燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池スタック
【課題】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、簡単な構成で、前記固体高分子電解質膜の損傷を良好に抑制することを可能にする。
【解決手段】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を挟持するアノード電極２０及びカソード電極２２を備える電解質膜・電極構造体１０ａと、前記固体高分子電解質膜１８の外周を周回する樹脂製枠部材２４とを備える。樹脂製枠部材２４は、アノード電極２０の外周側に突出して固体高分子電解質膜１８の外周縁部に当接する内周端部２４ａを有するとともに、前記内周端部２４ａは、前記固体高分子電解質膜１８と前記アノード電極２０の外周部との境界部位に配置される角部２４ａｅが、断面曲面形状に構成される。
【解決手段】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を挟持するアノード電極２０及びカソード電極２２を備える電解質膜・電極構造体１０ａと、前記固体高分子電解質膜１８の外周を周回する樹脂製枠部材２４とを備える。樹脂製枠部材２４は、アノード電極２０の外周側に突出して固体高分子電解質膜１８の外周縁部に当接する内周端部２４ａを有するとともに、前記内周端部２４ａは、前記固体高分子電解質膜１８と前記アノード電極２０の外周部との境界部位に配置される角部２４ａｅが、断面曲面形状に構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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るとともに、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電解質膜・電極構造体と、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製枠部材とを備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
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電極及びカソード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。
【０００３】
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表面積に設定される、所謂、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。
【０００４】
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。従って、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。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体では、図６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。
【０００６】
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。このように構成される電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）のエッジ領域には、ガスケット構造体４が配置されている。ガス拡散層３ａ側の電解質膜１の外周部とガスケット構造体４の薄肉部位４ａとは、接着層５を介して接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−６６７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１では、ガスケット構造体４とＭＥＡとを接合する際、接合部位に荷重を付与している。このため、薄肉部位４ａの角部４ａｅが電解質膜１に食い込んでしまい、前記電解質膜１にせん断応力が付与されるおそれがある。
【０００９】
また、燃料電池スタックの組み立て時には、電解質膜−電極接合体に締め付け荷重が付与されるとともに、前記燃料電池スタックの発電時には、電解質膜１が膨潤して前記電解質膜−電極接合体にさらに荷重が付与され、前記電解質膜１にせん断応力がかかる場合がある。
【００１０】
これにより、電解質膜１に変形が惹起されるとともに、前記電解質膜１に亀裂やせん断等が発生し易く、前記電解質膜１の破損の起点になるという問題が指摘されている。
【００１１】
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、簡単な構成で、前記固体高分子電解質膜の損傷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・電極構造体及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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電解質膜・電極構造体と、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製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ものである。
【００１３】
この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、樹脂製枠部材は、第１電極の外周側に突出して固体高分子電解質膜の外周縁部に当接する内周端部を有するとともに、前記内周端部は、前記固体高分子電解質膜と前記第１電極の外周部との境界部位に配置される角部が、断面曲面形状に構成されている。
【００１４】
また、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、少なくとも樹脂製枠部材の内周端部と固体高分子電解質膜の外周縁部とは、接着剤により一体化されることが好ましい。
【００１５】
さらに、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、少なくとも樹脂製枠部材の内周端部と固体高分子電解質膜の外周縁部とは、前記樹脂製枠部材を第１電極を構成するガス拡散層の外周端部に含浸させることにより、一体化されることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、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電解質膜・電極構造体を有し、前記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樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池スタックに関するものである。
【００１７】
