JP2008269909A - 燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法、および、膜電極接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】膜電極接合体の製造時に電解質膜に加わるダメージによるアノードとカソードと間の短絡や、クロスリークを抑制することが可能な膜電極接合体を提供する。
【解決手段】膜電極接合体の製造工程において、まず、電解質膜１１０の両面に、それぞれ、アノード側触媒層１３０ａ、カソード側触媒層１３０ｃを形成する。次に、アノード側触媒層１３０ａ、カソード側触媒層１３０ｃの表面に、それぞれ、アノード側ガス拡散層１２０ａ、カソード側ガス拡散層１２０ｃを、ホットプレス接合する。このとき、電解質膜１１０上にアノード側触媒層１３０ａ、カソード側触媒層１３０ｃが形成されていない領域１２０Ｒｂについての加圧圧力を、電解質膜１１０上にアノード側触媒層１３０ａ、カソード側触媒層１３０ｃが形成されている領域１２０Ｒａについての加圧圧力よりも小さくする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法、および、膜電極接合体に関するものである。

水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜（例えば、固体高分子膜）の両面に、それぞれガス拡散電極（アノード、および、カソード）を接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成される。そして、アノード、および、カソードは、それぞれ上記電気化学反応を促進するための触媒層と、燃料電池の外部から供給された反応ガス（燃料ガス、および、酸化剤ガス）を拡散させつつ、触媒層に供給するためのガス拡散層とを備える。

従来、このような膜電極接合体について、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、膜電極接合体において、高分子電解質膜と電極シートとが重複する中央部と、この中央部を除いた外周部とを均等な加圧力でホットプレスすることによって、膜電極接合体の外周部にシワが発生しないようにする技術が記載されている。

特開２００６−１６４８８７号公報 特開２００６−４８０８号公報

ところで、膜電極接合体では、比較的高価な触媒を発電に有効利用するために、すなわち、電解質膜上に形成された触媒層のほぼすべての領域を発電に利用するために、触媒層がガス拡散層を構成するガス拡散層基材の面積よりも狭い領域に形成される場合がある。また、ガス拡散層基材としては、一般に、ガス拡散性、および、導電性を有するカーボンペーパや、カーボンクロスが用いられる。そして、膜電極接合体の製造時には、一般に、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層（ガス拡散層基材）とは、加圧接合（例えば、ホットプレス接合）によって接合される。

なお、ガス拡散層基材として用いられるカーボンペーパや、カーボンクロスの表面には、一般に、カーボン繊維の毛羽が存在する。このため、先に説明した、触媒層がガス拡散層を構成するガス拡散層基材の面積よりも狭い領域に形成された膜電極接合体では、電解質膜において、電解質膜の表面に触媒層が形成されていない領域、すなわち、電解質膜とガス拡散層基材とが直接接合される領域には、加圧接合時の加圧力によって、カーボン繊維の毛羽によるダメージが加わりやすくなる（以下、本明細書において、「ダメージ」という文言は、加圧接合時における、カーボン繊維の毛羽によるダメージを意味するものとする）。そして、この電解質膜のダメージが加わった領域では、アノードとカソードと間の短絡や、電解質膜を介してクロスリークが生じやすくなるという課題があった。このような課題は、発電効率の向上、すなわち、膜抵抗の低減のために、電解質膜を薄膜化した場合に、特に顕著である。しかし、上記特許文献１に記載された技術では、上述した課題については考慮されていなかった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、膜電極接合体の製造時に電解質膜に加わるダメージによるアノードとカソードと間の短絡や、クロスリークを抑制することが可能な膜電極接合体を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池に用いられ、電解質膜の両面に触媒層を備えるとともに、少なくとも一方の表面に、ガス拡散層を備える膜電極接合体の製造方法であって、前記電解質膜、および、前記ガス拡散層を構成するガス拡散層基材のうちの少なくとも一方において、該少なくとも一方の表面における周縁部を除く一部の領域であって、前記ガス拡散層基材の面積よりも狭い領域に、前記触媒層を形成する工程と、前記電解質膜と前記ガス拡散層基材との間の一部の領域に前記触媒層が配置されるように、前記電解質膜と前記触媒層と前記ガス拡散層基材とを、互いに加圧接合によって接合する接合工程と、を備え、前記接合工程は、前記膜電極接合体の面内における前記触媒層が形成されていない非触媒層形成領域について、前記加圧接合時の加圧圧力、加圧温度、加圧時間を含む加圧条件のうちの少なくとも１つが、前記触媒層が形成された触媒層形成領域についての前記加圧条件と異なる加圧条件で、加圧接合する工程を含むことを要旨とする。

