(57)【要約】【課題】耐久性の高い樹脂枠付き膜電極構造体を提供すること。【解決手段】固体高分子電解質膜１２０の一方の面にアノード触媒層１２４ｂ及びアノード拡散層１２４ａが積層され、他方の面にカソード触媒層１２２ｂ及びカソード拡散層１２２ａが積層され、かつ、アノード拡散層１２４ａがカソード拡散層１２２ａより平面寸法が小さいことで外周端部１２５ａに段差１２５ｂが形成された膜電極構造体１２５と、膜電極構造体１２５の外方に設けられた樹脂枠１２６と、を備える樹脂枠付き膜電極構造体１２において、樹脂枠１２６とアノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃとの間に充填材１２８が充填され、充填材１２８の２３℃でのヤング率は、１．０〜３０ＭＰａである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に第１触媒層及び第１拡散層が積層されてなる第１電極と、前記電解質膜の他方の面に第２触媒層及び第２拡散層が積層されてなる第２電極と、を有し、かつ、前記第１拡散層の平面寸法が前記第２拡散層の平面寸法よりも小さいことで外周端部に段差が形成された膜電極構造体と、
前記膜電極構造体の外方に設けられた樹脂枠と、を備える樹脂枠付き膜電極構造体において、
前記樹脂枠と前記第１拡散層の外周端面との間には、充填材が充填され、
前記充填材の２３℃でのヤング率は、１．０〜３０ＭＰａであることを特徴とする樹脂枠付き膜電極構造体。
【請求項２】
前記充填材は、接着性を有する材料であることを特徴とする請求項１に記載の樹脂枠付き膜電極構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂枠付き膜電極構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の新たな動力源等として、反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、電気化学反応により直接的に電気を得るため、発電効率が高い点で好ましいとされている。また燃料電池は、発電時に無害な水しか生成しないため、環境への影響の点からも好ましいとされている。
【０００３】
例えば固体高分子型燃料電池は、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造を有する。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陰極）及びカソード電極（陽極）と、これらの電極に挟持された電解質膜とで構成され、両電極は、電解質膜に接する触媒層と、触媒層に接する拡散層と、を備える。また、セパレータには、その一方の面に燃料ガス流路が形成され、他方の面に酸化剤ガス流路が形成される。
【０００４】
上記のような構成を備える固体高分子型燃料電池では、燃料ガス流路を介して、アノード電極に燃料ガスとしての水素を供給する。また、酸化剤ガス流路を介して、カソード電極に酸化剤ガスとしての空気を供給する。すると、アノード電極に供給された水素が触媒層上でプロトン化され、生成したプロトンが電解質膜を介してカソード電極へと移動する。このとき、プロトンとともに生成した電子が外部回路に取り出され、電気エネルギーとして利用される。
【０００５】
ところで、両電極の拡散層の平面寸法が互いに異なることで、外周端部に段差が形成された膜電極構造体が知られている。この膜電極構造体では、外周端部において電解質膜が露出するため、機械的保護及び化学的保護の観点から、樹脂成形部材や樹脂フィルム等からなる樹脂枠によって、露出した電解質膜の外周端部を保護する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
ところが上記構造において、電解質膜と拡散層の間に樹脂枠の内側の端部を配置すると、膜電極構造体に通常付与される面圧によって樹脂枠の内側の端部に荷重が集中するため、電解質膜が押圧されて厚みが減少し、発電性能が低下する。そこで、樹脂枠の内側の端部を拡散層よりも外側に配置する必要があるが、この場合には樹脂枠の内側端部と拡散層の外側端部との間に隙間が生じ、外周端部を十分に保護できない。そのため、樹脂枠の内側端部と拡散層の外側端部との間に生じる隙間に、接着剤等の充填材を配置する構造が採用されている。
