JP2004172096A

JP2004172096A - 膜−電極構造体

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Publication number: JP2004172096A
Application number: JP2003360242A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shinkai; 洋新海; Masaaki Nanaumi; 昌昭七海; Naoki Mitsuda; 直樹満田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2023-10-21
Also published as: JP4426248B2

Abstract

【課題】多孔質拡散層の塑性変形や損傷を抑制できる膜−電極構造体を提供する。
【解決手段】電極７，８の触媒層３，４により挟持された固体高分子電解質膜２を備え、触媒層３，４は固体高分子電解質膜２の外周縁よりも内周側に位置し、固体高分子電解質膜２の一方の面が、触媒層４と接着性支持層９とにより被覆されている。触媒層４と接着性支持層９とを被覆する多孔質拡散層６を備える。接着性支持層９は多孔質拡散層６に浸透して、多孔質拡散層６と一体化している。接着性支持層９は接着剤からなり、該接着剤は多孔質拡散層６の空孔部に対する充填率が３０〜１００％となる範囲で、多孔質拡散層６に浸透している。触媒層３，４の外周縁は、固体高分子電解質膜２を挟んで、他方の触媒層の外周縁４，３と相異なる部分に位置している。触媒層３，４の外周縁は、固体高分子電解質膜２を挟んで、触媒層４，３の外周縁よりも内周側に位置している。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる膜−電極構造体に関するものである。

石油資源が枯渇化する一方、化石燃料の消費による地球温暖化等の環境問題が深刻化している。そこで、二酸化炭素の発生を伴わないクリーンな電動機用電力源として燃料電池が注目され、広範に開発されている。また、一部では前記燃料電池が実用化され始めている。前記燃料電池を自動車等に搭載する場合には、高電圧と大電流とが得やすいことから、高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池が好適に用いられる。

前記固体高分子型燃料電池に用いる膜−電極構造体として、従来、図５に示すものが知られている（例えば特許文献１参照）。

図５に示す膜−電極構造体１２は、高分子電解質膜２と、高分子電解質膜２を挟持する１対の触媒層３，４と、両触媒層３，４の上に積層された１対の多孔質からなる拡散層（以下、多孔質拡散層と略記することがある）５，６とからなる。膜−電極構造体１２では、触媒層３，４と、多孔質拡散層５，６とが、高分子電解質膜２と同一の大きさに形成されており、各層３，４，５，６の外周縁が高分子電解質膜２の外周縁に一致するように積層されている。

膜−電極構造体１２では、多孔質拡散層５を介して触媒層３に水素、メタノール等の還元性ガスを導入すると、触媒層３で生成するプロトンが高分子電解質膜２を介して、前記酸素極側の触媒層４に移動する。触媒層４では、多孔質拡散層６を介して空気、酸素等の酸化性ガスが導入されており、前記プロトンが酸素及び電子と反応して水を生成する。従って、両触媒層３，４を導線を介して接続することにより、膜−電極構造体１２を燃料電池として用いることができる。

ところが、図５に示すように、触媒層３，４と、多孔質拡散層５，６との外周縁が高分子電解質膜２の外周縁に一致するように積層されていると、各多孔質拡散層５，６に供給されたガスが高分子電解質膜２の外周縁から反対側に回り込み、互いに混合するとの問題がある。また、触媒層３，４の外周縁同士の位置が近いために、両触媒層３，４が電気的に短絡する虞があるという問題もある。

前記問題を解決するために、図６に示すように、高分子電解質膜２を触媒層３，４、多孔質拡散層５，６よりも大きく形成し、触媒層３，４、多孔質拡散層５，６の外周縁が高分子電解質膜２の外周縁よりも内周側に位置するようにして積層した膜−電極構造体１３が提案されている（例えば特許文献２参照）。

前記構成の膜−電極構造体１３によれば、各多孔質拡散層５，６に供給されたガスを、高分子電解質膜２の触媒層３，４、多孔質拡散層５，６の外周縁から外方に張り出した部分により遮蔽して、その混合を防止することができる。また、高分子電解質膜２の前記張り出した部分により、両触媒層３，４の電気的短絡を防止することができる。

