JP6118225B2 - 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アノード電極及びカソード電極で挟んだ段差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両側に、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）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。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。

例えば、特許文献１に開示されている膜電極組立体は、図９に示すように、膜電極接合体１と樹脂枠２とを含んでいる。膜電極接合体１は、高分子電解質膜３を備えており、前記電解質膜３の一方の面側には、第１の電極層４ａ及び第１のガス拡散層４ｂが設けられている。電解質膜３の他方の面側には、第２の電極層５ａ及び第２のガス拡散層５ｂが設けられている。

第１のガス拡散層４ｂは、該第１のガス拡散層４ｂの外周縁全体が電解質膜３の外周縁の範囲内に収まっている。一方、第１の電極層４ａは、該第１の電極層４ａの外周縁全周に亘って該第１の電極層４ａの外周縁と電解質膜３の外周縁との間に該電解質膜３の表面領域が残るように、該電解質膜３の表面上に配置されている。さらに、第２のガス拡散層５ｂは、電解質膜３の外周縁全周に亘って表面領域とは反対側の少なくとも一部にまで延在しており、樹脂枠２は、該表面領域の少なくとも一部に固着している。

特開２００８−４１３３７号公報

ところで、上記の膜電極組立体では、第１のガス拡散層４ｂ及び第２のガス拡散層５ｂからそれぞれ第１の電極層４ａ及び第２の電極層５ａに、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）が供給されることにより、発電が行われている。その際、特に高電流領域では、カソード触媒層への酸化剤ガス（酸素）の供給量が不足し易く、発電性能が低下するおそれがある。

また、特に車載用燃料電池を構成する際には、燃料電池全体の小型化が要請されている。このため、第１のガス拡散層４ｂ及び第２のガス拡散層５ｂを薄くすることにより、燃料電池の積層方向の寸法を短尺化させる工夫がなされている。しかしながら、第１のガス拡散層４ｂ及び第２のガス拡散層５ｂを薄肉化させることによって、セパレータ凸部とカソード側拡散層とが接する部分では、触媒層への酸素の拡散が不足し、性能低下が顕著になるという問題がある。

さらにまた、樹脂枠２は、電解質膜３の表面領域の少なくとも一部に、例えば、接着剤により固着している。しかしながら、樹脂枠２と電解質膜３とを接着させるための接着剤の厚さが薄くなり易く、前記樹脂枠２と前記電解質膜３とを所望の強度で確実に接着させることが困難にな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、コンパクトな構成で、所望の接着強度及び樹脂強度を確保することができ、しかも電極端部による膜劣化の発生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・電極構造体は、段差状の電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して設けられる樹脂枠部材とを備えている。

電解質膜・電極構造体は、固体高分子電解質膜の一方の面に、アノード触媒層及びアノード拡散層を有するアノード電極を設けている。電解質膜・電極構造体は、固体高分子電解質膜の他方の面に、カソード触媒層及びカソード拡散層を有するカソード電極を設けている。そして、アノード電極の平面寸法は、カソード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るとともに、内周基端部からカソード電極側に膨出して前記内周基端部よりも薄肉の内側膨出部を有している。内側膨出部には、電解質膜・電極構造体の外周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。

この樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、カソード拡散層の厚さは、アノード拡散層の厚さよりも大きく設定され、且つ、樹脂枠部材の内側膨出部における前記カソード触媒層に対向する部位の厚さは、前記カソード拡散層の厚さよりも大きく設定されている。

また、この樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、アノード拡散層は、樹脂枠部材の内周基端部に配置されるとともに、前記アノード拡散層の平面は、前記樹脂枠部材のうち前記固体高分子電解質膜よりも前記内側膨出部とは反対側に位置して当該固体高分子電解質膜の他方の面に平行な平面と面一に配置されることが好ましい。

さらに、この樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、カソード触媒層は、カソード拡散層よりも大きな平面寸法に設定されることが好ましい。カソード触媒層の外周端部は、カソード拡散層の外周端部よりも外方に突出して接着剤塗布部に配置されることが好ましい。

本発明によれば、アノード電極の平面寸法は、カソード電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定されている。そして、樹脂枠部材の内側膨出部には、アノード電極の外周縁部側に対応する固体高分子電解質膜の外周縁部を一体に接着する接着剤塗布部が設けられている。一方、アノード拡散層の厚さは、カソード拡散層の厚さよりも小さな寸法に設定されている。

