JP6914979B2 - 枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法並びに燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法並びに燃料電池に関する。

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、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

近年、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減するとともに、薄膜状で強度が低い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枠付きＭＥＡが採用されている。

米国特許第８３９９１５０号公報 特表２０１３−５１５３４８号公報

特許文献１では、１層の樹脂枠部材の一方面に全周ではなく部分的にシムあるいはスペーサが設けられている。この構成の場合、樹脂枠部材に穴が開いたりクラックが発生したりした場合に、ガス遮断性や電気絶縁性を確保できなくなる。また、アノードとカソードの差圧に対して樹脂枠部材が変形しやすい。

特許文献２では、樹脂枠部材が２層のシートで構成されているが、シート間に電解質膜が挟まれる構造であるため、製造コストが嵩むという問題がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、枠部材の穴あきやクラックに対する信頼性を向上させることができ、アノードとカソードの差圧に対して変形しにくい構造を実現でき、製造コストの低減を図ることができる枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法並びに燃料電池を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、電解質膜の一方の面に第１電極が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面に平面寸法が前記第１電極よりも小さく設定された第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた枠部材と、を備えた枠付き電解質膜・電極構造体であって、前記枠部材は、内周部が電解質膜・電極構造体の外周部に接合された第１枠状シートと、第２枠状シートとを有し、前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとが厚さ方向に互いに接合されており、前記第１枠状シートの内周部は、前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置され、前記第２枠状シートの内周端は、前記第２電極の外周端との間に隙間を有し、前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとは、全周に亘って接着層により直接接合されている。

前記第１枠状シートの内周部は、前記電解質膜・電極構造体の厚さ方向から見て、前記第１電極の外周部と重なる重なり部を有することが好ましい。

前記第１枠状シートの前記第２枠状シート側の面には、全面に亘って前記接着層が設けられ、前記接着層は、前記第１枠状シートの内周部と前記電解質膜の外周部とを接合することが好ましい。

前記第２枠状シートの内周部は、前記電解質膜・電極構造体の厚さ方向から見て、前記第１電極の外周部と重なる重なり部を有することが好ましい。

前記第２枠状シートの前記第１枠状シート側の面は、全面且つ全周に亘って、前記接着層を介して前記第１枠状シートに直接接合されていることが好ましい。

また、本発明は、電解質膜の一方の面に第１電極が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面に平面寸法が前記第１電極よりも小さく設定された第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた枠部材と、を有する枠付き電解質膜・電極構造体と、前記枠付き電解質膜・電極構造体の両側にそれぞれ積層されたセパレータと、を備えた燃料電池であって、前記枠部材は、内周部が電解質膜・電極構造体の外周部に接合された第１枠状シートと、第２枠状シートとを有し、前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとが厚さ方向に互いに接合されており、前記第１枠状シートの内周部は、前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置され、前記第２枠状シートの内周端は、前記第２電極の外周端との間に隙間を有し、前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとは、全周に亘って接着層により直接接合されている。

前記第１電極と前記第１枠状シートと前記第２電極とが重なる重なり部は、一方の前記セパレータに設けられ前記第１電極に向かって突出した凸部と、他方の前記セパレータに設けられ前記第２電極に向かって突出した凸部とにより挟持されていることが好ましい。

各前記セパレータは、反応ガスの漏れを防止するために前記枠部材に向かって突出するビードシールを一体に有し、一方の前記セパレータの前記ビードシールと、他方の前記セパレータの前記ビードシールとが、前記枠部材の前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとが重なる領域を厚さ方向の両側から挟持することが好ましい。

各前記セパレータには、反応ガスの漏れを防止するための弾性体からなる凸状シール部が設けられ、一方の前記セパレータの前記凸状シール部と、他方の前記セパレータの前記凸状シール部とが、前記枠部材の前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとが重なる領域を厚さ方向の両側から挟持することが好ましい。

前記第１電極は、アノード電極であり、前記第２電極は、カソード電極であることが好ましい。

前記第１電極は、カソード電極であり、前記第２電極は、アノード電極であることが好ましい。

また、本発明は、電解質膜の一方の面に第１電極が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面に平面寸法が前記第１電極よりも小さく設定された第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた枠部材と、を備え、前記枠部材は、内周部が電解質膜・電極構造体の外周部に接合された第１枠状シートと、第２枠状シートとを有し、前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとが厚さ方向に互いに接合された枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法であって、枠形状に成形される前の前記第１枠状シートである第１シートの一方面の全面に接着剤が塗布された接着剤付きシートを提供する第１シート提供工程と、前記第２枠状シートを提供する第２シート提供工程と、前記接着剤付きシートと前記第２枠状シートとを、前記第２枠状シートの全周に亘って前記接着剤を介して接合するラミネート工程と、を含む。

