(57)【要約】【課題】簡単な構成で、特に接着剤層に気泡が発生することを可及的に抑制することができ、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを強固且つ高品質に接合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、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とを一体化する。段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４との間には、接着剤２８ａを充填させる接着剤層２８が設けられる。樹脂枠部材２４は、接着剤２８ａが接触する平坦面部２６ｂをシボ形状面３０として構成する。【選択図】図２
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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一方の面には、第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極が設けられるとともに、前記第１電極の平面寸法は、前記第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差ＭＥＡ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、
前記段差ＭＥＡの前記他方の面側の外周縁部と前記樹脂枠部材との間には、接着剤を充填させる接着剤層が設けられるとともに、
前記樹脂枠部材は、前記接着剤が接触する面をシボ形状面として構成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。
【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、前記シボ形状面は、凹凸の最大高さＲｚが、５≦Ｒｚであるとともに、
少なくとも粗さ曲線のスキューネスＲｓｋが、０≦Ｒｓｋの関係、又は粗さ曲線のクルトシスＲｋｕが、３≦Ｒｋｕの関係のいずれかを満たす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を第１電極及び第２電極で挟んだ段差ＭＥＡと、前記段差ＭＥＡ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。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。アノード電極及びカソード電極は、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）とを有している。
【０００３】
電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。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。
【０００４】
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平面寸法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平面寸法に設定される、所謂、段差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、樹脂枠部材を組み込んだ樹脂枠付きＭＥＡが採用されている。
【０００５】
樹脂枠付きＭＥＡでは、固体高分子電解質膜に亀裂やせん断が発生することを抑制するために、段差ＭＥＡと樹脂枠部材との接合強度を良好に維持する必要がある。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（樹脂枠付きＭＥＡ）が知られている。
【０００６】
この樹脂枠付きＭＥＡでは、樹脂枠部材は、第２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接着接合される内周膨出部を有し、前記内周膨出部の接着接合面には、凹凸形状部位が設けられている。このため、樹脂枠部材の内周膨出部は、固体高分子電解質膜の外周縁部に対して強固且つ容易に接着接合することが可能になり、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体全体の接合強度を確実に維持することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１６８３５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、簡単な構成で、特に接着剤層に気泡が発生することを可及的に抑制することができ、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを強固且つ高品質に接合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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを備えている。段差ＭＥＡでは、固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極が設けられている。第１電極の平面寸法は、第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定されている。樹脂枠部材は、固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられている。
【００１０】
そして、段差ＭＥＡの他方の面側の外周縁部と樹脂枠部材との間には、接着剤を充填させる接着剤層が設けられるとともに、前記樹脂枠部材は、前記接着剤が接触する面をシボ形状面として構成している。
【００１１】
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、シボ形状面は、凹凸の最大高さＲｚが、５≦Ｒｚであることが好ましい。その際、少なくとも粗さ曲線のスキューネスＲｓｋが、０≦Ｒｓｋの関係、又は粗さ曲線のクルトシスＲｋｕが、３≦Ｒｋｕの関係のいずれかを満たすことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、接着剤層に配置された接着剤は、樹脂枠部材と段差ＭＥＡとが密着される際に前記接着剤層内で伸ばされる。ここで、樹脂枠部材は、接着剤が接触する面をシボ形状面として構成している。このため、接着剤は、接着剤層内を円滑に流動するとともに、接着剤層内の空気は、シボ形状面の作用下に外部に良好に排気されている。
【００１３】
従って、簡単な構成で、特に接着剤層に気泡が発生することを可及的に抑制することができる。これにより、接着剤は、接着剤層内で均一厚さに塗ることが可能になり、ガス遮断性や接着耐久性等の品質にばらつきが発生することを抑制することができる。このため、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを強固且つ高品質に接合することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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・電極構造体の要部断面説明図である。
【図４】前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を構成する樹脂枠部材の斜視説明図である。
【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】スキューネスＲｓｋが、０＞Ｒｓｋの関係に設定されたシボ形状面を有する樹脂枠部材において、接着剤の流れ状態説明図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の樹脂枠部材において、０≦Ｒｓｋの説明図である。
