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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024137707
(43)【公開日】2024-10-07
(54)【発明の名称】枠付き膜・電極構造体
(51)【国際特許分類】
H01M 8/1004 20160101AFI20240927BHJP
H01M 8/0273 20160101ALI20240927BHJP
H01M 4/86 20060101ALI20240927BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20240927BHJP
【ＦＩ】
H01M8/1004
H01M8/0273
H01M4/86 M
H01M8/10 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024006047
(22)【出願日】2024-01-18
(31)【優先権主張番号】202310286602.7
(32)【優先日】2023-03-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(71)【出願人】
【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】110003683
【氏名又は名称】弁理士法人桐朋
(72)【発明者】
【氏名】鹿野 嵩瑛
(72)【発明者】
【氏名】田中 之人
【テーマコード（参考）】
5H018
5H126
【Ｆターム（参考）】
5H018AA06
5H018HH03
5H126AA02
5H126AA15
5H126BB06
5H126DD02
5H126DD05
5H126EE03
5H126EE11
5H126EE22
5H126EE23
5H126FF04
5H126GG18
5H126JJ03
(57)【要約】 （修正有）
【課題】塵芥の混入を抑制することができ、膜・電極構造体における電気化学反応の効率の低下を抑制することができる、枠付き膜・電極構造体を提供する。
【解決手段】枠付き膜・電極構造体１０は、膜・電極構造体２０と樹脂製の枠シート部材３０とを備える。膜・電極構造体２０の第１電極２２及び第２電極２３は、全周に亘って電解質膜２１の外周端２１ｅよりも枠シート部材３０に向かう外方に延びる。第１電極２２の外周部２２ＰＴは、全周に亘って枠シート部材３０の一方の面３０ｆ１に接合される。第２電極２３の外周部２３ＰＴは、全周に亘って枠シート部材３０の他方の面３０ｆ２に接合される。
【選択図】図２
【解決手段】枠付き膜・電極構造体１０は、膜・電極構造体２０と樹脂製の枠シート部材３０とを備える。膜・電極構造体２０の第１電極２２及び第２電極２３は、全周に亘って電解質膜２１の外周端２１ｅよりも枠シート部材３０に向かう外方に延びる。第１電極２２の外周部２２ＰＴは、全周に亘って枠シート部材３０の一方の面３０ｆ１に接合される。第２電極２３の外周部２３ＰＴは、全周に亘って枠シート部材３０の他方の面３０ｆ２に接合される。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解質膜と、第１電極と、第２電極とを含む膜・電極構造体と、
前記膜・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた樹脂製の枠シート部材と、
を備えた枠付き膜・電極構造体であって、
前記第１電極及び前記第２電極は、全周に亘って前記電解質膜の外周端よりも前記枠シート部材に向かう外方に延びており、
前記第１電極の外周部は、全周に亘って前記枠シート部材の一方の面に接合され、
前記第２電極の外周部は、全周に亘って前記枠シート部材の他方の面に接合される、枠付き膜・電極構造体。
前記膜・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた樹脂製の枠シート部材と、
を備えた枠付き膜・電極構造体であって、
前記第１電極及び前記第２電極は、全周に亘って前記電解質膜の外周端よりも前記枠シート部材に向かう外方に延びており、
前記第１電極の外周部は、全周に亘って前記枠シート部材の一方の面に接合され、
前記第２電極の外周部は、全周に亘って前記枠シート部材の他方の面に接合される、枠付き膜・電極構造体。
【請求項2】
請求項１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、
前記枠シート部材は、前記第１電極及び前記第２電極の各々が接合される第１接合部を有し、
前記枠シート部材の外側から内側に向かう方向における前記第１接合部の幅は、０．４ｍｍ以上である、枠付き膜・電極構造体。
