JP5830403B2 - 燃料電池用電解質膜・電極構造体 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両面に、アノード電極とカソード電極とが設けられるとともに、アノード触媒層の表面寸法とカソード触媒層の表面寸法とが異なる寸法に設定さ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両側に、それぞれ触媒層（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とカソード電極とを配設した電解質膜・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。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使用されている。

電解質膜・電極構造体では、一方の電極が固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるとともに、他方の電極が前記固体高分子電解質膜と同一の表面積に設定される、所謂、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。

例えば、特許文献１に開示されている固体高分子形燃料電池では、図１１に示すように、固体高分子電解質膜１の両面に、アノード電極２とカソード電極３とが配置されている。アノード電極２及びカソード電極３は、それぞれの外周部にガスシール部４ａ、４ｂを配して、セパレータ５、６間に挟持されている。

アノード電極２は、固体高分子電解質膜１の一方の面に配置されたアノード電極触媒層２ａと、前記アノード電極触媒層２ａの外側に配置された電極基材（拡散層）２ｂとを有している。カソード電極３は、固体高分子電解質膜１の他方の面に配置されたカソード電極触媒層３ａと、前記カソード電極触媒層３ａの外側に配置された電極基材（拡散層）３ｂとを有している。

アノード電極触媒層２ａ及び電極基材２ｂは、同一の外形寸法を有し、カソード電極触媒層３ａ及び電極基材３ｂは、同一の外形寸法を有している。さらに、アノード電極２は、カソード電極３よりも大きな外形寸法に設定されている。

セパレータ５には、アノード電極２に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路５ａが形成されるとともに、セパレータ６には、カソード電極３に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路６ａが形成されている。

特開２００９−９９２６５号公報

上記の特許文献１では、カソード電極触媒層３ａの外形寸法が、アノード電極触媒層２ａの外形寸法よりも小さく設定されており、電解質膜・電極構造体には、固体高分子電解質膜１の一方の面にのみ触媒層が設けられている、所謂、半電極部位７が設けられている。このため、酸化剤ガス流路６ａに供給された酸化剤ガスの一部は、多孔質体である電極基材３ｂを透過して半電極部位７に侵入するおそれがある。

従って、半電極部位７では、水素と酸素とが反応して過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）が発生し易い（Ｈ_２＋Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ_２）。この過酸化水素は、電極中のカーボン担体や白金（Ｐｔ）上で分解し、例えば、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）が発生する。これにより、固体高分子電解質膜１及び電極を劣化させるという問題がある。

しかも、アノード電極２側では、半電極部位７に積層方向に対向するセパレータ５には、燃料ガス流路５ａが設けられておらず、閉塞されている。このため、半電極部位７に進入した酸化剤ガスは、この半電極部位７に滞留してしまい、上記の劣化反応が促進され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、一方の触媒層のみが設けられる固体高分子電解質膜の端部に反応ガスが進入することを阻止するとともに、前記反応ガスの滞留を阻止することにより、前記固体高分子電解質膜の端部劣化を有効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。

本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面には、アノード触媒層及び該アノード触媒層よりも表面寸法の大きなアノード拡散層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は、カソード触媒層及び該カソード触媒層よりも表面寸法の大きなカソード拡散層を有するカソード電極が設けられるとともに、前記アノード触媒層の表面寸法と前記カソード触媒層の表面寸法とが異なる寸法に設定される燃料電池用電解質膜・電極構造体に関するものである。

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とカソード拡散層の外周縁部又はアノード拡散層の外周縁部との間には、前記固体高分子電解質膜よりもガス透過性が低い材料で構成された反応ガス不透過領域であって、カソード触媒層又はアノード触媒層の外周端部と重なり部位を有して額縁状の反応ガス不透過領域が設けられるとともに、対極の拡散層側には、対極の触媒層の外周を周回して反応ガス透過領域が設けられている。

また、この燃料電池用電解質膜・電極構造体では、反応ガス不透過領域は、額縁状の内周側端部が、アノード触媒層又はカソード触媒層の外周端部と厚さ方向に重なり部位を有することが好ましい。

