JP2006164644A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料極と空気極の間のガスの混合や短絡を好適に防止し得る新たな燃料電池を提供する。
【解決手段】 電解質層３を、中間電解質層３ａと、該中間電解質層３ａの両面に積層する外側電解質層３ｂとの三層構造として、該中間電解質層３ａの外周縁を、両側の外側電解質層３ｂ，３ｂの外周縁よりも内側に位置させて、中間電解質層３ａの周囲で且つ両側の外側電解質層３ｂの外周部間に、進出溝部６を形成する。そして、電解質層３の周囲に、セパレータ１０，１０間に挟持される環状のガスケット１４を配設し、該ガスケット１４の内周縁部１４ａを電解質層３の進出溝部６に進出させて、該内周縁部１４ａの表裏面を両側の外側電解質層３ｂと密接させるようにした。かかる構成によれば、両電極間のガスの混合や短絡をガスケット１４の内周縁部１４ａと外側電解質層３ｂの密接部分において好適に防止可能となる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電解質層の両面に一対のガス拡散電極を対向状に配設してなる発電体と、該発電体を挟持するセパレータとを備える燃料電池に関するものである。

燃料電池は、一般的に、電解質層と電極からなる発電体を備え、該発電体において、水素と酸素とを反応させて水を生成し、その際に生じる化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、クリーンで発電効率の高いシステムとして注目されている。

燃料電池は、タイプによって作動温度が異なり、その作動温度により用途が異なる。この中で１００℃以下で作動する燃料電池は自動車や携帯電話での利用が期待されている。かかる燃料電池の殆どは、プロトン伝導膜であるイオン交換膜を電解質層に用いた固体高分子型燃料電池と呼ばれるものである。この固体高分子型燃料電池の中では、パーフルオロスルホン酸系のイオン交換膜を用いたものが最も開発が進んでいる。

図９，１０は、一般的な固体高分子型の燃料電池４１を示す断面図である。かかる燃料電池１は、発電体４２と、該発電体４２を挟持するセパレータ１０，１０とを具備してなる。発電体４２は、イオン交換膜からなる電解質層４３と、燃料極と空気極を形成する一対のガス拡散電極４，４とで構成される。ガス拡散電極４は、電池反応の触媒を担持する触媒層４ａと、該触媒層４ａへのガス供給路と導電路を形成するガス拡散層４ｂとからなるものであり、ホットプレス法などによって電解質層３の両面に対向状に接合する。各セパレータ１０は導電性板状片からなる。このセパレータ１０の中央部にはガス流路溝１１が形成されており、セパレータ１０は、このガス流路溝１１をガス拡散電極４に当接させた状態で発電体２を挟持する。そして、このガス流路溝１１を介して、燃料極側のガス拡散電極４に燃料ガス（水素）を供給し、空気極側のガス拡散電極４に空気（酸素）を供給することにより、電池反応が起こり、両極間に電位差が生じることとなる。なお、図示した燃料電池４１は単位電池と呼ばれる最小構成のものであり、通常、この燃料電池（単位電池）４１は複数積層されて燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックにさらにガス供給装置や冷却装置等を装着した状態で作動する（特許文献１参照）。

ここで、上記燃料電池４１の発電体４２では、電解質層４３をガス拡散電極４よりも広くしており、電解質層４３によって、燃料極側と空気極側のガス拡散電極４とセパレータ１０を隔絶し、電気的短絡や、両極に供給される燃料ガスと空気の混合を防止している。

また、図９の燃料電池４１以外に、図１１，１２に示すような燃料電池５１も提案されている（特許文献２参照）。かかる燃料電池５１の発電体５２では、電解質層５３とガス拡散電極４は同形状でその外周縁を一致させており、発電体２の周囲に環状のガスケット５４を配置することによって、両極のセパレータ１０，１０の間を電気的に絶縁している。

