ強度０．３５ＭＰａの黒鉛製シートを用いた。黒鉛粉末と黒鉛繊維を混合し、黒鉛全量に対して、３％のポリ−４フッ化エチレンを混合し、加圧成型してシート状に加工した。
【００９５】
各単セル１０の側面にアノード用セパレータ３−３Ｘとカソード用セパレータ３−３Ｙとを配置し、各セパレータの背面に冷却用セパレータ３−３Ｚを配置するようにした。冷却用セパレータ３−３Ｚの冷却水をアノード用セパレータ３−３Ｘとカソード用セパレータ３−３Ｙとの間に流通し、単セル１０の温度を調節できるようにした。各セパレータ間に挿入するガスケット３−７は、板状のシリコンゴムシートを用いた。
【００９６】
この単セルの両端に厚さ５ｍｍのステンレス鋼製のアノード集電板６−３Ａ及びカソード集電板６−３Ｋを配置させ、さらに上記集電板の外側より厚さ０．５ｍｍのゴムシートを挟んで、電気的絶縁を確保した。
【００９７】
さらに厚さ１０ｍｍのステンレス鋼製部材の端板６−５と上下各２本のボルト６−７Ａを用いて、ボルト６−７Ａに装着したナット６−７Ｃを外側から締つ付けることにより、電池スタックを製造した。ボルト６−７Ａは直径１０ｍｍとし、上記端板の四隅に直径１０ｍｍのボルトを貫通させ、両端板に皿ばね６−７Ｂを挿入させてナット６−７Ａで締め付けた。
【００９８】
ナット６−７Ａを取り付ける際には、単セルの積層方向に油圧プレスを用いて加圧し、そのままの状態で１時間放置し、電池に余分な隙間を取り除いた後、ナットを締め付けた。一方の端板６−５には、アノードガス供給口６−８Ａとカソードガス供給口６−９Ａが１個づつ取り付けられており、他方の端板にはそれぞれのガス排出口がある。
【００９９】
また、冷却水については、供給口６−１０Ａと排水口６−１０Ｂが各端板６−５に取り付けてある。これらの供給口は、それぞれ集電板、積層セルを貫通する流路を通じて、各単セルと冷却セルに、それぞれガスと冷却水を供給するようになっている。
【０１００】
本実施例において、発電可能な電極有効面積は１００ｃｍ2とし、電流５０Ａにて出力を計測した。アノードに供給するガスは水素、カソードに供給するガスは空気とし、圧力は常圧（一気圧）とした。水素と酸素の利用率はそれぞれ７０％、４０％とした。セルに流す冷却水の温度は７０±５℃に設定した。
【０１０１】
比較例として、従来のガス拡散層として、厚さ３５０μｍ、空隙率８０％、体積抵抗率２Ωｃｍのフェルト状シートを用いた。なお、本ガス拡散層は非常に柔軟性に富む素材であったため、自重で曲がってしまい、曲げ強度の測定はできなかった。このガス拡散層を用いて、上述の方法で単セルを組み立てて、同一条件下で発電試験を行った。
【０１０２】
図６は、本実施例における本発明と従来のガス拡散層を用いた単セルの電流−電圧特性を示す。本発明のガス拡散層を用いた方が、単セルにおける電圧が高く、高出力化が可能であることがわかった。
【０１０３】
また、電流密度０．５Ａ／ｃｍ2にて、２０００時間の連続発電試験を実施したところ、従来の電池の電圧低下率は６０ｍＶ／１０００時間に対し、本発明の電池の電圧低下率は８ｍＶ／１０００時間と大幅に寿命が改善された。試験後に単セルを解体したところ、従来の電池における電極接合体の表面に、ガスの流路に沿って、小さな皺が認められた。
【０１０４】
尚、本実施例での単セル組み立て時の加圧時間は１時間としたが、それ以上延長しても、電池性能に何ら影響を与えないことから、短時間の加圧で十分な特性が得られることが明らかになった。
（実施例４）
