JP5284980B2 - 電極−膜−枠接合体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に用いられる電極−膜−枠接合体の製造方法の改良に関する。
固体高分子電解質型燃料電池(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装置である。
PEFCは、一般的には複数のセルを積層させて構成されている。1つのセルは、膜電極接合体(以下、MEAという)を一対の板状の導電性のセパレータ、具体的にはアノードセパレータとカソードセパレータと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し且つMEA本体部を包囲して配設された枠体を備えている。なお、ここでは、前記枠体を備えるMEAを電極−膜−枠接合体という。
MEA本体部は、周縁部を前記枠体に支持される高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両面に形成され且つ前記枠体より内側に配置された一対の電極層によって構成されている。一対の電極層は、高分子電解質膜の両面に形成される白金等の触媒層と、当該触媒層の上に形成される多孔質で導電性を有するガス拡散層とで構成されている。前記一対の電極層にそれぞれ燃料ガス又は酸化剤ガスが接触することにより、電気化学反応が発生し、電力と熱とが発生する。一方、枠体の表面には、セパレータとの間をシールするガスケットが設けられ、当該ガスケットにより、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ている。
以下、従来例1のMEAの製造工程について説明する。図20A〜図20Dは、従来例1のMEAの製造工程を、MEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。
図20Aに示すように、まず、第1金型T101と第2金型T102とを型閉めして枠体106の一部を構成する一次成形体106Aを成形する。
この後、第2金型T102を取り除き、図20Bに示すように、高分子電解質膜105Aの両面で且つ高分子電解質膜105Aの周縁部より内側に一対の電極層105Dが形成されたMEA本体部105を、第1金型T101の窪み部T101Aに配置する。このとき、MEA本体部105の周縁部105Eは、第1金型T101の平坦部101B及び一次成形体101Aの平坦部106A1上に配置する。
この後、第2金型T102を取り除き、図20Bに示すように、高分子電解質膜105Aの両面で且つ高分子電解質膜105Aの周縁部より内側に一対の電極層105Dが形成されたMEA本体部105を、第1金型T101の窪み部T101Aに配置する。このとき、MEA本体部105の周縁部105Eは、第1金型T101の平坦部101B及び一次成形体101Aの平坦部106A1上に配置する。
次いで、図20Cに示すように、MEA本体部105が配置された第1金型T101と第3金型T103とを型閉めして、枠体106の他部を構成する二次成形体106Bを成形する。これにより、一次成形体106Aと二次成形体106Bとが一体化して枠体106が形成される。
次いで、第1金型T101及び第3金型T103から、枠体106が接合されたMEA本体部T105を取り出して、第4金型T104と第5金型T105との間に配置する。 次いで、図20Dに示すように、第4金型T104と第5金型T105とを型閉めして、枠体106の表面上にガスケット107を成形する。
次いで、第1金型T101及び第3金型T103から、枠体106が接合されたMEA本体部T105を取り出して、第4金型T104と第5金型T105との間に配置する。 次いで、図20Dに示すように、第4金型T104と第5金型T105とを型閉めして、枠体106の表面上にガスケット107を成形する。
前記のように構成される従来例1のMEAにおいては、電極層105Dと枠体106との間に、高分子電解質膜105Aが単独で存在する部分、すなわち高分子電解質膜105Aが電極層105Dにも枠体106にも支持されていない部分がある。このため、取り扱い上の観点、及び、運転中の燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差などによる高分子電解質膜105Aの破断防止の観点から、電極層105Dと枠体106との間に位置する高分子電解質膜105Aを補強することが行われている。このような補強技術としては、例えば特許文献1,2に開示されたものがある。
図21A〜図21Dは、特許文献1(特許3368907号公報)に開示された従来例2のMEAの製造工程を、MEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。図21A〜図21Dに示すように、従来例2のMEAにおいては、MEA本体部105の周縁部105Eに額縁状に補強膜108を設けて高分子電解質膜105Aを補強したのち、枠体106及びガスケット107を成形するようにしている。
図22A〜図22Dは、特許文献2(特許3897808号公報)に開示された従来例3のMEAの製造工程を、MEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。図22A〜図22Dに示すように、従来例3のMEAにおいては、第4及び第5金型T104,T105に代えて第6及び第7金型T106,T107を用いる。これにより、電極層105Dと枠体106との間に位置する高分子電解質膜105Aを覆うようにガスケット107Aを成形して、高分子電解質膜105Aを補強している。
しかしながら、従来例2の補強膜108を設ける技術では、当然ながら、部材点数が増加するとともに製造工程が増加する。さらに、補強膜108を額縁状に形成するために、補強膜108を例えば打ち抜き加工で作成する場合には、その打ち抜いた部分がロスになるなど、コスト的なデメリットもある。
また、従来例3のガスケット107Aを成形する技術では、ガスケット107Aを構成する部材、例えば熱可塑性樹脂を金型T106,T107内に流し込む際に、高分子電解質膜105Aの両面に加わる樹脂の圧力が不均一になることがある。このため、図23の破線で囲まれた部分に示すように、高分子電解質膜105Aが変形(例えば、波打ち)する。したがって、当該変形を抑えるために、金型T106,T107の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりする必要がある。
従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりすることなく、高分子電解質膜の破断及び変形を防止することができる電極−膜−枠接合体の製造方法を提供することにある。
前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、高分子電解質膜の片方の面に配置された第1触媒層と、当該第1触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に配置された第1ガス拡散層と、前記電解質膜の他方の面に配置された第2触媒層と、当該第2触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に、前記第1ガス拡散層と外縁の位置が相互に異なるように配置された第2ガス拡散層とを有する電極−膜−枠接合体本体部の周縁部の周りに、枠体を形成して電極−膜−枠接合体を製造する方法であって、
第1成形金型に嵌合した前記枠体の一部を構成する枠状の一次成形体の枠内縁に、前記電解質膜の面方向と平行となるように設けられた平坦部の一部と、前記第1ガス拡散層と前記第2ガス拡散層とが前記電解質膜を介して互いに対向する部分よりも外側に位置する前記第1又は第2ガス拡散層のいずれかの外縁部分とが、前記電解質膜を介して前記電解質膜の厚み方向に対向するように、前記本体部の周縁部を前記平坦部上に配置し、
前記本体部が配置された前記一次成形体が嵌合している前記第1成形金型に第2成形金型を型閉めし、
前記第1成形金型及び前記一次成形体と前記第2成形金型との間に熱可塑性樹脂を流し込んで前記枠体の他部を構成する二次成形体を成形して、前記枠体を形成する、
電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
本発明の第1態様によれば、高分子電解質膜の片方の面に配置された第1触媒層と、当該第1触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に配置された第1ガス拡散層と、前記電解質膜の他方の面に配置された第2触媒層と、当該第2触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に、前記第1ガス拡散層と外縁の位置が相互に異なるように配置された第2ガス拡散層とを有する電極−膜−枠接合体本体部の周縁部の周りに、枠体を形成して電極−膜−枠接合体を製造する方法であって、
第1成形金型に嵌合した前記枠体の一部を構成する枠状の一次成形体の枠内縁に、前記電解質膜の面方向と平行となるように設けられた平坦部の一部と、前記第1ガス拡散層と前記第2ガス拡散層とが前記電解質膜を介して互いに対向する部分よりも外側に位置する前記第1又は第2ガス拡散層のいずれかの外縁部分とが、前記電解質膜を介して前記電解質膜の厚み方向に対向するように、前記本体部の周縁部を前記平坦部上に配置し、
前記本体部が配置された前記一次成形体が嵌合している前記第1成形金型に第2成形金型を型閉めし、
前記第1成形金型及び前記一次成形体と前記第2成形金型との間に熱可塑性樹脂を流し込んで前記枠体の他部を構成する二次成形体を成形して、前記枠体を形成する、
電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
本発明の第2態様によれば、前記二次成形体の成形するとき、前記二次成形体を構成する樹脂の一部が前記外縁部分に混在するように前記二次成形体を成形する、第1態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
本発明の第3態様によれば、前記枠体を形成するとき、前記第1及び第2ガス拡散層と隙間を空けて前記枠体を形成し、
