(57)【要約】燃料電池用構成部品の組立工数を削減するとともに電解質膜に皺が寄るのを防止することができるように、電解質膜の両極側に触媒付電極を有し、その両外側にガスの拡散を促進させるためのガス拡散層を備えた燃料電池用構成部品において、電解質膜と触媒付電極との一体品に、カーボン繊維等で作られたガス拡散層にゴムを含浸させるとともにガスケットを形成したガス拡散層とガスケットとの一体品をホットプレスを用いて接合することにした。
2002043172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜（３）の両極側に触媒付電極（４）（５）を有し、その両外側にガスの拡散を促進させるためのガス拡散層（６）（７）を備えた燃料電池用構成部品において、
前記電解質膜（３）と触媒付電極（４）（５）との一体品に、カーボン繊維等で作られたガス拡散層（６）（７）とガスケット（８）（９）とを接合したことを特徴とする燃料電池用構成部品。
【請求項２】
電解質膜（３）の両極側に触媒付電極（４）（５）を有し、その両外側にガスの拡散を促進させるためのガス拡散層（６）（７）を備えた燃料電池用構成部品において、
前記電解質膜（３）と触媒付電極（４）（５）との一体品に、カーボン繊維等で作られたガス拡散層（６）（７）にゴムを含浸させるとともにガスケット（８）（９）を形成したガス拡散層（６）（７）とガスケット（８）（９）との一体品を接合したことを特徴とする燃料電池用構成部品。
【請求項３】
電解質膜（３）の両側にガス拡散層（１２）（１３）を兼ねた電極（１４）（１５）を備えた燃料電池用構成部品において、
そのガス拡散層（１２）（１３）にゴムを含浸させるとともにガスケット（８）（９）を形成したガス拡散層（１２）（１３）とガスケット（８）（９）との一体品を前記電解質膜（３）に接合したことを特徴とする燃料電池用構成部品。
【請求項４】
請求項２または３の何れかに記載された燃料電池用用構成部品において、一体品をホットプレスを用いて接合したことを特徴とする燃料電池用構成部品。
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載された燃料電池用構成部品において、電解質膜（３）が高分子電解質よりなるものであることを特徴とする燃料電池用構成部品。
【請求項６】
請求項１から４の何れかに記載された燃料電池用構成部品において、ゴムが液状ゴムであることを特徴とする燃料電池用構成部品。
【請求項７】
反応電極部（２２）、ガス拡散層（２６）（２７）およびガスケット（３２）（３３）を一体化したことを特徴とする燃料電池用構成部品。
【請求項８】
請求項７の燃料電池用構成部品において、
樹脂フィルムよりなるフレーム（３０）（３１）を反応電極部（２２）の外周にその平面積を拡大するように固定したことを特徴とする燃料電池用構成部品。
【請求項９】
請求項８の燃料電池用構成部品において、
反応電極部（２２）にフレーム（３０）（３１）を固定するとともに前記フレーム（３０）（３１）をゴムにて覆い込み、更にガス拡散層（２６）（２７）に前記ゴムの一部を含浸させることによって、前記反応電極部（２２）、フレーム（３０）（３１）、ガスケット（３２）（３３）およびガス拡散層（２６）（２７）を一体化したことを特徴とする燃料電池用構成部品。
【請求項１０】
反応電極部（２２）およびガスケット（３２）（３３）を一体化したことを特徴とする燃料電池用セルシール。
【請求項１１】
請求項１０の燃料電池用構成部品において、
樹脂フィルムよりなるフレーム（３０）（３１）を反応電極部（２２）の外周にその平面積を拡大するように固定したことを特徴とする燃料電池用構成部品。
【請求項１２】
請求項１１の燃料電池用構成部品において、
反応電極部（２２）にフレーム（３０）（３１）を固定するとともに前記フレーム（３０）（３１）を覆い込むようにゴムを含浸させることによって、前記反応電極部（２２）、フレーム（３０）（３１）およびガスケット（３２）（３３）を一体化したことを特徴とする燃料電池用構成部品。
【請求項１３】
請求項９または１２の燃料電池用構成部品において、
反応電極部（２２）およびフレーム（３０）（３１）の外周をゴムによって被覆したことを特徴とする燃料電池用セルシール。
【請求項１４】
請求項９または１２の燃料電池用構成部品において、
反応電極部（２２）およびフレーム（３０）（３１）に設けた貫通穴（３４）にゴムを充填することによって前記反応電極部（２２）およびフレーム（３０）（３１）を連結したことを特徴とする燃料電池用構成部品。
【請求項１５】
請求項９の燃料電池用構成部品において、
ゴムをセパレータ（２８）（２９）にも含浸させることによって、反応電極部（２２）、フレーム（３０）（３１）、ガスケット（３２）（３３）、ガス拡散層（２６）（２７）およびセパレータ（２８）（２９）を一体化したことを特徴とする燃料電池用構成部品。
【請求項１６】
請求項１２の燃料電池用構成部品において、
ゴムをセパレータ（２８）（２９）にも含浸させることによって、反応電極部（２２）、フレーム（３０）（３１）、ガスケット（３２）（３３）およびセパレータ（２８）（２９）を一体化したことを特徴とする燃料電池用構成部品。
【請求項１７】
請求項１５または１６の燃料電池用構成部品において、
ガスケット（３２）（３３）の外周に、前記ガスケット（３２）（３３）よりもガス不透過性に優れた材料よりなるガスシール（３６）を設けたことを特徴とする燃料電池用構成部品。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、燃料電池用構成要素の集合体をなす燃料電池用構成部品に関するものである。
背景技術
燃料電池は、その主な構成要素として、カーボンプレート等よりなるセパレータ（集電極）と、ガスを反応させるための、Ｐｔ触媒を担持させた触媒付電極（触媒層）および電解質膜（イオン交換膜）と、ガスの拡散を促進させるためのカーボン繊維等よりなるガス拡散層（ＧＤＬ）と、ガスや冷媒をシールするためのガスケット（シール）とを有している。
