JP5615875B2 - 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両面に、アノード電極とカソード電極とが設けられる電解質膜・電極構造体と、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製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。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）及びガス拡散層（多孔質カーボン）を有するアノード電極とカソード電極とを配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層して燃料電池スタックを構成するとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の電解質膜・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表面積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表面積に設定される、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、樹脂製枠部材を組み込んだ枠付きＭＥＡが採用されている。

例えば、特許文献１に開示されている膜電極アセンブリが知られている。この膜電極アセンブリでは、図１３に示すように、イオン交換膜１の一方の面に、前記イオン交換膜１よりも小さな平面寸法を有する触媒層２ａ及び気体拡散層３ａが設けられている。

イオン交換膜１の一方の面には、気体拡散層３ａに支持されない表面１ａが存在している。イオン交換膜１の他方の面には、前記イオン交換膜１の全面に亘って触媒層２ｂ及び気体拡散層３ｂが設けられている。イオン交換膜１には、気体拡散層３ａ、３ｂのエッジ及び表面１ａを密封するために封止部材４が設けられている。

特表２００９−５１４１４４号公報

ところで、上記の特許文献１では、イオン交換膜１に封止部材４を接合する際、通常、前記イオン交換膜１の表面１ａと前記封止部材４の内周面４ａとは、接着剤５により接合されている。

しかしながら、イオン交換膜１の表面１ａと封止部材４の内周面４ａとの接着部位は、比較的狭小な面積領域に設定されている。このため、接着剤５により表面１ａと内周面４ａとを強固に接着接合することができないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、段差ＭＥＡを構成する固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂製枠部材を強固且つ容易に接着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。

本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面には、第１触媒層及び第１拡散層を有する第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触媒層及び第２拡散層を有する第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状の電解質膜・電極構造体と、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製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ものである。

この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、樹脂製枠部材は、第２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接着接合される内周膨出部を有し、第２触媒層の外周端部は、第２拡散層の外周端部よりも外方に突出するとともに、前記内周膨出部は、前記第２触媒層の前記外周端部に重なり合う重合部位を有し、前記内周膨出部の接着接合面には、凹凸形状部位が設けられ、前記凹凸形状部位は、前記固体高分子電解質膜の外周縁部に沿って周回形成される１以上の溝部を有している。

本発明によれば、樹脂製枠部材の内周膨出部は、固体高分子電解質膜の外周縁部に接着接合される接着接合面に、凹凸形状部位が設けられている。このため、樹脂製枠部材の内周膨出部は、固体高分子電解質膜の外周縁部に対して強固且つ容易に接着接合することが可能になり、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体全体の接合強度を確実に維持することができる。

本発明に関連す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・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を構成する樹脂製枠部材の一部拡大斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する方法の断面説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する方法の斜視説明図である。 本発明に関連する樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を構成する樹脂製枠部材の一部拡大斜視説明図である。 本発明に関連する樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を構成する樹脂製枠部材の一部拡大斜視説明図である。 本発明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樹脂製枠部材の正面説明図である。 特許文献１に開示されている膜電極アセンブリの説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明に関連する樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、長方形状の固体高分子型燃料電池１２に組み込まれるとともに、複数の前記燃料電池１２が矢印Ａ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、縦長の長方形状を有し、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ている。

長方形状の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、図２及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体１０ａを備えるとともに、前記電解質膜・電極構造体１０ａ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）系電解質が使用される。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よりも小さな表面積（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が、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２２よりも小さな表面積（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電極であり、カソード電極２２は、第１電極である。

アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される電極触媒層（第１触媒層）２０ａと、前記電極触媒層２０ａに積層されるガス拡散層（第１拡散層）２０ｂとを設ける。電極触媒層２０ａ及びガス拡散層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と同一（又は同一未満）の外形寸法に設定される。

カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される電極触媒層（第２触媒層）２２ａと、前記電極触媒層２２ａに積層されるガス拡散層（第２拡散層）２２ｂとを設ける。図３に示すように、電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅは、ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅよりも外方（矢印Ｃ方向外方）に長さＬ１だけ突出するとともに、前記電極触媒層２２ａは、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。

