WO2014103963A1 - 膜電極接合体および膜電極接合体の製造方法 - Google Patents

膜電極接合体および膜電極接合体の製造方法 Download PDF

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membrane electrode
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membrane
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将也 山本
仁史 加島
哲史 堀部
剣一 豊島
智哉 野村
朋幸 高根
あや 河野
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日産自動車株式会社
日本ゴア株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a membrane electrode assembly and a method for producing the membrane electrode assembly.
  • a single cell constituting a fuel cell is formed by alternately laminating separators and membrane electrode assemblies (MEA).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the membrane electrode assembly has a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer.
  • a reinforcing resin frame is provided around the resin.
  • the resin may intrude into the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer due to the resin pressure when molding the resin frame, which may cause molding defects. There is. Therefore, the gas pressure diffusion layer and the catalyst layer are tapered at the peripheral cross section to reduce the resin pressure and suppress the penetration of the resin (see, for example, Patent Document 1).
  • the thickness of the gas diffusion layer and the catalyst layer is several tens of ⁇ m, it is difficult to taper the thickness direction, and the resin enters the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer, resulting in molding defects. It is difficult to reliably suppress this.
  • the present invention has been made in order to solve the problems associated with the prior art, and a membrane electrode assembly capable of suppressing molding defects during molding of a resin frame integrated with the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly, and It aims at providing the manufacturing method of a membrane electrode assembly.
  • the uniform phase of the present invention for achieving the above object includes a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer disposed on the surface of the polymer electrolyte membrane, and a surface of the catalyst layer on which the polymer electrolyte membrane is disposed.
  • Another aspect of the present invention for achieving the above object includes a step of laminating a catalyst layer on the surface of the polymer electrolyte membrane, and a surface of the catalyst layer opposite to the surface on which the polymer electrolyte membrane is disposed.
  • the method of manufacturing a membrane electrode assembly having a step of laminating a gas diffusion layer and a chamfering step. In the chamfering step, the corners of the gas diffusion layer are chamfered so as not to exhibit an acute angle.
  • a membrane electrode assembly that is a laminate in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated on a polymer electrolyte membrane is disposed in a cavity of a molding die, and a molten molded resin is placed outside the membrane electrode assembly.
  • the chamfered corners in the membrane electrode assembly are caused by injection of molding resin or flow of molding resin. Relieve resin pressure. Therefore, it is possible to prevent the molding resin from entering due to deformation at the corners of the membrane electrode assembly, for example, warping deformation of the gas diffusion layer. That is, it is possible to provide a membrane electrode assembly and a method for manufacturing the membrane electrode assembly that can suppress molding defects during molding of the resin frame integrated with the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view for explaining a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell 10 includes, for example, a solid polymer fuel cell using hydrogen as a fuel, and is used as a power source.
  • a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be reduced in size, increased in density and output, and is preferably applied as a power source for driving a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited.
  • PEFC polymer electrolyte fuel cell
  • Particularly preferred is an automobile application in which start-up and stop-up and output fluctuation frequently occur.
  • it can be mounted under the seat at the center of the body of the automobile (fuel cell vehicle), in the lower part of the rear trunk room, and in the engine room in front of the vehicle. From the viewpoint of widening the interior space and the trunk room, mounting under the seat is preferable.
  • the fuel cell 10 includes a stack portion 20, a fastening plate 70, a reinforcing plate 75, a current collecting plate 80, a spacer 85, an end plate 90, and a bolt 95.
  • the stack unit 20 is composed of a stacked body of single cells 22.
  • the fastening plate 70 is disposed on the bottom surface and the top surface of the stack portion 20, and the reinforcing plates 75 are disposed on both sides of the stack portion 20. That is, the fastening plate 70 and the reinforcing plate 75 constitute a casing that surrounds the stack portion 20.
  • the current collector plate 80 is formed of a gas-impermeable conductive member such as dense carbon or copper plate, and is provided with an output terminal for outputting an electromotive force generated in the stack portion 20.