適用例１では、上記接合工程において、膜電極接合体の面内における非触媒層形成領域について、加圧接合時の加圧圧力、加圧温度、加圧時間を含む加圧条件のうちの少なくとも１つが、触媒層形成領域についての加圧条件と異なる加圧条件で加圧接合を行う。したがって、電解質膜、触媒層、ガス拡散層基材との密着力を、領域ごとに、任意に制御することができる。例えば、電解質膜にダメージが加わりやすい領域については、ダメージが加わりにくい加圧条件で、加圧接合を行うことができる。したがって、本適用例によって、膜電極接合体の製造時に電解質膜に加わるダメージによるアノードとカソードと間の短絡や、クロスリークを抑制することができる。なお、本適用例は、電解質膜として比較的強度が弱い固体高分子膜を用いた膜電極接合体に適用する場合に効果が高い。また、加圧接合としては、例えば、ホットプレス接合を適用することができる。

［適用例２］適用例１の製造方法において、前記接合工程は、前記触媒層形成領域における前記電解質膜と前記触媒層と前記ガス拡散層基材との密着力が、前記非触媒層形成領域の少なくとも一部の領域における前記電解質膜と前記ガス拡散層基材との密着力よりも高くなる前記加圧条件で加圧接合する工程を含むようにすることが好ましい。

ここで、密着力が高くなる加圧条件とは、電解質膜に熱や圧力によるダメージが加わりやすい加圧条件と同等であり、密着力が低くなる加圧条件とは、電解質膜に熱や圧力によるダメージが加わりにくい加圧条件と同等である。一般に、加圧圧力や加圧温度を高くしたり、加圧時間を長くしたりすることによって、密着力は高くなる。一方、加圧圧力や加圧温度を低くしたり、加圧時間を短くしたりすることによって、密着力は低くなる。

本適用例では、膜電極接合体において、触媒層形成領域では、触媒層を、電解質膜へのダメージを保護する保護膜として機能させることができるので、この領域において、密着力が比較的高くなる加圧条件で加圧接合を行っても、電解質膜に加わるダメージは比較的小さい。そして、電解質膜と触媒層とガス拡散層との密着力を高くし、接触抵抗を低下させることができる。また、非触媒層形成領域では、触媒層形成領域よりも密着力が小さくなる加圧条件で、加圧接合を行うので、電解質膜に加わるダメージを小さくすることができる。

［適用例３］適用例２の製造方法において、前記非触媒層形成領域は、前記触媒層の直近の外周の第１の非触媒層形成領域と、該第１の非触媒層形成領域の外周の第２の非触媒層形成領域と、を含み、前記接合工程は、前記第２の非触媒層形成領域における前記電解質膜と前記ガス拡散層との密着力が、前記第１の非触媒層形成領域における前記電解質膜と前記ガス拡散層基材との密着力よりも高くなる前記加圧条件で加圧接合する工程を含むようにすることが好ましい。こうすることによって、第１の非触媒層形成領域における電解質膜とガス拡散層基材との密着力よりも、その外周の第２の非触媒層形成領域における電解質膜とガス拡散層基材との密着力を高くすることができるので、膜電極接合体の非触媒層形成領域において、電解質膜とガス拡散層基材との界面での剥離を抑制することができる。

［適用例４］適用例３の製造方法において、前記膜電極接合体は、前記ガス拡散層として、前記電解質膜の一方の面に接合された第１のガス拡散層基材と、前記電解質膜の他方の面に接合された第２のガス拡散層基材と、を備え、前記第１のガス拡散層基材の面積は、前記電解質膜の面積よりも小さく設定されており、前記第２のガス拡散層基材の面積は、前記第１のガス拡散層基材の面積よりも大きく設定されており、前記接合工程は、前記第２のガス拡散層基材の最外周部と前記電解質膜との密着力が、前記第２の非触媒層形成領域における前記第２のガス拡散層基材と前記電解質膜との密着力よりも高くなる前記加圧条件で加圧接合する工程を含むようにしてもよい。