この燃料電池スタックでは、樹脂製枠部材は、第１電極の外周側に突出して一方の面側が固体高分子電解質膜の外周縁部に当接し且つ他方の面側がセパレータに当接する内周端部を有するとともに、前記内周端部は、前記固体高分子電解質膜と前記第１電極の外周部との境界部位に配置される角部が、断面曲面形状に構成されている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体に荷重が付与された際、樹脂製枠部材の内周端部が固体高分子電解質膜に食い込むことがない。従って、内周端部の角部を断面曲面形状に構成するだけでよく、簡単な構成で、固体高分子電解質膜にせん断応力がかかることを確実に阻止し、前記固体高分子電解質膜の損傷を良好に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１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燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体のカソード電極側の正面説明図である。
【図４】樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る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。
【図６】特許文献１に開示された電解質膜−電極接合体の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、固体高分子型燃料電池１２に組み込まれるとともに、複数の前記燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層されて燃料電池スタック１３が構成される。
【００２１】
燃料電池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、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。
【００２２】
図２に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、電解質膜・電極構造体１０ａを備えるとともに、前記電解質膜・電極構造体１０ａ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、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。
【００２３】
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よりも小さな表面積を有する。なお、アノード電極２０とカソード電極２２とは、同一の表面積であってもよく、また、前記カソード電極２２が前記アノード電極２０よりも小さな表面積を有していてもよい。
【００２４】
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。カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される。
【００２５】
アノード電極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２０ｂとを設ける。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２２ｂとを設ける。
【００２６】
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。ガス拡散層２０ｂ、２２ｂは、カーボンペーパ等からなるとともに、前記ガス拡散層２０ｂの平面は、前記ガス拡散層２２ｂの平面よりも小さく設定される。
【００２７】
図１及び図２に示すように、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に接合される樹脂製枠部材２４を備える。樹脂製枠部材２４は、例えば、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）及びＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）等で、又は必要に応じてこれらにガラスフィラーを含有させて構成される。
【００２８】
樹脂製枠部材２４は、アノード電極２０の外周側に突出して固体高分子電解質膜１８の外周縁部に当接する内周端部２４ａを有する。内周端部２４ａは、アノード電極２０と同一の肉厚を有するとともに、固体高分子電解質膜１８と前記アノード電極２０の外周部との境界部位に配置される角部２４ａｅが、断面曲面形状（Ｒ形状）に構成される。
【００２９】
角部２４ａｅは、全体に亘って湾曲面に形成してもよく、あるいは、少なくとも境界部位に当接する範囲に亘って湾曲面に形成し、その他の部位を直線状又は傾斜面状に形成してもよい。また、以下に説明する第２の実施形態の角部も、この角部２４ａｅと同様に形成してもよい。
【００３０】
樹脂製枠部材２４の内周端部２４ａと固体高分子電解質膜１８の外周縁部とは、接着剤層２６により接着される。接着剤層２６は、例えば、エステル系又はウレタン系のホットメルト接着剤が使用される。ホットメルト接着剤の溶融温度は、例えば、１５０℃〜１７０℃であり、樹脂製枠部材２４の溶融温度は、例えば、３６０℃である。樹脂製枠部材２４とカソード電極２２のガス拡散層２２ｂとは、例えば、樹脂含浸部２８により一体化される。
【００３１】
図３に示すように、接着剤層２６は、固体高分子電解質膜１８の外周縁部の全周に亘って額縁状に形成される。樹脂含浸部２８は、カソード電極２２を構成するガス拡散層２２ｂの全周に亘って額縁状に形成される。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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が設けられる。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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を構成する樹脂製枠部材２４の内周端部２４ａ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、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
先ず、図４に示すように、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１０ａ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２０ｂ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２２ｂ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、電解質膜・電極構造体１０ａが作製される。
【００４２】
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る。
【００４３】
樹脂製枠部材２４は、肉薄形状の内周端部２４ａの角部２４ａｅが、断面曲面形状（Ｒ形状）に形成される。角部２４ａｅは、少なくとも固体高分子電解質膜１８に当接する部位が滑らかに形成されていればよく、前記角部２４ａｅ全体をＲ形状に構成する必要はない。
【００４４】
次いで、電解質膜・電極構造体１０ａでは、アノード電極２０の外周から外部に露呈する固体高分子電解質膜１８の外周縁部に接着剤層２６が設けられる。そして、樹脂製枠部材２４と電解質膜・電極構造体１０ａとが位置合わせされる。この樹脂製枠部材２４は、内周端部２４ａがアノード電極２０側に配置され、接着剤層２６が加熱溶融（ホットメルト）されるとともに、荷重（プレス等）が付与されることにより、前記内周端部２４ａと固体高分子電解質膜１８とが接着される。
