JP5114855B2 - シール一体型膜電極接合体 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池に使用される膜電極接合体に関する。

燃料電池は、膜電極接合体をセパレータで挟持した単セルを積層して構成される。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜を両側から挟持する一対の電極触媒層とで構成される。膜電極接合体の外周縁には、燃料ガスや水などの流体流路となるマニホールド孔が形成される。また、セパレータで挟持された膜電極接合体のシール性を向上させるために、膜電極接合体の両面にシールガスケットを形成する技術が知られている。

こうした膜電極接合体においては、アノード電極層に供給された燃料ガスが、電気化学反応に供されることなくカソード電極層へと漏洩すること（以下、「クロスリーク」と呼ぶ）を防ぐため、アノード側の電極層とカソード側の電極層とを隔てる必要がある。そのため電解質膜の外周縁を２つの電極層の外周縁より突出させ、その突出した部位の外端部をシールガスケットでシールすることでクロスリークを防ぐ技術も知られている（特許文献１等）。

ＷＯ０１−０１７０４８ 特開２００１−１０２０７２ 特開２００３−６８３１９ 特開２００２−３２９５１２

しかし、この方法においては、材料費の高い電解質膜の使用量が増加するという問題があった。また、電解質膜は強度の低い薄膜であるため、電解質膜を電極層より突出させていることにより生じた露出膜面が破損する可能性が高いという問題があった。

そこで本発明は、電解質膜の使用量を削減し、かつ電解質膜の膜面の破損の可能性を低減する技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜と、前記電解質膜を両側から挟む一対の電極層とを含む膜電極接合体と、前記電極層の発電部位の周囲をシールするための第１のシールラインを含むシールガスケットとを備えており、前記シールガスケットを構成するシール部材は、前記電解質膜が露出しないように前記電極層と接した状態で形成されており、前記電解質膜は、前記第１のシールラインに囲まれた範囲内にのみ配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、電解質膜の使用量の削減が可能であり、また、電解質膜の露出部位が無いので、その破損の可能性を低減することができる。

前記電極層は、ガス拡散層を備えているとしても良い。

この構成によれば、各電極層に供給される燃料ガスを、電極層全体に均一に拡散させることが可能となり、燃料電池の発電効率が向上する。

前記シールガスケットは、前記シール部材の内部に前記シール部材よりも剛性の高い補強部材を包んでおり、前記第１のシールラインは、前記シール一体型膜電極接合体を表面に対し垂直な方向から見たときに、前記補強部材が存在する位置に形成されているものとしても良い。

この構成によれば、補強部材によってシール一体型膜電極接合体自体の強度を向上できる。また、シールラインの形成部位におけるシール部材の剛性を補強部材が補い、シールラインの変形を防ぐことができる。

前記シールガスケットにおいて前記第１のシールラインが形成される位置にある前記補強部材が、前記第１のシールラインのリップの幅方向に、前記リップの幅より大きい幅を有しているものとしても良い。

この構成によれば、シールラインの形成部位におけるシール部材の剛性を補強部材により補い、リップの形状が崩れることを防ぎ、シール性を向上できる。

前記電解質膜の外周が、前記電極層の外に突出した突出部を有しており、前記補強部材が、前記電解質膜の突出部を両側から挟持するとともに、２つの前記補強部材が、前記電解質膜の外周縁において互いに接しており、前記シールガスケットが、前記電解質膜の突出部を被覆しているものとしても良い。

この構成によれば、電解質膜と補強部材との密着性を向上でき、補強部材同士の密着性によってさらにクロスリークを低減することができる。また、単層構造となる電解質膜の突出部をシール部材が被覆するので、そこにおける電解質膜の破損を防ぐことができる。

前記シール一体型膜電極接合体を貫通するマニホールド孔が形成されており、前記マニホールド孔は、前記電解質膜が存在しない位置を貫通しており、前記シールガスケットは、前記マニホールド孔の周囲をシールするための第２のシールラインを有するものとしても良い。

この構成によれば、マニホールド孔形成工程において、電解質膜が打ち抜かれることがなくなり、電解質膜の使用量をさらに削減できる。またマニホールド孔の周囲は、第２のシールラインによりさらにシール性が向上する。

前記シールガスケットが、射出成形により形成されているものとしても良い。

この構成によれば、膜電極接合体の周縁部に容易にシールガスケットを形成することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、シール一体型膜電極接合体、そのシール一体型膜電極接合体を備えた燃料電池、その燃料電池を備えた車両等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の概略構成：
Ｂ．シール一体型膜電極接合体の製造工程（比較例）：
Ｃ．実施例１：
Ｄ．実施例２：
Ｅ．実施例３：
Ｆ．実施例４：
Ｇ．実施例５：
Ｈ．実施例６：
Ｉ．変形例：

