JP2009129759A - 補強シート付き電解質膜−触媒層接合体、これを用いた補強シート付き電解質膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解質膜の機械的強度を低下させることのない補強シート付き電解質膜−触媒層接合体、これを用いた補強シート付き電解質膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供することを課題とする。
【解決手段】固体高分子電解質膜２と、電解質膜２の外周縁部２１を除いた両面にそれぞれ形成された触媒層３と、電解質膜２及び触媒層３からなる電解質膜−触媒層接合体１０の両面にそれぞれ設置された、中央に開口部４１を有する枠状の補強シート４と、を備え、各補強シート４は、開口部４１から触媒層３が外周縁部３１を除いて露出するよう、触媒層３の外周縁部３１及び電解質膜２の外周縁部２１上に粘着している。
【選択図】図１

Description

本発明は、補強シート付き電解質膜−触媒層接合体、これを用いた補強シート付き電解質膜−電極接合体及び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

上述したような補強膜を使用した固体高分子形燃料電池は、通常、熱圧着、すなわち加熱した状態で圧力をかけることによって補強膜を電解質膜−電極接合体に溶着させている。このときの圧力は通常、０．５〜５．０ＭＰａくらいであるが、このような大きさの圧力をかけることで、補強膜の溶着対象である電解質膜や、電極に補強膜がめり込んでしまい、この結果、電解質膜や電極の機械的強度が低下してしまうおそれがある。

そこで、本発明は、電解質膜の機械的強度を低下させることのない補強シート付き電解質膜−触媒層接合体、これを用いた補強シート付き電解質膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供することを課題とする。

本発明に係る補強シート付き電解質膜−触媒層接合体は、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と、前記電解質膜の外周縁部を除いた両面にそれぞれ形成された触媒層と、前記電解質膜及び触媒層からなる電解質膜−触媒層接合体の両面にそれぞれ設置された、中央に開口部を有する枠状の補強シートと、を備え、前記各補強シートは、前記開口部から前記触媒層が外周縁部を除いて露出するよう、前記触媒層の外周縁部及び前記電解質膜の外周縁部上に粘着している。

この構成によれば、補強シートは触媒層の外周縁部と電解質膜の外周縁部上に粘着することによって、電解質膜−触媒層接合体に設置されている。このように補強シートは、粘着によって電解質膜−触媒層接合体に設置されているので、熱圧着によって設置する場合と比べて、加える圧力を低減することが可能となり、その結果、補強シートを設置する際の電解質膜や触媒層へのめり込みがなく機械的強度が低下することを防止することができる。

本発明に係る第１の補強シート付き電解質膜−電極接合体は、上述した補強シート付き電解質膜−触媒層接合体と、前記補強シートの厚さ以上の厚さを有し、前記補強シートの開口部から露出する触媒層上に形成されたガス拡散層と、備えている。

この構成によれば、上記補強シート付き電解質膜−触媒層接合体を備えているため、熱圧着ではなく粘着によって補強シートを電解質膜−触媒層接合体に設置しているため、熱圧着によって設置する場合と比べて、加える圧力を低減することが可能となり、その結果、補強シートを設置する際の電解質膜や触媒層へのめり込みがなく機械的強度が低下することを確実に防止することができる。また、ガス拡散層は、補強シートの開口部から露出する触媒層上に形成されているため、確実に触媒層に接触することができる。また、ガス拡散層の厚さは補強シートの厚さよりも厚いため、通常その上に設置されるセパレータとも確実に接触することができる。

また、本発明に係る第２の補強シート付き電解質膜−電極接合体は、固体高分子電解質膜と、前記電解質膜の外周縁部を除いて両面にそれぞれ形成された触媒層と、前記各触媒層上にそれぞれ形成されたガス拡散層と、前記電解質、触媒層及びガス拡散層からなる電解質膜−電極接合体の両面にそれぞれ設置された、中央に開口部を有する枠状の補強シートと、を備え、前記各補強シートは、前記開口部から前記ガス拡散層が外周縁部を除いて露出するよう、前記ガス拡散層の外周縁部及び前記電解質の外周縁部上に粘着している。

この構成によれば、補強シートはガス拡散層の外周縁部と電解質膜の外周縁部上に粘着することによって、電解質膜−電極接合体に設置されている。このように補強シートは、粘着によって電解質膜−電極接合体に設置されているので、熱圧着によって設置する場合と比べて、加える圧力を低減することが可能となり、その結果、補強シートを設置する際の電解質膜や電極へのめり込みがなく機械的強度が低下することを防止することができる。

上記各補強シートは、電解質膜−電極接合体に粘着する粘着層と、燃料ガス及び酸化剤ガスの透過を防止するガスバリア層とから構成されていることが好ましい。このように、ガスバリア層を備えることで、ガスリークをより確実に防ぐことができる。

また、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、上記いずれかの補強シート付き電解質膜−電極接合体と、前記触媒層及びガス拡散層からなる各電極の周囲を囲むように前記各補強シート上にそれぞれ設置されたガスケットと、前記各電極及びガスケット上にそれぞれ設置されたセパレータと、を備えている。