前記第２枠状シートの内周端よりも内側に前記接着剤付きシートに開口部を形成して、前記第１シートを枠形状に成形するトリム工程と、前記第２枠状シートの内周端と前記第２電極の外周端との間に隙間を設けた状態で、前記第１シートの内周部を、前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置し、前記電解質膜・電極構造体と前記枠部材とを接合するＭＥＡ接合工程と、を含むことが好ましい。

前記第２枠状シートの厚さは、前記第１枠状シートの厚さと同じであることが好ましい。

前記第２枠状シートは、前記第１枠状シートよりも厚いことが好ましい。

本発明に係る枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法並びに燃料電池によれば、枠部材の穴あきやクラックに対する信頼性を向上させることができ、アノードとカソードの差圧に対して変形しにくい構造を実現でき、製造コストの低減を図ることができる。

本発明の実施形態に係る発電セルの要部分解斜視図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。 枠付き電解質膜・電極構造体の第１シート提供工程、第２シート提供工程及びラミネート工程の説明図である。 図４Ａは、トリム工程の説明図である。図４Ｂは、ＭＥＡ接合工程の説明図である。図４Ｃは、得られた枠付き電解質膜・電極構造体の斜視図である。

図１及び図２に示すように、発電セル（燃料電池）１２は、枠付き電解質膜・電極構造体１０（以下、「枠付きＭＥＡ１０」という）と、枠付きＭＥＡ１０の両側に配置された第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを備える。発電セル１２は、例えば、横長（又は縦長）の長方形状の固体高分子型燃料電池である。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１１ａが構成される。燃料電池スタック１１ａ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では、枠付きＭＥＡ１０が第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。

長方形状の枠付きＭＥＡ１０は、電解質膜・電極構造体１０ａ（以下、「ＭＥＡ１０ａ」という）を備える。ＭＥＡ１０ａは、電解質膜１８と、電解質膜１８の一方の面に設けられたアノード電極（第１電極）２０と、電解質膜１８の他方の面に設けられたカソード電極（第２電極）２２とを有する。

電解質膜１８は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、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。電解質膜１８は、アノード電極２０及びカソード電極２２に挟持される。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。

アノード電極２０は、電解質膜１８及びカソード電極２２よりも大きな平面寸法（外形寸法）を有する。従って、アノード電極２０の外周端２０ｅは、全周に亘って、電解質膜１８の外周端１８ｅ及びカソード電極２２の外周端２２ｅよりも外方に位置する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極２０は、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。

図２に示すように、アノード電極２０は、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、第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを有する。第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜１８及びカソード電極２２よりも大きな平面寸法に設定される。

カソード電極２２は、アノード電極２０よりも小さい平面寸法に設定される。カソード電極２２の外周端２２ｅ及び電解質膜１８の外周端１８ｅは、全周に亘ってアノード電極２０の外周端２０ｅよりも内方に位置する。

なお、カソード電極２２は、アノード電極２０よりも大きな平面寸法に設定され、カソード電極２２の外周端２２ｅは、全周に亘ってアノード電極２０の外周端２０ｅよりも外方に位置してもよい。

カソード電極２２は、電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層２２ａと、第２電極触媒層２２ａに積層される第２ガス拡散層２２ｂとを有する。第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜１８と同一の平面寸法に設定される。従って、ＭＥＡ１０ａの厚さ方向（矢印Ａ方向）から見て、カソード電極２２の外周端２２ｅは、全周に亘って電解質膜１８の外周端１８ｅと同じ位置にある。

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ともに第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、各々電解質膜１８の両面に形成される。

枠付きＭＥＡ１０は、電解質膜１８の外周を全周に亘って周回するとともに、アノード電極２０及びカソード電極２２に接合される矩形状の枠部材２４をさらに備える。枠部材２４は、２枚の枠状シートを有する。具体的には、枠部材２４は、内周部２４ａｎがＭＥＡ１０ａの外周部に接合された第１枠状シート２４ａと、第１枠状シート２４ａに接合された第２枠状シート２４ｂとを有する。

