JP3897808B2 - Ｍｅａ、ｍｅａの製造方法及び高分子電解質形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＡ(Membrane-Electrode-Assembly，膜電極接合体)、ＭＥＡの製造方法及び高分子電解質形燃料電池に関する。特に、本発明は、ＭＥＡ本体部の周縁部にガスケットが接合されてなるＭＥＡ、そのＭＥＡの製造方法及びそのＭＥＡを用いた高分子電解質形燃料電池に関する。

高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）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ＭＥＡ本体部において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。

ＰＥＦＣは、一般的にはセルを積層させて構成されている。セルは、ＭＥＡの両面周縁部のガスケットを一対の導電性のセパレータ板、具体的にはアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板で挟んで構成されている。ＭＥＡは、ＭＥＡ本体部と、ＭＥＡ本体部の周縁部に延在する高分子電解質膜に接合してＭＥＡ本体部を包囲して配設されたガスカット、あるいは枠体及びガスケットを有して構成されている。ＭＥＡ本体部は高分子電解質膜とその両面に形成された一対の電極層とによって構成されている。そして、電極層の両面がそれぞれ、燃料ガスと酸化剤ガスとに曝露されて、電気化学反応が発生するとともに、燃料ガス及び酸化剤ガスの外部への漏出がガスケット、あるいは枠体及びガスケットによって遮断あるいは抑制されている。

ここで、ＰＥＦＣにおける重要な問題の１つに燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率の低下の問題がある。具体的には、ＭＥＡは、加工工程上の制約等の理由から、ガスケットの内縁と電極層の外縁とを完全に密着させて製作することが困難である。つまり、ガスケットの内縁と電極層の外縁との間には間隙（以下、ＭＥＡ本体部周縁間隙という。）が生じる。そして、ＰＥＦＣ運転時にはＭＥＡ本体部周縁間隙に燃料ガス及び酸化剤ガスが漏出し、さらに、漏出した燃料ガス及び酸化剤ガスがＭＥＡ本体部にほとんど曝露されないまま外部へ排出されることによって、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率の低下、高分子電解質形燃料電池の効率の低下を招来している。例えば、特許文献１においては、電極層の外縁を覆ってシールをする所定のゴム材からなり、高分子電解質膜に一体化されて構成されるガスケットが提案されている。
特開２００１−１５５７４５号公報

しかしながら、特許文献１のガスケットでは、電極層の周縁部に過不足なく均一に密着するシール材の配設に手間を要し、少なくとも大量生産には適さない。また、出願人は、先の出願（特願２００３−２９８６２８及び特願２００４−２９６７０２。共に未公開）において、ＭＥＡ本体部周縁間隙の一部が閉塞、あるいは部分的に閉鎖されるＭＥＡを提案した。これらの提案のうち、電極層周囲に複数のガスケットを配設する提案（特願２００３−２９８６２８及び特願２００４−２９６７０２）では、ＭＥＡの製造工程を増やす必要があった。また、電極層周縁部の形状を複雑な形状にする提案（特願２００３−２９８６２８）では、ＭＥＡの製造工程に高い精度を要した。さらには、高分子電解質膜の周縁部にガスケットを配設した後に電極層を製作する提案（特願２００３−２９８６２８）では、広い高分子電解質膜に複数の電極層を形成することができず、高分子電解質膜を所要の大きさに裁断して枠体及びガスケットを配設した後に、逐一高分子電解質膜に電極層を形成せざるを得なかった。すなわち、これらのＭＥＡの製造方法には、改善の余地があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高分子電解質形燃料電池組立状態においてＭＥＡ本体部周縁間隙における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを遮断あるいは抑制することができ、かつ構造及びその製造方法が簡素であって大量生産に適している、ＭＥＡ、そのＭＥＡの製造方法及びそのＭＥＡを用いた高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。

本件発明者らは、ＭＥＡ本体部周縁間隙の一部が閉塞あるいは狭隘化するＭＥＡの大量生産に適する構造及びその製造方法を鋭意研究した。まず、ＭＥＡの製造手順について検討したところ、高分子電解質膜にガスケット、あるいは枠体及びガスケットを配設した後に高分子電解質膜に電極層を形成する工程では、各ＭＥＡごとに電極層を形成する工程が必要となってくる。これに対し、電極層を形成した高分子電解質膜に枠体を配設する工程とすると、高分子電解質膜に複数の電極層を形成した後に高分子電解質膜を切り分けることによって、ＭＥＡ本体部を大量生産できる。つまり、電極層が形成された高分子電解質膜、つまりＭＥＡ本体部に枠体を配設する製造手順が好ましいことを見出した。

次に、ＭＥＡ本体部の周縁部にガスケット、あるいは枠体及びガスケットを配設する構造について検討した。構造を簡素化するには、枠体を省略してガスケットのみを配設する構造の方が好ましい。しかし、出願人が既に検討したように（特願２００４−２９６７０２参照）、ガスケットのみを配設する構造ではガスケットが弾性体であるために、燃料ガス及び酸化剤ガスのクロスリークのおそれがある。そこで、枠体及びガスケットの配設構造及び製造方法について方策を検討したところ、枠体を熱可塑性樹脂で構成し、ガスケットを熱可塑性樹脂及び熱可塑性エラストマーからなる群より選択される少なくとも１種からなる素材で構成することによって、成形機において連続的に成型することができることを見出した。加えて、ガスケットの配設構造を工夫することによって、ＭＥＡ本体部周縁間隙の一部を閉塞あるいは狭隘化することが可能であることも見出し、これらの検討結果によって、本件発明に想到した。

すなわち、第１の本発明のＭＥＡは、 電極層に当接する表面に形成されている流路溝が前記電極層の縁部において複数の屈曲部を有して形成されているセパレータ板を有する、高分子電解質形燃料電池に用いられるＭＥＡであって、高分子電解質膜及び該高分子電解質膜の周縁部より内側の部分の両面に形成された一対の前記電極層を有するＭＥＡ本体部と、前記高分子電解質膜の周縁部を前記一対の電極層に対し間隔を有して挟み、かつ該高分子電解質膜の外縁を囲むように形成された、板状の熱可塑性樹脂からなる枠体と、前記枠体の両面上に該枠体を挟むようにして形成されており、熱可塑性樹脂及び熱可塑性エラストマーからなる群より選択される少なくとも１種からなる一対のガスケットと、を備えており、前記ガスケットは、前記枠体の内縁に沿って環状に形成された環状部と、隣接する前記屈曲部同士の間部が当接する位置の近傍の前記環状部から延びて前記枠体の内縁部及び前記高分子電解質膜の前記周縁部の上を通って前記電極層の側面に接するように形成された延伸部とを有している。このように構成すると、ＭＥＡは、屈曲部からＭＥＡ本体部周縁間隙に漏出した燃料ガス及び酸化剤ガスのＭＥＡ本体部周縁間隙での流通を遮断あるいは抑制することができるので、高分子電解質形燃料電池組立状態においてＭＥＡ本体部周縁間隙における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを遮断あるいは抑制することができる。ひいては燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率を高めることができ、かつ構造が簡素であって大量生産に適している。ここで、本発明において「枠体の内縁に沿って環状に形成された環状部」とは、平面視において、枠体の内縁（開口）に沿って環状に形成された環状部をいう。ただし、ＭＥＡに供給される流体が流通する流路が構成される部分において、枠体の内縁（開口）に沿っていなくともよい（例えば、後述する図３を参照）。平面視とは、板状の枠体の厚さ方向から見た場合を言う。

また、本発明において、「ＭＥＡ本体部」とは、アノード（ガス拡散電極）と、カソード（ガス拡散電極）と、前記アノード（ガス拡散電極）と前記カソード（ガス拡散電極）との間に配置される高分子電解質膜と、を少なくとも備える構成を有する積層体をいう。

また、第１１の本発明のＭＥＡの製造方法は、第１金型と第２金型との間隙に熱可塑性樹脂を流し込んで、枠内縁にＭＥＡ本体部の周縁部が配置される平坦部が形成されている枠状の第１成形部材を成形する工程と、前記第１金型に嵌合している前記成形部材の枠内に予め製作されたＭＥＡ本体部を平面状に配置し、かつ前記平坦部に該ＭＥＡ本体部の周縁部を配置する工程と、前記ＭＥＡ本体部が配置された成形部材が嵌合している第１金型に第３金型を接合して、第１金型と第３金型との間隙に前記熱可塑性樹脂を流し込んで、ＭＥＡ本体部が接合された状態の枠体を成形する工程と、前記ＭＥＡ本体部が接合された枠体を間に挟みながら第４金型及び第５金型を接合して、第４金型と第５金型との間隙に熱可塑性樹脂あるいは熱可塑性エラストマーを流し込んで、枠体表面にガスケットを成形する工程と、を有し、前記ガスケットは、前記枠体の内縁に沿って環状に形成された環状部と、隣接する屈曲部同士の間部が当接する位置の近傍の前記環状部から延びて前記枠体の内縁部及び高分子電解質膜の周縁部の上を通って電極層の側面に接するように形成された延伸部とを有している。このように構成すると、ＭＥＡの製造方法が簡素であって大量生産に適している。また、製造されたＭＥＡは、高分子電解質形燃料電池組立状態においてＭＥＡ本体部周縁間隙における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを遮断あるいは抑制することができ、ひいては燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率を高めることができる。

