JP2014029834A - 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】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ＭＥＡ構成部１０ａと、前記ＭＥＡ構成部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の第２ガス拡散層２２ｂの外周端から外方に延在する外周縁部１８ｂｅと樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａとの間には、接着層２６が設けられるとともに、前記接着層２６は、前記第２ガス拡散層２２ｂの外周端縁部と重なり部位２６ａを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、段差ＭＥＡに保護部材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、それぞれ設けられた電解質膜・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）とにより構成されている。

燃料電池は、電解質膜・電極構造体をセパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。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燃料電池電気自動車に搭載されている。

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ため、前記固体高分子電解質膜を薄膜状に形成している。このため、薄膜状で強度が低い固体高分子電解質膜を保護するために、保護部材として、例えば、樹脂製枠部材を組み込んだ枠付きＭＥＡが採用されている。

枠付きＭＥＡとして、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１７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。

本発明に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体は、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電極が配設されている。第１ガス拡散層の平面寸法は、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ている。

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には、前記外周縁部を周回する枠形状の保護部材が設けられている。そして、固体高分子電解質膜の外周縁部と保護部材との間には、緩衝部材が設けられるとともに、前記緩衝部材は、第２ガス拡散層の外周端縁部と重なり部位を有している。

また、この燃料電池用電解質膜・電極構造体では、緩衝部材は、固体高分子電解質膜の外周縁部と保護部材とを接合するための接着層であることが好ましい。

さらに、この燃料電池用電解質膜・電極構造体では、接着層は、第１触媒層又は前記第１触媒層と第１ガス拡散層との間に介装される中間層に対して重なり部位を有することが好ましい。

さらにまた、この燃料電池用電解質膜・電極構造体では、保護部材は、固体高分子電解質膜の外周を周回する枠形状を有し、段部を介し最外周よりも薄肉状に形成されて第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であることが好ましい。固体高分子電解質膜の外周縁部と樹脂製枠部材の内周突部との間には、緩衝部材が設けられることが好ましい。

また、この燃料電池用電解質膜・電極構造体では、第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層と樹脂製枠部材とは、樹脂含浸部を介して一体化されるとともに、前記樹脂含浸部の融点は、緩衝部材の融点よりも高く設定されることが好ましい。

さらに、この燃料電池用電解質膜・電極構造体では、保護部材は、固体高分子電解質膜の外周縁部に配置される保護フィルムであることが好ましい。

本発明によれば、緩衝部材が介装されているため、保護部材の内側角部及び第２ガス拡散層の外周端角部は、直接、固体高分子電解質膜の面に接することがない。このため、保護部材の内側角部や第２ガス拡散層の外周端角部は、固体高分子電解質膜に押し込まれることがない。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。

本発明の第１の実施形態に係る電解質膜・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断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る電解質膜・電極構造体を組み込む固体高分子型燃料電池の要部断面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の要部拡大断面図である。 前記電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る電解質膜・電極構造体を組み込む固体高分子型燃料電池の要部断面説明図である。 前記電解質膜・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５の実施形態に係る電解質膜・電極構造体を組み込む固体高分子型燃料電池の要部断面説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る電解質膜・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、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、電解質膜・電極構造体１０は、ＭＥＡ構成部１０ａを備える。ＭＥＡ構成部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。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。なお、固体高分子電解質膜１８は、カソード電極２０の外周から外方に延在していてもよい。

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。なお、第１電極触媒層２０ａは、第１ガス拡散層２０ｂよりも平面寸法が小さくてもよい。

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。なお、第２電極触媒層２２ａは、第２ガス拡散層２２ｂよりも小さな平面寸法でもよく、又は、大きな平面寸法でもよい。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を有し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用する。この高分子電解質の溶液中に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）粒子を含む中間層をカーボンペーパに塗布して形成される。中間層は、カーボンペーパと同じ平面寸法に設定されている。なお、中間層は、必要に応じて設ければよい。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。

図１及び図２に示すように、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に接合されて前記固体高分子電解質膜１８を保護する保護部材、例えば、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、段部を介し最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。

