JP2015125924A - 樹脂枠付き膜電極構造体 - Google Patents

樹脂枠付き膜電極構造体 Download PDF

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Abstract

【課題】品質検査が容易で安価にできるうえ、高い発電性能が得られる樹脂枠付き膜電極構造体を提供すること。
【解決手段】固体高分子電解質膜１２０の一方の面にアノード触媒層１２４ｂ及びアノード拡散層１２４ａが積層され、他方の面にカソード触媒層１２２ｂ及びカソード拡散層１２２ａが積層され、かつ、アノード拡散層１２４ａがカソード拡散層１２２ａより平面寸法が小さいことで外周端部１２５ａに段差１２５ｂが形成された膜電極構造体１２５と、膜電極構造体１２５の外方に設けられた樹脂枠１２６と、を備える樹脂枠付き膜電極構造体１２において、樹脂枠１２６とアノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃとの間に充填材１２８が充填され、充填材１２８は、積層方向の断面視でアノード拡散層１２４ａの高さＨ１及び樹脂枠１２６の高さＨ２のうち低い方の高さよりも高い位置まで充填される。
【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂枠付き膜電極構造体に関する。
近年、自動車の新たな動力源等として、反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、電気化学反応により直接的に電気を得るため、発電効率が高い点で好ましいとされている。また燃料電池は、発電時に無害な水しか生成しないため、環境への影響の点からも好ましいとされている。
例えば固体高分子型燃料電池は、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造を有する。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陰極）及びカソード電極（陽極）と、これらの電極に挟持された電解質膜とで構成され、両電極は、電解質膜に接する触媒層と、触媒層に接する拡散層と、を備える。また、セパレータには、その一方の面に燃料ガス流路が形成され、他方の面に酸化剤ガス流路が形成される。
上記のような構成を備える固体高分子型燃料電池では、燃料ガス流路を介して、アノード電極に燃料ガスとしての水素を供給する。また、酸化剤ガス流路を介して、カソード電極に酸化剤ガスとしての空気を供給する。すると、アノード電極に供給された水素が触媒層上でプロトン化され、生成したプロトンが電解質膜を介してカソード電極へと移動する。このとき、プロトンとともに生成した電子が外部回路に取り出され、電気エネルギーとして利用される。
ところで、一方の電極側の拡散層が他方の電極側の拡散層よりも平面寸法が小さいことで、外周端部に段差が形成された膜電極構造体が知られている。この膜電極構造体では、電解質膜は他方の電極側の拡散層と同一の平面寸法に設定されるため、外周端部における電解質膜は、両拡散層により挟持されていない。そのため、機械的保護及び化学的保護の観点から、樹脂成形部材や樹脂フィルム等からなる樹脂枠によって、露出した電解質膜の外周端部を保護する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
ところが上記構造において、電解質膜と拡散層の間に樹脂枠の内側の端部を配置すると、膜電極構造体に通常付与される面圧によって樹脂枠の内側の端部に荷重が集中するため、電解質膜が押圧されて厚みが減少し、発電性能が低下する。そこで、樹脂枠の内側の端部を拡散層よりも外側に配置する必要があるが、この場合には樹脂枠の内側端部と拡散層の外側端部との間に隙間が生じ、露出した電解質膜の外周端部を十分に保護できない。そのため、樹脂枠の内側端部と拡散層の外側端部との間に生じる隙間に、接着剤等の充填材を配置する構造が採用されている。
特開２００７−６６７６６号公報
しかしながら、樹脂枠と拡散層との間に生じる隙間に充填材を配置する構造では、充填材の厚みを管理する必要がある。充填材の厚み検査は、段差測定器等の非接触式焦点法による高さ検査を利用して行われるところ、充填材の厚みが薄過ぎると、隙間の影と重なって検出が困難になる。またこの場合には、充填材による補強効果が不十分となり、膜電極構造体の外周端部を十分に保護できず、発電性能が低下する。一方、充填材の厚みが厚過ぎると、拡散層上に積層されるセパレータにより形成されるガス流路内に充填材が食み出し、ガス流路の断面積が狭められる結果、発電性能が低下する。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、品質検査が容易で安価にできるうえ、高い発電性能が得られる樹脂枠付き膜電極構造体を提供することにある。