【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、外周端部に段差が形成された膜電極構造体において、外周端部を樹脂枠によって保護した場合、樹脂枠と膜電極構造体の電解質膜とで温度や湿度に対する伸縮率が異なることから、膜電極構造体の外周端部と樹脂枠との接合面において温度変化等によってせん断力が発生する。膜電極構造体の外周端部と樹脂枠との接合面においてせん断力が発生すると、膜電極構造体の外周端部と樹脂枠が剥がれてしまう場合がある。特に、車載用の燃料電池の膜電極構造体は、温度変化等の環境変化に晒され続けることから、膜電極構造体の外周端部と樹脂枠が、これらの間で発生するせん断力によって剥がれることでクロスリークが増大し、耐久性が低下してしまうことが問題であった。
【０００９】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐久性の高い樹脂枠付き膜電極構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため本発明は、電解質膜（例えば、後述の固体高分子電解質膜１２０）と、当該電解質膜の一方の面に第１触媒層（例えば、後述のアノード触媒層１２４ｂ）及び第１拡散層（例えば、後述のアノード拡散層１２４ａ）が積層されてなる第１電極（例えば、後述のアノード電極１２４）と、前記電解質膜の他方の面に第２触媒層（例えば、後述のカソード触媒層１２２ｂ）及び第２拡散層（例えば、後述のカソード拡散層１２２ａ）が積層されてなる第２電極（例えば、後述のカソード電極１２２）と、を有し、かつ、前記第１拡散層の平面寸法が前記第２拡散層の平面寸法よりも小さいことで外周端部（例えば、後述の外周端部１２５ａ）に段差（例えば、後述の段差１２５ｂ）が形成された膜電極構造体（例えば、後述の膜電極構造体１２５）と、前記膜電極構造体の外方に設けられた樹脂枠（例えば、後述の樹脂枠１２６）と、を備える樹脂枠付き膜電極構造体（例えば、後述の樹脂枠付き膜電極構造体１２）において、前記樹脂枠と前記第１拡散層の外周端面（例えば、後述の外周端面１２４ｃ）との間には、充填材（例えば、後述の充填材１２８）が充填され、前記充填材の２３℃でのヤング率は、１．０〜３０ＭＰａであることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、外周端部に段差が形成された樹脂枠付き膜電極構造体において、樹脂枠と第１拡散層の外周端面との間に、充填材を充填する。同時に、充填材の２３℃でのヤング率を、１．０〜３０ＭＰａとする。
これにより、樹脂枠及び固体高分子電解質膜が、熱によって伸縮することで両者の接合面において生じる力を充填材によって吸収することができる。従って、燃料電池スタックを繰り返し使用した場合においても、樹脂枠が膜電極構造体から剥がれ難く、樹脂枠付き膜電極構造体の耐久性が高くなる。
【００１２】
また、前記充填材は、接着性を有する材料であることが好ましい。
【００１３】
これにより、充填材がアノード拡散層の外周と樹脂枠の内側とを接着させるので、樹脂枠がアノード触媒層から、より剥がれ難くなる。従って、樹脂枠付き膜電極構造体の耐久性が、より高くなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、耐久性の高い樹脂枠付き膜電極構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る樹脂枠付き膜電極構造体を備える発電セルの分解斜視図である。
【図２】上記実施形態に係る樹脂枠付き膜電極構造体の外周端部の断面図である。
【図３】上記実施形態の変形例に係る樹脂枠付き膜電極構造体の外周端部の断面図である。
【図４】充填材のヤング率と樹脂枠が剥離に至るまでの温度変化の回数との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る樹脂枠付き膜電極構造体１２を備える発電セル１０の分解斜視図である。この発電セル１０は、例えば電極面を水平にして鉛直方向に複数積層されることで、燃料電池スタックを構成する。積層された発電セル１０には、所定の締め付け荷重が付与されるため、発電セル１０の電極面には所定の面圧が付与される。
【００１７】
図１に示すように、発電セル１０は、樹脂枠付き膜電極構造体１２と、樹脂枠付き膜電極構造体１２を挟持する一対の第２セパレータ１４及び第１セパレータ１６と、を備える。
【００１８】
発電セル１０の長手方向（図１中のＹ方向）の一端側には、発電セル１０の厚み方向（図１中のＸ方向）にそれぞれ連通する、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、冷却媒体入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２６ｂが設けられている。また、発電セル１０のＹ方向の他端側には、発電セル１０のＸ方向にそれぞれ連通する、燃料ガス入口連通孔２６ａ、冷却媒体出口連通孔２４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられている。