【図９】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１０】クルトシスＲｋｕが、３＞Ｒｋｕの関係に設定されたシボ形状面を有する樹脂枠部材において、接着剤の流れ状態説明図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態の樹脂枠部材において、前記接着剤の流れ状態説明図である。
【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・電極構造体の要部断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、横長（又は縦長）の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、例えば、矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に積層されて燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。
【００１６】
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、横長（又は縦長）の長方形状を有する。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る。
【００１７】
長方形状の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、図１〜図３に示すように、段差ＭＥＡ１０ａを備える。段差ＭＥＡ１０ａ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（陽イオン交換膜）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）系電解質を使用してもよい。
【００１８】
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よりも小さな平面寸法を有する。なお、上記の構成に代えて、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よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。その際、アノード電極２０は、第２電極となり、カソード電極２２は、第１電極となる。
【００１９】
図２及び図３に示すように、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。
【００２０】
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は、第２ガス拡散層２２ｂよりも大きな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。
【００２１】
なお、第２電極触媒層２２ａ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を有してもよく、又は、前記第２電極触媒層２２ａの平面寸法は、前記第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法よりも小さな寸法を有してもよい。
【００２２】
第１電極触媒層２０ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が第１ガス拡散層２０ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層２２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が第２ガス拡散層２２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなるとともに、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。第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、例えば、固体高分子電解質膜１８の両面に形成される。
【００２３】
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部材２４を備える。樹脂枠部材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、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。樹脂枠部材２４は、その他、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）又は変性ポリオレフィンで構成してもよい。
【００２４】
図１及び図４に示すように、樹脂枠部材２４は、枠形状を有する。樹脂枠部材２４は、図２及び図３に示すように、内周基端部２４ｓからカソード電極２２側に膨出する薄肉状に形成された内側膨出部２４ａを有する。内側膨出部２４ａは、内周基端部２４ｓから内方（矢印Ｃ方向）に所定の長さを有して延在し、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｔから第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ａｅ、２２ｂｅの近傍に配置される。固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｔは、カソード電極２２の先端部から面方向外方に露出する。
【００２５】
内側膨出部２４ａには、内周基端部２４ｓに連続して、段差ＭＥＡ１０ａの外周縁部、具体的には、アノード電極２０を構成する第１電極触媒層２０ａの先端側に当接する凸状部２６ａが設けられる。凸状部２６ａは、第１電極触媒層２０ａの先端側を周回する枠形状に形成される。凸状部２６ａの内方端部には、段部２６ａｅを介して前記凸状部２６ａより薄肉状に形成される平坦面部２６ｂが設けられ、前記平坦面部２６ｂは、該凸状部２６ａから内側膨出部２４ａの内周端縁部まで延在する。
【００２６】
段差ＭＥＡ１０ａの面１８ｂ側の外周縁部１８ｂｔと樹脂枠部材２４との間には、接着剤２８ａが充填される接着剤層２８が設けられる。接着剤２８ａとして、例えば、高分子やフッ素系エラストマーが設けられる。なお、接着剤としては、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。
【００２７】
樹脂枠部材２４は、接着剤２８ａが接触する面、すなわち、平坦面部２６ｂをシボ形状面３０として構成する。第１の実施形態では、シボ形状面３０は、後述するように、凹凸の最大高さＲｚ（ＪＩＳ規格）が、５≦Ｒｚであるとともに、粗さ曲線のスキューネス（歪み度）Ｒｓｋ（ＪＩＳ規格）が、０≦Ｒｓｋの関係に設定される。
【００２８】
図２に示すように、樹脂枠部材２４とアノード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂとは、接着用樹脂を用いた樹脂含浸部３２により一体化される。樹脂含浸部３２は、例えば、樹脂枠部材２４に一体成形される樹脂突起部３２ｔを加熱変形させて構成することができる。なお、樹脂含浸部３２は、接着剤層２８と同様に、接着剤２８ａを使用してもよい。