  • a gas-impermeable conductive member such as dense carbon or copper plate
  • the spacer 85 is disposed outside the current collector plate 80 disposed on the back surface of the stack unit 20.
  • the end plate 90 is formed of a material having rigidity, for example, a metal material such as steel, and is disposed outside the current collector plate 80 disposed in front of the stack unit 20 and outside the spacer 85.
  • the end plate 90 has a fuel gas inlet, a fuel gas outlet, an oxidant gas inlet, an oxidant gas for circulating a fuel gas made of hydrogen, an oxidant gas made of oxygen, and a refrigerant made of cooling water. It has a discharge port, a cooling water introduction port and a cooling water discharge port.
  • the bolt 95 fastens the end plate 90, the fastening plate 70, and the reinforcing plate 75 and applies the fastening force in the stacking direction of the single cells 22, thereby holding the stack portion 20 positioned inside in a pressed state.
  • the number of bolts 95 and the position of the bolt holes can be changed as appropriate. Further, the fastening mechanism is not limited to screwing, and other means can be applied.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the cell structure of the fuel cell shown in FIG. 1, and FIG. 3 explains the shape of the resin frame integrated with the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly shown in FIG.
  • FIG. 4 is a plan view for explaining the shape of the membrane electrode assembly shown in FIG. 3, and
  • FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining the resin pressure in the case of chamfering shown in FIG.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining the resin pressure in a comparative example that is not chamfered.
  • the single cell 22 includes a membrane electrode assembly 30, separators 50 and 55, and a resin frame 60.
  • the membrane electrode assembly 30 includes a polymer electrolyte membrane 32, catalyst layers 34 and 36 that function as electrodes (cathode or anode), and gas diffusion layers 40 and 45.
  • the catalyst layer 34 includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and a polymer electrolyte.
  • the catalyst layer 34 is a cathode catalyst layer that undergoes a hydrogen oxidation reaction, and is disposed on one side of the polymer electrolyte membrane 32. Be placed.
  • the catalyst layer 36 includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and a polymer electrolyte.
  • the catalyst layer 36 is an anode catalyst layer in which an oxygen reduction reaction proceeds, and is disposed on the other side of the polymer electrolyte membrane 32. Be placed.
  • the polymer electrolyte membrane 32 has a function of selectively permeating protons generated in the catalyst layer (anode catalyst layer) 36 to the catalyst layer (cathode catalyst layer) 34 and fuel gas supplied to the anode side and supplied to the cathode side. It functions as a partition to prevent mixing with the oxidizing gas.
  • the gas diffusion layers 40 and 45 supply gas to the catalyst layers 34 and 36, as shown in FIG. 2, the gas diffusion layers 40 and 45 are made of a metal conductive porous substrate, and the polymer electrolyte of the catalyst layers 34 and 36. It arrange
  • the gas diffusion layers 40 and 45 are preferably composed of a net (metal mesh) in which a plurality of wires are combined. In this case, it is easy to make the gas diffusion layer thin.
  • the mesh of the mesh constituting the gas diffusion layers 40 and 45 is preferably 100 or more, and more preferably 100 to 500, from the viewpoint of gas supply and cell voltage.
  • the wire diameter of the net is preferably 25 to 110 ⁇ m from the viewpoint of the contact area with respect to the catalyst layers 34 and 36 and the ribs 52 and 57 (described later) of the separators 50 and 55, that is, the electric resistance in the cell.
  • the weaving method (knitting method) of the net is not particularly limited, and for example, plain weave, twill weave, plain tatami weave, and twill tatami weave can be applied. Moreover, it is also possible to form a net
  • the membrane electrode assembly 30 has a rectangular shape, and as shown in FIG. 4, the four corners 31A to 31D in the gas diffusion layer 45 are chamfered so as not to exhibit an acute angle.
  • the chamfering is performed, for example, by obliquely cutting the corners 31A to 31D at 45 degrees, and the corners 31A to 31D are not a right angle but two obtuse angles, that is, 135 degrees. Thereby, chamfering can be achieved easily and easily with a simple structure.
