(57)【要約】【課題】燃料電池の発電性能及び耐久性を一層向上させることができる電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【解決手段】金型の内面に設けられた先端部が尖っている突起部をガス拡散層の周縁部に突き刺して、当該ガス拡散層の面方向の移動を規制した状態で、金型内に溶融した樹脂材料を流し込んで枠体を射出成形する。【選択図】図３Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とを順に積層した膜電極接合体の周縁部に枠体を形成した電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
金型の内面に設けられた先端部が尖っている突起部を前記ガス拡散層の周縁部に突き刺して、当該ガス拡散層の面方向の移動を規制した状態で、前記金型内に溶融した樹脂材料を流し込んで前記枠体を射出成形する、
ことを含む、電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項２】
前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されている、請求項１に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項３】
前記突起部の高さは、前記ガス拡散層の厚さ未満である、請求項１に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項４】
前記突起部の高さは、前記ガス拡散層の厚さの５０％以上〜９５％未満である、請求項３に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項５】
前記突起部の断面形状が三角形である、請求項１〜４のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項６】
前記突起部の頂角が９０°以下である、請求項１〜５のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項７】
前記突起部の頂角が４５°以下である、請求項１〜５のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項８】
前記突起部は、前記金型の厚さ方向から見て環状に設けられている、請求項１〜７のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項９】
高分子電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とを順に積層した膜電極接合体の周縁部に枠体を形成した電極−膜−枠接合体と、前記電極−膜−枠接合体を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池の製造方法であって、
金型の内面に設けられた先端部が尖っている突起部を前記ガス拡散層の周縁部に突き刺して、当該ガス拡散層の面方向の移動を規制した状態で、前記金型内に溶融した樹脂材料を流し込んで前記枠体を射出成形する、
ことを含む、燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
前記セパレータ及び前記ガス拡散層の少なくとも一方には、ガス流路が設けられ、
前記突起部が前記ガス拡散層に突き刺さることにより形成された突起痕の断面積は、前記突起痕の近傍に位置するガス流路の断面積よりも小さい、請求項９に記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に関し、特に当該燃料電池が備える電極−膜−枠接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（例えば、高分子電解質形燃料電池）は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。
【０００３】
燃料電池（単電池）は、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assemblyという）を一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。ＭＥＡは、ハンドリング性の向上のため、その周縁部（外縁部ともいう）を、額縁状に成形された樹脂製の枠体で保持されている。ここでは、前記枠体を備えるＭＥＡを電極−膜−枠接合体という。
【０００４】
ＭＥＡは、周縁部を前記枠体に支持される高分子電解質膜と、当該電解質膜の両面に形成され、かつ前記枠体より内側に配置された一対の電極層とで構成されている。一対の電極層は、高分子電解質膜の両面に形成される白金等の触媒層と、当該触媒層上に形成される多孔質で導電性を有するガス拡散層とで構成されている。前記一対の電極層にそれぞれ燃料ガス又は酸化剤ガスが供給されることにより、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。
【０００５】
