JP2016054034A - 膜電極複合体および膜電極複合体に用いる窓枠状部材 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性試験を行わずとも、膜電極複合体を組み立てた時点で不良の発生を容易に識別できる構成の膜電極複合体を提供する。【解決手段】高分子電解質膜４と、高分子電解質膜４の両側に配置されたガス拡散層１、２と、高分子電解質膜４とガス拡散層１との間に配置された、高分子電解質膜４とガス拡散層１の外縁部との接触を防止する窓枠状部材３を有する膜電極複合体であって、窓枠状部材３は前記ガス拡散層１の外周より全周において延出し、高分子電解質膜４はさらに窓枠状部材３の外周より全周において延出しており、かつ、窓枠状部材３は、少なくとも前記ガス拡散層１の外周より延出する部分を含む周縁部に、窓枠状部材３と高分子電解質膜４との境界線を識別可能にするための標識を有する膜電極複合体。【選択図】図３

Description

本発明は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の両側に配置されたガス拡散層とを有する燃料電池用の膜電極複合体および、高分子電解質膜とガス拡散層の外縁部との接触を防止する窓枠状部材に関するものである。

燃料電池は、水素、メタノールなどの燃料を電気化学的に酸化することによって、電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。なかでも固体高分子型燃料電池は、標準的な作動温度が１００℃前後と低く、かつ、エネルギー密度が高いことから、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として幅広い応用が期待されている。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。

燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソード間のプロトン伝導体となる高分子電解質膜とが、膜電極複合体（以降、膜電極複合体と略称することがある。）を構成し、この膜電極複合体がセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。

これまで電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系ポリマーであるナフィオン（登録商標）（デュポン社製。）が広く用いられてきた。また、ナフィオンに替わり得る安価で膜特性に優れた高分子電解質材料として、炭化水素系電解質膜の開発も近年活発化してきている。しかしながら、これらの高分子電解質膜においては、膨潤乾燥によって物理的耐久性が失われるという課題が指摘されていた。

こうした状況において、特に膨潤収縮による膜の機械強度や物理的耐久性低下を抑制するために、高分子電解質膜とガス拡散層の外縁部との接触を防止する窓枠状の部材を設ける技術が提案されている。

特許文献1には、固体高分子電解質膜外縁部の機械的強度を高めて固体高分子電解質膜の破損を防止する目的で、固体高分子電解質膜の電極周縁部と電極の配置されない固体高分子電解質膜の外縁部とを窓枠状の樹脂膜で補強することが記載されている。

特許文献２には、電解質膜の外縁部が露出するように設けられた電極と前記電解質膜よりも高い弾性率の窓枠状の補強材を電解質膜外縁部に配置することにより、電解質膜の寸法変化に追随することを可能とする技術が記載されている。

特許文献３には、負極と電解質膜、正極と電解質膜の間にガスケット材料として窓枠状の補強材を挿入した膜電極複合体に関する記載がある。

特許文献４では、電解質膜と電極端部との接触時に生じる炭素繊維の突き刺しによる物理的耐久性低下の抑制を目的として、電解質膜と電極端部との間に挿入された窓枠状のフィルム部材を設けることが記載されている。

特開平５−１７４８４５号公報 特開２００９−２１１８１３号公報 特表平７−５０１４１７号公報 特表２００８−５１５１３７号公報

こうした窓枠状部材は、膜電極複合体に形成する際に片寄りや皺等が生じる可能性があり、そうなった場合には最終的な発電性能や耐久性能が大きく低下し、意味をなさなくなってしまう。しかし、従来の窓枠状部材は外観から視覚的に確認することは容易ではなく、片寄や皺を発見することは困難であった。このため、窓枠状部材が正常に配置されているか否かは、燃料電池セルを組み立てて実際に耐久性試験を実施するまで確認できなかった。

本発明は、耐久性試験を行わずとも、膜電極複合体を組み立てた時点で窓枠状部材が正常に配置されているか否かを容易に識別できる構成の膜電極複合体を提供するものである。

かかる課題を解決するための本発明は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両側に配置されたガス拡散層と、前記高分子電解質膜と前記ガス拡散層との間に配置された、前記高分子電解質膜と前記ガス拡散層の外縁部との接触を防止する窓枠状部材を有する膜電極複合体であって、前記窓枠状部材は前記ガス拡散層の外周より全周において延出し、前記高分子電解質膜はさらに前記窓枠状部材の外周より全周において延出しており、かつ、前記窓枠状部材は、少なくとも前記ガス拡散層の外周より延出する部分を含む周縁部に、窓枠状部材と前記高分子電解質膜との境界線を識別可能にするための標識を有する膜電極複合体である。

