(57)【要約】  成形の工程数が少なくて生産性が良好な燃料電池セルを提供することを目的として、高分子電解質膜（４４）にアノード極（４６ａ）とカソード極（４６ｂ）を設けて形成された電極部の外周に露出している高分子電解質膜（４４）の縁を、一方の枠（４７ａ）の上面に載せ、その上面に、一方の枠（４７ａ）よりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して他方の枠（４７ｃ）を成形すると共に、一方の枠（４７ａ）の下面に、他方の枠（４７ｃ）と同じ材質のシール部（４９）を同時に成形する。
2008129779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルであって、
前記枠体を、高分子電解質膜の縁を間に挟んで接合された一方の枠と他方の枠とで構成し、
前記他方の枠は、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料で形成されており、かつ前記一方の枠の前記他方の枠との接合面とは反対側の面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を形成した
燃料電池セル。
【請求項２】
前記他方の枠には、前記高分子電解質膜が露出する開口が形成されている
請求項１記載の燃料電池セル。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池セルを複数個直列に接続された積層構造のスタックに対して、各燃料電池セルのアノード極とカソード極に燃料ガスと酸化ガスを供給するよう構成した
燃料電池。
【請求項４】
高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルを製造するに際し、
高分子電解質膜にアノード極とカソード極を設けて形成された電極部の外周に露出している高分子電解質膜の縁を、前記枠体を構成する一方の枠の上面に載せ、
前記一方の枠の上面に、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して前記枠体を構成する他方の枠を成形すると共に、前記一方の枠の下面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を同時に成形する
燃料電池セルの製造方法。
【請求項５】
高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルを製造するに際し、
高分子電解質膜にアノード極とカソード極を設けて形成された電極部の外周に露出している高分子電解質膜の縁を、前記枠体を構成する一方の枠の上面に載せ、
押圧部材で高分子電解質膜の縁を前記一方の枠の上面に押し付けながら、前記一方の枠の上面に、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して前記枠体を構成する他方の枠を成形すると共に、前記一方の枠の下面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を同時に成形する
燃料電池セルの製造方法。
【請求項６】
オレフィン系樹脂材料を注入して前記一方の枠を形成し、
ヤング率が前記一方の枠よりも小さいオレフィン系エラストマ樹脂材料を注入して前記他方の枠と前記一方の枠の下面にシール部を形成する
請求項４または請求項５記載の燃料電池セルの製造方法。
【請求項７】
前記一方の枠にこの一方の枠の両面を接続する貫通孔が形成されており、前記前記他方の枠と前記シール部が、前記貫通孔に充填された樹脂材料によって連結されている
請求項１記載の燃料電池セル。
【請求項８】
前記一方の枠の上面に樹脂材料を注入して前記他方の枠を成形する際に、前記一方の枠に形成された貫通孔を介して前記他方の枠とは反対側の面に樹脂材料を注入して前記シール部を成形する
請求項４記載の燃料電池セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）などに構成部品として使用されている燃料電池セルの、特に電解質膜−電極接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、図７に示すように構成されている。【０００３】
スタック３０は、燃料電池セルが複数個直列に接続された積層構造を有している。外部からこのスタック３０に、燃料ガスＡと酸素含有ガスＢとが供給されて、これを電気化学的に反応させることで電力、熱、及び水が同時に発生する。スタック３０にて発電された電気は、電気出力部４１を介して取り出されている。【０００４】
スタック３０の各燃料電池セルは、図８に示すように、電解質膜−電極接合体４２を中央にして２枚のセパレータ４３ａ，４３ｂで挟んで構成されている。電解質膜−電極接合体４２は、図９（ｅ）にも示すように、高分子電解質膜４４の外周を枠体４５で保持した構造であって、高分子電解質膜４４の一方の面にアノード極（燃料極）４６ａ、高分子電解質膜４４の他方の面にはカソード極（酸化剤極）４６ｂが設けられている。セパレータ４３ａとアノード極（燃料極）４６ａとの間には燃料ガスＡの流路が形成され、セパレータ４３ｂとカソード極（酸化剤極）４６ｂとの間には酸素含有ガスＢの流路が形成されている。【０００５】
この電解質膜−電極接合体４２は、特許文献１などに見られるように図９（ａ）〜図９（ｅ）の工程で製造されている。【０００６】
図９（ａ）の枠体一次成形工程では、前記枠体４５の一部となる一方の枠４７ａが成形される。【０００７】
図９（ｂ）では、高分子電解質膜４４にアノード極（燃料極）４６ａとカソード極（酸化剤極）４６ｂを設けて電極部が形成される。【０００８】