従来の電極−膜−枠接合体の製造方法としては、例えば、特許文献１（特開２０１１−４０２９０号公報）に開示されたものがある。特許文献１には、ガス拡散層及び触媒層への成形樹脂材料の侵入を制御することを目的として、金型に設けた突起部でガス拡散層を圧縮することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−４０２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者らは、燃料電池の発電性能の向上と低コスト化の両方を実現すべく、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されているガス拡散層を用いた燃料電池を検討した。
【０００８】
しかしながら、かかるガス拡散層を用いた燃料電池の製造に際し、従来の電極−膜−枠接合体の製造方法を適用しても、製造された燃料電池の発電性能及び耐久性を十分に確保することはできなかった。
【０００９】
従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、燃料電池の発電性能及び耐久性を一層向上させることができる電極−膜−枠接合体の製造方法及び燃料電池の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明によれば、高分子電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とを順に積層した膜電極接合体の周縁部に枠体を形成した電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
金型の内面に設けられた先端部が尖っている突起部を前記ガス拡散層の周縁部に突き刺して、当該ガス拡散層の面方向の移動を規制した状態で、前記金型内に溶融した樹脂材料を流し込んで前記枠体を射出成形する、
ことを含む、電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法によれば、燃料電池の発電性能及び耐久性を一層向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造方法により製造される電極−膜−枠接合体の基本構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の電極−膜−枠接合体の基本構成を模式的に示す平面図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに続く工程を示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｂに続く工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造方法に用いる第１金型を模式的に示す平面図である。
【図５】図４の第１金型に設けられた突起部をガス拡散層に突き刺した状態を模式的に示す拡大断面図である。
【図６】本発明の実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を備える燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、ガス流路がセパレータに設けられた例を示す図である。
【図７】図６の燃料電池を複数個連結した燃料電池スタックの基本構成を示す分解斜視図である。
【図８】本発明の実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を備える燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、ガス流路がガス拡散層に設けられた例を示す図である。
【図９Ａ】金型に設けられる突起部の第１変形例を示す断面図である。
【図９Ｂ】金型に設けられる突起部の第２変形例を示す断面図である。
【図１０】内面に矩形断面の突起部を有する金型に膜電極接合体を配置した状態を示す断面図である。
【図１１】図１０の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（本発明の基礎となった知見）
導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されているガス拡散層は、カーボンペーパー等の基材を有するガス拡散層と比して多孔度が低く、かつ剛性が低いという性質がある。本発明者らは鋭意研究したところ、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されているガス拡散層を用いて電極−膜−枠接合体を製造すると、上述の性質に起因した以下の問題が生じることを見出した。
【００１４】
射出成形は、膜電極接合体を金型に配置し、型閉じし、その周縁部に溶融した樹脂材料を流し込むことで行う。この際、ガス拡散層の周縁部が金型により押さえられる力が弱い場合には、ガス拡散層がその中心部に向かって滑りながら移動する（以下、「横滑り」という）現象が起きる。この横滑り現象が起こるのは、以下の理由による。
【００１５】
