特許 6442393 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体

(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】6442393

(24)【登録日】2018年11月30日

(45)【発行日】2018年12月19日

(54)【発明の名称】燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0273 20160101AFI20181210BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20181210BHJP

   H01M 8/1004 20160101ALI20181210BHJP

   H01M 4/86 20060101ALI20181210BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/0273

   H01M8/10 101

   H01M8/1004

   H01M4/86 M

【請求項の数】1

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-208423(P2015-208423)

(22)【出願日】2015年10月22日

(65)【公開番号】特開2017-84462(P2017-84462A)

(43)【公開日】2017年5月18日

【審査請求日】2017年11月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100149261

【弁理士】

【氏名又は名称】大内 秀治

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(72)【発明者】

【氏名】大森 優

(72)【発明者】

【氏名】木村 義人

(72)【発明者】

【氏名】藤塚 竜吾

(72)【発明者】

【氏名】田中 慎太郎

(72)【発明者】

【氏名】田中 之人

(72)【発明者】

【氏名】谷 雅樹

【審査官】 菊地 リチャード平八郎

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／１３７６０９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−１２３４９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１９２３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２１００６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−６０６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２３９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１５０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５１４１４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／１０

Ｈ０１Ｍ ４／８６

(57)【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電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第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電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第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、
前記樹脂枠部材は、前記第２電極側に膨出する内側膨出部と、
前記内側膨出部の外周端部に、段差部を介して厚さ方向に前記内側膨出部の内周側より肉厚となり、前記固体高分子電解質膜の外周端縁部に当接する棚部と、
前記第１ガス拡散層の外周縁部が厚さ方向に圧縮された薄肉部が、樹脂により含浸された樹脂含浸領域と、
を有し、
前記棚部の棚部起点位置、前記薄肉部の内側端部である薄肉部起点位置、及び前記樹脂含浸領域の内側端部である含浸領域起点位置の順に、外方に離間して配置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、固体高分子電解質膜を平面寸法の異なる第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の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、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、発電セル（単位燃料電池）が構成されている。発電セルは、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、外周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として、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用電解質膜・電極構造体及びその製造方法が知られている。この電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂製枠部材が設けられるとともに、前記樹脂製枠部材と、少なくとも第１電極の外周縁部又は前記第２電極の外周縁部のいずれか一方とを一体に接合させる含浸部を有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】国際公開第２０１２／１３７６０９号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、特に平面寸法の大きなガス拡散層の外周縁部と樹脂製枠部材とを含浸部により一体に接合させる場合、ＭＥＡが配置される前記樹脂製枠部材の部分が前記含浸部の受け側となっている。このため、樹脂製枠部材の形状によっては、含浸時に含浸部に荷重が均一に印加されないおそれがある。従って、樹脂製枠部材に割れ等の損傷が惹起したり、含浸不足が発生したりして、安定した接合品質が得られない場合がある。

【0008】

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、安定した品質の含浸部を確実且つ容易に得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電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第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電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第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、樹脂枠部材は、内側膨出部、棚部及び樹脂含浸領域を有している。内側膨出部は、第２電極側に膨出するとともに、棚部は、前記内側膨出部の外周端部に、段差部を介して厚さ方向に前記内側膨出部の内周側より肉厚となり、固体高分子電解質膜の外周端縁部に当接している。樹脂含浸領域は、第１ガス拡散層の外周縁部が厚さ方向に圧縮された薄肉部が、樹脂により含浸されている。

【0011】

そして、樹脂枠部材では、棚部の棚部起点位置、薄肉部の内側端部である薄肉部起点位置、及び樹脂含浸領域の内側端部である含浸領域起点位置の順に、外方に離間して配置されている。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、含浸時に樹脂含浸領域の受け部となる樹脂枠部材の棚部の棚部起点位置は、薄肉部起点位置及び含浸領域起点位置よりも内側に配置されている。このため、含浸時の加熱及び加圧用型部材は、樹脂枠部材の棚部の範囲内に配置され、前記型部材を前記棚部により確実に受けることができる。従って、樹脂枠部材の損傷を可及的に抑制し、簡単な構成で、安定した品質の樹脂含浸領域を確実且つ容易に得ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明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発電セルの要部分解斜視説明図である。

