JP2018097917A - 樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材を一体化する際に、樹脂枠部材の内周端部による電解質膜の損傷を可及的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、電解質膜・電極構造体１０ａと、電解質膜・電極構造体１０ａの外周部を周回する樹脂枠部材２４とを備える。樹脂枠部材２４の内周端部２５ａは電解質膜１８に接合される。内周端部２５ａは、電解質膜１８との接合前の状態で、内方に向かって電解質膜１８側の面２５ａ２が電解質膜１８とは反対側の面２５ａ１に近づくように先細り形状に形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、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の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、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、発電セル（単位燃料電池）が構成されている。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

近年、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減するとともに、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、外周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（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００８−１３０４３３号公報

ところで、樹脂枠付きＭＥＡの製造工程では、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とはホットプレスにより一体化される。具体的に、電解質膜と樹脂枠部材の内周端部とが重なるように、アノード電極及びカソード電極の外周部間に樹脂枠部材の内周端部を配置する。そして、ホットプレスにより電解質膜・電極構造体の外周部と樹脂枠部材の内周部とを加熱するとともに荷重を付与することで、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを接合する。この場合、荷重付与時の面圧によって、内周端部の角部が電解質膜に突き刺さり、電解質膜が損傷するおそれがある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材を一体化する際に、樹脂枠部材の内周端部による電解質膜の損傷を可及的に抑制することが可能な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。

上記の目的を達成するため、本発明は、電解質膜の一方の面に第１電極が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面に第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周部に設けられるとともに前記外周部を周回し、その内周端部が前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置されるとともに前記電解質膜に接合された樹脂枠部材と、を備えた樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、前記内周端部は、前記電解質膜との接合前の状態で、内方に向かって前記電解質膜側の面が前記電解質膜とは反対側の面に近づくように先細り形状に形成されていることを特徴とする。

上記の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記内周端部は、接着層を介して前記電解質膜に接合されることが好ましい。

上記の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記第１電極及び前記第２電極において、一方の電極の平面寸法は、他方の電極の平面寸法よりも大きく設定され、前記他方の電極と一体となった前記電解質膜に前記接着層を介して前記内周端部が接合されることが好ましい。

上記の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記一方の電極は、前記樹脂枠部材の前記内周端部に重なる箇所に前記電解質膜に対して傾斜する傾斜領域を有し、前記他方の電極は、前記内周端部よりも外方の領域から前記内周端部よりも内方の領域に亘って平坦状に形成されることが好ましい。

上記の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記一方の電極は、前記他方の電極側に対向する面に触媒層を有し、前記樹脂枠部材の内周部の前記電解質膜とは反対側は、前記触媒層に直接当接することが好ましい。

また、本発明は、電解質膜の一方の面に第１電極が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面に第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周部に設けられるとともに前記外周部を周回する樹脂枠部材と、を備えた樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法であって、前記樹脂枠部材の内周端部は、内方に向かって前記電解質膜側の面が前記電解質膜とは反対側の面に近づくように先細り形状に形成され、前記第１電極及び前記第２電極の外周部間に前記内周端部を配置する配置工程と、前記第１電極及び前記第２電極の前記外周部間に配置された前記内周端部に対して加熱を行うとともに荷重を付与することにより、前記内周端部と前記電解質膜とを接合する接合工程とを有することを特徴とする。

上記の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法において、前記接合工程では、接着層を介して前記内周端部を前記電解質膜に接合することが好ましい。

上記の電解質膜・電極構造体の製造方法において、前記第１電極及び前記第２電極において、一方の電極の平面寸法は、他方の電極の平面寸法よりも大きく設定され、前記接合工程では、前記他方の電極と一体となった前記電解質膜に前記接着層を介して前記内周端部を接合することが好ましい。

上記の電解質膜・電極構造体において、前記接合工程が終了した状態で、前記一方の電極は、前記樹脂枠部材の前記内周端部に重なる箇所に前記電解質膜に対して傾斜する傾斜領域を有し、前記他方の電極は、前記内周端部よりも外方の領域から前記内周端部よりも内方の領域に亘って平坦状に形成されることが好ましい。