このため、カソード側における酸化剤ガスの供給不足によって発電性能が低下することを抑制することができるとともに、接合部（接着剤塗布部）における樹脂厚さと接着剤厚さとを大きく設定することが可能になる。従って、樹脂強度及び接着強度を良好に向上させることができる。

さらに、樹脂枠部材の内側膨出部の厚さは、カソード拡散層の厚さよりも大きな寸法に設定されている。これにより、内側膨出部が先にセパレータに当接するため、カソード拡散層の先端角部は、固体高分子電解質膜に押し付けられることがなく、前記固体高分子電解質膜の劣化による膜痩せを抑制することが可能になる。

このため、コンパクトな構成で、所望の接着強度及び樹脂強度を確保することができ、しかも電極端部による膜劣化の発生を可及的に抑制することが可能になる。

本発明の実施形態に係る第１及び第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が組み込まれる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。 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 前記第１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。 前記第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 前記第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 接着剤の層厚さとせん断応力との関係説明図である。 特許文献１の膜電極組立体の断面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａ及び第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂ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１３が構成される。燃料電池スタック１３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、第１金属セパレータ１４、第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（樹脂枠付きＭＥＡ）１０ａ、第２金属セパレータ１８、第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（樹脂枠付きＭＥＡ）１０ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。

第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等により構成される。第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０に代えて、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。

図１に示すように、燃料電池１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。具体的には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂは、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０の長辺方向の一端縁部に設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔２４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

燃料電池１２の長辺方向（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ための燃料ガス入口連通孔２４ａ、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２２ｂが設けられる。

燃料電池１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側に、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔２５ａが設けられる。燃料電池１２の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。

図３に示すように、第１金属セパレータ１４の第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａに向かう面１４ａ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とに連通する第１酸化剤ガス流路２６が形成される。

第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）２６ａを有する。第１酸化剤ガス流路２６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数の入口エンボス部２８ａ及び出口エンボス部２８ｂが設けられる。

入口エンボス部２８ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝３０ａが形成される。出口エンボス部２８ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａと一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂとに連通する冷却媒体流路３２の一部が形成される。

第２金属セパレータ１８の第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａに向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する第１燃料ガス流路３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３４ａを有する。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、前記燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４とを連通する複数の供給流路溝部３６ａが形成される。複数の供給流路溝部３６ａは、ブリッジである蓋体３７ａにより覆われる。燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、前記燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４とを連通する複数の排出流路溝部３６ｂが形成される。複数の排出流路溝部３６ｂは、ブリッジである蓋体３７ｂにより覆われる。

図４に示すように、第２金属セパレータ１８の第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂに向かう面１８ｂ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とに連通する第２酸化剤ガス流路３８が形成される。第２酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３８ａを有する。

図１に示すように、第３金属セパレータ２０の第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する第２燃料ガス流路４２が形成される。第２燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）４２ａを有する。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、前記燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２とを連通する複数の供給流路溝部４４ａが形成される。複数の供給流路溝部４４ａは、ブリッジである蓋体４５ａにより覆われる。燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、前記燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４２とを連通する複数の排出流路溝部４４ｂが形成される。複数の排出流路溝部４４ｂは、ブリッジである蓋体４５ｂにより覆われる。

第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路４２の裏面形状である冷却媒体流路３２の一部が形成される。第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、前記第３金属セパレータ２０に隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂが積層されることにより、冷却媒体流路３２が一体に設けられる。

第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材４６が一体成形される。第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材４８が一体成形される。第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材５０が一体成形される。

第１シール部材４６、第２シール部材４８及び第３シール部材５０としては、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材が用いられる。

図３に示すように、第１シール部材４６は、第１金属セパレータ１４の面１４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第１酸化剤ガス流路２６との外周を取り囲む第１凸状シール部４６ａを有する。図２に示すように、第１凸状シール部４６ａは、第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａを挟んで積層される第２金属セパレータ１８の第２シール部材４８に当接する。

第１シール部材４６は、図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２との外周を取り囲む第２凸状シール部４６ｂを有する。

第２シール部材４８は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、第１燃料ガス流路３４を囲繞する第１凸状シール部４８ａを有する。図２に示すように、第１凸状シール部４８ａは、第２金属セパレータ１８に隣接する第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａの第１樹脂枠部材５８（後述する）に当接する。

図４に示すように、第２シール部材４８は、面１８ｂにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８との外周を取り囲む第２凸状シール部４８ｂを有する。図２に示すように、第２凸状シール部４８ｂは、第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂを挟んで積層される第３金属セパレータ２０の第３シール部材５０に当接する。

