JPWO2009047908A1 - 高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体およびその製造方法、並びに高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

固体高分子電解質型燃料電池において、膜の周縁部に沿って配置された枠体本体部と、枠体本体部の内縁より突出して配列され、膜の表面側を保持する複数の第１保持部と、枠体本体部の内縁より突出して配列され、膜の裏面側を保持する複数の第２保持部とを備える枠体にて、第１保持部による膜のそれぞれの保持位置と第２保持部による膜のそれぞれの保持位置が交互に配置し、隣接するそれぞれの第１保持部の間における膜の表面上に複数の表面側弾性部材を配置し、隣接するそれぞれの第２保持部の間における膜の裏面上に複数の裏面側弾性部材を配置する。

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関し、特に、燃料電池の電極−膜−枠接合体の構造およびその製造方法に関する。

固体高分子電解質型燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」という場合もある。）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、電力と熱を同時に発生させる装置である。

固体高分子電解質型燃料電池の最も代表的なものは、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で支持された高分子電解質膜と、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構成される膜電極接合体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡを挟むアノード側導電性セパレータ板及びカソード側導電性セパレータ板から構成され、アノード及びカソード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が、セパレータ板の内のＭＥＡと当接する中央部の周縁に形成されている。

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１４に示すように、ＭＥＡの周縁部が枠体３００の内部にて支持されたＭＥＡ３０３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ＭＥＡは枠体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。

特開２００５−１００９７０号公報 国際公開第２００６／０４０９９４号パンフレット

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、クロスリーク現象とは、図１４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現象の発生を抑制するための１つの方法として、ＭＥＡ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ＭＥＡ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。このような方法は、例えば、特許文献２においても開示されている。

具体的には、図１５Ａ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１５Ｂ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電極３１４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１５Ｃ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、射出成型により樹脂材料を注入して第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、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形成方法では、次のような問題がある。図１６Ａ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の上面からめくれ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１６Ｂに示すように、電解質膜３１３の周縁部３１３ａが第２の枠部材３１２の内部において完全に浮き上がった状態にて電極３１４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、枠体３１０により電極３１４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。特に、ＭＥＡは比較的高価な部材であり、燃料電池製造において高い歩留まり（生産性）を実現することが望まれる。また、このような燃料電池製造における生産性の向上とともに、燃料電池における発電効率等の性能を向上することも求められ続けている。

従って、本発明の第１の目的は、上記問題を解決することにあって、固体高分子電解質型燃料電池の電極−膜−枠接合体において、高分子電解質膜と枠体との間のクロスリーク現象を効果的に抑制するとともに、その製造において高い歩留まりを実現することができる燃料電池用の電極−膜−枠接合体及びその製造方法、並びに電極−膜−枠接合体を備えた高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
さらに、本発明の第２の目的は、固体高分子電解質型燃料電池において、その発電効率等の性能を向上させることができる燃料電池用の電極−膜−枠接合体及びその製造方法、並びに電極−膜−枠接合体を備えた高分子電解質型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、上記高分子電解質膜の周縁部より内側の両表面に配置された一対の電極層とを有する膜電極接合体と、
上記膜電極接合体の周縁部を保持する樹脂により形成された枠体と、
上記膜電極接合体の周縁部において、上記膜電極接合体の表裏面間の連通を封止する弾性部材とを備え、
上記枠体は、
上記高分子電解質膜の周縁部に沿って配置された枠体本体部と、
上記枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ上記内縁沿いに配列され、上記高分子電解質膜の表面側を保持する複数の第１保持部と、
上記枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ上記内縁沿いに配列され、上記高分子電解質膜の裏面側を保持する複数の第２保持部とを備え、
上記第１保持部による上記高分子電解質膜のそれぞれの保持位置と、上記第２保持部による上記高分子電解質膜のそれぞれの保持位置が、上記高分子電解質膜の周縁部に沿って交互に配置されるように、上記それぞれの第１保持部及び第２保持部が配列され、
上記弾性部材は、隣接するそれぞれの上記第１保持部の間における上記高分子電解質膜の表面上に配置された複数の表面側弾性部材と、隣接するそれぞれの上記第２保持部の間における上記高分子電解質膜の裏面上に配置された複数の裏面側弾性部材とを備える、高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。

本発明の第２態様によれば、それぞれの上記表面側弾性部材及び裏面側弾性部材は、上記枠体のセパレータ側表面よりも隆起して形成されている、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。

本発明の第３態様によれば、それぞれの上記表面側弾性部材及び裏面側弾性部材が、上記高分子電解質膜の表面及び裏面において、上記枠体本体部の内縁から上記電極層の外縁に接する位置にまで延在して配置されている、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。

本発明の第４態様によれば、隣接するそれぞれの表面側弾性部材が互いに連結されて形成され、隣接するそれぞれの裏面側弾性部材が互いに連結されて形成されている、第３態様に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。

本発明の第５態様によれば、上記第１保持部に対向して配置された一の上記裏面側弾性部材と、上記一の裏面側弾性部材に隣接する上記第２保持部に対向して配置された一の上記表面側弾性部材とが、上記高分子電解質膜の周縁部沿いにおいて、上記高分子電解質膜上への互いの配置領域の一部に重なり領域を有している、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。

本発明の第６態様によれば、上記第１保持部および第２保持部は、上記枠体本体部側の幅よりも、枠体中央側への突出先端側の幅が大きく形成されている、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。

本発明の第７態様によれば、上記枠体本体部の内縁と、上記高分子電解質膜の周縁部の端面との間に、隙間が設けられている、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。

本発明の第８態様によれば、第１態様から第７態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体と、上記電極−膜−枠接合体を挟むように配置された一対のセパレータとを有する単電池モジュールを、１又は複数積層して備える、高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第９態様によれば、膜電極接合体の周縁部に沿って配置された複数の第１支持部にて上記膜電極接合体をその表面側から支持し、上記周縁部沿いにおいて上記複数の第１支持部と交互に配置され、かつ上記膜電極接合体の周縁部に沿って配置された複数の第２支持部にて上記膜電極接合体をその裏面側から支持するように、射出成型用金型内に上記膜電極接合体を配置して、上記膜電極接合体の周縁部に沿って枠状に配置された枠状流路と、上記枠状流路と連通されかつ隣接するそれぞれの上記第１支持部の間にて上記膜電極接合体の周縁部における表面と接して配置された第１流路と、上記枠状流路と連通されかつ隣接するそれぞれの上記第２支持部の間にて上記膜電極接合体の周縁部における裏面と接して配置された第２流路とを形成し、
それぞれの上記第１支持部及び第２支持部により上記膜電極接合体の周縁部を保持した状態にて、それぞれの上記流路内に樹脂を注入して充填し、
上記充填された樹脂を硬化させることにより、上記枠状流路にて形成された枠体本体部と、上記第１流路にて上記枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ上記内縁沿いに配列され、上記膜電極接合体の表面側を保持する複数の第１保持部と、上記第２流路にて上記枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ上記内縁沿いに配列され、上記膜電極接合体の裏面側を保持する複数の第２保持部とを備える枠体を形成し、
隣接するそれぞれの上記第１保持部の間における上記膜電極接合体の表面上に配置された複数の表面側弾性部材と、隣接するそれぞれの上記第２保持部の間における上記膜電極接合体の裏面上に配置された複数の裏面側弾性部材とを形成する、高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。

本発明によれば、膜電極接合体における高分子電解質膜の周縁部を樹脂材料により形成される枠体により保持させる構成において、枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ内縁沿いに配列され、高分子電解質膜の表面側を保持する複数の第１保持部と、同様な構成にて高分子電解質膜の裏面側を保持する複数の第２保持部とにより枠体を構成する。さらに、枠体において、第１保持部による高分子電解質膜のそれぞれの保持位置と、第２保持部による高分子電解質膜の保持位置が、高分子電解質膜の周縁部に沿って交互に配置されるように、それぞれの第１保持部及び第２保持部が形成されている。このような構成が採用されていることにより、樹脂を用いて、枠体を射出成型により形成する際に、高分子電解質膜の表面側と裏面側にて交互に配置されたそれぞれの保持部の間にて、金型により高分子電解質膜をその表裏面より確実に保持した状態にて樹脂を注入して、枠体を形成することができる。よって、射出成型時に高分子電解質膜の浮き上がり等の不良が生じることがなく、クロスリーク現象を効果的に抑制することができる。さらに、このような枠体の射出成型による形成は、一工程にて行うことが可能となるため、その生産性を向上させることができる。

また、このように高分子電解質膜の表裏面にて交互に配置されたそれぞれの保持部の間における高分子電解質膜の表面および裏面上に、枠体よりも弾性力の高い弾性部材を配置させることにより、弾性部材が高分子電解質膜の表面に接して両者の間を封止することができる部分を確保することができ、枠体と高分子電解質膜との間の封止効果を高めることができ、クロスリーク現象の発生をさらに効果的に抑制することができる。また、このような弾性部材をそれぞれの保持部の間に配置させることで、保持部の先端と電極層の外縁との距離を少なくすることができる。したがって、枠体外形をコンパクトにしながら、発電処理に寄与する電極層の面積を効率的に確保することができ、燃料電池における発電効率を向上させることができる。

本発明のこれらの態様と特徴は、添付された図面についての好ましい実施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実施形態にかかる燃料電池の概略構成を示す模式構成図であり、 図２は、図１の燃料電池が備える燃料電池用スタックの模式分解図であり、 図３は、図２の燃料電池用スタックが備える電極−膜−枠接合体の部分模式図（弾性部材なしの状態）であり、 図４は、図２の燃料電池用スタックが備える電極−膜−枠接合体の部分模式図（弾性部材ありの状態）であり、 図５Ａは、図４の電極−膜−枠接合体のＡ−Ａ線模式断面図であり、 図５Ｂは、図４の変形例にかかる電極−膜−枠接合体のＡ−Ａ線模式断面図であり、 図６Ａは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（枠体成型工程）図であって、金型の構成を示す図であり、 図６Ｂは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（枠体成型工程）図であって、下部金型にＭＥＡが載置された状態を示す図であり、 図６Ｃは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（枠体成型工程）図であって、金型の型締めが行われた状態の図であり、 図６Ｄは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（枠体成型工程）図であって、樹脂材料が注入されている状態の図であり、 図６Ｅは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（枠体成型工程）図であって、ＭＥＡを保持した状態の枠体が完成した状態を示す図であり、 図７Ａは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（弾性部材成型工程）図であって、金型の構成を示す図であり、 図７Ｂは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（弾性部材成型工程）図であって、下部金型にＭＥＡを保持した状態の枠体が載置された状態を示す図であり、 図７Ｃは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（弾性部材成型工程）図であって、金型の型締めが行われた状態の図であり、 図７Ｄは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（弾性部材成型工程）図であって、樹脂材料が注入されている状態の図であり、 図７Ｅは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（弾性部材成型工程）図であって、弾性部材が形成された電極−膜−枠接合体が完成した状態を示す図であり、 図８は、第１実施形態の変形例にかかる弾性部材の配置構造を示す模式図であり、 図９は、本発明の第２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す部分模式斜視図（弾性部材なしの状態）であり、 図１０は、本発明の第２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す部分模式斜視図（弾性部材ありの状態）であり、 図１１は、第２実施形態の電極−膜−枠接合体における寸法例を示す模式説明図であり、 図１２は、本発明の変形例にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す模式図であり、 図１３は、本発明の別の変形例にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す模式図であり、 図１４は、従来の燃料電池のＭＥＡとセパレータの分解断面図であり、 図１５Ａは、従来の燃料電池のＭＥＡの製造方法の模式説明図であり、 図１５Ｂは、従来の燃料電池のＭＥＡの製造方法の模式説明図であり、 図１５Ｃは、従来の燃料電池のＭＥＡの製造方法の模式説明図であり、 図１６Ａは、従来のＭＥＡの製造方法における膜のめくれ上がり現象の模式説明図であり、 図１６Ｂは、従来のＭＥＡの製造方法における膜のめくれ上がり現象の模式説明図であり、 図１７は、本発明の第３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す部分模式斜視図（弾性部材なしの状態）であり、 図１８は、本発明の第３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す部分模式斜視図（弾性部材ありの状態）であり、 図１９Ａは、図１８の第３実施形態の電極−膜−枠接合体のＢ−Ｂ線断面図であり、 図１９Ｂは、図１８の第３実施形態の電極−膜−枠接合体のＣ−Ｃ線断面図であり、 図２０は、本発明の第３実施形態の変形例にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す部分模式斜視図（弾性部材なしの状態）であり、 図２１は、本発明の第３実施形態の変形例にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す部分模式斜視図（弾性部材ありの状態）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高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）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（あるいは単セル又は単電池モジュール）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おり、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が、本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の間を絶縁するとともに、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、複数枚積層された単セル２０と集電板２１、絶縁板２２を図示しない加圧手段によって所定の荷重で締結し、保持している。

