(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側面上に電極触媒層がそれぞれ形成された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の一側面上には外周縁部が残るにようにしつつ前記膜電極接合体の両側面上にそれぞれ配置されたガス拡散層と、
前記外周縁部上に形成された第１の接着剤層と、
前記第１の接着剤層により前記外周縁部上に固定された支持フレームと、
前記支持フレーム上に形成された第２の接着材層と、
周縁部分において前記第２の接着剤層により前記支持フレーム上に固定され、中央部分において前記ガス拡散層に当接するように前記支持フレーム及び前記ガス拡散層の両側面上にそれぞれ配置されたセパレータと、
を備え、
前記支持フレームは、
前記第２の接着剤層により前記セパレータが固定された支持フレーム本体と、
前記支持フレーム本体の内縁部分から前記支持フレーム本体の内側へ延在するように接合部分を介して前記支持フレーム本体の内縁部分に接合された突出部であって、前記第１の接着剤層により前記外周縁部に固定され、前記支持フレーム本体よりも薄い突出部と、
を含み、
前記膜電極接合体の側面に平行な平面方向において、前記第１の接着剤層は、前記第２の接着剤層よりも前記膜電極接合体に近い側に配置され、
前記突出部は、前記セパレータに接着されておらず、
前記突出部を形成する材料のヤング率は、前記支持フレーム本体を形成する材料のヤング率よりも低い、
燃料電池単セル。
【請求項２】
前記接合部分が、二つ以上の面において、前記支持フレーム本体と接合される、
請求項１に記載の燃料電池単セル。
【請求項３】
前記接合部分が、三つの面において、前記支持フレーム本体と接合される、
請求項２に記載の燃料電池単セル。
【請求項４】
前記接合部分と前記支持フレーム本体との接合面積は、前記突出部の厚み方向の断面積よりも大きい、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池単セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池単セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜の両側面上に電極触媒層がそれぞれ形成された膜電極接合体と、膜電極接合体の一側面上には外周縁部が残るにようにしつつ膜電極接合体の両側面上にそれぞれ配置されたガス拡散層と、外周縁部を覆うように形成された接着剤層と、接着剤層上に固定された支持フレームと、周縁部分において熱可塑性を有する別の接着剤層で支持フレームに固定され、中央部分においてガス拡散層に当接するように支持フレーム及びガス拡散層の両側面上にそれぞれ配置されたセパレータと、を備え、支持フレームは、セパレータに固定された支持フレーム本体と、支持フレーム本体の内縁部分から支持フレーム本体の内側へ延在する突出部であって、接着剤層に固定され、支持フレーム本体よりも薄い突出部と、を含む燃料電池単セルが知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２５１２５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記燃料電池単セルでは、セパレータと支持フレームとを接着するために別の接着剤層を加熱しようとすると、別の接着剤層だけでなく別の接着剤層の周囲のセパレータや支持フレームを含む広い領域を加熱することになる。ところが、セパレータとして金属を用い、支持フレームとして樹脂を用いる場合などでは、セパレータの線膨張係数が相対的に小さく、支持フレームの線膨張係数が相体的に大きいため、加熱後の冷却過程において、セパレータの収縮量よりも支持フレームの収縮量が大きくなる。