特許 6229874 フレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6229874

(24)【登録日】2017年10月27日

(45)【発行日】2017年11月15日

(54)【発明の名称】フレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/02 20160101AFI20171106BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20171106BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/02 Z

   H01M8/02 E

   H01M8/10

【請求項の数】11

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-165232(P2013-165232)

(22)【出願日】2013年8月8日

(65)【公開番号】特開2015-35311(P2015-35311A)

(43)【公開日】2015年2月19日

【審査請求日】2016年3月25日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100102141

【弁理士】

【氏名又は名称】的場 基憲

(72)【発明者】

【氏名】宝来 淳史

(72)【発明者】

【氏名】影山 和弘

(72)【発明者】

【氏名】杉野 学

【審査官】 松本 陶子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１０５００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０２１２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５０８６９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２７１

Ｈ０１Ｍ ８／１００４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質膜を一対の電極層で挟持した膜電極接合体と、
上記膜電極接合体の一方の電極層側に配設され上記膜電極接合体を配置する開口部と複数のマニホールド穴とを有する第１の樹脂フレームと、
上記膜電極接合体の他方の電極層側に配設され上記膜電極接合体を配置する開口部を有し上記第１の樹脂フレームの内周縁部に相対向して配置される第２の樹脂フレームと、
上記電解質膜の外周縁部を第１の樹脂フレームの内周縁部及び第２の樹脂フレームに接合する接着剤又は粘着剤から成る接合層と、
上記第１の樹脂フレームの内周縁部及び上記第２の樹脂フレームの少なくとも一方に形成される突起と、
上記突起が挿入され上記第１の樹脂フレームの内周縁部及び上記第２の樹脂フレームの他方及び上記電解質膜の外周縁部に形成される孔と
を備え、
上記電解質膜の外周縁部を上記第１の樹脂フレームの内周縁部と該内周縁部に相対向する上記第２の樹脂フレームとで挟持して固定した
こと特徴とするフレーム付き膜電極接合体。

【請求項2】

上記第１の樹脂フレームの内周縁部が突起を有し、
上記第２の樹脂フレーム及び上記電解質膜の外周縁部が孔を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のフレーム付き膜電極接合体。

【請求項3】

上記突起が、第１の樹脂フレームの内周縁部及び第２の樹脂フレームのいずれか一方又は双方に開口部の周縁に沿って均一間隔を設けて配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフレーム付き膜電極接合体。

【請求項4】

上記突起の一部又は全部の平面形状が、矩形であって、
上記突起は、該矩形の長辺が上記第１の樹脂フレームの内周縁部及び第２の樹脂フレームのいずれか一方又は双方の開口部の周縁に沿って配設されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のフレーム付き膜電極接合体。

【請求項5】

上記突起の一部又は全部の平面形状が、楕円形であって、
上記突起は、該楕円形の長径が上記第１の樹脂フレームの内周縁部及び第２の樹脂フレームのいずれか一方又は双方の開口部の周縁に沿って配設されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のフレーム付き膜電極接合体。

【請求項6】

上記突起のうち上記第１の樹脂フレームの内周縁部及び第２の樹脂フレームのいずれか一方又は双方の入隅部及び出隅部の一方又は双方に配設される突起の平面形状が、扇形であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のフレーム付き膜電極接合体。

【請求項7】

上記突起の一部又は全部は、平面方向において上記接合層の位置より外周側に配設されており、
上記突起が配置される位置に対応する孔が配置される位置における上記第１の樹脂フレームの内周縁部及び第２の樹脂フレームのいずれか一方又は双方の厚さが、上記接合層が配置される位置における上記第１の樹脂フレームの内周縁部及び第２の樹脂フレームのいずれか一方又は双方の厚さより厚い
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載のフレーム付き膜電極接合体。

【請求項8】

上記第１の樹脂フレームの内周縁部及び上記第２の樹脂フレームのいずれか一方又は双方にリブが配設されており、
上記突起又は上記孔が上記リブに配設されている
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載のフレーム付き膜電極接合体。

【請求項9】

上記第１の樹脂フレームが、当該樹脂フレームの基部と上記内周縁部との間に上記開口部の周縁に沿って形成され、かつ、当該樹脂フレームの厚さ分に相当する段差部を有し、
上記内周縁部が、上記段差部により当該樹脂フレームの片側面に偏倚した形状を有する
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載のフレーム付き膜電極接合体。

