(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の一方にガス拡散層および触媒層を含むアノード電極を設けるとともに、前記固体高分子電解質膜の他方にガス拡散層および触媒層を含むカソード電極を設けた膜・電極構造体であって、
前記固体高分子電解質膜の外周部分が両側の前記アノード電極及び前記カソード電極からはみ出した形状とし、
前記アノード電極または前記カソード電極のいずれか一方のみの外周端面であって、前記ガス拡散層および前記触媒層の端面に、前記固体高分子電解質膜より平面寸法の大きい額状の第１シール部材を密着させて設け、前記固体高分子電解質膜のはみ出した部分の一面を前記額状の第１シール部材により、覆いかつ支持し、
前記固体高分子電解質膜のはみ出した部分は、他面が開放されていることを特徴とする膜・電極構造体。
【請求項２】
前記額状の第１シール部材は、前記固体高分子電解質膜の端面を覆ってなることを特徴とする請求項１に記載の膜・電極構造体。
【請求項３】
固体高分子電解質膜の一方にガス拡散層および触媒層を含むアノード電極を設けるとともに、前記固体高分子電解質膜の他方にガス拡散層および触媒層を含むカソード電極を設けた膜・電極構造体を一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルであって、
前記固体高分子電解質膜の外周部分が両側の前記アノード電極及び前記カソード電極からはみ出した形状とし、
前記アノード電極または前記カソード電極のいずれか一方のみの外周端面であって、前記ガス拡散層および前記触媒層の端面に、前記固体高分子電解質膜より平面寸法の大きい額状の第１シール部材を密着させて設け、当該額状の第１シール部材により前記固体高分子電解質膜のはみ出した部分の一面を覆いかつ支持し、
前記固体高分子電解質膜のはみ出した部分は、他面が開放されており、
前記額状の第１シール部材と、他方の前記電極に当接する前記セパレータとの間に、前記額状の第１シール部材に当接し前記固体高分子電解質膜に当接しない第２シール部材を設けることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項４】
前記額状の第１シール部材は、前記固体高分子電解質膜の端面を覆ってなることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記額状の第１シール部材及び前記第２シール部材の外側であって、前記一対のセパレータ間に第３シール部材を設けたことを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、膜・電極構造体及び燃料電池セルに係り、特に、前記固体高分子電解質膜の外周部分が両側のアノード電極及びカソード電極からはみ出した形状の膜・電極構造体及び燃料電池セルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の基本ユニットである燃料電池セルは、燃料ガス流路が設けられたセパレータと、酸化剤ガス流路が設けられたセパレータとで、膜・電極構造体の両側を挟持して構成される。前記膜・電極構造体は、固体高分子電解質膜の両側に対となる電極を設けた構造であり、当該一対の電極は、電極触媒層とガス拡散層とをそれぞれ備えている。従って、前記燃料ガス流路から燃料ガス（例えば水素）が供給された電極（アノード電極）では、水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介して他方の電極（カソード電極）に移動する。この間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極においては、酸化剤ガス（例えば、酸素を含んだ空気）が供給されているため、水素イオン、電子および酸素が反応して、水が生成される。
このような膜・電極構造体としては、特開平５−２３４６０６号公報や、特開平６−９６７８３号公報、特開平８−１４８１６９号公報、米国特許５４６４７００号公報にて提案されたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
固体高分子電解質膜は、アノード電極側の燃料ガスと、カソード電極側の酸化剤ガスとの混合を防止するシールとしての機能を持たせるため、外周部分が両側の電極からはみ出しているものが一般的である。しかし、固体高分子電解質膜自体は厚みが非常に薄いため、前記電極からはみ出した部分は、上記した燃料ガスや酸化剤ガスとの圧力差（極間差圧）により破損しやすい。このような破損を防止するには、前記膜・電極構造体のはみ出した部分（はみ出し部）を補強することが考えられる。
【０００４】
