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CN112310432A - 带框的电解质膜-电极结构体及其制造方法以及燃料电池 - Google Patents

带框的电解质膜-电极结构体及其制造方法以及燃料电池 Download PDF

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CN112310432A CN202010734544.6A CN202010734544A CN112310432A CN 112310432 A CN112310432 A CN 112310432A CN 202010734544 A CN202010734544 A CN 202010734544A CN 112310432 A CN112310432 A CN 112310432A
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Abstract

本公开涉及带框的电解质膜‑电极结构体及其制造方法以及燃料电池。带框的电解质膜‑电极结构体(10)具备框构件(24)，该框构件(24)具有第一框状片(24a)。电解质膜(18)的外周部(18c)配置在阴极电极(22)与第一框状片(24a)之间，层叠于阴极电极(22)的外周部(22c)并且借助接合层(24c)被接合于第一框状片(24a)的内周部(24an)。接合层(24c)被填充于被第一框状片(24a)的内周端(24ae)、阳极电极(20)以及电解质膜(18)包围的区域(R)。

Description

带框的电解质膜-电极结构体及其制造方法以及燃料电池
技术领域
本发明涉及带框的电解质膜-电极结构体及其制造方法以及燃料电池。
背景技术
一般来说，固体高分子型燃料电池采用由高分子离子交换膜形成的固体高分子电解质膜。燃料电池具备电解质膜-电极结构体(MEA)，该电解质膜-电极结构体(MEA)在固体高分子电解质膜的一方的面配设有阳极电极，在所述固体高分子电解质膜的另一方的面配设有阴极电极。
利用隔板(双极性板)夹持电解质膜-电极结构体来构成发电单电池(单位燃料电池)。将发电单电池层叠规定的数量，由此例如作为车载用燃料电池堆来使用。
近年，为了削减较高价的固体高分子电解质膜的使用量并且为了保护薄膜状且强度低的固体高分子电解质膜，采用在外周组装了树脂框构件的带框的MEA。在专利文献1公开的带框的MEA中，在电解质膜的外周部接合树脂框构件的内周部。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第8399150号说明书
发明内容
发明所要解决的问题
在专利文献1中，当在MEA与树脂框构件的接合部位形成的间隙处暴露电解质膜时，电解质膜不固定，会有在电解质膜伴随着干湿而发生膨胀和收缩的情况下电解质膜受到损伤的担忧。
本发明是考虑这样的问题做出的，目的在于提供即使在电解质膜伴随着干湿而发生膨胀和收缩的情况下也能够减少电解质膜的损伤的带框的电解质膜-电极结构体及其制造方法以及燃料电池。
用于解决问题的方案
为了实现上述的目的，本发明的第一方式为带框的电解质膜-电极结构体，具备：电解质膜-电极结构体，其是在电解质膜的一方的面设置第一电极并且在所述电解质膜的另一方的面设置第二电极而形成的；以及框构件，其具有在所述电解质膜-电极结构体的外周部遍及整周地设置的树脂片，在所述带框的电解质膜-电极结构体中，所述电解质膜的外周部配置在所述第二电极与所述树脂片之间，层叠于所述第二电极的外周部并且借助接合层被接合于所述树脂片的内周部，所述接合层被填充于被所述树脂片的内周端、所述第一电极以及所述电解质膜包围的区域。
本发明的第二方式为燃料电池，具备带框的电解质膜-电极结构体以及在所述带框的电解质膜-电极结构体的两侧分别层叠的隔板，所述带框的电解质膜-电极结构体具有：电解质膜-电极结构体，其是在电解质膜的一方的面设置第一电极并且在所述电解质膜的另一方的面设置第二电极而形成的；以及框构件，其具有在所述电解质膜-电极结构体的外周部遍及整周地设置的树脂片，在所述燃料电池中，所述电解质膜的外周部配置在所述第二电极与所述树脂片之间，层叠于所述第二电极的外周部并且借助接合层被接合于所述树脂片的内周部，所述接合层被填充于被所述树脂片的内周端、所述第一电极以及所述电解质膜包围的区域。