すなわち、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されているガス拡散層は、多孔度が低いため、射出される樹脂材料はガス拡散層に含侵しにくい。したがって、ガス拡散層の側面からガス拡散層に向かって樹脂材料が射出されると、射出圧力によりガス拡散層はその中心部に向かって押されることになる。また、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されているガス拡散層は、剛性が低いため、形状が変化しやすい。したがって、ガス拡散層はその形状を変形させながら、その中心部に向かって横滑りする。
【００１６】
次に、射出成形の際に、ガス拡散層の周縁部が金型により押さえられる力が強い場合に生じる問題について、図１０及び図１１を参照しながら説明する。図１０は、内面に矩形断面の突起部を有する金型に膜電極接合体を配置した状態を示す断面図である。図１１は、図１０の部分拡大図である。
【００１７】
図１０に示すように、内面に矩形断面の突起部１０１ａを有する金型１０１に電極−膜接合体１０２を配置すると、突起部１０１ａによりガス拡散層１２１の周縁部が強く押さえられることになる。これにより、上述の横滑りを防ぐことができる。しかしながら、このとき、図１１に示すように、突起部１０１ａの下方に位置する高分子電解質膜１２３も圧縮され、機械的ダメージを受けることになる。これは、以下の理由による。
【００１８】
すなわち、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されているガス拡散層１２１は、多孔度が低く、かつ剛性が低い。そのため、ガス拡散層１２１に加わった厚さ方向（図１０では上下方向）からの力は、面方向（図１０では横方向）の力として分散されにくく、ガス拡散層１２１の下方に伝わりやすい。
【００１９】
ガス拡散層１２１が突起部１０１ａにより押さえられ圧縮されると、その力は突起部１０１ａの下方に位置するガス拡散層１２１、触媒層１２２、及び高分子電解質膜１２３に伝わる。このため、突起部１０１ａの下方に位置する高分子電解質膜１２３は圧縮され、機械的ダメージを受ける。高分子電解質膜１２３が機械的ダメージを受けると、発電時にその部分の劣化が加速する。その結果として、燃料電池の発電性能の低下及び耐久性の低下がもたらされる。
【００２０】
このように、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されているガス拡散層１２１を用いて電極−膜−枠接合体を製造する際に、ガス拡散層１２１の横滑りを防ぐことと、高分子電解質膜１２３に機械的ダメージを与えないこととを両立することが困難であった。
【００２１】
かかる知見に基づき本発明者らは鋭意検討したところ、金型の突起部の形状を工夫することで前記課題を解決できると考え、本発明に至った。
【００２２】
本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とを順に積層した膜電極接合体の周縁部に枠体を形成した電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
金型の内面に設けられた先端部が尖っている突起部を前記ガス拡散層の周縁部に突き刺して、当該ガス拡散層の面方向の移動を規制した状態で、前記金型内に溶融した樹脂材料を流し込んで前記枠体を射出成形する、
ことを含む、電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２３】
なお、上述した特許文献１には、金型の突起部の形状が半円状、三角形、四角形、台形等であってもよいことが開示されている。しかしながら、特許文献１の製造方法で用いられる金型の突起部は、ガス拡散層及び触媒層への成形樹脂材料の侵入を制御するためにガス拡散層を圧縮することを目的として設けられるものである。このため、特許文献１の金型の突起部の形状は、ガス拡散層を圧縮可能な形状である必要がある。すなわち、特許文献１の金型の突起部の形状が三角形である場合であっても、当該三角形は、例えば、頂角が９０°よりも１８０°に近いような鈍角三角形である必要がある。
【００２４】
これに対し、本発明の第１態様にかかる金型の突起部は、高分子電解質膜が機械的ダメージを受けることを避けるため、突起部の下方に位置するガス拡散層の部分を極力圧縮することなく、ガス拡散層の移動を規制することを目的として設けられるものである。このため、本発明の第１態様にかかる金型の突起部は、先端部が尖った形状としており、特許文献１の突起部とは明らかに異なるものである。
【００２５】
本発明の第２態様によれば、前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されている、第１態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２６】
本発明の第３態様によれば、前記突起部の高さは、前記ガス拡散層の厚さ未満である、第１態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２７】
本発明の第４態様によれば、前記突起部の高さは、前記ガス拡散層の厚さの５０％以上〜９５％未満である、第３態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２８】
