JP5142530B2 - 高分子電解質形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＡ(Membrane-Electrode-Assembly)−ガスケット接合体及び高分子電解質形燃料電池に関し、特に、マニフォルド孔を有するＭＥＡ−ガスケット接合体及びそれを用いた高分子電解質形燃料電池に関する。

図１６は、従来の高分子電解質形燃料電池の構造を、一部を分解して示す斜視図である。

図１６に示すように、高分子電解質形燃料電池１００は、セル１０を積層させて構成されている。

なお、図示しないが、セル１０の両端の最外層には集電板、絶縁板、エンドプレートが取り付けられ、セル１０は両端から、ボルト孔４を挿通される締結ボルト（図示せず）とナットとで締結されて構成されている。

セル１０は、ＭＥＡ−ガスケット接合体１を一対のアノードセパレータ２及びカソードセパレータ（両者をセパレータと総称する）３で挟んで構成されている。

ＭＥＡ−ガスケット接合体１は、ＭＥＡ５の周縁部に拡がる高分子電解膜が一対のフッ素ゴム製のガスケット６０で挟まれて構成されている。ＭＥＡ５は高分子電解質膜の両主面に触媒層及びガス拡散層５Ｃが形成されて構成されている。このＭＥＡ５の高分子電解質膜は、触媒層及びガス拡散層５Ｃの外側に延伸していて、その延伸部分の高分子電解質膜を挟むようにして、ガスケット６０が接合されている。したがって、ＭＥＡ−ガスケット接合体１のガスケット６０の中央開口部の両面にはガス拡散層５Ｃが露出して構成されている。

そして、セパレータ２，３及びＭＥＡ−ガスケット接合体１の周縁部には、セル１０組立状態時には還元剤ガス及び酸化剤ガスが流通するそれぞれ一対のマニフォルドが形成されるようにして、還元剤ガスマニフォルド孔１２、２２、３２、及び酸化剤ガスマニフォルド孔１３、２３、３３が穿たれている。また、水が流通する一対のマニフォルドを形成する水マニフォルド孔１４，２４，３４も穿たれている。

そして、アノードセパレータ２の内側の主面には、一対の還元剤ガスマニフォルド孔２２、２２間を結ぶようにして溝状の還元剤ガス流路２１が形成されている。

カソードセパレータ３の内側の主面には、一対の酸化剤ガスマニフォルド孔３３、３３間を結ぶようにして溝状の酸化剤ガス流路３１が形成されている。

また、図示しないが、セパレータ２，３の外側の主面、すなわち背面には、還元剤ガス流路２１あるいは酸化剤ガス流路３１と同様にして、一対の水マニフォルド孔２４，３４間を結ぶようにして溝状の水流路が形成されている。

これらによって、セル１０積層時には、これらマニフォルド孔はそれぞれ積層して、酸化剤ガス、還元剤ガス及び水の一対のマニフォルドが形成される。そして、酸化剤ガス、還元剤ガス及び水の流路は、それぞれ一方のマニフォルド、すなわち供給側のマニフォルドから、セパレータに形成された流路２１、３１、水流路（図示せず）に分岐しながら、それぞれの他方のマニフォルド、すなわち排出側のマニフォルドに流通するように構成される。そして、ＭＥＡ−ガスケット接合体１の中央部に露出しているＭＥＡは、それぞれ還元剤ガス流路２１あるいは酸化剤ガス流路３１によって一面が酸化剤ガス、他面が還元剤ガスに曝露され、電気化学反応を起こす。また、セパレータ２，３の背面、すなわち隣接するセル１０の間には、水が流通するので、水の伝熱能力により高分子電解質形燃料電池１００を電気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。

図１７は、図１６のXVII−XVII線断面を拡大して示す斜視図である。図１７に示すように、ＭＥＡ−ガスケット接合体１の還元剤ガスマニフォルド孔１２及びアノードセパレータ２の還元剤ガスマニフォルド孔２２の間には、還元剤ガス流路２１への分岐部が形成されている。そして、図中実線矢印で示すように、還元剤ガスが還元剤ガス流路２１に流通するように構成されている。ここで、還元剤ガス流路２１の分岐部分のＭＥＡ−ガスケット接合体１は、カソードセパレータ３にのみ接合しており、アノードセパレータ２側からは押圧されない構造となっている。しかも、ＭＥＡ−ガスケット接合体１の周縁部は、弾性物質であるガスケット６０から構成されているので、ＭＥＡ−ガスケット接合体１の周縁部は容易に変形する。したがって、カソードセパレータ３とＭＥＡ−ガスケット接合体１との間のシール性能は低下しているので、図中破線矢印で示すように、当該分岐部からカソードセパレータ３とＭＥＡ−ガスケット接合体１との間に還元剤ガスが侵入するおそれがある。あるいは、カソードセパレータ３とＭＥＡ−ガスケット接合体１との間に構成されている酸化剤ガス流路３１を流通する酸化剤ガスが当該分岐部に漏出してくるおそれがある。そうすると、酸化剤ガスと還元剤ガスとの混合、いわゆるクロスリーク現象が発生し、高分子電解質形燃料電池１００の性能低下及び高分子電解質形燃料電池１００内部の損傷のおそれが懸念される。また、図示しないが、カソードセパレータ３の酸化剤ガスマニフォルド孔３３及びＭＥＡ−ガスケット接合体１の酸化剤ガスマニフォルド孔１３の間に形成されている酸化剤ガス流路３１への分岐部においても同様である。すなわち、アノードセパレータ２とＭＥＡ−ガスケット接合体１との間のシール性能は低下しているので、アノードセパレータ２とＭＥＡ−ガスケット接合体１との間に酸化剤ガスが侵入、あるいは、還元剤ガスが漏出して、酸化剤ガスと還元剤ガスとのクロスリーク現象が発生するおそれがある。

このため、セパレータ２，３とＭＥＡ−ガスケット接合体１との間にカバー材を設置したり（例えば、特許文献１参照）、当該部分において、セパレータ２，３の酸化剤ガス流路３１及び還元剤ガス流路２１がセパレータ２，３の体内を通過する孔部によって構成されたり（例えば、特許文献２参照）して、これら分岐部におけるクロスリークを抑制する燃料電池が提案されている。

また、ガスケット６０の内縁とガス拡散層５Ｃの外縁との間の高分子電解質膜５Ａ上に形成される環状の間隙、すなわちガス拡散層５Ｃの外周側間隙を伝って、一対の還元剤ガスマニフォルド孔２２間及び一対の酸化剤ガスマニフォルド孔３３間を流通する還元剤ガス及び酸化剤ガスの流れは、酸化剤ガス及び還元剤ガスの利用効率を低下させ、高分子電解質形燃料電池１００の効率の低下を招来している。
特公平１−６０８９９号公報 特開２００２−８３６１４号公報

しかしながら、特許文献１の発明においては、各セルにカバー材を追加して設置する必要がある。また、特許文献２の発明においては、各セパレータに孔部を形成する必要がある。これらは、共にセパレータに複雑な加工を要し、セルの積層が一般的に数十から数百までに及ぶ高分子電解質形燃料電池においては、組立工程の煩雑化、コストアップ等の問題があり、改善の余地がある。

