(57)【要約】電極部外縁と枠体内縁の間に、枠体（２）に一体となって接合された弾性体（４ｃ，４ｂ）が設けられて、単電池モジュール組立て後に弾性体が電極−膜−枠接合体（１５）の厚み方向に弾性変形して電極−膜−枠接合体とセパレータとの間を密着封止する。
2008001755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の片方の面にアノード電極が接合されかつ前記電解質膜の他方の面にカソード電極が接合されて構成される電極部と、前記電極部の周縁部に置かれかつ前記アノード電極及び前記カソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を具備したマニホールド形成用枠体とを有して構成される電極−膜−枠接合体と、前記電極部及び前記電極−膜−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータとを備えて構成される単電池モジュールを積層してなる高分子電解質型燃料電池であって、
前記電極部の外縁と前記枠体の内縁の間に弾性体が設けられ、この弾性体は前記枠体に一体となって接合されており、且つ単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法以上の長さを有して、前記単電池モジュール組立て後に前記弾性体が前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間を密着封止する固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記弾性体に、前記セパレータと接触して弾性変形可能な複数のショートカット防止用リブを備えて、前記単電池モジュール組立て後に前記リブが前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に対して交差する方向に弾性変形する、請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記複数のリブの間には、前記リブの弾性変形した部分及び前記弾性体の弾性変形した部分が逃げ込む凹部が備えられて、前記弾性体の弾性変形した部分及び前記リブの弾性変形した部分を前記凹部内に延出させる、請求項２に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記弾性体は、前記ガス供給部近傍では、前記単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法未満の長さを有して、前記弾性体と前記セパレータとの間に、ガス供給用の空間を形成するようにした請求項２に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側又は前記カソード側の一方側にのみ配置し、前記電極−膜−枠接合体の他方側には、前記枠体を内縁方向の中心側に向けて延長して形成してセパレータ積層時の前記弾性体の圧縮圧を受ける延長部を有するようにした請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側と前記カソード側のそれぞれに配置し、かつ、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側と前記カソード側のそれぞれに配置し、かつ、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした請求項５に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項８】
前記高分子電解質膜の片方の面に接合された前記アノード電極の外縁の位置と前記高分子電解質膜の他方の面に接合された前記カソード電極の外縁の位置とを相互にずらせて配置することにより、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした請求項６に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項９】
前記高分子電解質膜の片方の面に接合された前記アノード電極の外縁の位置と前記高分子電解質膜の他方の面に接合された前記カソード電極の外縁の位置とを相互にずらせて配置することにより、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした請求項７に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項１０】
前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項１１】
前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項５に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項１２】
前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項６に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項１３】
前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項７に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項１４】
前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項８に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項１５】
前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項９に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項１６】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟みかつ少なくともガス拡散層を備える第１電極及び第２電極と、
前記第１電極に反応ガスを供給し排出するための流路を有する第１セパレータと、
前記第２電極に反応ガスを供給し排出するための流路を有する第２セパレータと、
前記第１電極及び前記第２電極の周縁部に配置された矩形の開口部を有する枠体とで構成される固体高分子型燃料電池であって、
前記第１電極の外縁と前記枠体の第１電極側の内縁との間に第１弾性体が設けられており、
前記第１電極の前記ガス拡散層の外縁の少なくとも一部が、対向する前記第２電極の前記ガス拡散層の外縁より外側に延伸して配置されており、
前記第１電極の前記ガス拡散層の外縁の少なくとも一部と、前記枠体の前記第２電極側の内縁の少なくとも一部とが、互いに対向して配置される、
固体高分子型燃料電池。
【請求項１７】
前記第２電極の外縁と前記枠体の第１電極側の内縁との間に第２弾性体がさらに設けられている請求項１６に記載の固体高分子型燃料電池。
【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、燃料電池の電解質膜−電極接合体と導電性セパレータとのシール構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】  固体高分子電解質型燃料電池の最も代表的なものは、周縁部にガスをシールするためのガスケットを配した枠体で支持された高分子電解質膜と、前記電解質膜の一方の面にアノードが接合されかつ前記電解質膜の他方の面にカソードが接合されて構成される電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）と、前記ＭＥＡを挟むアノード側導電性セパレータ板及びカソード側導電性セパレータ板とを有して構成され、前記アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部が、前記セパレータ板の内の前記ＭＥＡと当接する中央部の周縁に形成されている。【０００３】  しかし、この従来の固体高分子電解質型燃料電池は、図１２に示すように枠体３００とセパレータ３０１との組立て上の必要性から、枠体３００の内縁と電極３０２との間に隙間３０３があることから、電池内に供給されたガスの一部は、この隙間３０３を伝って排出されてしまうクロスリークといわれる現象が起きる。【０００４】  又、この現象の改善の為、図１３に示すように、この隙間３０３に第２のガスケット３０８を配置したり（特許文献１）、ガスケットの内縁の一部と電極３０２の外縁が部分的に接する様に設置する手段（特許文献２）が提案されている。【０００５】  又、高分子電解質膜は枠体厚みのほぼ中央に組み込まれており、その接合方法として熱圧着、接着剤、機械的クランプなどが採用されている。【０００６】
【特許文献１】特願  ２００４−２９６７０２
【特許文献２】特開  ２００５−１００９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  しかしながら、前記した高分子電解質膜の熱圧着又は接着による接合方法では、高分子電解質膜に熱、及び接着剤の揮発成分による性能低下を招く可能性があり、条件が限られていた。また、前記機械的クランプによる接合方法では、高分子電解質膜と枠体の微小な隙間からクロスリークが発生し易いといった問題が発生していた。【０００８】  前記特許文献１の手法として、枠体３００の内縁と電極３０２との間に隙間３０３を防止する第２のガスケット３０８を配置することによりコストがかかるといった問題がある。さらに、このガスケット３０８を部分的に溶融させて隙間を埋めるとき、寸法管理が困難であるといった問題もある。【０００９】  前記特許文献２の手法として、ガスケットの内縁の一部と電極３０２の外縁との部分的な接触では、効果が不十分であり、又、ガス拡散電極は一般にもろい炭素繊維が主成分の為、組み立て時に電極にダメージ与えやすいといった問題もある。【００１０】  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、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる固体高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  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。【００１２】  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アノード電極が接合されかつ前記電解質膜の他方の面にカソード電極が接合されて構成される電極部と、前記電極部の周縁部に置かれかつ前記アノード電極及び前記カソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を具備したマニホールド形成用枠体とを有して構成される電極−膜−枠接合体と、前記電極部及び前記電極−膜−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータとを備えて構成される単電池モジュールを積層してなる高分子電解質型燃料電池であって、
前記電極部の外縁と前記枠体の内縁の間に弾性体が設けられ、この弾性体は前記枠体に一体となって接合されており、且つ単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法以上の長さを有して、前記単電池モジュール組立て後に前記弾性体が前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間を密着封止する固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００１３】  本発明の第２態様によれば、前記弾性体に、前記セパレータと接触して弾性変形可能な複数のショートカット防止用リブを備えて、前記単電池モジュール組立て後に前記リブが前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に対して交差する方向に弾性変形する、第１の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００１４】  本発明の第３態様によれば、前記複数のリブの間には、前記リブの弾性変形した部分及び前記弾性体の弾性変形した部分が逃げ込む凹部が備えられて、前記弾性体の弾性変形した部分及び前記リブの弾性変形した部分を前記凹部内に延出させる、第２態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００１５】  本発明の第４態様によれば、前記弾性体は、前記ガス供給部近傍では、前記単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法未満の長さを有して、前記弾性体と前記セパレータとの間に、ガス供給用の空間を形成するようにした第２の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００１６】  本発明の第５態様によれば、前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側又は前記カソード側の一方側にのみ配置し、前記電極−膜−枠接合体の他方側には、前記枠体を内縁方向の中心側に向けて延長して形成してセパレータ積層時の前記弾性体の圧縮圧を受ける延長部を有するようにした第１〜４のいずれか１つの態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００１７】  本発明の第６態様によれば、前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側と前記カソード側のそれぞれに配置し、かつ、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした第１〜４のいずれか１つの態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００１８】  本発明の第７態様によれば、前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側と前記カソード側のそれぞれに配置し、かつ、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした第５の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００１９】  本発明の第８態様によれば、前記高分子電解質膜の片方の面に接合された前記アノード電極の外縁の位置と前記高分子電解質膜の他方の面に接合された前記カソード電極の外縁の位置とを相互にずらせて配置することにより、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした第６の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００２０】  本発明の第９態様によれば、前記高分子電解質膜の片方の面に接合された前記アノード電極の外縁の位置と前記高分子電解��膜の他方の面に接合された前記カソード電極の外縁の位置とを相互にずらせて配置することにより、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした第７の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００２１】  本発明の第１０態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第１〜４のいずれか１つの態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００２２】  本発明の第１１態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第５の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００２３】  本発明の第１２態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第６の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００２４】  本発明の第１３態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第７の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００２５】  本発明の第１４態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第８の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００２６】  本発明の第１５態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第９の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【００２７】  本発明の第１６態様によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟みかつ少なくともガス拡散層を備える第１電極及び第２電極と、
前記第１電極に反応ガスを供給し排出するための流路を有する第１セパレータと、
前記第２電極に反応ガスを供給し排出するための流路を有する第２セパレータと、
前記第１電極及び前記第２電極の周縁部に配置された矩形の開口部を有する枠体とで構成される固体高分子型燃料電池であって、
前記第１電極の外縁と前記枠体の第１電極側の内縁との間に第１弾性体が設けられており、
前記第１電極の前記ガス拡散層の外縁の少なくとも一部が、対向する前記第２電極の前記ガス拡散層の外縁より外側に延伸して配置されており、
前記第１電極の前記ガス拡散層の外縁の少なくとも一部と、前記枠体の前記第２電極側の内縁の少なくとも一部とが、互いに対向して配置される、
固体高分子型燃料電池を提供する。【００２８】  本発明の第１７態様によれば、前記第２電極の外縁と前記枠体の第１電極側の内縁との間に第２弾性体がさらに設けられている第１６の態様に記載の固体高分子型燃料電池を提供する。
【発明の効果】