Ａ．燃料電池の概略構成：
図１は本実施例におけるシール一体型膜電極接合体が用いられる燃料電池１０の概略構成を示す説明図である。なお、本実施例の燃料電池１０は、燃料ガス（水素ガスおよび空気）の供給を受け、水素と酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型燃料電池である。

燃料電池１０は単セル１１を複数積層したスタック構造を有している。単セル１１は、シール一体型膜電極接合体１２を備えており、シール一体型膜電極接合体１２をセパレータ１４により挟持した構成である。

燃料電池１０は、水素ガス（アノードガス）と、空気（カソードガス）と、冷却水の、それぞれの供給・排出を担う流路である、貫通するマニホールド孔を有している。それに伴い、セパレータ１４と、シール一体型膜電極接合体１２の周縁部にもそれぞれマニホールド孔１６ａ〜１６ｆが形成されている。具体的には以下の構成となる。マニホールド孔１６ａは水素ガスの供給口であり、マニホールド孔１６ｂは水素ガスの排出口である。マニホールド孔１６ｃは冷却水の供給口であり、マニホールド孔１６ｄは冷却水の排出口である。また、マニホールド孔１６ｅは空気の供給口であり、マニホールド孔１６ｆは空気の排出口である。なお、マニホールド孔１６ａ〜１６ｆは、これ以外の構成であっても良い。

シール一体型膜電極接合体１２の周縁部には、シールガスケット２４が射出成形されている。シールガスケット２４は、セパレータ１４がシール一体型膜電極接合体１２を挟持した際に、セパレータ１４に密着し、燃料ガスや冷却水の漏洩を防止する。シールガスケット２４の材料としては、熱硬化型シリコン系材料を用いても良く、熱可塑性樹脂を用いても良い。シールガスケット２４は、射出成形以外の方法で成形されるものとしても良い。

このシールガスケット２４は、電極触媒層２６の発電部位を含む領域を取り囲む第１のシールラインＳＬ１と、個々のマニホールド孔の周囲に形成された第２のシールラインＳＬ２とを、シール一体型膜電極接合体１２の両面に有している。第１のシールラインＳＬ１は、ガスが燃料電池１０の外に漏洩するのを防止する為のものである。

セパレータ１４は、３枚の金属の薄板、すなわち、カソードプレート１４ａと、中間プレート１４ｂと、アノードプレート１４ｃとを積層して形成される三層積層型セパレータである。カソードプレート１４ａはシール一体型膜電極接合体１２のカソード電極触媒層側（図１における下面）に接し、アノードプレート１４ｃはシール一体型膜電極接合体１２のアノード電極触媒層側（図１における上面）に接するように積層される。セパレータ１４は、フラットメタルやプレスメタルで構成されるものとしても良い。

セパレータ１４は、マニホールド孔１６ａを介して供給されたアノードガスを各単セル層のアノード電極触媒層に供給し、マニホールド孔１６ｅを介して供給されたカソードガスを各単セル層のカソード電極触媒層に供給する構造を有する。またセパレータ１４は、シール一体型膜電極接合体１２で発生した電気の集電機能と、マニホールド孔１６ｃを介して冷却水を中間プレート１４ｂに供給して、冷却を行う機能も実現する。さらに、セパレータ１４は、燃料ガスや冷却水をそれぞれの排出用マニホールド孔へ導く構造を有する。なお、セパレータ１４としては、三層積層型以外の任意の構造のものを使用可能である。

図２は、シール一体型膜電極接合体１２の断面図（図１におけるＩ−Ｉ切断面）である。シール一体型膜電極接合体１２の電解質膜２０をアノード電極触媒層２６ａとカソード電極触媒層２６ｃ（双方含めて「電極触媒層２６」と呼ぶ）により挟持されており、電解質膜２０の外周縁は、補強フィルム２２により挟持されている。さらに、シール一体型膜電極接合体１２の外周縁には、補強フィルム２２と電極触媒層２６の外周縁とを覆うようにシールガスケット２４が成形されている。シールガスケット２４は、シール一体型膜電極接合体１２の両面にシールラインＳＬ１、ＳＬ２をそれぞれ設けるために成形されたものである。シールラインＳＬ１、ＳＬ２はリップ（突起部）を形成している。なお、補強フィルム２２は省略されても良い。