本発明の膜電極複合体は、窓枠状部材が正常に配置されているか否かを容易に識別できるため、実際の性能試験を行う前に不良品を発見することが容易となる。

本発明の膜電極複合体を製造した場合のアノード面から見た構成を示す模式図である。 本発明の膜電極複合体を製造した場合のカソード面から見た構成を示す模式図である。 ガス拡散電極（ＧＤＥ）を用いて本発明の膜電極複合体を製造した場合の構成を示す模式図である。 触媒層被覆電解質膜（ＣＣＭ）を用いて本発明の膜電極複合体を製造した場合の構成を示す模式図である。

＜膜電極複合体＞
本発明の膜電極複合体は、高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」ということがある。）と、当該高分子電解質膜の両側に配置されたガス拡散層と、当該高分子電解質膜と当該ガス拡散層との間に配置された窓枠状部材とを有している。２つのガス拡散層は、それぞれアノード側ガス拡散層とカソード側ガス拡散層に相当する。本発明においては、窓枠状部材は、電解質膜とアノード側ガス拡散層との間に配置されていても、電解質膜とカソード側ガス拡散層との間に配置されていても、あるいはその両方に配置されていてもよいが、両方に配置されていることが好ましい。

ここで、膜電極複合体の作製方法は、
（Ｉ）ガス拡散層の一方の面に触媒層が形成されたガス拡散電極（ＧＤＥ）を作成し、電解質膜と積層する方法
（ＩＩ）触媒層付電解質膜（ＣＣＭ）を作成し、ガス拡散層と積層する方法
に大別される。
（Ｉ）の方法の場合、アノード及び／またはカソードのＧＤＥは、その内側に窓枠状部材、そのさらに内側に高分子電解質膜の順に、ＧＤＥの触媒層形成面が、窓枠状部材と接する周縁部以外の部分で高分子電解質膜と直接接するように配置され、接合される。（ＩＩ）の方法の場合、アノード及び／またはカソードのガス拡散層は、その内側に窓枠状部材、そのさらに内側に触媒層付電解質膜（ＣＣＭ）の順に、ＣＣＭの触媒層形成面が、窓枠状部材と接する周縁部以外の部分でガス拡散層と直接接するように配置され、接合される。

すなわち、厳密に言えば、（Ｉ）の方法で本発明の膜電極複合体を作成した場合、窓枠状部材は、高分子電解質膜とアノード側触媒層の間、または高分子電解質膜とカソード側触媒層の間の少なくとも一箇所に配置されることになり、（ＩＩ）の方法で本発明の膜電極複合体を作成した場合、窓枠状部材は、アノード側触媒層とアノード側ガス拡散層の間、またはカソード側触媒層とカソード側ガス拡散層の間の少なくとも一箇所に配置されることになる。しかしながら、以下本明細書においては、ＧＤＥを「ガス拡散層」、ＣＣＭを「高分子電解質膜」に含めることとし、上記の態様は全て、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の両側に配置されたガス拡散層と、高分子電解質膜とガス拡散層との間に配置された窓枠状部材を有する膜電極複合体として説明する。

なお、触媒層は白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成されることが一般的であるが、これに限定されるものではない。また、触媒層の被覆電解質膜の形成には、電解質膜に直接触媒を塗工する方法や触媒層付転写シートを用いて電解質膜に転写する方法などがあげられるが、これらに限定されるものではない。

高分子電解質膜とガス拡散層の接合法は特に制限されず、公知の方法（例えば、電気化学，1985, 53, p.261.記載の化学メッキ法、電気化学協会編（J. Electrochem. Soc.）、エレクトロケミカル サイエンス アンド テクノロジー （Electrochemical Science and Technology）,1988, 135, 9, p.2209. 記載のガス拡散電極の加熱プレス接合法などを適用することが可能である。

高分子電解質膜、ガス拡散層および窓枠状部材をプレスにより一体化する場合は、その温度や圧力は、電解質膜の厚さ、水分率、触媒層や電極基材により適宜選択すればよい。具体的なプレス方法としては圧力やクリアランスを規定したロールプレスや、圧力を規定した平板プレスなどが挙げられ、これらは工業的生産性やイオン性基を有する高分子材料の熱分解抑制などの観点から０℃〜２５０℃の範囲で行うことが好ましい。