前記枠体を形成した前記本体部を、第3成形金型と第4成形金型との間に配置したのち、前記第3成形金型と前記第4成形金型とを型閉めし、
前記第3成形金型及び前記第4成形金型と、前記枠体を形成した前記本体部との間に、熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーを流し込んで、前記隙間及び前記枠体の表面の一部に連続的に弾性体を成形する、
第1態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
前記枠体を形成した前記本体部を、第3成形金型と第4成形金型との間に配置したのち、前記第3成形金型と前記第4成形金型とを型閉めし、
前記第3成形金型及び前記第4成形金型と、前記枠体を形成した前記本体部との間に、熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーを流し込んで、前記隙間及び前記枠体の表面の一部に連続的に弾性体を成形する、
第1態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
本発明の第4態様によれば、前記弾性体を成形するとき、前記弾性体を構成する樹脂又はエラストマーの一部が前記外縁部分に混在するように前記弾性体を成形する、第3態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
本発明の第5態様によれば、前記本体部の周縁部を前記平坦部上に配置したのち、前記本体部の周縁部上に押さえ部材を配置して、前記本体部の周縁部が前記平坦部から浮き上がることを抑えた状態で、前記第1成形金型に前記第2成形金型を型閉めする、第1態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
本発明の第6態様によれば、前記第2ガス拡散層は、前記第1ガス拡散層に包含される大きさに形成され、前記電解質膜の厚み方向において前記第1ガス拡散層に包含されるように配置されることで、その外縁の位置が前記第1ガス拡散層の外縁の位置と相互に異なるように配置されている、第1から5態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
本発明の第7態様によれば、前記第1ガス拡散層及び前記第2ガス拡散層はそれぞれ長方形状に形成され、
前記第2ガス拡散層は、その長辺が前記第1ガス拡散層の一組の長辺とそれぞれ交差するように配置されることで、その外縁の位置が前記第1ガス拡散層の外縁の位置と相互に異なるように配置されている、第1から5態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
前記第2ガス拡散層は、その長辺が前記第1ガス拡散層の一組の長辺とそれぞれ交差するように配置されることで、その外縁の位置が前記第1ガス拡散層の外縁の位置と相互に異なるように配置されている、第1から5態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
本発明の第8態様によれば、前記第1ガス拡散層及び前記第2ガス拡散層はそれぞれ同じ大きさに形成され、
前記第2ガス拡散層は、前記第1ガス拡散層に対して前記電解質膜の厚み方向に重なり部分を有しながら前記電解質膜の面方向にずらして配置されることで、その外縁の位置が前記第1ガス拡散層の外縁の位置と相互に異なるように配置されている、第1から5態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
前記第2ガス拡散層は、前記第1ガス拡散層に対して前記電解質膜の厚み方向に重なり部分を有しながら前記電解質膜の面方向にずらして配置されることで、その外縁の位置が前記第1ガス拡散層の外縁の位置と相互に異なるように配置されている、第1から5態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
本発明の第9態様によれば、高分子電解質膜の両面に第1及び第2触媒層を設け、当該第1及び第2触媒層の表面に第1及び第2ガス拡散層を積層状態で配置して形成した電極−膜−枠接合体本体部の周縁部の周りに、枠体を形成して電極−膜−枠接合体を製造する方法であって、
前記本体部は、前記電解質膜の片方の面に第1触媒層を設け、当該第1触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に第1ガス拡散層を配置するとともに、前記電解質膜の他方の面に第2触媒層を設け、当該第2触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に、前記第1ガス拡散層と外縁の位置が相互に異なるように第2ガス拡散層を配置して形成されており、
前記枠体は、前記第1ガス拡散層と前記第2ガス拡散層とが前記電解質膜を介して互いに対向する部分よりも外側に位置する前記第1又は第2ガス拡散層のいずれかの外縁部分が、枠形状の一次成形体の枠内縁に前記電解質膜の面方向と平行となるように設けられた平坦部の一部に、前記電解質膜を介して前記電解質膜の厚み方向に対向するように、前記本体部の周縁部を前記平坦部に配置したのち、前記電解質膜の周縁部を前記一次成形体とで覆う二次成形体を成形して形成される、
電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
前記本体部は、前記電解質膜の片方の面に第1触媒層を設け、当該第1触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に第1ガス拡散層を配置するとともに、前記電解質膜の他方の面に第2触媒層を設け、当該第2触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に、前記第1ガス拡散層と外縁の位置が相互に異なるように第2ガス拡散層を配置して形成されており、
前記枠体は、前記第1ガス拡散層と前記第2ガス拡散層とが前記電解質膜を介して互いに対向する部分よりも外側に位置する前記第1又は第2ガス拡散層のいずれかの外縁部分が、枠形状の一次成形体の枠内縁に前記電解質膜の面方向と平行となるように設けられた平坦部の一部に、前記電解質膜を介して前記電解質膜の厚み方向に対向するように、前記本体部の周縁部を前記平坦部に配置したのち、前記電解質膜の周縁部を前記一次成形体とで覆う二次成形体を成形して形成される、
電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
本発明の電極−膜−枠接合体の製造方法によれば、前記本体部が、第1ガス拡散層の外縁の位置と第2ガス拡散層の外縁の位置とが相互に異なるように形成されている。すなわち、第1ガス拡散層と第2ガス拡散層とが前記電解質膜を介して互いに対向する部分よりも外側に位置する外縁部分が、第1ガス拡散層又は第2ガス拡散層のいずれかに存在するように形成されている。また、前記外縁部分と一次成形体の枠内縁の平坦部の一部とが対向するように、前記本体部の周縁部を前記平坦部に配置したのち、二次成形体を成形して枠体を形成するようにしている。これにより、二次成形体の成形時において、前記電解質膜は、その面方向において前記外縁部分又は前記平坦部のいずれかに支持されることとなる。
したがって、前記電解質膜に二次成形体を構成する樹脂の射出圧力が前記電解質膜の厚み方向に加わったとしても、前記電解質膜の破断及び変形は防止されるので、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりする必要がない。
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施の形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図1は、本発明の第1実施形態にかかる固体高分子電解質型燃料電池の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図であり、
図2は、図1のII−II線断面におけるセルの積層断面を、一部を分解して示す断面図であり、
図3Aは、本発明の第1実施形態にかかるMEAが有するMEA本体部の平面図であり、
図3Bは、図3AのIV−IV線断面図であり、
図4は、図1のMEAのアノードセパレータ側の表面構造を示す平面図であり、
図5は、図1のMEAのカソードセパレータ側の表面構造を示す平面図であり、
図6Aは、図4及び図5のVI−VI線断面において、MEAの製造工程を示す模式説明図であり、
図6Bは、図6Aに続く工程を示す模式説明図であり、
図6Cは、図6Bに続く工程を示す模式説明図であり、
図6Dは、図6Cに続く工程を示す模式説明図であり、
図7Aは、MEAの製造工程を、MEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
図7Bは、図7Aに続く工程を示す模式説明図であり、
図7Cは、図7Bに続く工程を示す模式説明図であり、
図7Dは、図7Cに続く工程を示す模式説明図であり、
図8Aは、本発明の第1実施形態にかかるMEAの枠体の一部を構成する一次成形体に、MEA本体部が配置された状態を示す模式断面図であり、
図8Bは、図8Aの状態からさらに、MEAの枠体の他部を構成する二次成形体が成形された状態を示す模式断面図であり、
図9Aは、本発明の第1実施形態にかかるMEAの第1変形例の製造工程を、MEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
図9Bは、図9Aに続く工程を示す模式説明図であり、
図9Cは、図9Bに続く工程を示す模式説明図であり、
図9Dは、図9Cに続く工程を示す模式説明図であり、
図10Aは、本発明の第1実施形態にかかるMEAの第2変形例の製造工程を、MEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
図10Bは、図10Aに続く工程を示す模式説明図であり、
図10Cは、図10Bに続く工程を示す模式説明図であり、
図10Dは、図10Cに続く工程を示す模式説明図であり、