【請求項10】

請求項１〜９のいずれか１つの項に記載のフレーム付き膜電極接合体と、
上記フレーム付き膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備える
ことを特徴とする燃料電池単セル。

【請求項11】

請求項１０に記載の燃料電池単セルが複数積層された構造を有することを特徴とする燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタックに関するものである。特に、固体高分子形燃料電池に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、簡単な工程で、段差電解質膜・電極構造体を構成する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が提案されている（特許文献１参照。）。

【0003】

この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法は、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、第１ガス拡散層の平面寸法は、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電解質膜・電極構造体と、固体高分子電解質膜の外周を周回し、第２ガス拡散層側に突出する薄肉状の内周突部と、内周突部の基端部を構成し、第１ガス拡散層の外周端部に対向する内側壁部とが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・電極構造体の製造方法である。そして、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法は、第２ガス拡散層の外周を周回して固体高分子電解質膜と樹脂製枠部材の内周突部とを、接着層により接合する第１の工程と、を有し、第１の工程は、樹脂製枠部材の内周突部に、内側壁部の近傍に位置して第１接着剤を塗布する工程と、第１接着剤が半硬化した後、内周突部に、第１接着剤の塗布範囲以外の範囲に第２接着剤を塗布し、第１接着剤及び第２接着剤により、固体高分子電解質膜の外周縁部と樹脂製枠部材の内周突部とを接合する工程とを有する。また、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法の好適形態として、第１ガス拡散層の外周端部と樹脂製枠部材の内側壁部とを、樹脂含浸部により接合する第２の工程を有する製造方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−１３１４１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載の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あっては、第１ガス拡散層の外周端部と樹脂製枠部材の内側壁部とを、樹脂含浸部により接合する第２の工程を有するため、工程の処理時間が長く、量産性に問題点があった。

【0006】

また、特許文献１に記載の製造方法によって作製された燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体にあっては、膜電極接合体とフレームとを接合する場合に、これらに位置決めをする機能が備わっておらず、組み付ける際に接合位置にバラツキが生じるため、生産性に問題点があった。

【0007】

更に、特許文献１に記載の製造方法によって作製された燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体にあっては、樹脂含浸部により接合しない場合、一般にフッ素系高分子が適用される膜電極接合体とフレームとを接着剤を用いて接合するのみでは、化学的に安定なフッ素系高分子に対して化学的な接着力を生じさせることができず、例えば、燃料電池の運転中における運転圧力変化や温湿度変化などの環境変化に対する高い要求によっては、接合された膜電極接合体とフレームとが剥離するおそれがあった。

【0008】

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、量産性や生産性に優れ、膜電極接合体とフレームとの接合強度を十分に確保し得るフレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタック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】

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。そして、その結果、所定の電解質膜の両面の外周縁部の一部を接着剤又は粘着剤から成る接合層を介して所定の第１の樹脂フレームの内周縁部と該内周縁部に相対向する所定の上記第２の樹脂フレームとにより挟持した構造を有する構成とすることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

【0010】

すなわち、本発明のフレーム付き膜電極接合体は、電解質膜を一対の電極層で挟持した膜電極接合体と、上記膜電極接合体の一方の電極層側に配設され上記膜電極接合体を配置する開口部と複数のマニホールド穴とを有する第１の樹脂フレームと、上記膜電極接合体の他方の電極層側に配設され上記膜電極接合体を配置する開口部を有し上記第１の樹脂フレームの内周縁部に相対向して配置される第２の樹脂フレームと、上記電解質膜の外周縁部を第１の樹脂フレームの内周縁部及び第２の樹脂フレームに接合する接着剤又は粘着剤から成る接合層と、上記第１の樹脂フレームの内周縁部及び上記第２の樹脂フレームの少なくとも一方に形成される突起と、上記突起が挿入され上記第１の樹脂フレームの内周縁部及び上記第２の樹脂フレームの他方及び上記電解質膜の外周縁部に形成される孔とを備え、上記電解質膜の外周縁部を上記第１の樹脂フレームの内周縁部と該内周縁部に相対向する上記第２の樹脂フレームとで挟持して固定したこと特徴とする。

【0011】

また、本発明の燃料電池単セルは、上記本発明のフレーム付き膜電極接合体と、フレーム付き膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備えるものである。