この構成によれば、上述した補強シート付き電解質膜−電極接合体を備えているため、補強シートはガス拡散層の外周縁部と電解質膜の外周縁部上に粘着することによって、電解質膜−電極接合体に設置されている。このように補強シートは、粘着によって電解質膜−電極接合体に設置されているので、熱圧着によって設置する場合と比べて、加える圧力を低減することが可能となり、その結果、補強シートを設置する際の電解質膜や電極へのめり込みがなく機械的強度が低下することを防止することができる。

本発明によれば、電解質膜の機械的強度を低下させることのない補強シート付き電解質膜−触媒層接合体、これを用いた補強シート付き電解質膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供することができる。

以下、本発明に係る補強シート付き電解質膜−触媒層接合体、補強シート付き電解質膜−電極接合体、及び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、補強シート付き電解質膜−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がそれぞれ設置されている。補強シート４は、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４２と、電解質膜−触媒層接合体１０に粘着する粘着層４３とから構成されており、粘着層４３が電解質膜−触媒層接合体１０側に向けられている。このガスバリア層４２の膜厚は、５〜５０μｍとすることが好ましく、粘着層４３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に設置された状態では、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が粘着している。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同士が粘着している。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１〜１００ｍｍであることが好ましい。なお、このように、電解質膜−触媒層接合体１０に補強シート４が設置されたものが、本発明の補強シート付き電解質膜−触媒層接合体に相当する。

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が設置されている。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、０〜５ｍｍ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。なお、本実施形態のように、電解質膜−電極接合体２０に補強シート４が設置されているものが、本発明の補強シート付き電解質膜−電極接合体に相当する。

そして、電極Ｅの周囲を囲むように補強シート４上に枠状のガスケット６が設置され、電極Ｅ及びガスケット６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、ガスバリア層４２と粘着層４３から構成されているが、ガスバリア層４２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、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリスルフォン、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンオキシド、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。

また、粘着層４３の材料としては、例えば、アクリル系、ゴム系、シリコーン系の粘着剤を使用できる。具体的には、アクリル酸エステル共重合体、メタクリル酸エステル共重合体、天然ゴム（ＮＲ）、合成天然ゴム（ＩＲ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、シリコーンゴム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。

まず、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（図４（ａ））。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。

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と、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））。より詳細には、電解質膜−触媒層接合体１０の上面及び下面に補強シート４をそれぞれ配置する。このとき各補強シート４の粘着層４３が互いに向き合うように各補強シート４を配置する。そして、補強シート４の開口部４１から触媒層３が外周縁部３１を除いて露出するよう、補強シート４をそれぞれ触媒層３の外周縁部３１及び電解質膜２の外周縁部２１上に粘着させる。このときの補強シート４を触媒層３の外周縁部３１等に粘着させる方法としては、種々の方法を採用することができるが、例えば、ハンドローラを補強シート４上で転がすことによって粘着させたり、又は、プレスなどによって圧着させることもできる。なお、この粘着させる場合の圧力は、熱圧着する場合の圧力よりもかなり低い圧力で十分であり、例えば０．１〜０．３MＰａ程度の圧力で十分に補強シート４は触媒層３の外周縁部３１等に粘着する。

続いて、上述した補強シート付き電解質膜−触媒層接合体の開口部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して、補強シート付き電解質膜−電極接合体が完成する（図４（ｄ））。そして、触媒層３及びガス拡散層５からなる電極Ｅの周囲を囲むように補強シート４上にガスケット６を配置する。また、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（ｅ））。

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、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。そして、補強シート４が電解質膜−触媒層接合体１０の両面に設置されているが、この補強シート４は、触媒層３の外周縁部３１及び電解質膜２の外周縁部２１に粘着している。このように粘着することによって補強シート４は電解質膜−触媒層接合体１０に設置されているため、熱圧着によって設置される場合と比べて、補強シート４を電解質膜−触媒層接合体に接合するときの圧力を低減することが可能となる。したがって、補強シート４が触媒層３や電解質２にめり込むことを防ぎ、ひいては、触媒層や電解質膜の機械的強度が低下することを防ぐことができる。また、補強シート４は、電解質膜２の外周縁部２１及び触媒層３の外周縁部３１上に溶着されているが、ガス拡散層５上には載置されていない。このため、ガス拡散層５上は平坦な面を形成しており、ガス拡散層５上に設置されるセパレータ７は、ガス拡散層５と均一に接触する。したがって、セパレータ７の集電効率が低下するといった問題も生じることがない。

