(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜、前記高分子電解質膜の両面にそれぞれ担持された触媒層、前記各触媒層の周縁部から高分子電解質膜の周縁部にわたる部分をそれぞれ被覆する保護膜、前記両保護膜の周縁部から高分子電解質膜の端面にわたる部分を被覆するシール材からなるガスケット、並びに前記各触媒層に接合されてそれぞれアノードおよびカソードを構成するガス拡散層からなる電解質膜−電極接合体、
前記電解質膜−電極接合体を挟むアノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板、並びに
前記アノードおよびカソードにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するガス供給手段を具備し、
前記高分子電解質膜および保護膜が周縁部に、複数の貫通した透孔の配列を有し、前記ガスケットの前記高分子電解質膜の一方の面側を被覆する部分と他方の面側を被覆する部分とが前記透孔をとおして相互に連なっていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記ガス拡散層が、接着剤または両面接着テープにより、前記保護膜に接着されている請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
高分子電解質膜の両面にその周縁部を残して、それぞれ触媒層を形成する工程、前記触媒層を形成した高分子電解質膜の両面にそれぞれ保護膜を被覆する工程、前記高分子電解質膜の周縁部を保護膜とともに所定のサイズに切断し、かつ周縁部を貫通する複数の透孔の配列を形成する工程、前記保護膜を有する高分子電解質膜の前記透孔を含む周縁部にシール材を射出成形してガスケットを一体に形成する工程、および前記保護膜をその周縁部を残して触媒層から剥離する工程を有する高分子電解質型燃料電池の製造方法。
【請求項４】
前記保護膜が、あらかじめ前記剥離する部分を規定する切り目を有している請求項３記載の高分子電解質型燃料電池の製造方法。
【請求項５】
前記保護膜を剥離された触媒層の露出部に、ガス拡散層を接合する工程を有する請求項３記載の高分子電解質型燃料電池の製造方法。
【請求項６】
前記ガス拡散層を熱圧着して前記保護膜の一部をガス拡散層へ侵入させる工程をさらに有する請求項５記載の高分子電解質型燃料電池の製造方法。
【請求項７】
前記ガス拡散層を接着剤または両面接着テープにより前記保護膜に接着させる工程をさらに有する請求項５記載の高分子電解質型燃料電池の製造方法。
【請求項８】
高分子電解質膜およびその周縁部を被覆するシール材からなるガスケットを具備する電解質膜−ガスケット組立体であって、前記電解質膜−ガスケット組立体は、前記高分子電解質膜の両面に担持された触媒層、および前記触媒層の周縁部から高分子電解質膜の周縁部にわたる部分を被覆する保護膜を含み、前記ガスケットは、前記保護膜の周縁部から高分子電解質膜の端面にわたる部分を被覆しており、前記高分子電解質膜および保護膜が周縁部に、複数の貫通した透孔の配列を有し、前記ガスケットの前記高分子電解質膜の一方の面側を被覆する部分と他方の面側を被覆する部分とが前記透孔をとおして相互に連なっており、前記触媒層の周縁部が、前記保護膜を介して前記ガスケットに内包され、かつ前記透孔と接続していない燃料電池用電解質膜−ガスケット組立体。
【請求項９】
高分子電解質膜およびその周縁部を被覆するシール材からなるガスケットを具備する電解質膜−ガスケット組立体であって、前記電解質膜−ガスケット組立体は、前記高分子電解質膜の両面にそれぞれ担持された触媒層、および前記各触媒層の全面および高分子電解質膜の周縁部を被覆する保護膜を含み、前記ガスケットは、前記保護膜の周縁部から高分子電解質膜の端面にわたる部分を被覆しており、前記高分子電解質膜および保護膜が周縁部に、複数の貫通した透孔の配列を有し、前記ガスケットの前記高分子電解質膜の一方の面側を被覆する部分と他方の面側を被覆する部分とが前記透孔をとおして相互に連なっている燃料電池用電解質膜−ガスケット組立体。
【請求項１０】
前記保護膜は、前記触媒層を被覆する主要部分を切り離すための切り目を周縁部に有している請求項９記載の燃料電池用電解質膜−ガスケット組立体。
【請求項１１】
高分子電解質膜の両面にその周縁部を残して、触媒層を形成する工程、前記触媒層を形成した高分子電解質膜の両面に保護膜を被覆する工程、前記高分子電解質膜の周縁部を保護膜とともに所定のサイズに切断し、かつ周縁部を貫通する複数の透孔の配列を形成する工程、および前記保護膜を有する高分子電解質膜の前記透孔を含む周縁部にシール材を射出成形してガスケットを一体に形成する工程を有する燃料電池用電解質膜−ガスケット組立体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関し、特に、電解質膜とその周縁部に配されるガスケットとの組立体の改良に関する。
【０００２】
背景技術
高分子電解質膜を用いた燃料電池は、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により、電力と熱とを同時に発生させる。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。前記の電極は、通常、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、およびこの触媒層の外面に形成される、通気性と電子伝導性を併せ持つ拡散層からなる。
【０００３】
電極に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、二種類のガスが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスケットが配置される。ガスケットは、通常ＥＰＤＭゴム、シリコーンエラストマー、フッ素エラストマー等の耐薬品性の高いゴムまたはエラストマーが用いられる。このガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これをＭＥＡ（電解質膜−電極接合体）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に、場合によっては並列に、接続するための導電性のセパレータ板が配置される。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００４】
これらの溝に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためには、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ板の溝につなぐ配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドを呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した穴を設け、ガス流路の出入口をこの穴まで通し、この穴から直接燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するものである。
【０００５】
燃料電池は、運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。冷却部をセパレータ板とセパレータ板との間に挿入する形式と、セパレータ板の背面に冷却水流路を設けて冷却部とする形式とがあり、後者が多く利用される。これらのＭＥＡとセパレータ板および冷却部を交互に重ねて数セルないし数百セル積層し、その積層体を集電板と絶縁板を介して端板で挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００６】
この種の燃料電池における重要な問題は、ガスのクロスリークである。図４４に上述の構成による燃料電池の酸化剤ガスのマニホールド穴の近傍の構造を示す。高分子電解質膜１、これを挟むアノード５およびカソード７、それらの外周に配した２枚のガスケット３からなるＭＥＡが２枚の導電性セパレータ板４の間に挟まれている。導電性セパレータ板４には一方の面に酸化剤ガスの流路８が設けられ、他方の面に燃料ガスの流路６が設けられている。このため、マニホールド穴２近傍のガス流路部では、ガスケット３はセパレータ板４によって支持されない。このため、ガスケットの変形、すなわちガス流路８内ヘの垂れ込みが起こる。その結果、アノードから酸化剤ガスのマニホールド穴２に通じるリークパスが２個所生じることとなる。ひとつはガスケットがセパレータ板のアノード側から剥離することに起因するリークパスであり、他のひとつはガスケットのガス流路内への垂れ込みの結果ガスケットが電解質膜から剥離することによるリークパスである。
【０００７】
電解質膜は、一般にパーフルオロスルホン酸膜が用いられている。これは変性フッ素樹脂膜であり、界面活性に乏しくガスケットとの接着性がないため、ガスケットの変形によってガスケットは電解質膜から容易に剥離する。この結果、例えば燃料ガス圧が酸化剤ガス圧に比して高い場合には、当該セルのアノードから酸化剤ガスのマニホールド穴に対して燃料ガスが漏れ出し、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合が生じる。積層電池の場合には、他のセルに供給される酸化剤ガスも当該セルから漏洩した燃料ガスを含んだものとなる。つまり、一つのセルにおけるガスのクロスリークによって積層電池全体の電池特性を大きく損なうこととなる。なお、図４４では酸化剤ガスのマニホールド穴近傍を例に説明したが、これは燃料ガスのマニホールド穴近傍においても全く同じである。
【０００８】
