JP6150060B2 - フレーム付き膜電極接合体、燃料電池用単セル及び燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池に用いられるフレーム付き膜電極接合体に関し、このフレーム付き膜電極接合体を用いた燃料電池用単セル、及び燃料電池スタックに関するものである。

この種の膜電極接合体としては、燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法の名称で特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体は、その外周において、アノード電極を除去した状態にして電解質膜を露出させている。また、樹脂製枠部材の内周には、アノード電極の厚さに相当する薄肉状の内周突部と、カソード電極側で厚さ方向に突出する樹脂突起部を設けている。そして、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体は、露出している電解質膜に、樹脂製枠部材の内周突部を接着層により接合し、その後、樹脂突起部を加熱溶融させてカソード電極のガス拡散層に含浸させ、ガス拡散層内に樹脂含浸部を形成した構成になっている。

特開２０１３−１３１４１７号公報

ところが、上記したような従来のフレーム付き膜電極接合体（燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体）では、例えば、アノードガスとカソードガスとの間に差圧が生じると、フレームが厚さ方向に撓むように変形し、フレームの内周突部と電解質膜との接合部に剥離荷重が作用することがある。このため、従来のフレーム付き膜電極接合体では、とくに、電解質膜がフッ素系材料のような難接着性の材料から成る場合に、フレームと電解質膜との接合強度が不充分になる可能性があるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、難接着性の材料から成る電解質膜を用いた場合でも、フレームと膜電極接合体の電解質膜との接合強度を高めることができるフレーム付き膜電極接合体を提供することを目的としている。

本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体は、電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を配置する開口部を有する樹脂製のフレームと、フレームの片面側に配置されて開口部の内周縁部に相対向する樹脂製の補助フレームを備えている。そして、フレーム付き膜電極接合体は、膜電極接合体の電解質膜が、電極層よりも外周側に延出した外周延出部と、外周延出部に形成した厚さ方向の貫通孔を有し、フレームの内周縁部と補助フレームとの間に、貫通孔を有する外周延出部を介在させた状態にして接着剤又は粘着剤から成る接合層を設け、前記接合層が、フレームから貫通孔を通して補助フレームに至るまで連続している構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体は、接合層によってフレーム及び補助フレームと電解質膜の外周延長部とを接合しており、この際、接合層が、フレームから貫通孔を通して補助フレームに至るまで連続状態となるので、実質的に、フレームと補助フレームとを接合した状態が得られるうえに、接合層に対して、膜電極接合体の電解質膜が貫通孔の部分で機械的に係合した状態になる。これにより、フレーム付き膜電極接合体は、難接着性の材料から成る電解質膜を用いた場合でも、フレームと膜電極接合体の電解質膜との接合強度を高めることができる。

本発明に係わる燃料電池スタックを説明する斜視図（Ａ）、分解状態の斜視図（Ｂ）、及びセルモジュールとシールプレートを示す斜視図（Ｃ）である。 図１に示す燃料電池用セルの分解斜視図（Ａ）、図２Ａに対して上下を逆にしたフレーム付き膜電極接合体の要部の分解斜視図（Ｂ）、及びフレーム付き膜電極接合体の斜視図（Ｃ）である。 本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体の第１実施形態を説明する要部の断面図（Ａ）、及びフレームと膜電極接合体の接合部分の拡大断面図（Ｂ）である。 本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体の第２実施形態を説明する要部の断面図（Ａ）、フレームと膜電極接合体の接合部分の拡大断面図（Ｂ）、及び接合層の成形要領を説明する断面図（Ｃ）である。 本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体の第３実施形態において、フレームと膜電極接合体の接合部分を示す拡大断面図である。 本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体の第４実施形態において、突起部及び貫通孔の配置を示す電解質膜の外周延出部の各々平面図（Ａ）〜（Ｃ）、及び第５実施形態を説明する電解質膜の外周延長部の断面図（Ｄ）である。

〈第１実施形態〉
図１に示す燃料電池スタックＦＳは、とくに図１（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、単セルＣを複数枚積層して一体化した少なくとも二つ以上のセルモジュールＭと、セルモジュールＭ同士の間に介装するシールプレートＰとを備えている。図示例の単セルＣ及びシールプレートＰは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状を成している。なお、図１（Ｃ）には、２つのセルモジュールＭと、１つのシールプレートＰを示しているが、実際には、それ以上の数のセルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層する。