【００２９】  前記構成によれば、高分子電解質膜などを保持する枠体の内側の縁部に、例えば平面的には枠状のアノード側弾性体と平面的には枠状のカソード側弾性体とを備えるとともに、各弾性体は、単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法以上の長さを有するようにして、前記単電池モジュール組立て後に前記弾性体が前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間を密着封止するようにしている。このようにすれば、単セルの組立時に、枠体とアノード側セパレータとの間でアノード側弾性体を弾性変形させ、弾性変形したアノード側弾性体が枠体とアノード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。同様に、カソード側でも、単セルの組立時に、枠体とカソード側セパレータとの間でカソード側弾性体を弾性変形させ、弾性変形したカソード側弾性体が枠体とカソード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。【００３０】  この結果、弾性変形したアノード側弾性体と弾性変形したカソード側弾性体とにより枠体とアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとの間がそれぞれ密着封止されて、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、枠体の縁部沿いの還元剤ガスの短絡的な流れ及び枠体の縁部沿いの酸化剤ガスの短絡的な流れをそれぞれ抑制することができて、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる。【００３１】  また、高分子電解質膜などを保持する枠体の内側の縁部に、所定間隔毎に多数配置されたアノード側リブとカソード側リブとを、さらに、それぞれ備えるようにすれば、単セルの組立時に、枠体とアノード側セパレータとの間でアノード側弾性体とアノード側リブとをそれぞれ弾性変形させ、弾性変形した部分が、例えば隣接するアノード側リブとの間の空間にそれぞれ入り込み、弾性変形したアノード側弾性体と弾性変形したアノード側リブがほぼ連続的に枠体とアノード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。また、カソード側でも同様に、単セルの組立時に、枠体とカソード側セパレータとの間でカソード側弾性体とカソード側リブとをそれぞれ弾性変形させ、弾性変形した部分が、例えば隣接するカソード側リブとの間の空間にそれぞれ入り込み、弾性変形したカソード側弾性体と弾性変形したカソード側リブがほぼ連続的に枠体とカソード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。【００３２】  この結果、弾性変形したアノード側弾性体と弾性変形したアノード側リブと弾性変形したカソード側弾性体と弾性変形したカソード側リブとにより枠体とアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとの間がそれぞれ密着封止されて、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、枠体の縁部沿いの還元剤ガスの短絡的な流れ及び枠体の縁部沿いの酸化剤ガスの短絡的な���れをそれぞれ抑制することができて、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】  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実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の概略構成を示す模式構成図であり、
【図２】図２は、図１に示す燃料電池が備える燃料電池用スタックの模式分解図であり、
【図３Ａ】図３Ａは、前記燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図であり、
【図３Ｂ】図３Ｂは、前記単セルの組立後の概略断面図であり、
【図３Ｃ】図３Ｃは、弾性体が無い場合の比較例の燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図であり、
【図３Ｄ】図３Ｄは、前記弾性体が無い場合の比較例の単セルの組立後の概略断面図であり、
【図３Ｅ】図３Ｅは、組立て精度誤差のために生じうる、わずかな隙間が残る場合を説明するための、燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図であり、
【図３Ｆ】図３Ｆは、組立て精度誤差のために生じうる、わずかな隙間を除去することを説明するための、燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図であり、
【図３Ｇ】図３Ｇは、組立て精度誤差のために生じうる、わずかな隙間を除去することを説明するための、燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図であり、
【図４Ａ】図４Ａは、前記単セルの組立前の斜視図であり、
【図４Ｂ】図４Ｂは、前記単セルの組立前の一部拡大断面模式図であり、
【図４Ｃ】図４Ｃは、前記単セルの組立後の斜視図であり、
【図４Ｄ】図４Ｄは、リブ付きの単セルの組立後の一部拡大断面模式図であり、
【図４Ｅ】図４Ｅは、前記リブ付きの単セルの組立前の斜視図であり、
【図４Ｆ】図４Ｆは、前記リブ付きの単セルの組立前の一部拡大断面模式図であり、
【図４Ｇ】図４Ｇは、前記リブ付きの単セルの組立後の斜視図であり、
【図４Ｈ】図４Ｈは、前記リブ付きの単セルの組立後の一部拡大断面模式図であり、
【図４Ｉ】図４Ｉは、前記単セルの弾性体付近の拡大断面模式図であり、
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図であり、
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａの前記単セルの組立後の概略断面図であり、
【図６】図６は、前記第１又は第２実施形態の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図であり、
【図７Ａ】図７Ａは、前記第１又は第２実施形態の別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図であり、
【図７Ｂ】図７Ｂは、前記第１又は第２実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図であり、
【図７Ｃ】図７Ｃは、前記図７Ｂの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略平面図であり、
【図７Ｄ】図７Ｄは、前記図７Ｂの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略断面図であり、
【図７Ｅ】図７Ｅは、前記第１又は第２実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図であり、
【図７Ｆ】図７Ｆは、前記図７Ｅの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略平面図であり、
【図７Ｇ】図７Ｇは、前記図７Ｅの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略断面図であり、
【図７Ｈ】図７Ｈは、前記第１又は第２実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の電極−膜−枠接合体の概略平面図であり、
【図７Ｉ】図７Ｉは、前記図７Ｈの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前でかつ弾性体成形前の概略断面図であり、
【図７Ｊ】図７Ｊは、前記図７Ｈの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後（弾性体成形後）の概略断面図であり、
【図７Ｋ】図７Ｋは、前記第１又は第２実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図であり、
【図７Ｌ】図７Ｌは、前記図７Ｋの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略平面図であり、
【図７Ｍ】図７Ｍは、前記図７Ｋの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略断面図であり、
【図８Ａ】図８Ａは、前記第１実施形態の前記単セルの枠体本体の平面図であり、
【図８Ｂ】図８Ｂは、前記枠体本体にガスケットを配置した状態での前記第１実施形態の前記単セルの枠体のアノード側の表面の正面図であり、
【図８Ｃ】図８Ｃは、前記枠体本体にガスケットを配置した状態での前記第１実施形態の前記単セルの枠体のカソード側の表面の正面図であり、
【図８Ｄ】図８Ｄは、弾性体に熱可塑性樹脂を使用することを説明するための前記枠体の部分拡大図であり、
【図８Ｅ】図８Ｅは、枠体が無い場合の不具合を説明するため、枠体が無く、高分子電解質膜に２つのガスケットを直接配置した場合の燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図であり、
【図８Ｆ】図８Ｆは、図８Ｅの場合の前記単セルの組立後の初期時の概略断面図であり、
【図８Ｇ】図８Ｇは、図８Ｅの場合の前記単セルの組立後でかつ長期間使用後の概略断面図であり、
【図８Ｈ】図８Ｈは、枠体が有る場合の前記燃料電池用スタックの前記単セルの組立前の概略断面図であり、
【図８Ｉ】図８Ｉは、図８Ｈの場合の前記単セルの組立後の初期時及び長期間使用後の概略断面図であり、
【図９Ａ】図９Ａは、前記第１実施形態の前記単セルのガス流路部分の組立前の概略断面図であり、
【図９Ｂ】図９Ｂは、前記第１実施形態の前記単セルのガス流路部分の組立後の概略断面図であり、
【図１０Ａ】図１０Ａは、前記第１又は第２実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図であり、
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、前記図１０Ａの別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図であり、
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、前記第１又は第２実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図であり、
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、前記図１０Ｃの別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図であり、
【図１１Ａ】図１１Ａは、アノード電極側の弾性体とカソード電極側の弾性体の位置をずらせていない場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型型締め前の工程の説明図であり、
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａの場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型型締め中の工程の説明図であり、
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１１Ａの場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型の溶融樹脂注入工程の説明図であり、
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、アノード電極側の弾性体とカソード電極側の弾性体の位置をずらせている場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型型締め前の工程の説明図であり、
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、図１１Ｄの場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型型締め中の工程の説明図であり、
【図１１Ｆ】図１１Ｆは、図１１Ｄの場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型の溶融樹脂注入工程の説明図であり、
【図１２】図１２は、従来例の固体高分子電解質型燃料電池の電解質膜−電極接合体とセパレータの分解断面図であり、
【図１３】図１３は、従来例の固体高分子電解質型燃料電池の電解質膜−電極接合体の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】  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。【００３５】  （第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の概略構成を示す模式構成図を図１に示す。また、図１に示す燃料電池１０１が備える燃料電池用スタック（以降、スタックという。）の模式分解図を図２に示す。【００３６】  燃料電池１０１は、例えば固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、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で、電力、熱、及び水を同時に発生させるものである。図１に示すように、燃料電池１０１には、アノード及びカソードの一対の極を備える燃料電池セル（あるいは単セル）が複数個直列に接続された積層構造を有するスタック３０と、燃料ガスから水素を取り出す燃料処理器３１と、燃料処理器３１にて取り出された水素を含む燃料ガスを加湿することで発電効率を向上させるアノード加湿器３２と、酸素含有ガス（酸化剤ガス）に対しての加湿を行うカソード加湿器３３と、燃料ガスと酸素含有ガスとをそれぞれ供給するためのポンプ３４、３５とが備えられている。すなわち、燃料処理器３１、アノード加湿器３２、及びポンプ３４により燃料ガスをスタック３０の各セルに供給する燃料供給装置が構成されており、また、カソード加湿器３３とポンプ３５とにより酸化剤ガスをスタック３０の各セルに供給する酸化剤供給装置が構成されている。なお、このような燃料供給装置や酸化剤供給装置は、燃料や酸化剤の供給を行う機能を備えていればその他様々な形態を採用し得るが、本実施形態においては、スタック３０が備える複数のセルに対して、共通して燃料や酸化剤を供給する供給装置であれば、後述する本実施形態の効果を好適に得ることができる。【００３７】  また、燃料電池１０１には、発電の際にスタック３０にて発生される熱を効率的に除去するための冷却水を循環供給するためのポンプ３６と、この冷却水（例えば、導電性を有さない液体、例えば純水が用いられる。）により除去された熱を、水道水等の流体に熱交換するための熱交換器３７と、熱交換された水道水を貯留させる貯湯タンク３８とが備えられている。さらに、燃料電池１０１には、このようなそれぞれの構成部を互いに関連付けて発電のための運転制御を行う運転制御装置４０と、スタック３０にて発電された電気を取り出す電気出力部４１とが備えられている。【００３８】  また、図２に示すように、この燃料電池１０１が備えるスタック３０は、基本単位構成である単セル（単電池モジュール）２０を複数個積層し、集電板２１、絶縁板２２、端板２３で両側から所定の荷重で締結して構成されている。それぞれの集電板２１には、電流取り出し端子部２１ａが設けられており、発電時にここから電流、すなわち電気が取り出される。それぞれの絶縁板２２は、集電板２１と端板２３の間を絶縁するとともに、図示しないガスや冷却水の導入口、排出口が設けられている場合もある。それぞれの端板２３は、複数枚積層された単セル２０と集電板２１、絶縁板２２を図示しない加圧手段によって所定の荷重で締結し、保持している。【００３９】  図２に示すように、単セル２０は、ＭＥＡ（膜電極複合体）１５を一対のセパレータ５ｂ，５ｃで挟み込むようにして構成されている。ＭＥＡ１５は、水���イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１ａのアノード面側に、白金−ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（アノード側触媒層）１１２を形成し、カソード面側には、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（カソード側触媒層）１１３を形成し、これらの触媒層１１２及び１１３の外面に、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層１１４を配置して構成されたものである。高分子電解質膜１ａ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）が一般に使用される。なお、以下では、アノード側触媒層１１２とガス拡散層１１４とを合わせてアノード電極１ｂと呼び、カソード側触媒層１１３とガス拡散層１１４とを合わせてカソード電極１ｃと呼ぶものとする。【００４０】  なお、この明細書及び請求の範囲では、電極とは、少なくともＧＤＬ（ガス拡散層）を含むものを意味する。【００４１】  セパレータ５ｂ，５ｃ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の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が一般的に用いられる。セパレータ５ｂ，５ｃにおけるＭＥＡ１５と接触する部分には凹状の溝部が形成されており、この溝部がガス拡散層１１４と接することで、電極面に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給し、余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス拡散層１１４は、その基材として一般的に炭素繊維で構成されたものを用いることができ、このような基材としては例えば炭素繊維織布を用いることができる。【００４２】  前記単セル２０の一例を図３Ａ及び図３Ｂに拡大して詳細に示す。【００４３】  前記単セル（単電池モジュール）２０は、長方形の高分子電解質膜１ａの片方の面にアノード電極１ｂが接合されかつ前記電解質膜１ａの他方の面にカソード電極１ｃが接合されて構成される電極部１Ｅと、前記電極部１Ｅの周縁部に置かれかつ前記アノード電極１ｂ及び前記カソード電極１ｃにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部２ｘ，２ｙ（図８Ａ〜図８Ｃ参照）を具備した、剛体のマニホールド形成用の長方形の枠体２とを有して構成される電極−膜−枠接合体（ＭＥＡ（膜電極複合体））１５と、前記電極部１Ｅ及び前記電極−膜−枠接合体１５をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータ５ｂ，５ｃとを備えて構成し、この単セル２０を積層して高分子電解質型燃料電池１０１を構成するようにしている。【００４４】  前記構成において、例えば、高分子電解質膜１ａの周囲縁部は、枠体２の高分子電解質膜挿入用スリット２ａに挿入されて挟持させることにより高分子電解質膜１ａと枠体２とが機械的に接合されている。また、高分子電解質膜１ａの両面には、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃが接着固定されている。【００４５】  このようにして高分子電解質膜１ａの両面にアノード電極１ｂとカソード電極１ｃとが接着固定されてＭＥＡ（膜電極複合体）１５を構成し、このＭＥＡ（膜電極複合体）１５を一対のセパレータ５ｂ，５ｃで挟み込んで、前記したように単セル２０を構成している。この単セル２０においては、ア���ード電極側セパレータ５ｂはアノード電極１ｂに対向し、カソード電極側セパレータ５ｃはカソード電極１ｃに対向している。【００４６】  図３Ｃ及び図３Ｄに示すように、下記の弾性体を設けない場合の単セル組立後の状態では、アノード電極１ｂの外縁とカソード電極１ｃの外縁のそれぞれと、枠体２の内縁２ｂ，２ｃとの間には０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で隙間６がある。