図２に示すように、単セル２０は、ＭＥＡ（膜電極接合体）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。ＭＥＡ１５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（アノード電極層）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（カソード電極層）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であれば良く、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、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したもの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、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構成されたものを用いあることができ、このような基材としては例えば炭素繊維織布を用いることができる。

ここでこのような単セル２０のＭＥＡ１５の端部近傍における模式部分斜視図を図３に拡大して示す。

図３に示すように、ＭＥＡ１５は、高分子電解質膜１ａの片方の面にアノード電極１ｂが接合され、高分子電解質膜１ａの他方の面にカソード電極１ｃが接合されて形成されている。また、高分子電解質膜１ａはアノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃよりも一回大きく形成されており、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃの間から高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄが露出されている。ＭＥＡ１５の高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄは、熱可塑性樹脂により形成された枠体２により保持されている。このように枠体２によりＭＥＡ１５が保持された一体的な構造が、電極−膜−枠接合体１０となっている。

図３に示すように、枠体２は、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄに沿って配置された枠体本体部３と、この枠体本体部３の内縁より枠体中央側（すなわちＭＥＡ１５の中央側）に向けて突出しかつ内縁沿いに配列して形成され、高分子電解質膜１ａのアノード側（すなわち、図示表面側）を保持する複数の第１保持部１１と、この枠体本体部３の内縁より枠体中央側（すなわちＭＥＡ１５の中央側）に向けて突出しかつ内縁沿いに配列して形成され、高分子電解質膜１ａのカソード側（すなわち、図示裏面側）を保持する複数の第２保持部１２とを備えている。また、第１保持部１１による高分子電解質膜１ａのそれぞれの保持位置と、第２保持部１２による高分子電解質膜１ａのそれぞれの保持位置とは、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄに沿いに交互に配置されるように、それぞれの第１保持部１１及び第２保持部１２が形成されている。すなわち、枠体本体部３の内縁におけるカソード側には、略方形状の突起部である第１保持部１１が、例えば一定の間隔ピッチにて形成されて、内縁に沿って連続する凹凸構造が形成されており、同様に枠体本体部３の内縁におけるアノード側には、略方形状の突起部である第２保持部１２が、例えば上記一定の間隔ピッチと同じ間隔ピッチにて形成されて、内縁に沿って連続する凹凸構造が形成されている。また、第１保持部１１による凹凸構造と第２保持部１２による凹凸構造は、その凹凸の位置がアノード側とカソード側にて交互となるように配置されている。すなわち、隣接する第１保持部１１の間の第１凹部１１ａが形成されている位置と、第２保持部１２の形成位置とは、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄを介して互いに対向して配置されている。同様に、隣接する第２保持部１２の間の第２凹部１２ａが形成されている位置と、第１保持部１１の形成位置とは、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄを介して互いに対向して配置されている。なお、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄの端部は、枠体本体部３の内縁に接するようにそれぞれの第１保持部１１と第２保持部１２との間に配置された状態で保持されている。

次に、このような構造を有する電極−膜−枠接合体１０に、さらにクロスリーク現象の発生を抑制するための弾性部材が備えられた状態の模式部分斜視図を図４に示す。

図４に示すように、枠体２のそれぞれの第１凹部１１ａにおける高分子電解質膜１ａ上には、第１凹部１１ａの内側空間を埋めるように弾性材料により形成されたアノード側弾性部材（表面側弾性部材）１３が配置されている。また、それぞれの第２凹部１２ａにおける高分子電解質膜１ａ上には、第２凹部１２ａの内側空間を埋めるように弾性材料により形成されたカソード側弾性部材（裏面側弾性部材）１４（図５Ａ参照）が配置されている。それぞれのアノード側弾性部材１３は、第１凹部１１ａの内側空間を埋めるとともに、枠体中央側に向かって高分子電解質膜１ａ上に延在して、アノード電極１ｂの外縁端面を覆うように配置されている。図４においては図示を省略しているが、それぞれのカソード側弾性部材１４は、第２凹部１２ａの内側空間を埋めるとともに、枠体中央側に向かって高分子電解質膜１ａ上に延在して、カソード電極１ｃの外縁端面を覆うように配置されている。また、それぞれのアノード側弾性部材１３は略直方体形状に形成されており、その平坦な上面が、第１保持部１１の上面よりも上方に隆起するように形成されている。それぞれのカソード側弾性部材１４も同様に、その上面（図４においては下面）が第２保持部１２よりも隆起して形成されている。

ここで、図４の電極−膜−枠接合体１０におけるＡ−Ａ線断面図を図５Ａに示す。図５Ａに示すように、それぞれの第１保持部１１と第２保持部１２は、高分子電解質膜１ａを挟んで交互に配列されており、同様に、それぞれのアノード側弾性部材１３とカソード側弾性部材１４は、高分子電解質膜１ａを挟んで交互に配列されている。また、図５Ａに示すように、第１保持部１１に対向して配置された１つのカソード側弾性部材１４と、この１つのカソード側弾性部材１４に隣接する第２保持部１２に対向して配置された１つのアノード側弾性部材１３とが、それぞれの高分子電解質膜１ａ上への配置領域の一部に重なり領域Ｒを有している。すなわち、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄ沿いにおいて、アノード側弾性部材１３とカソード側弾性部材１４とのそれぞれの配置領域が、その一部においてオーバーラップするように、高分子電解質膜１ａの表裏面にそれぞれの弾性部材１３、１４が配置されている。

なお、本第１実施形態においては、図５Ａに示すように、アノード側弾性部材１３とカソード側弾性部材１４の互いの配置領域の一部に、重なり領域Ｒが生じるような場合について説明するが、本実施形態はこのような場合についてのみ限定されるものではない。このような場合に代えて、例えば、図５Ｂの模式断面図に示すように、それぞれの弾性部材１３、１４の配置領域に重なり領域Ｒを有さず、アノード側弾性部材１３の端部位置と、カソード側弾性部材１４の端部位置とが一致するような配置構成が採用されるような場合であってもよい。

このような弾性部材１３、１４の配置構成が採用されることにより、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄに沿って、その表裏面のいずれかの面にて弾性部材１３若しくは１４により、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄにおけるその表裏面間の連通を封止することができるため、クロスリーク現象の発生を効果的に抑制することができる。特に、図５Ａに示すように、弾性部材１３、１４の配置領域の重なり領域Ｒを形成することにより、弾性部材１３、１４の配置位置に製造時における位置ずれが生じるような場合であっても、この位置ずれを重なり領域Ｒにて吸収して、その影響による封止漏れ箇所が生じないようにすることができ、より確実な封止を実現することができる。

なお、枠体２、すなわち枠体本体部３、第１保持部１１、及び第２保持部１２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電極−膜−枠接合体１０を射出成型により形成する方法について、図６Ａ〜図６Ｅに示す模式説明図を用いて説明する。

まず、図６Ａに示すように、ＭＥＡ１５が配置される上部金型（第１金型）５０と下部金型（第２金型）６０とを準備する。下部金型６０は、その上面にＭＥＡ１５が配置されるとともに、枠体２となる所定の流路を形成するための凹凸部である下部流路形成面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ＭＥＡ１５を下部流路形成面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ＭＥＡ１５の上面を覆うとともに、枠体２となる所定の流路を形成するための凹凸部である上部流路形成面５１が形成されている。なお、下部流路形成面６１には、ＭＥＡ１５の周縁部１ｄをその下方側から受けるように支持する複数の第２支持部６１ａ（下部金型６０の一部）が形成されており、上部流路形成面５１には、ＭＥＡ１５の周縁部１ｄをその上方側から押さえるように支持する複数の第１支持部５１ａ（上部金型５０の一部）が形成されている。それぞれの第１支持部５１ａは、その後の射出成型により形成される枠体２において第１凹部１１ａを形成する部分に相当し、第２支持部６１ａは、第２凹部１２ａを形成する部分に相当する。すなわち、それぞれの第１支持部５１ａと第２支持部６１ａは、その形成位置が交互になるように配置されている。さらに、この上部流路形成面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６Ｂに示すように、下部金型６０の下部流路形成面６１にＭＥＡ１５を載置して、それぞれの第２支持部６１ａによりＭＥＡ１５の周縁部１ｄが支持された状態とする。その後、図６Ｃに示すように、ＭＥＡ１５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、ＭＥＡ１５の周縁部１ｄが、それぞれの第１支持部５１ａと第２支持部６１ａによりその表裏面から支持されて保持された状態とされる。さらに、ＭＥＡ１５の周囲には、枠体本体部３となる第３樹脂流路（枠状流路）Ｐ３と、この第３樹脂流路Ｐ３の内縁と連通され、かつそれぞれの第１支持部５１ａの間に形成されて周縁部１ｄの表面と接する第１樹脂流路（第１流路）Ｐ１と、この第３樹脂流路Ｐ３の内縁と連通され、かつそれぞれの第２支持部６１ａの間に形成されて周縁部１ｄの裏面と接する第２樹脂流路（第２流路）Ｐ２とが形成される。なお、第１樹脂流路Ｐ１は、枠体２における第１保持部１１に相当する部分であり、第２樹脂流路Ｐ２は、枠体２における第２保持部１２に相当する部分である。

次に、図６Ｄ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、第３樹脂流路Ｐ３に注入されて、第３樹脂流路Ｐ３内に充填される。さらに第３樹脂流路Ｐ３内に注入された樹脂材料Ｐが、連通されている第１樹脂流路Ｐ１及び第２樹脂流路Ｐ２へ流れ込み、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第１から第３樹脂流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３内に注入されることになるが、樹脂流路内において高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄは、それぞれの第１支持部５１ａ及び第２支持部６１ａによりその表裏面側から保持されて固定された状態とされているため、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄが浮き上がる、あるいは、まくれ上がることを確実に防止することができる。

それぞれの樹脂流路Ｐ１〜Ｐ３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６Ｅ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枠体２が形成されたＭＥＡ１５が、下部金型６０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に示すように、電解質膜１ａの周縁部１ｄが第１保持部１１と第２保持部１２によりその表裏面より保持された枠体２が形成される。

次に、このように形成された電極−膜−枠接合体１０において、射出成型により弾性部材１３、１４を形成する。具体的には、図７Ａに示すように、電極−膜−枠接合体１０が配置される上部金型７０と下部金型（第２金型）８０とを準備する。下部金型８０は、その上面に電極−膜−枠接合体１０が配置されるとともに、カソード側弾性部材１４となる所定の流路（第５樹脂流路Ｐ５）を形成するための凹凸部である下部流路形成面８１が形成されている。さらに下部金型８０には、成形された樹脂を下部流路形成面８１から分離させる棒状の突き上げ部材８２が備えられている。上部金型７０は、その下面にて電極−膜−枠接合体１０の上面を覆うとともに、アノード側弾性部材１３となる所定の流路（第４樹脂流路Ｐ４）を形成するための凹凸部である上部流路形成面７１が形成されている。具体的には、第４樹脂流路Ｐ４は、第１凹部１１ａに相当する部分に形成されており、第５樹脂流路Ｐ５は、第２凹部１２ａに相当する部分に形成されている。さらに、この上部流路形成面７１には樹脂注入口である複数のゲート７２が形成されており、それぞれのゲート７２は、上部金型７０の上面に形成された凹部である樹脂導入部７３に連通されている。また、上部金型７０には、上部金型７０と下部金型８０とを位置決めした状態で型締めを行う型締め部材８４が備えられている。