また、燃料電池スタックＦＳは、セルモジュールＭの積層方向の両端部に、エンドプレート５６Ａ，５６Ｂを夫々配置し、単セルＣの長辺側の積層端面（図１中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、短辺側の積層端面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８Ｂは、セルモジュールＭ及びシールプレートＰから成る積層体Ａの積層方向全長にわたる大きさを有し、図示しないボルトにより両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂに連結する。

このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図１（Ａ）に示すようなケース一体型構造となり、各セルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層方向に拘束・加圧して個々の単セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。また、図示例の単セルＣは、長辺側の同じ位置に電圧測定用の外部端子５９を有している。これに対して、図１中で上側となる一方の締結板５７Ａは、各単セルＣの外部端子５９が入り込むスリット５７Ｓを有しており、外部端子５９に対して、適数に分割したコネクタ（図示略）を接続可能にしている。

単セルＣは、図２に示すように、フレーム付き膜電極接合体２と、この膜電極接合体２を挟持する一対（アノード側及びカソード側）のセパレータ３，４を備えている。膜電極接合体２は、電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有し、その周囲に樹脂製のフレーム１及び補助フレーム５を備えている。また、フレーム１及び両セパレータ３，４は、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状である。なお、フレーム１及び補助フレーム５と膜電極接合体２との接合については、後に詳しく述べる。

膜電極接合体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、図３（Ａ）に一部を示すように、固体高分子から成る電解質膜１１を燃料極層（アノード）１２と空気極層（カソード）１３とで挟持した構造を有している。燃料極層１１及び空気極層１３は、図示を省略したが、膜電極接合体２側から、触媒層と、多孔質体から成るガス拡散層を夫々備えたものである。この膜電極接合体２は、燃料極層１２にアノードガス（水素）が供給されると共に、空気極層１３にカソードガス（空気）が供給されて、電気化学反応により発電をする。

各セパレータ３，４は、表裏反転形状を有する金属製の板部材であって、例えばステンレス製であり、プレス加工により適宜の形状に成形することができる。各セパレータ３，４は、膜電極接合体２に対応する中央領域が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は、長辺方向に連続している。各セパレータ３，４は、膜電極接合体２に相対向する一方の面において、波形山部が膜電極接合体２に接触し、波形谷部がアノードガス又はカソードガスの流路になる。

膜電極接合体２のフレーム１及び各セパレータ３，４は、短辺側の両端部に、各々三個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６を有している。図１の左側に示す各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、カソードガス供給用（Ｈ１）、冷却用流体供給用（Ｈ２）及びアノードガス排出用（Ｈ３）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。また、図１の右側に示す各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、アノードガス供給用（Ｈ４）、冷却流体排出用（Ｈ５）及びカソードガス排出用（Ｈ６）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。なお、供給用と排出用は、一部または全部が逆の位置関係でも良い。

また、フレーム１及び各セパレータ３，４の周縁部や、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲には、シール部材Ｓが連続的に配置してある。これらのシール部材Ｓは、接着剤としても機能するもので、フレーム１及び膜電極接合体２とセパレータ３，４とを気密的に接合する。また、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に配置したシール部材Ｓは、各マニホールドの気密性を維持する一方で、各層間に応じた流体を供給するために該当箇所に開口を有している。

上記の単セルＣは、所定枚数を積層してセルモジュールＭを形成する。このとき、隣接する単セルＣ同士の間には、冷却用流体の流路を形成し、隣接するセルモジュールＭ同士の間にも冷却用流体の流路を形成する。したがって、シールプレートＰは、セルモジュールＭ同士の間、すなわち冷却用流体の流路内に配置されている。

シールプレートＰは、導電性の一枚の金属板を成形したものであり、平面視において上記した単セルＣとほぼ同じ矩形板状で且つ同じ大きさに形成され、両短辺側には、単セルＣと同様のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が形成されている。このシールプレートＰは、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の各周囲に、シール部材を備えると共に、その周縁部分に、外周シール部材５１及び内周シール部材５２が、全周にわたって平行に設けてあり、外周シール部材５１により外部からの雨水等の浸入を防止すると共に、内周シール部材５２によりセルモジュールＭ間の流路を流通する冷却用流体の漏出を防止する。

フレーム付き膜電極接合体２は、図２及び図３（Ａ）に示すように、膜電極接合体２を配置する開口部１Ａを有する樹脂製のフレーム１と、フレーム１の片面側に配置されて開口部１Ａの内周縁部１Ｃに相対向する樹脂製の補助フレーム５を備えている。フレーム１及び補助フレーム５は、同じ樹脂材料で形成することがより望ましいが、異種の樹脂材料であっても構わない。

