JP6225451B2 - 膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Description

本開示の技術は、膜電極接合体、および、膜電極接合体を備える固体高分子形燃料電池に関する。

近年、原料ガスの反応エネルギーを電気エネルギーに直接的に変換する燃料電池が注目されている。燃料電池の一種である固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜と、電極を構成する触媒層とから構成される膜電極接合体を備えている。膜電極接合体において、高分子電解質膜は、燃料極を構成する触媒層と空気極を構成する触媒層とに挟まれている。燃料極側の触媒層には、水素を含む燃料ガスが供給される。空気極側の触媒層には、酸素を含む酸化剤ガスが供給される。そして、触媒の存在下で、燃料ガスと酸化剤ガスとが、高分子電解質膜中でのプロトンの伝導を伴う電極反応を進めることによって、燃料極と空気極との間に起電力が生じる。

一般に、高分子電解質膜は湿潤状態にて高いプロトン伝導性を示す。一方、固体高分子形燃料電池の利用にかかる費用を削減するために、低加湿条件下においても優れた出力特性を示す固体高分子形燃料電池が求められている。

こうした要請に対して、低加湿条件下においても高いプロトン伝導性を示す高分子電解質膜の開発が進められている（例えば、特許文献１、２参照）。ただし、低加湿条件下におけるプロトン伝導性の向上は、例えば、高分子電解質膜の機械的な強度を劣化させるなど、プロトン伝導性以外の特性を劣化させる傾向にある。そこで、固体高分子形燃料電池の運転中に、高分子電解質膜を効率的に加湿する提案がなされている。例えば、発電によって生成された水の排出性が調整された触媒層や、発電によって生成された水の蒸発を抑制するガス拡散層を備える固体高分子形燃料電池が提案されている（例えば、特許文献３、４参照）。

特開２０１１−１８１４２３号公報 国際公開第２０１１／０１３５７８号 特開２０１２−２２１８０６号公報 特開２０１１−１５０８９３号公報

しかしながら、特許文献３，４に記載のように、発電によって生成した水のみを利用して、高分子電解質膜の湿潤状態を保つことには限界がある。そのため、依然として、高分子電解質膜の湿度を高めることが求められている。

本開示の技術は、電解質膜の湿度を高めることが可能な膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。

本開示の技術における膜電極接合体の一態様は、支持体と、前記支持体に接触する電解質層と、前記電解質層に接触する燃料極触媒層と、前記電解質層に接触する空気極触媒層と、を備え、前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とは、前記電解質層の厚さ方向にて、前記電解質層に対して前記支持体とは反対側に配置され、前記支持体は、前記電解質層を加湿する加湿部を備える。

上記構成によれば、加湿部を備える支持体が電解質層と接しているため、電解質層が支持体から直接的に加湿される。したがって、電解質膜の湿度を高めることができる。また、支持体が、電解質層に対して触媒層と反対側に配置されているため、触媒層へのガスの供給を妨げることなく、電解質層の加湿を行うことができる。

本開示の技術における膜電極接合体の他の態様は、前記支持体における前記電解質層と接触する面には、水分を外部から受け入れることの可能な溝が形成され、前記加湿部は、前記溝を備える。

上記構成によれば、電解質層に面する溝から電解質層に水分が供給されるため、電解質膜を急速に加湿することができる。
本開示の技術における膜電極接合体の他の態様は、前記加湿部は、前記支持体における前記電解質層と接触する面の少なくとも一部に、水分を保持することの可能な多孔質部を備える。

上記構成によれば、電解質層に面する多孔質部から電解質層に水分が供給されるため、電解質膜を一定の速さで均一に加湿し続けることができる。
本開示の技術における膜電極接合体の他の態様は、前記支持体は、前記多孔質部を支持する基材を備え、前記基材における前記多孔質部と接触する面には、水分を外部から受け入れることの可能な溝が形成され、前記加湿部は、前記溝を備える。

上記構成によれば、多孔質部と面する溝から多孔質部に水分が供給され、多孔質部から電解質層に水分が供給される。したがって、多孔質部への水分の供給を効率よく行うことができる。

本開示の技術における固体高分子形燃料電池の一態様は、上記膜電極接合体を備える。
上記構成によれば、固体高分子形燃料電池にて、電解質膜の湿度を高めることができる。したがって、低加湿条件下における固体高分子形燃料電池の出力特性の低下を抑えられる。

