JP4585036B2 - Ｍｅａ部材及び固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、高分子電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）と枠体から成るＭＥＡ部材、及びこのＭＥＡ部材を備えている固体高分子形燃料電池において、電極材料等の再生利用を図るためにＭＥＡと枠体とを分離して回収できるようにするための技術に関する。

近年、クリーンなエネルギー源として注目されている燃料電池の一形態として、固体高分子形燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）」という）が知られている。ＰＥＦＣは、イオン導電性を有する固体高分子膜を電解質としている。このような高分子電解質膜として、例えば、スルホン酸基をもつポリスチレン系の陽イオン交換膜、フルオロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフルオライドとの混合物質から成る電解質膜、又は、パーフルオロカーボンスルホン酸膜等が使用される。

図２６は固体高分子形燃料電池を用いた発電システムの概要を示す図である。例えば、図２６に示すように、ＰＥＦＣのセルスタック９９は、基本構成単位である単セル１０を複数個積層して備え、これらの単セル１０が直列接続されて成るものである。各単セル１０は、燃料ガス流路が形成されたアノード側セパレータ９と、高分子電解質膜をアノード及びカソードの一対の電極で挟み込んで成る膜−電極接合体５（以下、「ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）」という）と、酸化剤ガス流路が形成されたカソード側セパレータ８とを、順に積層して備えている。

ＰＥＦＣでは、燃料ガス流路を通じて水素を含む燃料がアノードに供給され、酸化剤ガス流路を通じて酸素を含む酸化剤がカソードに供給されると、アノードとカソードにおいて燃料と酸化剤とが反応して、電気と熱とが発生する。

上記のようなＰＥＦＣにおいて、ＭＥＡ５は薄膜状であり、ＭＥＡ５単体ではセルスタック９９を組み立てる際に取り扱いが難しい。そこで、例えば、特許文献１に記載されているように、ＭＥＡ５を囲む枠体６を設けた「ＭＥＡ部材７」を１ユニットとして取り扱えるようにして、ＭＥＡ５の取扱性を良好にしたものがある。枠体には、枠体とアノード側セパレータ又はカソード側セパレータとの間で燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水を封止して漏洩しないようにするために、ガスケットが設けられている。

特開２００６−３１０２８８号公報

ところで、ＭＥＡの電極には白金などの貴金属が使用されている。そこで、ＭＥＡを排棄する際には、電極に含まれている貴金属を回収して再利用に供すべきである。特許文献１にも記載されているように、ＭＥＡ部材では、ＭＥＡの周縁部が枠体により挟持されることによって、枠体の内部にＭＥＡが保持されている。ここで、ＭＥＡは枠体により適度な圧力で挟まれているため、ＭＥＡのみを枠体より抜き出すことは困難であり、無理にＭＥＡを抜き出そうとするとＭＥＡを破いてしまうおそれがある。よって、ＭＥＡと枠体とを分離させるためには、ＭＥＡを傷つけずに枠体を破壊するための工具が必要となる。

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あって、特別の工具を使用せずに、ＭＥＡを傷つけることなくＭＥＡと枠体とを簡易に分離させるための、ＭＥＡ部材の構造を提供することを目的とする。

本発明のＭＥＡ部材は、高分子電解質膜及び該高分子電解質膜の主面の両側に配置された一対の電極を有するＭＥＡと、前記ＭＥＡの主面の周縁部を両側から挟み込んで保持することによって枠内に前記ＭＥＡが配設された樹脂製の板状の枠体と、前記枠体から前記ＭＥＡを分離するための分離部とを、有し、前記分離部は、前記枠体に設けられた、前記枠体を２つ以上の部分に分割するための破線状の切取線であり、前記切取線は、線を描くように所定間隔をおいて設けられた複数の枠体の表面に設けられた穴からなる。

また、本発明の固体高分子形燃料電池は、前記ＭＥＡ部材と、前記ＭＥＡ部材を挟み込むように該ＭＥＡ部材の両面に積層され、前記電極と当接する領域に反応ガス流路が設けられた一対のセパレータとを、備えるものである。

上記構成のＭＥＡ部材及び固体高分子形燃料電池は、枠体の一部を摘んで引っ張ることで切取線に沿って枠体の一部を切り取る或いは破壊することができる。よって、特別の工具を使用せずに、しかも、ＭＥＡを傷つけることなく、ＭＥＡと枠体とを簡易に分離させることができる。

前記枠体は、前記高分子電解質膜の厚み方向に貫通するマニホールド孔と、前記マニホールド孔を囲むように前記枠体上に配置されたマニホールド孔用ガスケットと、前記電極を囲むように前記枠体上に配置された電極用ガスケットとを、有し、前記切取線は、前記ＭＥＡの周縁部に沿うようにして設けられているとともに、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記枠体の前記電極用ガスケットが形成された部分を含めてこれよりも外周側で、且つ、前記マニホールド孔用ガスケットが形成された部分を含めてこれよりも内周側に、設けられていることがよい。

これにより、切取線を利用して枠体の一部分を切り取る或いは破壊すると、効率的にＭＥＡを挟持している力が弱まり、より容易にＭＥＡを抜き出すことができる。

また、前記切取線は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記枠体の前記枠体と前記ＭＥＡの周縁部とが重なっている部分に沿って設けられ、前記ＭＥＡの周縁部にまで達する複数の切れ目で形成されていることがよい。

これにより、切取線を利用して枠体のＭＥＡを挟持している部分を切り取る或いは破壊することができるので、ＭＥＡを挟持している力が効果的に弱まり、より容易にＭＥＡを抜き出すことができる。

