JP6090791B2 - 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を第１電極及び第２電極で挟んだ、所謂、段差ＭＥＡと、前記段差ＭＥＡの外周を周回して設けられ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側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、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）とからなっている。

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。

この種の樹脂枠付き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９に示すように、膜１と、前記膜１の一方の側に配置されたアノード触媒層２ａと、前記膜１の他方の側に配置されたカソード触媒層３ａとを有している。膜１の両面には、ＧＤＬ（ガス拡散層）２ｂとＧＤＬ３ｂとが備えられるとともに、アノード側の前記ＧＤＬ２ｂ側の面積（平面寸法）は、カソード側の前記ＧＤＬ３ｂの面積よりも大きな面積に形成されている。

ＭＥＡのエッジ領域は、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層３ａの端部の周囲の少なくとも一部に配置されるカソード側とアノード側のガスケット層が一体化されてなるガスケット構造体４が配されている。少なくともＧＤＬ面積が小さい側（ＧＤＬ３ｂ側）の膜１の外周部と、ガスケット構造体４とは、接着層５を介して接合されている。

特開２００７−６６７６６号公報

しかしながら、上記の電解質膜−電極接合体では、膜１の外周部とガスケット構造体４とが、薄膜状の接着層５のみを介して接合されているだけである。このため、膜１とガスケット構造体４との接合強度が低下し易くなり、前記膜１と前記ガスケット構造体４とが分離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、簡単な構成で、段差ＭＥＡを構成する固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂枠部材を強固に接合するとともに、前記固体高分子電解質膜の損傷等を可及的に抑制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・電極構造体では、固体高分子電解質膜の一方の面には、第１触媒層及び第１拡散層を有する第１電極が設けられている。固体高分子電解質膜の他方の面には、第２触媒層及び第２拡散層を有する第２電極が設けられている。第１電極の平面寸法は、第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定され、且つ、第２触媒層の平面寸法は、第２拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定されている。固体高分子電解質膜の外周を周回して、樹脂枠部材が設けられている。

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、前記内側膨出部には、電解質膜・電極構造体との当接部位を周回して接着剤が塗布される接着剤塗布部が設けられている。そして、内側膨出部には、前記内側膨出部の外周端側に位置する外周凸部と、前記内側膨出部の内周端側に位置して第２触媒層の外周端部と直接接触する内周凸部とが設けられている。前記接着剤塗布部は、前記電解質膜・電極構造体との当接部位を周回し、且つ前記外周凸部と前記内周凸部との間に形成された周回凹部を有し、前記内周凸部は、前記第２触媒層の外周端部を周回する枠形状を有している。

また、本発明に係る燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、接着剤塗布部は、第２触媒層の外周端部のうち前記第２拡散層が位置する側の面と直接接触し、前記接着剤からなる接着層を有している。

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、周回凹部には、接着剤塗布部の外周側が該周回凹部との間に隙間を有して設けられることが好ましい。また、前記内側膨出部には、前記第２触媒層の外周端部と直接接触する凸部が設けられ、前記凸部と前記接着層との間には、空間部が形成されていることが好ましい。さらに、前記内側膨出部の内周端部と前記第２拡散層の外周端部との間には、隙間が形成され、前記隙間には、前記接着剤塗布部が形成されていることが好ましい。

本発明によれば、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するとともに、前記内側膨出部には、第２触媒層の外周端部と直接接触する凸部が設けられている。固体高分子電解質膜は、乾湿や差圧等によって変形する際、第２触媒層の端部での応力集中が惹起し、前記固体高分子電解質膜に亀裂等が発生する場合がある。

従って、内側膨出部に第２触媒層の外周端部と直接接触する凸部が設けられることにより、固体高分子電解質膜では、前記第２触媒層の外周端部に対応して局所応力が発生することを良好に低減される。これにより、簡単な構成で、段差ＭＥＡを構成する固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂枠部材を強固に接合するとともに、前記固体高分子電解質膜の損傷等を可及的に抑制することが可能になる。

また、本発明によれば、接着剤塗布部は、第２触媒層の外周端部と直接接触する接着層を有している。このため、固体高分子電解質膜では、第２触媒層の外周端部に対応して局所応力が発生することを良好に低減される。従って、簡単な構成で、段差ＭＥＡを構成する固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂枠部材を強固に接合するとともに、前記固体高分子電解質膜の損傷等を可及的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・電極構造体の要部説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を構成する樹脂枠部材の斜視説明図である。 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。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の要部説明図である。 特許文献１に開示されている電解質膜−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、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１〜図３に示すように、電解質膜・電極構造体１０ａを備える。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（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を有する。

なお、上記の構成に代えて、アノード電極２０が、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電極であり、カソード電極２２は、第１電極である。

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（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（第１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（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（第２拡散層）２２ｂとを設ける。第２電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅは、第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅよりも外方に突出するとともに、前記第２電極触媒層２２ａ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。第２電極触媒層２２ａ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を有する。

第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、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及び第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、カーボンクロス等からなるとともに、前記第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法は、前記第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、例えば、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に接合される樹脂枠部材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。