この隙間６があると、電池内に供給されたガスの一部は、この隙間６を伝って排出されてしまうクロスリークといわれる現象が起きるのである。この隙間６を無くすために、ここに、すなわち、図３Ａに示されるように、枠体２のアノード側の内縁２ｂとアノード電極１ｂの外縁との両方に接触するように平面的には矩形枠状で図３Ａにおける断面的には矩形（別の例として図４Ｅでは大略平行四辺形）のアノード側弾性体４ｂを配置し、このアノード側弾性体４ｂを枠体２とアノード電極１ｂとの成形時にこれらと一体化させる。また、枠体２のカソード側の内縁２ｃとカソード電極１ｃの外縁との両方に接触するように平面的には矩形枠状で図３Ａにおける断面的には矩形（別の例として図４Ｅでは大略平行四辺形）のカソード側弾性体４ｃを配置し、このカソード側弾性体４ｃを枠体２とカソード電極１ｃとの成形時にこれらと一体化させる。これらの弾性体４ｂ，４ｃは、この時、高分子電解質膜１ａには、それぞれ当接することにより機械的に接合しているだけで、接着している必要はない。【００４７】  このように弾性体４ｂ，４ｃを設けた状態で、図３Ｂに示すように、セパレータ５ｂ，５ｃを枠体２に積層して組み立てるとき、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ，５ｃのそれぞれのセパレータ組立て面１０とはそれぞれ接近することになるが、この時、枠体２とセパレータ５ｂ，５ｃとの隙間７よりも、弾性体４ｂ，４ｃとセパレータ５ｂ，５ｃとの対向面間の隙間８を小さく設定するように、弾性体４ｂ，４ｃを設けている。このように構成することにより、前記組立時に、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ，５ｃのそれぞれのセパレータ組立て面１０とがそれぞれ最接近位置に位置する（図３Ｂ参照）前に、弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ５ｂ，５ｃにそれぞれ確実に接触して弾性変形を開始することになる。そして、組立完成後、言い換えれば、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ，５ｃのそれぞれのセパレータ組立て面１０とがそれぞれ最接近位置に位置した後は、図３Ｂに示されるように、弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ５ｂ，５ｃにより押圧されてそれぞれ弾性変形した状態となり、弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ５ｂ，５ｃ側からそれぞれ圧縮力を受けることになる。このとき、図３Ａに参照符号６Ｇで示すように、弾性体４ｂ，４ｃが組立て前と組立て後とで、寸法６Ｇだけ、弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ組立て面１０沿いに広がることにより、組立て前に弾性体４ｂ，４ｃとセパレータ５ｂ，５ｃのセパレータ組立て面１０での段部５ｂ−１，５ｃ−１との隙間（言い換えれば、電池内に供給されたガスの一部が排出されてしまう隙間）を無くすことができて、クロスリーク現象を効果的に抑制することができる。【００４８】  ただし、図３Ｅに示すように、組立て精度誤差のために生じう���、わずかな隙間６Ｈが残る場合があるが、このような場合には、図３Ｆ及び図４Ａ〜図４Ｂに示すように、セパレータ５ｂ，５ｃのセパレータ組立て面１０での段部５ｂ−１，５ｃ−１（図３Ａ参照）に、図３Ｆでのセパレータ５ｂ，５ｃの外側から内側に向けてなだらかな傾斜面５ｆ，５ｇを形成している。一方、この傾斜面５ｆ，５ｇに対応して、大略同様な傾斜角度を有するアノード側傾斜面４ｂ−２とカソード側傾斜面４ｃ−２を弾性体４ｂ，４ｃの図３Ｆにおける断面形状にかつ平面形状においては全周に形成するようにしている。この結果、図３Ｆから図３Ｇ及び図４Ａ〜図４Ｄに示すように、弾性体４ｂ，４ｃを設けた状態で、セパレータ５ｂ，５ｃを枠体２に積層して組み立てるとき、対向する傾斜面同士が互いに大略平行な、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ，５ｃのそれぞれのセパレータ組立て面１０とがそれぞれ最接近位置に位置する（図３Ｇ及び図４Ｄ参照）前に、弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ５ｂ，５ｃにそれぞれ確実に接触して弾性変形を開始することになる。このとき、弾性体４ｂ，４ｃの傾斜面４ｂ−２，４ｃ−２がセパレータ５ｂ，５ｃの傾斜面５ｆ，５ｇに接触し、組立完成後、言い換えれば、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ，５ｃのそれぞれのセパレータ組立て面１０とがそれぞれ最接近位置に位置した後は、図３Ｇ及び図４Ｄに示されるように、弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ５ｂ，５ｃにより押圧されてそれぞれ弾性変形した状態となり、弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ５ｂ，５ｃ側からそれぞれ圧縮力を受けるとともに、弾性体４ｂ，４ｃの傾斜面４ｂ−２，４ｃ−２がセパレータ５ｂ，５ｃの傾斜面５ｆ，５ｇに圧縮力を受けながら密着することになる。よって、組立て精度誤差のために生ずる可能性のあった、わずかな隙間６Ｈも無くすことができて、枠体内縁部分でのクロスリーク現象も抑制することができ、全体としてクロスリーク現象をより一層効果的に抑制させることができる。【００４９】  弾性体４ｂ，４ｃの内縁は、セパレータ５ｂ，５ｃを枠体２に積層して組み立てるとき、これらの弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ５ｂ，５ｃに接触しても、弾性体４ｂ，４ｃの弾性力によりセパレータ５ｂ，５ｃが破損する可能性が低いため、セパレータ５ｂ，５ｃと弾性体４ｂ，４ｃとの隙間６Ｇは、従来の弾性体が無かったときよりも狭く設定することができる。場合によっては、前記隙間６Ｇの距離が０でも弾性体４ｂ，４ｃの為、問題はない。【００５０】  また、別の例として、図４Ｅ及び図４Ｆに示すように、前記弾性体４ｂ，４ｃの全周にアノード側傾斜面４ｂ−３とカソード側傾斜面４ｃ−３とをそれぞれ備えて、当該アノード側傾斜面４ｂ−３とカソード側傾斜面４ｃ−３に、ショートカット防止用に突出したアノード側リブ４ｄとカソード側リブ４ｅとをそれぞれ形成するようにしてもよい。リブ４ｄ，４ｅは、前記したそれぞれの傾斜面４ｂ−３，４ｃ−３に所定間隔毎に一体的に突起として形成している。これらのリブ４ｄ，４ｅは、図４Ｇ及び図４Ｈに示すように、単セル組立時に、アノード側傾斜面４ｂ−３とカソード側傾斜面４ｃ−３と大略平行なセパレータ５ｂ，５ｃの傾斜面５ｆ，５ｇによりそれぞれ圧縮されて弾性変形することにより、セパレータ５ｂ，５ｃに密着してガスリークを防止しようとするものである。それぞれのリブ４ｄ，４ｅが圧縮されて弾性変形するときの弾性変形した部分は、隣接するアノード側リブ４ｄとアノード側リブ４ｄとの間のアノード側凹部（圧縮体積逃がし部）４ｆ、又は、隣接するカソード側リブ４ｅとカソード側リブ４ｅとの間のカソード側凹部（圧縮体積逃がし部）４ｇ内にそれぞれ逃げるようにしている。これらの凹部４ｆ，４ｇは、図４Ｉに示されるように、単セル組立時にセパレータ５ｂ，５ｃにより、アノード側弾性体４ｂとカソード側弾性体４ｃが、それぞれ、例えば０．１ｍｍだけ圧縮可能に設定されるとともに、アノード側リブ４ｄとカソード側リブ４ｅが、それぞれ、例えば０．０５ｍｍだけ圧縮可能に設定されている。そして、このアノード側凹部４ｆの総体積は、平面的に矩形枠状のアノード側弾性体４ｂの全周の体積と、アノード側弾性体４ｂの長手方向沿いに一定ピッチ間隔で設けられたリブ４ｄの総体積との総和にほぼ相当するように設定する。これは、言い換えると、単セル組立時に、セパレータ５ｂと枠体２の縁部との間で圧縮されて弾性変形するとき、アノード側弾性体４ｂの弾性変形した部分と、リブ４ｄが弾性変形した部分が共にアノード側凹部４ｆ内に入り込むことにより、アノード側凹部４ｆがほぼ隙間なく弾性変形部分で満たされてシールされることを意味する。同様に、前記カソード側凹部４ｇの総体積は、平面的に矩形枠状のカソード側弾性体４ｃの全周の体積と、カソード側弾性体４ｃの長手方向沿いに一定ピッチ間隔で設けられたリブ４ｅの総体積との総和にほぼ相当するように設定する。これは、言い換えると、単セル組立時に、セパレータ５ｃと枠体２の縁部との間で圧縮されて弾性変形するとき、カソード側弾性体４ｃの弾性変形した部分と、リブ４ｅが弾性変形した部分が共にカソード側凹部４ｇ内に入り込むことにより、カソード側凹部４ｇがほぼ隙間なく弾性変形部分で満たされてシールされることを意味する。このように設定することによって、セパレータ組立後に、凹部４ｆ，４ｇの隙間が無くなり、ガスリークを効果的に防止することができる。【００５１】  なお、アノード側凹部４ｆの底面とカソード側凹部４ｇの底面は、それぞれ、前記した弾性体４ｂ，４ｃのアノード側傾斜面４ｂ−３とカソード側傾斜面４ｃ−３となっている。【００５２】  なお、前記枠体２には、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、少なくとも各一対の、燃料ガス用マニホールド孔１５ｂ、酸化剤ガス用マニホールド孔１５ａ、冷却水用マニホールド孔１５ｃが設けられ、また、単セル２０同士を締結するボルト（図示せず）を貫通させるための複数個の貫通孔１６を有している。前記枠体２の一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１５ａからはカソード電極１ｃ側に酸化剤ガスを供給して排出する。前記枠体２の一対の燃料ガス用マニホールド孔１５ｂからアノード電極１ｂ側に燃料ガスを供給して排出する。また、隣接する単セル２０同士のセパレータ５ｂ，５ｃの互いに対向する背面間には、一対の冷却水用マニホールド孔１５ｃから冷却水を供給して排出する。【００５３】  図８Ｃに示すように、枠体２は、さらに、カソード電極１ｃが位置する側の表面である枠体組立面９に、酸化剤ガス用マニホールド孔１５ａ及び酸化剤ガス流路（ガス流路部）２ｙを含みかつカソード電極１ｃにおいて酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケット３ｃを、平面的には矩形枠状で断面的には半円形状の凸部となるように形成している。また、図８Ｂに示すように、枠体２のアノード電極１ｂが位置する側の表面である枠体組立面９に、燃料ガス用マニホールド孔１５ｂ及び燃料ガス流路（ガス流路部）２ｘを含みかつアノード電極１ｂにおいて燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケット３ｂを、平面的には矩形枠状で断面的には半円形状の凸部となるように形成している。また、前記ガスケット３ｂ及び３ｃは、それぞれ、前記それぞれのガスが通過する領域（マニホールド）とは隔離して冷却水用マニホールド孔１５ｃのみを囲むようにしている。よって、単セル組立後には、ガスケット３ｂ，３ｃがセパレータ５ｂ，５ｃのセパレータ組立て面１０の凹部５ｄ，５ｅ内にそれぞれ挿入され当接して弾性変形することにより、カソード側とアノード側とでそれぞれ独立して燃料ガス及び酸化剤ガスのリーク並びに冷却水のリークを防止するようにしている（図４Ｄ及び図４Ｈなど参照）。【００５４】  また、ＭＥＡ（膜電極複合体）１５のカソード電極１ｃの面において、酸化剤ガス用マニホールド孔１５ａよりカソード電極１ｃ側へのガス流路１９は、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、枠状のカソード側弾性体４ｃのうちの一部であってかつ枠体２のガス流路部２ｙに相当するガス流路部分４ｃ−１を、枠体２の厚さと同じ程度に低くし、かつ、このカソード側弾性体４ｄのガス流路部分４ｃ−１に対向するカソード側セパレータ５ｃのガス流路部には、ガス流路部用凹部５ｃ−１（図８Ａで符号５ｃ−１で示された平行四辺形の斜線部分の凹部であって、実際には、この斜線部分は空間である。）を形成している。よって、単セル組立後には、カソード側弾性体４ｃのガス流路部分４ｃ−１とカソード側セパレータ５ｃとの間には、ガス供給用の空間を確実に形成することができる。なお、カソード側弾性体４ｃのガス流路部分４ｃ−１の近傍にはカソード側リブ４ｅは設けないようにして、ガス流路を確保するようにすることが好ましい。【００５５】  また、アノード側も同様な構造であって、ＭＥＡ（膜電極複合体）１５のアノード電極１ｂの面において、燃料ガス用マニホールド孔１５ｂよりアノード電極１ｂ側へのガス流路１９は、枠状のアノード側弾性体４ｂのうちの一部であってかつ枠体２のガス流路部２ｘに相当するガス流路部分４ｂ−１（図８Ａ及び図８Ｃのガス流路部分４ｃ−１と同様な部分であって、図８Ｂ参照。）を、枠体２の厚さと同じ程度に低くし、かつ、このアノード側弾性体４ｂのガス流路部分４ｂ−１に対向するアノード側セパレータ５ｂのガス流路部には、ガス流路部用凹部５ｂ−１（図８Ａのガス流路部用凹部５ｃ−１と同様な部分であって、図示せず。）を形成している。よって、単セル組立後には、アノード側弾性体４ｂのガス流路部分４ｂ−１とアノード側セパレータ５ｂとの間には、ガス供給用の空間を確実に形成することができる。なお、アノード側弾��体４ｂのガス流路部分４ｂ−１の近傍にはアノード側リブ４ｄは設けないようにして、ガス流路を確保するようにすることが好ましい。【００５６】  前記弾性体４ｂ，４ｃ及び前記リブ４ｄ，４ｅの材料の一例としては熱可塑性樹脂エラストマが好ましい。その理由は、もし弾性体４ｂ，４ｃに熱硬化性樹脂を使用すると、流動性が非常に低い為、熱硬化性樹脂が電極１ｂ，１ｃの内部にまで含浸して（矢印６６参照）、電極１ｂ，１ｃの部分の有効面積を小さくする可能性がある（図８Ｄ参照）。これに対して、本実施形態のように弾性体４ｂ，４ｃに熱可塑性樹脂を使用すると、成形時に流動する溶融樹脂が電極１ｂ，１ｃに触れると急速に冷却、固化して、電極１ｂ，１ｃの内部には含浸せず、電極１ｂ，１ｃの部分の有効面積に悪影響を与えないとともに、成形圧力により、枠体２と電極１ｂ，１ｃの接合部分の形状に合致した緻密なシール（言い換えれば、転写性の良い所望形状のシール）を形成することができるといった効果を発揮させることができる。【００５７】  弾性体、リブ、ガスケットの具体的な材料の例としては、オレフィン系熱可塑性樹脂エラストマの一種である、三井化学株式会社製のミラストマー（登録商標）の高硬度銘柄のＭ３８００が挙げられる。また、弾性体及びリブにおいて、弾性変形を、それぞれ、より確実に行わせるための条件としては、ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３（ＩＳＯ  ７６１９）で規定されているＡ５０〜Ａ９０又はＤ３７〜Ｄ６０の弾性を有するようにすればよい。【００５８】  枠体２の具体的な材料の例としては、株式会社プライムポリマーのＲ−２５０Ｇ又は３５０Ｇであり、セパレータ５ｂ，５ｃとしては、金属、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）に金メッキの表面処理を施したもの、チタンに金メッキの表面処理を施したものなどを使用することができ、セパレータ５ｂ，５ｃの具体的な材料の例としては、外寸１２０ｍｍ×１２０ｍｍ、厚み３．０ｍｍの樹脂含浸黒鉛板（東海カーボン（株）製グラッシーカーボン）が挙げられる。なお、特に、自動車用材料としては、ステンレス鋼（ＳＵＳ）に表面処理がされた金属セパレータなどが好ましい。【００５９】  また、枠体２が存在する効果としては、マニホールドを構成することができる効果に加えて、部材のハンドリングが容易となること、及び、枠体２でセパレータ５ｂ，５ｃを当止めすることができ、これによってセパレータ５ｂ，５ｃと電極１ｂ，１ｃとの接触圧力を最適に保つことができる。例えば、図８Ｅに示すように枠体２が無く、高分子電解質膜１ａにガスケット３ｂ，３ｃを直接配置した場合、図８Ｆ（初期時）及び図８Ｇ（長期間使用後）に示すように、電極１ｂ，１ｃは柔らかい為、ガスケット３ｂ，３ｃが長期使用で潰れてくると、セパレータ５ｂ，５ｃ間の間隔寸法が徐々に小さくなり電極１ｂ，１ｃにセパレータ５ｂ，５ｃが強く当るようになってくる（矢印６７参照）。このとき、図８Ｈ及び図８Ｉに示すように、セパレータ５ｂ，５ｃを枠体２に当て止めることができて、長期圧縮荷重に対して、セパレータ５ｂ，５ｃ間の間隔寸法６８を安定させることが出来る。【００６０】  単セル２０の組立時にセパレータ５ｂ，５ｃが電極−膜−枠接合体１５に積層されると、図３Ｂ、図４��、図４Ｈに示すように、弾性体４ｂ，４ｃとリブ４ｄ，４ｅはセパレータ５ｂ，５ｃによってそれぞれ圧縮される。この結果、弾性体４ｂ，４ｃの圧縮力により高分子電解質膜１ａを高分子電解質膜１ａの厚み方向沿いに加圧する為、高分子電解質膜１ａと弾性体４ｂ，４ｃは接着していなくとも、この加圧力と弾性体４ｂ，４ｃの弾力で、弾性体４ｂ，４ｃと高分子電解質膜１ａの隙間１２（図３Ａ参照）は確実に封止される。又、セパレータ５ｂ，５ｃと枠体２との間での弾性体４ｂ，４ｃとリブ４ｄ，４ｅの弾性変形により、アノード電極１ｂの外縁とカソード電極１ｃの外縁のそれぞれと枠体２の内縁２ｂ，２ｃとの間の隙間６（図３Ｄ参照）も前記従来例よりも大幅に小さく、すなわち隙間６の空間を大幅に小さくすることができるか、又は、前記隙間６を無くすことができる。【００６１】  従って、前記第１実施形態によれば、高分子電解質膜１ａなどを保持する枠体２の内側の縁部に、平面的には枠状のアノード側弾性体４ｂと平面的には枠状のカソード側弾性体４ｃと、所定間隔毎に多数配置されたアノード側リブ４ｄとカソード側リブ４ｅとをそれぞれ備えるようにしたので、単セル２０の組立時に、枠体２とアノード側セパレータ５ｂとの間でアノード側弾性体４ｂとアノード側リブ４ｄとをそれぞれ前記電極−膜−枠接合体１５の厚み方向に対して交差する方向に弾性変形させ、弾性変形した部分が、隣接するアノード側リブ４ｄの間の空間であるアノード側凹部（圧縮体積逃がし部）４ｆ内にそれぞれ入り込み、弾性変形したアノード側弾性体４ｂと弾性変形したアノード側リブ４ｄがほぼ連続的に枠体２とアノード側セパレータ５ｂとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。また、カソード側でも同様に、単セル２０の組立時に、枠体２とカソード側セパレータ５ｃとの間でカソード側弾性体４ｃとカソード側リブ４ｃとをそれぞれ弾性変形させ、弾性変形した部分が、隣接するカソード側リブ４ｃの間の空間であるカソード側凹部（圧縮体積逃がし部）４ｇ内にそれぞれ入り込み、弾性変形したカソード側弾性体４ｃと弾性変形したカソード側リブ４ｅがほぼ連続的に枠体２とカソード側セパレータ５ｃとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。【００６２】  この結果、弾性変形したアノード側弾性体４ｂと弾性変形したアノード側リブ４ｄと弾性変形したカソード側弾性体４ｃと弾性変形したカソード側リブ４ｅとにより枠体２とアノード側セパレータ５ｂ及びカソード側セパレータ５ｃとの間がそれぞれ密着封止されて、高分子電解質膜１ａと枠体２との間の隙間１２（図３Ａ参照）を抜けるクロスリーク現象（従来例において、図８Ａに矢印１８で示すようなクロスリークが発生する現象）を効果的に抑制することができ、かつ、枠体２の縁部沿いの還元剤ガス１１ａの短絡的な流れ及び枠体２の縁部沿いの酸化剤ガス１１ｂの短絡的な流れ（図３Ａ参照）をそれぞれ抑制することができて、還元剤ガス１１ａと酸化剤ガス１１ｂのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる。【００６３】  （第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の単セルの概略構成を示す概略断面図を図５Ａに示す。【００６４】  この第２実施形態においては、前記第１実施形態の前記単セルにおいて、アノード側セパレータ５ｂの傾斜面５ｆとカソード側セパレータ５ｃの傾斜面５ｇとを平面的に全周枠状に設けるのではなく、部分的に設けるようにしたものである。また、前記第１実施形態では、前記した弾性体４ｂ，４ｃのアノード側傾斜面とカソード側傾斜面が、アノード側凹部４ｆの底面とカソード側凹部４ｇの底面としたが、これに限られるものではなく、アノード側リブ４ｄの表面とカソード側リブ４ｅの表面として捉えてもよい。また、アノード側凹部４ｆの底面とカソード側凹部４ｇの底面、又は、アノード側リブ４ｄの表面とカソード側リブ４ｅの表面は、それぞれ、セパレータ５ｂ，５ｃの傾斜面５ｆ，５ｇと大略平行に形成するものに限らず、多少傾斜角度が異なっても良く、要するに、単セル組立時に、前記したようなアノード側リブ４ｄとカソード側リブ４ｅの弾性変形による密着封止効果を奏することができればよい。【００６５】  このように設定すると、電極−膜−枠接合体１５とセパレータ５ｂ，５ｃの積層時に、弾性体４ｂ，４ｃの上面だけでなく、弾性体４ｂ，４ｃの傾斜面側でもアノード側リブ４ｄとカソード側リブ４ｅにより安定して密着封止することができるため、還元剤ガス１１ａ及び酸化剤ガス１１ｂのそれぞれの遮断性が一層向上することになる。又、これらの傾斜面は単セル積層組立時に、電極−膜−枠接合体１５とセパレータ５ｂ，５ｃとの相対的な位置決めを容易にするなどのガイドの機能も果たすことができ、組立性を向上させることができる。【００６６】  （変形例）