本発明の第５態様によれば、前記突起部の断面形状が三角形である、第１〜４態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２９】
本発明の第６態様によれば、前記突起部の頂角が９０°以下である、第１〜５態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００３０】
本発明の第７態様によれば、前記突起部の頂角が４５°以下である、第１〜５態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００３１】
本発明の第８態様によれば、前記突起部は、前記金型の厚さ方向から見て環状に設けられている、第１〜７態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００３２】
本発明の第９態様によれば、高分子電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とを順に積層した膜電極接合体の周縁部に枠体を形成した電極−膜−枠接合体と、前記電極−膜−枠接合体を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池の製造方法であって、
金型の内面に設けられた先端部が尖っている突起部を前記ガス拡散層の周縁部に突き刺して、当該ガス拡散層の面方向の移動を規制した状態で、前記金型内に溶融した樹脂材料を流し込んで前記枠体を射出成形する、
ことを含む、燃料電池の製造方法を提供する。
【００３３】
本発明の第１０態様によれば、前記セパレータ及び前記ガス拡散層の少なくとも一方には、ガス流路が設けられ、
前記突起部が前記ガス拡散層に突き刺さることにより形成された突起痕の断面積は、前記突起痕の近傍に位置するガス流路の断面積よりも小さい、第９態様に記載の燃料電池の製造方法を提供する。
【００３４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３５】
《実施形態》
本発明の実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法について説明する前に、当該製造方法より製造される電極−膜−枠接合体の構成について説明する。図１は、本実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法により製造される電極−膜−枠接合体の基本構成を模式的に示す断面図であり、図２は、その平面図である。
【００３６】
本実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法により製造される電極−膜−枠接合体１は、ＭＥＡ（膜電極接合体）１０と、ＭＥＡ１０の周縁部に形成された枠体２０とを備えている。
【００３７】
ＭＥＡ１０は、高分子電解質膜１１と、当該高分子電解質膜１１の両面に形成された一対の電極層１２，１２とを備えている。一対の電極層１２の一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。電極層１２は、触媒層１３とガス拡散層１４とを備えている。触媒層１３は、高分子電解質膜１１の表面に形成され、当該触媒層１３上にガス拡散層１４が形成されている。すなわち、高分子電解質膜１１の両面に、触媒層１３とガス拡散層１４とが順に積層されている。ガス拡散層１４の周縁部には、後で詳しく説明するように、金型に設けられた突起部により形成された突起痕（金型痕）１４ａが形成されている。
【００３８】
また、高分子電解質膜１１は、触媒層１３及びガス拡散層１４よりもサイズが大きく、周縁部がそれらからはみ出すように設けられている。また、触媒層１３はガス拡散層１４と同じサイズもしくは大きいサイズでも良い。この高分子電解質膜１１のはみ出し部分を覆うように枠体２０が設けられている。枠体２０の形状は、特に限定されるものではないが、本実施形態では略矩形環状とする。
【００３９】
高分子電解質膜１１は、好ましくは、水素イオン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜１１としては、特に限定されるものではないが、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜（例えば、米国DuPont社製のNafion（登録商標）、旭化成（株）製のAciplex（登録商標）、旭硝子（株）製のFlemion（登録商標）など）や各種炭化水素系電解質膜を使用することができる。高分子電解質膜１１の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであればよい。高分子電解質膜１１の形状は、特に限定されるものではないが、本実施形態では略矩形とする。
【００４０】