上記目的を達成するため本発明は、電解質膜（例えば、後述の固体高分子電解質膜１２０）と、当該電解質膜の一方の面に第１触媒層（例えば、後述のアノード触媒層１２４ｂ）及び第１拡散層（例えば、後述のアノード拡散層１２４ａ）が積層されてなる第１電極（例えば、後述のアノード電極１２４）と、前記電解質膜の他方の面に第２触媒層（例えば、後述のカソード触媒層１２２ｂ）及び第２拡散層（例えば、後述のカソード拡散層１２２ａ）が積層されてなる第２電極（例えば、後述のカソード電極１２２）と、を有し、かつ、前記第１拡散層の平面寸法が前記第２拡散層の平面寸法よりも小さいことで外周端部（例えば、後述の外周端部１２５ａ）に段差（例えば、後述の段差１２５ｂ）が形成された膜電極構造体（例えば、後述の膜電極構造体１２５）と、前記膜電極構造体の外方に設けられた樹脂枠（例えば、後述の樹脂枠１２６）と、を備える樹脂枠付き膜電極構造体（例えば、後述の樹脂枠付き膜電極構造体１２）において、前記樹脂枠と前記第１拡散層の外周端面（例えば、後述の外周端面１２４ｃ）との間には、充填材（例えば、後述の充填材１２８）が充填され、前記充填材は、前記積層方向の断面視で、前記第１拡散層の高さ（例えば、後述の高さＨ１）及び前記樹脂枠の高さ（例えば、後述の高さＨ２）のうち低い方の高さ（例えば、後述の高さＨ１）よりも高い位置まで充填されていることを特徴とする。
本発明では、外周端部に段差が形成された樹脂枠付き膜電極構造体において、樹脂枠と第１拡散層の外周端面との間に、充填材を充填する。同時に、充填材の充填高さを、積層方向の断面視で、第１拡散層の高さ及び樹脂枠の高さのうち低い方の高さよりも高い位置に設定する。
これにより、充填材の厚みが薄過ぎる状態を回避できるため、充填材の厚み等の品質検査を容易かつ安価にできるうえ、充填材により外周端部を十分に保護できるため高い発電性能が得られる。また、充填材として接着剤を用いた場合には、接着力が強固となって樹脂枠が外れ難くなり、安定した発電性能が得られる。
前記第１拡散層には、ガス流路（例えば、後述の燃料ガス流路１６２）を形成する溝が形成されたセパレータ（例えば、後述の第１セパレータ１６）が積層され、前記充填材は、前記積層方向の断面視で、前記第１拡散層及び前記樹脂枠いずれの高さよりも高い位置まで充填され、かつ、前記ガス流路方向に直交する断面視で、前記ガス流路の断面積に対する前記充填材の面積の割合が２５％以下であることが好ましい。
この発明では、充填材の充填高さを、積層方向の断面視で、第１拡散層及び樹脂枠いずれの高さよりも高い位置に設定する。同時に、ガス流路方向に直交する断面視で、ガス流路の断面積に対する充填材の面積の割合が２５％以下となるように、充填材を充填する。
ガス流路がある一定値以上狭められると、生成した水が排出され難くなり、ガスが流れ難くなると同時に、ガスの圧損が増加する。ある程度ガス圧が高まると、水を排出できるようになり、その瞬間はガスが流れる。これが繰り返されることで、ガス流量が変動する結果、電圧変動幅が大きくなり発電性能が低下する。
これに対してこの発明によれば、充填材の厚みが厚過ぎる状態を回避できるため、ガス流路内に食み出す充填材が制限され、ガス流路の断面積を十分確保できる結果、安定して高い発電性能が得られる。
前記第１拡散層の外周端面（例えば、後述の外周端面１２４ｃ）は、前記積層方向の断面視で、略円弧状に形成されていることが好ましい。
この発明では、積層方向の断面視で、第１拡散層の外周端面を略円弧状に形成する。すなわち、第２拡散層よりも平面寸法が小さいために電解質膜と直接接触する第１拡散層の外周端面部にＲをつけることで、第１拡散層の外周端面部に充填材が接触し易くなり、樹脂枠と第１拡散層の外周端面との間の隙間を充填材で十分に埋め尽くすことができる。また、膜電極構造体に通常付与される面圧によって第１拡散層の外周端部に荷重が集中するのを抑制できるため、電解質膜が押圧されて厚みが減少し、発電性能が低下するのを抑制できる。
本発明によれば、品質検査が容易で安価にできるうえ、高い発電性能が得られる樹脂枠付き膜電極構造体を提供できる。
本発明の一実施形態に係る樹脂枠付き膜電極構造体を備える発電セルの分解斜視図である。 上記実施形態に係る樹脂枠付き膜電極構造体の外周端部の断面図である。 上記発電セルにおける燃料ガス流路の断面図である。 ガス流路の高さを変動させたときのガス流路断面積と電圧変動幅との関係を示す図である。 上記実施形態の変形例に係る樹脂枠付き膜電極構造体の外周端部の断面図である。 樹脂枠の高さと拡散層の高さを変動させたときのガス流路断面積と電圧変動幅との関係を示す図である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る樹脂枠付き膜電極構造体１２を備える発電セル１０の分解斜視図である。この発電セル１０は、例えば電極面を水平にして鉛直方向に複数積層されることで、燃料電池スタックを構成する。積層された発電セル１０には、所定の締め付け荷重が付与されるため、発電セル１０の電極面には所定の面圧が付与される。
