固体高分子型燃料電池
【課題】ガスケットに強化シートを挟持させることにより、または、ガスケットを、反りを発生しにくい構造に加工することにより、ガスケット付き膜電極接合体の成形時に、熱に起因して発生するガスケット付き膜電極接合体の反りを抑制できる固体高分子型燃料電池を得ることを目的とする。
【解決手段】この発明の固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜３および高分子電解質膜３の外周縁部を除く高分子電解質膜３の両面に接合されたカソード４およびアノード８を有する膜電極接合体２と、高分子電解質膜３の両面に接合されたカソード４およびアノード８を囲繞する枠状に形成され、高分子電解質膜３の外周縁部を埋設して膜電極接合体２に一体成形されたガスケット１４ａ〜１４ｄと、を備え、さらに、強化シート１５が膜電極接合体２を囲繞してガスケット１４ａ〜１４ｄに埋設されている。
【解決手段】この発明の固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜３および高分子電解質膜３の外周縁部を除く高分子電解質膜３の両面に接合されたカソード４およびアノード８を有する膜電極接合体２と、高分子電解質膜３の両面に接合されたカソード４およびアノード８を囲繞する枠状に形成され、高分子電解質膜３の外周縁部を埋設して膜電極接合体２に一体成形されたガスケット１４ａ〜１４ｄと、を備え、さらに、強化シート１５が膜電極接合体２を囲繞してガスケット１４ａ〜１４ｄに埋設されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子型燃料電池に関し、特に膜電極接合体のシール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜の両面のそれぞれに触媒層と電極基材を密着して形成した膜電極接合体、および高分子電解質膜、触媒層および電極基材を囲繞するガスケットを熱圧着してなる電解質／電極接合体を備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
そして、単位電池（単位セル）が、電解質／電極接合体を、ガス流路を備えたセパレータで挟持することにより構成される。そして、水素が一方のセパレータのガス流路から電極基材を介して高分子電解質膜の一方の面の触媒層に供給され、酸素が他方のセパレータのガス流路から電極基材を介して他方の面の触媒層に供給されている。
このとき、ガスケットが膜電極接合体と密着状態に一体化されているので、水素や酸素の触媒層／電極接合体の外部へのリークが防止されていた。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−４５７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の固体高分子電解質型燃料電池では、上述したようにガスケットを有する電解質／電極接合体が、熱圧着により成形されるので、電解質／電極接合体には、その成形時に大きな変形（反り）が、主に電極基材とガスケットとの熱膨張係数の違いに起因して生じてしまう。
電解質／電極接合体に大きな反りが生じると、電解質／電極接合体をセパレータで挟持する際、電解質／電極接合体をセパレータの所望の位置に配置することが困難となる問題が生じる。
また、電解質／電極接合体に力をかけて平らに再変形させると、電極基材と触媒層との間の接合、および高分子電解質膜、触媒層および電極基材とガスケットとの間の接合が変形のストレスにより剥離しやすくなる。つまりは、従来の固体高分子電解質型燃料電池自体の信頼性が損なわれるという問題が生じる。
【０００６】
この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ガスケットに強化シートを挟持させることにより、または、ガスケットを、反りを発生しにくい構造に加工することにより、ガスケット付き膜電極接合体の成形時に、熱に起因して発生する反りを抑制できる固体高分子型燃料電池を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜および高分子電解質膜の外周縁部を除く高分子電解質膜の両面に接合されたカソードおよびアノードを有する膜電極接合体と、高分子電解質膜の両面に接合されたカソードおよびアノードを囲繞する枠状に形成され、高分子電解質膜の外周縁部を埋設して膜電極接合体に一体成形された樹脂製のガスケットと、を備え、さらに強化シートが膜電極接合体を囲繞してガスケットに埋設されている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の固体高分子型燃料電池によれば、ガスケット付き膜電極接合体の成形時に、熱に起因して発生するガスケット付き膜電極接合体の反りを抑制できるので、単位セルを組み立てる時にはガスケット付き膜電極接合体をセパレータの所望の位置に容易に配置することができる。また、ガスケット付き膜電極接合体の信頼性が損なわれることが防止される。つまりは、固体高分子型燃料電池自体の信頼性が損なわれることが防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池の断面図である。
【００１０】
図１において、固体高分子型燃料電池は、シート状の膜電極接合体２と、膜電極接合体２の外周の全域からその外方に延設するように配置されたシール材としてのガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂと、膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シート１３ａ、１３ｂの両面を挟持するように設けられたセパレータ１２と、を備える少なくとも一つの単位セル１で構成される。
そして、必要に応じて複数の単位セル１を積層することにより、所望の起電力を有する固体高分子型燃料電池が得られる。
【００１１】
また、膜電極接合体２は、高分子電解質膜３と、高分子電解質膜３の外周縁部を除いた両面の部位を挟持するように配置されたカソード４およびアノード８とを有している。
つまり、カソード４、高分子電解質膜３およびアノード８の積層方向から見た膜電極接合体２は、高分子電解質膜３の外周縁部が、カソード４およびアノード８から露出されている。以降、カソード４、高分子電解質膜３およびアノード８の積層方向を単に積層方向と記載する。
【００１２】
高分子電解質膜３は、固体高分子型燃料電池が動作される高温高湿の環境において、化学的に安定であり、プロトン伝導性を有する一方で電子伝導性がなく、かつ、ガスを通さない（ガスバリア性が高い）性能を有するものが用いられる。
高分子電解質膜３の材料には、一般的にパーフルオロ系主鎖とスルホン酸基からなる高分子電解質が用いられる。また高分子電解質膜３の厚さは、特に規定されるものではないが、一般的には５０μｍ前後の厚さのものが用いられる。
【００１３】
カソード４は、カソード触媒層５、導電性多孔質層６ａおよびガス拡散層７ａで構成される。そして、カソード４は、カソード触媒層５、導電性多孔質層６ａおよびガス拡散層７ａの順に積層され、カソード触媒層５を高分子電解質膜３の一面に密着させて配置されている。
また、アノード８は、アノード触媒層９、導電性多孔質層６ｂおよびガス拡散層７ｂで構成されている。そして、アノード８は、アノード触媒層９、導電性多孔質層６ｂおよびガス拡散層７ｂの順に積層され、アノード触媒層９を高分子電解質膜３の他面に密着させて配置されている。
【００１４】
カソード触媒層５およびアノード触媒層９のそれぞれは、主に触媒粒子および触媒粒子とイオンのやり取りを行う高分子電解質の混合物からなる。
触媒粒子としては、カーボンブラック粒子表面に白金などの触媒活性をもつ金属微粒子を担持したものが一般に用いられる。
なお、触媒活性をもつ金属微粒子としては、白金−ルテニウム合金などの白金合金、パラジウム、マグネシウム、チタン、マンガン、ランタン、ニッケル−ランタン合金、チタン−鉄合金および金なども用いることができる。
【００１５】
また、カソード触媒層５およびアノード触媒層９には、必要に応じて無機質粒子やポリマー粒子およびカーボン粒子等の添加物を混入してもよい。こうした添加物は、カソード触媒層５およびアノード触媒層９の親水性または疎水性（撥水性）を制御したり、空孔率を向上させたりする目的で適宜用いられる。
【００１６】
導電性多孔層６ａ，６ｂおよびガス拡散層７ａ，７ｂには、固体高分子型燃料電池が動作される高温高湿の環境において、化学的に安定な材質が用いられる。
導電性多孔層６ａ，６ｂは、例えば、カーボンブラック等の粒子状導電材料に、フッ素系樹脂等のバインダを混合させて構成される。
【００１７】
ガス拡散層７ａ,７ｂには、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスといったカーボン繊維で形成された導電性多孔体が用いられる。さらに、ガス拡散層７ａ,７ｂは、フッ素樹脂をカーボンペーパやカーボンクロスに定着するなどして、撥水処理が施されている。また、ガス拡散層７ａ,７ｂの一般的な厚さは、数百μｍ程度である
【００１８】
セパレータ１２には、固体高分子型燃料電池が動作される高温高湿の環境において、化学的に安定でガスバリア性のある導電性板が用いられる。
セパレータ１２には、例えば、カーボンなどからなる導電性板が用いられる。
また、セパレータ１２の高分子電解質膜３側の面には、ガス流路となる溝（図示せず）が形成されている。
【００１９】
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａは、シート状のガスケット１４ａ，１４ｂと、ガスケット１４ａ、１４ｂに挟持された強化シートとしてのガラスクロス１５により構成されている。
また、ガラス繊維複合樹脂シート１３ｂは、シート状のガスケット１４ｃ，１４ｄと、ガスケット１４ｃ、１４ｄに挟持されたガラスクロス１５により構成されている。
【００２０】
そして、ガスケット１４ａ〜１４ｄには、カソード４およびアノード８の外形形状に対応する窓が形成されている。また、ガラスクロス１５には、ガスケット１４ａ〜１４ｄの窓の大きさと同じかそれよりも大きな窓が形成され、ガスケット１４ａ〜１４ｄの窓を囲んでいる。いずれにしてもカソード４およびアノード８から離れたガスケット１４ａ，１４ｂまたはガスケット１４ｃ，１４ｄの外周側の部位には、ガラスクロス１５が挟持されている。
【００２１】
即ち、ガスケット１４ａ〜１４ｄが、高分子電解質膜３の両面に接合されたカソード４およびアノード８を囲繞する枠状に形成され、高分子電解質膜３の露出する外周縁部を埋設して膜電極接合体２に一体成形されている。さらに、ガラスクロス１５が膜電極接合体２を囲繞して、ガスケット１４ａ〜１４ｄに埋設されている。
また、ガスケット１４ａ〜１４ｄの厚さは、膜電極接合体の２の厚さに対応させて適宜設定される。
【００２２】
そして上述のように、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂは、膜電極接合体２の外周の全域から外方に延設するように配置されている。
なお、２つのガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂが、膜電極接合体２の外周の全域から外方に延設されるものとして説明したが、１つのガラス繊維複合樹脂シートや３つ以上のガラス繊維複合樹脂シートが、膜電極接合体２の外周の全域から外方に延設されていてもよい。
【００２３】
ガスケット１４ａ〜１４ｄには、固体高分子型燃料電池が動作される高温高湿の環境において、化学的に安定でガスバリア性の高い材料が用いられる。
例えば、ガスケット１４ａ〜１４ｄにはポリオレフィン系熱可塑樹脂シートを用いることができる。また、ガスケット１４ａ〜１４ｄとしては、熱硬化性樹脂シートを用いてもよい。
また、強化シートとしてのガラスクロス１５は、ガスケット１４ａ〜１４ｄおよび膜電極接合体２を一体に成形する温度で軟化せず、引っ張り強度が高く、導電性がなく、かつ水分の吸収性のないガラス繊維からなる織布である。また、強化シートとして、ガラスクロス１５と同様の性質を持つ有機系繊維からなる織布を用いることもできる。例えば、有機系繊維としてアラミド繊維シートなどを用いることができる。
さらに、強化シートとして、ガラス繊維や有機系繊維などの不織布も用いることができるが、厚さを薄くできるガラスクロス１５などの織布を用いるのが好ましい。
【００２４】
そして、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂには、その厚さ方向に複数のマニホールド穴１６が形成（穿設）されている。マニホールド穴１６は、上述の各セパレータ１２の溝に連結され、カソード４に水素ガスや供給したり、アノード８に酸素ガスを供給したりするために利用される。さらに、マニホールド穴１６は、固体高分子型燃料電池を冷却するための冷却液を供給するために形成される場合もある。従って、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂは、冷却液などに対しても化学的に安定なものが用いられる。
【００２５】
そして、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂおよび膜電極接合体２で構成されるガスケット付き膜電極接合体としてのガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体が以下のように成形される。まず、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを高分子電解質膜３の露出する外周縁部を埋設するように、カソード４およびアノード８側からそれぞれ対向配置させる。この状態で積層方向に圧力がかかるようにホットプレスを行うことにより、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂが膜電極接合体２と一体に成形される。
【００２６】
上記のように構成されたガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体のガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂに埋設されているガラスクロス１５は、引っ張り強度が高いので、熱によって発生するガスケット１４ａ〜１４ｄを収縮させる応力に抗して、ガスケット１４ａ〜１４ｄの変形を抑制するように働く。
【００２７】
また、カソード４やアノード８は、ガスケット１４ａ〜１４ｄに対して熱膨張率が小さく、カソード４及びアノード８から離れたガスケット１４ａ，１４ｂまたはガスケット１４ｃ，１４ｄの部位が、熱収縮により大きく変形されるものと推定される。従って、カソード４及びアノード８から離れたガスケット１４ａ，１４ｂまたは１４ｃ，１４ｄの部位にガラスクロス１５を挟持させることで、より効果的にガスケット１４ａ〜１４ｄの変形が抑制される。つまり、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂと膜電極接合体２とに熱を加えて一体成形した時に、ガラス繊維複合樹脂シート付き電極接合体の反り量が低減される。