電解質膜２０はプロトン伝導性を備え、湿潤状態において良好な電気伝導性を示す固体高分子材料からなる薄膜（例えばフッ素系膜や、炭化水素（ＨＣ）膜）である。電極触媒層２６には、電気化学反応を促進する触媒（例えば白金）が担持されている。また、電極触媒層２６は、電解質膜２０と接しない外面をそれぞれガス拡散層２８で覆われている。ガス拡散層２８はカーボン製の多孔体であり、その厚み方向にガスを拡散する性質により各電極触媒層の全面に燃料ガスを供給する機能を持つ。ガス拡散層２８は、カーボンペーパーやカーボンクロスにより構成されるものとしても良い。

本明細書において「電極触媒層」とは、触媒層とガス拡散層とで構成される層構造を意味する。また、燃料電池の技術分野において、「電極層」という用語は、電極触媒層（触媒層＋ガス拡散層）を意味するものとして使用される場合と、ガス拡散層を含まない触媒層のみを意味するものとして使用される場合がある。そこで、本明細書においても、「電極層」という用語は、これら２つの意味を包含し、少なくとも触媒層を含むものを意味する用語として使用する。また、「膜電極接合体」とは、少なくとも電解質膜と、電解質膜を両側から挟持する一対の電極触媒層とで構成されたものを意味する用語として使用し、「シール一体型膜電極接合体」とは、膜電極接合体の両面にシールガスケットが成形されたものを意味する用語として使用する。

Ｂ．シール一体型膜電極接合体の製造工程（比較例）：
図３（Ａ）〜（Ｄ）は、膜電極接合体の製造工程の一部を示す説明図である。図３（Ａ）において、電解質膜２０は、四角枠状の一対の補強フィルム２２により、その周縁部を両側から挟持される。補強フィルム２２は、例えばポリイミドやポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）により形成され、２５〜２５０μｍの厚みを持つことが好ましい。

なお、電解質膜２０および補強フィルム２２のそれぞれ同じ位置には、対角となる２隅に一対の貫通孔３０が設けられている。この貫通孔３０は、電解質膜２０と補強フィルム２２との位置合わせや、シール一体型膜電極接合体が完成した後、燃料電池への組み付けの際の取り扱い性を向上するためのものである。この貫通孔３０はなくても良く、以下の工程におけるいずれで設けるものとしても良い。

図３（Ｂ）は、電解質膜２０が補強フィルム２２で挟持され、圧着された状態を示す。なお、電解質膜２０と補強フィルム２２は、熱圧着されるものとしても良い。

図３（Ｃ）は、マニホールド孔を形成するための打ち抜き工程を示しており、図３（Ｂ）におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示している。図３（Ｃ）において、電解質膜２０が補強フィルム２２により挟持された部位を打ち抜かれ、貫通孔であるマニホールド孔１６ａ〜１６ｆが形成される。その際に打ち抜かれた端材ＣＰは、そのまま作業屑として廃棄されることになる。なお、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）からも理解できるように、端材ＣＰは形成されるマニホールド孔の数だけ発生する。

図３（Ｄ）は、電解質膜２０の両面に電極触媒層２６が接合された膜電極接合体３２を示す。なお、電極触媒層２６は、図３（Ａ）〜（Ｄ）のいずれの工程で接合されるものとしても良い。

次に、膜電極接合体３２は、その周縁部にシールガスケット２４が射出成形される。図４（Ａ）は完成したシール一体型膜電極接合体４０を示している。シールガスケット２４上に二条線で示しているのは流体漏洩を防ぐためのシールラインＳＬ１、ＳＬ２である。シールラインＳＬ１、ＳＬ２は、電解質膜２０と電極触媒層２６とを囲むように形成される第１のシールラインＳＬ１と、個々のマニホールド孔を個別にシールする第２のシールラインＳＬ２とで構成され、ともにシール一体型膜電極接合体４０の両面に形成されている。

図４（Ａ）の例では、２つのシールラインＳＬ１、ＳＬ２に共有部分が存在するが、共有部分のない別々のシールラインとして構成することも可能である。これらの例からも理解できるように、通常は、シールガスケットは、個々のマニホールド孔の周囲をシールするための個別のシールラインと、少なくとも電極触媒層２６の発電部位を含む領域をシールするためのガス用シールラインとを有するように構成される。但し、シールガスケット２４としては、後者のガス用シールラインのみを有するものも採用可能である。

図４（Ｂ）は、図４（Ａ）におけるＩＶ−ＩＶ切断面を示しており、図４（Ｃ）は、シール一体型膜電極接合体４０をセパレータ４２により挟持した際のＩＶ−ＩＶ切断面を示している。シールラインＳＬ１、ＳＬ２はリップを形成しており、装着されたセパレータ４２にその頂点が圧着することで流体をシールする。

