特許 7401349 樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び発電セル

(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】

(24)【登録日】2023-12-11

(45)【発行日】2023-12-19

(54)【発明の名称】樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び発電セル

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0273 20160101AFI20231212BHJP

   H01M 8/1004 20160101ALI20231212BHJP

   H01M 8/0276 20160101ALI20231212BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20231212BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0273

H01M8/1004

H01M8/0276

H01M8/10 101

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020037598

(22)【出願日】2020-03-05

(65)【公開番号】P2021140940

(43)【公開日】2021-09-16

【審査請求日】2022-11-28

(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】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(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

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】和田 優介

(72)【発明者】

【氏名】北川 太一

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼野 亮

【審査官】川口 由紀子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０９７９１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１７４６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０３７３４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１２－５２３６５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０２７１－ ８／０２７６

Ｈ０１Ｍ ８／１００４

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質膜の一方の面に第１電極が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面に第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、
前記電解質膜・電極構造体の外周部に設けられた樹脂枠部材と、を備えた樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
前記樹脂枠部材の内周端部は、前記電解質膜・電極構造体の前記外周部を周回するように四角環状に形成されるとともに、前記第１電極と前記電解質膜と前記第２電極とが積層された積層方向において前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置され、
前記内周端部の４つの辺部のそれぞれには、前記樹脂枠部材の一方の面から前記樹脂枠部材の他方の面に向かって内方に傾斜した傾斜面が形成され、
前記内周端部における互いに隣り合う辺部及び角部において、前記樹脂枠部材の一方の面のうち前記角部に位置する部分と前記傾斜面との間には、段差が形成されている、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。

【請求項2】

請求項１記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
前記傾斜面は、前記電解質膜に対向している、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
前記樹脂枠部材の平面方向に対する前記傾斜面の傾斜角度は、前記４つの辺部で互いに同一である、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
前記第１電極及び前記第２電極において、一方の電極の平面寸法は、他方の電極の平面寸法よりも大きい、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と、
前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の両側に配設された第１セパレータ及び第２セパレータと、を備えた発電セル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び発電セルに関する。

【背景技術】

【0002】

発電セルは、例えば、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（樹脂枠付きＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して形成される。樹脂枠付きＭＥＡは、電解質膜の一方の面にアノード電極が設けられるとともに電解質膜の他方の面にカソード電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、電解質膜・電極構造体の外周部に設けられた四角環状の樹脂枠部材とを備える。

【0003】

樹脂枠部材の内周端部は、ＭＥＡの外周部を周回するとともにアノード電極の外周部とカソード電極の外周部との間に配置された状態で電解質膜に接合される。このような樹脂枠部材において、内周端部の厚さ方向に沿った断面が四角形状であると、樹脂枠部材の内周端部の内方に隙間（電解質膜と電極とが互いに離間した部分）が形成される。樹脂枠付きＭＥＡにおいて、樹脂枠部材の内周端部の内方に形成された隙間は、未発電部となる。そのため、発電セルの発電効率が低下する。

【0004】

例えば、特許文献１には、樹脂枠部材の内周端部の内方の隙間を小さくした樹脂枠付きＭＥＡが開示されている。この樹脂枠付きＭＥＡの樹脂枠部材の内周端部には、電解質膜側の面から電解質膜とは反対側の面に向かって内方に傾斜した傾斜面が形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１８－９７９１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述した樹脂枠部材において、樹脂枠部材の内周端部の角部（四角形状の角部）に対する傾斜面の成形は、内周端部の辺部に対する傾斜面の成形よりも難しく、製造効率が低下し易い。

【0007】

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、樹脂枠部材の製造効率の低下を抑えつつ発電効率を向上させることができる樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び発電セル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】

【0008】

本発明の一態様は、電解質膜の一方の面に第１電極が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面に第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周部に設けられた樹脂枠部材と、を備えた樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、前記樹脂枠部材の内周端部は、前記電解質膜・電極構造体の前記外周部を周回するように四角環状に形成されるとともに、前記第１電極と前記電解質膜と前記第２電極とが積層された積層方向において前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置され、前記内周端部の４つの辺部のそれぞれには、前記樹脂枠部材の一方の面から前記樹脂枠部材の他方の面に向かって内方に傾斜した傾斜面が形成され、前記内周端部における互いに隣り合う辺部及び角部において、前記樹脂枠部材の一方の面のうち前記角部に位置する部分と前記傾斜面との間には、段差が形成されている、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体である。

