JP2009081118A - 固体高分子形燃料電池構造体及びこれを用いた固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜の破損を防止しつつ、良好なガスバリア性及びガスケットに対する溶着性を有する固体高分子形燃料電池構造体及びこれを用いた固体高分子形燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜−触媒層接合体１０と、電解質膜−触媒層接合体１０の両面に溶着された枠状の補強シート４と、触媒層３の周囲を囲むように補強シート４上に設置されたガスケット６とを備えている。補強シート４は中央部に開口部４１を有しており、触媒層３が外周縁部３１を除いて開口部４１から露出している。また、各補強シート４は、第１の溶着層４２と、第１の溶着層４２上に形成されたガスバリア層４３と、ガスバリア層４３上に形成された第２の溶着層４４とを有している。第１の溶着層４２は電解質膜２の外周縁部２１及び触媒層３の外周縁部３１に溶着し、第２の溶着層４４はガスケット６に溶着している。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池及びこれを用いた固体高分子形燃料電池に関するものである。

燃料電池は、電解質の両面に電極が配置され、水素と酸素の電気化学反応により発電する電池であり、発電時に発生するのは水のみである。このように従来の内燃機関と異なり、二酸化炭素等の環境負荷ガスを発生しないために次世代のクリーンエネルギーシステムとして普及が見込まれている。その中でも特に固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、電解質の抵抗が少ないことに加え、活性の高い触媒を用いるので小型でも高出力を得ることができ、家庭用コージェネレーションシステム等として早期の実用化が見込まれている。

この固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用い、この電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を順に積層している。そして、この触媒層及びガス拡散層からなる電極の周囲を囲むようにガスケットを配置し、さらにこれをセパレータで挟んだ構造を有している（例えば、特許文献１の図２参照）。また、ガスケットは位置精度の観点から電極の一回り外側を囲むように設置されているため、ガスケットと電極との間には隙間が形成されており、この隙間部分に対応する電解質膜は、電極またはガスケットのどちらにも押さえられていない状態となっている。ここで、上記固体高分子形燃料電池で発電・非発電を繰り返すと、電解質膜は、湿潤状態と乾燥状態とを繰り返すが、この上記隙間部分に対応する電解質膜は、電極またはガスケットで押さえられていないため、膨張と収縮が繰り返される。この結果電解質膜に応力が生じて疲労してしまい、電解質膜が破損してしまうといった問題があった。

この問題を解消するため、例えば特許文献１に開示された固体高分子形燃料電池は、電極とガスケットとの間の隙間に補強膜をさらに設けている。この補強膜は、ガスケットと同様に中央部に開口部を有する枠状に形成されており、その外周縁部がガスケットと電解質膜との間に挟まれており、その内周縁部は、セパレータとガス拡散層との間に挟まれている。このように、特許文献１の固体高分子形燃料電池は、補強膜によって、ガスケットと電極との間の隙間部分を拘束し、電解質膜の膨張・収縮を抑制している。
特許第３０５２５３６号公報

上記固体高分子形燃料電池は、電解質膜−電極接合体がガスケットと一体になっていないが、取り扱いの観点から電解質膜−電極接合体や電解質膜−触媒層接合体とガスケットとが一体になっている固体高分子形燃料電池構造体が要望されている。しかしながら、上記固体高分子形燃料電池は、電解質膜−電極接合体をガスケット付きとすると、補強膜はポリオレフィン系樹脂などの溶着性を有する樹脂を使用する必要があるため、ガスバリア性が不十分となる。また、これを防ぐために補強膜のガスバリア性を向上させると、ガスケットとの溶着性が不十分となってしまうといった問題がある。

そこで、本発明は、電解質膜の破損を防止しつつ、良好なガスバリア性及びガスケットに対する溶着性を有する固体高分子形燃料電池構造体及びこれを用いた固体高分子形燃料電池を提供することを課題とする。

本発明に係る固体高分子形燃料電池構造体は、上記課題を解決するためになされたものであり、固体高分子電解質膜、及び前記電解質膜の外周縁部を除いて両面に形成された触媒層からなる電解質膜−触媒層接合体と、中央部に開口部を有し、前記触媒層が外周縁部を除いて前記開口部から露出するように前記電解質膜−触媒層接合体の両面にそれぞれ溶着された枠状の補強シートと、前記触媒層の周囲を囲むように前記各補強シート上に設置されたガスケットと、を備え、前記各補強シートは、第１の溶着層と、前記第１の溶着層上に形成されたガスバリア層と、前記ガスバリア層上に形成された第２の溶着層とを有しており、前記第１の溶着層が前記電解質膜の外周縁部及び前記触媒層の外周縁部に溶着し、前記第２の溶着層が前記ガスケットに溶着している。