図９（ｃ）（ｄ）では、電極部の外周に露出している高分子電解質膜４４の縁を、前記一方の枠４７ａの上面に載せ、樹脂材料を注入して前記枠体４５の一部となる他方の枠４７ｂを成形して、一方の枠４７ａと他方の枠４７ｂとで高分子電解質膜４４を挟持する。【０００９】
図９（ｅ）では、前記枠４７ａ，４７ｂよりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して一方の枠４７ａと他方の枠４７ｂの外側の面に、隣接する燃料電池セルに当接してシールする突部４８ａ，４８ｂが成形されている。【００１０】
また、特許文献２，特許文献６には、高分子電解質膜の周縁部を覆う枠体の弾性率を、２０００ＭＰａ以上２００００００ＭＰａ以下とし、枠体とセパレータの間に設けた弾性体の弾性率を２００ＭＰａ以下にすることが開示されている。【００１１】
また、特許文献３には、高分子電解質膜の周縁部で、その両面にガスケットを備えた電解質膜−電極接合体が示されている。ガスケットにはシール用の凸部が設けられている。【００１２】
また、特許文献４には、弾性体からなるシール材が一体に成形された薄膜キャリアガスケットが開示されており、キャリアの表裏面には硬度または材質の異なるシール材が設けられている。【００１３】
また、特許文献５には、高分子電解質膜の周縁部に形成されたシール部材を、弾性率の異なる材料を二層に重ねた構成が開示されており、高分子電解質膜の側のシール部材よりその上に形成したシール部材（セパレータ側）の弾性率を低くして、セパレータの粗さを吸収している。【００１４】
また、特許文献７には、電解質膜−電極接合体が高分子電解質膜とそれを挟持する電極からなり、周縁部は弾性体からなるフレームで囲まれており、フレームの上にシーリング・リップが形成されている。【００１５】
また、特許文献８，特許文献９には、シール部材を弾性率の異なる材料を二層に重ね、高分子電解質膜のシール部材の弾性率をセパレータ側のシール部材よりも高くすることが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３１１２５４公報
【特許文献２】特開２００４−３１９４６１公報
【特許文献３】特開２００７−  ９５６６９公報
【特許文献４】特開２００１−３３６６４０公報
【特許文献５】特開２０００−１８２６３９公報
【特許文献６】ＵＳ２００４／０２３４８３１公報
【特許文献７】ＵＳ２００７／００７２０４５公報
【特許文献８】ＵＳ２００２／００６４７０３公報
【特許文献９】ＵＳ２００２／０１５０８１０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
図９（ａ）〜（ｅ）に示したように、成形の工程数が多くて作業性が悪いので、成形工程数の削減が要求されているのが現状である。【００１７】
そこで、図１０（ａ）に示すように金型１００に電極部をセットして、ゲート１０１から樹脂材料１０２を注入して枠体４５を一度の成形で成形することが考えられるが、高分子電解質膜４４が薄くて可撓性材料であるため、高分子電解質膜４４の縁は、樹脂の注入によって図１０（ｂ）に示すように樹脂圧によって片寄りして変形してしまって、安定した支持状態を得られない問題がある。【００１８】
本発明は、成形の工程数が少なくて生産性が良好な燃料電池セルとこれを使用した燃料電池および燃料電池セルの製造方法を提供することを目的とする。【００１９】
また、成形の工程数が少なくて作業性が良好で、しかも、高分子電解質膜の安定した支持状態を得られる燃料電池セルの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の請求項１記載の燃料電池セルは、高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルであって、前記枠体を、高分子電解質膜の縁を間に挟んで接合された一方の枠と他方の枠とで構成し、前記他方の枠は、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料で形成されており、かつ前記一方の枠の前記他方の枠との接合面とは反対側の面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を形成したことを特徴とする。【００２１】
本発明の請求項２記載の燃料電池セルは、請求項１において、前記他方の枠には、前記高分子電解質膜が露出する開口が形成されていることを特徴とする。【００２２】
本発明の請求項３記載の燃料電池は、請求項１または請求項２記載の燃料電池セルを複数個直列に接続された積層構造のスタック対して、各燃料電池セルのアノード極（燃料極）とカソード極（酸化剤極）に燃料ガスと酸化ガスを供給するよう構成したことを特徴とする。【００２３】
本発明の請求項４記載の燃料電池セルの製造方法は、高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルを製造するに際し、高分子電解質膜にアノード極（燃料極）とカソード極（酸化剤極）を設けて形成された電極部の外周に露出している高分子電解質膜の縁を、前記枠体を構成する一方の枠の上面に載せ、前記一方の枠の上面に、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して前記枠体を構成する他方の枠を成形すると共に、前記一方の枠の下面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を同時に成形することを特徴とする。【００２４】
