JP2014026799A - 燃料電池用電解質膜・電極構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜へのダメージを良好に抑制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、固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極２０及びアノード電極２２を有する電解質膜・電極構造体１０ａと、前記電解質膜・電極構造体１０ａを周回して接合される樹脂製枠部材２４とを備える。固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅと樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａとの間には、緩衝層２６が設けられる。緩衝層２６は、絶縁性多孔質体に接着剤を含浸させて構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜・電極構造体の両面に電極が設けられる燃料電池用電解質膜・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（両面）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。

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、段差型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１１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、面積の小さなカソード拡散層３ｂの外周角部３ｂｅ及びガスケット構造体５の内周端角部５ａは、膜１上に配置されている。このため、段差ＭＥＡ４とガスケット構造体５とを、互いに位置決め配置する際、又は、運転時に電解質膜−電極接合体に荷重が付与される際、カソード拡散層３ｂの外周角部３ｂｅ及びガスケット構造体５の内周端角部５ａは、膜１に押し込まれるおそれがある。従って、膜１の厚さが減少する等のダメージが発生してしまい、前記膜１の耐久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、固体高分子電解質膜へのダメージを良好に抑制することが可能な燃料電池用電解質膜・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、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、段部を介し外周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、を備える燃料電池用電解質膜・電極構造体に関するものである。

この燃料電池用電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の第２ガス拡散層の外周端から外方に延在する外周縁部と樹脂製枠部材の内周突部との間には、絶縁性多孔質体に接着剤を含浸させた緩衝層が設けられている。

また、この燃料電池用電解質膜・電極構造体では、緩衝層は、第２ガス拡散層の外周端縁部と固体高分子電解質膜との間に配置される重なり部位を有することが好ましい。

さらに、本発明は、固体高分子電解質膜の両面に、触媒層及びガス拡散層を有する電極が配設されるとともに、少なくとも一方の電極を構成する前記触媒層の外周端部又は前記ガス拡散層の外周端部と前記固体高分子電解質膜の外周端部とが、積層方向に対して互いにオフセットする段差部位を有する燃料電池用電解質膜・電極構造体に関するものである。

この燃料電池用電解質膜・電極構造体では、段差部位には、絶縁性多孔質体に接着剤を含浸させた緩衝層が設けられている。

さらにまた、この燃料電池用電解質膜・電極構造体では、電解質膜・電極構造体は、一方の電極を構成する一方のガス拡散層の平面寸法が、他方の電極を構成する他方のガス拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定されるとともに、緩衝層は、他方の前記ガス拡散層の外周端部から外方に延在する固体高分子電解質膜の外周縁部に設けられ、且つ、前記緩衝層は、他方の前記ガス拡散層の外周端縁部と前記固体高分子電解質膜との間に配置される重なり部位を有することが好ましい。

本発明によれば、緩衝層の作用下に、固体高分子電解質膜の面に他の構成部材の角部が、直接、接することがなく、前記角部が前記固体高分子電解質膜に押し込まれることを阻止することができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜へのダメージを良好に抑制することが可能になる。

ここで、緩衝層は、絶縁性多孔質体に接着剤を含浸させて構成されている。このため、緩衝層をセットするだけで、一定量の接着剤を所望の位置に容易に配置させることができる。しかも、電解質膜・電極構造体の作製時に付与される荷重が、緩衝層の潰れにより吸収されるとともに、接着剤が前記緩衝層の界面に形成される隙間を埋めることによって、接着強度の向上が良好に図られる。

さらに、接着剤の粘度に影響されることがないため、適用粘度の幅が拡大される。これにより、安価な接着剤を使用することが可能になり、経済的であるとともに、管理が簡素化する。従って、経済的且つ耐久性に優れる電解質膜・電極構造体を確実に作製することができる。

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・電極構造体のアノ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。 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の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体を組み込む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７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体を組み込む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９中、Ｘ−Ｘ線断面説明図である。 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（燃料電池用電解質膜・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を構成する。

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ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１０ａを備える。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、カソード電極２０は、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と前記第２電極触媒層２２ａとは、同一の平面寸法に設定されてもよい。

第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンペーパ等からなる一方、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記第１ガス拡散層２０ｂ及び前記第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電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、固体高分子電解質膜１８の両面に形成される。

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、枠形状を有しており、段部を介し外周よりも薄肉状に形成されてアノード電極２２の外周側に突出し、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。

固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅと樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａとの間には、緩衝層２６が設けられる。緩衝層２６は、絶縁性多孔質体に接着剤を含浸させて構成され、例えば、セルローススポンジで形成された枠部材に、例えば、エポキシ接着剤が含浸される。なお、緩衝層２６は、セルロース、メラニン、ウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン又はＥＰＤＭ等、種々の素材を用いることができる。