さらに、第１２の本発明の高分子電解質形燃料電池は、請求項１に記載のＭＥＡと該ＭＥＡを挟むように配設されたアノードセパレータ及びカソードセパレータとを有するセルが１以上積層されてなる。このように構成すると、高分子電解質形燃料電池は、ＭＥＡ本体部周縁間隙における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを遮断あるいは抑制することができ、ひいては燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率を高めることができる。

第２の発明のＭＥＡは、前記電極層に当接する表面と前記電極層の周囲に対向する表面との間にかけて連絡用流路溝が形成されているセパレータ板を有する、高分子電解質形燃料電池に用いられ、前記連絡用流路溝が当接する位置の両脇に前記延伸部が形成されているとよい。このように構成すると、連絡用流路溝からＭＥＡ本体部周縁間隙への燃料ガスの漏出を遮断あるいは抑制することができるので、上記発明の効果をより確実に得ることができる。

第３の発明のＭＥＡは、前記屈曲部が複数形成されているセパレータ板を有する高分子電解質形燃料電池に用いられ、前記屈曲部の間に相当する位置が当接する位置の一部にのみ前記延伸部が形成されているとよい。このように構成すると、ＭＥＡの構造をさらに簡素化することができる。

第４の発明のＭＥＡは、前記枠体の組成と前記ガスケットの組成とには、共通の可塑成分が含まれているとよい。このよう構成すると、枠体とガスケットとが熱溶着されて、強固な接合を得ることができる。

第５の発明のＭＥＡは、前記ガスケットの前記延伸部の先端部が、前記電極層の側面の略全域を覆うように形成されているとよい。このように構成すると、電極層の側面からのガスの流出が延伸部によってほぼ全て妨げられるので、高分子電解質形燃料電池組立状態におけるＭＥＡ本体部周縁間隙における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを、より確実に遮断あるいは抑制することができる。

第６の発明のＭＥＡは、前記高分子電解質膜の２つの主面のうちの少なくとも一方の主面の前記周縁部上には、当該周縁部を保護する額縁状の保護膜が更に配置されており、
前記電極層は、ガス拡散層と、当該ガス拡散層と前記高分子電解質膜との間に配置される触媒層とを有する積層構造を有しており、
前記保護膜の内縁部が前記触媒層と前記ガス拡散層との間に填り込んでいるとよい。このように構成すると、ＭＥＡ製造時における高分子電解質膜の周縁部の損傷を防止することができる。

第７の発明のＭＥＡは、前記高分子電解質膜の２つの主面のうちの少なくとも一方の主面の前記周縁部上には、当該周縁部を保護する額縁状の保護膜が更に配置されており、
前記保護膜と前記電極層とが互いに重なり合わないように前記高分子電解質膜の前記主面上に並置されているとよい。このように構成すると、ＭＥＡ製造時における高分子電解質膜の周縁部の損傷を防止することができる。

第８の発明のＭＥＡは、前記高分子電解質膜の２つの主面のうちの少なくとも一方の主面の前記周縁部上には、当該周縁部を保護する額縁状の保護膜が更に配置されており、
前記電極層は、ガス拡散層と、当該ガス拡散層及び前記高分子電解質膜の間に配置される触媒層とを有する積層構造を有しており、
前記保護膜の内縁部が前記高分子電解質膜と前記触媒層との間に填り込んでいるとよい。このように構成すると、ＭＥＡ製造時における高分子電解質膜の周縁部の損傷を防止することができる。

第９の発明のＭＥＡは、前記ガスケットの環状部の頂面にはその延在方向に沿って延びるようにリブが形成されており、該リブの少なくとも一部は、前記高分子電解質膜の周縁部よりも内周側に形成されているとよい。このように構成すると、高分子電解質形燃料電池組立状態において、ＭＥＡの環状部の表裏面のリブの押圧力によって、高分子電解質膜の周縁部と枠体との密着性及び接合力を強化することができる。

第１０の発明のＭＥＡは、前記ガスケットの延伸部の先端が前記電極層の面上にまで薄く延伸しているとよい。このように構成すると、延伸部と電極層の側面との密着性をより向上させることができるので、高分子電解質形燃料電池組立状態におけるＭＥＡ本体部周縁間隙における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを、より確実に遮断あるいは抑制することができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

以上のように、本発明のＭＥＡ、そのＭＥＡの製造方法及びそのＭＥＡを用いた高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質形燃料電池組立状態においてＭＥＡ本体部周縁間隙における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを遮断あるいは抑制することができ、ひいては燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率を高めることができ、かつ構造及びその製造方法が簡素であって大量生産に適している、という効果を奏する。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の好適な一実施形態の高分子電解質形燃料電池の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。

図１に示すように、ＰＥＦＣ１００は、セル１０を積層させて構成されている。なお、図示しないが、セル１０の両端の最外層には集電板、絶縁板、エンドプレートが取り付けられ、セル１０は両端から、ボルト孔４を挿通される締結ボルトとナットとで締結されて構成されている。本実施形態では、セル１０は６０個積層されて、ボルト孔４に挿通されるボルトとナットとが締結力10kNで締結されている。

セル１０は、ＭＥＡ１の両面周縁部の枠体６、より正確にはガスケット７を一対の導電性のセパレータ板、具体的にはアノードセパレータ板２及びカソードセパレータ板３で挟んで構成されている。これによって、ＭＥＡ本体部５の電極層のうちの最も外側に配置されているガス拡散層５Ｃがセパレータ板２，３と当接し、アノードセパレータ板２の燃料ガス流路溝２１のガス拡散層当接部２１Ａ及びカソードセパレータ板３の酸化剤ガス流路３１のガス拡散層当接部３１Ａが、ガス拡散層５Ｃによって覆われる。つまり、ガス拡散層当接部２１Ａを流通する燃料ガスにアノードでパレータ板２側のガス拡散層５Ｃが曝露され、ガス拡散層当接部３１Ａを流通する酸化剤ガスにカソードセパレータ板３側のガス拡散層５Ｃが曝露され、ＰＥＦＣ１００の電気化学反応を生じさせることができる。また、積層されたセル１０においては、隣接したＭＥＡ本体部５が互いに電気的に直列に、場合によっては並列に、接続される。

セパレータ板２，３及びＭＥＡ１の周縁部、つまり枠体６に、燃料ガス及び酸化剤ガスが流通するそれぞれ一対の貫通孔、すなわち、燃料ガスマニフォルド孔１２、２２、３２、及び酸化剤ガスマニフォルド孔１３、２３、３３が穿たれている。セル１０が積層された状態では、これら貫通孔が積層されて結合し、燃料ガスマニフォルド及び酸化剤ガスマニフォルドを形成する。そして、アノードセパレータ板２の内側の主面には、一対の燃料ガスマニフォルド孔２２、２２間を結ぶようにして燃料ガス流路溝２１が形成されている。カソードセパレータ板３の内側の主面には、一対の酸化剤ガスマニフォルド孔３３、３３間を結ぶようにして酸化剤ガス流路溝３１が形成されている。つまり、酸化剤ガス及び燃料ガスが、それぞれ一方のマニフォルド、すなわち供給側のマニフォルドから、流路溝２１、３１に分岐して、それぞれの他方のマニフォルド、すなわち排出側のマニフォルドに流通するように構成される。

そして、燃料ガス流路溝２１は、セル１０組立状態においてガス拡散層５Ｃと当接する表面に形成されているガス拡散層当接部２１Ａ及びガス拡散層５Ｃに当接する表面とガス拡散層５Ｃの周囲に対向する表面との間にかけて形成されている一対の連絡部（連絡用流路溝）２１Ｂを有して構成される。同様にして、流路溝３１は、セル１０組立状態においてガス拡散層５Ｃと当接する表面に形成されているガス拡散層当接部３１Ａ、及びガス拡散層５Ｃに当接する表面とガス拡散層５Ｃの周囲に対向する表面との間にかけて形成されている一対の連絡部（連絡用流路溝）３１Ｂを有して構成される。ここでは、連絡部２１Ｂ，３１Ｂは、一対のマニフォルド孔２２，３３とガス拡散層当接部２１Ａ，３１Ａとを結ぶように形成されている。これによって、酸化剤ガスと燃料ガスとは、それぞれ供給側の燃料ガスマニフォルド孔２２及び酸化剤ガスマニフォルド孔３３から連絡部２１Ｂ、３１Ｂに分岐して流入し、それぞれガス拡散層当接部２１Ａ、３１Ａにおいてガス拡散層５Ｃが燃料ガス及び酸化剤ガスに曝露され、電気化学反応を起こす。そして、それらの余剰のガスや反応生成成分は、排出側の燃料ガスマニフォルド孔２２及び酸化剤ガスマニフォルド孔３３に接続されている連絡部２１Ｂ、３１Ｂを経由して排出側の燃料ガスマニフォルド孔２２及び酸化剤ガスマニフォルド孔３３に排出される。

