JP6666664B2 - 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。この発電セルは、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、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。

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、膜の一方の面には、前記膜と同一の外形寸法を有するアノード触媒層とアノードガス拡散層とが配置されている。膜の他方の面には、前記膜よりも小さな外形寸法を有するカソード触媒層とカソードガス拡散層とが配置されている。これによって、段差ＭＥＡが構成されている。

アノードガス拡散層は、カソードガス拡散層よりも大きな面積に設定されており、前記カソードガス拡散層側の膜の外周部とガスケット構造体とは、接着部位を介して接合されている。その際、カソードガス拡散層の外周端部とガスケット構造体の内周端部とは、互いに対向して配置されている。

特開２００７−６６７６６号公報

ところで、膜とガスケット構造体とを接合する際に、カソードガス拡散層の外周端部とガスケット構造体の内周端部との間には、クリアランス部（隙間）が発生し易い。このため、クリアランス部に配置される膜の強度が低下してしまい、例えば、アノード電極への燃料ガスの供給圧力とカソード電極への酸化剤ガスの供給圧力との差圧により、前記膜が変形するおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、樹脂枠部材のクリアランス部に配置される固体高分子電解質膜と電極触媒層との密着力を向上させることにより、簡単な構成で、前記固体高分子電解質膜の変形を良好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ている。

樹脂枠部材は、第２電極側に膨出する内側膨出部を有し、第２ガス拡散層の外周端部と前記内側膨出部の内周端部との間には、クリアランス部が形成されている。そして、段差ＭＥＡの厚さ方向に沿って、第１電極のクリアランス部に対向する部位は、固体高分子電解質膜と第１電極触媒層との間の密着力が０．２Ｎ／ｍｍ以上に設定されている。

また、クリアランス部の固体高分子電解質膜の厚み方向外方には、第２電極触媒層が設けられることが好ましい。

さらに、第１電極は、燃料ガスが供給されるアノード電極である一方、第２電極は、酸化剤ガスが供給されるカソード電極であることが好ましい。その際、第１電極に供給される燃料ガスの供給圧力は、第２電極に供給される酸化剤ガスの供給圧力よりも大きな圧力に設定されることが好ましい。

本発明によれば、段差ＭＥＡの厚さ方向に沿って、第１電極のクリアランス部に対向する部位は、固体高分子電解質膜と第１電極触媒層との間の密着力が、０．２Ｎ／ｍｍ以上に設定されている。従って、簡単な構成で、クリアランス部に対向する固体高分子電解質膜と第１電極触媒層との密着力が良好に向上する。

これにより、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体に外部荷重が付与された際、クリアランス部に対向する固体高分子電解質膜が変形することを確実に阻止し、前記固体高分子電解質膜の機械的な劣化を防止することが可能になる。

本発明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・電極構造体を構成する樹脂枠部材の一部断面斜視説明図である。

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、段差ＭＥＡ１０ａを備える。段差ＭＥＡ１０ａ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）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。

図２及び図３に示すように、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の外周端面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、後述するクリアランス部ＣＬの固体高分子電解質膜１８の厚み方向外方に設けられる（図３参照）。クリアランス部ＣＬで固体高分子電解質膜１８を露出させることがなく、前記固体高分子電解質膜１８を保護して、さらに該固体高分子電解質膜１８を補強することができる。

なお、第２電極触媒層２２ａと第２ガス拡散層２２ｂとは、同一の平面寸法に設定されてもよく、前記第２電極触媒層２２ａは、前記第２ガス拡散層２２ｂよりも小さな平面寸法を有してもよい。

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共に第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共に第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は、多孔性と導電性を有するマイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）と、カーボンペーパ又はカーボンクロス等のカーボン層２０ｂ（ｃ）とから形成される。第２ガス拡散層２２ｂは、マイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）と、カーボンペーパ又はカーボンクロス等のカーボン層２２ｂ（ｃ）とから形成される。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の両面に形成される。なお、マイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）、２２ｂ（ｍ）は、必要に応じて用いればよく、不要にすることもできる。

図３に示すように、アノード電極２０では、第１電極触媒層２０ａの厚さｔ１、マイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）の厚さｔ２及びカーボン層２０ｂ（ｃ）の厚さｔ３が設定される。カソード電極２２では、第２電極触媒層２２ａの厚さｔ４、マイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）の厚さｔ５及びカーボン層２２ｂ（ｃ）の厚さｔ６が設定される。

これらは、厚さｔ３又はｔ６＞厚さｔ４≧厚さｔ２又はｔ５＞厚さｔ１の関係を有する。具体的には、厚さｔ１は、２μｍ〜１０μｍの範囲内、ｔ２及びｔ５は、１０μｍ〜４０μｍの範囲内、厚さｔ３及びｔ６は、１００μｍ〜３００μｍの範囲内、厚さｔ４は、１０μｍ〜４０μｍの範囲内である。