本比較例によってシール一体型膜電極接合体は製造可能であるが、以下のような問題点がある。

問題点１：
図３（Ｃ）において発生する端材ＣＰには、電解質膜２０が含まれており、電解質膜２０が無駄に廃棄されることになる。さらに言えば、図４（Ｂ）において、マニホールド孔１６ｂとシール一体型膜電極接合体４０の外周縁の間にも、補強フィルム２２に挟持された電解質膜２０が存在する。しかし、シール一体型膜電極接合体４０が燃料電池１０に使用される際においても、その部位に存在する電解質膜２０は、燃料電池１０の発電には寄与することなく、無駄になっている。

問題点２：
図４（Ｂ）において、電解質膜２０と、シールガスケット２４と、補強フィルム２２との接触面ＣＳを破線で示している。電解質膜２０は、本来、化学的性質上密着性が悪いため、他の構成部材との密着性は低い。たとえ電解質膜２０と補強フィルム２２とが熱圧着されていたとしても、電解質膜２０が多少溶融したにすぎない非常に弱い結合となる。また、補強フィルム２２は、耐熱性の高い材料で構成されるため、溶融する可能性は低い。従って、接触面ＣＳに隙間が生じ、この隙間を介したクロスリークが発生しやすくなる。さらに、電解質膜２０は、補強フィルム２２に挟持され、シールガスケット２４によって保持されていても、その密着性が低いために、電解質膜２０自体の膨潤や収縮によるうねりが発生する可能性がある。

問題点３：
図４（Ｂ）において電解質膜２０は、電極触媒層２６とシールガスケット２４との間の露出部位ＮＰにおいて露出している。電解質膜２０は強度が低いため、露出部位ＮＰにおいて破損しやすい傾向にある。

上記問題点１〜３をふまえ、本発明の実施例を記述する。

Ｃ．実施例１：
図５（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施例１における膜電極接合体の製造工程の一部を示す説明図である。これらの工程は、図５（Ａ）において、電解質膜２０が、補強フィルム２２の外周よりも小さいことと、電解質膜２０と補強フィルム２２の間に四角枠状の接着フィルム５０を挿入すること以外は、図３（Ａ）〜（Ｄ）とほぼ同じである。

接着フィルム５０は、電解質膜２０と補強フィルム２２とを接着し、また、補強フィルム２２同士を接着するためのものである。接着フィルム５０は、補強フィルム２２と同じ大きさとしても良いし、その外周が補強フィルム２２より小さいものとしても良い。ただし、接着フィルム５０は、電解質膜２０の外縁部を挟持できる大きさであることが好ましい。また、接着フィルム５０の厚みは１０〜５０μｍであることが好ましい。

接着フィルム５０は、シリコン系またはアクリル系の粘着フィルムとしても良い。粘着フィルムであれば、電解質膜２０と補強フィルム２２との圧着の際に、熱加工する工程を必要としない。また、接着フィルム５０は、熱可塑性材料（例えば、ポリプロピレンやポリエチレン）で形成しても良く、熱硬化性材料（例えば、アクリルやエポキシあるいはウレタン）で形成しても良い。これらの場合は、熱加工する工程が必要となるが、密着性の向上が期待できる。

図５（Ｂ）において、挟持されている電解質膜２０の外周端２０Ｌを破線で示してある。電解質膜２０の外周端２０Ｌは、マニホールド孔形成部位より内側であることが好ましい。これによって、図５（Ｃ）において、マニホールド孔１６ａ〜１６ｆを形成する際に打ち抜かれた端材ＣＰ２には、電解質膜２０が含まれることがなくなり、上記問題点１において指摘した電解質膜２０の無駄が低減される。

図６（Ａ）は、膜電極接合体５４（図５（Ｄ））の外周縁にシールガスケットを射出成形し、完成したシール一体型膜電極接合体６０を示しており、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）におけるＶＩ−ＶＩ切断面を示している。図６（Ａ）〜図６（Ｂ）はそれぞれ、図４（Ａ）〜図４（Ｂ）に対応した図である。図６（Ａ）〜（Ｂ）において、破線２０Ｌは電解質膜２０の外周端を示しており、破線２６Ｌは電極触媒層２６の外周端を示している。また、図６（Ｂ）において、電解質膜２０のうちで、電極触媒層２６と補強フィルム２２のいずれにも覆われていない部位を単層部位ＳＰとして示し、電解質膜２０が補強フィルム２２で補強されている部位を補強部位ＲＰとして示している。なお、図６（Ｂ）において、接着フィルム５０は省略してある。

図６（Ｂ）からも理解できるように、マニホールド孔１６ｂとシール一体型膜電極接合体６０の外周縁との間には、シールガスケット２４の中に電解質膜２０は存在しておらず、上記問題点１（電解質膜の無駄）が改善されている。

