JP4889168B2 - 固体高分子型燃料電池のセル及び固体高分子型燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質層としての高分子膜の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層を備え、且つ、他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層を備えた固体高分子型燃料電池のセル、及び、そのようなセルの複数個にて構成された高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる固体高分子型燃料電池のセル（以下、単にセルと記載する場合がある）においては、電極触媒を保持した酸素極触媒層及び燃料極触媒層夫々と高分子膜との接触面積を大きくして、発電性能を高くする必要があることから、酸素極触媒層及び燃料極触媒層夫々と高分子膜との接触面積を大きくするために、以下のようにして、高分子膜に対して酸素極触媒層及び燃料極触媒層を接合するものである。
即ち、高分子膜の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層を配置し且つ他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層を配置した状態で、高分子膜と各層の重ね方向にホットプレスしてそれらを接合したり、高分子膜と各層の重ね方向に押圧してそれらを接着剤にて接合したりして、酸素極触媒層及び燃料極触媒層夫々と高分子膜との接触面積を大きくするものである。
【０００３】
そして、固体高分子型燃料電池のセルを用いて構成した固体高分子型燃料電池においては、高分子膜厚さ方向に押圧力を印加させることにより、流路形成部材をセルにおける酸素極触媒層の周縁部に対応する外周部に密着させて、セルとの間に酸素極側ガス流路を気密状に形成し、並びに、流路形成部材をセルにおける燃料極触媒層の周縁部に対応する外周部に密着させて、セルとの間に燃料極側ガス流路を気密状に形成している。
【０００４】
従来、高分子膜に酸素極触媒層及び燃料極触媒層を接合するに当たっては、図１９に示すように、面方向の全体にわたって厚さが略均一で且つ強度が略均一に形成した高分子膜１を用い、その高分子膜１の両面に、上述のように酸素極触媒層２ｃと燃料極触媒層３ｃとを振分け配置した状態で、高分子膜１と各層の重ね方向にホットプレスしてそれらを接合したり、高分子膜１と各層の重ね方向に押圧してそれらを接着剤にて接合したりしていた。更に、そのように高分子膜１に酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃを接合して形成した電極―膜接合体における酸素極触媒層２ｃ側にその酸素極触媒層２ｃと同じ大きさの酸素極集電層２ｐを重ねると共に、その酸素極触媒層２ｃ側の矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の酸素極側シール材６を重ね、並びに、燃料極触媒層３ｃ側にその燃料極触媒層３ｃと同じ大きさの燃料極集電層３ｐを重ねると共に、その燃料極触媒層３ｃ側の矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の燃料極側シール材７を重ねて、セルＣを構成していた。尚、通常は、酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃは高分子膜１よりも硬い材料にて形成され、酸素極集電層２ｐ及び燃料極集電層３ｐは酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃよりも硬い材料（例えばカーボンペーパー等）にて形成される。
【０００５】
図１８は、上述のように構成した従来のセルＣにおける厚さ方向での断面図を示す。つまり、図１８に示すように、上述のように高分子膜１の両面に酸素極触媒層２ｃと燃料極触媒層３ｃとを振分け配置した状態で、高分子膜１と各層の重ね方向に押圧力を印加してそれらを接合することから、高分子膜１において酸素極触媒層２ｃや燃料極触媒層３ｃが重なっている部分は、酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃが重なっていない部分に比べて、膜厚が薄くなる。
【０００６】
そして、従来、固体高分子型燃料電池においては、図２０に示すように、上述のように構成した複数のセルＣを、隣接するセル間に、導電性を有する流路形成部材として酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９を位置させた状態で厚さ方向に並置し、酸素極側セパレータ８をそれに隣接するセルＣにおける酸素極触媒層２ｃの周縁部に対応する外周部に密着させて、セルＣとの間に酸素極側ガス流路ｓを形成し、燃料極側セパレータ９をそれに隣接するセルＣにおける燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する外周部に密着させて、セルＣとの間に燃料極側ガス流路ｆを形成するように構成していた。
【０００７】
つまり、複数のセルＣを上述のように並置した状態で、高分子膜厚さ方向に押圧力を印加させるようにセル並置方向の両側から挟み付けることにより、各セルＣを電気的に接続する接続抵抗を小さくすると共に、酸素極側セパレータ８をそれに隣接するセルＣにおける酸素極触媒層２ｃの周縁部に対応する外周部に密着させ、且つ、燃料極側セパレータ９をそれに隣接するセルＣにおける燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する外周部に密着させて、酸素極側ガス流路ｓ及び燃料極側ガス流路ｆを気密状に形成していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体高分子型燃料電池のセルを用いて構成した固体高分子型燃料電池では、セルに対して、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されることになる。
従来では、酸素極触媒層の周縁部にその酸素極触媒層よりも硬い酸素極集電層の周縁部が重なり、且つ、燃料極触媒層の周縁部にその燃料極触媒層よりも硬い燃料極集電層の周縁部が重なることから、酸素極触媒層の周縁部が酸素極集電層の周縁部に押圧されたり、燃料極触媒層の周縁部が燃料極集電層の周縁部に押圧されたりすることにより、高分子膜においては、酸素極触媒層の周縁部に対応する膜部分（以下、酸素極境界膜部分と称する場合がある）や、燃料極触媒層の周縁部に対応する膜部分（以下、燃料極境界膜部分と称する場合がある）には、他の部分よりも大きい応力がかかり易い。
又、固体高分子型燃料電池のセルは、高分子膜、各触媒層、各集電層というように熱膨張率の異なる部材にて構成されているので、固体高分子型燃料電池においては、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で、起動・停止の繰り返しにより昇温・降温が繰り返されると、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返し発生する。
【０００９】
しかしながら、従来の固体高分子型燃料電池のセルでは、上述のように、高分子膜において、酸素極触媒層や燃料極触媒層が重なっている部分は、酸素極触媒層及び燃料極触媒層が重なっていない部分に比べて膜厚が薄くなっているので、高分子膜の酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分は他の部分よりも強度が弱くなっている。
従って、このようなセルを用いて固体高分子型燃料電池を構成すると、高分子膜厚さ方向に印加される押圧力により、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分に他の部分よりも強い応力がかかったり、起動・停止の繰り返しにより、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりすると、強度が弱くなっている酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に、歪みや亀裂等の損傷が生じ易い。
高分子膜の損傷は、発電反応用としての酸素極側ガス又は燃料極側ガスのクロスリークの原因となり、そのようなガスのクロスリークが生じると発電性能が低下することから、従来の固体高分子型燃料電池のセルでは、固体高分子型燃料電池を構成したときの耐久性を向上する上で改善の余地があった。
【００１０】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体高分子型燃料電池を構成したときに耐久性に優れる固体高分子型燃料電池のセル及び耐久性に優れる固体高分子型燃料電池を提供することにある。
【００１１】
〔請求項１記載の発明〕
請求項１に記載の固体高分子型燃料電池のセルの特徴構成は、前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、弾性変形自在な補強部材が、前記高分子膜の厚さ方向に印加される押圧力により弾性変形して、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する膜部分に応力が集中するのを抑制するように、前記酸素極触媒層又は前記燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で設けられ、さらに、前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側、又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、前記酸素極触媒層より大きな酸素極集電層、又は前記燃料極触媒層より大きな燃料極集電層を備え、前記酸素極触媒層の周縁と前記酸素極集電層の周縁、又は前記燃料極触媒層の周縁と前記燃料極集電層の周縁とがずれるように構成され、前記酸素極集電層が前記酸素極触媒層と前記補強部材とに接触、又は前記燃料極集電層が前記燃料極触媒層と前記補強部材とに接触していることにある。
請求項１記載のセルを用いて固体高分子型燃料電池を構成すると、酸素極触媒層における高分子膜存在側とは反対側又は燃料極触媒層における高分子膜存在側とは反対側に、酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で、弾性変形自在な補強部材が設けられていることから、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、補強部材が弾性変形することにより、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分に応力がかかるのが抑制されるので、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分が他の部分よりも強度が弱くなっていたとしても、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に歪みや亀裂等の損傷が生じるのが防止される。
従って、固体高分子型燃料電池を構成したときに耐久性に優れる固体高分子型燃料電池のセルを提供することができるようになった。
また、酸素極集電層の周縁と酸素極触媒層の周縁とが重なる場合、又は、燃料極集電層の周縁と燃料極触媒層の周縁とが重なる場合に比べて、高分子膜における電極境界膜部分に印加される応力が一層小さくなる。
【００１２】
〔請求項２記載の発明〕
請求項２に記載の固体高分子型燃料電池のセルの特徴構成は、前記高分子膜と前記酸素極触媒層との間又は前記高分子膜と前記燃料極触媒層との間に、弾性変形自在な補強部材が、前記高分子膜の厚さ方向に印加される押圧力により弾性変形して、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する膜部分に応力が集中するのを抑制するように、前記酸素極触媒層又は前記燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で設けられ、さらに、前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側、又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、前記酸素極触媒層より大きな酸素極集電層、又は前記燃料極触媒層より大きな燃料極集電層を備え、前記酸素極触媒層の周縁と前記酸素極集電層の周縁、又は前記燃料極触媒層の周縁と前記燃料極集電層の周縁とがずれるように構成され、前記酸素極集電層が前記酸素極触媒層と前記補強部材とに接触、又は前記燃料極集電層が前記燃料極触媒層と前記補強部材とに接触していることにある。
請求項２記載のセルを用いて固体高分子型燃料電池を構成すると、高分子膜と酸素極触媒層との間又は高分子膜と燃料極触媒層との間に、酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で、弾性変形自在な補強部材が設けられていることから、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、補強部材が弾性変形することにより、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分に応力がかかるのが抑制されるので、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分が他の部分よりも強度が弱くなっていたとしても、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に歪みや亀裂等の損傷が生じるのが防止される。
又、高分子膜と酸素極触媒層との間又は高分子膜と燃料極触媒層との間に、弾性変形自在な補強部材を酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で配置した状態で、高分子膜と各層の重ね方向にホットプレスしてそれらを接合したり、高分子膜と各層の重ね方向に押圧してそれらを接着剤にて接合したりすると、高分子膜の厚さ方向に押圧力が印加される際に補強部材が弾性変形して、高分子膜の酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に印加される応力が逃がされるので、応力が集中するのが抑制されることとなり、酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分の強度が弱くなるのを抑制することができる。そして、そのように酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分の強度が弱くなるのを抑制したセルを用いて、固体高分子型燃料電池を構成すると、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に損傷が生じるのを防止する上で、一層好ましいものとなる。
従って、固体高分子型燃料電池を構成したときに耐久性に優れる固体高分子型燃料電池のセルを提供することができるようになった。
また、酸素極集電層の周縁と酸素極触媒層の周縁とが重なる場合、又は、燃料極集電層の周縁と燃料極触媒層の周縁とが重なる場合に比べて、高分子膜における電極境界膜部分に印加される応力が一層小さくなる。
【００１３】
〔請求項３記載の発明〕
請求項３に記載の固体高分子型燃料電池のセルの特徴構成は、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分に、繊維状補強材を前記酸素極触媒層又は前記燃料極触媒層の周縁に対して内外方向にわたって混入することにより、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成され、さらに、前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側、又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、前記酸素極触媒層より大きな酸素極集電層、又は前記燃料極触媒層より大きな燃料極集電層を備え、前記酸素極触媒層の周縁と前記酸素極集電層の周縁、又は前記燃料極触媒層の周縁と前記燃料極集電層の周縁とがずれるように構成され、前記酸素極集電層が前記酸素極触媒層と前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部に対応する部分とに接触、又は前記燃料極集電層が前記燃料極触媒層と前記高分子膜における前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分とに接触していることにある。
請求項３に記載の特徴構成によれば、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に、繊維状補強材を酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁に対して内外方向にわたって混入することにより、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成されているので、高分子膜に酸素極触媒層及び燃料極触媒層を接合するときに、高分子膜の両面に酸素極触媒層と燃料極触媒層とを振分け配置した状態で、高分子膜と各層の重ね方向に押圧力が印加されても、それら酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分の強度が弱くなるのが抑制される。
そして、そのようなセルを用いて固体高分子型燃料電池を構成すると、セルの状態で酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分の強度が弱くなるのが抑制されていることに加えて、繊維状補強材によって、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成されていることから、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に歪みや亀裂等の損傷が生じるのが防止される。
従って、固体高分子型燃料電池を構成したときに耐久性に優れる固体高分子型燃料電池のセルを提供することができるようになった。
また、酸素極集電層の周縁と酸素極触媒層の周縁部に対応する部分が重なる場合、又は、燃料極集電層の周縁と燃料極触媒層の周縁部に対応する部分とが重なる場合に比べて、高分子膜における電極境界膜部分に印加される応力が一層小さくなる。
【００１４】
〔請求項４記載の発明〕
請求項４に記載の固体高分子型燃料電池のセルの特徴構成は、前記高分子膜の全体にわたって混入する繊維状補強材の混入率を、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分を他の部分よりも高くすることにより、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成され、さらに、前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側、又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、前記酸素極触媒層より大きな酸素極集電層、又は前記燃料極触媒層より大きな燃料極集電層を備え、前記酸素極触媒層の周縁と前記酸素極集電層の周縁、又は前記燃料極触媒層の周縁と前記燃料極集電層の周縁とがずれるように構成され、前記酸素極集電層が前記酸素極触媒層と前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部に対応する部分とに接触、又は前記燃料極集電層が前記燃料極触媒層と前記高分子膜における前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分とに接触していることにある。
