JP5811984B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を利用して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池が知られている。燃料電池は、一般に、膜電極接合体と膜電極接合体を挟むように積層された一対の拡散層とを含む発電モジュールと、発電モジュールを挟むように積層された一対のセパレータと、を備える。膜電極接合体は、電解質膜の一方の表面にアノードが形成され他方の表面にカソードが形成された構成を有している。発電モジュールの外周部には、燃料電池の内部から外部への反応ガスの漏洩やアノード側とカソード側との間での反応ガスの漏洩（「クロスリーク」と呼ばれる）を防止するために、シール部が配置される。

従来、カソードの触媒腐食や電解質膜の分解といった問題を回避するために、一対の拡散層の内の一方の拡散層（第１の拡散層）の大きさが他方の拡散層（第２の拡散層）の大きさより小さい構成（すなわち、第１の拡散層の端面が第２の拡散層の端面より面方向に沿って内側に位置する構成）を採用した燃料電池が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−６６７６６号公報

第１の拡散層の端面が第２の拡散層の端面より内側に位置する構成を採用した燃料電池では、シール部を形成する際のシール材料の充填量や押し出し圧力、シール材料の粘性、シール部材の寸法公差といった種々の要因により、第１の拡散層の端面と面方向に沿って対向するシール部の端面との間に空間が形成される場合がある。このような空間が形成された場合には、当該空間の位置において、膜電極接合体上に拡散層もシール部材も積層されていないこととなる。燃料電池の運転時において、膜電極接合体（電解質膜）は、反応ガスを介した乾湿入力によって膨張・収縮を繰り返し、その寸法が変化する。この寸法変化は、積層方向に沿って膜電極接合体に加わる圧力（面圧力）により抑制される。しかし、上記空間の位置では、膜電極接合体上に拡散層もシール部材も積層されていないために膜電極接合体に面圧力が加わらず、膜電極接合体の寸法変化が十分に抑制されず、膜電極接合体が疲労破壊するおそれがある。

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、以下の形態として実現することが可能である。本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、電解質膜と前記電解質膜の両側の表面上に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、多孔質材料により形成され前記膜電極接合体を挟むように積層された一対の拡散層と、を有する発電モジュールと、前記発電モジュールを挟むように積層されると共に、前記拡散層に接触する接触部を有する一対のセパレータと、前記表面に平行な方向である面方向に沿った前記発電モジュールの外周部に配置されたシール部と、を備え、前記発電モジュールの前記外周部の少なくとも一部において、前記一対の拡散層の一方である第１の拡散層の端面は、前記第１の拡散層の前記端面と前記面方向に沿って対向する前記シール部の端面との間に空間が形成されるように、前記一対の拡散層の他方である第２の拡散層の端面より前記面方向に沿って内側に位置しており、前記第１の拡散層における前記空間に隣接すると共に前記セパレータの前記接触部に接触する第１の特定部分と、前記第２の拡散層における前記空間に対向すると共に前記セパレータの前記接触部に接触する第２の特定部分と、の少なくとも一方に、樹脂が含浸されている。この形態の燃料電池によれば、空間の位置における膜電極接合体に対する乾湿入力が抑制され、膜電極接合体の寸法変化を抑制して膜電極接合体の疲労破壊を回避することができる。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、電解質膜と前記電解質膜の両側の表面上に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、多孔質材料により形成され前記膜電極接合体層を挟むように積層された一対の拡散層と、を有する発電モジュールと、前記発電モジュールを挟むように積層されると共に、前記拡散層に接触する接触部を有する一対のセパレータと、前記表面に平行な方向である面方向に沿った前記発電モジュールの外周部に配置されたシール部と、を備え、前記発電モジュールの前記外周部の少なくとも一部において、前記一対の拡散層の一方である第１の拡散層の端面は、前記第１の拡散層の前記端面と前記面方向に沿って対向する前記シール部の端面との間に空間が形成されるように、前記一対の拡散層の他方である第２の拡散層の端面より前記面方向に沿って内側に位置しており、前記第１の拡散層における前記空間に隣接する共に前記セパレータの前記接触部に接触する第１の特定部分と、前記第２の拡散層における前記空間に対向すると共に前記セパレータの前記接触部に接触する第２の特定部分と、の少なくとも一方に、樹脂が含浸されている。この形態の燃料電池によれば、空間の位置における膜電極接合体に対する乾湿入力が抑制され、膜電極接合体の寸法変化を抑制して膜電極接合体の疲労破壊を回避することができる。

