燃料電池
【課題】膜電極ガス拡散層接合体を備える燃料電池において、膜電極接合体の耐久性を向上させる。
【解決手段】燃料電池において、膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側セパレータプレート、および、カソード側セパレータプレートと向かい合う面内に、アノード側セパレータプレート、および、カソード側セパレータプレートによって挟持されたときに作用する押圧力が比較的高い領域Ａと、上記押圧力が領域Ａよりも低い領域Ｂと、を含む。そして、領域Ｂには、膜電極接合体１２０のアノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との間に、イオン交換樹脂からなり、膜電極接合体１２０のアノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）とを接合する接合層１２６が設けられる。一方、領域Ａには、接合層１２６が設けられない。
【解決手段】燃料電池において、膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側セパレータプレート、および、カソード側セパレータプレートと向かい合う面内に、アノード側セパレータプレート、および、カソード側セパレータプレートによって挟持されたときに作用する押圧力が比較的高い領域Ａと、上記押圧力が領域Ａよりも低い領域Ｂと、を含む。そして、領域Ｂには、膜電極接合体１２０のアノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との間に、イオン交換樹脂からなり、膜電極接合体１２０のアノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）とを接合する接合層１２６が設けられる。一方、領域Ａには、接合層１２６が設けられない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、固体高分子型燃料電池には、膜電極接合体の表面にガス拡散層を接合してなる膜電極ガス拡散層接合体が用いられることが多い。なお、膜電極接合体は、電解質膜の両面に電極層を形成してなる。
【０００３】
このような燃料電池について、膜電極ガス拡散層接合体において、膜電極接合体の電極層（触媒層）とガス拡散層との密着強度を上げる技術が提案されている。例えば、下記特許文献１に記載された技術では、触媒層とガス拡散層との間の少なくとも一部の非発電部位に、カーボンに対するナフィオン（登録商標）の比率であるＮ／Ｃの値を高くした接着部を設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２６６５７８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、接合部がカーボンを含むため、接合部において、触媒層やガス拡散層との密着強度（密着性）を弱めるおそれがあった。そして、触媒層とガス拡散層との密着強度が低い場合、膜電極接合体では、電解質膜の変形（膨潤／収縮（乾燥））に起因して、触媒層にひび割れが生じやすくなり、膜電極接合体の耐久性の低下を招く。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、膜電極ガス拡散層接合体を備える燃料電池において、膜電極接合体の耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極層を形成してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の表面に接合されたガス拡散層と、を有する膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持し、該膜電極ガス拡散層接合体の表面に発電に供する反応ガスが流れるガス流路を形成するガス流路形成部材と、
を備え、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、前記ガス流路形成部材と向かい合う面内に、
第１の領域と、
前記ガス流路形成部材によって挟持されたときに作用する押圧力が前記第１の領域よりも低い第２の領域と、
を含み、
前記第２の領域の少なくとも一部には、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層との間に、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層とを接合する接合層が設けられている、
燃料電池。
【０００９】
膜電極ガス拡散層接合体を備える燃料電池では、膜電極ガス拡散層接合体において、ガス流路形成部材によって挟持されたときに作用する押圧力が比較的高い第１の領域では、電極層とガス拡散層との密着強度は、比較的高くなる。一方、ガス流路形成部材によって挟持されたときに作用する押圧力が第１の領域よりも低い第２の領域では、電極層とガス拡散層との密着強度は、第１の領域における電極層とガス拡散層との密着強度よりも低くなる。
【００１０】
適用例１の燃料電池では、上記第２の領域の少なくとも一部に接合層を設けることによって、電極層とガス拡散層との密着強度を向上させることができる。なお、上記第１の領域では、接合層を設けなくても、上記押圧力によって、十分に高い密着強度を得ることができる。適用例１の燃料電池によって、膜電極接合体の耐久性を向上させることができる。
【００１１】
適用例１の燃料電池において、接合層は、イオン交換樹脂からなるものとし、接合層には、電極層とガス拡散層との密着強度を低下させる材料（例えば、カーボン粒子等）が含まれないようにすることが好ましい。こうすることによって、接合層に電極層とガス拡散層との密着強度を低下させる材料が含まれる場合よりも、電極層とガス拡散層との密着強度を向上させることができる。なお、適用例１の燃料電池において、接合層は、膜電極接合体のアノード側のみに設けるようしてもよいし、カソード側のみに設けるようにしてもよいし、アノード側とカソード側の双方に設けるようにしてもよい。
【００１２】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部材は、前記膜電極ガス拡散層接合体と当接する側の表面に、前記ガス流路を形成する凸部および凹部であって、前記膜電極ガス拡散層接合体と当接する凸部と、前記膜電極ガス拡散層接合体と当接しない凹部と、を備え、
前記接合層は、前記第２の領域において、前記ガス流路形成部材における前記凹部と対向する領域に設けられている、
燃料電池。
【００１３】
適用例２の燃料電池では、上記第２の領域において、ガス流路形成部材における凹部と対向する領域における電極層とガス拡散層との密着強度を向上させることができる。
【００１４】
なお、ガス流路形成部材における凹部は、反応ガスが流れる空間を形成する。このため、接合層は、第２の領域において、ガス流路形成部材における凹部と対向する領域の全部ではなく、一部に設けられているようにすることが好ましい。こうすることによって、接合層を設けることによるガス拡散層から電極層への反応ガスの拡散性の低下を抑制することができる。
【００１５】
［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池であって、
前記接合層は、イオン交換樹脂からなり、
前記第２の領域において、前記膜電極ガス拡散層接合体の外部から内部に燃料ガスが導入される入口領域、および、前記膜電極ガス拡散層接合体の外部から内部に酸化剤ガスが導入される入口領域の少なくとも一方に設けられている、
燃料電池。
【００１６】
一般に、膜電極接合体（膜電極ガス拡散層接合体）において、燃料ガスの入口領域、および、酸化剤ガスの入口領域では、電解質膜が乾燥しやすい。そして、電解質膜が乾燥すると、プロトン伝導性が低下し、燃料電池の発電性能の低下を招く。一方、上記接合層は、イオン交換樹脂からなるので、比較的高い保水性を有している。したがって、適用例３の燃料電池によって、電解質膜の燃料ガスの入口領域、および、酸化剤ガスの入口領域の少なくとも一方の乾燥を抑制することができる。
【００１７】
［適用例４］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、前記ガス拡散層として、
前記膜電極接合体のアノード側の表面に接合されたアノード側ガス拡散層と、
前記膜電極接合体のカソード側の表面に接合されたカソード側ガス拡散層と、
を有しており、
前記アノード側ガス拡散層と前記カソード側ガス拡散層とうちの一方のガス拡散層は、前記膜電極接合体を挟んで他方のガス拡散層と対向する領域であって、前記膜電極接合体の面内において、前記他方のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合されており、
前記接合層は、さらに、前記膜電極接合体の前記一方のガス拡散層が接合される側の表面において、前記一方のガス拡散層の周縁部と前記膜電極接合体との間から前記一方のガス拡散層が接合される領域よりも外側の領域に亘って設けられている、
燃料電池。
【００１８】
適用例４の燃料電池によって、膜電極接合体からの上記一方のガス拡散層、すなわち、上記他方のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合されたガス拡散層の周縁部の剥離を抑制することができる。なお、適用例４の燃料電池において、膜電極接合体において上記一方のガス拡散層が接合される領域よりも外側の領域であって、接合層が設けられる領域には、電解質膜上に電極層が形成されていなくてもよい。
【００１９】
［適用例５］
適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記ガス拡散層は、前記膜電極接合体と接合される側の面に、撥水層を備える、
燃料電池。
【００２０】
適用例５の燃料電池によって、膜電極接合体からの排水性を向上させ、フラッディングを抑制することができる。
【００２１】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。また、本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、燃料電池の製造方法、膜電極ガス拡散層接合体の製造方法の発明として構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【図３】アノード側セパレータプレート１５の構成を示す説明図である。
【図４】カソード側セパレータプレート１６の構成を示す説明図である。
【図５】樹脂フレーム１３の概略構成を示す説明図である。
【図６】樹脂フレーム１４の概略構成を示す説明図である。
【図７】膜電極ガス拡散層接合体１２の断面構造を示す説明図である。
【図８】膜電極ガス拡散層接合体１２の製造工程を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．実施例：
図１，２は、本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池は、複数の単セル１０を積層したスタック構造を有している。図１に、単セル１０の分解斜視図を示した。また、図２に、燃料電池の断面模式図を示した。図示するように、単セル１０は、膜電極ガス拡散層接合体１２と、膜電極ガス拡散層接合体１２の周縁部を挟持して支持する一対の樹脂フレーム１３，１４と、膜電極ガス拡散層接合体１２を挟持する一対のセパレータプレート（アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６）と、を備えている。
【００２４】
膜電極ガス拡散層接合体１２は、後から示すように（図７参照）、電解質膜の両面に電極層を形成してなる膜電極接合体と、膜電極接合体の表面に接合されたガス拡散層と、を備えている。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、電解質膜は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜によって構成されている。電極層（アノード、および、カソード）は、触媒として、例えば、白金あるいは白金合金を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体上に担持させることによって形成されている。具体的には、電極層は、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜を構成する高分子電解質と同じ種類の電解質と、を含有する触媒ペーストを作製し、この触媒ペーストを電解質膜上に塗布することにより形成されている。ガス拡散層は、例えば、カーボンペーパなどの導電性を有する多孔質体によって構成されている。
【００２５】
なお、本実施例の燃料電池では、膜電極ガス拡散層接合体１２の構成が、面内の領域ごとに異なっている（図２に示した領域Ａ，Ｂ，Ｃ）。この膜電極ガス拡散層接合体１２については、後から詳しく説明する。
【００２６】
樹脂フレーム１３は、膜電極ガス拡散層接合体１２とアノード側セパレータプレート１５との間に配置されて、膜電極ガス拡散層接合体１２とアノード側セパレータプレート１５との間に形成されるガス流路（水素流路）におけるガスシール性を確保する。また、樹脂フレーム１４は、膜電極ガス拡散層接合体１２とカソード側セパレータプレート１６との間に配置されて、膜電極ガス拡散層接合体１２とカソード側セパレータプレート１６との間に形成されるガス流路（空気流路）におけるガスシール性を確保する。
