(57)【要約】  ＭＥＡ−枠接合体を射出成型用金型に配置して、電極部の外縁と枠体の内縁の間において電極部の外縁沿いに延在して配置される第１の流路と、枠体の内外縁の間において内側弾性部材沿いに延在して配置される第２の流路と、第１の流路と上記第２の流路とを連通する複数の連通流路とを形成し、第１の流路に弾性体樹脂を注入することにより、第１の流路内に弾性体樹脂を充填するとともに、それぞれの連通流路を通して第２の流路に上記弾性体樹脂を充填し、ＭＥＡ−枠接合体とセパレータとの間を密着封止する弾性部材を一体的に形成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の周縁部が露出されるように、上記電解質膜の一方の面にアノード電極が接合されかつ上記電解質膜の他方の面にカソード電極が接合されて構成される膜電極複合体と、上記アノード電極及び上記カソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を有して、上記電解質膜の周縁部を挟んで上記膜電極複合体を保持する枠体と、により形成される電極−膜−枠接合体と、上記電極−膜−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータとを有する複数の単電池モジュールを積層して組み立てられた高分子電解質型燃料電池において、
上記電極−膜−枠接合体において、上記アノード電極または上記カソード電極の外縁と上記枠体の内縁の間にて、上記電極の外縁沿いに延在して、上記電解質膜上に配置されるとともに、上記枠体に接合された内側弾性部材と、
上記枠体の内外縁の間において、上記内側弾性部材沿いに延在して配置されるとともに、上記枠体に接合された外側弾性部材と、
上記枠体に接合され、上記内側弾性部材と上記外側弾性部材とを連結する複数の連結弾性部材とを備え、
上記内側弾性部材及び上記外側弾性部材は、単電池モジュール組立て後の上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間隔寸法以上の厚さを有して、上記単電池モジュールが組立てられた状態にて、それぞれの上記弾性部材が上記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間を密着封止する、高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
上記内側弾性部材は、上記電極−膜−枠接合体において、上記枠体の上記ガス供給部から上記アノード電極または上記カソード電極へのガスの供給経路の形成位置を除いて、上記アノード電極または上記カソード電極の周囲全体に渡って配置されている、請求項１に記載の高分子電解質側燃料電池。
【請求項３】
上記外側弾性部材は、上記内側弾性部材よりもその頂部が高くなるように形成され、上記膜電極複合体と上記セパレータとの間に形成される空間を、上記単電池モジュール外部に対して密閉封止するガスケットとして機能する、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記内側弾性部材、上記外側弾性部材、および上記連結弾性部材のそれぞれは、上記電極−膜−枠接合体の表裏面に形成されている、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記内側弾性部材、上記外側弾性部材、および上記連結弾性部材のそれぞれは、射出成形により一体的に形成され、射出成形における樹脂の注入部に形成された注入部跡弾性部材が、上記それぞれの弾性部材のうちの上記外側弾性部材にのみに接続されている、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
上記内側弾性部材、上記外側弾性部材、および上記連結弾性部材のそれぞれは、上記電極−膜−枠接合体の表裏面に形成され、
上記それぞれの弾性部材のうちの表面側の上記外側弾性部材と裏面側の上記外側弾性部材とが上記注入部跡弾性部材により接続され、
上記注入部跡弾性部材がその内側に配置された貫通孔が、上記枠体に形成されている、請求項５に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
高分子電解質膜の周縁部が露出されるように、上記電解質膜の一方の面にアノード電極が接合されかつ上記電解質膜の他方の面にカソード電極が接合されて構成される膜電極複合体と、上記アノード電極及び上記カソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を有して、上記電解質膜の周縁部を挟んで上記膜電極複合体を保持する枠体と、により形成される電極−膜−枠接合体と、上記電極−膜−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータとを有する複数の単電池モジュールを積層して組み立てられる高分子電解質型燃料電池における上記電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
上記電極−膜−枠接合体を射出成型用金型に配置して、上記電極−膜−枠接合体において、上記アノード電極または上記カソード電極の外縁と上記枠体の内縁の間にて、上記電極の外縁沿いに延在して、上記電解質膜上に配置される第１の流路と、上記枠体の内外縁の間において上記内側弾性部材沿いに延在して配置される第２の流路と、上記第１の流路と上記第２の流路とを連通する複数の連通流路とを形成し、
上記第１の流路に弾性体樹脂を注入することにより、上記第１の流路内に上記弾性体樹脂を充填するとともに、上記それぞれの連通流路を通して上記第２の流路に上記弾性体樹脂を充填し、
上記充填された弾性体樹脂を硬化させることにより、上記第１及び第２の流路並びに上記それぞれの連通流路において、上記単電池モジュールが組立てられた状態にて、上記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間を密着封止する弾性部材を一体的に形成する、電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項８】
上記第１の流路は、上記電極−膜−枠接合体において、上記枠体の上記ガス供給部から上記アノード電極または上記カソード電極へのガスの供給経路の形成位置を除いて、上記アノード電極または上記カソード電極の周囲全体に渡って形成される、請求項７に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項９】
上記第１及び第２の流路は、上記単電池モジュールが組立てられた状態における上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間隔寸法以上の深さを有する、請求項７に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１０】
上記流路の形成において、上記第１の流路における上記弾性体樹脂の注入位置からの距離が大きくなるにしたがって、その断面積が大きくなるように、上記それぞれの連通流路を形成する、請求項７に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１１】
上記流路の形成において、上記電極−膜−枠接合体のアノード側及びカソード側の面において、上記第１及び第２の流路並びに上記それぞれの連通流路を形成するとともに、上記枠体の貫通孔を通して、上記アノード側の上記第１の流路と上記カソード側の上記第１の流路に、上記弾性体樹脂を同時に注入する、請求項７に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１２】
上記流路の形成において、上記各々の連通流路の断面積が、上記第１の流路の断面積及び上記第２の流路の断面積よりも小さくなるように、上記それぞれの流路を形成する、請求項７に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１３】
上記流路の形成において、上記第１の流路が、上記第２の流路よりもその頂部が高くなるように形成される、請求項７に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関し、特に、燃料電池の電解質膜−電極接合体と導電性セパレータとのシール構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体高分子電解質型燃料電池においては、周縁部にガスをシールするためのガスケットを配した枠体により膜電極複合体（ＭＥＡ）が保持されたＭＥＡ−枠接合体を、アノード側導電性セパレータ板とカソード側導電性セパレータ板とにより挟んで構成された単電池モジュールが用いられている。ＭＥＡは、高分子電解質膜と、この電解質膜の一方の面にアノードが接合されかつ前記電解質膜の他方の面にカソードが接合されて形成されている。それぞれのセパレータ板の周縁には、ＭＥＡのアノードに燃料ガスを、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス供給部が形成されている。【０００３】
しかし、この従来の固体高分子電解質型燃料電池は、図１５の電極−膜−枠接合体の断面図に示すように、枠体３００とセパレータ３０１との組立て上の必要性から、枠体３００の内縁と電極（ＭＥＡ）３０２との間に隙間３０３があることから、電池内に供給されたガスの一部は、この隙間３０３を伝って排出されてしまうクロスリークといわれる現象が起きる。【０００４】
また、この現象の改善の為、図１６の電極−膜−枠接合体の断面図に示すように、この隙間３０３に第２のガスケット３０８を配置した構成、あるいはガスケットの内縁の一部と電極３０２の外縁が部分的に接する様に設置する方法（図示せず、例えば、特許文献１参照）が提案されている。【０００５】
また、ＭＥＡ、すなわち高分子電解質膜は枠体厚みのほぼ中央に組み込まれており、その接合方法として熱圧着、接着剤、機械的クランプなどが採用されている。【０００６】
また、電極−膜−枠接合体におけるガスケット等の配置構成としては、その他様々な構造が提案されている（例えば、特許文献２〜７参照）。【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１００９７０号公報
【特許文献２】特開２００６−１７２７５２号公報
【特許文献３】特開２００６−３１０２８８号公報
【特許文献４】特開２００１−１０２０７２号公報
【特許文献５】特開２００５−２５９４６５号公報
【特許文献６】米国特許第６６１０４３５号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００５／０１４２４１４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、高分子電解質膜の熱圧着又は接着による接合方法では、高分子電解質膜に熱、及び接着剤の揮発成分による性能低下を招く可能性があり、条件が限られている。また、機械的クランプによる接合方法では、高分子電解質膜と枠体の微小な隙間からクロスリークが発生し易いという問題が発生する。【０００９】
図１６の電極−膜−枠接合体の構成では、枠体３００の内縁と電極３０２との間に隙間３０３が生じることを防止する第２のガスケット３０８を配置する構成を採用しているために、その製造コストがかかるという問題がある。さらに、このガスケット３０８を部分的に溶融させて隙間を埋めるとき、寸法管理が困難であるという問題もある。【００１０】
また、特許文献１の電極−膜−枠接合体の構成では、ガスケットの内縁の一部と電極３０２の外縁とが部分的に接触されるため、クロスリーク現象の抑制効果が不十分である。また、ガス拡散電極は一般にもろい炭素繊維が主成分の為、組み立て時に電極にダメージ与えやすいという問題もある。【００１１】
さらに、特許文献２〜７のいずれにおいても、クロスリーク現象を効果的に抑制しつつ、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を向上させることができるような電極−膜−枠接合体は提案されていない。【００１２】
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる高分子電解質型燃料電池、及びこのような高分子電解質型燃料電池にて用いられる電極−膜−枠接合体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。【００１４】
本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜の周縁部が露出されるように、上記電解質膜の一方の面にアノード電極が接合されかつ上記電解質膜の他方の面にカソード電極が接合されて構成される膜電極複合体と、上記アノード電極及び上記カソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を有して、上記電解質膜の周縁部を挟んで上記膜電極複合体を保持する枠体と、により形成される電極−膜−枠接合体と、上記電極−膜−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータとを有する複数の単電池モジュールを積層して組み立てられた高分子電解質型燃料電池において、
上記電極−膜−枠接合体において、上記アノード電極または上記カソード電極の外縁と上記枠体の内縁の間にて、上記電極の外縁沿いに延在して、上記電解質膜上に配置されるとともに、上記枠体に接合された内側弾性部材と、
上記枠体の内外縁の間において、上記内側弾性部材沿いに延在して配置されるとともに、上記枠体に接合された外側弾性部材と、
上記枠体に接合され、上記内側弾性部材と上記外側弾性部材とを連結する複数の連結弾性部材とを備え、
上記内側弾性部材及び上記外側弾性部材は、単電池モジュール組立て後の上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間隔寸法以上の厚さを有して、上記単電池モジュールが組立てられた状態にて、それぞれの上記弾性部材が上記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間を密着封止する、高分子電解質型燃料電池を提供する。【００１５】
本発明の第２態様によれば、上記内側弾性部材は、上記電極−膜−枠接合体において、上記枠体の上記ガス供給部から上記アノード電極または上記カソード電極へのガスの供給経路の形成位置を除いて、上記アノード電極または上記カソード電極の周囲全体に渡って配置されている、第１態様に記載の高分子電解質側燃料電池を提供する。【００１６】
本発明の第３態様によれば、上記外側弾性部材は、上記内側弾性部材よりもその頂部が高くなるように形成され、上記膜電極複合体と上記セパレータとの間に形成される空間を、上記単電池モジュール外部に対して密閉封止するガスケットとして機能する、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。【００１７】
本発明の第４態様によれば、上記内側弾性部材、上記外側弾性部材、および上記連結弾性部材のそれぞれは、上記電極−膜−枠接合体の表裏面に形成されている、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。【００１８】
本発明の第５態様によれば、上記内側弾性部材、上記外側弾性部材、および上記連結弾性部材のそれぞれは、射出成形により一体的に形成され、射出成形における樹脂の注入部に形成された注入部跡弾性部材が、上記それぞれの弾性部材のうちの上記外側弾性部材にのみに接続されている、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。【００１９】
本発明の第６態様によれば、上記内側弾性部材、上記外側弾性部材、および上記連結弾性部材のそれぞれは、上記電極−膜−枠接合体の表裏面に形成され、
上記それぞれの弾性部材のうちの表面側の上記外側弾性部材と裏面側の上記外側弾性部材とが上記注入部跡弾性部材により接続され、
上記注入部跡弾性部材がその内側に配置された貫通孔が、上記枠体に形成されている、第５態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。【００２０】
