JP2016192400A - 膜構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池での使用に適した膜であって、耐久性および寸法安定性が増している、より低コストの膜の提供。
【解決手段】（ａ）イオン伝導性高分子材料を含む中央領域２と、（ｂ）中央領域２の周りにフレームを形成し、１つ以上の非イオン伝導性材料から成る境界領域３であって、１つ以上の非イオン伝導性材料の少なくとも１つが層を形成する、境界領域３と、を備え、境界領域３の非イオン伝導性材料は、０〜１０ｍｍの重なり領域４にて中央領域２のイオン伝導性高分子材料と重なり合っている、膜１。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜に関し、特に燃料電池での使用に適した膜に関する。

燃料電池は、電解質によって分離された２つの電極を備える電気化学電池である。水素またはメタノールやエタノールといったアルコール等の燃料が陽極に供給され、酸素または空気等の酸化体が陰極に供給される。電極にて電気化学反応が起こり、燃料および酸化体の化学エネルギーが電気エネルギーおよび熱に変換される。陽極での燃料の電気化学酸化および陰極での酸素の電気化学還元を促進するために電気触媒が使用される。

陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池において、電解質は固体高分子膜である。膜は、電子的に絶縁性であるが、イオン的に伝導性である。ＰＥＭ燃料電池において、膜は、陽子伝導性であり、陽極で生成された陽子は、膜を介して陰極に移送され、ここで酸素と結合して水を形成する。

ＰＥＭ燃料電池の主成分は、膜電極組立体（ＭＥＡ）として知られており、本質的に５つの層から成る。中央層は、高分子イオン伝導性膜である。イオン導電膜のいずれかの側に、特定の電気触媒反応のために設計された電気触媒を含有する電気触媒層がある。最後に、各電気触媒層の近傍にガス拡散層がある。ガス拡散層は、反応物が電気触媒層に到達することを許容し、電気化学反応によって生成された電流を伝えるものでなければならない。そのため、ガス拡散層は、多孔性および電気伝導性でなければならない。

従来、ＭＥＡは、中央高分子イオン伝導性膜がＭＥＡの縁まで延び、ガス拡散層および電気触媒層の面積が膜よりも小さく、ＭＥＡの周囲の周りにイオン伝導性膜のみを含むエリアがあるように構成される。電気触媒が存在しないエリアは、非電気化学活性領域である。典型的には非イオン伝導性ポリマーから形成されるフィルム層が、ＭＥＡの縁をシールし、および／または補強するために、電気触媒が存在しないイオン伝導性膜の露出表面上のＭＥＡの縁領域の周りに概ね位置決めされる。フィルム層の一方または両方の表面上に接着性の層が存在しても良い。

したがって、膜で使用されている高分子イオン伝導性材料の大部分は、電気化学活性領域を超えて、非電気化学活性領域の中に、しばしば最大で数センチメートルまで延びている。低幾何学的領域ＭＥＡにおいて、この非電気化学活性領域は、全ＭＥＡ幾何学的領域の５０％も寄与することができる。電気化学活性領域を超えて延びる膜は、活性および性能に寄与しない。高分子イオン伝導性膜は、燃料電池の構成要素の中で最も高価なものの１つであり、燃料電池の商業成立性を高めるために燃料電池のコストを減少させる必要がある。

本発明の目的は、従来技術の膜よりも耐久性および寸法安定性が増している、より低コストの膜、特に燃料電池のための膜を提供することにある。更なる目的は、ＭＥＡの中に組み込まれたときに、改良された性能を発揮する膜を提供することにある。

そこで、本発明は、燃料電池での使用に適した膜であって、
（ａ）イオン伝導性高分子材料を含む中央領域と、
（ｂ）中央領域の周りにフレームを形成し、１つ以上の非イオン伝導性材料から成る境界領域であって、１つ以上の非イオン伝導性材料の少なくとも１つが層を形成する、境界領域と、を備え、
境界領域の非イオン伝導性材料は、０〜１０ｍｍの重なり領域にて中央領域のイオン伝導性高分子材料と重なり合っている、膜を提供する。