本发明的第三方式为带框的电解质膜-电极结构体的制造方法，所述带框的电解质膜-电极结构体具备：电解质膜-电极结构体，其是在电解质膜的一方的面设置第一电极并且在所述电解质膜的另一方的面设置第二电极而形成的；以及框构件，其具有在所述电解质膜-电极结构体的外周部遍及整周地设置的树脂片，所述带框的电解质膜-电极结构体的制造方法包括以下工序：所述树脂片的内周部配置在所述第一电极的外周部与所述第二电极的外周部之间，以在所述树脂片的至少内周部设置的接合层与所述电解质膜重叠的方式配置所述电解质膜、所述第一电极、所述第二电极以及所述树脂片的工序；以及热压接工序，以所述电解质膜的外周部层叠于所述第二电极的外周部并且借助所述接合层被接合于所述树脂片的内周部的方式通过热压接来将所述电解质膜、所述第一电极、所述第二电极以及所述树脂片接合，其中，在所述热压接工序中，使所述接合层的一部分从所述树脂片与所述电解质膜之间向被所述树脂片的内周端、所述第一电极以及所述电解质膜包围的区域流动，填充于所述区域。
发明的效果
根据本发明，树脂片的内周部与电解质膜的外周部接合的接合层被填充于被树脂片的内周端、第一电极以及电解质膜包围的区域，由此能够防止在上述区域处暴露电解质膜。由此，即使在电解质膜伴随着干湿而发生膨胀和收缩的情况下也能够减少电解质膜的损伤。
参照附图来说明以下实施方式，从而能够容易地理解上述的目的、特征以及优点。
附图说明
图1是本发明的实施方式涉及的发电单电池(燃料电池)的主要部分的分解立体图。
图2是图1中的II-II线剖视图。
图3A是框构件的立体图。图3B是MEA接合工序的说明图。图3C是所获得的带框的电解质膜-电极结构体的立体图。
图4A是在阳极电极与阴极电极之间配置框构件的工序的说明图。图4B是热压接工序的说明图。
具体实施方式
如图1以及图2所示，发电单电池(燃料电池)12具备：带框的电解质膜-电极结构体10(以下，称为“带框的MEA 10”)；以及在带框的MEA 10的两侧配置的第一隔板14以及第二隔板16。发电单电池12例如是横长(或者纵长)的长方形的固体高分子型燃料电池。多个发电单电池12例如在箭头符号A方向(水平方向)或者箭头符号C方向(重力方向)层叠，来构成燃料电池堆11a。燃料电池堆11a例如作为车载用燃料电池堆被搭载于燃料电池电动汽车(未图示)。
在发电单电池12中，带框的MEA 10被第一隔板14和第二隔板16夹持。第一隔板14和第二隔板16具有横长(或者纵长)的长方形状。第一隔板14以及第二隔板16例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀处理钢板、或者在其金属表面实施了用于防腐蚀的表面处理的金属板、碳构件等构成。
长方形的带框的MEA 10具备电解质膜-电极结构体10a(以下，称为“M EA 10a”)。MEA 10a具有电解质膜18、在电解质膜18的一方的面设置的阳极电极(第一电极)20以及在电解质膜18的另一方的面设置的阴极电极(第二电极)22。
电解质膜18例如是固体高分子电解质膜(阳离子交换膜)。固体高分子电解质膜例如是包含水分的全氟磺酸的薄膜。电解质膜18被阳极电极20和阴极电极22夹持。电解质膜18除了能够使用氟系电解质以外，还能够使用HC(碳化氢)系电解质。
阳极电极20具有比电解质膜18以及阴极电极22大的平面尺寸(外形尺寸)。因而，阳极电极20的外周端20e遍及整周地位于比电解质膜18的外周端18e以及阴极电极22的外周端22e靠外方的位置。而且，也可以是，代替上述的结构，阳极电极20构成为具有比电解质膜18以及阴极电极22小的平面尺寸。
如图2所示，阳极电极20具有：与电解质膜18的一方的面18a接合的第一电极催化剂层20a；以及层叠于第一电极催化剂层20a的第一气体扩散层20b。第一电极催化剂层20a以及第一气体扩散层20b具有彼此相同的平面尺寸，并且设定为比电解质膜18以及阴极电极22大的平面尺寸。
