(57)【要約】【課題】生成された液体を円滑に排出することを可能にし、もって液体の生成に起因した発電効率の低下を好適に抑制し得る燃料電池のセル構造、当該燃料電池のセル構造の製造方法、および燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池のセル構造１１０は、第２のフレーム３６の樹脂フレーム側連通部４１２およびカソード側セパレータ１１の第２のセパレータ側連通部４２２における液体との接触角（θ１）、カソード側セパレータのガス流路形成部１１ｇにおける液体との接触角（θ２）、ガス拡散層３８における液体との接触角（θ３）が、θ１＜θ２＜θ３の関係を満たすように構成されている。【選択図】図４
2015220039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、前記電解質膜の両面側に配置した電極触媒層、および、それぞれの前記電極触媒層に重ねて配置したガス拡散層を備える膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を固定的に保持する樹脂フレームと、
前記膜電極接合体および前記樹脂フレームに対向配置されるセパレータと、を有する燃料電池のセル構造であって、
前記セパレータは、発電に供する反応ガスを流通させるためのガス流路を前記膜電極接合体との間に形成するガス流路形成部と、前記反応ガスを供給するためのセパレータ側供給用マニホールドと、前記反応ガスを排出するためのセパレータ側排出用マニホールドと、前記ガス流路形成部と前記セパレータ側排出用マニホールドとの間に延在するセパレータ側連通部と、を有し、
前記樹脂フレームは、前記反応ガスを供給するための樹脂フレーム側供給用マニホールドと、前記反応ガスを排出するための樹脂フレーム側排出用マニホールドと、前記セパレータ側連通部に対向配置され前記セパレータ側連通部との間に流体が流通可能な連通路を形成する樹脂フレーム側連通部と、を有し、
前記樹脂フレームの樹脂フレーム側連通部および／または前記セパレータのセパレータ側連通部における液体との接触角（θ１）、前記セパレータのガス流路形成部における液体との接触角（θ２）、前記ガス拡散層における液体との接触角（θ３）が、θ１＜θ２＜θ３を満たす、燃料電池のセル構造。
【請求項２】
前記樹脂フレームの樹脂フレーム側連通部における液体との接触角（θ１１）、前記セパレータのセパレータ側連通部における液体との接触角（θ１２）が、θ１１＜θ１２を満たす、請求項１に記載の燃料電池のセル構造。
【請求項３】
前記樹脂フレームは、前記樹脂フレーム側連通部に対応する部分に親水処理が施された樹脂成形品からなる、請求項１または請求項２に記載の燃料電池のセル構造。
【請求項４】
前記樹脂フレームは、前記電解質膜および前記電解触媒層の外周部分を挟持して保持するフィルム状の第１のフレームと、樹脂成形品により構成され前記第１のフレームに接合される第２のフレームと、を有し、
前記第１のフレームおよび前記第２のフレームは、接合部分に親水処理を含む前処理が施されている、請求項１または請求項２に記載の燃料電池のセル構造。
【請求項５】
前記第１のフレームと前記第２のフレームは、前記前処理が行われる際に互いの相対的な位置を位置決めするための位置決め機構を有する請求項４に記載の燃料電池のセル構造。
【請求項６】
前記セパレータと前記樹脂フレームとが一体化されてなる請求項１〜５のいずれか１項に記載のセル構造を備える燃料電池。
【請求項７】
電解質膜、前記電解質膜の両面側に配置した電極触媒層、および、それぞれの前記電極触媒層に重ねて配置したガス拡散層を備える膜電極接合体を固定的に保持するための樹脂フレームに対して親水処理を含む前処理をし、
前記樹脂フレームの前記前処理が施された部分に前記膜電極接合体を接合し、
前記樹脂フレームの前記前処理が施された部分にセパレータを接合する、燃料電池のセル構造の製造方法。
【請求項８】
前記樹脂フレームは、前記電解質膜および前記電解触媒層の外周部分を挟持して保持するフィルム状の第１のフレームと、樹脂成形品により構成され前記第１のフレームに接合される第２のフレームと、を有し、
前記前処理は、前記第１のフレームと前記第２のフレームとを組み付けた状態で前記第１のフレームおよび前記第２のフレームに対して行う、請求項７に記載の燃料電池のセル構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセル構造、燃料電池のセル構造の製造方法、および燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池に代表されるような、いわゆる燃料電池は、電極触媒層と、電極触媒層の表裏両面にそれぞれ配置される燃料極（アノード電極）および空気極（カソード電極）と、各電極に重ねて配置されるガス拡散層とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。また、燃料電池には、膜電極接合体を保持するために用いられる樹脂フレームと、膜電極接合体のガス拡散層との間にガス流路を形成するセパレータが備えられている。さらに、セパレータと樹脂フレームとの間には、ガス流路へ各種の反応ガスを供給するための供給路と、電極触媒層とは未反応のガスをガス流路から排出するための排出路を設けている。
【０００３】
燃料電池が備えるカソード電極においては、供給された酸化剤ガスの化学反応によって水等の液体が生成される。生成された液体は、未反応の酸化剤ガスとともに、ガス流路を経由した後、排出路を介して排出される。生成された液体がガス流路内に滞留してしまうと、液体によりガス流路が塞がれてしまい、酸化剤ガスの流通が阻まれてしまう。酸化剤ガスの流通が阻まれると、カソード電極への酸化剤ガスの供給量が低減して、燃料電池の発電効率が低下するという問題が発生する。なお、液体の生成に伴うガスの流通性の低下は、例えば、加湿した燃料ガスをアノード電極に供給した場合やカソード電極側で生成された液体がアノード電極側に漏出するような場合に、アノード電極とセパレータとの間に設けられるガス流路においても発生し得る。
【０００４】
このような問題に鑑みて、特許文献１に記載された燃料電池においては、樹脂フレーム側の排出路を形成する部分に親水処理を施すことにより、液体の排出効率の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５０１１７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された燃料電池では、排出路における液体の排出効率は向上さているが、液体の排出経路全体における排出効率については十分な検討がなされていない。上述したように、生成された液体は、膜電極接合体のガス拡散層とセパレータとの間に形成したガス流路を経由した後に排出路へ導流される。例えば、排出路に至る途中で液体の流れが滞ってしまうと、排出路における液体の排出効率が向上されている場合であっても、ガス流路内に液体が滞留してしまう。つまり、上記従来の燃料電池では、液体の排出経路のうちの一部においては排出効率が向上されているとは言えるが、排出経路全体を考慮した場合、排出効率が十分に向上されているとは言い難く、液体の生成に起因した発電効率の低下を抑制することができないという問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、生成された液体を円滑に排出することを可能にし、もって液体の生成に起因した発電効率の低下を好適に抑制し得る燃料電池のセル構造、当該燃料電池のセル構造の製造方法、および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】