本発明の請求項５記載の燃料電池セルの製造方法は、高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルを製造するに際し、高分子電解質膜にアノード極（燃料極）とカソード極（酸化剤極）を設けて形成された電極部の外周に露出している高分子電解質膜の縁を、前記枠体を構成する一方の枠の上面に載せ、押圧部材で高分子電解質膜の縁を前記一方の枠の上面に押し付けながら、前記一方の枠の上面に、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して前記枠体を構成する他方の枠を成形すると共に、前記一方の枠の下面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を同時に成形することを特徴とする。【００２５】
本発明の請求項６記載の燃料電池セルの製造方法は、請求項４または請求項５において、オレフィン系樹脂材料を注入して前記一方の枠を形成し、ヤング率が前記一方の枠よりも小さいオレフィン系エラストマ樹脂材料を注入して前記他方の枠と前記一方の枠の下面にシール部を形成することを特徴とする。【００２６】
本発明の請求項７記載の燃料電池セルは、請求項１において、前記一方の枠にこの一方の枠の両面を接続する貫通孔が形成されており、前記前記他方の枠と前記シール部が、前記貫通孔に充填された樹脂材料によって連結されていることを特徴とする。【００２７】
本発明の請求項８記載の燃料電池セルの製造方法は、請求項４において、前記一方の枠の上面に樹脂材料を注入して前記他方の枠を成形する際に、前記一方の枠に形成された貫通孔を介して前記他方の枠とは反対側の面に樹脂材料を注入して前記シール部を成形することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
この構成によると、高分子電解質膜の安定した支持状態を得られる燃料電池セルを実現できる。また、一方の枠の上面に、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して他方の枠を成形すると共に、前記一方の枠の下面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を同時に成形するので、少ない工程数で燃料電池セルを作成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池セルの要部の拡大断面図
【図２】同実施の形態の製造工程図
【図３】本発明の実施の形態２の燃料電池セルの要部の拡大断面図
【図４】同実施の形態の製造工程図
【図５】本発明の実施の形態３の燃料電池セル製造工程図
【図６】本発明の実施の形態４の燃料電池セル製造工程図
【図７】固体高分子電解質型燃料電池の構成図
【図８】一般的な燃料電池セルの断面図
【図９】一般的な燃料電池セルの製造工程図
【図１０】比較例の燃料電池セルの製造工程図
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の燃料電池セルの製造方法を具体的な各実施の形態に基づいて説明する。【００３１】
（実施の形態１）
図１と図２は本発明の実施の形態１を示す。【００３２】
なお、図７〜図１０と同様の作用をなすものには同一の符号を付けて説明する。【００３３】
この燃料電池セルは、図２（ａ）〜（ｄ）の工程で製造される。【００３４】
図２（ａ）の枠体一次成形工程では、前記枠体４５の一部となる一方の枠４７ａがオレフィン系の合成樹脂である例えばポリプロピレンによって成形される。【００３５】
図２（ｂ）では、高分子電解質膜４４にアノード極（燃料極）４６ａとカソード極（酸化剤極）４６ｂを設けて電極部が形成される。【００３６】
図２（ｃ）（ｄ）では、電極部の外周に露出している高分子電解質膜４４の縁を、前記一方の枠４７ａの上面に載せ、金型（図示せず）にセットして、この金型に前記一方の枠４７ａよりもヤング率が小さい樹脂材料として、オレフィン系エラストマを注入する。【００３７】
この金型での成形を詳しく説明する。【００３８】
ここでは前記一方の枠４７ａとして株式会社プライムポリマー製の商品名：プライムポリプロ，グレード：Ｒ−２５０Ｇ又はＲ−３５０Ｇを使用している。【００３９】
金型には、前記一方の枠４７ａよりもヤング率が小さい樹脂材料として、オレフィン系エラストマである例えば三井化学株式会社製ミラストマー（登録商標）Ｍ３８００または三菱化学株式会社製ゼラス（登録商標）ＭＣ６１６を注入して、前記枠体４５の一部となる他方の枠４７ｃを成形して、一方の枠４７ａと他方の枠４７ｃとで高分子電解質膜４４を挟持する。また、他方の枠４７ｃを成形した樹脂が一方の枠４７ａの下面に供給されてシール部としての突起４９が同時に成形される。【００４０】
このようにして作成した電解質膜−電極接合体４２を中央にして２枚のセパレータ４３ａ，４３ｂで挟んで、セパレータ４３ａとアノード極（燃料極）４６ａとの間には燃料ガスＡの流路を形成し、セパレータ４３ｂとカソード極（酸化剤極）４６ｂとの間には酸素含有ガスＢの流路を形成する。この燃料電池セルを複数個直列に接続された積層構造のスタック３０に対して、各燃料電池セルのアノード極４６ａとカソード極４６ｂに燃料ガスと酸化ガスを供給することによって燃料電池を構成できる。【００４１】
この構成によると、図９に示した比較例と比べて少ない工程数で燃料電池セルを作成できる。【００４２】
（実施の形態２）
図３と図４は本発明の実施の形態２を示す。【００４３】
図３は実施の形態１の図１とは、高分子電解質膜４４が露出する開口５０が他方の枠４７ｃに形成されている点が異なり、その他は同じである。【００４４】
この開口５０は燃料電池セルの製造工程において図４に示すように役立っている。【００４５】
図４（ａ）の枠体一次成形工程では、前記枠体４５の一部となる一方の枠４７ａがオレフィン系の合成樹脂である例えばポリプロピレンによって成形される。【００４６】