実施例２，３のアノード用セパレータ３−３Ｘ（以下、Ｓ１と称する）及びカノード用セパレータ３−３Ｙ（以下、Ｓ２と称する）と冷却水用セパレータ３−３Ｚ（以下、Ｓ３と称する）と、複数の単セル１０とを積層して積層セル１００を作製し、図７に示す固体高分子型燃料電池(以下、燃料電池と称する)を製作した。図７はその電池の断面図を示す。
【０１０５】
電解質膜１１は、実施例３と同一仕様のものを用い、単セル１０を組み立てた。つぎに、各単セル１０の右側面にセパレータＳ１を配置するようにした。セパレータＳ１には、実施例２にて製作したセパレータＳ３が対向するように配置している。冷却水が各単セル１０の一方の面に接触し、単セル１０の温度を調節できるようにした。この冷却水が流れる部分を冷却セル６−２とする。このように単セル１０を複数個たとえば３０個積層した積層セル１００を製作した。
【０１０６】
この積層セル１００の両端に厚さ５ｍｍのステンレス鋼製のアノード集電板６−３Ａ及びカソード集電板６−３Ｋを配置し、集電板の外側より厚さ０．５ｍｍのゴム部材の絶縁シート６−４を挟んで、電気的絶縁を確保した。
【０１０７】
さらに厚さ１０ｍｍのステンレス鋼製部材の端板６−５と上下各２本のボルト６−７Ａを用いて、ボルト６−７Ａに装着したナット６−７Ｃを外側から締め付けることにより、積層電池スタックを製造した。
【０１０８】
ボルト６−７Ａは直径１０ｍｍとし、端板６−５の四隅に形成したボルト貫通穴３−６にボルト６−７Ａを挿入させ、両端板６−５に皿ばね６−７Ｂを挿入した後、ナット６−７Ｃで締め付けた。ナット６−７Ｃを取り付ける際には、積層セル１００の積層方向に油圧プレスを用いて加圧し、そのままの状態で１．５時間放置し、積層セルに余分な隙間を取り除いた後、ナット６−７Ｃを締め付け、両端板６−５間に積層セル１００を挟持した。この時のナット６−７Ｃの締め付け圧力は、積層セル１００の断面積当たり３ｋｇ／ｃｍ2〜７ｋｇ／ｃｍ2の範囲に設定した。
【０１０９】
一方の端板６−５には、アノードガス供給口６−８Ａとカソードガス供給口６−９Ａが１個づつ取り付けられており、他方の端板にはそれぞれのガス排出口６−８B，６−９Ｂがある。また、冷却水については、供給口６−１０Ａと排水口と６−１０Ｂが各端板６−５に取り付けてある。これらの供給口は、それぞれ集電板６−３Ａ，６−３Ｋ、積層セル１００を貫通する流路を通じて、各単セルと冷却セルに、それぞれガスと冷却水を供給するようになっている。
【０１１０】
本実施例において、ナット６−７Ｃの締め付け圧力は、積層セル１００の断面積当たり３ｋｇ／ｃｍ2〜７ｋｇ／ｃｍ2の範囲に設定した。この理由は、３ｋｇ／ｃｍ2以下の場合は、接触圧力が弱く、内部抵抗が高くなり、出力される電力が小さく燃料電池として使用できない。また７ｋｇ／ｃｍ2以上では締め付け圧力が高すぎて、本発明の従来技術で説明したようにガス拡散層が圧縮されすぎて、ガスが透過しずらくなり、所望の電力が得られない。
この点に関して、表１に示すように３ｋｇ／ｃｍ2以下の場合は、例えば記号Ｉの締め付け圧力は２．０（ｋｇ／ｃｍ2）である。この時の出力は０．０７（Ｗ／ｃｍ2）であり、３ｋｇ／ｃｍ2〜７ｋｇ／ｃｍ2の範囲に設定された時の出力より小さく使用できない。また記号Ｍの締め付け圧力は８．０（ｋｇ／ｃｍ2）である。この時の出力は８．０（Ｗ／ｃｍ2）であり、出力は十分であるが、ガス拡散層が破損し使用できない。
【０１１１】
この結果、本発明の燃料電池によれば、所望の電気性能例えば燃料電池の出力電力及び寿命を前述の締め付け圧力に調整した分だけ向上すことができるようになった。
【０１１２】