本開示の技術によれば、電解質膜の湿度を高めることができる。

本開示の技術における第１の実施形態の膜電極接合体の断面構造を示す断面図。 第１の実施形態の膜電極接合体における支持体の平面構造を示す平面図。 第１の実施形態の固体高分子形燃料電池の断面構造を示す断面図。 第１の実施形態の固体高分子形燃料電池の平面構造を示す平面図。 本開示の技術における第２の実施形態の膜電極接合体の断面構造を示す断面図。 第２の実施形態の膜電極接合体における支持体の平面構造を示す平面図。 本開示の技術における第３の実施形態の膜電極接合体の断面構造を示す断面図。 第３の実施形態の膜電極接合体における支持体の平面構造を示す平面図。 変形例の膜電極接合体における支持体の平面構造を示す平面図。 変形例の膜電極接合体の平面構造を示す平面図。 変形例の膜電極接合体の平面構造を示す平面図。

（第１の実施形態）
図１〜図４を参照して、膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池の第１の実施形態について説明する。

まず、図１および図２を参照して膜電極接合体の構成について説明する。
図１に示されるように、膜電極接合体１０Ａは、電解質層としての高分子電解質膜１１と、高分子電解質膜１１に積層された燃料極触媒層１２および空気極触媒層１３と、高分子電解質膜１１を支持する支持体としての基材１４とを備えている。

高分子電解質膜１１は、高分子電解質膜１１の表面および裏面として、２つの平坦面１１ａ，１１ｂを備えている。一方の平坦面１１ａにて、燃料極触媒層１２および空気極触媒層１３と高分子電解質膜１１とが接している。他方の平坦面１１ｂにて、基材１４と高分子電解質膜１１とが接している。すなわち、燃料極触媒層１２と空気極触媒層１３とは、高分子電解質膜１１の厚さ方向にて、高分子電解質膜１１に対して同じ側に配置されている。そして、燃料極触媒層１２と空気極触媒層１３とは、同一の平坦面１１ａにて、高分子電解質膜１１と接している。

一方、基材１４は、高分子電解質膜１１の厚さ方向にて、高分子電解質膜１１に対して燃料極触媒層１２および空気極触媒層１３と反対側に配置されている。基材１４における高分子電解質膜１１と接触する面である基材面１４ａには、溝１５が形成されている。溝１５は、水が流される水路である。

図２は、基材１４の平面図であって、基材１４に積層される高分子電解質膜１１と触媒層１２，１３との位置を破線で示した図である。
図２に示されるように、溝１５は、１つの連続した水路である。溝１５は、基材面１４ａを囲む４つの縁部のうち、１組の平行な縁部の間を横断している。溝１５は、基材面１４ａの面内にて、複数回、屈曲している。基材１４の端面に開口した溝１５の一方の端部が、水の流入口１５ａとなる。基材１４の端面に開口した溝１５の他方の端部が、水の流出口１５ｂとなる。すなわち、溝１５は、水を外部から受け入れることが可能に構成されている。

高分子電解質膜１１の平面形状は、基材１４の平面形状よりも小さく形成されている。高分子電解質膜１１の縁部の外側には、基材１４の基材面１４ａが露出している。
高分子電解質膜１１の平坦面１１ａ上には、１つの燃料極触媒層１２と１つの空気極触媒層１３とが配置されている。燃料極触媒層１２と空気極触媒層１３との間には、隙間が設けられている。燃料極触媒層１２と空気極触媒層１３との間の隙間には、高分子電解質膜１１の平坦面１１ａが露出している。空気極触媒層１３の縁部と対向しない燃料極触媒層１２の縁部は、高分子電解質膜１１の縁部と重なっている。また、燃料極触媒層１２の縁部と対向しない空気極触媒層１３の縁部は、高分子電解質膜１１の縁部と重なっている。

溝１５の大部分は、高分子電解質膜１１に面している。溝１５は、基材面１４ａが高分子電解質膜１１と接する範囲内に、均等に配置されている。すなわち、溝１５は、基材面１４ａのうち、高分子電解質膜１１を挟んで燃料極触媒層１２が積層される領域と空気極触媒層１３が積層される領域とに均等に配置されている。