そして、ＭＥＡ１の枠体６の両面上に該枠体６を挟むようにしてガスケット７が配設されている。ガスケット７は、酸化剤ガスと燃料ガスとが、所定の流路溝２１，３１から漏出しないように配設されている。すなわち、ガスケット７は、マニフォルド孔１２，１３，１４の周囲及び枠の周囲を包囲するようにして配設されている。また、ここでは、アノードセパレータ板２側では、セル１０組立状態において燃料ガス流路溝２１の連絡部２１Ｂが当接する位置には、ガスケット７は配設されず、かつ燃料ガスマニフォルド孔１２とＭＥＡ本体部５とが一体的に包囲されるようにガスケット７が配設されている。同様にして、カソードセパレータ板３側では、セル１０組立状態において酸化剤ガス流路溝３１の連絡部３１Ｂが当接する位置には、ガスケット７は配設されず、かつ酸化剤ガスマニフォルド孔１３とＭＥＡ本体部５とが一体的に包囲されるようにガスケット７が配設されている。

これによって、ガスケット７は、燃料ガスマニフォルド孔１２とＭＥＡ本体部５との間を流通する燃料ガス、及び酸化剤ガスマニフォルド孔３３とＭＥＡ本体部５との間を流通する酸化剤ガスの流路抵抗とならず、かつガスケット７によって、燃料ガス及び酸化剤ガスの外部への漏出が遮断あるいは抑制される。なお、図１においては、説明の都合上、ガスケット７の延伸部７Ｂ（図３及び図４参照）、リブ７Ｃ（図２参照）が省略されている。また、セパレータ板２，３のガス拡散層当接部２１Ａ、３１Ａの流路溝２１，３１の蛇行構造についてもわかりやすいように拡大して示しているので、図３、図４、図９、図１０及び図１５の流路溝２１，３１の流路構造とは一致しない。

ここで、マニフォルドは、いわゆる外部マニフォルドによって構成されてもよい。つまり、ＭＥＡ１及びセパレータ板２，３には燃料ガスマニフォルド孔１２、２２、３２、及び酸化剤ガスマニフォルド孔１３、２３、３３は形成されずに、燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１の連絡部２１Ｂ、３１Ｂがそれぞれのセパレータ板２，３の端面まで延伸される。そして、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給する配管が、各々のセパレータ板２，３の端面に分岐して接合されて構成される。外部マニフォルドの場合、ガスケット７は燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１の連絡部２１Ｂ、３１Ｂそれぞれの周囲に沿って枠体６の端面まで延伸して配設される。

また、セパレータ板２，３及びＭＥＡ１の周縁部に、燃料ガスマニフォルド孔１２、２２、３２、及び酸化剤ガスマニフォルド孔１３、２３、３３と同様にして、水が流通する二対のマニフォルドを形成する水マニフォルド孔１４，２４，３４が穿たれている。これによって、セル１０が積層された状態では、これらマニフォルド孔はそれぞれ積層して、二対の水マニフォルドが形成される。

図２は、図１のII−II線断面におけるセル１０の積層断面を、一部を分解して示す断面図である。

ＭＥＡ本体部１は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜５Ａ、および高分子電解質膜５Ａの周縁部より内側の部分の両面に形成された一対の電極層、すなわちアノードとカソードの電極層から構成される。電極層は、ガス拡散層５Ｃと、ガス拡散層５Ｃと高分子電解質膜５Ａとの間に配置される触媒層５Ｂとを有する積層構造を有している。触媒層５Ｂは、通常、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜５Ａの表面に形成される。また、ガス拡散層５Ｃは、触媒層５Ｂの外面に形成される、通気性と電子伝導性を併せ持つ。

アノードセパレータ板２及びカソードセパレータ板３は、平板状であって、ＭＥＡ１と接触する側の面、すなわち内面は、ＭＥＡ１の形状、より具体的には枠体６とＭＥＡ本体部５との厚みの違いによる段差に応じるようにして、中央部が台形状に突出するように段差を有している。ここでは、アノードセパレータ板２及びカソードセパレータ板３には、東海カーボン株式会社製グラッシーカーボン（厚さ３ｍｍ）を用いている。セパレータ板２，３では各種マニフォルド孔２２，２３，２４，３２，３３，３４、ボルト孔４が該セパレータ板２，３を厚み方向に貫通している。また、セパレータ板２、３の内面には、燃料ガス流路溝２１、酸化剤ガス流路溝３１が形成され、セパレータ板２，３の背面には水流路溝５０が形成されている。各種マニフォルド孔２２，２３，２４，３２，３３，３４、ボルト孔４、燃料ガス流路溝２１、酸化剤ガス流路溝３１、水流路溝５０等は切削加工あるいは成形加工により形成される。

ここで、水流路溝５０は、二対の水マニフォルド孔２４，３４間を結ぶようにして形成される。つまり、水が、それぞれ一方のマニフォルド、すなわち供給側のマニフォルドから、水流路溝５０に分岐して、それぞれ他方のマニフォルド、すなわち排出側のマニフォルドに流通するように構成される。これによって、水の伝熱能力によりセル１０を電気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。なお、燃料ガス及び酸化剤ガスと同様にして、セパレータ板２，３及びＭＥＡ１の周縁部に水マニフォルド孔１４，２４，３４を形成せずに、冷却水給排路を外部マニフォルド構造にしてもよい。さらには、セパレータ板２，３の背面に水流路溝５０を形成せずに、隣接するセル１０の間に、冷却水が循環する冷却ユニットを挿入して、セル１０を積層するように構成してもよい。

ガスケット７は、弾性体で構成され、ＭＥＡ１及びセパレータ板２，３の押圧によって、セパレータ板２，３の形状に応じて変形し、ＭＥＡ本体部５の周囲、及びマニフォルド孔１４の周囲がシールされる。燃料ガスマニフォルド孔１２及び酸化剤マニフォルド孔１３においても、同様にして、ガスケット７によって、それぞれのマニフォルド孔の周囲がシールされる（図３参照）。図２に示すように、ガスケット７の頂面にはその延在方向に沿って延びるようにリブ７Ｃが形成されている。このリブ７Ｃは、セル１０組立状態において、リブ７Ｃに押圧力が集中するので、各マニフォルド孔１２〜１４及びＭＥＡ本体部５の周囲をより適切にシールすることができる。つまり、ガスケット７のシールをより確実にすることができる。

ここで、枠体６は熱可塑性樹脂から構成される。この熱可塑性樹脂は、ＰＥＦＣ１００の運転温度以下において、化学的に清浄かつ安定であって、適度の弾性率と比較的高い荷重たわみ温度を有する。例えば、セパレータ板２，３の燃料ガス流路２１及び酸化剤ガス流路３１の幅が１乃至２mm程度、かつ枠体６の厚みが概ね１mm以下であることを前提とした場合、枠体６の材料の圧縮弾性率は少なくとも2000MPa以上であることが望ましい。ここで、弾性率とは、JIS-K7181に定める圧縮弾性率測定法によって計測された圧縮弾性率を言う。また、ＰＥＦＣ１００の運転温度が一般的には９０℃以下なので、枠体６の撓み荷重温度は１２０℃以上であることが好ましい。また、枠体６は化学的安定性の観点から非晶性樹脂ではなく結晶性樹脂が好ましく、その中でも機械的強度が大きく、かつ耐熱性が高い材質が好ましい。

例えば、いわゆるスーパーエンジニアリングプラスチックグレードのものが好適である。例示をすれば、ポリフェニレンサルファイド（PPS）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、液晶ポリマー（LCP）、ポリエーテルニトリル（PEN）等は数千から数万MPaの圧縮弾性率と、150℃以上の撓み荷重温度を有しており、好適な材料である。また、汎用されている樹脂材料であっても、例えばグラスフィラーが充填されたポリプロピレン（GFPP）等は、非充填のポリプロピレン（圧縮弾性率1000〜1500MPa）の数倍の弾性率を有し、かつ150℃近い撓み荷重温度を有しており、好適な材料である。本実施の形態においては、熱可塑性樹脂である、ガラスフィラー添加ＰＰＳ（大日本インキ株式会社ＤＩＣ-ＰＰＳ ＦＺ１１４０-Ｂ2）が用いられている。