本発明の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法によれば、樹脂枠部材の内周端部は、電解質膜との接合前の状態で、内方に向かって電解質膜側の面が電解質膜とは反対側の面に近づくように先細り形状に形成されている。このため、荷重付与時に面圧がかかっても、樹脂枠部材の内周端部が電解質膜に突き刺さることが抑制される。従って、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材を一体化する際に、樹脂枠部材の内周端部による電解質膜の損傷を可及的に抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を備えた発電セルの要部分解斜視図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。 本発明の第１実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法の配置工程の説明図である。 本発明の第１実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法の接合工程の説明図である。 本発明の第２実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を備えた発電セルの要部断面図である。 本発明の第２実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法の配置工程の説明図である。 本発明の第２実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法の接合工程の説明図である。

図１及び図２に示すように、発電セル（燃料電池）１２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０（以下、「樹脂枠付きＭＥＡ１０」という）と、樹脂枠付きＭＥＡ１０の両側に配置された第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを備える。発電セル１２は、例えば、横長（又は縦長）の長方形状の固体高分子型燃料電池である。複数の発電セル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１１が構成される。燃料電池スタック１１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。

発電セル１２では、樹脂枠付きＭＥＡ１０が第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。

樹脂枠付きＭＥＡ１０は、電解質膜・電極構造体１０ａ（以下、「ＭＥＡ１０ａ」という）と、ＭＥＡ１０ａの外周部に接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材２４とを備える。ＭＥＡ１０ａは、電解質膜１８と、電解質膜１８の一方の面に設けられたアノード電極（第１電極）２０と、電解質膜１８の他方の面に設けられたカソード電極（第２電極）２２とを有する。

電解質膜１８は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜１８は、アノード電極２０及びカソード電極２２に挟持される。電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

アノード電極２０は、電解質膜１８及びカソード電極２２よりも大きな平面寸法（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、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。

アノード電極２０は、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、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及び第１ガス拡散層２０ｂは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜１８及びカソード電極２２よりも大きな平面寸法に設定される。

カソード電極２２は、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とを有する。第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜１８と同一の平面寸法に設定される。従って、電解質膜１８の面方向（図２で矢印Ｃ方向）において、カソード電極２２の外周端２２ｅは、電解質膜１８の外周端１８ｅと同じ位置にある。

カソード電極２２は、アノード電極２０よりも小さい平面寸法に設定される。カソード電極２２の外周端２２ｅ及び電解質膜１８の外周端１８ｅは、アノード電極２０の外周端２０ｅよりも内方に位置する。

なお、カソード電極２２は、アノード電極２０よりも大きな平面寸法に設定され、カソード電極２２の外周端２２ｅは、アノード電極２０の外周端２０ｅよりも外方に位置してもよい。あるいは、アノード電極２０とカソード電極２２は、同一の平面寸法に設定され、アノード電極２０の外周端２０ｅと、カソード電極２２の外周端２２ｅは、電解質膜１８の面方向（図２で矢印Ｃ方向）において、同一位置にあってもよい。

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、イオン導電性高分子バインダとともに第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、イオン導電性高分子バインダとともに第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及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成される。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、電解質膜１８の両面に形成される。

樹脂枠部材２４は、厚さの異なる２枚の枠状シートを有する。具体的には、樹脂枠部材２４は、内周部２４ａｎがＭＥＡ１０ａの外周部に接合された第１枠状シート２４ａと、第１枠状シート２４ａに接合された第２枠状シート２４ｂとを有する。第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとは、接着剤２４ｄからなる接着層２４ｃにより、厚さ方向に互いに接合されている。第２枠状シート２４ｂは、第１枠状シート２４ａの外周部に接合される。これにより、樹脂枠部材２４の外周部は、樹脂枠部材２４の内周部よりも厚く構成される。

第１枠状シート２４ａ及び第２枠状シート２４ｂは樹脂材料により構成される。第１枠状シート２４ａ及び第２枠状シート２４ｂの構成材料としては、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、ｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、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が挙げられる。