【００１９】
第２セパレータ１４及び第１セパレータ１６は、カーボンセパレータで構成される。これらのセパレータは、カーボンからなる薄板を切削加工することで製造される。しかし、第２セパレータ１４及び第１セパレータ１６は、カーボンセパレータに限定されず、例えば、金属セパレータによって構成してもよい。
【００２０】
図１に示すように、第２セパレータ１４の樹脂枠付き膜電極構造体１２に対向する面１４０ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する酸化剤ガス流路１４２が形成される。酸化剤ガス流路１４２は、複数の酸化剤ガス流路溝を有する。これら酸化剤ガス流路溝は、Ｙ方向に蛇行しながらＺ方向に延在しており、これにより、Ｙ方向に１往復半だけ屈曲するＳ字状のサーペンタイン流路が構成されている。ただし、酸化剤ガス流路１４２はこれに限定されず、例えば２往復半、折り返すサーペンタイン流路であってもよいし、Ｙ方向に沿って延設された直線流路であってもよい。
【００２１】
第１セパレータ１６の樹脂枠付き膜電極構造体１２に対向する面１６０ａには、燃料ガス入口連通孔２６ａと燃料ガス出口連通孔２６ｂとを連通する燃料ガス流路１６２が形成される。燃料ガス流路１６２は、複数の燃料ガス流路溝を有する。これら燃料ガス流路溝は、Ｙ方向に蛇行しながらＺ方向に延在しており、これにより、Ｙ方向に１往復半だけ屈曲するＳ字状のサーペンタイン流路が構成されている。ただし、燃料ガス流路１６２は、酸化剤ガス流路１４２と同様にこれに限定されず、例えば２往復半、折り返すサーペンタイン流路であってもよいし、Ｙ方向に沿って延設された直線流路であってもよい。
【００２２】
上述したように発電セル１０を積層すると、第１セパレータ１６と第２セパレータ１４が重なり合って接し一体となることにより、第２セパレータ１４の面１４０ａとは反対側の面１４０ｂと、第１セパレータ１６の面１６０ａとは反対側の面１６０ｂとで囲繞された冷却媒体流路２４０が形成される。冷却媒体流路２４０は、Ｙ方向に沿って複数延設されている。
【００２３】
また、図１に示すように、第２セパレータ１４の面１４０ａ、１４０ｂには、第２セパレータ１４の外周縁部を周回するシール部材が一体に成形されている。同様に、第１セパレータ１６の面１６０ａ，１６０ｂには、第１セパレータ１６の外周縁部を周回するシール部材が一体に成形されている。シール部材としては、例えば、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）、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、クロロプレーンゴム、又は、アクリルゴム等のシール材、クッション材、パッキン材等の弾性を有するシール材が用いられる。
【００２４】
樹脂枠付き膜電極構造体１２は、膜電極構造体１２５と、この膜電極構造体１２５の外方、より具体的にはその外周を周回して額縁状に設けられた樹脂枠１２６と、を備える。膜電極構造体１２５は、例えば、パーフルオロスルホン酸から構成される固体高分子電解質膜１２０と、この固体高分子電解質膜１２０を挟持するカソード電極１２２及びアノード電極１２４と、を含んで構成される。
【００２５】
カソード電極１２２及びアノード電極１２４は、それぞれ、カーボン繊維を含むカーボンペーパからなる拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を拡散層上に塗布することで形成された触媒層と、を備える。これら両電極は、触媒層が固体高分子電解質膜１２０に接するように、ガス拡散層を外側に向けて、固体高分子電解質膜１２０に積層される。
【００２６】
図２は、本実施形態に係る樹脂枠付き膜電極構造体１２の外周端部の断面図である。具体的には、図２では、図１のＡ−Ａ線断面図を示しているが、樹脂枠付き膜電極構造体１２の外周端部であれば基本的に同様の構成となっている。
図２に示すように、カソード電極１２２はカソード拡散層１２２ａとカソード触媒層１２２ｂを含んで構成され、アノード電極１２４はアノード拡散層１２４ａとアノード触媒層１２４ｂを含んで構成される。これら両電極はそれぞれ、拡散層と電極層との間に、例えばカーボン及びフッ素樹脂を有する下地層を含んでいてもよい。
【００２７】