【００２８】
以下、実施の形態１の固体高分子型燃料電池に適用される単位セル１のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の実施例１〜実施例６と、比較例について図面を参照して説明する。
図２はこの発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例１のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例２のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図、図４はこの発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例３のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図、図５はこの発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例４のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図、図６はこの発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例５のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図、図７はこの発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例６のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図、図８は比較例としての固体高分子型燃料電池におけるガスケットが一体化された膜電極接合体の断面図である。
また、カソード４は、図１に示されるようにカソード触媒層５、導電性多孔質層６ａおよびガス拡散層７ａを有し、アノード８は、アノード触媒層９、導電性多孔質層６ｂおよびガス拡散層７ｂを有しているが、図２〜図８においてはカソード４およびアノード８の詳細構成の図示は省略した。
【００２９】
実施例１．
図２に示される実施例１のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａは、以下のように構成した。
高分子電解質膜３は、厚さ５０μｍのＮａｆｉｏｎ（デュポン社登録商標）膜を用いた。また、その外形形状は１６０ｍｍ角の正方形となっている。
カソード４およびアノード８の外形形状は、１５０ｍｍ角の正方形であり、その中心が、高分子電解質膜３の中心に一致し、かつ、各辺は高分子電解質膜３の各辺とそれぞれ平行になっている。また、カソード４およびアノード８のガス拡散層７ａ，７ｂには、厚さ３００μｍ、空孔率８０％のカーボンペーパを用いた。また、カソード触媒層５はカーボンブラック表面に、白金が担持されたものを用いた。また、アノード触媒層９は、カーボンブラック表面に白金−ルテニウム合金が担持されたものを用いた。
ガスケット１４ａ〜１４ｄのそれぞれは、外形形状が２１０ｍｍ角の正方形で、厚さ１４０μｍのポリオレフィン系熱可塑性樹脂シートで形成されている。またガスケット１４ａ〜１４ｄの窓の中心は高分子電解質膜３の中心に一致し、かつ、各辺は高分子電解質膜３の各辺とそれぞれ平行になっている。
【００３０】
また、ガラスクロス１５は、厚さ６０μｍで、ガスケット１４ａ〜１４ｄと同じ外形で同じサイズに形成されている。また、ガラスクロス１５の窓の大きさは、その一辺が、高分子電解質膜３の一辺の長さより１０ｍｍ長い正方形に形成され、窓の中心は、高分子電解質膜３の中心に一致し、かつ、各辺は高分子電解質膜３の各辺とそれぞれ平行になっている。
【００３１】
そして、同じ構成のガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂが、高分子電解質膜３の厚さ方向の中心を含み、かつ、膜電極接合体２の厚さ方向に垂直な面（以降、基準面とする）に対して対称に、かつ対向する面を密着させて配置されている。即ち、ガラスクロス１５は、基準面から等距離に配置されている。
【００３２】
ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａの製造方法について説明する。
まず、カソード４の製造方法について説明する。
ガス拡散層７ａは、以下のように形成した。カーボンペーパをフッ素樹脂ディスパージョン液に浸漬し、フッ素樹脂ディスパージョン液を乾燥させた後に加熱した。これにより、フッ素樹脂がカーボンペーパの表面（炭素繊維表面）に定着され、撥水処理が施されたガス拡散層７ａが得られた。
【００３３】
また、導電性多孔層６ａは、カーボンブラックにフッ素樹脂ディスパージョン液を混合したものをガス拡散層７ａの一面にスクリーン印刷により塗布した後、さらに乾燥させて形成した。
【００３４】
さらに、カソード触媒層５は、導電性多孔層６ａの表面に以下のカソード触媒ペーストをスクリーン印刷により塗布した後、さらに乾燥させて形成した。
カソード触媒ペーストは、カソード触媒粒子１重量部に水１重量部および水を溶媒とする濃度１０％のパーフルオロ系高分子電解質溶液３重量部を添加し、攪拌混合することにより得た。カソード触媒粒子としては、白金をカーボンブラック上に５０％担持させたものを用いた。なお、パーフルオロ系高分子電解質溶液の溶媒はエタノールなどでもよい。
以上の方法によりカソード４を得た。
【００３５】
次いで、アノード８の製造方法について説明する。
まず、ガス拡散層７ｂおよび導電性多孔層６ｂを、カソード４のガス拡散層７ａおよび導電性多孔層６ａの製造方法と同様の手順で形成した。
さらに、導電性多孔層６ｂの表面に、以下のアノード触媒ペーストをスクリーン印刷により塗布した後、さらに乾燥させてアノード触媒層９を形成した。
【００３６】
アノード触媒ペーストは、アノード触媒粒子１重量部に水１重量部および水を溶媒とする濃度１０％のパーフルオロ系高分子電解質溶液６重量部を添加し、攪拌混合することにより得た。アノード触媒粒子としては、白金−ルテニウム系金属をカーボンブラック上に５０％担持させたものを用いた。
以上の方法によりアノード８を得た。
また、上記のように製造されたカソード４およびアノード８を、その外形形状が１５０ｍｍ角の正方形になるようにトリミングした。
【００３７】
また、高分子電解質膜３を、その一辺がカソード４およびアノード８の一辺より１０ｍｍ長い正方形、つまり、１６０ｍｍ角の正方形になるようにトリミングした。（削除）
【００３８】
次いで、膜電極接合体２の形成方法について説明する。
そして、高分子電解質膜３の一面の中央にカソード触媒層５が接触するように、カソード４を配置し、高分子電解質膜３の他面の中央にアノード触媒層９が接触するようにアノード８を配置した。この状態で、カソード４およびアノード８の反高分子電解質膜３側から、積層方向に圧力をかけ、１５０℃で３分間ホットプレスすることにより、膜電極接合体２を得た。
【００３９】
次いで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂの形成方法を説明する。
ガスケット１４ａ〜１４ｄの中央にカソード４およびアノード８の外形に対応する大きさの窓を形成した。
【００４０】
また、ガラスクロス１５の中央に高分子電解質膜３の一辺の長さより一辺の長さが１０ｍｍ長い正方形の窓を形成した。
【００４１】
そして、ガスケット１４ａ，１４ｂおよびガスケット１４ｃ，１４ｄのそれぞれに、ガラスクロス１５を挟持させ、さらに、１８０℃でホットプレスすることで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを得た。
【００４２】
次いで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを膜電極接合体２の外周部に一体成形する方法を説明する。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂのガスケット１４ａ，１４ｂおよびガスケット１４ｃ，１４ｄの窓に、膜電極接合体２のカソード４およびアノード８をそれぞれ嵌め込み、カソード４およびアノード８の外周部でガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを対向配置させる。さらに、膜電極接合体２の積層方向の両側から膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂに圧力がかかるように１５０℃で２分間ホットプレスし、膜電極接合体２とガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂとを一体化させた。さらに、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを貫通するマニホールド穴１６を所定の場所に形成した。
以上により、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａを得た。
【００４３】
実施例２．
図３に示される実施例２のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｂは、以下のように構成した。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａのガスケット１４ａ，１４ｂの厚さは２８０μｍのものを用いた。また、ガラスクロス１５の窓は、その一辺が、高分子電解質膜３の一辺の大きさより３ｍｍ大きい正方形に形成されている。
そして、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａのガラスクロス１５は、その厚さ方向の中心が基準面に一致されている。また、ガラス繊維複合樹脂シート１３ｂの配設は省略されている。
なお、他の構成は上記実施例１と同様に構成されている。
【００４４】
次いで、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｂの製造方法について説明する。
膜電極接合体２は実施例１と同様の手順により得た。
さらに、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａを膜電極接合体２の外周部に一体成形する方法を説明する。
ガスケット１４ａ，１４ｂの中央に、カソード４およびアノード８の外形形状に対応する大きさの正方形の窓を形成した。
【００４５】
さらに、ガラスクロス１５の中央に高分子電解質膜３の一辺の長さより、一辺の長さが３ｍｍ大きな正方形の窓を形成した。
そして、膜電極接合体２が、ガラスクロス１５の窓内の中心に配置されるように膜電極接合体２およびガラスクロス１５の位置合わせを行った。さらに２つのガスケット１４ａ,１４ｂのそれぞれの窓をカソード４およびアノード８に嵌めこみ、ガスケット１４ａ，１４ｂでガラスクロス１５を挟持させた。
【００４６】
さらに、膜電極接合体２の積層方向の両側から膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シート１３ａに圧力がかかるように１５０℃で２分間ホットプレスし、膜電極接合体２、ガスケット１４ａ，１４ｂおよびガラスクロス１５を同時に一体化させた。これにより、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａと膜電極接合体２とが一体に形成された。
さらに、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａを貫通するマニホールド穴１６を所定の場所に形成した。
以上により、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｂを得た。
【００４７】
実施例３．
図４に示される実施例３のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｃは、以下のように構成した。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａのガラスクロス１５の窓の大きさが、カソード４およびアノード８に対応したサイズに形成されている。また、高分子電解質膜３のカソード４およびアノード８の外周よりも外方に延設される部位は、アノード８側で、ガラスクロス１５と重なるように曲げ加工されている。
なお、他の構成は上記実施例２と同様に構成されている。
【００４８】
実施例３のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｃの製造方法について説明する。
膜電極接合体２は実施例１と同様の手順により得た。
次いで、ガスケット１４ａ，１４ｂの中央に、カソード４およびアノード８の外形形状に対応する大きさの正方形の窓を形成した。
また、ガラスクロス１５の中央に、カソード４およびアノード８の外形形状に対応する大きさの正方形の窓を形成した。
【００４９】
そして、高分子電解質膜３のカソード４およびアノード８の外周よりも外方に延設される部位の断面が以下になるように加工した。カソード４およびアノード８の外周から突出される高分子電解質膜３の先端をアノード８の側端面に向かって該垂直に折り曲げ、さらにその先端を反アノード８側に垂直に折り曲げた。このとき、高分子電解質膜３において、アノード８の側端面と略平行な部位の長さは、ガラスクロス１５の厚さと概略同じになっている。
【００５０】
そして、ガラスクロス１５の窓をカソード４に嵌めこんでガラスクロス１５を押し込み、高分子電解質膜３の先端側の折り曲げ部位に当接させる。つまり、ガラスクロス１５がカソード４およびアノード８に挟持されている高分子電解質膜３の部位の外周から外方に延設されるように配置した。さらに２つのガスケット１４ａ,１４ｂのそれぞれの窓をカソード４およびアノード８に嵌めこんだ。
【００５１】
さらに、膜電極接合体２の積層方向の両側から膜電極接合体２およびガスケット１４ａ，１４ｂおよびガラスクロス１５に圧力がかかるように１５０℃で２分間ホットプレスし、膜電極接合体２、ガスケット１４ａ，１４ｂおよびガラスクロス１５を同時に一体化させた。これにより、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａと膜電極接合体２とが一体に形成された。
さらに、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａを貫通するマニホールド穴１６を所定の場所に形成した。
以上により、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｃを得た。
【００５２】
実施例４．
図５に示される実施例４のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｄは、以下のように構成した。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａのガラスクロス１５の窓の外形形状が、高分子電解質膜３の一辺の長さより、一辺の長さが８ｍｍ大きな正方形に形成されている。