図４（ｂ）では、高分子電解質膜４４にアノード極（燃料極）４６ａとカソード極（酸化剤極）４６ｂを設けて電極部が形成される。【００４７】
これを金型（図示せず）にセットした状態では、高分子電解質膜４４の縁が、図４（ｃ）に示すように、先端が基端よりも細くなった押圧部材５１によって前記一方の枠４７ａの上面に押し付けられる。【００４８】
この状態になってから前記一方の枠４７ａよりもヤング率が小さい樹脂材料として、枠４７ａの樹脂材料として株式会社プライムポリマー製の商品名：プライムポリプロ，グレード：Ｒ−２５０Ｇ又はＲ−３５０Ｇを使用した場合、これよりもヤング率が小さい樹脂材料として、オレフィン系エラストマである例えば三井化学株式会社製ミラストマー（登録商標）Ｍ３８００または三菱化学株式会社製ゼラス（登録商標）ＭＣ６１６を注入して、前記枠体４５の一部となる他方の枠４７ｃを成形して、一方の枠４７ａと他方の枠４７ｃとで高分子電解質膜４４を挟持する。また、他方の枠４７ｃを成形した樹脂が一方の枠４７ａの下面に供給されてシール部としての突起４９が同時に成形される。【００４９】
前記他方の枠４７ｃとシール部４９の樹脂が硬化して前記金型を開いて製品を取り出すと、図４（ｅ）に示すように前記開口５０を有する電解質膜−電極接合体４２が完成する。【００５０】
このようにして作成した電解質膜−電極接合体４２を中央にして２枚のセパレータ４３ａ，４３ｂで挟んで、セパレータ４３ａとアノード極（燃料極）４６ａとの間には燃料ガスＡの流路を形成し、セパレータ４３ｂとカソード極（酸化剤極）４６ｂとの間には酸素含有ガスＢの流路を形成する。この燃料電池セルを複数個直列に接続された積層構造のスタック３０に対して、各燃料電池セルのアノード極４６ａとカソード極６４ｂに燃料ガスと酸化ガスを供給することによって燃料電池を構成できる。【００５１】
この構成によると、図９に示した比較例と比べて少ない工程数で燃料電池セルを作成できるとともに、押圧部材５１によって高分子電解質膜４４の縁を前記一方の枠４７ａの上面に押し付けた状態で樹脂を注入しているため、高分子電解質膜４４の縁が樹脂圧によって片寄りすることもなく、安定した支持状態を得られる。【００５２】
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３を示す。【００５３】
図１と図２に示した実施の形態１では、一方の枠４７ａを境にして注入された樹脂によって他方の枠４７ｃと突起４９を成形したが、図５（ａ）に示すように一方の枠４７ａに、この一方の枠４７ａの両面を接続する貫通孔５２を形成しておくことによって、一方の枠４７ａの樹脂を注入する際に、一部の樹脂が貫通孔５２を介して反対側の面に注入されて図５（ｂ）に示すように突起４９を形成できる。その他は実施の形態１と同じである。【００５４】
このように構成すると、実施の形態１の効果に加えて、他方の枠４７ｃと突起４９が一方の枠４７ａの貫通孔５２に充填された樹脂によって接続されているため、一方の枠４７ａへの突起４９の付着強さを実施の形態１の場合よりも向上させることができる。【００５５】
（実施の形態４）
図６は本発明の実施の形態４を示す。【００５６】
図３と図４に示した実施の形態２では、一方の枠４７ａを境にして注入された樹脂によって他方の枠４７ｃと突起４９を成形したが、図６（ａ）に示すように一方の枠４７ａに、この一方の枠４７ａの両面を接続する貫通孔５２を形成しておくことによって、一方の枠４７ａの樹脂を注入する際に、一部の樹脂が貫通孔５２を介して反対側の面に注入されて図６（ｂ）（ｃ）に示すように突起４９を形成できる。その他は実施の形態２と同じである。【００５７】
このように構成すると、実施の形態２の効果に加えて、他方の枠４７ｃと突起４９が一方の枠４７ａの貫通孔５２に充填された樹脂によって接続されているため、一方の枠４７ａへの突起４９の付着強さを実施の形態２の場合よりも向上させることができる。【００５８】
なお、上記の各実施の形態において、枠４７ｃに求められる条件（弾性変形を確実に行う条件）としては、“ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３”で規定されるＡ５０〜Ａ９０又はＤ３７〜Ｄ６０の弾性を有することにある。【００５９】
上記の何れかの実施の形態の燃料電池セルを複数個直列に接続された積層構造のスタック３０を作成し、このスタック３０に対して、各燃料電池セルのアノード極４６ａとカソード極４６ｂに燃料ガスと酸化ガスを供給するよう構成することによって、生産性が良好な燃料電池を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）などに構成部品として使用されている燃料電池セルを少ない成型工程で作成することができ、燃料電池の性能を落とすことなく燃料電池の低コスト化に寄与できる。
【図１】
2008129779.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008129779.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008129779.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成20年7月25日(2008.7.25)
【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】
高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルであって、
前記枠体を、高分子電解質膜の縁を間に挟んで接合された一方の枠と他方の枠とで構成し、