中央領域は、１つ以上のイオン伝導性高分子材料の膜を備えており、電気化学電池の中で使用された際に電気化学活性領域に対応する。中央領域に２つ以上の層が存在するとき、各層は、同一の、または異なるイオン伝導性高分子材料でも良い。好適なイオン伝導性高分子材料には、陽子伝導性ポリマーまたはヒドロキシル陰イオン伝導性ポリマー等の陰イオン伝導性ポリマーが含まれる。好適な陽子伝導性ポリマーの例には、過フッ化スルホン酸アイオノマー（ＰＦＳＡ）（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）（Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏ．）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）（旭化成）、Ａｑｕｉｖｉｏｎ（商標）（Ｓｏｌｖａｙ Ｓｏｌｅｘｉｓ ＳｐＡ）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）（旭硝子）、Ｆｕｍｉｏｎ（登録商標）Ｆシリーズ（ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ））、または炭化水素ポリマー（例えば、ポリアリーレン・スルホン酸（ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ）またはリン酸含浸ポリベンゾイミダゾール）をベースとするＦｕｍｉｏｎ（登録商標）Ｐシリーズ）から製造されたアイオノマーが含まれる。好適な陰イオン伝導性ポリマーの例には、株式会社トクヤマ製のＡ９０１およびＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨのＦｕｍａｓｅｐ ＦＡＡが含まれる。

イオン伝導性高分子材料は、引裂き強度の増大や、加水および脱水時の寸法変化の減少といった改良された機械的特性を提供するために、典型的には全体がイオン伝導性高分子材料の中に埋設された補強を含んでいても良い。使用される補強の例には、しばしば逆相分離およびこれに続く延伸によって形成されるノードおよびフィブリル構造を持つ織物、電気紡糸織物（ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｕｎ ｗｅｂ）、および不織繊維織物が含まれている。好ましい補強は、限定される訳ではないが、米国特許第６，２５４，９７８号，欧州特許第０８１４８９７号および米国特許第６，１１０，３３０号に記載されたようなポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフルオロポリマーの多孔質織物もしくは繊維、またはＰＥＥＫ、ポリエチレンまたはポリイミドベースの繊維等の代替の材料をベースとするものでも良い。

境界領域は、１つ以上の非イオン伝導性材料から成り、１つ以上の非イオン伝導性材料の少なくとも１つが、層（またはフィルム）を形成する。非イオン伝導性材料の２つ以上の層（またはフィルム）が存在する場合、各層は、同一の、または異なる非イオン伝導性材料でも良い。非イオン伝導性材料は、熱可塑性、熱硬化性、または架橋ポリマー、ゴム、エラストマー、または熱可塑性エラストマーから成る群から選択された高分子材料でも良い。境界領域で使用され得る特定の材料の例には、（ｉ）炭化水素ポリマー、（ｉｉ）フルオロカーボンポリマー、（ｉｉｉ）エラストマーおよび熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）を含むゴム（天然または合成）、（ｉｖ）熱硬化（熱、化学反応、ＵＶもしくは電子ビームもしくは他の放射線源等の放射線、または湿気、または重合化による架橋／硬化または重合化（例えば、モノマー、オリゴマーの反応））がある。使用され得るそのような材料の特定の例は、当業者に知られている。

３つ以上の非イオン伝導性材料の層が境界領域に存在する場合、１つ以上のこれらの層は、層の結合を助けるために接着性の層でも良い。接着性の層は、熱可塑物または樹脂（例えば、炭化水素ポリマー、フルオロカーボンポリマー）、エラストマー、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）を含むゴム（天然または合成）、感圧接着剤、ホットメルト接着剤、および熱硬化（熱、化学反応、ＵＶもしくは電子ビームもしくは他の放射線源等の放射線、または湿気、または重合化による架橋／硬化または重合化（例えば、モノマー、オリゴマーの反応））から成る群から選択され得る。

境界領域は、また、非イオン伝導性補強構造、例えば、しばしば逆相分離およびこれに続く延伸によって形成されるノードおよびフィブリル構造を持つ高分子織物、または、無機もしくは高分子電界紡糸織物、不織繊維織物、織製繊維織物または短繊維もしくはガラス繊維、または、粒状充填剤（例えば、カーボンブラックまたはヒュームドシリカ）を備えていても良い。