その結果、支持フレームと膜電極接合体との間の接着剤層は支持フレームに引っ張られて、接着剤層に大きな引張応力が生じる。この引張応力は、燃料電池単セルの使用時に燃料電池単セルが低温の環境に置かれる場合、例えば冷間運転時にも発生し得る。これらの引張応力は、接着剤層や接着剤層の下側の膜電極接合体に亀裂を生させるおそれがある。接着剤層や接着剤層の下側の膜電極接合体に亀裂が生じることを抑制する技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、電解質膜の両側面上に電極触媒層がそれぞれ形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一側面上には外周縁部が残るにようにしつつ前記膜電極接合体の両側面上にそれぞれ配置されたガス拡散層と、前記外周縁部上に形成された接着剤層と、前記接着剤層上に固定された支持フレームと、周縁部分において前記支持フレームに固定され、中央部分において前記ガス拡散層に当接するように前記支持フレーム及び前記ガス拡散層の両側面上にそれぞれ配置されたセパレータと、を備え、前記支持フレームは、前記セパレータに固定された支持フレーム本体と、前記支持フレーム本体の内縁部分から前記支持フレーム本体の内側へ延在するように接合部分を介して前記支持フレーム本体の内縁部分に接合された突出部であって、前記接着剤層に固定され、前記支持フレーム本体よりも薄い突出部と、を含み、前記突出部を形成する材料のヤング率は、前記支持フレーム本体を形成する材料のヤング率よりも低い、燃料電池単セル。
【発明の効果】
【０００６】
接着剤層や接着剤層の下側の膜電極接合体に亀裂が生じることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】燃料電池単セルの構成例を示す分解斜視図である。
【図２】燃料電池単セルの構成例を示す部分断面図である。
【図３】支持フレームの構成例を示す断面図である。
【図４】別の実施例の支持フレームの構成例を示す断面図である。
【図５】燃料電池単セルの製造方法の工程を示す部分断面図である。
【図６】燃料電池単セルの製造方法の工程を示す部分断面図である。
【図７】燃料電池単セルの製造方法の工程を示す部分断面図である。
【図８】燃料電池単セルの製造方法の工程を示す部分断面図である。
【図９】燃料電池単セルの製造方法の工程を示す部分断面図である。
【図１０】更に別の実施例の支持フレームの構成例を示す断面図である。
【図１１】更に別の実施例の支持フレームの構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
燃料電池単セルの構成について説明する。図１は、燃料電池単セルの構成例を示す分解斜視図である。燃料電池単セル１は膜電極接合体５を備えている。膜電極接合体５の両側面上にはそれぞれカソードガス拡散層３ｃ及びアノードガス拡散層３ａが配置され、膜電極接合体５の外周には支持フレーム２が接着剤層１０を介して配置される。膜電極接合体５及び支持フレーム２の両側面上にはそれぞれカソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａが配置される。したがって、カソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａがガス拡散層３ｃ、３ａを有する膜電極接合体５及び支持フレーム２の両側面上にそれぞれ組み付けられることにより燃料電池単セル１が形成される。
【０００９】