第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとは、接着剤２４ｄからなる接着層２４ｃにより全周（第２枠状シート２４ｂの第１枠状シート２４ａ側の面の全面）に亘って直接接合される。第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとは、第２枠状シート２４ｂは、第１枠状シート２４ａの外周部に接合される。これにより、枠部材２４の外周部２４ｇは、枠部材２４の内周部（第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎ）よりも厚く構成される。

第１枠状シート２４ａ及び第２枠状シート２４ｂは樹脂材料により構成される。第１枠状シート２４ａ及び第２枠状シート２４ｂの構成材料としては、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が挙げられる。

第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、アノード電極２０の外周部２０ｃとカソード電極２２の外周部２２ｃとの間に配置される。具体的に、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、電解質膜１８の外周部１８ｃとアノード電極２０の外周部２０ｃとの間に挟持される。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎと電解質膜１８の外周部１８ｃとは、接着層２４ｃを介して接合される。

第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、ＭＥＡ１０ａの厚さ方向から見て、アノード電極２０の外周部２０ｃと全周に亘って重なる重なり部２４ａｋを有する。なお、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、接着層２４ｃを電解質膜１８の面１８ｂに接合した状態で電解質膜１８とカソード電極２２との間に挟持されてもよい。

上述したアノード電極２０には、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅに対応する位置に段差が設けられる。具体的に、アノード電極２０は、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２１ａと電解質膜１８に重なる領域２１ｂとの間に、電解質膜１８に対して傾斜した傾斜領域２１ｃを有する。

一方、カソード電極２２は、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２３ａから電解質膜１８に重なる領域２３ｂに亘って、平坦状に形成される。なお、このような構成に代えて、カソード電極２２は、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２３ａと電解質膜１８に重なる領域２３ｂとの間に、電解質膜１８に対して傾斜した傾斜領域（傾斜領域２１ｃとは逆方向に傾斜する領域）を有してもよい。

なお、上記構成と異なり、アノード電極２０が、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２１ａから電解質膜１８に重なる領域２１ｂに亘って平坦状に形成され、カソード電極２２が、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２３ａと電解質膜１８に重なる領域２３ｂとの間に、電解質膜１８に対して傾斜する傾斜領域を有してもよい。

第２枠状シート２４ｂは、第１枠状シート２４ａの外周部に接合される。第２枠状シート２４ｂの厚さＴ２は、第１枠状シート２４ａの厚さＴ１よりも厚い。なお、第２枠状シート２４ｂの厚さは、第１枠状シート２４ａの厚さと同じでもよい。第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅは、全周に亘って第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅよりも外方（ＭＥＡ１０ａから離れる方向）に位置する。第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅと、カソード電極２２の外周端２２ｅとの間には、全周に亘って隙間Ｇが形成される。

第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅは、全周に亘ってアノード電極２０の外周端２０ｅよりも内方に位置する。第２枠状シート２４ｂの内周部は、ＭＥＡ１０ａの厚さ方向（矢印Ａ方向）から見て、アノード電極２０の外周部２０ｃと全周に亘って重なる重なり部２４ｂｋを有する。第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅは、電解質膜１８の外周端１８ｅよりも外方に位置する。

接着層２４ｃは、第１枠状シート２４ａの第２枠状シート２４ｂ側（カソード側）の面２４ａｓに、全面に亘って設けられる。接着層２４ｃは、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎと電解質膜１８の外周部１８ｃとを接合する。第１枠状シート２４ａは、上述した隙間Ｇの箇所で、接着層２４ｃを介して隙間Ｇに露出する。接着層２４ｃを構成する接着剤２４ｄとしては、例えば、液状接着剤やホットメルトシートが設けられる。なお、接着剤２４ｄは、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。

アノード電極２０と第１枠状シート２４ａとカソード電極２２とが重なる重なり部Ｋは、第１セパレータ１４に設けられアノード電極２０に向かって突出した凸部３９と、第２セパレータ１６に設けられカソード電極２２に向かって突出した凸部３７とにより挟持されている。