阴极电极22设定为比阳极电极20小的平面尺寸。阴极电极22的外周端22e以及电解质膜18的外周端18e遍及整周地位于比阳极电极20的外周端20e靠内方的位置。
而且，也可以是，阴极电极22设定为比阳极电极20大的平面尺寸，阴极电极22的外周端22e遍及整周地位于比阳极电极20的外周端20e靠外方的位置。
阴极电极22具有与电解质膜18的面18b接合的第二电极催化剂层22a以及层叠于第二电极催化剂层22a的第二气体扩散层22b。第二电极催化剂层22a以及第二气体扩散层22b具有彼此相同的平面尺寸，并且设定为与电解质膜18相同的平面尺寸。因而，在从MEA10a的厚度方向(箭头符号A方向)观察时，阴极电极22的外周端22e遍及整周地位于与电解质膜18的外周端18e相同的位置。
第一电极催化剂层20a例如是将表面承载了白金合金的多孔质碳粒子和离子导电性高分子粘合剂均匀地涂布在第一气体扩散层20b的表面而形成的。第二电极催化剂层22a例如是将表面承载了白金合金的多孔质碳粒子和离子导电性高分子粘合剂均匀地涂布在第二气体扩散层22b的表面而形成的。
第一气体扩散层20b和第二气体扩散层22b由碳纸或者碳布等形成。第二气体扩散层22b的平面尺寸设定为比第一气体扩散层20b的平面尺寸小。第一电极催化剂层20a以及第二电极催化剂层22a分别形成于电解质膜18的两面。
带框的MEA 10还具备矩形的框构件24，该框构件24在电解质膜18的外周遍及整周地围绕，并且与阳极电极20以及阴极电极22接合。框构件24具有两个框状片(树脂片)。具体来讲，框构件24具有：第一框状片24a，其内周部24an与MEA10a的外周部接合；以及第二框状片24b，其与第一框状片24a接合。
第一框状片24a与第二框状片24b被由粘接剂24d形成的接合层24c遍及整周(第二框状片24b的第一框状片24a侧的面的整面)地直接接合。第二框状片24b与第一框状片24a的外周部接合。由此，框构件24的外周部24g构成为比框构件24的内周部(第一框状片24a的内周部24an)厚。
第一框状片24a以及第二框状片24b由树脂材料构成。作为第一框状片24a以及第二框状片24b的结构材料，例如举出PPS(聚苯硫醚)、PPA(聚邻苯二甲酰胺)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PES(聚醚砜)、LCP(液晶聚合物)、PV DF(聚偏氟乙烯)、硅树脂、氟树脂、m-PPE(改性聚苯醚树脂)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)或者改性聚烯烃等。
第一框状片24a的内周部24an配置在阳极电极20的外周部20c与阴极电极22的外周部22c之间。具体来说，第一框状片24a的内周部24an被夹持在电解质膜18的外周部18c与阳极电极20的外周部20c之间。第一框状片24a的内周部24an与电解质膜18的外周部18c借助接合层24c被接合。由此，电解质膜18的外周部18c配置在阴极电极22与第一框状片24a之间，层叠于阴极电极22的外周部22c并且借助接合层24c被接合于第一框状片24a的内周部。而且，在本实施方式中，接合层24c从第一框状片24a的内周部遍及外周部连续地设置，但也可以是，将第一框状片24a和第二框状片24b接合的接合层24c与将第一框状片24a的内周部和电解质膜18的外周部18c接合的接合层24c互相独立(分离)设置。
在从MEA 10a的厚度方向观察时，第一框状片24a的内周部24an具有与阳极电极20的外周部20c遍及整周地重叠的重叠部24ak。而且，也可以是，第一框状片24a的内周部24an在将接合层24c接合于电解质膜18的面18b的状态下被夹持在电解质膜18与阴极电极22之间。
在上述的阳极电极20，在与第一框状片24a的内周端24ae对应的位置设置台阶。具体来说，阳极电极20在同第一框状片24a的内周部24an重叠的区域21a与同电解质膜18重叠的区域21b之间具有相对于电解质膜18而倾斜的倾斜区域21c。
