WO2012137609A1

WO2012137609A1 - 燃料電池用電解質膜・電極構造体及びその製造方法

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Publication number: WO2012137609A1
Application number: PCT/JP2012/057507
Authority: WO
Inventors: 杉下昌史; 小此木泰介; 木村義人; 田中之人
Original assignee: 本田技研工業株式会社
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2012-10-11
Also published as: JP5681792B2; CN103443981B; CN103443981A; US20140017590A1; US10658683B2; JPWO2012137609A1; US20180145359A1; DE112012001547T5

Abstract

　電解質膜・電極構造体（１０）は、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側電極（２０）及びカソード側電極（２２）とを備える。カソード側電極（２２）は、アノード側電極（２０）よりも小さな平面寸法を有する。電解質膜・電極構造体（１０）は、固体高分子電解質膜（１８）の外周を周回して樹脂製枠部材（２４）が設けられるとともに、前記樹脂製枠部材（２４）は、内周縁部をカソード側電極（２２）の外周縁部にのみ含浸させて前記カソード側電極（２２）に接合される。

Description

燃料電池用電解質膜・電極構造体及びその製造方法

　本発明は、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する第１電極及び第２電極が、固体高分子電解質膜の両側に設けられ、前記第１電極は、前記第２電極よりも外形寸法が小さく設定される燃料電池用電解質膜・電極構造体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。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、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）とからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層して燃料電池スタックを構成するとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

　この種の電解質膜・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（表面積）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、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。

　通常、燃料電池スタックでは、多数の電解質膜・電極構造体が積層されており、コストを抑制するために、前記電解質膜・電極構造体を安価に構成することが要請されている。このため、特に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、構成の簡素化を図るため、種々の提案がなされている。

　例えば、特開２００７－６６７６６号公報（以下、従来技術という）に開示されている電解質膜－電極接合体では、図１９に示すように、電解質膜１と前記電解質膜１の一方の側に配置されたカソード触媒層２ａと、前記電解質膜１の他方の側に配置されたアノード触媒層２ｂと、前記電解質膜１の両側に配置されるガス拡散層３ａ、３ｂとを備えている。

　アノード側のガス拡散層３ｂは、電解質膜１の面積と同等で、且つ、カソード側のガス拡散層３ａの面積よりも大きく構成されている。この電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）のエッジ領域には、ガスケット構造体４が配置されており、ガス拡散層３ａ側の電解質膜１の外周部と前記ガスケット構造体４とは、接着層５を介して接合されている。

　しかしながら、上記の従来技術では、ＭＥＡとガスケット構造体４とが、ガス拡散層３ａから外部に露呈する電解質膜１の外周縁部に接着層５を介して固定されているだけである。このため、ＭＥＡとガスケット構造体４との接合強度が低く、所望の強度を得ることができない。

　本発明は、この種の問題を解決するものであり、固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂製枠部材を強固且つ容易に接合するとともに、前記樹脂製枠部材の変形を良好に抑制することが可能な燃料電池用電解質膜・電極構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。

　本発明は、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する第１電極及び第２電極が、固体高分子電解質膜の両側に設けられ、前記第１電極は、前記第２電極よりも外形寸法が小さく設定される燃料電池用電解質膜・電極構造体及びその製造方法に関するものである。

　この電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂製枠部材が設けられるとともに、前記樹脂製枠部材と、少なくとも第１電極の外周縁部又は前記第２電極の外周縁部のいずれか一方とを一体に接合させる含浸部を有している。

　さらにまた、この製造方法は、固体高分子電解質膜の両側に、第１電極及び第２電極を形成する工程と、樹脂製枠部材を作成する工程と、前記第１電極の外周縁部と前記樹脂製枠部材の内周縁部とを重ね合わせるとともに、互いの重合部位を加熱することにより、該樹脂製枠部材の内周縁部を前記第１電極の外周縁部にのみ含浸させ、且つ、前記固体高分子電解質膜の外周を周回して前記樹脂製枠部材を接合させる工程とを有している。

また、この製造方法は、第１電極を構成するガス拡散層の外周縁部と樹脂製枠部材の内周縁部とを重ね合わせるとともに、互いの重合部位を加熱することにより、前記樹脂製枠部材の内周縁部を前記第１電極の外周縁部にのみ含浸させて接合させる工程と、固体高分子電解質膜の両側に、電極触媒層を形成する工程と、前記固体高分子電解質膜の両側に、前記樹脂製枠部材が接合された前記第１電極を構成する前記ガス拡散層と第２電極を構成するガス拡散層とを一体化させる工程とを有している。