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１セパレータ１４の枠付き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とに連通する燃料ガス流路３８が設けられる。具体的に、燃料ガス流路３８は、第１セパレータ１４と枠付きＭＥＡ１０との間に形成される。燃料ガス流路３８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２セパレータ１６の枠付き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とに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。具体的に、酸化剤ガス流路３６は、第２セパレータ１６と枠付きＭＥＡ１０との間に形成される。酸化剤ガス流路３６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２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ（枠付きＭＥＡ１０と対向する面）には、燃料ガス流路３８を形成する凸部３９が複数設けられる。凸部３９は、アノード電極２０側に向かって膨出するとともにアノード電極２０に当接する。第２セパレータ１６の面１６ａ（枠付きＭＥＡ１０と対向する面）には、酸化剤ガス流路３６を形成する凸部３７が複数設けられる。凸部３７は、カソード電極２２側に向かって膨出するとともにカソード電極２２に当接する。凸部３７、３９間に、ＭＥＡ１０ａが挟持される。

第１セパレータ１４の面１４ａには、燃料ガスの外部への漏れを防止するため、第１セパレータ１４の外周部を周回する複数本のビードシール４２が設けられる。ビードシール４２は、プレス成形により、枠部材２４に向かって膨出成形される。内側のビードシール４２は、燃料ガス流路３８、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂを周回し且つこれらを連通させる。ビードシール４２は、本実施形態では２本設けられているが、１本のみ設けられてもよい。

ビードシール４２の凸部先端面には、樹脂材４３（又はゴム材）が印刷又は塗布等により固着される。ビードシール４２は、樹脂材４３を介して、第１枠状シート２４ａ（第２枠状シート２４ｂと重なる領域）に気密及び液密に当接する。樹脂材４３は、第１枠状シート２４ａに固着されてもよい。

第１セパレータ１４には、ビードシール４２に代えて、枠部材２４に向かって突出する弾性体からなる凸状シール部が設けられてもよい。

第２セパレータ１６の面１６ａには、酸化剤ガスの外部への漏れを防止するため、第２セパレータ１６の外周部を周回するビードシール４４が設けられる。ビードシール４４は、プレス成形により、枠部材２４に向かって膨出成形される。内側のビードシール４４は、酸化剤ガス流路３６、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを周回し且つこれらを連通させる。ビードシール４４は、本実施形態では２本設けられているが、１本のみ設けられてもよい。

ビードシール４４の凸部先端面には、樹脂材４５（又はゴム材）が印刷又は塗布等により固着される。ビードシール４４は、樹脂材４５を介して、第２枠状シート２４ｂ（第１枠状シート２４ａと重なる領域）に気密及び液密に当接する。樹脂材４５は、第２枠状シート２４ｂに固着されてもよい。

第２セパレータ１６には、ビードシール４４に代えて、枠部材２４に向かって突出する弾性体からなる凸状シール部が設けられてもよい。

樹脂材４３、４５は、例えば、ポリエステル繊維、シリコーン、ＥＰＤＭ、ＦＫＭ等が使用される。樹脂材４３、４５は、不可欠ではなく、なくてもよい（この場合、ビードシール４２は第１枠状シート２４ａに直接当接し、ビードシール４４は第２枠状シート２４ｂに直接当接する）。

ビードシール４２とビードシール４４は枠部材２４を介して対向する。枠部材２４の外周部（第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとが重なった領域）は、第１セパレータ１４のビードシール４２と、第２セパレータ１６のビードシール４４との間に挟持される。なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６に上記凸状シール部が設けられる場合、枠部材２４の外周部（第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとが重なった領域）は、第１セパレータ１４の凸状シール部と、第２セパレータ１６の凸状シール部との間に挟持される。

このように構成される発電セル１２を含む燃料電池スタック１１ａの動作について、以下に説明する。

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、ＭＥＡ１０ａのアノード電極２０に供給される。

従って、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、図１において、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、ＭＥＡ１０ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

次に、本実施形態に係る枠付きＭＥＡ１０の製造方法を説明する。

枠付きＭＥＡ１０の製造方法は、第１シート提供工程と、第２シート提供工程と、ラミネート工程とを有する（図３）。また、枠付きＭＥＡ１０の製造方法は、トリム工程（図４Ａ）と、ＭＥＡ接合工程（図４Ｂ）とを有する。