【0009】

本発明の他の態様は、上述した樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の両側に配設された第１セパレータ及び第２セパレータと、を備えた発電セルである。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、樹脂枠部材の内周端部の４つの辺部のそれぞれに傾斜面を形成している。つまり、樹脂枠部材の内周端部は、内方に向かって薄く形成されている。そのため、樹脂枠部材の内周端部よりも内方の隙間を小さくすることができる。よって、発電効率を向上させることができる。また、内周端部における互いに隣り合う辺部及び角部において、樹脂枠部材の一方の面のうち角部に位置する部分と傾斜面との間に段差が形成されている。これにより、樹脂枠部材の内周端部の４つの角部に傾斜面を成形する必要がないため、樹脂枠部材の製造効率の低下を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係る発電セルを備えた燃料電池スタックの一部省略分解斜視図である。

【図2】図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。

【図3】図３Ａは、図２の樹脂枠部材の斜視図であり、図３Ｂは、図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線に沿った断面図である。

【図4】傾斜面を加工する前の樹脂製シートの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及び発電セルについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

【0013】

図１及び図２に示すように、発電セル１０は、その厚さ方向（矢印Ａ方向）に複数積層されて燃料電池スタック１２を形成する。燃料電池スタック１２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。なお、複数の発電セル１０の積層方向は、水平方向及び重力方向のいずれでもよい。

【0014】

図１において、発電セル１０は、横長の長方形状に形成されている。ただし、発電セル１０は、縦長の長方形状に形成されてもよい。図１及び図２に示すように、発電セル１０は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（以下、「樹脂枠付きＭＥＡ１４」という。）と、樹脂枠付きＭＥＡ１４の両側に配設された第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８とを備える。樹脂枠付きＭＥＡ１４は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ２０」という）と、ＭＥＡ２０の外周部に設けられた樹脂枠部材２２（樹脂枠部、樹脂フィルム）とを有する。

【0015】

図２において、ＭＥＡ２０は、電解質膜２４と、電解質膜２４の一方の面２４ａに設けられたアノード電極２６（第１電極）と、電解質膜２４の他方の面２４ｂに設けられたカソード電極２８（第２電極）とを有する。電解質膜２４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２４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。電解質膜２４は、アノード電極２６及びカソード電極２８に挟持される。

【0016】

詳細は図示しないが、アノード電極２６は、電解質膜２４の一方の面２４ａに接合される第１電極触媒層と、当該第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。第１電極触媒層は、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ガス拡散層の全面に一様に塗布されて形成される。

【0017】

カソード電極２８は、電解質膜２４の他方の面２４ｂに接合される第２電極触媒層と、当該第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。第２電極触媒層は、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ガス拡散層の全面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層のそれぞれは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。

【0018】

アノード電極２６の平面寸法（外形寸法）は、カソード電極２８の平面寸法よりも大きい。電解質膜２４の平面寸法は、アノード電極２６の平面寸法と同じである。アノード電極２６の外周端２６ｏは、カソード電極２８の外周端２８ｏよりも外方に位置する。電解質膜２４の面方向（図２の矢印Ｃ方向）において、電解質膜２４の外周端２４ｏは、アノード電極２６の外周端２６ｏと同じ位置にある。

【0019】

アノード電極２６の平面寸法は、カソード電極２８の平面寸法よりも小さくてもよい。この場合、アノード電極２６の外周端２６ｏは、カソード電極２８の外周端２８ｏより内方に位置する。電解質膜２４の平面寸法は、アノード電極２６の平面寸法と同じであってもよいし、カソード電極２８の平面寸法と同じであってもよい。アノード電極２６の平面寸法は、カソード電極２８の平面寸法と同じであってもよい。この場合、電解質膜２４の面方向において、電解質膜２４の外周端２４ｏ、アノード電極２６の外周端２６ｏ及びカソード電極２８の外周端２８ｏは、互いに同じ位置にある。

【0020】

樹脂枠部材２２は、ＭＥＡ２０の外周部を周回する１枚の枠状シートである。樹脂枠部材２２は、電気的絶縁性を有する。樹脂枠部材２２の構成材料としては、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が挙げられる。樹脂枠部材２２の詳細な説明については後述する。

