JP2016051518A - Resin frame-attached electrolyte membrane-electrode structure for fuel battery - Google Patents

Resin frame-attached electrolyte membrane-electrode structure for fuel battery Download PDF

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満田　直樹
Naoki Mitsuda
直樹 満田
信義 室本
Nobuyoshi Muromoto
信義 室本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make it possible to reliably perform air vent from an adhesive layer with a simple structure, and to perform high-quality strong bonding between an electrolyte membrane-electrode structure and a resin frame member.SOLUTION: A resin frame-attached electrolyte membrane-electrode structure 10 comprises: a stepped MEA 10a and a resin frame member 24 which are integrated; and an adhesive layer 28 provided between the stepped MEA 10a and the resin frame member 24, in which an adhesive 28a is filled. The adhesive layer 28 has: an inner portion 30a where the adhesive 28a is disposed; and an outer portion 30b where the adhesive 28a is spread in a binding work. The stepped MEA has a solid polymer electrolyte film 18. The solid polymer electrolyte film is provided with a slit 32 binding the outer portion 30b to an anode electrode 20.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を第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。   The present invention relates to an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell, comprising: a step MEA having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between a first electrode and a second electrode; and a resin frame member that goes around the outer periphery of the step MEA. About.

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側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、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。   In general, a polymer electrolyte fuel cell employs a polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. The fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is disposed on one side of the solid polymer electrolyte membrane, and a cathode electrode is disposed on the other side of the solid polymer electrolyte membrane. The anode electrode and the cathode electrode each have a catalyst layer (electrode catalyst layer) and a gas diffusion layer (porous carbon).

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、燃料電池が構成されている。この燃料電池は、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。   The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between separators (bipolar plates) to constitute a fuel cell. This fuel cell is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number of fuel cells.

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、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。   In the electrolyte membrane / electrode structure, one gas diffusion layer is set to a plane size smaller than that of the solid polymer electrolyte membrane, and the other gas diffusion layer is set to the same plane size as the solid polymer electrolyte membrane. In other words, a so-called step MEA may be formed. At that time, in order to reduce the amount of the relatively expensive solid polymer electrolyte membrane used and to protect the solid polymer electrolyte membrane having a thin film shape and low strength, an MEA with a resin frame incorporating a resin frame member is adopted. Has been.

樹脂枠付きＭＥＡでは、固体高分子電解質膜に亀裂やせん断が発生することを抑制するために、段差ＭＥＡと樹脂枠部材との接合強度を良好に維持する必要がある。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（樹脂枠付きＭＥＡ）が知られている。   In the MEA with a resin frame, it is necessary to maintain a good bonding strength between the step MEA and the resin frame member in order to prevent the solid polymer electrolyte membrane from being cracked or sheared. For example, an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell (MEA with a resin frame) disclosed in Patent Document 1 is known.

この樹脂枠付きＭＥＡでは、樹脂枠部材は、第１電極の外周側に突出して固体高分子電解質膜の外周縁部に当接する内周端部を有している。そして、内周端部は、固体高分子電解質膜と第１電極の外周部との境界部位に配置される角部が、断面曲面形状に構成されている。従って、簡単な構成で、固体高分子電解質膜にせん断応力がかかることを確実に阻止し、前記固体高分子電解質膜の損傷を良好に抑制することが可能になる、としている。   In this MEA with a resin frame, the resin frame member has an inner peripheral end that protrudes toward the outer peripheral side of the first electrode and contacts the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane. And the corner | angular part arrange | positioned in the inner peripheral edge part at the boundary part of a solid polymer electrolyte membrane and the outer peripheral part of a 1st electrode is comprised by the cross-sectional curved surface shape. Therefore, with a simple configuration, it is possible to reliably prevent the solid polymer electrolyte membrane from being subjected to shear stress, and to satisfactorily suppress damage to the solid polymer electrolyte membrane.

特開２０１３−９８１５５号公報JP2013-98155A

ところで、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とは、これらの間に形成された空間（接着剤層）に、例えば、ホットメルト接着剤の他、種々の接着剤を充填することにより、接着されている。具体的には、接着剤は、接着剤層の一部分に配置され、段差ＭＥＡ及び樹脂枠部材同士が加圧されることにより、前記接着剤が押し広げられて前記接着剤層全体に充填されている。   By the way, the step MEA and the resin frame member are bonded together by, for example, filling a space (adhesive layer) formed between them with various adhesives in addition to the hot melt adhesive. Specifically, the adhesive is arranged in a part of the adhesive layer, and the step MEA and the resin frame member are pressed to spread the adhesive to fill the entire adhesive layer. Yes.

しかしながら、接着剤層は、密閉空間を形成する場合が多く、この接着剤層内を接着剤が広げられる際、空気が前記接着剤層から抜けないおそれがある。これにより、接着剤層内に残存する空気に起因して、接着剤を均一厚さに塗ることができず、ガス遮断性や接着耐久性等の品質に大きなばらつきが発生するという問題がある。   However, the adhesive layer often forms a sealed space, and when the adhesive is spread in the adhesive layer, air may not escape from the adhesive layer. As a result, due to the air remaining in the adhesive layer, the adhesive cannot be applied to a uniform thickness, and there is a problem that a large variation occurs in quality such as gas barrier properties and adhesion durability.