樹脂枠部材２４の内周部２５（第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎ）は、アノード電極２０の外周部２０ｃとカソード電極２２の外周部２２ｃとの間に配置される。具体的に、樹脂枠部材２４の内周部２５は、電解質膜１８の外周部１８ｃとアノード電極２０の外周部２０ｃとの間に挟持される。樹脂枠部材２４の内周部２５と電解質膜１８の外周部１８ｃとは、接着層２４ｃを介して接合される。なお、樹脂枠部材２４の内周部２５は、電解質膜１８とカソード電極２２との間に挟持されてもよい。

樹脂枠部材２４の内周端部２５ａ（第１枠状シート２４ａの内周端部）は、内方に向かって先細り状となっている。従って、内周端部２５ａは、内方に向かって厚さ（矢印Ａ方向の寸法）が減少する。なお、内周端部２５ａは、樹脂枠部材２４の内周部２５のうち、樹脂枠部材２４の内端及びその近傍領域を構成する部分である。

第１実施形態において、樹脂枠部材２４の内周端部２５ａは、図２に示すように、ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とが一体化した状態（製品完成状態）で、アノード電極２０側（電解質膜１８とは反対側）の面２５ａ１が、ＭＥＡ１０ａの内方に向かって電解質膜１８側に近づくようにテーパ状に傾斜する。一方、後述するように、内周端部２５ａは、電解質膜１８との接合前の状態で、内方に向かって電解質膜１８側の面２５ａ２が電解質膜１８とは反対側の面２５ａ１に近づくように先細り形状に形成されている（図３参照）。具体的に、第１実施形態では、内周端部２５ａと電解質膜１８との接合前の状態で、内周端部２５ａの面２５ａ２は、ＭＥＡ１０ａの内方に向かって電解質膜１８から離れるようにテーパ状に傾斜する（図３参照）。

上述したアノード電極２０には、樹脂枠部材２４の内周端部２５ａに対応する位置に段差が設けられる。具体的に、アノード電極２０は、樹脂枠部材２４の内周端部２５ａに重なる箇所に、内周端部２５ａに沿って電解質膜１８に対して傾斜した傾斜領域２１を有する。従って、傾斜領域２１では、第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、電解質膜１８に対して傾斜する。

アノード電極２０において、傾斜領域２１よりも外方側領域に対向する第１セパレータ１４側の面は、傾斜領域２１よりも内方側領域の第１セパレータ１４側の面よりも、電解質膜１８から離間した位置にある。樹脂枠部材２４の内周部２５と第１電極触媒層２０ａとの互いに対向する面間には接着層が設けられていない。すなわち、樹脂枠部材２４の内周部２５の電解質膜１８とは反対側は、第１電極触媒層２０ａに直接当接する（接着されていない）。

一方、カソード電極２２は、樹脂枠部材２４の内周端部２５ａよりも外方の領域から、内周端部２５ａよりも内方の領域に亘って、平坦状に形成される。従って、内周端部２５ａに重なる領域のカソード電極２２（第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂ）は、電解質膜１８と平行である。

なお、上記構成と異なり、アノード電極２０が、樹脂枠部材２４の内周端部２５ａよりも外方の領域から、内周端部２５ａよりも内方の領域に亘って平坦状に形成され、カソード電極２２が、樹脂枠部材２４の内周端部２５ａに重なる箇所に、電解質膜１８に対して傾斜する傾斜領域を有してもよい。

第２枠状シート２４ｂは、第１枠状シート２４ａの外周部に接着剤２４ｄにより接合される。第２枠状シート２４ｂの厚さＴ２は、第１枠状シート２４ａの厚さＴ１よりも厚い。第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅは、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅよりも外方（ＭＥＡ１０ａから離れる方向）に位置するとともに、アノード電極２０の外周端２０ｅ及びカソード電極２２の外周端２２ｅよりも外方に位置する。第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅと、カソード電極２２の外周端２２ｅとの間には、隙間Ｇが形成されている。当該隙間Ｇは、後述する流路３６ａの一部を構成する。