また、図２に示すように、アノード拡散層１２４ａは、カソード拡散層１２２ａよりも平面寸法が小さい。これにより、膜電極構造体１２５の外周端部１２５ａのアノード電極１２４側には、段差１２５ｂが形成される。ただしこれに限定されず、アノード拡散層の平面寸法がカソード拡散層の平面寸法より大きくてもよい。この場合には、外周端部の段差はカソード電極１２２側に形成される。
【００２８】
なお、固体高分子電解質膜１２０、カソード触媒層１２２ｂ及びアノード触媒層１２４ｂは、カソード拡散層１２２ａと同一の平面寸法に設定されている。そのため、後述する樹脂枠１２６及び充填材１２８を設ける前の状態において、膜電極構造体１２５の外周端部１２５ａのアノード電極１２４側では、アノード触媒層１２４ｂが全周に亘って外部に露出している。
【００２９】
樹脂枠１２６は、図２に示すように断面視Ｌ字状に形成される。樹脂枠１２６は、樹脂枠凸部１２６ａと、樹脂枠本体部１２６ｂと、を備える。樹脂枠凸部１２６ａは、樹脂枠１２６の全周に亘って、段差１２５ｂが形成されたアノード電極１２４側のアノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃに向かって突出して設けられる。樹脂枠本体部１２６ｂは、樹脂枠１２６の基部を構成する四角環状であり、カソード拡散層１２２ａ、カソード触媒層１２２ｂ、固体高分子電解質膜１２０及びアノード拡散層１２４ａの各外周端面に内壁面が当接するように設けられる。なお、樹脂枠凸部１２６ａ及び樹脂枠本体部１２６ｂは一体に形成されている。
【００３０】
樹脂枠１２６を構成する樹脂の種類は、特に限定されない。例えば、樹脂枠１２６は、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）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＳＰＳ（シンジオタクティックポリスチレン）、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。
【００３１】
樹脂枠凸部１２６ａの下面１２６ｄとアノード触媒層１２４ｂとの間には、接着剤層１２９が設けられている。この接着剤層１２９は、膜電極構造体１２５の外周端部１２５ａの全周に亘って額縁状に設けられている。すなわち、樹脂枠凸部１２６ａとアノード触媒層１２４ｂは、接着剤層１２９により互いに接着されて固定されている。
【００３２】
接着剤層１２９の形成には、例えば、アクリル系、オレフィン系、シリコーン系、フッ素系、エポキシ系、ウレタン系等の各種接着剤を単独使用又は複数種使用することができる。また、例えば、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、アクリルゴム、ＥＰＤＭゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、エラストマー等の各種粘着剤を単独使用又は複数種使用することができる他、樹脂を溶剤に溶解させてワニス状にしたものを使用することもできる。
【００３３】
また、樹脂枠凸部１２６ａの内側端面１２６ｃと、アノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃとの間には、充填材１２８が充填されている。本実施形態では、充填材１２８は接着剤層１２９とは異なる部材によって構成されている。ただし、これに限定されず、充填材１２８は接着剤層１２９と連続して一体的に形成してもよい。
【００３４】
充填材１２８は、所定の弾性率を有する。具体的には、充填材１２８の２３℃でのヤング率は、１．０〜３０ＭＰａである。樹脂枠１２６の樹脂枠凸部１２６ａ及び固体高分子電解質膜１２０は、熱によって積層方向と直交する方向（図２の方向Ｂ）に伸縮するので、樹脂枠凸部１２６ａの下面１２６ｄとアノード触媒層１２４ｂとの間にせん断力が生じる。充填材１２８の２３℃でのヤング率が１．０ＭＰａ未満であると、充填材１２８が柔らかすぎるので、樹脂枠凸部１２６ａの下面１２６ｄとアノード触媒層１２４ｂとの間に生じるせん断力を充填材１２８で低減することができず、樹脂枠凸部１２６ａの下面１２６ｄとアノード触媒層１２４ｂとが剥がれてしまう。充填材１２８の２３℃でのヤング率が３０ＭＰａよりも大きいと、充填材１２８が固すぎるので、樹脂枠凸部１２６ａの下面１２６ｄとアノード触媒層１２４ｂとの間に生じるせん断力を充填材１２８で低減することができず、やはり樹脂枠１２６がアノード触媒層１２４ｂから剥がれてしまう。
【００３５】