また、ガスケット７は熱可塑性樹脂及び熱可塑性エラストマーからなる群より選択される少なくとも１種から構成される。この熱可塑性樹脂及び熱可塑性エラストマーは、ＰＥＦＣ１００の運転温度以下において、化学的に安定で、特に加水分解を起こさない等耐熱水性を有する。例えば、ガスケット７の圧縮弾性率は200MPa以下であることが望ましい。好適な材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン−プロピレン−ジエン元共重合体（ＥＰＤＭ：Ethylene-Propylene-Diene Methylene linkage）ポリブチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリウレタン、シリコーン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、シンジオタクチック・ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、および熱可塑性ポリイミドからなる群より選ばれる少なくとも１種である。これによって、ＰＥＦＣ１００の締結荷重において良好なシール性を確保することができる。本実施形態においては、ＰＰ及びＥＰＤＭを有してなるポリオレフィン系熱可塑性エラストマーであるサントプレン8101-55（Advanced Elasotomer System社製）を用いている。

アノードセパレータ板２及びカソードセパレータ板３の背面には、各種マニフォルド孔の周囲に、耐熱性の材質からなるスクイーズドパッキン等の一般的なシール部材９が配設されている。これによって、隣接するセル１０の間において、各種マニフォルド孔２２，２３，２４，３２，３３，３４のセル１０間の連接部からの燃料ガス、酸化剤ガス及び水の漏出が防止される。

図３は、図１のＭＥＡのアノードセパレータ側の構造を示す平面図であり、図４は、図１のＭＥＡのカソードセパレータ側の構造を示す平面図である。図において、セル１０組立状態においてアノードセパレータ板２及びカソードセパレータ板３の燃料ガス流路２１及び酸化剤ガス流路３１が当接あるいは対向する位置を示す。

図３及び図４に示すように、本実施形態のＭＥＡ１は、ＭＥＡ本体部５の周縁部に枠体６が配され、枠体６の両主面にガスケット７が配設されている。ＭＥＡ１の枠体６の中央開口部の両面には高分子電解質膜５Ａ（図２参照）の周縁部５Ｄによって隔てられてガス拡散層５Ｃが露出している。

枠体６は、ＭＥＡ本体部５の高分子電解質膜５Ａの周縁部５Ｄを挟み（図２参照）、かつ該高分子電解質膜５Ａの外縁に接合している矩形板状の枠体である。枠体６には、該枠体６を厚み方向に貫通するように、一対の燃料ガスマニフォルド孔１２と、一対の酸化剤マニフォルド孔１３と、二対の水マニフォルド孔１４と、枠体６の角部近傍に４つのボルト孔４とが形成されている。本実施の形態においては、枠体６は、外形の寸法が２００ｍｍ×１８０ｍｍ、開口部２６の寸法が１２４ｍｍ角である、矩形平板状に構成されている。また、枠体６の厚みは、０．８ｍｍである。

ガスケット７は、枠体６のそれぞれの主面において、枠体６の内縁に沿って環状に形成された環状部７Ａと、環状部７Ａから延びて枠体６の内縁部及び高分子電解質膜の周縁部５Ｄの上を通って電極層（ガス拡散層５Ｃ）の側面に接するように形成された延伸部７Ｂと、を有して構成される。

環状部７Ａは、一対の燃料ガスマニフォルド孔１２と、一対の酸化剤ガスマニフォルド孔１３と、二対の水マニフォルド孔１４とを包囲し、かつＭＥＡ本体部５のガス拡散層５Ｃを包囲するようにして形成されている。ここでは、前述の通り、セル１０組立状態において燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１の連絡部２１Ｂ、３１Ｂが当接する領域には、ガスケット７は配設されず、かつ、図３に示すように、アノードセパレータ板２側では、燃料ガスマニフォルド孔１２とＭＥＡ本体部５とが一体的に包囲されるように環状部７Ａが形成され、図４に示すように、カソードセパレータ板３側では、酸化剤ガスマニフォルド孔１３とＭＥＡ本体部５とが一体的に包囲されるように環状部７Ａが形成されている。これによって、燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１の連絡部２１Ｂ、３１Ｂの流路抵抗を軽減させることができ、かつ、外部への燃料ガス及び酸化剤ガスの漏出が遮断あるいは抑制される。すなわち、環状部７Ａは枠体６の両面において、内縁に沿って環状に形成されている。また、ＭＥＡに供給される流体が流通する流路が構成される部分（連絡部２１Ｂ、３１Ｂが当接する領域）において、枠体６の内縁（開口）に沿っていなくともよい。

なお、セル１０組立状態において燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１の連絡部２１Ｂ、３１Ｂが当接する位置に、ガスケット７の環状部７Ａは配設されてもよい。この場合、環状部ガスケット７の環状部７Ａは燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１の連絡部２１Ｂ、３１Ｂの流路抵抗を生じさせるが、溝の深さが十分にあるので、燃料ガス及び酸化剤ガスの流通の支障とはならない。

ここで、図２に示すように、環状部７ＡとＭＥＡ本体部５のガス拡散層５Ｃとの間にＭＥＡ本体部周囲間隙４０が形成される。このＭＥＡ本体部周囲間隙４０は、後述するように、ガスケット７の延伸部７Ｂによって、遮断あるいは狭隘化される。

また、図２及び図３に示すように、ガスケット７の環状部７Ａのリブ７Ｃの少なくとも一部は、高分子電解質膜５Ａの周縁部５Ｄよりも内周側に形成されている。このような構造によって、セル１０組立状態において、ＭＥＡ１の環状部７Ａの表裏面のリブ７Ｃ間の押圧力によって、周縁部５Ｄと枠体6との密着性及び接合力を強化することができる。

さらに、枠体６の両表面のガスケット７の環状部７Ａが延在する部分には溝部６Ａが形成されていて、この溝部６Ａを埋めるようにして環状部７Ａが形成されている。この溝部６Ａによってガスケット７と枠体との接合性を向上させることができる。

図５は、ＭＥＡのガスケットの延伸部における断面斜視図である。図３乃至図５に示すように、延伸部７Ｂは、環状のＭＥＡ本体部周縁間隙４０の一部を遮断するようにして、環状部７ＡからＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｄ上を通って電極層（ガス拡散層５Ｃ）の側面に接するように延伸している。これによって、セル１０組立状態においては環状のＭＥＡ本体部周縁間隙４０は、ガスケット７の延伸部７Ｂによって、その環の少なくとも一部が遮断あるいは狭隘化される。

ここで、延伸部７Ｂは複数形成される。

まず、図３に示すように、アノードセパレータ板２側の面において、セル１０組立状態において連絡部２１Ｂが当接する位置の両脇に第１延伸部７Ｂ１が形成されている。これによって、セル１０組立状態においては連絡部２１ＢからＭＥＡ本体部周縁間隙４０への燃料ガスの漏出を遮断あるいは抑制することができる。また、図４に示すように、その背面、すなわちカソードセパレータ板３側の面において、第１延伸部７Ｂ１に対向する位置に第２延伸部７Ｂ２が形成されている。これによって、第１延伸部７Ｂ１が第２延伸部７Ｂ２に支持されて押圧されるので、連絡部２１ＢからＭＥＡ本体部周縁間隙４０への燃料ガスの漏出をさらに確実に遮断あるいは抑制することができる。

同様にして、図４に示すように、カソードセパレータ板３側の面において、セル１０組立状態において連絡部３１Ｂが当接する位置の両脇に第３延伸部７Ｂ３が形成されている。これによって、セル１０組立状態においては連絡部３１ＢからＭＥＡ本体部周縁間隙４０への酸化剤ガスの漏出を遮断あるいは抑制することができる。また、図３に示すように、その背面、すなわちアノードセパレータ板２側の面において、第３延伸部７Ｂ３に対向する位置に第４延伸部７Ｂ４が形成されている。これによって、第３延伸部７Ｂ３が第４延伸部７Ｂ４に支持されて押圧されるので、連絡部３１ＢからＭＥＡ本体部周縁間隙４０への酸化剤ガスの漏出をさらに確実に遮断あるいは抑制することができる。

次に、図３に示すように、燃料ガス流路溝２１のガス拡散層当接部２１Ａがガス拡散層５Ｃの縁部において複数の屈曲部２１Ｃを有している場合には、アノードセパレータ板２側のガスケット７に第５延伸部７Ｂ５が形成される。屈曲部２１Ｃは、アノードセパレータ２に形成されており、セル１０の組立状態において、ＭＥＡ１のガス拡散層５Ｃの縁部に当接する。一方で、ＭＥＡ１には、ガス拡散層５Ｃの縁部に沿って、環状部７Ａが形成されている。したがって、セル１０の組立状態において、隣接する屈曲部５Ｃ同士の間部の近傍には、環状部７Ａが当接することとなる。