ところで、固体高分子型燃料電池に用いるパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜は高価であるため、かかるイオン交換膜を用いた燃料電池はコスト面で問題を抱えている。このため、近年は、同等の性能を発揮し得る燃料電池を、電解質層に低廉な無機系プロトン伝導材料を用いて製造する研究もなされている。有力な無機系プロトン伝導材料としては、ゾル‐ゲル多孔質ガラスやリン酸塩ハイドロゲル等が挙げられる（特許文献３，非特許文献１参照）。そして、上記固体高分子型燃料電池の発電体やセパレータの構造は、かかる無機系プロトン伝導材料を用いる燃料電池にも採用されている。

特開平０６−１１９９２８号公報 特開平０６−３２５７７７号公報 特開２００３−２１７３３９号公報 春日敏宏；リン酸塩ガラスのハイドロゲル化を利用した高プロトン伝導材料の作製；Journal of the Society of Inorganic Materials,Japan；2003.05.01；Vol.10,p.189〜193

上述のように、従来の燃料電池では、電解質層やガスケット等によって、燃料極と空気極の間を電気的に絶縁すると共に、両極に供給されるガスが混合しないように遮蔽している。しかし、図９，１０に示した、電解質層４３によってセパレータ１０，１０全体を隔絶する構成にあっては、発電体４２を挟持するセパレータ１０の締め付け圧力が電解質層４３に直接加わるため、比較的軟質な電解質層４３が破損し易く、脆くなった部分からガス漏れや短絡が生じやすいという問題がある。また、ガス拡散電極４のガス拡散層４ｂには好適な触媒層４ａを形成可能なカーボンペーパーが用いられているが、カーボンペーパーの外周縁（図１０Ａ部分）からはカーボン繊維の切断端部が多数飛び出ているため、電解質層４３をガス拡散電極４より広くすると、電解質層４３の、ガス拡散電極４の外周縁と接する部分が、かかる切断端部によって傷つき、傷ついた部分からガス漏れや短絡が生じることもある。

一方、図１１，１２に示した、発電体２の周囲にガスケット１４を配置した構成にあっては、発電体５２とガスケット５４の間に界面が生じるため、該界面を介して燃料ガスと空気が混合しないように発電体５２の外周縁にシール剤５５を塗布している。しかし、かかる構成では、シール剤５５を漏れなく塗付する作業が難しく、不良率が高いという欠点がある。また、塗付されたシール剤は、両極に供給されるガスの圧力に晒されるためシール性が劣化し易いという問題もある。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであり、発電体周縁での短絡やガス漏れを好適に防止し得る燃料電池の提供を目的とする。

本発明は、電解質層の両面に一対のガス拡散電極を対向状に配設してなる発電体と、該発電体を挟持するセパレータとを具備する燃料電池において、電解質層は、中間電解質層と、該中間電解質層の両面に積層する外側電解質層との三層構造からなり、該中間電解質層の外周縁は、両側の外側電解質層の外周縁よりも内側に位置し、中間電解質層の周囲で、且つ両側の外側電解質層の外周部間に、進出溝部が形成されたものであり、さらに、電解質層の周囲には、セパレータ間に挟持される環状のガスケットが配設されており、該ガスケットは、その内周縁部を電解質層の進出溝部に進出させて、該内周縁部の表裏面を、両側の外側電解質層と密接させていることを特徴とする燃料電池である。ここで、本発明に係る電解質層は、その外周縁の位置関係によって中間電解質層と外側電解質層との三層に区別されるものであり、各層の構成材料は三層で共通していても構わないし、層間の界面が明確である必要もない。