【０００８】
本発明の燃料電池のセル構造は、電解質膜、電解質膜の両面側に配置した電極触媒層、および、それぞれの電極触媒層に重ねて配置したガス拡散層を備える膜電極接合体と、膜電極接合体を固定的に保持する樹脂フレームと、膜電極接合体および樹脂フレームに対向配置されるセパレータとを有している。セパレータは、発電に供する反応ガスを流通させるためのガス流路を膜電極接合体との間に形成するガス流路形成部と、反応ガスを供給するためのセパレータ側供給用マニホールドと、反応ガスを排出するためのセパレータ側排出用マニホールドと、ガス流路形成部とセパレータ側排出用マニホールドとの間に延在するセパレータ側連通部とを有している。また、樹脂フレームは、反応ガスを供給するための樹脂フレーム側供給用マニホールドと、反応ガスを排出するための樹脂フレーム側排出用マニホールドと、セパレータ側連通部に対向配置されセパレータ側連通部との間に流体が流通可能な連通路を形成する樹脂フレーム側連通部とを有している。そして、樹脂フレームの樹脂フレーム側連通部および／またはセパレータのセパレータ側連通部における液体との接触角（θ１）、セパレータのガス流路形成部における液体との接触角（θ２）、ガス拡散層における液体との接触角（θ３）が、θ１＜θ２＜θ３を満たしている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池のセル構造によれば、膜電極接合体を固定的に保持する樹脂フレームにおいて液体を排出するための連通路を形成する樹脂フレーム側連通部および／またはセパレータのセパレータ側連通部における液体との接触角（θ１）、セパレータにおいて膜電極接合体との間にガス流路を形成するガス流路形成部における液体との接触角（θ２）、膜電極接合体のガス拡散層における液体との接触角（θ３）が、θ１＜θ２＜θ３を満たすようにしている。このため、膜電極接合体付近で生成された水等の液体が、ガス拡散層を介してガス流路側へ移動し易くなり、さらにガス流路を伝わって連通路まで移動した後、連通路内において広がりながら排出用マニホールドへ向けて移動することになる。生成された液体を排出する排出経路の各部における液体との接触角の大小関係を、液体が生成される部位と液体の導流方向との関係に応じて設定することによって液体をより一層円滑に排出することを可能にしているため、液体の生成に起因した発電効率の低下を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の概観斜視図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図３】図２に示す３−３線に沿う燃料電池セルの断面を示す図である。
【図４】実施形態に係る膜電極接合体アセンブリおよびカソード側セパレータとともに酸化剤ガスの流通経路を示す斜視図である。
【図５Ａ】膜電極接合体アセンブリにおける酸化剤ガスの流通経路を示す平面図である。
【図５Ｂ】カソード側セパレータにおける酸化剤ガスの流通経路を示す平面図である。
【図６】膜電極接合体アセンブリを示す図であって、図５Ａに示す６−６線に沿う断面を示す図である。
【図７Ａ】樹脂フレームに対して前処理を行う際の手順を示す平面図である。
【図７Ｂ】樹脂フレームに対して前処理を行っている様子を示す図であり、図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線に対応する断面を示す図である。
【図８Ａ】樹脂フレームが備える位置決め機構を示す図であり、図７Ａに示す８Ａ−８Ａ線に沿う断面を示す図である。
【図８Ｂ】樹脂フレームが備える位置決め機構を示す図であり、図７Ａに示す８Ｂ−８Ｂ線に沿う断面を示す図である。
【図９】樹脂フレームに対して前処理を行う部分を例示する図であって、図７Ａに示す９−９線に沿う断面を示す図である。
【図１０Ａ】燃料電池の製造方法を説明するための図であって、樹脂フレームが備える第１のフレームに接着剤を塗布する手順を示す断面図である。
【図１０Ｂ】燃料電池の製造方法を説明するための図であって、樹脂フレームが備える第１のフレームを膜−触媒接合体（ＣＣＭ）に接合する手順を示す断面図である。
【図１０Ｃ】燃料電池の製造方法を説明するための図であって、第１のフレームが接合された膜−触媒接合体（ＣＣＭ）に、ガス拡散層を接合する手順を示す断面図である。
【図１１Ａ】燃料電池の製造方法を説明するための図であって、樹脂フレームが備える第２のフレームに接着剤を塗布する手順を示す断面図である。
【図１１Ｂ】燃料電池の製造方法を説明するための図であって、膜電極接合体（ＭＥＡ）に、第２のフレームを接合する手順を示す断面図である。
【図１２Ａ】燃料電池の製造方法を説明するための図であって、第２のフレームにセパレータを接合するための接着剤を塗布する手順を示す断面図である。
【図１２Ｂ】燃料電池の製造方法を説明するための図であって、第２のフレームにセパレータを接合する手順を示す断面図である。
【図１３Ａ】対比例に係る燃料電池の製造方法を説明するための図であって、膜電極接合体（ＭＥＡ）に接合された第１のフレームに対して前処理を行う様子を示す断面図である。
【図１３Ｂ】対比例に係る燃料電池の製造方法を説明するための図であって、膜電極接合体（ＭＥＡ）に接合された第２のフレームに前処理を行う様子を示す断面図である。
【図１４】本発明の改変例に係る膜電極接合体アセンブリを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１２】
図１〜図３は、実施形態に係る燃料電池の構成を示す図であり、図４〜図６は、実施形態に係る燃料電池が備える樹脂フレームおよび膜電極接合体アセンブリの構成を示す図であり、図７〜図１２Ｂは、実施形態に係る燃料電池の製造方法を示す図であり、図１３Ａ、図１３Ｂは、対比例に係る燃料電池の製造方法を示す図である。
【００１３】
まず、実施形態に係る燃料電池の各部の構成を説明する。
【００１４】
図１〜図３に示すように、燃料電池１は、電力を生成する燃料電池セル１００と、燃料電池セル１００で生成された電力を外部に取り出す一対の集電板２１１、２１２と、複数積層した燃料電池セル１００および一対の集電板２１１、２１２を保持する筺体３００とを有している。
【００１５】
燃料電池セル１００は、複数積層された状態において、反応ガスとしての燃料ガス（水素）と反応ガスとしての酸化剤ガス（酸素を含有した空気または純酸素）から電力を生成する。
【００１６】
図２、図３に示すように、燃料電池セル１００は、膜電極接合体（ＭＥＡ）３０と、カソード側セパレータ１１と、アノード側セパレータ１２とを含む。
【００１７】
図３に示すように、カソード側セパレータ１１およびアノード側セパレータ１２のそれぞれは、隣り合う膜電極接合体３０を隔離しつつ、膜電極接合体３０で発生した電力を通電させる。カソード側セパレータ１１は、膜電極接合体３０の電極触媒層をなすカソード（空気極）３３に当接させている。同様に、アノード側セパレータ１２は、膜電極接合体３０の電極触媒層をなすアノード（燃料極）３２に当接させている。カソード側セパレータ１１およびアノード側セパレ―タ１２は、導電性材料を有する金属により構成している。
【００１８】