（２）上記形態の燃料電池において、前記第１の特定部分と前記第２の特定部分との両方に前記樹脂が含浸されているとしてもよい。この形態の燃料電池によれば、樹脂が含浸された第１の特定部分の存在により空間への第１の拡散層側の反応ガスの流れ込みが防止もしくは抑制され、かつ、樹脂が含浸された第２の特定部分の存在により膜電極接合体における空間に対向する部分に第２の拡散層側の反応ガスが到達することが防止もしくは抑制されるため、空間に面した膜電極接合体に対する乾湿入力が確実に回避され、膜電極接合体の寸法変化を効果的に抑制して膜電極接合体の疲労破壊を回避することができる。

（３）上記形態の燃料電池において、前記第２の特定部分に前記樹脂が含浸されており、前記樹脂は、前記第２の特定部分と前記膜電極接合体とを接着するとしてもよい。この形態の燃料電池によれば、樹脂によって第２の特定部分が膜電極接合体に接着されるため、膜電極接合体の寸法変化をより確実に抑制して膜電極接合体の疲労破壊をより確実に回避することができる。

（４）上記形態の燃料電池において、前記一対のセパレータは、前記樹脂が含浸された前記特定部分を有する前記拡散層である特定拡散層に対向する範囲において、前記特定拡散層に接触する前記接触部と前記特定拡散層との間に反応ガス用の流路を形成する流路形成部との組が、複数繰り返された形状を有しており、前記特定拡散層における前記特定部分は、前記空間に最も近い前記接触部に接触するとしてもよい。この形態の燃料電池によれば、波形形状を有するセパレータを備える燃料電池において、膜電極接合体の寸法変化を抑制して膜電極接合体の疲労破壊を回避することができる。

（５）上記形態の燃料電池において、前記樹脂が含浸された前記特定部分を有する前記拡散層である特定拡散層は、前記膜電極接合体に接触する膜側拡散層と、前記セパレータに接触するセパレータ側拡散層と、を含み、前記一対のセパレータは、前記特定拡散層に対向する範囲において、前記特定拡散層に対向する側の面は平坦形状であり、前記特定拡散層における前記特定部分は、前記膜側拡散層の一部および前記セパレータ側拡散層の一部を含むとしてもよい。この形態の燃料電池によれば、平坦形状を有するセパレータを備える燃料電池において、膜電極接合体の寸法変化を抑制して膜電極接合体の疲労破壊を回避することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池用拡散層、燃料電池用発電モジュール、燃料電池システム、燃料電池システムを備える移動体、これらの装置またはシステムの製造方法、等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。 単セル１４０の断面構成を示す説明図である。 発電モジュール２３０の製造方法を示すフローチャートである。 カソード側拡散層２１０に樹脂を圧入する様子を示す説明図である。 第２実施形態における単セル１４０ａの断面構成を示す説明図である。 第３実施形態における単セル１４０ｂの断面構成を示す説明図である。 第４実施形態における発電モジュール２３０の製造方法を示すフローチャートである。 カソード側拡散層２１０に樹脂を含浸させる様子を示す説明図である。 カソード側拡散層２１０に樹脂を圧入する様子を示す説明図である。 カソード側拡散層２１０に樹脂を圧入する様子を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての空気とを利用して発電を行うシステムであり、例えば車両に搭載されて車両の動力源として使用される。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、まとめて「反応ガス」とも呼ばれる。

