(57)【要約】【課題】１対のセパレータの間にある膜電極接合体を、ガスケットを介して挟んで構成される単電池モジュールにおいて、耐久に影響する高分子電解質膜を枠体ではさむ際、隙間がより開かないようにサブシールを配置することで高分子電解質膜を保護し、サブシールを追加配置しても締結圧力が増加することなく、前記高分子電解質膜にガスが直接触れることによる膜劣化が生じない耐久性に優れた固体高分子電解質型燃料電池を提供すること。【解決手段】図のようにＭＥＡ５を２つの枠体ではさんで保持する際に隙間がより開かないようにするため、メインシール７Ａと枠体の発電エリア側の先端部の間に反力が小さいサブシール７Ｂを配置することにより、前記高分子電解質膜にガスが直接触れることによる膜劣化が生じない耐久性に優れた固体高分子電解質型燃料電池が実現できる構造となる。【選択図】図４
2015170398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜のそれぞれの表面に設けられた触媒層と、
前記触媒層の表面に設けられたガス拡散層と、
前記高分子電解質膜の外周を挟むように設けられた一対の枠体と、
前記ガス拡散層の上に設けられた一対のセパレータと、を有し、
前記一対のセパレータのうち前記高分子電解質膜が配置される側の表面、かつ、前記ガス拡散層より外側に配置され、環状に設けられたメインシールと、
前記枠体の内縁部よりも外側でかつ前記メインシールの中心部よりも内側に設けられるサブシールを備えること、
を特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記メインシールと前記サブシールとは、部分的に接続した複合ガスケット部材である、請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記メインシールの底面からの最大高さは、前記サブシールの底面からの最大高さよりも高い、請求項１または２に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記サブシールが前記枠体を押す反力は、前記メインシールが前記枠体を押す反力よりも小さく圧縮率が小さい、
請求項１〜３の何れか一項に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記サブシール部が前記枠体を押す反力は、前記メインシール部が前記枠体を押す反力よりも小さく、前記サブシール部は環状かつ間欠に構成されてなる、
請求項１〜４の何れか一項に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記メインシールおよび前記サブシールは、フッ素系ゴムを含んで構成される、請求項１〜５の何れか一項に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記セパレータと、前記メインシールおよび前記サブシールとは、一体に形成された接合体である、請求項１〜６の何れか一項に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項８】
前記サブシールは、前記枠体で挟む前記高分子電解質膜の縁部分上のみに配置される、請求項１〜７の何れか一項に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【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、特に燃料電池の電極−膜−枠接合体の構造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（以下、「ＰＥＦＣ」という場合もある。）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、電力と熱を同時に発生させる装置である。
【０００３】
このＰＥＦＣの基本的構成要素としては、まず、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、及びその高分子電解質膜の両面に形成されたアノード電極、カソード電極がある。これらの電極は、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、及びその触媒層の外側に配置される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層（ＧＤＬ）を有する。このように高分子電解質膜と電極とが一体的に接合されて組み立てられたものを電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ぶ。
【０００４】
また、そのＭＥＡの外縁には枠が嵌められて電極−膜−枠接合体を構成している。他方、そのＭＥＡの両側には、ＭＥＡを機械的に挟み込んで固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための、導電性のセパレータが配置される。そのセパレータのＭＥＡと接触する部分には、それぞれの電極に反応ガスを供給し、また生成水や余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。このように、ＭＥＡが一対のセパレータにより挟み込まれた構造体を単電池モジュール（単セル）という。
【０００５】
また、反応ガスをガス流路に供給するために、セパレータの縁部にマニホールド孔を設け、反応ガスを分配する。更に、ガス流路に供給される反応ガス等が外部へリークしたり、混合したりしないように、ＭＥＡにおける電極形成部、すなわち、発電領域の外周を囲むように、一対のセパレータの間には封止部材（ガスケット）が配置される。