特に、電解質膜、窓枠状部材およびガス拡散層を図３または図４に示されるように積層し、一定温度・圧力でプレスすることにより、膜電極複合体を製造することが好ましい。また、電解質膜と窓枠状部材のみを配置した状態で一定温度・圧力でプレスし、窓枠状部材付き電解質膜を製造した後、ガス拡散層を両側に配置し、一定温度・圧力でプレスすることにより、膜電極複合体を製造することもできる。このような積層およびプレスは両面同時に行っても、片面ずつ行ってもよい。このようなプレスにより膜電極複合体を製造する場合、電解質膜とガス拡散層が強く押し付けられるため、特に電解質膜が損傷を受けやすい。そのため、本発明は特に、このようなプレスにより製造される膜電極複合体への適用が好ましい。

本発明において、窓枠状部材は、前記ガス拡散層の外周より全周において延出して配置され、かつ高分子電解質膜はさらに窓枠状部材の外周より全周において延出して配置される。すなわち、平面視において、窓枠状部材はガス拡散層よりも大きく、その周縁部がガス拡散層の外周から全周においてはみ出すように積層して配置されており、また電解質膜は窓枠状部材より大きく、その周縁部が窓枠状部材の外周から全周においてはみ出すように積層して配置されている。このように配置することで、後述する窓枠状部材の標識を外部から（特に、平面視で）確認することが可能となるとともに、窓枠状部材と、電解質膜およびガス拡散層との境界線が生じ、後述する窓枠状部材の標識が有効に機能する。

〔高分子電解質膜〕
本発明の膜電極複合体に用いられる高分子電解質膜としては、プロトン伝導性を有し固体高分子形燃料電池として作動する限りにおいて特に限定されるものではなく、公知または市販のものを使用できる。このような電解質膜としては、一般にパーフルオロスルホン酸からなる電解質膜、具体的にはDuPont社製の「Nafion」（登録商標）、旭硝子社製の「Flemion」（登録商標）、旭化成社製の「Aciplex」（登録商標）、ゴア社製の「GORE-SELECT」（登録商標）等が挙げられる。

また、炭化水素系骨格にプロトン伝導性を付与した炭化水素系ポリマーからなる高分子電解質膜も用いることができる。このような炭化水素系ポリマーの具体例としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンホキシド、ポリエーテルホスフィンホキシド、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドスルホン等の主鎖に芳香環を有する芳香族炭化水素系ポリマーが挙げられる。

なお、ポリエーテルスルホンとはその分子鎖にスルホン結合を有しているポリマーの総称である。また、ポリエーテルケトンとはその分子鎖にエーテル結合およびケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含むものであって、特定のポリマー構造を限定するものではない。

これらのポリマーのなかでも、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンオキシド、ポリエーテルホスフィンオキシド等の芳香族ポリエーテル系ポリマーが、機械強度、物理的耐久性、加工性および耐加水分解性の面からよく用いられている。また、芳香族ポリエーテル系ポリマーからなる電解質膜は通常時と燃料電池運転中の膨潤時の弾性率の差が大きく、ガス拡散層による物理的影響を受けやすいことから、本発明を好適に適用できるため好ましい。

高分子電解質膜の膜厚は、特に限定されるものではないが、20μmより厚いと発電性能が低下し、5μm未満であると大幅に耐久性や取り扱い性が低下するため、5μm以上20μm以下が好ましい。高分子電解質膜の膜厚がこの程度である場合、炭素繊維を含むガス拡散層と接触した際、あるいは燃料電池の運転中に電解質膜の膨潤収縮が起こった際に、後述するようなガス拡散層の炭素繊維が電解質膜の周縁部（エッジ部）へ突き刺さる現象が顕著に発生するため、本発明を好適に適用できる。

なお、電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層付電解質膜（ＣＣＭ）も、本明細書において「高分子電解質膜」に含めて説明することは前述のとおりである。