【0012】

更に、本発明の燃料電池スタックは、上記本発明の燃料電池単セルが複数積層された構造を有するものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、電解質膜を一対の電極層で挟持した膜電極接合体と、上記膜電極接合体の一方の電極層側に配設され上記膜電極接合体を配置する開口部と複数のマニホールド穴とを有する第１の樹脂フレームと、上記膜電極接合体の他方の電極層側に配設され上記膜電極接合体を配置する開口部を有し上記第１の樹脂フレームの内周縁部に相対向して配置される第２の樹脂フレームと、上記電解質膜の外周縁部を第１の樹脂フレームの内周縁部及び第２の樹脂フレームに接合する接着剤又は粘着剤から成る接合層と、上記第１の樹脂フレームの内周縁部及び上記第２の樹脂フレームの少なくとも一方に形成される突起と、上記突起が挿入され上記第１の樹脂フレームの内周縁部及び上記第２の樹脂フレームの他方及び上記電解質膜の外周縁部に形成される孔とを備え、上記電解質膜の外周縁部を上記第１の樹脂フレームの内周縁部と該内周縁部に相対向する上記第２の樹脂フレームとで挟持して固定した構成とした。そのため、量産性や生産性に優れ、膜電極構造体が突起と孔とが嵌合した構造により引き抜かれにくく、膜電極接合体とフレームとの接合強度を十分に確保し得るフレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタックを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを説明する斜視図（Ａ）及び分解状態の斜視図（Ｂ）である。

【図2】図２は、図１に示す燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルを説明する分解状態の斜視図である。

【図3】図３は、図１に示す燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体を説明する斜視図である。

【図4】図４は、図１に示す燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体を説明する分解状態の斜視図（Ａ）及びその要部を説明ずる拡大斜視図（Ｂ）である。

【図5】図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する拡大斜視図である。

【図6】図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する上面図（Ａ）及びその拡大図（Ｂ）である。

【図7】図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する上面図（Ａ）及びその拡大図（Ｂ）である。

【図8】図８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する上面図（Ａ）及びその拡大図（Ｂ）である。

【図9】図９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する上面図（Ａ）及びその拡大図（Ｂ）である。

【図10】図１０は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルの要部を説明する断面図である。

【図11】図１１は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する平面図（Ａ）及び（Ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図（Ｂ）である。

【図12】図１２は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の図３中の包囲線Ｚと同様の位置の線で囲んだフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の一実施形態に係るフレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタックについて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

【0016】

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを説明する斜視図（Ａ）及び分解状態の斜視図（Ｂ）である。そして、図２は、図１に示す燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルを説明する分解状態の斜視図である。また、図３は、図１に示す燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体を説明する斜視図である。更に、図４は、図１に示す燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体を説明する分解状態の斜視図（Ａ）及びその要部を説明ずる拡大斜視図（Ｂ）である。

【0017】

図１（Ｂ）に示すように、第１の実施形態に係る燃料電池スタックＦＳは、燃料電池単セルＣを複数枚積層して一体化した複数の燃料電池モジュールＭと、燃料電池モジュールＭ同士の間に介装するシールプレートＰとを備えている。図示例の燃料電池単セルＣ及びシールプレートＰは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状である。なお、図１（Ｂ）には、２つの燃料電池モジュールＭと、１つのシールプレートＰを示しているが、実際には、それ以上の数の燃料電池モジュールＭ及びシールプレートＰを積層する。

【0018】

また、燃料電池スタックＦＳは、燃料電池モジュールＭの積層方向の両端部に、エンドプレート５６Ａ，５６Ｂをそれぞれ配置し、燃料電池単セルＣの長辺側の積層端面（図１中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、短辺側の積層端面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８Ｂは、燃料電池モジュールＭ及びシールプレートＰからなる積層体Ａの積層方向全長にわたる大きさを有し、図示しないボルトにより、両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂに連結する。

【0019】

このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図１（Ａ）に示すようなケース一体型構造となり、各燃料電池モジュールＭ及びシールプレートＰを積層方向に拘束・加圧して個々の燃料電池単セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。

【0020】

また、図２に示すように、燃料電池単セルＣは、フレーム付き膜電極接合体１と、セパレータ６Ａ，６Ｂとを備えており、セパレータ６Ａ，６Ｂが、フレーム付き膜電極接合体１を挟持した構造を有している。なお、後述する第１の樹脂フレーム３とセパレータ６Ａ，６Ｂは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状である。