燃料電池システム１０は、燃料電池１００を備えている。本実施形態の燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数の単セル１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。なお、本明細書では、複数の単セル１４０が積層される方向を「積層方向」と呼ぶ。

図２は、単セル１４０の断面構成を示す説明図である。図２には、燃料電池１００を構成する複数の単セル１４０の内の１つにおける、面方向に沿った外周部付近の断面構成を示している。図２に示すように、単セル１４０は、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）２００と、膜電極接合体２００を挟むように積層された一対の拡散層（カソード側拡散層２１０およびアノード側拡散層２２０）と、膜電極接合体２００と一対の拡散層２１０，２２０との積層体（以下、「発電モジュール２３０」と呼ぶ）を挟むように積層された一対のセパレータ（カソード側セパレータ３１０およびアノード側セパレータ３２０）と、を有している。

膜電極接合体２００は、電解質膜の一方の側の表面上にアノードが配置（塗布）され、電解質膜の反対側の表面上にカソードが配置（塗布）された構成を有している。本明細書では、電解質膜の表面に平行な方向（すなわち積層方向と略垂直な方向）を「面方向」と呼ぶ。

膜電極接合体２００を構成する電解質膜は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜（例えばナフィオン(登録商標)膜：ＮＲＥ２１２）であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。なお、電解質膜としては、ナフィオンに限定されず、例えば、アシプレックス（登録商標）やフレミオン（登録商標）等の他のフッ素系スルホン酸膜が用いられるとしてもよい。また、電解質膜として、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等が用いられるとしてもよいし、ＰＴＦＥ、ポリイミド等の補強材を含む機械的特性を強化した複合高分子膜が用いられるとしてもよい。

電解質膜上に形成されるカソードおよびアノードは、電極反応を促進する触媒を提供する層であり、触媒を担持する導電性担体と電解質としてのアイオノマーとを含む材料により形成されている。なお、導電性担体としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いることができる。また、触媒としては、例えば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等を使用することができる。また、白金合金としては、例えば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を用いることができる。また、アイオノマーとしては、例えば、パーフルオロスルホン酸樹脂材料（例えばナフィオン）や、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質等を用いることができる。

カソード側拡散層２１０およびアノード側拡散層２２０は、電極反応に用いられる反応ガス（酸化剤ガスおよび燃料ガス）を面方向に沿って拡散させる層であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパーといった多孔質材料により形成されている。本実施形態では、拡散層に、例えばＰＴＦＥ樹脂によって撥水処理が施されているが、撥水処理は省略可能である。図２に示すように、本実施形態では、カソード側拡散層２１０の面方向に沿った大きさは、アノード側拡散層２２０の面方向に沿った大きさより小さい。そのため、カソード側拡散層２１０の端面は、アノード側拡散層２２０の端面より面方向に沿って内側に位置している。より具体的には、アノード側拡散層２２０の端面の位置は膜電極接合体２００の端面の位置と略同一である一方、カソード側拡散層２１０の端面の位置は膜電極接合体２００の端面の位置より面方向内側である。そのため、アノード側では、膜電極接合体２００の表面の略全面にアノード側拡散層２２０が配置されているが、カソード側では、膜電極接合体２００の表面の内の端部にはカソード側拡散層２１０が配置されていない。なお、カソード側拡散層２１０は、請求項における第１の拡散層に相当し、アノード側拡散層２２０は、請求項における第２の拡散層に相当する。