緩衝層２６は、アノード電極２２の第２ガス拡散層２２ｂの外周端縁部と固体高分子電解質膜１８との間に配置される重なり部位（積層方向に互いに重なり合う部位）２６ａを有する。重なり部位２６ａは、第２ガス拡散層２２ｂと第２電極触媒層２２ａとの間に設けられる。図３に示すように、緩衝層２６は、内周突部２４ａの形状に倣って枠形状（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に当接する面がセパレータ面に沿って延在する平面形状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シール部材４２及び第２シール部材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、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成形される一方、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、触媒と溶媒との混合物にバインダー溶液を投入し、所定のインク粘土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、図４に示すように、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。このため、接合体（ＣＣＭ）４９が得られる。

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と下地層とからなる第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂが作製される（図５参照）。

次に、緩衝層２６を構成するスポンジ枠２６ｓｆが作製される。スポンジ枠２６ｓｆは、所定の厚さに形成されたセルローススポンジを用意し、このセルローススポンジの中央を打ち抜くことにより、枠形状に形成される。さらに、スポンジ枠２６ｓｆには、エポキシ接着剤が含浸される。

そこで、第１ガス拡散層２０ｂが、下地層側を上方に向けて配置されるとともに、前記第１ガス拡散層２０ｂ上には、接合体４９が配置される。接合体４９は、第１電極触媒層２０ａを第１ガス拡散層２０ｂに対向して配置される一方、第２電極触媒層２２ａが上方に向かって配置される。

固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅから第２電極触媒層２２ａの外周縁部に亘って、スポンジ枠２６ｓｆが配設される。さらに、第２ガス拡散層２２ｂは、下地層側を下方に向けて第２電極触媒層２２ａ上に配置される。第２電極触媒層２２ａの外周縁部と第２ガス拡散層２２ｂの外周縁部との間には、スポンジ枠２６ｓｆの内周縁部が介装される。

そして、樹脂製枠部材２４は、第２ガス拡散層２２ｂを収容するようにして、接合体４９上に配置される。樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａには、接合体４９が配置される。この状態で、ホットプレス処理が施されることにより、スポンジ枠２６ｓｆを介して電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂製枠部材２４とが接着され、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が得られる（図６参照）。

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、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、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、第１電極触媒層２０ａ内及び第２電極触媒層２２ａ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、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、第１の実施形態では、図２に示すように、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅと樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａとの間には、緩衝部材として緩衝層２６が設けられている。緩衝層２６は、内周突部２４ａから第２電極触媒層２２ａの外周端縁部に亘って延在している。

このため、樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａの内側角部２４ａｅ及び第２ガス拡散層２２ｂの外周端角部２２ｂｅは、直接、固体高分子電解質膜１８の面に接することがない。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を組み付ける際や燃料電池１２の運転時に荷重が付与される際に、内周突部２４ａの内側角部２４ａｅや第２ガス拡散層２２ｂの外周端角部２２ｂｅは、固体高分子電解質膜１８に押し込まれることを阻止することができる。

これにより、第１の実施形態では、緩衝層２６を用いるだけでよく、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜１８へのダメージを良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。

しかも、緩衝層２６は、絶縁性多孔質体に接着剤を含浸させて構成されている。このため、緩衝層２６を、すなわち、スポンジ枠２６ｓｆを配置するだけで、一定量の接着剤を所望の位置に容易に配置させることができる。その上、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０の作製時に付与される荷重が、スポンジ枠２６ｓｆの潰れにより吸収されるとともに、接着剤が前記スポンジ枠２６ｓｆの界面に形成される隙間を埋めることによって、接着強度の向上が良好に図られる。

さらに、接着剤の粘度に影響されることがないため、適用粘度の幅が拡大される。これにより、安価な接着剤を使用することが可能になり、経済的であるとともに、管理が簡素化する。従って、経済的且つ耐久性に優れる樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を確実に作製することができるという効果がある。

図７及び図８に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体５０は、固体高分子型燃料電池５２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。

電解質膜・電極構造体５０は、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１０ａを備える一方、樹脂製枠部材を用いていない。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とともに、前記外周縁部１８ｂｅには、枠形状の緩衝層５４が設けられる。

緩衝層５４は、アノード電極２２の第２ガス拡散層２２ｂの外周端縁部と固体高分子電解質膜１８との間に配置される重なり部位（積層方向に互いに重なり合う部位）５４ａを有する。この緩衝層５４は、緩衝層２６と同様に構成されており、絶縁性多孔質体に接着剤を含浸させて構成され、例えば、セルローススポンジで形成された枠部材に、例えば、エポキシ接着剤が含浸される。