膜電極接合体１０Ａの製造方法について説明する。
まず、任意の基材上に高分子電解質膜１１が成膜される。高分子電解質膜１１は、イオン伝導性を有する膜であればよい。高分子電解質膜１１の材料の例として、Ｎａｆｉｏｎ（デュポン社製、登録商標）等のフッ素系樹脂や、エンジニアリングプラスチック、または、エンジニアリングプラスチックの共重合体にスルホン酸基を導入した樹脂等の炭化水素系樹脂等が挙げられる。

次に、高分子電解質膜１１の上に燃料極触媒層１２と空気極触媒層１３とが成膜される。成膜方法としては、触媒層１２，１３と高分子電解質膜１１の密着性が良好であれば、公知の成膜方法を用いることができる。例えば、触媒層１２，１３の構成材料が含まれた触媒層形成用スラリーを高分子電解質膜１１の上に塗布した後、触媒層用スラリーを乾燥させることにより、触媒層１２，１３が形成される。塗布方法の例としては、ドクターブレードコート法、ディッピングコート法、スリットコート法、ダイコート法、スプレー法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、ディスペンサ印刷法、インクジェット印刷法、または、グラビア印刷法等が挙げられる。乾燥方法の例としては、温風乾燥、ＩＲ（赤外）乾燥、減圧乾燥等が挙げられる。

触媒層１２，１３は、電解質と触媒粒子とを含む。電解質としては、触媒層１２，１３と高分子電解質膜１１の密着性を向上させるために、高分子電解質膜１１に含まれる電解質と同質の電解質を用いることが好ましい。触媒粒子の例としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、または、オスミウム等の白金族元素や、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属、または、これらの金属の合金、酸化物、複酸化物等が挙げられる。特に、触媒粒子として白金や白金合金を用いることが好ましい。

触媒粒子の粒径は、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましく、１ｎｍ以上５ｎｍ以下がさらに好ましい。触媒粒子の粒径が大きすぎると触媒の活性が低下する。また、触媒粒子の粒径が小さすぎると触媒の安定性が低下する。

触媒粒子は、単体の触媒粒子を用いても良く、あるいは、導電性担体に担持された触媒粒子を用いてもよい。導電性担体に担持された触媒粒子を用いる方が好ましい。導電性担体としては、カーボン粒子が用いられる。カーボン粒子は、微粒子状で導電性を有するとともに、触媒に侵されないものであればよい。カーボン粒子の例としては、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、または、フラーレン等が挙げられる。カーボン粒子の粒径は、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がさらに好ましい。カーボン粒子の粒径が小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなる。また。カーボン粒子の粒径が大きすぎると触媒層が厚くなるため、抵抗が増加して固体高分子形燃料電池の出力特性の低下を招く。

触媒層用スラリーの溶媒としては、電解質を分散または溶解できる溶媒が用いられる。溶媒の例としては、水、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、イソブチルアルコール、または、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール等のアルコール類や、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、ペンタノン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、または、ジイソブチルケトン等のケトン類や、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、または、ジブチルエーテル等のエーテル類や、イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミン、または、アニリン等のアミン類や、蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、または、プロピオン酸ブチル等のエステル類が挙げられる。また、溶媒の他の例としては、酢酸、プロピオン酸、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、または、Ｎ−メチルピロリドン等が挙げられる。また、グリコール系溶媒や、グリコールエーテル系溶媒の例として、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、１−メトキシ−２−プロパノール、１−エトキシ−２−プロパノール等が挙げられる。

次に、高分子電解質膜１１と触媒層１２，１３との積層体が、溝１５が形成された基材１４と貼り合わせられる。基材１４の材料には、電解質との密着性に優れるとともに、電解質に腐食しない材料が用いられる。基材１４の材料の例として、金、または、ステンレス等の金属板や、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、ポリカーボネート、ポリアミド、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、ポリプロピレン、ポリエチレン、または、ポリイミド等の樹脂フィルムが挙げられる。

溝１５の幅、深さ、および、隣接する溝１５の間隔は、高分子電解質膜１１を加湿できる程度であればよい。溝１５の幅、深さおよび間隔は、互いに異なってもよく、互いに等しくてもよい。具体的には、溝１５の幅、深さおよび間隔は、１μｍ以上５ｍｍ以下が好ましく、１０μｍ以上２ｍｍ以下がさらに好ましい。溝１５の幅、深さおよび間隔が５ｍｍ以下であれば、高分子電解質膜１１を均一に加湿することができる。溝１５の幅、深さおよび間隔が１μｍ以上であれば、溝１５の形成が容易となり、また、加湿を急速に行うことができる。