【００２７】
アノード側セパレータプレート１５は、膜電極ガス拡散層接合体１２との間に、燃料ガスとしての水素が流れるガス流路（水素流路）を形成するガス流路形成部材である。アノード側セパレータプレート１５の表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状（凹部および凸部）が形成されている。また、カソード側セパレータプレート１６は、膜電極ガス拡散層接合体１２との間に、酸化剤ガスとしての空気（酸素）が流れるガス流路（空気流路）を形成するガス流路形成部材である。カソード側セパレータプレート１６の表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状（凹部および凸部）が形成されている。
【００２８】
本実施例のアノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６は、略四角形の金属製薄板部材であり、プレス成形によって上記凹凸形状が形成されるとともに、所定の位置に穴部２２〜２７が設けられている。このように、金属製薄板をプレス成形することによって凹凸形状が形成されているアノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６では、一方の面に形成された凹凸部と、他方の面に形成された凹凸部とは、互いに裏返し形状となっている。なお、裏返し形状とは、一方の面に形成された凸部の形状が、他方の面に形成された凹部の形状に対応し、一方の面に形成された凹部の形状が、他方の面に形成された凸部の形状に対応する関係が、両面間で成立する形状を指す。すなわち、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６が有する凹凸形状は、表裏で凹凸が反転する形状となっている。このような凹凸形状によって、アノード側セパレータプレート１５と膜電極ガス拡散層接合体１２との間には、水素流路が形成される。図２では、水素流路となる空間に、「Ｈ2」と記している。また、カソード側セパレータプレート１６と膜電極ガス拡散層接合体１２との間には、空気流路が形成される。図２では、空気流路となる空間に、「Ｏ2」と記している。なお、隣接する単セル１０間では、一方の単セル１０が備えるアノード側セパレータプレート１５の上記凹凸形状と、他方の単セル１０が備えるカソード側セパレータプレート１６の上記凹凸形状とによって、冷媒が流れる冷媒流路が形成される。図２では、冷媒流路となる空間に、「冷媒」と記している。
【００２９】
図３は、アノード側セパレータプレート１５の構成を示す説明図である。図３（Ａ）に、ガス流路面側から見た平面図を示した。また、図３（Ｂ）に、冷媒流路面側から見た平面図を示した。なお、図３では、燃料電池を設置した際の水平方向に対応する方向を矢印Ａで示し、鉛直方向に対応する方向を矢印Ｂで示している。
【００３０】
アノード側セパレータプレート１５は、その外周部に、６つの穴部２２〜２７を備えている。具体的には、アノード側セパレータプレート１５には、図３（Ａ）に示した鉛直方向の辺２０に沿って、鉛直方向上方から順に、穴部２２，２３，２４が形成されている。また、アノード側セパレータプレート１５には、辺２０に対向する辺２１に沿って、鉛直方向上方から順に、穴部２５，２６，２７が形成されている。これらの穴部２２〜２７は、後述するように、カソード側セパレータプレート１６、および、樹脂フレーム１３，１４にも同様に形成されている。そして、アノード側セパレータプレート１５、カソード側セパレータプレート１６、および、樹脂フレーム１３，１４が積層されて燃料電池が組み立てられたときには、対応する穴部同士が積層方向に重なり合って、燃料電池内部を積層方向に貫通する流体流路を形成する。
【００３１】
すなわち、穴部２２は、燃料電池の外部から供給されて各単セル１０のアノードに分配される水素が流れる水素供給マニホールドを形成し（図３〜５において、Ｈ2ｉｎと表す）、穴部２７は、各単セル１０のアノードから排出されたアノードオフガスを燃料電池の外部に導くアノードオフガス排出マニホールドを形成する（図３〜５において、Ｈ2ｏｕｔと表す）。また、穴部２６は、燃料電池の外部から供給されて各単セル１０に分配される空気が流れる空気供給マニホールドを形成し（図３〜５において、Ｏ2ｉｎと表す）、穴部２３は、各単セル１０のカソードから排出されたカソードオフガスを燃料電池の外部に導くカソードオフガス排出マニホールドを形成する（図３〜５において、Ｏ2ｏｕｔと表す）。また、穴部２４は、燃料電池の外部から供給されて各単セル１０間の冷媒流路に分配される冷媒が流れる冷媒供給マニホールドを形成し（図３〜５において、Ｒｅｆｉｎと表す）、穴部２５は、各単セル１０間の冷媒流路を通過した冷媒を燃料電池の外部に導く冷媒排出マニホールドを形成する（図３〜５において、Ｒｅｆｏｕｔと表す）。
【００３２】
また、アノード側セパレータプレート１５のガス流路面には、膜電極ガス拡散層接合体１２の表面とともにガス流路の内壁面を形成する第１の凹凸部が形成されている。第１の凹凸部が形成されて、表面上に水素が流れる略四角形の領域を、以下、発電領域３０と呼ぶ。図３（Ａ）では、発電領域３０を破線で囲んで示した。本実施例では、第１の凹凸部は、略四角形状に形成されており、凸部として、２つの分割線状凸部４０と、多数の分割領域内線状凸部４１と、多数の突起部４２と、を備えている。
【００３３】
分割線状凸部４０は、発電領域３０内を略水平方向に伸長している線状の凸部である。一方の分割線状凸部４０は、発電領域３０の外周における辺２０の近傍の辺に達する一端と、辺２０に対向する辺２１の近傍の辺から離間した他端と、を有する。また、他方の分割線状凸部４０は、発電領域３０の外周における辺２１の近傍の辺に達する一端と、辺２１に対向する辺２０の近傍の辺から離間した他端と、を有する。
【００３４】
分割領域内線状凸部４１は、略水平方向に形成され、その両端が発電領域３０の外周から離間した線状凸部であって、複数（本実施例では５つ）の分割領域内線状凸部４１がまとまって、分割線状凸部４０間、あるいは、分割線状凸部４０と発電領域３０の外周との間に配置されている。分割線状凸部４０によって区画され、分割領域内線状凸部４１がまとまって配置される領域を、以下、分割領域３２と呼ぶ。本実施例では、２つの分割線状凸部４０によって、３つの分割領域３２が形成されている。分割領域３２を、図３（Ａ）において、一点鎖線で囲んで示した。
【００３５】
突起部４２は、上記分割領域３２の外側に配置されて、分割領域３２に流入あるいは分割領域３２から流出するガスが流れる領域に、規則的に、すなわち、規則性を有する間隔で配置されている。突起部４２が設けられたこのような領域としては、流出入領域３３、および、接続領域３４がある。流出入領域３３は、穴部２２の近傍、および、穴部２７の近傍において、分割領域３２の端部と、発電領域３０の外周と、分割線状凸部４０の一部分によって囲まれる領域である。接続領域３４は、分割線状凸部４０の上記他端と発電領域３０の外周との間の離間部を含む領域であって、隣り合う２つの分割領域３２の端部と、発電領域３０の外周と、分割線状凸部４０の一部分とによって囲まれる領域である。これら流出入領域３３および接続領域３４を、図３（Ａ）において、二点鎖線で囲んで示した。なお、流出入領域３３、および、接続領域３４には、上記規則性を有する間隔で配置された突起部４２間において、同じく規則性を有する間隔で配置された多数の凹部４３が形成されている。具体的には、突起部４２と凹部４３とは、分割線状凸部４０に平行な方向および垂直な方向に等間隔に交互に形成されている。
【００３６】
本実施例では、発電領域３０の外周における辺２０近傍の辺に達する上記一端を有する分割線状凸部４０と、辺２１近傍の辺に達する上記一端を有する分割線状凸部４０とが１つずつ設けられており、各々の分割線状凸部４０における上記他端の近傍には、上記接続領域３４が形成されている。これにより、本実施例では、３つの分割領域３２が、接続領域３４を介して、全体として直列に接続されている。
【００３７】
アノード側セパレータプレート１５の冷媒流路面には、発電領域３０の裏面領域（以下の説明では、裏面領域も発電領域３０と呼ぶ）において、対向するカソード側セパレータプレート１６の表面とともに冷媒流路の内壁面を形成する第２の凹凸部が形成されている。第２の凹凸部は、凸部として、多数の冷媒流線状凸部４５と、多数の突起部４６と、を備えている（図３（Ｂ）参照）。
【００３８】
冷媒流線状凸部４５は、水平方向に設けられた線状凸部であって、その両端が、発電領域３０の外周から離間している線状凸部である。この冷媒流線状凸部４５は、ガス流路面における分割領域内線状凸部４１間、あるいは、分割領域内線状凸部４１と分割線状凸部４０との間に形成される凹部の裏返し形状として形成されている。突起部４６は、ガス流路面における流出入領域３３および接続領域３４の裏面において、ガス流路面に形成された既述した凹部４３の裏返し形状として形成されている。なお、冷媒流路面には、ガス流路面に形成された突起部４２の裏返し形状として、凹部４８が形成されている。
【００３９】
図４は、カソード側セパレータプレート１６の構成を示す説明図である。図４（Ａ）に、ガス流路面側から見た平面図を示した。また、図４（Ｂ）に、冷媒流路面側から見た平面図を示した。カソード側セパレータプレート１６は、アノード側セパレータプレート１５と略同一の外形形状を有する金属製薄板部材である。そして、カソード側セパレータプレート１６には、アノード側セパレータプレート１５と同様に、プレス成形によって表面に凹凸形状が形成されるとともに、穴部２２〜２７が設けられている。
【００４０】
カソード側セパレータプレート１６のガス流路面には、膜電極ガス拡散層接合体１２の表面とともにガス流路の内壁面を形成する第１の凹凸部が形成されている。第１の凹凸部が形成されて、表面上に空気が流れる略四角形の領域を、以下、発電領域３０と呼ぶ。図４（Ａ）では、発電領域３０を破線で囲んで示した。第１の凹凸部は、凸部として、２つの分割線状凸部６０と、多数の分割領域内線状凸部６１と、多数の突起部６２と、を備えている。
【００４１】
分割領域内線状凸部６１は、アノード側セパレータプレート１５のガス流路面に形成された分割領域内線状凸部４１と同様に、略水平方向に形成され、その両端が発電領域３０の外周から離間した線状凸部である。これらの分割領域内線状凸部６１は、複数（本実施例では５つ）がまとまって分割線状凸部６０と発電領域３０の外周との間に配置され、分割領域３２を形成する。また、分割線状凸部６０は、アノード側セパレータプレート１５のガス流路面に形成された分割線状凸部４０と同様に、発電領域３０の外周上に達する一端と、発電領域３０の外周から離間した他端と、を有している。この分割線状凸部６０は、上記分割領域３２の間に設けられ、分割領域内線状凸部６１と同様の長さであって発電領域３０内を略水平方向に伸長する水平部と、水平方向に対して傾斜して設けられて発電領域３０の外周に達する傾斜部とを備えている。本実施例では、２つの分割線状凸部６０によって、３つの分割領域３２が形成されている。
【００４２】
また、突起部６２は、上記分割領域３２の外側に配置されて、分割領域３２に流入あるいは分割領域３２から流出するガスが流れる領域、すなわち、流出入領域３３および接続領域３４に、規則的に配置されている。流出入領域３３は、穴部２５，２６の近傍、および、穴部２３，２４の近傍において、分割領域３２の端部と、発電領域３０の外周と、分割線状凸部６０の上記傾斜部によって囲まれる領域である。接続領域３４は、分割線状凸部４０の上記他端と発電領域３０の外周との間の離間部を含む領域であって、隣り合う２つの分割領域３２の端部と、発電領域３０の外周と、分割線状凸部４０の上記傾斜部とによって囲まれる領域である。これら流出入領域３３および接続領域３４を、図４（Ａ）において、二点鎖線で囲んで示した。なお、流出入領域３３および接続領域３４には、上記規則的に配置された突起部６２間において、同じく規則的に配置された多数の凹部６３が形成されている。カソード側セパレータプレート１６では、このように、２つの分割線状凸部６０が形成されることで、２つの接続領域３４を介して３つの分割領域３２が直列に接続されている。
【００４３】
カソード側セパレータプレート１６の冷媒流路面には、発電領域３０において、対向するアノード側セパレータプレート１５の表面とともに冷媒流路の内壁面を形成する第２の凹凸部が形成されている。第２の凹凸部は、凸部として、多数の冷媒流線状凸部６５と、多数の突起部６６と、を備えている。
【００４４】
冷媒流線状凸部６５は、アノード側セパレータプレート１５に形成された冷媒流線状凸部４５と同様に、略水平方向に設けられるとともに、その両端が発電領域３０の外周から離間している線状凸部である。この冷媒流線状凸部６５は、ガス流路面における分割領域内線状凸部６１間、あるいは、分割領域内線状凸部６１と分割線状凸部６０との間に形成される凹部の裏返し形状として形成されている。突起部６６は、ガス流路面に形成された既述した凹部６３の裏返し形状として形成されている。なお、冷媒流路面には、ガス流路面に形成された突起部６２の裏返し形状として、凹部６８が形成されている。
【００４５】
