(57)【要約】  本発明の電極−膜−枠接合体の製造方法は、高分子電解質膜の破断及び変形を防止するため、電解質膜の片方の面に第１触媒層を設け、第１触媒層の表面で且つ電解質膜の周縁部よりも内側に第１ガス拡散層を配置するとともに、電解質膜の他方の面に第２触媒層を設け、第２触媒層の表面で且つ電解質膜の周縁部よりも内側に、第１ガス拡散層と外縁の位置が相互に異なるように第２ガス拡散層を配置して本体部を形成し、第１ガス拡散層と第２ガス拡散層とが互いに対向する部分よりも外側に位置する第１又は第２ガス拡散層のいずれかの外縁部分が、枠形状の一次成形体の枠内に設けられた平坦部の一部に対向するように、本体部の周縁部を平坦部に配置したのち、電解質膜の周縁部を一次成形体とで覆うように二次成形体を成形して枠体を形成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の片方の面に配置された第１触媒層と、当該第１触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に配置された第１ガス拡散層と、前記電解質膜の他方の面に配置された第２触媒層と、当該第２触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に、前記第１ガス拡散層と外縁の位置が相互に異なるように配置された第２ガス拡散層とを有する電極−膜−枠接合体本体部の周縁部の周りに、枠体を形成して電極−膜−枠接合体を製造する方法であって、
第１成形金型に嵌合した前記枠体の一部を構成する枠状の一次成形体の枠内縁に、前記電解質膜の面方向と平行となるように設けられた平坦部の一部と、前記第１ガス拡散層と前記第２ガス拡散層とが前記電解質膜を介して互いに対向する部分よりも外側に位置する前記第１又は第２ガス拡散層のいずれかの外縁部分とが、前記電解質膜を介して前記電解質膜の厚み方向に対向するように、前記本体部の周縁部を前記平坦部上に配置し、
前記本体部が配置された前記一次成形体が嵌合している前記第１成形金型に第２成形金型を型閉めし、
前記第１成形金型及び前記一次成形体と前記第２成形金型との間に熱可塑性樹脂を流し込んで前記枠体の他部を構成する二次成形体を成形して、前記枠体を形成する、
電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項２】
前記二次成形体を成形するとき、前記二次成形体を構成する樹脂の一部が前記外縁部分に混在するように前記二次成形体を成形する、請求項１に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項３】
前記枠体を形成するとき、前記第１及び第２ガス拡散層と隙間を空けて前記枠体を形成し、
前記枠体を形成した前記本体部を、第３成形金型と第４成形金型との間に配置したのち、前記第３成形金型と前記第４成形金型とを型閉めし、
前記第３成形金型及び前記第４成形金型と、前記枠体を形成した前記本体部との間に、熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーを流し込んで、前記隙間及び前記枠体の表面の一部に連続的に弾性体を成形する、
請求項１に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項４】
前記弾性体を成形するとき、前記弾性体を構成する樹脂又はエラストマーの一部が前記外縁部分に混在するように前記弾性体を成形する、請求項３に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項５】
前記本体部の周縁部を前記平坦部上に配置したのち、前記本体部の周縁部上に押さえ部材を配置して、前記本体部の周縁部が前記平坦部から浮き上がることを抑えた状態で、前記第１成形金型に前記第２成形金型を型閉めする、請求項１に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項６】
前記第２ガス拡散層は、前記第１ガス拡散層に包含される大きさに形成され、前記電解質膜の厚み方向において前記第１ガス拡散層に包含されるように配置されることで、その外縁の位置が前記第１ガス拡散層の外縁の位置と相互に異なるように配置されている、請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項７】
前記第１ガス拡散層及び前記第２ガス拡散層はそれぞれ長方形状に形成され、
前記第２ガス拡散層は、その長辺が前記第１ガス拡散層の一組の長辺とそれぞれ交差するように配置されることで、その外縁の位置が前記第１ガス拡散層の外縁の位置と相互に異なるように配置されている、請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項８】
前記第１ガス拡散層及び前記第２ガス拡散層はそれぞれ同じ大きさに形成され、
前記第２ガス拡散層は、前記第１ガス拡散層に対して前記電解質膜の厚み方向に重なり部分を有しながら前記電解質膜の面方向にずらして配置されることで、その外縁の位置が前記第１ガス拡散層の外縁の位置と相互に異なるように配置されている、請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の電極−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用いられる電極−膜−枠接合体の製造方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）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装置である。【０００３】
ＰＥＦＣは、一般的には複数のセルを積層させて構成されている。１つのセルは、膜電極接合体（以下、ＭＥＡという）を一対の板状の導電性のセパレータ、具体的にはアノードセパレータとカソードセパレータとで挟んで構成されている。ＭＥＡは、ＭＥＡ本体部と、ＭＥＡ本体部の周縁部に延在し且つＭＥＡ本体部を包囲して配設された枠体を備えている。なお、ここでは、前記枠体を備えるＭＥＡを電極−膜−枠接合体という。【０００４】
ＭＥＡ本体部は、周縁部を前記枠体に支持される高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両面に形成され且つ前記枠体より内側に配置された一対の電極層によって構成されている。一対の電極層は、高分子電解質膜の両面に形成される白金等の触媒層と、当該触媒層の上に形成される多孔質で導電性を有するガス拡散層とで構成されている。前記一対の電極層にそれぞれ燃料ガス又は酸化剤ガスが接触することにより、電気化学反応が発生し、電力と熱とが発生する。一方、枠体の表面には、セパレータとの間をシールするガスケットが設けられ、当該ガスケットにより、燃料ガス及び酸化剤ガスの外部への漏出が遮断あるいは抑制されている。【０００５】
以下、従来例１のＭＥＡの製造工程について説明する。図２０Ａ〜図２０Ｄは、従来例１のＭＥＡの製造工程を、ＭＥＡ本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。【０００６】
図２０Ａに示すように、まず、第１金型Ｔ１０１と第２金型Ｔ１０２とを型閉めして枠体１０６の一部を構成する一次成形体１０６Ａを成形する。
この後、第２金型Ｔ１０２を取り除き、図２０Ｂに示すように、高分子電解質膜１０５Ａの両面で且つ高分子電解質膜１０５Ａの周縁部より内側に一対の電極層１０５Ｄが形成されたＭＥＡ本体部１０５を、第１金型Ｔ１０１の窪み部Ｔ１０１Ａに配置する。このとき、ＭＥＡ本体部１０５の周縁部１０５Ｅは、第１金型Ｔ１０１の平坦部１０１Ｂ及び一次成形体１０１Ａの平坦部１０６Ａ１上に配置する。【０００７】
次いで、図２０Ｃに示すように、ＭＥＡ本体部１０５が配置された第１金型Ｔ１０１と第３金型Ｔ１０３とを型閉めして、枠体１０６の他部を構成する二次成形体１０６Ｂを成形する。これにより、一次成形体１０６Ａと二次成形体１０６Ｂとが一体化して枠体１０６が形成される。
次いで、第１金型Ｔ１０１及び第３金型Ｔ１０３から、枠体１０６が接合されたＭＥＡ本体部Ｔ１０５を取り出して、第４金型Ｔ１０４と第５金型Ｔ１０５との間に配置する。  次いで、図２０Ｄに示すように、第４金型Ｔ１０４と第５金型Ｔ１０５とを型閉めして、枠体１０６の表面上にガスケット１０７を成形する。【０００８】
前記のように構成される従来例１のＭＥＡにおいては、電極層１０５Ｄと枠体１０６との間に、高分子電解質膜１０５Ａが単独で存在する部分、すなわち高分子電解質膜１０５Ａが電極層１０５Ｄにも枠体１０６にも支持されていない部分がある。このため、取り扱い上の観点、及び、運転中の燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差などによる高分子電解質膜１０５Ａの破断防止の観点から、電極層１０５Ｄと枠体１０６との間に位置する高分子電解質膜１０５Ａを補強することが行われている。このような補強技術としては、例えば特許文献１，２に開示されたものがある。【０００９】
図２１Ａ〜図２１Ｄは、特許文献１（特許３３６８９０７号公報）に開示された従来例２のＭＥＡの製造工程を、ＭＥＡ本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。図２１Ａ〜図２１Ｄに示すように、従来例２のＭＥＡにおいては、ＭＥＡ本体部１０５の周縁部１０５Ｅに額縁状に補強膜１０８を設けて高分子電解質膜１０５Ａを補強したのち、枠体１０６及びガスケット１０７を成形するようにしている。【００１０】
図２２Ａ〜図２２Ｄは、特許文献２（特許３８９７８０８号公報）に開示された従来例３のＭＥＡの製造工程を、ＭＥＡ本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。図２２Ａ〜図２２Ｄに示すように、従来例３のＭＥＡにおいては、第４及び第５金型Ｔ１０４，Ｔ１０５に代えて第６及び第７金型Ｔ１０６，Ｔ１０７を用いる。これにより、電極層１０５Ｄと枠体１０６との間に位置する高分子電解質膜１０５Ａを覆うようにガスケット１０７Ａを成形して、高分子電解質膜１０５Ａを補強している。【００１１】