  • the cutting angle is not particularly limited to 45 degrees as long as the corner portions 31A to 31D are formed by obtuse angles larger than 90 degrees. Since the catalyst layers 34 and 36 are expensive, they are arranged corresponding to the shapes of the corner portions 31A to 31D after chamfering.
  • the chamfering of the corner portions 31A to 31D is performed in order to suppress molding defects during molding of the reinforcing resin frame 60 integrated with the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly 30. That is, as will be described later, the membrane electrode assembly 30 is disposed in the cavity of the molding die, and a molten molding resin is injected toward the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly 30.
  • the obtuse corners of the membrane electrode assembly 30 are injected with molding resin compared to the case of the membrane electrode assembly 130 (see FIG. 6) of the comparative example that is not chamfered. Or the resin pressure resulting from the flow of the molding resin is relieved (see FIG. 5).
  • the size of the arrow indicates that the resin pressure according to FIG. 5 is relaxed compared to the case of FIG. 6.
  • the resin frame 60 has a frame shape and is integrally disposed so as to surround the outer periphery of the membrane electrode assembly 30, increases the mechanical strength of the membrane electrode assembly 30, and handles the membrane electrode assembly 30. To improve. As shown in FIG. 3, the resin frame 60 is vertically asymmetric and corresponds to the outer peripheral shape of the separators 50 and 55. Further, the resin frame 60 extends so as to cover the anode-side gas diffusion layer 45 in order to improve the strength on the anode side.
  • the separators 50 and 55 have ribs 52 and 57, and have a function of electrically connecting single cells in series and a function of a partition wall that blocks fuel gas, oxidant gas, and refrigerant from each other. And has substantially the same shape as the membrane electrode assembly 30.
  • the separators 50 and 55 are formed, for example, by pressing a stainless steel plate.
  • the stainless steel plate is preferable in that it can be easily subjected to complicated machining and has good conductivity, and can be coated with a corrosion-resistant coating as necessary.
  • the separator 50 is a cathode separator disposed on the cathode side of the membrane electrode assembly 30 and is opposed to the catalyst layer 34.
  • the separator 55 is an anode separator disposed on the anode side of the membrane electrode assembly 30 and faces the catalyst layer 36.
  • the separators 50 and 55 have a plurality of manifolds for circulating fuel gas, oxidant gas, and refrigerant.
  • the manifold communicates with a fuel gas inlet, a fuel gas outlet, an oxidant gas inlet, an oxidant gas outlet, a cooling water inlet and a cooling water outlet arranged in the end plate 90.
  • the ribs 52 and 57 are constituted by projecting portions having a rectangular cross section made of a part of the separators 50 and 55.
  • the ribs 52 and 57 are integrally formed by, for example, pressing a stainless steel plate that is a material of the separators 50 and 55.
  • the ribs 52 are disposed in parallel in the gas flow path space 42 located between the membrane electrode assembly 30 and the separator 50.
  • the gas flow path space 42 is used for supplying the oxidant gas to the catalyst layer 34.
  • the ribs 57 are disposed in parallel in the gas flow path space 47 located between the membrane electrode assembly 30 and the separator 55.
  • the gas flow path space 47 is used for supplying fuel gas to the catalyst layer 36.
  • the polymer electrolyte membrane 32 is a porous polymer electrolyte membrane made of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer, a hydrocarbon resin membrane having a sulfonic acid group, and a porous material impregnated with an electrolyte component such as phosphoric acid or ionic liquid.
  • a shaped film can be applied.
  • the perfluorocarbon sulfonic acid polymer include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and Gore select series (registered trademark). , Nippon Gore Co., Ltd.).
  • the porous film is formed from polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the thickness of the polymer electrolyte membrane 32 is not particularly limited, but is preferably 5 ⁇ m to 300 ⁇ m, more preferably 10 to 200 ⁇ m from the viewpoint of strength, durability, and output characteristics.
  • the catalyst component used for the catalyst layer (cathode catalyst layer) 34 is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxygen reduction reaction.