前記枠シート部材は、前記第１電極及び前記第２電極の各々が接合される第１接合部を有し、
前記枠シート部材の外側から内側に向かう方向における前記第１接合部の幅は、０．４ｍｍ以上である、枠付き膜・電極構造体。
【請求項3】
請求項１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、
前記第１電極は、全周に亘って第１傾斜部を有し、
前記第２電極は、全周に亘って第２傾斜部を有し、
前記第１傾斜部は、外側から内側に向かうほど前記第２電極に近づき、
前記第２傾斜部は、前記第１傾斜部よりも外側に位置し、外側から内側に向かうほど前記第１電極から離れる、枠付き膜・電極構造体。
前記第１電極は、全周に亘って第１傾斜部を有し、
前記第２電極は、全周に亘って第２傾斜部を有し、
前記第１傾斜部は、外側から内側に向かうほど前記第２電極に近づき、
前記第２傾斜部は、前記第１傾斜部よりも外側に位置し、外側から内側に向かうほど前記第１電極から離れる、枠付き膜・電極構造体。
【請求項4】
請求項３に記載の枠付き膜・電極構造体であって、
前記枠シート部材の外側から内側に向かう方向における前記第２傾斜部の幅は、全周に亘って、前記枠シート部材の外側から内側に向かう方向における前記第１傾斜部の幅よりも短い、枠付き膜・電極構造体。
前記枠シート部材の外側から内側に向かう方向における前記第２傾斜部の幅は、全周に亘って、前記枠シート部材の外側から内側に向かう方向における前記第１傾斜部の幅よりも短い、枠付き膜・電極構造体。
【請求項5】
請求項１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、
前記膜・電極構造体は、前記電解質膜と前記第１電極との間に設けられる第１触媒層と、前記電解質膜と前記第２電極との間に設けられる第２触媒層とを有し、
前記第１触媒層の外周端は、全周に亘って前記第２触媒層の外周端よりも内側に配置される、枠付き膜・電極構造体。
前記膜・電極構造体は、前記電解質膜と前記第１電極との間に設けられる第１触媒層と、前記電解質膜と前記第２電極との間に設けられる第２触媒層とを有し、
前記第１触媒層の外周端は、全周に亘って前記第２触媒層の外周端よりも内側に配置される、枠付き膜・電極構造体。
【請求項6】
請求項５に記載の枠付き膜・電極構造体であって、
前記第１触媒層の外周端は、前記電解質膜と前記枠シート部材との間、又は、前記枠シート部材と前記第１電極との間に配置される、枠付き膜・電極構造体。
前記第１触媒層の外周端は、前記電解質膜と前記枠シート部材との間、又は、前記枠シート部材と前記第１電極との間に配置される、枠付き膜・電極構造体。
【請求項7】
請求項１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、
前記第１電極及び前記第２電極の各々は、全周に亘って接着又は溶着により前記枠シート部材に接合される、枠付き膜・電極構造体。
前記第１電極及び前記第２電極の各々は、全周に亘って接着又は溶着により前記枠シート部材に接合される、枠付き膜・電極構造体。
【請求項8】
請求項１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、
前記電解質膜の外周端は、全周に亘って前記第２電極と前記枠シート部材とに挟まれる、枠付き膜・電極構造体。
前記電解質膜の外周端は、全周に亘って前記第２電極と前記枠シート部材とに挟まれる、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、枠付き膜・電極構造体に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするために、エネルギーの効率化に貢献する燃料電池に関する研究開発が行われている。
【0003】
燃料電池は、膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。特許文献１には、枠付き膜・電極構造体が開示されている。枠付き膜・電極構造体は、膜・電極構造体と、樹脂シートを有する枠部材とを備えている。膜・電極構造体は、電解質膜と、第１電極と、第２電極とを含む構造体である。枠部材は、膜・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第７０３４２１２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、膜・電極構造体と樹脂シートとの界面から膜・電極構造体の内部に、鉄イオン等の塵芥が混入すると、膜・電極構造体における電気化学反応の効率が低下する傾向にある。また、膜・電極構造体の内部に塵芥が混入すると、電解質膜の分解が加速する傾向がある。そのため、枠付き膜・電極構造体の構造を改善する要請があった。
【0006】
