JPH09199145A - 燃料電池および燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体高分子電解質型燃料電池において、電解
質膜量を最小限に抑え、薄型化を妨げることなく、充分
なガスシール性を実現する。 【解決手段】 電解質膜２１は、セパレータ２４、２５
との接続部に相当する周辺部において、イオン交換部２
１ａを形成する。イオン交換部２１ａは、電解質膜２１
に所定のマスキング具３０を装着したうえで、この電解
質膜２１を１Ｎの水酸化カリウム溶液に浸漬して形成す
る。マスキング具３０に覆われていた電池動作部２１ｂ
は、イオン交換処理を受けないため電解質層として機能
する。イオン交換部２１ａは、イオン交換処理を受ける
ことで疎水性となり、吸水性を失う。この、吸水性を失
ったイオン交換部２１ａにおいて、接着剤を用いて電解
質膜２１をセパレータ２４、２５に固着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池に関し、詳
しくは固体高分子電解質膜とこれを取り付ける枠体との
間にガスシール構造を備えた燃料電池および燃料電池の
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料の有するエネルギを直
接に電気エネルギに変換する装置として知られている。
燃料電池では、水素を含む燃料ガスをアノードに供給
し、酸素を含む酸化ガスをカソードに供給して、両極で
起こる電気化学反応によって起電力を得る。以下に、燃
料電池で起こる電気化学反応を示す。（１）式はアノー
ドにおける反応、（２）式はカソードにおける反応を示
し、（３）式は電池全体で起こる反応を表わす。

【０００３】 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１） （１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２） Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

【０００４】このような燃料電池の一般的な形態は、電
解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノ
ード）に水素を含む燃料ガスを、他方の電極（カソー
ド）には酸素を含む酸化ガスを供給するものである。水
素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスの供給を受ける
このような燃料電池では、各電極に供給されるガスが混
合した場合には、発電効率の低下などの問題が生じる。
従って燃料電池では、燃料ガスと酸化ガスとの混合を防
ぐことが必要である。

【０００５】固体高分子型燃料電池は、電解質層として
固体高分子電解質膜を備える燃料電池である。単セルを
基本単位としており、通常はこの単セルを積層したスタ
ック構造をとる。単セルでは、電解質膜を２枚のガス拡
散電極が挟持してサンドイッチ構造を形成し、このサン
ドイッチ構造をガス不透過なセパレータがさらに挟持し
ている。電解質膜は、供給される燃料ガスと酸化ガスと
を隔てる役割も果たしており、セパレータは隣接する単
セル間でガスが混合するのを防ぐ。従って、固体高分子
型燃料電池で燃料ガスと酸化ガスとの混合を防ぐために
は、各単セルの周辺部で、電解質膜とセパレータとの間
のシール性を充分に確保することが重要となる。

【０００６】通常、このようなシール性は接着剤などを
用いて接着することで容易に達成されるが、固体高分子
電解質膜として用いられるフッ素系樹脂は、接着剤に対
する接着性が悪く、その接着性は湿潤状態においてさら
に低下する。電解質膜は親水性の膜であり、燃料電池の
動作時には水分の供給を受けて湿潤状態に保たれるが、
このような状態では電解質膜は膨潤し、表面には水の膜
が形成されてしまい、接着剤との接着性はさらに低下す
ることになる。従って、電解質膜とセパレータとを単に
接着剤で接着しただけでは、電池の動作中に接着剤の接
着性が次第に低下してシール性が損なわれてしまう。良
好なガスシールを達成する方法として、熱圧着により電
解質膜とセパレータとを密着させる方法も考えられる
が、固体高分子電解質膜は熱可塑性がなく、従って熱圧
着を行なってもセパレータとの間で充分な密着性が得ら
れないためやはり採用し難い。

【０００７】そこで従来は、燃料電池セルの端部におけ
るシール性を達成するために、セパレータ端部に溝部を
設け、この溝部にＯリングを配することでセパレータと
電解質膜間のシールを実現し、電解質膜の両側に供給さ
れるガスの混合を防止していた（例えば、特開平６−１
１９９３０号公報など）。このようなＯリングを配する
ことによって、燃料ガスまたは酸化ガスの流路を外部と
完全に遮断することができ、水素と酸素の混合を防ぐこ
とが可能となった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｏリン
グを用いたガスシールには、燃料電池の小型化と高出力
化を妨げるという問題点がある。燃料電池の小型化を図
るためには、燃料電池の各構成要素を薄型化する必要が
ある。各構成要素が薄型化して単セルが薄くなれば、少
ないスペースでより多くの単セルを積層できるようにな
り、燃料電池の高出力化を図ることができる。しかしな
がら、Ｏリングを配する場合にはＯリングを配するため
の溝を設ける必要から、セパレータを薄くするには限界
があり、結果的に燃料電池の薄型化を妨げている。

【０００９】また、上記のようなＯリングを配する構成
とする場合には、Ｏリングによるシール性を確保するた
めに、必要となる電解質膜の面積が増大してしまう。こ
のこともまた燃料電池の小型化を阻む要因となる。Ｏリ
ングを用いる場合には、Ｏリングを配するためにセパレ
ータに設けた溝部を越える充分な大きさの電解質膜を用
意する必要があり、また、このＯリングを配する溝部
は、あまりガス拡散電極に近接して設けることができな
いため、電解質膜は電池動作部以外に余分な面積を要す
ることとなる。さらに、現在用いられている固体高分子
電解質膜は大変高価であり、燃料電池全体のコストに対
して占める割合も大きく、大きな電解質膜を必要とする
ことは燃料電池を広く実用化する上で大きな障害となっ
ている。

【００１０】本発明の燃料電池は、こうした問題を解決
し、必要な電解質膜量を最小限に抑え、燃料電池の薄型
化を妨げることなく、電解質膜とセパレータ間で充分な
ガスシール性を実現することを目的としてなされ、次の
構成を採った。

【００１１】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の第１の燃料電池は、固体高分子膜を電解質層とし
て用いた燃料電池であって、前記固体高分子膜は、陽イ
オン交換活性を有する活性領域と、陽イオン交換活性を
有しない不活性領域とを形成し、該不活性領域におい
て、前記固体高分子膜を枠体に固着してなることを要旨
とする。

【００１２】以上のように構成された本発明の第１の燃
料電池は、この燃料電池が備える固体高分子膜における
陽イオン交換活性を有する活性領域が、燃料電池の動作
時に電解質層として働く。また、この固体高分子膜は、
陽イオン交換活性を有しない不活性領域において、枠体
に固着している。

【００１３】このような燃料電池では、固体高分子膜に
おいて、電解質層として電池反応に関わる活性領域外
に、固体高分子膜を枠体に固着するための不活性領域を
備えている。従って、電池反応に影響すること無く電解
質層を枠体に固着することができ、これによって、Ｏリ
ングのような部材を別途用意することなく、電解質層と
枠体との間のガスシールを達成することができる。Ｏリ
ングを用いる必要がないことにより、従来のようにＯリ
ングの厚みが加わらないので、燃料電池を薄型化するこ
とができるという効果を奏する。また、Ｏリングを配す
る部位に必要であった面積的な余裕が不要となるので、
用意する固体高分子膜の面積が最小限で済む。

