JP2002042838A - 燃料電池、多孔質導電体・シール構造体の製造方法及び電極膜構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電極膜構造体とセパレータとのシール性を向
上できる燃料電池を提供する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜１５を挟んでアノー
ド電極Ａとカソード電極Ｃとを対設した電極膜構造体１
２を、一対のセパレータ１３，１４で挟持して構成され
る燃料電池であって、固体高分子電解質膜１５がアノー
ド電極Ａとカソード電極Ｃの外周端部からはみ出して外
部に広がるように設けられ、アノード電極Ａとカソード
電極Ｃの外周端面に、底面３２は固体高分子電解質膜１
５と密着し、一般面３１の上面３１ａに凸部３０を有す
る額縁状のアノード側、カソード側シール部材２０，２
１が、アノード電極Ａ、カソード電極Ｃの外周を囲むよ
うに設けられ、カソード側、アノード側セパレータ１
３，１４の前各シール部材２０，２１の凸部３０に対応
する位置に凹部３３が設けられたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、固体高分子電解
質膜とその両側のアノード電極とカソード電極とで構成
された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持した燃
料電池及びこれに関連する多孔質導電体・シール構造体
の製造方法、電極膜構造体の製造方法に係るものであ
り、特に、固体高分子電解質膜のシール信頼性の向上を
図ることができる燃料電池及びこれに関連する多孔質導
電体・シール構造体の製造方法、電極膜構造体の製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、固体高分子電解質膜を挟んでア
ノード電極とカソード電極とを対設した電極膜構造体を
セパレータによって挟持して燃料電池を構成し、これら
燃料電池を複数積層することにより構成された固体高分
子電解質型の燃料電池スタックが開発され、種々の用途
に実用化されつつある。この燃料電池の一例を図８によ
って説明する。同図において１は固体高分子電解質膜で
あって、この固体高分子電解質膜１の両面に固体高分子
電解質膜１より小さい面積のアノード電極２とカソード
電極３が配置されている。アノード電極２とカソード電
極３との各々の外周部分に、ガスシール用のシール部材
４，５が配置されている。

【０００３】上記シール部材４，５には、固体高分子電
解質膜１に接触する面とは反対側に位置する面に、アノ
ード電極２、カソード電極３の電極面を取り囲むように
シールリップ６が一体的に突設されている。そして、ア
ノード電極２の外側に、アノード電極２との間に燃料ガ
スの案内溝７を有し、燃料ガスの供給機能と集電機能と
を発揮するセパレータ８が接触配置されている。同様に
カソード電極３の外側には、カソード電極３との間に酸
化剤ガスの案内溝９を有し、酸化剤ガスの供給機能と集
電機能とを発揮するセパレータ１０が接触配置されてい
る。このように構成された燃料電池が複数組積層され、
この積層体が図示しない締め付け手段で積層方向に締め
付けられて燃料電池スタックが構成されている。

【０００４】このような燃料電池においては、アノード
電極２やカソード電極３とシール部材４，５との厚さの
違いをシールリップ６で吸収することができ、これによ
ってアノード電極２とセパレータ８及びカソード電極３
とセパレータ１０とを良好に接触させることができるの
で、電池性能の向上に寄与できる点で優れている（特許
第２９２２１３２号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術においては、固体高分子電解質膜１にシール部材
４，５とを重ねる段階で、シール部材４，５とアノード
電極２とカソード電極３とを位置ずれなくセットするこ
とが困難であるという問題がある。そして、アノード電
極２側のシール部材４とカソード電極３側のシール部材
５とに、固体高分子電解質膜１の面に沿う方向での位置
ずれが生ずると、セパレータ８，１０に密接するシール
リップ６、６の位置が微妙にずれ、これによってシール
リップ６の基部側で固体高分子電解質膜１に作用するシ
ールリップ６の各々のシール反力が偏り、したがって、
固体高分子電解質膜１にアンバランスな力が作用して、
固体高分子電解質膜１がよれを起こしたり、しわが発生
してしまうという問題がある。その結果、アノード電極
２とシール部材４、カソード電極３とシール部材５との
組み付け時における寸法精度を厳密に管理しなくてはな
らず、製造が困難であるという問題がある。また、アノ
ード電極２とシール部材４、カソード電極３とシール部
材５を、別々に作って組み付けのために配置する場合
に、図９に示すようにアノード電極２の外周とシール部
材４，カソード電極３の外周とシール部材５との間に必
ず隙間Δｄ（図９において誇張して大きく示す）を確保
する必要があるため、組み付けた後にこの隙間Δｄにお
いて固体高分子電解質膜１が単独で露出することとな
り、薄い固体高分子電解質膜１がアノード電極２とカソ
ード電極３との極間差圧に晒されたり、各電極の外周エ
ッジ部により固体高分子電解質膜１が応力集中を受けた
りするので、固体高分子電解質膜１にダメージを与えて
しまうという問題がある。更にまた、図１０に示すよう
に前記隙間Δｄを通って反応ガスがガス入口ＩＮからガ
ス出口ＯＵＴまでバイパスして流れる可能があり、各電
極面内のガス配分の点でも好ましくないという問題があ
る。