本発明の第７態様によれば、高分子電解質膜の周縁部が露出されるように、上記電解質膜の一方の面にアノード電極が接合されかつ上記電解質膜の他方の面にカソード電極が接合されて構成される膜電極複合体と、上記アノード電極及び上記カソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を有して、上記電解質膜の周縁部を挟んで上記膜電極複合体を保持する枠体と、により形成される電極−膜−枠接合体と、上記電極−膜−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータとを有する複数の単電池モジュールを積層して組み立てられる高分子電解質型燃料電池における上記電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
上記電極−膜−枠接合体を射出成型用金型に配置して、上記電極−膜−枠接合体において、上記アノード電極または上記カソード電極の外縁と上記枠体の内縁の間にて、上記電極の外縁沿いに延在して、上記電解質膜上に配置される第１の流路と、上記枠体の内外縁の間において上記内側弾性部材沿いに延在して配置される第２の流路と、上記第１の流路と上記第２の流路とを連通する複数の連通流路とを形成し、
上記第１の流路に弾性体樹脂を注入することにより、上記第１の流路内に上記弾性体樹脂を充填するとともに、上記それぞれの連通流路を通して上記第２の流路に上記弾性体樹脂を充填し、
上記充填された弾性体樹脂を硬化させることにより、上記第１及び第２の流路並びに上記それぞれの連通流路において、上記単電池モジュールが組立てられた状態にて、上記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間を密着封止する弾性部材を一体的に形成する、電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２１】
本発明の第８態様によれば、上記第１の流路は、上記電極−膜−枠接合体において、上記枠体の上記ガス供給部から上記アノード電極または上記カソード電極へのガスの供給経路の形成位置を除いて、上記アノード電極または上記カソード電極の周囲全体に渡って形成される、第７態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２２】
本発明の第９態様によれば、上記第１及び第２の流路は、上記単電池モジュールが組立てられた状態における上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間隔寸法以上の深さを有する、第７態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２３】
本発明の第１０態様によれば、上記流路の形成において、上記第１の流路における上記弾性体樹脂の注入位置からの距離が大きくなるにしたがって、その断面積が大きくなるように、上記それぞれの連通流路を形成する、第７態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２４】
本発明の第１１態様によれば、上記流路の形成において、上記電極−膜−枠接合体のアノード側及びカソード側の面において、上記第１及び第２の流路並びに上記それぞれの連通流路を形成するとともに、上記枠体の貫通孔を通して、上記アノード側の上記第１の流路と上記カソード側の上記第１の流路に、上記弾性体樹脂を同時に注入する、第７態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２５】
本発明の第１２態様によれば、上記流路の形成において、上記各々の連通流路の断面積が、上記第１の流路の断面積及び上記第２の流路の断面積よりも小さくなるように、上記それぞれの流路を形成する、第７態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２６】
本発明の第１３態様によれば、上記流路の形成において、上記第１の流路が、上記第２の流路よりもその頂部が高くなるように形成される、第７態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、高分子電解質膜などを保持する枠体の内側の縁部に、例えば平面的には枠状のアノード側の内側弾性部材と平面的には枠状のカソード側の内側弾性部材とをそれぞれ備えるようにしている。このようにすれば、単セルの組立時に、枠体とアノード側セパレータとの間でアノード側の内側弾性部材を弾性変形させ、枠体とアノード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。また、カソード側でも同様に、単セルの組立時に、枠体とカソード側セパレータとの間でカソード側の内側弾性部材を弾性変形させ、枠体とカソード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。【００２８】
この結果、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、枠体の縁部沿いの還元剤ガスの短絡的な流れ及び枠体の縁部沿いの酸化剤ガスの短絡的な流れをそれぞれ抑制することができる。その結果、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる。【００２９】
さらに、このような内側弾性部材の外周側に沿って外側弾性部材が配置されるとともに、内側弾性部材と外側弾性部材とを連結する複数の連結弾性部材が形成されていることにより、射出成形により均一化された樹脂圧力でもって電極部等への熱的な損傷を防止しながら確実に内側弾性部材を形成することができる。すなわち、外側弾性部材に相当する第１の流路に樹脂を注入して樹脂圧力のバラツキを緩和させた後、連結弾性部材に相当する連通流路を通して、内側弾性部材に相当する第２の流路内へと樹脂を導いて充填させることにより、第２の流路における樹脂圧力の均一化を図ることができる。従って、このような射出成形時において、電極部等と接する第２の流路内へ、局所的に高圧・高温となった樹脂が流入してしまうことを防止して、確実に内側弾性部材を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
本発明のこれらの態様と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の概略構成を示す模式構成図であり、
【図２】図２は、図１に示す燃料電池が備える燃料電池用スタックの模式分解図であり、
【図３Ａ】図３Ａは、燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図であり、
【図３Ｂ】図３Ｂは、単セルの組立後の概略断面図であり、
【図４】図４は、ＭＥＡ−枠接合体の模式部分斜視図であり、
【図５】図５は、図４のＭＥＡ−枠接合体におけるＡ−Ａ線断面図であり、
【図６Ａ】図６Ａは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体の弾性部材を射出成形により形成する手順を示す模式図であり、
【図６Ｂ】図６Ｂは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体の弾性部材を射出成形により形成する手順を示す模式図であり、
【図６Ｃ】図６Ｃは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体の弾性部材を射出成形により形成する手順を示す模式図であり、
【図６Ｄ】図６Ｄは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体の弾性部材を射出成形により形成する手順を示す模式図であり、
【図６Ｅ】図６Ｅは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体の弾性部材を射出成形により形成する手順を示す模式図であり、
【図７】図７は、第１実施形態の変形例にかかる単セルの模式図であり、
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の第２実施形態にかかるＭＥＡ−枠接合体の模式斜視図であり、
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８ＡのＭＥＡ−枠接合体におけるＢ−Ｂ線断面図であり、
【図９】図９は、本発明の第３実施形態にかかるＭＥＡ−枠接合体の模式斜視図であり、
【図１０】図１０は、本発明の第４実施形態にかかるＭＥＡ−枠接合体の模式断面図であり、
【図１１】図１１は、本発明の第５実施形態にかかるＭＥＡ−枠接合体の模式斜視図であり、
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の第６実施形態にかかるＭＥＡ−枠接合体の弾性部材を射出成形により形成する方法を示す模式断面図であり、
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、第６実施形態にかかるＭＥＡ−枠接合体の弾性部材を射出成形により形成する方法を示す模式断面図であり、
【図１３】図１３は、本発明の実施例における樹脂流路での圧力分布の測定結果を示すグラフであり、
【図１４Ａ】図１４Ａは、第１実施形態の単セルの枠体の平面図であり、
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、第１実施形態の前記単セルの枠体のアノード側の表面の正面図であり、
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、第１実施形態の前記単セルの枠体のカソード側の表面の正面図であり、
【図１５】図１５は、従来例の固体高分子電解質型燃料電池の電極−膜−枠接合体とセパレータの分解断面図であり、
【図１６】図１６は、従来例の固体高分子電解質型燃料電池の電極−膜−枠接合体の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。【００３２】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。【００３３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の概略構成を示す模式構成図を図１に示す。また、図１に示す燃料電池１０１が備える燃料電池用スタック（以降、スタックという。）の模式分解図を図２に示す。【００３４】
燃料電池１０１は、例えば固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力、熱、及び水を同時に発生させるものである。図１に示すように、燃料電池１０１には、アノード及びカソードの一対の極を備える燃料電池セル（あるいは単セル）が複数個直列に接続された積層構造を有するスタック３０と、燃料ガスから水素を取り出す燃料処理器３１と、燃料処理器３１にて取り出された水素を含む燃料ガスを加湿することで発電効率を向上させるアノード加湿器３２と、酸素含有ガス（酸化剤ガス）に対しての加湿を行うカソード加湿器３３と、燃料ガスと酸素含有ガスとをそれぞれ供給するためのポンプ３４、３５とが備えられている。すなわち、燃料処理器３１、アノード加湿器３２、及びポンプ３４により燃料ガスをスタック３０の各セルに供給する燃料供給装置が構成されている。また、カソード加湿器３３とポンプ３５とにより酸化剤ガスをスタック３０の各セルに供給する酸化剤供給装置が構成されている。なお、このような燃料供給装置や酸化剤供給装置は、燃料や酸化剤の供給を行う機能を備えていればその他様々な形態を採用し得る。本第１実施形態においては、スタック３０が備える複数のセルに対して、共通して燃料や酸化剤を供給する供給装置であれば、後述する本第１実施形態の効果を好適に得ることができる。【００３５】
また、燃料電池１０１には、発電の際にスタック３０にて発生される熱を効率的に除去するための冷却水を循環供給するためのポンプ３６と、この冷却水（例えば、導電性を有さない液体、例えば純水が用いられる。）により除去された熱を、水道水等の流体に熱交換するための熱交換器３７と、熱交換された水道水を貯留させる貯湯タンク３８とが備えられている。さらに、燃料電池１０１には、このようなそれぞれの構成部を互いに関連付けて発電のための運転制御を行う運転制御装置４０と、スタック３０にて発電された電気を取り出す電気出力部４１とが備えられている。【００３６】
また、図２に示すように、この燃料電池１０１が備えるスタック３０は、基本単位構成である単セル（単電池モジュール）２０を複数個積層し、集電板２１、絶縁板２２、端板２３で両側から所定の荷重で締結して構成されている。それぞれの集電板２１には、電流取り出し端子部２１ａが設けられており、発電時にここから電流、すなわち電気が取り出される。それぞれの絶縁板２２は、集電板２１と端板２３の間を絶縁する。また、これらの絶縁板２２には、図示しないガスや冷却水の導入口、排出口が設けられている場合もある。それぞれの端板２３は、複数個積層された単セル２０と、集電板２１と、絶縁板２２とを、図示しない加圧手段によって所定の荷重で締結して、保持する。【００３７】
図２に示すように、単セル２０は、ＭＥＡ（膜電極複合体）１が枠体により保持された電極−膜−枠接合体（以降、「ＭＥＡ−枠接合体」とする。）を、一対のセパレータ５ｂ，５ｃで挟み込むようにして構成されている。【００３８】
ＭＥＡ１は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１ａのアノード面側に、白金−ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（アノード側触媒層）１１２を形成し、カソード面側には、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（カソード側触媒層）１１３を形成し、これらの触媒層１１２及び１１３の外面に、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層１１４を配置して構成されたものである。高分子電解質膜１ａは、プロトン導電性を示す固体高分子材料、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（デュポン社製ナフィオン膜）が一般に使用される。なお、以下では、アノード側触媒層１１２とガス拡散層１１４とを合わせて「アノード電極１ｂ」と呼び、カソード側触媒層１１３とガス拡散層１１４とを合わせて「カソード電極１ｃ」と呼ぶものとする。【００３９】
セパレータ５ｂ、５ｃは、ガス不透過性の導電性材料にて形成されていれば良く、例えば樹脂含浸カーボン材料を所定の形状に切削したものや、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したものなどが一般的に用いられる。セパレータ５ｂ、５ｃにおけるＭＥＡ−枠接合体１５と接触する部分には凹状の溝部が形成されており、この溝部がガス拡散層１１４と接することで、アノード電極１ｂおよびカソード電極１ｃの電極面に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給し、余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス拡散層１１４は、その基材として一般的に炭素繊維で形成されたものが用いられ、このような基材としては例えば炭素繊維織布が用いられる。【００４０】
ここで、このような単セル２０の端部近傍（ＭＥＡ−枠接合体１５の端部近傍）における模式部分断面図を図３Ａ及び図３Ｂに拡大して示す。【００４１】
単セル（単電池モジュール）２０は、ＭＥＡ−枠接合体１５と、ＭＥＡ−枠接合体１５をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータ５ｂ、５ｃとを備える。ＭＥＡ−枠接合体１５は、高分子電解質膜１ａの一方の面にアノード電極１ｂが接合されかつ電解質膜１ａの他方の面にカソード電極１ｃが接合されて形成されるＭＥＡ１と、アノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部２ｘ，２ｙ（図１４Ａ参照）を有し、このＭＥＡ１の周縁部を挟んで保持する枠体２とにより構成される。そして、この単セル２０を複数個積層して組み立てることで高分子電解質型燃料電池が形成される。【００４２】