  • the catalyst component used for the catalyst layer (anode catalyst layer) 36 is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the oxidation reaction of hydrogen.
  • catalyst components include, for example, platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and other metals, and alloys thereof. Etc. are selected. Alternatively, a catalyst containing no noble metal may be used. In order to improve catalytic activity, poisoning resistance to carbon monoxide, heat resistance, etc., those containing at least platinum are preferable.
  • the catalyst components applied to the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer need not be the same, and can be selected as appropriate.
  • the conductive carrier of the catalyst used for the catalyst layers 34 and 36 is not particularly limited as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and sufficient electronic conductivity as a current collector.
  • the main component is preferably carbon particles.
  • the carbon particles are composed of, for example, carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, and artificial graphite.
  • the polymer electrolyte used for the catalyst layers 34 and 36 is not particularly limited as long as it is a member having at least high proton conductivity.
  • a fluorine-based electrolyte containing a fluorine atom in all or part of the polymer skeleton or a polymer A hydrocarbon-based electrolyte that does not contain a fluorine atom in the skeleton is applicable.
  • the polymer electrolyte used for the catalyst layers 34 and 36 may be the same as or different from the polymer electrolyte used for the polymer electrolyte membrane 32, but the catalyst layers 34 and 36 adhere to the polymer electrolyte membrane 32. From the viewpoint of improving the properties, it is preferable that they are the same.
  • the conductive material constituting the gas diffusion layers 40 and 45 is not particularly limited, but for example, a material similar to the constituent material applied to the separators 50 and 55 can be appropriately used.
  • the conductive material constituting the gas diffusion layers 40 and 45 can be applied with a metal whose surface is coated, and in this case, the same material as described above can be used as the metal on the surface.
  • the core material preferably has conductivity.
  • a conductive polymer material or a conductive carbon material can be applied to the core material.
  • the surfaces of the gas diffusion layers 40 and 45 can be subjected to anticorrosion treatment, water repellent treatment, and hydrophilic treatment.
  • the hydrophilic treatment is, for example, a gold or carbon coating and can suppress corrosion of the gas diffusion layers 40 and 45.
  • the water-repellent treatment is, for example, a coating of a water-repellent agent, reduces the retention of water in the openings of the gas diffusion layers 40 and 45, suppresses gas supply obstruction and flooding due to water, and the catalyst layers 34 and 36. It is possible to stabilize the cell voltage by ensuring a stable supply of gas to the cell, suppressing a sudden drop in the cell voltage.
  • the water repellent is, for example, a fluorine-based polymer material, polypropylene, or polyethylene. Examples of the fluorine-based polymer material include PTFE, PVDF, polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and the like.
  • the hydrophilic treatment is, for example, a coating of a hydrophilic agent, and the liquid water from the catalyst layers 34 and 36 is attracted to the flow path side, so that the clogging of the catalyst layers 34 and 36 is reduced, and a sudden drop in cell voltage is suppressed. It is possible to stabilize the cell voltage.
  • the hydrophilic agent is, for example, a silane coupling agent or polyvinyl pyrrolidone (PVP). It is also possible to perform a hydrophilic treatment on the separator side surface of the gas diffusion layers 40 and 45 and a water repellent treatment on the catalyst layer side surface.
  • the resin constituting the resin frame 60 can be a thermoplastic resin or a thermosetting resin.
  • the thermoplastic resin include liquid crystal polymer (LCP), polyphenylene sulfide (PPS), polyethersulfone (PES), polysulfone (PSF), polyetheretherketone (PEEK), polyimide (PI), and polybutylene terephthalate (PBT).
  • PA polyamide
  • PP polypropylene
  • polyurethane polyurethane
  • the thermosetting resin is, for example, a plastic or elastomer such as melamine resin, epoxy resin, phenol resin, dicyclopentadiene resin, silicon rubber, fluorine rubber, ethylene propylene diene rubber (EPDM).
