JP4321667B2 - 高分子電解質型燃料電池および燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関する。

従来の固体高分子電解質型燃料電池においては、周縁部にガスをシールするためのガスケットを配した枠体により膜電極複合体（ＭＥＡ）が保持されたＭＥＡ−枠接合体を、アノード側導電性セパレータ板とカソード側導電性セパレータ板とにより挟んで構成された単電池モジュールが用いられている。ＭＥＡは、高分子電解質膜と、この電解質膜の一方の面にアノードが接合されかつ電解質膜の他方の面にカソードが接合されて形成されている。さらに、それぞれのセパレータ板の周縁には、ＭＥＡのアノードに燃料ガスを、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス供給部が形成されている。

このような従来の固体高分子電解質型燃料電池の構成としては、例えば特許文献１に開示されている。具体的には、図１５に示すように、高分子電解質膜に相当する電極（ＭＥＡ）３０２の周縁部が枠体３００の内部にて支持された電極−膜−枠接合体３０３を、それぞれのセパレータ３０１にて挟み込むような構成が開示されている。

また、このような電極３０２、すなわち高分子電解質膜は枠体３００の厚みのほぼ中央に組み込まれており、その接合方法として接着剤や機械的クランプなどが採用されている。

また、その他、金型内にＭＥＡ本体部を配置して、射出成型によりＭＥＡ本体部と接合された枠体を形成する方法（特許文献２参照）や、金型内にセパレータを配置して、射出成型によりセパレータと接合された枠体を形成する方法（特許文献３参照）が開示されている。
特開２００５−１００９７０号公報 特開２００６−３１０２８８号公報 特開２００５−２６８０７７号公報

しかしながら、高分子電解質膜の接着剤による接合方法では、高分子電解質膜に接着剤の揮発成分による性能低下を招く可能性があり、適用できる条件が限られる。また、機械的クランプによる接合方法では、高分子電解質膜と枠体の微小な隙間からクロスリークが発生し易いという問題が発生する。ここで、クロスリークとは、図１５において、枠体３００の内縁と電極３０２との間に生じる僅かな隙間を、電池内に供給されたガスの一部が通ってアノード側又はカソード側の一方から他方へとガスがリークしてしまうという現象である。燃料電池における発電効率を向上させるためには、このようなクロスリークを低減する必要がある。

このようなクロスリークを低減するための１つの方法として、電解質膜の周縁部が枠体内部に配置されるように、枠体を射出成型により形成するという方法が考えられる。このような方法によれば、枠体と電解質膜の周縁部との密着性を向上させて、クロスリークを低減させることが可能となる。

具体的には、図１６Ａに示すように、予め射出成型等により枠状に形成された第１の枠部材３１１を準備する。次に、図１６Ｂに示すように、アノードとカソードが電解質膜３１３の両面に配置されたＭＥＡ３１４の周縁部、すなわち電解質膜３１３の周縁部３１３ａを、第１の枠部材３１１上に位置決めして配置する。その後、図１６Ｃに示すように、電解質膜３１３の周縁部３１３ａが配置された状態の第１の枠部材３１１の上面に、樹脂材料を注入して射出成型により第２の枠部材３１２を形成する。このように射出成型により第２の枠部材３１２を第１の枠部材３１１と一体的に接合して形成することにより、その間に挟まれた状態の電解質膜３１３の周縁部３１３ａを、第１の枠部材３１１および第２の枠部材３１２との間でより密着させた状態で保持することができる。

しかしながら、このような射出成型によるＭＥＡ−枠接合体３１０の形成方法では、次のような問題がある。図１７Ａに示すように、第２の枠部材３１２の射出成型による形成時において、高温高圧の樹脂材料Ｐが金型（図示せず）内に注入されると、第１の枠部材３１１の上面に配置されている電解質膜３１３の周縁部３１３ａが、樹脂材料Ｐの流動抵抗により樹脂材料中に浮き上がって、第１の枠部材３１１の上面から離れて浮き上がった状態となる場合がある。このような状態において樹脂材料Ｐが硬化されると、図１７Ｂに示すように、電解質膜３１３の周縁部３１３ａが第２の枠部材３１２の内部において第１の枠部材３１１の表面から完全に浮き上がった状態にて、ＭＥＡ３１４の保持が行われることになる。