ここで、第５延伸部７Ｂ５は、セル１０組立状態において、アノードセパレータ板２の隣接する屈曲部２１Ｃ同士の間部が当接する位置の近傍の環状部７Ａに形成されている。これによって、燃料ガスが燃料ガス流路溝２１に沿って流通せずに、屈曲部２１ＣからＭＥＡ本体部周縁間隙４０に漏出した燃料ガスのＭＥＡ本体部周縁間隙４０での流通を遮断あるいは抑制することができ、燃料ガスの利用効率の低下を抑制することができる。また、図４に示すように、その背面、すなわちカソードセパレータ板３側の面において、第５延伸部７Ｂ５に対向する位置に第６延伸部７Ｂ６が形成されている。これによって、第５延伸部７Ｂ５が第６延伸部７Ｂ６に支持されて押圧されるので、燃料ガスのＭＥＡ本体部周縁間隙４０での流通をさらに確実に遮断あるいは抑制することができ、燃料ガスの利用効率の低下を抑制することができる。

同様にして、図４に示すように、酸化剤ガス流路３１のガス拡散層当接部３１Ａがガス拡散層５Ｃの縁部において複数の屈曲部３１Ｃを有している場合には、カソードセパレータ板３側のガスケット７に第７延伸部７Ｂ７が形成される。屈曲部３１Ｃは、カソードセパレータ３に形成されており、セル１０の組立状態において、ＭＥＡ１のガス拡散層５Ｃの縁部に当接する。一方で、ＭＥＡ１には、ガス拡散層５Ｃの縁部に沿って、環状部７Ａが形成されている。したがって、セル１０の組立状態において、隣接する屈曲部５Ｃ同士の間部の近傍には、環状部７Ａが当接することとなる。

ここで、第７延伸部７Ｂ７は、セル１０組立状態において、カソードセパレータ板３の隣接する屈曲部３１Ｃの間部が当接する位置の近傍の環状部７Ａに形成されている。これによって、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路溝３１に沿って流通せずに、屈曲部３１ＣからＭＥＡ本体部周縁間隙４０に漏出した酸化剤ガスのＭＥＡ本体部周縁間隙４０での流通を遮断あるいは抑制することができ、酸化剤ガスの利用効率の低下を抑制することができる。また、図３に示すように、その背面、すなわちアノードセパレータ板２側の面において、第７延伸部７Ｂ７に対向する位置に第８延伸部７Ｂ８が形成されている。これによって、第７延伸部７Ｂ７が第８延伸部７Ｂ８に支持されて押圧されるので、酸化剤ガスのＭＥＡ本体部周縁間隙４０での流通をさらに確実に遮断あるいは抑制することができ、酸化剤ガスの利用効率の低下を抑制することができる。

次に、ＭＥＡ１の製造方法を説明する。

まず、ＭＥＡ本体部５は、高分子電解質膜５Ａの中央部両面それぞれに触媒層５Ｂ及びガス拡散層５Ｃを一般的な方法により形成して作製する。例えば、以下のようにして作製する。

まず、触媒層５Ｂを以下のようにして形成する。ケッチェンブラックＥＣ（KETJENBLACK INTERNATIONAL社製ファーネスブラック、比表面積８００ｍ²／ｇ、ＤＢＰ吸油量３６０ｍｌ／１００ｇ）に、白金を重量比１：１の割合で担持させる。次に、この触媒粉末１０ｇに、水３５ｇおよび水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液（旭硝子株式会社製、９％ＦＳＳ）５９ｇを混合し、超音波攪拌機を用いて分散させて、触媒層インクを作製する。そして、この触媒層インクを、高分子電解質膜５Ａの両主面に、20μｍの厚みにスプレー塗工し、その後１１５℃において２０分間の熱処理をして、触媒層５Ｂが形成される。なお、スプレー塗工に際しては、高分子電解質膜５Ａに１２０ｍｍ×１２０ｍｍの開口部をもつマスクを被せて行っている。ここで、高分子電解質膜５Ａには、外形寸法が１４０ｍｍ角、厚さ５０μｍのパーフルオロカーボンスルホン酸膜（DUPONT社製 Nafion117（登録商標））が用いられている。

そして、ガス拡散層５Ｃを形成する。ガス拡散層５Ｃは微細な孔部を多数有する多孔質体によって構成されている。これによって、燃料ガスあるいは酸化剤ガスが孔部に侵入することによって、それらガスが拡散して、触媒層５Ｂに到達しやすくなる。本実施の形態においては、123mm角の炭素繊維布（JAPAN GORE-TEX社製Carbel CL400、厚み400μｍ）を触媒層５Ｂが塗布されている高分子電解質膜５Ａの両主面に被せる。そして、この炭素繊維布を、圧力0.5MPa、135度、5分間の条件でホットプレスすることによって、高分子電解質膜５Ａ両主面の触媒層５Ｂ上に接合するようにしてガス拡散層５Ｃが形成される。

ここで、高分子電解質膜５Ａの２つの主面のうちの少なくとも一方の主面の周縁部５Ｄ上には、周縁部５Ｄを保護する額縁状の保護膜６０が更に配置されている。この保護膜６０によって、ＭＥＡ１製造時における高分子電解質膜５Ａの周縁部５Ｄの損傷を防止することができる。損傷要因としては、金型の接触、あるいはガスケット７の射出圧力による圧迫が例示される。

図１２乃至図１４は、ＭＥＡ周縁部における、保護膜の内縁部と電極層との干渉形態を例示する断面図である。

図１２では、保護膜６０の内縁部が触媒層５Ｂとガス拡散層５Ｃとの間に填り込んだ形態を示す。すなわち、保護膜６０の内縁部が触媒層５Ｂとガス拡散層５Ｃとの間に填り込んだ形態を示すこの形態のＭＥＡ１は、触媒層５Ｂの形成工程後に保護膜６０の配置工程を実施して製作することができる。そして、触媒層５Ｂの縁部と保護膜６０の縁部とは、ガス拡散層５Ｃ製作時において圧縮されている。

また、図１３では、保護膜６０と電極層（５Ｂ、５Ｃ）とが互いに重なり合わないように高分子電解質膜５Ａの前記主面上に並置されている形態を示す。この形態のＭＥＡ１では、触媒層５Ｂの形成工程と保護膜６０の配置工程の順序に制約はない。そして、触媒層５Ｂの外縁部と保護膜６０の内縁部とは、ガス拡散層５Ｃ製作時において、厚さ方向の圧縮によって、延伸し、縁部同士が接近あるいは接触する形態となっている。

図１４では、保護膜６０の内縁部が高分子電解質膜５Ａと触媒層５Ｂとの間に填り込んだ形態を示す。この形態のＭＥＡ１は、保護膜６０の配置工程後に触媒層５Ｂの形成工程後を実施して製作することができる。そして、触媒層５Ｂと保護膜６０の内縁部とは、ガス拡散層５Ｃ製作時において圧縮されている。

ここで、図１２及び図１４に示すように、触媒層５Ｂと保護膜６０の内縁部との積層部において、ガス拡散層５Ｃは多少盛り上がった形態となっていても、セル１０組立状態時においては、セパレータ板２，３によって、押圧されて、ガス拡散層５Ｃが撓むので、ＭＥＡ１の機能において支障はない。また、図１３に示すように、触媒層５Ｂと保護膜６０との厚さが同一でないことから、ガス拡散層５Ｃの外縁部において、多少凹凸が生じる形態となっていても、セル１０組立状態時においては、セパレータ板２，３によって、押圧されて、ガス拡散層５Ｃが撓むので、ＭＥＡ１の機能において支障はない。

ここで、保護膜６０は、化学的に不活性であって、非粘着性であることが好ましい。保護膜の厚みは、十分な保護効果を得る観点から、１０〜５０μｍであることが好ましく、１０〜３０μｍであることがより好ましい。従って、材質的には、この程度の厚みに延伸可能なものが好ましい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアミド、ポリカーボネート、シリコーン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、および熱可塑性ポリイミドからなる群より選ばれる。

なお、保護膜６０は、高分子電解質膜５Ａのいずれか片面に接合されていても、その面側からの周縁部５Ｄへの損傷を防止することができる。

次に、ＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｄに枠体６を形成する。

図６は、図３及び図４のVI−VI線断面においてＭＥＡの各製造工程を概略的に示す製造工程図である。

まず、第１工程において、枠体６の一部である成形部材６Ｃが成形される。図６（ａ）に示すように、第１金型Ｔ１と第２金型Ｔ２とが接合され、第１金型Ｔ１と第２金型Ｔ２との間隙に成形部材６Ｃ、すなわち枠体６の熱可塑性樹脂が射出等によって流し込まれ、成形部材６Ｃが成形される。成形部材６Ｃは、枠内縁にＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｄが配置される平坦部６Ｃ１が形成されている。