本発明によれば、カソード触媒層又はアノード触媒層の外周端部と重なり部位を有して額縁状の反応ガス不透過領域が設けられるため、カソード電極側又はアノード電極側から固体高分子電解質膜に反応ガスが接触することがない。しかも、対極の拡散層側には、対極の触媒層の外周を周回して反応ガス透過領域が設けられている。従って、対極側に反応ガスが滞留することがなく、前記反応ガスを円滑に排出させることができる。

これにより、固体高分子電解質膜の端部が、酸化剤ガスと燃料ガスとの反応により生成される劣化促進物質により劣化することを、有効且つ確実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・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する方法の断面説明図である。 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断面説明図である。 フィルム部材に代えて使用される他の反応ガス不透過領域の説明図である。 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断面説明図である。 本発明の第４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断面説明図である。 特許文献１に開示されている固体高分子形燃料電池の説明図である。

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、長方形状の固体高分子型燃料電池１２に組み込まれるとともに、複数の前記燃料電池１２が矢印Ａ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、縦長の長方形状を有し、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及び図３に示すように、長方形状の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を備えるとともに、前記電解質膜・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を挟持するアノード電極２０及びカソード電極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よりも小さな表面積を有する。

アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される電極触媒層（アノード触媒層）２０ａと、前記電極触媒層２０ａに積層されるガス拡散層（アノード拡散層）２０ｂとを設ける。図３に示すように、ガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅは、電極触媒層２０ａの外周端部２０ａｅよりも外方（矢印Ｃ方向外方）に突出するとともに、前記ガス拡散層２０ｂは、固体高分子電解質膜１８の外形寸法よりも小さな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に接合される電極触媒層（カソード触媒層）２２ａと、前記電極触媒層２２ａに積層されるガス拡散層（カソード拡散層）２２ｂとを設ける。電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅは、電極触媒層２０ａの外周端部２０ａｅよりも内方（矢印Ｃ方向内方）に離間するとともに、ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅは、固体高分子電解質膜１８の外形寸法と同一（又は同一未満）の外形寸法に設定される。

電極触媒層２０ａ、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形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用し、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。ガス拡散層２０ｂ、２２ｂは、カーボンペーパ等からなるとともに、前記ガス拡散層２２ｂの平面寸法は、前記ガス拡散層２０ｂの平面寸法よりも大きく設定される。

カソード電極２２では、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂとガス拡散層２２ｂとの間に、電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅと重なり部位２４ａを有して額縁状のフィルム部材（反応ガス不透過領域）２４が設けられる。フィルム部材２４は、固体高分子電解質膜１８よりもガス透過性が低い材料で構成され、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）等で形成される。

図１〜図４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２０及びカソード電極２２に接合される樹脂製枠部材２６を備える。樹脂製枠部材２６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２６は、アノード電極２０の外周側に突出して固体高分子電解質膜１８の外周縁部に当接する薄肉状の内周膨出部２６ａを有する。内周膨出部２６ａは、アノード電極２０と同一の肉厚、実質的には、ガス拡散層２０ｂと同一の肉厚を有する。

樹脂製枠部材２６の内周膨出部２６ａと固体高分子電解質膜１８の外周縁部とは、接着剤層２７により接着される。接着剤層２７は、例えば、エステル系又はウレタン系のホットメルト接着剤が使用される。樹脂製枠部材２６とアノード電極２０のガス拡散層２０ｂとは、樹脂含浸部２８ａにより一体化される一方、前記樹脂製枠部材２６とカソード電極２２のガス拡散層２２ｂとは、樹脂含浸部２８ｂにより一体化される。

接着剤層２７は、固体高分子電解質膜１８の外周縁部の全周に亘って額縁状に形成される。樹脂含浸部２８ａは、アノード電極２０のガス拡散層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２８ｂは、カソード電極２２を構成するガス拡散層２２ｂの全周に亘って額縁状に形成される。