電極触媒層２０ａ、２２ａは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜１８の両面に印刷、塗布又は転写することによって構成される。ガス拡散層２０ｂ、２２ｂは、カーボンペーパ等からなるとともに、前記ガス拡散層２２ｂの平面寸法は、前記ガス拡散層２０ｂの平面寸法よりも小さく設定される。

図１〜図４に示すように、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に接合される樹脂製枠部材２４を備える。樹脂製枠部材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）、シリコーンゴム、フッ素ゴム又はＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等で構成される。

樹脂製枠部材２４は、カソード電極２２の外周側に突出して固体高分子電解質膜１８の外周縁部に当接する内周膨出部２４ａを有する。内周膨出部２４ａは、樹脂製枠部材２４の外周部よりも薄肉で、カソード電極２２と同一の肉厚、実質的には、ガス拡散層２２ｂと同一の肉厚（ガス拡散層２２ｂ上に中間層を設ける場合には、前記中間層の厚さも含む）を有するとともに、前記内周膨出部２４ａの内周端部２４ａｅは、ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅとの間に隙間Ｓ１を形成する（図３参照）。

樹脂製枠部材２４の内周膨出部２４ａは、電極触媒層２２ａの外周縁部に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って重なり合う重合部位２６を有する。重合部位２６では、電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅと内周膨出部２４ａの内周端部２４ａｅとが長さＬ２に亘って重なり合っている。

樹脂製枠部材２４の内周膨出部２４ａと固体高分子電解質膜１８の外周縁部及び電極触媒層２２ａの外周縁部とは、接着剤層２７により接着される。接着剤層２７は、固体高分子電解質膜１８の外周縁部の全周に亘って額縁状に形成される。接着剤層２７としては、例えば、エステル系又はウレタン系のホットメルト接着剤が使用される。

図３〜図５に示すように、樹脂製枠部材２４の内周膨出部２４ａは、接着剤層２７が設けられる接着接合面２４ａｓに凹凸形状部位、例えば、複数の柱状突起部２５が一体成形される。図５に示すように、柱状突起部２５は、例えば、直径が５μｍ〜５０μｍ程度の円柱形状を有する。各柱状突起部２５の接着接合面２４ａｓからの高さｔが、１．６μｍ〜５０μｍの範囲内に設定される。

柱状突起部２５の高さｔが１．６μｍ未満では、樹脂製枠部材２４の内周膨出部２４ａと固体高分子電解質膜１８の外周縁部との接着力が低下し、剥離が発生し易い一方、前記柱状突起部２５の高さｔが５０μｍを超えると、前記固体高分子電解質膜１８に機械的ダメージを与えてしまう。

また、柱状突起部２５に代えて、十点平均粗さ（面粗度）Ｒｚが１．６μｍ〜５０μｍに相当するように、凹凸形状を形成してもよい。

図２及び図３に示すように、樹脂製枠部材２４とアノード電極２０のガス拡散層２０ｂとは、樹脂含浸部２８ａにより一体化される一方、前記樹脂製枠部材２４とカソード電極２２のガス拡散層２２ｂとは、樹脂含浸部２８ｂにより一体化される。

樹脂含浸部２８ａは、アノード電極２０のガス拡散層２０ｂの全周に亘って額縁状に形成されるとともに、樹脂含浸部２８ｂは、カソード電極２２を構成するガス拡散層２２ｂの全周に亘って額縁状に形成される。樹脂含浸部２８ａの内周端２８ａｅは、積層方向に沿って重合部位２６の外側に位置する（図３参照）。

図１に示すように、樹脂製枠部材２４のアノード電極２０側の面２４ｓ１には、上端縁部に後述する燃料ガス流路４２の入口側に対応する入口バッファ部２９ａが設けられる。樹脂製枠部材２４の面２４ｓ１には、下端縁部に燃料ガス流路４２の出口側に対応する出口バッファ部２９ｂが設けられる。入口バッファ部２９ａ及び出口バッファ部２９ｂは、複数の突起部により構成される。

図４に示すように、樹脂製枠部材２４のカソード電極２２側の面２４ｓ２には、上端縁部に後述する酸化剤ガス流路３６の入口側に対応する入口バッファ部２９ｃが設けられる。樹脂製枠部材２４の面２４ｓ２には、下端縁部に酸化剤ガス流路３６の出口側に対応する出口バッファ部２９ｄが設けられる。入口バッファ部２９ｃ及び出口バッファ部２９ｄは、複数の突起部により構成される。

