(57)【要約】【課題】樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を簡単且つ確実に製造することができ、作業性及び生産性の向上を図ることが可能な、しかも電解質膜・電極構造体の端部構造を容易且つ精度良く製造することができる。【解決手段】樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０の製造方法は、固体高分子電解質膜１８の外周１８ｅを樹脂枠部材２４の内周２４ａに埋設する工程と、カソード電極２０及びアノード電極２２を前記樹脂枠部材２４の前記内周２４ａに収容させるとともに、前記固体高分子電解質膜１８の両面１８ａ、１８ｂに当接させた状態で、一体化させる工程と、を有している。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両面に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回する樹脂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を前記樹脂枠部材の内周に埋設する工程と、
各電極を前記樹脂枠部材の前記内周に収容させるとともに、前記固体高分子電解質膜の両面に当接させた状態で、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樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法において、前記一体化は、ホットプレス、接着剤又はイオン伝導性樹脂を用いて行うことを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の製造方法において、少なくとも一方の前記電極は、前記固体高分子電解質膜に当接する面に、イオン伝導性を有する中間層を設けることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。
【請求項４】
固体高分子電解質膜の両面に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回する樹脂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、
前記固体高分子電解質膜の外周は、前記樹脂枠部材の内周に埋設されており、
前記電極は、触媒層及びガス拡散層を有するとともに、
少なくとも一方の前記電極は、前記固体高分子電解質膜に当接する面に、イオン伝導性成分からなる中間層を設け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５】
固体高分子電解質膜の両面に電極が配設されるとともに、一方の前記電極の外形寸法が前記固体高分子電解質膜の外形寸法よりも小さく且つ他方の前記電極の外形寸法が前記固体高分子電解質膜の外形寸法と同一に設定される段差状の電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回する厚さ方向断面Ｌ字状の樹脂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、
一方の前記電極の外周から外方に延在する前記固体高分子電解質膜の外周面は、前記樹脂枠部材の内方に突出する薄肉部の内周面に配置されており、
少なくともいずれかの前記電極は、前記固体高分子電解質膜に当接する面に、イオン伝導性成分からなる中間層を設け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６】
請求項４又は５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、前記中間層は、前記固体高分子電解質膜と同じイオン伝導性を有する物質を含む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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜の両面に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回する樹脂枠部材とを備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法に関する。
【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、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、少なくとも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枠付きＭＥＡが採用されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池は、図１９に示すように、一対の触媒層１が形成された電解質膜２と、前記電解質膜２を挟むように互いに対向して配置された一対の電極基材３、４と、前記電解質膜２の側部及び前記電極基材３、４の側部に配置されたシール部６と、前記シール部６及び前記電極基材３、４内に充填され、該シール部６と該電極基材３、４とを接着する樹脂部材７とを備えている。さらに、触媒層１が形成された電解質膜２と電極基材３、４との接合は、前記触媒層１の端部より外側の部位の樹脂部材７での接着のみによりなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２５２８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池の製造作業が煩雑化してしまい、前記燃料電池を効率的に製造することができないという問題がある。これにより、燃料電池の生産性を向上させることが困難になる。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を簡単且つ確実に製造することができ、作業性及び生産性の向上を図ることが可能な、しかも電解質膜・電極構造体の端部構造を容易且つ精度よく製造することができる燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、固体高分子電解質膜の両面に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回する樹脂枠部材とを備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法に関するものである。