【0021】

図１において、第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８のそれぞれは、長方形状（四角形状）に形成されている。第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８のそれぞれは、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、或いはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。ただし、第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８のそれぞれは、カーボン等により構成されてもよい。第１セパレータ１６と第２セパレータ１８とは、互いに重ねた状態で外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合される。

【0022】

発電セル１０の長辺方向である矢印Ｂ方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向の端縁部）には、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、発電セル１０の短辺方向（矢印Ｃ方向）に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、矢印Ａ方向に酸化剤ガス（例えば、酸素含有ガス）を供給する。冷却媒体入口連通孔３２ａは、矢印Ａ方向に冷却媒体（例えば、純水、エチレングリコール、オイル等）を供給する。燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ａ方向に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を排出する。

【0023】

発電セル１０の矢印Ｂ方向の他端縁部（矢印Ｂ２方向の端縁部）には、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が、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａは、矢印Ａ方向に燃料ガスを供給する。冷却媒体出口連通孔３２ｂは、矢印Ａ方向に冷却媒体を排出する。酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ａ方向に酸化剤ガスを排出する。

【0024】

酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂと冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂのそれぞれの大きさ、位置、形状及び数は、本実施形態に限定されるものではなく、要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

【0025】

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１６のＭＥＡ２０に向かう面１６ａ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３６が設けられる。燃料ガス流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝３８を有する。各燃料ガス流路溝３８は、矢印Ｂ方向に波状に延在してもよい。

【0026】

図１において、第１セパレータ１６には、樹脂枠付きＭＥＡ１４と第１セパレータ１６との間から外部への流体（燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体）の漏出を防止する第１シール部４０が設けられている。第１シール部４０は、第１セパレータ１６の外周部を周回し、各連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３０ａ等）を周回する。第１シール部４０は、セパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）から見て直線状に延在している。ただし、第１シール部４０は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在してもよい。

【0027】

図２において、第１シール部４０は、第１セパレータ１６に一体成形された第１金属ビード部４２と、第１金属ビード部４２に設けられた第１樹脂材４４とを有する。第１金属ビード部４２は、第１セパレータ１６から樹脂枠部材２２に向かって突出している。第１金属ビード部４２の横断面形状は、第１金属ビード部４２の突出方向に向かって先細り形状となる台形形状である。第１樹脂材４４は、第１金属ビード部４２の突出端面に印刷又は塗布等により固着された弾性部材である。第１樹脂材４４は、例えば、ポリエステル繊維で構成される。

【0028】

図１及び図２に示すように、第２セパレータ１８のＭＥＡ２０に向かう面１８ａ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４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数の酸化剤ガス流路溝４８を有する。各酸化剤ガス流路溝４８は、矢印Ｂ方向に波状に延在してもよい。

【0029】

第２セパレータ１８には、樹脂枠付きＭＥＡ１４と第２セパレータ１８との間から外部への流体（酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体）の漏出を防止する第２シール部５０が設けられている。第２シール部５０は、第２セパレータ１８の外周部を周回し、各連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３０ａ等）を周回する。第２シール部５０は、セパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）から見て直線状に延在している。ただし、第２シール部５０は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在してもよい。

【0030】

図２において、第２シール部５０は、第２セパレータ１８に一体成形された第２金属ビード部５２と、第２金属ビード部５２に設けられた第２樹脂材５４とを有する。第２金属ビード部５２は、第２セパレータ１８から樹脂枠部材２２に向かって突出している。第２金属ビード部５２の横断面形状は、第２金属ビード部５２の突出方向に向かって先細り形状となる台形形状である。第２樹脂材５４は、第２金属ビード部５２の突出端面に印刷又は塗布等により固着された弾性部材である。第２樹脂材５４は、例えば、ポリエステル繊維で構成される。

【0031】

第１シール部４０及び第２シール部５０は、セパレータ厚さ方向から見て互いに重なるように配置されている。そのため、燃料電池スタック１２に締付荷重（圧縮荷重）が付与された状態で、第１金属ビード部４２及び第２金属ビード部５２のそれぞれが弾性変形（圧縮変形）する。また、この状態で、第１シール部４０の突出端面（第１樹脂材４４）が樹脂枠部材２２の一方の面２２ａに気密及び液密に接触するとともに第２シール部５０の突出端面（第２樹脂材５４）が樹脂枠部材２２の他方の面２２ｂに気密及び液密に接触する。