前記他方の枠は、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料で形成されており、かつ前記一方の枠の前記他方の枠との接合面とは反対側の面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を形成した
燃料電池セル。
【請求項２】
前記他方の枠には、前記高分子電解質膜が露出する開口が形成されている
請求項１記載の燃料電池セル。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池セルを複数個直列に接続された積層構造のスタックに対して、各燃料電池セルのアノード極とカソード極に燃料ガスと酸化ガスを供給するよう構成した
燃料電池。
【請求項４】
高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルを製造するに際し、
高分子電解質膜にアノード極とカソード極を設けて形成された電極部の外周に露出している高分子電解質膜の縁を、前記枠体を構成する一方の枠の上面に載せ、
前記一方の枠の上面に、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して前記枠体を構成する他方の枠を成形すると共に、前記一方の枠の下面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を同時に成形する
燃料電池セルの製造方法。
【請求項５】
高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルを製造するに際し、
高分子電解質膜にアノード極とカソード極を設けて形成された電極部の外周に露出している高分子電解質膜の縁を、前記枠体を構成する一方の枠の上面に載せ、
押圧部材で高分子電解質膜の縁を前記一方の枠の上面に押し付けながら、前記一方の枠の上面に、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して前記枠体を構成する他方の枠を成形すると共に、前記一方の枠の下面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を同時に成形する
燃料電池セルの製造方法。
【請求項６】
オレフィン系樹脂材料を注入して前記一方の枠を形成し、
ヤング率が前記一方の枠よりも小さいオレフィン系エラストマ樹脂材料を注入して前記他方の枠と前記一方の枠の下面にシール部を形成する
請求項４または請求項５記載の燃料電池セルの製造方法。
【請求項７】
前記一方の枠にこの一方の枠の両面を接続する貫通孔が形成されており、前記他方の枠と前記シール部が、前記貫通孔に充填された樹脂材料によって連結されている
請求項１記載の燃料電池セル。
【請求項８】
前記一方の枠の上面に樹脂材料を注入して前記他方の枠を成形する際に、前記一方の枠に形成された貫通孔を介して前記他方の枠とは反対側の面に樹脂材料を注入して前記シール部を成形する
請求項４記載の燃料電池セルの製造方法。
【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】
固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）などに構成部品として使用されている燃料電池セルの、特に電解質膜−電極接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、図７に示すように構成されている。
スタック３０は、燃料電池セルが複数個直列に接続された積層構造を有している。外部からこのスタック３０に、燃料ガスＡと酸素含有ガスＢとが供給されて、これを電気化学的に反応させることで電力、熱、及び水が同時に発生する。スタック３０にて発電された電気は、電気出力部４１を介して取り出されている。
【０００３】
スタック３０の各燃料電池セルは、図８に示すように、電解質膜−電極接合体４２を中央にして２枚のセパレータ４３ａ，４３ｂで挟んで構成されている。電解質膜−電極接合体４２は、図９（ｅ）にも示すように、高分子電解質膜４４の外周を枠体４５で保持した構造であって、高分子電解質膜４４の一方の面にアノード極（燃料極）４６ａ、高分子電解質膜４４の他方の面にはカソード極（酸化剤極）４６ｂが設けられている。セパレータ４３ａとアノード極（燃料極）４６ａとの間には燃料ガスＡの流路が形成され、セパレータ４３ｂとカソード極（酸化剤極）４６ｂとの間には酸素含有ガスＢの流路が形成されている。
【０００４】
この電解質膜−電極接合体４２は、特許文献１などに見られるように図９（ａ）〜図９（ｅ）の工程で製造されている。
図９（ａ）の枠体一次成形工程では、前記枠体４５の一部となる一方の枠４７ａが成形される。
【０００５】
図９（ｂ）では、高分子電解質膜４４にアノード極（燃料極）４６ａとカソード極（酸化剤極）４６ｂを設けて電極部が形成される。
図９（ｃ）（ｄ）では、電極部の外周に露出している高分子電解質膜４４の縁を、前記一方の枠４７ａの上面に載せ、樹脂材料を注入して前記枠体４５の一部となる他方の枠４７ｂを成形して、一方の枠４７ａと他方の枠４７ｂとで高分子電解質膜４４を挟持する。
【０００６】
図９（ｅ）では、前記枠４７ａ，４７ｂよりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して一方の枠４７ａと他方の枠４７ｂの外側の面に、隣接する燃料電池セルに当接してシールする突部４８ａ，４８ｂが成形されている。
【０００７】
また、特許文献２，特許文献６には、高分子電解質膜の周縁部を覆う枠体の弾性率を、２０００ＭＰａ以上２００００００ＭＰａ以下とし、枠体とセパレータの間に設けた弾性体の弾性率を２００ＭＰａ以下にすることが開示されている。
【０００８】
また、特許文献３には、高分子電解質膜の周縁部で、その両面にガスケットを備えた電解質膜−電極接合体が示されている。ガスケットにはシール用の凸部が設けられている。