すなわち、充填材１２８の２３℃でのヤング率が１．０〜３０ＭＰａであることによって、樹脂枠１２６の樹脂枠凸部１２６ａ及び固体高分子電解質膜１２０が、熱によって伸縮することで接合面に生じるせん断力を充填材１２８によって低減することができる。
【００３６】
充填材１２８としては、２３℃でのヤング率が１．０〜３０ＭＰａである材料であれば特に限定されないが、例えば２３℃でのヤング率が１．０〜３０ＭＰａであるポリウレタン系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤、ポリウレタン接着剤、フッ素エラストマー、ビニルシリコーン等が挙げられる。
【００３７】
また、充填材１２８は、接着性を有する材料であることが好ましい。充填材１２８が接着性を有することで、充填材１２８がアノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃと樹脂枠凸部１２６ａの内側端面１２６ｃとを接着させるので、樹脂枠１２６がアノード触媒層１２４ｂから、より剥がれ難くなる。
【００３８】
なお、アノード拡散層１２４ａ（カソード拡散層１２２ａ）や樹脂枠１２６のヤング率は、充填材１２８のヤング率よりも高い。具体的には、アノード拡散層１２４ａ（カソード拡散層１２２ａ）の２３℃でのヤング率は、８ＧＰａ以上であり、樹脂枠１２６の２３℃でのヤング率は、１．４ＧＰａである。つまり、充填材１２８は、アノード拡散層１２４ａ（カソード拡散層１２２ａ）や樹脂枠１２６よりも柔らかい。
【００３９】
以上の構成を備える本実施形態の樹脂枠付き膜電極構造体１２は、例えば、次のようにして製造される。
先ず、外周端部１２５ａに段差１２５ｂが形成された膜電極構造体１２５を作製する。具体的には、アノード触媒又はカソード触媒と、溶媒との混合物に、バインダー溶液を投入し、所定のインク粘度になるまで混合することで、アノード電極インク及びカソード電極インクを調製する。
次いで、調製した各電極インクを、ＰＥＴフィルムからなるＰＥＴシート上にスクリーン印刷により塗工することで、アノード電極シート及びカソード電極シートを作製する。
次いで、両電極シートで固体高分子電解質膜１２０を挟持してホットプレスする。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１２０の一方の面にアノード触媒層１２４ｂが形成され、他方の面にカソード触媒層１２２ｂが形成される。
【００４０】
次いで、カーボンブラック及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を均一に分散させたスラリーを調製する。調製したスラリーを、カーボンペーパに塗布して乾燥することにより、カーボンペーパと下地層とからなるアノード拡散層１２４ａ及びカソード拡散層１２２ａを作製する。このとき、アノード拡散層１２４ａの平面寸法を、カソード拡散層１２２ａの平面寸法よりも、縦横いずれも小さいものとする。また、カソード拡散層１２２ａの平面寸法を、固体高分子電解質膜１２０と同一とする。
【００４１】
次いで、アノード触媒層１２４ｂが形成された固体高分子電解質膜１２０の一方側に、アノード拡散層１２４ａを配置するとともに、カソード触媒層１２２ｂが形成された固体高分子電解質膜１２０の他方側に、カソード拡散層１２２ａを配置し、この状態で、ホットプレスする。これにより、外周端部１２５ａに段差１２５ｂが形成された膜電極構造体１２５が作製される。
【００４２】
一方、樹脂枠１２６を、金型を用いた射出成形により、予め成形する。具体的には、四角環状の樹脂枠本体部１２６ｂと、樹脂枠本体部１２６ｂの上部から内側に突出する樹脂枠凸部１２６ａと、を有する樹脂枠１２６を、金型を用いた射出成形により予め成形する。
【００４３】
次いで、樹脂枠１２６の上下を反転させた状態で、樹脂枠凸部１２６ａの下面１２６ｄに、接着剤層１２９の原料として、例えば株式会社スリーボンド製接着剤ＴＢ１２２０Ｇを、所定の幅及び厚さとなるように、市販のディスペンサー（例えば、ムサシエンジニアリング株式会社製ディスペンサーＭＬ−６０６ＧＸ）を用いて塗工する。
【００４４】
次いで、膜電極構造体１２５を、カソード拡散層１２２ａ、カソード触媒層１２２ｂ、固体高分子電解質膜１２０及びアノード触媒層１２４ｂの外周端面が樹脂枠本体部１２６ｂの内側壁面に当接するようにし、樹脂枠凸部１２６ａの下面上に、段差１２５ｂが形成された膜電極構造体１２５の外周端部１２５ａを対向配置する。このとき、アノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃと樹脂枠凸部１２６ａの内側端面１２６ｃとの間に充填材１２８を充填させる隙間を設けるようにする。そして、ＰＴＦＥシートを介した平板をのせて５ｋｇの錘をのせ、１２０℃で１２０分間かけて接着硬化させる。これにより、樹脂枠付き膜電極構造体１２が作製される。