【００１４】ここで、前記不活性領域は疎水性を帯びた
領域であり、前記固体高分子膜の枠体への固着は、接着
剤を用いた接着によるものである構成としてもよい。

【００１５】以上のように構成された本発明の第２の燃
料電池は、本発明の第１の燃料電池の構成において、疎
水性を帯びた不活性領域で、接着剤を用いた接着によっ
て固体高分子膜を枠体に固着する。このような燃料電池
では、本発明の第１の燃料電池の有する効果に加えて、
以下の効果を奏する。すなわち、不活性領域が疎水性を
帯びているため、この不活性領域に接着剤を用いた場合
に、電池動作部である活性領域が吸水しても不活性領域
は吸水せず、接着剤の接着性が低下することがない。従
って、固体高分子膜と枠体との間のガスシールを接着剤
によって行なうことができる。

【００１６】また、本発明の第１の燃料電池において、
前記不活性領域は熱可塑性を帯びた領域であり、前記固
体高分子膜の枠体への固着は、熱圧着によるものである
構成としてもよい。

【００１７】以上のように構成された本発明の第３の燃
料電池は、本発明の第１の燃料電池の構成において、熱
可塑性を帯びた不活性領域で、熱圧着によって固体高分
子膜を枠体に固着する。このような燃料電池では、本発
明の第１の燃料電池の有する効果に加えて、以下の効果
を奏する。すなわち、不活性領域が熱可塑性を帯びてい
るため、固体高分子膜と枠体との間のガスシールを熱圧
着によって行なうことができる。

【００１８】上記本発明の第１ないし第３の燃料電池に
おいて、前記枠体が、前記固体高分子膜と共に設けられ
たガス拡散電極を挟持するセパレータであることとして
もよい。このような燃料電池では、固体高分子膜の両面
に設けられたガス拡散電極に供給される燃料ガスおよび
酸化ガスは、固体高分子膜によって分かたれている。ま
た、固体高分子膜は不活性領域においてセパレータに固
着するので、この固着する領域においてガスシールが達
成されている。従って、Ｏリングなどの部材を別途用意
することなく、固体高分子膜とセパレータとの間のガス
シールを行なうことができる。また、セパレータにＯリ
ングを配するための溝部を形成する必要がないため、こ
の溝部を形成することがセパレータの薄型化を妨げるこ
ともない。セパレータの薄型化が可能となることによ
り、燃料電池全体の薄型化が可能となる。

【００１９】上記本発明の第３の燃料電池において、前
記枠体は、前記固体高分子膜との固着に関わる領域が粗
面化処理されている構成も好適である。このような構成
とすれば、固体高分子膜と枠体との間で熱圧着を行なう
際、固体高分子膜の不活性領域が熱で融解して、枠体表
面の粗面化処理された細かい凹凸の内部に入り込む。融
解して凹凸の内部に入り込んだ固体高分子膜は熱可塑性
を有するため、冷却されるに従って、凹凸の内部に入り
込んだ形状のまま固化する。従って、熱圧着による接着
面積が広くなり、より強固に接着することができる。

【００２０】本発明の第４の燃料電池は、固体高分子膜
を電解質層として用いた燃料電池であって、前記固体高
分子膜は、陽イオン交換活性を有する活性領域と、陽イ
オン交換活性を有することなく熱可塑性を備えた不活性
領域とを形成し、該不活性領域において、熱可塑性を有
する薄膜を介して、前記固体高分子膜を枠体に熱圧着に
よって固着してなることを要旨とする。

【００２１】以上のように構成された本発明の第４の燃
料電池は、この燃料電池が備える固体高分子膜における
陽イオン交換活性を有する活性領域が、燃料電池の動作
時に電解質層として働く。また、この固体高分子膜は、
陽イオン交換活性を有することなく熱可塑性を備えた不
活性領域において、同じく熱可塑性を有する薄膜を介し
て、熱圧着によって枠体に固着している。

【００２２】このような本発明の第４の燃料電池によれ
ば、本発明の第３の燃料電池による効果に加えて、薄い
固体高分子膜を用いる場合にも、熱圧着時に固体高分子
膜が損傷を受けることを防止するという効果を奏する。
すなわち、固体高分子膜と枠体との間で熱圧着を行なう
際、不活性領域と同じく熱可塑性を有する薄膜を介して
行なうため、薄膜の分だけ固着部が厚くなり圧力に対す
る強度が増す。従って、固体高分子膜が薄くても、熱圧
着に高い圧力がかかることによって固体高分子膜が固着
部で損傷を受けることがない。さらに、固着部が厚くな
り圧力に対する強度が増したことにより、燃料電池の運
転中に締め付けによる強い圧力が加わり続けても、固体
高分子膜が損傷を受けて短絡を起こすことがない。逆
に、固体高分子膜が薄くても熱圧着に支障がなくなるこ
とから、本発明の第４の燃料電池は、固体高分子膜を薄
型化することで電解質層の導電性を向上させることがで
き、これにより電池性能を向上させることが可能となる
という効果を奏する。

【００２３】ここで、前記熱可塑性を有する薄膜が、前
記固体高分子膜における不活性領域と同一素材の薄膜で
あることとしてもよい。このような場合には、不活性領
域と薄膜とが同一素材であるため、熱圧着を行なったと
きに両者が溶融して容易に一体化し、優れた接着性を示
す。

【００２４】上記本発明の第１ないし第４の燃料電池に
おいて、前記固体高分子膜の不活性領域は、該固体高分
子膜の所定の領域に対して陽イオン交換処理を行なった
領域である構成も好ましい。このような場合には、固体
高分子膜の所定の領域に所定のイオン交換液を含浸させ
るだけで、上記不活性領域を形成することができる。

【００２５】また、上記本発明の第１ないし第４の燃料
電池において、前記固体高分子膜の不活性領域は、該固
体高分子膜の不活性な前駆体膜を所定の処理によって活
性化する際、該前駆体膜の所定の領域のみ該所定の処理
を施すことなく、該前駆体膜の性質を保持させた領域で
あることとしてもよい。このような場合には、固体高分
子膜の前駆体膜を活性化する際、所定の領域だけがこの
活性化処理を受けなくすることにより、不活性領域を形
成することができる。従って、不活性領域を形成するた
めに、固体高分子膜に対して特別な処理を加える必要が
なく、前駆体膜の有する疎水性または熱可塑性といった
性質を利用して枠体との固着を行なうことができる。

【００２６】本発明の第１の燃料電池の製造方法は、固
体高分子膜からなる電解質層の一部を不活性化して陽イ
オン交換活性を有しない不活性領域を形成し、該不活性
領域において、前記固体高分子膜を枠体に固着すること
を要旨とする。

【００２７】以上のように構成された本発明の第１の燃
料電池の製造方法では、固体高分子膜からなる電解質層
の一部を不活性化した不活性領域において、この固体高
分子膜を枠体に固着する。従って、燃料電池を製造する
際に、ガスのシール性を達成するためにＯリング等の部
材を別途用意する必要がない。このような製造方法によ
れば、電解質層の一部に設けた不活性領域と枠体とを固
着することによってガスシールを行なうことができる。

