JP2017033639A - Resin frame-attached electrolyte membrane-electrode structure for fuel cell - Google Patents

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

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To strongly and excellently enable joining between an electrolyte membrane-electrode structure and a resin frame member with a simple configuration.SOLUTION: A resin frame-attached electrolyte membrane-electrode structure 10 includes a step MEA 10a and a resin frame member 24. The resin frame member 24 includes an inner-swelling part 24a swelling to a cathode electrode 22 side, and between an outer peripheral end surface 22be of a second gas diffusion layer 22b and an inner peripheral end surface 24ae of the inner-swelling part 24a, a clearance part CL is formed. Along a thickness direction of the step MEA 10a, a region CLr facing the clearance part CL of an anode electrode 20 is set to 0.2 N/mm or more in adhesion force between a solid polymer electrolyte membrane 18 and a first electrode catalyst layer 20a.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

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。   The present invention provides an electrolyte membrane with a resin frame for a fuel cell, comprising: a step MEA sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a first electrode and a second electrode having different planar dimensions; and a resin frame member that goes around the outer periphery of the step MEA. -It relates to an electrode structure.

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。   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 surface of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode is disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. Yes. 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、発電セル（単位燃料電池）が構成されている。この発電セルは、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。   The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between separators (bipolar plates) to form a power generation cell (unit fuel cell). This power generation cell is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number.

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。   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 use of a relatively expensive solid polymer electrolyte membrane 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 on the outer periphery Is adopted.

樹脂枠付きＭＥＡとして、例えば、特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体が知られている。この電解質膜−電極接合体では、膜の一方の面には、前記膜と同一の外形寸法を有するアノード触媒層とアノードガス拡散層とが配置されている。膜の他方の面には、前記膜よりも小さな外形寸法を有するカソード触媒層とカソードガス拡散層とが配置されている。これによって、段差ＭＥＡが構成されている。   As an MEA with a resin frame, for example, an electrolyte membrane-electrode assembly disclosed in Patent Document 1 is known. In this electrolyte membrane-electrode assembly, an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer having the same outer dimensions as the membrane are disposed on one surface of the membrane. On the other surface of the membrane, a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer having outer dimensions smaller than those of the membrane are arranged. Thus, a step MEA is configured.

アノードガス拡散層は、カソードガス拡散層よりも大きな面積に設定されており、前記カソードガス拡散層側の膜の外周部とガスケット構造体とは、接着部位を介して接合されている。その際、カソードガス拡散層の外周端部とガスケット構造体の内周端部とは、互いに対向して配置されている。   The anode gas diffusion layer is set to have an area larger than that of the cathode gas diffusion layer, and the outer peripheral portion of the film on the cathode gas diffusion layer side and the gasket structure are bonded to each other through an adhesion site. At that time, the outer peripheral end of the cathode gas diffusion layer and the inner peripheral end of the gasket structure are arranged to face each other.

特開２００７−６６７６６号公報JP 2007-66766 A

ところで、膜とガスケット構造体とを接合する際に、カソードガス拡散層の外周端部とガスケット構造体の内周端部との間には、クリアランス部（隙間）が発生し易い。このため、クリアランス部に配置される膜の強度が低下してしまい、例えば、アノード電極への燃料ガスの供給圧力とカソード電極への酸化剤ガスの供給圧力との差圧により、前記膜が変形するおそれがある。   By the way, when the membrane and the gasket structure are joined, a clearance (gap) is likely to occur between the outer peripheral end of the cathode gas diffusion layer and the inner peripheral end of the gasket structure. For this reason, the strength of the membrane disposed in the clearance portion is reduced, and for example, the membrane is deformed due to the differential pressure between the supply pressure of the fuel gas to the anode electrode and the supply pressure of the oxidant gas to the cathode electrode. There is a risk.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、樹脂枠部材のクリアランス部に配置される固体高分子電解質膜と電極触媒層との密着力を向上させることにより、簡単な構成で、前記固体高分子電解質膜の変形を良好に抑制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 improves the adhesion between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer disposed in the clearance portion of the resin frame member, thereby allowing the above-described configuration to be simplified. An object of the present invention is to provide an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell capable of satisfactorily suppressing deformation of a solid polymer electrolyte membrane.

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。   An 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 having a first electrode catalyst layer and a first gas diffusion layer is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the other surface of the solid polymer electrolyte membrane is provided with a first electrode. A second electrode having a two-electrode catalyst layer and a second gas diffusion layer is provided. 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.