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、接着剤層からの空気抜きを確実に行うことができ、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを強固且つ高品質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・電極構造体を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and with a simple configuration, air can be reliably removed from the adhesive layer, and the electrolyte membrane / electrode structure and the resin frame member are strong and high quality. An object of the present invention is to provide an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell that can be bonded to a fuel cell.

本発明に係る燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを備えている。段差ＭＥＡは、固体高分子電解質膜の一方の面には、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。   The electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell according to the present invention includes a step MEA and a resin frame member. In the step MEA, a first electrode is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and a second electrode is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. The planar dimension of the first electrode is set to be larger than the planar dimension of the second electrode. The resin frame member is provided around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane.

そして、樹脂枠部材と段差ＭＥＡの外周縁部との間には、他方の面側に接着剤が充填される接着剤層を設けている。接着剤層には、接着剤が配置される内側部位及び前記接着剤が配置されない空隙部を形成する外側部位を有し、且つ、固体高分子電解質膜には、前記外側部位と第１電極とを繋ぐ開口部が設けられている。   An adhesive layer filled with an adhesive is provided on the other surface side between the resin frame member and the outer peripheral edge of the step MEA. The adhesive layer has an inner portion where the adhesive is disposed and an outer portion which forms a void where the adhesive is not disposed, and the solid polymer electrolyte membrane includes the outer portion, the first electrode, The opening part which connects is provided.

また、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、開口部は、固体高分子電解質膜の外周縁部を周回する複数個のスリットを有することが好ましい。   In the electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell, the opening preferably has a plurality of slits that circulate around the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane.

さらに、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、開口部は、固体高分子電解質膜の外周縁部を周回する複数個の孔部を有することが好ましい。   Further, in the electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell, the opening preferably has a plurality of holes around the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane.

本発明によれば、接着剤層の内側部位に配置された接着剤は、樹脂枠部材と段差ＭＥＡとが密着される際に伸ばされて、前記接着剤層の外側部位側に流動する。ここで、接着剤層内の空気は、接着剤の流動に沿って外側部位に移動し、前記外側部位と第１電極とを繋ぐ開口部を通って前記第１電極側に排気される。   According to the present invention, the adhesive disposed in the inner part of the adhesive layer is stretched when the resin frame member and the step MEA are brought into close contact with each other, and flows toward the outer part of the adhesive layer. Here, the air in the adhesive layer moves to the outer portion along the flow of the adhesive, and is exhausted to the first electrode side through an opening connecting the outer portion and the first electrode.

このため、簡単な構成で、接着剤層からの空気抜きを確実に行うことができる。従って、接着剤は、接着剤層内で均一厚さに塗ることが可能になり、ガス遮断性や接着耐久性等の品質にばらつきが発生することを抑制することができる。これにより、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを強固且つ高品質に接合することが可能になる。   For this reason, it is possible to reliably remove air from the adhesive layer with a simple configuration. Therefore, the adhesive can be applied in a uniform thickness within the adhesive layer, and variations in quality such as gas barrier properties and adhesion durability can be suppressed. Thereby, it becomes possible to join the step MEA and the resin frame member firmly and with high quality.

本発明の第１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燃料電池の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory view of the polymer electrolyte fuel cell in which the resin membrane-attached electrolyte membrane / electrode structure according to the first embodiment of the present invention is incorporated. 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。FIG. 2 is a sectional view of the fuel cell taken along line II-II in FIG. 1. 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。It is principal part cross-sectional explanatory drawing of the said electrolyte membrane and electrode structure with a resin frame. 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斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the resin frame member which constitutes the resin membrane-attached electrolyte membrane electrode structure. 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を構成する段差ＭＥＡの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the level | step difference MEA which comprises the said electrolyte membrane and electrode structure with a resin frame. 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。It is explanatory drawing of the method to manufacture the said electrolyte membrane-electrode structure with a resin frame. 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。It is explanatory drawing of the method to manufacture the said electrolyte membrane-electrode structure with a resin frame. 本発明の第２の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を構成する段差ＭＥＡの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the level | step difference MEA which comprises the electrolyte membrane and electrode structure with a resin frame which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態に係る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。It is principal part cross-sectional explanatory drawing of the electrolyte membrane and electrode structure with a resin frame which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施形態に係る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。It is principal part sectional explanatory drawing of the electrolyte membrane and electrode structure with a resin frame which concerns on the 4th Embodiment of this invention.

図１及び図２に示すように、本発明の第１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燃料電池１２に組み込まれる。複数の燃料電池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。   As shown in FIGS. 1 and 2, the electrolyte membrane / electrode structure 10 with a resin frame according to the first embodiment of the present invention is incorporated into a horizontally long (or vertically long) rectangular polymer electrolyte fuel cell 12. It is. The plurality of fuel cells 12 are stacked in, for example, an arrow A direction (horizontal direction) or an arrow C direction (gravity direction) to form a fuel cell stack. The fuel cell stack is mounted on, for example, a fuel cell electric vehicle (not shown) as an in-vehicle fuel cell stack.

燃料電池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。   In the fuel cell 12, the electrolyte membrane / electrode structure 10 with a resin frame is sandwiched between the first separator 14 and the second separator 16. The first separator 14 and the second separator 16 have a horizontally long (or vertically long) rectangular shape. The first separator 14 and the second separator 16 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plating-treated steel plate, a metal plate whose surface is subjected to anticorrosion treatment, a carbon member, or the like.

