JP2014165040A - 高分子電解質型燃料電池用の電極―膜―枠接合体の構造およびその製造方法、並びに高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高分子電解質膜の周縁部における供給ガスのクロスリークや外部リークによる発電低下現象を防止し、高分子電解質型燃料電池の性能を向上させる。
【解決手段】高分子電解質膜の先端部を、第３の枠体で射出成形にて接合一体化させることで封止し、更に、すでに別工程で形成された第１及び第２の枠体の接合境界面において、電解質膜の周縁部を折り曲げ、また、第１及び第３の枠体の接合境界面、または第２及び第３の枠体の接合境界面おいて、電解質膜の周縁部を折り曲げた、第１及び第２の枠体の境界面を第３の枠体にて一体化させ、ＭＥＡを固定している電極―膜―枠接合体の部品とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関し、特に燃料電池の電極―膜―枠接合体の構造およびその製造方法に関するものである。

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事により、電力と熱とを同時に発生させる装置である。その燃料電池の種類の中で代表的なものが、固体高分子電解質型燃料電池である。

図９〜図１５は、従来の固体高分子電解質型燃料電池の構造であり、高分子電解質膜１０１、アノード触媒層１０２、カソード触媒層１０３、アノード電極１０４、カソード電極１０５の部分模式図を示す。

高分子電解質膜１０１の片側の面にアノード触媒層１０２、その反対の面にカソード触媒層１０３が貼り合わされ、また、アノード触媒層１０２の面にアノード電極１０４、カソード触媒層１０３の面にカソード電極１０５が貼り合わされた、電極―高分子電解質膜接合体（ＭＥＡ；以下、電極―高分子電解質膜接合体を「ＭＥＡ」と称す）が形成されている。

そのＭＥＡをアノード電極１０４側およびカソード電極１０５側から図示していないセパレータにて挟み込み、その状態を交互に数段積層してスタックを形成している。高分子電解質膜は０．１ｍｍ以下の薄いフィルム状のものなので、ハンドリング性や組み立て性を考慮し、高分子電解質膜１０１の外周を保持できるような、額縁状の補強材としての枠体が必要になってくる。

また、高分子電解質膜１０１とアノード電極の間を流れる燃料ガスがカソード側へ、また高分子電解質膜１０１とカソード電極の間を流れる酸化剤ガスがアノード側へ流れてしまうクロスリークを防止する必要がある。クロスリークが発生すると、燃料ガスと酸化剤ガスが混ざり合い、発電効率が低下してしまう。また、燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部に漏れてしまう外部リークが発生すると、同様に発電効率が低下してしまう。クロスリークおよび外部リークの発生度合いが、燃料電池の性能を大きく左右する。

図９に特許文献１に開示されている、ＭＥＡの部分模式図を示す。

図９に示すように、高分子電解質膜１０１にアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３が貼り合わされ、また、その触媒層にアノード電極１０４とカソード電極１０５が貼り合わされて、ＭＥＡが形成されている。

その電極―高分子電解質膜接合体は、ガス流路が形成された第１の流体流路板１０６と第２の流体流路板１０７にて保持されている。流体流路板１０６，１０７にはそれぞれ、突起形状１０８，１０９が設置されており、高分子電解質膜１０１の端面部は、その突起１０８、１０９にて上下より加圧されている。

高分子電解質膜１０１のアノード側表面を流れる燃料ガスは、その加圧部分により、高分子電解質膜のカソード側へ移動することができず、外部にも漏れることは無い。同様に、高分子電解質膜１０１のカソード側表面を流れる酸化剤ガスは、その加圧部分により、高分子電解質膜のアノード側へ移動することができず、外部にも漏れることは無い。クロスリークおよび外部リークを防止する構造となっている。

図１０〜図１２は特許文献２に開示されている、ＭＥＡの部分模式図およびその製造工程図を示す。

図１０に示すように、高分子電解質膜１０１にアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３が貼り合わされ、また、その触媒層にアノード電極１０４とカソード電極１０５が貼り合わされて、ＭＥＡが形成されている。

次に図１１に示すように、高分子電解質膜１０１と、高分子電解質膜１０１のアノード側周縁部に設置されたアノード側シール部材１１０と、カソード側周縁部に設置されたカソード側シール部材１１１と、アノード電極１０４と、カソード電極１０５を、ポリエステル樹脂やアクリル樹脂などの絶縁材料で製作した絶縁糸１１２で縫い合わせる。