上記の問題を改善するために、図４５に示すように、ガス流路８のマニホールド穴２近辺に、ガスケットを支持するブリッジ９を設け、ガスケットの垂れ込みを防止する従来例がある。しかしながら、この工法によると、一つのセルあたりに燃料ガスおよび酸化剤ガスの入口側および出口側マニホールド穴近辺に合計４箇所のブリッジが必要である。特に積層電池の場合には、部品点数の大幅な増大が不可避であり、組み立てが困難を極めるという問題がある。さらに、ブリッジの厚み分だけセパレータ板を厚くする必要があるため、体積電力密度を大きく損なう要因となる。現在主に用いられているセパレータ板は、厚み２ｍｍ程度のグラッシーカーボン等またはＳＵＳ３１６等のステンレス鋼鈑等を母材とし、これに機械加工またはプレス成形によって流路を形成した後、金属セパレータ板の場合には腐蝕防止等の目的で種々の表面処理を施したものである。当該ブリッジによってマニホールド穴近辺のガス流路の有効深さは減少するため、これを補償するために少なくともマニホールド穴近傍のガス流路を深く掘り下げる必要がある。それによってもセパレータ板の全厚を増大させずに当該構造をとるのは困難である。例えば通常のセパレータ板の厚みが２ｍｍで、当該工法によってセパレータ板の厚みが１ｍｍ増加した場合には、体積電力密度は２／３に低下してしまう。
【０００９】
さらに、セパレータ板およびブリッジの加工精度の問題がある。すなわち、上記ブリッジ構造は、セパレータ板側の上記流路深さとブリッジ高さが、全ての流路パスにおいて完全に一致した場合にはじめて効力を発揮するのである。ところが、実際にはこのような精密な加工精度を期するのは困難であり、従って、ガスのリーク量の低減は可能であるが、リークを完全に止めるのは不可能である。
【００１０】
さらなる問題はセパレータ板の加工コストである。上述したように、従来セパレータ板は、母材をフライス加工などの機械加工により切削して流路形成を行っている。この機械加工は、バッチプロセスであるため、量産性が極めて悪いうえ、莫大なコストがかかる。この点を改善するために、セパレータ材質がカーボンの場合には、カーボンに若干の樹脂材料を混合し、これを圧縮成形あるいは射出成形などの工法によって立体加工する工法が試みられている。しかしながら、特に車載用燃料電池においては、脆性材料であるカーボンが振動で割れることから、金属セパレータ板が有利である。
【００１１】
そこで、上記コストの問題を解決するために、多孔質電極自体に流路加工を施すか、波形状の金属板あるいはコルゲートフィン型金属板をセパレータ板として、この裏表を流路とする工法が試されている。この場合、ガスのクロスリークを防止するためには、ガスケットにマニホールド穴から反応ガスを電極に給排気する流路を持たなければならない。平面形状のガスケットによっては、ガス流路が塞がれてしまうためこの工法が不可能だからである。しかしながら、従来高分子電解質型燃料電池用のガスケットに立体構造を持たせる有効なプロセスが存在しなかった。
【００１２】
本発明は、以上の問題を解決し、ガスのクロスリークがなく、出力密度の高い高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
本発明は、電解質膜の周縁部にガスケットを一体に結合した電解質膜−電極接合体を備える高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
本発明は、組み立て過程において電解質膜を損傷することなく、ガスケットの成形および触媒層の形成が容易で、生産性に優れた電解質膜−ガスケット組立体ないし電解質膜−電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明は、また、高分子電解質膜に直接にガスケットを成形する方法における問題、すなわち高分子電解質膜の保護に関する課題およびガスケットの成形と触媒層印刷のプロセスとのマッチング上の課題をも解決することができる電解質膜−ガスケット組立体ないし電解質膜−電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
発明の開示
本発明は、ガスケットが電解質膜から剥離することによるガスのリークをなくすために、電解質膜の周縁部をシール材からなるガスケットで被覆してフレーム型ガスケットを有する電解質膜−ガスケット組立体を提供する。この電解質膜−ガスケット組立体においては、触媒層の周縁部から高分子電解質膜の周縁部にわたる部分をそれぞれ被覆する保護膜、および保護膜の周縁部から高分子電解質膜の端面にわたる部分を被覆するシール材からなるガスケットを有する点に特徴を有し、電解質膜は周縁部に複数の透孔の配列を有し、ガスケットの前記電解質膜の一方の面を被覆する部分と他方の面を被覆する部分とが前記電解質膜の透孔をとおして相互に連なっている。
【００１５】
本発明は、さらに前記高分子電解質膜の両面にそれぞれ担持された触媒層、および前記各触媒層の周縁部から高分子電解質膜の周縁部にわたる部分を被覆する保護膜を含む電解質膜−ガスケット組立体を提供する。この電解質膜−ガスケット組立体においては、前記ガスケットは、前記各保護膜の周縁部から高分子電解質膜の端面にわたる部分を被覆しており、前記高分子電解質膜および保護膜が周縁部に、複数の貫通した透孔の配列を有し、前記ガスケットの前記高分子電解質膜の一方の面側を被覆する部分と他方の面側を被覆する部分とが前記透孔をとおして相互に連なっている。
【００１６】
本発明の好ましい形態において、前記ガスケットは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの各々の入口側および出口側マニホールド穴を含み、その一方の面には、前記電解質膜または触媒層の露出面に形成されるアノードに、燃料ガスの入口側マニホールド穴から燃料ガスを供給し、該アノードから燃料ガスの出口側マニホールド穴にガスを排出するガス流路を有し、他方の面には、前記電解質膜または触媒層の露出面に形成されるカソードに、酸化剤ガスの入口側マニホールド穴から酸化剤ガスを供給し、該カソードから酸化剤ガスの出口側マニホールド穴にガスを排出するガス流路を有する。
【００１７】
本発明は、高分子電解質膜の両面にその周縁部を残して、それぞれ触媒層を形成する工程、前記触媒層を形成した高分子電解質膜の両面にそれぞれ保護膜を被覆する工程、前記高分子電解質膜の周縁部を保護膜とともに所定のサイズに切断し、かつ周縁部を貫通する複数の透孔の配列を形成する工程、および前記保護膜を有する高分子電解質膜の前記透孔を含む周縁部にシール材を射出成形してガスケットを一体に形成する工程を有する燃料電池用電解質膜−ガスケット組立体の製造方法を提供する。
本発明は、そのような電解質膜−ガスケット組立体を組み込んだ高分子電解質型燃料電池をも提供する。
【００１８】
本発明は、また、射出成形により任意の形状の成形品が得られることを利用して、前記のガスケットにリブを設け、このリブをセパレータ板に設けた溝に嵌合することによって、ガスケットがセパレータ板のガス流路に垂れ込むことにより生じるガスのリークを防止する。すなわち、ガスケットが弾性材料で形成されることから、適切な設計によりリブはセパレータ板に嵌合した形で固定され、ガスケットがガス流路内に垂れ込むことがなくなる。このリブは、ＭＥＡからマニホールド穴にクロスリークするガスが、どうしても通過することのできない壁としての機能を有するように配置することにより、従来に比して極めて耐圧の高いシールが可能となる。
【００１９】
さらに、本発明は、マニホールド穴からＭＥＡへのガス流路の一部をガスケットに移転することにより、ガスケットをガス流路付き多孔質電極、あるいはプレスにより波形に加工された金属製セパレータ板等の安価な加工法によるＭＥＡ構成部材ないしセパレータ板と組み合わせて電池のガス流路機構を構成する。この構成によって、製造コストを下げるとともに体積出力密度を向上することができる。
【００２０】
発明を実施するための最良の形態
本発明は、周縁部がシール材からなるガスケットで被覆された高分子電解質膜、前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード、および前記電解質膜の他方の面に接合されたカソードからなる電解質膜−電極接合体、
前記電解質膜−電極接合体を挟むアノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板、並びに
前記アノードおよびカソードにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するガス供給手段を具備し、
前記電解質膜が周縁部に多数の透孔の配列を有し、前記ガスケットの前記電解質膜の一方の面を被覆する部分と他方の面を被覆する部分とが前記電解質膜の透孔をとおして相互に連なっている高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００２１】
本発明は、別の観点において、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜の両面にそれぞれ担持された触媒層、前記各触媒層の周縁部から高分子電解質膜の周縁部にわたる部分をそれぞれ被覆する保護膜、前記両保護膜の周縁部から高分子電解質膜の端面にわたる部分を被覆するシール材からなるガスケット、並びに前記各触媒層に接合されてそれぞれアノードおよびカソードを構成するガス拡散層からなる電解質膜−電極接合体、
前記電解質膜−電極接合体を挟むアノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板、並びに
前記アノードおよびカソードにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するガス供給手段を具備し、