カソード側セパレ―タ１１は、膜電極接合体３０との間に酸化剤ガスを流通させるためのカソードガス流路１５を形成するカソードガス側流路形成部１１ｇを有している。カソードガス側流路形成部１１ｇは、カソード側セパレータ１１の中央部分に一定の間隔で形成された複数の凹凸部により構成している。カソードガス側流路形成部１１ｇとカソード３３との間に形成した閉空間は、カソード３３に対して酸化剤ガスを供給するカソードガス流路１５として用いる。
【００１９】
アノード側セパレ―タ１２は、膜電極接合体３０との間に燃料ガスを流通させるためのアノードガス流路１３を形成するアノードガス側流路形成部１２ｇを有している。アノードガス側流路形成部１２ｇは、アノード側セパレータ１２の中央部分に一定の間隔で形成された複数の凹凸部により構成している。アノードガス側流路形成部１２ｇとアノード３２との間に形成した閉空間は、アノード３２に対して水素を供給するアノードガス流路１３として用いる。
【００２０】
図３に示すように、互いに隣接するカソード側セパレ―タ１１の流路形成部１１ｇとアノード側セパレ―タ１２の流路形成部１２ｇとの間に形成した閉空間は、冷却水流路１４をとして用いる。
【００２１】
図２に示すように、カソード側セパレ―タ１１は、長方形状からなり、その長手方向の一端に、アノードガス供給用マニホールド１１ａ、冷却流体供給用マニホールド１１ｂ、およびカソードガス供給用マニホールド（「セパレータ側供給用マニホールド」に相当する）１１ｃをなす貫通孔を有している。同様に、カソード側セパレ―タ１１は、その長手方向の他端に、カソードガス排出用マニホールド（「セパレータ側排出用マニホールド」に相当する）１１ｄ、冷却流体排出用マニホールド１１ｅ、およびアノードガス排出用マニホールド１１ｆをなす貫通孔を有している。
【００２２】
図２に示すように、アノード側セパレ―タ１２は、長方形状からなり、その長手方向の一端に、アノードガス供給用マニホールド１２ａ、冷却流体供給用マニホールド１２ｂ、およびカソードガス供給用マニホールド１２ｃをなす貫通孔を有している。同様に、アノード側セパレ―タ１２は、その長手方向の他端に、カソードガス排出用マニホールド１２ｄ、冷却流体排出用マニホールド１２ｅ、およびアノードガス排出用マニホールド１２ｆをなす貫通孔を有している。
【００２３】
膜電極接合体３０は、供給された酸素と水素を化学反応させて電力を生成する。図３に示すように、膜電極接合体３０は、電解質膜３１と、電解質膜３１の両面側に配置したアノード３２およびカソード３３を有している。なお、図３においては図示省略するが、膜電極接合体３０のアノード３２およびカソード３３のそれぞれにはガス拡散層３８を重ねて配置している（図６を参照）。本実施形態においては、電解質膜３１、アノード３２、カソード３３を一体化したものを膜−触媒接合体（ＣＣＭ）４０と称し、電解質膜３１、アノード３２、カソード３３、ガス拡散層３８を一体化したものを膜電極接合体３０と称する。
【００２４】
電解質膜３１は、例えば、固体の高分子材料からなり、薄板状に形成している。固体高分子材料には、例えば、水素イオンを伝導し、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するフッ素系樹脂を用いている。アノード３２は、基材をなす触媒層およびガス拡散層３８を積層して構成し、電解質膜３１よりも若干小さい薄板状に形成している。カソード３３は、基材をなす触媒層およびガス拡散層３８を積層して構成し、アノード３２と同様の大きさで薄板状に形成している。アノード３２およびカソード３３の触媒層は、導電性の担体に触媒成分が担持された電極触媒と高分子電解質を含んでいる。ガス拡散層３８は、例えば、充分なガス拡散性および導電性を有する炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、またはカーボンフェルトにより構成することができる。
【００２５】
図２に示すように、燃料電池１は、膜電極接合体３０を固定的に保持する樹脂フレーム３４を備えている。図６に示すように、樹脂フレーム３４は、膜−触媒接合体４０（電解質膜３１、アノード３２、カソード３３）を保持するフィルム状の第１のフレーム３５と、第１のフレーム３５に接合される第２のフレーム３６とにより構成している。以下の説明において、膜電極接合体３０に樹脂フレーム３４を一体化させたものを膜電極接合体アセンブリ５０と称する。
【００２６】
燃料電池セル１００は、互いに密封した状態で複数積層する必要があるため、隣り合う燃料電池セル１００の外周を封止部材によって封止する。封止部材は、例えば、熱硬化性樹脂を用いる。熱硬化性樹脂は、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル等から選択する。
【００２７】
図２に示すように、一対の集電板２１１、２１２は、燃料電池セル１００で生成された電力を外部に取り出す。一対の集電板２１１、２１２は、複数積層された燃料電池セル１００の両端にそれぞれ配設している。
【００２８】
一対の集電板２１１、２１２の外形形状は、膜電極接合体３０の外形形状と同様に形成している。一対の集電板２１１、２１２のうち、一方の集電板２１１のみ、その長手方向の一端に、アノードガス供給用マニホールド２１１ａ、冷却流体供給用マニホールド２１１ｂ、およびカソードガス供給用マニホールド２１１ｃをなす貫通孔を有している。同様に、一方の集電板２１１のみ、その長手方向の他端に、カソードガス排出用マニホールド２１１ｄ、冷却流体排出用マニホールド２１１ｅ、およびアノードガス排出用マニホールド２１１ｆに相当する貫通孔を有している。
【００２９】
一対の集電板２１１、２１２のそれぞれは、その中央に集電部２１１ｈを有している。集電部２１１ｈは、例えば、ガスを透過させない緻密質カーボンのような導電性部材により構成することができる。一対の集電板２１１、２１２は、アノード３２およびカソード３３の外形よりも若干小さい薄板状に形成している。集電部２１１ｈは、複数積層した最外層の燃料電池セル１００に設けた膜電極接合体３０のアノード３２またはカソード３３に当接している。集電部２１１ｈには、その一面から導電性を備えた円柱形状の突起部２１１ｉを突出して設けている。突起部２１１ｉは、後述する筺体３００の一対のエンドプレート３１１、３１２の貫通孔３１１ｊを挿通して、外部に臨むように配置する。
【００３０】
図１および図２に示すように、筺体３００は、複数積層した燃料電池セル１００および一対の集電板２１１、２１２を互いに密着させた状態で保持している。
【００３１】
筺体３００は、燃料電池セル１００の積層方向に沿って配置される一対のエンドプレート３１１、３１２と、燃料電池１の外周側面にそれぞれ配置される締結板３２０および補強板３３０と、締結に用いられるネジ３４０とを有している。
【００３２】
一対のエンドプレート３１１、３１２は、複数積層された燃料電池セル１００の両端に配設した一対の集電板２１１、２１２を挟持するように配置している。一対のエンドプレート３１１、３１２の外形形状は、膜電極接合体３０の外形形状と同様に形成している。一対のエンドプレート３１１、３１２は、例えば、金属からなり、一対の集電板２１１、２１２と当接する部分に絶縁体を設けている。
【００３３】
一対のエンドプレート３１１、３１２のうち、一方のエンドプレート３１１のみ、その長手方向の一端に、アノードガス供給用マニホールド３１１ａ、冷却流体供給用マニホールド３１１ｂ、およびカソードガス供給用マニホールド３１１ｃをなす貫通孔を有している。同様に、一方のエンドプレート３１１のみ、その長手方向の他端に、カソードガス排出用マニホールド３１１ｄ、冷却流体用排出用マニホールド３１１ｅ、およびアノードガス排出用マニホールド３１１ｆをなす貫通孔を有している。
【００３４】