請求項４に記載の特徴構成によれば、高分子膜の全体にわたって混入する繊維状補強材の混入率を、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分を他の部分よりも高くすることにより、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成されているので、高分子膜に酸素極触媒層及び燃料極触媒層を接合するときに、高分子膜の両面に酸素極触媒層と燃料極触媒層とを振分け配置した状態で、高分子膜と各層の重ね方向に押圧力が印加されても、それら酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分の強度が弱くなるのが抑制される。
そして、そのようなセルを用いて固体高分子型燃料電池を構成すると、セルの状態で酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分の強度が弱くなるのが抑制されていることに加えて、繊維状補強材によって、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成されていることから、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に歪みや亀裂等の損傷が生じるのが防止される。
従って、固体高分子型燃料電池を構成したときに耐久性に優れる固体高分子型燃料電池のセルを提供することができるようになった。
また、酸素極集電層の周縁と酸素極触媒層の周縁部に対応する部分が重なる場合、又は、燃料極集電層の周縁と燃料極触媒層の周縁部に対応する部分とが重なる場合に比べて、高分子膜における電極境界膜部分に印加される応力が一層小さくなる。
【００１５】
〔請求項５記載の発明〕
請求項５に記載の固体高分子型燃料電池の特徴構成は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池のセルの複数が、隣接するセル間に流路形成部材を位置させた状態で、厚さ方向に並置され、
前記流路形成部材が、その一方側に隣接する前記セルにおける前記酸素極触媒層の周縁部に対応する外周部に密着されて、前記セルとの間に酸素極側ガス流路を形成し、他方側に隣接する前記セルにおける前記燃料極触媒層の周縁部に対応する外周部に密着されて、前記セルとの間に燃料極側ガス流路を形成するように構成されていることにある。
請求項５に記載の特徴構成によれば、請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池のセルの複数を、隣接するセル間に流路形成部材を位置させて、厚さ方向に並置した状態で、セル並置方向に押圧力を印加させるようにセル並置方向の両側から挟み付けることにより、各セルを電気的に接続する接続抵抗を小さくすると共に、流路形成部材を、その一方側に隣接するセルにおける酸素極触媒層の周縁部に対応する外周部に密着させ、且つ、他方側に隣接するセルにおける燃料極触媒層の周縁部に対応する外周部に密着させて、酸素極側ガス流路及び燃料極側ガス流路を気密状に形成する。
そして、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセルを用いていることにより、以下のようにして、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分に歪みや亀裂等の損傷が生じるのが防止される。
つまり、請求項１記載のセルを用いた固体高分子型燃料電池では、酸素極触媒層における高分子膜存在側とは反対側又は燃料極触媒層における高分子膜存在側とは反対側に、酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で、弾性変形自在な補強部材が設けられていることから、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、補強部材が弾性変形することにより、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分に応力がかかるのが抑制されるので、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に損傷が生じるのが防止される。
【００１６】
請求項２記載のセルを用いた固体高分子型燃料電池では、高分子膜と酸素極触媒層との間又は高分子膜と燃料極触媒層との間に、酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で、弾性変形自在な補強部材が設けられていることから、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、補強部材が弾性変形することにより、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分に応力がかかるのが抑制されるので、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に損傷が生じるのが防止される。
【００１７】
請求項３記載のセルを用いた固体高分子型燃料電池では、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に、繊維状補強材を酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁に対して内外方向にわたって混入することにより、あるいは、請求項４記載のセルを用いた固体高分子型燃料電池では、高分子膜の全体にわたって混入する繊維状補強材の混入率を、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分を他の部分よりも高くなるようすることにより、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分の強度が他の部分よりも強くなっているので、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に損傷が生じるのが防止される。
従って、耐久性に優れる固体高分子型燃料電池を提供することができるようになった。
【００１８】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
以下、図面に基づいて本発明の第１実施形態を説明する。
先ず、図１及び図２に基づいて、固体高分子型燃料電池のセルＣについて説明する。尚、図１及び図２においては、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の形状を分かり易いようにするために、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
【００１９】
セルＣは、電解質層としての高分子膜１の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層２ｃを備え、且つ、他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層３ｃを備え、更に、酸素極触媒層２ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に酸素極集電層２ｐを備え、且つ、燃料極触媒層３ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に燃料極集電層３ｐを備えて構成してある。そして、酸素極触媒層２ｃと酸素極集電層２ｐにより、酸素極２を構成し、燃料極触媒層３ｃと燃料極集電層３ｐにより燃料極３を構成してある。
【００２０】
第１実施形態においては、酸素極触媒層２ｃにおける高分子膜存在側とは反対側に弾性変形自在な酸素極側補強部材４を、及び、燃料極触媒層３ｃにおける高分子膜存在側とは反対側に弾性変形自在な燃料極側補強部材５を、それぞれが高分子膜１の厚さ方向に印加される押圧力により弾性変形して、高分子膜１における酸素極触媒層２ｃの周縁部に対応する膜部分及び燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する膜部分に応力が集中するのを抑制するように、それぞれ酸素極触媒層２ｃの周縁内外にわたる状態、燃料極触媒層３ｃの周縁内外にわたる状態で設けてある。
【００２１】
又、酸素極集電層２ｐは、平面形状が酸素極触媒層２ｃよりも大きくなるように形成して、その酸素極集電層２ｐを酸素極触媒層２ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に、その酸素極触媒層２ｃの周部を全周にわたって覆う状態で、且つ、高分子膜１の周部を全周にわたって露出する状態で備え、並びに、燃料極集電層３ｐも、平面形状が燃料極触媒層３ｃよりも大きくなるように形成して、その燃料極集電層３ｐを燃料極触媒層３ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に、その燃料極触媒層３ｃの周部を全周にわたって覆う状態で、且つ、高分子膜１の周部を全周にわたって露出する状態で備えてある。
【００２２】
説明を加えると、高分子膜１は矩形状であり、酸素極触媒層２ｃと燃料極触媒層３ｃは、互いに同一の矩形状であり、高分子膜１よりも小さく、又、酸素極集電層２ｐと燃料極集電層３ｐは、互いに同一の矩形状であり、酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃよりも大きい。そして、酸素極触媒層２ｃと燃料極触媒層３ｃは、高分子膜１に対して面対称となるように配置し、並びに、酸素極集電層２ｐと燃料極集電層３ｐとは、高分子膜１に対して面対称となるように配置する。従って、高分子膜１における酸素極触媒層２ｃの周縁部に対応する膜部分、即ち、酸素極境界膜部分、及び、高分子膜１における燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する膜部分、即ち、燃料極境界膜部分夫々における高分子膜１の面方向における位置は一致するので、以下の説明では、高分子膜１における酸素極境界膜部分及び高分子膜１における燃料極境界膜部分夫々を、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗと称する場合がある。
【００２３】
酸素極側補強部材４と燃料極側補強部材５とは、同一の矩形枠状であり、外周が高分子膜１と同一の矩形状で、内周が酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃよりも小さい矩形状であり、厚さは、酸素極触媒層２ｃ及び酸素極集電層２ｐ夫々の厚さを加えた厚さ（即ち、燃料極触媒層３ｃ及び燃料極集電層３ｐ夫々の厚さを加えた厚さ）よりも薄い。
【００２４】
そして、高分子膜１の両面に酸素極触媒層２ｃと燃料極触媒層３ｃとを振分け配置した状態で、高分子膜１と各層の重ね方向にホットプレスしてそれらを接合して、電極−膜接合体を形成し、続いて、その電極−膜接合体における酸素極触媒層２ｃ側に、酸素極側補強部材４、酸素極集電層２ｐを高分子膜１側から記載順に配置して重ねると共に、酸素極側補強部材４における矩形枠状の露出部分に矩形枠状の酸素極側シール材６を重ね、並びに、電極−膜接合体における燃料極触媒層３ｃ側に、燃料極側補強部材５、燃料極集電層３ｐを高分子膜１側から記載順に配置して重ねると共に、燃料極側補強部材５における矩形枠状の露出部分に矩形枠状の燃料極側シール材７を重ねて配置して、セルＣを構成してある。
【００２５】
酸素極側シール材６及び燃料極側シール材７は、互いに同一の矩形枠状であり、外周が高分子膜１と同一の矩形状で、内周が酸素極集電層２ｐ及び燃料極集電層３ｐの外周と略同一の矩形状である。
【００２６】
尚、図１は、上述のように構成したセルＣに対して、高分子膜１の厚さ方向に押圧力を印加した状態、即ち、後述するセルスタックＮＣにセルＣが組み込まれた状態を示し、押圧力により部材同士の重なり部において各部材が変形している状態を示している。但し、押圧力により各部材が変形する形状は、図１に示す形状に限定されるものではない。
【００２７】
高分子膜１は、プロトン導電性を備えたフッ素樹脂系のイオン交換膜（例えば、Ｎａｆｉｏｎ１１２）にて形成してあり、厚さは、例えば５０μｍである。
酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃは、互いに同様の構成であり、カーボンから成る多孔状の導電材にて形成し、夫々、白金及び白金系合金から成る電極触媒を担持してあり、厚さは、例えば２０μｍ程度である。
酸素極集電層２ｐ及び燃料極集電層３ｐは、互いに同様の構成であり、多孔状の導電材、例えば、カーボンペーパー又はカーボンフェルトにて形成し、撥水剤（ＰＴＦＥ：ポロテトラフルオロエチレン等）にて撥水加工してあり、厚さは、例えば３５０μｍ程度である。
又、酸素極側補強部材４及び燃料極側補強部材５は、互いに同様の構成であり、弾性変形自在で気密性を有する材料、例えば、高分子膜１を形成するのと同一の材料にて形成し、厚さは、例えば高分子膜１と同程度である。
酸素極側シール材６及び燃料極側シール材７は、互いに同様の構成であり、気密性を有する材料、例えば、ＰＴＦＥシートにて形成し、厚さは、例えば２５０μｍ程度である。
【００２８】
次に、図３、及び、図１３ないし図１６に基づいて、上述のセルＣの複数個を用いて構成する固体高分子型燃料電池について説明する。尚、図３、及び、図１３ないし図６においても、図１及び図２と同様に、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
固体高分子型燃料電池は、セルスタックＮＣを備えて構成してある。そのセルスタックＮＣは、図１６に示すように、セルＣの複数個を、隣接するセル間に流路形成部材としての酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９を位置させた状態で、厚さ方向に並置し、更に、積層方向の両端部夫々に電力取り出し用の集電部１０及び各流体給排用の端板１１を配置した状態で、セル並置方向に押圧力を印加させるように、セル並置方向の両側から挟持部材（図示省略）にて挟み付けることにより構成してある。
【００２９】
酸素極側セパレータ８は、それに隣接するセルＣにおける酸素極触媒層２ｃの周縁部に対応する外周部に密着されて、セルＣとの間に酸素極側ガス流路ｓを形成するように構成し、燃料極側セパレータ９は、それに隣接するセルＣにおける燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する外周部に密着されて、セルＣとの間に燃料極側ガス流路ｆを形成するように構成してある。
【００３０】
酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９は、カーボンからなる緻密な気密性を有する導電材にて形成してある。
【００３１】
図３、及び、図１３ないし図１５に示すように、酸素極側セパレータ８は、酸素極２側の面に、酸素極側反応用ガスを通流させる酸素極側ガス流路ｓを形成する酸素極側ガス通流溝を形成し、反対側の面に、冷却水流路ｗを形成する冷却水通流溝を形成してある。
燃料極側セパレータ９は、燃料極３側の面に、燃料極側反応用ガスを通流させる燃料極側ガス流路ｆを形成する燃料極側ガス通流溝を形成し、反対側の面に、酸素極側セパレータ８の冷却水通流溝と面対称となる冷却水流路形成用の冷却水通流溝を形成してある。
【００３２】
更に、セルＣ、酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９の夫々には、それらを重ねたときに夫々が積層方向に連なる状態で、厚さ方向に貫通する６個の孔Ｃｈ，８ｈ，９ｈを形成してある。積層方向視において、セルＣ、酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９の夫々に形成する６個の孔Ｃｈ，８ｈ，９ｈのうち、２個は酸素極側ガス流路ｓの通流経路の両端部に各別に重なり、別の２個は燃料極側ガス流路ｆの通流経路の両端部に各別に重なり、残りの２個は冷却水流路ｗの通流経路の両端部に各別に重なる。
【００３３】
従って、セルスタックＮＣには、セルＣ、酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９夫々の孔Ｃｈ，８ｈ，９ｈが積層方向に連なって形成される通路が６本形成されるが、それらのうちの２本は、各酸素極側ガス流路ｓの通流経路の両端部に各別に連通し、別の２本は、各燃料極側ガス流路ｆの通流経路の両端部に各別に連通し、残りの２本は、各冷却水流路ｗの通流経路の両端部に各別に連通している。
尚、各酸素極側ガス流路ｓの通流経路の両端部に各別に連通する２本の通路を、酸素極側連通路Ｔｓと、各燃料極側ガス流路ｆの通流経路の両端部に各別に連通する２本の通路を燃料極側連通路Ｔｆと、各冷却水流路ｗの通流経路の両端部に各別に連通する２本の通路を冷却水側連通路Ｔｗと夫々称する。
【００３４】
更に、図１６に示すように、セルスタックＮＣの積層方向の両端部夫々に端板１１を設けてある。一方の端板１１には、２本の酸素極側連通路Ｔｓのうちの一方の端部に連通接続する酸素極側ガス用接続部１２ｓ、２本の燃料極側連通路Ｔｆのうちの一方の端部に連通接続する燃料極側ガス用接続部１２ｆ、及び、２本の冷却水連通路Ｔｗのうちの一方の端部に連通接続する冷却水用接続部１２ｗを備えてある。又、他方の端板１１には、２本の酸素極側連通路Ｔｓのうちの他方の端部に連通接続する酸素極側ガス用接続部１２ｓ、２本の燃料極側連通路Ｔｆのうちの他方の端部に連通接続する燃料極側ガス用接続部１２ｆ、及び、２本の冷却水連通路Ｔｗのうちの他方の端部に連通接続する冷却水用接続部１２ｗを備えてある。
【００３５】
尚、２個の酸素極側ガス用接続部１２ｓのうち、一方は酸素極側反応用ガスの供給用として、他方は酸素極側反応用ガスの排出用として用い、２個の燃料極側ガス用接続部１２ｆのうち、一方は燃料極側反応用ガスの供給用として、他方は燃料極側反応用ガスの排出用として用い、並びに、２個の冷却水用接続部１２ｗのうち、一方は冷却水の供給用として、他方は冷却水の排出用として用いる。
【００３６】
そして、炭化水素系の原燃料を改質した水素含有ガスを燃料極側反応用ガスとして、加湿器（図示省略）にて加湿した後、供給用の酸素極側ガス用接続部１２ｓからセルスタックＮＣに供給し、並びに、送風機（図示省略）からの空気を酸素極側反応用ガスとして、加湿器（図示省略）にて加湿した後、供給用の燃料極側ガス用接続部１２ｆからセルスタックＮＣに供給する。
並びに、冷却水ポンプ（図示省略）により、冷却水を供給用の冷却水用接続部１２ｗからセルスタックＮＣに供給する。
【００３７】
すると、加湿された酸素極側反応ガスは、図１４及び図１５において実線矢印にて示すように、一方の酸素極側連通路Ｔｓから各セルＣの酸素極側ガス流路ｓに供給され、酸素極側ガス流路ｓを通流してから、他方の酸素極側連通路Ｔｓに流出し、その酸素極側連通路Ｔｓを通流して排出用の酸素極側ガス用接続部１２ｓから排出される。
又、燃料極側反応ガスは、図１４及び図１５において二点鎖線矢印にて示すように、一方の燃料極側連通路Ｔｆから各セルＣの燃料極側ガス流路ｆに供給され、燃料極側ガス流路ｆを通流してから、他方の燃料極側連通路Ｔｆに流出し、その燃料極側連通路Ｔｆを通流して排出用の燃料極側ガス用接続部１２ｆから排出される。
又、冷却水は、図１４及び図１５において一点鎖線矢印にて示すように、一方の冷却水連通路Ｔｗから各セルＣの冷却水流路ｗに供給され、冷却水流路ｗを通流してから、他方の冷却水連通路Ｔｗに流出し、その冷却水連通路Ｔｗを通流して排出用の冷却水用接続部１２ｗから排出される。
【００３８】