図11Aは、本発明の第2実施形態にかかるMEAの製造工程を、MEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
図11Bは、図11Aに続く工程を示す模式説明図であり、
図11Cは、図11Bに続く工程を示す模式説明図であり、
図11Dは、図11Cに続く工程を示す模式説明図であり、
図12は、本発明の第2実施形態にかかるMEAの模式断面図であり、
図13は、本発明の第3実施形態にかかるMEAが有するMEA本体部の平面図であり、
図14Aは、本発明の第4実施形態にかかるMEAが有するMEA本体部の平面図であり、
図14Bは、図14AのVIII−VIII線断面図であり、
図15Aは、本発明の第4実施形態にかかるMEAの枠体の一部を構成する一次成形体に、MEA本体部が配置された状態を示す模式断面図であり、
図15Bは、図15Aの状態からさらに、MEAの枠体の他部を構成する二次成形体が成形された状態を示す模式断面図であり、
図15Cは、図15Bの状態からさらに、ガスケットが配置された状態を示す模式断面図であり、
図16Aは、本発明の第5実施形態にかかるMEAの製造工程を、MEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
図16Bは、図16Aに続く工程を示す模式説明図であり、
図16Cは、図16Bに続く工程を示す模式説明図であり、
図16Dは、図16Cに続く工程を示す模式説明図であり、
浮き上がり防止用押さえ部材の斜視図であり、
発電試験における電圧の推移と、セルから排出される水分中に含まれるフッ化物イオンの排出速度を定期的に測定した結果を示すグラフであり、
アノード側からカソード側への燃料ガスのクロスリークの発生率を、発電試験時間に対して測定した結果を示すグラフであり、
図20Aは、従来例1のMEAの製造工程を、MEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
図20Bは、図20Aに続く工程を示す模式説明図であり、
図20Cは、図20Bに続く工程を示す模式説明図であり、
図20Dは、図20Cに続く工程を示す模式説明図であり、
図21Aは、従来例2のMEAの製造工程を、MEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
図21Bは、図21Aに続く工程を示す模式説明図であり、
図21Cは、図21Bに続く工程を示す模式説明図であり、
図21Dは、図21Cに続く工程を示す模式説明図であり、
図22Aは、従来例2のMEAの製造工程を、MEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
図22Bは、図22Aに続く工程を示す模式説明図であり、
図22Cは、図22Bに続く工程を示す模式説明図であり、
図22Dは、図22Cに続く工程を示す模式説明図であり、
図23は、従来例3のMEAの製造工程において、高分子電解質膜が変形した状態でMEA本体部と枠体とが接合された状態を示す模式説明図である。
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、本発明の最良の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
以下、本発明の最良の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
《第1実施形態》
図1は、本発明の第1実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を有する固体高分子電解質型燃料電池の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。
図1は、本発明の第1実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を有する固体高分子電解質型燃料電池の構造を、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、固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)100は、基本単位構成であるセル(単電池モジュール)10を複数個積層させて構成されている。なお、図示していないが、セル10の両端の最外層には集電板、絶縁板、及び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(共に図示なし)とで締結されて構成されている。本第1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、電極−膜−枠接合体(以下、MEAという)1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、より具体的にはアノードセパレータ2及びカソードセパレータ3で挟んで構成されている。これによって、後述するMEA本体部5の電極層の最も外側に設けられたガス拡散層5C1,5C2(図2参照)がセパレータ2,3の表面と当接し、アノードセパレータ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3の酸化剤ガス流路溝31のガス拡散層当接部31Aと、ガス拡散層5C1,5C2とで、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が画定される。これにより、ガス拡散層当接部21Aを流通する燃料ガスはアノードセパレータ2側のガス拡散層5C1に接触し、ガス拡散層当接部31Aを流通する酸化剤ガスはカソードセパレータ3側のガス拡散層5C2に接触して、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又は並列に接続される。
セパレータ2,3及び枠体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が設けられている。セル10が積層された状態では、これらの貫通孔が積層されて連結し、燃料ガスマニフォルド及び酸化剤ガスマニフォルドが形成される。
アノードセパレータ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が設けられている。カソードセパレータ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が設けられている。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ている。
燃料ガス流路溝21は、セル10の組立状態において、ガス拡散層5C1と当接する表面に形成されているガス拡散層当接部21Aと、ガス拡散層5C1に当接する表面とガス拡散層5C1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とを有して構成されている。同様に、酸化剤ガス流路溝31は、セル10の組立状態において、ガス拡散層5C2と当接する表面に形成されているガス拡散層当接部31Aと、ガス拡散層5C2に当接する表面とガス拡散層5C2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とを有して構成されている。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5C1,5C2に接触し、電気化学反応を起こす。酸化剤ガス及び燃料ガス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。
MEA1の枠体6の両側主面にはガスケット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から流路溝21,31外へ流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。ここでは、アノードセパレータ2側では、セル10の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が配設されておらず、且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、カソードセパレータ3側では、セル10の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が配設されておらず、且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。
これにより、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支障にはならず、燃料ガス及び酸化剤ガスの流路溝21,31外への流出を防止する。なお、図1においては、説明の都合上、ガスケット7、及びセパレータ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は概略構成として示している。
なお、前記各マニフォルドは、いわゆる外部マニフォルドによって構成されてもよい。外部マニフォルドの構成を採用する場合は、MEA1及びセパレータ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2,3の端面まで延伸される。そして、燃料ガス及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の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。
セパレータ2,3及び枠体6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と同様に、冷却水(例えば純水)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が設けられている。これによって、セル10が積層された状態では、これらのマニフォルド孔がそれぞれ積層されて連結し、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。図3AはMEA本体部5の平面図であり、図3Bは図3AのIV−IV断面図である。