図１に示すように、発電セル１０は、樹脂枠付き膜電極構造体１２と、樹脂枠付き膜電極構造体１２を挟持する一対の第１セパレータ１６及び第２セパレータ１４と、を備える。
発電セル１０の長手方向（図１中のＹ方向）の一端側には、発電セル１０の厚み方向（図１中のＸ方向）にそれぞれ連通する、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、冷却媒体入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２６ｂが設けられている。また、発電セル１０のＹ方向の他端側には、発電セル１０のＸ方向にそれぞれ連通する、燃料ガス入口連通孔２６ａ、冷却媒体出口連通孔２４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられている。
第１セパレータ１６及び第２セパレータ１４は、カーボンセパレータで構成される。これらのセパレータは、カーボンからなる薄板を切削加工することで製造される。ただし、第１セパレータ１６及び第２セパレータ１４は、金属セパレータで構成されていてもよい。
図１に示すように、第２セパレータ１４の膜電極構造体１２に対向する面１４０ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する酸化剤ガス流路１４２が形成される。酸化剤ガス流路１４２は、複数の酸化剤ガス流路溝を有する。これら酸化剤ガス流路溝は、Ｙ方向に蛇行しながらＺ方向に延在しており、これにより、Ｙ方向に１往復半だけ屈曲するＳ字状のサーペンタイン流路が構成されている。ただしこれに限定されず、例えば２往復半、折り返すサーペンタイン流路であってもよい。
第１セパレータ１６の膜電極構造体１２に対向する面１６０ａには、燃料ガス入口連通孔２６ａと燃料ガス出口連通孔２６ｂとを連通する燃料ガス流路１６２が形成される。燃料ガス流路１６２は、複数の燃料ガス流路溝を有する。これら燃料ガス流路溝は、Ｙ方向に蛇行しながらＺ方向に延在しており、これにより、Ｙ方向に１往復半だけ屈曲するＳ字状のサーペンタイン流路が構成されている。ただし、酸化剤ガス流路１４２と同様にこれに限定されず、例えば２往復半、折り返すサーペンタイン流路であってもよい。また、これら燃料ガス流路１６２及び酸化剤ガス流路１４２は、サーペンタイン流路に限らず、直線流路であってもよい。
上述したように発電セル１０を積層すると、第１セパレータ１６と第２セパレータ１４が重なり合って接し一体となることにより、第２セパレータ１４の面１４０ａとは反対側の面１４０ｂと、第１セパレータ１６の面１６０ａとは反対側の面１６０ｂとで囲繞された冷却媒体流路２４０が形成される。冷却媒体流路２４０は、Ｙ方向に沿って複数延設されている。
また、図１に示すように、第２セパレータ１４の面１４０ａ、１４０ｂには、第２セパレータ１４の外周縁部を周回するシール部材が一体に成形されている。同様に、第１セパレータ１６の面１６０ａ，１６０ｂには、第１セパレータ１６の外周縁部を周回するシール部材が一体に成形されている。シール部材としては、例えば、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）、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、クロロプレーンゴム、又は、アクリルゴム等のシール材、クッション材、パッキン材等の弾性を有するシール材が用いられる。
樹脂枠付き膜電極構造体１２は、膜電極構造体１２５と、この膜電極構造体１２５の外方、より具体的にはその外周を周回して額縁状に設けられた樹脂枠１２６と、を備える。膜電極構造体１２５は、例えば、パーフルオロスルホン酸から構成される固体高分子電解質膜１２０と、この固体高分子電解質膜１２０を挟持するカソード電極１２２及びアノード電極１２４と、を含んで構成される。
カソード電極１２２及びアノード電極１２４は、それぞれ、カーボン繊維を含むカーボンペーパからなる拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を拡散層上に塗布することで形成された触媒層と、を備える。これら両電極は、触媒層が固体高分子電解質膜１２０に接するように、ガス拡散層を外側に向けて、固体高分子電解質膜１２０に積層される。
図２は、本実施形態に係る樹脂枠付き膜電極構造体１２の外周端部の断面図である。具体的には、図２では、図１のＡ−Ａ線断面図を示しているが、樹脂枠付き膜電極構造体１２の外周端部であれば基本的に同様の構成となっている。
