JP6212925B2

JP6212925B2 - 接合体アッセンブリ

Info

Publication number: JP6212925B2
Application number: JP2013093653A
Authority: JP
Inventors: 剣一豊島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2033-04-26
Also published as: JP2014216226A

Description

本発明は、接合体アッセンブリに関する。

近年、環境負荷の少ない電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子型燃料電池は、発電機能を発揮する単セルが複数積層された構造を有する。この単セルを構成する膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）は極めて薄いフィルム状の素材であるため強度が比較的弱い。よってハンドリング性が悪く、製造方法の複雑化、不良の増大、品質安定性の低下をもたらす可能性がある。

これに関連して、例えば下記の特許文献１には、発電体の外周に補強枠体とともにガスケットを一体化した燃料電池用ガスケット一体部品が開示されている。この燃料電池用ガスケット一体部品によれば、発電体の外周に補強枠体とともにガスケットが一体化されているため、全体として強度が向上し、ハンドリング性が向上する。

特開２００８―１７７００１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池用ガスケット一体部品では、射出成形に起因するガスケットが冷却される際に体積変化が生じて収縮する際に、ガスケットと一体化された発電体のガス拡散層に収縮応力がかかりガス拡散層を破損させる可能性がある。そして、破損したガス拡散層の構成素材が、電解質膜を突き破ったり電解質膜の膜厚を薄くしたりして、短絡やクロスリークを招く虞がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ハンドリング性が向上しつつガス拡散層の破損を防止できる接合体アッセンブリを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る接合体アッセンブリは、ガスを透過するガス拡散層及び電解質膜を積層した接合体と、前記接合体の外周に設けられ前記ガス拡散層の外縁部を被覆するとともに前記接合体を支持する支持部と、を有する。また、前記ガス拡散層を構成する部材の圧縮破壊応力は、前記支持部を構成する樹脂が固化される際の収縮に起因する体積変化によって生じる収縮応力より大きい。

上記のように構成した接合体アッセンブリであれば、支持部が接合体を支持するため、ハンドリング性が向上する。また、ガス拡散層の破壊応力は支持部が備える収縮応力より大きいため、支持部が備える収縮応力によってガス拡散層が破損することを防止できる。よって、ハンドリング性が向上しつつガス拡散層の破損を防止できる接合体アッセンブリを提供することができる。

本発明の実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリを用いて構成した燃料電池スタックを示す斜視図である。燃料電池スタックの積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。膜電極接合体アッセンブリを示す上面図である。図３の４−４線に沿う断面図である。図３のＡ部を示す部分拡大図であって、本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリの作用を説明するための図である。本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリの製造方法における成形装置を説明するための断面図である。本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリの製造方法における型締めを説明するための断面図である。本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリの製造方法における樹脂注入を説明するための断面図である。本実施形態の改変例を示す断面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、本発明の実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリ４０を用いて構成した燃料電池スタック１を示す斜視図である。図２は、燃料電池スタック１の積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。図３は、膜電極接合体アッセンブリ４０を示す上面図である。図４は、図３の４−４線に沿う断面図である。

本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリ４０は、概説すると、図４に示すように、ガスを透過するガス拡散層２２２，２３２及び電解質膜２１を積層した膜電極接合体（接合体）２０を有する。また、膜電極接合体アッセンブリ４０は、膜電極接合体２０の外周に設けられ膜電極接合体２０を支持する支持部５０を有する。また、ガス拡散層２２２，２３２の破壊応力は、支持部５０が備える収縮応力より大きい。以下、本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリ４０を用いて構成した燃料電池スタック１について詳述する。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）との反応により起電力を生じる単セル２を所定数だけ積層した積層体３を有している。積層体３の両端のそれぞれに、集電板４、絶縁板５及びエンドプレート６を配置し、これらを、ダイロッドボルト７により締結することによって、燃料電池スタック１を構成する。燃料電池スタック１内部において燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水のそれぞれを流通させるために、一方のエンドプレート６に、６つの貫通孔が成形される。６つの貫通孔は、燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２、及び冷却水排出口１３を構成する。