カソード側セパレータ３１０およびアノード側セパレータ３２０は、ガスを透過しない緻密質であると共に導電性を有する材料、例えば圧縮成型された緻密質カーボン、金属、導電性樹脂により形成されている。カソード側セパレータ３１０は、発電モジュール２３０側に面した溝を有する谷部３１４と、そのような溝の無い平坦部３１２との組が、複数並べられた形状である。カソード側拡散層２１０に対向する範囲において、カソード側セパレータ３１０の平坦部３１２はカソード側拡散層２１０に接触し、カソード側セパレータ３１０の谷部３１４はカソード側拡散層２１０との間に酸化剤ガス用の流路ＣＳを形成する。酸化剤ガス用の流路ＣＳは、酸化剤ガスを面方向に流動させる流路である。なお、カソード側拡散層２１０に対向しない範囲においては、カソード側セパレータ３１０の谷部３１４は流路ＣＳを形成しない。同様に、アノード側セパレータ３２０は、発電モジュール２３０側に面した溝を有する谷部３２４と、そのような溝の無い平坦部３２２との組が、複数並べられた形状である。アノード側拡散層２２０に対向する範囲において、アノード側セパレータ３２０の平坦部３２２はアノード側拡散層２２０に接触し、アノード側セパレータ３２０の谷部３２４はアノード側拡散層２２０との間に燃料ガス用の流路ＡＳを形成する。燃料ガス用の流路ＡＳは、燃料ガスを面方向に流動させる流路である。なお、アノード側拡散層２２０に対向しない範囲においては、アノード側セパレータ３２０の谷部３２４は流路ＡＳを形成しない。

燃料電池１００（図１）の内部には、燃料電池１００の積層方向に伸びる流路として、燃料ガス供給マニホールドと、燃料ガス排出マニホールドと、酸化剤ガス供給マニホールドと、酸化剤ガス排出マニホールドと、冷却媒体供給マニホールドと、冷却媒体排出マニホールドと、が形成されている（いずれも図示せず）。なお、図２には、上記いずれかのマニホールド１５０の一部を図示している。

燃料電池１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、シャットバルブ５１、レギュレータ５２、配管５３を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池１００に供給された水素は、燃料ガス供給マニホールドを介して各単セル１４０に分配され、各単セル１４０の燃料ガス流路ＡＳおよびアノード側拡散層２２０を介して膜電極接合体２００に供給され、膜電極接合体２００における発電に利用される。発電に利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、燃料ガス排出マニホールドを介して燃料電池１００の外部に排出され、排出配管６３からシステムの外部に排出される。なお、燃料電池システム１０は、アノードオフガスを配管５３側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。

燃料電池１００には、また、エアポンプ６０および配管６１を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池１００に供給された空気は、酸化剤ガス供給マニホールドを介して各単セル１４０に分配され、各単セル１４０の酸化剤ガス流路ＣＳおよびカソード側拡散層２１０を介して膜電極接合体２００に供給され、膜電極接合体２００における発電に利用される。発電に利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、酸化剤ガス排出マニホールドを介して燃料電池１００の外部に排出され、排出配管５４からシステムの外部に排出される。

さらに、燃料電池１００には、燃料電池１００を冷却するため、ウォーターポンプ７１および配管７２を介して、ラジエータ７０により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池１００に供給された冷却媒体は、燃料電池１００の内部に形成された冷却媒体供給マニホールドを介して各単セル１４０に分配され、各単セル１４０を冷却する。その後、冷却媒体は、燃料電池１００の内部に形成された冷却媒体排出マニホールドを介して燃料電池１００の外部に排出され、配管７３を介してラジエータ７０に循環する。冷却媒体としては、例えば水、エチレングリコール等の不凍液、空気などが用いられる。

単セル１４０の構成について、さらに詳細に説明する。図２に示すように、単セル１４０は、発電モジュール２３０の面方向に沿った外周部に配置されたシール部４００を備える。本実施形態では、シール部４００は、例えばポリエチレンナフタレートやポリエチレンテレフタレート、ポリイミドといった高分子材料で形成された固体シールである。シール部４００は、発電モジュール２３０の外縁より外側の位置で、カソード側セパレータ３１０およびアノード側セパレータ３２０の両方に密着しており、これによって反応ガスの外部への漏洩が抑制される。また、シール部４００の先端部４１０は、アノード側拡散層２２０の端面より内側、かつ、カソード側拡散層２１０の端面より外側の位置で、カソード側セパレータ３１０および膜電極接合体２００の両方に密着しており、これによってアノード側とカソード側との間における反応ガスの漏洩（いわゆるクロスリーク）が抑制される。

