JP5190610B2 - 膜電極接合体とその製造方法および燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、膜電極接合体とその製造方法および燃料電池に関する。

燃料電池に用いられる膜電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）は、電解質膜の両面に、触媒層やガス拡散層を積層することで構成されている。ガス拡散層を有する膜電極接合体のことを特にＭＥＧＡともいう。膜電極接合体に関し、例えば、特許文献１には、触媒層に体積膨張材（例えば、水）を含ませ、この体積膨張材を膨張させることで、膜電極接合体を解体する技術が開示されている。

しかし、このような技術では、膜電極接合体の解体によって触媒層が損傷してしまうため、膜電極接合体を構成部品毎に交換して修理を行うといったことは困難であった。

特開２００９−３２４５８号公報 特開２００７−３５６１２号公報 特開２００５−２０９４７９号公報 特開２００８−２３５１５９号公報

上述の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、ＭＥＡやＭＥＧＡといった膜電極接合体の構成部品の交換を容易に行うことが可能な技術を提供することである。

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なされたものであり、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］膜電極接合体であって、電解質層と、触媒層と、前記電解質層および前記触媒層の間に配置され、電解質が含浸された部材と、を備え、前記部材の周縁部の少なくとも一部が、前記電解質層および前記触媒層の周縁部よりも外側に露出している、膜電極接合体。
このような構成であれば、電解質が含浸された部材の露出した部分を起点として、電解質層、あるいは、触媒層を、この部材から容易に剥離することができる。そのため、電解質層や触媒層の交換を容易に行うことが可能になる。なお、電解質が含浸された部材としては、電解質が含浸された多孔性部材や、電解質膜を適用することが可能である。この電解質膜としては、上記電解質層とは異なる材料のものが好ましい。

［適用例２］適用例１に記載の膜電極接合体であって、前記部材の、前記電解質層および前記触媒層の周縁部よりも外側に露出した部分に、タブ部が設けられている、膜電極接合体。
このような構成であれば、タブ部を用いて容易に電解質層あるいは触媒層を剥離することができる。

［適用例３］適用例２に記載の膜電極接合体であって、前記タブ部は、前記膜電極接合体からカソードオフガスが排出される部位付近に設けられている、膜電極接合体。
このような構成であれば、ラジカル劣化の起きにくいカソードオフガス排出部付近からタブ部を用いて剥離を行うことができるので、剥離作業を容易に行うことが可能になる。

［適用例４］適用例１から適用例３までのいずれか一項に記載の膜電極接合体であって、前記部材が、前記電解質層と前記触媒層との間に複数設けられている、膜電極接合体。
このような構成であれば、複数の部材の間から剥離を行うことができるので、電解質層や触媒層を容易に交換することが可能になる。

［適用例５］適用例１から適用例４までのいずれか一項に記載の膜電極接合体であって、
前記電解質層と前記触媒層の少なくとも一方の弾性率が５００ＭＰａ以上である、膜電極接合体。
このような構成であれば、電解質層や触媒層を変形しにくくすることができるので、これらの剥離を容易に行うことが可能になる。

［適用例６］膜電極接合体であって、電解質層と、触媒層と、ガス拡散層と、前記触媒層と前記ガス拡散層との間に配置され、導電性を有する部材と、を備え、前記部材の周縁部の少なくとも一部が、前記触媒層および前記ガス拡散層の周縁部よりも外側に露出している、膜電極接合体。
このような構成であれば、導電性を有する部材の露出した部分を起点として、触媒層、あるいは、ガス拡散層をこの部材から容易に剥離することができる。そのため、触媒層やガス拡散層の交換を容易に行うことが可能になる。なお、導電性を有する部材としては、例えば、導電性を有する多孔性部材を適用することが可能である。

［適用例７］適用例６に記載の膜電極接合体であって、前記部材の、前記触媒層および前記ガス拡散層の周縁部よりも外側に露出した部分に、タブ部が設けられている、膜電極接合体。
このような構成であれば、タブ部を用いて容易に電解質層あるいは触媒層を剥離することができる。

［適用例８］適用例６または適用例７に記載の膜電極接合体であって、前記部材が、前記触媒層と前記ガス拡散層との間に複数設けられている、膜電極接合体。
このような構成であれば、複数の部材の間から剥離を行うことができるので、触媒層やガス拡散層を容易に交換することが可能になる。