図１に示すように、第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、第２燃料ガス流路４２を囲繞する第１凸状シール部５０ａを有する。図２に示すように、第１凸状シール部５０ａは、第３金属セパレータ２０に隣接する第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂの第２樹脂枠部材６４（後述する）に当接する。

第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２との外周を取り囲む第２凸状シール部５０ｂを有する。

図２及び図５に示すように、第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａ及び第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂは、電解質膜・電極構造体１０を備える。電解質膜・電極構造体１０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）５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するアノード電極５４及びカソード電極５６とを備える。

固体高分子電解質膜５２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５６は、固体高分子電解質膜５２及びアノード電極５４よりも小さな平面寸法を有する。

図５に示すように、アノード電極５４は、固体高分子電解質膜５２の一方の面５２ａに接合されるアノード触媒層（電極触媒層）５４ａと、前記アノード触媒層５４ａに積層されるアノード拡散層（ガス拡散層）５４ｂとを設ける。アノード触媒層５４ａ及びアノード拡散層５４ｂ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５２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５６は、固体高分子電解質膜５２の面５２ｂに接合されるカソード触媒層（電極触媒層）５６ａと、前記カソード触媒層５６ａに積層されるカソード拡散層（ガス拡散層）５６ｂとを設ける。カソード触媒層５６ａの外周端部５６ａｅは、カソード拡散層５６ｂの外周端部５６ｂｅよりも外方に突出するとともに、前記カソード触媒層５６ａは、固体高分子電解質膜５２の外形寸法よりも小さな外形寸法に設定される。カソード触媒層５６ａの外周は、後述する接着剤塗布部６２ａに配置され、接着剤６２により封止される。

アノード触媒層５４ａ及びカソード触媒層５６ａは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、アノード拡散層５４ｂ及びカソード拡散層５６ｂの表面に一様に塗布されて形成される。

アノード拡散層５４ｂ及びカソード拡散層５６ｂは、カーボンペーパ等からなるとともに、前記カソード拡散層５６ｂの平面寸法は、前記アノード拡散層５４ｂの平面寸法よりも小さく設定される。カソード拡散層５６ｂの厚さｔ１は、アノード拡散層５４ｂの厚さｔ２よりも大きく設定される（ｔ１＞ｔ２）。アノード触媒層５４ａ及びカソード触媒層５６ａは、固体高分子電解質膜５２の両面に形成される。

第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａは、固体高分子電解質膜５２の外周を周回するとともに、アノード電極５４及びカソード電極５６に接合される第１樹脂枠部材５８を備える。第１樹脂枠部材５８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。

第１樹脂枠部材５８の内周基端部５８ｂには、カソード電極５６の外周側に突出する薄肉状内側膨出部５８ａが一体に設けられる。内側膨出部５８ａの厚さｔ３は、カソード拡散層５６ｂの厚さｔ１よりも大きく設定される（ｔ３＞ｔ１）。

内側膨出部５８ａは、電解質膜・電極構造体１０との当接部位を周回して周回凹部６０ａを有する。周回凹部６０ａには、接着剤６２を塗布する接着剤塗布部６２ａが設けられる。接着剤６２は、周回凹部６０ａの内周側にのみ塗布され、前記周回凹部６０ａの外周側には空隙が形成される。接着剤塗布部６２ａは、範囲ｈに亘って設けられるとともに、カソード触媒層５６ａの外周端部５６ａｅは、前記範囲ｈ内に位置する。接着剤６２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６０ａは、内側膨出部５８ａの内周端側に設けられる内周凸部６０ｂ１と、前記内側膨出部５８ａの外周端側（内周基端部５８ｂ側）に設けられる外周凸部６０ｂ２との間に形成される。

外周凸部６０ｂ２の厚さｔ４は、カソード触媒層５６ａの厚さ分だけ内周凸部６０ｂ１の厚さよりも厚く構成される。内周凸部６０ｂ１は、電解質膜・電極構造体１０のカソード拡散層５６ｂから外方に突出するカソード触媒層５６ａに当接する。外周凸部６０ｂ２は、電解質膜・電極構造体１０を構成する固体高分子電解質膜５２の最外周部に当接する。