樹脂枠部材は、第２電極側に膨出する内側膨出部を有し、第２ガス拡散層の外周端部と前記内側膨出部の内周端部との間には、クリアランス部が形成されている。そして、段差ＭＥＡの厚さ方向に沿って、第１電極のクリアランス部に対向する部位は、固体高分子電解質膜と第１電極触媒層との間の密着力が０．２Ｎ／ｍｍ以上に設定されている。   The resin frame member has an inner bulging portion that bulges to the second electrode side, and a clearance portion is provided between the outer peripheral end portion of the second gas diffusion layer and the inner peripheral end portion of the inner bulging portion. Is formed. And the site | part which opposes the clearance part of a 1st electrode along the thickness direction of level | step difference MEA sets the contact | adhesion power between a solid polymer electrolyte membrane and a 1st electrode catalyst layer to 0.2 N / mm or more. Has been.

また、クリアランス部の固体高分子電解質膜の厚み方向外方には、第２電極触媒層が設けられることが好ましい。   Moreover, it is preferable that a 2nd electrode catalyst layer is provided in the thickness direction outer side of the solid polymer electrolyte membrane of a clearance part.

さらに、第１電極は、燃料ガスが供給されるアノード電極である一方、第２電極は、酸化剤ガスが供給されるカソード電極であることが好ましい。その際、第１電極に供給される燃料ガスの供給圧力は、第２電極に供給される酸化剤ガスの供給圧力よりも大きな圧力に設定されることが好ましい。   Furthermore, the first electrode is preferably an anode electrode to which fuel gas is supplied, while the second electrode is preferably a cathode electrode to which oxidant gas is supplied. At that time, the supply pressure of the fuel gas supplied to the first electrode is preferably set to a pressure larger than the supply pressure of the oxidant gas supplied to the second electrode.

本発明によれば、段差ＭＥＡの厚さ方向に沿って、第１電極のクリアランス部に対向する部位は、固体高分子電解質膜と第１電極触媒層との間の密着力が、０．２Ｎ／ｍｍ以上に設定されている。従って、簡単な構成で、クリアランス部に対向する固体高分子電解質膜と第１電極触媒層との密着力が良好に向上する。   According to the present invention, the portion facing the clearance portion of the first electrode along the thickness direction of the step MEA has an adhesion force between the solid polymer electrolyte membrane and the first electrode catalyst layer of 0.2 N. / Mm or more. Therefore, with a simple configuration, the adhesion between the solid polymer electrolyte membrane facing the clearance portion and the first electrode catalyst layer is improved satisfactorily.

これにより、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体に外部荷重が付与された際、クリアランス部に対向する固体高分子電解質膜が変形することを確実に阻止し、前記固体高分子電解質膜の機械的な劣化を防止することが可能になる。   Thus, when an external load is applied to the electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, the solid polymer electrolyte membrane facing the clearance portion is reliably prevented from being deformed, and the mechanical property of the solid polymer electrolyte membrane is reduced. It is possible to prevent deterioration.

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。It is a principal part disassembled perspective explanatory view of a polymer electrolyte power generation cell in which an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame according to an embodiment of the present invention is incorporated. 前記発電セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。It is II-II sectional view explanatory drawing in FIG. 1 of the said electric power generation cell. 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一部断面斜視説明図である。It is a partial cross section perspective explanatory drawing of the resin frame member which comprises the said electrolyte membrane with a resin frame and electrode structure.

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。   As shown in FIGS. 1 and 2, an electrolyte membrane / electrode structure 10 with a resin frame according to an embodiment of the present invention is incorporated in a horizontally long (or vertically long) rectangular polymer electrolyte power generation cell 12. The plurality of power generation 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.

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。   The power generation cell 12 sandwiches the electrolyte membrane / electrode structure 10 with a resin frame 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１〜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。   The electrolyte membrane / electrode structure 10 with a rectangular resin frame includes a step MEA 10a as shown in FIGS. 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. The solid polymer electrolyte membrane 18 is sandwiched between an anode electrode (first electrode) 20 and a cathode electrode (second electrode) 22. The solid polymer electrolyte membrane 18 can use an HC (hydrocarbon) electrolyte in addition to the fluorine 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（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。   The cathode electrode 22 has a smaller planar dimension (outer 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.

