JP2014137936A - 樹脂枠付き電解質膜・電極構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、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と樹脂製枠部材２４とは、隙間Ｓ２に充填される接着剤により互いに固定されるとともに、前記隙間Ｓ２は、固体高分子電解質膜１８から離間するのに伴って大きく構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、所謂、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の面に、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が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面に、触媒層（電極触媒層）及びガス拡散層（多孔質カーボン）を有するカソード電極が設けられた電解質膜・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表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（フィルム部材も含む）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、前記段差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固体高分子電解質膜の前記第２ガス拡散層の外周端部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・電極構造体に関するものである。

この樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、樹脂製枠部材の内周突部と固体高分子電解質膜の他方の面との間、及び前記内周突部の内周面と第２ガス拡散層の外周端部との間に接着層が設けられている。そして、内周突部の内周面と第２ガス拡散層の外周端部との間の隙間は、固体高分子電解質膜から離間するのに伴って大きく構成されている。

また、この樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、少なくとも内周突部の内周面又は第２ガス拡散層の外周端部には、固体高分子電解質膜から離間する方向に向かって前記第２ガス拡散層又は前記内周突部から離間する方向に傾斜するテーパ部が設けられることが好ましい。

本発明によれば、段差電解質膜・電極構造体と樹脂製枠部材とは、前記樹脂製枠部材の内周突部と固体高分子電解質膜の他方の面との間、及び前記内周突部の内周面と第２ガス拡散層の外周端部との間に設けられる接着層により固定されている。

その際、内周突部の内周面と第２ガス拡散層の外周端部との間の隙間は、固体高分子電解質膜から離間するのに伴って大きく構成されている。このため、接着剤を充填するための空間部が拡大され、前記接着剤は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の外部に漏れ出すことを確実に抑制される。

従って、簡単且つ経済的な構成で、接着剤の塗布量のばらつきを吸収することができる。これにより、接着剤が外部にはみ出すことを良好に抑制することが可能になり、作業性の向上が容易に図られる。

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・電極構造体の要部分解斜視説明図である。 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。 樹脂製枠部材の内周突部に採用される他の形状の説明図である。 樹脂製枠部材の内周突部に採用される別の形状の説明図である。 樹脂製枠部材の内周突部に採用されるさらに他の形状の説明図である。 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、同一の平面寸法又は同一の平面寸法以下に設定されてもよい。

なお、カソード電極２０及びアノード電極２２は、上記の各層に加えて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。すなわち、樹脂製枠部材２４からカソード電極２０及びアノード電極２２に亘って平坦面に形成される。

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）、ＰＥＴＺ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、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。内周突部２４ａの外面には、先端側から後方に向かって外方に傾斜する、すなわち、先細り形状を形成するテーパ面２４ａｔが形成される。

図３に示すように、段差電解質膜・電極構造体１０ａでは、カソード電極２０の外周端部２０ｅ間に長尺側外形寸法Ｍ１ａ及び短尺側外形寸法Ｍ１ｂが設定されるともに、アノード電極２２の外周端部２２ｅ間に長尺側外形寸法Ｍ２ａ及び短尺側外形寸法Ｍ２ｂが設定される。樹脂製枠部材２４では、段部２５の内周端部２４ｅ間に長尺側内形寸法Ｊ１ａ及び短尺側内形寸法Ｊ１ｂが設定されるとともに、内周突部２４ａの内周端部２４ａｅ間に長尺側内形寸法Ｊ２ａ及び短尺側内形寸法Ｊ２ｂが設定される。

段差電解質膜・電極構造体１０ａ及び樹脂製枠部材２４では、長尺側外形寸法Ｍ１ａ＜長尺側内形寸法Ｊ１ａ、短尺側外形寸法Ｍ１ｂ＜短尺側内形寸法Ｊ１ｂ（図２参照）、長尺側外形寸法Ｍ２ａ＜長尺側内形寸法Ｊ２ａ及び短尺側外形寸法Ｍ２ｂ＜短尺側内形寸法Ｊ２ｂ（図２参照）に設定される。

さらに、（長尺側内形寸法Ｊ１ａ−長尺側外形寸法Ｍ１ａ）＜（長尺側内形寸法Ｊ２ａ−長尺側外形寸法Ｍ２ａ）及び（短尺側内形寸法Ｊ１ｂ−短尺側外形寸法Ｍ１ｂ）＜（短尺側内形寸法Ｊ２ｂ−短尺側外形寸法Ｍ２ｂ）の関係に設定されることが好ましい。

図２に示すように、カソード電極２０の外周端部２０ｅと段部２５の内周端部２４ｅとの間には、隙間Ｓ１が形成される一方、アノード電極２２の外周端部２２ｅと内周端部２４ａｅとの間には、隙間Ｓ２が形成される。隙間Ｓ２は、固体高分子電解質膜１８から離間するのに伴って大きく構成される。固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅと内周突部２４ａとの間から隙間Ｓ２に亘って接着層２６が設けられる。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。

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。互いに隣接する第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。