次に、図７Ｂに示すように、下部金型８０の下部流路形成面８１に電極−膜−枠接合体１０を載置する。その後、図７Ｃに示すように、電極−膜−枠接合体１０が載置された下部金型８０に対して、上部金型７０を型締め部材７４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、それぞれの第１凹部１１ａに相当する位置に第４樹脂流路Ｐ４が形成され、それぞれの第２凹部１２ａに相当する位置に第５樹脂流路Ｐ５が形成される。なお、図７Ｃに示すように、枠体本体部３には、貫通孔３ａが形成されており、この貫通孔３ａにより第４樹脂流路Ｐ４と第５樹脂流路Ｐ５とが互いに連通された状態とされている。

次に、図７Ｄに示すように、金型内に弾性部材を形成するための樹脂材料Ｐ’を射出して注入する。具体的には、上部金型７０の樹脂導入部７３に射出注入された樹脂材料Ｐ’が、それぞれのゲート７２を通して、第４樹脂流路Ｐ４に注入されて、第４樹脂流路Ｐ４内に充填される。さらに第４樹脂流路Ｐ４内に注入された樹脂材料Ｐ’が、貫通孔３ａを通して連通されている第５樹脂流路Ｐ５へ流れ込み、充填される。

それぞれの樹脂流路Ｐ４及びＰ５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７Ｅに示すように、上部金型７０と下部金型８０との型締めが解除され、突き上げ部材８２により、樹脂流路に相当する位置に弾性部材１３、１４が形成された電極−膜−枠接合体１０が、下部金型８０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４に示すように、アノード側弾性部材１３及びカソード側弾性部材１４が形成された電極−膜−枠接合体１０が形成される。

このように製造される本第１実施形態の電極−膜−枠接合体１０によれば、以下のような種々の効果を得ることができる。

まず、図３に示すように、枠体本体部３の内縁より交互に突出された第１保持部１１と第２保持部１２との間において、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄを保持させるような構造が採用されていることにより、射出成型による製造時において、ＭＥＡ１５の周縁部１ｄを、隣接する第１保持部１１間の第１凹部１１ａに相当する金型の部分である第１支持部５１ａと、隣接する第２保持部１２間の第２凹部１２ａに相当する金型の部分である第２支持部６１ａとにより確実に保持して固定させた状態にて、樹脂材料Ｐの注入を行うことができる。したがって、射出成型時において、高温高圧の樹脂材料の注入による高分子電解質膜１ａの浮き上がりやまくれ上がりを確実に防止することができ、その歩留まり率を向上させることができる。

また、ＭＥＡ１５を保持する枠体２を１回の射出成型工程にて製造することができ、さらにその後、弾性部材１３、１４を形成するための射出成型工程を１回行うことにより、弾性部材１３、１４を有する電極−膜−枠接合体１０を製造することができる。したがって、電極−膜−枠接合体の製造工程における生産性を高めることができる。

また、図４に示すように、電極−膜−枠接合体１０におけるそれぞれの第１凹部１１ａ及び第２凹部１２ａを埋めるようにアノード側弾性部材１３及びカソード側弾性部材１４が、高分子電解質膜１ａの表裏面においてその周縁部１ｄに沿って交互に配置されていることにより、高分子電解質膜１ａの表裏面の連通を確実に封止することができ、クロスリーク現象の発生を抑制することができる。特に、図５Ａの模式断面図に示すように、アノード側弾性部材１３の配置領域と、カソード側弾性部材１４の配置領域との間に、重なり領域Ｒが存在していることにより、より確実な封止を実現することができる。

また、このような弾性部材１３、１４は、図４において、第１凹部１１ａ及び第２凹部１２ａの内側の空間を埋めるように、Ｓ１で示される部分に配置されていれば、高分子電解質膜１ａの表裏面の連通を封止する効果を得ることができ、クロスリーク現象の発生を効果的に抑制することができる。したがって、本第１実施形態の弾性部材１３、１４の配置構造は、図４に示す形態に限定されることなく、例えば、図４において、Ｓ１にて示される部分、すなわちそれぞれの第１凹部１１ａ及び第２凹部１２ａの内側空間を埋めるようにアノード側弾性部材１３及びカソード側弾性部材１４が配置されるような配置構造を採用することもできる。

一方、図４に示す本第１実施形態の弾性部材１３、１４の配置構造では、それぞれの弾性部材１３、１４が、枠体本体部３の内縁から、アノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃの端部を覆う位置にまで延在して配置されている。すなわち、図４におけるＳ１及びＳ２にて示される部分において弾性部材１３、１４が配置されている。このような配置構造が採用されていることにより、枠体２の内縁と、アノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃの外縁端部との間に存在する図示Ｄ方向の空間を、それぞれの弾性部材１３、１４により分断して封止することができる。したがって、燃料ガスがアノード電極１ｂの表面に接触することなく図示Ｄ方向の上記空間をショートカットすること、及び酸化剤ガスがカソード電極１ｃの表面に接触することなく図示Ｄ方向の上記空間をショートカットすることを防止することができる。よって、燃料電池における発電効率を向上させることができる。また、それぞれの弾性部材１３、１４が、枠体本体部３の内縁にまで延在して配置されていることにより、高分子電解質膜１ａの外縁端まで確実にそれぞれの弾性部材１３、１４を接触させた状態とすることができ、上述したようにクロスリーク現象の発生を効果的に抑制することができる。

本第１実施形態の電極−膜−枠接合体１０によれば、部分Ｓ１において弾性部材１３、１４によるクロスリーク現象抑制のための封止を行っている。そのため、図４における枠体２の内縁と、アノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃの端部との間の空間、すなわち部分Ｓ２は、枠体２と電極１ｂ、１ｃの製作寸法の誤差等を考慮した範囲において、最小限の寸法に抑えることができる。すなわち、枠体２の内縁と電極１ｂ及び１ｃの端部との間の距離を近づけることができる。したがって、電極−膜−枠接合体１０において、電極１ｂ及び１ｃを占める面積を効率的に確保することができ、燃料電池のコンパクト化を図りながらその発電効率を向上させることができる。

なお、本第１実施形態の電極−膜−枠接合体１０では、図４に示すように、それぞれのアノード側弾性部材１３が互いに独立して配置されるとともに、それぞれのカソード側弾性部材１４が互いに独立して配置されるような配置構造が採用されているが、本第１実施形態はこのような配置構造にのみ限定されるものではない。このような場合に代えて、例えば、図８の模式斜視図に示す変形例にかかる弾性部材９０のように、それぞれのアノード側弾性部材１３が枠体２の内縁において互いに連結されて一体的に形成されるような配置構造が採用される場合であってもよい。このような弾性部材９０では、枠体２の内縁と電極１ｂ及び１ｃの端部との間の空間全体を弾性部材により埋めることができるため、燃料ガス等のショートカット抑制効果をさらに高めることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態にかかる電極−膜−枠接合体２１０の構造について、図９及び図１０に示す模式斜視図を用いて以下に説明する。なお、本第２実施形態の電極−膜−枠接合体２１０において、上記第１実施形態の電極−膜−枠接合体１０と同じ構成部分には同じ参照番号を付してその説明を省略する。

図９に示すように、本第２実施形態の電極−膜−枠接合体２１０は、枠体２０２において第１保持部２１１及び第２保持部２１２の形状が略台形状となっており、この点において、上記第１実施形態と異なる構造を有している。

具体的には、図９に示すように、第１保持部２１１は、その突出先端側（上辺側）が短く、かつ左右対称の台形形状の形成されており、第２保持部２１２も第１保持部２１１と同じ形状に形成されている。それぞれの第１保持部２１１と第２保持部２１２は均等な間隔ピッチにて配列されており、第１保持部２１１の配置と第２保持部２１２の配置とが交互となるように配置されている。隣接する第１保持部２１１の間には、第１保持部２１１とは逆向きの台形形状を有する第１凹部２１１ａが配置されており、同様に隣接する第２保持部２１２の間にも、逆向きの台形形状を有する第２凹部２１２ａが配置されている。

さらに、図１０に示すように、それぞれの第１凹部２１１ａ及び第２凹部２１２ａの内側の空間を埋めるように、アノード側弾性部材２１３及びカソード側弾性部材２１４が配置されている。なお、それぞれのアノード側弾性部材２１３とカソード側弾性部材２１４とは、それぞれにおいて一体的に連結して形成されている。

このような本第２実施形態の電極−膜−枠接合体２１０の構造によれば、図９に示すように、第１保持部２１１の台形形状２１１ｂの斜辺端部と、第２保持部２１２の台形形状の斜辺端部２１２ｂとが、その厚み方向から見た場合に必ず交差させることができる。そのため、第１凹部２１１ａを埋めるように配置されるアノード側弾性部材２１３の配置領域と、第２凹部２１２ａを埋めるように配置されるカソード側弾性部材２１４の配置領域との間に、台形形状の斜辺の交差により生じる重なり領域Ｒが確実に形成される。したがって、それぞれの弾性部材２１３及び２１４により、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄ沿いに確実な封止を実現することができ、クロスリーク現象抑制効果を確実に発揮することができる。特に、このような台形形状の構造による重なり領域Ｒを確保するという手法によれば、製作誤差などにより枠体２０２の製作寸法に多少の位置ずれが生じるような場合であっても、重なり領域Ｒを確実に形成することができるという利点がある。

このような台形形状の構造の寸法例としては、図１１に示すように、保持部２１１及び２１２の短辺側の幅寸法Ｗが、実用上１ｍｍ以上１５ｍｍ以内とすることが好ましい。この幅寸法Ｗが狭すぎると成型品にて樹脂材料の充填不良が生じやすく、また、金型加工にてコスト上昇が生じることになるからである。逆に幅寸法Ｗが広すぎると、弾性部材２１３、２１４による高分子電解質膜１ａの押さえ効果、すなわち封止効果が低くなるからである。

また、保持部２１１及び２１２の奥行き寸法Ｌは、実用上１ｍｍ以上８ｍｍ以内とすることが好ましい。奥行き寸法Ｌが狭すぎると高分子電解質膜１ａの押さえ効果が低くなり、逆に広すぎると高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄにおいて無駄な面積が増えることになるからである。

上記それぞれの実施形態では、第１保持部及び第２保持部の平面形状が方形あるいは台形状であるような場合について説明したが、その他様々な形状を採用することができる。例えば、図１２の模式図に示すように、第１保持部３１１及び第２保持部３１２を大略円形状の突起部分として形成し、その間を埋めるように配置される弾性部材３１３と第１保持部３１１とを高分子電解質膜１ａの表面沿いの方向において互いに係合させるような構造とすることができる。また、図１３の模式図に示すように、第１保持部４１１及び第２保持部４１２を略三角形状の突起部分として形成することにより、上記第２実施形態の台形形状と略類似した効果を得ることもできる。このような保持部の平面的な形状としては、その他半円形状や多角形形状など様々な形状を採用することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態にかかる電極−膜−枠接合体５１０の構造について、図１７及び図１８に示す模式斜視図を用いて以下に説明する。なお、本第３実施形態の電極−膜−枠接合体５１０において、上記第１実施形態の電極−膜−枠接合体１０と同じ構成部分には同じ参照番号を付してその説明を省略する。

図１７に示すように、本第３実施形態の電極−膜−枠接合体５１０は、枠体５０２において第１保持部５１１及び第２保持部５１２の形状が、平面視大略Ｔ字形状のいわゆるハンマーヘッド形状を有しており、この点において、上記第１および第２実施形態と異なる構造を有している。