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。   As shown in FIGS. 2 and 3, the anode electrode 20 includes a first electrode catalyst layer 20a bonded to one surface 18a of the solid polymer electrolyte membrane 18, and a first electrode catalyst layer 20a laminated on the first electrode catalyst layer 20a. 1 gas diffusion layer 20b is provided. The first electrode catalyst layer 20a and the first gas diffusion layer 20b have the same planar dimensions and are set to the same (or less than) the same planar dimensions as 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。第２電極触媒層２２ａは、後述するクリアランス部ＣＬの固体高分子電解質膜１８の厚み方向外方に設けられる（図３参照）。クリアランス部ＣＬで固体高分子電解質膜１８を露出させることがなく、前記固体高分子電解質膜１８を保護して、さらに該固体高分子電解質膜１８を補強することができる。   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 22a protrudes outward from the outer peripheral end face 22be of the second gas diffusion layer 22b, has a larger planar dimension than the second gas diffusion layer 22b, and is larger than the solid polymer electrolyte membrane 18. Set to small planar dimensions. The 2nd electrode catalyst layer 22a is provided in the thickness direction outer side of the solid polymer electrolyte membrane 18 of the clearance part CL mentioned later (refer FIG. 3). Without exposing the solid polymer electrolyte membrane 18 at the clearance CL, the solid polymer electrolyte membrane 18 can be protected and further reinforced.

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。   The second electrode catalyst layer 22a and the second gas diffusion layer 22b may be set to the same plane dimension, and the second electrode catalyst layer 22a is smaller in plane dimension than the second gas diffusion layer 22b. You may have.

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共に第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共に第２ガス拡散層２２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。   The first electrode catalyst layer 20a is formed, for example, by applying porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface thereof to the surface of the first gas diffusion layer 20b together with an ion conductive polymer binder. 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 together with an ion conductive polymer binder.

第１ガス拡散層２０ｂは、多孔性と導電性を有するマイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）と、カーボンペーパ又はカーボンクロス等のカーボン層２０ｂ（ｃ）とから形成される。第２ガス拡散層２２ｂは、マイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）と、カーボンペーパ又はカーボンクロス等のカーボン層２２ｂ（ｃ）とから形成される。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。なお、マイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）、２２ｂ（ｍ）は、必要に応じて用いればよく、不要にすることもできる。   The first gas diffusion layer 20b is formed by a porous and conductive microporous layer 20b (m) and a carbon layer 20b (c) such as carbon paper or carbon cloth. The second gas diffusion layer 22b is formed of a microporous layer 22b (m) and a carbon layer 22b (c) such as carbon paper or carbon cloth. The planar dimension of the second gas diffusion layer 22b is set smaller than the planar dimension of the first gas diffusion layer 20b. The first electrode catalyst layer 20 a and the second electrode catalyst layer 22 a are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 18. The microporous layers 20b (m) and 22b (m) may be used as necessary, and may be unnecessary.

図３に示すように、アノード電極２０では、第１電極触媒層２０ａの厚さｔ１、マイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）の厚さｔ２及びカーボン層２０ｂ（ｃ）の厚さｔ３が設定される。カソード電極２２では、第２電極触媒層２２ａの厚さｔ４、マイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）の厚さｔ５及びカーボン層２２ｂ（ｃ）の厚さｔ６が設定される。   As shown in FIG. 3, in the anode electrode 20, the thickness t1 of the first electrode catalyst layer 20a, the thickness t2 of the microporous layer 20b (m), and the thickness t3 of the carbon layer 20b (c) are set. In the cathode electrode 22, the thickness t4 of the second electrode catalyst layer 22a, the thickness t5 of the microporous layer 22b (m), and the thickness t6 of the carbon layer 22b (c) are set.

これらは、厚さｔ３又はｔ６＞厚さｔ４≧厚さｔ２又はｔ５＞厚さｔ１の関係を有する。具体的には、厚さｔ１は、２μｍ〜１０μｍの範囲内、ｔ２及びｔ５は、１０μｍ〜４０μｍの範囲内、厚さｔ３及びｔ６は、１００μｍ〜３００μｍの範囲内、厚さｔ４は、１０μｍ〜４０μｍの範囲内である。   These have the relationship of thickness t3 or t6> thickness t4 ≧ thickness t2 or t5> thickness t1. Specifically, the thickness t1 is in the range of 2 μm to 10 μm, t2 and t5 are in the range of 10 μm to 40 μm, the thickness t3 and t6 are in the range of 100 μm to 300 μm, and the thickness t4 is in the range of 10 μm to It is within the range of 40 μm.

