JP7034213B2 - 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。特許文献１に開示された枠付きＭＥＡでは、電解質膜の外周部に樹脂枠部材の内周部が接合されている。

米国特許第８３９９１５０号明細書

特許文献１では、ＭＥＡと樹脂枠部材との接合箇所に形成された隙間において電解質膜が露出すると、電解質膜が固定されず、電解質膜に乾湿に伴う膨張・収縮が発生した場合に電解質膜が損傷を受けることが懸念される。

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、乾湿に伴う電解質膜の膨張・収縮が発生した場合でも電解質膜の損傷を低減す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、本発明の第１の態様は、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樹脂シートを有する枠部材と、を備えた枠付き電解質膜・電極構造体であって、前記電解質膜の外周部は、前記第２電極と前記樹脂シートとの間に配置され、前記第２電極の外周部に積層されるとともに、接着層を介して前記樹脂シートの内周部に接合されており、前記接着層は、前記樹脂シートの内周端と前記第１電極と前記電解質膜とにより囲まれる領域に充填されている、枠付き電解質膜・電極構造体である。

本発明の第２の態様は、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樹脂シートを有する枠部材と、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、前記電解質膜の外周部は、前記第２電極と前記樹脂シートとの間に配置され、前記第２電極の外周部に積層されるとともに、接着層を介して前記樹脂シートの内周部に接合されており、前記接着層は、前記樹脂シートの内周端と前記第１電極と前記電解質膜とにより囲まれる領域に充填されている、燃料電池である。

本発明の第３の態様は、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樹脂シートを有する枠部材と、を備えた枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法であって、前記樹脂シートの内周部が、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、前記樹脂シートの少なくとも内周部に設けられた接着層が前記電解質膜に重なるように、前記電解質膜、前記第１電極、前記第２電極及び前記樹脂シートを配置する工程と、前記電解質膜の外周部が、前記第２電極の外周部に積層され、且つ前記接着層を介して前記樹脂シートの内周部に接合されるように、前記電解質膜、前記第１電極、前記第２電極及び前記樹脂シートを熱圧着により接合する熱圧着工程と、を含み、前記熱圧着工程において、前記接着層の一部を、前記樹脂シートと前記電解質膜との間から、前記樹脂シートの内周端と前記第１電極と前記電解質膜とにより囲まれる領域へと流動させ、前記領域に充填する、枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法である。

本発明によれば、樹脂シートの内周部と電解質膜の外周部とを接合する接着層が、樹脂シートの内周端と第１電極と電解質膜とにより囲まれる領域に充填されることで、上記領域において電解質膜の露出を防止することができる。これにより、乾湿に伴う電解質膜の膨張・収縮が発生した場合でも電解質膜の損傷を低減することができる。

本発明の実施形態に係る発電セル（燃料電池）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。 図３Ａは、枠部材の斜視図である。図３Ｂは、ＭＥＡ接合工程の説明図である。図３Ｃ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４Ａは、アノード電極とカソード電極との間に枠部材を配置する工程の説明図である。図４Ｂは、熱圧着工程の説明図である。

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（樹脂シート）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。これにより、電解質膜１８の外周部１８ｃは、カソード電極２２と第１枠状シート２４ａとの間に配置され、カソード電極２２の外周部２２ｃに積層されるとともに、接着層２４ｃを介して第１枠状シート２４ａの内周部に接合されている。なお、本実施形態では、接着層２４ｃは、第１枠状シート２４ａの内周部から外周部に亘って連続的に設けられているが、第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとを接合する接着層２４ｃと、第１枠状シート２４ａの内周部と電解質膜１８の外周部１８ｃとを接合する接着層２４ｃとが互いに独立（分離）して設けられてもよい。

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。アノード電極２０が上記傾斜領域２１ｃを有し、且つカソード電極２２が上記傾斜領域を有していてもよい。

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１枠状シート２４ａ及び第２枠状シート２４ｂは、互いに同じ厚みを有していてもよく、異なる厚みを有していてもよい。