具体的には、図１７に示すように、第１保持部５１１は、枠体５０２の中央側への突出先端部分として形成され、かつ高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄ沿いの方向をその長手方向とする略直方体形状に形成された突出先端部５５１と、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄ沿いの方向における突出先端部５５１の幅寸法Ｗ１よりも、小さな幅寸法Ｗ２を有し、突出先端部５５１を枠体本体部５０３に連結する連結部５５２とにより構成された左右対称形状を有している。また、第２保持部５１２も、第１保持部５１１と同じ形状に形成されている。それぞれの第１保持部５１１と第２保持部５１２は均等な間隔ピッチにて配列されており、第１保持部５１１の配置と、第２保持部５１２の配置とが交互となるように配置されている。

また、図１７に示すように、隣接する第１保持部５１１の間には、第１保持部５１１とは逆向きの大略Ｔ字形状を有する第１凹部５１１ａが配置されており、同様に隣接する第２保持部５１２の間にも、逆向きの大略Ｔ字形状を有する第２凹部５１２ａが配置されている。

さらに、図１８に示すように、それぞれの第１凹部５１１ａ及び第２凹部５１２ａの内側の空間を埋めるように、アノード側弾性部材５１３およびカソード側弾性部材５１４が配置されている。なお、それぞれのアノード側弾性部材５１３とカソード側弾性部材５１４とは、それぞれにおいて一体的に連結して形成されている。

ここで、図１８の電極−膜−枠接合体５１０におけるＢ−Ｂ線断面図を図１９Ａに示し、Ｃ−Ｃ線断面図を図１９Ｂに示す。すなわち、図１９Ａは、第１保持部５１１の突出先端部５５１の形成位置に相当する断面を示す図であり、図１９Ｂは、第１保持部５１１の連結部５５２の形成位置に相当する断面を示す図である。

図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように、第１保持部５１１の突出先端部５５１の幅寸法（突出先端側の幅）Ｗ１は、連結部５５２の幅寸法（枠体本体部側の幅）Ｗ２よりも大きい。第２保持部５１２の突出先端部５６１と連結部５６２の幅寸法についても同様な関係にある。また、図１９Ａに示すように、第１保持部５１１の突出先端部５５１の端部と、第２保持部５１２の突出先端部５６１の端部とは、互いに略一致するように、それぞれの突出先端部５５１及び５６１が交互に配置されている。また、図１９Ｂに示すように、第１保持部５１１のそれぞれの連結部５５２の間に位置される第１凹部５１１ａ内に配置されたアノード側弾性部材５１３と、第２保持部５１２のそれぞれの連結部５６２の間に位置される第２凹部５１２ａ内に配置されたカソード側弾性部材５１４とは、互いにオーバーラップされた重なり領域Ｒを有している。

このような配置構成が採用されていることにより、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄにおいて、外端縁近傍にて弾性部材５１３及び５１４を配置させる面積を大きく確保することができる。したがって、高分子電解質膜１ａの表裏面の連通を封止する効果を高めることができ、クロスリーク現象の発生を効果的に抑制することができる。

また、電極−膜−枠接合体５１０の製造工程において、枠体５０２を成型する際に、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄを、金型により押さえて保持する領域を、大きく確保することができる。したがって、枠体５０２の成型時に高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄが浮き上がる、あるいは、まくれ上がることを、さらに確実に防止することができる。このような観点からは、本第３実施形態の構造は、特に、高分子電解質膜１ａが強度的に弱い仕様を有している場合などに有効である。

また、図１８に示すように、本第３実施形態の構造では、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄの外端面と枠体本体部５０３の内縁との間に、隙間Ｓが設けられている。この隙間Ｓは、例えば０．４ｍｍ程度に設定されている。このように隙間Ｓを設けることで、枠体５０２を成型する際に、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄの外端面が、高温にて流動する樹脂に接触することを防止することができる。特に、このような高分子電解質膜１ａの外端面部分は、高温や高圧環境において、損傷を受けやすい部分でもあるため、枠体５０２の成型時に高分子電解質膜１ａが浮き上がる、あるいはまくれ上がるなどして変形することを抑制する効果を高めることができる。また、このような隙間Ｓを設ける構成は、本第３実施形態のみに限られず、上記それぞれの実施形態の構造にも適用することができる。

なお、本第３実施形態の電極−膜−枠接合体５１０の構造において、第１保持部５１１の突出先端部５５１及び第２保持部５１２の突出先端部５６１の幅寸法Ｗ１は、例えば、１ｍｍ以上、１５ｍｍ以内の範囲とすることが好ましい。この幅寸法Ｗ１が狭すぎると成型品にて樹脂材料の充填不良が生じやすく、また、金型加工にてコスト上昇が生じることになるからである。逆に幅寸法Ｗ１が広すぎると、弾性部材５１３、５１４による高分子電解質膜１ａの押さえ効果、すなわち封止効果が低くなるからである。

また、保持部５１１及び５１２の奥行き寸法Ｄは、実用上１ｍｍ以上８ｍｍ以内とすることが好ましい。奥行き寸法Ｄ１が狭すぎると高分子電解質膜１ａの押さえ効果が低くなり、逆に広すぎると高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄにおいて無駄な面積が増えることになるからである。

また、第１保持部５１１の連結部５５２及び第２保持部５１２の連結部５６２の幅寸法Ｗ２は、例えば、１ｍｍ以上、１０ｍｍ以内の範囲とすることが好ましい。幅寸法Ｗ２が広すぎると、弾性部材５１３、５１４による高分子電解質膜１ａの押さえ効果、すなわち封止効果が低くなるからである。幅寸法Ｗ２が狭すぎると成型品にて樹脂材料の充填不良が生じやすくなる場合があるからである。

また、第１保持部５１１の突出先端部５５１及び第２保持部５１２の突出先端部５６１における枠体５０２の内外縁方向沿いの幅寸法Ｗ３は、例えば１ｍｍ以上、５ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。幅寸法Ｗ３が広すぎると、弾性部材５１３、５１４による高分子電解質膜１ａの押さえ効果、すなわち封止効果が低くなるからである。幅寸法Ｗ３が狭すぎると成型品にて樹脂材料の充填不良が生じやすくなる場合があるからである。

本第３実施形態では、枠体５０２の内外縁沿いの方向（すなわち、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄに直交する方向）において、内縁側の幅寸法が外縁側の幅寸法よりも大きな形態を有する大略Ｔ字形状に形成された保持部５１１および５１２を備える電極−膜−枠接合体５１０について、一例として説明したが、本第３実施形態の構造は、このような構造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２０および図２１に示す電極−膜−枠接合体６１０ように、その長辺側が枠体の中心側に配置されるような略台形状の保持部を備える構造を採用することもできる。

具体的には、図２０に示すように、第１保持部６１１は、その突出先端側が長く、かつ左右対称の台形形状の形成されており、第２保持部６１２も第１保持部６１１と同じ形状に形成されている。それぞれの第１保持部６１１と第２保持部６１２は均等な間隔ピッチにて配列されており、第１保持部６１１の配置と第２保持部６１２の配置とが交互となるように配置されている。隣接する第１保持部６１１の間には、第１保持部６１１とは逆向きの台形形状を有する第１凹部６１１ａが配置されており、同様に隣接する第２保持部６１２の間にも、逆向きの台形形状を有する第２凹部６１２ａが配置されている。

さらに、図２０に示すように、それぞれの第１凹部６１１ａ及び第２凹部６１２ａの内側の空間を埋めるように、アノード側弾性部材６１３及びカソード側弾性部材６１４が配置されている。なお、それぞれのアノード側弾性部材６１３とカソード側弾性部材６１４とは、それぞれにおいて一体的に連結して形成されている。

このような本第３実施形態の変形例にかかる電極−膜−枠接合体６１０の構造によれば、上述した電極−膜−枠接合体５１０と略同様な効果を得ることができる。電極−膜−枠接合体５１０に比べて、変形例にかかる電極−膜−枠接合体６１０の構造では、それぞれの保持部６１１および６１２への樹脂の流動性がわずかに良好となるが、金型の加工性の点では、電極−膜−枠接合体５１０の方が良好となる。したがって、使用される樹脂材料の仕様や金型の加工性などを考慮して、いずれの構造を採用するか決めることが好ましい。

また、上記それぞれの実施形態における保持部の端部には、枠体の厚み方向に傾斜面が設けられた構造を採用することもできる。傾斜面の向きにより保持部と弾性部材との厚み方向の係合性を向上させることができる。

また、上記それぞれの実施形態では、それぞれの第１保持部が同じ間隔ピッチで配置され、それぞれの第２保持部も同じ間隔ピッチで配置されるような場合について説明しているが、それぞれの第１保持部の配置間隔が一定でないような場合であってもよい。ただし、このような場合であっても、アノード側弾性部材の配置領域とカソード側弾性部材の配置領域との間の重なり領域Ｒが形成される程度に、第１保持部の配置に対して交互配置となるように第２保持部の配置が決定されることが好ましい。

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１０月１２日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００７−２６６５６６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。

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関し、特に、燃料電池の電極−膜−枠接合体の構造およびその製造方法に関する。

固体高分子電解質型燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」という場合もある。）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、電力と熱を同時に発生させる装置である。

固体高分子電解質型燃料電池の最も代表的なものは、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で支持された高分子電解質膜と、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構成される膜電極接合体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡを挟むアノード側導電性セパレータ板及びカソード側導電性セパレータ板から構成され、アノード及びカソード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が、セパレータ板の内のＭＥＡと当接する中央部の周縁に形成されている。

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１４に示すように、ＭＥＡの周縁部が枠体３００の内部にて支持されたＭＥＡ３０３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ＭＥＡは枠体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。

特開２００５−１００９７０号公報 国際公開第２００６／０４０９９４号パンフレット

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、クロスリーク現象とは、図１４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現象の発生を抑制するための１つの方法として、ＭＥＡ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ＭＥＡ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。このような方法は、例えば、特許文献２においても開示されている。

具体的には、図１５Ａ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１５Ｂ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電極３１４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１５Ｃ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、射出成型により樹脂材料を注入して第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、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形成方法では、次のような問題がある。図１６Ａ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の上面からめくれ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１６Ｂに示すように、電解質膜３１３の周縁部３１３ａが第２の枠部材３１２の内部において完全に浮き上がった状態にて電極３１４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、枠体３１０により電極３１４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。特に、ＭＥＡは比較的高価な部材であり、燃料電池製造において高い歩留まり（生産性）を実現することが望まれる。また、このような燃料電池製造における生産性の向上とともに、燃料電池における発電効率等の性能を向上することも求められ続けている。

従って、本発明の第１の目的は、上記問題を解決することにあって、固体高分子電解質型燃料電池の電極−膜−枠接合体において、高分子電解質膜と枠体との間のクロスリーク現象を効果的に抑制するとともに、その製造において高い歩留まりを実現することができる燃料電池用の電極−膜−枠接合体及びその製造方法、並びに電極−膜−枠接合体を備えた高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
さらに、本発明の第２の目的は、固体高分子電解質型燃料電池において、その発電効率等の性能を向上させることができる燃料電池用の電極−膜−枠接合体及びその製造方法、並びに電極−膜−枠接合体を備えた高分子電解質型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、上記高分子電解質膜の周縁部より内側の両表面に配置された一対の電極層とを有する膜電極接合体と、
上記膜電極接合体の周縁部を保持する樹脂により形成された枠体と、
上記膜電極接合体の周縁部において、上記膜電極接合体の表裏面間の連通を封止する弾性部材とを備え、
上記枠体は、
上記高分子電解質膜の周縁部に沿って配置された枠体本体部と、
上記枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ上記内縁沿いに配列され、上記高分子電解質膜の表面側を保持する複数の第１保持部と、
上記枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ上記内縁沿いに配列され、上記高分子電解質膜の裏面側を保持する複数の第２保持部とを備え、
上記第１保持部による上記高分子電解質膜のそれぞれの保持位置と、上記第２保持部による上記高分子電解質膜のそれぞれの保持位置が、上記高分子電解質膜の周縁部に沿って交互に配置されるように、上記それぞれの第１保持部及び第２保持部が配列され、
上記弾性部材は、隣接するそれぞれの上記第１保持部の間における上記高分子電解質膜の表面上に配置された複数の表面側弾性部材と、隣接するそれぞれの上記第２保持部の間における上記高分子電解質膜の裏面上に配置された複数の裏面側弾性部材とを備える、高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。

