JP6026561B2 - 膜電極接合体および膜電極接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、膜電極接合体および膜電極接合体の製造方法に関する。

燃料電池を構成する単セルは、セパレータおよび膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）を交互に積層して形成される。膜電極接合体は、高分子電解質膜、触媒層およびガス拡散層を有している。しかし、強度が比較的弱いため周囲に補強用の樹脂枠を設けているが、樹脂枠を成型する際の樹脂圧によって触媒層とガス拡散層との界面に樹脂が侵入し成形不良を生じる虞がある。そのため、ガス拡散層および触媒層の周縁部断面をテーパー状とすることにより、樹脂圧を緩和し樹脂の侵入を抑制している（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９−１８１９５１号公報

しかし、ガス拡散層および触媒層の厚さは、数十μｍであるため厚さ方向に対するテーパー加工が困難であり、触媒層とガス拡散層との界面に樹脂が侵入して成形不良が発生することを確実に抑制することが難しい。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、膜電極接合体の外周縁と一体化された樹脂枠の成形時の成形不良を抑制し得る膜電極接合体および膜電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一様相は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の表面に配置される触媒層と、前記触媒層の前記高分子電解質膜が配置される面と反対側の面に配置されるガス拡散層と、を有する膜電極接合体であり、前記ガス拡散層は、鋭角を呈さないように面取りされた角部を有する。

上記目的を達成するための本発明の別の一様相は、高分子電解質膜の表面に触媒層を積層する工程と、前記触媒層の前記高分子電解質膜が配置される面と反対側の面にガス拡散層を積層する工程と、面取り工程と、を有する膜電極接合体の製造方法であり、面取り工程においては、前記ガス拡散層の角部が、鋭角を呈さないように面取りされる。

本発明によれば、高分子電解質膜に触媒層およびガス拡散層が積層された積層体である膜電極接合体を成形型のキャビティに配置し、溶融状態の成形樹脂を膜電極接合体の外周縁に向かって注入し、膜電極接合体の外周縁と一体化された樹脂枠を成形する際、膜電極接合体における面取りされた角部は、成形樹脂の注入あるいは成形樹脂の流れに起因する樹脂圧力を緩和する。そのため、膜電極接合体の角部における変形、例えば、ガス拡散層の反り変形による成形樹脂の侵入を防止することができる。つまり、膜電極接合体の外周縁と一体化された樹脂枠の成形時の成形不良を抑制し得る膜電極接合体および膜電極接合体の製造方法を提供することが可能である。

本発明のさらに他の目的、特徴および特質は、以後の説明および添付図面に例示される好ましい実施の形態を参照することによって、明らかになるであろう。

本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明するための分解斜視図である。 図１に示される燃料電池のセル構造を説明するための断面図である。 図２に示される膜電極接合体の外周縁と一体化された樹脂枠の形状を説明するための断面図である。 図３に示される膜電極接合体の形状を説明するための平面図である。 図４に示される面取りした場合による樹脂圧を説明するための概念図である。 面取りされていない比較例における樹脂圧を説明するための概念図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法における樹脂枠成形に適用される成形装置を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法の樹脂枠成形工程における型締めを説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法の樹脂枠成形工程における樹脂注入を説明するための断面図である。 比較例に係る樹脂注入を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例１を説明するための平面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例２を説明するための平面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例３を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例４を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例５を説明するための平面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例６を説明するための平面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例７を説明するための平面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明するための分解斜視図である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池１０は、例えば、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池からなり、電源として利用される。固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、小型化、高密度化および高出力化が可能であり、搭載スペースが限定される車両などの移動体の駆動用電源としての適用が好ましく、特に、システムの起動および停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途が特に好ましい。この場合、例えば、自動車（燃料電池車）の車体中央部の座席下、後部トランクルームの下部、車両前方のエンジンルームに搭載することが可能である。車内空間およびトランクルームを広く取る観点からは、座席下の搭載が好ましい。

燃料電池１０は、図１に示されるように、スタック部２０、締結板７０、補強板７５、集電板８０、スペーサ８５、エンドプレート９０およびボルト９５を有する。スタック部２０は、単セル２２の積層体から構成されている。