また、特許文献４には、弾性体からなるシール材が一体に成形された薄膜キャリアガスケットが開示されており、キャリアの表裏面には硬度または材質の異なるシール材が設けられている。
【０００９】
また、特許文献５には、高分子電解質膜の周縁部に形成されたシール部材を、弾性率の異なる材料を二層に重ねた構成が開示されており、高分子電解質膜の側のシール部材よりその上に形成したシール部材（セパレータ側）の弾性率を低くして、セパレータの粗さを吸収している。
【００１０】
また、特許文献７には、電解質膜−電極接合体が高分子電解質膜とそれを挟持する電極からなり、周縁部は弾性体からなるフレームで囲まれており、フレームの上にシーリング・リップが形成されている。
【００１１】
また、特許文献８，特許文献９には、シール部材を弾性率の異なる材料を二層に重ね、高分子電解質膜のシール部材の弾性率をセパレータ側のシール部材よりも高くすることが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３１１２５４公報
【特許文献２】特開２００４−３１９４６１公報
【特許文献３】特開２００７−  ９５６６９公報
【特許文献４】特開２００１−３３６６４０公報
【特許文献５】特開２０００−１８２６３９公報
【特許文献６】ＵＳ２００４／０２３４８３１公報
【特許文献７】ＵＳ２００７／００７２０４５公報
【特許文献８】ＵＳ２００２／００６４７０３公報
【特許文献９】ＵＳ２００２／０１５０８１０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図９（ａ）〜（ｅ）に示したように、成形の工程数が多くて作業性が悪いので、成形工程数の削減が要求されているのが現状である。
そこで、図１０（ａ）に示すように金型１００に電極部をセットして、ゲート１０１から樹脂材料１０２を注入して枠体４５を一度の成形で成形することが考えられるが、高分子電解質膜４４が薄くて可撓性材料であるため、高分子電解質膜４４の縁は、樹脂の注入によって図１０（ｂ）に示すように樹脂圧によって片寄りして変形してしまって、安定した支持状態を得られない問題がある。
【００１３】
本発明は、成形の工程数が少なくて生産性が良好な燃料電池セルとこれを使用した燃料電池および燃料電池セルの製造方法を提供することを目的とする。
また、成形の工程数が少なくて作業性が良好で、しかも、高分子電解質膜の安定した支持状態を得られる燃料電池セルの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の請求項１記載の燃料電池セルは、高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルであって、前記枠体を、高分子電解質膜の縁を間に挟んで接合された一方の枠と他方の枠とで構成し、前記他方の枠は、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料で形成されており、かつ前記一方の枠の前記他方の枠との接合面とは反対側の面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を形成したことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項２記載の燃料電池セルは、請求項１において、記他方の枠には、前記高分子電解質膜が露出する開口が形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項３記載の燃料電池は、請求項１または請求項２記載の燃料電池セルを複数個直列に接続された積層構造のスタック対して、各燃料電池セルのアノード極（燃料極）とカソード極（酸化剤極）に燃料ガスと酸化ガスを供給するよう構成したことを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項４記載の燃料電池セルの製造方法は、高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルを製造するに際し、高分子電解質膜にアノード極（燃料極）とカソード極（酸化剤極）を設けて形成された電極部の外周に露出している高分子電解質膜の縁を、前記枠体を構成する一方の枠の上面に載せ、前記一方の枠の上面に、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して前記枠体を構成する他方の枠を成形すると共に、前記一方の枠の下面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を同時に成形することを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項５記載の燃料電池セルの製造方法は、高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルを製造するに際し、高分子電解質膜にアノード極（燃料極）とカソード極（酸化剤極）を設けて形成された電極部の外周に露出している高分子電解質膜の縁を、前記枠体を構成する一方の枠の上面に載せ、押圧部材で高分子電解質膜の縁を前記一方の枠の上面に押し付けながら、前記一方の枠の上面に、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して前記枠体を構成する他方の枠を成形すると共に、前記一方の枠の下面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を同時に成形することを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