JP6602244B2 - 燃料電池用樹脂枠付き段差ｍｅａ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を平面寸法の異なる第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段差ＭＥＡ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、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（小ＣＰ）に設定され、他方のガス拡散層が前記一方のガス拡散層よりも大きな平面寸法（大ＣＰ）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、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。

この樹脂枠付きＭＥＡでは、段差ＭＥＡの小ＣＰ側に露呈する固体高分子電解質膜の外周面と、樹脂枠部材の前記小ＣＰ側に膨出する内側膨出部とが、接着剤層により接合されている。その際、接着剤層が厚いと、内側膨出部の内周面と小ＣＰの先端面との隙間から溶融した接着剤が漏れ出したり、不要な領域に流れ出したりするおそれがある。一方、接着剤層が薄いと、所望の接着強度を維持することができないおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されてい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が知られている。この製造方法では、樹脂枠部材の内側膨出部に、内側壁部の近傍に位置して第１接着剤が塗布され、前記第１接着剤が半硬化した後、前記内側膨出部に、前記第１接着剤の塗布範囲以外の範囲に第２接着剤が塗布されている。

このため、第１接着剤及び第２接着剤により、固体高分子電解質膜の外周縁部と樹脂枠部材の内側膨出部とが接合される際、前記第１接着剤が前記内側膨出部とガス拡散層の外周部との間に流れ込むことがない。従って、ガス拡散層の内部に第１接着剤が浸み込んで前記ガス拡散層の空孔が閉塞されることを確実に抑制することができる、としている。

特開２０１３−１３１４１７号公報

本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、簡単な構成及び工程で、接着剤の流出を確実に阻止し、最適な接合強度を得ることが可能な燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡ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段差ＭＥＡでは、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを備えている。段差ＭＥＡでは、固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第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電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第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、第２電極触媒層は、第２ガス拡散層の外周端から外方に露出している。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、第２電極側に膨出する内側膨出部を有している。

燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡでは、第２ガス拡散層の外周端から外方に露出する第２電極触媒層の外周露呈部を覆って、第１接着剤層が固体高分子電解質膜に接合されている。そして、固体高分子電解質膜の外周面と内側膨出部とは、第２接着剤層により接合されている。

また、この製造方法では、第２ガス拡散層の外周端から外方に露出する第２電極触媒層の外周露呈部を覆って、固体高分子電解質膜に第１接着剤層を接合する工程を有している。この製造方法では、固体高分子電解質膜の外周面と内側膨出部とを、第２接着剤層により接合する工程を有している。

また、この製造方法では、第２接着剤層は、第１接着剤層に重なり合って配置され、固体高分子電解質膜の外周面と内側膨出部とを接合することが好ましい。

さらに、この製造方法では、第２接着剤層は、第１接着剤層から離間した位置で、固体高分子電解質膜の外周面と内側膨出部とに直接接触して配置され、前記固体高分子電解質膜の外周面と前記内側膨出部とを接合することが好ましい。

さらにまた、この製造方法では、第２接着剤層に重なり合う第３接着剤層を有し、前記第３接着剤層は、前記第２接着剤層と内側膨出部とを接合することが好ましい。

また、この製造方法では、第１接着剤層及び第２接着剤層は、シート状の接着剤であることが好ましい。

さらに、この製造方法では、第３接着剤層は、シート状の接着剤であることが好ましい。

本発明によれば、第１接着剤層により第２電極触媒層の外周露呈部が保護されるとともに、第２接着剤層により固体高分子電解質膜の外周面と内側膨出部とが接合されている。このため、第２電極触媒層を保護する層部分を薄く形成する一方、固体高分子電解質膜と樹脂枠部材とを接合する層部分（強度を要する部分）を厚く形成することができる。