  • the separators 50 and 55 are not limited to the form constituted by the stainless steel plate, and it is also possible to apply a metal material other than the stainless steel plate, carbon such as dense carbon graphite or a carbon plate. It is a metal material other than the stainless steel plate, such as an aluminum plate or a clad material. In addition, when applying carbon, the ribs 52 and 57 can be formed by cutting, for example.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a molding apparatus applied to resin frame molding in the fuel cell manufacturing method according to the embodiment of the present invention.
  • the fuel cell manufacturing method includes a gas diffusion layer forming step, a first stacking step, a second stacking step, a chamfering step, and a resin frame forming step.
  • the gas diffusion layers 40 and 45 are formed by a conductive porous substrate made of a net formed by combining a plurality of metal wires.
  • catalyst layers 34 and 36 are stacked on the surface of the polymer electrolyte membrane 32.
  • gas diffusion layers 40 and 45 are stacked on the surface of the catalyst layers 34 and 36 opposite to the surface on which the polymer electrolyte membrane 32 is disposed.
  • the four corners 31A to 31D in the gas diffusion layer 45 are chamfered so as not to exhibit an acute angle.
  • the chamfering is performed by removing the corners obliquely to make an obtuse angle. Thereby, chamfering can be achieved easily and easily with a simple structure.
  • the chamfering process is not limited to a form in which the chamfering process is arranged after the second laminating process, that is, after the gas diffusion layers 40 and 45 are laminated on the catalyst layers 34 and 36, and can be arranged before the second laminating process.
  • the membrane electrode assembly 30 that is a laminate in which the catalyst layer and the gas diffusion layer are laminated on the polymer electrolyte membrane is placed in the cavity of the molding die, and the molten state is formed. Resin is injected toward the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly 30 to form a reinforcing resin frame 60 integrated with the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly 30.
  • the obtuse corners of the membrane electrode assembly 30 relieve the resin pressure, so that deformation at the corners of the membrane electrode assembly 30, for example, warpage deformation of the gas diffusion layer 45 prevents intrusion of the molding resin. be able to. That is, it is possible to provide a method of manufacturing a membrane electrode assembly that can suppress molding defects during molding of the resin frame integrated with the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly.
  • the membrane electrode assembly 30 since the strength of the membrane electrode assembly 30 is reinforced by the resin frame 60 integrated with the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly 30, the membrane electrode assembly 30 with improved handling properties can be obtained.
  • the four corners 31A to 31D of the gas diffusion layer 45 on the anode side in the membrane electrode assembly 30 are chamfered.
  • the chamfering is performed by, for example, cutting the corners 31A to 31D obliquely at 45 degrees, and the corners 31A to 31D are configured from two obtuse angles, that is, 135 degrees.
  • the resin frame is formed on the outer peripheral end of the membrane electrode assembly 30 which is a laminate in which the catalyst layer and the gas diffusion layer are laminated on the polymer electrolyte membrane by the molding apparatus 100 shown in FIG. 60 is formed.
  • the molding apparatus 100 includes an injection molding machine having a fixed mold 110, a movable mold 120, and an injection unit 128.
  • the fixed mold 110 includes a central cavity surface 112 on which the cathode-side gas diffusion layer 40 of the membrane electrode assembly 30 is placed, an outer peripheral cavity surface 114 positioned on the outer periphery of the central cavity surface 112, and a molten molded resin inside. And a resin injection port 116 for introducing the resin.
  • the central cavity surface 112 is set slightly larger than the cathode side gas diffusion layer 40 of the membrane electrode assembly 30.
  • the movable mold 120 is configured to be able to approach and separate from the fixed mold 110 and is located on the outer periphery of the central cavity surface 122 and the central cavity surface 122 facing the anode-side gas diffusion layer 45 of the membrane electrode assembly 30. And an outer peripheral cavity surface 124.
  • the central cavity surface 122 abuts on the anode side gas diffusion layer 45 of the membrane electrode assembly 30 and abuts on the cathode side gas diffusion layer 40 when the stationary mold 110 and the movable mold 120 are clamped.
  • the membrane electrode assembly 30 is sandwiched together with the central cavity surface 112.