締結板７０は、スタック部２０の底面および上面に配置され、補強板７５は、スタック部２０の両側に配置される。つまり、締結板７０および補強板７５は、スタック部２０の周囲を取り囲むケーシングを構成している。

集電板８０は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材から形成され、スタック部２０で生じた起電力を出力するための出力端子が設けられており、単セル２２の積層方向の両端つまりスタック部２０の正面および背面に配置される。

スペーサ８５は、スタック部２０の背面に配置される集電板８０の外側に配置される。

エンドプレート９０は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料から形成され、スタック部２０の正面に配置される集電板８０の外側と、スペーサ８５の外側とに配置される。エンドプレート９０は、水素からなる燃料ガス、酸素からなる酸化剤ガス、および、冷却水からなる冷媒を流通させるために、燃料ガス導入口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス導入口、酸化剤ガス排出口、冷却水導入口および冷却水排出口を有する。

ボルト９５は、エンドプレート９０、締結板７０および補強板７５を締結し、その締結力を単セル２２の積層方向に作用させることで、内部に位置するスタック部２０を押し圧状態に保持するために使用される。ボルト９５の本数およびボルト孔の位置は、適宜変更することが可能である。また、締結機構は、螺合に限定されず、他の手段を適用することも可能である。

図２は、図１に示される燃料電池のセル構造を説明するための断面図、図３は、図２に示される膜電極接合体の外周縁と一体化された樹脂枠の形状を説明するための断面図、図４は、図３に示される膜電極接合体の形状を説明するための平面図、図５は、図４に示される面取りした場合による樹脂圧を説明するための概念図、図６は、面取りされていない比較例における樹脂圧を説明するための概念図である。

単セル２２は、膜電極接合体３０、セパレータ５０，５５および樹脂枠６０を有する。

膜電極接合体３０は、図２に示されるように、高分子電解質膜３２、電極（カソードまたはアノード）として機能する触媒層３４，３６、およびガス拡散層４０，４５を有する。

触媒層３４は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、水素の酸化反応が進行するカソード触媒層であり、高分子電解質膜３２の一方の側に配置される。触媒層３６は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、酸素の還元反応が進行するアノード触媒層であり、高分子電解質膜３２の他方の側に配置される。

高分子電解質膜３２は、触媒層（アノード触媒層）３６で生成したプロトンを触媒層（カソード触媒層）３４へ選択的に透過させる機能およびアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。

ガス拡散層４０，４５は、触媒層３４，３６にガスを供給するため、図２に示されるように、金属製の導電性多孔質基材から構成され、触媒層３４，３６の高分子電解質膜３２が配置される面と反対側の面に配置される。これにより、ガス拡散層４０は、触媒層３４とセパレータ５０との間に配置され、ガス拡散層４５は、触媒層３６とセパレータ５５との間に配置される。ガス拡散層４０，４５は、金属製であるため、ガス拡散層の強度を向上させることが容易である。また、ガス拡散層４０，４５は、複数の線材が組み合わされた網（メタルメッシュ）から構成されることが好ましい。この場合、ガス拡散層を薄くすることが容易である。

ガス拡散層４０，４５を構成する網のメッシュは、ガスの供給性およびセル電圧の観点から、１００以上であることが好ましく、１００〜５００であることがより好ましい。網の線径は、触媒層３４，３６およびセパレータ５０，５５のリブ５２，５７（後述）に対する当接面積つまりセル内の電気抵抗の観点から、２５〜１１０μｍであることが好ましい。網の織り方（編み方）は、特に限定されず、例えば、平織、綾織、平畳織、綾畳織を適用することも可能である。また、織ることなく線材同士を、例えば溶接によって固定して、網を形成することも可能である。