このような場合にあっては、ＭＥＡ−枠接合体３１０において、ＭＥＡ３１４の保持を十分に行えないような場合や、電解質膜３１３を損傷させるような場合などが生じ得、クロスリークを十分に低減できないという問題がある。

また、特許文献２の方法においても、ＭＥＡ本体部が金型内にて浮き上がる可能性がある。また、特許文献３は、ＭＥＡに比して比較的剛性の高いセパレータを対象とするものに過ぎない。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、燃料電池の電極−膜−枠接合体において、高分子電解質膜部材と枠体との間の接合性を向上させて、確実に高分子電解質膜部材を保持することができ、クロスリーク現象を効果的に抑制して、高分子電解質型燃料電池の性能を改善することができる高分子電解質型燃料電池および燃料電池を提供することにある。

上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。

本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜と、上記電解質膜の両面のうち一方の面に形成される単一のアノード電極と、上記電解質膜の他方の面に形成される単一のカソード電極と、上記電解質膜の縁部を狭持する第１及び第２の枠体と、上記アノード電極及びカソード電極並びに上記両電極の外側に配置された上記第１及び第２の枠体を挟むように設けられた一対のセパレータとで構成される単電池モジュールを積層して組み立てられた高分子電解質型燃料電池において、上記電解質膜は上記両電極から露出しており、上記第２の枠体には、上記電解質膜の縁部に沿って複数の貫通孔が形成され、かつ、上記貫通孔は上記電解質膜上に配置されると共に、上記両枠体と上記両電極とは隙間を有して形成される、高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第２態様によれば、上記電解質膜の一部は上記貫通孔を通じて露出された状態となっている、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第３態様によれば、第１態様又は第２態様の高分子電解質型燃料電池に冷却水を循環供給するためのポンプと、前記冷却水により除去された熱を流体に熱交換するための熱交換器と、熱交換された流体を貯留させる貯湯タンクとを備える、燃料電池を提供する。

本発明の第４態様によれば、第１態様又は第２態様の高分子電解質型燃料電池の運転制御を行う運転制御装置と、上記高分子電解質型燃料電池にて発電された電気を取り出す電気出力部とを備える、燃料電池を提供する。

本発明によれば、高分子電解質膜と、上記電解質膜の両面のうち一方の面に形成される単一のアノード電極と、上記電解質膜の他方の面に形成される単一のカソード電極と、上記電解質膜の縁部を狭持する第１及び第２の枠体と、上記アノード電極及びカソード電極並びに上記両電極の外側に配置された上記第１及び第２の枠体を挟むように設けられた一対のセパレータとで構成される単電池モジュールを積層して組み立てられた高分子電解質型燃料電池において、上記電解質膜は上記両電極から露出しており、上記第２の枠体には、上記電解質膜の縁部に沿って複数の貫通孔が形成され、かつ、上記貫通孔は上記電解質膜上に配置されると共に、上記両枠体と上記両電極とは隙間を有して形成されている。そのため、射出成型時において高温高圧の樹脂材料が流れ込んで、電解質膜部材の縁部が第１の枠部材上から離れて浮き上がるような現象が生じることを確実に防止できる。従って、高分子電解質膜と枠体との間の接合性を向上させて、確実に高分子電解質膜を保持することができる。よって、クロスリーク現象を効果的に抑制して、高分子電解質型燃料電池の性能を改善することができる高分子電解質型燃料電池および燃料電池を提供することができる。

本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の概略構成を示す模式構成図を図１に示す。また、図１に示す燃料電池１０１が備える燃料電池用スタック（以降、スタックという。）の模式分解図を図２に示す。

燃料電池１０１は、例えば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、電気化学的に反応させることで、電力、熱、及び水を同時に発生させるものである。図１に示すように、燃料電池１０１には、アノード及びカソードの一対の極を備える燃料電池セル（あるいは単セル）が複数個直列に接続された積層構造を有するスタック３０と、燃料ガスから水素を取り出す燃料処理器３１と、燃料処理器３１にて取り出された水素を含む燃料ガスを加湿することで発電効率を向上させるアノード加湿器３２と、酸素含有ガス（酸化剤ガス）に対しての加湿を行うカソード加湿器３３と、燃料ガスと酸素含有ガスとをそれぞれ供給するためのポンプ３４、３５とが備えられている。すなわち、燃料処理器３１、アノード加湿器３２、及びポンプ３４により燃料ガスをスタック３０の各セルに供給する燃料供給装置が構成されている。また、カソード加湿器３３とポンプ３５とにより酸化剤ガスをスタック３０の各セルに供給する酸化剤供給装置が構成されている。なお、このような燃料供給装置や酸化剤供給装置は、燃料や酸化剤の供給を行う機能を備えていればその他様々な形態を採用し得る。本第１実施形態においては、スタック３０が備える複数のセルに対して、共通して燃料や酸化剤を供給する供給装置であれば、後述する本第１実施形態の効果を好適に得ることができる。