特開平５−２３４６０６号公報には、固体高分子電解質膜のはみ出し部に接する額状の補強部材が設けられた膜・電極構造体が開示されている。しかし、前記補強部材と電極とに隙間があるため、この隙間に生成水が付着するなどして、水分含有量が隙間部分とそれ以外の部分とで差異が生じるおそれがある。水分含有量が異なると、これによる伸縮力に差異が生じて、前記隙間部分に応力が発生し、固体高分子電解質膜を破損するおそれがあるという問題がある。また、膜・電極構造体を用いて燃料電池セルを形成する際には、燃料ガス等が外部に漏れることを防止するためにシール構造を設ける必要があるが、特開平５−２３４６０６号公報に示された膜・電極構造体にはシール構造が開示されておらず、補強部材を設けたことによりシール構造が複雑化するという問題がある。
【０００５】
特開平６−９６７８３号公報には、額状のガスケットを固体高分子電解質の両側に設けた構造の膜・電極構造体が開示されているが、この構成においてはガスケットを膜の両側に設けることにより部品点数が増加するとともに、作業工程も複雑化し、コスト的にも高くなるという問題がある。
特開平８−１４８１６９号公報に開示された膜・電極構造体では、前記固体高分子電解質膜が外周まで伸びているため、その分高価な固体高分子電解質膜の材料が余分に必要となり、コスト的に高くなるという問題がある。
米国特許５４６４７００号公報に開示された膜・電極構造体は、シールと電極と重ねる必要があり、膜・電極構造体を積層して加圧すると、重なる部分に荷重が集中してしまう一方で、他の部分には十分な面圧がかからず不安定になるおそれがあるという問題がある。
【０００６】
そこで、この発明は、固体高分子電解質膜のはみ出し部の破損を防止するとともに、固体高分子電解質膜の使用を最小限度としてコストを低減することができる膜・電極構造体を提供するものである。
また、この発明は、膜・電極構造体とセパレータとのシール性を向上できる燃料電池セルを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜２２）の一方にガス拡散層（例えば、実施形態における第１ガス拡散層）および触媒層（例えば、実施形態における電極触媒層）を含むアノード電極（例えば、実施形態におけるアノード電極２４）を設けるとともに、前記固体高分子電解質膜の他方にガス拡散層（例えば、実施形態における第２ガス拡散層）および触媒層（例えば、実施形態における電極触媒層）を含むカソード電極（例えば、実施形態におけるカソード電極２６）を設けた膜・電極構造体（例えば、実施形態における膜・電極構造体２）であって、前記固体高分子電解質膜の外周部分が両側の前記アノード電極及び前記カソード電極からはみ出した形状とし、前記アノード電極または前記カソード電極のいずれか一方のみの外周端面であって、前記ガス拡散層および前記触媒層の端面に、前記固体高分子電解質膜より平面寸法の大きい額状の第１シール部材（例えば、実施形態における額状の第１シール部材２８）を密着させて設け、前記固体高分子電解質膜のはみ出した部分（例えば、実施形態におけるはみ出し部２３）の一面（例えば、実施形態における一面２３ａ）を前記額状の第１シール部材により覆いかつ支持し、前記固体高分子電解質膜のはみ出した部分は、他面が開放されていることを特徴とする。
請求項２に記載した発明は、前記額状の第１シール部材は、前記固体高分子電解質膜の端面（例えば、実施形態における端面２３ｂ）を覆ってなることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載した発明は、固体高分子電解質膜の一方にガス拡散層および触媒層を含むアノード電極を設けるとともに、前記固体高分子電解質膜の他方にガス拡散層および触媒層を含むカソード電極を設けた膜・電極構造体を一対のセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ１２、１４）で挟持してなる燃料電池セル（例えば、実施形態における燃料電池セル１０）であって、前記固体高分子電解質膜の外周部分が両側の前記アノード電極及び前記カソード電極からはみ出した形状とし、前記アノード電極または前記カソード電極のいずれか一方（例えば、実施形態におけるアノード電極２４）のみの外周端面であって、前記ガス拡散層および前記触媒層の端面に、前記固体高分子電解質膜より平面寸法の大きい額状の第１シール部材（例えば、実施形態における額状の第１シール部材２８）を密着させて設け、当該額状の第１シール部材により前記固体高分子電解質膜のはみ出した部分の一面を覆いかつ支持し、前記固体高分子電解質膜のはみ出した部分は、他面が開放されており、前記額状の第１シール部材と、他方の前記電極（例えば、実施形態におけるカソード電極２６）に当接する前記セパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ１４）との間に、前記額状の第１シール部材に当接し前記固体高分子電解質膜に当接しない第２シール部材（例えば、実施形態における第２シール部材３０）を設けることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載した発明は、前記額状の第１シール部材は、前記固体高分子電解質膜の端面（例えば、実施形態における端面２３ｂ）を覆ってなることを特徴とする。
