燃料電池、それを備える燃料電池スタック及び燃料電池の製造方法
【課題】ガス拡散層の周縁部からの反応ガスのリークを抑制しつつ、触媒層には反応ガスを充分に供給することができ、また、燃料電池の低コスト化及び製造プロセス簡素化を図ることができる、燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】電解質層１と該電解質層１の周縁部より内方の部分を挾持するように設けられた一対の触媒層２ａ、２ｂを有する膜−触媒層接合体１２と、導電性粒子とバインダー樹脂とを含んで通気性を有するように形成され、一対の触媒層２ａ、２ｂのそれぞれを覆うように形成された一対のシート３ａ、３ｂと、一対の導電性のセパレータ７ａ、７ｂと、を備え、シート３ａ、３ｂは、その厚み方向から見て、触媒層２ａ、２ｂからその周縁部が全周に亘ってはみ出すように配置されている、燃料電池。
【解決手段】電解質層１と該電解質層１の周縁部より内方の部分を挾持するように設けられた一対の触媒層２ａ、２ｂを有する膜−触媒層接合体１２と、導電性粒子とバインダー樹脂とを含んで通気性を有するように形成され、一対の触媒層２ａ、２ｂのそれぞれを覆うように形成された一対のシート３ａ、３ｂと、一対の導電性のセパレータ７ａ、７ｂと、を備え、シート３ａ、３ｂは、その厚み方向から見て、触媒層２ａ、２ｂからその周縁部が全周に亘ってはみ出すように配置されている、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、それを備える燃料電池スタック及び燃料電池の製造方法、特に、高分子電解質形燃料電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜を用いて、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを白金等の触媒層を有するガス拡散電極で電気化学的に反応させ、電気と熱を同時に発生させるものである。
【０００３】
ここで、図９に従来のＰＥＦＣの単電池（セル）の構成を示す。
【０００４】
図９に示すように、ＰＥＦＣのセルは、高分子電解質膜１及び一対のガス拡散電極（アノード４ａ及びカソード４ｂ）から構成されるＭＥＡ５（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極積層体）と、一対の導電性のセパレータ７ａ、７ｂと、を備えている。
【０００５】
高分子電解質膜１の両面には、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層２ａ、２ｂが配置されている。また、触媒層２ａ、２ｂの外面には、集電作用、ガス透過性、及び撥水性を有する一対のガス拡散層（ＧＤＬ）３ａ、３ｂがそれぞれ配置されている。このＭＥＡ５を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ５同士を互いに電気的に直列に接続するための板状のセパレータ板７ａ、７ｂが配置されている。
【０００６】
ところで、充分なガス透過性を得る観点から、炭素繊維（カーボンペーパーまたはカーボン繊維織布）からなる基材の表面にカーボン層が設けられた高分子固体電解質燃料電池用接合体（ガス拡散層）が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている高分子固体電解質燃料電池用接合体では、炭素繊維からなる基材の多孔度がカーボン層に比べて高いため、反応ガスが基材を通して燃料電池の外部にリークしやすい。
【０００７】
このため、従来の燃料電池では、ガス拡散層から反応ガス等の漏洩を防止する観点から、ＭＥＡ５のガス拡散電極の周囲を囲むように、ガスケットが配設されている。
【０００８】
また、ガス拡散層からのガスのリークを防止するために、液状パーフルオロゴムの加硫物よりなる積層型燃料電池用シール材が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１９７２０２号公報
【特許文献２】特開２０００−１２０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１の高分子固体電解質燃料電池用接合体を用いた燃料電池では、ガス拡散層とガスケットを別々に使用する必要が生じ、材料コストの増加や燃料電池用セルを製造するプロセスが複雑化していた。また、ガス拡散層の厚さによって、ガスケットの厚さを調整する必要が生じ、その組み合わせに不都合があった場合、接触抵抗の増加やガスリークが生じるおそれがあった。
【００１０】
また、上記特許文献２のシール材では、加硫物を使用しているため、該加硫物が燃料電池内に流出するおそれがあった。また、流出した加硫物により触媒が劣化するため、電池性能の低下を引き起こすおそれがあった。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を鑑みてなされたものであり、ガス拡散層の周縁部からの反応ガスのリークを抑制しつつ、触媒層には反応ガスを充分に供給することができ、また、燃料電池の低コスト化及び製造プロセス簡素化を図ることができる、燃料電池、それを備える燃料電池スタック及び燃料電池の製造方法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】
【００１２】
本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、導電性粒子とバインダー樹脂から構成されるシートが、ガス拡散層とガスケットの両方の役割を果たすことができることを見出し、本発明を想到した。
【００１３】
すなわち、本発明に係る燃料電池は、電解質層と該電解質層の周縁部より内方の部分を挾むように設けられた一対の触媒層を有する膜−触媒層接合体と、導電性粒子とバインダー樹脂とを含んで通気性を有するように形成され、前記一対の触媒層のそれぞれを覆うように配置された一対のシートと、前記膜−触媒層接合体及び前記一対のシートを挟持するように配設された一対の導電性で板状のセパレータと、を備え、前記シートは、その厚み方向から見て、前記触媒層からその周縁部が全周に亘ってはみ出すように配置されている。
【００１４】
本発明に係る燃料電池では、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材を用いずに、バインダー樹脂と導電性粒子とを含むシートでガス拡散層とガスケットを兼ねている。
【００１５】
詳細に説明すると、通常、燃料電池のガス拡散層の厚みは、燃料電池の外周からマニホールド孔までの長さよりも充分に小さい。また、本発明に係る燃料電池のバインダー樹脂と導電性粒子とを含むシートは、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材よりも多孔度が低く、反応ガスが、シートの厚み方向には充分に移動できる程度の所定の多孔度となるように構成されている。このため、本発明に係る燃料電池では、シートの中央部が、ガス拡散層としての役割を果たす。
【００１６】
一方、シートの周縁部においては、シートの厚みに比べて、シートの外周からマニホールド孔までの長さが大きいため、ガスに対する流体抵抗が充分に大きく、シートの外周にまで到る反応ガスは、非常に少ない。このため、燃料電池外への反応ガスのリークを抑制することができる。従って、本発明に係る燃料電池では、シートの周縁部が、ガスケットとしての役割を果たす。
【００１７】
このように、本発明に係る燃料電池では、バインダー樹脂と導電性粒子とを含むシートが、ガス拡散層とガスケットの両方の役割を果たすことにより、シートの外周からの反応ガスのリークを抑制し、かつ、触媒層には充分に反応ガスを供給することができ、また、燃料電池の低コスト化及び製造プロセス簡素化を図ることができる。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートの周縁部より内方の部分（以下、中央部）の多孔度が４０％以上、かつ、９５％以下であってもよい。
【００１９】
ここで、本発明における多孔度は、シートを構成する材料の真密度を用い、作製したシートの見かけ真密度を算出することにより求める方法を用いた。具体的には、多孔度算出用に作製したシートを打ち抜いて、２０ｍｍ径の寸法とし、その重量及び厚さを測定する。そして、これらの測定値から得られたシートの密度を用い、多孔度＝（作製シートの密度）／（見かけ真密度）・・・（１）により求めた。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートの周縁部の多孔度が前記シートの中央部の多孔度以下であってもよい。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートの周縁部の多孔度が前記シートの中央部の多孔度より小さくてもよい。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートの周縁部の多孔度が０％以上、かつ、４０％以下であってもよい。
【００２３】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、１．０以下であってもよい。
【００２４】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、１．０未満であってもよい。
【００２５】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、０．５以上、かつ、１．０未満であることが好ましい。
【００２６】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートは、前記バインダー樹脂と前記導電性粒子とを含む混合物を圧延し、焼成することにより形成されたシートであってもよい。
【００２７】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートは、その周縁部に、さらに樹脂を含浸させて形成したシートであってもよい。
【００２８】
また、本発明に係る燃料電池では、前記バインダー樹脂がフッ素樹脂であってもよい。
【００２９】
また、本発明に係る燃料電池では、前記導電性粒子がカーボンであってもよい。
【００３０】
さらに、本発明に係る燃料電池では、前記セパレータの前記シートと接触する主面の周縁部に凸部が形成されていてもよい。
【００３１】
また、本発明に係る燃料電池スタックは、前記燃料電池を複数積層して締結されている。
【００３２】
また、本発明に係る燃料電池の製造方法は、電解質層の両面に触媒層を形成して電解質層−触媒層接合体を得る工程と、導電性粒子とバインダー樹脂とを含む混合物を圧延し、焼成することによりシートを形成する工程と、前記電解質層−触媒層接合体に前記シートを接合する工程と、を有する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の燃料電池、それを備える燃料電池スタック、及び燃料電池の製造方法によれば、バインダー樹脂と導電性粒子とを含むシートが、ガス拡散層とガスケットの両方の役割を果たすことにより、構成部材数が削減可能となり、燃料電池の低コスト化及び製造プロセス簡素化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
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。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３５】
（実施の形態１）
[燃料電池スタックの構成]
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。図２は、図１に示す燃料電池スタックの燃料電池を模式的に示す断面図であり、燃料電池スタックを締結する前の状態を示したものである。なお、図１及び図２においては、一部を省略している。
【００３６】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池（単セル）１１を備えている。そして、これらの燃料電池１１が積層されて、その両端に集電板及び絶縁板（いずれも図示せず）をそれぞれ配設し、絶縁板の両側に端板（図示せず）をそれぞれ配置して、締結具（図示せず）で締結されて、燃料電池スタック１００が形成される。なお、燃料電池１１は、ここでは、高分子電解質形燃料電池で構成されている。
【００３７】
以下、図１及び図２を参照しながら、燃料電池の構成について説明する。
【００３８】
[燃料電池の構成]
図１及び図２に示すように、燃料電池１１は、膜−触媒層接合体１２と、一対のシート３ａ、３ｂと、アノードセパレータ７ａと、カソードセパレータ７ｂと、を備えている。一対のシート３ａ、３ｂが、膜−触媒体接合体１２を挟んでＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極接合体）５が形成され、該ＭＥＡ５をアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂで挾持されて、燃料電池１１が形成されている。
【００３９】
まず、膜−触媒層接合体１２について、説明する。
【００４０】
膜−触媒層接合体１２は、高分子電解質膜（電解質層）１と、アノード触媒層２ａと、カソード触媒層２ｂと、を有している。高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するように、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂが、それぞれ配設されている。アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂは、ここでは、高分子電解質膜１と相似の矩形に形成されており、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、その外周が一致するように形成されている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、燃料ガス供給用マニホールド孔２１等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
【００４１】
なお、高分子電解質膜１は、固体電解質からなり、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性を有する。高分子電解質膜１としては、特に限定されるものではなく、通常の固体高分子形燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができ、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（例えば、米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（商品名）等）を使用することができる。
【００４２】