単セル２は、図２〜４に示すように、膜電極接合体２０及び支持部５０を有する膜電極接合体アッセンブリ４０と、膜電極接合体２０の両面のそれぞれに配置される燃料電池用金属セパレータ３０（以下、単に「金属セパレータ３０」と称する）と、を備える。

膜電極接合体２０は、図２に示すように、電解質膜２１と、カソード側電極２２と、アノード側電極２３と、を有する。また、膜電極接合体２０は、図３に示すように、矩形形状に構成される。

カソード側電極２２は、カソード側触媒層２２１及びカソード側ガス拡散層２２２を有する。

カソード側触媒層２２１は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体及び電解質を含んでおり、酸素の還元反応が進行する触媒層であり、電解質膜２１の一方の側に配置される。

カソード側ガス拡散層２２２は、カソード側触媒層２２１に酸化剤ガスを供給するため、十分なガス拡散性及び導電性を有する。カソード側ガス拡散層２２２は、カソード側触媒層２２１の電解質膜２１が配置される面と反対側の面に配置される。

アノード側電極２３は、アノード側触媒層２３１及びアノード側ガス拡散層２３２を有する。アノード側電極２３は、カソード側電極２２をはみ出して形成される。この構成によれば、ＷＯ２００６／１２９４３６に記載されるように、全体の酸素クロスリーク量を最小限に抑制して電解質膜２１の酸化劣化を有効に抑制することができる。さらにアノード側での過酸化水素の生成を有意に抑制して電解質膜２１の劣化を効果的に抑制することができる。

アノード側触媒層２３１は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体及び電解質を含んでおり、水素の酸化反応が進行する触媒層であり、電解質膜２１の他方の側に配置される。

アノード側ガス拡散層２３２は、アノード側触媒層２３１に燃料ガスを供給するため、十分なガス拡散性及び導電性を有する。アノード側ガス拡散層２３２は、アノード側触媒層２３１の電解質膜２１が配置される面と反対側の面に配置される。

電解質膜２１は、アノード側触媒層２３１で生成したプロトンをカソード側触媒層２２１へ選択的に透過させる機能及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。

金属セパレータ３０は、単セル２を電気的に直列接続する機能及び燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水を互いに遮断する隔壁としての機能を有する。金属セパレータ３０は、例えば、ステンレス鋼板にプレス加工を施すことで成形され、図２に示すように、流路溝を成形するために凹凸形状を有している。ステンレス鋼板は、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。金属セパレータ３０は、膜電極接合体２０の両面のそれぞれに配置されることによって、燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路３１、酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路３２、及び冷却水を流通させるための冷却水流路３３を成形している。

支持部５０は、熱可塑性樹脂が射出成形されることによって成形され、図３，４に示すように、膜電極接合体２０の外周に設けられ膜電極接合体２０を支持する。支持部５０を射出成形によって成形する際、熱可塑性樹脂がガス拡散層２２２，２３２の外周部２２２Ａ，２３２Ａに含浸することによって、支持部５０及び膜電極接合体２０が一体化して、支持部５０が膜電極接合体２０を支持する。したがって、膜電極接合体２０のハンドリング性が向上する。また支持部５０は、アノード側及びカソード側の強度を向上させるために、一部がガス拡散層２２２，２３２を覆うように延長して成形されることが好ましい。なお、ガス拡散層２２２，２３２を覆うように延長して成形されなくてもよい。支持部５０は、図３に示すように、エンドプレート６に対応して、燃料ガス導入口５１、燃料ガス排出口５２、酸化剤ガス導入口５３、酸化剤ガス排出口５４、冷却水導入口５５、及び冷却水排出口５６を有する。

ガス拡散層２２２，２３２の破壊応力は、上述したように、支持部５０が備える収縮応力より大きい。ここで収縮応力とは、支持部５０の射出成形時に、溶融された熱可塑性樹脂が冷却固化される際の収縮に起因する支持部５０の体積変化によって生じる収縮応力を意味する。この収縮応力は、支持部５０を成形する金型寸法と成形された支持部５０の寸法のとの間の寸法差及び支持部５０の弾性率から算出される。なお、ガス拡散層２２２，２３２の破壊応力が、支持部５０が備える収縮応力より大きいとは、ガス拡散層２２２，２３２またはガス拡散層２２２，２３２を構成する炭素繊維などの破壊応力が、支持部５０が備える収縮応力より大きいことを意味する。