一対のエンドプレート３１１、３１２のそれぞれは、前述した一対の集電板２１１、２１２の突起部２１１ｉを挿通させる貫通孔３１１ｊを有している。
【００３５】
図１に示すように、締結板３２０は、例えば、金属からなり、板状に形成している。締結板３２０は、一対のエンドプレート３１１、３１２を、その長手方向の両側から対向するように保持する。補強板３３０は、例えば、金属からなり、締結板３２０よりも細長い板状に形成している。補強板３３０は、一対のエンドプレート３１１、３１２を、その短手方向の両側から対向するように保持している。締結板３２０および補強板３３０は、複数のネジ３４０によって、一対のエンドプレート３１１、３１２に固定している。
【００３６】
次に、図４、図５Ａ、図５Ｂを参照して、樹脂フレーム３４の第２のフレーム３６とカソード側セパレータ１１との間に形成する所定の連通路４３０、４４０について説明する。
【００３７】
図４は、膜電極接合体３０および樹脂フレーム３４により構成された膜電極接合体アセンブリ５０とカソード側セパレータ１１の配置関係を示す斜視図であり、図５Ａは膜電極接合体アセンブリ５０の平面図、図５Ｂはカソードセ側パレータ１１の平面図である。
【００３８】
図４を参照して、カソード側セパレータ１１は、膜電極接合体アセンブリ５０に対向配置されることにより、前述したように膜電極接合体３０のガス拡散層３８との間にカソードガス流路１５を形成する（図３を参照）。また、カソード側セパレータ１１は、第２のフレーム３６との間に、液体や気体等の流体が流通可能な流体供給用の連通路４３０および流体排出用の連通路４４０を形成する。なお、カソード側セパレータ１１において膜電極接合体アセンブリ５０に対向する側の面をカソード側セパレータ１１の表面１１ｈとし、表面１１ｈの反対側の面を裏面１１ｉとする。
【００３９】
図４、図５Ａに示すように、樹脂フレーム３４が備える第２のフレーム３６は、その長手方向の一端に、アノードガス供給用マニホールド３６ａ、冷却流体供給用マニホールド３６ｂ、およびカソードガス供給用マニホールド（「樹脂フレーム側供給用マニホールド」に相当する）３６ｃをなす貫通孔を有している。同様に、第２のフレーム３６は、その長手方向の他端に、カソードガス排出用マニホールド（「樹脂フレーム側排出用マニホールド」に相当する）３６ｄ、冷却流体排出用マニホールド３６ｅ、およびアノードガス排出用マニホールド３６ｆに相当する貫通孔を有している。
【００４０】
第２のフレーム３６は、カソードガス供給用マニホールド３６ｃが形成された部位と膜電極接合体３０が配置された部位との間に延在する第１の樹脂フレーム側連通部４１１を有している。また、第２のフレーム３６は、膜電極接合体３０が配置された部位とカソードガス排出用マニホールド３６ｄが形成された部位との間に延在する第２の樹脂フレーム側連通部（「樹脂フレーム側連通部」に相当する）４１２を有する。一方、図４、図５Ｂに示すように、カソード側セパレータ１１は、その表面１１ｈの側に、カソードガス供給用マニホールド１１ｃが形成された部位とカソードガス側流路形成部１１ｇが形成された部位との間に延在する第１のセパレータ側連通部４２１を有する。また、カソード側セパレータ１１は、その表面１１ｈの側に、カソードガス側流路形成部１１ｇが形成された部位とカソードガス排出用マニホールド１１ｄが形成された部位との間に延在する第２のセパレータ側連通部（「セパレータ側連通部」に相当する）４２２を有する。
【００４１】
カソード側セパレータ１１の表面１１ｈを、膜電極接合体３０および第２のフレーム３６に対向配置することにより、第２のフレーム３６の第１の樹脂フレーム側連通部４１１とカソード側セパレータ１１の第１のセパレータ側連通部４２１との間に、流体供給用の連通路４３０を形成している。同様に、第２のフレーム３６の第２の樹脂フレーム側連通部４１２とカソード側セパレータ１１の第２のセパレータ側連通部４２２との間に、ガス排出用の連通路４４０を形成している。なお、図５Ａ、図５Ｂに示す二点鎖線は、第２のフレーム３６とカソード側セパレータ１１との接合箇所を示している。第２のフレーム３６とカソード側セパレータ１１は、対向配置された状態で互いに接合されることにより、両者の間に、流体供給用の連通路４３０および流体排出用の連通路４４０を区画形成する。
【００４２】
各連通路４３０、４４０は、膜電極接合体３０のガス拡散層３８とカソード側セパレータ１１のカソードガス側流路形成部１１ｇとの間に形成したカソードガス流路１５に連通する。流体供給用の連通路４３０は、カソードガス流路１５へ反応ガスである酸化剤ガスを供給するための通路として用いる。また、流体排出用の連通路４４０は、カソードガス流路１５から反応ガスである酸化剤ガスを排出するための通路として用いる。
【００４３】
本実施形態においては、カソード側セパレータ１１と膜電極接合体アセンブリ５０とを組み付けたものを燃料電池１の構成要素であるセル構造１１０と称する（図２、図４を参照）。以下に説明するように、セル構造１１０は、酸化剤ガスの流通に伴いカソード３３において生成された液体を、当該セル構造１１０から円滑に排出し得る構成を備えている。
【００４４】
図４、図５Ａ、図５Ｂを参照して、酸化剤ガスの流れ、および、酸化剤ガスとカソード３３との反応により生成される液体の流れについて説明する。各図において酸化剤ガスの流れを矢印ａで示す。
【００４５】
燃料電池１の外部から供給した酸化剤ガスは、カソード側セパレータ１１のカソードガス供給用マニホールド１１ｃを通過させて、流体供給用の連通路４３０へ送る。酸化剤ガスは、流体供給用の連通路４３０を通過した後、カソードガス流路１５内へ流入する。酸化ガス剤は、カソードガス流路１５を通過する際に、膜電極接合体３０のカソード３３と反応する。また、この際、カソード３３には水等の液体が生成される。
【００４６】
カソード３３において反応に寄与しなかった未反応の酸化剤ガスは、カソードガス流路１５を通過し、さらに流体排出用の連通路４４０を通過した後、第２のフレーム３６のカソードガス排出用マニホールド３６ｄへ向けて流れる。その後、酸化剤ガスは、燃料電池１の外部へ排出される。
【００４７】
酸化剤ガスがカソード３３と反応することにより生成された液体は、順次供給される酸化剤ガスに押されて、カソードガス流路１５から流体排出用の連通路４４０へ送られる。その後、液体は、未反応の酸化剤ガスと同様に、第２のフレーム３６のカソードガス排出用マニホールド３６を通過して燃料電池１の外部へ排出される。
【００４８】
アノード３２に供給する燃料ガスの流れについては説明を省略するが、燃料電池１に供給された燃料ガスは、アノード側セパレータ１２のアノードガス供給用マニホールド１２ａ、流体供給用の連通路（図示省略）、アノードガス流路１３、流体排出用の連通路（図示省略）、アノード側セパレータ１２のアノードガス排出用マニホールド１２ｆを経由して、燃料電池１の外部へ排出される。燃料ガスは、アノードガス流路１３を通過する際にアノード３２と反応してその一部が消費される。
【００４９】
酸化剤ガスがカソードガス流路１５を通過する過程で生成された液体が、カソードガス流路１５や流体排出用の連通路４４０から排出されずに滞留してしまうと、カソード３３への酸化剤ガスの供給量が低減して燃料電池１の発電効率が低下する。そこで、燃料電池１においては、液体が生成される部位と生成された液体の導流方向を考慮して、液体の排出経路を構成する各部における液体との接触角の大小関係を設定することにより、液体の排出効率を高めて、液体の滞留による発電効率の低下が発生するのを防止している。具体的には、液体の排出経路を、液体が生成されるカソード３３のガス拡散層３８（図６を参照）と、ガス拡散層３８から液体が伝えられるカソード側セパレ―タ１１のカソードガス側流路形成部１１ｇと、流体排出用の連通路４４０を形成する第２の樹脂フレーム側連通部４１２および第２のセパレータ側連通部４２２とに区分けし、それぞれにおける液体との接触角を互いに異ならせている。