前記高分子電解質膜および保護膜が周縁部に、複数の貫通した透孔の配列を有し、前記ガスケットの前記高分子電解質膜の一方の面側を被覆する部分と他方の面側を被覆する部分とが前記透孔をとおして相互に連なっていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００２２】
前記触媒層の周縁部は、前記保護膜を介して前記ガスケットに内包され、かつ前記透孔まで達していないことが好ましい。
前記保護膜の一部は、前記拡散層の一部に物理的に侵入し、融着しているのが好ましい。
本発明に用いられるアノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板は、各々独立に作製してもよく、また、アノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板が１枚のセパレータ板で構成され、その一方の面側がアノード側導電性セパレータ板であり、他方の面側がカソード側導電性セパレータ板である構成とすることもできる。
【００２３】
本発明による電解質膜−ガスケット組立体は、厚みのきわめて薄い電解質膜を自己支持性とすることができるから、電池の組み立てに際してその扱いを容易にすることができる。
本発明の好ましい態様において、前記ガスケットはアノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板と対向する面にそれぞれリブを有し、それらのリブがそれぞれアノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板に設けられた溝に嵌合している。
【００２４】
本発明のさらに好ましい態様において、前記ガス供給手段が、前記アノード側導電性セパレータ板、カソード側導電性セパレータ板、およびガスケットを貫通する燃料ガスおよび酸化剤ガスの各々の入口側および出口側マニホールド穴を含み、前記ガスケットは、そのアノード側導電性セパレータ板と対向する面には前記酸化剤ガスのマニホールド穴とアノードとを仕切る位置にリブを有し、カソード側導電性セパレータ板と対向する面には前記燃料ガスのマニホールド穴とカソードとを仕切る位置にリブを有し、前記のリブがそれぞれアノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板に設けられた溝に嵌合している。
【００２５】
ここにおいて、前記ガスケットのカソード側の面に形成された前記リブがカソードを挟んでカソードと燃料ガスの入口側および出口側マニホールド穴との間に位置し、それらリブ間の距離を、前記導電性セパレータ板に設けられた前記リブを嵌合する溝間の距離と若干異ならせ、前記リブの外周部が前記溝に外接するか前記リブの内周部が前記溝に内接する構成とすることができる。例えば、燃料電池の供給ガス仕様として、アノードガス圧がカソードガス圧よりも高い場合には、シール構造上、次のように設計することが好ましい。すなわち、ガスケットのカソード側の前記リブの内周部はセパレータ板の溝に常に内接するようにする。そして、ガスケットのアノード側の面に、アノードを挟んで酸化剤ガスの入口側および出口側マニホールド穴とアノードとの間に設けられたリブの外周部が、常にセパレータ板のアノード側に設けられた溝に外接する構成とする。
【００２６】
具体的には、ガスケットの材質によって決まる成形収縮率および弾性変形率とスタック締結力を勘案して、ガスケットのアノード側に設けたリブの成形収縮後の平面寸法（無負荷時の自由距離）をセパレータ板のアノード側に設けた溝の平面寸法に対して１／１０００〜５／１０００程度大きくなるように射出成形金型を設計する。これにより、前記アノード側のリブが締結圧によってセパレータ板の溝に弾性変形しながらねじ込まれ、リブ外周が溝に外接する構造となる。一方、ガスケットのカソード側のリブおよびセパレータ板の溝は、前記の弾性変形による寸法変化を考慮して、そのリブ内周部が溝に接するように各々の寸法を決定する。
【００２７】
また、これとは全く逆に、ガスケットのカソード側リブの内周部の自由距離をこれと嵌合するセパレータ板の溝より小さくし、締結によって弾性変形（この場合にはガスケットが“延びる”こととなる）することを考慮して、アノード側のリブおよび溝の設計を行っても良い。
上述の２種類の設計方法は、単に設計順序が異なるだけであって、本質は一緒である。ただし、例えば供給ガス圧が低く、両極の差圧が僅少であるなどの場合には、必ずしも上述の設計順序を厳守する必要はない。例えば、アノード側およびカソード側のリブ外周部が、それぞれの嵌合する溝にともに外接する形式、またはこれとは逆にアノード側およびカソード側のリブ内周部が、それぞれの嵌合する溝に内接する形式をとることも可能である。燃料電池に要求されるクロスリーク耐圧に応じて、適切で自由な設計を行うべきものであることは言うまでもない。
【００２８】
本発明の他の好ましい態様において、前記ガス供給手段が、前記アノード側導電性セパレータ板、カソード側導電性セパレータ板、およびガスケットを貫通する燃料ガスおよび酸化剤ガスの各々の入口側および出口側マニホールド穴を含み、前記アノードおよびカソードは電解質膜と反対側の面にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を有し、前記ガスケットは、そのカソード側導電性セパレータ板と対向する面には前記酸化剤ガスのマニホールド穴とカソードのガス流路とを接続するガス流路を有し、アノード側導電性セパレータ板と対向する面には前記燃料ガスのマニホールド穴とアノードのガス流路とを接続するガス流路を有する。
【００２９】
本発明のさらに他の態様において、前記ガス供給手段が、前記アノード側導電性セパレータ板、カソード側導電性セパレータ板、およびガスケットを貫通する燃料ガスおよび酸化剤ガスの各々の入口側および出口側マニホールド穴を含み、前記アノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板はアノードおよびカソードと対向する面にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を有し、前記ガスケットは、そのカソード側導電性セパレータ板と対向する面には前記酸化剤ガスのマニホールド穴とカソード側導電性セパレータ板のガス流路とを接続するガス流路を有し、アノード側導電性セパレータ板と対向する面には前記燃料ガスのマニホールド穴とアノード側導電性セパレータ板のガス流路とを接続するガス流路を有する。
【００３０】
本発明は、高分子電解質膜の両面にその周縁部を残して、それぞれ触媒層を形成する工程、前記触媒層を形成した高分子電解質膜の両面にそれぞれ保護膜を被覆する工程、前記高分子電解質膜の周縁部を保護膜とともに所定のサイズに切断し、かつ周縁部に貫通する複数の透孔の配列を形成する工程、前記保護膜を有する高分子電解質膜の前記透孔を含む周縁部にシール材を射出成形してガスケットを一体に形成する工程、および前記各保護膜をその周縁部を残して触媒層から剥離する工程を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池の製造方法を提供する。
【００３１】
前記保護膜は、あらかじめ前記剥離する部分を規定する切り目を有しているのが好ましい。
前記保護膜を剥離された触媒層の露出部には、ガス拡散層が配置される。このガス拡散層は、熱圧着により前記保護膜の一部をガス拡散層へ侵入させる工程をさらに有するのが好ましい。あるいは、前記保護膜を接着しろとして利用し、接着剤または両面接着シートによりガス拡散層を保護膜へ接着するのが好ましい。
【００３２】
本発明のガスケットは、熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマーから構成される。好適な材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリウレタン、シリコーン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、シンジオタクチック・ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、および熱可塑性ポリイミドからなる群より選ばれる。
【００３３】
保護膜の選定に際して留意すべき点は、概ね以下の通りである。
まず、保護膜は、電解質膜−ガスケット組立体の一部として残留するから、その組立体を用いた電池の運転時には、保護膜は電解質膜および反応性の高い触媒層に接する。従って、保護膜は化学的に不活性であることが望ましい。
【００３４】
さらに、電解質膜の大部分を覆っている保護膜中央部を切り目から切り離す際、触媒層が部分的に保護膜に転移して減少するのを防ぐため、保護膜は非粘着性であることが好ましい。通常、化学的に不活性である物質は非粘着性である。保護膜があまりに薄いと、ガスケットの成形金型からの触媒層の保護が十分達成されない。また、保護膜があまりに厚いと、後述のようにガス拡散層周辺部が保護膜上に位置した場合に、ガス拡散層と触媒層の充分な接触を阻害することになる。これらを考慮して、保護膜の厚みは、１０〜３０μｍ程度が好ましい。従って、材質的には、この程度の厚みに延伸可能なものが好ましい。
【００３５】
保護膜に好適な材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアミド、ポリカーボネート、シリコーン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、および熱可塑性ポリイミドからなる群より選ばれる。
以下に図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。
【００３６】
実施の形態１