また、酸化剤ガス及び還元剤ガスの利用効率の低下を抑制するには、ガス拡散層外周における還元剤ガス及び酸化剤ガスの流れを簡便に遮断する構造が求められている。

そこで、本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、セパレータの複雑な加工や部品の追加を抑制しつつ、マニフォルド孔から各セパレータ内面の流路への分岐部における酸化剤ガスと還元剤ガスとのクロスリークとガス拡散層外周における還元剤ガス及び酸化剤ガスの流れとを簡便な構造によって抑制することによって、高分子電解質形燃料電池のガス利用効率の低下をさらに抑制することができる、ＭＥＡ−ガスケット接合体及びそれを用いた高分子電解質形燃料電池を提供することを目的としている。

この目的を達成するため、第１の本発明の高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜、触媒層およびガス拡散層を具備してなるＭＥＡと、
前記ＭＥＡを囲むようにして前記ＭＥＡの周縁部の高分子電解質膜に接合され、かつ複数の流体マニフォルド孔が形成された板状の枠体と、
前記枠体の両面に形成された弾性体からなる環状ガスケットと、を具備するＭＥＡ−ガスケット接合体と、
前記ＭＥＡ−ガスケット接合体を挟み込むように配設されたアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を具備し、
前記環状ガスケットの内縁と、前記ガス拡散層の外縁と、前記アノードセパレータまたは前記カソードセパレータと、によって形成される環状間隙が、前記環状間隙を伝って迂回するガスの流れを遮断するように、少なくとも部分的に閉鎖されており、
前記ＭＥＡ−ガスケット接合体は、前記環状ガスケットと前記ガス拡散層との間に配設された弾性体からなる環状部材を具備し、
該環状部材の外縁が少なくとも部分的に前記環状ガスケットの内縁と接触し、かつ該環状部材の内縁が少なくとも部分的に前記ガス拡散層の外縁と接触して、前記環状間隙が、前記環状間隙を伝って迂回するガスの流れを遮断するように、少なくとも部分的に閉鎖されている。このように構成すると、ＭＥＡ−ガスケット接合体は、枠体が剛性を有するので、セル組立状態時にはセパレータ側のマニフォルド孔から各セパレータ内面の流路への分岐部においても、枠体による押圧力によって、環状ガスケットはカソードセパレータ及びアノードセパレータに押圧される。したがって、カソードセパレータあるいはアノードセパレータとＭＥＡ−ガスケット接合体との接合面間への還元剤ガスあるいは酸化剤ガスの侵入、あるいは、カソードセパレータに構成されている酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスあるいはアノードセパレータに構成されている還元剤ガス流路を流通する還元剤ガスが当該分岐部分への漏出のおそれ、すなわち、酸化剤ガスと還元剤ガスとの混合、いわゆるクロスリーク現象のおそれをセパレータの複雑な加工や部品の追加を抑制しつつ、すなわち簡便な構造によって抑制することができる。また、環状ガスケットの内縁及びガス拡散層の外縁との間に形成される環状間隙は少なくとも部分的に閉鎖されるので、ガス拡散層外周側間隙における還元剤ガス及び酸化剤ガスの流れを簡便な構造によって抑制することができる。したがって、酸化剤ガス及び還元剤ガスの利用効率の低下は抑制され、高分子電解質形燃料電池のガス利用効率の低下を抑制することができる。

第２の本発明の高分子電解質形燃料電池は、第１の本発明の高分子電解質形燃料電池であって、前記枠体が、熱可塑性樹脂で構成され、前記環状ガスケットは、熱可塑性弾性物質で構成され、前記枠体と前記環状ガスケットとは、共通する可塑成分を有し、前記環状ガスケットは、前記枠体の両面にそれぞれ熱溶着されているとよい。このように構成すると、枠体上への環状ガスケットの成形時には、環状ガスケットは枠体に融着して一体化するので、両者の接合用の特段の構造を要さずに、接合構造を容易に得ることができる。

第３の本発明の高分子電解質形燃料電池は、第１または第２の本発明の高分子電解質形燃料電池であって、前記枠体が、圧縮弾性率が２，０００ＭＰａ以上２００，０００ＭＰａ以下であり、前記環状ガスケットは、圧縮弾性率が０ＭＰａより大きく２００ＭＰａ以下であるとよい。枠体の剛性と環状ガスケットの弾性とをこのように構成することによって、酸化剤ガス及び還元剤ガスの利用効率の低下の抑制を好適に実現することができる。なお、圧縮弾性率とは、JIS-K7181に定める圧縮弾性率測定法によって計測された圧縮弾性率を言う。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

以上のように、本発明に係るＭＥＡ−ガスケット接合体及びそれを用いた高分子電解質形燃料電池は、セパレータの複雑な加工や部品の追加を抑制しつつ、マニフォルド孔から各セパレータ内面の流路への分岐部における酸化剤ガスと還元剤ガスとのクロスリークとガス拡散層外周における還元剤ガス及び酸化剤ガスの流れとを簡便な構造によって抑制する、という効果を奏する。

以下、本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ながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１のＭＥＡ−ガスケット接合体１の構造を示す図であって、（ａ）は平面図（カソードセパレータ側）、（ｂ）は、Ｉ−Ｉ線断面を示す断面図である。

図１に示すように、実施の形態１のＭＥＡ−ガスケット接合体１は、ＭＥＡ５を有している。ＭＥＡ５は、高分子電解質膜５Ａの周縁部を除く部分（内側部分）の両面にそれぞれ触媒層５Ｂ及びガス拡散層５Ｃが順に積層されている。

そして、ＭＥＡ５の高分子電解質膜５Ａの周縁部を挟みかつ該高分子電解質膜５Ａの外縁を囲むように環状（ここでは中空の略正方形の板状）の枠体６が配設されている。枠体６は、ここでは、プラスチック樹脂で構成されている。また、枠体６は、その内縁がＭＥＡ５の触媒層５Ｂ及びガス拡散層５Ｃの外縁との間にそれぞれ環状の間隙を有するように配設されている。枠体６の厚みは、ここでは、ＭＥＡ５の触媒層５Ｂ及びガス拡散層５Ｃが形成されている部分の厚みと略同じである。枠体６には、該枠体６を厚み方向に貫通するように、複数のマニフォルド孔、ここでは一対の還元剤マニフォルド孔１２と、一対の酸化剤マニフォルド孔１３と、二対の水マニフォルド孔１４とが形成されている。

そして、枠体６には弾性体からなる第1のガスケット（環状ガスケット）７が配設されている。第１のガスケット７は枠体６の両主面の所定部分を覆う一対の板状の本体部７Ａ，７Ａとこの一対の本体部７Ａ，７Ａを相互に連結する柱状の連結部７Ｂとで構成されている。各本体部７Ａは、一対の還元剤マニフォルド孔１２と、一対の酸化剤マニフォルド孔１３と、ニ対の水マニフォルド孔１４とを囲むようにして枠体６の周方向に環状に延在するように形成されている。ここで、本体部７Ａにはその延在方向に沿って延びるようにリブ７Ｃが形成されている。これによって、このリブ７Ｃは、ＭＥＡ−ガスケット接合体１がアノードセパレータ２及びカソードセパレータ３と接合された状態時、すなわちセル組立状態時に、該アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３と当接して、各マニフォルド孔１２〜１４及びガス拡散層５Ｃをより適切にシールすることができる。また、本体部７Ａは枠体６の内縁とは間隔を有するように形成されている。そして、枠体６の、第１のガスケット７の本体部７Ａに覆われた部分には適所に厚み方向に貫通する連結孔６Ａが形成されており、この連結孔６Ａを埋めるように形成された連結部７Ｂによって一対の本体部７Ａ，７Ａが相互に連結されている。