項６記載の燃料電池セルの製造方法は、請求項４または請求項５において、オレフィン系樹脂材料を注入して前記一方の枠を形成し、ヤング率が前記一方の枠よりも小さいオレフィン系エラストマ樹脂材料を注入して前記他方の枠と前記一方の枠の下面にシール部を形成することを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項７記載の燃料電池セルは、請求項１において、前記一方の枠にこの一方の枠の両面を接続する貫通孔が形成されており、前記他方の枠と前記シール部が、前記貫通孔に充填された樹脂材料によって連結されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項８記載の燃料電池セルの製造方法は、請求項４において、前記一方の枠の上面に樹脂材料を注入して前記他方の枠を成形する際に、前記一方の枠に形成された貫通孔を介して前記他方の枠とは反対側の面に樹脂材料を注入して前記シール部を成形することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
この構成によると、高分子電解質膜の安定した支持状態を得られる燃料電池セルを実現できる。また、一方の枠の上面に、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して他方の枠を成形すると共に、前記一方の枠の下面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を同時に成形するので、少ない工程数で燃料電池セルを作成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の燃料電池セルの製造方法を具体的な各実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１と図２は本発明の実施の形態１を示す。
【００２３】
なお、図７〜図１０と同様の作用をなすものには同一の符号を付けて説明する。
この燃料電池セルは、図２（ａ）〜（ｄ）の工程で製造される。
図２（ａ）の枠体一次成形工程では、前記枠体４５の一部となる一方の枠４７ａがオレフィン系の合成樹脂である例えばポリプロピレンによって成形される。
【００２４】
図２（ｂ）では、高分子電解質膜４４にアノード極（燃料極）４６ａとカソード極（酸化剤極）４６ｂを設けて電極部が形成される。
図２（ｃ）（ｄ）では、電極部の外周に露出している高分子電解質膜４４の縁を、前記一方の枠４７ａの上面に載せ、金型（図示せず）にセットして、この金型に前記一方の枠４７ａよりもヤング率が小さい樹脂材料として、オレフィン系エラストマを注入する。
【００２５】
この金型での成形を詳しく説明する。
ここでは前記一方の枠４７ａとして株式会社プライムポリマー製の商品名：プライムポリプロ，グレード：Ｒ−２５０Ｇ又はＲ−３５０Ｇを使用している。
【００２６】
金型には、前記一方の枠４７ａよりもヤング率が小さい樹脂材料として、オレフィン系エラストマである例えば三井化学株式会社製ミラストマー（登録商標）Ｍ３８００または三菱化学株式会社製ゼラス（登録商標）ＭＣ６１６を注入して、前記枠体４５の一部となる他方の枠４７ｃを成形して、一方の枠４７ａと他方の枠４７ｃとで高分子電解質膜４４を挟持する。また、他方の枠４７ｃを成形した樹脂が一方の枠４７ａの下面に供給されてシール部としての突起４９が同時に成形される。
【００２７】
このようにして作成した電解質膜−電極接合体４２を中央にして２枚のセパレータ４３ａ，４３ｂで挟んで、セパレータ４３ａとアノード極（燃料極）４６ａとの間には燃料ガスＡの流路を形成し、セパレータ４３ｂとカソード極（酸化剤極）４６ｂとの間には酸素含有ガスＢの流路を形成する。この燃料電池セルを複数個直列に接続された積層構造のスタック３０に対して、各燃料電池セルのアノード極４６ａとカソード極４６ｂに燃料ガスと酸化ガスを供給することによって燃料電池を構成できる。
【００２８】
この構成によると、図９に示した比較例と比べて少ない工程数で燃料電池セルを作成できる。
（実施の形態２）
図３と図４は本発明の実施の形態２を示す。
【００２９】
図３は実施の形態１の図１とは、高分子電解質膜４４が露出する開口５０が他方の枠４７ｃに形成されている点が異なり、その他は同じである。
この開口５０は燃料電池セルの製造工程において図４に示すように役立っている。
【００３０】
図４（ａ）の枠体一次成形工程では、前記枠体４５の一部となる一方の枠４７ａがオレフィン系の合成樹脂である例えばポリプロピレンによって成形される。
図４（ｂ）では、高分子電解質膜４４にアノード極（燃料極）４６ａとカソード極（酸化剤極）４６ｂを設けて電極部が形成される。
【００３１】
これを金型（図示せず）にセットした状態では、高分子電解質膜４４の縁が、図４（ｃ）に示すように、先端が基端よりも細くなった押圧部材５１によって前記一方の枠４７ａの上面に押し付けられる。
【００３２】
この状態になってから前記一方の枠４７ａよりもヤング率が小さい樹脂材料として、枠４７ａの樹脂材料として株式会社プライムポリマー製の商品名：プライムポリプロ，グレード：Ｒ−２５０Ｇ又はＲ−３５０Ｇを使用した場合、これよりもヤング率が小さい樹脂材料として、オレフィン系エラストマである例えば三井化学株式会社製ミラストマー（登録商標）Ｍ３８００または三菱化学株式会社製ゼラス（登録商標）ＭＣ６１６を注入して、前記枠体４５の一部となる他方の枠４７ｃを成形して、一方の枠４７ａと他方の枠４７ｃとで高分子電解質膜４４を挟持する。また、他方の枠４７ｃを成形した樹脂が一方の枠４７ａの下面に供給されてシール部としての突起４９が同時に成形される。
【００３３】