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は、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅとアノード電極２０と電解質膜１８とにより囲まれる領域Ｒに充填されている。ＭＥＡ１０ａの厚さ方向に沿った断面において、領域Ｒは、三角形状である。以下、接着層２４ｃのうち領域Ｒに充填された部分を充填部２４ｃｆという。充填部２４ｃｆは、ＭＥＡ１０ａの製造工程（熱圧着工程）において、第１枠状シート２４ａと電解質膜１８との間の接着層２４ｃ（接着剤２４ｄ）が、熱によって軟化（液状化）して領域Ｒに流れ込み、領域Ｒにおいて硬化したものである。

充填部２４ｃｆは、領域Ｒにおいて、電解質膜１８に固着（接着）している。充填部２４ｃｆは、領域Ｒにおいて、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅ及びアノード電極２０（第１ガス拡散層２０ｂ）のカソード電極２２側の面にも固着している。ＭＥＡ１０ａの厚さ方向から見て、領域Ｒ及び充填部２４ｃｆは、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅに沿って形成された四角枠形状であり、内周端２４ａｅに沿って全周に亘って延在している。

領域Ｒに充填された接着層２４ｃ（充填部２４ｃｆ）の厚みｔ１は、第１枠状シート２４ａと電解質膜１８との間の接着層２４ｃの厚みｔ２よりも大きい。第１枠状シート２４ａと電解質膜１８との間の接着層２４ｃの厚みｔ２は、カソード電極２２の外周端２２ｅと第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅとの間の接着層２４ｃの厚みｔ３よりも小さい。

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。接着剤２４ｄは、主成分が熱可塑性材料であり、一部に熱可塑性材料が含まれた接着剤であってもよい。接着剤２４ｄとしては、例えば、アクリル系接着剤が挙げられるが、ゴム系、ウレタン系、エステル系、エチレンビニル系の接着剤であってもよい。

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。

第１枠状シート２４ａの弾性率Ｅ１と、接着層２４ｃの弾性率Ｅ２と、電解質膜１８の弾性率Ｅ３とは、以下の大小関係となるように設定されている。ここでいう「弾性率」は、いずれも「引っ張り弾性率」を意味する。第１枠状シート２４ａの弾性率Ｅ１は、電解質膜１８の弾性率Ｅ３よりも大きい。接着層２４ｃの弾性率Ｅ２は、第１枠状シート２４ａの弾性率Ｅ１及び電解質膜１８の弾性率Ｅ３よりも小さい。すなわち、Ｅ１＞Ｅ３＞Ｅ２の関係を満たすように、第１枠状シート２４ａの弾性率Ｅ１、接着層２４ｃの弾性率Ｅ２及び電解質膜１８の弾性率Ｅ３が設定されている。

接着層２４ｃの弾性率Ｅ２は、例えば、電解質膜１８の弾性率Ｅ３の５０％以下に設定される。接着層２４ｃの弾性率Ｅ２は、例えば、電解質膜１８の弾性率Ｅ３の３０％以下に設定される。接着層２４ｃの弾性率Ｅ２は、例えば、電解質膜１８の弾性率Ｅ３の２０％以下に設定される。接着層２４ｃの弾性率Ｅ２は、例えば、電解質膜１８の弾性率Ｅ３の１０％以下に設定される。接着層２４ｃの弾性率Ｅ２は、例えば、電解質膜１８の弾性率Ｅ３の５％以下に設定される。

１２０℃での第１枠状シート２４ａの弾性率Ｅ１は、例えば、１０００Ｍｐａ以上である。１２０℃での接着層２４ｃの弾性率Ｅ２は、例えば、０．５Ｍｐａ以下である。接着層２４ｃの弾性率Ｅ２が低すぎる場合（例えば、０．１ＭＰａ以下）、クッション効果が発現できない。１２０℃での電解質膜１８の弾性率Ｅ３は、例えば、１０～１００Ｍｐａである。

電解質膜１８及び接着層２４ｃの各厚みは、第１枠状シート２４ａの厚みよりも小さい。電解質膜１８の厚みと、接着層２４ｃの厚みは、比較的近い厚みに設定されている。第１枠状シート２４ａの厚みは、例えば、２５～１５０μｍである。接着層２４ｃの厚みは、例えば、１０～５０μｍである。電解質膜１８の厚みは、例えば、６～２０μｍである。

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１本又は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１本又は複数本のビードシール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に供給され、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に供給される。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に供給された後、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、枠付きＭＥＡ１０の製造方法の一例を説明する。