図１に示すように、樹脂製枠部材２６のアノード電極２０側の面２６ａｓには、上端縁部に後述する燃料ガス流路の入口側に対応する入口バッファ部２９ａが設けられる。樹脂製枠部材２６の面２６ａｓには、下端縁部に燃料ガス流路の出口側に対応する出口バッファ部２９ｂが設けられる。入口バッファ部２９ａ及び出口バッファ部２９ｂは、複数の突起部により構成される。

図４に示すように、樹脂製枠部材２６のカソード電極２２側の面２６ｃｓには、上端縁部に後述する酸化剤ガス流路の入口側に対応する入口バッファ部２９ｃが設けられる。樹脂製枠部材２６の面２６ｃｓには、下端縁部に酸化剤ガス流路の出口側に対応する出口バッファ部２９ｄが設けられる。入口バッファ部２９ｃ及び出口バッファ部２９ｄは、複数の突起部により構成される。

図１に示すように、燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図１中、重力方向）の上端縁部には、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、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂ、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Ｂ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。酸化剤ガス流路３６の入口側（上端側）には、樹脂製枠部材２６の面２６ｃｓの上端縁部に設けられた入口バッファ部２９ｃが当接するバッファ領域３８ａが実質的に平坦状に設けられる。このバッファ領域３８ａの上部側一端には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから複数本の入口連結路４０ａが連結される。

酸化剤ガス流路３６の出口側（下端側）には、樹脂製枠部材２６の面２６ｃｓの下端縁部に設けられた出口バッファ部２９ｄが接触するバッファ領域３８ｂが設けられる。このバッファ領域３８ｂの一端側には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂから複数本の出口連結路４０ｂが連結される。

図５に示すように、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、燃料ガス流路４２が矢印Ｃ方向に延在して設けられる。

燃料ガス流路４２の入口側（上端側）には、樹脂製枠部材２６の面２６ａｓの上端縁部に設けられた入口バッファ部２９ａに接触するバッファ領域４４ａが設けられる。バッファ領域４４ａの燃料ガス入口連通孔３４ａ側の端部には、複数本の入口連結路４６ａが連結されるとともに、前記入口連結路４６ａは、複数の供給孔部４８ａに連通する。

燃料ガス流路４２の出口側（下端側）には、樹脂製枠部材２６の面２６ａｓの下端縁部に設けられた出口バッファ部２９ｂが当接するバッファ領域４４ｂが設けられる。バッファ領域４４ｂの燃料ガス出口連通孔３４ｂ側の端部には、複数本の出口連結路４６ｂを介して排出孔部４８ｂが連通する。

図１に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂ側には、供給孔部４８ａと燃料ガス入口連通孔３４ａとを連通する複数本の入口連結路５０ａ、及び排出孔部４８ｂと燃料ガス出口連通孔３４ｂとを連通する複数本の出口連結路５０ｂが設けられる。面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する冷却媒体流路５２が矢印Ｃ方向に設けられる。

図２に示すように、ガス拡散層２０ｂは、積層方向に沿って重なり合う領域が燃料ガス流路４２に対向している。すなわち、ガス拡散層２０ｂ側には、電極触媒層２０ａの外周を周回して反応ガス透過領域５３が設けられる。

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５４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５６が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材５４は、一定の厚さを有する平面シールを有し、前記平面シールには、第２シール部材５６に当接する凸状シール５４ａが設けられる一方、前記第２シール部材５６は、一定の厚さを有する平面シールを有し、前記平面シールには、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２６に当接する凸状シール５６ａが設けられる。

第１シール部材５４及び第２シール部材５６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６に示すように、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１０ａが作製される。具体的には、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂには、電極触媒層２０ａ、２２ａが塗布される。そして、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ側に、すなわち、電極触媒層２０ａにガス拡散層２０ｂが配置される。一方、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに、すなわち、電極触媒層２２ａには、フィルム部材２４を介装してガス拡散層２２ｂが配置される。これらは一体に積層されてホットプレス処理されることにより、電解質膜・電極構造体１０ａが作製される。