図５は、樹脂フレーム１３の概略構成を示す説明図である。図５では、アノード側セパレータプレート１５のガス流路面と接する側から見た平面図を示した。樹脂フレーム１３には、中央部に、穴部５０が形成されている。穴部５０は、略四角形状であって、膜電極ガス拡散層接合体１２よりも若干小さく形成されている。また、樹脂フレーム１３では、穴部２２と穴部５０とを連通させる凹部５１と、穴部２７と穴部５０とを連通させる凹部５２とが形成されている。凹部５１は、アノード側セパレータプレート１５との間で、穴部２２により形成される水素供給マニホールドと、単セル１０内のガス流路（水素流路）とを接続する流路を形成する。また、凹部５２は、アノード側セパレータプレート１５との間で、穴部２７により構成されるアノードオフガス排出マニホールドと、単セル１０内のガス流路（水素流路）とを接続する流路を形成する。
【００４６】
図６は、樹脂フレーム１４の概略構成を示す説明図である。図６では、カソード側セパレータプレート１６のガス流路面と接する側から見た平面図を示した。樹脂フレーム１４には、中央部に、樹脂フレーム１３の穴部５０と重なる同様の形状の穴部５３が形成されている。また、樹脂フレーム１４では、穴部２３と穴部５３とを連通させる凹部５５と、穴部２６と穴部５３とを連通させる凹部５４とが形成されている。凹部５５は、カソード側セパレータプレート１６との間で、穴部２３により形成されるカソードオフガス排出マニホールドと、単セル１０内のガス流路（空気流路）とを接続する流路を形成する。また、凹部５４は、カソード側セパレータプレート１６との間で、穴部２６により構成される空気供給マニホールドと、単セル１０内のガス流路（空気流路）とを接続する流路を形成する。
【００４７】
これらの樹脂フレーム１３，１４は、絶縁性の樹脂によって形成されており、樹脂フレーム１３、１４によって膜電極ガス拡散層接合体１２を狭持することで、膜電極ガス拡散層接合体１２の両面間で、絶縁性が確保されている。また、樹脂フレーム１３は、所定の高さの凹凸を有するアノード側セパレータプレート１５と膜電極ガス拡散層接合体１２との間に配置されて、上記凹凸に対応する距離を、アノード側セパレータプレート１５と膜電極ガス拡散層接合体１２との間で確保するためのスペーサとしての役割を果たしている。このことは、樹脂フレーム１４についても同様である。
【００４８】
燃料電池を組み立てる際には、アノード側セパレータプレート１５と樹脂フレーム１３とを、これらの間に接着剤などからなるシール材（図示せず）を介して重ね合わせる。また、同様にして、カソード側セパレータプレート１６と樹脂フレーム１４とを、これらの間に接着剤などからなるシール材（図示せず）を介して重ね合わせる。その後、膜電極ガス拡散層接合体１２を、樹脂フレーム１３、１４によって挟持して、接着剤などからなるシール材（図示せず）を介して貼り合わせることで、単セル１０を完成させる。なお、膜電極ガス拡散層接合体１２と樹脂フレーム１３、１４とを貼り合わせる際には、樹脂フレーム１３の穴部５０、および、樹脂フレーム１４の穴部５３を、膜電極ガス拡散層接合体１２が覆うように、各部材を配置する。このようにして作製した単セル１０を、各単セル１０間に接着剤などからなるシール材１７（図２参照）を配置しながら所定数積層することにより、燃料電池スタックを作製することができる。上記のように各部材間にシール材を設けることで、単セル１０内のガス流路、および、各種マニホールドにおけるシール性が確保されている。
【００４９】
また、このように各部材を積層して燃料電池を組み立てたときには、アノード側セパレータプレート１５の分割線状凸部４０と、カソード側セパレータプレート１６の分割線状凸部６０の水平部とは、膜電極ガス拡散層接合体１２を間に介して互いに対向する。同様に、アノード側セパレータプレート１５の分割領域内線状凸部４１は、カソード側セパレータプレート１６の分割領域内線状凸部６１と対向し、アノード側セパレータプレート１５の突起部４２は、カソード側セパレータプレート１６の突起部６２と対向する。また、アノード側セパレータプレート１５の突起部４６の頭頂部は、隣接するカソード側セパレータプレート１６の突起部６６の頭頂部と当接する。このように、対応する凸部が積層方向で互いに支持し合うことにより、燃料電池における積層体全体の剛性が確保されている。なお、図２に示した断面は、各線状凸部の長手方向に垂直な方向の断面であり、図２に示した断面図の位置は、図３（Ａ）において、２−２断面として示している。図２では、特に、樹脂フレーム１３，１４を含む燃料電池の外周部近傍の断面の様子を示している。
【００５０】
燃料電池において、穴部２２が形成する水素供給マニホールドに水素が供給されると、この水素は、各単セル１０内の水素流路に分配される。この水素流路において、水素およびアノードオフガスは、図３（Ａ）に白抜き矢印で示したように、分割領域３２では水平方向に流れつつ、全体としては鉛直方向下方へと流れる。そして、アノードオフガスは、穴部２７が形成するアノードオフガス排出マニホールドに排出される。
【００５１】
また、穴部２６が形成する空気供給マニホールドに空気が供給されると、この空気は、各単セル１０内の空気流路に分配される。この空気流路において、空気およびカソードオフガスは、図４（Ａ）に白抜き矢印で示したように、分割領域３２では水平方向に流れつつ、全体としては鉛直方向下方へと流れる。そして、カソードオフガスは、穴部２３が形成するカソードオフガス排出マニホールドに排出される。
【００５２】
また、穴部２４が形成する冷媒供給マニホールドに冷媒が供給されると、この冷媒は、アノード側セパレータプレート１５とカソード側セパレータプレート１６との間に形成された冷媒流路に分配される。この冷媒流路において、冷媒は、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）に白抜き矢印で示したように、全体として水平方向に流れる。冷媒流路を流れた冷媒は、穴部２５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。
【００５３】
なお、本実施例の燃料電池では、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６において、マニホールドを形成する穴部２２〜２７の近傍に、各面に突出する複数の突起部４２，４６，６２，６６を形成した流出入領域３３および接続領域３４を設けている。このため、表裏で互いに反転する形状でありながら、折れ曲がり部を有するガス流路と、一方向に直進する冷媒流路とを、表裏で両立させることができる。すなわち、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６において、互いに離間した複数の突起部を両面に設けることで、一方の面では、冷媒を一方向に導くとともに、他方の面では、ガス流れを反転させることが可能になる。
【００５４】
ところで、本実施例の燃料電池では、膜電極ガス拡散層接合体１２の構成が、面内の領域ごとに異なっている。具体的には、本実施例の燃料電池では、図２に示した領域Ａ，Ｂ，Ｃごとに、膜電極ガス拡散層接合体１２の構成が異なっている。
【００５５】
ここで、領域Ａは、膜電極ガス拡散層接合体１２が、アノード側セパレータプレート１５とカソード側セパレータプレート１６とによって挟持されたときに、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６における膜電極ガス拡散層接合体１２側の凸部が当接して、直接的に押圧される領域である。また、領域Ｂは、膜電極ガス拡散層接合体１２が、アノード側セパレータプレート１５とカソード側セパレータプレート１６とによって挟持されたときに、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６における膜電極ガス拡散層接合体１２側の凹部と対向する領域である。換言すれば、領域Ｂは、膜電極ガス拡散層接合体１２が、アノード側セパレータプレート１５とカソード側セパレータプレート１６とによって挟持されたときに、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６と当接せず、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６によって直接的には押圧されない領域である。したがって、膜電極ガス拡散層接合体１２がアノード側セパレータプレート１５とカソード側セパレータプレート１６とによって挟持されたときに領域Ｂに作用する押圧力は、領域Ａに作用する押圧力よりも低い。また、領域Ｃは、膜電極ガス拡散層接合体１２の周縁の領域である。
【００５６】
図７は、膜電極ガス拡散層接合体１２の構成を示す説明図である。図７（Ａ）に、図２に示した領域Ａにおける膜電極ガス拡散層接合体１２の断面構造を示した。また、図７（Ｂ）に、図２に示した領域Ｂにおける膜電極ガス拡散層接合体１２の断面構造を示した。また、図７（Ｃ）に、図２に示した領域Ｃにおける膜電極ガス拡散層接合体１２の断面構図を示した。
【００５７】
膜電極ガス拡散層接合体１２は、概ね、膜電極接合体１２０のアノード側に、アノード側ガス拡散層１２２を接合し、膜電極接合体１２０のカソード側に、カソード側ガス拡散層１２４を接合することによって作製されている。膜電極接合体１２０は、電解質膜１２０ｍの両面に、電極層として、アノード側触媒層１２０ａ、および、カソード側触媒層１２０ｃを形成してなる。
【００５８】
なお、本実施例の膜電極ガス拡散層接合体１２では、アノード側ガス拡散層１２２の膜電極接合体１２０側の表面に、撥水層１２２ｐが形成されている。また、カソード側ガス拡散層１２４の膜電極接合体１２０側の表面に、撥水層１２４ｐが形成されている。
【００５９】
また、本実施例の膜電極ガス拡散層接合体１２では、カソード側ガス拡散層１２４のサイズが、アノード側ガス拡散層１２２のサイズよりも小さい。そして、図７（Ｃ）に示したように、カソード側ガス拡散層１２４は、膜電極接合体１２０を挟んでアノード側ガス拡散層１２２と対向する領域であって、膜電極接合体１２０の面内において、アノード側ガス拡散層１２２が接合された領域よりも内側の領域に接合されている。
【００６０】
そして、領域Ａでは、膜電極ガス拡散層接合体１２は、図７（Ａ）に示したように、膜電極接合体１２０のアノード側触媒層１２０ａにアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）を接合し、膜電極接合体１２０のカソード側触媒層１２０ｃにカソード側ガス拡散層１２４（撥水層１２４ｐ）を接合した構成を有している。
【００６１】
これに対し、領域Ｂでは、膜電極ガス拡散層接合体１２は、図７（Ｂ）に示したように、領域Ａにおける構成に加え、膜電極接合体１２０のアノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との間に、接合層１２６が設けられている。ただし、本実施例では、接合層１２６を設けることによるアノード側ガス拡散層１２２からアノード側触媒層１２０ａへの水素の拡散性の低下を抑制することができるように、領域Ｂの全部ではなく一部の領域に、接合層１２６が設けられるものとした。なお、本実施例では、接合層１２６は、イオン交換樹脂からなり、接合層１２６には、アノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との密着強度を低下させる材料（例えば、カーボン粒子等）は含まれない。
【００６２】
また、領域Ｃでは、膜電極ガス拡散層接合体１２は、図７（Ｃ）に示したように、領域Ａにおける構成に加え、膜電極接合体１２０のカソード側触媒層１２０ｃとカソード側ガス拡散層１２４（撥水層１２４ｐ）との間に、接合層１２７が設けられている。膜電極接合体１２０の表面において、接合層１２７が設けられる部位に、カソード側触媒層１２０ｃが形成されないものとしてもよい。そして、この接合層１２７は、膜電極接合体１２０のカソード側の表面において、カソード側ガス拡散層１２４の周縁部と膜電極接合体１２０との間からカソード側ガス拡散層１２４が接合される領域よりも外側の領域に亘って設けられている。なお、接合層１２７は、接合層１２６と同様に、イオン交換樹脂からなり、接合層１２７には、カソード側触媒層１２０ｃとカソード側ガス拡散層１２４（撥水層１２４ｐ）との密着強度を低下させる材料（例えば、カーボン粒子等）は含まれない。
【００６３】
なお、図２では、膜電極ガス拡散層接合体１２において、分割領域３２と対向する領域について、領域Ａ，Ｂを示したが、流出入領域３３と対向する領域、および、接続領域３４と対向する領域についても同様である（図３（Ａ）参照）。すなわち、膜電極ガス拡散層接合体１２において、流出入領域３３と対向する領域、および、接続領域３４と対向する領域では、アノード側セパレータプレート１５の突起部４２、および、カソード側セパレータプレート１６の突起部６２と当接する領域が領域Ａとなり、これらと当接しない領域が領域Ｂとなる。そして、膜電極ガス拡散層接合体１２において、これらの領域Ｂにも、図７（Ｂ）に示したように、接合層１２６が設けられる。
【００６４】
上述した膜電極ガス拡散層接合体１２は、例えば、以下の製造工程によって製造される。図８は、膜電極ガス拡散層接合体１２の製造工程を示す説明図である。
【００６５】
まず、膜電極接合体１２０を作製する（ステップＳ１００）。この膜電極接合体１２０は、先に説明したように、電解質膜１２０ｍの両面に、触媒ペーストを塗布し、電極層として、アノード側触媒層１２０ａ、および、カソード側触媒層１２０ｃを形成することによって作製される。
【００６６】