そして、ＭＥＡ−ガスケット接合体１の両主面それぞれにおいて、ガス拡散層５Ｃの外周側間隙、ここでは第1のガスケット７の本体部７Ａの内側に露出した環状の枠体６と、枠体６の内縁とガス拡散層５Ｃの外縁との間に露出した環状の高分子電解質膜５Ａの両面上に形成される環状間隙を覆うように一対の第2のガスケット（環状部材）８，８が配設されている。第２のガスケット８はここでは弾性体で構成されている。また、第２のガスケット８は環状（ここでは中空の略正方形）の板状に形成され、かつ第１のガスケット７の本体部７Ａの内縁側の環状間隙（以下、外側間隙という）４０及びガス拡散層５Ｃの外縁側の環状間隙（以下、内側間隙という）４１を有するように配設されている。これによって、第１のガスケット７とガス拡散層５Ｃとの間の環状間隙は、第２のガスケット８によって減縮され、かつ分割される。

そして、環状の外側間隙４０及び内側間隙４１がそれぞれ外側接合部１１Ａ及び内側接合部１１Ｂによって部分的に閉鎖されている。外側接合部１１Ａ及び内側接合部１１Ｂは第２のガスケット８を部分的に溶融させて外側間隙４０及び内側間隙４１にそれぞれ流入させることにより形成されている。

このように構成されたＭＥＡ−ガスケット接合体１は、ＭＥＡ５のガス拡散層５Ｃが存在するその内側部分より枠体６及びガスケット７が存在する外側部分の方が大きい厚みを有している。また、ＭＥＡ−ガスケット接合体１はここでは略正方形の平面形状を有し、４角にボルト孔４がそれぞれ形成されている。

ここで、このＭＥＡ−ガスケット接合体１を用いたセル１０は、従来の高分子電解質形燃料電池と同様にして（図１６参照）、ＭＥＡ−ガスケット接合体１とアノードセパレータ２とカソードセパレータ３とが積層されて構成される。そして、セル１０が積層されて高分子電解質形燃料電池が構成される。

図２は、図１のＩ−Ｉ線断面におけるセル１０の積層断面を示す断面図である。

アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３は、平板状であって、ＭＥＡ−ガスケット接合体１と接触する側の面は、ＭＥＡ−ガスケット接合体１の形状、より具体的には枠体６とＭＥＡ５との厚みの違いによる段差に応じるようにして、中央部が台形状の段差を有している。アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３には、東海カーボン株式会社製グラッシーカーボン（厚さ３ｍｍ）を用いている。セパレータ２，３の各種マニフォルド孔２２，２３，２４，３２，３３，３４、ボルト孔４、溝状の還元剤ガス流路２１、溝状の酸化剤ガス流路３１等は切削加工により形成されている。

そして、セル１０は６０個積層されて、ボルト孔４に挿通されるボルトとナットとによって締結力１０ＫNで締結されている。

セル１０組立状態時において、第２のガスケット８は弾性体であるので、ＭＥＡ−ガスケット接合体１及びセパレータ２，３の押圧によって、第２のガスケット８は、枠体６とセパレータ２，３に当接しながら変形し、かつ外側間隙４０及び内側間隙４１を狭めるように延伸する。

第１のガスケット７は、セパレータ２，３に圧接されて水マニフォルド孔１４，２４，３４のそれぞれの周囲をシールする。図示しないが、還元剤マニフォルド孔１２，２２，３２及び酸化剤マニフォルド孔１３，２３，３３においても、同様にして、第１のガスケット７が、それぞれのマニフォルド孔のそれぞれの周囲をシールする。

また、第１のガスケット７及び第２のガスケット８は、ガス拡散層５Ｃの周囲をシールする。

アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３の外面には、各種マニフォルド孔のそれぞれの周囲に、耐熱性の材質からなるスクイーズドパッキン等の一般的なシール部材９が配設されている。これによって、隣接するセル１０の間において、各種マニフォルド孔の連接部分からの還元剤ガス、酸化剤ガスガス及び水の漏出を防止することができる。

次に、ＭＥＡ−ガスケット接合体１の製法を説明する。

まず、高分子電解質膜５Ａの周縁部に枠体６を接合させて形成する。

図３は、図１のＭＥＡ−ガスケット接合体の基本構造である枠体−高分子電解質膜接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）はIII−III線断面の断面図である。

枠体６は、高分子電解質膜５Ａの周縁部両面を挟むようにして、高分子電解質膜５Ａに接合されている。すなわち、枠体６は中央の開口部を有する矩形平板状の形態をなしている。そして、枠体６には、厚み方向に貫通するようにして、還元剤ガスマニフォルド孔１２，酸化剤ガスマニフォルド孔１３がそれぞれ一対と、二対の水マニフォルド孔１４と、枠体６の角部近傍に４つのボルト孔４とが形成されている。また、枠体６には、後述する第１のガスケット７の成形に用いられる接合用貫通孔６Ａ及び成形用貫通孔６Ｂが形成されている。本実施の形態においては、枠体６は、外形の寸法が２００ｍｍ×１８０ｍｍ、開口部２６の寸法が１２４ｍｍ角である、矩形平板状に構成されている。また、枠体６の厚みは、０．８ｍｍである。

枠体６には、高分子電解質形燃料電池の運転温度以下において、化学的に清浄かつ安定であって、適度の弾性率と比較的高い荷重たわみ温度を有する材料が用いられている。具体的には、セパレータ２，３の還元剤ガス流路２１及び酸化剤ガス流路３１の幅が１乃至２mm程度、かつ枠体６の厚みが概ね１mm以下であることを前提とした場合、枠体６の材料の圧縮弾性率は少なくとも２０００MPa以上であることが望ましい。ここで、弾性率とは、JIS-K7181に定める圧縮弾性率測定法によって計測された圧縮弾性率を言う。また、高分子電解質形燃料電池の運転温度が通常９０℃までなので、枠体６の撓み荷重温度は１２０℃以上であることが好ましい。より具体的には、枠体６に樹脂材料を用いる場合には、化学的安定性の観点から非晶性樹脂ではなく結晶性樹脂が好ましく、その中でも機械的強度が大きく、かつ耐熱性が高い材質が好ましい。例えば、いわゆるスーパーエンジニアリングプラスチックグレードのものが好適である。例示をすれば、ポリフェニレンサルファイド（PPS）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、液晶ポリマー（LCP）、ポリエーテルニトリル（PEN）等は数千から数万MPaの圧縮弾性率と、150℃以上の撓み荷重温度を有しており、好適な材料である。また、汎用されている樹脂材料であっても、例えばグラスフィラーが充填されたポリプロピレン（GFPP）等は、非充填のポリプロピレン（圧縮弾性率が１０００乃至１５００MPa程度）の数倍の弾性率を有し、かつ150℃近い撓み荷重温度を有しており、好適な材料である。本実施の形態においては、熱可塑性樹脂である、ガラスフィラー添加ＰＰＳ（大日本インキ株式会社ＤＩＣ-ＰＰＳ ＦＺ１１４０-Ｂ2）が用いられている。