長方形状の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、図２及び図３に示すように、段差ＭＥＡ１０ａを備える。段差ＭＥＡ１０ａは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）１８と、前記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。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）系電解質を使用してもよい。   As shown in FIGS. 2 and 3, the electrolyte membrane / electrode structure 10 with a rectangular resin frame includes a step MEA 10 a. The step MEA 10a includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane (cation exchange membrane) 18 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode electrode (first electrode) 20 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 18. And a cathode electrode (second electrode) 22. The solid polymer electrolyte membrane 18 may use an HC (hydrocarbon) based electrolyte in addition to the fluorine based electrolyte.

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。   The cathode electrode 22 has a smaller planar dimension than the solid polymer electrolyte membrane 18 and the anode electrode 20. Instead of the above configuration, the anode electrode 20 may be configured to have a smaller planar dimension than the solid polymer electrolyte membrane 18 and the cathode electrode 22. At that time, the anode electrode 20 becomes the second electrode, and the cathode electrode 22 becomes the first electrode.

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、同一の外形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）の外形寸法に設定される。   The anode electrode 20 includes a first electrode catalyst layer 20a joined to one surface 18a of the solid polymer electrolyte membrane 18, and a first gas diffusion layer 20b laminated on the first electrode catalyst layer 20a. The first electrode catalyst layer 20a and the first gas diffusion layer 20b have the same external dimensions and are set to the same external dimensions as (or less than) the solid polymer electrolyte membrane 18.

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及び第２ガス拡散層２２ｂは、同一の外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜１８の外形寸法よりも小さな外形寸法に設定される。   The cathode electrode 22 includes a second electrode catalyst layer 22a bonded to the surface 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18, and a second gas diffusion layer 22b stacked on the second electrode catalyst layer 22a. The second electrode catalyst layer 22 a and the second gas diffusion layer 22 b have the same outer dimensions and are set to be smaller than the outer dimensions of the solid polymer electrolyte membrane 18.

なお、第１の実施形態では、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いるが、前記第２電極触媒層２２ａの平面寸法は、前記第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法よりも大きな寸法（又は小さな寸法）を有してもよい。   In the first embodiment, the second electrode catalyst layer 22a and the second gas diffusion layer 22b are set to have the same planar dimension. However, the planar dimension of the second electrode catalyst layer 22a is the first dimension. You may have a dimension (or small dimension) larger than the plane dimension of 2 gas diffusion layer 22b.

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。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、カーボンクロス等からなるとともに、前記第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法は、前記第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、例えば、固体高分子電解質膜１８の両面に形成される。   The first electrode catalyst layer 20a is formed, for example, by uniformly applying porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface thereof to the surface of the first gas diffusion layer 20b. The second electrode catalyst layer 22a is formed, for example, by uniformly applying porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof to the surface of the second gas diffusion layer 22b. The first gas diffusion layer 20b and the second gas diffusion layer 22b are made of carbon paper, carbon cloth, or the like, and the planar dimension of the second gas diffusion layer 22b is smaller than the planar dimension of the first gas diffusion layer 20b. Is set. The first electrode catalyst layer 20a and the second electrode catalyst layer 22a are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 18, for example.

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２４を備える。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）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。   The resin membrane-attached electrolyte membrane / electrode structure 10 includes a resin frame member 24 that circulates around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane 18 and is joined to the anode electrode 20 and the cathode electrode 22. The resin frame member 24 includes, for example, PPS (polyphenylene sulfide), PPA (polyphthalamide), PEN (polyethylene naphthalate), PES (polyethersulfone), LCP (liquid crystal polymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), It is composed of silicone rubber, fluorine rubber, EPDM (ethylene propylene rubber), m-PPE (modified polyphenylene ether resin), or the like.

図１及び図４に示すように、樹脂枠部材２４は、枠形状を有する。樹脂枠部材２４は、図２及び図３に示すように、内周基端部２４ｓからカソード電極２２側に膨出する薄肉状に形成された内側膨出部２４ａを有する。内側膨出部２４ａは、内周基端部２４ｓから内方（矢印Ｃ方向）に所定の長さを有して延在し、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅから第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ａｅ、２２ｂｅ近傍に配置される。固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅは、カソード電極２２の先端部から面方向外方に露出する。   As shown in FIGS. 1 and 4, the resin frame member 24 has a frame shape. As shown in FIGS. 2 and 3, the resin frame member 24 has an inner bulging portion 24 a formed in a thin shape that bulges from the inner peripheral base end portion 24 s to the cathode electrode 22 side. The inner bulging portion 24a extends from the inner peripheral base end portion 24s inward (in the direction of arrow C) with a predetermined length, and extends from the outer peripheral edge portion 18be of the solid polymer electrolyte membrane 18 to the second electrode catalyst layer 22a. The second gas diffusion layer 22b is disposed in the vicinity of the outer peripheral end portions 22ae and 22be. The outer peripheral edge 18be of the solid polymer electrolyte membrane 18 is exposed outwardly in the plane direction from the tip of the cathode electrode 22.