【００２８】また、本発明の第２の燃料電池の製造方法
は、陽イオン交換活性を有しない不活性な固体高分子膜
の主要部を活性化して、陽イオン交換活性を備えた電解
質層を形成し、前記活性化の際に活性化されずに残った
不活性領域において、前記固体高分子膜を枠体に固着す
ることを要旨とする。

【００２９】以上のように構成された本発明の第２の燃
料電池の製造方法では、陽イオン交換活性を有しない不
活性な固体高分子膜を活性化する際、この活性化を行な
わずに残った不活性領域において、この固体高分子膜を
枠体に固着する。従って、本発明の第１の燃料電池の製
造方法における効果の他に、不活性領域を形成するため
の特別な処理を行なう必要がないという効果を奏する。

【００３０】本発明の固体高分子膜は、陽イオン交換活
性を備え、電解質層として使用可能な固体高分子膜であ
って、該固体高分子膜は、その周縁部に、陽イオン交換
活性を有しない不活性領域を形成し、該不活性領域にお
いて、前記固体高分子膜を枠体に固着可能であることを
要旨とする。

【００３１】以上のように構成された本発明の固体高分
子膜は、電解質層として働く領域の周縁部に設けた不活
性領域によって枠体に固着することができるため、この
固体高分子膜を用いることで、Ｏリングなどの別部材を
用いない燃料電池を製造することができる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以上説明した本発明の構成・作用
を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を
実施例に基づき説明する。本発明の好適な一実施例であ
る燃料電池１０は、単セル２０を基本単位としており、
単セル２０を積層したスタック構造を有している。図１
は、この単セル２０の断面を模式的に表わす説明図であ
る。燃料電池１０の基本単位である単セル２０は、電解
質膜２１と、アノード２２およびカソード２３と、セパ
レータ２４、２５とから構成されている。

【００３３】アノード２２およびカソード２３は、電解
質膜２１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス
拡散電極である。セパレータ２４および２５は、このサ
ンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード２
２およびカソード２３との間に、燃料ガスおよび酸化ガ
スの流路を形成する。アノード２２とセパレータ２４と
の間には燃料ガス流路２４Ｐが形成されており、カソー
ド２３とセパレータ２５との間には酸化ガス流路２５Ｐ
が形成されている。セパレータ２４、２５は、図１では
それぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはそ
の両面にリブが形成されており、片面はアノード２２と
の間で燃料ガス流路２４Ｐを形成し、他面は隣接する単
セルが備えるカソード２３との間で酸化ガス流路２５Ｐ
を形成する。このように、セパレータ２４、２５は、ガ
ス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接
する単セル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役
割を果たしている。もとより、単セル２０を積層してス
タック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置す
る２枚のセパレータは、ガス拡散電極と接する片面にだ
けリブが形成されている。

【００３４】ここで、電解質膜２１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
性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性
を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）
を使用した。電解質膜２１の表面には、触媒としての白
金または白金と他の金属からなる合金が、塗布されてい
る。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他
の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、こ
の触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散さ
せ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜
２１上にスクリーン印刷するという方法をとる。

【００３５】白金触媒を担持したカーボン粉は次のよう
な方法で作製されている。まず、塩化白金酸水溶液とチ
オ硫酸ナトリウムとを混合して、亜硫酸白金錯体の水溶
液を得、この水溶液を攪拌しながら、過酸化水素水を滴
下して、水溶液中にコロイド状の白金粒子を析出させ
る。次にこの水溶液に担体となるカーボンブラック［例
えばＶｕｌｃａｎ ＸＣ−７２（米国のＣＡＢＯＴ社の
商標）やデンカブラック（電気化学工業株式会社の商
標）］を添加しながら、攪拌し、カーボンブラックの表
面にコロイド状の白金粒子を付着させる。そして吸引ろ
過または加圧ろ過により白金粒子が付着したカーボンブ
ラックを水溶液中から分離し、脱イオン水で繰り返し洗
浄した後、室温で完全に乾燥させる。次に、この乾燥の
工程で凝集したカーボンブラックを粉砕機で粉砕し、水
素還元雰囲気中で、２５０℃〜３５０℃で２時間程度加
熱して、カーボンブラック上の白金を還元すると共に、
残留していた塩素を完全に除去して、白金触媒を担持し
たカーボン粉を完成する。

【００３６】カーボンブラックへの白金の担持密度（カ
ーボンの重量に対するカーボン上の白金の重量の比率）
は、塩化白金酸の量とカーボンブラックの量との比率を
変えることにより調節することができ、任意の担持密度
の白金触媒を得ることができる。なお、白金触媒の製造
方法は、前述の方法に限らず、充分な触媒活性が得られ
る方法であれば、他の方法により製造したものであって
もよい。

【００３７】以上の説明では、白金を触媒として用いる
場合について述べたが、この他にも、第１成分である白
金と、第２成分であるルテニウム、ニッケル、コバル
ト、インジウム、鉄、クロム、マンガン等のうちの１種
類あるいは２種類以上の成分との合金からなる合金触媒
を使用することもできる。

【００３８】アノード２２およびカソード２３は、共に
炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形
成されている。なお、本実施例では、アノード２２およ
びカソード２３をカーボンクロスにより形成したが、炭
素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルト
により形成する構成も好適である。

【００３９】上記電解質膜２１とアノード２２およびカ
ソード２３とは、熱圧着により一体化される。すなわ
ち、白金などの触媒を塗布した電解質膜２１をアノード
２２およびカソード２３で挟持し、１２０〜１３０℃に
加熱しながらこれらを圧着する。電解質膜２１とアノー
ド２２およびカソード２３とを一体化する方法として
は、熱圧着による他に、接着による方法を用いてもよ
い。アノード２２およびカソード２３で電解質膜２１を
挟持する際、各電極と電解質膜２１との間をプロトン導
電性固体高分子溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を用
いて接合すれば、プロトン導電性固体高分子溶液が固化
する過程で接着剤として働き、各電極と電解質膜２１と
が固着される。

【００４０】セパレータ２４、２５は、ガス不透過の導
電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とし
た緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ２
４、２５はその両面に、平行に配置された複数のリブを
形成しており、既述したように、アノード２２の表面と
で燃料ガス流路２４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソ
ード２３の表面とで酸化ガス流路２５Ｐを形成する。こ
こで、各セパレータの表面に形成されたリブは、両面と
もに平行に形成する必要はなく、面毎に直行するなど所
定の角度をなすこととしてもよい。また、リブの形状は
平行な溝状である必要はなく、ガス拡散電極に対して燃
料ガスまたは酸化ガスを供給可能であればよい。

【００４１】以上、燃料電池１０の基本構造である単セ
ル２０の構成について説明した。実際に燃料電池１０と
して組み立てるときには、セパレータ２４、アノード２
２、電解質膜２１、カソード２３、セパレータ２５をこ
の順序で複数組積層し（本実施例では１００組）、その
両端に緻密質カーボンや銅板などにより形成される集電
板２６、２７を配置することによって、スタック構造を
構成する。