また、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂは、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の燃料電池におけるガス拡散電極の触媒層と同様の構成を有していてもよく、例えば、電極触媒（例えば、白金）が担持された導電性炭素粒子（粉末）と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質と、を含むような構成であってもよく、また、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水材料を更に含むような構成であってもよい。また、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの構成は、同一であってもよく、異なっていてもよい。
【００４３】
次に、ＭＥＡ５を形成する一対のシート３ａ、３ｂの構成について説明する。なお、シート３ａとシート３ｂは、実質的に同じ構成であるため、以下の説明においては、シート３ａについてのみ説明する。
【００４４】
図３は、図２に示す燃料電池１１のＭＥＡ５の概略構成を模式的に示す斜視図である。
【００４５】
図２及び図３に示すように、シート３ａは、ここでは、高分子電解質膜１と相似の矩形に形成されており、燃料電池１１の積層方向（シート３ａの厚み方向）から見て、高分子電解質膜１と実質的に一致するように形成されている。なお、シート３ａの周縁部３ａ１には、燃料ガス供給用マニホールド孔２１等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
【００４６】
また、シート３ａは、燃料電池１１の積層方向から見て、アノード触媒層２ａの外周より内方に位置する中央部３ａ１と、アノード触媒層２ａの外周からはみ出た周縁部３ａ２と、を有しており、燃料電池スタック１００が締結されたときに、シート３ａの厚みよりも、シート３ａの外周から各マニホールド孔までの長さＬ（以下、シート３ａの周縁の幅Ｌという）が大きくなるように構成されている。
【００４７】
具体的には、本実施の形態においては、シート３ａの厚みは、１８０μｍとなるように形成されており、シート３ａの周縁の幅Ｌは、５ｍｍになるように形成されている。また、本実施の形態におけるシート３ａは、後述するように導電性粒子とバインダー樹脂を含む混合物を圧延し、焼成することにより、その多孔度は、炭素繊維等の基材に樹脂を含浸した従来のガス拡散層に比べて低くなるように構成されている。なお、導電性粒子とバインダー樹脂を含む混合物の組成や焼成の条件を変更することにより、炭素繊維等の基材に樹脂を含浸した従来のガス拡散層と同等の多孔度も形成することは可能である。
【００４８】
このため、シート３ａの中央部３ａ１においては、その厚みが小さいために、ガスに対する厚み方向の流体抵抗が小さく、燃料ガスが厚み方向には、容易に移動することができ、アノード触媒層２ａに燃料ガスを供給することができる。一方、シート３ａの周縁部３ａ２においては、シート３ａの周縁の幅Ｌが大きいために、ガスに対する面方向（主面に平行な方向）の流体抵抗が大きく、燃料ガスの移動が妨げられ、シート３ａの外周にまで到る燃料ガスが、非常に少ない。これにより、燃料電池スタック１００の外部に燃料ガスがリークするのを抑制することができる。なお、ここでは、シート３ａの厚みを２００μｍとし、周縁の幅Ｌを５ｍｍとしたが、これに限定されず、シート３ａの厚み及び周縁の幅Ｌは、その多孔度と供給される燃料ガスの流量によって適宜設計される。
【００４９】
そして、このように構成されたシート３ａ、３ｂで、膜−触媒層接合体１２を挟むようにして両者を接合することにより、図１に示すように、シート３ａ、３ｂのそれぞれの一方の主面（以下、内面という）には、凹部２５ａ、２５ｂが形成される。また、シート３ａ、３ｂの内面は、それぞれ、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの主面と、高分子電解質膜１の主面の周縁部と、接触する。具体的には、シート３ａ、３ｂの中央部３ａ１、３ｂ１が、それぞれ、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの主面と接触し、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２が、高分子電解質膜１の主面の周縁部と接触する。なお、アノード触媒層２ａとシート３ａが、アノード４ａを構成し、カソード触媒層２ｂとシート３ｂが、カソード４ｂを構成する。
【００５０】
次に、シート３ａの組成について説明する。
【００５１】
シート３ａは、バインダー樹脂と導電性粒子とを含んでいる。バインダー樹脂としては、例えば、フッ素樹脂が挙げられ、導電性粒子としては、例えば、カーボンからなる粒子が挙げられる。
【００５２】
フッ素樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（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）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等が挙げられ、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点からＰＴＦＥが好ましい。ＰＴＦＥの原料としては、ディスパージョン及び粉末状の形状があげられるが、ディスパージョンが、作業性の点から好ましい。
【００５３】
また、カーボン材料としては、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等が挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。シート３ａの多孔度を小さくして、燃料電池１１の外部への反応ガスのリークを抑制する観点から、複数の材料を組み合わせて使用することが好ましい。また、上記カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状でもよい。なお、シート３ａの多孔度を小さくする観点から、カーボン材料の原料形態は、その粒子が小さい方が好ましい。
【００５４】
そして、シート３ａは、バインダーとしての機能を奏させる観点から、バインダー樹脂が、５重量％以上含まれていることが好ましく、シート３ａを均一な厚さにするための圧延プロセス時の条件を簡易にする観点から、５０重量％以下で含まれていることが好ましい。また、上記と同様の観点から、１０〜３０重量％の量で含まれていることがより好ましい。
【００５５】
なお、シート３ａには、バインダー樹脂及び導電性粒子以外に、分散溶媒、界面活性剤等が含まれていてもよい。分散溶媒としては、水、メタノールやエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。また、界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等のノニオン系、アルキルアミンオキシド等の両性イオン系が挙げられる。また、分散溶媒量、界面活性剤量は、シート３ａを構成する導電性粒子の材料（カーボン材料）、バインダー樹脂（フッ素樹脂）の種類、バインダー樹脂（フッ素樹脂）と導電性粒子（カーボン）の配合比等により適宜選択可能である。一般的には、分散溶媒量、界面活性剤量が多いほど、バインダー樹脂（フッ素樹脂）と導電性粒子（カーボン）が均一分散しやすいが、流動性が高くなり、シート化が難しくなる傾向がある。
【００５６】
次に、燃料電池１１の残りの構成である、アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂについて説明する。
【００５７】
図１に示すように、ＭＥＡ５のシート３ａ、３ｂの他方の主面（以下、外面という）を挟むように、導電性を有する板状のアノードセパレータ７ａとカソードセパレータ７ｂが配設されている。なお、これらのセパレータ７ａ、７ｂの周縁部には、燃料ガス供給用マニホールド孔２１等の各マニホールド孔が設けられている
これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の燃料電池１１をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ７ａ、７ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
【００５８】
アノードセパレータ７ａのアノード４ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、アノード４ａに燃料ガスを供給し、電極反応により生成した生成物（例えば、水分）や未反応の燃料ガスをＭＥＡ５の外部に運び去るための溝状の燃料ガス流路８が、燃料ガス供給用マニホールド孔２１と図示されない燃料ガス排出用マニホールド孔を接続するように設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が、図示されない冷却媒体供給用マニホールド孔と図示されない冷却媒体排出用マニホールド孔を接続するように設けられている。なお、燃料ガス流路８は、ここでは、サーペンタイン状に形成されており（図示せず）、同様に、冷却媒体流路１０は、サーペンタイン状に形成されている（図示せず）。
【００５９】
同様に、カソードセパレータ７ｂのカソード４ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、カソード４ｂに酸化剤ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の燃料ガスをＭＥＡ５の外部に運び去るための溝状の酸化剤ガス流路９が、図示されない酸化剤ガス供給用マニホールド孔と図示されない酸化剤ガス排出用マニホールド孔を接続するように設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が、図示されない冷却媒体供給用マニホールド孔と図示されない冷却媒体排出用マニホールド孔を接続するように設けられている（図示せず）。
【００６０】
これにより、アノード４ａ及びカソード４ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の冷却媒体を冷却媒体流路１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われ、発電中の燃料電池１１内の温度をほぼ一定に調節することができる。
【００６１】
なお、本実施の形態においては、燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９、及び冷却媒体流路１０を、サーペンタイン状に形成されているとしたが、これに限定されず、セパレータ７ａ、７ｂの主面のほぼ全域を反応ガス、又は冷却媒体が通流することができれば、どのような形状であってもよい。
【００６２】
そして、このように構成された燃料電池１１を積層することによって、高分子電解質膜１等に設けられた燃料ガス供給用マニホールド孔２１等の各マニホールド孔は、積層方向につながって、燃料ガス供給用マニホールド３１等の各マニホールドを構成する。
【００６３】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００の製造方法について説明する。なお、以下に説明するようにして、製造したＭＥＡ５を用いて、燃料電池１１及び燃料電池スタック１００を製造する方法は、特に限定されず、公知の高分子電解質形燃料電池の製造技術を採用することができるため、詳細な説明を省略する。
【００６４】
[ＭＥＡの製造方法]
まず、シート３ａ、３ｂの製造方法について説明する。
【００６５】
シート３ａ、３ｂは、バインダー樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造する。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌・混錬機に投入後、混錬して粉砕・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。ついで、バインダー樹脂であるフッ素樹脂をさらに攪拌・混錬機に投下して、攪拌及び混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒、界面活性剤を除去することでシート３ａ、３ｂが得られる。なお、界面活性剤は、導電性粒子の材料（カーボン材料）、分散溶媒の種類により適宜選択でき、また、界面活性剤を使用しなくてもよい。
【００６６】
次に、膜−触媒層接合体１２の製造方法について説明する。
【００６７】
まず、炭素粉末に白金を担持させた触媒体と、Ｎａｆｉｏｎ分散液（米国Ａｌｄｒｉｃｈ社製）と、溶媒（例えば、水、エタノール等）を混合した溶液を用意する。ついで、この混合溶液を用いて、高分子電解質膜１の両面にスクリーン印刷法により、印刷して乾燥することにより、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂが形成され、膜−触媒層接合体１２が得られる。
【００６８】
そして、このようにして得られた膜−触媒層接合体１２をシート３ａ、３ｂで挟んで、ホットプレス接合することにより、ＭＥＡ５が得られる。
【００６９】
なお、本実施の形態においては、高分子電解質膜１の両面にアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂを形成して、膜−触媒層接合体１２を作製してから、シート３ａ,３ｂを接合して、ＭＥＡ５を作製したが、これに限定されず、シートの一方の主面に触媒層を形成して、該シートと触媒層を接合してシート−触媒層接合体を作製し、このシート−触媒層接合体で高分子電解質膜１を挟んで接合することにより、ＭＥＡ５を作製してもよい。
【００７０】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００の作用効果について、燃料電池スタック１００の動作と併せて説明する。
【００７１】
[燃料電池スタックの作用効果]
まず、燃料電池スタック１００の図示されない燃料ガス供給用マニホールドに燃料ガスが供給され、また、図示されない酸化剤ガス供給用マニホールドに酸化剤ガスが供給される。燃料ガス供給用マニホールドに供給された燃料ガス及び酸化剤ガス供給用マニホールドに供給された酸化剤ガスは、それぞれ、各燃料電池１１の燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９に供給され、それぞれの流路を通流する。シート３ａ、３ｂは、それぞれ、溝状の燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９の開口部分を覆うように配設されていることから、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９を通流する燃料ガス及び酸化剤ガスの一部が、濃度拡散により、シート３ａ、３ｂに移動する。
【００７２】
本実施の形態においては、シート３ａ、３ｂの多孔度が同じになるように構成されており、その多孔度は、反応ガスが厚み方向に移動することができるように調整されている。また、シート３ａ、３ｂの厚みに比べて、周縁部３ａ２、３ｂ２の長さが充分に大きくなるように構成されている。
【００７３】