【図2】前記発電セルの、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一部断面斜視説明図である。

【図5】樹脂突起部を溶融して樹脂含浸部を形成する接合装置の説明図である。

【図6】前記接合装置による動作説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１及び図２に示すように、本発明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発電セル１２に組み込まれる。複数の発電セル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。

【0015】

発電セル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。

【0016】

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、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）１８を有する。固体高分子電解質膜１８は、アノード電極（第１電極）２０及びカソード電極（第２電極）２２に挟持される。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）系電解質を使用することができる。

【0017】

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（外形寸法）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。

【0018】

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、同一の平面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）の平面寸法に設定される。

【0019】

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の外周端面２２ｂｅから外方に突出しており、前記第２ガス拡散層２２ｂよりも大きな平面寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜１８よりも小さな平面寸法に設定される。

【0020】

なお、第２電極触媒層２２ａと第２ガス拡散層２２ｂとは、同一の平面寸法に設定されてもよく、前記第２電極触媒層２２ａは、前記第２ガス拡散層２２ｂよりも小さな平面寸法を有してもよい。

【0021】

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、イオン導電性高分子バインダとともに第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、イオン導電性高分子バインダとともに第２ガス拡散層２２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。

【0022】

第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成される。第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法は、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、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（樹脂フィルムも含む）２４を備える。

【0024】

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）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、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等で構成される。

【0025】

樹脂枠部材２４は、枠形状を有するとともに、図３に示すように、外周端部から内方に所定の長さに亘って厚さｔ１を有する薄肉部２４ａを有する。樹脂枠部材２４には、段差部２４ｓを介してカソード電極２２側に膨出する薄肉状に形成された内側膨出部２４ｂが設けられる。内側膨出部２４ｂは、内側角部にＲ（湾曲面）が設けられる内周端面２４ｂｅを有する。

【0026】

樹脂枠部材２４には、内側膨出部２４ｂの外周端部に、段差部２４ｓを介して厚さ方向に前記内側膨出部２４ｂの内周側より肉厚となるとともに、固体高分子電解質膜１８の外周面部１８ｂｅに当接する棚部２４ｃが設けられる。

【0027】

図３に示すように、薄肉部２４ａの外周シール面２４ｆに連なる面には、後述するように、樹脂突起部２４ｔを溶融させることにより、額縁状の樹脂溶融部２６が形成される。樹脂溶融部２６は、一部がアノード電極２０を構成する第１ガス拡散層２０ｂの外周縁部が厚さ方向に圧縮された薄肉部２０ｂｔに含浸された額縁状の樹脂含浸領域２６ａを有し、前記樹脂溶融部２６は、最外周から前記樹脂含浸領域２６ａに亘って段差のない平坦面を構成する。

【0028】

樹脂枠部材２４には、樹脂突起部２４ｔよりも外方に位置し、前記樹脂突起部２４ｔよりも厚さ方向に薄く且つ該樹脂突起部２４ｔを溶融させることにより樹脂溶融部２６に埋設される枠状の土手部２４ｄが設けられる。樹脂枠部材２４の最外周には、樹脂溶融部２６の最外周に外側段差２６ｓを介して厚さ方向に前記樹脂溶融部２６よりも薄い薄肉部２４ａが設けられる。

【0029】

薄肉部２４ａは、厚さｔ１を有する一方、樹脂溶融部２６は、前記薄肉部２４ａの表面である外周シール面２４ｆから厚さｔ２だけ肉厚となり、全体として厚さｔ３に設定される。樹脂溶融部２６の表面は、第１ガス拡散層２０ｂの表面から厚さｔ４だけ薄肉に形成される。第１ガス拡散層２０ｂは、傾斜面２０ｂｒを介して樹脂含浸領域２６ａに向かって内方に傾斜し、薄肉状に形成される。