本発明の第２態様によれば、それぞれの上記表面側弾性部材及び裏面側弾性部材は、上記枠体のセパレータ側表面よりも隆起して形成されている、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。

本発明の第３態様によれば、それぞれの上記表面側弾性部材及び裏面側弾性部材が、上記高分子電解質膜の表面及び裏面において、上記枠体本体部の内縁から上記電極層の外縁に接する位置にまで延在して配置されている、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。

本発明の第４態様によれば、隣接するそれぞれの表面側弾性部材が互いに連結されて形成され、隣接するそれぞれの裏面側弾性部材が互いに連結されて形成されている、第３態様に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。

本発明の第５態様によれば、上記第１保持部に対向して配置された一の上記裏面側弾性部材と、上記一の裏面側弾性部材に隣接する上記第２保持部に対向して配置された一の上記表面側弾性部材とが、上記高分子電解質膜の周縁部沿いにおいて、上記高分子電解質膜上への互いの配置領域の一部に重なり領域を有している、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。

本発明の第６態様によれば、上記第１保持部および第２保持部は、上記枠体本体部側の幅よりも、枠体中央側への突出先端側の幅が大きく形成されている、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。

本発明の第７態様によれば、上記枠体本体部の内縁と、上記高分子電解質膜の周縁部の端面との間に、隙間が設けられている、第１態様に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。

本発明の第８態様によれば、第１態様から第７態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体と、上記電極−膜−枠接合体を挟むように配置された一対のセパレータとを有する単電池モジュールを、１又は複数積層して備える、高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第９態様によれば、膜電極接合体の周縁部に沿って配置された複数の第１支持部にて上記膜電極接合体をその表面側から支持し、上記周縁部沿いにおいて上記複数の第１支持部と交互に配置され、かつ上記膜電極接合体の周縁部に沿って配置された複数の第２支持部にて上記膜電極接合体をその裏面側から支持するように、射出成型用金型内に上記膜電極接合体を配置して、上記膜電極接合体の周縁部に沿って枠状に配置された枠状流路と、上記枠状流路と連通されかつ隣接するそれぞれの上記第１支持部の間にて上記膜電極接合体の周縁部における表面と接して配置された第１流路と、上記枠状流路と連通されかつ隣接するそれぞれの上記第２支持部の間にて上記膜電極接合体の周縁部における裏面と接して配置された第２流路とを形成し、
それぞれの上記第１支持部及び第２支持部により上記膜電極接合体の周縁部を保持した状態にて、それぞれの上記流路内に樹脂を注入して充填し、
上記充填された樹脂を硬化させることにより、上記枠状流路にて形成された枠体本体部と、上記第１流路にて上記枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ上記内縁沿いに配列され、上記膜電極接合体の表面側を保持する複数の第１保持部と、上記第２流路にて上記枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ上記内縁沿いに配列され、上記膜電極接合体の裏面側を保持する複数の第２保持部とを備える枠体を形成し、
隣接するそれぞれの上記第１保持部の間における上記膜電極接合体の表面上に配置された複数の表面側弾性部材と、隣接するそれぞれの上記第２保持部の間における上記膜電極接合体の裏面上に配置された複数の裏面側弾性部材とを形成する、高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。

本発明によれば、膜電極接合体における高分子電解質膜の周縁部を樹脂材料により形成される枠体により保持させる構成において、枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ内縁沿いに配列され、高分子電解質膜の表面側を保持する複数の第１保持部と、同様な構成にて高分子電解質膜の裏面側を保持する複数の第２保持部とにより枠体を構成する。さらに、枠体において、第１保持部による高分子電解質膜のそれぞれの保持位置と、第２保持部による高分子電解質膜の保持位置が、高分子電解質膜の周縁部に沿って交互に配置されるように、それぞれの第１保持部及び第２保持部が形成されている。このような構成が採用されていることにより、樹脂を用いて、枠体を射出成型により形成する際に、高分子電解質膜の表面側と裏面側にて交互に配置されたそれぞれの保持部の間にて、金型により高分子電解質膜をその表裏面より確実に保持した状態にて樹脂を注入して、枠体を形成することができる。よって、射出成型時に高分子電解質膜の浮き上がり等の不良が生じることがなく、クロスリーク現象を効果的に抑制することができる。さらに、このような枠体の射出成型による形成は、一工程にて行うことが可能となるため、その生産性を向上させることができる。

また、このように高分子電解質膜の表裏面にて交互に配置されたそれぞれの保持部の間における高分子電解質膜の表面および裏面上に、枠体よりも弾性力の高い弾性部材を配置させることにより、弾性部材が高分子電解質膜の表面に接して両者の間を封止することができる部分を確保することができ、枠体と高分子電解質膜との間の封止効果を高めることができ、クロスリーク現象の発生をさらに効果的に抑制することができる。また、このような弾性部材をそれぞれの保持部の間に配置させることで、保持部の先端と電極層の外縁との距離を少なくすることができる。したがって、枠体外形をコンパクトにしながら、発電処理に寄与する電極層の面積を効率的に確保することができ、燃料電池における発電効率を向上させることができる。

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高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）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（あるいは単セル又は単電池モジュール）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おり、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が、本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の間を絶縁するとともに、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、複数枚積層された単セル２０と集電板２１、絶縁板２２を図示しない加圧手段によって所定の荷重で締結し、保持している。

図２に示すように、単セル２０は、ＭＥＡ（膜電極接合体）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。ＭＥＡ１５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（アノード電極層）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（カソード電極層）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であれば良く、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、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したもの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、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構成されたものを用いあることができ、このような基材としては例えば炭素繊維織布を用いることができる。

ここでこのような単セル２０のＭＥＡ１５の端部近傍における模式部分斜視図を図３に拡大して示す。

図３に示すように、ＭＥＡ１５は、高分子電解質膜１ａの片方の面にアノード電極１ｂが接合され、高分子電解質膜１ａの他方の面にカソード電極１ｃが接合されて形成されている。また、高分子電解質膜１ａはアノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃよりも一回大きく形成されており、アノード電極１ｂとカソード電極１ｃの間から高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄが露出されている。ＭＥＡ１５の高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄは、熱可塑性樹脂により形成された枠体２により保持されている。このように枠体２によりＭＥＡ１５が保持された一体的な構造が、電極−膜−枠接合体１０となっている。

図３に示すように、枠体２は、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄに沿って配置された枠体本体部３と、この枠体本体部３の内縁より枠体中央側（すなわちＭＥＡ１５の中央側）に向けて突出しかつ内縁沿いに配列して形成され、高分子電解質膜１ａのアノード側（すなわち、図示表面側）を保持する複数の第１保持部１１と、この枠体本体部３の内縁より枠体中央側（すなわちＭＥＡ１５の中央側）に向けて突出しかつ内縁沿いに配列して形成され、高分子電解質膜１ａのカソード側（すなわち、図示裏面側）を保持する複数の第２保持部１２とを備えている。また、第１保持部１１による高分子電解質膜１ａのそれぞれの保持位置と、第２保持部１２による高分子電解質膜１ａのそれぞれの保持位置とは、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄに沿いに交互に配置されるように、それぞれの第１保持部１１及び第２保持部１２が形成されている。すなわち、枠体本体部３の内縁におけるカソード側には、略方形状の突起部である第１保持部１１が、例えば一定の間隔ピッチにて形成されて、内縁に沿って連続する凹凸構造が形成されており、同様に枠体本体部３の内縁におけるアノード側には、略方形状の突起部である第２保持部１２が、例えば上記一定の間隔ピッチと同じ間隔ピッチにて形成されて、内縁に沿って連続する凹凸構造が形成されている。また、第１保持部１１による凹凸構造と第２保持部１２による凹凸構造は、その凹凸の位置がアノード側とカソード側にて交互となるように配置されている。すなわち、隣接する第１保持部１１の間の第１凹部１１ａが形成されている位置と、第２保持部１２の形成位置とは、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄを介して互いに対向して配置されている。同様に、隣接する第２保持部１２の間の第２凹部１２ａが形成されている位置と、第１保持部１１の形成位置とは、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄを介して互いに対向して配置されている。なお、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄの端部は、枠体本体部３の内縁に接するようにそれぞれの第１保持部１１と第２保持部１２との間に配置された状態で保持されている。

次に、このような構造を有する電極−膜−枠接合体１０に、さらにクロスリーク現象の発生を抑制するための弾性部材が備えられた状態の模式部分斜視図を図４に示す。

図４に示すように、枠体２のそれぞれの第１凹部１１ａにおける高分子電解質膜１ａ上には、第１凹部１１ａの内側空間を埋めるように弾性材料により形成されたアノード側弾性部材（表面側弾性部材）１３が配置されている。また、それぞれの第２凹部１２ａにおける高分子電解質膜１ａ上には、第２凹部１２ａの内側空間を埋めるように弾性材料により形成されたカソード側弾性部材（裏面側弾性部材）１４（図５Ａ参照）が配置されている。それぞれのアノード側弾性部材１３は、第１凹部１１ａの内側空間を埋めるとともに、枠体中央側に向かって高分子電解質膜１ａ上に延在して、アノード電極１ｂの外縁端面を覆うように配置されている。図４においては図示を省略しているが、それぞれのカソード側弾性部材１４は、第２凹部１２ａの内側空間を埋めるとともに、枠体中央側に向かって高分子電解質膜１ａ上に延在して、カソード電極１ｃの外縁端面を覆うように配置されている。また、それぞれのアノード側弾性部材１３は略直方体形状に形成されており、その平坦な上面が、第１保持部１１の上面よりも上方に隆起するように形成されている。それぞれのカソード側弾性部材１４も同様に、その上面（図４においては下面）が第２保持部１２よりも隆起して形成されている。

ここで、図４の電極−膜−枠接合体１０におけるＡ−Ａ線断面図を図５Ａに示す。図５Ａに示すように、それぞれの第１保持部１１と第２保持部１２は、高分子電解質膜１ａを挟んで交互に配列されており、同様に、それぞれのアノード側弾性部材１３とカソード側弾性部材１４は、高分子電解質膜１ａを挟んで交互に配列されている。また、図５Ａに示すように、第１保持部１１に対向して配置された１つのカソード側弾性部材１４と、この１つのカソード側弾性部材１４に隣接する第２保持部１２に対向して配置された１つのアノード側弾性部材１３とが、それぞれの高分子電解質膜１ａ上への配置領域の一部に重なり領域Ｒを有している。すなわち、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄ沿いにおいて、アノード側弾性部材１３とカソード側弾性部材１４とのそれぞれの配置領域が、その一部においてオーバーラップするように、高分子電解質膜１ａの表裏面にそれぞれの弾性部材１３、１４が配置されている。

なお、本第１実施形態においては、図５Ａに示すように、アノード側弾性部材１３とカソード側弾性部材１４の互いの配置領域の一部に、重なり領域Ｒが生じるような場合について説明するが、本実施形態はこのような場合についてのみ限定されるものではない。このような場合に代えて、例えば、図５Ｂの模式断面図に示すように、それぞれの弾性部材１３、１４の配置領域に重なり領域Ｒを有さず、アノード側弾性部材１３の端部位置と、カソード側弾性部材１４の端部位置とが一致するような配置構成が採用されるような場合であってもよい。