本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の態様は、電解質膜と、第１電極と、第２電極とを含む膜・電極構造体と、前記膜・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた樹脂製の枠シート部材と、を備えた枠付き膜・電極構造体であって、前記第１電極及び前記第２電極は、全周に亘って前記電解質膜の外周端よりも前記枠シート部材に向かう外方に延びており、前記第１電極の外周部は、全周に亘って前記枠シート部材の一方の面に接合され、前記第２電極の外周部は、全周に亘って前記枠シート部材の他方の面に接合される。
【発明の効果】
【0008】
本発明の態様によれば、塵芥の混入を抑制することができる。その結果、膜・電極構造体における電気化学反応の効率の低下を抑制することができる。また、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
図１は、実施形態による、発電セルの要部分解斜視図である。発電セル１２は、例えば固体高分子型燃料電池等の燃料電池である。複数の発電セル１２が積層されて燃料電池スタック１１が構成される。燃料電池スタック１１は、例えば自動車（図示せず）等の移動体に搭載される。
【0011】
発電セル１２は、枠付き膜・電極構造体１０と、第１セパレータ１４と、第２セパレータ１６とを備える。枠付き膜・電極構造体１０は、以下、枠付きＭＥＡ１０と称する。枠付きＭＥＡ１０は、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。
【0012】
第１セパレータ１４は、例えば、金属板、あるいは、カーボン部材等で構成される。金属板として、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、チタン板、チタン合金板、めっき処理鋼板等が挙げられる。第１セパレータ１４が金属板で構成される場合、その金属板の表面に、防食用の表面処理が施されてもよい。
【0013】
第２セパレータ１６は、例えば、金属板、あるいは、カーボン部材等で構成される。金属板として、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、チタン板、チタン合金板、めっき処理鋼板等が挙げられる。第２セパレータ１６が金属板で構成される場合、その金属板の表面に、防食用の表面処理が施されてもよい。
【0014】
枠付きＭＥＡ１０、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、実質的に同じ外形形状を有する。図１では、枠付きＭＥＡ１０、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６が長方形の外形形状を有する場合の例が示されている。
【0015】
【0016】
ＭＥＡ２０は、電解質膜２１と、第１電極２２と、第２電極２３とを含む構造体である。ＭＥＡ２０は、電解質膜２１、第１電極２２及び第２電極２３の他に、第１触媒層２４と、第２触媒層２５とを含む。
【0017】
第１電極２２及び第２電極２３の一方は、アノード電極である。第１電極２２及び第２電極２３の他方は、カソード電極である。本実施形態では、第１電極２２は、アノード電極である。そのため、以下では、第１電極２２は、アノード電極２２と称される。また、本実施形態では、第２電極２３は、カソード電極である。そのため、以下では、第２電極２３は、カソード電極２３と称される。
【0018】
電解質膜２１は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、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。電解質膜２１は、アノード電極２２及びカソード電極２３に挟持される。電解質膜２１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。
【0019】
電解質膜２１は、アノード電極２２及びカソード電極２３よりも小さい平面寸法（外形寸法）を有する。電解質膜２１の外周端２１ｅは、全周に亘って、アノード電極２２の外周端２２ｅ及びカソード電極２３の外周端２３ｅよりも内側に位置する。電解質膜２１の外周端２１ｅは、全周に亘ってカソード電極２３と枠シート部材３０とに挟まれる。
【0020】
アノード電極２２は、第１ガス拡散層２２ａと、第１補助拡散層２２ｂとを有する。カソード電極２３は、第２ガス拡散層２３ａと、第２補助拡散層２３ｂとを有する。
【0021】
第１ガス拡散層２２ａ及び第２ガス拡散層２３ａの各々は、例えば、カーボンペーパ、あるいは、カーボンクロス等により形成される。第１補助拡散層２２ｂ及び第２補助拡散層２３ｂの各々は、例えば、カーボン粒子と撥水樹脂とのコンポジット材料等から形成される。第１補助拡散層２２ｂ及び第２補助拡散層２３ｂは、設けられなくてもよい。