このように構成された固体高分子形燃料電池構造体は、触媒層が形成されていない電解質膜の外周縁部に補強シートが溶着されているため、電解質膜の外周縁部は補強シートによって拘束される。よって、電解質膜の外周縁部は膨張・収縮が抑制され、ひいては電解質膜の破損を防止することができる。また、補強シートが、第１の溶着層、ガスバリア層、及び第２の溶着層の３層構造となっている。そして、補強シートは、電解質膜−触媒層接合体に溶着する層として第１の溶着層を有しており、ガスケットと溶着する層として第３の溶着層を有している。また、補強シートは、第１の溶着層と第２の溶着層との間にガスバリア層が存在する。このため、燃料ガスや酸化剤ガスなどのガスが外部へ漏れることをガスバリア層で防止しつつ、第１の溶着層及び第２の溶着層で、ガスケットを電解質膜−触媒層接合体へと確実に溶着することができる。なお、上記「ガスバリア層」とは、固体高分子形燃料電池の発電に用いられる燃料ガスや酸化剤ガスの透過を防止する層のことをいい、例えば、これに限定されるものではないが、ポリエステル系樹脂などを好ましく用いることができる。

上記固体高分子形燃料電池構造体は、種々の構成をとることができるが、例えば、上記補強シートの開口部から露出した触媒層上に形成されたガス拡散層をさらに備えた構成とすることもできる。

また、本発明に係る他の固体高分子形燃料電池構造体は、上記課題を解決するためになされたものであり、固体高分子電解質膜、前記電解質膜の外周縁部を除いて両面に形成された触媒層、及び前記各触媒層上に形成されたガス拡散層からなる電解質膜−電極接合体と、中央部に開口部を有し、前記ガス拡散層が外周縁部を除いて前記開口部から露出するように前記電解質膜−電極接合体の両面にそれぞれ溶着された枠状の補強シートと、前記触媒層及びガス拡散層の周囲を囲むように前記各補強シート上に設置されたガスケットと、を備え、前記各補強シートは、第１の溶着層と、前記第１の溶着層上に形成されたガスバリア層と、前記ガスバリア層上に形成された第２の溶着層とを有しており、前記第１の溶着層が前記電解質膜の外周縁部及び前記ガス拡散層の外周縁部に溶着し、前記第２の溶着層が前記ガスケットに溶着している。

このように構成された固体高分子形燃料電池構造体は、触媒層が形成されていない電解質膜の外周縁部に補強シートが溶着されているため、電解質膜の外周縁部は補強シートによって拘束される。よって、電解質膜の外周縁部は膨張・収縮が抑制され、ひいては電解質膜の破損を防止することができる。また、補強シートが、第１の溶着層、ガスバリア層、及び第２の溶着層の３層構造となっている。そして、補強シートは、電解質膜−電極接合体に溶着する層として第１の溶着層を有しており、ガスケットと溶着する層として第３の溶着層を有している。また、補強シートは、第１の溶着層と第２の溶着層との間にガスバリア層が存在する。このため、燃料ガスや酸化剤ガスなどのガスが外部へ漏れることをガスバリア層で防止しつつ、第１の溶着層及び第２の溶着層で、ガスケットを電解質膜−電極接合体へと確実に溶着することができる。

上記各固体高分子形燃料電池構造体は、種々の構成をとることができるが、例えば、上記補強シートは、第１の溶着層が第２の溶着層よりも低い融点を有していることが好ましい。このように構成された固体高分子形燃料電池は、補強シートを電解質膜−触媒層接合体又は電解質膜−電極接合体に溶着させる際、まず、第１の溶着層の融点よりも高く、第２の溶着層の融点よりも低い温度で溶着することができる。これにより、まず、第１の溶着層のみを溶融させて、補強シートを電解質膜−触媒層接合体又は電解質膜−電極接合体に溶着させることができる。そして、その後、第２の溶着層の融点よりも高い温度で溶着することで、第２の溶着層を溶融させてガスケットと溶着させることができる。このような溶着方法をとることによって、電解質膜−触媒層接合体又は電解質膜−電極接合体に与える熱を少なくすることができ、熱的損傷を低減することができる。

また、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、上記課題を解決するためになされたものであり、上記記載のいずれかの固体高分子形燃料電池構造体と、前記各ガス拡散層及びガスケット上に設置されたセパレータと、を備えている。