【００５０】
より具体的には、第２のフレーム３６の第２の樹脂フレーム側連通部４１２およびカソード側セパレータ１１の第２のセパレータ側連通部４２２における液体との接触角（θ１）＜カソード側セパレ―タ１１のカソードガス側流路形成部１１ｇにおける液体との接触角（θ２）＜ガス拡散層３８における液体との接触角（θ３）の関係を満たすように各部の濡れ性を設定している。
【００５１】
ガス拡散層３８における液体との接触角（θ３）を他の部位に比較して大きく設定しているため、ガス拡散層３８には液体が液滴状に付着する。ガス拡散層３８に付着した液体は、酸化剤ガスの流れに押されて転がるように移動し、ガス拡散層３８側からカソードガス流路１５側へ、またはガス拡散層３８の表面を伝わって流体排出用の連通路４４０へ円滑に移動する。
【００５２】
カソードガス流路１５へ移動した液体は、カソードガス流路１５を形成するカソードガス側流路形成部１１ｇの表面へ広がるように伝わる。カソードガス側流路形成部１１ｇにおける液体との接触角（θ２）を比較的小さく設定しているため、液体はカソードガス側流路形成部１１ｇの表面に沿って薄く広がる。液体は、表面に薄く広がった状態でガス流路１５を流れる酸化剤ガスに押されるため、カソードガス流路１５から流体排出用の連通路４４０へ円滑に押し出される。
【００５３】
流体排出用の連通路４４０に排出された液体は、第２の樹脂フレーム側連通部４１２の表面および第２のセパレータ側連通部４２２の表面へ広がりながら、第２のフレーム３６のカソードガス排出用マニホールド３６へ向けて流れる。流体排出用の連通路４４０は、複数のカソードガス流路１５に連通されており、各カソードガス流路１５から排出された液体が合流する部分となっている。各カソードガス流路１５から排出された液体は、酸化剤ガスにより押されて、第２のフレーム３６のカソードガス排出用マニホールド３６ｄへ向けて導流されるが、この際、比較的多量の液体が短時間で流体排出用の連通路４４０内に流れ込むと、液体の円滑な流れが滞り、液体の排出効率の低下を招く虞がある。そこで、第２のフレーム３６の第２の樹脂フレーム側連通部４１２およびカソード側セパレータ１１の第２のセパレータ側連通部４２２における液体との接触角（θ１）を他の部位に比べて小さく設定することにより、流体排出用の連通路４４０に到達した液体を、第２の樹脂フレーム側連通部４１２の表面および第２のセパレータ側連通部４２２の表面に薄く広げて、表面全体に沿って流れるようにしている。燃料電池１においては、特に、第２のフレーム３６の第２の樹脂フレーム側連通部４１２およびカソード側セパレータ１１の第２のセパレータ側連通部４２２における液体との接触角（θ１）が、カソードガス側流路形成部１１ｇにおける液体との接触角（θ２）よりも小さいため、液体がカソードガス流路１５と流体排出用の連通路４４０との境界部分を通過する際に、その流れが阻害されず、円滑に通過する。よって、カソードガス流路１５から流体排出用の連通路４４０へ液体が円滑に流れ込むようになる。
【００５４】
燃料電池１においては、さらに、第２のフレーム３６の第２の樹脂フレーム側連通部４１２における液体との接触角（θ１１）と、カソード側セパレータ１１の第２のセパレータ側連通部４２２の液体との接触角（θ１２）とが、θ１１＜θ１２となるように濡れ性を設定している。これは次のような理由による。流体排出用の連通路４４０に到達した液体は、最終的に第２のフレーム３６のカソードガス排出用マニホールド３６ｄへ移動し、その後に排出される。このため、カソードガス排出用マニホールド３６ｄの周辺部に位置する第２の樹脂フレーム側連通部４１２は、カソードガス排出用マニホールド３６ｄへ液体を導流する役割を主に担う。したがって、第２の樹脂フレーム側連通部４１２における液体との接触角（θ１１）を、第２のセパレータ側連通部４２２の液体との接触角（θ１２）よりも小さく設定することにより、流体排出用の連通路４４０内に流入した液体をカソードガス排出用マニホールド３６ｄへ向けてより一層円滑に導流することを可能にしている。
【００５５】
液体（例えば、水）に対する各接触角θ１（θ１１、θ１２を含む）、θ２、θ３の値は、θ１＜θ２＜θ３の関係を満たすように設定されていれば特に限定されないが、上述したように各部における排出機能を向上させるために、例えば、接触角θ１、θ２は、第２の樹脂フレーム側連通部４１２、第２のセパレータ側連通部４２２、カソードガス側流路形成部１１ｇが親水性を備えるように９０度以下に設定することが好ましい。接触角θ１１、θ１２についても同様である。また、液体（例えば、水）に対する接触角θ３は、ガス拡散層３８が撥水性を備えるように９０度を超えるように設定することが好ましい。接触角の判定は、例えば、ＪＩＳ  Ｒ  ３２５７で規定されている静滴法により行うことができる。なお、生成される液体は水が主なものとなるため、上記の各接触角は、例えば、水との接触角として定義することができるが、本実施形態における排出対象となる液体が水のみに限定されることはない。
【００５６】
次に、膜電極接合体アセンブリ５０の各部の構成について説明する。
【００５７】
図６には、膜電極接合体アセンブリ５０の全体構成を簡略して示す。図６は、図５Ａに示す６−６線に沿う断面を示している。
【００５８】
膜電極接合体アセンブリ５０は、電解質膜３１、アノード３２、カソード３３、ガス拡散層３８からなる膜電極接合体３０と、膜電極接合体３０に一体的に組み付けられた樹脂フレーム３４とを備える。
【００５９】
樹脂フレーム３４が備える第１のフレーム３５は、膜−触媒接合体４０（電解質膜３１、アノード３２、カソード３３）の外周部分を挟持して保持するフィルム状のものにより構成している。第１のフレーム３５は、例えば、フェノール樹脂等の公知の熱硬化性樹脂や耐熱性を備える公知の熱可塑性樹脂等の樹脂材料を薄い膜状に加工したもので構成することができる。本実施形態においては、電解質膜３１、アノード３２、カソード３３を両面側から挟み込むように配置される二つの第１のフレーム３５ａ、３５ｂを用いている。なお、各第１のフレーム３５ａ、３５ｂは、略同一の構成を有しているため、一方の第１のフレーム３５ａについて主に説明し、他方の第１のフレーム３５ｂについては説明を一部省略する。
【００６０】
樹脂フレーム３４が備える第２のフレーム３６は、樹脂成形品により構成している。第２のフレーム３６を第１のフレーム３５に対して接合することにより、第２のフレーム３６を膜電極接合体３０に一体化させている。第２のフレーム３６としては、例えば、第１のフレーム３５と同様の材質の樹脂材料を射出成形等の公知の成形方法により製造したものを用いることができる。
【００６１】
第１のフレーム３５と膜−触媒接合体４０との接合、および第１のフレーム３５と第２のフレーム３６との接合には、例えば、接着剤３５０を使用することができる。接着剤３５０としては、接合対象となる各部材の材質を考慮して公知の接着剤を適宜選択して使用することができる。
【００６２】
第１のフレーム３５と第２のフレーム３６には、他部材と接合される接合部分における接合強度を向上させるために、接合に先立って前処理を実施している。この前処理には、前述した第２のフレーム３６の各部における液体との接触角を調整する処理が含まれている。以下に、各フレーム３５、３６の構成とともに前処理について説明する。