【特許文献１】特許３３６８９０７号公報
【特許文献２】特許３８９７８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来例２の補強膜１０８を設ける技術では、当然ながら、部材点数が増加するとともに製造工程が増加する。さらに、補強膜１０８を額縁状に形成するために、補強膜１０８を例えば打ち抜き加工で作成する場合には、その打ち抜いた部分がロスになるなど、コスト的なデメリットもある。【００１３】
また、従来例３のガスケット１０７Ａを成形する技術では、ガスケット１０７Ａを構成する部材、例えば熱可塑性樹脂を金型Ｔ１０６，Ｔ１０７内に流し込む際に、高分子電解質膜１０５Ａの両面に加わる樹脂の圧力が不均一になることがある。このため、図２３の破線で囲まれた部分に示すように、高分子電解質膜１０５Ａが変形（例えば、波打ち）する。したがって、当該変形を抑えるために、金型Ｔ１０６，Ｔ１０７の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりする必要がある。【００１４】
従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりすることなく、高分子電解質膜の破断及び変形を防止することができる電極−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】
【００１５】
前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。
本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜の片方の面に配置された第１触媒層と、当該第１触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に配置された第１ガス拡散層と、前記電解質膜の他方の面に配置された第２触媒層と、当該第２触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に、前記第１ガス拡散層と外縁の位置が相互に異なるように配置された第２ガス拡散層とを有する電極−膜−枠接合体本体部の周縁部の周りに、枠体を形成して電極−膜−枠接合体を製造する方法であって、
第１成形金型に嵌合した前記枠体の一部を構成する枠状の一次成形体の枠内縁に、前記電解質膜の面方向と平行となるように設けられた平坦部の一部と、前記第１ガス拡散層と前記第２ガス拡散層とが前記電解質膜を介して互いに対向する部分よりも外側に位置する前記第１又は第２ガス拡散層のいずれかの外縁部分とが、前記電解質膜を介して前記電解質膜の厚み方向に対向するように、前記本体部の周縁部を前記平坦部上に配置し、
前記本体部が配置された前記一次成形体が嵌合している前記第１成形金型に第２成形金型を型閉めし、
前記第１成形金型及び前記一次成形体と前記第２成形金型との間に熱可塑性樹脂を流し込んで前記枠体の他部を構成する二次成形体を成形して、前記枠体を形成する、
電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００１６】
本発明の第２態様によれば、前記二次成形体の成形するとき、前記二次成形体を構成する樹脂の一部が前記外縁部分に混在するように前記二次成形体を成形する、第１態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００１７】
本発明の第３態様によれば、前記枠体を形成するとき、前記第１及び第２ガス拡散層と隙間を空けて前記枠体を形成し、
前記枠体を形成した前記本体部を、第３成形金型と第４成形金型との間に配置したのち、前記第３成形金型と前記第４成形金型とを型閉めし、
前記第３成形金型及び前記第４成形金型と、前記枠体を形成した前記本体部との間に、熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーを流し込んで、前記隙間及び前記枠体の表面の一部に連続的に弾性体を成形する、
第１態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００１８】
本発明の第４態様によれば、前記弾性体を成形するとき、前記弾性体を構成する樹脂又はエラストマーの一部が前記外縁部分に混在するように前記弾性体を成形する、第３態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００１９】
本発明の第５態様によれば、前記本体部の周縁部を前記平坦部上に配置したのち、前記本体部の周縁部上に押さえ部材を配置して、前記本体部の周縁部が前記平坦部から浮き上がることを抑えた状態で、前記第１成形金型に前記第２成形金型を型閉めする、第１態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２０】
本発明の第６態様によれば、前記第２ガス拡散層は、前記第１ガス拡散層に包含される大きさに形成され、前記電解質膜の厚み方向において前記第１ガス拡散層に包含されるように配置されることで、その外縁の位置が前記第１ガス拡散層の外縁の位置と相互に異なるように配置されている、第１から５態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２１】
本発明の第７態様によれば、前記第１ガス拡散層及び前記第２ガス拡散層はそれぞれ長方形状に形成され、
前記第２ガス拡散層は、その長辺が前記第１ガス拡散層の一組の長辺とそれぞれ交差するように配置されることで、その外縁の位置が前記第１ガス拡散層の外縁の位置と相互に異なるように配置されている、第１から５態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２２】
本発明の第８態様によれば、前記第１ガス拡散層及び前記第２ガス拡散層はそれぞれ同じ大きさに形成され、
前記第２ガス拡散層は、前記第１ガス拡散層に対して前記電解質膜の厚み方向に重なり部分を有しながら前記電解質膜の面方向にずらして配置されることで、その外縁の位置が前記第１ガス拡散層の外縁の位置と相互に異なるように配置されている、第１から５態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２３】
本発明の第９態様によれば、高分子電解質膜の両面に第１及び第２触媒層を設け、当該第１及び第２触媒層の表面に第１及び第２ガス拡散層を積層状態で配置して形成した電極−膜−枠接合体本体部の周縁部の周りに、枠体を形成して電極−膜−枠接合体を製造する方法であって、
前記本体部は、前記電解質膜の片方の面に第１触媒層を設け、当該第１触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に第１ガス拡散層を配置するとともに、前記電解質膜の他方の面に第２触媒層を設け、当該第２触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に、前記第１ガス拡散層と外縁の位置が相互に異なるように第２ガス拡散層を配置して形成されており、
前記枠体は、前記第１ガス拡散層と前記第２ガス拡散層とが前記電解質膜を介して互いに対向する部分よりも外側に位置する前記第１又は第２ガス拡散層のいずれかの外縁部分が、枠形状の一次成形体の枠内縁に前記電解質膜の面方向と平行となるように設けられた平坦部の一部に、前記電解質膜を介して前記電解質膜の厚み方向に対向するように、前記本体部の周縁部を前記平坦部に配置したのち、前記電解質膜の周縁部を前記一次成形体とで覆う二次成形体を成形して形成される、
電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の電極−膜−枠接合体の製造方法によれば、前記本体部が、第１ガス拡散層の外縁の位置と第２ガス拡散層の外縁の位置とが相互に異なるように形成されている。すなわち、第１ガス拡散層と第２ガス拡散層とが前記電解質膜を介して互いに対向する部分よりも外側に位置する外縁部分が、第１ガス拡散層又は第２ガス拡散層のいずれかに存在するように形成されている。また、前記外縁部分と一次成形体の枠内縁の平坦部の一部とが対向するように、前記本体部の周縁部を前記平坦部に配置したのち、二次成形体を成形して枠体を形成するようにしている。これにより、二次成形体の成形時において、前記電解質膜は、その面方向において前記外縁部分又は前記平坦部のいずれかに支持されることとなる。【００２５】
したがって、前記電解質膜に二次成形体を構成する樹脂の射出圧力が前記電解質膜の厚み方向に加わったとしても、前記電解質膜の破断及び変形は防止されるので、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりする必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施の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実施形態にかかる固体高分子電解質型燃料電池の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図であり、
【図２】図２は、図１のII−II線断面におけるセルの積層断面を、一部を分解して示す断面図であり、
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第１実施形態にかかるＭＥＡが有するＭＥＡ本体部の平面図であり、
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３ＡのIV−IV線断面図であり、
【図４】図４は、図１のＭＥＡのアノードセパレータ側の表面構造を示す平面図であり、
【図５】図５は、図１のＭＥＡのカソードセパレータ側の表面構造を示す平面図であり、
【図６Ａ】図６Ａは、図４及び図５のVI−VI線断面において、ＭＥＡの製造工程を示す模式説明図であり、
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａに続く工程を示す模式説明図であり、
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ｂに続く工程を示す模式説明図であり、