［適用例９］電解質層と触媒層とを備える膜電極接合体の製造方法であって、前記電解質層と前記触媒層との間に、少なくとも一部が前記電解質層および前記触媒層の周縁部よりも外側に露出する部材を配置する工程と、前記部材に電解質を含浸させる工程と、を備える製造方法。
このような製造方法であれば、電解質層や触媒層の交換を容易に行うことが可能になる膜電極接合体を提供することが可能になる。

［適用例１０］電解質層と触媒層とガス拡散層とを備える膜電極接合体の製造方法であって、前記触媒層と前記ガス拡散層との間に、少なくとも一部が前記触媒層および前記ガス拡散層の周縁部よりも外側に露出する導電性部材を配置する工程を備える製造方法。
このような製造方法であれば、触媒層やガス拡散層の交換を容易に行うことが可能になる膜電極接合体を提供することが可能になる。

［適用例１１］適用例１から適用例８までのいずれか一項に記載の膜電極接合体と、前記膜電極接合体に隣接したセパレータと、を備える燃料電池。
このように、本発明は、膜電極接合体としての態様以外にも、燃料電池として構成することが可能である。

第１実施例としての膜電極接合体の概略構成を示す部分断面図である。 膜電極接合体の分解斜視図である。 セパレータに膜電極接合体が組み込まれた様子を示す図である。 拡散層に多孔性部材を貼り合わせる方法を示す図である。 触媒層に多孔性部材を貼り合わせる方法を示す図である。 電解質層に多孔性部材を貼り合わせる方法を示す図である。 交流インピーダンス法による抵抗値の測定結果を示すグラフである。 第２実施例としての膜電極接合体の概略構成を示す部分断面図である。 電解質層と触媒層との間に多孔性部材を配置する方法を示す説明図である。 電解質層と触媒層との間に多孔性部材を配置する第２の方法を示す説明図である。 電解質層と触媒層との間に多孔性部材を配置する第３の方法を示す説明図である。 電解質層と触媒層との間に多孔性部材を配置する第４の方法を示す説明図である。 電解質層と触媒層との間に多孔性部材を配置する第５の方法を示す説明図である。 第３実施例としての膜電極接合体の概略構成を示す部分断面図である。 第４実施例としての膜電極接合体の概略構成を示す部分断面図である。 第５実施例としての膜電極接合体の概略構成を示す部分断面図である。 第６実施例としての膜電極接合体の概略構成を示す部分断面図である。 触媒層と拡散層との間に多孔性部材を配置する方法を示す説明図である。 第７実施例としての膜電極接合体の概略構成を示す部分断面図である。 第８実施例としての膜電極接合体の概略構成を示す部分断面図である。 第９実施例としての膜電極接合体の概略構成を示す部分断面図である。 第１の変形例としての膜電極接合体の概略構成を示す部分断面図である。 第２の変形例としての膜電極接合体の態様を示す図である。

・第１実施例：
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ種々の実施例に基づき説明する。
図１は、本発明の第１実施例としての膜電極接合体１００の概略構成を示す部分断面図である。本実施例の膜電極接合体１００は、電解質層１０と、電解質層１０の一方の面側に配置されたカソード触媒層２０およびカソード拡散層３０と、電解質層１０の他方の面側に配置されたアノード触媒層４０およびアノード拡散層５０と、を備えている。電解質層１０とカソード触媒層２０とは、２枚の多孔性部材１５ａ，１５ｂを介して隣接しており、カソード触媒層２０とカソード拡散層３０とは、２枚の多孔性部材１５ｃ，１５ｄを介して隣接している。また、電解質層１０とアノード触媒層４０とは、２枚の多孔性部材１５ｅ，１５ｆを介して隣接しており、アノード触媒層４０とアノード拡散層５０とは、２枚の多孔性部材１５ｇ，１５ｈを介して隣接している。なお、以下では、多孔性部材１５ａ〜１５ｈのことを、まとめて多孔性部材１５という場合がある。また、カソード触媒層２０およびアノード触媒層４０を、単に、「触媒層」といい、カソード拡散層３０およびアノード拡散層５０を、単に、「拡散層」という場合がある。

電解質層１０は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質（以下、「アイオノマ」ともいう）から生成されている。具体的には、フッ素系スルホン酸高分子樹脂から作製された固体高分子電解質膜（例えば、ナフィオン（デュポン社の登録商標））を用いることができる。触媒層２０，４０は、白金や白金合金等の触媒を担持したカーボン粒子とアイオノマとを含んでいる。拡散層３０，５０は、ガス透過性を有するとともに導電性を有する材料で形成されている。拡散層３０，５０の材料としては、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスなどの炭素系多孔質体や、金属メッシュ、発泡金属などの金属多孔質体を用いることができる。