上記ＭＥＡ部材において、前記複数の切れ目の少なくとも一部は、前記電極用ガスケット又は前記マニホールド孔用ガスケットにより埋められていてもよい。

これにより、切取線を形成している切れ目にガスケットの一部分が嵌り込んで、枠体とガスケットとの接合性が高まる。また、切取線を、枠体にガスケットを設けるための溝として利用することができる。

上記ＭＥＡ部材において、前記複数の切れ目は、前記枠体の第一の主面と第二の主面とに交互に連続して設けられていてよい。或いは、前記複数の切れ目は、前記枠体の第一の主面及び第二の主面のうちいずれか一方に設けられていてもよい。又は、前記複数の切れ目は、前記枠体の第一の主面及び第二の主面の両側に、前記ＭＥＡの周縁部を間に挟んで対向して設けられていてもよい。

また、上記ＭＥＡ部材において、前記ＭＥＡの周縁部に前記高分子電解質膜が露出しており、前記ＭＥＡの周縁部において、前記枠体と前記高分子電解質膜とが接触していてよい。或いは、前記ＭＥＡ部材は、前記高分子電解質膜の周縁部に膜補強部材が設けられており、前記ＭＥＡの周縁部において、前記枠体と前記膜補強部材とが接触していてもよい。

本発明は、以下に示すような効果を奏する。

本発明によれば、枠体の一部を摘んで引っ張ることで切取線に沿って枠体の一部を切り取る或いは破壊することができる。枠体の一部が破壊されると、枠体からＭＥＡに作用するＭＥＡを挟持している力が弱まり枠体からＭＥＡを容易に抜き出すことができるようになる。よって、特別の工具を使用せずに、ＭＥＡを傷つけることなくＭＥＡと枠体とを簡易に分離させることができる。

本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池を一部分解してその構造を模式的に示す斜視図である。 固体高分子形燃料電池を一部分解してセパレータ間に設けられた冷却水供給流路の構造を示す斜視図である。 ＭＥＡ部材をカソード側の主面から見た図である。 ＭＥＡ部材をアノード側の主面から見た図である。 図３におけるＶ−Ｖ矢視断面図である。 ＭＥＡの構造を示す断面図である。 ＭＥＡの別態様１の構造を示す断面図である。 ＭＥＡの別態様２の構造を示す断面図である。 ＭＥＡの別態様３の構造を示す断面図である。 枠体に設けた切取線を説明するＭＥＡ部材をカソード側の主面から見た図である。 枠体に設けた切取線を説明するＭＥＡ部材の部分図である。 図１１におけるXII−XII矢視端面断面図である。 図１１におけるXIII−XIII矢視端面断面図である。 切取線を利用して枠体の一部を切り取っている様子を示す図である。 枠体に設けた切取線の変形例１を説明するＭＥＡ部材の部分図である。 図１５におけるXVI−XVI矢視端面断面図である。 枠体に設けた切取線の変形例２を説明するＭＥＡ部材の部分図である。 図１７におけるXVIII−XVIII矢視端面断面図である。 枠体に設けた切取線の変形例３を説明するＭＥＡ部材をカソード側の主面から見た図である。 枠体の成形工程を説明する図である。 枠体に設けた部分狭持部を説明するＭＥＡ部材をカソード側の主面から見た図である。 枠体に設けた部分狭持部を説明するＭＥＡ部材をアノード側の主面から見た図である。 図２１におけるXXIII−XXIII矢視端面断面図である。 図２１におけるXXIV−XXIV矢視端面断面図である。 ＭＥＡ部材の別態様の構造を示す断面図である。 固体高分子形燃料電池を用いた発電システムの概要を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る枠付き膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池について説明する。以下、膜−電極接合体を「ＭＥＡ」と、枠付き膜−電極接合体を「ＭＥＡ部材」と、固体高分子形燃料電池を「ＰＥＦＣ」と記載する。

〔ＰＥＦＣの構成〕
まず、ＰＥＦＣの構成を説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る固体高分子形燃料電池を一部分解してその構造を模式的に示す斜視図、図２は固体高分子形燃料電池を一部分解してセパレータ間に設けられた冷却水供給流路の構造を示す斜視図、図２６は固体高分子形燃料電池を用いた発電システムの概要を示す図である。

図１，２，２６に示すように、ＰＥＦＣのセルスタック９９は、高電圧を取り出せるようにするために、直列に積層された複数の単セル１０，１０，，，を備えている。これらの単セル１０，１０，，，の積層方向両側には、電気出力端子８１ａが設けられた集電板８１、絶縁板８２、及び端板８３がそれぞれ順に積層されている。この積層体は、積層方向両端部に配置された端板８３，８３により積層方向両側から圧縮する方向に加圧された状態で、ボルト及びナット（いずれも図示略）を用いて締結されている。

〔単セル１０〕
ここで、セルスタック９９の基本構成単位となる単セル１０の構造について説明する。単セル１０は、ＭＥＡ部材７と、ＭＥＡ部材７を挟み込むようにその両方の主面に積層されたアノード側セパレータ９及びカソード側セパレータ８の一対のセパレータとを備えている。

図３はＭＥＡ部材をカソード側の主面から見た図、図４はＭＥＡ部材をアノード側の主面から見た図、図５は図３におけるＶ−Ｖ矢視断面図である。図３〜５にも示すように、ＭＥＡ部材７は、高分子電解質膜２及び高分子電解質膜２の両方の主面に周縁部を除いて積層されたアノード３及びカソード４の一対の電極３，４を有するＭＥＡ５と、高分子電解質膜２の周縁部を挟持することによって枠内にＭＥＡ５の電極が配設された板状の枠体６とを備えている。アノード３及びカソード４は、高分子電解質膜２に接触している触媒層３ａ，４ａと、触媒層３ａ，４ａを覆っているガス拡散層３ｂ，４ｂとを、それぞれに備えている。ＭＥＡ部材７の構成については、後ほど詳述する。