なお、本発明は前記複数の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。【００６７】  例えば、前記それぞれの実施形態の高分子電解質膜１ａにおいて、弾性体４ｂ，４ｃにて成形一体化される範囲以上に、アノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃの保護のためのさらに一層の補強膜１３（図５Ａ及び図５Ｂ参照）があっても、同様の効果が得られる。【００６８】  また、別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、アノード側弾性体４ｂ、カソード側弾性体４ｃが配置された部分では、この弾性変形効果によって、ガスケット３ｂ，３ｃと同様なガスのシール効果が得られ、還元剤ガス１１ａ及び酸化剤ガス１１ｂがそれぞれシールされるため、外周にガスケット３ｂ，３ｃを配置しない構造も可能となる。【００６９】  また、別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、図６に示すように、弾性体４ｂ又は４ｃと同様な弾性体４ｈを、枠体２のアノード側の枠体組立面９又はカソード側の枠体組立面９の片方にのみ、全周又は部分的に配置し、アノード側の枠体組立面９又はカソード側の枠体組立面９の他方には、セパレータ５ｂ，５ｃの積層時の弾性体４ｈの圧縮圧を受けるために、枠体２を内縁方向の中心側に向けて延長した延長部２ｈを形成するようにしてもよい。このように、弾性体４ｈは片方だけでも、相応の効果が得られるとともに、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側の枠体組立面９又は前記カソード側の枠体組立面９の一方側にのみ弾性体４ｈを配置すればよいので、製造上、容易になる。この場合、延長部２ｈを形成するため、図６に示すように、カソード電極１ｃの外縁の位置をアノード電極１ｂの外縁の位置をよりも内側に位置させるようにしている。【００７０】  なお、この別の変形例及び他の変形例又は実施形態（図５Ａ及び図５Ｂを除く）においては、補強膜１３は無くてもよい。【００７１】  また、別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、図７Ａは、前記片側の弾性体４ｂ，４ｃを、前記電極−膜−枠接合体の枠体２のアノード側の枠体組立面９とカソード側の枠体組立面９とで相互に位置をずらす事で、一体化成形時の成形圧力を受け易くし、成形時の成形圧力に対する弾性体４ｂ，４ｃそれぞれの耐変形強度を小さくすることができて、単セル２０の設計自由度を高めた例である。この場合の弾性体４ｂ，４ｃも、全周又は部分的に配置するようにしてもよい。この場合も、延長部２ｈを形成するため、図７Ａに示すように、カソード電極１ｃの外縁の位置をアノード電極１ｂの外縁の位置をよりも内側に位置させるようにしている。【００７２】  より具体的な例として、図７Ａに示すように、カソード電極１ｃの外縁の位置をアノード電極１ｂの外縁の位置をよりも内側に位置させて弾性体４ｂ，４ｃの位置をずらせるために、図７Ｂ〜図７Ｄに示すように、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃとの大きさを異ならせるようにしてもよい。一例として、正方形のカソード電極１ｃを正方形のアノード電極１ｂよりも大きくすることができる。【００７３】  このような図７Ｂ〜図７Ｄの構成によれば、図７Ａの別の変形例の基本的な代表例であり、弾性体４ｂ，４ｃを単純に枠体２の全周にそれぞれ配置���た形状であり、構造が簡単なものとなっている。【００７４】  また別の具体的な例として、図７Ａに示すように、カソード電極１ｃの外縁の位置をアノード電極１ｂの外縁の位置をよりも内側に位置させて弾性体４ｂ，４ｃの位置をずらせるために、図７Ｅ〜図７Ｇに示すように、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃとの大きさは同じであるが、配置位置を互いに異ならせるようにしてもよい。一例として、正方形のカソード電極１ｃと同じ大きさの正方形のアノード電極１ｂを図７Ｆにおいて斜め方向に位置を互いにずらせることができる。【００７５】  このような図７Ｅ〜図７Ｇの構成によれば、以下のような効果がある。すなわち、図７Ｂ〜図７Ｄの構成ではアノード電極１ｂとカソード電極１ｃの大きさが異なるものであるのに対して、図７Ｅ〜図７Ｇの構成によれば、例えば一種類のプレス型が準備するだけでよいため、電極製作が容易になるとともに、弾性体４ｂ，４ｃの周長が同じになり、成形性を向上させることができる。【００７６】  またさらに別の具体的な例として、図７Ａに示すように、カソード電極１ｃの外側の弾性体４ｃの位置とアノード電極１ｂの外側の弾性体４ｂの位置とをずらせるために、図７Ｈ〜図７Ｊに示すように、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃとの大きさを異ならせるとともに、それぞれ、四辺形ではなく、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃとの外縁において、部分的にフランジ部を交互に張り出すように形成した形状とし、かつ、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃの各外側に配置する弾性体４ｂ，４ｃの配置位置を正方形ではなく、各電極１ｂ，１ｃの外縁に沿ったジグザグ状に配置するようにしてもよい。一例として、カソード電極１ｃをアノード電極１ｂよりも大きくするとともに、カソード電極１ｃの外縁に沿ってジグザグ状に配置する弾性体４ｃとアノード電極１ｂの外縁に沿ってジグザグ状に配置する弾性体４ｂとが互いに所定間隔で違いに交差して内側と外側に交互に位置するように配置されるようにしてもよい。なお、図７Ｉは、単セルの組立前でかつ弾性体成形前の概略断面図であり、弾性体４ｂ成形用の隙間６ｉと弾性体４ｃ成形用の隙間６ｊとが連続して枠状に形成されている。図７Ｊでは、それらの枠状の隙間６ｉ，６ｊに弾性体４ｂ，４ｃがそれぞれ成形されて形成された状態の概略断面図である。【００７７】  このような図７Ｈ〜図７Ｊの構成によれば、図７Ｅ〜図７Ｇの例と比べて、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃの中心を一致させることができて、製品全体のバランスが良い。【００７８】  なお、さらに別の具体的な例として、図７Ａに示すように、カソード電極１ｃの外側の弾性体４ｃの位置とアノード電極１ｂの外側の弾性体４ｂの位置とをずらせるために、図７Ｋ〜図７Ｍに示すように、長方形のアノード電極１ｂと長方形のカソード電極１ｃとの大きさを異ならせるとともに、アノード電極１ｂの長手辺（或いは短手辺）においてカソード電極１ｃが明確にはみ出すようにしてもよい。【００７９】  前記色々と記載したように、アノード電極１ｂ側の弾性体４ｂとカソード電極１ｃ側の弾性体４ｃの位置をずらせることによって、一体化成形時の成形圧力を受け易くし、成形時の成形圧力に対する弾性体４ｂ，���ｃそれぞれの耐変形強度を小さくすることができる上に、高分子電解質膜１ａの変形も防止することができることについて、詳しく説明する。【００８０】  図１１Ａに示すように、アノード電極側の弾性体４ｂとカソード電極側の弾性体４ｃの位置をずらせていない場合に、アノード電極側の金型６１ｂ内にアノード電極１ｂを配置し、カソード電極側の金型６１ｃ内にカソード電極１ｃを配置し、アノード電極側の金型６１ｂとカソード電極側の金型６１ｃとの間に枠体２及び高分子電解質膜１ａを挟み込むようにしてアノード電極側の金型６１ｂとカソード電極側の金型６１ｃとを図１１Ｂに示すように型締めする。次いで、図１１Ｃに示すように、型締めされたアノード電極側の金型６１ｂとカソード電極側の金型６１ｃ内に溶融樹脂を注入すると、弾性体４ｂと４ｃとが対向する部分のキャビティ６１ｇでは、溶融樹脂は高分子電解質膜１ａでのみその圧力を受けることになる。すると、高分子電解質膜１ａは強度がないので、図１１Ｃに参照符号６２で示すように、溶融樹脂の圧力で高分子電解質膜１ａが変形する可能性がある。【００８１】  これに対して、図１１Ｄに示すように、アノード電極側の弾性体４ｂとカソード電極側の弾性体４ｃの位置をずらせている場合には、アノード電極側の金型６１ｄ内にアノード電極１ｂを配置し、カソード電極側の金型６１ｅ内にカソード電極１ｃを配置し、アノード電極側の金型６１ｄとカソード電極側の金型６１ｅとの間に枠体２及び高分子電解質膜１ａを挟み込むようにしてアノード電極側の金型６１ｄとカソード電極側の金型６１ｅとを図１１Ｅに示すように型締めする。次いで、図１１Ｆに示すように、型締めされたアノード電極側の金型６１ｄとカソード電極側の金型６１ｅ内に溶融樹脂を注入すると、弾性体４ｂのキャビティ６１ｈでは、溶融樹脂は高分子電解質膜１ａの背後に位置したカソード電極側の金型６１ｅで受けることになり、弾性体４ｃのキャビティ６１ｉでは、溶融樹脂は高分子電解質膜１ａの背後に位置した枠体２の延長部２ｈ及びアノード電極側の金型６１ｄで受けることになる。よって、成形時の樹脂圧力を受ける面は、金型、又は金型で受けられた枠体２があるので、高分子電解質膜１ａは変形することはない。【００８２】  また、さらに別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、前記弾性体４ｂ，４ｃを、枠体２ではなく、セパレータ５ｂ，５ｃに配置するようにしてもよい。【００８３】  また、さらに別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、図１０Ｃ及び図１０Ｄに示すように、前記弾性体４ｂ，４ｃを枠体２に配置するとともに、弾性体４ｂ，４ｃに接触して圧接可能な弾性体４５ｂ，４５ｃをセパレータ５ｂ，５ｃにも配置するようにしてもよい。セパレータ５ｂ，５ｃに配置された弾性体４５ｂ，４５ｃは、セパレータ５ｂ，５ｃの傾斜面５ｆ，５ｇと同様な傾斜面４５ｂ−１，４５ｃ−１を有して、同様な機能を発揮するようにしている。
【実施例１】
【００８４】  前記第１実施形態にかかる高分子電解質型燃料電池を用いた実施例について説明する。【００８５】  図５Ａ、及び図８Ａにおいて、高分子電解質膜１ａを、例えば、Ｄｕｐｏｎｔ社のナフィオン「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）のＮ−１１７」、５０μｍ厚の樹脂材料からトムソン型により打ち抜いて形成した。この高分子電解質膜１ａのそれぞれの面にアノード電極１ｂ、カソード電極１ｃを接合し、この高分子電解質膜１ａ―電極接合体１５をインサート部品として、グラスファイバー添加ポリプロピレン（例えば、出光石油化学株式会社  Ｒ２５０Ｇ）を用いて、枠体２を樹脂成形により形成した。【００８６】  このようにして形成した枠体２には、図８Ａに示すように、少なくとも各一対の燃料ガス用マニホールド孔１５ｂ、酸化剤ガス用マニホールド孔１５ａ、冷却水用マニホールド孔１５ｃが設けられ、またセルを締結するボルトを貫通させるための複数個の貫通孔１６を有していた。【００８７】  枠体２は、さらに、カソード電極１ｃが位置する側の表面である枠体組立面９に、酸化剤ガス用マニホールド孔１５ａ及び酸化剤ガス流路２ｙを含みかつカソード電極１ｃにおいて酸化剤ガスが通過する全領域を囲むとともに冷却水用マニホールド孔１５ｃを囲むガスケット３ｃを有している。また、枠体２は、アノード電極１ｂが位置する側の表面である枠体組立面９に、燃料ガス用マニホールド孔１５ｂ及び燃料ガス流路２ｘを含みかつアノード電極１ｂにおいて燃料ガスが通過する全領域を囲むとともに冷却水用マニホールド孔１５ｃを囲むガスケット３ｂを同様に有している。また、アノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃの両面において、燃料ガス用マニホールド孔１５ｂ及び酸化剤ガス用マニホールド孔１５ａよりそれぞれの電極側へのガス流路１９は、図９に示すように、枠状の弾性体４ｂ，４ｃのうちの一部であってかつ枠体２のガス流路部２ｘ，２ｙに相当するガス流路部分４ｂ−１，４ｃ−１を、枠体２の厚さと同じ程度に低くし、かつ、この弾性体４ｂ，４ｃのガス流路部分４ｂ−１，４ｃ−１に対向するセパレータ５ｂ，５ｃのガス流路部には、ガス流路部用凹部５ｂ−１，５ｃ−１を形成して、ガス流路方向に補強の為のリブ４ｄ，４ｅを設けた。【００８８】  この実施例では、各電極１ｂ，１ｃの外縁は１２０ｍｍ角で厚さは０．５ｍｍ、枠体２は厚さ２ｍｍで内縁は１２５ｍｍ角とした。そして、この電極の外縁と枠体の内縁の間に、熱可塑性樹脂エラストマを成形することにより、電極１ｂ，１ｃと枠体２を一体化した。弾性体４ｂ，４ｃとしては熱可塑性樹脂エラストマを使用し、初期厚さ２．２ｍｍで、セパレータ５ｂ，５ｃにて弾性体４ｂ，４ｃのセパレータ５ｂ，５ｃへの接合面を枠体２と同一面に設定することで、積層時の弾性体圧縮量は、アノード電極側、カソード電極側、各々０．１０ｍｍに設定した。【００８９】  弾性体４ｂ，４ｃの内縁側の電極面側への傾斜面としては、高分子電解質膜１ａに対する直交方向に対して、３０度だけ傾斜するように形成した。【００９０】  以上のように製作した電極−膜−枠接合体１５をアノード側用セパレータ５ｂとカソード側用セパレータ５ｃで両側から挟み込むことにより、単セル２０とした。【００９１】  ���のような単セル２０を５０セル積層し、積層した５０セルの両端部には金属製の集電板２１と電気絶縁材料の絶縁板２２、さらに端板２３と締結ロッドで固定し、水素と空気を通じ、冷却水を循環して電池試験を行った結果、弾性体無しの場合に比較し、ガス利用率を６％向上させることが出来た。【００９２】  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。
【産業上の利用可能性】
【００９３】  本発明にかかる固体高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる燃料電池として有用である。【００９４】  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、この技術の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。
【図１】
2008001755.tif 000003
【図２】
2008001755.tif 000004
【図３Ａ】
2008001755.tif 000005
【図３Ｂ】
2008001755.tif 000006
【図３Ｃ】
2008001755.tif 000007
【図３Ｄ】
2008001755.tif 000008
【図３Ｅ】
2008001755.tif 000009
【図３Ｆ】
2008001755.tif 000010
【図３Ｇ】
2008001755.tif 000011
【図４Ａ】
2008001755.tif 000012
【図４Ｂ】
2008001755.tif 000013
【図４Ｃ】
2008001755.tif 000014
【図４Ｄ】
2008001755.tif 000015
【図４Ｅ】
2008001755.tif 000016
【図４Ｆ】
2008001755.tif 000017
【図４Ｇ】
2008001755.tif 000018
【図４Ｈ】
2008001755.tif 000019
【図４Ｉ】
2008001755.tif 000020
【図５Ａ】
2008001755.tif 000021
【図５Ｂ】
2008001755.tif 000022
【図６】
2008001755.tif 000023
【図７Ａ】
2008001755.tif 000024
【図７Ｂ】
2008001755.tif 000025
【図７Ｃ】
2008001755.tif 000026
【図７Ｄ】
2008001755.tif 000027
【図７Ｅ】
2008001755.tif 000028
【図７Ｆ】
2008001755.tif 000029
【図７Ｇ】
2008001755.tif 000030
【図７Ｈ】
2008001755.tif 000031
【図７Ｉ】
2008001755.tif 000032
【図７Ｊ】
2008001755.tif 000033
【図７Ｋ】
2008001755.tif 000034
【図７Ｌ】
2008001755.tif 000035
【図７Ｍ】
2008001755.tif 000036
【図８Ａ】
2008001755.tif 000037
【図８Ｂ】
2008001755.tif 000038
【図８Ｃ】
2008001755.tif 000039
【図８Ｄ】
2008001755.tif 000040
【図８Ｅ】
2008001755.tif 000041
【図８Ｆ】
2008001755.tif 000042
【図８Ｇ】
2008001755.tif 000043
【図８Ｈ】
2008001755.tif 000044
【図８Ｉ】
2008001755.tif 000045
【図９Ａ】
2008001755.tif 000046
【図９Ｂ】
2008001755.tif 000047
【図１０Ａ】
2008001755.tif 000048
【図１０Ｂ】
2008001755.tif 000049
【図１０Ｃ】
2008001755.tif 000050
【図１０Ｄ】
2008001755.tif 000051
【図１１Ａ】
2008001755.tif 000052
【図１１Ｂ】
2008001755.tif 000053
【図１１Ｃ】
2008001755.tif 000054
【図１１Ｄ】
2008001755.tif 000055
【図１１Ｅ】
2008001755.tif 000056
【図１１Ｆ】
2008001755.tif 000057
【図１２】
2008001755.tif 000058
【図１３】
2008001755.tif 000059