  • the central cavity surface 122 is set slightly smaller than the anode-side gas diffusion layer 45 of the membrane electrode assembly 30.
  • a space (cavity) S formed by the outer peripheral cavity surface 114 of the fixed mold 110 and the outer peripheral cavity surface 124 of the movable mold 120 when the fixed mold 110 and the movable mold 120 are clamped defines the shape of the resin frame 60. .
  • the injection unit 128 is used to supply molten molding resin into the fixed mold 110 and the movable mold 120 which are clamped, and can communicate with the resin injection port 116.
  • the injection unit 128 includes, for example, a hopper for storing a molding resin, a heater for heating and melting the molding resin, a screw and a cylinder for injecting (injecting) the heating and melting molding resin, and a motor for driving the screw. .
  • FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining mold clamping in the resin frame forming step
  • FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining resin injection in the resin frame forming step
  • FIG. 10 illustrates resin injection according to a comparative example. It is sectional drawing for doing.
  • the fixed mold 110 and the movable mold 120 are heated (heated) to a predetermined temperature.
  • a molding resin is supplied to the hopper of the injection unit 128 and is heated to a predetermined temperature and melted.
  • the membrane electrode assembly 30 is placed and positioned on the central cavity surface 112 of the fixed mold 110 with the cathode-side gas diffusion layer 40 facing down.
  • the membrane electrode assembly 30 is fixed by, for example, a suction mechanism (not shown).
  • the movable mold 120 approaches the fixed mold 110, and the fixed mold 110 and the movable mold 120 are clamped as shown in FIG.
  • a space (cavity) S corresponding to the shape of the resin frame 60 is formed by the outer peripheral cavity surface 114 of the fixed mold 110 and the outer peripheral cavity surface 124 of the movable mold 120.
  • the injection unit 128 injects molten resin, that is, the resin frame 60 material, into the space S (see FIG. 8) via the resin injection port 116 of the fixed mold 110.
  • the four corners 31A to 31D in the gas diffusion layer 45 are chamfered, the resin pressure is relieved, and deformation at the corner of the membrane electrode assembly 30, for example, warping deformation of the gas diffusion layer 45 is formed. Intrusion of resin can be prevented. That is, in this embodiment, since the resin pressure is relieved by chamfering, deformation of the membrane electrode assembly 30 can be suppressed, molding defects can be suppressed, and the occurrence of defective products can be reduced. on the other hand. In the case of the comparative example 130 that is not chamfered, the resin pressure is not relieved (see FIG. 6), and as shown in FIG.
  • the pressure is maintained for a predetermined time. Thereafter, when cooled to a predetermined temperature, the mold is opened, and the membrane electrode assembly 30 in which the resin frame 60 is integrally disposed at the outer peripheral end is taken out.
  • FIG. 11 is a plan view for explaining the first modification.
  • the chamfering is not limited to a form that covers all of the corner portions 31A to 31D, and it is also possible to target only a part (corner portion 31A) of the gas diffusion layer 45 like the membrane electrode assembly 30A. is there. For example, it is advantageous when warping deformation occurs only at specific corners when the resin frame 60 is molded.
  • FIG. 12 is a plan view for explaining the second modification.
  • the portion to be chamfered is not limited to the gas diffusion layer 45 on the anode side, and the polymer electrolyte membrane 32 and the gas diffusion layer 40 on the cathode side can be similarly chamfered as necessary.
  • Reference numerals 33A to 33D denote chamfered corners in the polymer electrolyte membrane 32.
  • FIGS. 13 and 14 are cross-sectional views for explaining the third modification and the fourth modification.
  • the size of the anode side is not limited to a form smaller than the cathode side (the gas diffusion layer 40 and the catalyst layer 34). It is also possible to make it larger than the cathode side.
  • 15 to 17 are plan views for explaining the modified examples 5 to 7.