図３〜６は本実施の形態における電解質膜−ガスケット組立体を示す。この組立体は、電解質膜１０とその周縁部に射出成形によって一体に結合したガスケット２０からなる。電解質膜１０は、図１に示すように、周縁部に多数の透孔１１を設けている。この電解質膜１０をキャビティ金型１２とコア金型１３からなる金型にセットし、成形品部１５にゲート１４から溶融した熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマーを注入するインサート射出成形法によって、電解質膜１０の周縁部に枠状のガスケット２０を成形する。
【００３７】
このように成形されたガスケット２０は、電解質膜１０の一方の面を被覆する部分と他方の面を被覆する部分とが、電解質膜の周縁部に規則正しく配列された透孔１１をとおして相互に連なっている。ガスケット２０は、さらに電解質膜の外周を完全に被覆している。従って、電解質膜１０がガスケット２０から抜け落ちることはない。また、電解質膜１０がガスケット２０から剥離することによるマニホールド穴へのガスの漏洩は生じない。通常、電解質膜の他の樹脂材料への接着性は期待できない。しかし、上記の構成によれば、接着性の如何にかかわらず、電解質膜がガスケットから剥離することによるガスのリークは根絶される。
【００３８】
ガスケット２０は、燃料ガスの入口側および出口側のマニホールド穴２１ａおよび２１ｂ、酸化剤ガスの入口側および出口側のマニホールド穴２２ａおよび２２ｂを有する。これらのマニホールド穴は、ガスケットの電解質膜１０を被覆する部分より外側に設けられている。
【００３９】
ガスケット２０は、カソード側導電性セパレータ板と対向する面に、燃料ガスのマニホールド穴２１ａおよび２１ｂとカソードとを仕切る位置に、リブ２３ａおよび２３ｂを有する。ガスケット２０は、また、アノード側導電性セパレータ板と対向する面に、酸化剤ガスのマニホールド穴２２ａおよび２２ｂとアノードとを仕切る位置に、リブ２４ａおよび２４ｂを有する。
上記のように、ガスケット２０を一体に結合した電解質膜１０の露出部分の一方には、カソード１７が、また他方にはアノード１５がそれぞれ接合されて電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）が組み立てられる。
【００４０】
図７〜９は、上記のＭＥＡに組み合わされる導電性セパレータ板を示している。このセパレータ板３０は、燃料ガスの入口側および出口側のマニホールド穴３１ａおよび３１ｂ、酸化剤ガスの入口側および出口側のマニホールド穴３２ａおよび３２ｂを有する。セパレータ板３０は、カソードと対向する面に、マニホールド穴３２ａと３２ｂとを連結する直線状の複数の溝からなるガス流路３５、並びにガスケット２０のリブ２３ａおよび２３ｂを嵌合する溝３３ａおよび３３ｂを有する。さらに、セパレータ板３０のアノードと対向する面には、マニホールド穴３１ａと３１ｂとを連結する直線状の複数の溝からなるガス流路３６、並びにガスケット２０のリブ２４ａおよび２４ｂを嵌合する溝３４ａおよび３４ｂを有する。リブ２３ａ、２３ｂ、２４ａおよび２４ｂは、先細りのテーパを付すのが好ましい。
【００４１】
上記のＭＥＡとセパレータ板３０とを交互に積層した電池の構造が図１０に示されている。ガスケット２０のリブ２４ｂがセパレータ板３０の溝３４ｂに嵌合しているので、ガス流路３５へ垂れ込み難くなっていることが理解できるであろう。ガスケット２０がリブ２４ｂより内側においてガス流路３５内へ多少垂れ込み、セパレータ板３０の下面とガスケット２０との間に隙間が生じても、リブ２４ｂと溝３４ｂとの嵌合部によって、燃料のガス流路３６が酸化剤ガスのマニホールド穴２２ｂ（３２ｂ）と連通するのは阻止される。
【００４２】
また、電解質膜１０は、その周縁部がマニホールド穴まで届いていないことから、ガスケットから剥離することによるガスのリークは構造的に起こり得ない。従って、ガスのクロスリークが生じることは殆どない。
上では、酸化剤ガスの出口側マニホールド穴付近におけるガスのクロスリークに関して説明したが、酸化剤ガスの入口側マニホールド穴、ならびに燃料ガスの入口側および出口側マニホールド穴付近においても全く同様にガスのクロスリークは殆ど生じない。
【００４３】
実施の形態２
本実施の形態の電解質膜−ガスケット組立体を図１１〜１３に示す。実施の形態１と同様にして、電解質膜１０に一体に結合されたガスケット４０は、燃料ガスの入口側マニホールド穴４１ａおよび出口側マニホールド穴４１ｂ、酸化剤ガスの入口側マニホールド穴４２ａおよび出口側マニホールド穴４２ｂを有する。ガスケット４０は、さらにカソード側導電性セパレータ板と対向する面にマニホールド穴４２ａおよび４２ｂとカソードとをそれぞれ連絡するガス流路４５ａおよび４５ｂ、アノード側導電性セパレータ板と対向する面にマニホールド穴４１ａおよび４１ｂとアノードとをそれぞれ連絡するガス流路４６ａおよび４６ｂを有する。
【００４４】
この電解質膜−ガスケット組立体を用いたセルの構造が図１４および１５に示されている。アノード５５は、電解質膜と反対側の面に、ガスケット４０のガス流路４６ａおよび４６ｂと連通するガス流路５６を有する。同様にカソード５７は、電解質膜と反対側の面に、ガスケット４０のガス流路４５ａおよび４５ｂと連通するガス流路５８を有する。導電性セパレータ板５０は、マニホールド穴５１ａ、５２ａ、５２ｂなどを有するが、ガス流路は有しないから、厚みの薄い金属板を利用することができる。
【００４５】
ガス流路を有する電極は、例えば図１６に示すように、ガス流路を形成するためのスリット３７ａを有する炭素繊維抄紙３７と、スリットを有しない炭素繊維抄紙３８とを貼り合わせ、これをグラファイト化し、端部を切断することにより作製することができる。これらの電極素材の抄紙３７および３８には、位置あわせのための孔を設ける。図１７は、抄紙３７と３８を２枚ずつ貼りわせたものから作製した電極を示している。そのような電極については、ＰＣＴ／ＪＰ０１／０８６６１に詳しく説明されているので、これを参考例として引用する。
【００４６】
実施の形態３
本実施の形態のＭＥＡを図１８〜２０に示し、これに組み合わされる導電性セパレータ板を図２１〜２３に示す。ガスケット６０は、実施の形態１と同様に、電解質膜１００の周縁部に射出成形によって一体に結合されている。ガスケット６０を結合した電解質膜１００の一方の面にはアノード７５が、また他方の面にはカソード７７がそれぞれ接合されている。
【００４７】
ガスケット６０は、燃料ガスの入口側マニホールド穴６１ａおよび出口側マニホールド穴６１ｂ、酸化剤ガスの入口側マニホールド穴６２ａおよび出口側マニホールド穴６２ｂ、並びに冷却水の入口側マニホールド穴６３ａおよび出口側マニホールド穴６３ｂを有する。ガスケット６０のアノードを有する面側には、周縁部に設けたリブ６４、並びにマニホールド穴６２ａ、６３ａおよびマニホールド穴６２ｂ、６３ｂをアノード７５と仕切るためのリブ６４ａおよび６４ｂを有する。リブ６４によって、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水が外部へ漏れるのを防止し、さらにリブ６４ａおよび６４ｂは酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水が相互に混合するのを防止する。ガスケット６０は、カソードを有する面側には、周縁部に設けたリブ６５、並びにマニホールド穴６１ａ、６３ｂおよびマニホールド穴６１ｂ、６３ａをカソード７７と仕切るためのリブ６５ａおよび６５ｂを有する。
【００４８】
導電性セパレータ板８０は、ガスケット６０のマニホールド穴６１ａ、６２ａ、６３ａおよび６１ｂ、６２ｂ、６３ｂに対応してマニホールド穴８１ａ、８２ａ、８３ａおよび８１ｂ、８２ｂ、８３ｂを有する。セパレータ板８０は、アノードと対向する面側に、リブ６４、６４ａおよび６４ｂをそれぞれ嵌合する溝８４、８４ａおよび８４ｂを有し、カソードと対向する面側に、リブ６５、６５ａおよび６５ｂをそれぞれ嵌合する溝８５、８５ａおよび８５ｂを有する。
【００４９】
セパレータ板８０は、さらにアノードと対向する面側に、マニホールド穴８１ａからマニホールド穴８１ｂに燃料ガスを導く３本の並行する溝からなるガス流路８６を有し、カソードと対向する面側に、マニホールド穴８２ａからマニホールド穴８２ｂに酸化剤ガスを導く５本の並行する溝からなるガス流路８８を有する。ガス流路８６および８８は、セパレータ板の長手方向に伸びる直線部は、図２３に示すように、それらの中心線が表裏で一致していることが望ましい。
【００５０】
上記のＭＥＡとセパレータ板８０を組み合わせた積層電池の構造が図２４に示されている。この例では、２セル毎に冷却水を通す冷却部が設けられている。この冷却部は、アノードと対向する面は図２１に示す構造を有し、背面に冷却水の流路９４を有するアノード側セパレータ板９１と、カソードと対向する面は図２２に示す構造を有し、背面に冷却水の流路９６を有するカソード側セパレータ板９２とにより形成される。
【００５１】
次に、ガスケットのカソードまたはアノード側の面に、カソードまたはアノードを挟んでカソードまたはアノードと燃料ガスまたは酸化剤ガスの入口側および出口側マニホールド穴との間に位置するリブ間の距離と、導電性セパレータ板に設けられた前記リブを嵌合する溝間の距離とを若干異ならせる意義について説明する。これは後述の実施例３で詳しく説明されている。ガスケット６０のアノード側のリブ６４ａと６４ｂ間の距離（寸法Ｂ）がセパレータ板８０の対応する溝８４ａと８４ｂ間の距離（寸法Ａ）より若干大きく、従って、リブ６４ａおよび６４ｂがこれに外接するセパレータ板の溝８４ａおよび８４ｂに強く押しつけられる仕様ほどリーク耐圧は高くなる。また、ガスケット６０のカソード側のリブ６５ａと６５ｂ間の距離（寸法Ｃ）がセパレータ板８０の対応する溝８８ａと８８ｂ間の距離（寸法Ａ）より若干小さく、従って、リブ６５ａおよび６５ｂがこれに内接するセパレータ板の溝８８ａおよび８８ｂに強く押しつけられる仕様ほどリーク耐圧は高くなる。
【００５２】
実施の形態４