また本発明では締め付け圧力を前述のように従来技術より低く設定した分だけ、締め付け作業時間を短縮できると共に、ボルト６−７Ａ，皿ばね６−７Ｂ，ナット６−７Ｃ等の締め付け部材は機械的強度の低い部材を使用できるようになり、積層セル１００又は積層電池スタック等を小型化，軽量化することができるようになった。
【０１１３】
更に、積層セル１００の中間には冷却用セパレータＳ３を挟んでアノード用セパレータＳ１及びカソード用セパレータＳ２を対向配置した冷却用ユニットを構成した。この冷却用ユニットにより、２個の単セル１０を同時に冷却できるので、更に積層セル１００を小型化（特に積層セルの積層方向を短縮）できるようになった。
【０１１４】
更に、アノード用セパレータＳ１とカノード用セパレータＳ２とはガス流通路を設けていない背面側同士を接合してガス流通路用ユニットを構成した。ガス流通路用ユニットにより、例えば温度の高い空気はこれより温度の低い水素を暖めて、両者の酸化反応及び還元反応を早め、電気起動特性を良くすることができる。
【０１１５】
またアノード用セパレータＳ１とカノード用セパレータＳ２とを一体にした基板を使用すれば、一枚のセパレータ毎に組み込む場合に比べて組み立て作業時間を短縮できる。
【０１１６】
また積層セル１００と端板６−５との間、又端板６−５と集電板６−３Ａ，６−３Ｋとの間に板ばねを挿入する。これにより、端板６−５の外側のボルト６−７Ａ及びナット６−７Ｃにおける突起寸法を減らすことができるので、積層セル１００の積層方向を縮少し、固体高分子型燃料電池を小型化できる。
【０１１７】
このように本発明の燃料電池では、発電可能な電極有効面積は１００ｃｍ2とし、電流５０Ａにて出力を計測した。アノードに供給するガスは水素、カソードに供給するガスは空気とし、圧力は常圧（一気圧）とした。水素と酸素の利用率はそれぞれ７０％，４０％とした。セルに供給する冷却水の温度は７０±２℃に設定した。
【０１１８】
本実施例で製作した電池スタックのガス拡散層は、表１に示した通りである。ガス拡散層以外の構成及び試験条件は同一とした。電池の出力密度は、電極有効表面積（１００ｃｍ2）の単位面積当りに換算した値を計算した。
（実施例５）
【０１１９】
【表１】
0004071032.tif 000002
Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｐ，Ｑ，Ｒの６種類のガス拡散層を用い、ガス拡散層の厚さと出力を比較した。空隙率、体積抵抗率は同じである。５０Ａでの発電試験を実施した結果、表１に示すように、ガス拡散層Ａの場合、まったく出力が得られなかった。電池を解体したところ、ガス拡散層の割れが認められ、ガス拡散層の強度が不足したためであることがわかった。
【０１２０】
ガス拡散層Ｒの場合、電池の出力は得られるが、単位面積当りの出力は、ガス拡散層Ｂ，Ｅ，Ｐ，Ｑの値よりも小さく、ガス拡散層の厚さが０．５ｍｍを越えると性能が低下した。Ｂ，Ｅ，Ｐ，Ｑの場合、設計値０．２０〜０．２３  Ｗ／ｃｍ2の範囲の高い出力がほぼ設計通り得られた。即ち、本発明のガス拡散層を用いることにより、コンパクトで高出力な燃料電池が得られたことになる。
【０１２１】
尚、本実施例での単セルを組み立て時の加圧時間は１時間としたが、それ以上延長しても、ガス拡散層Ｂ，Ｅ，Ｐ，Ｑを用いた電池の性能に何ら影響を与えないことから、従来約１日加圧状態で放置していた工程を、短時間で十分な特性を得ることができるようになった。
【０１２２】
電池の積層セルに加わる荷重の大きさは、以下のような方法で確認することができる。端板の平坦部に密着できるような冶具をロードセルのセンサー部に取り付ける。端板の基準位置を決め、レーザー式変位計を基準位置に合わせておく。端板を固定するナットを緩めながら、ロードセルの荷重を加え、端板の位置が初期と同じとなるようにロードセルの荷重を調節する。最後にナットが完全に外れたときの荷重が電池積層セルに加わっていた圧力となる。