そして、各セルＣにおいては、酸素極側反応用ガス及び燃料極側反応用ガス夫々に含まれている水蒸気によって、高分子膜１が湿らされる状態で、酸素極側反応用ガス中の酸素と燃料極側反応用ガス中の水素との電気化学反応により発電される。又、冷却水の通流により、各セルＣの温度が所定の温度に維持される。
【００３９】
上述のように構成したセルスタックＮＣにおいては、セル並置方向に押圧力が印加されることになって、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗには、酸素極触媒層２ｃ、酸素極集電層２ｐ、酸素極側シール材６、燃料極触媒層３ｃ、燃料極集電層３ｐ及び燃料極側シール材７夫々のエッジによって、他の部分よりも応力が印加され易いが、酸素極側補強部材４及び燃料極側補強部材５が弾性変形することにより、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに応力が印加されるのが抑制され、又、起動・停止が繰り返されて高分子膜１に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかっても、酸素極側補強部材４及び燃料極側補強部材５が弾性変形することにより、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに応力が印加されるのが抑制されるので、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗにクリープ破壊が生じるのが防止される。
しかも、酸素極集電層２ｐを酸素極触媒層２ｃよりも大きくして、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とをずらし、並びに、燃料極集電層３ｐを燃料極触媒層３ｃよりも大きくして、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とをずらしてあるので、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とが重なり、並びに、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とが重なる場合に比べて、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに印加される応力が一層小さくなるように構成してある。
【００４０】
以下、上述のように構成した本発明によるセルＣと、図１８及び図１９に示す従来のセルＣとにより、耐久性を比較した結果を説明する。尚、耐久性の比較は、酸素極２側に酸素極側セパレータ５を付設し且つ燃料極３側に燃料極側セパレータ６を付設して、出力電圧が最も高くなるように両側から締め付けた状態の１枚のセルを用いて行った。尚、両方のセルＣ共に、高分子膜１の面積は７５ｍｍ×７５ｍｍであり、酸素極２及び燃料極３の面積は５０ｍｍ×５０ｍｍである。
【００４１】
本発明のセル及び従来のセル夫々について、酸素極側ガス流路ｓ及び燃料極側ガス流路ｆ夫々のガス出口を大気開放させた状態で、酸素極側反応用ガスとして空気を加湿器にて加湿した後、酸素極側ガス流路ｓに供給し、並びに、燃料極側反応用ガスとして純水素ガスを加湿器にて加湿した後、燃料極側ガス流路ｆに供給し、電子負荷装置を用いて、電流密度が３０００Ａ／ｍ2 になるように定電流にて発電させて、出力電圧を測定して、両者で比較した。
尚、セルの温度は、７０°Ｃに維持し、燃料利用率を６０％、空気利用率を４０％に夫々、設定した。
【００４２】
図１７に、本発明のセル及び従来のセルの夫々について、時間経過に伴う出力電圧の変化を示す。
発電開始時点から３５００時間が経過するまでの間は、本発明のセルと従来のセルでは、略同様の低下率で出力電圧が低下するが、３５００時間が経過した頃から、従来のセルの出力電圧の低下率が急激に大きくなるとともに、出力電圧が不安定となり、従来のセルは本発明のセルに比べて大きく性能が低下していることが分かる。
【００４３】
発電開始時点の開回路電圧は、本発明のセル及び従来のセル共に９００ｍＶ以上であり、発電時間が５０００時間経過後の開回路電圧は、本発明のセルは９００ｍＶ以上であったが、従来のセルは８５０ｍＶにまで低下していた。
発電時間が５０００時間経過後、セルを分解して高分子膜１を観察したところ、従来のセルでは、電極境界膜部分１Ｗに亀裂が発生していたことから、その亀裂部分でガスのクロスリークが起こって、出力電圧が低下していたものと考えられる。一方、本発明のセルでは、高分子膜１には異状がなかった。
【００４４】
〔第２実施形態〕
先ず、図４及び図５に基づいて、固体高分子型燃料電池のセルＣについて説明する。尚、図４及び図５においては、図１及び図２と同様に、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
【００４５】
セルＣは、電解質層としての高分子膜１の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層２ｃを備え、且つ、他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層３ｃを備え、更に、酸素極触媒層２ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に酸素極集電層２ｐを備え、且つ、燃料極触媒層３ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に燃料極集電層３ｐを備えて構成してある。そして、酸素極触媒層２ｃと酸素極集電層２ｐにより、酸素極２を構成し、燃料極触媒層３ｃと燃料極集電層３ｐにより燃料極３を構成してある。
【００４６】
第２実施形態においては、高分子膜１と酸素極触媒層２ｃとの間に弾性変形自在な酸素極側補強部材１ｓを、及び、高分子膜１と燃料極触媒層３ｃとの間に弾性変形自在な燃料極側補強部材１ｆを、それぞれが高分子膜１の厚さ方向に印加される押圧力により弾性変形して、高分子膜１における酸素極触媒層２ｃの周縁部及び燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する膜部分に応力が集中するのを抑制するように、それぞれ酸素極触媒層２ｃの周縁内外にわたる状態、燃料極触媒層３ｃの周縁内外にわたる状態で設けてある。
【００４７】
説明を加えると、高分子膜１は矩形状であり、その高分子膜１の酸素極触媒層２ｃ側の面において、酸素極触媒層２ｃの周縁部に対応する四角枠状の膜部分を突起させて、その突起部分を酸素極側補強部材１ｓとして機能させ、並びに、高分子膜１の燃料極触媒層３ｃ側の面において、燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する四角枠状の膜部分を突起させて、その突起部分を燃料極側補強部材１ｆとして機能させるように構成してある。つまり、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆを高分子膜１と一体的に形成してある。尚、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆの幅は、高分子膜１において、酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃの周縁に対応する位置よりも内方から、酸素極集電層２ｐ及び燃料極集電層３ｐの周縁に対応する位置よりも外方にわたるような幅としてある。
【００４８】
高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ、燃料極触媒層３ｃ、酸素極集電層２ｐ、燃料極集電層３ｐ、酸素極側シール材６及び燃料極側シール材７それぞれの形状、大きさは、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。つまり、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、以下の説明では、高分子膜１における酸素極境界膜部分及び高分子膜１における燃料極境界膜部分夫々を高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗと称する場合がある。
【００４９】
そして、高分子膜１の一方側に酸素極触媒層２ｃを配置し、並びに、他方側に燃料極触媒層３ｃを配置した状態で、高分子膜１と各層の重ね方向にホットプレスしてそれらを接合して、電極−膜接合体を形成し、続いて、電極−膜接合体における酸素極触媒層２ｃ側に酸素極集電層２ｐを重ねると共に、その側における矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の酸素極側シール材６を重ね、並びに、電極−膜接合体における燃料極触媒層３ｃ側に燃料極集電層３ｐを重ねると共に、その側における矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の燃料極側シール材７を重ねて配置して、セルＣを構成してある。
【００５０】
尚、図４は、上述のように構成したセルＣに対して、高分子膜１の厚さ方向に押圧力を印加した状態、即ち、後述するセルスタックＮＣにセルＣが組み込まれた状態を示し、押圧力により部材同士の重なり部において各部材が変形している状態を示している。但し、押圧力により各部材が変形する形状は、図４に示す形状に限定されるものではない。
【００５１】
上述のように高分子膜１の厚さ方向に押圧力を印加してホットプレスによって電極−膜接合体を製作する際には、酸素極触媒層２ｃのエッジや燃料極触媒層３ｃのエッジにより高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに応力が集中するのを、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆが弾性変形することにより抑制することができるので、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗの強度が弱くなるのを抑制することができる。
【００５２】
高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ、燃料極触媒層３ｃ、酸素極集電層２ｐ、燃料極集電層３ｐそれぞれの材料、厚さは、第１実施形態と同様である。又、酸素極側補強部材１ｓの厚さ、燃料極側補強部材１ｆの厚さは、それぞれ第１実施形態の酸素極側補強部材４の厚さ、燃料極側補強部材５の厚さと同様である。
【００５３】
図６に、上述のセルＣの複数個を用いて構成した固体高分子型燃料電池の要部の縦断面図を示す。尚、固体高分子型燃料電池を構成するセルスタックＮＣの積層構造、即ち、セルＣの複数個を、隣接するセル間に流路形成部材としての酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９を位置させた状態で、厚さ方向に並置し、更に、積層方向の両端部夫々に電力取り出し用の集電部１０及び各流体給排用の端板１１を配置した状態で、セル並置方向に押圧力を印加させるように、セル並置方向の両側から挟持部材（図示省略）にて挟み付ける構造は、第１実施形態において図１３ないし図１６を用いて説明した構造と同様であるので、説明を省略する。又、図６においても、図１及び図２と同様に、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
【００５４】
上述のように構成したセルスタックＮＣにおいては、セル並置方向に押圧力が印加されることになって、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗには、酸素極触媒層２ｃ、酸素極集電層２ｐ、酸素極側シール材６、燃料極触媒層３ｃ、燃料極集電層３ｐ及び燃料極側シール材７夫々のエッジによって、他の部分よりも応力が印加され易いが、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆが弾性変形することにより、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに応力が印加されるのが抑制され、又、起動・停止が繰り返されて高分子膜１に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかっても、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆが弾性変形することにより、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに応力が印加されるのが抑制されるので、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗにクリープ破壊が生じるのが防止される。
しかも、酸素極集電層２ｐを酸素極触媒層２ｃよりも大きくして、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とをずらし、並びに、燃料極集電層３ｐを燃料極触媒層３ｃよりも大きくして、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とをずらしてあるので、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とが重なり、並びに、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とが重なる場合に比べて、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに印加される応力が一層小さくなるように構成してある。
【００５５】
〔第３実施形態〕
先ず、図７及び図８に基づいて、固体高分子型燃料電池のセルＣについて説明する。尚、図７及び図８においては、図１及び図２と同様に、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
【００５６】
セルＣは、電解質層としての高分子膜１の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層２ｃを備え、且つ、他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層３ｃを備え、更に、酸素極触媒層２ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に酸素極集電層２ｐを備え、且つ、燃料極触媒層３ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に燃料極集電層３ｐを備えて構成してある。そして、酸素極触媒層２ｃと酸素極集電層２ｐにより、酸素極２を構成し、燃料極触媒層３ｃと燃料極集電層３ｐにより燃料極３を構成してある。
【００５７】
第３実施形態においては、高分子膜１における酸素極触媒層２ｃの周縁部及び燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する部分に、繊維状補強材１ｒを酸素極触媒層１ｃ及び燃料極触媒層３ｃの周縁に対して内外方向にわたって混入することにより、高分子膜１おける酸素極触媒層２ｃの周縁部又は燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成してある。
【００５８】
高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ、燃料極触媒層３ｃ、酸素極集電層２ｐ、燃料極集電層３ｐ、酸素極側シール材６及び燃料極側シール材７それぞれの形状、大きさは、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。つまり、第３実施形態においても、第１実施形態と同様に、以下の説明では、高分子膜１における酸素極境界膜部分及び高分子膜１における燃料極境界膜部分夫々を高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗと称する場合がある。
【００５９】
そして、第３実施形態においては、高分子膜１において矩形枠状の電極境界膜部分１Ｗに、繊維状補強材１ｒを混入することにより、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗを、他よりも強度が強くなるように補強（所謂、フィブリル補強）してある。尚、高分子膜１において繊維状補強材１ｒを混入する範囲は、酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃの周縁に対応する位置よりも内方から、酸素極集電層２ｐ及び燃料極集電層３ｐの周縁に対応する位置よりも外方にわたる範囲としてある。
【００６０】
そして、高分子膜１の一方側に酸素極触媒層２ｃを配置し、並びに、他方側に燃料極触媒層３ｃを配置した状態で、高分子膜１と各層の重ね方向にホットプレスしてそれらを接合して、電極−膜接合体を形成し、続いて、電極−膜接合体における酸素極触媒層２ｃ側に酸素極集電層２ｐを重ねると共に、その側における矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の酸素極側シール材６を重ね、並びに、電極−膜接合体における燃料極触媒層３ｃ側に燃料極集電層３ｐを重ねると共に、その側における矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の燃料極側シール材７を重ねて配置して、セルＣを構成してある。
【００６１】
尚、図７は、上述のように構成したセルＣに対して、高分子膜１の厚さ方向に押圧力を印加した状態、即ち、後述するセルスタックＮＣにセルＣが組み込まれた状態を示し、押圧力により部材同士の重なり部において各部材が変形している状態を示している。但し、押圧力により各部材が変形する形状は、図７に示す形状に限定されるものではない。
【００６２】
上述のように高分子膜１の厚さ方向に押圧力を印加してホットプレスによって電極−膜接合体を製作する際に、酸素極触媒層２ｃのエッジや燃料極触媒層３ｃのエッジにより高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに応力が集中しても、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに、繊維状補強材１ｒを混入することにより、電極境界膜部分１Ｗの強度が他の部分よりも強くなるようにしてあるので、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗの強度が弱くなるのを抑制することができる。
【００６３】
高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ、燃料極触媒層３ｃ、酸素極集電層２ｐ、燃料極集電層３ｐそれぞれの材料、厚さは、第１実施形態と同様である。
繊維状補強材としては、高分子膜１に悪影響を与えず、固体高分子型燃料電池の運転条件下において安定な種々の繊維状材を用いることが可能であるが、補強作用を一層増大させるには、弾性を有する繊維状材が好ましく、例えば、ＰＴＦＥフィブリル（微小繊維）を用いることができる。
【００６４】
図９に、上述のセルＣの複数個を用いて構成した固体高分子型燃料電池の要部の縦断面図を示す。尚、固体高分子型燃料電池を構成するセルスタックＮＣの積層構造は、第１実施形態において図１３ないし図１６を用いて説明した構造と同様であるので、説明を省略する。又、図９においても、図１及び図２と同様に、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
【００６５】