かかる構成にあっては、発電体の周囲に配置された環状のガスケットによって、セパレータ間を隔絶すると共に、電解質層を外周縁の大きさの異なる三層構造として、その外周側面に沿って進入溝部を形成し、この進入溝部に、電解質層の周囲に配置するガスケットの内周縁部を進入させて、該内周縁部の表裏面を外側電解質層と密接させることにより、電解質層とガスケットとを隙間なく接合し、電解質層とガスケットの界面を介して燃料極と空気極のガスが混合するのを防止する。かかる構成は、電解質層とガスケットが厚み方向で密接するものであるため、その密接状態をセパレータが発電体を挟持する締め付け圧力によって維持することが可能であり、ガス拡散電極に供給されるガスの圧力によってシール性が劣化し難い。また、外側電解質層とガスケットとの接合は、燃料電池の製造する際に、外側電解質層と中間電解質層とを接合して電解質層を形成する段階で、外側電解質層の外周部の間にガスケットの内周縁部を介装することによって容易に実現できるため、製造の手間が少なく、不良率を低下させることもできる。また、本発明にあっては、両極を結ぶ電解質層とガスケットの界面が、進入溝部に沿って屈曲するため、電解質層の厚みに対して該界面の沿面距離も長くなり、該界面を介したガスの通過を好適に抑えることも可能となっている。なお、本発明の燃料電池によれば、発電体の外周縁にシール剤を塗付しなくとも、該外周縁を介した両極間のガス混合を抑制できるが、本発明の構成にあって、さらに電解質層とガスケットとの間にシール剤を配することにより、シール性を更に向上させることも可能である。従って、このような、シール剤を配する構成も本発明に含めるものとする。

このように、本発明の燃料電池では、ガスケットと電解質層とを好適に密接させることにより、両極間のガス混合や短絡を防止するため、従来構造のように、電解質層をガス拡散電極よりも広くして、電解質層４３によってセパレータ１０，１０全体を隔絶することを要しない。従って、セパレータの締め付け圧力によって電解質層が破損することもなく、また、カーボンペーパー外周縁から突出するカーボン繊維の切断端部によって電解質層が傷つく問題も生じない。すなわち、本発明の燃料電池は、カーボンペーパーからなるガス拡散層と、該ガス拡散層の一面に形成され、電解質層と接合する触媒層とで構成されることが望ましい。

なお、外側電解質層と中間電解質層には、種々のプロトン伝導膜を用いることが可能である。すなわち、上述したイオン交換膜や、リン酸塩ハイドロゲルやゲル結晶複合体、ゾルゲルガラス等を用い得る。また、これらの他に、発明者はリン酸ジルコニウム二水和物に代表されるプロトン伝導性のリン酸塩水和物結晶を主材料とするプロトン伝導膜も有用であることを見出しており、本発明は、かかるプロトン伝導膜を外側電解質層や中間電解質層に用いたものも含める。なお、このプロトン伝導膜は、リン酸塩水和物結晶の粉体とフッ素樹脂系の結着剤とを含有する懸濁液を基材上で膜状に成形・乾燥することにより得られるものであり、好適なプロトン伝導性を示すと共に、低廉に製造できるという利点がある。

また、本発明に係るガスケットは、緻密性、弾力性や、締め付け圧力に耐え得る機械的安定性、耐腐食性等を有するものが望ましく、ポリテトラフルオロエチレン（以下ＰＴＦＥという）等のフッ素系樹脂からなるものを用いることが望ましい。

一方、ガスケットの内周域に位置する中間電解質層は、ガスケットよりも硬質であると、セパレータから加わる締め付け圧力が電解質層の中央部に強く加わり、電解質層が破損し易くなると共に、ガスケットと外側電解質層との密接が不十分となり、ガスケットと電解質層の界面をガスが透過し易くなる。従って、中間電解質層はガスケットよりも軟質であることが望ましい。なお、かかる場合には、中間電解質層を、上述したリン酸塩分子鎖を分散相とするリン酸塩ハイドロゲルを主材とすることが望ましい。かかるリン酸塩ハイドロゲルは、軟質であり、薄膜状に成形容易であると共に、低廉で且つ高いプロトン伝導性を有するという利点があるためである。

なお、中間電解質層にリン酸塩ハイドロゲルを用いた場合には、外側電解質層として、リン酸塩水和物結晶を主材料とするプロトン伝導膜を用いることが望ましい。かかるプロトン伝導膜は、リン酸塩ハイドロゲルと比べて硬質であり、またリン酸塩ハイドロゲルとの親和性が高いため、中間電解質層と外側電解質層を一体的に接合可能で、界面での接触抵抗を低減できるからである。