次に、膜電極接合体１２０上の所望の部位に、接合層を積層する（ステップＳ１１０）。本実施例では、膜電極接合体１２０の領域Ｂ，Ｃに対応する部位に、それぞれ、接合層１２６，１２７として、イオン交換樹脂であるナフィオン（登録商標）からなる厚さが１０（μｍ）のフィルムを貼り付けるものとした。このフィルムの厚さは、例えば、アノード側ガス拡散層１２２（１２２ｐ）の膜電極接合体１２０側の表面のうねりの高さに基づいて、設定される。アノード側ガス拡散層１２２（１２２ｐ）の膜電極接合体１２０側の表面のうねりの高さとフィルムの厚さとをほぼ等しい値とすることによって、後のステップＳ１２０でホットプレス接合を行ったときに、フィルムが軟化・変形して上記うねりを吸収し、膜電極ガス拡散層接合体１２の厚さの均一化をはかることができる。
【００６７】
そして、接合層が積層された膜電極接合体１２０に、アノード側ガス拡散層１２２、および、カソード側ガス拡散層１２４を、ホットプレス接合する（ステップＳ１２０）。本実施例では、このホットプレス接合を、７０（℃）で行うものとした。以上の製造工程によって、膜電極ガス拡散層接合体１２は完成する。
【００６８】
本実施例の燃料電池の効果について説明する。膜電極ガス拡散層接合体の全面が図７（Ａ）に示した構成を有する、すなわち、膜電極ガス拡散層接合体が、膜電極ガス拡散層接合体１２における接合層１２６を備えない燃料電池では、膜電極ガス拡散層接合体において、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６によって挟持されたときに作用する押圧力が領域Ａよりも低い領域Ｂでは（図２参照）、膜電極接合体１２０のアノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との密着強度は、領域Ａにおけるアノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との密着強度よりも低くなる。これに対し、本実施例の燃料電池では、領域Ｂに接合層１２６を設けることによって、膜電極接合体１２０のアノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２との密着強度を向上させることができる。なお、領域Ａでは、接合層１２６を設けなくても、上記押圧力によって、十分に高い密着強度を得ることができる。また、本実施例の燃料電池では、接合層１２６がイオン交換樹脂からなり、接合層１２６には、アノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との密着強度を低下させる材料（例えば、カーボン粒子等）が含まれない。したがって、接合層１２６にアノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との密着強度を低下させる材料が含まれる場合よりも、アノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との密着強度を向上させることができる。そして、本実施例の燃料電池によって、膜電極接合体１２０の耐久性を向上させることができる。
【００６９】
また、一般に、膜電極接合体１２０（膜電極ガス拡散層接合体１２）において、水素の入口領域、および、空気の入口領域では、電解質膜１２０ｍが乾燥しやすい。そして、電解質膜１２０ｍが乾燥すると、プロトン伝導性が低下し、燃料電池の発電性能の低下を招く。一方、本実施例の燃料電池では、膜電極ガス拡散層接合体１２において、接合層１２６は、水素の入口領域、および、空気の入口領域、換言すれば、流出入領域３３（図３，４参照）と対向する領域に設けられている。なお、水素の入口領域と対向する領域では、アノード側に接合層１２６を設け、また、空気の入口と対向する領域では、カソード側に接合層１２６を設けるようにすることが好ましい。そして、接合層１２６は、イオン交換樹脂からなるので、比較的高い保水性を有している。したがって、本実施例の燃料電池によって、電解質膜１２０ｍの水素の入口領域、および、空気の入口領域の乾燥を抑制することができる。
【００７０】
また、本実施例の燃料電池では、図７（Ｃ）に示したように、膜電極ガス拡散層接合体１２において、カソード側ガス拡散層１２４は、膜電極接合体１２０を挟んでアノード側ガス拡散層１２２と対向する領域であって、膜電極接合体１２０の面内において、アノード側ガス拡散層１２２が接合された領域よりも内側の領域に接合されている。そして、接合層１２７が、膜電極接合体１２０のカソード側の表面において、カソード側ガス拡散層１２４の周縁部と膜電極接合体１２０との間からカソード側ガス拡散層１２４が接合される領域よりも外側の領域に亘って設けられている。こうすることによって、膜電極接合体１２０からのカソード側ガス拡散層１２４の周縁部の剥離を抑制することができる。
【００７１】
また、本実施例の燃料電池では、アノード側ガス拡散層１２２は、膜電極接合体１２０と接合される側の表面に、撥水層１２２ｐを備える。また、カソード側ガス拡散層１２４は、膜電極接合体１２０と接合される側の表面に、撥水層１２４ｐを備える。こうすることによって、膜電極接合体１２０からの排水性を向上させ、燃料電池におけるフラッディングを抑制することができる。
【００７２】
Ｂ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００７３】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例では、膜電極ガス拡散層接合体１２の領域Ｂにおいて、アノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２との間に、接合層１２６を設けるものとしたが、本発明は、これに限られない。膜電極ガス拡散層接合体１２の領域Ｂにおいて、カソード側触媒層１２０ｃとカソード側ガス拡散層１２４との間にも、接合層１２６を設けるものとしてもよい。また、膜電極ガス拡散層接合体１２の領域Ｂにおいて、アノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２との間に、接合層１２６を設ける代わりに、カソード側触媒層１２０ｃとカソード側ガス拡散層１２４との間に、接合層１２６を設けるものとしてもよい。
【００７４】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例では、膜電極ガス拡散層接合体１２において、分割領域３２と対向する領域、流出入領域３３と対向する領域、および、接続領域３４と対向する領域のすべてにおける領域Ｂに、接合層１２６を設けるものとしたが、本発明は、これに限られない。分割領域３２と対向する領域、流出入領域３３と対向する領域、および、接続領域３４と対向する領域の少なくとも１つにおける領域Ｂに、接合層１２６を設けるものとしてもよい。
【００７５】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例の燃料電池において、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６の形状は、図１〜４に示した形状に限られない。例えば、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６には、ガス流路を形成する凹凸形状以外の凹凸形状、すなわち、ガス流路を形成しない凹凸形状が形成されるものとしてもよい。本発明は、アノード側セパレータプレート、および、カソード側セパレータプレートの形状に関わらず、膜電極ガス拡散層接合体が、ガス流路形成部材としてのアノード側セパレータプレート、および、カソード側セパレータプレートによって挟持されたときに作用する押圧力が比較的高い第１の領域と、上記押圧力が第１の領域よりも低い第２の領域と、を含み、第２の領域の少なくとも一部には、膜電極接合体とガス拡散層との間に、膜電極接合体とガス拡散層とを接合する接合層が設けられており、第１の領域には、接合層が設けられていないようにすればよい。
【００７６】
Ｂ４．変形例４：
上記実施例では、膜電極ガス拡散層接合体１２において、接合層１２６，１２７は、ナフィオン（登録商標）からなるフィルムを用いて形成するものとしたが、本発明は、これに限られない。膜電極接合体１２０の表面に、イオン交換樹脂が分散された分散溶液（アイオノマ溶液）を、ダイコーターやスプレーを用いて塗布することによって、接合層１２６，１２７を形成するようにしてもよい。この場合、分散溶液におけるイオン交換樹脂の割合は、５０重量％以上であることが好ましい。
【００７７】
Ｂ５：変形例５：
上記実施例では、膜電極ガス拡散層接合体１２において、接合層１２６，１２７として、ナフィオン（登録商標）以外の他のイオン交換樹脂（例えば、フレミオン（登録商標））を用いるようにしてもよい。なお、接合層１２６，１２７に用いられるイオン交換樹脂は、アノード側触媒層１２０ａや、カソード側触媒層１２０ｃとの密着強度との観点から、アノード側触媒層１２０ａ、カソード側触媒層１２０ｃに含まれるイオン交換樹脂と同じ種類であることが好ましい。
【００７８】
Ｂ６．変形例６：
上記実施例では、接合層１２６，１２７は、イオン交換樹脂からなるものとしたが、本発明は、これに限られない。接合層１２６，１２７は、イオン交換樹脂の代わりに、接着性を有するゴム系の材料や、熱可塑性樹脂等、ホットプレス接合によって、膜電極接合体１２０とガス拡散層とを接合可能な材料からなるものとしてもよい。
【００７９】
Ｂ７．変形例７：
上記実施例では、図７（Ｃ）に示したように、膜電極ガス拡散層接合体１２において、カソード側ガス拡散層１２４は、膜電極接合体１２０を挟んでアノード側ガス拡散層１２２と対向する領域であって、膜電極接合体１２０の面内において、アノード側ガス拡散層１２２が接合された領域よりも内側の領域に接合されているものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、膜電極ガス拡散層接合体１２において、アノード側ガス拡散層１２２が、膜電極接合体１２０を挟んでカソード側ガス拡散層１２４と対向する領域であって、膜電極接合体１２０の面内において、カソード側ガス拡散層１２４が接合された領域よりも内側の領域に接合されているものとしてもよい。この場合、接合層１２７は、膜電極接合体１２０のアノード側の表面において、アノード側ガス拡散層１２２の周縁部と膜電極接合体１２０との間からアノード側ガス拡散層１２２が接合される領域よりも外側の領域に亘って設けられる。こうすることによって、膜電極接合体１２０からのアノード側ガス拡散層１２２の周縁部の剥離を抑制することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１０…単セル
１２…膜電極ガス拡散層接合体
１３，１４…樹脂フレーム
１５…アノード側セパレータプレート
１６…カソード側セパレータプレート
１７…シール材
２０，２１…辺
２２〜２７…穴部
３０…発電領域
３２…分割領域
３３…流出入領域
３４…接続領域
４０，６０…分割線状凸部
４１，６１…分割領域内線状凸部
４２，４６，６２，６６…突起部
４３，４８，６３，６８…凹部
４５，６５…冷媒流線状凸部
５０，５３…穴部
５１，５２，５４，５５…凹部
１２０…膜電極接合体
１２０ｍ…電解質膜
１２０ａ…アノード側触媒層
１２０ｃ…カソード側触媒層
１２２…アノード側ガス拡散層
１２２ｐ…撥水層
１２４…カソード側ガス拡散層
１２４ｐ…撥水層
１２６，１２７…接合層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、固体高分子型燃料電池には、膜電極接合体の表面にガス拡散層を接合してなる膜電極ガス拡散層接合体が用いられることが多い。なお、膜電極接合体は、電解質膜の両面に電極層を形成してなる。
【０００３】
このような燃料電池について、膜電極ガス拡散層接合体において、膜電極接合体の電極層（触媒層）とガス拡散層との密着強度を上げる技術が提案されている。例えば、下記特許文献１に記載された技術では、触媒層とガス拡散層との間の少なくとも一部の非発電部位に、カーボンに対するナフィオン（登録商標）の比率であるＮ／Ｃの値を高くした接着部を設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２６６５７８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、接合部がカーボンを含むため、接合部において、触媒層やガス拡散層との密着強度（密着性）を弱めるおそれがあった。そして、触媒層とガス拡散層との密着強度が低い場合、膜電極接合体では、電解質膜の変形（膨潤／収縮（乾燥））に起因して、触媒層にひび割れが生じやすくなり、膜電極接合体の耐久性の低下を招く。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、膜電極ガス拡散層接合体を備える燃料電池において、膜電極接合体の耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極層を形成してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の表面に接合されたガス拡散層と、を有する膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持し、該膜電極ガス拡散層接合体の表面に発電に供する反応ガスが流れるガス流路を形成するガス流路形成部材と、
を備え、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、前記ガス流路形成部材と向かい合う面内に、
第１の領域と、
前記ガス流路形成部材によって挟持されたときに作用する押圧力が前記第１の領域よりも低い第２の領域と、
を含み、