ガス拡散層基材と電解質膜とが、ほぼ同一の外形形状を有する膜電極接合体では、第１のガス拡散層基材（例えば、アノード側のガス拡散層基材）の外周部と、第２のガス拡散層基材（例えば、カソード側のガス拡散層基材）の外周部とが、膜電極接合体の最外周部において、電解質膜の最外周部を回り込んで、一部で互いに接触し、アノードとカソードと間の短絡が生じる場合がある。このような短絡を防止するために、アノード側のガス拡散層基材とカソード側のガス拡散層基材との外形形状を、互いに異なる外形形状とする場合がある。また、膜電極接合体を燃料電池に適用する場合、膜電極接合体の外周部に、樹脂やゴムからなり、ガスケットとして機能するフレーム部材が一体成形される場合がある。この場合、フレーム部材は、射出成形によって成形されることが多い。そして、フレーム部材の射出成型時には、成形型の外周部から内側に向かってフレーム部材を構成するための材料が流入されることが多いため、このときに、材料の流れによって、電解質膜とガス拡散層基材との界面で剥離が生じる場合がある。本適用例では、接合工程において、第２のガス拡散層基材の最外周部と電解質膜との密着力が、第２の非触媒層形成領域における第２のガス拡散層基材と電解質膜との密着力よりも高くなる加圧条件で加圧接合するので、射出成形時の電解質膜とガス拡散層基材との界面での剥離を抑制することができる。なお、膜電極接合体の最外周部は、フレーム部材に埋め込まれるようにすれば、この領域において、電解質膜に比較的大きなダメージが加わっても、電解質膜を介してクロスリークが生じることはない。

本発明は、上述の膜電極接合体の製造方法としての構成の他、上述の製造方法によって製造された膜電極接合体、上述の製造方法によって製造された膜電極接合体を用いた燃料電池、および、その製造方法の発明として構成することもできる。そして、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．膜電極接合体接合体の構成：
図１は、本発明の第１実施例としての膜電極接合体１００の概略構成を示す説明図である。この膜電極接合体１００は、燃料電池に用いられる。図１（ａ）に、膜電極接合体１００のアノード側から見た平面図を示した。また、図１（ｂ）に、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。

図１（ｂ）に示したように、膜電極接合体１００は、プロトン伝導性を有する電解質膜１１０の一方の面に、アノードとして、アノード側触媒層１３０ａと、アノード側ガス拡散層１２０ａとを、この順に積層し、他方の面に、カソードとして、カソード側触媒層１３０ｃと、カソード側ガス拡散層１２０ｃとを、この順に積層することによって構成されている。

そして、本実施例の膜電極接合体１００において、アノード側ガス拡散層１２０ａの面積と、カソード側ガス拡散層１２０ｃの面積とは、ほぼ同一である。また、アノード側ガス拡散層１２０ａ、および、カソード側ガス拡散層１２０ｃの面積は、電解質膜１１０の面積よりも小さく設定されている。こうすることによって、電解質膜１１０の外周部において、アノード側ガス拡散層１２０ａの外周部とカソード側ガス拡散層１２０ｃの外周部とが、電解質膜１１０の最外周部を回り込んで、一部で互いに接触することによる短絡を防止することができる。

なお、本実施例では、電解質膜１１０として、固体高分子型の電解質膜を用いるものとしたが、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、アノード側ガス拡散層１２０ａ、および、カソード側ガス拡散層１２０ｃを構成するガス拡散層基材として、カーボンペーパを用いるものとした。ガス拡散層基材として、カーボンクロス等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。

本実施例の膜電極接合体１００は、後述するように、ホットプレス法によって製造されるものとした。膜電極接合体１００を、ホットプレス法以外の他の加圧接合によって製造するようにしてもよい。アノード側触媒層１３０ａと、カソード側触媒層１３０ｃとは、同一の面積であって、電解質膜１１０を挟んで対向する領域に形成されており、図１（ａ）において、一点鎖線で囲まれた領域１２０Ｒａは、電解質膜１１０とアノード側ガス拡散層１２０ａとの間、および、電解質膜１１０とカソード側ガス拡散層１２０ｃとの間に、それぞれ、アノード側触媒層１３０ａ、および、カソード側触媒層１３０ｃが形成されている領域を示している。領域１２０Ｒａは、本発明における触媒層形成領域に相当する。