追従性の（またはガスケット）層が、境界領域の一方または両方の平面状表面の上に配置されていても良い。追従性の層は、荷重または力を受けたときに変形することができる層である。変形は、好ましくは永久的ではなく、荷重または力が取り除かれたとき、追従性の層はその非変形状態に復帰する。追従性の層の目的は、燃料電池の一部の場合、境界領域の表面と燃料電池プレートの表面との間で力を伝達することであり、追従性の層は、また、境界領域と燃料電池プレートとの間の空間または平らでない表面を充填し、圧縮下での漏洩を防止する。追従性の層は、境界領域の外側表面の全部または一部に適用され得る。追従性の層は、エラストマーを含むゴム（天然または合成）および熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）から成る群から選択され得る。追従性の層に使用される特定の材料の例には、（ｉ）エラストマーを含むゴム（天然または合成）、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）、および（ｉｉ）熱可塑物または樹脂が含まれる。追従性の層は、また、剛性／弾性を調整する粒状充填剤（例えば、カーボンブラックまたはヒュームドシリカ）で補強されていても良い。

好適には、境界領域の非イオン伝導性材料は、０〜５ｍｍ、より好適には０〜２ｍｍ、より好適には０〜１．５ｍｍ、好ましくは０〜１ｍｍ、および最も好ましくは０ｍｍ（すなわち、重なり合いがなく、したがって重なり領域がない）の重なり領域にて中央領域のイオン伝導性高分子材料と重なり合っている。１つの実施形態において、境界領域が中央領域に重なっている量は、重なり領域の全周にわたって同一である。代替の実施形態においては、境界領域が中央領域に重なっている量は、重なり領域の周囲にわたって可変であり、例えば、幾つかの点では重なりが０ｍｍであり、他の点では重なりが１０ｍｍの場合がある。特に、隅部領域では、マニフォールド（ポーティング）サイトの位置決めに起因して重なりが変化し得る。

境界領域が中央領域に重なり合う場合、重なりは、中央領域のイオン伝導性高分子材料の一方の面の上にのみ生じている場合がある、または、境界領域は、中央領域のイオン伝導性高分子材料の両方の面の上で重なり合っている、すなわち、境界領域が中央領域のイオン伝導性高分子材料を被包している場合がある。

境界領域は、接着性または粘着性で中央領域に結合され得る。「接着性にて結合された」とは、中央および／または境界領域の一方または両方の関連部分に接着剤が付与され、接着剤を硬化し、および／または固めて構造特性を発現させ、中央および境界領域の両方の表面に結合を形成しながら、２つの構成要素（中央および境界領域）を一緒に保持することによってジョイントが形成されることを意味する。「粘着性にて結合された」とは、中央領域と境界領域とが、２つの構成要素の間の分子間引力によって、第三の構成要素（例えば、接着剤）の存在を必要とせずに、一緒に保持されることを意味する。そのような分子間反応は、典型的には、結合すべき領域を加熱することによって達成される。

本発明の膜は、境界および重なり領域で使用される非イオン伝導性材料のタイプに応じて、多くの異なる方法によって製造され得る。一般に、１つ以上のイオン伝導性材料の層を備えるフィルムが形成される。例えば、印刷（スクリーン、転写、グラビア、インクジェット、等）、成形、押出、鋳造、浸漬、はけ塗り、吹付け、または噴射、またはパウダー塗装によって、非イオン伝導性材料を付与して、中央領域のイオン伝導性高分子材料の周囲の周りに境界および重なり領域を形成し、所望の形体を形成する。

代替の方法においては、１つ以上の非イオン伝導性材料の層を備えるフィルムが製造され、「写真フレーム」形状に切断される。そして、写真フレームは、１つ以上のイオン伝導性高分子材料の層のフィルムの縁に溶接され、溶融され、接着または積層されて、所望の形体が形成される。１つ以上の非イオン伝導性材料の層の写真フレームは、中央領域のイオン伝導性材料の両面に付与されて、中央領域のイオン伝導性高分子材料を被包する境界領域を生成するようにしても良い。膜を製造するこの代替の方法は、それ自身極めて便利に連続製造ベースでの膜の高容量製造に適している。