内周突部２４ａは、アノード電極２２と略同一の厚さＬ１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の段部の厚さ（樹脂製枠部材２４全体の厚さから内周突部２４ａの厚さＬ１を引いた寸法）と同一の厚さＬ２に設定される。

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、緩衝部材として、例えば、接着層２６が設けられる。接着層２６は、弾性を有する接着剤が使用され、例えば、シリコーン系樹脂やホットメルト接着剤（加熱により溶融し、冷却により固化して接着力を得る接着剤）等の熱接着シート等の熱可塑性樹脂の接着剤が使用される。

熱可塑性樹脂の接着剤の場合、融点が耐久性の観点から、１５０℃以上が好ましい。あるいは、接合時の温度である１２０℃での柔らかさが、固体高分子電解質膜１８よりも柔らかいことが好ましい。加熱接合時に、接着層２６が固体高分子電解質膜１８よりも柔らかくなることにより、前記接着層２６が変形して前記固体高分子電解質膜１８の厚さの減少を抑制することが可能になるからである。

具体的には、例えば、熱機械分析装置（ＴＭＡ）が使用される。このＴＭＡでは、固体高分子電解質膜１８及び接着層２６に、それぞれ円柱状針が所定の荷重になるように取り付けられる。そして、所定の昇温速度で昇温させながら、円柱状針の進入深さ量を検出することにより、固体高分子電解質膜１８及び接着層２６の１２０℃における柔らかさを測定する。その結果、固体高分子電解質膜１８よりも、例えば、１．５倍以上の針進入深さ量が得られる接着層２６が選択される。

接着層２６は、第２電極触媒層２２ａの厚さ以上の厚さに設定される。接着層２６の厚さは、第２電極触媒層２２ａの厚さよりも１０μｍ以上厚く設定される。電解質膜・電極構造体１０の加熱接合時に、固体高分子電解質膜１８を押し込んで前記固体高分子電解質膜１８の厚さが減少することを抑制するためである。接着層２６の厚さは、第２電極触媒層２２ａの厚さよりも１５０μｍ以下だけ厚く設定される。燃料電池１２の積層方向の寸法が、必要以上に大きくなることを抑制するためである。

接着層２６は、絶縁性を有することが好ましい。なお、緩衝部材は、熱硬化性樹脂を用いた接着剤でもよく、又は、接着性を有していなくてもよい。

接着層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を有するとともに、前記重なり部位２６ａは、前記第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。なお、重なり部位２６ａは、第２ガス拡散層２２ｂと中間層（図示せず）との間に設けてもよい。図３に示すように、接着層２６は、内周突部２４ａの形状に倣って額縁形状を有する。

重なり部位２６ａは、図２に示すように、重なり長さＳを有している。重なり長さＳは、０．２ｍｍ以上で且つ３．０ｍｍ以下に設定される。重なり長さＳが０．２ｍｍ未満であると、アノード電極２２の端部への反応ガスの拡散が良好に抑制され、十分なガス遮断性が得られて電極劣化を阻止することができる。重なり長さＳが３．０ｍｍを超えると、反応（発電）に寄与しない領域が拡大し、電解質膜・電極構造体１０全体が大型化する。

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、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、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ＭＥＡであるＭＥＡ構成部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する。そして、一対の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。

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中間層とからなる第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、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の外周縁部には、接着層２６が設けられる。例えば、熱接着シートであるホットメルトシートｈｓが接着層２６の形状に対応して枠状に形成された後、このホットメルトシートｈｓが固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅに配置される。

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の中間層側が配置される。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の中間層側が配置される。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、ＭＥＡ構成部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。図６に示すように、樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａには、ＭＥＡ構成部１０ａが位置決め配置される。この状態で、ホットプレス処理が施されることにより、ホットメルトシートｈｓが溶融して接着層２６が形成され、ＭＥＡ構成部１０ａと樹脂製枠部材２４とが接着されて電解質膜・電極構造体１０が得られる（図７参照）。

