(57)【要約】  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、所望のガスシール性を確実に維持することを可能にする。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側電極（２０）及びカソード側電極（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。カソード側電極（２２）の外周端部（２２ｂｅ）と樹脂製枠部材（２４）の第１内周端部（２４ａ）との間、前記カソード側電極（２２）の外周端部（２２ｂｅ）から外部に露呈する固体高分子電解質膜（１８）の外周端部（１８ｂｅ）、及びアノード側電極（２０）の外周端部（２０ｂｅ）と前記樹脂製枠部材（２４）の第２内周端部（２４ｂ）との間には、中間層（２６）が連続して配置される。
2013042542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ電極触媒層（２２ａ、２０ａ）とガス拡散層（２２ｂ、２０ｂ）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）の両側に設けられるとともに、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）の外周を周回して設けられる樹脂製枠部材（２４、９３）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、
前記第１電極（２２）の外周端部（２２ｂｅ）と前記樹脂製枠部材（２４、９３）の内周端部（２４ａ、９３ａ）との間、前記第１電極（２２）の前記外周端部（２２ｂｅ）から外部に露呈する前記固体高分子電解質膜（１８）の外周縁部（１８ｂｅ）、及び前記第２電極（２０）の外周端部（２０ｂｅ）と前記樹脂製枠部材（２４、９３）の内周端部（２４ｂ、９３ｂ）との間に連続して配置される中間層（２６、９４）を備え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、前記中間層（２６、９４）は、前記樹脂製枠部材（２４、９３）とは異なる樹脂材料で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３】
請求項１又は２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、少なくとも一方の前記ガス拡散層（２２ｂ）の外周端縁部には、前記中間層（２６）と同一の成分が含浸される含浸層（２８ａ）が設けら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】
請求項３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、前記含浸層（２８ａ）は、前記ガス拡散層（２２ｂ）に８５％以上の空孔充填率で含浸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５】
請求項１又は２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（９４）の一方の端部と前記第１電極（２２）の前記外周端部（２２ｂｅ）及び前記樹脂製枠部材（９３）の前記内周端部（９３ａ）との間には、第１隙間（９６ａ）が形成されるとともに、
前記中間層（９４）の他方の端部と前記第２電極（２０）の前記外周端部（２０ｂｅ）及び前記樹脂製枠部材（９３）の前記内周端部（９３ｂ）との間には、第２隙間（９６ｂ）が形成され、
前記第１隙間（９６ａ）には、前記樹脂製枠部材（９３）に一体又は別体に設けられた第１突起部（９８ａ）が溶融されて第１樹脂含浸部（１００ａ）が形成される一方、
前記第２隙間（９６ｂ）には、前記樹脂製枠部材（９３）に一体又は別体に設けられた第２突起部（９８ｂ）が溶融されて第２樹脂含浸部（１００ｂ）が形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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。【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、特開２００７−６６７６６号公報に開示されている電解質膜−電極接合体では、図１８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とは、接着層５を介して接合されている。
【発明の概要】
【０００７】
しかしながら、上記の特開２００７−６６７６６号公報では、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という問題がある。
【０００８】
しかも、ガス拡散層３ａ、３ｂの外周端部とガスケット構造体４の内周端部とを、互いに気密に密着させることは、製造上、相当に困難である。従って、ガス拡散層３ａ、３ｂの外周端部とガスケット構造体４の内周端部との間には、隙間が発生し易く、ガスシール性が低下して燃料ガスと酸化剤ガスとが混合するという問題がある。
【０００９】
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、所望のガスシール性を確実に維持することが可能な燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を提供することを目的とする。
【００１０】
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・電極構造体に関するものである。
【００１１】
この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、第１電極の外周端部と樹脂製枠部材の内周端部との間、前記第１電極の前記外周端部から外部に露呈する固体高分子電解質膜の外周縁部、及び第２電極の外周端部と前記樹脂製枠部材の内周端部との間に連続して配置される中間層を備えている。
【００１２】
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、中間層は、樹脂製枠部材とは異なる樹脂材料で構成されることが好ましい。
【００１３】
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、少なくとも一方のガス拡散層の外周端縁部には、中間層と同一の成分が含浸される含浸層が設けられることが好ましい。
【００１４】
さらにまた、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、含浸層は、ガス拡散層に８５％以上の空孔充填率で含浸されることが好ましい。
【００１５】
