JP2016110849A - 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成及び工程で、接着剤の経時変化を良好に抑制して接着強度を確保することができ、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを強固且つ良好に接合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、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とを備える。樹脂枠部材２４は、内周基端部２４ｓからカソード電極２２側に膨出する内側膨出部２４ａを有し、固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅと前記内側膨出部２４ａとは、接着剤２８ａにより接合される。露出面１８ｂｅには、接着剤２８ａの塗布領域より広範囲に亘って水分不透過層２６が設けられる。【選択図】図３
Description
本発明は、固体高分子電解質膜を第１電極及び第２電極で挟んだ段差ＭＥＡと、前記段差ＭＥＡの外周を周回する樹脂枠部材とを備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法に関する。
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。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・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）とを有している。
電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。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。
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略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、樹脂枠部材を組み込んだ樹脂枠付きＭＥＡが採用されている。
樹脂枠付き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１０に示すように、膜１の一方の面には、前記膜１と同一の外形寸法を有するアノード触媒層２ａとアノードガス拡散層２ｂとが配置されている。膜１の他方の面には、前記膜１よりも小さな外形寸法を有するカソード触媒層３ａとカソードガス拡散層３ｂとが配置されている。これによって、段差ＭＥＡ４が構成されている。
アノードガス拡散層２ｂは、カソードガス拡散層３ｂよりも大きな面積に設定されており、前記カソードガス拡散層３ｂ側の膜１の外周部とガスケット構造体５とは、接着部位６を介して接合されている。
ところで、上記の特許文献１では、カソードガス拡散層３ｂ側の膜１の外周縁部（平面）とガスケット構造体５の内周薄肉部５ａの平面とが、額縁平面形状の接着部位６を介して接合されている。
しかしながら、膜１は、吸湿性を有しており、接着剤による接合時に熱が付与されると、前記膜１から水蒸気が放出される。このため、膜１と接着部位６との界面に水蒸気が浸入するおそれがある。従って、接着部位６は、経時変化により接合強度（接着力）が低下し、例えば、ガス遮断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、簡単な構成及び工程で、接着剤の経時変化を良好に抑制して接着強度を確保することができ、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを強固且つ良好に接合することが可能な燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法では、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを備えている。段差ＭＥＡは、固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極が設けられるとともに、前記第１電極の平面寸法は、前記第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定されている。
樹脂枠部材は、固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられている。樹脂枠部材は、内周基端部から第２電極側に膨出する薄肉状の内側膨出部を有し、固体高分子電解質膜の他方の面の中、前記第２電極の外方に露呈する露出面と前記内側膨出部とは、接着剤により接合されている。
そして、固体高分子電解質膜の露出面には、接着剤の塗布領域より広範囲に亘って枠形状の水分不透過層が設けられるとともに、樹脂枠部材と前記固体高分子電解質膜とは、前記水分不透過層を介装して前記接着剤により接合されている。
また、内側膨出部の内周端部には、厚さ方向に膨出して内側凸状部が設けられる一方、内周基端部には、厚さ方向に膨出して外側凸状部が設けられることが好ましい。その際、内側凸状部及び外側凸状部と水分不透過層とで接着剤が塗布される接着剤層を形成するとともに、前記内側凸状部及び前記外側凸状部の一部は、前記水分不透過層に重なり合うことが好ましい。
さらに、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、水分不透過層の内周端部と第２電極の外周端部との間には、隙間が形成されることが好ましい。
さらにまた、本発明に係る製造方法は、固体高分子電解質膜の露出面に、接着剤の塗布領域より広範囲に亘って水分不透過層を設ける工程を有している。この製造方法は、樹脂枠部材と固体高分子電解質膜とを、水分不透過層を介装して接着剤により接合させる工程を有している。
本発明によれば、固体高分子電解質膜の露出面には、接着剤の塗布領域より広範囲に亘って水分不透過層が設けられている。そして、樹脂枠部材と固体高分子電解質膜とは、水分不透過層を介装して接着剤により接合されている。このため、固体高分子電解質膜から放出された水蒸気は、水分不透過層に阻止されて接着剤との界面に浸入することがない。
従って、簡単な構成及び工程で、接着剤の経時変化を良好に抑制して接着強度を確保することができ、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを強固且つ良好に接合することが可能になる。
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、横長（又は縦長）の長方形状の固体高分子型燃料電池１２に組み込まれる。複数の燃料電池１２は、例えば、矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に積層されて燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、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（図示せず）に搭載される。
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、横長（又は縦長）の長方形状を有する。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る。
長方形状の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、図２及び図３に示すように、段差ＭＥＡ１０ａを備える。段差ＭＥＡ１０ａ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（陽イオン交換膜）１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード電極（第１電極）２０及びカソード電極（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）系電解質を使用してもよい。
カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８及びアノード電極２０よりも小さな平面寸法（外形寸法）を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２２よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。その際、アノード電極２０は、第２電極となり、カソード電極２２は、第１電極となる。
アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される第１電極触媒層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とを設ける。第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、同一の外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜１８と同一（又は同一未満）の外形寸法に設定される。
カソード電極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とを設ける。第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂは、同一の平面寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜１８の平面寸法よりも小さな平面寸法に設定される。固体高分子電解質膜１８の面１８ｂ側の外周縁部には、カソード電極２２の外方に露呈する露出面１８ｂｅが設けられる。
なお、第１の実施形態では、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ているが、前記第２電極触媒層２２ａの平面寸法は、前記第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法よりも大きな寸法（又は小さな寸法）を有してもよい。
第１電極触媒層２０ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が第１ガス拡散層２０ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層２２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が第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ガス拡散層２０ｂは、多孔性と導電性を有するマイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）とカーボンペーパ又はカーボンクロス等のカーボン層２０ｂ（ｃ）とから形成される。第２ガス拡散層２２ｂは、マイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）とカーボンペーパ又はカーボンクロス等のカーボン層２２ｂ（ｃ）とから形成される。第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法は、第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法よりも小さく設定される。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。
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２０及びカソード電極２２に接合されるフィルム状の樹脂枠部材（樹脂フィルム）２４を備える。
樹脂枠部材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）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。樹脂枠部材２４は、さらに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）又は変性ポリオレフィン等で構成される。
図２〜図４に示すように、樹脂枠部材２４は、内周基端部２４ｓからカソード電極２２側に膨出する薄肉状に形成された内側膨出部２４ａを有する。内側膨出部２４ａは、内周基端部２４ｓから内方に所定の長さを有して延在し、前記内側膨出部２４ａの内周端部には、厚さ方向に膨出して内側凸状部２４ｃが設けられる。
内側凸状部２４ｃは、第２電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅ及び第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅの近傍に配置される。内側凸状部２４ｃ（内側膨出部２４ａの内周端部）とカソード電極２２の外周端部との間には、隙間Ｓが形成される（図３参照）。
内側膨出部２４ａには、内周基端部２４ｓに連続して、固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅの先端側に当接する外側凸状部２４ｄが設けられる。外側凸状部２４ｄは、露出面１８ｂｅの先端外周側を周回する枠形状に形成される。
固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅには、後述する接着剤２８ａの塗布領域より広範囲に亘って、枠形状の水分不透過層２６が設けられる。水分不透過層２６は、水の不透過性を有し、固体高分子電解質膜１８と良好な接着性を有する。水分不透過層２６は、例えば、後述する粘着剤の他、液状フッ素エラストマー、エポキシ変性シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ＰＥＭよりも低いＩＥＣ（イオン交換容量）（高いＥＷ）を持つパーフルオロスルホン酸等が使用され、その他、スプレー方式ではないが、ホットメルト状のシート配置でもよい。ホットメルトとしては、アクリル系、ウレタン系、エポキシ系、エステル系が採用される。
水分不透過層２６は、カソード電極２２の外周端部位置から隙間Ｓ１だけ外方に離間した位置に内周端部が配置されるとともに、外周端部が固体高分子電解質膜１８の外周端部と同一位置に配置される。隙間Ｓ１は、内側凸状部２４ｃとカソード電極２２の外周端部との隙間Ｓよりも小さな値に設定される。水分不透過層２６の内周端部とカソード電極２２の外周端部との間には、露出面１８ｂｅが直接に露呈する。水分不透過層２６の厚さは、樹脂枠部材２４よりも薄い。
内側凸状部２４ｃ及び外側凸状部２４ｄと水分不透過層２６とにより、接着剤２８ａが塗布される接着剤層２８を形成する。内側凸状部２４ｃ及び外側凸状部２４ｄの一部は、積層方向に沿って水分不透過層２６に重なり合っている。露出面１８ｂｅと内側膨出部２４ａとは、水分不透過層２６を介装して接着剤２８ａにより接合される。
接着剤層２８には、接着剤２８ａとして、例えば、エポキシ系、アクリル系接着剤の他、高分子やフッ素系エラストマーが設けられる。なお、接着剤２８ａとしては、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。
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、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔３２ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、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燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、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とに連通して矢印Ｂ方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路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とに連通して矢印Ｂ方向に延在する複数本の燃料ガス流路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とに連通して矢印Ｂ方向に延在する複数本の冷却媒体流路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を構成する樹脂枠部材２４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平面状に延在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。