触媒層１３は、好ましくは、水素又は酸素の酸化還元反応に対する触媒を含む層である。触媒層１３は、特に限定されるものではないが、例えば、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料とを主成分とした多孔質部材により構成することができる。触媒層１３は、導電性を有し、かつ水素及び酸素の酸化還元反応に対する触媒能を有するものであればよい。触媒層１３の形状は、特に限定されるものではないが、本実施形態では略矩形とする。触媒層１３は、高分子電解質膜１１の表面に触媒層形成用インクを塗工又はスプレーするなどして形成することができる。
【００４１】
ガス拡散層１４は、炭素繊維を基材として用いずに構成したいわゆる基材レスガス拡散層で構成されている。具体的には、ガス拡散層１４は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されている。ここで、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材とすることなく、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される構造（いわゆる自己支持体構造）を持つ多孔質部材を意味する。導電性粒子と高分子樹脂とで多孔質部材を製造する場合、例えば、界面活性剤と分散溶媒とを用いる。この場合、製造工程中に、焼成により界面活性剤と分散溶媒とを除去するが、十分に除去できずにそれらが多孔質部材中に残留することが有り得る。従って、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材として使用しない自己支持体構造である限り、そのようにして残留した界面活性剤と分散溶媒が多孔質部材に含まれてもよいことを意味する。また、炭素繊維を基材として基材として使用しない自己支持体構造であれば、他の材料（例えば、短繊維の炭素繊維など）が多孔質部材に含まれてもよいことも意味する。
【００４２】
ガス拡散層１４は、高分子樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造することができる。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌・混錬機に投入後、混錬して粉砕・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。次いで、高分子樹脂であるフッ素樹脂をさらに攪拌・混錬機に投下して、攪拌及び混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒、界面活性剤を除去する。これにより、シート状のガス拡散層１４を製造することができる。
【００４３】
ガス拡散層１４を構成する導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭などのカーボン材料が挙げられる。前記カーボンブラックとしては、アセチレンブラック（ＡＢ）、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカンなどが挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。また、カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状であってもよい。
【００４４】
ガス拡散層１４を構成する高分子樹脂の材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等が挙げられる。これらの中でも、高分子樹脂の材料としてＰＴＦＥが使用されることが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から好ましい。ＰＴＦＥの原料形態としては、ディスパージョン、粉末状などがあげられる。それらの中でも、ＰＴＦＥの原料形態としてディスパージョンが採用されることが、作業性の観点から好ましい。なお、ガス拡散層１４を構成する高分子樹脂は、導電性粒子同士を結着するバインダーとしての機能を有する。また、前記高分子樹脂は、撥水性を有するため、燃料電池の内部にて水を系内に閉じ込める機能（保水性）も有する。
【００４５】
また、ガス拡散層１４には、上述したように、導電性粒子及び高分子樹脂以外に、該カソードガス拡散層の製造時に使用する界面活性剤及び分散溶媒などが微量含まれていてもよい。分散溶媒としては、例えば、水、メタノール及びエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどのノニオン系、アルキルアミンオキシドなどの両性イオン系が挙げられる。製造時に使用する分散溶媒の量及び界面活性剤の量は、導電性粒子の種類、高分子樹脂の種類、それらの配合比率などに応じて適宜設定すればよい。なお、一般的には、分散溶媒の量、界面活性剤の量が多いほど、高分子樹脂と導電性粒子が均一分散しやすい傾向がある一方で、流動性が高くなり、ガス拡散層のシート化が難しくなる傾向がある。なお、界面活性剤は、導電性粒子の材料、分散溶媒の種類により適宜選択することができる。また、界面活性剤を使用しなくてもよい。
【００４６】
なお、ガス拡散層１４は、カソード電極側及びアノード電極側において同じ構造のガス拡散層を用いても、異なる構造のガス拡散層を用いてもよい。例えば、カソード電極側及びアノード電極側のいずれか一方に炭素繊維を基材としたガス拡散層を用い、いずれか他方に前記基材レスガス拡散層を用いてもよい。