高分子電解質膜５Ａには、外形寸法が１４０ｍｍ角、厚さ５０μｍのパーフルオロカーボンスルホン酸膜（DUPONT Nafion117（登録商標））が用いられている。

図４は、図３のIV−IV線断面の断面図において枠体−高分子電解質膜接合体の成形工程の概略を示す工程図である。

枠体６と高分子電解質膜５Ａとの接合は二重成形法を用いたインサート成形法によって行われている。すなわち、図４に示すように、まず枠体６の厚み方向における半分のみが成形される（第１成形部材６Ｃ）。この際、図４に示すように、第１成形部材６Ｃにおいて、開口部の周縁全周に亘って、高さ0.2mm、幅0.5mm、ピッチ1mmの窪み部６Ｅが成形されている。

次に、図４に示すように、高分子電解質膜５Ａが第１成形部材６Ｃの開口部を覆うようにして配置される。この際、高分子電解質膜５Ａの周縁部は、窪み部６Ｅに覆い被さって配置されている。

そして、図４に示すように、厚み方向における残り半分（第２成形部材６Ｄ）が射出成形される。

この際、高分子電解質膜５Ａの周縁部は第２成形部材６Ｄの熱によって第２成形部材６Ｄ及び第１成形部材６Ｃの樹脂に融着され、かつ第２成形部材６Ｄの射出圧によって高分子電解質膜５Ａは第１成形部材６Ｃの窪み部に沿って変形する。これにより、高分子電解質膜５Ａが、枠体６に接合される。なお、図４以外の図面においては、説明の便宜上、高分子電解質膜５Ａと枠体６との接合形態は省略する。

また、本実施の形態においては、第１成形部材６Ｃの成形後に、第１成形部材６Ｃを別の金型に移設して射出成形を行っている。しかし、スライド金型または回転金型を用いることにより、一つの金型内で第１成形部材６Ｃ及び第２成形部材６Ｄを連続して成形することが可能である。これによって、工程が簡素化され、ＭＥＡ−ガスケット接合体１の量産性を向上させることができる。

次に、枠体６の両主面に第１のガスケット７を接合させる。

第１のガスケット７には、高分子電解質形燃料電池の運転温度以下において、化学的に安定で、特に加水分解を起こさない等高い対熱水性を有する材料が用いられている。また、第１のガスケット７の圧縮弾性率は２００MPa以下であることが望ましい。これによって、高分子電解質形燃料電池の締結荷重において良好なシール性を確保することができる。本実施の形態においては、熱可塑性弾性物質、具体的には、ポリオレフィン系熱可塑性弾性物質であるサントプレン8101-55（Advanced Elasotomer System社製）を用いている。

ここで、枠体６は、圧縮弾性率が２，０００ＭＰａ以上２００，０００ＭＰａ以下であり、第１のガスケット７は、圧縮弾性率が０ＭＰａより大きく２００ＭＰａ以下であることが望ましい。経験上、枠体６の剛性と第１のガスケット７の弾性とをこのように構成することによって、酸化剤ガスと還元剤ガスとの混合、いわゆるクロスリーク現象を抑制することができるようになる。

本実施の形態においては、第１のガスケット７成形用の金型を用いて、第１のガスケット７の両主面に同時に一対の第１のガスケット７を射出成形している。図２に示すように、第１のガスケット７が成形される部分の枠体６の表面には、接合用貫通孔６Ａが多数穿たれている。また、成形用貫通孔６Ｂが４カ所穿たれている。そして、枠体６の成形用貫通孔６Ｂを射出成形時のゲート部として、射出圧、射出速度、金型温度等の成形条件を適宜調節することによって、充填不足が無く、かつ枠体６主面の変形を抑制して枠体６の両主面に一対の第１のガスケット７の成形を行っている。

図５は、第１のガスケットが形成された、図３の枠体−高分子電解質膜接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）はＶ−Ｖ線断面の断面図である。

枠体６の両主面には、熱可塑性弾性物質からなる第１のガスケット７が枠体６と接合するようにして構成されている。具体的には、図５に示すように、枠体６に設けた接合用貫通孔６Ａに第１のガスケット７が流入して成形されている。これによって、枠体６両表面に配設される一対の第１のガスケット７は接合用貫通孔６Ａにおいて連結されているので、第１のガスケット７と枠体６とは強固に接合される。例えば、本実施の形態において第１のガスケット７に用いた弾性物質（サントプレン8101-55）の成形収縮率は20/1000と大きいが、強固な接合を実現することができる。あるいは、第１のガスケット７の材質が枠体６の材質と共通の可塑成分を有するようにしてもよい。この場合には、枠体６と第１のガスケット７とが熱溶着されて、強固な接合性を得ることができるので、接合用貫通孔６Ａはなくともよい。

次に、高分子電解質膜５Ａの両主面に触媒層５Ｂ及びガス拡散層５Ｃを形成する。

図６は、高分子電解質膜５Ａの両主面に触媒層５Ｂ及びガス拡散層５Ｃが形成された、図５の枠体−高分子電解質膜接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）はVI−VI線断面の断面図である。

本実施の形態においては、まず、触媒層５Ｂを以下のようにして形成する。

ケッチェンブラックＥＣ（KETJENBLACK INTERNATIONAL社製ファーネスブラック、比表面積８００ｍ²／ｇ、ＤＢＰ吸油量３６０ｍｌ／１００ｇ）に、白金を重量比１：１の割合で担持させる。次に、この触媒粉末１０ｇに、水３５ｇおよび水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液（旭硝子株式会社製、９％ＦＳＳ）５９ｇを混合し、超音波攪拌機を用いて分散させて、触媒層インクを作製する。そして、この触媒層インクを、高分子電解質膜５Ａの両主面に、２０μｍの厚みにスプレー塗工し、その後１１５℃において２０分間の熱処理をして、触媒層５Ｂが形成される。なお、スプレー塗工に際しては、高分子電解質膜５Ａに１２０ｍｍ×１２０ｍｍの開口部をもつマスクを被せて行っている。

次に、触媒層５Ｂ上に接合するようにしてガス拡散層５Ｃを形成する。ガス拡散層５Ｃは微細な孔部を多数有する多孔質体によって構成されている。これによって、ガスが孔部に侵入することによって、ガスが拡散して、触媒層５Ｂに到達しやすくなる。本実施の形態においては、１２３mm角の炭素繊維布（JAPAN GORE-TEX社製Carbel CL400、厚み４００μｍ）を触媒層５Ｂが塗布されている高分子電解質膜５Ａ上に被せる。そして、この炭素繊維布を、圧力０．５MPa、１３５度、５分間の条件でホットプレスすることによって、高分子電解質膜５Ａ両主面の触媒層５Ｂ上に接合するようにしてガス拡散層５Ｃが形成される。

次に、ガス拡散層５Ｃと枠体６との間の高分子電解質膜５Ａの両主面に第２のガスケット８を接合する。

図７は、第２のガスケットと、第２のガスケットが接合されたＭＥＡ−ガスケット接合体の構成を示す平面図である。

第２のガスケット８には、第１のガスケット７と共通の可塑成分を有する熱可塑性樹脂あるいは熱可塑性弾性物質が用いられている。また、第１のガスケット７と同種の熱可塑性弾性物質を含む熱可塑性樹脂を用いることもできる。具体的には、第１のガスケット７にポリオレフィン系熱可塑性弾性物質を用いる場合には、第２のガスケット８にはポリエチレンを含む熱可塑性樹脂を用いることができる。これによって、第２のガスケット８と第１のガスケット７とは共通の可塑成分を有しているので、双方を溶着させることができる。

本実施の形態においては、第２のガスケット８には、第１のガスケット７と同種の熱可塑性弾性物質であるサントプレン8101-55（Advanced Elasotomer System社製）を用いている。