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、中間層の一方の端部と第１電極の外周端部及び樹脂製枠部材の内周端部との間には、第１隙間が形成されるとともに、前記中間層の他方の端部と第２電極の外周端部及び前記樹脂製枠部材の内周端部との間には、第２隙間が形成され、前記第１隙間には、前記樹脂製枠部材に一体又は別体に設けられた第１突起部が溶融されて第１樹脂含浸部が形成される一方、前記第２隙間には、前記樹脂製枠部材に一体又は別体に設けられた第２突起部が溶融されて第２樹脂含浸部が形成されることが好ましい。
【００１６】
本発明によれば、第１電極の外周端部から外部に露呈する固体高分子電解質膜の外周縁部の他、前記第１電極の外周端部及び第２電極の外周端部と樹脂製枠部材の内周端部との間に連続して、中間層が設けられている。
【００１７】
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。しかも、第１電極の外周端部と樹脂製枠部材の内周端部との間、及び第２電極の外周端部と前記樹脂製枠部材の内周端部との間には、隙間が形成されることがない。従って、所望のガスシール性を確実に維持することが可能になり、簡単且つ経済的な構成で、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を可及的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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側電極側の正面説明図である。
【図４】前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体のアノード側電極側の正面説明図である。
【図５】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６】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７】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８】空孔充填率とガス流量との関係説明図である。
【図９】前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する別の方法の説明図である。
【図１０】前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する別の方法の説明図である。
【図１１】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分解斜視説明図である。
【図１２】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断面説明図である。
【図１３】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断面説明図である。
【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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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が組み込まれる固体高分子型燃料電池１２は、前記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。
【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側電極（第２電極）２０及びカソード側電極（第１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。
【００２１】
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よりも小さな表面積を有する。また、カソード側電極２２は、アノード側電極２０よりも大きな表面積を有していてもよい。固体高分子電解質膜１８の外周縁部は、小さい方の電極、例えば、カソード側電極２２の外周よりも突出していればよく、大きい方の電極、例えば、アノード側電極２０の端部と同一位置に配置されていなくてもよい。
【００２２】
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の外周端部１８ｂｅを額縁状に露呈させる。
【００２３】
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２０ｂ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２２ｂとを設ける。
【００２４】
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の平面寸法は、前記ガス拡散層２２ｂの平面寸法よりも大きく設定される。
【００２５】
図２〜図４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、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）等で構成される他、弾性を有する高分子材料を用いてもよい。
【００２６】
樹脂製枠部材２４は、内部に段付き開口部を設けており、内方に配置される第１内周端部２４ａと、前記第１内周端部２４ａよりも外方に配置される第２内周端部２４ｂとを有する。樹脂製枠部材２４と電解質膜・電極構造体１０ａとの間には、中間層２６が設けられる。
【００２７】
中間層２６は、カソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅと樹脂製枠部材２４の第１内周端部２４ａとの間に配置される第１板状部２６ａ、前記外周端部２２ｂｅから外部に露呈する固体高分子電解質膜１８の外周端部１８ｂｅに配置される第２板状部２６ｂ、及びアノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅと前記樹脂製枠部材２４の第２内周端部２４ｂとの間に配置される第３板状部２６ｃを、連続して一体に有する。
【００２８】
中間層２６は、断面略Ｚ形状を有しており、樹脂製枠部材２４とは異なる樹脂材料で構成される。具体的には、中間層２６は、シリコン系ゴム（エラストマー）、フッ素ゴム（エラストマー）、エポキシ系樹脂（エラストマー）、ウレタン系樹脂（エラストマー）、変性ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂（エラストマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）樹脂（エラストマー）、又はオレフィン系樹脂（エラストマー）、あるいは、ホットメルト等が使用される。
【００２９】
カソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｂの外周縁部には、外周端位置から内方に所定の範囲を有して中間層２６と同一の成分が含浸される第１含浸層２８ａが設けられる。アノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｂの外周縁部には、外周端位置から内方に所定の範囲を有して中間層２６と同一の成分が含浸される第２含浸層２８ｂが設けられる。第１含浸層２８ａ及び第２含浸層２８ｂは、ガス拡散層２２ｂ及びガス拡散層２０ｂに、それぞれ８５％以上の空孔充填率で含浸される。
