(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設されるとともに、前記第１ガス拡散層の平面寸法は、前記第２ガス拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定され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、
前記第１ガス拡散層の外周部に第１樹脂製枠部材を形成して第１枠付き拡散層を得る一方、前記第２ガス拡散層の外周部に第２樹脂製枠部材を形成して第２枠付き拡散層を得る工程と、
前記第１樹脂製枠部材又は前記第２樹脂製枠部材に設けられる凹部に、前記固体高分子電解質膜の一方の面に前記第１触媒層を、他方の面に前記第２触媒層を設けたＭＥＡ構造体を収容した状態で、前記第１枠付き拡散層と前記第２枠付き拡散層とで前記固体高分子電解質膜を挟持する工程と、
前記固体高分子電解質膜の外周外方に位置する前記第１樹脂製枠部材と前記第２樹脂製枠部材とを接合することにより、前記第１枠付き拡散層と前記第２枠付き拡散層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、前記固体高分子電解質膜の外周縁部と前記第２枠付き拡散層とは、接着剤により固着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、含浸部により前記第１ガス拡散層と前記第１樹脂製枠部材とを一体化するとともに、含浸部により前記第２ガス拡散層と前記第２樹脂製枠部材とを一体化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。
【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、平面寸法の異なるアノード電極とカソード電極とが設けられ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）及びガス拡散層（多孔質カーボン）を有するアノード電極とカソード電極と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、一方の電極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、他方の電極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。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、樹脂製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に開示されている膜電極組立体では、図７に示すように、高分子電解質膜１を備え、前記電解質膜１の一方の面側には、第１の電極層２が設けられるとともに、前記第１の電極層２の該電解質膜１とは反対側には、第１のガス拡散層３が設けられている。
【０００５】
電解質膜１の他方の面側には、第２の電極層４が設けられ、前記第２の電極層４の前記電解質膜１とは反対側には、第２のガス拡散層５が設けられることにより、膜電極接合体（ＭＥＡ）６が構成されている。
【０００６】
膜電極接合体６には、電解質膜１の外周縁の全部並びに第１のガス拡散層３及び第２のガス拡散層５の外周縁の少なくとも一部であって前記電解質膜１の側を包囲するように、樹脂枠７が設けられている。
【０００７】
第１のガス拡散層３及び第１の電極層２は、前記第１のガス拡散層３の外周縁全体が電解質膜１の外周縁の範囲内に収まるとともに、前記第１の電極層２の外周縁全周に亘って該第１の電極層２の外周縁と該電解質膜１の外周縁との間に該電解質膜１の表面領域が残るように、該電解質膜１の表面上に配置されている。第２のガス拡散層５は、電解質膜１の外周縁全周に亘って該表面領域とは反対側の少なくとも一部にまで延在しており、さらに樹脂枠７は、該表面領域の少なくとも一部に固着されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−４１３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献１では、膜電極接合体６が射出成形用金型（図示せず）内に配置された状態で、溶融樹脂を射出することにより、樹脂枠７が成形されている。従って、膜電極接合体６には、熱及び荷重が付与されるため、特に電解質膜１に損傷が惹起されるおそれがある。
【００１０】
さらに、第１のガス拡散層３への樹脂含浸が不十分であると、前記第１のガス拡散層３の外周からカーボン繊維が露出し易い。このため、カーボン繊維が電解質膜１に刺さってしまい、前記電解質膜１の劣化が発生する場合がある。
【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が過度の熱に曝されることがなく、前記固体高分子電解質膜の劣化を有効に抑制するとともに、樹脂製枠部材と電解質膜・電極構造体とを良好に一体化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】
【００１２】
本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設されるとともに、前記第１ガス拡散層の平面寸法は、前記第２ガス拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定され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に関するものである。
【００１３】
この製造方法は、第１ガス拡散層の外周部に第１樹脂製枠部材を形成して第１枠付き拡散層を得る一方、前記第２ガス拡散層の外周部に第２樹脂製枠部材を形成して第２枠付き拡散層を得る工程と、前記第１樹脂製枠部材又は前記第２樹脂製枠部材に設けられる凹部に、前記固体高分子電解質膜の一方の面に第１触媒層を、他方の面に第２触媒層を設けたＭＥＡ構造体を収容した状態で、前記第１枠付き拡散層と前記第２枠付き拡散層とで前記固体高分子電解質膜を挟持する工程と、前記固体高分子電解質膜の外周外方に位置する前記第１樹脂製枠部材と前記第２樹脂製枠部材とを接合することにより、前記第１枠付き拡散層と前記第２枠付き拡散層とを一体化させる工程とを有している。
【００１４】