このように構成された固体高分子形燃料電池は、触媒層が形成されていない電解質膜の外周縁部に補強シートが溶着されているため、電解質膜の外周縁部は補強シートによって拘束される。よって、電解質膜の外周縁部は膨張・収縮が抑制され、ひいては電解質膜の破損を防止することができる。また、補強シートが、第１の溶着層、ガスバリア層、及び第２の溶着層の３層構造となっている。そして、補強シートは、電解質膜−触媒層接合体又は電解質膜−電極接合体に溶着する層として第１の溶着層を有しており、ガスケットと溶着する層として第３の溶着層を有している。また、補強シートは、第１の溶着層と第２の溶着層との間にガスバリア層が存在する。このため、燃料ガスや酸化剤ガスなどのガスが外部へ漏れることをガスバリア層で防止しつつ、第１の溶着層及び第２の溶着層で、ガスケットを電解質膜−触媒層接合体又は電解質膜−電極接合体へと確実に溶着することができる。

本発明によれば、電解質膜の破損を防止しつつ、良好なガスバリア性及びガスケットに対する溶着性を有する固体高分子形燃料電池構造体及びこれを用いた固体高分子形燃料電池を提供することができる。

以下、本発明に係る固体高分子形燃料電池構造体及びこれを用いた固体高分子形燃料電池の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の正面断面図、図２は本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の平面図、図３は、ガスケットが設置された電解質膜−電極接合体の外周縁部の詳細を示す拡大正面断面図である。なお、図２において、説明を分かりやすくするため、セパレータ及びガスケットの記載を省略している。

図１及び図２に示すように、固体高分子形燃料電池１は、平面視矩形状の電解質膜２を備えており、電解質膜２の上面及び下面に電解質膜２よりも一回り小さい平面視矩形状の触媒層３が形成されている。この電解質膜２の両面に触媒層３が形成されたものを電解質膜−触媒層接合体１０という。このように、触媒層３は電解質膜２よりも一回り小さく形成されているため、電解質膜２の外周縁部２１上には触媒層３が形成されていない。なお、電解質膜２の外周縁から触媒層３の外周縁までの距離Ｃ（図３参照）は、０．１〜５ｍｍであることが好ましい。

そして、この電解質膜−触媒層接合体１０の上面及び下面に、中央に開口部４１を有する枠状の補強シート４がそれぞれ溶着されている。各補強シート４は、３層構造となっており、電解質膜２側から順に、第１の溶着層４２、ガスバリア層４３、第２の溶着層４４を備えている。第１の溶着層４２は、電解質膜−触媒層接合体１０に溶着するよう構成されている。この第１の溶着層４２上に、燃料電池の発電に用いられる燃料ガスや酸化剤ガスの透過を防止するガスバリア層４３が形成されている。さらにこのガスバリア層４３上に、後述するガスケット６と溶着するよう構成された第２の溶着層４４が形成されている。この第２の溶着層４４は第１の溶着層４２よりも高い融点を有しており、第２の溶着層４４の融点は第１の溶着層４２の融点に比べて３０〜６０℃程度高いことが好ましい。第１の溶着層４２は１〜５０μｍとすることが好ましく、ガスバリア層４３の膜厚は、６〜２０μｍとすることが好ましく、さらに第２の溶着層４４の膜厚は、１〜５０μｍとすることが好ましい。補強シート４が電解質膜−触媒層接合体１０に溶着された状態では、触媒層３がその外周縁部３１を除いて補強シート４の開口部４１から露出しているとともに、触媒層３の外周縁部３１と電解質２の外周縁部２１上に補強シート４が溶着されている。なお、触媒層３の外周縁から補強シート４の内周縁までの距離Ｂ（図３参照）は、１〜１０ｍｍとすることが好ましい。また、補強シート４は、電解質膜２よりも一回り大きく形成されているため、電解質膜２の外側で、電解質膜２からはみ出た各補強シート４の外周縁部４５同士が溶着されている。この補強シート４の外周縁から電解質膜２の外周縁までの距離Ｄ（図３参照）は１０〜１００ｍｍであることが好ましい。

そして、上記各補強シート４上に、電極Ｅの周囲を囲むように枠状のガスケット６がそれぞれ設置されている。このガスケット６は、補強シート４の第２の溶着層４４によって溶着されている。このように、電解質膜−触媒層接合体１０に補強シート４が設置され、さらにガスケット６が設置されたものが、本願の請求項１に記載の固体高分子形燃料電池構造体に相当する。