【００４５】
作製した樹脂枠付き膜電極構造体１２の、アノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃと樹脂枠凸部１２６ａの内側端面１２６ｃとの間に、市販のディスペンサー（例えば、ムサシエンジニアリング株式会社製ディスペンサーＭＬ−６０６ＧＸ）を用いて後述する充填材１２８を充填する。例えば信越化学工業製の充填材ＳＩＦＥＬ２６６１を、所定の厚みとなるように塗布して充填させる。充填後、例えば１２０℃で８時間乾燥する。
【００４６】
次いで、得られた樹脂枠付き膜電極構造体１２を、カーボンセパレータからなる第１セパレータ１６及び第２セパレータ１４で挟持し、発電セル１０とする。これらカーボンセパレータには、表面を切削加工することでサーペンタイン流路を形成し、サーペンタイン流路の溝部及び山部の幅は、例えばいずれも１ｍｍとする。流路の高さについては、例えば０．５ｍｍや０．３ｍｍとする。そして、これらを、樹脂枠付き膜電極構造体１２の両面に配置し、挟持する。
以上により、本実施形態の樹脂枠付き膜電極構造体１２を備える発電セル１０が作製され、これをスタックすることで燃料電池スタックが作製される。
【００４７】
以上の構成を備える本実施形態に係る樹脂枠付き膜電極構造体１２を備える燃料電池スタックは、以下のように動作する。
図１に戻って、先ず、図示しない酸化剤ガス供給装置により、酸化剤ガスを燃料電池スタック１に供給する。すると、供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから流入して、固体高分子電解質膜１２０と第２セパレータ１４との間に形成される酸化剤ガス流路１４２を流通する。これにより、カソード電極１２２に酸化剤ガスが供給される。
【００４８】
またこのとき、図示しない燃料ガス供給装置により、燃料ガスを燃料電池スタック１に供給する。すると、供給された燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２６ａから流入して、固体高分子電解質膜１２０と第１セパレータ１６との間に形成される燃料ガス流路１６２を流通する。これにより、アノード電極１２４に燃料ガスが供給される。
【００４９】
またこのとき、図示しない冷却媒体供給装置により、冷却媒体を燃料電池スタック１に供給する。すると、供給された冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２４ａから流入して、第２セパレータ１４と第１セパレータ１６との間に形成される冷却媒体流路２４０を流通する。
【００５０】
膜電極構造体１２５では、カソード電極１２２に供給された酸化剤ガスと、アノード電極１２４に供給された燃料ガスとの電気化学反応が進行することで、発電が行われる。発電による発熱で加熱された膜電極構造体１２５は、冷却媒体流路２４０を流通する冷却媒体により冷却される。
【００５１】
また発電の際には、電気化学反応に伴って、カソード側で水が生成し、アノード側へは固体高分子電解質膜１２０を介して移動する。この反応生成水は、各ガス流路を流通して排出される。
【００５２】
その後、カソード電極１２２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２２ｂから排出され、アノード電極１２４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２６ｂから排出される。また、膜電極構造体１２５の冷却に利用された冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔２４ｂから排出される。
【００５３】
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、外周端部１２５ａに段差が形成された樹脂枠付き膜電極構造体１２において、樹脂枠１２６とアノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃとの間に、充填材１２８を充填した。同時に、充填材１２８の２３℃でのヤング率を、１．０〜３０ＭＰａとした。
これにより、樹脂枠１２６の樹脂枠凸部１２６ａ及び固体高分子電解質膜１２０が、熱によって伸縮することで両者の接合面において生じる力を充填材１２８によって吸収することができる。従って、燃料電池スタックを繰り返し使用した場合においても、樹脂枠１２６が膜電極構造体１２５から剥がれ難く、樹脂枠付き膜電極構造体１２の耐久性が高くなる。