MEA本体部5は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜5Aと、当該高分子電解質膜5Aの両面に形成された一対の電極層5D1,5D2(すなわち、アノードとカソードの電極層)とで構成されている。一対の電極層5D1,5D2は、それぞれ、第1,第2触媒層の一例である触媒層5B1,5B2と、第1,第2ガス拡散層の一例であるガス拡散層5C1,5C2との2層構造で構成されている。高分子電解質膜5A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)で構成されている。触媒層5B1,5B2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。ガス拡散層5C1,5C2は、触媒層5B1,5B2の表面に形成され、燃料ガス又は酸化剤ガスの通気性と、電子伝導性の両方を併せ持つ。ガス拡散層5C1,5C2は、その基材として炭素繊維で構成されたもの、例えば炭素繊維織布又は不織布を用いることができる。また、ガス拡散層5C1,5C2は、基材として炭素繊維を使用せず、少なくとも炭素粉末とバインダ(例えばPTFE:ポリテトラフルオロエチレン)とを有する混合物を混錬し、シート状に成形した多孔質シートであってもよい。また、この多孔質シートには少量の炭素繊維が含まれていてもよい。
また、図3A及び図3Bに示すように、一対の電極層5D1,5D2は、それぞれ高分子電解質膜5Aよりも外形サイズが小さく、且つアノード電極層5D1がカソード電極層5D2よりもさらに外形サイズが小さくなるように構成され、アノード電極層5D1の外縁の位置がカソード電極層5D2の外縁の位置よりも内側に位置するように構成されている。言い換えれば、アノード電極層5D1は、カソード電極層5D2に包含される大きさに形成され、高分子電解質膜5Aの厚み方向においてカソード電極層5D2に包含されるように配置されている。
また、図2に示すように、カソード電極層5D2の外縁は、枠体6の内縁に連結されている。カソード電極層5D2の外縁の近傍部分は、枠体6を構成する樹脂の一部がガス拡散層5C1に入り込んでそれらが混在した状態になっている。これにより、カソード電極層5D2と枠体6とが強固に固定され、MEA本体部5と枠体6とがさらに強固に固定されている。なお、枠体6を構成する樹脂がガス拡散層5C1と混在している部分は、所望の電気化学反応を起こし難いため、アノード電極層5D1の外縁よりも外側に位置していることが好ましい。
アノードセパレータ2及びカソードセパレータ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25,35を有している。セパレータ2,3は、ガス不透過性の導電性材料であれば良く、例えば樹脂含浸カーボン材料を所定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を用いることができる。ここでは、セパレータ2,3として、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2,3では、各種マニフォルド孔22,23,24,32,33,34、及びボルト孔4が該セパレータ2,3を厚み方向に貫通している。
セパレータ2,3の内面には、燃料ガス流路溝21、酸化剤ガス流路溝31が形成されている。セパレータ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、及び水流路溝50などは、切削加工あるいは成形加工により形成される。
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ている。つまり、冷却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ている。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2,3及び枠体6に水マニフォルド孔14,24,34を形成せずに、冷却水給排路を前記したような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2,3が押圧されることによって変形し、MEA本体部5の周囲及びマニフォルド孔14の周囲をシールする。なお、燃料ガスマニフォルド孔12及び酸化剤ガスマニフォルド孔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)。
枠体6は熱可塑性樹脂で構成されている。この熱可塑性樹脂は、PEFC100の運転温度以下において、化学的に清浄且つ安定であって、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2,3の燃料ガス流路溝21及び酸化剤ガス流路溝31の幅が1〜2mm程度、且つ枠体6の厚みが略1mm以下である場合、枠体6の圧縮弾性率は少なくとも2,000MPa以上であることが好ましい。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の運転温度は一般的には90℃以下なので、枠体6の荷重たわみ温度は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、且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り、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)などが例示できる。これらは、数千から数万MPaの圧縮弾性率と、150℃以上の荷重たわみ温度を有しており、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、ガ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1,000〜1,500MPa)の数倍の弾性率を有し、且つ150℃近い荷重たわみ温度を有しており、好適に使用できる。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製DIC−PPS FZ1140−B2)が用いられている。
ガスケット7は、熱可塑性樹脂及び/又は熱可塑性エラストマーで構成される。当該熱可塑性樹脂又は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など耐熱水性を有する。例えば、ガスケット7の圧縮弾性率は200MPa以下であることが好ましい。ガスケット7の好適な材料は、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、及び熱可塑性ポリイミドなど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。本第1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2及びカソードセパレータ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など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、互いに隣接するセル10,10の間において、各種マニフォルド孔22,23,24,32,33,34の連結部からの燃料ガス、酸化剤ガス、及び水の流出が防止されている。
図4は、図1のMEAのアノードセパレータ側の表面構造を示す平面図であり、図5は、図1のMEAのカソードセパレータ側の表面構造を示す平面図である。両図において、一点破線は、セル10の組立状態において、アノードセパレータ2及びカソードセパレータ3の燃料ガス流路溝21及び酸化剤ガス流路溝31が当接又は対向する位置を示す。
図4及び図5に示すように、本第1実施形態のMEA1は、MEA本体部5の周縁部5Eに枠体6が設けられ、枠体6の両主面にガスケット7が設けられている。
枠体6は、MEA本体部5の高分子電解質膜5Aを挟み(図2参照)、且つ該高分子電解質膜5Aの外縁に接合している矩形平板状の枠体である。枠体6には、前記したように、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、一対の酸化剤ガスマニフォルド孔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とが設けられている。本第1実施形態においては、枠体6は、外形の寸法が200mm×180mm、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、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、且つ、MEA本体部5のガス拡散層5C1,5C2を包囲する環状部7Aを備えている。図4に示すようにアノードセパレータ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が形成されている。また、図5に示すようにカソードセパレータ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外への燃料ガス及び酸化剤ガスの流出が防止される。なお、この場合、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こととなるが、それぞれのセパレータ2,3に設けられた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にはならない。なお、セル10の組立状態において、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が当接する位置には、ガスケット7の環状部7Aを配設しなくてもよい。この場合、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の流路抵抗をさらに軽減させることができる。