【0022】
アノード電極２２及びカソード電極２３は、電解質膜２１よりも大きい平面寸法（外形寸法）を有する。アノード電極２２及びカソード電極２３の各々は、全周に亘って電解質膜２１の外周端２１ｅよりも外方に延びている。
【0023】
アノード電極２２の外周部２２ＰＴは、枠シート部材３０の一方の面３０ｆ１に接合される。アノード電極２２と電解質膜２１とに枠シート部材３０の端部が挟まれる。そのため、アノード電極２２は、全周に亘って第１傾斜部２２ｔを有する。この第１傾斜部２２ｔによってアノード電極２２に段差が設けられる。第１傾斜部２２ｔは、電解質膜２１の外周端２１ｅよりも内側に位置する。第１傾斜部２２ｔは、外側から内側に向かうほどカソード電極２３に近づくように傾斜する。第１傾斜部２２ｔは、枠シート部材３０の内周端３０ｅから離れるほどカソード電極２３に近づく。
【0024】
カソード電極２３の外周部２３ＰＴは、枠シート部材３０の他方の面３０ｆ２に接合される。カソード電極２３と枠シート部材３０の端部との間に電解質膜２１の端部が挟まれる。そのため、カソード電極２３は、全周に亘って第２傾斜部２３ｔを有する。この第２傾斜部２３ｔによってカソード電極２３に段差が設けられる。第２傾斜部２３ｔは、枠シート部材３０の内周端３０ｅよりも外側に位置する。第２傾斜部２３ｔは、第１傾斜部２２ｔよりも外側に位置する。第２傾斜部２３ｔは、外側から内側に向かうほどアノード電極２２から離れるように傾斜する。第２傾斜部２３ｔは、電解質膜２１の外周端２１ｅに近づくほどアノード電極２２から離れる。
【0025】
枠シート部材３０の外側から内側に向かう方向における第２傾斜部２３ｔの幅Ｌ２は、全周に亘って、枠シート部材３０の外側から内側に向かう方向における第１傾斜部２２ｔの幅Ｌ１よりも短くてもよい。この場合は、第２傾斜部２３ｔの傾斜は、第１傾斜部２２ｔの傾斜に比べると急峻となる。電解質膜２１、第１触媒層２４及び第２触媒層２５の全体の厚さは、枠シート部材３０の厚さ以上であってもよい。
【0026】
第１触媒層２４及び第２触媒層２５の各々は、白金を含む。第１触媒層２４及び第２触媒層２５の各々は、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等により形成される。第１触媒層２４及び第２触媒層２５の各々は、アノード電極２２及びカソード電極２３よりも小さい平面寸法（外形寸法）を有する。
【0027】
第１触媒層２４は、例えば、イオン導電性高分子バインダを介して、電解質膜２１の面２１ｆ１に接合される。第２触媒層２５は、例えば、イオン導電性高分子バインダを介して、電解質膜２１の面２１ｆ１とは逆の面２１ｆ２に接合される。
【0028】
第１触媒層２４は、第２触媒層２５よりも小さい平面寸法（外形寸法）を有する。第１触媒層２４の外周端２４ｅは、全周に亘って第２触媒層２５の外周端２５ｅよりも内側に配置される。第１触媒層２４の外周端２４ｅは、電解質膜２１と枠シート部材３０との間に配置される。第２触媒層２５は電解質膜２１の全面に積層される。そのため、第２触媒層２５の外周端２５ｅは、電解質膜２１の外周端２１ｅまで延びる。第１触媒層２４の外周端２４ｅは、第２触媒層２５の外周端２５ｅよりも内側に位置する。
【0029】
枠シート部材３０は、ＭＥＡ２０の外周部に全周に亘って設けられる。枠シート部材３０は、樹脂製のシート部材である。枠シート部材３０は、１枚のシートとして平坦状に形成される。
【0030】
枠シート部材３０の材料として、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）、変性ポリオレフィン等が挙げられる。
【0031】
枠シート部材３０の厚みは、アノード電極２２の厚みよりも薄くてもよく、カソード電極２３の厚みよりも薄くてもよい。枠シート部材３０の内周部は、アノード電極２２とカソード電極２３との間に配置される。枠シート部材３０の内周部は、第１接合部３０ａと、第２接合部３０ｂとを有する。
【0032】
第１接合部３０ａは、アノード電極２２及びカソード電極２３の各々と接合された部分である。第１接合部３０ａは、第２接合部３０ｂよりも外側に配置される。第１接合部３０ａは、電解質膜２１と重ならない。第１接合部３０ａの一方の面３０ｆ１は、全周に亘ってアノード電極２２の外周部２２ＰＴと接合される。第１接合部３０ａとアノード電極２２の外周部２２ＰＴとは接着又は溶着により接合される。第１接合部３０ａの他方の面３０ｆ２は、全周に亘ってカソード電極２３の外周部２３ＰＴと接合される。第１接合部３０ａとカソード電極２３の外周部２３ＰＴとは接着又は溶着により接合される。
【0033】