本実施の形態のＭＥＡを図２５〜２８に示す。実施の形態１と同様に射出成形によって電解質膜１１０の周縁部にガスケット１２０が一体に結合されている。ガスケット１２０は、燃料ガスの入口側マニホールド穴１２１ａおよび出口側マニホールド穴１２１ｂと、電解質膜１１０に接合されたアノード１１５の表面に設けられたガス流路１１６とをそれぞれ連通させるガス流路１２６ａおよび１２６ｂを有する。
【００５３】
ガスケット１２０は、さらに電解質膜１１０に接合されたカソード１１７の表面に設けられたガス流路１１８とマニホールド穴１２２ａおよび１２２ｂとをそれぞれ連通させるガス流路１２８ａおよび１２８ｂを有する。このＭＥＡに組み合わせるセパレータ板は実施の形態２に用いられた平板状の金属板が用いられる。
【００５４】
実施の形態５
本実施の形態のセパレータ板を図２９に示し、これとＭＥＡを組み合わせた電池の構造を図３０および図３１に示す。
セパレータ板１３０は、金属板からなり、ガス流路を形成する部分１３４はプレス加工により波形に成形してある。セパレータ板１３０は、燃料ガスの入口側マニホールド穴１３１ａおよび出口側マニホールド穴１３１ｂ、並びに酸化剤ガスの入口側マニホールド穴１３２ａおよび出口側マニホールド穴１３３ｂを有する。
【００５５】
周縁部に射出成形によって一体にガスケット１４０を結合した電解質膜１１０の露出面には、アノード１４５およびカソード１４７が接合されている。このＭＥＡはセパレータ板１３０と交互に積層されて電池が組み立てられる。そして、アノード１４５とセパレータ板１３０との間には、波形部１３４の凹部１３５によって燃料ガスの流路が形成され、このガス流路の一方の端部は、ガスケット１４０のアノード側の面に形成されたガス流路１４６ｂにより出口側マニホールド穴１４１ｂに連通している。凹部１３５によって形成されるガス流路の他方の端部は、ガスケット１４０のアノード側の表面に形成されたガス流路により入口側マニホールド穴に連通している。同様に、カソード１４７とセパレータ板１３０の波形部１３４の凹部１３６によって形成される酸化剤ガスの流路は、その一方の端部がガスケット１４０のカソード側の面に形成されたガス流路により入口側マニホールド穴１４２ａに連通している。凹部１３６によって形成される酸化剤ガスの流路の他方の端部は、ガスケット１４０のカソード側の表面に形成されるガス流路により出口側マニホールド穴１４２ｂに連通している。
【００５６】
セパレータ板１３０は、例えばＪＩＳ １種のチタン板（厚み０．１ｍｍ）に、プレス加工により、幅３ｍｍ、ピッチ６ｍｍ、波高さ０．６ｍｍ（セパレータ板中心線よりの片側の高さ）の波打ち加工を施した後、マニホールド穴をプレスで打ち抜くことにより作製することができる。このセパレータ板と、平板状の電極を組み合わせたＭＥＡとを積層して、セルが薄型で、大幅な出力電力密度の向上した電池が得られる。
【００５７】
さらに、実施の形態３に示したようなセルスタックを組む場合には、燃料ガス、酸化剤ガスに加え水のマニホールド穴を設ける必要がある。そのような構造も適切な設計により充分作製することができる。このときの水流路は、波形部の流路をそのまま用いることができる。すなわち、一つの冷却用セパレータ板から隣りの冷却用セパレータ板までを１ユニットとした場合に（１ユニットにはＭＥＡが通常２〜３枚含まれる）、隣り合うユニットのセパレータ板の波を互いに半ピッチずらすことによって、水流路において隣り合うユニットのセパレータ板の山と山があたるようにすることが可能であり、その結果ユニット同士の電気的接続が保証される。
【００５８】
実施の形態３、４および５においては、酸化剤ガスと燃料ガスとは対向流となるようにそれらのマニホールド穴の位置を指定したが、必要に応じて酸化剤ガスと燃料ガスが同じ方向に流れるようにすることもできる。
【００５９】
実施の形態６
本実施の形態におけるＭＥＡを図３２に示す。このＭＥＡの製造方法を図３３ないし図３７を参照して説明する。
まず、図３５（ａ）に示すように、高分子電解質膜２１０の表裏両面に、周縁部を残して、それぞれ触媒層２１４を形成する。触媒層は、一方がアノード側触媒層であり、他方がカソード側触媒層である。必要に応じて両触媒層の組成を変えることもできる。次に、図３５（ｂ）に示すように、触媒層２１４および露出する電解質膜の全面を覆うように、それぞれ保護膜２１２を重ね合わせる。次いで、これらの積層物を一括して型抜きすることにより、所定の大きさに切断するとともに、周縁部には、複数の透孔２１１を設ける。こうして図３５（ｃ）に示すように、電解質膜２１０、触媒層２１４および保護膜２１２の組立体が形成される。
【００６０】
図３３および図３４はこの組立体を示す。保護膜２１２は、あらかじめ所定の位置にミシン目などの切れ目２１２ｃが設けてある。この組立体は、次にガスケットを成形するために図３６に示す金型にセットする。
この金型は、キャビティ金型２０２とコア金型２０３からなり、成形品部２０５にゲート２０４から溶融した熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマーを注入するインサート射出成形法によって、電解質膜２１０を含む上記の組立体の周縁部に枠状のガスケット２２０を成形する。
【００６１】
このように成形されたガスケット２２０は、電解質膜２１０を含む組立体の一方の面側を被覆する部分と他方の面側を被覆する部分とが、組立体の周縁部に配列された透孔２１１をとおして相互に連なっている。ガスケット２２０は、さらに組立体の外周を完全に被覆している。従って、電解質膜２１０を含む組立体がガスケット２２０から抜け落ちることはない。また、電解質膜２１０がガスケット２２０から剥離することによるマニホールド穴へのガスの漏洩は生じない。通常、電解質膜の他の樹脂材料への接着性は期待できない。しかし、上記の構成によれば、接着性の如何にかかわらず、電解質膜とガスケットとの剥離によるガスのリークは根絶される。
【００６２】
前記のようにして、触媒層２１４および保護膜２１２を結合した電解質膜２１０の組立体にガスケット２２０を成形した後は、保護膜２１２をその切り目２１２ｃから中央部２１２ｂを切り離して、触媒層２１４を露出させる。次いで、触媒層２１４に、ガス拡散層２１８を熱圧着により接合する。こうして図３２に示すようなＭＥＡが作製される。このＭＥＡには、２１２ａで示すように、電解質膜２１０の周縁部を被覆する保護膜が残っている。
【００６３】
ガスケット２２０は、図３２に示すように、燃料ガスの入口側マニホールド穴２２１ａおよび出口側マニホールド穴２２１ｂ、酸化剤ガスの入口側マニホールド穴２２２ａおよび出口側マニホールド穴２２２ｂを有する。これらのマニホールド穴は、ガスケットの電解質膜２１０を被覆する部分より外側に設けられている。ここに示す例では、ガスケット２２０は、燃料ガスおよび酸化剤ガスのマニホールド穴を有するが、冷却水のマニホールド穴は有していない。しかし、必要に応じて、ガスケットには冷却水のマニホールド穴を設けることができる。
【００６４】
ガスケット２２０の内のり、触媒層２１４の外寸、および透孔２１１の位置の関係において、触媒層２１４は、ガスケット２２０の内のりよりは大きく、透孔２１１の部分までは達しないことが望ましい。触媒層部分に透孔を開けることは、この部位における両極触媒層の短絡を招くおそれがあるため、厳に避けなければならない。触媒層がガスケットの内のりよりも小さい場合には、インサート部品上に触媒層の有無によるギャップが発生するということであり、上記インサートクリアランス（金型が閉じたときの金型間の距離をいう）の適正化の観点から好ましくない。触媒層２１４の周縁部を成形品部、すなわちモールド樹脂に包み込まれるようにさせるのが成形上好ましい。
【００６５】
本発明の好ましい態様において、保護膜２１２は、化学的に不活性で、かつガス拡散層２１８を熱圧着するプロセス温度（通常１２０〜１４０℃）において溶融性を有する合成樹脂、例えばポリエチレンのフィルムが好適である。そのような保護膜を用いると、ガス拡散層２１８を熱圧着する際に、保護膜の一部がガス拡散層に侵入した構造、すなわち保護膜の一部がガス拡散層に溶着した構造のＭＥＡを形成することができる。そのような保護膜の材料には、ポリエチレンの他エチレン−酢酸ビニル共重合体等を用いることができる。
【００６６】
このような保護膜を用いた場合、ガスケット成形時点では、保護膜の成形品部分はモールディング樹脂の熱によって一旦溶融し、その後樹脂の冷却につれて固化する。しかしながら金型内面は常に冷却されているため、ミシン目部分は溶融することなく、ミシン目の切れ目は完全に保護され、成形品取出し後の保護膜剥離には全く支障はない。その後、ガス拡散層を熱圧着するプロセスにおいて、保護膜が溶融してガス拡散層内部の細孔に侵入し、冷却した時点で固化するため、図４０に示した侵入部２１８ａを形成することになる。すなわち、保護膜はガスケット成形時点では、高分子電解質膜および触媒層を保護する機能を果たし、拡散層の熱圧着時点ではホットメルト接着剤として機能することとなる。この工法においては、ＭＥＡ形成後のガス拡散層の剥離を防止して、それ以降の電池組立て工程での取り扱いが大幅に向上するという利点がある。
【００６７】
実施の形態７
保護膜を含む電解質膜−ガスケット組立体の他の好ましい実施の形態を説明する。本実施の形態においては、保護膜のミシン目から切り離す部分のサイズがガス拡散層より小さい。そうすると、残留した保護膜を接着しろとしてガス拡散層を保護膜に接着してＭＥＡを組み立てることができる。
【００６８】
すなわち、この形態によれば、従来ＭＥＡ形成に必須であった電解質膜と電極とのホットプレスを行わずにＭＥＡを形成することが可能となる。従って、製造段階におけるＭＥＡの熱および圧力によるダメージ、ガスケットの熱変形を回避することができる。残留した保護膜とガス拡散層とを接着する方法は、接着剤によっても、両面接着テープのような粘着部材によってもよい。ホットプレスは、ＭＥＡ製造上のハンドリングのために従来不可避であったが、電池の機能上必要な工程ではない。何故なら、電池運転時には充分な締結荷重で触媒層とガス拡散層が密着し、両者の物理的な接触が保たれているからである。