〔ガス拡散層〕
ガス拡散層は、高分子電解質膜の両側にアノードおよびカソードとして配置される電極部材である。本発明においてガス拡散層の材料は特に限定されないが、ガス拡散層は通常、炭素繊維を含む抄紙体、炭素繊維不織布など、炭素繊維を含む材料により構成される。このようなガス拡散層においては、一般にガス拡散層の外縁部において炭素繊維の毛羽立ちが顕著であるため、窓枠状部材により炭素繊維の突き刺しを防止する本発明の構成が好適に適用できる。なお、ガス拡散層の一方の面に触媒層が形成されたガス拡散電極（ＧＤＥ）も、本明細書においては「ガス拡散層」に含めて説明することは前述のとおりである。

〔窓枠状部材〕
本発明における窓枠状部材とは、高分子電解質膜とガス拡散層の外縁部との接触を防止するように設けられる、窓枠状、すなわち中央に大きな穴あき部を有する扁平形状の部材である。高分子電解質膜やガス拡散層は通常矩形上であるため、窓枠状部材およびその中央の穴も矩形上であることが望ましいが、これに限定されるものではない。また、窓枠状部材は、フィルム等の一様の材料から穴あき部をくりぬいたものであってもよいし、また複数の部材の組み合わせによって窓枠状に形成されるものであってもよい。

窓枠状部材は、電解質膜の周縁部を単に物理的に強化するために機能するものであっても、ガス拡散層の炭素繊維等の突き刺しを遮断する防護壁として機能するものであってもよく、またその他の目的を有するものであってもよいが、典型的にはガス拡散層の周縁部の炭素繊維が電解質膜に突き刺さるのを遮断するために設けられる。特に、炭化水素系高分子電解質材料からなる電解質膜を用いる場合、電解質膜の膨潤が大きくなる傾向にあり、電解質膜への炭素繊維の突き刺しが起こりやすくなるため、窓枠状部材が特に有効である。

窓枠状部材の材料は特に限定されないが、シリコーン系材料や、汎用プラスチック、エンジニアリングプラスチックなどを用いることができる。汎用プラスチックやエンジニアリングプラスチックの例としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリブチレンナフタレート、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルフィド（ＰＰＳ）、芳香族ポリイミド芳香族炭化水素系高分子などが挙げられる。窓枠状部材は、単一の材料のみからなるものに限られず、複数の材料の組み合わせからなるものであってもよい。

電解質膜が膨潤したときの炭素繊維の電解質膜への突き刺しを抑制するためには、窓枠状部材の吸水率は、電解質膜の吸水率よりも小さいことが好ましく、吸水率の絶対値は２％以下であることがより好ましい。吸水率は、本明細書実施例（４）に記載の方法で測定することができる。

窓枠状部材の厚みは、厚すぎるとガス拡散層との間または電解質膜との間にひずみ応力が発生して、物理的耐久性が低下する傾向にあり、薄すぎると炭素繊維の突き刺し抑制が不十分となる傾向がある。これらの観点から、窓枠状部材の厚みは１μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。

また、窓枠状部材とガス拡散層の重なり部分の面積を大きくしすぎると、膜電極複合体中において発電に寄与しない面積が大きくなるため、発電性能が低下するだけでなく、必要以上に触媒を用いる結果となるためコストアップになる。発電性能と突き刺し抑制効果の両立の観点から、窓枠状部材とガス拡散層の重なり部分の面積は、ガス拡散層の面積の１５％以下であることが好ましく、１０％以下であることがより好ましい。また、アノード側窓枠状部材とアノード側ガス拡散層との重なり部分の面積と、カソード側窓枠状部材とカソード側ガス拡散層との重なり部分の面積は、同一でも異なっていてもよい。

窓枠状部材は、ガス拡散層の外縁部に沿って全周にわたって接触していることにより十分な効果を発揮する。もし窓枠状部材がガス拡散層の外縁部からずれていたり、窓枠状部材に破れや切れ目が発生していたりした場合には、その部分で窓枠状部材を介さないガス拡散層と電解質膜の接触が生じるため、窓枠状部材の機能が十分に発揮できない。また、窓枠状部材に皺があったりした場合には、厚みが局所的に不均一になって運転中の応力集中が起きる。また、窓枠状部材の位置ずれ、破れや切れ目、皺等によってできた不均一な空間において燃料や水の流れが滞って膨潤収縮状態の差が生じる、といった問題も生じ、かえって耐久性が損なわれることにつながる。そのため、窓枠状部材を膜電極複合体として積層させたときに、ガス拡散層の外縁部の全周にわたって、窓枠状部材が位置ずれ、破れや切れ目、皺等がなく、正常に配置されていることが外部から確認できることが好ましい。窓枠状部材が正常に配置されているか否かが外部から確認できれば、燃料電池のセルを組み立てて耐久性試験を実施することなく、不具合のある膜電極複合体を判別することができ、検査工程の能率が向上する。