また、図2に示すように、ガスケット7の環状部7Aの頂面には、その延在方向に沿って伸びるようにリブ7Bが形成されている。このリブ7Bは、セル10の組立状態において、セパレータ2,3に当接して押し潰される。この結果、セル10の締結力がリブ7Bの部分に集中することとなり、各マニフォルド孔12,13,14及びMEA本体部5の周囲がより確実にシールされる。すなわち、リブ7Bにより、ガスケット7のシールをより確実にすることができる。これにより、各マニフォルド孔12,13,14を通過する流体は、マニフォルド孔12,13,14からの漏れが防止され高圧となる。
なお、最も内側(ガス拡散層5C側)に位置するリブ7Bは、高分子電解質膜5Aの外縁よりも内側に位置していることが好ましい。このような構成により、セル10の組立状態における前記締結力によって、互いに対向するリブ7B,7Bが枠体6を介してMEA本体部5の周縁部5Eを挟持し、MEA本体部5の周縁部5E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。
また、枠体6の両面のガスケット7との接触部分には、溝部6Aが形成されている。ガスケット7は、その一部が当該溝部6Aに嵌合することでしっかりと固定されている。
また、枠体6の両面のガスケット7との接触部分には、溝部6Aが形成されている。ガスケット7は、その一部が当該溝部6Aに嵌合することでしっかりと固定されている。
次に、MEA1の製造方法について説明する。図6A〜図6Dは、図4及び図5のVI−VI線断面においてMEAの各製造工程を示す模式説明図である。図7A〜図7Dは、図6A〜図6DのMEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。図8Aは、枠体の一部を構成する一次成形体に、MEA本体部が配置された状態を示す模式断面図であり、図8Bは、図8Aの状態からさらに、枠体の他部を構成する二次成形体が成形された状態を示す模式断面図である。
まず、図8A及び図8Bに示すように、高分子電解質膜5Aの中央部両面にそれぞれ触媒層5B1,5B2を形成し、且つ、それらの上にガス拡散層5C1,5C2を形成して、MEA本体部5を作製する。このとき、アノード電極層5D1を構成する触媒層5B1及びガス拡散層5C1は、カソード電極層5D2を構成する触媒層5B2及びガス拡散層5C2よりも、サイズが小さく且つその外縁が内側に位置するように設けられる。
触媒層5B1,5B2は、例えば、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及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のカソード面に、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、カソード側触媒層5B2を形成する。なお、前記スプレー塗工に際しては、高分子電解質膜5Aに120mm×120mmの開口部を有するマスクを被せて行う。また、前記と同様にして、前記触媒層インクを作製し、高分子電解質膜5Aのアノード面に、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、アノード側触媒層5B2を形成する。前記スプレー塗工に際しては、高分子電解質膜5Aに115mm×115mmの開口部を有するマスクを被せて行う。これにより、カソード側触媒層5B1よりもサイズの小さなアノード側触媒層5B2が形成される。なお、高分子電解質膜5Aとしては、例えば、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))を用いることができる。
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及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のカソード面に、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、カソード側触媒層5B2を形成する。なお、前記スプレー塗工に際しては、高分子電解質膜5Aに120mm×120mmの開口部を有するマスクを被せて行う。また、前記と同様にして、前記触媒層インクを作製し、高分子電解質膜5Aのアノード面に、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、アノード側触媒層5B2を形成する。前記スプレー塗工に際しては、高分子電解質膜5Aに115mm×115mmの開口部を有するマスクを被せて行う。これにより、カソード側触媒層5B1よりもサイズの小さなアノード側触媒層5B2が形成される。なお、高分子電解質膜5Aとしては、例えば、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))を用いることができる。
ガス拡散層5C1,5C2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。当該多孔質体の孔部に燃料ガス又は酸化剤ガスが侵入することによって、それらのガスが拡散して、触媒層5B1,5B2に到達しやすくなる。本第1実施形態においては、一例として、カソード側触媒層5B1上に120mm角の炭素繊維布(JAPAN GORE-TEX社製Carbel CL400、厚み400μm)を被せ、アノード側触媒層5B2上に115mm角の炭素繊維布を被せる。そして、それらの炭素繊維布を、圧力0.5MPa、135℃、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の両主面の触媒層5B1,5B2上にガス拡散層5C1,5C2が形成される。
次に、MEA本体部5の周縁部5Eに枠体6を形成する。
まず、第1工程において、枠体6の一部である一次成形体6Cを成形する。
具体的には、図6A及び図7Aに示すように、第1成形金型の一例である第1金型T1と、第2金型T2とを型閉めした後、第1金型T1と第2金型T2との隙間に、枠体6の熱可塑性樹脂を射出などによって流し込んで矩形枠状の一次成形体6Cを成形する。このとき、一次成形体6Cには、枠内縁にMEA本体部5の周縁部5Eが配置される平坦部6C1が形成されている。
具体的には、図6A及び図7Aに示すように、第1成形金型の一例である第1金型T1と、第2金型T2とを型閉めした後、第1金型T1と第2金型T2との隙間に、枠体6の熱可塑性樹脂を射出などによって流し込んで矩形枠状の一次成形体6Cを成形する。このとき、一次成形体6Cには、枠内縁にMEA本体部5の周縁部5E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が一次成形体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5E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、一次成形体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が一次成形体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5Eを平面状に配置可能な平坦部6C1が一次成形体6Cに形成されるように、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MEA本体部5の周縁部5Eの広さ以上にまで延伸する頂面を有する。また、第2金型T2には、一次成形体6Cを構成する樹脂を金型内に流し込むための投入口(図示しない)が設けられている。当該投入口は、矩形枠状の一次成形体6Cの各辺に対応して、各辺毎に40mmピッチで4箇所程度設けられている。
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、且つ枠体6の枠内を包囲するような位置に凸部T1D,T2Dが形成されている。ここでは、凸部T1D,T2Dの断面は、深さ約0.5mm、幅約0.5mmとしている。これによって、一次成形体6Cに溝部6Aが形成される。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の完成後に切削加工によって溝部6Aが形成されるようにしてもよい。
また、枠体部T1C,T2Cは、マニフォルド孔12,13,14を形成可能な形状を有している。したがって、マニフォルド孔12,13,14が、一次成形体6の成形時に形成される。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、切削加工又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、図6B及び図7Bに示すように、第2金型T2を一次成形体6Cから取り除いたのち、第1金型T1に嵌合している一次成形体6Cの枠内にMEA本体部5を平面状に配置し、且つ一次成形体6Cの平坦部6C1にMEA本体部5の周縁部5Eを配置する。
より具体的には、MEA本体部5の周縁部5Eに延在する高分子電解質膜5Aが一次成形体6Cの平坦部6C1に位置し、アノード電極層5D1が第1金型T1の窪み部T1Aに位置し、且つ、カソード電極層5D2が高分子電解質膜5Aを介して第1金型T1の平坦部T1Bの頂面上に位置にするように配置する。これによって、MEA本体部5は図8Aに示すように平面状態で配置される。なお、このとき、カソード電極層5D2の外縁は、MEA本体部5の面方向において、図6B及び図7Bに示すように一次成形体6Cの枠内縁よりも外側に位置している。すなわち、カソード電極層5D2と一次成形体6Cの平坦部6C1の一部とが対向するように配置されている。これにより、高分子電解質膜5Aが支持部材無しで単独で存在する部分、すなわち電極層5D1,5D2及び一次成形体6のいずれにも支持されていない部分が無いようにしている。
次に、第3工程においては、MEA本体部5が接合された枠体6を製作する。
より具体的には、MEA本体部5が配置された一次成形体6Cが嵌合している第1金型T1に、第2成形金型の一例である第3金型T3を型閉めする。ここで、第3金型T3は、第1金型T1と同様にして、ガス拡散層5C2と干渉する位置に、ガス拡散層5C2と第3金型T3とが干渉しないように窪み部T3Aが設けられている。これによって、第3工程時において第3金型T3とMEA本体部5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。