【０００６】
ところで、ＰＥＦＣにおける重要な課題の一つに、ガスの利用効率の向上がある。利用効率を下げる要因としては、ガスのクロスリーク、ガスの外部リーク、ガスのショートカットがある。
【０００７】
具体的には、クロスリークとは、以下のような状態になることであり、これらが原因でガスの利用効率が低下し、ＰＥＦＣの効率（発電効率）が低下するとともに膜が劣化する。
【０００８】
１）ＭＥＡに孔が開いてしまうこと。
【０００９】
２）アノード側の燃料ガスがＭＥＡの表面を通りＭＥＡの端部を回りこんでカソード側に抜けること。
【００１０】
３）カソード側の酸化剤ガスがＭＥＡの表面を通りＭＥＡの端部を回りこんでアノード側に抜けること。
【００１１】
ガスの外部リークとは、封止シールと当接する面の凹凸や、異材質を跨ぐなどの問題から、封止シール性が保てなくなることであり、ガスリークして利用効率が低下し、ＰＥＦＣの効率（発電効率）が低下する。
【００１２】
ガスのショートカットについては、ＭＥＡは、加工工程上の制約等の理由から、ガスケットの内縁と電極層の外縁との間には間隙が生じる場合がある。
【００１３】
このような間隙が存在するような場合には、ＰＥＦＣ運転時において間隙に燃料ガス及び酸化剤ガスが漏出し、さらに、漏出した燃料ガス及び酸化剤ガスがＭＥＡにほとんど曝露されないまま、外部へ排出されることになる。その結果、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率が低下し、すなわち、ＰＥＦＣの効率（発電効率）の低下を招く。
【００１４】
また、近年、低コスト化に伴い、プロセスに射出成形を用いることが多くなってきているが、ＭＥＡに対して直接射出成形すると、過大な熱や圧力の負荷がかかり、孔が開くなどＭＥＡの耐久時間に影響することが予想され、耐久性能の低下も招くなどの状況にある。
【００１５】
このような問題を解決するために、従来の固体高分子電解質型燃料電池の電極−膜−枠接合体は、ＭＥＡを保持する枠体と、弾力性のあるガスケット材料を組み合わせ、又は、２色成形等の工法で一体化したものを組み合わせて、ＭＥＡ一体化製品とすることで、上述の課題を解決し、ＭＥＡへの直接射出成形による過大な熱や圧力の負荷を軽減する構造が開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【００１６】
図１５は、特許文献１に記載の、従来の燃料電池の電極−膜−枠接合体を示す図である。図１５は、特許文献１の図４に対応する。
【００１７】
なお、本発明の符号と区別するために「’」を追加している。また、図１５においては、それぞれ上方部分は見やすくするために、少し部材同士を離して描いている。
【００１８】
この特許文献１の接合体では、別々に所定の樹脂材料にて作られた第１の枠体６Ａ’と第２の枠体６Ｂ’があり、第１の枠体６Ａ’および第２の枠体６Ｂ’の間に触媒層５Ｂが塗られていない高分子電解質膜５Ａ’部を挟みこみＧＤＬと枠体の間の触媒層５Ｂが塗られていない高分子電解質膜５Ａ’部を膜用封止部剤でふさぐことでＭＥＡ一体化製品を構成している。
【００１９】
このＭＥＡ一体化製品をアノードセパレータ２’と、カソードセパレータ３’とで挟持することで単電池１０’を構成する。第１の枠体６Ａ’には、高分子電解質膜５Ａ’が当接する側にクロスリーク防止用の膜用封止部材（メインシール７Ａ’）を設ける。また、第１の枠体６Ａ’及び、アノードセパレータ２’とカソードセパレータ３’の間を封止するためのセパレータ用封止部材７Ｄ’を設ける構造が提案されている。
【００２０】
図１６は、特許文献２に記載の、従来の燃料電池の一部時拡大断面図である。図１６は特許文献２の図２に対応する。なお本発明の符号と区別するために「’」を追加している。
【００２１】
特許文献２の構造には、同文献の請求項１にあるように、触媒層の外縁部５Ｂａ’は、ＧＤＬ５Ｃ’の外縁部５Ｃａ’よりも外側でガスケット（メインシール７Ａ’）の中心部よりも内側に位置するように設けられているとある。また、同文献の請求項５にあるように、ガスケット（メインシール７Ａ’）と発電領域の端部の間には、ガスケット（メインシール７Ａ’）の厚さの２倍以上の距離があるとされている。
【００２２】
図１７は、特許文献２に記載の、第８実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図である。図１７は特許文献２の図１１に対応する。なお、本発明の符号と区別するために「’」を追加している。
【００２３】
この特許文献２の請求項６において、図１７において第１の枠体６Ａ、第２の枠体６Ｂと前記セパレータ２’、３’とを密着させるため接着剤４０で固定することが記されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特開２００９−０２１２１７号公報
【特許文献２】特許第５３０２４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
しかしながら、上記特許文献１の従来の構成においては、触媒層は、枠体と接触する領域には存在しない。ガスケット直下の枠体と高分子電解質膜の間に弾性体があり、枠体と高分子電解質膜の間には隙間が生じる。したがって高分子電解質膜にガスが直接触れることによる膜劣化が生じ、耐久性が著しく落ちるという課題がある。
【００２６】