図２に示すように、カソード電極１２２はカソード拡散層１２２ａとカソード触媒層１２２ｂを含んで構成され、アノード電極１２４はアノード拡散層１２４ａとアノード触媒層１２４ｂを含んで構成される。これら両電極はそれぞれ、拡散層と電極層との間に、例えばカーボン及びフッ素樹脂を有する下地層を含んでいてもよい。
また、図２に示すように、アノード拡散層１２４ａは、カソード拡散層１２２ａよりも平面寸法が小さい。これにより、膜電極構造体１２５の外周端部１２５ａのアノード電極１２４側には、段差１２５ｂが形成される。ただしこれに限定されず、アノード拡散層の平面寸法がカソード拡散層の平面寸法より大きくてもよい。この場合には、外周端部の段差はカソード電極１２２側に形成される。
なお、固体高分子電解質膜１２０及びカソード触媒層１２２ｂは、カソード拡散層１２２ａと同一の平面寸法に設定されている。これに対してアノード触媒層１２４ｂは、アノード拡散層１２４ａと略同一の平面寸法に設定されている。そのため、後述する樹脂枠１２６及び充填材１２８を設ける前の状態において、膜電極構造体１２５の外周端部１２５ａのアノード電極１２４側では、固体高分子電解質膜１２０は両拡散層により挟持されずに露出した状態となっている。より詳しくは、固体高分子電解質膜１２０は、全周に亘って外部に露出している。
また、アノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃは、図２に示すように発電セル１０の積層方向の断面視で、略円弧状に形成されている。より詳しくは、積層方向の断面視で、アノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃは、アノード触媒層１２４ｂに向かうに従い、膜電極構造体１２５の中央側（図２の右側）に湾曲して形成されている。
樹脂枠１２６は、図２に示すように断面視Ｌ字状に形成される。樹脂枠１２６は、樹脂枠凸部１２６ａと、樹脂枠本体部１２６ｂと、を備える。樹脂枠凸部１２６ａは、樹脂枠１２６の全周に亘って、段差１２５ｂが形成されたアノード電極１２４側のアノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃに向かって突出して設けられる。樹脂枠凸部１２６ａの厚みは、アノード拡散層１２４ａやカソード拡散層１２２ａの厚みと同程度である。
樹脂枠本体部１２６ｂは、樹脂枠１２６の基部を構成する四角環状であり、カソード拡散層１２２ａ、カソード触媒層１２２ｂ、固体高分子電解質膜１２０及びアノード拡散層１２４ａの各外周端面に内壁面が当接するように設けられる。
なお、これら樹脂枠凸部１２６ａ及び樹脂枠本体部１２６ｂは、一体に形成されている。また、樹脂枠凸部１２６ａの厚みと樹脂枠本体部１２６ｂの厚みの合計は、膜電極構造体１２５の厚みと同程度である。
樹脂枠１２６を構成する樹脂の種類は、特に限定されない。例えば、樹脂枠１２６は、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）、ＰＥＴ（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）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＳＰＳ（シンジオタクティックポリスチレン）、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。
樹脂枠凸部１２６ａの下面１２６ｄとアノード触媒層１２４ｂとの間には、接着剤層１２９が設けられている。この接着剤層１２９は、膜電極構造体１２５の外周端部１２５ａの全周に亘って額縁状に設けられている。すなわち、樹脂枠凸部１２６ａとアノード触媒層１２４ｂは、接着剤層１２９により互いに接着されて固定されている。
接着剤層１２９の形成には、例えば、アクリル系、オレフィン系、シリコーン系、フッ素系、エポキシ系、ウレタン系等の各種接着剤を単独使用又は複数種使用することができる。また、例えば、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、アクリルゴム、ＥＰＤＭゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、エラストマー等の各種粘着剤を単独使用又は複数種使用することができる他、樹脂を溶剤に溶解させてワニス状にしたものを使用することもできる。
また、樹脂枠凸部１２６ａの内側端面１２６ｃと、アノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃとの間には、充填材１２８が充填されている。充填材１２８は、接着剤層１２９と連続して一体的に形成されていてもよく、接着剤層１２９と同一の接着剤により形成されていてもよい。また、充填材１２８は、接着剤層１２９とは異なり、従来公知の充填材により形成されていてもよい。この充填材１２８により、樹脂枠１２６がより外れ難くなっている。なお、充填材１２８は、充填時に液状であることが好ましい。また、充填材１２８は、膜電極構造体１２５と樹脂枠１２６の接合後に塗工して配置してもよく、これらの接合前に塗工して配置してもよい。