図１に示すように、燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図１中、重力方向）の上端縁部には、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、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｂ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３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６の入口側（上端側）には、樹脂製枠部材２４の面２４ｓ２の上端縁部に設けられた入口バッファ部２９ｃが当接するバッファ領域３８ａが実質的に平坦状に設けられる。このバッファ領域３８ａの上部側一端には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから複数本の入口連結路４０ａが連結される。

酸化剤ガス流路３６の出口側（下端側）には、樹脂製枠部材２４の面２４ｓ２の下端縁部に設けられた出口バッファ部２９ｄが接触するバッファ領域３８ｂが設けられる。このバッファ領域３８ｂの下部側一端には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂから複数本の出口連結路４０ｂが連結される。

図６に示すように、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、燃料ガス流路４２が矢印Ｃ方向に延在して設けられる。

燃料ガス流路４２の入口側（上端側）には、樹脂製枠部材２４の面２４ｓ１の上端縁部に設けられた入口バッファ部２９ａに接触するバッファ領域４４ａが設けられる。バッファ領域４４ａの燃料ガス入口連通孔３４ａ側の端部には、複数本の入口連結路４６ａが連結されるとともに、前記入口連結路４６ａは、複数の供給孔部４８ａに連通する。

燃料ガス流路４２の出口側（下端側）には、樹脂製枠部材２４の面２４ｓ１の下端縁部に設けられた出口バッファ部２９ｂが当接するバッファ領域４４ｂが設けられる。バッファ領域４４ｂの燃料ガス出口連通孔３４ｂ側の端部には、複数本の出口連結路４６ｂを介して排出孔部４８ｂが連通する。

図１に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂ側には、供給孔部４８ａと燃料ガス入口連通孔３４ａとを連通する複数本の入口連結路５０ａ、及び排出孔部４８ｂと燃料ガス出口連通孔３４ｂとを連通する複数本の出口連結路５０ｂとが設けられる。面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する冷却媒体流路５２が矢印Ｃ方向に設けられる。

図２に示すように、ガス拡散層２０ｂは、積層方向に沿って重合部位２６と重なり合う領域が燃料ガス流路４２に対向している。

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５４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５６が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材５４は、第２シール部材５６に当接する凸状シール５４ａを有する一方、前記第２シール部材５６は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を構成する樹脂製枠部材２４に当接する凸状シール５６ａを有する。第１シール部材５４及び第２シール部材５６は、平面シールを有する。

第１シール部材５４及び第２シール部材５６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、図７及び図８に示すように、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１０ａが作製される。具体的には、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂには、電極触媒層２０ａ、２２ａが塗布される。そして、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ側に、すなわち、電極触媒層２０ａにガス拡散層２０ｂが配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜１８の面１８ｂ側に、すなわち、電極触媒層２２ａにガス拡散層２２ｂが配置される。これらが一体に積層されてホットプレス処理されることにより、電解質膜・電極構造体１０ａが作製される。

一方、樹脂製枠部材２４は、射出成形機（図示せず）により予め成形される。樹脂製枠部材２４は、図８に示すように、額縁形状に成形されるとともに、肉薄形状の内周膨出部２４ａが設けられる。内周膨出部２４ａの接着接合面２４ａｓには、複数の柱状突起部２５が一体成形される。樹脂製枠部材２４の長手方向両端縁部には、両面に複数の突起部が一体成形されることにより、入口バッファ部２９ａ、２９ｃ及び出口バッファ部２９ｂ、２９ｄが設けられる。

次いで、図７に示すように、電解質膜・電極構造体１０ａでは、カソード電極２２の外周から外部に露呈する固体高分子電解質膜１８の外周縁部及び電極触媒層２２ａの外周縁部に接着剤層２７が設けられる。そして、樹脂製枠部材２４と電解質膜・電極構造体１０ａとが位置合わせされる。

樹脂製枠部材２４は、内周膨出部２４ａがカソード電極２２側に配置され、接着剤層２７が加熱溶融（ホットメルト）されるとともに、荷重（プレス等）が付与される。このため、内周膨出部２４ａと固体高分子電解質膜１８とが接着される。