本発明においては、窓枠状部材の状態を確認できるようにするため、窓枠状部材は、窓枠状部材の少なくともガス拡散層の外周より延出する部分を含む周縁部に、窓枠状部材と前記高分子電解質膜との境界線を識別可能にするための標識を有する。

標識は、電解質膜との境界線を識別可能にするものであればどのようなものでもよいが、目視により容易に検査が行える点から、視認可能な標識が好ましい。また、目視検査の行われる通常の環境を想定し、少なくとも１０００Ｌｕｘの照度のもとで視認可能なものであることが好ましく、５０Ｌｕｘ乃至１５００の全ての照度域で視認可能なものであることがより好ましい。

視認可能な標識は、着色、模様またはこれらの結合からなるものであることが好ましい。着色、模様またはこれらの結合からなる標識を有することにより、窓枠状部材の膜電極複合体における均一性が損なわれている場合に色の濃淡や模様の連続性が変化するため、視覚的な確認が容易となる。ここで、着色とは、材料自体が有する色彩あるいは人為的に付与された色彩を意味し、色彩には白および黒の無彩色も含まれるものとする。材料自体が色彩を持つ材料としては）、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルフィド（ＰＰＳ）、ポリイミド等が挙げられ、高分子電解質膜との境界線が識別可能なコントラストを形成する色彩を持つ材料を選択することができる。また、人為的な色彩の付与は、窓枠状部材の成型時における着色物質の添加、印刷、着色されたテープやフィルム等の貼付等によって行うことができ、視認性の点からはより好ましい。また、模様とは表面に現れる線図、色分けまたはぼかしをいう。模様は、窓枠状部材への直接の印刷や、模様を印刷したテープ、フィルム等の貼付によって付与することができる。模様を有すると、視認性の点でさらに好ましい。着色、模様またはこれらの結合は、単色で形成されていてもよいが、視認効果をより高めるためには複数の色で形成されていることが好ましい。

特に、窓枠状部材に模様を付する場合、窓枠状部材と高分子電解質膜またはガス拡散層との境界線に対し、当該模様に含まれる要素が一定間隔で交わるような模様であると、境界線の識別性が向上するため好ましい。また、このような模様は、窓枠状部材の破れや切れ目を発見しやすくなる点においても好ましい。模様が高分子電解質膜またはガス拡散層との境界線に対して交わる角度で形成されたストライプ模様であることは特に好ましい態様である。

窓枠状部材の標識は、さらに窓枠状部材とガス拡散層との境界線を識別可能なものであると、窓枠状部材の少なくとも一部がガス拡散層の周縁から露出しない、すなわち、窓枠状部材の一部がガス拡散層の下に入り込んでしまった状態で配置されているような不良を発見しやすいため好ましい。

また、標識は、窓枠状部材のうち膜電極複合体となした場合に設計上ガス拡散層の外周より延出する部分に形成されていればよい。窓枠状部材を取り出して見た場合には、少なくとも窓枠状部材の周縁部を含む部分に標識が形成されていればよいが、窓枠状部材の全面に標識が形成されていることが好ましい。

センサーによって検査を行う場合には、当該センサーの種類に応じて適切な標識を用いることができる。この場合、標識は視覚的に識別可能なものに限られず、可視光以外の波長を吸収する材料を使用した標識を用いることもできる。このような材料としては、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、アンチモンドープ酸化スズ（ＡＴＯ）、等の赤外線を吸収する材料や、ベンゾトリアゾール系化合物、トリアジン系化合物、ヒンダードアミン系化合物、ヒンダードフェノール系化合物等紫外線を吸収する材料を挙げることができる。

本発明の膜電極複合体は、電解質膜またはガス拡散層と、窓枠状部材との接着性を改善するために、さらに接着材層を有してもよい。接着剤層を有することにより、燃料電池の運転中に電解質膜が膨潤・収縮しても、窓枠状部材の位置ずれを防止することができる。