【０００９】
この製造方法は、固体高分子電解質膜の外周を樹脂枠部材の内周に埋設する工程と、各電極を前記樹脂枠部材の前記内周に収容させるとともに、前記固体高分子電解質膜の両面に当接させた状態で、一体化させる工程と、を有している。
【００１０】
また、この製造方法では、一体化は、ホットプレス、接着剤又はイオン伝導性樹脂を用いて行うことが好ましい。
【００１１】
さらに、この製造方法では、少なくとも一方の電極は、固体高分子電解質膜に当接する面に、イオン伝導性を有する中間層を設けることが好ましい。
【００１２】
さらにまた、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の外周は、樹脂枠部材の内周に埋設されており、電極は、触媒層及びガス拡散層を有するとともに、少なくとも一方の前記電極は、前記固体高分子電解質膜に当接する面に、イオン伝導性成分からなる中間層を設けている。
【００１３】
また、本発明は、固体高分子電解質膜の両面に電極が配設されるとともに、一方の前記電極の外形寸法が前記固体高分子電解質膜の外形寸法よりも小さく且つ他方の前記電極の外形寸法が前記固体高分子電解質膜の外形寸法と同一に設定される段差状の電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回する厚さ方向断面Ｌ字状の樹脂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。
【００１４】
この樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、一方の電極の外周から外方に延在する固体高分子電解質膜の外周面は、樹脂枠部材の内方に突出する薄肉部の内周面に配置されており、少なくともいずれかの前記電極は、前記固体高分子電解質膜に当接する面に、イオン伝導性成分からなる中間層を設けている。
【００１５】
さらに、この樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、中間層は、固体高分子電解質膜と同じイオン伝導性を有する物質を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、固体高分子電解質膜の外周が、樹脂枠部材の内周（面）に埋設又は配置されている。このため、固体高分子電解質膜の両面に電極を当接させて一体化することにより、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が製造される。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を簡単且つ確実に製造することができ、作業性及び生産性の向上を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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】図３Ａは、固体高分子電解質膜と樹脂枠部材とを一体化させる際の説明図であり、図３Ｂは、他の一体化処理の説明図であり、図３Ｃは、さらに別の一体化処理の説明図である。
【図４】中間層に電極触媒層を設ける際の説明図である。
【図５】前記電極触媒層とガス拡散層とを接着する際の説明図である。
【図６】カソード電極及びアノード電極を製造する際の説明図である。
【図７】前記固体高分子電解質膜に前記カソード電極及び前記アノード電極と一体化する際の説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が組み込まれる固体高分子型燃料電池の要部断面説明図である。
【図９】前記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１０】本発明の第３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断面説明図である。
【図１１】前記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１２】本発明の第４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断面説明図である。
【図１３】前記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１４】本発明の第５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断面説明図である。
【図１５】前記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１６】本発明の第６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断面説明図である。
【図１７】前記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１８】本発明の第７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断面説明図である。
【図１９】特許文献１に開示された燃料電池の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。燃料電池１２は、矢印Ａ方向に複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。
【００１９】
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薄板や、カーボン部材等で構成されている。
【００２０】
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。電解質膜・電極構造体１０ａは、例えば、炭化水素系の固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極２０及びアノード電極２２とを有する。炭化水素系電解質膜としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル等、エンジニアリングプラスチック系高分子をスルホン化した材料が使用される。
【００２１】