さらに、アノード電極２０側には、樹脂含浸部２８ａを形成するための樹脂部材２８ａａが用意される一方、カソード電極２２側には、樹脂含浸部２８ｂを形成するための樹脂部材２８ｂｂが用意される。樹脂部材２８ａａ、２８ｂｂは、枠形状（額縁形状）を有しており、例えば、樹脂製枠部材２４と同一の材料で構成される。

そこで、電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂製枠部材２４とには、樹脂部材２８ａａ、２８ｂｂが配置されて荷重が付与された状態で、前記樹脂部材２８ａａ、２８ｂｂが加熱される。加熱方式としては、レーザ溶着、赤外線溶着やインパルス溶着等が採用される。

従って、樹脂部材２８ａａ、２８ｂｂは、加熱溶融され、前記樹脂部材２８ａａは、アノード電極２０を構成するガス拡散層２０ｂ及び樹脂製枠部材２４に跨って含浸される。また、樹脂部材２８ｂｂは、カソード電極２２を構成するガス拡散層２２ｂ及び樹脂製枠部材２４に跨って含浸される。これにより、図２に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持されて燃料電池１２が構成される。燃料電池１２は、所定数だけ積層されて燃料電池スタックが構成されるとともに、図示しないエンドプレート間に締め付け荷重が付与される。

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３０ａに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３４ａに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３２ａに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３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｃ方向に移動して電解質膜・電極構造体１０ａ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３４ａから供給孔部４８ａを通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路４２に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４２に沿って矢印Ｃ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１０ａのアノード電極２０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１０ａ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、電極触媒層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３０ｂ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、排出孔部４８ｂを通り燃料ガス出口連通孔３４ｂ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３２ａ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５２に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１０ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

この場合、図３〜図５に示すように、樹脂製枠部材２４の内周膨出部２４ａは、固体高分子電解質膜１８の外周縁部に接着接合される接着接合面２４ａｓに、凹凸形状部位である複数の柱状突起部２５が設けられている。このため、樹脂製枠部材２４の内周膨出部２４ａは、固体高分子電解質膜１８の外周縁部に対して強固且つ容易に接着接合することが可能になり、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０全体の接合強度を確実に維持することができるという効果が得られる。

また、図２及び図３に示すように、カソード電極２２を構成する電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅは、ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅよりも外方に突出するとともに、樹脂製枠部材２４の内周膨出部２４ａは、積層方向に沿って前記電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅに重なり合う重合部位２６を有している。

従って、ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅと樹脂製枠部材２４の内周膨出部２４ａの内周端部２４ａｅとの間に隙間Ｓ１が形成されていても、この隙間Ｓ１から固体高分子電解質膜１８に酸化剤ガスが接触することがない。これにより、固体高分子電解質膜１８の端部は、酸化剤ガスと燃料ガスとの反応により生成される過酸化水素や前記過酸化水素を前駆体として生成されるヒドロキシラジカル（・ＯＨ）により劣化することを有効且つ確実に抑制される。

図９は、本発明に関連する樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６０を構成する樹脂製枠部材６２の一部拡大斜視説明図である。

樹脂製枠部材６２は、内周膨出部６２ａを設けるとともに、前記内周膨出部６２ａは、接着接合面６２ａｓを有する。接着接合面６２ａｓには、凹凸形状部位、例えば、樹脂製枠部材６２の内周から外周に向かって互いに平行して形成される複数の波形形状部６４が一体成形される。波形形状部６４の谷と山との距離（波高）ｔは、１．６μｍ〜５０μｍの範囲内に設定される。

このように構成される樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６０では、樹脂製枠部材６２の内周膨出部６２ａは、固体高分子電解質膜１８の外周縁部に接着接合される接着接合面６２ａｓに、凹凸形状部位である複数の波形形状部６４を設けている。従って、樹脂製枠部材６２の内周膨出部６２ａは、固体高分子電解質膜１８の外周縁部に対して強固且つ容易に接着接合することが可能になる等の効果が得られる。

図１０は、本発明に関連する樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７０を構成する樹脂製枠部材７２の一部拡大斜視説明図である。