本実施形態では、充填材１２８は、図２に示す積層方向の断面視で、アノード拡散層１２４ａの上面の高さＨ１よりも高い位置まで充填されている。より詳しくは、充填材１２８は、アノード拡散層１２４ａの高さＨ１と同じ高さ位置から、外周側（図２の左側）に向かうに従い、上方に傾斜して充填されており、樹脂枠凸部１２６ａの内側端面１２６ｃとの当接部分における充填材１２８の充填高さは、最も高い位置Ｈとなっている。
ここで、本明細書において、充填材１２８の充填高さとは、最も高い位置にある高さＨを意味する。
また本実施形態では、充填材１２８の充填高さＨは、樹脂枠１２６の上面の高さＨ２よりも低い位置に設定されているが、これに限定されない。例えば、充填材１２８が樹脂枠１２６の高さＨ２よりも高い位置まで充填されていてもよい。ただしこの場合には、充填材１２８の充填高さＨは、所定の上限高さＨＭ以下であることが好ましい。この所定の上限高さＨＭは、燃料ガス流路１６２の流れ方向に直交する断面視で、複数の燃料ガス流路１６２のそれぞれにおいて、各燃料ガス流路１６２の断面積に対する充填材１２８の面積の割合が２５％以下となる高さに設定される。
なお、これについては、燃料ガス流路１６２に限られず、酸化剤ガス流路１４２の場合であっても同様である。
ここで、図３は、本実施形態の発電セル１０における燃料ガス流路１６２の断面図である。具体的には、図２のＢ−Ｂ線断面図である。
図３に示すように、充填材１２８の充填高さＨが樹脂枠１２６の高さＨ２よりも高い場合、すなわち充填材１２８が樹脂枠１２６の高さＨ２よりも高い位置まで充填されている場合には、燃料ガス流路１６２内に充填材１２８が食み出し、流路が狭められる。流路がある一定値以上狭められると、生成した水が排出され難くなり、燃料ガスが流れ難くなる。同時に、燃料ガスの圧損が増加する。ある程度燃料ガス圧が高まると、水を排出できるようになり、その瞬間は燃料ガスが流れる。このような現象が繰り返されることで、燃料ガス流量が変動する結果、電圧変動幅が大きくなり発電性能が低下する。
具体的には、図３に示す断面視で、燃料ガス流路１６２の断面積に対する充填材１２８の面積の割合が２５％を超えると、上記現象が生じる結果、電圧変動幅が大きくなり発電性能が低下する。そのため、図３に示す断面視で、充填材１２８の充填高さＨは、燃料ガス流路１６２の断面積に対する充填材１２８の面積の割合が２５％以下となる高さＨＭに設定されることが好ましい。なお、燃料ガス流路１６２の断面積とは、隣接する複数の燃料ガス流路１６２のうち一つの流路の断面積を意味し、充填材１２８の面積とは、一つの流路における充填材１２８の食み出し面積を意味する。すなわち、複数の燃料ガス流路１６２のうち一つでも、流路断面積に対する充填材１２８の食み出し面積の割合が２５％を超えると、電圧変動幅が大きくなり発電性能が低下する。
例えば、図３に示す断面視で、燃料ガス流路１６２の断面積が、高さ０．５ｍｍ×幅１．０ｍｍ＝０．５ｍｍ２であったとする。この場合に、燃料ガス流路１６２内における充填材１２８の食み出し高さが０．１ｍｍであったとすると、充填材１２８の食み出し面積は、０．１ｍｍ×１．０ｍｍ＝０．１ｍｍ２となる。従って、燃料ガス流路１６２の断面積に対する充填材１２８の食み出し面積の割合は、０．１ｍｍ２／０．５ｍｍ２×１００＝２０％となる。
ここで、上述のガス流路と充填材の食み出し面積との関係は、ガス流路の高さによらず、同様の傾向が認められる。図４は、ガス流路の高さを変動させたときのガス流路断面積と電圧変動幅との関係を示す図である。より具体的には、図４は、ガス流路の高さを０．３ｍｍとしたものと０．５ｍｍとしたものについて、充填材の食み出しによるガス流路断面積の損失面積％と、そのときの電圧変動幅との関係を示す図である。
なお、図４に示す電圧変動幅は、発電セルに対して、セル温度７０℃、加湿条件をアノード／カソード＝８５％／８５％Ｒｈ、ガス流量をストイキ＝１．５／１．５、ガス圧力をアノード／カソード＝５０／５０ｋＰａの条件下で、０．３Ａ／ｃｍ２の一定発電を３０分間継続したときの電圧変動幅の最大値である。
図４に示すように、流路の高さが異なる場合であっても、いずれも、流路断面積の損失面積％が２５％を超えると、電圧変動幅が急激に大きくなることが分かる。この結果から、充填材１２８の充填高さＨは、燃料ガス流路１６２の断面積に対する充填材１２８の面積の割合が２５％以下となる高さＨＭに設定するのが好ましいことが分かる。なお、ガス流路としては、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路いずれにおいても同様のことが言える。