図３（左下）に示すように、第１シート提供工程では、第１シート５０（枠形状に成形される前の第１枠状シート２４ａ）の一方面５０ａの全面に接着剤２４ｄが塗布された接着剤付きシート５２を提供する。具体的には、第１ロール５４から第１シート５０を巻き出しつつ、巻き出された第１シート５０の一方面５０ａに接着剤２４ｄをシート幅方向全体に亘って塗布する。そして、接着剤２４ｄが塗布された第１シート５０をシート幅方向に切断して、所定寸法に切り出された矩形状の接着剤付きシート５２を得る。

一方、図３（左上）に示すように、第２シート提供工程では、第２枠状シート２４ｂを提供する。具体的には、第２ロール５６から第２シート５８（枠形状に成形される前の第２枠状シート２４ｂ）を巻き出しつつ、巻き出された第２シート５８をシート幅方向に切断するとともに中央部に開口部５９を形成するようにトリム（１次トリム）する。これにより、矩形状の第２枠状シート２４ｂを得る。

そして、図３（右側）に示すように、ラミネート工程では、接着剤付きシート５２と第２枠状シート２４ｂとを、第２枠状シート２４ｂの全面に亘って接着剤２４ｄを介して接合する。この場合、接着剤付きシート５２と第２枠状シート２４ｂとを加熱するとともに荷重を付与すること（ホットプレス）により、接合を行う。これにより得られた中間部材６０では、接着剤２４ｄが第２枠状シート２４ｂの開口部５９を介して露出する。

次に、図４Ａに示すように、トリム工程では、第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅよりも内側に接着剤付きシート５２の中央部に開口部５３を形成して（２次トリム）、第１シート５０を枠形状に成形する。また、このトリム工程では、燃料ガス入口連通孔３４ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂを形成する。

次に、図４Ｂに示すようにＭＥＡ接合工程では、第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅとカソード電極２２（電解質膜１８が接合されたもの）の外周端２２ｅとの間に隙間Ｇ（図２参照）を設けた状態とする。そしてこの状態で、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎを、アノード電極２０の外周部２０ｃとカソード電極２２の外周部２２ｃとの間に配置し、接合を行う。この場合、厚さ方向に重ねられたアノード電極２０、第１枠状シート２４ａ及び電解質膜１８及びカソード電極２２を加熱するとともに荷重を付与すること（ホットプレス）により、接合を行う。これにより、図４Ｃに示すように、ＭＥＡ１０ａの外周部に枠部材２４が接合された枠付きＭＥＡ１０が得られる。

本実施形態に係る枠付きＭＥＡ１０及び発電セル１２は、以下の効果を奏する。

枠付きＭＥＡ１０では、第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとは、第２枠状シート２４ｂの全面に亘って接着層２４ｃにより直接接合されているため、枠部材２４の穴あきやクラックに対する信頼性が向上するとともに、アノードとカソードの差圧に対して変形しにくい構造を実現することができる。すなわち、枠部材２４の１層目（第１枠状シート２４ａ及び第２枠状シート２４ｂの一方）に穴あきやクラックが発生した場合でも、２層目（第１枠状シート２４ａ及び第２枠状シート２４ｂの他方）でガス遮断性と電気絶縁性を保持することが可能である。また、第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとの間に全面に亘って設けられた接着層２４ｃにより、一方のシートに生じたクラックが他方のシートへ伸展することを防止することができる。さらに、第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとの間には電解質膜１８が挟まれないため、製造コストの低減が図られる。

第１枠状シート２４ａの第２枠状シート２４ｂ側の面２４ａｓには、全面に亘って接着層２４ｃが設けられ、接着層２４ｃは、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎと電解質膜１８の外周部１８ｃとを接合する。この構成により、第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとを接着するとともに第１枠状シート２４ａと電解質膜１８とを接着する接着層２４ｃを、第１枠状シート２４ａの一方面の全面に塗布することが可能となり、製造コストの低減が図られる。

第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６の各々は、反応ガスの漏れを防止するために枠部材２４に向かって突出するビードシール４２、４２を一体に有する。第１セパレータ１４のビードシール４２と、第２セパレータ１６のビードシール４４とが、枠部材２４を厚さ方向の両側から挟持する。この構成により、相対的に厚い枠部材２４の外周部をビードシール４２、４４間で挟持するため、適切なシール面圧を得て、良好なシール性を確保することができる。また、相対的に薄い枠部材２４の内周部２４ａｎをアノード電極２０及びカソード電極２２間に配置するため、枠部材２４とＭＥＡ１０ａとの接合部の厚みを効果的に抑制することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