另一方面，阴极电极22从与第一框状片24a的内周部24an重叠的区域23a遍及与电解质膜18重叠的区域23b来形成为平坦状。而且，也可以是，代替这样的结构，阴极电极22在同第一框状片24a的内周部24an重叠的区域23a与同电解质膜18重叠的区域23b之间，具有相对于电解质膜18而倾斜的倾斜区域(在与倾斜区域21c相反的方向倾斜的区域)。阳极电极20具有上述倾斜区域21c，并且也可以是，阴极电极22具有上述倾斜区域。
而且，也可以是，与上述结构不同，阳极电极20从与第一框状片24a的内周部24an重叠的区域21a遍及与电解质膜18重叠的区域21b来形成为平坦状，阴极电极22在同第一框状片24a的内周部24an重叠的区域23a与同电解质膜18重叠的区域23b之间具有相对于电解质膜18而倾斜的倾斜区域。
第二框状片24b接合于第一框状片24a的外周部。第一框状片24a以及第二框状片24b既可以是具有彼此相同的厚度，也可以是具有不同的厚度。
第二框状片24b的内周端24be遍及整周地位于比第一框状片24a的内周端24ae靠外方(远离MEA 10a的方向)的位置。在第二框状片24b的内周端24b e与阴极电极22的外周端22e之间，遍及整周地形成间隙G。
第二框状片24b的内周端24be遍及整周地位于比阳极电极20的外周端20e靠内方的位置。在从MEA 10a的厚度方向(箭头符号A方向)观察时，第二框状片24b的内周部具有与阳极电极20的外周部20c遍及整周地重叠的重叠部24bk。第二框状片24b的内周端24be位于比电解质膜18的外周端18e靠外方的位置。
在第一框状片24a的靠第二框状片24b侧(阴极侧)的面24as，遍及整面地设置接合层24c。接合层24c将第一框状片24a的内周部24an与电解质膜18的外周部18c接合。第一框状片24a在上述的间隙G的部位处，隔着接合层24c暴露于间隙G。
接合层24c被填充于被第一框状片24a的内周端24ae、阳极电极20以及电解质膜18包围的区域R。在MEA 10a的沿着厚度方向的截面中，区域R为三角形状。以下，将接合层24c中被填充于区域R的部分称为填充部24cf。填充部24cf是在MEA 10a的制造工序(热压接工序)中，第一框状片24a与电解质膜18之间的接合层24c(粘接剂24d)因热而软化(液状化)并流入至区域R，在区域R中硬化而形成的。
在区域R中，填充部24cf固定(粘接)于电解质膜18。在区域R中，填充部24cf也固定于第一框状片24a的内周端24ae以及阳极电极20(第一气体扩散层20b)的阴极电极22侧的面。在从MEA 10a的厚度方向观察时，区域R以及填充部24cf是沿着第一框状片24a的内周端24ae而形成的四边框形状，沿着内周端24ae遍及整周地延伸。
被填充于区域R的接合层24c(填充部24cf)的厚度t1大于第一框状片24a与电解质膜18之间的接合层24c的厚度t2。第一框状片24a与电解质膜18之间的接合层24c的厚度t2小于阴极电极22的外周端22e与第二框状片24b的内周端24be之间的接合层24c的厚度t3。
作为构成接合层24c的粘接剂24d，例如设置液状粘接剂、热熔片。而且，粘接剂24d不限制于液体、固体、热可塑性、热硬化性等。粘接剂24d的主成份为热可塑性材料，也可以是，一部分包含有热可塑性材料的粘接剂。作为粘接剂24d，例如举出丙烯系粘接剂，但也可以是橡胶系、聚氨酯系、酯基系、乙烯-乙烯基系的粘接剂。
阳极电极20与第一框状片24a与阴极电极22重叠的重叠部K被在第一隔板14设置的朝向阳极电极20突出的凸部39与在第二隔板16设置的朝向阴极电极22突出的凸部37夹持。
第一框状片24a的弹性模量E1、接合层24c的弹性模量E2、电解质膜18的弹性模量E3设定为以下的大小关系。这里所说的“弹性模量”均是意味着“拉伸弹性模量”。第一框状片24a的弹性模量E1大于电解质膜18的弹性模量E3。接合层24c的弹性模量E2小于第一框状片24a的弹性模量E1以及电解质膜18的弹性模量E3。即，以满足E1>E3>E2的关系的方式，设定第一框状片24a的弹性模量E1、接合层24c的弹性模量E2以及电解质膜18的弹性模量E3。