請求項５に記載した発明は、前記額状の第１シール部材及び前記第２シール部材の外側であって、前記一対のセパレータ間に第３シール部材（例えば、実施形態における第３シール部材３２）を設けたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態における膜・電極構造体を図面と共に説明する。
図１はこの発明の第１実施形態における膜・電極構造体を用いた燃料電池セルの断面図である。この燃料電池セル１０は膜・電極構造体２とこれを挟持する第１及び第２セパレータ１２、１４を備え、これらが複数積層されて車両用の燃料電池スタックが構成されるのである。前記第１及び第２セパレータ１２，１４には、それぞれの反応ガスを流通させるための流路溝１３，１５が形成してある。本実施形態においては、前記第１セパレータ１２の流路溝１３には燃料ガス（水素）を、前記第２セパレータ１４の流路溝１５には酸化剤ガス（空気）をそれぞれ流通させている。
【００１１】
膜・電極構造体２は、固体高分子電解質膜２２と、この固体高分子電解質膜２２を挟んで配設されるアノード電極２４及びカソード電極２６とを有する。前記アノード電極２４及びカソード電極２６には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーからなる第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層が配設されており、これらの拡散層における前記固体高分子電解質膜２２との対向面には、白金を主成分とする電極触媒層が設けられている。本実施形態においては、固体高分子電解質膜２２の材料に、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを用いている。なお、固体高分子電解質膜膜２２の材料としては、炭化水素系樹脂を主成分とするものを用いることもできる。
【００１２】
前記固体高分子電解質膜２２の外周部分は、前記アノード電極２４及びカソード電極２６から若干（例えば、１〜２ｍｍ）はみ出しており、このはみ出した部分（はみ出し部）２３の外周側に、固体高分子電解質膜２２より平面寸法の大きい額状の第１シール部材（額状部材）２８を一体的に設けている。前記額状部材２８は、一対の電極２４，２６のうち、アノード電極２４のみの外周端面に密着して一体化している。また、前記額状部材２８は、前記固体高分子電解質膜２２のはみ出し部２３の一面２３ａに密着し、かつ、前記固体高分子電解質膜２２に一体化することにより、前記固体高分子電解質膜２２を保持している。すなわち、前記額状部材２８により前記固体高分子電解質膜２２のはみ出し部２３の一面２３ａを覆いかつ支持している。このようにしたため、前記固体高分子電解質膜２２のはみ出し部２３の厚み方向強度を前記額状部材２８により高めることができ、耐久性が向上する。このため、固体高分子電解質膜２２のアノード電極２４側とカソード電極２６側とで供給する反応ガスの圧力が異なり、従来破損のおそれがあった場合でも、健全な状態に保持することができる。
【００１３】
また、前記額状部材２８は、はみ出し部２３の一面２３ａと重なって（ラップして）いるため、前記額状部材２８と、固体高分子電解質膜２２との接合力を高めることができる。特に、額状部材２８に密着する電極（本実施形態においてはアノード電極２４）が薄肉（薄い厚み）の場合にも、接合力を高く保つことができるため、アノード電極２４あるいはカソード電極２６を薄肉化した膜・電極構造体２に好適に用いることができる。
また、前記額状部材２８と前記アノード電極２４の外周端面が密着しているため、固体高分子電解質膜２２の一面（本実施形態においては、アノード電極２４側の面）２３ａを全体に亘って保護することができる。一方、カソード電極２６側のはみ出し部２３は開放されているため、はみ出し部２３の水分含有率が局所的に変化して応力が発生することを防止することができる。
【００１４】