一方、樹脂製枠部材２６は、射出成形機（図示せず）により予め成形される。樹脂製枠部材２６は、額縁形状に成形されるとともに、肉薄形状の内周膨出部２６ａが設けられる。樹脂製枠部材２６の長手方向両端縁部には、両面に複数の突起部が形成されることにより、入口バッファ部２９ａ、２９ｃ及び出口バッファ部２９ｂ、２９ｄが設けられる。

次いで、電解質膜・電極構造体１０ａでは、アノード電極２０の外周から外部に露呈する固体高分子電解質膜１８の外周縁部に接着剤層２７が設けられる。そして、樹脂製枠部材２６と電解質膜・電極構造体１０ａとが位置合わせされる。

樹脂製枠部材２６は、内周膨出部２６ａがアノード電極２０側に配置され、接着剤層２７が加熱溶融（ホットメルト）されるとともに、荷重（プレス等）が付与される。このため、内周膨出部２６ａと固体高分子電解質膜１８とが接着される。

さらに、アノード電極２０側には、樹脂含浸部２８ａを形成するための樹脂部材２８ａａが用意される一方、カソード電極２２側には、樹脂含浸部２８ｂを形成するための樹脂部材２８ｂｂが用意される。樹脂部材２８ａａ、２８ｂｂは、枠形状（額縁形状）を有しており、例えば、樹脂製枠部材２６と同一の材料で構成される。なお、樹脂含浸部２８ａは、必要に応じて用いればよく、不要にすることもできる。

そこで、電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂製枠部材２６とには、樹脂部材２８ａａ、２８ｂｂが配置されて荷重が付与された状態で、前記樹脂部材２８ａａ、２８ｂｂが加熱される。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、樹脂部材２８ａａ、２８ｂｂは、加熱溶融され、前記樹脂部材２８ａａは、アノード電極２０を構成するガス拡散層２０ｂ及び樹脂製枠部材２６に跨って含浸される。また、樹脂部材２８ｂｂは、カソード電極２２を構成するガス拡散層２２ｂ及び樹脂製枠部材２６に跨って含浸される。これにより、図２に示すように、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、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持されて燃料電池１２が構成される。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Ｃ方向に移動して電解質膜・電極構造体１０ａ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から供給孔部４８ａを通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路４２に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４２に沿って矢印Ｃ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１０ａのアノード電極２０に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１０ａ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、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、排出孔部４８ｂ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５２に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、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。

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、カソード電極２２では、固体高分子電解質膜１８とガス拡散層２２ｂとの間に、電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅと重なり部位２４ａを有して額縁状のフィルム部材２４が設けられている。

このため、カソード電極２２側からガス拡散層２２ｂを透過した酸化剤ガスは、固体高分子電解質膜１８に接触することがない。従って、固体高分子電解質膜１８の端部で酸化剤ガスと燃料ガスとの反応が惹起されることがなく、前記固体高分子電解質膜１８の劣化を可及的に抑制することが可能になる。

しかも、アノード電極２０では、ガス拡散層２０ｂ側には、電極触媒層２０ａの外周を周回して反応ガス透過領域（燃料ガス流路４２を含む）５３が設けられている。これにより、固体高分子電解質膜１８の端部に、前記固体高分子電解質膜１８を透過した酸化剤ガスが滞留することがなく、前記酸化剤ガスをガス拡散層２０ｂから燃料ガス流路４２に円滑且つ確実に排出させることができる。

このため、固体高分子電解質膜１８の端部は、酸化剤ガスと燃料ガスとの反応により生成される過酸化水素や前記過酸化水素を前駆体として生成されるヒドロキシラジカル（・ＯＨ）等の劣化促進物質により劣化することを、有効且つ確実に抑制されるという効果が得られる。