【００５４】
本実施形態では、充填材１２８を、接着性を有する材料とした。
これにより、充填材１２８がアノード拡散層１２４ａの外周端面１２４ｃと樹脂枠凸部１２６ａの内側端面１２６ｃとを接着させるので、樹脂枠１２６がアノード触媒層１２４ｂから、より剥がれ難くなる。従って、樹脂枠付き膜電極構造体１２の耐久性が、より高くなる。
【００５５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
上記実施形態では、固体高分子電解質膜１２０とアノード触媒層１２４ｂとを同一の平面寸法に設定し、樹脂枠凸部１２６ａとアノード触媒層１２４ｂを、接着剤層１２９により互いに接着することで固定した。しかし、アノード触媒層１２４ｂの平面寸法を固体高分子電解質膜１２０の平面寸法よりも小さくした場合であっても、本発明を適用できる。
図３は、上記実施形態の変形例に係る樹脂枠付き膜電極構造体１２Ａの外周端部１２５ａの断面図である。樹脂枠付き膜電極構造体１２Ａでは、アノード拡散層１２４ａとアノード触媒層１２４ｂとを同一の平面寸法に設定した。そのため、樹脂枠１２６及び充填材１２８を設ける前の状態において、膜電極構造体１２５の外周端部１２５ａのアノード電極１２４側では、固体高分子電解質膜１２０は両拡散層により挟持されずに露出した状態となっている。より詳しくは、固体高分子電解質膜１２０は、全周に亘って外部に露出している。このように、アノード触媒層１２４ｂの平面寸法を、アノード拡散層１２４ａの平面寸法と同等か、それ以下に設定しても、樹脂枠１２６の樹脂枠凸部１２６ａ及び固体高分子電解質膜１２０が、熱によって積層方向と直交する方向（図３の方向Ｂ）伸縮することで接合面に生じるせん断力を充填材１２８によって低減することができる。
【００５６】
また、本実施形態においては、樹脂枠本体部１２６ｂの厚さをアノード拡散層１２４ａ，カソード拡散層１２２ａと同程度とし、樹脂枠凸部１２６ａと、樹脂枠本体部１２６ｂとを合わせた厚さ（樹脂枠１２６の厚さ）を膜電極構造体１２５の厚さと同程度としたが、これに限定されず、例えば樹脂枠１２６として樹脂フィルムを用いてもよい。
【実施例】
【００５７】
次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５８】
＜実施例及び比較例に係る燃料電池スタックの作製＞
表１に示した充填材を用いて、上記実施形態において説明したとおりに燃料電池スタックを作製した。
【００５９】
＜剥離耐性評価＞
実施例及び比較例に係る燃料電池スタックのアノードガス流路及びカソードガス流路の両方に、７０℃の窒素ガス及び−２０℃の窒素ガスを交互に流し込んだ。７０℃の窒素ガスを５分間流し、その後−２０℃の窒素ガスを１０分間流すというサイクルを１０，０００回繰り返した。このサイクルを、３，０００回繰り返すまでは２００回毎に、３，００１回目から５，０００回目まで繰り返す間は５００回毎に、５，００１回目から１０，０００回目まで繰り返す間は１，０００回毎に、クロスリーク量を測定することで、樹脂枠の剥がれの有無を確認した。樹脂枠の剥がれが発生した繰り返し回数を表１に示す。また、図４は表１に示した結果を示したグラフであり、充填材のヤング率と樹脂枠が剥離に至るまでの温度変化の回数との関係を示す図である。
【００６０】
【表１】
2015125925.tif 000003
【００６１】
実施例及び比較例から、２３℃でのヤング率が１．０〜３０ＭＰａである充填材を用いた燃料電池スタックは、樹脂枠が剥離に至るまでの温度変化の回数が１００００回以上であることが分かった。この結果から、２３℃でのヤング率が１．０〜３０ＭＰａである充填材を用いた樹脂枠付き膜電極構造体は、耐久性が非常に高いことが確認された。
【符号の説明】
【００６２】
１２…樹脂枠付き膜電極構造体
１４…第２セパレータ
１６…第１セパレータ
１２０…固体高分子電解質膜（電解質膜）
１２２…カソード電極（第２電極）
１２２ａ…カソード拡散層（第２拡散層）
１２２ｂ…カソード触媒層（第２触媒層）
１２４…アノード電極（第１電極）
１２４ａ…アノード拡散層（第１拡散層）
１２４ｂ…アノード触媒層（第１触媒層）
１２４ｃ…外周端面
１２５…膜電極構造体
１２５ａ…外周端部
１２６…樹脂枠
１２８…充填材
【図１】
2015125925.tif 000004
【図２】
2015125925.tif 000005
【図３】
2015125925.tif 000006
【図４】
2015125925.tif 000007