続いて、図３および図４を参照して、固体高分子形燃料電池の構成について説明する。なお、図４は固体高分子形燃料電池の平面図であって、集電体とガス流路との位置を破線で示す図である。

図３に示されるように、固体高分子形燃料電池２０Ａは、膜電極接合体１０Ａと、燃料極触媒層１２に積層された燃料極集電体２２と、空気極触媒層１３に積層された空気極集電体２３とを備えている。さらに、固体高分子形燃料電池２０Ａは、膜電極接合体１０Ａと集電体２２，２３とを押さえるセパレータ２１を備えている。燃料極触媒層１２と、燃料極集電体２２と、セパレータ２１とによって、燃料極ガス流路２４が区画されている。空気極触媒層１３と、空気極集電体２３と、セパレータ２１とによって、空気極ガス流路２５が区画されている。

燃料極ガス流路２４は、燃料極触媒層１２における高分子電解質膜１１と反対側の面と接している。燃料極集電体２２は、燃料極触媒層１２における高分子電解質膜１１と反対側の面のうち、燃料極ガス流路２４が配置されない部分と接している。燃料極集電体２２と燃料極触媒層１２とから、燃料極が構成される。

空気極ガス流路２５は、空気極触媒層１３における高分子電解質膜１１と反対側の面と接している。空気極集電体２３は、空気極触媒層１３における高分子電解質膜１１と反対側の面のうち、空気極ガス流路２５が配置されない部分と接している。空気極集電体２３と空気極触媒層１３とから、空気極が構成される。

セパレータ２１は、基材１４上にて、高分子電解質膜１１と、触媒層１２，１３と、集電体２２，２３とに被せられている。セパレータ２１は、触媒層１２，１３の上に配置されて膜電極接合体１０Ａの面方向に延びる上板部２１ａと、上板部２１ａから基材１４に向けて膜電極接合体１０Ａの厚さ方向に延びる中板部２１ｂおよび側板部２１ｃとを備えている。

セパレータ２１の上板部２１ａには、燃料極集電体２２の間にて露出する燃料極触媒層１２と対向する位置に、燃料極ガス流路２４を区画する溝が形成されている。すなわち、燃料極ガス流路２４は、燃料極触媒層１２とセパレータ２１との間で、燃料極集電体２２を貫通してセパレータ２１に食い込んでいる。燃料極ガス流路２４に燃料ガスが流されることによって、燃料極触媒層１２に燃料ガスが供給される。

また、セパレータ２１の上板部２１ａには、空気極集電体２３の間にて露出する空気極触媒層１３と対向する位置に、空気極ガス流路２５を区画する溝が形成されている。すなわち、空気極ガス流路２５は、空気極触媒層１３とセパレータ２１との間で、空気極集電体２３を貫通してセパレータ２１に食い込んでいる。空気極ガス流路２５に酸化剤ガスが流されることによって、空気極触媒層１３に酸化剤ガスが供給される。

セパレータ２１の中板部２１ｂは、燃料極触媒層１２と空気極触媒層１３との間の隙間を埋めている。これにより、燃料極触媒層１２と空気極触媒層１３との間でガスが混ざることが抑えられる。

セパレータ２１の側板部２１ｃは、高分子電解質膜１１の縁部の外側にて、高分子電解質膜１１と触媒層１２，１３とを囲んでいる。側板部２１ｃは、高分子電解質膜１１の縁部および触媒層１２，１３の縁部および基材面１４ａと接している。

図４に示されるように、燃料極ガス流路２４は、燃料極触媒層１２の上で、膜電極接合体１０Ａの面方向に固体高分子形燃料電池２０Ａを貫通している。また、空気極ガス流路２５は、空気極触媒層１３の上で、膜電極接合体１０Ａの面方向に固体高分子形燃料電池２０Ａを貫通している。なお、燃料極ガス流路２４および空気極ガス流路２５の数は、１以上であればよい。

膜電極接合体１０Ａに、触媒層１２，１３とセパレータ２１とが組み付けられ、さらに、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給機構や、溝１５への水の供給機構等が設けられて、単セルの固体高分子形燃料電池２０Ａが製造される。固体高分子形燃料電池２０Ａは、単セルの状態、もしくは、複数の固体高分子形燃料電池２０Ａが組み合わされた状態で使用される。