また、この製造方法では、固体高分子電解質膜の外周縁部と前記第２枠付き拡散層とは、接着剤により固着されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、先ず、第１ガス拡散層の外周部に第１樹脂製枠部材を形成（例えば、溶着、接着、一体成形等による一体化）して第１枠付き拡散層を得る一方、第２ガス拡散層の外周部に第２樹脂製枠部材を形成して第２枠付き拡散層を得ている。次いで、第１枠付き拡散層と第２枠付き拡散層との間に、固体高分子電解質膜が位置決め挟持された状態で、第１樹脂製枠部材と第２樹脂製枠部材とが接合（例えば、溶着や接着等）されることにより、前記第１枠付き拡散層と前記第２枠付き拡散層とが一体化されている。
【００１６】
このため、電解質膜・電極構造体の外周部に樹脂枠を一体化させる際、前記電解質膜・電極構造体を構成する固体高分子電解質膜に過剰な熱が付与されることがない。従って、固体高分子電解質膜が、熱により劣化することを有効に抑制することができる。
【００１７】
しかも、予め第１枠付き拡散層及び第２枠付き拡散層が形成されるため、第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層の外周部を樹脂により確実に覆うことが可能になる。これにより、カーボン繊維が固体高分子電解質膜に突き刺さることを可及的に阻止することができ、前記固体高分子電解質膜の劣化が良好に抑制される。
【００１８】
さらに、第１樹脂製枠部材又は第２樹脂製枠部材には、固体高分子電解質膜を収容するための凹部が設けられている。このため、固体高分子電解質膜の位置調整が容易且つ正確に遂行され、作業性の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る製造方法により製造され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・電極構造体の要部分解斜視図である。
【図４】前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。
【図５】前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の他の構成説明図である。
【図６】前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の別の構成説明図である。
【図７】特許文献１に開示されている膜電極組立体の説明図である。
【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、本発明の実施形態に係る製造方法により製造される燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、長方形状の固体高分子型燃料電池１２に組み込まれる。複数の燃料電池１２は、矢印Ａ方向に積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。
【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、縦長（又は横長）の長方形状を有し、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及び図３に示すように、長方形状の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。カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８及びアノード電極２０よりも小さな表面積を有する。
【００２３】
アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される第１電極触媒層（第１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とを設ける。第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、同一の外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜１８と同一（又は同一未満）の外形寸法に設定される。
【００２４】
カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層（第２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とを設ける。第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂは、同一の外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜１８の外形寸法よりも小さな外形寸法に設定される。第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂは、第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂよりも小さな外形寸法に設定される。
【００２５】
第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層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の両方の面１８ａ、１８ｂに印刷、塗布又は転写することによって構成される。
【００２６】
第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂ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）粒子を含む下地層をカーボンペーパに塗布して形成されるとともに、前記第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法は、前記第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法よりも小さく設定される。
【００２７】
図１〜図３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に接合される樹脂枠体２４を備える。樹脂枠体２４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）、シリコーンゴム、フッ素ゴム又はＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等で構成される。
