JP2014017150A - 樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、接着剤が外部にはみ出すことを良好に抑制することができ、作業性を向上させ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、段差電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂製枠部材２４とを備える。段差電解質膜・電極構造体１０ａは、固体高分子電解質膜１８、カソード電極２０及びアノード電極２２を有する。段差電解質膜・電極構造体１０ａの段差部２３側と樹脂製枠部材２４の段部２５側とは、接着剤により互いに固定されるとともに、前記段差部２３と前記段部２５との境界部位には、前記接着剤を溜めるための凹部２８が設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、段差電解質膜・電極構造体と樹脂製枠部材とを備える樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池に関する。

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）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極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に開示されている電解質膜−電極接合体が知られている。この電解質膜−電極接合体では、図１６に示すように、膜１の一方の側には、アノード触媒層２ａとアノード拡散層２ｂとが配置されるとともに、前記膜１の他方の側には、カソード触媒層３ａとカソード拡散層３ｂとが配置されて段差ＭＥＡ４が構成されている。

アノード拡散層２ｂは、カソード拡散層３ｂよりも大きな面積に設定されており、前記カソード拡散層３ｂ側の膜１の外周部とガスケット構造体５の内周突部５ａとは、接着層６を介して接合されている。

特開２００７−６６７６６号公報

ところで、上記の特許文献１では、段差ＭＥＡ４とガスケット構造体５とが、接着層６を介して接合される際、前記ＭＥＡ４と前記ガスケット構造体５との隙間から前記接着層６がはみ出すおそれがある。このため、電解質膜−電極接合体の表面には、例えば、はみ出し接着剤６ａ、６ｂが設けられてしまう。従って、はみ出し接着剤６ａ、６ｂを除去する作業が必要になり、段差ＭＥＡ４とガスケット構造体５との接合作業が煩雑化するとともに、作業性が低下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、簡単且つ経済的な構成で、接着剤が外部にはみ出すことを良好に抑制することができ、作業性を向上させることが可能な樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池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、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設されるとともに、前記第１ガス拡散層の平面寸法は、前記第２ガス拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回する枠形状を有しており、段部を介し最外周部よりも薄肉状に形成されて前記第２ガス拡散層側に突出する内周突部が設けられる樹脂製枠部材とを備える樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が組み込まれる燃料電池に関するものである。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、段差電解質膜・電極構造体の段差部側と樹脂製枠部材の段部側とは、接着剤により互いに固定されるとともに、前記段差部と前記段部との境界部位には、前記接着剤を溜めるための凹部が設けられている。

また、この樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、凹部は、樹脂製枠部材の内周突部の端面に、第２ガス拡散層に対向して設けられる第１凹部と、前記内周突部の平面部に、前記第２ガス拡散層の端部から外方に露出する固体高分子電解質膜に対向して設けられる第２凹部とを有することが好ましい。

さらに、この樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、凹部は、樹脂製枠部材の内周突部の端面に、第２ガス拡散層に対向して設けられる第１凹部と、前記内周突部の基端部に、第１ガス拡散層に対向して設けられる第２凹部とを有することが好ましい。

さらにまた、この樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、凹部は、第２ガス拡散層の端面に、樹脂製枠部材の内周突部の端面に対向して設けられる第１凹部と、第１ガス拡散層の端面に、前記内周突部の基端部に対向して設けられる第２凹部とを有することが好ましい。

本発明によれば、段差電解質膜・電極構造体の段差部側と樹脂製枠部材の段部側とが、接着剤により互いに固定される際、前記接着剤は、前記段差部と前記段部との境界部位に沿って移動し、凹部に溜められる。このため、接着剤は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の外部に漏れ出すことがない。

従って、段差部と段部との境界部位に凹部を設けるだけでよい。これにより、簡単且つ経済的な構成で、接着剤が外部にはみ出すことを良好に抑制することができ、作業性を向上させ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・電極構造体のカソード電極側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・電極構造体が組み込まれる固体高分子型燃料電池の要部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が組み込まれる固体高分子型燃料電池の要部断面説明図である。 別の凹部の形状を示す説明図である。 また別の凹部の形状を示す説明図である。 さらに別の凹部の形状を示す説明図である。 さらにまた別の凹部の形状を示す説明図である。 他の凹部の形状を示す説明図である。 また他の凹部の形状を示す説明図である。 さらに他の凹部の形状を示す説明図である。 さらにまた他の凹部の形状を示す説明図である。 特許文献１に開示された電解質膜−電極接合体の説明図である。

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、固体高分子型燃料電池１２に組み込まれる。燃料電池１２は、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。

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、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。

図２に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、段差電解質膜・電極構造体１０ａを備える。段差電解質膜・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を挟持するカソード電極（第１電極）２０及びアノード電極（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。