【００４２】次に、セパレータ２４、２５と、電解質膜
２１との接続部について説明する。この接続部の構成
は、本発明の要部に対応するものである。図２は、単セ
ル２０の端部の断面図であり、接続部の構成を示す。電
解質膜２１と、セパレータ２４および２５との間の接続
は、接着剤を用いてなされる。電解質膜２１は、セパレ
ータ２４、２５との接続部に相当する周辺部において、
イオン交換部２１ａを形成している。このイオン交換部
２１ａは、後述するイオン交換処理を施すことで吸水性
を失っている。セパレータ２４、２５において、接続部
に対応する領域に接着剤を塗布したうえで単セル２０を
組み立てれば、図２に示すようにイオン交換部２１ａを
覆って接着剤層２９が形成され、接続部が完成する。

【００４３】電解質膜２１に対するイオン交換処理につ
いて以下に説明する。電解質膜２１は、図２に示すよう
に、アノード２２およびカソード２３に挟まれて電池反
応に関与する電池動作部２１ｂと、電池動作部２１ｂの
周辺であって電池反応に関わらない領域とに分けること
ができる。この周辺領域に対してイオン交換処理を行な
って、イオン交換部２１ａとなす。まず、電解質膜２１
に図３に示すマスキング具３０を装着する。図３（ａ）
は電解質膜２１にマスキング具３０を装着して横からみ
た状態を示し、図３（ｂ）は上から見た状態を示す。こ
のマスキング具３０はマスキング部３２を備え、電解質
膜２１に装着したときには、マスキング部３２が電池動
作部２１ｂを覆う。

【００４４】電解質膜２１を挟持するマスキング具３０
は、その周囲に締結ボルト３４を備えており、締結ボル
ト３４を締め付けることで、マスキング部３２を電解質
膜２１に密着させることができる。マスキング具３０が
マスキング部３２で電解質膜２１を挟持する圧力は、こ
の後の不活性化処理において電池動作部２１ｂが不活性
化されるのを防ぐことができればよく、すなわち、電解
質膜２１における浸透圧を越える圧力であればよい。本
実施例では、５０ｋｇ／ｃｍ² の圧力で電解質膜２１を
挟持した。また、この時マスキング具３０は、ステンレ
ス製のものを使用した。

【００４５】次に、マスキング具３０に挟持された電解
質膜２１を１規定（以後１Ｎと表記する）の水酸化カリ
ウム溶液に浸漬してイオン交換処理を行なう。電解質膜
２１は図４に示す構造を有し、電池の動作時には官能基
Ａのプロトンが遊離して水分子を伴って移動することで
導電性を示す。この電解質膜２１を上記水酸化カリウム
溶液に浸漬すると、官能基のプロトンがカリウムイオン
に置き替わるというイオン交換反応が起こり、電解質膜
２１の官能基Ａの構造は図５のように変化する。このと
き、マスキング具３０に覆われた電池動作部２１ｂは、
上述したように充分な圧力をかけられているためカリウ
ムイオンが浸透することがなく、イオン交換反応が起き
ない。従って、電池動作部２１ｂの外側でだけイオン交
換反応が起こり、このイオン交換反応が起こった領域で
イオン交換部２１ａが形成される。このようなイオン交
換反応が起きた領域では、遊離して水分子を引きつける
プロトンがカリウムイオンに置き替わるため、吸水性が
失われる。

【００４６】イオン交換処理の後、電解質膜２１を乾燥
し（１００℃、２０ｍｉｎ．）、その後電池動作部２１
ｂに対してスクリーン印刷を行ない、前述したように白
金などの触媒を塗布する。触媒を固着した電解質膜２１
は、ガス拡散電極であるアノード２２およびカソード２
３で挟持して、熱圧着によってこれらを固着する。この
ガス拡散電極をさらに外側からセパレータ２４、２５で
挟持するが、その際、電解質膜２１においてガス拡散電
極からはみ出したイオン交換部２１ａとセパレータ２
４、２５の間を接着剤によって接続する。上述したイオ
ン交換処理によって不活性化されたイオン交換部２１ａ
では吸水性が失われているため、接着剤により充分なシ
ール性を実現することができる。吸水性のある電池動作
部２１ｂが湿潤状態となっても、イオン交換部２１ａは
吸水することがないため、電池動作時に接着性が次第に
低下することもない。ここで、接着剤はエポキシ系のも
のを使用した。このように構成した単セル２０を積層
し、燃料電池１０を完成する。

【００４７】以上のように構成された本実施例の燃料電
池１０では、電解質膜２１に吸水性を失ったイオン交換
部２１ａを設けることで接着剤との接着性を確保し、接
着剤を用いて各単セル２０におけるガスシールを行なっ
ている。従って、ガスシールのためにＯリングの様な特
別な部材を設ける必要がなく、また、必要となる電解質
膜の面積も最小限に抑えることができるという優れた効
果を奏する。さらに本実施例の燃料電池１０では、Ｏリ
ングのような所定の厚みを有する別部材を挟み込むこと
がないので、単セル２０の薄型化が阻まれることがな
く、単セル２０を積層した燃料電池１０全体の薄型化も
可能となる。また、単セル２０の薄型化によって、積層
する単セル２０の枚数を増やすことができるため、燃料
電池１０の容量を増加させることができる。

【００４８】本実施例ではマスキング具３０はステンレ
ス製のものを用いたが、水酸化カリウム等のイオン交換
用の溶液に対して安定な材質で形成されており、充分な
圧力で電解質膜２１を挟持する強度を有していればよ
い。例えば、金や白金でメッキしたアルミニウム、鉄、
銅等の金属製としてもよいし、アクリル、塩化ビニール
等の樹脂で形成してもよい。

【００４９】上記第１実施例では、電解質膜２１におけ
る電池反応に関わらない周辺部に対してイオン交換処理
を施す構成としたが、電解質膜２１全体に対してまずイ
オン交換処理を行ない、その後、電池動作部２１ｂの電
解質膜活性を回復させる構成としてもよい。このような
構成を第２実施例として以下に説明する。

【００５０】ここでは、まず電解質膜２１Ｂを１Ｎの水
酸化カリウム溶液に浸漬して、電解質膜２１Ｂ全体に対
してイオン交換処理を行なう。イオン交換処理の後は、
第１実施例と同様に電解質膜２１Ｂを乾燥し、その表面
にスクリーン印刷によって白金等の触媒を固着させる。
その後、図６に示したマスキング具４０を電解質膜２１
Ｂに装着して、電解質膜活性を復活させる処理を行な
う。マスキング具４０は、マスキング具３０とは逆に、
電池動作部２１Ｂｂを除く周辺部を覆うマスキング部４
２を備えている。マスキング部４２に覆われている周辺
領域は、所定の圧力を加えられることで（本実施例では
５０ｋｇ／ｃｍ² ）、上記の処理によっても変化するこ
となくカリウムイオンでイオン交換された状態を保ち、
イオン交換部２１Ｂａを形成する。電解質膜活性を復活
させる処理としては、まず１Ｎの硫酸で２時間煮沸し、
プロトンリッチな状態で煮沸を行なうことで交換された
陽イオンを官能基から追い出す。その後イオン交換水で
煮沸洗浄する（２時間×２〜３回）。これによって、マ
スキング具４０で覆われていない電池動作部２１Ｂｂは
図４に示した構造に戻り、電解質活性が復活する。

【００５１】この電解質膜２１は、第１実施例と同様に
組み立てられ、燃料電池１０Ｂを構成するが、各単セル
でのガスシールは第１実施例と同様に接着剤によって行
なわれる。