このような弾性部材１３、１４の配置構成が採用されることにより、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄに沿って、その表裏面のいずれかの面にて弾性部材１３若しくは１４により、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄにおけるその表裏面間の連通を封止することができるため、クロスリーク現象の発生を効果的に抑制することができる。特に、図５Ａに示すように、弾性部材１３、１４の配置領域の重なり領域Ｒを形成することにより、弾性部材１３、１４の配置位置に製造時における位置ずれが生じるような場合であっても、この位置ずれを重なり領域Ｒにて吸収して、その影響による封止漏れ箇所が生じないようにすることができ、より確実な封止を実現することができる。

なお、枠体２、すなわち枠体本体部３、第１保持部１１、及び第２保持部１２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電極−膜−枠接合体１０を射出成型により形成する方法について、図６Ａ〜図６Ｅに示す模式説明図を用いて説明する。

まず、図６Ａに示すように、ＭＥＡ１５が配置される上部金型（第１金型）５０と下部金型（第２金型）６０とを準備する。下部金型６０は、その上面にＭＥＡ１５が配置されるとともに、枠体２となる所定の流路を形成するための凹凸部である下部流路形成面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ＭＥＡ１５を下部流路形成面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ＭＥＡ１５の上面を覆うとともに、枠体２となる所定の流路を形成するための凹凸部である上部流路形成面５１が形成されている。なお、下部流路形成面６１には、ＭＥＡ１５の周縁部１ｄをその下方側から受けるように支持する複数の第２支持部６１ａ（下部金型６０の一部）が形成されており、上部流路形成面５１には、ＭＥＡ１５の周縁部１ｄをその上方側から押さえるように支持する複数の第１支持部５１ａ（上部金型５０の一部）が形成されている。それぞれの第１支持部５１ａは、その後の射出成型により形成される枠体２において第１凹部１１ａを形成する部分に相当し、第２支持部６１ａは、第２凹部１２ａを形成する部分に相当する。すなわち、それぞれの第１支持部５１ａと第２支持部６１ａは、その形成位置が交互になるように配置されている。さらに、この上部流路形成面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６Ｂに示すように、下部金型６０の下部流路形成面６１にＭＥＡ１５を載置して、それぞれの第２支持部６１ａによりＭＥＡ１５の周縁部１ｄが支持された状態とする。その後、図６Ｃに示すように、ＭＥＡ１５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、ＭＥＡ１５の周縁部１ｄが、それぞれの第１支持部５１ａと第２支持部６１ａによりその表裏面から支持されて保持された状態とされる。さらに、ＭＥＡ１５の周囲には、枠体本体部３となる第３樹脂流路（枠状流路）Ｐ３と、この第３樹脂流路Ｐ３の内縁と連通され、かつそれぞれの第１支持部５１ａの間に形成されて周縁部１ｄの表面と接する第１樹脂流路（第１流路）Ｐ１と、この第３樹脂流路Ｐ３の内縁と連通され、かつそれぞれの第２支持部６１ａの間に形成されて周縁部１ｄの裏面と接する第２樹脂流路（第２流路）Ｐ２とが形成される。なお、第１樹脂流路Ｐ１は、枠体２における第１保持部１１に相当する部分であり、第２樹脂流路Ｐ２は、枠体２における第２保持部１２に相当する部分である。

次に、図６Ｄ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、第３樹脂流路Ｐ３に注入されて、第３樹脂流路Ｐ３内に充填される。さらに第３樹脂流路Ｐ３内に注入された樹脂材料Ｐが、連通されている第１樹脂流路Ｐ１及び第２樹脂流路Ｐ２へ流れ込み、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第１から第３樹脂流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３内に注入されることになるが、樹脂流路内において高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄは、それぞれの第１支持部５１ａ及び第２支持部６１ａによりその表裏面側から保持されて固定された状態とされているため、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄが浮き上がる、あるいは、まくれ上がることを確実に防止することができる。

それぞれの樹脂流路Ｐ１〜Ｐ３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６Ｅ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枠体２が形成されたＭＥＡ１５が、下部金型６０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に示すように、電解質膜１ａの周縁部１ｄが第１保持部１１と第２保持部１２によりその表裏面より保持された枠体２が形成される。

次に、このように形成された電極−膜−枠接合体１０において、射出成型により弾性部材１３、１４を形成する。具体的には、図７Ａに示すように、電極−膜−枠接合体１０が配置される上部金型７０と下部金型（第２金型）８０とを準備する。下部金型８０は、その上面に電極−膜−枠接合体１０が配置されるとともに、カソード側弾性部材１４となる所定の流路（第５樹脂流路Ｐ５）を形成するための凹凸部である下部流路形成面８１が形成されている。さらに下部金型８０には、成形された樹脂を下部流路形成面８１から分離させる棒状の突き上げ部材８２が備えられている。上部金型７０は、その下面にて電極−膜−枠接合体１０の上面を覆うとともに、アノード側弾性部材１３となる所定の流路（第４樹脂流路Ｐ４）を形成するための凹凸部である上部流路形成面７１が形成されている。具体的には、第４樹脂流路Ｐ４は、第１凹部１１ａに相当する部分に形成されており、第５樹脂流路Ｐ５は、第２凹部１２ａに相当する部分に形成されている。さらに、この上部流路形成面７１には樹脂注入口である複数のゲート７２が形成されており、それぞれのゲート７２は、上部金型７０の上面に形成された凹部である樹脂導入部７３に連通されている。また、上部金型７０には、上部金型７０と下部金型８０とを位置決めした状態で型締めを行う型締め部材８４が備えられている。

次に、図７Ｂに示すように、下部金型８０の下部流路形成面８１に電極−膜−枠接合体１０を載置する。その後、図７Ｃに示すように、電極−膜−枠接合体１０が載置された下部金型８０に対して、上部金型７０を型締め部材７４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、それぞれの第１凹部１１ａに相当する位置に第４樹脂流路Ｐ４が形成され、それぞれの第２凹部１２ａに相当する位置に第５樹脂流路Ｐ５が形成される。なお、図７Ｃに示すように、枠体本体部３には、貫通孔３ａが形成されており、この貫通孔３ａにより第４樹脂流路Ｐ４と第５樹脂流路Ｐ５とが互いに連通された状態とされている。

次に、図７Ｄに示すように、金型内に弾性部材を形成するための樹脂材料Ｐ’を射出して注入する。具体的には、上部金型７０の樹脂導入部７３に射出注入された樹脂材料Ｐ’が、それぞれのゲート７２を通して、第４樹脂流路Ｐ４に注入されて、第４樹脂流路Ｐ４内に充填される。さらに第４樹脂流路Ｐ４内に注入された樹脂材料Ｐ’が、貫通孔３ａを通して連通されている第５樹脂流路Ｐ５へ流れ込み、充填される。

それぞれの樹脂流路Ｐ４及びＰ５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７Ｅに示すように、上部金型７０と下部金型８０との型締めが解除され、突き上げ部材８２により、樹脂流路に相当する位置に弾性部材１３、１４が形成された電極−膜−枠接合体１０が、下部金型８０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４に示すように、アノード側弾性部材１３及びカソード側弾性部材１４が形成された電極−膜−枠接合体１０が形成される。

このように製造される本第１実施形態の電極−膜−枠接合体１０によれば、以下のような種々の効果を得ることができる。

まず、図３に示すように、枠体本体部３の内縁より交互に突出された第１保持部１１と第２保持部１２との間において、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄを保持させるような構造が採用されていることにより、射出成型による製造時において、ＭＥＡ１５の周縁部１ｄを、隣接する第１保持部１１間の第１凹部１１ａに相当する金型の部分である第１支持部５１ａと、隣接する第２保持部１２間の第２凹部１２ａに相当する金型の部分である第２支持部６１ａとにより確実に保持して固定させた状態にて、樹脂材料Ｐの注入を行うことができる。したがって、射出成型時において、高温高圧の樹脂材料の注入による高分子電解質膜１ａの浮き上がりやまくれ上がりを確実に防止することができ、その歩留まり率を向上させることができる。

また、ＭＥＡ１５を保持する枠体２を１回の射出成型工程にて製造することができ、さらにその後、弾性部材１３、１４を形成するための射出成型工程を１回行うことにより、弾性部材１３、１４を有する電極−膜−枠接合体１０を製造することができる。したがって、電極−膜−枠接合体の製造工程における生産性を高めることができる。

また、図４に示すように、電極−膜−枠接合体１０におけるそれぞれの第１凹部１１ａ及び第２凹部１２ａを埋めるようにアノード側弾性部材１３及びカソード側弾性部材１４が、高分子電解質膜１ａの表裏面においてその周縁部１ｄに沿って交互に配置されていることにより、高分子電解質膜１ａの表裏面の連通を確実に封止することができ、クロスリーク現象の発生を抑制することができる。特に、図５Ａの模式断面図に示すように、アノード側弾性部材１３の配置領域と、カソード側弾性部材１４の配置領域との間に、重なり領域Ｒが存在していることにより、より確実な封止を実現することができる。

また、このような弾性部材１３、１４は、図４において、第１凹部１１ａ及び第２凹部１２ａの内側の空間を埋めるように、Ｓ１で示される部分に配置されていれば、高分子電解質膜１ａの表裏面の連通を封止する効果を得ることができ、クロスリーク現象の発生を効果的に抑制することができる。したがって、本第１実施形態の弾性部材１３、１４の配置構造は、図４に示す形態に限定されることなく、例えば、図４において、Ｓ１にて示される部分、すなわちそれぞれの第１凹部１１ａ及び第２凹部１２ａの内側空間を埋めるようにアノード側弾性部材１３及びカソード側弾性部材１４が配置されるような配置構造を採用することもできる。

一方、図４に示す本第１実施形態の弾性部材１３、１４の配置構造では、それぞれの弾性部材１３、１４が、枠体本体部３の内縁から、アノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃの端部を覆う位置にまで延在して配置されている。すなわち、図４におけるＳ１及びＳ２にて示される部分において弾性部材１３、１４が配置されている。このような配置構造が採用されていることにより、枠体２の内縁と、アノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃの外縁端部との間に存在する図示Ｄ方向の空間を、それぞれの弾性部材１３、１４により分断して封止することができる。したがって、燃料ガスがアノード電極１ｂの表面に接触することなく図示Ｄ方向の上記空間をショートカットすること、及び酸化剤ガスがカソード電極１ｃの表面に接触することなく図示Ｄ方向の上記空間をショートカットすることを防止することができる。よって、燃料電池における発電効率を向上させることができる。また、それぞれの弾性部材１３、１４が、枠体本体部３の内縁にまで延在して配置されていることにより、高分子電解質膜１ａの外縁端まで確実にそれぞれの弾性部材１３、１４を接触させた状態とすることができ、上述したようにクロスリーク現象の発生を効果的に抑制することができる。

本第１実施形態の電極−膜−枠接合体１０によれば、部分Ｓ１において弾性部材１３、１４によるクロスリーク現象抑制のための封止を行っている。そのため、図４における枠体２の内縁と、アノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃの端部との間の空間、すなわち部分Ｓ２は、枠体２と電極１ｂ、１ｃの製作寸法の誤差等を考慮した範囲において、最小限の寸法に抑えることができる。すなわち、枠体２の内縁と電極１ｂ及び１ｃの端部との間の距離を近づけることができる。したがって、電極−膜−枠接合体１０において、電極１ｂ及び１ｃを占める面積を効率的に確保することができ、燃料電池のコンパクト化を図りながらその発電効率を向上させることができる。

なお、本第１実施形態の電極−膜−枠接合体１０では、図４に示すように、それぞれのアノード側弾性部材１３が互いに独立して配置されるとともに、それぞれのカソード側弾性部材１４が互いに独立して配置されるような配置構造が採用されているが、本第１実施形態はこのような配置構造にのみ限定されるものではない。このような場合に代えて、例えば、図８の模式斜視図に示す変形例にかかる弾性部材９０のように、それぞれのアノード側弾性部材１３が枠体２の内縁において互いに連結されて一体的に形成されるような配置構造が採用される場合であってもよい。このような弾性部材９０では、枠体２の内縁と電極１ｂ及び１ｃの端部との間の空間全体を弾性部材により埋めることができるため、燃料ガス等のショートカット抑制効果をさらに高めることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態にかかる電極−膜−枠接合体２１０の構造について、図９及び図１０に示す模式斜視図を用いて以下に説明する。なお、本第２実施形態の電極−膜−枠接合体２１０において、上記第１実施形態の電極−膜−枠接合体１０と同じ構成部分には同じ参照番号を付してその説明を省略する。