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ＭＥＡ構成部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、ＭＥＡ構成部１０ａのアノード電極２２に供給される。

従って、各ＭＥＡ構成部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、ＭＥＡ構成部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、緩衝部材として接着層２６が設けられている。接着層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１８ｂに接することがない。従って、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がない。

これにより、第１の実施形態では、接着層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、接着層２６は、アノード電極２２の第２ガス拡散層２２ｂの外周端縁部と重なり部位２６ａを有するとともに、前記重なり部位２６ａは、前記第２ガス拡散層２２ｂと第２電極触媒層２２ａとの間に設けられている。このため、アノード電極２２の端部への反応ガスの拡散が良好に抑制され、十分なガス遮断性が得られて電極劣化を阻止することができる。

さらに、加熱接合時に、接着層２６が固体高分子電解質膜１８よりも柔らかくなっている。従って、加熱接合時に、接着層２６が変形し、固体高分子電解質膜１８の厚さの減少を抑制することが可能になる。さらにまた、接着層２６は、第２電極触媒層２２ａの厚さよりも１０μｍ以上厚く設定されている。これにより、加熱接合時に、固体高分子電解質膜１８を押し込んで前記固体高分子電解質膜１８の厚さが減少することを抑制することができる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る電解質膜・電極構造体５０を組み込む固体高分子型燃料電池５２の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る電解質膜・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以降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では、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、例えば、クッション層５４が設けられる。クッション層５４は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＰ（ポリプロピレン）等のシート、さらにこれらの材料に接着剤を混在させたものが使用される。接着剤は、エポキシ系、アクリル系、ウレタン系、オレフィン系、シリコーン系等が用いられ、これらを半硬化状態でシートに成形したものが好ましい。クッション層５４は、絶縁性を有することが好ましい。

クッション層５４は、額縁形状を有するとともに、アノード電極２２の第２ガス拡散層２２ｂの外周端縁部と重なり部位（積層方向に互いに重なり合う部位）５４ａを設ける。重なり部位５４ａは、第２ガス拡散層２２ｂと第２電極触媒層２２ａとの間に介装される。特に、クッション層５４がシートである際には、樹脂製枠部材２４と前記クッション層５４との間には、接着層５６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、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１８ｂに接することがない。従って、クッション層５４を用いるだけよく、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等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る電解質膜・電極構造体６０を組み込む固体高分子型燃料電池６２の要部断面説明図である。

電解質膜・電極構造体６０では、図９及び図１０に示すように、樹脂製枠部材２４とカソード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂとは、樹脂含浸部６４ａにより一体化される。樹脂製枠部材２４とアノード電極２２の第２ガス拡散層２２ｂとは、樹脂含浸部６４ｂにより一体化される。

樹脂含浸部６４ａは、カソード電極２０の第１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６４ｂは、アノード電極２２の第２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６４ａ、６４ｂは、例えば、樹脂製枠部材２４と同じ材料又は同じ材料系で構成され、前記樹脂含浸部６４ａ、６４ｂの融点は、接着層２６の融点よりも高く設定される。接着層２６としては、例えば、オレフィン系、エステル系、ウレタン系、アクリル系の熱可塑性樹脂、又はホットメルト接着剤が好適である。

なお、樹脂含浸部６４ａ、６４ｂは、樹脂製枠部材２４に積層方向外方に突出して一体に設けられる凸部により構成してもよい。

次に、電解質膜・電極構造体６０を製造する方法について、以下に概略的に説明する。

第１の実施形態と同様に、先ず、段差ＭＥＡであるＭＥＡ構成部１０ａが作製された後、接着層２６を介して前記ＭＥＡ構成部１０ａが樹脂製枠部材２４に接着される。

さらに、図１１に示すように、カソード電極２０側には、樹脂含浸部６４ａを形成するための枠状樹脂部材６４ａｆが用意される。そして、ＭＥＡ構成部１０ａと樹脂製枠部材２４とには、枠状樹脂部材６４ａｆが配置されて荷重が付与された状態で、前記枠状樹脂部材６４ａｆが加熱される（第１含浸処理）。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、枠状樹脂部材６４ａｆは、加熱溶融され、前記枠状樹脂部材６４ａｆは、カソード電極２０を構成する第１ガス拡散層２０ｂ及び樹脂製枠部材２４に跨って含浸される。

