(57)【要約】【課題】樹脂枠付電解質膜・電極構造体の生産効率を向上させるとともに、樹脂製枠部材が高分子電解質膜から剥離する懸念を払拭する。【解決手段】段差型ＭＥＡでは、アノード電極２０の外形寸法が、カソード電極２２及び固体高分子電解質膜１８よりも小さく設定される。アノード電極２０は、樹脂製枠部材２４の収容孔２５に収容される。樹脂製枠部材２４の、アノード電極２０から露呈した外周縁部は、反応性ホットメルトからなる接着層２８を介して、固体高分子電解質膜１８に接合される。固体高分子電解質膜１８が有する官能基（例えば、スルホン酸基）と、反応性ホットメルトが有する官能基（例えば、エポキシ基）は、化学的に結合して分子間結合を形成している。【選択図】図２
2016201307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが電極触媒層とガス拡散層とを有する燃料電池用の第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、前記第１電極の外形寸法が、前記第２電極及び前記固体高分子電解質膜よりも小さく設定された電解質膜・電極構造体と、
前記第１電極を収容する収容孔が形成された樹脂製枠部材と、
を備え、
前記固体高分子電解質膜が、第１の官能基を有する高分子からなり、
前記固体高分子電解質膜における前記第１電極から露呈した縁部と、前記樹脂製枠部材とが、第２の官能基を有する反応性ホットメルトを介して接合され、
前記固体高分子電解質膜の前記第１の官能基と、前記反応性ホットメルトの前記第２の官能基とが化学的に結合していることを特徴とする樹脂枠付電解質膜・電極構造体。
【請求項２】
請求項１記載の樹脂枠付電解質膜・電極構造体において、前記第１の官能基がスルホン酸基であり、且つ前記第２の官能基がエポキシ基であることを特徴とする樹脂枠付電解質膜・電極構造体。
【請求項３】
それぞれが電極触媒層とガス拡散層とを有する燃料電池用の第１電極及び第２電極が、第１の官能基を有する高分子からなる固体高分子電解質膜の両側に設けられ、前記第１電極の外形寸法が、前記第２電極及び前記固体高分子電解質膜よりも小さく設定された電解質膜・電極構造体を得る工程と、
樹脂製枠部材に形成された収容孔に前記第１電極を収容するとともに、前記固体高分子電解質膜における前記第１電極から露呈した縁部と、前記樹脂製枠部材とを、第２の官能基を有する反応性ホットメルトを介して接合する工程と、
前記反応性ホットメルトに対してアニール処理を施す工程と、
を有し、
前記固体高分子電解質膜の前記第１の官能基と、前記反応性ホットメルトの前記第２の官能基とを化学的に結合させることを特徴とする樹脂枠付電解質膜・電極構造体の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の製造方法において、前記固体高分子電解質膜として、前記第１の官能基がスルホン酸基である高分子を選定し、且つ前記反応性ホットメルトとして、前記第２の官能基がエポキシ基であるものを選定することを特徴とする樹脂枠付電解質膜・電極構造体の製造方法。
【請求項５】
請求項３又は４記載の製造方法において、前記アニール処理を、保持温度を９０〜１６０℃、保持時間を１〜７２時間として行うことを特徴とする樹脂枠付電解質膜・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、燃料電池用の電解質膜・電極構造体を構成する第１電極を収容する収容孔が形成された樹脂製枠部材が、固体高分子電解質膜における前記第１電極から露呈した縁部に接合された樹脂枠付電解質膜・電極構造体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、周知の通り、高分子からなる固体高分子電解質膜の両側に、電極触媒層とガス拡散層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）を有する。このＭＥＡが１組のセパレータで挟持されることで単セルが構成され、さらに、該単セルが所定の数だけ積層されることで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、自動車車体に走行駆動源として搭載される。
【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外形寸法に設定され、且つ他方の電極が固体高分子電解質膜と同一の表面積に設定される、いわゆる段差型ＭＥＡを構成する場合がある。この場合、固体高分子電解質膜において、外形寸法が小さい電極に臨む側の端面では、その縁部が前記電極から露呈する。
【０００４】