図７は、図６（Ｂ）において、単層部位ＳＰと補強部位ＲＰとを含む部位を拡大して示している。

電解質膜２０の補強部位ＲＰにおいては、接着フィルム５０が存在するため、電解質膜２０と補強フィルム２２との間の密着性は向上している。これによって、上記問題点２におけるクロスリークの発生の可能性が低減する。また、電解質膜２０の膨潤、収縮による、電解質膜２０のうねりの発生も低減される。

図６（Ｂ）および図７において、電解質膜２０の単層部位ＳＰは、シールガスケット２４によって被覆されている。これによって、比較例において図４（Ｂ）で説明した露出部位ＮＰにおける電解質膜２０の破損の可能性を低減することができ、上記問題点３が解消される。

なお、本実施例１によれば、上記問題点１〜３に対する効果以外にも、次のような効果が得られる。

シールガスケット２４は剛性（ヤング率）の低いシール部材によって構成されるため、シールラインＳＬ１、ＳＬ２の変形により、そのシール性を悪化させる場合がある。また、本実施例１のように、シールラインにリップを形成した場合、そのリップが形状を崩し倒れてしまい（リップ倒れ）、さらにシール性を悪化させる可能性がある。

そこで本実施例１で示すように、シール一体型膜電極接合体６０の表面から垂直な方向から見たとき（即ち図６（Ａ））に、補強フィルム２２が、シールラインＳＬ１、ＳＬ２の形成される位置でシールガスケット２４に包まれた構成としても良い。補強フィルム２２はシール部材よりも剛性が高いので、このような構成をとることで、シールラインＳＬ１、ＳＬ２の形成部位におけるシールガスケット２４の剛性が向上する。この結果、シールラインＳＬ１、ＳＬ２が変形する可能性を低減できる。

また、図６（Ｂ）に示すように、シールラインＳＬ１、ＳＬ２の形成される部位にある補強フィルム２２は、シールガスケット２４に形成されるリップの幅より広い幅を有することが好ましい。この構成では、さらに、シールラインの形成部位におけるシールガスケット２４の剛性が向上し、リップ倒れ発生の可能性を低減できる。

Ｄ．実施例２：
図８は、本実施例２におけるシール一体型膜電極接合体の一部切断面を示しており、図７に対応している。

本実施例２においては、電極触媒層２６の外周端２６Ｌとシールガスケット２４とが接しているが、シールガスケット２４は、電極触媒層２６は覆っていない。このような構成であっても、上記実施例１とほぼ同じ効果を得ることができる。さらに、実施例１に較べ、シール部材の使用量を少なくできる。

Ｅ．実施例３：
図９（Ａ）は、本実施例３におけるシール一体型膜電極接合体の一部切断面を示しており、図６（Ｂ）に対応している。

本実施例３においては、シール一体型膜電極接合体は、補強フィルム２２を有していない。また、図９（Ａ）で示すように、電解質膜２０の外周端と電極触媒層２６の外周端とが破線ＬＬの位置において重なっており、電解質膜２０が電極触媒層２６の外側に突出していない。そして、これらの層２０、２６の外周縁部にシールガスケット２４が形成されている。シールガスケット２４には、上記実施例１、２同様に、シールラインＳＬ１、ＳＬ２とマニホールド孔１６ａ〜１６ｆとが形成されている。

本実施例３の構成によれば、上記実施例１、２と同様に、電解質膜２０の使用量を削減できる。また本実施例３では補強フィルム２２を使用しないため、材料費のコストを上記実施例１、２よりも削減できる。以下において、本実施例３の構成によるシール一体型膜電極接合体を燃料電池に使用する場合を考察する。

図９（Ｂ）は、本実施例３のシール一体型膜電極接合体に対してセパレータ４２を装着した状態を示す。本実施例３の構成では、電解質膜２０と電極触媒層２６の外周端が同じ位置（破線ＬＬ）にあるため、実際に燃料電池に使用した場合、図９（Ｂ）において矢印ＣＬで示される経路でクロスリークが発生する可能性が上記実施例１、２よりも高いと推測される。即ち、上記実施例１、２においては、図７で示したように、補強フィルム２２が電解質膜２０を補強部位ＲＰにおいて挟持しており、さらに、電解質膜２０と補強フィルム２２との密着性が、接着フィルム５０によって向上している。そのため、クロスリークの発生の可能性は低減されており、この点においては、本実施例３に較べ上記実施例１、２の方が好ましい。