また、この領域１２０Ｒａの直近の外周の破線で囲まれた領域１２０Ｒｂ、および、領域１２０Ｒｂの外周の実線で囲まれた領域１２０Ｒｃは、電解質膜１１０とアノード側ガス拡散層１２０ａとの間、および、電解質膜１１０とカソード側ガス拡散層１２０ｃとの間に、アノード側触媒層１３０ａ、および、カソード側触媒層１３０ｃが形成されていない領域を示している。つまり、アノード側触媒層１３０ａ、および、カソード側触媒層１３０ｃは、アノード側ガス拡散層１２０ａ、および、カソード側ガス拡散層１２０ｃの面積よりも狭い領域に形成されている。これは、電解質膜１１０上に形成されたアノード側触媒層１３０ａ、および、カソード側触媒層１３０ｃのほぼすべての領域を発電に有効利用するためである。領域１２０Ｒｂと領域１２０Ｒｃとの境界は、任意に設定可能である。ただし、領域１２０Ｒｃの幅は、後述するように、領域１２０Ｒｃにおけるホットプレスによる電解質膜１１０へのダメージを抑制するため、できるだけ小さくなるように設定することが好ましい。領域１２０Ｒｃと領域１２０Ｒｂとの差異については、後述する。領域１２０Ｒｂ、および、領域１２０Ｒｃは、本発明における非触媒層形成領域に相当する。また、領域１２０Ｒｂは、本発明における第１の非触媒層形成領域に相当する。また、領域１２０Ｒｃは、本発明における第２の非触媒層形成領域に相当する。

そして、本実施例では、後述するように、膜電極接合体１００の製造時に、上述した領域ごとに異なる加圧条件で、ホットプレス接合が行われる。以下、膜電極接合体１００の製造工程について説明する。

Ａ２．膜電極接合体の製造工程：
図２は、第１実施例の膜電極接合体１００の製造工程を示す説明図である。まず、電解質膜１１０の両面に、それぞれ、アノード側触媒層１３０ａ、および、カソード側触媒層１３０ｃを形成する（ステップＳ１００）。

本実施例では、電解質膜１１０の両面の、電解質膜１１０の表面における周縁部を除く一部の領域であって、アノード側ガス拡散層１２０ａ、および、カソード側ガス拡散層１２０ｃの面積よりも狭い領域に、それぞれ触媒インクを塗布して乾燥させることによって形成するものとした。触媒インクは、例えば、白金（Ｐｔ）等の水素と酸素との電気化学反応を促進する触媒金属を担持したカーボンと、電解質溶液としてのナフィオン分散溶液（ナフィオンは登録商標）と、溶媒（例えば、水、エタノール、ポリエチレングリコール）とを混合したものである。これらの混合割合は、任意に設定可能である。

次に、アノード側触媒層１３０ａ、および、カソード側触媒層１３０ｃの表面に、それぞれ、アノード側ガス拡散層１２０ａ、および、カソード側ガス拡散層１２０ｃを、ホットプレス接合する（ステップＳ１１０）。

この工程（ステップＳ１１０）において、本実施例では、領域１２０Ｒａについては、加圧温度が８０（℃）、加圧圧力が２（ＭＰａ）の加圧条件で、領域１２０Ｒｂについては、加圧温度が８０（℃）、加圧圧力が０（ＭＰａ）の加圧条件で、領域１２０Ｒｃについては、加圧温度が８０（℃）、加圧圧力が２（ＭＰａ）の加圧条件で、それぞれホットプレス接合するものとした。これらの値は、要求される密着力や、電解質膜１１０へのダメージを考慮して、任意に設定可能である。本実施例では、各領域における加圧圧力は、領域１２０Ｒａについての加圧圧力Ｐａと、領域１２０Ｒｂについての加圧圧力Ｐｂと、領域１２０Ｒｃについての加圧圧力Ｐｃとの関係が、Ｐａ≧Ｐｃ＞Ｐｂ（少なくとも、Ｐａ＞Ｐｂ）となるように設定されている。また、本実施例では、各領域１２０Ｒａ，１２０ｂ、１２０Ｒｃについての加圧時間は、同一であるものとした。一般に、ホットプレス時の加圧温度が高いほど、また、加圧圧力が高いほど、また、加圧時間が長いほど、密着力は高くなる。一方、ホットプレス時の加圧温度が低いほど、また、加圧圧力が低いほど、また、加圧時間が短いほど、熱や圧力によって、電解質膜１１０に加わるダメージは小さくなる。したがって、ホットプレスによって、領域１２０Ｒｂにおいて電解質膜１１０に加わるダメージは、領域１２０Ｒａ、あるいは、領域１２０Ｒｃにおいて電解質膜１１０に加わるダメージよりも小さい。