【0021】

更に、図２に示すように、フレーム付き膜電極接合体１は、膜電極接合体２と、第１の樹脂フレーム３と、第２の樹脂フレーム４とを備えている。この膜電極接合体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、固体高分子からなる電解質膜２１を一対の電極層（アノード、カソード）２２で挟持した構造を有している。また、この電解質膜２１は、両面の外周縁部２ａが露出した構造を有する。更に、この膜電極接合体２は、アノードにアノードガス（水素含有ガス）が供給されると共に、カソードにカソードガス（酸素含有ガス・空気）が供給されて、電気化学反応により発電をする。なお、図示しないが、膜電極接合体としては、アノードとカソードの表面に、カーボンペーパや多孔質体等から成るガス拡散層を備えたものも含まれる。

【0022】

各セパレータ６Ａ，６Ｂは、表裏反転形状を有する金属製の板部材であって、例えば、ステンレス製であり、プレス加工により適宜の形状に成形することができる。各セパレータ６Ａ，６Ｂは、膜電極接合体２に対応する中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は図示の如く長辺方向に連続している。

【0023】

フレーム付き膜電極接合体１とセパレータ６Ａ，６Ｂは、短辺側の両端部に、各三個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６を有している。図１〜図３の左側に示す各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、カソードガス排出用（Ｈ１）、冷却用流体排出用（Ｈ２）及びアノードガス供給用（Ｈ３）であり、積層方向に互いに連通してそれぞれの流路を形成する。また、図１〜図３の右側に示す各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、アノードガス排出用（Ｈ４）、冷却流体供給用（Ｈ５）及びカソードガス供給用（Ｈ６）であり、積層方向に互いに連通してそれぞれの流路を形成する。なお、供給用と排出用は一部又は全部が逆の位置関係でもよい。

【0024】

上記の燃料電池単セルＣは、所定枚数を積層して燃料電池モジュールＭを形成する。このとき、隣接する燃料電池単セルＣ同士の間には、冷却用流体（例えば水）の流路を形成し、隣接する燃料電池モジュールＭ同士の間にも冷却用流体の流路を形成する。したがって、シールプレートＰは、燃料電池モジュールＭ同士の間、すなわち冷却用流体の流路内に配置されている。

【0025】

シールプレートＰは、導電性の一枚の金属板を成形したものであり、平面視において上記した燃料電池単セルＣとほぼ同じ矩形板状で且つ同じ大きさに形成され、両短辺側には、燃料電池単セルＣと同様のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が形成されている。このシールプレートＰは、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の各周囲に、図示しないシール部材を備えると共に、その周縁部分に、外周シール部材５１及び内周シール部材５２が、全周にわたって平行に設けてあり、外周シール部材５１により外部からの雨水等の浸入を防止すると共に、内周シール部材５２により燃料電池モジュールＭ間の流路を流通する冷却用流体の漏出を防止する。

【0026】

更に、図２及び図３に示すように、第１の樹脂フレーム３及び第２の樹脂フレーム４は、開口部３ａ，４ａを有しており、そして、第１の樹脂フレーム３及び第２の樹脂フレーム４は、膜電極接合体２の周囲に、かつ、一対の電極層の一方の側及び他方の側に配設される。このようにして、膜電極接合体２は第１の樹脂フレーム３及び第２の樹脂フレーム４の開口部３ａ，４ａに配置される。

【0027】

また、図２及び図３に示すように、第２の樹脂フレーム４は、第１の樹脂フレーム３の内周縁部３ｂと同程度の寸法・形状を有している。第２の樹脂フレーム４は、図示例のように一体であるものが好ましい。しかしながら、これに限定されるものではなく、図示しないが、別体であっても良い。そして、電解質膜２１の露出した外周縁部２ａは、第１の樹脂フレーム３の内周縁部３ｂと第２の樹脂フレーム４により接合層５Ａ，５Ｂを介して挟持されている。ここで、接合層５Ａ，５Ｂは、接着剤や粘着剤から成るものである。接合層５Ａ，５Ｂは、図示例のように一体に形成されたものであっても良いが、別体に形成されたものであっても良い（図示せず。）。