以上の構成を備える本実施形態の樹脂枠付き膜電極構造体１２は、例えば、次のようにして製造される。
先ず、外周端部１２５ａに段差１２５ｂが形成された膜電極構造体１２５を作製する。具体的には、アノード触媒又はカソード触媒と、溶媒との混合物に、バインダー溶液を投入し、所定のインク粘度になるまで混合することで、アノード電極インク及びカソード電極インクを調製する。
次いで、調製した各電極インクを、ＰＥＴフィルムからなるＰＥＴシート上にスクリーン印刷により塗工することで、アノード電極シート及びカソード電極シートを作製する。
次いで、両電極シートで固体高分子電解質膜１２０を挟持してホットプレスする。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１２０の一方の面にアノード触媒層１２４ｂが形成され、他方の面にカソード触媒層１２２ｂが形成される。
次いで、カーボンブラック及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を均一に分散させたスラリーを調製する。調製したスラリーを、カーボンペーパに塗布して乾燥することにより、カーボンペーパと下地層とからなるアノード拡散層１２４ａ及びカソード拡散層１２２ａを作製する。このとき、アノード拡散層１２４ａの平面寸法を、カソード拡散層１２２ａの平面寸法よりも、縦横いずれも小さいものとする。また、カソード拡散層１２２ａの平面寸法を、固体高分子電解質膜１２０と同一とする。
次いで、アノード触媒層１２４ｂが形成された固体高分子電解質膜１２０の一方側に、アノード拡散層１２４ａを配置するとともに、カソード拡散層１２２ａが形成された固体高分子電解質膜１２０の他方側に、カソード拡散層１２２ａを配置し、この状態で、ホットプレスする。これにより、外周端部１２５ａに段差１２５ｂが形成された膜電極構造体１２５が作製される。
一方、樹脂枠１２６を、金型を用いた射出成形により、予め成形する。具体的には、四角環状の樹脂枠本体部１２６ｂと、樹脂枠本体部１２６ｂの上部から内側に突出する樹脂枠凸部１２６ａと、を有する樹脂枠１２６を、金型を用いた射出成形により予め成形する。
次いで、樹脂枠１２６の上下を反転させた状態で、樹脂枠凸部１２６ａの下面１２６ｄ及び内側端面１２６ｃに、例えばスリーボンド製接着剤ＴＢ１２２０Ｇを、所定の幅及び厚さとなるように、市販のディスペンサー（例えば、ムサシエンジニアリング製ディスペンサーＭＬ−６０６ＧＸ）を用いて塗工する。このとき、接着剤が平面寸法の小さいアノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃに接するように塗工する。
次いで、膜電極構造体１２５を、カソード拡散層１２２ａ、カソード触媒層１２２ｂ、固体高分子電解質膜１２０及びアノード触媒層１２４ｂの外周端面が樹脂枠本体部１２６ｂの内側壁面に当接するようにし、樹脂枠凸部１２６ａの下面上に、段差１２５ｂが形成された膜電極構造体１２５の外周端部１２５ａを対向配置する。そして、ＰＴＦＥシートを介した平板をのせて５ｋｇの錘をのせ、１２０℃で１２０分間かけて接着硬化させる。これにより、樹脂枠付き膜電極構造体１２が作製される。
作製した樹脂枠付き膜電極構造体１２の樹脂枠１２６と、平面寸法の小さいアノード拡散層１２４ａとの間の隙間を、市販のディスペンサー（例えば、ムサシエンジニアリング製ディスペンサーＭＬ−６０６ＧＸ）に画像認識Ｕｎｉｔ（例えば、ムサシエンジニアリング製３５０ＰＣ）で認識させながら、例えば信越化学工業製の充填材ＳＩＦＥＬ２６６１を、所定の厚みとなるように塗布して充填させる。
充填後、例えば１２０℃で８時間乾燥後、顕微鏡（例えば、キーエンス製レーザー顕微鏡ＶＫ−Ｘ２００）にて充填材の高さを計測し、計測値に基づいて充填材の高さを調整する。充填材の高さの調整は、ディスペンサーの塗工条件（吐出速度、塗工速度）を調整することで実施する。
次いで、得られた樹脂枠付き膜電極構造体１２を、カーボンセパレータからなる第１セパレータ１６及び第２セパレータ１４で挟持し、発電セル１０とする。これらカーボンセパレータには、表面を切削加工することでサーペンタイン流路を形成し、サーペンタイン流路の溝部及び山部の幅は、例えばいずれも１ｍｍとする。流路の高さについては、例えば０．５ｍｍや０．３ｍｍとする。そして、これらを、樹脂枠付き膜電極構造体１２の両面に配置し、挟持する。
以上により、本実施形態の樹脂枠付き膜電極構造体１２を備える発電セル１０が作製され、これをスタックすることで燃料電池スタックが作製される。
以上の構成を備える本実施形態に係る樹脂枠付き膜電極構造体１２を備える燃料電池スタックは、以下のように動作する。