第１樹脂枠部材５８の内側膨出部５８ａと電解質膜・電極構造体１０とは、周回凹部６０ａに塗布される接着剤６２の層である接着剤塗布部６２ａにより接着される。接着剤塗布部６２ａは、固体高分子電解質膜５２の外周縁部５２ｅの全周に亘って額縁状に形成される。図５に示すように、第１樹脂枠部材５８の内周端部５８ａｅとカソード拡散層５６ｂの外周端部５６ｂｅとの間には、隙間が形成される。この隙間には、厚さｔ５を有する接着剤塗布部６２ａが形成される。厚さｔ５は、カソード拡散層５６ｂの厚さｔ１と同一又は該厚さｔ１よりも薄く設定される。内周端部５８ａｅは、カソード触媒層５６ａに接する角部にＲを設けることが好ましい。なお、第１樹脂枠部材５８の内周基端部５８ｂとアノード電極５４の外周端部とは、前記第１樹脂枠部材５８の一部を溶融させて樹脂含浸によりアノード拡散層５４ｂと一体化してもよい。アノード拡散層５４ｂの平面５４ｂｆは、第１樹脂枠部材５８の内周基端部５８ｂ側の平面５８ｆと面一に配置される。

図１及び図２に示すように、第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂは、固体高分子電解質膜５２の外周を周回するとともに、アノード電極５４及びカソード電極５６に接合される第２樹脂枠部材６４を備える。第２樹脂枠部材６４は、第１樹脂枠部材５８と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

図１に示すように、第１樹脂枠部材５８のカソード電極５６側の面には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１酸化剤ガス流路２６の入口側との間に位置して入口バッファ部６６ａが設けられる。第１樹脂枠部材５８のカソード電極５６側の面には、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第１酸化剤ガス流路２６の出口側との間に位置して、出口バッファ部６６ｂが設けられる。入口バッファ部６６ａ及び出口バッファ部６６ｂは、複数本のライン状凸部及びエンボス部を有するが、前記エンボス部のみを有してもよい。以下に説明するバッファ部は、同様に構成される。

図６に示すように、第１樹脂枠部材５８のアノード電極５４側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４との間に位置して入口バッファ部６８ａが設けられる。第１樹脂枠部材５８のアノード電極５４側の面には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４との間に位置して、出口バッファ部６８ｂが設けられる。

図１に示すように、第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂに設けられる第２樹脂枠部材６４は、カソード電極５６側の面に、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して入口バッファ部７０ａが設けられる。第２樹脂枠部材６４のカソード電極５６側の面には、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して、出口バッファ部７０ｂが形成される。

第２樹脂枠部材６４のアノード電極５４側の面には、図７に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２との間に位置して入口バッファ部７２ａが設けられる。第２樹脂枠部材６４の面には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４２との間に位置して、出口バッファ部７２ｂが設けられる。

燃料電池１２同士が互いに積層されることにより、一方の燃料電池１２を構成する第１金属セパレータ１４と、他方の燃料電池１２を構成する第３金属セパレータ２０との間には、冷却媒体流路３２が形成される。

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２２ａ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２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａ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、一部が酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部６６ａを通って第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に供給される。酸化剤ガスは、他の一部が入口バッファ部７０ａを通って第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路３８に導入される。

酸化剤ガスは、図１、図３及び図４に示すように、第１酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａのカソード電極５６に供給される。また、酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂのカソード電極５６に供給される。

一方、燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給流路溝部３６ａ、４４ａに導入される。供給流路溝部３６ａでは、燃料ガスが、入口バッファ部６８ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４に供給される。供給流路溝部４４ａでは、燃料ガスが、入口バッファ部７２ａを通って第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４２に供給される。

燃料ガスは、第１燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａのアノード電極５４に供給される。また、燃料ガスは、第２燃料ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂのアノード電極５４に供給される。

従って、第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａ及び第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂでは、各カソード電極５６に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極５４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、第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａ及び第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂの各カソード電極５６に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部６６ｂ、７０ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａ及び第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂのアノード電極５４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部６８ｂ、７２ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体流路３２に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３２に供給され、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａ及び第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂを冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出される。

この場合、本実施形態に係る第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａでは、図２及び図５に示すように、アノード電極５４の平面寸法は、カソード電極５６の平面寸法よりも大きな寸法に設定されている。そして、第１樹脂枠部材５８の内側膨出部５８ａには、アノード電極５４の外周縁部側に対応する固体高分子電解質膜５２の外周縁部５２ｅを一体に接着する接着剤塗布部６２ａが設けられている。一方、アノード拡散層５４ｂの厚さｔ２は、カソード拡散層５６ｂの厚さｔ１よりも小さな寸法に設定されている。