より具体的には、MEA本体部5が配置された一次成形体6Cが嵌合している第1金型T1に、第2成形金型の一例である第3金型T3を型閉めする。ここで、第3金型T3は、第1金型T1と同様にして、ガス拡散層5C2と干渉する位置に、ガス拡散層5C2と第3金型T3とが干渉しないように窪み部T3Aが設けられている。これによって、第3工程時において第3金型T3とMEA本体部5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。
前記第1金型T1と第3金型の接合後、それらの間に枠体6を構成する熱可塑性樹脂を射出等によって流し込んで、二次成形体6Dを成形する。これにより、図8Bに示すように一次成形体6Cと二次成形体6Dとが一体化して枠体6が成形される。
ここで、第3金型T3は、枠体部T3B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と一次成形体6Cとの間に形成される隙間に二次成形体6Dが成形される。また、第3金型T3には、二次成形体6Dを構成する樹脂を金型内に流し込むための投入口(図示しない)が設けられている。当該投入口は、矩形枠状の二次成形体6Cの各辺に対応して、各辺毎に80mmピッチで2箇所程度設けられている。また、第3金型T3は、第1金型T1と型閉めした状態において、枠体部T3Bと窪み部T3Aとが連続的且つ互いに連通するように設けられている。
したがって、二次成形体6Dの成形時に、二次成形体6Dを構成する熱可塑性樹脂の一部が、多孔質体であるカソード側ガス拡散層5C2の外縁部分に流れ込み、それらが混在するようになっている。これにより、二次成形体6Dとカソード側ガス拡散層5C2とが強固に固定される。なお、枠体6とMEA本体部5との接合を強固にする観点において、枠体6を構成する樹脂がカソード電極層5D2の外縁部分に混在する好ましい幅は、5mm〜10mm程度である。また、枠体6を構成する樹脂がカソード電極層5D2の外縁部分に混在する幅は、主に当該樹脂の粘度に依存する。具体的には、前記樹脂の粘度を低くすると前記幅を広くすることができ、前記樹脂の粘度を高くすると前記幅を狭くすることができる。一方、前記幅の調整は、前記樹脂の射出圧力を調整することによっても行うことが可能である。
また、前記二次成形体6Dの成形時において、高分子電解質膜5Aは、少なくとも一次成形体6C又はカソード側ガス拡散層5C2のいずれかに支持されることになる。したがって、高分子電解質膜5Aが破断することが防止されるとともに、従来例3(図19参照)のように高分子電解質膜5Aが変形することが防止される。
次に、第4工程においては、MEA本体部5が接合された枠体6の表面にガスケット7を形成する。
より具体的には、第1金型T1及び第3金型T3から、MEA本体部5が接合された枠体6を取り出して、第4金型T4と第5金型T5との間に配置する。この状態で、第4金型T4と第5金型T6とを型閉めする。この後、第4金型T4及び第5金型T5と枠体6との隙間に、ガスケット7を構成する熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーを射出等によって流し込み、枠体6の表面にガスケット7を成形する。
より具体的には、第1金型T1及び第3金型T3から、MEA本体部5が接合された枠体6を取り出して、第4金型T4と第5金型T5との間に配置する。この状態で、第4金型T4と第5金型T6とを型閉めする。この後、第4金型T4及び第5金型T5と枠体6との隙間に、ガスケット7を構成する熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーを射出等によって流し込み、枠体6の表面にガスケット7を成形する。
ここで、第4金型T4には、第1金型T1の窪み部T1Aと同様の窪み部T3Aが設けられている。第5金型T5には、第3金型T1の窪み部T3Aと同様の窪み部T5Aが設けられている。また、第4金型T4は、枠体部T4CがMEA1の下半面の形状となるように構成されている。第5金型T5は、枠体部T5BがMEA1の上半面の形状となるように構成されている。つまり、第4金型T4の枠体部T4Bと枠体6との間に形成される隙間にガスケット7が成形される。以上のようにして、MEA1が製造される。
本発明の第1実施形態にかかるMEAの製造方法によれば、MEA本体部5の面方向において、カソード電極層5D2の外縁がアノード電極層5D1の外縁よりも外側に位置するようにMEA本体部5を形成している。また、カソード電極層5D2の外縁部分が一次成形体6Cの平坦部分6C1に対向するようにMEA本体部4を配置したのち、二次成形体6Dを成形するようにしている。これにより、二次成形体6Dの成形時において、高分子電解質膜5Aは、一次成形体6Cの平坦部分6C1又はカソード電極層5D2の外縁部分のいずれかに支持されることなる。したがって、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりすることなく、高分子電解質膜5Aの破断及び変形が防止できる。また、高分子電解質膜5Aの破断及び変形の防止するために従来例2のように別途補強膜を設ける必要性がないので、従来例1〜3と比べて部品点数及び製造工程は増加しない。
また、枠体6の成形時に、枠体6を構成する樹脂をカソード電極層5D2の外縁部分に流し込んで混在させるようにしているので、枠体6とMEA本体部5との接合強度を強くすることができる。
また、第1工程から第3工程まで第1金型T1を共通して使用することができるので、スライド金型又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〜第3工程を連続して行うことが可能である。したがって、MEA1の量産性を高くすることができる。
また、第1工程から第3工程まで第1金型T1を共通して使用することができるので、スライド金型又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〜第3工程を連続して行うことが可能である。したがって、MEA1の量産性を高くすることができる。
なお、本発明は前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、前記では、高分子電解質膜5Aの両面に触媒層5B1,5B2を形成したのち、触媒層5B1,5B2上にガス拡散層5C1,5C2を形成するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ガス拡散層5C1,5C2上に触媒層5B1,5B2を予め形成したのち、高分子電解質膜5Aの両面にそれらを配置してもよい。なお、この場合、ガス拡散層5C1,5C2の全面に触媒層5B1,5B2を形成すればよいので、ガス拡散層5C1,5C2の形状に合わせて高分子電解質膜5Aの両面に触媒層5B1,5B2を形成するよりも、触媒層5B1,5B2の形成が容易である。
また、前記では、触媒層5B1,5B2とガス拡散層5C1,5C2とをそれぞれ同じ大きさで構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図9A〜図9Dに示すように、触媒層5F,5Fが高分子電解質膜5Aと同じ大きさであってもよい。なお、この場合も、高分子電解質膜5Aの全面に触媒層5B1,5B2を形成すればよいので、高分子電解質膜5Aの一部に触媒層5B1,5B2を予め形成するよりも、触媒層5B1,5B2の形成が容易である。また、図10A〜図10Dに示すように、触媒層5G,5Gがガス拡散層5C1,5C2よりも小さく形成されてもよい。
また、前記では、カソード電極層5D2よりもアノード電極層5D1のサイズを小さく構成して、カソード電極層5D2の外縁の位置がアノード電極層5D1の外縁の位置よりも外側に位置するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、アノード電極層5D1よりもカソード電極層5D2のサイズを小さく構成してもよい。すなわち、一方の電極層の外縁の位置が他方の電極層の外縁よりも外側に位置するように構成されていればよい。言い換えれば、アノード電極層5D1の外縁の位置とカソード電極層5D2の外縁の位置とが相互に異なっていればよい。
《第2実施形態》
次に、本発明の第2実施形態にかかるMEAについて説明する。図11A〜図11Dは、本発明の第2実施形態にかかるMEAの製造工程を、MEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。図12は、本発明の第2実施形態にかかるMEAの模式断面図である。
次に、本発明の第2実施形態にかかるMEAについて説明する。図11A〜図11Dは、本発明の第2実施形態にかかるMEAの製造工程を、MEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。図12は、本発明の第2実施形態にかかるMEAの模式断面図である。
前記第1実施形態にかかるMEA1を用いてセル10を構成した場合には、図2に示されるように、MEA1の枠体6及びMEA本体部5の接合部分の近傍とセパレータ2,3との間に隙間40が形成される。燃料ガス及び酸化剤ガスは、主に互いに対向する電極層5D1,5D2間で電気化学反応するが、当該隙間40がショートカット用の通路となり、燃料ガス及び酸化剤ガスが電極層5D1,5D2間を通過しない恐れがある。
このため、本第2実施形態にかかるMEAでは、隙間40を塞ぐようにガスケット7から延伸した延伸部7C1,7C2を有するようにMEAを構成している(図12参照)。
以下、本第2実施形態にかかるMEAの製造方法について説明する。
以下、本第2実施形態にかかるMEAの製造方法について説明する。
まず、前記第1実施形態と同様にして、図11Aに示すように一次成形体6Cを成形したのち、図11Bに示すように第1金型T1の窪み部T1AにMEA本体部5を配置する。この後、図11Cに示すように、第3金型T3aと第1金型T1とを型閉めして、二次成形体6D1を成形する。