また、燃料電池１０１には、発電の際にスタック３０にて発生される熱を効率的に除去するための冷却水を循環供給するためのポンプ３６と、この冷却水（例えば、導電性を有さない液体、例えば純水が用いられる。）により除去された熱を、水道水等の流体に熱交換するための熱交換器３７と、熱交換された水道水を貯留させる貯湯タンク３８とが備えられている。さらに、燃料電池１０１には、このようなそれぞれの構成部を互いに関連付けて発電のための運転制御を行う運転制御装置４０と、スタック３０にて発電された電気を取り出す電気出力部４１とが備えられている。

また、図２に示すように、この燃料電池１０１が備えるスタック３０は、基本単位構成である単セル（単電池モジュール）２０を複数個積層し、集電板２１、絶縁板２２、端板２３で両側から所定の荷重で締結して構成されている。それぞれの集電板２１には、電流取り出し端子部２１ａが設けられており、発電時にここから電流、すなわち電気が取り出される。それぞれの絶縁板２２は、集電板２１と端板２３の間を絶縁する。また、これらの絶縁板２２には、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２３は、複数個積層された単セル２０と、集電板２１と、絶縁板２２とを、図示しない加圧手段によって所定の荷重で締結して保持する。

図２に示すように、単セル２０は、ＭＥＡ（膜電極複合体）１が枠体により保持された電極−膜−枠接合体（以降、「ＭＥＡ−枠接合体」とする。）１５を、一対のセパレータ５ｂ，５ｃで挟み込むようにして構成されている。

ＭＥＡ１は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜部材の一例である高分子電解質膜１ａのアノード面側に、白金−ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（アノード側触媒層）１１２を形成し、カソード面側には、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（カソード側触媒層）１１３を形成し、これらの触媒層１１２及び１１３の外面に、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層１１４を配置して構成されたものである。高分子電解質膜１ａは、プロトン導電性を示す固体高分子材料、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（デュポン社製ナフィオン膜）が一般に使用される。なお、以下では、アノード側触媒層１１２とガス拡散層１１４とを合わせて「アノード電極１ｂ」と呼び、カソード側触媒層１１３とガス拡散層１１４とを合わせて「カソード電極１ｃ」と呼ぶものとする。

セパレータ５ｂ、５ｃは、ガス不透過性の導電性材料にて形成されていれば良く、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や、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したものなどが一般的に用いられる。セパレータ５ｂ、５ｃにおけるＭＥＡ１５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１１４と接することで、アノード電極１ｂおよびカソード電極１ｃの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る。ガス拡散層１１４は、その基材として一般的に炭素繊維で形成されたものが用いられ、このような基材としては例えば炭素繊維織布が用いられる。

ここで、このような単セル２０のＭＥＡ−枠接合体１５の端部近傍における模式部分断面図を図３に拡大して示す。

単セル（単電池モジュール）２０は、ＭＥＡ−枠接合体１５と、ＭＥＡ−枠接合体１５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５ｂ、５ｃとを備える。ＭＥＡ−枠接合体１５は、高分子電解質膜１ａの一方の面にアノード電極１ｂが接合されかつ電解質膜１ａの他方の面にカソード電極１ｃが接合されて形成されるＭＥＡ１と、アノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃ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（図示せず）を有し、このＭＥＡ１の周縁部を挟んで保持する枠体２とにより構成される。そして、この単セル２０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。

図３に示すように、枠体２は、平面的に枠形状を有する第１の枠部材３と、同じく枠形状を有する第２の枠部材４とが射出成型により一体的に接合されることにより形成されている。また、ＭＥＡ１において、アノード電極１ｂおよびカソード電極１ｃは、高分子電解質膜１ａの縁部よりも内側の領域に形成されている。すなわち、ＭＥＡ１は、その縁部において高分子電解質膜１ａが露出されるように形成されている。さらに、第１の枠部材３と第２の枠部材４との間には、ＭＥＡ１の高分子電解質膜１ａにおける周縁部１ｄが挟まれるように配置された状態で、両部材により密接に接合されて保持されている。また、図３に示すように、枠体２の内縁と、ＭＥＡ１のアノード電極１ｂおよびカソード電極１ｃとの外縁との間には、互いに接触しない程度の隙間ｄ１０が、枠体２の周囲全体に渡って形成されている。