カソード電極２０及びアノード電極２２は、同一の平面寸法に設定されるとともに、固体高分子電解質膜１８よりも小さな平面寸法を有する。カソード電極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、アノード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される。
【００２２】
カソード電極２０は、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とを有する。カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに当接する面に、すなわち、第１電極触媒層２０ａに、イオン伝導性成分からなる第１中間層２３ａを設ける。第１中間層２３ａは、例えば、フッ素系電解質膜で構成される。なお、第１中間層２３ａは、固体高分子電解質膜１８と同様に、炭化水素系電解質膜で構成してもよく、前記固体高分子電解質膜１８と同じ成分でもよい。第１中間層２３ａは、フッ素系イオン伝導性成分又は炭化水素系イオン伝導性成分を主成分として含む層であればよい。
【００２３】
アノード電極２２は、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とを有する。アノード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに当接する面に、すなわち、第２電極触媒層２２ａに、イオン伝導性成分からなる第２中間層２３ｂを設ける。第２中間層２３ｂは、例えば、フッ素系電解質膜で構成される。なお、第２中間層２３ｂは、固体高分子電解質膜１８と同様に、炭化水素系電解質膜で構成してもよい。
【００２４】
第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、例えば、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子（優れた発電性能を有する触媒であれば、白金粒子に限定されない）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、第１中間層２３ａ及び第２中間層２３ｂに印刷、塗布又は転写することによって構成される。又は、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａを、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂに印刷、塗布又は転写することによって構成してもよい。
【００２５】
第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、例えば、カーボンブラック及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を含む下地層をカーボンペーパの触媒層側に塗布して形成される。下地層は、カーボンペーパと同じ表面寸法に設定されている。なお、下地層は、必要に応じて設ければよい。第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法は、第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法と同一の寸法に設定される。
【００２６】
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、樹脂枠部材２４を備え、前記樹脂枠部材２４の内周２４ａには、固体高分子電解質膜１８の外周１８ｅが埋設されるとともに、アノード電極２２及びカソード電極２０が接合される。
【００２７】
樹脂枠部材２４は、例えば、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）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・ パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等のスーパーエンプラ、若しくは２種類以上のポリマーアロイや、ＰＰ（ポリプロピレン）等の汎用エンプラ、若しくは２種類以上のポリマーアロイ等で構成される。
【００２８】
樹脂枠部材２４の内周２４ａとカソード電極２０の外周及びアノード電極２２の外周とは、例えば、接着層２６により接着される。接着層２６としては、例えば、液状フッ素エラストマー等の熱硬化性の接着剤が使用される。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。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が形成される。
【００３３】
図２に示すように、酸化剤ガス流路３６及び燃料ガス流路３８は、発電面から樹脂枠部材２４に対向する部位まで設けられる。排水性を確保するためである。酸化剤ガス流路３６の流路溝及び燃料ガス流路３８の流路溝は、樹脂枠部材２４とカソード電極２０との境界部位及び前記樹脂枠部材２４とアノード電極２２との境界部位に対向して設けられる。
【００３４】
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。
【００３５】
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を構成する樹脂枠部材２４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１凸状シール４２ａは、積層方向（矢印Ａ方向）に対して固体高分子電解質膜１８の外周部よりも外方に位置して、すなわち、樹脂枠部材２４のみが存在する部位に位置して前記樹脂枠部材２４に当接する。固体高分子電解質膜１８に荷重がかからないようにするためである。
【００３６】
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を有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。
【００３７】
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等の弾性を有するシール部材が用いられる。
【００３８】
次いで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を製造する第１の実施形態に係る製造方法について、以下に説明する。
【００３９】
