JP6709053B2 - 樹脂枠付き段差ｍｅａの製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子電解質膜を第１電極及び第２電極で挟んだ段差ＭＥＡと、前記段差ＭＥＡの外周に接合される樹脂枠部材とを備える燃料電池用の樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造方法及び製造装置に関する。
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略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には、簡単且つ経済的な構成で、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを容易且つ正確に組み付けることが可能な燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が提案されている。この特許文献１では、第２ガス拡散層（小ＣＰ側）の外周端面と内周突部の内側端面との隙間である第１間隔は、第１ガス拡散層（大ＣＰ側）の外周端面と前記内側端面との隙間である第２間隔とは異なる寸法に設定されている。
このため、第２ガス拡散層の外周端面（又は第１ガス拡散層の外周端面）と内周突部の内側端面との隙間を基準にして位置決めすることにより、段差ＭＥＡと樹脂枠部材との取り付け作業を行うことができる。従って、隙間の小さな一方の位置決めを行うだけで、隙間の大きな他方は、前記一方の位置決めに追随して位置決めすることが可能になる、としている。
ところで、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを接合するための接着剤として、ホットメルトが使用される際、接合時の荷重により前記ホットメルトが樹脂枠部材と段差ＭＥＡとの間から押し出される場合がある。このため、ホットメルトは、樹脂枠部材の厚さ方向外側に流出してしまい、例えば、反応ガスの流れを阻害して発電性能が低下するという問題がある。
本発明は、この種の課題を解決するものであり、簡単な工程及び構成で、接着剤が外部に流出されることを確実に抑制することが可能な樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
本発明は、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを有する燃料電池用の樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造方法及び製造装置に関するものである。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ている。樹脂枠部材は、固体高分子電解質膜の、第２電極の外方に露呈する外周面に接合されている。
この製造方法は、固体高分子電解質膜の外周面と樹脂枠部材とを、接着剤を介装して重ね合わせる工程と、プレスプレートにより前記樹脂枠部材を押圧する工程を有している。プレスプレートは、樹脂枠部材に当接する押圧面を有し、前記押圧面から少なくとも前記樹脂枠部材の内周と第２電極の外周端面との間に突出し、且つ前記第２電極の外周端面に接触する突出部が設けられている。
また、この製造方法では、プレスプレートは、押圧面とは反対の面に配置される弾性部材を介して押圧されることが好ましい。
さらに、この製造装置では、固体高分子電解質膜の外周面と樹脂枠部材とを、接着剤を介装して重ね合わせた状態で、前記樹脂枠部材を段差ＭＥＡに向かって押圧させるプレスプレートを備えている。そして、プレスプレートは、樹脂枠部材に当接する押圧面と、前記押圧面から少なくとも前記樹脂枠部材の内周と第２電極の外周端面との間に突出し、且つ前記第２電極の外周端面に接触する突出部と、を設けている。
さらにまた、この製造装置では、プレスプレートの押圧面とは反対の面に配置される弾性部材を備えることが好ましい。
本発明によれば、接合時に、プレスプレートにより樹脂枠部材が押圧されるとともに、前記プレスプレートに設けられた突出部は、前記樹脂枠部材の内周と第２電極の外周端面との間に突出している。このため、簡単な工程及び構成で、接着剤は、樹脂枠部材や第２電極の厚さ方向外方に流れ出すことがない。
従って、流れ出した接着剤により、例えば、反応ガス流路が閉塞されることを可及的に抑制することができ、発電性能が低下することを確実に阻止することが可能になる。
図１及び図２に示すように、本発明の製造方法が適用される第１の実施形態に係る樹脂枠付き段差ＭＥＡ（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をアノードセパレータ１４及びカソードセパレータ１６で挟持する。アノードセパレータ１４及びカソードセパレータ１６は、横長（又は縦長）の長方形状を有する。アノードセパレータ１４及びカソードセパレータ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、陽イオン交換膜であり、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（外形寸法）を有するとともに、前記固体高分子電解質膜１８と前記アノード電極２０とは、同一の平面寸法を有する。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（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）の平面寸法に設定される。なお、第１電極触媒層２０ａは、第１ガス拡散層２０ｂよりも小さな平面寸法（又は大きな平面寸法）に設定されてもよい。
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及び第２ガス拡散層２２ｂ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の平面寸法よりも小さな平面寸法に設定される。固体高分子電解質膜１８の面１８ｂ側の外周縁部には、カソード電極２２の外方に露呈する露出面１８ｂｅが設けられる。