このような段差型ＭＥＡでは、外形寸法が小さい電極を囲繞する樹脂製枠部材が配設される（例えば、特許文献１参照）。樹脂製枠部材は、高分子電解質膜の前記縁部に対し、接着剤を介して接合される。これにより、樹脂枠付電解質膜・電極構造体が構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−９８１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高分子電解質膜から樹脂製枠部材が剥離した場合、クロスリークが起こる。このため、接着剤としては、接合強度が高く、且つ高分子電解質膜と樹脂製枠部材の間を十分にシールし得るものが選定される。典型的には、液状接着剤である。
【０００７】
液状接着剤を用いる場合、塗工や硬化に長時間が必要となる。すなわち、樹脂枠付電解質膜・電極構造体を効率よく生産することが容易ではない。これを回避するべく、ホットメルトを採用することが想起される。しかしながら、ホットメルトは高温時に柔軟となる性質があるので、燃料電池を運転する際に樹脂製枠部材が高分子電解質膜から剥離する懸念が生じる。
【０００８】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、生産効率を向上させることが可能であり、しかも、樹脂製枠部材が高分子電解質膜から剥離する懸念を払拭し得る樹脂枠付電解質膜・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】
【０００９】
前記の目的を達成するために、本発明に係る樹脂枠付電解質膜・電極構造体は、それぞれが電極触媒層とガス拡散層とを有する燃料電池用の第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、前記第１電極の外形寸法が、前記第２電極及び前記固体高分子電解質膜よりも小さく設定された電解質膜・電極構造体と、
前記第１電極を収容する収容孔が形成された樹脂製枠部材と、
を備え、
前記固体高分子電解質膜が、第１の官能基を有する高分子からなり、
前記固体高分子電解質膜における前記第１電極から露呈した縁部と、前記樹脂製枠部材とが、第２の官能基を有する反応性ホットメルトを介して接合され、
前記固体高分子電解質膜の前記第１の官能基と、前記反応性ホットメルトの前記第２の官能基とが化学的に結合していることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る樹脂枠付電解質膜・電極構造体の製造方法は、それぞれが電極触媒層とガス拡散層とを有する燃料電池用の第１電極及び第２電極が、第１の官能基を有する高分子からなる固体高分子電解質膜の両側に設けられ、前記第１電極の外形寸法が、前記第２電極及び前記固体高分子電解質膜よりも小さく設定された電解質膜・電極構造体を得る工程と、
樹脂製枠部材に形成された収容孔に前記第１電極を収容するとともに、前記固体高分子電解質膜における前記第１電極から露呈した縁部と、前記樹脂製枠部材とを、第２の官能基を有する反応性ホットメルトを介して接合する工程と、
前記反応性ホットメルトに対してアニール処理を施す工程と、
を有し、
前記固体高分子電解質膜の前記第１の官能基と、前記反応性ホットメルトの前記第２の官能基とを化学的に結合させることを特徴とする。
【００１１】
なお、本発明における「反応性ホットメルト」は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を基材とし、且つ固体高分子電解質膜とともに化学反応を起こすものをいう。すなわち、その官能基（第２の官能基）が、固体高分子電解質膜が有する官能基（第１の官能基）と化学的に結合するものである。
【００１２】
このように、本発明においては、固体高分子電解質膜の官能基と、反応性ホットメルトの官能基とを化学的に結合させている。このため、固体高分子電解質膜が反応性ホットメルトを介して樹脂製枠部材に強固に接合される。しかも、アニール処理が施された反応性ホットメルトは、１００℃程度の温度下において硬質な状態を維持する。このため、燃料電池の運転の最中、固体高分子電解質膜と樹脂製枠部材の間に優れた接合強度が維持される。従って、樹脂製枠部材が固体高分子電解質膜から剥離することや、このことに起因してクロスリークが起こることを回避することができる。
【００１３】
加えて、反応性ホットメルトを用いるので、液状接着剤を用いる必要がない。反応性ホットメルトを用いる接合作業や、反応性ホットメルトを硬化させるのに要する時間は、液状接着剤の塗工や硬化に要する時間に比して十分に短い。この分、樹脂枠付電解質膜・電極構造体を効率よく生産することが可能となる。
【００１４】
なお、固体高分子電解質膜の多くは、スルホン酸基を含む高分子からなる。この場合、スルホン酸基（第１の官能基）と化学的に結合する官能基（第２の官能基）としては、エポキシ基が挙げられる。すなわち、反応性ホットメルトは、エポキシ基を有するものが好適である。