樹脂枠部材２４とアノード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂとは、樹脂含浸部２４ｔにより一体化される。樹脂含浸部２４ｔは、後述するように、樹脂枠部材２４に一体成形される樹脂突起部２４ｔａを加熱変形させて構成される。樹脂突起部２４ｔａは、リブ形状を有し、第１ガス拡散層２０ｂを周回する枠形状に構成される。図４に示すように、樹脂突起部２４ｔａは、各角部にＲが設けられる一方、第１ガス拡散層２０ｂは、同様に各角部にＲが設けられる。なお、樹脂突起部２４ｔａは、周回形状の少なくとも一部に切り欠き部（非連続部）を設けてもよい。

樹脂枠部材２４の内周基端部２４ｂには、カソード電極２２の外周側に突出する薄肉状内側膨出部２４ａが一体に設けられる。内側膨出部２４ａの先端部位の厚さｔ１は、第２ガス拡散層２２ｂと同一の肉厚に設定されるとともに、前記内側膨出部２４ａの基端部位の肉厚ｔ２は、カソード電極２２と同一の肉厚に設定される。

内側膨出部２４ａは、電解質膜・電極構造体１０ａとの当接部位を周回して周回凹部２６ａを有する。周回凹部２６ａには、接着剤２５を塗布する接着剤塗布部２５ａが設けられる。接着剤２５としては、例えば、液状シールやホットメルト剤が用いられる。

周回凹部２６ａは、内側膨出部２４ａの内周端側に設けられる内周凸部２６ｂ１と、前記内側膨出部２４ａの外周端側（内周基端部２４ｂ側）に設けられる外周凸部２６ｂ２との間に形成される。

第１の実施形態では、内周凸部２６ｂ１は、積層方向に沿って第２電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅと直接接触する。具体的には、図２及び図３に示すように、内周凸部２６ｂ１の矢印Ｂ方向に沿った平面範囲Ｓ内に、第２電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅが配置される。なお、内周凸部２６ｂ１は、第２電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅを連続して周回する枠形状を有してもよく、又は、一部が切り欠かれた断続的な枠形状を有してもよい。

外周凸部２６ｂ２は、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って樹脂含浸部２４ｔに対向して（重なり合って）いる。周回凹部２６ａには、接着剤塗布部２５ａと樹脂含浸部２４ｔとの間に位置して、具体的には、図３に示すように、断面視（及び平面視）で、前記接着剤塗布部２５ａと外周凸部２６ｂ２との間に位置して、空間部２８が形成される。すなわち、空間部２８は、接着剤塗布部２５ａの外周端位置と樹脂含浸部２４ｔの内周端位置との間に形成され、はみ出した接着剤２５の溜まり場としての機能を有する。

なお、断熱層である空間部２８は、好ましくは、周回凹部２６ａの全周に亘って設けられているが、全周の一部であってもよい。また、空間部２８は、好ましくは、樹脂含浸部２４ｔに対応する平面位置に設けられる。

外周凸部２６ｂ２は、第２電極触媒層２２ａの厚さ分だけ内周凸部２６ｂ１の厚さよりも厚く構成される。外周凸部２６ｂ２は、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の最外周部に当接する。

樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａと電解質膜・電極構造体１０ａとは、周回凹部２６ａに塗布される接着剤２５の層（接着剤塗布部２５ａ）により接着される。接着剤塗布部２５ａは、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅの全周に亘って額縁状に形成される。図２に示すように、樹脂枠部材２４の内周端部２４ａｅと第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅとの間には、隙間が形成される。この隙間には、接着剤塗布部２５ａが形成される。

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を製造する方法について、以下に説明する。

先ず、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１０ａ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。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と厚さ方向に反対側の面には、厚さ方向に突出し且つアノード電極２０を周回し、前記アノード電極２０に樹脂含浸されて樹脂含浸部２４ｔを形成するための樹脂突起部２４ｔａが、枠状に周回して一体成形される。

次に、図５に示すように、樹脂枠部材２４の周回凹部２６ａには、接着剤２５が、例えば、図示しないディスペンサーを介して塗布され、接着剤塗布部２５ａが形成される。一方、樹脂枠部材２４の内周端部２４ａｅの内周面には、接着剤２５が塗布され、接着剤塗布部２５ａが形成される。

そして、樹脂枠部材２４の内周基端部２４ｂと電解質膜・電極構造体１０ａの第１ガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅとが位置合わせされ、接着剤２５が加熱されるとともに、厚さ方向に荷重（プレス等）が付与される。

これにより、樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａと固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅとは、接着剤塗布部２５ａを介して接着される。また、樹脂枠部材２４の内周端部２４ａｅの内周面と第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅの先端面とは、接着剤塗布部２５ａを介して接着される。