【００２８】
樹脂枠体２４は、図２及び図３に示すように、第１ガス拡散層２０ｂの外周部に形成（例えば、溶着、接着、一体成形等による一体化）される第１樹脂製枠部材２４ａと、第２ガス拡散層２２ｂの外周部に形成（例えば、溶着、接着、一体成形等による一体化）される第２樹脂製枠部材２４ｂとを有する。第１樹脂製枠部材２４ａと第２樹脂製枠部材２４ｂとは、後述するように、接合（例えば、溶着や接着等）により一体化されて樹脂枠体２４を構成する。
【００２９】
第１樹脂製枠部材２４ａには、固体高分子電解質膜１８を収容する凹部２６が設けられる。凹部２６の深さは、固体高分子電解質膜１８、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａの厚さを合計した寸法に設定される。固体高分子電解質膜１８、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、予め一体化されてＭＥＡ構造体２８を構成する。
【００３０】
ＭＥＡ構造体２８には、面１８ｂ側に第２樹脂製枠部材２４ｂと固体高分子電解質膜１８とを接着するための接着剤層３０が設けられる。接着剤層３０は、例えば、エポキシ系、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。第１樹脂製枠部材２４ａとアノード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂとは、樹脂含浸部３２ａにより一体化される一方、第２樹脂製枠部材２４ｂとカソード電極２２の第２ガス拡散層２２ｂとは、樹脂含浸部３２ｂにより一体化される。
【００３１】
図２及び図３に示すように、接着剤層３０は、第２樹脂製枠部材２４ｂに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３２ａは、アノード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂの全周に亘って額縁状に形成されるとともに、樹脂含浸部３２ｂは、カソード電極２２を構成する第２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、樹脂枠体２４の第１樹脂製枠部材２４ａ側の面には、上端縁部に後述する燃料ガス流路の入口側に対応する入口バッファ部３４ａが設けられる。第１樹脂製枠部材２４ａ側の面には、下端縁部に燃料ガス流路の出口側に対応する出口バッファ部３４ｂが設けられる。入口バッファ部３４ａ及び出口バッファ部３４ｂは、複数の突起部により構成される。
【００３３】
図３に示すように、樹脂枠体２４の第２樹脂製枠部材２４ｂ側の面には、上端縁部に後述する酸化剤ガス流路の入口側に対応する入口バッファ部３４ｃが設けられる。第２樹脂製枠部材２４ｂ側の面には、下端縁部に酸化剤ガス流路の出口側に対応する出口バッファ部３４ｄが設けられる。入口バッファ部３４ｃ及び出口バッファ部３４ｄは、複数の突起部により構成される。
【００３４】
図１に示すように、燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図１中、重力方向）の上端縁部には、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３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔４０ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。
【００３５】
燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔４０ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３８ｂ、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３６ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００３６】
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３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通する酸化剤ガス流路４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２の入口側（上端側）には、第２樹脂製枠部材２４ｂの上端縁部に設けられた入口バッファ部３４ｃが当接する入口バッファ領域４４ａが実質的に平坦状に設けられる。入口バッファ領域４４ａの上部側一端には、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから複数本の入口連結路４６ａが連結される。
【００３７】
酸化剤ガス流路４２の出口側（下端側）には、第２樹脂製枠部材２４ｂの下端縁部に設けられた出口バッファ部３４ｄが当接する出口バッファ領域４４ｂが設けられる。出口バッファ領域４４ｂの下部一端側には、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂから複数本の出口連結路４６ｂが連結される。
【００３８】
図４に示すように、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、燃料ガス流路４８が矢印Ｃ方向に延在して設けられる。燃料ガス流路４８の入口側（上端側）には、第１樹脂製枠部材２４ａの上端縁部に設けられた入口バッファ部３４ａに当接する入口バッファ領域５０ａが設けられる。入口バッファ領域５０ａの燃料ガス入口連通孔４０ａ側の端部には、複数本の入口連結路５２ａが連結されるとともに、前記入口連結路５２ａは、複数の供給孔部５４ａに連通する。
【００３９】
燃料ガス流路４８の出口側（下端側）には、第１樹脂製枠部材２４ａの下端縁部に設けられた出口バッファ部３４ｂが当接する出口バッファ領域５０ｂが設けられる。出口バッファ領域５０ｂの燃料ガス出口連通孔４０ｂ側の端部には、複数本の出口連結路５２ｂを介して排出孔部５４ｂが連通する。