【００１５】
反応性ホットメルトを一旦溶解して再硬化させ、固体高分子電解質膜と樹脂製枠部材を接合した後のアニール処理は、保持温度を９０〜１６０℃、保持時間を１〜７２時間として行うことが好ましい。保持温度を９０℃未満としたり、保持時間を１時間未満としたりすると、十分な接合強度を得ることが容易でなくなるからである。また、保持時間を１６０℃超とすると、固体高分子電解質膜が変質する懸念がある。さらに、保持時間を７２時間超とすると、樹脂枠付電解質膜・電極構造体の生産効率が低下するとともに不経済である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、固体高分子電解質膜と樹脂製枠部材を接合するものとして、１００℃近傍で硬質な状態を維持する反応性ホットメルトを採用するとともに、該反応性ホットメルトの官能基を、固体高分子電解質膜の官能基に化学的に結合させるようにしている。このため、固体高分子電解質膜が反応性ホットメルトを介して樹脂製枠部材に強固に接合されるとともに、燃料電池の運転の最中、樹脂製枠部材が固体高分子電解質膜から剥離する懸念や、このことに起因してクロスリークが起こる懸念を払拭することができる。
【００１７】
また、反応性ホットメルトを用いる接合作業や、反応性ホットメルトを硬化させるのに要する時間は、液状接着剤の塗工や硬化に要する時間に比して十分に短い。従って、液状接着剤を用いる場合に比して、樹脂枠付電解質膜・電極構造体の生産効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係る樹脂枠付電解質膜・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図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。
【図３】図１に示す樹脂枠付電解質膜・電極構造体のカソード電極側の概略正面図である。
【図４】前記樹脂枠付電解質膜・電極構造体を製造する際において、電解質膜・電極構造体と樹脂製枠部材とを接合するときの要部断面図である。
【図５】樹脂製枠部材、接着層（反応性ホットメルト）、固体高分子電解質膜の間で化学的結合（分子間結合）が形成された状態を模式的に示した化学構造説明図である。
【図６】図１とは別形状の樹脂製枠部材を有する樹脂枠付電解質膜・電極構造体の要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る樹脂枠付電解質膜・電極構造体及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係る樹脂枠付電解質膜・電極構造体１０が組み込まれる固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも表記する）１２の要部分解斜視図であり、図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。特に図示はしないが、単セルとしての燃料電池１２が複数個、矢印Ａ方向に積層されることで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で挟持することで構成される。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、カーボン部材等からなる。
【００２２】
図２に示すように、樹脂枠付電解質膜・電極構造体１０は、電解質膜・電極構造体１７を備える。この電解質膜・電極構造体１７は、固体高分子電解質膜１８と、該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。本実施の形態において、固体高分子電解質膜１８は、スルホン酸基を有する高分子からなる。その具体例としては、フッ素系高分子であるパーフルオロスルホン酸系高分子が挙げられる。この種の高分子は、ナフィオン（登録商標）として市販されている。又は、炭化水素系高分子であるポリアリーレン系高分子のスルホン化物であってもよい。なお、固体高分子電解質膜１８中に水を含浸させることが好ましい。
【００２３】
アノード電極２０の表面積は、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２２よりも小さく設定される。換言すれば、アノード電極２０の外形寸法は、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２２に比して小さい。従って、アノード電極２０が固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置されると、該固体高分子電解質膜１８の外周縁部が額縁状に露呈する。一方、カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置され、その全体を覆う。