このため、シート３ａ、３ｂの中央部３ａ１、３ｂ１においては、その厚みが小さいために、ガスに対する厚み方向の流体抵抗が小さく、燃料ガス及び酸化剤ガスが、シート３ａ、３ｂの厚み方向には、濃度拡散によって容易に移動することができ、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂに燃料ガス及び酸化剤ガスを充分に供給することができる。一方、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２においては、シート３ａ、３ｂの周縁の幅Ｌが大きいために、ガスに対する面方向の流体抵抗が大きく、濃度拡散による燃料ガス及び酸化剤ガスの移動が妨げられ、シート３ａ、３ｂの外周にまで到る燃料ガス及び酸化剤ガスが、非常に少ない。これにより、燃料電池スタック１００の外部に燃料ガス及び酸化剤ガスがリークするのを抑制することができる。
【００７４】
そして、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂでは、供給された燃料ガス及び酸化剤ガスが、電気化学反応をして熱と電気を発生する。この電気化学反応により発生した熱は、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体が回収して、燃料電池スタック１００外に排出される。また、未反応の燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ、燃料ガス排出用マニホールド及び酸化剤ガス排出用マニホールドを通流して、燃料電池スタック１００外に排出される。
【００７５】
このように、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００では、シート３ａ、３ｂが、その中央部３ａ１、３ｂ１においては、ガス拡散層としての役割を果たし、周縁部３ａ２、３ｂ２においては、ガスケットとしての役割を果たすため、構成部材数が削減可能となり、燃料電池の低コスト化及び製造プロセス簡素化が可能となる。
【００７６】
なお、本実施の形態１においては、シート３ａの外周は、燃料電池スタック１００を締結したときに、シート３ａとシート３ｂが接触して短絡を防止する観点から、燃料電池１１の積層方向から見て、高分子電解質膜１の外周と一致するように構成されたが、これに限定されず、シート３ａとシート３ｂが接触しない程度であれば、高分子電解質膜１の外周からはみ出してもよい。また、シート３ａの外周は、反応ガス（燃料ガス）のリークを抑制することができる程度の周縁部３ａ２の長さになる位置であれば、高分子電解質膜１の外周より内方に位置してもよい。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図４においては、一部を省略している。
【００７７】
図４に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックは、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２の多孔度が、中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度よりも小さくなるように構成されている点が異なる。
【００７８】
具体的には、アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの内面における周縁部には、それぞれ、全周に亘って、厚み方向に突出する突起部４１が形成されている。該突起部４１の高さは、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの厚みよりも大きくなるように構成されている。また、突起部４１は、アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの厚み方向から見て、その外周がアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの外周と一致するように形成され、また、その内周は、燃料ガス供給用マニホールド孔２１等の各マニホールド孔とアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの外周との間に位置するように形成されている。
【００７９】
これにより、燃料電池スタック１００を締結したときに、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２のアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの突起部４１と接触する部分が、他の部分に比べて圧縮され、多孔度が小さくなる。このため、本実施の形態２に係る燃料電池スタック１００では、シート３ａ、３ｂの外周から燃料電池外への反応ガスのリークがより抑制することができる。
【００８０】
なお、本実施の形態２においては、突起部４１の外周をアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの外周と一致するように形成し、その内周を各マニホールド孔とアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの外周との間に位置するように形成したが、これに限定されず、反応ガスの燃料電池スタック１００外へのリークを充分に抑制することができれば、突起部４１の外周と内周の位置は限定されない。
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【００８１】
図５に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックの燃料電池１１は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００の燃料電池１１と基本的構成は同じであるが、未加工のシート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２に、全周に亘って、厚み方向に突出する突起部５１が形成されている点が異なる。
【００８２】
具体的には、突起部５１は、未加工のシート３ａ、３ｂの中央部３ａ１、３ｂ１の主面から、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの厚みよりも大きくなるように突出している。また、突起部５１は、ここでは、アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの厚み方向から見て、その外周がアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの外周と一致し、また、その内周は、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの外周と一致するように形成されている。
【００８３】
そして、このように構成された未加工のシート３ａ、３ｂを平板プレス機等で厚み方向に圧縮することにより、突起部５１が圧縮され、中央部３ａ１、３ｂ１の主面と周縁部３ａ２、３ｂ２の主面が面一になる。
【００８４】
これにより、加工後のシート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２が、中央部３ａ１、３ｂ１に比べて多孔度が小さくなり、本実施の形態３に係る燃料電池スタックでは、シート３ａ、３ｂの外周から燃料電池外への反応ガスのリークがより抑制することができる。
【００８５】
なお、本実施の形態３においては、突起部５１の外周をアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの外周と一致するように形成し、その内周をアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの外周と一致するように形成したが、これに限定されず、反応ガスの燃料電池スタック１００外へのリークを充分に抑制することができれば、突起部５１の外周及び内周の位置は限定されない。
【００８６】
また、本実施の形態３においては、突起部５１を燃料電池スタックを締結する前にプレス機で圧縮したが、これに限定されず、燃料電池スタックを締結するときに、その締結圧で圧縮してもよい。
（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図６においては、一部を省略している。
【００８７】
図６に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックは、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２に樹脂を含浸させて、その多孔度が、中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度よりも小さくなるように構成されている点が異なる。
【００８８】
具体的には、所定量の樹脂（例えば、ＰＴＦＥ樹脂）と界面活性剤（例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル）を溶媒（例えば、水）に溶解させて、溶液を作製し、該溶液にシート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２を浸漬させて、焼成することにより、界面活性剤と溶媒を除去することで周縁部３ａ２、３ｂ２に樹脂を含浸させることができる。
【００８９】
これにより、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２の多孔度が、中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度よりも小さくなり、本実施の形態４に係る燃料電池スタックでは、シート３ａ、３ｂの外周から燃料電池外への反応ガスのリークがより抑制することができる。また、このような樹脂を含浸させることにより、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２の電気絶縁性が向上するため、短絡をより抑制することができる。
【００９０】
なお、本実施の形態４においては、樹脂として、ＰＴＦＥ樹脂を使用したが、これに限定されず、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２の多孔度が、中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度よりも小さくすることができれば、例えば、フェノール樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル樹脂、ABS樹脂、ポリプロピレン、液晶性ポリマー、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン、ガラス繊維強化樹脂等の樹脂を使用してもよい。
（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図７においては、一部を省略している。
【００９１】
図７に示すように、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタックは、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、高分子電解質膜１の周縁部にサブガスケット６を配設し、該サブガスケット６の厚みの分だけがシート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２が圧縮されて、周縁部３ａ２、３ｂ２の多孔度が、中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度よりも小さくなるように構成されている点が異なる。
【００９２】
具体的には、サブガスケット６は、環状で、かつ、矩形に形成されており、その主面には、中央開口（内周）が設けられている。該中央開口は、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの主面より若干大きく形成されていて、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂを囲むように配設されている。また、サブガスケット６の中央開口を形成する内周面には、凹部が形成されており、該凹部に、高分子電解質膜１の周縁部が嵌合している。
【００９３】
そして、サブガスケット６の高分子電解質膜１の主面からの高さは、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの厚みよりも充分に大きくなるように構成されている。
【００９４】
これにより、燃料電池スタックを締結したときに、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２のサブガスケット６の主面と当接する部分が、他の部分よりも圧縮されて、その多孔度が、他の部分よりも小さくなる。このため、本実施の形態５に係る燃料電池スタックでは、シート３ａ、３ｂの外周から燃料電池外への反応ガスのリークがより抑制することができる。
【００９５】
なお、サブガスケット６を構成する材料としては、ガスシール性と適度な剛性を有していれば、特に限定されず、例えば、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）等の樹脂フィルム、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素系の合成樹脂フィルム、フッ素系合成樹脂シート等のゴム状シート（フッ素ゴムからなるシート等）、又は弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等が挙げられる。
【００９６】
また、本実施の形態５においては、高分子電解質膜１の外周を、アノードセパレータ７ａの外周より小さくし、サブガスケット６の内周面に形成された凹部に嵌合するように形成したが、これに限定されず、高分子電解質膜１の外周を、アノードセパレータ７ａの外周と一致するように形成し、一対の環状で、かつ、矩形に形成されたサブガスケット６で高分子電解質膜１の周縁部を挟みこむ構成としてもよい。
【実施例】
【００９７】
以下に、実施例を用いて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、これらにのみ限定されるものではない。
【００９８】
まず、シートの作製試験を行った。
【００９９】
[シート作製試験]
（試験例１）
試験例１では、カーボンブラック１００ｇ（電気化学工業株式会社製デンカブラック）、グラファイト１００ｇ（和光純薬工業株式会社製）、界面活性剤（Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ）２０ｇ、及び分散溶媒として水２００ｇをミキサーに投入し、１００ｒｐｍで６０分間、混合した。ついで、混合物に、ＰＴＦＥがシート中に２３重量％含まれるように、ＰＴＦＥディスパージョン（旭硝子株式会社製ＡＤ９１１、固形分比約６０重量％）１００ｇをミキサーに投入して、さらに、１００ｒｐｍで３０分間攪拌した。
【０１００】