【００４５】
一方、カソード電極２２側には、樹脂含浸部２８を形成するための樹脂部材２８ａが用意される。樹脂部材２８ａ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、樹脂部材２８ａ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。
【００４６】
そこで、電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂製枠部材２４とには、樹脂部材２８ａが配置されて荷重が付与された状態で、前記樹脂部材２８ａ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、樹脂部材２８ａは、加熱溶融され、前記樹脂部材２８ａは、カソード電極２２を構成するガス拡散層２２ｂ及び樹脂製枠部材２４に跨って含浸される。これにより、図２に示すように、カソード電極２２を構成するガス拡散層２２ｂ及び樹脂製枠部材２４に跨って樹脂含浸部２８が形成され、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。
【００４７】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、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は、樹脂製枠部材２４の内周端部２４ａに当接し、第２セパレータ１６と共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、燃料電池１２は、所定数だけ積層されて燃料電池スタック１３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。
【００４８】
このように構成される燃料電池１２の動作について、以下に説明する。
【００４９】
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。
【００５０】
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１０ａ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１０ａのアノード電極２０に供給される。
【００５１】
従って、各電解質膜・電極構造体１０ａ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、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。
【００５２】
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、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。
【００５３】
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１０ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００５４】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、樹脂製枠部材２４は、アノード電極２０の外周側に突出して固体高分子電解質膜１８の外周縁部に当接する内周端部２４ａを有するとともに、固体高分子電解質膜１８と前記アノード電極２０の外周部との境界部位に配置される角部２４ａｅが、断面曲面形状（Ｒ形状）に構成されている。
【００５５】
このため、図４に示すように、電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂製枠部材２４とを接合（接着）する際、前記樹脂製枠部材２４の内周端部２４ａに荷重が付与されても、前記内周端部２４ａの角部２４ａｅが固体高分子電解質膜１８に食い込むことがない。
【００５６】
さらに、燃料電池１２では、図２に示すように、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で挟持するとともに、複数の前記燃料電池１２が積層されて燃料電池スタック１３を構成している。その際、第１セパレータ１４の第１シール部材４２では、第１凸状シール４２ａが樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０の樹脂製枠部材２４の内周端部２４ａに当接している。従って、内周端部２４ａには、第１凸状シール４２ａを介して積層方向に締め付け荷重が付与されているが、前記内周端部２４ａの角部２４ａｅが固体高分子電解質膜１８に食い込むことがない。
【００５７】
これにより、第１の実施形態では、内周端部２４ａの角部２４ａｅを断面曲面形状に構成するだけでよく、簡単な構成で、固体高分子電解質膜１８にせん断応力がかかることを確実に阻止することができる。このため、固体高分子電解質膜１８の損傷を良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００５８】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体５０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電解質膜・電極構造体１０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。
【００５９】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体５０は、アノード電極２０及びカソード電極２２に接合される樹脂製枠部材５２を備える。樹脂製枠部材５２は、アノード電極２０の外周側に突出して固体高分子電解質膜１８の外周縁部に当接する内周端部５２ａを有する。内周端部５２ａの先端側及び樹脂製枠部材５２の前記内周端部５２ａとは反対の面の先端側には、アノード電極２０のガス拡散層２０ｂ及びカソード電極２２のガス拡散層２２ｂにそれぞれ一体化される第１樹脂突起部５４ａ及び第２樹脂突起部５４ｂが一体に設けられる。
【００６０】
第１樹脂突起部５４ａは、アノード電極２０の外周端部を周回して枠形状（額縁形状）に形成されるとともに、第２樹脂突起部５４ｂは、カソード電極２２の外周端部を周回して枠形状（額縁形状）に形成される。第１樹脂突起部５４ａは、固体高分子電解質膜１８とアノード電極２０の外周部との境界部位に配置される角部５４ａｅが、断面曲面形状（Ｒ形状）に構成される。
【００６１】
なお、第１樹脂突起部５４ａ及び第２樹脂突起部５４ｂは、断面矩形状を有しているが、これに限定されるものではない。例えば、第１樹脂突起部５４ａ及び第２樹脂突起部５４ｂは、アノード電極２０側とは反対の端面及びカソード電極２２側とは反対の端面を、それぞれ樹脂製枠部材５２から離間する方向に向かって前記樹脂製枠部材５２側に傾斜させる傾斜面として構成してもよい（図５中、二点鎖線参照）。さらに、第２樹脂突起部５４ｂに代えて、樹脂含浸部２８（第１の実施形態）を用いてもよい。
【００６２】