曲げ弾性率では、カーボン層２０ｂ（ｃ）又はカーボン層２２ｂ（ｃ）＞第２電極触媒層２２ａ≧マイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）又はマイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）＞第１電極触媒層２０ａの関係を有する。   Regarding the flexural modulus, the relationship of carbon layer 20b (c) or carbon layer 22b (c)> second electrode catalyst layer 22a ≧ microporous layer 20b (m) or microporous layer 22b (m)> first electrode catalyst layer 20a Have

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。なお、樹脂枠部材２４に代えて、樹脂フィルムを用いてもよい。   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. Instead of the resin frame member 24, a resin film may be used.

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、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。樹脂枠部材２４は、さらに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。   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), A silicone resin, a fluororesin, or m-PPE (modified polyphenylene ether resin) is used. The resin frame member 24 is further made of PET (polyethylene terephthalate), PBT (polybutylene terephthalate), modified polyolefin, 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から段部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２４ａを有する。内側膨出部２４ａは、内周基端部２４ｓから内方に所定の長さを有して延在し、固体高分子電解質膜１８の外周面部１８ｂｅを覆って配置される。内側膨出部２４ａは、内側角部にＲ（湾曲面）が設けられる内周端面２４ａｅを有する。   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 through a stepped portion. The inner bulging portion 24 a extends inward from the inner peripheral base end portion 24 s with a predetermined length, and is disposed so as to cover the outer peripheral surface portion 18 be of the solid polymer electrolyte membrane 18. The inner bulging portion 24a has an inner peripheral end surface 24ae provided with an R (curved surface) at the inner corner.

図４に示すように、樹脂枠部材２４には、内周基端部２４ｓに隣接して樹脂突起部２４ｔが一体に設けられる。樹脂突起部２４ｔは、後述するように、溶融してアノード電極２０を構成する第１ガス拡散層２０ｂの外周縁部に含浸されて額縁状の樹脂含浸部２８ａを形成する（図２及び図３参照）。   As shown in FIG. 4, a resin protrusion 24 t is integrally provided on the resin frame member 24 adjacent to the inner peripheral base end 24 s. As will be described later, the resin protrusion 24t is melted and impregnated on the outer peripheral edge of the first gas diffusion layer 20b constituting the anode electrode 20 to form a frame-shaped resin impregnated portion 28a (FIGS. 2 and 3). reference).

図３に示すように、内側膨出部２４ａと段差ＭＥＡ１０ａとの間には、充填室２６が設けられるとともに、前記充填室２６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。   As shown in FIG. 3, a filling chamber 26 is provided between the inner bulging portion 24 a and the step MEA 10 a, and an adhesive layer 28 is formed in the filling chamber 26. For example, a liquid seal or a hot melt agent is provided on the adhesive layer 28 as an adhesive. In addition, as an adhesive agent, it is not restrict | limited to liquid, solid, thermoplasticity, thermosetting, etc.

第２ガス拡散層２２ｂの外周端面２２ｂｅと内側膨出部２４ａの内周端面２４ａｅとの間には、距離Ｓ１だけ離間してクリアランス部ＣＬが形成される。距離Ｓ１は、０．５ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲、より好ましくは、０．６ｍｍ〜１．０ｍｍに設定される。距離Ｓ１は、枠形状を有するクリアランス部ＣＬの幅寸法である。   A clearance CL is formed at a distance S1 between the outer peripheral end face 22be of the second gas diffusion layer 22b and the inner peripheral end face 24ae of the inner bulging portion 24a. The distance S1 is set in the range of 0.5 mm to 1.2 mm, more preferably in the range of 0.6 mm to 1.0 mm. The distance S1 is the width dimension of the clearance part CL having a frame shape.

段差ＭＥＡ１０ａの厚さ方向（矢印Ａ方向）に沿って、アノード電極２０のクリアランス部ＣＬに対向する枠形状の部位ＣＬｒが設けられる。部位ＣＬｒは、距離Ｓ１を包含し、該距離Ｓ１よりも広い、例えば、１．０ｍｍ〜２．０ｍｍの距離（幅寸法）Ｓ１から離間する範囲を有し、固体高分子電解質膜１８と第１電極触媒層２０ａとの間の密着力が、０．２Ｎ／ｍｍ以上に設定される。   A frame-shaped part CLr facing the clearance part CL of the anode electrode 20 is provided along the thickness direction (arrow A direction) of the step MEA 10a. The part CLr includes the distance S1, has a range wider than the distance S1, for example, a distance (width dimension) S1 of 1.0 mm to 2.0 mm, and the first polymer electrolyte membrane 18 and the first CL1. The adhesion between the electrode catalyst layer 20a is set to 0.2 N / mm or more.