得られた混合物を延伸ロール機（ギャップを２００μmに設定）にて圧延し、焼成炉内にて、３５０℃で３時間焼成をし、界面活性剤と水を除去した。その結果、厚さ１８０μm、１５０ｍｍ角の大きさのシートが得られた。
【０１０１】
（試験例２）
試験例２では、試験例１と同じように、ミキサーにカーボンブラック等を投入して、混合物を作製し、ＰＴＦＥがシート中に約５重量％含まれるように、ＰＴＦＥディスパージョンを１７ｇミキサーに投入した。ミキサーを１００ｒｐｍで３０分間攪拌したが、ＰＴＦＥ量が少ないために充分なバインダー効果が得られなかった。また、回転数及び攪拌時間を増加させたが、顕著な変化は見られず、シートを作製することができなかった。
【０１０２】
（試験例３）
試験例３では、試験例１と同じように、ミキサーにカーボンブラック等を投入して、混合物を作製し、ＰＴＦＥがシート中に約５５重量％含まれるように、ＰＴＦＥディスパージョンを４１０ｇミキサーに投入して、ミキサーを１００ｒｐｍで３０分間攪拌した。攪拌後の混合物を確認したところ、バインダー効果が強すぎて、硬く団子状となっていた。ギャップ条件を変えて延伸ロール機に通したが、広がりにくく、均一なシートを作製できなかった。
【０１０３】
次に、以下のようにして、燃料電池を作製して、ガスリーク量を測定する試験を行った。
【０１０４】
[ガスリーク量測定試験]
まず、燃料電池の作製について説明する。
（実施例１）
実施例１では、試験例１で作製したシートを用いて、実施の形態１に係る燃料電池１１の構成となるように作製した。
【０１０５】
まず、１５０ｍｍ角の高分子電解質膜（ＤｕＰｏｎｔ社製 Ｎａｆｉｏｎ１１２（商品名））１の両面に白金坦持カーボン（田中貴金属社製 ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）とイオン交換樹脂（Ａｌｄｒｉｃｈ社製 Ｎａｆｉｏｎ分散液）の混合物を塗布して、乾燥することにより、１４５ｍｍ角のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂが形成され、膜−触媒層接合体１２を得た。
【０１０６】
ついで、試験例１で作製したシートを膜−触媒層接合体１２の両面に挟み込んで、ホットプレス接合（８０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ2）してＭＥＡ５を得た。そして、一対の１５０ｍｍ角のセパレータ（東海カーボン製）７ａ、７ｂで、ＭＥＡ５を挟み込んで、位置がずれないようにして、締結圧力が１０ｋｇｆ／ｃｍ2となるまで加圧して締結し、燃料電池１１を作製した。
（実施例２）
実施例２では、実施例１と同じ構成の膜−触媒層接合体１２を使用して、実施の形態２に係る燃料電池１１の構成となるように作製した。
【０１０７】
具体的には、実施例１で用いたセパレータ７ａ、７ｂの周縁部の幅を外周から２ｍｍとし、セパレータの周縁部以外の部分を、周縁部の主面から１００μｍ凹むように切削加工した。そして、このセパレータ７ａ、７ｂを用いて、燃料電池１１を作製した。
【０１０８】
なお、本実施例２では、セパレータ７ａ、７ｂの周縁部以外の部分を、周縁部の主面から１００μｍ凹むように切削加工したが、周縁部をそれ以外の部分の主面から１００μｍ突出するように加工してもよい。
（実施例３）
実施例３では、実施の形態３に係る燃料電池１１の構成となるように作製した。
【０１０９】
具体的には、試験例１と同様の混合物を使いて、中央部３ａ１、３ｂ１の厚みが１８０μｍ、周縁部３ａ２、３ｂ２の幅を２ｍｍとし、また、その厚さが、２５０μｍとなるように、シートを作製した。このシートを平板プレス機で圧縮（室温、５０ｋｇｆ／ｃｍ2）した。圧縮したシートは、周縁部３ａ２、３ｂ２の厚みが、中央部３ａ１、３ｂ１の厚みと同じ１８０μｍと、周縁部３ａ２、３ｂ２の主面と中央部３ａ１、３ｂ１の主面とが面一になった。
【０１１０】
そして、このようにして作製したシートを用いて、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
（実施例４）
実施例４では、周縁部３ａ２、３ｂ２の厚みが２１０μｍとした以外は、実施例３のシートと同様のシートを作製して、平板プレス機で圧縮（室温、５０ｋｇｆ／ｃｍ2）した。圧縮したシートは、周縁部３ａ２、３ｂ２の厚みが、中央部３ａ１、３ｂ１の厚みと同じ１８０μｍと、周縁部３ａ２、３ｂ２の主面と中央部３ａ１、３ｂ１の主面とが面一になった。
【０１１１】
そして、このようにして作製したシートを用いて、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
（実施例５）
実施例５では、周縁部３ａ２、３ｂ２の厚みが２３０μｍとした以外は、実施例３のシートと同様のシートを作製して、平板プレス機で圧縮（室温、５０ｋｇｆ／ｃｍ2）した。圧縮したシートは、周縁部３ａ２、３ｂ２の厚みが、中央部３ａ１、３ｂ１の厚みと同じ１８０μｍと、周縁部３ａ２、３ｂ２の主面と中央部３ａ１、３ｂ１の主面とが面一になった。
【０１１２】
そして、このようにして作製したシートを用いて、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
（実施例６）
実施例６では、実施の形態４に係る燃料電池１１の構成となるように作製した。
【０１１３】
具体的には、ＰＴＦＥディスパージョン（ダイキン工業製Ｄ−１）をＰＴＦＥ濃度が１０重量％となるように水で希釈した溶液を作製し、実施例１で作製したシート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２（幅２ｍｍ）をこの溶液に浸漬させた。ついで、３００℃で３０分間焼成を行い、周縁部３ａ２、３ｂ２がＰＴＦＥ樹脂を含有したシートを作製した。なお、浸漬前後のシートの重量比を計算することにより、ＰＴＦＥが、約５０重量％付着していることを確認した。
【０１１４】
そして、このようにして作製したシートを用いて、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
（実施例７）
実施例７では、実施例６で用いたＰＴＦＥディスパージョンの代わりに、フェノール樹脂（住友ベークライト製スミライトレジン）を用いて、シートを作製し、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
（実施例８）
実施例８では、実施の形態５に係る燃料電池１１の構成となるように作製した。
【０１１５】
具体的には、１５０ｍｍ角の高分子電解質膜（ＤｕＰｏｎｔ社製 Ｎａｆｉｏｎ１１２（商品名））１を予めＰＥＮ樹脂からなる環状で、かつ、略矩形のサブガスケット（外寸１５０ｍｍ角、中央開口１４５ｍｍ角、厚さ１７０μｍ）６の内周面の凹部に嵌合した。ついで、白金坦持カーボン（田中貴金属社製ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）とイオン交換樹脂（旭硝子株式会社製Ｆｌｅｍｉｏｎ）の混合物を、サブガスケット６の中央開口部分に塗布後、乾燥して膜−触媒層接合体１２を得た。アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの厚さは、それぞれ１０μｍである。従って、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの主面とサブガスケット６の主面との段差は、それぞれ５０μmとなる。
【０１１６】
そして、この膜−触媒層接合体１２を用いて、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
（比較例１）
比較例１では、シートの中央部の多孔度が、周縁部の多孔度よりも大きいシートを用いて、燃料電池１１を作製した。
具体的には、試験例１と同様の混合物を使いて、中央部３ａ１、３ｂ１の厚みが２００μｍ、周縁部３ａ２、３ｂ２の幅を２ｍｍとし、また、その厚さが、１８０μｍとなるように、シートを作製した。このシートを平板プレス機で圧縮（室温、５０ｋｇｆ／ｃｍ2）した。圧縮したシートは、周縁部３ａ２、３ｂ２の厚みが、中央部３ａ１、３ｂ１の厚みと同じ１８０μｍと、周縁部３ａ２、３ｂ２の主面と中央部３ａ１、３ｂ１の主面とが面一になった。
【０１１７】
そして、このようにして作製したシートを用いて、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
（比較例２）
比較例２では、実施例１のシートの代わりに、撥水処理後のカーボンペーパーにカーボン層インクを塗布した従来型ＧＤＬ（ジャパンゴアテックス社製カーベルＣＦＰ（商品名））を用いて、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
次に、これらの燃料電池を用いて、一定量のヘリウムガスを流し、ヘリウムリークディテクターでガスリーク量を測定した。また、上記実施例１〜８及び比較例１のシートの多孔度をシートの厚さ、面積、重量から多孔度を算出した。具体的には、電極を構成する材料の真密度を用い、作製したシートの見かけ真密度を算出することにより求める方法を用いた。具体的には、多孔度算出用に作製したシートを打ち抜いて、２０ｍｍ径の寸法とし、その重量及び厚さを測定する。そして、これらの測定値から得られたシートの密度を用い、多孔度＝（作製シートの密度） ／（見かけ真密度）・・・（１）により求めた。
【０１１８】
これらの結果を示したのが、図８である。
【０１１９】
図８に示すように、実施例１〜８の燃料電池１１では、シート３ａ、３ｂにおける周縁部３ａ２、３ｂ２の多孔度と中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度の比が、１．０以下であると、ガスリーク量が５ｃｃ以下となり、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２が、ガスケットとしての役割を果たすことが確認された。また、実施例２〜８の燃料電池１１のように、周縁部３ａ２、３ｂ２の多孔度と中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度の比が１未満であると、ガスリーク量が３ｃｃ以下となり、よりガスのリークを抑制することができることが確認された。
【０１２０】
一方、比較例１の燃料電池１１では、ガスのリーク量が３０ｃｃとなったが、これは、シート３ａ、３ｂの中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度が、周縁部３ａ２、３ｂ２よりも高いために、シート３ａ、３ｂの厚み方向への移動よりも面方向への移動の方が容易となり、ガスのリーク量が増加したと考えられる。
【０１２１】
また、比較例２の燃料電池１１では、ガスケットを配設していないために、ヘリウムリークディテクターの測定上限値を超えるほどの大量のガスが燃料電池１１外にリークした。これにより、樹脂を含浸した炭素繊維の表面にカーボン層を形成した従来のＧＤＬでは、ガスのリークを抑制することができないことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明の燃料電池、それを備える燃料電池スタック、及び燃料電池の製造方法は、燃料電池の低コスト化及び製造プロセス簡素化を図ることができるため、燃料電池の分野等で有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池スタックの燃料電池を模式的に示す断面図である。
【図３】図２に示す燃料電池のＭＥＡの概略構成を模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図８】ガスリーク量を測定する試験を行った結果を示す表である。
【図９】従来のＰＥＦＣの単電池（セル）の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１ 高分子電解質膜（電解質層）
２ａ アノード触媒層
２ｂ カソード触媒層
３ａ シート
３ａ１ 中央部
３ａ２ 周縁部
３ｂ シート
３ｂ１ 中央部
３ｂ２ 周縁部
４ａ アノード
４ｂ カソード
５ ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極接合体）
６ サブガスケット
７ａ アノードセパレータ
７ｂ カソードセパレータ
８ 燃料ガス流路
９ 酸化剤ガス流路
１０ 冷却媒体流路
１１ 燃料電池
１２ 膜−触媒層接合体
２１ 燃料ガス供給用マニホールド孔
２５ａ 凹部
２５ｂ 凹部
３１ 燃料ガス供給用マニホールド
４１ 突起部
５１ 突起部
１００ 燃料電池スタック
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、それを備える燃料電池スタック及び燃料電池の製造方法、特に、高分子電解質形燃料電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜を用いて、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを白金等の触媒層を有するガス拡散電極で電気化学的に反応させ、電気と熱を同時に発生させるものである。
【０００３】
ここで、図９に従来のＰＥＦＣの単電池（セル）の構成を示す。
【０００４】
図９に示すように、ＰＥＦＣのセルは、高分子電解質膜１及び一対のガス拡散電極（アノード４ａ及びカソード４ｂ）から構成されるＭＥＡ５（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極積層体）と、一対の導電性のセパレータ７ａ、７ｂと、を備えている。
【０００５】
高分子電解質膜１の両面には、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層２ａ、２ｂが配置されている。また、触媒層２ａ、２ｂの外面には、集電作用、ガス透過性、及び撥水性を有する一対のガス拡散層（ＧＤＬ）３ａ、３ｂがそれぞれ配置されている。このＭＥＡ５を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ５同士を互いに電気的に直列に接続するための板状のセパレータ板７ａ、７ｂが配置されている。
【０００６】
ところで、充分なガス透過性を得る観点から、炭素繊維（カーボンペーパーまたはカーボン繊維織布）からなる基材の表面にカーボン層が設けられた高分子固体電解質燃料電池用接合体（ガス拡散層）が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている高分子固体電解質燃料電池用接合体では、炭素繊維からなる基材の多孔度がカーボン層に比べて高いため、反応ガスが基材を通して燃料電池の外部にリークしやすい。
【０００７】
このため、従来の燃料電池では、ガス拡散層から反応ガス等の漏洩を防止する観点から、ＭＥＡ５のガス拡散電極の周囲を囲むように、ガスケットが配設されている。
【０００８】
また、ガス拡散層からのガスのリークを防止するために、液状パーフルオロゴムの加硫物よりなる積層型燃料電池用シール材が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１９７２０２号公報