このように構成される樹脂枠付き電解質膜・電極構造体５０では、第１樹脂突起部５４ａ及び第２樹脂突起部５４ｂが、加熱装置を構成する加熱板５６ａ、５６ｂにより加熱溶着される。加熱板５６ａ、５６ｂは、所定温度に加熱されており、第１樹脂突起部５４ａ及び第２樹脂突起部５４ｂに荷重を付与することにより、前記第１樹脂突起部５４ａ及び前記第２樹脂突起部５４ｂが溶融されてガス拡散層２０ｂ及びガス拡散層２２ｂにそれぞれ含浸される。このため、第１樹脂含浸部５８ａ及び第２樹脂含浸部５８ｂが形成される。
【００６３】
このように構成される第２の実施形態では、第１樹脂突起部５４ａは、固体高分子電解質膜１８とアノード電極２０の外周部との境界部位に配置される角部５４ａｅが、断面曲面形状（Ｒ形状）に構成されている。このため、樹脂製枠部材５２の内周端部５２ａに荷重が付与されても、第１樹脂突起部５４ａの角部５４ａｅが固体高分子電解質膜１８に食い込むことがない。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が得られる。
【符号の説明】
【００６４】
１０、５０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１０ａ…電解質膜・電極構造体 １２…燃料電池
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
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、５２…樹脂製枠部材 ２４ａ、５２ａ…内周端部
２４ａｅ、５４ａｅ…角部 ２６…接着剤層
２８…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 ５４ａ、５４ｂ…樹脂突起部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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るとともに、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電解質膜・電極構造体と、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製枠部材とを備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
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電極及びカソード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。
【０００３】
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表面積に設定される、所謂、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。
【０００４】
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。従って、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。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体では、図６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。
【０００６】
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。このように構成される電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）のエッジ領域には、ガスケット構造体４が配置されている。ガス拡散層３ａ側の電解質膜１の外周部とガスケット構造体４の薄肉部位４ａとは、接着層５を介して接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−６６７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１では、ガスケット構造体４とＭＥＡとを接合する際、接合部位に荷重を付与している。このため、薄肉部位４ａの角部４ａｅが電解質膜１に食い込んでしまい、前記電解質膜１にせん断応力が付与されるおそれがある。
【０００９】
また、燃料電池スタックの組み立て時には、電解質膜−電極接合体に締め付け荷重が付与されるとともに、前記燃料電池スタックの発電時には、電解質膜１が膨潤して前記電解質膜−電極接合体にさらに荷重が付与され、前記電解質膜１にせん断応力がかかる場合がある。
【００１０】
これにより、電解質膜１に変形が惹起されるとともに、前記電解質膜１に亀裂やせん断等が発生し易く、前記電解質膜１の破損の起点になるという問題が指摘されている。
【００１１】
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、簡単な構成で、前記固体高分子電解質膜の損傷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・電極構造体及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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電解質膜・電極構造体と、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製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ものである。
【００１３】
この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、樹脂製枠部材は、第１電極の外周側に突出して固体高分子電解質膜の外周縁部に当接する内周端部を有するとともに、前記内周端部は、前記固体高分子電解質膜と前記第１電極の外周部との境界部位に配置される角部が、断面曲面形状に構成されている。
【００１４】
また、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、少なくとも樹脂製枠部材の内周端部と固体高分子電解質膜の外周縁部とは、接着剤により一体化されることが好ましい。
【００１５】
さらに、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、少なくとも樹脂製枠部材の内周端部と固体高分子電解質膜の外周縁部とは、前記樹脂製枠部材を第１電極を構成するガス拡散層の外周端部に含浸させることにより、一体化されることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、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電解質膜・電極構造体を有し、前記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樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池スタックに関するものである。
【００１７】