前記第２の領域の少なくとも一部には、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層との間に、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層とを接合する接合層が設けられている、
燃料電池。
【０００９】
膜電極ガス拡散層接合体を備える燃料電池では、膜電極ガス拡散層接合体において、ガス流路形成部材によって挟持されたときに作用する押圧力が比較的高い第１の領域では、電極層とガス拡散層との密着強度は、比較的高くなる。一方、ガス流路形成部材によって挟持されたときに作用する押圧力が第１の領域よりも低い第２の領域では、電極層とガス拡散層との密着強度は、第１の領域における電極層とガス拡散層との密着強度よりも低くなる。
【００１０】
適用例１の燃料電池では、上記第２の領域の少なくとも一部に接合層を設けることによって、電極層とガス拡散層との密着強度を向上させることができる。なお、上記第１の領域では、接合層を設けなくても、上記押圧力によって、十分に高い密着強度を得ることができる。適用例１の燃料電池によって、膜電極接合体の耐久性を向上させることができる。
【００１１】
適用例１の燃料電池において、接合層は、イオン交換樹脂からなるものとし、接合層には、電極層とガス拡散層との密着強度を低下させる材料（例えば、カーボン粒子等）が含まれないようにすることが好ましい。こうすることによって、接合層に電極層とガス拡散層との密着強度を低下させる材料が含まれる場合よりも、電極層とガス拡散層との密着強度を向上させることができる。なお、適用例１の燃料電池において、接合層は、膜電極接合体のアノード側のみに設けるようしてもよいし、カソード側のみに設けるようにしてもよいし、アノード側とカソード側の双方に設けるようにしてもよい。
【００１２】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部材は、前記膜電極ガス拡散層接合体と当接する側の表面に、前記ガス流路を形成する凸部および凹部であって、前記膜電極ガス拡散層接合体と当接する凸部と、前記膜電極ガス拡散層接合体と当接しない凹部と、を備え、
前記接合層は、前記第２の領域において、前記ガス流路形成部材における前記凹部と対向する領域に設けられている、
燃料電池。
【００１３】
適用例２の燃料電池では、上記第２の領域において、ガス流路形成部材における凹部と対向する領域における電極層とガス拡散層との密着強度を向上させることができる。
【００１４】
なお、ガス流路形成部材における凹部は、反応ガスが流れる空間を形成する。このため、接合層は、第２の領域において、ガス流路形成部材における凹部と対向する領域の全部ではなく、一部に設けられているようにすることが好ましい。こうすることによって、接合層を設けることによるガス拡散層から電極層への反応ガスの拡散性の低下を抑制することができる。
【００１５】
［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池であって、
前記接合層は、イオン交換樹脂からなり、
前記第２の領域において、前記膜電極ガス拡散層接合体の外部から内部に燃料ガスが導入される入口領域、および、前記膜電極ガス拡散層接合体の外部から内部に酸化剤ガスが導入される入口領域の少なくとも一方に設けられている、
燃料電池。
【００１６】
一般に、膜電極接合体（膜電極ガス拡散層接合体）において、燃料ガスの入口領域、および、酸化剤ガスの入口領域では、電解質膜が乾燥しやすい。そして、電解質膜が乾燥すると、プロトン伝導性が低下し、燃料電池の発電性能の低下を招く。一方、上記接合層は、イオン交換樹脂からなるので、比較的高い保水性を有している。したがって、適用例３の燃料電池によって、電解質膜の燃料ガスの入口領域、および、酸化剤ガスの入口領域の少なくとも一方の乾燥を抑制することができる。
【００１７】
［適用例４］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、前記ガス拡散層として、
前記膜電極接合体のアノード側の表面に接合されたアノード側ガス拡散層と、
前記膜電極接合体のカソード側の表面に接合されたカソード側ガス拡散層と、
を有しており、
前記アノード側ガス拡散層と前記カソード側ガス拡散層とうちの一方のガス拡散層は、前記膜電極接合体を挟んで他方のガス拡散層と対向する領域であって、前記膜電極接合体の面内において、前記他方のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合されており、
前記接合層は、さらに、前記膜電極接合体の前記一方のガス拡散層が接合される側の表面において、前記一方のガス拡散層の周縁部と前記膜電極接合体との間から前記一方のガス拡散層が接合される領域よりも外側の領域に亘って設けられている、
燃料電池。
【００１８】
適用例４の燃料電池によって、膜電極接合体からの上記一方のガス拡散層、すなわち、上記他方のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合されたガス拡散層の周縁部の剥離を抑制することができる。なお、適用例４の燃料電池において、膜電極接合体において上記一方のガス拡散層が接合される領域よりも外側の領域であって、接合層が設けられる領域には、電解質膜上に電極層が形成されていなくてもよい。
【００１９】
［適用例５］
適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記ガス拡散層は、前記膜電極接合体と接合される側の面に、撥水層を備える、
燃料電池。
【００２０】
適用例５の燃料電池によって、膜電極接合体からの排水性を向上させ、フラッディングを抑制することができる。
【００２１】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。また、本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、燃料電池の製造方法、膜電極ガス拡散層接合体の製造方法の発明として構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【図３】アノード側セパレータプレート１５の構成を示す説明図である。
【図４】カソード側セパレータプレート１６の構成を示す説明図である。
【図５】樹脂フレーム１３の概略構成を示す説明図である。
【図６】樹脂フレーム１４の概略構成を示す説明図である。
【図７】膜電極ガス拡散層接合体１２の断面構造を示す説明図である。
【図８】膜電極ガス拡散層接合体１２の製造工程を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．実施例：
図１，２は、本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池は、複数の単セル１０を積層したスタック構造を有している。図１に、単セル１０の分解斜視図を示した。また、図２に、燃料電池の断面模式図を示した。図示するように、単セル１０は、膜電極ガス拡散層接合体１２と、膜電極ガス拡散層接合体１２の周縁部を挟持して支持する一対の樹脂フレーム１３，１４と、膜電極ガス拡散層接合体１２を挟持する一対のセパレータプレート（アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６）と、を備えている。
【００２４】
膜電極ガス拡散層接合体１２は、後から示すように（図７参照）、電解質膜の両面に電極層を形成してなる膜電極接合体と、膜電極接合体の表面に接合されたガス拡散層と、を備えている。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、電解質膜は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜によって構成されている。電極層（アノード、および、カソード）は、触媒として、例えば、白金あるいは白金合金を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体上に担持させることによって形成されている。具体的には、電極層は、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜を構成する高分子電解質と同じ種類の電解質と、を含有する触媒ペーストを作製し、この触媒ペーストを電解質膜上に塗布することにより形成されている。ガス拡散層は、例えば、カーボンペーパなどの導電性を有する多孔質体によって構成されている。
【００２５】
なお、本実施例の燃料電池では、膜電極ガス拡散層接合体１２の構成が、面内の領域ごとに異なっている（図２に示した領域Ａ，Ｂ，Ｃ）。この膜電極ガス拡散層接合体１２については、後から詳しく説明する。
【００２６】
樹脂フレーム１３は、膜電極ガス拡散層接合体１２とアノード側セパレータプレート１５との間に配置されて、膜電極ガス拡散層接合体１２とアノード側セパレータプレート１５との間に形成されるガス流路（水素流路）におけるガスシール性を確保する。また、樹脂フレーム１４は、膜電極ガス拡散層接合体１２とカソード側セパレータプレート１６との間に配置されて、膜電極ガス拡散層接合体１２とカソード側セパレータプレート１６との間に形成されるガス流路（空気流路）におけるガスシール性を確保する。
【００２７】
アノード側セパレータプレート１５は、膜電極ガス拡散層接合体１２との間に、燃料ガスとしての水素が流れるガス流路（水素流路）を形成するガス流路形成部材である。アノード側セパレータプレート１５の表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状（凹部および凸部）が形成されている。また、カソード側セパレータプレート１６は、膜電極ガス拡散層接合体１２との間に、酸化剤ガスとしての空気（酸素）が流れるガス流路（空気流路）を形成するガス流路形成部材である。カソード側セパレータプレート１６の表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状（凹部および凸部）が形成されている。
【００２８】
本実施例のアノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６は、略四角形の金属製薄板部材であり、プレス成形によって上記凹凸形状が形成されるとともに、所定の位置に穴部２２〜２７が設けられている。このように、金属製薄板をプレス成形することによって凹凸形状が形成されているアノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６では、一方の面に形成された凹凸部と、他方の面に形成された凹凸部とは、互いに裏返し形状となっている。なお、裏返し形状とは、一方の面に形成された凸部の形状が、他方の面に形成された凹部の形状に対応し、一方の面に形成された凹部の形状が、他方の面に形成された凸部の形状に対応する関係が、両面間で成立する形状を指す。すなわち、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６が有する凹凸形状は、表裏で凹凸が反転する形状となっている。このような凹凸形状によって、アノード側セパレータプレート１５と膜電極ガス拡散層接合体１２との間には、水素流路が形成される。図２では、水素流路となる空間に、「Ｈ2」と記している。また、カソード側セパレータプレート１６と膜電極ガス拡散層接合体１２との間には、空気流路が形成される。図２では、空気流路となる空間に、「Ｏ2」と記している。なお、隣接する単セル１０間では、一方の単セル１０が備えるアノード側セパレータプレート１５の上記凹凸形状と、他方の単セル１０が備えるカソード側セパレータプレート１６の上記凹凸形状とによって、冷媒が流れる冷媒流路が形成される。図２では、冷媒流路となる空間に、「冷媒」と記している。
【００２９】
図３は、アノード側セパレータプレート１５の構成を示す説明図である。図３（Ａ）に、ガス流路面側から見た平面図を示した。また、図３（Ｂ）に、冷媒流路面側から見た平面図を示した。なお、図３では、燃料電池を設置した際の水平方向に対応する方向を矢印Ａで示し、鉛直方向に対応する方向を矢印Ｂで示している。
【００３０】
アノード側セパレータプレート１５は、その外周部に、６つの穴部２２〜２７を備えている。具体的には、アノード側セパレータプレート１５には、図３（Ａ）に示した鉛直方向の辺２０に沿って、鉛直方向上方から順に、穴部２２，２３，２４が形成されている。また、アノード側セパレータプレート１５には、辺２０に対向する辺２１に沿って、鉛直方向上方から順に、穴部２５，２６，２７が形成されている。これらの穴部２２〜２７は、後述するように、カソード側セパレータプレート１６、および、樹脂フレーム１３，１４にも同様に形成されている。そして、アノード側セパレータプレート１５、カソード側セパレータプレート１６、および、樹脂フレーム１３，１４が積層されて燃料電池が組み立てられたときには、対応する穴部同士が積層方向に重なり合って、燃料電池内部を積層方向に貫通する流体流路を形成する。
【００３１】