しかし、膜−電極構造体１３を用いる燃料電池において、出力を向上するために高分子電解質膜２の膜厚を薄くすると、高分子電解質膜２の機械的強度が低下し、触媒層３，４、多孔質拡散層５，６の外周縁から張り出した部分が破損しやすくなる。そこで、本出願人により、図７に示すように、一方の触媒層４の外周側全周に亘って高分子電解質膜２に接着して該高分子電解質膜２を支持する接着性支持層９を設け、触媒層４と、接着性支持層９とにより高分子電解質膜２の一方の面を被覆するようにした膜−電極構造体１４が提案されている（特許文献３参照）。

膜−電極構造体１４では、接着性支持層９により、触媒層３，４と、多孔質拡散層５，６との外周縁から外方に張り出して延在する高分子電解質膜２が保護され、破損を防止することが期待される。また、膜−電極構造体１４では、多孔質拡散層６により触媒層４と接着性支持層９とを被覆しているので、接着性支持層９が多孔質拡散層６により補強され、さらに効果的に前記高分子電解質膜２を保護することができると期待される。

しかしながら、複数の膜−電極構造体１４を相互に積層して燃料電池を構成すると、積層方向に過剰な面圧が掛かったときに、多孔質拡散層６が塑性変形したり、損傷を受けることがあるという不都合がある。
米国特許第５１７６９６６号明細書特開２０００−２２３１３６号公報特開２００３−６８３２３号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、多孔質からなる拡散層の塑性変形や損傷を抑制することができる膜−電極構造体を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の膜−電極構造体は、触媒層を備える１対の電極と、両電極の該触媒層により挟持された固体高分子電解質膜とを備え、該触媒層は、該固体高分子電解質膜の外周縁よりも内周側に位置し、該固体高分子電解質膜の少なくとも一方の面が、該触媒層と、該触媒層の外周側に全周に亘って設けられ該固体高分子電解質膜に接着して該固体高分子電解質膜を支持する接着性支持層とにより被覆されている膜−電極構造体であって、該触媒層と該接着性支持層とを被覆する多孔質からなる拡散層を備え、該接着性支持層は該拡散層に浸透して、該拡散層と一体化していることを特徴とする。

本発明の膜−電極構造体では、前記固体高分子電解質膜の少なくとも一方の面に設けられた前記接着性支持層が、該接着性支持層を被覆する拡散層と一体化されている。従って、前記拡散層の強度が向上され、複数の前記膜−電極構造体を相互に積層して燃料電池を構成したときに、該拡散層の塑性変形や損傷を防止することができる。

本発明の膜−電極構造体において、前記接着性支持層は接着剤からなり、該接着剤は前記多孔質からなる拡散層が該接着性支持層を被覆する領域で、該拡散層の空孔部に対する充填率が３０〜１００％となる範囲で該拡散層に浸透していることが好ましい。

前記接着剤は、前記拡散層の空孔部に対する充填率が３０％未満では、十分な強度を得ることができず、該拡散層の塑性変形や損傷を防止することができない。また、前記拡散層の空孔部に対する前記接着剤の充填率が１００％であるときには、前記領域の空孔部の全てに前記接着剤が充填されていることになるので、１００％を超える充填率を規定することは意味が無い。

前記接着性支持層は、例えば前記接着剤を前記拡散層上にスクリーン印刷することにより形成することができ、該拡散層の空孔部に対する該接着剤の充填率は該スクリーン印刷の条件を変えることにより調整することができる。前記スクリーン印刷において変更可能な条件としては、スクリーンについてはその材質、メッシュの線径、目開き、スキージについてはその角度、硬度、印圧、走査速度等を挙げることができる。