接着剤層の材質や物性は、接着剤層を含めた窓枠状部材が上記の条件を満たすものであれば、特に限定されるものではないが、製造工程での簡便性から、熱、圧力または光により接着可能な接着剤を用いることが好ましい。中でも、圧力により接着可能であるアクリル系粘着材が、制御が容易であることから好ましい。接着剤層は、窓枠状部材の一方の面のみに形成されてもよく、表裏両面に形成されてもよい。

膜電極複合体の製造の容易性を考慮すると、接着剤層は窓枠状部材の表面に形成されていることが好ましく、例えば、窓枠状部材の表面に両面テープを貼付し、両面テープの他面を電解質膜またはガス拡散層と貼付する構成とすることができる。また、標識が付与された両面テープ（例えば色彩、模様またはこれらの結合が印刷された両面テープ）自体を窓枠状に加工して窓枠状部材として用いることも、好ましい態様の一つである。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各物性の測定条件は次の通りである。

（１）厚み
ミツトヨ製グラナイトコンパレータスタンドＢＳＧ−２０にセットしたミツトヨ製ＩＤ−Ｃ１１２型を用いて測定した。

（２）核磁気共鳴スペクトル（ＮＭＲ）
下記の測定条件で、^１Ｈ−ＮＭＲの測定を行い、構造確認、およびイオン性基を含有するセグメント（Ａ１）とイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）のモル組成比の定量を行った。該モル組成比は、８．２ｐｐｍ（ジスルホネート−４，４’−ジフルオロベンゾフェノン由来）と６．５〜８．０ｐｐｍ（ジスルホネート−４，４’−ジフルオロベンゾフェノンを除く全芳香族プロトン由来）に認められるピークの積分値から算出した。

装置 ：日本電子社製ＥＸ−２７０
共鳴周波数 ：２７０ＭＨｚ（^１Ｈ−ＮＭＲ）
測定温度 ：室温
溶解溶媒 ：ＤＭＳＯ−ｄ６
内部基準物質：ＴＭＳ（０ｐｐｍ）
積算回数 ：１６回
また、下記の測定条件で、固体^１３Ｃ−ＣＰ／ＭＡＳスペクトルの測定を行い、ケタール基の残存有無確認を行った。

装置 ：Chemagnetics社製ＣＭＸ−３００Infinity
測定温度 ：室温
内部基準物質：Ｓｉゴム（１．５６ｐｐｍ）
測定核 ：７５．１８８８２９ＭＨｚ
パルス幅 ：９０°パルス、４．５μｓｅｃ
パルス繰り返し時間：ＡＣＱＴＭ＝0.03413sec、ＰＤ=9sec
スペクトル幅：３０．００３ｋＨｚ
試料回転 ：７ｋＨｚ
コンタクトタイム：４ｍｓｅｃ
（３）突き刺し強度測定
下記の測定条件で、窓枠状部材の突き刺し強度の測定を行った。突き刺し用ニードルをロードセルに固定し、フィルムを突き刺したときの強度を測定した。

装置：SHIMAZU製オートグラフAG-50N
突き刺し用ニードル：直径1mm
試験速度：120mm/min
フィルムサイズ：直径16mm
（４）吸水率測定
下記の測定条件で、吸水率の測定を行った。室温（25℃、65%RH）、含水時の重量を測定し、下記式に従い、吸水率を算出した。

フィルムサイズ：70mm×70mm
吸水率（％）＝（吸水時の重量−室温時の重量）/吸水時の重量×１００
[合成例１]
下記一般式（Ｇ１）で表される２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジオキソラン（Ｋ−ＤＨＢＰ）の合成

攪拌器、温度計及び留出管を備えた 500mlフラスコに、４，４′−ジヒドロキシベンゾフェノン49.5ｇ、エチレングリコール134ｇ、オルトギ酸トリメチル96.9ｇ及びｐ−トルエンスルホン酸１水和物0.50ｇを仕込み溶解する。その後78〜82℃で２時間保温攪拌した。更に、内温を120℃まで徐々に昇温、ギ酸メチル、メタノール、オルトギ酸トリメチルの留出が完全に止まるまで加熱した。この反応液を室温まで冷却後、反応液を酢酸エチルで希釈し、有機層を５％炭酸カリウム水溶液100ｍｌで洗浄し分液後、溶媒を留去した。残留物にジクロロメタン80ｍｌを加え結晶を析出させ、濾過し、乾燥して２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジオキソラン52.0ｇを得た。この結晶をＧＣ分析したところ99.8％の２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジオキソランと0.2％の４，４′−ジヒドロキシベンゾフェノンの存在が確認された。