ＭＥＡ部材７の枠体６、アノード側セパレータ９、及びカソード側セパレータ８には、ボルト孔１７，２７，３７、燃料ガス供給マニホールド孔１１，２１，３１、燃料ガス排出マニホールド孔１２，２２，３２、酸化剤ガス供給マニホールド孔１３，２３，３３、酸化剤ガス排出マニホールド孔１４，２４，３４、冷却水供給マニホールド孔１５，２５，３５、及び冷却水排出マニホールド孔１６，２６，３６が、それぞれをその主面において貫通するように設けられている。燃料ガス供給マニホールド孔１１，２１，３１と燃料ガス排出マニホールド孔１２，２２，３２とは、セルスタック９９の状態において連なって、それぞれ燃料ガス供給マニホールド９１と燃料ガス排出マニホールド９２とを形成している。酸化剤ガス供給マニホールド孔１３，２３，３３と酸化剤ガス排出マニホールド孔１４，２４，３４とは、セルスタック９９の状態において連なって、それぞれ酸化剤ガス供給マニホールド９３と酸化剤ガス排出マニホールド９４とを形成している。冷却水供給マニホールド孔１５，２５，３５と冷却水排出マニホールド孔１６，２６，３６とは、セルスタック９９の状態において連なって、それぞれ冷却水供給マニホールド９５と冷却水排出マニホールド９６とを形成している。

アノード側セパレータ９の、ＭＥＡ５のアノード３のガス拡散層３ｂに接触する面には、燃料ガス供給マニホールド孔２１と燃料ガス排出マニホールド孔１２との間を結ぶようにして、燃料ガス流路溝２８が設けられている。燃料ガス流路溝２８は、アノード側セパレータ９のＭＥＡ５が当接する略全面にわたってサーペンタイン状に形成されている。この燃料ガス流路溝２８は、積層された状態の単セル１０のＭＥＡ部材７とアノード側セパレータ９との間に、燃料ガス供給マニホールド孔２１と燃料ガス排出マニホールド孔２２とを結ぶ燃料ガス流路９８を形成している。

一方、カソード側セパレータ８の、ＭＥＡ５のカソード４のガス拡散層４ｂに接触する面には、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３と酸化剤ガス排出マニホールド孔３４との間を結ぶようにして、酸化剤ガス流路溝３８が設けられている。酸化剤ガス流路溝３８は、カソード側セパレータ８のＭＥＡ５が当接する略全面にわたってサーペンタイン状に形成されている。この酸化剤ガス流路溝３８は、積層された状態の単セル１０のＭＥＡ部材７とカソード側セパレータ８との間に、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３と酸化剤ガス排出マニホールド孔３４とを結ぶ酸化剤ガス流路９７を形成している。

また、図２に示すように、アノード側セパレータ９のカソード側セパレータ８と接触する面には、冷却水供給マニホールド孔２５と冷却水排出マニホールド孔２６との間を結ぶようにして、サーペンタイン状に形成された冷却水流路溝２９が設けられている。また、カソード側セパレータ８のアノード側セパレータ９と接触する面には、冷却水供給マニホールド孔３５と冷却水排出マニホールド孔３６との間を結ぶようにして、サーペンタイン状に形成された冷却水流路溝３９が設けられている。これらの冷却水流路溝２９，３９は、セルスタック９９において接合するように配置され、単セル１０，１０同士の積層面間に冷却水供給マニホールド孔２５，３５と冷却水排出マニホールド孔２６，３６とを結ぶ冷却水流路を形成している。

なお、セパレータ８，９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の切削したもの、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したものなどが、一般的に用いられる。

〔ＰＥＦＣの発電時の動作〕
ここで、上記構成のＰＥＦＣの発電時の動作について説明する。図２６に示すように、セルスタック９９には、水素を含む燃料ガスが供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド９１に導入され、さらに、各単セル１０の燃料ガス流路９８を流れるうちにＭＥＡ５のアノード３に供給され、余剰の燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド９２を通じてセルスタック９９の外へ排出される。また、セルスタック９９には、酸素を含有する酸化剤ガス（ここでは、空気）が供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド９３に導入され、さらに、各単セル１０の酸化剤ガス流路９７を流れるうちにＭＥＡ５のカソード４に供給され、余剰の酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出マニホールド９４を通じてセルスタック９９の外へ排出される。このようにして、ＭＥＡ５に燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されると、これらが電極３，４で電気化学的に反応して、電気と熱と水とが発生する。

ＰＥＦＣで発生した熱は、冷却水タンク８５、セルスタック９９の冷却水供給マニホールド９５、各単セル１０，１０間の冷却水流路、及び冷却水排出マニホールド９６の順に循環している冷却水に回収される。冷却水の循環路には、熱交換器８６が設けられており、冷却水に回収された熱は、熱交換器８６と貯湯タンク８７を循環している水へ移動して、貯湯タンク８７に湯となって貯えられる。一方、ＰＥＦＣで発生した電気は、出力制御装置８８により集電板８１の電気出力端子８１ａから取り出されて、電力負荷に供給される。

〔ＭＥＡ部材７〕
ここで、ＭＥＡ部材７の構成について、詳細に説明する。図３はＭＥＡ部材をカソード側の主面から見た図、図４はＭＥＡ部材をアノード側の主面から見た図、図５は図３におけるＶ−Ｖ矢視断面図、図６はＭＥＡの構造を示す断面図である。