【０００６】また、固体高分子電解質型の燃料電池にお
いては固体高分子電解質膜１とアノード電極２とカソー
ド電極３とを重合させても厚さ方向で数百ミクロンとき
わめて薄いため、上記シールリップ６に十分な高さ寸法
を確保することができず、したがって、十分な弾性変形
量を確保できずシール性に問題があった。これに対し
て、例えば、米国特許第５４６４７００に記載されてい
るように固体高分子電解質膜とアノード電極とカソード
電極とに重なるようにガスケットを配置する構造も提案
されているが、このようにアノード電極とカソード電極
の全周に亘って設けられたガスケットを弾性変形させる
ためには相当な力が必要であり、燃料電池スタックの締
め付け機構が大型化してしまうという問題がある。

【０００７】また、特開平８−１４８１７０号公報に記
載されているように、アノード電極とカソード電極の周
囲を含浸剤で緻密化し、この緻密化部分をセパレータ側
に設けたＯリング等で締め付ける構造があるが、完全に
緻密化することは困難であるため、燃料ガス、酸化剤ガ
スがリークしてしまい反応に寄与せず、燃料電池の効率
低下の原因となるという問題もある。そこで、この発明
は、電極膜構造体とセパレータとを小さな締め付け力で
確実にシールし、固体高分子電解質膜を含めた電極膜構
造体の周囲がよれを起こすことがなく、発電効率を高め
ることができる燃料電池を提供し、これに関連する多孔
質導電体・シール構造体の製造方法及び電極膜構造体の
製造方法を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜
（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜１５）
を挟んで各々多孔質導電体（例えば、実施形態における
アノード側多孔質導電体１８、カソード側多孔質導電体
１９）を有するアノード電極（例えば、実施形態におけ
るアノード電極Ａ）とカソード電極（例えば、実施形態
におけるカソード電極Ｃ）とを対設した電極膜構造体
（例えば、実施形態における電極膜構造体１２）を、一
対のセパレータ（例えば、実施形態におけるアノード側
セパレータ１３、カソード側セパレータ１４）で挟持し
て構成される燃料電池であって、前記固体高分子電解質
膜がアノード電極とカソード電極の外周端部からはみ出
して外部に広がるように設けられ、アノード電極の外周
端面に、一方の面（例えば、実施形態における底面３
２）は固体高分子電解質膜と密着し、他方の面（例え
ば、実施形態における上面３１ａ）に凸部（例えば、実
施形態における凸部３０）を有する額縁状のアノード側
シール部材（例えば、実施形態におけるアノード側シー
ル部材２０）が、アノード電極外周を囲むように設けら
れ、カソード電極の外周端面に、一方の面は固体高分子
電解質膜と密着し、他方の面に凸部を有する額縁状のカ
ソード側シール部材（例えば、実施形態におけるカソー
ド側シール部材２１）が、カソード電極外周を囲むよう
に設けられ、アノード側セパレータの前記アノード側シ
ール部材の凸部に対応する位置に凹部（例えば、実施形
態における凹部３３）が設けられ、カソード側セパレー
タの前記カソード側シール部材の凸部に対応する位置に
凹部が設けられたことを特徴とする。

【０００９】このように構成することで、アノード側シ
ール部材の凸部とカソード側シール部材の凸部は、アノ
ード側セパレータの凹部とカソード側セパレータの凹部
内で十分に断面積を確保した状態で弾性変形することが
できる。また、アノード電極の外周端面に、一方の面は
固体高分子電解質膜と密着し、他方の面に凸部を有する
額縁状のアノード側シール部材が、アノード電極外周を
囲むように設けられ、カソード電極の外周端面に、一方
の面は固体高分子電解質膜と密着し、他方の面に凸部を
有する額縁状のカソード側シール部材が、カソード電極
外周を囲むように設けられているため、小さな締め付け
荷重で各シール部材を弾性変形させることができる。そ
して、アノード側シール部材はアノード電極の外周端面
に、カソード側シール部材はカソード電極の外周端面に
設けられているため、アノード側シール部材及びカソー
ド側シール部材と固体高分子電解質膜とを段差なく重ね
ることができる。請求項２に記載した発明は、請求項１
に記載の燃料電池において、前記アノード電極の外周と
アノード側シール部材、及び、前記カソード電極の外周
とカソード側シール部材とが隙間なく密着され、かつ、
前記アノード側シール部材とカソード側シール部材の凸
部以外（例えば、実施形態における一般部３１）の厚さ
が、対応するアノード電極とカソード電極の厚さとほぼ
同一であることを特徴とする。このように構成すること
で、各電極の外周端部とシール部材の内周端部とが密着
しているため、固体高分子電解質膜が単独で露出するこ
とがなく、固体高分子電解質膜のダメージの防止と、反
応ガスのバイパス防止を図ることができる。