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が触媒層３の外周縁部３１上に粘着しているが、図５に示すように、ガス拡散層５の外周縁部５１上に粘着していてもよい。より詳細には、この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、この電解質膜２の上面及び下面に電解質膜２よりも一回り小さく、すなわち電解質膜２の外周縁部２１を除いて、触媒層３が形成されている。そして、各触媒層３上にガス拡散層５が形成されている。このガス拡散層５は触媒層３とほぼ同じ面積を有している。これら、電解質膜２，触媒層３，及びガス拡散層５からなる電解質膜−電極接合体２０の両面に、補強シート４がそれぞれ設置されている。この補強シート４の開口部４１からはガス拡散層５が外周縁部５１を除いて露出している。この補強シート４は、ガス拡散層５の外周縁部５１及び電解質膜２の外周縁部２１に粘着するとともに、電解質膜２からはみ出た外周縁部４５の分では、互いの粘着層４３同士が粘着して接合している。

また、上記実施形態では、補強シート４は、ガスバリア層４２と粘着層４３の２層から構成されているが、特にこの層構成に限定されるわけではなく、例えば３層以上とすることもできる。

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。

以下に実施例を示して、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、６３×６３ｍｍの大きさに切断された膜厚５３μｍのＮＲＥ２１２ＣＳ（Ｄｕｐｏｎ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として、プロスウェル（日東電工社製、ＰＷ−３６１０Ａ）を使用した。なお、このプロスウェルは、厚さ２５μｍのポリイミドからなるガスバリア層４３と、厚さ１０μｍのアクリル樹脂からなる粘着層４２とから構成されている。この補強シート４を８０×８０ｍｍ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、０．３ＭＰａの圧力で圧着することで補強シート４を電解質膜−触媒層接合体１０に溶着し、補強シート付き電解質膜−触媒層接合体を作製した。

さらに続いて、開口部４１から露出している触媒層３上に、ガス拡散層５として、４９×４９ｍｍの大きさに切断されたカーボンペーパー（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−０９０、厚さ２８０μｍ）を積層し、補強シート付き電解質膜−電極接合体を形成した。

（評価方法）
以上のように作成した実施例１の補強シート付き電解質膜−電極接合体をエポキシ樹脂で包埋し、補強シート付き電解質膜−電極接合体の断面が観察できるよう研磨した。図６はこの断面のＳＥＭ写真である。図６から、本実施例１に係る補強シート付き電解質膜−電極接合体は、補強シート４が電解質２や触媒層３にめり込んでおらず、電解質膜２や触媒層３は変形していないことが確認できた。

また、実施例１の補強シート付き電解質膜−電極接合体について、ガスケット６及びセパレータ７を設置して固体高分子形燃料電池を作成し、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。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、評価後、電解質膜２の破損は見られなかった。

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。 本実施形態に係る補強シート付き電解質膜−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。 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。 本実施例１に係る補強シート付き電解質膜−電極接合体のＳＥＭ写真（ａ）及びその拡大図（ｂ）である。

符号の説明

１ 固体高分子形燃料電池
２ 電解質膜
２１ 電解質膜の外周縁部
３ 触媒層
３１ 触媒層の外周縁部
４ 補強シート
４１ 開口部
４２ ガスバリア層
４３ 粘着層
４５ 補強シートの外周縁部
５ ガス拡散層
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と、
   前記電解質膜の外周縁部を除いた両面にそれぞれ形成された触媒層と、
   前記電解質膜及び触媒層からなる電解質膜−触媒層接合体の両面にそれぞれ設置された、中央に開口部を有する枠状の補強シートと、を備え、
   前記各補強シートは、前記開口部から前記触媒層が外周縁部を除いて露出するよう、前記触媒層の外周縁部及び前記電解質膜の外周縁部上に粘着している、補強シート付き電解質膜−触媒層接合体。
2. 請求項１に記載の補強シート付き電解質膜−触媒層接合体と、
   前記補強シートの厚さ以上の厚さを有し、前記補強シートの開口部から露出する触媒層上に形成されたガス拡散層と、
   を備えた、補強シート付き電解質膜−電極接合体。
3. 固体高分子電解質膜と、
   前記電解質膜の外周縁部を除いて両面にそれぞれ形成された触媒層と、
   前記各触媒層上にそれぞれ形成されたガス拡散層と、
   前記電解質、触媒層及びガス拡散層からなる電解質膜−電極接合体の両面にそれぞれ設置された、中央に開口部を有する枠状の補強シートと、を備え、
   前記各補強シートは、前記開口部から前記ガス拡散層が外周縁部を除いて露出するよう、前記ガス拡散層の外周縁部及び前記電解質の外周縁部上に粘着している、補強シート付き電解質膜−電極接合体。
4. 前記各補強シートは、前記電解質膜−電極接合体に粘着する粘着層と、燃料ガス及び酸化剤ガスの透過を防止するガスバリア層とから構成されている、請求項２又は３に記載の補強シート付き電解質膜−電極接合体。
5. 請求項２〜４のいずれかに記載の補強シート付き電解質膜−電極接合体と、
   前記触媒層及びガス拡散層からなる各電極の周囲を囲むように前記各補強シート上にそれぞれ設置されたガスケットと、
   前記各電極及びガスケット上にそれぞれ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。