このような構成において、例えば、高分子電解質膜１ａは、枠体２の高分子電解質膜挿入用スリット２ａに挿入して挟持させることにより機械的に接合されている。また、高分子電解質膜１ａの両面には、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃが接着固定されている。【００４３】
このようにして高分子電解質膜１ａの両面にアノード電極１ｂとカソード電極１ｃとが接着固定されてＭＥＡ（膜電極複合体）１を形成し、このＭＥＡ１が枠体２により挟んで保持されたＭＥＡ−枠接合体１５を一対のセパレータ５ｂ、５ｃで挟み込んで、単セル２０が形成される。この単セル２０においては、アノード電極側セパレータ５ｂはアノード電極１ｂに対向し、カソード電極側セパレータ５ｃはカソード電極１ｃに対向している。【００４４】
次に、ＭＥＡ−枠接合体１５に形成される弾性体の構造について説明する。この弾性体が設けられていない状態のＭＥＡ−枠接合体１５においては、単セル組立後の状態にて、アノード電極１ｂの外縁とカソード電極１ｃの外縁のそれぞれと、枠体２の内縁２ｂ、２ｃとの間には、例えば０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲の隙間が存在する。それぞれの電極１ｂおよび１ｃに沿って形成されることのような隙間を埋めること、およびそれぞれのセパレータ５ｂ、５ｃと枠体２との間を封止することを、その目的および機能として、弾性体がＭＥＡ−枠接合体１５に形成されている。【００４５】
具体的には、図３Ａに示すように、枠体２のアノード側の内縁２ｂとアノード電極１ｂの外縁との両方に接触するように、アノード電極１ｂの外縁沿いに延在し、かつ矩形状断面を有するアノード側の内側弾性部材４ｂが配置されている。このアノード側の内側弾性部材４ｂは、枠体２とアノード電極１ｂとに接合されて一体化されている。同様に、枠体２のカソード側の内縁２ｃとカソード電極１ｃの外縁との両方に接触するように、カソード電極１ｃの外縁沿いに延在し、かつ矩形状断面を有するカソード側の内側弾性部材４ｃが配置されている。このカソード側の弾性部材４ｃは、枠体２とカソード電極１ｃとに接合されて一体化されている。これらの内側弾性部材４ｂ、４ｃは、図３Ａに示す状態においては、高分子電解質膜１ａ上に配置されて当接した状態とされているだけであり、接着されている必要はない。また、アノード電極１ｂの外縁とカソード電極１ｃの外縁のそれぞれと、枠体２の内縁２ｂ、２ｃとの間に存在する隙間は、内側弾性部材４ｂおよび４ｃにより大幅に減少されている。例えば、内側弾性部材４ｂおよび４ｃの内縁と、アノード電極１ｂの外縁とカソード電極１ｃの外縁との間の隙間Ｓ１は、僅かに存在するか、あるいは、０（ゼロ）となるように、内側弾性部材４ｂおよび４ｃが形成されている。【００４６】
このように内側弾性部材４ｂ、４ｃを設けた状態で、セパレータ５ｂ、５ｃの間にＭＥＡ−枠接合体１５を配置して積層し単セル２０を組み立てるとき、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ、５ｃのそれぞれのセパレータ組立て面１０とはそれぞれ接近することになる。この時、枠体２とセパレータ５ｂ、５ｃとの間の隙間Ｓ２（図３Ａ参照）よりも、内側弾性部材４ｂ、４ｃとセパレータ５ｂ、５ｃとの対向面間の隙間Ｓ３（図３Ａ参照）が小さく設定されるように、内側弾性部材４ｂ、４ｃの厚みが設定されて形成されている。このように内側弾性部材４ｂ、４ｃを構成することにより、単セル２０の組立時に、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ、５ｃのそれぞれのセパレータ組立面１０とがそれぞれ最接近位置に位置する（図３Ｂ参照）前に、内側弾性部材４ｂ、４ｃがセパレータ５ｂ、５ｃにそれぞれ確実に接触して弾性変形を開始することになる。そして、組立完成後、言い換えれば、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ、５ｃのそれぞれのセパレータ組立て面１０とがそれぞれ最接近位置に位置した後は、図３Ｂに示されるように、内側弾性部材４ｂ、４ｃがセパレータ５ｂ、５ｃにより押圧されてそれぞれ弾性変形した状態とされる。その結果、弾性変形した内側弾性部材４ｂ、４ｃにより隙間Ｓ１がなくなり、アノード電極１ｂの外縁とカソード電極１ｃの外縁と、枠体２の内縁２ｂ、２ｃとの間に存在した隙間は、組み立て状態において、内側弾性部材４ｂおよび４ｃにより完全に埋められた状態となる。【００４７】
また、図３Ａに示すように、枠体２の枠体組立面９には、それぞれの内側弾性部材４ｂ、４ｃから外側方向に離れた位置に、枠体２の内縁２ｂ、２ｃに沿って延在して配置され、かつ矩形状の断面を有するアノード側の外側弾性部材３ｂとカソード側の外側弾性部材３ｃが配置されている。このアノード側の外側弾性部材３ｂは、枠体２に接合されて一体化されている。同様に、カソード側の外側弾性部材３ｃも、枠体２に接合されて一体化されている。さらに、それぞれの外側弾性部材３ｂ、３ｃの形成位置と対向するセパレータ組立面１０には、凹部１０ａが形成されている。外側弾性部材３ｂ、３ｃは、枠体組立面９において、内側弾性部材４ｂ、４ｃよりも隆起して形成されている。すなわち、外側弾性部材３ｂ、３ｃの頂部（上面）は、内側弾性部材４ｂ、４ｃの頂部（上面）よりも高くなるように形成されている。さらに外側弾性部材３ｂ、３ｃの厚さと、セパレータ組立面１０の凹部１０ａの深さは、枠体組立面９とセパレータ組立面１０とが最接近位置に位置される前に、外側弾性部材３ｂ、３ｃがセパレータ５ｂ、５ｃのそれぞれの凹部１０ａの底部に確実に接触して弾性変形を開始することになるように設定されている。そして、最接近位置に位置された後は、図３Ｂに示されるように、外側弾性部材３ｂ、３ｃがセパレータ５ｂ、５ｃの凹部１０ａ内にて押圧されてそれぞれ弾性変形した状態とされる。その結果、弾性変形した外側弾性部材３ｂ、３ｃにより、枠体組立面９とセパレータ組立面１０との間が、単セル２０の外部に対して封止される。【００４８】
このような弾性部材を有するＭＥＡ−枠接合体１５の構造についてさらに詳細に説明する。この説明にあたって、ＭＥＡ−枠接合体１５の端部近傍の模式部分拡大図（斜視図）を図４に示し、図４におけるＡ−Ａ線断面図を図５に示す。【００４９】
図４及び図５に示すように、ＭＥＡ−枠接合体１５の枠体２には、その内縁２ｂ、２ｃ沿いに延在するように内側弾性部材４ｂ、４ｃが形成されている。さらに、枠体組立面９において、内側弾性部材４ｂ、４ｃの外側方向に離間された位置において、内側弾性部材４ｂ、４ｃと並行して延在するように外側弾性部材３ｂ、３ｃが形成されている。さらに、アノード側の内側弾性部材４ｂとアノード側の外側弾性部材３ｂとを複数の箇所にて連結する矩形状断面を有する複数の連結弾性部材６ｂが形成されている。同様に、カソード側の内側弾性部材４ｃとアノード側の外側弾性部材３ｃとを複数の箇所にて連結する矩形状断面を有する複数の連結弾性部材６ｃが形成されている。【００５０】
それぞれの弾性部材３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃ、６ｂ、６ｃは、弾性体樹脂を用いて射出成形により一体的に形成される。このような射出成形の際に樹脂を注入する樹脂注入口（ゲート）の跡として形成されたゲート跡部（注入部跡弾性部材）７が、外側弾性部材３ｂ、３ｃにのみ、接続されて形成されている。具体的には、図４及び図５に示すように、ゲート跡部７は、枠体２を貫通する貫通孔２ｄを用いて、アノード側及びカソード側の枠体組立面９を連通するとともに、アノード側の外側弾性部材３ｂ及びカソード側の外側弾性部材３ｃに接続されて形成されている。【００５１】
このようなゲート跡部（ゲート）７、外側弾性部材３ｂ、３ｃ、連結弾性部材６ｂ、６ｃ、内側弾性部材４ｂ、４ｃの配置および連結構成が採用されていることにより、それぞれの弾性部材を形成する金型の流路において、ゲート跡部７に相当するゲートに注入された弾性体樹脂が外側弾性部材３ｂ、３ｃに相当する流路内に充填され、さらにそれぞれの連結弾性部材６ｂ、６ｃに相当する流路を通じて、内側弾性部材４ｂ、４ｃに相当する流路内に弾性体樹脂が充填されることで、それぞれの弾性部材が形成される。このような射出成形による形成方法については後述する。【００５２】
ここでＭＥＡ−枠接合体１５の枠体２の模式平面図を図１４Ａ〜図１４Ｃに示す。枠体２は、図１４Ａ〜図１４Ｃに示すように、少なくとも各一対のガス供給部、すなわち、燃料ガス用マニホールド孔１５ａ、酸化剤ガス用マニホールド孔１５ｂ、冷却水用マニホールド孔１５ｃを有している。また、単セル２０同士を締結するボルト（図示せず）を貫通させるための複数個の貫通孔１６を有している。枠体２の一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１５ｂからはカソード電極１ｃ側に酸化剤ガスを供給して排出する。枠体２の一対の燃料ガス用マニホールド孔１５ａからアノード電極１ｂ側に燃料ガスを供給して排出する。また、隣接する単セル２０同士のセパレータ５ｂ、５ｃの互いに対向する背面間には、一対の冷却水用マニホールド孔１５ｃから冷却水を供給して排出する。【００５３】
枠体２は、さらに、カソード電極１ｃが位置する側の表面である枠体組立面９に、酸化剤ガス用マニホールド孔１５ｂ及び酸化剤ガス流路（ガス流路部）２ｙを含みかつカソード電極１ｃにおいて酸化剤ガスが通過する全領域を囲むガスケットとして機能する外側弾性部材３を有している。また、枠体２のアノード電極１ｂが位置する側の表面である枠体組立面９に、燃料ガス用マニホールド孔１５ａ及び燃料ガス流路（ガス流路部）２ｘを含みかつアノード電極１ｂにおいて燃料ガスが通過する全領域を囲むガスケットとして機能する外側弾性部材３ｂを有している。また、それぞれの外側弾性部材３ｂ及び３ｃは、ガスが通過する領域とは隔離して冷却水用マニホールド孔１５ｃのみを囲むようにしている。よって、単セル組立後には、外側弾性部材３ｂ、３ｃがセパレータ５ｂ、５ｃのセパレータ組立面１０の凹部内にそれぞれ挿入され当接して弾性変形することにより、カソード側とアノード側とでそれぞれ独立して燃料ガス及び酸化剤ガスのリーク並びに冷却水のリークを防止するようにしている。なお、図１４Ａ〜図１４Ｃにおいては、複数の連結弾性部材６ｂ、６ｃの図示を省略しているが、カソード側の内側弾性部材４ｃのガス流路部分４ｃ−１の近傍には連結弾性部材６ｃは設けず、その周囲近傍に設けて、ガス流路を確保するようにすることが好ましい。また、アノード側も同様な構造を有しており、単セル組立後には、アノード側の内側弾性部材４ｂのガス流路部分４ｂ−１とアノード側セパレータ５ｂとの間には、ガス供給用の空間を確実に形成することができる。このように外側弾性部材３ｂ、３ｃは、枠体２の周囲全てに渡って連続して形成されており、また、内側弾性部材４ｂ、４ｃは、ガス供給部からのガス供給経路の形成位置を除いて、枠体２の周囲全体に渡って連続して形成されている。【００５４】
また、これらの弾性部材を形成する弾性体樹脂材料としては、例えば、熱可塑性エラストマを用いることが好ましい。具体的な材料の例としては、三井化学株式会社製のミラストマー（登録商標）の高硬度銘柄のＭ３８００が挙げられる。また、弾性部材において、弾性変形をそれぞれ確実に行わせるための条件としては、ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３で規定されているＡ５０〜Ａ９０又はＤ３７〜Ｄ６０の弾性を有すればよい。【００５５】
枠体の具体的な材料の例としては、株式会社プライムポリマーのＲ−２５０Ｇ又は３５０Ｇであり、セパレータの具体的な材料の例としては、外寸１２０ｍｍ×１２０ｍｍ、厚み３．０ｍｍの樹脂含浸黒鉛板（東海カーボン（株）製グラッシーカーボン）が挙げられる。【００５６】
単セル２０の組立時にセパレータ５ｂ、５ｃがＭＥＡ−枠接合体１５に積層されると、図３Ｂに示すように、内側弾性部材４ｂ、４ｃはセパレータ５ｂ、５ｃによってそれぞれ圧縮されて弾性変形する。この結果、内側弾性部材４ｂ、４ｃの圧縮力により高分子電解質膜１ａを高分子電解質膜１ａの厚み方向沿いに加圧する為、高分子電解質膜１ａと内側弾性部材４ｂ、４ｃとは接着されていなくとも、この加圧力と内側弾性部材４ｂ、４ｃの弾性力で、内側弾性部材４ｂ、４ｃと高分子電解質膜１ａとが互いに密着された状態とされ、両者の間が確実に封止される。また、セパレータ５ｂ、５ｃと枠体２との間での内側弾性部材４ｂ、４ｃの弾性変形により、アノード電極１ｂの外縁とカソード電極１ｃの外縁のそれぞれと枠体２の内縁２ｂ、２ｃとの間の隙間Ｓ１を大幅に小さくすることができるか、あるいは、隙間Ｓ１を無くすことができる。すなわち、隙間Ｓ１を実質的に無くすことができる。【００５７】
従って、弾性変形したアノード側の内側弾性部材４ｂとカソード側の内側弾性部材４ｃとにより、枠体２とアノード側セパレータ５ｂ及びカソード側セパレータ５ｃとの間がそれぞれ密着封止されて、高分子電解質膜１ａと枠体２との間の隙間を抜けるクロスリーク現象（クロスリークが発生する現象）を効果的に抑制することができる。さらに、アノード電極１ｂの外縁と枠体２の内縁との間における高分子電解質膜１ａ上の空間、および、カソード電極１ｃの外縁と枠体２の内縁との間における高分子電解質膜１ａ上の空間が、弾性変形した内側弾性部材４ｂおよび４ｃのよりそれぞれ埋められるため、枠体２の内縁沿いの還元剤ガスの短絡的な流れ及び枠体２の内縁沿いの酸化剤ガスの短絡的な流れをそれぞれ抑制することができる。その結果、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる。また、それぞれの連結弾性部材６ｂ、６ｃによっても、このような短絡的な流れを抑制する効果を得ることができる。さらに、外側弾性部材３ｂ、３ｃを、従来におけるガスケットとして機能させることができる。【００５８】
次に、このような構成を有するそれぞれの弾性部材を射出成形により形成する方法について、図６Ａ〜図６Ｅに示す模式説明図を用いて説明する。【００５９】
まず、図６Ａに示すように、ＭＥＡ１と枠体２とが接合された状態のＭＥＡ−枠接合体１５（弾性部材が形成される前の状態のＭＥＡ−枠接合体）が配置される上部金型５０と下部金型６０とを準備する。下部金型６０は、その上面にＭＥＡ−枠接合体１５が配置されるとともに、ＭＥＡ−枠接合体１５の下面との間に所定の流路を形成するための凹凸部である流路形成面６１が形成されている。さらに下部金型６０には、成形された樹脂とともにＭＥＡ−枠接合体１５を流路形成面６１から分離させる棒状の突き上げ部材６２が備えられている。上部金型５０は、その下面にてＭＥＡ−枠接合体１５の上面を覆うとともに、ＭＥＡ−枠接合体１５の上面との間に所定の流路を形成するための凹凸部である流路形成面５１が形成されている。さらに、この流路形成面５１には樹脂注入口である複数のゲート５２が形成されており、それぞれのゲート５２は、上部金型５０の上面に形成された凹部である樹脂導入部５３に連通されている。また、上部金型５０には、上部金型５０と下部金型６０とを位置決めした状態で型締めを行う型締め部材５４が備えられている。なお、図６Ａに示すように、ＭＥＡ−枠接合体１５の枠体２におけるそれぞれのゲート５２と対応する位置には、予め貫通孔２ｄが形成されている。【００６０】
次に、図６Ｂに示すように、下部金型６０の流路形成面６１にＭＥＡ−枠接合体１５を載置する。その後、図６Ｃに示すように、ＭＥＡ−枠接合体１５が載置された下部金型６０に対して、上部金型５０を型締め部材５４により型締めを行う。このように型締めが行われた状態において、それぞれの流路形成面５１、６１とＭＥＡ−枠接合体１５との間には、樹脂が流されて充填される流路が形成される。【００６１】