さらに、この製造方法は、第１電極を構成するガス拡散層の外周縁部と樹脂製枠部材の内周縁部とを重ね合わせるとともに、互いの重合部位を加熱することにより、前記樹脂製枠部材の内周縁部を前記第１電極の外周縁部にのみ含浸させて接合させる工程と、第２電極を構成するガス拡散層に電極触媒層を形成するとともに、固体高分子電解質膜の一方の側に、前記第１電極を構成する電極触媒層を形成する工程と、前記固体高分子電解質膜の両側に、前記樹脂製枠部材が接合された前記第１電極と前記第２電極とを一体化させる工程とを有している。

　本発明によれば、樹脂製枠部材と、少なくとも第１電極の外周縁部又は第２電極の外周縁部のいずれか一方とを一体に接合させる含浸部を有している。このため、樹脂製枠部材と少なくとも第１電極又は第２電極との接合強度は、接着による接合に比べて良好に向上し、剥がれ等の発生を可及的に抑制することができる。

　また、本発明の製造方法によれば、樹脂製枠部材は、第１電極にのみ接合されている。従って、樹脂製枠部材は、熱収縮する部分が縮小され、前記樹脂製枠部材に反り等が発生することを抑制することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂製枠部材を強固且つ容易に接合することができるとともに、前記樹脂製枠部材の変形が良好に抑制される。

また、本発明によれば、第１電極及び第２電極を構成する各ガス拡散層の外周端部と樹脂製枠部材とには、それぞれ樹脂が含浸されて樹脂含浸部が一体に設けられている。このため、第１電極及び第２電極と樹脂製枠部材との接合強度は、接着による接合に比べて良好に向上し、剥がれ等の発生を可及的に抑制することができる。

さらにまた、本発明によれば、第２電極を構成するガス拡散層の外周端部と樹脂製枠部材とには、樹脂が含浸されて樹脂含浸部が一体に設けられている。従って、樹脂製枠部材は、熱収縮する部分が縮小され、前記樹脂製枠部材に反り等が発生することを抑制することが可能になる。しかも、寸法の大きな第２電極のみに樹脂含浸部が設けられるため、樹脂部材として、ガラスフィラー入りの樹脂が適用されるとともに、溶融温度の高い樹脂を適用することができる。

本発明の実施形態に係る電解質膜・電極構造体が組み込まれる固体高分子型燃料電池の要部分解斜視説明図である。前記燃料電池の、図１中、ＩＩ－ＩＩ線断面説明図である。前記電解質膜・電極構造体のカソード側電極側の正面説明図である。本発明の第１の実施形態に係る製造方法において、段差ＭＥＡの一部断面説明図である。樹脂製枠部材の説明図である。前記段差ＭＥＡと前記樹脂製枠部材との接合処理の説明図である。本発明の第２の実施形態に係る製造方法の工程説明図である。本発明の第３の実施形態に係る製造方法の工程説明図である。本発明の第４の実施形態に係る電解質膜・電極構造体が組み込まれる固体高分子型燃料電池の断面説明図である。前記電解質膜・電極構造体のカソード側電極側の正面説明図である。前記電解質膜・電極構造体のアノード側電極側の正面説明図である。前記電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。前記電解質膜・電極構造体の比較例の説明図である。本発明の第５の実施形態に係る電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。本発明の第６の実施形態に係る電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。本発明の第７の実施形態に係る電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。本発明の第８の実施形態に係る電解質膜・電極構造体が組み込まれる固体高分子型燃料電池の断面説明図である。前記電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。特開２００７－６６７６６号公報に開示された電解質膜－電極接合体の説明図である。

　図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０が組み込まれる固体高分子型燃料電池１２は、前記電解質膜・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、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ている。

　図２に示すように、電解質膜・電極構造体１０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１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側電極（第２電極）２０及びカソード側電極（第１電極）２２とを備える。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）系電解質が使用される。

　カソード側電極２２は、固体高分子電解質膜１８及びアノード側電極２０よりも小さな平面寸法を有する。なお、アノード側電極２０とカソード側電極２２とは、同一の平面寸法であってもよく、また、前記カソード側電極２２が前記アノード側電極２０よりも大きな平面寸法を有していてもよい。

　アノード側電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置される。カソード側電極２２は、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜１８の外周を額縁状に露呈させる。

　アノード側電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される電極触媒層２０ａと、前記電極触媒層２０ａに中間層（下地層）２０ｂを介して積層されるガス拡散層２０ｃとを設ける。カソード側電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される電極触媒層２２ａと、前記電極触媒層２２ａに中間層（下地層）２２ｂを介して積層されるガス拡散層２２ｃとを設ける。

　電極触媒層２０ａ、２２ａは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜１８の両面に印刷、塗布又は転写することによって構成される。