この燃料電池スタックでは、樹脂製枠部材は、第１電極の外周側に突出して一方の面側が固体高分子電解質膜の外周縁部に当接し且つ他方の面側がセパレータに当接する内周端部を有するとともに、前記内周端部は、前記固体高分子電解質膜と前記第１電極の外周部との境界部位に配置される角部が、断面曲面形状に構成されている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体に荷重が付与された際、樹脂製枠部材の内周端部が固体高分子電解質膜に食い込むことがない。従って、内周端部の角部を断面曲面形状に構成するだけでよく、簡単な構成で、固体高分子電解質膜にせん断応力がかかることを確実に阻止し、前記固体高分子電解質膜の損傷を良好に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１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燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体のカソード電極側の正面説明図である。
【図４】樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る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。
【図６】特許文献１に開示された電解質膜−電極接合体の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、固体高分子型燃料電池１２に組み込まれるとともに、複数の前記燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層されて燃料電池スタック１３が構成される。
【００２１】
燃料電池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、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。
【００２２】
図２に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、電解質膜・電極構造体１０ａを備えるとともに、前記電解質膜・電極構造体１０ａ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、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。
【００２３】
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よりも小さな表面積を有する。なお、アノード電極２０とカソード電極２２とは、同一の表面積であってもよく、また、前記カソード電極２２が前記アノード電極２０よりも小さな表面積を有していてもよい。
【００２４】
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。カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される。
【００２５】
アノード電極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２０ｂとを設ける。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２２ｂとを設ける。
【００２６】
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。ガス拡散層２０ｂ、２２ｂは、カーボンペーパ等からなるとともに、前記ガス拡散層２０ｂの平面は、前記ガス拡散層２２ｂの平面よりも小さく設定される。
【００２７】
図１及び図２に示すように、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に接合される樹脂製枠部材２４を備える。樹脂製枠部材２４は、例えば、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）及びＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）等で、又は必要に応じてこれらにガラスフィラーを含有させて構成される。
【００２８】
樹脂製枠部材２４は、アノード電極２０の外周側に突出して固体高分子電解質膜１８の外周縁部に当接する内周端部２４ａを有する。内周端部２４ａは、アノード電極２０と同一の肉厚を有するとともに、固体高分子電解質膜１８と前記アノード電極２０の外周部との境界部位に配置される角部２４ａｅが、断面曲面形状（Ｒ形状）に構成される。
【００２９】
角部２４ａｅは、全体に亘って湾曲面に形成してもよく、あるいは、少なくとも境界部位に当接する範囲に亘って湾曲面に形成し、その他の部位を直線状又は傾斜面状に形成してもよい。また、以下に説明する第２の実施形態の角部も、この角部２４ａｅと同様に形成してもよい。
【００３０】
樹脂製枠部材２４の内周端部２４ａと固体高分子電解質膜１８の外周縁部とは、接着剤層２６により接着される。接着剤層２６は、例えば、エステル系又はウレタン系のホットメルト接着剤が使用される。ホットメルト接着剤の溶融温度は、例えば、１５０℃〜１７０℃であり、樹脂製枠部材２４の溶融温度は、例えば、３６０℃である。樹脂製枠部材２４とカソード電極２２のガス拡散層２２ｂとは、例えば、樹脂含浸部２８により一体化される。
【００３１】
図３に示すように、接着剤層２６は、固体高分子電解質膜１８の外周縁部の全周に亘って額縁状に形成される。樹脂含浸部２８は、カソード電極２２を構成するガス拡散層２２ｂの全周に亘って額縁状に形成される。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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が設けられる。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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を構成する樹脂製枠部材２４の内周端部２４ａ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、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
先ず、図４に示すように、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１０ａ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２０ｂ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２２ｂ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、電解質膜・電極構造体１０ａが作製される。
【００４２】
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る。
【００４３】
樹脂製枠部材２４は、肉薄形状の内周端部２４ａの角部２４ａｅが、断面曲面形状（Ｒ形状）に形成される。角部２４ａｅは、少なくとも固体高分子電解質膜１８に当接する部位が滑らかに形成されていればよく、前記角部２４ａｅ全体をＲ形状に構成する必要はない。
【００４４】