先ず、図３Ａに示すように、固体高分子電解質膜１８の外周１８ｅを埋設して樹脂枠部材２４が、例えば、射出成形される。このため、固体高分子電解質膜１８と樹脂枠部材２４とが一体化される。なお、図３Ｂに示すように、２枚の樹脂枠構成部２４Ｐ１、２４Ｐ２間に固体高分子電解質膜１８を挟んで溶着し、前記固体高分子電解質膜１８と樹脂枠部材２４とを一体化してもよい。また、図３Ｃに示すように、２枚の樹脂枠構成部２４Ｐ３、２４Ｐ４間に固体高分子電解質膜１８を挟んで溶着し、前記固体高分子電解質膜１８と樹脂枠部材２４とを一体化してもよい。樹脂枠構成部２４Ｐ２、２４Ｐ３及び２４Ｐ４には、固体高分子電解質膜１８を配置するための凹部を設けることが好ましい。
【００４０】
次に、図４に示すように、カソード電極２０の第１電極触媒層２０ａ及びアノード電極２２の第２電極触媒層２２ａが製造される。具体的には、触媒と溶媒との混合物にバインダー溶液を投入し、所定のインク粘度まで混合した電極インクを、ＰＥＴフィルムからなるＰＥＴシートにスクリーン印刷により塗工した電極シートを形成し、前記電極シートを第１中間層２３ａ及び第２中間層２３ｂに重ねてホットプレスを行う。その後、ＰＥＴシートを剥がすことにより、第１中間層２３ａ及び第２中間層２３ｂには、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａが形成される。
【００４１】
さらに、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂの製造工程では、カーボンブラック及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を含む混合物をエチレングリコールに均一に分散させたスラリーが形成される。このスラリーは、カーボンペーパに塗布して乾燥されることにより、前記カーボンペーパと下地層とからなる第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂが作製される（図５参照）。なお、他の例として、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂに第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａが設けられた後、第１中間層２３ａ及び第２中間層２３ｂと一体化してもよい。
【００４２】
そこで、第１電極触媒層２０ａと第１ガス拡散層２０ｂとが一体に積層されて、接着剤又は熱圧着により接着されることにより、カソード電極２０が作製される（図６参照）。その際、第１中間層２３ａ、第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、同一の平面寸法に設定されるため、それぞれを予め大きな平面寸法に作製し、接着後にトムソン刃等により所望の大きさに打ち抜いてもよい。なお、第１中間層２３ａ、第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、ロール状に作製しておいてもよい。このため、カソード電極２０は、簡単且つ高精度に製造可能になる。以下に説明するアノード電極２２でも、同様である。
【００４３】
アノード電極２２では、第２電極触媒層２２ａと第２ガス拡散層２２ｂとが一体に積層されて、接着剤又は熱圧着により接着されることにより、前記アノード電極２２が作製される。
【００４４】
その後、図７に示すように、カソード電極２０は、樹脂枠部材２４の内周２４ａに収容されるとともに、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに第１中間層２３ａを当接させて配置される。アノード電極２２は、樹脂枠部材２４の内周２４ａに収容されるとともに、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに第２中間層２３ｂを当接させて配置される。第１中間層２３ａ、固体高分子電解質膜１８及び第２中間層２３ｂは、イオン伝導性樹脂や接着剤により接着される。このため、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。
【００４５】
なお、接着方式は、上記のイオン伝導性樹脂や接着剤の他、例えば、熱圧着（ホットプレス）を採用してもよい。また、樹脂枠部材２４の内周２４ａには、接着剤を塗布することにより、前記内周２４ａとカソード電極２０の外周及びアノード電極２２の外周とを接着することができる。さらに、樹脂枠部材２４を僅かに溶融し、内周２４ａとカソード電極２０の外周及びアノード電極２２の外周とを溶着により接着してもよい。
【００４６】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、図２に示すように、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、樹脂枠部材２４に当接し、第２セパレータ１６ととも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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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２０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、電解質膜・電極構造体１０ａのアノード電極２２に供給される。
【００５０】
従って、各電解質膜・電極構造体１０ａでは、カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２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。
【００５１】
次いで、カソード電極２０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２２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。
【００５２】
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。
【００５３】
この場合、第１の実施形態では、図７に示すように、固体高分子電解質膜１８の外周１８ｅが、樹脂枠部材２４の内周２４ａに埋設されて一体化されている。一方、カソード電極２０及びアノード電極２２は、それぞれ一体化されている。すなわち、予め３個のユニットが構成されている。