【００２４】
アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される第１電極触媒層２０ａと、該第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２２も同様に、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、該第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。
【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の各面１８ａ、１８ｂに印刷、塗布又は転写することによって構成される。勿論、第１電極触媒層２０ａの外形寸法は、第２電極触媒層２２ａに比して小さく設定される。
【００２６】
また、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンペーパ等からなる。第１ガス拡散層２０ｂも第１電極触媒層２０ａと同様に、外形寸法が第２ガス拡散層２２ｂ比して小さく設定される。
【００２７】
なお、第１電極触媒層２０ａの表面積（外形寸法）を第１ガス拡散層２０ｂの表面積（外形寸法）よりも大きく設定し、第１電極触媒層２０ａの外周端部を第１ガス拡散層２０ｂの外周端部から突出させるようにしてもよい。
【００２８】
樹脂枠付電解質膜・電極構造体１０は、さらに、樹脂製枠部材２４を備える。この樹脂製枠部材２４は、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）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、変性ＰＰＯ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ＰＵ（ポリウレタン）、ＰＩ（ポリイミド）、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の各種樹脂、又はこれらの中から選択された２種以上の混合樹脂からなる。必要に応じ、ガラスフィラーを含有するようにしてもよい。
【００２９】
樹脂製枠部材２４は、厚肉部２４ａと、収容孔２５が貫通形成された薄肉部２４ｂを有する。このため、樹脂製枠部材２４は、厚肉部２４ａとの間に段差が生じた収容凹部２６が形成された形状となっている。収容孔２５の開口面積はアノード電極２０の表面積に対応し、深さはアノード電極２０の厚みに対応する。従って、アノード電極２０が収容孔２５に収容されるとともに、その外周面が収容孔２５の内周壁に当接する。
【００３０】
樹脂製枠部材２４の薄肉部２４ｂと、固体高分子電解質膜１８におけるアノード電極２０から露呈した外周縁部は、接着層２８を介して強固に接合される。図３に示すように、接着層２８は、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。本実施の形態において、接着層２８は、エポキシ基を有する反応性ホットメルトから形成される。
【００３１】
一方、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２２は、収容凹部２６に収容される。すなわち、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２２の外周面は、厚肉部２４ａの内周面に当接する。この状態で、樹脂製枠部材２４とカソード電極２２の第２ガス拡散層２２ｂとが、例えば、樹脂含浸部２９により一体化される。
【００３２】
図３に示すように、接着層２８は、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。また、樹脂含浸部２９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。樹脂含浸部２９を設けることは必須ではなく、設けないようにしても差し支えはない。
【００３３】
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。
【００３４】
その一方で、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。
【００３５】
第２セパレータ１６の樹脂枠付電解質膜・電極構造体１０に臨む面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。
【００３６】