【０１２３】
本実施例では、表１に示す各電池の組み立て時の圧力を、この方法によって組み立て後に確認した。表１のＭのように圧力が８ｋｇ／ｃｍ2になると、単セルが亀裂するので、使用できない。
（実施例６）Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈの６種類のガス拡散層を用い、ガス拡散層の空隙率と出力を比較した。５０Ａでの発電試験を実施した結果、表１に示すように、ガス拡散層の空隙率が６０〜９０％の範囲が適する。
【０１２４】
空隙率が６０％以下の場合には、記号Ｃに示すように体積抵抗率が０．１（Ω／ｃｍ2）と小さく、ガス透過率が悪くなり、電力変換率が悪く、出力が０．０８（Ｗ／ｃｍ2）で、所望の出力が得られず使用できない。また９０％以上の場合には、記号Ｈで示すように、曲げ強度が０．０８（ＭＰａ）と極端に低く、空隙率が６０〜９０％の範囲の曲げ強度に比べて、機械的強度が弱く使用できないばかりか、また黒鉛が少なくなり、電気的な伝導率が悪くなり、Ｈのように空隙率の設定範囲の出力より低い出力しか得られず、使用できない。
（実施例７）Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍの５種類のガス拡散層を用い、組み立て時に積層セルに印加する荷重をガス拡散層の断面積（１００ｃｍ2）当りに換算した値を組み立て時圧力と定義し、その値と出力を比較した。厚さと空隙率は同じとした。５０Ａでの発電試験を実施した結果、表１に示すように、ガス拡散層ＩとＭの場合、他のガス拡散層と比較して出力が低下した。
【０１２５】
ガス拡散層Ｉの場合は、荷重が不足し、電極接合体とガス拡散層の間、及びガス拡散層と各セパレータの間の電気的接触が不良になったためと考えられる。ガス拡散層Ｍの場合は、荷重が大きくなりすぎて、各セパレータのリブ部と電極接合体膜との間に挟まれたガス拡散層に亀裂が生じ、電気的接触不良になったためと推定される。
（実施例８）
Ｎ，Ｏの２種類のガス拡散層を用い、組み立て時に積層セルに印加する荷重をガス拡散層の断面積（１００ｃｍ2）当りに換算し、その値と出力を比較した。空隙率と厚さは同じとした。５０Ａでの発電試験を実施した結果、表１に示すように、両者の出力に差は認められなかった。
【０１２６】
本発明のガス拡散層の厚さは１００から５００(μｍ)の範囲に設定にする。即ち、実施例７のＭと比較すると、ガス拡散層の厚さが０．３ｍｍと厚くなることに伴い、ガス拡散層の強度が増加し、荷重が大きくても破損、亀裂が発生しないため、セル内での電気的接触が保たれたためと推定される。
（実施例９）
実施例２，３のセパレータＳ１，Ｓ２，Ｓ３と、電極接合体、本発明のガス拡散層を組み合わせて、積層セルを作製し、図５に示す燃料電池を製作した。図５はその電池の断面図を示す。
【０１２７】
電極接合体、単セルの構成、電池スタックの構成及び組み立て方法は、実施例４と同様である。
【０１２８】
本実施例のガス拡散層は、ＰＡＮ系炭素繊維に３％のポリ−４フッ化エチレンを混合したものをシート状にしたものを用いた。厚さは０．１ｍｍとした。本実施例のガス拡散層の空隙率、体積抵抗率、曲げ強度、組み立て時の圧力はそれぞれ８０％，０．０８Ωｃｍ，４０ＭＰａ，６ｋｇ／ｃｍ２である。
【０１２９】