図７は、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が組み込まれる固体高分子型燃料電池６２の断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池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。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６０を構成するアノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される電極触媒層（アノード触媒層）２０ｃと、前記電極触媒層２０ｃに積層されるガス拡散層（アノード拡散層）２０ｄとを設ける。ガス拡散層２０ｄの外周端部２０ｄｅは、電極触媒層２０ｃの外周端部２０ｃｅよりも外方（矢印Ｃ方向外方）に突出するとともに、前記ガス拡散層２０ｄは、固体高分子電解質膜１８の外形寸法よりも小さな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に接合される電極触媒層（カソード触媒層）２２ｃと、前記電極触媒層２２ｃに積層されるガス拡散層（カソード拡散層）２２ｄとを設ける。電極触媒層２２ｃの外周端部２２ｃｅは、電極触媒層２０ｃの外周端部２０ｃｅよりも外方（矢印Ｃ方向外方）に突出するとともに、ガス拡散層２２ｄの外周端部２２ｄｅは、固体高分子電解質膜１８の外形寸法と同一（又は同一未満）の外形寸法に設定される。

カソード電極２２では、固体高分子電解質膜１８とガス拡散層２２ｄとの間に、電極触媒層２２ｃの外周端部２２ｃｅと重なり部位２４ｂを有して額縁状のフィルム部材２４が設けられる。フィルム部材２４の重なり部位２４ｂは、アノード電極２０を構成する電極触媒層２０ｃの外周端部２０ｃｅと厚さ方向（矢印Ａ方向）に重なり合っている。ガス拡散層２０ｄには、電極触媒層２０ｃの外周を周回して反応ガス透過領域５３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、アノード電極２０の電極触媒層２０ｃの表面寸法が、カソード電極２２の電極触媒層２２ｃの表面寸法よりも小さく設定されており、この関係は、第１の実施形態とは逆である。その他、第２の実施形態では、フィルム部材２４及び反応ガス透過領域５３を備えており、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図８は、フィルム部材２４に代えて使用される反応ガス不透過領域７０を示す。この反応ガス不透過領域７０は、電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅと重なり部位７０ａを有する。

反応ガス不透過領域７０は、例えば、樹脂部材をガス拡散層２２ｂに含浸させるとともに、表面全体を平滑化させて構成することができる。また、反応ガス不透過領域７０は、ガス拡散層２２ｂの外周縁部をプレスして緻密化を図るとともに、表面全体を平滑化させて構成することも可能である。

これにより、反応ガス不透過領域７０は、フィルム部材２４と同様の効果が得られる。なお、反応ガス不透過領域７０は、第１の実施形態に係る燃料電池１２に採用したが、第２の実施形態に係る燃料電池６２に用いてもよい。

図９は、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８０が組み込まれる固体高分子型燃料電池８２の断面説明図である。なお、第３の実施形態は、基本的に第１の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０と同様に構成される。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体８０では、アノード電極２０を構成するガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅは、電極触媒層２０ａの外周端部２０ａｅよりも外方（矢印Ｃ方向外方）に突出するとともに、前記ガス拡散層２０ｂは、固体高分子電解質膜１８の外形寸法よりも小さな外形寸法に設定される。

カソード電極２２を構成する電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅは、電極触媒層２０ａの外周端部２０ａｅよりも内方（矢印Ｃ方向内方）に離間するとともに、ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅは、固体高分子電解質膜１８の外形寸法と同一（又は同一未満）の外形寸法に設定される。カソード電極２２の電極触媒層２２ａの表面寸法は、アノード電極２０の電極触媒層２０ａの表面寸法よりも小さく設定される。

アノード電極２０では、固体高分子電解質膜１８の面１８ａとガス拡散層２０ｂとの間に、電極触媒層２０ａの外周端部２０ａｅと重なり部位２４ａを有して額縁状のフィルム部材（反応ガス不透過領域）２４が設けられる。ガス拡散層２２ｂ側には、電極触媒層２２ａの外周を周回して酸化剤ガス流路３６に対向する反応ガス透過領域５３が設けられる。

この場合、第３の実施形態では、アノード電極２０では、固体高分子電解質膜１８の面１８ａとガス拡散層２０ｂとの間に、電極触媒層２０ａの外周端部２０ａｅと重なり部位２４ａを有して額縁状のフィルム部材２４が設けられている。