カソード側拡散層２１０の端面と、カソード側拡散層２１０に対向するシール部４００の先端部４１０の端面との間には、空間ＥＳが形成されている。このような空間ＥＳが形成されるのは、シール部４００の寸法が寸法公差を考慮して設定されていることによる。すなわち、仮にシール部４００が積層方向に沿ってカソード側拡散層２１０と重なるとシールの不具合が発生するおそれがあるため、寸法公差を考慮してもそのような重なりが発生しないように、シール部４００の寸法を設定しているからである。

カソード側拡散層２１０の端部の一部、具体的には、空間ＥＳに隣接する部分であり、かつ、カソード側セパレータ３１０における空間ＥＳに最も近い平坦部３１２に接触する部分（以下、「カソード側特定部分２１２」と呼ぶ）には、樹脂が含浸されている。そのため、カソード側特定部分２１２は、内部空隙が樹脂で充填されて反応ガスの拡散性が極めて低い状態となっている。従って、カソード側特定部分２１２は、酸化剤ガス用の流路ＣＳやカソード側拡散層２１０のカソード側特定部分２１２以外の部分から、酸化剤ガスが空間ＥＳに流れ込むことを防止もしくは抑制する。

カソード側拡散層２１０の端面とシール部４００の端面との間に空間ＥＳが形成されていると、空間ＥＳの位置において、膜電極接合体２００上にカソード側拡散層２１０もシール部４００も積層されていないこととなる。燃料電池１００の運転時において、膜電極接合体２００（電解質膜）は、反応ガスを介した乾湿入力によって膨張・収縮を繰り返し、その寸法が変化する。膜電極接合体２００の寸法変化は、膜電極接合体２００の疲労破壊を引き起こし得る。この寸法変化は、積層方向に沿って膜電極接合体２００に加わる圧力（面圧力）により抑制されるが、空間ＥＳの位置では、膜電極接合体２００上にカソード側拡散層２１０もシール部４００も積層されていないために膜電極接合体２００に面圧力が加わらず、面圧力によって寸法変化が抑制されることはない。しかし、本実施形態では、カソード側特定部分２１２の存在により、空間ＥＳへの酸化剤ガスの流れ込みが防止もしくは抑制されるため、空間ＥＳに面した膜電極接合体２００に対する乾湿入力が抑制され、膜電極接合体２００の寸法変化を抑制して膜電極接合体２００の疲労破壊を回避することができる。

Ａ−２．発電モジュールの製造方法：
図３は、上述した構成を有する発電モジュール２３０の製造方法を示すフローチャートである。まず、膜電極接合体（ＭＥＡ）２００が製造され（ステップＳ１１０）、次に、膜電極接合体２００上にカソード側拡散層２１０およびアノード側拡散層２２０が形成されて発電モジュール２３０が製造される（ステップＳ１２０）。最後に、発電モジュール２３０を構成するカソード側拡散層２１０のカソード側特定部分２１２に、樹脂が圧入される（ステップＳ１３０）。図４には、発電モジュール２３０を構成するカソード側拡散層２１０のカソード側特定部分２１２に、樹脂ＲＥを圧入している様子を示している。このようにして、カソード側特定部分２１２に樹脂が含浸された発電モジュール２３０が製造される。

Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態における単セル１４０ａの断面構成を示す説明図である。第２実施形態における単セル１４０ａは、カソード側拡散層２１０に、樹脂が含浸されたカソード側特定部分２１２が存在せず、代わりに、アノード側拡散層２２０に、樹脂が含浸されたアノード側特定部分２２２が存在する点が、図２に示した第１実施形態の単セル１４０と異なっている。単セル１４０ａのその他の構成は、第１実施形態と同様である。

アノード側特定部分２２２は、アノード側拡散層２２０の一部、具体的には、膜電極接合体２００を介して空間ＥＳに対向する部分であり、かつ、アノード側セパレータ３２０における空間ＥＳに最も近い平坦部３２２に接触する部分である。アノード側特定部分２２２に含浸させる樹脂として、ポリプロピレンといった接着性を有する樹脂が用いられる。そのため、アノード側特定部分２２２は、膜電極接合体２００に接着される。なお、本実施形態の発電モジュール２３０は、図３に示した第１実施形態と同様の方法で製造される。

第２実施形態における単セル１４０ａでは、アノード側特定部分２２２に樹脂が含浸されているため、アノード側特定部分２２２は、内部空隙が樹脂で充填されて反応ガスの拡散性が極めて低い状態となっている。従って、アノード側特定部分２２２は、膜電極接合体２００における空間ＥＳに対向する部分に燃料ガスが到達することを防止もしくは抑制する。そのため、本実施形態では、膜電極接合体２００における空間ＥＳに対向する部分に対する燃料ガスを介した乾湿入力を抑制することができ、膜電極接合体２００の寸法変化を抑制して膜電極接合体２００の疲労破壊を回避することができる。また、本実施形態では、接着性を有する樹脂によってアノード側特定部分２２２が膜電極接合体２００に接着されるため、膜電極接合体２００の寸法変化をより確実に抑制して膜電極接合体２００の疲労破壊をより確実に回避することができる。

Ｃ．第３実施形態：
図６は、第３実施形態における単セル１４０ｂの断面構成を示す説明図である。第３実施形態における単セル１４０ｂは、カソード側拡散層２１０に、樹脂が含浸されたカソード側特定部分２１２が存在し、さらに、アノード側拡散層２２０にも、樹脂が含浸されたアノード側特定部分２２２が存在する点が、図２，５に示した第１，２実施形態の単セルと異なっている。単セル１４０ｂのその他の構成は、第１，２実施形態と同様である。なお、本実施形態の発電モジュール２３０は、図３に示した第１実施形態と同様の方法で製造される。

第３実施形態における単セル１４０ｂでは、カソード側特定部分２１２の存在により、空間ＥＳへの酸化剤ガスの流れ込みが防止もしくは抑制され、かつ、アノード側特定部分２２２の存在により、膜電極接合体２００における空間ＥＳに対向する部分に燃料ガスが到達することが防止もしくは抑制されるため、空間ＥＳに面した膜電極接合体２００に対する乾湿入力が確実に回避され、膜電極接合体２００の寸法変化を効果的に抑制して膜電極接合体２００の疲労破壊を回避することができる。

Ｄ．第４実施形態：
図７は、第４実施形態における発電モジュール２３０の製造方法を示すフローチャートである。第４実施形態の製造方法は、膜電極接合体２００上にカソード側拡散層２１０およびアノード側拡散層２２０が形成される前に、カソード側拡散層２１０のカソード側特定部分２１２に樹脂が含浸される点が、図３に示した第１実施形態の製造方法と異なっている。すなわち、まず、膜電極接合体（ＭＥＡ）２００が製造され（ステップＳ１１０）、次に、カソード側拡散層２１０のカソード側特定部分２１２に樹脂が含浸される（ステップＳ１１２）。図８には、カソード側拡散層２１０のカソード側特定部分２１２を、樹脂ＲＥが入った容器に浸して、樹脂を含浸させている様子を示している。容器に浸す時間や樹脂ＲＥの温度等を制御することにより、カソード側特定部分２１２の内部に十分に樹脂を含浸させることができる。最後に、膜電極接合体２００上にカソード側拡散層２１０およびアノード側拡散層２２０が形成されて発電モジュール２３０が製造される（ステップＳ１２０）。このようにして、カソード側特定部分２１２に樹脂が含浸された発電モジュール２３０が製造される。