接合层24c的弹性模量E2例如设定为电解质膜18的弹性模量E3的50％以下。接合层24c的弹性模量E2例如设定为电解质膜18的弹性模量E3的30％以下。接合层24c的弹性模量E2例如设定为电解质膜18的弹性模量E3的20％以下。接合层24c的弹性模量E2例如设定为电解质膜18的弹性模量E3的10％以下。接合层24c的弹性模量E2例如设定为电解质膜18的弹性模量E3的5％以下。
120℃时的第一框状片24a的弹性模量E1例如为1000Mpa以上。120℃时的接合层24c的弹性模量E2例如为0.5Mpa以下。在接合层24c的弹性模量E2过于低的情况下(例如，0.1MPa以下)，无法表现出缓冲效果。120℃时的电解质膜18的弹性模量E3例如为10Mpa～100Mpa。
电解质膜18以及接合层24c的各厚度小于第一框状片24a的厚度。电解质膜18的厚度与接合层24c的厚度设定为较相近的厚度。第一框状片24a的厚度例如为25μm～150μm。接合层24c的厚度例如为10μm～50μm。电解质膜18的厚度例如为6μm～20μm。
如图1所示，在发电单电池12的箭头符号B方向(水平方向)的一端缘部，以在层叠方向即箭头符号A方向相互连通的方式设置氧化剂气体入口连通孔30a、冷却介质入口连通孔32a以及燃料气体出口连通孔34b。氧化剂气体入口连通孔30a供给氧化剂气体，例如含氧气体，另一方面，冷却介质入口连通孔32a供给冷却介质。燃料气体出口连通孔34b排出燃料气体，例如含氢气体。氧化剂气体入口连通孔30a、冷却介质入口连通孔32a以及燃料气体出口连通孔34b在箭头符号C方向(铅垂方向)排列设置。
在发电单电池12的箭头符号B方向的另一端缘部，以在箭头符号A方向相互连通的方式设置供给燃料气体的燃料气体入口连通孔34a、排出冷却介质的冷却介质出口连通孔32b以及排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。燃料气体入口连通孔34a、冷却介质出口连通孔32b以及氧化剂气体出口连通孔30b在箭头符号C方向排列设置。
在第一隔板14的朝向带框的MEA 10的面14a设置与燃料气体入口连通孔34a和燃料气体出口连通孔34b连通的燃料气体流路38。具体来说，燃料气体流路38形成于第一隔板14与带框的MEA 10之间。燃料气体流路38具有在箭头符号B方向延伸的多个直线状流路槽(或者波状流路槽)。
在第二隔板16的朝向带框的MEA 10的面16a设置与氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b连通的氧化剂气体流路36。具体来说，氧化剂气体流路36形成于第二隔板16与带框的MEA 10之间。氧化剂气体流路36具有在箭头符号B方向延伸的多个直线状流路槽(或者波状流路槽)。
在互相邻接的第一隔板14的面14b与第二隔板16的面16b之间，在箭头符号B方向延伸地形成与冷却介质入口连通孔32a和冷却介质出口连通孔32b连通的冷却介质流路40。
如图2所示，在第一隔板14的面14a(与带框的MEA 10相向的面)，设置形成燃料气体流路38的多个凸部39。凸部39朝向阳极电极20侧鼓出并且抵接于阳极电极20。在第二隔板16的面16a(与带框的MEA 10相向的面)，设置形成氧化剂气体流路36的多个凸部37。凸部37朝向阴极电极22侧鼓出并且抵接于阴极电极22。MEA 10a被夹持在凸部37、39之间。
为了防止燃料气体向外部泄漏，在第一隔板14的面14a设置将第一隔板14的外周部围绕的一个或者多个凸起密封件42。凸起密封件42通过冲压成型朝向框构件24鼓出成形。内侧的凸起密封件42围绕燃料气体流路38、燃料气体入口连通孔34a以及燃料气体出口连通孔34b并且使它们连通。
通过印刷或者涂布等将树脂件43(或者橡胶件)固定于凸起密封件42的凸部前端面。凸起密封件42借助树脂件43来气密且液密地抵接于第一框状片24a(与第二框状片24b重叠的区域)。也可以是，树脂件43固定于第一框状片24a。