本発明の１つの実施形態においては、単一の補強が、膜の中央および境界領域の両方の至る所にわたって延びている。膜の中央および境界領域の両方にわたって延びる織製、不織、または微孔性の層を備える単一の補強が、増大された機械的強度および耐性を膜に付与するために使用され得る。この構造は、非イオン伝導性材料およびイオン伝導性高分子材料を、補強の適切な部分の中に含浸し、成形し、鋳造し、または堆積（噴霧、噴射、または印刷）して、境界、重なり、および中央領域を形成することによって形成され得る。

本発明の膜は、イオン伝導性膜を必要とするいずれの電気化学装置においても使用され得る。したがって、本発明の更なる態様は、上述した膜を備える電気化学装置を提供する。或いは、上述した膜の電気化学装置における使用が提供される。本発明の好ましい実施形態においては、燃料電池にて膜が使用される。したがって、本発明の更なる態様は、燃料電池の構成要素を提供し、構成要素は本発明の膜を備える。

本発明の更なる実施形態においては、電気触媒層が中央領域の一方または両方の面に提供され、触媒被覆膜が提供され得る。電気触媒層は、中央領域の全体が電気化学活性エリアとなるように、膜の中央領域の全体を被う。膜の中央領域の全体が電気触媒で被覆されることを意図しているが、ある種の状況においては、電気触媒を持っていない、中央領域の縁の小さなエリアが存在する場合がある。そのような触媒被覆膜は、依然として本発明の範囲内である。電気触媒層は、さらに、最大１０ｍｍまで重なり領域の中に延びている場合があり、または、境界領域の中に重なり領域がなく（重なりが０ｍｍ）、しかしながら、重なり領域内の電気触媒層は、電気化学的に活性ではなく、電気化学反応に加わらない。電気触媒層が重なり領域の中に延びていれば、非イオン伝導性材料の露出表面上に電気触媒層が存在する。電気触媒層は、細かく分割された非担持金属パウダー、または、電気的に伝導性の粒状炭素材料のようなサポートの上に小さな金属粒子が分散された担持触媒であり得る。電気触媒金属は、好適には、
（ｉ）白金族金属（白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、およびオスミウム）
（ｉｉ）金または銀
（ｉｉｉ）卑金属
または、これらの金属またはそれらの酸化物の１つまたはより多くを含む合金または混合物から選択される。好ましい電気触媒は白金であり、他の貴金属または卑金属と合金化されていても良い。電気触媒が担持触媒の場合、炭素担持材料上の金属粒子の荷重は、好適には、得られた電気触媒の重量の１０〜９０ｗｔ％の範囲であり、好ましくは１５〜７５ｗｔ％の範囲である。

電気触媒層は、好適には、層内のイオン伝導性を改良するために含められた、イオン伝導性高分子材料のような、他の構成要素を含んでいても良い。

本発明の他の更なる実施形態は、上述した膜または触媒被覆膜を備えるＭＥＡを提供する。ＭＥＡは、多くの方法で作られるが、本質的に
（ｉ）中央領域、境界領域、および重なり領域を有する本発明の膜であって、境界領域が０〜１０ｍｍだけ中央領域に重なっている、膜と、
（ｉｉ）２つの電気触媒層（上述）であって、１つが中央領域の各面上にあり、重なり／境界領域の中に随意に延びている、電気触媒層と、
（ｉｉｉ）２つのガス拡散層（１つは陽極で、１つは陰極）であって、１つが各電気触媒層上にある、ガス拡散層とを備える。