接着層２４ｃは、第１枠状シート２４ａの第２枠状シート２４ｂ側（カソード側）の面２４ａｓに、全面に亘って設けられる。従って、接着層２４ｃは、内周端部２５ａにも設けられる。第１枠状シート２４ａは、上述した隙間Ｇの箇所で、接着層２４ｃを介して隙間Ｇ（流路３６ａ）に露出する。接着層２４ｃを構成する接着剤２４ｄとしては、例えば、液状シールやホットメルト剤が設けられる。なお、接着剤は、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、発電セル１２の矢印Ｂ方向（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。

発電セル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ＭＥＡ１０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。具体的に、酸化剤ガス流路３６は、第２セパレータ１６と樹脂枠付きＭＥＡ１０との間に形成される。酸化剤ガス流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）を有する。

第１セパレータ１４の樹脂枠付きＭＥＡ１０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が設けられる。具体的に、燃料ガス流路３８は、第１セパレータ１４と樹脂枠付きＭＥＡ１０との間に形成される。燃料ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）を有する。

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、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ（樹脂枠付きＭＥＡ１０と対向する面）には、燃料ガス流路３８を形成する凸部３９が複数設けられる。凸部３９は、アノード電極２０側に向かって膨出するとともにアノード電極２０に当接する。第２セパレータ１６の面１６ａ（樹脂枠付きＭＥＡ１０と対向する面）には、酸化剤ガス流路３６を形成する凸部３７が複数設けられる。凸部３７は、カソード電極２２側に向かって膨出するとともにカソード電極２２に当接する。凸部３７、３９間に、ＭＥＡ１０ａが挟持される。

第１セパレータ１４の面１４ａには、この第１セパレータ１４の外周部を周回する第１シールライン４２（メタルビードシール）が設けられる。第１シールライン４２は、樹脂枠部材２４に向かって膨出するとともに、第１枠状シート２４ａ（第２枠状シート２４ｂと重なる領域）に気密及び液密に当接する。第１シールライン４２は、外側ビード部４２ａと、外側ビード部４２ａよりも内側に設けられた内側ビード部４２ｂとを有する。

内側ビード部４２ｂは、燃料ガス流路３８、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂを周回し且つこれらを連通させる。各ビード部４２ａ、４２ｂの断面形状は、先端側（樹脂枠部材２４側）に向かって先細り形状である。各ビード部４２ａ、４２ｂの先端は、平坦形状（湾曲形状でもよい）を有する。

第１シールライン４２よりも内方（ＭＥＡ１０ａ側）で、第１セパレータ１４と樹脂枠部材２４との間に形成された流路３８ａは、燃料ガス流路３８と連通する。従って、当該流路３８ａには、燃料ガスが供給される。

第２セパレータ１６の面１６ａには、この第２セパレータ１６の外周部を周回する第２シールライン４４（メタルビードシール）が設けられる。第２シールライン４４は、樹脂枠部材２４に向かって膨出するとともに、第２枠状シート２４ｂに気密及び液密に当接する。第１シールライン４２と第２シールライン４４は樹脂枠部材２４を介して対向する。樹脂枠部材２４は、第１シールライン４２と第２シールライン４４との間に挟持される。第２シールライン４４は、外側ビード部４４ａと、外側ビード部４４ａよりも内側に設けられた内側ビード部４４ｂとを有する。

内側ビード部４４ｂは、酸化剤ガス流路３６、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを周回し且つこれらを連通させる。各ビード部４４ａ、４４ｂの断面形状は、先端側（樹脂枠部材２４側）に向かって先細り形状である。各ビード部４４ａ、４４ｂの先端は、平坦形状（湾曲形状でもよい）を有する。

第２シールライン４４よりも内方（ＭＥＡ１０ａ側）で、第２セパレータ１６と樹脂枠部材２４との間に形成された流路３６ａは、酸化剤ガス流路３６と連通する。従って、当該流路３６ａには、酸化剤ガスが供給される。

このように構成される発電セル１２を含む燃料電池スタック１１の動作について、以下に説明する。

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、ＭＥＡ１０ａのアノード電極２０に供給される。

従って、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、図１において、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、ＭＥＡ１０ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