すなわち、穴部２２は、燃料電池の外部から供給されて各単セル１０のアノードに分配される水素が流れる水素供給マニホールドを形成し（図３〜５において、Ｈ2ｉｎと表す）、穴部２７は、各単セル１０のアノードから排出されたアノードオフガスを燃料電池の外部に導くアノードオフガス排出マニホールドを形成する（図３〜５において、Ｈ2ｏｕｔと表す）。また、穴部２６は、燃料電池の外部から供給されて各単セル１０に分配される空気が流れる空気供給マニホールドを形成し（図３〜５において、Ｏ2ｉｎと表す）、穴部２３は、各単セル１０のカソードから排出されたカソードオフガスを燃料電池の外部に導くカソードオフガス排出マニホールドを形成する（図３〜５において、Ｏ2ｏｕｔと表す）。また、穴部２４は、燃料電池の外部から供給されて各単セル１０間の冷媒流路に分配される冷媒が流れる冷媒供給マニホールドを形成し（図３〜５において、Ｒｅｆｉｎと表す）、穴部２５は、各単セル１０間の冷媒流路を通過した冷媒を燃料電池の外部に導く冷媒排出マニホールドを形成する（図３〜５において、Ｒｅｆｏｕｔと表す）。
【００３２】
また、アノード側セパレータプレート１５のガス流路面には、膜電極ガス拡散層接合体１２の表面とともにガス流路の内壁面を形成する第１の凹凸部が形成されている。第１の凹凸部が形成されて、表面上に水素が流れる略四角形の領域を、以下、発電領域３０と呼ぶ。図３（Ａ）では、発電領域３０を破線で囲んで示した。本実施例では、第１の凹凸部は、略四角形状に形成されており、凸部として、２つの分割線状凸部４０と、多数の分割領域内線状凸部４１と、多数の突起部４２と、を備えている。
【００３３】
分割線状凸部４０は、発電領域３０内を略水平方向に伸長している線状の凸部である。一方の分割線状凸部４０は、発電領域３０の外周における辺２０の近傍の辺に達する一端と、辺２０に対向する辺２１の近傍の辺から離間した他端と、を有する。また、他方の分割線状凸部４０は、発電領域３０の外周における辺２１の近傍の辺に達する一端と、辺２１に対向する辺２０の近傍の辺から離間した他端と、を有する。
【００３４】
分割領域内線状凸部４１は、略水平方向に形成され、その両端が発電領域３０の外周から離間した線状凸部であって、複数（本実施例では５つ）の分割領域内線状凸部４１がまとまって、分割線状凸部４０間、あるいは、分割線状凸部４０と発電領域３０の外周との間に配置されている。分割線状凸部４０によって区画され、分割領域内線状凸部４１がまとまって配置される領域を、以下、分割領域３２と呼ぶ。本実施例では、２つの分割線状凸部４０によって、３つの分割領域３２が形成されている。分割領域３２を、図３（Ａ）において、一点鎖線で囲んで示した。
【００３５】
突起部４２は、上記分割領域３２の外側に配置されて、分割領域３２に流入あるいは分割領域３２から流出するガスが流れる領域に、規則的に、すなわち、規則性を有する間隔で配置されている。突起部４２が設けられたこのような領域としては、流出入領域３３、および、接続領域３４がある。流出入領域３３は、穴部２２の近傍、および、穴部２７の近傍において、分割領域３２の端部と、発電領域３０の外周と、分割線状凸部４０の一部分によって囲まれる領域である。接続領域３４は、分割線状凸部４０の上記他端と発電領域３０の外周との間の離間部を含む領域であって、隣り合う２つの分割領域３２の端部と、発電領域３０の外周と、分割線状凸部４０の一部分とによって囲まれる領域である。これら流出入領域３３および接続領域３４を、図３（Ａ）において、二点鎖線で囲んで示した。なお、流出入領域３３、および、接続領域３４には、上記規則性を有する間隔で配置された突起部４２間において、同じく規則性を有する間隔で配置された多数の凹部４３が形成されている。具体的には、突起部４２と凹部４３とは、分割線状凸部４０に平行な方向および垂直な方向に等間隔に交互に形成されている。
【００３６】
本実施例では、発電領域３０の外周における辺２０近傍の辺に達する上記一端を有する分割線状凸部４０と、辺２１近傍の辺に達する上記一端を有する分割線状凸部４０とが１つずつ設けられており、各々の分割線状凸部４０における上記他端の近傍には、上記接続領域３４が形成されている。これにより、本実施例では、３つの分割領域３２が、接続領域３４を介して、全体として直列に接続されている。
【００３７】
アノード側セパレータプレート１５の冷媒流路面には、発電領域３０の裏面領域（以下の説明では、裏面領域も発電領域３０と呼ぶ）において、対向するカソード側セパレータプレート１６の表面とともに冷媒流路の内壁面を形成する第２の凹凸部が形成されている。第２の凹凸部は、凸部として、多数の冷媒流線状凸部４５と、多数の突起部４６と、を備えている（図３（Ｂ）参照）。
【００３８】
冷媒流線状凸部４５は、水平方向に設けられた線状凸部であって、その両端が、発電領域３０の外周から離間している線状凸部である。この冷媒流線状凸部４５は、ガス流路面における分割領域内線状凸部４１間、あるいは、分割領域内線状凸部４１と分割線状凸部４０との間に形成される凹部の裏返し形状として形成されている。突起部４６は、ガス流路面における流出入領域３３および接続領域３４の裏面において、ガス流路面に形成された既述した凹部４３の裏返し形状として形成されている。なお、冷媒流路面には、ガス流路面に形成された突起部４２の裏返し形状として、凹部４８が形成されている。
【００３９】
図４は、カソード側セパレータプレート１６の構成を示す説明図である。図４（Ａ）に、ガス流路面側から見た平面図を示した。また、図４（Ｂ）に、冷媒流路面側から見た平面図を示した。カソード側セパレータプレート１６は、アノード側セパレータプレート１５と略同一の外形形状を有する金属製薄板部材である。そして、カソード側セパレータプレート１６には、アノード側セパレータプレート１５と同様に、プレス成形によって表面に凹凸形状が形成されるとともに、穴部２２〜２７が設けられている。
【００４０】
カソード側セパレータプレート１６のガス流路面には、膜電極ガス拡散層接合体１２の表面とともにガス流路の内壁面を形成する第１の凹凸部が形成されている。第１の凹凸部が形成されて、表面上に空気が流れる略四角形の領域を、以下、発電領域３０と呼ぶ。図４（Ａ）では、発電領域３０を破線で囲んで示した。第１の凹凸部は、凸部として、２つの分割線状凸部６０と、多数の分割領域内線状凸部６１と、多数の突起部６２と、を備えている。
【００４１】
分割領域内線状凸部６１は、アノード側セパレータプレート１５のガス流路面に形成された分割領域内線状凸部４１と同様に、略水平方向に形成され、その両端が発電領域３０の外周から離間した線状凸部である。これらの分割領域内線状凸部６１は、複数（本実施例では５つ）がまとまって分割線状凸部６０と発電領域３０の外周との間に配置され、分割領域３２を形成する。また、分割線状凸部６０は、アノード側セパレータプレート１５のガス流路面に形成された分割線状凸部４０と同様に、発電領域３０の外周上に達する一端と、発電領域３０の外周から離間した他端と、を有している。この分割線状凸部６０は、上記分割領域３２の間に設けられ、分割領域内線状凸部６１と同様の長さであって発電領域３０内を略水平方向に伸長する水平部と、水平方向に対して傾斜して設けられて発電領域３０の外周に達する傾斜部とを備えている。本実施例では、２つの分割線状凸部６０によって、３つの分割領域３２が形成されている。
【００４２】
また、突起部６２は、上記分割領域３２の外側に配置されて、分割領域３２に流入あるいは分割領域３２から流出するガスが流れる領域、すなわち、流出入領域３３および接続領域３４に、規則的に配置されている。流出入領域３３は、穴部２５，２６の近傍、および、穴部２３，２４の近傍において、分割領域３２の端部と、発電領域３０の外周と、分割線状凸部６０の上記傾斜部によって囲まれる領域である。接続領域３４は、分割線状凸部４０の上記他端と発電領域３０の外周との間の離間部を含む領域であって、隣り合う２つの分割領域３２の端部と、発電領域３０の外周と、分割線状凸部４０の上記傾斜部とによって囲まれる領域である。これら流出入領域３３および接続領域３４を、図４（Ａ）において、二点鎖線で囲んで示した。なお、流出入領域３３および接続領域３４には、上記規則的に配置された突起部６２間において、同じく規則的に配置された多数の凹部６３が形成されている。カソード側セパレータプレート１６では、このように、２つの分割線状凸部６０が形成されることで、２つの接続領域３４を介して３つの分割領域３２が直列に接続されている。
【００４３】
カソード側セパレータプレート１６の冷媒流路面には、発電領域３０において、対向するアノード側セパレータプレート１５の表面とともに冷媒流路の内壁面を形成する第２の凹凸部が形成されている。第２の凹凸部は、凸部として、多数の冷媒流線状凸部６５と、多数の突起部６６と、を備えている。
【００４４】
冷媒流線状凸部６５は、アノード側セパレータプレート１５に形成された冷媒流線状凸部４５と同様に、略水平方向に設けられるとともに、その両端が発電領域３０の外周から離間している線状凸部である。この冷媒流線状凸部６５は、ガス流路面における分割領域内線状凸部６１間、あるいは、分割領域内線状凸部６１と分割線状凸部６０との間に形成される凹部の裏返し形状として形成されている。突起部６６は、ガス流路面に形成された既述した凹部６３の裏返し形状として形成されている。なお、冷媒流路面には、ガス流路面に形成された突起部６２の裏返し形状として、凹部６８が形成されている。
【００４５】
図５は、樹脂フレーム１３の概略構成を示す説明図である。図５では、アノード側セパレータプレート１５のガス流路面と接する側から見た平面図を示した。樹脂フレーム１３には、中央部に、穴部５０が形成されている。穴部５０は、略四角形状であって、膜電極ガス拡散層接合体１２よりも若干小さく形成されている。また、樹脂フレーム１３では、穴部２２と穴部５０とを連通させる凹部５１と、穴部２７と穴部５０とを連通させる凹部５２とが形成されている。凹部５１は、アノード側セパレータプレート１５との間で、穴部２２により形成される水素供給マニホールドと、単セル１０内のガス流路（水素流路）とを接続する流路を形成する。また、凹部５２は、アノード側セパレータプレート１５との間で、穴部２７により構成されるアノードオフガス排出マニホールドと、単セル１０内のガス流路（水素流路）とを接続する流路を形成する。
【００４６】
図６は、樹脂フレーム１４の概略構成を示す説明図である。図６では、カソード側セパレータプレート１６のガス流路面と接する側から見た平面図を示した。樹脂フレーム１４には、中央部に、樹脂フレーム１３の穴部５０と重なる同様の形状の穴部５３が形成されている。また、樹脂フレーム１４では、穴部２３と穴部５３とを連通させる凹部５５と、穴部２６と穴部５３とを連通させる凹部５４とが形成されている。凹部５５は、カソード側セパレータプレート１６との間で、穴部２３により形成されるカソードオフガス排出マニホールドと、単セル１０内のガス流路（空気流路）とを接続する流路を形成する。また、凹部５４は、カソード側セパレータプレート１６との間で、穴部２６により構成される空気供給マニホールドと、単セル１０内のガス流路（空気流路）とを接続する流路を形成する。
【００４７】
これらの樹脂フレーム１３，１４は、絶縁性の樹脂によって形成されており、樹脂フレーム１３、１４によって膜電極ガス拡散層接合体１２を狭持することで、膜電極ガス拡散層接合体１２の両面間で、絶縁性が確保されている。また、樹脂フレーム１３は、所定の高さの凹凸を有するアノード側セパレータプレート１５と膜電極ガス拡散層接合体１２との間に配置されて、上記凹凸に対応する距離を、アノード側セパレータプレート１５と膜電極ガス拡散層接合体１２との間で確保するためのスペーサとしての役割を果たしている。このことは、樹脂フレーム１４についても同様である。
【００４８】
燃料電池を組み立てる際には、アノード側セパレータプレート１５と樹脂フレーム１３とを、これらの間に接着剤などからなるシール材（図示せず）を介して重ね合わせる。また、同様にして、カソード側セパレータプレート１６と樹脂フレーム１４とを、これらの間に接着剤などからなるシール材（図示せず）を介して重ね合わせる。その後、膜電極ガス拡散層接合体１２を、樹脂フレーム１３、１４によって挟持して、接着剤などからなるシール材（図示せず）を介して貼り合わせることで、単セル１０を完成させる。なお、膜電極ガス拡散層接合体１２と樹脂フレーム１３、１４とを貼り合わせる際には、樹脂フレーム１３の穴部５０、および、樹脂フレーム１４の穴部５３を、膜電極ガス拡散層接合体１２が覆うように、各部材を配置する。このようにして作製した単セル１０を、各単セル１０間に接着剤などからなるシール材１７（図２参照）を配置しながら所定数積層することにより、燃料電池スタックを作製することができる。上記のように各部材間にシール材を設けることで、単セル１０内のガス流路、および、各種マニホールドにおけるシール性が確保されている。
【００４９】
また、このように各部材を積層して燃料電池を組み立てたときには、アノード側セパレータプレート１５の分割線状凸部４０と、カソード側セパレータプレート１６の分割線状凸部６０の水平部とは、膜電極ガス拡散層接合体１２を間に介して互いに対向する。同様に、アノード側セパレータプレート１５の分割領域内線状凸部４１は、カソード側セパレータプレート１６の分割領域内線状凸部６１と対向し、アノード側セパレータプレート１５の突起部４２は、カソード側セパレータプレート１６の突起部６２と対向する。また、アノード側セパレータプレート１５の突起部４６の頭頂部は、隣接するカソード側セパレータプレート１６の突起部６６の頭頂部と当接する。このように、対応する凸部が積層方向で互いに支持し合うことにより、燃料電池における積層体全体の剛性が確保されている。なお、図２に示した断面は、各線状凸部の長手方向に垂直な方向の断面であり、図２に示した断面図の位置は、図３（Ａ）において、２−２断面として示している。図２では、特に、樹脂フレーム１３，１４を含む燃料電池の外周部近傍の断面の様子を示している。
【００５０】