【0028】

なお、図２及び図３に示すように、第１の樹脂フレーム３及び各セパレータ６Ａ，６Ｂの周縁部や、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲には、シール部材Ｓが連続的に配置してある。これらのシール部材Ｓは、接着剤としても機能するもので、フレーム付き膜電極接合体１とセパレータ６Ａ，６Ｂとを気密的に接合する。また、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に配置したシール部材Ｓは、各マニホールドの気密性を維持する一方で、各層間に応じた流体を供給するために該当箇所に開口を有している。

【0029】

更に、図４に示すように、第１の樹脂フレーム３の内周縁部３ｂ及び第２の樹脂フレーム４のいずれか一方又は双方は、突起３ｄ、４ｄ、第１の樹脂フレーム３の内周縁部３ｂ及び第２の樹脂フレーム４のいずれか他方、又は双方、及び電解質膜２１の外周縁部２ａは、孔３ｃ、４ｃ、２ｃを有している。そして、組立状態においては、孔３ｃ、４ｃ、２ｃに突起３ｄ、４ｄが嵌合された構造を有する。なお、図中の２１は電解質膜、２２は電極層（図示例では、上側がカソード、下側がアノードである。）を示す。また、孔や突起は、例えば、従来公知の射出成形やプレス成形、機械加工などによって形成することができる。また、例えば、プレス形成や機械加工により微小なバリが生じる場合、そのバリを接合層側に配置することによって、電解質膜と樹脂フレームとの接合強度を高めることができる。

【0030】

なお、本実施形態の構成は、アノードとカソードと入れ替えた場合にも適用することができるが、燃料電池の運転中における運転圧力変化や温湿度変化などの環境変化において、カソード側と比較してアノード側を高圧とすることが多いため、第１の樹脂フレームへの応力集中を考慮した場合、図示した如く、第２樹脂フレームをカソード側に配置することが好ましい。

【0031】

このように電解質膜の露出した外周縁部を接着剤又は粘着剤から成る接合層を介して第１の樹脂フレームの内周縁部と内周縁部に相対向する第２の樹脂フレームとで挟み込んで接合すると共に、第１の樹脂フレーム及び第２の樹脂フレームのいずれか一方又は双方が有する突起と、第１の樹脂フレーム及び第２の樹脂フレームのいずれか他方又は双方が有する孔、及び電解質膜が有する孔とにおいて、孔に突起が嵌合された構成とすることによって、量産性や生産性に優れ、膜電極構造体が突起と孔とが嵌合した構造により引き抜かれにくく、膜電極接合体とフレームとの接合強度を十分に確保し得るフレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタックを提供することができる。また、生産性が良く、組み付ける際に接合位置のバラツキが生じにくいため、接合面積のバラツキが生じた場合の極間リーク増加を抑制でき、それに伴う性能低下などの各種性能低下が抑制されたフレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタックを提供することができる。

【0032】

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する拡大斜視図である。なお、本実施形態においては、第１の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図示しない他の構成は、第１の実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。図５に示すように、本実施形態においては、第１の樹脂フレーム３の内周縁部３ｂが突起３ｄを有し、第２の樹脂フレーム４及び電解質膜２１の外周縁部２ａが孔４ｃ，２ｃを有するという構成が、第１の形態と相違している。なお、図示しないが、アノードとカソードと入れ替えた場合においても、本実施形態の構成を採用することができる。

【0033】

このような構成とすることによって、製造工程において、通常、取り扱いの観点から下側に配置される第１の樹脂フレームの突起に対して、電解質膜及び第２の樹脂フレームの孔を嵌合させればよいため、位置決めが容易となる。その結果、量産性や生産性に優れ、膜電極接合体とフレームとの接合強度を十分に確保することができる。

【0034】

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する上面図（Ａ）及びその拡大図（Ｂ）である。なお、本実施形態においては、第１又は第２の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図示しない他の構成は、第１又は第２の実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。図６に示すように、本実施形態においては、突起３ｄが、第１の樹脂フレーム３の内周縁部３ｂに開口部３ａの周縁に沿って均一間隔を設けて配設されており、同様に配設された第２の樹脂フレーム４の孔４ｃに嵌合しているという構成が、第１又は第２の形態と相違している。なお、図示しないが、アノードとカソードと入れ替えた場合においても、本実施形態の構成を採用することができる。

【0035】

このような構成とすることにより、膜電極構造体が全体に均一に配設された突起と孔とが嵌合した構造により更に引き抜かれにくくなる。その結果、量産性や生産性に優れ、膜電極接合体とフレームとの接合強度を十分に確保することができる。