その際、枠状樹脂部材６４ａｆの融点は、接着層２６の融点よりも高く設定されている。このため、枠状樹脂部材６４ａｆが含浸されるとともに、接着層２６が溶融（軟化）することにより、前記接着層２６を介して不要な応力が発生することがない。従って、枠状樹脂部材６４ａｆが良好に含浸された樹脂含浸部６４ａが得られるという効果がある。

次いで、アノード電極２２側には、樹脂含浸部６４ｂを形成するための枠状樹脂部材６４ｂｆが用意される。そして、ＭＥＡ構成部１０ａと樹脂製枠部材２４とには、枠状樹脂部材６４ｂｆが配置されて荷重が付与された状態で、前記枠状樹脂部材６４ｂｆが加熱される（第２含浸処理）。加熱方式としては、レーザ溶着、赤外線溶着、電熱溶着やインパルス溶着等が採用される。

従って、枠状樹脂部材６４ｂｆは、加熱溶融され、前記枠状樹脂部材６４ｂｆは、アノード電極２２を構成する第２ガス拡散層２２ｂ及び樹脂製枠部材２４に跨って含浸される。

その際、枠状樹脂部材６４ｂｆの融点は、接着層２６の融点よりも高く設定されている。このため、枠状樹脂部材６４ｂｆが含浸されるとともに、接着層２６が溶融（軟化）することにより、前記接着層２６を介して不要な応力が発生することがない。従って、枠状樹脂部材６４ｂｆが良好に含浸された樹脂含浸部６４ｂが得られるという効果がある。

図１２は、本発明の第４の実施形態に係る電解質膜・電極構造体７０を組み込む固体高分子型燃料電池７２の要部断面説明図である。

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、緩衝部材として、例えば、接着層７４が設けられる。接着層７４は、アノード電極２２の第２ガス拡散層２２ｂ及び第２電極触媒層２２ａの外周端縁部と重なり部位（積層方向に互いに重なり合う部位）７４ａを有する。重なり部位７４ａは、固体高分子電解質膜１８と第２電極触媒層２２ａとの間に設けられる。

次に、電解質膜・電極構造体７０を製造する方法について、以下に概略的に説明する。

先ず、図１３に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに第１電極触媒層２０ａが形成された後、前記第１電極触媒層２０ａ側に第１ガス拡散層２０ｂが配置される。

固体高分子電解質膜１８の面１８ｂ側には、ホットメルトシートｈｓが配置され、さらに前記ホットメルトシートｈｓと一部を重ね合わせて第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂが配置される。第２電極触媒層２２ａは、予め第２ガス拡散層２２ｂに形成されている。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、ＭＥＡ構成部７０ａが作製される。

次いで、図１４に示すように、樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａには、ＭＥＡ構成部７０ａが位置決め配置される。この状態で、ホットプレス処理が施されることにより、ホットメルトシートｈｓが溶融して接着層７４が形成され、ＭＥＡ構成部７０ａと樹脂製枠部材２４とが接着されて電解質膜・電極構造体７０が得られる。

このように構成される第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図１５は、本発明の第５の実施形態に係る電解質膜・電極構造体８０を組み込む固体高分子型燃料電池８２の要部断面説明図である。

電解質膜・電極構造体８０は、ＭＥＡ構成部８０ａを備える。ＭＥＡ構成部８０ａは、固体高分子電解質膜１８をアノード電極（第１電極）８４とカソード電極（第２電極）８６とで挟持する。カソード電極８６は、固体高分子電解質膜１８及びアノード電極８４よりも小さな平面寸法（表面積）を有する。すなわち、第１の実施形態の図２に対して、アノード寸法とカソード寸法との大小関係が逆である。