内側膨出部２４ａには、内周基端部２４ｓに連続して、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅの先端側に当接する凸状部２６ａが設けられる。凸状部２６ａは、外周縁部１８ｂｅの先端側を周回する枠形状に形成される。凸状部２６ａの内方端部には、前記凸状部２６ａより薄肉状に形成される平坦面部２６ｂが設けられ、前記平坦面部２６ｂは、該凸状部２６ａから内側膨出部２４ａの内周端縁部まで延在する。平坦面部２６ｂの内周端には、凸状部２６ａに対応して凸状部２６ｃが設けられる。   The inner bulging portion 24a is provided with a convex portion 26a that is continuous with the inner peripheral base end portion 24s and contacts the distal end side of the outer peripheral edge portion 18be of the solid polymer electrolyte membrane 18. The convex portion 26a is formed in a frame shape that goes around the tip side of the outer peripheral edge portion 18be. A flat surface portion 26b formed thinner than the convex portion 26a is provided at the inner end of the convex portion 26a, and the flat surface portion 26b extends from the convex portion 26a to the inside of the inner bulging portion 24a. Extends to the peripheral edge. A convex portion 26c is provided at the inner peripheral end of the flat surface portion 26b corresponding to the convex portion 26a.

樹脂枠部材２４と段差ＭＥＡ１０ａの外周縁部との間には、面１８ｂ側に接着剤２８ａが充填される接着剤層２８が設けられる。具体的には、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅには、凸状部２６ａ、２６ｃが周回して当接するとともに、前記凸状部２６ａ、２６ｃ間には、薄肉状の平坦面部２６ｂが設けられる。図３に示すように、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅ、凸状部２６ａ、２６ｃ及び平坦面部２６ｂにより、接着剤層２８を構成する空間部３０が形成される。   An adhesive layer 28 filled with an adhesive 28a is provided on the surface 18b side between the resin frame member 24 and the outer peripheral edge of the step MEA 10a. Specifically, convex portions 26a and 26c circulate and abut on the outer peripheral edge portion 18be of the solid polymer electrolyte membrane 18, and a thin flat surface portion 26b is provided between the convex portions 26a and 26c. Is provided. As shown in FIG. 3, the outer peripheral edge portion 18be, the convex portions 26a, 26c, and the flat surface portion 26b of the solid polymer electrolyte membrane 18 form a space portion 30 that constitutes the adhesive layer 28.

空間部３０（接着剤層２８）は、接着剤２８ａが配置される内側部位３０ａと、接着作業時に該接着剤２８ａが配置されない空隙部を形成する外側部位３０ｂとを有する。固体高分子電解質膜１８には、外側部位３０ｂとアノード電極２０とを繋ぐ開口部、例えば、複数のスリット３２が設けられる。スリット３２は、外側部位３０ｂに対向して設けられるとともに、前記スリット３２には、接着剤２８ａが伸びてこない。   The space portion 30 (adhesive layer 28) has an inner portion 30a where the adhesive 28a is disposed and an outer portion 30b which forms a void portion where the adhesive 28a is not disposed during the bonding operation. The solid polymer electrolyte membrane 18 is provided with openings that connect the outer portion 30b and the anode electrode 20, for example, a plurality of slits 32. The slit 32 is provided opposite to the outer portion 30b, and the adhesive 28a does not extend into the slit 32.

図５に示すように、スリット３２は、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅを周回して形成されるとともに、例えば、互いに千鳥状且つ２列に形成される。なお、スリット３２は、外周縁部１８ｂｅを周回して１列に設けてもよい。スリット３２の切れ目の幅ｈは、好ましくは、５０ｍｍ以下に設定される。幅ｈが５０ｍｍを超えると、アノード電極２０側に接着剤２８ａが染み出すおそれがあるからである。スリット３２の短辺ｌは、好ましくは、０．０１〜０．１ｍｍの範囲に設定される。   As shown in FIG. 5, the slits 32 are formed around the outer peripheral edge portion 18be of the solid polymer electrolyte membrane 18, and are formed in, for example, a staggered manner and two rows. The slits 32 may be provided in a row around the outer peripheral edge 18be. The width h of the slit 32 is preferably set to 50 mm or less. This is because if the width h exceeds 50 mm, the adhesive 28a may ooze out to the anode electrode 20 side. The short side l of the slit 32 is preferably set in the range of 0.01 to 0.1 mm.

接着剤層２８には、接着剤２８ａとして、例えば、エポキシ系、アクリル系接着剤の他、高分子やフッ素系エラストマーが設けられる。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。   The adhesive layer 28 is provided with, for example, an epoxy or acrylic adhesive, a polymer or a fluorine elastomer as the adhesive 28a. In addition, as an adhesive agent, it is not restrict | limited to liquid, solid, thermoplasticity, thermosetting, etc.

図２に示すように、樹脂枠部材２４とアノード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂとは、接着用樹脂を用いた樹脂含浸部３４により一体化される。樹脂含浸部３４は、例えば、樹脂枠部材２４に一体成形される樹脂突起部３４ｔを加熱変形させて構成することができる。なお、樹脂含浸部３４は、接着剤層２８と同様に、接着剤を使用してもよい。   As shown in FIG. 2, the resin frame member 24 and the first gas diffusion layer 20b of the anode electrode 20 are integrated by a resin impregnated portion 34 using an adhesive resin. The resin-impregnated portion 34 can be configured, for example, by thermally deforming a resin protrusion 34t that is integrally formed with the resin frame member 24. The resin impregnated portion 34 may use an adhesive in the same manner as the adhesive layer 28.