【００６３】
図７Ａは、前処理が行われる前の第１のフレーム３５と第２のフレーム３６を示している。前処理は、矢印ｂで示すように第１のフレーム３５の一方の面３７７ａを第２のフレーム３６に向かい合わせて配置し、第１のフレーム３５と第２のフレーム３６を仮留めした状態で実施する。
【００６４】
図７Ａに示すように、第１のフレーム３５は、厚み方向に貫通した穴からなる窓部３７１が中心部分に形成された枠形状を有している。第１のフレーム３５の周縁部分３７２には、第１の孔部３７４と第２の孔部３７５を設けている。第１の孔部３７４は、第１のフレーム３５を厚み方向に貫通する略円形の孔であり、第２の孔部３７５は、第１のフレーム３５を厚み方向に貫通する略楕円形の孔である。各孔部３７４、３７５は、第１のフレーム３５の対角線上に配置している。
【００６５】
第２のフレーム３６は、厚み方向に貫通した穴からなる窓部３８１が中心部分に形成された枠形状を有している。窓部３８１の周囲には、前処理を行う際に第１のフレーム３５を載置するための溝部３８２を設けている。また、溝部３８２には、第１のフレーム３５の第１の孔部３７４に挿通可能な第１の突起３８４と第１のフレーム３５の第２の孔部３７５に挿通可能な第２の突起３８５とを設けている。第１の突起３８４は、第２のフレーム３６の厚み方向に突出した円形の柱形状を有しており、第２の突起３８５は、第２のフレーム３６の厚み方向に突出した楕円形の柱形状を有している。
【００６６】
第１のフレーム３５の第１および第２の孔部３７４、３７５と、第２のフレーム３６の第１および第２の突起３８４、３８５は、第１のフレーム３５と第２のフレーム３６の相対的な位置を位置決めする位置決め機構３６０を構成する。
【００６７】
図８Ａ、図８Ｂは、各孔部３７４、３７５に各突起３８４、３８５を挿通させる際の様子を示す図である。図８Ａは、図７Ａに示す８Ａ−８Ａ線に沿う断面図であり、図８Ｂは、図７Ａに示す８Ｂ−８Ｂ線に沿う断面図である。
【００６８】
第１のフレーム３５を第２のフレーム３６に配置する際、図８Ａに示すように、第２のフレーム３６の第１の突起３８４に対して第１のフレーム３５の第１の孔部３７４を挿通させる。同様に、図８Ｂに示すように、第２のフレーム３６の第２の突起３８５に対して第１のフレーム３５の第２の孔部３７５を挿通させる。これにより、第２のフレーム３６上において第１のフレーム３５が仮留めされた状態となるため、前処理を実施する際に第１のフレーム３５と第２のフレーム３６に位置ずれが生じるのを防止できる。なお、位置決め機構３６０は、第１のフレーム３５と第２のフレーム３６の相対的な位置を定めて位置ずれが生じるのを防止することが可能であればその構造や形状等は特に限定されず、例えば、切り欠きと切り欠きに係脱自在な突起などにより構成してもよい。
【００６９】
図７Ｂは、第１のフレーム３５と第２のフレーム３６に対して前処理を実施する際の様子を示している。図７Ｂは、図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線に沿う断面に対応した図である。
【００７０】
図７Ｂに示すように、第１のフレーム３５および第２のフレーム３６に対して前処理を実施する際には、第１のフレーム３５を第２のフレーム３６の溝部３８２に配置し、第１のフレーム３５を第２のフレーム３６に重ね合わせる。第１のフレーム３５において第２のフレーム３６に対向させる面３７７ａと反対側に位置する面３７７ｂが、前処理が施される部位となる。一方、第２のフレーム３６は、第１のフレーム３５により覆われる溝部３８２以外の部位に対して前処理が施される。
【００７１】
第１のフレーム３５および第２のフレーム３６に対して実施する前処理の方法としては、例えば、表面改質により接合強度の向上を図るとともに処理を施した部位に対して親水性を付与することが可能な方法を採用することができる。一例として、紫外光表面改質処理、プラズマ表面改質処理、コロナ表面改質処理などを前処理の方法として採用することができる。図示例においては、公知の紫外光照射装置５００により紫外光を照射して表面改質を行っている。
【００７２】
図７Ｂに示すように、第１のフレーム３５および第２のフレーム３６に対して同時に前処理を実施することにより、各フレーム３５、３６に対して別途に前処理を実施する場合に比べて、製造工程数を削減することができる。また、第２のフレーム３６に対して行われる前処理により、第２のフレーム３６の第２の樹脂フレーム側連通部４１２に対して親水処理を施すことができるため、前処理とは別途に親水処理を施す場合に比べて、製造工程数を削減することができる。さらに、前処理を、膜電極接合体３０と一体化させる前の状態における第１のフレーム３５および第２のフレーム３６に対して実施するため、前処理による影響が膜電極接合体３０やガス拡散層３８に及ぶことがない。したがって、前処理に伴って生じ得るガス拡散層３８の撥水性の低下や電解質膜３１の劣化が発生するのを未然に防止することができる。
【００７３】
図７Ｂに示す例では、第１のフレーム３５および第２のフレーム３６を組み付けた状態において、表裏両面の側から各フレーム３５、３６に対して広範囲に亘って前処理を実施しているが、前処理を実施する対象となる部位は、前処理の目的に応じて適宜変更することが可能である。例えば、接合強度の向上を図るための部位や親水性を付与するための部位に対して選択的に前処理を実施することが可能である。一例として、図９に示すように、第２のフレーム３６の第２の樹脂フレーム側連通部４１２が少なくとも含まれるように前処理の対象部位を設定することが可能である。なお、図９は、図７Ａに示す９−９線に沿う断面に対応した図である。
【００７４】
また、図７Ｂ、図９に示すように上下方向の両面側に対して前処理を実施せず、片面側のみに対して前処理を実施することも可能である。ただし、片面側のみに前処理を実施する場合は、第２のフレーム３６の第２の樹脂フレーム側連通部４１２に対して親水処理を実施することが可能となるように、上面側に対して前処理を実施することが好ましい。
【００７５】
次に、実施形態に係るセル構造１１０を含む膜電極接合体アセンブリ５０および燃料電池１の製造方法を説明する。なお、以下の説明においては、図７Ａに示す１０−１０線に沿う断面に対応した拡大断面図により、各手順を説明する。
【００７６】
まず、図１０Ａに示すように、膜−触媒接合体４０と、前処理が予め施された一対の第１のフレーム３５ａ、３５ｂを準備する。
【００７７】
次に、各第１のフレーム３５ａ、３５ｂにおいて前処理が施された面３７７ｂに接合用の接着剤３５０を塗布する。接着剤３５０の塗布は、公知の塗布装置６００を使用して行う。
【００７８】
次に、図１０Ｂに示すように、各第１のフレーム３５ａ、３５ｂにおいて接着剤３５０が塗布された部分を膜−触媒接合体４０の外周縁部に向かい合わせて圧接し、各第１のフレーム３５ａ、３５ｂと膜−触媒接合体４０を接合する。この際、カソード３３側に配置される第１のフレーム３５ａとアノード側に配置される第１のフレーム３５ｂとにより膜−触媒接合体４０の外周部分を挟持させる。各第１のフレーム３５ａ、３５ｂには前処理を予め施しているため、膜−触媒接合体４０との間の接合強度を高めることができる。
【００７９】
各第１のフレーム３５ａ、３５ｂの窓部３７１は、膜−触媒接合体４０の略中央部分に位置合わせして配置する。膜−触媒接合体４０の中央部分は、各第１のフレーム３５ａ、３５ｂの窓部３７１を介して外部に露出した状態とする。
【００８０】