具体的には、下部金型６０の流路形成面６１とＭＥＡ−枠接合体１５との間には、アノード側の外側弾性部材３ｂに相当する第１の樹脂流路６５と、内側弾性部材４ｂに相当する第２の樹脂流路６６と、第１の樹脂流路６５と第２の樹脂流路６６とを複数の箇所にて連通する複数の連通樹脂流路６７（連結弾性部材６ｂに相当する流路）とが形成される。また、上部金型５０の流路形成面５１とＭＥＡ−枠接合体１５との間には、カソード側の外側弾性部材３ｃに相当する第１の樹脂流路５５と、内側弾性部材４ｃに相当する第２の樹脂流路５６と、第１の樹脂流路５５と第２の樹脂流路５６とを複数の箇所にて連通する複数の連通樹脂流路５７（連結弾性部材６ｃに相当する流路）とが形成される。なお、図６Ｃからも明らかなように、第１の樹脂流路５５、６５及び第２の樹脂流路５６、６６は、枠体２に沿って平面的に枠状に形成される。【００６２】
次に、図６Ｄに示すように、金型内に弾性体樹脂を射出して注入する。具体的には、上部金型５０の樹脂導入部５３に射出注入された弾性体樹脂Ｐが、それぞれのゲート５２を通して、まず上部金型５０側に形成された第１の樹脂流路５５に注入されるとともに、枠体２のそれぞれの貫通孔２ｄを通して下部金型６０側に形成された第１の樹脂流路６５に注入される。次に、それぞれの第１の樹脂流路５５、６５に注入された樹脂が、それぞれの連通樹脂流路５７、６７を通して、それぞれの第２の樹脂流路５６、６６に流れ込む。このような樹脂の流れにより、それぞれの流路内に樹脂が充填される。【００６３】
第１の樹脂流路５５、６５に先ずゲート５２から樹脂が注入されることで、注入時の圧力の変動を吸収して流路内のそれぞれの位置における樹脂圧力のバラツキを減少させる、すなわち樹脂圧力の均一化を図ることができる。さらに、第１の樹脂流路５５、５６内から、それぞれの連通樹脂流路５７、６７を通して第２の樹脂流路５６、６６に樹脂を流し込むことにより、さらに圧力の均一化を図ることができる。また、それぞれの連通樹脂流路５７、６７を通過させて、第１の樹脂流路５５、５５から第２の樹脂流路５６、６６への樹脂の充填が行われることにより、第２の樹脂流路５６、６６内のそれぞれの位置における充填時間（樹脂到達時間）のバラツキを少なくすることができる。すなわち、樹脂の温度の場所によりバラツキを少なくすることができ、樹脂温度の均一化を図ることができる。特に、このような射出成形においては、高温・高圧の樹脂が注入されることになるが、熱的強度が比較的低い部分である電極部と枠体２との接合部分に、均一化された圧力で、さらに温度のバラツキが少ない樹脂が導かれることにより、このような接合部分が破損することを防止しながら、射出成形により弾性部材を形成することができる。【００６４】
全ての流路内への樹脂の充填が完了すると、樹脂の硬化が行われる。その後、図６Ｅに示すように、上部金型５０と下部金型６０との型締めが解除され、突き上げ部材６２により、それぞれの流路に相当する位置に弾性部材が形成されたＭＥＡ−枠接合体１５が、下部金型６０の流路形成面６１より離脱される。これで射出成形が完了する。【００６５】
この射出成形が行われた結果、図４に示すように、ＭＥＡ−枠接合体１５において、第１の樹脂流路６５に相当する位置にアノード側の外側弾性部材３ｂが形成され、第２の樹脂流路６６に相当する位置に内側弾性部材４ｂが形成され、それぞれの連通樹脂流路６７に相当する位置に連結弾性部材６ｂが形成される。また、ＭＥＡ−枠接合体１５において、第１の樹脂流路５５に相当する位置にカソード側の外側弾性部材３ｃが形成され、第２の樹脂流路５６に相当する位置に内側弾性部材４ｃが形成され、それぞれの連通樹脂流路５７に相当する位置に連結弾性部材６ｃが形成される。また、それぞれのゲート５２及び貫通孔２ｄに相当する位置にゲート跡部７が形成される。【００６６】
ここで、このような射出成形における樹脂圧力の均一化及び樹脂到達時間の均一化を実現するためのそれぞれの弾性部材の好ましい形状及び配置について、図４を用いて言及する。【００６７】
まず、外側弾性部材３ｂ、３ｃの厚み寸法ｄ１は、０．５ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲とすることが好ましい。また、その部材断面積は、１ｍｍ２〜２０ｍｍ２の範囲とすることが好ましい。厚み寸法や断面積が上記範囲より小さ過ぎると圧力を均一化するための樹脂バッファとしての機能を果たさず、また大き過ぎる場合には、樹脂材料の無駄となるからである。【００６８】
ゲート跡部（ゲート）７の形成間隔ｄ２は、２０〜１００ｍｍの範囲とすることが好ましい。形成間隔を狭くすれば樹脂材料が無駄となり、広くすれば圧力の均一化が困難となるからである。【００６９】
連結弾性部材６ｂ、６ｃの幅寸法ｄ３は、０．５ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲とすることが好ましく、厚み寸法ｄ４は、０．５ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲とすることが好ましい。上記範囲よりも小さい場合には、樹脂流動における圧力損失が大きくなり、均一な圧力を得ることが困難となる。また、少なくとも外側弾性部材３ｂ、３ｃの断面積よりも小さくしないと、圧力均一化の効果を得ることが困難となる。なお、連結弾性部材６ｂ、６ｃの断面積としては、外側弾性部材３ｂ、３ｃの断面積に対して、５〜７０％程度とすることが好適である。さらに、連結弾性部材６ｂ、６ｃの形成間隔ピッチｄ５は、３．０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲とすることが好ましい。上記範囲より小さいと製作が困難となり、大きいと圧力均一化の効果が低下する。【００７０】
連結弾性部材６ｂ、６ｃの幅寸法ｄ３と、隣接する連結弾性部材６ｂ、６ｃの間隔寸法ｄ６（間隔寸法ｄ６＝形成間隔ピッチｄ５−幅寸法ｄ３）との関係が、ｄ３／ｄ６≦１であることが好ましい。このような関係の条件を満たすようにすれば、弾性部材形成時に、樹脂の充填圧力に対して、枠体２が十分に耐えることができる。【００７１】
上述の本実施形態の説明においては、外側弾性部材３ｂ、３ｃ及び内側弾性部材４ｂ、４ｃが矩形状断面を有するような場合について説明したが、本実施形態はそのような場合についてのみ限られるものではない。このような場合に代えて、例えば、図７の模式斜視図に示す変形例にかかるＭＥＡ−枠接合体７５のように、傾斜面を備えた断面形状を有する内側弾性部材７４ｂ、７４ｃと、滑らかな隆起曲面を備えた断面形状を有する外側弾性部材７３ｂ、７３ｃが備えられるような場合であってもよい。このような構成とすることで、樹脂使用量を抑制しながら、密閉封止性が良好で、破損などがし難いＭＥＡ−枠接合体を提供することができる。なお、図７のＭＥＡ−枠接合体７５においても、それぞれの外側弾性部材７３ｂ、７３ｃと内側弾性部材７４ｂ、７４ｃとを連結する複数の連結弾性部材７６ｂが備えられている。【００７２】
（第２実施形態）
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡ−枠接合体８５の模式部分斜視図を図８Ａに示し、図８ＡのＢ−Ｂ線断面図を図８Ｂに示す。なお、以降の説明においては、上記第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体と同じ構成部材には同じ参照番号を付してその説明を省略する。【００７３】
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、本第２実施形態のＭＥＡ−枠接合体８５は、それぞれの弾性部材を射出成形にて形成するための樹脂注入口であるゲートの位置が上記第１実施形態と相違する。具体的には、カソード側の外側弾性部材３ｃの図示上面にゲート跡部８７が設けられている。さらに、このゲート跡部８７の図示真下の位置において、枠体２を貫通するように貫通孔２ｄが形成されている。【００７４】
このような本第２実施形態のＭＥＡ−枠接合体８５の構成によれば、ゲート位置を外側弾性部材３ｃの上面とすることができるため、枠体組立面９上の領域を有効に活用することができる。【００７５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡ−枠接合体９５の模式部分斜視図を図９に示す。図９に示すように、本第３実施形態のＭＥＡ−枠接合体９５は、射出成形における樹脂注入口であるゲートの位置が、さらに上記第１及び第２実施形態と相違する。具体的には、カソード側の外側弾性部材３ｃと内側弾性部材４ｃとの間において、連結弾性部材６ｃ間のスペースにゲート跡部９７が配置されている。なお、このゲート跡部９７の図示真下の位置には、枠体２を貫通するように貫通孔２ｄが形成されている。【００７６】
このような本第３実施形態のＭＥＡ−枠接合体９５の構成によれば、ゲート位置を外側弾性部材３ｃと内側弾性部材４ｃとの間に配置しているため、弾性部材間のスペースを有効に活用することができ、枠体組立面９上の領域を効率的に使用できる。また、上記第２実施形態のように、外側弾性部材３ｃの上面にゲート跡部８７が形成されるようなこともないため、外側弾性部材３ｃの密閉封止機能、すなわち、セパレータ５ｃとの間のガスケットとしての機能を阻害することもなく、確実に密閉封止を行うことができる。【００７７】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡ−枠接合体１１５の模式部分断面図を図１０に示す。図１０に示すように、本第４実施形態のＭＥＡ−枠接合体１１５は、外側弾性部材３ｂ、３ｃと内側弾性部材４ｂ、４ｃとの間に、それぞれの弾性部材沿いに延在して配置された中間弾性部材１１８ｂ、１１８ｃをさらに備える点において、上記それぞれの実施形態と相違している。さらに、中間弾性部材１１８ｂ、１１８ｃは、外側弾性部材３ｂ、３ｃと、複数の連結弾性部材１１９ｂ、１１９ｃにより連結されている。また、中間弾性部材１１８ｂ、１１８ｃは、内側弾性部材４ｂ、４ｃと、複数の連結弾性部材６ｂ、６ｃにより連結されている。【００７８】
このような本第３実施形態のＭＥＡ−枠接合体１１５の構成においては、外側弾性部材に相当する樹脂流路における圧力の均一化のための樹脂バッファとしての機能を、外側弾性部材と中間弾性部材に相当する樹脂流路にて２段階に分けて行うものである。さらに、樹脂が内側弾性部材に相当する樹脂流路に到達するまでに、少なくとも２つの連結樹脂部材に相当する樹脂流路を通過することになる。従って、内側弾性部材に相当する流路へ流入される樹脂圧力や樹脂到達時間の均一化の効果をさらに高めることができる。【００７９】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡ−枠接合体１２５の模式部分斜視図を図１１に示す。図１１に示すように、本第５実施形態のＭＥＡ−枠接合体１２５は、それぞれの連結弾性部材１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃの断面積を、ゲート跡部（ゲート）７からの距離に比例して大きくなるように形成している点において、上記それぞれの実施形態と相違する。すなわち、図１１において、ゲート跡部７に一番近い位置に配置されている連結弾性部材１２６ａの断面積が一番小さく、次に連結弾性部材１２６ｂの断面積、そして連結弾性部材１２６ｃの断面積というように順に大きくなるように、それぞれの断面積が設定されている。【００８０】
このように連結弾性部材１２６ａ〜１２６ｃの断面積が、ゲート跡部７からの距離に比例して大きくなるように設定されていることにより、射出成型時において、ゲートから内側弾性部材に相当する流路への樹脂流動における圧力損失を均一化することができ、樹脂圧力の均一化の効果を高めることができる。【００８１】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡ−枠接合体１３５の製造方法について、図１２Ａ及び図１２Ｂの模式説明図を用いて説明する。【００８２】
上述のそれぞれの実施形態においては、ＭＥＡ−枠接合体のアノード側及びカソード側のそれぞれの面に弾性部材を射出成形により同時に一体的に形成するような場合について説明したが、このような場合についてのみ限られるものではない。具体的には、図１２Ａに示すように、ＭＥＡ−枠接合体１３５における一方の表面、例えば、カソード側の表面９ｃにおいて、射出成形によりゲート７ｃから弾性体樹脂を注入することで、カソード側の外側弾性部材１３３ｃ、それぞれの連結弾性部材１３６ｃ、及び内側弾性部材１３４ｃを形成する。その後、図１２Ｂに示すように、ＭＥＡ−枠接合体１３５における他方の表面、例えば、アノード側の表面９ｂにおいて、射出成形により新たなゲート７ｂから弾性体樹脂を注入することで、アノード側の外側弾性部材１３３ｂ、それぞれの連結弾性部材１３６ｂ、及び内側弾性部材１３４ｂを形成する。【００８３】
このようにＭＥＡ−枠接合体１３５のそれぞれの面において、射出成形により別々に弾性部材を形成することができる。また、このような形成方法では、枠体２に貫通孔を設ける必要がないという利点もある。【００８４】
なお、上記それぞれの実施形態においては、ＭＥＡ−枠接合体において、アノード側及びカソード側のそれぞれの面に弾性部材を形成する場合について説明したが、このような場合に代えて、一方の面にのみ弾性部材を形成するような場合であってもよい。一方の面にだけ弾性部材を配置するような場合であっても、ガスのクロスリークを抑制する効果を得ることができる。【００８５】
（実施例）
ここで、上記第１実施形態の構成を有するＭＥＡ−枠接合体１５における内側弾性部材に相当する第２の樹脂流路における弾性体樹脂の圧力分布（実施例）と、比較例にかかるＭＥＡ−枠接合体の樹脂流路として、連通樹脂流路を有さない樹脂流路での圧力分布の測定を行った結果を図１３のグラフに示す。【００８６】
図１３の圧力分布のグラフにおいては、縦軸に樹脂の圧力（ＭＰａ）を示し、横軸に測定点の位置を示している。なお、測定点２２が、樹脂注入口であるゲートに最も近い位置となっており、測定点１と４１に向かう程、ゲートから遠ざかる位置となっている。【００８７】
図１３に示すように、連通樹脂流路を設けない比較例のＭＥＡ−枠接合体においては、測定点２２において樹脂圧力が５ＭＰａ程度に達している。一方、実施例のＭＥＡ−枠接合体１４のように連通樹脂流路を設けた場合には、樹脂圧力の上限を２．９ＭＰａ程度以下に抑制することができ、圧力の均一化の効果が得られることが判る。【００８８】
従って、上記それぞれの実施形態のＭＥＡ−枠接合体の構成によれば、流路における樹脂圧力の均一化、及び流路への樹脂の充填時間の均一化を図ることができ、比較的熱的強度の低い電極部と枠体との接合部分において、クロスリークを抑制して封止密閉を行う内側弾性部材を射出成形により形成することができる。【００８９】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。【００９０】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。【００９１】
２００７年３月３０日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００７−０９１９７５号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
【図１】
2008129840.tif 000003
【図２】
2008129840.tif 000004
【図３Ａ】
2008129840.tif 000005
【図３Ｂ】
2008129840.tif 000006
【図４】
2008129840.tif 000007
【図５】
2008129840.tif 000008
【図６Ａ】
2008129840.tif 000009
【図６Ｂ】
2008129840.tif 000010
【図６Ｃ】
2008129840.tif 000011
【図６Ｄ】
2008129840.tif 000012
【図６Ｅ】
2008129840.tif 000013
【図７】
2008129840.tif 000014
【図８Ａ】
2008129840.tif 000015
【図８Ｂ】
2008129840.tif 000016
【図９】
2008129840.tif 000017
【図１０】
2008129840.tif 000018
【図１１】
2008129840.tif 000019
【図１２Ａ】
2008129840.tif 000020
【図１２Ｂ】
2008129840.tif 000021
【図１３】
2008129840.tif 000022
【図１４Ａ】
2008129840.tif 000023
【図１４Ｂ】
2008129840.tif 000024