以上に述べたように、本発明は、電解質層が、中間電解質層と、該中間電解質層の両面に積層する外側電解質層との三層構造からなり、該中間電解質層の外周縁は、両側の外側電解質層の外周縁よりも内側に位置し、中間電解質層の周囲で、且つ両側の外側電解質層の外周部の間に、進出溝部が形成されたものであり、さらに、電解質層の周囲には、セパレータ間に挟持される環状のガスケットが配設されており、該ガスケットは、その内周縁部を電解質層の進出溝部に進出させ、該内周縁部の表裏面を、両側の外側電解質層と密接させていることを特徴とする燃料電池であるから、ガスケットの内周縁部と外側電解質層との密接部分により、両極間の短絡とガス漏れを確実に防止することができる。特に、本発明にあっては、ガスケットと外側電解質層との密接状態は、セパレータからの締め付け圧力により保持できるため、シール性が劣化し難いという利点がある。また、かかる構造は、ガスケットと外側電解質層との重ね合わせによって容易に作製可能であるため、製造コストを抑制できると共に、不良率が低減することにより生産管理も簡易化できる。

ここで、ガス拡散電極が、カーボンペーパーからなるガス拡散層と、該ガス拡散層の一面に形成されて、電解質層と接合する触媒層とで構成される場合には、外周縁から突出するカーボン繊維によって短絡やガス漏れを生じるといったカーボンペーパーの問題点が、本発明の構成では問題とならないため、カーボンペーパーの長所を活かした優れた燃料電池を実現できる。

また、中間電解質層がガスケットよりも軟質である場合には、電解質層の中央部に強い圧力を加えることなく、外側電解質層とガスケットとを好適に密接させることができる。

本発明の燃料電池の一実施例を図面に基づいて説明する。

図１，２は、本発明の一実施例の燃料電池（単位電池）１を示す断面図及び分解斜視図である。本実施例の燃料電池１は、電解質層３の両面に一対のガス拡散電極４を配設してなる矩形の発電体２と、該発電体２の周囲を囲繞する環状のガスケット１４と、該発電体２を挟持する一対のセパレータ１０，１０とで構成される。この燃料電池１は最小構成のものであり、通常は、これを複数積層することにより燃料電池スタックを構成し、該燃料電池スタックにガス供給装置から燃料ガス（例えば水素）と空気を供給することにより発電を行う。なお、燃料電池スタックの構成やガス供給装置等は既存の固体高分子型燃料電池用の構成を適用できる。

セパレータ１０，１０は、水素非透過性カーボンを矩形に切削加工してなるものであり、その周縁部には、ガス供給・排出用の４つのマニホールド１２，１２と、位置決め孔１３が形成される。燃料電池１は、この位置決め孔１３に図示しない位置決め用の杆を挿通した状態で上下方向から締め付けられる。また、各セパレータ１０の、発電体２と当接する部分には、発電体２のガス拡散電極４を嵌めこむための矩形の装着凹部１５が形成され、該装着凹部１５の底面には蛇行するガス流路溝１１が形成される。このガス流路溝１１は、二つのマニホールド１２，１２を連通し、一方のマニホールド１２から燃料ガス又は空気を取り込んでガス拡散電極４に供給すると共に、反応済みのガスを他方のマニホールド１２へ排出する働きをする。なお、かかるセパレータ１０，１０は、固体高分子型燃料電池に用いられる従来構成のセパレータを好適に用いることができる。例えば、カーボン製のセパレータに替えて既存の金属製セパレータ等も使用可能である。

発電体２は、図３〜５に示すように、電解質層３(３ａ，３ｂ)の両面にシート状のガス拡散電極４，４を対向状に接合してなる矩形の積層体であり、その周囲には環状のガスケット１４が組み付けられる。ガス拡散電極４は、電池反応の触媒を担持する触媒層４ａと、該触媒層４ａへのガス供給路と導電路を形成するガス拡散層４ｂとからなる。このガス拡散電極４に関しては、既存の固体高分子型燃料電池用のガス拡散電極を用いることができる。すなわち、ガス拡散層４ｂはカーボンペーパーにより構成でき、また、触媒層４ａは触媒を担持する導電体や撥水剤、結着剤等により構成できる。そして、触媒層４ａの構成材料の混合物をカーボンペーパーの表面に膜状成形することにより、ガス拡散電極４を製造することができる。なお、電池反応の反応効率を向上させるため、触媒層４ａには、外側電解質層３ｂを構成するプロトン伝導材料を混合し、電解質層３との界面を三次元的に増大させることが望ましい。