【0036】

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する上面図（Ａ）及びその拡大図（Ｂ）である。なお、本実施形態においては、第１〜第３のいずれかの実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図示しない他の構成は、第１〜第３のいずれかの実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。図７に示すように、本実施形態においては、突起３ｄの全部の平面形状が、矩形であり、その突起３ｄが、矩形の長辺が第１の樹脂フレーム３の内周縁部３ｂの開口部３ａの周縁に沿って配設されているという構成が、第１〜第３の形態と相違している。なお、図示しないが、矩形においては角が丸いものであることが、引っ張り応力が入った場合の応力緩和の観点から好ましい。また、図示しないが、突起の一部の平面形状を異なるものとすることもできる。更に、図示しないが、アノードとカソードと入れ替えた場合においても、本実施形態の構成を採用することができる。

【0037】

このような構成とすることにより、膜電極構造体の引っ張りに対する受圧面積が大きい突起と孔とが嵌合した構造により更に引き抜かれにくくなる。その結果、量産性や生産性に優れ、膜電極接合体とフレームとの接合強度を十分に確保することができる。

【0038】

（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する上面図（Ａ）及びその拡大図（Ｂ）である。なお、本実施形態においては、第１〜４のいずれかの実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図示しない他の構成は、第１〜第４のいずれかの実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。図８に示すように、本実施形態においては、突起３ｄの全部の平面形状が、楕円形であり、その突起３ｄが、楕円形の長径が第１の樹脂フレーム３の内周縁部３ｂの開口部３ａの周縁に沿って配設されているという構成が、第１〜第４の形態と相違している。なお、図示しないが、突起の一部の平面形状を異なるものとすることもできる。また、図示しないが、アノードとカソードと入れ替えた場合においても、本実施形態の構成を採用することができる。

【0039】

このような構成とすることにより、膜電極構造体の引っ張りに対する受圧面積が大きい突起と孔とが嵌合した構造により更に引き抜かれにくくなる。その結果、量産性や生産性に優れ、膜電極接合体とフレームとの接合強度を十分に確保することができる。

【0040】

（第６の実施形態）
図９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する上面図（Ａ）及びその拡大図（Ｂ）である。なお、本実施形態においては、第１〜第５のいずれかの実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図示しない他の構成は、第１〜第５のいずれかの実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。図９に示すように、本実施形態においては、突起３ｄのうち第１の樹脂フレーム３の内周縁部３ｂの入隅部に配設される突起３ｄの平面形状が、扇形であるという構成が、第１〜第５の形態と相違している。なお、図示しないが、第２の樹脂フレームの出隅部に平面形状が扇形の突起を設けた場合であっても、所望の効果が得られるため、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。また、図示しないが、アノードとカソードと入れ替えた場合においても、本実施形態の構成を採用することができる。

【0041】

このような構成とすることにより、膜電極構造体の中心方向に向かう引っ張りに対する受圧面積が大きい突起と孔とが嵌合した構造により更に引き抜かれにくくなる。その結果、量産性や生産性に優れ、膜電極接合体とフレームとの接合強度を十分に確保することができる。

【0042】

（第７の実施形態）
図１０は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルの要部を説明する断面図である。なお、本実施形態においては、第１〜第６のいずれかの実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図示しない他の構成は、第１〜第６のいずれかの実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。図１０に示すように、本実施形態においては、突起３ｄが、平面方向において接合層５Ａ，５Ｂの位置より外周側に配設されており、突起３ｄが配置される位置に対応する孔４ｃが配置される位置における第１の樹脂フレーム３の内周縁部３ｂ及び第２の樹脂フレーム４の双方の厚さが、接合層５Ａ，５Ｂが配置される位置における第１の樹脂フレーム３の内周縁部３ｂ及び第２の樹脂フレーム４の双方の厚さより厚いという構成が、第１〜第６の形態と相違している。なお、図示しないが、突起が配置される位置に対応する孔が配置される位置における第１の樹脂フレーム３の内周縁部又は第２の樹脂フレームの厚さが、接合層が配置される位置における対応する第１の樹脂フレーム３の内周縁部又は第２の樹脂フレームの厚さより厚い場合であっても、所望の効果が得られるため、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。また、図示しないが、アノードとカソードとの位置が上下いずれの場合においても、本実施形態の構成を採用することができる。