この実施形態のフレーム１は、膜電極接合体２を配置する開口部１Ａと、開口部１Ａの周縁に沿って形成され且つフレーム１の厚さ分に相当する段差部１Ｂを備えていて、図３（Ａ）に示すように、前記内周縁部１Ｃが、段差部１Ｂによりフレーム１の片面側（図３で上側）に偏倚した状態で開口部１Ａ内に延出している。これにより、フレーム１は、本体部分と内周縁部１Ｃの厚さがほぼ等しく、段差部１Ｂにおいて肉厚になっている。

補助フレーム５は、フレーム１の内周縁部１Ｃに対応した矩形枠状を成していて、フレーム１の内周縁部１Ｃにおける偏倚側とは反対側の面（図３で下面）に配置してある。なお、補助フレーム５は、図示例の如く一体成型品であっても良いし、複数の部品を組み合わせて成るものでも良い。

これらフレーム１，５に対して、膜電極接合体２は、図２（Ｂ）及び図３に示すように、外周縁部において、電解質膜１１が電極層１２，１３よりも外周側に延出した状態になっていて、この延出部分を外周延出部１１Ａとし、外周延出部１１Ａに、厚さ方向の貫通孔１１Ｂが形成してある。外周延出部１１Ａは、膜電極接合体２の外周部全体にわたって形成してある。また、貫通孔１１Ｂは、複数個であって、外周延出部１１Ａにおいて所定間隔で配置されている。

そして、膜電極接合体２は、図３（Ｂ）に示すように、フレーム１の内周縁部１Ｃと補助フレーム５との間に、貫通孔１１Ｂを有する外周延出部１１Ａを介在させた状態にして、接着剤又は粘着剤から成る接合層１４を設けている。この際、膜電極接合体２の電解質膜１１の外周延出部１１Ａは、接合層１４に埋設された状態になる。また、フレーム付き膜電極接合体２は、フレーム１の内周縁部１Ｃが、燃料極層１２側に偏倚している。

なお、図２では、枠状の接合層１４を示しているが、実際の接合層１４は、スクリーン印刷や塗布により設けられる。また、図３（Ａ）では、フレーム１及び補助フレーム５と膜電極接合体２の電極層（１２，１３）との間に、溝状の隙間があるが、この隙間は、フレーム１及び補助フレーム５や膜電極接合体２の寸法公差を吸収するものであり、無くても構わない。

上記構成を備えたフレーム付き膜電極接合体２は、接合層１４によってフレーム１及び補助フレーム５と電解質膜１１の外周延長部１１Ａとを接合している。この接合部分は、接合層１４がフレーム１から貫通孔１１Ｂを通して補助フレーム５に至るまで連続状態となるので、実質的に、フレーム１と補助フレーム５とを接合した状態が得られる。また、接合部分は、接合層１４に対して、膜電極接合体２の電解質膜１１が貫通孔１１Ｂの部分で機械的に係合した状態になり、いわゆるアンカー効果が期待できる。

このようにして、フレーム付き膜電極接合体２は、フッ素系材料のような難接着性の材料から成る電解質膜１１を用いた場合でも、簡単な構造で、フレーム１と膜電極接合体２の電解質膜１１との接合強度を高めることができ、高い耐久性を有するものとなる。

これにより、フレーム付き膜電極接合体２は、例えば、アノードガスとカソードガスとの間に差圧によりフレーム１が厚さ方向に撓むように変形した場合や、電解質膜１１に膨潤による収縮変形が生じた場合でも、フレーム１と電解質膜１１との良好な接合状態を維持することができる。また、フレーム付き膜電極接合体２は、上記の接合強度の向上に伴って、接合層１４を形成する接着剤や粘着剤の選択の自由度が高められる。

さらに、フレーム付き膜電極接合体２は、膜電極接合体２における電解質膜１１の外周延出部１１Ａを、フレーム１の内周縁部１Ｃと補助フレーム５とで挟持するので、膜電極接合体２の外周部分すなわち発電領域外の部分には、電極層（１２，１３）が無いものとなる。これにより、フレーム付き膜電極接合体２は、電極層（１２，１３）を必要最小限の大きさにし、高価な触媒を含む電極層の材料を節減して、製造コストの低下に貢献することができる。