第２接合部３０ｂは、アノード電極２２及び電解質膜２１の各々と接合された部分であり、第１接合部３０ａと離間している。第２接合部３０ｂは、第１接合部３０ａよりも内側に配置される。第２接合部３０ｂは、電解質膜２１と重なる。第２接合部３０ｂの一方の面３０ｆ１は、全周に亘ってアノード電極２２の外周部２２ＰＴと接合される。第２接合部３０ｂとアノード電極２２の外周部２２ＰＴとは接着又は溶着により接合される。
【0034】
第２接合部３０ｂの他方の面３０ｆ２の外側は、全周に亘って電解質膜２１と接合される。また、第２接合部３０ｂの他方の面３０ｆ２の内側は、全周に亘って第１触媒層２４と接合される。第２接合部３０ｂは、接着又は溶着により電解質膜２１及び第１触媒層２４と接合される。
【0035】
図３は、第１接合部３０ａの幅Ｌ３（図２）と、イオン侵入量との関係を示すグラフである。第１接合部３０ａの幅Ｌ３は、枠シート部材３０の外側から内側に向かう方向（面方向）の長さである。イオン侵入量とは、外部から枠付きＭＥＡ１０の内部（電解質膜２１の外周端２１ｅ）に至るイオンの量である。イオンは、第１接合部３０ａとアノード電極２２との界面、及び、第１接合部３０ａとカソード電極２３との界面の少なくとも１つを介して、枠付きＭＥＡ１０の内部に至る。
【0036】
第１接合部３０ａの幅Ｌ３が０．４ｍｍ以上である場合、イオン侵入量が概ねなくなることが実験により得られた。なお、接着により第１接合部３０ａをアノード電極２２及びカソード電極２３と接合した場合、及び、溶着により第１接合部３０ａをアノード電極２２及びカソード電極２３と接合した場合のいずれも、同等の結果が得られている。
【0037】
このように枠付きＭＥＡ１０では、アノード電極２２とカソード電極２３とで枠シート部材３０を挟んで封入部が形成される。枠シート部材３０の端部と電解質膜２１との端部とは、前記封入部よりも枠付きＭＥＡ１０の内側にずれて配置される。そのため、前記封入部に含まれる枠シート部材３０を１枚で構成することができ、枠付きＭＥＡ１０を薄厚化することができる。
【0038】
次に、発電セル１２の流路構造に関して説明する。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。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。
【0039】
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。
【0040】
第１セパレータ１４の枠付きＭＥＡ１０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４６が設けられる。具体的に、燃料ガス流路４６は、第１セパレータ１４と枠付きＭＥＡ１０との間に形成される。燃料ガス流路４６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。
【0041】
第２セパレータ１６の枠付きＭＥＡ１０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４８が設けられる。具体的に、酸化剤ガス流路４８は、第２セパレータ１６と枠付きＭＥＡ１０との間に形成される。酸化剤ガス流路４８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。
【0042】
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、矢印Ｂ方向に延在して形成される。
【0043】
第１セパレータ１４の面１４ａ（枠付きＭＥＡ１０に向く面）には、燃料ガス流路４６を形成する凸部５２が複数設けられる。凸部５２は、アノード電極２２側に向かって膨出するとともにアノード電極２２に当接する。第２セパレータ１６の面１６ａ（枠付きＭＥＡ１０に向く面）には、酸化剤ガス流路４８を形成する凸部５４が複数設けられる。凸部５４は、カソード電極２３側に向かって膨出するとともにカソード電極２３に当接する。凸部５２、５４間に、ＭＥＡ２０が挟持される。
【0044】
第１セパレータ１４の面１４ａには、燃料ガスの外部への漏れを防止するため、第１セパレータ１４の外周部を周回する１本又は複数本のビードシール５６が設けられる。ビードシール５６は、プレス成形により、枠シート部材３０に向かって膨出成形される。内側のビードシール５６は、燃料ガス流路４６、燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂを周回し且つこれらを連通させる。
【0045】
ビードシール５６の凸部先端面には、第１シール部材が印刷又は塗布等により固着される。ビードシール５６は、第１シール部材を介して、枠シート部材３０に気密及び液密に当接する。第１シール部材は、枠シート部材３０に固着されてもよい。
【0046】