第１の実施形態の膜電極接合体１０Ａ、および、固体高分子形燃料電池２０Ａの作用について説明する。
膜電極接合体１０Ａにて、基材１４における高分子電解質膜１１と接触する基材面１４ａには、溝１５が形成されている。流入口１５ａから流出口１５ｂに向けて、溝１５に水が流されると、溝１５に面している高分子電解質膜１１が、溝１５内の水を吸収する。これにより、高分子電解質膜１１が加湿される。

ここで、第１の実施形態では、燃料極触媒層１２と空気極触媒層１３とは、高分子電解質膜１１の厚さ方向にて、高分子電解質膜１１に対して同じ側に配置されている。そして、基材１４は、高分子電解質膜１１の厚さ方向にて、高分子電解質膜１１に対して触媒層１２，１３と反対側に配置されている。したがって、高分子電解質膜１１の平坦面１１ｂの全体に対して直接的に加湿を行うことができるため、高分子電解質膜１１の湿度を高めることができる。その結果、低加湿条件下における固体高分子形燃料電池２０Ａの出力特性の低下を抑えられる。また、触媒層１２，１３が配置された面と反対側の面から加湿が行われるため、触媒層１２，１３へのガスの供給を妨げることなく、高分子電解質膜１１の加湿を行うことができる。

また、高分子電解質膜１１が基材１４に支持されるため、高分子電解質膜１１に皺や折れが生じることが抑えられる。したがって、高分子電解質膜１１の形成材料に機械的強度の低い材料を用いることもできる。

また、溝１５内の水と高分子電解質膜１１とが対面するため、高分子電解質膜１１を急速に加湿することができる。
なお、第１の実施形態では、溝１５が加湿部を構成する。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）基材１４が、高分子電解質膜１１の厚さ方向にて、高分子電解質膜１１に対して触媒層１２，１３と反対側に配置され、基材１４から高分子電解質膜１１に加湿が行われる。したがって、高分子電解質膜１１の平坦面１１ｂに対して直接的に加湿を行うことができるため、高分子電解質膜１１の湿度を高めることができる。また、触媒層１２，１３へのガスの供給を妨げることなく、高分子電解質膜１１の加湿を行うことができる。

（２）基材１４における高分子電解質膜１１と接触する基材面１４ａに、溝１５が形成され、溝１５内の水と高分子電解質膜１１が対面する。したがって、高分子電解質膜１１を急速に加湿することができる。

（第２の実施形態）
図５および図６を参照して、膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と第２の実施形態とは、膜電極接合体における支持体の構成が異なっているため、以下では、支持体の構成について説明し、第１の実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。

図５に示されるように、膜電極接合体１０Ｂは、高分子電解質膜１１と、高分子電解質膜１１に積層された燃料極触媒層１２および空気極触媒層１３と、高分子電解質膜１１を支持する支持体３０とを備えている。

支持体３０は、基材３１と多孔質部３２とを備えている。多孔質部３２は、基材３１における高分子電解質膜１１側の面に形成された凹部３１ａに配置されている。多孔質部３２は、支持体３０における高分子電解質膜１１と接触する面である支持面３０ａのうちの高分子電解質膜１１と接触する部分を構成している。基材３１には、多孔質部３２と外部とを繋ぐ供給路３３が形成されている。多孔質部３２には、供給路３３から水が供給される。多孔質部３２は、供給された水を細孔に保持することができる。

図６は、支持体３０の平面図であって、支持体３０に積層される高分子電解質膜１１と触媒層１２，１３との位置を破線で示した図である。
図６に示されるように、多孔質部３２の平面形状は、高分子電解質膜１１の平面形状と同形に形成されている。したがって、多孔質部３２は、高分子電解質膜１１の平坦面１１ｂの全面と接している。

膜電極接合体１０Ｂは、第１の実施形態の膜電極接合体１０Ａと同様に、多孔質部３２が設けられた基材３１に、高分子電解質膜１１と触媒層１２，１３との積層体が貼り合わせられて形成される。多孔質部３２は、多孔質材料から形成される。多孔質材料における細孔の孔径は、０．１μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、１μｍ以上２０μｍ以下がさらに好ましい。孔径が１００μｍ以下であれば、高分子電解質膜１１に皺が生じにくい。孔径が０．１μｍ以上であれば、多孔質部３２が高分子電解質膜１１の加湿に十分な水を保持できる。多孔質材料の気孔率は、１０％以上９０％以下が好ましく、３０％以上８０％以下がさらに好ましい。気孔率が９０％以下であれば、多孔質の機械的強度が確保され、発電時の締付けにより多孔質の変形が生じにくい。気孔率が１０％以上であれば、高分子電解質膜１１を均一に加湿することができる。