カソードセパレータ４ｃの中央部分４ｃｍは、膜電極接合体５側（図に示さない側）に一体成型で形成された酸化剤ガス供給路用の複数の溝を有する。中央部分４ｃｍの複数の溝は、図１に示す実施例では一方向の流路であり、図示しない別の実施例ではサーペンタイン型の流路である。カソードセパレータ４ｃにおける中央部分４ｃｍの外側の周縁部分４ｃｅのうち、カソードセパレータ４ｃの長手方向の両端付近には、カソードセパレータ４ｃを貫通するように、酸化剤ガスマニホールド用貫通口６ｃ１、６ｃ２、冷却水マニホールド用貫通口６ｗ１、６ｗ２及び燃料ガスマニホールド用貫通口６ａ１、６ａ２が形成される。周縁部分４ｃｅにおける膜電極接合体５と逆側（図に示す側）では、各貫通口の周囲及び中央部分４ａｍの周囲にシール部材１４を受容するための窪み部１５が形成される。
【００１０】
アノードセパレータ４ａの中央部分４ａｍは、膜電極接合体５側（図に示す側）に一体成型で形成された燃料ガス供給路用の複数の溝を有する。中央部分４ａｍの複数の溝は、図１に示す実施例では一方向の流路であり、図示しない別の実施例ではサーペンタイン型の流路である。アノードセパレータ４ａにおける中央部分４ａｍの外側の周縁部分４ａｅのうち、アノードセパレータ４ａの長手方向の両端付近には、アノードセパレータ４ａを貫通するように、酸化剤ガスマニホールド用貫通口６ｃ３、６ｃ４、冷却水マニホールド用貫通口６ｗ３、６ｗ４及び燃料ガスマニホールド用貫通口６ａ３、６ａ４が形成される。周縁部分４ａｅにおける膜電極接合体５と逆側（図に示さない側）では、各貫通口の周囲及び中央部分４ｃｍの周囲にガスケットのようなシール部材１４が配置可能な平坦面が形成される。
【００１１】
支持フレーム２の長手方向の両端部付近には、支持フレーム２を貫通するように、酸化剤ガスマニホールド用貫通口６ｃ５、６ｃ６、冷却水マニホールド用貫通口６ｗ５、６ｗ６、及び、燃料ガスマニホールド用貫通口６ａ５、６ａ６が形成される。
【００１２】
燃料電池単セル１が形成されるとき、支持フレーム２に支持された膜電極接合体５の両側にカソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａが組み付けられると、カソードセパレータ４ｃ、支持フレーム２及びアノードセパレータ４ａの酸化剤ガスマニホールド用貫通口６ｃ１、６ｃ５、６ｃ３及び６ｃ２、６ｃ６、６ｃ４、冷却水マニホールド用貫通口６ｗ１、６ｗ５、６ｗ３及び６ｗ２、６ｗ６、６ｗ４、並びに、燃料ガスマニホールド用貫通口６ａ１、６ａ５、６ａ３及び６ａ２、６ａ６、６ａ４が厚み方向Ｓに互いに整列される。それにより厚み方向Ｓに延びる通路、すなわち流体貫流路としての酸化剤ガスマニホールド、冷却水マニホールド及び燃料ガスマニホールドが画定される。
【００１３】
図２は、図１のＥ２−Ｅ２に対応する燃料電池単セル１の断面を示している。複数の燃料電池単セル１が燃料電池単セル１の厚み方向Ｓに積層された積層体により燃料電池スタックが形成される。燃料電池単セル１は、燃料ガス（例示：水素ガス）と酸化剤ガス（例示：空気）との電気化学反応により電力を発生する。燃料電池単セル１で発生された電力は、積層体の両端に配置されたターミナルプレートから燃料電池スタックの外部に到る複数の配線を介して燃料電池スタックの外部に取り出される。燃料電池スタックから取り出された電力は例えば電動車両の駆動用電気モータ又は蓄電器に供給される。
【００１４】
燃料電池単セル１の膜電極接合体５は、電解質膜５ｅと、電解質膜５ｅの両側に形成されたカソード電極触媒層５ｃ及びアノード電極触媒層５ａとを備えている。電解質膜５ｅ、カソード電極触媒層５ｃ及びアノード電極触媒層５ａはほぼ同じ大きさを有する。電解質膜５ｅの両側にカソード電極触媒層５ｃ及びアノード電極触媒層５ａが配置されて膜電極接合体５が形成されたとき、電解質膜５ｅ、カソード電極触媒層５ｃ及びアノード電極触媒層５ａはほぼ重なる。図示しない別の実施例では、カソード電極触媒層５ｃ及びアノード電極触媒層５ａの少なくとも一方が電解質膜５ｅよりも小さい。
【００１５】