なお、他の構成は上記実施例２と同様に構成されている。
【００５３】
ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｄの製造方法について説明する。
膜電極接合体２は実施例１と同様の手順により得た。
次いで、ガスケット１４ａ，１４ｂの中央に、カソードおよびアノードの外形形状に対応する大きさの正方形の窓を形成した。
さらに、ガラスクロス１５の中央に高分子電解質膜３の一辺の長さより、一辺の長さが８ｍｍ大きな正方形の窓を形成した。
以降、上記実施例２において、ガラスクロス１５の中央に窓を形成した後のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｂの製造手順と同様にして、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｄを得た。
【００５４】
実施例５．
図６に示される実施例５のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｅは、以下のように構成した。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂのガスケット１４ａ，１４ｃには、その厚さが１００μｍの熱可塑性樹脂シートを用いた。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂのガスケット１４ｂ，１４ｄには、その厚さが１９０μｍの熱可塑性樹脂シートを用いた。
【００５５】
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａが、厚さ１００μｍのガスケット１４ｂを高分子電解質膜３に向けてカソード４側に配置され、ガラス繊維複合樹脂シート１３ｂが、厚さ１９０μｍのガスケット１４ｃを高分子電解質膜３に向けた状態にアノード８側に配置されている。このように、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂのガラスクロス１５は、基準面に対して非対称に配置されている。
なお、他の構成は上記実施例１と同様に構成されている。
【００５６】
ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｅの製造方法について説明する。
膜電極接合体２は実施例１と同様の手順により得た。
次いで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂの形成方法を説明する。
厚さ１００μｍのガスケット１４ａ，１４ｃおよび厚さ１９０μｍのガスケット１４ｂ，１４ｄを用意し、それぞれの中央にカソード４およびアノード８の外形形状に対応する大きさの窓を形成した。
また、ガラスクロス１５の中央に高分子電解質膜３の一辺の長さより一辺の長さが１００ｍｍ長い正方形の窓を形成した。
【００５７】
そして、２枚のガスケット１４ａ，１４ｂおよびガスケット１４ｃ，１４ｄで、ガラスクロス１５をそれぞれ挟持させ、全体を１８０℃でホットプレスすることで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを作製した。
【００５８】
そして、一方のガラス繊維複合樹脂シート１３ａを厚さ１９０μｍのガスケット側が高分子電解質膜３側に配置されるようにカソードに嵌めこみ、他方のガラス繊維複合樹脂シートを厚さ１００μｍのガスケット側が高分子電解質膜３側に配置されるようにアノードに嵌め込んだ。
【００５９】
さらに、膜電極接合体２の積層方向の両側から膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シートに圧力がかかるように１５０℃で２分間ホットプレスし、膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シート1３ａ，１３ｂを一体化させた。
さらに、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを貫通するマニホールド穴１６を所定の場所に形成した。
以上により、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｅを得た。
【００６０】
実施例６．
図７に示される実施例６のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｆは、以下のように構成した。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂのガスケット１４ａ，１４ｄには、厚さ１９０μｍの熱可塑性樹脂シートを用いた。
また、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂのガスケット１４ｂ，１４ｃには、厚さ１００μｍの熱可塑性樹脂シートを用いた。
そして、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂが、厚さ１００μｍのガスケット１４ｂ，１４ｃを高分子電解質膜３に向けて対向配置されている。
なお、他の構成は上記実施例１と同様に構成されている。
【００６１】
ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｆの製造方法について説明する。
膜電極接合体２は実施例１と同様の手順により得た。
次いで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂの形成方法を説明する。
厚さ１００μｍのガスケット１４ｂ，１４ｃおよび厚さ１９０μｍのガスケット１４ａ，１４ｄを用意し、それぞれの中央にカソード４およびアノード８の外形形状に対応する大きさの窓を形成した。
また、ガラスクロス１５の中央に高分子電解質膜３の一辺の長さと一辺の長さが１０ｍｍ長い正方形の窓を形成した。
【００６２】
そして、２枚のガスケット１４ａ，１４ｂおよびガスケット１４ｃ，１４ｄで、ガラスクロス１５をそれぞれ挟み全体を１８０℃でホットプレスすることで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを作製した。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを、厚さ１００μｍのガスケット側が高分子電解質膜３側で対向配置されるように、ガスケット１４ａ，１４ｂおよびガスケット１４ｃ，１４ｄの窓をそれぞれカソード４およびアノード８に嵌めこんだ。
【００６３】
さらに、膜電極接合体２の積層方向の両側から膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂに圧力がかかるように１５０℃で２分間ホットプレスし、膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シート１３ａを一体化させた。
さらに、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを貫通するマニホールド穴１６を所定の場所に形成した。
以上により、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｆを得た。
【００６４】
比較例．
図８に示されるガスケット１４ａ，１４ｂが一体化した膜電極接合体２は、以下のように構成した。
厚さ３００μｍのガスケット１４ａ，１４ｂが、ガスケット１４ａの一面とガスケット１４ｂの他面が、基準面で密着された状態に対向配置されている。また、ガラスクロス１５の配置を省略した。
なお、他の構成は上記実施例２と同様に構成されている。
次いで、比較例のガスケット１４ａ,１４ｂが一体化された膜電極接合体２の製造方法について説明する。
膜電極接合体２は上記実施例１と同様に構成した。
【００６５】
厚さ３００μｍのガスケットを２枚用意し、それぞれの中央に、カソード４およびアノード８の外形に対応する大きさの窓を形成した。
そして、２つのガスケット１４ａ，１４ｂの窓をカソード４およびアノード８に合わせて、ガスケット１４ａ,１４ｂのそれぞれをカソード４およびアノード８に嵌めこんだ。
さらに、膜電極接合体２の積層方向の両側から膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シートに圧力がかかるように１５０℃で２分間ホットプレスし、膜電極接合体とガスケットを一体化させた。
さらに、ガスケット１４ａ，１４ｂを貫通するマニホールド穴１６を所定の場所に形成した。
以上により、ガスケット１４ａ，１４ｂが一体化された膜電極接合体２を得た。
【００６６】
上記実施例１〜実施例６のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆ
は、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂ（または１３ａ）により、膜電極接合体２がシールされ、膜電極接合体２の外部にガスがリークされることが抑制される。
【００６７】
そして、単位セル１は、上記実施例１〜実施例６のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆをセパレータ１２で挟持させることにより得られる。このとき、セパレータ１２には予め、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆのマニホールド穴１６に対応する位置にセパレータ１２を貫通するマニホールド穴が空けられている。
また、セパレータ１２は膜電極接合体２に接着される必要はなく、例えば単位セル１を所望の層数を積層した後、複数の単位セル１の積層方向の両側から圧力がかかる形状に成形された容器（図示せず）に収納するなどして固体高分子燃料型電池を得ることができる。
【００６８】
次に、実施例１〜実施例６のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆおよび比較例のガスケット１４ａ，１４ｂが一体化された膜電極接合体２の評価について説明する。
【００６９】
上記の方法にて製造されたガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの反り量を以下のように定義する。
即ち、反りを伴うガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆを、水平に配置された平板上に下に凸になるように配置する。そして、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆに力が加えられていない状態で、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの平板の当接面と、鉛直方向に最も反り生じているガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの部分の距離を反り量としている。つまり、通常は、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの平板との当接箇所と、該当接箇所から最も水平距離の長いガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの角部のいずれかとの間の鉛直方向の距離が反り量となる。
【００７０】
実施例１〜実施例６のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆ成形後の反り量および比較例のガスケット１４ａ，１４ｂ付き膜電極接合体２の反り量を測定した結果を表１に示す。
【００７１】
【表１】
【００７２】
表１において、実施例１〜実施例６の反り量は、それぞれ、２．２ｍｍ、４．２ｍｍ、３．１ｍｍ、４．８ｍｍ、９．９ｍｍおよび３．９ｍｍであった。これに対し、比較例の反り量は１８ｍｍであった。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ（または１３ａ，１３ｂ）が膜電極接合体２の外周に配置された実施例１〜実施例６の反り量は、ガスケット１４ａ，１４ｂのみが膜電極接合体２の外周に配置された比較例の反り量より小さくなった。
【００７３】
上記結果について考察する。上述したように、ガラスクロス１５は、その引っ張り強度が高いので、熱によって発生するガスケット１４ａ〜１４ｄを収縮させる応力に抗して、ガスケット１４ａ〜１４ｄの変形を抑制する。一方、比較例は、ガラスクロス１５が配置されていないので、熱によって発生するガスケット１４ａ〜１４ｄを収縮させる応力が、そのままガスケット１４ａ〜１４ｄを反らせる力として働く。従って、各実施例１〜実施例６の反り量が比較例の反り量より小さくなったものと判断される。
【００７４】
また、ガラスクロス１５が、ガラスクロス１５をガスケット１４ａ，１４ｂのトータルの厚さの厚さ中心に配置またはガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に対して対称に配置された実施例１〜実施例４および実施例６は、ガラスクロス１５が、ガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さ方向の中心に対して非対称に配置された実施例５より反り量が大幅に小さくなった。
【００７５】
上記結果について考察する。
実施例１〜実施例４および実施例６は、ガラスクロス１５が、ガスケット１４ａ〜１４ｄまたはガスケット１４ａ,１４ｂのトータルの厚さの厚さ中心に配置、または厚さ中心に対して対称に配置されているので、ガラスクロス１５の両面のガスケット１４ａ〜１４ｄの部位で発生する熱収縮の応力は均一であると判断される。
【００７６】
一方、実施例５は、ガラスクロス１５が、ガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さ方向の中心に対して非対称に配置されているので、ガラスクロス１５の両面のガスケット１４ａ〜１４ｄの部位で発生する熱収縮による応力が部分的に集中される箇所があるものと判断される。これにより、実施例５では、ガスケット１４ａ〜１４ｄの熱収縮による大きな応力を受けるガラスクロス１５の部位の反り量が大きくなる。
従って、実施例１〜実施例４および実施例６の反り量は、実施例５の反り量より小さくなったものと判断される。
【００７７】
また、ガラスクロス１５が、ガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に対して対称に配置された場合とガラスクロス１５がガスケット１４ａ，１４ｂのトータルの厚さの厚さ中心に配置された場合について検討する。
【００７８】