ＭＥＡを構成する際には、ＣＣＭ（触媒被覆膜）ルートを用いて、電気触媒層が最初に膜に付与され、続いてガス拡散層と結合されるか、または、ＣＣＤＬ（触媒被覆拡散膜）ルートを用いて、電気触媒層が最初にガス拡散層に付与され、続いて膜と結合されるか、または、２つの組み合わせを用いる（すなわち、ＭＥＡの一方の側がＣＣＭルートを用い、他方の側がＣＣＤＬルートを用いる）ことができる。ＭＥＡがＣＣＤＬを用いて形成されるか、またはＣＣＭおよびＣＣＤＬの組み合わせを用いて形成される場合、ＣＣＤＬ上の電気触媒層は、膜の中央領域と同じ面積か、またはより大きな面積であり得る。中央領域よりも大きい場合、上述したＣＣＭに関しては同様の寸法が適用される。

本発明の膜を備えるＭＥＡは、従来の膜を備えるＭＥＡに対して、１つ以上の利点を提供し得る。例えば、境界領域の非イオン伝導性材料は、好ましくは、中央領域のイオン伝導性高分子材料よりも堅く且つ機械的に安定した材料である。これは、ＭＥＡの周囲の周りに、ＭＥＡがその上でシールされ得る堅い境界領域を提供し、気密性シールを提供し、それに続く組立てプロセスを助け、構成要素材料のハンドリングおよび配置に関する現在の問題が解決される。さらに、境界領域の存在が、膜の中央領域のイオン伝導性高分子材料から水が抜け出ることを防止し、これにより、中央領域が乾いて機能しなくなることがない。従来のＭＥＡにおいては、イオン伝導性高分子材料がＭＥＡの縁まで延びており、境界領域から水が漏出して、電気化学活性領域にて膜が乾燥する可能性がある。電気化学活性領域内のイオン伝導性高分子材料は、効果的に機能するために水の存在に依拠しており、膜の乾燥は性能を大幅に低下させる。さらに、ＭＥＡの非電気化学活性領域にて使用される高価なイオン伝導性高分子材料の無駄が最小限である。

陽極および陰極ガス拡散層は、従来のガス拡散基板を好適にベースとしている。典型的な基板は、炭素繊維網および熱硬化樹脂バインダー（例えば、日本の東レ株式会社が提供する炭素繊維紙のＴＧＰ−Ｈシリーズ、または、ドイツのＦｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ ＦＣＣＴ ＫＧが提供するＨ２３１５シリーズ、または、ドイツのＳＧＬ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＧｍｂＨが提供するＳｉｇｒａｃｅｔ（登録商標）シリーズ、または、Ｂａｌｌａｒｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．が提供するＡｖＣａｒｂ（登録商標）シリーズ）を備える不織紙または織物、或いは織製炭素布を含む。炭素紙、織物、または布は、ぬれ性（親水性）を高めるために、または、防湿性（疎水性）を高めるために、ＭＥＡに組み込まれる前に更なる処理を受けることもできる。いずれの処理の特質も、燃料電池のタイプおよび使用時の動作状態に依存する。基板は、液体懸濁液からの含浸を介したアモルファスカーボンブラックのような材料の組み込みによってぬれ性を高めることができ、または、基板の孔構造にＰＴＦＥまたはポリフルオロエチレンプロピレン（ＦＥＰ）のようなポリマーのコロイド懸濁液を含浸し、次いでポリマーの融点よりも高い温度で乾燥および加熱して、疎水性を高めることができる。ＰＥＭＦＣ等の適用において、微孔性層がまた、ガス拡散基板の、電気触媒層に接触する面の上に付与される。微孔性層は、典型的には、カーボンブラック、およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなポリマーの混合物を含む。

本発明の膜、触媒被覆膜またはＭＥＡは、さらに添加物を含んでいても良い。添加物は、膜、触媒被覆膜、またはＭＥＡの内部に存在し、或いは、触媒被覆膜またはＭＥＡの場合、各種の層および／または１つ以上の層の間の１つ以上の界面に存在し得る。

添加物は、過酸化水素分解触媒、ラジカルスカベンジャー、フリーラジカル分解触媒、自己再生型酸化防止剤、水素供与体（Ｈ−ドナー）、一次酸化防止剤、フリーラジカルスカベンジャー二次酸化防止剤、酸素吸収剤（酸素スカベンジャー）から成る群から選択された１つ以上のものであり得る。これらの異なる添加物の例は、ＷＯ２００９／０４０５７１およびＷＯ２００９／１０９７８０で見ることができる。好ましい添加物は、二酸化セリウム（セリア）である。