【００１０】請求項３に記載した発明は、請求項１又は
請求項２に記載の燃料電池において、前記アノード側シ
ール部材の凸部の中心と、カソード側シール部材の凸部
の中心とが略一致していることを特徴とする。このよう
に構成することで、電極膜構造体の周囲にモーメント荷
重が作用するのを防止できる。

【００１１】請求項４に記載した発明は、固体高分子型
燃料電池のアノード電極又はカソード電極として用いら
れる多孔質導電体の外周に、凸部を有するシール部材を
設けた多孔質導電体・シール構造体の製造方法であっ
て、多孔質導電体の固体高分子電解質膜に接触する面
（例えば、実施形態における下面１８ｂ，１９ｂ）とは
反対側の面（例えば、実施形態における上面１８ａ，１
９ａ）を一方の金型（例えば、実施形態における上型３
６）の基準面（例えば、実施形態における基準面４０）
にセットし、一方の型と他方の型（例えば、実施形態に
おける下型３７）とで多孔質導電体を挟持すると共に多
孔質導電体の周囲にシール部材のキャビティを（例え
ば、実施形態におけるキャビティ４１）形成し、上記キ
ャビティにシール部材の材料を注入して、多孔質導電体
の外周にセパレータ側に向かって突出する凸部を有する
シール部材を一体成形したことを特徴とする多孔質導電
体・シール構造体の製造方法である。

【００１２】このように構成することで、多孔質導電体
の厚さ寸法とシール部材の凸部の高さによる製造ばらつ
きの影響をなくすことができる。また、各電極の外周端
部とシール部材の内周端部とが隙間なく密着し、電極と
シール部材の厚さをほぼ同一で成型できるため、固体高
分子電解質膜のダメージの防止と、反応ガスのバイパス
防止を図ることができる製品を製造することができる。

【００１３】請求項５に記載した発明は、一対の請求項
４に記載した多孔質導電体・シール構造体で固体高分子
電解質膜を挟持して構成される電解質膜構造体の製造方
法であって、一方の多孔質導電体・シール構造体のシー
ル部材の凸部とは反対側の多孔質導電体の面（例えば、
実施形態における下面１８ｂ）に、電極触媒ペーストを
塗布してアノード電極を製造し、他方の多孔質導電体・
シール構造体のシール部材の凸部とは反対側の多孔質導
電体の面（例えば、実施形態における下面１９ｂ）に、
電極触媒ペーストを塗布してカソード電極を製造し、こ
れらアノード電極とカソード電極とで固体高分子電解質
膜を挟持した状態でホットプレスを行うことを特徴とす
る。このように構成することで、フィルム状のため取り
扱いが難しい固体高分子電解質膜単体での直接的な取り
扱い作業を最小限にして生産性を向上することができ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を図面
と共に説明する。図１はこの発明の実施形態の燃料電池
を示す分解斜視図である。図２は図１のＡ−Ａ線に沿う
断面図である。図１、図２において燃料電池Ｎは電極膜
構造体１２とこれを挟持するアノード側セパレータ１３
及びカソード側セパレータ１４を備え、これらが複数組
積層され、例えばボルト、ナット等の締め付け機構によ
り一体化されて車両用の燃料電池スタックが構成される
ものである。電極膜構造体１２は、固体高分子電解質膜
１５と、この固体高分子電解質膜１５を挟んで配設され
るアノード側電極触媒層１６及びカソード側電極触媒層
１７を有するとともに、前記アノード側電極触媒層１６
及びカソード側電極触媒層１７の各々の外側に、アノー
ド側多孔質導電体１８及びカソード側多孔質導電体１９
が配置されている。

【００１５】ここで、上記アノード側多孔質導電体１８
及びカソード側多孔質導電体１９は、例えば、多孔質カ
ーボンペーパー、多孔質カーボンクロス又は多孔質カー
ボンフェルトから形成されている。また、前記固体高分
子電解質膜１５として、ペルフルオロスルホン酸ポリマ
ーを用いている。一方、アノード側電極触媒層１６、カ
ソード側電極触媒層１７はＰｔを主体としたものであ
る。尚、上記アノード側電極触媒層１６とアノード側多
孔質導電体１８とでアノード電極Ａが構成され、上記カ
ソード側電極触媒層１７とカソード側多孔質導電体１９
とでカソード電極Ｃが構成される。固体高分子電解質膜
１５には、これを挟んで対設されるアノード電極Ａ及び
カソード電極Ｃの外周端部からはみ出して外側に広がる
ようにはみ出し部１５ａが設けられ、このはみ出し部１
５ａに対応する位置に両側から後述するアノード側シー
ル部材２０とカソード側シール部材２１とが直接密着す
るようになっている。