まず、ＭＥＡ部材７の核となるＭＥＡ５の構成について説明する。図３〜６に示すように、ＭＥＡ５は、高分子電解質膜２と、高分子電解質膜２の第一の主面に積層されたアノード３と、第二の主面に積層されたカソード４とで構成されている。本実施の形態においては、高分子電解質膜２は略四辺形であり、アノード３及びカソード４の各電極３，４も略四辺形あって、高分子電解質膜２は四辺の周縁部を残して電極３，４で覆われている。

高分子電解質膜２は、水素イオンを選択的に透過すると考えられているイオン交換膜である。高分子電解質膜２には、ＮＡＦＩＯＮ（ＮＡＦＩＯＮはイー アイ デュポン ドゥ ヌムール アンド カンパニーの登録商標）に例示されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が好適である。

アノード３は、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３ａと、通気性と電子伝導性を併せ持つガス拡散層３ｂとを積層して備えている。一方、カソード４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４ａと、通気性と電子伝導性を併せ持つガス拡散層３ｂとを積層して備えている。このような構成を有するＭＥＡ５は、一般的には、高分子電解質膜２上に、触媒層３ａ，４ａ及びガス拡散層３ｂ，４ｂを順次塗布又は転写等の方法により形成して製造される。

なお、図６に示すように、ＭＥＡ５の周縁部は、そのまま高分子電解質膜２が露出した状態としてもよいが、薄膜状の高分子電解質膜２の保護と補強を図るために、樹脂又はエラストマーで成る保護膜７１を高分子電解質膜保護部材として設けることもできる。ＭＥＡ５に保護膜７１を備える場合は、ＭＥＡ５の周縁部の表面には、高分子電解質膜２ではなく、保護膜７１が表れていることとなる。

図７はＭＥＡの別態様１の構造を示す断面図、図８はＭＥＡの別態様２の構造を示す断面図、図９はＭＥＡの別態様３の構造を示す断面図である。保護膜７１は、例えば、図７に示すように、高分子電解質膜２の厚み方向から見た場合に、電極３，４の周縁部と一部重複して、高分子電解質膜２の両方の主面の周縁部を覆うように設けることができる。また、保護膜７１は、図８に示すように、略矩形枠状であって、積層された電極３，４の間に露出している高分子電解質膜と接合された形態のものであってもよい。このような保護膜７１は、例えば、特開平５−２３４６０６号公報に記載された技術を応用して作成することができる。或いは、保護膜７１は、図９に示すように、高分子電解質膜２の電極３，４で覆われていない周縁部をすっぽり覆うような形態のものであってもよい。このような保護膜７１は、例えば、特表平７−５０１４１７号公報に記載された技術を応用して作成することができる。

次に、枠体６の構造について説明する。枠体６は、セパレータ８，９間でＭＥＡ５を封止するガスケットシールとしての機能と、ＭＥＡ５の取扱性を良好とする保持部材としての機能とを有している。

枠体６は、面の略中央部に略矩形の開口６０を有する薄板状の略矩形状枠であり、開口６０内（枠内）にＭＥＡ５が配設されている。枠体６は、アノード側セパレータ９に当接する第一面材６ａと、カソード側セパレータ８に当接する第二面材６ｂとの、厚み方向に二分割構造を有している。そして、第一面材６ａと第二面材６ｂとが、ＭＥＡ５の周縁部を間に挟み込んで挟持することにより、枠体６の開口６０に電極３，４が露出した状態で枠体６にＭＥＡ５が保持される。

枠体６の少なくともセパレータ８，９と接触する面は、弾性を有する材料で構成されていることが望ましい。本実施の形態において、枠体６は、熱可塑性樹脂で構成されている。さらに、枠体６の両側の主面には、ガスケット７３が設けられている。枠体６及びガスケット７３は、ＭＥＡ部材７がセパレータ８，９の間で加圧されると、弾性変形してセパレータ８，９に密着する。このようにして、枠体６は、セパレータ８，９とＭＥＡ５との間で反応ガス及び冷却水を互いに及び外部に対して封止するガスケットシールとして機能する。

ガスケット７３は、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応ガス、並びに冷却水が、所定の流路から漏出しないように枠体６上に配置されている。具体的には、ガスケット７３は、枠体６のそれぞれの主面において、各マニホールド孔（燃料ガス供給マニホールド孔１１、燃料ガス排出マニホールド孔１２、酸化剤ガス供給マニホールド孔１３、酸化剤ガス排出マニホールド孔１４、冷却水供給マニホールド孔１５、及び冷却水排出マニホールド孔１６）を包囲する位置に形成されたマニホールド孔用ガスケット７３ａと、枠体６の内周部においてＭＥＡ５の電極３，４を包囲する位置に形成された電極用ガスケット７３ｂとが、設けられている。なお、本実施の形態において、マニホールド孔用ガスケット７３ａと電極用ガスケット７３ｂとは、ガスケットの切れ目がなくなるように一繋がりに形成されているが、ガスケットの機能及び位置に応じてマニホールド孔用ガスケット７３ａと電極用ガスケット７３ｂとを呼び分けることとする。

さらに、枠体６は、枠体６からＭＥＡ５を分離するための分離部、ここでは枠体６を２つ以上の部分に分割するための破線状の切取線５０を有している。図１０は枠体に設けた切取線を説明するＭＥＡ部材をカソード側の主面から見た図、図１１は枠体に設けた切取線を説明するＭＥＡ部材の部分図、図１２は図１１におけるXII−XII矢視端面断面図、図１３は図１１におけるXIII−XIII矢視端面断面図、図１４は切取線を利用して枠体の一部を切り取っている様子を示す図である。