電解質膜５ｅの材料としては、例えばフッ素系のイオン伝導性を有する高分子膜が挙げられる。図２に示す実施例では、パーフルオロスルホン酸を備えるプロトン導電性を有するイオン交換膜を用いる。カソード電極触媒層５ｃ及びアノード電極触媒層５ａの材料としては、例えば白金又は白金合金のような触媒を担持した触媒担持カーボンが挙げられる。図２に示す実施例では、白金合金を担持した触媒担持カーボンを用いる。図示しない別の実施例では、電解質膜５ｅと同様の材料のアイオノマーが触媒担持カーボンに更に加えられる。
【００１６】
膜電極接合体５の一側面５２上、すなわちカソード電極触媒層５ｃ上にはカソードガス拡散層３ｃが配置され、それによりカソードガス拡散層３ｃが膜電極接合体５に電気的に接続される。また、膜電極接合体５の他側面５１上、すなわちアノード電極触媒層５ａ上にはアノードガス拡散層３ａが配置され、それによりアノードガス拡散層３ａが膜電極接合体５に電気的に接続される。カソードガス拡散層３ｃは膜電極接合体５よりも一回り小さい大きさを有する。膜電極接合体５の一側面５２上にカソードガス拡散層３ｃが配置されたとき、カソードガス拡散層３ｃの周囲における膜電極接合体５の一側面５２に外周縁部５２ｅが枠状に形成される。一方、アノードガス拡散層３ａは膜電極接合体５とほぼ同じ大きさを有する。膜電極接合体５の他側面５１上にアノードガス拡散層３ａが配置されたとき、膜電極接合体５とアノードガス拡散層３ａとはほぼ重なる。
【００１７】
カソードガス拡散層３ｃ及びアノードガス拡散層３ａの材料としては、導電性を有する多孔体、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、ガラス状カーボンのようなカーボン多孔体や、金属メッシュ、発泡金属のような金属多孔体が挙げられる。図２に示す実施例ではカーボンクロスを用いる。図示しない別の実施例では、ポリテトラフルオロエチレンのような撥水性の強い材料が上記多孔体に多孔性が失われない程度に含浸される。図示しない更に別の実施例では、撥水性の強い材料とカーボン粒子とを混合した撥水層が上記多孔体の膜電極接合体５側に形成される。
【００１８】
外周縁部５２ｅ上には接着剤層１０が形成される。接着剤層１０は外周縁部５２ｅと同様の枠状に形成される。図２に示す実施例では、接着剤層１０は外周縁部５２ｅを覆うように外周縁部５２ｅの全面に形成される。接着剤層１０は、外周縁部５２ｅのうち平面方向の外側に位置する外側部分３２と、外周縁部５２ｅのうち平面方向の内側に位置する内側部分３１とを有する。内側部分３１の内側端部はカソードガス拡散層３ｃの外側部分３ｃｅと接する。
【００１９】
接着剤層１０は、熱硬化性を有する接着剤又は紫外線（ＵＶ）硬化性を有する接着剤で形成される。熱硬化性を有する接着剤層１０の材料としてはエポキシ系樹脂の接着剤が挙げられ、紫外線硬化性を有する接着剤層１０の材料としてはラジカル重合性樹脂やカチオン重合性樹脂を用いたＵＶ硬化型接着剤が挙げられる。図２に示す実施例では、ラジカル重合性樹脂を用いたＵＶ硬化型接着剤を用いる。接着剤層１０用の接着剤の塗布用法としては、例えばスクリーン印刷法や、ディスペンサで塗布する方法が挙げられる。図２に示す実施例ではスクリーン印刷法を用いる。
【００２０】
接着剤層１０上には支持フレーム２が配置される。支持フレーム２は、枠形状を有し、カソードガス拡散層３ｃ及びアノードガス拡散層３ａを備える膜電極接合体５を膜電極接合体５の外周において支持する。図３は、支持フレーム２の構成例を示す断面図である。図３に示す実施例では、支持フレーム２は、支持フレーム本体２０と、支持フレーム本体２０の内縁部分２０ａから支持フレーム本体２０の内側へ延在するように接合部分２２を介して支持フレーム本体２０の内縁部分２０ａに接合された突出部２１とを含んでいる。
【００２１】