第１セパレータ１４には、ビードシール５６に代えて、枠シート部材３０に向かって突出する弾性体からなる凸状シール部が設けられてもよい。
【0047】
第２セパレータ１６の面１６ａには、酸化剤ガスの外部への漏れを防止するため、第２セパレータ１６の外周部を周回する１本又は複数本のビードシール５８が設けられる。ビードシール５８は、プレス成形により、枠シート部材３０に向かって膨出成形される。内側のビードシール５８は、酸化剤ガス流路４８、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４０ｂを周回し且つこれらを連通させる。
【0048】
ビードシール５８の凸部先端面には、第２シール部材が印刷又は塗布等により固着される。ビードシール５８は、第２シール部材を介して、枠シート部材３０に気密及び液密に当接する。第２シール部材は、枠シート部材３０に固着されてもよい。
【0049】
第２セパレータ１６には、ビードシール５８に代えて、枠シート部材３０に向かって突出する弾性体からなる凸状シール部が設けられてもよい。
【0050】
第１シール部材又は第２シール部材は、例えば、ポリエステル繊維、シリコーン、ＥＰＤＭ、ＦＫＭ等が使用される。第１シール部材又は第２シール部材は、不可欠ではなく、なくてもよい。第１シール部材がない場合、ビードシール５６は、枠シート部材３０に直接当接する。第２シール部材がない場合、ビードシール５８は、枠シート部材３０に直接当接する。
【0051】
ビードシール５６とビードシール５８とは、枠シート部材３０を挟み込む。枠シート部材３０の外周部は、第１セパレータ１４のビードシール５６と、第２セパレータ１６のビードシール５８との間に挟持される。なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６に上記凸状シール部が設けられる場合、枠シート部材３０の外周部は、第１セパレータ１４の凸状シール部と、第２セパレータ１６の凸状シール部との間に挟持される。
【0052】
このように構成される発電セル１２を含む燃料電池スタック１１の動作について、図１を用いて以下に説明する。
【0053】
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。また、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。
【0054】
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４８に供給され、矢印Ｂ方向に移動してＭＥＡ２０のカソード電極２３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４６に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路４６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２０のアノード電極２２に供給される。
【0055】
ＭＥＡ２０では、カソード電極２３に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２に供給される燃料ガスとが、第２触媒層２５及び第１触媒層２４内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
【0056】
次いで、カソード電極２３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２２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。
【0057】
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に供給された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ２０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４２ｂから排出される。
【0058】
上記実施形態は、以下のように変形されてもよい。
【0059】
（変形例１）
図４は、変形例による、図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。本変形例では、第１触媒層２４は、アノード電極２２（第１電極２２）に接合される。例えば、第１触媒層２４は、イオン導電性高分子バインダを介して、アノード電極２２に接合される。本変形例の場合、第１触媒層２４の外周端２４ｅは、枠シート部材３０と、第１電極２２との間に配置される。