【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、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体入口連通孔４２ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔４２ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔４４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体入口連通孔４２ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂは、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燃料ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔４２ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔４０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体出口連通孔４２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔４０ｂは、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４０ａと酸化剤ガス出口連通孔４０ｂとに連通する酸化剤ガス流路４６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４４ａと燃料ガス出口連通孔４４ｂとに連通する燃料ガス流路４８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４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。
【００３３】
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５２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５４が一体化される。
【００３４】
図２に示すように、第１シール部材５２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５２ａと、第２セパレータ１６の第２シール部材５４に当接する第２凸状シール５２ｂとを有する。第２シール部材５４は、第２凸状シール５２ｂに当接する面がセパレータ面に沿って平面状に延在する平面シールを構成する。なお、第２凸状シール５２ｂに代えて、第２シール部材５４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。
【００３５】
第１シール部材５２及び第２シール部材５４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。
【００３６】
次に、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。
【００３７】
先ず、段差ＭＥＡ１０ａが作製される一方、樹脂枠部材２４は、金型（図示せず）を用いて射出成形される。段差ＭＥＡ１０ａでは、カーボンペーパの平坦面に、カーボンブラックとＰＴＦＥ粒子との混合物からなるスラリーを塗布し、乾燥させて下地層を形成することにより、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂが形成される。
【００３８】
一方、電極触媒に溶媒を加えた後、バインダー溶液を投入してカソード電極インク及びアノード電極インクが作成される。カソード電極インクは、ＰＥＴフィルムにスクリーン印刷により塗工され、カソード電極シートが形成される。同様に、アノード電極インクは、ＰＥＴフィルムにスクリーン印刷により塗工され、アノード電極シートが形成される。
【００３９】
次いで、固体高分子電解質膜１８が、カソード電極シート及びアノード電極シートに挟持された状態で、ホットプレスを行った後、ＰＥＴフィルムを剥離することにより接合体（ＣＣＭ）が形成される。さらに、ＣＣＭは、第１ガス拡散層２０ｂと第２ガス拡散層２２ｂとに挟持され、ホットプレスにより一体化されて段差ＭＥＡ１０ａが作製される。
【００４０】
また、図４に示すように、樹脂枠部材２４は、肉薄形状の内側膨出部２４ａを有する。内側膨出部２４ａには、内周基端部２４ｓに連続して凸状部２６ａが設けられるとともに、前記凸状部２６ａの内方端部には、前記凸状部２６ａより薄肉状に形成される平坦面部２６ｂが設けられている。なお、樹脂枠部材２４には、必要に応じて樹脂突起部３２ｔが一体成形される。
【００４１】
射出成形された樹脂枠部材２４は、平坦面部２６ｂにシボ加工処理が施されてシボ形状面３０が形成される。シボ加工は、例えば、プラズマ装置等を使用して行うことができる。一方、図示しないが、射出成形用金型の成形面に、シボ形状面３０に対応する凹凸形状を設けることにより、樹脂枠部材２４の射出成形時に、前記シボ形状面３０を形成してもよい。
【００４２】
次に、図５に示すように、樹脂枠部材２４には、内側膨出部２４ａの接着剤層２８側の面に、接着剤２８ａが、例えば、図示しないディスペンサーを介して塗布される。さらに、樹脂枠部材２４の内周基端部２４ｓと段差ＭＥＡ１０ａを構成する第１ガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅ及び固体高分子電解質膜１８の外周端部１８ｅとが位置合わせされる。
【００４３】
図６に示すように、接着剤２８ａが加熱されるとともに、厚さ方向に荷重（プレス等）が付与される。このため、接着剤２８ａが加圧及び溶融され、前記接着剤２８ａは、接着剤層２８内で伸ばされる。従って、樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａと固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｔとは、接着剤層２８を介して接着される。
【００４４】
さらに、樹脂枠部材２４の内周端部２４ａｅの内周面と第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅの先端面とは、接着剤層２８を介して接着される。一方、樹脂枠部材２４とアノード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂとは、樹脂含浸部３２により一体化される。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。
【００４５】
この場合、第１の実施形態では、樹脂枠部材２４は、接着剤２８ａが接触する面をシボ形状面３０として構成している。このため、接着剤２８ａが、接着剤層２８を流動する際、前記接着剤層２８内の空気は、前記接着剤２８ａの流動に沿って移動し、外部に良好に排気される。
【００４６】
その際、シボ形状面３０は、凹凸の最大高さＲｚが、５≦Ｒｚに設定されている。従って、シボ形状面３０は、接着面として十分なアンカー効果を発揮することができる。一方、固体高分子電解質膜１８は、２０μｍ〜３０μｍの厚さを有している。このため、最大高さＲｚが、２０＜Ｒｚの関係を有すると、前記固体高分子電解質膜１８が皺状に屈曲するおそれがある。これにより、５≦Ｒｚ≦２０の関係に設定されることが好ましい。
【００４７】
さらに、第１の実施形態では、シボ形状面３０は、粗さ曲線のスキューネスＲｓｋが、０≦Ｒｓｋの関係に設定されている。図７には、スキューネスＲｓｋが、０＞Ｒｓｋの関係に設定されたシボ形状面３０comp.を有する樹脂枠部材２４comp.が示されている。シボ形状面３０comp.では、突起５６comp.間に隙間５８comp.が形成されており、前記隙間５８comp.は、内方に向かって先細り形状を有している。
【００４８】
従って、接着剤２８ａは、隙間５８comp.の内方（奥側）に流動するよりも先に、隣接する突起５６comp.の壁面に付着し、前記隙間５８comp.に空気が残存し易くなる。しかも、隙間５８comp.は、奥側に向かって先細り形状を有するため、該奥側に行く程、接着剤２８ａの移動抵抗が高くなってしまう。このため、接着剤２８ａは、隙間５８comp.の奥側に流入し難くなり、空気が残存して気泡が発生するという問題がある。
【００４９】
これに対して、第１の実施形態では、スキューネスＲｓｋが、０≦Ｒｓｋの関係に設定されている。これにより、図８に示すように、シボ形状面３０は、先細り形状の複数の突起５６を有し、前記突起５６間には、比較的幅広な隙間５８が形成されている。従って、上記のシボ形状面３０comp.の問題を解消することができる。