第１セパレータ１４の樹脂枠付電解質膜・電極構造体１０に臨む面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。
【００３７】
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。
【００３８】
図２に示すように、第１シール部材４２は、樹脂枠付電解質膜・電極構造体１０を構成する樹脂製枠部材２４の薄肉部２４ｂ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。
【００３９】
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が用いられる。
【００４０】
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。
【００４１】
次に、本実施の形態に係る樹脂枠付電解質膜・電極構造体１０の製造方法について説明する。
【００４２】
先ず、図４に示すように、段差型ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１７を作製する。すなわち、例えば、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ、１８ｂのそれぞれに、デカール法によって第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａを転写する。さらに、第１電極触媒層２０ａに第１ガス拡散層２０ｂを積層する一方、第２電極触媒層２２ａに第２ガス拡散層２２ｂを積層する。そして、この積層体にホットプレス処理を施す。以上により、電解質膜・電極構造体１７が得られる。
【００４３】
この作業とは別に、樹脂製枠部材２４を作製する。この作製は、射出成形機による成形や、フィルムの切り出し等によって行われる。
【００４４】
次いで、電解質膜・電極構造体１７におけるアノード電極２０の外周から露呈した固体高分子電解質膜１８の外周縁部に、液状の反応性ホットメルトを塗布するか、又は、固体の反応性ホットメルトシートを載置する。上記したように、反応性ホットメルトとしては、エポキシ基を有する高分子からなるものを用いる。なお、図４においては、樹脂製枠部材２４と電解質膜・電極構造体１７とを接合する前の状態を示しているが、反応性ホットメルトと接着層２８との位置関係の対応を明確にするべく、反応性ホットメルトを接着層２８として表している。
【００４５】
その後、樹脂製枠部材２４と電解質膜・電極構造体１７との位置合わせを行う。すなわち、収容孔２５にアノード電極２０を挿入するとともに、収容凹部２６に固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２２を挿入する。この際、反応性ホットメルトが、樹脂製枠部材２４の薄肉部２４ｂの、固体高分子電解質膜１８を臨む端面に付着する。
【００４６】
次いで、樹脂製枠部材２４に対し、電解質膜・電極構造体１７のカソード電極２２側からホットプレス処理を施す。このホットプレス処理により、反応性ホットメルトが溶融する。さらに、荷重付与及び加熱を停止して反応性ホットメルトを再硬化させる。これにより接着層２８が形成され、薄肉部２４ｂと固体高分子電解質膜１８とが接着されるとともに、両者の間がシールされる。
【００４７】
次いで、アニール処理を施す。アニール処理を行うことにより、接着層２８（反応性ホットメルト）が一層硬質化する。すなわち、接着層２８の凝集力が向上し、燃料電池スタックの運転時における高温環境下でも優れた接合強度を示すようになる。
【００４８】
ここで、アニール処理時の保持温度が低すぎたり、保持時間が短すぎたりする場合、接着層２８を十分に硬化させることが困難である。また、保持温度が高すぎると、固体高分子電解質膜１８が変質して燃料電池１２の発電特性が低下する懸念がある。さらに、保持時間が長すぎると、樹脂枠付電解質膜・電極構造体１０の生産効率が低下し、不経済である。以上の不都合を回避するべく、アニール処理は、保持温度を９０〜１６０℃とし、保持時間を１〜７２時間とすることが好ましい。
【００４９】
以上の過程において、固体高分子電解質膜１８が有するスルホン酸基と、反応性ホットメルトが有するエポキシ基とが化学的に結合する。すなわち、スルホン酸基とエポキシ基が分子間結合を形成する。さらに、樹脂製枠部材２４に水酸基が存在するときには、この水酸基と、反応性ホットメルトが有するエポキシ基との間にも分子間結合が形成される。結局、図５に示す接着状態となる。
【００５０】
一方、カソード電極２２側には、樹脂含浸部２９を形成するための樹脂部材５０が用意される。樹脂部材５０は、枠形状（額縁形状）を有しており、例えば、樹脂製枠部材２４と同一の材料で構成される。なお、樹脂部材５０は、フィラーが混入しない樹脂材料を用いて構成してもよい。
【００５１】