本実施形態においては、前記額状部材２８の表面と、第２シール部材３０とを密着させることで、膜・電極構造体２を外部に対してシールしている。上記したように、額状部材２８は、アノード電極２４の端面と、固体高分子電解質膜２２の一面２３ａとを覆っている。このため、セパレータ１２、１４間で額状部材２８と第２シール部材３０とを密着させることで、前記アノード電極２４、固体高分子電解質膜２２、カソード電極２６は、外部に対してシールされ、各々の反応ガスが反応面から外に漏れることを防止することができる。従って、１重のシール構造で外部に対してシールすることができる。また、前記第１シール部材２８が額状であり、第２シール部材３０との当接面が平坦であるため、第１シール部材２８がリング状の場合と比べて第２シール部材３０の配置位置の自由度が増加し、これにより燃料電池セル１０の製造工程が容易化する。また、固体高分子電解質膜２２のはみ出し部２３に第２シール部材３０を当接させなくてもよく、額状部材２８に当接させてもよいため、固体高分子電解質膜２２の大きさをその分だけ小さくすることができ、固体高分子電解質膜２２の高価な材料の使用量をその分だけ減らして低コスト化を図ることができる。また、第２のシール部材３０は断面円形状であるため、燃料電池セル１０形成時に厚み方向に圧縮されて（断面楕円形状に変形して）額状部材２８との密着度が増し、高いシール性を発揮することができる。
【００１５】
また、本実施形態においては、前記額状部材２８及び第２シール部材３０の外側であって、前記セパレータ１２、１４間に第３シール部材３２を設けて、燃料電池セル１０を形成している。このように燃料電池セル１０を２重にシールすることで、膜・電極構造体１０を外部に対してより一層確実にシールすることができる。また、第２シール部材３０と第３シール部材３２とは、独立した部材であり、異なる位置に設けるため、材料や配置位置の選定自由度が増し、燃料電池セル１０の製造が容易化する。また、多様な燃料電池セル１０の製造が可能となる。なお、本実施形態においては、２重シール構造の燃料電池セル１０について説明したが、これに限らず、３重またはそれ以上のシール構造としてもよい。また、第２シール部材３０は、額状部材２８と対向する位置に設けることで固体高分子電解質膜２２の外部に対するシール性が増すため好ましいが、固体高分子電解質膜２８と対向する位置に設けてもよい。
【００１６】
図２はこの発明の第２実施形態における膜・電極構造体を用いた燃料電池セル４０の断面図である。なお、以下において、第１実施形態と同一の部材については、同一番号を付してその説明を省略する。
本実施形態の膜・電極構造体２０において、額状の第１シール部材（額状部材）２８は、前記固体高分子電解質膜２２のはみ出し部２３の一面２３ａ及び端面２３ｂに密着し、かつ、前記固体高分子電解質膜２２に一体化することにより、前記固体高分子電解質膜２２を保持している。すなわち、前記額状部材２８により前記固体高分子電解質膜２２のはみ出し部２３の一面２３ａ及び端面２３ｂを覆いかつ支持している。このようにしたため、前記固体高分子電解質膜２２のはみ出し部２３の厚み方向強度と端面方向の強度を前記額状部材２８により高めることができ、耐久性が向上する。このため、固体高分子電解質膜２２のアノード電極２４側とカソード電極２６側とで供給する反応ガスの圧力が異なり、従来破損のおそれがあった場合でも、より一層健全な状態に保持することができる。
【００１７】
図３はこの発明の第３実施形態における燃料電池セル５０の断面図である。本実施形態においては、燃料電池セル５０のシールを、額状部材２８と第２シール部材３０とで行い、セパレータ４２、４４を、膜・電極構造体２０と同一サイズとなるように形成している。前記セパレータ４２，４４には、第１実施形態と同様にそれぞれの反応ガスを流通させるための流路溝４３，４５が形成してあり、流路溝４３には燃料ガス（水素）を、流路溝４５には酸化剤ガス（空気）をそれぞれ流通させている。このようにしたため、燃料電池セル５０全体の体積を小さくしてコンパクトにすることができる。また、燃料電池セル５０の大きさを、前記燃料電池セル１０、４０と同じにした場合には、膜・電極構造体２０のサイズをその分大きくすることができ、燃料電池５０の出力する発電量を高めることができる。
【００１８】
額状部材２８を電極（例えば、アノード電極２４）の外周に成型する工程を図４及び図５を用いて説明する。
図４（ａ）は、額状部材２８の成型に使用する金型７０の断面図である。前記金型７０は、上型７２と下型７４で構成され、当該上型７２と下型７４とでキャビティ７５が区画されている。前記キャビティ７５の底部は断面凸状になっており、この凸部の大きさは、前記固体高分子電解質膜２２に対応している。また、金型７０には、キャビティ７５に額状部材２８の材料を供給する材料供給経路７６が設けられている。
図４（ｂ）及び図５は、額状部材２８の製造工程図である。図４（ｂ）に示したように、キャビティ７５内の中央部にアノード電極２４をセットして、注入口７６から額状部材２８の材料であるフッ素系樹脂を流し込む。そして、この状態でキャビティ７５内を冷却して一定時間保持することで、キャビティ７５内の樹脂が固化してアノード電極２４の周囲に額状部材２８が成型される。
【００１９】