【特許文献２】特開２０００−１２０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１の高分子固体電解質燃料電池用接合体を用いた燃料電池では、ガス拡散層とガスケットを別々に使用する必要が生じ、材料コストの増加や燃料電池用セルを製造するプロセスが複雑化していた。また、ガス拡散層の厚さによって、ガスケットの厚さを調整する必要が生じ、その組み合わせに不都合があった場合、接触抵抗の増加やガスリークが生じるおそれがあった。
【００１０】
また、上記特許文献２のシール材では、加硫物を使用しているため、該加硫物が燃料電池内に流出するおそれがあった。また、流出した加硫物により触媒が劣化するため、電池性能の低下を引き起こすおそれがあった。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を鑑みてなされたものであり、ガス拡散層の周縁部からの反応ガスのリークを抑制しつつ、触媒層には反応ガスを充分に供給することができ、また、燃料電池の低コスト化及び製造プロセス簡素化を図ることができる、燃料電池、それを備える燃料電池スタック及び燃料電池の製造方法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】
【００１２】
本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、導電性粒子とバインダー樹脂から構成されるシートが、ガス拡散層とガスケットの両方の役割を果たすことができることを見出し、本発明を想到した。
【００１３】
すなわち、本発明に係る燃料電池は、電解質層と該電解質層の周縁部より内方の部分を挾むように設けられた一対の触媒層を有する膜−触媒層接合体と、導電性粒子とバインダー樹脂とを含んで通気性を有するように形成され、前記一対の触媒層のそれぞれを覆うように配置された一対のシートと、前記膜−触媒層接合体及び前記一対のシートを挟持するように配設された一対の導電性で板状のセパレータと、を備え、前記シートは、その厚み方向から見て、前記触媒層からその周縁部が全周に亘ってはみ出すように配置されている。
【００１４】
本発明に係る燃料電池では、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材を用いずに、バインダー樹脂と導電性粒子とを含むシートでガス拡散層とガスケットを兼ねている。
【００１５】
詳細に説明すると、通常、燃料電池のガス拡散層の厚みは、燃料電池の外周からマニホールド孔までの長さよりも充分に小さい。また、本発明に係る燃料電池のバインダー樹脂と導電性粒子とを含むシートは、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材よりも多孔度が低く、反応ガスが、シートの厚み方向には充分に移動できる程度の所定の多孔度となるように構成されている。このため、本発明に係る燃料電池では、シートの中央部が、ガス拡散層としての役割を果たす。
【００１６】
一方、シートの周縁部においては、シートの厚みに比べて、シートの外周からマニホールド孔までの長さが大きいため、ガスに対する流体抵抗が充分に大きく、シートの外周にまで到る反応ガスは、非常に少ない。このため、燃料電池外への反応ガスのリークを抑制することができる。従って、本発明に係る燃料電池では、シートの周縁部が、ガスケットとしての役割を果たす。
【００１７】
このように、本発明に係る燃料電池では、バインダー樹脂と導電性粒子とを含むシートが、ガス拡散層とガスケットの両方の役割を果たすことにより、シートの外周からの反応ガスのリークを抑制し、かつ、触媒層には充分に反応ガスを供給することができ、また、燃料電池の低コスト化及び製造プロセス簡素化を図ることができる。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートの周縁部より内方の部分（以下、中央部）の多孔度が４０％以上、かつ、９５％以下であってもよい。
【００１９】
ここで、本発明における多孔度は、シートを構成する材料の真密度を用い、作製したシートの見かけ真密度を算出することにより求める方法を用いた。具体的には、多孔度算出用に作製したシートを打ち抜いて、２０ｍｍ径の寸法とし、その重量及び厚さを測定する。そして、これらの測定値から得られたシートの密度を用い、多孔度＝（作製シートの密度）／（見かけ真密度）・・・（１）により求めた。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートの周縁部の多孔度が前記シートの中央部の多孔度以下であってもよい。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートの周縁部の多孔度が前記シートの中央部の多孔度より小さくてもよい。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートの周縁部の多孔度が０％以上、かつ、４０％以下であってもよい。
【００２３】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、１．０以下であってもよい。
【００２４】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、１．０未満であってもよい。
【００２５】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、０．５以上、かつ、１．０未満であることが好ましい。
【００２６】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートは、前記バインダー樹脂と前記導電性粒子とを含む混合物を圧延し、焼成することにより形成されたシートであってもよい。
【００２７】
また、本発明に係る燃料電池では、前記シートは、その周縁部に、さらに樹脂を含浸させて形成したシートであってもよい。
【００２８】
また、本発明に係る燃料電池では、前記バインダー樹脂がフッ素樹脂であってもよい。
【００２９】
また、本発明に係る燃料電池では、前記導電性粒子がカーボンであってもよい。
【００３０】
さらに、本発明に係る燃料電池では、前記セパレータの前記シートと接触する主面の周縁部に凸部が形成されていてもよい。
【００３１】
また、本発明に係る燃料電池スタックは、前記燃料電池を複数積層して締結されている。
【００３２】
また、本発明に係る燃料電池の製造方法は、電解質層の両面に触媒層を形成して電解質層−触媒層接合体を得る工程と、導電性粒子とバインダー樹脂とを含む混合物を圧延し、焼成することによりシートを形成する工程と、前記電解質層−触媒層接合体に前記シートを接合する工程と、を有する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の燃料電池、それを備える燃料電池スタック、及び燃料電池の製造方法によれば、バインダー樹脂と導電性粒子とを含むシートが、ガス拡散層とガスケットの両方の役割を果たすことにより、構成部材数が削減可能となり、燃料電池の低コスト化及び製造プロセス簡素化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
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。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３５】
（実施の形態１）
[燃料電池スタックの構成]
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。図２は、図１に示す燃料電池スタックの燃料電池を模式的に示す断面図であり、燃料電池スタックを締結する前の状態を示したものである。なお、図１及び図２においては、一部を省略している。
【００３６】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池（単セル）１１を備えている。そして、これらの燃料電池１１が積層されて、その両端に集電板及び絶縁板（いずれも図示せず）をそれぞれ配設し、絶縁板の両側に端板（図示せず）をそれぞれ配置して、締結具（図示せず）で締結されて、燃料電池スタック１００が形成される。なお、燃料電池１１は、ここでは、高分子電解質形燃料電池で構成されている。
【００３７】
以下、図１及び図２を参照しながら、燃料電池の構成について説明する。
【００３８】
[燃料電池の構成]
図１及び図２に示すように、燃料電池１１は、膜−触媒層接合体１２と、一対のシート３ａ、３ｂと、アノードセパレータ７ａと、カソードセパレータ７ｂと、を備えている。一対のシート３ａ、３ｂが、膜−触媒体接合体１２を挟んでＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極接合体）５が形成され、該ＭＥＡ５をアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂで挾持されて、燃料電池１１が形成されている。
【００３９】
まず、膜−触媒層接合体１２について、説明する。
【００４０】
膜−触媒層接合体１２は、高分子電解質膜（電解質層）１と、アノード触媒層２ａと、カソード触媒層２ｂと、を有している。高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するように、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂが、それぞれ配設されている。アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂは、ここでは、高分子電解質膜１と相似の矩形に形成されており、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、その外周が一致するように形成されている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、燃料ガス供給用マニホールド孔２１等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
【００４１】
なお、高分子電解質膜１は、固体電解質からなり、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性を有する。高分子電解質膜１としては、特に限定されるものではなく、通常の固体高分子形燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができ、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（例えば、米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（商品名）等）を使用することができる。
【００４２】
また、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂは、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の燃料電池におけるガス拡散電極の触媒層と同様の構成を有していてもよく、例えば、電極触媒（例えば、白金）が担持された導電性炭素粒子（粉末）と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質と、を含むような構成であってもよく、また、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水材料を更に含むような構成であってもよい。また、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの構成は、同一であってもよく、異なっていてもよい。
【００４３】
次に、ＭＥＡ５を形成する一対のシート３ａ、３ｂの構成について説明する。なお、シート３ａとシート３ｂは、実質的に同じ構成であるため、以下の説明においては、シート３ａについてのみ説明する。
【００４４】
図３は、図２に示す燃料電池１１のＭＥＡ５の概略構成を模式的に示す斜視図である。
【００４５】
図２及び図３に示すように、シート３ａは、ここでは、高分子電解質膜１と相似の矩形に形成されており、燃料電池１１の積層方向（シート３ａの厚み方向）から見て、高分子電解質膜１と実質的に一致するように形成されている。なお、シート３ａの周縁部３ａ１には、燃料ガス供給用マニホールド孔２１等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
【００４６】
また、シート３ａは、燃料電池１１の積層方向から見て、アノード触媒層２ａの外周より内方に位置する中央部３ａ１と、アノード触媒層２ａの外周からはみ出た周縁部３ａ２と、を有しており、燃料電池スタック１００が締結されたときに、シート３ａの厚みよりも、シート３ａの外周から各マニホールド孔までの長さＬ（以下、シート３ａの周縁の幅Ｌという）が大きくなるように構成されている。
【００４７】
具体的には、本実施の形態においては、シート３ａの厚みは、１８０μｍとなるように形成されており、シート３ａの周縁の幅Ｌは、５ｍｍになるように形成されている。また、本実施の形態におけるシート３ａは、後述するように導電性粒子とバインダー樹脂を含む混合物を圧延し、焼成することにより、その多孔度は、炭素繊維等の基材に樹脂を含浸した従来のガス拡散層に比べて低くなるように構成されている。なお、導電性粒子とバインダー樹脂を含む混合物の組成や焼成の条件を変更することにより、炭素繊維等の基材に樹脂を含浸した従来のガス拡散層と同等の多孔度も形成することは可能である。
【００４８】
このため、シート３ａの中央部３ａ１においては、その厚みが小さいために、ガスに対する厚み方向の流体抵抗が小さく、燃料ガスが厚み方向には、容易に移動することができ、アノード触媒層２ａに燃料ガスを供給することができる。一方、シート３ａの周縁部３ａ２においては、シート３ａの周縁の幅Ｌが大きいために、ガスに対する面方向（主面に平行な方向）の流体抵抗が大きく、燃料ガスの移動が妨げられ、シート３ａの外周にまで到る燃料ガスが、非常に少ない。これにより、燃料電池スタック１００の外部に燃料ガスがリークするのを抑制することができる。なお、ここでは、シート３ａの厚みを２００μｍとし、周縁の幅Ｌを５ｍｍとしたが、これに限定されず、シート３ａの厚み及び周縁の幅Ｌは、その多孔度と供給される燃料ガスの流量によって適宜設計される。
【００４９】
そして、このように構成されたシート３ａ、３ｂで、膜−触媒層接合体１２を挟むようにして両者を接合することにより、図１に示すように、シート３ａ、３ｂのそれぞれの一方の主面（以下、内面という）には、凹部２５ａ、２５ｂが形成される。また、シート３ａ、３ｂの内面は、それぞれ、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの主面と、高分子電解質膜１の主面の周縁部と、接触する。具体的には、シート３ａ、３ｂの中央部３ａ１、３ｂ１が、それぞれ、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの主面と接触し、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２が、高分子電解質膜１の主面の周縁部と接触する。なお、アノード触媒層２ａとシート３ａが、アノード４ａを構成し、カソード触媒層２ｂとシート３ｂが、カソード４ｂを構成する。