次に図１２に示すように、高分子電解質膜１０１の周縁部と、アノード側およびカソード側シール部１１０，１１１と、アノード電極１０４およびカソード電極１０５の周縁部とを、絶縁糸１１２を覆いかぶせるようにして、ガスケット１１３を形成する。このような製造工程を経ることで、ＭＥＡと枠体が一体となった、電極―膜―枠接合体を得ることが出来る。このとき、高分子電解質膜１０１は、アノード側シール部材１１０とカソード側シール部材１１１に挟まれて、絶縁糸１１２にて締め付けられ密着しているので、このような構造により、クロスリークおよび外部リークを防止することが出来る。

別の方法として、図１３〜図１５に特許文献３に開示されている、ＭＥＡの部分模式図およびその製造工程図を示す。

図１３に示すように、高分子電解質膜１０１にアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３が貼り合わされ、また、その触媒層にアノード電極１０４とカソード電極１０５が貼り合わされて、ＭＥＡが形成されている。

次に、図１４に示すように、このＭＥＡを、別工程で成形した第１の枠体１１４の上に乗せる。次に、第１の枠体１１４の上にＭＥＡを乗せた状態で、射出成形金型の中に設置し、図１５に示すように、第１の枠体１１４のくぼみ部に、高分子電解質膜１０１の上から樹脂を流し込んで、第２の枠体１１５を形成する。

第２の枠体１１５は、金型内において、溶融状態で高分子電解質膜１０１の上面より流し込まれるため、高分子電解質膜１０１の凹凸形状に合わせて第２の枠体１１５が成形され固化する。そして、高分子電解質膜１０１と第２の枠体１１５は接合した状態となり、同様に、第１の枠体１１４と第２の枠体１１５も接合した状態となる。高分子電解質膜１０１と第２の枠体１１５は隙間無く密着しているので、その間をガスが通り抜けることが出来ず、クロスリークおよび外部リークの発生を防止することが出来る。

また、第２の枠体１１５と高分子電解質膜１０１、第１の枠体１１４は接合しているので、第１の枠体１１４と第２の枠体１１５は、ＭＥＡをハンドリングするための補強材としての役割を果たすことが出来る。

特開平８−１７１９２５号公報 特開２００９−２８３３９０号公報 特開２０１２−１５０４１号公報

しかしながら、上述の従来のＭＥＡにおいて、特許文献１に開示されるような、第１の流体流路板１０６に設置されている突起１０８と第２の流体流路板１０７に設置されている突起１０９にて、高分子電解質膜１０１の端面部を加圧して、クロスリークを防止する方法の場合、以下のような問題が生じる。

１）高分子電解質膜１０１の厚みが非常に薄いため、それぞれの突起の位置がずれて、突起の距離が離れてしまった場合や、それぞれの突起の高さが低くなってしまった場合に、高分子電解質膜１０１を加圧する力が弱くなり、加圧すること自体が出来なくなる可能性があること。

２）それぞれの突起にて高分子電解質膜１０１を加圧しているが、突起の断面形状は半円状であり、高分子電解質膜１０１を一番強く潰している部分は、断面にて考えるとある一点のみであるため、高分子電解質膜１０１を潰してクロスリークを防止するには、不十分であること。

３）加圧状態が不十分で、高分子電解質膜１０１の表面を流れるガスが、高分子電解質膜１０１と突起１０８、１０９の間を通過し、高分子電解質膜の先端部に流れて行った場合、高分子電解質膜の先端部は外部に露出しているので、ガスもそのまま外部に漏れてしまう外部リークも発生すること。

また、特許文献２に開示されているような、高分子電解質膜１０１とシール部材１１０、１１１とアノード電極１０４、カソード電極１０５を、絶縁糸１１２を用いて縫い合わせる場合、縫い合わせる細い絶縁糸１１２や縫い合わせる工程が必要になり、コスト高となる。

絶縁糸１１２で縫い合わせるとき、高分子電解質膜１０１やアノード電極１０４、カソード電極１０５は非常に薄く、強度も弱いので、縫い合わせるときの締め上げる強さの調整が非常に難しい。締め上げる力が強いと、高分子電解質膜１０１やアノード電極１０４、カソード電極１０５の破れが発生し、また、絶縁糸１１２が切れる可能性もある。弱いと密着性が不十分で、クロスリークや外部リークの要因となる。