【手続補正書】
【提出日】平成19年11月14日(2007.11.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の片方の面にアノード電極が接合されかつ前記電解質膜の他方の面にカソード電極が接合されて構成される電極部と、前記電極部の周縁部に置かれかつ前記アノード電極及び前記カソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を具備したマニホールド形成用枠体とを有して構成される電極−膜−枠接合体と、前記電極部及び前記電極−膜−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータとを備えて構成される単電池モジュールを積層してなる高分子電解質型燃料電池であって、
前記電極部の外縁と前記枠体の内縁の間に弾性体が設けられ、この弾性体は前記枠体に一体となって接合されており、且つ単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法以上の長さを有して、前記単電池モジュール組立て後に前記弾性体が前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間を密着封止する固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記弾性体に、前記セパレータと接触して弾性変形可能な複数のショートカット防止用リブを備えて、前記単電池モジュール組立て後に前記リブが前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に対して交差する方向に弾性変形する、請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記複数のリブの間には、前記リブの弾性変形した部分及び前記弾性体の弾性変形した部分が逃げ込む凹部が備えられて、前記弾性体の弾性変形した部分及び前記リブの弾性変形した部分を前記凹部内に延出させる、請求項２に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記弾性体は、前記ガス供給部近傍では、前記単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法未満の長さを有して、前記弾性体と前記セパレータとの間に、ガス供給用の空間を形成するようにした請求項２に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側又は前記カソード側の一方側にのみ配置し、前記電極−膜−枠接合体の他方側には、前記枠体を内縁方向の中心側に向けて延長して形成してセパレータ積層時の前記弾性体の圧縮圧を受ける延長部を有するようにした請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側と前記カソード側のそれぞれに配置し、かつ、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側と前記カソード側のそれぞれに配置し、かつ、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした請求項５に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項８】
前記高分子電解質膜の片方の面に接合された前記アノード電極の外縁の位置と前記高分子電解質膜の他方の面に接合された前記カソード電極の外縁の位置とを相互にずらせて配置することにより、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした請求項６に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項９】
前記高分子電解質膜の片方の面に接合された前記アノード電極の外縁の位置と前記高分子電解質膜の他方の面に接合された前記カソード電極の外縁の位置とを相互にずらせて配置することにより、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした請求項７に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項１０】
前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項１１】
前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項５に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項１２】
前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項６に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項１３】
前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項７に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項１４】
前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項８に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項１５】
前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項９に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項１６】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟みかつ少なくともガス拡散層を備える第１電極及び第２電極と、
前記第１電極に反応ガスを供給し排出するための流路を有する第１セパレータと、
前記第２電極に反応ガスを供給し排出するための流路を有する第２セパレータと、
前記第１電極及び前記第２電極の周縁部に配置された矩形の開口部を有する枠体とで構成される固体高分子型燃料電池であって、
前記第１電極の外縁と前記枠体の第１電極側の内縁との間に第１弾性体が設けられており、
前記第１電極の前記ガス拡散層の外縁の少なくとも一部が、対向する前記第２電極の前記ガス拡散層の外縁より外側に延伸して配置されており、
前記第１電極の前記ガス拡散層の外縁の少なくとも一部と、前記枠体の前記第２電極側の内縁の少なくとも一部とが、互いに対向して配置される、
固体高分子型燃料電池。
【請求項１７】
前記第２電極の外縁と前記枠体の第１電極側の内縁との間に第２弾性体がさらに設けられている請求項１６に記載の固体高分子型燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、燃料電池の電解質膜−電極接合体と導電性セパレータとのシール構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池の最も代表的なものは、周縁部にガスをシールするためのガスケットを配した枠体で支持された高分子電解質膜と、前記電解質膜の一方の面にアノードが接合されかつ前記電解質膜の他方の面にカソードが接合されて構成される電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）と、前記ＭＥＡを挟むアノード側導電性セパレータ板及びカソード側導電性セパレータ板とを有して構成され、前記アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部が、前記セパレータ板の内の前記ＭＥＡと当接する中央部の周縁に形成されている。
【０００３】
しかし、この従来の固体高分子電解質型燃料電池は、図１２に示すように枠体３００とセパレータ３０１との組立て上の必要性から、枠体３００の内縁と電極３０２との間に隙間３０３があることから、電池内に供給されたガスの一部は、この隙間３０３を伝って排出されてしまうクロスリークといわれる現象が起きる。
【０００４】
又、この現象の改善の為、図１３に示すように、この隙間３０３に第２のガスケット３０８を配置したり（特許文献１）、ガスケットの内縁の一部と電極３０２の外縁が部分的に接する様に設置する手段（特許文献２）が提案されている。
【０００５】
又、高分子電解質膜は枠体厚みのほぼ中央に組み込まれており、その接合方法として熱圧着、接着剤、機械的クランプなどが採用されている。
【０００６】
【特許文献１】特願  ２００４−２９６７０２
【特許文献２】特開  ２００５−１００９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記した高分子電解質膜の熱圧着又は接着による接合方法では、高分子電解質膜に熱、及び接着剤の揮発成分による性能低下を招く可能性があり、条件が限られていた。また、前記機械的クランプによる接合方法では、高分子電解質膜と枠体の微小な隙間からクロスリークが発生し易いといった問題が発生していた。
【０００８】
前記特許文献１の手法として、枠体３００の内縁と電極３０２との間に隙間３０３を防止する第２のガスケット３０８を配置することによりコストがかかるといった問題がある。さらに、このガスケット３０８を部分的に溶融させて隙間を埋めるとき、寸法管理が困難であるといった問題もある。
【０００９】
前記特許文献２の手法として、ガスケットの内縁の一部と電極３０２の外縁との部分的な接触では、効果が不十分であり、又、ガス拡散電極は一般にもろい炭素繊維が主成分の為、組み立て時に電極にダメージ与えやすいといった問題もある。
【００１０】
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、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる固体高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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アノード電極が接合されかつ前記電解質膜の他方の面にカソード電極が接合されて構成される電極部と、前記電極部の周縁部に置かれかつ前記アノード電極及び前記カソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を具備したマニホールド形成用枠体とを有して構成される電極−膜−枠接合体と、前記電極部及び前記電極−膜−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータとを備えて構成される単電池モジュールを積層してなる高分子電解質型燃料電池であって、
前記電極部の外縁と前記枠体の内縁の間に弾性体が設けられ、この弾性体は前記枠体に一体となって接合されており、且つ単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法以上の長さを有して、前記単電池モジュール組立て後に前記弾性体が前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間を密着封止する固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００１３】
本発明の第２態様によれば、前記弾性体に、前記セパレータと接触して弾性変形可能な複数のショートカット防止用リブを備えて、前記単電池モジュール組立て後に前記リブが前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に対して交差する方向に弾性変形する、第１の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００１４】
本発明の第３態様によれば、前記複数のリブの間には、前記リブの弾性変形した部分及び前記弾性体の弾性変形した部分が逃げ込む凹部が備えられて、前記弾性体の弾性変形した部分及び前記リブの弾性変形した部分を前記凹部内に延出させる、第２態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００１５】
本発明の第４態様によれば、前記弾性体は、前記ガス供給部近傍では、前記単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法未満の長さを有して、前記弾性体と前記セパレータとの間に、ガス供給用の空間を形成するようにした第２の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００１６】
本発明の第５態様によれば、前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側又は前記カソード側の一方側にのみ配置し、前記電極−膜−枠接合体の他方側には、前記枠体を内縁方向の中心側に向けて延長して形成してセパレータ積層時の前記弾性体の圧縮圧を受ける延長部を有するようにした第１〜４のいずれか１つの態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００１７】
本発明の第６態様によれば、前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側と前記カソード側のそれぞれに配置し、かつ、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした第１〜４のいずれか１つの態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００１８】
本発明の第７態様によれば、前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側と前記カソード側のそれぞれに配置し、かつ、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした第５の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００１９】
本発明の第８態様によれば、前記高分子電解質膜の片方の面に接合された前記アノード電極の外縁の位置と前記高分子電解質膜の他方の面に接合された前記カソード電極の外縁の位置とを相互にずらせて配置することにより、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした第６の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００２０】
本発明の第９態様によれば、前記高分子電解質膜の片方の面に接合された前記アノード電極の外縁の位置と前記高分子電解質膜の他方の面に接合された前記カソード電極の外縁の位置とを相互にずらせて配置することにより、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした第７の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００２１】
本発明の第１０態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第１〜４のいずれか１つの態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００２２】
本発明の第１１態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第５の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００２３】
本発明の第１２態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第６の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００２４】
本発明の第１３態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第７の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００２５】
本発明の第１４態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第８の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００２６】
本発明の第１５態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第９の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００２７】
本発明の第１６態様によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟みかつ少なくともガス拡散層を備える第１電極及び第２電極と、
前記第１電極に反応ガスを供給し排出するための流路を有する第１セパレータと、
前記第２電極に反応ガスを供給し排出するための流路を有する第２セパレータと、
前記第１電極及び前記第２電極の周縁部に配置された矩形の開口部を有する枠体とで構成される固体高分子型燃料電池であって、
前記第１電極の外縁と前記枠体の第１電極側の内縁との間に第１弾性体が設けられており、
前記第１電極の前記ガス拡散層の外縁の少なくとも一部が、対向する前記第２電極の前記ガス拡散層の外縁より外側に延伸して配置されており、
前記第１電極の前記ガス拡散層の外縁の少なくとも一部と、前記枠体の前記第２電極側の内縁の少なくとも一部とが、互いに対向して配置される、
固体高分子型燃料電池を提供する。
【００２８】
本発明の第１７態様によれば、前記第２電極の外縁と前記枠体の第１電極側の内縁との間に第２弾性体がさらに設けられている第１６の態様に記載の固体高分子型燃料電池を提供する。
【発明の効果】
【００２９】
前記構成によれば、高分子電解質膜などを保持する枠体の内側の縁部に、例えば平面的には枠状のアノード側弾性体と平面的には枠状のカソード側弾性体とを備えるとともに、各弾性体は、単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法以上の長さを有するようにして、前記単電池モジュール組立て後に前記弾性体が前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間を密着封止するようにしている。このようにすれば、単セルの組立時に、枠体とアノード側セパレータとの間でアノード側弾性体を弾性変形させ、弾性変形したアノード側弾性体が枠体とアノード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。同様に、カソード側でも、単セルの組立時に、枠体とカソード側セパレータとの間でカソード側弾性体を弾性変形させ、弾性変形したカソード側弾性体が枠体とカソード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。
【００３０】
この結果、弾性変形したアノード側弾性体と弾性変形したカソード側弾性体とにより枠体とアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとの間がそれぞれ密着封止されて、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、枠体の縁部沿いの還元剤ガスの短絡的な流れ及び枠体の縁部沿いの酸化剤ガスの短絡的な流れをそれぞれ抑制することができて、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる。