そして、第２のガスケット８は、第１のガスケット７とガス拡散層５Ｃとの間の環状間隙に応じた形状に形成される。本実施の形態においては、サントプレン8101-55の押出成形シート（厚み０．３２ｍｍ）を打ち抜いて形成している。第２のガスケット８の形状は、中央部に１２３．５ｍｍ角の開口部を有する環状である。すなわち、１２３mm角のガス拡散層５Ｃの外縁部と第２のガスケット８の内縁部とは約０．２５mm幅の内側間隙４１が形成されている。そして、第２のガスケット８の外縁部は、第１のガスケット７内周部に約０．５ｍｍ幅の外側間隙４０が空くような形状に構成されている。

そして、第１のガスケット７とガス拡散層５Ｃとの間の高分子電解質膜５Ａの両主面に配置され、第１のガスケット７の内縁と第２のガスケット８の外縁、及び第２のガスケット８の内縁とガス拡散層５Ｃの外縁とが、少なくとも部分的に接合されて、すなわち、環状の外側間隙４０及び内側間隙４１はそれぞれ部分的に閉鎖されてＭＥＡ−ガスケット接合体１が製作される。本実施の形態においては、第２のガスケット８の外縁部は、第１のガスケット７の内縁部と熱溶着されることによって外側接合部１１Ａが形成されている。また、ガス拡散層５Ｃは微細な孔部を有する多孔質体であるので、第２のガスケット８の内縁部がガス拡散層５Ｃの外縁部の孔部に溶け入る。これによって内側接合部１１Ｂが形成される。具体的には、半田ごてを用いて、第２のガスケット８及び第１のガスケット７を溶融させている。なお、第２のガスケット８の溶融工程は、ボンダー等の自動機によって行うことができる。これによって、外側間隙４０は外側接合部１１Ａにおいて閉鎖され、内側間隙４１は内側接合部１１Ｂにおいて閉鎖される。

以上のようにして、第１のガスケット７の内縁と第２のガスケット８の外縁、及び第２のガスケット８の内縁とガス拡散層５Ｃの外縁とが、少なくとも部分的に接触しているので、セル１０組立状態時には、還元剤ガス流路２１を迂回するようにして、第２のガスケット８の周囲を伝って、すなわち、ガス拡散層５Ｃの外周に形成されている外側間隙４０あるいは内側間隙４１を伝って、一対の還元剤ガスマニフォルド２２，２２間を流通する還元剤ガスの流れを遮断することができる。同様にして、酸化剤ガス流路３１を迂回するようにして、第２のガスケット８の周囲を伝って、すなわち、ガス拡散層５Ｃの外周に形成されている外側間隙４０あるいは内側間隙４１を伝って、一対の酸化剤ガスマニフォルド３３，３３間を流通する酸化剤ガスの流れを遮断することもできる。これらによって、高分子電解質形燃料電池における酸化剤ガスあるいは還元剤ガスの利用効率の低下はさらに抑制され、高分子電解質形燃料電池のガス利用効率の低下をさらに抑制することができる。

また、ガス拡散層５Ｃと第１のガスケット７との間の環状間隙はＭＥＡ−ガスケット１の厚さ方向に変形している、換言すれば立体的に構成されているので、その閉鎖は容易ではない。しかし、第２のガスケット８の配設によって、セル１０組立状態時には、ガス拡散層５Ｃの外縁と第１のガスケット（環状ガスケット）７の内縁との間に形成される環状間隙が第２のガスケット（環状部材）８によって減縮されるので、ガス拡散層５Ｃの外周への酸化剤ガスあるいは還元剤ガスの漏出が抑制され、高分子電解質形燃料電池のガス利用効率の低下をさらに抑制することができる。また、第２のガスケット８は、ガス拡散層５Ｃの外縁と第１のガスケット７の内縁との周囲に形成される環状間隙を二つの同一平面上の環状間隙４０，４１に分割するので、該分割された環状間隙４０，４１において、第２のガスケット８の外縁と第１のガスケット７の内縁、及び第２のガスケット８の内縁とガス拡散層５Ｃの外縁との部分的接合を容易にすることができる。つまり、平面的かつ狭隘な外側間隙４０及び内側間隙４１は、第２のガスケットの溶融等によって容易に部分的に接合することできる。

さらに、第１のガスケット７の内縁と第２のガスケット８の外縁、及び第２のガスケット８の内縁とガス拡散層５Ｃの外縁がそれぞれ溶着によって確実に接合されているので、本発明の効果をより確実に得ることができる。

次に、本実施の形態の高分子電解質形燃料電池の運転時における作用を説明する。

図８は、図１７と同じ断面における断面を拡大して示す斜視図である。図８に示すように、高分子電解質形燃料電池に供給される還元剤ガスは一方の還元剤ガスマニフォルドを通流し、アノードセパレータ２の還元剤マニフォルド孔２２から還元剤ガス流路２１に分流してＭＥＡ５に曝露されて他方の還元剤ガスマニフォルド孔２２において他方の還元剤ガスマニフォルドに排出され、還元剤マニフォルドを通流して高分子電解質形燃料電池から排出される。酸化剤ガスについても一方の酸化剤ガスマニフォルドを通流して、同様にして、他方の酸化剤ガスマニフォルドから排出される。

そして、この過程において、ＭＥＡ−ガスケット接合体１は、枠体６が剛性を有するので、還元剤マニフォルド孔２２から還元剤ガス流路２１への分岐部においても、枠体６による押圧力によって、第１のガスケット７はカソードセパレータ３に押圧されている。これによって、カソードセパレータ３とＭＥＡ−ガスケット接合体１との間に還元剤ガスが侵入する、あるいは、カソードセパレータ３とＭＥＡ−ガスケット接合体１との間に構成されている酸化剤ガス流路３１を流通する酸化剤ガスが当該分岐部に漏出してくるおそれ、すなわち、酸化剤ガスと還元剤ガスとの混合、いわゆるクロスリーク現象のおそれを抑制することができる。また、図示しないが、カソードセパレータ３及びＭＥＡ−ガスケット接合体１との間に構成されている還元剤ガス流路２１への分岐部についても同様である。すなわち、アノードセパレータ２とＭＥＡ−ガスケット接合体１との間のシール性能は維持されているので、アノードセパレータ２とＭＥＡ−ガスケット接合体１との間に酸化剤ガスが侵入、あるいは、還元剤ガスが漏出して、酸化剤ガスと還元剤ガスとのクロスリーク現象が発生するおそれが抑制される。

以下、本実施の形態の高分子電解質形燃料電池を用いた実施例について説明する。

［実施例１］
実施の形態１の高分子電解質形燃料電池を用いて、以下の性能試験を行った。

1．クロスリーク耐圧試験
実施の形態１の高分子電解質形燃料電池の酸化剤ガスマニフォルドの開口を封止し、乾燥窒素ガスを用いて還元剤ガスマニフォルドを０乃至２００KPaまで加圧し、酸化剤ガスマニフォルドに漏出してくる乾燥窒素ガス流量を計測した。