尚、本発明の膜−電極構造体では、前記接着性支持層は、前記固体高分子電解質膜の一方の面にのみ設けられていてもよく、両面に設けられていてもよい。

前記構成を備える膜−電極構造体は、前記１対の触媒層の外周縁が、前記固体高分子電解質膜を挟んで相互に一致するように位置していると、燃料電池を形成したときに、該固体高分子電解質膜は表裏両面の同一位置に該触媒層による応力が集中することになる。この結果、前記固体高分子電解質膜は、前記１対の触媒層の外周縁に挟まれる部分で破損する虞が大きくなる。

そこで、本発明の膜−電極構造体は、前記一方の触媒層の外周縁は、前記固体高分子電解質膜を挟んで、少なくとも一部分が他方の触媒層の外周縁と相異なる部分に位置していることを特徴とする。前記構成によれば、前記固体高分子電解質膜の表裏両面で、前記触媒層の外周縁による応力を分散し、該固体高分子電解質膜の破損を防止することができる。

前記応力を分散するために、前記一方の触媒層の外周縁は、前記固体高分子電解質膜を挟んで、他方の触媒層の外周縁よりも内周側に位置していることが好ましい。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の膜−電極構造体の一構成例を示す説明的断面図であり、図２は本実施形態の膜−電極構造体の他の構成例を示す説明的断面図であり、図３は多孔質からなる拡散層の耐圧強度の測定に用いる膜−電極構造体の構成を示す説明的断面図、図４は多孔質からなる拡散層の耐圧強度の指標として荷重に対する塑性変形量を示すグラフである。

図１に示すように、本実施形態の膜−電極構造体１ａは、固体高分子電解質膜２と、固体高分子電解質膜２を挟持する１対の触媒層３，４と、両触媒層３，４の上に積層された１対の多孔質拡散層５，６とを備えている。膜−電極構造体１ａでは、触媒層３と多孔質拡散層５とにより電極７が形成されており、触媒層４と多孔質拡散層６とにより電極８が形成されている。

前記固体高分子電解質膜２は触媒層３，４よりも大きく形成されており、触媒層３，４は固体高分子電解質膜２の外周縁よりも、内周側に位置するように積層されている。そして、固体高分子電解質膜２の一方の面は、触媒層４と、固体高分子電解質膜２に接着されて固体高分子電解質膜２を支持する接着性支持層９とにより被覆されている。接着性支持層９は、触媒層４の外周側に全周に亘って設けられており、触媒層４と接着性支持層９とは、多孔質拡散層６により被覆されている。また、固体高分子電解質膜２の他方の面は、触媒層３の外周側から外方に延在する部分が露出されている。

接着性支持層９は、接着剤により構成されている。前記接着剤は、多孔質拡散層６が接着性支持層９を被覆する領域で多孔質拡散層６に浸透して接着剤浸透層１０を形成している。

接着剤浸透層１０では、多孔質拡散層６の空孔部に対する充填率が３０〜１００％となる範囲で、前記接着剤が多孔質拡散層６に浸透している。この結果、接着性支持層９と多孔質拡散層６とが、接着剤浸透層１０を介して一体化されている。

また、膜−電極構造体１ａでは、触媒層３は触媒層４よりも大きく形成されており、触媒層４の外周縁は、固体高分子電解質膜２を挟んで、触媒層３の外周縁よりも内周側に位置している。しかし、図２に示す膜−電極構造体１ｂのように、触媒層４が触媒層３よりも大きく形成されていて、触媒層３の外周縁が、固体高分子電解質膜２を挟んで、触媒層４の外周縁よりも内周側に位置するようにしてもよい。

前記固体高分子電解質膜２は、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物（例えば、デュポン社製ナフィオン（商品名））、スルホン化ポリアリーレン化合物等の高分子電解質からなり、例えば５０μｍの乾燥膜厚を備えている。

前記触媒層３，４は、触媒粒子とイオン導伝性バインダーとからなる。前記触媒粒子としては、例えば、カーボンブラック（ファーネスブラック）に白金粒子を、白金：カーボン粒子＝１：１（重量比）となるように担持させたものを用いる。また、イオン導伝性バインダーとしては、前記高分子電解質が用いられる。