【００５４】
このため、固体高分子電解質膜１８の両面１８ａ、１８ｂに、カソード電極２０及びアノード電極２２を当接させて一体化するだけで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を簡単且つ確実に製造することができ、作業性及び生産性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。さらに、アノード電極２２の外周部及びカソード電極２０の外周部の位置がずれたり、ばらついたりすることを抑制することができる。
【００５５】
しかも、第１の実施形態では、固体高分子電解質膜１８は、炭化水素系電解質膜で構成されており、高い耐熱性及び機械的強度が得られるため、特に、製造工程中に熱による膜損傷を可級的に抑制することができる。一方、第１中間層２３ａ及び第２中間層２３ｂは、イオン伝導性の高いフッ素系電解質膜で構成されている。これにより、第１中間層２３ａ及び第２中間層２３ｂは、固体高分子電解質膜１８と確実に接着されるとともに、高性能なカソード電極２０及びアノード電極２２を製造することが可能になる。
【００５６】
なお、カソード電極２０側の第１中間層２３ａとアノード電極２２側の第２中間層２３ｂとは、異なる材質に設定してもよい。例えば、第１中間層２３ａは、炭化水素系電解質膜で構成する一方、第２中間層２３ｂは、フッ素系電解質膜で構成してもよい。このため、電解質膜・電極構造体１０ａを自在に設計することができ、含水量及び活性物質や過酸化物質等に対する耐性を最適に設定することが可能になる。
【００５７】
図８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６０を組み込む固体高分子型燃料電池６２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及び燃料電池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３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。
【００５８】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６０は、電解質膜・電極構造体６０ａを備える。電解質膜・電極構造体６０ａを構成するカソード電極２０は、第１電極触媒層２０ａ、第１ガス拡散層２０ｂ及び固体高分子電解質膜１８の面１８ａに当接する中間層６４を備える。中間層６４は、イオン伝導性成分からなり、例えば、フッ素系電解質膜又は炭化水素系電解質膜で構成される。
【００５９】
電解質膜・電極構造体６０ａを構成するアノード電極２２は、第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂを有し、中間層が設けられていない。なお、アノード電極２２に、中間層を設ける一方、カソード電極２０の中間層６４を不要にすることもできる。
【００６０】
次いで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６０を製造する第２の実施形態に係る製造方法について、以下に説明する。
【００６１】
図９に示すように、固体高分子電解質膜１８と樹脂枠部材２４とが一体化される。一方、カソード電極２０では、第１の実施形態と同様に、中間層６４に第１電極触媒層２０ａが塗布又は転写により形成された後、前記第１電極触媒層２０ａに第１ガス拡散層２０ｂが接着剤又は熱圧着により接着される。また、アノード電極２２では、第２ガス拡散層２２ｂに第２電極触媒層２２ａが塗布又は転写されて、前記アノード電極２２が製造される。
【００６２】
アノード電極２２及びカソード電極２０は、それぞれトムソン刃等により打ち抜き加工されることにより、所望の寸法に形成することができる。
【００６３】
そして、カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに中間層６４を当接させて配置されるとともに、アノード電極２２は、第２電極触媒層２２ａを前記固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに当接して配置される。
【００６４】
中間層６４、固体高分子電解質膜１８及び第２電極触媒層２２ａは、イオン伝導性樹脂、接着剤又は熱圧着等により一体的に接着され、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６０が製造される。このように、第２の実施形態では、上記の第１及の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
図１０に示すように、本発明の第３の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７０は、固体高分子型燃料電池７２に組み込まれる。
【００６６】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７０は、電解質膜・電極構造体７０ａを備える。電解質膜・電極構造体７０ａは、固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極２０及びアノード電極２２を有するとともに、前記カソード電極２０は、前記アノード電極２２よりも小さな平面寸法に設定され、所謂、段差ＭＥＡを構成する。
【００６７】
カソード電極２０は、第１中間層７４ａ、第１電極触媒層２０ａ、第１ガス拡散層２０ｂを備え、これらが同一の平面寸法に設定される。アノード電極２２は、第２中間層７４ｂ、第２電極触媒層２２ａ、第２ガス拡散層２２ｂを備え、これらが同一の平面寸法に設定される。
【００６８】
第１中間層７４ａ及び第２中間層７４ｂは、例えば、フッ素系電解質膜で構成される。なお、第１中間層７４ａと第２中間層７４ｂとは、異なる材料で構成してもよく、例えば、前記第１中間層７４ａは、炭化水素系電解質膜で構成する一方、前記第２中間層７４ｂは、フッ素系電解質膜で構成してもよい。
【００６９】
固体高分子電解質膜１８の外周１８ｅが、樹脂枠部材７６に埋設される。樹脂枠部材７６は、段差部を介して第１内周７６ａと第２内周７６ｂとを有し、前記第１内周７６ａは、前記第２内周７６ｂよりも内方に突出する。
【００７０】
第１内周７６ａには、カソード電極２０の外周が、例えば、接着剤等により接合されるとともに、第２内周７６ｂには、アノード電極２２の外周が、例えば、接着剤等により接合される。