図３Ａに示すように、第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとが接着層２４ｃにより接合されてなる上述した枠部材２４を提供（作製）する。第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅよりも内側には、第１枠状シート２４ａの中央部に開口部５３が形成されている。枠部材２４には、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が形成されている。

次に、図３Ｂに示すようにＭＥＡ接合工程を実施する。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（熱圧着による接合）を行う。これにより、図３Ｃ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。

ＭＥＡ接合工程は、具体的に、以下の工程（図４Ａ及び図４Ｂ）を含む。図４Ａに示すように、ＭＥＡ接合工程では、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎが、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、第１枠状シート２４ａの少なくとも内周部２４ａｎに設けられた接着層２４ｃが電解質膜１８に重なるように、電解質膜１８、アノード電極２０、カソード電極２２及び第１枠状シート２４ａを配置する工程を実施する。

ＭＥＡ接合工程では、さらに、図４Ｂに示すように、電解質膜１８の外周部１８ｃが、カソード電極２２の外周部２２ｃに積層され、且つ接着層２４ｃを介して第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに接合されるように、電解質膜１８、アノード電極２０、カソード電極２２及び第１枠状シート２４ａを熱圧着により接合する熱圧着工程を実施する。

熱圧着工程では、接着層２４ｃ（接着剤２４ｄ）の一部を、第１枠状シート２４ａと電解質膜１８との間から、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅとアノード電極２０と電解質膜１８とにより囲まれる領域Ｒへと流動させる。すなわち、第１枠状シート２４ａと電解質膜１８との間の接着剤２４ｄは、熱によって軟化（あるいは液状化）し、ホットプレス装置から付与される加圧力（荷重）によって領域Ｒへと押し出される。熱圧着工程後、領域Ｒ内に流入した接着剤２４ｄは硬化して、領域Ｒにて電解質膜１８に固着した接着層２４ｃ（充填部２４ｃｆ）となる。これにより、領域Ｒが接着層２４ｃによって充填された状態となる。充填部２４ｃｆは、第１枠状シート２４ａと電解質膜１８との間の接着層２４ｃと連続している（繋がっている）。

この場合、図２に示すように、本実施形態に係る枠付きＭＥＡ１０及び発電セル１２によれば、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎと電解質膜１８の外周部１８ｃとを接合する接着層２４ｃが、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅとアノード電極２０と電解質膜１８とにより囲まれる領域Ｒに充填されることで、当該領域Ｒにおいて電解質膜１８の露出を防止することができる。これにより、乾湿に伴う電解質膜１８の膨張・収縮が発生した場合でも電解質膜１８の損傷を低減することができる。

電解質膜１８及び接着層２４ｃの各厚みは、第１枠状シート２４ａの厚みよりも小さい。このように適切な厚さバランスに設定することで、過剰な量の接着剤２４ｄを使用することなく、領域Ｒを良好に埋めることができる。

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。

以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。

上記実施形態は、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の他方の面に第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・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた樹脂シート（２４ａ）を有する枠部材（２４）と、を備えた枠付き電解質膜・電極構造体（１０）であって、前記電解質膜の外周部は、前記第２電極と前記樹脂シートとの間に配置され、前記第２電極の外周部に積層されるとともに、接着層（２４ｃ）を介して前記樹脂シートの内周部に接合されており、前記接着層は、前記樹脂シートの内周端（２４ａｅ）と前記第１電極と前記電解質膜とにより囲まれる領域（Ｒ）に充填されている、枠付き電解質膜・電極構造体を開示している。

前記枠部材は、前記樹脂シートのうち前記第２電極よりも外方に延出する部位に前記接着層を介して接合された他の樹脂シート（２４ｂ）を有していてもよい。

前記第１電極には、前記樹脂シートの内周端に対応する位置に段差が設けられていてもよい。

前記他の樹脂シートの内周部は、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（２４ｂｋ）を有していてもよい。

前記電解質膜及び前記接着層の各厚みは、前記樹脂シートの厚みよりも小さくてもよい。

また、上記実施形態は、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の他方の面に第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・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた樹脂シート（２４ａ）を有する枠部材（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（１２）であって、前記電解質膜の外周部は、前記第２電極と前記樹脂シートとの間に配置され、前記第２電極の外周部に積層されるとともに、接着層（２４ｃ）を介して前記樹脂シートの内周部に接合されており、前記接着層は、前記樹脂シートの内周端（２４ａｅ）と前記第１電極と前記電解質膜とにより囲まれる領域（Ｒ）に充填されている、燃料電池を開示している。