[合成例２]
下記一般式（Ｇ２）で表されるジソジウム ３，３’−ジスルホネート−４，４’−ジフルオロベンゾフェノンの合成

４，４’−ジフルオロベンゾフェノン１０９．１ｇ（アルドリッチ試薬）を発煙硫酸（５０％ＳＯ_３）１５０ｍＬ（和光純薬試薬）中、１００℃で１０ｈ反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、ＮａＯＨで中和した後、食塩２００ｇを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、上記一般式（Ｇ２）で示されるジソジウム ３，３’−ジスルホネート−４，４’−ジフルオロベンゾフェノンを得た。純度は９９．３％であった。構造は^１Ｈ−ＮＭＲで確認した。不純物はキャピラリー電気泳動（有機物）およびイオンクロマトグラフィー（無機物）で定量分析を行った。

［合成例３］
下記一般式（Ｇ３）で表されるポリマーからなるポリエーテルケトン系高分子電解質膜の合成

炭酸カリウム６．９１ｇ、前記合成例１で得たイオン性基を有するジソジウム ３，３’−ジスルホネート−４，４’−ジフルオロベンゾフェノン７.３０ｇ、前記合成例２で得た加水分解性基を有する２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジオキソラン１０．３ｇ、４，４’−ジフルオロベンゾフェノン５．２４ｇを用いて、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）中、２１０℃で重合を行った。

得られたブロックポリマーを溶解させた２５重量％Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液を、ガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、１００℃にて４ｈ乾燥後、窒素下１５０℃で１０分間熱処理し、ポリケタールケトン膜を得た。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。９５℃で１０重量％硫酸水溶液に２４時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に２４時間浸漬して充分洗浄し、ポリエーテルケトン系高分子電解質膜を得た。

［実施例１−１］
合成例３で作成した高分子電解質膜４（サイズ：80mm×80ｍｍ）と、窓枠状部材３（外周サイズ：７１ｍｍ×７１ｍｍ、内周サイズ：４７ｍｍ×４７ｍｍ）としてＰＥＴ基材に緑色の斜線印刷が施されその表裏両面にアクリル系粘着層が形成された東京セロレーベル社製のコアスティックテープ（登録商標）（厚み：15μm）、ガス拡散電極（ＧＤＥ）であるアノード電極（サイズ：50mm×50mm）及びカソード電極（サイズ：50mm×50ｍｍ）（ガス拡散層１（ＳＧＬ社製 品番：２４ＢＣＨ）のマイクロポーラス層面に、田中貴金属社製の白金担持カーボン触媒（品番：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）とＤｕＰｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎディスパージョン（品番：Ｄ２０２１）を重量比１対１となるように配合したインクを調製し白金担持量がアノード側0.3mg/cm²、カソード側0.7ｍｇ/ｃｍ²となるように塗工して触媒層２を形成したもの）を図３（断面図）に示すように配置した。窓枠状部材と各電極の接触面積はアノード側１２％、カソード側１２％であった。１６０℃、５分、４．５ＭＰａの条件で、ホットプレスを行い、膜電極複合体を作製した。

上記のようにして複数の膜電極複合体を作成し、天井に蛍光灯を配し１０００Ｌｕｘの照度の下で膜電極複合体の電解質膜と窓枠状部材、ガス拡散層と窓枠状部材の各界面を目視により検査を行ったところ、全周において窓枠状部材と高分子電解質膜との境界線が明確に認識できる良品に加え、窓枠状部材の一部分がガス拡散層の下に入り込んでしまった状態の不良品を検出することができた。

［実施例１−２〜１−５］
電解質膜、窓枠状部材の材料を表１に記載の通り変更した以外は、実施例１-１と同じ条件にて膜電極複合体を製造した。天井に蛍光灯を配し１０００Ｌｕｘの照度の下で膜電極複合体の電解質膜と窓枠状部材、ガス拡散層と窓枠状部材の各界面を目視により確認したところ、全周において窓枠状部材と高分子電解質膜との境界線が明確に認識できる良品とは異なる、窓枠状部材の一部分がガス拡散層の下に入り込んでしまった状態の不良品を検出することができた。