具体的には、固体高分子電解質膜１８と第１電極触媒層２０ａとをホットプレスする荷重や該ホットプレスの温度を設定する。荷重が大きい程、密着力が大きくなり、温度が高い程、密着力が大きくなる。また、第１電極触媒層２０ａ中の担持カーボンに対するイオン交換成分の量を設定する。イオン交換成分の量が増えると、密着力が大きくなる。   Specifically, the load for hot pressing the solid polymer electrolyte membrane 18 and the first electrode catalyst layer 20a and the temperature of the hot press are set. The greater the load, the greater the adhesion, and the higher the temperature, the greater the adhesion. Further, the amount of the ion exchange component with respect to the supported carbon in the first electrode catalyst layer 20a is set. As the amount of the ion exchange component increases, the adhesion strength increases.

部位ＣＬｒでは、固体高分子電解質膜１８と第２電極触媒層２２ａとの接合位置Ｐ１、及び前記固体高分子電解質膜１８と第１電極触媒層２０ａとの接合位置Ｐ２が設定される。部位ＣＬｒでは、さらに第１電極触媒層２０ａとマイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）との接合位置Ｐ３、及び前記マイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）とカーボン層２０ｂ（ｃ）との接合位置Ｐ４が設定される。接合強度は、接合位置Ｐ１＜接合位置Ｐ２＜接合位置Ｐ３＜接合位置Ｐ４の関係を有する。   In the portion CLr, a joining position P1 between the solid polymer electrolyte membrane 18 and the second electrode catalyst layer 22a and a joining position P2 between the solid polymer electrolyte membrane 18 and the first electrode catalyst layer 20a are set. In the part CLr, a joining position P3 between the first electrode catalyst layer 20a and the microporous layer 20b (m) and a joining position P4 between the microporous layer 20b (m) and the carbon layer 20b (c) are set. . The bonding strength has a relationship of bonding position P1 <bonding position P2 <bonding position P3 <bonding position P4.

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。   As shown in FIG. 1, one end edge of the power generation cell 12 in the direction of arrow B (horizontal direction) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction. A hole 32a and a fuel gas outlet communication hole 34b are provided. The oxidant gas inlet communication hole 30a supplies an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, while the cooling medium inlet communication hole 32a supplies a cooling medium. The fuel gas outlet communication hole 34b discharges fuel gas, for example, hydrogen-containing gas. The oxidant gas inlet communication hole 30a, the cooling medium inlet communication hole 32a, and the fuel gas outlet communication hole 34b are arranged in the direction of arrow C (vertical direction).

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。   The other end edge of the power generation cell 12 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, the fuel gas inlet communication hole 34a for supplying fuel gas, the cooling medium outlet communication hole 32b for discharging the cooling medium, and the oxidation An oxidant gas outlet communication hole 30b for discharging the oxidant gas is provided. The fuel gas inlet communication hole 34a, the cooling medium outlet communication hole 32b, and the oxidant gas outlet communication hole 30b 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、矢印Ｂ方向に延在して設けられる。   An oxidant gas flow path 36 communicating with the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b is formed on the surface 16a of the second separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 10 with a resin frame by an arrow. It extends in the B direction.

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、矢印Ｂ方向に延在して形成される。燃料ガス流路３８を流通する燃料ガスの供給圧力は、酸化剤ガス流路３６を流通する酸化剤ガスの供給圧力よりも大きな圧力に設定される。段差ＭＥＡ１０ａでは、アノード電極２０とカソード電極２２との間に、反応ガス供給圧力の差による差圧（極間差圧）が惹起される。   A fuel gas passage 38 communicating with the fuel gas inlet communication hole 34a and the fuel gas outlet communication hole 34b is formed in the direction of arrow B on the surface 14a of the first separator 14 facing the electrolyte membrane / electrode structure 10 with a resin frame. It is formed to extend. The supply pressure of the fuel gas flowing through the fuel gas flow path 38 is set to a pressure larger than the supply pressure of the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow path 36. In the step MEA 10a, a differential pressure (a differential pressure between electrodes) due to a difference in reaction gas supply pressure is induced between the anode electrode 20 and the cathode electrode 22.