さらに、上記実施形態のフレーム付き膜電極接合体２は、段差部１Ｂを有するフレーム１を採用したことから、膜電極接合体２との接合部分である内周縁部１Ｃの厚さが本体部分の厚さとほぼ等しくなると共に、段差部１Ｂで肉厚となる。これにより、フレーム付き膜電極接合体２は、薄肉状の内周突部を有する樹脂製枠部材を用いた従来構造に比べて、厚さ方向に作用する力に対して充分な強度を確保することができ、

また、フレーム付き膜電極接合体２は、フレーム１において、段差部１Ｂにより内周縁部１Ｃを片面側に偏倚させた状態にし、この内周縁部１Ｃと補助フレーム５とで電解質膜１１のが外周延出部１１Ａを挟持するので、フレーム１の厚さ中心と膜電極接合体２の厚さ中心とを一致させて、双方を接合することができる。さらに、フレーム付き膜電極接合体２は、段差部１Ｂによる肉厚の確保により、成形性（樹脂の流動性）が向上し、品質を高めることができる。

上記のフレーム付き膜電極接合体２を備えた単セルＣや、単セルＣを積層して成るセルモジュールＭ及び燃料電池スタックＦＳにおいても、接合強度の向上に伴う耐久性の向上や、製造コストの低減などを実現することができる。また、単セルＣは、図３に示すように、両セパレータ３，４により、フレーム１及び補助フレーム５と電解質膜１１の外周延出部１１Ａとの接合部分を挟持し、双方の接合状態を良好に維持する構造である。

図４〜図７は、本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体の他の実施形態を説明する図である。以下の実施形態において、第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

〈第２実施形態〉
図４に示すフレーム付き膜電極接合体２は、フレーム１の内周縁部１Ｃ及び補助フレーム５の相対向面に、互いに対を成して接合層１４の厚さを維持するための突起部１Ｔ，５Ｔを設けた構成である。このとき、フレーム付き膜電極接合体２は、より望ましい実施形態として、電解質膜１１の外周延出部１１Ａにおける貫通孔１１Ｂを、フレーム１の内周縁部１Ｃ及び補助フレーム５に設けた突起部１Ｔ，５Ｔとは異なる位置に設けている。

また、この実施形態では、スクリーン印刷で接着剤や粘着剤を塗布する場合には、図４（Ｃ）に示すように、フレーム１の内周縁部１Ｃ及び補助フレーム５において、突起部１Ｔ，５Ｔの高さに相当する厚さで接着剤や粘着剤（１４）を塗布し、その後、電解質膜１１の外周延出部１１Ａを介在させて双方を接合することで、図４（Ｂ）に示す接合層１４を形成する。

上記構成を備えたフレーム付き膜電極接合体２は、フレーム１及び補助フレーム５の突部１Ｔ，５Ｔの間で電解質膜１１の外周延出部１１Ａが挟持された状態になり、双方の突部１Ｔ，５Ｔにより、フレーム１と補助フレーム５との間隔、すなわち接合層１４の厚さを一定に維持することができる。しかも、突部１Ｔ，５Ｔにより、接合層１４との接合面積が拡大され、接合強度のさらなる向上を実現することができる。

したがって、このフレーム付き膜電極接合体２を含む燃料電池用単セルＣを積層して成る燃料電池スタックＦＳにおいては、各単セルＣの接合層１４の厚さが均一になり、接合強度のばらつきを防止することができる。

また、上記のフレーム付き膜電極接合体２は、フレーム１の内周縁部１Ｃ及び補助フレーム５に設けた突起部１Ｔ，５Ｔと、電解質膜１１の外周延出部１１Ａにおける貫通孔１１Ｂとの位置をずらせているので、外周延出部１１Ａの貫通孔１１Ｂ内に接着剤や粘着剤が確実に充填されることとなり、外周延出部１１Ａと接合層１４との接合強度、ひいてはフレーム１及び補助フレーム５と電解質膜１１との接合強度を高く維持し得る。さらに、フレーム１及び補助フレーム５と電解質膜１１との接合時において、突部１Ｔ，５Ｔ間に空気が混入するような事態を防ぐことができる。

〈第３実施形態〉
図５に要部を示すフレーム付き膜電極接合体２は、フレーム１の内周縁部１Ｃ及び補助フレーム５の各突起部１Ｔ，５Ｔが、複数箇所に設けてあると共に、電解質膜１１の外周延出部１１Ａにおける貫通孔１１Ｂが、複数箇所に設けてある。