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いるが、前記第２電極触媒層２２ａの平面寸法は、前記第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法よりも大きな寸法（又は小さな寸法）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、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、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、多孔性と導電性を有する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）及び２２ｂ（ｍ）は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０は、固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅに接合されるフィルム状の樹脂枠部材（樹脂成形体又は樹脂フィルム）２４を備える。樹脂枠部材２４の内周端面２４ｅとカソード電極２２の第２ガス拡散層２２ｂの外周端面２２ｂｅとは、間隔Ｓだけ離間する隙間２５を形成する。
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、平板状を有し、固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅに接合される接着面２４ａを設ける。固体高分子電解質膜１８の露出面１８ｂｅと樹脂枠部材２４の接着面２４ａとの間には、接着剤、例えば、ホットメルトシート（シート状ホットメルト）２６ａによる接着剤層２６が設けられる。ホットメルトシート２６ａは、例えば、シート状の固体接着剤であってエポキシ基を含有する接着剤である。なお、接着剤層２６は、シート状の固体接着剤に限定されるものではなく、液状接着剤であってもよい。
図１に示すように、発電セル１２の矢印Ｂ方向（図１中、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、それぞれ矢印Ａ方向に個別に連通して、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。
樹脂枠部材２４には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、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が形成されていない。
カソードセパレータ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３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通して矢印Ｂ方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路３６が設けられる。
アノードセパレータ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３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通して矢印Ｂ方向に延在する複数本の燃料ガス流路３８が形成される。互いに隣接するアノードセパレータ１４の面１４ｂとカソードセパレータ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とに連通して矢印Ｂ方向に延在する複数本の冷却媒体流路４０が形成される。
図１及び図２に示すように、アノードセパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このアノードセパレータ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。カソードセパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソードセパレータ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、樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０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、カソードセパレータ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１シール部材４２は、樹脂枠部材２４とは反対側に突出する第３凸状シール４２ｃ及び第４凸状シール４２ｄ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、樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０を製造するための本発明の実施形態に係る製造方法について、以下に説明する。
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た部材、又は、フィルムをトムソン刃で枠状に切断した部材が用意される。段差ＭＥＡ１０ａを作製するには、まず、カーボンペーパからなるカーボン層２０ｂ（ｃ）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、所定のインク粘土になるまで、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、図３に示すように、アノード電極インクは、ＰＥＴフィルム５０ａ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５２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５０ｂ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５４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５２及びカソード電極シート５４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５０ａ、５０ｂ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、第１ガス拡散層２０ｂと第２ガス拡散層２２ｂとは、マイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）、２２ｂ（ｍ）間にＣＣＭを挟持し、ホットプレスにより一体化されて段差ＭＥＡ１０ａが作製される（図２参照）。