曲げ弾性率では、カーボン層２０ｂ（ｃ）又はカーボン層２２ｂ（ｃ）＞第２電極触媒層２２ａ≧マイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）又はマイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）＞第１電極触媒層２０ａの関係を有する。

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。なお、樹脂枠部材２４に代えて、樹脂フィルムを用いてもよい。

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、又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。樹脂枠部材２４は、さらに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。

図１及び図４に示すように、樹脂枠部材２４は、枠形状を有する。樹脂枠部材２４は、図２及び図３に示すように、内周基端部２４ｓから段部を介してカソード電極２２側に膨出する薄肉状に形成された内側膨出部２４ａを有する。内側膨出部２４ａは、内周基端部２４ｓから内方に所定の長さを有して延在し、固体高分子電解質膜１８の外周面部１８ｂｅを覆って配置される。内側膨出部２４ａは、内側角部にＲ（湾曲面）が設けられる内周端面２４ａｅを有する。

図４に示すように、樹脂枠部材２４には、内周基端部２４ｓに隣接して樹脂突起部２４ｔが一体に設けられる。樹脂突起部２４ｔは、後述するように、溶融してアノード電極２０を構成する第１ガス拡散層２０ｂの外周縁部に含浸されて額縁状の樹脂含浸部２８ａを形成する（図２及び図３参照）。

図３に示すように、内側膨出部２４ａと段差ＭＥＡ１０ａとの間には、充填室２６が設けられるとともに、前記充填室２６には、接着剤層２８が形成される。接着剤層２８には、接着剤として、例えば、液状シールやホットメルト剤が設けられる。なお、接着剤としては、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。

第２ガス拡散層２２ｂの外周端面２２ｂｅと内側膨出部２４ａの内周端面２４ａｅとの間には、距離Ｓ１だけ離間してクリアランス部ＣＬが形成される。距離Ｓ１は、０．５ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲、より好ましくは、０．６ｍｍ〜１．０ｍｍに設定される。距離Ｓ１は、枠形状を有するクリアランス部ＣＬの幅寸法である。

段差ＭＥＡ１０ａの厚さ方向（矢印Ａ方向）に沿って、アノード電極２０のクリアランス部ＣＬに対向する枠形状の部位ＣＬｒが設けられる。部位ＣＬｒは、距離Ｓ１を包含し、該距離Ｓ１よりも広い、例えば、１．０ｍｍ〜２．０ｍｍの距離（幅寸法）Ｓ１から離間する範囲を有し、固体高分子電解質膜１８と第１電極触媒層２０ａとの間の密着力が、０．２Ｎ／ｍｍ以上に設定される。

具体的には、固体高分子電解質膜１８と第１電極触媒層２０ａとをホットプレスする荷重や該ホットプレスの温度を設定する。荷重が大きい程、密着力が大きくなり、温度が高い程、密着力が大きくなる。また、第１電極触媒層２０ａ中の担持カーボンに対するイオン交換成分の量を設定する。イオン交換成分の量が増えると、密着力が大きくなる。

部位ＣＬｒでは、固体高分子電解質膜１８と第２電極触媒層２２ａとの接合位置Ｐ１、及び前記固体高分子電解質膜１８と第１電極触媒層２０ａとの接合位置Ｐ２が設定される。部位ＣＬｒでは、さらに第１電極触媒層２０ａとマイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）との接合位置Ｐ３、及び前記マイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）とカーボン層２０ｂ（ｃ）との接合位置Ｐ４が設定される。接合強度は、接合位置Ｐ１＜接合位置Ｐ２＜接合位置Ｐ３＜接合位置Ｐ４の関係を有する。

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、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、矢印Ｂ方向に延在して設けられる。

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、矢印Ｂ方向に延在して形成される。燃料ガス流路３８を流通する燃料ガスの供給圧力は、酸化剤ガス流路３６を流通する酸化剤ガスの供給圧力よりも大きな圧力に設定される。段差ＭＥＡ１０ａでは、アノード電極２０とカソード電極２２との間に、反応ガス供給圧力の差による差圧（極間差圧）が惹起される。

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、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ＭＥＡ１０ａ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。段差ＭＥＡ１０ａでは、カーボンペーパの平坦面に、カーボンブラックとＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子との混合物からなるスラリーを塗布し、乾燥させて下地層であるマイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）が形成される。

マイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）にカーボン層２０ｂ（ｃ）が接合されることにより、第１ガス拡散層２０ｂが形成される。同様に、マイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）が形成され、前記マイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）にカーボン層２２ｂ（ｃ）が接合されることにより、第２ガス拡散層２２ｂが形成される。

一方、電極触媒に溶媒を加えた後、イオン導電性高分子バインダ溶液として、例えば、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物の溶液が投入される。そして、所定のインク粘度になるまで、溶媒を添加することにより、アノード電極インク及びカソード電極インクが作成される。

そこで、アノード電極インクは、ＰＥＴフィルムにスクリーン印刷により塗工され、加熱乾燥されることにより、第１電極触媒層２０ａを設けたアノード電極シートが形成される。第１電極触媒層２０ａは、固体高分子電解質膜１８と同一の平面寸法に設定される。