また、縫い合わせるときに高分子電解質膜１０１やアノード電極１０４、カソード電極１０５に穴を開けるため、高分子電解質膜１０１と絶縁糸１０８、アノード電極１０４、カソード電極１０５と絶縁糸１１２の間に隙間が発生する。ガスケット１１３でその穴を埋めるようにしているが、隙間が小さいと、その隙間にガスケットの樹脂材料が入り込んで行かず、隙間が開いた状態のままとなり、その穴からガスが通ってしまい、クロスリークや外部リークの原因となってしまう。

更に、特許文献３に開示されているような、ＭＥＡを、第１の枠体１１４と第２の枠体１１５とで保持している構造の場合、第２の枠体１１５を３００℃くらいの溶融状態で、高分子電解質膜１０１の上面より直接射出成形するため、その射出圧力や熱により、高分子電解質膜１０１が損傷したり劣化したりする。

また、枠体の強度を増すため、樹脂材料に補強材としてガラス繊維などを混入し、また耐久性を向上するため添加物を混入するような場合、樹脂が高分子電解質膜１０１の表面を流動するとき、その繊維や添加物により、膜を傷つける可能性がある。そのため、繊維や添加物が混入していない樹脂を選択する必要がある。

また、第２の枠体１１５の樹脂は、高分子電解質膜１０１の表面を流動するため、高分子電解質膜１０１にしわが発生しやすく、高分子電解質膜１０１がめくれたりする可能性もある。更に、第２の枠体１１５が流動するとき、射出圧力によりカソード電極１０５は第２の枠体１１５と接する側方から射出圧力を受ける。電極は薄く強度が弱いため、変形する可能性がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、第１及び第２の枠体にて、高分子電解質膜の周縁部を挟み込み、第３の枠体にて第１及び第２の枠体を一体化させることで、クロスリークや外部リークの発生要因を軽減することが可能な、高分子電解質型燃料電池用の電極―膜―枠接合体の構造およびその製造方法、並びに高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、高分子電解質膜の端面部を、第３の枠体で射出成形にて接合一体化させる事で封止し、更に、既に別工程で形成された第１及び第２の枠体の接合境界面において、電解質膜の周縁部を折り曲げ、また、第１及び第３の枠体の接合境界面、または第２及び第３の枠体の接合境界面おいて、電解質膜の周縁部を折り曲げ、第１及び第２の枠体の境界面を第３の枠体にて一体化させた電極―膜―枠接合体である。

以上のように、本発明によれば、高分子電解質型燃料電池の性能（発電効率の向上）を改善できる電極―膜―枠接合体およびその製造方法、並びに高分子電解質型燃料電池を提供することができる。

燃料電池におけるスタック構造図 本発明における単セルの断面模式図 本発明における単セルの平面図 本発明の実施の形態１における電極―膜―枠接合体を形成する加工工程図 本発明の実施の形態１における、さらなる効果的構造の電極―膜―枠接合体の断面模式図 本発明の実施の形態２における電極―膜―枠接合体を形成する加工工程図 本発明の実施の形態２における、さらなる効果的構造の電極―膜―枠接合体の断面模式図 本発明の実施の形態３における、電極―膜―枠接合体の断面模式図 従来の高分子電解質膜を保持する流体流路板に、突起形状が設置されたＭＥＡの部分断面図 従来の高分子電解質膜の両面に触媒層が接合され、その上面に電極が構成されているＭＥＡの部分断面図 従来の電極周縁部と電解質膜周縁部を絶縁糸で縫い合わせた状態の部分断面図 従来の電極周縁部と高分子電解質膜周縁部と絶縁糸をガスケットで覆いかぶせた状態の部分断面図 従来の、高分子電解質膜の両面に触媒層が接合され、その上面に電極が構成されているＭＥＡの部分断面図 従来の高分子電解質膜の周縁部を第１の枠体の上に設置した状態の部分断面図 従来の第１の枠体の上に設置されている高分子電解質膜の周縁部を挟むように、第２の枠体を設置した状態の部分断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
燃料電池は、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的に反応させることで、電力、熱、および水を同時に発生させるものである。

燃料電池は、アノードおよびカソードの一対の電極を備える燃料電池セル（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にて構成されている。

図１にスタックを示す。燃料電池が備えるスタックは、基本単位構成である単セル（単電池モジュール）２０５を複数個積層し、集電板２０３、絶縁板２０２、端板２０１で両側から所定の荷重で締結され構成されている。