【図１４Ｃ】
2008129840.tif 000025
【図１５】
2008129840.tif 000026
【図１６】
2008129840.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月11日(2008.9.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の周縁部が露出されるように、上記電解質膜の一方の面にアノード電極が接合されかつ上記電解質膜の他方の面にカソード電極が接合されて構成される膜電極複合体と、上記アノード電極及び上記カソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を有して、上記電解質膜の周縁部を挟んで上記膜電極複合体を保持する枠体と、により形成される電極−膜−枠接合体と、上記電極−膜−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータとを有する複数の単電池モジュールを積層して組み立てられた高分子電解質型燃料電池において、
上記電極−膜−枠接合体において、上記アノード電極または上記カソード電極の外縁と上記枠体の内縁の間にて、上記電極の外縁沿いに延在して、上記電解質膜上に配置されるとともに、上記枠体に接合された内側弾性部材と、
上記枠体の内外縁の間において、上記内側弾性部材沿いに延在して配置されるとともに、上記枠体に接合された外側弾性部材と、
上記枠体に接合され、上記内側弾性部材と上記外側弾性部材とを連結する複数の連結弾性部材とを備え、
上記内側弾性部材及び上記外側弾性部材は、単電池モジュール組立て後の上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間隔寸法以上の厚さを有して、上記単電池モジュールが組立てられた状態にて、それぞれの上記弾性部材が上記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間を密着封止する、高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
上記内側弾性部材は、上記電極−膜−枠接合体において、上記枠体の上記ガス供給部から上記アノード電極または上記カソード電極へのガスの供給経路の形成位置を除いて、上記アノード電極または上記カソード電極の周囲全体に渡って配置されている、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記外側弾性部材は、上記内側弾性部材よりもその頂部が高くなるように形成され、上記膜電極複合体と上記セパレータとの間に形成される空間を、上記単電池モジュール外部に対して密閉封止するガスケットとして機能する、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記内側弾性部材、上記外側弾性部材、および上記連結弾性部材のそれぞれは、上記電極−膜−枠接合体の表裏面に形成されている、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記内側弾性部材、上記外側弾性部材、および上記連結弾性部材のそれぞれは、射出成形により一体的に形成され、射出成形における樹脂の注入部に形成された注入部跡弾性部材が、上記それぞれの弾性部材のうちの上記外側弾性部材にのみに接続されている、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
上記内側弾性部材、上記外側弾性部材、および上記連結弾性部材のそれぞれは、上記電極−膜−枠接合体の表裏面に形成され、
上記それぞれの弾性部材のうちの表面側の上記外側弾性部材と裏面側の上記外側弾性部材とが上記注入部跡弾性部材により接続され、
上記注入部跡弾性部材がその内側に配置された貫通孔が、上記枠体に形成されている、請求項５に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
高分子電解質膜の周縁部が露出されるように、上記電解質膜の一方の面にアノード電極が接合されかつ上記電解質膜の他方の面にカソード電極が接合されて構成される膜電極複合体と、上記アノード電極及び上記カソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を有して、上記電解質膜の周縁部を挟んで上記膜電極複合体を保持する枠体と、により形成される電極−膜−枠接合体と、上記電極−膜−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータとを有する複数の単電池モジュールを積層して組み立てられる高分子電解質型燃料電池における上記電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
上記電極−膜−枠接合体を射出成型用金型に配置して、上記電極−膜−枠接合体において、上記アノード電極または上記カソード電極の外縁と上記枠体の内縁の間にて、上記電極の外縁沿いに延在して、上記電解質膜上に配置される第１の流路と、上記枠体の内外縁の間において上記内側弾性部材沿いに延在して配置される第２の流路と、上記第１の流路と上記第２の流路とを連通する複数の連通流路とを形成し、
上記第１の流路に弾性体樹脂を注入することにより、上記第１の流路内に上記弾性体樹脂を充填するとともに、上記それぞれの連通流路を通して上記第２の流路に上記弾性体樹脂を充填し、
上記充填された弾性体樹脂を硬化させることにより、上記第１及び第２の流路並びに上記それぞれの連通流路において、上記単電池モジュールが組立てられた状態にて、上記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間を密着封止する弾性部材を一体的に形成する、電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項８】
上記第１の流路は、上記電極−膜−枠接合体において、上記枠体の上記ガス供給部から上記アノード電極または上記カソード電極へのガスの供給経路の形成位置を除いて、上記アノード電極または上記カソード電極の周囲全体に渡って形成される、請求項７に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項９】
上記第１及び第２の流路は、上記単電池モジュールが組立てられた状態における上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間隔寸法以上の深さを有する、請求項７に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１０】
上記流路の形成において、上記第１の流路における上記弾性体樹脂の注入位置からの距離が大きくなるにしたがって、その断面積が大きくなるように、上記それぞれの連通流路を形成する、請求項７に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１１】
上記流路の形成において、上記電極−膜−枠接合体のアノード側及びカソード側の面において、上記第１及び第２の流路並びに上記それぞれの連通流路を形成するとともに、上記枠体の貫通孔を通して、上記アノード側の上記第１の流路と上記カソード側の上記第１の流路に、上記弾性体樹脂を同時に注入する、請求項７に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１２】
上記流路の形成において、上記各々の連通流路の断面積が、上記第１の流路の断面積及び上記第２の流路の断面積よりも小さくなるように、上記それぞれの流路を形成する、請求項７に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１３】
上記流路の形成において、上記第１の流路が、上記第２の流路よりもその頂部が高くなるように形成される、請求項７に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関し、特に、燃料電池の電解質膜−電極接合体と導電性セパレータとのシール構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体高分子電解質型燃料電池においては、周縁部にガスをシールするためのガスケットを配した枠体により膜電極複合体（ＭＥＡ）が保持されたＭＥＡ−枠接合体を、アノード側導電性セパレータ板とカソード側導電性セパレータ板とにより挟んで構成された単電池モジュールが用いられている。ＭＥＡは、高分子電解質膜と、この電解質膜の一方の面にアノードが接合されかつ前記電解質膜の他方の面にカソードが接合されて形成されている。それぞれのセパレータ板の周縁には、ＭＥＡのアノードに燃料ガスを、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス供給部が形成されている。
【０００３】
しかし、この従来の固体高分子電解質型燃料電池は、図１５の電極−膜−枠接合体の断面図に示すように、枠体３００とセパレータ３０１との組立て上の必要性から、枠体３００の内縁と電極（ＭＥＡ）３０２との間に隙間３０３があることから、電池内に供給されたガスの一部は、この隙間３０３を伝って排出されてしまうクロスリークといわれる現象が起きる。
【０００４】
また、この現象の改善の為、図１６の電極−膜−枠接合体の断面図に示すように、この隙間３０３に第２のガスケット３０８を配置した構成、あるいはガスケットの内縁の一部と電極３０２の外縁が部分的に接する様に設置する方法（図示せず、例えば、特許文献１参照）が提案されている。
【０００５】
また、ＭＥＡ、すなわち高分子電解質膜は枠体厚みのほぼ中央に組み込まれており、その接合方法として熱圧着、接着剤、機械的クランプなどが採用されている。
【０００６】
また、電極−膜−枠接合体におけるガスケット等の配置構成としては、その他様々な構造が提案されている（例えば、特許文献２〜７参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１００９７０号公報
【特許文献２】特開２００６−１７２７５２号公報
【特許文献３】特開２００６−３１０２８８号公報
【特許文献４】特開２００１−１０２０７２号公報
【特許文献５】特開２００５−２５９４６５号公報
【特許文献６】米国特許第６６１０４３５号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００５／０１４２４１４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、高分子電解質膜の熱圧着又は接着による接合方法では、高分子電解質膜に熱、及び接着剤の揮発成分による性能低下を招く可能性があり、条件が限られている。また、機械的クランプによる接合方法では、高分子電解質膜と枠体の微小な隙間からクロスリークが発生し易いという問題が発生する。
【０００９】
図１６の電極−膜−枠接合体の構成では、枠体３００の内縁と電極３０２との間に隙間３０３が生じることを防止する第２のガスケット３０８を配置する構成を採用しているために、その製造コストがかかるという問題がある。さらに、このガスケット３０８を部分的に溶融させて隙間を埋めるとき、寸法管理が困難であるという問題もある。
【００１０】
また、特許文献１の電極−膜−枠接合体の構成では、ガスケットの内縁の一部と電極３０２の外縁とが部分的に接触されるため、クロスリーク現象の抑制効果が不十分である。また、ガス拡散電極は一般にもろい炭素繊維が主成分の為、組み立て時に電極にダメージ与えやすいという問題もある。
【００１１】
さらに、特許文献２〜７のいずれにおいても、クロスリーク現象を効果的に抑制しつつ、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を向上させることができるような電極−膜−枠接合体は提案されていない。
【００１２】
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる高分子電解質型燃料電池、及びこのような高分子電解質型燃料電池にて用いられる電極−膜−枠接合体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１４】
本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜の周縁部が露出されるように、上記電解質膜の一方の面にアノード電極が接合されかつ上記電解質膜の他方の面にカソード電極が接合されて構成される膜電極複合体と、上記アノード電極及び上記カソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を有して、上記電解質膜の周縁部を挟んで上記膜電極複合体を保持する枠体と、により形成される電極−膜−枠接合体と、上記電極−膜−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータとを有する複数の単電池モジュールを積層して組み立てられた高分子電解質型燃料電池において、
上記電極−膜−枠接合体において、上記アノード電極または上記カソード電極の外縁と上記枠体の内縁の間にて、上記電極の外縁沿いに延在して、上記電解質膜上に配置されるとともに、上記枠体に接合された内側弾性部材と、
上記枠体の内外縁の間において、上記内側弾性部材沿いに延在して配置されるとともに、上記枠体に接合された外側弾性部材と、
上記枠体に接合され、上記内側弾性部材と上記外側弾性部材とを連結する複数の連結弾性部材とを備え、
上記内側弾性部材及び上記外側弾性部材は、単電池モジュール組立て後の上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間隔寸法以上の厚さを有して、上記単電池モジュールが組立てられた状態にて、それぞれの上記弾性部材が上記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間を密着封止する、高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００１５】
本発明の第２態様によれば、上記内側弾性部材は、上記電極−膜−枠接合体において、上記枠体の上記ガス供給部から上記アノード電極または上記カソード電極へのガスの供給経路の形成位置を除いて、上記アノード電極または上記カソード電極の周囲全体に渡って配置されている、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００１６】
本発明の第３態様によれば、上記外側弾性部材は、上記内側弾性部材よりもその頂部が高くなるように形成され、上記膜電極複合体と上記セパレータとの間に形成される空間を、上記単電池モジュール外部に対して密閉封止するガスケットとして機能する、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００１７】
本発明の第４態様によれば、上記内側弾性部材、上記外側弾性部材、および上記連結弾性部材のそれぞれは、上記電極−膜−枠接合体の表裏面に形成されている、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００１８】
本発明の第５態様によれば、上記内側弾性部材、上記外側弾性部材、および上記連結弾性部材のそれぞれは、射出成形により一体的に形成され、射出成形における樹脂の注入部に形成された注入部跡弾性部材が、上記それぞれの弾性部材のうちの上記外側弾性部材にのみに接続されている、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００１９】
本発明の第６態様によれば、上記内側弾性部材、上記外側弾性部材、および上記連結弾性部材のそれぞれは、上記電極−膜−枠接合体の表裏面に形成され、
上記それぞれの弾性部材のうちの表面側の上記外側弾性部材と裏面側の上記外側弾性部材とが上記注入部跡弾性部材により接続され、
上記注入部跡弾性部材がその内側に配置された貫通孔が、上記枠体に形成されている、第５態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００２０】