また、上記特許文献２においては、触媒層の外縁部は、ガスケットと発電領域の端部の間にあり、その幅はガスケットの厚さの２倍以上の距離があることが開示され、また、その幅の間で枠体とセパレータを接着剤で固定し、枠体とセパレータとの間を密着させる手法も開示されている。このことから、ガスケットは、ガスが外部やクロスリークすることを防止するための反力が大きくなり、枠体の電極側が開くことになる。
【００２７】
また枠体が、セパレータに接着剤により引っ張られるため、枠体と高分子電解質膜の間には隙間が生じ、高分子電解質膜にガスが直接触れることによる膜劣化が生じ、耐久性が著しく落ちるという課題も生じる。
【００２８】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、簡単なガスケット形状で枠体と高分子電解質膜の間に燃料電池モジュールの締結圧力を増加させることなく隙間をなくし、高分子電解質膜にガスが直接触れることによる膜劣化が生じない、耐久性に優れた固体高分子電解質型燃料電池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】
【００２９】
本発明の固体高分子電解質型燃料電池は、以下の特徴を有する。
〔１〕高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜のそれぞれの表面に設けられた触媒層と、前記触媒層の表面に設けられたガス拡散層と、
前記高分子電解質膜の外周を挟むように設けられた一対の枠体と、前記ガス拡散層上に設けられた一対のセパレータと、を有する点。当該〔１〕において、
〔２〕前記一対のセパレータのうち前記高分子電解質膜が配置される側の表面、かつ、前記ガス拡散層より外側に配置され、環状に設けられたメインシールと、前記枠体の内縁部よりも外側でかつ前記メインシールの中心部よりも内側に設けられるサブシールを備える点にある。
【発明の効果】
【００３０】
以上のように、本構成の簡単なガスケット形状によって、枠体と高分子電解質膜の間に燃料電池モジュールの締結圧力を増加させることなく隙間をなくすことができ、高分子電解質膜の膜劣化が抑制され、耐久性に優れた固体高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池の電極−膜−枠接合体の模式的な構造を示す一部分解斜視図
【図２】図１のセルを構成する固体高分子電解質型燃料電池の電極−膜−枠接合体をアノードセパレータ側表面から見た正面図
【図３】図１のセルを構成する固体高分子電解質型燃料電池の電極―膜―枠接合体をカソードセパレータ側表面から見た正面図
【図４】図２の電極−膜−枠接合体の矢視Ａ‐Ａにおける一部分解断面図
【図５】図２の電極−膜−枠接合体の矢視Ｂ‐Ｂにおける一部分解断面図
【図６】実施の形態１における図１のアノードセパレータをアノード側表面から見た正面図
【図７】実施の形態１における図１のカソードセパレータをカソード側表面から見た正面図
【図８】実施の形態１における図６の矢視Ｃ−Ｃにおける部分断面図
【図９】実施の形態２における図１のアノードセパレータをアノード側表面から見た正面図
【図１０】実施の形態２における図９の矢視Ｄ−Ｄにおける部分断面図
【図１１】実施の形態２における図９の矢視Ｅ−Ｅにおける部分断面図
【図１２】実施の形態２における図９の矢視Ｅ’−Ｅ’における部分断面図
【図１３】実施の形態２における図１のカソードセパレータをカソード側表面から見た正面図
【図１４】実施の形態２における図２の固体高分子電解質型燃料電池の電極−膜−枠接合体をアノードセパレータ側表面から見た正面図の矢視Ｆ−Ｆ部分で、セル１０を断面した断面図
【図１５】特許文献１に記載された従来の固体高分子電解質型燃料電池の電極−膜−枠接合体の実施の形態１を示す図
【図１６】特許文献２に記載された従来の燃料電池の一部時拡大断面図
【図１７】特許文献２に記載された第８実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
（実施の形態１）
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。
【００３４】
図１は、本発明の実施の形態１に係るＰＥＦＣの構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。
【００３５】
図２は、電極−膜−枠接合体１のアノードセパレータ２側から見た正面図であり、図３は、その電極−膜−枠接合体１のカソードセパレータ３側から見た正面図である。また、図４は、図２の矢視Ａ−Ａの一部断面図であり、図５は、図２の矢視Ｂ−Ｂの断面図である。図４、図５においては、右半分は若干、分解して表示している。
【００３６】
更に、以下の図面は、電極−膜−枠接合体１をアノード側及びカソード側から挟みこむセパレータ部材の図面である。すなわち、図６は、図１のアノードセパレータをアノード側表面から見た正面図であり、メインシール７Ａおよびサブシール７Ｂが一体化された場合の図である。
【００３７】
図７は、図１のカソードセパレータをカソード側表面から見た正面図であり、メインシール７Ａおよびサブシール７Ｂが一体化された場合の図である。
【００３８】
図１に示すようにＰＥＦＣ１００は、複数のセル（単電池モジュール）１０を積層させて構成されている。なお、図示しないが、積層された複数のセル１０の両端側に位置する最外のセル１０には、集電板，絶縁板，エンドプレート（端板）が取り付けられ、複数のセル１０は両側から、ボルト穴４を挿通する締結ボルトとナット（ともに図示なし）とで締結されている。
【００３９】