【図６Ｄ】図６Ｄは、図６Ｃに続く工程を示す模式説明図であり、
【図７Ａ】図７Ａは、ＭＥＡの製造工程を、ＭＥＡ本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａに続く工程を示す模式説明図であり、
【図７Ｃ】図７Ｃは、図７Ｂに続く工程を示す模式説明図であり、
【図７Ｄ】図７Ｄは、図７Ｃに続く工程を示す模式説明図であり、
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の第１実施形態にかかるＭＥＡの枠体の一部を構成する一次成形体に、ＭＥＡ本体部が配置された状態を示す模式断面図であり、
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａの状態からさらに、ＭＥＡの枠体の他部を構成する二次成形体が成形された状態を示す模式断面図であり、
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の第１実施形態にかかるＭＥＡの第１変形例の製造工程を、ＭＥＡ本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａに続く工程を示す模式説明図であり、
【図９Ｃ】図９Ｃは、図９Ｂに続く工程を示す模式説明図であり、
【図９Ｄ】図９Ｄは、図９Ｃに続く工程を示す模式説明図であり、
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の第１実施形態にかかるＭＥＡの第２変形例の製造工程を、ＭＥＡ本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａに続く工程を示す模式説明図であり、
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、図１０Ｂに続く工程を示す模式説明図であり、
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、図１０Ｃに続く工程を示す模式説明図であり、
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第２実施形態にかかるＭＥＡの製造工程を、ＭＥＡ本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａに続く工程を示す模式説明図であり、
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１１Ｂに続く工程を示す模式説明図であり、
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、図１１Ｃに続く工程を示す模式説明図であり、
【図１２】図１２は、本発明の第２実施形態にかかるＭＥＡの模式断面図であり、
【図１３】図１３は、本発明の第３実施形態にかかるＭＥＡが有するＭＥＡ本体部の平面図であり、
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の第４実施形態にかかるＭＥＡが有するＭＥＡ本体部の平面図であり、
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１４ＡのVIII−VIII線断面図であり、
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の第４実施形態にかかるＭＥＡの枠体の一部を構成する一次成形体に、ＭＥＡ本体部が配置された状態を示す模式断面図であり、
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、図１５Ａの状態からさらに、ＭＥＡの枠体の他部を構成する二次成形体が成形された状態を示す模式断面図であり、
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、図１５Ｂの状態からさらに、ガスケットが配置された状態を示す模式断面図であり、
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の第５実施形態にかかるＭＥＡの製造工程を、ＭＥＡ本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、図１６Ａに続く工程を示す模式説明図であり、
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、図１６Ｂに続く工程を示す模式説明図であり、
【図１６Ｄ】図１６Ｄは、図１６Ｃに続く工程を示す模式説明図であり、
【図１７】浮き上がり防止用押さえ部材の斜視図であり、
【図１８】発電試験における電圧の推移と、セルから排出される水分中に含まれるフッ化物イオンの排出速度を定期的に測定した結果を示すグラフであり、
【図１９】アノード側からカソード側への燃料ガスのクロスリークの発生率を、発電試験時間に対して測定した結果を示すグラフであり、
【図２０Ａ】図２０Ａは、従来例１のＭＥＡの製造工程を、ＭＥＡ本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、図２０Ａに続く工程を示す模式説明図であり、
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、図２０Ｂに続く工程を示す模式説明図であり、
【図２０Ｄ】図２０Ｄは、図２０Ｃに続く工程を示す模式説明図であり、
【図２１Ａ】図２１Ａは、従来例２のＭＥＡの製造工程を、ＭＥＡ本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、図２１Ａに続く工程を示す模式説明図であり、
【図２１Ｃ】図２１Ｃは、図２１Ｂに続く工程を示す模式説明図であり、
【図２１Ｄ】図２１Ｄは、図２１Ｃに続く工程を示す模式説明図であり、
【図２２Ａ】図２２Ａは、従来例２のＭＥＡの製造工程を、ＭＥＡ本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、図２２Ａに続く工程を示す模式説明図であり、
【図２２Ｃ】図２２Ｃは、図２２Ｂに続く工程を示す模式説明図であり、
【図２２Ｄ】図２２Ｄは、図２２Ｃに続く工程を示す模式説明図であり、
【図２３】図２３は、従来例３のＭＥＡの製造工程において、高分子電解質膜が変形した状態でＭＥＡ本体部と枠体とが接合された状態を示す模式説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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。
以下、本発明の最良の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。【００２８】
《第１実施形態》
図１は、本発明の第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を有する固体高分子電解質型燃料電池の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。【００２９】
図１に示すように、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）１００は、基本単位構成であるセル（単電池モジュール）１０を複数個積層させて構成されている。なお、図示していないが、セル１０の両端の最外層には集電板、絶縁板、及びエンドプレートが取り付けられ、セル１０は両端から、ボルト孔４を挿通される締結ボルトとナット（共に図示なし）とで締結されて構成されている。本第１実施形態では、セル１０は６０個積層されて、ボルト孔４に挿通されるボルトとナットとが締結力１０ｋＮで締結されている。【００３０】
セル１０は、電極−膜−枠接合体（以下、ＭＥＡという）１の両面周縁部の枠体６（より正確にはガスケット７）を一対の導電性のセパレータ、より具体的にはアノードセパレータ２及びカソードセパレータ３で挟んで構成されている。これによって、後述するＭＥＡ本体部５の電極層の最も外側に設けられたガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２（図２参照）がセパレータ２，３の表面と当接し、アノードセパレータ２の燃料ガス流路溝２１のガス拡散層当接部２１Ａ及びカソードセパレータ３の酸化剤ガス流路溝３１のガス拡散層当接部３１Ａと、ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２とで、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が画定される。これにより、ガス拡散層当接部２１Ａを流通する燃料ガスはアノードセパレータ２側のガス拡散層５Ｃ１に接触し、ガス拡散層当接部３１Ａを流通する酸化剤ガスはカソードセパレータ３側のガス拡散層５Ｃ２に接触して、ＰＥＦＣ１００の電気化学反応を生じさせることができる。また、積層されたセル１０においては、隣接したＭＥＡ本体部５が互いに電気的に直列又は並列に接続される。【００３１】
セパレータ２，３及び枠体６に、燃料ガス及び酸化剤ガスが流通するそれぞれ一対の貫通孔、すなわち燃料ガスマニフォルド孔１２，２２，３２及び酸化剤ガスマニフォルド孔１３，２３，３３が設けられている。セル１０が積層された状態では、これらの貫通孔が積層されて連結し、燃料ガスマニフォルド及び酸化剤ガスマニフォルドが形成される。【００３２】
アノードセパレータ２の内側の主面には、一対の燃料ガスマニフォルド孔２２，２２間を結ぶようにして燃料ガス流路溝２１が設けられている。カソードセパレータ３の内側の主面には、一対の酸化剤ガスマニフォルド孔３３，３３間を結ぶようにして酸化剤ガス流路溝３１が設けられている。つまり、酸化剤ガス及び燃料ガスが、それぞれ一方のマニフォルド（すなわち供給側のマニフォルド）から流路溝２１，３１に分岐して、それぞれの他方のマニフォルド（すなわち排出側のマニフォルド）に流通するように構成されている。【００３３】