　中間層２０ｂ、２２ｂは、カーボンブラック及びＦＥＰ（四フッ化エチレン－六フッ化プロピレン共重合体）粒子とカーボンナノチューブをペースト状にした後、ガス拡散層２０ｃ、２２ｃに塗布される。ガス拡散層２０ｃ、２２ｃは、カーボンペーパ等からなるとともに、前記ガス拡散層２０ｃの平面は、前記ガス拡散層２２ｃの平面よりも大きく設定される。

　図２及び図３に示すように、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、カソード側電極２２にのみ接合される樹脂製枠部材２４を備える。樹脂製枠部材２４は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＰＡ（ポリフタルアミド）等で構成されるとともに、後述するように、内周縁部をカソード側電極２２の外周縁部にのみ含浸させる含浸部２６を有する。

　図１に示すように、燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図１中、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、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

　燃料電池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ための燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

　第２セパレータ１６の電解質膜・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が設けられる。

　第１セパレータ１４の電解質膜・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が形成される。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が一体化されるとともに、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、電解質膜・電極構造体１０の樹脂製枠部材２４に当接する第１凸状シール４２ａと、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間に介装される第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、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及び第２シール部材４２、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が用いられる。

　図１に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３４ａを燃料ガス流路３８に連通する供給孔部４６と、前記燃料ガス流路３８を燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する排出孔部４８とが形成される。

　この燃料電池１２において、本発明の第１の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０の製造方法について、以下に説明する。

　先ず、図４に示すように、段差ＭＥＡ５０が作製される。具体的には、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂには、電極触媒層２０ａ、２２ａが塗布される一方、ガス拡散層２０ｃ、２２ｃには、撥水剤とカーボン粒子の混合物からなる中間層２０ｂ、２２ｂが塗布される。

　そして、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ側に、すなわち、電極触媒層２０ａに、中間層２０ｂを対向させてガス拡散層２０ｃが配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに、すなわち、電極触媒層２２ａに、中間層２２ｂを対向させてガス拡散層２２ｃが配置される。これらが一体に積層されてホットプレス処理されることにより、段差ＭＥＡ５０が作製される。

　図５に示すように、樹脂製枠部材２４が射出成形機（図示せず）により成形される。樹脂製枠部材２４は、段差ＭＥＡ５０の厚さ方向の寸法Ｈ１と同一の幅寸法Ｈ１を有するとともに、内周縁部には、前記段差ＭＥＡ５０のカソード側電極２２の厚さＨ２と同一の厚さＨ２を有する内周突出部２４ａが一体に設けられる。内周突出部２４ａの突出長さＬは、段差ＭＥＡ５０の固体高分子電解質膜１８の先端部からカソード側電極２２の先端部までの距離と含浸部２６の長さとの和に設定される。

　次に、図６に示すように、基台５２上には、段差ＭＥＡ５０がアノード側電極２０を下方にして載置される。樹脂製枠部材２４は、内周突出部２４ａの先端を段差ＭＥＡ５０のカソード側電極２２の外周縁部に重ね合わせるとともに、前記樹脂製枠部材２４上にガラス板５４が配置される。樹脂製枠部材２４には、ガラス板５４を介して基台５２側に荷重Ｆが付与されるとともに、レーザ装置５６から前記ガラス板５４を透過してカソード側電極２２の外周縁部と樹脂製枠部材２４の内周縁部との重合部位にレーザ光Ｌｂが照射される。

　このため、樹脂製枠部材２４は、内周縁部である内周突出部２４ａが集中的に加熱溶融され、カソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｃに含浸される。これにより、図２に示すように、樹脂製枠部材２４は、内周縁部をカソード側電極２２の外周縁部にのみ含浸させた含浸部２６により前記カソード側電極２２に接合され、電解質膜・電極構造体１０が製造される。

　この場合、第１の実施形態では、段差ＭＥＡ５０と樹脂製枠部材２４とが個別に作成された後、この樹脂製枠部材２４の内周縁部をカソード側電極２２の外周縁部にのみ含浸させて、前記カソード側電極２２に接合している。このため、樹脂製枠部材２４とカソード側電極２２との接合強度は、接着による接合に比べて良好に向上し、剥れ等の発生を可及的に抑制することができる。

　しかも、樹脂製枠部材２４は、カソード側電極２２にのみ接合されている。従って、樹脂製枠部材２４は、熱収縮する部分が縮小され、前記樹脂製枠部材２４に反り等が発生することを抑制することが可能になる。

　特に、レーザ装置５６を用いて、レーザ加熱により重合部位にのみ加熱処理が集中して行われている。従って、樹脂製枠部材２４は、局所的に加熱されるだけであり、溶解時間も短縮化され、コスト削減を図るとともに、変形が可及的に軽減される。なお、レーザ装置５６によるレーザ溶着に代えて、赤外線溶着やインパルス溶着等を採用してもよい。