  • the chamfering so as not to exhibit an acute angle is not limited to a form in which the corners 31A to 31D are cut obliquely, and may be rounded into an arc shape like the membrane electrode assembly 30E shown in FIG. Is possible. Also in this case, the chamfering can be easily and easily achieved with a simple structure. Further, chamfering for preventing an acute angle may be performed by cutting so that the corners 31A to 31D have three or more obtuse angles, as in the membrane electrode assembly 30F shown in FIG. It can also be carried out by cutting it stepwise like a membrane electrode assembly 30G shown in FIG.
  • the membrane electrode assembly which is a laminate in which the catalyst layer and the gas diffusion layer are laminated on the polymer electrolyte membrane Is placed in the cavity of the molding die, molten molding resin is injected toward the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly, and when forming a resin frame integrated with the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly, membrane electrode bonding
  • the chamfered corners in the body relieve resin pressure due to molding resin injection or molding resin flow. Therefore, it is possible to prevent the molding resin from entering due to deformation at the corners of the membrane electrode assembly, for example, warping deformation of the gas diffusion layer. That is, it is possible to suppress molding defects during molding of the resin frame integrated with the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly.
  • the membrane / electrode assembly has a resin frame disposed on the outer periphery of the membrane / electrode assembly and integrated with the membrane / electrode assembly, the strength of the membrane / electrode assembly is reinforced, so that the handling property is improved. To do.
  • the gas diffusion layer of the membrane electrode assembly is composed of a metal conductive porous substrate, it is easy to improve the strength of the gas diffusion layer.
  • the conductive porous substrate is composed of a net in which a plurality of wires are combined, it is easy to reduce the weight of the gas diffusion layer.
  • corner portion chamfered so as not to exhibit an acute angle is constituted by an obtuse corner portion or a curved corner portion, chamfering can be easily and easily achieved with a simple structure.
  • the chamfering step in the method for producing a membrane electrode assembly if it further has a molding step for molding a resin frame integrated with the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly, the strength of the membrane electrode assembly is reinforced, A membrane electrode assembly with improved handling properties can be obtained.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the claims.
  • a punching metal, an expanded metal, an etching metal, a carbon porous body, or a conductive resin porous body can be applied to the gas diffusion layer.
  • the molding of the resin frame is not limited to the form in which the injection molding is applied, and for example, RIM molding (Reaction Injection Molding) or transfer molding can be used as appropriate.
  • Fuel cell 20 stacks, 22 single cells, 30, 30A-30G, 130 membrane electrode assembly, 31A-31D Corner, 32 polymer electrolyte membrane, 33A-33D corner, 34, 36 catalyst layer, 40, 45, 46 Gas diffusion layer, 42, 47 Gas passage space, 50,55 separator, 52,57 ribs, 60 resin frame, 70 fastening plate, 75 reinforcing plate, 80 current collector, 85 spacers, 90 end plate, 95 volts, 100 molding equipment, 110 fixed type, 112 center cavity surface, 114 peripheral cavity surface, 116 resin inlet, 120 mobile, 122 center cavity surface, 124 peripheral cavity surface, 128 injection units, D Molding defect, S space (cavity).

Abstract

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。高分子電解質膜３２と、高分子電解質膜３２の表面に配置される触媒層と、触媒層の高分子電解質膜３２が配置される面と反対側の面に配置されるガス拡散層４５と、を有する膜電極接合体３０であり、ガス拡散層４５は、鋭角を呈さないように面取りされた角部３１Ａ～３１Ｄを有する。

Description

膜電極接合体および膜電極接合体の製造方法
　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 (9)

  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、を有し、
    　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膜電極接合体。
  2. 　面取りされた前記角部は、鈍角の角部あるいは曲面状の角部からなる請求項１に記載の膜電極接合体。
  3. 　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を、さらに有する請求項１または請求項２に記載の膜電極接合体。
  4. 　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１～３のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
  5. 　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、
    　前記ガス拡散層の角部が、鋭角を呈さないように面取りする面取り工程と、を有する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する前である請求項５に記載の膜電極接合体の製造方法。
  7. 　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５に記載の膜電極接合体の製造方法。
  8. 　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、さらに有する請求項５～７のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法。
  9. 　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５～８のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法。
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