也可以是，在第一隔板14设置由朝向框构件24突出的弹性体形成的凸状密封部，来代替凸起密封件42。
为了防止氧化剂气体向外部泄漏，在第二隔板16的面16a设置将第二隔板16的外周部围绕的一个或者多个凸起密封件44。凸起密封件44通过冲压成型朝向框构件24鼓出成形。内侧的凸起密封件44围绕氧化剂气体流路36、氧化剂气体入口连通孔30a以及氧化剂气体出口连通孔30b并且使它们连通。
通过印刷或者涂布等将树脂件45(或者橡胶材)固定于凸起密封件44的凸部前端面。凸起密封件44借助树脂件45来气密且液密地抵接于第二框状片24b(与第一框状片24a重叠的区域)。也可以是，树脂件45固定于第二框状片24b。
也可以是，在第二隔板16设置由朝向框构件24突出的弹性体形成的凸状密封部，来代替凸起密封件44。
树脂件43、45例如使用聚酯纤维、硅、EPDM、FKM等。树脂件43、45不是不可缺少，也可以没有(该情况下，凸起密封件42直接抵接于第一框状片24a，凸起密封件44直接抵接于第二框状片24b)。
凸起密封件42与凸起密封件44隔着框构件24而相向。框构件24的外周部(第一框状片24a与第二框状片24b重叠的区域)被夹持在第一隔板14的凸起密封件42与第二隔板16的凸起密封件44之间。而且，在第一隔板14以及第二隔板16设置上述凸状密封部的情况下，框构件24的外周部(第一框状片24a与第二框状片24b重叠的区域)被夹持在第一隔板14的凸状密封部与第二隔板16的凸状密封部之间。
以下说明包括这样构成的发电单电池12的燃料电池堆11a的动作。
如图1所示，向氧化剂气体入口连通孔30a供给含氧气体等氧化剂气体，并且向燃料气体入口连通孔34a供给含氢气体等燃料气体。还有，向冷却介质入口连通孔32a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。
因此，从氧化剂气体入口连通孔30a向第二隔板16的氧化剂气体流路36供给氧化剂气体，氧化剂气体在箭头符号B方向移动，被供给至MEA10a的阴极电极22。另一方面，从燃料气体入口连通孔34a向第一隔板14的燃料气体流路38供给燃料气体。燃料气体沿着燃料气体流路38在箭头符号B方向移动，被供给至MEA10a的阳极电极20。
从而，在MEA 10a中，被供给至阴极电极22的氧化剂气体、被供给至阳极电极20的燃料气体在第二电极催化剂层22a以及第一电极催化剂层20a内通过电化学反应被消耗，来进行发电。
接着，在图1中，被供给至阴极电极22并被消耗了的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔30b在箭头符号A方向被排出。同样地，被供给至阳极电极20并被消耗了的燃料气体沿着燃料气体出口连通孔34b在箭头符号A方向被排出。
另外，被供给至冷却介质入口连通孔32a的冷却介质在被供给至第一隔板14与第二隔板16之间的冷却介质流路40之后，在箭头符号B方向流通。该冷却介质将MEA 10a冷却之后，从冷却介质出口连通孔32b被排出。
然后，说明带框的MEA 10的制造方法的一个例子。
如图3A所示，提供(制作)由接合层24c将第一框状片24a与第二框状片24b接合而形成的上述的框构件24。在第二框状片24b的比内周端24be靠内侧，在第一框状片24a的中央部形成开口部53。在框构件24形成燃料气体入口连通孔34a、燃料气体出口连通孔34b、氧化剂气体入口连通孔30a、氧化剂气体出口连通孔30b、冷却介质入口连通孔32a以及冷却介质出口连通孔32b。
然后，实施如图3B所示的MEA接合工序。在MEA接合工序中，设为在第二框状片24b的内周端24be与阴极电极22(接合有电解质膜18的电极)的外周端22e之间设置有间隙G(参照图2)的状态。然后在该状态下，将第一框状片24a的内周部24an配置在阳极电极20的外周部20c与阴极电极22的外周部22c之间，并进行接合。该情况下，通过将在厚度方向重叠的阳极电极20、第一框状片24a、电解质膜18以及阴极电极22加热并且施加载荷(热压)，进行接合(通过热压接来接合)。由此，如图3C所示，获得在MEA 10a的外周部接合有框构件24的带框的MEA 10。