前記他方の枠４７ｃとシール部４９の樹脂が硬化して前記金型を開いて製品を取り出すと、図４（ｅ）に示すように前記開口５０を有する電解質膜−電極接合体４２が完成する。
【００３４】
このようにして作成した電解質膜−電極接合体４２を中央にして２枚のセパレータ４３ａ，４３ｂで挟んで、セパレータ４３ａとアノード極（燃料極）４６ａとの間には燃料ガスＡの流路を形成し、セパレータ４３ｂとカソード極（酸化剤極）４６ｂとの間には酸素含有ガスＢの流路を形成する。この燃料電池セルを複数個直列に接続された積層構造のスタック３０に対して、各燃料電池セルのアノード極４６ａとカソード極６４ｂに燃料ガスと酸化ガスを供給することによって燃料電池を構成できる。
【００３５】
この構成によると、図９に示した比較例と比べて少ない工程数で燃料電池セルを作成できるとともに、押圧部材５１によって高分子電解質膜４４の縁を前記一方の枠４７ａの上面に押し付けた状態で樹脂を注入しているため、高分子電解質膜４４の縁が樹脂圧によって片寄りすることもなく、安定した支持状態を得られる。
【００３６】
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３を示す。
図１と図２に示した実施の形態１では、一方の枠４７ａを境にして注入された樹脂によって他方の枠４７ｃと突起４９を成形したが、図５（ａ）に示すように一方の枠４７ａに、この一方の枠４７ａの両面を接続する貫通孔５２を形成しておくことによって、一方の枠４７ａの樹脂を注入する際に、一部の樹脂が貫通孔５２を介して反対側の面に注入されて図５（ｂ）に示すように突起４９を形成できる。その他は実施の形態１と同じである。
【００３７】
このように構成すると、実施の形態１の効果に加えて、他方の枠４７ｃと突起４９が一方の枠４７ａの貫通孔５２に充填された樹脂によって接続されているため、一方の枠４７ａへの突起４９の付着強さを実施の形態１の場合よりも向上させることができる。
【００３８】
（実施の形態４）
図６は本発明の実施の形態４を示す。
図３と図４に示した実施の形態２では、一方の枠４７ａを境にして注入された樹脂によって他方の枠４７ｃと突起４９を成形したが、図６（ａ）に示すように一方の枠４７ａに、この一方の枠４７ａの両面を接続する貫通孔５２を形成しておくことによって、一方の枠４７ａの樹脂を注入する際に、一部の樹脂が貫通孔５２を介して反対側の面に注入されて図６（ｂ）（ｃ）に示すように突起４９を形成できる。その他は実施の形態２と同じである。
【００３９】
このように構成すると、実施の形態２の効果に加えて、他方の枠４７ｃと突起４９が一方の枠４７ａの貫通孔５２に充填された樹脂によって接続されているため、一方の枠４７ａへの突起４９の付着強さを実施の形態２の場合よりも向上させることができる。
【００４０】
なお、上記の各実施の形態において、枠４７ｃに求められる条件（弾性変形を確実に行う条件）としては、“ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３”で規定されるＡ５０〜Ａ９０又はＤ３７〜Ｄ６０の弾性を有することにある。
【００４１】
上記の何れかの実施の形態の燃料電池セルを複数個直列に接続された積層構造のスタック３０を作成し、このスタック３０に対して、各燃料電池セルのアノード極４６ａとカソード極４６ｂに燃料ガスと酸化ガスを供給するよう構成することによって、生産性が良好な燃料電池を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）などに構成部品として使用されている燃料電池セルを少ない成型工程で作成することができ、燃料電池の性能を落とすことなく燃料電池の低コスト化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池セルの要部の拡大断面図
【図２】同実施の形態の製造工程図
【図３】本発明の実施の形態２の燃料電池セルの要部の拡大断面図
【図４】同実施の形態の製造工程図
【図５】本発明の実施の形態３の燃料電池セル製造工程図
【図６】本発明の実施の形態４の燃料電池セル製造工程図
【図７】固体高分子電解質型燃料電池の構成図
【図８】一般的な燃料電池セルの断面図
【図９】一般的な燃料電池セルの製造工程図
【図１０】比較例の燃料電池セルの製造工程図
【符号の説明】
【００４４】
３０        スタック
４１        電気出力部
４２        電解質膜−電極接合体
４３ａ      セパレータ
４３ｂ      セパレータ
４４        高分子電解質膜
４５        枠体
４６ａ      アノード極（燃料極）
４６ｂ      カソード極（酸化剤極）
４７ａ      一方の枠
４７ｃ      他方の枠
４９        突起（シール部）
５０        開口
５１        押圧部材
５２        貫通孔
６４ｂ      カソード極
【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】
2008129779.tif 000013
【図２】
2008129779.tif 000014
【図３】
2008129779.tif 000015
【図４】
2008129779.tif 000016
【図５】
2008129779.tif 000017
【図６】
2008129779.tif 000018
【図７】
2008129779.tif 000019
【図８】
2008129779.tif 000020
【図９】
2008129779.tif 000021
【図１０】
2008129779.tif 000022
【国際調査報告】
2008129779.tif 000023
2008129779.tif 000024
2008129779.tif 000025