そして、補強シート４の開口部４１から露出している触媒層３上に平面視矩形状のガス拡散層５が形成されている。このガス拡散層５の外周縁から補強シート４の内周縁までの距離Ａ（図３参照）は、０〜1ｍｍであることが好ましい。このように、触媒層３上にガス拡散層５が形成されて電極Eを構成しており、電解質膜２の両面に電極Ｅが形成されたものを電解質膜−電極接合体２０という。また、電解質膜−電極接合体２０に、補強シート４とガスケット６とが設置されたものが、本願の請求項２に記載の固体高分子形燃料電池構造体に相当する。

このように設置されたガスケット６及び電極Ｅ上にセパレータ７が設置されている。セパレータ７は、ガス拡散層５と対向する領域にガス流路７１が形成されている。

次に上記のように構成された固体高分子形燃料電池１の各構成要素の材質について説明する。

電解質膜２は、例えば、基材上に水素イオン伝導性高分子電解質を含有する溶液を塗工し、乾燥することにより形成される。水素イオン伝導性高分子電解質としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、より具体的には、炭化水素系イオン交換膜のＣ−Ｈ結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー（ＰＦＳ系ポリマー）等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入することで、化学的に非常に安定し、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン伝導性が実現できる。このような水素イオン伝導性高分子電解質の具体例としては、デュポン社製の「Ｎａｆｉｏｎ」（登録商標）、旭硝子（株）製の「Ｆｌｅｍｉｏｎ」（登録商標）、旭化成（株）製の「Ａｃｉｐｌｅｘ」（登録商標）、ゴア（Ｇｏｒｅ）社製の「Ｇｏｒｅ Ｓｅｌｅｃｔ」（登録商標）等が挙げられる。水素イオン伝導性高分子電解質含有溶液中に含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の濃度は、通常５〜６０重量％程度、好ましくは２０〜４０重量％程度である。なお、電解質膜２の膜厚は通常２０〜２５０μｍ程度、好ましくは２０〜８０μｍ程度である。

触媒層３は、公知の白金含有の触媒層（カソード触媒及びアノード触媒）である。詳しくは、触媒層３は、触媒粒子を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を含有する。触媒粒子としては、例えば、白金や白金化合物等が挙げられる。白金化合物としては、例えば、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、鉄等からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属と、白金との合金等が挙げられる。なお、通常は、カソード触媒層に含まれる触媒粒子は白金であり、アノード触媒層に含まれる触媒粒子は前記金属と白金との合金である。また、水素イオン伝導性高分子電解質としては、上述した電解質膜２に使用されるものと同じ材料を使用することができる。

補強シート４は、第１の溶着層４２、ガスバリア層４３、及び第２の溶着層４４から構成されているが、第１の溶着層４２を構成する材料としては、低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、直線状低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体等の樹脂、ガスバリア性を有するポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、エチレン−酢酸ビニル共重合体ケン化物、エチレン−アクリル酸共重合体等のエチレンと不飽和駆カルボン酸との共重合体、あるいはそれらを変性した酸変性ポリオレフィン系樹脂、エチレン−アクリル酸エチル共重合体、アイオノマー樹脂等の樹脂を挙げることができる。また、第２の溶着層４４を構成する材料としては、同様に、低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、直線状低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体等の樹脂、ガスバリア性を有するポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、エチレン−酢酸ビニル共重合体ケン化物等、エチレン−アクリル酸共重合体等のエチレンと不飽和駆カルボン酸との共重合体、あるいはそれらを変性した酸変性ポリオレフィン系樹脂、エチレン−アクリル酸エチル共重合体、アイオノマー樹脂の樹脂を挙げることができる。第１の溶着層４１の材質により、第２の溶着層は第１の溶着層よりも融点が高い材料を適宜選択すれば良い。また、ガスケットの溶着までを同時に行なう場合は、第１の溶着層と第２の溶着層は同質の材料でも良い。

ガスバリア層４３は、水蒸気、水、燃料ガス及び酸化剤ガスに対するバリア性を有するポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリメチルテンペン、ポリフェニレンオキサイド、ポリサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイドなどを好ましく使用することができる。なお、ポリエステルは、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリブチレンナフタレート等を挙げることができる。

ガス拡散層５としては、公知であり、燃料極、空気極を構成する各種のガス拡散層を使用でき、燃料である燃料ガス及び酸化剤ガスを効率よく触媒層３に供給するため、多孔質の導電性基材からなっている。多孔質の導電性基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等が挙げられる。