次いで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を製造する本発明の第１の実施形態に係る製造方法について、以下に説明する。
先ず、段差ＭＥＡ１０ａが作製される一方、樹脂枠部材２４は、金型（図示せず）を用いて射出成形される。段差ＭＥＡ１０ａでは、カーボンペーパの平坦面に、カーボンブラックとＰＴＦＥ粒子との混合物からなるスラリーを塗布し、乾燥させて下地層であるマイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）が形成される。マイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）にカーボン層２０ｂ（ｃ）を接合することにより、第１ガス拡散層２０ｂが形成される。同様に、マイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）が形成され、前記マイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）にカーボン層２２ｂ（ｃ）を接合することにより、第２ガス拡散層２２ｂが形成される。
一方、電極触媒に溶媒を加えた後、イオン導電性高分子バインダ溶液として、例えば、パーフルオロアルキレンスルホン酸溶液が投入される。そして、所定のインク粘土になるまで、溶媒を添加することにより、アノード電極インク及びカソード電極インクが作成される。
そこで、図５に示すように、アノード電極インクは、ＰＥＴフィルム５０ａにスクリーン印刷により塗工され、第１電極触媒層２０ａを設けたアノード電極シート５２が形成される。第１電極触媒層２０ａは、固体高分子電解質膜１８と同一の平面寸法に設定される。
同様に、カソード電極インクは、ＰＥＴフィルム５０ｂにスクリーン印刷により塗工され、第２電極触媒層２２ａを設けたカソード電極シート５４が形成される。第２電極触媒層２２ａは、固体高分子電解質膜１８よりも小さな平面寸法に設定される。
次いで、カソード電極シート５４では、ＰＥＴフィルム５０ｂの外周縁部に、第２電極触媒層２２ａの外方（電極面外）に位置して水分不透過層２６が設けられる。具体的には、カソード電極シート５４に、電極塗工面をマスクした状態で、該マスクの周囲に粘着剤がスプレー塗布された後、乾燥処理することにより、作製される。
さらに、固体高分子電解質膜１８が、アノード電極シート５２及びカソード電極シート５４に挟持された状態で、ホットプレスが行われる。そして、ＰＥＴフィルム５０ａ、５０ｂが剥離されることにより、接合体（ＣＣＭ）（catalyst coated membrane）が形成される。さらに、ＣＣＭは、第１ガス拡散層２０ｂと第２ガス拡散層２２ｂとに挟持され、ホットプレスにより一体化されて段差ＭＥＡ１０ａが作製される（図６参照）。
また、図４に示すように、樹脂枠部材２４は、肉薄形状の内側膨出部２４ａを有する。内側膨出部２４ａには、内周基端部２４ｓに連続して外側凸状部２４ｄが設けられるとともに、前記内側膨出部２４ａの内周端には、外側凸状部２４ｄに対応して内側凸状部２４ｃが設けられている。
次に、図６に示すように、固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅ上に、すなわち、水分不透過層２６上に、接着剤２８ａが、例えば、図示しないディスペンサーを介して塗布される。なお、接着剤２８ａは、樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａの内側平坦面に塗布してもよい。
そして、図７に示すように、樹脂枠部材２４は、内側凸状部２４ｃ及び外側凸状部２４ｄが水分不透過層２６に接触（又は隣接）するように、固体高分子電解質膜１８側に押し付けられる。このため、接着剤２８ａは、接着剤層２８に沿って押し広げられ、固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅと内側膨出部２４ａとは、水分不透過層２６を介装して接合される。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。
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２セパレータ１６は、樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａに当接し、第１セパレータ１４ととも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には、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には、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には、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ＭＥＡ１０ａのカソード電極２２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ＭＥＡ１０ａのアノード電極２０に供給される。
従って、各段差ＭＥＡ１０ａでは、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２０に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層２２ａ及び第１電極触媒層２０ａ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２２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２０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ＭＥＡ１０ａ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及び図３に示すように、固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅには、接着剤２８ａの塗布領域（接着剤層２８）より広範囲に亘って水分不透過層２６が設けられている。そして、樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａと固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅとは、水分不透過層２６を介装して接着剤２８ａにより接合されている。
このため、吸湿性を有する固体高分子電解質膜１８から放出された水蒸気は、水分不透過層２６に阻止されて接着剤２８ａとの界面に浸入することがない。従って、接着剤層２８に水分が滞留することを確実に抑制することができる。しかも、水分不透過層２６は、カソード電極２２の外周端部位置から隙間Ｓ１だけ外方に離間した位置に内周端部が配置されている（図３参照）。これにより、固体高分子電解質膜１８から放出された水蒸気は、水分不透過層２６の外周端部から外部に排出されるとともに、隙間Ｓ１を通って外部に排出されている。
このため、第１の実施形態では、簡単な構成及び工程で、接着剤層２８の経時変化を良好に抑制して接着強度を確保することができる。従って、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とを、強固且つ良好に接合することが可能になるという効果が得られる。