【0030】

樹脂突起部２４ｔの溶融起点Ｐ０から樹脂含浸領域２６ａ（樹脂溶融部２６）の内周端部である含浸領域起点位置Ｐ１までの距離Ｓ１が設定される。溶融起点Ｐ０から第１ガス拡散層２０ｂの薄肉部２０ｂｔの内側端部である薄肉部起点位置Ｐ２までの距離Ｓ２が設定される。溶融起点Ｐ０から棚部２４ｃの棚部起点位置Ｐ３までの距離Ｓ３が設定される。

【0031】

具体的には、距離Ｓ１＜距離Ｓ２＜距離Ｓ３の関係に設定される。棚部２４ｃの棚部起点位置Ｐ３、第１ガス拡散層２０ｂの薄肉部２０ｂｔの薄肉部起点位置Ｐ２、及び樹脂溶融部２６の含浸領域起点位置Ｐ１の順に、外方に離間して配置される。換言すれば、棚部起点位置Ｐ３、薄肉部起点位置Ｐ２及び含浸領域起点位置Ｐ１は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０の中央から外側に向かって、順次、配置される。

【0032】

図２及び図３に示すように、内側膨出部２４ｂと段差ＭＥＡ１０ａとの間には、充填室２７が設けられるとともに、前記充填室２７には、接着剤層２８が形成される。接着剤層２８には、接着剤として、例えば、液状シールやホットメルト剤が設けられる。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。

【0033】

図１に示すように、発電セル１２の矢印Ｂ方向（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３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ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３２ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔３４ｂ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３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

【0034】

発電セル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３４ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。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は、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。酸化剤ガス流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）を有する。

【0036】

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が設けられる。燃料ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）を有する。

【0037】

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、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

【0038】

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。

【0039】

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を構成する樹脂枠部材２４の外周シール面２４ｆに当接する第１凸状シール４２ａを有する。第１シール部材４２は、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を有する。第２シール部材４４は、第２凸状シール４２ｂに当接する面がセパレータ面に沿って均一な厚さを有して延在する平面シール部４４ｆ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）を設ける一方、第１シール部材４２に平面シール部を構成してもよい。

【0040】

第１シール部材４２及び第２シール部材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。

【0041】

次いで、本実施形態に係る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。

【0042】

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。樹脂枠部材２４は、図４に示すように、外周端部に厚さｔ１を有する薄肉部２４ａを設けるとともに、前記薄肉部２４ａより内方の内側部２４ｇは、厚さｔ５に設定される。なお、厚さｔ１と厚さｔ５とは、同一の寸法であってもよく、又は、異なる寸法であってもよい。内側部２４ｇには、樹脂突起部２４ｔ及び土手部２４ｄが厚さ方向に突出して一体に設けられる。樹脂突起部２４ｔ及び土手部２４ｄは、枠形状を有する。内側部２４ｇの内周端部には、段差部２４ｓを介して薄肉状の内側膨出部２４ｂが一体成形される。

【0043】

そこで、固体高分子電解質膜１８の外周面部１８ｂｅ上に、接着剤が、例えば、図示しないディスペンサーを介して塗布される。固体高分子電解質膜１８の外周面部１８ｂｅと樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ｂとの接合部位は、接着剤が塗布された状態で、加熱及び加圧処理される。このため、接着剤が硬化して接着剤層２８が得られる。

【0044】

次に、図５及び図６に示すように、接合装置５０により樹脂突起部２４ｔを溶融して樹脂溶融部２６が形成される。接合装置５０は、樹脂枠部材２４を載置する基台（金型）５２と前記基台５２に対して進退自在な可動金型５４とを備える。可動金型５４は、枠形状を有し、内側端部５４inと外側端部５４outとの幅寸法Ｈ１は、樹脂溶融部２６の幅寸法Ｈ２よりも僅かに大きな寸法を有する（図６参照）。可動金型５４の内側端部５４inにより、第１ガス拡散層２０ｂの薄肉部２０ｂｔの薄肉部起点位置Ｐ２が設定される。

【0045】

基台５２上には、接着剤層２８により固定された樹脂枠部材２４と段差ＭＥＡ１０ａとが載置される。樹脂枠部材２４は、樹脂突起部２４ｔが上方に、すなわち、可動金型５４側に向かって配置される。そして、可動金型５４は、所定の温度に加熱された状態で下降することにより、樹脂突起部２４ｔを加熱及び加圧する。