さらに、図６に示すように、電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂枠部材２４とが位置合わせされた状態で厚さ方向に加圧され、荷重が付与されるとともに、前記樹脂枠部材２４の樹脂突起部２４ｔａ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、樹脂突起部２４ｔａは、加熱溶融され、前記樹脂突起部２４ｔａは、アノード電極２０を構成する第１ガス拡散層２０ｂに含浸されて樹脂含浸部２４ｔが設けられる。これにより、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、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、各電解質膜・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、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、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に示すように、樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａには、周回凹部２６ａが設けられるとともに、前記周回凹部２６ａには、接着剤２５を塗布する接着剤塗布部２５ａが設けられている。このため、電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂枠部材２４とは、強固且つ確実に固定され、互いに分離することを可及的に抑制することができる。

ところで、固体高分子電解質膜１８は、乾湿や差圧等によって変形する際、第２電極触媒層２２ａの端部での応力集中が惹起し、前記固体高分子電解質膜１８に亀裂等が発生し易い。その際、第１の実施形態では、図２及び図３に示すように、内側膨出部２４ａに形成された内周凸部２６ｂ１は、積層方向に沿って第２電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅと直接接触している。

従って、固体高分子電解質膜１８では、第２電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅに対応して局所応力が発生することを可及的に阻止することができる。これにより、簡単な構成で、段差ＭＥＡを構成する固体高分子電解質膜１８の外周を周回して樹脂枠部材２４を強固に接合するとともに、前記固体高分子電解質膜１８の損傷等を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

図７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５０は、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６に挟持される。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。

樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａと電解質膜・電極構造体１０ａとは、周回凹部２６ａに塗布される接着剤５４の層（接着剤塗布部５４ａ）により接着される。第２の実施形態では、接着剤塗布部５４ａは、第２電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅと直接接触し、さらに重なり部５４ａｋを有する接着層を構成する。内周凸部２６ｂ１と接着剤塗布部５４ａの端部との間には、好ましくは、空間部２８ａは、前記接着剤塗布部５４ａを伸ばすことにより隙間が形成される。

このように構成される第２の実施形態では、接着剤塗布部５４ａは、第２電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅと直接接触し、さらに重なり部５４ａｋを有する接着層を構成している。このため、固体高分子電解質膜１８では、第２電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅに対応して局所応力が発生することを良好に低減される。従って、簡単な構成で、段差ＭＥＡを構成する固体高分子電解質膜１８の外周を周回して樹脂枠部材２４を強固に接合するとともに、前記固体高分子電解質膜１８の損傷等を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、樹脂含浸部２４ｔが樹脂枠部材２４に一体成形される樹脂突起部２４ｔａにより構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、樹脂枠部材２４とは別体の樹脂部材を用意し、この樹脂部材を前記樹脂枠部材２４と第１ガス拡散層２０ｂとに跨って溶融させることにより、樹脂含浸部２４ｔを形成してもよい。

１０、５０…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…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、２２ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層 ２２…カソード電極
２２ａｅ、２２ｂｅ…外周端部 ２４…樹脂枠部材
２４ａ…内側膨出部 ２４ｂ…内周基端部
２４ｔ…樹脂含浸部 ２４ｔａ…樹脂突起部
２５、５４…接着剤 ２５ａ、５４ａ…接着剤塗布部
２６ａ…周回凹部 ２６ｂ１…内周凸部
２６ｂ２…外周凸部 ２８、２８ａ…空間部
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 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路 ４２、４４…シール部材

Claims (5)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面には、第１触媒層及び第１拡散層を有する第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触媒層及び第２拡散層を有する第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、且つ、前記第２触媒層の平面寸法は、前記第２拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差状の電解質膜・電極構造体と、
   前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられる樹脂枠部材と、
   を備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
   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、前記内側膨出部には、前記電解質膜・電極構造体との当接部位を周回して接着剤が塗布される接着剤塗布部が設けられるとともに、
   前記内側膨出部には、前記内側膨出部の外周端側に位置する外周凸部と、前記内側膨出部の内周端側に位置して前記第２触媒層の外周端部と直接接触する内周凸部とが設けられ、
   前記接着剤塗布部は、前記電解質膜・電極構造体との当接部位を周回し、且つ前記外周凸部と前記内周凸部との間に形成された周回凹部を有し、
   前記内周凸部は、前記第２触媒層の外周端部を周回する枠形状を有してい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。
2. 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、
   前記周回凹部には、前記接着剤塗布部の外周側が該周回凹部との間に隙間を有して設けら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。
3. 固体高分子電解質膜の一方の面には、第１触媒層及び第１拡散層を有する第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触媒層及び第２拡散層を有する第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、且つ、前記第２触媒層の平面寸法は、前記第２拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差状の電解質膜・電極構造体と、
   前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられる樹脂枠部材と、
   を備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
   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、前記内側膨出部には、前記電解質膜・電極構造体との当接部位を周回して接着剤が塗布される接着剤塗布部が設けられるとともに、
   前記接着剤塗布部は、前記第２触媒層の外周端部のうち前記第２拡散層が位置する側の面と直接接触し、前記接着剤からなる接着層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。
4. 請求項３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、
   前記内側膨出部には、前記第２触媒層の外周端部と直接接触する凸部が設けられ、
   前記凸部と前記接着層との間には、空間部が形成されてい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。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に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と前記第２拡散層の外周端部との間には、隙間が形成され、
   前記隙間には、前記接着剤塗布部が形成されてい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。

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