【００４０】
図１に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂ側には、供給孔部５４ａと燃料ガス入口連通孔４０ａとを連通する複数本の入口連結路５６ａ、及び排出孔部５４ｂと燃料ガス出口連通孔４０ｂとを連通する複数本の出口連結路５６ｂが設けられる。面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３８ａと冷却媒体出口連通孔３８ｂとを連通する冷却媒体流路５８が矢印Ｃ方向に設けられる。
【００４１】
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６０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６２が一体化される。
【００４２】
図２に示すように、第１シール部材６０は、第２シール部材６２に当接する凸状シール６０ａを有する一方、前記第２シール部材６２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を構成する樹脂枠体２４に当接する凸状シール６２ａを有する。
【００４３】
第１シール部材６０及び第２シール部材６２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。
【００４４】
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。
【００４５】
先ず、図３に示すように、樹脂枠体２４を構成する第１樹脂製枠部材２４ａ及び第２樹脂製枠部材２４ｂが、射出成形により成形される。第１樹脂製枠部材２４ａは、第２樹脂製枠部材２４ｂよりも肉厚形状を有するとともに、前記第１樹脂製枠部材２４ａの凹部２６を形成する内周部には、内方に膨出する薄肉状の樹脂含浸部３２ａが設けられる。第２樹脂製枠部材２４ｂは、内周部に樹脂含浸部３２ｂが設けられる。
【００４６】
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、カーボンペーパの触媒層側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。なお、下地層は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
【００４７】
次いで、第１ガス拡散層２０ｂは、第１樹脂製枠部材２４ａの凹部２６に配置される。その際、第１ガス拡散層２０ｂの外周部は、第１樹脂製枠部材２４ａの樹脂含浸部３２ａに重なり合っている。そして、樹脂含浸部３２ａが溶融されることにより、第１ガス拡散層２０ｂの外周部に含浸され、前記第１ガス拡散層２０ｂと第１樹脂製枠部材２４ａとが溶着して一体化され、第１枠付き拡散層７０ａが得られる。なお、樹脂含浸部３２ａの加熱方式としては、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。
【００４８】
一方、第２ガス拡散層２２ｂは、第２樹脂製枠部材２４ｂの開口部に配置されるとともに、前記第２ガス拡散層２２ｂの外周部は、前記第２樹脂製枠部材２４ｂの樹脂含浸部３２ｂに重なり合っている。さらに、樹脂含浸部３２ｂが加熱溶融されることにより、第２ガス拡散層２２ｂの外周部に含浸され、前記第２ガス拡散層２２ｂと第２樹脂製枠部材２４ｂとが溶着して一体化され、第２枠付き拡散層７０ｂが得られる。第２枠付き拡散層７０ｂには、接着剤層３０が第２ガス拡散層２２ｂの外周縁部の全周に亘って額縁状に形成される。
【００４９】
また、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ及び面１８ｂ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。具体的には、電極インクを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、前記電極シート間に固体高分子電解質膜１８を挟持し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、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ及び面１８ｂ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、ＭＥＡ構造体２８が得られる。
【００５０】
次に、第１枠付き拡散層７０ａの凹部２６にＭＥＡ構造体２８が収容され、前記第１枠付き拡散層７０ａ及び第２枠付き拡散層７０ｂにより前記ＭＥＡ構造体２８が挟持された状態で、ホットプレス処理が施される。このため、ＭＥＡ構造体２８の第１電極触媒層２０ａには、第１ガス拡散層２０ｂが一体化されるとともに、前記ＭＥＡ構造体２８の第２電極触媒層２２ａには、第２ガス拡散層２２ｂが一体化される。
【００５１】
さらに、固体高分子電解質膜１８の外周外方に位置し、第１枠付き拡散層７０ａと第２枠付き拡散層７０ｂとが溶着されて一体化され、樹脂枠体２４が得られる。その際、第２枠付き拡散層７０ｂには、接着剤層３０が設けられており、第２樹脂製枠部材２４ｂと固体高分子電解質膜１８の外周縁部とが接着される。そして、所定の時間だけ冷却されることにより、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。
【００５２】
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により挟持されて燃料電池１２が構成される。燃料電池１２が、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。
【００５３】
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。
【００５４】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ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４０ａ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３８ａ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。