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。   Between the surface 14b of the first separator 14 and the surface 16b of the second separator 16 adjacent to each other, a cooling medium flow path 40 communicating with the cooling medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole 32b is indicated by an arrow B. It is formed extending in the direction.

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。   As shown in FIGS. 1 and 2, the first seal member 42 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 44 is integrated with the surfaces 16 a and 16 b of the second separator 16 around the outer peripheral end portion of the second separator 16.

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に当接する第１凸状シール４２ａと、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とを有する。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）を設けてもよい。   As shown in FIG. 2, the first seal member 42 includes a first convex seal 42 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 42b in contact with the member 44. The second seal member 44 constitutes a flat seal in which the surface that contacts the second convex seal 42b extends in a flat shape along the separator surface. Instead of the second convex seal 42b, the second seal member 44 may be provided with a convex seal (not shown).

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。   For the first seal member 42 and the second seal member 44, for example, EPDM, NBR, fluororubber, 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（ポリテトラフルオロエチレン）粒子との混合物からなるスラリーを塗布し、乾燥させて下地層であるマイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）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 slurry made of a mixture of carbon black and PTFE (polytetrafluoroethylene) particles is applied to a flat surface of the carbon paper and dried to form a microporous layer 20b (m) as an underlayer. .

マイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）にカーボン層２０ｂ（ｃ）が接合されることにより、第１ガス拡散層２０ｂが形成される。同様に、マイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）が形成され、前記マイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）にカーボン層２２ｂ（ｃ）が接合されることにより、第２ガス拡散層２２ｂが形成される。   The first gas diffusion layer 20b is formed by bonding the carbon layer 20b (c) to the microporous layer 20b (m). Similarly, the microporous layer 22b (m) is formed, and the carbon layer 22b (c) is bonded to the microporous layer 22b (m), thereby forming the second gas diffusion layer 22b.

一方、電極触媒に溶媒を加えた後、イオン導電性高分子バインダ溶液として、例えば、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物の溶液が投入される。そして、所定のインク粘度になるまで、溶媒を添加することにより、アノード電極インク及びカソード電極インクが作成される。   On the other hand, after adding a solvent to the electrode catalyst, for example, a solution of a perfluoroalkylenesulfonic acid polymer compound is added as an ion conductive polymer binder solution. Then, an anode electrode ink and a cathode electrode ink are prepared by adding a solvent until a predetermined ink viscosity is reached.

そこで、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、加熱乾燥されることにより、第１電極触媒層２０ａを設けたアノード電極シートが形成される。第１電極触媒層２０ａは、固体高分子電解質膜１８と同一の平面寸法に設定される。   Therefore, the anode electrode ink is applied to a PET film by screen printing and is dried by heating, whereby an anode electrode sheet provided with the first electrode catalyst layer 20a is formed. The first electrode catalyst layer 20 a is set to have the same planar dimensions as the solid polymer electrolyte membrane 18.

同様に、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、加熱乾燥されることにより、第２電極触媒層２２ａを設けたカソード電極シートが形成される。第２電極触媒層２２ａは、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。   Similarly, the cathode electrode ink is applied to a PET film by screen printing and dried by heating to form a cathode electrode sheet provided with the second electrode catalyst layer 22a. The second electrode catalyst layer 22 a is set to have a smaller planar dimension than the solid polymer electrolyte membrane 18.

次いで、固体高分子電解質膜１８が、アノード電極シート及びカソード電極シートに挟持された状態で、ホットプレスが行われる。そして、ＰＥＴフィルムが剥離されることにより、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。   Next, hot pressing is performed in a state where the solid polymer electrolyte membrane 18 is sandwiched between the anode electrode sheet and the cathode electrode sheet. And a joined body (CCM) (catalyst coated membrane) is formed by peeling a PET film. 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.

そして、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２４ａ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。   And an adhesive agent is apply | coated on the outer peripheral surface part 18be of the solid polymer electrolyte membrane 18 through the dispenser which is not shown in figure, for example. The joint portion between the outer peripheral surface portion 18be of the solid polymer electrolyte membrane 18 and the inner bulging portion 24a of the resin frame member 24 is heated and pressurized in a state where an adhesive is applied. For this reason, an adhesive agent hardens | cures and the adhesive bond layer 28 is obtained.