膜電極接合体３０は、矩形形状であり、図４に示されるように、ガス拡散層４５における４つの角部３１Ａ〜３１Ｄが、鋭角を呈さないように面取りされている。面取りは、例えば、４５度で角部３１Ａ〜３１Ｄを斜めに切断することで、実施されており、角部３１Ａ〜３１Ｄは、直角ではなく、２つの鈍角つまり１３５度からなる。これにより、面取りを単純な構造で簡単かつ容易に達成することができる。切断角度は、角部３１Ａ〜３１Ｄが９０度より大きい鈍角によって構成されれば、特に４５度に限定されない。なお、触媒層３４，３６は、高価であるため、面取りされた後の角部３１Ａ〜３１Ｄの形状に対応して配置されている。

角部３１Ａ〜３１Ｄの面取りは、膜電極接合体３０の外周縁に一体化された補強用の樹脂枠６０の成形時の成形不良を抑制するために実施されている。つまり、後述するように、膜電極接合体３０を成形型のキャビティに配置し、溶融状態の成形樹脂を膜電極接合体３０の外周縁に向かって注入し、膜電極接合体３０の外周縁と一体化された樹脂枠６０を成形する際、膜電極接合体３０における鈍角の角部は、面取りされていない比較例の膜電極接合体１３０（図６参照）の場合に比べ、成形樹脂の注入あるいは成形樹脂の流れに起因する樹脂圧力を緩和する（図５参照）。したがって、膜電極接合体３０の角部における変形、例えば、ガス拡散層４５の反り変形による成形樹脂の侵入を防止し、成形不良を抑制することができる。なお、図５および図６に関し、矢印の大小で、図６の場合に比較し図５に係る樹脂圧力が緩和されていること表している。

樹脂枠６０は、フレーム状であり、膜電極接合体３０の外周を取り囲むように一体的に配置され、膜電極接合体３０の機械的強度を増加させ、かつ、膜電極接合体３０のハンドリング性を向上させる。樹脂枠６０は、図３に示されるように、上下非対称であり、セパレータ５０，５５の外周形状に対応している。また、樹脂枠６０は、アノード側の強度を向上させるため、その一部がアノード側ガス拡散層４５を覆うように延長している。

セパレータ５０，５５は、図２に示されるように、リブ５２，５７を有し、単セルを電気的に直列接続する機能および燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を互いに遮断する隔壁としての機能を有し、膜電極接合体３０と略同一形状である。セパレータ５０，５５は、例えば、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことで形成されている。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。

セパレータ５０は、膜電極接合体３０のカソード側に配置されるカソードセパレータであり、触媒層３４に相対している。セパレータ５５は、膜電極接合体３０のアノード側に配置されるアノードセパレータであり、触媒層３６に相対している。セパレータ５０，５５は、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を流通させるための複数のマニホールドを有する。マニホールドは、エンドプレート９０に配置される燃料ガス導入口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス導入口、酸化剤ガス排出口、冷却水導入口および冷却水排出口に連通している。

リブ５２，５７は、セパレータ５０，５５の一部からなる矩形状断面を有する突出部によって構成される。リブ５２，５７は、例えば、セパレータ５０，５５素材であるステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことによって一体的に形成される。

リブ５２は、膜電極接合体３０とセパレータ５０との間に位置するガス流路空間４２に並行に配置される。ガス流路空間４２は、酸化剤ガスを触媒層３４に供給するために利用される。リブ５７は、膜電極接合体３０とセパレータ５５との間に位置するガス流路空間４７に並行に配置される。ガス流路空間４７は、燃料ガスを触媒層３６に供給するために利用される。

次に、各構成部材の材質およびサイズ等について詳述する。

高分子電解質膜３２は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン株式会社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）、Ｇｏｒｅ ｓｅｌｅｃｔシリーズ（登録商標、日本ゴア株式会社）等である。多孔質状の膜は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から形成される。

高分子電解質膜３２の厚みは、特に限定されないが、強度、耐久性および出力特性の観点から５μｍ〜３００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜２００μｍである。

触媒層（カソード触媒層）３４に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。触媒層（アノード触媒層）３６に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。

具体的な触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。あるいは貴金属を含まない触媒を用いてもよい。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード触媒層およびアノード触媒層に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜選択することが可能である。