【００５２】このように構成された第２実施例の燃料電
池１０Ｂでは、第１実施例の燃料電池１０の効果に加え
て、スクリーン印刷による触媒の固着が簡便になるとい
う効果を奏する。第２実施例では、スクリーン印刷時に
は、触媒が固着される電池動作部２１Ｂｂがイオン交換
されて吸水性を失った状態にある。従って、スクリーン
印刷に用いる溶媒を吸収して電解質膜が膨潤することが
なく、触媒の印刷が簡便になる。

【００５３】上記第１および第２実施例では、接着剤を
用いて単セル周辺部でのガスシールを行なったが、熱圧
着によってガスシールを行なう構成も好ましい。固体高
分子電解質膜に対して上記のようにイオン交換処理を行
なうと、吸水性を失って接着剤による接着性が向上する
が、イオン交換処理によって固体高分子電解質膜は熱可
塑性をも獲得し、熱圧着によって充分なガスシールを実
現することが可能になるのである。熱圧着によってこの
ようなガスシールを行なう構成を、第３実施例として以
下に示す。

【００５４】熱圧着によってガスシールを行なって燃料
電池１０Ｃを製造する場合にも、電解質膜２１Ｃの製造
工程は上記第１または第２実施例と同様である。すなわ
ち、第１または第２実施例の方法に従って、電池動作部
２１Ｃｂを除く周辺部に対してイオン交換処理を行なっ
てイオン交換部２１Ｃａを形成し、電池動作部２１Ｃｂ
には白金等の触媒を固着しておく。この電解質膜２１Ｃ
を一対のガス拡散電極で挟持して熱圧着を行ない、これ
らをさらにセパレータ２４Ｃ、２５Ｃで挟持するが、そ
の際、セパレータ２４Ｃおよび２５Ｃは、予め２００℃
に熱しておく。このようにセパレータ２４Ｃ、２５Ｃを
予め熱しておくことで、電解質膜２１Ｃとの接合を瞬時
に行なうことができる。セパレータ２４Ｃ、２５Ｃを上
記のように電解質膜の溶融温度以上に熱しておけば、こ
れと接触した電解質膜２１Ｃはその場で溶解する。この
電解質膜２１Ｃが、セパレータ２４Ｃ、２５Ｃと接続し
た状態で冷えて固まったときには、充分なガスシール性
が達成されている。

【００５５】ここで、セパレータ２４Ｃ、２５Ｃの接続
部位は、予め粗面化しておくことが好ましい。粗面化の
方法は、アルゴンのスパッタリングやレーザーによる方
法、あるいは目の細かいやすり等で削り取るなどの方法
があるが、セパレータ２４Ｃ、２５Ｃの接続部位を適度
に粗面化することができればよい。セパレータ２４Ｃ、
２５Ｃの接続部位を予め粗面化して、表面に細かい凹凸
部を有する粗面化部２４ａ、２５ａを形成しておけば、
電解質膜２１Ｃのイオン交換部２１Ｃａが熱せられて溶
解したとき、この溶解した電解質膜２１Ｃが、粗面化部
２４ａ、２５ａの細かい凹凸部の中に入り込むため、セ
パレータ２４Ｃ、２５Ｃと電解質膜２１Ｃとの接続をよ
り強固にすることができる。熱圧着によって電解質膜２
１Ｃとセパレータ２４Ｃ、２５Ｃとを接続した様子を図
７に示す。

【００５６】このように、電解質膜２１Ｃのイオン交換
部２１Ｃａとセパレータ２４Ｃ、２５Ｃとの間のガスシ
ールを熱圧着によって行なえば、ガスシールのためにＯ
リングの様な特別な部材を設ける必要がなく、また、電
解質膜２１Ｃの面積を最小限に抑えることができるとい
う優れた効果を奏する。さらに本実施例の燃料電池１０
Ｃでは、Ｏリングのような所定の厚みを有する別部材を
挟み込むことがないので、単セル２０Ｃの薄型化を阻む
ことがなく、単セル２０Ｃを積層した燃料電池１０Ｃ全
体の薄型化も可能となる。また、単セル２０Ｃの薄型化
によって、積層する単セル２０Ｃの枚数を増やすことが
できるため、燃料電池１０Ｃの容量を増加させることが
できる。

【００５７】本実施例では、セパレータ２４Ｃ、２５Ｃ
を電解質膜２１Ｃの溶融温度以上に予め熱しておき、電
解質膜２１Ｃとの間で熱圧着を行なった。セパレータ２
４Ｃ、２５Ｃに対するこのような予熱を行なわず、ガス
拡散電極２３Ｃ、２４Ｃをセパレータ２４、２５で挟持
した後に加熱して圧着させることも可能であるが、セパ
レータ２４、２５を予め熱しておくことによって、電解
質膜２１Ｃが熱によって受けるダメージを軽減すること
ができる。電解質膜２１Ｃは、材料によっては２００℃
程度で熱処理を行なうと膜の性質が変化して疎水性が強
まり、導電性が低下するものが知られている。セパレー
タ２４Ｃ、２５Ｃで挟持した後に加熱する場合には、イ
オン交換部２１Ｃａを溶融させる間ずっと電池動作部２
１Ｃｂも同様の高温にさらされることになる。本実施例
のように、セパレータ２４Ｃ、２５Ｃを予熱しておけ
ば、熱圧着の操作が短時間で終了するため、電池動作部
２１Ｃｂが高温にさらされる時間を短縮することがで
き、高温で受けるダメージを軽減できる。もとより、電
解質膜２１Ｃが熱によって受けるダメージが許容できる
範囲内である場合には、セパレータ２４、２５の予熱を
行なわず、圧着時に全体を加熱する構成としても構わな
い。

【００５８】上記第１ないし第３実施例においは、厚さ
１００μｍの電解質膜を使用したが、電解質膜の薄型化
は導電性の向上をもたらし、これによって各単セルの電
池性能が向上する。固体高分子電解質型燃料電池では、
固体である電解質膜中をイオンが移動することによって
導電性を示すため、電解質膜が薄い方がこのような導電
性を確保するためには適している。以下に、厚さ５０μ
ｍの電解質膜を使用して熱圧着によりガスシールを行な
う場合について第４実施例として説明する。

【００５９】薄い電解質膜を用いる場合にも、第１ない
し第３実施例と同様に、周辺部に対してイオン交換処理
を施して熱可塑性を与えることができる。しかしながら
このように薄い電解質膜の場合には、第３実施例のよう
に熱圧着を行なおうとすると、膜厚が薄すぎるために電
解質膜を損傷することがある。あるいは、熱圧着時には
損傷しない場合にも、燃料電池の運転中に大きな圧力を
加え続けることで損傷し、短絡を起こしてしまう可能性
がある。そこで本実施例では、このように５０μｍ程度
の薄い膜厚の電解質膜を用いて熱圧着によりガスシール
を行なうために、イオン交換処理を施した電解質膜と同
一素材の共材２８を用いた。図８に示すように、このよ
うな共材２８で電解質膜２１Ｄのイオン交換部２１Ｄａ
をコの字型に挟持し、セパレータ２４Ｄおよび２５Ｄと
の間で熱圧着を行なう。