第２の実施形態の膜電極接合体１０Ｂの作用について説明する。
膜電極接合体１０Ｂにて、支持体３０の支持面３０ａのうちの高分子電解質膜１１と接触する部分が多孔質部３２から構成されている。供給路３３から多孔質部３２に水が供給されると、水は多孔質部３２を浸透し、多孔質部３２から高分子電解質膜１１に水が供給される。これにより、高分子電解質膜１１が加湿される。

第２の実施形態においても、触媒層１２，１３が配置された面と反対側の面から加湿が行われるため、高分子電解質膜１１の平坦面１１ｂの全体に対して直接的に加湿を行うことができる。したがって、高分子電解質膜１１の湿度を高めることができる。その結果、低加湿条件下における固体高分子形燃料電池の出力特性の低下を抑えられる。また、触媒層１２，１３へのガスの供給を妨げることなく、高分子電解質膜１１の加湿を行うことができる。

また、高分子電解質膜１１が支持体３０に支持されるため、高分子電解質膜１１に皺や折れが生じることが抑えられる。
また、多孔質部３２からは、高分子電解質膜１１に対して水が徐々に供給されるため、高分子電解質膜１１を一定の速さで均一に加湿し続けることができる。さらに、多孔質部３２が高分子電解質膜１１の平坦面１１ｂの全面と接しているため、高分子電解質膜１１の全体を均一に加湿することができる。また、第１の実施形態と比較して、高分子電解質膜１１が溝の角部と接しないため、高分子電解質膜１１の傷みを抑えられる。

なお、第２の実施形態では、多孔質部３２が加湿部を構成する。
以上説明したように、第２の実施形態によれば、第１の実施形態の（１）の効果に加えて、以下の効果が得られる。

（３）支持体３０における高分子電解質膜１１と接触する支持面３０ａが、水を保持することの可能な多孔質部３２を備えている。したがって、高分子電解質膜１１を一定の速さで加湿し続けることができる。

（第３の実施形態）
図７および図８を参照して、膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池の第３の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と第３の実施形態とは、膜電極接合体における支持体の構成が異なっているため、以下では、支持体の構成について説明し、第１の実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。

図７に示されるように、膜電極接合体１０Ｃにて、支持体４０は、基材４１と多孔質部４２とを備えている。多孔質部４２は、基材４１における高分子電解質膜１１側の面に形成された凹部４１ａに配置されている。多孔質部４２は、支持体４０における高分子電解質膜１１と接触する支持面４０ａのうちの高分子電解質膜１１と接触する部分を構成している。凹部４１ａの多孔質部４２と接触する底面４１ｂには、溝４３が形成されている。溝４３は、水が流される水路である。

図８は、支持体４０の平面図であって、支持体４０に積層される高分子電解質膜１１と触媒層１２，１３との位置を破線で示し、溝４３の位置を二点鎖線で示した図である。
図８に示されるように、溝４３は、第１の実施形態における溝１５と同様の形状に形成されている。多孔質部４２の平面形状は、高分子電解質膜１１の平面形状と同形に形成されている。溝４３は、基材４１における凹部４１ａの底面４１ｂが高分子電解質膜１１と接する範囲内に、均等に配置されている。多孔質部４２は、高分子電解質膜１１の平坦面１１ｂの全面と接している。

膜電極接合体１０Ｃは、第１の実施形態の膜電極接合体１０Ａと同様に、溝４３が形成されて、多孔質部４２が設けられた基材４１に、高分子電解質膜１１と触媒層１２，１３との積層体が貼り合わせられて形成される。

第３の実施形態の膜電極接合体１０Ｃの作用について説明する。
膜電極接合体１０Ｃにて、支持体４０の支持面４０ａのうちの高分子電解質膜１１と接触する部分が多孔質部４２から構成されている。そして、基材４１における多孔質部４２と接触する面には、溝４３が形成されている。溝４３に水が流されると、溝４３に面している多孔質部４２が、溝４３内の水を吸収する。多孔質部４２が吸収した水は多孔質部３２を浸透し、多孔質部３２から高分子電解質膜１１に水が供給される。これにより、高分子電解質膜１１が加湿される。