このため、カソード電極５６側では、酸化剤ガスが十分に供給されるため、酸化剤ガスの供給不足による発電性能の低下を抑制することができる。しかも、接合部である接着剤塗布部６２ａでは、内側膨出部５８ａの厚さと接着剤６２の層厚さとを大きく設定することが可能になる。図８に示すように、接着剤６２の層厚さが大きくなると、接着面に作用するせん断応力を良好に低減させることができ、接着強度を高めることが可能になる。

さらに、第１樹脂枠部材５８を構成する内側膨出部５８ａの厚さｔ３は、カソード拡散層５６ｂの厚さｔ１よりも大きく設定されている。これにより、内側膨出部５８ａが先に第１金属セパレータ１４に当接するため、カソード拡散層５６ｂの先端角部は、固体高分子電解質膜５２に押し付けられることがなく、前記固体高分子電解質膜５２の劣化による膜痩せを抑制することが可能になる。その上、内周基端部５８ｂは、比較的肉厚に構成することができる。

このため、第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａは、コンパクトな構成で、所望の接着強度及び樹脂強度を確保することができ、しかもカソード拡散層５６ｂの端部による膜劣化の発生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。

さらにまた、アノード拡散層５４ｂの平面５４ｂｆは、第１樹脂枠部材５８の内周基端部５８ｂ側の平面５８ｆと面一に配置されている。従って、第１燃料ガス流路３４の流路高さを確保することができ、燃料ガスの円滑且つ確実な流通が図られる。

また、カソード触媒層５６ａの外周端部５６ａｅは、カソード拡散層５６ｂの外周端部５６ｂｅよりも外方に突出するとともに、前記カソード触媒層５６ａは、接着剤塗布部６２ａに配置されて接着剤６２により封止されている。これにより、カソード触媒層５６ａの外周端部５６ａｅにおける前記固体高分子電解質膜５２の膜痩せを可及的に抑制することが可能になる。

一方、第２樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ｂは、上記の第１樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０ａと同様の効果が得られる。

なお、本実施形態では、燃料電池１２は、３枚のセパレータと２枚の樹脂枠付きＭＥＡとを有し、各燃料電池１２間に冷却媒体流路３２が形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、２枚のセパレータ間に１枚の樹脂枠付きＭＥＡが挟持される燃料電池にも、適用することができる。

１０…電解質膜・電極構造体
１０ａ、１０ｂ…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１２…燃料電池 １４、１８、２０…金属セパレータ
２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２５ａ…冷却媒体入口連通孔 ２５ｂ…冷却媒体出口連通孔
２６、３８…酸化剤ガス流路 ３２…冷却媒体流路
３４、４２…燃料ガス流路 ４６、４８、５０…シール部材
５２…固体高分子電解質膜 ５４…アノード電極
５４ａ…アノード触媒層 ５４ｂ…アノード拡散層
５６…カソード電極 ５６ａ…カソード触媒層
５６ｂ…カソード拡散層 ５８、６４…樹脂枠部材
５８ａ…内側膨出部 ５８ｂ…内周基端部
６０ａ…周回凹部 ６２…接着剤
６２ａ…接着剤塗布部

Claims (3)

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、前記アノード電極の平面寸法は、前記カソード電極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とともに、内周基端部から前記カソード電極側に膨出して前記内周基端部よりも薄肉の内側膨出部を有し、前記内側膨出部には、前記電解質膜・電極構造体の外周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、
   前記カソード拡散層の厚さは、前記アノード拡散層の厚さよりも大きな寸法に設定され、且つ、前記樹脂枠部材の前記内側膨出部における前記カソード触媒層に対向する部位の厚さは、前記カソード拡散層の厚さよりも大きな寸法に設定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。
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、前記アノード拡散層は、前記樹脂枠部材の前記内周基端部に配置されるとともに、
   前記アノード拡散層の平面は、前記樹脂枠部材のうち前記固体高分子電解質膜よりも前記内側膨出部とは反対側に位置して当該固体高分子電解質膜の他方の面に平行な平面と面一に配置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。
3. 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、前記カソード触媒層は、前記カソード拡散層よりも大きな平面寸法に設定され、前記カソード触媒層の外周端部は、前記カソード拡散層の外周端部よりも外方に突出して前記接着剤塗布部に配置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。

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