しかしながら、従来技術では、燃料電池を組み立てる際に、これらの構成要素を順次組み付ける構成であるために、その組立てに多くの手間と時間がかかる不都合があり、特に、電解質膜と触媒付電極とを組み付けるためには、位置が固定されにくいために、位置決めを行なう必要がある。
尚、この電解質膜と触媒付電極との組付けについては、現在、両者をホットプレスを用いて結合させる方法が開発されており（特開２０００−２２３１３４号公報参照）、これによれば電解質膜と触媒付電極との一体品である反応電極部（ＭＥＡ）を単一の構成要素として利用することが可能である。
しかしながら、このように電解質膜と触媒付電極とが一体化されても、セパレータと電解質膜とを組み付けるに際しては、その間にガスケットを挟み込む必要がある。したがって、従来は、電解質膜の両側からこの電解質膜を挟み込むようにしてガスケットを組み付けているが、電解質膜はその位置決めが困難であるために、組付けに際してこの電解質膜に皺が寄ってしまう不都合がある。
また、セパレータの電解質膜側にガスケットを一体成形にしたものも開発されているが（特開２０００−１３３２８８号公報参照）、このようなガスケット付セパレータであっても、電解質膜を挟み込む場合には同様の不都合がある。
また一般に、燃料電池システムは高価なものであって、特に反応電極部が高価な部品であり、よってその低コスト化が求められている。ＮＥＤＯ平成１１年度報告書（平成１１年度、新エネルギー産業技術総合開発委託研究成果報告書、固体高分子形燃料電池の開発用標準ツールに関する調査：表２．２−１量産時の標準ツールコスト比較）を参照すると、反応電極部が最も高価である。
本発明は以上の点に鑑みて、燃料電池用構成要素の組立工数を削減することができ、しかも電解質膜に皺が寄るのを防止することができる燃料電池用構成部品を提供することを目的とする。
また、燃料電池用スタックのセルを構成する各部品を予め一体化することにより、組立工数を削減することが可能な燃料電池用構成部品を提供することを目的とし、またこれに加えて、比較的高価な部品である反応電極部の平面積を縮小することにより、部品コストを削減することが可能な燃料電池用構成部品を提供することを目的とする。
発明の開示
上記目的を達成するため、本発明の請求の範囲第１項による燃料電池用構成部品は、電解質膜の両極側に触媒付電極を有し、その両外側にガスの拡散を促進させるためのガス拡散層を備えた燃料電池用構成部品において、前記電解質膜と触媒付電極との一体品に、カーボン繊維等で作られたガス拡散層とガスケットとを接合したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第２項による燃料電池用構成部品は、電解質膜の両極側に触媒付電極を有し、その両外側にガスの拡散を促進させるためのガス拡散層を備えた燃料電池用構成部品において、前記電解質膜と触媒付電極との一体品に、カーボン繊維等で作られたガス拡散層にゴムを含浸させるとともにガスケットを形成したガス拡散層とガスケットとの一体品を接合したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第３項による燃料電池用構成部品は、電解質膜の両側にガス拡散層を兼ねた電極を備えた燃料電池用構成部品において、そのガス拡散層にゴムを含浸させるとともにガスケットを形成したガス拡散層とガスケットとの一体品を前記電解質膜に接合したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第４項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第２項または第３項の何れかに記載された燃料電池用構成部品において、一体品をホットプレスを用いて接合したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第５項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第１項から第４項の何れかに記載された燃料電池用構成部品において、電解質膜が高分子電解質よりなるものであることを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第６項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第１項から第４項の何れかに記載された燃料電池用構成部品において、ゴムが液状ゴムであることを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第７項による燃料電池用構成部品は、反応電極部、ガス拡散層およびガスケットを一体化したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第８項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第７項の燃料電池用構成部品において、樹脂フィルムよりなるフレームを反応電極部の外周にその平面積を拡大するように固定したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第９項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第８項の燃料電池用構成部品において、反応電極部にフレームを固定するとともに前記フレームをゴムにて覆い込み、更にガス拡散層に前記ゴムの一部を含浸させることによって、前記反応電極部、フレーム、ガスケットおよびガス拡散層を一体化したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第１０項による燃料電池用構成部品は、ガス拡散層がセルの構成部品に含まれない場合を想定して、反応電極部およびガスケットを一体化したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第１１項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