実施例１および実施例６では、２層のガラスクロス１５をガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に対して対称に配置させている。この場合、予めガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂの形成後にガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂを膜電極接合体２と一体化させることが可能である。ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂのそれぞれのガラスクロス１５は、所定の厚さのガスケット１４ａ，１４ｂおよびガスケット１４ｃ,１４ｄに挟持されるので、ガスケット１４ａ,１４ｂおよびガスケット１４ｃ,１４ｄのトータルの厚さの所定の部位で必ず挟持されることになる。従って、２層のガラスクロス１５をトータルの厚さの厚さ中心に対して対称に配置させることが、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂをカソード４およびアノード８にはめ込むとで自動的に行える。
【００７９】
これに対し、実施例２〜実施例４では、１層のガラスクロス１５をガスケット１４ａ，１４ｂのトータルの厚さの厚さ中心に配置させている。この場合、ガラスクロス１５、ガスケット１４ａ，１４ｂおよび膜電極接合体２の一体成形時に、ガラスクロス１５の厚さ方向の中心を基準面に合わせ、ガラスクロス１５の窓中心を膜電極接合体３の中心に合わせる工程が必要となるが、ガラスクロス１５は大変薄いので扱いづらく、位置調整が難しくなる場合がある。
【００８０】
したがって、１層のガラスクロス１５をガスケット１４ａ，１４ｂのトータルの厚さの厚さ中心に配置させるより、２層のガラスクロス１５をガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に対して対称に積層させるのが容易となる。
【００８１】
また、ガラスクロス１５が一層であり、かつガラスクロス１５が、ガスケット１４ａ,１４ｂのトータルの厚さ方向の中心に配置された実施例３〜実施例５は、ガラスクロス１５に形成された窓の大きさが最も小さい実施例３での反り量がもっとも小さくなり、窓の大きさが最も大きい実施例５の反り量が他に比べて大きくなった。
【００８２】
上記結果について考察する。
ガラスクロス１５の面積は、窓が大きくなるほど小さくなる。ガラスクロス１５の面積が小さくなるほど熱によって発生するガスケット１４ａ〜１４ｄを収縮させる応力に抗する力がなくなり、ガスケット１４ａ〜１４ｄの変形を抑制する効果が小さくなるものと判断される。
【００８３】
しかしながら、ガラスクロス１５の窓の大きさが、高分子電解質膜３の大きさより小さい実施例３では、両者の干渉をなくすように高分子電解質膜３の加工を施す必要がある。また、高分子電解質膜３とガラスクロス１５との重なり部分では、ガラスクロス１５から放出されるイオン性不純物が高分子電解質膜３に伝導しないように対策をとる必要性が生じる場合もある。従って、好ましくは、ガラスクロス１５の窓の外形形状は、高分子電解質膜３と重ならないように形成するのがよい。
【００８４】
この実施の形態１によれば、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂが、ガスケット１４ａ，１４ｂまたはガスケット１４ｃ，１４ｄにガラスクロス１５を挟持させて形成されている。従って、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂが膜電極接合体２の外周に配置された状態でホットプレスによりガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆを成形する際、ガラスクロス１５がガスケット１４ａ〜１４ｄの収縮力に抗して、ガスケット１４ａ〜１４ｄが変形するのを抑制するため、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの成形後の反り量を小さくすることができる。
【００８５】
従って、その後の工程で、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆをセパレータで挟持する際、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆをセパレータ１２の所望の位置に配置することが容易になる。
【００８６】
また、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの成形後の反り量が小さいので、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆに力をかけて平らに再変形する場合でも、その変形によるストレスは小さく、つまりは、固体高分子型燃料電池自体の信頼性が損なわれることがない。
【００８７】
また、ガラスクロス１５をガスケット１４ａ，１４ｂのトータルの厚さの厚さ中心に配置またはガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に対して対称に配置させることで、より効果的にガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの反りを抑制することができる。さらに、ガラスクロス１５の積層数を２層とすることで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂをカソード４およびアノード８に嵌め込むだけで、ガラスクロス１５をガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に対して対称に配置させることが容易に行える。
【００８８】
また、ガラスクロス１５が、膜電極接合体２の外周に配置されたガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に配置した場合、ガラスクロス１５の窓の大きさを高分子電解質膜３の外形形状より大きくすることで高分子電解質膜３と重ならせることなくガラスクロス１５を配置させることができる。従って、高分子電解質膜３をガラスクロス１５の形状に合わせて加工するという手間が省ける。また、ガラスクロス１５から放出されるイオン性不純物が高分子電解質膜３を汚染することがないので、汚染に対して何らかの対策をとる必要もない。
【００８９】
なお、この実施の形態１では、ガラスクロス１５を、１層または２層に積層するものとして説明したが、ガラスクロス１５は、１層または２層に積層するものに限定されるものではなく、３層以上に積層してもよい。この場合、ガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に対して対称になるようにガラスクロス１５を積層させるのが望ましい。
【００９０】
実施の形態２．
図９はこの発明の実施の形態２に係る固体高分子型燃料電池のガスケット付き膜電極接合体の上面図である。
【００９１】
図９において、ガスケット付き膜電極接合体１９は、マニホールド穴１６が、ガスケット１４ａ，１４ｂのうち対向する２辺に沿って、所定の間隔をあけて形成されている。
また、スリット状の切り欠き１８が各マニホールド穴１６の間のガスケット１４ａ，１４ｂの部位に形成されている。切り欠き１８により、マニホールド穴１６の間のガスケット１４ａ，１４ｂの部位が分離される。
このとき、ガスケット１４ａ，１４ｂは、アノード８の外周から距離Ａまでの範囲とマニホールド穴１６の外周から距離Ａの範囲のガスケット１４ａ，１４ｂの部位を残して切り欠かれている。
【００９２】
距離Ａは、ガスケット１４ａ，１４ｂ装着の本来の目的である水素や酸素のガスリークの防止機能が維持することのできるガスケットの大きさを決定するものである。
即ち、切り欠き１８が形成されたガスケット１４ａ，１４ｂは、膜電極接合体２からのガスリークを抑制するために、カソード４およびアノード８の外周から距離Ａ以上で、かつ、マニホールド穴１６の外周から距離Ａ以上を有する外形形状に形成されていればよい。
なお、他の構成は上記比較例と同様に構成されている。
【００９３】
実施例７．
実施例７のガスケット付き膜電極接合体１９は、以下のように構成した。
マニホールド穴１６の形状は、長辺３５．３ｍｍおよび短辺１０ｍｍの長方形に形成されている。そして、マニホールド穴１６が、ガスケット１４ａ,１４ｂの対向する２辺に沿って３つずつ形成されている。このとき、マニホールド穴１６は、その長辺がガスケット１４ａ,１４ｂの対向する２辺と平行になるように形成されている。
【００９４】
また、２ｍｍ幅の切り欠き１８が、隣接するマニホールド穴１６の中間部にガスケット１４ａ，１４ｂの厚さ方向に形成されている。このとき、距離Ａは１０ｍｍとした。
また、ガラスクロス１５の配置は省略されている。
なお、他の構成は上記実施例１と同様に構成されている。
【００９５】
次いで、実施例７のガスケット付き膜電極接合体１９の製造方法について説明する。
まず、上記実施例１と同様に、膜電極接合体２を得た。
さらに、ガスケット１４ａ,１４ｂには、後工程で形成されるマニホールド穴１６の形成予定の位置に対して、切り欠き１８が各マニホールド穴１６の間のガスケット１４ａ，１４ｂの部位にスリット状に形成した。このとき、切り欠き１８は、マニホールド穴１６の外周から距離Ａの範囲のガスケット１４ａ,１４ｂの部位を残して形成されている。
【００９６】
さらに、ガスケット１４ａ,１４ｂの窓から距離Ａの範囲のガスケット１４ａ,１４ｂの部位が残るように、ガスケット１４ａ，１４ｂを切取った。
【００９７】
そして、ガスケット１４ａ，１４ｂの窓に、膜電極接合体２のカソード４およびアノード８をそれぞれ嵌め込み、カソード４およびアノード８の外周部でガスケット１４ａ,１４ｂを対向配置させる。さらに、膜電極接合体２の積層方向の両側から膜電極接合体２およびガスケット１４ａ,１４ｂに圧力がかかるように１５０℃で２分間ホットプレスし、膜電極接合体２とガスケット１４ａ,１４ｂとを一体化させた。
【００９８】
さらに、ガスケット１４ａ,１４ｂを貫通するマニホールド穴１６を所定の場所に形成した。
以上により、ガスケット付き膜電極接合体１９を得た。
【００９９】
また、比較例として、実施の形態１のガスケット１４ａ，１４ｂが一体化された膜電極接合体２と同様のものを用意した。
【０１００】
次に、ガスケット付き膜電極接合体１９の形成後の反り量および比較例のガスケット１４ａ，１４ｂ付き膜電極接合体２の反り量を、上記実施の形態１の実施例１〜実施例６の反り量の測定方法と同様の測定方法で測定した。
その結果、実施例７の反り量は８．２ｍｍであり、比較例の反り量１８ｍｍと比較して格段に反り量が減少した。
【０１０１】
次いで、上記評価結果をについて検討する。
実施例７では、スリット状の切り欠き１８が、膨張係数の小さいカソード４およびアノード８から距離の離れたガスケット１４ａ，１４ｂの外周部におけるマニホールド穴１６の間の部位に形成されている。
【０１０２】
ガスケット１４ａ，１４ｂと膜電極接合体２を一体化する際の熱に起因する反りは、膨張係数の小さいカソード４およびアノード８から距離の離れたガスケット１４ａ，１４ｂの外周部の収縮に起因する応力が大きく影響するものと推定される。
ガスケット１４ａ，１４ｂの外周部におけるマニホールド穴１６の間の部位が、切り欠き１８により分離されたので、ガスケット１４ａ，１４ｂの収縮による応力が、切り欠き１８に吸収され、ガスケット１４ａ，１４ｂ全体の収縮が抑制されるものと判断される。
【０１０３】
従って、この実施の形態２によれば、ガスケット１４ａ，１４ｂの外周部におけるマニホールド穴１６の間の部位が、切り欠き１８により分離されたので、ガスケット１４ａ，１４ｂ全体の収縮を抑制することができる。即ち、ガスケット付き膜電極接合体１９の成形時の熱に起因して発生するガスケット付き膜電極接合体１９の反りを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例１のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例２のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例３のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例４のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例５のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例６のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図である。
【図８】比較例としての固体高分子型燃料電池におけるガスケットが一体化された膜電極接合体の断面図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係る固体高分子型燃料電池のガスケット付き膜電極接合体の上面図である。
【符号の説明】
【０１０５】
２ 膜電極接合体、３ 高分子電解質膜、４ カソード、８ アノード、１４ａ〜１４ｄ ガスケット、１５ ガラスクロス（強化シート）、１６ マニホールド穴、１８ 切り欠き。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子型燃料電池に関し、特に膜電極接合体のシール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜の両面のそれぞれに触媒層と電極基材を密着して形成した膜電極接合体、および高分子電解質膜、触媒層および電極基材を囲繞するガスケットを熱圧着してなる電解質／電極接合体を備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
そして、単位電池（単位セル）が、電解質／電極接合体を、ガス流路を備えたセパレータで挟持することにより構成される。そして、水素が一方のセパレータのガス流路から電極基材を介して高分子電解質膜の一方の面の触媒層に供給され、酸素が他方のセパレータのガス流路から電極基材を介して他方の面の触媒層に供給されている。
このとき、ガスケットが膜電極接合体と密着状態に一体化されているので、水素や酸素の触媒層／電極接合体の外部へのリークが防止されていた。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−４５７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の固体高分子電解質型燃料電池では、上述したようにガスケットを有する電解質／電極接合体が、熱圧着により成形されるので、電解質／電極接合体には、その成形時に大きな変形（反り）が、主に電極基材とガスケットとの熱膨張係数の違いに起因して生じてしまう。
電解質／電極接合体に大きな反りが生じると、電解質／電極接合体をセパレータで挟持する際、電解質／電極接合体をセパレータの所望の位置に配置することが困難となる問題が生じる。