図１に戻って、先ず、図示しない酸化剤ガス供給装置により、酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給する。すると、供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから流入して、固体高分子電解質膜１２０と第２セパレータ１４との間に形成される酸化剤ガス流路１４２を流通する。これにより、カソード電極１２２に酸化剤ガスが供給される。
またこのとき、図示しない燃料ガス供給装置により、燃料ガスを燃料電池スタックに供給する。すると、供給された燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２６ａから流入して、固体高分子電解質膜１２０と第１セパレータ１６との間に形成される燃料ガス流路１６２を流通する。これにより、アノード電極１２４に燃料ガスが供給される。
またこのとき、図示しない冷却媒体供給装置により、冷却媒体を燃料電池スタックに供給する。すると、供給された冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２４ａから流入して、第１セパレータ１６と第２セパレータ１４との間に形成される冷却媒体流路２４０を流通する。
膜電極構造体１２では、カソード電極１２２に供給された酸化剤ガスと、アノード電極１２４に供給された燃料ガスとの電気化学反応が進行することで、発電が行われる。発電による発熱で加熱された膜電極構造体１２は、冷却媒体流路２４０を流通する冷却媒体により冷却される。
その後、カソード電極１２２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２２ｂから排出され、アノード電極１２４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２６ｂから排出される。また、膜電極構造体１２の冷却に利用された冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔２４ｂから排出される。
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、外周端部１２５ａに段差１２５ｂが形成された樹脂枠付き膜電極構造体１２において、樹脂枠１２６とアノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃとの間に、充填材１２８を充填した。同時に、充填材１２８の充填高さＨを、積層方向の断面視で、アノード拡散層１２４ａの高さＨ１及び樹脂枠１２６の高さＨ２のうち低い方の高さＨ１よりも高い位置に設定した。
これにより、充填材１２８の厚みが薄過ぎる状態を回避できるため、充填材１２８の厚み等の品質検査を容易かつ安価にできるうえ、充填材１２８により外周端部１２５ａを十分に保護できるため高い発電性能が得られる。また、充填材１２８として接着剤を用いた場合には、接着力が強固となって樹脂枠が外れ難くなり、安定した発電性能が得られる。
また本実施形態では、充填材１２８の充填高さＨを、積層方向の断面視で、アノード拡散層１２４ａ及び樹脂枠１２６いずれの高さよりも高い位置に設定した。同時に、燃料ガス流路１６２方向に直交する断面視で、燃料ガス流路１６２の断面積に対する充填材１２８の面積の割合が２５％以下となるように、充填材１２８を充填した。
燃料ガス流路１６２がある一定値以上狭められると、生成した水が排出され難くなり、燃料ガスが流れ難くなると同時に、燃料ガスの圧損が増加する。ある程度燃料ガス圧が高まると、水を排出できるようになり、その瞬間は燃料ガスが流れる。この現象が繰り返されることで、燃料ガス流量が変動する結果、電圧変動幅が大きくなり発電性能が低下する。
これに対して本実施形態によれば、充填材１２８の厚みが厚過ぎる状態を回避できるため、燃料ガス流路１６２内に食み出す充填材１２８が制限され、燃料ガス流路１６２の断面積を十分確保できる結果、安定して高い発電性能が得られる。
また本実施形態では、積層方向の断面視で、アノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃを略円弧状に形成した。すなわち、カソード拡散層１２２ａよりも平面寸法が小さいために充填材１２８と直接接触するアノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃにＲをつけることで、アノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃに充填材１２８が接触し易くなり、樹脂枠１２６とアノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃとの間の隙間を、充填材１２８で十分に埋め尽くすことができる。また、膜電極構造体１２５に通常付与される面圧によってアノード拡散層１２４ａの外周端部に荷重が集中するのを抑制できるため、固体高分子電解質膜１２０が押圧されて厚みが減少し、発電性能が低下するのを抑制できる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