第３の実施形態においても、触媒層１２，１３が配置された面と反対側の面から加湿が行われるため、高分子電解質膜１１の平坦面１１ｂに対して直接的に加湿を行うことができる。したがって、高分子電解質膜１１の湿度を高めることができる。その結果、低加湿条件下における固体高分子形燃料電池の出力特性の低下を抑えられる。また、触媒層１２，１３へのガスの供給を妨げることなく、高分子電解質膜１１の加湿を行うことができる。

また、高分子電解質膜１１が支持体４０に支持されるため、高分子電解質膜１１に皺や折れが生じることが抑えられる。
また、多孔質部４２からは、高分子電解質膜１１に対して水が徐々に供給されるため、高分子電解質膜１１を一定の速さで均一に加湿し続けることができる。さらに、多孔質部４２が高分子電解質膜１１の平坦面１１ｂの全面と接しているため、高分子電解質膜１１の全体を均一に加湿することができる。また、第１の実施形態と比較して、高分子電解質膜１１が溝の角部と接しないため、高分子電解質膜１１の傷みを抑えられる。さらに、多孔質部４２への水の供給が、多孔質部４２の下面の全体に対して行われるため、多孔質部４２への水の供給を均一に効率よく行うことができる。

なお、第３の実施形態では、多孔質部４２および溝４３が加湿部を構成する。
以上説明したように、第３の実施形態によれば、第１の実施形態の（１）、第２の実施形態の（３）の効果に加えて、以下の効果が得られる。

（４）基材４１における多孔質部４２と接触する面に形成された溝４３から、多孔質部４２に水が供給される。したがって、多孔質部４２への水の供給を均一に効率よく行うことができる。

（変形例）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することが可能である。
・溝１５，４３の形状は、上述の形状に限られない。例えば、図９に示されるように、溝４５が渦巻状に形成されていてもよい。また、溝４５は、水の流入口４５ａのみを有し、流出口を有していなくてもよい。この場合、溝４５内の水が、高分子電解質膜１１、あるいは、多孔質部４２に吸収されて減少することに伴って、流入口４５ａから溝４５に水が供給される。要は、溝１５，４３は、水を外部から受け入れることが可能であればよい。

・溝１５，４３は、燃料極触媒層１２が積層される領域と空気極触媒層１３が積層される領域とに不均等に配置されてもよい。例えば、空気極では発電によって水が生成するため、空気極触媒層１３が積層される領域よりも、燃料極触媒層１２が積層される領域に溝を多く配置してもよい。

・溝１５，４３の幅、深さ、および、隣接する溝１５，４３の間隔が一定でなくてもよい。また、互いに接続されていない複数の溝が形成されていてもよい。
・多孔質部３２，４２が、支持体３０，４０の支持面３０ａ，４０ａのうちの高分子電解質膜１１と接触する部分の一部のみを構成していてもよい。要は、支持体３０，４０における高分子電解質膜１１と接触する面の少なくとも一部に多孔質部３２，４２が備えられていればよい。

・支持体における高分子電解質膜１１と接触する面の一部に多孔質部が形成され、該面の多孔質部が形成されていない領域に、溝が形成されていてもよい。すなわち、第１の実施形態と第２の実施形態もしくは第３の実施形態とが組み合わされてもよい。

・膜電極接合体が、複数の燃料極触媒層と複数の空気極触媒層とを備えていてもよい。例えば、図１０に示されるように、膜電極接合体１０Ｄにて、複数の燃料極触媒層５２と複数の空気極触媒層５３とがマトリクス状に配置されてもよい。配列の縦方向に燃料極触媒層５２と空気極触媒層５３とが隣接し、配列の横方向に燃料極触媒層５２と空気極触媒層５３とが隣接する。また、例えば、図１１に示されるように、膜電極接合体１０Ｅにて、一方向に延びる複数の燃料極触媒層６２と複数の空気極触媒層６３とが交互に配置されてもよい。また、燃料極触媒層と空気極触媒層とが矩形とは異なる形状に形成されていてもよい。膜電極接合体が、複数の燃料極触媒層と複数の空気極触媒層とを備える構成であれば、各触媒層の配置や周辺回路の構成によって、固体高分子形燃料電池の出力の調整に関する自由度が向上される。