本発明の他の更なる特徴は、上述した膜、触媒被覆膜、またはＭＥＡを備える燃料電池を提供する。本発明の好ましい実施形態においては、燃料電池はＰＥＭ燃料電池である。

ＰＥＭ燃料電池について記述されたすべての実施形態は、ＰＥＭ電気分解装置のＭＥＡに対して同様に適用される。これらのＰＥＭ電気分解装置においては、陰極および陽極のそれぞれで、装置に供給された水が水素および酸素に分解されるように、膜電極組立体にわたって電圧が印加される。ＭＥＡは、ＩｒおよびＲｕベースの材料を陽極にというように、ＰＭＥ燃料電池とは異なる触媒構成要素を必要とする場合があるが、その他は燃料電池で使用されるＭＥＡと構造が非常に似ている。

以下、本発明について図面を参照してさらに説明するが、これは純粋に例示であり、本発明の限定を意図するものではない。

本発明の膜の平面図。 本発明の膜の側面図。 重なり領域の拡大図。 重なり領域の拡大図。 重なり領域がない場合の拡大図。 重なり領域が存在する場合の本発明の触媒被覆膜の一部の拡大側面図。 重なり領域が存在する場合の本発明の触媒被覆膜の一部の拡大側面図。 重なり領域が存在しない場合の本発明の触媒被覆膜の一部の拡大側面図。 重なり領域が存在しない場合の本発明の触媒被覆膜の一部の拡大側面図。

図１は、本発明の膜の平面図である。膜（１）は、イオン伝導性高分子材料を含む中央領域（２）、および中央領域（２）の周りにフレームを形成し、非イオン伝導性材料を含む境界領域（３）を備える。境界領域（３）の非イオン伝導性材料は、中央領域（２）のイオン伝導性高分子材料と０〜１０ｍｍだけ重なり合って重なり領域（４）を形成し、重なり領域（４）は、イオン伝導性高分子材料および非イオン伝導性材料の両方を含む。イオン伝導性高分子材料および非イオン伝導性材料は、接着性または粘着性にて結合されている。

図２ａは、上記図１に記載の本発明の膜の側面図を示している。

図２ｂは、重なり領域（４）の拡大図を示しており、境界領域（３）の非イオン伝導性材料が、中央領域（２）のイオン伝導性高分子材料と、中央領域（２）の一方の面のみで重なり合っている。

図２ｃは、重なり領域（４）の拡大図を示しており、境界領域（３）の非イオン伝導性材料が、中央領域（２）のイオン伝導性高分子材料と、中央領域（２）の両面で重なり合っている。

図２ｄは、拡大図を示しており、境界領域（３）の非イオン伝導性材料が、中央領域（２）のイオン伝導性高分子材料と重なり合っておらず、そのため、重なり領域がない（重なりが０ｍｍ）。

図３ａは、本発明の触媒被覆膜の一部の側面図を示している。中央領域（２）は、イオン伝導性高分子材料を含み、境界領域（３）は、非イオン伝導性材料を含む。境界領域（３）の非イオン伝導性材料は、中央領域（２）の少なくとも一方の面上で、最大１０ｍｍまでイオン伝導性高分子材料と重なり合って、重なり領域（４）を形成している。電気触媒層（５）は、中央領域の少なくとも一方の面に付与されており、電気触媒層（５）の面積は中央領域（２）と同一であり、中央領域（２）の全体を被覆している。

図３ｂは、図３ａに関して説明したものと同様の触媒被覆膜の一部の側面図を示している。しかしながら、電気触媒層（５）の面積は中央領域（２）よりも大きく、最大１０ｍｍまで重なり領域（４）の中に延びている。図３ｂでは、中央領域（２）のイオン伝導性高分子材料および境界領域（３）の非イオン伝導性材料の外面上に電気触媒層（５）が存在する。重なり領域（４）の中に延びる電気触媒層（５）は、触媒被覆膜が燃料電池の中に組み込まれたとき、電気化学反応に貢献しない。

