JP2016058161A - 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、接着剤層からの空気抜きを確実に行うことができ、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを強固且つ高品質に接合することを可能にする。【解決手段】樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４との間に、前記段差ＭＥＡ１０ａの外周縁部と前記樹脂枠部材２４とが接触する部位を外周端２８ｅとして接着剤層２８が設けられる。固体高分子電解質膜１８の外周端部１８ｅは、接着剤層２８内で外周端２８ｅとの間に隙間Ｓ１を形成し、且つ、前記接着剤層２８内には、前記隙間Ｓ１よりも内周側に離間して接着剤２８ａが配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を第１電極及び第２電極で挟んだ段差ＭＥＡと、前記段差ＭＥＡの外周を周回する樹脂枠部材とを備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とを有している。

電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の平面寸法に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成する場合がある。その際、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、樹脂枠部材を組み込んだ樹脂枠付きＭＥＡが採用されている。

樹脂枠付きＭＥＡでは、固体高分子電解質膜に亀裂やせん断が発生することを抑制するために、段差ＭＥＡと樹脂枠部材との接合強度を良好に維持する必要がある。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（樹脂枠付きＭＥＡ）が知られている。

この樹脂枠付きＭＥＡでは、樹脂製枠部材は、第１電極の外周側に突出して固体高分子電解質膜の外周縁部に当接する内周端部を有している。そして、内周端部は、固体高分子電解質膜と第１電極の外周部との境界部位に配置される角部が、断面曲面形状に構成されている。従って、簡単な構成で、固体高分子電解質膜にせん断応力がかかることを確実に阻止し、前記固体高分子電解質膜の損傷を良好に抑制することが可能になる、としている。

特開２０１３−９８１５５号公報

ところで、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とは、これらの間に形成された空間（接着剤層）に、例えば、ホットメルト接着剤の他、種々の接着剤を充填することにより、接着されている。具体的には、接着剤は、接着剤層の一部分に配置され、段差ＭＥＡ及び樹脂枠部材同士が加圧されることにより、前記接着剤が押し広げられて前記接着剤層全体に充填されている。

しかしながら、接着剤層は、密閉空間を形成する場合が多く、この接着剤層内を接着剤が広げられる際、空気が前記接着剤層から抜けないおそれがある。これにより、接着剤層内に残存する空気に起因して、接着剤を均一厚さに塗ることができず、ガス遮断性や接着耐久性等の品質に大きなばらつきが発生するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、接着剤層からの空気抜きを確実に行うことができ、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを強固且つ高品質に接合することが可能な燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを備えている。段差ＭＥＡでは、固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極が設けられている。第１電極の平面寸法は、第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定されている。樹脂枠部材は、固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられている。

段差ＭＥＡと樹脂枠部材との間には、前記段差ＭＥＡの外周縁部と前記樹脂枠部材とが接触する部位を外周端として、接着剤層が設けられている。そして、固体高分子電解質膜の最外周の少なくとも一部は、接着剤層内で外周端との間に隙間を形成し、且つ、前記接着剤層内には、前記隙間よりも内周側に離間して接着剤が配置されている。

また、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の最外周の全周に亘って、外周端との間に隙間が設けられることが好ましい。

さらに、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の最外周の一部に凹部が設けられるとともに、前記凹部と外周端との間に隙間が設けられることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、凹部は、固体高分子電解質膜の最外周の中、樹脂枠部材の厚さが相対的に薄い部位に対応する部位に設けられることが好ましい。

本発明によれば、接着剤層の内側部位に配置された接着剤は、樹脂枠部材と段差ＭＥＡとが密着される際に伸ばされて、前記接着剤層の外端側に流動する。ここで、接着剤層内の空気は、接着剤の流動に沿って外端側に移動し、前記外側端と固体高分子電解質膜の最外周の少なくとも一部との間に形成された隙間に導入される。そして、空気は、隙間から第１電極側に排気される。

このため、簡単な構成で、接着剤層からの空気抜きを確実に行うことができる。従って、接着剤は、接着剤層内で均一厚さに塗ることが可能になり、ガス遮断性や接着耐久性等の品質にばらつきが発生することを抑制することができる。これにより、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを強固且つ高品質に接合することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が組み込まれる固体高分子型燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を構成する段差ＭＥＡの正面説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を構成する樹脂枠部材の斜視説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を構成する段差ＭＥＡの斜視説明図である。 前記段差ＭＥＡの正面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、横長（又は縦長）の長方形状の固体高分子型燃料電池１２に組み込まれる。複数の燃料電池１２は、例えば、矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に積層されて燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。