ここで、第3金型T3aは、枠体部T3Baが枠体6a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T3Baと一次成形体6Cとの間に形成される隙間に二次成形体6D1が成形される。また、第3金型T3aは、第1金型T1と型閉めした状態において、二次形成体6D1とカソード電極層5D2との間に位置して高分子電解質膜5Aと接触する平坦部T3Caを備えている。平坦部T3Caは、頂面が高分子電解質膜5Aを介して一次成形体6Cの平坦部6C1と対向し、第1金型T1の平坦部T1Bとは対向しないように構成されている。
前記二次成形体6D1の成形後、図11Dに示すように、MEA本体部5が接合された枠体6aを、第3成形金型の一例である第4金型T4aと第4成形金型の一例である第5金型T5aとの間に配置する。この後、第4金型T4aと第5金型T5aとを型閉めして、枠体6a上にガスケット7及び延伸部7C1,7C2を成形する(図12参照)。
このとき、延伸部7C1,7C2は、第1金型T1の平坦部T1B及び第3金型T3aの平坦部T3Caによって形成された電極層5D1,5D2と枠体6aとの隙間に成形される。また、このとき、延伸部7C1,7C2を構成する熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーの一部が、多孔質体であるガス拡散層5C1,5C2の外縁部分に流れ込み、それらが混在するようになっている。これにより、延伸部7C1,7C2とガス拡散層5C1,5C2とが強固に固定される。
本発明の第2実施形態にかかるMEAによれば、隙間40を塞ぐようにガスケット7から延伸した延伸部7C1,7C2を設けているので、燃料ガス及び酸化剤ガスの前記ショートカットの問題を抑えることができる。
また、第1金型T1の平坦部T1Bと第3金型の平坦部T3Caとが互いに対向しないように構成しているので、当該平坦部T1B,T3Caによって形成される隙間に成形される延伸部7C1,7C2は、互いに対向しない。すなわち、延伸部7C1,7C2を構成する熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーの射出圧力が、高分子電解質膜5Aの同一部分に加わることがない。一方、高分子電解質膜5Aは、一次成形体6Cの平坦部6C1又はカソード電極層5D2のいずれかに支持される。これにより、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりすることなく、高分子電解質膜5Aの破断及び変形を防止することができる。また、本発明の第2実施形態にかかるMEAでは、従来例1〜3と比べて部品点数及び製造工程は増加しない。
《第3実施形態》
次に、本発明の第3実施形態にかかるMEAについて説明する。本発明の第3実施形態にかかるMEAは、MEA本体部の構成のみ、前記第1実施形態にかかるMEAと異なる。それ以外の点については前記第1実施形態にかかるMEAと同様であるので、重複する説明は省略する。
次に、本発明の第3実施形態にかかるMEAについて説明する。本発明の第3実施形態にかかるMEAは、MEA本体部の構成のみ、前記第1実施形態にかかるMEAと異なる。それ以外の点については前記第1実施形態にかかるMEAと同様であるので、重複する説明は省略する。
図13は、本発明の第3実施形態にかかるMEAが有するMEA本体部の平面図である。図13に示すように、MEA本体部5aは、長方形のアノード電極層5D1と長方形のカソード電極層5D2とを、互いの長手辺(又は短手辺)が交差(例えば直交)するように配置して、それらが互いに対向せずにはみ出す部分を有するように構成されている。言い換えれば、カソード電極層5D2は、その長辺がアノード電極層5D1の一組の長辺とそれぞれ交差するように配置されている。これにより、アノード電極層5D1の外縁の位置とカソード電極層5D2の外縁の位置とを相互に異ならせている。
本発明の第3実施形態によれば、二次成形体6D1の成形時において、一次成形体6Cの平坦部6C1、アノード電極層5D1、又はカソード電極層5D2のいずれかに高分子電解質膜5Aを支持させることができる。したがって、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりすることなく、高分子電解質膜5Aの破断及び変形を防止することができる。また、電極層5D1,5D2の配置を変更しただけであるので、従来例1〜3と比べて部品点数及び製造工程は増加しない。
《第4実施形態》
次に、本発明の第4実施形態にかかるMEAについて説明する。本発明の第4実施形態にかかるMEAは、MEA本体部の構成のみ、前記第2実施形態にかかるMEAと異なる。それ以外の点については前記第2実施形態にかかるMEAと同様であるので、重複する説明は省略する。
次に、本発明の第4実施形態にかかるMEAについて説明する。本発明の第4実施形態にかかるMEAは、MEA本体部の構成のみ、前記第2実施形態にかかるMEAと異なる。それ以外の点については前記第2実施形態にかかるMEAと同様であるので、重複する説明は省略する。
図14Aは、本発明の第4実施形態にかかるMEAが有するMEA本体部の平面図であり、図14Bは、図14AのVIII−VIII線断面図である。
図14A及び図14Bに示すように、本第4実施形態では、互いに同じ大きさのアノード電極層5D1とカソード電極層5D2とを、高分子電解質膜5Aの厚み方向に重なり部分を有しながら高分子電解質膜5Aの面方向に斜めにずらして配置している。これにより、アノード電極層5D1の外縁の位置とカソード電極層5D2の外縁の位置とを相互に異ならせている。
図14A及び図14Bに示すように、本第4実施形態では、互いに同じ大きさのアノード電極層5D1とカソード電極層5D2とを、高分子電解質膜5Aの厚み方向に重なり部分を有しながら高分子電解質膜5Aの面方向に斜めにずらして配置している。これにより、アノード電極層5D1の外縁の位置とカソード電極層5D2の外縁の位置とを相互に異ならせている。
図15A〜図15Cは、MEA本体部に枠体を成形する過程を示す模式断面図である。
図15Aに示すように、本第4実施形態では、矩形枠状の一次成形体6Cの対辺部に設ける平坦部6C1,6C1が互いに逆向きとなるように、一次成形体6Cを成形する。すわなち、一方の平坦部6C1が高分子電解質膜5Aの周縁部の片方の面を支持し、他方の平坦部6C1が高分子電解質膜5Aの周縁部の他方の面を支持できるように、一次成形体6Cを成形する。このようにして成形された一次成形体6Cの平坦部6C1,6C1に高分子電解質膜5Aの周縁部を配置する。このとき、アノード電極層5D1の外縁部分を一方の平坦部6C1に対向させ、カソード電極層5D2の外縁部分を他方の平坦部6C1に対向させる。この後、前記第2実施形態と同様にして、図15Bに示すように二次成形体6D1を成形したのち、図15Cに示すようにガスケット7及び延伸部7C1,7C2とを成形する。
図15Aに示すように、本第4実施形態では、矩形枠状の一次成形体6Cの対辺部に設ける平坦部6C1,6C1が互いに逆向きとなるように、一次成形体6Cを成形する。すわなち、一方の平坦部6C1が高分子電解質膜5Aの周縁部の片方の面を支持し、他方の平坦部6C1が高分子電解質膜5Aの周縁部の他方の面を支持できるように、一次成形体6Cを成形する。このようにして成形された一次成形体6Cの平坦部6C1,6C1に高分子電解質膜5Aの周縁部を配置する。このとき、アノード電極層5D1の外縁部分を一方の平坦部6C1に対向させ、カソード電極層5D2の外縁部分を他方の平坦部6C1に対向させる。この後、前記第2実施形態と同様にして、図15Bに示すように二次成形体6D1を成形したのち、図15Cに示すようにガスケット7及び延伸部7C1,7C2とを成形する。
本発明の第4実施形態によれば、前記第1〜3実施形態と同様に、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりすることなく、高分子電解質膜5Aの破断及び変形を防止することができる。また、電極層5D1,5D2の配置を変更しただけであるので、従来例1〜3と比べて部品点数及び製造工程は増加しない。
また、本第4実施形態によれば、アノード電極層5D1とカソード電極層5D2とを互いに同じ大きさに形成しているので、電極層5D1,5D2の作成が1種類のプレス型ででき、製造コストの低減を図ることができる。
《第5実施形態》
次に、本発明の第5実施形態にかかるMEAについて説明する。本発明の第5実施形態にかかるMEAは、当該MEAの製造工程において、高分子電解質膜5Aの浮き上がり防止用の押さえ部材を使用する点で前記第2実施形態にかかるMEAと異なる。それ以外の点については前記第2実施形態にかかるMEAと同様であるので、重複する説明は省略しながら主に相違点について説明する。
次に、本発明の第5実施形態にかかるMEAについて説明する。本発明の第5実施形態にかかるMEAは、当該MEAの製造工程において、高分子電解質膜5Aの浮き上がり防止用の押さえ部材を使用する点で前記第2実施形態にかかるMEAと異なる。それ以外の点については前記第2実施形態にかかるMEAと同様であるので、重複する説明は省略しながら主に相違点について説明する。
図16A〜図16Dは、本発明の第5実施形態にかかるMEAの製造工程を、MEA本体部と枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。図17は、高分子電解質膜の浮き上がり防止用押さえ部材の斜視図である。以下、本発明の第5実施形態にかかるMEAの製造工程について説明する。
まず、前記第2実施形態と同様にして、図16Aに示すように一次成形体6Cを成形したのち、図16Bに示すように第1金型T1の窪み部T1AにMEA本体部5を配置する。この後、図16Bに示すように、一次成形体6Cの平坦部6C1上に位置する高分子電解質膜5A上に浮き上がり防止用押さえ部材60を配置する。
押さえ部材60は、図17に示すように、一次成形体6Cの平坦部6C1の形状に対応するように矩形枠状に形成されている。押さえ部材60は、一次成形体6Cの平坦部6C1上に配置される高分子電解質膜5Aに面接触して、自重により高分子電解質膜5Aの浮き上がりを防止する。なお、押さえ部材60は、高分子電解質膜5Aの浮き上がりの防止を実現できるものであればよく、他の形状に形成されても、複数の部材で構成されてもよい。また、押さえ部材60は、熱可塑性樹脂(好ましくは枠体6と同種の熱可塑性樹脂)で構成されている。