そして、額状部材２８が成型されたアノード電極２４を、前記金型７０から取り出す。このとき、図５（ａ）に示すように、額状部材２８にバリ８０が付着しているので、図５（ｂ）に示したように、バリ８０を額状部材２８から切断して、額状部材２８の製造工程が完了する。このようにして、図７に示したように、アノード電極２４の外周側に額状部材２８を一体的に成型することができる。このように額状部材２８が成型されたアノード電極２４と、カソード電極２６とで固体高分子電解質膜２２を挟持することで、膜・電極構造体２０が形成される。なお、この製造工程は、額状部材２８の材質により異なり、額状部材２８の材質が樹脂であるときには射出成型が好ましいが、材質がカーボンのときにはモールド成型を、材質が金属のときには鋳造を好ましく用いることができる。
【００２０】
また、額状部材２８を外周に設けるアノード電極２４の形状は、必要に応じて変えることができる。図６は額状の第１シール部材を設けるアノード電極の変形例を示す。図６（ａ）に示したように、アノード電極２４は、端面の中央部を突出させて形成してもよい。このようにすると、額状部材２８とアノード電極２４との接合力を強化することができる。また、図６（ｂ）に示したように、アノード電極２４は略台形状に形成してもよい。このようにすると、アノード電極２４の必要量を低減して低コスト化を図ることができるとともに、接合力を強化することができる。
なお、実施形態においては、前記アノード電極２４の外周に額状部材２８を設けたが、額状の第１シール部材２８を設ける位置はこれに限らず、カソード電極２６の外周に設けてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、前記固体高分子電解質膜のはみ出した部分の一面及び端面を前記額状の第１シール部材により覆いかつ支持するため、固体高分子電解質膜の厚み方向強度を高めることができ、耐久性が向上する。また、額状の第１シール部材は、固体高分子電解質膜のはみ出した部分を覆っているため、固体高分子電解質膜と額状の第１シール部材との密着力を高めることができる。
請求項２に記載した発明によれば、前記固体高分子電解質膜のはみ出し部の厚み方向強度と端面方向の強度を前記額状部材により高めることができ、耐久性がさらに向上する。
請求項３に記載した発明によれば、第２のシール部材を額状の第１シール部材または固体高分子電解質膜に密着させることで、膜・電極構造体を外部に対してシールすることができるため、シール構造が一重で済む分だけコンパクト化、低コスト化を図ることができる。また、固体高分子電解質膜をシール部材で両側から挟み込んで保持する必要がないため、固体高分子電解質膜のはみ出した部分を最小限度とすることができ、その分さらに低コスト化を図ることができる。
請求項４に記載した発明によれば、前記固体高分子電解質膜の耐久性がさらに向上するため、固体高分子電解質膜のアノード電極側とカソード電極側とで供給する反応ガスの圧力が異なり、従来破損のおそれがあった場合でも、より一層健全な状態に保持することができる。
請求項５に記載した発明によれば、額状の第１シール部材と第２シール部材とでシールされた膜・電極構造体を、さらに第３シール部材によりシールして、２重のシール構造とすることができるため、外部に対するシール性をより一層高めることができる。また、前記第１シール部材は額状に形成してあるため、第２シール部材との位置合わせの自由度が増し、位置合わせに必要な時間が短縮できる。また、第２シール部材と第３シール部材とは、それぞれ異なる位置に設けるため、材料や配置位置の選定の自由度が増し、燃料電池セルの製造を容易化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１はこの発明の第１実施形態における膜・電極構造体を用いた燃料電池セルの断面図である。
【図２】  図２はこの発明の第２実施形態における膜・電極構造体を用いた燃料電池セルの断面図である。
【図３】  図３はこの発明の第３実施形態における膜・電極構造体を用いた燃料電池セルの断面図である。
【図４】  図４はこの発明の実施形態における額状の第１シール部材の製造に用いる金型の断面図及び額状の第１シール部材の製造工程図である。
【図５】  図５はこの発明の実施形態における額状の第１シール部材の製造工程図である。
【図６】  図６はこの発明の実施形態におけるアノード電極及び額状の第１シール部材の変形例を示す断面図である。
【図７】  図７はこの発明の実施形態におけるアノード電極及び額状の第１シール部材を示す平面図である。
【符号の説明】
１０  燃料電池セル
１２  セパレータ
１４  セパレータ
２０  膜・電極構造体
２２  固体高分子電解質膜
２４  アノード電極
２６  カソード電極
２８  額状の第１シール部材（額状部材）
３０  第２シール部材
３２  第３シール部材
【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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