【００４７】
枠体２０の材料としては、一般的な熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを用いることができる。例えば、枠体２０の材料として、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン、液晶性ポリマー、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン、ガラス繊維強化樹脂などを用いることができる。
【００４８】
次に、本実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法について説明する。図３Ａ〜図３Ｃは、本実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法を模式的に示す説明図である。
【００４９】
本実施形態にかかる製造方法においては、金型として、第１金型Ｔ１と第２金型Ｔ２とを用いる。第１金型Ｔ１の内面には、先端部が尖っている（くさび状の）周縁部押さえ用の突起部Ｔ１ａが設けられている。突起部Ｔ１ａは、図４に示すように、環状に形成されている。同様に、第２金型Ｔ１の内面には、先端部が尖っている周縁部押さえ用の突起部Ｔ２ａが設けられている。突起部Ｔ２ａは、突起部Ｔ１ａと同様に、環状に形成されている。また、第１金型Ｔ１には、溶融した樹脂材料を金型内に流し込むためのゲートＴ１ｂが設けられている。なお、当該ゲートは、第２金型Ｔ２に設けられてもよい。
【００５０】
まず、図３Ａに示すように、第２金型Ｔ２の突起部Ｔ２ａが一方のガス拡散層１４の周縁部に突き刺さるように、第２金型Ｔ２にＭＥＡ１０を配置する。これにより、ＭＥＡ１０のガス拡散層１４の面方向（図３Ａでは横方向）の移動を規制する。なお、「周縁部」とは、電極−膜−枠接合体１が燃料電池に搭載されたときに、電極−膜−枠接合体１の厚さ方向から見た場合に、主にガス拡散層１４の端部の近傍に位置する領域を意味する。
【００５１】
次いで、図３Ｂに示すように、第１金型Ｔ１の突起部Ｔ１ａが他方のガス拡散層１４の周縁部に突き刺さるように、第１金型Ｔ１と第２金型Ｔ２とを型閉じする。このとき、第１金型Ｔ１の突起部Ｔ１ａは、図５の矢印で示すように、ガス拡散層１４をかき分けるように押圧する。すなわち、当該ガス拡散層１４に対する突起部Ｔ１ａの圧縮力は、主として突起部Ｔ１ａの側方に加わり、突起部Ｔ１ａの下方にはほとんど加わらない。その結果、高分子電解質膜１１が機械的ダメージを受けることを避けることができる。また、ガス拡散層１４において、突起部Ｔ１ａの周囲に位置する部分の多孔度は低くなり、突起部Ｔ１ａの先端部の下方に位置する部分の多孔度は突起部Ｔ１ａの周囲に比べて高くなる。なお、図５に示す複数の黒丸は、密度の違いを示すために便宜的に付したものであり、黒丸が多いほど密度が高いことを示す。多孔度は密度の逆数に比例する。「多孔度が高い」ことは「密度が低い」ことに対応し、「多孔度が低い」ことは「密度が高い」ことに対応する。なお、前記では、第１金型Ｔ１の突起部Ｔ１ａがガス拡散層１４に加える押圧力について説明したが、第２金型Ｔ２の突起部Ｔ２ａがガス拡散層１４に加える押圧力についても同様であるので説明を省略している。
【００５２】
次いで、図３Ｃに示すように、第１金型Ｔ１に設けられたゲートＴ１ｂを通じて第１金型Ｔ１と第２金型Ｔ２との間の空間（すなわち、金型内）に溶融した樹脂材料を流し込んで枠体２０を射出成形する。この際、ガス拡散層１４がその側面から射出圧力を受けても、その射出圧力は、ガス拡散層１４内に埋まって存在する突起部Ｔ１ａ，Ｔ２ａによって打ち消されるので、ガス拡散層１４がその中心部に向かって横滑りすることを防ぐことができる。
【００５３】
なお、前記では、第１金型Ｔ１及び第２金型Ｔ２の両方に突起部を設けるようにしたが、いずれか一方のみに設けてもよい。この場合でも、ガス拡散層１４が横滑りすることを防ぐことができる。
【００５４】
次に、本実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１を備える燃料電池（単電池）２について説明する。図６は、本実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１を備える燃料電池２の基本構成を模式的に示す断面図である。
【００５５】
図６に示すように、燃料電池２は、電極−膜−枠接合体１を一対のセパレータ３０，３４０で挟持するように構成されている。一対のセパレータ３０，４０は、好ましくは、カーボンを含む材質や金属を含む材質で構成される。一方のセパレータ（アノードセパレータ）３０のガス拡散層１４と接触する主面（以下、電極面ともいう）には、燃料ガス用のガス流路３１が設けられている。また、他方のセパレータ（カソードセパレータ）４０のガス拡散層１４と接触する主面（以下、電極面ともいう）には、酸化剤ガス用のガス流路４１が設けられている。一方のセパレータ３０のガス流路３１に燃料ガスを供給し、他方のセパレータ４０のガス流路４１に酸化剤ガスを供給することで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。