上述のように構成したセルスタックＮＣにおいては、セル並置方向に押圧力が印加されることになって、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗには、酸素極触媒層２ｃ、酸素極集電層２ｐ、酸素極側シール材６、燃料極触媒層３ｃ、燃料極集電層３ｐ及び燃料極側シール材７夫々のエッジによって、他の部分よりも大きい応力が印加されることとなり、又、起動・停止が繰り返されて高分子膜１に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかることとなるが、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗを他の部分よりも強度が強くなるように繊維状補強材１ｒにて補強してあるので、電極境界膜部分１Ｗにクリープ破壊が生じるのが防止される。
しかも、酸素極集電層２ｐを酸素極触媒層２ｃよりも大きくして、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とをずらし、並びに、燃料極集電層３ｐを燃料極触媒層３ｃよりも大きくして、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とをずらしてあるので、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とが重なり、並びに、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とが重なる場合に比べて、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに印加される応力が一層小さくなるように構成してある。
【００６６】
〔第４実施形態〕
先ず、図１０及び図１１に基づいて、固体高分子型燃料電池のセルＣについて説明する。尚、図１０及び図１１においては、図１及び図２と同様に、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
【００６７】
セルＣは、電解質層としての高分子膜１の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層２ｃを備え、且つ、他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層３ｃを備え、更に、酸素極触媒層２ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に酸素極集電層２ｐを備え、且つ、燃料極触媒層３ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に燃料極集電層３ｐを備えて構成してある。そして、酸素極触媒層２ｃと酸素極集電層２ｐにより、酸素極２を構成し、燃料極触媒層３ｃと燃料極集電層３ｐにより燃料極３を構成してある。
【００６８】
第３実施形態においては、高分子膜１の全体にわたって混入する繊維状補強材１ｒの混入率を、高分子膜１における酸素極触媒層２ｃの周縁部及び燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する部分を他の部分よりも高くすることにより、高分子膜１における酸素極触媒層２ｃの周縁部及び燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成してある。尚、高分子膜１において繊維状補強材１ｒの混入率を他の部分よりも高くする範囲は、酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃの周縁に対応する位置よりも内方から、酸素極集電層２ｐ及び燃料極集電層３ｐの周縁に対応する位置よりも外方にわたる範囲としてある。
【００６９】
高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ、燃料極触媒層３ｃ、酸素極集電層２ｐ、燃料極集電層３ｐ、酸素極側シール材６及び燃料極側シール材７それぞれの形状、大きさは、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。つまり、第４実施形態においても、第１実施形態と同様に、以下の説明では、高分子膜１における酸素極境界膜部分及び高分子膜１における燃料極境界膜部分夫々を高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗと称する場合がある。
【００７０】
そして、第４実施形態においては、高分子膜１の全体にわたって繊維状補強材１ｒを混入して、高分子膜１を補強（所謂、フィブリル補強）してあるが、その繊維状補強材１ｒの混入率を、高分子膜１における矩形枠状の電極境界膜部分１Ｗを他の部分よりも高くすることにより、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗを、他よりも強度が強くなるようにしてある。
【００７１】
そして、高分子膜１の一方側に酸素極触媒層２ｃを配置し、並びに、他方側に燃料極触媒層３ｃを配置した状態で、高分子膜１と各層の重ね方向にホットプレスしてそれらを接合して、電極−膜接合体を形成し、続いて、電極−膜接合体における酸素極触媒層２ｃ側に酸素極集電層２ｐを重ねると共に、その側における矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の酸素極側シール材６を重ね、並びに、電極−膜接合体における燃料極触媒層３ｃ側に燃料極集電層３ｐを重ねると共に、その側における矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の燃料極側シール材７を重ねて配置して、セルＣを構成してある。
【００７２】
尚、図１０は、上述のように構成したセルＣに対して、高分子膜１の厚さ方向に押圧力を印加した状態、即ち、後述するセルスタックＮＣにセルＣが組み込まれた状態を示し、押圧力により部材同士の重なり部において各部材が変形している状態を示している。但し、押圧力により各部材が変形する形状は、図１０に示す形状に限定されるものではない。
【００７３】
上述のように高分子膜１の厚さ方向に押圧力を印加してホットプレスによって電極−膜接合体を製作する際に、酸素極触媒層２ｃのエッジや燃料極触媒層３ｃのエッジにより高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに応力が集中しても、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗの繊維状補強材１ｒの混入率を他の部分よりも高くすることにより、電極境界膜部分１Ｗの強度が他の部分よりも強くなるようにしてあるので、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗの強度が弱くなるのを抑制することができる。
【００７４】
高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ、燃料極触媒層３ｃ、酸素極集電層２ｐ、燃料極集電層３ｐそれぞれの材料、厚さは、第１実施形態と同様である。
繊維状補強材としては、第３実施形態において説明したものと同様のものを用いることができる。
【００７５】
図１２に、上述のセルＣの複数個を用いて構成した固体高分子型燃料電池の要部の縦断面図を示す。尚、固体高分子型燃料電池を構成するセルスタックＮＣの積層構造は、第１実施形態において図１３ないし図１６を用いて説明した構造と同様であるので、説明を省略する。又、図１２においても、図１及び図２と同様に、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
【００７６】
上述のように構成したセルスタックＮＣにおいては、セル並置方向に押圧力が印加されることになって、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗには、酸素極触媒層２ｃ、酸素極集電層２ｐ、酸素極側シール材６、燃料極触媒層３ｃ、燃料極集電層３ｐ及び燃料極側シール材７夫々のエッジによって、他の部分よりも大きい応力が印加されることとなり、又、起動・停止が繰り返されて高分子膜１に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかることとなるが、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗを他の部分よりも強度が強くなるように繊維状補強材１ｒにて補強してあるので、電極境界膜部分１Ｗにクリープ破壊が生じるのが防止される。
しかも、酸素極集電層２ｐを酸素極触媒層２ｃよりも大きくして、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とをずらし、並びに、燃料極集電層３ｐを燃料極触媒層３ｃよりも大きくして、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とをずらしてあるので、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とが重なり、並びに、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とが重なる場合に比べて、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに印加される応力が一層小さくなるように構成してある。
【００７７】
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
（イ） 上記の第１及び第２の各実施形態においては、酸素極側補強部材及び燃料極側補強部材の両方を設ける場合について例示したが、酸素極側補強部材及び燃料極側補強部材のうちのいずれか一方のみを設けても良い。
【００７８】
（ロ） 上記の各実施形態においては、高分子膜１における酸素極触媒層２ｃの周縁部に対応する膜部分、即ち、酸素極境界膜部分と、高分子膜１における燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する膜部分、即ち、燃料極境界膜部分とで、高分子膜１の面方向における位置が一致するように構成する場合について例示したが、酸素極境界膜部分と燃料極境界膜部分とで、高分子膜１の面方向における位置が異なるように構成しても良い。
この場合、第１及び第２の各実施形態のように、酸素極側補強部材及び燃料極側補強部材の両方を設けても良いが、酸素極側補強部材及び燃料極側補強部材のうちのいずれか一方のみを設けても良い。
又、高分子膜１における酸素極境界膜部分及び燃料極境界膜部分の両方を他の部分よりも強度が強くなるように繊維状補強材１ｒにて補強しても良いが、高分子膜１における酸素極境界膜部分及び燃料極境界膜部分のうちのいずれか一方のみを他の部分よりも強度が強くなるように繊維状補強材１ｒにて補強しても良い。
【００７９】
（ハ） 上記の各実施形態においては、高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃをホットプレスしてそれらを接合することにより、電極−膜接合体を形成する場合について例示したが、高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ、酸素極集電層２ｐ、燃料極触媒層３ｃ及び燃料極集電層３ｐをホットプレスしてそれらを接合することにより、電極−膜接合体を形成しても良い。
【００８０】
（ニ） 上記の各実施形態において、酸素極シール部材６及び燃料極シール部材７を省略しても良い。その場合、第１実施形態においては、酸素極側セパレータ８をそれに隣接するセルＣの酸素極側補強材４に密着させ、燃料極側セパレータ９をそれに隣接するセルＣの燃料極側補強材５に密着させることになる。又、第２ないし第４の各実施形態においては、酸素極側セパレータ８をそれに隣接するセルＣの高分子膜１の露出部分に密着させ、燃料極側セパレータ９をそれに隣接するセルＣの高分子膜１の露出部分に密着させることになる。
【００８１】
（ホ） 上記の第２実施形態においては、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆを高分子膜１と一体的に形成する場合について例示したが、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆを高分子膜１と別体にしても良い。その場合、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆ夫々の材料は、高分子膜１の材料と異ならせても良い。
【００８２】
（ヘ） 請求項１に記載の特徴構成、請求項２に記載の特徴構成及び請求項３に記載の特徴構成のうちのいずれか二つ、あるいは、全てを組み合わせて、セルＣを構成しても良い。又、請求項１に記載の特徴構成、請求項２に記載の特徴構成及び請求項４に記載の特徴構成のうちのいずれか二つ、あるいは、全てを組み合わせて、セルＣを構成しても良い。
【００８３】
（ト） 高分子膜１を湿らせるための水分をセルＣに供給する形態は、上記の実施形態にて例示した形態、即ち、セルＣに供給する酸素極側反応用ガスや燃料極側反応用ガスを外部に設けた加湿器にて加湿して、それら酸素極側反応用ガスや燃料極側反応用ガスを媒体として水分を供給する形態に限定されるものではない。
例えば、酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９を通水可能な多孔材にて構成すると共に、冷却水流路ｗを通流する冷却水の圧力を、酸素極側ガス流路ｓ及び燃料極側ガス流路ｆ夫々を通流する各反応用ガスの圧力よりも高くして、冷却水流路ｗを通流する冷却水の一部を酸素極側ガス流路ｓ側や燃料極側ガス流路ｆ側に各セパレータ８，９を透過させることにより、セルＣに直接水分を供給する形態としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの厚さ方向における断面図
【図２】第１実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの分解斜視図
【図３】第１実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の横断面図
【図４】第２実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの厚さ方向における断面図
【図５】第２実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの分解斜視図
【図６】第２実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の横断面図
【図７】第３実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの厚さ方向における断面図
【図８】第３実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの分解斜視図
【図９】第３実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の横断面図
【図１０】第４実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの厚さ方向における断面図
【図１１】第４実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの分解斜視図
【図１２】第４実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の横断面図
【図１３】実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の分解斜視図
【図１４】実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の分解斜視図
【図１５】実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の分解斜視図
【図１６】実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの全体概略構成を示す側面図
【図１７】運転時間経過に伴うセルの出力電圧の変化を示す図
【図１８】従来の固体高分子型燃料電池のセルの厚さ方向における断面図
【図１９】従来の固体高分子型燃料電池のセルの分解斜視図
【図２０】従来の固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の横断面図
【符号の説明】
１ 高分子膜
１ｆ，１ｓ 補強部材
１ｒ 繊維状補強材
２ｃ 酸素極触媒層
３ｃ 燃料極触媒層
４，５ 補強部材
８，９ 流路形成部材
ｆ 燃料極側ガス流路
ｓ 酸素極側ガス流路
Ｃ セル
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質層としての高分子膜の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層を備え、且つ、他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層を備えた固体高分子型燃料電池のセル、及び、そのようなセルの複数個にて構成された高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる固体高分子型燃料電池のセル（以下、単にセルと記載する場合がある）においては、電極触媒を保持した酸素極触媒層及び燃料極触媒層夫々と高分子膜との接触面積を大きくして、発電性能を高くする必要があることから、酸素極触媒層及び燃料極触媒層夫々と高分子膜との接触面積を大きくするために、以下のようにして、高分子膜に対して酸素極触媒層及び燃料極触媒層を接合するものである。
即ち、高分子膜の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層を配置し且つ他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層を配置した状態で、高分子膜と各層の重ね方向にホットプレスしてそれらを接合したり、高分子膜と各層の重ね方向に押圧してそれらを接着剤にて接合したりして、酸素極触媒層及び燃料極触媒層夫々と高分子膜との接触面積を大きくするものである。
【０００３】
そして、固体高分子型燃料電池のセルを用いて構成した固体高分子型燃料電池においては、高分子膜厚さ方向に押圧力を印加させることにより、流路形成部材をセルにおける酸素極触媒層の周縁部に対応する外周部に密着させて、セルとの間に酸素極側ガス流路を気密状に形成し、並びに、流路形成部材をセルにおける燃料極触媒層の周縁部に対応する外周部に密着させて、セルとの間に燃料極側ガス流路を気密状に形成している。
【０００４】
従来、高分子膜に酸素極触媒層及び燃料極触媒層を接合するに当たっては、図１９に示すように、面方向の全体にわたって厚さが略均一で且つ強度が略均一に形成した高分子膜１を用い、その高分子膜１の両面に、上述のように酸素極触媒層２ｃと燃料極触媒層３ｃとを振分け配置した状態で、高分子膜１と各層の重ね方向にホットプレスしてそれらを接合したり、高分子膜１と各層の重ね方向に押圧してそれらを接着剤にて接合したりしていた。更に、そのように高分子膜１に酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃを接合して形成した電極―膜接合体における酸素極触媒層２ｃ側にその酸素極触媒層２ｃと同じ大きさの酸素極集電層２ｐを重ねると共に、その酸素極触媒層２ｃ側の矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の酸素極側シール材６を重ね、並びに、燃料極触媒層３ｃ側にその燃料極触媒層３ｃと同じ大きさの燃料極集電層３ｐを重ねると共に、その燃料極触媒層３ｃ側の矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の燃料極側シール材７を重ねて、セルＣを構成していた。尚、通常は、酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃは高分子膜１よりも硬い材料にて形成され、酸素極集電層２ｐ及び燃料極集電層３ｐは酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃよりも硬い材料（例えばカーボンペーパー等）にて形成される。