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一方、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。   As shown in FIG. 1, one end edge of the fuel cell 12 in the direction of arrow B (horizontal direction in FIG. 1) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction. A cooling medium inlet communication hole 42a and a fuel gas outlet communication hole 44b are provided. The oxidant gas inlet communication hole 40a supplies an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, while the cooling medium inlet communication hole 42a supplies a cooling medium. The fuel gas outlet communication hole 44b discharges a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas. The oxidant gas inlet communication hole 40a, the cooling medium inlet communication hole 42a, and the fuel gas outlet communication hole 44b are arranged in an arrow C direction (vertical direction).

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。   The other end edge of the fuel cell 12 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, the fuel gas inlet communication hole 44a for supplying fuel gas, the cooling medium outlet communication hole 42b for discharging the cooling medium, and the oxidation An oxidizing gas outlet communication hole 40b for discharging the oxidizing gas is provided. The fuel gas inlet communication hole 44a, the cooling medium outlet communication hole 42b, and the oxidant gas outlet communication hole 40b are arranged in the direction of arrow C.

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４６が設けられる。   An oxidant gas flow path 46 communicating with the oxidant gas inlet communication hole 40a and the oxidant gas outlet communication hole 40b is provided on the surface 16a of the second separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 10 with a resin frame. .

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４４ａと燃料ガス出口連通孔４４ｂとに連通する燃料ガス流路４８が形成される。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が形成される。   A fuel gas passage 48 communicating with the fuel gas inlet communication hole 44a and the fuel gas outlet communication hole 44b is formed on the surface 14a of the first separator 14 facing the electrolyte membrane / electrode structure 10 with a resin frame. A cooling medium flow path 50 communicating with the cooling medium inlet communication hole 42a and the cooling medium outlet communication hole 42b is formed between the surface 14b of the first separator 14 and the surface 16b of the second separator 16 adjacent to each other. .

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５２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５４が一体化される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the first seal member 52 is integrated with the surfaces 14 a and 14 b of the first separator 14 around the outer peripheral end of the first separator 14. The second seal member 54 is integrated with the surfaces 16 a and 16 b of the second separator 16 around the outer peripheral end of the second separator 16.

図２に示すように、第１シール部材５２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に当接する第１凸状シール５２ａと、第２セパレータ１６の第２シール部材５４に当接する第２凸状シール５２ｂとを有する。第２シール部材５４は、第２凸状シール５２ｂに当接する面がセパレータ面に沿って平面状に延在する平面シールを構成する。なお、第２凸状シール５２ｂに代えて、第２シール部材５４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。   As shown in FIG. 2, the first seal member 52 includes a first convex seal 52 a that contacts the resin frame member 24 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 10 with a resin frame, and a second seal of the second separator 16. And a second convex seal 52b that contacts the member 54. The second seal member 54 constitutes a flat seal in which a surface that contacts the second convex seal 52b extends in a flat shape along the separator surface. Instead of the second convex seal 52b, the second seal member 54 may be provided with a convex seal (not shown).

第１シール部材５２及び第２シール部材５４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。   For the first seal member 52 and the second seal member 54, for example, EPDM, NBR, fluoro rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene or acrylic rubber or the like, cushion material Alternatively, an elastic seal member such as a packing material is used.

次いで、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。   Next, a method for producing the resin frame-attached electrolyte membrane / electrode structure 10 will be described below.

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。段差ＭＥＡ１０ａでは、カーボンペーパの平坦面に、カーボンブラックとＰＴＦＥ粒子との混合物からなるスラリーを塗布し、乾燥させて下地層を形成することにより、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂが形成される。   First, the step MEA 10a is manufactured, while the resin frame member 24 is injection-molded using a mold (not shown). In the step MEA 10a, a first gas diffusion layer 20b and a second gas diffusion layer 22b are formed by applying a slurry made of a mixture of carbon black and PTFE particles on a flat surface of carbon paper and drying to form a base layer. Is formed.

一方、電極触媒に溶媒を加えた後、バインダー溶液を投入してカソード電極インク及びアノード電極インクが作成される。カソード電極インクは、ＰＥＴフィルムにスクリーン印刷により塗工され、カソード電極シートが形成される。同様に、アノード電極インクは、ＰＥＴフィルムにスクリーン印刷により塗工され、アノード電極シートが形成される。   On the other hand, after adding a solvent to the electrode catalyst, a binder solution is added to prepare a cathode electrode ink and an anode electrode ink. Cathode electrode ink is applied to a PET film by screen printing to form a cathode electrode sheet. Similarly, the anode electrode ink is applied to a PET film by screen printing to form an anode electrode sheet.

次いで、固体高分子電解質膜１８が、カソード電極シート及びアノード電極シートに挟持された状態で、ホットプレスを行った後、ＰＥＴフィルムを剥離することにより接合体（ＣＣＭ）（catalyst coated membrane）が形成される。さらに、ＣＣＭは、第１ガス拡散層２０ｂと第２ガス拡散層２２ｂとに挟持され、ホットプレスにより一体化されて段差ＭＥＡ１０ａが作製される。固体高分子電解質膜１８には、例えば、トリミング刃を用いて所定の深さに且つ所定の長さに複数のスリット３２が形成されている。   Next, after the solid polymer electrolyte membrane 18 is sandwiched between the cathode electrode sheet and the anode electrode sheet, hot pressing is performed, and then the PET film is peeled to form a bonded body (CCM) (catalyst coated membrane). Is done. Further, the CCM is sandwiched between the first gas diffusion layer 20b and the second gas diffusion layer 22b and integrated by hot pressing to form the step MEA 10a. A plurality of slits 32 are formed in the solid polymer electrolyte membrane 18 at a predetermined depth and a predetermined length using, for example, a trimming blade.