具体来说，MEA接合工序包括以下的工序(图4A以及图4B)。如图4A所示，在MEA接合工序中，第一框状片24a的内周部24an配置在阳极电极20的外周部20c与阴极电极22的外周部22c之间，以在第一框状片24a的至少内周部24an设置的接合层24c与电解质膜18重叠的方式，实施配置电解质膜18、阳极电极20、阴极电极22以及第一框状片24a的工序。
还有，如图4B所示，在MEA接合工序中，实施热压接工序，以电解质膜18的外周部18c层叠于阴极电极22的外周部22c并且借助接合层24c被接合于第一框状片24a的内周部24an的方式，通过热压接来将电解质膜18、阳极电极20、阴极电极22以及第一框状片24a接合。
在热压接工序中，使接合层24c(粘接剂24d)的一部分从第一框状片24a与电解质膜18之间向被第一框状片24a的内周端24ae、阳极电极20以及电解质膜18包围的区域R流动。即，第一框状片24a与电解质膜18之间的粘接剂24d因热而软化(或者液状化)，被从热压装置施加的加压力(载荷)向区域R推出。热压接工序之后，流入至区域R内的粘接剂24d硬化，成为在区域R处固定于电解质膜18的接合层24c(填充部24cf)。由此，区域R成为被接合层24c填充的状态。第一框状片24a与电解质膜18之间的接合层24c与填充部24cf连续(相连)。
该情况下，如图2所示，根据本实施方式涉及的带框的MEA 10以及发电单电池12，将第一框状片24a的内周部24an与电解质膜18的外周部18c接合的接合层24c，被填充于被第一框状片24a的内周端24ae、阳极电极20以及电解质膜18包围的区域R，由此能够防止在该区域R处电解质膜18暴露。由此，即使在电解质膜18伴随着干湿而发生膨胀和收缩的情况下，也能够减少电解质膜18的损伤。
电解质膜18以及接合层24c的各厚度小于第一框状片24a的厚度。这样平衡地设定适当的厚度，由此能够不使用过量的粘接剂24d而良好地填埋区域R。
本发明不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围下，能够进行各种的改变。
将以上的实施方式总结如下。
上述实施方式公开了带框的电解质膜-电极结构体，具备：电解质膜-电极结构体10a，其是在电解质膜18的一方的面设置第一电极20并且在所述电解质膜的另一方的面设置第二电极22而形成的；以及框构件24，其具有在所述电解质膜-电极结构体的外周部遍及整周地设置的树脂片24a，在所述带框的电解质膜-电极结构体10中，所述电解质膜的外周部配置在所述第二电极与所述树脂片之间，层叠于所述第二电极的外周部并且借助接合层24c被接合于所述树脂片的内周部，所述接合层被填充于被所述树脂片的内周端24ae、所述第一电极以及所述电解质膜包围的区域R。
也可以是，所述框构件具有其它树脂片24b，所述其它树脂片借助所述接合层被接合于所述树脂片中比所述第二电极向外方延伸出的部位。
也可以是，在所述第一电极，在与所述树脂片的内周端对应的位置设置台阶。
也可以是，在从所述电解质膜-电极结构体的厚度方向观察时，所述其它树脂片的内周部具有与所述第一电极的外周部重叠的重叠部24bk。
也可以是，所述电解质膜以及所述接合层的各厚度小于所述树脂片的厚度。
另外，上述实施方式公开了燃料电池，具备带框的电解质膜-电极结构体10以及在所述带框的电解质膜-电极结构体的两侧分别层叠的隔板14、16，所述带框的电解质膜-电极结构体具有：电解质膜-电极结构体10a，其是在电解质膜18的一方的面设置第一电极20并且在所述电解质膜的另一方的面设置第二电极22而形成的；以及框构件24，其具有在所述电解质膜-电极结构体的外周部遍及整周地设置的树脂片24a，在所述燃料电池12中，所述电解质膜的外周部配置在所述第二电极与所述树脂片之间，层叠于所述第二电极的外周部并且借助接合层24c被接合于所述树脂片的内周部，所述接合层被填充于被所述树脂片的内周端24ae、所述第一电极以及所述电解质膜包围的区域R。