第１０項の燃料電池用構成部品において、樹脂フィルムよりなるフレームを反応電極部の外周にその平面積を拡大するように固定したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第１２項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第１１項の燃料電池用構成部品において、反応電極部にフレームを固定するとともに前記フレームを覆い込むようにゴムを含浸させることによって、前記反応電極部、フレームおよびガスケットを一体化したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第１３項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第９項または第１２項の何れかに記載された燃料電池用構成部品において、反応電極部およびフレームの外周をゴムによって被覆したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第１４項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第９項または第１２項の何れかに記載された燃料電池用構成部品において、反応電極部およびフレームに設けた貫通穴にゴムを充填することによって前記反応電極部およびフレームを連結したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第１５項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第９項の燃料電池用構成部品において、ゴムをセパレータにも含浸させることによって、反応電極部、フレーム、ガスケット、ガス拡散層およびセパレータを一体化したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求の範囲第１６項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第１２項の燃料電池用構成部品において、ゴムをセパレータにも含浸させることによって、反応電極部、フレーム、ガスケットおよびセパレータを一体化したことを特徴とするものである。
更にまた、本発明の請求の範囲第１７項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第１５項または第１６項の何れか記載された燃料電池用構成部品において、ガスケットの外周に、前記ガスケットよりもガス不透過性に優れた材料よりなるガスシールを設けたことを特徴とするものである。
上記構成を備えた本発明の請求の範囲第１項による燃料電池用構成部品のように、電解質膜と触媒付電極との一体品に、カーボン繊維等で作られたガス拡散層とガスケットとを接合したり、あるいは本発明の請求の範囲第２項による燃料電池用構成部品のように、電解質膜と触媒付電極との一体品に、カーボン繊維等で作られたガス拡散層にゴムを含浸させるとともにガスケットを形成したガス拡散層とガスケットとの一体品を接合したりすると、これらの部品が予め一体化されるために、燃料電池の組立てに際してこれらの部品を互いに組み付ける工程を削減することが可能となる。また、これらの部品の中に電解質膜が含まれ、この電解質膜が他の部品と予め一体化されるために、この電解質膜に組付けに際して皺が寄るのを防止することが可能となる。
また、上記構成を備えた本発明の請求の範囲第３項による燃料電池用構成部品のように、電解質膜の両側にガス拡散層を兼ねた電極を備えた燃料電池用構成部品において、そのガス拡散層にゴムを含浸させるとともにガスケットを形成したガス拡散層とガスケットとの一体品を電解質膜に接合すると、やはりこれらの部品が予め一体化されるために、燃料電池の組立てに際して、これらの部品を互いに組み付ける工程を削減することが可能となる。また、これらの部品の中に電解質膜が含まれ、この電解質膜が他の部品と予め一体化されるために、この電解質膜に組付けに際して皺が寄るのを防止することが可能となる。
上記一体品の接合には、ホットプレスによる熱圧着手段を用いるのが好適であり（請求の範囲第４項）、また、電解質膜には、高分子電解質よりなるものを用いるのが好適である（請求の範囲第５項）。
また、本発明で用いるゴムとしては、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、フルオロシリコーンゴム、フルオロアクリルゴムもしくは水素化ニトリルゴム等の飽和系ゴムまたは同類の液状タイプのゴム等を挙げることができ、このうち、液状タイプのゴムは、ガス拡散層またはガス拡散層を兼ねた電極への含浸性に優れていること、ホットプレスの圧力および温度が低くても電解質膜との密着性が優れていること等から、シール上特に好ましい（請求の範囲第６項）。
尚、上記請求の範囲第１項ないし第６項に係る発明に関連して、本件出願には以下の技術的事項が含まれる。
すなわち、上記目的を達成するべく本件出願は、以下の技術的事項を提案するものでもある。
▲１▼　電解質膜の両極側に触媒電極を有し、その両外側にガスの拡散を促進させるためのガス拡散層を備えた燃料電池において、電解質膜と触媒電極の一体品（ＭＥＡ）に、カーボン繊維等で作られたガス拡散層とガスケットを接合した製品。
▲２▼　電解質膜の両極側に触媒電極を有し、その両外側にガスの拡散を促進させるためのガス拡散層を備えた燃料電池において、電解質膜と触媒電極の一体品（ＭＥＡ）に、カーボン繊維等で作られたガス拡散層にゴムを含浸させるとともにガスケットを形成したガス拡散層とガスケットの一体品を接合した、ＭＥＡとガス拡散層とガスケットの接合体。
▲３▼　電解質膜の両極側に触媒電極を有し、その両外側にガスの拡散を促進させるためのガス拡散層を備えた燃料電池において、電解質膜と触媒電極の一体品（ＭＥＡ）に、カーボン繊維等で作られたガス拡散層にゴムを含浸させるとともにガスケットを形成したガス拡散層とガスケットの一体品を、ホットプレスを用いて接合した、ＭＥＡとガス拡散層とガスケットの接合体。