ガスケット６としては、熱プレスに耐えうる強度を保ち、かつ、外部に燃料及び酸化剤を漏出しない程度のガスバリア性を有しているものを使用することができ、例えば、ポリエチレンテレフタレートシートやテフロン（登録商標）シート、シリコンゴムシート、ニトリルゴムシート、エチレンプロピレンゴムシート、アクリルゴムシート等を例示することができる。

セパレータ７としては、公知であり、燃料電池内の環境においても安定な導電性板であればよく、一般的には、カーボン板にガス流路７１を形成したものが用いられる。また、セパレータ７をステンレス等の金属により構成し、金属の表面にクロム、白金族金属又はその酸化物、導電性ポリマーなどの導電性材料からなる被膜を形成したものや、同様にセパレータを金属によって構成し、該金属の表面に銀、白金族の複合酸化物、窒化クロム等の材料によるメッキ処理を施したもの等も使用可能である。

次に上述した固体高分子形燃料電池１の製造方法について図面を参照しつつ説明する。図４は、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池１の製造方法を示す説明図である。

図４に示すように、上述した材料からなる電解質膜２を準備し、この電解質膜２の両面に触媒層形成用転写シート８を重ねて配置する。ここで触媒層形成用転写シート８とは、転写される触媒層３が転写用基材８１に形成されたものである。この触媒層形成用転写シート８の製造方法について説明すると、まず、上述した触媒粒子を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を適当な溶剤に混合、分散して触媒ペーストを作製する。そして、形成される触媒層３が所望の膜厚になるように触媒ペーストを公知の方法に従い、必要に応じて離型層を介して転写用基材８１上に塗工する。このとき、触媒層３が、電解質膜２よりも一回り小さい形状となるように、触媒ペーストを転写用基材８１に塗工する。触媒ペーストの塗工方法としては、スクリーン印刷や、スプレーコーティング、ダイコーティング、ナイフコーティングなどの公知の塗工方法を挙げることができる。また、上記の溶剤としては、各種アルコール類、各種エーテル類、各種ジアルキルスルホキシド類、水またはこれらの混合物等が挙げられ、これらの中でもアルコール類が好ましい。アルコール類としては、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、等の炭素数１〜４の一価アルコール、各種の多価アルコール等が挙げられる。転写用基材８１としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド（ナイロン）、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子フィルムを挙げることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。さらに転写用基材８１は、高分子フィルム以外にアート紙、コート紙、軽量コート紙等の塗工紙、ノート用紙、コピー用紙などの非塗工紙であっても良い。転写用基材８１の厚さは、取り扱い性及び経済性の観点から通常６〜１００μｍ程度、好ましくは１０〜３０μｍ程度程度とするのがよい。従って、転写用基材８１としては、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。

そして、触媒ペーストを塗工した後、所定の温度及び時間で乾燥することにより転写用基材８１上に触媒層３が形成される。乾燥温度は、通常４０〜１００℃程度、好ましくは６０〜８０℃程度である。乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、通常５分〜２時間程度、好ましくは１０分〜１時間程度である。

図４に戻って、固体高分子形燃料電池の製造方法について説明を続ける。上述したように作製した触媒層形成用転写シート８を触媒層３が電解質膜１に対面するように配置し（図４（ａ））、転写シート８の背面側から加熱プレスを施して触媒層３を電解質膜２に転写させて、転写シート８の転写用基材８１を剥離する（図４（ｂ））。作業性を考慮すると、触媒層３を電解質膜２の両面に同時に積層することが好ましいが片面ずつ触媒層３を形成することもできる。加熱プレスの加圧レベルは、転写不良を避けるために、通常０．５〜２０ＭＰａ程度、好ましくは１〜１０ＭＰａ程度がよい。また、この加圧操作の際に、転写不良を避けるために加圧面を加熱するのが好ましい。加熱温度は、電解質膜２の破損、変形等を避けるために、通常２００℃以下、好ましくは１５０℃以下がよい。このように電解質膜２の両面に触媒層３を形成することで電解質膜−触媒層接合体１０が形成される。このとき、触媒層３は、電解質膜２よりも一回り小さいため、電解質膜２の外周縁部２１は露出された状態となっている。