【００３１】
また、高分子電解質膜などを保持する枠体の内側の縁部に、所定間隔毎に多数配置されたアノード側リブとカソード側リブとを、さらに、それぞれ備えるようにすれば、単セルの組立時に、枠体とアノード側セパレータとの間でアノード側弾性体とアノード側リブとをそれぞれ弾性変形させ、弾性変形した部分が、例えば隣接するアノード側リブとの間の空間にそれぞれ入り込み、弾性変形したアノード側弾性体と弾性変形したアノード側リブがほぼ連続的に枠体とアノード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。また、カソード側でも同様に、単セルの組立時に、枠体とカソード側セパレータとの間でカソード側弾性体とカソード側リブとをそれぞれ弾性変形させ、弾性変形した部分が、例えば隣接するカソード側リブとの間の空間にそれぞれ入り込み、弾性変形したカソード側弾性体と弾性変形したカソード側リブがほぼ連続的に枠体とカソード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。
【００３２】
この結果、弾性変形したアノード側弾性体と弾性変形したアノード側リブと弾性変形したカソード側弾性体と弾性変形したカソード側リブとにより枠体とアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとの間がそれぞれ密着封止されて、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、枠体の縁部沿いの還元剤ガスの短絡的な流れ及び枠体の縁部沿いの酸化剤ガスの短絡的な流れをそれぞれ抑制することができて、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
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】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の概略構成を示す模式構成図を図１に示す。また、図１に示す燃料電池１０１が備える燃料電池用スタック（以降、スタックという。）の模式分解図を図２に示す。
【００３５】
燃料電池１０１は、例えば固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、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で、電力、熱、及び水を同時に発生させるものである。図１に示すように、燃料電池１０１には、アノード及びカソードの一対の極を備える燃料電池セル（あるいは単セル）が複数個直列に接続された積層構造を有するスタック３０と、燃料ガスから水素を取り出す燃料処理器３１と、燃料処理器３１にて取り出された水素を含む燃料ガスを加湿することで発電効率を向上させるアノード加湿器３２と、酸素含有ガス（酸化剤ガス）に対しての加湿を行うカソード加湿器３３と、燃料ガスと酸素含有ガスとをそれぞれ供給するためのポンプ３４、３５とが備えられている。すなわち、燃料処理器３１、アノード加湿器３２、及びポンプ３４により燃料ガスをスタック３０の各セルに供給する燃料供給装置が構成されており、また、カソード加湿器３３とポンプ３５とにより酸化剤ガスをスタック３０の各セルに供給する酸化剤供給装置が構成されている。なお、このような燃料供給装置や酸化剤供給装置は、燃料や酸化剤の供給を行う機能を備えていればその他様々な形態を採用し得るが、本実施形態においては、スタック３０が備える複数のセルに対して、共通して燃料や酸化剤を供給する供給装置であれば、後述する本実施形態の効果を好適に得ることができる。
【００３６】
また、燃料電池１０１には、発電の際にスタック３０にて発生される熱を効率的に除去するための冷却水を循環供給するためのポンプ３６と、この冷却水（例えば、導電性を有さない液体、例えば純水が用いられる。）により除去された熱を、水道水等の流体に熱交換するための熱交換器３７と、熱交換された水道水を貯留させる貯湯タンク３８とが備えられている。さらに、燃料電池１０１には、このようなそれぞれの構成部を互いに関連付けて発電のための運転制御を行う運転制御装置４０と、スタック３０にて発電された電気を取り出す電気出力部４１とが備えられている。
【００３７】
また、図２に示すように、この燃料電池１０１が備えるスタック３０は、基本単位構成である単セル（単電池モジュール）２０を複数個積層し、集電板２１、絶縁板２２、端板２３で両側から所定の荷重で締結して構成されている。それぞれの集電板２１には、電流取り出し端子部２１ａが設けられており、発電時にここから電流、すなわち電気が取り出される。それぞれの絶縁板２２は、集電板２１と端板２３の間を絶縁するとともに、図示しないガスや冷却水の導入口、排出口が設けられている場合もある。それぞれの端板２３は、複数枚積層された単セル２０と集電板２１、絶縁板２２を図示しない加圧手段によって所定の荷重で締結し、保持している。
【００３８】
図２に示すように、単セル２０は、ＭＥＡ（膜電極複合体）１５を一対のセパレータ５ｂ，５ｃで挟み込むようにして構成されている。ＭＥＡ１５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１ａのアノード面側に、白金−ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（アノード側触媒層）１１２を形成し、カソード面側には、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（カソード側触媒層）１１３を形成し、これらの触媒層１１２及び１１３の外面に、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層１１４を配置して構成されたものである。高分子電解質膜１ａ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）が一般に使用される。なお、以下では、アノード側触媒層１１２とガス拡散層１１４とを合わせてアノード電極１ｂと呼び、カソード側触媒層１１３とガス拡散層１１４とを合わせてカソード電極１ｃと呼ぶものとする。
【００３９】
なお、この明細書及び請求の範囲では、電極とは、少なくともＧＤＬ（ガス拡散層）を含むものを意味する。
【００４０】
セパレータ５ｂ，５ｃ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の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が一般的に用いられる。セパレータ５ｂ，５ｃにおけるＭＥＡ１５と接触する部分には凹状の溝部が形成されており、この溝部がガス拡散層１１４と接することで、電極面に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給し、余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス拡散層１１４は、その基材として一般的に炭素繊維で構成されたものを用いることができ、このような基材としては例えば炭素繊維織布を用いることができる。
【００４１】
前記単セル２０の一例を図３Ａ及び図３Ｂに拡大して詳細に示す。
【００４２】
前記単セル（単電池モジュール）２０は、長方形の高分子電解質膜１ａの片方の面にアノード電極１ｂが接合されかつ前記電解質膜１ａの他方の面にカソード電極１ｃが接合されて構成される電極部１Ｅと、前記電極部１Ｅの周縁部に置かれかつ前記アノード電極１ｂ及び前記カソード電極１ｃにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部２ｘ，２ｙ（図８Ａ〜図８Ｃ参照）を具備した、剛体のマニホールド形成用の長方形の枠体２とを有して構成される電極−膜−枠接合体（ＭＥＡ（膜電極複合体））１５と、前記電極部１Ｅ及び前記電極−膜−枠接合体１５をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータ５ｂ，５ｃとを備えて構成し、この単セル２０を積層して高分子電解質型燃料電池１０１を構成するようにしている。
【００４３】
前記構成において、例えば、高分子電解質膜１ａの周囲縁部は、枠体２の高分子電解質膜挿入用スリット２ａに挿入されて挟持させることにより高分子電解質膜１ａと枠体２とが機械的に接合されている。また、高分子電解質膜１ａの両面には、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃが接着固定されている。
【００４４】
このようにして高分子電解質膜１ａの両面にアノード電極１ｂとカソード電極１ｃとが接着固定されてＭＥＡ（膜電極複合体）１５を構成し、このＭＥＡ（膜電極複合体）１５を一対のセパレータ５ｂ，５ｃで挟み込んで、前記したように単セル２０を構成している。この単セル２０においては、アノード電極側セパレータ５ｂはアノード電極１ｂに対向し、カソード電極側セパレータ５ｃはカソード電極１ｃに対向している。
【００４５】
図３Ｃ及び図３Ｄに示すように、下記の弾性体を設けない場合の単セル組立後の状態では、アノード電極１ｂの外縁とカソード電極１ｃの外縁のそれぞれと、枠体２の内縁２ｂ，２ｃとの間には０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で隙間６がある。この隙間６があると、電池内に供給されたガスの一部は、この隙間６を伝って排出されてしまうクロスリークといわれる現象が起きるのである。この隙間６を無くすために、ここに、すなわち、図３Ａに示されるように、枠体２のアノード側の内縁２ｂとアノード電極１ｂの外縁との両方に接触するように平面的には矩形枠状で図３Ａにおける断面的には矩形（別の例として図４Ｅでは大略平行四辺形）のアノード側弾性体４ｂを配置し、このアノード側弾性体４ｂを枠体２とアノード電極１ｂとの成形時にこれらと一体化させる。また、枠体２のカソード側の内縁２ｃとカソード電極１ｃの外縁との両方に接触するように平面的には矩形枠状で図３Ａにおける断面的には矩形（別の例として図４Ｅでは大略平行四辺形）のカソード側弾性体４ｃを配置し、このカソード側弾性体４ｃを枠体２とカソード電極１ｃとの成形時にこれらと一体化させる。これらの弾性体４ｂ，４ｃは、この時、高分子電解質膜１ａには、それぞれ当接することにより機械的に接合しているだけで、接着している必要はない。
【００４６】
このように弾性体４ｂ，４ｃを設けた状態で、図３Ｂに示すように、セパレータ５ｂ，５ｃを枠体２に積層して組み立てるとき、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ，５ｃのそれぞれのセパレータ組立て面１０とはそれぞれ接近することになるが、この時、枠体２とセパレータ５ｂ，５ｃとの隙間７よりも、弾性体４ｂ，４ｃとセパレータ５ｂ，５ｃとの対向面間の隙間８を小さく設定するように、弾性体４ｂ，４ｃを設けている。このように構成することにより、前記組立時に、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ，５ｃのそれぞれのセパレータ組立て面１０とがそれぞれ最接近位置に位置する（図３Ｂ参照）前に、弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ５ｂ，５ｃにそれぞれ確実に接触して弾性変形を開始することになる。そして、組立完成後、言い換えれば、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ，５ｃのそれぞれのセパレータ組立て面１０とがそれぞれ最接近位置に位置した後は、図３Ｂに示されるように、弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ５ｂ，５ｃにより押圧されてそれぞれ弾性変形した状態となり、弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ５ｂ，５ｃ側からそれぞれ圧縮力を受けることになる。このとき、図３Ａに参照符号６Ｇで示すように、弾性体４ｂ，４ｃが組立て前と組立て後とで、寸法６Ｇだけ、弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ組立て面１０沿いに広がることにより、組立て前に弾性体４ｂ，４ｃとセパレータ５ｂ，５ｃのセパレータ組立て面１０での段部５ｂ−１，５ｃ−１との隙間（言い換えれば、電池内に供給されたガスの一部が排出されてしまう隙間）を無くすことができて、クロスリーク現象を効果的に抑制することができる。
【００４７】
ただし、図３Ｅに示すように、組立て精度誤差のために生じうる、わずかな隙間６Ｈが残る場合があるが、このような場合には、図３Ｆ及び図４Ａ〜図４Ｂに示すように、セパレータ５ｂ，５ｃのセパレータ組立て面１０での段部５ｂ−１，５ｃ−１（図３Ａ参照）に、図３Ｆでのセパレータ５ｂ，５ｃの外側から内側に向けてなだらかな傾斜面５ｆ，５ｇを形成している。一方、この傾斜面５ｆ，５ｇに対応して、大略同様な傾斜角度を有するアノード側傾斜面４ｂ−２とカソード側傾斜面４ｃ−２を弾性体４ｂ，４ｃの図３Ｆにおける断面形状にかつ平面形状においては全周に形成するようにしている。この結果、図３Ｆから図３Ｇ及び図４Ａ〜図４Ｄに示すように、弾性体４ｂ，４ｃを設けた状態で、セパレータ５ｂ，５ｃを枠体２に積層して組み立てるとき、対向する傾斜面同士が互いに大略平行な、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ，５ｃのそれぞれのセパレータ組立て面１０とがそれぞれ最接近位置に位置する（図３Ｇ及び図４Ｄ参照）前に、弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ５ｂ，５ｃにそれぞれ確実に接触して弾性変形を開始することになる。このとき、弾性体４ｂ，４ｃの傾斜面４ｂ−２，４ｃ−２がセパレータ５ｂ，５ｃの傾斜面５ｆ，５ｇに接触し、組立完成後、言い換えれば、枠体２の枠体組立面９とセパレータ５ｂ，５ｃのそれぞれのセパレータ組立て面１０とがそれぞれ最接近位置に位置した後は、図３Ｇ及び図４Ｄに示されるように、弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ５ｂ，５ｃにより押圧されてそれぞれ弾性変形した状態となり、弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ５ｂ，５ｃ側からそれぞれ圧縮力を受けるとともに、弾性体４ｂ，４ｃの傾斜面４ｂ−２，４ｃ−２がセパレータ５ｂ，５ｃの傾斜面５ｆ，５ｇに圧縮力を受けながら密着することになる。よって、組立て精度誤差のために生ずる可能性のあった、わずかな隙間６Ｈも無くすことができて、枠体内縁部分でのクロスリーク現象も抑制することができ、全体としてクロスリーク現象をより一層効果的に抑制させることができる。
【００４８】
弾性体４ｂ，４ｃの内縁は、セパレータ５ｂ，５ｃを枠体２に積層して組み立てるとき、これらの弾性体４ｂ，４ｃがセパレータ５ｂ，５ｃに接触しても、弾性体４ｂ，４ｃの弾性力によりセパレータ５ｂ，５ｃが破損する可能性が低いため、セパレータ５ｂ，５ｃと弾性体４ｂ，４ｃとの隙間６Ｇは、従来の弾性体が無かったときよりも狭く設定することができる。場合によっては、前記隙間６Ｇの距離が０でも弾性体４ｂ，４ｃの為、問題はない。
【００４９】
また、別の例として、図４Ｅ及び図４Ｆに示すように、前記弾性体４ｂ，４ｃの全周にアノード側傾斜面４ｂ−３とカソード側傾斜面４ｃ−３とをそれぞれ備えて、当該アノード側傾斜面４ｂ−３とカソード側傾斜面４ｃ−３に、ショートカット防止用に突出したアノード側リブ４ｄとカソード側リブ４ｅとをそれぞれ形成するようにしてもよい。リブ４ｄ，４ｅは、前記したそれぞれの傾斜面４ｂ−３，４ｃ−３に所定間隔毎に一体的に突起として形成している。これらのリブ４ｄ，４ｅは、図４Ｇ及び図４Ｈに示すように、単セル組立時に、アノード側傾斜面４ｂ−３とカソード側傾斜面４ｃ−３と大略平行なセパレータ５ｂ，５ｃの傾斜面５ｆ，５ｇによりそれぞれ圧縮されて弾性変形することにより、セパレータ５ｂ，５ｃに密着してガスリークを防止しようとするものである。それぞれのリブ４ｄ，４ｅが圧縮されて弾性変形するときの弾性変形した部分は、隣接するアノード側リブ４ｄとアノード側リブ４ｄとの間のアノード側凹部（圧縮体積逃がし部）４ｆ、又は、隣接するカソード側リブ４ｅとカソード側リブ４ｅとの間のカソード側凹部（圧縮体積逃がし部）４ｇ内にそれぞれ逃げるようにしている。これらの凹部４ｆ，４ｇは、図４Ｉに示されるように、単セル組立時にセパレータ５ｂ，５ｃにより、アノード側弾性体４ｂとカソード側弾性体４ｃが、それぞれ、例えば０．１ｍｍだけ圧縮可能に設定されるとともに、アノード側リブ４ｄとカソード側リブ４ｅが、それぞれ、例えば０．０５ｍｍだけ圧縮可能に設定されている。そして、このアノード側凹部４ｆの総体積は、平面的に矩形枠状のアノード側弾性体４ｂの全周の体積と、アノード側弾性体４ｂの長手方向沿いに一定ピッチ間隔で設けられたリブ４ｄの総体積との総和にほぼ相当するように設定する。これは、言い換えると、単セル組立時に、セパレータ５ｂと枠体２の縁部との間で圧縮されて弾性変形するとき、アノード側弾性体４ｂの弾性変形した部分と、リブ４ｄが弾性変形した部分が共にアノード側凹部４ｆ内に入り込むことにより、アノード側凹部４ｆがほぼ隙間なく弾性変形部分で満たされてシールされることを意味する。同様に、前記カソード側凹部４ｇの総体積は、平面的に矩形枠状のカソード側弾性体４ｃの全周の体積と、カソード側弾性体４ｃの長手方向沿いに一定ピッチ間隔で設けられたリブ４ｅの総体積との総和にほぼ相当するように設定する。これは、言い換えると、単セル組立時に、セパレータ５ｃと枠体２の縁部との間で圧縮されて弾性変形するとき、カソード側弾性体４ｃの弾性変形した部分と、リブ４ｅが弾性変形した部分が共にカソード側凹部４ｇ内に入り込むことにより、カソード側凹部４ｇがほぼ隙間なく弾性変形部分で満たされてシールされることを意味する。このように設定することによって、セパレータ組立後に、凹部４ｆ，４ｇの隙間が無くなり、ガスリークを効果的に防止することができる。
【００５０】
なお、アノード側凹部４ｆの底面とカソード側凹部４ｇの底面は、それぞれ、前記した弾性体４ｂ，４ｃのアノード側傾斜面４ｂ−３とカソード側傾斜面４ｃ−３となっている。
【００５１】
なお、前記枠体２には、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、少なくとも各一対の、燃料ガス用マニホールド孔１５ｂ、酸化剤ガス用マニホールド孔１５ａ、冷却水用マニホールド孔１５ｃが設けられ、また、単セル２０同士を締結するボルト（図示せず）を貫通させるための複数個の貫通孔１６を有している。前記枠体２の一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１５ａからはカソード電極１ｃ側に酸化剤ガスを供給して排出する。前記枠体２の一対の燃料ガス用マニホールド孔１５ｂからアノード電極１ｂ側に燃料ガスを供給して排出する。また、隣接する単セル２０同士のセパレータ５ｂ，５ｃの互いに対向する背面間には、一対の冷却水用マニホールド孔１５ｃから冷却水を供給して排出する。
【００５２】