【0032】

第１樹脂材４４は、第１金属ビード部４２ではなく、樹脂枠部材２２の一方の面２２ａに設けられてもよい。第２樹脂材５４は、第２金属ビード部５２ではなく、樹脂枠部材２２の他方の面２２ｂに設けられてもよい。また、第１樹脂材４４及び第２樹脂材５４の少なくともいずれかは、省略されてもよい。第１シール部４０及び第２シール部５０は、上述したようなメタルビードシールではなく、弾性を有するゴムシール部材で形成されてもよい。

【0033】

図１及び図２において、第１セパレータ１６の面１６ｂと第２セパレータ１８の面１８ｂ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５６が設けられる。冷却媒体流路５６は、酸化剤ガス流路４６の裏面形状と燃料ガス流路３６の裏面形状とによって形成される。

【0034】

図１及び図３Ａに示すように、樹脂枠部材２２は、四角環状に形成されている。つまり、図３Ａにおいて、樹脂枠部材２２の中央部には、四角形状の開口部６０が形成されている。そのため、図１～図３Ａに示すように、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、ＭＥＡ２０の外周部を周回するように四角環状に形成されている。なお、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、樹脂枠部材２２の内端２２ｉ及びその近傍領域を構成する部分である。

【0035】

図２に示すように、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、アノード電極２６の外周部２７とカソード電極２８の外周部２９との間に配置されている。具体的に、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、電解質膜２４の外周部２５とカソード電極２８の外周部２９とによって挟持されている。なお、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、電解質膜２４の外周部とアノード電極２６の外周部とによって挟持されてもよい。

【0036】

図３Ａにおいて、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、４つの直線状の辺部６２と、４つの角部６４とを含む。図２及び図３Ａに示すように、各辺部６２は、樹脂枠部材２２の内方に向かって先細り形状に形成されている。換言すれば、各辺部６２は、樹脂枠部材２２の内方に向かって厚さ（矢印Ａ方向の寸法）が減少する。各辺部６２は、横断面が三角形状に形成されている。つまり、各辺部６２には、樹脂枠部材２２の一方の面２２ａから他方の面２２ｂに向かって内方に傾斜した傾斜面６６と、傾斜面６６の両側に連結した一対の側面６８（図３Ａ参照）とが形成されている。傾斜面６６は、平坦に形成されている。

【0037】

図２に示すように、傾斜面６６の傾斜角度θ（樹脂枠部材２２の他方の面２２ｂと傾斜面６６とのなす角度）は、例えば、４５°以下が好ましく、１５°以上３０°以下がより好ましく、略２０°がより一層好ましい。傾斜角度θは、適宜設定可能である。４つの辺部６２において、傾斜角度θは、互いに同一である。ただし、４つの辺部６２において、傾斜角度θは、互いに異なってもよい。

【0038】

傾斜面６６は、各辺部６２の全長に亘って延在している（図３Ａ参照）。ただし、傾斜面６６は、各辺部６２の延在方向の一部にのみ設けられてもよい。傾斜面６６は、電解質膜２４の面２４ｂに対向している。換言すれば、傾斜面６６は、電解質膜２４の面２４ｂに近接又は接触している。各辺部６２は、内方に向かって薄く形成されている。そのため、各辺部６２の内方に形成される隙間Ｓは、各辺部６２に傾斜面６６を形成しない場合（各辺部６２の横断面が四角形状である場合）と比較して小さくなる。

【0039】

図３Ａにおいて、各側面６８は、傾斜面６６の延在方向の端に連結している。各側面６８は、各辺部６２の延在方向の端に位置する。角部６４は、互いに隣接する側面６８によって形成されている。角部６４を形成する２つの側面６８のなす角度は、略９０°である。各側面６８は、三角形状に形成されている。各角部６４は、傾斜面６６に対して樹脂枠部材２２の一方の面側に突出している。内周端部２３における互いに隣り合う辺部６２及び角部６４において、樹脂枠部材２２の一方の面２２ａのうち角部６４に位置する部分（第１平面部６５）と傾斜面６６との間には、段差（側面６８）が形成されている。角部６４の第１平面部６５は、樹脂枠部材２２の一方の面２２ａのうち内周端部２３よりも外方に位置する部分（第２平面部６７）に対して面一に連なっている。