アノード電極２２は、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２０よりも小さな平面寸法（表面積）を有する。なお、アノード電極２２とカソード電極２０の平面寸法の大小関係が反対になって、前記カソード電極２０は、前記アノード電極２２よりも小さな平面寸法（表面積）を有していてもよい。

カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置されるとともに、アノード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される。

カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される第１電極触媒層（第１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とを有する。第１電極触媒層２０ａと第１ガス拡散層２０ｂとは、同一の平面寸法に設定される。

アノード電極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（第２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とを有する。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る。第１電極触媒層２０ａは、第２電極触媒層２２ａよりも大きな平面寸法を有しているが、前記第１電極触媒層２０ａは、前記第２電極触媒層２２ａと、同一の平面寸法に設定されてもよい。

第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子と、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の両方の面１８ａ、１８ｂに印刷、塗布又は転写することによって構成される。

第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンブラック及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を含む下地層をカーボンペーパの膜側に塗布して形成される。下地層は、カーボンペーパと同じ表面寸法に設定されている。なお、下地層は、必要に応じて設ければよい。また、カソード電極２０及びアノード電極２２は、上記の各層以外の層を有していてもよい。第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法は、第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法よりも大きな寸法に設定される。段差電解質膜・電極構造体１０ａは、第２ガス拡散層２２ｂの端部外方に、固体高分子電解質膜１８が露呈する段差部２３を有する。

図１及び図２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２２及びカソード電極２０に接合される樹脂製枠部材２４を備える。樹脂製枠部材２４の両側面とカソード電極２０の側面及びアノード電極２２の側面とは、矢印Ｃ方向に沿って段差のない平坦な形状に設定される。

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、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、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、枠形状を有するとともに、段部２５を介して最外周部よりも薄肉状に形成され、アノード電極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１８ｂｅに当接する内周突部２４ａを有する。固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅは、アノード電極２２を構成する第２ガス拡散層２２ｂの外周端から外方に延在する。

内周突部２４ａは、アノード電極２２と同一の肉厚を有する。固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２０の合計の厚さは、樹脂製枠部材２４の段部２５の厚さ（樹脂製枠部材２４の厚さから内周突部２４ａの厚さを引いた寸法）と同一の厚さに設定される。

段差電解質膜・電極構造体１０ａの段差部２３側、例えば、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅと、樹脂製枠部材２４の段部２５側、例えば、内周突部２４ａとは、接着層２６により互いに固定される。接着層２６は、反応性の液状接着剤や常温で固形状のホットメルト接着剤等が使用される。

反応性液状接着剤としては、例えば、シリコーン系接着剤、ウレタン系、フッ素系又はエポキシ系の接着剤が使用される。ホットメルト接着剤としては、例えば、ウレタン系、エステル系、エポキシ系、アミド系又はオレフィン系の接着剤が使用される。接着剤の塗工方法としては、スプレー、ディスペンサー、スクリーン印刷、インクジェット又は浸漬等の種々の方法が採用される。

段差部２３と段部２５との境界部位には、上記の接着剤を溜めるための凹部２８が設けられる。凹部２８は、樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａの端面に、第２ガス拡散層２２ｂに対向して設けられる第１凹部２８ａと、前記内周突部２４ａの内側平面（平面部）２４ａｓに、前記第２ガス拡散層２２ｂの端部から外方に露出する固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅの先端縁部に対向して設けられる第２凹部２８ｂとを有する。

第１凹部２８ａ及び第２凹部２８ｂは、開口断面矩形状を有するとともに、接着層２６の両端に設けられる。第１凹部２８ａは、樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａの端面を周回する額縁形状を有する。第２凹部２８ｂは、図２及び図３に示すように、内周突部２４ａの基端縁部（段部２５を形成する壁面の近傍）を周回する額縁形状を有する。

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、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、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが、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ための燃料ガス入口連通孔３４ａ、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。

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３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。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３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０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４２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４４が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材４２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の内周突部２４ａに当接する第１凸状シール４２ａと、第２セパレータ１６の第２シール部材４４に当接する第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、第２凸状シール４２ｂに当接する面が平面を有する平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４２ｂに代えて、第２シール部材４４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。

第１及び第２シール部材４２、４４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。

図１に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３４ａを燃料ガス流路３８に連通する供給孔部４６と、前記燃料ガス流路３８を燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する排出孔部４８とが形成される。

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４に示すように、段差ＭＥＡである段差電解質膜・電極構造体１０ａが作製される。具体的には、触媒と溶媒との混合物にイオン導電性バインダー溶液を投入し、所定のインク粘度まで混合した電極インクを、ＰＥＴフィルムからなるＰＥＴシートにスクリーン印刷により塗工した電極シートを形成し、前記電極シート間に固体高分子電解質膜１８を挟持してホットプレスを行う。その後、ＰＥＴシートを剥がすことにより、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ及び面１８ｂには、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａが形成される。