ここで、第１金型Ｔ１は、枠体部Ｔ１Ｃが成形部材６Ｃ、すなわち枠体６の下半面の形状に対応する形状を有するように構成されている。また、第１金型Ｔ１の枠内部分には、ＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｄを配置できるような、平坦部Ｔ１Ｂが構成されている。つまり、平坦部Ｔ１Ｂは、枠体部Ｔ１Ｃの枠内縁側から、成形部材６Ｃ、すなわち枠体６の枠面Ｓと略平行に延びる頂面を有する。さらに、第１金型Ｔ１の枠内の部分には、ＭＥＡ本体部５を平面状に収容して配置できるような窪み部Ｔ１Ａが形成されている。つまり、窪み部Ｔ１Ａは、平坦部Ｔ１Ｂの頂面が延伸して構成される第１金型Ｔ１の枠内部分において、ガス拡散層５Ｃの外縁よりも数ミリ程度延伸している広さで、底部は平坦部Ｔ１Ｂの頂面を基準にしてＭＥＡ本体部５の触媒層５Ｂ及びガス拡散層５Ｃの厚さ程度の深さの平面となっている。

第２金型Ｔ２は、枠体部Ｔ２Ｃが成形部材６Ｃ、すなわち枠体６の上半面を成形するように構成されている。ただし、第２金型Ｔ２の枠内縁部分には、ＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｄが配置できるように、平坦部Ｔ２Ｂが構成されている。つまり、平坦部Ｔ２Ｂは、第１金型Ｔ１の平坦部Ｔ１Ｂの頂面と当接して、枠外縁に向けて、ＭＥＡ１の周縁部５Ｄの広さ以上にまで延伸する頂面を有する。

枠体部Ｔ１Ｃ，Ｔ２Ｃには、ガスケット７の配設位置、つまりマニフォルド孔１２，１３，１４を包囲し、かつ枠体６の枠内を包囲するような位置に凸部Ｔ１Ｄ、Ｔ２Ｄが形成される。ここでは、凸部Ｔ１Ｄ、Ｔ２Ｄの断面は深さ約0.5mm、幅約0.5mmである。これによって、成形部材６Ｃ、すなわち枠体６に溝部６Ａが成形される。なお、枠体部Ｔ１Ｃ、Ｔ２Ｃが凸部Ｔ１Ｄ、Ｔ２Ｄを有しないように構成され、枠体６完成後に切削加工によって溝部６Ａが形成されるように加工してもよい。

また、枠体部Ｔ１Ｃ，Ｔ２Ｃは、マニフォルド孔１２，１３，１４を形成する形状を有している。これによって、マニフォルド孔１２，１３，１４は成形加工によって形成される。なお、枠体部Ｔ１Ｃ、Ｔ２Ｃがマニフォルド孔１２，１３，１４の形状を有しないように構成され、枠体６が切削加工あるいは打ち抜き加工によってマニフォルド孔１２，１３，１４が形成されるように加工してもよい。

次に、第２工程においては、第２金型Ｔ２が成形部材６Ｃから取り払われて、ＭＥＡ本体部５が第1金型Ｔ１に嵌合している成形部材６Ｃの枠内に平面状に配置され、かつ平坦部６Ｃ１にＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｄが配置される。詳しくは、図６（ｂ）に示すように、成形部材６Ｃの平坦部６Ｃ１にＭＥＡ本体部５の周囲に延在する保護膜５Ｄで覆われた高分子電解質膜５Ａが位置し、かつガス拡散層５Ｃが第１金型Ｔ１の窪み部Ｔ１Ａに位置するようにして配置される。これによって、ＭＥＡ本体部５は平面状態で配置される。

そして、第３工程においては、ＭＥＡ本体部５が接合された枠体６が製作される。詳しくは、図６（ｃ）に示すように、ＭＥＡ本体部５が配置された成形部材６Ｃが嵌合している第１金型Ｔ１に第３金型Ｔ３が接合される。ここで、第３金型Ｔ３は、第１金型同様にして、ガス拡散層５Ｃと干渉する部分には、ガス拡散層５Ｃと第３金型Ｔ３とが接しないように窪んでいる窪み部Ｔ３Ａが形成されている。つまり、窪み部Ｔ３Ａは窪み部Ｔ１Ａと同様の形状である。これによって、第３工程時において第３金型Ｔ３とガス拡散層５Ｃとが干渉しないので、ＭＥＡ本体部５の損傷を防止することができる。

そして、第１金型Ｔ１及び第３金型Ｔ３の間隙、すなわちＭＥＡ本体部固定部６Ｄの位置に枠体６の熱可塑性樹脂が射出等によって流し込まれ、成形部材６Ｃと一体化して枠体６が成形される。ここで、第３金型Ｔ３は、成形部材６Ｃの平坦部６Ｃ１の部分が枠体６の上半面の形状となるように構成されている。つまり、第３金型Ｔ３の枠体部Ｔ３Ｂと成形部材６Ｃとの間に形成される間隙にＭＥＡ本体部固定部６Ｄが構成される。

そして、第４工程において、ＭＥＡ本体部５が接合された枠体６にガスケット７が形成されて、ＭＥＡ１が製作される。図６（ｄ）に示すように、ＭＥＡ本体部５が接合された枠体６は第１金型Ｔ１及び第３金型Ｔ３から外され、第４金型Ｔ４及び第５金型Ｔ５に挟まれ、第４金型Ｔ４及び第５金型Ｔ５が接合される。第４金型Ｔ４及び第５金型Ｔ５と枠体６との間隙にガスケット７の熱可塑性樹脂あるいは熱可塑性エラストマーが射出等によって流し込まれ、枠体６の両表面にガスケット７が成形される。ここで、第４金型Ｔ４及び第５金型Ｔ５には、ガスケット７の環状部７Ａ及び延伸部７Ｂの成形、そして環状部７Ａにはリブ７Ｃが成形されるような形状が構成されている。

以上のように、本発明のＭＥＡ１の製造方法は、ＭＥＡ１は第２工程においてＭＥＡ本体部５を配置する以外は成形加工である。したがって、ＭＥＡ１は成形機内で製造され、第２工程では予め製作されたＭＥＡ本体部１を成形機内に搬入して配置するだけで製造することができるので、本発明のＭＥＡ１の製造方法は、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率が高いＭＥＡ１の大量生産に適している。

加えて、スライド金型または回転金型を用いることにより、一つの成形機内で第１工程乃至第３工程を連続して行うことが可能である。これによって、工程がさらに簡素化され、ＭＥＡ１の量産性をさらに向上させることができる。

次に、ＰＥＦＣ１００の運転時における作用を説明する。

ＰＥＦＣ１００に供給される燃料ガスは一方の燃料ガスマニフォルドを通流し、アノードセパレータ板２の燃料ガスマニフォルド孔２２から燃料ガス流路溝２１に分流してＭＥＡ本体部５に曝露されて他方の燃料ガスマニフォルド孔２２において他方の燃料ガスマニフォルドに排出され、燃料ガスマニフォルドを通流してＰＥＦＣ１００から排出される。酸化剤ガスについても一方の酸化剤ガスマニフォルドを通流して、同様にして、他方の酸化剤ガスマニフォルドから排出される。ここで、燃料ガス流路２１の連絡部２１Ｂにおいては、燃料ガスがＭＥＡ本体部周縁間隙４０へと漏出しうるが、連絡部２１Ｂ及の両脇のＭＥＡ本体部周縁間隙４０はガスケット７の第１延伸部７Ｂ１によって遮断あるいは狭隘化されているので、燃料ガスの漏出を遮断あるいは抑制することができる。つまり、ガス拡散層当接部２１Ａを迂回するようにしてＭＥＡ本体部周縁間隙４０を伝って一対の燃料ガスマニフォルド２２，２２間を流通する燃料ガスの流れを遮断あるいは抑制することができる。また、燃料ガス流路２１のガス拡散層当接部２１Ａの屈曲部２１Ｃにおいては、燃料ガスがＭＥＡ本体部周縁間隙４０へと漏出しうるが、第５延伸部７Ｂ５によって、隣接する屈曲部２１Ｃ間のＭＥＡ本体部周縁間隙４０は遮断あるいは狭隘化されているので、ＭＥＡ本体部周縁間隙４０に漏出した燃料ガスのＭＥＡ本体部周縁間隙４０での流通を遮断あるいは抑制することができ、燃料ガスの利用効率の低下を抑制することができる。酸化剤ガスも同様にして、ガスケット７の第３延伸部７Ｂ３及び第７延伸部７Ｂ７によってＭＥＡ本体部周縁間隙４０は遮断あるいは狭隘化されているので、ガス拡散層当接部３１Ａを迂回するようにしてＭＥＡ本体部周縁間隙４０を伝って一対の酸化剤ガスマニフォルド３３，３３間を流通する酸化剤ガスの流れ、あるいは、ガス拡散層当接部３１Ａの屈曲部３１Ｃから漏出した酸化剤ガスのＭＥＡ本体部周縁間隙４０での流通を遮断あるいは抑制することができる。