燃料電池１２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、横長（又は縦長）の長方形状を有する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。

長方形状の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、図１〜図３に示すように、段差ＭＥＡ１０ａを備える。段差ＭＥＡ１０ａは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード電極（第１電極）２０及びカソード電極（第２電極）２２とを有する。固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。

カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８及びアノード電極２０よりも小さな平面寸法を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２２よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。その際、アノード電極２０は、第２電極となり、カソード電極２２は、第１電極となる。

アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される第１電極触媒層２０ａと、前記第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを設ける。第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、同一の外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜１８よりも大きな外形寸法に設定される。

図３及び図４に示すように、第１電極触媒層２０ａの外周端部２０ａｅ及び第１ガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅは、同一位置に終端し且つ固体高分子電解質膜１８の外周端部１８ｅよりも大きな寸法に設定される。図４に示すように、固体高分子電解質膜１８の外周端部１８ｅの４辺と、外周端部２０ａｅ、２０ｂｅとの間には、隙間Ｓが形成される。

カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層２２ａと、前記第２電極触媒層２２ａに積層される第２ガス拡散層２２ｂとを設ける。第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂは、同一の外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜１８の外形寸法よりも小さな外形寸法に設定される。

なお、第１の実施形態では、第２電極触媒層２２ａと第２ガス拡散層２２ｂとは、同一の平面寸法に設定されているが、前記第２電極触媒層２２ａの平面寸法は、前記第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法よりも大きな寸法（又は小さな寸法）を有してもよい。

第１電極触媒層２０ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が第１ガス拡散層２０ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層２２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が第２ガス拡散層２２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなるとともに、前記第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法は、前記第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法よりも小さく設定される。第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、例えば、固体高分子電解質膜１８の両面に形成される。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、アノード電極２０及びカソード電極２２に接合される樹脂枠部材２４を備える。樹脂枠部材２４は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、変性ポリオレフィン又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。

図１及び図５に示すように、樹脂枠部材２４は、枠形状を有する。樹脂枠部材２４は、図２及び図３に示すように、内周基端部２４ｓからカソード電極２２側に膨出する薄肉状に形成された内側膨出部２４ａを有する。内側膨出部２４ａは、内周基端部２４ｓから内方（矢印Ｃ方向）に所定の長さを有して延在し、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｔから第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ａｅ、２２ｂｅの近傍に配置される。固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｔは、カソード電極２２の先端部から面方向外方に露出する。

内側膨出部２４ａには、内周基端部２４ｓに連続して、段差ＭＥＡ１０ａの外周縁部、具体的には、アノード電極２０を構成する第１電極触媒層２０ａの先端側に当接する凸状部２６ａが設けられる。凸状部２６ａは、第１電極触媒層２０ａの先端側を周回する枠形状に形成される。凸状部２６ａの内方端部には、段部２６ａｅを介して前記凸状部２６ａより薄肉状に形成される平坦面部２６ｂが設けられ、前記平坦面部２６ｂは、該凸状部２６ａから内側膨出部２４ａの内周端部２４ａｅまで延在する。

段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４との間には、接着剤２８ａが充填される接着剤層２８が設けられる。具体的には、図２及び図３に示すように、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｔと樹脂枠部材２４の平坦面部２６ｂとの間に接着剤層２８が設けられる。

固体高分子電解質膜１８の最外周の少なくとも一部は、第１の実施形態では、前記固体高分子電解質膜１８の外周端部１８ｅ（最外周）の全周に亘って、接着剤層２８内で外周端２８ｅとの間に隙間Ｓ１を形成する（図３及び図４参照）。接着剤層２８内には、隙間Ｓ１よりも内周側に離間して接着剤２８ａが配置される。

接着剤層２８には、接着剤２８ａとして、例えば、高分子やフッ素系エラストマーが設けられる。なお、接着剤２８ａとしては、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。

樹脂枠部材２４とアノード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂとは、接着用樹脂を用いた樹脂含浸部３０により一体化される。樹脂含浸部３０は、例えば、樹脂枠部材２４に一体成形される樹脂突起部３０ｔを加熱変形させて構成することができる。なお、樹脂含浸部３０は、接着剤層２８と同様に、接着剤２８ａを使用してもよい。