電解質膜・電極構造体１７と樹脂製枠部材２４とに跨るようにして樹脂部材５０が配置され、さらに、荷重が付与された状態で、前記樹脂部材５０が加熱溶融される。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。
【００５２】
樹脂部材５０の溶融物は、カソード電極２２を構成する第２ガス拡散層２２ｂ及び樹脂製枠部材２４の双方に浸透し、その後、硬化する。その結果、図２に示すように、第２ガス拡散層２２ｂと樹脂製枠部材２４を連結する樹脂含浸部２９が形成され、樹脂枠付電解質膜・電極構造体１０が得られるに至る。
【００５３】
樹脂枠付電解質膜・電極構造体１０が第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持され、燃料電池１２が構成される。さらに、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。従って、第１セパレータ１４が樹脂製枠部材２４の薄肉部２４ｂを押圧し、第２セパレータ１６とともに樹脂枠付電解質膜・電極構造体１０に荷重を付与する。
【００５４】
次に、このように構成される燃料電池１２の動作につき説明する。
【００５５】
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を供給するとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスを供給する。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を供給する。
【００５６】
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１７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１７のアノード電極２０に供給される。
【００５７】
従って、各電解質膜・電極構造体１７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。
【００５８】
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。
【００５９】
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１７を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。以上のようにして燃料電池スタックが運転される際、各燃料電池１２の温度は約１００℃に達する。
【００６０】
熱可塑性樹脂が基材であるホットメルトから接着層を形成した場合、１００℃近傍では接着層が軟化する。このため、樹脂製枠部材２４の薄肉部２４ｂが固体高分子電解質膜１８から剥離する懸念がある。これに対し、本実施の形態では、反応性ホットメルトを用い、アニール処理によって硬質化した接着層２８を得るようにしている。しかも、該反応性ホットメルトが有するエポキシ基と、固体高分子電解質膜１８が有するスルホン酸基との間に分子間結合を形成させている。このため、１００℃近傍であっても、接着層２８が固体高分子電解質膜１８に強固に接合した状態が保たれる。
【００６１】
しかも、場合によっては、反応性ホットメルトが有するエポキシ基と、樹脂製枠部材２４が有する水酸基との間にも分子間結合が形成される。樹脂製枠部材２４と接着層２８との間には十分な接合強度が発現するが、前記分子間結合が形成された場合、接着層２８と樹脂製枠部材２４の接合強度が一層強固となる。
【００６２】
以上のような理由から、樹脂製枠部材２４と固体高分子電解質膜１８が、接着層２８を介して強固に接合した状態が維持される。すなわち、燃料電池スタックを運転する間、樹脂製枠部材２４と固体高分子電解質膜１８との間で大きな接合強度が得られる。従って、樹脂製枠部材２４の薄肉部２４ｂが固体高分子電解質膜１８から剥離する懸念が払拭されるとともに、このことに起因してクロスリークが起こることが回避される。
【００６３】
加えて、反応性ホットメルトは液状接着剤に比して取り扱いが著しく容易である。すなわち、樹脂製枠部材２４と固体高分子電解質膜１８の間の接合及びシールを効率よく行うことができる。従って、樹脂枠付電解質膜・電極構造体１０の生産効率を向上させることが可能である。
【００６４】
本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００６５】
例えば、上記とは逆に、カソード電極２２の外形寸法（表面積）を、固体高分子電解質膜１８及びアノード電極２０よりも小さく設定するようにしてもよい。
【００６６】
また、接着層２８に先んじて樹脂含浸部２９を形成するようにしてもよい。すなわち、接着層２８と樹脂含浸部２９の形成は順不同である。