【００６９】
この実施の形態を図４１、図４２および図４３により説明する。
図４３は図３２に示すものと同様の、電解質膜２１０、触媒層２１８および保護膜２１２の組立体を示す。この組立体は、周縁部に透孔２１１の配列を有し、保護膜２１２はミシン目２１２ｃを有する。この組立体の周縁部には、実施の形態６と同様にして、ガスケット２２０が成形される。ガスケット２２０は、燃料ガスのマニホールド穴２２１ａ、２２１ｂおよび酸化剤ガスのマニホールド穴２２２ａ、２２２ｂを有する。ガスケット成形後に、保護膜２１２の中央部をミシン目２１２ｃのところで切り離す。保護膜の残留部２１２ａは四隅部の幅が大きくなるように、ミシン目２１２ｃが形成してある。保護膜の残留部２１２ａの四隅部に、両面接着テープ２１９を張り付け、周縁部が保護膜の残留部２１２ａと接するように、ガス拡散層２１８を触媒層２１４上に重ねることにより、ガス拡散層２１８を両面接着テープ２１９で保護膜の残留部２１２ａに固定することができる。
【００７０】
上記の実施の形態６および７に示した電解質膜−ガスケット組立体の製造方法は、高分子電解質膜の表面に触媒層を形成する工程、前記触媒層を形成した高分子電解質膜の表面に保護膜を被覆する工程、および前記高分子電解質膜の周縁部を保護膜とともに所定のサイズに切断するとともに周縁部に保護膜を貫通する複数の透孔の配列を形成する工程を経た後に、前記保護膜を有する高分子電解質膜の前記透孔を含む周縁部にシール材を射出成形してガスケットを一体に形成する工程を有する。この方法は、周縁部に透孔を設けた高分子電解質に直接にガスケットを成形する方法に比べて以下のような利点を有する。
【００７１】
高分子電解質膜に直接にガスケットを成形する方法によれば、金型が閉じた場合に、高分子電解質膜を物理的に保護するために、インサート部位における金型クリアランス（インサートクリアランス）は少なくともインサート部品であるところの高分子電解質膜の厚み以上に取る必要がある。しかしながら、このクリアランスを大きくすると、ゲートから射出された溶融樹脂が上記クリアランスよりインサート部品側（内側）に流出し、成形品の形状を損なうことになる。従って、上記クリアランスは、高分子電解質膜の厚みに、溶融樹脂の最小流れしろ、すなわち溶融樹脂の粘性抵抗によって、溶融樹脂が通り抜けることができる最小隙間量、を加えた量より小さくしなければならない。上記最小流れしろは、樹脂の種類、成形条件によって変動するが、特に薄肉成形に向く液晶ポリマーなどの場合には５ミクロン以下である。従って、高分子電解質膜に直接にガスケットを成形する方法においては、インサートクリアランスは、ミクロンオーダーの精度が要求されることとなり、極めて高度な金型加工精度が要求される。
【００７２】
また、上記インサートクリアランスを適正化した後にも、インサート部品と金型のクリアランスはせいぜい数ミクロン〜十数ミクロンしか許容されないため、金型が締まる時点で塵埃を噛みこんだ場合は、当該塵埃によって高分子電解質膜にピンホールが生じるという問題が生じ、半導体製造工場並の作業環境が必要となる。
【００７３】
また、高分子電解質膜にガスケットを成形した場合、高分子電解質膜とガスケットの組立体からＭＥＡを作製するには、触媒層の印刷は、ガスケットで囲まれた凹部に行うことになる。このため、印刷方法はパッド印刷等の特別な方法に限られ、スクリーン印刷、グラビア印刷、オフセット印刷等の汎用的で生産性の高い工法が適用できない。
【００７４】
このため、高分子電解質膜に触媒層を印刷する工程を前工程としてガスケットを形成する工法がプロセス的に無理のないものである。しかし、高分子電解質膜に触媒層が印刷してあると、金型と触媒層が接することとなるため、触媒層が金型に付着し、あるいは成形ガスによって吹き飛ばされる等の理由で触媒のロスが発生し、さらに触媒粉塵による金型の故障あるいは磨耗、触媒による金型の腐蝕などが問題となる。
【００７５】
実施の形態６および７に示した方法によれば、高分子電解質膜に直接にガスケットを成形する方法における上記のような問題、すなわち高分子電解質膜の保護に関する課題およびガスケットの成形と触媒層印刷のプロセスとのマッチング上の課題をすべて解決することができる。
以下、本発明の実施例を説明する。
【００７６】
実施例１
図１に示すように、透孔１１を形成した固体高分子電解質膜１０に、射出成形機で、ガスケット２０をインサート成形して、図３〜図６に示すような電解質膜−ガスケット組立体を得た。高分子電解質膜にはＤｕＰｏｎｔ社のＮａｆｉｏｎ１１７（５０μｍ厚）を用い、これをトムソン型で打ちぬいた。膜の大きさは６８ｍｍ×６８ｍｍで、その周縁部に幅１．５ｍｍ、長さ６ｍｍの透孔をピッチ８ｍｍで設けた。ガスケット材料にはポリオレフィン系熱可塑性エラストマー（三井化学（株）のミラストマーＭ３８００）を用いた。成形条件は、射出温度２３５℃、金型温度５０℃、ゲート数１６（φ０．９ｍｍのピンゲート）、射出速度２４０ｍｍ／秒であった。射出成形金型の成形品部は、樹脂成形収縮を勘案し、成形品規定値に対し１５／１０００大きく設定した。成形されたガスケット２０の成形収縮後の平面寸法は、規定値外寸１２０ｍｍ×１２０ｍｍ、電極サイズ（膜露出部分）は６０ｍｍ×６０ｍｍ、マニホールド穴サイズ１０ｍｍ×６０ｍｍに対し、いずれも＋３／１０００の許容差内に収まった。リブ２３ａ、２３ｂ、２４ａおよび２４ｂのサイズは、幅１．２ｍｍ×長さ６０ｍｍ×高さ０．８ｍｍ、型抜き勾配３度（アノード側およびカソード側共通）、リブを除く基準肉厚０．７ｍｍであった。また、このとき、高分子電解質膜のうち電池反応に与る部位は金型（５０℃）に密着しており、完全に射出樹脂の熱から保護された。
【００７７】
なお、これ以外の熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマーにおいても、適切なメルトフローレートを持つグレードのものを用い、金型構造、成形寸法、ゲート数、射出温度および射出速度等を最適化することで同様の成形が可能である。
【００７８】
次に、比表面積８００ｍ2／ｇ、ＤＢＰ吸油量３６０ｍｌ／１００ｇのケッチェンブラックＥＣ（ケッチェンブラック・インターナショナル社製ファーネスブラック）に、白金を重量比１：１の割合で担持させた。この触媒粉末１０ｇに、水３５ｇおよび水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液（旭硝子（株）製、９％ＦＳＳ）５９ｇを混合し、超音波攪拌機を用いて分散させて、触媒層インクを作製した。この触媒インクを、ポリプロピレンフィルム（東レ（株）のトレファン５０−２５００）に塗工し、乾燥して触媒層を形成した。得られた触媒層を５９ｍｍ×５９ｍｍに切断し、上記成形品の高分子電解質膜の露出部分の両面に、温度１３５℃、圧力３．２ＭＰａの条件で転写した。続いて、炭素繊維からなるガス拡散層基材（東レ（株）のＴＧＰＨ１２０）の一方の面に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）微粉末（ダイキン工業（株）製）とアセチレンブラック（電気化学工業（株）製）が重量比１：４の比率となるような水分散液を塗布し、３５０℃で２０分間焼成して、電極の単位面積当たり２．０ｍｇ／ｃｍ2の密度の撥水層を形成した。
【００７９】
上記の触媒層を転写した電解質膜に、前記の撥水層を形成した撥水性電極を、その撥水層が電解質膜に接するようにホットプレス接合（１３０℃、１．５ＭＰａ）をしてＭＥＡを形成し、以下の特性評価試験に供した。
続いて、図７〜図９に示す形状のカーボン製セパレータ板を以下の要領で作製した。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）に、フライス加工により、マニホールド穴（１０×６０ｍｍ）、空気および燃料ガスの流路（両面とも溝幅２．０ｍｍ、ピッチ３．０ｍｍ、１５パス）、およびガスケットのリブを嵌合する溝（溝幅１．１８ｍｍ、深さ０．６ｍｍ、長さ６０ｍｍ、両面で４箇所）を形成した。
【００８０】
ガスケット２０のリブ２４ｂがセパレータ板３０の溝３４ｂに嵌合した状態が図１０に示されている。リブに対して溝は若干幅が狭いが、リブには先細りのテーパーが付いており、かつ弾性変形するため、リブはセパレータ板の溝とテーパー嵌合し、ガスケット２０はセパレータ板３０に完全に固定され、従来例で述べたような反対側のガス流路への垂れ込みは起こらなかった。
【００８１】
なお、例えばガスケットのリブの高さが低い場合には型抜き勾配が僅少もしくは不要であるから、リブにテーパーを付けずセパレータ板の溝にテーパーをつけた場合、あるいは両方にテーパーがついた場合にも、抜き勾配、溝（またはリブ）の幅の適切な設計により同様の効果が得られることは言うまでもない。
上記の本実施例による単セルと比較例１および２の特性の比較を表１示す。比較例１は、図４４に示したガスケットとセパレータ板との組み合わせによる単セル、比較例２は同じガスケットと図４５に示すブリッジ構造のセパレータ板との組み合わせによる単セルである。いずれも外寸、マニホールド穴のサイズ、ガス流路溝等の仕様は実施例のセパレータ板と同じである。
評価項目は以下のとおり。
【００８２】
（１）常用クロスリーク試験
単セルを１．５ＭＰａで締結し、燃料極側の圧力を５０ｋＰａに保ち（試験ガス：窒素）、空気極側から漏れ出てくるガス量を計測する形でのクロスリーク試験。
【００８３】
（２）限界クロスリーク耐圧試験
単セルを１．５ＭＰａで締結し、燃料極圧力をゼロから逓増していった場合に、空気極側からのガス漏洩が初めて観測される圧力を観測する形でのクロスリーク試験。
【００８４】
（３）電池の無負荷時の電圧