さらに、図３に示すように、第２の枠部材４には、複数の貫通孔４ａが形成されている。第１の枠部材３上に配置された電解質膜１ａにおける周縁部１ｄの一部は、これらの貫通孔４ａを通して露出された状態とされている。このような第２の枠部材４に形成された貫通孔４ａは、先に形成された第１の枠部材３の上面に電解質膜１ａの周縁部１ｄを配置させた状態にて、この周縁部１ｄの一部を第１の枠部材３に対して押さえて固定した状態にて、第２の枠部材４を射出成型により形成することにより形成される貫通孔である。

ＭＥＡ−枠接合体１５の端部近傍における模式斜視図を図４に示す。図４に示すように、第２の枠部材４に形成された貫通孔４ａは、例えば矩形状の平面形状を有しており、第２の枠部材４の内縁部沿いに所定の間隔ピッチにて複数の貫通孔４ａが形成されている。

枠体２、すなわち第１の枠部材３と第２の枠部材４は、例えば、射出成型用の樹脂材料により形成される。その具体的な材料の例としては、株式会社プライムポリマーのＲ−２５０Ｇ又は３５０Ｇであり、セパレータの具体的な材料の例としては、外寸１２０ｍｍ×１２０ｍｍ、厚み３．０ｍｍの樹脂含浸黒鉛板（東海カーボン（株）製グラッシーカーボン）が挙げられる。

次に、このような構成を有するＭＥＡ−枠接合体１５を射出成型により形成する方法について、図５Ａ〜図５Ｆに示す模式説明図を用いて説明する。

まず、図５Ａに示すように、ＭＥＡ１と第１の枠部材３が配置される上部金型５０と下部金型６０とを準備する。下部金型６０は、その上面に第１の枠部材３が配置されるとともに、第１の枠部材３の上面に配置された状態のＭＥＡ１が配置されるように凹凸部である枠部材受け面６１が形成されている。さらに下部金型６０には、成形された樹脂とともにＭＥＡ−枠接合体１５を枠部材受け面６１から分離させる棒状の突き上げ部材６２が備えられている。上部金型５０は、その下面にて第１の枠部材３およびＭＥＡ１の上面を覆うとともに、第１の枠部材３の上面との間に所定の流路を形成するための凹凸部である流路形成面５１が形成されている。さらに、この流路形成面５１には樹脂注入口である複数のゲート５２が形成されており、それぞれのゲート５２は、上部金型５０の上面に形成された凹部である樹脂導入部５３に連通されている。また、上部金型５０には、上部金型５０と下部金型６０とを位置決めした状態で型締めを行う型締め部材５４が備えられている。

次に、図５Ｂに示すように、下部金型６０の枠部材受け面６１に予め射出成型等により形成された第１の枠部材３を載置する。次に、図５Ｃに示すように、枠部材受け面６１に載置された状態の第１の枠部材３の上面に、電解質膜１ａの周縁部１ｄが位置されるようにＭＥＡ１が位置決めして載置される。その後、図５Ｄに示すように、第１の枠部材３及びＭＥＡ１が載置された下部金型６０に対して、上部金型５０を型締め部材５４により型締めを行う。このように型締めが行われた状態において、第１の枠部材３の上面と流路形成面６１との間には、樹脂が流されて充填される流路が形成される。