【００１６】図１に示すように、カソード側セパレータ
１４は、その平面内であって外周縁部に位置する横方向
両端上部側に、水素含有ガス等の燃料ガスを通過させる
ための入口側燃料ガス連通孔２２ａと、酸素含有ガス又
は空気である酸化剤ガスを通過させるための入口側酸化
剤ガス連通孔２３ａとを備えている。カソード側セパレ
ータ１４の横方向両端中央側に、純水やエチレングリコ
ールやオイル等の冷却媒体を通過させるための入口側冷
却媒体連通孔２４ａと、使用後の前記冷却媒体を通過さ
せるための出口側冷却媒体連通孔２４ｂとが設けられて
いる。また、カソード側セパレータ１４の平面内であっ
て外周縁部に位置する横方向両端下部側に、燃料ガスを
通過させるための出口側燃料ガス連通孔２２ｂと、酸化
剤ガスを通過させるための出口側酸化剤ガス連通孔２３
ｂとが、入口側燃料ガス連通孔２２ａ及び入口側酸化剤
ガス連通孔２３ａと対角位置になるように設けられてい
る。

【００１７】図１に示すように、カソード側セパレータ
１４のカソード側電極触媒層１７に対向する面１４ａに
は、後述するカソード側シール部材２１で囲まれる範囲
内に入口側酸化剤ガス連通孔２３ａに連通する複数本、
例えば、６本のそれぞれ独立した酸化剤ガス流路溝２５
が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けら
れ、出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂに連通している。

【００１８】また、アノード側セパレータ１３の平面内
であって外周縁部に位置する横方向両端側には、カソー
ド側セパレータ１４と同様に、入口側燃料ガス連通孔２
２ａ、入口側酸化剤ガス連通孔２３ａ、入口側冷却媒体
連通孔２４ａ、出口側燃料ガス連通孔２２ｂ、出口側酸
化剤ガス連通孔２３ｂ及び出口側冷却媒体連通孔２４ｂ
が形成されている。前記アノード側セパレータ１３の面
１３ａには、図１、図２に示すように、後述するアノー
ド側シール部材２０で囲まれる範囲内に入口側燃料ガス
連通孔２２ａに連通する複数本、例えば、６本の燃料ガ
ス流路溝２６（前記面１４ａの酸化剤ガス流路溝２５と
同じ形状）が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向か
って設けられ、出口側燃料ガス連通孔２２ｂに連通して
いる。

【００１９】また、図２に示すようにアノード側セパレ
ータ１３の面１３ｂには、面１３ｂの溝２７内に塗布さ
れた液状シールＳで囲まれる範囲内に、入口側冷却媒体
連通孔２４ａ及び出口側冷却媒体連通孔２４ｂに連通す
る分岐流路溝２８が水平方向に延在して設けられてい
る。ここで、図１、図２に示すように、入口側燃料ガス
連通孔２２ａ、入口側酸化剤ガス連通孔２３ａ、入口側
冷却媒体連通孔２４ａ、出口側燃料ガス連通孔２２ｂ、
出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂ及び出口側冷却媒体連通
孔２４ｂの周囲には溝２９が設けられ、この溝２９に液
状シールＳ１が塗布されている。そして、アノード側セ
パレータ１３とカソード側セパレータ１４との電極膜構
造体１２を挟持する面では液状シールＳ１どうしが密着
してシールし、アノード側セパレータ１３の面１３ｂ側
では液状シールＳ１と前記液状シールＳとが積層される
カソード側セパレータ１４の面１４ｂに密着してシール
するようになっている。

【００２０】図３は図１のＢ−Ｂ線に沿う模式的な分解
断面図であり、要部を誇張して示したものである。同図
において固体高分子電解質膜１５のはみ出し部１５ａに
対応する、アノード電極Ａのアノード側多孔質導電体１
８の外周端面に、アノード側シール部材２０が設けられ
ている。また、上述と同様に固体高分子電解質膜１５の
はみ出し部１５ａに対応するカソード電極Ｃのカソード
側多孔質導電体１９の外周端面に、カソード側シール部
材２１が設けられている。上記アノード側シール部材２
０及びカソード側シール部材２１はフッ素ゴム材により
金型成形されるもので、アノード側多孔質導電体１８及
びカソード側多孔質導電体１９とほぼ同一の厚さ寸法に
成型された一般部（凸部以外）３１と凸部３０を備えて
いる。前記凸部３０は断面弧状に形成されたもので、外
周端はなめらかに形成されている。

【００２１】前記アノード側シール部材２０は、底面
（一方の面）３２は固体高分子電解質膜１５と密着し、
一般部３１の上面（他方の面）３１ａに連なって前記凸
部３０を有するもので、アノード側多孔質導電体１８の
外周に隙間なく密着してこれを囲むように額縁状に形成
され、固体高分子電解質膜１５の外周端部を覆う位置ま
で形成されている。カソード側シール部材２１は、底面
３２（一方の面）は固体高分子電解質膜１５と密着し、
一般部３１の上面（他方の面）３１ａに連なって前記凸
部３０を有するもので、カソード側多孔質導電体１９の
外周に隙間なく密着してこれを囲むように額縁状に形成
され、固体高分子電解質膜１５の外周端部を覆う位置ま
で形成されている。