次いで、樹脂枠部材２４の樹脂突起部２４ｔが、接触する金型（図示せず）により加熱及び加圧される。加熱方式としては、レーザ加熱、赤外線加熱、インパルス加熱やヒータ加熱等が採用される。このため、樹脂突起部２４ｔは、加熱溶融され、前記樹脂突起部２４ｔは、アノード電極２０を構成する第１ガス拡散層２０ｂに含浸されて樹脂含浸部２８ａが設けられる。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が製造される。   Next, the resin protrusion 24t of the resin frame member 24 is heated and pressurized by a mold (not shown) that comes into contact. As the heating method, laser heating, infrared heating, impulse heating, heater heating, or the like is employed. For this reason, the resin protrusion 24t is heated and melted, and the resin protrusion 24t is impregnated in the first gas diffusion layer 20b constituting the anode electrode 20 to provide the resin impregnation part 28a. Therefore, the electrolyte membrane / electrode structure 10 with a resin frame is manufactured.

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、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。   As shown in FIG. 2, the resin membrane-attached electrolyte membrane / electrode structure 10 is sandwiched between the first separator 14 and the second separator 16. 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 power generation cells 12 are stacked to form a fuel cell stack, and a tightening load is applied between end plates (not shown).

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。   The operation of the power generation 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。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 30a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 34a. Supplied. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a.

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。   Therefore, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas inlet communication hole 30a into the oxidant gas flow path 36 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 flow path 38 of the first separator 14 from the fuel gas inlet communication hole 34a. The fuel gas moves in the direction of arrow B along the fuel gas flow path 38 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。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode electrode 22 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 30b. 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 34b.

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。   The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a is introduced into the cooling medium flow path 40 between the first separator 14 and the second separator 16, and then flows in the direction of arrow B. The cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 32b after cooling the step MEA 10a.

この場合、本実施形態では、図３に示すように、樹脂枠部材２４を構成する内側膨出部２４ａの内周端面２４ａｅと第２ガス拡散層２２ｂの外周端面２２ｂｅとの間には、クリアランス部ＣＬが形成されている。このため、クリアランス部ＣＬには、接着剤層２８が形成されることにより、段差ＭＥＡ１０ａと樹脂枠部材２４とを、強固且つ良好に接合することができる。   In this case, in this embodiment, as shown in FIG. 3, there is a clearance between the inner peripheral end surface 24ae of the inner bulging portion 24a constituting the resin frame member 24 and the outer peripheral end surface 22be of the second gas diffusion layer 22b. A portion CL is formed. For this reason, the step MEA 10a and the resin frame member 24 can be bonded firmly and satisfactorily by forming the adhesive layer 28 in the clearance portion CL.

さらに、段差ＭＥＡ１０ａの厚さ方向に沿って、アノード電極２０のクリアランス部ＣＬに対向する部位ＣＬｒは、固体高分子電解質膜１８と第１電極触媒層２０ａとの間の密着力が、０．２Ｎ／ｍｍ以上に設定されている。   Furthermore, along the thickness direction of the step MEA 10a, the portion CLr facing the clearance portion CL of the anode electrode 20 has an adhesion force between the solid polymer electrolyte membrane 18 and the first electrode catalyst layer 20a of 0.2 N. / Mm or more.

本実施形態では、アノード電極２０に供給される燃料ガスの供給圧力は、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスの供給圧力よりも大きな圧力に設定されている。従って、段差ＭＥＡ１０ａでは、クリアランス部ＣＬに対向する部位ＣＬｒに、アノード電極２０からカソード電極２２に向かって極間差圧による荷重Ｆが付与され易い。また、固体高分子電解質膜１８は、膨潤や収縮により変形し易い。   In the present embodiment, the supply pressure of the fuel gas supplied to the anode electrode 20 is set to a pressure higher than the supply pressure of the oxidant gas supplied to the cathode electrode 22. Accordingly, in the step MEA 10a, the load F due to the differential pressure between the electrodes from the anode electrode 20 toward the cathode electrode 22 is easily applied to the portion CLr facing the clearance portion CL. Further, the solid polymer electrolyte membrane 18 is easily deformed by swelling or shrinkage.

その際、部位ＣＬｒでは、固体高分子電解質膜１８と第１電極触媒層２０ａとの間の密着力が、０．２Ｎ／ｍｍ以上に設定されており、前記固体高分子電解質膜１８と前記第１電極触媒層２０ａとが強固に固定されている。これにより、簡単な構成で、クリアランス部ＣＬに対向する固体高分子電解質膜１８と第１電極触媒層２０ａとの密着力が良好に向上している。   At that time, in the part CLr, the adhesion between the solid polymer electrolyte membrane 18 and the first electrode catalyst layer 20a is set to 0.2 N / mm or more, and the solid polymer electrolyte membrane 18 and the first electrode catalyst layer 20a The one-electrode catalyst layer 20a is firmly fixed. Thereby, with a simple configuration, the adhesion between the solid polymer electrolyte membrane 18 facing the clearance CL and the first electrode catalyst layer 20a is improved satisfactorily.