前記多孔質拡散層５，６は、カーボンペーパーと、該カーボンペーパー上に形成された図示しない下地層とからなる。前記下地層は、例えば、カーボンブラックと、ポリテトラフルオロエチレン粒子との４：６（重量比）の混合物であり、該下地層上に触媒層３，４が形成される。

前記接着性支持層９を形成し、多孔質拡散層６に浸透する接着剤は、燃料電池運転中の高温、高湿の環境下に曝されても、前記固体高分子電解質膜に対して強固に接着することができ、剥離することがないことから、分子構造中にフッ素原子を有する接着剤であることが好ましい。このような接着剤として、例えば、ポリシロキサン化合物と、少なくとも２個のアルケニル基を備える分子とを含み、前記アルケニル基が前記ポリシロキサン化合物と架橋することにより硬化するものを挙げることができる。

前記接着剤として、具体的には、次式（１）で示されるポリマー（粘度４．４Ｐａ・ｓ、平均分子量１６５００、ビニル基量０．０１２モル／１００ｇ）１００重量部、オルガノハイドロジェンポリシロキサン（鐘淵化学工業株式会社製、商品名：ＣＲ−１００）５重量部、可塑剤（出光石油化学株式会社製、商品名：ＰＡＯ−５０１０）８重量部、ヒュームドシリカ（日本シリカ工業株式会社製）１２重量部、オルガノシラン（信越化学工業株式会社製、商品名：ＫＢＭ−３０３）３重量部を撹拌し、脱泡したものに、反応触媒として、ビス（１，３−ジビニル−１，１，３，３−テトラメチルジシロキサン）白金触媒を白金が次式（１）で示されるポリマーのビニル基量のモル数に対して５×１０^−４当量となるように添加したものを挙げることができる。

尚、接着剤は前述のものに限定されることはなく、固体高分子電解質膜との接着性と、含浸による多孔質拡散層６の補強効果とが得られるものであれば、固体高分子電解質膜と同一の材料等、どのようなものであってもよい。

図１，２では、触媒層４の外周縁と接着性支持層９の内周縁とが密着して形成されているが、接着性支持層９は触媒層４の外周側に全周に亘って形成されていればよく、触媒層４の外周縁と接着性支持層９の内周縁との間に間隙が設けられていてもよい。また、図１，２では、接着性支持層９が設けられている面と反対側の面では、触媒層３の上に同一の大きさの多孔質拡散層５が積層されているが、多孔質拡散層５は触媒層３より大きく、例えば固体高分子電解質膜２と同一の大きさを備えていてもよい。

さらに、図１，２では、固体高分子電解質膜２の一方の面のみが、触媒層４と接着性支持層９とにより被覆されているが、他方の面についても触媒層３の外周側に全周に亘って接着性支持層９を形成し、触媒層３と接着性支持層９とにより被覆するようにしてもよい。この場合、接着性支持層９は、触媒層３の外周縁から外方に延在する固体高分子電解質膜２の少なくとも一部を被覆していればよく、全体を被覆する必要はない。

膜−電極構造体１ａ，１ｂでは、電極７を燃料極（アノード）として多孔質拡散層５を介して触媒層３に水素、メタノール等の還元性ガスを導入する一方、電極８を酸素極（カソード）として多孔質拡散層６を介して触媒層４に空気、酸素等の酸化性ガスを導入する。このようにすると、燃料極（電極７）側では、触媒層３に含まれる触媒の作用により、前記還元性ガスからプロトン及び電子が生成し、前記プロトンは固体高分子電解質膜２を介して、前記酸素極（電極８）側の触媒層４に移動する。そして、前記プロトンは、触媒層４に含まれる触媒の作用により、触媒層４に導入される前記酸化性ガス及び電子と反応して水を生成する。従って、前記燃料極と酸素極とを導線を介して接続することにより、前記燃料極で生成した電子を前記酸素極に送る回路が形成され、電流を取り出すことができ、膜−電極構造体１ａ，１ｂを燃料電池として用いることができる。