次いで、第１実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１０の製造方法について、以下に説明する。

まず、電解質膜１８の両側にアノード電極２０及びカソード電極２２が設けられたＭＥＡ１０ａが作製される一方、樹脂枠部材２４が作製される。なお、樹脂枠部材２４は、第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとが接着層２４ｃを介して接合された構成に限らず、全体が一体成形された部材であってもよい。また、樹脂枠部材２４は、相対的に薄肉の内周部と相対的に厚肉の外周部とを有する段付き形状に限らず、内周部から外周部に亘って段差の無い（略平坦状の）形状であってもよい。

次に、図３に示すように、アノード電極２０及びカソード電極２２の外周部２０ｃ、２２ｃ間に樹脂枠部材２４の内周端部２５ａを配置する配置工程を行う。この場合、樹脂枠部材２４の内周端部２５ａは、内方に向かって電解質膜１８側の面２５ａ２が電解質膜１８とは反対側の面２５ａ１に近づくように先細り形状となっている。具体的に、配置工程では、アノード電極２０の外周部２０ｃと電解質膜１８の外周部１８ｃとの間に、樹脂枠部材２４の内周部２５（内周端部２５ａ）を配置する。また、この場合、樹脂枠部材２４の内周部２５は、接着剤２４ｄが設けられた面を電解質膜１８側に向ける。

次に、アノード電極２０及びカソード電極２２の外周部２０ｃ、２２ｃ間に配置された内周端部２５ａに対して加熱を行うとともに荷重を付与することにより、内周端部２５ａと電解質膜１８とを接合する接合工程を行う。具体的には、図４に示すように、接合装置５０により、アノード電極２０とカソード電極２２の外周部２０ｃ、２２ｃを厚さ方向に挟み込み、加熱及び加圧する（ホットプレスする）。接合装置５０は、ＭＥＡ１０ａを載置する基台５２（第１接合治具）と、基台５２に対して進退自在な可動金型５４（第２接合治具）とを備える。

アノード電極２０とカソード電極２２との間に樹脂枠部材２４の内周部２５を挟み込んだ状態のＭＥＡ１０ａは、アノード電極２０が上側になる向きで（カソード電極２２が下側になる向きで）、基台５２上に載置される。接合工程において、可動金型５４は、所定の温度に加熱された状態で下降することにより、ＭＥＡ１０ａの外周部及び樹脂枠部材２４の内周端部２５ａを含む内周部２５を加熱及び加圧する。

このため、樹脂枠部材２４の内周部２５に設けられた接着剤２４ｄが、可動金型５４により加熱及び加圧されて溶融される。一方、樹脂枠部材２４の内周端部２５ａは、可動金型５４により加熱されることで軟化する。この際、内周端部２５ａは、内方に向かって電解質膜１８側の面２５ａ２が電解質膜１８とは反対側の面２５ａ２に近づくように先細り形状となっている。このため、可動金型５４による加圧によって、内周端部２５ａは電解質膜１８側に変形する。従って、内周端部２５ａに設けられた接着剤２４ｄも溶融される。

そして、接合装置５０による加熱及び加圧が終了すると、接着剤２４ｄが固化して接着層２４ｃが形成される。これにより、図２のように、樹脂枠部材２４の内周部２５と電解質膜１８の外周部１８ｃとが接着層２４ｃを介して接合された樹脂枠付きＭＥＡ１０が得られる。樹脂枠付きＭＥＡ１０では、上述した接合工程における内周端部２５ａの変形により、内周端部２５ａのアノード電極２０側の面２５ａ１が傾斜している。

この場合、第１実施形態では、樹脂枠部材２４の内周端部２５ａは、電解質膜１８との接合前の状態（図３）で、内方に向かって電解質膜１８側の面２５ａ２が電解質膜１８とは反対側の面２５ａ１に近づくように先細り形状に形成されている（内周端部２５ａの面２５ａ２がテーパ状に傾斜する）。このため、一体化のための荷重付与時に面圧がかかっても、樹脂枠部材２４の内周端部２５ａが電解質膜１８に突き刺さることが抑制される。従って、ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４を一体化する際に、樹脂枠部材２４の内周端部２５ａによる電解質膜１８の損傷を可及的に抑制することができる。