【００７１】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７０は、図１１に示すように、固体高分子電解質膜１８の外周１８ｅが樹脂枠部材７６に埋設されて一体化される。カソード電極２０及びアノード電極２２では、第１の実施形態と同様に、予め一体化されている。そして、カソード電極２０は、第１中間層７４ａを固体高分子電解質膜１８の面１８ａに当接させる一方、アノード電極２２は、第２中間層７４ｂを前記固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに当接させる。
【００７２】
これら３部品は、導電性樹脂、接着剤又は熱圧着等により接着され、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７０が製造される。
【００７３】
このように、第３の実施形態では、カソード電極２０がアノード電極２２よりも小さな平面寸法に設定される段差ＭＥＡにも、容易且つ確実に適用することができる他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、アノード電極２２は、カソード電極２０よりも小さな平面寸法に設定することができ、これにより、第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７４】
図１２に示すように、本発明の第４の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体８０は、固体高分子型燃料電池８２に組み込まれる。
【００７５】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体８０は、電解質膜・電極構造体８０ａを備える。電解質膜・電極構造体８０ａは、例えば、フッ素系固体高分子電解質膜８４と、前記固体高分子電解質膜８４を挟持するカソード電極２０及びアノード電極２２とを有する。カソード電極２０及びアノード電極２２は、同一の平面寸法に設定されるとともに、固体高分子電解質膜８４よりも小さな平面寸法を有する。
【００７６】
カソード電極２０は、第１中間層８６ａ、第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂを有する。アノード電極２２は、第２中間層８６ｂ、第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂを有する。第１中間層８６ａ及び第２中間層８６ｂは、例えば、炭化水素系電解質膜で構成される。
【００７７】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体８０は、図１３に示すように、先ず、固体高分子電解質膜８４の外周８４ｅを埋設して樹脂枠部材２４が一体化される。
【００７８】
次いで、カソード電極２０では、第１中間層８６ａに第１電極触媒層２０ａが塗布された後、第１ガス拡散層２０ｂと接着剤又は熱圧着により接着される。一方、アノード電極２２は、同様に、第２中間層８６ｂに第２電極触媒層２２ａが塗布された後、第２ガス拡散層２２ｂと接着される。
【００７９】
そして、固体高分子電解質膜８４の面８４ａに、第１中間層８６ａが配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜８４の面８４ｂに、第２中間層８６ｂが配置され、これらが一体化される。
【００８０】
このように、第４の実施形態では、固体高分子電解質膜８４は、イオン伝導性の高いフッ素系電解質膜で構成されるとともに、第１中間層８６ａ及び第２中間層８６ｂは、耐熱性及び機械的強度の高い炭化水素系電解質膜で構成されている。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体８０は、高い耐久性能を確保することができるという効果が得られる。
【００８１】
図１４に示すように、本発明の第５の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体９０は、固体高分子型燃料電池９２に組み込まれる。
【００８２】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体９０は、電解質膜・電極構造体９０ａを備える。電解質膜・電極構造体９０ａを構成するカソード電極２０は、フッ素系固体高分子電解質膜８４の面８４ａに接合される中間層９４を備え、前記中間層９４に第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂが積層される。中間層９４は、例えば、炭化水素系電解質膜により構成される。アノード電極２２は、中間層を用いることがなく、第２電極触媒層２２ａと第２ガス拡散層２２ｂとを備える。
【００８３】
このような構成において、図１５に示すように、固体高分子電解質膜８４と樹脂枠部材２４とが、一体化される。
【００８４】
カソード電極２０では、第４の実施形態と同様に、中間層９４、第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂが一体化されるとともに、アノード電極２２では、第２ガス拡散層２２ｂに第２電極触媒層２２ａが塗布されて一体化される。
【００８５】
固体高分子電解質膜８４の面８４ａ、８４ｂに、カソード電極２０、アノード電極２２が接触し、これらが接着剤、イオン伝導性樹脂又はホットプレス等により一体化される。これにより、第５の実施形態では、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８６】
図１６に示すように、本発明の第６の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１００は、固体高分子型燃料電池１０２に組み込まれる。
【００８７】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１００は、電解質膜・電極構造体１００ａを備える。電解質膜・電極構造体１００ａでは、カソード電極２０がアノード電極２２よりも小さな平面寸法に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成する。
【００８８】
カソード電極２０は、フッ素系固体高分子電解質膜８４の面８４ａに接合される第１中間層１０４ａを有する一方、アノード電極２２は、前記固体高分子電解質膜８４の面８４ｂに接合される第２中間層１０４ｂを有する。