燃料電池において、穴部２２が形成する水素供給マニホールドに水素が供給されると、この水素は、各単セル１０内の水素流路に分配される。この水素流路において、水素およびアノードオフガスは、図３（Ａ）に白抜き矢印で示したように、分割領域３２では水平方向に流れつつ、全体としては鉛直方向下方へと流れる。そして、アノードオフガスは、穴部２７が形成するアノードオフガス排出マニホールドに排出される。
【００５１】
また、穴部２６が形成する空気供給マニホールドに空気が供給されると、この空気は、各単セル１０内の空気流路に分配される。この空気流路において、空気およびカソードオフガスは、図４（Ａ）に白抜き矢印で示したように、分割領域３２では水平方向に流れつつ、全体としては鉛直方向下方へと流れる。そして、カソードオフガスは、穴部２３が形成するカソードオフガス排出マニホールドに排出される。
【００５２】
また、穴部２４が形成する冷媒供給マニホールドに冷媒が供給されると、この冷媒は、アノード側セパレータプレート１５とカソード側セパレータプレート１６との間に形成された冷媒流路に分配される。この冷媒流路において、冷媒は、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）に白抜き矢印で示したように、全体として水平方向に流れる。冷媒流路を流れた冷媒は、穴部２５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。
【００５３】
なお、本実施例の燃料電池では、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６において、マニホールドを形成する穴部２２〜２７の近傍に、各面に突出する複数の突起部４２，４６，６２，６６を形成した流出入領域３３および接続領域３４を設けている。このため、表裏で互いに反転する形状でありながら、折れ曲がり部を有するガス流路と、一方向に直進する冷媒流路とを、表裏で両立させることができる。すなわち、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６において、互いに離間した複数の突起部を両面に設けることで、一方の面では、冷媒を一方向に導くとともに、他方の面では、ガス流れを反転させることが可能になる。
【００５４】
ところで、本実施例の燃料電池では、膜電極ガス拡散層接合体１２の構成が、面内の領域ごとに異なっている。具体的には、本実施例の燃料電池では、図２に示した領域Ａ，Ｂ，Ｃごとに、膜電極ガス拡散層接合体１２の構成が異なっている。
【００５５】
ここで、領域Ａは、膜電極ガス拡散層接合体１２が、アノード側セパレータプレート１５とカソード側セパレータプレート１６とによって挟持されたときに、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６における膜電極ガス拡散層接合体１２側の凸部が当接して、直接的に押圧される領域である。また、領域Ｂは、膜電極ガス拡散層接合体１２が、アノード側セパレータプレート１５とカソード側セパレータプレート１６とによって挟持されたときに、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６における膜電極ガス拡散層接合体１２側の凹部と対向する領域である。換言すれば、領域Ｂは、膜電極ガス拡散層接合体１２が、アノード側セパレータプレート１５とカソード側セパレータプレート１６とによって挟持されたときに、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６と当接せず、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６によって直接的には押圧されない領域である。したがって、膜電極ガス拡散層接合体１２がアノード側セパレータプレート１５とカソード側セパレータプレート１６とによって挟持されたときに領域Ｂに作用する押圧力は、領域Ａに作用する押圧力よりも低い。また、領域Ｃは、膜電極ガス拡散層接合体１２の周縁の領域である。
【００５６】
図７は、膜電極ガス拡散層接合体１２の構成を示す説明図である。図７（Ａ）に、図２に示した領域Ａにおける膜電極ガス拡散層接合体１２の断面構造を示した。また、図７（Ｂ）に、図２に示した領域Ｂにおける膜電極ガス拡散層接合体１２の断面構造を示した。また、図７（Ｃ）に、図２に示した領域Ｃにおける膜電極ガス拡散層接合体１２の断面構図を示した。
【００５７】
膜電極ガス拡散層接合体１２は、概ね、膜電極接合体１２０のアノード側に、アノード側ガス拡散層１２２を接合し、膜電極接合体１２０のカソード側に、カソード側ガス拡散層１２４を接合することによって作製されている。膜電極接合体１２０は、電解質膜１２０ｍの両面に、電極層として、アノード側触媒層１２０ａ、および、カソード側触媒層１２０ｃを形成してなる。
【００５８】
なお、本実施例の膜電極ガス拡散層接合体１２では、アノード側ガス拡散層１２２の膜電極接合体１２０側の表面に、撥水層１２２ｐが形成されている。また、カソード側ガス拡散層１２４の膜電極接合体１２０側の表面に、撥水層１２４ｐが形成されている。
【００５９】
また、本実施例の膜電極ガス拡散層接合体１２では、カソード側ガス拡散層１２４のサイズが、アノード側ガス拡散層１２２のサイズよりも小さい。そして、図７（Ｃ）に示したように、カソード側ガス拡散層１２４は、膜電極接合体１２０を挟んでアノード側ガス拡散層１２２と対向する領域であって、膜電極接合体１２０の面内において、アノード側ガス拡散層１２２が接合された領域よりも内側の領域に接合されている。
【００６０】
そして、領域Ａでは、膜電極ガス拡散層接合体１２は、図７（Ａ）に示したように、膜電極接合体１２０のアノード側触媒層１２０ａにアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）を接合し、膜電極接合体１２０のカソード側触媒層１２０ｃにカソード側ガス拡散層１２４（撥水層１２４ｐ）を接合した構成を有している。
【００６１】
これに対し、領域Ｂでは、膜電極ガス拡散層接合体１２は、図７（Ｂ）に示したように、領域Ａにおける構成に加え、膜電極接合体１２０のアノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との間に、接合層１２６が設けられている。ただし、本実施例では、接合層１２６を設けることによるアノード側ガス拡散層１２２からアノード側触媒層１２０ａへの水素の拡散性の低下を抑制することができるように、領域Ｂの全部ではなく一部の領域に、接合層１２６が設けられるものとした。なお、本実施例では、接合層１２６は、イオン交換樹脂からなり、接合層１２６には、アノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との密着強度を低下させる材料（例えば、カーボン粒子等）は含まれない。
【００６２】
また、領域Ｃでは、膜電極ガス拡散層接合体１２は、図７（Ｃ）に示したように、領域Ａにおける構成に加え、膜電極接合体１２０のカソード側触媒層１２０ｃとカソード側ガス拡散層１２４（撥水層１２４ｐ）との間に、接合層１２７が設けられている。膜電極接合体１２０の表面において、接合層１２７が設けられる部位に、カソード側触媒層１２０ｃが形成されないものとしてもよい。そして、この接合層１２７は、膜電極接合体１２０のカソード側の表面において、カソード側ガス拡散層１２４の周縁部と膜電極接合体１２０との間からカソード側ガス拡散層１２４が接合される領域よりも外側の領域に亘って設けられている。なお、接合層１２７は、接合層１２６と同様に、イオン交換樹脂からなり、接合層１２７には、カソード側触媒層１２０ｃとカソード側ガス拡散層１２４（撥水層１２４ｐ）との密着強度を低下させる材料（例えば、カーボン粒子等）は含まれない。
【００６３】
なお、図２では、膜電極ガス拡散層接合体１２において、分割領域３２と対向する領域について、領域Ａ，Ｂを示したが、流出入領域３３と対向する領域、および、接続領域３４と対向する領域についても同様である（図３（Ａ）参照）。すなわち、膜電極ガス拡散層接合体１２において、流出入領域３３と対向する領域、および、接続領域３４と対向する領域では、アノード側セパレータプレート１５の突起部４２、および、カソード側セパレータプレート１６の突起部６２と当接する領域が領域Ａとなり、これらと当接しない領域が領域Ｂとなる。そして、膜電極ガス拡散層接合体１２において、これらの領域Ｂにも、図７（Ｂ）に示したように、接合層１２６が設けられる。
【００６４】
上述した膜電極ガス拡散層接合体１２は、例えば、以下の製造工程によって製造される。図８は、膜電極ガス拡散層接合体１２の製造工程を示す説明図である。
【００６５】
まず、膜電極接合体１２０を作製する（ステップＳ１００）。この膜電極接合体１２０は、先に説明したように、電解質膜１２０ｍの両面に、触媒ペーストを塗布し、電極層として、アノード側触媒層１２０ａ、および、カソード側触媒層１２０ｃを形成することによって作製される。
【００６６】
次に、膜電極接合体１２０上の所望の部位に、接合層を積層する（ステップＳ１１０）。本実施例では、膜電極接合体１２０の領域Ｂ，Ｃに対応する部位に、それぞれ、接合層１２６，１２７として、イオン交換樹脂であるナフィオン（登録商標）からなる厚さが１０（μｍ）のフィルムを貼り付けるものとした。このフィルムの厚さは、例えば、アノード側ガス拡散層１２２（１２２ｐ）の膜電極接合体１２０側の表面のうねりの高さに基づいて、設定される。アノード側ガス拡散層１２２（１２２ｐ）の膜電極接合体１２０側の表面のうねりの高さとフィルムの厚さとをほぼ等しい値とすることによって、後のステップＳ１２０でホットプレス接合を行ったときに、フィルムが軟化・変形して上記うねりを吸収し、膜電極ガス拡散層接合体１２の厚さの均一化をはかることができる。
【００６７】
そして、接合層が積層された膜電極接合体１２０に、アノード側ガス拡散層１２２、および、カソード側ガス拡散層１２４を、ホットプレス接合する（ステップＳ１２０）。本実施例では、このホットプレス接合を、７０（℃）で行うものとした。以上の製造工程によって、膜電極ガス拡散層接合体１２は完成する。
【００６８】
本実施例の燃料電池の効果について説明する。膜電極ガス拡散層接合体の全面が図７（Ａ）に示した構成を有する、すなわち、膜電極ガス拡散層接合体が、膜電極ガス拡散層接合体１２における接合層１２６を備えない燃料電池では、膜電極ガス拡散層接合体において、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６によって挟持されたときに作用する押圧力が領域Ａよりも低い領域Ｂでは（図２参照）、膜電極接合体１２０のアノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との密着強度は、領域Ａにおけるアノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との密着強度よりも低くなる。これに対し、本実施例の燃料電池では、領域Ｂに接合層１２６を設けることによって、膜電極接合体１２０のアノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２との密着強度を向上させることができる。なお、領域Ａでは、接合層１２６を設けなくても、上記押圧力によって、十分に高い密着強度を得ることができる。また、本実施例の燃料電池では、接合層１２６がイオン交換樹脂からなり、接合層１２６には、アノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との密着強度を低下させる材料（例えば、カーボン粒子等）が含まれない。したがって、接合層１２６にアノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との密着強度を低下させる材料が含まれる場合よりも、アノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２（撥水層１２２ｐ）との密着強度を向上させることができる。そして、本実施例の燃料電池によって、膜電極接合体１２０の耐久性を向上させることができる。
【００６９】
また、一般に、膜電極接合体１２０（膜電極ガス拡散層接合体１２）において、水素の入口領域、および、空気の入口領域では、電解質膜１２０ｍが乾燥しやすい。そして、電解質膜１２０ｍが乾燥すると、プロトン伝導性が低下し、燃料電池の発電性能の低下を招く。一方、本実施例の燃料電池では、膜電極ガス拡散層接合体１２において、接合層１２６は、水素の入口領域、および、空気の入口領域、換言すれば、流出入領域３３（図３，４参照）と対向する領域に設けられている。なお、水素の入口領域と対向する領域では、アノード側に接合層１２６を設け、また、空気の入口と対向する領域では、カソード側に接合層１２６を設けるようにすることが好ましい。そして、接合層１２６は、イオン交換樹脂からなるので、比較的高い保水性を有している。したがって、本実施例の燃料電池によって、電解質膜１２０ｍの水素の入口領域、および、空気の入口領域の乾燥を抑制することができる。
【００７０】
また、本実施例の燃料電池では、図７（Ｃ）に示したように、膜電極ガス拡散層接合体１２において、カソード側ガス拡散層１２４は、膜電極接合体１２０を挟んでアノード側ガス拡散層１２２と対向する領域であって、膜電極接合体１２０の面内において、アノード側ガス拡散層１２２が接合された領域よりも内側の領域に接合されている。そして、接合層１２７が、膜電極接合体１２０のカソード側の表面において、カソード側ガス拡散層１２４の周縁部と膜電極接合体１２０との間からカソード側ガス拡散層１２４が接合される領域よりも外側の領域に亘って設けられている。こうすることによって、膜電極接合体１２０からのカソード側ガス拡散層１２４の周縁部の剥離を抑制することができる。