次に、このようにして形成された電解質膜−触媒層接合体１０に、補強シート４を取り付ける（図４（ｃ））。この工程について図５を参照しつつ詳細に説明する。図５は、電解質膜−触媒層接合体１０に補強シート４を取り付ける工程を示した平面図である。図５に示すように、上述した材料からなる２枚の補強シート４を第１の溶着層４２同士が対向するように重ねて、１辺を残した残り３辺を互いに溶着させる。これによって、２枚の補強シート４は、コ字状に溶着部が形成されるとともに、左側の一辺が開口している袋体となる（図５（ａ））。なお、この溶着方法は種々の公知の方法を採用することができ、例えば、高周波溶着や、熱風式溶着、熱板式溶着、インパルス式溶着、コテ式溶着、超音波溶着などを採用することができる。

補強シート４によって袋体を形成すると、次に、この袋体を構成する各補強シート４の中央部に電解質膜−触媒層接合体１０の触媒層３よりも一回り小さい易除去領域４６を形成する（図５（ｂ））。なお、この易除去領域４６とは、容易に取り除ける領域のことをいい、例えば、その外周縁にミシン目を入れることや、一部だけ残して切込みを入れること等によって形成することができる。このように易除去領域４６が形成された袋体に、その溶着されていない左側から、電解質膜−触媒層接合体１０を挿入して所定位置まで移動させる（図５（ｃ））。この所定位置とは、電解質膜−触媒層接合体１０の触媒層３が外周縁部３１を除いて易除去領域４６に対向している位置のことをいう。

電解質膜−触媒層接合体１０を所定位置まで移動させた後、易除去領域４６の外周縁のミシン目を切断して易除去領域４６を各補強シート４から取り外すことで、各補強シート４の中央部に開口部４１が形成される（図５（ｄ））。このように易除去領域４６が各補強シート４から取り外されて開口部４１が形成されると、電解質膜−触媒層接合体１０の触媒層３が外周縁部３１を除いて各開口部４１から露出した状態となる。そして、この状態で補強シート４の溶着されていなかった残りの部分を公知の方法で溶着させる。このとき、第１の溶着層４２が融点よりも高い温度となるよう、且つ第２の溶着層４４が融点よりも低い温度となるように熱を加える。これにより、第１の溶着層４２のみを溶融させることで、補強シート４の第１の溶着層４２は、電解質−触媒層接合体１０の触媒層３の外周縁部３１や、電解質膜２の外周縁部２１に溶着するとともに、第１の溶着層４２同士でも溶着する。以上の工程によって、補強シート付き電解質膜−触媒層接合体が完成する（図５（ｅ）、図４（ｃ））。

図４に戻って、固体高分子形燃料電池１の製造方法の説明を続ける。上述した補強シート付き電解質膜−触媒層接合体の補強シート４上にガスケット６を配置する。そして、第２の溶着層４４の融点よりも高い温度を加えることで第２の溶着層４４を溶融させて、第２の溶着層４４とガスケット６とを溶着させる（図４（ｄ））。これが本願の請求項１に記載の固体高分子形燃料電池構造体に相当する。

続いて、各補強シート４の開口部４１から露出している触媒層３上に、ガス拡散層５を熱圧着により積層形成する（図４（ｅ））。これが、本願の請求項２に記載の固体高分子形燃料電池構造体に相当する。そして、セパレータ７を、ガス流路７１がガス拡散層５と対向するように、ガス拡散層５及びガスケット６上に配置して、ガス拡散層５とセパレータ７とが電気的に接続するようにセパレータ７で該電解質膜−電極接合体を挟持することによって、固体高分子形燃料電池１が完成する（図４（ｆ））。

以上のように、本実施形態では、電解質膜２の外周縁部２１は、溶着された補強シート４によって拘束されているため、電解質膜２の膨張・収縮を抑制することができ、その結果、電解質膜２の破損を防止することができる。また、補強シート４は、第１及び第２の溶着層４２，４４とガスバリア層４３を有しているので、燃料ガスや酸化剤ガスが外部へ漏れることを確実に防止し、且つ、ガスケット６を電解質膜−触媒層接合体１０に強固に固定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、補強シート４の開口部４１から、触媒層３が外周縁部３１を除いて露出されていたが、図６に示すように、各補強シート４の開口部４１から外周縁部５１を除いてガス拡散層５が露出するように形成することもできる。なお、この場合は、まず、電解質膜−電極接合体２０を作製し、この電解質膜−電極接合体２０を補強シート４によって挟持して溶着することで作製する。そして、その後は上記実施形態と同様にガスケット６、セパレータ７を設置して固体高分子形燃料電池を作製する。