多孔性部材１５は、薄膜状の補強部材であり、例えば、厚みが２μｍ、気孔率が９０％のＰＴＦＥ樹脂フィルムにアイオノマと触媒とを含浸することで生成することができる。本実施例では、多孔性部材１５の気孔率は、拡散層３０，５０の気孔率よりも大きい気孔率となっている。なお、本実施例では、多孔性部材１５ａ〜１５ｈのすべてに、アイオノマと触媒とが含浸されていることとするが、電解質層１０と触媒層２０との間に配置される多孔性部材１５ａ，ｂ，ｅ，ｆには、アイオノマだけが含浸されていてもよい。また、触媒層２０，４０と拡散層３０，５０との間に配置される多孔性部材１５ｃ，１５ｄ，１５ｇ，１５ｈは、導電性を有していれば、アイオノマおよび触媒は含浸されていなくてもかまわない。

多孔性部材１５の周縁部ＭＡは、電解質層１０、カソード触媒層２０、カソード拡散層３０、アノード触媒層４０、および、アノード拡散層５０の周縁部よりも外側に向けて延長されている。つまり、膜電極接合体１００を上面あるいは下面から見た場合に、多孔性部材１５の周囲は、電解質層１０、カソード触媒層２０、カソード拡散層３０、アノード触媒層４０、および、アノード拡散層５０から外側に露出している。

本実施例の膜電極接合体１００は、上記のように、各構成部品（電解質層１０、カソード触媒層２０、カソード拡散層３０、アノード触媒層４０、および、アノード拡散層５０）のそれぞれの境界に、多孔性部材１５が２組ずつ配置されている。そのため、２組の多孔性部材１５の間を剥離することで、膜電極接合体１００の構成部品を部品単位で容易に交換することが可能になる。

図２は、膜電極接合体１００の分解斜視図である。また、図３は、セパレータ２００に膜電極接合体１００が組み込まれた様子を示す図である。セパレータ２００の周縁部には、膜電極接合体１００のカソード側に酸化ガスとしての空気を供給するための空気供給用開口部２１６と、カソード側からカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出用開口部２１４と、膜電極接合体１００のアノード側に燃料ガスとしての水素を供給するための水素供給用開口部２１０と、アノード側からアノードオフガスを外部に排出するためのアノードオフガス排出用開口部２１２と、背面同士が隣接する２つのセパレータ２００間に冷却水を供給するための冷却水供給用開口部２１８と、この冷却水を排出するための冷却水排出用開口部２２０と、が形成されている。これらの開口部２１０，２１２，２１４，２１６，２１８，２２０、および、セパレータ２００の外周部には、ガスシール性を確保するためのガスケット（図示せず）が配置されている。

図２に示すように、本実施例では、カソード拡散層３０の下面に配置された多孔性部材１５ｄと、カソード触媒層２０を両面から挟む多孔性部材１５ｃおよび多孔性部材１５ｂと、電解質層１０を両面から挟む多孔性部材１５ａおよび多孔性部材１５ｅと、アノード触媒層４０を両面から挟む多孔性部材１５ｆおよび多孔性部材１５ｇと、アノード拡散層５０の上面に配置された多孔性部材１５ｈとには、それぞれ、指で摘むことが可能なタブ部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅが異なる位置に形成されている。これらのタブ部１６ａ〜１６ｅを、以下では、まとめて「タブ部１６」という場合がある。作業者は、このタブ部１６を指で摘んで隣接した多孔性部材１５同士を引き離すことで、容易に、構成部品の交換を行うことができる。また、例えば、膜電極接合体１００の周囲を囲む矩形状の治具を用意し、この治具に、引き離しを行うタブ部１６以外のタブ部１６の位置に切り欠きを設けておく。そして、この治具を２つ用いて、膜電極接合体１００の周囲をその両面から挟み込むと、目的のタブ部１６だけを治具によって挟み込むことができる。よって、この状態で、２つ治具を膜電極接合体１００の積層方向に移動させれば、容易に、目的の構成部品を剥離することができる。