本実施の形態１では、セル１０は６０個積層されて、ボルト穴４に挿通されるボルトとナットによって締結力１０ｋＮで締結されている。なお、本実施の形態１においては、複数のセル１０が積層された構造を例として説明するが、１個のセルによりＰＥＦＣが構成されるような場合であっても良い。
【００４０】
セル１０は、電極−膜−枠接合体１を、一対の導電性セパレータである、アノードセパレータ２とカソードセパレータ３により挟んで構成されている。より具体的には、電極−膜−枠接合体１の周縁部に位置する枠体６の両面が、その両面に配置された封止部材の一例であるガスケット（メインシール７Ａおよびサブシール７Ｂ）を介して、一対のセパレータ２、３により挟まれることで、セル１０が構成されている（図４、図５参照）。
【００４１】
これにより、電極と電解質膜との接合体である膜電極接合体（ＭＥＡ）５の拡散層５Ｃ（図４参照）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の拡散層当接部３１Ａと、それぞれの拡散層５Ｃとによって、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が画定される。
【００４２】
これにより、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側の拡散層５Ｃに接触して、ＰＥＦＣ１００の電気化学反応を生じさせる。また、積層されたセル１０においては、隣接したＭＥＡ５が互いに電気的に直列、又は並列に接続される。セパレータ２，３及び電極−膜−枠接合体１の周縁部にある枠体６には、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、燃料ガスマニホールド孔１２，２２，３２及び、酸化剤マニホールド孔１３，２３，３３が設けられている。セル１０が積層された状態では、これら貫通孔が積層して、燃料ガスマニホールド及び酸化剤マニホールドを形成する。
【００４３】
上述のとおり、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ホールド孔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ホールド孔３３，３３間を結ぶようにして酸化剤ガス流路溝３１が形成されている。つまり、酸化剤ガス及び燃料ガスが、それぞれ一方のマニホールド、すなわち供給側のマニホールドから、流路溝２１，３１に分岐して、それぞれの他方のマニホールド、すなわち、排出側のマニホールドに流通するように構成される。
【００４４】
そして、燃料ガス流路溝２１は、セル１０の組立状態において拡散層５Ｃと当接する表面部分に形成されている拡散層当接部２１Ａ及び連絡用流路溝である一対の連絡部２１Ｂを有する。この連絡部２１Ｂは、拡散層５Ｃに当接する部分と拡散層５Ｃの周囲に対向する部分との間が繋がるように形成されている。
【００４５】
同様にして、酸化剤ガス流路溝３１は、セル１０の組立状態において拡散層５Ｃと当接する表面部分に形成されている拡散層当接部３１Ａ及び連絡用流路溝である一対の連絡部３１Ｂを有する。この連絡部３１Ｂは、拡散層５Ｃに当接する部分と拡散層５Ｃの周囲に対向する部分との間を繋ぐように形成されている。ここでは、連絡部２１Ｂ、３１Ｂは、一対のマニホールド孔２２，３３と拡散層当接部２１Ａ，３１Ａとを結ぶように形成されている。
【００４６】
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ホールド孔２２及び酸化剤ガスマニホールド孔３３から連絡部２１Ｂ、３１Ｂに分岐して流入し、それぞれ拡散層当接部２１Ａ、３１Ａにおいてそれぞれの拡散層５Ｃに接触し、電気化学反応を起こす。そして、それらの余剰のガスや反応生成成分は、排出側の燃料ガスマニホールド孔２２及び酸化剤ガスニホールド孔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ホールド孔２２及び酸化剤ガスマニホールド孔３３に排出される。
【００４７】
電極−膜−枠接合体１の枠体６の両側主面にはメインシール７Ａ、サブシール７Ｂが配設されている。メインシール７Ａは、酸化剤ガスと燃料ガスとが、所定の流路溝２１，３１から流出しないように配設されている。すなわち、メインシール７Ａは、マニホールド孔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。また、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、メインシール７Ａ、サブシール７Ｂが配設されていない。
【００４８】
また、燃料ガスマニホールド孔１２とＭＥＡ５とが一体的に包囲されるように、メインシール７Ａ，及び，サブシール７Ｂが配設されている。同様に、カソードセパレータ３側では（図３参照）、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Ｐには、メインシール７Ａ，サブシール７Ｂは配設されていない。
【００４９】
また、燃料ガスマニホールド孔２２とＭＥＡ５との間を流通する燃料ガス、及び、酸化剤ガスマニホールド孔３３とＭＥＡ５との間を流通する酸化剤ガスの流通が阻害されないようにしながら、メインシール７Ａによって、燃料ガス流路２１及び酸化剤ガス流路３１外への燃料ガス及び酸化剤ガスの漏出が防止される。
【００５０】
なお、図１においては、メインシール７Ａ、サブシール７Ｂ、セパレータ２，３の拡散層当接部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。