▲４▼　電解質膜の両側にガス拡散層を兼ねた電極を備えた燃料電池において、そのガス拡散層にゴムを含浸させるとともにガスケットを形成したガス拡散層とガスケットの一体品を電解質膜に接合した製品。
▲５▼　電解質膜の両側にガス拡散層を兼ねた電極を備えた燃料電池において、そのガス拡散層にゴムを含浸させるとともにガスケットを形成したガス拡散層とガスケットの一体品を、ホットプレスを用いて電解質膜に接合した製品。
▲６▼　上記▲１▼ないし▲５▼において、電解質膜が高分子電解質膜であることを特徴とする燃料電池の接合要素部品。
上記の提案事項は、従来技術に見られない「ＭＥＡ（電解質膜と触媒電極ないし触媒付電極との接合品）とガス拡散層とガスケットを一体化した製品」を提案し、更に、触媒電極ないし触媒付電極が単独の構成要素として含まれないタイプを想定して、「電解質膜とガス拡散層とガスケットを一体化した製品」を提案するものであり、このような一体品を製作するために、一の製法として、ガス拡散層にゴムを含浸して成形したガス拡散層・ガスケット一体品を、ホットプレスを使用して電解質膜に圧着する。
尚、上記ＭＥＡにガス拡散層・ガスケット一体品を圧着する場合には、ＭＥＡの電極の外周部にあたる電解質膜が露出した部分にホットプレスを用いてガス拡散層・ガスケット一体品を圧着する。
また、電極と兼ねたガス拡散層・ガスケット一体品を電解質膜に圧着する場合には、電解質膜に接触した部分全体を圧着する。
そして、上記のようにＭＥＡとガス拡散層とガスケットとを一体化したり、あるいは電解質膜とガス拡散層とガスケットとを一体化したりすることにより、燃料電池組付時の工数を削減することができるとともに、膜とシール部とのずれの問題を解消することができる。
また、上記構成を備えた本発明の請求の範囲第７項による燃料電池用構成部品のように、反応電極部、ガス拡散層およびガスケットを一体化すると、これらの部品が予め一体化されるために、組立工数を削減することが可能となり、また本発明の請求の範囲第８項による燃料電池用構成部品のように、樹脂フィルムよりなるフレームを反応電極部の外周にその平面積を拡大するように固定すると、フレームが追加される分だけ反応電極部の平面積を縮小することができるために、高価な部品である反応電極部を使用する割合が減少し、よって部品コストを削減することが可能となる。この場合、上記したように反応電極部、ガス拡散層およびガスケットを一体化するには、請求の範囲第９項に記載したように、反応電極部にフレームを固定するとともにフレームをゴムにて覆い込み、更にガス拡散層に前記ゴムの一部を含浸させることによって、反応電極部、フレーム、ガスケットおよびガス拡散層を一体化するのが好適である。
また、上記構成を備えた本発明の請求の範囲第１０項による燃料電池用構成部品のように、反応電極部およびガスケットを一体化すると、これらの部品が予め一体化されるために、組立工数を削減することが可能となり、また本発明の請求の範囲第１１項による燃料電池用構成部品のように、樹脂フィルムよりなるフレームを反応電極部の外周にその平面積を拡大するように固定すると、フレームが追加される分だけ反応電極部の平面積を縮小することができるために、高価な部品である反応電極部を使用する割合が減少し、よって部品コストを削減することが可能となる。この場合、上記したように反応電極部およびガスケットを一体化するには、請求の範囲第１２項に記載したように反応電極部にフレームを固定するとともにフレームを覆い込むようにゴムを含浸させることによって、反応電極部、フレームおよびガスケットを一体化するのが好適である。
また、本発明の請求の範囲第１３項による燃料電池用構成部品においては、反応電極部およびフレームの外周をゴムによって被覆したために、セルの内部に発生するガスが反応電極部およびフレームの外周から外部へ漏洩するのを抑えることが可能となり、本発明の請求の範囲第１４項による燃料電池用構成部品においては、反応電極部およびフレームに設けた貫通穴にゴムを充填することによって反応電極部およびフレームを連結したために、この反応電極部およびフレームを強固に締結することが可能となる。
また、本発明の請求の範囲第１５項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第９項の燃料電池用構成部品において、ゴムをセパレータにも含浸させることによって、反応電極部、フレーム、ガスケット、ガス拡散層およびセパレータを一体化したために、セパレータをも含めた部品群を一体化することが可能となり、本発明の請求の範囲第１６項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第１２項の燃料電池用構成部品において、ゴムをセパレータにも含浸させることによって、反応電極部、フレーム、ガスケットおよびセパレータを一体化したために、やはりセパレータをも含めた部品群を一体化することが可能となる。
更にまた、本発明の請求の範囲第１７項による燃料電池用構成部品は、上記した請求の範囲第１５項または第１６項の燃料電池用構成部品において、ガスケットの外周に、前記ガスケットよりもガス不透過性に優れた材料よりなるガスシールを設けたために、セルシール部分のガス不透過性が余り良くない場合であっても、このガスシールによってガスが外部へ漏洩するのを抑えることが可能となる。
ここで含浸とは、ＧＤＬや電極においては、それらの多孔質部への浸透を、樹脂フィルムやセパレータにおいては、それらの表面の凹凸やボイドへの浸透を意味している。また、樹脂フィルムにあっては多孔質であっても良く、更に、樹脂フィルムおよびセパレータにあっては、表面粗化したものであっても良い。
尚、上記請求の範囲第７項ないし第１７項に係る発明に関連して、本件出願には、以下の技術的事項が含まれる。
すなわち、本件出願が提案する一の燃料電池用構成部品は、上記目的を達成するため、ＭＥＡ（電解質膜＋反応電極）、ガス拡散層（ＧＤＬ）およびガスケットを一体化し、更に、高価なＭＥＡの面積を減じたことを特徴とするものである。
また、以下の技術的事項も含まれる。