另外，上述实施方式公开了带框的电解质膜-电极结构体的制造方法，所述带框的电解质膜-电极结构体10具备：电解质膜-电极结构体10a，其是在电解质膜18的一方的面设置第一电极20并且在所述电解质膜的另一方的面设置第二电极22而形成的；以及框构件24，其具有在所述电解质膜-电极结构体的外周部遍及整周地设置的树脂片24a，所述带框的电解质膜-电极结构体的制造方法包括以下工序：所述树脂片的内周部配置在所述第一电极的外周部与所述第二电极的外周部之间，以在所述树脂片的至少内周部设置的接合层24c与所述电解质膜重叠的方式配置所述电解质膜、所述第一电极、所述第二电极以及所述树脂片的工序；以及热压接工序，以所述电解质膜的外周部层叠于所述第二电极的外周部并且借助所述接合层接合于所述树脂片的内周部的方式，通过热压接将所述电解质膜、所述第一电极、所述第二电极以及所述树脂片接合，在所述热压接工序中，使所述接合层的一部分从所述树脂片与所述电解质膜之间向被所述树脂片的内周端、所述第一电极以及所述电解质膜包围的区域R流动，填充于所述区域。

Claims (7)

1.一种带框的电解质膜-电极结构体，具备：电解质膜-电极结构体，其是在电解质膜的一方的面设置第一电极并且在所述电解质膜的另一方的面设置第二电极而形成的；以及
框构件，其具有在所述电解质膜-电极结构体的外周部遍及整周地设置的树脂片，
在所述带框的电解质膜-电极结构体中，
所述电解质膜的外周部配置在所述第二电极与所述树脂片之间，层叠于所述第二电极的外周部并且借助接合层被接合于所述树脂片的内周部，
所述接合层被填充于被所述树脂片的内周端、所述第一电极以及所述电解质膜包围的区域。
2.根据权利要求1所述的带框的电解质膜-电极结构体，其特征在于，
所述框构件具有其它树脂片，所述其它树脂片借助所述接合层被接合于所述树脂片中比所述第二电极向外方延伸出的部位。
3.根据权利要求1所述的带框的电解质膜-电极结构体，其特征在于，
在所述第一电极，在与所述树脂片的内周端对应的位置设置台阶。
4.根据权利要求2所述的带框的电解质膜-电极结构体，其特征在于，
在从所述电解质膜-电极结构体的厚度方向观察时，所述其它树脂片的内周部具有与所述第一电极的外周部重叠的重叠部。
5.根据权利要求1所述的带框的电解质膜-电极结构体，其特征在于，
所述电解质膜以及所述接合层的各厚度小于所述树脂片的厚度。
6.一种燃料电池，具备带框的电解质膜-电极结构体以及在所述带框的电解质膜-电极结构体的两侧分别层叠的隔板，所述带框的电解质膜-电极结构体具有：电解质膜-电极结构体，其是在电解质膜的一方的面设置第一电极并且在所述电解质膜的另一方的面设置第二电极而形成的；以及框构件，其具有在所述电解质膜-电极结构体的外周部遍及整周地设置的树脂片，在所述燃料电池中，
所述电解质膜的外周部配置在所述第二电极与所述树脂片之间，层叠于所述第二电极的外周部并且借助接合层被接合于所述树脂片的内周部，
所述接合层被填充于被所述树脂片的内周端、所述第一电极以及所述电解质膜包围的区域。
7.一种带框的电解质膜-电极结构体的制造方法，所述带框的电解质膜-电极结构体具备：电解质膜-电极结构体，其是在电解质膜的一方的面设置第一电极并且在所述电解质膜的另一方的面设置第二电极而形成的；以及框构件，其具有在所述电解质膜-电极结构体的外周部遍及整周地设置的树脂片，所述带框的电解质膜-电极结构体的制造方法包括以下工序：
所述树脂片的内周部配置在所述第一电极的外周部与所述第二电极的外周部之间，以在所述树脂片的至少内周部设置的接合层与所述电解质膜重叠的方式，配置所述电解质膜、所述第一电极、所述第二电极以及所述树脂片的工序；以及
热压接工序，以所述电解质膜的外周部层叠于所述第二电极的外周部并且借助所述接合层被接合于所述树脂片的内周部的方式，通过热压接来将所述电解质膜、所述第一电极、所述第二电极以及所述树脂片接合，
其中，在所述热压接工序中，使所述接合层的一部分从所述树脂片与所述电解质膜之间向被所述树脂片的内周端、所述第一电极以及所述电解质膜包围的区域流动，填充于所述区域。
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