【００５０】
次に、シート３ａの組成について説明する。
【００５１】
シート３ａは、バインダー樹脂と導電性粒子とを含んでいる。バインダー樹脂としては、例えば、フッ素樹脂が挙げられ、導電性粒子としては、例えば、カーボンからなる粒子が挙げられる。
【００５２】
フッ素樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（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）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等が挙げられ、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点からＰＴＦＥが好ましい。ＰＴＦＥの原料としては、ディスパージョン及び粉末状の形状があげられるが、ディスパージョンが、作業性の点から好ましい。
【００５３】
また、カーボン材料としては、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等が挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。シート３ａの多孔度を小さくして、燃料電池１１の外部への反応ガスのリークを抑制する観点から、複数の材料を組み合わせて使用することが好ましい。また、上記カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状でもよい。なお、シート３ａの多孔度を小さくする観点から、カーボン材料の原料形態は、その粒子が小さい方が好ましい。
【００５４】
そして、シート３ａは、バインダーとしての機能を奏させる観点から、バインダー樹脂が、５重量％以上含まれていることが好ましく、シート３ａを均一な厚さにするための圧延プロセス時の条件を簡易にする観点から、５０重量％以下で含まれていることが好ましい。また、上記と同様の観点から、１０〜３０重量％の量で含まれていることがより好ましい。
【００５５】
なお、シート３ａには、バインダー樹脂及び導電性粒子以外に、分散溶媒、界面活性剤等が含まれていてもよい。分散溶媒としては、水、メタノールやエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。また、界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等のノニオン系、アルキルアミンオキシド等の両性イオン系が挙げられる。また、分散溶媒量、界面活性剤量は、シート３ａを構成する導電性粒子の材料（カーボン材料）、バインダー樹脂（フッ素樹脂）の種類、バインダー樹脂（フッ素樹脂）と導電性粒子（カーボン）の配合比等により適宜選択可能である。一般的には、分散溶媒量、界面活性剤量が多いほど、バインダー樹脂（フッ素樹脂）と導電性粒子（カーボン）が均一分散しやすいが、流動性が高くなり、シート化が難しくなる傾向がある。
【００５６】
次に、燃料電池１１の残りの構成である、アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂについて説明する。
【００５７】
図１に示すように、ＭＥＡ５のシート３ａ、３ｂの他方の主面（以下、外面という）を挟むように、導電性を有する板状のアノードセパレータ７ａとカソードセパレータ７ｂが配設されている。なお、これらのセパレータ７ａ、７ｂの周縁部には、燃料ガス供給用マニホールド孔２１等の各マニホールド孔が設けられている
これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の燃料電池１１をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ７ａ、７ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
【００５８】
アノードセパレータ７ａのアノード４ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、アノード４ａに燃料ガスを供給し、電極反応により生成した生成物（例えば、水分）や未反応の燃料ガスをＭＥＡ５の外部に運び去るための溝状の燃料ガス流路８が、燃料ガス供給用マニホールド孔２１と図示されない燃料ガス排出用マニホールド孔を接続するように設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が、図示されない冷却媒体供給用マニホールド孔と図示されない冷却媒体排出用マニホールド孔を接続するように設けられている。なお、燃料ガス流路８は、ここでは、サーペンタイン状に形成されており（図示せず）、同様に、冷却媒体流路１０は、サーペンタイン状に形成されている（図示せず）。
【００５９】
同様に、カソードセパレータ７ｂのカソード４ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、カソード４ｂに酸化剤ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の燃料ガスをＭＥＡ５の外部に運び去るための溝状の酸化剤ガス流路９が、図示されない酸化剤ガス供給用マニホールド孔と図示されない酸化剤ガス排出用マニホールド孔を接続するように設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が、図示されない冷却媒体供給用マニホールド孔と図示されない冷却媒体排出用マニホールド孔を接続するように設けられている（図示せず）。
【００６０】
これにより、アノード４ａ及びカソード４ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の冷却媒体を冷却媒体流路１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われ、発電中の燃料電池１１内の温度をほぼ一定に調節することができる。
【００６１】
なお、本実施の形態においては、燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９、及び冷却媒体流路１０を、サーペンタイン状に形成されているとしたが、これに限定されず、セパレータ７ａ、７ｂの主面のほぼ全域を反応ガス、又は冷却媒体が通流することができれば、どのような形状であってもよい。
【００６２】
そして、このように構成された燃料電池１１を積層することによって、高分子電解質膜１等に設けられた燃料ガス供給用マニホールド孔２１等の各マニホールド孔は、積層方向につながって、燃料ガス供給用マニホールド３１等の各マニホールドを構成する。
【００６３】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００の製造方法について説明する。なお、以下に説明するようにして、製造したＭＥＡ５を用いて、燃料電池１１及び燃料電池スタック１００を製造する方法は、特に限定されず、公知の高分子電解質形燃料電池の製造技術を採用することができるため、詳細な説明を省略する。
【００６４】
[ＭＥＡの製造方法]
まず、シート３ａ、３ｂの製造方法について説明する。
【００６５】
シート３ａ、３ｂは、バインダー樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造する。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌・混錬機に投入後、混錬して粉砕・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。ついで、バインダー樹脂であるフッ素樹脂をさらに攪拌・混錬機に投下して、攪拌及び混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒、界面活性剤を除去することでシート３ａ、３ｂが得られる。なお、界面活性剤は、導電性粒子の材料（カーボン材料）、分散溶媒の種類により適宜選択でき、また、界面活性剤を使用しなくてもよい。
【００６６】
次に、膜−触媒層接合体１２の製造方法について説明する。
【００６７】
まず、炭素粉末に白金を担持させた触媒体と、Ｎａｆｉｏｎ分散液（米国Ａｌｄｒｉｃｈ社製）と、溶媒（例えば、水、エタノール等）を混合した溶液を用意する。ついで、この混合溶液を用いて、高分子電解質膜１の両面にスクリーン印刷法により、印刷して乾燥することにより、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂが形成され、膜−触媒層接合体１２が得られる。
【００６８】
そして、このようにして得られた膜−触媒層接合体１２をシート３ａ、３ｂで挟んで、ホットプレス接合することにより、ＭＥＡ５が得られる。
【００６９】
なお、本実施の形態においては、高分子電解質膜１の両面にアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂを形成して、膜−触媒層接合体１２を作製してから、シート３ａ,３ｂを接合して、ＭＥＡ５を作製したが、これに限定されず、シートの一方の主面に触媒層を形成して、該シートと触媒層を接合してシート−触媒層接合体を作製し、このシート−触媒層接合体で高分子電解質膜１を挟んで接合することにより、ＭＥＡ５を作製してもよい。
【００７０】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００の作用効果について、燃料電池スタック１００の動作と併せて説明する。
【００７１】
[燃料電池スタックの作用効果]
まず、燃料電池スタック１００の図示されない燃料ガス供給用マニホールドに燃料ガスが供給され、また、図示されない酸化剤ガス供給用マニホールドに酸化剤ガスが供給される。燃料ガス供給用マニホールドに供給された燃料ガス及び酸化剤ガス供給用マニホールドに供給された酸化剤ガスは、それぞれ、各燃料電池１１の燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９に供給され、それぞれの流路を通流する。シート３ａ、３ｂは、それぞれ、溝状の燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９の開口部分を覆うように配設されていることから、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９を通流する燃料ガス及び酸化剤ガスの一部が、濃度拡散により、シート３ａ、３ｂに移動する。
【００７２】
本実施の形態においては、シート３ａ、３ｂの多孔度が同じになるように構成されており、その多孔度は、反応ガスが厚み方向に移動することができるように調整されている。また、シート３ａ、３ｂの厚みに比べて、周縁部３ａ２、３ｂ２の長さが充分に大きくなるように構成されている。
【００７３】
このため、シート３ａ、３ｂの中央部３ａ１、３ｂ１においては、その厚みが小さいために、ガスに対する厚み方向の流体抵抗が小さく、燃料ガス及び酸化剤ガスが、シート３ａ、３ｂの厚み方向には、濃度拡散によって容易に移動することができ、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂに燃料ガス及び酸化剤ガスを充分に供給することができる。一方、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２においては、シート３ａ、３ｂの周縁の幅Ｌが大きいために、ガスに対する面方向の流体抵抗が大きく、濃度拡散による燃料ガス及び酸化剤ガスの移動が妨げられ、シート３ａ、３ｂの外周にまで到る燃料ガス及び酸化剤ガスが、非常に少ない。これにより、燃料電池スタック１００の外部に燃料ガス及び酸化剤ガスがリークするのを抑制することができる。
【００７４】
そして、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂでは、供給された燃料ガス及び酸化剤ガスが、電気化学反応をして熱と電気を発生する。この電気化学反応により発生した熱は、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体が回収して、燃料電池スタック１００外に排出される。また、未反応の燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ、燃料ガス排出用マニホールド及び酸化剤ガス排出用マニホールドを通流して、燃料電池スタック１００外に排出される。
【００７５】
このように、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００では、シート３ａ、３ｂが、その中央部３ａ１、３ｂ１においては、ガス拡散層としての役割を果たし、周縁部３ａ２、３ｂ２においては、ガスケットとしての役割を果たすため、構成部材数が削減可能となり、燃料電池の低コスト化及び製造プロセス簡素化が可能となる。
【００７６】
なお、本実施の形態１においては、シート３ａの外周は、燃料電池スタック１００を締結したときに、シート３ａとシート３ｂが接触して短絡を防止する観点から、燃料電池１１の積層方向から見て、高分子電解質膜１の外周と一致するように構成されたが、これに限定されず、シート３ａとシート３ｂが接触しない程度であれば、高分子電解質膜１の外周からはみ出してもよい。また、シート３ａの外周は、反応ガス（燃料ガス）のリークを抑制することができる程度の周縁部３ａ２の長さになる位置であれば、高分子電解質膜１の外周より内方に位置してもよい。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図４においては、一部を省略している。
【００７７】
図４に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックは、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２の多孔度が、中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度よりも小さくなるように構成されている点が異なる。
【００７８】
具体的には、アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの内面における周縁部には、それぞれ、全周に亘って、厚み方向に突出する突起部４１が形成されている。該突起部４１の高さは、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの厚みよりも大きくなるように構成されている。また、突起部４１は、アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの厚み方向から見て、その外周がアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの外周と一致するように形成され、また、その内周は、燃料ガス供給用マニホールド孔２１等の各マニホールド孔とアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの外周との間に位置するように形成されている。