▲１▼　ＭＥＡ、ＧＤＬおよびガスケットを一体化した燃料電池用セルシール。
▲２▼　ＭＥＡの低コスト化のために、ＭＥＡの外周に、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の樹脂フィルムのフレームを設けたことを特徴とする。
▲３▼　ガスリーク性向上のために、ＭＥＡおよび樹脂フレーム外周をゴムで被覆した形状。
▲４▼　樹脂フレームとＭＥＡの締結力向上のために、スルーホールを空けて成形時にゴムで連結させる。
▲５▼　液状ゴムを使用することにより、ＧＤＬを含めて一体成形する。
▲６▼　セルシール部分のガス透過性が悪い場合は、セパレータと更に一体化し、外周にガス透過性の良いゴムを設け、または外周をラテックスで覆う構造。
上記▲２▼においては、ＭＥＡが高価なために、セパレータの発電部以外はＭＥＡでなく、ＭＥＡと熱圧着したＰＩ、ＰＥＮまたはＰＥＴ等よりなる樹脂フレームとする。樹脂フレームによりサンドイッチしたＭＥＡには、樹脂フレームからスルーホールを空け、使用時に熱圧着部が剥がれてもゴムが貫通することにより保持するようにする（上記▲４▼）。
また、ＧＤＬを併せて使用する場合には、樹脂フレーム付ＭＥＡとＧＤＬを成形型に入れ、液状ゴムにより成形することによって一体化する（上記▲５▼）。ＧＤＬから外周へのガスリークは、ゴムが含浸されているので無いが、樹脂フレーム付ＭＥＡの外周から漏れる虞があるために、成形時に樹脂フレーム付ＭＥＡの外周にゴムを廻す形状とする（上記▲３▼）。
また、液状ゴムには、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴムまたはフッ素ゴム等を使用するが、これらのゴム材質でガス透過の問題がある場合には、セパレータと一体で外周部をガス透過性の良いゴムで覆う（上記▲６▼）。この場合の構造としては、ゴムで成形して覆う場合と、ラテックスで塗布する場合とがある。
上記構成によれば、以下の作用効果を奏することが可能である。
▲１▼　ＭＥＡ、ＧＤＬおよびガスケットを一体化したことにより、５部品から１部品での組立で済むために、組立工数が大幅に削減される。
▲２▼　樹脂フレーム付ＭＥＡとしたことにより、ＭＥＡの使用面積が大幅に縮小されるために、コストダウンが実現される。市販の試験スタックの例では、３０〜５０％ほどＭＥＡの面積が低下する。
▲３▼　ＭＥＡと樹脂フレームをスルーホールで固定することにより、ＭＥＡのずれ等が発生しない。
▲４▼　外周をゴムで覆うことにより、ＭＥＡと樹脂フレーム間の熱圧着が不十分でも、外周からのエアリークが発生しない。
▲５▼　当該ＭＥＡ一体セルシールをセパレータによりサンドイッチし、更に外周にゴムを成形することにより、外部へのガス透過がゴム厚分、低減する。
発明を実施するための最良の形態
つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。
第一実施例・・・
第１図は、本発明の第一実施例に係る燃料電池用構成部品１の平面図を示しており、そのＡ−Ａ線拡大断面図が第２図に示されている。また、第３図はこの燃料電池用構成部品１の組立状態の断面図を示しており、この第３図において符号１０および１１は、当該燃料電池用構成部品１と組み合わされるセパレータである。
当該実施例に係る燃料電池用構成部品１は、以下のように構成されている。
すなわち先ず、所定の平面形状を備えた固体高分子よりなる電解質膜３の両極側ないし両面にそれぞれ触媒付電極４，５を固定した電解質膜３と触媒付電極４，５との一体品である反応電極部（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２が設けられており、この反応電極部２の両面にそれぞれ、カーボン繊維よりなるガス拡散層６，７と、ゴム硬化物よりなるガスケット８，９とが接合されている。
上記反応電極部２において、電解質膜３の周縁部３ａは触媒付電極４，５の周縁部４ａ，５ａよりも平面方向に突出しており、よって図上上側の触媒付電極４の上側と電解質膜３の周縁部３ａの上側とに上側のガス拡散層６が配置されるとともに、図上下側の触媒付電極５の下側と電解質膜３の周縁部３ａの下側とに下側のガス拡散層７が配置されている。また、電解質膜３の周縁部３ａの上側に上側のガスケット８が配置されるとともに、電解質膜３の周縁部３ａの下側に下側のガスケット９が配置されている。
図上上側のガス拡散層６とガスケット８との組み合わせ、および図上下側のガス拡散層７とガスケット９との組み合わせはそれぞれ、ガスケット８，９の成形時に、ガスケット８，９の成形材料であるゴムの一部をガス拡散層６，７に含浸させることによって一体化されており、この一体品がそれぞれ電解質膜３の周縁部３ａの上面または下面に対してホットプレスによる熱圧着手段により接合されている。したがって、当該燃料電池用構成部品１は、電解質膜３、触媒付電極４，５、ガス拡散層６，７およびガスケット８，９の一体成形品であり、この一体成形品が図３に示すように一対のセパレータ１０，１１の間に非接着で挟み込まれることになる。セパレータ１０，１１には、ガスケット８，９を位置決めしてこれを圧接させるための溝状の凹部１０ａ，１１ａが設けられている。
上記構成の燃料電池用構成部品１においては、上記したように電解質膜３、触媒付電極４，５、ガス拡散層６，７およびガスケット８，９が一体成形されているために、燃料電池の組立てに際して、これらの部品を互いに組み付ける工程を削減することができる。
また、これらの部品の中に電解質膜３が含まれ、この電解質膜３が他の部品によって平面状に保形されるために、この電解質膜３に組付けに際して皺が寄るのを防止することができる。
また、ガスケット８，９を形成するゴムの一部がガス拡散層６，７に含浸することによりこのガスケット８，９とガス拡散層６，７とが一体化されているために、このガスケット８，９とガス拡散層６，７とは互いに密着した構造である。したがって、このガスケット８，９とガス拡散層６，７との間に、ガスの近道流路となるスペースが形成されるのを防止することができる。