【００６７】
さらに、固体高分子電解質膜１８と反応性ホットメルトは、互いに化学的に結合する官能基を有するもの同士の組み合わせであればよく、スルホン酸基を有するものや、エポキシ基を有するものに特に限定されるものではない。
【００６８】
そして、図６に示すように、樹脂製枠部材６０は、アノード電極２０（又はカソード電極２２）を収容する収容孔２５が形成されたものであればよい。すなわち、収容凹部２６が形成されていないものであってもよい。この場合、樹脂製枠部材６０の外周縁部が固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２２（又はアノード電極２０）から露呈していても差し支えはない。また、樹脂含浸部２９を設ける必要も特にない。
【実施例】
【００６９】
電子伝導性物質であるカーボンブラックと、撥水性樹脂であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子を４：６の重量比で混合した混合粉末をエチレングリコールに均一分散させた下地層用スラリーを調製した。ここで、下地層は、電極における透水圧を調整する役割を果たす。すなわち、下地層を設けることにより、生成水の燃料電池外への排出量や、燃料電池内での保持量を制御することが容易となる。
【００７０】
その一方で、東レ社製カーボンペーパのＴＧＰ−Ｈ０６０（商品名）をトムソン刃で切断し、７２ｍｍ×１１２ｍｍの小紙片と、１００ｍｍ×１４０ｍｍの大紙片とを切り出した。これら小紙片、大紙片の各々の、電極触媒層を臨む側となる端面に下地層用スラリーを塗布した後に乾燥し、小紙片と下地層を有する第１ガス拡散層、大紙片と下地層を有する第２ガス拡散層を得た。
【００７１】
以上とは別に、第１電極触媒層用インクを調製した。具体的には、ノルマルプロピルアルコールと水を１：２の割合で混合した混合溶媒を、触媒粒子であるＴＥＣ１０ＥＡ５０Ｅ（田中貴金属社製の白金触媒の商品名）に対して１０倍の重量で加えた。その後、デュポン社製のイオン伝導性ポリマー溶液であるＤ２０２０（パーフルオロアルキレンスルホン酸系高分子の商品名）を、触媒粒子と同重量で添加した。以上の混合物を、遊星ボールミルで回転数を８０ｒｐｍとして１２０分間撹拌することで、アノード電極側の第１電極触媒層用インクを得た。
【００７２】
次いで、スクリーン印刷によって、白金の重量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるように第１電極触媒層用インクをＰＴＦＥシート上に塗布した。その後、１２０℃で１５分間加熱して第１電極触媒層用インクを乾燥させ、前記ＰＴＦＥシート上に第１電極触媒層を形成した。
【００７３】
また、第２電極触媒層用インクを調製した。すなわち、ノルマルプロピルアルコールと水を１：２の割合で混合した混合溶媒を、触媒粒子であるＬＳＡ（ＢＡＳＦ社製の白金触媒の商品名）に対して１０倍の重量で加えた。その後、Ｄ２０２０を触媒粒子に対して１．５倍の重量で添加した。以上の混合物を、遊星ボールミルで回転数を８０ｒｐｍとして１２０分間撹拌することで、第２電極触媒層用インクを得た。
【００７４】
この第２電極触媒層用インクを、白金の重量が０．２ｍｇ／ｃｍ2となるように、スクリーン印刷によってＰＴＦＥシート上に塗布した。その後、６０℃で１０分間加熱して第２電極触媒層用インクを乾燥させ、前記ＰＴＦＥシート上に第２電極触媒層を形成した。
【００７５】
次いで、デュポン社製のナフィオンＮＲＥ−２１１を固体高分子電解質膜として選定し、該固体高分子電解質膜の一方の面に第１電極触媒層を当接させるとともに、他方の面に第２電極触媒層を当接させた。さらに、１２０℃、２．０ＭＰａで８分間のホットプレス処理を施し、その後、前記ＰＴＦＥシートを第１電極触媒層、第２電極触媒層の各々から剥離させた。以上により、一方の面に第１電極触媒層が転写され、且つ他方の面に第２電極触媒層が転写された固体高分子電解質膜を得た。
【００７６】
次いで、第１電極触媒層に対し、前記第１ガス拡散層の下地層を当接させるとともに、第２電極触媒層に対し、前記第２ガス拡散層の下地層を当接させた。その後、第１ガス拡散層側に荷重吸収材を配置し、１２０℃、２．０ＭＰａで１２分間のホットプレス処理を施すことで、第１電極触媒層及び第２電極触媒層の各々に各下地層を接合してＭＥＡを得た。
【００７７】
そして、前記ＭＥＡを、カソード電極及び固体高分子電解質膜の外形寸法が８６ｍｍ×１２６ｍｍとなるように、トムソン刃で打ち抜いた。なお、アノード電極の外形寸法に変化はない。
【００７８】
その一方で、樹脂製枠部材を作製した。すなわち、東レ社製のトレリナ５０００（ＰＰＳ製シートの商品名）を用意して、トムソン刃により、厚肉部の外形寸法が１００ｍｍ×１４０ｍｍ、収容孔の開口が７４ｍｍ×１１４ｍｍとなるように切断した。