上記のようにタブ部１６と多孔性部材１５とを備えるアノード拡散層５０、アノード触媒層４０、電解質層１０、カソード触媒層２０、カソード拡散層３０、を、この順に、セパレータ２００の中央部に形成された窪み２０２の中に嵌め込み、更に、その上面から他のセパレータ２００を被せることで、燃料電池の単セルが構成される。このとき、多孔性部材１５の外周に形成されたタブ部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅは、それぞれ、窪み２０２の外周に設けられたタブ嵌合部１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅに嵌まる。以下では、タブ嵌合部１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅをまとめて「タブ嵌合部１７」という場合がある。このように、本実施例では、各タブ部１６がセパレータ２００の窪み２０２の外周に設けられたタブ嵌合部１７に嵌るため、膜電極接合体１００の各構成部品をセパレータ２００内に配置する際に、その位置決めが容易になる。また、各タブ部１６は、膜電極接合体１００の構成部品毎に異なる位置に設けられているため、各構成部品をセパレータ２００に組み込む際に、表裏を間違えて組み込むことを抑制することが可能になる。なお、本実施例では、セパレータ２００に膜電極接合体１００の各構成部品を順番に嵌め込んでいるが、各構成部品を膜電極接合体１００として一体化させた後にセパレータ２００内に嵌め込むこととしてもよい。この場合、各構成部品を一体化するための治具等においても各タブ部１６を用いて容易に位置決めすることが可能である。

図２および図３に示すように、本実施例では、電解質層１０を挟む多孔性部材１５ａ，１５ｅに形成されたタブ部１６ｃは、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出用開口部２１４付近に配置されている。空気を膜電極接合体１００内に取り入れるための空気供給用開口部２１６付近は、発電時に乾燥した状態になるため、ラジカルの発生により電解質層１０が劣化する場合がある。そのため、例えば、空気供給用開口部２１６付近にタブ部１６ｃを設けると、劣化した部分から電解質層１０を剥離することになるため、電解質層１０の組成が崩れ、剥離を行うことが困難になる可能性がある。しかし、本実施例では、ラジカルによる劣化の生じにくい空気排出用開口部２１４付近にタブ部１６ｃを設けたため、電解質層１０の剥離を容易に行うことが可能になる。また、カソード触媒層２０については、カソードオフガス排出用開口部２１４付近において酸化による劣化が生じやすくなるが、本実施例では、このカソード触媒層２０を挟む多孔性部材１５ｂ，１５ｃには、空気供給用開口部２１６付近にタブ部１６ｂを設けた。そのため、カソード触媒層２０の剥離についても容易に行うことが可能になる。更に、本実施例では、図３に示すように、各タブ部１６は、いずれも、セパレータ２００の各開口部の間の部分（換言すれば、梁の部分）に設けられており、開口部のもともとの開口部分を妨げない位置に配置されている。そのため、空気や水素の流れが阻害されず、電極の利用率が低下することを抑制することができる。

図４は、拡散層３０，５０に多孔性部材１５を貼り合わせる方法を示す図である。本実施例では、まず、アイオノマと触媒とが予め含浸されたシート状の多孔性部材の上に、発電時におけるフラッディングの発生を防止するための撥水ペーストを塗工し、その上に予め所定の形に形成された拡散層３０，５０（カーボンペーパやカーボンクロス）を配置して熱圧をかけて貼り合わせる。そして、図２に示した位置にタブ部１６ａが形成されるよう、多孔性部材を裁断する。こうすることで、一方の面に多孔性部材１５が配置された拡散層３０，５０が生成される。

図５は、触媒層２０，４０に多孔性部材１５を貼り合わせる方法を示す図である。本実施例では、まず、シート状の多孔性部材１５の上に触媒インクを塗布し、更に、その上に、予め裁断された多孔性部材を熱圧をかけて貼り合わせる。こうすることで、２枚の多孔性部材には触媒インク中のアイオノマと触媒とが含浸することになる。そして、図２に示した位置に、タブ部１６ｂが形成されるよう、２枚の多孔性部材を裁断する。こうすることで、多孔性部材１５が両面に配置された触媒層２０が生成される。

図６は、電解質層１０に多孔性部材１５を貼り合わせる方法を示す図である。本実施例では、まず、アイオノマと触媒とが予め含浸されたシート状の多孔性部材の上に電解質を塗布あるいは電解質膜を配置し、その上から、更に、アイオノマと触媒とが予め含浸されたシート状の多孔性部材を熱圧をかけて貼り合わせる。そして、図２に示した位置にタブ部１６ｃが形成されるよう、２枚の多孔性部材を裁断する。こうすることで、両面に多孔性部材１５が配置された電解質層１０が生成される。なお、電解質を挟む２枚の多孔性部材１５には、これらの間に挟まれた電解質層１０からアイオノマを含浸させることとしてもよい。