また、電解質／電極接合体に力をかけて平らに再変形させると、電極基材と触媒層との間の接合、および高分子電解質膜、触媒層および電極基材とガスケットとの間の接合が変形のストレスにより剥離しやすくなる。つまりは、従来の固体高分子電解質型燃料電池自体の信頼性が損なわれるという問題が生じる。
【０００６】
この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ガスケットに強化シートを挟持させることにより、または、ガスケットを、反りを発生しにくい構造に加工することにより、ガスケット付き膜電極接合体の成形時に、熱に起因して発生する反りを抑制できる固体高分子型燃料電池を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜および高分子電解質膜の外周縁部を除く高分子電解質膜の両面に接合されたカソードおよびアノードを有する膜電極接合体と、高分子電解質膜の両面に接合されたカソードおよびアノードを囲繞する枠状に形成され、高分子電解質膜の外周縁部を埋設して膜電極接合体に一体成形された樹脂製のガスケットと、を備え、さらに強化シートが膜電極接合体を囲繞してガスケットに埋設されている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の固体高分子型燃料電池によれば、ガスケット付き膜電極接合体の成形時に、熱に起因して発生するガスケット付き膜電極接合体の反りを抑制できるので、単位セルを組み立てる時にはガスケット付き膜電極接合体をセパレータの所望の位置に容易に配置することができる。また、ガスケット付き膜電極接合体の信頼性が損なわれることが防止される。つまりは、固体高分子型燃料電池自体の信頼性が損なわれることが防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池の断面図である。
【００１０】
図１において、固体高分子型燃料電池は、シート状の膜電極接合体２と、膜電極接合体２の外周の全域からその外方に延設するように配置されたシール材としてのガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂと、膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シート１３ａ、１３ｂの両面を挟持するように設けられたセパレータ１２と、を備える少なくとも一つの単位セル１で構成される。
そして、必要に応じて複数の単位セル１を積層することにより、所望の起電力を有する固体高分子型燃料電池が得られる。
【００１１】
また、膜電極接合体２は、高分子電解質膜３と、高分子電解質膜３の外周縁部を除いた両面の部位を挟持するように配置されたカソード４およびアノード８とを有している。
つまり、カソード４、高分子電解質膜３およびアノード８の積層方向から見た膜電極接合体２は、高分子電解質膜３の外周縁部が、カソード４およびアノード８から露出されている。以降、カソード４、高分子電解質膜３およびアノード８の積層方向を単に積層方向と記載する。
【００１２】
高分子電解質膜３は、固体高分子型燃料電池が動作される高温高湿の環境において、化学的に安定であり、プロトン伝導性を有する一方で電子伝導性がなく、かつ、ガスを通さない（ガスバリア性が高い）性能を有するものが用いられる。
高分子電解質膜３の材料には、一般的にパーフルオロ系主鎖とスルホン酸基からなる高分子電解質が用いられる。また高分子電解質膜３の厚さは、特に規定されるものではないが、一般的には５０μｍ前後の厚さのものが用いられる。
【００１３】
カソード４は、カソード触媒層５、導電性多孔質層６ａおよびガス拡散層７ａで構成される。そして、カソード４は、カソード触媒層５、導電性多孔質層６ａおよびガス拡散層７ａの順に積層され、カソード触媒層５を高分子電解質膜３の一面に密着させて配置されている。
また、アノード８は、アノード触媒層９、導電性多孔質層６ｂおよびガス拡散層７ｂで構成されている。そして、アノード８は、アノード触媒層９、導電性多孔質層６ｂおよびガス拡散層７ｂの順に積層され、アノード触媒層９を高分子電解質膜３の他面に密着させて配置されている。
【００１４】
カソード触媒層５およびアノード触媒層９のそれぞれは、主に触媒粒子および触媒粒子とイオンのやり取りを行う高分子電解質の混合物からなる。
触媒粒子としては、カーボンブラック粒子表面に白金などの触媒活性をもつ金属微粒子を担持したものが一般に用いられる。
なお、触媒活性をもつ金属微粒子としては、白金−ルテニウム合金などの白金合金、パラジウム、マグネシウム、チタン、マンガン、ランタン、ニッケル−ランタン合金、チタン−鉄合金および金なども用いることができる。
【００１５】
また、カソード触媒層５およびアノード触媒層９には、必要に応じて無機質粒子やポリマー粒子およびカーボン粒子等の添加物を混入してもよい。こうした添加物は、カソード触媒層５およびアノード触媒層９の親水性または疎水性（撥水性）を制御したり、空孔率を向上させたりする目的で適宜用いられる。
【００１６】
導電性多孔層６ａ，６ｂおよびガス拡散層７ａ，７ｂには、固体高分子型燃料電池が動作される高温高湿の環境において、化学的に安定な材質が用いられる。
導電性多孔層６ａ，６ｂは、例えば、カーボンブラック等の粒子状導電材料に、フッ素系樹脂等のバインダを混合させて構成される。
【００１７】
ガス拡散層７ａ,７ｂには、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスといったカーボン繊維で形成された導電性多孔体が用いられる。さらに、ガス拡散層７ａ,７ｂは、フッ素樹脂をカーボンペーパやカーボンクロスに定着するなどして、撥水処理が施されている。また、ガス拡散層７ａ,７ｂの一般的な厚さは、数百μｍ程度である
【００１８】
セパレータ１２には、固体高分子型燃料電池が動作される高温高湿の環境において、化学的に安定でガスバリア性のある導電性板が用いられる。
セパレータ１２には、例えば、カーボンなどからなる導電性板が用いられる。
また、セパレータ１２の高分子電解質膜３側の面には、ガス流路となる溝（図示せず）が形成されている。
【００１９】
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａは、シート状のガスケット１４ａ，１４ｂと、ガスケット１４ａ、１４ｂに挟持された強化シートとしてのガラスクロス１５により構成されている。
また、ガラス繊維複合樹脂シート１３ｂは、シート状のガスケット１４ｃ，１４ｄと、ガスケット１４ｃ、１４ｄに挟持されたガラスクロス１５により構成されている。
【００２０】
そして、ガスケット１４ａ〜１４ｄには、カソード４およびアノード８の外形形状に対応する窓が形成されている。また、ガラスクロス１５には、ガスケット１４ａ〜１４ｄの窓の大きさと同じかそれよりも大きな窓が形成され、ガスケット１４ａ〜１４ｄの窓を囲んでいる。いずれにしてもカソード４およびアノード８から離れたガスケット１４ａ，１４ｂまたはガスケット１４ｃ，１４ｄの外周側の部位には、ガラスクロス１５が挟持されている。
【００２１】
即ち、ガスケット１４ａ〜１４ｄが、高分子電解質膜３の両面に接合されたカソード４およびアノード８を囲繞する枠状に形成され、高分子電解質膜３の露出する外周縁部を埋設して膜電極接合体２に一体成形されている。さらに、ガラスクロス１５が膜電極接合体２を囲繞して、ガスケット１４ａ〜１４ｄに埋設されている。
また、ガスケット１４ａ〜１４ｄの厚さは、膜電極接合体の２の厚さに対応させて適宜設定される。
【００２２】
そして上述のように、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂは、膜電極接合体２の外周の全域から外方に延設するように配置されている。
なお、２つのガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂが、膜電極接合体２の外周の全域から外方に延設されるものとして説明したが、１つのガラス繊維複合樹脂シートや３つ以上のガラス繊維複合樹脂シートが、膜電極接合体２の外周の全域から外方に延設されていてもよい。
【００２３】
ガスケット１４ａ〜１４ｄには、固体高分子型燃料電池が動作される高温高湿の環境において、化学的に安定でガスバリア性の高い材料が用いられる。
例えば、ガスケット１４ａ〜１４ｄにはポリオレフィン系熱可塑樹脂シートを用いることができる。また、ガスケット１４ａ〜１４ｄとしては、熱硬化性樹脂シートを用いてもよい。
また、強化シートとしてのガラスクロス１５は、ガスケット１４ａ〜１４ｄおよび膜電極接合体２を一体に成形する温度で軟化せず、引っ張り強度が高く、導電性がなく、かつ水分の吸収性のないガラス繊維からなる織布である。また、強化シートとして、ガラスクロス１５と同様の性質を持つ有機系繊維からなる織布を用いることもできる。例えば、有機系繊維としてアラミド繊維シートなどを用いることができる。
さらに、強化シートとして、ガラス繊維や有機系繊維などの不織布も用いることができるが、厚さを薄くできるガラスクロス１５などの織布を用いるのが好ましい。
【００２４】
そして、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂには、その厚さ方向に複数のマニホールド穴１６が形成（穿設）されている。マニホールド穴１６は、上述の各セパレータ１２の溝に連結され、カソード４に水素ガスや供給したり、アノード８に酸素ガスを供給したりするために利用される。さらに、マニホールド穴１６は、固体高分子型燃料電池を冷却するための冷却液を供給するために形成される場合もある。従って、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂは、冷却液などに対しても化学的に安定なものが用いられる。
【００２５】
そして、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂおよび膜電極接合体２で構成されるガスケット付き膜電極接合体としてのガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体が以下のように成形される。まず、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを高分子電解質膜３の露出する外周縁部を埋設するように、カソード４およびアノード８側からそれぞれ対向配置させる。この状態で積層方向に圧力がかかるようにホットプレスを行うことにより、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂが膜電極接合体２と一体に成形される。
【００２６】
上記のように構成されたガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体のガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂに埋設されているガラスクロス１５は、引っ張り強度が高いので、熱によって発生するガスケット１４ａ〜１４ｄを収縮させる応力に抗して、ガスケット１４ａ〜１４ｄの変形を抑制するように働く。
【００２７】
また、カソード４やアノード８は、ガスケット１４ａ〜１４ｄに対して熱膨張率が小さく、カソード４及びアノード８から離れたガスケット１４ａ，１４ｂまたはガスケット１４ｃ，１４ｄの部位が、熱収縮により大きく変形されるものと推定される。従って、カソード４及びアノード８から離れたガスケット１４ａ，１４ｂまたは１４ｃ，１４ｄの部位にガラスクロス１５を挟持させることで、より効果的にガスケット１４ａ〜１４ｄの変形が抑制される。つまり、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂと膜電極接合体２とに熱を加えて一体成形した時に、ガラス繊維複合樹脂シート付き電極接合体の反り量が低減される。
【００２８】
以下、実施の形態１の固体高分子型燃料電池に適用される単位セル１のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の実施例１〜実施例６と、比較例について図面を参照して説明する。
図２はこの発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例１のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例２のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図、図４はこの発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例３のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図、図５はこの発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例４のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図、図６はこの発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例５のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図、図７はこの発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例６のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図、図８は比較例としての固体高分子型燃料電池におけるガスケットが一体化された膜電極接合体の断面図である。
また、カソード４は、図１に示されるようにカソード触媒層５、導電性多孔質層６ａおよびガス拡散層７ａを有し、アノード８は、アノード触媒層９、導電性多孔質層６ｂおよびガス拡散層７ｂを有しているが、図２〜図８においてはカソード４およびアノード８の詳細構成の図示は省略した。
【００２９】
実施例１．
図２に示される実施例１のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａは、以下のように構成した。
高分子電解質膜３は、厚さ５０μｍのＮａｆｉｏｎ（デュポン社登録商標）膜を用いた。また、その外形形状は１６０ｍｍ角の正方形となっている。
カソード４およびアノード８の外形形状は、１５０ｍｍ角の正方形であり、その中心が、高分子電解質膜３の中心に一致し、かつ、各辺は高分子電解質膜３の各辺とそれぞれ平行になっている。また、カソード４およびアノード８のガス拡散層７ａ，７ｂには、厚さ３００μｍ、空孔率８０％のカーボンペーパを用いた。また、カソード触媒層５はカーボンブラック表面に、白金が担持されたものを用いた。また、アノード触媒層９は、カーボンブラック表面に白金−ルテニウム合金が担持されたものを用いた。
ガスケット１４ａ〜１４ｄのそれぞれは、外形形状が２１０ｍｍ角の正方形で、厚さ１４０μｍのポリオレフィン系熱可塑性樹脂シートで形成されている。またガスケット１４ａ〜１４ｄの窓の中心は高分子電解質膜３の中心に一致し、かつ、各辺は高分子電解質膜３の各辺とそれぞれ平行になっている。