電解質層３は、表裏に位置する外側電解質層３ｂ，３ｂと、該外側電解質層３ｂの間に介在する中間電解質層３ａとからなる三層構造をなす。両側の外側電解質層３ｂ，３ｂは、ガス拡散電極４と同形状のプロトン伝導膜であり、各ガス拡散電極４の触媒層４ａ表面に、その外周縁を一致させた状態で密着する。中間電解質層３ａは、外側電解質層３ｂよりも四辺の短い矩形のプロトン伝導膜からなり、その外周縁を、両側の外側電解質層３ｂの外周縁よりも内側に位置させるようにして、外側電解質層３ｂ，３ｂと接合する。そして、中間電解質層３ａの外周縁より外側に突出する外側電解質層３ｂの外周部と、中間電解質層３ａの側面とにより、断面コ字状をなす進出溝部６が電解質層３の外周に沿って形成される。

本実施例の中間電解質層３ａは、リン酸塩ハイドロゲル又は、該ハイドロゲル中にリン酸塩水和物結晶が析出したゲル結晶複合体を主材とするプロトン伝導膜を用いる。ここで中間電解質層３ａに高いプロトン伝導性を発揮させるためには、リン酸塩ハイドロゲルに、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、亜鉛イオンのいずれかを含有させることが望ましく、また、リン酸をＰ_２Ｏ_５換算で４０〜６０ｍｏｌ％の範囲内で含有させることが望ましい。

また、外側電解質層３ｂには、層状構造を有するリン酸塩水和物結晶と結着剤とを主材料とするプロトン伝導膜を用いる。利用可能なリン酸塩水和物結晶としては、Ca(H₂PO₄)₂・H₂OやCa₃H₂(P₂O₇)₂・4H₂O，Mg(H₂PO₄)₂・H₂O，Mg₃H₂(P₂O₇)₂・4H₂O，Zn₂P₂O₇・3H₂O，ZnHPO₄・3H₂O，Zr(HPO₄)₂・2H₂O，Ti(HPO₄)₂・H₂O，Ti(HPO₄)₂・2H₂Oなどが挙げられる。また、リン酸塩水和物結晶に替えて、ゾルゲルガラスの粉末を用いることも可能である。また、結着剤は、ＰＴＦＥ等のフッ素樹脂系結着剤を用いることが望ましい。なお、本実施例のプロトン伝導膜に限らず、本発明の中間電解質層や外側電解質層には既存のパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜を用いることもできる。

ガスケット１４は、前記中間電解質層３ａと同じ厚みのＰＴＦＥ製薄板よりなり、その中央には中間電解質層３ａが内嵌する矩形の内周域が形成されている。そして、このガスケット１４は、その外周縁形状をセパレータ１０と一致させており、図４に示すように、燃料電池１への組付状態において、ガスケット１４が発電体２の周囲でセパレータ１０，１０の間に介在し、セパレータ１０，１０と発電体２とを適当な力で圧接させると共に、両セパレータ１０，１０の間を電気的に絶縁する。ここで、本実施例のガスケット１４は、その内周縁部１４ａを電解質層３の進出溝部６へ進出させて、該内周縁部１４ａの表裏面を、対向する外側電解質層３ｂ，３ｂの外周部と密接させている。このガスケット１４と外側電解質層３ｂの密接は、セパレータ１０，１０の締め付け圧力によって好適に保たれる。