なお、本実施例では、電解質層１０と、触媒層２０，４０とは、少なくとも一方が、環境温度が８０度、かつ、乾燥した条件において、５００ＭＰａ以上の弾性率を有するよう構成されている。こうすることで、電解質層１０や触媒層２０，４０の剥離性を向上させることができる。例えば、電解質層１０に弾性率２０００ＭＰａの炭化水素系アイオノマを使用し、触媒層２０，４０に弾性率２００ＭＰａのフッ素系アイオノマを使用した場合、発電後も良好な剥離性が保たれていた。その時の剥離強度は、オートグラフによる測定結果で、０Ｎ／ｃｍ²であった。

図７は、交流インピーダンス法によって本実施例の膜電極接合体１００について膜抵抗と界面抵抗との合計を測定した結果を示すグラフである。このグラフは、横軸が電解質層１０の相対湿度を表し、縦軸が膜抵抗（電解質層１０の抵抗）と界面抵抗（電解質層１０と触媒層２０，４０との界面における抵抗）の合計を表している。図示するように、本実施例のように多孔性部材１５を膜電極接合体１００の各構成部品間に配置しても、多孔性部材１５を備えていない従来の膜電極接合体と測定結果に有意な差は見られなかった。よって、本実施例によれば、膜電極接合体１００の発電性能を低下させることなく、各構成部品の交換を容易に行うことのできる構造を提供することが可能になる。

以上で説明した第１実施例の膜電極接合体１００では、多孔性部材１５が各構成部品間に２枚ずつ配置されていることとした。しかし、多孔性部材１５の配置は種々の態様を採ることが可能である。以下、多孔性部材１５の配置を変更した他の実施例について説明する。

・第２実施例：
図８は、第２実施例としての膜電極接合体１００ｂの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、多孔性部材１５が、電解質層１０とカソード触媒層２０との間に１枚だけ配置されている。このような構成であれば、多孔性部材１５の上面あるいは下面に沿って剥離を行うことで、カソード触媒層２０を容易に交換することが可能になる。また、多孔性部材１５を、電解質層１０とアノード触媒層４０との間に１枚設ければ、アノード触媒層４０を容易に交換することが可能になる。

図９は、電解質層１０と触媒層２０，４０との間に多孔性部材１５を配置する方法を示す説明図である。この方法では、まず、多孔性部材１５を用意し、その多孔性部材１５にアイオノマを含浸させる。そして、アイオノマを含浸させた多孔性部材１５の一方の面に触媒インクを塗布して、他方の面に電解質膜を接合する。こうすることで、電解質層１０と触媒層２０，４０との間に多孔性部材１５を配置することができる。

図１０は、電解質層１０と触媒層２０，４０との間に多孔性部材１５を配置する第２の方法を示す説明図である。この方法では、まず、多孔性部材１５を用意する。そして、その多孔性部材１５の一方の面に、通常よりもアイオノマの含有比率が高い触媒インクを塗布する。すると、触媒インクに含まれるアイオノマが多孔性部材１５に含浸する。最後に、多孔性部材１５の他方の面に電解質膜を接合する。このような方法によっても、電解質層１０と触媒層２０との間に多孔性部材１５を配置することが可能である。

図１１は、電解質層１０と触媒層２０，４０との間に多孔性部材１５を配置する第３の方法を示す説明図である。この方法では、まず、多孔性部材１５と通常よりもアイオノマの含有比率が高い触媒インクとを用意する。そして、その多孔性部材１５の一方の面に、内部にまで触媒インクが含浸するように触媒インクの塗布を行う。最後に、多孔性部材１５の他方の面に電解質膜を接合する。このような方法によっても、電解質層１０と触媒層２０との間に多孔性部材１５を配置することが可能である。

図１２は、電解質層１０と触媒層２０，４０との間に多孔性部材１５を配置する第４の方法を示す説明図である。この方法では、まず、多孔性部材１５と通常よりもアイオノマの含有比率が高い触媒インクとを用意する。そして、その多孔性部材１５の一方の面に、内部にまで触媒インクが含浸するように触媒インクの塗布を行い、アイオノマを多孔性部材１５のより深い部分にまで含浸させる。そして、最後に、多孔性部材１５の他方の面に電解質膜を接合する。このような方法によっても、電解質層１０と触媒層２０，４０との間に多孔性部材１５を配置することが可能である。