本発明の第７態様によれば、高分子電解質膜の周縁部が露出されるように、上記電解質膜の一方の面にアノード電極が接合されかつ上記電解質膜の他方の面にカソード電極が接合されて構成される膜電極複合体と、上記アノード電極及び上記カソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を有して、上記電解質膜の周縁部を挟んで上記膜電極複合体を保持する枠体と、により形成される電極−膜−枠接合体と、上記電極−膜−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータとを有する複数の単電池モジュールを積層して組み立てられる高分子電解質型燃料電池における上記電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
上記電極−膜−枠接合体を射出成型用金型に配置して、上記電極−膜−枠接合体において、上記アノード電極または上記カソード電極の外縁と上記枠体の内縁の間にて、上記電極の外縁沿いに延在して、上記電解質膜上に配置される第１の流路と、上記枠体の内外縁の間において上記内側弾性部材沿いに延在して配置される第２の流路と、上記第１の流路と上記第２の流路とを連通する複数の連通流路とを形成し、
上記第１の流路に弾性体樹脂を注入することにより、上記第１の流路内に上記弾性体樹脂を充填するとともに、上記それぞれの連通流路を通して上記第２の流路に上記弾性体樹脂を充填し、
上記充填された弾性体樹脂を硬化させることにより、上記第１及び第２の流路並びに上記それぞれの連通流路において、上記単電池モジュールが組立てられた状態にて、上記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間を密着封止する弾性部材を一体的に形成する、電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２１】
本発明の第８態様によれば、上記第１の流路は、上記電極−膜−枠接合体において、上記枠体の上記ガス供給部から上記アノード電極または上記カソード電極へのガスの供給経路の形成位置を除いて、上記アノード電極または上記カソード電極の周囲全体に渡って形成される、第７態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２２】
本発明の第９態様によれば、上記第１及び第２の流路は、上記単電池モジュールが組立てられた状態における上記電極−膜−枠接合体と上記セパレータとの間隔寸法以上の深さを有する、第７態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２３】
本発明の第１０態様によれば、上記流路の形成において、上記第１の流路における上記弾性体樹脂の注入位置からの距離が大きくなるにしたがって、その断面積が大きくなるように、上記それぞれの連通流路を形成する、第７態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２４】
本発明の第１１態様によれば、上記流路の形成において、上記電極−膜−枠接合体のアノード側及びカソード側の面において、上記第１及び第２の流路並びに上記それぞれの連通流路を形成するとともに、上記枠体の貫通孔を通して、上記アノード側の上記第１の流路と上記カソード側の上記第１の流路に、上記弾性体樹脂を同時に注入する、第７態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２５】
本発明の第１２態様によれば、上記流路の形成において、上記各々の連通流路の断面積が、上記第１の流路の断面積及び上記第２の流路の断面積よりも小さくなるように、上記それぞれの流路を形成する、第７態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２６】
本発明の第１３態様によれば、上記流路の形成において、上記第１の流路が、上記第２の流路よりもその頂部が高くなるように形成される、第７態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、高分子電解質膜などを保持する枠体の内側の縁部に、例えば平面的には枠状のアノード側の内側弾性部材と平面的には枠状のカソード側の内側弾性部材とをそれぞれ備えるようにしている。このようにすれば、単セルの組立時に、枠体とアノード側セパレータとの間でアノード側の内側弾性部材を弾性変形させ、枠体とアノード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。また、カソード側でも同様に、単セルの組立時に、枠体とカソード側セパレータとの間でカソード側の内側弾性部材を弾性変形させ、枠体とカソード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。
【００２８】
この結果、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、枠体の縁部沿いの還元剤ガスの短絡的な流れ及び枠体の縁部沿いの酸化剤ガスの短絡的な流れをそれぞれ抑制することができる。その結果、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる。
【００２９】
さらに、このような内側弾性部材の外周側に沿って外側弾性部材が配置されるとともに、内側弾性部材と外側弾性部材とを連結する複数の連結弾性部材が形成されていることにより、射出成形により均一化された樹脂圧力でもって電極部等への熱的な損傷を防止しながら確実に内側弾性部材を形成することができる。すなわち、外側弾性部材に相当する第１の流路に樹脂を注入して樹脂圧力のバラツキを緩和させた後、連結弾性部材に相当する連通流路を通して、内側弾性部材に相当する第２の流路内へと樹脂を導いて充填させることにより、第２の流路における樹脂圧力の均一化を図ることができる。従って、このような射出成形時において、電極部等と接する第２の流路内へ、局所的に高圧・高温となった樹脂が流入してしまうことを防止して、確実に内側弾性部材を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
【００３１】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の概略構成を示す模式構成図を図１に示す。また、図１に示す燃料電池１０１が備える燃料電池用スタック（以降、スタックという。）の模式分解図を図２に示す。
【００３３】
燃料電池１０１は、例えば固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力、熱、及び水を同時に発生させるものである。図１に示すように、燃料電池１０１には、アノード及びカソードの一対の極を備える燃料電池セル（あるいは単セル）が複数個直列に接続された積層構造を有するスタック３０と、燃料ガスから水素を取り出す燃料処理器３１と、燃料処理器３１にて取り出された水素を含む燃料ガスを加湿することで発電効率を向上させるアノード加湿器３２と、酸素含有ガス（酸化剤ガス）に対しての加湿を行うカソード加湿器３３と、燃料ガスと酸素含有ガスとをそれぞれ供給するためのポンプ３４、３５とが備えられている。すなわち、燃料処理器３１、アノード加湿器３２、及びポンプ３４により燃料ガスをスタック３０の各セルに供給する燃料供給装置が構成されている。また、カソード加湿器３３とポンプ３５とにより酸化剤ガスをスタック３０の各セルに供給する酸化剤供給装置が構成されている。なお、このような燃料供給装置や酸化剤供給装置は、燃料や酸化剤の供給を行う機能を備えていればその他様々な形態を採用し得る。本第１実施形態においては、スタック３０が備える複数のセルに対して、共通して燃料や酸化剤を供給する供給装置であれば、後述する本第１実施形態の効果を好適に得ることができる。
【００３４】
また、燃料電池１０１には、発電の際にスタック３０にて発生される熱を効率的に除去するための冷却水を循環供給するためのポンプ３６と、この冷却水（例えば、導電性を有さない液体、例えば純水が用いられる。）により除去された熱を、水道水等の流体に熱交換するための熱交換器３７と、熱交換された水道水を貯留させる貯湯タンク３８とが備えられている。さらに、燃料電池１０１には、このようなそれぞれの構成部を互いに関連付けて発電のための運転制御を行う運転制御装置４０と、スタック３０にて発電された電気を取り出す電気出力部４１とが備えられている。
【００３５】
また、図２に示すように、この燃料電池１０１が備えるスタック３０は、基本単位構成である単セル（単電池モジュール）２０を複数個積層し、集電板２１、絶縁板２２、端板２３で両側から所定の荷重で締結して構成されている。それぞれの集電板２１には、電流取り出し端子部２１ａが設けられており、発電時にここから電流、すなわち電気が取り出される。それぞれの絶縁板２２は、集電板２１と端板２３の間を絶縁する。また、これらの絶縁板２２には、図示しないガスや冷却水の導入口、排出口が設けられている場合もある。それぞれの端板２３は、複数個積層された単セル２０と、集電板２１と、絶縁板２２とを、図示しない加圧手段によって所定の荷重で締結して、保持する。
【００３６】
図２に示すように、単セル２０は、ＭＥＡ（膜電極複合体）１が枠体により保持された電極−膜−枠接合体（以降、「ＭＥＡ−枠接合体」とする。）を、一対のセパレータ５ｂ，５ｃで挟み込むようにして構成されている。
【００３７】
ＭＥＡ１は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１ａのアノード面側に、白金−ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（アノード側触媒層）１１２を形成し、カソード面側には、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（カソード側触媒層）１１３を形成し、これらの触媒層１１２及び１１３の外面に、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層１１４を配置して構成されたものである。高分子電解質膜１ａは、プロトン導電性を示す固体高分子材料、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（デュポン社製ナフィオン膜）が一般に使用される。なお、以下では、アノード側触媒層１１２とガス拡散層１１４とを合わせて「アノード電極１ｂ」と呼び、カソード側触媒層１１３とガス拡散層１１４とを合わせて「カソード電極１ｃ」と呼ぶものとする。
【００３８】
セパレータ５ｂ、５ｃは、ガス不透過性の導電性材料にて形成されていれば良く、例えば樹脂含浸カーボン材料を所定の形状に切削したものや、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したものなどが一般的に用いられる。セパレータ５ｂ、５ｃにおけるＭＥＡ−枠接合体１５と接触する部分には凹状の溝部が形成されており、この溝部がガス拡散層１１４と接することで、アノード電極１ｂおよびカソード電極１ｃの電極面に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給し、余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス拡散層１１４は、その基材として一般的に炭素繊維で形成されたものが用いられ、このような基材としては例えば炭素繊維織布が用いられる。
【００３９】
ここで、このような単セル２０の端部近傍（ＭＥＡ−枠接合体１５の端部近傍）における模式部分断面図を図３Ａ及び図３Ｂに拡大して示す。
【００４０】
単セル（単電池モジュール）２０は、ＭＥＡ−枠接合体１５と、ＭＥＡ−枠接合体１５をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータ５ｂ、５ｃとを備える。ＭＥＡ−枠接合体１５は、高分子電解質膜１ａの一方の面にアノード電極１ｂが接合されかつ電解質膜１ａの他方の面にカソード電極１ｃが接合されて形成されるＭＥＡ１と、アノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部２ｘ，２ｙ（図１４Ａ参照）を有し、このＭＥＡ１の周縁部を挟んで保持する枠体２とにより構成される。そして、この単セル２０を複数個積層して組み立てることで高分子電解質型燃料電池が形成される。
【００４１】
このような構成において、例えば、高分子電解質膜１ａは、枠体２の高分子電解質膜挿入用スリット２ａに挿入して挟持させることにより機械的に接合されている。また、高分子電解質膜１ａの両面には、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃが接着固定されている。
【００４２】
このようにして高分子電解質膜１ａの両面にアノード電極１ｂとカソード電極１ｃとが接着固定されてＭＥＡ（膜電極複合体）１を形成し、このＭＥＡ１が枠体２により挟んで保持されたＭＥＡ−枠接合体１５を一対のセパレータ５ｂ、５ｃで挟み込んで、単セル２０が形成される。この単セル２０においては、アノード電極側セパレータ５ｂはアノード電極１ｂに対向し、カソード電極側セパレータ５ｃはカソード電極１ｃに対向している。
【００４３】
次に、ＭＥＡ−枠接合体１５に形成される弾性体の構造について説明する。この弾性体が設けられていない状態のＭＥＡ−枠接合体１５においては、単セル組立後の状態にて、アノード電極１ｂの外縁とカソード電極１ｃの外縁のそれぞれと、枠体２の内縁２ｂ、２ｃとの間には、例えば０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲の隙間が存在する。それぞれの電極１ｂおよび１ｃに沿って形成されることのような隙間を埋めること、およびそれぞれのセパレータ５ｂ、５ｃと枠体２との間を封止することを、その目的および機能として、弾性体がＭＥＡ−枠接合体１５に形成されている。
【００４４】
具体的には、図３Ａに示すように、枠体２のアノード側の内縁２ｂとアノード電極１ｂの外縁との両方に接触するように、アノード電極１ｂの外縁沿いに延在し、かつ矩形状断面を有するアノード側の内側弾性部材４ｂが配置されている。このアノード側の内側弾性部材４ｂは、枠体２とアノード電極１ｂとに接合されて一体化されている。同様に、枠体２のカソード側の内縁２ｃとカソード電極１ｃの外縁との両方に接触するように、カソード電極１ｃの外縁沿いに延在し、かつ矩形状断面を有するカソード側の内側弾性部材４ｃが配置されている。このカソード側の弾性部材４ｃは、枠体２とカソード電極１ｃとに接合されて一体化されている。これらの内側弾性部材４ｂ、４ｃは、図３Ａに示す状態においては、高分子電解質膜１ａ上に配置されて当接した状態とされているだけであり、接着されている必要はない。また、アノード電極１ｂの外縁とカソード電極１ｃの外縁のそれぞれと、枠体２の内縁２ｂ、２ｃとの間に存在する隙間は、内側弾性部材４ｂおよび４ｃにより大幅に減少されている。例えば、内側弾性部材４ｂおよび４ｃの内縁と、アノード電極１ｂの外縁とカソード電極１ｃの外縁との間の隙間Ｓ１は、僅かに存在するか、あるいは、０（ゼロ）となるように、内側弾性部材４ｂおよび４ｃが形成されている。
【００４５】
このように内側弾性部材４ｂ、４ｃを設けた状態で、セパレータ５ｂ、５ｃの間にＭＥＡ−枠接合体１５を配置して積層し単セル２０を組み立てるとき、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ、５ｃのそれぞれのセパレータ組立て面１０とはそれぞれ接近することになる。この時、枠体２とセパレータ５ｂ、５ｃとの間の隙間Ｓ２（図３Ａ参照）よりも、内側弾性部材４ｂ、４ｃとセパレータ５ｂ、５ｃとの対向面間の隙間Ｓ３（図３Ａ参照）が小さく設定されるように、内側弾性部材４ｂ、４ｃの厚みが設定されて形成されている。このように内側弾性部材４ｂ、４ｃを構成することにより、単セル２０の組立時に、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ、５ｃのそれぞれのセパレータ組立面１０とがそれぞれ最接近位置に位置する（図３Ｂ参照）前に、内側弾性部材４ｂ、４ｃがセパレータ５ｂ、５ｃにそれぞれ確実に接触して弾性変形を開始することになる。そして、組立完成後、言い換えれば、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ、５ｃのそれぞれのセパレータ組立て面１０とがそれぞれ最接近位置に位置した後は、図３Ｂに示されるように、内側弾性部材４ｂ、４ｃがセパレータ５ｂ、５ｃにより押圧されてそれぞれ弾性変形した状態とされる。その結果、弾性変形した内側弾性部材４ｂ、４ｃにより隙間Ｓ１がなくなり、アノード電極１ｂの外縁とカソード電極１ｃの外縁と、枠体２の内縁２ｂ、２ｃとの間に存在した隙間は、組み立て状態において、内側弾性部材４ｂおよび４ｃにより完全に埋められた状態となる。