図９に示すように、本第２実施形態の電極−膜−枠接合体２１０は、枠体２０２において第１保持部２１１及び第２保持部２１２の形状が略台形状となっており、この点において、上記第１実施形態と異なる構造を有している。

具体的には、図９に示すように、第１保持部２１１は、その突出先端側（上辺側）が短く、かつ左右対称の台形形状の形成されており、第２保持部２１２も第１保持部２１１と同じ形状に形成されている。それぞれの第１保持部２１１と第２保持部２１２は均等な間隔ピッチにて配列されており、第１保持部２１１の配置と第２保持部２１２の配置とが交互となるように配置されている。隣接する第１保持部２１１の間には、第１保持部２１１とは逆向きの台形形状を有する第１凹部２１１ａが配置されており、同様に隣接する第２保持部２１２の間にも、逆向きの台形形状を有する第２凹部２１２ａが配置されている。

さらに、図１０に示すように、それぞれの第１凹部２１１ａ及び第２凹部２１２ａの内側の空間を埋めるように、アノード側弾性部材２１３及びカソード側弾性部材２１４が配置されている。なお、それぞれのアノード側弾性部材２１３とカソード側弾性部材２１４とは、それぞれにおいて一体的に連結して形成されている。

このような本第２実施形態の電極−膜−枠接合体２１０の構造によれば、図９に示すように、第１保持部２１１の台形形状２１１ｂの斜辺端部と、第２保持部２１２の台形形状の斜辺端部２１２ｂとが、その厚み方向から見た場合に必ず交差させることができる。そのため、第１凹部２１１ａを埋めるように配置されるアノード側弾性部材２１３の配置領域と、第２凹部２１２ａを埋めるように配置されるカソード側弾性部材２１４の配置領域との間に、台形形状の斜辺の交差により生じる重なり領域Ｒが確実に形成される。したがって、それぞれの弾性部材２１３及び２１４により、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄ沿いに確実な封止を実現することができ、クロスリーク現象抑制効果を確実に発揮することができる。特に、このような台形形状の構造による重なり領域Ｒを確保するという手法によれば、製作誤差などにより枠体２０２の製作寸法に多少の位置ずれが生じるような場合であっても、重なり領域Ｒを確実に形成することができるという利点がある。

このような台形形状の構造の寸法例としては、図１１に示すように、保持部２１１及び２１２の短辺側の幅寸法Ｗが、実用上１ｍｍ以上１５ｍｍ以内とすることが好ましい。この幅寸法Ｗが狭すぎると成型品にて樹脂材料の充填不良が生じやすく、また、金型加工にてコスト上昇が生じることになるからである。逆に幅寸法Ｗが広すぎると、弾性部材２１３、２１４による高分子電解質膜１ａの押さえ効果、すなわち封止効果が低くなるからである。

また、保持部２１１及び２１２の奥行き寸法Ｌは、実用上１ｍｍ以上８ｍｍ以内とすることが好ましい。奥行き寸法Ｌが狭すぎると高分子電解質膜１ａの押さえ効果が低くなり、逆に広すぎると高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄにおいて無駄な面積が増えることになるからである。

上記それぞれの実施形態では、第１保持部及び第２保持部の平面形状が方形あるいは台形状であるような場合について説明したが、その他様々な形状を採用することができる。例えば、図１２の模式図に示すように、第１保持部３１１及び第２保持部３１２を大略円形状の突起部分として形成し、その間を埋めるように配置される弾性部材３１３と第１保持部３１１とを高分子電解質膜１ａの表面沿いの方向において互いに係合させるような構造とすることができる。また、図１３の模式図に示すように、第１保持部４１１及び第２保持部４１２を略三角形状の突起部分として形成することにより、上記第２実施形態の台形形状と略類似した効果を得ることもできる。このような保持部の平面的な形状としては、その他半円形状や多角形形状など様々な形状を採用することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態にかかる電極−膜−枠接合体５１０の構造について、図１７及び図１８に示す模式斜視図を用いて以下に説明する。なお、本第３実施形態の電極−膜−枠接合体５１０において、上記第１実施形態の電極−膜−枠接合体１０と同じ構成部分には同じ参照番号を付してその説明を省略する。

図１７に示すように、本第３実施形態の電極−膜−枠接合体５１０は、枠体５０２において第１保持部５１１及び第２保持部５１２の形状が、平面視大略Ｔ字形状のいわゆるハンマーヘッド形状を有しており、この点において、上記第１および第２実施形態と異なる構造を有している。

具体的には、図１７に示すように、第１保持部５１１は、枠体５０２の中央側への突出先端部分として形成され、かつ高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄ沿いの方向をその長手方向とする略直方体形状に形成された突出先端部５５１と、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄ沿いの方向における突出先端部５５１の幅寸法Ｗ１よりも、小さな幅寸法Ｗ２を有し、突出先端部５５１を枠体本体部５０３に連結する連結部５５２とにより構成された左右対称形状を有している。また、第２保持部５１２も、第１保持部５１１と同じ形状に形成されている。それぞれの第１保持部５１１と第２保持部５１２は均等な間隔ピッチにて配列されており、第１保持部５１１の配置と、第２保持部５１２の配置とが交互となるように配置されている。

また、図１７に示すように、隣接する第１保持部５１１の間には、第１保持部５１１とは逆向きの大略Ｔ字形状を有する第１凹部５１１ａが配置されており、同様に隣接する第２保持部５１２の間にも、逆向きの大略Ｔ字形状を有する第２凹部５１２ａが配置されている。

さらに、図１８に示すように、それぞれの第１凹部５１１ａ及び第２凹部５１２ａの内側の空間を埋めるように、アノード側弾性部材５１３およびカソード側弾性部材５１４が配置されている。なお、それぞれのアノード側弾性部材５１３とカソード側弾性部材５１４とは、それぞれにおいて一体的に連結して形成されている。

ここで、図１８の電極−膜−枠接合体５１０におけるＢ−Ｂ線断面図を図１９Ａに示し、Ｃ−Ｃ線断面図を図１９Ｂに示す。すなわち、図１９Ａは、第１保持部５１１の突出先端部５５１の形成位置に相当する断面を示す図であり、図１９Ｂは、第１保持部５１１の連結部５５２の形成位置に相当する断面を示す図である。

図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように、第１保持部５１１の突出先端部５５１の幅寸法（突出先端側の幅）Ｗ１は、連結部５５２の幅寸法（枠体本体部側の幅）Ｗ２よりも大きい。第２保持部５１２の突出先端部５６１と連結部５６２の幅寸法についても同様な関係にある。また、図１９Ａに示すように、第１保持部５１１の突出先端部５５１の端部と、第２保持部５１２の突出先端部５６１の端部とは、互いに略一致するように、それぞれの突出先端部５５１及び５６１が交互に配置されている。また、図１９Ｂに示すように、第１保持部５１１のそれぞれの連結部５５２の間に位置される第１凹部５１１ａ内に配置されたアノード側弾性部材５１３と、第２保持部５１２のそれぞれの連結部５６２の間に位置される第２凹部５１２ａ内に配置されたカソード側弾性部材５１４とは、互いにオーバーラップされた重なり領域Ｒを有している。

このような配置構成が採用されていることにより、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄにおいて、外端縁近傍にて弾性部材５１３及び５１４を配置させる面積を大きく確保することができる。したがって、高分子電解質膜１ａの表裏面の連通を封止する効果を高めることができ、クロスリーク現象の発生を効果的に抑制することができる。

また、電極−膜−枠接合体５１０の製造工程において、枠体５０２を成型する際に、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄを、金型により押さえて保持する領域を、大きく確保することができる。したがって、枠体５０２の成型時に高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄが浮き上がる、あるいは、まくれ上がることを、さらに確実に防止することができる。このような観点からは、本第３実施形態の構造は、特に、高分子電解質膜１ａが強度的に弱い仕様を有している場合などに有効である。

また、図１８に示すように、本第３実施形態の構造では、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄの外端面と枠体本体部５０３の内縁との間に、隙間Ｓが設けられている。この隙間Ｓは、例えば０．４ｍｍ程度に設定されている。このように隙間Ｓを設けることで、枠体５０２を成型する際に、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄの外端面が、高温にて流動する樹脂に接触することを防止することができる。特に、このような高分子電解質膜１ａの外端面部分は、高温や高圧環境において、損傷を受けやすい部分でもあるため、枠体５０２の成型時に高分子電解質膜１ａが浮き上がる、あるいはまくれ上がるなどして変形することを抑制する効果を高めることができる。また、このような隙間Ｓを設ける構成は、本第３実施形態のみに限られず、上記それぞれの実施形態の構造にも適用することができる。

なお、本第３実施形態の電極−膜−枠接合体５１０の構造において、第１保持部５１１の突出先端部５５１及び第２保持部５１２の突出先端部５６１の幅寸法Ｗ１は、例えば、１ｍｍ以上、１５ｍｍ以内の範囲とすることが好ましい。この幅寸法Ｗ１が狭すぎると成型品にて樹脂材料の充填不良が生じやすく、また、金型加工にてコスト上昇が生じることになるからである。逆に幅寸法Ｗ１が広すぎると、弾性部材５１３、５１４による高分子電解質膜１ａの押さえ効果、すなわち封止効果が低くなるからである。

また、保持部５１１及び５１２の奥行き寸法Ｄは、実用上１ｍｍ以上８ｍｍ以内とすることが好ましい。奥行き寸法Ｄ１が狭すぎると高分子電解質膜１ａの押さえ効果が低くなり、逆に広すぎると高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄにおいて無駄な面積が増えることになるからである。

また、第１保持部５１１の連結部５５２及び第２保持部５１２の連結部５６２の幅寸法Ｗ２は、例えば、１ｍｍ以上、１０ｍｍ以内の範囲とすることが好ましい。幅寸法Ｗ２が広すぎると、弾性部材５１３、５１４による高分子電解質膜１ａの押さえ効果、すなわち封止効果が低くなるからである。幅寸法Ｗ２が狭すぎると成型品にて樹脂材料の充填不良が生じやすくなる場合があるからである。

また、第１保持部５１１の突出先端部５５１及び第２保持部５１２の突出先端部５６１における枠体５０２の内外縁方向沿いの幅寸法Ｗ３は、例えば１ｍｍ以上、５ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。幅寸法Ｗ３が広すぎると、弾性部材５１３、５１４による高分子電解質膜１ａの押さえ効果、すなわち封止効果が低くなるからである。幅寸法Ｗ３が狭すぎると成型品にて樹脂材料の充填不良が生じやすくなる場合があるからである。

本第３実施形態では、枠体５０２の内外縁沿いの方向（すなわち、高分子電解質膜１ａの周縁部１ｄに直交する方向）において、内縁側の幅寸法が外縁側の幅寸法よりも大きな形態を有する大略Ｔ字形状に形成された保持部５１１および５１２を備える電極−膜−枠接合体５１０について、一例として説明したが、本第３実施形態の構造は、このような構造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２０および図２１に示す電極−膜−枠接合体６１０ように、その長辺側が枠体の中心側に配置されるような略台形状の保持部を備える構造を採用することもできる。

具体的には、図２０に示すように、第１保持部６１１は、その突出先端側が長く、かつ左右対称の台形形状の形成されており、第２保持部６１２も第１保持部６１１と同じ形状に形成されている。それぞれの第１保持部６１１と第２保持部６１２は均等な間隔ピッチにて配列されており、第１保持部６１１の配置と第２保持部６１２の配置とが交互となるように配置されている。隣接する第１保持部６１１の間には、第１保持部６１１とは逆向きの台形形状を有する第１凹部６１１ａが配置されており、同様に隣接する第２保持部６１２の間にも、逆向きの台形形状を有する第２凹部６１２ａが配置されている。