このように、本実施例の燃料電池１では、ガスケット１４の内周縁部１４ａと外側電解質層３ｂとが密接することによって、電解質層３とガスケット１４とが隙間なく接合するため、電解質層３とガスケット１４の界面を介して、燃料極と空気極のガスが混合したり両極間が電気的に短絡するのを防止できる。ここで、外側電解質層３ｂとガスケット１４とは表裏面で密接しているため、その密接状態はセパレータ１０，１０からの締め付け圧力によって維持することができ、ガス拡散電極４のガス圧によってもシール性が劣化し難い。また、本実施例では、電解質層３とガスケット１４との界面が平面ではなく進出溝部６に沿って断面コ字状となっているため、燃料極と空気極との間の沿面距離を稼ぐこともでき、かかる点においてもガスの混合や短絡が生じ難くなっている。また、セパレータ１０，１０の外周部の間は、電解質層３よりも強靭なガスケット１４で絶縁されるため、セパレータ１０，１０の締め付け圧力によって破損する危険性も少ない。また、ガス拡散電極４の外周縁の間にも、ガスケット１４が介装されているため、ガス拡散電極４の外周縁でカーボン繊維の切断端部によって電解質層３が傷ついたとしてもガス漏れや短絡が生じ難い。

なお、本発明の実施形態は、上記実施例に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、実施例の外側電解質層３ｂとガス拡散電極４は外周縁を一致させているが、その外周縁を一致させる必要はない。また、実施例の燃料電池１は、燃料極側と空気極側で対称構造をなしており両極を差別化していないが、本発明は、セパレータやガス拡散電極、外側電解質層等の構成を燃料極側と空気極側とで非対称にしたものを排除しない。また、セパレータ１０やガスケット１４の構造も実施例に限らず、例えば、図６に示す変形例のように、ガスケット１４とセパレータ１０の間に、別のガスケット１６を介在させた構成にすることも可能である。さらに、実施例では明示していないが、セパレータ１０とガスケット１４との接合面や、ガスケット１４の内周縁部１４ａと電解質層３との接合面に、シリコングリス等の封入剤を塗付することにより、シール性をより高めることが可能であり、かかる実施形態も本発明に含めるものとする。

次に本発明の燃料電池の一製造方法を説明する。なお、かかる製造方法により製造する燃料電池は、リン酸塩水和物結晶と結着剤を主材とするプロトン伝導膜を外側電解質層に用い、リン酸塩ハイドロゲルを主材とするプロトン伝導膜を中間電解質層に用いたものである。

この製造方法は、ガス拡散電極４と外側電解質層３ｂとが接合してなる半接合体５を製造する工程と、製造した二つの半接合体５をリン酸塩ハイドロゲルやガスケット、セパレータ等に組み付けて燃料電池１を製造する工程とからなる。

半接合体５を製造する工程は、まず、外側電解質層３ｂの構成材料、すなわちリン酸塩水和物結晶とフッ素樹脂系の結着剤を含有する懸濁液を作製する。そして、これをスクリーン印刷や塗装、ロール、ドクターブレード等の方法によって、触媒層４ａ表面に薄層状に形成した後、熱処理や凍結乾燥、蒸発除去等の方法によって溶媒を除去することにより、リン酸塩水和物結晶と結着剤からなる外側電解質層３ｂがガス拡散電極４の触媒層４ａに密着した半接合体５を得る。

なお、上記のように外側電解質層３ｂをリン酸塩水和物結晶と結着剤とで構成する場合、リン酸塩水和物結晶の混合比率が高いほどプロトン伝導性が向上し、結着剤の混合比率が高いほど機械的強度が向上する。リン酸塩水和物結晶と結着剤の好適な混合比率は材料によって変化するため一意にには決定されないが、一般的には、リン酸塩水和物結晶と結着剤の構成比率を質量比で３：１〜１００：１の範囲にすることが望ましい。