燃料ガスおよび酸化剤ガスとしてそれぞれ加湿水素（露点６５℃）および加湿空気（露点６５℃）を用い、セル温度を７５℃に保った状態で、単セルを無負荷で作動させたときのセル電圧。
【００８５】
（４）電池の常用負荷時の電圧
燃料ガスおよび酸化剤ガスとしてそれぞれ加湿水素（露点６５℃）および加湿空気（露点６５℃）を用い、セル温度を７５℃に保った状態で、燃料利用率７０％、空気利用率５０％、電極の単位面積当たりの出力電流密度２００ｍＡ／ｃｍ2で運転したときのセル電圧。
【００８６】
【表１】
0003690682.tif 000002
【００８７】
表１の結果から明らかなように、本発明のガスケット／セパレータ板の嵌合構造では、従来に比して大幅なガスのクロスリークの低減が可能であり、その結果電池特性にも向上が見られた。また、限界差圧２２５ｋＰａは、高分子電解質型燃料電池で通常用いられる供給ガス圧から勘案し、負荷変動に伴う急激なガス供給量のアンバランスが発生した場合にもこれに充分耐えるものと判断される。自動車向けの場合、供給ガス圧は２００ｋＰａ程度であり、燃料ガス／空気の差圧は通常この数分の一以下である。
【００８８】
実施例２
実施例１と同様の手法により、図１１〜図１３に示す形状のガスケットをインサート成形して電解質膜の周縁部に結合した。ガスケット４０の外寸は１２０ｍｍ×１２０ｍｍであり、基準肉厚０．７ｍｍに対して、両面に溝幅２ｍｍ、ピッチ３ｍｍ、深さ０．６ｍｍのガス流路４５ａ、４５ｂ、４６ａおよび４６ｂを設け、全肉厚は１．９ｍｍとした。使用した高分子電解質膜、および成形条件は実施例１と同様である。
【００８９】
次に、図１６〜図１７で説明した手法によりガス流路付き電極基材を作製した。すなわち厚み９０μｍの炭素繊維製ガス拡散基材の半製品（東レ（株）製ＴＧＰＨプリプレグで、グラファイト化前の炭素繊維抄紙）を適当なサイズに裁断した後、１種類は位置決め孔のみを打ち抜き、もう１種類は位置決め孔及びガス流路形成用スリットを打ち抜いた。カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）水溶液のバインダーを用いて、位置決めを行いながら、前者を４枚貼り合わせた上に、後者を７枚貼り合わせ、これを不活性ガス中で２４００℃で１０分間熱処理することによって、基準肉厚０．３５ｍｍ、ガス流路の深さ０．６ｍｍをもつ全厚み０．９５ｍｍの単一電極基材を作製した。続いて、実施例１と同様に高分子電解質膜の露出部に触媒層を転写した。その後電極基材の平坦な側に実施例１と同様の手法により撥水層を形成し、これをその撥水層を電解質膜側にして前記電解質膜にホットプレス法によって接合してＭＥＡを形成した。
【００９０】
次に、以下の手法によりセパレータ板を作製した。ＪＩＳ １種チタン板（（株）神戸製鋼所製、厚み０．１ｍｍ、アニール済み）に、マニホルド孔をプレスで打ち抜いた後に、これを５％アンモニア水で煮沸して表面に付着した有機物を除去した。次いで、３％過酸化水素水で煮沸して表面酸化をおこない、さらにこれをフッ酸緩衝液（フッ酸１容量部に対しフッ化アンモニウム３容量部を混合し、水で１／１０希釈したもの）に１分間浸して表面酸化膜を除去した後、純水で洗浄した。その後直ちに、あらかじめキャリアガス（窒素）を流してある拡散炉に移し、それからアンモニアを、濃度２０００ｐｐｍになるようにキャリアガスに混合し、温度を９００℃に上げて１時間の熱窒化を行った。以上の工法により、両面に２８０ｎｍ厚の窒化チタン層を持つ厚み０．１ｍｍのチタン製セパレータ板を作製した。
【００９１】
上記ＭＥＡとセパレータ板とを組み合わせて、図１４および図１５に示す構造の単セルを作製した。非締結時のセル厚み（セパレータ板間のピッチ）は２．０ｍｍ（１．９０ｍｍ＋０．１）であり、実施例１のセル厚み３．７ｍｍに対して約半分となった。締結時のセル厚みはそれぞれ１．７ｍｍ、３．６ｍｍであったので、本実施例により従来比約２倍の出力電力密度が達成された。
実施例１と同様の手法により特性評価を行った結果を表２に示す。本実施例のセルは、実施例１にほぼ遜色ない特性を示し、これは従来例より優れていることが明らかである。
【００９２】
【表２】
0003690682.tif 000003
【００９３】
実施例３
実施の形態３にかかる積層電池を組み立てた。
セパレータ板は、外寸３２０×１３０ｍｍ×２．０ｍｍ厚の樹脂含浸黒鉛板にサンドブラスト法でマニホールド穴、ガス流路、およびガスケットのリブ嵌合用溝８４、８４ａ、８４ｂ、８５、８５ａおよび８５ｂを加工した。燃料ガス用ガス流路は、溝幅４ｍｍ、ピッチ６ｍｍ、深さ０．６ｍｍで、３パスのサーペンタイン形であり、空気用ガス流路は、溝幅４ｍｍ、ピッチ６ｍｍ、深さ０．７ｍｍで、５パスのサーペンタイン形である。ガスケットのリブ嵌合用溝は、幅１．７８±０．０２ｍｍ、深さ０．６ｍｍ（全周）とした。アノード側およびカソード側とも、セパレータ板のガスケット嵌合用溝の内寸（図２１および図２２における寸法Ａ）は、同一である。また、背面に冷却水用流路を設けたアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板は、アノード側仕様およびカソード側仕様は前記セパレータ板のそれらとそれぞれ同一である。
【００９４】
続いて、実施例１と同様の手法により、図１８〜図２０に示す電極面積２１０ｍｍ×９０ｍｍのＭＥＡを形成した。ガスケットのセパレータ板の溝に嵌合するリブは、幅１．８±０．０１ｍｍ、高さ０．６ｍｍで、抜き勾配３度とした。このとき、前記の寸法Ａ、ガスケット６０のアノード側のリブ６４ａと６４ｂ間の寸法Ｂおよびカソード側のリブ６５ａと６５ｂ間の寸法Ｃを表３の仕様１〜３に示す３種のものを作製した。
【００９５】
【表３】
0003690682.tif 000004
【００９６】
すなわち、仕様１ではＡ〜Ｃとも同一寸法であるが、仕様２〜３ではガスケットのアノード側のリブの内寸は寸法Ａより若干大きく、またカソード側のリブの内寸は寸法Ａより若干小さく設定した。この仕様により、ガスケットのアノード側のリブはセパレータ板の溝に常に外接し、カソード側のリブはセパレータ板の溝に常に内接する構造となる。前記仕様１〜仕様３のセパレータ板およびＭＥＡを４０セル積層したセルスタックについて、実施例１と同様の条件で特性を評価した。その結果を表４に示す。なお、常用クロスリーク試験および限界クロスリーク試験は、４０セル合計の数値であり、電池の無負荷時の電圧および常用負荷時の電圧は、４０セルの平均値である。また、比較例は、上記と同一のセパレータ板および電極サイズを持ち、かつセパレータ板、ガスケットともに嵌合部のないものである。
【００９７】
【表４】
0003690682.tif 000005
【００９８】
表４より明らかなように、仕様１から３のクロスリーク耐圧は、ガスケットのアノード側のリブがその外接するセパレータ板の溝に強く押しつけられる仕様ほど高く、これはＯリングの作用機構と同様であり、リークするガス圧によりリークパスが締まることによると解される。また、いずれの仕様においても、比較例に比して諸特性が飛躍的に良好であることが確認された。また、ガスケットのリブ間の距離を両面同じとし、リブ間の距離を変える代わりに、セパレータ板のリブ嵌合用の溝間の距離を変えた場合にも、前記と同様の効果を得られた。
【００９９】
実施例４
実施例２と同様の手法により、実施の形態４にかかる燃料電池を組み立てた。ガスケットおよびセパレータ板の外寸は２３０ｍｍ×７５ｍｍである。ガス流路は、燃料極、空気極とも長さ１０８ｍｍ、幅３ｍｍ、ピッチ６ｍｍ、深さ０．６ｍｍとした。また、ガスケットは、基準肉厚０．７ｍｍに対し、両面に深さ０．６ｍｍの溝を設けたものであり、全肉厚１．９ｍｍとした。セル厚み、すなわちセパレータ板の中心間距離は２．０ｍｍであり、従来に比して約２倍の出力電力密度を得ることができた。また、この電池は、ガスを流す方向を逆にすれば、対向流型としても使用可能である。
【０１００】
また、クロスリーク耐圧その他の諸特性は実施例２の表２とほぼ同様であった。特に、ガスケットのリブとセパレータ板の溝との嵌合関係がなくとも充分なクロスリーク耐圧が得られる理由は、次のように考えられる。すなわち、従来の燃料電池構造におけるガスのクロスリークの要因が、セパレータ板に設けられたガス流路溝に対するガスケットの垂れ込みである。一方、本実施例の燃料電池においてそれに相当するガスのクロスリークの要因は、ガスケットに設けられた流路溝に対するセパレータ板の垂れ込みであり、これはセパレータ板が金属板であってガスケットに比して極めて変形しにくいために、垂れ込みを殆ど起こさない。
【０１０１】
実施例５
比表面積８００ｍ2／ｇ、ＤＢＰ吸油量３６０ｍｌ／１００ｇのケッチェンブラックＥＣ（ケッチェンブラック・インターナショナル社製ファーネスブラック）に、白金を重量比１：１の割合で担持させた。この触媒粉末１０ｇに、水３５ｇおよび水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液（旭硝子（株）製、９％ＦＳＳ）５９ｇを混合し、超音波攪拌機を用いて分散させて、触媒層インクを作製した。この触媒インクを、ポリプロピレンフィルム（東レ（株）製のトレファン５０−２５００）に塗工し、乾燥して触媒層を形成した。得られた触媒層を６２×６２ｍｍに切断し、高分子電解質膜（ＤｕＰｏｎｔ社のＮａｆｉｏｎ１１７、５０μｍ厚）の両面に、温度１３５℃、圧力３．２ＭＰａの条件で転写して、両面に厚み１０μｍの触媒層を形成した。
【０１０２】
続いて、ピッチ８０μｍのマイクロミシン刃（鋸刃）を用いて作られているミシン目トムソン型で、２５μｍ厚のポリエチレンテレフタレート（以下ＰＥＴで表す）フィルム（東レ（株）製のルミラー＃２５Ｓ１）に、大きさ５６×５６ｍｍの四角形を形成するようにミシン目を設けた。その後、上記触媒層つき高分子電解質膜とミシン目付きＰＥＴフィルムを位置決めしながら重ね合わせ、透孔および外形線をトムソン型で打ち抜き、全体サイズが６８ｍｍ×６８ｍｍで、多数の透孔（幅１．５ｍｍ、長さ３．０ｍｍ）をもつ、図３３に示す構造の高分子電解質膜、触媒層および保護膜の組立体からなるインサート部品を作製した。