【００５１】
なお、実施の形態１のＰＥＦＣ１００においては、マニホールド孔をセパレータの貫通孔により形成されるような場合について説明するが、このような場合に代えて、所謂、外部マニホールド、すなわち、セパレータの外側に形成されるマニホールドによる構成もある。なお、ＰＥＦＣ１００のコンパクト化、及び外観状の構成の簡素さという観点からは、マニホールドがセパレータの貫通孔により形成されることが好ましい。
【００５２】
また、セパレータ２，３及び電極−膜−枠接合体１の周縁部に、燃料ガスマニホールド孔１２，２２，３２及び酸化剤ガスマニホールド孔１３，２３，３３と同様に、水が流通する二対のマニホールドを形成する水マニホールド孔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、これらマニホールド孔はそれぞれ積層して二対の水マニホールド孔が形成される。
【００５３】
ここで、電極−膜−枠接合体１の模式平面図を図２に示し、図２の電極−膜−枠接合体１における矢視ＡーＡ断面図を図４に示すとともに、矢視ＢーＢ断面図を図５に示す。図５での燃料ガスマニホールド孔１２は少し小さめに描画している。また、図４、図５においては右半分は少し分解して描画している。
【００５４】
図４及び図５に示すように、ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜５Ａと、高分子電解質膜５Ａの両面に形成された一対の電極層５Ｄ（アノードとカソードの電極層）とを備えている。電極層５Ｄは、通常、白金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触媒層５Ｂと、この触媒層５Ｂの外面に形成される通気性及び導電性を併せ持つ拡散層５Ｃを備えている。なお、触媒層５Ｂは、図示しない撥水カーボン層と白金カーボン層との２層構造となっていてもよい。
【００５５】
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、電極−膜−枠接合体１と接触する側の面、すなわち、内面は、電極−膜−枠接合体１の形状、より具体的には、枠体６の厚みとＭＥＡ５の厚みとの違いにより生じている段差に応じて、中央部が台形状に突出するように段差２ａ、３ａを有している。
【００５６】
すなわち、高分子電解質膜５Ａ、触媒層５Ｂ、拡散層５Ｃの合計厚さよりも、枠体６の厚さが大きく、そのため段差が生じており、その段差の形に応じてセパレータの厚みに段差２ａ、３ａをつけているが、完全に勘合しているのではなく、図５の左部分のように、隙間が残っている。その隙間にガスケット（メインシール７Ａ、サブシール７Ｂ）が挟み込まれている。
【００５７】
ここで、アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３は、例えば、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、各種マニホールド孔２２，２３，３２，３３，３４、並びにボルト穴４がセパレータ２，３の厚み方向に貫通している。
【００５８】
また、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３１が形成されて、セパレータ２，３の背面には、図示しない水流路溝が形成されている。各種マニホールド孔２２，２３，２４，３２，３３，３４、ボルト穴４、燃料ガス流路溝３１，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。
【００５９】
ここで、水流路溝は、二対の水マニホールド孔２４，３４間を結ぶようにして形成される。すなわち、水がそれぞれ一方のマニホールド孔、すなわち供給側のマニホールド孔から水流路溝に分岐して、それぞれ他方のマニホールド孔、すなわち、排水側のマニホールド孔に流通するように構成される。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。
【００６０】
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及び電極−膜−枠接合体１の周縁部に水マニホールド孔１４，２４，３４を形成せずに、冷却する給排路を外部マニホールド構造にしてもよい。更には、セパレータ２，３の背面に水流路溝を形成せずに隣接するセルの間に、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。
【００６１】
図４及び図５に示すように、枠体６は、第１の枠体６Ａと第２の枠体６Ｂと第３の枠体６Ｃ、６Ｃ−１、６Ｃ−２で構成されている。他方、ＭＥＡ５においては、高分子電解質膜５Ａの大きさは、その両面に形成された触媒層５Ｂや拡散層５Ｃの大きさより大きい寸法であるため、高分子電解質膜５Ａの周縁部のみが外側へ飛びだし露出している形状をしている。そして、第１の枠体６Ａと第２の枠体６Ｂとの間に、高分子電解質膜５Ａの飛び出し露出している周縁部が配置されて、両枠体６Ａ，６Ｂにより挟み込まれることにより、ＭＥＡ５が枠体６により保持された構成が実現されている。
【００６２】
更に、第１の枠体６Ａと、第２の枠体６Ｂを一体化するための第３の枠体６Ｃ，６Ｃ−１，６Ｃ−２が形成されており、第１の枠体６Ａと第２の枠体６Ｂが勘合されてできる、つなぎ目を跨ぐように第３の枠体６Ｃ、６Ｃ−１、６Ｃ−２が溶着部１５において溶着されている。これによって第１の枠体６Ａ、第２の枠体６Ｂ及び第３の枠体６Ｃ，６Ｃ−１，６Ｃ−２が機械的に一体化されＭＥＡ５は保持される。