なお、本実施例では、領域１２０Ｒａ，１２０Ｒｃについて、加圧温度、加圧時間、および、加圧時間が同じであり、領域１２０Ｒｂについて、加圧圧力が０（ＭＰａ）であるため、上述したホットプレス接合は、１回のホットプレスで行うものとしたが、各領域１２０Ｒａ，１２０Ｒｂ，１２０Ｒｃについて、複数回に分けて行うものとしてもよい。

以上の製造工程によって、膜電極接合体１００を製造することができる。また、さらに、この膜電極接合体１００を、アノード側セパレータ、および、カソード側セパレータによって挟持することによって、燃料電池を製造することができる。

先に説明したように、アノード側ガス拡散層１２０ａや、カソード側ガス拡散層１２０ｃに用いられるカーボンペーパの表面には、カーボン繊維の毛羽が存在する。このため、膜電極接合体１００の製造時に、膜電極接合体１００の全面において、同じ加圧条件でホットプレス接合を行うと、電解質膜１１０の表面にアノード側触媒層１３０ａ、および、カソード側触媒層１３０ｃが形成されていない領域、すなわち、電解質膜１１０と、アノード側ガス拡散層１２０ａ、および、カソード側ガス拡散層１２０ｃとが直接接合される領域には、ホットプレス接合時の加圧力によって、電解質膜１１０にカーボン繊維の毛羽によるダメージが加わりやすくなる。そして、この電解質膜１１０のダメージが加わった領域では、アノードとカソードと間の短絡や、電解質膜１１０を介してクロスリークが生じやすくなるという課題があった。

以上説明した第１実施例の膜電極接合体１００では、先に説明したように、電解質膜１１０にダメージが加わりやすい領域１２０Ｒｂについて、電解質膜１１０にダメージが加わりにくい領域１２０Ｒａよりも密着力が低くなる加圧条件、すなわち、ダメージが加わりにくい加圧条件でホットプレス接合を行う。したがって、膜電極接合体１００の製造時に電解質膜１１０に加わるダメージによるアノードとカソードと間の短絡や、クロスリークを抑制することができる。

また、領域１２０Ｒｂの外周の領域１２０Ｒｃについては、領域１２０Ｒｂよりも密着力が高くなる加圧条件でホットプレス接合を行うので、アノード側触媒層１３０ａの外周部における電解質膜１１０とアノード側ガス拡散層１２０ａとの界面、および、カソード側触媒層１３０ｃの外周部における電解質膜１１０とカソード側ガス拡散層１２０ｃとの界面での剥離を抑制することができる。

Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．膜電極接合体の構成：
図３は、本発明の第２実施例としての膜電極接合体１００Ａの概略構成を示す説明図である。図３（ａ）に、膜電極接合体１００Ａのアノード側から見た平面図を示した。また、図３（ｂ）に、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。

図３（ｂ）に示したように、膜電極接合体１００Ａは、第１実施例の膜電極接合体１００と同様に、電解質膜１１０の一方の面に、アノードとして、アノード側触媒層１３０ａと、アノード側ガス拡散層１２０ａとを、この順に積層し、他方の面に、カソードとして、カソード側触媒層１３０ｃと、カソード側ガス拡散層１２０Ａｃとを、この順に積層することによって構成されている。