アノード電極８４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）８４ａと、前記第１電極触媒層８４ａに積層される第１ガス拡散層８４ｂとを有する。第１電極触媒層８４ａと第１ガス拡散層８４ｂとは、同一の平面寸法に設定される。なお、第１電極触媒層８４ａは、第１ガス拡散層８４ｂよりも平面寸法が小さくてもよい。

カソード電極８６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）８６ａと、前記第２電極触媒層８６ａに積層される第２ガス拡散層８６ｂとを有する。第２電極触媒層８６ａと第２ガス拡散層８６ｂとは、同一の平面寸法に設定される。なお、第２電極触媒層８６ａは、第２ガス拡散層８６ｂよりも小さな平面寸法でもよく、又は、大きな平面寸法でもよい。

第１電極触媒層８４ａは、第２電極触媒層８６ａ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８４ａと前記第２電極触媒層８６ａ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８４ｂの平面寸法は、第２ガス拡散層８６ｂの平面寸法よりも大きな寸法に設定される。

このように構成される第５の実施形態では、接着層２６は、カソード電極８６の第２ガス拡散層８６ｂの外周端縁部と重なり部位２６ａを有するとともに、前記重なり部位２６ａは、前記第２ガス拡散層８６ｂと第２電極触媒層８６ａとの間に設けられている。

このため、カソード電極８６の端部への反応ガスの拡散が良好に抑制され、十分なガス遮断性が得られて電極劣化を阻止することができるという効果が得られる。なお、第５の実施形態では、上記の第２〜第４の実施形態と同様に構成してもよい。

図１６は、本発明の第６の実施形態に係る電解質膜・電極構造体９０を組み込む固体高分子型燃料電池９２の要部断面説明図である。

電解質膜・電極構造体９０は、例えば、ＭＥＡ構成部１０ａを備え、前記ＭＥＡ構成部１０ａには、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅを周回して保護部材、例えば、保護フィルム９４が設けられる。なお、ＭＥＡ構成部１０ａに代えて、ＭＥＡ構成部７０ａ又は８０ａを使用してもよい。

保護フィルム９４は、接着層２６を介して固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅに接着される。保護フィルム９４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。

このように構成される第６の実施形態では、樹脂製枠部材２４に代えて保護フィルム９４を採用することができ、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、５０、６０、７０、８０、９０…電解質膜・電極構造体
１０ａ、７０ａ、８０ａ…ＭＥＡ構成部
１２、５２、６２、７２、８２、９２…燃料電池
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
２０、８６…カソード電極
２０ａ、２２ａ、８４ａ、８６ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ、８４ｂ、８６ｂ…ガス拡散層
２２、８４…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、５６、７４…接着層
２６ａ、５４ａ、７４ａ…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 ５４…クッション層
６４ａ、６４ｂ…樹脂含浸部 ６４ａｆ、６４ｂｆ…枠状樹脂部材
９４…保護フィルム

Claims (6)

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には、前記外周縁部を周回する枠形状の保護部材が設けられ、
   前記固体高分子電解質膜の前記外周縁部と前記保護部材との間には、緩衝部材が設けられるとともに、
   前記緩衝部材は、前記第２ガス拡散層の外周端縁部と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。
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、前記緩衝部材は、前記固体高分子電解質膜の前記外周縁部と前記保護部材とを接合するための接着層であることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
3. 請求項２記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記接着層は、前記第１触媒層又は前記第１触媒層と前記第１ガス拡散層との間に介装される中間層に対して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。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記保護部材は、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、段部を介し最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であり、
   前記固体高分子電解質膜の前記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、前記緩衝部材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。
5. 請求項４記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記第１ガス拡散層及び前記第２ガス拡散層と前記樹脂製枠部材とは、樹脂含浸部を介して一体化されるとともに、
   前記樹脂含浸部の融点は、前記緩衝部材の融点よりも高く設定されることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記保護部材は、前記固体高分子電解質膜の前記外周縁部に配置される保護フィルムであ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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