【００６０】その際、電解質膜２１Ｄは、第１実施例ま
たは第２実施例のいずれの方法によって作製してもよ
い。電池動作部２１Ｄｂを覆って周辺部に対してのみイ
オン交換処理を行ない、その後電池動作部２１Ｄｂに触
媒を固着させることとしてもよいし、電解質膜２１Ｄ全
体をイオン交換処理して、電池動作部２１Ｄｂに触媒を
固着させた後に電池動作部２１Ｄｂの電解質活性を復元
することとしてもよい。熱圧着を行なうときに用いる共
材２８としては、電解質膜２１Ｄと同一の固体高分子電
解質膜を用意し、この固体高分子電解質膜に対して電解
質膜２１Ｄと同様のイオン交換処理を施す。その結果、
電解質膜２１Ｄのイオン交換部２１Ｄａと共材２８Ｄと
は熱可塑性を備えることになる。電解質膜２１Ｄを一対
のガス拡散電極２２Ｄ、２３Ｄで挟持してこれらを熱圧
着し、このガス拡散電極２２Ｄ、２３Ｄからはみ出した
イオン交換部２１Ｄａに、図８に示すように共材２８を
コの字型に配置する。予め２００℃に熱しておいたセパ
レータ２４Ｄ、２５Ｄでこれらを挟持して加圧すること
により、電解質膜２１Ｄとセパレータ２４Ｄ、２５Ｄと
の間でシール性を達成することができる。第３実施例と
同様に、セパレータ２４Ｄ、２５Ｄの接着部を予め粗面
化しておくことが好ましい。

【００６１】第４実施例の燃料電池によれば、電解質膜
２１Ｄとセパレータ２４Ｄ、２５Ｄとの間に共材２８を
介在させるため、膜厚の薄い電解質膜２１Ｄを用いて熱
圧着を行なっても、圧力をかけることで電解質膜２１Ｄ
を損傷することがない。また、この燃料電池を動作させ
たときに、高い圧力で締め付けることによって電解質膜
２１Ｄを損傷し、短絡を起こすおそれもない。ここで、
共材２８として電解質膜２１Ｄと同一の固体高分子電解
質膜をイオン交換して用いるため、共材２８は電解質膜
２１Ｄと同様に良好な熱可塑性を示し、充分なシール性
を実現しながら電解質膜２１Ｄとセパレータ２４Ｄ、２
５Ｄとを接続する。電解質膜２１Ｄと共材２８とが同一
素材であるため、両部材間のなじみが良く、熱圧着時に
は溶融して容易に一体化し、優れた接着性を示す。

【００６２】また、本実施例の燃料電池では電解質膜の
膜厚を５０μｍとしたが、膜厚は５０μｍに限るもので
はない。本実施例のように共材２８を介在させる方法
は、圧力に対する強度が弱い薄い電解質膜を熱圧着する
際、電解質膜の損傷を防ぐために有効である。

【００６３】ここで、熱圧着の際に用いる共材２８とし
て電解質膜２１Ｄと同一素材の固体高分子電解質膜を用
いたが、共材２８は、熱圧着によって電解質膜２１Ｄと
セパレータ２４Ｄ、２５Ｄとの間をシール性を保って接
着可能な熱可塑性を有し、電解質膜２１Ｄの破断や短絡
を防ぎ得る強度を実現する厚みを、電解質膜２１Ｄとセ
パレータ２４Ｄ、２５Ｄとの間に設けることができれば
よい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカ
ーボネートなどのように、耐水蒸気性、耐酸化性、熱可
塑温度が電解質膜２１Ｄと近いものを共材２８として用
いることが可能である。これらの材質で教材２８を形成
することとすれば、特殊な固体高分子電解質膜を共材用
に用意する必要がない。

【００６４】上記第１ないし第４実施例では、イオン交
換処理時に電解質膜を１Ｎの水酸化カリウム溶液に浸漬
することとしたが、このイオン交換液は、電解質膜の官
能基Ａのプロトンを完全に置換し得る量の陽イオンを含
んでいればよい。従って、これよりも低濃度のアルカリ
溶液であっても充分な液量があればよく、逆に、液量を
減らしたい場合にはイオン交換液の濃度を濃くすること
によってプロトンの置換を充分に行なうことができる。

【００６５】また、イオン交換に用いる溶液は、水酸化
カリウム以外にも、水酸化ナトリウムやテトラブチルア
ンモニウム（ＴＢＡ）など、電解質膜の官能基Ａのプロ
トンとイオン交換が可能であって、イオン交換によって
電解質膜の吸水性を失わせ、あるいは熱可塑性を与える
ものであればよい。水酸化カリウム溶液や水酸化ナトリ
ウム溶液は、短時間でイオン交換処理を終了することが
できるイオン交換液であり、これらは吸水性を失わせ熱
可塑性を与える能力も充分である。テトラブチルアンモ
ニウムは、水酸化カリウム溶液や水酸化ナトリウム溶液
に比べるとイオン交換に時間を要するが、一旦イオン交
換が行なわれると、カリウムイオンやナトリウムイオン
に比べて官能基Ａとの結びつきが強いため、疎水化と熱
可塑化をより完全に行なうことができる。

【００６６】以上、電解質膜にイオン交換処理を施すこ
とによって、電解質膜に疎水性および熱可塑性を備えさ
せ、接着剤による接着および熱圧着を可能にする構成に
ついて説明したが、電解質膜は、本来その前駆体膜では
これら疎水性や熱可塑性といった性質を帯びている。こ
の前駆体膜の性質を利用してセパレータの間でガスシー
ルを行なう構成を、以下に第５実施例として説明する。

【００６７】既述したように、これまで説明した実施例
で用いた固体高分子電解質膜は図４に示す構造をとる
が、この固体高分子電解質膜の前駆体膜は図９に示す構
造を有する。前駆体膜は、官能基Ａのプロトンの替わり
にフッ素が結合しており、この構造は遊離するイオンの
無い不活性な構造であって、前駆体膜はイオン交換した
膜と同様に吸水性を持たず、熱可塑性を備えている。通
常は、この前駆体膜に対して所定の活性化処理を施した
固体高分子電解質膜を材料として燃料電池を製造する
が、本実施例では、活性化処理を施す前の前駆体膜を材
料として用いる。図９に示す構造を有する前駆体膜を以
後Ｆ型膜と呼ぶことにする。

【００６８】まず、用意したＦ型膜に、第２実施例と同
様に図６に示すマスキング具４０を装着する。マスキン
グ具４０を装着することで、電池動作部２１ｂを除く周
辺部が覆われた状態になる。この状態で電解質膜２１Ｅ
に対して活性化処理を行なう。マスキング具４０を装着
した状態で以下の活性化処理を行なうことで、電池動作
部２１Ｅｂだけが活性化され、電池動作部２１Ｅｂの周
辺部は活性化されずにＦ型部２１ｃとして残る。活性化
処理としては、まず、１Ｎの水酸化カリウム溶液中で２
時間煮沸を行ない、官能基Ａのフッ素をカリウムに置き
換える。次に、１Ｎの硫酸中で同じく２時間煮沸を行な
ってカリウムイオンをプロトンに置き換え、その後イオ
ン交換水中で２〜３回煮沸洗浄を行なう。この一連の処
理によって、Ｆ型膜は活性化されて図４に示す構造のナ
フィオン膜となって、電解質膜２１Ｅが出来上がる。