　この燃料電池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方向に移動して電解質膜・電極構造体１０のカソード側電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部４６を通って第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、電解質膜・電極構造体１０のアノード側電極２０に供給される。

　従って、各電解質膜・電極構造体１０では、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層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、カソード側電極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、アノード側電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４８を通り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、電解質膜・電極構造体１０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

　図７は、本発明の第２の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０の製造方法の工程説明図である。

　この第２の実施形態では、アノード側のガス拡散層２０ｃに中間層２０ｂが塗布されるとともに（Ｓ１）、カソード側のガス拡散層２２ｃに中間層２２ｂが塗布される（Ｓ２）。ガス拡散層２２ｃには、予め射出成形により成形された樹脂製枠部材２４に接合される（Ｓ３）。ガス拡散層２２ｃと樹脂製枠部材２４との接合処理は、第１の実施形態と略同様であり、例えば、図６に示す基台５２上に、前記ガス拡散層２２ｃが配置されることにより行われる。従って、樹脂製枠部材２４とカソード側電極２２のガス拡散層２２ｃとは、含浸部２６により一体化される。

　一方、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂには、電極触媒層２０ａ、２２ａが塗布される（Ｓ４）。さらに、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂ側に、それぞれアノード側のガス拡散層２０ｃと樹脂製枠部材２４が接合されたカソード側のガス拡散層２２ｃとが配置され、ホットプレス処理により一体化されて電解質膜・電極構造体１０が製造される（Ｓ５）。

　このように、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が得られる。

　図８は、本発明の第３の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０の製造方法の工程説明図である。

　この第３の実施形態では、アノード側のガス拡散層２０ｃに中間層２０ｂが塗布された後（Ｓ１１）、前記ガス拡散層２０ｃの前記中間層２０ｂに電極触媒層２０ａが塗布される（Ｓ１２）。一方、カソード側のガス拡散層２２ｃには、中間層２２ｂが塗布された後（Ｓ１３）、前記ガス拡散層２２ｃに樹脂製枠部材２４が接合される（Ｓ１４）。この接合処理は、上記の第１及び第２の実施形態と同様である。

　また、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂには、カソード側の電極触媒層２２ａが塗布される（Ｓ１５）。次いで、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂ側に、それぞれアノード側のガス拡散層２０ｃと樹脂製枠部材２４が接合されたカソード側のガス拡散層２２ｃとが配置され、ホットプレス処理を施すことにより一体化されて電解質膜・電極構造体１０が製造される（Ｓ１６）。

　従って、第３の実施形態では、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。

図９は、本発明の第４の実施形態に係る電解質膜・電極構造体６０が組み込まれる固体高分子型燃料電池６２の断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０が組み込まれる固体高分子型燃料電池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５以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

電解質膜・電極構造体６０では、アノード側電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される電極触媒層２０ａと、前記電極触媒層２０ａに積層されるガス拡散層２０ｃとを設ける。カソード側電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される電極触媒層２２ａと、前記電極触媒層２２ａに積層されるガス拡散層２２ｃとを設ける。なお、図示しないが、電極触媒層２０ａとガス拡散層２０ｃとは、中間層（下地層）を介して設けられていてもよく、電極触媒層２２ａとガス拡散層２２ｃとは、同様に、中間層（下地層）を介して設けられていてもよい。

樹脂製枠部材２４とカソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｃとは、第１樹脂含浸部２６ａにより一体化される一方、前記樹脂製枠部材２４とアノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｃとは、第２樹脂含浸部２６ｂにより一体化される。

　図１０に示すように、第１樹脂含浸部２６ａは、カソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｃの全周にわたって形成される。第１樹脂含浸部２６ａの長辺（矢印Ｂ方向に延在する辺）側の幅寸法Ｌ１は、前記第１樹脂含浸部２６ａの短尺（矢印Ｃ方向に延在する辺）側の幅寸法Ｌ２よりも幅広（Ｌ１＞Ｌ２）に設定される。

　図１１に示すように、第２樹脂含浸部２６ｂは、アノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｃの全周にわたって形成される。第２樹脂含浸部２６ｂの長辺（矢印Ｂ方向に延在する辺）側の幅寸法Ｌ３は、前記第２樹脂含浸部２６ｂの短尺（矢印Ｃ方向に延在する辺）側の幅寸法Ｌ４よりも幅広（Ｌ３＞Ｌ４）に設定される。

　図９に示すように、第２樹脂含浸部２６ｂは、樹脂製枠部材２４のカソード側電極２２側の第１内周部２４ｃよりも外方に距離Ｈだけ離間した位置で終端する。すなわち、第２樹脂含浸部２６ｂは、積層方向にカソード側電極２２と重なり合う位置に設けられていない。