具体的には、上部金型５０の流路形成面５１と第１の枠部材３との間には、第１の枠部材３の上面に電解質膜１ａの周縁部１ｄを介して接する樹脂流路５５が形成される。さらに、上部金型５０の流路形成面５１には、この樹脂流路５５において、第１の枠部材３の上面に向けて突出された凸形状を有し、その先端（図示下端）にて第１の枠部材３の上面に配置された状態の電解質膜１ａの周縁部１ｄの一部を、第１の枠部材３に対して押圧する複数の押さえ部材５６が備えられている。このように金型の型締めが行われた状態においては、樹脂流路５５が形成されるとともに、樹脂流路５５内において、電解質膜１ａの周縁部１ｄの一部がそれぞれの押さえ部材５６により押圧されて、第１の枠部材３の上面において固定された状態とされている。なお、図示しないが、それぞれの押さえ部材５６は、第１の枠部材３に沿って平面的に枠状の配列にて、所定の間隔ピッチで配列されるように形成されている。また、図５Ｄに示すように、電解質膜１ａの周縁部１ｄにおいて、アノード電極１ｂおよびカソード電極１ｃの外縁沿いに隣接する領域は、上部金型５０と下部金型６０とにより挟まれて保持された状態とされている。ここで、ＭＥＡ１の金型等による保持の位置（領域）について、ＭＥＡ１と第１の枠部材３の模式斜視図（一部断面を示す）を示す図１８を用いて説明する。図１８に示すように、上部金型５０と下部金型６０との型締めが行われた状態において、電解質膜１ａの周縁部１ｄは、アノード電極１ｂおよびカソード電極１ｃの外縁端に沿って隣接する領域である第１の位置Ｒ１にて上記金型５０および下部金型６０により保持されるとともに、この第１の位置Ｒ１よりも外側の複数の領域である第２の位置Ｒ２にて電解質膜１ａの周縁部１ｄが複数の押さえ部材５６により押圧して保持された状態とされている。なお、このような保持状態においては、ＭＥＡ１のアノード電極１ｂおよびカソード電極１ｃは、それぞれの金型５０および６０により押し潰されて損傷することが無いように、それぞれの金型５０および６０が形成されている。

次に、図５Ｅに示すように、金型内に樹脂材料Ｐを射出して注入する。具体的には、上部金型５０の樹脂導入部５３に射出注入された樹脂材料Ｐが、それぞれのゲート５２を通して、上部金型５０側に形成された樹脂流路５５に注入されて、樹脂流路５５内に充填される。この射出成型においては、樹脂材料Ｐが高温高圧の状態で樹脂流路５５内に注入されることになるが、樹脂流路５５内において電解質膜１ａの周縁部１ｄの一部は、上部金型５０および下部金型６０に挟まれて保持されるとともに、それぞれの押さえ部材５６により押圧されて固定された状態とされているため、電解質膜１ａの周縁部１ｄが第１の枠部材３の上面から離れて浮き上がることを確実に防止することができる。

樹脂流路５５内への樹脂材料Ｐの充填が完了すると、樹脂の硬化が行われる。その後、図５Ｆに示すように、上部金型５０と下部金型６０との型締めが解除され、突き上げ部材６２により、樹脂流路に相当する位置に第２の枠部材４が形成されたＭＥＡ−枠接合体１５が、下部金型６０の枠部材受け面６１より離脱される。これで射出成型が完了する。

この射出成型が行われた結果、図３及び図４に示すように、第１の枠部材３の上面に電解質膜１ａの周縁部１ｄが配置されて第２の枠部材４により挟まれた状態のＭＥＡ−枠接合体１５が形成される。また、第２の枠部材４には、電解質膜１ａの表面まで貫通する貫通孔４ａが、押さえ部材５６の跡として形成される。また、第２の枠部材４は射出成型により形成されているため、電解質膜１ａの周縁部１ｄを介して、第１の枠部材３と一体的に接合された状態にて形成することができる。従って、枠体２において、その厚み方向の略中間の位置にて、確実かつ安定して電解質膜１ａを保持することができるとともに、射出成型により隙間なく密接に接合された状態で電解質膜１ａの保持を行うことができる。よって、クロスリーク現象を効果的に抑制して、燃料電池における発電効率を向上させることができる。

ここで、上部金型５０の樹脂注入口であるゲート５２と、電解質膜１ａを押さえる押さえ部材５６（あるいは貫通孔４ａ）の配置関係について、本第１実施形態にて採用し得るいくつかの形態について説明する。

まず、図６の模式断面図に示すように、第２の枠部材４において、ゲート５２の配置をかわすように、例えばゲート５２よりも内側の位置（枠部材の枠中心側の位置）に押さえ部材５６を配置する、すなわち貫通孔４ａが形成されることが好ましい。このように押さえ部材５６を配置することで、図４に示すように、それぞれの押さえ部材５６の配列よりも外側の空間においてゲート５２を通して供給された樹脂材料が、それぞれの押さえ部材５６の間を通るようにして、押さえ部材５６の配列の内側の空間に流動して（矢印Ａ参照）、樹脂の充填を行うことができる。従って、射出成型において、樹脂の流動性を良好なものとして、第２の枠部材４を樹脂の充填むらなく形成することができる。