【００４６】
また、図３Ａに示すように、枠体２の枠体組立面９には、それぞれの内側弾性部材４ｂ、４ｃから外側方向に離れた位置に、枠体２の内縁２ｂ、２ｃに沿って延在して配置され、かつ矩形状の断面を有するアノード側の外側弾性部材３ｂとカソード側の外側弾性部材３ｃが配置されている。このアノード側の外側弾性部材３ｂは、枠体２に接合されて一体化されている。同様に、カソード側の外側弾性部材３ｃも、枠体２に接合されて一体化されている。さらに、それぞれの外側弾性部材３ｂ、３ｃの形成位置と対向するセパレータ組立面１０には、凹部１０ａが形成されている。外側弾性部材３ｂ、３ｃは、枠体組立面９において、内側弾性部材４ｂ、４ｃよりも隆起して形成されている。すなわち、外側弾性部材３ｂ、３ｃの頂部（上面）は、内側弾性部材４ｂ、４ｃの頂部（上面）よりも高くなるように形成されている。さらに外側弾性部材３ｂ、３ｃの厚さと、セパレータ組立面１０の凹部１０ａの深さは、枠体組立面９とセパレータ組立面１０とが最接近位置に位置される前に、外側弾性部材３ｂ、３ｃがセパレータ５ｂ、５ｃのそれぞれの凹部１０ａの底部に確実に接触して弾性変形を開始することになるように設定されている。そして、最接近位置に位置された後は、図３Ｂに示されるように、外側弾性部材３ｂ、３ｃがセパレータ５ｂ、５ｃの凹部１０ａ内にて押圧されてそれぞれ弾性変形した状態とされる。その結果、弾性変形した外側弾性部材３ｂ、３ｃにより、枠体組立面９とセパレータ組立面１０との間が、単セル２０の外部に対して封止される。
【００４７】
このような弾性部材を有するＭＥＡ−枠接合体１５の構造についてさらに詳細に説明する。この説明にあたって、ＭＥＡ−枠接合体１５の端部近傍の模式部分拡大図（斜視図）を図４に示し、図４におけるＡ−Ａ線断面図を図５に示す。
【００４８】
図４及び図５に示すように、ＭＥＡ−枠接合体１５の枠体２には、その内縁２ｂ、２ｃ沿いに延在するように内側弾性部材４ｂ、４ｃが形成されている。さらに、枠体組立面９において、内側弾性部材４ｂ、４ｃの外側方向に離間された位置において、内側弾性部材４ｂ、４ｃと並行して延在するように外側弾性部材３ｂ、３ｃが形成されている。さらに、アノード側の内側弾性部材４ｂとアノード側の外側弾性部材３ｂとを複数の箇所にて連結する矩形状断面を有する複数の連結弾性部材６ｂが形成されている。同様に、カソード側の内側弾性部材４ｃとアノード側の外側弾性部材３ｃとを複数の箇所にて連結する矩形状断面を有する複数の連結弾性部材６ｃが形成されている。
【００４９】
それぞれの弾性部材３ｂ、３ｃ、４ｂ、４ｃ、６ｂ、６ｃは、弾性体樹脂を用いて射出成形により一体的に形成される。このような射出成形の際に樹脂を注入する樹脂注入口（ゲート）の跡として形成されたゲート跡部（注入部跡弾性部材）７が、外側弾性部材３ｂ、３ｃにのみ、接続されて形成されている。具体的には、図４及び図５に示すように、ゲート跡部７は、枠体２を貫通する貫通孔２ｄを用いて、アノード側及びカソード側の枠体組立面９を連通するとともに、アノード側の外側弾性部材３ｂ及びカソード側の外側弾性部材３ｃに接続されて形成されている。
【００５０】
このようなゲート跡部（ゲート）７、外側弾性部材３ｂ、３ｃ、連結弾性部材６ｂ、６ｃ、内側弾性部材４ｂ、４ｃの配置および連結構成が採用されていることにより、それぞれの弾性部材を形成する金型の流路において、ゲート跡部７に相当するゲートに注入された弾性体樹脂が外側弾性部材３ｂ、３ｃに相当する流路内に充填され、さらにそれぞれの連結弾性部材６ｂ、６ｃに相当する流路を通じて、内側弾性部材４ｂ、４ｃに相当する流路内に弾性体樹脂が充填されることで、それぞれの弾性部材が形成される。このような射出成形による形成方法については後述する。
【００５１】
ここでＭＥＡ−枠接合体１５の枠体２の模式平面図を図１４Ａ〜図１４Ｃに示す。枠体２は、図１４Ａ〜図１４Ｃに示すように、少なくとも各一対のガス供給部、すなわち、燃料ガス用マニホールド孔１５ａ、酸化剤ガス用マニホールド孔１５ｂ、冷却水用マニホールド孔１５ｃを有している。また、単セル２０同士を締結するボルト（図示せず）を貫通させるための複数個の貫通孔１６を有している。枠体２の一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１５ｂからはカソード電極１ｃ側に酸化剤ガスを供給して排出する。枠体２の一対の燃料ガス用マニホールド孔１５ａからアノード電極１ｂ側に燃料ガスを供給して排出する。また、隣接する単セル２０同士のセパレータ５ｂ、５ｃの互いに対向する背面間には、一対の冷却水用マニホールド孔１５ｃから冷却水を供給して排出する。
【００５２】
枠体２は、さらに、カソード電極１ｃが位置する側の表面である枠体組立面９に、酸化剤ガス用マニホールド孔１５ｂ及び酸化剤ガス流路（ガス流路部）２ｙを含みかつカソード電極１ｃにおいて酸化剤ガスが通過する全領域を囲むガスケットとして機能する外側弾性部材３を有している。また、枠体２のアノード電極１ｂが位置する側の表面である枠体組立面９に、燃料ガス用マニホールド孔１５ａ及び燃料ガス流路（ガス流路部）２ｘを含みかつアノード電極１ｂにおいて燃料ガスが通過する全領域を囲むガスケットとして機能する外側弾性部材３ｂを有している。また、それぞれの外側弾性部材３ｂ及び３ｃは、ガスが通過する領域とは隔離して冷却水用マニホールド孔１５ｃのみを囲むようにしている。よって、単セル組立後には、外側弾性部材３ｂ、３ｃがセパレータ５ｂ、５ｃのセパレータ組立面１０の凹部内にそれぞれ挿入され当接して弾性変形することにより、カソード側とアノード側とでそれぞれ独立して燃料ガス及び酸化剤ガスのリーク並びに冷却水のリークを防止するようにしている。なお、図１４Ａ〜図１４Ｃにおいては、複数の連結弾性部材６ｂ、６ｃの図示を省略しているが、カソード側の内側弾性部材４ｃのガス流路部分４ｃ−１の近傍には連結弾性部材６ｃは設けず、その周囲近傍に設けて、ガス流路を確保するようにすることが好ましい。また、アノード側も同様な構造を有しており、単セル組立後には、アノード側の内側弾性部材４ｂのガス流路部分４ｂ−１とアノード側セパレータ５ｂとの間には、ガス供給用の空間を確実に形成することができる。このように外側弾性部材３ｂ、３ｃは、枠体２の周囲全てに渡って連続して形成されており、また、内側弾性部材４ｂ、４ｃは、ガス供給部からのガス供給経路の形成位置を除いて、枠体２の周囲全体に渡って連続して形成されている。
【００５３】
また、これらの弾性部材を形成する弾性体樹脂材料としては、例えば、熱可塑性エラストマを用いることが好ましい。具体的な材料の例としては、三井化学株式会社製のミラストマー（登録商標）の高硬度銘柄のＭ３８００が挙げられる。また、弾性部材において、弾性変形をそれぞれ確実に行わせるための条件としては、ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３で規定されているＡ５０〜Ａ９０又はＤ３７〜Ｄ６０の弾性を有すればよい。
【００５４】
枠体の具体的な材料の例としては、株式会社プライムポリマーのＲ−２５０Ｇ又は３５０Ｇであり、セパレータの具体的な材料の例としては、外寸１２０ｍｍ×１２０ｍｍ、厚み３．０ｍｍの樹脂含浸黒鉛板（東海カーボン（株）製グラッシーカーボン）が挙げられる。
【００５５】
単セル２０の組立時にセパレータ５ｂ、５ｃがＭＥＡ−枠接合体１５に積層されると、図３Ｂに示すように、内側弾性部材４ｂ、４ｃはセパレータ５ｂ、５ｃによってそれぞれ圧縮されて弾性変形する。この結果、内側弾性部材４ｂ、４ｃの圧縮力により高分子電解質膜１ａを高分子電解質膜１ａの厚み方向沿いに加圧する為、高分子電解質膜１ａと内側弾性部材４ｂ、４ｃとは接着されていなくとも、この加圧力と内側弾性部材４ｂ、４ｃの弾性力で、内側弾性部材４ｂ、４ｃと高分子電解質膜１ａとが互いに密着された状態とされ、両者の間が確実に封止される。また、セパレータ５ｂ、５ｃと枠体２との間での内側弾性部材４ｂ、４ｃの弾性変形により、アノード電極１ｂの外縁とカソード電極１ｃの外縁のそれぞれと枠体２の内縁２ｂ、２ｃとの間の隙間Ｓ１を大幅に小さくすることができるか、あるいは、隙間Ｓ１を無くすことができる。すなわち、隙間Ｓ１を実質的に無くすことができる。
【００５６】
従って、弾性変形したアノード側の内側弾性部材４ｂとカソード側の内側弾性部材４ｃとにより、枠体２とアノード側セパレータ５ｂ及びカソード側セパレータ５ｃとの間がそれぞれ密着封止されて、高分子電解質膜１ａと枠体２との間の隙間を抜けるクロスリーク現象（クロスリークが発生する現象）を効果的に抑制することができる。さらに、アノード電極１ｂの外縁と枠体２の内縁との間における高分子電解質膜１ａ上の空間、および、カソード電極１ｃの外縁と枠体２の内縁との間における高分子電解質膜１ａ上の空間が、弾性変形した内側弾性部材４ｂおよび４ｃのよりそれぞれ埋められるため、枠体２の内縁沿いの還元剤ガスの短絡的な流れ及び枠体２の内縁沿いの酸化剤ガスの短絡的な流れをそれぞれ抑制することができる。その結果、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる。また、それぞれの連結弾性部材６ｂ、６ｃによっても、このような短絡的な流れを抑制する効果を得ることができる。さらに、外側弾性部材３ｂ、３ｃを、従来におけるガスケットとして機能させることができる。
【００５７】
次に、このような構成を有するそれぞれの弾性部材を射出成形により形成する方法について、図６Ａ〜図６Ｅに示す模式説明図を用いて説明する。
【００５８】
まず、図６Ａに示すように、ＭＥＡ１と枠体２とが接合された状態のＭＥＡ−枠接合体１５（弾性部材が形成される前の状態のＭＥＡ−枠接合体）が配置される上部金型５０と下部金型６０とを準備する。下部金型６０は、その上面にＭＥＡ−枠接合体１５が配置されるとともに、ＭＥＡ−枠接合体１５の下面との間に所定の流路を形成するための凹凸部である流路形成面６１が形成されている。さらに下部金型６０には、成形された樹脂とともにＭＥＡ−枠接合体１５を流路形成面６１から分離させる棒状の突き上げ部材６２が備えられている。上部金型５０は、その下面にてＭＥＡ−枠接合体１５の上面を覆うとともに、ＭＥＡ−枠接合体１５の上面との間に所定の流路を形成するための凹凸部である流路形成面５１が形成されている。さらに、この流路形成面５１には樹脂注入口である複数のゲート５２が形成されており、それぞれのゲート５２は、上部金型５０の上面に形成された凹部である樹脂導入部５３に連通されている。また、上部金型５０には、上部金型５０と下部金型６０とを位置決めした状態で型締めを行う型締め部材５４が備えられている。なお、図６Ａに示すように、ＭＥＡ−枠接合体１５の枠体２におけるそれぞれのゲート５２と対応する位置には、予め貫通孔２ｄが形成されている。
【００５９】
次に、図６Ｂに示すように、下部金型６０の流路形成面６１にＭＥＡ−枠接合体１５を載置する。その後、図６Ｃに示すように、ＭＥＡ−枠接合体１５が載置された下部金型６０に対して、上部金型５０を型締め部材５４により型締めを行う。このように型締めが行われた状態において、それぞれの流路形成面５１、６１とＭＥＡ−枠接合体１５との間には、樹脂が流されて充填される流路が形成される。
【００６０】
具体的には、下部金型６０の流路形成面６１とＭＥＡ−枠接合体１５との間には、アノード側の外側弾性部材３ｂに相当する第１の樹脂流路６５と、内側弾性部材４ｂに相当する第２の樹脂流路６６と、第１の樹脂流路６５と第２の樹脂流路６６とを複数の箇所にて連通する複数の連通樹脂流路６７（連結弾性部材６ｂに相当する流路）とが形成される。また、上部金型５０の流路形成面５１とＭＥＡ−枠接合体１５との間には、カソード側の外側弾性部材３ｃに相当する第１の樹脂流路５５と、内側弾性部材４ｃに相当する第２の樹脂流路５６と、第１の樹脂流路５５と第２の樹脂流路５６とを複数の箇所にて連通する複数の連通樹脂流路５７（連結弾性部材６ｃに相当する流路）とが形成される。なお、図６Ｃからも明らかなように、第１の樹脂流路５５、６５及び第２の樹脂流路５６、６６は、枠体２に沿って平面的に枠状に形成される。
【００６１】
次に、図６Ｄに示すように、金型内に弾性体樹脂を射出して注入する。具体的には、上部金型５０の樹脂導入部５３に射出注入された弾性体樹脂Ｐが、それぞれのゲート５２を通して、まず上部金型５０側に形成された第１の樹脂流路５５に注入されるとともに、枠体２のそれぞれの貫通孔２ｄを通して下部金型６０側に形成された第１の樹脂流路６５に注入される。次に、それぞれの第１の樹脂流路５５、６５に注入された樹脂が、それぞれの連通樹脂流路５７、６７を通して、それぞれの第２の樹脂流路５６、６６に流れ込む。このような樹脂の流れにより、それぞれの流路内に樹脂が充填される。
【００６２】
第１の樹脂流路５５、６５に先ずゲート５２から樹脂が注入されることで、注入時の圧力の変動を吸収して流路内のそれぞれの位置における樹脂圧力のバラツキを減少させる、すなわち樹脂圧力の均一化を図ることができる。さらに、第１の樹脂流路５５、５６内から、それぞれの連通樹脂流路５７、６７を通して第２の樹脂流路５６、６６に樹脂を流し込むことにより、さらに圧力の均一化を図ることができる。また、それぞれの連通樹脂流路５７、６７を通過させて、第１の樹脂流路５５、５５から第２の樹脂流路５６、６６への樹脂の充填が行われることにより、第２の樹脂流路５６、６６内のそれぞれの位置における充填時間（樹脂到達時間）のバラツキを少なくすることができる。すなわち、樹脂の温度の場所によりバラツキを少なくすることができ、樹脂温度の均一化を図ることができる。特に、このような射出成形においては、高温・高圧の樹脂が注入されることになるが、熱的強度が比較的低い部分である電極部と枠体２との接合部分に、均一化された圧力で、さらに温度のバラツキが少ない樹脂が導かれることにより、このような接合部分が破損することを防止しながら、射出成形により弾性部材を形成することができる。
【００６３】
全ての流路内への樹脂の充填が完了すると、樹脂の硬化が行われる。その後、図６Ｅに示すように、上部金型５０と下部金型６０との型締めが解除され、突き上げ部材６２により、それぞれの流路に相当する位置に弾性部材が形成されたＭＥＡ−枠接合体１５が、下部金型６０の流路形成面６１より離脱される。これで射出成形が完了する。
【００６４】
この射出成形が行われた結果、図４に示すように、ＭＥＡ−枠接合体１５において、第１の樹脂流路６５に相当する位置にアノード側の外側弾性部材３ｂが形成され、第２の樹脂流路６６に相当する位置に内側弾性部材４ｂが形成され、それぞれの連通樹脂流路６７に相当する位置に連結弾性部材６ｂが形成される。また、ＭＥＡ−枠接合体１５において、第１の樹脂流路５５に相当する位置にカソード側の外側弾性部材３ｃが形成され、第２の樹脂流路５６に相当する位置に内側弾性部材４ｃが形成され、それぞれの連通樹脂流路５７に相当する位置に連結弾性部材６ｃが形成される。また、それぞれのゲート５２及び貫通孔２ｄに相当する位置にゲート跡部７が形成される。
【００６５】
ここで、このような射出成形における樹脂圧力の均一化及び樹脂到達時間の均一化を実現するためのそれぞれの弾性部材の好ましい形状及び配置について、図４を用いて言及する。
【００６６】
まず、外側弾性部材３ｂ、３ｃの厚み寸法ｄ１は、０．５ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲とすることが好ましい。また、その部材断面積は、１ｍｍ２〜２０ｍｍ２の範囲とすることが好ましい。厚み寸法や断面積が上記範囲より小さ過ぎると圧力を均一化するための樹脂バッファとしての機能を果たさず、また大き過ぎる場合には、樹脂材料の無駄となるからである。
【００６７】