従って、不要な部位に接着剤が洩れ出すことを阻止するとともに、必要な部位に最適な量の接着剤を配置することが可能になる。これにより、簡単な構成及び工程で、接着剤の不要な流出を確実に阻止し、最適な接合強度を得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段差ＭＥＡが組み込まれる固体高分子型発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記発電セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記樹脂枠付き段差ＭＥＡを構成する第１接着剤層を配置する際の説明図である。 前記第１接着剤層を介して第２ガス拡散層を接合する際の説明図である。 前記段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを接合する際の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡが組み込まれる固体高分子型発電セルの断面説明図である。 前記樹脂枠付き段差ＭＥＡを構成する第１接着剤層を配置する際の説明図である。 前記第１接着剤層を加熱及び加圧する際の説明図である。 前記段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを接合する際の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡが組み込まれる固体高分子型発電セルの断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡが組み込まれる固体高分子型発電セルの断面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡが組み込まれる固体高分子型発電セルの断面説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡが組み込まれる固体高分子型発電セルの断面説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡが組み込まれる固体高分子型発電セルの断面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡ（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発電セル（燃料電池）１２に組み込まれる。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。

発電セル１２は、樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０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段差ＭＥＡ１０は、段差ＭＥＡ１０ａを備える。図２に示すように、段差ＭＥＡ１０ａ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固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）１８を有する。固体高分子電解質膜１８は、アノード電極（第１電極）２０及びカソード電極（第２電極）２２に挟持される。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）系電解質を使用することができる。

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、同一の平面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）の平面寸法に設定される。

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は、第２ガス拡散層２２ｂの外周端２２ｂｅから外方に突出しており、前記第２ガス拡散層２２ｂよりも大きな平面寸法を有するとともに、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。第２電極触媒層２２ａは、第２ガス拡散層２２ｂの外周端２２ｂｅから外方に露出する外周露呈部２２ａｏを有する。

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して形成される。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して形成される。

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、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに形成される。

樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、前記固体高分子電解質膜１８の外周面１８ｂｅに接合される樹脂枠部材（厚さが一定の樹脂フィルムも含む）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、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で構成される。

樹脂枠部材２４は、枠形状を有するとともに、外周端から内方に所定の長さに亘って外周縁部２４ａを設ける。外周縁部２４ａの内方端部には、第１段差部２４ｓ１を介して固体高分子電解質膜１８の外周面１８ｂｅに当接する棚部２４ｂが設けられる。棚部２４ｂの内方端部には、第２段差部２４ｓ２を介してカソード電極２２側に膨出する薄肉状の内側膨出部２４ｃが設けられる。

内側膨出部２４ｃの内周端２４ｃｅと第２ガス拡散層２２ｂの外周端２２ｂｅとは、距離Ｌ１だけ離間して隙間部２６ａを形成する。第１段差部２４ｓ１と段差ＭＥＡ１０ａの先端１０ａｅとは、距離Ｌ２だけ離間する。

樹脂枠部材２４の外周縁部２４ａには、アノード電極２０側の面に厚さ方向に突出する突起部２４ｔを設けてもよい。突起部２４ｔは、溶融されることにより、アノード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂの外周縁部に樹脂含浸される。

内側膨出部２４ｃと固体高分子電解質膜１８の外周面１８ｂｅとの間には、充填室２６ｂが設けられるとともに、前記充填室２６ｂには、第１接着剤層２８と第２接着剤層３０とが配置される。第１接着剤層２８及び第２接着剤層３０は、互いに同一成分の接着剤又は異なる成分の接着剤を用いることができ、好ましくは、同一成分の母材で構成される。

第１接着剤層２８及び第２接着剤層３０は、例えば、熱可塑性接着剤による枠状のシート状接着剤２８ｓ及びシート状接着剤３０ｓで構成される。シート状接着剤２８ｓは、シート状接着剤３０ｓよりも薄肉状（厚さが小さい）に形成される。熱可塑性接着剤には、熱可塑性樹脂、例えば、アクリル系樹脂、エステル系樹脂、スチレン系樹脂等のホットメルト剤が用いられる。