【００２２】そして、このように構成された、アノード
側多孔質導電体１８とアノード側シール部材２０とでア
ノード側多孔質導電体・シール構造体が構成され、同様
にカソード側多孔質導電体１９とカソード側シール部材
２１とでカソード側多孔質導電体・シール構造体が構成
されている。ここで、前述した図１においては、アノー
ド側電極触媒層１６及びカソード側電極触媒層１７は板
状の部材で示したが、後述するように前記アノード側多
孔質導電体１８とカソード側多孔質導電体１９との固体
高分子電解質膜１５に対向する面に電極ペーストとして
塗布されることにより介装されている。尚、図２に示す
液状シールＳ１を廃止して、これに替え前記アノード側
シール部材２０やカソード側シール部材２１を液状シー
ルＳ１の部分まで延長して一体成形することも可能であ
る。

【００２３】また、アノード側セパレータ１３の前記ア
ノード側シール部材２０の凸部３０に対応する位置に凹
部３３が設けられ、カソード側セパレータ１４の前記カ
ソード側シール部材２１の凸部３０に対応する位置に凹
部３３が設けられ、組み付け時においては図４に示すよ
うに凸部３０は凹部３３内でつぶれ代ＣＬを十分に確保
した状態で保持される。そして、アノード側多孔質導電
体・シール構造体とカソード側多孔質導電体・シール構
造体の各々の固体高分子電解質膜１５側の面に、アノー
ド側電極触媒層１６とカソード側電極触媒層１７を形成
して、アノード電極Ａとカソード電極Ｃが構成され、こ
れらアノード電極Ａとカソード電極Ｃとで固体高分子電
解質膜１５を挟持し電極膜構造体１２が構成されてい
る。そして、電極膜構造体１２を前記アノード側セパレ
ータ１３とカソード側セパレータ１４とで挟み込んで、
図２に示す燃料電池が構成されている。ここで、前記ア
ノード側シール部材２０の凸部３０の中心と、カソード
側シール部材２１の凸部３０の中心とは略一致してい
る。尚、図５に示すように、前記凸部３０を一般部３１
の途中に成形してもよい。また、上記凸部３０を複数形
成して、シール効果を高めるようにしてもよい。

【００２４】次に、図６に基づいて、多孔質導電体・シ
ール構造体の製造方法と、電極膜構造体の製造方法につ
いて説明する。尚、以下の説明において、アノード側多
孔質導電体・シール構造体及びカソード側多孔質導電体
・シール構造体は共に構成が同様であるので、カソード
側多孔質導電体・シール構造体を例にして説明する。

【００２５】まず、多孔質導電体・シール構造体の製造
方法に用いられる金型について説明する。図６において
は３５は射出成型用の金型を示し、金型３５は上型３６
と下型３７とで構成されている。下型３７のキャビティ
形成面３８はフラットに形成されカソード側多孔質導電
体・シール構造体の下面（シール部材の底面３２を含
む）を形成するものであり、上型３６のキャビティ形成
面３９はカソード側多孔質導電体１９の上面を押圧しカ
ソード側シール部材２１の一般部３１及び凸部３０の上
面を形成するものである。特に、この上型３６のキャビ
ティ形成面３９のうち、カソード側多孔質導電体１９の
上面１９ａ及びカソード側シール部材２１の一般部３１
の上面３１ａを成形する部分は基準面４０として機能し
ている。つまり、この基準面４０によって成形後におい
てカソード側多孔質導電体１９の上面１９ａとカソード
側シール部材２１の一般部３１の上面３１ａとがフラッ
トに形成されるため、カソード側シール部材２１のつぶ
れ代ＣＬ（図４に示す）を全周に亘って一定にすること
ができる。

【００２６】次に、多孔質導電体・シール構造体の製造
方法を説明する。まず、下型３７のキャビティ形成面３
８上にカソード側多孔質導電体１９を載置した状態で、
上型３６と下型３７とを型閉する。これにより、カソー
ド側多孔質導電体１９の固体高分子電解質膜１５に接触
する下面（接触部する面）１９ｂとは反対側の上面１９
ａを上型３６の基準面４０にセットし、上型３６と下型
３７とでカソード側多孔質導電体１９を挟持すると共に
カソード側多孔質導電体１９の周囲にカソード側シール
部材２１のキャビティ４１を形成する。

【００２７】そして、液状のフッ素ゴム材料をランナ４
２からキャビティ４１に注入する。ここで、フッ素ゴム
材料としては硬化後の特性が、硬さ７０（ＪＩＳ
Ａ）、引張強さ１４．５（ＭＰａ）、引裂強さ２６（Ｋ
Ｎ／ｍ）、伸び２３０（％）、比重１．８５のものを使
用することが望ましい。また、成形は、例えば金型温度
１５０度で６０秒保持することにより行われ、成形圧力
は１００〜３００ｋｇｆ／ｃｍ２で行われる。尚、シー
ル部材に使用されるゴム材料としては液状フッ素ゴム以
外に液状ＥＰＤＭが使用できる。ここで、液状シリコン
ゴム、液状ニトリルゴムも使用できるが、固体高分子電
解質膜１５と密着性の良いフッ素ゴム、ＥＰＤＭが望ま
しい。