【０００５】
図１８は、上述のように構成した従来のセルＣにおける厚さ方向での断面図を示す。つまり、図１８に示すように、上述のように高分子膜１の両面に酸素極触媒層２ｃと燃料極触媒層３ｃとを振分け配置した状態で、高分子膜１と各層の重ね方向に押圧力を印加してそれらを接合することから、高分子膜１において酸素極触媒層２ｃや燃料極触媒層３ｃが重なっている部分は、酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃが重なっていない部分に比べて、膜厚が薄くなる。
【０００６】
そして、従来、固体高分子型燃料電池においては、図２０に示すように、上述のように構成した複数のセルＣを、隣接するセル間に、導電性を有する流路形成部材として酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９を位置させた状態で厚さ方向に並置し、酸素極側セパレータ８をそれに隣接するセルＣにおける酸素極触媒層２ｃの周縁部に対応する外周部に密着させて、セルＣとの間に酸素極側ガス流路ｓを形成し、燃料極側セパレータ９をそれに隣接するセルＣにおける燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する外周部に密着させて、セルＣとの間に燃料極側ガス流路ｆを形成するように構成していた。
【０００７】
つまり、複数のセルＣを上述のように並置した状態で、高分子膜厚さ方向に押圧力を印加させるようにセル並置方向の両側から挟み付けることにより、各セルＣを電気的に接続する接続抵抗を小さくすると共に、酸素極側セパレータ８をそれに隣接するセルＣにおける酸素極触媒層２ｃの周縁部に対応する外周部に密着させ、且つ、燃料極側セパレータ９をそれに隣接するセルＣにおける燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する外周部に密着させて、酸素極側ガス流路ｓ及び燃料極側ガス流路ｆを気密状に形成していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体高分子型燃料電池のセルを用いて構成した固体高分子型燃料電池では、セルに対して、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されることになる。
従来では、酸素極触媒層の周縁部にその酸素極触媒層よりも硬い酸素極集電層の周縁部が重なり、且つ、燃料極触媒層の周縁部にその燃料極触媒層よりも硬い燃料極集電層の周縁部が重なることから、酸素極触媒層の周縁部が酸素極集電層の周縁部に押圧されたり、燃料極触媒層の周縁部が燃料極集電層の周縁部に押圧されたりすることにより、高分子膜においては、酸素極触媒層の周縁部に対応する膜部分（以下、酸素極境界膜部分と称する場合がある）や、燃料極触媒層の周縁部に対応する膜部分（以下、燃料極境界膜部分と称する場合がある）には、他の部分よりも大きい応力がかかり易い。
又、固体高分子型燃料電池のセルは、高分子膜、各触媒層、各集電層というように熱膨張率の異なる部材にて構成されているので、固体高分子型燃料電池においては、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で、起動・停止の繰り返しにより昇温・降温が繰り返されると、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返し発生する。
【０００９】
しかしながら、従来の固体高分子型燃料電池のセルでは、上述のように、高分子膜において、酸素極触媒層や燃料極触媒層が重なっている部分は、酸素極触媒層及び燃料極触媒層が重なっていない部分に比べて膜厚が薄くなっているので、高分子膜の酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分は他の部分よりも強度が弱くなっている。
従って、このようなセルを用いて固体高分子型燃料電池を構成すると、高分子膜厚さ方向に印加される押圧力により、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分に他の部分よりも強い応力がかかったり、起動・停止の繰り返しにより、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりすると、強度が弱くなっている酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に、歪みや亀裂等の損傷が生じ易い。
高分子膜の損傷は、発電反応用としての酸素極側ガス又は燃料極側ガスのクロスリークの原因となり、そのようなガスのクロスリークが生じると発電性能が低下することから、従来の固体高分子型燃料電池のセルでは、固体高分子型燃料電池を構成したときの耐久性を向上する上で改善の余地があった。
【００１０】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体高分子型燃料電池を構成したときに耐久性に優れる固体高分子型燃料電池のセル及び耐久性に優れる固体高分子型燃料電池を提供することにある。
【００１１】
〔請求項１記載の発明〕
請求項１に記載の固体高分子型燃料電池のセルの特徴構成は、前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、弾性変形自在な補強部材が、前記高分子膜の厚さ方向に印加される押圧力により弾性変形して、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する膜部分に応力が集中するのを抑制するように、前記酸素極触媒層又は前記燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で設けられ、さらに、前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側、又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、前記酸素極触媒層より大きな酸素極集電層、又は前記燃料極触媒層より大きな燃料極集電層を備え、前記酸素極触媒層の周縁と前記酸素極集電層の周縁、又は前記燃料極触媒層の周縁と前記燃料極集電層の周縁とがずれるように構成され、前記酸素極集電層が前記酸素極触媒層と前記補強部材とに接触、又は前記燃料極集電層が前記燃料極触媒層と前記補強部材とに接触していることにある。
請求項１記載のセルを用いて固体高分子型燃料電池を構成すると、酸素極触媒層における高分子膜存在側とは反対側又は燃料極触媒層における高分子膜存在側とは反対側に、酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で、弾性変形自在な補強部材が設けられていることから、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、補強部材が弾性変形することにより、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分に応力がかかるのが抑制されるので、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分が他の部分よりも強度が弱くなっていたとしても、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に歪みや亀裂等の損傷が生じるのが防止される。
従って、固体高分子型燃料電池を構成したときに耐久性に優れる固体高分子型燃料電池のセルを提供することができるようになった。
また、酸素極集電層の周縁と酸素極触媒層の周縁とが重なる場合、又は、燃料極集電層の周縁と燃料極触媒層の周縁とが重なる場合に比べて、高分子膜における電極境界膜部分に印加される応力が一層小さくなる。
【００１２】
〔請求項２記載の発明〕
請求項２に記載の固体高分子型燃料電池のセルの特徴構成は、前記高分子膜と前記酸素極触媒層との間又は前記高分子膜と前記燃料極触媒層との間に、弾性変形自在な補強部材が、前記高分子膜の厚さ方向に印加される押圧力により弾性変形して、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する膜部分に応力が集中するのを抑制するように、前記酸素極触媒層又は前記燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で設けられ、さらに、前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側、又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、前記酸素極触媒層より大きな酸素極集電層、又は前記燃料極触媒層より大きな燃料極集電層を備え、前記酸素極触媒層の周縁と前記酸素極集電層の周縁、又は前記燃料極触媒層の周縁と前記燃料極集電層の周縁とがずれるように構成され、前記酸素極集電層が前記酸素極触媒層と前記補強部材とに接触、又は前記燃料極集電層が前記燃料極触媒層と前記補強部材とに接触していることにある。
請求項２記載のセルを用いて固体高分子型燃料電池を構成すると、高分子膜と酸素極触媒層との間又は高分子膜と燃料極触媒層との間に、酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で、弾性変形自在な補強部材が設けられていることから、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、補強部材が弾性変形することにより、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分に応力がかかるのが抑制されるので、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分が他の部分よりも強度が弱くなっていたとしても、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に歪みや亀裂等の損傷が生じるのが防止される。
又、高分子膜と酸素極触媒層との間又は高分子膜と燃料極触媒層との間に、弾性変形自在な補強部材を酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で配置した状態で、高分子膜と各層の重ね方向にホットプレスしてそれらを接合したり、高分子膜と各層の重ね方向に押圧してそれらを接着剤にて接合したりすると、高分子膜の厚さ方向に押圧力が印加される際に補強部材が弾性変形して、高分子膜の酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に印加される応力が逃がされるので、応力が集中するのが抑制されることとなり、酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分の強度が弱くなるのを抑制することができる。そして、そのように酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分の強度が弱くなるのを抑制したセルを用いて、固体高分子型燃料電池を構成すると、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に損傷が生じるのを防止する上で、一層好ましいものとなる。
従って、固体高分子型燃料電池を構成したときに耐久性に優れる固体高分子型燃料電池のセルを提供することができるようになった。
また、酸素極集電層の周縁と酸素極触媒層の周縁とが重なる場合、又は、燃料極集電層の周縁と燃料極触媒層の周縁とが重なる場合に比べて、高分子膜における電極境界膜部分に印加される応力が一層小さくなる。
【００１３】
〔請求項３記載の発明〕
請求項３に記載の固体高分子型燃料電池のセルの特徴構成は、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分に、繊維状補強材を前記酸素極触媒層又は前記燃料極触媒層の周縁に対して内外方向にわたって混入することにより、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成され、さらに、前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側、又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、前記酸素極触媒層より大きな酸素極集電層、又は前記燃料極触媒層より大きな燃料極集電層を備え、前記酸素極触媒層の周縁と前記酸素極集電層の周縁、又は前記燃料極触媒層の周縁と前記燃料極集電層の周縁とがずれるように構成され、前記酸素極集電層が前記酸素極触媒層と前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部に対応する部分とに接触、又は前記燃料極集電層が前記燃料極触媒層と前記高分子膜における前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分とに接触していることにある。
請求項３に記載の特徴構成によれば、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に、繊維状補強材を酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁に対して内外方向にわたって混入することにより、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成されているので、高分子膜に酸素極触媒層及び燃料極触媒層を接合するときに、高分子膜の両面に酸素極触媒層と燃料極触媒層とを振分け配置した状態で、高分子膜と各層の重ね方向に押圧力が印加されても、それら酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分の強度が弱くなるのが抑制される。
そして、そのようなセルを用いて固体高分子型燃料電池を構成すると、セルの状態で酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分の強度が弱くなるのが抑制されていることに加えて、繊維状補強材によって、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成されていることから、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に歪みや亀裂等の損傷が生じるのが防止される。
従って、固体高分子型燃料電池を構成したときに耐久性に優れる固体高分子型燃料電池のセルを提供することができるようになった。
また、酸素極集電層の周縁と酸素極触媒層の周縁部に対応する部分が重なる場合、又は、燃料極集電層の周縁と燃料極触媒層の周縁部に対応する部分とが重なる場合に比べて、高分子膜における電極境界膜部分に印加される応力が一層小さくなる。
【００１４】
〔請求項４記載の発明〕
請求項４に記載の固体高分子型燃料電池のセルの特徴構成は、前記高分子膜の全体にわたって混入する繊維状補強材の混入率を、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分を他の部分よりも高くすることにより、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成され、さらに、前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側、又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、前記酸素極触媒層より大きな酸素極集電層、又は前記燃料極触媒層より大きな燃料極集電層を備え、前記酸素極触媒層の周縁と前記酸素極集電層の周縁、又は前記燃料極触媒層の周縁と前記燃料極集電層の周縁とがずれるように構成され、前記酸素極集電層が前記酸素極触媒層と前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部に対応する部分とに接触、又は前記燃料極集電層が前記燃料極触媒層と前記高分子膜における前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分とに接触していることにある。
請求項４に記載の特徴構成によれば、高分子膜の全体にわたって混入する繊維状補強材の混入率を、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分を他の部分よりも高くすることにより、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成されているので、高分子膜に酸素極触媒層及び燃料極触媒層を接合するときに、高分子膜の両面に酸素極触媒層と燃料極触媒層とを振分け配置した状態で、高分子膜と各層の重ね方向に押圧力が印加されても、それら酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分の強度が弱くなるのが抑制される。
そして、そのようなセルを用いて固体高分子型燃料電池を構成すると、セルの状態で酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分の強度が弱くなるのが抑制されていることに加えて、繊維状補強材によって、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成されていることから、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に歪みや亀裂等の損傷が生じるのが防止される。
従って、固体高分子型燃料電池を構成したときに耐久性に優れる固体高分子型燃料電池のセルを提供することができるようになった。
また、酸素極集電層の周縁と酸素極触媒層の周縁部に対応する部分が重なる場合、又は、燃料極集電層の周縁と燃料極触媒層の周縁部に対応する部分とが重なる場合に比べて、高分子膜における電極境界膜部分に印加される応力が一層小さくなる。
【００１５】
〔請求項５記載の発明〕
請求項５に記載の固体高分子型燃料電池の特徴構成は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池のセルの複数が、隣接するセル間に流路形成部材を位置させた状態で、厚さ方向に並置され、
前記流路形成部材が、その一方側に隣接する前記セルにおける前記酸素極触媒層の周縁部に対応する外周部に密着されて、前記セルとの間に酸素極側ガス流路を形成し、他方側に隣接する前記セルにおける前記燃料極触媒層の周縁部に対応する外周部に密着されて、前記セルとの間に燃料極側ガス流路を形成するように構成されていることにある。
請求項５に記載の特徴構成によれば、請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池のセルの複数を、隣接するセル間に流路形成部材を位置させて、厚さ方向に並置した状態で、セル並置方向に押圧力を印加させるようにセル並置方向の両側から挟み付けることにより、各セルを電気的に接続する接続抵抗を小さくすると共に、流路形成部材を、その一方側に隣接するセルにおける酸素極触媒層の周縁部に対応する外周部に密着させ、且つ、他方側に隣接するセルにおける燃料極触媒層の周縁部に対応する外周部に密着させて、酸素極側ガス流路及び燃料極側ガス流路を気密状に形成する。