枠状に構成された各第１のフレーム３５ａ、３５ｂにより膜−触媒接合体４０を挟持して一体化させているため、膜−触媒接合体４０がばらついたり、よれたりするのを防止できる。このため、製造段階における膜−触媒接合体４０の取り扱いが容易になり、製造作業を迅速に進めることが可能になる。また、膜−触媒接合体４０の外周部分が各第１のフレーム３５ａ、３５ｂにより絶縁された状態となるため、燃料電池１の使用において、膜−触媒接合体４０が不用意に他の導電性部材などと接触して電気抵抗が発生するのを防止することが可能になる。
【００８１】
次に、図１０Ｃに示すように、膜−触媒接合体４０の両面にガス拡散層３８を配置する。各ガス拡散層３８は、各第１のフレーム３５ａ、３５ｂの窓部３７１を介してアノード３２またはカソード３３に直接的に接するように配置する。そして、膜−触媒接合体４０にガス拡散層３８を接合することにより、膜電極接合体３０を製造する。膜−触媒接合体４０とガス拡散層３８との接合は、例えば、ホットプレス等の公知の方法により行うことができる。
【００８２】
カソード３３に接合するガス拡散層３８は、アノード３２に接合するガス拡散層３８よりも、外形寸法を小さく形成している。このため、カソード３３に接合するガス拡散層３８の外周端部が、アノード３２に接合するガス拡散層３８の外周端部よりも膜−触媒接合体４０の中央部分寄りに配置されて、カソード３３に接合した第１のフレーム３５ａの上面側の一部が露出した状態となる。第１のフレーム３５ａにおいて露出した部分は、第２のフレーム３６が接合される接合部分を形成する。なお、各第１のフレーム３５ａ、３５ｂに対する前処理の方法としてコロナ表面改質処理を実施すると、各第１のフレーム３５ａ、３５ｂとガス拡散層３８との間の接合強度をより一層高めることが可能となる。このため、このような接合強度の向上を図る場合には、前処理としてコロナ表面改質処理を選択することが好ましい。
【００８３】
次に、図１１Ａに示すように、前処理が予め施された第２のフレーム３６を準備する。そして、第２のフレーム３６において前処理が施された部分（例えば、溝部３８２の裏面）に接着剤３５０を塗布する。接着剤３５０が塗布された部分は、第１のフレーム３５ａに接合される接合部分を形成する。
【００８４】
次に、図１１Ｂに示すように、第２のフレーム３６において接着剤３５０が塗布された部分を、カソード３３側に配置した第１のフレーム３５ａに圧接して、第１のフレーム３５ａに第２のフレーム３６を接合する。第２のフレーム３６は、第１のフレーム３５ａと接合されることにより、第１のフレーム３５ａを介して膜電極接合体３０と一体化する。第２のフレーム３６には前処理が予め施されているため、第１のフレーム３５ａとの間の接合強度を高めることができる。
【００８５】
以上の手順により、膜電極接合体３０と樹脂フレーム３４（第１のフレーム３５および第２のフレーム３６）とが一体化された膜電極接合体アセンブリ５０を製造する。
【００８６】
次に、膜電極接合体アセンブリ５０にカソード側セパレータ１１およびアノード側セパレータ１２を接合する手順を説明する。
【００８７】
図１２Ａに示すように、第２のフレーム３６において前処理が施された本体部分の両面に接着剤３５０を塗布する。次に、図１２Ｂに示すように、カソード側セパレータ１１をカソード３３に対向配置し、アノード側セパレータ１２をアノード３２に対向配置する。そして、各セパレータ１１、１２の端部を、第２のフレーム３６において接着剤３５０が塗布された部分に圧接し、各セパレータ１１、１２を第２のフレーム３６に接合する。第２のフレーム３６には前処理が予め施されているため、各セパレータ１１、１２との間の接合強度を高めることができる。各セパレータ１１、１２は、第２のフレーム３６と接合されることにより、第２のフレーム３６を介して膜電極接合体アセンブリ５０と一体化する。
【００８８】
各セパレータ１１、１２と膜電極接合体アセンブリ５０とを一体化したものは、燃料電池１を製造するための仕掛り品であるセルモジュール１２０を構成する（図２をも参照）。例えば、各々別途に製造された複数のセルモジュール１２０を相互に積層して組み付けることにより、燃料電池１を製造することが可能となる。なお、膜電極接合体アセンブリ５０とカソードセパレータ１１とを一体化したものは、所定のセル構造１１０を構成する（図２をも参照）。
【００８９】
図１３Ａおよび図１３Ｂを参照して、樹脂フレームの接合手順の対比例を示す。
【００９０】
図１３Ａに示すように、例えば、前処理を実施していない第１のフレーム３５ａ、３５ｂを膜電極接合体３０に組み付けた状態とし、各第１のフレーム３５ａ、３５ｂおよび膜電極接合体３０に対して紫外光照射などによる表面改質処理を実施すると、ガス拡散層３８の撥水性の低下を招いてしまう。ガス拡散層３８の撥水性の低下に伴って液体の排出機能が低下するため、発電効率を低下させてしまう。また、紫外光の影響により、膜電極接合体３０の電解質膜３１に劣化が生じ、耐久性の低下とともに発電効率の低下を招く虞もある。同様に、図１３Ｂに示すように、第２のフレーム３６を第１のフレーム３５ａに対して接合した後に、第２のフレーム３６に対して改質処理を実施する場合においても、ガス拡散層３８の撥水性の低下や電解質膜３１の劣化を生じさせる虞がある。
【００９１】
上記のような対比例に対して、本実施形態によれば、各第１のフレーム３５ａ、３５ｂおよび第２のフレーム３６のそれぞれの接合部分に対して前処理を予め実施した上で、各セパレータ１１、１２を膜電極接合体３０等に接合しているため、前処理による影響でガス拡散層３８の撥水性の低下や電解質膜３１の劣化を招く虞がない。
【００９２】
以上のように本実施形態に係るセル構造１１０においては、膜電極接合体３０を固定的に保持する第２のフレーム３６において液体を排出するための流体排出用の連通路４４０を形成する第２の樹脂フレーム側連通部４１２およびカソード側セパレータ１１のセパレータ側連通部４２２における液体との接触角（θ１）、カソード側セパレータ１１において膜電極接合体３０との間にカソードガス流路１５を形成するガス流路形成部１１ｇにおける液体との接触角（θ２）、膜電極接合体３０のガス拡散層３８における液体との接触角（θ３）が、θ１＜θ２＜θ３を満たすようにしている。このため、膜電極接合体３０付近で生成された水等の液体が、ガス拡散層３８を介してカソードガス流路１５側へ移動し易くなり、さらにカソードガス流路１５を伝わって流体排出用の連通路４４０まで移動した後、流体排出用の連通路４４０内において広がりながらカソードガス排出用マニホールド３６ｄへ向けて移動することになる。生成された液体を排出する排出経路の各部における液体との接触角の大小関係を、液体が生成される部位および液体の導流方向の関係に応じて設定することによって液体をより一層円滑に排出することを可能にしているため、液体の生成に起因した発電効率の低下を効果的に抑制することができる。
【００９３】
また、第２の樹脂フレーム側連通部４１２における液体との接触角（θ１１）、第２のセパレータ側連通部４２２における液体との接触角（θ１２）が、θ１１＜θ１２の関係を満たすため、流体排出用の連通路４４０内に流入した液体をカソードガス排出用マニホールド３６ｄへ向けてより一層円滑に導流することが可能となる。
【００９４】
また、膜−触媒接合体４０の外周部分を挟持して保持するフィルム状の第１のフレーム３５の接合部分と、樹脂成形品により構成され第１のフレーム３５に接合される第２のフレーム３６の接合部分とに親水処理を含む前処理が施されているため、各フレーム３５、３６と他部材との間の接合強度の向上を図ることができる。さらに、枠状に構成された第１のフレーム３５により電解質膜３１、アノード３２、カソード３３のそれぞれを挟持して一体化させているため、製造段階における取り扱いが容易なものとなり、製造作業を迅速に進めることが可能となる。