図１０（Ａ）は、図９（Ｂ）に示したシール一体型膜電極接合体のマニホールド孔１６ｂに流体が流入した際にかかる圧力を矢印で示している。実際に各マニホールド孔１６ａ〜１６ｆにガスや水が流入する際には、その内壁面にかなりの圧力がかかる為、本実施例３のようにシールガスケット２４が剛性の低いシール部材のみで構成されている場合、図１０（Ｂ）に示すように、シールガスケット２４の外周縁部がセパレータ４２から脱落する可能性がある。一方、実施例１および実施例２においては、図６（Ｂ）に示すように、シールガスケット２４の中には補強フィルム２２が存在し、各マニホールド孔１６ａ〜１６ｆの周囲を囲んでいるため、その内壁面の強度が向上している。従って、図９（Ｂ）で示すようなシールガスケット２４の脱落の可能性が低減されており、この点においても、本実施例３に較べ上記実施例１、２の方が好ましい。

さらに上記実施例１、２では、補強フィルム２２により、シール一体型膜電極接合体自体の強度が向上し、シール一体型膜電極接合体を燃料電池に組み付ける際の取り扱い性（ハンドリング）が向上している。この点においても、本実施例３に較べ上記実施例１、２の方が好ましい。

Ｆ．実施例４：
図１１（Ａ）〜（Ｂ）は、本実施例４におけるシール一体型膜電極接合体の製造工程の一部を示す説明図である。図１１（Ａ）〜（Ｂ）は、実施例１の図５（Ａ）〜（Ｂ）とほぼ同じである。但し、図１１（Ａ）では、図５（Ａ）における接着フィルム５０がなく、さらに、補強フィルム２２には予めマニホールド孔１６ａ〜１６ｆが形成されている点で図５（Ａ）と異なっている。図１１（Ｂ）の後の工程は、図５（Ｃ）〜図５（Ｄ）と同じなので省略する。なお、マニホールド孔１６ａ〜１６ｆは、実施例１と同様に、シールガスケット２４の射出成形の前に形成するものとしても良い。

本実施例４においては、図１１（Ａ）の工程の前に、補強フィルム２２に表面加工を施すことで、電解質膜２０と補強フィルム２２の密着性および補強フィルム２２同士の密着性を向上している。

図１２は、図１１（Ｂ）における膜電極接合体１１０のＡ−Ａ切断面を示しており、膜電極接合体１１０には、シールガスケット２４が射出成形してある。また、補強フィルム２２の表面と裏面の表層には上述の表面加工により、被加工面ＦＳが形成されている。被加工面ＦＳに対して行う表面加工処理としては、プラズマ処理や、コロナ処理、あるいはプライマー処理（カップリング処理）を採用することができる。これにより、本実施例４は、上記実施例１、２とほぼ同じ効果を実現できる。さらに本実施例４では接着フィルム５０を用いないので、上記実施例１、２に較べ、接着フィルム５０と補強フィルム２２との位置あわせをする手間を省くことが出来る。本実施例４における補強フィルム２２は、厚さが１００〜２５０μｍであることが好ましく、ポリプロピレンや、ポリエチレンで構成されるものとしても良い。

なお、被加工面ＦＳに、又は、表面加工されていない補強フィルム２２の表面に、別材料（例えば、アクリル、エポキシ、ウレタン、ポリプロピレン、ポリエチレンなど）を付加することで接着層を形成するとしても良い。接着層の厚さとしては、２０〜５０μｍ程度が好ましい。接着の際の溶着方法としては、熱圧着や、超音波溶着、高周波溶着などで良い。また、この場合における補強フィルム２２は、厚さは８０〜２００μｍが好ましく、構成材料としては、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）や、ポリエチレンテフタレート（ＰＥＴ）や、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）や、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）や、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などが好ましい。

Ｇ．実施例５：
図１３（Ａ）〜（Ｂ）は、本実施例５におけるシール一体型膜電極接合体の製造工程の一部を示す説明図である。図１３（Ａ）において、四角枠状の補強板材１３０を準備する。この補強板材１３０には、予めその周縁部にマニホールド孔１６ａ〜１６ｆが形成されている。また、補強板材１３０の内周縁より小さい電解質膜２０と、電解質膜２０をその両側から挟持する電極触媒層２６を準備する。

補強板材１３０は、厚さ５０〜２５０μｍ程度であることが好ましい。また、補強板材１３０の材料としては、ＰＥＮや、ＰＥＴや、ＰＰＳや、ＰＥＥＫや、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）や、ポリプロピレン（ＰＰ）や、ポリイミド（ＰＩ）や、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）などが好ましい。なお、上記実施例１、２では、２枚の補強フィルム２２を用いていたのに対して、本実施例５では、補強板材１３０は単体であるため、より曲げ強度の高い板材を使用することが好ましい。