このため、アノード電極２０側からガス拡散層２０ｂを透過した燃料ガスは、固体高分子電解質膜１８に接触することがない。従って、固体高分子電解質膜１８の端部で酸化剤ガスと燃料ガスとの反応が惹起されることがなく、前記固体高分子電解質膜１８の劣化を可及的に抑制することが可能になる。

しかも、カソード電極２２では、ガス拡散層２２ｂ側に反応ガス透過領域５３が設けられている。これにより、固体高分子電解質膜１８の端部に、前記固体高分子電解質膜１８を透過した燃料ガスが滞留することがなく、前記燃料ガスをガス拡散層２２ｂから酸化剤ガス流路３６に円滑且つ確実に排出させることができる。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体９０が組み込まれる固体高分子型燃料電池９２の断面説明図である。なお、第４の実施形態では、基本的に第２の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６０と同様に構成される。

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体９０では、アノード電極２０を構成するガス拡散層２０ｄの外周端部２０ｄｅは、電極触媒層２０ｃの外周端部２０ｃｅよりも外方（矢印Ｃ方向外方）に突出するとともに、前記ガス拡散層２０ｄは、固体高分子電解質膜１８の外形寸法よりも小さな外形寸法に設定される。

カソード電極２２を構成する電極触媒層２２ｃの外周端部２２ｃｅは、電極触媒層２０ｃの外周端部２０ｃｅよりも外方（矢印Ｃ方向外方）に突出するとともに、ガス拡散層２２ｄの外周端部２２ｄｅは、固体高分子電解質膜１８の外形寸法と同一（又は同一未満）の外形寸法に設定される。

アノード電極２０では、固体高分子電解質膜１８とガス拡散層２０ｄとの間に、電極触媒層２０ｃの外周端部２０ｃｅと重なり部位２４ｂを有して額縁状のフィルム部材２４が設けられる。

このように構成される第４の実施形態では、アノード電極２０の電極触媒層２０ｃの表面寸法が、カソード電極２２の電極触媒層２２ｃの表面寸法よりも小さく設定されており、この関係は、第３の実施形態とは逆である。その他、第４の実施形態では、上記の第３の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、６０、８０、９０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１０ａ…電解質膜・電極構造体 １２、６２、８２、９２…燃料電池
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
２０…アノード電極
２０ａ、２０ｃ、２２ａ、２２ｃ…電極触媒層
２０ｂ、２０ｄ、２２ｂ、２２ｄ…ガス拡散層
２２…カソード電極
２０ａｅ、２０ｂｅ、２０ｃｅ、２０ｄｅ、２２ａｅ、２２ｂｅ、２２ｃｅ、２２ｄｅ…外周端部
２４…フィルム部材
２４ａ、２４ｂ、７０ａ…重なり部位 ２６…樹脂製枠部材
２６ａ…内周膨出部 ２８ａ、２８ｂ…樹脂含浸部
２９ａ、２９ｃ…入口バッファ部 ２９ｂ、２９ｄ…出口バッファ部
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 ４２…燃料ガス流路
５２…冷却媒体流路 ５３…反応ガス透過領域
５４、５６…シール部材 ７０…反応ガス不透過領域

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面には、アノード触媒層及び該アノード触媒層よりも表面寸法の大きなアノード拡散層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は、カソード触媒層及び該カソード触媒層よりも表面寸法の大きなカソード拡散層を有するカソード電極が設けられるとともに、前記アノード触媒層の表面寸法と前記カソード触媒層の表面寸法とが異なる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と前記カソード拡散層の外周縁部又は前記アノード拡散層の外周縁部との間には、前記固体高分子電解質膜よりもガス透過性が低い材料で構成された反応ガス不透過領域であって、前記カソード触媒層又は前記アノード触媒層の外周端部と重なり部位を有して額縁状の反応ガス不透過領域が設けられるとともに、
   対極の拡散層側には、対極の触媒層の外周を周回して反応ガス透過領域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。
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、前記反応ガス不透過領域は、前記額縁状の内周側端部が、前記アノード触媒層又は前記カソード触媒層の外周端部と厚さ方向に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。

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