第１接着剤層２８の内周端は、第２ガス拡散層２２ｂと第２電極触媒層２２ａとの間に所定の長さだけ挿入される。第１接着剤層２８の外周端は、第２電極触媒層２２ａの外周露呈部２２ａｏを覆って、固体高分子電解質膜１８の外周面１８ｂｅに接合される。第１接着剤層２８は、第２電極触媒層２２ａの外周露呈部２２ａｏを保護する。第２接着剤層３０は、第１接着剤層２８の外周縁部と樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ｃとの間に配置され、固体高分子電解質膜１８と前記内側膨出部２４ｃとを接合する。

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、それぞれ積層方向である矢印Ａ方向に個別に連通して、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（空気）を供給する一方、冷却媒体入口連通孔３６ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔３８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（水素ガス）を排出する。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂ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、それぞれ矢印Ａ方向に個別に連通して、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔３６ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第２セパレータ１６の樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとに連通する酸化剤ガス流路４０が設けられる。酸化剤ガス流路４０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の樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに連通する燃料ガス流路４２が設けられる。燃料ガス流路４２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３６ａと冷却媒体出口連通孔３６ｂとに連通する冷却媒体流路４４が、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

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の外周端を周回して、第１シール部材４６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の外周端を周回して、第２シール部材４８が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材４６は、樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０を構成する樹脂枠部材２４の外周縁部２４ａに当接する第１凸状シール４６ａを有する。第１シール部材４６は、第２セパレータ１６の第２シール部材４８に当接する第２凸状シール４６ｂを有する。第２シール部材４８は、第２凸状シール４６ｂに当接する面がセパレータ面に沿って均一な厚さを有して延在する平面シール部４８ｆを構成する。なお、第２凸状シール４６ｂに代えて、第２シール部材４８に凸状シール（図示せず）を設ける一方、第１シール部材４６に平面シール部を構成してもよい。

第１シール部材４６及び第２シール部材４８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。

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

まず、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３に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａには、第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂが積層されてアノード電極２０が設けられる。固体高分子電解質膜１８の面１８ｂには、第２電極触媒層２２ａのみが設けられて積層体１０ａａが得られる。積層体１０ａａは、第１ガス拡散層２０ｂが、基台５０上に載置される。

一方、枠形状のシート状接着剤２８ｓを設けたキャリアフィルム５２が用意される。キャリアフィルム５２は、シート状接着剤２８ｓが第２電極触媒層２２ａに対向させて配置され、この状態で、前記キャリアフィルム５２が熱盤５４により加熱及び加圧される。

このため、シート状接着剤２８ｓは、内周端が第２電極触媒層２２ａの外周露呈部２２ａｏを覆って、固体高分子電解質膜１８の外周面１８ｂｅに貼り付けられる。その後、キャリアフィルム５２が剥離される。

次いで、図４に示すように、第１ガス拡散層２０ｂが熱盤５６に配置されるとともに、第２ガス拡散層２２ｂが外周縁部をシート状接着剤２８ｓの内周縁部に重ねて第２電極触媒層２２ａに積層される。第２ガス拡散層２２ｂには、熱盤５８が配置され、前記熱盤５８と熱盤５６との間で、加熱及び加圧が行われる。従って、シート状接着剤２８ｓは、溶融した後に固化することにより、段差ＭＥＡ１０ａが作製される。

さらに、図５に示すように、段差ＭＥＡ１０ａが上下反転されるとともに、樹脂枠部材２４上に載置される。樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ｃ上には、シート状接着剤２８ｓ（第１接着剤層２８）に積層方向に重なるように、シート状接着剤３０ｓが配置される。

樹脂枠部材２４は、熱盤６０上に載置される一方、アノード電極２０上に熱盤６２が配置される。熱盤６０と熱盤６２との間で、加熱及び加圧が行われることにより、第１接着剤層２８及び第２接着剤層３０を介して樹脂枠部材２４と段差ＭＥＡ１０ａとが一体化され、樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０が作製される。

樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０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２４ｃに当接し、第１セパレータ１４とともに樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０に、積層方向に荷重を付与する。さらに、発電セル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。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、第１接着剤層２８により第２電極触媒層２２ａの外周露呈部２２ａｏが保護されている。さらに、第２接着剤層３０により固体高分子電解質膜１８の外周面１８ｂｅと樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ｃとが接合されている。このため、第２電極触媒層２２ａを保護する層部分を薄く形成する一方、固体高分子電解質膜１８と樹脂枠部材２４とを接合する層部分（強度を要する部分）を厚く形成することができる。

従って、不要な部位、例えば、内側膨出部２４ｃの内周端２４ｃｅと第２ガス拡散層２２ｂの外周端２２ｂｅとの隙間部２６ａや、充填室２６ｂの第１段差部２４ｓ１側の端部に、発電セル１２の作動温度が上昇した際、接着剤が洩れ出すことを阻止することが可能になる。しかも、必要な部位に最適な量の接着剤を配置することができる。

その上、第１接着剤層２８の接合処理（加熱及び加圧）が終了した後、第２接着剤層３０が配置されて前記第２接着剤層３０の接合処理が行われている。これにより、第２接着剤層３０に不要な加熱処理を施すことがなく、所望の接着強度を担保することができる。このため、簡単な構成及び工程で、接着剤の不要な流出を確実に阻止するとともに、最適な接合強度を得ることが可能になるという効果が得られる。

このように構成される発電セル１２の動作について、以下に説明する。

まず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ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３８ａ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３６ａ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３４ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路４０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３８ａから第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、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３４ｂ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３８ｂ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３６ａ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４４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３６ｂから排出される。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡ７０が組み込まれる固体高分子型発電セル７２の断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る発電セル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、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。

樹脂枠付き段差ＭＥＡ７０は、段差ＭＥＡ７０ａと樹脂枠部材２４とを備える。段差ＭＥＡ７０ａには、第１接着剤層２８に代えて第１接着剤層７４が設けられる。第１接着剤層７４は、例えば、熱可塑性接着剤による枠状のシート状接着剤７４ｓで構成される。

第１接着剤層７４の内周端７４ｅは、第２ガス拡散層２２ｂの外周端２２ｂｅを覆って前記第２ガス拡散層２２ｂの外面（第２電極触媒層２２ａ側の面とは反対の面）に沿って所定の長さだけ延在する。第１接着剤層７４の外周端は、第２電極触媒層２２ａの外周露呈部２２ａｏを覆って、固体高分子電解質膜１８の外周面１８ｂｅに接合される。

次に、第２の実施形態に係る樹脂枠付き段差ＭＥＡ７０の製造方法について、以下に説明する。

図７に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａには、第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂが積層されてアノード電極２０が設けられる。固体高分子電解質膜１８の面１８ｂには、第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂが積層されてカソード電極２２が設けられる。このため、段差ＭＥＡ７０ａが作製される。

そして、第１ガス拡散層２０ｂは、基台７６上に載置される一方、シート状接着剤７４ｓを設けたキャリアフィルム７８が用意される。キャリアフィルム７８は、シート状接着剤７４ｓを第２ガス拡散層２２ｂ及び第２電極触媒層２２ａの外周露呈部２２ａｏに対向させて配置され、熱盤８０により加熱及び加圧される。

従って、シート状接着剤７４ｓは、第２ガス拡散層２２ｂの外面から第２電極触媒層２２ａの外周露呈部２２ａｏを覆って、固体高分子電解質膜１８の外周面１８ｂｅに貼り付けられる。その後、キャリアフィルム７８が剥離される。

次いで、図８に示すように、第１ガス拡散層２０ｂが基台７６上に配置された状態で、シート状接着剤７４ｓが熱盤８２により加熱及び加圧される。これにより、シート状接着剤７４ｓは、第２ガス拡散層２２ｂの外面から第２電極触媒層２２ａの外周露呈部２２ａｏを覆って、固体高分子電解質膜１８の外周面１８ｂｅに接合される。