図１に示すように、燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体入口連通孔４２ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔４２ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔４４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体入口連通孔４２ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔４２ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔４０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体出口連通孔４２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔４０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第２セパレータ１６の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔４０ａと酸化剤ガス出口連通孔４０ｂとに連通する酸化剤ガス流路４６が設けられる。

第１セパレータ１４の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔４４ａと燃料ガス出口連通孔４４ｂとに連通する燃料ガス流路４８が形成される。互いに隣接する第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材５２が一体化される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材５４が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材５２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を構成する樹脂枠部材２４に当接する第１凸状シール５２ａと、第２セパレータ１６の第２シール部材５４に当接する第２凸状シール５２ｂとを有する。第２シール部材５４は、第２凸状シール５２ｂに当接する面がセパレータ面に沿って平面状に延在する平面シールを構成する。なお、第２凸状シール５２ｂに代えて、第２シール部材５４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。

第１シール部材５２及び第２シール部材５４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

次いで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を製造する方法について、以下に説明する。

先ず、段差ＭＥＡ１０ａが作製される一方、樹脂枠部材２４は、金型（図示せず）を用いて射出成形される。段差ＭＥＡ１０ａでは、カーボンペーパの平坦面に、カーボンブラックとＰＴＦＥ粒子との混合物からなるスラリーを塗布し、乾燥させて下地層を形成することにより、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂが形成される。

一方、電極触媒に溶媒を加えた後、バインダー溶液を投入してカソード電極インク及びアノード電極インクが作成される。カソード電極インクは、ＰＥＴフィルムにスクリーン印刷により塗工され、カソード電極シートが形成される。同様に、アノード電極インクは、ＰＥＴフィルムにスクリーン印刷により塗工され、アノード電極シートが形成される。

次いで、固体高分子電解質膜１８が、カソード電極シート及びアノード電極シートに挟持された状態で、ホットプレスを行った後、ＰＥＴフィルムを剥離することにより接合体（ＣＣＭ）が形成される。さらに、ＣＣＭは、第１ガス拡散層２０ｂと第２ガス拡散層２２ｂとに挟持され、ホットプレスにより一体化されて段差ＭＥＡ１０ａが作製される。

また、図５に示すように、樹脂枠部材２４は、肉薄形状の内側膨出部２４ａを有する。内側膨出部２４ａには、内周基端部２４ｓに連続して凸状部２６ａが設けられるとともに、前記凸状部２６ａの内方端部には、前記凸状部２６ａより薄肉状に形成される平坦面部２６ｂが設けられている。なお、樹脂枠部材２４には、必要に応じて、図２に示す樹脂突起部３０ｔが一体成形される。

次に、図６に示すように、樹脂枠部材２４には、内側膨出部２４ａの平坦面部２６ｂに、接着剤層２８の内側部位に対応して、接着剤２８ａが、例えば、図示しないディスペンサーを介して塗布される。接着剤２８ａの配置位置は、少なくとも固体高分子電解質膜１８の外周端部１８ｅよりも内側の位置に設定される。さらに、樹脂枠部材２４の内周基端部２４ｓと段差ＭＥＡ１０ａを構成する第１ガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅとが位置合わせされる。

図７に示すように、接着剤２８ａが加熱されるとともに、厚さ方向に荷重（プレス等）が付与される。このため、接着剤２８ａが加圧及び溶融され、接着剤層２８内を内側から外側に向かって伸ばされる。従って、樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａと固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｔとは、接着剤層２８を介して接着される。

さらに、樹脂枠部材２４の内周端部２４ａｅの内周面と第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅの先端面とは、接着剤層２８を介して接着される。一方、樹脂枠部材２４とアノード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂとは、樹脂含浸部３０により一体化される。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。

この場合、第１の実施形態では、固体高分子電解質膜１８の外周端部１８ｅの全周に亘って、接着剤層２８内で外周端２８ｅとの間に隙間Ｓ１が形成されている。このため、接着剤２８ａが、接着剤層２８の外側に流動する際、前記接着剤層２８内の空気は、前記接着剤２８ａの流動に沿って外側に移動する。そして、空気は、隙間Ｓ１に露呈するアノード電極２０側に排気される一方、接着剤２８ａは、前記アノード電極２０内に漏れ出すことがない。