図８Ｃに示すように、枠体２は、さらに、カソード電極１ｃが位置する側の表面である枠体組立面９に、酸化剤ガス用マニホールド孔１５ａ及び酸化剤ガス流路（ガス流路部）２ｙを含みかつカソード電極１ｃにおいて酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケット３ｃを、平面的には矩形枠状で断面的には半円形状の凸部となるように形成している。また、図８Ｂに示すように、枠体２のアノード電極１ｂが位置する側の表面である枠体組立面９に、燃料ガス用マニホールド孔１５ｂ及び燃料ガス流路（ガス流路部）２ｘを含みかつアノード電極１ｂにおいて燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケット３ｂを、平面的には矩形枠状で断面的には半円形状の凸部となるように形成している。また、前記ガスケット３ｂ及び３ｃは、それぞれ、前記それぞれのガスが通過する領域（マニホールド）とは隔離して冷却水用マニホールド孔１５ｃのみを囲むようにしている。よって、単セル組立後には、ガスケット３ｂ，３ｃがセパレータ５ｂ，５ｃのセパレータ組立て面１０の凹部５ｄ，５ｅ内にそれぞれ挿入され当接して弾性変形することにより、カソード側とアノード側とでそれぞれ独立して燃料ガス及び酸化剤ガスのリーク並びに冷却水のリークを防止するようにしている（図４Ｄ及び図４Ｈなど参照）。
【００５３】
また、ＭＥＡ（膜電極複合体）１５のカソード電極１ｃの面において、酸化剤ガス用マニホールド孔１５ａよりカソード電極１ｃ側へのガス流路１９は、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、枠状のカソード側弾性体４ｃのうちの一部であってかつ枠体２のガス流路部２ｙに相当するガス流路部分４ｃ−１を、枠体２の厚さと同じ程度に低くし、かつ、このカソード側弾性体４ｃのガス流路部分４ｃ−１に対向するカソード側セパレータ５ｃのガス流路部には、ガス流路部用凹部５ｃ−１（図８Ａで符号５ｃ−１で示された平行四辺形の斜線部分の凹部であって、実際には、この斜線部分は空間である。）を形成している。よって、単セル組立後には、カソード側弾性体４ｃのガス流路部分４ｃ−１とカソード側セパレータ５ｃとの間には、ガス供給用の空間を確実に形成することができる。なお、カソード側弾性体４ｃのガス流路部分４ｃ−１の近傍にはカソード側リブ４ｅは設けないようにして、ガス流路を確保するようにすることが好ましい。
【００５４】
また、アノード側も同様な構造であって、ＭＥＡ（膜電極複合体）１５のアノード電極１ｂの面において、燃料ガス用マニホールド孔１５ｂよりアノード電極１ｂ側へのガス流路１９は、枠状のアノード側弾性体４ｂのうちの一部であってかつ枠体２のガス流路部２ｘに相当するガス流路部分４ｂ−１（図８Ａ及び図８Ｃのガス流路部分４ｃ−１と同様な部分であって、図８Ｂ参照。）を、枠体２の厚さと同じ程度に低くし、かつ、このアノード側弾性体４ｂのガス流路部分４ｂ−１に対向するアノード側セパレータ５ｂのガス流路部には、ガス流路部用凹部５ｂ−１（図８Ａのガス流路部用凹部５ｃ−１と同様な部分であって、図示せず。）を形成している。よって、単セル組立後には、アノード側弾性体４ｂのガス流路部分４ｂ−１とアノード側セパレータ５ｂとの間には、ガス供給用の空間を確実に形成することができる。なお、アノード側弾性体４ｂのガス流路部分４ｂ−１の近傍にはアノード側リブ４ｄは設けないようにして、ガス流路を確保するようにすることが好ましい。
【００５５】
前記弾性体４ｂ，４ｃ及び前記リブ４ｄ，４ｅの材料の一例としては熱可塑性樹脂エラストマが好ましい。その理由は、もし弾性体４ｂ，４ｃに熱硬化性樹脂を使用すると、流動性が非常に低い為、熱硬化性樹脂が電極１ｂ，１ｃの内部にまで含浸して（矢印６６参照）、電極１ｂ，１ｃの部分の有効面積を小さくする可能性がある(図８Ｄ参照）。これに対して、本実施形態のように弾性体４ｂ，４ｃに熱可塑性樹脂を使用すると、成形時に流動する溶融樹脂が電極１ｂ，１ｃに触れると急速に冷却、固化して、電極１ｂ，１ｃの内部には含浸せず、電極１ｂ，１ｃの部分の有効面積に悪影響を与えないとともに、成形圧力により、枠体２と電極１ｂ，１ｃの接合部分の形状に合致した緻密なシール（言い換えれば、転写性の良い所望形状のシール）を形成することができるといった効果を発揮させることができる。
【００５６】
弾性体、リブ、ガスケットの具体的な材料の例としては、オレフィン系熱可塑性樹脂エラストマの一種である、三井化学株式会社製のミラストマー（登録商標）の高硬度銘柄のＭ３８００が挙げられる。また、弾性体及びリブにおいて、弾性変形を、それぞれ、より確実に行わせるための条件としては、ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３（ＩＳＯ  ７６１９）で規定されているＡ５０〜Ａ９０又はＤ３７〜Ｄ６０の弾性を有するようにすればよい。
【００５７】
枠体２の具体的な材料の例としては、株式会社プライムポリマーのＲ−２５０Ｇ又は３５０Ｇであり、セパレータ５ｂ，５ｃとしては、金属、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）に金メッキの表面処理を施したもの、チタンに金メッキの表面処理を施したものなどを使用することができ、セパレータ５ｂ，５ｃの具体的な材料の例としては、外寸１２０ｍｍ×１２０ｍｍ、厚み３．０ｍｍの樹脂含浸黒鉛板（東海カーボン（株）製グラッシーカーボン）が挙げられる。なお、特に、自動車用材料としては、ステンレス鋼（ＳＵＳ）に表面処理がされた金属セパレータなどが好ましい。
【００５８】
また、枠体２が存在する効果としては、マニホールドを構成することができる効果に加えて、部材のハンドリングが容易となること、及び、枠体２でセパレータ５ｂ，５ｃを当止めすることができ、これによってセパレータ５ｂ，５ｃと電極１ｂ，１ｃとの接触圧力を最適に保つことができる。例えば、図８Ｅに示すように枠体２が無く、高分子電解質膜１ａにガスケット３ｂ，３ｃを直接配置した場合、図８Ｆ（初期時）及び図８Ｇ（長期間使用後）に示すように、電極１ｂ，１ｃは柔らかい為、ガスケット３ｂ，３ｃが長期使用で潰れてくると、セパレータ５ｂ，５ｃ間の間隔寸法が徐々に小さくなり電極１ｂ，１ｃにセパレータ５ｂ，５ｃが強く当るようになってくる（矢印６７参照）。このとき、図８Ｈ及び図８Ｉに示すように、セパレータ５ｂ，５ｃを枠体２に当て止めることができて、長期圧縮荷重に対して、セパレータ５ｂ，５ｃ間の間隔寸法６８を安定させることが出来る。
【００５９】
単セル２０の組立時にセパレータ５ｂ，５ｃが電極−膜−枠接合体１５に積層されると、図３Ｂ、図４Ｇ、図４Ｈに示すように、弾性体４ｂ，４ｃとリブ４ｄ，４ｅはセパレータ５ｂ，５ｃによってそれぞれ圧縮される。この結果、弾性体４ｂ，４ｃの圧縮力により高分子電解質膜１ａを高分子電解質膜１ａの厚み方向沿いに加圧する為、高分子電解質膜１ａと弾性体４ｂ，４ｃは接着していなくとも、この加圧力と弾性体４ｂ，４ｃの弾力で、弾性体４ｂ，４ｃと高分子電解質膜１ａの隙間１２（図３Ａ参照）は確実に封止される。又、セパレータ５ｂ，５ｃと枠体２との間での弾性体４ｂ，４ｃとリブ４ｄ，４ｅの弾性変形により、アノード電極１ｂの外縁とカソード電極１ｃの外縁のそれぞれと枠体２の内縁２ｂ，２ｃとの間の隙間６（図３Ｄ参照）も前記従来例よりも大幅に小さく、すなわち隙間６の空間を大幅に小さくすることができるか、又は、前記隙間６を無くすことができる。
【００６０】
従って、前記第１実施形態によれば、高分子電解質膜１ａなどを保持する枠体２の内側の縁部に、平面的には枠状のアノード側弾性体４ｂと平面的には枠状のカソード側弾性体４ｃと、所定間隔毎に多数配置されたアノード側リブ４ｄとカソード側リブ４ｅとをそれぞれ備えるようにしたので、単セル２０の組立時に、枠体２とアノード側セパレータ５ｂとの間でアノード側弾性体４ｂとアノード側リブ４ｄとをそれぞれ前記電極−膜−枠接合体１５の厚み方向に対して交差する方向に弾性変形させ、弾性変形した部分が、隣接するアノード側リブ４ｄの間の空間であるアノード側凹部（圧縮体積逃がし部）４ｆ内にそれぞれ入り込み、弾性変形したアノード側弾性体４ｂと弾性変形したアノード側リブ４ｄがほぼ連続的に枠体２とアノード側セパレータ５ｂとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。また、カソード側でも同様に、単セル２０の組立時に、枠体２とカソード側セパレータ５ｃとの間でカソード側弾性体４ｃとカソード側リブ４ｃとをそれぞれ弾性変形させ、弾性変形した部分が、隣接するカソード側リブ４ｃの間の空間であるカソード側凹部（圧縮体積逃がし部）４ｇ内にそれぞれ入り込み、弾性変形したカソード側弾性体４ｃと弾性変形したカソード側リブ４ｅがほぼ連続的に枠体２とカソード側セパレータ５ｃとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。
【００６１】
この結果、弾性変形したアノード側弾性体４ｂと弾性変形したアノード側リブ４ｄと弾性変形したカソード側弾性体４ｃと弾性変形したカソード側リブ４ｅとにより枠体２とアノード側セパレータ５ｂ及びカソード側セパレータ５ｃとの間がそれぞれ密着封止されて、高分子電解質膜１ａと枠体２との間の隙間１２（図３Ａ参照）を抜けるクロスリーク現象（従来例において、図８Ａに矢印１８で示すようなクロスリークが発生する現象）を効果的に抑制することができ、かつ、枠体２の縁部沿いの還元剤ガス１１ａの短絡的な流れ及び枠体２の縁部沿いの酸化剤ガス１１ｂの短絡的な流れ（図３Ａ参照）をそれぞれ抑制することができて、還元剤ガス１１ａと酸化剤ガス１１ｂのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる。
【００６２】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の単セルの概略構成を示す概略断面図を図５Ａに示す。
【００６３】
この第２実施形態においては、前記第１実施形態の前記単セルにおいて、アノード側セパレータ５ｂの傾斜面５ｆとカソード側セパレータ５ｃの傾斜面５ｇとを平面的に全周枠状に設けるのではなく、部分的に設けるようにしたものである。また、前記第１実施形態では、前記した弾性体４ｂ，４ｃのアノード側傾斜面とカソード側傾斜面が、アノード側凹部４ｆの底面とカソード側凹部４ｇの底面としたが、これに限られるものではなく、アノード側リブ４ｄの表面とカソード側リブ４ｅの表面として捉えてもよい。また、アノード側凹部４ｆの底面とカソード側凹部４ｇの底面、又は、アノード側リブ４ｄの表面とカソード側リブ４ｅの表面は、それぞれ、セパレータ５ｂ，５ｃの傾斜面５ｆ，５ｇと大略平行に形成するものに限らず、多少傾斜角度が異なっても良く、要するに、単セル組立時に、前記したようなアノード側リブ４ｄとカソード側リブ４ｅの弾性変形による密着封止効果を奏することができればよい。
【００６４】
このように設定すると、電極−膜−枠接合体１５とセパレータ５ｂ，５ｃの積層時に、弾性体４ｂ，４ｃの上面だけでなく、弾性体４ｂ，４ｃの傾斜面側でもアノード側リブ４ｄとカソード側リブ４ｅにより安定して密着封止することができるため、還元剤ガス１１ａ及び酸化剤ガス１１ｂのそれぞれの遮断性が一層向上することになる。又、これらの傾斜面は単セル積層組立時に、電極−膜−枠接合体１５とセパレータ５ｂ，５ｃとの相対的な位置決めを容易にするなどのガイドの機能も果たすことができ、組立性を向上させることができる。
【００６５】
（変形例）
なお、本発明は前記複数の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。
【００６６】
例えば、前記それぞれの実施形態の高分子電解質膜１ａにおいて、弾性体４ｂ，４ｃにて成形一体化される範囲以上に、アノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃの保護のためのさらに一層の補強膜１３（図５Ａ及び図５Ｂ参照）があっても、同様の効果が得られる。
【００６７】
また、別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、アノード側弾性体４ｂ、カソード側弾性体４ｃが配置された部分では、この弾性変形効果によって、ガスケット３ｂ，３ｃと同様なガスのシール効果が得られ、還元剤ガス１１ａ及び酸化剤ガス１１ｂがそれぞれシールされるため、外周にガスケット３ｂ，３ｃを配置しない構造も可能となる。
【００６８】
また、別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、図６に示すように、弾性体４ｂ又は４ｃと同様な弾性体４ｈを、枠体２のアノード側の枠体組立面９又はカソード側の枠体組立面９の片方にのみ、全周又は部分的に配置し、アノード側の枠体組立面９又はカソード側の枠体組立面９の他方には、セパレータ５ｂ，５ｃの積層時の弾性体４ｈの圧縮圧を受けるために、枠体２を内縁方向の中心側に向けて延長した延長部２ｈを形成するようにしてもよい。このように、弾性体４ｈは片方だけでも、相応の効果が得られるとともに、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側の枠体組立面９又は前記カソード側の枠体組立面９の一方側にのみ弾性体４ｈを配置すればよいので、製造上、容易になる。この場合、延長部２ｈを形成するため、図６に示すように、カソード電極１ｃの外縁の位置をアノード電極１ｂの外縁の位置をよりも内側に位置させるようにしている。
【００６９】
なお、この別の変形例及び他の変形例又は実施形態（図５Ａ及び図５Ｂを除く）においては、補強膜１３は無くてもよい。
【００７０】
また、別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、図７Ａは、前記片側の弾性体４ｂ，４ｃを、前記電極−膜−枠接合体の枠体２のアノード側の枠体組立面９とカソード側の枠体組立面９とで相互に位置をずらす事で、一体化成形時の成形圧力を受け易くし、成形時の成形圧力に対する弾性体４ｂ，４ｃそれぞれの耐変形強度を小さくすることができて、単セル２０の設計自由度を高めた例である。この場合の弾性体４ｂ，４ｃも、全周又は部分的に配置するようにしてもよい。この場合も、延長部２ｈを形成するため、図７Ａに示すように、カソード電極１ｃの外縁の位置をアノード電極１ｂの外縁の位置をよりも内側に位置させるようにしている。
【００７１】
より具体的な例として、図７Ａに示すように、カソード電極１ｃの外縁の位置をアノード電極１ｂの外縁の位置をよりも内側に位置させて弾性体４ｂ，４ｃの位置をずらせるために、図７Ｂ〜図７Ｄに示すように、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃとの大きさを異ならせるようにしてもよい。一例として、正方形のカソード電極１ｃを正方形のアノード電極１ｂよりも大きくすることができる。
【００７２】
このような図７Ｂ〜図７Ｄの構成によれば、図７Ａの別の変形例の基本的な代表例であり、弾性体４ｂ，４ｃを単純に枠体２の全周にそれぞれ配置した形状であり、構造が簡単なものとなっている。
【００７３】
また別の具体的な例として、図７Ａに示すように、カソード電極１ｃの外縁の位置をアノード電極１ｂの外縁の位置をよりも内側に位置させて弾性体４ｂ，４ｃの位置をずらせるために、図７Ｅ〜図７Ｇに示すように、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃとの大きさは同じであるが、配置位置を互いに異ならせるようにしてもよい。一例として、正方形のカソード電極１ｃと同じ大きさの正方形のアノード電極１ｂを図７Ｆにおいて斜め方向に位置を互いにずらせることができる。
【００７４】
このような図７Ｅ〜図７Ｇの構成によれば、以下のような効果がある。すなわち、図７Ｂ〜図７Ｄの構成ではアノード電極１ｂとカソード電極１ｃの大きさが異なるものであるのに対して、図７Ｅ〜図７Ｇの構成によれば、例えば一種類のプレス型が準備するだけでよいため、電極製作が容易になるとともに、弾性体４ｂ，４ｃの周長が同じになり、成形性を向上させることができる。
【００７５】
またさらに別の具体的な例として、図７Ａに示すように、カソード電極１ｃの外側の弾性体４ｃの位置とアノード電極１ｂの外側の弾性体４ｂの位置とをずらせるために、図７Ｈ〜図７Ｊに示すように、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃとの大きさを異ならせるとともに、それぞれ、四辺形ではなく、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃとの外縁において、部分的にフランジ部を交互に張り出すように形成した形状とし、かつ、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃの各外側に配置する弾性体４ｂ，４ｃの配置位置を正方形ではなく、各電極１ｂ，１ｃの外縁に沿ったジグザグ状に配置するようにしてもよい。一例として、カソード電極１ｃをアノード電極１ｂよりも大きくするとともに、カソード電極１ｃの外縁に沿ってジグザグ状に配置する弾性体４ｃとアノード電極１ｂの外縁に沿ってジグザグ状に配置する弾性体４ｂとが互いに所定間隔で違いに交差して内側と外側に交互に位置するように配置されるようにしてもよい。なお、図７Ｉは、単セルの組立前でかつ弾性体成形前の概略断面図であり、弾性体４ｂ成形用の隙間６ｉと弾性体４ｃ成形用の隙間６ｊとが連続して枠状に形成されている。図７Ｊでは、それらの枠状の隙間６ｉ，６ｊに弾性体４ｂ，４ｃがそれぞれ成形されて形成された状態の概略断面図である。
【００７６】
このような図７Ｈ〜図７Ｊの構成によれば、図７Ｅ〜図７Ｇの例と比べて、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃの中心を一致させることができて、製品全体のバランスが良い。
【００７７】
なお、さらに別の具体的な例として、図７Ａに示すように、カソード電極１ｃの外側の弾性体４ｃの位置とアノード電極１ｂの外側の弾性体４ｂの位置とをずらせるために、図７Ｋ〜図７Ｍに示すように、長方形のアノード電極１ｂと長方形のカソード電極１ｃとの大きさを異ならせるとともに、アノード電極１ｂの長手辺（或いは短手辺）においてカソード電極１ｃが明確にはみ出すようにしてもよい。
【００７８】
前記色々と記載したように、アノード電極１ｂ側の弾性体４ｂとカソード電極１ｃ側の弾性体４ｃの位置をずらせることによって、一体化成形時の成形圧力を受け易くし、成形時の成形圧力に対する弾性体４ｂ，４ｃそれぞれの耐変形強度を小さくすることができる上に、高分子電解質膜１ａの変形も防止することができることについて、詳しく説明する。
【００７９】
図１１Ａに示すように、アノード電極側の弾性体４ｂとカソード電極側の弾性体４ｃの位置をずらせていない場合に、アノード電極側の金型６１ｂ内にアノード電極１ｂを配置し、カソード電極側の金型６１ｃ内にカソード電極１ｃを配置し、アノード電極側の金型６１ｂとカソード電極側の金型６１ｃとの間に枠体２及び高分子電解質膜１ａを挟み込むようにしてアノード電極側の金型６１ｂとカソード電極側の金型６１ｃとを図１１Ｂに示すように型締めする。次いで、図１１Ｃに示すように、型締めされたアノード電極側の金型６１ｂとカソード電極側の金型６１ｃ内に溶融樹脂を注入すると、弾性体４ｂと４ｃとが対向する部分のキャビティ６１ｇでは、溶融樹脂は高分子電解質膜１ａでのみその圧力を受けることになる。すると、高分子電解質膜１ａは強度がないので、図１１Ｃに参照符号６２で示すように、溶融樹脂の圧力で高分子電解質膜１ａが変形する可能性がある。
【００８０】