それぞれの集電板２０３には電流取り出し端子部２０３ａが設けられており、発電時にここから電流が取り出される。それぞれの絶縁板２０２は、集電板２０３と端板２０１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２０１は複数枚積層された単セル２０５と集電板２０３、絶縁板２０２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。

図１に示すように、単セル２０５はＭＥＡ２０７を、ガスをシールするためのガスケットを配置した一対のセパレータ２０６、２０８で挟むようにして構成されている。

ＭＥＡ２０７は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜のアノード面側に触媒層（アノード触媒層）を形成し、カソード面側にも、触媒層（カソード触媒層）を形成し、これらの触媒層の外面に、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通気性と、電子伝導性を併せ持つガス拡散層を配置して構成されたものである。

セパレータ２０６、２０８は、ガス不透過性の導電性材料であればよく、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２０６、２０８におけるＭＥＡ２０７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ている。

このような単セルの断面模式図を図２に、その平面図を図３に示す。

単セルは、以下の構成からなる。

１）高分子電解質膜２１３の一方の面に設けられるアノード触媒層２１５。

２）アノード触媒層２１５の上に接合されるアノード電極２１１。

３）高分子電解質膜２１３の他方の面に設けられるカソード触媒層２１４。

４）カソード触媒層２１４の上に接合されるカソード電極２１０。

５）上記１）〜５の電極―膜―枠接合体（ＭＥＡ）にて形成される電極部２１２。

６）電極部２１２の周縁部に配置され、かつアノード電極２１１とカソード電極２１０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２１９を有する第１の枠体２１６、及び、第２の枠体２１７。

７）ＭＥＡ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（図示せず）。

この単セルを複数個積層して組み立てることで高分子電解質型燃料電池が形成される。

アノード電極２１１に燃料ガス、カソード電極２１０に酸化剤ガスを供給し、それぞれのガスが接触することにより、電気化学反応が発生し、電気と熱が得られる。枠体の表面には、セパレータと枠体との間をシールするガスケットが設けられており、それにより、燃料ガスと酸化剤ガスの外部への流出が防止されている。

第１の枠体２１６と第２の枠体２１７とは、複数個積層して使用され、積層体全体の厚みを薄くするため、枠体自体の厚みを１ｍｍ以下に薄くする必要がある。更に、燃料電池の稼働時は高温となるため高温強度、また、長期使用時の耐久性も必要になってくる。そのため、この第１の枠体２１６と第２の枠体２１７の基本材質としては、成形性、耐熱性、耐久性、コストの観点より、ＰＰ材、ＰＰＳ材、ＰＰＥ材などが選定されるが、このような必要特性を全て満足するのは非常に難しい。

そこで、これらの基本材料に他の樹脂材料を混ぜ合わせ、樹脂の流動性、成形性を向上させた特殊な材料や、また、ガラス繊維などの異種物質を配合した複合材を使用する必要性がある。

この電極―膜―枠接合体は、図２に示すように、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７にて、ＭＥＡにおける高分子電解質膜２１３を挟み込み、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７の境界線上に、第３の枠体２１８が形成されている構成となっている。

このとき、高分子電解質膜２１３の外周部は、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７の接合部で直角に折れ曲がっている。更にその外周部で、第３の枠体２１８にて再度直角に折れ曲がり、しかも高分子電解質膜２１３の先端部は、第３の枠体２１８にて封止されており、高分子電解質膜２１３が露出していない構造となっている。

高分子電解質膜２１３のアノード側表面とアノード電極２１１の境界面を伝わってきた燃料ガスは、高分子電解質膜２１３のアノード側表面と第１の枠体２１６の境界面に伝わり、最終的には高分子電解質膜２１３の先端部に流れようとする。

上記のような構成によれば、高分子電解質膜２１３の先端部は、射出成形により第３の枠体２１８に密着接合し封止されているので、この高分子電解質膜２１３の先端部に流れようとする燃料ガスは堰き止められる。そのため、高分子電解質膜２１３の反対面のカソード側表面に流れたり（クロスリーク）、外部に漏れたり（外部リーク）することができなくなる。また、高分子電解質膜２１３の端面部よりも内側の部分において、第１の枠体と第３の枠体２１８、または第２の枠体２１７と第３の枠体２１８にて、高分子電解質膜２１３が直角に折り曲げられているので、燃料ガスが通過する抵抗となり、高分子電解質膜２１３の先端部へ流れる量が減り、クロスリーク防止や外部リーク防止への効果を向上させている。