また、上記実施形態は、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の他方の面に第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・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた樹脂シート（２４ａ）を有する枠部材（２４）と、を備えた枠付き電解質膜・電極構造体（１０）の製造方法であって、前記樹脂シートの内周部が、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、前記樹脂シートの少なくとも内周部に設けられた接着層（２４ｃ）が前記電解質膜に重なるように、前記電解質膜、前記第１電極、前記第２電極及び前記樹脂シートを配置する工程と、前記電解質膜の外周部が、前記第２電極の外周部に積層され、且つ前記接着層を介して前記樹脂シートの内周部に接合されるように、前記電解質膜、前記第１電極、前記第２電極及び前記樹脂シートを熱圧着により接合する熱圧着工程と、を含み、前記熱圧着工程において、前記接着層の一部を、前記樹脂シートと前記電解質膜との間から、前記樹脂シートの内周端と前記第１電極と前記電解質膜とにより囲まれる領域（Ｒ）へと流動させ、前記領域に充填する、枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法を開示している。

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 ２０…アノード電極
２２…カソード電極 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 (5)

1. 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樹脂シートを有する枠部材と、
   を備えた枠付き電解質膜・電極構造体であって、
   前記電解質膜の外周部は、前記第２電極と前記樹脂シートとの間に配置され、前記第２電極の外周部に積層されるとともに、接着層を介して前記樹脂シートの内周部に接合されており、
   前記枠部材は、前記樹脂シートのうち前記第２電極よりも外方に延出する部位に前記接着層を介して接合された他の樹脂シートを有し、
   前記他の樹脂シートの内周部は、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し、
   前記接着層は、前記樹脂シートの内周端と前記第１電極と前記電解質膜とにより囲まれる領域に充填されている、枠付き電解質膜・電極構造体。
2. 請求項１記載の枠付き電解質膜・電極構造体において、
   前記第１電極には、前記樹脂シートの内周端に対応する位置に段差が設けられている、枠付き電解質膜・電極構造体。
3. 請求項１記載の枠付き電解質膜・電極構造体において、
   前記電解質膜及び前記接着層の各厚みは、前記樹脂シートの厚みよりも小さい、枠付き電解質膜・電極構造体。
4. 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樹脂シートを有する枠部材と、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、
   前記電解質膜の外周部は、前記第２電極と前記樹脂シートとの間に配置され、前記第２電極の外周部に積層されるとともに、接着層を介して前記樹脂シートの内周部に接合されており、
   前記枠部材は、前記樹脂シートのうち前記第２電極よりも外方に延出する部位に前記接着層を介して接合された他の樹脂シートを有し、
   前記他の樹脂シートの内周部は、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し、
   前記接着層は、前記樹脂シートの内周端と前記第１電極と前記電解質膜とにより囲まれる領域に充填されている、燃料電池。
5. 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樹脂シートを有する枠部材と、
   前記枠部材は、前記樹脂シートのうち前記第２電極よりも外方に延出する部位に他の樹脂シートと、を備え、
   前記他の樹脂シートの内周部は、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枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
   前記樹脂シートの前記部位に接着層を介して他の樹脂シートを接合する工程と、
   前記樹脂シートの内周部が、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、前記樹脂シートの少なくとも内周部に設けられた前記接着層が前記電解質膜に重なるように、前記電解質膜、前記第１電極、前記第２電極及び前記樹脂シートを配置する工程と、
   前記電解質膜の外周部が、前記第２電極の外周部に積層され、且つ前記接着層を介して前記樹脂シートの内周部に接合されるように、前記電解質膜、前記第１電極、前記第２電極及び前記樹脂シートを熱圧着により接合する熱圧着工程と、を含み、
   前記熱圧着工程において、前記接着層の一部を、前記樹脂シートと前記電解質膜との間から、前記樹脂シートの内周端と前記第１電極と前記電解質膜とにより囲まれる領域へと流動させ、前記領域に充填する、枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。

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