【００６３】
第１の枠体６Ａ第２の枠体６Ｂは、熱可塑性樹脂材料を用いて、射出成形により予め形成される。このような枠体６Ａ、６Ｂにより、保持されているＭＥＡ５とメインシール７Ａ，サブシール７Ｂとの関係を説明する。
【００６４】
図４は、図２の電極−膜−枠接合体の矢視Ａ‐Ａにおける一部分解断面図である。同図のように、ＭＥＡ５を２つの枠体で挟んで保持する場合、燃料ガスが枠体とＭＥＡ５の間を抜けて、酸化剤ガス側に又は酸化剤ガスが燃料ガス側に抜けるのを防止する必要がある。また、枠体とＭＥＡ５の間を抜けるガスは、触媒層５Ｂの中を通って移動するため高分子電解質膜５Ａの部分をメインシール７Ａ直下で押さえなければならないため、枠体の発電エリア側の先端から３〜７ｍｍ外側に離れたところにメインシール７Ａの中心は配置される。
【００６５】
また、このメインシール７Ａは外部リークを防止するための両方を兼ねているため、ガスケットの反力が２〜１０Ｎ／ｍｍ必要である。セル１０を積層した際、アノードセパレータ２とカソードセパレータ３がずれて配置されること想定し、枠体の発電エリア側の先端部が開かないように、メインシール７Ａと枠体の発電エリア側の先端部の間にサブシール７Ｂを配置する。
【００６６】
このサブシール７Ｂは、枠体が開かないようにするためだけなので、反力はメインシール７Ａほどかける必要がない。メインシール７Ａは、外部リークを止める必要があるので必ず閉じていなければならないが、サブシール７Ｂは、枠体が開かない程度で配置すればよいので閉じている必要はない。メインシール７Ａとサブシール７Ｂは、部分的に接続されている方が望ましい。
【００６７】
図４は圧縮率を小さくして反力を低くした例である。
【００６８】
図５は、電極−膜−枠接合体１をアノード側表面から見た正面図である図２において、矢視ＢーＢで断面した図である。図５の通り、流路部についてはメインシール７Ａ、サブシール７Ｂを配置することができないため、メインシール７Ａ，サブシール７Ｂがある部分には枠体側からリブ８Ｂを立てて反力を受けて枠体が開かないようにできる。
【００６９】
セパレータ上には、封止部材の一例であるメインシール７Ａ、サブシール７Ｂが配置されている。メインシール７Ａ，サブシール７Ｂは、第１の枠体６Ａ、第２の枠体６Ｂに一体化されていてもされていなくても良い。また、セパレータに対しても一体化されていてもされていなくても良い。
【００７０】
メインシール７Ａ，サブシール７Ｂは弾性体で構成され、一対のセパレータ２，３間に電極−膜−枠接合体１が配置されて押圧されることによって変形され、図２に示すように、ＭＥＡ５の周囲（すなわち、ＭＥＡ５とセパレータ２，３との間）、及び、マニホールド孔の周囲が封止（シール）される。また、燃料ガスマニホールド孔１２及び酸化剤マニホールド孔１３においても同様にして、メインシール７Ａによって、それぞれのマニホールド孔の周囲がシールされる。
【００７１】
以下に、メインシール７Ａ，サブシール７Ｂの形状について詳しく説明する。
【００７２】
図６は、図１のアノードセパレータをアノード側表面から見た正面図である。図中の発電エリア内の燃料ガス流路溝２１Ａの周囲にメインシール７Ａとサブシール７Ｂが複合された複合ガスケット部７が配置されている。サブシール７Ｂは、図のとおり流路部には存在しないため閉じていない。
【００７３】
図８に実施の形態１における図６の矢視Ｃ−Ｃにおける部分断面図を示す。メインシール７Ａの高さをＨＡ、先端ＲをＲＡとしサブシール７Ｂの高さをＨＢ、先端ＲをＲＢとする。また、ＨＰの寸法をシールの圧縮後の寸法とすると、以下のことが言える。
【００７４】
メインシール７Ａの反力よりもサブシール７Ｂの反力を小さく設計する例を以下に挙げる。
【００７５】
ＨＡ＝ＨＢの場合、圧縮率は、等しいのでＲＡ＞ＲＢとすることで反力を小さくすることができる。
【００７６】
ＨＡ＞ＨＢの場合、ＲＡ＝ＲＢでも反力は小さくすることは可能であるが、この場合、圧縮率が小さくなりすぎると部品の公差、組立上の公差の関係でサブシール７Ｂが機能しない場合があるため注意が必要である。
【００７７】
枠体６（第１の枠体６Ａ、第２の枠体６Ｂ，第３の枠体６Ｃ、６Ｃ−１、６Ｃ−２）は、熱可塑性樹脂により形成される。この熱可塑性樹脂は、ＰＥＦＣ１００の運転温度以下において、化学的に清浄かつ安定であって、適度の弾性率と比較的高い加重たわみ温度を有する。
【００７８】
例えば、セパレータ２，３の燃料ガス流路２１及び酸化剤ガス流路３１の幅が１〜２ｍｍ程度、かつ枠体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２０００ＭＰａ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いう。
【００７９】
また、ＰＥＦＣ１００の運転温度は一般的には９０℃以下であるので、枠体６のたわみ荷重温度は１２０℃以上であることが好ましい。また、枠体６は機械的強度が大きくかつ耐熱性の高い材料が好ましい。
【００８０】
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、変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、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）、結晶ポリマー（ＬＣＰ）ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）などが例示できる。
【００８１】