【００６９】上記の処理の後電解質膜２１Ｅを乾燥させ
（１００℃、２０ｍｉｎ．）、第１実施例と同様に、電
池動作部２１Ｅｂに対して既述のスクリーン印刷により
触媒を固着させる。その後は、この電解質膜２１Ｅを一
対のガス拡散電極２２Ｅ、２３Ｅで挟持し、さらにこれ
らをセパレータ２４Ｅ、２５Ｅによって挟持して、接着
剤を用いて電解質膜２１Ｅとセパレータ２４Ｅ、２５Ｅ
との間を接着する。このようにして図２に示す単セル２
０Ｅを構成し、この単セル２０Ｅを積層して燃料電池１
０Ｅを作製する。

【００７０】以上説明した第５実施例の燃料電池では、
電池動作部２１Ｅｂだけが活性化処理を受けて、周辺部
は前駆体膜の性質を保持したＦ型部を形成しているた
め、吸水性を持たないＦ型部を利用して、接着剤を用い
て各単セル２０Ｅのガスシールを行なうことができる。
従って、ガスシールのためにＯリングのような別部材を
設ける必要がなく、そのため、必要な電解質膜２１Ｅの
面積を最小限に抑えることができる。また、２ｍｍ程度
の所定の厚みを有すＯリングを組み込む必要がないこと
から、燃料電池１０Ｅ全体の薄型化を図ることができ、
積層する単セル数を増やして電池容量を増大させること
が可能となる。

【００７１】上記第５実施例では、電池動作部２１Ｅｂ
に活性化処理を施した後で、スクリーン印刷によって白
金などの触媒の固着を行なったが、このような触媒の固
着は、活性化処理を施す前に行なってもよい。すなわ
ち、活性化処理前のＦ型の状態の時にスクリーン印刷を
行なって触媒の固着を行ない、その後マスキング具４０
を装着して上記した活性化処理を行なう。このようにし
て燃料電池１０Ｆを作製する場合には、触媒の固着時に
は電解質膜２１Ｆが吸水性を持たないＦ型であるため、
スクリーン印刷に用いる溶媒によって電解質膜２１Ｆが
膨潤することがなく、スクリーン印刷をより簡便に行な
うことができる。

【００７２】また、上記第５実施例では、各単セル２０
におけるガスシールを接着剤によって行なったが、第３
実施例のように熱圧着によって行なうこととしてもよ
い。Ｆ型膜はイオン交換処理を行なった場合と同じく熱
可塑性を備えるため、熱圧着によってガスシールを行な
うことができる。この場合には、まず、第５実施例と同
じく前駆体膜の活性化処理と白金などの触媒の固着を行
なう。スクリーン印刷による触媒の固着は、前駆体膜の
活性化処理の前に行なっても後に行なっても構わない
が、上述したように、吸水性を持たないＦ型膜に対して
スクリーン印刷を行なった方が触媒の固着が簡便になる
という利点がある。その後の熱圧着の処理は第３実施例
と共通する。セパレータ２４Ｇ、２５Ｇの接続部を予め
粗面化しておくことによって熱圧着時の接着をより強固
にすることができる。また、セパレータ２４Ｇ、２５Ｇ
を予め２００℃に熱しておき、熱圧着を短時間で終了す
ることによって、電解質膜２１Ｇが高熱によって損なわ
れるのを防ぐことができる。

【００７３】このように、Ｆ型膜が熱可塑性を有するこ
とを利用して、熱圧着によって各単セル２０Ｇのガスシ
ールを行なった燃料電池では、第５実施例の燃料電池と
同様に、ガスシールのためにＯリングのような別部材を
用意する必要がなく、電解質膜２１Ｇとして必要な面積
を最小限に抑えることができる。また、所定の厚みを有
するＯリングが不要となることで、燃料電池全体の薄型
化が可能となる。更に、同じ体積で積層する単セルの数
を増やすことができるため電池性能を向上させることが
可能となる。

【００７４】ここで、Ｆ型膜の状態で触媒の固着を予め
行ない、その後電池動作部２１Ｇｂを活性化処理する場
合には、活性化処理後の乾燥の工程を省略して熱圧着を
行なうことができる。薄い電解質膜を乾燥させるときに
は、乾燥の工程で電解質膜にしわが生じたりするのを防
ぐために、板状の器具で電解質膜を挟んで、電解質膜を
伸ばした状態で乾燥させる必要がある。上記の場合のよ
うに、活性化処理時にすでに触媒が固着されている場合
には、電解質膜を乾燥させるこのような工程を省略し
て、電解質膜を伸ばした状態で熱圧着を行ない、乾燥を
同時に行なうことができる。

【００７５】さらに、膜厚が５０μｍ程度と薄い電解質
膜２１Ｈを用いる燃料電池でガスシールを行なう場合に
も、Ｆ型膜の性質を利用することができる。この場合に
は、薄い電解質膜が熱圧着の際に破断したりするのを防
ぐために、第４実施例で図８に示した構成と同様に、セ
パレータ２４Ｈ、２５Ｈとの接続部に共材２８Ｈを配
し、電解質膜２１Ｈの膜厚を補って圧着に耐える強度を
与える。

【００７６】このとき、電解質膜２１Ｈは、第５実施例
と同じくＦ型膜の状態で準備し、これに図６に示すマス
キング具４０を装着して電池動作部２１Ｈｂの活性化処
理を行なう。その際、電池動作部２１Ｈｂの活性化処理
を行なう前または後に、既述したスクリーン印刷によっ
て白金などの触媒を電池動作部２１Ｈｂに固着する。電
解質膜２１Ｈにおいて、活性化処理を受けた電池動作部
２１Ｈｂを除く周辺部はマスキング具４０に覆われてい
たため活性化されておらず、熱可塑性を有するＦ型部２
１Ｈｃを形成している。このＦ型部２１Ｈｃを、図８に
示すように同じくＦ型膜である共材２８Ｈでコの字型に
挟み、一対のガス拡散電極２２Ｈ、２３Ｈおよびセパレ
ータ２４Ｈ、２５Ｈを配して熱圧着を行なう。この時、
セパレータ２４Ｈ、２５Ｈを予め２００℃に加熱してお
き、圧着を短時間で終了するならば、電解質膜２１Ｈが
高温でダメージをうけるのを抑えることができる。

【００７７】上記のように熱圧着を行なうと、予熱され
たセパレータ２４Ｈ、２５Ｈに接触したときに電解質膜
２１ＨのＦ型部２１Ｈｃおよび共材２８Ｈが溶解し、こ
れらが冷えて固まる過程で電解質膜２１Ｈとセパレータ
２４Ｈ、２５Ｈとの間を隙間なく接着する。ここでは電
解質膜２１Ｈとセパレータ２４Ｈ、２５Ｈとの間に所定
の厚みの共材２８Ｈが介在しているため、接着のために
加圧を行なっても電解質が損傷することがない。また、
このように作製した単セル２０Ｈを積層した燃料電池に
おいて、スタック構造を締め付けて常に加圧した状態で
運転しても、運転中に電解質膜２１Ｈが損傷して短絡を
起こすことがない。