以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において当業者はいろいろな改良や代替手段を用いることができる。例えば、以下のような変形例がある。

［変形例１］
ガスケット７は枠体６に融着して形成することができる。これによって、より強固な接合を得ることができる。

溝部６Ａの変形例として、ガスケット７が枠体６と共通の可塑成分を有する材質で構成される場合には、枠体６とガスケット７とが熱溶着されて、強固な接合を得ることができる。あるいは、溝部６Ａを省略して、ＭＥＡ１の構造をさらに簡素化することができる。例えば、枠体６にガラスファイバー添加ポリプロピレン（出光石油化学社製R350G）を用いる。そして、ガスケット７には、サントプレン8101-55（Advanced Elasotomer System社製）を用いる。ガスケット７と枠体６とはポリプロピレンを可塑成分として共有しているので、ガスケット７の成形時には、ガスケット７は枠体６に融着して一体化し、剥離その他の構造欠陥のない強固な接合構造を得ることができる。

［変形例２］
別の溝部６Ａの変形例として、溝部６Ａを列状に形成された貫通孔とすることもできる。つまり、第３工程において枠体６の両表面のガスケット７同士が貫通孔によって連結されて形成されるので、枠体６とガスケット７との接合性を高めることができる。

［変形例３］
ＭＥＡ１は、燃料ガス流路２１及び酸化剤ガス流路３１の屈曲部２１Ｃ、３１Ｃの位置に応じて第５乃至第８延伸部７Ｂ５，７Ｂ６，７Ｂ７，７Ｂ８が構成される。図７は、燃料ガス流路の変形に伴う図１のＭＥＡのアノードセパレータ側の平面図であり、図８は、酸化剤ガス流路の変形に伴う図１のＭＥＡのカソードセパレータ側の平面図である。図において、セル１０組立状態においてアノードセパレータ板２及びカソードセパレータ板３の燃料ガス流路２１及び酸化剤ガス流路３１が当接あるいは対向する位置を示す。図に示すように、ＭＥＡ本体部５の表裏において対向する位置に構成される屈曲部２１Ｃ及び屈曲部３１Ｃがある場合には、第５延伸部７Ｂ５及び第６延伸部７Ｂ６によって第７延伸部７Ｂ７及び第８延伸部７Ｂ８の一部の設置が不要となる。また、なお、燃料ガス流路２１のガス拡散層当接部２１Ａ及び酸化剤ガス流路３１のガス拡散層当接部３１ＡがＭＥＡ本体部５の表裏において相互に同一方向に蛇行して構成される場合には、第５延伸部７Ｂ５及び第６延伸部７Ｂ６と第７延伸部７Ｂ７及び第８延伸部７Ｂ８との重複は更に増え、延伸部７Ｂの設置数が合理化されることになる。

［変形例４］
図９は、第５延伸部７Ｂ５及び第８延伸部７Ｂ８の形成位置の変形例を示す図１のＭＥＡのアノードセパレータ側の平面図であり、図１０は、第６延伸部７Ｂ６及び第７延伸部７Ｂ７の形成位置の変形例を示す図１のＭＥＡのカソードセパレータ側の平面図である。図に示すように、隣接する屈曲部２１Ｃ、３１Ｃの間部が当接する位置のうち一部にのみ第５延伸部７Ｂ５及び第７延伸部７Ｂ７が形成されている。第５延伸部７Ｂ５及び第７延伸部７Ｂ７は、流路溝２１，３１の本数、流路溝２１，３１の流路形状あるいは溝形状、ガス拡散層５Ｃのガス透過性及び流路溝２１，３１における燃料ガス及び酸化剤ガスの流速、流路溝２１，３１の圧力損失、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点により、全ての屈曲部２１Ｃ、3１Ｃの間に形成されなくとも、ＰＥＦＣ１００の燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率の有意な低下は生じない。つまり、第５延伸部７Ｂ５及び第７延伸部７Ｂ７は、ＰＥＦＣ１００の燃料ガス及び酸化剤ガスの流路条件応じて省略することができる。これによって、第６延伸部７Ｂ６及び第８延伸部７Ｂ８の形成位置も減らすことができ、ＭＥＡ１の構造をさらに簡素化することができる。

［変形例５］
図１５は、変形例５のＭＥＡのアノードセパレータ側の構造を示す平面図である。図に示すように、変形例５では、マニフォルド孔１２，１３，１４とＭＥＡ本体部５との間において、平行する２本のガスケット７によって仕切る二重構造の環状部７Ａから１本のガスケット７によって仕切る一重構造の環状部７Ａに変形されている。これによって、環状部７Ａの構造を簡素化することができる。

また、延伸部７Ｂは、電極層（ガス拡散層５Ｃ）の側面の略全域に接するように形成されている。すなわち、延伸部７Ｂは、環状のＭＥＡ本体部周縁間隙４０の一部を遮断するようにして、環状部７ＡからＭＥＡ本体部５の周縁部５Ｄ上を通って電極層（ガス拡散層５Ｃ）の側面に接するように延伸している。加えて、延伸部７Ｂの先端部が周縁部５Ｄ上に延びて、他の延伸部７Ａの先端部と結合して、周縁部５Ｄの略全域を覆うように形成されている。このような構造によって、電極層（ガス拡散層５Ｃ）の側面からのガスの流出が延伸部７Ｂによってほぼ全て妨げられるので、燃料ガス流路２１及び酸化剤ガス流路３１からＭＥＡ本体部周縁間隙への燃料ガス及び酸化剤ガスの漏出を、より確実に遮断あるいは抑制することができる。

［変形例６］
図１６は、変形例６のＭＥＡの第４製造工程における、図３及び図４のVI−VI線断面を概略的に示す図である。図に示すように、変形例６では、ガスケット７の延伸部７Ｂの先端に重なり部７Ｄが形成されている。重なり部７Ｄは、ガス拡散層５Ｃの面上に薄く延伸している。このような重なり部７Ｄの構成によって、セル１０組立状態時において重なり部７Ｄがガス拡散層５Ｃとセパレータ板２，３とに挟まれて押圧されることによって、延伸部７Ｂとガス拡散層５Ｃとの密着性をより向上させることができるので、より確実に、燃料ガス流路２１及び酸化剤ガス流路３１外への燃料ガス及び酸化剤ガスの漏出を遮断あるいは抑制することができる。

［実施例］
以下、実施例を挙げて本発明について更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されない。

（実施例１）
実施例として、ＰＥＦＣ１００の出力性能試験を行った。出力性能試験は燃料ガス及び酸化剤ガスの供給条件ならびにＰＥＦＣ１００の出力条件を一定に保ち、セル１０当たりの出力電圧Ｖを計測した。これら条件は、供給される燃料ガスの湿度が露点６５℃、供給される酸化剤ガスの湿度が露点６５℃、酸化剤ガス利用率が４０％、燃料ガス利用率が７５％、ＰＥＦＣ１００の温度が６５℃、電流密度０．０８Ａ／ｃｍ²であった。ここで、ＰＥＦＣ１００の出力条件は部分負荷であり、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力損失が低くなる条件とした。

（比較例１）
また、比較例として、ＰＥＦＣ１００において、枠体６に形成されるガスケットを延伸部７Ｂを有しないガスケット、つまり環状部７Ａのみが形成されたガスケットに変更したＰＥＦＣを用いて、ＰＥＦＣ１００と同一の条件で出力性能試験を行った。

図１１は、実施例のＰＥＦＣと比較例のＰＥＦＣとの同一条件下での出力性能を対比して示すグラフである。図に示すように、実施例Ｐの出力電圧は比較例Ｑの出力電圧よりも高く、かつ安定していた。

以上、本発明のＭＥＡ１、そのＭＥＡ１の製造方法、及びそのＭＥＡ１を用いたＰＥＦＣ１００は、ＰＥＦＣ１００組立状態においてＭＥＡ本体部周縁間隙４０における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを遮断あるいは抑制することができ、ひいては燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率を高めることができ、かつ構造及びその製造方法が簡素であって大量生産に適している。

本発明は、高分子電解質形燃料電池組立状態においてＭＥＡ本体部周縁間隙における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを遮断あるいは抑制することができ、ひいては燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率を高めることができ、かつ構造及びその製造方法が簡素であって大量生産に適している、ＭＥＡ、そのＭＥＡの製造方法、及びそのＭＥＡを用いた高分子電解質形燃料電池として有用である。