これに対して、図１１Ｄに示すように、アノード電極側の弾性体４ｂとカソード電極側の弾性体４ｃの位置をずらせている場合には、アノード電極側の金型６１ｄ内にアノード電極１ｂを配置し、カソード電極側の金型６１ｅ内にカソード電極１ｃを配置し、アノード電極側の金型６１ｄとカソード電極側の金型６１ｅとの間に枠体２及び高分子電解質膜１ａを挟み込むようにしてアノード電極側の金型６１ｄとカソード電極側の金型６１ｅとを図１１Ｅに示すように型締めする。次いで、図１１Ｆに示すように、型締めされたアノード電極側の金型６１ｄとカソード電極側の金型６１ｅ内に溶融樹脂を注入すると、弾性体４ｂのキャビティ６１ｈでは、溶融樹脂は高分子電解質膜１ａの背後に位置したカソード電極側の金型６１ｅで受けることになり、弾性体４ｃのキャビティ６１ｉでは、溶融樹脂は高分子電解質膜１ａの背後に位置した枠体２の延長部２ｈ及びアノード電極側の金型６１ｄで受けることになる。よって、成形時の樹脂圧力を受ける面は、金型、又は金型で受けられた枠体２があるので、高分子電解質膜１ａは変形することはない。
【００８１】
また、さらに別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、前記弾性体４ｂ，４ｃを、枠体２ではなく、セパレータ５ｂ，５ｃに配置するようにしてもよい。
【００８２】
また、さらに別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、図１０Ｃ及び図１０Ｄに示すように、前記弾性体４ｂ，４ｃを枠体２に配置するとともに、弾性体４ｂ，４ｃに接触して圧接可能な弾性体４５ｂ，４５ｃをセパレータ５ｂ，５ｃにも配置するようにしてもよい。セパレータ５ｂ，５ｃに配置された弾性体４５ｂ，４５ｃは、セパレータ５ｂ，５ｃの傾斜面５ｆ，５ｇと同様な傾斜面４５ｂ−１，４５ｃ−１を有して、同様な機能を発揮するようにしている。
【実施例１】
【００８３】
前記第１実施形態にかかる高分子電解質型燃料電池を用いた実施例について説明する。
【００８４】
図５Ａ、及び図８Ａにおいて、高分子電解質膜１ａを、例えば、Ｄｕｐｏｎｔ社のナフィオン「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）のＮ−１１７」、５０μｍ厚の樹脂材料からトムソン型により打ち抜いて形成した。この高分子電解質膜１ａのそれぞれの面にアノード電極１ｂ、カソード電極１ｃを接合し、この高分子電解質膜１ａ―電極接合体１５をインサート部品として、グラスファイバー添加ポリプロピレン（例えば、出光石油化学株式会社  Ｒ２５０Ｇ）を用いて、枠体２を樹脂成形により形成した。
【００８５】
このようにして形成した枠体２には、図８Ａに示すように、少なくとも各一対の燃料ガス用マニホールド孔１５ｂ、酸化剤ガス用マニホールド孔１５ａ、冷却水用マニホールド孔１５ｃが設けられ、またセルを締結するボルトを貫通させるための複数個の貫通孔１６を有していた。
【００８６】
枠体２は、さらに、カソード電極１ｃが位置する側の表面である枠体組立面９に、酸化剤ガス用マニホールド孔１５ａ及び酸化剤ガス流路２ｙを含みかつカソード電極１ｃにおいて酸化剤ガスが通過する全領域を囲むとともに冷却水用マニホールド孔１５ｃを囲むガスケット３ｃを有している。また、枠体２は、アノード電極１ｂが位置する側の表面である枠体組立面９に、燃料ガス用マニホールド孔１５ｂ及び燃料ガス流路２ｘを含みかつアノード電極１ｂにおいて燃料ガスが通過する全領域を囲むとともに冷却水用マニホールド孔１５ｃを囲むガスケット３ｂを同様に有している。また、アノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃの両面において、燃料ガス用マニホールド孔１５ｂ及び酸化剤ガス用マニホールド孔１５ａよりそれぞれの電極側へのガス流路１９は、図９に示すように、枠状の弾性体４ｂ，４ｃのうちの一部であってかつ枠体２のガス流路部２ｘ，２ｙに相当するガス流路部分４ｂ−１，４ｃ−１を、枠体２の厚さと同じ程度に低くし、かつ、この弾性体４ｂ，４ｃのガス流路部分４ｂ−１，４ｃ−１に対向するセパレータ５ｂ，５ｃのガス流路部には、ガス流路部用凹部５ｂ−１，５ｃ−１を形成して、ガス流路方向に補強の為のリブ４ｄ，４ｅを設けた。
【００８７】
この実施例では、各電極１ｂ，１ｃの外縁は１２０ｍｍ角で厚さは０．５ｍｍ、枠体２は厚さ２ｍｍで内縁は１２５ｍｍ角とした。そして、この電極の外縁と枠体の内縁の間に、熱可塑性樹脂エラストマを成形することにより、電極１ｂ，１ｃと枠体２を一体化した。弾性体４ｂ，４ｃとしては熱可塑性樹脂エラストマを使用し、初期厚さ２．２ｍｍで、セパレータ５ｂ，５ｃにて弾性体４ｂ，４ｃのセパレータ５ｂ，５ｃへの接合面を枠体２と同一面に設定することで、積層時の弾性体圧縮量は、アノード電極側、カソード電極側、各々０．１０ｍｍに設定した。
【００８８】
弾性体４ｂ，４ｃの内縁側の電極面側への傾斜面としては、高分子電解質膜１ａに対する直交方向に対して、３０度だけ傾斜するように形成した。
【００８９】
以上のように製作した電極−膜−枠接合体１５をアノード側用セパレータ５ｂとカソード側用セパレータ５ｃで両側から挟み込むことにより、単セル２０とした。
【００９０】
このような単セル２０を５０セル積層し、積層した５０セルの両端部には金属製の集電板２１と電気絶縁材料の絶縁板２２、さらに端板２３と締結ロッドで固定し、水素と空気を通じ、冷却水を循環して電池試験を行った結果、弾性体無しの場合に比較し、ガス利用率を６％向上させることが出来た。
【００９１】
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。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明にかかる固体高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる燃料電池として有用である。
【００９３】
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、この技術の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。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
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形態に関連した次の記述から明らかになる。
【図１】図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の概略構成を示す模式構成図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池が備える燃料電池用スタックの模式分解図である。
【図３Ａ】図３Ａは、前記燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、前記単セルの組立後の概略断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、弾性体が無い場合の比較例の燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、前記弾性体が無い場合の比較例の単セルの組立後の概略断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、組立て精度誤差のために生じうる、わずかな隙間が残る場合を説明するための、燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図である。
【図３Ｆ】図３Ｆは、組立て精度誤差のために生じうる、わずかな隙間を除去することを説明するための、燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。
【図３Ｇ】図３Ｇは、組立て精度誤差のために生じうる、わずかな隙間を除去することを説明するための、燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、前記単セルの組立前の斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、前記単セルの組立前の一部拡大断面模式図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、前記単セルの組立後の斜視図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、リブ付きの単セルの組立後の一部拡大断面模式図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、前記リブ付きの単セルの組立前の斜視図である。
【図４Ｆ】図４Ｆは、前記リブ付きの単セルの組立前の一部拡大断面模式図である。
【図４Ｇ】図４Ｇは、前記リブ付きの単セルの組立後の斜視図である。
【図４Ｈ】図４Ｈは、前記リブ付きの単セルの組立後の一部拡大断面模式図である。
【図４Ｉ】図４Ｉは、前記単セルの弾性体付近の拡大断面模式図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａの前記単セルの組立後の概略断面図である。
【図６】図６は、前記第１又は第２実施形態の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、前記第１又は第２実施形態の別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、前記第１又は第２実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、前記図７Ｂの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略平面図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、前記図７Ｂの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略断面図である。
【図７Ｅ】図７Ｅは、前記第１又は第２実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図である。
【図７Ｆ】図７Ｆは、前記図７Ｅの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略平面図である。
【図７Ｇ】図７Ｇは、前記図７Ｅの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略断面図である。
【図７Ｈ】図７Ｈは、前記第１又は第２実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の電極−膜−枠接合体の概略平面図である。
【図７Ｉ】図７Ｉは、前記図７Ｈの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前でかつ弾性体成形前の概略断面図である。
【図７Ｊ】図７Ｊは、前記図７Ｈの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後（弾性体成形後）の概略断面図である。
【図７Ｋ】図７Ｋは、前記第１又は第２実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図である。
【図７Ｌ】図７Ｌは、前記図７Ｋの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略平面図である。
【図７Ｍ】図７Ｍは、前記図７Ｋの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、前記第１実施形態の前記単セルの枠体本体の平面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、前記枠体本体にガスケットを配置した状態での前記第１実施形態の前記単セルの枠体のアノード側の表面の正面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、前記枠体本体にガスケットを配置した状態での前記第１実施形態の前記単セルの枠体のカソード側の表面の正面図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、弾性体に熱可塑性樹脂を使用することを説明するための前記枠体の部分拡大図である。
【図８Ｅ】図８Ｅは、枠体が無い場合の不具合を説明するため、枠体が無く、高分子電解質膜に２つのガスケットを直接配置した場合の燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。
【図８Ｆ】図８Ｆは、図８Ｅの場合の前記単セルの組立後の初期時の概略断面図である。
【図８Ｇ】図８Ｇは、図８Ｅの場合の前記単セルの組立後でかつ長期間使用後の概略断面図である。
【図８Ｈ】図８Ｈは、枠体が有る場合の前記燃料電池用スタックの前記単セルの組立前の概略断面図である。
【図８Ｉ】図８Ｉは、図８Ｈの場合の前記単セルの組立後の初期時及び長期間使用後の概略断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、前記第１実施形態の前記単セルのガス流路部分の組立前の概略断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、前記第１実施形態の前記単セルのガス流路部分の組立後の概略断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、前記第１又は第２実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、前記図１０Ａの別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、前記第１又は第２実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、前記図１０Ｃの別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、アノード電極側の弾性体とカソード電極側の弾性体の位置をずらせていない場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型型締め前の工程の説明図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａの場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型型締め中の工程の説明図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１１Ａの場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型の溶融樹脂注入工程の説明図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、アノード電極側の弾性体とカソード電極側の弾性体の位置をずらせている場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型型締め前の工程の説明図である。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、図１１Ｄの場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型型締め中の工程の説明図である。
【図１１Ｆ】図１１Ｆは、図１１Ｄの場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型の溶融樹脂注入工程の説明図である。
【図１２】図１２は、従来例の固体高分子電解質型燃料電池の電解質膜−電極接合体とセパレータの分解断面図である。
【図１３】図１３は、従来例の固体高分子電解質型燃料電池の電解質膜−電極接合体の断面図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008001755.tif 000060
【図２】
2008001755.tif 000061
【図３Ａ】
2008001755.tif 000062
【図３Ｂ】
2008001755.tif 000063
【図３Ｃ】
2008001755.tif 000064
【図３Ｄ】
2008001755.tif 000065
【図３Ｅ】
2008001755.tif 000066
【図３Ｆ】
2008001755.tif 000067
【図３Ｇ】
2008001755.tif 000068
【図４Ａ】
2008001755.tif 000069
【図４Ｂ】
2008001755.tif 000070
【図４Ｃ】
2008001755.tif 000071
【図４Ｄ】
2008001755.tif 000072
【図４Ｅ】
2008001755.tif 000073
【図４Ｆ】
2008001755.tif 000074
【図４Ｇ】
2008001755.tif 000075
【図４Ｈ】
2008001755.tif 000076
【図４Ｉ】
2008001755.tif 000077
【図５Ａ】
2008001755.tif 000078
【図５Ｂ】
2008001755.tif 000079
【図６】
2008001755.tif 000080
【図７Ａ】
2008001755.tif 000081
【図７Ｂ】
2008001755.tif 000082
【図７Ｃ】
2008001755.tif 000083
【図７Ｄ】
2008001755.tif 000084
【図７Ｅ】
2008001755.tif 000085
【図７Ｆ】
2008001755.tif 000086
【図７Ｇ】
2008001755.tif 000087
【図７Ｈ】
2008001755.tif 000088
【図７Ｉ】
2008001755.tif 000089
【図７Ｊ】
2008001755.tif 000090
【図７Ｋ】
2008001755.tif 000091
【図７Ｌ】
2008001755.tif 000092
【図７Ｍ】
2008001755.tif 000093
【図８Ａ】
2008001755.tif 000094
【図８Ｂ】
2008001755.tif 000095
【図８Ｃ】
2008001755.tif 000096
【図８Ｄ】
2008001755.tif 000097
【図８Ｅ】
2008001755.tif 000098
【図８Ｆ】
2008001755.tif 000099
【図８Ｇ】
2008001755.tif 000100
【図８Ｈ】
2008001755.tif 000101
【図８Ｉ】
2008001755.tif 000102
【図９Ａ】
2008001755.tif 000103
【図９Ｂ】
2008001755.tif 000104
【図１０Ａ】
2008001755.tif 000105
【図１０Ｂ】
2008001755.tif 000106
【図１０Ｃ】
2008001755.tif 000107
【図１０Ｄ】
2008001755.tif 000108
【図１１Ａ】
2008001755.tif 000109
【図１１Ｂ】
2008001755.tif 000110
【図１１Ｃ】
2008001755.tif 000111
【図１１Ｄ】
2008001755.tif 000112
【図１１Ｅ】
2008001755.tif 000113
【図１１Ｆ】
2008001755.tif 000114
【図１２】
2008001755.tif 000115
【図１３】
2008001755.tif 000116
【国際調査報告】
2008001755.tif 000117
2008001755.tif 000118
2008001755.tif 000119
2008001755.tif 000120