燃料ガスは、燃料ガス導入口８から導入され、金属セパレータ３０の燃料ガス流路３１を流れ、燃料ガス排出口９から排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０から導入され、金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路３２を流れ、酸化剤ガス排出口１１から排出される。冷却水は、冷却水導入口１２から導入され、金属セパレータ３０の冷却水流路３３を流れ、冷却水排出口１３から排出される。

次に、各構成部品の材質及びサイズ等について記述する。

電解質膜２１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）である。多孔質状の膜は、例えば、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）から成形される。

電解質膜２１は、特に限定されないが、強度、耐久性及び出力特性の観点から５〜３００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜２００μｍである。

触媒層２２１，２３１のうちカソード側触媒層２２１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２２１，２３１のうちアノード側触媒層２３１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。

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。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。カソード側触媒層２２１及びアノード側触媒層２３１に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜変更することが可能である。

触媒層２２１，２３１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、及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ことが好ましい。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２２１，２３１に用いられる電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されない。具体的には例えば、ポリマー骨格の全部又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２２１，２３１に用いられる電解質は、電解質膜２１に用いられる電解質と同一であっても異なっていてもよいが、電解質膜２１に対する触媒層２２１，２３１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。

触媒層２２１，２３１の厚みは、水素の酸化反応（アノード側）及び酸素の還元反応（カソード側）の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、各触媒層の厚みは、１〜１０μｍが好ましい。

ガス拡散層２２２，２３２は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、またはカーボンフェルトから成形される。ガス拡散層２２２，２３２は、撥水剤を含ませることで、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことが好ましい。撥水剤は、特に限定されないが、例えば、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）、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）などの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。

ガス拡散層２２２，２３２の厚さは、機械的強度及びガスや水などの透過距離を考慮し、３０〜５００μｍ程度が好ましい。なお、撥水性は、独立した層を成形することによって、向上させることも可能である。

金属セパレータ３０は、上述したようにステンレス鋼板から構成される。しかしながらステンレス鋼板に限定されず、その他の金属材料（例えば、アルミニウム板やクラッド材）、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。カーボンを適用する場合、燃料ガス流路３１及び酸化剤ガス流路３２は、切削加工やスクリーン印刷によって成形することが可能である。

金属セパレータ３０の板厚は、例えば、０．２ｍｍ以下である。このように金属セパレータ３０を薄肉に成形することによって、電気抵抗をできるだけ小さくし、燃料電池の性能評価の１つの指標である出力密度（「起電力／単位容積」と定義される）を高めることができる。

支持部５０を構成する樹脂は、熱可塑性樹脂である。熱可塑性樹脂としては例えば、塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテフタレート（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリオレフィン等のプラスチックまたはエラストマーが用いられる。より好ましくは、塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテフタレート（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリオレフィン等のプラスチックまたはエラストマーが用いられる。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。

次に、本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリ４０の作用について、図５を参照して説明する。図５は、図３のＡ部を示す部分拡大図であって、本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリ４０の作用を説明するための図である。

まず、比較例として、ガス拡散層２２２，２３２の破壊応力が、支持部５０が備える収縮応力より小さい場合において、ガス拡散層２２２，２３２が支持部５０の収縮応力によって破損するメカニズムについて説明する。

まず、支持部５０が収縮によって変形する（図５矢印ａ参照）。支持部５０の変形に伴い、支持部５０と一体化されたガス拡散層２２２，２３２が収縮応力を受けて変形する（図５矢印ｂ参照）。このガス拡散層２２２，２３２に付与される収縮応力がガス拡散層２２２，２３２の破壊応力より大きいため、ガス拡散層２２２，２３２は破損する。より具体的には、ガス拡散層２２２，２３２を構成するカーボンペーパー等に局所的に変形が生じる。さらに、このガス拡散層２２２，２３２の破損に伴い、複数集まってカーボンペーパーを構成するカーボンファイバーが折損して、触媒層２２１，２３１を突き破る虞がある。さらに、電解質膜２１を突き破ったり電解質膜２１の膜厚を薄くしたりすることによって、短絡やクロスリークが発生する虞がある。