【００７８】ここでは、Ｆ型部２１Ｈｃとセパレータ２
４Ｈ、２５Ｈとを接続する共材２８Ｈとして、電解質膜
２１Ｈと同一素材のフッ素系樹脂のＦ型膜を用いたた
め、電解質膜２１Ｈと共材２８Ｈとのなじみが良く、加
熱時には両者は溶融して容易に一体化し、強い接着性を
示す。この共材２８Ｈとして用いる膜は、電解質膜２１
Ｈの圧着部での強度を補うのに充分な膜厚を有し、熱圧
着によって電解質膜２１Ｈとセパレータ２４Ｈ、２５Ｈ
との間をガスシールする熱可塑性を備えるものであれ
ば、他種の膜を用いてもよい。Ｆ型膜の替わりに、前述
のイオン交換処理を施した膜を用いてもよいし、ポリエ
チレン、ポリプロピレン、ポリカーボネートなどのよう
に、耐水蒸気性、耐酸化性、熱可塑温度が電解質膜２１
Ｈと近い膜を用いることもできる。

【００７９】以上説明した実施例では、白金などの触媒
はカーボン粉に担持させた上で適当な有機溶剤に分散さ
せ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、スクリー
ン印刷によって電解質膜２１上に固着した。このよう
に、平坦な電解質膜上に印刷によって触媒を固着する方
法によれば、触媒が均一に固着されるため、電池の動作
時に触媒活性を充分に利用することができ、固着する触
媒量も少なくて済む。電解質膜２１に触媒を固着する方
法としては、この他に、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ
法、ＰＶＤ法などの薄膜形成法で白金を担持させること
としてもよい。また、白金などの触媒は、電解質膜２１
に固着させるのではなく、ガス拡散電極側に固着するこ
ともできる。カーボンクロスのように表面に凹凸のある
ガス拡散電極に触媒を固着する場合には、上記スクリー
ン印刷を行なう場合と同様に白金などの触媒を担持した
カーボン粉を作製し、このカーボン粉をガス拡散電極に
おける電解質膜側に練り込むことで容易に触媒の固着を
行なうことができる。

【００８０】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる
様態で実施し得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施例である燃料電池１０を
構成する単セル２０の構造を模式的に表わす断面図であ
る。

【図２】単セル２０および２０Ｅでガスシールを実現す
る接続部の構成を示す断面図である。

【図３】マスキング具３０の構成を示す説明図である。

【図４】電解質膜２１の構造を示す説明図である。

【図５】イオン交換処理を施した電解質膜２１の構造を
示す説明図である。

【図６】第２実施例におけるマスキング具４０の構成を
示す説明図である。

【図７】単セル２０Ｃおよび２０Ｇでガスシールを実現
する接続部の構成を示す断面図である。

【図８】単セル２０Ｄおよび２０Ｈでガスシールを実現
する接続部の構成を示す断面図である。

【図９】前駆体膜であるＦ型膜の構造を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１０、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｅ、１０Ｆ…燃料電池 ２０、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｇ、２０Ｈ…単セ
ル ２１、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ、２１Ｅ、２１Ｆ、２１
Ｇ、２１Ｈ…電解質膜 ２１ａ、２１Ｂａ、２１Ｃａ、２１Ｄａ…イオン交換部 ２１ｂ、２１Ｂｂ、２１Ｃｂ、２１Ｄｂ、２１Ｅｂ、２
１Ｅｂ、２１Ｇｂ、２１Ｈｂ…電池動作部 ２１ｃ、２１Ｈｃ…Ｆ型部 ２２…アノード ２３…カソード ２４、２４Ｃ、２４Ｄ、２４Ｅ、２４Ｇ、２４Ｈ…セパ
レータ ２４ａ…粗面化部 ２４Ｐ…燃料ガス流路 ２５…セパレータ ２５ａ…粗面化部 ２５Ｐ…酸化ガス流路 ２６、２７…集電板 ２８、２８Ｄ、２８Ｈ…共材 ２９…接着剤層 ３０…マスキング具 ３２…マスキング部 ３４…締結ボルト ４０…マスキング具 ４２…マスキング部

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体高分子膜を電解質層として用いた燃
   料電池であって、 前記固体高分子膜は、陽イオン交換活性を有する活性領
   域と、陽イオン交換活性を有しない不活性領域とを形成
   し、 該不活性領域において、前記固体高分子膜を枠体に固着
   してなる燃料電池。
2. 【請求項２】 前記不活性領域は疎水性を帯びた領域で
   あり、 前記固体高分子膜の枠体への固着は、接着剤を用いた接
   着によるものである請求項１記載の燃料電池。
3. 【請求項３】 前記不活性領域は熱可塑性を帯びた領域
   であり、 前記固体高分子膜の枠体への固着は、熱圧着によるもの
   である請求項１記載の燃料電池。
4. 【請求項４】 前記枠体が、前記固体高分子膜と共に設
   けられたガス拡散電極を挟持するセパレータである請求
   項１ないし３記載の燃料電池。
5. 【請求項５】 前記枠体において、前記固体高分子膜と
   の固着に関わる領域が粗面化処理されている請求項３記
   載の燃料電池。
6. 【請求項６】 固体高分子膜を電解質層として用いた燃
   料電池であって、 前記固体高分子膜は、陽イオン交換活性を有する活性領
   域と、陽イオン交換活性を有すること無く熱可塑性を備
   えた不活性領域とを形成し、 該不活性領域において、熱可塑性を有する薄膜を介し
   て、前記固体高分子膜を枠体に熱圧着によって固着して
   なる燃料電池。
7. 【請求項７】 前記熱可塑性を有する薄膜が、前記固体
   高分子膜における不活性領域と同一素材の薄膜である請
   求項６記載の燃料電池。
8. 【請求項８】 前記固体高分子膜の不活性領域は、該固
   体高分子膜の所定の領域に対して陽イオン交換処理を行
   なった領域である請求項１ないし７記載の燃料電池。
9. 【請求項９】 前記固体高分子膜の不活性領域は、該固
   体高分子膜の不活性な前駆体膜を所定の処理によって活
   性化する際、該前駆体膜の所定の領域のみ該所定の処理
   を施すことなく、該前駆体膜の性質を保持させた領域で
   ある請求項１ないし７記載の燃料電池。
10. 【請求項１０】 固体高分子膜からなる電解質層の一部
    を不活性化して、陽イオン交換活性を有しない不活性領
    域を形成し、 該不活性領域において、前記固体高分子膜を枠体に固着
    する燃料電池の製造方法。
11. 【請求項１１】 陽イオン交換活性を有しない不活性な
    固体高分子膜の主要部を活性化して、陽イオン交換活性
    を備えた電解質層を形成し、 前記活性化の際に活性化されずに残った不活性領域にお
    いて、前記固体高分子膜を枠体に固着する燃料電池の製
    造方法。
12. 【請求項１２】 陽イオン交換活性を備え、電解質層と
    して使用可能な固体高分子膜であって、 該固体高分子膜は、その周縁部に、陽イオン交換活性を
    有しない不活性領域を形成し、 該不活性領域において、前記固体高分子膜を枠体に固着
    可能である固体高分子膜。