【００５０】
このため、第１の実施形態では、簡単な構成で、特に接着剤層２８に気泡が発生することを可及的に抑制することができ、接着剤２８ａを前記接着剤層２８内で均一厚さに塗ることが可能になる。これにより、ガス遮断性や接着耐久性等の品質にばらつきが発生することを抑制することができ、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とを強固且つ高品質に接合することが可能になるという効果が得られる。
【００５１】
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。
【００５２】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４０ａには、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４４ａには、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４２ａには、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。
【００５３】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路４６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して段差ＭＥＡ１０ａ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４４ａから第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Ｂ方向に移動し、段差ＭＥＡ１０ａのアノード電極２０に供給される。
【００５４】
従って、各段差ＭＥＡ１０ａ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、第２電極触媒層２２ａ及び第１電極触媒層２０ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
【００５５】
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４０ｂ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、燃料ガス出口連通孔４４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５６】
また、冷却媒体入口連通孔４２ａ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５０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、段差ＭＥＡ１０ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔４２ｂから排出される。
【００５７】
図９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。また、以下に説明する第３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、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材６２とを一体化して構成される。樹脂枠部材６２は、平坦面部２６ｂをシボ形状面６４として構成する。シボ形状面６４は、凹凸の最大高さＲｚ（ＪＩＳ規格）が、５≦Ｒｚであるとともに、粗さ曲線のクルトシス（尖り度）Ｒｋｕ（ＪＩＳ規格）が、３≦Ｒｋｕの関係に設定される。
【００５９】
図１０には、クルトシスＲｋｕが、３＞Ｒｋｕの関係に設定されたシボ形状面６４comp.を有する樹脂枠部材６２comp.が示されている。シボ形状面６４comp.では、突起６６comp.間に隙間６８comp.が形成されるとともに、前記隙間６８comp.は、内方の傾斜角度が急な傾斜面ｓｆを有している。
【００６０】
従って、接着剤２８ａは、隙間６８comp.の内方（奥側）に流動し難くなり、前記隙間６８comp.に空気が残存し易くなる。このため、隙間６８comp.の奥側には、空気が残存して気泡が発生するという問題がある。
【００６１】
これに対して、第２の実施形態では、クルトシスＲｋｕが、３≦Ｒｋｕの関係に設定されている。これにより、図１１に示すように、シボ形状面６４は、先細り形状の複数の突起６６を有するとともに、前記突起６６間には、段部を介して比較的複雑に湾曲する隙間６８が形成されている。従って、隙間６８内には、接着剤２８ａが入り難くなる部分が減少し、上記のシボ形状面６４comp.の問題を解消することができる。
【００６２】
このため、第２の実施形態では、簡単な構成で、特に接着剤層２８に気泡が発生することを可及的に抑制することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第１の実施形態と第２の実施形態とは、同時に採用することができる。すなわち、シボ形状面６４は、凹凸の最大高さＲｚが、５≦Ｒｚ（≦２０）であるとともに、粗さ曲線のスキューネスＲｓｋが、０≦Ｒｓｋの関係を有し、且つ、粗さ曲線のクルトシスＲｋｕが、３≦Ｒｋｕの関係を満たすことが可能である。
【００６３】
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の要部断面説明図である。
【００６４】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７０は、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材７２とを備える。樹脂枠部材７２は、フィルム状に構成され、最大厚さは、凸状部２６ａの厚さに設定される。
【００６５】
このように構成される第３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とともに、樹脂枠部材７２の薄肉化が容易に図られるという利点がある。
【符号の説明】
【００６６】
１０、６０、７０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１０ａ…段差ＭＥＡ                  １２…燃料電池
１４、１６…セパレータ              １８…固体高分子電解質膜
１８ｂｔ…外周縁部
１８ｅ、２０ｂｅ、２２ａｅ、２２ｂｅ…外周端部
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、６２、７２…樹脂枠部材        ２４ａ…内側膨出部
２４ｓ…内周基端部                  ２６ａ…凸状部
２６ｂ…平坦面部                    ２８…接着剤層
２８ａ…接着剤                      ３０、６４…シボ形状面
３２ｔ…樹脂突起部                  ４０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
４０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ４２ａ…冷却媒体入口連通孔
４２ｂ…冷却媒体出口連通孔          ４４ａ…燃料ガス入口連通孔
４４ｂ…燃料ガス出口連通孔          ４６…酸化剤ガス流路
４８…燃料ガス流路                  ５０…冷却媒体流路
５２、５４…シール部材
【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】
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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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