また、図７に示すように、ゲート５２と押さえ部材５６の配置を内外逆にするような場合であっても良い。すなわち、上部金型５０および下部金型６０による保持の位置である第１の位置Ｒ１と、押さえ部材５６による保持の位置である第２の位置Ｒ２との間に、ゲート５２を位置させるような配置を採用することができる。このような配置を採用することにより、電解質膜１ａの周縁部１ｄをその内側および外側において確実に保持して、第１の枠部材３の上面に接触させた状態にて、ゲート５２から樹脂を注入することができる。したがって、少なくとも第１の位置Ｒ１と第２の位置Ｒ２との間で樹脂の充填性を良好にすることができ、効果的にクロスリーク現象が生じることを低減できる。

また、図８の模式断面図に示すように、第２の枠部材４において、ゲート５２の配置をかわすように、例えばゲート５２の内側の位置および外側の位置のそれぞれに押さえ部材５６を配置することも好適である。ゲート５２の近傍においては、注入される樹脂材料Ｐに対してさらに高い圧力が加わるため、樹脂材料Ｐがさらに高温高圧の状態とされるとともに、樹脂の流動性が高まるため、内側位置および外側位置のそれぞれにて確実に押さえ部材５６により電解質膜１ａを押さえることで、電解質膜１ａの浮き上がりなどが生じることを確実に防止することができる。

次に、このような押さえ部材５６による電解質膜１ａを押さえる形態についての具体的な寸法例について、図９Ａ、図９Ｂ、および図９Ｃを用いて説明する。

まず、ゲート５２よりも内側の位置に押さえ部材５６（貫通孔４ａ）を配置するような形態における寸法例を図９Ａに示す。図９Ａに示すように、貫通孔４ａの形成位置は、第２の枠部材４の内縁部からの距離ｄ１が、０．３ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲に設定することが好ましい。この範囲よりも小さいと押さえ部材５６よりも内側の空間における樹脂材料の充填性が低下する。またこの範囲よりも大きいと電解質膜の無駄な面積が増え、非効率だからである。

次に、ゲート５２よりも外側の位置に押さえ部材５６を配置するような形態における寸法例を図９Ｂに示す。図９Ｂに示すように、電解質膜１ａの端部と貫通孔４ａの形成位置との間の距離ｄ２は、膜端部の浮き上がりをより効果的にするために２．５ｍｍ以内とすることが望ましい。また、貫通孔４ａの幅、すなわち押さえ部材５６の幅寸法ｄ３は、０．３ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲に設定することが好ましい。この範囲よりも小さいと押さえ部材５６自体の強度（金型強度）が不足する。また、この範囲よりも大きいと電解質膜１ａの無駄な面積が増え、非効率だからである。

また、図９Ｂに示す形態にて、貫通孔４ａ内に電解質膜１ａの端部が位置されるようにすることもできる。この場合、貫通孔４ａ内に露出される電解質膜１ａの端部長さ寸法ｄ４は、少なくとも０．３ｍｍ以上とすることが好ましい。これよりも小さいと位置ズレ等が生じた場合に確実に電解質膜１ａを押さえることができないような場合が生じ得、実用上管理が困難となるからである。

また、図４に示すように、それぞれの貫通孔４ａの配列方向における長さ寸法ｄ５は、０．６ｍｍ〜２０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。この範囲よりも小さいと、押さえ部材５６の強度不足となり、押さえ部材５６が射出成型時に破損する可能性がある。これよりも大きいと配列部分よりも内側の空間への樹脂の流れを阻害する可能性がある。さらに、それぞれの貫通孔４ａの配列間隔ピッチｄ６は、０．６ｍｍ〜１０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。この範囲よりも小さいと、内側空間への樹脂の充填性が低下し、大きいとこの間で電解質膜１ａの浮き上がりが生じる可能性がある。

（第２実施形態）
なお、本発明は上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。例えば、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡ−枠接合体８５の模式部分断面図を図１０に示す。なお、以降の説明においては、同じ構成部材にて同じ参照番号を付してその説明を省略する。