図１３は、電解質層１０と触媒層２０，４０との間に多孔性部材１５を配置する第５の方法を示す説明図である。この方法では、まず、多孔性部材１５を用意する。そして、その多孔性部材１５の一方の面に、電解質を塗布して電解質層１０を形成する。すると、この電解質層１０から多孔性部材１５に電解質が含浸する。最後に、多孔性部材１５の他方の面に、触媒インクを塗布して触媒層を形成する。このように、電解質層１０側から電解質を多孔性部材１５に含浸させることでも、電解質層１０と触媒層２０，４０との間に多孔性部材１５を配置することが可能である。

・第３実施例：
図１４は、第３実施例としての膜電極接合体１００ｃの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、電解質層１０とカソード触媒層２０との間に２枚の多孔性部材１５ａ，１５ｂが配置されている。このような構成であれば、電解質層１０やカソード触媒層２０に損傷を与えることなく、電解質層１０とカソード触媒層２０との間を容易に剥離することが可能になる。また、電解質層１０とアノード触媒層４０との間に２枚の多孔性部材１５を設ければ、電解質層１０やアノード触媒層４０に損傷を与えることなく電解質層１０とアノード触媒層４０との間を容易に剥がすことが可能になる。なお、電解質層１０と触媒層２０，４０との間に２枚の多孔性部材１５を配置する方法は、図９〜１３に示した方法において、１枚の多孔性部材１５を示した部分をそのまま２枚の多孔性部材１５に置き換えればよい。

・第４実施例：
図１５は、第４実施例としての膜電極接合体１００ｄの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、多孔性部材１５が、電解質層１０とカソード触媒層２０との間、および、電解質層１０とアノード触媒層４０との間にそれぞれ１枚ずつ配置されている。このような構成であれば、２枚の多孔性部材１５の上面あるいは下面からそれぞれ剥離を行うことで、電解質層１０を容易に交換することが可能になる。

・第５実施例：
図１６は、第５実施例としての膜電極接合体１００ｅの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、多孔性部材１５が、電解質層１０とカソード触媒層２０との間、および、電解質層１０とアノード触媒層４０との間にそれぞれ２枚ずつ配置されている。このような構成であれば、電解質層１０やカソード触媒層２０、アノード触媒層４０に損傷を与えることなく容易に電解質層１０を交換することが可能になる。

・第６実施例：
図１７は、第６実施例としての膜電極接合体１００ｆの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、多孔性部材１５が、カソード触媒層２０とカソード拡散層３０との間に１枚だけ配置されている。このような構成であれば、多孔性部材１５の上面あるいは下面に沿って剥離を行うことで、カソード拡散層３０を容易に交換することが可能になる。また、多孔性部材１５を、アノード触媒層４０とアノード拡散層５０との間に１枚配置すれば、多孔性部材１５の上面あるいは下面に沿って剥離を行うことで、カソード拡散層３０を容易に交換することが可能になる。なお、拡散層２０，４０は、カーボンペーパや金属メッシュなどの比較的強度の高い多孔質体で形成されているため、拡散層２０，４０と多孔性部材１５との間を剥離することは比較的容易である。

図１８は、触媒層２０，４０と拡散層３０，５０との間に多孔性部材１５を配置する方法を示す説明図である。この方法では、まず、多孔性部材１５と通常よりもアイオノマの含有比率が高い触媒インクを用意する。そして、多孔性部材１５の一方の面に、多孔性部材１５の内部にまで触媒インクが含浸するように触媒インクを塗布する。そして最後に、多孔性部材１５の他方の面に、拡散層３０，５０を接合する。こうすることで、触媒層２０，４０と拡散層３０，５０との間に多孔性部材１５を配置することができる。

・第７実施例：
図１９は、第７実施例としての膜電極接合体１００ｇの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、カソード触媒層２０とカソード拡散層３０との間に２枚の多孔性部材１５ｃ，１５ｄが配置されている。このような構成であれば、カソード触媒層２０やカソード拡散層３０に損傷を与えることなく容易に、カソード拡散層３０を交換することが可能になる。また、多孔性部材１５を、アノード触媒層４０とアノード拡散層５０との間に２枚配置すれば、アノード触媒層４０やアノード拡散層５０に損傷を与えることなく容易にアノード拡散層５０を交換することが可能になる。なお、触媒層２０，４０と拡散層３０，５０との間に２枚の多孔性部材１５を配置する方法は、図１８に示した方法において、１枚の多孔性部材１５を示した部分をそのまま２枚の多孔性部材１５に置き換えればよい。