このフレーム付き膜電極接合体２は、夫々に対を成す突起部１Ｔ，５Ｔ同士のうちから選択された突起部１ＴＳ，５ＴＳ同士において、一方の突起部１ＴＳ（５ＴＳ）の高さを他方の突起部５ＴＳ（１ＴＳ）の高さよりも小さくしている。したがって、選択された突起部１ＴＳ，５ＴＳの間には、隙間が形成される。そして、上記膜電極接合体２は、選択された突起部１ＴＳ，５ＴＳ同士の間に、各貫通孔１１Ｂのうちのいずれかの貫通孔１１Ｂを配置した構成になっている。

なお、図５には、二対の突起部１Ｔ，５Ｔ同士が、いずれも一方の突起部１ＴＳ（５ＴＳ）の高さを小さくし、これらの間に貫通孔１１Ｂを配置した構成を示しているが、これら以外に、図４（Ｂ）に示すような同じ高さの突起部１Ｔ，５Ｔ同士も存在し、また、突起部１Ｔ，５Ｔとは異なる位置の貫通孔１１Ｂも存在する。

上記のフレーム付き膜電極接合体２は、第１実施形態においてフレーム１と補助フレーム５との間において得られた接合状態を、突起部１ＴＳ，５ＴＳ同士の間においても得ることができる。

すなわち、膜電極接合体２は、突起部１ＴＳ，５ＴＳ同士の間において、接合層１４が、フレーム１の突起部１ＴＳから貫通孔１１Ｂを通して補助フレーム５の突起部１ＴＳに至るまで連続した状態になると共に、接合層１４に対して電解質膜１１が貫通孔１１Ｂの部分で機械的に係合した状態になる。

このように、膜電極接合体２は、突起部１ＴＳ，５ＴＳの頂面をも接着面として使用することができるので、フレーム１及び補助フレーム５と電解質膜１１との接合強度をより一層高めることができ、若しくは接合強度を確保しつつ双方の接合面積を減らして小型化を図ることもできる。

〈第４実施形態〉
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体の第４実施形態において、フレーム１の突起部１Ｔと電解質膜１１の貫通孔１１Ｂの配置を説明する電解質膜１１の外周延出部１１Ａの平面図である。なお、補助フレーム５の突起部５Ｔは、フレーム１の突起部１Ｔと同じ位置である。そして、この実施形態のフレーム付き膜電極接合体は、電解質膜１１の外周延出部１１Ａにおける貫通孔１１Ｂが、複数箇所に設けてあると共に、千鳥状に配置してある。

図６（Ａ）に示す例は、点線で示す突起部１Ｔ、及び実線で示す貫通孔１１Ｂが、いずれも平面視で円形を成していて、突起部１１Ｂを所定間隔で配列して、これを二列配置し、その列間に、複数の貫通孔１１Ｂを千鳥状に配置した構成である。

図６（Ｂ）に示す例は、直線状の二つの突起部１１Ｂを平行に配置し、その間に、平面視で円形を成す複数の貫通孔１１Ｂを千鳥状に配置した構成である。

図６（Ｃ）に示す例は、直線状の二つの突起部１１Ｂを平行に配置し、その間に、平面視で楕円形を成す複数の貫通孔１１Ｂを千鳥状に配置した構成である。

上記構成を備えたフレーム付き膜電極接合体では、フレーム及び補助フレームとの間において、各貫通孔１１Ｂを通して接合層が連続状態になると共に、フレームと補助フレームとの間に介在する電解質膜１１の外周延出部１１Ａが、貫通孔１１Ｂにより接合層に機械的に係合した状態になる。

そして、フレーム付き膜電極接合体では、上記の接合状態を成立させる複数の貫通孔１１Ｂを千鳥状に配置しているので、接合部分全体にわたって高い接合強度を均一に得ることができ、若しくは接合強度を確保しつつ双方の接合面積を減らして小型化を図ることもできる。なお、フレーム１の突起部１Ｔや電解質膜１１の貫通孔１１Ｂは、その形状や配置が上記各実施形態に限定されるものではない。ただし、電解質膜１１は、非常に薄い膜であるから、これに形成する貫通孔１１Ｂは、応力集中し易い角の無いものとして、円形や楕円形であることがより望ましい。

〈第５実施形態〉
図６（Ｄ）は、本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体の第５実施形態を説明する電解質膜の外周延長部の断面図である。この実施形態のフレーム付き膜電極接合体は、電解質膜１１の外周延出部１１Ａにおける貫通孔１１Ｂが、複数箇所に設けてあると共に、隣接する貫通孔１１Ｂ同士が、図中の矢印で示すように、異なる方向から打ち抜き成形したものとなっている。