次に、本発明の実施例と比較例とを示す。

本実施例では、まず、次式（１）で示されるポリマー（粘度４．４Ｐａ・ｓ、平均分子量１６５００、ビニル基量０．０１２モル／１００ｇ）１００重量部、オルガノハイドロジェンポリシロキサン（鐘淵化学工業株式会社製、商品名：ＣＲ−１００）５重量部、可塑剤（出光石油化学株式会社製、商品名：ＰＡＯ−５０１０）８重量部、ヒュームドシリカ（日本シリカ工業株式会社製）１２重量部、オルガノシラン（信越化学工業株式会社製、商品名：ＫＢＭ−３０３）３重量部を撹拌し、脱泡したものに、反応触媒として、ビス（１，３−ジビニル−１，１，３，３−テトラメチルジシロキサン）白金触媒のキシレン溶液（８．３×１０^−５モル／μｌ）を、白金が式（１）で示されるポリマーのビニル基量のモル数に対して５×１０^−４当量となるように添加して、接着剤を調製した。

次に、次式（２）で示されるポリアリーレン化合物に濃硫酸を加え、スルホン化ポリアリーレン化合物を調製した。

式（２）において、ｎ：ｍ＝０．５〜１００：９９．５〜０であり、ｌは１以上の整数である。

尚、本明細書では、「スルホン化ポリアリーレン化合物」とは、次式の構成を備えるポリマーのスルホン化物を意味する。

式（２）で示されるポリアリーレン化合物は、次のようにして調製した。

まず、２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパン（ビスフェノールＡＦ）６７．３重量部、４，４’−ジクロロベンゾフェノン５３．５重量部、炭酸カリウム３４．６重量部を、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドとトルエンとの混合溶媒中、窒素雰囲気下で加熱し、撹拌しながら１３０℃で反応させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させて系外に除去しながら、水の生成が殆ど認められなくなるまで反応させた後、反応温度を徐々に１５０℃まで上げてトルエンを除去した。１５０℃で１０時間反応を続けた後、４，４’−ジクロロベンゾフェノン３．３重量部を加え、さらに５時間反応した。

得られた反応液を冷却後、副生した無機化合物の沈殿物を濾過して除去し、濾液をメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収して乾燥後、テトラヒドロフランに溶解した。これをメタノールで再沈殿し、次式（３）で示されるオリゴマーを得た（収率９３％）。式（３）中、ｌの平均値は１８．９であった。

次に、式（３）で示されるオリゴマー２８．４重量部、２，５−ジクロロ−４’−（４−フェノキシ）フェノキシベンゾフェノン２９．２重量部、ビス（トリフェニルホスフィン）ニッケルジクロリド１．３７重量部、ヨウ化ナトリウム１．３６重量部、トリフェニルホスフィン７．３４重量部、亜鉛末１１．０重量部をフラスコに取り、乾燥窒素置換した。次に、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを加え、８０℃に加熱して撹拌下に４時間重合を行った。重合溶液をテトラヒドロフランで希釈し、塩酸／メタノールで凝固させ回収した。回収物に対してメタノール洗浄を繰り返し、テトラヒドロフランに溶解した。これをメタノールで再沈殿して精製し、濾集したポリマーを真空乾燥して、式（２）で示されるポリアリーレン化合物を得た（収率９６％）。

次に、次式（２）で示されるポリアリーレン化合物のスルホン化は、該ポリアリーレン化合物に９６％硫酸を加え、窒素気流下に２４時間撹拌することにより行った。得られた溶液を大量のイオン交換水中に注ぎ入れてポリマーを沈殿させ、洗浄水のｐＨが５になるまでポリマーの洗浄をくり返した後、乾燥して、イオン交換容量２．０ｍｅｑ／ｇのスルホン化ポリアリーレン化合物を得た（収率９６％）。