・第８実施例：
図２０は、第８実施例としての膜電極接合体１００ｈの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、各構成部品の間すべてに１枚ずつ多孔性部材１５が配置されている。このような構成であっても、各多孔性部材１５の上面あるいは下面から剥離を行うことで、各構成部品の交換を行うことが可能である。

・第９実施例
図２１は、第９実施例としての膜電極接合体１００ｉの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、電解質層１０とカソード触媒層２０との間、および、電解質層１０とアノード触媒層４０との間にそれぞれ２枚の多孔性部材１５が配置され、カソード触媒層２０とカソード拡散層３０との間、および、アノード触媒層４０とアノード拡散層５０との間には、それぞれ１枚の多孔性部材１５が配置されている。このような構成であれば、電解質層１０やカソード触媒層２０、アノード触媒層４０に損傷を与えることなく、容易に、各構成部品を交換することが可能になる。

以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。各構成部品間に配置する多孔性部材１５の枚数は、１枚や２枚に限られず、３枚以上とすることも可能である。その他、以下のような変形が可能である。

・変形例１：
図２２は、第１の変形例としての膜電極接合体１００の概略構成を示す部分断面図である。本変形例では、多孔性部材１５の周縁部において、隣り合う多孔性部材１５同士が、それぞれ相反する方向に反るように構成されている。こうすることにより、容易に剥離を行うことが可能になる。多孔性部材１５を反らせるには、例えば、多孔性部材の厚み方向の樹脂比率に勾配を持たせたり、くせ付け加工を行うことで可能である。また、熱膨張率の異なる樹脂を複層化して多孔性部材１５を構成することで、剥離時に加熱して反らせることも可能である。

・変形例２：
図２３は、第２の変形例としての膜電極接合体１００の態様を示す図である。この図２３に示すように、拡散層３０，５０や触媒層２０，４０には、これらを複数の領域に分割するミシン目ＰＦを設けてもよい。こうすることにより、拡散層３０，５０や触媒層２０，４０が部分的に劣化した場合に、その部分だけを切り離して交換することが可能になる。

・変形例３：
上述した第１実施例では、多孔性部材１５の周縁部とタブ部１６との両方が、膜電極接合体１００の各構成部品から露出していることとした。これに対して、タブ部１６だけが、各構成部品から露出していてもよい。また、多孔性部材１５の周縁部が各構成部品から露出していれば、タブ部１６を省略することも可能である。そのほか、多孔性部材１５の少なくとも一部が各構成部品から露出していればよく、他の部分が各構成部品よりも内側に配置されていても構わない。

・変形例４：
上述した実施例では、電解質層１０と触媒層２０との間に配置する部材として、電解質を含浸させた多孔性部材を用いた。しかし、電解質層１０と触媒層２０との間に配置する部材としては、多孔性部材以外にも、例えば、電解質膜を適用することが可能である。この電解質膜は、電解質層１０と同様の材料によって構成することも可能であるが、異なる材料によって構成されていることが好ましい。

・変形例５：
図１に示した膜電極接合体１００は、上述した製造方法に限らず種々の方法によって製造することが可能である。例えば、以下に説明する第１〜第４工程によって製造することが可能である。まず、第１工程では、ＰＴＦＥファインパウダに石油系助剤を所定量添加して所定時間（例えば、一晩程度）放置し、これをペースト押し出し機で成形してＰＴＦＥテープを得る。そして、このＰＴＦＥテープをテンター式同時２軸延伸機等により３６０℃程度の温度で３０倍程度に延伸焼成し、目付けで０．３ｍｇ／ｃｍ²程度の多孔性部材（ＰＴＦＥ多孔体）を得る。

続いて、第２工程では、第１工程で生成された多孔性部材よりも小さい寸法の電解質膜前駆体（例えば、ナフィオン前駆体ペレットを押出成形にて１５μｍ程度の厚みに成膜したもの）を準備する。そして、その電解質前駆体膜の両面に、第１工程で生成された多孔性部材を２枚ずつ貼り合わせる。そしてさらにその表裏に離型用のＰＴＦＥシート貼り合わせ、これをシリコンゴムシート２枚で挟み込み、例えば、２３０℃の温度で１５分程度、熱プレスを施す。熱プレス後、ＰＴＦＥシートを剥がすと、電解質膜前駆体と多孔性部材との溶融含浸複合体が得られる。これを９ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウムで９０℃、３０分程度の加水分解処理を施し、ｐＨが７になるまで水洗いする。そして、１ｍｏｌ／Ｌの硝酸液に３０分ほど浸漬し、水洗いおよび乾燥させると、電解質膜の表裏に２枚の多孔性部材が配置された生成物が得られる。