これらは、数千から数万ＭＰａの圧縮弾性率と、１２０℃以上のたわみ荷重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）などは、ガラスフィラーが高分子電解質膜に突き刺さる可能性があり適さない。本実施の形態１においては、熱可塑性樹脂である変性ＰＰＥ（旭化成ケミカルズ株式会社  ザイロン５００Ｈ）が用いられている。
【００８２】
また、メインシール７Ａ、サブシール７Ｂは、弾性体としてフッ素ゴムやＥＰＤＭ、ＡＥＭなどのゴムや、可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーから構成される。このメインシール７Ａ、サブシール７Ｂは、ＰＥＦＣ１００の運転条件下において化学的に安定で、特に加水分解をおこさないなど耐熱水性と高分子電解質膜由来の耐酸性を有する。
【００８３】
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。ＰＥＦＣ１００の締結荷重において良好なシール性を確保するために本実施の形態１においては、フッ素ゴムを用いている。
【００８４】
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、各種マニホールド孔の周囲に、耐熱性の材料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、隣接するセル１０の間において、各種マニホールド孔２２，２３，２４，３２，３３，３４のセル１０間の連接部からの燃料ガス、酸化剤ガス及び水の流出が防止される。
【００８５】
次に、本実施の形態１の電極−膜−枠接合体１の製造方法について説明する。
【００８６】
まず、図４や図５に示すように、高分子電解質膜５Ａの中央部の両面に、周縁部を露出させる、つまり、覆わないようにしながら、触媒層５Ｂをそれぞれ形成する。触媒層５Ｂの端部は、枠体の電極側端部とメインシール７Ａラインの間とする。次に、拡散層５Ｃを形成するが、拡散層５Ｃは、枠体６では挟んでから高分子電解質膜５Ａに形成された触媒層５Ｂに貼り付けて形成しても、枠体６ではさむ前に触媒層５Ｂに貼り付けて形成しても良い。
【００８７】
具体的には触媒層５Ｂ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に白金を重量比が１：１で担持させた触媒粉末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を混合攪拌して触媒層インクを作製する。
【００８８】
次にこの触媒層インクを高分子電解質膜５Ａの両主面にスプレー塗工、スクリーン塗工等の一般的な塗布技術を用いて、２０μｍの厚みに塗工乾燥して触媒層５Ｂが形成される。ここで、高分子電解質膜５Ａには、パーフルオロカーボンスルホン酸膜（ＤＵＰＯＮＴ  Ｎａｆｉｏｎ１１７（登録商標））が用いられている。また、図では高分子電解質膜５Ａを第１の枠体６Ａの段部６Ｄ上に精度よく配置することや、仮固定するための構造は省略している。
【００８９】
次いで、触媒層５Ｂの上に拡散層５Ｃを形成する。拡散層５Ｃ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。これによって、燃料ガスあるいは酸化剤ガスが孔部に侵入することによって、それらガスが拡散して、触媒層５Ｂに到達しやすくなる。
【００９０】
本実施の形態１においては、例えば日本ゴア社製Ｃａｒｂｅｌ  ＣＬ４００、厚み４００μｍ）を触媒層５Ｂが付されている高分子電解質膜５Ａの両主面に被せる。そして、この炭素繊維布を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５Ｂの上に、拡散層５Ｃが形成される。
【００９１】
他方、図２〜図５に示すように、第１の枠体６Ａは、熱可塑性樹脂材料を用いて、射出成形により予め形成される。ＭＥＡ５の発電部は、第１の枠体６Ａの開口部である。また、第２の枠体６Ｂも、熱可塑性樹脂材料を用いて、予め射出成形により形成される。ＭＥＡ５の発電部は第２の枠体６Ｂの開口部である。
【００９２】
このように予め、ＭＥＡ５、第１の枠体６Ａ、及び第２の枠体６Ｂを準備する。その後、第１の枠体６Ａの段部６Ｄ上に、ＭＥＡ５の周縁部を配置する。その際、ＭＥＡ５の最外端縁が、ガスケットラインとリブ８Ｂよりも外側に配置されるようにアライメントされる。また、このとき、この状態で第１の枠体６ＡとＭＥＡ５を仮固定してもよい。
【００９３】
次にＭＥＡ５を配置した第１の枠体６Ａに、第２の枠体６Ｂを嵌合させる。ＭＥＡ５の周縁部が第１及び第２の枠体６Ａ、６Ｂにより挟まれて保持され、第３の枠体６Ｃ、６Ｃ−１、６Ｃ−２を形成するための金型に入れて、第３の枠体６Ｃ、６Ｃ−１、６Ｃ−２の形状を射出成形により成形し、最終的に電極−膜−枠接合体１が作られる。この電極−膜−枠接合体１をそれぞれのセパレータ２，３により挟み込むことで、セル１０が完成する。
【００９４】
（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２の図１のアノードセパレータをアノード側表面から見た正面図である。図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００９５】
図９の発電エリア内の燃料ガス流路溝２１Ａの周囲にメインシール７Ａとサブシール７Ｂが複合された複合ガスケット部７が配置されている。サブシール７Ｂは、同図の通り、流路部には存在しないため閉じていない。また、図中のサブシール７Ｂは、周方向に積極的に連続しないように配置されている。このことにより、枠体を押さえる部分が減少し、反力が低下する。押さえない範囲は、枠体の剛性とサブシール７Ｂにより押さえる反力により最適な配置を解析により設定できる。