次いで、電解質膜・電極構造体１０ａでは、アノード電極２０の外周から外部に露呈する固体高分子電解質膜１８の外周縁部に接着剤層２６が設けられる。そして、樹脂製枠部材２４と電解質膜・電極構造体１０ａとが位置合わせされる。この樹脂製枠部材２４は、内周端部２４ａがアノード電極２０側に配置され、接着剤層２６が加熱溶融（ホットメルト）されるとともに、荷重（プレス等）が付与されることにより、前記内周端部２４ａと固体高分子電解質膜１８とが接着される。
【００４５】
一方、カソード電極２２側には、樹脂含浸部２８を形成するための樹脂部材２８ａが用意される。樹脂部材２８ａ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、樹脂部材２８ａ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。
【００４６】
そこで、電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂製枠部材２４とには、樹脂部材２８ａが配置されて荷重が付与された状態で、前記樹脂部材２８ａ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、樹脂部材２８ａは、加熱溶融され、前記樹脂部材２８ａは、カソード電極２２を構成するガス拡散層２２ｂ及び樹脂製枠部材２４に跨って含浸される。これにより、図２に示すように、カソード電極２２を構成するガス拡散層２２ｂ及び樹脂製枠部材２４に跨って樹脂含浸部２８が形成され、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。
【００４７】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、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は、樹脂製枠部材２４の内周端部２４ａに当接し、第２セパレータ１６と共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、燃料電池１２は、所定数だけ積層されて燃料電池スタック１３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。
【００４８】
このように構成される燃料電池１２の動作について、以下に説明する。
【００４９】
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。
【００５０】
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１０ａ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１０ａのアノード電極２０に供給される。
【００５１】
従って、各電解質膜・電極構造体１０ａ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、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。
【００５２】
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、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。
【００５３】
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１０ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００５４】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、樹脂製枠部材２４は、アノード電極２０の外周側に突出して固体高分子電解質膜１８の外周縁部に当接する内周端部２４ａを有するとともに、固体高分子電解質膜１８と前記アノード電極２０の外周部との境界部位に配置される角部２４ａｅが、断面曲面形状（Ｒ形状）に構成されている。
【００５５】
このため、図４に示すように、電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂製枠部材２４とを接合（接着）する際、前記樹脂製枠部材２４の内周端部２４ａに荷重が付与されても、前記内周端部２４ａの角部２４ａｅが固体高分子電解質膜１８に食い込むことがない。
【００５６】
さらに、燃料電池１２では、図２に示すように、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で挟持するとともに、複数の前記燃料電池１２が積層されて燃料電池スタック１３を構成している。その際、第１セパレータ１４の第１シール部材４２では、第１凸状シール４２ａが樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０の樹脂製枠部材２４の内周端部２４ａに当接している。従って、内周端部２４ａには、第１凸状シール４２ａを介して積層方向に締め付け荷重が付与されているが、前記内周端部２４ａの角部２４ａｅが固体高分子電解質膜１８に食い込むことがない。
【００５７】
これにより、第１の実施形態では、内周端部２４ａの角部２４ａｅを断面曲面形状に構成するだけでよく、簡単な構成で、固体高分子電解質膜１８にせん断応力がかかることを確実に阻止することができる。このため、固体高分子電解質膜１８の損傷を良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００５８】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体５０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電解質膜・電極構造体１０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。
【００５９】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体５０は、アノード電極２０及びカソード電極２２に接合される樹脂製枠部材５２を備える。樹脂製枠部材５２は、アノード電極２０の外周側に突出して固体高分子電解質膜１８の外周縁部に当接する内周端部５２ａを有する。内周端部５２ａの先端側及び樹脂製枠部材５２の前記内周端部５２ａとは反対の面の先端側には、アノード電極２０のガス拡散層２０ｂ及びカソード電極２２のガス拡散層２２ｂにそれぞれ一体化される第１樹脂突起部５４ａ及び第２樹脂突起部５４ｂが一体に設けられる。
【００６０】
第１樹脂突起部５４ａは、アノード電極２０の外周端部を周回して枠形状（額縁形状）に形成されるとともに、第２樹脂突起部５４ｂは、カソード電極２２の外周端部を周回して枠形状（額縁形状）に形成される。第１樹脂突起部５４ａは、固体高分子電解質膜１８とアノード電極２０の外周部との境界部位に配置される角部５４ａｅが、断面曲面形状（Ｒ形状）に構成される。
【００６１】
なお、第１樹脂突起部５４ａ及び第２樹脂突起部５４ｂは、断面矩形状を有しているが、これに限定されるものではない。例えば、第１樹脂突起部５４ａ及び第２樹脂突起部５４ｂは、アノード電極２０側とは反対の端面及びカソード電極２２側とは反対の端面を、それぞれ樹脂製枠部材５２から離間する方向に向かって前記樹脂製枠部材５２側に傾斜させる傾斜面として構成してもよい（図５中、二点鎖線参照）。さらに、第２樹脂突起部５４ｂに代えて、樹脂含浸部２８（第１の実施形態）を用いてもよい。
【００６２】