同様に、カソード電極インクは、ＰＥＴフィルムにスクリーン印刷により塗工され、加熱乾燥されることにより、第２電極触媒層２２ａを設けたカソード電極シートが形成される。第２電極触媒層２２ａは、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。

次いで、固体高分子電解質膜１８が、アノード電極シート及びカソード電極シートに挟持された状態で、ホットプレスが行われる。そして、ＰＥＴフィルムが剥離されることにより、接合体（ＣＣＭ）（catalyst coated membrane）が形成される。さらに、ＣＣＭは、第１ガス拡散層２０ｂと第２ガス拡散層２２ｂとに挟持され、ホットプレスにより一体化されて段差ＭＥＡ１０ａが作製される。

そして、固体高分子電解質膜１８の外周面部１８ｂｅ上に、接着剤が、例えば、図示しないディスペンサーを介して塗布される。固体高分子電解質膜１８の外周面部１８ｂｅと樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａとの接合部位は、接着剤が塗布された状態で、加熱及び加圧処理される。このため、接着剤が硬化して接着剤層２８が得られる。

次いで、樹脂枠部材２４の樹脂突起部２４ｔが、接触する金型（図示せず）により加熱及び加圧される。加熱方式としては、レーザ加熱、赤外線加熱、インパルス加熱やヒータ加熱等が採用される。このため、樹脂突起部２４ｔは、加熱溶融され、前記樹脂突起部２４ｔ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２８ａが設けられる。従って、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ととも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、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。

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、段差ＭＥＡ１０ａのアノード電極２０に供給される。

従って、各段差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、段差ＭＥＡ１０ａ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、本実施形態では、図３に示すように、樹脂枠部材２４を構成する内側膨出部２４ａの内周端面２４ａｅと第２ガス拡散層２２ｂの外周端面２２ｂｅとの間には、クリアランス部ＣＬが形成されている。このため、クリアランス部ＣＬには、接着剤層２８が形成されることにより、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とを、強固且つ良好に接合することができる。

さらに、段差ＭＥＡ１０ａの厚さ方向に沿って、アノード電極２０のクリアランス部ＣＬに対向する部位ＣＬｒは、固体高分子電解質膜１８と第１電極触媒層２０ａとの間の密着力が、０．２Ｎ／ｍｍ以上に設定されている。

本実施形態では、アノード電極２０に供給される燃料ガスの供給圧力は、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスの供給圧力よりも大きな圧力に設定されている。従って、段差ＭＥＡ１０ａでは、クリアランス部ＣＬに対向する部位ＣＬｒに、アノード電極２０からカソード電極２２に向かって極間差圧による荷重Ｆが付与され易い。また、固体高分子電解質膜１８は、膨潤や収縮により変形し易い。

その際、部位ＣＬｒでは、固体高分子電解質膜１８と第１電極触媒層２０ａとの間の密着力が、０．２Ｎ／ｍｍ以上に設定されており、前記固体高分子電解質膜１８と前記第１電極触媒層２０ａとが強固に固定されている。これにより、簡単な構成で、クリアランス部ＣＬに対向する固体高分子電解質膜１８と第１電極触媒層２０ａとの密着力が良好に向上している。

このため、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０に荷重Ｆが付与された際、クリアランス部ＣＬに対向する固体高分子電解質膜１８が変形することを確実に阻止することができる。従って、固体高分子電解質膜１８の機械的な劣化を防止することが可能になるという効果が得られる。また、固体高分子電解質膜１８の膨潤や収縮による前記固体高分子電解質膜１８の変形を抑制することができる。

１０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体 １０ａ…段差ＭＥＡ
１２…発電セル １４、１６…セパレータ
１８…固体高分子電解質膜 １８ｂｅ…外周面部
２０…アノード電極 ２０ａ、２２ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層 ２２ｂｅ…外周端面
２２…カソード電極 ２４…樹脂枠部材
２４ａ…内側膨出部 ２４ａｅ…内周端面
２４ｓ…内周基端部 ２８…接着剤層
２８ａ…樹脂含浸部 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 (3)

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、前記第２電極側に膨出する内側膨出部を有し、
   前記第２ガス拡散層の外周端部と前記内側膨出部の内周端部との間には、クリアランス部が形成されるとともに、
   前記段差ＭＥＡの厚さ方向に沿って、前記第１電極の前記クリアランス部に対向する部位は、前記固体高分子電解質膜と前記第１電極触媒層との間の密着力が０．２Ｎ／ｍｍ以上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、前記クリアランス部の前記固体高分子電解質膜の厚み方向外方には、前記第２電極触媒層が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. 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、前記第１電極は、燃料ガスが供給されるアノード電極である一方、
   前記第２電極は、酸化剤ガスが供給されるカソード電極であり、
   前記第１電極に供給される前記燃料ガスの供給圧力は、前記第２電極に供給される前記酸化剤ガスの供給圧力よりも大きな圧力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。

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