【００９６】
図１０は、実施の形態２における図９の矢視Ｄ−Ｄにおける部分断面図である。前述の実施の形態１と同様に、メインシール７Ａの高さをＨＡ、先端ＲをＲＡとしサブシール７Ｂの高さをＨＢ、先端ＲをＲＢとする。また、ＨＰの寸法をシールの圧縮後の寸法とすると、以下のことが言える。
【００９７】
メインシール７Ａの反力よりもサブシール７Ｂの反力を小さく設計する例を以下に挙げる。
【００９８】
ＨＡ＝ＨＢの場合、圧縮率は、等しいのでＲＡ＞ＲＢとすることで反力を小さくすることができる。
【００９９】
ＨＡ＞ＨＢの場合、ＲＡ＝ＲＢでも反力は小さくすることは可能であるが、この場合、圧縮率が小さくなりすぎると、部品の公差、組立上の公差の関係でサブシール７Ｂが機能しない場合があるため注意が必要である。
【０１００】
更に、図１１、図１２に実施の形態２における図９のサブシール７Ｂのない部分の矢視Ｅ−Ｅにおける部分断面図を示す。
【０１０１】
図１１は、Ｅ−Ｅと図１２はＥ’−Ｅ’とする。
【０１０２】
図１１では、メインシール７Ａのみであり、サブシール７Ｂ部分とメインシール７Ａをつなぐ形状はない。材料の削減の観点から有効な手段といえるが形状がより複雑になることと、サブシール７Ｂの成形性に影響が出る。
【０１０３】
図１２は、上記成形性の影響を考慮し、サブシール７Ｂ部分とメインシール７Ａをつなぐ形状を残すことで成形性を向上させた例を示す。
【０１０４】
図１３は、実施の形態２における図１のカソードセパレータをカソード側表面から見た正面図であり、アノードセパレータと同様に図１３の発電エリア内の燃料ガス流路溝３１Ａの周囲にメインシール７Ａとサブシール７Ｂが複合された複合ガスケット部７が配置されている。
【０１０５】
サブシール７Ｂは、図１３の通り、流路部には存在しないため閉じていない。また、図中のサブシール７Ｂは、周方向に積極的に連続しないように配置されている。このことにより、枠体を押さえる部分が減少し、反力が低下する。押さえない範囲は、枠体の剛性とサブシール７Ｂにより押さえる反力により最適な配置を解析により設定できる。
【０１０６】
図１４は、実施の形態２における図２の固体高分子電解質型燃料電池の電極−膜−枠接合体をアノードセパレータ側表面から見た正面図の矢視Ｆ−Ｆ部分で、セル１０を断面した断面図である。
【０１０７】
このときアノードセパレータ２に配置されたサブシール７Ｂとカソードセパレータ３に配置されたサブシール７Ｂの押さえない部分が重ならないように配置される。すなわち、電極−膜−枠接合体１の枠体６の部分は、アノードセパレータ２のサブシール７Ｂ、カソードセパレータ３のサブシール７Ｂのいずれかで必ず押さえられている。また、サブシール７Ｂのない部分には、別の目的を持った形状、例えば回りこみ防止形状や位置決め形状を挿入することも可能である。
【０１０８】
なお、上述の実施の形態では、メインシール７Ａとサブシール７Ｂとが一体化された形態を示したが、それぞれが独立した形態、すなわち、メインシール７Ａとサブシール７Ｂとが接続されていない形態でも良い。
【０１０９】
また、上記様々な実施の形態のうち、任意の実施の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。
【０１１０】
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、種々の変形や修正は可能である。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。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率を高めることができるとともに、製造における歩留まりを高めることができるため、コージェネレーションシステムや電気自動車などに用いられる燃料電池として有用である。
【符号の説明】
【０１１２】
１  電極−膜−枠接合体
２，２’  アノードセパレータ
３，３’  カソードセパレータ
４  ボルト穴
５  ＭＥＡ（膜電極接合体）
５Ａ  高分子電解質膜
５Ｂ  触媒層
５Ｃ  拡散層
５Ｄ  電極層
６Ａ，６Ａ’  第１の枠体
６Ｂ，６Ｂ’  第２の枠体
６Ｃ  第３の枠体
７Ａ’  膜用封止部材
７Ａ  メインシール
７Ｂ  サブシール
１０  セル
１０’単電池
１５  溶着部
【図１】
2015170398.tif 000003
【図２】
2015170398.tif 000004
【図３】
2015170398.tif 000005
【図４】
2015170398.tif 000006
【図５】
2015170398.tif 000007
【図６】
2015170398.tif 000008
【図７】
2015170398.tif 000009
【図８】
2015170398.tif 000010
【図９】
2015170398.tif 000011
【図１０】
2015170398.tif 000012
【図１１】
2015170398.tif 000013
【図１２】
2015170398.tif 000014
【図１３】
2015170398.tif 000015
【図１４】
2015170398.tif 000016
【図１５】
2015170398.tif 000017
【図１６】
2015170398.tif 000018
【図１７】
2015170398.tif 000019