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、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａの製造工程では、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とを使用し、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触媒ペースト（電極インク）を作製する。そして、触媒ペーストは、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムにスクリーン印刷され、加熱及び乾燥処理により電極シートが形成される。その後、電極シートは、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂにホットプレスされた後、ＰＥＴフィルムが剥離されることにより、前記固体高分子電解質膜１８の面１８ａ、１８ｂに第１電極触媒層２０ａ、第２電極触媒層２２ａが接合されたＣＣＭ（接合体）が構成される。

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、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がそのスラリーを塗布した面側を配置するとともに、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がそのスラリーを塗布した面側を配置する。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の外面には、テーパ面２４ａｔが成形される。

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を構成する液体状の接着剤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。

そして、図５に示すように、段差電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂製枠部材２４とには、所定のプレス荷重が付与される。このため、接着剤２６ａは、接着層２６として隙間Ｓ２に充填され、化学反応や加熱処理、冷却処理等により段差電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂製枠部材２４とを接着し、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、段差電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂製枠部材２４とは、前記樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａの内側平面２４ａｓと固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅとの間、及び前記内周突部２４ａの内周端部２４ａｅとアノード電極２２の外周端部２２ｅ（第２ガス拡散層２２ｂの外周端部）との間に設けられる接着層２６により一体化されている。

その際、内周突部２４ａの内周端部２４ａｅとアノード電極２２の外周端部２２ｅとの間の隙間Ｓ２は、固体高分子電解質膜１８から離間するのに伴って大きく構成されている。このため、接着剤２６ａを充填するための空間部が拡大され、前記接着剤２６ａは、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０の外部に漏れ出すことを確実に抑制される。

従って、簡単且つ経済的な構成で、接着剤２６ａの塗布量のばらつきを吸収することができる。これにより、接着剤２６ａが外部にはみ出すことを良好に抑制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の製造時における作業性が良好に向上するという効果が得られる。しかも、樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａは、先端が肉薄に構成されるため、荷重の集中が惹起し難くなるという利点がある。

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、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、内周突部２４ａの外面にテーパ面が設けられていない。段差電解質膜・電極構造体６０ａを構成するアノード電極２２では、第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅの外面に、先端側から後方に向かって外方に傾斜する、すなわち、先細り形状を形成するテーパ面２２ｂｅｔが形成される。

このように構成される第２の実施形態では、第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅの外面にテーパ面２２ｂｅｔが形成されることにより、隙間Ｓ２は、固体高分子電解質膜１８から離間するのに伴って大きく構成されている。このため、接着剤２６ａは、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６０の外部に漏れ出すことを確実に抑制される。従って、簡単且つ経済的な構成で、作業性が良好に向上する等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

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。第３の実施形態は、第１の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせて構成される。

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６０ａと樹脂製枠部材２４とを備える。樹脂製枠部材２４は、内周突部２４ａの外面にテーパ面２４ａｔを設けるとともに、段差電解質膜・電極構造体６０ａを構成するアノード電極２２は、第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅの外面にテーパ面２２ｂｅｔが形成される。

このように構成される第３の実施形態では、互いに対向してそれぞれ傾斜するテーパ面２４ａｔ及び２２ｂｅｔが設けられることにより、隙間Ｓ２の容積が一層拡大する。これにより、簡単且つ経済的な構成で、作業性が良好に向上する等、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、第１及び第３の実施形態では、樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａの外面に、直線状に傾斜するテーパ面２４ａｔが形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、図８に示す樹脂製枠部材８０では、内周突部８０ａの外面に、先端側に薄肉状の平坦面８０ａｆが設けられる。平坦面８０ａｆの終端部位には、外方に傾斜するテーパ面８０ａｔが一体に設けられる。

また、図９に示す樹脂製枠部材９０では、内周突部９０ａの外面に、先端側から一旦内方に抉られて湾曲する湾曲面９０ａｃが設けられる。図１０に示す樹脂製枠部材１００では、内周突部１００ａの外面に、先端側から湾曲する湾曲面１００ａｃが設けられる。なお、ガス拡散層側にも、同様の形状を採用することができる。

１０、６０、７０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１０ａ、６０ａ…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 ２２ｂｅｔ、２４ａｔ…テーパ面
２３…段差部
２４、６２、８０、９０、１００…樹脂製枠部材
２４ａ、８０ａ、９０ａ、１００ａ…内周突部
２５…段部 ２６…接着層
２６ａ…接着剤 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 (2)

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固体高分子電解質膜の前記第２ガス拡散層の外周端部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・電極構造体であって、
   前記樹脂製枠部材の前記内周突部と前記固体高分子電解質膜の前記他方の面との間、及び前記内周突部の内周面と前記第２ガス拡散層の外周端部との間に接着層が設けられるとともに、
   前記内周突部の内周面と前記第２ガス拡散層の外周端部との間の隙間は、前記固体高分子電解質膜から離間するのに伴って大きく構成さ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・電極構造体であって、少なくとも前記内周突部の内周面又は前記第２ガス拡散層の外周端部には、前記固体高分子電解質膜から離間する方向に向かって前記第２ガス拡散層又は前記内周突部から離間する方向に傾斜するテーパ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。

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