この結果、還元剤ガスマニフォルドを２００KPaまで加圧しても酸化剤ガスマニフォルドには乾燥窒素ガスの漏出は検知されなかった。

２．アノード圧力損失試験
実施の形態１の高分子電解質形燃料電池の還元剤ガスマニフォルドに３乃至２０NLの乾燥窒素ガスを流し、圧力損失を測定した。

また、比較例１として、実施の形態１と同様の構造の高分子電解質形燃料電池であって、ＭＥＡ−ガスケット接合体１に従来構造のＭＥＡ−ガスケット接合体を用いた高分子電解質形燃料電池を用いた。すなわち、枠体６の代わりに弾性体、ここではフッ素ゴムからなるガスケット６０を用いて、一対のガスケット６０が高分子電解質膜５Ａの周縁部両面を挟むようにして、高分子電解質膜５Ａに接合されて構成されているＭＥＡ−ガスケット接合体を用いた（図１６参照）。

比較例２として、比較例１の高分子電解質形燃料電池であって、高分子電解質膜５Ａの周縁部に接合されているガスケットの内縁とガス拡散層５Ｃの間に形成される環状間隙をフッ素グリース（ダイキン社製 DEMNUM L200）で閉塞した高分子電解質形燃料電池を用いた。このフッ素グリースの塗布により、酸化剤ガス及び還元剤ガスのクロスリークのリークルートが遮断されるとともに、酸化剤ガス及び還元剤ガスの迂回流路も遮断されるので、酸化剤ガス及び還元剤ガスの利用効率の向上を図ることができる。ただし、フッ素グリースは溶出をするので、高分子電解質形燃料電池の耐用年数までこの効果を持続することができるものではない。

比較例１及び比較例２の高分子電解質形燃料電池についても、同様にして圧力損失を測定した。

図９は、圧力損失試験の結果を示す図である。図９に示すように、実施例１の圧力損失ΔＰは、比較例１のそれよりも2割程度高くなった。また、実施例１と比較例２とはほぼ同等の圧力損失ΔＰを示した。これは、還元剤マニフォルドに供給されたガスの流出、すなわち、還元剤ガスマニフォルド孔１２，２２，３２、及び還元剤ガス流路２１からの酸化剤ガス側あるいは外部への漏出が、実施例１においては抑制されていることを示している。

３．燃料利用率試験
還元剤ガス利用率を５０％乃至９５％まで変化させながら、実施の形態１の高分子電解質形燃料電池を運転させ、セル当たりの平均電圧である平均セル電圧Ｖを測定した。運転条件は、酸化剤ガスには、露点６５℃にまで加湿された空気を用い、空気利用率40％となるようにして高分子電解質形燃料電池に供給した。還元剤ガスには、水素：二酸化炭素＝4：1のモル比に調整され、露点６５℃にまで加湿された模擬改質ガスを用い、還元剤ガス利用率Ｒを５０％乃至９５％となるようにして高分子電解質形燃料電池に供給した。高分子電解質形燃料電池の温度は水フォルドを流通する水によって６５℃に調節した。また、電流密度0.2A/cm²で運転した。

比較例１についても同様にして燃料利用率試験を行った。

図１０は、還元剤ガス利用率試験の結果を示す図である。図１０に示すように、比較例１は、還元剤ガス利用率Ｒの高い領域で平均セル電圧Ｖが低下した。これは、還元剤ガス利用率を向上させるに従い、還元剤ガスの流量が減少し、還元剤ガス流路２１内の圧力損失が低下するので、還元剤ガス流路２１内において結露した水分を還元剤ガスが押し流すことが困難となり、いわゆるフラッディングを起しているものと推察された。これに対して、実施例１においては、還元剤ガス利用率Ｒが９５％程度になっても平均セル電圧Ｖは低下しておらず、安定した出力を維持することができた。これは、実施例１は、比較例１に比べ、還元剤ガスの漏出及び還元剤ガス利用効率の低下が抑制されているので、還元剤ガス流路２１においても、比較例１に比べ高い圧力損失を確保することができるので、フラッディング現象が抑制されているものと推察された。

（実施の形態２）
実施の形態２の高分子電解質形燃料電池は、ＭＥＡ−ガスケット接合体１の枠体の材質と、ＭＥＡ−ガスケット接合体１、アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３の主面の形状及び各種マニフォルド孔の配置位置とを除いて、実施の形態１の高分子電解質形燃料電池と同様である。したがって、実施の形態２においては、実施の形態１との相違部分を説明する。

図１１は、実施の形態２のＭＥＡ−ガスケット接合体１の構造を示す平面図（アノードセパレータ側）である。

枠体６の材質には、ガラスファイバー添加ポリプロピレン（出光石油化学社製R350G）を用いている。そして、第１のガスケット７には、実施の形態１と同様に熱可塑性弾性物質であるサントプレン8101-55（Advanced Elasotomer System社製）を用いている。これによって、第１のガスケット７と枠体６とはポリプロピレンを可塑成分として共有していることから、第１のガスケット７の成形時には、第１のガスケット７は枠体６に融着して一体化し（一般に二色成型と呼ぶ）、接合構造を得ることができる。したがって、図示しないが、実施の形態２においては、実施の形態１における接合用貫通孔６Ａ（図３参照）は不要であり、枠体６の成形の際には、接合用貫通孔６Ａは形成されていない。

また、枠体６は長方形の主面を有し、主面周縁部に形成される還元剤マニフォルド孔１２，酸化剤マニフォルド孔１３及び水マニフォルド孔１４は、それぞれ一対ずつが、枠体６主面長手方向の両脇に形成されている。

そして、図示しないが、ＭＥＡ−ガスケット接合体１の形状に対応するようにして、アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３は成形され、各種マニフォルド孔が形成されている。

実施の形態２の高分子電解質形燃料電池を用いて、実施例1と同様にして性能試験を行ったところ、実施例1同様、比較例１よりも優れた試験結果を得た。実施の形態２においても、実施の形態１と同様にして、高分子電解質形燃料電池の性能が向上することがわかった。

（実施の形態３）
実施の形態３の高分子電解質形燃料電池は、セパレータ２，３の材質が金属である点を除いて、実施の形態２の高分子電解質形燃料電池と同様である。したがって、実施の形態３においては、実施の形態２との相違部分を説明する。

図１２は、実施の形態３のアノードセパレータの構造を示す平面図（ＭＥＡ−ガスケット接合体側）である。また、図１３は、実施の形態３のカソードセパレータの構造を示す平面図（ＭＥＡ−ガスケット接合体側）である。

これらセパレータ２，３は、SUS複合材（住友金属工業株式会社製 試作品）がプレス加工して成形されている。これら図に示すように、セパレータ２，３には、プレス加工によって還元剤ガス流路２１及び酸化剤ガス流路３１が形成されている。

図１４は、図１１、図１２及び図３のXIV−XIV線断面における、セル１０の積層構造を示す断面図である。図１４に示すように、セル１０は、ＭＥＡ−ガスケット接合体１がセパレータ２，３に挟まれて構成されている。

実施の形態３の高分子電解質形燃料電池を用いて、実施例1と同様にして性能試験を行ったところ、実施例1同様、比較例１よりも優れた試験結果を得た。実施の形態３においても、実施の形態１と同様にして、高分子電解質形燃料電池の性能が向上することがわかった。

実施の形態１乃至実施の形態３に示すように、本発明のＭＥＡ−ガスケット接合体１は、剛性体である枠体６の表面にシール機能を有する第１のガスケット７が配設されている構造を有しているので、ＭＥＡ−ガスケット接合体１自体は容易に変形せず、マニフォルド孔１２，１３周囲からのガスの漏出は抑制され、いわゆるクロスリーク現象が抑制される。