さらに、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂの製造工程では、カーボンブラック及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を含む混合物をエチレングリコールに均一に分散させたスラリーが形成される。このスラリーは、カーボンペーパに塗布して乾燥されることにより、前記カーボンペーパに下地層が設けられた第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂが作製される。

そこで、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ側に、すなわち、第１電極触媒層２０ａに第１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に、すなわち、第２電極触媒層２２ａに第２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、段差電解質膜・電極構造体１０ａが作製される。

一方、樹脂製枠部材２４は、金型（図示せず）を用いて射出成形することにより、予め成形される。樹脂製枠部材２４は、最外周部よりも肉薄形状の内周突部２４ａを有するとともに、前記内周突部２４ａには、第１凹部２８ａ及び第２凹部２８ｂが一体成形される。

次に、樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａの内側平面２４ａｓには、接着層２６を構成する接着剤２６ａが全周に亘って塗布された後、前記樹脂製枠部材２４の段部２５に段差電解質膜・電極構造体１０ａの段差部２３が重ね合わされる。具体的には、樹脂製枠部材２４の内側平面２４ａｓと、段差電解質膜・電極構造体１０ａを構成する固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅとが、接着剤２６ａを介して重ね合わされる（図５参照）。

そして、接着剤２６ａは、化学反応や加熱処理、冷却処理等により接着層２６として、内側平面２４ａｓと固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅとを接着する。その際、液状の接着剤２６ａは、加圧されるため、段差部２３と段部２５との境界部位に沿って移動する。

この場合、第１の実施形態では、樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａの端面に、第２ガス拡散層２２ｂに対向して第１凹部２８ａが設けられている。一方、内周突部２４ａの内側平面（平面部）２４ａｓに、第２ガス拡散層２２ｂの端部から外方に露出する固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅの先端縁部に対向して第２凹部２８ｂが設けられている。

このため、接着剤２６ａの一部は、固体高分子電解質膜１８の先端側に移動し、この固体高分子電解質膜１８の先端部からアノード電極２２の先端に沿って移動する（図５中、矢印ｈ１方向）。従って、接着剤２６ａの一部は、第２ガス拡散層２２ｂに対向する第１凹部２８ａに収容され、外部に漏れ出すことがない。一方、接着剤２６ａの他の一部は、内周突部２４ａの基端部側（段部２５の壁面側）に移動する（図５中、矢印ｈ２方向）。これにより、接着剤２６ａの他の一部は、第２凹部２８ｂに収容されて、外部に漏れ出すことがない。

このように、第１の実施形態では、段差電解質膜・電極構造体１０ａの段差部２３側と樹脂製枠部材２４の段部２５側とが、接着剤２６ａにより互いに固定される際、前記接着剤２６ａは、前記段差部２３と前記段部２５との境界部位に沿って移動し、凹部２８（第１凹部２８ａ及び第２凹部２８ｂ）に良好に溜められる。

このため、段差部２３と段部２５との境界部位に、凹部２８を設けるだけでよく、簡単且つ経済的な構成で、接着剤２６ａが樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０の外部にはみ出すことを良好に抑制することができる。従って、作業性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

次に、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、図２に示すように、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持される。第１セパレータ１４は、第１凸状シール４２ａを介して樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａに当接し、第２セパレータ１６と共に樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０に荷重を付与する。さらに、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Ｂ方向に移動して段差電解質膜・電極構造体１０ａのカソード電極２０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４６を通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、段差電解質膜・電極構造体１０ａのアノード電極２２に供給される。

従って、各段差電解質膜・電極構造体１０ａでは、カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２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２０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２２に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４８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４０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。

図６に示すように、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は、固体高分子型燃料電池６１に組み込まれる。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及び燃料電池１２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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、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、段差電解質膜・電極構造体６０ａと樹脂製枠部材６２とを備える。樹脂製枠部材６２は、段差部２３と段部２５との境界部位に、接着剤２６ａを溜めるための凹部６４が設けられる。凹部６４は、樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａの端面に、第２ガス拡散層２２ｂに対向して設けられる第１凹部６４ａと、段部２５の端面に、第１ガス拡散層２０ｂに対向して設けられる第２凹部６４ｂとを有する。

このように構成される第２の実施形態では、凹部６４を構成する第１凹部６４ａと第２凹部６４ｂとの間隔が大きくなる。すなわち、第２ガス拡散層２２ｂに対向する位置から第１ガス拡散層２０ｂに対向する位置まで及んでいる。従って、段差電解質膜・電極構造体６０ａと樹脂製枠部材６２との接合強度が一層向上するという効果が得られる。