上記実施形態では、樹脂枠１２６の高さＨ２がアノード拡散層１２４ａの高さＨ１よりも高い場合について説明したが、樹脂枠１２６として樹脂フィルム１２７を用いた場合のように、樹脂枠１２６の高さＨ２がアノード拡散層１２４ａの高さＨ１よりも低い場合であっても、本発明を適用できる。
図５は、上記実施形態の変形例に係る樹脂枠付き膜電極構造体１２Ａの外周端部１２５ａの断面図である。樹脂枠付き膜電極構造体１２Ａは、上記実施形態の樹脂枠１２６の代わりに樹脂フィルム１２７を用いた以外は同様の構成である。図５に示すように、この変形例では、樹脂フィルム１２７の厚みが薄いため、樹脂枠としての樹脂フィルム１２７の高さＨ２が、アノード拡散層１２４ａの高さＨ１よりも低い位置にある。この場合には、充填材１２８Ａの充填高さ（上述したように最も高い位置の高さ）Ｈは、樹脂枠としての樹脂フィルム１２７の高さＨ２よりも高い位置に設定される。
また、図５では充填材１２８Ａの充填高さＨは、アノード拡散層１２４ａの高さＨ１と同一の高さに設定されているが、これよりも高い位置に設定してもよい。ただし、上記実施形態と同様に、断面視で充填材１２８Ａの充填高さＨは、複数の燃料ガス流路のそれぞれにおいて、各燃料ガス流路の断面積に対する充填材１２８Ａの面積の割合が２５％以下となる高さに設定されることが好ましい。これにより、電圧変動幅を抑制でき、安定して高い発電性能が得られる。
ここで、図６は、樹脂枠の高さと拡散層の高さを変動させたときのガス流路断面積と電圧変動幅との関係を示す図である。具体的には、上記実施形態のように樹脂枠１２６がアノード拡散層１２４ａよりも高い位置にある場合と、本変形例のようにアノード拡散層１２４ａが樹脂枠としての樹脂フィルム１２７よりも高い位置にある場合における、充填材の食み出しによるガス流路断面積の損失面積％と、そのときの電圧変動幅との関係を示す図である。
図６に示すように、いずれの場合においても、充填材の食み出しによるガス流路断面積の損失面積％が２５％を超えると、急激に電圧変動幅が大きくなることが分かる。この結果から、樹脂枠の高さと拡散層の高さの関係によらず、断面視で充填材の充填高さＨは、複数の燃料ガス流路のそれぞれにおいて、各燃料ガス流路の断面積に対する充填材の面積の割合が２５％以下となる高さに設定するのが好ましいと言える。
１２…樹脂枠付き膜電極構造体
１４…第２セパレータ
１６…第１セパレータ
１２０…固体高分子電解質膜（電解質膜）
１２２…カソード電極（第２電極）
１２２ａ…カソード拡散層（第２拡散層）
１２２ｂ…カソード触媒層（第２触媒層）
１２４…アノード電極（第１電極）
１２４ａ…アノード拡散層（第１拡散層）
１２４ｂ…アノード触媒層（第１触媒層）
１２４ｃ…外周端面
１２５…膜電極構造体
１２５ａ…外周端部
１２５ｂ…段差
１２６…樹脂枠
１２８…充填材

Claims (3)

  1. 電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に第１触媒層及び第１拡散層が積層されてなる第１電極と、前記電解質膜の他方の面に第２触媒層及び第２拡散層が積層されてなる第２電極と、を有し、かつ、前記第１拡散層の平面寸法が前記第２拡散層の平面寸法よりも小さいことで外周端部に段差が形成された膜電極構造体と、
    前記膜電極構造体の外方に設けられた樹脂枠と、を備える樹脂枠付き膜電極構造体において、
    前記樹脂枠と前記第１拡散層の外周端面との間には、充填材が充填され、
    前記充填材は、前記積層方向の断面視で、前記第１拡散層の高さ及び前記樹脂枠の高さのうち低い方の高さよりも高い位置まで充填されていることを特徴とする樹脂枠付き膜電極構造体。
  2. 前記第１拡散層には、ガス流路を形成する溝が形成されたセパレータが積層され、
    前記充填材は、前記積層方向の断面視で、前記第１拡散層及び前記樹脂枠いずれの高さよりも高い位置まで充填され、かつ、前記ガス流路方向に直交する断面視で、前記ガス流路の断面積に対する前記充填材の面積の割合が２５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の樹脂枠付き膜電極構造体。
  3. 前記第１拡散層の外周端面は、前記積層方向の断面視で、略円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の膜電極構造体。
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