次に、前記スルホン化ポリアリーレン化合物をＮ−メチルピロリドンに溶解して高分子電解質溶液を調製し、該高分子電解質溶液からキャスト法により成膜して、オーブンにて８０℃で乾燥することにより、乾燥膜厚５０μｍの固体高分子電解質膜２を調製した。

次に、カーボンブラック（ファーネスブラック）に白金粒子を、カーボンブラック：白金＝１：１の重量比で担持させて触媒粒子を調製した。次に、前記触媒粒子をイオン導伝性高分子バインダー溶液としてのパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物（例えば、デュポン社製ナフィオン（商品名））溶液に、触媒粒子：イオン導伝性高分子バインダー＝１：１の重量比で均一に分散させることにより、触媒ペーストを調製した。

次に、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子とを４：６の重量比で混合して得られた混合物をエチレングリコールに均一に分散させたスラリーを、カーボンペーパーの片面に塗布、乾燥させて下地層を形成し、該カーボンペーパーと下地層とからなる多孔質拡散層５，６を形成した。尚、多孔質拡散層５は固体高分子電解質膜２の外周縁の内周側に納まる大きさとし、多孔質拡散層６は固体高分子電解質膜２と同一の大きさとした。

次に、多孔質拡散層５の下地層上に全面に亘って、スクリーン印刷により前記触媒ペーストを白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布し、６０℃で１０分間加熱した後、減圧下に１２０℃で３０分間加熱して、乾燥させることにより触媒層３を形成した。

次に、多孔質拡散層６の触媒層４の外周側となる部分の全周に亘って、スクリーン印刷機（マイクロテック社製、商品名：ＭＴ−７５０Ｔ）により前記接着剤を塗布し、接着性支持層９を形成した。このとき、前記スクリーン印刷機において、ステンレス（ＳＵＳ３０４）製で線径３０μｍ、目開き２５０メッシュ／インチのスクリーンを用い、多孔質拡散層６が接着性支持層９を被覆する領域に、多孔質拡散層６の空孔部に対する充填率が４０％となるようにして前記接着剤を浸透せしめ、接着剤浸透層１０を形成した。

次に、多孔質拡散層６に形成された接着性支持層９の内周側に、スクリーン印刷により前記触媒ペーストを白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布し、６０℃で１０分間加熱した後、減圧下に１２０℃で３０分間加熱して、乾燥させることにより触媒層４を形成した。触媒層４は、触媒層３の外周縁の内周側に納まる大きさとした。

次に、固体高分子電解質膜２を触媒層３，４で挟持し、１４０℃、２．５ＭＰａで１５分間のホットプレスを行うことにより一体化し、図１示の膜−電極構造体１ａを製造した。

次に、多孔質拡散層６の耐圧強度を測定するために、図３に示す膜−電極構造体１１を製造した。膜−電極構造体１１は、次の点を除いて、膜−電極構造体１と全く同一の構成を備えている。
（１）触媒層３，４が同一の大きさを備え固体高分子電解質膜２を挟んで外周縁が一致するように積層されている点。
（２）多孔質拡散層５が触媒層３の外周縁から外方に延在されている点。
（３）固体高分子電解質膜２と多孔質拡散層６とが接着性支持層９の外周縁から外方に延在されている点。
（４）触媒層４と接着性支持層９との間に間隙９ａが設けられている点。

次に、膜−電極構造体１１を、２３℃、相対湿度３０％の環境下に１２時間放置した後、接着性支持層９と接着剤浸透層１０とが設けられている部分に０〜８００Ｎ／ｃｍ^２の荷重を加えた後、該荷重を解放し、該荷重に対する該部分の多孔質拡散層６の塑性変形量を測定して、多孔質拡散層６の耐圧強度の指標とした。結果を図４に示す。

本実施例では、実施例１で用いたものと同一のスクリーン印刷機において、ポリエステル製で線径４５μｍ、目開き１５０メッシュ／インチのスクリーンを用い、多孔質拡散層６が接着性支持層９を被覆する領域に、多孔質拡散層６の空孔部に対する充填率が６０％となるようにして前記接着剤を浸透せしめて、接着剤浸透層１０を形成した以外は、実施例１と全く同一にして図１に示す膜−電極構造体１ａと、図３に示す膜−電極構造体１１とを製造し、実施例１と全く同一にして多孔質拡散層６の耐圧強度を調べた。結果を図４に示す。