図４は、変形例による、図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。本変形例では、第１触媒層２４は、アノード電極２２（第１電極２２）に接合される。例えば、第１触媒層２４は、イオン導電性高分子バインダを介して、アノード電極２２に接合される。本変形例の場合、第１触媒層２４の外周端２４ｅは、枠シート部材３０と、第１電極２２との間に配置される。
【0060】
このように、第１触媒層２４は、アノード電極２２（第１電極２２）に接合されてもよい。なお、第２触媒層２５は、電解質膜２１に接合されてもよいし、カソード電極２３（第２電極２３）に接合されてもよい。
【0061】
（変形例２）
図示しないが、第１触媒層２４の外周端２４ｅは、電解質膜２１と枠シート部材３０との間、又は、枠シート部材３０と第１電極２２との間に配置されずに、枠シート部材３０の内周端３０ｅと接触されてもよい。この場合、第１触媒層２４は、電解質膜２１に接合されてもよいし、第１電極２２に接合されてもよい。
図示しないが、第１触媒層２４の外周端２４ｅは、電解質膜２１と枠シート部材３０との間、又は、枠シート部材３０と第１電極２２との間に配置されずに、枠シート部材３０の内周端３０ｅと接触されてもよい。この場合、第１触媒層２４は、電解質膜２１に接合されてもよいし、第１電極２２に接合されてもよい。
【0062】
以上の記載から把握し得る本発明を以下に開示する。
【0063】
（付記１）
本発明は、電解質膜（２１）と、第１電極（２２）と、第２電極（２３）とを含む膜・電極構造体（２０）と、前記膜・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた樹脂製の枠シート部材（３０）と、を備えた枠付き膜・電極構造体（１０）である。前記第１電極及び前記第２電極は、全周に亘って前記電解質膜の外周端（２１ｅ）よりも前記枠シート部材に向かう外方に延びており、前記第１電極の外周部（２２ＰＴ）は、全周に亘って前記枠シート部材の一方の面（３０ｆ１）に接合され、前記第２電極の外周部（２３ＰＴ）は、全周に亘って前記枠シート部材の他方の面（３０ｆ２）に接合される。
本発明は、電解質膜（２１）と、第１電極（２２）と、第２電極（２３）とを含む膜・電極構造体（２０）と、前記膜・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた樹脂製の枠シート部材（３０）と、を備えた枠付き膜・電極構造体（１０）である。前記第１電極及び前記第２電極は、全周に亘って前記電解質膜の外周端（２１ｅ）よりも前記枠シート部材に向かう外方に延びており、前記第１電極の外周部（２２ＰＴ）は、全周に亘って前記枠シート部材の一方の面（３０ｆ１）に接合され、前記第２電極の外周部（２３ＰＴ）は、全周に亘って前記枠シート部材の他方の面（３０ｆ２）に接合される。
【0064】
これにより、塵芥の混入を抑制することができる。その結果、膜・電極構造体における電気化学反応の効率の低下を抑制することができる。また、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【0065】
（付記２）
付記１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、前記枠シート部材は、前記第１電極及び前記第２電極の各々が接合される第１接合部（３０ａ）を有し、前記枠シート部材の外側から内側に向かう方向における前記第１接合部の幅（Ｌ３）は、０．４ｍｍ以上であってもよい。これにより、塵芥の混入を概ねなくすことができる。
付記１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、前記枠シート部材は、前記第１電極及び前記第２電極の各々が接合される第１接合部（３０ａ）を有し、前記枠シート部材の外側から内側に向かう方向における前記第１接合部の幅（Ｌ３）は、０．４ｍｍ以上であってもよい。これにより、塵芥の混入を概ねなくすことができる。
【0066】
（付記３）
付記１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、前記第１電極は、全周に亘って第１傾斜部（２２ｔ）を有し、前記第２電極は、全周に亘って第２傾斜部（２３ｔ）を有し、前記第１傾斜部は、外側から内側に向かうほど前記第２電極に近づき、前記第２傾斜部は、前記第１傾斜部よりも外側に位置し、外側から内側に向かうほど前記第１電極から離れてもよい。これにより、膜・電極構造体の厚みを極力薄くすることができる。
付記１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、前記第１電極は、全周に亘って第１傾斜部（２２ｔ）を有し、前記第２電極は、全周に亘って第２傾斜部（２３ｔ）を有し、前記第１傾斜部は、外側から内側に向かうほど前記第２電極に近づき、前記第２傾斜部は、前記第１傾斜部よりも外側に位置し、外側から内側に向かうほど前記第１電極から離れてもよい。これにより、膜・電極構造体の厚みを極力薄くすることができる。