なお、カソード側拡散層２１０のカソード側特定部分２１２に樹脂を含浸させるにあたり（ステップＳ１１２）、樹脂の圧入を行うとしてもよい。図９には、カソード側拡散層２１０を２つの平板で挟み、小口部分から樹脂ＲＥを圧入している様子を示している。また、図１０には、カソード側拡散層２１０の両側の表面（最も面積の大きい２つの表面）から樹脂ＲＥを圧入している様子を示している。いずれの場合も、圧入の圧力、温度、時間等を制御することにより、所定の幅の樹脂含浸部分（カソード側特定部分２１２）を形成することができる。また、本実施形態の製造方法は、上述した第２，３実施形態における発電モジュール２３０にも適用できる。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記各実施形態における燃料電池システム１０の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記各実施形態において、カソード側拡散層２１０とアノード側拡散層２２０との少なくとも一方は、複数の層から構成されるとしてもよい。例えば、カソード側拡散層２１０は、膜電極接合体２００に接触する膜側拡散層と、カソード側セパレータ３１０に接触するセパレータ側拡散層との２層から構成されるとしてもよい。この場合に、セパレータ側拡散層を、膜側拡散層より空孔率の高い多孔体材料を用いて形成することにより酸化剤ガスの流路として機能させ、カソード側セパレータ３１０の形状を平坦形状とすることも可能である。この場合には、カソード側拡散層２１０の略全面がカソード側セパレータ３１０と接触する。この場合には、膜側拡散層の一部（端部）とセパレータ側拡散層の一部（端部）とからカソード側特定部分２１２が構成されることとなる。同様に、例えば、アノード側拡散層２２０は、膜電極接合体２００に接触する膜側拡散層と、アノード側セパレータ３２０に接触するセパレータ側拡散層との２層から構成されるとしてもよい。この場合に、セパレータ側拡散層を、膜側拡散層より空孔率の高い多孔体材料を用いて形成することにより燃料ガスの流路として機能させ、アノード側セパレータ３２０の形状を平坦形状とすることも可能である。この場合には、アノード側拡散層２２０の略全面がアノード側セパレータ３２０と接触する。この場合には、膜側拡散層の一部とセパレータ側拡散層の一部とからアノード側特定部分２２２が構成されることとなる。

また、上記各実施形態において、必ずしも発電モジュール２３０の外周部の全周に亘って、カソード側拡散層２１０の端面がアノード側拡散層２２０の端面より面方向に沿って内側に位置している必要はなく、発電モジュール２３０の外周部の少なくとも一部においてそのような構成になっていればよい。同様に、必ずしも発電モジュール２３０の外周部の全周に亘って、カソード側拡散層２１０の端面とカソード側拡散層２１０に対向するシール部４００の先端部４１０の端面との間に空間ＥＳが形成されている必要はなく、発電モジュール２３０の外周部の少なくとも一部においてそのような構成になっていればよい。この場合には、カソード側特定部分２１２およびアノード側特定部分２２２の内、空間ＥＳに隣接するカソード側特定部分２１２および空間ＥＳに対向するアノード側特定部分２２２に樹脂が含浸されていればよい。

また、上記各実施形態において、シール部４００は、例えばゴム系のシール材料を用いた射出成形により形成されるとしてもよい。このような場合にも、シール材料の充填量や押し出し圧力、シール材料の粘性といった要因によって空間ＥＳが形成され得る。