また、上記実施形態では、補強シート４を一旦、袋体にして、電解質膜−触媒層接合体１０を挿入するという製造方法を採用しているが、特にこれに限定されるものではない。例えば、電解質膜−触媒層接合体１０の両面に、予め開口部４１が形成された補強シート４を、溶着層４３が電解質膜−触媒層接合体１０を向くようにそれぞれ配置し、公知の溶着方法などよって電解質膜−触媒層接合体１０の両面に補強シート４を溶着させて、補強シート付き電解質膜−触媒層接合体を作製することもできる。

また、上記実施形態では、補強シート４は、第１の溶着層４２、ガスバリア層４３と第２の溶着層４４の３層から構成されているが、第１の溶着層４２が電解質膜−触媒層接合体１０又は電解質膜−電極接合体２０に溶着され、第２の溶着層４４がガスケット６に溶着されるようになっていれば、４層以上であってもよい。

また、上記実施形態では、固体高分子形燃料電池１を構成する電解質膜２や触媒層３、ガス拡散層５など全て平面視矩形状として説明したが、特に形状は限定されるものではなく、例えば平面視円形状とすることもできる。

また、上記実施形態では、電解質膜−触媒層接合体１０に補強シート４を溶着させた後に、ガスケット６を設置し、さらにその後にガス拡散層５を形成しているが、その他にも種々の製造方法をとることができ、例えば、上記実施形態と同様に電解質膜−触媒層接合体１０に補強シート４を溶着させた後に、ガス拡散層５とガスケット６とが一体となったガスケット付きガス拡散層を設置することもできる。

以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
電解質膜２は、７５×７５ｍｍの大きさに切断された膜厚５０μｍのＮＲＥ２１２ＣＳ（Ｄｕｐｏｎｔ社製）を使用した。

次に、触媒形成用転写シート８を次の要領で作製した。まず、白金触媒担持カーボン（白金担持量：４５．７ｗｔ％、田中貴金属社製、ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）２ｇに、１−ブタノール１０ｇ、３−ブタノール１０ｇ、フッ素樹脂（５ｗｔ％ナフィオンバインダー、デュポン社製）２０ｇ及び水６ｇを加え、これらを分散機にて攪拌混合することにより、触媒形成用インク組成物を調製した。次に、該インクをポリエステルフィルム（東レ製、Ｘ４４、２５μｍ）に触媒層乾燥後の白金重量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗工し、触媒形成用転写シート８を作製した。

以上のように作製した触媒形成用転写シート８を６０×６０ｍｍの大きさに切断し、電解質膜２の両面それぞれに触媒層３が電解質膜２側を向くように中心を合わせて配置した。そして、１３５℃、５．０ＭＰａ、１５０秒の条件で熱プレスすることで、電解質膜２の両面に触媒層３を形成し、電解質膜−触媒層接合体１０を作製した。なお、触媒層３の厚さは２０μｍである。

続いて、補強シート４を作製した。補強シート４のガスバリア層４３として、二軸延伸ポリエチレンナフタレート（帝人社製、テオネックス、１２μｍ）を使用した。このポリエチレンナフタレートの一方の面上に、溶融押出し法により、不飽和カルボン酸でグラフト変性したポリプロピレンを１５μｍの厚さで押し出し第２の溶着層４４を形成した。また、ポリエチレンナフタレートの他方の面上に、溶融押し出し方によって、不飽和カルボン酸でグラフト変性したポリエチレンを１５μｍの厚さで押し出し、第１の溶着層４２を形成した。この補強シート４を１１０×１１０ｍｍの大きさに切断し、その中央部に５０×５０ｍｍの大きさの開口部４１を形成した。そして、補強シート４を第１の溶着層４２が電解質膜−触媒層接合体１０を向くように、電解質膜−触媒層接合体１０の両面に中心を合わせて配置し、１００℃、１．０ＭＰａ、３０秒の条件で熱プレスすることで補強シート４の第１の溶着層４２を電解質膜−触媒層接合体１０に溶着させて、補強シート付き電解質膜−触媒層接合体を作製した。そして、第２の溶着層４４の上に、エチレンプロピレンゴム製のガスケット（NOK社製、EPDM、厚さ２００μｍ）を配置後、１３０℃、１．０ＭＰａ、３０秒の条件で熱プレスした。そして、補強シート４の開口部４１内に大きさ５０×５０ｍｍのガス拡散層５（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−０９０、２７５μｍ）を設置した。

（比較例１）
上記実施例と同様の材料・方法で、電解質膜−触媒層接合体を作成した。そして、この電解質膜−触媒層接合体の触媒層上に５０×５０ｍｍの大きさのガス拡散層（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−０９０、２７５μｍ）を形成して、触媒層及びガス拡散層の周囲を囲むようにガスケットを配置し、ガスケット付き電解質膜−電極接合体を作成した。