本発明の好適な一実施形態の高分子電解質形燃料電池の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。 図１のII−II線断面におけるセル１０の積層断面を、一部を分解して示す断面図である。 図１のＭＥＡのアノードセパレータ側の構造を示す平面図である。 図１のＭＥＡのカソードセパレータ側の構造を示す平面図である。 ＭＥＡのガスケットの延伸部における断面斜視図である。 図３及び図４のIV−IV線断面においてＭＥＡの各製造工程を概略的に示す製造工程図である。 燃料ガス流路の変形に伴う図１のＭＥＡのアノードセパレータ側の平面図である。 酸化剤ガス流路の変形に伴う図１のＭＥＡのカソードセパレータ側の平面図である。 第５延伸部７Ｂ５及び第８延伸部７Ｂ８の形成位置の変形例を示す図１のＭＥＡのアノードセパレータ側の平面図である。 第６延伸部７Ｂ６及び第７延伸部７Ｂ７の形成位置の変形例を示す図１のＭＥＡのカソードセパレータ側の平面図である。 実施例のＰＥＦＣと比較例のＰＥＦＣとの同一条件下での出力性能を対比して示すグラフである。 ＭＥＡ周縁部における、保護膜と触媒層との縁部同士の干渉形態を例示する断面図である。 ＭＥＡ周縁部における、保護膜と触媒層との縁部同士の干渉形態を例示する断面図である。 ＭＥＡ周縁部における、保護膜と触媒層との縁部同士の干渉形態を例示する断面図である。 変形例５のＭＥＡのアノードセパレータ側の構造を示す平面図である。 変形例６のＭＥＡの第４製造工程における、図３及び図４のVI−VI線断面を概略的に示す図である。

符号の説明

１ ＭＥＡ
２ アノードセパレータ板
３ カソードセパレータ板
４ ボルト孔
５ ＭＥＡ本体部
５Ａ 高分子電解質膜
５Ｂ 触媒層
５Ｃ ガス拡散層
５Ｄ 周縁部
６ 枠体
６Ａ 溝部
６Ｂ 成形用貫通孔
６Ｃ 成形部材
６Ｃ１ 平坦部
６Ｄ ＭＥＡ本体部固定部
７ ガスケット
７Ａ 環状部
７Ｂ 延伸部
７Ｂ１ 第１延伸部
７Ｂ２ 第２延伸部
７Ｂ３ 第３延伸部
７Ｂ４ 第４延伸部
７Ｂ５ 第５延伸部
７Ｂ６ 第６延伸部
７Ｂ７ 第７延伸部
７Ｂ８ 第８延伸部
７Ｃ リブ
７Ｄ 重なり部
９ シール部材
１０ セル
１１Ａ 外側接合部
１１Ｂ 内側接合部
１２、２２、３２ 燃料ガスマニフォルド孔
１３、２３、３３ 酸化剤ガスマニフォルド孔
１４，２４，３４ 水マニフォルド孔
２１ 燃料ガス流路溝
２１Ａ ガス拡散層当接部
２１Ｂ 連絡部
２１Ｃ 屈曲部
３１ 酸化剤ガス流路溝
３１Ａ ガス拡散層当接部
３１Ｂ 連絡部
３１Ｃ 屈曲部
４０ ＭＥＡ本体部周縁間隙
５０ 水流路溝
６０ 保護膜
１００ 高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）
Ｔ１ 第１金型
Ｔ１Ａ 窪み部
Ｔ１Ｂ 平坦部
Ｔ１Ｃ 枠体部
Ｔ１Ｄ 凸部
Ｔ２ 第２金型
Ｔ２Ｂ 平坦部
Ｔ２Ｃ 枠体部
Ｔ２Ｄ 凸部
Ｔ３ 第３金型
Ｔ３Ａ 窪み部
Ｔ４ 第４金型
Ｔ５ 第５金型
Ｐ 実施例
Ｑ 比較例
Ｓ 枠面
Ｖ 出力電圧
Ｈ 時間

Claims (12)

1. 電極層に当接する表面に形成されている流路溝が前記電極層の縁部において複数の屈曲部を有して形成されているセパレータ板を有する、高分子電解質形燃料電池に用いられるＭＥＡであって、
   高分子電解質膜及び該高分子電解質膜の周縁部より内側の部分の両面に形成された一対の前記電極層を有するＭＥＡ本体部と、
   前記高分子電解質膜の周縁部を前記一対の電極層に対し間隔を有して挟み、かつ該高分子電解質膜の外縁を囲むように形成された、板状の熱可塑性樹脂からなる枠体と、
   前記枠体の両面上に該枠体を挟むようにして形成されており、熱可塑性樹脂及び熱可塑性エラストマーからなる群より選択される少なくとも１種からなる一対のガスケットと、
   を備えており、
   前記ガスケットは、前記枠体の内縁に沿って環状に形成された環状部と、隣接する前記屈曲部同士の間部が当接する位置の近傍の前記環状部から延びて前記枠体の内縁部及び前記高分子電解質膜の前記周縁部の上を通って前記電極層の側面に接するように形成された延伸部とを有している、ＭＥＡ。
2. 前記電極層に当接する表面と前記電極層の周囲に対向する表面との間にかけて連絡用流路溝が形成されているセパレータ板を有する、高分子電解質形燃料電池に用いられ、
   前記連絡用流路溝が当接する位置の両脇の前記環状部に前記延伸部が形成されている、請求項１に記載のＭＥＡ。
3. 隣接する前記屈曲部同士の間部が当接する位置の近傍の前記環状部の一部にのみ前記延伸部が形成されている、請求項１に記載のＭＥＡ。
4. 前記枠体の組成と前記ガスケットの組成とには、共通の可塑成分が含まれている、請求項１に記載のＭＥＡ。
5. 前記ガスケットの前記延伸部の先端部が、前記電極層の側面の略全域に接するように形成されている、請求項１に記載のＭＥＡ。
6. 前記高分子電解質膜の２つの主面のうちの少なくとも一方の主面の前記周縁部上には、当該周縁部を保護する額縁状の保護膜が更に配置されており、
   前記電極層は、ガス拡散層と、当該ガス拡散層及び前記高分子電解質膜の間に配置される触媒層とを有する積層構造を有しており、
   前記保護膜の内縁部が前記触媒層と前記ガス拡散層との間に填り込んでいる、請求項１に記載のＭＥＡ。
7. 前記高分子電解質膜の２つの主面のうちの少なくとも一方の主面の前記周縁部上には、当該周縁部を保護する額縁状の保護膜が更に配置されており、
   前記保護膜と前記電極層とが互いに重なり合わないように前記高分子電解質膜の前記主面上に並置されている、請求項１に記載のＭＥＡ。
8. 前記高分子電解質膜の２つの主面のうちの少なくとも一方の主面の前記周縁部上には、当該周縁部を保護する額縁状の保護膜が更に配置されており、
   前記電極層は、ガス拡散層と、当該ガス拡散層及び前記高分子電解質膜の間に配置される触媒層とを有する積層構造を有しており、
   前記保護膜の内縁部が前記高分子電解質膜及び前記触媒層の間に填り込んでいる、請求項１に記載のＭＥＡ。
9. 前記ガスケットの環状部の頂面にはその延在方向に沿って延びるようにリブが形成されており、該リブの少なくとも一部は、前記高分子電解質膜の周縁部よりも内周側に形成されている、請求項１に記載のＭＥＡ。
10. 前記ガスケットの延伸部の先端が前記電極層の面上にまで薄く延伸している、請求項１に記載のＭＥＡ。
11. 第１金型と第２金型との間隙に熱可塑性樹脂を流し込んで、枠内縁に平坦部が形成されている枠状の成形部材を成形する工程と、
    前記第１金型に嵌合している前記成形部材の枠内に予め製作されたＭＥＡ本体部を平面状に配置し、かつ前記平坦部に該ＭＥＡ本体部の周縁部を配置する工程と、
    前記ＭＥＡ本体部が配置された成形部材が嵌合している第１金型に第３金型を接合して、第１金型と第３金型との間隙に前記熱可塑性樹脂を流し込んで、ＭＥＡ本体部が接合された状態の枠体を成形する工程と、
    前記ＭＥＡ本体部が接合された枠体を間に挟みながら第４金型及び第５金型を接合して、第４金型と第５金型との間隙に熱可塑性樹脂あるいは熱可塑性エラストマーを流し込んで、枠体表面にガスケットを成形する工程と、を有し、前記ガスケットは、前記枠体の内縁に沿って環状に形成された環状部と、隣接する屈曲部同士の間部が当接する位置の近傍の前記環状部から延びて前記枠体の内縁部及び高分子電解質膜の周縁部の上を通って電極層の側面に接するように形成された延伸部とを有している、請求項１に記載のＭＥＡの製造方法。
12. 請求項１に記載のＭＥＡと該ＭＥＡを挟むように配設されたアノードセパレータ及びカソードセパレータとを有するセルが１以上積層されてなる、高分子電解質形燃料電池。
    

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