触媒層３４，３６に用いられる触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。

触媒層３４，３６に用いられる高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部または一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。触媒層３４，３６に用いられる高分子電解質は、高分子電解質膜３２に用いられる高分子電解質と同一であっても異なっていてもよいが、高分子電解質膜３２に対する触媒層３４，３６の密着性を向上させる観点から、同一であることが好ましい。

ガス拡散層４０，４５を構成する導電性材料は、特に限定されないが、例えば、セパレータ５０，５５に適用される構成材料と同様な材料を適宜用いることが可能である。また、ガス拡散層４０，４５を構成する導電性材料は、表面が金属で被覆されたものを適用することも可能であり、この場合、表面の金属は、上記と同様の材料が使用でき、芯材は、導電性を有することが好ましい。例えば、導電性の高分子材料や導電性炭素材料を芯材に適用することが可能である。

ガス拡散層４０，４５の表面は、防食処理、撥水処理、親水処理を施すことも可能である。親水処理は、例えば、金あるいは炭素のコーティングであり、ガス拡散層４０，４５の腐食を抑制することが可能である。

撥水処理は、例えば、撥水剤のコーティングであり、ガス拡散層４０，４５の開孔部における水の滞留を減少させ、水によるガス供給の阻害やフラッディングを抑制し、触媒層３４，３６に対するガスの安定供給を確実とし、セル電圧の急激な低下を抑えて、セル電圧を安定させることが可能である。撥水剤は、例えば、フッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。フッ素系の高分子材料は、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等である。

親水処理は、例えば、親水剤のコーティングであり、触媒層３４，３６からの液水を流路側に引き寄せるため、触媒層３４，３６の水詰まりを低減し、セル電圧の急激な低下を抑えて、セル電圧を安定させることが可能である。親水剤は、例えば、シランカップリング剤やポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）である。ガス拡散層４０，４５におけるセパレータ側の面に親水処理を施し、触媒層側の面に撥水処理を施すことも可能である。

樹脂枠６０を構成する樹脂は、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を適用することが可能である。熱可塑性樹脂は、例えば、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリウレタン、ポリオレフィン等のポリマーまたコポリマーからなるプラスチックまたはエラストマーである。また、これらの熱可塑性樹脂を２種以上併用（ブレンド）したり、フィラーを適宜混入したりすることも可能である。熱硬化性樹脂は、例えば、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、シリコンゴム、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）等のプラスチックまたはエラストマーである。

セパレータ５０，５５は、ステンレス鋼鈑から構成する形態に限定されず、ステンレス鋼鈑以外の金属材料、緻密カーボングラファイトや炭素板などのカーボンを適用することも可能である。ステンレス鋼鈑以外の金属材料、例えば、アルミニウム板やクラッド材である。なお、カーボンを適用する場合、リブ５２，５７は、例えば、切削加工によって形成することが可能である。

次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を説明する。

図７は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法における樹脂枠成形に適用される成形装置を説明するための断面図である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法は、ガス拡散層形成工程、第１積層工程、第２積層工程、面取り工程および樹脂枠成形工程を有する。

ガス拡散層形成工程においては、複数の金属製の線材が組み合わされた網からなる導電性多孔質基材によって、ガス拡散層４０，４５が形成される。第１積層工程においては、高分子電解質膜３２の表面に触媒層３４，３６が積層される。第２積層工程においては、触媒層３４，３６の高分子電解質膜３２が配置される面と反対側の面にガス拡散層４０，４５が積層される。

面取り工程においては、ガス拡散層４５における４つの角部３１Ａ〜３１Ｄが、鋭角を呈さないように面取りされる。面取りは、角部を斜めに削除し、鈍角とすることによって実施される。これにより、面取りを単純な構造で簡単かつ容易に達成することができる。面取り工程は、第２積層工程の後につまりガス拡散層４０，４５を触媒層３４，３６に積層した後に配置する形態に限定されず、第２積層工程の前に配置することも可能である。

樹脂枠成形工程においては、面取り工程の後において、高分子電解質膜に触媒層およびガス拡散層が積層された積層体である膜電極接合体３０を成形型のキャビティに配置し、溶融状態の成形樹脂を膜電極接合体３０の外周縁に向かって注入し、膜電極接合体３０の外周縁と一体化された補強用の樹脂枠６０が成形される。