【０１０３】
続いて、上記インサート部品に対して、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー（三井化学（株）製のミラストマー  Ｍ３８００）を用い、射出温度２３５℃、金型温度５０℃、ゲート数１６（直径０．９ｍｍのピンポイントゲート）、射出速度２４０ｍｍ／ｓｅｃの成形条件で、ガスケットをインサート成形した。ガスケットは、図３２に示すような形状を有し、外寸１２０×１２０ｍｍ、内寸６０×６０ｍｍであり、燃料ガスおよび酸化剤ガスの１０×６０ｍｍの４個のマニホールド穴を持ち、厚み７００±２０μｍである。その後、上記成形品を、専用のバキューム吸着冶具で挟持し、タイマーと電磁弁を組合せた簡単なオン−オフ機構を持つ真空排気系につなぎ、瞬間的（０．２〜０．４秒）に、保護膜のミシン目内側の中央部を真空引きすることによって、ミシン目から剥離した。
【０１０４】
続いて、炭素繊維からなるガス拡散層（東レ（株）製のＴＧＰＨ１２０）の一方の面に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）微粉末（ダイキン工業（株）製）とアセチレンブラック（電気化学工業（株）製）を重量比１：４の比率で含む水分散液を塗布し、３５０℃で２０分間焼成して、厚み４０μｍの撥水層を形成した。これを５９×５９ｍｍに型抜きした。その後、上記成形品の触媒層が露出している面に、前記の撥水層を形成したガス拡散層を、その撥水層が触媒層に接するようにホットプレスにより接合（１３０℃、１．５ＭＰａ）して、図３２および図３９に示すＭＥＡを形成した。
【０１０５】
比較例３
まず、高分子電解質膜をトムソン型で打ち抜いて、周縁部に透孔を設け、これにガスケットをインサート成形して一体化した。次いで、高分子電解質膜の露出部に触媒層を転写した後、撥水層を有するガス拡散層を熱圧着してＭＥＡを形成した。使用した高分子電解質膜、触媒層形成方法、撥水層を有するガス拡散層の製法、ＭＥＡ形成時の熱圧着条件等は、全て実施例５と同様である。
表５および表６には、それぞれ５種のインサートクリアランスをもってガスケットをインサート成形したときの比較例３および実施例５の初期的製品不良のデータを示す。
【０１０６】
ここに、ピンホール検査とは、ＭＥＡ形成後に電池を組みたてて動作させ、その無負荷時の電圧が基準値（９６０ｍＶ）に達するか否かを評価するものであり、高分子電解質膜にピンホールがある場合には基準値に届かない。外観検査とは、ガスケットの内のり、すなわちガス拡散層を嵌めこむ部位に、ＭＥＡの組み立てに支障をきたす程度のバリが発生したか否かを検査するものである。サンプル数は、各々１０００個であり、それぞれの試験の不良率をＡ、Ｂの段に百分率で表し、歩留まり（１００％−Ａ−Ｂ）を示してある。
【０１０７】
【表５】
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【０１０８】
【表６】
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【０１０９】
表５および６より明らかなように、比較例３では、特に金型と高分子電解質膜とが直接接することによる膜の破壊が問題であり、これを回避するためにインサートクリアランスを増やすと、外観異常が発生し、結果として歩留まりが低いものとなっている。これに対して、実施例５においては、外観異常を回避するためにインサートクリアランスを落とした場合にも、金型からの高分子電解質膜の保護が達成されており、歩留まりからみて許容されるインサートクリアランスも１１２（１１５−３μｍ）〜１２３（１２０＋３μｍ）と広く、従来要求されていた厳密な金型加工精度が緩和されているという結果を得た。
【０１１０】
実施例６
保護膜のミシン目の大きさを５６×５６ｍｍであるが、図４１に示すように四隅部を４．０ｍｍ面取りした他は、実施例５と同様の手法により、電解質膜に接合された触媒層および触媒層の周縁部を被覆する保護膜を含む電解質膜−ガスケット組立体を得た。
一方、実施例５と同様の撥水層を有するガス拡散層を準備し、これを図４１に示すように、電子部品固定用両面接着テープ（積水化学工業（株）製＃５５１６）により、保護膜の四隅部に接着して、ＭＥＡを形成した。
【０１１１】
このＭＥＡと実施例５のＭＥＡとの特性比較を行うため、図７および図８に示す形状のセパレータ板（ただし、リブ３３ａ、３３ｂおよびリブ３４ａ、３４ｂは有しない）間に、電極面圧０．７ＭＰａとなるように挟み込んで燃料電池を組み立てた。そして、アノードに加湿純水素を、カソードに加湿空気（バブラー温度６０℃）をそれぞれ供給し、電池温度を７５℃に保持し、燃料ガス利用率を７０％、空気利用率を４０％として電池試験を行った。その結果、両者の電池特性に差はないことが確認された。
【０１１２】
実施例７
実施例５で用いた保護膜としてのＰＥＴフィルムに換え、厚み２５μｍのポリエチレンフィルム（東セロ（株）製ＨＵＺ−２５）を用いて、実施例５と同様の手法でＭＥＡを形成した。このとき、ガスケット成形時の金型温度（５０℃）はポリエチレンフィルムの溶融温度（１２０℃）より低いため、内周のミシン目は保護され、容易に剥離可能であった。また、ガス拡散層をホットプレスにより接合した後、ＭＥＡを切断して断面観察を行い、保護膜の一部が、図４０に示すように、ガス拡散層に侵入していることが確認された。このときの拡散層の剥離強度は、実施例５で作製したＭＥＡに比して３〜４倍高く、保護膜がホットメルト接着剤として機能していることが確認された。
【０１１３】
本実施例においては、ガス拡散層が侵入層および保護膜を介して、ガスケットと接合しているために、一旦形成されたＭＥＡが組立て工程、不良セルの差し替え工程その他で分解することなく扱えるという利点があり、自動アッセンブル工程の適用を容易化し、生産性の向上に大きく貢献するといった利点がある。
【０１１４】
産業上の利用の可能性
以上から明らかなように、本発明によれば、ガスケットの高分子電解質膜からの剥離によるガスのクロスリークのない高分子電解質型燃料電池を提供することができる。本発明は、また、ガスケットの射出成形工法の歩留まりを大幅に上げ、ＭＥＡ作製の一連の流れにおけるプロセスの煩雑さを解消することが可能であり、生産性の向上、プロセスコストの低減に貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における電解質膜の正面図である。
【図２】電解質膜にガスケットを成形する金型の縦断面図である。
【図３】本発明の一実施例における電解質膜−ガスケット組立体のカソード側の正面図である。
【図４】同電解質膜−ガスケット組立体の右側面図である。
【図５】同電解質膜−ガスケット組立体の背面図である。
【図６】図５のVI−VI線断面図である。
【図７】本発明の一実施例における導電性セパレータ板のカソード側の正面図である。
【図８】同導電性セパレータ板の背面図である。
【図９】図８のIX−IX線断面図である。
【図１０】本発明の一実施例における積層電池を図８のX−X線で切った断面図である。
【図１１】本発明の他の実施例における電解質膜−ガスケット組立体のカソード側の正面図である。
【図１２】同電解質膜−ガスケット組立体の背面図である。
【図１３】図１２のXIII−XIII線断面図である。
【図１４】本発明の他の実施例における積層電池の一部を切欠した正面図である。
【図１５】図１４のXV−XV線断面図である。
【図１６】同実施例に用いた電極構成材の正面図である。
【図１７】同電極構成材から得られた電極の要部の断面図である。
【図１８】本発明のさらに他の実施例におけるＭＥＡのアノード側の正面図である。
【図１９】同ＭＥＡの背面図である。
【図２０】図１８のXX−XX線断面図である。
【図２１】同実施例に用いた導電性セパレータ板のアノード側の正面図である。
【図２２】同セパレータ板の背面図である。
【図２３】図２１のXXIII−XXIII線断面図である。
【図２４】同実施例の積層電池を図２１のXXIV−XXIV線で切った断面図である。
【図２５】本発明の他の実施例におけるＭＥＡの一部を切欠した正面図である。
【図２６】同背面図である。
【図２７】図２５のXXVII−XXVII線断面図である。
【図２８】図２５のXXVIII−XXVIII線断面図である。
【図２９】本発明のさらに他の実施例における導電性セパレータ板のカソード側の正面図である。
【図３０】同セパレータ板を用いた積層電池の一部を切欠した正面図である。
【図３１】図３０のXXXI−XXXI線断面図である。
【図３２】本発明の他の実施例におけるＭＥＡの正面図である。
【図３３】同ＭＥＡの電解質膜、触媒層および保護膜の組立体の正面図である。
【図３４】図３３のＷ−Ｗ線断面図である。
【図３５】同組立体を作製する工程を示す断面図である。
【図３６】同組立体にガスケットを成形する金型の断面図である。
【図３７】ガスケットを成形した組立体に拡散層を結合する工程を示す断面図である。
【図３８】図３２のＹ−Ｙ線断面図である。
【図３９】他の実施例におけるＭＥＡの要部の断面図である。
【図４０】さらに他の実施例におけるＭＥＡの要部の断面図である。
【図４１】さらに他の実施例におけるＭＥＡの正面図である。
【図４２】図４１のＺ−Ｚ線断面図である。
【図４３】同ＭＥＡの電解質膜、触媒層および保護膜の組立体の正面図である。
【図４４】従来のＭＥＡの要部の断面図である。
【図４５】他の従来例における導電性セパレータ板の要部の断面図である。
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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