図１０に示すように、本第２実施形態のＭＥＡ−枠接合体８５においては、第１の枠部材８３において段部８６を形成して、この段部８６の下段面８６ａ上に電解質膜１ａの周縁部１ｄを配置し、かつ押さえ部材５６（貫通孔８４ａ）により押さえて固定した状態にて、射出成型により第２の枠部材８４がこの段部８６を埋めるように形成された構造を有している。

このような本題２実施形態の構造を採用することで、第２の枠部材の射出成型（２次成型）において使用する樹脂材料の量を少なくすることができ、第１の枠部材８３が２次成型の際に受ける熱的な影響をより少なくすることができ、精度よくＭＥＡ−枠接合体８５を製造することができる。

さらに、このＭＥＡ−枠接合体８５の模式斜視図を図１１に示し、図１１のＭＥＡ−枠接合体８５におけるゲート位置付近のＡ−Ａ線断面図を図１２に示す。図１１及び図１２に示すように、第１の枠部材８３に形成された段部８６において、ゲート５２が形成されている位置に、さらに樹脂注入用段部８７が形成されている。この樹脂注入用段部８７と段部８６の下段面８６ａとの段差寸法ｄ７は、例えば電解質膜１ａの厚さよりも大きくなるように設定されている。このような樹脂注入用段部８７が形成されていることにより、ゲート５２より注入された樹脂材料が、まず樹脂注入用段部８７において流動され、その後、電解質膜１ａが配置されている段部８６の下段面８６ａへと流れ込むことになる。この樹脂の流動の際に、樹脂注入用段部８７が、段部８６の下段面８６ａ上に配置された電解質膜１ａの上面よりも高く位置されているため、流動される樹脂が電解質膜１ａの上面に流れやすくすることができる。従って、樹脂の流動による電解質膜１ａの端部の浮き上がりをさらに効果的に防止することができる。

上記それぞれの実施形態においては、第２の枠部材４等に形成されるそれぞれの貫通孔４ａが矩形状の平面形状を有するような場合について説明したが、このような場合についてのみ限られるものではない。このような場合に代えて、例えば、図１３の模式斜視図に示すＭＥＡ−枠接合体９５のように、第２の枠部材９４において、円形の平面形状を有する貫通孔９４ａが形成されるような場合であってもよい。

この場合、貫通孔９４ａの孔径ｄ８は、０．３ｍｍ〜５ｍｍの範囲に設定することが好ましい。この範囲よりも小さいと金型強度不足が生じる、あるいは貫通孔として形成することが困難な場合が生じ得、この範囲よりも大きいと電解質膜１ａの露出面積、すなわち枠部材により保持されていない領域面積が大きくなってしまうからである。また、貫通孔９４ａの配列間隔ピッチｄ９は、０．６ｍｍ〜１０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。この範囲より小さいと他方への樹脂材料の充填が困難となり、大きいとこの間で電解質膜の浮き上がりが生じやすくなるからである。

また、図１４のＭＥＡ１１１の模式断面図に示すように、電解質膜１ａの周縁部１ｄにおいて、補強膜１１２が形成されているような場合であってもよい。このような補強膜１１２は電解質膜１ａを射出成型における高温高圧の樹脂から保護する機能を有するものである。電解質膜１ａの一方の面にのみ形成されていてもよく、両面に形成されていてもよい。なお、本発明において、高分子電解質膜部材とは、高分子電解質膜自体であってもよく、また、このように高分子電解質膜の表面に補強膜が形成されたものをも含む。

なお、上記それぞれの実施形態の説明においては、第２の枠部材４等に形成された貫通孔４ａが開放された状態である場合について説明したが、このような場合に代えて、第２の枠部材を形成した後、貫通孔４ａをシール剤等により埋めて閉止するような場合であってもよい。貫通孔４ａにおいて電解質膜１ａが露出されたままであると、僅かではあるがクロスリーク現象が生じる可能性が残っているため、この部分を封止することで、確実にクロスリーク現象が生じることを防止することができる。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

２００７年３月３０日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００７−０９１９８６号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。