【００５６】
なお、燃料電池２を電源として使うときには、図６に示す燃料電池（単電池）２を必要とする個数だけ直列に連結して、いわゆる燃料電池スタックとして使用することができる。この場合、ガス流路３１，４１に反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を供給するためには、使用するセパレータ３０，４０の枚数に対応する数に反応ガスを分岐し、それらの分岐先をガス流路３１，４１につなぐマニホールドが必要となる。
【００５７】
図７は、燃料電池２を複数個連結した燃料電池スタック３の基本構成を示す分解斜視図である。図７に示すように、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０には、それぞれ、燃料ガスが供給される一対の貫通孔である燃料ガスマニホールド孔２２，３２，４２が設けられている。また、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０には、それぞれ、酸化剤ガスが流通する一対の貫通孔である酸化剤ガスマニホールド孔２３，３３，４３が設けられている。枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０が、燃料電池（単電池）２として連結された状態では、燃料ガスマニホールド孔２２，３２，４２が連結され、燃料ガスマニホールドが形成される。同様に、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０が、燃料電池（単電池）２として連結された状態では、酸化剤ガスマニホールド孔２３，３３，４３が連結され、酸化剤ガスマニホールドが形成される。
【００５８】
また、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０には、冷却媒体（例えば、純水やエチレングリコール）が流通するそれぞれ二対の貫通孔である冷却媒体マニホールド孔２４，３４，４４が設けられている。枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０が、燃料電池（単電池）２として連結された状態では、冷却媒体マニホールド孔２４，３４，４４が連結され、二対の冷却媒体マニホールドが形成される。
【００５９】
また、枠体２０及び一対のセパレータ３０，４０には、それぞれの角部の近傍に４つのボルト孔５０が設けられている。各ボルト孔５０に締結ボルトが挿通され、当該締結ボルトにナットが結合することによって複数の燃料電池２が締結される。
【００６０】
ガス流路３１は、一対の燃料ガスマニホールド３２，３２間を結ぶように設けられている。ガス流路４１は、一対の酸化剤ガスマニホールド４３，４３間を結ぶように設けられている。なお、図７では、ガス流路３１，４１をサーペンタイン型の流路として示したが、その他の形態（例えば直線型）の流路であってもよい。
【００６１】
また、セパレータ３０の電極面とは反対側の主面及びセパレータ４０の電極面とは反対側の主面には、図示していないが、それぞれ冷却媒体流路が形成されている。冷却媒体流路は、二対の冷却媒体マニホールド孔３４，４４間を結ぶように形成されている。すなわち、冷却媒体がそれぞれ供給側の冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路に分岐して、それぞれ排出側の冷却媒体マニホールドに流通するように構成されている。これにより、冷却媒体の伝熱能力を利用して、燃料電池２を電気化学反応に適した所定の温度に保つようにしている。
【００６２】
なお、前記では、セパレータ３０，４０に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各マニホールド孔を設け、積層した際に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各供給マニホールドが形成されるように構成した、いわゆる内部マニホールド方式の燃料電池を例示して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料電池スタック３の側面に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各供給マニホールドを設けた、いわゆる外部マニホールド方式の燃料電池であってもよい。この場合でも、同様の効果を得ることができる。また、セパレータ３０，４０を多孔状の導電材にて形成し、冷却媒体流路を流れる冷却水の圧力が、ガス流路３１，４１を流れる反応ガスの圧力よりも高くなるようにして、冷却水の一部を電極面側にセパレータ３０，４０を透過させて、高分子電解質膜１１を湿らせる、いわゆる内部加湿型の燃料電池であってもよい。
【００６３】
また、前記では、セパレータ３０，４０にガス流路３１，４１を設けるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８に示すように、一方のガス拡散層１４にガス流路３１を設け、他方のガス拡散層１４にガス流路４１を設けるようにしてもよい。また、セパレータ３０と一方のガス拡散層１４の両方にガス流路３１を形成するようにしてもよい。また、セパレータ４０と他方のガス拡散層１４の両方にガス流路４１を形成するようにしてもよい。