【００３０】
また、ガラスクロス１５は、厚さ６０μｍで、ガスケット１４ａ〜１４ｄと同じ外形で同じサイズに形成されている。また、ガラスクロス１５の窓の大きさは、その一辺が、高分子電解質膜３の一辺の長さより１０ｍｍ長い正方形に形成され、窓の中心は、高分子電解質膜３の中心に一致し、かつ、各辺は高分子電解質膜３の各辺とそれぞれ平行になっている。
【００３１】
そして、同じ構成のガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂが、高分子電解質膜３の厚さ方向の中心を含み、かつ、膜電極接合体２の厚さ方向に垂直な面（以降、基準面とする）に対して対称に、かつ対向する面を密着させて配置されている。即ち、ガラスクロス１５は、基準面から等距離に配置されている。
【００３２】
ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａの製造方法について説明する。
まず、カソード４の製造方法について説明する。
ガス拡散層７ａは、以下のように形成した。カーボンペーパをフッ素樹脂ディスパージョン液に浸漬し、フッ素樹脂ディスパージョン液を乾燥させた後に加熱した。これにより、フッ素樹脂がカーボンペーパの表面（炭素繊維表面）に定着され、撥水処理が施されたガス拡散層７ａが得られた。
【００３３】
また、導電性多孔層６ａは、カーボンブラックにフッ素樹脂ディスパージョン液を混合したものをガス拡散層７ａの一面にスクリーン印刷により塗布した後、さらに乾燥させて形成した。
【００３４】
さらに、カソード触媒層５は、導電性多孔層６ａの表面に以下のカソード触媒ペーストをスクリーン印刷により塗布した後、さらに乾燥させて形成した。
カソード触媒ペーストは、カソード触媒粒子１重量部に水１重量部および水を溶媒とする濃度１０％のパーフルオロ系高分子電解質溶液３重量部を添加し、攪拌混合することにより得た。カソード触媒粒子としては、白金をカーボンブラック上に５０％担持させたものを用いた。なお、パーフルオロ系高分子電解質溶液の溶媒はエタノールなどでもよい。
以上の方法によりカソード４を得た。
【００３５】
次いで、アノード８の製造方法について説明する。
まず、ガス拡散層７ｂおよび導電性多孔層６ｂを、カソード４のガス拡散層７ａおよび導電性多孔層６ａの製造方法と同様の手順で形成した。
さらに、導電性多孔層６ｂの表面に、以下のアノード触媒ペーストをスクリーン印刷により塗布した後、さらに乾燥させてアノード触媒層９を形成した。
【００３６】
アノード触媒ペーストは、アノード触媒粒子１重量部に水１重量部および水を溶媒とする濃度１０％のパーフルオロ系高分子電解質溶液６重量部を添加し、攪拌混合することにより得た。アノード触媒粒子としては、白金−ルテニウム系金属をカーボンブラック上に５０％担持させたものを用いた。
以上の方法によりアノード８を得た。
また、上記のように製造されたカソード４およびアノード８を、その外形形状が１５０ｍｍ角の正方形になるようにトリミングした。
【００３７】
また、高分子電解質膜３を、その一辺がカソード４およびアノード８の一辺より１０ｍｍ長い正方形、つまり、１６０ｍｍ角の正方形になるようにトリミングした。（削除）
【００３８】
次いで、膜電極接合体２の形成方法について説明する。
そして、高分子電解質膜３の一面の中央にカソード触媒層５が接触するように、カソード４を配置し、高分子電解質膜３の他面の中央にアノード触媒層９が接触するようにアノード８を配置した。この状態で、カソード４およびアノード８の反高分子電解質膜３側から、積層方向に圧力をかけ、１５０℃で３分間ホットプレスすることにより、膜電極接合体２を得た。
【００３９】
次いで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂの形成方法を説明する。
ガスケット１４ａ〜１４ｄの中央にカソード４およびアノード８の外形に対応する大きさの窓を形成した。
【００４０】
また、ガラスクロス１５の中央に高分子電解質膜３の一辺の長さより一辺の長さが１０ｍｍ長い正方形の窓を形成した。
【００４１】
そして、ガスケット１４ａ，１４ｂおよびガスケット１４ｃ，１４ｄのそれぞれに、ガラスクロス１５を挟持させ、さらに、１８０℃でホットプレスすることで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを得た。
【００４２】
次いで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを膜電極接合体２の外周部に一体成形する方法を説明する。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂのガスケット１４ａ，１４ｂおよびガスケット１４ｃ，１４ｄの窓に、膜電極接合体２のカソード４およびアノード８をそれぞれ嵌め込み、カソード４およびアノード８の外周部でガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを対向配置させる。さらに、膜電極接合体２の積層方向の両側から膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂに圧力がかかるように１５０℃で２分間ホットプレスし、膜電極接合体２とガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂとを一体化させた。さらに、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを貫通するマニホールド穴１６を所定の場所に形成した。
以上により、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａを得た。
【００４３】
実施例２．
図３に示される実施例２のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｂは、以下のように構成した。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａのガスケット１４ａ，１４ｂの厚さは２８０μｍのものを用いた。また、ガラスクロス１５の窓は、その一辺が、高分子電解質膜３の一辺の大きさより３ｍｍ大きい正方形に形成されている。
そして、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａのガラスクロス１５は、その厚さ方向の中心が基準面に一致されている。また、ガラス繊維複合樹脂シート１３ｂの配設は省略されている。
なお、他の構成は上記実施例１と同様に構成されている。
【００４４】
次いで、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｂの製造方法について説明する。
膜電極接合体２は実施例１と同様の手順により得た。
さらに、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａを膜電極接合体２の外周部に一体成形する方法を説明する。
ガスケット１４ａ，１４ｂの中央に、カソード４およびアノード８の外形形状に対応する大きさの正方形の窓を形成した。
【００４５】
さらに、ガラスクロス１５の中央に高分子電解質膜３の一辺の長さより、一辺の長さが３ｍｍ大きな正方形の窓を形成した。
そして、膜電極接合体２が、ガラスクロス１５の窓内の中心に配置されるように膜電極接合体２およびガラスクロス１５の位置合わせを行った。さらに２つのガスケット１４ａ,１４ｂのそれぞれの窓をカソード４およびアノード８に嵌めこみ、ガスケット１４ａ，１４ｂでガラスクロス１５を挟持させた。
【００４６】
さらに、膜電極接合体２の積層方向の両側から膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シート１３ａに圧力がかかるように１５０℃で２分間ホットプレスし、膜電極接合体２、ガスケット１４ａ，１４ｂおよびガラスクロス１５を同時に一体化させた。これにより、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａと膜電極接合体２とが一体に形成された。
さらに、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａを貫通するマニホールド穴１６を所定の場所に形成した。
以上により、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｂを得た。
【００４７】
実施例３．
図４に示される実施例３のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｃは、以下のように構成した。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａのガラスクロス１５の窓の大きさが、カソード４およびアノード８に対応したサイズに形成されている。また、高分子電解質膜３のカソード４およびアノード８の外周よりも外方に延設される部位は、アノード８側で、ガラスクロス１５と重なるように曲げ加工されている。
なお、他の構成は上記実施例２と同様に構成されている。
【００４８】
実施例３のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｃの製造方法について説明する。
膜電極接合体２は実施例１と同様の手順により得た。
次いで、ガスケット１４ａ，１４ｂの中央に、カソード４およびアノード８の外形形状に対応する大きさの正方形の窓を形成した。
また、ガラスクロス１５の中央に、カソード４およびアノード８の外形形状に対応する大きさの正方形の窓を形成した。
【００４９】
そして、高分子電解質膜３のカソード４およびアノード８の外周よりも外方に延設される部位の断面が以下になるように加工した。カソード４およびアノード８の外周から突出される高分子電解質膜３の先端をアノード８の側端面に向かって該垂直に折り曲げ、さらにその先端を反アノード８側に垂直に折り曲げた。このとき、高分子電解質膜３において、アノード８の側端面と略平行な部位の長さは、ガラスクロス１５の厚さと概略同じになっている。
【００５０】
そして、ガラスクロス１５の窓をカソード４に嵌めこんでガラスクロス１５を押し込み、高分子電解質膜３の先端側の折り曲げ部位に当接させる。つまり、ガラスクロス１５がカソード４およびアノード８に挟持されている高分子電解質膜３の部位の外周から外方に延設されるように配置した。さらに２つのガスケット１４ａ,１４ｂのそれぞれの窓をカソード４およびアノード８に嵌めこんだ。
【００５１】
さらに、膜電極接合体２の積層方向の両側から膜電極接合体２およびガスケット１４ａ，１４ｂおよびガラスクロス１５に圧力がかかるように１５０℃で２分間ホットプレスし、膜電極接合体２、ガスケット１４ａ，１４ｂおよびガラスクロス１５を同時に一体化させた。これにより、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａと膜電極接合体２とが一体に形成された。
さらに、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａを貫通するマニホールド穴１６を所定の場所に形成した。
以上により、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｃを得た。
【００５２】
実施例４．
図５に示される実施例４のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｄは、以下のように構成した。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａのガラスクロス１５の窓の外形形状が、高分子電解質膜３の一辺の長さより、一辺の長さが８ｍｍ大きな正方形に形成されている。
なお、他の構成は上記実施例２と同様に構成されている。
【００５３】
ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｄの製造方法について説明する。
膜電極接合体２は実施例１と同様の手順により得た。
次いで、ガスケット１４ａ，１４ｂの中央に、カソードおよびアノードの外形形状に対応する大きさの正方形の窓を形成した。
さらに、ガラスクロス１５の中央に高分子電解質膜３の一辺の長さより、一辺の長さが８ｍｍ大きな正方形の窓を形成した。
以降、上記実施例２において、ガラスクロス１５の中央に窓を形成した後のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｂの製造手順と同様にして、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｄを得た。
【００５４】
実施例５．
図６に示される実施例５のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｅは、以下のように構成した。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂのガスケット１４ａ，１４ｃには、その厚さが１００μｍの熱可塑性樹脂シートを用いた。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂのガスケット１４ｂ，１４ｄには、その厚さが１９０μｍの熱可塑性樹脂シートを用いた。
【００５５】
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａが、厚さ１００μｍのガスケット１４ｂを高分子電解質膜３に向けてカソード４側に配置され、ガラス繊維複合樹脂シート１３ｂが、厚さ１９０μｍのガスケット１４ｃを高分子電解質膜３に向けた状態にアノード８側に配置されている。このように、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂのガラスクロス１５は、基準面に対して非対称に配置されている。
なお、他の構成は上記実施例１と同様に構成されている。
【００５６】
ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｅの製造方法について説明する。
膜電極接合体２は実施例１と同様の手順により得た。
次いで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂの形成方法を説明する。
厚さ１００μｍのガスケット１４ａ，１４ｃおよび厚さ１９０μｍのガスケット１４ｂ，１４ｄを用意し、それぞれの中央にカソード４およびアノード８の外形形状に対応する大きさの窓を形成した。
また、ガラスクロス１５の中央に高分子電解質膜３の一辺の長さより一辺の長さが１００ｍｍ長い正方形の窓を形成した。
【００５７】
そして、２枚のガスケット１４ａ，１４ｂおよびガスケット１４ｃ，１４ｄで、ガラスクロス１５をそれぞれ挟持させ、全体を１８０℃でホットプレスすることで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを作製した。
【００５８】