本実施例では、実施例１で用いたものと同一のスクリーン印刷機において、ポリエステル製で線径５５μｍ、目開き１００メッシュ／インチのスクリーンを用い、多孔質拡散層６が接着性支持層９を被覆する領域に、多孔質拡散層６の空孔部に対する充填率が７０％となるようにして前記接着剤を浸透せしめて、接着剤浸透層１０を形成した以外は、実施例１と全く同一にして図１に示す膜−電極構造体１ａと、図３に示す膜−電極構造体１１とを製造し、実施例１と全く同一にして多孔質拡散層６の耐圧強度を調べた。結果を図４に示す。

〔比較例１〕
本比較例では、実施例１で用いたものと同一のスクリーン印刷機において、ステンレス（ＳＵＳ３０４）製で線径２３μｍ、目開き４００メッシュ／インチのスクリーンを用い、多孔質拡散層６が接着性支持層９を被覆する領域の空孔部に前記接着剤が実質的に充填されないようにして、接着剤浸透層１０を形成しなかった以外は、実施例１と全く同一にして図１に示す膜−電極構造体１ａと、図３に示す膜−電極構造体１１とを製造し、実施例１と全く同一にして多孔質拡散層６の耐圧強度を調べた。結果を図４に示す。

図４から、接着剤浸透層１０を備える膜−電極構造体１１（実施例１〜３）によれば、接着剤浸透層１０を備えていない膜−電極構造体１１（比較例１）に比較して、荷重に対する塑性変形量が小さく耐圧強度に優れており、多孔質拡散層６の塑性変形や損傷を抑制することができることが明らかである。

本発明の膜−電極構造体の一構成例を示す説明的断面図。本発明の膜−電極構造体の他の構成例を示す説明的断面図。多孔質からなる拡散層の耐圧強度の測定に用いる膜−電極構造体の構成を示す説明的断面図。多孔質からなる拡散層の耐圧強度の指標として荷重に対する塑性変形量を示すグラフ。従来の膜−電極構造体の一構成例を示す説明的断面図。従来の膜−電極構造体の他の構成例を示す説明的断面図。従来の膜−電極構造体のさらに他の構成例を示す説明的断面図。

符号の説明

１…膜−電極構造体、２…固体高分子電解質膜、３，４…触媒層、５，６…多孔質拡散層、９…接着性支持層、１０…接着剤浸透層。

Claims

触媒層を備える１対の電極と、両電極の該触媒層により挟持された固体高分子電解質膜とを備え、
該触媒層は、該固体高分子電解質膜の外周縁よりも内周側に位置し、
該固体高分子電解質膜の少なくとも一方の面が、該触媒層と、該触媒層の外周側に全周に亘って設けられ該固体高分子電解質膜に接着して該固体高分子電解質膜を支持する接着性支持層とにより被覆されている膜−電極構造体であって、
該触媒層と該接着性支持層とを被覆する多孔質からなる拡散層を備え、
該接着性支持層は該拡散層に浸透して、該拡散層と一体化していることを特徴とする膜−電極構造体。
前記接着性支持層は接着剤からなり、該接着剤は前記多孔質からなる拡散層が該接着性支持層を被覆する領域で、該拡散層の空孔部に対する充填率が３０〜１００％となる範囲で該拡散層に浸透していることを特徴とする請求項１記載の膜−電極構造体。
前記一方の触媒層の外周縁は、前記固体高分子電解質膜を挟んで、少なくとも一部分が他方の触媒層の外周縁と相異なる部分に位置していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の膜−電極構造体。
前記一方の触媒層の外周縁は、前記固体高分子電解質膜を挟んで、他方の触媒層の外周縁よりも内周側に位置していることを特徴とする請求項３記載の膜−電極構造体。