【００３０】
図３に示すように、第１含浸層２８ａは、カソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｂの全周にわたって形成される。図４に示すように、第２含浸層２８ｂは、アノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｂの全周にわたって形成される。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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の樹脂製枠部材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。
【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】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
先ず、図５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。
【００４１】
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と電解質膜・電極構造体１０ａとが位置合わせされる。樹脂製枠部材２４は、第１内周端部２４ａと第２内周端部２４ｂとを有している。電解質膜・電極構造体１０ａでは、固体高分子電解質膜１８の外周端部１８ｂｅが額縁状に露呈しており、前記外周端部１８ｂｅに対応して中間層２６を構成する第２板状部２６ｂが配置される。
【００４２】
そして、図６に示すように、樹脂製枠部材２４と電解質膜・電極構造体１０ａとは、第１内周端部２４ａにカソード側電極２２が配置される一方、第２内周端部２４ｂに固体高分子電解質膜１８及びアノード側電極２０が配置され、第２板状部２６ｂを介して一体化される。ここで、第１内周端部２４ａとカソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅとの間、及び第２内周端部２４ｂとアノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅとの間には、それぞれ間隙Ｓ１及びＳ２が設けられる。
【００４３】
次に、図７に示すように、各間隙Ｓ１、Ｓ２には、第２板状部２６ｂと同じ中間層２６の材料が射出される。このため、間隙Ｓ１、Ｓ２に充填された材料が硬化することにより、第１板状部２６ａ及び第３板状部２６ｃが形成され、これらが第２板状部２６ｂと一体化されて中間層２６が形成される。なお、第１板状部２６ａ、第２板状部２６ｂ及び第３板状部２６ｃは、密着性が良ければ、それぞれの材料組成が異なっていてもよい。
【００４４】
さらに、射出された材料は、ガス拡散層２２ｂ、２０ｂに含浸される。従って、ガス拡散層２２ｂの外周縁部には、外周端位置から内方に所定の範囲を有して第１含浸層２８ａが設けられる。一方、ガス拡散層２０ｂの外周縁部には、外周端位置から内方に所定の範囲を有して第２含浸層２８ｂが設けられる。
【００４５】
その際、第１含浸層２８ａ及び第２含浸層２８ｂは、ガス拡散層２２ｂ及びガス拡散層２０ｂに、それぞれ８５％以上の空孔充填率で含浸される。空孔充填率とガス拡散層流量とは、例えば、パームポロメータによる評価結果として図８に示す関係を有している。これにより、空孔充填率が８５％以上であれば、ガスを確実に封止することができる。
【００４６】
この場合、第１の実施形態では、樹脂製枠部材２４と電解質膜・電極構造体１０ａとの間には、中間層２６が設けられている。中間層２６は、カソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅと樹脂製枠部材２４の第１内周端部２４ａとの間に隙間なく配置される第１板状部２６ａ、前記外周端部２２ｂｅから外部に露呈する固体高分子電解質膜１８の外周端部１８ｂｅに配置される第２板状部２６ｂ、及びアノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅと前記樹脂製枠部材２４の第２内周端部２４ｂとの間に隙間なく配置される第３板状部２６ｃを、連続して一体に有している。
【００４７】
その上、ガス拡散層２２ｂ及びガス拡散層２０ｂには、第１含浸層２８ａ及び第２含浸層２８ｂが設けられている。なお、第１含浸層２８ａのみ、又は、第２含浸層２８ｂのみを設けてもよい。
【００４８】
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。
【００４９】
しかも、第１内周端部２４ａとカソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅとの間、及び第２内周端部２４ｂとアノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅとの間には、隙間が形成されることがない。従って、所望のガスシール性を確実に維持することが可能になり、簡単且つ経済的な構成で、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を可及的に抑制することができるという効果が得られる。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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１０ａのアノード側電極２０に供給される。
【００５３】
従って、各電解質膜・電極構造体１０ａ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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
次いで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を製造する別の方法について、以下に説明する。
【００５７】
先ず、図９に示すように、上記と同様に電解質膜・電極構造体１０ａが作成された後、前記電解質膜・電極構造体１０ａの外周に、中間層２６と同一の材料の液状シールＬＳが一体化される。液状シールＬＳは、カソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅ、固体高分子電解質膜１８の外周端部１８ｂｅ及びアノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅを覆って設けられるとともに、第１含浸層２８ａ及び第２含浸層２８ｂを一体に形成している。
【００５８】