上記のフレーム付き膜電極接合体は、隣接する貫通孔１１Ｂ同士を異なる方向から打ち抜き成形することで、外周延出部１１Ａの両面側において同等の接合状態を得ることができる。これは、電解質膜１１の外周延出部１１Ａに貫通孔１１Ｂを成形する場合、貫通孔１１Ｂの縁部に不可避的にバリが生じることがあり、同一方向から貫通孔１１Ｂを成形すると、外周延出部１１Ａの片面側のみにバリが存在し、外周延出部１１Ａの両面側で接合状態に差が生じるおそれがある。

これに対して、上記のフレーム付き膜電極接合体は、隣接する貫通孔１１Ｂ同士を異なる方向から打ち抜き成形することにより、外周延出部１１Ａの片側にバリが偏らないようにし、外周延出部１１Ａの両面側の接合状態を同等にして、フレーム１及び補助フレーム５と電解質膜１１との接合状態をより良いものにすることができる。

なお、本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体、燃料電池用単セル、及び燃料電池スタックは、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各構成部位の材料、形状、大きさ、数及び配置などを適宜変更することができる。

１ フレーム
１Ａ 開口部
１Ｂ 段差部
１Ｃ 内周縁部
１Ｔ，５Ｔ 突起部
１ＴＳ、５ＴＳ 選択した突起部
２ 膜電極接合体
３，４ セパレータ
５ 補助フレーム
１１ 電解質膜
１１Ａ 外周延出部
１１Ｂ 貫通孔
１２ 燃料極層（電極層）
１３ 空気極層（電極層）
１４ 接合層
Ｃ 燃料電池用単セル
ＦＳ 燃料電池スタック

Claims (9)

1. 電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、
   膜電極接合体を配置する開口部を有する樹脂製のフレームと、
   フレームの片面側に配置されて開口部の内周縁部に相対向する樹脂製の補助フレームを備え、
   膜電極接合体の電解質膜が、電極層よりも外周側に延出した外周延出部と、外周延出部に形成した厚さ方向の貫通孔を有し、
   フレームの内周縁部と補助フレームとの間に、貫通孔を有する外周延出部を介在させた状態にして接着剤又は粘着剤から成る接合層を設け、
   前記接合層が、フレームから貫通孔を通して補助フレームに至るまで連続していることを特徴とするフレーム付き膜電極接合体。
   
2. フレームの内周縁部及び補助フレームの相対向面に、互いに対を成して接合層の厚さを維持するための突起部を設けたことを特徴とする請求項１に記載のフレーム付き膜電極接合体。
3. 電解質膜の外周延出部における貫通孔が、フレームの内周縁部及び補助フレームに設けた突起部とは異なる位置に設けてあることを特徴とする請求項２に記載のフレーム付き膜電極接合体。
4. フレームの内周縁部及び補助フレームの各突起部が、複数箇所に設けてあると共に、
   電解質膜の外周延出部における貫通孔が、複数箇所に設けてあり、
   夫々に対を成す突起部同士のうちから選択された突起部同士において、一方の突起部の高さを他方の突起部の高さよりも小さくすると共に、この選択された突起部同士の間に、各貫通孔のうちのいずれかの貫通孔を配置したことを特徴とする請求項２又は３に記載のフレーム付き膜電極接合体。
5. 電解質膜の外周延出部における貫通孔が、複数箇所に設けてあると共に、千鳥状に配置してあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のフレーム付き膜電極接合体。
6. 電解質膜の外周延出部における貫通孔が、複数箇所に設けてあると共に、隣接する貫通孔同士が異なる方向から打ち抜き成形されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のフレーム付き膜電極接合体。
7. フレームが、膜電極接合体を配置する開口部と、開口部の周縁に沿って形成され且つフレームの厚さ分に相当する段差部を備えていると共に、フレームの開口部の内周縁部が、段差部によりフレームの片面側に偏倚した状態であり、
   補助フレームが、内周縁部における偏倚側とは反対側の面に配置してあることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のフレーム付き膜電極接合体。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のフレーム付き膜電極接合体と、このフレーム付き膜電極接合体を挟持する一対のセパレータを備えたことを特徴する燃料電池用単セル。
9. 請求項８に記載の燃料電池用単セルを複数積層した構造を有することを特徴とする燃料電池スタック。

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