本実施例において、発電可能な電極有効面積は１００ｃｍ2とし、電流５０Ａにて出力を計測した。アノードに供給するガスは水素、カソードに供給するガスは空気とし、圧力は常圧（一気圧）とした。水素と酸素の利用率はそれぞれ７０％，４０％とした。セルに供給する冷却水の温度は７０±２℃に設定した。設計出力０．２３Ｗ／ｃｍ2に対し、本実施例の電池の出力は０．２２Ｗ／ｃｍ2となり、従来技術よりも低荷重で燃料電池を組み当てても、ほぼ設計通りの性能が得られた。
（実施例１０）
図８は、本発明の他の実施例であるアノード用セパレータＳ４であり、図３と同じ構成部品には同じ符号を付して説明を省略する。アノード用セパレータＳ４は直線型の溝を有する点が実施例１と異なる。
【０１３０】
アノード用セパレータＳ４は基板の中央に直線形状のリブ部６−２の間に溝であるガス流通路６−３を形成し、このガス流通路６−３の上端及び下端にガス流通路６−３と連通する分配用リブ６−１を設けている。分配用リブ６−１の両端にはアノード供給口３−３Ａ及び排気口３−３Ｂを設けている。分配用リブ６−１はアノード供給口３−３よりも広がった領域にガスを均一に分配する必要があるため、分配用リブ６−１を設けた。
【０１３１】
またカソード用セパレータＳ６は図６を紙面の裏から見てガス流路が左右反転した図４と同じである。カソード用セパレータＳ６は直線形状のガス流通路６−２とこれに連通する分配用リブ６−１と設け、これ以外は図４と同じである。
【０１３２】
この実施例によれば、直線形状のガス流通路６−３を形成したので、ガス流通時にガス流通抵抗を小さくできる利点がある。尚、セパレータの平坦部での厚さは２ｍｍ，溝深さは０．５ｍｍ，溝幅は１．５ｍｍ，リブ幅は１．５ｍｍとした。
（実施例１１）
図９は、本発明の他の実施例である冷却用セパレータＳ６であり、図５と同じ構成部品には同じ符号を付して説明を省略する。冷却用セパレータＳ６は実施例１０と同様に直線型の溝を有する点が実施例１と相違し、それ以外は同じである。冷却水用セパレータＳ６の冷却水は、供給口３−２Ａより導入され、冷却水用セパレータ面内のリブ部７−１及び７−２間に形成された流路７−３を流れ、排出口３−２Ｂより排出される。尚、冷却水用セパレータの平坦部での厚さは２ｍｍ，溝深さは０．５ｍｍ，溝幅は８ｍｍ，リブ幅は５ｍｍとした。この冷却水用セパレータをセパレータＳ６とする。
（実施例１２）
実施例１０，１１のセパレータＳ４，Ｓ５，Ｓ６を用いて単セルを組み立てた。膜−電極接合体、単セルの構成、組み立て方法は、実施例３と同様である。本発明のガス拡散層は、厚さ３００μｍ，空隙率８０％，体積抵抗率０．８Ωｃｍ，曲げ強度１０ＭＰａと３０ＭＰａの２種類の黒鉛製シートを用いた。黒鉛粉末と黒鉛繊維を混合し、黒鉛全量に対して、３％のポリ−４フッ化エチレンを混合し、加圧成型してシート状に加工した。セパレータ、ガス拡散層、膜−電極接合体、集電板、端板からなる積層セルを加圧する条件は、圧力６ｋｇ／ｃｍ2、放置時間１時間とした。
【０１３３】
本実施例において、発電可能な電極有効面積は１００ｃｍ2とし、電流５０Ａにて出力を計測した。アノードに供給するガスは水素、カソードに供給するガスは空気とし、圧力は常圧（一気圧）とした。水素と酸素の利用率はそれぞれ７０％，４０％とした。セルに流す冷却水の温度は７０±５℃に設定した。
【０１３４】
比較例として、ガス拡散層以外のセルの構成は共通とし、従来のガス拡散層として、厚さ３５０μｍ，空隙率８０％，体積抵抗率２Ωｃｍのフェルト状シートを用いた。尚、本ガス拡散層は非常に柔軟性に富む素材であったため、自重で曲がってしまい、曲げ強度の測定はできなかった。このガス拡散層を用いて、上述の方法で単セルを組み立てて、同一条件下で発電試験を行った。