【００７９】
これにより、燃料電池スタック１００を締結したときに、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２のアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの突起部４１と接触する部分が、他の部分に比べて圧縮され、多孔度が小さくなる。このため、本実施の形態２に係る燃料電池スタック１００では、シート３ａ、３ｂの外周から燃料電池外への反応ガスのリークがより抑制することができる。
【００８０】
なお、本実施の形態２においては、突起部４１の外周をアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの外周と一致するように形成し、その内周を各マニホールド孔とアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの外周との間に位置するように形成したが、これに限定されず、反応ガスの燃料電池スタック１００外へのリークを充分に抑制することができれば、突起部４１の外周と内周の位置は限定されない。
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【００８１】
図５に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックの燃料電池１１は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００の燃料電池１１と基本的構成は同じであるが、未加工のシート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２に、全周に亘って、厚み方向に突出する突起部５１が形成されている点が異なる。
【００８２】
具体的には、突起部５１は、未加工のシート３ａ、３ｂの中央部３ａ１、３ｂ１の主面から、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの厚みよりも大きくなるように突出している。また、突起部５１は、ここでは、アノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの厚み方向から見て、その外周がアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの外周と一致し、また、その内周は、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの外周と一致するように形成されている。
【００８３】
そして、このように構成された未加工のシート３ａ、３ｂを平板プレス機等で厚み方向に圧縮することにより、突起部５１が圧縮され、中央部３ａ１、３ｂ１の主面と周縁部３ａ２、３ｂ２の主面が面一になる。
【００８４】
これにより、加工後のシート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２が、中央部３ａ１、３ｂ１に比べて多孔度が小さくなり、本実施の形態３に係る燃料電池スタックでは、シート３ａ、３ｂの外周から燃料電池外への反応ガスのリークがより抑制することができる。
【００８５】
なお、本実施の形態３においては、突起部５１の外周をアノードセパレータ７ａ及びカソードセパレータ７ｂの外周と一致するように形成し、その内周をアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの外周と一致するように形成したが、これに限定されず、反応ガスの燃料電池スタック１００外へのリークを充分に抑制することができれば、突起部５１の外周及び内周の位置は限定されない。
【００８６】
また、本実施の形態３においては、突起部５１を燃料電池スタックを締結する前にプレス機で圧縮したが、これに限定されず、燃料電池スタックを締結するときに、その締結圧で圧縮してもよい。
（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図６においては、一部を省略している。
【００８７】
図６に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックは、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２に樹脂を含浸させて、その多孔度が、中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度よりも小さくなるように構成されている点が異なる。
【００８８】
具体的には、所定量の樹脂（例えば、ＰＴＦＥ樹脂）と界面活性剤（例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル）を溶媒（例えば、水）に溶解させて、溶液を作製し、該溶液にシート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２を浸漬させて、焼成することにより、界面活性剤と溶媒を除去することで周縁部３ａ２、３ｂ２に樹脂を含浸させることができる。
【００８９】
これにより、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２の多孔度が、中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度よりも小さくなり、本実施の形態４に係る燃料電池スタックでは、シート３ａ、３ｂの外周から燃料電池外への反応ガスのリークがより抑制することができる。また、このような樹脂を含浸させることにより、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２の電気絶縁性が向上するため、短絡をより抑制することができる。
【００９０】
なお、本実施の形態４においては、樹脂として、ＰＴＦＥ樹脂を使用したが、これに限定されず、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２の多孔度が、中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度よりも小さくすることができれば、例えば、フェノール樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル樹脂、ABS樹脂、ポリプロピレン、液晶性ポリマー、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン、ガラス繊維強化樹脂等の樹脂を使用してもよい。
（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図７においては、一部を省略している。
【００９１】
図７に示すように、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタックは、実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と基本的構成は同じであるが、高分子電解質膜１の周縁部にサブガスケット６を配設し、該サブガスケット６の厚みの分だけがシート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２が圧縮されて、周縁部３ａ２、３ｂ２の多孔度が、中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度よりも小さくなるように構成されている点が異なる。
【００９２】
具体的には、サブガスケット６は、環状で、かつ、矩形に形成されており、その主面には、中央開口（内周）が設けられている。該中央開口は、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの主面より若干大きく形成されていて、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂを囲むように配設されている。また、サブガスケット６の中央開口を形成する内周面には、凹部が形成されており、該凹部に、高分子電解質膜１の周縁部が嵌合している。
【００９３】
そして、サブガスケット６の高分子電解質膜１の主面からの高さは、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの厚みよりも充分に大きくなるように構成されている。
【００９４】
これにより、燃料電池スタックを締結したときに、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２のサブガスケット６の主面と当接する部分が、他の部分よりも圧縮されて、その多孔度が、他の部分よりも小さくなる。このため、本実施の形態５に係る燃料電池スタックでは、シート３ａ、３ｂの外周から燃料電池外への反応ガスのリークがより抑制することができる。
【００９５】
なお、サブガスケット６を構成する材料としては、ガスシール性と適度な剛性を有していれば、特に限定されず、例えば、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）等の樹脂フィルム、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素系の合成樹脂フィルム、フッ素系合成樹脂シート等のゴム状シート（フッ素ゴムからなるシート等）、又は弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等が挙げられる。
【００９６】
また、本実施の形態５においては、高分子電解質膜１の外周を、アノードセパレータ７ａの外周より小さくし、サブガスケット６の内周面に形成された凹部に嵌合するように形成したが、これに限定されず、高分子電解質膜１の外周を、アノードセパレータ７ａの外周と一致するように形成し、一対の環状で、かつ、矩形に形成されたサブガスケット６で高分子電解質膜１の周縁部を挟みこむ構成としてもよい。
【実施例】
【００９７】
以下に、実施例を用いて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、これらにのみ限定されるものではない。
【００９８】
まず、シートの作製試験を行った。
【００９９】
[シート作製試験]
（試験例１）
試験例１では、カーボンブラック１００ｇ（電気化学工業株式会社製デンカブラック）、グラファイト１００ｇ（和光純薬工業株式会社製）、界面活性剤（Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ）２０ｇ、及び分散溶媒として水２００ｇをミキサーに投入し、１００ｒｐｍで６０分間、混合した。ついで、混合物に、ＰＴＦＥがシート中に２３重量％含まれるように、ＰＴＦＥディスパージョン（旭硝子株式会社製ＡＤ９１１、固形分比約６０重量％）１００ｇをミキサーに投入して、さらに、１００ｒｐｍで３０分間攪拌した。
【０１００】
得られた混合物を延伸ロール機（ギャップを２００μmに設定）にて圧延し、焼成炉内にて、３５０℃で３時間焼成をし、界面活性剤と水を除去した。その結果、厚さ１８０μm、１５０ｍｍ角の大きさのシートが得られた。
【０１０１】
（試験例２）
試験例２では、試験例１と同じように、ミキサーにカーボンブラック等を投入して、混合物を作製し、ＰＴＦＥがシート中に約５重量％含まれるように、ＰＴＦＥディスパージョンを１７ｇミキサーに投入した。ミキサーを１００ｒｐｍで３０分間攪拌したが、ＰＴＦＥ量が少ないために充分なバインダー効果が得られなかった。また、回転数及び攪拌時間を増加させたが、顕著な変化は見られず、シートを作製することができなかった。
【０１０２】
（試験例３）
試験例３では、試験例１と同じように、ミキサーにカーボンブラック等を投入して、混合物を作製し、ＰＴＦＥがシート中に約５５重量％含まれるように、ＰＴＦＥディスパージョンを４１０ｇミキサーに投入して、ミキサーを１００ｒｐｍで３０分間攪拌した。攪拌後の混合物を確認したところ、バインダー効果が強すぎて、硬く団子状となっていた。ギャップ条件を変えて延伸ロール機に通したが、広がりにくく、均一なシートを作製できなかった。
【０１０３】
次に、以下のようにして、燃料電池を作製して、ガスリーク量を測定する試験を行った。
【０１０４】
[ガスリーク量測定試験]
まず、燃料電池の作製について説明する。
（実施例１）
実施例１では、試験例１で作製したシートを用いて、実施の形態１に係る燃料電池１１の構成となるように作製した。
【０１０５】
まず、１５０ｍｍ角の高分子電解質膜（ＤｕＰｏｎｔ社製 Ｎａｆｉｏｎ１１２（商品名））１の両面に白金坦持カーボン（田中貴金属社製 ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）とイオン交換樹脂（Ａｌｄｒｉｃｈ社製 Ｎａｆｉｏｎ分散液）の混合物を塗布して、乾燥することにより、１４５ｍｍ角のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂが形成され、膜−触媒層接合体１２を得た。
【０１０６】
ついで、試験例１で作製したシートを膜−触媒層接合体１２の両面に挟み込んで、ホットプレス接合（８０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ2）してＭＥＡ５を得た。そして、一対の１５０ｍｍ角のセパレータ（東海カーボン製）７ａ、７ｂで、ＭＥＡ５を挟み込んで、位置がずれないようにして、締結圧力が１０ｋｇｆ／ｃｍ2となるまで加圧して締結し、燃料電池１１を作製した。
（実施例２）
実施例２では、実施例１と同じ構成の膜−触媒層接合体１２を使用して、実施の形態２に係る燃料電池１１の構成となるように作製した。
【０１０７】
具体的には、実施例１で用いたセパレータ７ａ、７ｂの周縁部の幅を外周から２ｍｍとし、セパレータの周縁部以外の部分を、周縁部の主面から１００μｍ凹むように切削加工した。そして、このセパレータ７ａ、７ｂを用いて、燃料電池１１を作製した。
【０１０８】
なお、本実施例２では、セパレータ７ａ、７ｂの周縁部以外の部分を、周縁部の主面から１００μｍ凹むように切削加工したが、周縁部をそれ以外の部分の主面から１００μｍ突出するように加工してもよい。
（実施例３）
実施例３では、実施の形態３に係る燃料電池１１の構成となるように作製した。
【０１０９】
具体的には、試験例１と同様の混合物を使いて、中央部３ａ１、３ｂ１の厚みが１８０μｍ、周縁部３ａ２、３ｂ２の幅を２ｍｍとし、また、その厚さが、２５０μｍとなるように、シートを作製した。このシートを平板プレス機で圧縮（室温、５０ｋｇｆ／ｃｍ2）した。圧縮したシートは、周縁部３ａ２、３ｂ２の厚みが、中央部３ａ１、３ｂ１の厚みと同じ１８０μｍと、周縁部３ａ２、３ｂ２の主面と中央部３ａ１、３ｂ１の主面とが面一になった。
【０１１０】
そして、このようにして作製したシートを用いて、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
（実施例４）