ただし、本実施例の膜電極接合体１００Ａでは、第１実施例の１００と異なり、アノード側ガス拡散層１２０ａの面積が、カソード側ガス拡散層１２０Ａｃの面積よりも小さく設定されている。また、カソード側ガス拡散層１２０Ａｃの面積は、電解質膜１１０の面積とほぼ同一である。なお、アノード側ガス拡散層１２０ａの面積と、カソード側ガス拡散層１２０ｃの面積との大小関係は、本実施例における大小関係と逆にするようにしてもよい。こうすることによっても、第１実施例の１００と同様に、電解質膜１１０の外周部において、アノード側ガス拡散層１２０ａの外周部とカソード側ガス拡散層１２０Ａｃの外周部とが、電解質膜１１０の最外周部を回り込んで、一部で互いに接触することによる短絡を防止することができる。アノード側ガス拡散層１２０ａは、本発明における第１のガス拡散層基材に相当する。また、カソード側ガス拡散層１２０ｃは、本発明における第２のガス拡散層基材に相当する。

なお、本実施例においても、電解質膜１１０として、固体高分子型の電解質膜を用いるものとした。また、アノード側ガス拡散層１２０ａ、および、カソード側ガス拡散層１２０Ａｃを構成するガス拡散層基材として、カーボンペーパを用いるものとした。ガス拡散層基材として、カーボンクロス等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。

本実施例の膜電極接合体１００Ａも、後述するように、ホットプレス法によって製造される。アノード側触媒層１３０ａと、カソード側触媒層１３０ｃとは、同一の面積であって、電解質膜１１０を挟んで対向する領域に形成されており、図３（ａ）において、一点鎖線で囲まれた領域１２０Ｒａ、領域１２０Ｒａの直近の外周の破線で囲まれた領域１２０Ｒｂ、領域１２０Ｒｂの外周の実線で囲まれた領域１２０Ｒｃは、第１実施例と同じである。図３（ｂ）に示した、領域１２０Ｒｂの外周の領域１２０Ｒｄは、電解質膜１１０のアノード側の面に、アノード側ガス拡散層１２０ａが形成されていない領域を示している。そして、本実施例においても、膜電極接合体１００Ａの製造時に、上述した領域ごとに、後述する加圧条件で、ホットプレス接合が行われる。以下、膜電極接合体１００Ａの製造工程について説明する。

Ｂ２．膜電極接合体の製造工程：
図４は、第２実施例の膜電極接合体１００Ａの製造工程を示す説明図である。まず、電解質膜１１０の両面に、それぞれ、アノード側触媒層１３０ａ、および、カソード側触媒層１３０ｃを形成する（ステップＳ２００）。これらの形成方法は、第１実施例と同じである。

次に、アノード側触媒層１３０ａ、および、カソード側触媒層１３０ｃの表面に、それぞれ、アノード側ガス拡散層１２０ａ、および、カソード側ガス拡散層１２０Ａｃを、ホットプレス接合する（ステップＳ２１０）。

この工程（ステップＳ２１０）において、本実施例では、領域１２０Ｒａ，１２０Ｒｂ，１２０Ｒｃについては、第１実施例と同じ加圧条件で、それぞれホットプレス接合するものとした。また、領域１２０Ｒｄについては、加圧温度が８０（℃）、加圧圧力が５（ＭＰａ）の加圧条件で、ホットプレス接合するものとした。これらの値は、要求される密着力や、電解質膜１１０へのダメージを考慮して、任意に設定可能である。本実施例では、各領域における加圧圧力は、領域１２０Ｒａについての加圧圧力Ｐａと、領域１２０Ｒｂについての加圧圧力Ｐｂと、領域１２０Ｒｃについての加圧圧力Ｐｃと、領域１２０Ｒｄについての加圧圧力Ｐｄとの関係が、Ｐｄ≧Ｐａ≧Ｐｃ＞Ｐｂとなるように設定されている。また、本実施例では、各領域１２０Ｒａ，１２０ｂ、１２０Ｒｃ，１２０Ｒｃについての加圧時間は、同一であるものとした。