図３に示す実施例では、突出部２１と接合部分２２とは一体に形成され、同じ厚みを有し、支持フレーム本体２０よりも薄形成されている。例えば支持フレーム本体２０の内縁部分２０ａの厚みが１ｍｍ、突出部２１の厚みが０．３ｍｍである。図２に示されるように、突出部２１は接着剤層１０の外側部分３２上に接着されることにより、膜電極接合体５の外周縁部５２ｅに接着される。突出部２１が膜電極接合体５の外周縁部５２ｅに接着されたとき、突出部２１とカソードガス拡散層３ｃの外側部分３ｃｅとの間に隙間Ｇが形成される。すなわち、支持フレーム２は、カソードガス拡散層３ｃと離間して配置される。一方、図３に示すように、接合部分２２は、接合部分２２の一側面２２ｓ１、端面２２ｓ２及び他側面２２ｓ３が支持フレーム本体２０に囲まれる（覆われる）ように支持フレーム本体２０に接合される。したがって、接合部分２２は、三つの面２２ｓ１、２２ｓ２、２２ｓ３において、支持フレーム本体２０と接合される。
【００２２】
図３に示す実施例では接合部分２２が支持フレーム本体２０の内縁部分２０ａに囲まれるように支持フレーム本体２０に接合されるが、図４に示す別の実施例では接合部分２２が支持フレーム本体２０の内縁部分２０ａの端面に接合される。このとき、図４に示す支持フレーム２では、接合部分２２の端面２２ｓ４が支持フレーム本体２０に接合する。したがって、接合部分２２と支持フレーム本体２０との接合面積、すなわち一つの面２２ｓ４の面積は、突出部２１の厚み方向Ｓの断面積に等しい。一方、図３に示す支持フレーム２では、接合部分２２の一側面２２ｓ１、端面２２ｓ２及び他側面２２ｓ３が支持フレーム本体２０に囲まれる（覆われる）。この場合、接合部分２２と支持フレーム本体２０との接合面積、すなわち三つの面２２ｓ１、２２ｓ２、２２ｓ３の面積の総和は、突出部２１の厚み方向Ｓの断面積よりも大きく、図４の支持フレーム２の接合面積よりも大きい。したがって、図４の支持フレーム２と比較して、図３の支持フレーム２では、接合部分２２と支持フレーム本体２０との接合面積が大きいため、接合部分２２と支持フレーム本体２０との接合が剥がれ難くなるので、支持フレーム２の強度の低下を抑制できる。加えて、接合部分２２と支持フレーム本体２０とは、支持フレーム本体２０の内縁部分２０ａ、すなわち突出部２１よりも厚い部分で接合しているので、支持フレーム２強度の低下を抑制できる。
【００２３】
支持フレーム２は、例えば射出成形機を用いて射出成形で形成される。まず、型締め装置に取り付けられた突出部２１及び接合部分２２用の第１の金型内に、射出装置により突出部２１及び接合部分２２用の材料が射出される。それにより、突出部２１と接合部分２２とが一体成形される。次に、型締め装置に取り付けられた支持フレーム本体２０用の第２の金型内に、射出成形で一体成形された突出部２１及び接合部分２２を配置した後、射出装置により支持フレーム本体２０用の材料が射出される。それにより、一体成形された突出部２１及び接合部分２２のうちの接合部分２２を囲むように支持フレーム本体２０が形成される。このとき、支持フレーム本体２０と接合部分２２とは、支持フレーム本体２０の射出成形時の支持フレーム本体２０材料の熱により、三つの面２２ｓ１、２２ｓ２、２２ｓ３において熱溶着される。
【００２４】
支持フレーム２は電気絶縁性及び気密性を有する材料で形成される。更に、支持フレーム２の支持フレーム本体２０は、燃料電池単セル１に加わる外力などに対して燃料電池単セル１が変形し難くなるよう、支持フレーム本体２０が燃料電池単セル１の形状を維持できるように、高剛性の材料、すなわちヤング率の高い材料で形成される。例えば、ヤング率が１０００ＭＰａ以上の材料を用いる。支持フレーム本体２０の材料としては、例えば、ポリプロピレン系樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフテラート系樹脂及びポリエチレンナフタレート系樹脂のような樹脂が挙げられる。図３に示す実施例では、支持フレーム本体２０の材料として、接着剤層１０の硬化に使用される所定の波長（例示：３６５ｎｍ）の紫外線が透過可能なポリプロピレン系樹脂を用いる。これらの材料の典型的なヤング率は例えば約１０００〜３０００ＭＰａ程度である。また、これらの材料の典型的な線膨張係数は例えば約１００×１０−６／℃程度である。