実施例４では、周縁部３ａ２、３ｂ２の厚みが２１０μｍとした以外は、実施例３のシートと同様のシートを作製して、平板プレス機で圧縮（室温、５０ｋｇｆ／ｃｍ2）した。圧縮したシートは、周縁部３ａ２、３ｂ２の厚みが、中央部３ａ１、３ｂ１の厚みと同じ１８０μｍと、周縁部３ａ２、３ｂ２の主面と中央部３ａ１、３ｂ１の主面とが面一になった。
【０１１１】
そして、このようにして作製したシートを用いて、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
（実施例５）
実施例５では、周縁部３ａ２、３ｂ２の厚みが２３０μｍとした以外は、実施例３のシートと同様のシートを作製して、平板プレス機で圧縮（室温、５０ｋｇｆ／ｃｍ2）した。圧縮したシートは、周縁部３ａ２、３ｂ２の厚みが、中央部３ａ１、３ｂ１の厚みと同じ１８０μｍと、周縁部３ａ２、３ｂ２の主面と中央部３ａ１、３ｂ１の主面とが面一になった。
【０１１２】
そして、このようにして作製したシートを用いて、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
（実施例６）
実施例６では、実施の形態４に係る燃料電池１１の構成となるように作製した。
【０１１３】
具体的には、ＰＴＦＥディスパージョン（ダイキン工業製Ｄ−１）をＰＴＦＥ濃度が１０重量％となるように水で希釈した溶液を作製し、実施例１で作製したシート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２（幅２ｍｍ）をこの溶液に浸漬させた。ついで、３００℃で３０分間焼成を行い、周縁部３ａ２、３ｂ２がＰＴＦＥ樹脂を含有したシートを作製した。なお、浸漬前後のシートの重量比を計算することにより、ＰＴＦＥが、約５０重量％付着していることを確認した。
【０１１４】
そして、このようにして作製したシートを用いて、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
（実施例７）
実施例７では、実施例６で用いたＰＴＦＥディスパージョンの代わりに、フェノール樹脂（住友ベークライト製スミライトレジン）を用いて、シートを作製し、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
（実施例８）
実施例８では、実施の形態５に係る燃料電池１１の構成となるように作製した。
【０１１５】
具体的には、１５０ｍｍ角の高分子電解質膜（ＤｕＰｏｎｔ社製 Ｎａｆｉｏｎ１１２（商品名））１を予めＰＥＮ樹脂からなる環状で、かつ、略矩形のサブガスケット（外寸１５０ｍｍ角、中央開口１４５ｍｍ角、厚さ１７０μｍ）６の内周面の凹部に嵌合した。ついで、白金坦持カーボン（田中貴金属社製ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）とイオン交換樹脂（旭硝子株式会社製Ｆｌｅｍｉｏｎ）の混合物を、サブガスケット６の中央開口部分に塗布後、乾燥して膜−触媒層接合体１２を得た。アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの厚さは、それぞれ１０μｍである。従って、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの主面とサブガスケット６の主面との段差は、それぞれ５０μmとなる。
【０１１６】
そして、この膜−触媒層接合体１２を用いて、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
（比較例１）
比較例１では、シートの中央部の多孔度が、周縁部の多孔度よりも大きいシートを用いて、燃料電池１１を作製した。
具体的には、試験例１と同様の混合物を使いて、中央部３ａ１、３ｂ１の厚みが２００μｍ、周縁部３ａ２、３ｂ２の幅を２ｍｍとし、また、その厚さが、１８０μｍとなるように、シートを作製した。このシートを平板プレス機で圧縮（室温、５０ｋｇｆ／ｃｍ2）した。圧縮したシートは、周縁部３ａ２、３ｂ２の厚みが、中央部３ａ１、３ｂ１の厚みと同じ１８０μｍと、周縁部３ａ２、３ｂ２の主面と中央部３ａ１、３ｂ１の主面とが面一になった。
【０１１７】
そして、このようにして作製したシートを用いて、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
（比較例２）
比較例２では、実施例１のシートの代わりに、撥水処理後のカーボンペーパーにカーボン層インクを塗布した従来型ＧＤＬ（ジャパンゴアテックス社製カーベルＣＦＰ（商品名））を用いて、実施例１と同様にして、燃料電池１１を作製した。
次に、これらの燃料電池を用いて、一定量のヘリウムガスを流し、ヘリウムリークディテクターでガスリーク量を測定した。また、上記実施例１〜８及び比較例１のシートの多孔度をシートの厚さ、面積、重量から多孔度を算出した。具体的には、電極を構成する材料の真密度を用い、作製したシートの見かけ真密度を算出することにより求める方法を用いた。具体的には、多孔度算出用に作製したシートを打ち抜いて、２０ｍｍ径の寸法とし、その重量及び厚さを測定する。そして、これらの測定値から得られたシートの密度を用い、多孔度＝（作製シートの密度） ／（見かけ真密度）・・・（１）により求めた。
【０１１８】
これらの結果を示したのが、図８である。
【０１１９】
図８に示すように、実施例１〜８の燃料電池１１では、シート３ａ、３ｂにおける周縁部３ａ２、３ｂ２の多孔度と中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度の比が、１．０以下であると、ガスリーク量が５ｃｃ以下となり、シート３ａ、３ｂの周縁部３ａ２、３ｂ２が、ガスケットとしての役割を果たすことが確認された。また、実施例２〜８の燃料電池１１のように、周縁部３ａ２、３ｂ２の多孔度と中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度の比が１未満であると、ガスリーク量が３ｃｃ以下となり、よりガスのリークを抑制することができることが確認された。
【０１２０】
一方、比較例１の燃料電池１１では、ガスのリーク量が３０ｃｃとなったが、これは、シート３ａ、３ｂの中央部３ａ１、３ｂ１の多孔度が、周縁部３ａ２、３ｂ２よりも高いために、シート３ａ、３ｂの厚み方向への移動よりも面方向への移動の方が容易となり、ガスのリーク量が増加したと考えられる。
【０１２１】
また、比較例２の燃料電池１１では、ガスケットを配設していないために、ヘリウムリークディテクターの測定上限値を超えるほどの大量のガスが燃料電池１１外にリークした。これにより、樹脂を含浸した炭素繊維の表面にカーボン層を形成した従来のＧＤＬでは、ガスのリークを抑制することができないことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明の燃料電池、それを備える燃料電池スタック、及び燃料電池の製造方法は、燃料電池の低コスト化及び製造プロセス簡素化を図ることができるため、燃料電池の分野等で有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池スタックの燃料電池を模式的に示す断面図である。
【図３】図２に示す燃料電池のＭＥＡの概略構成を模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図８】ガスリーク量を測定する試験を行った結果を示す表である。
【図９】従来のＰＥＦＣの単電池（セル）の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１ 高分子電解質膜（電解質層）
２ａ アノード触媒層
２ｂ カソード触媒層
３ａ シート
３ａ１ 中央部
３ａ２ 周縁部
３ｂ シート
３ｂ１ 中央部
３ｂ２ 周縁部
４ａ アノード
４ｂ カソード
５ ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極接合体）
６ サブガスケット
７ａ アノードセパレータ
７ｂ カソードセパレータ
８ 燃料ガス流路
９ 酸化剤ガス流路
１０ 冷却媒体流路
１１ 燃料電池
１２ 膜−触媒層接合体
２１ 燃料ガス供給用マニホールド孔
２５ａ 凹部
２５ｂ 凹部
３１ 燃料ガス供給用マニホールド
４１ 突起部
５１ 突起部
１００ 燃料電池スタック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と該電解質層の周縁部より内方の部分を挾むように設けられた一対の触媒層を有する膜−触媒層接合体と、
導電性粒子とバインダー樹脂とを含んで通気性を有するように形成され、前記一対の触媒層のそれぞれを覆うように配置された一対のシートと、
前記膜−触媒層接合体及び前記一対のシートを挟持するように配設された一対の導電性で板状のセパレータと、を備え、
前記シートは、その厚み方向から見て、前記触媒層からその周縁部が全周に亘ってはみ出すように配置されている、燃料電池。
【請求項２】
前記シートの周縁部より内方の部分（以下、中央部）の多孔度が４０％以上、かつ、９５％以下である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記シートの周縁部の多孔度が前記シートの中央部の多孔度以下である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記シートの周縁部の多孔度が前記シートの中央部の多孔度より小さい、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記シートの周縁部の多孔度が０％以上、かつ、４０％以下である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、１．０以下である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、１．０未満である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、０．５以上、かつ、１．０未満である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記シートは、前記バインダー樹脂と前記導電性粒子とを含む混合物を圧延し、焼成することにより形成されたシートである、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記シートは、その周縁部に、さらに樹脂を含浸させて形成したシートである、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記バインダー樹脂がフッ素樹脂である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記導電性粒子がカーボンである、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記セパレータの前記シートと接触する主面の周縁部に凸部が形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１４】
請求項１に記載の燃料電池を複数積層して締結されている、燃料電池スタック。
【請求項１５】
電解質層の両面に触媒層を形成して電解質層−触媒層接合体を得る工程と、
導電性粒子とバインダー樹脂とを含む混合物を圧延し、焼成することによりシートを形成する工程と、
前記電解質層−触媒層接合体に前記シートを接合する工程と、を有する、燃料電池の製造方法。
【請求項１】
電解質層と該電解質層の周縁部より内方の部分を挾むように設けられた一対の触媒層を有する膜−触媒層接合体と、
導電性粒子とバインダー樹脂とを含んで通気性を有するように形成され、前記一対の触媒層のそれぞれを覆うように配置された一対のシートと、
前記膜−触媒層接合体及び前記一対のシートを挟持するように配設された一対の導電性で板状のセパレータと、を備え、
前記シートは、その厚み方向から見て、前記触媒層からその周縁部が全周に亘ってはみ出すように配置されている、燃料電池。
【請求項２】
前記シートの周縁部より内方の部分（以下、中央部）の多孔度が４０％以上、かつ、９５％以下である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記シートの周縁部の多孔度が前記シートの中央部の多孔度以下である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記シートの周縁部の多孔度が前記シートの中央部の多孔度より小さい、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記シートの周縁部の多孔度が０％以上、かつ、４０％以下である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、１．０以下である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、１．０未満である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、０．５以上、かつ、１．０未満である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記シートは、前記バインダー樹脂と前記導電性粒子とを含む混合物を圧延し、焼成することにより形成されたシートである、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記シートは、その周縁部に、さらに樹脂を含浸させて形成したシートである、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記バインダー樹脂がフッ素樹脂である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記導電性粒子がカーボンである、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記セパレータの前記シートと接触する主面の周縁部に凸部が形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１４】
請求項１に記載の燃料電池を複数積層して締結されている、燃料電池スタック。
【請求項１５】
電解質層の両面に触媒層を形成して電解質層−触媒層接合体を得る工程と、
導電性粒子とバインダー樹脂とを含む混合物を圧延し、焼成することによりシートを形成する工程と、
前記電解質層−触媒層接合体に前記シートを接合する工程と、を有する、燃料電池の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１９９９３１（Ｐ２００９−１９９９３１Ａ）
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４１５０５（Ｐ２００８−４１５０５）
【出願日】平成２０年２月２２日（２００８．２．２２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２２日（２００８．２．２２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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