さらに、図９に示すように、段差ＭＥＡ７０ａが上下反転されるとともに、樹脂枠部材２４上に載置される。樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ｃ上には、シート状接着剤７４ｓ（第１接着剤層７４）に積層方向に重なるように、シート状接着剤３０ｓが配置される。樹脂枠部材２４は、熱盤８４上に載置される一方、アノード電極２０上に熱盤８６が配置される。熱盤８４と熱盤８６との間で、加熱及び加圧が行われることにより、第１接着剤層７４及び第２接着剤層３０を介して樹脂枠部材２４と段差ＭＥＡ７０ａとが一体化され、樹脂枠付き段差ＭＥＡ７０が作製される。

この第２の実施形態では、第１接着剤層７４により第２電極触媒層２２ａの外周露呈部２２ａｏが保護されている。さらに、第２接着剤層３０により固体高分子電解質膜１８の外周面１８ｂｅと樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ｃとが接合されている。このため、簡単な構成及び工程で、接着剤の不要な流出を確実に阻止し、最適な接合強度を得ることが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡ９０が組み込まれる固体高分子型発電セル９２の断面説明図である。

樹脂枠付き段差ＭＥＡ９０は、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とを備える。段差ＭＥＡ１０ａには、第２接着剤層３０に代えて第２接着剤層９４が設けられる。第２接着剤層９４は、例えば、熱可塑性接着剤による枠状のシート状接着剤９４ｓで構成される。第２接着剤層９４の外周端部は、第１接着剤層２８の外周端部よりも外方に突出する。

図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡ１００が組み込まれる固体高分子型発電セル１０２の断面説明図である。

樹脂枠付き段差ＭＥＡ１００は、段差ＭＥＡ１００ａと樹脂枠部材２４とを備える。段差ＭＥＡ１００ａには、第１接着剤層２８に代えて第１接着剤層１０４が設けられるとともに、第２接着剤層３０に代えて第２接着剤層１０６が設けられる。

第１接着剤層１０４及び第２接着剤層１０６は、例えば、熱可塑性接着剤による枠状のシート状接着剤１０４ｓ及びシート状接着剤１０６ｓで構成される。シート状接着剤１０４ｓは、シート状接着剤１０６ｓよりも厚肉状（厚さが大きい）に形成される。

第１接着剤層１０４の内周端部１０４ｅは、第２ガス拡散層２２ｂの外周端２２ｂｅに当接するとともに、第２電極触媒層２２ａの外周露呈部２２ａｏを覆って、固体高分子電解質膜１８の外周面１８ｂｅに接合される。

図１２は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡ１１０が組み込まれる固体高分子型発電セル１１２の断面説明図である。

樹脂枠付き段差ＭＥＡ１１０は、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とを備える。段差ＭＥＡ１０ａには、第２接着剤層３０に代えて２つの独立した第２接着剤層１１４、１１６が設けられる。第２接着剤層１１４、１１６は、例えば、熱可塑性接着剤による枠状のシート状接着剤１１４ｓ、１１６ｓで構成される。なお、シート状接着剤１１４ｓ、１１６ｓは、異なる成分の接着剤を用いることができる。

第２接着剤層１１４は、第１接着剤層２８の外周端縁部に重なり合って配置される一方、第２接着剤層１１６は、前記樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ｃの内周端縁部に重なり合って配置される。

図１３は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡ１２０が組み込まれる固体高分子型発電セル１２２の断面説明図である。

樹脂枠付き段差ＭＥＡ１２０は、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とを備える。段差ＭＥＡ１０ａには、第１接着剤層２８に代えて第１接着剤層１２４が設けられるとともに、第２接着剤層３０に代えて第２接着剤層１２６が設けられる。

第１接着剤層１２４は、例えば、熱硬化性接着剤による枠状のシート状接着剤１２４ｓで構成される。固化後の熱影響を受け難いからである。第２接着剤層１２６は、例えば、熱可塑性接着剤による枠状のシート状接着剤１２６ｓで構成される。温度依存性が少ないからである。

第１接着剤層１２４は、幅寸法が小さく設定され、第２接着剤層１２６と重なり合うことがない。第２接着剤層１２６は、直接、固体高分子電解質膜１８の外周面１８ｂｅに当接するように配置される。