第３工程では、触媒層２０，４０と拡散層３０，５０との間に配置する多孔性部材としてカーボン繊維基材やカーボン含有延伸ＰＴＦＥを準備する。そして、この多孔性部材を電解質溶液に浸漬して乾燥させた後にさらに、その表面に電解質溶液を塗布する。そして、この塗布した電解質溶液が乾く前に第１工程で生成した多孔性部材をもう一枚重ね、その上に触媒インクを塗布する。この結果、触媒層２０，４０の一方の面に２枚の多孔性部材が配置された目的物が得られる。

第４工程では、第２工程で生成された生成物の表裏に、第３工程で生成された生成物を触媒インクが塗布された側から重ね合わせて熱プレスを施す。そして、さらに、その両面に拡散層３０，５０を接合する。以上で説明した製造方法によっても、各構成部品間に２枚の多孔性部材が配置された膜電極接合体を製造することが可能である。

１０…電解質層
１５，１５ａ〜１５ｈ…多孔性部材
１６，１６ａ〜１６ｅ…タブ部
１７，１７ａ〜１７ｅ…タブ嵌合部
２０…カソード触媒層
３０…カソード拡散層
４０…アノード触媒層
５０…アノード拡散層
１００，１００ｂ〜１００ｉ…膜電極接合体
２００…セパレータ
２１０…開口部
２１０…水素供給用開口部
２１２…アノードオフガス排出用開口部
２１４…カソードオフガス排出用開口部
２１６…空気供給用開口部
２１８…冷却水供給用開口部
２２０…冷却水排出用開口部
ＰＦ…ミシン目

Claims (11)

1. 膜電極接合体であって、
   電解質層と、
   触媒層と、
   前記電解質層および前記触媒層の間に配置され、電解質が含浸された部材と、を備え、
   前記部材の周縁部の少なくとも一部が、前記電解質層および前記触媒層の周縁部よりも外側に露出している、
   膜電極接合体。
2. 請求項１に記載の膜電極接合体であって、
   前記部材の、前記電解質層および前記触媒層の周縁部よりも外側に露出した部分に、タブ部が設けられている、膜電極接合体。
3. 請求項２に記載の膜電極接合体であって、
   前記タブ部は、前記膜電極接合体からカソードオフガスが排出される部位付近に設けられている、膜電極接合体。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の膜電極接合体であって、
   前記部材が、前記電解質層と前記触媒層との間に複数設けられている、膜電極接合体。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の膜電極接合体であって、
   前記電解質層と前記触媒層の少なくとも一方の弾性率が５００ＭＰａ以上である、膜電極接合体。
6. 膜電極接合体であって、
   電解質層と、
   触媒層と、
   ガス拡散層と、
   前記触媒層と前記ガス拡散層との間に配置され、導電性を有する部材と、を備え、
   前記部材の周縁部の少なくとも一部が、前記触媒層および前記ガス拡散層の周縁部よりも外側に露出している、膜電極接合体。
7. 請求項６に記載の膜電極接合体であって、
   前記部材の、前記触媒層および前記ガス拡散層の周縁部よりも外側に露出した部分に、タブ部が設けられている、膜電極接合体。
8. 請求項６または請求項７に記載の膜電極接合体であって、
   前記部材が、前記触媒層と前記ガス拡散層との間に複数設けられている、膜電極接合体。
9. 電解質層と触媒層とを備える膜電極接合体の製造方法であって、
   前記電解質層と前記触媒層との間に、少なくとも一部が前記電解質層および前記触媒層の周縁部よりも外側に露出する部材を配置する工程と、
   前記部材に電解質を含浸させる工程と、
   を備える製造方法。
10. 電解質層と触媒層とガス拡散層とを備える膜電極接合体の製造方法であって、
    前記触媒層と前記ガス拡散層との間に、少なくとも一部が前記触媒層および前記ガス拡散層の周縁部よりも外側に露出する導電性部材を配置する工程
    を備える製造方法。
11. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の膜電極接合体と、
    前記膜電極接合体に隣接したセパレータと、
    を備える燃料電池。

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