さらに、図２０に示すように、それぞれの第１凹部６１１ａ及び第２凹部６１２ａの内側の空間を埋めるように、アノード側弾性部材６１３及びカソード側弾性部材６１４が配置されている。なお、それぞれのアノード側弾性部材６１３とカソード側弾性部材６１４とは、それぞれにおいて一体的に連結して形成されている。

このような本第３実施形態の変形例にかかる電極−膜−枠接合体６１０の構造によれば、上述した電極−膜−枠接合体５１０と略同様な効果を得ることができる。電極−膜−枠接合体５１０に比べて、変形例にかかる電極−膜−枠接合体６１０の構造では、それぞれの保持部６１１および６１２への樹脂の流動性がわずかに良好となるが、金型の加工性の点では、電極−膜−枠接合体５１０の方が良好となる。したがって、使用される樹脂材料の仕様や金型の加工性などを考慮して、いずれの構造を採用するか決めることが好ましい。

また、上記それぞれの実施形態における保持部の端部には、枠体の厚み方向に傾斜面が設けられた構造を採用することもできる。傾斜面の向きにより保持部と弾性部材との厚み方向の係合性を向上させることができる。

また、上記それぞれの実施形態では、それぞれの第１保持部が同じ間隔ピッチで配置され、それぞれの第２保持部も同じ間隔ピッチで配置されるような場合について説明しているが、それぞれの第１保持部の配置間隔が一定でないような場合であってもよい。ただし、このような場合であっても、アノード側弾性部材の配置領域とカソード側弾性部材の配置領域との間の重なり領域Ｒが形成される程度に、第１保持部の配置に対して交互配置となるように第２保持部の配置が決定されることが好ましい。

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１０月１２日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００７−２６６５６６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の概略構成を示す模式構成図である。 図２は、図１の燃料電池が備える燃料電池用スタックの模式分解図である。 図３は、図２の燃料電池用スタックが備える電極−膜−枠接合体の部分模式図（弾性部材なしの状態）である。 図４は、図２の燃料電池用スタックが備える電極−膜−枠接合体の部分模式図（弾性部材ありの状態）である。 図５Ａは、図４の電極−膜−枠接合体のＡ−Ａ線模式断面図である。 図５Ｂは、図４の変形例にかかる電極−膜−枠接合体のＡ−Ａ線模式断面図である。 図６Ａは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（枠体成型工程）図であって、金型の構成を示す図である。 図６Ｂは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（枠体成型工程）図であって、下部金型にＭＥＡが載置された状態を示す図である。 図６Ｃは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（枠体成型工程）図であって、金型の型締めが行われた状態の図である。 図６Ｄは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（枠体成型工程）図であって、樹脂材料が注入されている状態の図である。 図６Ｅは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（枠体成型工程）図であって、ＭＥＡを保持した状態の枠体が完成した状態を示す図である。 図７Ａは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（弾性部材成型工程）図であって、金型の構成を示す図である。 図７Ｂは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（弾性部材成型工程）図であって、下部金型にＭＥＡを保持した状態の枠体が載置された状態を示す図である。 図７Ｃは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（弾性部材成型工程）図であって、金型の型締めが行われた状態の図である。 図７Ｄは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（弾性部材成型工程）図であって、樹脂材料が注入されている状態の図である。 図７Ｅは、第１実施形態の電極−膜−枠接合体の製造工程（弾性部材成型工程）図であって、弾性部材が形成された電極−膜−枠接合体が完成した状態を示す図である。 図８は、第１実施形態の変形例にかかる弾性部材の配置構造を示す模式図である。 図９は、本発明の第２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す部分模式斜視図（弾性部材なしの状態）である。 図１０は、本発明の第２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す部分模式斜視図（弾性部材ありの状態）である。 図１１は、第２実施形態の電極−膜−枠接合体における寸法例を示す模式説明図である。 図１２は、本発明の変形例にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す模式図である。 図１３は、本発明の別の変形例にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す模式図である。 図１４は、従来の燃料電池のＭＥＡとセパレータの分解断面図である。 図１５Ａは、従来の燃料電池のＭＥＡの製造方法の模式説明図である。 図１５Ｂは、従来の燃料電池のＭＥＡの製造方法の模式説明図である。 図１５Ｃは、従来の燃料電池のＭＥＡの製造方法の模式説明図である。 図１６Ａは、従来のＭＥＡの製造方法における膜のめくれ上がり現象の模式説明図である。 図１６Ｂは、従来のＭＥＡの製造方法における膜のめくれ上がり現象の模式説明図である。 図１７は、本発明の第３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す部分模式斜視図（弾性部材なしの状態）である。 図１８は、本発明の第３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す部分模式斜視図（弾性部材ありの状態）である。 図１９Ａは、図１８の第３実施形態の電極−膜−枠接合体のＢ−Ｂ線断面図である。 図１９Ｂは、図１８の第３実施形態の電極−膜−枠接合体のＣ−Ｃ線断面図である。 図２０は、本発明の第３実施形態の変形例にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す部分模式斜視図（弾性部材なしの状態）である。 図２１は、本発明の第３実施形態の変形例にかかる電極−膜−枠接合体の構造を示す部分模式斜視図（弾性部材ありの状態）である。

しかしながら、このような射出成型による形成方法では、次のような問題がある。図１６Ａ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の上面からめくれ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が固化されると、図１６Ｂに示すように、電解質膜３１３の周縁部３１３ａが第２の枠部材３１２の内部において完全に浮き上がった状態にて電極３１４の保持が行われることになる。

本発明の第９態様によれば、膜電極接合体の周縁部に沿って配置された複数の第１支持部にて上記膜電極接合体をその表面側から支持し、上記周縁部沿いにおいて上記複数の第１支持部と交互に配置され、かつ上記膜電極接合体の周縁部に沿って配置された複数の第２支持部にて上記膜電極接合体をその裏面側から支持するように、射出成型用金型内に上記膜電極接合体を配置して、上記膜電極接合体の周縁部に沿って枠状に配置された枠状流路と、上記枠状流路と連通されかつ隣接するそれぞれの上記第１支持部の間にて上記膜電極接合体の周縁部における表面と接して配置された第１流路と、上記枠状流路と連通されかつ隣接するそれぞれの上記第２支持部の間にて上記膜電極接合体の周縁部における裏面と接して配置された第２流路とを形成し、
それぞれの上記第１支持部及び第２支持部により上記膜電極接合体の周縁部を保持した状態にて、それぞれの上記流路内に樹脂を注入して充填し、
上記充填された樹脂を固化させることにより、上記枠状流路にて形成された枠体本体部と、上記第１流路にて上記枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ上記内縁沿いに配列され、上記膜電極接合体の表面側を保持する複数の第１保持部と、上記第２流路にて上記枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ上記内縁沿いに配列され、上記膜電極接合体の裏面側を保持する複数の第２保持部とを備える枠体を形成し、
隣接するそれぞれの上記第１保持部の間における上記膜電極接合体の表面上に配置された複数の表面側弾性部材と、隣接するそれぞれの上記第２保持部の間における上記膜電極接合体の裏面上に配置された複数の裏面側弾性部材とを形成する、高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。

それぞれの樹脂流路Ｐ１〜Ｐ３内への樹脂材料Ｐの充填が完了すると、樹脂の固化が行われる。その後、図６Ｅ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枠体２が形成されたＭＥＡ１５が、下部金型６０より離脱される。これで射出成型が完了する。

Claims (9)

1. 高分子電解質膜と、上記高分子電解質膜の周縁部より内側の両表面に配置された一対の電極層とを有する膜電極接合体と、
   上記膜電極接合体の周縁部を保持する樹脂により形成された枠体と、
   上記膜電極接合体の周縁部において、上記膜電極接合体の表裏面間の連通を封止する弾性部材とを備え、
   上記枠体は、
   上記高分子電解質膜の周縁部に沿って配置された枠体本体部と、
   上記枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ上記内縁沿いに配列され、上記高分子電解質膜の表面側を保持する複数の第１保持部と、
   上記枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ上記内縁沿いに配列され、上記高分子電解質膜の裏面側を保持する複数の第２保持部とを備え、
   上記第１保持部による上記高分子電解質膜のそれぞれの保持位置と、上記第２保持部による上記高分子電解質膜のそれぞれの保持位置が、上記高分子電解質膜の周縁部に沿って交互に配置されるように、上記それぞれの第１保持部及び第２保持部が配列され、
   上記弾性部材は、隣接するそれぞれの上記第１保持部の間における上記高分子電解質膜の表面上に配置された複数の表面側弾性部材と、隣接するそれぞれの上記第２保持部の間における上記高分子電解質膜の裏面上に配置された複数の裏面側弾性部材とを備える、高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体。
2. それぞれの上記表面側弾性部材及び裏面側弾性部材は、上記枠体のセパレータ側表面よりも隆起して形成されている、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体。
3. それぞれの上記表面側弾性部材及び裏面側弾性部材が、上記高分子電解質膜の表面及び裏面において、上記枠体本体部の内縁から上記電極層の外縁に接する位置にまで延在して配置されている、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体。
4. 隣接するそれぞれの表面側弾性部材が互いに連結されて形成され、隣接するそれぞれの裏面側弾性部材が互いに連結されて形成されている、請求項３に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体。
5. 上記第１保持部に対向して配置された一の上記裏面側弾性部材と、上記一の裏面側弾性部材に隣接する上記第２保持部に対向して配置された一の上記表面側弾性部材とが、上記高分子電解質膜の周縁部沿いにおいて、上記高分子電解質膜上への互いの配置領域の一部に重なり領域を有している、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体。
6. 上記第１保持部および第２保持部は、上記枠体本体部側の幅よりも、枠体中央側への突出先端側の幅が大きく形成されている、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体。
7. 上記枠体本体部の内縁と、上記高分子電解質膜の周縁部の端面との間に、隙間が設けられている、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体。
8. 請求項１から７のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体と、上記電極−膜−枠接合体を挟むように配置された一対のセパレータとを有する単電池モジュールを、１又は複数積層して備える、高分子電解質型燃料電池。
9. 膜電極接合体の周縁部に沿って配置された複数の第１支持部にて上記膜電極接合体をその表面側から支持し、上記周縁部沿いにおいて上記複数の第１支持部と交互に配置され、かつ上記膜電極接合体の周縁部に沿って配置された複数の第２支持部にて上記膜電極接合体をその裏面側から支持するように、射出成型用金型内に上記膜電極接合体を配置して、上記膜電極接合体の周縁部に沿って枠状に配置された枠状流路と、上記枠状流路と連通されかつ隣接するそれぞれの上記第１支持部の間にて上記膜電極接合体の周縁部における表面と接して配置された第１流路と、上記枠状流路と連通されかつ隣接するそれぞれの上記第２支持部の間にて上記膜電極接合体の周縁部における裏面と接して配置された第２流路とを形成し、
   それぞれの上記第１支持部及び第２支持部により上記膜電極接合体の周縁部を保持した状態にて、それぞれの上記流路内に樹脂を注入して充填し、
   上記充填された樹脂を硬化させることにより、上記枠状流路にて形成された枠体本体部と、上記第１流路にて上記枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ上記内縁沿いに配列され、上記膜電極接合体の表面側を保持する複数の第１保持部と、上記第２流路にて上記枠体本体部の内縁より枠体中央側に向けて突出しかつ上記内縁沿いに配列され、上記膜電極接合体の裏面側を保持する複数の第２保持部とを備える枠体を形成し、
   隣接するそれぞれの上記第１保持部の間における上記膜電極接合体の表面上に配置された複数の表面側弾性部材と、隣接するそれぞれの上記第２保持部の間における上記膜電極接合体の裏面上に配置された複数の裏面側弾性部材とを形成する、高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体の製造方法。

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