なお、表中の略語は以下のとおりである。
PBT:ポリブチレンテレフタレート
PI：ポリイミド
PET:ポリエチレンテレフタレート
Nafion：デュポン社製パーフルオロスルホン酸系電解質膜
Nafion HP：デュポン社製パーフルオロスルホン酸系補強電解質膜

［実施例２−１］
合成例３で作成した高分子電解質膜４（サイズ：80mm×80mm）の両側に、アノード触媒付き転写シート（サイズ：50×50ｍｍ、Johnson Matthey社製市販品）、カソード触媒付き転写シート（サイズ：50×50ｍｍ、Johnson Matthey社製市販品）を配置し、160℃、4.5MPa、5minで加熱プレスして触媒層２を形成し、触媒層被覆電解質膜（ＣＣＭ）を作製した。

上記ＣＣＭと、窓枠状部材３としてＰＥＴ基材に緑色の斜線印刷が施されその表裏両面にアクリル系粘着層が形成された東京セロレーベル社製の「コアスティックテープ」（商品名、厚み：15μm）、ガス拡散層１であるアノード電極基材（サイズ：50mm×50ｍｍ、東レ社製“TGP-H-060”）及びカソード電極基材（サイズ：50mm×50ｍｍ、東レ社製“TGP-H-060”）を図４（断面図）に示すように配置した。窓枠状部材と各電極の接触面積はアノード側１２％、カソード側１２％であった。１６０℃、５分、４．５Ｍａの条件で、ホットプレスを行い、膜電極複合体を作製した。

天井に蛍光灯を配し１０００Ｌｕｘの照度の下で膜電極複合体の電解質膜と窓枠状部材、ガス拡散層と窓枠状部材の各界面を目視により確認したところ、複数の膜電極接合体の中には、全周において窓枠状部材と高分子電解質膜との境界線が明確に認識できる良品とは異なる、窓枠状部材の一部分がガス拡散層の下に入り込んでしまった状態の不良品を検出することができた。

［実施例２−２〜２−５］
電解質膜、窓枠状部材の材料を表２に記載の通り変更した以外は、実施例２−１と同じ条件にて製造した。天井に蛍光灯を配し１０００Ｌｕｘの照度の下で膜電極複合体の電解質膜と窓枠状部材、ガス拡散層と窓枠状部材の各界面を目視により確認したところ、複数の膜電極接合体の中には、全周において窓枠状部材と高分子電解質膜との境界線が明確に認識できる良品とは異なる、窓枠状部材の一部分がガス拡散層の下に入り込んでしまった状態の不良品を検出することができた。

１：ガス拡散層
２：触媒層
３：窓枠状部材
４：高分子電解質膜

Claims (9)

1. 高分子電解質膜と、
   前記高分子電解質膜の両側に配置されたガス拡散層と、
   前記高分子電解質膜と前記ガス拡散層との間に配置された、前記高分子電解質膜と前記ガス拡散層の外縁部との接触を防止する窓枠状部材を有する膜電極複合体であって、
   前記窓枠状部材は前記ガス拡散層の外周より全周において延出し、前記高分子電解質膜はさらに前記窓枠状部材の外周より全周において延出しており、
   かつ、前記窓枠状部材は、少なくとも前記ガス拡散層の外周より延出する部分を含む周縁部に、窓枠状部材と前記高分子電解質膜との境界線を識別可能にするための標識を有する膜電極複合体。
2. 前記標識が、さらに窓枠状部材と前記ガス拡散層との境界線を識別可能とするものである、請求項１に記載の膜電極複合体。
3. 前記標識が、1000luxの照度のもとで視認可能である、請求項１または２に記載の膜電極複合体。
4. 前記標識が、着色、模様またはこれらの結合からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の膜電極複合体。
5. 前記標識が、前記高分子電解質膜と前記窓枠状部材との境界線に対して一定間隔で交わるように形成された要素を有する模様を含む、請求項４に記載の膜電極複合体。
6. 前記模様が、前記高分子電解質膜と前記窓枠状部材との境界線に対して交わる角度で形成されたストライプ模様である、請求項５に記載の膜電極複合体。
7. 前記窓枠状部材が、その片面または両面に接着剤層を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の膜電極複合体。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の膜電極複合体を用いてなる燃料電池。
9. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両側に配置されたガス拡散層とを有する膜電極複合体において、前記高分子電解質膜と前記ガス拡散層の外縁部との接触を防止する窓枠状部材であって、少なくとも周縁部が標識されてなる窓枠状部材。
   

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