１０…枠付き電解質膜・電極構造体 １０ａ…電解質膜・電極構造体
１８…電解質膜 ２４…枠部材
２４ａ…第１枠状シート ２４ｂ…第２枠状シート
２４ｃ…接着層

Claims (14)

1. 電解質膜（１８）の一方の面に第１電極（２０）が設けられるとともに前記電解質膜（１８）の他方の面に平面寸法が前記第１電極（２０）よりも小さく設定された第２電極（２２）が設けられてなる電解質膜・電極構造体（１０ａ）と、
   前記電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に全周に亘って設けられた枠部材（２４）と、
   を備えた枠付き電解質膜・電極構造体（１０）であって、
   前記枠部材（２４）は、第１枠状シート（２４ａ）と、第２枠状シート（２４ｂ）とを有し、
   前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に接合されており、
   前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とが厚さ方向に互いに接合されており、
   前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記第１電極（２０）の外周部と前記第２電極（２２）の外周部との間に配置され、
   前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端は、前記第２電極（２２）の外周端との間に隙間を有し、
   前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とは、全周に亘って接着層（２４ｃ）により直接接合され、
   前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周部は、前記電解質膜・電極構造体（１０ａ）の厚さ方向から見て、前記第１電極（２０）の外周部と重なる重なり部（２４ｂｋ）を有する、枠付き電解質膜・電極構造体（１０）。
2. 電解質膜（１８）の一方の面に第１電極（２０）が設けられるとともに前記電解質膜（１８）の他方の面に平面寸法が前記第１電極（２０）よりも小さく設定された第２電極（２２）が設けられてなる電解質膜・電極構造体（１０ａ）と、
   前記電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に全周に亘って設けられた枠部材（２４）と、
   を備えた枠付き電解質膜・電極構造体（１０）であって、
   前記枠部材（２４）は、第１枠状シート（２４ａ）と、第２枠状シート（２４ｂ）とを有し、
   前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に接合されており、
   前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とが厚さ方向に互いに接合されており、
   前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記第１電極（２０）の外周部と前記第２電極（２２）の外周部との間に配置され、
   前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端は、前記第２電極（２２）の外周端との間に隙間を有し、
   前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とは、全周に亘って接着層（２４ｃ）により直接接合され、
   前記第２枠状シート（２４ｂ）の前記第１枠状シート（２４ａ）側の面は、全面且つ全周に亘って、前記接着層（２４ｃ）を介して前記第１枠状シート（２４ａ）に直接接合されている、枠付き電解質膜・電極構造体（１０）。
3. 電解質膜（１８）の一方の面に第１電極（２０）が設けられるとともに前記電解質膜（１８）の他方の面に平面寸法が前記第１電極（２０）よりも小さく設定された第２電極（２２）が設けられてなる電解質膜・電極構造体（１０ａ）と、
   前記電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に全周に亘って設けられた枠部材（２４）と、
   を備えた枠付き電解質膜・電極構造体（１０）であって、
   前記枠部材（２４）は、第１枠状シート（２４ａ）と、第２枠状シート（２４ｂ）とを有し、
   前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に接合されており、
   前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とが厚さ方向に互いに接合されており、
   前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記第１電極（２０）の外周部と前記第２電極（２２）の外周部との間に配置され、
   前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端は、前記第２電極（２２）の外周端との間に隙間を有し、
   前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とは、全周に亘って接着層（２４ｃ）により直接接合され、
   前記第２枠状シートの厚さは、前記第１枠状シートの厚さと同じである、枠付き電解質膜・電極構造体（１０）。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１０）において、
   前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記電解質膜・電極構造体（１０ａ）の厚さ方向から見て、前記第１電極（２０）の外周部と重なる重なり部（２４ａｋ）を有する、枠付き電解質膜・電極構造体（１０）。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１０）において、
   前記第１枠状シート（２４ａ）の前記第２枠状シート（２４ｂ）側の面には、全面に亘って前記接着層（２４ｃ）が設けられ、
   前記接着層（２４ｃ）は、前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部と前記電解質膜（１８）の外周部とを接合する、枠付き電解質膜・電極構造体（１０）。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１０）において、