なお、本実施例では、領域１２０Ｒａ，１２０Ｒｃについて、加圧圧力、加圧温度、および、加圧時間が同じであり、領域１２０Ｒｂについて、加圧圧力が０（ＭＰａ）であるため、領域１２０Ｒａ，１２０Ｒｂ，１２０Ｒｃについては、上述したホットプレス接合は、１回のホットプレスで行うものとした。そして、領域１２０Ｒｄについては、加圧圧力が５（ＭＰａ）であり、領域１２０Ｒａ，１２０Ｒｂ，１２０Ｒｃのいずれとも加圧圧力が異なるため、上述したホットプレス接合は、領域１２０Ｒａ，１２０Ｒｂ，１２０Ｒｃとは別のタイミングで行うものとした。

以上の製造工程によって、膜電極接合体１００Ａを製造することができる。また、さらに、この膜電極接合体１００Ａを、アノード側セパレータ、および、カソード側セパレータによって挟持することによって、燃料電池を製造することができる。

以上説明した第２実施例の膜電極接合体１００Ａによっても、第１実施例の１００と同様に、膜電極接合体１００Ａの製造時に電解質膜１１０に加わるダメージによるアノードとカソードと間の短絡や、クロスリークを抑制することができる。また、アノード側触媒層１３０ａの外周部における電解質膜１１０とアノード側ガス拡散層１２０ａとの界面、および、カソード側触媒層１３０ｃの外周部における電解質膜１１０とカソード側ガス拡散層１２０ｃとの界面での剥離を抑制することができる。

第２実施例の１００Ａでは、さらに、以下に説明する効果を奏する。すなわち、一般に、膜電極接合体を燃料電池に適用する場合、膜電極接合体の外周部に、樹脂やゴムからなり、ガスケットとして機能するフレーム部材が一体成形される場合がある（図示省略）。この場合、フレーム部材は、射出成形によって成形されることが多い。そして、フレーム部材の射出成型時には、成形型の外周部から内側に向かってフレーム部材を構成するための材料が流入されることが多いため、このときに、材料の流れによって、電解質膜とガス拡散層基材との界面で剥離が生じる場合がある。本実施例の１００Ａでは、電解質膜１１０とカソード側ガス拡散層１２０Ａｃの最外周部の領域１２０Ｒｄについて、他の領域よりも密着力が高くなる加圧条件でホットプレス接合されるので、射出成形時の電解質膜１１０とカソード側ガス拡散層１２０ｃとの界面での剥離を抑制することができる。なお、この領域１２０Ｒｄは、フレーム部材に埋め込まれるようにすれば、領域１２０Ｒｄにおいて、電解質膜１１０に比較的大きなダメージが加わっても、電解質膜１１０を介してクロスリークが生じることはない。

Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、膜電極接合体１００，１００Ａの製造工程において、電解質膜１１０の両面に、それぞれ触媒インクを塗布して乾燥させることによって、アノード側触媒層１３０ａ、カソード側触媒層１３０ｃを形成するものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード側ガス拡散層１２０ａ、カソード側ガス拡散層１２０ｃ，１２０Ａｃに触媒インクを塗布して乾燥させることによって、アノード側触媒層１３０ａ、カソード側触媒層１３０ｃをそれぞれ形成するものとしてもよい。また、電解質膜１１０、および、アノード側ガス拡散層１２０ａ、カソード側ガス拡散層１２０ｃ，１２０Ａｃの双方に、触媒インクを塗布して乾燥させることによって、アノード側触媒層１３０ａ、カソード側触媒層１３０ｃをそれぞれ形成するものとしてもよい。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、膜電極接合体１００，１００Ａのホットプレス接合時に、膜電極接合体１００，１００Ａにおける領域１２０Ｒａ，１２０Ｒｂ，１２０Ｒｃ、１２０Ｒｄについて、領域ごとに、加圧圧力を変更し、加圧温度、および、加圧時間は同じであるものとしたが、本発明は、これに限られない。領域ごとに、加圧圧力、加圧温度、加圧時間を含む加圧条件のうちの少なくとも１つを変更するようにすればよい。

Ｃ３．変形例３：
上記第１実施例では、膜電極接合体１００は、アノード側ガス拡散層１２０ａ、および、カソード側ガス拡散層１２０ｃの双方を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード側ガス拡散層１２０ａ、および、カソード側ガス拡散層１２０ｃのうちの少なくとも一方を省略するようにしてもよい。