そして、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセルを用いていることにより、以下のようにして、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分に歪みや亀裂等の損傷が生じるのが防止される。
つまり、請求項１記載のセルを用いた固体高分子型燃料電池では、酸素極触媒層における高分子膜存在側とは反対側又は燃料極触媒層における高分子膜存在側とは反対側に、酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で、弾性変形自在な補強部材が設けられていることから、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、補強部材が弾性変形することにより、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分に応力がかかるのが抑制されるので、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に損傷が生じるのが防止される。
【００１６】
請求項２記載のセルを用いた固体高分子型燃料電池では、高分子膜と酸素極触媒層との間又は高分子膜と燃料極触媒層との間に、酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で、弾性変形自在な補強部材が設けられていることから、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、補強部材が弾性変形することにより、高分子膜の酸素極境界膜部分や燃料極境界膜部分に応力がかかるのが抑制されるので、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に損傷が生じるのが防止される。
【００１７】
請求項３記載のセルを用いた固体高分子型燃料電池では、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に、繊維状補強材を酸素極触媒層又は燃料極触媒層の周縁に対して内外方向にわたって混入することにより、あるいは、請求項４記載のセルを用いた固体高分子型燃料電池では、高分子膜の全体にわたって混入する繊維状補強材の混入率を、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分を他の部分よりも高くなるようすることにより、高分子膜における酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分の強度が他の部分よりも強くなっているので、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加されたり、高分子膜厚さ方向に押圧力が印加された状態で起動・停止が繰り返されて、高分子膜に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかったりしても、酸素極境界膜部分又は燃料極境界膜部分に損傷が生じるのが防止される。
従って、耐久性に優れる固体高分子型燃料電池を提供することができるようになった。
【００１８】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
以下、図面に基づいて本発明の第１実施形態を説明する。
先ず、図１及び図２に基づいて、固体高分子型燃料電池のセルＣについて説明する。尚、図１及び図２においては、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の形状を分かり易いようにするために、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
【００１９】
セルＣは、電解質層としての高分子膜１の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層２ｃを備え、且つ、他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層３ｃを備え、更に、酸素極触媒層２ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に酸素極集電層２ｐを備え、且つ、燃料極触媒層３ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に燃料極集電層３ｐを備えて構成してある。そして、酸素極触媒層２ｃと酸素極集電層２ｐにより、酸素極２を構成し、燃料極触媒層３ｃと燃料極集電層３ｐにより燃料極３を構成してある。
【００２０】
第１実施形態においては、酸素極触媒層２ｃにおける高分子膜存在側とは反対側に弾性変形自在な酸素極側補強部材４を、及び、燃料極触媒層３ｃにおける高分子膜存在側とは反対側に弾性変形自在な燃料極側補強部材５を、それぞれが高分子膜１の厚さ方向に印加される押圧力により弾性変形して、高分子膜１における酸素極触媒層２ｃの周縁部に対応する膜部分及び燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する膜部分に応力が集中するのを抑制するように、それぞれ酸素極触媒層２ｃの周縁内外にわたる状態、燃料極触媒層３ｃの周縁内外にわたる状態で設けてある。
【００２１】
又、酸素極集電層２ｐは、平面形状が酸素極触媒層２ｃよりも大きくなるように形成して、その酸素極集電層２ｐを酸素極触媒層２ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に、その酸素極触媒層２ｃの周部を全周にわたって覆う状態で、且つ、高分子膜１の周部を全周にわたって露出する状態で備え、並びに、燃料極集電層３ｐも、平面形状が燃料極触媒層３ｃよりも大きくなるように形成して、その燃料極集電層３ｐを燃料極触媒層３ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に、その燃料極触媒層３ｃの周部を全周にわたって覆う状態で、且つ、高分子膜１の周部を全周にわたって露出する状態で備えてある。
【００２２】
説明を加えると、高分子膜１は矩形状であり、酸素極触媒層２ｃと燃料極触媒層３ｃは、互いに同一の矩形状であり、高分子膜１よりも小さく、又、酸素極集電層２ｐと燃料極集電層３ｐは、互いに同一の矩形状であり、酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃよりも大きい。そして、酸素極触媒層２ｃと燃料極触媒層３ｃは、高分子膜１に対して面対称となるように配置し、並びに、酸素極集電層２ｐと燃料極集電層３ｐとは、高分子膜１に対して面対称となるように配置する。従って、高分子膜１における酸素極触媒層２ｃの周縁部に対応する膜部分、即ち、酸素極境界膜部分、及び、高分子膜１における燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する膜部分、即ち、燃料極境界膜部分夫々における高分子膜１の面方向における位置は一致するので、以下の説明では、高分子膜１における酸素極境界膜部分及び高分子膜１における燃料極境界膜部分夫々を、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗと称する場合がある。
【００２３】
酸素極側補強部材４と燃料極側補強部材５とは、同一の矩形枠状であり、外周が高分子膜１と同一の矩形状で、内周が酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃよりも小さい矩形状であり、厚さは、酸素極触媒層２ｃ及び酸素極集電層２ｐ夫々の厚さを加えた厚さ（即ち、燃料極触媒層３ｃ及び燃料極集電層３ｐ夫々の厚さを加えた厚さ）よりも薄い。
【００２４】
そして、高分子膜１の両面に酸素極触媒層２ｃと燃料極触媒層３ｃとを振分け配置した状態で、高分子膜１と各層の重ね方向にホットプレスしてそれらを接合して、電極−膜接合体を形成し、続いて、その電極−膜接合体における酸素極触媒層２ｃ側に、酸素極側補強部材４、酸素極集電層２ｐを高分子膜１側から記載順に配置して重ねると共に、酸素極側補強部材４における矩形枠状の露出部分に矩形枠状の酸素極側シール材６を重ね、並びに、電極−膜接合体における燃料極触媒層３ｃ側に、燃料極側補強部材５、燃料極集電層３ｐを高分子膜１側から記載順に配置して重ねると共に、燃料極側補強部材５における矩形枠状の露出部分に矩形枠状の燃料極側シール材７を重ねて配置して、セルＣを構成してある。
【００２５】
酸素極側シール材６及び燃料極側シール材７は、互いに同一の矩形枠状であり、外周が高分子膜１と同一の矩形状で、内周が酸素極集電層２ｐ及び燃料極集電層３ｐの外周と略同一の矩形状である。
【００２６】
尚、図１は、上述のように構成したセルＣに対して、高分子膜１の厚さ方向に押圧力を印加した状態、即ち、後述するセルスタックＮＣにセルＣが組み込まれた状態を示し、押圧力により部材同士の重なり部において各部材が変形している状態を示している。但し、押圧力により各部材が変形する形状は、図１に示す形状に限定されるものではない。
【００２７】
高分子膜１は、プロトン導電性を備えたフッ素樹脂系のイオン交換膜（例えば、Ｎａｆｉｏｎ１１２）にて形成してあり、厚さは、例えば５０μｍである。
酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃは、互いに同様の構成であり、カーボンから成る多孔状の導電材にて形成し、夫々、白金及び白金系合金から成る電極触媒を担持してあり、厚さは、例えば２０μｍ程度である。
酸素極集電層２ｐ及び燃料極集電層３ｐは、互いに同様の構成であり、多孔状の導電材、例えば、カーボンペーパー又はカーボンフェルトにて形成し、撥水剤（ＰＴＦＥ：ポロテトラフルオロエチレン等）にて撥水加工してあり、厚さは、例えば３５０μｍ程度である。
又、酸素極側補強部材４及び燃料極側補強部材５は、互いに同様の構成であり、弾性変形自在で気密性を有する材料、例えば、高分子膜１を形成するのと同一の材料にて形成し、厚さは、例えば高分子膜１と同程度である。
酸素極側シール材６及び燃料極側シール材７は、互いに同様の構成であり、気密性を有する材料、例えば、ＰＴＦＥシートにて形成し、厚さは、例えば２５０μｍ程度である。
【００２８】
次に、図３、及び、図１３ないし図１６に基づいて、上述のセルＣの複数個を用いて構成する固体高分子型燃料電池について説明する。尚、図３、及び、図１３ないし図６においても、図１及び図２と同様に、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
固体高分子型燃料電池は、セルスタックＮＣを備えて構成してある。そのセルスタックＮＣは、図１６に示すように、セルＣの複数個を、隣接するセル間に流路形成部材としての酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９を位置させた状態で、厚さ方向に並置し、更に、積層方向の両端部夫々に電力取り出し用の集電部１０及び各流体給排用の端板１１を配置した状態で、セル並置方向に押圧力を印加させるように、セル並置方向の両側から挟持部材（図示省略）にて挟み付けることにより構成してある。
【００２９】
酸素極側セパレータ８は、それに隣接するセルＣにおける酸素極触媒層２ｃの周縁部に対応する外周部に密着されて、セルＣとの間に酸素極側ガス流路ｓを形成するように構成し、燃料極側セパレータ９は、それに隣接するセルＣにおける燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する外周部に密着されて、セルＣとの間に燃料極側ガス流路ｆを形成するように構成してある。
【００３０】
酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９は、カーボンからなる緻密な気密性を有する導電材にて形成してある。
【００３１】
図３、及び、図１３ないし図１５に示すように、酸素極側セパレータ８は、酸素極２側の面に、酸素極側反応用ガスを通流させる酸素極側ガス流路ｓを形成する酸素極側ガス通流溝を形成し、反対側の面に、冷却水流路ｗを形成する冷却水通流溝を形成してある。
燃料極側セパレータ９は、燃料極３側の面に、燃料極側反応用ガスを通流させる燃料極側ガス流路ｆを形成する燃料極側ガス通流溝を形成し、反対側の面に、酸素極側セパレータ８の冷却水通流溝と面対称となる冷却水流路形成用の冷却水通流溝を形成してある。
【００３２】
更に、セルＣ、酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９の夫々には、それらを重ねたときに夫々が積層方向に連なる状態で、厚さ方向に貫通する６個の孔Ｃｈ，８ｈ，９ｈを形成してある。積層方向視において、セルＣ、酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９の夫々に形成する６個の孔Ｃｈ，８ｈ，９ｈのうち、２個は酸素極側ガス流路ｓの通流経路の両端部に各別に重なり、別の２個は燃料極側ガス流路ｆの通流経路の両端部に各別に重なり、残りの２個は冷却水流路ｗの通流経路の両端部に各別に重なる。
【００３３】
従って、セルスタックＮＣには、セルＣ、酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９夫々の孔Ｃｈ，８ｈ，９ｈが積層方向に連なって形成される通路が６本形成されるが、それらのうちの２本は、各酸素極側ガス流路ｓの通流経路の両端部に各別に連通し、別の２本は、各燃料極側ガス流路ｆの通流経路の両端部に各別に連通し、残りの２本は、各冷却水流路ｗの通流経路の両端部に各別に連通している。
尚、各酸素極側ガス流路ｓの通流経路の両端部に各別に連通する２本の通路を、酸素極側連通路Ｔｓと、各燃料極側ガス流路ｆの通流経路の両端部に各別に連通する２本の通路を燃料極側連通路Ｔｆと、各冷却水流路ｗの通流経路の両端部に各別に連通する２本の通路を冷却水側連通路Ｔｗと夫々称する。
【００３４】
更に、図１６に示すように、セルスタックＮＣの積層方向の両端部夫々に端板１１を設けてある。一方の端板１１には、２本の酸素極側連通路Ｔｓのうちの一方の端部に連通接続する酸素極側ガス用接続部１２ｓ、２本の燃料極側連通路Ｔｆのうちの一方の端部に連通接続する燃料極側ガス用接続部１２ｆ、及び、２本の冷却水連通路Ｔｗのうちの一方の端部に連通接続する冷却水用接続部１２ｗを備えてある。又、他方の端板１１には、２本の酸素極側連通路Ｔｓのうちの他方の端部に連通接続する酸素極側ガス用接続部１２ｓ、２本の燃料極側連通路Ｔｆのうちの他方の端部に連通接続する燃料極側ガス用接続部１２ｆ、及び、２本の冷却水連通路Ｔｗのうちの他方の端部に連通接続する冷却水用接続部１２ｗを備えてある。
【００３５】
尚、２個の酸素極側ガス用接続部１２ｓのうち、一方は酸素極側反応用ガスの供給用として、他方は酸素極側反応用ガスの排出用として用い、２個の燃料極側ガス用接続部１２ｆのうち、一方は燃料極側反応用ガスの供給用として、他方は燃料極側反応用ガスの排出用として用い、並びに、２個の冷却水用接続部１２ｗのうち、一方は冷却水の供給用として、他方は冷却水の排出用として用いる。
【００３６】
そして、炭化水素系の原燃料を改質した水素含有ガスを燃料極側反応用ガスとして、加湿器（図示省略）にて加湿した後、供給用の酸素極側ガス用接続部１２ｓからセルスタックＮＣに供給し、並びに、送風機（図示省略）からの空気を酸素極側反応用ガスとして、加湿器（図示省略）にて加湿した後、供給用の燃料極側ガス用接続部１２ｆからセルスタックＮＣに供給する。
並びに、冷却水ポンプ（図示省略）により、冷却水を供給用の冷却水用接続部１２ｗからセルスタックＮＣに供給する。
【００３７】
すると、加湿された酸素極側反応ガスは、図１４及び図１５において実線矢印にて示すように、一方の酸素極側連通路Ｔｓから各セルＣの酸素極側ガス流路ｓに供給され、酸素極側ガス流路ｓを通流してから、他方の酸素極側連通路Ｔｓに流出し、その酸素極側連通路Ｔｓを通流して排出用の酸素極側ガス用接続部１２ｓから排出される。
又、燃料極側反応ガスは、図１４及び図１５において二点鎖線矢印にて示すように、一方の燃料極側連通路Ｔｆから各セルＣの燃料極側ガス流路ｆに供給され、燃料極側ガス流路ｆを通流してから、他方の燃料極側連通路Ｔｆに流出し、その燃料極側連通路Ｔｆを通流して排出用の燃料極側ガス用接続部１２ｆから排出される。
又、冷却水は、図１４及び図１５において一点鎖線矢印にて示すように、一方の冷却水連通路Ｔｗから各セルＣの冷却水流路ｗに供給され、冷却水流路ｗを通流してから、他方の冷却水連通路Ｔｗに流出し、その冷却水連通路Ｔｗを通流して排出用の冷却水用接続部１２ｗから排出される。
【００３８】
そして、各セルＣにおいては、酸素極側反応用ガス及び燃料極側反応用ガス夫々に含まれている水蒸気によって、高分子膜１が湿らされる状態で、酸素極側反応用ガス中の酸素と燃料極側反応用ガス中の水素との電気化学反応により発電される。又、冷却水の通流により、各セルＣの温度が所定の温度に維持される。
【００３９】
上述のように構成したセルスタックＮＣにおいては、セル並置方向に押圧力が印加されることになって、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗには、酸素極触媒層２ｃ、酸素極集電層２ｐ、酸素極側シール材６、燃料極触媒層３ｃ、燃料極集電層３ｐ及び燃料極側シール材７夫々のエッジによって、他の部分よりも応力が印加され易いが、酸素極側補強部材４及び燃料極側補強部材５が弾性変形することにより、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに応力が印加されるのが抑制され、又、起動・停止が繰り返されて高分子膜１に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかっても、酸素極側補強部材４及び燃料極側補強部材５が弾性変形することにより、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに応力が印加されるのが抑制されるので、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗにクリープ破壊が生じるのが防止される。
しかも、酸素極集電層２ｐを酸素極触媒層２ｃよりも大きくして、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とをずらし、並びに、燃料極集電層３ｐを燃料極触媒層３ｃよりも大きくして、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とをずらしてあるので、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とが重なり、並びに、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とが重なる場合に比べて、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに印加される応力が一層小さくなるように構成してある。
【００４０】
以下、上述のように構成した本発明によるセルＣと、図１８及び図１９に示す従来のセルＣとにより、耐久性を比較した結果を説明する。尚、耐久性の比較は、酸素極２側に酸素極側セパレータ５を付設し且つ燃料極３側に燃料極側セパレータ６を付設して、出力電圧が最も高くなるように両側から締め付けた状態の１枚のセルを用いて行った。尚、両方のセルＣ共に、高分子膜１の面積は７５ｍｍ×７５ｍｍであり、酸素極２及び燃料極３の面積は５０ｍｍ×５０ｍｍである。
【００４１】