また、ガスケット８，９が、電解質膜３の周縁部３ａの上面または下面に対してホットプレスによる熱圧着手段により接合されているために、このガスケット８，９と電解質膜３とは互いに密着した構造である。したがって、このガスケット８，９と電解質膜３との間にガス漏れ流路が形成されるのを防止することができる。
第二実施例・・・
第４図は、本発明の第二実施例に係る燃料電池用構成部品１の断面図を示している。また、第５図はこの燃料電池用構成部品１の組立状態の断面図を示しており、この第５図において符号１０および１１は、当該燃料電池用構成部品１と組み合わされるセパレータである。
当該実施例に係る燃料電池用構成部品１は、以下のように構成されている。
すなわち先ず、所定の平面形状を備えた固体高分子よりなる電解質膜３が設けられており、この電解質膜３の両面にそれぞれ、カーボン繊維よりなるガス拡散層１２，１３を兼ねた電極１４，１５と、液状ゴム硬化物よりなるガスケット８，９とが接合されている。
図上上側のガス拡散層１２とガスケット８との組み合わせ、および図上下側のガス拡散層１３とガスケット９との組み合わせはそれぞれ、ガスケット８，９の成形時に、ガスケット８，９の成形材料であるゴムの一部をガス拡散層１２，１３に含浸させることによって一体化されており、この一体品がそれぞれ電解質膜３の上面または下面に対してホットプレスによる熱圧着手段により接合されている。したがって、当該燃料電池用構成部品１は、電解質膜３、ガス拡散層１２，１３を兼ねた電極１４，１５およびガスケット８，９の一体成形品であり、この一体成形品が第５図に示すように一対のセパレータ１０，１１の間に非接着で挟み込まれることになる。セパレータ１０，１１には、ガスケット８，９を位置決めしてこれを圧接させるための溝状の凹部１０ａ，１１ａが設けられている。
上記構成の燃料電池用構成部品１においては、上記したように電解質膜３、ガス拡散層１２，１３を兼ねた電極１４，１５およびガスケット８，９が一体成形されているために、燃料電池の組立てに際して、これらの部品を互いに組み付ける工程を削減することができる。
また、これらの部品の中に電解質膜３が含まれ、この電解質膜３が他の部品によって平面状に保形されるために、この電解質膜３に組付けに際して皺が寄るのを防止することができる。
また、ガスケット８，９を形成するゴムの一部がガス拡散層１２，１３に含浸することによりこのガスケット８，９とガス拡散層１２，１３とが一体化されているために、このガスケット８，９とガス拡散層１２，１３とは互いに密着した構造である。したがって、このガスケット８，９とガス拡散層１２，１３との間に、ガスの近道流路となるスペースが形成されるのを防止することができる。
また、ガスケット８，９が、電解質膜３の上面または下面に対してホットプレスによる熱圧着手段により接合されているために、このガスケット８，９と電解質膜３とは互いに密着した構造である。したがって、このガスケット８，９と電解質膜３との間にガス漏れ流路が形成されるのを防止することができる。
第三実施例・・・
第６図は、本発明の第三実施例に係る燃料電池用構成部品（燃料電池用セルシール）２１の断面を示しており、この燃料電池用構成部品２１は以下のように構成されている。
すなわち先ず、電解質膜（イオン交換膜）２３の上下両側にそれぞれ触媒付電極（触媒層）２４，２５を重ねて一体化した反応電極部（ＭＥＡ）２２が設けられており、この反応電極部２２の上下両側にそれぞれガス拡散層（ＧＤＬ）２６，２７が非接着で重ねられるとともに、このガス拡散層２６，２７の更に上下両側にそれぞれセパレータ２８，２９が非接着で重ねられて、１セル分の積層体が構成されている。
反応電極部２２の平面積は従来よりも小さく形成されており、この縮小分を丁度補うように、反応電極部２２の周縁部に、ＰＩ、ＰＥＮまたはＰＥＴ等の樹脂フィルムよりなるフレーム３０，３１が固定されている。反応電極部２２の周縁部においては、電解質膜２３の周縁部２３ａが触媒付電極２４，２５の周縁部２４ａ，２５ａよりも平面方向に突出しているために、フレーム３０，３１は、この電解質膜２３の周縁部２３ａの上下両側にそれぞれ重ねられて、この電解質膜２３の周縁部２３ａに対してそれぞれ熱圧着されている。フレーム３０，３１は触媒付電極２４，２５と略同厚である。
図上上側のフレーム３０の上側および図上下側のフレーム３１の下側にそれぞれ（図上上側のフレーム３０とセパレータ２８の間および図上下側のフレーム３１とセパレータ２９の間であってガス拡散層２６，２７の外周側にそれぞれ）、シリコーンゴム、ＥＰＤＭまたはＦＫＭ等の液状ゴム硬化物よりなるガスケット（シール）３２，３３が設けられており、このガスケット３２，３３は、これが接触するフレーム３０，３１およびガス拡散層２６，２７に液状ゴムの一部が含浸することによって、フレーム３０，３１およびガス拡散層２６，２７と一体化されており、上記したようにフレーム３０，３１が反応電極部２２に熱圧着により固定されているために、上記含浸により、反応電極部２２、フレーム３０，３１、ガスケット３２，３３およびガス拡散層２６，２７が纏めて一体化されている。ガスケット３２，３３はセパレータ２８，２９に密接している。
また、電解質膜２３の周縁部２３ａおよびその上下のフレーム３０，３１に、上下方向に連通するように貫通穴（スルーホール）３４が設けられており、この貫通穴３４に上記液状ゴムの一部が充填されることによって、上下のガスケット３２，３３が直接一体化されている。貫通穴３４は、電解質膜２３の周縁に沿って複数が所定の間隔をあけて設けられており、この複数の貫通穴３４のそれぞれにおいて、上記液状ゴムの一部が充填されて上下のガスケット３２，３３が直接一体化されている。
また、上下のガスケット３２，３３には、電解質膜２３の周縁部２３ａおよびその上下のフレーム３０，３１の外周を覆うように被覆部３５が全周に亙って一体成形されている。
上記構成を備えた燃料電池用構成部品２１においては、上記したように反応電極部２２、フレーム３０，３１、ガスケット３２，３３およびガス拡散層２６，２７が予め纏めて一体化されているために、セルないしスタック組立時における組立工数を削減することができ、また、フレーム３０，３１が追加された分だけ反応電極部２２の平面積が縮小されているために、高価な部品である反応電極部２２を使用する割合が減少し、よって部品コストを削減することができる。