図１０に示すように、本発明において枠体６に設けられる「切取線５０」とは、線を描くように所定間隔をおいて設けられた複数の切れ目をいう。ここで「切れ目」は、枠体の表面に設けられた穴をいい、穴は凹部でも貫通孔でもよい。また、個々の切れ目の形状は特に限定されず、例えば、ＭＥＡ部材７の主面側（高分子電解質膜２の厚み方向）から見て、長方形であってもよく、菱形であってもよく、円形であってもよい。この切取線５０は、一端又は両端が枠体６の内周縁又は外周縁と繋がっていることが望ましい。このような切取線５０を利用すれば、例えば、図１４に示すように、枠体６の一部（Ｔ）を切り取ることができる。但し、必ずしも切取線５０の一端又は両端が枠体６の内周縁又は外周縁と繋がっている必要はなく、切取線５０を利用して枠体６の一部を裂くことによって、枠体６の一部を破壊することができればよい。つまり、切取線５０は枠体６を２つ以上の部分に分割できる線であることが望ましいが、必ずしもその必要はなく、枠体６の一部を破壊できる線であればよい。

切取線５０は、ＭＥＡ部材７の主面側（高分子電解質膜２の厚み方向）から見て、枠体６の、枠体６とＭＥＡ５の周縁部とが重なっている部分に設けられている。なお、図１０及び図１１に示す切取線５０は、ＭＥＡ部材７の主面側から見て、電極用ガスケット７３ｂと重複する位置に設けられている。

そして、図１２に示すように、切取線５０を形成している複数の切れ目７５，７５，，，は、枠体６に挟持されているＭＥＡ５の周縁部が底に表れる深さを有している。つまり、切れ目７５，７５，，，は、ＭＥＡ５の周縁部にまで達している。ここで、ＭＥＡ５の周縁部に高分子電解質膜２が露出している場合は、切れ目７５の底に表れるのは高分子電解質膜２であり、ＭＥＡ５の周縁部が保護膜７１で被覆されている場合は、切れ目７５の底に表れるのは保護膜７１である。

図１２及び図１３（ａ）に示すように、切取線５０を形成している複数の切れ目７５，７５，，，は、枠体６の第一の主面と第二の主面の両方の主面に開口し、ＭＥＡ５を挟んで対向している。但し、切取線５０は、必ずしも枠体６の第一の主面と第二の主面の両方に設ける必要はなく、一方のみであってもよい。例えば、図１３（ｂ）に示すように、切取線５０を形成している切れ目７５が、枠体６の第一の主面側のみ、或いは枠体６の第二の主面側にのみに開口していてもよい。このように枠体６の片面側にのみ切取線５０を設けることによれば、枠体６の剛性の低下を抑制しつつ、切取線を設けることができる。また、切取線５０を形成している切れ目７５は、必ずしもＭＥＡ５を介して対向している必要はない。例えば、図１３（ｃ）に示すように、枠体６の第一の主面側と、第二の主面側に交互に連続して切れ目７５を設けることもできる。

このような切取線５０が枠体６に設けられているので、切り取られる側となる枠体６の一部を摘んで引っ張ると、枠体６は切取線５０で裂かれるので、枠体６のＭＥＡ５の周縁部を挟持している一部を切り取る或いは破壊することができる。枠体６のＭＥＡ５の周縁部を挟持している一部が破壊されると、枠体６からＭＥＡ５に作用しているＭＥＡ５が挟持されている力が一部又は全部開放されるので、ＭＥＡ５を枠体６から取り出し易い状態となる。よって、特別の工具を使用せずに、ＭＥＡ５を傷つけることなくＭＥＡ５と枠体６とを簡易に分離させることができる。

なお、切取線５０は、ＭＥＡ部材７の主面側から見て、枠体６の電極用ガスケット７３ｂが形成された部分を含めてこれよりも外周側で、且つ、マニホールド孔用ガスケット７３ａが形成された部分を含めてこれよりも内周側に、設けることが望ましい。このような位置に切取線５０を設けることによれば、切取線５０で枠体６を裂くことによって、枠体６のＭＥＡ５を挟持している部分が破壊されて、ＭＥＡ５を把持している力が直接的に弱まる。よって、ＭＥＡ５を枠体６からよりスムースに取り出すことができる。

図１５は枠体に設けた切取線の変形例１を説明するＭＥＡ部材の部分図、図１６は図１５におけるXVI−XVI矢視端面断面図、図１７は枠体に設けた切取線の変形例２を説明するＭＥＡ部材の部分図、図１８は図１７におけるXVIII−XVIII矢視端面断面図である。例えば、図１５及び図１６に示す切取線５０は、ＭＥＡ部材７の主面側から見て、枠体６のマニホールド孔用ガスケット７３ａと電極用ガスケット７３ｂとで挟まれた部分に、設けられている。また、例えば、図１７及び図１８に示す切取線５０は、ＭＥＡ部材７の主面側から見て、枠体６のマニホールド孔用ガスケット７３ａと重なる部分に、切取線５０が設けられている。

そして、図１２及び図１８に示すように、ＭＥＡ部材７の主面側から見て、切取線５０がガスケット７３と重なっている場合には、この切れ目をガスケット材料により埋めることができる。これにより、切れ目に流れ込んだガスケット７３の一部分により枠体６とガスケット７３との接合性の向上が期待できる。さらに、枠体６にガスケット７３を設ける際に、枠体６にガスケット７３を保持するための溝を形成することがあるが、切取線５０をこの溝として利用することができる。