本発明のセル及び従来のセル夫々について、酸素極側ガス流路ｓ及び燃料極側ガス流路ｆ夫々のガス出口を大気開放させた状態で、酸素極側反応用ガスとして空気を加湿器にて加湿した後、酸素極側ガス流路ｓに供給し、並びに、燃料極側反応用ガスとして純水素ガスを加湿器にて加湿した後、燃料極側ガス流路ｆに供給し、電子負荷装置を用いて、電流密度が３０００Ａ／ｍ2 になるように定電流にて発電させて、出力電圧を測定して、両者で比較した。
尚、セルの温度は、７０°Ｃに維持し、燃料利用率を６０％、空気利用率を４０％に夫々、設定した。
【００４２】
図１７に、本発明のセル及び従来のセルの夫々について、時間経過に伴う出力電圧の変化を示す。
発電開始時点から３５００時間が経過するまでの間は、本発明のセルと従来のセルでは、略同様の低下率で出力電圧が低下するが、３５００時間が経過した頃から、従来のセルの出力電圧の低下率が急激に大きくなるとともに、出力電圧が不安定となり、従来のセルは本発明のセルに比べて大きく性能が低下していることが分かる。
【００４３】
発電開始時点の開回路電圧は、本発明のセル及び従来のセル共に９００ｍＶ以上であり、発電時間が５０００時間経過後の開回路電圧は、本発明のセルは９００ｍＶ以上であったが、従来のセルは８５０ｍＶにまで低下していた。
発電時間が５０００時間経過後、セルを分解して高分子膜１を観察したところ、従来のセルでは、電極境界膜部分１Ｗに亀裂が発生していたことから、その亀裂部分でガスのクロスリークが起こって、出力電圧が低下していたものと考えられる。一方、本発明のセルでは、高分子膜１には異状がなかった。
【００４４】
〔第２実施形態〕
先ず、図４及び図５に基づいて、固体高分子型燃料電池のセルＣについて説明する。尚、図４及び図５においては、図１及び図２と同様に、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
【００４５】
セルＣは、電解質層としての高分子膜１の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層２ｃを備え、且つ、他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層３ｃを備え、更に、酸素極触媒層２ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に酸素極集電層２ｐを備え、且つ、燃料極触媒層３ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に燃料極集電層３ｐを備えて構成してある。そして、酸素極触媒層２ｃと酸素極集電層２ｐにより、酸素極２を構成し、燃料極触媒層３ｃと燃料極集電層３ｐにより燃料極３を構成してある。
【００４６】
第２実施形態においては、高分子膜１と酸素極触媒層２ｃとの間に弾性変形自在な酸素極側補強部材１ｓを、及び、高分子膜１と燃料極触媒層３ｃとの間に弾性変形自在な燃料極側補強部材１ｆを、それぞれが高分子膜１の厚さ方向に印加される押圧力により弾性変形して、高分子膜１における酸素極触媒層２ｃの周縁部及び燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する膜部分に応力が集中するのを抑制するように、それぞれ酸素極触媒層２ｃの周縁内外にわたる状態、燃料極触媒層３ｃの周縁内外にわたる状態で設けてある。
【００４７】
説明を加えると、高分子膜１は矩形状であり、その高分子膜１の酸素極触媒層２ｃ側の面において、酸素極触媒層２ｃの周縁部に対応する四角枠状の膜部分を突起させて、その突起部分を酸素極側補強部材１ｓとして機能させ、並びに、高分子膜１の燃料極触媒層３ｃ側の面において、燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する四角枠状の膜部分を突起させて、その突起部分を燃料極側補強部材１ｆとして機能させるように構成してある。つまり、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆを高分子膜１と一体的に形成してある。尚、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆの幅は、高分子膜１において、酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃの周縁に対応する位置よりも内方から、酸素極集電層２ｐ及び燃料極集電層３ｐの周縁に対応する位置よりも外方にわたるような幅としてある。
【００４８】
高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ、燃料極触媒層３ｃ、酸素極集電層２ｐ、燃料極集電層３ｐ、酸素極側シール材６及び燃料極側シール材７それぞれの形状、大きさは、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。つまり、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、以下の説明では、高分子膜１における酸素極境界膜部分及び高分子膜１における燃料極境界膜部分夫々を高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗと称する場合がある。
【００４９】
そして、高分子膜１の一方側に酸素極触媒層２ｃを配置し、並びに、他方側に燃料極触媒層３ｃを配置した状態で、高分子膜１と各層の重ね方向にホットプレスしてそれらを接合して、電極−膜接合体を形成し、続いて、電極−膜接合体における酸素極触媒層２ｃ側に酸素極集電層２ｐを重ねると共に、その側における矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の酸素極側シール材６を重ね、並びに、電極−膜接合体における燃料極触媒層３ｃ側に燃料極集電層３ｐを重ねると共に、その側における矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の燃料極側シール材７を重ねて配置して、セルＣを構成してある。
【００５０】
尚、図４は、上述のように構成したセルＣに対して、高分子膜１の厚さ方向に押圧力を印加した状態、即ち、後述するセルスタックＮＣにセルＣが組み込まれた状態を示し、押圧力により部材同士の重なり部において各部材が変形している状態を示している。但し、押圧力により各部材が変形する形状は、図４に示す形状に限定されるものではない。
【００５１】
上述のように高分子膜１の厚さ方向に押圧力を印加してホットプレスによって電極−膜接合体を製作する際には、酸素極触媒層２ｃのエッジや燃料極触媒層３ｃのエッジにより高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに応力が集中するのを、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆが弾性変形することにより抑制することができるので、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗの強度が弱くなるのを抑制することができる。
【００５２】
高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ、燃料極触媒層３ｃ、酸素極集電層２ｐ、燃料極集電層３ｐそれぞれの材料、厚さは、第１実施形態と同様である。又、酸素極側補強部材１ｓの厚さ、燃料極側補強部材１ｆの厚さは、それぞれ第１実施形態の酸素極側補強部材４の厚さ、燃料極側補強部材５の厚さと同様である。
【００５３】
図６に、上述のセルＣの複数個を用いて構成した固体高分子型燃料電池の要部の縦断面図を示す。尚、固体高分子型燃料電池を構成するセルスタックＮＣの積層構造、即ち、セルＣの複数個を、隣接するセル間に流路形成部材としての酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９を位置させた状態で、厚さ方向に並置し、更に、積層方向の両端部夫々に電力取り出し用の集電部１０及び各流体給排用の端板１１を配置した状態で、セル並置方向に押圧力を印加させるように、セル並置方向の両側から挟持部材（図示省略）にて挟み付ける構造は、第１実施形態において図１３ないし図１６を用いて説明した構造と同様であるので、説明を省略する。又、図６においても、図１及び図２と同様に、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
【００５４】
上述のように構成したセルスタックＮＣにおいては、セル並置方向に押圧力が印加されることになって、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗには、酸素極触媒層２ｃ、酸素極集電層２ｐ、酸素極側シール材６、燃料極触媒層３ｃ、燃料極集電層３ｐ及び燃料極側シール材７夫々のエッジによって、他の部分よりも応力が印加され易いが、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆが弾性変形することにより、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに応力が印加されるのが抑制され、又、起動・停止が繰り返されて高分子膜１に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかっても、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆが弾性変形することにより、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに応力が印加されるのが抑制されるので、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗにクリープ破壊が生じるのが防止される。
しかも、酸素極集電層２ｐを酸素極触媒層２ｃよりも大きくして、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とをずらし、並びに、燃料極集電層３ｐを燃料極触媒層３ｃよりも大きくして、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とをずらしてあるので、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とが重なり、並びに、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とが重なる場合に比べて、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに印加される応力が一層小さくなるように構成してある。
【００５５】
〔第３実施形態〕
先ず、図７及び図８に基づいて、固体高分子型燃料電池のセルＣについて説明する。尚、図７及び図８においては、図１及び図２と同様に、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
【００５６】
セルＣは、電解質層としての高分子膜１の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層２ｃを備え、且つ、他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層３ｃを備え、更に、酸素極触媒層２ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に酸素極集電層２ｐを備え、且つ、燃料極触媒層３ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に燃料極集電層３ｐを備えて構成してある。そして、酸素極触媒層２ｃと酸素極集電層２ｐにより、酸素極２を構成し、燃料極触媒層３ｃと燃料極集電層３ｐにより燃料極３を構成してある。
【００５７】
第３実施形態においては、高分子膜１における酸素極触媒層２ｃの周縁部及び燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する部分に、繊維状補強材１ｒを酸素極触媒層１ｃ及び燃料極触媒層３ｃの周縁に対して内外方向にわたって混入することにより、高分子膜１おける酸素極触媒層２ｃの周縁部又は燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成してある。
【００５８】
高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ、燃料極触媒層３ｃ、酸素極集電層２ｐ、燃料極集電層３ｐ、酸素極側シール材６及び燃料極側シール材７それぞれの形状、大きさは、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。つまり、第３実施形態においても、第１実施形態と同様に、以下の説明では、高分子膜１における酸素極境界膜部分及び高分子膜１における燃料極境界膜部分夫々を高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗと称する場合がある。
【００５９】
そして、第３実施形態においては、高分子膜１において矩形枠状の電極境界膜部分１Ｗに、繊維状補強材１ｒを混入することにより、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗを、他よりも強度が強くなるように補強（所謂、フィブリル補強）してある。尚、高分子膜１において繊維状補強材１ｒを混入する範囲は、酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃの周縁に対応する位置よりも内方から、酸素極集電層２ｐ及び燃料極集電層３ｐの周縁に対応する位置よりも外方にわたる範囲としてある。
【００６０】
そして、高分子膜１の一方側に酸素極触媒層２ｃを配置し、並びに、他方側に燃料極触媒層３ｃを配置した状態で、高分子膜１と各層の重ね方向にホットプレスしてそれらを接合して、電極−膜接合体を形成し、続いて、電極−膜接合体における酸素極触媒層２ｃ側に酸素極集電層２ｐを重ねると共に、その側における矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の酸素極側シール材６を重ね、並びに、電極−膜接合体における燃料極触媒層３ｃ側に燃料極集電層３ｐを重ねると共に、その側における矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の燃料極側シール材７を重ねて配置して、セルＣを構成してある。
【００６１】
尚、図７は、上述のように構成したセルＣに対して、高分子膜１の厚さ方向に押圧力を印加した状態、即ち、後述するセルスタックＮＣにセルＣが組み込まれた状態を示し、押圧力により部材同士の重なり部において各部材が変形している状態を示している。但し、押圧力により各部材が変形する形状は、図７に示す形状に限定されるものではない。
【００６２】
上述のように高分子膜１の厚さ方向に押圧力を印加してホットプレスによって電極−膜接合体を製作する際に、酸素極触媒層２ｃのエッジや燃料極触媒層３ｃのエッジにより高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに応力が集中しても、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに、繊維状補強材１ｒを混入することにより、電極境界膜部分１Ｗの強度が他の部分よりも強くなるようにしてあるので、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗの強度が弱くなるのを抑制することができる。
【００６３】
高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ、燃料極触媒層３ｃ、酸素極集電層２ｐ、燃料極集電層３ｐそれぞれの材料、厚さは、第１実施形態と同様である。
繊維状補強材としては、高分子膜１に悪影響を与えず、固体高分子型燃料電池の運転条件下において安定な種々の繊維状材を用いることが可能であるが、補強作用を一層増大させるには、弾性を有する繊維状材が好ましく、例えば、ＰＴＦＥフィブリル（微小繊維）を用いることができる。
【００６４】
図９に、上述のセルＣの複数個を用いて構成した固体高分子型燃料電池の要部の縦断面図を示す。尚、固体高分子型燃料電池を構成するセルスタックＮＣの積層構造は、第１実施形態において図１３ないし図１６を用いて説明した構造と同様であるので、説明を省略する。又、図９においても、図１及び図２と同様に、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
【００６５】
上述のように構成したセルスタックＮＣにおいては、セル並置方向に押圧力が印加されることになって、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗには、酸素極触媒層２ｃ、酸素極集電層２ｐ、酸素極側シール材６、燃料極触媒層３ｃ、燃料極集電層３ｐ及び燃料極側シール材７夫々のエッジによって、他の部分よりも大きい応力が印加されることとなり、又、起動・停止が繰り返されて高分子膜１に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかることとなるが、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗを他の部分よりも強度が強くなるように繊維状補強材１ｒにて補強してあるので、電極境界膜部分１Ｗにクリープ破壊が生じるのが防止される。
しかも、酸素極集電層２ｐを酸素極触媒層２ｃよりも大きくして、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とをずらし、並びに、燃料極集電層３ｐを燃料極触媒層３ｃよりも大きくして、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とをずらしてあるので、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とが重なり、並びに、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とが重なる場合に比べて、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに印加される応力が一層小さくなるように構成してある。
【００６６】
〔第４実施形態〕
先ず、図１０及び図１１に基づいて、固体高分子型燃料電池のセルＣについて説明する。尚、図１０及び図１１においては、図１及び図２と同様に、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
【００６７】
セルＣは、電解質層としての高分子膜１の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層２ｃを備え、且つ、他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層３ｃを備え、更に、酸素極触媒層２ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に酸素極集電層２ｐを備え、且つ、燃料極触媒層３ｃにおける高分子膜存在側とは反対側の面に燃料極集電層３ｐを備えて構成してある。そして、酸素極触媒層２ｃと酸素極集電層２ｐにより、酸素極２を構成し、燃料極触媒層３ｃと燃料極集電層３ｐにより燃料極３を構成してある。
【００６８】