   前記第２枠状シートは、前記第１枠状シートよりも厚い、枠付き電解質膜・電極構造体（１０）。
7. 電解質膜（１８）の一方の面に第１電極（２０）が設けられるとともに前記電解質膜（１８）の他方の面に平面寸法が前記第１電極（２０）よりも小さく設定された第２電極（２２）が設けられてなる電解質膜・電極構造体（１０ａ）と、前記電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に全周に亘って設けられた枠部材（２４）と、を有する枠付き電解質膜・電極構造体（１０）と、
   前記枠付き電解質膜・電極構造体（１０）の両側にそれぞれ積層されたセパレータ（１４、１６）と、
   を備えた燃料電池であって、
   前記枠部材（２４）は、第１枠状シート（２４ａ）と、第２枠状シート（２４ｂ）とを有し、
   前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に接合されており、
   前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とが厚さ方向に互いに接合されており、
   前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記第１電極（２０）の外周部と前記第２電極（２２）の外周部との間に配置され、
   前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端は、前記第２電極（２２）の外周端との間に隙間を有し、
   前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とは、全周に亘って接着層（２４ｃ）により直接接合され、
   前記第１電極と前記第１枠状シートと前記第２電極とが重なる重なり部は、一方の前記セパレータに設けられ前記第１電極に向かって突出した凸部と、他方の前記セパレータに設けられ前記第２電極に向かって突出した凸部とにより挟持されている、燃料電池。
8. 電解質膜（１８）の一方の面に第１電極（２０）が設けられるとともに前記電解質膜（１８）の他方の面に平面寸法が前記第１電極（２０）よりも小さく設定された第２電極（２２）が設けられてなる電解質膜・電極構造体（１０ａ）と、前記電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に全周に亘って設けられた枠部材（２４）と、を有する枠付き電解質膜・電極構造体（１０）と、
   前記枠付き電解質膜・電極構造体（１０）の両側にそれぞれ積層されたセパレータ（１４、１６）と、
   を備えた燃料電池であって、
   前記枠部材（２４）は、第１枠状シート（２４ａ）と、第２枠状シート（２４ｂ）とを有し、
   前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に接合されており、
   前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とが厚さ方向に互いに接合されており、
   前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記第１電極（２０）の外周部と前記第２電極（２２）の外周部との間に配置され、
   前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端は、前記第２電極（２２）の外周端との間に隙間を有し、
   前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とは、全周に亘って接着層（２４ｃ）により直接接合され、
   各前記セパレータ（１４、１６）は、反応ガスの漏れを防止するために前記枠部材（２４）に向かって突出するビードシール（４２、４４）を一体に有し、
   一方の前記セパレータ（１４）の前記ビードシール（４２）と、他方の前記セパレータ（１６）の前記ビードシール（４４）とが、前記枠部材（２４）の前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とが重なる領域を厚さ方向の両側から挟持する、燃料電池。
9. 電解質膜（１８）の一方の面に第１電極（２０）が設けられるとともに前記電解質膜（１８）の他方の面に平面寸法が前記第１電極（２０）よりも小さく設定された第２電極（２２）が設けられてなる電解質膜・電極構造体（１０ａ）と、前記電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に全周に亘って設けられた枠部材（２４）と、を有する枠付き電解質膜・電極構造体（１０）と、
   前記枠付き電解質膜・電極構造体（１０）の両側にそれぞれ積層されたセパレータ（１４、１６）と、
   を備えた燃料電池であって、
   前記枠部材（２４）は、第１枠状シート（２４ａ）と、第２枠状シート（２４ｂ）とを有し、
   前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に接合されており、
   前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とが厚さ方向に互いに接合されており、
   前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記第１電極（２０）の外周部と前記第２電極（２２）の外周部との間に配置され、
   前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端は、前記第２電極（２２）の外周端との間に隙間を有し、
   前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とは、全周に亘って接着層（２４ｃ）により直接接合され、
   各前記セパレータ（１４、１６）には、反応ガスの漏れを防止するための弾性体からなる凸状シール部が設けられ、
   一方の前記セパレータ（１４）の前記凸状シール部と、他方の前記セパレータ（１６）の前記凸状シール部とが、前記枠部材（２４）の前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とが重なる領域を厚さ方向の両側から挟持する、燃料電池。