次に、本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリ４０、すなわちガス拡散層２２２，２３２の破壊応力が、支持部５０が備える収縮応力より大きい場合において、ガス拡散層２２２，２３２の破損が防止されるメカニズムについて説明する。

まず、支持部５０が収縮によって変形する（図５矢印ａ参照）。支持部５０の変形に伴い、支持部５０と一体化されたガス拡散層２２２，２３２が収縮応力を受けて変形する（図５矢印ｂ参照）。このとき、ガス拡散層２２２，２３２の破壊応力が、このガス拡散層２２２，２３２に付与される収縮応力よりも大きいため、ガス拡散層２２２，２３２の破損は防止される。

以上、説明したように、本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリ４０は、ガスを透過するガス拡散層２２２，２３２及び電解質膜２１を積層した膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０の外周に設けられ膜電極接合体２０を支持する支持部５０と、を有する。また、ガス拡散層２２２，２３２の破壊応力は、支持部５０が備える収縮応力より大きい。この構成によれば、膜電極接合体２０を支持する支持部５０が設けられているため、ハンドリング性が向上する。また、支持部５０が備える収縮応力によってガス拡散層２２２，２３２が破損することを防止できる。よって、ハンドリング性が向上しつつガス拡散層２２２，２３２の破損を防止することができる膜電極接合体アッセンブリ４０を提供することができる。

また、支持部５０は、熱可塑性樹脂によって成形される。この構成によれば、溶融された熱可塑性樹脂を冷却することで支持部５０を成形できるため、膜電極接合体アッセンブリ４０の製造が容易となる。

また、熱可塑性樹脂は、塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテフタレート（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリオレフィン等のプラスチック及びエラストマーのうち少なくとも１つである。このような熱可塑性樹脂によれば、支持部５０の収縮応力を比較的小さくすることができ、ガス拡散層２２２，２３２の破損をより好適に防止することができる。

また、支持部５０は、射出成形によって成形される。このため、容易に支持部５０を成形することができ、膜電極接合体アッセンブリ４０の製造が容易となる。

また、膜電極接合体２０は燃料電池用である。このため、燃料電池用の膜電極接合体アッセンブリ４０において、ガス拡散層２２２，２３２の破損を好適に防止することができる。

次に、本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリ４０の製造方法を説明する。

図６は、本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリ４０の製造方法における成形装置３００を説明するための断面図である。

本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリ４０の製造方法においては、膜電極接合体２０を成形装置３００のキャビティに配置し、溶融状態の熱可塑性樹脂を膜電極接合体２０の外周縁に向かって注入し、膜電極接合体２０の外周縁と一体化された補強用の支持部５０が成形される。

また、膜電極接合体２０の外周縁と一体化された支持部５０により、膜電極接合体２０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２０を得ることができる。

本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリ４０の製造方法においては、例えば、図６に示される成形装置３００によって、膜電極接合体２０の外周縁に支持部５０が成形される。成形装置３００は、固定型３１０、移動型３２０及び射出ユニット３２８を有する射出成形機からなる。

固定型３１０は、膜電極接合体２０のアノード側ガス拡散層２３２が載置される中央キャビティ面３１２と、中央キャビティ面３１２の外周に位置する外周キャビティ面３１４と、溶融状態の熱可塑性樹脂を内部に導入するための樹脂注入口３１６と、を有する。中央キャビティ面３１２は、膜電極接合体２０のアノード側ガス拡散層２３２より若干小さく設定されている。

移動型３２０は、固定型３１０に対して近接離間可能に構成されており、膜電極接合体２０のカソード側ガス拡散層２２２に相対する中央キャビティ面３２２と、中央キャビティ面３２２の外周に位置する外周キャビティ面３２４とを有する。中央キャビティ面３２２は、固定型３１０及び移動型３２０を型締めした際に、膜電極接合体２０のカソード側ガス拡散層２２２と当接し、アノード側ガス拡散層２３２と当接している固定型３１０の中央キャビティ面３１２と共に、膜電極接合体２０を挟持するよう構成されている。また、中央キャビティ面３２２は、膜電極接合体２０のカソード側ガス拡散層２２２より若干小さく設定されている。