【0040】

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、各角部６４は、樹脂枠部材２２の内方に向かって樹脂枠部材２２の内端２２ｉまで厚さが略一定である。各角部６４は、横断面が四角形状（長方形状）に形成されている（図３Ｂ参照）。各角部６４は、内周端部２３のうち傾斜面６６が形成されている部分（スロープ部）よりも肉厚に形成されている。各角部６４において、樹脂枠部材２２の一方の面２２ａと樹脂枠部材２２の他方の面２２ｂとは、互いに平行に延在している。つまり、各角部６４には、傾斜面６６が形成されていない。

【0041】

図２に示すように、電解質膜２４の外周部２５には、樹脂枠部材２２の傾斜面６６に対向する部分に第１傾斜領域７０ａが設けられる。第１傾斜領域７０ａは、樹脂枠部材２２の傾斜面６６に対して略平行に延在している。電解質膜２４において、第１傾斜領域７０ａよりも外方に位置するアノード電極２６側の面７０ｂは、第１傾斜領域７０ａよりも内方に位置するアノード電極２６側の面７０ｃよりも、カソード電極２８からより離れている。

【0042】

アノード電極２６の外周部２７には、電解質膜２４の第１傾斜領域７０ａに対向する部分に第２傾斜領域７２ａが設けられる。第２傾斜領域７２ａは、樹脂枠部材２２の傾斜面６６に対して略平行に延在している。アノード電極２６において、第２傾斜領域７２ａよりも外方に位置する第１セパレータ１６側の面７２ｂは、第２傾斜領域７２ａよりも内方に位置する第１セパレータ１６側の面７２ｃよりも、カソード電極２８からより離れている。

【0043】

カソード電極２８の外周部２９には、樹脂枠部材２２の厚さ方向（矢印Ａ方向）に樹脂枠部材２２の傾斜面６６と重なる箇所に第３傾斜領域７４ａが設けられている。第３傾斜領域７４ａは、カソード電極２８の外周端２８ｏに向かって樹脂枠部材２２が位置する側とは反対側に傾斜している。カソード電極２８において、第３傾斜領域７４ａよりも外方に位置する第２セパレータ１８側の面７４ｂは、第３傾斜領域７４ａよりも内方に位置する第２セパレータ１８側の面７４ｃよりも、アノード電極２６からより離れている。

【0044】

次に、本実施形態に係る発電セル１０を含む燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。

【0045】

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。

【0046】

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１８の酸化剤ガス流路４６に導入され、矢印Ｂ方向に移動してＭＥＡ２０のカソード電極２８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１６の燃料ガス流路３６に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２０のアノード電極２６に供給される。

【0047】

従って、ＭＥＡ２０では、カソード電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２６に供給される燃料ガスとが、電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

【0048】

次いで、図１において、カソード電極２８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２６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。

【0049】

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１６と第２セパレータ１８との間の冷却媒体流路５６に導入された後、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３２ｂから排出される。

【0050】

次に、本実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１４の製造方法について、以下に説明する。

【0051】

まず、図４に示す樹脂製シート１００を作製する。樹脂製シート１００の長手方向の一端縁部には、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が形成されている。樹脂製シート１００の長手方向の他端縁部には、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が形成されている。また、樹脂製シート１００の中央部には、四角形状の開口部６０が形成されている。

【0052】

続いて、樹脂製シート１００の内周端部１０１の各辺部１０２に図３Ａに示す傾斜面６６を加工する（樹脂製シート１００の仮想線１０４の部分を加工する）。この際、樹脂製シート１００の内周端部１０１の各角部６４については、加工しない。つまり、樹脂製シート１００の内周端部１０１の各角部６４は、そのまま残される。

【0053】

具体的に、傾斜面６６（図３Ａ参照）は、レーザ加工、ウォータジェット加工、プレス加工（ダイトリムを用いた切断）、ブレードを用いた切断等により成形される。例えば、レーザ加工を用いる場合、各辺部１０２の一端から他端に向かってレーザ光を走査させることにより傾斜面６６を容易に形成することができる。このように、樹脂製シート１００の内周端部１０１の角部６４を加工する必要がないため、樹脂枠部材２２を簡単に作製することができる。

【0054】

続いて、電解質膜２４が設けられたアノード電極２６と、カソード電極２８とを準備する。そして、電解質膜２４の外周部２５とカソード電極２８の外周部２９との間に樹脂枠部材２２の内周端部２３を配置して互いに接合する。具体的に、厚さ方向に重ねられたアノード電極２６、電解質膜２４、樹脂枠部材２２及びカソード電極２８を加熱するとともに荷重を付与すること（ホットプレス）により接合を行う。これにより、樹脂枠付きＭＥＡ１４が得られる。