本発明の第１実施例としての膜電極接合体１００の概略構成を示す説明図である。 第１実施例の膜電極接合体１００の製造工程を示す説明図である。 本発明の第２実施例としての膜電極接合体１００Ａの概略構成を示す説明図である。 第２実施例の膜電極接合体１００Ａの製造工程を示す説明図である。

符号の説明

１００，１００Ａ…膜電極接合体
１１０…電解質膜
１２０ａ…アノード側ガス拡散層
１２０ｃ，１２０Ａｃ…カソード側ガス拡散層
１３０ａ…アノード側触媒層
１３０ｃ…カソード側触媒層

Claims (5)

1. 燃料電池に用いられ、電解質膜の両面に触媒層を備えるとともに、少なくとも一方の表面に、ガス拡散層を備える膜電極接合体の製造方法であって、
   前記電解質膜、および、前記ガス拡散層を構成するガス拡散層基材のうちの少なくとも一方において、該少なくとも一方の表面における周縁部を除く一部の領域であって、前記ガス拡散層基材の面積よりも狭い領域に、前記触媒層を形成する工程と、
   前記電解質膜と前記ガス拡散層基材との間の一部の領域に前記触媒層が配置されるように、前記電解質膜と前記触媒層と前記ガス拡散層基材とを、互いに加圧接合によって接合する接合工程と、を備え、
   前記接合工程は、前記膜電極接合体の面内における前記触媒層が形成されていない非触媒層形成領域について、前記加圧接合時の加圧圧力、加圧温度、加圧時間を含む加圧条件のうちの少なくとも１つが、前記触媒層が形成された触媒層形成領域についての前記加圧条件と異なる加圧条件で、加圧接合する工程を含む、製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法であって、
   前記接合工程は、前記触媒層形成領域における前記電解質膜と前記触媒層と前記ガス拡散層基材との密着力が、前記非触媒層形成領域の少なくとも一部の領域における前記電解質膜と前記ガス拡散層基材との密着力よりも高くなる前記加圧条件で加圧接合する工程を含む、製造方法。
3. 請求項２記載の製造方法であって、
   前記非触媒層形成領域は、前記触媒層の直近の外周の第１の非触媒層形成領域と、該第１の非触媒層形成領域の外周の第２の非触媒層形成領域と、を含み、
   前記接合工程は、前記第２の非触媒層形成領域における前記電解質膜と前記ガス拡散層との密着力が、前記第１の非触媒層形成領域における前記電解質膜と前記ガス拡散層基材との密着力よりも高くなる前記加圧条件で加圧接合する工程を含む、製造方法。
4. 請求項３記載の製造方法であって、
   前記膜電極接合体は、前記ガス拡散層として、
   前記電解質膜の一方の面に接合された第１のガス拡散層基材と、
   前記電解質膜の他方の面に接合された第２のガス拡散層基材と、を備え、
   前記第１のガス拡散層基材の面積は、前記電解質膜の面積よりも小さく設定されており、
   前記第２のガス拡散層基材の面積は、前記第１のガス拡散層基材の面積よりも大きく設定されており、
   前記接合工程は、前記第２のガス拡散層基材の最外周部と前記電解質膜との密着力が、前記第２の非触媒層形成領域における前記第２のガス拡散層基材と前記電解質膜との密着力よりも高くなる前記加圧条件で加圧接合する工程を含む、製造方法。
5. 燃料電池に用いられ、電解質膜の両面に触媒層を備えるとともに、少なくとも一方の表面に、ガス拡散層を備える膜電極接合体であって、
   前記触媒層は、前記電解質膜と前記ガス拡散層との間であって、前記ガス拡散層を構成するガス拡散層基材の表面における周縁部を除く、前記ガス拡散層基材の面積よりも狭い領域に形成されており、
   前記電解質膜と前記触媒層と前記ガス拡散層基材、または、前記電解質膜と前記ガス拡散層基材とは、前記膜電極接合体の面内における前記触媒層が形成されていない非触媒層形成領域について、加圧圧力、加圧温度、加圧時間を含む加圧条件のうちの少なくとも１つが、前記触媒層が形成された触媒層形成領域についての前記加圧条件と異なる前記加圧条件で、互いに加圧接合によって接合されている、膜電極接合体。

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