更に、その直角に折り曲げられている所よりも内側の部分において、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７の接合面で、高分子電解質膜２１３が直角に折れ曲がっているため、燃料ガスが通過する抵抗となり、高分子電解質膜２１３の先端部へ流れる量が更に減少し、さらなるリーク防止の効果を発揮している。

同様に、高分子電解質膜２１３のカソード側表面とカソード電極２１０の境界面を伝わってきた酸化剤ガスは、高分子電解質膜２１３のカソード側表面と第２の枠体２１７の境界面に伝わり、高分子電解質膜２１３の先端部に流れようとする。しかし、高分子電解質膜２１３の先端部は、射出成形により第３の枠体２１８に密着接合し封止されているので、この酸化剤ガスは堰き止められ、高分子電解質膜２１３の反対面のアノード側表面に流れたり（クロスリーク）、外部に漏れたり（外部リーク）することができなくなる。

同様に、高分子電解質膜２１３先端部よりも内側の部分において、第１の枠体と第３の枠体２１８、または第２の枠体２１７と第３の枠体２１８にて、高分子電解質膜２１３が直角に折り曲げられているので、酸化剤ガスが通過する抵抗となり、高分子電解質膜２１３の先端側へ流れる量が減り、クロスリーク防止や外部リーク防止への効果を向上させている。

更に、その直角に折り曲げられている所よりも内側の部分において、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７の接合面で、高分子電解質膜２１３が直角に折れ曲がっているため、酸化剤ガスが通過する抵抗となり、高分子電解質膜２１３の先端部へ流れる量が更に減少し、さらなるリーク防止の効果を発揮している。

また、別工程で既に形成された第１の枠体２１６と第２の枠体２１７にて高分子電解質膜を挟み込むので、高分子電解質膜２１３の上面より、高温で溶融した樹脂を直接射出成形する必要が無く、高分子電解質膜２１３の損傷や劣化を抑制できる。更に、高分子電解質膜２１３の上面を樹脂が流動するときに発生する、高分子電解質膜２１３のしわやめくれも発生することが無く、また、アノード電極２１１やカソード電極２１０に射出圧力が作用しないので、電極の変形や損傷も防止することが出来る。

このような構成を有する電極―膜―枠接合体を形成する方法について、図４−Ａ〜図４−Ｄに示す工程図を用いて説明する。

まず図４−Ａに示すような、高分子電解質膜２１３の片方の面にアノード触媒層２１５と、その上にアノード電極２１１が接合されかつ、高分子電解質膜２１３の他方の面にカソード触媒層２１４と、その上にカソード電極２１０が接合されたＭＥＡを製作する。

次に、図４−Ｂに示すように、あらかじめ射出成形にて製作した第１の枠体２１６の上に、ＭＥＡにおける高分子電解質膜２１３が、第１の枠体２１６の段差部の上に乗るように設置する。このとき高分子電解質膜２１３の長さＬ１は、第１の枠体２１６の段差部の基点ｍから、その反対側の図示していない同じ段差部の基点ｍ´までの長さをＡ、第１の枠体２１６の段差部の高さをＨとすると、Ｌ１＝Ａ＋２×Ｈ＋２×αの関係が成立する。

αの寸法値は、第１の枠体２１６および第２の枠体２１７の表面部分より突出する高分子電解質膜２１３の長さである。この突出している部分は図４−Ｄに記載されているように、後工程で射出成形される第３の枠体２１８にて封止される部分であるが、ガスリークを抑制させるため、ガスの流れに対しての抵抗となるように、第１の枠体２１６側、または第２の枠体２１７側に直角に折り曲げる必要がある。

射出成形の圧力にて折り曲げることとなるが、突出している部分の長さαが短いと、直角に折り曲げることが難しいため、αの値としては、１ｍｍ以上とし、かつ、第３の枠体２１８の幅Ｗよりも露出しない値とする必要がある。αは１ｍｍ以上とし、かつ、後工程で射出成形される図４−Ｄの記載されている第３の枠体２１８の幅Ｗよりも露出しない値とする。