【００２８】そして、成形終了後に型開きすれば、カソ
ード側多孔質導電体１９の外周にカソード側セパレータ
１４に向かって突出する凸部３０を有するカソード側シ
ール部材２１が一体化されたカソード側多孔質導電体・
シール構造体が得られる。また、上述と同様の手順によ
り、アノード側多孔質導電体・シール構造体を製造す
る。ここで、カソード側多孔質導電体１９に一体化され
たカソード側シール部材２１は、カソード側多孔質導電
体１９にしみ込むように一体化されるため、確実に取り
付けられると共に各多孔質導電体１８，１９のが外周端
部から反応ガスがリークすることはない。

【００２９】次に電極膜構造体１２の製造方法について
説明する。前記アノード側多孔質導電体・シール構造体
とカソード側多孔質導電体・シール構造体との各々の下
面であって、アノード側、カソード側多孔質導電体１
８，１９の下面（接触する面、多孔質導電体の面）１８
ｂ，１９ｂ、つまり、固体高分子電解質膜１５に接触す
る下面１８ｂ，１９ｂに、電極触媒ペースト（後に前記
電極触媒層１６，１７となる）を塗布して乾燥させ、周
囲にアノード側シール部材２０とカソード側シール部材
２１とが取り付けられたアノード電極Ａとカソード電極
Ｃを製造する。そして、これら各シール部材２０，２１
が取り付けられたアノード電極Ａとカソード電極Ｃとで
固体高分子電解質膜１５を挟持した状態でホットプレス
を行い電極膜構造体１２を得る。

【００３０】ここで、上記電極触媒ペーストを塗布する
方法について説明する。電極触媒ペーストは電極触媒
（Ｐｔ）及びイオン導電性成分（ナフィオン（登録商
標））を例えば、エチレングリコール等の塗布用有機溶
剤に混合して製造される。この電極触媒ぺーストはアノ
ード側、カソード側多孔質導電体１８，１９上に印刷に
より塗布される。そして、塗布後の乾燥工程において塗
布用有機溶剤を加熱して除去する必要があるが、加熱す
ることによりイオン導電性成分の含水率が回復不能に低
下すると有効な発電機能が発揮できないため、水蒸気流
により一定の湿潤状態に維持し、電極ペースト中の塗布
用有機溶剤の除去とイオン導電性成分の固定を行う。こ
れによって、図３に示すように電極触媒ペーストをアノ
ード側、カソード側多孔質導電体１８，１９に塗布する
ことができる。

【００３１】上記実施形態によれば、アノード側セパレ
ータ１３であってアノード側シール部材２０の凸部３０
に対応する位置に凹部３３が設けられ、カソード側セパ
レータ１４であってカソード側シール部材２１の凸部３
０に対応する位置に凹部３３が設けられたため、アノー
ド側シール部材２０の凸部３０とカソード側シール部材
２１の凸部３０は、アノード側セパレータ１３の凹部３
３とカソード側セパレータ１４の凹部３３内で十分に断
面積を確保した状態で弾性変形することができ、したが
って、前記アノード側シール部材２０とカソード側シー
ル部材２１の各凸部３０に十分な弾性変形量を確保し
て、シール性を向上することができる。

【００３２】また、アノード電極Ａの外周端面に、底面
３２は固体高分子電解質膜１５と密着し、一般部３１の
上面３１ａに凸部３０を有する額縁状のアノード側シー
ル部材２０が、アノード電極Ａ外周を囲むように設けら
れ、カソード電極Ｃの外周端面に、底面３２は固体高分
子電解質膜１５と密着し、一般部３１の上面３１ａに凸
部３０を有する額縁状のカソード側シール部材２１が、
カソード電極Ｃ外周を囲むように設けられているため、
小さな締め付け荷重で各シール部材２０，２１を弾性変
形させることができ締め付け機構を小型化できる。そし
て、アノード側シール部材２０はアノード電極Ａの外周
端面に、カソード側シール部材２１はカソード電極Ｃの
外周端面に設けられ、これらは金型３５のキャビティ形
成面３８，３９により精度良くフラットに成型されてい
るため、アノード側シール部材２０及びカソード側シー
ル部材２１と固体高分子電解質膜１５とを段差なく重ね
ることができ、シール性を向上することができる。特
に、前記アノード電極Ａ（厳密にはアノード側多孔質導
電体１８）とアノード側シール部材２０、及び、前記カ
ソード電極Ｃ（厳密にはカソード側多孔質導電体１９）
とカソード側シール部材２１とが隙間なく密着され、か
つ、前記アノード側シール部材２０とカソード側シール
部材２１の一般部３１の厚さが、アノード電極Ａとカソ
ード電極Ｃの厚さとほぼ同一であるため、各電極Ａ，Ｃ
の外周端部と各シール部材２０，２１の内周端部とが密
着して固体高分子電解質膜１５が単独で露出することが
なく、固体高分子電解質膜１５のダメージの防止と、反
応ガスのバイパス防止を図ることができる。