【００６４】
次に、第１金型Ｔ１の突起部Ｔ１ａの好ましい形状、高さ、及び断面積について説明する。なお、第２金型Ｔ２の突起部Ｔ２ａの好ましい形状、高さ、及び断面積は、第１金型Ｔ１の突起部Ｔ１ａと同様であるので説明は省略する。
【００６５】
突起部Ｔ１ａは、ガス拡散層１４に突き刺された際、ガス拡散層１４の突起部Ｔ１ａの先端部の下方に位置する部分の多孔度を低下させない形状であればよい。このような突起部Ｔ１ａの形状としては、図５に示したような三角形の他、図９Ａに示すような五角形、図９Ｂに示すような三角形の先端を僅かに丸めた形状などが挙げられる。
【００６６】
また、突起部Ｔ１ａの頂角θは、小さくすればするほど、ガス拡散層１４の突起部Ｔ１ａの先端部の下方に位置する部分の多孔度の低下を抑えることができる。このため、突起部Ｔ１ａの頂角θは、好ましくは９０°以下とし、より好ましくは４５°以下とする。また、突起部Ｔ１ａの頂角θは、さらに好ましくは３０°以下とし、特に好ましくは１５°以下とする。
【００６７】
また、突起部Ｔ１ａの高さは、ガス拡散層１４の厚さ未満であることが好ましい。これにより、突起部Ｔ１ａがガス拡散層１４を貫通して高分子電解質膜１１に突き刺されることを防ぐことができる。ここで、ガス拡散層１４の厚さとは、第１金型Ｔ１と第２金型Ｔ２とを型閉じした状態におけるガス拡散層１４の厚さをいう。また、突起部Ｔ１ａの高さは、ガス拡散層１４の製造バラツキを考慮して、好ましくはガス拡散層１４の厚さの９５％以下とする。
【００６８】
また、突起部Ｔ１ａの高さは、好ましくはガス拡散層１４の厚さの５０％以上とし、より好ましくは７５％以上とする。これにより、ガス拡散層１４の横滑りをより確実に防ぐことができる。また、突起部Ｔ１ａによりガス拡散層１４の発電に寄与する内側領域に溶融した樹脂が流れ込むことを抑えることができるので、燃料電池２の発電性能の低下を抑えることができる。
【００６９】
また、突起部Ｔ１ａにより形成される突起痕１４ａの断面積は、図６又は図８で示したガス流路３１の断面積よりも小さくすることが好ましい。その理由は、以下の通りである。
【００７０】
図１及び図２に示すように、本実施形態の電極−膜−枠接合体の製造方法により製造された電極−膜−枠接合体１のガス拡散層１４の周縁部には、突起部Ｔ１ａの形状が転写された突起痕１４ａが形成される。この突起痕１４ａが形成された電極−膜−枠接合体１を用いて燃料電池２を製造し、当該燃料電池２の内部に反応ガスを供給すると、当該反応ガスが、突起痕１４ａ内に流れ、ガス流路３１に流れることなく燃料電池２の外部に排出されることが起こり得る。以下、この現象をガスの回り込み現象という。このガスの回り込み現象が発生すると、反応ガスの利用効率が低下し、燃料電池２の発電性能が低下することになる。
【００７１】
このガスの回り込み現象を防ぐには、突起痕１４ａの断面積を突起痕１４ａの近傍に位置するガス流路３１の断面積よりも小さくすることが有効である。このため、突起痕１４ａの断面積は、好ましくは突起痕１４ａの近傍に位置するガス流路３１の断面積の７５％以下とし、より好ましくは５０％以下とし、さらに好ましくは２５％以下とする。なお、突起痕１４ａの近傍に位置するガス流路３１とは、燃料電池２を厚さ方向（図６又は図８では上下方向）から見たとき、突起痕１４ａの最も近くに位置するガス流路３１を意味する。
【００７２】
以上、本実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法によれば、突起部Ｔ１ａ，Ｔ２ａをガス拡散層１４の周縁部に突き刺して、ガス拡散層１４の面方向に移動を規制した状態で枠体２０を射出成形するようにしているので、ガス拡散層１４の横滑りを防止すると共に、高分子電解質膜１１が機械的ダメージを受けることを避けることができる。よって、燃料電池の発電性能及び耐久性を一層向上させることができる。
【００７３】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明にかかる膜−電極−枠接合体の製造方法は、燃料電池の発電性能及び耐久性を一層向上させることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池が備える膜−触媒層接合体の製造方法として有用である。
【符号の説明】
【００７５】
１    電極−膜−枠接合体
２    燃料電池
３    燃料電池スタック
１０    ＭＥＡ（膜電極接合体）
１１    高分子電解質膜
１２    電極層
１３    触媒層
１４    ガス拡散層
１４ａ  突起痕
２０    枠体
３０，４０  セパレータ
３１，４１  ガス流路
Ｔ１，Ｔ２  第１，第２金型
Ｔ１ａ，Ｔ２ａ  突起部
Ｔ１ｂ  ゲート
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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