また、枠体６の表面に配設されている第１のガスケット７の内縁とガス拡散層５Ｃの外縁との間の環状間隙は第２のガスケット８によって減縮されているので、還元剤ガス及び酸化剤ガスのガス拡散層５Ｃ内部、還元剤ガス流路２１及び酸化剤ガス流路３１への漏出は抑制される。

さらに、第１のガスケット７の内縁と第２のガスケット８の外縁、及び第２のガスケット８の内縁とガス拡散層５Ｃの外縁とが、少なくとも部分的に接合されているので、還元剤ガス流路２１及び酸化剤ガス流路３１を迂回するようにして、第２のガスケット８の周囲を伝って、すなわち、ガス拡散層５Ｃの外周に形成されている外側間隙４０あるいは内側間隙４１を伝って、一対の還元剤ガスマニフォルド２２，２２間を流通する還元剤ガスの流れ、及び一対の酸化剤ガスマニフォルド３３，３３間を流通する酸化剤ガスの流れが遮断され、酸化剤ガス及び還元剤ガスの利用効率の低下はさらに抑制される。

以上より、本実施の形態の発明は、クロスリーク現象の抑制と、還元剤ガス及び酸化剤ガスの利用効率の向上によって、高分子電解質形燃料電池の性能を改善させることができる。

（実施の形態4）
実施の形態4の高分子電解質形燃料電池は、ＭＥＡ−ガスケット接合体1において第2のガスケットを省略している点及び枠体６の材質が異なる点以外は実施の形態１の高分子電解質形燃料電池と同様である。したがって、実施の形態4においては、実施の形態１及び２との相違部分のみを説明する。

図１５は、実施の形態４のＭＥＡ−ガスケット接合体の構造を示す図であって、（ａ）は平面図（カソードセパレータ側）（ｂ)はXV−XV線断面の断面図である。 枠体６の材質には、ガラスファイバー添加ポリプロピレン（出光石油化学社製R350G）を用いている。そして、第1のガスケット７には、実施の形態１と同様に熱可塑性弾性物質であるサントプレン8101-55（Advanced Elasotomer System社製）を用いている。これによって、第１のガスケット７と枠体６とはポリプロピレンを可塑成分として共有していることから、第1のガスケット７の成形時には、第1のガスケット７は枠体６に融着して一体化し（一般に二色成型と呼ぶ）、接合構造を得ることができる。したがって、図示しないが、実施の形態２と同様、実施の形態４においては、実施の形態１における接合用貫通孔６Ａ（図３参照）は不要であり、枠体６の成形の際には、接合用貫通孔６Ａは形成されていない。

また、第１のガスケット７の内縁はガス拡散層５Ｃの外縁全周において当接するように形成されている。これによって、ガス拡散層外周側間隙は全て閉鎖されるので、ガス拡散層５Ｃの外縁からその外周への還元剤ガス及び酸化剤ガスの漏出が抑制されるので、還元剤ガス及び酸化剤ガスの利用効率の低下を実施の形態１乃至３よりもより簡便な構造によって、さらに抑制することができる。

加えて、第１のガスケット７の内縁はガス拡散層５Ｃの全周においてガス拡散層５Ｃの外縁部に溶け入って接合部１１が形成される。これによって、第１のガスケット７の内縁はガス拡散層５Ｃの全周においてガス拡散層５Ｃの外縁部と接合されるので、より確実に還元剤ガス及び酸化剤ガスのガス拡散層５Ｃの外縁からの漏出を抑制することができる。

なお、ここでは、ガス拡散層５Cの全周に亘って第1のガスケット７が接合しているが、少なくとも部分的に第１のガスケット７の内縁はガス拡散層５Ｃに接触し、その外縁に溶け入るように構成することもできる。これによって、実施の形態１及び２と同様、高分子電解質形燃料電池における酸化剤ガスあるいは還元剤ガスの利用効率の低下を抑制することができる。

以上のようにして、実施の形態４において、実施の形態１と同様、セパレータ２，３とＭＥＡ−ガスケット接合体１との接合面間への還元剤ガスあるいは酸化剤ガスの侵入、あるいは、いわゆるクロスリーク現象のおそれをセパレータの複雑な加工や第２のガスケット８、すなわち部品の追加を要さずに抑制することができる。また、第１のガスケット７の内縁及びガス拡散層５Ｃの外縁との間に形成される環状間隙は少なくとも部分的に閉鎖されるので、ガス拡散層５Ｃ外周における還元剤ガス及び酸化剤ガスの流れを簡便な構造によって抑制することができる。

ここで、実施の形態４においては、ガス拡散層５Ｃが形成後に第１のガスケット７をガス拡散層５Ｃに接触するようにして形成する製造工程に特徴がある。一般的に、ガス拡散層５Ｃ形成後に第１のガスケット７をガス拡散層５Ｃに接触するように形成することは、いわゆる当業者の間では困難と見なされていた。すなわち、第１のガスケット７の形成作業時に用いられる金型とガス拡散層５Ｃとの接触によってガス拡散層５Ｃの損傷は不可避である点、枠体６の内縁とガス拡散層５Ｃの外縁との間の環状間隙に露出している高分子電解質膜が第１のガスケット７の成形作業時に破損してしまう点及び成形時のベンチレーション、いわゆるガス抜きが不十分となり第１のガスケット７の内縁とガス拡散層５Ｃの外縁との間に間隙が残ってしまう点が少なくとも問題であると考えられていた。しかし、発明者は、ガス拡散層５Ｃが多孔性構造を有しており、ＭＥＡ５の厚み方向からの圧縮力に対してはある程度の復元力を有している点及びガス拡散層５Ｃの通気性を利用すれば十分なガス抜きが可能となる点に着目して鋭意研究して本発明に到達している。

以下、実施の形態４のＭＥＡ−ガスケット接合体１の製法を説明する。

まず、高分子電解質膜５Ａの中央部に触媒層５Ｂが形成され、さらにガス拡散層５Ｃが形成されＭＥＡ５が作製される。ここでは、ジャパンゴアテックス株式会社製の「PRIMEA」（登録商標）より、ガス拡散層５Ｃがカーボンクロスを基材とする厚み４００μｍ、ＭＥＡ５の厚みが約８５０μｍのものを用いている。

そして、ＭＥＡ５の周縁部の高分子電解質膜５Ａに接合するように枠体６が形成される。ここでは、ＭＥＡ５の外縁部の高分子電解質膜１Ａを所定の形状に切断した後、ガラスファイバー添加ポリプロピレン（出光石油化学社製R350G）によってＭＥＡ５の外縁部に枠体６を成形する。

次に、枠体６の内縁とガス拡散層５Ｃとの間の環状間隙に第１のガスケット７を成形する。第１のガスケット７としては、実施の形態１と同様、サントプレン8101-55（Advanced Elasotomer System社製）が用いられ、射出成形によって形成される。

ここで、発明者は、環状間隙に露出している高分子電解質膜１Ａの射出成形作業時の圧力による破損のメカニズムを鋭意研究した結果、高分子電解質膜１Ａの片面から成形圧が他面より強く生じる状況が破損発生の要因と推察した。そして、高分子電解質膜１Ａの表裏面における射出成形時の射出物の流動速度を一致させることによって、損傷を防止することができることを見出した。具体的には、第１のガスケット７の射出成形に用いられる金型は、射出物が外周側へ抜けやすい金型構造としている。すなわち、一般的な金型加工技術によって、第１のガスケット７の枠体６側、すなわち外周側が充填された後、高分子電解膜５Ａ、すなわち内周側へ射出物が流れ込むような金型構造としている。