燃料ガス流路溝２１は、セル１０の組立状態において、ガス拡散層５Ｃ１と当接する表面に形成されているガス拡散層当接部２１Ａと、ガス拡散層５Ｃ１に当接する表面とガス拡散層５Ｃ１の周囲に対向する表面との間にかけて形成されている一対の連絡部（連絡用流路溝）２１Ｂとを有して構成されている。同様に、酸化剤ガス流路溝３１は、セル１０の組立状態において、ガス拡散層５Ｃ２と当接する表面に形成されているガス拡散層当接部３１Ａと、ガス拡散層５Ｃ２に当接する表面とガス拡散層５Ｃ２の周囲に対向する表面との間にかけて形成されている一対の連絡部（連絡用流路溝）３１Ｂとを有して構成されている。ここでは、連絡部２１Ｂ，３１Ｂは、一対のマニフォルド孔２２，３３とガス拡散層当接部２１Ａ，３１Ａとを結ぶように形成されている。これによって、酸化剤ガスと燃料ガスとは、それぞれ供給側の燃料ガスマニフォルド孔２２及び酸化剤ガスマニフォルド孔３３から連絡部２１Ｂ，３１Ｂに分岐して流入し、それぞれガス拡散層当接部２１Ａ，３１Ａにおいてガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２に接触し、電気化学反応を起こす。酸化剤ガス及び燃料ガスの余剰のガスや反応生成成分は、排出側の燃料ガスマニフォルド孔２２及び酸化剤ガスマニフォルド孔３３に接続されている連絡部２１Ｂ，３１Ｂを経由して、排出側の燃料ガスマニフォルド孔２２及び酸化剤ガスマニフォルド孔３３に排出される。【００３４】
ＭＥＡ１の枠体６の両側主面にはガスケット７が配設されている。ガスケット７は、酸化剤ガスと燃料ガスとが、所定の流路溝２１，３１から流路溝２１，３１外へ流出しないように配設されている。すなわち、ガスケット７は、マニフォルド孔１２，１３，１４の周囲及び枠の周囲を包囲するようにして配設されている。ここでは、アノードセパレータ２側では、セル１０の組立状態において燃料ガス流路溝２１の連絡部２１Ｂが当接する位置にはガスケット７が配設されておらず、且つ燃料ガスマニフォルド孔１２とＭＥＡ本体部５とが一体的に包囲されるようにガスケット７が配設されている。同様に、カソードセパレータ３側では、セル１０の組立状態において酸化剤ガス流路溝３１の連絡部３１Ｂが当接する位置にはガスケット７が配設されておらず、且つ酸化剤ガスマニフォルド孔１３とＭＥＡ本体部５とが一体的に包囲されるようにガスケット７が配設されている。【００３５】
これにより、ガスケット７は、燃料ガスマニフォルド孔１２とＭＥＡ本体部５との間を流通する燃料ガス、及び酸化剤ガスマニフォルド孔３３とＭＥＡ本体部５との間を流通する酸化剤ガスの支障にはならず、燃料ガス及び酸化剤ガスの流路溝２１，３１外への流出を防止する。なお、図１においては、説明の都合上、ガスケット７、及びセパレータ２，３のガス拡散層当接部２１Ａ，３１Ａの流路溝２１，３１の蛇行構造については概略構成として示している。【００３６】
なお、前記各マニフォルドは、いわゆる外部マニフォルドによって構成されてもよい。外部マニフォルドの構成を採用する場合は、ＭＥＡ１及びセパレータ２、３には、燃料ガスマニフォルド孔１２，２２，３２及び酸化剤ガスマニフォルド孔１３，２３，３３は形成されずに、燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１の連絡部２１Ｂ，３１Ｂがそれぞれのセパレータ２，３の端面まで延伸される。そして、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給する配管が、各々のセパレータ２，３の端面に分岐して接合されて構成される。外部マニフォルドの場合、ガスケット７は、燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１の連絡部２１Ｂ，３１Ｂのそれぞれの周囲に沿って枠体６の端面まで延伸して配設される。【００３７】
セパレータ２，３及び枠体６には、燃料ガスマニフォルド孔１２，２２，３２及び酸化剤ガスマニフォルド孔１３，２３，３３と同様に、冷却水（例えば純水）が流通する二対のマニフォルドを形成する水マニフォルド孔１４，２４，３４が設けられている。これによって、セル１０が積層された状態では、これらのマニフォルド孔がそれぞれ積層されて連結し、二対の水マニフォルドが形成される。【００３８】
図２は、図１のII−II線断面におけるセル１０の積層断面を、一部を分解して示す断面図である。図３ＡはＭＥＡ本体部５の平面図であり、図３Ｂは図３ＡのIV−IV断面図である。【００３９】
ＭＥＡ本体部５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜５Ａと、当該高分子電解質膜５Ａの両面に形成された一対の電極層５Ｄ１，５Ｄ２（すなわち、アノードとカソードの電極層）とで構成されている。一対の電極層５Ｄ１，５Ｄ２は、それぞれ、第１，第２触媒層の一例である触媒層５Ｂ１，５Ｂ２と、第１，第２ガス拡散層の一例であるガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２との２層構造で構成されている。高分子電解質膜５Ａ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）で構成されている。触媒層５Ｂ１，５Ｂ２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５Ａの表面に形成される。ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２は、触媒層５Ｂ１，５Ｂ２の表面に形成され、燃料ガス又は酸化剤ガスの通気性と、電子伝導性の両方を併せ持つ。ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２は、その基材として炭素繊維で構成されたもの、例えば炭素繊維織布又は不織布を用いることができる。また、ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２は、基材として炭素繊維を使用せず、少なくとも炭素粉末とバインダ（例えばＰＴＦＥ：ポリテトラフルオロエチレン）とを有する混合物を混錬し、シート状に成形した多孔質シートであってもよい。また、この多孔質シートには少量の炭素繊維が含まれていてもよい。【００４０】
また、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、一対の電極層５Ｄ１，５Ｄ２は、それぞれ高分子電解質膜５Ａよりも外形サイズが小さく、且つアノード電極層５Ｄ１がカソード電極層５Ｄ２よりもさらに外形サイズが小さくなるように構成され、アノード電極層５Ｄ１の外縁の位置がカソード電極層５Ｄ２の外縁の位置よりも内側に位置するように構成されている。言い換えれば、アノード電極層５Ｄ１は、カソード電極層５Ｄ２に包含される大きさに形成され、高分子電解質膜５Ａの厚み方向においてカソード電極層５Ｄ２に包含されるように配置されている。【００４１】
また、図２に示すように、カソード電極層５Ｄ２の外縁は、枠体６の内縁に連結されている。カソード電極層５Ｄ２の外縁の近傍部分は、枠体６を構成する樹脂の一部がガス拡散層５Ｃ１に入り込んでそれらが混在した状態になっている。これにより、カソード電極層５Ｄ２と枠体６とが強固に固定され、ＭＥＡ本体部５と枠体６とがさらに強固に固定されている。なお、枠体６を構成する樹脂がガス拡散層５Ｃ１と混在している部分は、所望の電気化学反応を起こし難いため、アノード電極層５Ｄ１の外縁よりも外側に位置していることが好ましい。【００４２】
アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３は、平板状であって、ＭＥＡ１と接触する側の面(すなわち内面）は、ＭＥＡ１の形状、より具体的には枠体６とＭＥＡ本体部５との厚みの違いによる段差に応じるようにして、中央部が台形状に突出するように段差２５，３５を有している。セパレータ２，３は、ガス不透過性の導電性材料であれば良く、例えば樹脂含浸カーボン材料を所定形状に切削したもの、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したものを用いることができる。ここでは、セパレータ２，３として、東海カーボン株式会社製グラッシーカーボン（厚さ３ｍｍ）を用いている。セパレータ２，３では、各種マニフォルド孔２２，２３，２４，３２，３３，３４、及びボルト孔４が該セパレータ２，３を厚み方向に貫通している。【００４３】
セパレータ２，３の内面には、燃料ガス流路溝２１、酸化剤ガス流路溝３１が形成されている。セパレータ２，３の背面には、水流路溝５０が形成されている。各種マニフォルド孔２２，２３，２４，３２，３３，３４、ボルト孔４、燃料ガス流路溝２１、酸化剤ガス流路溝３１、及び水流路溝５０などは、切削加工あるいは成形加工により形成される。【００４４】
水流路溝５０は、二対の水マニフォルド孔２４，３４間を結ぶようにして形成されている。つまり、冷却水がそれぞれ一方のマニフォルド、すなわち供給側のマニフォルドから水流路溝５０に分岐して、それぞれ他方のマニフォルド、すなわち排出側のマニフォルドに流通するように構成されている。これによって、水の伝熱能力によりセル１０を電気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。なお、燃料ガス及び酸化剤ガスと同様にして、セパレータ２，３及び枠体６に水マニフォルド孔１４，２４，３４を形成せずに、冷却水給排路を前記したような外部マニフォルド構造にしてもよい。さらには、セパレータ２，３の背面に水流路溝５０を形成せずに、隣接するセル１０の間に冷却水が循環する冷却ユニットを挿入して、セル１０を積層するように構成してもよい。【００４５】
ガスケット７は、弾性体で構成され、ＭＥＡ１及びセパレータ２，３が押圧されることによって変形し、ＭＥＡ本体部５の周囲及びマニフォルド孔１４の周囲をシールする。なお、燃料ガスマニフォルド孔１２及び酸化剤ガスマニフォルド孔１３においても同様にして、ガスケット７によって、それぞれのマニフォルド孔の周囲がシールされる（図３参照）。【００４６】