上記実施形態および変形例において、燃料極触媒層と空気極触媒層との間隔は、高分子電解質膜の抵抗の増加による固体高分子形燃料電池の出力の低下を抑えるために、１μｍ以上８００μｍ以下であることが好ましい。１μｍ以上８００μｍ以下の範囲で、燃料極触媒層と空気極触媒層との間隔は小さい方が望ましい。具体的には、燃料極触媒層と空気極触媒層との間隔は、１μｍ以上５００μｍ以下が好ましく、１μｍ以上３００μｍ以下がより好ましく、１μｍ以上２０μｍ以下がさらに好ましい。燃料極触媒層と空気極触媒層との間隔が１μｍより小さいと、触媒層の形成が困難になる。

・高分子電解質膜１１の平坦面１１ａ上にて、燃料極触媒層１２と空気極触媒層１３との間に、気体の透過を抑える材料から形成されたガスシール部が設けられていてもよい。これによれば、二種類の触媒層の各々に供給されるガスが混ざることが抑えられる。さらに、燃料極触媒層１２とガスシール部との間、および、空気極触媒層１３とガスシール部の間のそれぞれに、ガス流路が形成されていてもよい。これによれば、触媒層１２，１３に供給されるガスの拡散性が高められる。要は、燃料極触媒層１２と空気極触媒層１３とが、高分子電解質膜の厚さ方向にて、高分子電解質膜に対して同じ側に配置されていれば、触媒層１２，１３の周辺の構成は任意である。

・高分子電解質膜１１と触媒層１２，１３との積層体は、任意の基材上に成膜された触媒層１２，１３の上に、高分子電解質膜１１が成膜されることによって形成されてもよい。この場合、燃料極触媒層１２と空気極触媒層１３との間の領域にも高分子電解質膜１１が配置される。

・燃料極触媒層が接触する部分の高分子電解質膜の厚さと、空気極触媒層が接触する部分の高分子電解質膜の厚さが異なっていてもよい。要は、燃料極触媒層と空気極触媒層とが、高分子電解質膜の厚さ方向にて、高分子電解質膜に対して同じ側に配置されていればよい。

・セパレータ２１は、側板部２１ｃを備えていなくてもよい。すなわち、セパレータ２１は、高分子電解質膜１１の縁部を囲まず、膜電極接合体の上部のみを覆ってもよい。

１０Ａ〜１０Ｅ…膜電極接合体、１１…高分子電解質膜、１１ａ，１１ｂ…平坦面、１２，５２，６２…燃料極触媒層、１３，５３，６３…空気極触媒層、１４，３１，４１…基材、１４ａ…基材面、１５，４３，４５…溝、２０Ａ…固体高分子形燃料電池、２１…セパレータ、２２…燃料極集電体、２３…空気極集電体、２４…燃料極ガス流路、２５…空気極ガス流路、３０，４０…支持体、３０ａ，４０ａ…支持面、３１ａ，４１ａ…凹部、３２，４２…多孔質部、４１ｂ…底面。

Claims (5)

1. 支持体と、
   前記支持体に接触する電解質層と、
   前記電解質層に接触する燃料極触媒層と、
   前記電解質層に接触する空気極触媒層と、を備え、
   前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とは、前記電解質層の厚さ方向にて、前記電解質層に対して前記支持体とは反対側に配置され、
   前記電解質層の面上において前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とは離れており、
   前記支持体は、前記電解質層を加湿する加湿部を備え、
   前記加湿部は、前記電解質層を挟んで前記燃料極触媒層と対向する位置と、前記電解質層を挟んで前記空気極触媒層と対向する位置とにおいて前記電解質層と接触する
   膜電極接合体。
2. 前記支持体における前記電解質層と接触する面には、水分を外部から受け入れることの可能な溝が形成され、
   前記加湿部は、前記溝を備える
   請求項１に記載の膜電極接合体。
3. 前記加湿部は、
   前記支持体における前記電解質層と接触する面の少なくとも一部に、水分を保持することの可能な多孔質部を備える
   請求項１または２に記載の膜電極接合体。
4. 前記支持体は、前記多孔質部を支持する基材を備え、
   前記基材における前記多孔質部と接触する面には、水分を外部から受け入れることの可能な溝が形成され、
   前記加湿部は、前記溝を備える
   請求項３に記載の膜電極接合体。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の膜電極接合体を備える
   固体高分子形燃料電池。

Images