次に図４−Ｃに示すように、ＭＥＡにおける高分子電解質膜２１３のアノード電極２１１とカソード電極２１０に接していない外周部を、第１の枠体２１６の段差部に設置し、あらかじめ射出成形にて製作した第２の枠体２１７にてその外周部を挟み込む。このとき、高分子電解質膜２１３の外周部は折れ曲がり、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７の境界面に挟まれるような状態となる。高分子電解質膜２１３の長さＬ１は、Ａ＋２×Ｈよりも長いため、高分子電解質膜２１３の先端外周部は、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７の表面よりも突出した状態となる。

次に図４−Ｄに示すように、ＭＥＡにおける高分子電解質膜２１３の外周部を、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７で挟み込んだ状態で、これらの部材を、射出成形の金型に挿入し、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７の境界線上に、第３の枠体２１８を射出成形する。この第３の枠体２１８を射出成形することにより、その射出圧力や樹脂の熱により、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７と第３の枠体２１８が結合した状態となる。

このとき、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７の表面よりも突出している高分子電解質膜２１３の外周部は、第３の枠体２１８の射出成形圧力により、第１の枠体２１６側、または第２の枠体２１７側に直角に折り曲げられる。このとき、前述したように、高分子電解質膜２１３は、第３の枠体２１８の幅Ｗの範囲にて覆い隠されるように長さＬ１を設定しているので、完全に、第３の枠体２１８にて封止された、露出していない状態となる。

第３の枠体２１８にて封止される高分子電解質膜２１３の先端部分は、発電に寄与していないため、損傷を受けても燃料電池の性能に影響を与えることは無い。そのため、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７と第３の枠体２１８の接合強度を向上させるために、第３の枠体２１８にガラス繊維などの補強材を添加した樹脂材料の使用が可能であり、第３の枠体２１８の成形時における成形温度、成形圧力も上げることができる。

さらなるクロスリークや外部リークに効果的な方法を図５に示す。

高分子電解質膜２１３における外周部の直角に２段階に折り曲がっている部分の内側２２０を、第２の枠体２１７に設置された突起部で押さえつける方法である。

第２の枠体２１７の周縁部の厚みは、第２の枠体２１７のその他の部分の厚みよりも厚くなっている。第３の枠体２１８を射出成形するとき、射出圧力や熱により、第２の枠体２１７は第１の枠体２１６に強く押し付けられる。

このとき、第２の枠体２１７の周縁部の厚みにより、高分子電解質膜２１３の周縁部２２０は更に強く圧縮された状態となる。周縁部２２０を圧縮することにより、高分子電解質膜２１３の表面を流れる燃料ガスや酸化剤ガスが、高分子電解質膜２１３の先端部に流れる抵抗となり、クロスリークや外部リークに対しての更なる抑制効果を得ることが出来る。

第２の枠体２１７による高分子電解質膜２１３の圧縮量として、圧縮量が小さいとクロスリークや外部リークを防止することができず、また圧縮量が大きいと、高分子電解質膜２１３が設定値どおりにつぶれずに、第２の枠体２１７が浮いたり、高分子電解質膜２１３が破れたりしてしまう。そのため、高分子電解質膜２１３の圧縮量としては、高分子電解質膜２１３の厚みの５％〜３０％に設定する必要がある。

圧縮する幅としては、幅が狭いと第２の枠体２１７に設置された突起の欠けの原因となる。また、その第２の枠体２１７を射出成形にて製作する際、その突起の部分においては、金型側は溝加工する必要があるが、その溝幅が狭いと、加工が難しくなってしまう。

一方、その突起の幅が大きいと、高分子電解質膜２１３を圧縮するための荷重が大きくなってしまい、所定の締結荷重では十分に押さえきることができず、高分子電解質膜２１３に対して、第２の枠体２１７が浮いてしまう結果となる。そのため、圧縮する幅としては、１ｍｍ〜５ｍｍが適切である。

第２の枠体２１７に突起を設置して高分子電解質膜２１３の外周部を圧縮する方法を記載したが、第１の枠体２１６に同様の突起を設置して圧縮しても良い。

第１の枠体２１６や第２の枠体２１７の厚みは非常に薄いため、そりや凹凸が全く無い成形品を得ることは非常に難しく、うねりがある枠体にて高分子電解質膜２１３を挟み込んだ場合、必ず、第１の枠体２１６と高分子電解質膜２１３、第２の枠体２１７と高分子電解質膜２１３の間には隙間が発生してしまう。わずかな隙間であったとしても、その隙間をガスが通過し、クロスリークや外部リークが発生し、発電効率が低下してしまう。