また、図４に示すように、樹脂枠部材２４は、肉薄形状の内側膨出部２４ａを有する。内側膨出部２４ａには、内周基端部２４ｓに連続して凸状部２６ａが設けられるとともに、前記凸状部２６ａの内方端部には、前記凸状部２６ａより薄肉状に形成される平坦面部２６ｂが設けられている。平坦面部２６ｂの内周端には、凸状部２６ａに対応して凸状部２６ｃが設けられている。なお、樹脂枠部材２４には、必要に応じて樹脂突起部３４ｔが一体成形される。   Moreover, as shown in FIG. 4, the resin frame member 24 has a thin inner bulging portion 24a. The inner bulging portion 24a is provided with a convex portion 26a continuous to the inner peripheral base end portion 24s, and is formed thinner at the inner end portion of the convex portion 26a than the convex portion 26a. A flat surface portion 26b is provided. A convex portion 26c is provided at the inner peripheral end of the flat surface portion 26b corresponding to the convex portion 26a. A resin protrusion 34t is integrally formed on the resin frame member 24 as necessary.

次に、図６に示すように、樹脂枠部材２４には、内側膨出部２４ａの平坦面部２６ｂに、空間部３０の内側部位３０ａに対応して接着剤２８ａ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。さらに、樹脂枠部材２４の内周基端部２４ｓと段差ＭＥＡ１０ａを構成する第１ガス拡散層２０ｂの外周端部２０ｂｅとが位置合わせされる。   Next, as shown in FIG. 6, the resin frame member 24 is provided with an adhesive 28a on the flat surface portion 26b of the inner bulging portion 24a corresponding to the inner portion 30a of the space portion 30, for example, a dispenser (not shown). It is applied via. Further, the inner peripheral base end 24s of the resin frame member 24 and the outer peripheral end 20be of the first gas diffusion layer 20b constituting the step MEA 10a are aligned.

図７に示すように、接着剤２８ａが加熱されるとともに、厚さ方向に荷重（プレス等）が付与される。このため、接着剤２８ａが加圧及び溶融され、空間部３０内を内側部位３０ａから外側部位３０ｂに向かって伸ばされ、前記外側部位３０ｂには、空隙部が形成される。従って、樹脂枠部材２４の内側膨出部２４ａと固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅとは、接着剤層２８を介して接着される。   As shown in FIG. 7, the adhesive 28a is heated and a load (press or the like) is applied in the thickness direction. For this reason, the adhesive 28a is pressurized and melted, and is extended in the space 30 from the inner part 30a toward the outer part 30b, and a void is formed in the outer part 30b. Therefore, the inner bulging portion 24 a of the resin frame member 24 and the outer peripheral edge portion 18 be of the solid polymer electrolyte membrane 18 are bonded via the adhesive layer 28.

さらに、樹脂枠部材２４の内周端部２４ａｅの内周面と第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅの先端面とは、接着剤層２８を介して接着される。一方、樹脂枠部材２４とアノード電極２０の第１ガス拡散層２０ｂとは、樹脂含浸部３４により一体化される。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。   Further, the inner peripheral surface of the inner peripheral end 24 ae of the resin frame member 24 and the front end surface of the outer peripheral end 22 be of the second gas diffusion layer 22 b are bonded via an adhesive layer 28. On the other hand, the resin frame member 24 and the first gas diffusion layer 20 b of the anode electrode 20 are integrated by the resin impregnated portion 34. Therefore, the electrolyte membrane / electrode structure 10 with a resin frame is manufactured.

この場合、第１の実施形態では、固体高分子電解質膜１８には、外側部位３０ｂとアノード電極２０とを繋ぐ複数のスリット３２が設けられている。これにより、図６に示すように、空間部３０（接着剤層２８）の内側部位３０ａに配置された接着剤２８ａは、樹脂枠部材２４と段差ＭＥＡ１０ａとが密着される際に伸ばされて、前記空間部３０の外側部位３０ｂ側に流動している。   In this case, in the first embodiment, the solid polymer electrolyte membrane 18 is provided with a plurality of slits 32 that connect the outer portion 30 b and the anode electrode 20. Thereby, as shown in FIG. 6, the adhesive 28a disposed in the inner portion 30a of the space 30 (adhesive layer 28) is stretched when the resin frame member 24 and the step MEA 10a are brought into close contact with each other. It flows toward the outer portion 30b of the space 30.

ここで、空間部３０内の空気は、接着剤２８ａの流動に沿って外側部位３０ｂに移動し、前記外側部位３０ｂとアノード電極２０とを繋ぐ複数のスリット３２を通って前記アノード電極２０側に排気されている。   Here, the air in the space 30 moves to the outer portion 30b along the flow of the adhesive 28a, and passes through the plurality of slits 32 connecting the outer portion 30b and the anode electrode 20 to the anode electrode 20 side. It is exhausted.