なお、上述の切取線５０は、何れもＭＥＡ５の電極３，４を囲むように環状に枠体６に設けられているが、必ずしも環状に設ける必要はない。図１９は枠体に設けた切取線の変形例３を説明するＭＥＡ部材をカソード側の主面から見た図である。例えば、図１９に示すように、切取線５０は、枠体６の内周縁と外周縁とを繋ぐ線であってもよい。

〔枠体の成形方法〕
次に、ＭＥＡ５に切取線５０を有する枠体６を射出成形により成形する方法について、説明する。図２０は枠体の成形工程を説明する図である。

図２０（ａ）に示すように、枠体６を成形する金型５８は、固定型６２と、図示せぬ成形機に取り付けられて固定型６２に対して進退移動可能な可動型６１とを備えている。可動型６１にはガイドピン６３が設けられ、固定型６２にはガイドピンブッシュ６４が設けられて、ガイドピンブッシュ６４にガイドピン６３が挿入されてガイドされることにより、可動型６１が固定型６２に対して所定方向に進退移動することができる。固定型６２には成形品の造形面６６ａを有する第一成形型（図示略）が固定されたキャビティプレート６６が取り付けられ、可動型６１には成形品の造形面６５ａを有する第二成形型（図示略）が固定されたコアプレート６５が取り付けられている。そして、キャビティプレート６６とコアプレート６５とが合わさることによってこれらの間に造形面６６ａ，６５ａで囲まれたキャビティが形成される。また、コアプレート６５には、材料樹脂が流れる流路であるランナー６７とゲート６８が設けられている。また、固定型６２には、キャビティプレート６６の造形面にある成形品を取り出すためのエジェクタピン５９が設けられている。

上記構成の金型５８を用いた枠体６の成形方法を説明するに当たって、枠体６の第一面材６ａは予め成形されているものとする。第一面材６ａは、射出成形に限定されず、他の成形手法によって成形することもできる。

先ず、図２０（ｂ）に示すように、第一面材６ａがキャビティプレート６６の造形面６６ａの所定位置に載置される。次に、図２０（ｃ）に示すように、キャビティプレート６６の造形面６６ａに載置された第一面材６ａにＭＥＡ５の周縁部が接触するように、第一面材６ａ上にＭＥＡ５が載置される。続いて、図２０（ｄ）に示すように、固定型６２に対して可動型６１が近づく方向に移動して、型締めが行われる。ここで、キャビティプレート６６に対してコアプレート６５が圧接されて、キャビティプレート６６とコアプレート６５との間にキャビティが形成される。

上述のように型締めされた状態で、キャビティに保持されているＭＥＡ５の周縁部は、コアプレート６５の造形面６５ａに形成された押圧部６９と、キャビティプレート６６の造形面６６ａにより挟まれて、固定されている。この押圧部６９は、切取線５０を描く複数の切れ目７５，７５，，，を形成するように設けられた凸部である。この状態で、高温高圧の材料樹脂がキャビティ内に注入されることとなるが、キャビティにおいてＭＥＡ５の周縁部の一部は、押圧部６９により押圧されて固定された状態となっているため、浮き上がりや捲れ上がりが抑制される。

そして、図２０（ｅ）に示すように、型締めされた金型５８において、ランナー６７に材料樹脂が射出される。材料樹脂はランナー６７を通ってゲート６８を通過し、キャビティに流れ込んで、キャビティに材料樹脂が充填される。ダイタイムが経過したのち、図２０（ｆ）に示すように、固定型６２に対して可動型６１が離れる方向に移動して型開きされ、さらに、エジェクタピン５９により型から成形品が離型されて、金型５８から取り出される。

上記の射出成形工程により、枠体６の第一面材６ａと第二面材６ｂとの間に、ＭＥＡ５の周縁部が挟持された状態の、ＭＥＡ部材７が成形される。ここで、第二面材６ｂには、ＭＥＡ５の表面まで貫通する穴が、造形面６５ａの押圧部６９の跡として形成される。この穴は、切取線５０を形成する切れ目７５となる。

（参考の形態）
次に、図２１〜２４を参照しながら、本発明の参考の形態に係るＭＥＡ部材（枠付き膜−電極接合体）について説明する。なお、参考の形態に係るＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）については、ＭＥＡ部材以外は実施の形態１に係るＰＥＦＣと同じ構成であるため、参考の形態に係るＰＥＦＣについての説明は省略する。図２１は参考の形態に係るＭＥＡ部材をカソード側の主面から見た図、図２２は参考の形態に係るＭＥＡ部材をアノード側の主面から見た図、図２３は図２１におけるXXIII−XXIII矢視端面断面図、図２４は図２１におけるXXIV−XXIV矢視端面断面図である。なお、これらの図では、図１０等で図示していたガスケット７３は省略されている。

図２１に示すように、参考の形態に係るＭＥＡ部材７は、ＭＥＡ５と、枠体６と、分離部とを有しており、この点で、実施の形態１に係るＭＥＡ部材と共通する。ただし、実施の形態１に係るＭＥＡ部材７は分離部が切取線５０であったのに対し、参考の形態に係るＭＥＡ部材７は分離部が部分狭持部５５である点で、両者は構成が異なる。以下、参考の形態に係るＭＥＡ部材７の構成のうち、実施の形態１との相違点である分離部（部分狭持部５５）の構成について説明する。

上述のように、参考の形態では、分離部は部分狭持部５５である。図２１及び２２に示すように、部分狭持部５５は、枠体６の内周部分に形成されており、ＭＥＡ５の周縁部を部分的に狭持するよう構成されている。ここでいう「部分的に狭持する」とは、当該箇所の全面を狭持するような場合を除く趣旨であって、部分的に見た場合に狭持されている部分と狭持されていない部分とが混在する場合は、この「部分的に狭持する」に該当する。