このような第１実施形態と異なり、内周端部２５ａを先細り形状とせず、一体化治具（接合装置５０）において内周端部２５ａに対応する箇所に逃げ部（凹部）を設けることで、荷重付与時の突き刺さりによる電解質膜１８の損傷を抑制することも考えられる。しかしながら、このような方法では、ＭＥＡ１０ａの発電領域の外端に面圧がかからない可能性があり、発電領域の有効面積の減少につながる。所望の有効面積を確保するためには減少分を加味した面積を設定しておく必要がある。また、逃げ部を設ける分、一体化治具の構成が複雑化する。

これに対し、第１実施形態によれば、樹脂枠部材２４の内周端部２５ａを先細り形状とすることで、一体化治具に上記逃げ部を設けることなく、荷重付与時の突き刺さりによる電解質膜１８の損傷を抑制することが可能となる。従って、ＭＥＡ１０ａの発電領域の面積設定においては必要最低限の面積設定で済むとともに、上記逃げ部を設ける場合と比較して一体化治具の構成を簡易化することができる。

図５に示す本発明の第２実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１００（以下、「樹脂枠付きＭＥＡ１００」という）は、ＭＥＡ１０ａと、ＭＥＡ１０ａの外周部に接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材１０２とを備える。

第２実施形態では、樹脂枠部材１０２の内周端部２５ｂは、図５に示すようにＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材１０２とが一体化した状態（製品完成状態）で、アノード電極２０側（電解質膜１８とは反対側）の面２５ｂ１が、ＭＥＡ１０ａの内方に向かって電解質膜１８側に近づくようにテーパ状に傾斜する。

一方、後述するように、樹脂枠部材１０２の内周端部２５ｂは、電解質膜１８との接合前の状態で、内方に向かって電解質膜１８側の面２５ｂ２が電解質膜１８とは反対側の面２５ｂ１に近づくように先細り形状に形成されている（図６参照）。具体的に、第２実施形態では、内周端部２５ｂと電解質膜１８との接合前の状態で、内周端部２５ｂの面２５ｂ２は、ＭＥＡ１０ａの内方に向かって電解質膜１８から離れるように湾曲した湾曲面（Ｒ形状）となっている（図６参照）。

第２実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１００のその他の構成は、第１実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１０と同様に構成される。

次いで、第２実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１００の製造方法について、以下に説明する。

まず、電解質膜１８の両側にアノード電極２０及びカソード電極２２が設けられたＭＥＡ１０ａが作製される一方、樹脂枠部材１０２が作製される。次に、図６のように、アノード電極２０及びカソード電極２２の外周部２０ｃ、２２ｃ間に樹脂枠部材１０２の内周端部２５ｂを配置する配置工程を行う。この場合、樹脂枠部材１０２の内周端部２５ｂは、内方に向かって電解質膜１８側の面２５ｂ２が電解質膜１８とは反対側の面２５ｂ１に近づくように先細り形状となっている。

次に、第１実施形態の接合工程（図４）と同様に、図７のように、接合装置５０を用いて、アノード電極２０及びカソード電極２２の外周部２０ｃ、２２ｃ間に配置された内周端部２５ｂに対して加熱を行うとともに荷重を付与することにより、内周端部２５ｂと電解質膜１８とを接合する接合工程を行う。

接合工程では、樹脂枠部材１０２の内周部２５に設けられた接着剤２４ｄが、可動金型５４により加熱及び加圧されて溶融される。また、内周端部２５ｂは電解質膜１８側に変形する。従って、内周端部２５ｂに設けられた接着剤２４ｄも溶融される。そして、接合装置５０による加熱及び加圧が終了すると、接着剤２４ｄが固化して接着層２４ｃが形成される。