このため、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０に荷重Ｆが付与された際、クリアランス部ＣＬに対向する固体高分子電解質膜１８が変形することを確実に阻止することができる。従って、固体高分子電解質膜１８の機械的な劣化を防止することが可能になるという効果が得られる。また、固体高分子電解質膜１８の膨潤や収縮による前記固体高分子電解質膜１８の変形を抑制することができる。   For this reason, when the load F is given to the electrolyte membrane-electrode structure 10 with a resin frame, it can prevent reliably that the solid polymer electrolyte membrane 18 which opposes the clearance part CL deform | transforms. Therefore, an effect is obtained that it is possible to prevent mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane 18. In addition, deformation of the solid polymer electrolyte membrane 18 due to swelling or shrinkage of the solid polymer electrolyte membrane 18 can be suppressed.

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…内側膨出部 ２４ａｅ…内周端面
２４ｓ…内周基端部 ２８…接着剤層
２８ａ…樹脂含浸部 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 10 ... Electrolyte membrane / electrode structure with resin frame 10a ... Step MEA
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Power generation cell 14, 16 ... Separator 18 ... Solid polymer electrolyte membrane 18be ... Outer peripheral surface part 20 ... Anode electrode 20a, 22a ... Electrode catalyst layer 20b, 22b ... Gas diffusion layer 22be ... Outer peripheral end surface 22 ... Cathode electrode 24 ... Resin frame Member 24a ... Inner bulging part 24ae ... Inner peripheral end face 24s ... Inner peripheral base end part 28 ... Adhesive layer 28a ... Resin impregnated part 30a ... Oxidant gas inlet communication hole 30b ... Oxidant gas outlet communication hole 32a ... Cooling medium inlet communication hole 32b ... Cooling medium outlet communication hole 34a ... Fuel gas inlet communication hole 34b ... Fuel gas outlet communication hole 36 ... Oxidant gas flow path 38 ... Fuel gas flow path 40 ... Cooling medium flow path 42, 44 ... Sealing member

Claims (3)

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を有し、
前記第２ガス拡散層の外周端部と前記内側膨出部の内周端部との間には、クリアランス部が形成されるとともに、
前記段差ＭＥＡの厚さ方向に沿って、前記第１電極の前記クリアランス部に対向する部位は、前記固体高分子電解質膜と前記第１電極触媒層との間の密着力が０．２Ｎ／ｍｍ以上に設定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。 A first electrode having a first electrode catalyst layer and a first gas diffusion layer is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and a second electrode catalyst layer is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. And a second electrode having a second gas diffusion layer, and the planar dimension of the first electrode is a step MEA set to be 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:
The resin frame member has an inner bulging portion that bulges toward the second electrode,
A clearance portion is formed between the outer peripheral end portion of the second gas diffusion layer and the inner peripheral end portion of the inner bulge portion,
A site facing the clearance portion of the first electrode along the thickness direction of the step MEA has an adhesion force between the solid polymer electrolyte membrane and the first electrode catalyst layer of 0.2 N / mm. An electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell, which is set as described above. 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、前記クリアランス部の前記固体高分子電解質膜の厚み方向外方には、前記第２電極触媒層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。   2. The electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell according to claim 1, wherein the second electrode catalyst layer is provided outside the clearance portion in the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane. An electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell. 請求項１又は２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、前記第１電極は、燃料ガスが供給されるアノード電極である一方、
前記第２電極は、酸化剤ガスが供給されるカソード電極であり、
前記第１電極に供給される前記燃料ガスの供給圧力は、前記第２電極に供給される前記酸化剤ガスの供給圧力よりも大きな圧力に設定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。 The electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the first electrode is an anode electrode to which fuel gas is supplied,
The second electrode is a cathode electrode to which an oxidant gas is supplied;
With the fuel cell resin frame, the supply pressure of the fuel gas supplied to the first electrode is set higher than the supply pressure of the oxidant gas supplied to the second electrode Electrolyte membrane / electrode structure.
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