次いで、本発明の第２の実施形態に係る製造方法について、以下に説明する。なお、第１の実施形態に係る製造方法と同一の工程については、その詳細な説明は省略する。
第２の実施形態では、図８に示すように、予め水分不透過層２６を設けることなく、段差ＭＥＡ１０ａが作製される。そして、段差ＭＥＡ１０ａにおいて、固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅに粘着剤が塗布されることにより、水分不透過層２６が設けられる。
このように、第２の実施形態では、固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅに水分不透過層２６が設けられており、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１及び第２の実施形態に係る製造方法が適用される他の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６０の要部断面説明図である。なお、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０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。
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６０は、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材６２とを備える。樹脂枠部材６２は、フィルム状に代えて比較的肉厚な枠形状に構成される。樹脂枠部材６２は、最大厚さｔを有する肉厚部６２ａを有し、この最大厚さｔは、固体高分子電解質膜１８の厚さとアノード電極２０の厚さとの和に等しく（又は異なる寸法に）設定される。
このように構成される樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６０は、上記の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０と同様の効果が得られる。
１０、６０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１０ａ…段差ＭＥＡ １２…燃料電池
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
１８ｂｅ…露出面 ２０…アノード電極
２０ａ、２２ａ…電極触媒層 ２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層
２２…カソード電極 ２４、６２…樹脂枠部材
２４ａ…内側膨出部 ２４ｃ…内側凸状部
２４ｄ…外側凸状部 ２４ｓ…内周基端部
２６…水分不透過層 ２８…接着剤層
２８ａ…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 ５２…アノード電極シート
５４…カソード電極シート
１０ａ…段差ＭＥＡ １２…燃料電池
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
１８ｂｅ…露出面 ２０…アノード電極
２０ａ、２２ａ…電極触媒層 ２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層
２２…カソード電極 ２４、６２…樹脂枠部材
２４ａ…内側膨出部 ２４ｃ…内側凸状部
２４ｄ…外側凸状部 ２４ｓ…内周基端部
２６…水分不透過層 ２８…接着剤層
２８ａ…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 ５２…アノード電極シート
５４…カソード電極シート
Claims (6)
- 固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極が設けられるとともに、前記第１電極の平面寸法は、前記第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差ＭＥＡと、
前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられる樹脂枠部材と、
を備え、前記樹脂枠部材は、内周基端部から前記第２電極側に膨出する薄肉状の内側膨出部を有し、前記固体高分子電解質膜の前記他方の面の中、前記第２電極の外方に露呈する露出面と前記内側膨出部とは、接着剤により接合される燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
前記固体高分子電解質膜の前記露出面には、前記接着剤の塗布領域より広範囲に亘って枠形状の水分不透過層が設けられるとともに、
前記樹脂枠部材と前記固体高分子電解質膜とが、前記水分不透過層を介装して前記接着剤により接合されることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。 - 請求項１記載の燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記内側膨出部の内周端部には、厚さ方向に膨出して内側凸状部が設けられる一方、前記内周基端部には、厚さ方向に膨出して外側凸状部が設けられることにより、前記内側凸状部及び前記外側凸状部と前記水分不透過層とで前記接着剤が塗布される接着剤層を形成するとともに、
前記内側凸状部及び前記外側凸状部の一部は、前記水分不透過層に重なり合うことを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。 - 請求項１又は２記載の燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記水分不透過層の内周端部と前記第２電極の外周端部との間には、隙間が形成されることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
- 固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極が設けられるとともに、前記第１電極の平面寸法は、前記第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差ＭＥＡと、
前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられる樹脂枠部材と、
を備え、前記樹脂枠部材は、内周基端部から前記第２電極側に膨出する薄肉状の内側膨出部を有し、前記固体高分子電解質膜の前記他方の面の中、前記第２電極の外方に露呈する露出面と前記内側膨出部とは、接着剤により接合される燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
前記固体高分子電解質膜の前記露出面に、前記接着剤の塗布領域より広範囲に亘って枠形状の水分不透過層を設ける工程と、
前記樹脂枠部材と前記固体高分子電解質膜とを、前記水分不透過層を介装して前記接着剤により接合させる工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。 - 請求項４記載の製造方法において、前記内側膨出部の内周端部には、厚さ方向に膨出して内側凸状部が設けられ、前記内周基端部には、厚さ方向に膨出して外側凸状部が設けられることにより、前記内側凸状部及び前記外側凸状部と前記水分不透過層とで前記接着剤が塗布される接着剤層を形成するとともに、
前記内側凸状部及び前記外側凸状部の一部は、前記水分不透過層に重なり合うことを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。 - 請求項４又は５記載の製造方法において、前記水分不透過層の内周端部と前記第２電極の外周端部との間には、隙間が形成されることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。
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