10. 電解質膜（１８）の一方の面に第１電極（２０）が設けられるとともに前記電解質膜（１８）の他方の面に平面寸法が前記第１電極（２０）よりも小さく設定された第２電極（２２）が設けられてなる電解質膜・電極構造体（１０ａ）と、前記電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に全周に亘って設けられた枠部材（２４）と、を有する枠付き電解質膜・電極構造体（１０）と、
    前記枠付き電解質膜・電極構造体（１０）の両側にそれぞれ積層されたセパレータ（１４、１６）と、
    を備えた燃料電池であって、
    前記枠部材（２４）は、第１枠状シート（２４ａ）と、第２枠状シート（２４ｂ）とを有し、
    前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に接合されており、
    前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とが厚さ方向に互いに接合されており、
    前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記第１電極（２０）の外周部と前記第２電極（２２）の外周部との間に配置され、
    前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端は、前記第２電極（２２）の外周端との間に隙間を有し、
    前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とは、全周に亘って接着層（２４ｃ）により直接接合され、
    前記第１電極（２０）は、アノード電極であり、
    前記第２電極（２２）は、カソード電極である、燃料電池。
11. 電解質膜（１８）の一方の面に第１電極（２０）が設けられるとともに前記電解質膜（１８）の他方の面に平面寸法が前記第１電極（２０）よりも小さく設定された第２電極（２２）が設けられてなる電解質膜・電極構造体（１０ａ）と、前記電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に全周に亘って設けられた枠部材（２４）と、を有する枠付き電解質膜・電極構造体（１０）と、
    前記枠付き電解質膜・電極構造体（１０）の両側にそれぞれ積層されたセパレータ（１４、１６）と、
    を備えた燃料電池であって、
    前記枠部材（２４）は、第１枠状シート（２４ａ）と、第２枠状シート（２４ｂ）とを有し、
    前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に接合されており、
    前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とが厚さ方向に互いに接合されており、
    前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記第１電極（２０）の外周部と前記第２電極（２２）の外周部との間に配置され、
    前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端は、前記第２電極（２２）の外周端との間に隙間を有し、
    前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とは、全周に亘って接着層（２４ｃ）により直接接合され、
    前記第２枠状シートの厚さは、前記第１枠状シートの厚さと同じである、燃料電池。
12. 電解質膜（１８）の一方の面に第１電極（２０）が設けられるとともに前記電解質膜（１８）の他方の面に平面寸法が前記第１電極（２０）よりも小さく設定された第２電極（２２）が設けられてなる電解質膜・電極構造体（１０ａ）と、前記電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に全周に亘って設けられた枠部材（２４）と、を備え、前記枠部材（２４）は、第１枠状シート（２４ａ）と、第２枠状シート（２４ｂ）とを有し、前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、電解質膜・電極構造体（１０ａ）の外周部に接合されており、前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とが厚さ方向に互いに接合された枠付き電解質膜・電極構造体（１０）の製造方法であって、
    枠形状に成形される前の前記第１枠状シート（２４ａ）である第１シート（５０）の一方面の全面に接着剤（２４ｄ）が塗布された接着剤付きシート（５２）を提供する第１シート提供工程と、
    前記第２枠状シート（２４ｂ）を提供する第２シート提供工程と、
    前記接着剤付きシート（５２）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とを、前記第２枠状シート（２４ｂ）の全周に亘って前記接着剤（２４ｄ）を介して接合するラミネート工程と、
    前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端よりも内側に前記接着剤付きシート（５２）に開口部（５３）を形成して、前記第１シート（５０）を枠形状に成形するトリム工程と、
    前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端と前記第２電極（２２）の外周端との間に隙間（Ｇ）を設けた状態で、前記第１シート（５０）の内周部を、前記第１電極（２０）の外周部と前記第２電極（２２）の外周部との間に配置し、前記電解質膜・電極構造体（１０ａ）と前記枠部材（２４）とを接合するＭＥＡ接合工程と、を含む、枠付き電解質膜・電極構造体（１０）の製造方法。
13. 請求項１２記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１０）の製造方法において、
    前記第２枠状シートの厚さは、前記第１枠状シートの厚さと同じである、枠付き電解質膜・電極構造体（１０）の製造方法。
14. 請求項１２記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１０）の製造方法において、
    前記第２枠状シートは、前記第１枠状シートよりも厚い、枠付き電解質膜・電極構造体（１０）の製造方法。

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