これにより、図５のように、樹脂枠部材１０２の内周部２５と電解質膜１８の外周部１８ｃとが接着層２４ｃを介して接合された樹脂枠付きＭＥＡ１００が得られる。樹脂枠付きＭＥＡ１００では、上述した接合工程における内周端部２５ｂの変形により、内周端部２５ｂのアノード電極２０側の面２５ｂ１が傾斜している。

なお、第２実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１００の製造方法について、上記以外については、第１実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１０の製造方法と同様である。

この場合、第２実施形態では、樹脂枠部材１０２の内周端部２５ｂは、電解質膜１８との接合前の状態で、内方に向かって電解質膜１８側の面２５ｂ２が電解質膜１８とは反対側の面２５ｂ１に近づくように先細り形状に形成されている（内周端部２５ｂの面２５ｂ２が湾曲面となっている）。このため、荷重付与時に面圧がかかっても、樹脂枠部材１０２の内周端部２５ｂが電解質膜に突き刺さることが抑制される等、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

１０、１００…樹脂枠付きＭＥＡ １０ａ…ＭＥＡ
１２…発電セル １４…第１セパレータ
１６…第２セパレータ １８…電解質膜
２０…アノード電極 ２２…カソード電極
２４、１０２…樹脂枠部材 ２５ａ、２５ｂ…内周端部

Claims (9)

1. 電解質膜の一方の面に第１電極が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面に第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、
   前記電解質膜・電極構造体の外周部に設けられるとともに前記外周部を周回し、その内周端部が前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置されるとともに前記電解質膜に接合された樹脂枠部材と、
   を備えた樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
   前記内周端部は、前記電解質膜との接合前の状態で、内方に向かって前記電解質膜側の面が前記電解質膜とは反対側の面に近づくように先細り形状に形成されている、
   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・電極構造体において、
   前記内周端部は、接着層を介して前記電解質膜に接合される、
   ことを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
3. 請求項２記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、
   前記第１電極及び前記第２電極において、一方の電極の平面寸法は、他方の電極の平面寸法よりも大きく設定され、
   前記他方の電極と一体となった前記電解質膜に前記接着層を介して前記内周端部が接合される、
   ことを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
4. 請求項３記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、
   前記一方の電極は、前記樹脂枠部材の前記内周端部に重なる箇所に前記電解質膜に対して傾斜する傾斜領域を有し、
   前記他方の電極は、前記内周端部よりも外方の領域から前記内周端部よりも内方の領域に亘って平坦状に形成される、
   ことを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
5. 請求項２又は３記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、
   前記一方の電極は、前記他方の電極側に対向する面に触媒層を有し、
   前記樹脂枠部材の内周部の前記電解質膜とは反対側は、前記触媒層に直接当接する、
   ことを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
6. 電解質膜の一方の面に第１電極が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面に第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、
   前記電解質膜・電極構造体の外周部に設けられるとともに前記外周部を周回する樹脂枠部材と、
   を備えた樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
   前記樹脂枠部材の内周端部は、内方に向かって前記電解質膜側の面が前記電解質膜とは反対側の面に近づくように先細り形状に形成され、前記第１電極及び前記第２電極の外周部間に前記内周端部を配置する配置工程と、
   前記第１電極及び前記第２電極の前記外周部間に配置された前記内周端部に対して加熱を行うとともに荷重を付与することにより、前記内周端部と前記電解質膜とを接合する接合工程と、
   を有することを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。
7. 請求項６記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法において、
   前記接合工程では、接着層を介して前記内周端部を前記電解質膜に接合する、
   ことを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。
8. 請求項７記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法において、
   前記第１電極及び前記第２電極において、一方の電極の平面寸法は、他方の電極の平面寸法よりも大きく設定され、
   前記接合工程では、前記他方の電極と一体となった前記電解質膜に前記接着層を介して前記内周端部を接合する、
   ことを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。
9. 請求項８記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法において、
   前記接合工程が終了した状態で、前記一方の電極は、前記樹脂枠部材の前記内周端部に重なる箇所に前記電解質膜に対して傾斜する傾斜領域を有し、前記他方の電極は、前記内周端部よりも外方の領域から前記内周端部よりも内方の領域に亘って平坦状に形成される、
   ことを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。

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