　次いで、電解質膜・電極構造体６０を製造する方法について、以下に説明する。

　先ず、図１２に示すように、電解質膜・電極構造体６０を構成する段差ＭＥＡ６４が作製される。具体的には、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂには、電極触媒層２０ａ、２２ａが塗布される。そして、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ側に、すなわち、電極触媒層２０ａにガス拡散層２０ｃが配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに、すなわち、電極触媒層２２ａにガス拡散層２２ｃが配置される。これらが一体に積層されてホットプレス処理されることにより、段差ＭＥＡ６４が作製される。

　一方、樹脂製枠部材２４は、射出成形機（図示せず）により予め成形され、前記樹脂製枠部材２４と段差ＭＥＡ６４とが位置合わせされる。樹脂製枠部材２４は、第１内周部２４ｃと第２内周部２４ｄとを有しており、前記第１内周部２４ｃにカソード側電極２２の端部が配置される一方、前記第２内周部２４ｄにアノード側電極２０の端部が配置される。

　そこで、カソード側電極２２側には、第１樹脂含浸部２６ａを形成するための第１樹脂部材２６ａａが用意されるとともに、アノード側電極２０側には、第２樹脂含浸部２６ｂを形成するための第２樹脂部材２６ｂｂが用意される。第１樹脂部材２６ａａ及び第２樹脂部材２６ｂｂは、枠形状（額縁形状）を有しており、例えば、樹脂製枠部材２４と同一の材料で構成される。

　なお、樹脂製枠部材２４は、フィラーを混入させて強化した樹脂材料を使用する一方、第１樹脂部材２６ａａ及び第２樹脂部材２６ｂｂは、フィラーが混入しない樹脂材料を用いて構成してもよい。これにより、強固な樹脂製枠部材２４を用いて段差ＭＥＡ６４と前記樹脂製枠部材２４とを結合することができる。

　次いで、段差ＭＥＡ６４と樹脂製枠部材２４とには、第１樹脂部材２６ａａ及び第２樹脂部材２６ｂｂが配置されて荷重が付与された状態で、前記第１樹脂部材２６ａａ及び前記第２樹脂部材２６ｂｂが加熱される。加熱方式としては、レーザ溶着、赤外線溶着やインパルス溶着等が採用される。

　従って、第１樹脂部材２６ａａ及び第２樹脂部材２６ｂｂは、加熱溶融される。第１樹脂部材２６ａａは、カソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｃ及び樹脂製枠部材２４に跨って含浸される一方、第２樹脂部材２６ｂｂは、アノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｃ及び前記樹脂製枠部材２４に跨って含浸される。

　これにより、図９に示すように、カソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｃ及び樹脂製枠部材２４に跨って第１樹脂含浸部２６ａが形成されるとともに、アノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｃ及び前記樹脂製枠部材２４に跨って第２樹脂含浸部２６ｂが形成され、電解質膜・電極構造体６０が製造される。

　この場合、第４の実施形態では、カソード側電極２２及びアノード側電極２０を構成する各ガス拡散層２２ｃ、２０ｃの外周端部と樹脂製枠部材２４とには、それぞれ樹脂が含浸されて第１樹脂含浸部２６ａ及び第２樹脂含浸部２６ｂが一体に設けられている。

　このため、カソード側電極２２及びアノード側電極２０と樹脂製枠部材２４との接合強度は、接着による接合に比べて良好に向上し、剥がれ等の発生を可及的に抑制することができる。

　さらに、第１樹脂含浸部２６ａの長辺側の幅寸法Ｌ１は、前記第１樹脂含浸部２６ａの短尺側の幅寸法Ｌ２よりも幅広（Ｌ１＞Ｌ２）に設定されている（図１０参照）。しかも、第２樹脂含浸部２６ｂの長辺側の幅寸法Ｌ３は、前記第２樹脂含浸部２６ｂの短尺側の幅寸法Ｌ４よりも幅広（Ｌ３＞Ｌ４）に設定されている（図１１参照）。従って、カソード側電極２２及びアノード側電極２０と樹脂製枠部材２４との接合強度は、一層向上する。

　さらにまた、図９に示すように、第２樹脂含浸部２６ｂは、樹脂製枠部材２４のカソード側電極２２側の第１内周部２４ｃよりも外方に距離Ｈだけ離間した位置で終端している。この距離Ｈの範囲では、アノード側電極２０に対向してカソード側電極２２の電極触媒層２２ａが存在しないため、異常反応が惹起することがない。