枠体６は熱可塑性樹脂で構成されている。この熱可塑性樹脂は、ＰＥＦＣ１００の運転温度以下において、化学的に清浄且つ安定であって、適度の弾性率と比較的高い荷重たわみ温度を有する。例えば、セパレータ２，３の燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１の幅が１〜２ｍｍ程度、且つ枠体６の厚みが略１ｍｍ以下である場合、枠体６の圧縮弾性率は少なくとも２，０００ＭＰａ以上であることが好ましい。ここで、弾性率とは、ＪＩＳ−Ｋ７１８１に定める圧縮弾性率測定法によって計測された圧縮弾性率を言う。また、ＰＥＦＣ１００の運転温度は一般的には９０℃以下なので、枠体６の荷重たわみ温度は１２０℃以上であることが好ましい。また、枠体６は化学的安定性の観点から、非晶性樹脂ではなく結晶性樹脂が好ましく、その中でも機械的強度が大きく、且つ耐熱性が高い材質が好ましい。例えば、いわゆるスーパーエンジニアリングプラスチックグレードのものが好適であり、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）などが例示できる。これらは、数千から数万ＭＰａの圧縮弾性率と、１５０℃以上の荷重たわみ温度を有しており、好適な材料である。また、汎用されている樹脂材料であっても、例えば、ガラスフィラーが充填されたポリプロピレン（ＧＦＰＰ）等は、非充填のポリプロピレン（圧縮弾性率１，０００〜１，５００ＭＰａ）の数倍の弾性率を有し、且つ１５０℃近い荷重たわみ温度を有しており、好適に使用できる。本実施の形態においては、熱可塑性樹脂であるガラスフィラー添加ＰＰＳ（大日本インキ株式会社製ＤＩＣ−ＰＰＳ  ＦＺ１１４０−Ｂ２）が用いられている。【００４７】
ガスケット７は、熱可塑性樹脂及び／又は熱可塑性エラストマーで構成される。当該熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーは、ＰＥＦＣ１００の運転温度以下において、化学的に安定で、特に加水分解を起こさないなど耐熱水性を有する。例えば、ガスケット７の圧縮弾性率は２００ＭＰａ以下であることが好ましい。ガスケット７の好適な材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ：Ethylene-Propylene-Diene Methylene linkage）、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、及び熱可塑性ポリイミドなどからなる群より選ばれる少なくとも１種である。これによって、ＰＥＦＣ１００の締結荷重において良好なシール性を確保することができる。本第１実施形態においては、ＰＰ及びＥＰＤＭを有してなるポリオレフィン系熱可塑性エラストマーであるサントプレン８１０１−５５（Advanced Elasotomer System社製）を用いている。【００４８】
アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３の背面には、各種マニフォルド孔の周囲に、耐熱性の材質からなるスクイーズドパッキンなどの一般的なシール部材９が配設されている。これによって、互いに隣接するセル１０，１０の間において、各種マニフォルド孔２２，２３，２４，３２，３３，３４の連結部からの燃料ガス、酸化剤ガス、及び水の流出が防止されている。【００４９】
図４は、図１のＭＥＡのアノードセパレータ側の表面構造を示す平面図であり、図５は、図１のＭＥＡのカソードセパレータ側の表面構造を示す平面図である。両図において、一点破線は、セル１０の組立状態において、アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３の燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１が当接又は対向する位置を示す。【００５０】
図４及び図５に示すように、本第１実施形態のＭＥＡ１は、ＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｅに枠体６が設けられ、枠体６の両主面にガスケット７が設けられている。【００５１】
枠体６は、ＭＥＡ本体部５の高分子電解質膜５Ａを挟み（図２参照）、且つ該高分子電解質膜５Ａの外縁に接合している矩形平板状の枠体である。枠体６には、前記したように、該枠体６を厚み方向に貫通するように、一対の燃料ガスマニフォルド孔１２と、一対の酸化剤ガスマニフォルド孔１３と、二対の水マニフォルド孔１４と、枠体６の角部近傍に４つのボルト孔４とが設けられている。本第１実施形態においては、枠体６は、外形の寸法が２００ｍｍ×１８０ｍｍ、矩形平板状に構成されている。また、枠体６の厚みは、０．８ｍｍである。【００５２】
ガスケット７は、一対の燃料ガスマニフォルド孔１２と、一対の酸化剤ガスマニフォルド孔１３と、二対の水マニフォルド孔１４とを包囲し、且つ、ＭＥＡ本体部５のガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２を包囲する環状部７Ａを備えている。図４に示すようにアノードセパレータ２側では、燃料ガスマニフォルド孔１２とＭＥＡ本体部５とが一体的に包囲されるように環状部７Ａが形成されている。また、図５に示すようにカソードセパレータ３側では、酸化剤ガスマニフォルド孔１３とＭＥＡ本体部５とが包囲されるように環状部７Ａが形成されている。これによって、燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１外への燃料ガス及び酸化剤ガスの流出が防止される。なお、この場合、ガスケット７の環状部７Ａは燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１の連絡部２１Ｂ，３１Ｂの流路抵抗を生じさせることとなるが、それぞれのセパレータ２，３に設けられた溝の深さが十分にあるので、燃料ガス及び酸化剤ガスの流通の支障にはならない。なお、セル１０の組立状態において、燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１の連絡部２１Ｂ，３１Ｂが当接する位置には、ガスケット７の環状部７Ａを配設しなくてもよい。この場合、燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１の連絡部２１Ｂ，３１Ｂの流路抵抗をさらに軽減させることができる。【００５３】
また、図２に示すように、ガスケット７の環状部７Ａの頂面には、その延在方向に沿って伸びるようにリブ７Ｂが形成されている。このリブ７Ｂは、セル１０の組立状態において、セパレータ２，３に当接して押し潰される。この結果、セル１０の締結力がリブ７Ｂの部分に集中することとなり、各マニフォルド孔１２，１３，１４及びＭＥＡ本体部５の周囲がより確実にシールされる。すなわち、リブ７Ｂにより、ガスケット７のシールをより確実にすることができる。これにより、各マニフォルド孔１２，１３，１４を通過する流体は、マニフォルド孔１２，１３，１４からの漏れが防止され高圧となる。【００５４】
なお、最も内側（ガス拡散層５Ｃ側）に位置するリブ７Ｂは、高分子電解質膜５Ａの外縁よりも内側に位置していることが好ましい。このような構成により、セル１０の組立状態における前記締結力によって、互いに対向するリブ７Ｂ，７Ｂが枠体６を介してＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｅを挟持し、ＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｅと枠体６との密着性及び接合力を強化することができる。
また、枠体６の両面のガスケット７との接触部分には、溝部６Ａが形成されている。ガスケット７は、その一部が当該溝部６Ａに嵌合することでしっかりと固定されている。【００５５】
次に、ＭＥＡ１の製造方法について説明する。図６Ａ〜図６Ｄは、図４及び図５のVI−VI線断面においてＭＥＡの各製造工程を示す模式説明図である。図７Ａ〜図７Ｄは、図６Ａ〜図６ＤのＭＥＡ本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。図８Ａは、枠体の一部を構成する一次成形体に、ＭＥＡ本体部が配置された状態を示す模式断面図であり、図８Ｂは、図８Ａの状態からさらに、枠体の他部を構成する二次成形体が成形された状態を示す模式断面図である。【００５６】
まず、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、高分子電解質膜５Ａの中央部両面にそれぞれ触媒層５Ｂ１，５Ｂ２を形成し、且つ、それらの上にガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２を形成して、ＭＥＡ本体部５を作製する。このとき、アノード電極層５Ｄ１を構成する触媒層５Ｂ１及びガス拡散層５Ｃ１は、カソード電極層５Ｄ２を構成する触媒層５Ｂ２及びガス拡散層５Ｃ２よりも、サイズが小さく且つその外縁が内側に位置するように設けられる。【００５７】
触媒層５Ｂ１，５Ｂ２は、例えば、以下のようにして形成する。
ケッチェンブラックＥＣ（KETJENBLACK  INTERNATIONAL社製ファーネスブラック、比表面積８００ｍ2／ｇ、ＤＢＰ吸油量３６０ｍｌ／１００ｇ）に、白金を重量比１：１の割合で担持させる。次に、この触媒粉末１０ｇに、水３５ｇ及び水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液（旭硝子株式会社製、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する。そして、この触媒層インクを、高分子電解質膜５Ａのカソード面に、２０μｍの厚みにスプレー塗工し、その後１１５℃において２０分間の熱処理をして、カソード側触媒層５Ｂ２を形成する。なお、前記スプレー塗工に際しては、高分子電解質膜５Ａに１２０ｍｍ×１２０ｍｍの開口部を有するマスクを被せて行う。また、前記と同様にして、前記触媒層インクを作製し、高分子電解質膜５Ａのアノード面に、２０μｍの厚みにスプレー塗工し、その後１１５℃において２０分間の熱処理をして、アノード側触媒層５Ｂ２を形成する。前記スプレー塗工に際しては、高分子電解質膜５Ａに１１５ｍｍ×１１５ｍｍの開口部を有するマスクを被せて行う。これにより、カソード側触媒層５Ｂ１よりもサイズの小さなアノード側触媒層５Ｂ２が形成される。なお、高分子電解質膜５Ａとしては、例えば、外形寸法が１４０ｍｍ角、厚さ５０μｍのパーフルオロカーボンスルホン酸膜（DUPONT社製 Nafion117（登録商標））を用いることができる。【００５８】
ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２は、微細な孔部を多数有する多孔質体によって構成されている。当該多孔質体の孔部に燃料ガス又は酸化剤ガスが侵入することによって、それらのガスが拡散して、触媒層５Ｂ１，５Ｂ２に到達しやすくなる。本第１実施形態においては、一例として、カソード側触媒層５Ｂ１上に１２０ｍｍ角の炭素繊維布（JAPAN GORE-TEX社製Carbel  CL400、厚み400μｍ）を被せ、アノード側触媒層５Ｂ２上に１１５ｍｍ角の炭素繊維布を被せる。そして、それらの炭素繊維布を、圧力０．５ＭＰａ、１３５℃、５分間の条件でホットプレスすることによって、高分子電解質膜５Ａの両主面の触媒層５Ｂ１，５Ｂ２上にガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２が形成される。【００５９】
次に、ＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｅに枠体６を形成する。【００６０】
まず、第１工程において、枠体６の一部である一次成形体６Ｃを成形する。
具体的には、図６Ａ及び図７Ａに示すように、第１成形金型の一例である第１金型Ｔ１と、第２金型Ｔ２とを型閉めした後、第１金型Ｔ１と第２金型Ｔ２との隙間に、枠体６の熱可塑性樹脂を射出などによって流し込んで矩形枠状の一次成形体６Ｃを成形する。このとき、一次成形体６Ｃには、枠内縁にＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｅが配置される平坦部６Ｃ１が形成されている。【００６１】
ここで、第１金型Ｔ１は、枠体部Ｔ１Ｃが一次成形体６Ｃ、すなわち枠体６の下半面の形状に対応する形状を有するように構成されている。また、第１金型Ｔ１の枠内部分には、ＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｅを配置できるような平坦部Ｔ１Ｂが構成されている。つまり、平坦部Ｔ１Ｂは、枠体部Ｔ１Ｃの枠内縁側から、一次成形体６Ｃ、すなわち枠体６の枠面Ｓと略平行に延びる頂面を有する。さらに、第１金型Ｔ１の枠内の部分には、ＭＥＡ本体部５を平面状に収容して配置できるような窪み部Ｔ１Ａが形成されている。つまり、窪み部Ｔ１Ａは、平坦部Ｔ１Ｂの頂面が延伸して構成される第１金型Ｔ１の枠内部分において、ガス拡散層５Ｃの外縁よりも数ミリ程度延伸している広さで、底部は平坦部Ｔ１Ｂの頂面を基準にしてＭＥＡ本体部５の触媒層５Ｂ及びガス拡散層５Ｃの厚さ程度の深さの平面となっている。【００６２】
第２金型Ｔ２は、枠体部Ｔ２Ｃが一次成形体６Ｃ、すなわち枠体６の上半面を成形するように構成されている。ただし、第２金型Ｔ２の枠内縁部分には、ＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｅを平面状に配置可能な平坦部６Ｃ１が一次成形体６Ｃに形成されるように、平坦部Ｔ２Ｂが構成されている。つまり、平坦部Ｔ２Ｂは、第１金型Ｔ１の平坦部Ｔ１Ｂの頂面と当接して、枠外縁に向けてＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｅの広さ以上にまで延伸する頂面を有する。また、第２金型Ｔ２には、一次成形体６Ｃを構成する樹脂を金型内に流し込むための投入口（図示しない）が設けられている。当該投入口は、矩形枠状の一次成形体６Ｃの各辺に対応して、各辺毎に４０ｍｍピッチで４箇所程度設けられている。【００６３】
枠体部Ｔ１Ｃ，Ｔ２Ｃには、ガスケット７の配設位置、つまりマニフォルド孔１２，１３，１４を包囲し、且つ枠体６の枠内を包囲するような位置に凸部Ｔ１Ｄ，Ｔ２Ｄが形成されている。ここでは、凸部Ｔ１Ｄ，Ｔ２Ｄの断面は、深さ約０．５ｍｍ、幅約０．５ｍｍとしている。これによって、一次成形体６Ｃに溝部６Ａが形成される。なお、枠体部Ｔ１Ｃ，Ｔ２Ｃが凸部Ｔ１Ｄ、Ｔ２Ｄを有しないように構成され、枠体６の完成後に切削加工によって溝部６Ａが形成されるようにしてもよい。【００６４】
また、枠体部Ｔ１Ｃ，Ｔ２Ｃは、マニフォルド孔１２，１３，１４を形成可能な形状を有している。したがって、マニフォルド孔１２，１３，１４が、一次成形体６の成形時に形成される。なお、枠体部Ｔ１Ｃ，Ｔ２Ｃがマニフォルド孔１２，１３，１４の形状を有しないように構成され、切削加工又は打ち抜き加工によってマニフォルド孔１２，１３，１４が形成されるように加工してもよい。【００６５】
次に、第２工程においては、図６Ｂ及び図７Ｂに示すように、第２金型Ｔ２を一次成形体６Ｃから取り除いたのち、第１金型Ｔ１に嵌合している一次成形体６Ｃの枠内にＭＥＡ本体部５を平面状に配置し、且つ一次成形体６Ｃの平坦部６Ｃ１にＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｅを配置する。【００６６】
より具体的には、ＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｅに延在する高分子電解質膜５Ａが一次成形体６Ｃの平坦部６Ｃ１に位置し、アノード電極層５Ｄ１が第１金型Ｔ１の窪み部Ｔ１Ａに位置し、且つ、カソード電極層５Ｄ２が高分子電解質膜５Ａを介して第１金型Ｔ１の平坦部Ｔ１Ｂの頂面上に位置にするように配置する。これによって、ＭＥＡ本体部５は図８Ａに示すように平面状態で配置される。なお、このとき、カソード電極層５Ｄ２の外縁は、ＭＥＡ本体部５の面方向において、図６Ｂ及び図７Ｂに示すように一次成形体６Ｃの枠内縁よりも外側に位置している。すなわち、カソード電極層５Ｄ２と一次成形体６Ｃの平坦部６Ｃ１の一部とが対向するように配置されている。これにより、高分子電解質膜５Ａが支持部材無しで単独で存在する部分、すなわち電極層５Ｄ１，５Ｄ２及び一次成形体６のいずれにも支持されていない部分が無いようにしている。【００６７】
次に、第３工程においては、ＭＥＡ本体部５が接合された枠体６を製作する。
より具体的には、ＭＥＡ本体部５が配置された一次成形体６Ｃが嵌合している第１金型Ｔ１に、第２成形金型の一例である第３金型Ｔ３を型閉めする。ここで、第３金型Ｔ３は、第１金型Ｔ１と同様にして、ガス拡散層５Ｃ２と干渉する位置に、ガス拡散層５Ｃ２と第３金型Ｔ３とが干渉しないように窪み部Ｔ３Ａが設けられている。これによって、第３工程時において第３金型Ｔ３とＭＥＡ本体部５とが干渉しないので、ＭＥＡ本体部５の損傷を防止することができる。【００６８】
前記第１金型Ｔ１と第３金型の接合後、それらの間に枠体６を構成する熱可塑性樹脂を射出等によって流し込んで、二次成形体６Ｄを成形する。これにより、図８Ｂに示すように一次成形体６Ｃと二次成形体６Ｄとが一体化して枠体６が成形される。【００６９】
ここで、第３金型Ｔ３は、枠体部Ｔ３Ｂが枠体６の上半面の形状となるように構成されている。つまり、第３金型Ｔ３の枠体部Ｔ３Ｂと一次成形体６Ｃとの間に形成される隙間に二次成形体６Ｄが成形される。また、第３金型Ｔ３には、二次成形体６Ｄを構成する樹脂を金型内に流し込むための投入口（図示しない）が設けられている。当該投入口は、矩形枠状の二次成形体６Ｃの各辺に対応して、各辺毎に８０ｍｍピッチで２箇所程度設けられている。また、第３金型Ｔ３は、第１金型Ｔ１と型閉めした状態において、枠体部Ｔ３Ｂと窪み部Ｔ３Ａとが連続的且つ互いに連通するように設けられている。【００７０】
したがって、二次成形体６Ｄの成形時に、二次成形体６Ｄを構成する熱可塑性樹脂の一部が、多孔質体であるカソード側ガス拡散層５Ｃ２の外縁部分に流れ込み、それらが混在するようになっている。これにより、二次成形体６Ｄとカソード側ガス拡散層５Ｃ２とが強固に固定される。なお、枠体６とＭＥＡ本体部５との接合を強固にする観点において、枠体６を構成する樹脂がカソード電極層５Ｄ２の外縁部分に混在する好ましい幅は、５ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。また、枠体６を構成する樹脂がカソード電極層５Ｄ２の外縁部分に混在する幅は、主に当該樹脂の粘度に依存する。具体的には、前記樹脂の粘度を低くすると前記幅を広くすることができ、前記樹脂の粘度を高くすると前記幅を狭くすることができる。一方、前記幅の調整は、前記樹脂の射出圧力を調整することによっても行うことが可能である。【００７１】
また、前記二次成形体６Ｄの成形時において、高分子電解質膜５Ａは、少なくとも一次成形体６Ｃ又はカソード側ガス拡散層５Ｃ２のいずれかに支持されることになる。したがって、高分子電解質膜５Ａが破断することが防止されるとともに、従来例３（図１９参照）のように高分子電解質膜５Ａが変形することが防止される。【００７２】
次に、第４工程においては、ＭＥＡ本体部５が接合された枠体６の表面にガスケット７を形成する。
より具体的には、第１金型Ｔ１及び第３金型Ｔ３から、ＭＥＡ本体部５が接合された枠体６を取り出して、第４金型Ｔ４と第５金型Ｔ５との間に配置する。この状態で、第４金型Ｔ４と第５金型Ｔ６とを型閉めする。この後、第４金型Ｔ４及び第５金型Ｔ５と枠体６との隙間に、ガスケット７を構成する熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーを射出等によって流し込み、枠体６の表面にガスケット７を成形する。【００７３】
ここで、第４金型Ｔ４には、第１金型Ｔ１の窪み部Ｔ１Ａと同様の窪み部Ｔ３Ａが設けられている。第５金型Ｔ５には、第３金型Ｔ１の窪み部Ｔ３Ａと同様の窪み部Ｔ５Ａが設けられている。また、第４金型Ｔ４は、枠体部Ｔ４ＣがＭＥＡ１の下半面の形状となるように構成されている。第５金型Ｔ５は、枠体部Ｔ５ＢがＭＥＡ１の上半面の形状となるように構成されている。つまり、第４金型Ｔ４の枠体部Ｔ４Ｂと枠体６との間に形成される隙間にガスケット７が成形される。以上のようにして、ＭＥＡ１が製造される。【００７４】