この際、膜電極接合体３０における鈍角の角部は、樹脂圧力を緩和するため、膜電極接合体３０の角部における変形、例えば、ガス拡散層４５の反り変形による成形樹脂の侵入を防止することができる。つまり、膜電極接合体の外周縁と一体化された樹脂枠の成形時の成形不良を抑制し得る膜電極接合体の製造方法を提供することが可能である。

また、膜電極接合体３０の外周縁と一体化された樹脂枠６０により、膜電極接合体３０の強度が補強されるため、ハンドリング性が向上した膜電極接合体３０を得ることができる。

具体的には、面取り工程においては、膜電極接合体３０におけるアノード側のガス拡散層４５における４つの角部３１Ａ〜３１Ｄが、面取りされる。面取りは、例えば、４５度で角部３１Ａ〜３１Ｄを斜めに切断することで、実施され、角部３１Ａ〜３１Ｄは、２つの鈍角つまり１３５度から構成されることとなる。

樹脂枠成形工程においては、例えば、図７に示され成形装置１００によって、高分子電解質膜に触媒層およびガス拡散層が積層された積層体である膜電極接合体３０の外周端部に樹脂枠６０が成形される。成形装置１００は、固定型１１０、移動型１２０および射出ユニット１２８を有する射出成形機からなる。

固定型１１０は、膜電極接合体３０のカソード側ガス拡散層４０が載置される中央キャビティ面１１２と、中央キャビティ面１１２の外周に位置する外周キャビティ面１１４と、溶融状態の成形樹脂を内部に導入するための樹脂注入口１１６と、を有する。中央キャビティ面１１２は、膜電極接合体３０のカソード側ガス拡散層４０より若干大きく設定されている。

移動型１２０は、固定型１１０に対して近接離間可能に構成されており、膜電極接合体３０のアノード側ガス拡散層４５に相対する中央キャビティ面１２２と、中央キャビティ面１２２の外周に位置する外周キャビティ面１２４とを有する。中央キャビティ面１２２は、固定型１１０および移動型１２０を型締めした際に、膜電極接合体３０のアノード側ガス拡散層４５と当接し、カソード側ガス拡散層４０と当接している固定型１１０の中央キャビティ面１１２と共に、膜電極接合体３０を挟持するよう構成されている。中央キャビティ面１２２は、膜電極接合体３０のアノード側ガス拡散層４５より若干小さく設定されている。

固定型１１０および移動型１２０を型締めした際に固定型１１０の外周キャビティ面１１４と移動型１２０の外周キャビティ面１２４とによって形成される空間（キャビティ）Ｓは、樹脂枠６０の形状を規定する。

射出ユニット１２８は、溶融状態の成形樹脂を、型締めされた固定型１１０および移動型１２０の内部に供給するために使用され、樹脂注入口１１６に連通可能である。射出ユニット１２８は、例えば、成形樹脂を格納するホッパー、成形樹脂を加熱溶融するためのヒータ、加熱溶融した成形樹脂を射出（注入）するためのスクリューおよびシリンダー、スクリューの駆動するためのモータを有する。

次に、樹脂枠成形工程を詳述する。

図８は、樹脂枠成形工程における型締めを説明するための断面図、図９は、樹脂枠成形工程における樹脂注入を説明するための断面図、図１０は、比較例に係る樹脂注入を説明するための断面図である。

まず、固定型１１０および移動型１２０を所定温度まで昇温（加熱）させる。一方、射出ユニット１２８のホッパーに成形樹脂を供給し、所定温度まで昇温させて溶融する。

膜電極接合体３０が、カソード側ガス拡散層４０を下にして、固定型１１０の中央キャビティ面１１２に載置され、位置決めされる。膜電極接合体３０の固定は、例えば、吸引機構（不図示）によって実施される。

移動型１２０が固定型１１０に向かって近接し、図８に示されるように、固定型１１０および移動型１２０が型締めされる。これにより、固定型１１０の外周キャビティ面１１４と移動型１２０の外周キャビティ面１２４とによって、樹脂枠６０の形状に対応する空間（キャビティ）Ｓが形成される。