また、上記各実施形態の単セル１４０において、カソード側とアノード側とを逆にしてもよい。すなわち、アノード側拡散層２２０の端面は、カソード側拡散層２１０の端面より面方向に沿って内側に位置しており、アノード側拡散層２２０の端面と、アノード側拡散層２２０に対向するシール部４００の先端部４１０の端面との間に空間ＥＳが形成されているとしてもよい。この場合にも、アノード側拡散層２２０における空間ＥＳに隣接する部分であり、かつ、アノード側セパレータ３２０における空間ＥＳに最も近い平坦部３２２に接触する部分と、カソード側拡散層２１０における膜電極接合体２００を介して空間ＥＳに対向する部分であり、かつ、カソード側セパレータ３１０における空間ＥＳに最も近い平坦部３２２に接触する部分と、の少なくとも一方に樹脂が含浸されているとすればよい。

また、上記各実施形態では、燃料電池１００を構成する各部の材料を特定しているが、これらの材料に限定されるものではなく、適正な種々の材料を用いることができる。例えば、上記実施形態では、アノード側特定部分２２２に含浸させる樹脂として、接着性を有する樹脂を用いているが、必ずしも樹脂が接着性を有する必要はない。

１０…燃料電池システム
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…排出配管
６０…エアポンプ
６１…配管
６３…排出配管
７０…ラジエータ
７１…ウォーターポンプ
７２…配管
７３…配管
１００…燃料電池
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１４０…単セル
１５０…マニホールド
２００…膜電極接合体
２１０…カソード側拡散層
２１２…カソード側特定部分
２２０…アノード側拡散層
２２２…アノード側特定部分
２３０…発電モジュール
３１０…カソード側セパレータ
３１２…平坦部
３１４…谷部
３２０…アノード側セパレータ
３２２…平坦部
３２４…谷部
４００…シール部
４１０…先端部

Claims (5)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と前記電解質膜の両側の表面上に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、多孔質材料により形成され前記膜電極接合体を挟むように積層された一対の拡散層と、を有する発電モジュールと、
   前記発電モジュールを挟むように積層されると共に、前記拡散層に接触する接触部を有する一対のセパレータと、
   前記表面に平行な方向である面方向に沿った前記発電モジュールの外周部に配置されたシール部と、を備え、
   前記発電モジュールの前記外周部の少なくとも一部において、前記一対の拡散層の一方である第１の拡散層の端面は、前記第１の拡散層の前記端面と前記面方向に沿って対向する前記シール部の端面との間に空間が形成されるように、前記一対の拡散層の他方である第２の拡散層の端面より前記面方向に沿って内側に位置しており、
   前記第１の拡散層における前記空間に隣接すると共に前記セパレータの前記接触部に接触する第１の特定部分と、前記第２の拡散層における前記空間に対向すると共に前記セパレータの前記接触部に接触する第２の特定部分と、の少なくとも一方に、樹脂が含浸されている、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記第１の特定部分と前記第２の特定部分との両方に前記樹脂が含浸されている、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記第２の特定部分に前記樹脂が含浸されており、
   前記樹脂は、前記第２の特定部分と前記膜電極接合体とを接着する、燃料電池。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池であって、
   前記一対のセパレータは、前記樹脂が含浸された前記特定部分を有する前記拡散層である特定拡散層に対向する範囲において、前記特定拡散層に接触する前記接触部と前記特定拡散層との間に反応ガス用の流路を形成する流路形成部との組が、複数繰り返された形状を有しており、
   前記特定拡散層における前記特定部分は、前記空間に最も近い前記接触部に接触する、燃料電池。
5. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池であって、
   前記樹脂が含浸された前記特定部分を有する前記拡散層である特定拡散層は、前記膜電極接合体に接触する膜側拡散層と、前記セパレータに接触するセパレータ側拡散層と、を含み、
   前記一対のセパレータは、前記特定拡散層に対向する範囲において、前記特定拡散層に対向する側の面は平坦形状であり、
   前記特定拡散層における前記特定部分は、前記膜側拡散層の一部および前記セパレータ側拡散層の一部を含む、燃料電池。

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