【００８９】
第１中間層１０４ａ及び第２中間層１０４ｂは、例えば、炭化水素系電解質膜で構成される。固体高分子電解質膜８４の外周８４ｅは、樹脂枠部材１０６に埋設される。
【００９０】
樹脂枠部材１０６は、外周が段差形状を有し、カソード電極２０の外周に接合される第１内周１０６ａと、アノード電極２２の外周が接合される第２内周１０６ｂとを有する。
【００９１】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１００は、図１７に示すように、固体高分子電解質膜８４の外周８４ｅが樹脂枠部材１０６に埋設されて一体化される。カソード電極２０では、第１中間層１０４ａ、第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂが一体化されるとともに、アノード電極２２では、第２中間層１０４ｂ、第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂが一体化される。その後、面８４ａに第１中間層１０４ａが配置されるとともに、面８４ｂに第２中間層１０４ｂが配置され、これらが一体化される。
【００９２】
このように、第６の実施形態では、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第６の実施形態では、カソード電極２０は、アノード電極２２よりも小さな平面寸法に設定されているが、これとは逆に、前記カソード電極２０は、前記アノード電極２２よりも大きな平面寸法に設定されてもよい。
【００９３】
図１８に示すように、本発明の第７の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１１０は、固体高分子型燃料電池１１１に組み込まれる。なお、第６の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１００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。
【００９４】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１１０は、所謂、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１１０ａを備える。電解質膜・電極構造体１１０ａは、固体高分子電解質膜１１２を備え、前記固体高分子電解質膜１１２の面１１２ａには、該固体高分子電解質膜１１２の外形寸法よりも小さな外形寸法に設定されるカソード電極２０が設けられる。固体高分子電解質膜１１２の面１１２ｂには、前記固体高分子電解質膜１１２の外形寸法と同一の外形寸法に設定されるアノード電極２２が設けられる。
【００９５】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１１０は、樹脂枠部材１１４を備えるとともに、前記樹脂枠部材１１４は、厚さ方向（矢印Ａ方向）断面Ｌ字状を有する。樹脂枠部材１１４は、内方に突出する薄肉部１１６を設け、前記薄肉部１１６の内周面１１６ａには、固体高分子電解質膜１１２の面１１２ａの外周縁部が配置される。
【００９６】
固体高分子電解質膜１１２のみが、樹脂枠部材１１４に一体に接合された後、前記固体高分子電解質膜１１２の両側にカソード電極２０とアノード電極２２とが一体化される。樹脂枠部材１１４では、薄肉部１１６の先端である第１内周１１４ａにカソード電極２０の外周に接合されるとともに、前記第１内周１１４ａよりも外方に位置する第２内周１１４ｂにアノード電極２２の外周が接合される。
【００９７】
このように構成される第７の実施形態では、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。なお、カソード電極２０側に第１中間層１０４ａを設けることなく、アノード電極２２側にのみ第２中間層１０４ｂを設けてもよい。また、カソード電極２０側にのみ第１中間層１０４ａを設ける一方、アノード電極２２側に第２中間層１０４ｂを設けなくてもよい。さらに、樹脂枠部材１１４に対してカソード電極２０とアノード電極２２とは逆に設置してもよい。上記の第１〜第６の実施形態でも、同様である。
【符号の説明】
【００９８】
１０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１０ａ、６０ａ、７０ａ、８０ａ、９０ａ、１００ａ…電解質膜・電極構造体
１２、６２、７２、８２、９２、１０２、１１１…燃料電池
１４、１６…セパレータ                  １８、８４、１１２…固体高分子電解質膜
１８ａ、１８ｂ、８４ａ、８４ｂ…面      １８ｅ、８４ｅ…外周
２０…カソード電極                      ２０ａ、２２ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層              ２２…アノード電極
２３ａ、２３ｂ、６４、７４ａ、７４ｂ、８６ａ、８６ｂ、９４、１０４ａ、１０４ｂ…中間層
２４、７６、１０６、１１４…樹脂枠部材
２４ａ、７６ａ、７６ｂ、１０６ａ、１０６ｂ、１１４ａ、１１４ｂ…内周
２６…接着層                            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                  １１６…薄肉部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014212074.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2014212074.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2014212074.tif 000014
【図１３】
2014212074.tif 000015
【図１４】
2014212074.tif 000016
【図１５】
2014212074.tif 000017
【図１６】
2014212074.tif 000018
【図１７】
2014212074.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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