射出ユニット１２８によって、図９に示されるように、溶融状態の樹脂つまり樹脂枠６０素材が、固定型１１０の樹脂注入口１１６を経由し、空間Ｓ（図８参照）に注入される。

この際、ガス拡散層４５における４つの角部３１Ａ〜３１Ｄが、面取りされており、樹脂圧力が緩和され、膜電極接合体３０の角部における変形、例えば、ガス拡散層４５の反り変形による成形樹脂の侵入を防止できる。つまり、本実施の形態においては、面取りにより樹脂圧が緩和されるため、膜電極接合体３０の変形が抑制され、成形不良を抑制し、不良品の発生を低減することが可能である。一方。面取りされていない比較例１３０の場合、樹脂圧が緩和されず（図６参照）、図１０に示されるように、膜電極接合体１３０が変形し、成形不良Ｄを生じる虞がある。

そして、所定時間保圧される。その後、所定温度まで冷却されると、型開きされ、外周端部に樹脂枠６０が一体的に配置された膜電極接合体３０が取り出される。

次に、本発明の実施の形態に係る変形例１〜７を説明する。

図１１は、変形例１を説明するための平面図である。

面取りは、角部３１Ａ〜３１Ｄの全てを対象とする形態に限定されず、膜電極接合体３０Ａのように、ガス拡散層４５の一部（角部３１Ａ）のみを対象とすることも可能である。例えば、樹脂枠６０を成形する際に、特定の角部においてのみ反り変形が生じる場合に優位である。

図１２は、変形例２を説明するための平面図である。

面取りされる部位は、アノード側のガス拡散層４５に限定されず、必要に応じ、高分子電解質膜３２およびカソード側のガス拡散層４０も同様に面取りすることが可能である。なお、符号３３Ａ〜３３Ｄは、高分子電解質膜３２における面取りされた角部を示している。

図１３および図１４は、変形例３および変形例４を説明するための断面図である。

アノード側（ガス拡散層４５および触媒層３６）のサイズは、カソード側（ガス拡散層４０および触媒層３４）より小さい形態に限定されず、例えば、同一サイズとすることや、アノード側のサイズを、カソード側より大きくすることも可能である。

図１５〜１７は、変形例５〜７を説明するための平面図である。

鋭角を呈さないようにするための面取りは、角部３１Ａ〜３１Ｄを斜めに切断する形態に限定されず、図１５に示される膜電極接合体３０Ｅのように、円弧状にまるく加工することも可能である。この場合も、面取りを単純な構造で簡単かつ容易に達成することができる。また、鋭角を呈さないようにするための面取りは、必要に応じ、図１６に示される膜電極接合体３０Ｆのように、角部３１Ａ〜３１Ｄが３つ以上の鈍角からなるように切断したり、図１７に示される膜電極接合体３０Ｇのように、階段状に切断したりすることにより、実施することも可能である。

以上のように、本実施の形態に係る膜電極接合体および膜電極接合体の製造方法によれば、高分子電解質膜に触媒層およびガス拡散層が積層された積層体である膜電極接合体を成形型のキャビティに配置し、溶融状態の成形樹脂を膜電極接合体の外周縁に向かって注入し、膜電極接合体の外周縁と一体化された樹脂枠を成形する際、膜電極接合体における面取りされた角部は、成形樹脂の注入あるいは成形樹脂の流れに起因する樹脂圧力を緩和する。そのため、膜電極接合体の角部における変形、例えば、ガス拡散層の反り変形による成形樹脂の侵入を防止することができる。つまり、膜電極接合体の外周縁と一体化された樹脂枠の成形時の成形不良を抑制することが可能である。

また、膜電極接合体が、膜電極接合体の外周縁に配置されかつ膜電極接合体と一体化された樹脂枠を有する場合、膜電極接合体の強度が補強されるため、ハンドリング性が向上する。