このように構成される樹脂枠付き電解質膜・電極構造体５０では、第１樹脂突起部５４ａ及び第２樹脂突起部５４ｂが、加熱装置を構成する加熱板５６ａ、５６ｂにより加熱溶着される。加熱板５６ａ、５６ｂは、所定温度に加熱されており、第１樹脂突起部５４ａ及び第２樹脂突起部５４ｂに荷重を付与することにより、前記第１樹脂突起部５４ａ及び前記第２樹脂突起部５４ｂが溶融されてガス拡散層２０ｂ及びガス拡散層２２ｂにそれぞれ含浸される。このため、第１樹脂含浸部５８ａ及び第２樹脂含浸部５８ｂが形成される。
【００６３】
このように構成される第２の実施形態では、第１樹脂突起部５４ａは、固体高分子電解質膜１８とアノード電極２０の外周部との境界部位に配置される角部５４ａｅが、断面曲面形状（Ｒ形状）に構成されている。このため、樹脂製枠部材５２の内周端部５２ａに荷重が付与されても、第１樹脂突起部５４ａの角部５４ａｅが固体高分子電解質膜１８に食い込むことがない。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が得られる。
【符号の説明】
【００６４】
１０、５０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１０ａ…電解質膜・電極構造体 １２…燃料電池
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
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、５２…樹脂製枠部材 ２４ａ、５２ａ…内周端部
２４ａｅ、５４ａｅ…角部 ２６…接着剤層
２８…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 ５４ａ、５４ｂ…樹脂突起部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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電解質膜・電極構造体と、
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製枠部材と、
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、
前記樹脂製枠部材は、前記第１電極の外周側に突出して前記固体高分子電解質膜の外周縁部に当接する内周端部を有するとともに、
前記内周端部は、前記固体高分子電解質膜と前記第１電極の外周部との境界部位に配置される角部が、断面曲面形状に構成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。
【請求項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、少なくとも前記樹脂製枠部材の前記内周端部と前記固体高分子電解質膜の外周縁部とは、接着剤により一体化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。
【請求項３】
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、少なくとも前記樹脂製枠部材の前記内周端部と前記固体高分子電解質膜の外周縁部とは、前記樹脂製枠部材を前記第１電極を構成する前記ガス拡散層の外周端部に含浸させることにより、一体化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。
【請求項４】
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電解質膜・電極構造体を有し、前記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樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池スタックであって、
前記樹脂製枠部材は、前記第１電極の外周側に突出して一方の面側が前記固体高分子電解質膜の外周縁部に当接し且つ他方の面側が前記セパレータに当接する内周端部を有するとともに、
前記内周端部は、前記固体高分子電解質膜と前記第１電極の外周部との境界部位に配置される角部が、断面曲面形状に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１】
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電解質膜・電極構造体と、
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製枠部材と、
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、
前記樹脂製枠部材は、前記第１電極の外周側に突出して前記固体高分子電解質膜の外周縁部に当接する内周端部を有するとともに、
前記内周端部は、前記固体高分子電解質膜と前記第１電極の外周部との境界部位に配置される角部が、断面曲面形状に構成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。
【請求項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、少なくとも前記樹脂製枠部材の前記内周端部と前記固体高分子電解質膜の外周縁部とは、接着剤により一体化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。
【請求項３】
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、少なくとも前記樹脂製枠部材の前記内周端部と前記固体高分子電解質膜の外周縁部とは、前記樹脂製枠部材を前記第１電極を構成する前記ガス拡散層の外周端部に含浸させることにより、一体化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。
【請求項４】
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電解質膜・電極構造体を有し、前記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樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池スタックであって、
前記樹脂製枠部材は、前記第１電極の外周側に突出して一方の面側が前記固体高分子電解質膜の外周縁部に当接し且つ他方の面側が前記セパレータに当接する内周端部を有するとともに、
前記内周端部は、前記固体高分子電解質膜と前記第１電極の外周部との境界部位に配置される角部が、断面曲面形状に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−９８１５５（Ｐ２０１３−９８１５５Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４３２８４（Ｐ２０１１−２４３２８４）
【出願日】平成２３年１１月７日（２０１１．１１．７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月７日（２０１１．１１．７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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