また、反応電極部２２およびフレーム３０，３１の外周が、ガスケット３２，３３に一体成形された被覆部３５によって被覆されているために、セルの内部に発生するガスが反応電極部２２およびフレーム３０，３１の外周から外部へ漏洩するのを抑えることができ、また、反応電極部２２およびフレーム３０，３１に設けた貫通穴３４にゴムが充填されることによって反応電極部２２およびフレーム３０，３１が連結されているために、この両者を強固に締結することができる。
第四実施例・・・
尚、上記したように燃料電池用スタックないしセルの種類によっては、ガス拡散層２６，２７が使用されない場合があり、この場合には、上記第三実施例の説明中からガス拡散層２６，２７が省略されることになる。
第五実施例・・・
第７図は、本発明の第五実施例に係る燃料電池用構成部品（燃料電池用セルシール）２１の断面を示しており、この燃料電池用構成部品２１は以下のように構成されている。
すなわち先ず、電解質膜（イオン交換膜）２３の上下両側にそれぞれ触媒付電極（触媒層）２４，２５を重ねて一体化した反応電極部（ＭＥＡ）２２が設けられており、この反応電極部２２の上下両側にそれぞれガス拡散層（ＧＤＬ）２６，２７が非接着で重ねられるとともに、このガス拡散層２６，２７の更に上下両側にそれぞれセパレータ２８，２９が非接着で重ねられて、１セル分の積層体が構成されている。
反応電極部２２の平面積は従来よりも小さく形成されており、この縮小分を丁度補うように、反応電極部２２の周縁部に、ＰＩ、ＰＥＮまたはＰＥＴ等の樹脂フィルムよりなるフレーム３０，３１が固定されている。反応電極部２２の周縁部においては、電解質膜２３の周縁部２３ａが触媒付電極２４，２５の周縁部２４ａ，２５ａよりも平面方向に突出しているために、フレーム３０，３１は、この電解質膜２３の周縁部２３ａの上下両側にそれぞれ重ねられて、この電解質膜２３の周縁部２３ａに対してそれぞれ熱圧着されている。フレーム３０，３１は、触媒付電極２４，２５と略同厚である。
図上上側のフレーム３０の上側および図上下側のフレーム３１の下側にそれぞれ（図上上側のフレーム３０とセパレータ２８の間および図上下側のフレーム３１とセパレータ２９の間であってガス拡散層２６，２７の外周側にそれぞれ）、シリコーンゴム、ＥＰＤＭまたはＦＫＭ等の液状ゴム硬化物よりなるガスケット（シール）３２，３３が設けられており、このガスケット３２，３３は、これが接触するフレーム３０，３１、ガス拡散層２６，２７およびセパレータ２８，２９に液状ゴムの一部が含浸することによって、フレーム３０，３１、ガス拡散層２６，２７およびセパレータ２８，２９と一体化されており、上記したようにフレーム３０，３１が反応電極部２２に熱圧着により固定されているために、上記含浸により、反応電極部２２、フレーム３０，３１、ガスケット３２，３３、ガス拡散層２６，２７およびセパレータ２８，２９が纏めて一体化されている。
また、電解質膜２３の周縁部２３ａおよびその上下のフレーム３０，３１に、上下方向に連通するように貫通穴（スルーホール）３４が設けられており、この貫通穴３４に上記液状ゴムの一部が充填されることによって、上下のガスケット３２，３３が直接一体化されている。貫通穴３４は、電解質膜２３の周縁に沿って複数が所定の間隔をあけて設けられており、この複数の貫通穴３４のそれぞれにおいて、上記液状ゴムの一部が充填されて上下のガスケット３２，３３が直接一体化されている。
また、上下のガスケット３２，３３には、電解質膜２３の周縁部２３ａおよびその上下のフレーム３０，３１の外周を覆うように被覆部３５が全周に亙って一体成形されており、更に、この被覆部３５を含むガスケット３２，３３およびその上下のセパレータ２８，２９の外周に、ガスケット３２，３３よりもガス不透過性に優れた材料によって成形されたガスシール３６が全周に亙って設けられている。
上記構成を備えた燃料電池用構成部品２１においては、上記したように反応電極部２２、フレーム３０，３１、ガスケット３２，３３、ガス拡散層２６，２７およびセパレータ２８，２９が予め纏めて一体化されているために、セルないしスタック組立時における組立工数を削減することができ、また、フレーム３０，３１が追加された分だけ反応電極部２２の平面積が縮小されているために、高価な部品である反応電極部２２を使用する割合が減少し、よって部品コストを削減することができる。
また、反応電極部２２およびフレーム３０，３１の外周が、ガスケット３２，３３に一体成形された被覆部３５によって被覆されているために、セルの内部に発生するガスが反応電極部２２およびフレーム３０，３１の外周から外部へ漏洩するのを抑えることができ、また、反応電極部２２およびフレーム３０，３１に設けた貫通穴３４にゴムが充填されることによって反応電極部２２およびフレーム３０，３１が連結されているために、この両者を強固に締結することができる。
更にまた、被覆部３５を含むガスケット３２，３３およびセパレータ２８，２９の外周に、ガスケット３２，３３よりもガス不透過性に優れた材料によって成形されたガスシール３６が設けられているために、ガスケット３２，３３のガス不透過性が余り良くない場合であっても、このガスシール３６によってガスが外部へ漏洩するのを抑えることができる。
第六実施例・・・
尚、上記したように燃料電池用スタックないしセルの種類によっては、ガス拡散層２６，２７が使用されない場合があり、この場合には、上記第五実施例の説明中からガス拡散層２６，２７が省略されることになる。
発明の効果及び産業上の利用可能性
本発明は、以下の効果を奏する。
すなわち先ず、上記構成を備えた本発明の請求の範囲第１項による燃料電池用構成部品においては、電解質膜の両極側に触媒付電極を有し、その両外側にガス拡散層を備えた燃料電池用構成部品において、電解質膜と触媒付電極との一体品に、カーボン繊維等で作られたガス拡散層とガスケットとを接合する構成としたために、燃料電池の組立てに際して、これらの部品を互いに組み付ける工程を削減することが可能である。したがって、燃料電池の組立作業を容易化することができる。また、これらの部品を一体化したことにより、ガスケットによるシール性を向上させることができる。