　例えば、図１３に示す比較例では、カソード側電極２２のガス拡散層２２ｃと樹脂製枠部材２４とが、第１樹脂含浸部２７ａにより一体化される。一方、アノード側電極２０のガス拡散層２０ｃと樹脂製枠部材２４とが、第２樹脂含浸部２７ｂにより一体化される。そして、第２樹脂含浸部２７ｂは、第１樹脂含浸部２７ａの端部より内方に距離Ｈａだけ入り込んでいる。

　この比較例では、第２樹脂含浸部２７ｂが設けられている距離Ｈａの範囲に、カソード側電極２２の電極触媒層２２ａが存在している。これにより、アノード側電極２０側は、距離Ｈａの範囲で水素不足となり、カソード側電極２２側では、異常反応が発生し易い。

　具体的には、Ｈ_２Ｏ→１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ^－、Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－、Ｐｔ→ＰＴ^２＋＋２ｅ^－の反応により、担持カーボンの腐食Ｐｔの溶解が発生し、性能が低下してしまう。

　図１４は、本発明の第５の実施形態に係る電解質膜・電極構造体７０の要部断面説明図である。

　電解質膜・電極構造体７０は、カソード側電極２２及びアノード側電極２０に接合される樹脂製枠部材７２を備える。樹脂製枠部材７２には、前記樹脂製枠部材７２とカソード側電極２２のガス拡散層２２ｃ及びアノード側電極２０のガス拡散層２０ｃとをそれぞれ一体化させる第１樹脂突起部７４ａ及び第２樹脂突起部７４ｂが一体に設けられる。

　第１樹脂突起部７４ａは、第１内周部２４ｃを周回して枠形状（額縁形状）に形成されるとともに、第２樹脂突起部７４ｂは、第２内周部２４ｄを周回して枠形状（額縁形状）に形成される。第１樹脂突起部７４ａは、第１内周部２４ｃ側とは反対の端面を、樹脂製枠部材７２から離間する方向に向かって前記樹脂製枠部材７２側に傾斜させる傾斜面７４ａｓとして構成することが好ましい。

同様に、第２樹脂突起部７４ｂは、第２内周部２４ｄ側とは反対の端面を、樹脂製枠部材７２から離間する方向に向かって前記樹脂製枠部材７２側に傾斜させる傾斜面７４ｂｓとして構成することが好ましい。

　第１樹脂突起部７４ａ及び第２樹脂突起部７４ｂは、加熱装置（図示せず）により加熱溶融されるとともに、荷重が付与されることにより、それぞれガス拡散層２２ｃ、２０ｃに含浸される。このため、第１樹脂含浸部２６ａ及び第２樹脂含浸部２６ｂが形成される。従って、第５の実施形態では、上記の第４の実施形態と同様の効果が得られる。

　図１５は、本発明の第６の実施形態に係る電解質膜・電極構造体８０の要部断面説明図である。

　電解質膜・電極構造体８０は、カソード側電極２２及びアノード側電極２０に接合される樹脂製枠部材８２を備える。樹脂製枠部材８２には、前記樹脂製枠部材８２とカソード側電極２２のガス拡散層２２ｃ及びアノード側電極２０のガス拡散層２０ｃとをそれぞれ一体化させるための第１樹脂部材８４ａ及び第２樹脂部材８４ｂが、予めインサート成形により一体に設けられる。

　第１樹脂部材８４ａ及び第２樹脂部材８４ｂは、加熱装置（図示せず）により加熱溶融されるとともに、荷重が付与されることにより、それぞれガス拡散層２２ｃ、２０ｃに含浸される。このため、第１樹脂含浸部２６ａ及び第２樹脂含浸部２６ｂが形成される。従って、第６の実施形態では、上記の第４及び第５の実施形態と同様の効果が得られる。

　図１６は、本発明の第７の実施形態に係る電解質膜・電極構造体９０の要部断面説明図である。

　電解質膜・電極構造体９０は、カソード側電極２２及びアノード側電極２０に接合される樹脂製枠部材９２を備える。樹脂製枠部材９２には、前記樹脂製枠部材９２とカソード側電極２２のガス拡散層２２ｃ及びアノード側電極２０のガス拡散層２０ｃとをそれぞれ一体化させるための第１樹脂突起部９４ａ及び第２樹脂突起部９４ｂが一体に設けられる。

　第１樹脂突起部９４ａは、第１内周部２４ｃを周回して枠形状（額縁形状）に形成されるとともに、第２樹脂突起部９４ｂは、第２内周部２４ｄを周回して枠形状（額縁形状）に形成される。

　第１樹脂突起部９４ａ及び第２樹脂突起部９４ｂは、断面長方形状を有している。実質的には、第５の実施形態に係る電解質膜・電極構造体７０において、第１樹脂突起部７４ａ及び第２樹脂突起部７４ｂに傾斜面７４ａｓ、７４ｂｓを設けない形状に構成される。