そして、長尺状のホットメルトウエブが用意され、トムソン刃によりカットすることにより、枠形状のホットメルトシート２６ａが加工される。図４に示すように、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とは、本発明に係る製造装置６０により、ホットメルトシート２６ａを用いて接合される。
製造装置６０は、サーボプレス機であり、台座６２と前記台座６２に向かって進退（昇降）自在な上型６４とを備える。台座６２上には、段差ＭＥＡ１０ａの外形寸法よりも大きな外形寸法を有する平板状の弾性体（弾性部材）６６が載置される。弾性体６６は、デュロメータ硬さ（タイプＤ）が、Ｄ５０〜Ｄ８５の範囲内の材料で形成される。
第１の実施形態では、例えば、シリコーンゴム（Ｄ５０）製の弾性体６６が用いられる。その他、ポリアミド系合成繊維（Ｄ７５）又は硬質塩化ビニル（Ｄ８５）等が弾性体６６として使用可能である。ここで、Ｄ８５を上回る硬さでは、荷重緩和の効果が得られない。一方、Ｄ５０を下回る硬さでは、柔らか過ぎて水平方向のせん断が生じてずれが惹起し、良好な接合が遂行されない。
弾性体６６上には、下側プレスプレート６８が配置される。下側プレスプレート６８は、表面にポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂コートがなされたステンレス鋼製である。下側プレスプレート６８は、樹脂枠部材２４に当接する押圧面６８ｓを有する。押圧面６８ｓには、樹脂枠部材２４の内周端面２４ｅとカソード電極２２の第２ガス拡散層２２ｂの外周端面２２ｂｅとの隙間２５に突出する突出部６８ｔが膨出形成される。突出部６８ｔの先端形状は、平坦形状に限定されるものではなく、隙間２５を閉塞できる形状であればよい。
突出部６８ｔは、隙間２５の形状に対応して矩形の枠形状を有し、前記突出部６８ｔの内周には、高さを低くして平面部６８ｆが形成される。平面部６８ｆは、カソード電極２２の第２ガス拡散層２２ｂに当接又は離間して対向する。なお、平面部６８ｆは、必要に応じて設ければよく、前記平面部６８ｆの領域に亘って矩形状の突出部６８ｔを一体に設けてもよい。また、樹脂枠部材２４と第２ガス拡散層２２ｂの厚さに応じて、段差Ｌを調整すればよい。
上型６４には、上側プレスプレート７０が保持される。上側プレスプレート７０は、表面にポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂コートがなされたステンレス鋼である。
そこで、下側プレスプレート６８の押圧面６８ｓには、樹脂枠部材２４が載置された後、前記樹脂枠部材２４上には、ホットメルトシート２６ａが配置される。樹脂枠部材２４上には、ホットメルトシート２６ａを挟んで、段差ＭＥＡ１０ａが配置される。段差ＭＥＡ１０ａでは、カソード電極２２が下側プレスプレート６８の平面部６８ｆに対向する。さらに、段差ＭＥＡ１０ａのアノード電極２０上には、ＰＴＦＥシート７２が載置される。
そして、下側プレスプレート６８及び上側プレスプレート７０がそれぞれ所定の温度に昇温された状態で、上型６４が下降する。このため、上側プレスプレート７０は、上型６４と一体に下降してＰＴＦＥシート７２に当接し、段差ＭＥＡ１０ａを樹脂枠部材２４側に押圧する。従って、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とは、ホットメルトシート２６ａを挟んで上側プレスプレート７０と下側プレスプレート６８とで加熱及びプレス処理が施される。
これにより、ホットメルトシート２６ａが溶融された後、硬化することにより、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とは、接着剤層２６により接合され、樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０が製造される。
この場合、第１の実施形態では、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４との接合時に、下側プレスプレート６８の突出部６８ｔは、前記樹脂枠部材２４の内周端面２４ｅとカソード電極２２の外周端面２２ｂｅとの隙間２５に突出している。このため、図５に示すように、加熱及び加圧されて溶融状態のホットメルトシート２６ａが、隙間２５に押し出される際、突出部６８ｔが邪魔部材として機能する。
従って、流動する溶融ホットメルト２６ａｍ（図５中、二点鎖線参照）は、樹脂枠部材２４やカソード電極２２の厚さ方向外方に流れ出すことがない。これにより、簡単な工程及び構成で、流れ出した溶融ホットメルト２６ａｍにより、例えば、酸化剤ガス流路３６が閉塞されることを可及的に抑制することができる。このため、樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０を組み込む発電セル１２の発電性能が低下することを確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。
さらに、第１の実施形態では、下側プレスプレート６８の押圧面６８ｓとは反対の面に弾性体６６が配置されており、前記下側プレスプレート６８は、前記弾性体６６を介して樹脂枠部材２４に押圧されている。従って、樹脂枠部材２４全体を均等に押圧することができ、前記樹脂枠部材２４と段差ＭＥＡ１０ａとを良好に接合させることが可能になる。なお、弾性体６６は、下側プレスプレート６８又は上側プレスプレート７０のいずれか一方、あるいは、両方に配置してもよい。