固定型３１０及び移動型３２０を型締めした際に、固定型３１０の外周キャビティ面３１４と移動型３２０の外周キャビティ面３２４とによって形成される空間（キャビティ）Ｓは、支持部５０の形状を規定する。

射出ユニット３２８は、溶融状態の熱可塑性樹脂を、型締めされた固定型３１０及び移動型３２０の内部に供給するために使用され、樹脂注入口３１６に連通可能であり、例えば、熱可塑性樹脂を格納するホッパー、熱可塑性樹脂を加熱溶融するためのヒータ、加熱溶融した熱可塑性樹脂を射出（注入）するためのスクリュー及びシリンダー、スクリューを駆動するためのモータを有する。

次に、膜電極接合体アッセンブリ４０の製造方法の手順を説明する。

図７は、型締めを説明するための断面図、図８は、樹脂注入を説明するための断面図である。

まず、固定型３１０及び移動型３２０を所定温度（例えば１００℃）まで昇温（加熱）させる。一方、射出ユニット３２８のホッパーに熱可塑性樹脂を供給し、所定温度（例えば３３０℃）まで昇温させて溶融する。

膜電極接合体２０が、アノード側ガス拡散層２３２を下にして、固定型３１０の中央キャビティ面３１２に載置され、位置決めされる。膜電極接合体２０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３２０が固定型３１０に向かって近接し、図７に示されるように、固定型３１０及び移動型３２０が型締めされる。これにより、固定型３１０の外周キャビティ面３１４と移動型３２０の外周キャビティ面３２４とによって、支持部５０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３２８によって、図８に示されるように、溶融状態の熱可塑性樹脂が、固定型３１０の樹脂注入口３１６を経由し、空間Ｓ（図７参照）に注入される。

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、外周縁に支持部５０が一体的に配置された膜電極接合体２０が取り出される。

以下、上述した実施形態の改変例を例示する。

（改変例１）
本実施形態に係る膜電極接合体アッセンブリ４０は、燃料電池スタック１に適用された。しかしながら、空気電池用接合体アッセンブリ（接合体アッセンブリ）１４０は、図９に示すように、空気電池に適用されてもよい。空気電池では、正極活物質として空気中の酸素、負極活物質として金属が用いられる。空気電池用接合体アッセンブリ１４０は、ガスを透過するガス拡散正極１２２（ガス拡散層）、電解質膜１２１及び負極１２３を積層した空気電池用接合体（接合体）１２０と、空気電池用接合体１２０の外周に設けられ空気電池用接合体１２０を支持する支持部５０と、を有する。また、ガス拡散正極１２２の破壊応力は、支持部５０が備える収縮応力より大きい。

（改変例２）
また、支持部５０及び膜電極接合体２０は、射出成形によって一体化されたが、ホットプレスによって一体化されてもよい。

（改変例３）
また、ガス拡散層２２２，２３２は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、またはカーボンフェルトから成形された。しかしながら、ガス拡散層２２２，２３２は、金属製の導電性多孔質基板から構成されてもよい。この構成によれば、ガス拡散層２２２，２３２の強度を向上させることが容易である。また、このとき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。この構成によれば、ガス拡散層２２２，２３２を薄くすることが容易である。ガス拡散層２２２，２３２を構成する網のメッシュの数は、ガスの供給性及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。線材の線径は、単セル２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固定（例えば溶接）して、網を成形することも可能である。なお、改変例３において、ガス拡散層２２２，２３２の破壊応力が、支持部５０が備える収縮応力より大きいとは、ガス拡散層２２２，２３２またはガス拡散層２２２，２３２を構成する線材の破壊応力が、支持部５０が備える収縮応力より大きいことを意味する。