【００２５】
一方、支持フレーム２の突出部２１及び接合部分２２は、外力に対して変形し易いよう、低剛性の材料、すなわちヤング率の低い材料で形成される。例えば、ヤング率が５００ＭＰａ以下の材料のような、支持フレーム本体２０を形成する材料のヤング率よりも小さいヤング率を有する材料を用いる。突出部２１及び接合部分２２を形成する材料としては、例えば、エラストマーが挙げられる。エラストマーとしては、例えば、ポリエステル系樹脂、オレフィン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、スチレン系樹脂、アミド系樹脂、が挙げられる。エラストマーは支持フレーム本体２０の材料に応じて適宜選択される。例えば、熱可塑性エラストマーを用いる場合、支持フレーム本体２０と接合部分２２との接合を強固にするために、分子拘束成分（ハードセグメント）は支持フレーム本体２０の材料と同様の樹脂を用いることが好ましい。図３に示す実施例では、ポリプロピレンの中に、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ、ＥＰＭ）を混ぜたエラストマーを用いる。これらの材料の典型的なヤング率は例えば約１０〜５００ＭＰａ程度である。なお、図３に示す実施例では突出部２１及び接合部分２２は同一の材料で形成されているが、図示しない別の実施例では突出部２１及び接合部分２２は異なる材料で形成される。
【００２６】
カソードガス拡散層３ｃ及びアノードガス拡散層３ａを備える膜電極接合体５と支持フレーム２の両側面上のそれぞれには、それらを挟持する一対のカソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａが配置される。
【００２７】
カソードセパレータ４ｃの周縁部分４ｃｅは支持フレーム２の支持フレーム本体２０の一側面に熱可塑性又は熱硬化性を有する接着剤層１３ｃで固定される。カソードセパレータ４ｃの周縁部分４ｃｅよりも内側の中央部分４ｃｍはカソードガス拡散層３ｃに当接し、それによりカソードセパレータ４ｃはカソードガス拡散層３ｃに電気的に接続される。中央部分４ｃｍの酸化剤ガス供給路用の複数の溝とカソードガス拡散層３ｃとにより図２に示すように複数の酸化剤ガス供給路８が形成される。複数の酸化剤ガス供給路８から供給される酸化剤ガスがカソードガス拡散層３ｃを介して膜電極接合体５へ供給される。
【００２８】
一方、アノードセパレータ４ａの周縁部分４ａｅは支持フレーム２の支持フレーム本体２０の他側面に熱可塑性又は熱硬化性を有する接着剤層１３ａで固定される。アノードセパレータ４ａの周縁部分４ａｅよりも内側の中央部分４ａｍはアノードガス拡散層３ａに当接し、それによりアノードセパレータ４ａはアノードガス拡散層３ａに電気的に接続される。中央部分４ａｍの燃料ガス供給路用の複数の溝とアノードガス拡散層３ａとにより図２に示すように複数の燃料ガス供給路７が形成される。複数の燃料ガス供給路７から供給される燃料ガスがアノードガス拡散層３ａを介して膜電極接合体５へ供給される。
【００２９】
隣り合う二つの燃料電池単セル１では、一方の燃料電池単セル１のカソードセパレータ４ｃと他方の燃料電池単セル１のアノードセパレータ４ａとがシール部材１４を介して当接する。その結果、二つの酸化剤ガス供給路８と二つの燃料ガス供給路７とに囲まれた冷却水供給路（図示せず）が形成される。
【００３０】
カソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａは、酸化剤ガス、燃料ガス、冷却水を透過させず、導電性を有する材料で形成される。カソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａの材料としては、例えばステンレスやチタンのような金属が挙げられる。図２に示す実施例では、カソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａの材料としてチタンを用いる。これらの材料の典型的な線膨張係数は例えば約１０×１０−６／℃程度である。
【００３１】
支持フレーム２の線膨張係数は、カソードセパレータ４ｃやアノードセパレータ４ａの線膨張係数と比較して非常に大きい。そのため、セパレータ４ｃ、４ａと支持フレーム２とを接着するために接着剤層１３ｃ、１３ａを加熱した後の冷却過程において、あるいは、燃料電池単セル１の冷間運転時において、支持フレーム２の収縮量はセパレータ４ｃ、４ａの収縮量よりも非常に大きくなり得る。すなわち収縮量に大きな差が生じ得る。ここで、図２の実施例では、支持フレーム本体２０は接着剤層１３ｃ、１３ａによりセパレータ４ｃ、４ａに固定されているため収縮量は大きくならない。一方、突出部２１はセパレータ４ｃ、４ａに接着されていないため収縮しようとする。ここで、仮に、突出部２１を形成する材料のヤング率を大きく、例えば支持フレーム本体２０のヤング率と同じにすると、突出部２１は引張応力に対して弾性変形し難いため、突出部２１がほとんど伸長することはなく、突出部２１の収縮量は大きくなる。そのため、接着剤層１０及び膜電極接合体５に大きい引張応力が生じることになる。その結果、接着剤層１０の亀裂や膜電極接合体５の損傷などが発生し、クロスリークの原因となるおそれがある。
【００３２】
そこで、本実施例の支持フレーム２では、突出部２１を形成する材料のヤング率を小さく、例えば支持フレーム本体２０のヤング率よりも小さくしている。それにより、突出部２１は引張応力に対して弾性変形し易いため、突出部２１が伸長して、突出部２１の収縮量は小さくなる。そのため、接着剤層１０及び膜電極接合体５の引張応力は小さくなる。その結果、接着剤層１０の亀裂や膜電極接合体５の損傷などが抑制され、クロスリークが抑制される。
【００３３】
次に、燃料電池単セルの製造方法について説明する。図５〜図９は、燃料電池単セル１の製造方法の各工程を示す部分断面図である。
【００３４】
まず、図５に示すように、他側面５１上にアノードガス拡散層３ａが配置され、一側面５２が露出された膜電極接合体５を準備する。アノードガス拡散層３ａと膜電極接合体５とは、例えばホットプレス工程により加熱・圧縮されて予め接合されている。
【００３５】
次に、図６に示すように、膜電極接合体５の一側面５２上に外周縁部５２ｅが残るようにカソードガス拡散層３ｃを配置する。その後、カソードガス拡散層３ｃと膜電極接合体５とは、例えばホットプレス工程により加熱・圧縮されて接合される。
【００３６】
次に、図７に示すように、外周縁部５２ｅ上に、紫外線硬化性を有する接着剤層１０を形成する。図７に示す実施例では、接着剤層１０の材料としては、ラジカル重合性樹脂を用いたＵＶ硬化型接着剤を用いる。また、接着剤層１０は外周縁部５２ｅの全面に形成される。接着剤層１０の形成方法としては、スクリーン印刷でＵＶ硬化型接着剤を外周縁部５２ｅ上に塗布する方法を用いる。図示しない別の実施例では、膜電極接合体５の一側面５２上に接着剤層１０を先に形成し、その後にカソードガス拡散層３ｃを形成する。
【００３７】