前記押さえ部材60の配置後、第3金型T3aと第1金型T1とを型閉めして、それらの間に二次成形体6D1を構成する熱可塑性樹脂を射出等によって流し込んで、押さえ部材60と一体化した二次成形体6D1を成形する。これにより、一次成形体6Cと二次成形体6D1とが一体化して枠体6aが成形される。
前記二次成形体6D1の成形後、図16Dに示すように、MEA本体部5が接合された枠体6aを、第4金型T4aと第5金型T5aとの間に配置する。この後、第4金型T4aと第5金型T5aとを型閉めして、枠体6a上にガスケット7及び延伸部7C1,7C2を成形する(図12参照)。
以上のようにして、本発明の第5実施形態にかかるMEAが製造される。
以上のようにして、本発明の第5実施形態にかかるMEAが製造される。
本発明の第5実施形態にかかるMEAの製造方法によれば、二次成形体6D1の浮き上がりを確実に防止できるので、高分子電解質膜の破断及び変形をより確実に防止することができる。また、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりする必要がない。
次に、本発明の第5実施形態にかかるMEAと、高分子電解質膜の周縁部に補強膜を設けた従来例2のMEA(図21D参照)とについて行った耐久試験の結果について説明する。
ここでは、本発明の第5実施形態にかかるMEAとして、上記第1実施形態において一例として説明したサイズ及び材料のものを使用し、当該MEAを一対のカーボンセパレータで挟んでセルを作製し、当該セルについて耐久試験を行った。また、従来例2のMEAとして、アノード側及びカソード側の全ての触媒層及びガス拡散層のサイズが120mm×120mmであるものを使用し、当該MEAを一対のカーボンセパレータで挟んでセルを作製し、当該セルについて耐久試験を行った。なお、各触媒層とガス拡散層との接合は、本第5実施形態にかかるMEAと同様の条件(圧力0.5MPa、135℃、5分間)でホットプレスすることにより行った。
また、セルの運転温度は90℃とし、燃料ガス及び酸化剤ガスは共に65℃の露点のものを使用した。電流密度は0.16A/cm2、酸化剤ガスの利用率は55%、燃料ガスの利用率は75%に設定した。
図18は、発電試験における電圧の推移と、セルから排出される水分中に含まれるフッ化物イオンの排出速度を定期的に測定した結果を示すグラフである。図18において、実線は、本第5実施形態にかかるMEAを備えるセルの電圧値の推移を示している。図18において、点線は、従来例2のMEAを備えるセルの電圧値の推移を示している。図18において、四角のドットは、本第5実施形態にかかるMEAを備えるセルから排出されるフッ化物イオンの排出速度を定期的に測定した結果を示している。図18において、三角のドットは、従来例2のMEAを備えるセルから排出されるフッ化物イオンの排出速度を定期的に測定した結果を示している。
図18より、本第5実施形態にかかるMEAを備えるセルにおける電圧の推移及びフッ化物イオンの排出速度は、従来例2のMEAを備えるセルとほぼ同等であることが分かる。また、図18より、本第5実施形態にかかるMEAを備えるセルでは、従来例2のMEAを備えるセルと同様に、経時的劣化の傾向がほとんど見られないことが分かる。すなわち、本第5実施形態にかかるMEAによれば、従来例2のMEAのように高分子電解質膜の周縁部に補強膜を設けなくても十分な発電性能と耐久性を確保できることが分かる。
一方、MEAの枠体と高分子電解質膜との間に隙間があるような場合には、アノード側からカソード側へ燃料ガスがリークする、いわゆるクロスリークが発生する割合が高くなる。図19は、アノード側からカソード側への燃料ガスのクロスリークの発生量を、発電試験時間に対して測定した結果を示すグラフである。クロスリーク量の測定方法は、カソード側に窒素ガス、アノード側に水素ガスを発電時と同量流した状態で、カソード側の窒素ガス中に含まれる水素ガス量の割合をガスクロマトグラフによって測定した。
図19より、本第5実施形態にかかるMEAを備えるセルにおける燃料ガスのクロスリークの発生量は、高分子電解質膜を介して通常リークするレベルである1%以下に収まっていることが分かる。これにより、本第5実施形態にかかるMEAの枠体が高分子電解質膜に隙間無く十分に接合されていることが分かる。
以上の結果より、本発明のMEAの製造方法によれば、従来例2のMEAのように補強膜を設けなくても、高分子電解質膜へのダメージを十分に低減でき且つシール性の低下を十分に防止できる枠体を形成することができることが分かる。すなわち、本発明の製造方法によって製造したMEAは、発電電圧及び耐久性の面で、従来例2のような補強膜を備えるMEAと同等の性能を有することが分かる。
なお、前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の形態に関連して充分に記載されているが、この技術に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12月6日に出願された日本国特許出願No.2007−315476号の明細書、図面、およ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。
本発明にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法は、金型の精度を上げたり、樹脂の圧力を厳密に制御したりすることなく、高分子電解質膜の破断及び変形を防止することができるので、固体高分子電解質型燃料電池及び当該燃料電池用セルに用いられる電極−膜−枠接合体の製造方法等として有用である。
Claims (8)
- 高分子電解質膜の片方の面に配置された第1触媒層と、当該第1触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に配置された第1ガス拡散層と、前記電解質膜の他方の面に配置された第2触媒層と、当該第2触媒層の表面で且つ前記電解質膜の周縁部よりも内側に、前記第1ガス拡散層と外縁の位置が相互に異なるように配置された第2ガス拡散層とを有する電極−膜−枠接合体本体部の周縁部の周りに、枠体を形成して電極−膜−枠接合体を製造する方法であって、
第1成形金型に嵌合した前記枠体の一部を構成する枠状の一次成形体の枠内縁に、前記電解質膜の面方向と平行となるように設けられた平坦部の一部と、前記第1ガス拡散層と前記第2ガス拡散層とが前記電解質膜を介して互いに対向する部分よりも外側に位置する前記第1又は第2ガス拡散層のいずれかの外縁部分とが、前記電解質膜を介して前記電解質膜の厚み方向に対向するように、前記本体部の周縁部を前記平坦部上に配置し、
前記本体部が配置された前記一次成形体が嵌合している前記第1成形金型に第2成形金型を型閉めし、
前記第1成形金型及び前記一次成形体と前記第2成形金型との間に熱可塑性樹脂を流し込んで前記枠体の他部を構成する二次成形体を成形して、前記枠体を形成する、
電極−膜−枠接合体の製造方法。 - 前記二次成形体を成形するとき、前記二次成形体を構成する樹脂の一部が前記外縁部分に混在するように前記二次成形体を成形する、請求項1に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
- 前記枠体を形成するとき、前記第1及び第2ガス拡散層と隙間を空けて前記枠体を形成し、
前記枠体を形成した前記本体部を、第3成形金型と第4成形金型との間に配置したのち、前記第3成形金型と前記第4成形金型とを型閉めし、
前記第3成形金型及び前記第4成形金型と、前記枠体を形成した前記本体部との間に、熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーを流し込んで、前記隙間及び前記枠体の表面の一部に連続的に弾性体を成形する、
請求項1に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。 - 前記弾性体を成形するとき、前記弾性体を構成する樹脂又はエラストマーの一部が前記外縁部分に混在するように前記弾性体を成形する、請求項3に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
- 前記本体部の周縁部を前記平坦部上に配置したのち、前記本体部の周縁部上に押さえ部材を配置して、前記本体部の周縁部が前記平坦部から浮き上がることを抑えた状態で、前記第1成形金型に前記第2成形金型を型閉めする、請求項1に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
- 前記第2ガス拡散層は、前記第1ガス拡散層に包含される大きさに形成され、前記電解質膜の厚み方向において前記第1ガス拡散層に包含されるように配置されることで、その外縁の位置が前記第1ガス拡散層の外縁の位置と相互に異なるように配置されている、請求項1から請求項5のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
- 前記第1ガス拡散層及び前記第2ガス拡散層はそれぞれ長方形状に形成され、
前記第2ガス拡散層は、その長辺が前記第1ガス拡散層の一組の長辺とそれぞれ交差するように配置されることで、その外縁の位置が前記第1ガス拡散層の外縁の位置と相互に異なるように配置されている、請求項1から請求項5のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。 - 前記第1ガス拡散層及び前記第2ガス拡散層はそれぞれ同じ大きさに形成され、
前記第2ガス拡散層は、前記第1ガス拡散層に対して前記電解質膜の厚み方向に重なり部分を有しながら前記電解質膜の面方向にずらして配置されることで、その外縁の位置が前記第1ガス拡散層の外縁の位置と相互に異なるように配置されている、請求項1から請求項5のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
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