図１４は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡ１３０が組み込まれる固体高分子型発電セル１３２の断面説明図である。

樹脂枠付き段差ＭＥＡ１３０は、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とを備える。段差ＭＥＡ１０ａには、第２接着剤層３０に代えて第２接着剤層１３４及び第３接着剤層１３６が設けられる。第２接着剤層１３４及び第３接着剤層１３６は、例えば、熱可塑性接着剤による枠状のシート状接着剤１３４ｓ及びシート状接着剤１３６ｓで構成される。シート状接着剤１３４ｓは、シート状接着剤１３６ｓよりも幅寸法（矢印Ｃ方向の寸法）が小さく形成される。

第２接着剤層１３４は、樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ｃに配置され、第３接着剤層１３６は、前記第２接着剤層１３４と第１接着剤層２８との間に積層される。

上記の第３〜第７の実施形態では、簡単な構成及び工程で、接着剤の不要な流出を確実に阻止し、最適な接合強度を得ることが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、７０、９０、１００、１１０、１２０、１３０…樹脂枠付き段差ＭＥＡ
１０ａ、７０ａ、１００ａ…段差ＭＥＡ
１２、７２、９２、１０２、１１２、１２２、１３２…発電セル
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
１８ｂｅ…外周面 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 ２２ａｏ…外周露呈部
２２ｂｅ…外周端 ２４…樹脂枠部材
２４ａ…外周縁部 ２４ｂ…棚部
２４ｃ…内側膨出部 ２４ｃｅ…内周端
２８、３０、７４、９４、１０４、１０６、１１４、１１６、１２４、１２６、１３４、１３６…接着剤層
２８ｓ、３０ｓ、７４ｓ、９４ｓ、１０４ｓ、１０６ｓ、１１４ｓ、１１６ｓ、１２４ｓ、１２６ｓ、１３４ｓ、１３６ｓ…シート状接着剤
３４ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３６ａ…冷却媒体入口連通孔 ３６ｂ…冷却媒体出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔 ３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
４０…酸化剤ガス流路 ４２…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路

Claims (7)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第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電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第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、前記第２電極触媒層は、前記第２ガス拡散層の外周端から外方に露出する段差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とともに、前記第２電極側に膨出する内側膨出部を有する樹脂枠部材と、
   を備える燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡであって、
   前記第２ガス拡散層の外周端から外方に露出する前記第２電極触媒層の外周露呈部を覆って、前記固体高分子電解質膜に接合している第１接着剤層と、
   前記固体高分子電解質膜の外周面と前記内側膨出部とを接合している第２接着剤層と、
   を備えることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡ。
2. 固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第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電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第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、前記第２電極触媒層は、前記第２ガス拡散層の外周端から外方に露出する段差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とともに、前記第２電極側に膨出する内側膨出部を有する樹脂枠部材と、
   を備える燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造方法であって、
   前記第２ガス拡散層の外周端から外方に露出する前記第２電極触媒層の外周露呈部を覆って、前記固体高分子電解質膜に第１接着剤層を接合する工程と、
   前記固体高分子電解質膜の外周面と前記内側膨出部とを、第２接着剤層により接合する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造方法。
3. 請求項２記載の製造方法であって、前記第２接着剤層は、前記第１接着剤層に重なり合って配置され、前記固体高分子電解質膜の外周面と前記内側膨出部とを接合することを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造方法。
4. 請求項２記載の製造方法であって、前記第２接着剤層は、前記第１接着剤層から離間した位置で、前記固体高分子電解質膜の外周面と前記内側膨出部とに直接接触して配置され、前記固体高分子電解質膜の外周面と前記内側膨出部とを接合することを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造方法。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の製造方法であって、前記第２接着剤層に重なり合う第３接着剤層を有し、前記第３接着剤層は、前記第２接着剤層と前記内側膨出部とを接合することを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造方法。
6. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の製造方法であって、前記第１接着剤層及び前記第２接着剤層は、シート状の接着剤であることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造方法。
7. 請求項５記載の製造方法であって、前記第３接着剤層は、シート状の接着剤であることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造方法。

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