【0055】

本実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１４及び発電セル１０は、以下の効果を奏する。

【0056】

樹脂枠部材２２の内周端部２３は、ＭＥＡ２０の外周部を周回するように四角環状に形成されるとともにアノード電極２６の外周部２７とカソード電極２８の外周部２９との間に配置されている。内周端部２３の４つの辺部６２のそれぞれには、樹脂枠部材２２の一方の面２２ａから樹脂枠部材２２の他方の面２２ｂに向かって内方に傾斜した傾斜面６６が形成されている。内周端部２３における互いに隣り合う辺部６２及び角部６４において、樹脂枠部材２２の一方の面２２ａのうち角部６４に位置する部分（第１平面部６５）と傾斜面６６との間には、段差（側面６８）が形成されている。

【0057】

このような構成によれば、樹脂枠部材２２の内周端部２３の４つの辺部６２のそれぞれに傾斜面６６を形成している。つまり、樹脂枠部材２２の内周端部２３は、内方に向かって薄く形成されている。そのため、樹脂枠部材２２の内周端部２３の内方の隙間Ｓを小さくすることができる。よって、発電効率を向上させることができる。また、内周端部２３における互いに隣り合う辺部６２及び角部６４において、第１平面部６５と傾斜面６６との間に段差が形成されている。これにより、樹脂枠部材２２の内周端部２３の４つの角部６４に傾斜面６６を成形する必要がないため、樹脂枠部材２２の製造効率の低下を抑えることができる。

【0058】

傾斜面６６は、電解質膜２４に対向している。

【0059】

このような構成によれば、樹脂枠部材２２の各辺部６２が電解質膜２４に突き刺さることを抑えることができる。これにより、電解質膜２４の損傷を抑制することができる。

【0060】

樹脂枠部材２２の平面方向に対する傾斜面６６の傾斜角度θは、４つの辺部６２で互いに同一である。

【0061】

このような構成によれば、樹脂枠部材２２の製造効率を一層高めることができる。

【0062】

本発明は上述した実施形態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。樹脂枠付きＭＥＡ１４において、傾斜面６６は、電解質膜２４とは反対側を向いていてもよい。

【0063】

以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。

【0064】

上記実施形態は、電解質膜（２４）の一方の面（２４ａ）に第１電極（２６）が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面（２４ｂ）に第２電極（２８）が設けられてなる電解質膜・電極構造体（２０）と、前記電解質膜・電極構造体の外周部に設けられた樹脂枠部材（２２）と、を備えた樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（１４）であって、前記樹脂枠部材の内周端部（２３）は、前記電解質膜・電極構造体の前記外周部を周回するように四角環状に形成されるとともに前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置され、前記内周端部の４つの辺部（６２）のそれぞれには、前記樹脂枠部材の一方の面（２２ａ）から前記樹脂枠部材の他方の面（２２ｂ）に向かって内方に傾斜した傾斜面（６６）が形成され、前記内周端部における互いに隣り合う辺部及び角部（６４）において、前記樹脂枠部材の一方の面のうち前記角部に位置する部分（６５）と前記傾斜面との間には、段差（６８）が形成されている、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を開示している。

【0065】

上記の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記傾斜面は、前記電解質膜に対向してもよい。

【0066】

上記の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記樹脂枠部材の平面方向に対する前記傾斜面の傾斜角度（θ）は、前記４つの辺部で互いに同一であってもよい。

【0067】

上記の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記第１電極及び前記第２電極において、一方の電極（２６）の平面寸法は、他方の電極（２８）の平面寸法よりも大きくてもよい。

【0068】

上記実施形態は、上述した樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の両側に配設された第１セパレータ（１６）及び第２セパレータ（１８）と、を備えた発電セル（１０）を開示している。

【符号の説明】

【0069】

１０…発電セル
１４…樹脂枠付きＭＥＡ（樹脂枠付き電解質膜・電極構造体）
１６…第１セパレータ １８…第２セパレータ
２０…ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
２２…樹脂枠部材 ２３…内周端部
２４…電解質膜
２６…アノード電極（第１電極、一方の電極）
２８…カソード電極（第２電極、他方の電極）
６２…辺部 ６４…角部
６５…第１平面部 θ…傾斜角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】