そこで、液状シールＬＳが半硬化した後、図１０に示すように、電解質膜・電極構造体１０ａに樹脂製枠部材２４が一体化される。このため、電解質膜・電極構造体１０ａと樹脂製枠部材２４との間に形成される間隙Ｓ１、Ｓ２には、半硬化した液状シールＬＳが流動して硬化する。従って、樹脂製枠部材２４の外方に延在するばり（図示せず）が除去されることにより、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が得られる。
【００５９】
図１１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が組み込まれる固体高分子型燃料電池６２の要部分解斜視説明図である。
【００６０】
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が組み込まれる燃料電池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。
【００６１】
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１０ａを備えるとともに、固体高分子電解質膜１８の外周を周回し、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６４を設ける。樹脂製枠部材６４は、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６と同一の外形寸法に設定されており、外周縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、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が形成される。
【００６２】
このように構成される第２の実施形態では、樹脂製枠部材６４と電解質膜・電極構造体１０ａとの間には、中間層２６が設けられるとともに、ガス拡散層２２ｂ及びガス拡散層２０ｂには、第１含浸層２８ａ及び第２含浸層２８ｂが設けられている。
【００６３】
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６４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。しかも、簡単且つ経済的な構成で、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を可及的に抑制することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６４】
図１２は、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が組み込まれる固体高分子型燃料電池７２の断面説明図である。
【００６５】
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１０ａを備えるとともに、固体高分子電解質膜１８の外周を周回し、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７４を設ける。樹脂製枠部材７４は、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６と同一の外形寸法に設定される。樹脂製枠部材７４と第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６との間には、それぞれシール部材７６ａ、７６ｂが介装される。
【００６６】
図１３は、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が組み込まれる固体高分子型燃料電池８２の断面説明図である。
【００６７】
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１０ａを備えるとともに、固体高分子電解質膜１８の外周を周回し、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８４を設ける。樹脂製枠部材８４は、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６よりも大きな外形寸法に設定される。樹脂製枠部材８４と第１セパレータ１４との間には、シール部材８６ａが介装されるとともに、前記樹脂製枠部材８４間には、前記第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６の外方に位置してシール部材８６ｂが介装される。
【００６８】
このように構成される第３及び第４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。
【００６９】
図１４は、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が組み込まれる固体高分子型燃料電池９２の断面説明図である。
【００７０】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体９０を構成する樹脂製枠部材９３と電解質膜・電極構造体１０ａとの間には、中間層９４が設けられる。中間層９４は、中間層２６と同様の材料で構成されるとともに、断面略Ｚ形状を有している。中間層９４の一方の端部と、カソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅ及び樹脂製枠部材９３の第１内周端部９３ａとの間には、第１隙間９６ａが形成される。中間層９４の他方の端部と、アノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅ及び樹脂製枠部材９３の第２内周端部９３ｂとの間には、第２隙間９６ｂが形成される。
【００７１】
第１隙間９６ａには、後述するように、樹脂製枠部材９３に一体又は別体に設けられた第１突起部９８ａが溶融されて第１樹脂含浸部１００ａが形成される。第２隙間９６ｂには、後述するように、樹脂製枠部材９３に一体又は別体に設けられた第２突起部９８ｂが溶融されて第２樹脂含浸部１００ｂが形成される。
【００７２】
第１樹脂含浸部１００ａは、中間層９４の一方の端部に一部が重なり且つガス拡散層２２ｂの内部に含浸されて設けられるとともに、第２樹脂含浸部１００ｂは、前記中間層９４の他方の端部に一部が重なり且つガス拡散層２０ｂの内部に含浸されて設けられる。ガス拡散層２２ｂ、２０ｂには、それぞれ中間層９４の一部が含浸された接着層１０２ａ、１０２ｂが設けられる。
【００７３】
次いで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体９０を製造する方法について、以下に説明する。
【００７４】
先ず、図１５に示すように、樹脂製枠部材９３は、射出成形機（図示せず）により成形されており、前記樹脂製枠部材９３の一方の外表面（第１内周端部９３ａ側の外表面）には、第１内周端部９３ａを周回する枠形状の第１突起部９８ａが一体成形される。樹脂製枠部材９３の他方の外表面（第２内周端部９３ｂ側の外表面）には、第２内周端部９３ｂを周回する枠形状の第２突起部９８ｂが一体成形される。なお、第１突起部９８ａ及び第２突起部９８ｂは、樹脂製枠部材９３とは別体の枠部材で形成しておき、前記樹脂製枠部材９３に重ねて配置してもよい。