そして、一方のガラス繊維複合樹脂シート１３ａを厚さ１９０μｍのガスケット側が高分子電解質膜３側に配置されるようにカソードに嵌めこみ、他方のガラス繊維複合樹脂シートを厚さ１００μｍのガスケット側が高分子電解質膜３側に配置されるようにアノードに嵌め込んだ。
【００５９】
さらに、膜電極接合体２の積層方向の両側から膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シートに圧力がかかるように１５０℃で２分間ホットプレスし、膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シート1３ａ，１３ｂを一体化させた。
さらに、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを貫通するマニホールド穴１６を所定の場所に形成した。
以上により、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｅを得た。
【００６０】
実施例６．
図７に示される実施例６のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｆは、以下のように構成した。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂのガスケット１４ａ，１４ｄには、厚さ１９０μｍの熱可塑性樹脂シートを用いた。
また、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂのガスケット１４ｂ，１４ｃには、厚さ１００μｍの熱可塑性樹脂シートを用いた。
そして、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂが、厚さ１００μｍのガスケット１４ｂ，１４ｃを高分子電解質膜３に向けて対向配置されている。
なお、他の構成は上記実施例１と同様に構成されている。
【００６１】
ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｆの製造方法について説明する。
膜電極接合体２は実施例１と同様の手順により得た。
次いで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂの形成方法を説明する。
厚さ１００μｍのガスケット１４ｂ，１４ｃおよび厚さ１９０μｍのガスケット１４ａ，１４ｄを用意し、それぞれの中央にカソード４およびアノード８の外形形状に対応する大きさの窓を形成した。
また、ガラスクロス１５の中央に高分子電解質膜３の一辺の長さと一辺の長さが１０ｍｍ長い正方形の窓を形成した。
【００６２】
そして、２枚のガスケット１４ａ，１４ｂおよびガスケット１４ｃ，１４ｄで、ガラスクロス１５をそれぞれ挟み全体を１８０℃でホットプレスすることで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを作製した。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを、厚さ１００μｍのガスケット側が高分子電解質膜３側で対向配置されるように、ガスケット１４ａ，１４ｂおよびガスケット１４ｃ，１４ｄの窓をそれぞれカソード４およびアノード８に嵌めこんだ。
【００６３】
さらに、膜電極接合体２の積層方向の両側から膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂに圧力がかかるように１５０℃で２分間ホットプレスし、膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シート１３ａを一体化させた。
さらに、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ，１３ｂを貫通するマニホールド穴１６を所定の場所に形成した。
以上により、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ｆを得た。
【００６４】
比較例．
図８に示されるガスケット１４ａ，１４ｂが一体化した膜電極接合体２は、以下のように構成した。
厚さ３００μｍのガスケット１４ａ，１４ｂが、ガスケット１４ａの一面とガスケット１４ｂの他面が、基準面で密着された状態に対向配置されている。また、ガラスクロス１５の配置を省略した。
なお、他の構成は上記実施例２と同様に構成されている。
次いで、比較例のガスケット１４ａ,１４ｂが一体化された膜電極接合体２の製造方法について説明する。
膜電極接合体２は上記実施例１と同様に構成した。
【００６５】
厚さ３００μｍのガスケットを２枚用意し、それぞれの中央に、カソード４およびアノード８の外形に対応する大きさの窓を形成した。
そして、２つのガスケット１４ａ，１４ｂの窓をカソード４およびアノード８に合わせて、ガスケット１４ａ,１４ｂのそれぞれをカソード４およびアノード８に嵌めこんだ。
さらに、膜電極接合体２の積層方向の両側から膜電極接合体２およびガラス繊維複合樹脂シートに圧力がかかるように１５０℃で２分間ホットプレスし、膜電極接合体とガスケットを一体化させた。
さらに、ガスケット１４ａ，１４ｂを貫通するマニホールド穴１６を所定の場所に形成した。
以上により、ガスケット１４ａ，１４ｂが一体化された膜電極接合体２を得た。
【００６６】
上記実施例１〜実施例６のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆ
は、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂ（または１３ａ）により、膜電極接合体２がシールされ、膜電極接合体２の外部にガスがリークされることが抑制される。
【００６７】
そして、単位セル１は、上記実施例１〜実施例６のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆをセパレータ１２で挟持させることにより得られる。このとき、セパレータ１２には予め、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆのマニホールド穴１６に対応する位置にセパレータ１２を貫通するマニホールド穴が空けられている。
また、セパレータ１２は膜電極接合体２に接着される必要はなく、例えば単位セル１を所望の層数を積層した後、複数の単位セル１の積層方向の両側から圧力がかかる形状に成形された容器（図示せず）に収納するなどして固体高分子燃料型電池を得ることができる。
【００６８】
次に、実施例１〜実施例６のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆおよび比較例のガスケット１４ａ，１４ｂが一体化された膜電極接合体２の評価について説明する。
【００６９】
上記の方法にて製造されたガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの反り量を以下のように定義する。
即ち、反りを伴うガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆを、水平に配置された平板上に下に凸になるように配置する。そして、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆに力が加えられていない状態で、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの平板の当接面と、鉛直方向に最も反り生じているガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの部分の距離を反り量としている。つまり、通常は、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの平板との当接箇所と、該当接箇所から最も水平距離の長いガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの角部のいずれかとの間の鉛直方向の距離が反り量となる。
【００７０】
実施例１〜実施例６のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆ成形後の反り量および比較例のガスケット１４ａ，１４ｂ付き膜電極接合体２の反り量を測定した結果を表１に示す。
【００７１】
【表１】
【００７２】
表１において、実施例１〜実施例６の反り量は、それぞれ、２．２ｍｍ、４．２ｍｍ、３．１ｍｍ、４．８ｍｍ、９．９ｍｍおよび３．９ｍｍであった。これに対し、比較例の反り量は１８ｍｍであった。
ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ（または１３ａ，１３ｂ）が膜電極接合体２の外周に配置された実施例１〜実施例６の反り量は、ガスケット１４ａ，１４ｂのみが膜電極接合体２の外周に配置された比較例の反り量より小さくなった。
【００７３】
上記結果について考察する。上述したように、ガラスクロス１５は、その引っ張り強度が高いので、熱によって発生するガスケット１４ａ〜１４ｄを収縮させる応力に抗して、ガスケット１４ａ〜１４ｄの変形を抑制する。一方、比較例は、ガラスクロス１５が配置されていないので、熱によって発生するガスケット１４ａ〜１４ｄを収縮させる応力が、そのままガスケット１４ａ〜１４ｄを反らせる力として働く。従って、各実施例１〜実施例６の反り量が比較例の反り量より小さくなったものと判断される。
【００７４】
また、ガラスクロス１５が、ガラスクロス１５をガスケット１４ａ，１４ｂのトータルの厚さの厚さ中心に配置またはガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に対して対称に配置された実施例１〜実施例４および実施例６は、ガラスクロス１５が、ガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さ方向の中心に対して非対称に配置された実施例５より反り量が大幅に小さくなった。
【００７５】
上記結果について考察する。
実施例１〜実施例４および実施例６は、ガラスクロス１５が、ガスケット１４ａ〜１４ｄまたはガスケット１４ａ,１４ｂのトータルの厚さの厚さ中心に配置、または厚さ中心に対して対称に配置されているので、ガラスクロス１５の両面のガスケット１４ａ〜１４ｄの部位で発生する熱収縮の応力は均一であると判断される。
【００７６】
一方、実施例５は、ガラスクロス１５が、ガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さ方向の中心に対して非対称に配置されているので、ガラスクロス１５の両面のガスケット１４ａ〜１４ｄの部位で発生する熱収縮による応力が部分的に集中される箇所があるものと判断される。これにより、実施例５では、ガスケット１４ａ〜１４ｄの熱収縮による大きな応力を受けるガラスクロス１５の部位の反り量が大きくなる。
従って、実施例１〜実施例４および実施例６の反り量は、実施例５の反り量より小さくなったものと判断される。
【００７７】
また、ガラスクロス１５が、ガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に対して対称に配置された場合とガラスクロス１５がガスケット１４ａ，１４ｂのトータルの厚さの厚さ中心に配置された場合について検討する。
【００７８】
実施例１および実施例６では、２層のガラスクロス１５をガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に対して対称に配置させている。この場合、予めガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂの形成後にガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂを膜電極接合体２と一体化させることが可能である。ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂのそれぞれのガラスクロス１５は、所定の厚さのガスケット１４ａ，１４ｂおよびガスケット１４ｃ,１４ｄに挟持されるので、ガスケット１４ａ,１４ｂおよびガスケット１４ｃ,１４ｄのトータルの厚さの所定の部位で必ず挟持されることになる。従って、２層のガラスクロス１５をトータルの厚さの厚さ中心に対して対称に配置させることが、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂをカソード４およびアノード８にはめ込むとで自動的に行える。
【００７９】
これに対し、実施例２〜実施例４では、１層のガラスクロス１５をガスケット１４ａ，１４ｂのトータルの厚さの厚さ中心に配置させている。この場合、ガラスクロス１５、ガスケット１４ａ，１４ｂおよび膜電極接合体２の一体成形時に、ガラスクロス１５の厚さ方向の中心を基準面に合わせ、ガラスクロス１５の窓中心を膜電極接合体３の中心に合わせる工程が必要となるが、ガラスクロス１５は大変薄いので扱いづらく、位置調整が難しくなる場合がある。
【００８０】
したがって、１層のガラスクロス１５をガスケット１４ａ，１４ｂのトータルの厚さの厚さ中心に配置させるより、２層のガラスクロス１５をガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に対して対称に積層させるのが容易となる。
【００８１】
また、ガラスクロス１５が一層であり、かつガラスクロス１５が、ガスケット１４ａ,１４ｂのトータルの厚さ方向の中心に配置された実施例３〜実施例５は、ガラスクロス１５に形成された窓の大きさが最も小さい実施例３での反り量がもっとも小さくなり、窓の大きさが最も大きい実施例５の反り量が他に比べて大きくなった。
【００８２】
上記結果について考察する。
ガラスクロス１５の面積は、窓が大きくなるほど小さくなる。ガラスクロス１５の面積が小さくなるほど熱によって発生するガスケット１４ａ〜１４ｄを収縮させる応力に抗する力がなくなり、ガスケット１４ａ〜１４ｄの変形を抑制する効果が小さくなるものと判断される。
【００８３】
しかしながら、ガラスクロス１５の窓の大きさが、高分子電解質膜３の大きさより小さい実施例３では、両者の干渉をなくすように高分子電解質膜３の加工を施す必要がある。また、高分子電解質膜３とガラスクロス１５との重なり部分では、ガラスクロス１５から放出されるイオン性不純物が高分子電解質膜３に伝導しないように対策をとる必要性が生じる場合もある。従って、好ましくは、ガラスクロス１５の窓の外形形状は、高分子電解質膜３と重ならないように形成するのがよい。
【００８４】