そして、上記半接合体５を用いて、図７，８に示すようにして発電体２及び燃料電池１を製造する。すなわち、まず、各セパレータ１０の装着凹部１５に、半接合体５を、そのガス拡散電極４側を接するようにして装着する（図７ａ，７ｂ）。そして、半接合体５を装着したセパレータ１０の一方を、外側電解質層３ｂを上向きして載置し、外側電解質層３ｂの上面全体にペースト状のペースト状のリン酸塩ハイドロゲルｐを配置する（図７ｃ）。さらに、ペースト状のリン酸塩ハイドロゲルｐの周囲にガスケット１４を配置する（図８ｄ）。そして、このペースト状のリン酸塩ハイドロゲルｐが配置されたセパレータ１０に、半接合体５を装着した他方のセパレータ１０を上方から重ねる。この重ね合わせ状態では、二つの半接合体５の外側電解質層３ｂ同士が、リン酸塩ハイドロゲルｐを介して対向状に重なるようにする。これにより、ペースト状のリン酸塩ハイドロゲルｐは変形して、余剰のリン酸塩ハイドロゲルｐが半接合体５の間から押し出され、残ったリン酸塩ハイドロゲルｐが外側電解質層３ｂ，３ｂの間に充填されて、ガスケット１４の内側に、外側電解質層３ｂより小さい中間電解質層３ａを形成する。そして、二つの半接合体５，５が中間電解質層３ａを介して接合した発電体２が製造されると共に、該発電体２は、セパレータ１０，１０とガスケット１４に組み付けられて燃料電池１が製造されることとなる（図８ｅ）。

なお、かかる燃料電池１の製造方法は、半接合体５，５とガスケット１４、リン酸塩ハイドロゲルｐを、直接セパレータ１０，１０で挟持することにより、燃料電池１を製造するものであるが、半接合体５，５とガスケット１４およびリン酸塩ハイドロゲルｐを、成形型を用いて組み付けて、発電体２とガスケット１４とが一体となった構造体を作製し、その後に該構造体をセパレータ１０，１０で挟持することにより、燃料電池１を作製することも可能である。また、上記製造方法は、リン酸塩水和物結晶と結着剤を主材とするプロトン伝導膜を外側電解質層に用い、リン酸塩ハイドロゲルを主材とするプロトン伝導膜を中間電解質層に用いた燃料電池１に適するものであるが、中間電解質層３ａや外側電解質層３ｂを構成するプロトン伝導膜が異なる場合には、その物性に応じて上記製造方法を適宜変更することにより、本発明の燃料電池を製造することができる。

実施例の燃料電池１を示す縦断側面図である。 燃料電池１の分解斜視図である。 発電体２とガスケット１４の分解斜視図である。 図１のＸ部分の拡大図である。 発電体２の拡大断面図である。 変形例の燃料電池１’を示す縦断側面図である。 燃料電池１の製造方法の一例を示す説明図（ａ），（ｂ），（ｃ）である。 燃料電池１の製造方法の一例を示す説明図（ｄ），（ｅ）である。 従来の燃料電池４１を示す縦断側面図である。 図９のＹ部分の拡大図である。 従来の別構成の燃料電池５１を示す縦断側面図である。 図１１のＺ部分の拡大図である。

符号の説明

１，４１，５１ 燃料電池（単位電池）
２，４２，５２ 発電体
３，４３，５３ 電解質層
３ａ 中間電解質層
３ｂ 外側電解質層
４ ガス拡散電極
４ａ 触媒層
４ｂ ガス拡散層
５ 半接合体
６ 進出溝部
１０ セパレータ
１１ ガス流路溝
１２ マニホールド
１３ 位置決め孔
１４，１６，５４ ガスケット
１４ａ 内周縁部
１５ 装着凹部
５５ シール剤

Claims (3)

1. 電解質層の両面に一対のガス拡散電極を対向状に配設してなる発電体と、該発電体を挟持するセパレータとを具備する燃料電池において、
   電解質層は、中間電解質層と、該中間電解質層の両面に積層する外側電解質層との三層構造からなり、
   該中間電解質層の外周縁は、両側の外側電解質層の外周縁よりも内側に位置し、中間電解質層の周囲で、且つ両側の外側電解質層の外周部の間に、進出溝部が形成されたものであり、
   さらに、電解質層の周囲には、セパレータ間に挟持される環状のガスケットが配設され、
   該ガスケットは、その内周縁部を電解質層の進出溝部に進出させて、該内周縁部の表裏面を、両側の外側電解質層と密接させていることを特徴とする燃料電池。
2. ガス拡散電極は、カーボンペーパーからなるガス拡散層と、該ガス拡散層の一面に形成され、電解質層と接合する触媒層とで構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 中間電解質層が、ガスケットよりも軟質であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。

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