【００７５】
樹脂製枠部材９３と電解質膜・電極構造体１０ａとが位置合わせされるとともに、固体高分子電解質膜１８の外周端部１８ｂｅに対応して中間層９４を構成する板状部材９４ａが配置される。
【００７６】
そして、図１６に示すように、樹脂製枠部材９３と電解質膜・電極構造体１０ａとは、第１内周端部９３ａにカソード側電極２２が配置される一方、第２内周端部９３ｂに固体高分子電解質膜１８及びアノード側電極２０が配置され、板状部材９４ａを介して一体化される。
【００７７】
ここで、板状部材９４ａは、樹脂製枠部材９３と電解質膜・電極構造体１０ａとに挟持される。このため、板状部材９４ａは、第１内周端部９３ａとカソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅとの間、及び第２内周端部９３ｂとアノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅとの間に進入し、断面略Ｚ形状に成形された中間層９４が得られる。
【００７８】
その際、中間層９４の一方の端部と、カソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅ及び樹脂製枠部材９３の第１内周端部９３ａとの間には、第１隙間９６ａが形成される。また、中間層９４の他方の端部と、アノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅ及び樹脂製枠部材９３の第２内周端部９３ｂとの間には、第２隙間９６ｂが形成される。
【００７９】
次に、図１７に示すように、樹脂製枠部材９３の第１突起部９８ａ及び第２突起部９８ｂ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。
【００８０】
従って、第１突起部９８ａは、加熱溶融され、第１隙間９６ａを覆ってカソード側電極２２を構成するガス拡散層２２ｂに含浸される。一方、第２突起部９８ｂは、加熱溶融され、第２隙間９６ｂを覆ってアノード側電極２０を構成するガス拡散層２０ｂに含浸する。これにより、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体９０が製造される。
【００８１】
このように製造される第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。
【図１】
2013042542.tif 000003
【図２】
2013042542.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2013042542.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年11月14日(2014.11.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ電極触媒層（２２ａ、２０ａ）とガス拡散層（２２ｂ、２０ｂ）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）の両側に設けられるとともに、前記第１電極（２２）は、前記第２電極（２０）及び前記固体高分子電解質膜（１８）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（１０ａ）と、
前記固体高分子電解質膜（１８）の外周を周回して設けられる樹脂製枠部材（２４、９３）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、
前記第１電極（２２）の外周端部（２２ｂｅ）と前記樹脂製枠部材（２４、９３）の内周端部（２４ａ、９３ａ）との間、前記第１電極（２２）の前記外周端部（２２ｂｅ）から外部に露呈する前記固体高分子電解質膜（１８）の外周縁部（１８ｂｅ）、及び前記第２電極（２０）の外周端部（２０ｂｅ）と前記樹脂製枠部材（２４、９３）の内周端部（２４ｂ、９３ｂ）との間に連続して配置される中間層（２６、９４）を備え、
前記電解質膜・電極構造体（１０ａ）は、該電解質膜・電極構造体（１０ａ）に当接する当接面にガス流路（３６、３８）が設けられた第１セパレータ（１４）及び第２セパレータ（１６）により挟持され、
前記固体高分子電解質膜（１８）の、前記第１電極（２２）から露呈した外周縁部が、その裏面に設けられる前記第２電極（２０）の前記電極触媒層（２０ａ）を介して、該第２電極（２０）の前記ガス拡散層（２０ｂ）に支持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、前記中間層（２６、９４）は、前記樹脂製枠部材（２４、９３）とは異なる樹脂材料で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３】
請求項１又は２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、少なくとも一方の前記ガス拡散層（２２ｂ）の外周端縁部には、前記中間層（２６）と同一の成分が含浸される含浸層（２８ａ）が設けら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】
請求項３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、前記含浸層（２８ａ）は、前記ガス拡散層（２２ｂ）に８５％以上の空孔充填率で含浸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５】
請求項１又は２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（９４）の一方の端部と前記第１電極（２２）の前記外周端部（２２ｂｅ）及び前記樹脂製枠部材（９３）の前記内周端部（９３ａ）との間には、第１隙間（９６ａ）が形成されるとともに、
前記中間層（９４）の他方の端部と前記第２電極（２０）の前記外周端部（２０ｂｅ）及び前記樹脂製枠部材（９３）の前記内周端部（９３ｂ）との間には、第２隙間（９６ｂ）が形成され、
前記第１隙間（９６ａ）には、前記樹脂製枠部材（９３）に一体又は別体に設けられた第１突起部（９８ａ）が溶融されて第１樹脂含浸部（１００ａ）が形成され、及び／又は、
前記第２隙間（９６ｂ）には、前記樹脂製枠部材（９３）に一体又は別体に設けられた第２突起部（９８ｂ）が溶融されて第２樹脂含浸部（１００ｂ）が形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。
【国際調査報告】
2013042542.tif 000021
2013042542.tif 000022
2013042542.tif 000023
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