この実施の形態１によれば、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂが、ガスケット１４ａ，１４ｂまたはガスケット１４ｃ，１４ｄにガラスクロス１５を挟持させて形成されている。従って、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂが膜電極接合体２の外周に配置された状態でホットプレスによりガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆを成形する際、ガラスクロス１５がガスケット１４ａ〜１４ｄの収縮力に抗して、ガスケット１４ａ〜１４ｄが変形するのを抑制するため、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの成形後の反り量を小さくすることができる。
【００８５】
従って、その後の工程で、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆをセパレータで挟持する際、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆをセパレータ１２の所望の位置に配置することが容易になる。
【００８６】
また、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの成形後の反り量が小さいので、ガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆに力をかけて平らに再変形する場合でも、その変形によるストレスは小さく、つまりは、固体高分子型燃料電池自体の信頼性が損なわれることがない。
【００８７】
また、ガラスクロス１５をガスケット１４ａ，１４ｂのトータルの厚さの厚さ中心に配置またはガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に対して対称に配置させることで、より効果的にガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体１７Ａ〜１７Ｆの反りを抑制することができる。さらに、ガラスクロス１５の積層数を２層とすることで、ガラス繊維複合樹脂シート１３ａ,１３ｂをカソード４およびアノード８に嵌め込むだけで、ガラスクロス１５をガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に対して対称に配置させることが容易に行える。
【００８８】
また、ガラスクロス１５が、膜電極接合体２の外周に配置されたガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に配置した場合、ガラスクロス１５の窓の大きさを高分子電解質膜３の外形形状より大きくすることで高分子電解質膜３と重ならせることなくガラスクロス１５を配置させることができる。従って、高分子電解質膜３をガラスクロス１５の形状に合わせて加工するという手間が省ける。また、ガラスクロス１５から放出されるイオン性不純物が高分子電解質膜３を汚染することがないので、汚染に対して何らかの対策をとる必要もない。
【００８９】
なお、この実施の形態１では、ガラスクロス１５を、１層または２層に積層するものとして説明したが、ガラスクロス１５は、１層または２層に積層するものに限定されるものではなく、３層以上に積層してもよい。この場合、ガスケット１４ａ〜１４ｄのトータルの厚さの厚さ中心に対して対称になるようにガラスクロス１５を積層させるのが望ましい。
【００９０】
実施の形態２．
図９はこの発明の実施の形態２に係る固体高分子型燃料電池のガスケット付き膜電極接合体の上面図である。
【００９１】
図９において、ガスケット付き膜電極接合体１９は、マニホールド穴１６が、ガスケット１４ａ，１４ｂのうち対向する２辺に沿って、所定の間隔をあけて形成されている。
また、スリット状の切り欠き１８が各マニホールド穴１６の間のガスケット１４ａ，１４ｂの部位に形成されている。切り欠き１８により、マニホールド穴１６の間のガスケット１４ａ，１４ｂの部位が分離される。
このとき、ガスケット１４ａ，１４ｂは、アノード８の外周から距離Ａまでの範囲とマニホールド穴１６の外周から距離Ａの範囲のガスケット１４ａ，１４ｂの部位を残して切り欠かれている。
【００９２】
距離Ａは、ガスケット１４ａ，１４ｂ装着の本来の目的である水素や酸素のガスリークの防止機能が維持することのできるガスケットの大きさを決定するものである。
即ち、切り欠き１８が形成されたガスケット１４ａ，１４ｂは、膜電極接合体２からのガスリークを抑制するために、カソード４およびアノード８の外周から距離Ａ以上で、かつ、マニホールド穴１６の外周から距離Ａ以上を有する外形形状に形成されていればよい。
なお、他の構成は上記比較例と同様に構成されている。
【００９３】
実施例７．
実施例７のガスケット付き膜電極接合体１９は、以下のように構成した。
マニホールド穴１６の形状は、長辺３５．３ｍｍおよび短辺１０ｍｍの長方形に形成されている。そして、マニホールド穴１６が、ガスケット１４ａ,１４ｂの対向する２辺に沿って３つずつ形成されている。このとき、マニホールド穴１６は、その長辺がガスケット１４ａ,１４ｂの対向する２辺と平行になるように形成されている。
【００９４】
また、２ｍｍ幅の切り欠き１８が、隣接するマニホールド穴１６の中間部にガスケット１４ａ，１４ｂの厚さ方向に形成されている。このとき、距離Ａは１０ｍｍとした。
また、ガラスクロス１５の配置は省略されている。
なお、他の構成は上記実施例１と同様に構成されている。
【００９５】
次いで、実施例７のガスケット付き膜電極接合体１９の製造方法について説明する。
まず、上記実施例１と同様に、膜電極接合体２を得た。
さらに、ガスケット１４ａ,１４ｂには、後工程で形成されるマニホールド穴１６の形成予定の位置に対して、切り欠き１８が各マニホールド穴１６の間のガスケット１４ａ，１４ｂの部位にスリット状に形成した。このとき、切り欠き１８は、マニホールド穴１６の外周から距離Ａの範囲のガスケット１４ａ,１４ｂの部位を残して形成されている。
【００９６】
さらに、ガスケット１４ａ,１４ｂの窓から距離Ａの範囲のガスケット１４ａ,１４ｂの部位が残るように、ガスケット１４ａ，１４ｂを切取った。
【００９７】
そして、ガスケット１４ａ，１４ｂの窓に、膜電極接合体２のカソード４およびアノード８をそれぞれ嵌め込み、カソード４およびアノード８の外周部でガスケット１４ａ,１４ｂを対向配置させる。さらに、膜電極接合体２の積層方向の両側から膜電極接合体２およびガスケット１４ａ,１４ｂに圧力がかかるように１５０℃で２分間ホットプレスし、膜電極接合体２とガスケット１４ａ,１４ｂとを一体化させた。
【００９８】
さらに、ガスケット１４ａ,１４ｂを貫通するマニホールド穴１６を所定の場所に形成した。
以上により、ガスケット付き膜電極接合体１９を得た。
【００９９】
また、比較例として、実施の形態１のガスケット１４ａ，１４ｂが一体化された膜電極接合体２と同様のものを用意した。
【０１００】
次に、ガスケット付き膜電極接合体１９の形成後の反り量および比較例のガスケット１４ａ，１４ｂ付き膜電極接合体２の反り量を、上記実施の形態１の実施例１〜実施例６の反り量の測定方法と同様の測定方法で測定した。
その結果、実施例７の反り量は８．２ｍｍであり、比較例の反り量１８ｍｍと比較して格段に反り量が減少した。
【０１０１】
次いで、上記評価結果をについて検討する。
実施例７では、スリット状の切り欠き１８が、膨張係数の小さいカソード４およびアノード８から距離の離れたガスケット１４ａ，１４ｂの外周部におけるマニホールド穴１６の間の部位に形成されている。
【０１０２】
ガスケット１４ａ，１４ｂと膜電極接合体２を一体化する際の熱に起因する反りは、膨張係数の小さいカソード４およびアノード８から距離の離れたガスケット１４ａ，１４ｂの外周部の収縮に起因する応力が大きく影響するものと推定される。
ガスケット１４ａ，１４ｂの外周部におけるマニホールド穴１６の間の部位が、切り欠き１８により分離されたので、ガスケット１４ａ，１４ｂの収縮による応力が、切り欠き１８に吸収され、ガスケット１４ａ，１４ｂ全体の収縮が抑制されるものと判断される。
【０１０３】
従って、この実施の形態２によれば、ガスケット１４ａ，１４ｂの外周部におけるマニホールド穴１６の間の部位が、切り欠き１８により分離されたので、ガスケット１４ａ，１４ｂ全体の収縮を抑制することができる。即ち、ガスケット付き膜電極接合体１９の成形時の熱に起因して発生するガスケット付き膜電極接合体１９の反りを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例１のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例２のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例３のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例４のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例５のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池における実施例６のガラス繊維複合樹脂シート付き膜電極接合体の断面図である。
【図８】比較例としての固体高分子型燃料電池におけるガスケットが一体化された膜電極接合体の断面図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係る固体高分子型燃料電池のガスケット付き膜電極接合体の上面図である。
【符号の説明】
【０１０５】
２ 膜電極接合体、３ 高分子電解質膜、４ カソード、８ アノード、１４ａ〜１４ｄ ガスケット、１５ ガラスクロス（強化シート）、１６ マニホールド穴、１８ 切り欠き。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜および上記高分子電解質膜の外周縁部を除く該高分子電解質膜の両面にそれぞれ接合されたカソードおよびアノードを有する膜電極接合体と、
上記高分子電解質膜の両面に接合された上記カソードおよび上記アノードを囲繞する枠状に形成され、上記高分子電解質膜の外周縁部を埋設して上記膜電極接合体に一体成形されたガスケットと、
を備えた固体高分子型燃料電池において、
強化シートが上記膜電極接合体を囲繞して上記ガスケットに埋設されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
上記強化シートは上記ガスケットの厚さ方向に複数層積層され、かつ、複数の上記強化シートが上記ガスケットの厚さの厚さ中心に対して対称に配置されていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
上記強化シートの積層数は２層であることを特徴とする請求項２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
上記強化シートが、上記ガスケットの厚さの厚さ中心に１層埋設されていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
上記強化シートは、上記高分子電解質膜の外周から所定の間隔をおいて配置されていることを特徴とする請求項４記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
高分子電解質膜および上記高分子電解質膜の外周縁部を除く該高分子電解質膜の両面にそれぞれ接合されたカソードおよびアノードを有する膜電極接合体と、
上記高分子電解質膜の両面に接合された上記カソードおよび上記アノードを囲繞する枠状に形成され、上記高分子電解質膜の上記外周縁部に埋設して上記膜電極接合体に一体成形されたガスケットと、を備えた固体高分子型燃料電池において、
上記カソードおよびアノードにガスを供給するマニホールド穴が上記ガスケットに複数穿設され、
切り欠きが上記マニホールド穴の間の上記ガスケットの部位にスリット状に形成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項１】
高分子電解質膜および上記高分子電解質膜の外周縁部を除く該高分子電解質膜の両面にそれぞれ接合されたカソードおよびアノードを有する膜電極接合体と、
上記高分子電解質膜の両面に接合された上記カソードおよび上記アノードを囲繞する枠状に形成され、上記高分子電解質膜の外周縁部を埋設して上記膜電極接合体に一体成形されたガスケットと、
を備えた固体高分子型燃料電池において、
強化シートが上記膜電極接合体を囲繞して上記ガスケットに埋設されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
上記強化シートは上記ガスケットの厚さ方向に複数層積層され、かつ、複数の上記強化シートが上記ガスケットの厚さの厚さ中心に対して対称に配置されていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
上記強化シートの積層数は２層であることを特徴とする請求項２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
上記強化シートが、上記ガスケットの厚さの厚さ中心に１層埋設されていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
上記強化シートは、上記高分子電解質膜の外周から所定の間隔をおいて配置されていることを特徴とする請求項４記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
高分子電解質膜および上記高分子電解質膜の外周縁部を除く該高分子電解質膜の両面にそれぞれ接合されたカソードおよびアノードを有する膜電極接合体と、
上記高分子電解質膜の両面に接合された上記カソードおよび上記アノードを囲繞する枠状に形成され、上記高分子電解質膜の上記外周縁部に埋設して上記膜電極接合体に一体成形されたガスケットと、を備えた固体高分子型燃料電池において、
上記カソードおよびアノードにガスを供給するマニホールド穴が上記ガスケットに複数穿設され、
切り欠きが上記マニホールド穴の間の上記ガスケットの部位にスリット状に形成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１２３９５７（Ｐ２００８−１２３９５７Ａ）
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０９２３８（Ｐ２００６−３０９２３８）
【出願日】平成１８年１１月１５日（２００６．１１．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発／要素技術開発／高温熱利用型ＭＥＡの研究開発」委託契約、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１５日（２００６．１１．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発／要素技術開発／高温熱利用型ＭＥＡの研究開発」委託契約、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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