本発明の第１実施形態にかかるＭＥＡの製造方法によれば、ＭＥＡ本体部５の面方向において、カソード電極層５Ｄ２の外縁がアノード電極層５Ｄ１の外縁よりも外側に位置するようにＭＥＡ本体部５を形成している。また、カソード電極層５Ｄ２の外縁部分が一次成形体６Ｃの平坦部分６Ｃ１に対向するようにＭＥＡ本体部４を配置したのち、二次成形体６Ｄを成形するようにしている。これにより、二次成形体６Ｄの成形時において、高分子電解質膜５Ａは、一次成形体６Ｃの平坦部分６Ｃ１又はカソード電極層５Ｄ２の外縁部分のいずれかに支持されることなる。したがって、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりすることなく、高分子電解質膜５Ａの破断及び変形が防止できる。また、高分子電解質膜５Ａの破断及び変形の防止するために従来例２のように別途補強膜を設ける必要性がないので、従来例１〜３と比べて部品点数及び製造工程は増加しない。【００７５】
また、枠体６の成形時に、枠体６を構成する樹脂をカソード電極層５Ｄ２の外縁部分に流し込んで混在させるようにしているので、枠体６とＭＥＡ本体部５との接合強度を強くすることができる。
また、第１工程から第３工程まで第１金型Ｔ１を共通して使用することができるので、スライド金型又は回転金型を用いることにより、一つの成形機内で第１工程〜第３工程を連続して行うことが可能である。したがって、ＭＥＡ１の量産性を高くすることができる。【００７６】
なお、本発明は前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、前記では、高分子電解質膜５Ａの両面に触媒層５Ｂ１，５Ｂ２を形成したのち、触媒層５Ｂ１，５Ｂ２上にガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２を形成するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２上に触媒層５Ｂ１，５Ｂ２を予め形成したのち、高分子電解質膜５Ａの両面にそれらを配置してもよい。なお、この場合、ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２の全面に触媒層５Ｂ１，５Ｂ２を形成すればよいので、ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２の形状に合わせて高分子電解質膜５Ａの両面に触媒層５Ｂ１，５Ｂ２を形成するよりも、触媒層５Ｂ１，５Ｂ２の形成が容易である。【００７７】
また、前記では、触媒層５Ｂ１，５Ｂ２とガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２とをそれぞれ同じ大きさで構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図９Ａ〜図９Ｄに示すように、触媒層５Ｆ，５Ｆが高分子電解質膜５Ａと同じ大きさであってもよい。なお、この場合も、高分子電解質膜５Ａの全面に触媒層５Ｂ１，５Ｂ２を形成すればよいので、高分子電解質膜５Ａの一部に触媒層５Ｂ１，５Ｂ２を予め形成するよりも、触媒層５Ｂ１，５Ｂ２の形成が容易である。また、図１０Ａ〜図１０Ｄに示すように、触媒層５Ｇ，５Ｇがガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２よりも小さく形成されてもよい。【００７８】
また、前記では、カソード電極層５Ｄ２よりもアノード電極層５Ｄ１のサイズを小さく構成して、カソード電極層５Ｄ２の外縁の位置がアノード電極層５Ｄ１の外縁の位置よりも外側に位置するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、アノード電極層５Ｄ１よりもカソード電極層５Ｄ２のサイズを小さく構成してもよい。すなわち、一方の電極層の外縁の位置が他方の電極層の外縁よりも外側に位置するように構成されていればよい。言い換えれば、アノード電極層５Ｄ１の外縁の位置とカソード電極層５Ｄ２の外縁の位置とが相互に異なっていればよい。【００７９】
《第２実施形態》
次に、本発明の第２実施形態にかかるＭＥＡについて説明する。図１１Ａ〜図１１Ｄは、本発明の第２実施形態にかかるＭＥＡの製造工程を、ＭＥＡ本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。図１２は、本発明の第２実施形態にかかるＭＥＡの模式断面図である。【００８０】
前記第１実施形態にかかるＭＥＡ１を用いてセル１０を構成した場合には、図２に示されるように、ＭＥＡ１の枠体６及びＭＥＡ本体部５の接合部分の近傍とセパレータ２，３との間に隙間４０が形成される。燃料ガス及び酸化剤ガスは、主に互いに対向する電極層５Ｄ１，５Ｄ２間で電気化学反応するが、当該隙間４０がショートカット用の通路となり、燃料ガス及び酸化剤ガスが電極層５Ｄ１，５Ｄ２間を通過しない恐れがある。【００８１】
このため、本第２実施形態にかかるＭＥＡでは、隙間４０を塞ぐようにガスケット７から延伸した延伸部７Ｃ１，７Ｃ２を有するようにＭＥＡを構成している（図１２参照）。
以下、本第２実施形態にかかるＭＥＡの製造方法について説明する。【００８２】
まず、前記第１実施形態と同様にして、図１１Ａに示すように一次成形体６Ｃを成形したのち、図１１Ｂに示すように第１金型Ｔ１の窪み部Ｔ１ＡにＭＥＡ本体部５を配置する。この後、図１１Ｃに示すように、第３金型Ｔ３ａと第１金型Ｔ１とを型閉めして、二次成形体６Ｄ１を成形する。【００８３】
ここで、第３金型Ｔ３ａは、枠体部Ｔ３Ｂａが枠体６ａの上半面の形状となるように構成されている。つまり、第３金型Ｔ３の枠体部Ｔ３Ｂａと一次成形体６Ｃとの間に形成される隙間に二次成形体６Ｄ１が成形される。また、第３金型Ｔ３ａは、第１金型Ｔ１と型閉めした状態において、二次形成体６Ｄ１とカソード電極層５Ｄ２との間に位置して高分子電解質膜５Ａと接触する平坦部Ｔ３Ｃａを備えている。平坦部Ｔ３Ｃａは、頂面が高分子電解質膜５Ａを介して一次成形体６Ｃの平坦部６Ｃ１と対向し、第１金型Ｔ１の平坦部Ｔ１Ｂとは対向しないように構成されている。【００８４】
前記二次成形体６Ｄ１の成形後、図１１Ｄに示すように、ＭＥＡ本体部５が接合された枠体６ａを、第３成形金型の一例である第４金型Ｔ４ａと第４成形金型の一例である第５金型Ｔ５ａとの間に配置する。この後、第４金型Ｔ４ａと第５金型Ｔ５ａとを型閉めして、枠体６ａ上にガスケット７及び延伸部７Ｃ１，７Ｃ２を成形する（図１２参照）。【００８５】
このとき、延伸部７Ｃ１，７Ｃ２は、第１金型Ｔ１の平坦部Ｔ１Ｂ及び第３金型Ｔ３ａの平坦部Ｔ３Ｃａによって形成された電極層５Ｄ１，５Ｄ２と枠体６ａとの隙間に成形される。また、このとき、延伸部７Ｃ１，７Ｃ２を構成する熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーの一部が、多孔質体であるガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２の外縁部分に流れ込み、それらが混在するようになっている。これにより、延伸部７Ｃ１，７Ｃ２とガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２とが強固に固定される。【００８６】
本発明の第２実施形態にかかるＭＥＡによれば、隙間４０を塞ぐようにガスケット７から延伸した延伸部７Ｃ１，７Ｃ２を設けているので、燃料ガス及び酸化剤ガスの前記ショートカットの問題を抑えることができる。【００８７】
また、第１金型Ｔ１の平坦部Ｔ１Ｂと第３金型の平坦部Ｔ３Ｃａとが互いに対向しないように構成しているので、当該平坦部Ｔ１Ｂ，Ｔ３Ｃａによって形成される隙間に成形される延伸部７Ｃ１，７Ｃ２は、互いに対向しない。すなわち、延伸部７Ｃ１，７Ｃ２を構成する熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーの射出圧力が、高分子電解質膜５Ａの同一部分に加わることがない。一方、高分子電解質膜５Ａは、一次成形体６Ｃの平坦部６Ｃ１又はカソード電極層５Ｄ２のいずれかに支持される。これにより、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりすることなく、高分子電解質膜５Ａの破断及び変形を防止することができる。また、本発明の第２実施形態にかかるＭＥＡでは、従来例１〜３と比べて部品点数及び製造工程は増加しない。【００８８】
《第３実施形態》
次に、本発明の第３実施形態にかかるＭＥＡについて説明する。本発明の第３実施形態にかかるＭＥＡは、ＭＥＡ本体部の構成のみ、前記第１実施形態にかかるＭＥＡと異なる。それ以外の点については前記第１実施形態にかかるＭＥＡと同様であるので、重複する説明は省略する。【００８９】
図１３は、本発明の第３実施形態にかかるＭＥＡが有するＭＥＡ本体部の平面図である。図１３に示すように、ＭＥＡ本体部５ａは、長方形のアノード電極層５Ｄ１と長方形のカソード電極層５Ｄ２とを、互いの長手辺（又は短手辺）が交差（例えば直交）するように配置して、それらが互いに対向せずにはみ出す部分を有するように構成されている。言い換えれば、カソード電極層５Ｄ２は、その長辺がアノード電極層５Ｄ１の一組の長辺とそれぞれ交差するように配置されている。これにより、アノード電極層５Ｄ１の外縁の位置とカソード電極層５Ｄ２の外縁の位置とを相互に異ならせている。【００９０】
本発明の第３実施形態によれば、二次成形体６Ｄ１の成形時において、一次成形体６Ｃの平坦部６Ｃ１、アノード電極層５Ｄ１、又はカソード電極層５Ｄ２のいずれかに高分子電解質膜５Ａを支持させることができる。したがって、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりすることなく、高分子電解質膜５Ａの破断及び変形を防止することができる。また、電極層５Ｄ１，５Ｄ２の配置を変更しただけであるので、従来例１〜３と比べて部品点数及び製造工程は増加しない。【００９１】
《第４実施形態》
次に、本発明の第４実施形態にかかるＭＥＡについて説明する。本発明の第４実施形態にかかるＭＥＡは、ＭＥＡ本体部の構成のみ、前記第２実施形態にかかるＭＥＡと異なる。それ以外の点については前記第２実施形態にかかるＭＥＡと同様であるので、重複する説明は省略する。【００９２】