図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の概略構成を示す模式構成図 図２は、図１に示す燃料電池が備える燃料電池用スタックの模式分解図 図３は、第１実施形態の燃料電池用スタックの単セルが備えるＭＥＡの模式部分断面図 図４は、図３のＭＥＡ−枠接合体の模式部分斜視図 図５Ａは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体を射出成型により形成する手順を示す模式図 図５Ｂは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体を射出成型により形成する手順を示す模式図 図５Ｃは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体を射出成型により形成する手順を示す模式図 図５Ｄは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体を射出成型により形成する手順を示す模式図 図５Ｅは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体を射出成型により形成する手順を示す模式図 図５Ｆは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体を射出成型により形成する手順を示す模式図 図６は、第１実施形態の変形例にかかるＭＥＡ−枠接合体の模式部分断面図 図７は、第１実施形態の変形例にかかるＭＥＡ−枠接合体の模式部分断面図 図８は、第１実施形態の変形例にかかるＭＥＡ−枠接合体の模式部分断面図 図９Ａは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体における貫通孔の寸法例の模式説明図 図９Ｂは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体における貫通孔の寸法例の模式説明図 図９Ｃは、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体における貫通孔の寸法例の模式説明図 図１０は、本発明の第２実施形態にかかるＭＥＡ−枠接合体の模式部分断面図 図１１は、第２実施形態のＭＥＡ−枠接合体の模式部分斜視図 図１２は、図１１のＭＥＡ−枠接合体におけるＡ−Ａ線断面図 図１３は、本発明の実施形態の変形例にかかるＭＥＡ−枠接合体の模式斜視図 図１４は、本発明の実施形態の変形例にかかるＭＥＡの模式断面図 図１５は、従来の固体高分子電解質型燃料電池の電極−膜−枠接合体とセパレータの分解断面図 図１６Ａは、従来の固体高分子電解質型燃料電池のＭＥＡ−枠接合体の製造方法の模式説明図 図１６Ｂは、従来の固体高分子電解質型燃料電池のＭＥＡ−枠接合体の製造方法の模式説明図 図１６Ｃは、従来の固体高分子電解質型燃料電池のＭＥＡ−枠接合体の製造方法の模式説明図 図１７Ａは、従来のＭＥＡ−枠接合体の製造方法における膜の浮き上がり現象の模式説明図 図１７Ｂは、従来のＭＥＡ−枠接合体の製造方法における膜の浮き上がり現象の模式説明図 図１８は、第１実施形態のＭＥＡ−枠接合体の製造時（金型型締め時）におけるＭＥＡの保持位置を示す模式図

符号の説明

１ａ 高分子電解質膜
１ｂ アノード電極
１ｃ カソード電極
１ｄ 周縁部
２ 枠体
３ 第１の枠部材
４ 第２の枠部材
４ａ 貫通孔
５ｂ アノード側セパレータ
５ｃ カソード側セパレータ
１５ ＭＥＡ（膜電極複合体）
２０ 単セル
２１ 集電板
２２ 絶縁板
２３ 端板
３０ スタック
３１ 燃料処理器
３２ アノード加湿器
３３ カソード加湿器
３４ ポンプ
３５ ポンプ
３６ ポンプ
３７ 熱交換器
３８ 貯湯タンク
４０ 運転制御装置
４１ 電気出力部
５２ ゲート
５６ 押さえ部材
１０１ 燃料電池

Claims (4)

1. 高分子電解質膜と、上記電解質膜の両面のうち一方の面に形成される単一のアノード電極と、上記電解質膜の他方の面に形成される単一のカソード電極と、上記電解質膜の縁部を狭持する第１及び第２の枠体と、上記アノード電極及びカソード電極並びに上記両電極の外側に配置された上記第１及び第２の枠体を挟むように設けられた一対のセパレータとで構成される単電池モジュールを積層して組み立てられた高分子電解質型燃料電池において、上記電解質膜は上記両電極から露出しており、上記第２の枠体には、上記電解質膜の縁部に沿って複数の貫通孔が形成され、かつ、上記貫通孔は上記電解質膜上に配置されると共に、上記両枠体と上記両電極とは隙間を有して形成される、高分子電解質型燃料電池。
2. 上記電解質膜の一部は上記貫通孔を通じて露出された状態となっている、請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
3. 上記請求項１又は２に記載の高分子電解質型燃料電池に冷却水を循環供給するためのポンプと、前記冷却水により除去された熱を流体に熱交換するための熱交換器と、熱交換された流体を貯留させる貯湯タンクとを備える、燃料電池。
4. 上記請求項１又は２に記載の高分子電解質型燃料電池の運転制御を行う運転制御装置と、上記高分子電解質型燃料電池にて発電された電気を取り出す電気出力部とを備える、燃料電池。

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