また、部分狭持部５５は、図２１に示す第１突出片５６と、図２２に示す第２突出片５７とから主に構成されている。

第１突出片５６は、図２１に示すように、枠体６の内周部分の全周に渡って複数形成されている。各第１突出片５６は枠体６の内周部分から内方へ突出しており、また、所定の間隔をおいて連続的に形成されている。第１突出片５６は、先端部分の幅が基端部分の幅よりも大きいＴ字状の形状を有しており、また、基端がＭＥＡ５の外縁に一致するように構成されている（図２３参照）。そして、図２４に示すように、第１突出片５６は枠体のＭＥＡのカソード側（図２４の紙面上側）に位置している。なお、酸化剤ガス供給マニホールド孔１３及び酸化剤ガス排出マニホールド孔１４の付近には幅広の長方形状の第１突出片５６が形成されているが、これは酸化剤ガス供給マニホールド孔１３から酸化剤ガス排出マニホールド孔１４への酸化剤ガスの流れの障害になるのを防ぐためである。

一方、第２突出片５７もまた、図２２に示すように、枠体６の内周部分の全周に渡って複数形成されている。各第２突出片５７は枠体６の内周部分から内方へ突出しており、また、所定の間隔をおいて連続的に形成されている。第２突出片５７は、先端部分の幅が基端部分の幅よりも大きいＴ字状の形状を有しており、また、基端がＭＥＡ５の外縁に一致するように構成されている。そして、図２４に示すように、第２突出片５７は枠体６のＭＥＡ５のアノード側（図２４の紙面下側）に位置している。なお、燃料ガス供給マニホールド孔１１及び燃料ガス排出マニホールド孔１２の付近には幅広の長方形状の第２突出片５７が形成されているが、これは燃料ガス供給マニホールド孔１１から燃料ガス排出マニホールド孔１２への燃料ガスの流れの障害になるのを防ぐためである。

そして、図２４に示すように、第１突出片５６と第２突出片５７とはＭＥＡ５（高分子電解質膜２）の周縁部に沿って（枠体６の周方向において）交互に配設されている。厳密に言えば、ＭＥＡ部材７の主面側から見たとき、第１突出片５６と第２突出片５７とは交互に配設されており、第１突出片５６の側縁部分と第２突出片５７の側縁部分とが重なるように形成されている。このように、ＭＥＡ５は第１突出片５６と第２突出片５７とによって狭持されているが、ＭＥＡ５は周縁部の「全面」において第１突出片５６又は第２突出片５７に接しているわけではない。つまり、ＭＥＡ５の周縁部は、第１突出片５６及び第２突出片５７によって「部分的」に狭持されているのである。なお、図２４では、第１突出片５６と第２突出片５７によってＭＥＡ５の高分子電解質膜２を直接狭持するように図示されているが、図７〜９に示すようにＭＥＡ５の周縁部が保護膜７１によって覆われている場合には、第１突出片５６及び第２突出片５７は保護膜７１を介してＭＥＡ５を狭持することになる。

以上のように、参考の形態においては、第１突出片５６と第２突出片５７とによるＭＥＡ５の狭持は部分的なものとなるが、全体的に見ればＭＥＡ５は周縁部の全周に渡って狭持されていることから、ＭＥＡ５の厚み方向における移動は確実に制限される。一方、ＭＥＡ５は部分的に狭持されていることから、ＭＥＡ５の周縁部全体が狭持されている場合に比べ、ＭＡＥ５が狭持される部分の面積が小さくなり、厚み方向に対して垂直な方向へはＭＥＡ５を容易に引き抜くことができる。特に、第１突出片５６と第２突出片５７とが交互に配設されている場合には、その効果は顕著である。そのため、例えば、ＭＥＡ部材７全体を撓ませながらＭＥＡ５を枠体６（部分狭持部５５）から引き抜こうとする場合、ＭＥＡ５を枠体６から容易に取り除くことができる。

以上が、参考の形態に係るＭＥＡ部材７、特に分離部（部分狭持部５５）の構成である。なお、参考の形態に係るＭＥＡ部材７は、実施の形態１に係るＭＥＡ部材７と同様に二分割構造を採用することで、図２０で示す射出成形工程により製造することが可能である。つまり、枠体６のアノード側の部分（第２突出片５７も含む）に相当する第一面材６ａを予め製造しておき（図２０（ｂ）参照）、その上にＭＥＡ５を載置し（図２０（ｃ）参照）、さらにその上に枠体６のカソード側の部分（第１突出片５６も含む）に相当する第二面材６ｂを射出成形により成形する（図２０（ｄ）及び（ｅ）参照）。これにより、枠体６の第一面材６ａと第二面材６ｂとの間に（第１突出片５６と第２突出片５７との間に）ＭＥＡ５の周縁部が狭持された状態のＭＥＡ部材７が形成される。

なお、図２５に示すように、枠体６の内周部分の全体を樹脂又はエストラマーから成る薄膜７２で覆うのが望ましい。ここで「内周部分の全体」とは、第１突出片５６、ＭＥＡ５の周縁部の第１突出片５６と第１突出片５６との間から見える部分、第２突出片５７、及びＭＥＡ５の周縁部の第２突出片５７と第２突出片５７との間から見える部分を含む領域である。薄膜７２は、ＭＥＡ５と枠体６の間に生じる隙間をふさぐことができるとともに、第１突出片５６や第２突出片５７が使用中に折れたり、ＭＥＡ５が枠体６内でぐらついたりするのを防ぐことができる。なお、枠体６からＭＥＡ５を取り外す際には、はじめに薄膜７２を除去する必要があるが、上記の薄膜７２は容易に剥し取ることができるため、作業上大きな負担にはならない。