本発明においては、高分子電解質膜の先端部を、射出成形により第３の枠体に密着接合し封止することで、アノード側の高分子電解質膜の表面を流れてくる燃料ガスが、高分子電解質膜の反対面のカソード側に流れたり（クロスリーク）、外部に漏れたり（外部リーク）するのを遮断する。

同様に、カソード側の高分子電解質膜の表面を流れてくる酸化剤ガスが、アノード側に流れたり、外部に漏れたりするのも遮断する。また、枠体同士の境界面において、高分子電解質膜の屈曲部を設置することにより、高分子電解質膜の端面部に流れてしまうガスを事前に減少させる事ができ、クロスリークおよび外部リークに更なる効果を発揮する。

更に、第２の枠体２１７の周縁部、または第１の枠体２１６の段差部の厚みを厚くし、高分子電解質膜２１３の周縁部を圧縮することにより、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７と高分子電解質膜２１３の外周部が密着し、ガスの流れが遮断されるので、クロスリークや外部リークのさらなる抑制効果を発揮できる。

このような方法にて、発電効率が良く、劣化が少なく耐久性の良い、第１の枠体と第２の枠体の境界面を第３の枠体にて封止した電極―膜―枠接合体を提供することができる。

（実施の形態２）
ＭＥＡを構成する高分子電解質膜２１３は、高価なものであるため、大きさが大きくなればなるほど、コストも高くなる。

上述の実施の形態１においては、高分子電解質膜２１３の外周部を直角に２段階に折り曲げていたが、クロスリークや外部リークの発生量がもともと少なく、コストを抑える必要がある場合には、次に示す、実施の形態２のような方法も可能である。

図６（Ａ）〜図６（Ｃ）に、実施の形態２における電極―膜―枠接合体を形成する方法の工程図を示す。

まず、図６（Ａ）に示すように、あらかじめ射出成形にて製作した第１の枠体２１６の上に、ＭＥＡにおける高分子電解質膜２１３が、第１の枠体２１６の段差部の上に乗るように設置する。

このとき高分子電解質膜２１３の長さＬ１は、第１の枠体２１６の段差部の基点ｍから、その反対側の図示していない同じ段差部の基点ｍ´までの長さをＡ、第１の枠体２１６の段差部の高さをＨとすると、Ａ＜Ｌ１≦Ａ＋２×Ｈの関係が成立する。但し、高分子電解質膜２１３の端面を、第１の枠体２１６または第２の枠体２１７の表面と同じ高さにするのは、各部品の寸法バラツキもあり難しいので、第１の枠体２１６または第２の枠体２１７の表面よりも、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍへこんだ状態にするのが適切である。つまりＡ＜Ｌ１≦Ａ＋２×Ｈ−２×（０．０５〜０．５）となる。

次に図６（Ｂ）に示すように、ＭＥＡにおける高分子電解質膜２１３のアノード電極２１１とカソード電極２１０に接していない外周部を、第１の枠体２１６の段差部に設置し、あらかじめ射出成形にて製作した第２の枠体２１７にてその外周部を挟み込む。このとき、高分子電解質膜２１３の長さＬ１は、第１の枠体２１６の段差部の長さＡよりも長いため、高分子電解質膜２１３の先端外周部は折れ曲がり、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７の境界面に挟まれるような状態となる。

次に図６（Ｃ）に示すように、第３の枠体２１８を、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７の境界線上に、射出成形により形成する。このとき、高分子電解質膜の先端部は、第１の枠体２１６または第２の枠体２１７の表面部よりも凹んでいるので、その隙間に、第３の枠体の樹脂が流れ込み、高分子電解質膜の端面部は第３の枠体にて封止される。

このような構成により、実施の形態１と同様に、高分子電解質膜２１３の先端部は、射出成形により第３の枠体２１８に密着接合し封止されているため、高分子電解質膜２１３の表面を伝わり、高分子電解質膜２１３の先端部に流れようとする燃料ガスや酸化剤ガスは、堰き止められ、高分子電解質膜２１３の反対の表面側に流れたり（クロスリーク）、外部に漏れたり（外部リーク）することができなくなる。