図１３（Ｂ）は、補強板材１３０の枠内に電解質膜２０と電極触媒層２６とを配置した、本実施例５における膜電極接合体１３２を示している。電解質膜２０は、その周縁部が電極触媒層２６の外周から突出するように、電極触媒層２６に両側から挟持されている。また、電解質膜２０の周縁部は補強板材１３０に接触しないように配置されている。

図１４（Ａ）は、膜電極接合体１３２の周縁部にシールガスケット２４を射出成形し、完成したシール一体型膜電極接合体１４０を示しており、図６（Ａ）に対応する図である。

図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）におけるＢ−Ｂ切断面を示している。図１４（Ｂ）は、図６（Ｂ）とほぼ同じであるが、２枚の補強フィルム２２の代わりに１枚の補強板材１３０がシールガスケット２４の中に存在する点、および補強板材１３０が電解質膜２０に接していない点が図６（Ｂ）と異なっている。

本実施例５によれば、実施例１とほぼ同じ効果が得られる。しかも、電解質膜２０と補強板材１３０が接していないため、実施例１および実施例４における電解質膜２０と補強板材１３０の圧着工程（あるいは接着工程）は不要である。なお、電解質膜２０の外周縁と補強板材１３０とは互いに接していても良い。

Ｈ．実施例６：
図１５（Ａ）は、本実施例６における膜電極接合体１５２を示す。図１５（Ａ）は、補強板材１３０の代わりに補強部材１５０を使用していること以外は、図１３（Ｂ）と同じである。

補強部材１５０は、シール一体型膜電極接合体の外周縁を補強する外枠部１５０ａと、各マニホールド孔１６ａ〜１６ｆの外周縁を囲む孔枠部１５０ｂと、外枠部１５０ａと孔枠部１５０ｂとを接続する接続部１５０ｃとから構成される連続した形状を有している。補強部材１５０の厚みは、５０〜５００ミクロン程度が好ましい。また、補強部材１５０は、前述した補強板材１３０と同じ材料で形成しても良く、あるいは、ガラスエポキシ樹脂やフェノール樹脂で形成しても良い。なお、補強部材１５０は、連続した一体的な形状を有していなくとも良く、複数の部材に分割されていても良い。

図１５（Ｂ）は、膜電極接合体１５２の外周縁にシールガスケット２４を射出成形し、完成したシール一体型膜電極接合体１５４である。図１５（Ｂ）は、図１４（Ａ）に対応した図である。図１５（Ｃ）は、図１５（Ｂ）におけるＣ−Ｃ切断面を示しており、補強部材１５０以外は、図１４（Ｂ）と同じである。

図１５（Ｃ）から理解できるように、外枠部１５０ａはシール一体型膜電極接合体１５４の外周縁の端面を構成しており、孔枠部１５０ｂは、マニホールド孔１６ａ〜１６ｆの内壁面を構成している。また、両者はシールガスケット２４から露出している。このような構成であっても、リップ倒れを防ぐ効果を除き、実施例５とほぼ同じ効果が得られる。また、本実施例６の構成によれば、実施例５における補強板材１３０よりも、補強部材１５０は材料の使用量を少なくでき、コストの低減が可能である。なお、外枠部１５０ａおよび孔枠部１５０ｂは、シールガスケット２４に被覆されるものとしても良い。

Ｉ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

変形例１：
実施例１において、補強フィルム２２は１枚でも良く、電解質膜２０を挟持することなく、電解質膜２０の片面のみに設けるようにしても良い。このような構成であっても、実施例１とほぼ同じ効果が得られる。

変形例２：
図７および図８において、補強フィルム２２および接着フィルム５０が電解質膜２０の単層部位ＳＰを被覆するものとしても良い。この変形例によれば、単層部位ＳＰが無くなるので、さらなる強度の向上を期待できる。また、シールガスケット２４と電解質膜２０との密着性より、接着フィルム５０と電解質膜２０との密着性が高いため、クロスリークの発生の可能性をさらに低減できる。

変形例３：
図１５において、補強部材１５０は、シールラインＳＬ１、ＳＬ２と同じ形状を有する針金状の補強枠としても良く、その各構成部はリップの形成される幅より広い幅を有するように構成されるものとしても良い。これにより、実施例６で得られる効果に加え、リップ倒れの発生の可能性を低減できる。