【０１３５】
本実施例における本発明と従来のガス拡散層を用いた単セルの出力を測定した。０．５Ａ／ｃｍ2の発電条件のとき、本発明の燃料電池の出力は、設計値０．２３Ｗ／ｃｍ2に対し、設計通りの出力が得られた。これに対し、従来のガス拡散層を用いた電池の出力は、０．１１Ｗ／ｃｍ2となり、本発明のガス拡散層を用いた方が、単セルの電圧が高く、高出力化が可能であることがわかった。
【０１３６】
また、電流密度０．５Ａ／ｃｍ2にて、２０００時間の連続発電試験を実施したところ、従来の電池の電圧低下率は２５５ｍＶ／１０００時間に対し、本発明の電池の電圧低下率は１０ｍＶ／１０００時間と大幅に寿命が改善された。試験後に単セルを解体したところ、従来における電池の膜−電極接合体の表面に、ガスの流路に沿って、小さな皺が認められた。
【０１３７】
尚、本実施例での単セル組み立て時の加圧時間は１時間としたが、それ以上延長しても、電池性能に何ら影響を与えないことから、短時間の加圧で十分な特性が得られることが明らかになった。
【０１３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の燃料電池によれば、締め付け圧力を調整した分だけ所望の電気性能例えば燃料電池の出力電力及び寿命を向上させることができるようになった。
【０１３９】
また本発明では締め付け圧力を従来技術より低く設定した分だけ、締め付け作業時間を短縮できると共に、ボルト，皿ばね，ナット等の締め付け部材は機械的強度の低い部材を使用できるようになり、積層セル及び電池スタック等を小型化，軽量化することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である単セルを示す概略断面図。
【図２】図１の単セルに使用された電極接合体の断面図。
【図３】図１の単セルに使用されたアノード用セパレータの平面図。
【図４】図１の単セルに使用されたカソード用セパレータの平面図。
【図５】図１の単セルに使用された冷却用セパレータの平面図。
【図６】本発明と従来のガス拡散層を用いた単セルの電流−電圧特性図。
【図７】図１の単セルを複数個積層した積層セルの断面図。
【図８】本発明の他の実施例として示したアノード用セパレータの平面図。
【図９】本発明の他の実施例として示した冷却水用セパレータの平面図。
【図１０】従来の単セルのガス拡散層を示す断面図。
【図１１】従来の単セルを長期間運転した後のガス拡散の断面図。
【符号の説明】
１−１…セパレータのリブ、１−２…ガス拡散層、１−３…膜−電極接合体、１−４…セパレータの溝、２−１…空隙部、３−１Ａ…カソード供給口、３−１Ｂ…カソード排出口、３−２Ａ…冷却水供給口、３−２Ｂ…冷却水排水口、３−３Ａ…アノードガス供給口、３−３Ｂ…アノードガス排出口、３−４…ガス流路、３−５…リブ部、３−６…ボルト用貫通孔、３−７…ガスケット、４−１…冷却水流路、４−２…ガスケット、６−２…冷却セル、６−３Ａ…集電板、６−３Ｋ…集電板、６−４…絶縁シート、６−５…端板、６−７Ａ…ボルト、６−７Ｂ…皿ばね、６−７Ｃ…ナット、６−８Ａ…アノードガス供給口、６−８Ｂ…アノードガス排気口、６−９Ａ…カソード供給口、６−９Ｂ…カソード排出口、６−１０Ａ…冷却水供給口、６−１０Ｂ…冷却水排出口、７−８…リブ部、７−９…ガス流通路、１０…単セル,１００…積層セル。
【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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