【００９５】
また、第１のフレーム３５と第２のフレーム３６が、前処理が行われる際に互いの相対的な位置を位置決めするための位置決め機構３６０を有するため、前処理を実施する際に第１のフレーム３５と第２のフレーム３６に位置ずれが生じるのを好適に防止でき、前処理の作業効率を向上させることができる。
【００９６】
また、カソード側セパレータ１１と樹脂フレーム３４とが一体化されてなるセル構造１１０を備える燃料電池１によれば、カソード３３と酸化剤ガスとの反応により生成された液体による発電効率の低下を好適に抑制することができる。よって、長期に亘り高い発電効率を維持し得る燃料電池１を提供することが可能となる。
【００９７】
また、本実施形態に係るセル構造１１０の製造方法によれば、樹脂フレーム３４に対する前処理を、樹脂フレーム３４と膜電極接合体３０とを一体化させる前の状態で実施するため、前処理による影響に伴ってガス拡散層３８の撥水性の低下や電解質膜３１の劣化などが生じるのを防止することができる。さらに、樹脂フレーム３４に対して行われる前処理により、樹脂フレーム３４に対して親水処理を施すことができるため、前処理とは別途に親水処理を施す場合に比べて、製造工程数を削減することができる。
【００９８】
また、セル構造１１０の製造方法において、第１のフレーム３５と第２のフレーム３６とを組み付けた状態で第１のフレーム３５および第２のフレーム３６に対して前処理を実施するため、各フレーム３５、３６に対して別途に前処理を実施する場合に比べて、製造工程数を削減することができる。
【００９９】
（改変例）
図１４には、上述した実施形態の改変例に係る膜電極接合体アセンブリ７５０の部分拡大断面図が示される。
【０１００】
図示するように、膜電極接合体アセンブリ７５０は、例えば、フィルム状の第１のフレーム３５の使用を省略して、樹脂成形品である第２のフレーム３６によって膜電極接合体３０を保持した構成とすることが可能である。
【０１０１】
改変例に係る膜電極接合体アセンブリ７５０によれば、部品点数を削減することができるため、製造がより一層容易なものとなる。また、第２のフレーム３６を、第１のフレーム３５を介さずに膜電極接合体３０に直接的に接合することができるため、第２のフレーム３６と膜電極接合体３０との間の接合強度を向上させることができる。
【０１０２】
膜電極接合体３０との接合に先立ち第２のフレーム３６に対して前処理を実施する点、および、第２のフレーム３６の各部における液体との接触角を調整する点は前述した実施形態と同様である。また、膜電極接合体アセンブリ７５０への各セパレータ１１、１２の接合手順の説明は省略するが、前述した実施形態と同様に、第２のフレーム３６に接着剤を塗布し、当該接着剤を介して各セパレータ１１、１２を接合させることが可能である。
【０１０３】
以上、実施形態を通じて本発明に係るセル構造、セル構造の製造方法、および燃料電池を説明したが、本発明は各実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。
【０１０４】
例えば、実施形態の説明においては、第２のフレーム３６の第２の樹脂フレーム側連通部４１２における液体との接触角（θ１１）およびカソード側セパレータ１１の第２のセパレータ側連通部４２２の液体との接触角（θ１２）のそれぞれを、カソード側セパレ―タ１１のカソードガス側流路形成部１１ｇにおける液体との接触角（θ２）、ガス拡散層３８における液体との接触角（θ３）よりも小さく設定している。ただし、第２のフレーム３６の第２の樹脂フレーム側連通部４１２における液体との接触角（θ１１）およびカソード側セパレータ１１の第２のセパレータ側連通部４２２の液体との接触角（θ１２）の少なくとも一方が、接触角（θ２）、接触角（θ３）よりも小さく設定されていれば、液体の排出性を向上させることが可能であるため、例えば、接触角（θ１１）、接触角（θ１２）のうちの一方のみを、接触角（θ２）、接触角（θ３）よりも小さく設定するように改変することが可能である。
【０１０５】
また、実施形態の説明においては、カソード側セパレータ１１と膜電極接合体アセンブリ５０（膜電極接合体３０および樹脂フレーム３４）との間における液体の排出性を考慮して各部における液体との接触角を設定した例を示した。例えば、アノード側セパレータ１２と膜電極接合体アセンブリ５０との間における液体の排出性を考慮して、カソード側セパレータ１１と同様に、アノード側セパレータ１２および膜電極接合体アセンブリ５０の各部における濡れ性を調整することも可能である。液体の生成に伴うガスの流通性の低下は、例えば、加湿した燃料ガスをアノード３２に供給する場合やカソード３３側で生成された液体がアノード３２側に漏出するような場合に、アノードガス流路１３においても発生し得るためである。
【０１０６】
また、セル構造および当該セル構造を備える燃料電池の各部の構成は、反応ガスの流通を妨げる液体を円滑に排出するように、実施形態において説明した各部における液体との接触角の関係が、θ１＜θ２＜θ３を満たすように構成されている限りにおいて変更することが可能である。したがって、各部材の配置や形状、材質、寸法関係等は説明したもののみに限定されることはなく、また他の付加的な部材の使用やその使用の省略等は適宜に行い得る。
【符号の説明】
【０１０７】
１  燃料電池、
１１  カソード側セパレータ、
１１ａ  アノードガス供給用マニホールド、
１１ｂ  冷却流体供給用マニホールド、
１１ｃ  カソードガス供給用マニホールド（セパレータ側供給用マニホールド）、
１１ｄ  カソードガス排出用マニホールド（セパレータ側排出用マニホールド）、
１１ｅ  冷却流体排出用マニホールド、
１１ｆ  アノードガス排出用マニホールド、
１１ｇ  カソードガス側流路形成部、
１２  アノード側セパレータ、
１２ｇ  アノードガス側流路形成部、
１３  アノードガス流路、
１４  冷却水流路、
１５  カソードガス流路、
３０  膜電極接合体、
３１  電解質膜、
３２  アノード（電極触媒層）、
３３  カソード（電極触媒層）、
３８  ガス拡散層、
３４  樹脂フレーム、
３５、３５ａ、３５ｂ  第１のフレーム、
３６  第２のフレーム、
３６ａ  アノードガス供給用マニホールド、
３６ｂ  冷却流体供給用マニホールド、
３６ｃ  カソードガス供給用マニホールド（樹脂フレーム側供給用マニホールド）、
３６ｄ  カソードガス排出用マニホールド（樹脂フレーム側排出用マニホールド）、
３６ｅ  冷却流体排出用マニホールド、
３６ｆ  アノードガス排出用マニホールド、
４０  膜−触媒接合体、
５０、７５０  膜電極接合体アセンブリ、
１００  燃料電池セル、
１１０  セル構造、
１２０  セルモジュール、
３６０  位置決め機構、
３７４  第１の孔部、
３７５  第２の孔部、
３８４  第１の突起、
３８５  第２の突起、
４１１  第１の樹脂フレーム側連通部、
４１２  第２の樹脂フレーム側連通部（樹脂フレーム側連通部）、
４２１  第１のセパレータ側連通部、
４２２  第２のセパレータ側連通部（セパレータ側連通部）、
４３０  流体供給用の連通路、
４４０  流体排出用の連通路（連通路）。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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