このように構成される第２の実施形態では、緩衝層５４が、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅを覆って設けられており、前記外周縁部１８ｂｅが外部に露呈することがない。このため、外周縁部１８ｂｅを良好に保護することができるとともに、前記外周縁部１８ｂｅに皺が発生することを阻止し、耐久性の向上が容易に図られるという効果が得られる。

しかも、氷点下運転時の水膨張を抑制するとともに、不純物の進入を抑制することが可能になる。その上、第１シール部材４２の第１凸状シール４２ａは、直接、固体高分子電解質膜１８に当接することがなく、前記固体高分子電解質膜１８を有効に保護することができる。

図９及び図１０に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体６０は、固体高分子型燃料電池６２に組み込まれる。

電解質膜・電極構造体６０は、固体高分子電解質膜１８の両面に、前記固体高分子電解質膜１８と同一の平面寸法を有するカソード電極２０及びアノード電極２２を設ける。

具体的には、カソード電極２０を構成する第１ガス拡散層２０ｂ及びアノード電極２２を構成する第２ガス拡散層２２ｂは、固体高分子電解質膜１８と同一の外形寸法に設定される。カソード電極２０を構成する第１電極触媒層２０ａ及びアノード電極２２を構成する第２電極触媒層２２ａは、互いに同一の外形寸法で且つ固体高分子電解質膜１８の外形寸法よりも小さな寸法に設定される。

固体高分子電解質膜１８の一方の外周縁部と第１ガス拡散層２０ｂの外周縁部との間には、枠形状の第１緩衝層６４が設けられる。固体高分子電解質膜１８の他方の外周縁部と第２ガス拡散層２２ｂの外周縁部との間には、枠形状の第２緩衝層６６が設けられる。

第１緩衝層６４は、第１電極触媒層２０ａの外周縁部と第１ガス拡散層２０ｂとの間に配置される重なり部位６４ａを有する。第２緩衝層６６は、第２電極触媒層２２ａの外周縁部と第２ガス拡散層２２ｂとの間に配置される重なり部位６６ａを有する。第１緩衝層６４及び第２緩衝層６６は、緩衝層２６と同様に構成されており、絶縁性多孔質体に接着剤を含浸させて構成され、例えば、セルローススポンジで形成された枠部材に、例えば、エポキシ接着剤が含浸される。

このように構成される電解質膜・電極構造体６０では、固体高分子電解質膜１８の一方の外周縁部と第１ガス拡散層２０ｂの外周縁部との間、及び前記固体高分子電解質膜１８の他方の外周縁部と第２ガス拡散層２２ｂの外周縁部との間に、第１緩衝層６４及び第２緩衝層６６が設けられている。

このため、第３の実施形態では、電解質膜・電極構造体６０は、外周端部からの剥がれを確実に抑制することができ、水溜まりや性能低下を良好に阻止することができるという効果がある。しかも、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａの各電極端部に対する反応ガスや水の供給量が制限される。従って、電極端部の反応集中が抑制され、耐久性の向上が容易に図られる。

１０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１０ａ、５０、６０…電解質膜・電極構造体
１２、５２、６２…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 ２２ｂｅ…外周端角部
２４…樹脂製枠部材 ２４ａ…内周突部
２４ａｅ…内側角部 ２６、５４、６４、６６…緩衝層
２６ａ、５４ａ、６４ａ、６６ａ…重なり部位
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
４９…接合体

Claims (4)

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、段部を介し外周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、
   を備える燃料電池用電解質膜・電極構造体であって、
   前記固体高分子電解質膜の前記第２ガス拡散層の外周端から外方に延在する外周縁部と前記樹脂製枠部材の前記内周突部との間には、絶縁性多孔質体に接着剤を含浸させた緩衝層が設けられることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
2. 請求項１記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記緩衝層は、前記第２ガス拡散層の外周端縁部と前記固体高分子電解質膜との間に配置される重なり部位を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
3. 固体高分子電解質膜の両面に、触媒層及びガス拡散層を有する電極が配設されるとともに、少なくとも一方の電極を構成する前記触媒層の外周端部又は前記ガス拡散層の外周端部と前記固体高分子電解質膜の外周端部とが、積層方向に対して互いにオフセットする段差部位を有する燃料電池用電解質膜・電極構造体であって、
   前記段差部位には、絶縁性多孔質体に接着剤を含浸させた緩衝層が設けられることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
4. 請求項３記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記燃料電池用電解質膜・電極構造体は、一方の前記電極を構成する一方の前記ガス拡散層の平面寸法が、他方の前記電極を構成する他方の前記ガス拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定されるとともに、
   前記緩衝層は、他方の前記ガス拡散層の外周端部から外方に延在する前記固体高分子電解質膜の外周縁部に設けられ、且つ、前記緩衝層は、他方の前記ガス拡散層の外周端縁部と前記固体高分子電解質膜との間に配置される重なり部位を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。

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