ゲート跡部（ゲート）７の形成間隔ｄ２は、２０〜１００ｍｍの範囲とすることが好ましい。形成間隔を狭くすれば樹脂材料が無駄となり、広くすれば圧力の均一化が困難となるからである。
【００６８】
連結弾性部材６ｂ、６ｃの幅寸法ｄ３は、０．５ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲とすることが好ましく、厚み寸法ｄ４は、０．５ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲とすることが好ましい。上記範囲よりも小さい場合には、樹脂流動における圧力損失が大きくなり、均一な圧力を得ることが困難となる。また、少なくとも外側弾性部材３ｂ、３ｃの断面積よりも小さくしないと、圧力均一化の効果を得ることが困難となる。なお、連結弾性部材６ｂ、６ｃの断面積としては、外側弾性部材３ｂ、３ｃの断面積に対して、５〜７０％程度とすることが好適である。さらに、連結弾性部材６ｂ、６ｃの形成間隔ピッチｄ５は、３．０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲とすることが好ましい。上記範囲より小さいと製作が困難となり、大きいと圧力均一化の効果が低下する。
【００６９】
連結弾性部材６ｂ、６ｃの幅寸法ｄ３と、隣接する連結弾性部材６ｂ、６ｃの間隔寸法ｄ６（間隔寸法ｄ６＝形成間隔ピッチｄ５−幅寸法ｄ３）との関係が、ｄ３／ｄ６≦１であることが好ましい。このような関係の条件を満たすようにすれば、弾性部材形成時に、樹脂の充填圧力に対して、枠体２が十分に耐えることができる。
【００７０】
上述の本実施形態の説明においては、外側弾性部材３ｂ、３ｃ及び内側弾性部材４ｂ、４ｃが矩形状断面を有するような場合について説明したが、本実施形態はそのような場合についてのみ限られるものではない。このような場合に代えて、例えば、図７の模式斜視図に示す変形例にかかるＭＥＡ−枠接合体７５のように、傾斜面を備えた断面形状を有する内側弾性部材７４ｂ、７４ｃと、滑らかな隆起曲面を備えた断面形状を有する外側弾性部材７３ｂ、７３ｃが備えられるような場合であってもよい。このような構成とすることで、樹脂使用量を抑制しながら、密閉封止性が良好で、破損などがし難いＭＥＡ−枠接合体を提供することができる。なお、図７のＭＥＡ−枠接合体７５においても、それぞれの外側弾性部材７３ｂ、７３ｃと内側弾性部材７４ｂ、７４ｃとを連結する複数の連結弾性部材７６ｂが備えられている。
【００７１】
（第２実施形態）
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡ−枠接合体８５の模式部分斜視図を図８Ａに示し、図８ＡのＢ−Ｂ線断面図を図８Ｂに示す。なお、以降の説明においては、上記第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体と同じ構成部材には同じ参照番号を付してその説明を省略する。
【００７２】
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、本第２実施形態のＭＥＡ−枠接合体８５は、それぞれの弾性部材を射出成形にて形成するための樹脂注入口であるゲートの位置が上記第１実施形態と相違する。具体的には、カソード側の外側弾性部材３ｃの図示上面にゲート跡部８７が設けられている。さらに、このゲート跡部８７の図示真下の位置において、枠体２を貫通するように貫通孔２ｄが形成されている。
【００７３】
このような本第２実施形態のＭＥＡ−枠接合体８５の構成によれば、ゲート位置を外側弾性部材３ｃの上面とすることができるため、枠体組立面９上の領域を有効に活用することができる。
【００７４】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡ−枠接合体９５の模式部分斜視図を図９に示す。図９に示すように、本第３実施形態のＭＥＡ−枠接合体９５は、射出成形における樹脂注入口であるゲートの位置が、さらに上記第１及び第２実施形態と相違する。具体的には、カソード側の外側弾性部材３ｃと内側弾性部材４ｃとの間において、連結弾性部材６ｃ間のスペースにゲート跡部９７が配置されている。なお、このゲート跡部９７の図示真下の位置には、枠体２を貫通するように貫通孔２ｄが形成されている。
【００７５】
このような本第３実施形態のＭＥＡ−枠接合体９５の構成によれば、ゲート位置を外側弾性部材３ｃと内側弾性部材４ｃとの間に配置しているため、弾性部材間のスペースを有効に活用することができ、枠体組立面９上の領域を効率的に使用できる。また、上記第２実施形態のように、外側弾性部材３ｃの上面にゲート跡部８７が形成されるようなこともないため、外側弾性部材３ｃの密閉封止機能、すなわち、セパレータ５ｃとの間のガスケットとしての機能を阻害することもなく、確実に密閉封止を行うことができる。
【００７６】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡ−枠接合体１１５の模式部分断面図を図１０に示す。図１０に示すように、本第４実施形態のＭＥＡ−枠接合体１１５は、外側弾性部材３ｂ、３ｃと内側弾性部材４ｂ、４ｃとの間に、それぞれの弾性部材沿いに延在して配置された中間弾性部材１１８ｂ、１１８ｃをさらに備える点において、上記それぞれの実施形態と相違している。さらに、中間弾性部材１１８ｂ、１１８ｃは、外側弾性部材３ｂ、３ｃと、複数の連結弾性部材１１９ｂ、１１９ｃにより連結されている。また、中間弾性部材１１８ｂ、１１８ｃは、内側弾性部材４ｂ、４ｃと、複数の連結弾性部材６ｂ、６ｃにより連結されている。
【００７７】
このような本第３実施形態のＭＥＡ−枠接合体１１５の構成においては、外側弾性部材に相当する樹脂流路における圧力の均一化のための樹脂バッファとしての機能を、外側弾性部材と中間弾性部材に相当する樹脂流路にて２段階に分けて行うものである。さらに、樹脂が内側弾性部材に相当する樹脂流路に到達するまでに、少なくとも２つの連結樹脂部材に相当する樹脂流路を通過することになる。従って、内側弾性部材に相当する流路へ流入される樹脂圧力や樹脂到達時間の均一化の効果をさらに高めることができる。
【００７８】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡ−枠接合体１２５の模式部分斜視図を図１１に示す。図１１に示すように、本第５実施形態のＭＥＡ−枠接合体１２５は、それぞれの連結弾性部材１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃの断面積を、ゲート跡部（ゲート）７からの距離に比例して大きくなるように形成している点において、上記それぞれの実施形態と相違する。すなわち、図１１において、ゲート跡部７に一番近い位置に配置されている連結弾性部材１２６ａの断面積が一番小さく、次に連結弾性部材１２６ｂの断面積、そして連結弾性部材１２６ｃの断面積というように順に大きくなるように、それぞれの断面積が設定されている。
【００７９】
このように連結弾性部材１２６ａ〜１２６ｃの断面積が、ゲート跡部７からの距離に比例して大きくなるように設定されていることにより、射出成型時において、ゲートから内側弾性部材に相当する流路への樹脂流動における圧力損失を均一化することができ、樹脂圧力の均一化の効果を高めることができる。
【００８０】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡ−枠接合体１３５の製造方法について、図１２Ａ及び図１２Ｂの模式説明図を用いて説明する。
【００８１】
上述のそれぞれの実施形態においては、ＭＥＡ−枠接合体のアノード側及びカソード側のそれぞれの面に弾性部材を射出成形により同時に一体的に形成するような場合について説明したが、このような場合についてのみ限られるものではない。具体的には、図１２Ａに示すように、ＭＥＡ−枠接合体１３５における一方の表面、例えば、カソード側の表面９ｃにおいて、射出成形によりゲート７ｃから弾性体樹脂を注入することで、カソード側の外側弾性部材１３３ｃ、それぞれの連結弾性部材１３６ｃ、及び内側弾性部材１３４ｃを形成する。その後、図１２Ｂに示すように、ＭＥＡ−枠接合体１３５における他方の表面、例えば、アノード側の表面９ｂにおいて、射出成形により新たなゲート７ｂから弾性体樹脂を注入することで、アノード側の外側弾性部材１３３ｂ、それぞれの連結弾性部材１３６ｂ、及び内側弾性部材１３４ｂを形成する。
【００８２】
このようにＭＥＡ−枠接合体１３５のそれぞれの面において、射出成形により別々に弾性部材を形成することができる。また、このような形成方法では、枠体２に貫通孔を設ける必要がないという利点もある。
【００８３】
なお、上記それぞれの実施形態においては、ＭＥＡ−枠接合体において、アノード側及びカソード側のそれぞれの面に弾性部材を形成する場合について説明したが、このような場合に代えて、一方の面にのみ弾性部材を形成するような場合であってもよい。一方の面にだけ弾性部材を配置するような場合であっても、ガスのクロスリークを抑制する効果を得ることができる。
【００８４】
（実施例）
ここで、上記第１実施形態の構成を有するＭＥＡ−枠接合体１５における内側弾性部材に相当する第２の樹脂流路における弾性体樹脂の圧力分布（実施例）と、比較例にかかるＭＥＡ−枠接合体の樹脂流路として、連通樹脂流路を有さない樹脂流路での圧力分布の測定を行った結果を図１３のグラフに示す。
【００８５】
図１３の圧力分布のグラフにおいては、縦軸に樹脂の圧力（ＭＰａ）を示し、横軸に測定点の位置を示している。なお、測定点２２が、樹脂注入口であるゲートに最も近い位置となっており、測定点１と４１に向かう程、ゲートから遠ざかる位置となっている。
【００８６】
図１３に示すように、連通樹脂流路を設けない比較例のＭＥＡ−枠接合体においては、測定点２２において樹脂圧力が５ＭＰａ程度に達している。一方、実施例のＭＥＡ−枠接合体１４のように連通樹脂流路を設けた場合には、樹脂圧力の上限を２．９ＭＰａ程度以下に抑制することができ、圧力の均一化の効果が得られることが判る。
【００８７】
従って、上記それぞれの実施形態のＭＥＡ−枠接合体の構成によれば、流路における樹脂圧力の均一化、及び流路への樹脂の充填時間の均一化を図ることができ、比較的熱的強度の低い電極部と枠体との接合部分において、クロスリークを抑制して封止密閉を行う内側弾性部材を射出成形により形成することができる。
【００８８】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【００８９】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【００９０】
２００７年３月３０日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００７−０９１９７５号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の概略構成を示す模式構成図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池が備える燃料電池用スタックの模式分解図である。
【図３Ａ】図３Ａは、燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、単セルの組立後の概略断面図である。
【図４】図４は、ＭＥＡ−枠接合体の模式部分斜視図である。
【図５】図５は、図４のＭＥＡ−枠接合体におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体の弾性部材を射出成形により形成する手順を示す模式図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体の弾性部材を射出成形により形成する手順を示す模式図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体の弾性部材を射出成形により形成する手順を示す模式図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体の弾性部材を射出成形により形成する手順を示す模式図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体の弾性部材を射出成形により形成する手順を示す模式図である。
【図７】図７は、第１実施形態の変形例にかかる単セルの模式図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の第２実施形態にかかるＭＥＡ−枠接合体の模式斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８ＡのＭＥＡ−枠接合体におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図９】図９は、本発明の第３実施形態にかかるＭＥＡ−枠接合体の模式斜視図である。
【図１０】図１０は、本発明の第４実施形態にかかるＭＥＡ−枠接合体の模式断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第５実施形態にかかるＭＥＡ−枠接合体の模式斜視図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の第６実施形態にかかるＭＥＡ−枠接合体の弾性部材を射出成形により形成する方法を示す模式断面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、第６実施形態にかかるＭＥＡ−枠接合体の弾性部材を射出成形により形成する方法を示す模式断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施例における樹脂流路での圧力分布の測定結果を示すグラフである。
【図１４Ａ】図１４Ａは、第１実施形態の単セルの枠体の平面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、第１実施形態の前記単セルの枠体のアノード側の表面の正面図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、第１実施形態の前記単セルの枠体のカソード側の表面の正面図である。
【図１５】図１５は、従来例の固体高分子電解質型燃料電池の電極−膜−枠接合体とセパレータの分解断面図である。
【図１６】図１６は、従来例の固体高分子電解質型燃料電池の電極−膜−枠接合体の断面図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008129840.tif 000028
【図２】
2008129840.tif 000029
【図３Ａ】
2008129840.tif 000030
【図３Ｂ】
2008129840.tif 000031
【図４】
2008129840.tif 000032
【図５】
2008129840.tif 000033
【図６Ａ】
2008129840.tif 000034
【図６Ｂ】
2008129840.tif 000035
【図６Ｃ】
2008129840.tif 000036
【図６Ｄ】
2008129840.tif 000037
【図６Ｅ】
2008129840.tif 000038
【図７】
2008129840.tif 000039
【図８Ａ】
2008129840.tif 000040
【図８Ｂ】
2008129840.tif 000041
【図９】
2008129840.tif 000042
【図１０】
2008129840.tif 000043
【図１１】
2008129840.tif 000044
【図１２Ａ】
2008129840.tif 000045
【図１２Ｂ】
2008129840.tif 000046
【図１３】
2008129840.tif 000047
【図１４Ａ】
2008129840.tif 000048
【図１４Ｂ】
2008129840.tif 000049
【図１４Ｃ】
2008129840.tif 000050
【図１５】
2008129840.tif 000051
【図１６】
2008129840.tif 000052
【国際調査報告】
2008129840.tif 000053
2008129840.tif 000054
2008129840.tif 000055
2008129840.tif 000056