このため、簡単な構成で、接着剤層２８からの空気抜きを確実に行うとともに、接着剤２８ａの染み出しを抑制することができる。従って、接着剤２８ａは、接着剤層２８内で均一厚さに塗ることが可能になり、ガス遮断性や接着耐久性等の品質にばらつきが発生することを抑制することができる。これにより、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とを強固且つ高品質に接合することが可能になるという効果が得られる。   For this reason, it is possible to reliably remove air from the adhesive layer 28 with a simple configuration and to suppress the bleeding of the adhesive 28a. Therefore, the adhesive 28a can be applied in a uniform thickness in the adhesive layer 28, and variations in quality such as gas barrier properties and adhesion durability can be suppressed. Thereby, the effect that it becomes possible to join the level | step difference MEA10a and the resin frame member 24 firmly and with high quality is acquired.

また、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２４ａ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に荷重を付与する。さらに、燃料電池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。   Moreover, the electrolyte membrane / electrode structure 10 with a resin frame is sandwiched between the first separator 14 and the second separator 16 as shown in FIG. The second separator 16 abuts against the inner bulging portion 24 a of the resin frame member 24 and applies a load to the electrolyte membrane / electrode structure 10 with a resin frame together with the first separator 14. Furthermore, a predetermined number of fuel cells 12 are stacked to form a fuel cell stack, and a clamping load is applied between end plates (not shown).

このように構成される燃料電池１２の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell 12 configured as described above will be described below.

先ず、図１に示すように、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とともに、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。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 40a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 44a. Supplied. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 42a.

このため、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４６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４４ａから第１セパレータ１４の燃料ガス流路４８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４８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。   Therefore, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas inlet communication hole 40a into the oxidant gas flow path 46 of the second separator 16, moves in the direction of arrow B, and is supplied to the cathode electrode 22 of the step MEA 10a. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas channel 48 of the first separator 14 from the fuel gas inlet communication hole 44a. The fuel gas moves in the direction of arrow B along the fuel gas channel 48 and is supplied to the anode electrode 20 of the step MEA 10a.

従って、各段差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。   Therefore, in each step MEA 10a, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 22 and the fuel gas supplied to the anode electrode 20 are electrochemically reacted in the second electrode catalyst layer 22a and the first electrode catalyst layer 20a. It is consumed and power is generated.

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４４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。   Next, the oxidant gas supplied and consumed to the cathode electrode 22 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 40b. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 20 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 44b.

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４２ｂから排出される。   In addition, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 42 a is introduced into the cooling medium flow path 50 between the first separator 14 and the second separator 16 and then flows in the direction of arrow B. This cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 42b after cooling the step MEA 10a.

図８は、本発明の第２の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体６０を構成する段差ＭＥＡ６０ａの正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を構成する段差ＭＥＡ１０ａと同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   FIG. 8 is an explanatory front view of a step MEA 60a constituting an electrolyte membrane / electrode structure 60 with a resin frame according to the second embodiment of the present invention. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as level | step difference MEA10a which comprises the electrolyte membrane and electrode structure 10 with a resin frame which concerns on 1st Embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted.

段差ＭＥＡ６０ａでは、固体高分子電解質膜１８には、外側部位３０ｂとアノード電極２０とを繋ぐ開口部、例えば、複数の孔部６２が設けられる。孔部６２は、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅを周回して形成されるとともに、例えば、互いに千鳥状且つ２列に形成される。なお、孔部６２は、外周縁部１８ｂｅを周回して１列に設けてもよい。孔部６２は、直径が３０μｍ以下に設定される。直径が３０μｍを超えると、アノード電極２０側に接着剤２８ａが染み出すおそれがあるからである。   In the step MEA 60a, the solid polymer electrolyte membrane 18 is provided with an opening that connects the outer portion 30b and the anode electrode 20, for example, a plurality of holes 62. The holes 62 are formed around the outer peripheral edge 18be of the solid polymer electrolyte membrane 18, and are, for example, formed in a staggered manner and in two rows. The holes 62 may be provided in a row around the outer peripheral edge 18be. The diameter of the hole 62 is set to 30 μm or less. This is because if the diameter exceeds 30 μm, the adhesive 28a may ooze out to the anode electrode 20 side.

このように構成される第２の実施形態では、固体高分子電解質膜１８には、外側部位３０ｂとアノード電極２０とを繋ぐ複数の孔部６２が設けられている。これにより、簡単な構成で、段差ＭＥＡ６０ａと樹脂枠部材２４とを強固且つ高品質に接合することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。   In the second embodiment configured as described above, the solid polymer electrolyte membrane 18 is provided with a plurality of holes 62 that connect the outer portion 30 b and the anode electrode 20. Accordingly, the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained, such as the step MEA 60a and the resin frame member 24 can be joined firmly and with high quality with a simple configuration.

図９は、本発明の第３の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。   FIG. 9 is an explanatory cross-sectional view of a main part of an electrolyte membrane / electrode structure 70 with a resin frame according to the third embodiment of the present invention. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the electrolyte membrane and electrode structure 10 with a resin frame which concerns on 1st Embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted. Similarly, in the fourth embodiment described below, detailed description thereof is omitted.