【００７９】
さらに、エポキシ基を有する反応性ホットメルトとして、シート状のＢ−ＥＦＰ１１（日東シンコー社製の商品名）を用意し、トムソン刃により枠状に切り出した。外形寸法は８４ｍｍ×１２４ｍｍ、内方の開口の寸法は７８ｍｍ×１１８ｍｍであった。
【００８０】
上記の樹脂製枠部材上に枠状の反応性ホットメルトを載置し、さらに、固体高分子電解質膜の露呈した外周縁部が反応性ホットメルトに対向するように、前記電解質膜・電極構造体を載置した。この積層物に対し、ＰＴＦＥシート及び平板をこの順序で載置し、温度を１４０℃、付与荷重を０．５ＭＰａとして１０秒間のホットプレス処理を施した。これにより、反応性ホットメルトを介して樹脂製枠部材と固体高分子電解質膜が接合した樹脂枠付電解質膜・電極構造体を得た。
【００８１】
次に、樹脂枠付電解質膜・電極構造体を１２０℃に設定した熱処理炉内に収容し、２４時間保持することでアニール処理を施した。この際、樹脂製枠部材が変形することと、熱処理炉内の風によって樹脂枠付電解質膜・電極構造体が移動することとを防止するため、５００ｇのステンレス鋼（ＳＵＳ３１４）からなる重錘を樹脂枠付電解質膜・電極構造体上に載置した。このアニール処理後の樹脂枠付電解質膜・電極構造体を実施例１とする。
【００８２】
また、アニール処理時の条件を以下の表１に示すように設定したことを除いては実施例１に準拠し、樹脂枠付電解質膜・電極構造体を得た。各々を、実施例２〜４とする。
【００８３】
さらに、アニール処理を行わなかったことを除いては実施例１と同様の作業を行って樹脂枠付電解質膜・電極構造体を得た。これを比較例１とする。
【００８４】
そして、アニール処理条件を６０℃、４８時間、又は１８０℃、１時間としたことを除いては実施例１と同様の作業を行って樹脂枠付電解質膜・電極構造体を得た。各々を比較例２、３とする。
【００８５】
さらにまた、エポキシ基を含有しないホットメルトを選定した。具体的には、日本マタイ社製のエルファンＯＨ（エチレン−ビニルアルコール共重合体樹脂製ホットメルトシートの商品名）を採用し、アニール処理条件を実施例１と同一として樹脂枠付電解質膜・電極構造体を得た。これを比較例４とする。
【００８６】
【表１】
2016201307.tif 000003
【００８７】
以上の実施例１〜４及び比較例１〜４の各樹脂枠付電解質膜・電極構造体につき、ＪＩＳ Ｋ ６８５４−２に準じて１８０°ピール試験を行った。すなわち、各樹脂枠付電解質膜・電極構造体を２ｃｍ幅で切り出し、電解質膜・電極構造体からガス拡散層を取り外した。固体高分子電解質膜にカプトンテープを貼付し、カプトンテープをチャックで把持した。その一方で、樹脂製枠部材を支持した樹脂板を別のチャックに把持し、９０℃の恒温層内で、島津製作所社製のオートグラフＡＧＳ−５００ＮＸにて引っ張り、接合強度を求めた。結果を、表１に併せて示す。
【００８８】
この表１から、固体高分子電解質膜の官能基であるスルホン酸基と化学的に結合する官能基を有する反応性ホットメルトを用い、且つアニール処理を適切な条件下で行うことによって、優れた接合強度が発現することが明らかである。
【００８９】
また、各樹脂枠付電解質膜・電極構造体を１組のセパレータで挟持し、燃料電池（単セル）を構成した。この燃料電池を、温度を７０℃とし、アノード電極に相対湿度７０％の湿潤水素を供給するとともに、カソード電極に相対湿度８５％の湿潤空気を供給して発電させた。なお、湿潤水素及び湿潤空気の利用率は、それぞれ、７０％、６０％に設定し、ガス圧はいずれも１００ｋＰａに設定した。電流密度を１Ａ／ｃｍ2としたときの電圧を、表１に併せて示す。
【００９０】
表１を参照し、最も高温でアニール処理を施した比較例３が、電圧が最も低いことが分かる。このことから、アニール処理時に固体高分子電解質膜が何らかの変質を起こしていると推察される。
【符号の説明】
【００９１】
１０…樹脂枠付電解質膜・電極構造体      １２…燃料電池
１４、１６…セパレータ                  １７…電解質膜・電極構造体
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、６０…樹脂製枠部材
２５…収容孔                            ２６…収容凹部
２８…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
【図１】
2016201307.tif 000004
【図２】
2016201307.tif 000005
【図３】
2016201307.tif 000006
【図４】
2016201307.tif 000007
【図５】
2016201307.tif 000008
【図６】
2016201307.tif 000009