（改変例４）
また、本実施形態では、支持部５０を成形する材料は、熱可塑性樹脂であったが、熱硬化性樹脂であってもよい。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂（ＰＦ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、シリコン樹脂（ＳＩ）、ジシクロペンタジエン樹脂（ＤＣＰＤ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロスルホン化ポリエチレンゴム（ＣＳＭ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、シリコーンゴム（Ｑ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）等のプラスチックまたはエラストマーが用いられるが、好ましくはエポキシ樹脂（ＥＰ）、シリコン樹脂（ＳＩ）、ジシクロペンタジエン樹脂（ＤＣＰＤ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロスルホン化ポリエチレンゴム（ＣＳＭ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、シリコーンゴム（Ｑ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）等のプラスチックまたはエラストマーが挙げられる。また、これらの熱硬化性樹脂を２種以上併用（ブレンド）してもよい。更にはガラス繊維等のフィラーを混ぜ合わせてもよい。熱硬化性樹脂によって成形される支持部５０は、熱硬化性樹脂を型内に投入した後に、型を加熱することによって熱硬化性樹脂が固化されて成形される。なお、改変例４において収縮応力とは、溶融された熱硬化性樹脂が固化される際の体積変化で生じる収縮によって支持部５０に生じる収縮応力や、液状の熱硬化性樹脂が固化される際の体積変化で生じる収縮によって支持部５０に生じる収縮応力を意味する。支持部５０を成形する材料が熱硬化性樹脂であれば、一度硬化されると、高温になっても軟化されることはない。このため、より信頼性の高い膜電極接合体アッセンブリ４０を提供することができる。また、上述した熱硬化性樹脂を用いることによって、支持部５０の収縮応力を比較的小さくすることができ、ガス拡散層２２２，２３２の破損をより好適に防止することができる。

（改変例５）
また、本実施形態では、支持部５０は熱可塑性樹脂を射出成形することによって成形されたが、支持部５０は金属粉末及び熱可塑性樹脂の混合物を射出成形することによって成形されてもよい。

（改変例６）
また、本実施形態では、支持部５０は熱可塑性樹脂によって成形されたが、絶縁層が表層に成形された金属によって成形されてもよい。

（改変例７）
また、本実施形態では、アノード側電極２３は、カソード側電極２２をはみ出して形成された。しかしながら、カソード側電極２２が、アノード側電極２３をはみ出して形成されてもよい。この構成によれば、アノード側で生成したプロトンを効率よくカソード側触媒層に供給できるため、プロトン及び電子がカソード側に供給される酸化剤ガスに含まれる酸素と効率よく反応して、発電性能を向上できる。

１燃料電池スタック、
２単セル、
３積層体、
２０膜電極接合体（接合体）、
１２０空気電池用接合体（接合体）、
２１，１２１電解質膜、
２２２カソード側ガス拡散層（ガス拡散層）、
２３２アノード側ガス拡散層（ガス拡散層）、
１２２ガス拡散正極（ガス拡散層）、
４０膜電極接合体アッセンブリ（接合体アッセンブリ）、
１４０空気電池用接合体アッセンブリ（接合体アッセンブリ）、
５０支持部、
３００成形装置、
３１０固定型、
３１２中央キャビティ面、
３１４外周キャビティ面、
３１６樹脂注入口、
３２０移動型、
３２２中央キャビティ面、
３２４外周キャビティ面、
３２８射出ユニット。

Claims

ガスを透過するガス拡散層及び電解質膜を積層した接合体と、
前記接合体の外周に設けられ前記ガス拡散層の外縁部を被覆するとともに前記接合体を支持する支持部と、を有し、
前記ガス拡散層を構成する部材の圧縮破壊応力は、前記支持部を構成する樹脂が固化される際の収縮に起因する体積変化によって生じる収縮応力より大きい接合体アッセンブリ。
前記支持部は、熱可塑性樹脂によって成形される請求項１に記載の接合体アッセンブリ。
前記熱可塑性樹脂は、塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテフタレート（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリオレフィンのプラスチック及びエラストマーのうち少なくとも１つである請求項２に記載の接合体アッセンブリ。
前記支持部は、射出成形によって成形される請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合体アッセンブリ。
前記支持部は、熱硬化性樹脂によって成形される請求項１に記載の接合体アッセンブリ。
前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂（ＥＰ）、シリコン樹脂（ＳＩ）、ジシクロペンタジエン樹脂（ＤＣＰＤ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロスルホン化ポリエチレンゴム（ＣＳＭ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、シリコーンゴム（Ｑ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）のプラスチック及びエラストマーのうち少なくとも１つである請求項５に記載の接合体アッセンブリ。
前記接合体は燃料電池用である請求項１〜６のいずれか１項に記載の接合体アッセンブリ。