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体７０は、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材７２とを備える。樹脂枠部材７２は、フィルム状に構成され、最大厚さは、凸状部２６ａ、２６ｃの厚さに設定される。   The electrolyte membrane / electrode structure 70 with a resin frame includes a step MEA 10 a and a resin frame member 72. The resin frame member 72 is formed in a film shape, and the maximum thickness is set to the thickness of the convex portions 26a and 26c.

このように構成される第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られるとともに、樹脂枠部材７２の薄肉化が容易に図られるという利点がある。   The third embodiment configured as described above has advantages that the same effects as those of the first and second embodiments described above can be obtained, and that the resin frame member 72 can be easily reduced in thickness.

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体８０の要部断面説明図である。   FIG. 10 is a cross-sectional explanatory view of a main part of an electrolyte membrane / electrode structure 80 with a resin frame according to the fourth embodiment of the present invention.

樹脂枠付き電解質膜・電極構造体８０は、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材８２とを備える。樹脂枠部材８２は、枠形状を有し、薄肉状の内側膨出部８２ａを設ける。内側膨出部８２ａに設けられる平坦面部２６ｂは、内周端まで延在しており、第１の実施形態の凸状部２６ｃが設けられていない。   The electrolyte membrane / electrode structure 80 with a resin frame includes a step MEA 10 a and a resin frame member 82. The resin frame member 82 has a frame shape and is provided with a thin-walled inner bulging portion 82a. The flat surface part 26b provided in the inner bulging part 82a extends to the inner peripheral end, and the convex part 26c of the first embodiment is not provided.

このように構成される第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。   In the fourth embodiment configured as described above, the same effect as in the first to third embodiments can be obtained.

１０、６０、７０、８０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１０ａ、６０ａ…段差ＭＥＡ １２…燃料電池
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
１８ｂｅ…外周縁部 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 ２０ｂｅ、２２ａｅ、２２ｂｅ…外周端部
２４、７２、８２…樹脂枠部材 ２４ａ…内側膨出部
２４ｓ…内周基端部 ２６ａ、２６ｃ…凸状部 ２６ｂ…平坦面部 ２８…接着剤層
２８ａ…接着剤 ３０…空間部
３０ａ…内側部位 ３０ｂ…外側部位
３２…スリット ３４ｔ…樹脂突起部
４０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ４０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４２ａ…冷却媒体入口連通孔 ４２ｂ…冷却媒体出口連通孔
４４ａ…燃料ガス入口連通孔 ４４ｂ…燃料ガス出口連通孔
４６…酸化剤ガス流路 ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路 ５２、５４…シール部材
６２…孔部 10, 60, 70, 80 ... Resin-framed electrolyte membrane / electrode structure 10a, 60a ... Step MEA 12 ... Fuel cell 14, 16 ... Separator 18 ... Solid polymer electrolyte membrane 18be ... Outer peripheral edge 20 ... Anode electrode 20a, 22a ... Electrode catalyst layer 20b, 22b ... Gas diffusion layer 22 ... Cathode electrode 20be, 22ae, 22be ... Outer end 24, 72, 82 ... Resin frame member 24a ... Inner bulge 24s ... Inner base end 26a, 26c ... Convex Shape part 26b ... Flat surface part 28 ... Adhesive layer 28a ... Adhesive 30 ... Space part
30a ... inner part 30b ... outer part
32 ... Slit 34t ... Resin protrusion 40a ... Oxidant gas inlet communication hole 40b ... Oxidant gas outlet communication hole 42a ... Cooling medium inlet communication hole 42b ... Cooling medium outlet communication hole 44a ... Fuel gas inlet communication hole 44b ... Fuel gas outlet Communication hole 46 ... Oxidant gas channel 48 ... Fuel gas channel 50 ... Cooling medium channel 52, 54 ... Seal member 62 ... Hole

Claims (3)

固体高分子電解質膜の一方の面には、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、
前記樹脂枠部材と前記段差ＭＥＡの外周縁部との間には、前記他方の面側に接着剤が充填される接着剤層を設けるとともに、
前記接着剤層には、前記接着剤が配置される内側部位及び前記接着剤が配置されない空隙部を形成する外側部位を有し、且つ、前記固体高分子電解質膜には、前記外側部位と前記第１電極とを繋ぐ開口部が設けら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。 A first electrode is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, a second electrode is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the planar dimensions of the first electrode are A step MEA set to a dimension larger than the planar dimension of the second electrode;
A resin frame member provided around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane;
An electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell comprising:
Between the resin frame member and the outer peripheral edge of the step MEA, an adhesive layer filled with an adhesive is provided on the other surface side, and
The adhesive layer has an inner portion where the adhesive is disposed and an outer portion which forms a void where the adhesive is not disposed, and the solid polymer electrolyte membrane includes the outer portion and the An electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell, wherein an opening connecting the first electrode is provided. 請求項１記載の燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記開口部は、前記固体高分子電解質膜の外周縁部を周回する複数個のスリットを有す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。   2. The fuel cell-attached electrolyte membrane / electrode structure according to claim 1, wherein the opening has a plurality of slits around the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane. Electrolyte membrane / electrode structure with resin frame. 請求項１記載の燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記開口部は、前記固体高分子電解質膜の外周縁部を周回する複数個の孔部を有す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。   2. An electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell according to claim 1, wherein the opening has a plurality of holes around the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane. Electrolyte membrane / electrode structure with resin frame for batteries.
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