また、該金型には、ガス拡散層５Ｃの中央部に対向する位置にガス抜き孔（ベント孔）を設けている。これによって、成形作業時に射出物の侵入によって押し除けられる金型内のガスは、多孔質のガス拡散層５Ｃ内を通過してガス抜き孔から外部へと抜けるので、射出物はガス拡散層５Ｃの外縁部まで進出することができる。

さらに、該金型は、ガス拡散層５Ｃ外縁部全周の幅２ｍｍ程度において、約１００μｍ程度厚みが押しつぶされるように形成される。これによって、射出物はガス拡散層５Ｃ外縁部においてガス拡散層５Ｃ中央部への侵出が阻害され、かつガス拡散層５Ｃ外縁部全周に接合部１１が形成される。ガス拡散層５Ｃは、多孔質構造であることから、成形作業終了後には厚みをある程度復元する上、セル組立状態時においては、セパレータ２，３によって押しつぶされた状態となるので、該射出成形時におけるガス拡散層５Ｃの押圧は、燃料電池の性能低下を招来するものとはならない。

以上によって、枠体６の両主面に第1のガスケット７が、実施の形態１と同様にして接合される。加えて、第1のガスケット７の内縁はガス拡散層５Ｃの外縁に熱溶融されてガス拡散層５Ｃの外縁に溶け入る。

実施の形態4の高分子電解質形燃料電池を用いて、実施例1と同様にして性能試験を行ったところ、実施例1同様、比較例１よりも優れた試験結果を得た。実施の形態4においても、実施の形態１と同様にして、高分子電解質形燃料電池の性能が向上することがわかった。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明のＭＥＡ−ガスケット接合体及び高分子電解質形燃料電池は、セパレータの複雑な加工や部品の追加を抑制しつつ、マニフォルド孔から各セパレータ内面の流路への分岐部における酸化剤ガスと還元剤ガスとのクロスリークとガスケット及びガス拡散層外周における還元剤ガス及び酸化剤ガスの流れとを簡便な構造によって抑制するＭＥＡ−ガスケット接合体及びそれを用いた高分子電解質形燃料電池として有用である。

図１は、実施の形態１のＭＥＡ−ガスケット接合体の構造を示す図であって、（ａ）は平面図（カソードセパレータ側）、（ｂ）はＩ−Ｉ線断面を示す断面図である。 図２は、図１のＩ−Ｉ線断面におけるセル１０の積層断面を示す断面図である。 図３は、図１のＭＥＡ−ガスケット接合体の基本構造である枠体−高分子電解質膜接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）はIII−III線断面の断面図である。 図４は、図３のIV−IV線断面の断面図において枠体−高分子電解質膜接合体の成形工程の概略を示す工程図である。 図５は、第１のガスケットが形成された、図４の枠体−高分子電解質膜接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）はＶ−Ｖ線断面の断面図である。 図６は、高分子電解質膜の両主面に触媒層及びガス拡散層が形成された、図５の枠体−高分子電解質膜接合体の構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）はVI−VI線断面の断面図である。 図７は、第２のガスケットと、第２のガスケットが接合されたＭＥＡ−ガスケット接合体の構成を示す平面図である。 図８は、図１６と同じ断面における断面を拡大して示す斜視図である。 図９は、圧力損失試験の結果を示す図である。 図１０は、還元剤ガス利用率試験の結果を示す図である。 図１１は、実施の形態２のＭＥＡ−ガスケット接合体の構造を示す平面図（アノードセパレータ側）である。 図１２は、実施の形態３のアノードセパレータの構造を示す平面図（ＭＥＡ−ガスケット接合体側）である。 図１３は、実施の形態３のカソードセパレータの構造を示す平面図（ＭＥＡ−ガスケット接合体側）である。 図１４は、図１１、図１２及び図１３のXIV−XIV線断面における、セル１０の積層構造を示す断面図である。 図１５は、実施の形態４のＭＥＡ−ガスケット接合体の構造を示す図であって、（ａ）は平面図（カソードセパレータ側）、（ｂ）はXV−XV線断面の断面図である。 従来の高分子電解質形燃料電池の構造を、一部を分解して示す斜視図である。 図１６のXVII−XVII線断面を拡大して示す斜視図である。

符号の説明

１ ＭＥＡ−ガスケット接合体
２ アノードセパレータ
３ カソードセパレータ
４ ボルト孔
５ ＭＥＡ
５Ａ 高分子電解質膜
５Ｂ 触媒層
５Ｃ ガス拡散層
６ 枠体
６Ａ 接合用貫通孔
６Ｂ 成形用貫通孔
６Ｃ 第１成形部材
６Ｄ 第２成形部材
６Ｅ 窪み部
７ 第１のガスケット
７Ａ 本体部
７Ｂ 連結部
７Ｃ リブ部
８ 第２のガスケット
９ シール部材
１０ セル
１１ 接合部
１１Ａ 外側接合部
１１Ｂ 内側接合部
１２、２２、３２ 還元剤ガスマニフォルド孔
１３、２３、３３ 酸化剤ガスマニフォルド孔
１４，２４，３４ 水マニフォルド孔
２１ 還元剤ガス流路
３１ 酸化剤ガス流路
４０ 外側間隙
４１ 内側間隙
６０ ガスケット
１００ 高分子電解質形燃料電池
ΔＰ 圧力損失
Ｑ 還元剤ガス流量
Ｒ 還元剤ガス利用率
Ｖ 平均セル電圧

Claims (3)

1. 高分子電解質膜、触媒層およびガス拡散層を具備してなるＭＥＡと、
   前記ＭＥＡを囲むようにして前記ＭＥＡの周縁部の高分子電解質膜に接合され、かつ複数の流体マニフォルド孔が形成された板状の枠体と、
   前記枠体の両面に配設された弾性体からなる環状ガスケットと、を具備するＭＥＡ−ガスケット接合体と、
   前記ＭＥＡ−ガスケット接合体を挟み込むように配設されたアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を具備し、
   前記環状ガスケットの内縁と、前記ガス拡散層の外縁と、前記アノードセパレータまたは前記カソードセパレータと、によって形成される環状間隙が、前記環状間隙を伝って迂回するガスの流れを遮断するように、少なくとも部分的に閉鎖されており、
   前記ＭＥＡ−ガスケット接合体は、前記環状ガスケットと前記ガス拡散層との間に配設された弾性体からなる環状部材を具備し、
   該環状部材の外縁が少なくとも部分的に前記環状ガスケットの内縁と接触し、かつ該環状部材の内縁が少なくとも部分的に前記ガス拡散層の外縁と接触して、前記環状間隙が、前記環状間隙を伝って迂回するガスの流れを遮断するように、少なくとも部分的に閉鎖されている、高分子電解質形燃料電池。
2. 前記枠体は、熱可塑性樹脂で構成され、
   前記環状ガスケットは、熱可塑性弾性物質で構成され、
   前記枠体と前記環状ガスケットとは、共通する可塑成分を有し、
   前記環状ガスケットは、前記枠体の両面にそれぞれ熱溶着されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
3. 前記枠体は、圧縮弾性率が２，０００ＭＰａ以上２００，０００ＭＰａ以下であり、前記環状ガスケットは、圧縮弾性率が０ＭＰａより大きく２００ＭＰａ以下である、請求項1及び２のいずれか一項に記載の高分子電解質形燃料電池。

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