（評価方法）
実施例１の補強シート付き電解質膜−電極接合体及び比較例１の電解質膜−電極接合体について、セパレータ７を設置して固体高分子形燃料電池をそれぞれ作製し、負荷変動サイクル試験を実施した。このときの測定条件は、セル温度８０℃、燃料利用率７０％、酸化剤利用率４０％、加湿温度５０℃とした。負荷変動条件は１分間間隔で０．０１A/ｃｍ２と０．３A／ｃｍ２を走査することで行なった。電流電圧測定評価の結果、実施例１の燃料電池セルの耐久性時間は１０００時間であり、比較例１の燃料電池セルの耐久性時間は３００時間であった。水素ガスリーク量を電気的に測定した結果、実施例１の燃料電池セルは１ｍＡ／ｃｍ２と、期性能とほぼ同等であったが、比較例１の燃料電池では１０ｍＡ／ｃｍ２以上であり電解質膜の劣化による水素漏れが示唆された。評価後、燃料電池セルを分解したところ、実施例１では電解質膜の破損は見られなった。一方、比較例１、目視により電解質膜２の破損が見られた。

このように、実施例１の固体高分子形燃料電池では、耐久時間の上昇がみられることから、本発明の固体高分子型燃料電池を用いると電解質膜破損の問題が解決されたことがわかる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池の実施形態を示す正面断面図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池の実施形態を示す平面図である。 本実施形態に係る電解質膜−電極接合体の周縁部の詳細を示す拡大正面断面図である。 本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の製造方法を示す説明図である。 本実施形態に係る補強シート付き電解質膜−触媒層接合体の製造方法を示す説明図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池の他の実施形態を示す正面断面図である。

符号の説明

１ 固体高分子形燃料電池
２ 固体高分子電解質膜
３ 触媒層
３１ 触媒層の外周縁部
４ 補強シート
４１ 開口部
４２ 第１の溶着層
４３ ガスバリア層
４４ 第２の溶着層
５ ガス拡散層
５１ ガス拡散層の外周縁部
６ ガスケット
７ セパレータ
１０ 電解質膜−触媒層接合体
２０ 電解質膜−電極接合体

Claims (5)

1. 固体高分子電解質膜、及び前記電解質膜の外周縁部を除いて両面に形成された触媒層からなる電解質膜−触媒層接合体と、
   中央部に開口部を有し、前記触媒層が外周縁部を除いて前記開口部から露出するように前記電解質膜−触媒層接合体の両面にそれぞれ溶着された枠状の補強シートと、
   前記触媒層の周囲を囲むように前記各補強シート上に設置されたガスケットと、を備え、
   前記各補強シートは、第１の溶着層と、前記第１の溶着層上に形成されたガスバリア層と、前記ガスバリア層上に形成された第２の溶着層とを有しており、前記第１の溶着層が前記電解質膜の外周縁部及び前記触媒層の外周縁部に溶着し、前記第２の溶着層が前記ガスケットに溶着している、固体高分子形燃料電池構造体。
2. 前記各開口部から露出した触媒層上に形成されたガス拡散層をさらに備えた、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池構造体。
3. 固体高分子電解質膜、前記電解質膜の外周縁部を除いて両面に形成された触媒層、及び前記各触媒層上に形成されたガス拡散層からなる電解質膜−電極接合体と、
   中央部に開口部を有し、前記ガス拡散層が外周縁部を除いて前記開口部から露出するように前記電解質膜−電極接合体の両面にそれぞれ溶着された枠状の補強シートと、
   前記触媒層及びガス拡散層の周囲を囲むように前記各補強シート上に設置されたガスケットと、を備え、
   前記各補強シートは、第１の溶着層と、前記第１の溶着層上に形成されたガスバリア層と、前記ガスバリア層上に形成された第２の溶着層とを有しており、前記第１の溶着層が前記電解質膜の外周縁部及び前記ガス拡散層の外周縁部に溶着し、前記第２の溶着層が前記ガスケットに溶着している、固体高分子形燃料電池構造体。
4. 前記補強シートは、第１の溶着層が第２の溶着層よりも低い融点を有する、請求項１から３のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池構造体。
5. 請求項２〜４のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池構造体と、
   前記各ガス拡散層及びガスケット上に設置されたセパレータと、を備えた固体高分子形燃料電池。

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