【００５５】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路４２に導入され、矢印Ｃ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４０ａから供給孔部５４ａを通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路４８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４８に沿って矢印Ｃ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。
【００５６】
従って、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。
【００５７】
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３６ｂ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５４ｂを通り燃料ガス出口連通孔４０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５８】
また、冷却媒体入口連通孔３８ａ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５８に導入された後、矢印Ｃ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３８ｂから排出される。
【００５９】
この場合、本実施形態では、図２及び図３に示すように、先ず、第１ガス拡散層２０ｂの外周部に樹脂含浸部３２ａを介して第１樹脂製枠部材２４ａが溶着されて第１枠付き拡散層７０ａが得られる一方、第２ガス拡散層２２ｂの外周部に樹脂含浸部３２ｂを介して第２樹脂製枠部材２４ｂが溶着されて第２枠付き拡散層７０ｂが得られている。
【００６０】
次いで、第１枠付き拡散層７０ａと第２枠付き拡散層７０ｂとの間に、ＭＥＡ構造体２８が配置された状態で、第１樹脂製枠部材２４ａと第２樹脂製枠部材２４ｂとが溶着されることにより、前記第１枠付き拡散層７０ａと前記第２枠付き拡散層７０ｂとが一体化され、樹脂枠体２４が形成されている。その際、電解質膜・電極構造体１０ａの外周の膜露出部には、接着剤が塗布される。
【００６１】
このため、電解質膜・電極構造体１０ａの外周部に樹脂枠体２４を一体化させる際、前記電解質膜・電極構造体１０ａを構成する固体高分子電解質膜１８に過剰な熱が付与されることがない。従って、固体高分子電解質膜１８が、熱により劣化することを有効に抑制することができるという効果が得られる。
【００６２】
しかも、予め第１枠付き拡散層７０ａ及び第２枠付き拡散層７０ｂが形成されるため、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂの外周部を樹脂により確実に覆うことが可能になる。これにより、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂに含まれるカーボン繊維が固体高分子電解質膜１８に突き刺さることを可及的に阻止することができ、前記固体高分子電解質膜１８の劣化が良好に抑制される。
【００６３】
さらに、第１枠付き拡散層７０ａには、固体高分子電解質膜１８を含むＭＥＡ構造体２８を収容するための凹部２６が設けられている。このため、固体高分子電解質膜１８の位置調整が容易且つ正確に遂行され、作業性の向上が図られるという利点がある。なお、凹部２６は、第２枠付き拡散層７０ｂ側に設けてもよい。
【００６４】
また、例えば、図５に示す燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体８０は、樹脂枠体８２を備えるとともに、前記樹脂枠体８２は、第１樹脂製枠部材８２ａと、第２樹脂製枠部材８２ｂとを有する。第１樹脂製枠部材８２ａは、第１ガス拡散層２０ｂの外周部に形成される一方、第２樹脂製枠部材８２ｂは、第２ガス拡散層２２ｂの外周部に形成される。第２樹脂製枠部材８２ｂには、固体高分子電解質膜１８を収容する凹部２６が設けられる。
【００６５】
さらに、図６に示す燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体９０は、樹脂枠体９２を備えるとともに、前記樹脂枠体９２は、第１樹脂製枠部材９２ａと、第２樹脂製枠部材９２ｂとを有する。第１樹脂製枠部材９２ａは、第１ガス拡散層２０ｂの外周部に形成される一方、第２樹脂製枠部材９２ｂは、第２ガス拡散層２２ｂの外周部に形成される。第１樹脂製枠部材９２ａ及び第２樹脂製枠部材９２ｂに跨って、固体高分子電解質膜１８を収容する凹部２６が設けられる。
【符号の説明】
【００６６】
１０、８０、９０…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、８２、９２…樹脂枠体
２４ａ、２４ｂ、８２ａ、８２ｂ、９２ａ、９２ｂ…樹脂製枠部材
２６…凹部                              ２８…ＭＥＡ構造体
３０…接着剤層                          ３２ａ、３２ｂ…樹脂含浸部
３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔            ３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３８ａ…冷却媒体入口連通孔              ３８ｂ…冷却媒体出口連通孔
４０ａ…燃料ガス入口連通孔              ４０ｂ…燃料ガス出口連通孔
４２…酸化剤ガス流路                    ４８…燃料ガス流路
５８…冷却媒体流路                      ６０、６２…シール部材
【図１】
0005855442.tif 000002
【図２】
0005855442.tif 000003
【図３】
0005855442.tif 000004
【図４】
0005855442.tif 000005
【図５】
0005855442.tif 000006
【図６】
0005855442.tif 000007
【図７】
0005855442.tif 000008