また、上記構成を備えた本発明の請求の範囲第２項による燃料電池用構成部品においては、電解質膜の両極側に触媒付電極を有し、その両外側にガス拡散層を備えた燃料電池において、電解質膜と触媒付電極との一体品に、カーボン繊維等で作られたガス拡散層にゴムを含浸させるとともにガスケットを形成したガス拡散層とガスケットとの一体品を接合する構成としたために、燃料電池の組立てに際して、これらの部品を互いに組み付ける工程を削減することが可能である。したがって、燃料電池の組立て作業を容易化することができる。また、これらの部品を一体化したことにより、ガスケットによるシール性を向上させることができる。
また、上記構成を備えた本発明の請求の範囲第３項による燃料電池用構成部品においては、電解質膜の両側にガス拡散層を兼ねた電極を備えた燃料電池用構成部品において、そのガス拡散層にゴムを含浸させるとともにガスケットを形成したガス拡散層とガスケットとの一体品を電解質膜に接合する構成としたために、燃料電池の組立てに際して、これらの部品を互いに組み付ける工程を削減することが可能である。したがって、燃料電池の組立作業を容易化することができる。また、これらの部品を一体化したことにより、ガスケットによるシール性を向上させることができる。
また、上記各請求の範囲に係る発明はそれぞれ、一体品をホットプレスを用いて接合すること（請求の範囲第４項）、電解質膜が高分子電解質よりなること（請求の範囲第５項）、またはゴムが液状ゴムであること（請求の範囲第６項）により、特に有効である。
また、上記構成を備えた本発明の請求の範囲第７項による燃料電池用構成部品においては、反応電極部、ガス拡散層およびガスケットが一体化され、請求の範囲第９項による燃料電池用構成部品においては、反応電極部にフレームを固定するとともにフレームをゴムにて覆い込み、更にガス拡散層に前記ゴムの一部を含浸させることによって、反応電極部、フレーム、ガスケットおよびガス拡散層が一体化されているためにそれぞれ、セルないしスタック組立時における組立工数を削減することができ、また、請求の範囲第８項による燃料電池用構成部品においては、フレームが追加された分だけ反応電極部の平面積が縮小されているために、高価な部品である反応電極部を使用する割合が減少し、よって部品コストを削減することができる。
また、請求の範囲第１０項による燃料電池用構成部品においては、反応電極部およびガスケットが一体化され、請求の範囲第１２項による燃料電池用構成部品においては、反応電極部にフレームを固定するとともにフレームを覆い込むようにゴムを含浸させることによって、反応電極部、フレームおよびガスケットが一体化されているためにそれぞれ、セルないしスタック組立時における組立工数を削減することができ、また、請求の範囲第１１項による燃料電池用構成部品においては、フレームが追加された分だけ反応電極部の平面積が縮小されているために、高価な部品である反応電極部を使用する割合が減少し、よって部品コストを削減することができる。
また、請求の範囲第１３項による燃料電池用構成部品においては、反応電極部およびフレームの外周をゴムによって被覆したために、セルの内部に発生するガスが反応電極部およびフレームの外周から外部へ漏洩するのを抑えることができ、請求の範囲第１４項による燃料電池用構成部品においては、反応電極部およびフレームに設けた貫通穴にゴムを充填することによって反応電極部およびフレームを連結したために、この反応電極部およびフレームを強固に締結することができる。
また、請求の範囲第１５項による燃料電池用構成部品においては、上記した請求の範囲第９項の燃料電池用構成部品において、ゴムをセパレータにも含浸させることによって、反応電極部、フレーム、ガスケット、ガス拡散層およびセパレータを一体化したために、セパレータをも含めた部品群を一体化することができ、請求の範囲第１６項による燃料電池用構成部品においては、上記した請求の範囲第１２項の燃料電池用構成部品において、ゴムをセパレータにも含浸させることによって、反応電極部、フレーム、ガスケットおよびセパレータを一体化したために、やはりセパレータをも含めた部品群を一体化することができる。
更にまた、請求の範囲第１７項による燃料電池用構成部品においては、上記した請求の範囲第１５項または第１６項の燃料電池用構成部品において、ガスケットの外周に、このガスケットよりもガス不透過性に優れた材料よりなるガスシールを設けたために、ガスケットのガス不透過性が余り良くない場合であっても、このガスシールによってガスが外部へ漏洩するのを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第一実施例に係る燃料電池用構成部品の平面図であり、第２図は第１図におけるＡ−Ａ線拡大断面図であり、第３図は同燃料電池用構成部品の組立状態を示す要部断面図である。また、第４図は本発明の第二実施例に係る燃料電池用構成部品の要部断面図であり、第５図は同燃料電池用構成部品の組立状態を示す要部断面図である。また、第６図は本発明の第三実施例に係る燃料電池用構成部品の要部断面図である。更にまた、第７図は本発明の第五実施例に係る燃料電池用構成部品の要部断面図である。
【図１】
2002043172.tif 000003
【図２】
2002043172.tif 000004
【図３】
2002043172.tif 000005
【図４】
2002043172.tif 000006
【図５】
2002043172.tif 000007
【図６】
2002043172.tif 000008
【図７】
2002043172.tif 000009
【国際調査報告】
2002043172.tif 000010
2002043172.tif 000011
2002043172.tif 000012
2002043172.tif 000013