従って、簡単な構成で、接着剤層２８からの空気抜きを確実に行うことができ、接着剤２８ａを前記接着剤層２８内で均一厚さに塗ることが可能になる。これにより、ガス遮断性や接着耐久性等の品質にばらつきが発生することを抑制することができ、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とを強固且つ高品質に接合することが可能になるという効果が得られる。

このように構成される燃料電池１２の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔４４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔４２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路４６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して段差ＭＥＡ１０ａのカソード電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４４ａから第１セパレータ１４の燃料ガス流路４８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、段差ＭＥＡ１０ａのアノード電極２０に供給される。

従って、各段差ＭＥＡ１０ａでは、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２０に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層２２ａ及び第１電極触媒層２０ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、カソード電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、段差ＭＥＡ１０ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔４２ｂから排出される。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６０は、段差ＭＥＡ６０ａと樹脂枠部材２４とを一体化して構成される。段差ＭＥＡ６０ａでは、図８〜図１０に示すように、固体高分子電解質膜１８の最外周の一部に複数の凹部６２が設けられる。凹部６２は、樹脂枠部材２４の段部２６ａｅから平坦面部２６ｂ側に、すなわち接着剤層２８内に切り込んで形成され、前記凹部６２と外周端２８ｅとの間に隙間Ｓ２が設けられる。

凹部６２は、１個以上設けられており、固体高分子電解質膜１８の最外周の中、樹脂枠部材２４の厚さが相対的に薄い部位に対応する部位に設けられる。具体的には、樹脂枠部材２４が射出成形される際、複数本の樹脂注入部の間に薄肉部が形成されるため、前記樹脂注入部の間、例えば、固体高分子電解質膜１８の各長辺に２個ずつ凹部６２が設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、固体高分子電解質膜１８の最外周の一部に、接着剤層２８に連通する複数の凹部６２が設けられている。このため、接着剤２８ａによる接着作業時に、接着剤層２８内の空気は、隙間Ｓ２に導入され、前記隙間Ｓ２に露呈するアノード電極２０側に排気される。従って、ガス遮断性や接着耐久性等の品質にばらつきが発生することを抑制することができ、段差ＭＥＡ６０ａと樹脂枠部材２４とを強固且つ高品質に接合することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７０は、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材７２とを備える。樹脂枠部材７２は、平板状に構成され、最大厚さは、凸状部２６ａの厚さに設定される。

このように構成される第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られるとともに、樹脂枠部材７２の薄肉化が容易に図られるという利点がある。

１０、６０、７０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１０ａ、６０ａ…段差ＭＥＡ １２…燃料電池
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
１８ｂｔ…外周縁部
１８ｅ、２０ａｅ、２０ｂｅ、２２ａｅ、２２ｂｅ…外周端部
２０…アノード電極 ２０ａ、２２ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層 ２２…カソード電極
２４、７２…樹脂枠部材 ２４ａ…内側膨出部
２４ｓ…内周基端部 ２６ａ…凸状部
２６ｂ…平坦面部 ２８…接着剤層
２８ａ…接着剤 ３０ｔ…樹脂突起部
４０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ４０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４２ａ…冷却媒体入口連通孔 ４２ｂ…冷却媒体出口連通孔
４４ａ…燃料ガス入口連通孔 ４４ｂ…燃料ガス出口連通孔
４６…酸化剤ガス流路 ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路 ５２、５４…シール部材
６２…凹部

Claims (4)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極が設けられるとともに、前記第１電極の平面寸法は、前記第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差ＭＥＡと、
   前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられる樹脂枠部材と、
   を備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
   前記段差ＭＥＡと前記樹脂枠部材との間には、該段差ＭＥＡの外周縁部と該樹脂枠部材とが接触する部位を外周端として、接着剤層が設けられるとともに、
   前記固体高分子電解質膜の最外周の少なくとも一部は、前記接着剤層内で前記外周端との間に隙間を形成し、且つ、前記接着剤層内には、前記隙間よりも内周側に離間して接着剤が配置されることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
2. 請求項１記載の燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記固体高分子電解質膜の最外周の全周に亘って、前記外周端との間に前記隙間が設けられることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
3. 請求項１記載の燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記固体高分子電解質膜の最外周の一部に凹部が設けられるとともに、
   前記凹部と前記外周端との間に前記隙間が設けられることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
4. 請求項３記載の燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記凹部は、前記固体高分子電解質膜の最外周の中、前記樹脂枠部材の厚さが相対的に薄い部位に対応する部位に設けられることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。

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