膜電極接合体のガス拡散層を金属製の導電性多孔質基材から構成する場合、ガス拡散層の強度を向上させることが容易である。

導電性多孔質基材を複数の線材が組み合わされた網から構成する場合、ガス拡散層を軽量化することが容易である。

鋭角を呈さないように面取りされた角部を、鈍角の角部あるいは曲面状の角部によって構成する場合、面取りを単純な構造で簡単かつ容易に達成することができる。

膜電極接合体の製造方法における面取り工程の後において、膜電極接合体の外周縁と一体化された樹脂枠を成形する成形工程をさらに有する場合、膜電極接合体の強度が補強されるため、ハンドリング性が向上した膜電極接合体を得ることができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。例えば、ガス拡散層は、パンチングメタル、エキスパンドメタル、エッチングメタル、あるいはカーボン多孔体、導電性樹脂多孔体を適用することも可能である。また、樹脂枠の成形は、射出成形を適用する形態に限定されず、例えば、ＲＩＭ成形（反応射出成形：Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）やトランスファー成形を適宜利用することも可能である。

本出願は、２０１２年１２月２７日に出願された日本特許出願番号２０１２−２８５０４７号に基づいており、それらの開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。

１０ 燃料電池、
２０ スタック部、
２２ 単セル、
３０，３０Ａ〜３０Ｇ，１３０ 膜電極接合体、
３１Ａ〜３１Ｄ 角部、
３２ 高分子電解質膜、
３３Ａ〜３３Ｄ 角部、
３４，３６ 触媒層、
４０，４５，４６ ガス拡散層、
４２，４７ ガス流路空間、
５０，５５ セパレータ、
５２，５７ リブ、
６０ 樹脂枠、
７０ 締結板、
７５ 補強板、
８０ 集電板、
８５ スペーサ、
９０ エンドプレート、
９５ ボルト、
１００ 成形装置、
１１０ 固定型、
１１２ 中央キャビティ面、
１１４ 外周キャビティ面、
１１６ 樹脂注入口、
１２０ 移動型、
１２２ 中央キャビティ面、
１２４ 外周キャビティ面、
１２８ 射出ユニット、
Ｄ 成形不良、
Ｓ 空間（キャビティ）。

Claims (7)

1. 高分子電解質膜と、
   前記高分子電解質膜の表面に配置される触媒層と、
   前記触媒層の前記高分子電解質膜が配置される面と反対側の面に配置されるガス拡散層と、
   前記高分子電解質膜に前記触媒層および前記ガス拡散層が積層された積層体の外周縁に配置され、前記積層体と一体化されている補強用の樹脂枠と、を有し、
   前記ガス拡散層は、前記ガス拡散層の面方向に対して垂直に切断することによって、鋭角を呈さないように面取りされた角部を有する膜電極接合体。
2. 面取りされた前記角部は、なす角が鈍角である複数の直線によって構成される角部あるいは曲線によって構成される角部からなる請求項１に記載の膜電極接合体。
3. 前記ガス拡散層は、金属製の導電性多孔質基材から構成される請求項１又は請求項２に記載の膜電極接合体。
4. 高分子電解質膜の表面に触媒層を積層する工程と、
   前記触媒層の前記高分子電解質膜が配置される面と反対側の面にガス拡散層を積層する工程と、
   前記ガス拡散層の面方向に対して垂直に切断することによって、前記ガス拡散層の角部が、鋭角を呈さないように面取りする面取り工程と、
   前記面取り工程の後において、前記高分子電解質膜に前記触媒層および前記ガス拡散層が積層された積層体を成形型のキャビティに配置し、溶融状態の成形樹脂を前記積層体の外周縁に向かって注入し、前記積層体の外周縁と一体化された樹脂枠を成形する工程を、
   を有する膜電極接合体の製造方法。
5. 前記面取り工程は、前記ガス拡散層を前記触媒層に積層する前である請求項４に記載の膜電極接合体の製造方法。
6. 前記面取り工程は、前記ガス拡散層を前記触媒層に積層した後である請求項４に記載の膜電極接合体の製造方法。
7. 複数の金属製の線材が組み合わされた網からなる導電性多孔質基材によって前記ガス拡散層を形成する工程を、さらに有する請求項４〜６のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法。