【００３３】また、図７に示すように、前記アノード
側、カソード側シール部材２０，２１の各凸部３０の中
心は略一致しているため、固体高分子電解質膜１５に作
用する加重の位置も略一致し、したがって、固体高分子
電解質膜１５のはみ出し部１５ａを位置ずれなく挟持す
ることができる。よって、固体高分子電解質膜１５及び
電極膜構造体１２の周囲にモーメント荷重が作用するこ
とはなく、これらがよれを起こすことはない。

【００３４】また、前記アノード側、カソード側多孔質
導電体１８，１９にアノード側、カソード側シール部材
２０，２１を型成形により製造するに際して、アノード
側、カソード側多孔質導電体１８，１９の上面（反対側
の面）１８ａ，１９ａを上型３６の基準面４０にセット
し、上型３６と下型３７とでアノード側、カソード側多
孔質導電体１８，１９を挟持した状態でキャビティ４１
を形成し、ここにフッ素ゴム材料を注入して、アノード
側、カソード側シール部材２０，２１を一体成形したた
め、アノード側、カソード側多孔質導電体１８，１９の
厚さ寸法とアノード側、カソード側シール部材２０，２
１の凸部３０の高さによる製造ばらつきの影響をなくす
ことができる。よって、一定の弾性変形量を確保できる
アノード側、カソード側シール部材２０，２１の凸部３
０を得ることができる。

【００３５】そして、アノード側、カソード側シール部
材２０，２１の凸部３０とは反対側のアノード側、カソ
ード側多孔質導電体１８，１９の下面１８ｂ，１９ｂ
に、電極触媒ペーストを塗布し、その後に乾燥させアノ
ード電極Ａとカソード電極Ｃを製造し、これらで固体高
分子電解質膜１５を挟持した状態でホットプレスを行
い、両側にアノード電極Ａとカソード電極Ｃとが対設さ
れた電極膜構造体１２を製造するため、フィルム状のた
め取り扱いが難しい固体高分子電解質膜単体での直接的
な取り扱い作業を最小限にして生産効率を向上すること
ができ、組立時におけるハンドリング性が向上し、自動
機による組立も可能となる。尚、この発明は上記実施形
態に限られるものではなく、例えば、多孔質導電体とし
て多孔性炭素焼結体を用いることができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１に記
載した発明によれば、アノード側セパレータの前記アノ
ード側シール部材の凸部に対応する位置に凹部が設けら
れ、カソード側セパレータの前記カソード側シール部材
の凸部に対応する位置に凹部が設けられたため、アノー
ド側シール部材の凸部とカソード側シール部材の凸部
は、アノード側セパレータの凹部とカソード側セパレー
タの凹部内で十分に断面積を確保した状態で弾性変形す
ることができ、したがって、前記アノード側シール部材
とカソード側シール部材の各凸部に十分な弾性変形量を
確保して、シール性を向上することができる効果があ
る。

【００３７】また、アノード電極の外周端面に、一方の
面は固体高分子電解質膜と密着し、他方の面に凸部を有
する額縁状のアノード側シール部材が、アノード電極外
周を囲むように設けられ、カソード電極の外周端面に、
一方の面は固体高分子電解質膜と密着し、他方の面に凸
部を有する額縁状のカソード側シール部材が、カソード
電極外周を囲むように設けられているため、小さな締め
付け荷重で各シール部材を弾性変形させることができ、
したがって、締め付け機構を小型化できる効果がある。

【００３８】そして、アノード側シール部材はアノード
電極の外周端面に、カソード側シール部材はカソード電
極の外周端面に設けられているため、アノード側シール
部材及びカソード側シール部材と固体高分子電解質膜と
を段差なく重ねることができると共に多孔質導電体の端
部からのガスリークがなくなり、したがって、シール性
を向上することができるという効果がある。

【００３９】請求項２に記載した発明によれば、請求項
１に記載した発明の効果に加え、各電極の外周端部とシ
ール部材の内周端部とが密着しているため、固体高分子
電解質膜が単独で露出することがなく、固体高分子電解
質膜のダメージの防止と、反応ガスのバイパス防止を図
ることができる効果がある。請求項３に記載した発明に
よれば、請求項１又は請求項２に記載した発明の効果に
加え、電極膜構造体の周囲にモーメント荷重が作用する
のを防止できるため、電極膜構造体がよれを起こすのを
防止できるという効果がある。

【００４０】請求項４に記載した発明によれば、多孔質
導電体の厚さ寸法とシール部材の凸部の高さによる製造
ばらつき影響をなくすことができるため、一定の弾性変
形量を確保できるシール部材の凸部を得ることができる
という効果がある。また、各電極の外周端部とシール部
材の内周端部とが隙間なく密着し、電極とシール部材の
厚さをほぼ同一で成型できるため、固体高分子電解質膜
のダメージの防止と、反応ガスのバイパス防止を図るこ
とができる製品を製造することができる。