【0046】

このため、樹脂枠部材２４の樹脂突起部２４ｔは、可動金型５４により加熱及び加圧されて溶融される。樹脂突起部２４ｔは、可動金型５４の加熱面に沿って幅方向（矢印Ｃ方向）に広がるように溶融される。溶融樹脂は、内側に流動した一部が第１ガス拡散層２０ｂの外周縁部に含浸される一方、外側に流動して土手部２４ｄを乗り越えて薄肉部２４ａの端部に至る。

【0047】

図６に示すように、可動金型５４は、樹脂枠部材２４の外周シール面２４ｆより厚さｔ２に相当する距離だけ離間した位置に停止される。従って、樹脂突起部２４ｔが溶融されて樹脂溶融部２６が形成される。その際、第１ガス拡散層２０ｂに含浸された樹脂含浸領域２６ａが形成されるとともに、第１ガス拡散層２０ｂの外周縁部は、樹脂溶融部２６の厚さまで圧縮される。これにより、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４が接合され、これらが接合装置５０から一体に取り出されることによって、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が得られる（図３参照）。

【0048】

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、図２に示すように、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持される。第２セパレータ１６は、樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ｂに当接し、第１セパレータ１４とともに樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０に、積層方向に荷重を付与する。さらに、発電セル１２は、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。

【0049】

このように構成される発電セル１２の動作について、以下に説明する。

【0050】

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ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３４ａ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３２ａ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。

【0051】

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３４ａから第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、段差ＭＥＡ１０ａのアノード電極２０に供給される。

【0052】

従って、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。

【0053】

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、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。

【0054】

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、段差ＭＥＡ１０ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

【0055】

この場合、本実施形態では、図２及び図３に示すように、樹脂突起部２４ｔの溶融起点Ｐ０から樹脂含浸領域２６ａの含浸領域起点位置Ｐ１までの距離Ｓ１が設定されている。さらに、溶融起点Ｐ０から第１ガス拡散層２０ｂの薄肉部起点位置Ｐ２までの距離Ｓ２、及び前記溶融起点Ｐ０から棚部２４ｃの棚部起点位置Ｐ３までの距離Ｓ３が設定されている。

【0056】

具体的には、距離Ｓ１＜距離Ｓ２＜距離Ｓ３の関係に設定される。換言すれば、棚部起点位置Ｐ３、薄肉部起点位置Ｐ２及び含浸領域起点位置Ｐ１は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０の中央から外側に向かって、順次、配置されている。

【0057】

このため、図６に示すように、樹脂突起部２４ｔの含浸時に樹脂含浸領域２６ａの受け部となる樹脂枠部材２４の棚部２４ｃの棚部起点位置Ｐ３は、薄肉部起点位置Ｐ２及び含浸領域起点位置Ｐ１よりも内側に配置されている。従って、図６に示すように、含浸時の加熱及び加圧用可動金型（型部材）５４の樹脂含浸領域は、樹脂枠部材２４の棚部２４ｃの範囲内に配置され、前記可動金型５４の荷重を前記棚部２４ｃにより確実に受けることができる。これにより、簡単な構成で、樹脂枠部材２４の損傷を可及的に抑制し、安定した品質の樹脂含浸領域２６ａを確実且つ容易に得ることが可能になるという効果が得られる。

【符号の説明】

【0058】

１０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体 １０ａ…段差ＭＥＡ
１２…発電セル １４、１６…セパレータ
１８…固体高分子電解質膜 １８ｂｅ…外周面部
２０…アノード電極 ２０ａ、２２ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層 ２２ｂｅ…外周端面
２２…カソード電極 ２４…樹脂枠部材
２４ａ…薄肉部 ２４ｂ…内側膨出部
２４ｂｅ…内周端面 ２４ｓ…段差部
２４ｔ…樹脂突起部 ２６…樹脂溶融部
２６ａ…樹脂含浸領域 ２６ｓ…外側段差
２８…接着剤層 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
４２、４４…シール部材 ５０…接合装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】