また、以上では、第１突出片５６や第２突出片５７がＴ字状である場合について説明したが、第１突出片５６や第２突出片５７の形状はこれに限られるものではなく、例えば、各々が基端から先端まで幅が同じである長方形状に形成されていてもよい。ただし、第１突出片５６や第２突出片５７がＴ字状であれば、長方形である場合に比べ材料を削減することができる。

また、以上では、第１突出片５６と第２突出片５７が枠体６の周方向において交互に配設されている場合について説明したが、必ずしも交互に配設する必要はなく、ＭＥＡ部材７の主面側から見たとき、第１突出部５６と第２突出部５７とが全部又は一部が重なるように構成されていてもよい。

また、以上では、第１突出片５６及び第２突出片５７の基端がＭＥＡ５の外縁に一致する場合について説明したが、第１突出片５６及び第２突出片５７の基端がＭＥＡ５の外縁よりも内側に位置するように構成してもよい。つまり、ＭＥＡ５の周縁部が図２３に示す場合よりも枠体６の内部に食い込むように構成してもよい。かかる構成によれば、ＭＥＡ５と枠体６との間に隙間が生じるのを防ぐことができる。

以上、本発明に係る実施の形態１及び参考の形態について図を参照して説明したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

本発明は、高分子電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）と枠体から成るＭＥＡ部材、及びこのＭＥＡ部材を備えている固体高分子形燃料電池において、枠体からＭＥＡを分離回収可能な構造を有するＭＥＡ部材として、広く応用することができる。

２ 高分子電解質膜
３ アノード
４ カソード
５ ＭＥＡ（膜−電極接合体）
６ 枠体
７ ＭＥＡ部材
８ カソード側セパレータ
９ アノード側セパレータ
１０ 単セル
１１ 燃料ガス供給マニホールド孔
１２ 燃料ガス排出マニホールド孔
１３ 酸化剤ガス供給マニホールド孔
１４ 酸化剤ガス排出マニホールド孔
１５ 冷却水供給マニホールド孔
１６ 冷却水排出マニホールド孔
１７ ボルト孔
５０ 切取線
５５ 部分狭持部
５６ 第１突出片
５７ 第２突出片
７２ 薄膜
７３ ガスケット
７３ａ マニホールド孔用ガスケット
７３ｂ 電極用ガスケット
７５ 切れ目

Claims (11)

1. 高分子電解質膜及び該高分子電解質膜の主面の両側に配置された一対の電極を有するＭＥＡと、
   前記ＭＥＡの主面の周縁部を両側から挟み込んで保持することによって枠内に前記ＭＥＡが配設された樹脂製の板状の枠体と、
   前記枠体から前記ＭＥＡを分離するための分離部とを、有し、
   前記分離部は、前記枠体に設けられた、前記枠体を２つ以上の部分に分割するための破線状の切取線であり、
   前記切取線は、線を描くように所定間隔をおいて設けられた複数の枠体の表面に設けられた穴からなる、
   ＭＥＡ部材。
2. 前記枠体は、前記高分子電解質膜の厚み方向に貫通するマニホールド孔と、前記マニホールド孔を囲むように前記枠体上に配置されたマニホールド孔用ガスケットと、前記電極を囲むように前記枠体上に配置された電極用ガスケットとを、有し、
   前記切取線は、前記ＭＥＡの周縁部に沿うようにして設けられているとともに、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記枠体の前記電極用ガスケットが形成された部分を含めてこれよりも外周側で、且つ、前記マニホールド孔用ガスケットが形成された部分を含めてこれよりも内周側に、設けられている、
   請求項１に記載のＭＥＡ部材。
3. 前記切取線は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記枠体の前記枠体と前記ＭＥＡの周縁部とが重なっている部分に設けられ、前記ＭＥＡの周縁部にまで達する複数の切れ目で形成されている、
   請求項２に記載のＭＥＡ部材。
4. 前記複数の切れ目の少なくとも一部は、前記電極用ガスケット又は前記マニホールド孔用ガスケットにより埋められている、
   請求項３に記載のＭＥＡ部材。
5. 前記複数の切れ目は、前記枠体の第一の主面と第二の主面とに交互に連続して設けられている、
   請求項３又は請求項４に記載のＭＥＡ部材。
6. 前記複数の切れ目は、前記枠体の第一の主面及び第二の主面のうちいずれか一方に設けられている、
   請求項３又は請求項４に記載のＭＥＡ部材。
7. 前記複数の切れ目は、前記枠体の第一の主面及び第二の主面の両側に、前記ＭＥＡの周縁部を間に挟んで対向して設けられている、
   請求項３又は請求項４に記載のＭＥＡ部材。
8. 前記ＭＥＡの周縁部に前記高分子電解質膜が露出しており、
   前記ＭＥＡの周縁部において、前記枠体と前記高分子電解質膜とが接触している、
   請求項１に記載のＭＥＡ部材。
9. 前記高分子電解質膜の周縁部に膜補強部材が設けられており、
   前記ＭＥＡの周縁部において、前記枠体と前記膜補強部材とが接触している、
   請求項１に記載のＭＥＡ部材。
10. 請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載のＭＥＡ部材と、
    前記ＭＥＡ部材を挟み込むように該ＭＥＡ部材の両面に積層され、前記電極と当接する領域に反応ガス流路が設けられた一対のセパレータとを、
    備えた、固体高分子形燃料電池。
11. 前記切取線は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記枠体の前記枠体と前記ＭＥＡの周縁部とが重なっている部分に沿って設けられ、前記ＭＥＡの周縁部にまで達する複数の切れ目で形成されている、
    請求項１に記載のＭＥＡ部材。

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