【００４１】請求項５に記載した発明によれば、フィル
ム状のため取り扱いが難しい固体高分子電解質膜単体で
の直接的な取り扱い作業を最小限にして生産性を向上す
ることができるため、組立時におけるハンドリング性が
向上するという効果がある。したがって、自動機による
組立も可能となるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施形態の分解斜視図である。

【図２】 図１のＡ−Ａ線に沿う組立状態の断面図であ
る。

【図３】 図１のＢ−Ｂ線に沿う模式的な断面図であ
る。

【図４】 シール部材の凸部が凹部に係合した状態を示
す図３に対応する要部拡大断面図である。

【図５】 シール部材の他の実施形態を示す要部拡大断
面図である。

【図６】 金型の型閉状態を示す断面図である。

【図７】 シール部材の凸部に力が作用する状態を示す
断面図である。

【図８】 従来技術の断面図である。

【図９】 従来技術の要部断面図である。

【図１０】 従来技術の図９の平面図である。

【符号の説明】

１２ 電極膜構造体 １３ アノード側セパレータ １４ カソード側セパレータ １５ 固体高分子電解質膜 １８ アノード側多孔質導電体 １９ カソード側多孔質導電体 １８ａ，１９ａ 上面（反対側の面） １８ｂ，１９ｂ 下面（接触する面、多孔質導電体の
面） ２０ カソード側シール部材 ２１ アノード側シール部材 ３０ 凸部 ３１ 一般部（凸部以外） ３１ａ 上面（他方の面） ３２ 底面（一方の面） ３３ 凹部 ３６ 上型 ３７ 下型 ４０ 基準面 ４１ キャビティ Ａ アノード電極 Ｃ カソード電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 濱 雄一郎 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 BB01 BB03 BB08 DD06 EE03 EE05 EE17 5H026 AA06 BB01 BB02 BB04 BB08 CC03 CC08 CX08 EE19 HH03

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体高分子電解質膜を挟んで各々多孔質
   導電体を有するアノード電極とカソード電極とを対設し
   た電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持して構成さ
   れる燃料電池であって、前記固体高分子電解質膜がアノ
   ード電極とカソード電極の外周端部からはみ出して外部
   に広がるように設けられ、アノード電極の外周端面に、
   一方の面は固体高分子電解質膜と密着し、他方の面に凸
   部を有する額縁状のアノード側シール部材が、アノード
   電極外周を囲むように設けられ、カソード電極の外周端
   面に、一方の面は固体高分子電解質膜と密着し、他方の
   面に凸部を有する額縁状のカソード側シール部材が、カ
   ソード電極外周を囲むように設けられ、アノード側セパ
   レータの前記アノード側シール部材の凸部に対応する位
   置に凹部が設けられ、カソード側セパレータの前記カソ
   ード側シール部材の凸部に対応する位置に凹部が設けら
   れたことを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】 前記アノード電極の外周とアノード側シ
   ール部材、及び、前記カソード電極の外周とカソード側
   シール部材とが隙間なく密着され、かつ、前記アノード
   側シール部材とカソード側シール部材の凸部以外の厚さ
   が、対応するアノード電極とカソード電極の厚さとほぼ
   同一であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電
   池。
3. 【請求項３】 前記アノード側シール部材の凸部の中心
   と、カソード側シール部材の凸部の中心とが略一致して
   いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃
   料電池。
4. 【請求項４】 固体高分子型燃料電池のアノード電極又
   はカソード電極として用いられる多孔質導電体の外周
   に、凸部を有するシール部材を設けた多孔質導電体・シ
   ール構造体の製造方法であって、多孔質導電体の固体高
   分子電解質膜に接触する面とは反対側の面を一方の金型
   の基準面にセットし、一方の型と他方の型とで多孔質導
   電体を挟持すると共に多孔質導電体の周囲にシール部材
   のキャビティを形成し、上記キャビティにシール部材の
   材料を注入して、多孔質導電体の外周にセパレータ側に
   向かって突出する凸部を有するシール部材を一体成形し
   たことを特徴とする多孔質導電体・シール構造体の製造
   方法。
5. 【請求項５】 一対の請求項４に記載した多孔質導電体
   ・シール構造体で固体高分子電解質膜を挟持して構成さ
   れる電解質膜構造体の製造方法であって、一方の多孔質
   導電体・シール構造体のシール部材の凸部とは反対側の
   多孔質導電体の面に、電極触媒ペーストを塗布してアノ
   ード電極を製造し、他方の多孔質導電体・シール構造体
   のシール部材の凸部とは反対側の多孔質導電体の面に、
   電極触媒ペーストを塗布してカソード電極を製造し、こ
   れらアノード電極とカソード電極とで固体高分子電解質
   膜を挟持した状態でホットプレスを行うことを特徴とす
   る電極膜構造体の製造方法。