【0043】

このような構成とすることにより、膜電極構造体が突起と孔とが嵌合した構造により引き抜かれにくくなる。その結果、量産性や生産性に優れ、膜電極接合体とフレームとの接合強度を十分に確保することができる。また、接合層を減らす必要がないため、極間リークをより抑制できる。更に、樹脂フレームの厚さが厚い位置で突起と孔とが嵌合した構造を形成することができるので、接合強度をより高くすることができる。また、プレス加工による金属セパレータなど、接合部に荷重をかけるセパレータ構造とした場合、接合部がリブ形状、接合部両側が溝形状となる場合があるが、その場合、接合層より外側の部位にガスが流通すると、そのガスは反応に供されず無駄になるが、その部位を樹脂フレームで塞ぐことができるため、無駄なガス流れを抑制することができる。

【0044】

（第８の実施形態）
図１１は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する平面図（Ａ）及び（Ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図（Ｂ）である（但し、第２の樹脂フレーム側のみ示す。）。なお、本実施形態においては、第１〜第７のいずれかの実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図示しない他の構成は、第１〜第７のいずれかの実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。図１１に示すように、本実施形態においては、第２の樹脂フレーム４にリブ４ｅが配設されており、孔４ｃがリブ４ｅに配設されているという構成が、第１〜第７の形態と相違している。なお、孔４ｃには突起３ｄが嵌合されている。また、図示しないが、アノードとカソードとの位置が上下いずれの場合においても、本実施形態の構成を採用することができ、リブについてはアノード側とカソード側の双方に設けることができる。

【0045】

このような構成とすることにより、膜電極構造体が突起と孔とが嵌合した構造により引き抜かれにくくなる。その結果、量産性や生産性に優れ、膜電極接合体とフレームとの接合強度を十分に確保することができる。また、樹脂フレームの厚さが厚い位置で突起と孔とが嵌合した構造を形成することができるので、接合強度をより高くすることができる。

【0046】

（第９の実施形態）
図１２は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の図３中の包囲線Ｚと同様の位置の線で囲んだフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する斜視図である。なお、本実施形態においては、第１〜第８のいずれかの実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図示しない他の構成は、第１〜第８のいずれかの実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。図１２に示すように、本実施形態においては、第１の樹脂フレーム３が、当該樹脂フレームの基部３ｆと内周縁部３ｂとの間に開口部の周縁に沿って形成され、かつ、当該樹脂フレームの厚さ分に相当する段差部３ｇを有し、内周縁部３ｂが、段差部３ｇにより当該樹脂フレームの片側面に偏倚した形状を有するという構成が、第１〜第８の形態と相違している。なお、図示しないが、アノードとカソードとの位置が上下いずれの場合においても、本実施形態の構成を採用することができる。

【0047】

このような構成とすることにより、第１の樹脂フレームの強度を向上させることが可能となる。その結果、量産性や生産性に優れ、膜電極接合体とフレームとの接合強度を十分に確保することができる。また、樹脂フレームの厚さが厚い位置で突起と孔とが嵌合した構造を形成することができるので、接合強度をより高くすることができる。

【0048】

以上、本発明を若干の実施形態によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

【0049】

例えば、上述した各形態におけるフレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタックに記載した構成は、各形態毎に限定されるものではなく、例えば、各形態の構成を上述した各形態以外の組み合わせにしたり、構成の細部を変更したりすることができる。

【符号の説明】

【0050】

ＦＳ 燃料電池スタック
Ｍ 燃料電池モジュール
Ｃ 燃料電池単セル
Ｐ シールプレート
Ａ 積層体
Ｈ１〜Ｈ６ マニホールド穴
Ｓ シール部材
１ フレーム付き膜電極接合体
２ 膜電極接合体
２ａ 外周縁部
２ｃ，３ｃ，４ｃ 孔
３ 第１の樹脂フレーム
３ａ，４ａ 開口部
３ｂ 内周縁部
３ｄ，４ｄ 突起
４ 第２の樹脂フレーム
５Ａ，５Ｂ 接合層
６Ａ，６Ｂ セパレータ
２１ 電解質層
２２ 電極層
５１ 外周シール部材
５２ 内周シール部材
５６Ａ，５６Ｂ エンドプレート
５７Ａ，５７Ｂ 締結板
５８Ａ，５８Ｂ 補強板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】