図７に示すように、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は、固体高分子型燃料電池７１に組み込まれる。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７０は、段差電解質膜・電極構造体７０ａと樹脂製枠部材７２とを備える。段差電解質膜・電極構造体７０ａは、段差部２３と段部２５との境界部位に、接着剤２６ａを溜めるための凹部７４が設けられる。凹部７４は、第２ガス拡散層２２ｂの端面に、樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａの端面に対向して設けられる第１凹部７４ａと、第１ガス拡散層２０ｂの端面に、段部２５の端面に対向して設けられる第２凹部７４ｂとを有する。

このように構成される第３の実施形態では、樹脂製枠部材７２側に代えて、段差電解質膜・電極構造体７０ａ側に凹部７４が設けられている。このため、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。

なお、凹部２８、６４及び７４は、開口断面矩形状を有しているが、これに限定されるものではない。例えば、図８に示すように、開口断面半円形状の凹部８０、図９に示すように、角部にＲを有する開口断面矩形状の凹部８２、図１０に示すように、開口断面楕円形状の凹部８４を用いることができる。角部にＲを有することにより、応力集中が発生し難くなるとともに、液状接着剤が円滑に流れることが可能になる。

さらに、図１１に示すように、開口断面楕円形状の凹部８６、図１２に示すように、底部にＲを有する開口断面三角形状の凹部８８、図１３に示すように、開口断面台形状の凹部９０ａ、９０ｂの複数の凹部及び図１４に示すように、開口断面円弧形状の凹部９２ａと開口断面台形状の凹部９２ｂとの複数の凹部が使用可能である。また、図１５に示すように、複数の独立した円形、四角形、多角形、線状の凹みからなる凹部９４を全周に亘って設けて用いてもよい。

１０、６０、７０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１０ａ、６０ａ、７０ａ…段差電解質膜・電極構造体
１２、６１、７１…燃料電池
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
２０…カソード電極 ２０ａ、２２ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層 ２２…アノード電極
２３…段差部 ２４、６２、７２…樹脂製枠部材
２４ａ…内周突部 ２５…段部
２６…接着層 ２６ａ…接着剤
２８、２８ａ、２８ｂ、６４、６４ａ、６４ｂ、７４、７４ａ、７４ｂ、８０、８２、８４、８６、８８、９０ａ、９０ｂ、９２ａ、９２ｂ、９４…凹部
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 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路 ４２、４４…シール部材

Claims (5)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設されるとともに、前記第１ガス拡散層の平面寸法は、前記第２ガス拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差電解質膜・電極構造体と、
   前記固体高分子電解質膜の外周を周回する枠形状を有しており、段部を介し最外周部よりも薄肉状に形成されて前記第２ガス拡散層側に突出する内周突部が設けられる樹脂製枠部材と、
   を備え、燃料電池に組み込まれる樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
   前記段差電解質膜・電極構造体の段差部側と前記樹脂製枠部材の前記段部側とは、接着剤により互いに固定されるとともに、
   前記段差部と前記段部との境界部位には、前記接着剤を溜めるための凹部が設けられることを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
2. 請求項１記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記凹部は、前記樹脂製枠部材の前記内周突部の端面に、前記第２ガス拡散層に対向して設けられる第１凹部と、
   前記内周突部の平面部に、前記第２ガス拡散層の端部から外方に露出する前記固体高分子電解質膜に対向して設けられる第２凹部と、
   を有することを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
3. 請求項１記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記凹部は、前記樹脂製枠部材の前記内周突部の端面に、前記第２ガス拡散層に対向して設けられる第１凹部と、
   前記内周突部の基端部に、前記第１ガス拡散層に対向して設けられる第２凹部と、
   を有することを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
4. 請求項１記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記凹部は、前記第２ガス拡散層の端面に、前記樹脂製枠部材の前記内周突部の端面に対向して設けられる第１凹部と、
   前記第１ガス拡散層の端面に、前記内周突部の基端部に対向して設けられる第２凹部と、
   を有することを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
5. 固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設されるとともに、前記第１ガス拡散層の平面寸法は、前記第２ガス拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差電解質膜・電極構造体と、
   前記固体高分子電解質膜の外周を周回する枠形状を有しており、段部を介し最外周部よりも薄肉状に形成されて前記第２ガス拡散層側に突出する内周突部が設けられる樹脂製枠部材と、
   を備える樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を組み込む燃料電池であって、
   前記段差電解質膜・電極構造体の段差部側と前記樹脂製枠部材の前記段部側とは、接着剤により互いに固定されるとともに、
   前記段差部と前記段部との境界部位には、前記接着剤を溜めるための凹部が設けられることを特徴とする燃料電池。

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