　この第７の実施形態では、第１樹脂突起部９４ａ及び第２樹脂突起部９４ｂは、加熱装置（図示せず）により加熱溶融されるとともに、荷重が付与されることにより、それぞれガス拡散層２２ｃ、２０ｃに含浸される。このため、第１樹脂含浸部２６ａ及び第２樹脂含浸部２６ｂが形成される。

　これにより、第７の実施形態では、上記の第４～第６の実施形態と同様の効果が得られるとともに、特に第１樹脂突起部９４ａ及び第２樹脂突起部９４ｂの製造作業が簡素化する。

　図１７は、本発明の第８の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１００が組み込まれる固体高分子型燃料電池１０２の断面説明図である。

電解質膜・電極構造体１００では、樹脂製枠部材２４とアノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｃとが、樹脂含浸部１０４により一体化される。すなわち、樹脂製枠部材２４は、カソード側電極２２よりも寸法の大きなアノード側電極２０のみに接合される。

電解質膜・電極構造体１００を製造する際には、図１８に示すように、前記電解質膜・電極構造体１００を構成する段差ＭＥＡ１０６が作製される。樹脂製枠部材２４と段差ＭＥＡ１０６とが互いに配置された状態で、樹脂含浸部１０４を形成するための樹脂部材１０４ａが用意される。樹脂部材１０４ａは、枠形状（額縁形状）を有しており、ガラスフィラーを混入させて強化した樹脂材料を使用する。

　次いで、段差ＭＥＡ１０６と樹脂製枠部材２４とには、樹脂部材１０４ａが配置されて荷重が付与された状態で、前記樹脂部材１０４ａが加熱される。このため、樹脂部材１０４ａが加熱溶融され、アノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｃ及び樹脂製枠部材２４に跨って樹脂含浸部１０４が形成され、電解質膜・電極構造体１００が製造される。

　この場合、第８の実施形態では、樹脂部材１０４ａが加熱溶融される際、ガラスフィラーがガス拡散層２０ｃ内に進入しないため、固体高分子電解質膜１８に直接接触することがない。

　しかも、樹脂部材１０４ａは、高温で溶融する際、固体高分子電解質膜１８と前記樹脂部材１０４ａとの間には、ガス拡散層２０ｃ及び電極触媒層２０ａ、さらに場合によっては中間層２０ｂが介在している。従って、固体高分子電解質膜１８に対する熱の影響が削減される。

　これにより、樹脂部材１０４ａとしては、ガラスフィラーが混在した樹脂を適用するとともに、溶融温度の高い樹脂を適用することが可能になり、適用樹脂の選択性が向上するという効果が得られる。