【0067】
（付記４）
付記３に記載の枠付き膜・電極構造体であって、前記枠シート部材の外側から内側に向かう方向における前記第２傾斜部の幅（Ｌ２）は、全周に亘って、前記枠シート部材の外側から内側に向かう方向における前記第１傾斜部の幅（Ｌ１）よりも短くてもよい。これにより、膜・電極構造体の厚みを極力薄くすることができる。
付記３に記載の枠付き膜・電極構造体であって、前記枠シート部材の外側から内側に向かう方向における前記第２傾斜部の幅（Ｌ２）は、全周に亘って、前記枠シート部材の外側から内側に向かう方向における前記第１傾斜部の幅（Ｌ１）よりも短くてもよい。これにより、膜・電極構造体の厚みを極力薄くすることができる。
【0068】
（付記５）
付記１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、前記膜・電極構造体は、前記電解質膜と前記第１電極との間に設けられる第１触媒層（２４）と、前記電解質膜と前記第２電極との間に設けられる第２触媒層（２５）とを有し、前記第１触媒層の外周端（２４ｅ）は、全周に亘って前記第２触媒層の外周端（２５ｅ）よりも内側に配置されてもよい。これにより、触媒の使用量を極力削減することができる。
付記１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、前記膜・電極構造体は、前記電解質膜と前記第１電極との間に設けられる第１触媒層（２４）と、前記電解質膜と前記第２電極との間に設けられる第２触媒層（２５）とを有し、前記第１触媒層の外周端（２４ｅ）は、全周に亘って前記第２触媒層の外周端（２５ｅ）よりも内側に配置されてもよい。これにより、触媒の使用量を極力削減することができる。
【0069】
（付記６）
付記５に記載の枠付き膜・電極構造体であって、前記第１触媒層の外周端は、前記電解質膜と前記枠シート部材との間、又は、前記枠シート部材と前記第１電極との間に配置されてもよい。これにより、膜・電極構造体の内部において電解質膜が露出することを抑制することができる。その結果、電気化学反応の効率の低下を抑制することができる。
付記５に記載の枠付き膜・電極構造体であって、前記第１触媒層の外周端は、前記電解質膜と前記枠シート部材との間、又は、前記枠シート部材と前記第１電極との間に配置されてもよい。これにより、膜・電極構造体の内部において電解質膜が露出することを抑制することができる。その結果、電気化学反応の効率の低下を抑制することができる。
【0070】
（付記７）
付記１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、前記第１電極及び前記第２電極の各々は、全周に亘って接着又は溶着により前記枠シート部材に接合されてもよい。これにより、膜・電極構造体の内部への塵芥の混入を抑制することができる。
付記１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、前記第１電極及び前記第２電極の各々は、全周に亘って接着又は溶着により前記枠シート部材に接合されてもよい。これにより、膜・電極構造体の内部への塵芥の混入を抑制することができる。
【0071】
（付記８）
付記１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、前記電解質膜の外周端は、全周に亘って前記第２電極と前記枠シート部材とに挟まれてもよい。これにより、膜・電極構造体の内部において電解質膜が露出することを抑制することができる。その結果、電気化学反応の効率の低下を抑制することができる。
付記１に記載の枠付き膜・電極構造体であって、前記電解質膜の外周端は、全周に亘って前記第２電極と前記枠シート部材とに挟まれてもよい。これにより、膜・電極構造体の内部において電解質膜が露出することを抑制することができる。その結果、電気化学反応の効率の低下を抑制することができる。
【0072】
本発明は上述した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。
【符号の説明】
【0073】
１０…枠付き膜・電極構造体 ２０…膜・電極構造体
２１…電解質膜 ２２…第１電極（アノード電極）
２３…第２電極（カソード電極） ２４…第１触媒層
２５…第２触媒層 ３０…枠シート部材
３０ａ…第１接合部 ３０ｂ…第２接合部
２１…電解質膜 ２２…第１電極（アノード電極）
２３…第２電極（カソード電極） ２４…第１触媒層
２５…第２触媒層 ３０…枠シート部材
３０ａ…第１接合部 ３０ｂ…第２接合部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】