続いて、図８に示すように、図３に示される支持フレーム２を用意する。図８に示す実施例では、支持フレーム本体２０の材料としてはポリプロピレン系樹脂が用いられ、突出部２１及び接合部分２２の材料としてはポリプロピレンの中に、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ、ＥＰＭ）を混ぜたエラストマーを用いる。続いて、接着剤層１０上に支持フレーム２を配置する。図８に示す実施例では、支持フレーム２の突出部２１を接着剤層１０上に配置する。その結果、接着剤層１０の外側部分３２上に支持フレーム２の突出部２１が接し、接着剤層１０の内側部分３１が露出する。それにより、支持フレーム２は接着剤層１０に粘着される。
【００３８】
その後、膜電極接合体５の一側面５２側から他側面５１側へ向かう方向に支持フレーム２を押圧しながら、接着剤層１０に所定波長（例示：３６５ｎｍ）の紫外線ＵＶを照射する。ここで、突出部２１はポリプロピレン系の樹脂であるため、所定波長の紫外線ＵＶが透過可能である。そのため、接着剤層１０は紫外線を受けて硬化する。照射条件（例示：紫外線の光量、照射時間など）は、接着剤層１０の材料により適宜選択される。これにより、接着剤層１０は膜電極接合体５と接着し、それにより支持フレーム２と膜電極接合体５とを接着する。
【００３９】
その後、図９に示すように、カソードセパレータ４ｃの周縁部分４ｃｅ及びアノードセパレータ４ａの周縁部分４ａｅをそれぞれ接着剤層１３ｃ及び１３ａを介して支持フレーム２に配置する。そして、接着剤層１３ｃ及び１３ａを加熱、溶融後に冷却、硬化させて、カソードセパレータ４ｃの周縁部分４ｃｅ及びアノードセパレータ４ａの周縁部分４ａｅと支持フレーム２とを接着する。それにより、セパレータ４ｃ、４ａにより、ガス拡散層３ｃ、３ａを有する膜電極接合体５及び支持フレーム２が挟持される。このようにして、膜電極接合体５、ガス拡散層３ｃ、３ａ、支持フレーム２、セパレータ４ｃ、４ａが一体化される。
【００４０】
以上の工程により、燃料電池単セル１が形成される。
【００４１】
次に図１０を参照して別の実施例の支持フレーム２について説明する。この支持フレーム２では、接合部分２２の一側面２２ｓ５及び端面２２ｓ６が支持フレーム本体２０に覆われるように支持フレーム本体２０に接合される。したがって、接合部分２２は、二つの面２２ｓ５、２２ｓ６において、支持フレーム本体２０と接合される。突出部２１の厚みは、接合部分２２の厚みと概ね同じかやや薄い。この場合、接合部分２２を囲むように支持フレーム本体２０を形成する必要が無いので、図３の場合と比較して支持フレーム２の形成が容易になる。
【００４２】
次に図１１を参照して更に別の実施例の支持フレーム２について説明する。この支持フレーム２では、接合部分２２の端面２２ｓ７が支持フレーム本体２０に接するように支持フレーム本体２０に接合される。突出部２１の厚みは、接合部分２２の厚みより薄い。この場合、接合部分２２を囲むように支持フレーム本体２０を形成する必要が無いので、図３の場合と比較して支持フレーム２の形成が容易になる。
【００４３】
なお、上記各実施例では、膜電極接合体５の一側面５２はカソード極側面であり、他側面５１はアノード極側面である。図示しない更に別の実施例では、膜電極接合体５の一側面はアノード極側面であり、他側面はカソード極側面である。
【符号の説明】
【００４４】
１    燃料電池単セル
２    支持フレーム
３ａ    アノードガス拡散層
３ｃ    カソードガス拡散層
４ａ    アノードセパレータ
４ｃ    カソードセパレータ
５    膜電極接合体
１０    接着剤層
２０    支持フレーム本体
２１    突出部
２２    接合部分
５１    他側面（膜電極接合体）
５２    一側面（膜電極接合体）
５２ｅ    外周縁部
【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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