次に、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からカソードセパレータ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からアノードセパレータ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、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、アノードセパレータ１４とカソードセパレータ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。
図６は、本発明の製造方法が適用される第２の実施形態に係る樹脂枠付き段差ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）８０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０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。
樹脂枠付き段差ＭＥＡ８０は、段差ＭＥＡ８０ａ及び樹脂枠部材８２を備え、前記段差ＭＥＡ８０ａと前記樹脂枠部材８２とは、接着剤層２６により接合される。
樹脂枠部材８２は、長方形の枠形状を有するとともに、段差ＭＥＡ８０ａの厚さ（矢印Ａ方向の寸法）と略同一の厚さを有する外周部８２ａを設ける。外周部８２ａには、内周基端部８２ｓ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８２ｂが設けられる。内側膨出部８２ｂは、内周基端部８２ｓ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の露出面１８ｂｅを覆って配置される。
このように構成される樹脂枠付き段差ＭＥＡ８０は、第１の実施形態に係る樹脂枠付き段差ＭＥＡ１０と同様に、製造装置６０（図４参照）により製造される。従って、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
１０、８０…樹脂枠付き段差ＭＥＡ １０ａ、８０ａ…段差ＭＥＡ
１２…発電セル １４…アノードセパレータ
１６…カソードセパレータ １８…固体高分子電解質膜
１８ｂｅ…露出面 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 ２４、８２…樹脂枠部材
２４ａ…接着面 ２５…隙間
２６…接着剤層 ２６ａ…ホットメルトシート
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
６０…製造装置 ６２…台座
６４…上型 ６６…弾性体
６８…下側プレスプレート ６８ｆ…平面部
６８ｓ…押圧面 ６８ｔ…突出部
７０…上側プレスプレート
１２…発電セル １４…アノードセパレータ
１６…カソードセパレータ １８…固体高分子電解質膜
１８ｂｅ…露出面 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 ２４、８２…樹脂枠部材
２４ａ…接着面 ２５…隙間
２６…接着剤層 ２６ａ…ホットメルトシート
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
６０…製造装置 ６２…台座
６４…上型 ６６…弾性体
６８…下側プレスプレート ６８ｆ…平面部
６８ｓ…押圧面 ６８ｔ…突出部
７０…上側プレスプレート
Claims (4)
- 固体高分子電解質膜の一方の面には、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、前記第２電極の外方に露呈する外周面に接合される樹脂枠部材と、
を有する燃料電池用の樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造方法であって、
前記固体高分子電解質膜の前記外周面と前記樹脂枠部材とを、接着剤を介装して重ね合わせる工程と、
前記樹脂枠部材に当接する押圧面を有し、前記押圧面から少なくとも前記樹脂枠部材の内周と前記第２電極の外周端面との間に突出し、且つ前記第２電極の外周端面に接触する突出部が設けられたプレスプレートにより、該樹脂枠部材を押圧する工程と、
を有することを特徴とする樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造方法。 - 請求項１記載の製造方法であって、前記プレスプレートは、前記押圧面とは反対の面に配置される弾性部材を介して押圧されることを特徴とする樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造方法。
- 固体高分子電解質膜の一方の面には、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、前記第２電極の外方に露呈する外周面に接合される樹脂枠部材と、
を有する燃料電池用の樹脂枠付き段差ＭＥＡを製造する樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造装置であって、
前記固体高分子電解質膜の前記外周面と前記樹脂枠部材とを、接着剤を介装して重ね合わせた状態で、前記樹脂枠部材を前記段差ＭＥＡに向かって押圧させるプレスプレートを備え、
前記プレスプレートは、前記樹脂枠部材に当接する押圧面と、
前記押圧面から少なくとも前記樹脂枠部材の内周と前記第２電極の外周端面との間に突出し、且つ前記第２電極の外周端面に接触する突出部と、
を設けることを特徴とする樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造装置。 - 請求項３記載の製造装置であって、前記プレスプレートの前記押圧面とは反対の面に配置される弾性部材を備えることを特徴とする樹脂枠付き段差ＭＥＡの製造装置。
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