Claims

　それぞれ電極触媒層（２２ａ、２０ａ）とガス拡散層（２２ｃ、２０ｃ）とを有する第１電極（２２）及び第２電極（２０）が、固体高分子電解質膜（１８）の両側に設けられ、前記第１電極（２２）は、前記第２電極（２０）よりも外形寸法が小さく設定される燃料電池用電解質膜・電極構造体であって、
　前記固体高分子電解質膜（１８）の外周を周回して樹脂製枠部材（２４）が設けられるとともに、
　前記樹脂製枠部材（２４）と、少なくとも前記第１電極（２２）の外周縁部又は前記第２電極（２０）の外周縁部のいずれか一方とを一体に接合させる含浸部（２６）を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
　請求項１記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記含浸部（２６）は、前記樹脂製枠部材（２４）の内周縁部を前記第１電極（２２）の外周縁部に含浸させて該第１電極（２２）に接合されることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
　請求項２記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記樹脂製枠部材（２４）は、厚さ方向の寸法が外周端部の厚さ方向の寸法よりも小さく設定される内周突出部（２４ａ）を有するとともに、
　前記内周突出部（２４ａ）は、前記第１電極（２２）の外周縁部に含浸される前記内周縁部を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
　請求項１記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、　前記第１電極（２２）を構成する前記ガス拡散層（２２ｃ）の外周端部及び前記第２電極（２０）を構成する前記ガス拡散層（２０ｃ）の外周端部には、樹脂が含浸されることにより、前記電解質膜・電極構造体（６０）と前記樹脂製枠部材（２４）とを一体に接合する前記含浸部である樹脂含浸部（２６ａ、２６ｂ）が設けられることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
　請求項４記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記樹脂含浸部（２６ａ、２６ｂ）は、各ガス拡散層（２２ｃ、２０ｃ）の各外周端部の全周にわたって設けられることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
　請求項４記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記樹脂含浸部（２６ａ、２６ｂ）は、前記第１電極（２２）を構成する前記ガス拡散層（２２ｃ）の全周にわたって配置される枠形状の第１樹脂部材（２６ａａ）と、
　前記第２電極（２０）を構成する前記ガス拡散層（２０ｃ）の全周にわたって配置される枠形状の第２樹脂部材（２６ｂｂ）と、
　を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
　請求項４記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記樹脂含浸部（２６ａ、２６ｂ）は、前記樹脂製枠部材（７２）に一体に設けられ、第１電極（２２）を構成する前記ガス拡散層（２２ｃ）の全周にわたって配置される枠形状の第１樹脂突起部（７４ａ）と、
　前記樹脂製枠部材（７２）に一体に設けられ、前記第２電極（２０）を構成する前記ガス拡散層（２０ｃ）の全周にわたって配置される枠形状の第２樹脂突起部（７４ｂ）と、
　を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
　請求項１記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記第２電極（２０）を構成する前記ガス拡散層（２０ｃ）の外周端部には、樹脂が含浸されることにより、前記電解質膜・電極構造体（１００）と前記樹脂製枠部材（２４）とを一体に接合する前記含浸部である樹脂含浸部（１０４）が設けられることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
　請求項８記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記樹脂含浸部（１０４）は、前記ガス拡散層（２０ｃ）の外周端部の全周にわたって設けられることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
　請求項８記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記樹脂含浸部（１０４）は、前記第２電極（２０）を構成する前記ガス拡散層（２０ｃ）の全周にわたって配置される枠形状の樹脂部材（１０４ａ）を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
　それぞれ電極触媒層（２２ａ、２０ａ）とガス拡散層（２２ｃ、２０ｃ）とを有する第１電極（２２）及び第２電極（２０）が、固体高分子電解質膜（１８）の両側に設けられ、前記第１電極（２２）は、前記第２電極（２０）よりも外形寸法が小さく設定される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
　前記固体高分子電解質膜（１８）の両側に、前記第１電極（２２）及び前記第２電極（２０）を形成する工程と、
　樹脂製枠部材（２４）を作成する工程と、
　前記第１電極（２２）の外周縁部と前記樹脂製枠部材（２４）の内周縁部とを重ね合わせるとともに、互いの重合部位を加熱することにより、該樹脂製枠部材（２４）の内周縁部を前記第１電極（２２）の外周縁部に含浸させ、且つ、前記固体高分子電解質膜（１８）の外周を周回して前記樹脂製枠部材（２４）を接合させる工程と、
　を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。
　それぞれ電極触媒層（２２ａ、２０ａ）とガス拡散層（２２ｃ、２０ｃ）とを有する第１電極（２２）及び第２電極（２０）が、固体高分子電解質膜（１８）の両側に設けられ、前記第１電極（２２）は、前記第２電極（２０）よりも外形寸法が小さく設定される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
　前記第１電極（２２）を構成する前記ガス拡散層（２２ｃ）の外周縁部と樹脂製枠部材（２４）の内周縁部とを重ね合わせるとともに、互いの重合部位を加熱することにより、該樹脂製枠部材（２４）の内周縁部を前記第１電極（２２）の外周縁部に含浸させて接合させる工程と、
　前記固体高分子電解質膜（１８）の両側に、前記電極触媒層（２２ａ、２０ａ）を形成する工程と、
　前記固体高分子電解質膜（１８）の両側に、前記樹脂製枠部材（２４）が接合された前記第１電極（２２）を構成する前記ガス拡散層（２２ｃ）と前記第２電極（２０）を構成する前記ガス拡散層（２０ｃ）とを一体化させる工程と、
　を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。
　それぞれ電極触媒層（２２ａ、２０ａ）とガス拡散層（２２ｃ、２０ｃ）とを有する第１電極（２２）及び第２電極（２０）が、固体高分子電解質膜（１８）の両側に設けられ、前記第１電極（２２）は、前記第２電極（２０）よりも外形寸法が小さく設定される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
　前記第１電極（２２）を構成する前記ガス拡散層（２２ｃ）の外周縁部と樹脂製枠部材（２４）の内周縁部とを重ね合わせるとともに、互いの重合部位を加熱することにより、該樹脂製枠部材（２４）の内周縁部を前記第１電極（２２）の外周縁部に含浸させて接合させる工程と、
　前記第２電極（２０）を構成する前記ガス拡散層（２０ｃ）に前記電極触媒層（２０ａ）を形成するとともに、前記固体高分子電解質膜（１８）の一方の側に、前記第１電極（２２）を構成する前記電極触媒層（２２ａ）を形成する工程と、
　前記固体高分子電解質膜（１８）の両側に、前記樹脂製枠部材（２４）が接合された前記第１電極（２２）と前記第２電極（２０）とを一体化させる工程と、
　を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。