図１４Ａは、本発明の第４実施形態にかかるＭＥＡが有するＭＥＡ本体部の平面図であり、図１４Ｂは、図１４ＡのVIII−VIII線断面図である。
図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、本第４実施形態では、互いに同じ大きさのアノード電極層５Ｄ１とカソード電極層５Ｄ２とを、高分子電解質膜５Ａの厚み方向に重なり部分を有しながら高分子電解質膜５Ａの面方向に斜めにずらして配置している。これにより、アノード電極層５Ｄ１の外縁の位置とカソード電極層５Ｄ２の外縁の位置とを相互に異ならせている。【００９３】
図１５Ａ〜図１５Ｃは、ＭＥＡ本体部に枠体を成形する過程を示す模式断面図である。
図１５Ａに示すように、本第４実施形態では、矩形枠状の一次成形体６Ｃの対辺部に設ける平坦部６Ｃ１，６Ｃ１が互いに逆向きとなるように、一次成形体６Ｃを成形する。すわなち、一方の平坦部６Ｃ１が高分子電解質膜５Ａの周縁部の片方の面を支持し、他方の平坦部６Ｃ１が高分子電解質膜５Ａの周縁部の他方の面を支持できるように、一次成形体６Ｃを成形する。このようにして成形された一次成形体６Ｃの平坦部６Ｃ１，６Ｃ１に高分子電解質膜５Ａの周縁部を配置する。このとき、アノード電極層５Ｄ１の外縁部分を一方の平坦部６Ｃ１に対向させ、カソード電極層５Ｄ２の外縁部分を他方の平坦部６Ｃ１に対向させる。この後、前記第２実施形態と同様にして、図１５Ｂに示すように二次成形体６Ｄ１を成形したのち、図１５Ｃに示すようにガスケット７及び延伸部７Ｃ１，７Ｃ２とを成形する。【００９４】
本発明の第４実施形態によれば、前記第１〜３実施形態と同様に、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりすることなく、高分子電解質膜５Ａの破断及び変形を防止することができる。また、電極層５Ｄ１，５Ｄ２の配置を変更しただけであるので、従来例１〜３と比べて部品点数及び製造工程は増加しない。【００９５】
また、本第４実施形態によれば、アノード電極層５Ｄ１とカソード電極層５Ｄ２とを互いに同じ大きさに形成しているので、電極層５Ｄ１，５Ｄ２の作成が１種類のプレス型ででき、製造コストの低減を図ることができる。【００９６】
《第５実施形態》
次に、本発明の第５実施形態にかかるＭＥＡについて説明する。本発明の第５実施形態にかかるＭＥＡは、当該ＭＥＡの製造工程において、高分子電解質膜５Ａの浮き上がり防止用の押さえ部材を使用する点で前記第２実施形態にかかるＭＥＡと異なる。それ以外の点については前記第２実施形態にかかるＭＥＡと同様であるので、重複する説明は省略しながら主に相違点について説明する。【００９７】
図１６Ａ〜図１６Ｄは、本発明の第５実施形態にかかるＭＥＡの製造工程を、ＭＥＡ本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。図１７は、高分子電解質膜の浮き上がり防止用押さえ部材の斜視図である。以下、本発明の第５実施形態にかかるＭＥＡの製造工程について説明する。【００９８】
まず、前記第２実施形態と同様にして、図１６Ａに示すように一次成形体６Ｃを成形したのち、図１６Ｂに示すように第１金型Ｔ１の窪み部Ｔ１ＡにＭＥＡ本体部５を配置する。この後、図１６Ｂに示すように、一次成形体６Ｃの平坦部６Ｃ１上に位置する高分子電解質膜５Ａ上に浮き上がり防止用押さえ部材６０を配置する。【００９９】
押さえ部材６０は、図１７に示すように、一次成形体６Ｃの平坦部６Ｃ１の形状に対応するように矩形枠状に形成されている。押さえ部材６０は、一次成形体６Ｃの平坦部６Ｃ１上に配置される高分子電解質膜５Ａに面接触して、自重により高分子電解質膜５Ａの浮き上がりを防止する。なお、押さえ部材６０は、高分子電解質膜５Ａの浮き上がりの防止を実現できるものであればよく、他の形状に形成されても、複数の部材で構成されてもよい。また、押さえ部材６０は、熱可塑性樹脂（好ましくは枠体６と同種の熱可塑性樹脂）で構成されている。【０１００】
前記押さえ部材６０の配置後、第３金型Ｔ３ａと第１金型Ｔ１とを型閉めして、それらの間に二次成形体６Ｄ１を構成する熱可塑性樹脂を射出等によって流し込んで、押さえ部材６０と一体化した二次成形体６Ｄ１を成形する。これにより、一次成形体６Ｃと二次成形体６Ｄ１とが一体化して枠体６ａが成形される。【０１０１】
前記二次成形体６Ｄ１の成形後、図１６Ｄに示すように、ＭＥＡ本体部５が接合された枠体６ａを、第４金型Ｔ４ａと第５金型Ｔ５ａとの間に配置する。この後、第４金型Ｔ４ａと第５金型Ｔ５ａとを型閉めして、枠体６ａ上にガスケット７及び延伸部７Ｃ１，７Ｃ２を成形する（図１２参照）。
以上のようにして、本発明の第５実施形態にかかるＭＥＡが製造される。【０１０２】
本発明の第５実施形態にかかるＭＥＡの製造方法によれば、二次成形体６Ｄ１の浮き上がりを確実に防止できるので、高分子電解質膜の破断及び変形をより確実に防止することができる。また、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりする必要がない。【０１０３】
次に、本発明の第５実施形態にかかるＭＥＡと、高分子電解質膜の周縁部に補強膜を設けた従来例２のＭＥＡ（図２１Ｄ参照）とについて行った耐久試験の結果について説明する。【０１０４】
ここでは、本発明の第５実施形態にかかるＭＥＡとして、上記第１実施形態において一例として説明したサイズ及び材料のものを使用し、当該ＭＥＡを一対のカーボンセパレータで挟んでセルを作製し、当該セルについて耐久試験を行った。また、従来例２のＭＥＡとして、アノード側及びカソード側の全ての触媒層及びガス拡散層のサイズが１２０ｍｍ×１２０ｍｍであるものを使用し、当該ＭＥＡを一対のカーボンセパレータで挟んでセルを作製し、当該セルについて耐久試験を行った。なお、各触媒層とガス拡散層との接合は、本第５実施形態にかかるＭＥＡと同様の条件（圧力０．５ＭＰａ、１３５℃、５分間）でホットプレスすることにより行った。【０１０５】
また、セルの運転温度は９０℃とし、燃料ガス及び酸化剤ガスは共に６５℃の露点のものを使用した。電流密度は０．１６Ａ／ｃｍ２、酸化剤ガスの利用率は５５％、燃料ガスの利用率は７５％に設定した。【０１０６】
図１８は、発電試験における電圧の推移と、セルから排出される水分中に含まれるフッ化物イオンの排出速度を定期的に測定した結果を示すグラフである。図１８において、実線は、本第５実施形態にかかるＭＥＡを備えるセルの電圧値の推移を示している。図１８において、点線は、従来例２のＭＥＡを備えるセルの電圧値の推移を示している。図１８において、四角のドットは、本第５実施形態にかかるＭＥＡを備えるセルから排出されるフッ化物イオンの排出速度を定期的に測定した結果を示している。図１８において、三角のドットは、従来例２のＭＥＡを備えるセルから排出されるフッ化物イオンの排出速度を定期的に測定した結果を示している。【０１０７】
図１８より、本第５実施形態にかかるＭＥＡを備えるセルにおける電圧の推移及びフッ化物イオンの排出速度は、従来例２のＭＥＡを備えるセルとほぼ同等であることが分かる。また、図１８より、本第５実施形態にかかるＭＥＡを備えるセルでは、従来例２のＭＥＡを備えるセルと同様に、経時的劣化の傾向がほとんど見られないことが分かる。すなわち、本第５実施形態にかかるＭＥＡによれば、従来例２のＭＥＡのように高分子電解質膜の周縁部に補強膜を設けなくても十分な発電性能と耐久性を確保できることが分かる。【０１０８】
一方、ＭＥＡの枠体と高分子電解質膜との間に隙間があるような場合には、アノード側からカソード側へ燃料ガスがリークする、いわゆるクロスリークが発生する割合が高くなる。図１９は、アノード側からカソード側への燃料ガスのクロスリークの発生量を、発電試験時間に対して測定した結果を示すグラフである。クロスリーク量の測定方法は、カソード側に窒素ガス、アノード側に水素ガスを発電時と同量流した状態で、カソード側の窒素ガス中に含まれる水素ガス量の割合をガスクロマトグラフによって測定した。【０１０９】
図１９より、本第５実施形態にかかるＭＥＡを備えるセルにおける燃料ガスのクロスリークの発生量は、高分子電解質膜を介して通常リークするレベルである１％以下に収まっていることが分かる。これにより、本第５実施形態にかかるＭＥＡの枠体が高分子電解質膜に隙間無く十分に接合されていることが分かる。【０１１０】
以上の結果より、本発明のＭＥＡの製造方法によれば、従来例２のＭＥＡのように補強膜を設けなくても、高分子電解質膜へのダメージを十分に低減でき且つシール性の低下を十分に防止できる枠体を形成することができることが分かる。すなわち、本発明の製造方法によって製造したＭＥＡは、発電電圧及び耐久性の面で、従来例２のような補強膜を備えるＭＥＡと同等の性能を有することが分かる。【０１１１】
なお、前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。【０１１２】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術に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。【０１１３】
２００７年１２月６日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００７−３１５４７６号の明細書、図面、およ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。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法は、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりすることなく、高分子電解質膜の破断及び変形を防止することができるので、固体高分子電解質型燃料電池及び当該燃料電池用セルに用いられる電極−膜−枠接合体の製造方法等として有用である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２２Ｄ】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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