図４ａおよび図４ｂは、イオン伝導性高分子材料を含む中央領域（２）および非イオン伝導性材料を含む境界領域（３）を有する本発明の触媒被覆膜の一部の側面図を示す。境界領域（３）の非イオン伝導性材料は、中央領域（２）のイオン伝導性高分子材料と重なり合っておらず、重なり領域が存在しない。図４ａにおいて、電気触媒層（５）は、中央領域（２）と同じ面積であり、中央領域（２）が電気触媒層（５）によって完全に被覆されている。図４ｂにおいて、電気触媒層（５）の面積は中央領域（２）よりも大きく、境界領域（３）の一部が電気触媒層（５）によって被覆されている。好適には、電気触媒層（５）は、境界領域（３）の中まで、最大１０ｍｍだけ延びている。境界領域（３）の中に延びる電気触媒層（５）は、触媒被覆膜が燃料電池の中に組み込まれたとき、いかなる電気化学反応にも貢献しない。

イオン伝導性高分子材料を含む中央領域および非イオン伝導性材料を含む境界領域を有する膜が、以下の方法によって準備された。

非イオン伝導性材料のフィルムが、非イオン伝導性材料の平面シートから、写真フレーム形状に切り取られた。非イオン伝導性フィルムは、１２μｍＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル）／１２μｍＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）／１２μｍＥＶＡを備える３層シート、または、１２μｍＥＶＡ／１２μｍＰＥＴを備える２層シートのいずれかであった。フレームの窓の内部寸法は４５ｍｍ×４５ｍｍであり、外部寸法は７０ｍ×７０ｍｍであった。

非イオン伝導性材料のそれぞれの２つの写真フレーム形状フィルムは、拡張ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）補強のポリフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）イオン伝導性高分子材料（３０μｍまたは１７μｍのいずれかの厚さ）のいずれかの側に配置された。２層非イオン伝導性シートの場合、ＥＶＡ層が互いに向き合うようにフレームが位置決めされた。ＰＦＳＡシートの寸法は、非イオン伝導性高分子材料のフレームの開口よりも僅かに大きく、非イオン伝導性材料が、ＰＦＳＡイオン伝導性材料に、各側にて平均３ｍｍだけ重なり合うようにした。

加圧および昇温の下で、非イオン伝導性材料内のＥＶＡ層が流れ、これによりイオン伝導性ＰＦＳＡ材料の縁が完全に包囲されるようにして、組立体が積層形成された。中央領域、境界領域、重なり領域を持つ膜が得られた。

Claims (10)

1. 燃料電池での使用に適した膜であって、
   （ａ）イオン伝導性高分子材料を含む中央領域と、
   （ｂ）前記中央領域の周りにフレームを形成し、１つ以上の非イオン伝導性材料から成る境界領域であって、前記１つ以上の非イオン伝導性材料の少なくとも１つが層を形成する、境界領域と、を備え、
   前記境界領域の前記非イオン伝導性材料は、０〜１０ｍｍの重なり領域にて前記中央領域の前記イオン伝導性高分子材料と重なり合っている、膜。
2. 前記境界領域の前記非イオン伝導性材料は、前記中央領域の前記イオン伝導性高分子材料の一方の面のみに重なり合っている、請求項１に記載の膜。
3. 前記境界領域の前記非イオン伝導性材料は、前記中央領域の前記イオン導電性高分子材料の両方の面に重なり合っている、請求項１に記載の膜。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の膜および前記膜の前記中央領域の一方または両方の面に設けられた電気触媒層を備える触媒被覆膜。
5. 前記電気触媒層は前記重なり領域の中に最大１０ｍｍまで延びている、請求項４に記載の触媒被覆膜。
6. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の膜を備える膜電極組立体。
7. 請求項４または５に記載の触媒被覆膜を備える膜電極組立体。
8. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の膜を備える燃料電池。
9. 請求項４または５に記載の触媒被覆膜を備える燃料電池。
10. 請求項６または７に記載の膜電極組立体を備える燃料電池。

Images