【００７１】
また、本実施例の燃料電池では、アノード側ガス拡散層１２２は、膜電極接合体１２０と接合される側の表面に、撥水層１２２ｐを備える。また、カソード側ガス拡散層１２４は、膜電極接合体１２０と接合される側の表面に、撥水層１２４ｐを備える。こうすることによって、膜電極接合体１２０からの排水性を向上させ、燃料電池におけるフラッディングを抑制することができる。
【００７２】
Ｂ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００７３】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例では、膜電極ガス拡散層接合体１２の領域Ｂにおいて、アノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２との間に、接合層１２６を設けるものとしたが、本発明は、これに限られない。膜電極ガス拡散層接合体１２の領域Ｂにおいて、カソード側触媒層１２０ｃとカソード側ガス拡散層１２４との間にも、接合層１２６を設けるものとしてもよい。また、膜電極ガス拡散層接合体１２の領域Ｂにおいて、アノード側触媒層１２０ａとアノード側ガス拡散層１２２との間に、接合層１２６を設ける代わりに、カソード側触媒層１２０ｃとカソード側ガス拡散層１２４との間に、接合層１２６を設けるものとしてもよい。
【００７４】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例では、膜電極ガス拡散層接合体１２において、分割領域３２と対向する領域、流出入領域３３と対向する領域、および、接続領域３４と対向する領域のすべてにおける領域Ｂに、接合層１２６を設けるものとしたが、本発明は、これに限られない。分割領域３２と対向する領域、流出入領域３３と対向する領域、および、接続領域３４と対向する領域の少なくとも１つにおける領域Ｂに、接合層１２６を設けるものとしてもよい。
【００７５】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例の燃料電池において、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６の形状は、図１〜４に示した形状に限られない。例えば、アノード側セパレータプレート１５、および、カソード側セパレータプレート１６には、ガス流路を形成する凹凸形状以外の凹凸形状、すなわち、ガス流路を形成しない凹凸形状が形成されるものとしてもよい。本発明は、アノード側セパレータプレート、および、カソード側セパレータプレートの形状に関わらず、膜電極ガス拡散層接合体が、ガス流路形成部材としてのアノード側セパレータプレート、および、カソード側セパレータプレートによって挟持されたときに作用する押圧力が比較的高い第１の領域と、上記押圧力が第１の領域よりも低い第２の領域と、を含み、第２の領域の少なくとも一部には、膜電極接合体とガス拡散層との間に、膜電極接合体とガス拡散層とを接合する接合層が設けられており、第１の領域には、接合層が設けられていないようにすればよい。
【００７６】
Ｂ４．変形例４：
上記実施例では、膜電極ガス拡散層接合体１２において、接合層１２６，１２７は、ナフィオン（登録商標）からなるフィルムを用いて形成するものとしたが、本発明は、これに限られない。膜電極接合体１２０の表面に、イオン交換樹脂が分散された分散溶液（アイオノマ溶液）を、ダイコーターやスプレーを用いて塗布することによって、接合層１２６，１２７を形成するようにしてもよい。この場合、分散溶液におけるイオン交換樹脂の割合は、５０重量％以上であることが好ましい。
【００７７】
Ｂ５：変形例５：
上記実施例では、膜電極ガス拡散層接合体１２において、接合層１２６，１２７として、ナフィオン（登録商標）以外の他のイオン交換樹脂（例えば、フレミオン（登録商標））を用いるようにしてもよい。なお、接合層１２６，１２７に用いられるイオン交換樹脂は、アノード側触媒層１２０ａや、カソード側触媒層１２０ｃとの密着強度との観点から、アノード側触媒層１２０ａ、カソード側触媒層１２０ｃに含まれるイオン交換樹脂と同じ種類であることが好ましい。
【００７８】
Ｂ６．変形例６：
上記実施例では、接合層１２６，１２７は、イオン交換樹脂からなるものとしたが、本発明は、これに限られない。接合層１２６，１２７は、イオン交換樹脂の代わりに、接着性を有するゴム系の材料や、熱可塑性樹脂等、ホットプレス接合によって、膜電極接合体１２０とガス拡散層とを接合可能な材料からなるものとしてもよい。
【００７９】
Ｂ７．変形例７：
上記実施例では、図７（Ｃ）に示したように、膜電極ガス拡散層接合体１２において、カソード側ガス拡散層１２４は、膜電極接合体１２０を挟んでアノード側ガス拡散層１２２と対向する領域であって、膜電極接合体１２０の面内において、アノード側ガス拡散層１２２が接合された領域よりも内側の領域に接合されているものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、膜電極ガス拡散層接合体１２において、アノード側ガス拡散層１２２が、膜電極接合体１２０を挟んでカソード側ガス拡散層１２４と対向する領域であって、膜電極接合体１２０の面内において、カソード側ガス拡散層１２４が接合された領域よりも内側の領域に接合されているものとしてもよい。この場合、接合層１２７は、膜電極接合体１２０のアノード側の表面において、アノード側ガス拡散層１２２の周縁部と膜電極接合体１２０との間からアノード側ガス拡散層１２２が接合される領域よりも外側の領域に亘って設けられる。こうすることによって、膜電極接合体１２０からのアノード側ガス拡散層１２２の周縁部の剥離を抑制することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１０…単セル
１２…膜電極ガス拡散層接合体
１３，１４…樹脂フレーム
１５…アノード側セパレータプレート
１６…カソード側セパレータプレート
１７…シール材
２０，２１…辺
２２〜２７…穴部
３０…発電領域
３２…分割領域
３３…流出入領域
３４…接続領域
４０，６０…分割線状凸部
４１，６１…分割領域内線状凸部
４２，４６，６２，６６…突起部
４３，４８，６３，６８…凹部
４５，６５…冷媒流線状凸部
５０，５３…穴部
５１，５２，５４，５５…凹部
１２０…膜電極接合体
１２０ｍ…電解質膜
１２０ａ…アノード側触媒層
１２０ｃ…カソード側触媒層
１２２…アノード側ガス拡散層
１２２ｐ…撥水層
１２４…カソード側ガス拡散層
１２４ｐ…撥水層
１２６，１２７…接合層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極層を形成してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の表面に接合されたガス拡散層と、を有する膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持し、該膜電極ガス拡散層接合体の表面に発電に供する反応ガスが流れるガス流路を形成するガス流路形成部材と、
を備え、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、前記ガス流路形成部材と向かい合う面内に、
第１の領域と、
前記ガス流路形成部材によって挟持されたときに作用する押圧力が前記第１の領域よりも低い第２の領域と、
を含み、
前記第２の領域の少なくとも一部には、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層との間に、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層とを接合する接合層が設けられている、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部材は、前記膜電極ガス拡散層接合体と当接する側の表面に、前記ガス流路を形成する凸部および凹部であって、前記膜電極ガス拡散層接合体と当接する凸部と、前記膜電極ガス拡散層接合体と当接しない凹部と、を備え、
前記接合層は、前記第２の領域において、前記ガス流路形成部材における前記凹部と対向する領域に設けられている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記接合層は、イオン交換樹脂からなり、
前記第２の領域において、前記膜電極ガス拡散層接合体の外部から内部に燃料ガスが導入される入口領域、および、前記膜電極ガス拡散層接合体の外部から内部に酸化剤ガスが導入される入口領域の少なくとも一方に設けられている、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、前記ガス拡散層として、
前記膜電極接合体のアノード側の表面に接合されたアノード側ガス拡散層と、
前記膜電極接合体のカソード側の表面に接合されたカソード側ガス拡散層と、
を有しており、
前記アノード側ガス拡散層と前記カソード側ガス拡散層とのうちの一方のガス拡散層は、前記膜電極接合体を挟んで他方のガス拡散層と対向する領域であって、前記膜電極接合体の面内において、前記他方のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合されており、
前記接合層は、さらに、前記膜電極接合体の前記一方のガス拡散層が接合される側の表面において、前記一方のガス拡散層の周縁部と前記膜電極接合体との間から前記一方のガス拡散層が接合される領域よりも外側の領域に亘って設けられている、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記ガス拡散層は、前記膜電極接合体と接合される側の面に、撥水層を備える、
燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極層を形成してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の表面に接合されたガス拡散層と、を有する膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持し、該膜電極ガス拡散層接合体の表面に発電に供する反応ガスが流れるガス流路を形成するガス流路形成部材と、
を備え、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、前記ガス流路形成部材と向かい合う面内に、
第１の領域と、
前記ガス流路形成部材によって挟持されたときに作用する押圧力が前記第１の領域よりも低い第２の領域と、
を含み、
前記第２の領域の少なくとも一部には、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層との間に、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層とを接合する接合層が設けられている、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部材は、前記膜電極ガス拡散層接合体と当接する側の表面に、前記ガス流路を形成する凸部および凹部であって、前記膜電極ガス拡散層接合体と当接する凸部と、前記膜電極ガス拡散層接合体と当接しない凹部と、を備え、
前記接合層は、前記第２の領域において、前記ガス流路形成部材における前記凹部と対向する領域に設けられている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記接合層は、イオン交換樹脂からなり、
前記第２の領域において、前記膜電極ガス拡散層接合体の外部から内部に燃料ガスが導入される入口領域、および、前記膜電極ガス拡散層接合体の外部から内部に酸化剤ガスが導入される入口領域の少なくとも一方に設けられている、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、前記ガス拡散層として、
前記膜電極接合体のアノード側の表面に接合されたアノード側ガス拡散層と、
前記膜電極接合体のカソード側の表面に接合されたカソード側ガス拡散層と、
を有しており、
前記アノード側ガス拡散層と前記カソード側ガス拡散層とのうちの一方のガス拡散層は、前記膜電極接合体を挟んで他方のガス拡散層と対向する領域であって、前記膜電極接合体の面内において、前記他方のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合されており、
前記接合層は、さらに、前記膜電極接合体の前記一方のガス拡散層が接合される側の表面において、前記一方のガス拡散層の周縁部と前記膜電極接合体との間から前記一方のガス拡散層が接合される領域よりも外側の領域に亘って設けられている、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記ガス拡散層は、前記膜電極接合体と接合される側の面に、撥水層を備える、
燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−９３２８４（Ｐ２０１３−９３２８４Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３６１２０（Ｐ２０１１−２３６１２０）
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]