第３実施形態においては、高分子膜１の全体にわたって混入する繊維状補強材１ｒの混入率を、高分子膜１における酸素極触媒層２ｃの周縁部及び燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する部分を他の部分よりも高くすることにより、高分子膜１における酸素極触媒層２ｃの周縁部及び燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成してある。尚、高分子膜１において繊維状補強材１ｒの混入率を他の部分よりも高くする範囲は、酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃの周縁に対応する位置よりも内方から、酸素極集電層２ｐ及び燃料極集電層３ｐの周縁に対応する位置よりも外方にわたる範囲としてある。
【００６９】
高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ、燃料極触媒層３ｃ、酸素極集電層２ｐ、燃料極集電層３ｐ、酸素極側シール材６及び燃料極側シール材７それぞれの形状、大きさは、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。つまり、第４実施形態においても、第１実施形態と同様に、以下の説明では、高分子膜１における酸素極境界膜部分及び高分子膜１における燃料極境界膜部分夫々を高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗと称する場合がある。
【００７０】
そして、第４実施形態においては、高分子膜１の全体にわたって繊維状補強材１ｒを混入して、高分子膜１を補強（所謂、フィブリル補強）してあるが、その繊維状補強材１ｒの混入率を、高分子膜１における矩形枠状の電極境界膜部分１Ｗを他の部分よりも高くすることにより、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗを、他よりも強度が強くなるようにしてある。
【００７１】
そして、高分子膜１の一方側に酸素極触媒層２ｃを配置し、並びに、他方側に燃料極触媒層３ｃを配置した状態で、高分子膜１と各層の重ね方向にホットプレスしてそれらを接合して、電極−膜接合体を形成し、続いて、電極−膜接合体における酸素極触媒層２ｃ側に酸素極集電層２ｐを重ねると共に、その側における矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の酸素極側シール材６を重ね、並びに、電極−膜接合体における燃料極触媒層３ｃ側に燃料極集電層３ｐを重ねると共に、その側における矩形枠状の高分子膜１の露出部分に矩形枠状の燃料極側シール材７を重ねて配置して、セルＣを構成してある。
【００７２】
尚、図１０は、上述のように構成したセルＣに対して、高分子膜１の厚さ方向に押圧力を印加した状態、即ち、後述するセルスタックＮＣにセルＣが組み込まれた状態を示し、押圧力により部材同士の重なり部において各部材が変形している状態を示している。但し、押圧力により各部材が変形する形状は、図１０に示す形状に限定されるものではない。
【００７３】
上述のように高分子膜１の厚さ方向に押圧力を印加してホットプレスによって電極−膜接合体を製作する際に、酸素極触媒層２ｃのエッジや燃料極触媒層３ｃのエッジにより高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに応力が集中しても、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗの繊維状補強材１ｒの混入率を他の部分よりも高くすることにより、電極境界膜部分１Ｗの強度が他の部分よりも強くなるようにしてあるので、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗの強度が弱くなるのを抑制することができる。
【００７４】
高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ、燃料極触媒層３ｃ、酸素極集電層２ｐ、燃料極集電層３ｐそれぞれの材料、厚さは、第１実施形態と同様である。
繊維状補強材としては、第３実施形態において説明したものと同様のものを用いることができる。
【００７５】
図１２に、上述のセルＣの複数個を用いて構成した固体高分子型燃料電池の要部の縦断面図を示す。尚、固体高分子型燃料電池を構成するセルスタックＮＣの積層構造は、第１実施形態において図１３ないし図１６を用いて説明した構造と同様であるので、説明を省略する。又、図１２においても、図１及び図２と同様に、高分子膜１の厚さ方向に直交する方向に沿う方向での各部の寸法に対する、高分子膜１の厚さ方向に沿う方向での各部の寸法の比率を実際よりも大きくしてある。
【００７６】
上述のように構成したセルスタックＮＣにおいては、セル並置方向に押圧力が印加されることになって、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗには、酸素極触媒層２ｃ、酸素極集電層２ｐ、酸素極側シール材６、燃料極触媒層３ｃ、燃料極集電層３ｐ及び燃料極側シール材７夫々のエッジによって、他の部分よりも大きい応力が印加されることとなり、又、起動・停止が繰り返されて高分子膜１に引っ張り応力や圧縮応力が繰り返しかかることとなるが、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗを他の部分よりも強度が強くなるように繊維状補強材１ｒにて補強してあるので、電極境界膜部分１Ｗにクリープ破壊が生じるのが防止される。
しかも、酸素極集電層２ｐを酸素極触媒層２ｃよりも大きくして、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とをずらし、並びに、燃料極集電層３ｐを燃料極触媒層３ｃよりも大きくして、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とをずらしてあるので、酸素極集電層２ｐの周縁と酸素極触媒層２ｃの周縁とが重なり、並びに、燃料極集電層３ｐの周縁と燃料極触媒層３ｃの周縁とが重なる場合に比べて、高分子膜１における電極境界膜部分１Ｗに印加される応力が一層小さくなるように構成してある。
【００７７】
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
（イ） 上記の第１及び第２の各実施形態においては、酸素極側補強部材及び燃料極側補強部材の両方を設ける場合について例示したが、酸素極側補強部材及び燃料極側補強部材のうちのいずれか一方のみを設けても良い。
【００７８】
（ロ） 上記の各実施形態においては、高分子膜１における酸素極触媒層２ｃの周縁部に対応する膜部分、即ち、酸素極境界膜部分と、高分子膜１における燃料極触媒層３ｃの周縁部に対応する膜部分、即ち、燃料極境界膜部分とで、高分子膜１の面方向における位置が一致するように構成する場合について例示したが、酸素極境界膜部分と燃料極境界膜部分とで、高分子膜１の面方向における位置が異なるように構成しても良い。
この場合、第１及び第２の各実施形態のように、酸素極側補強部材及び燃料極側補強部材の両方を設けても良いが、酸素極側補強部材及び燃料極側補強部材のうちのいずれか一方のみを設けても良い。
又、高分子膜１における酸素極境界膜部分及び燃料極境界膜部分の両方を他の部分よりも強度が強くなるように繊維状補強材１ｒにて補強しても良いが、高分子膜１における酸素極境界膜部分及び燃料極境界膜部分のうちのいずれか一方のみを他の部分よりも強度が強くなるように繊維状補強材１ｒにて補強しても良い。
【００７９】
（ハ） 上記の各実施形態においては、高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃをホットプレスしてそれらを接合することにより、電極−膜接合体を形成する場合について例示したが、高分子膜１、酸素極触媒層２ｃ、酸素極集電層２ｐ、燃料極触媒層３ｃ及び燃料極集電層３ｐをホットプレスしてそれらを接合することにより、電極−膜接合体を形成しても良い。
【００８０】
（ニ） 上記の各実施形態において、酸素極シール部材６及び燃料極シール部材７を省略しても良い。その場合、第１実施形態においては、酸素極側セパレータ８をそれに隣接するセルＣの酸素極側補強材４に密着させ、燃料極側セパレータ９をそれに隣接するセルＣの燃料極側補強材５に密着させることになる。又、第２ないし第４の各実施形態においては、酸素極側セパレータ８をそれに隣接するセルＣの高分子膜１の露出部分に密着させ、燃料極側セパレータ９をそれに隣接するセルＣの高分子膜１の露出部分に密着させることになる。
【００８１】
（ホ） 上記の第２実施形態においては、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆを高分子膜１と一体的に形成する場合について例示したが、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆを高分子膜１と別体にしても良い。その場合、酸素極側補強部材１ｓ及び燃料極側補強部材１ｆ夫々の材料は、高分子膜１の材料と異ならせても良い。
【００８２】
（ヘ） 請求項１に記載の特徴構成、請求項２に記載の特徴構成及び請求項３に記載の特徴構成のうちのいずれか二つ、あるいは、全てを組み合わせて、セルＣを構成しても良い。又、請求項１に記載の特徴構成、請求項２に記載の特徴構成及び請求項４に記載の特徴構成のうちのいずれか二つ、あるいは、全てを組み合わせて、セルＣを構成しても良い。
【００８３】
（ト） 高分子膜１を湿らせるための水分をセルＣに供給する形態は、上記の実施形態にて例示した形態、即ち、セルＣに供給する酸素極側反応用ガスや燃料極側反応用ガスを外部に設けた加湿器にて加湿して、それら酸素極側反応用ガスや燃料極側反応用ガスを媒体として水分を供給する形態に限定されるものではない。
例えば、酸素極側セパレータ８及び燃料極側セパレータ９を通水可能な多孔材にて構成すると共に、冷却水流路ｗを通流する冷却水の圧力を、酸素極側ガス流路ｓ及び燃料極側ガス流路ｆ夫々を通流する各反応用ガスの圧力よりも高くして、冷却水流路ｗを通流する冷却水の一部を酸素極側ガス流路ｓ側や燃料極側ガス流路ｆ側に各セパレータ８，９を透過させることにより、セルＣに直接水分を供給する形態としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの厚さ方向における断面図
【図２】第１実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの分解斜視図
【図３】第１実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の横断面図
【図４】第２実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの厚さ方向における断面図
【図５】第２実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの分解斜視図
【図６】第２実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の横断面図
【図７】第３実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの厚さ方向における断面図
【図８】第３実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの分解斜視図
【図９】第３実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の横断面図
【図１０】第４実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの厚さ方向における断面図
【図１１】第４実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの分解斜視図
【図１２】第４実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の横断面図
【図１３】実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の分解斜視図
【図１４】実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の分解斜視図
【図１５】実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の分解斜視図
【図１６】実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルスタックの全体概略構成を示す側面図
【図１７】運転時間経過に伴うセルの出力電圧の変化を示す図
【図１８】従来の固体高分子型燃料電池のセルの厚さ方向における断面図
【図１９】従来の固体高分子型燃料電池のセルの分解斜視図
【図２０】従来の固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の横断面図
【符号の説明】
１ 高分子膜
１ｆ，１ｓ 補強部材
１ｒ 繊維状補強材
２ｃ 酸素極触媒層
３ｃ 燃料極触媒層
４，５ 補強部材
８，９ 流路形成部材
ｆ 燃料極側ガス流路
ｓ 酸素極側ガス流路
Ｃ セル
Claims (5)
- 電解質層としての高分子膜の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層を備え、且つ、他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層を備えた固体高分子型燃料電池のセルであって、
前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、弾性変形自在な補強部材が、前記高分子膜の厚さ方向に印加される押圧力により弾性変形して、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する膜部分に応力が集中するのを抑制するように、前記酸素極触媒層又は前記燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で設けられ、
さらに、前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側、又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、前記酸素極触媒層より大きな酸素極集電層、又は前記燃料極触媒層より大きな燃料極集電層を備え、
前記酸素極触媒層の周縁と前記酸素極集電層の周縁、又は前記燃料極触媒層の周縁と前記燃料極集電層の周縁とがずれるように構成され、
前記酸素極集電層が前記酸素極触媒層と前記補強部材とに接触、又は前記燃料極集電層が前記燃料極触媒層と前記補強部材とに接触している固体高分子型燃料電池のセル。 - 電解質層としての高分子膜の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層を備え、且つ、他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層を備えた固体高分子型燃料電池のセルであって、
前記高分子膜と前記酸素極触媒層との間又は前記高分子膜と前記燃料極触媒層との間に、弾性変形自在な補強部材が、前記高分子膜の厚さ方向に印加される押圧力により弾性変形して、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する膜部分に応力が集中するのを抑制するように、前記酸素極触媒層又は前記燃料極触媒層の周縁内外にわたる状態で設けられ、
さらに、前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側、又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、前記酸素極触媒層より大きな酸素極集電層、又は前記燃料極触媒層より大きな燃料極集電層を備え、
前記酸素極触媒層の周縁と前記酸素極集電層の周縁、又は前記燃料極触媒層の周縁と前記燃料極集電層の周縁とがずれるように構成され、
前記酸素極集電層が前記酸素極触媒層と前記補強部材とに接触、又は前記燃料極集電層が前記燃料極触媒層と前記補強部材とに接触している固体高分子型燃料電池のセル。 - 電解質層としての高分子膜の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層を備え、且つ、他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層を備えた固体高分子型燃料電池のセルであって、
前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分に、繊維状補強材を前記酸素極触媒層又は前記燃料極触媒層の周縁に対して内外方向にわたって混入することにより、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成され、
さらに、前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側、又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、前記酸素極触媒層より大きな酸素極集電層、又は前記燃料極触媒層より大きな燃料極集電層を備え、
前記酸素極触媒層の周縁と前記酸素極集電層の周縁、又は前記燃料極触媒層の周縁と前記燃料極集電層の周縁とがずれるように構成され、
前記酸素極集電層が前記酸素極触媒層と前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部に対応する部分とに接触、又は前記燃料極集電層が前記燃料極触媒層と前記高分子膜における前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分とに接触している固体高分子型燃料電池のセル。 - 電解質層としての高分子膜の一方の面にその周部を露出する状態で酸素極触媒層を備え、且つ、他方の面にその周部を露出する状態で燃料極触媒層を備えた固体高分子型燃料電池のセルであって、
前記高分子膜の全体にわたって混入する繊維状補強材の混入率を、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分を他の部分よりも高くすることにより、前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部又は前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分の強度が他の部分よりも強くなるように構成され、
さらに、前記酸素極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側、又は前記燃料極触媒層における前記高分子膜存在側とは反対側に、前記酸素極触媒層より大きな酸素極集電層、又は前記燃料極触媒層より大きな燃料極集電層を備え、
前記酸素極触媒層の周縁と前記酸素極集電層の周縁、又は前記燃料極触媒層の周縁と前記燃料極集電層の周縁とがずれるように構成され、
前記酸素極集電層が前記酸素極触媒層と前記高分子膜における前記酸素極触媒層の周縁部に対応する部分とに接触、又は前記燃料極集電層が前記燃料極触媒層と前記高分子膜における前記燃料極触媒層の周縁部に対応する部分とに接触している固体高分子型燃料電池のセル。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池のセルの複数が、隣接するセル間に流路形成部材を位置させた状態で、厚さ方向に並置され、
前記流路形成部材が、その一方側に隣接する前記セルにおける前記酸素極触媒層の周縁部に対応する外周部に密着されて、前記セルとの間に酸素極側ガス流路を形成し、他方側に隣接する前記セルにおける前記燃料極触媒層の周縁部に対応する外周部に密着されて、前記セルとの間に燃料極側ガス流路を形成するように構成されている固体高分子型燃料電池。
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