また、高分子電解質膜２１３端面部よりも内側の部分において、第１の枠体２１６と第２の枠体２１７の接合面で、高分子電解質膜２１３が直角に折り曲げられているので、燃料ガスや酸化剤ガスが通過する抵抗となり、高分子電解質膜２１３の先端部へ流れる量が減り、リーク防止への効果を向上させている。

さらなるクロスリークや外部リークに効果的な方法を図７に示す。実施の形態１と同様に、高分子電解質膜２１３の外周部の直角に折り曲がった部分の内側２２０を、第２の枠体２１７に設置された突起部と第１の枠体２１６で押さえつける方法である。この方法により、クロスリークや外部リークに対しての更なる抑制効果を得ることが出来る。

（実施の形態３）
図８に実施の形態３における電極―膜―枠接合体の部分断面模式図を示す。

高分子電解質膜２１３を直角に曲げる部分を無くし、第２の枠体２１７に設置された突起部と第１の枠体２１６で押さえつける方法である。高分子電解質膜２１３の大きさを小さくし、かつ、クロスリークや外部リークを抑制したいときに有効である。

高分子電解質膜２１３を直角に曲げる部分が存在しないため、実施の形態１や実施の形態２に対しては、リーク抑制効果は落ちるが、構成が簡単なため、製作工程が簡素化でき、コストダウンに有効である。

本発明における工法を用いれば、家庭用コジェネシステム燃料電池や自動車用燃料電池、携帯電話などの基地局用電源の燃料電池などに適用可能である。

１０５，２１０ カソード電極
１０４，２１１ アノード電極
２１２ 電極部
１０１，２１３ 高分子電解質膜
１０３，２１４ カソード触媒層
１０２，２１５ アノード触媒層
１１４，２１６ 第１の枠体
１１５，２１７ 第２の枠体
２１８ 第３の枠体
２１９ ガス供給部

Claims (6)

1. 高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が接合され、上記高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が接合される電極部と、
   上記アノード電極および上記カソード電極を保持する枠体と、で構成される電極―膜―枠接合体であって、
   上記高分子電解質膜は第１の枠体と第２の枠体で挟み込まれており、
   上記第１の枠体と上記第２の枠体の境界面に第３の枠体が形成されてなり、かつ、
   上記高分子電解質膜の端部が上記第３の枠体にて覆われていること、
   を特徴とする電極―膜―枠接合体。
2. 上記第１の枠体と上記第２の枠体における嵌め合わせ部において、上記高分子電解質膜の周縁部を折り曲げて構成する、請求項１記載の電極―膜―枠接合体。
3. 上記高分子電解質膜の周縁部を、上記第１の枠体又は上記第２の枠体部と、上記第３の枠体にて折り曲げた、請求項２記載の電極―膜―枠接合体。
4. 上記高分子電解質膜を、上記第１の枠体と上記第２の枠体にて挟み込むとき、
   上記第１の枠体に設置した突起と上記第２の枠体、又は、上記第２の枠体に設置した突起と上記第１の枠体にて、上記高分子電解質膜の周縁部を圧縮した状態で、上記第１の枠体と上記第２の枠体の境界面に上記第３の枠体を形成した、請求項１〜３の何れか一項に記載の電極―膜―枠接合体。
5. 高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が接合され、上記高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が接合される電極部と、
   上記アノード電極および上記カソード電極を保持する枠体と、で構成される電極―膜―枠接合体と、
   上記電極―膜―枠接合体を上記アノード電極側および上記カソード電極側から挟む一対のセパレータと、を有する複数の単電池モジュールを積層して組み立てられる高分子電解質型燃料電池であって、
   上記高分子電解質膜は第１の枠体と第２の枠体で挟み込まれており、
   上記第１の枠体と上記第２の枠体の境界面に第３の枠体が形成されてなり、かつ、
   上記高分子電解質膜の端部が上記第３の枠体にて覆われていること、
   を特徴とする高分子電解質型燃料電池。
6. 高分子電解質膜の一方の面にアノード電極を接合し、
   上記高分子電解質膜の他方の面にカソード電極を接合することにより電極部を形成し、
   上記アノード電極および上記カソード電極を保持する枠体を形成する電極―膜―枠接合体の製造方法であって、
   上記高分子電解質膜を第１の枠体と第２の枠体で挟み込み、
   上記第１の枠体と上記第２の枠体の境界面に第３の枠体を形成する際に、
   上記高分子電解質膜の端部を上記第３の枠体にて覆うこと、
   を特徴とする電極―膜―枠接合体の製造方法。

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