燃料電池の概略構成を示す説明図。 シール一体型膜電極接合体の断面図。 比較例における膜電極接合体の製造工程を示す説明図。 比較例におけるシール一体型膜電極接合体を示す説明図。 実施例１における膜電極接合体の製造工程を示す説明図。 実施例１におけるシール一体型膜電極接合体を示す説明図。 実施例１におけるシール一体型膜電極接合体の一部拡大断面図。 実施例２におけるシール一体型膜電極接合体の一部拡大断面図。 実施例３におけるシール一体型膜電極接合体の一部断面図。 実施例３におけるシールガスケットのセパレータからの脱落を説明する模式図。 実施例４における膜電極接合体の製造工程を示す説明図。 実施例４におけるシール一体型膜電極接合体の一部拡大断面図。 実施例５における膜電極接合体の製造工程を示す説明図。 実施例５におけるシール一体型膜電極接合体を示す説明図。 実施例６におけるシール一体型膜電極接合体を示す説明図。

符号の説明

１０…燃料電池
１１…単セル
１２…シール一体型膜電極接合体
１４…セパレータ
１４ａ…カソードプレート
１４ｂ…中間プレート
１４ｃ…アノードプレート
１６ａ〜１６ｆ…マニホールド孔
２０…電解質膜
２０Ｌ…電解質膜の外周端
２２…補強フィルム
２４…シールガスケット
２６…電極触媒層
２６ａ…アノード電極触媒層
２６ｃ…カソード電極触媒層
２６L…電極触媒層の外周端
２８…ガス拡散層
３０…貫通孔
３２…膜電極接合体（比較例）
４０…シール一体型膜電極接合体（比較例）
４２…セパレータ
５０…接着フィルム
５４…膜電極接合体（実施例１）
６０…シール一体型膜電極接合体（実施例１）
１１０…膜電極接合体（実施例３）
１３０…補強板材（実施例５）
１３２…膜電極接合体（実施例５）
１４０…シール一体型膜電極接合体（実施例５）
１５０…補強部材（実施例６）
１５２…膜電極接合体（実施例６）
１５４…シール一体型膜電極接合体（実施例６）
ＣＬ…クロスリークを示す矢印
ＣＰ、ＣＰ２…端材
ＣＳ…接触面
ＦＳ…被加工面
ＬＬ…外周縁を示す破線
ＮＰ…露出部位
ＲＰ…補強部位
ＳＬ１…第１のシールライン
ＳＬ２…第２のシールライン
ＳＰ…単層部位

Claims (7)

1. 燃料電池に使用されるシール一体型膜電極接合体であって、
   電解質膜と、前記電解質膜を両側から挟む一対の電極層とを含む膜電極接合体と、
   前記電極層の発電部位の周囲をシールするための第１のシールラインを含むシールガスケットと、
   前記電解質膜の外周に配置され、少なくとも一部が前記シールガスケットに包含されている補強部材と、
   を備えており、
   前記電解質膜の端部は、前記電極層の端部から突出しており
   前記電極層と前記補強部材とは離間されており、
   前記シールガスケットは、前記電極層と前記補強部材との間において前記電解質膜が露出している部位を被覆し、
   前記電解質膜は、前記第１のシールラインに囲まれた範囲内にのみ配置されていることを特徴とするシール一体型膜電極接合体。
2. 請求項１に記載のシール一体型膜電極接合体であって、
   前記電極層は、ガス拡散層を備えている、
   シール一体型膜電極接合体。
3. 請求項１または請求項２に記載のシール一体型膜電極接合体であって、
   前記第１のシールラインは、前記シール一体型膜電極接合体を表面に対し垂直な方向から見たときに、前記補強部材が存在する位置に形成されている、
   シール一体型膜電極接合体。
4. 請求項３記載のシール一体型膜電極接合体であって、
   前記シールガスケットにおいて前記第１のシールラインが形成される位置にある前記補強部材が、前記第１のシールラインのリップの幅方向に、前記リップの幅より大きい幅を有している、
   シール一体型膜電極接合体。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のシール一体型膜電極接合体であって、
   前記補強部材は、前記電極層の端部から突出した前記電解質膜の端部を両側から挟持する一対の補強部材を含み、
   前記一対の補強部材は、前記電解質膜の外側において互いに接しており、
   前記シールガスケットは、前記一対の補強部材の全体を被覆している、
   シール一体型膜電極接合体。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のシール一体型膜電極接合体であって、
   前記シール一体型膜電極接合体を貫通するマニホールド孔が形成されており、
   前記マニホールド孔は、前記電解質膜が存在しない位置を貫通しており、
   前記シールガスケットは、前記マニホールド孔の周囲をシールするための第２のシールラインを有する、
   シール一体型膜電極接合体。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のシール一体型膜電極接合体であって、
   前記シールガスケットが、射出成形により形成されている、
   シール一体型膜電極接合体。

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