樹脂製枠部材７２は、内周膨出部７２ａを設けるとともに、前記内周膨出部７２ａは、接着接合面７２ａｓを有する。接着接合面７２ａｓには、凹凸形状部位、例えば、凹凸部（凹凸形状）７４がランダムに設けられる。凹凸部７４は、例えば、ショットブラストや梨地加工等で形成され、十点平均粗さＲｚが１．６μｍ〜５０μｍの範囲内に設定される。

このように構成される樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７０では、接着接合面７２ａｓに凹凸部７４が設けられており、上記の関連技術と同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体８０の要部断面説明図である。なお、上記の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８０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に接合される樹脂製枠部材８２を備える。樹脂製枠部材８２は、上記の樹脂製枠部材２４と同一の材料で構成されるとともに、カソード電極２２の外周側に突出して固体高分子電解質膜１８の外周縁部に当接する内周膨出部８２ａを有する。

内周膨出部８２ａは、接着剤層２７が設けられる接着接合面８２ａｓを有する。図１１及び図１２に示すように、接着接合面８２ａｓには、凹凸形状部位、例えば、固体高分子電解質膜１８の外周縁部に沿って周回形成される１以上、例えば、２本の溝部８４ａ、８４ｂを有する。溝部８４ａ、８４ｂは、それぞれ所定の幅寸法及び深さ寸法に設定され、内周膨出部８２ａの内方に向かって２重枠形状に配置される。なお、溝部８４ａ、８４ｂは、２重枠形状に限定されるものではなく、３重以上の枠形状に配置されてもよい。

内周膨出部８２ａの内方端縁部には、溝部８４ｂの内側に位置して基準溝部８６が形成される。基準溝部８６は、溝部８４ａ、８４ｂよりも幅狭に形成され、電極触媒層２２ａに対向するとともに、例えば、接着剤塗布位置の基準として機能する。なお、基準溝部８６には、接着剤が塗布されてもよい。

このように構成される本実施形態では、接着接合面８２ａｓの面粗度Ｒｚは、溝深さよりも小さいことが好ましい。接着接合面８２ａｓには、溝部８４ａ、８４ｂが形成されている。このため、溝部８４ａ、８４ｂに接着剤層２７が設けられる際、前記溝部８４ａ、８４ｂに接着剤が確実に充填される。

従って、接着剤層２７として所望の接着力を保持することができ、樹脂製枠部材８２の内周膨出部８２ａは、固体高分子電解質膜１８の外周縁部に対して強固且つ容易に接着接合することが可能になる。これにより、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体８０全体の接合強度を確実に維持することができる等の効果が得られる。

１０、６０、７０、８０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１０ａ…電解質膜・電極構造体 １２…燃料電池
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
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
２２ａｅ、２２ｂｅ…外周端部 ２４、６２、７２、８２…樹脂製枠部材
２４ａ、６２ａ、７２ａ、８２ａ…内周膨出部
２４ａｅ…内周端部 ２４ａｓ、６２ａｓ、７２ａｓ、８２ａｓ…接着接合面 ２５…柱状突起部
２７…接着剤層 ２８ａ、２８ｂ…樹脂含浸部
２９ａ、２９ｃ…入口バッファ部 ２９ｂ、２９ｄ…出口バッファ部
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路 ４２…燃料ガス流路
５２…冷却媒体流路 ５４、５６…シール部材
６４…波形形状部 ７４…凹凸部
８４ａ、８４ｂ…溝部 ８６…基準溝部

Claims (1)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面には、第１触媒層及び第１拡散層を有する第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触媒層及び第２拡散層を有する第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状の電解質膜・電極構造体と、
   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製枠部材と、
   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、
   前記樹脂製枠部材は、前記第２電極の外周側に突出して前記固体高分子電解質膜の外周縁部に接着接合される内周膨出部を有し、
   前記第２触媒層の外周端部は、前記第２拡散層の外周端部よりも外方に突出するとともに、前記内周膨出部は、前記第２触媒層の前記外周端部に重なり合う重合部位を有し、
   前記内周膨出部の接着接合面には、凹凸形状部位が設けられ、前記凹凸形状部位は、前記固体高分子電解質膜の外周縁部に沿って周回形成される１以上の溝部を有す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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