WO2008072550A1

WO2008072550A1 - 膜－電極接合体、及びこれを備えた高分子電解質形燃料電池

Info

Publication number: WO2008072550A1
Application number: PCT/JP2007/073600
Authority: WO
Inventors: Yasuo Takebe; Yasuhiro Seki; Eiichi Yasumoto; Yusuke Mochizuki
Original assignee: Panasonic Corporation; Asahi Glass Co., Ltd.
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2008-06-19
Also published as: JP2008146915A

Abstract

　本発明の膜－電極接合体（１０）は、ガス拡散性を有する第１ガス拡散層（４）と、第１ガス拡散層（４）と互いに積層されており第１ガス拡散層（４）の主面よりも大きな面積の主面を有しておりその外周縁部が前記第１ガス拡散層よりも外側にはみ出すように配置された第１触媒層（２）と、を含む平板状の第１ガス拡散電極（８）と、第１ガス拡散電極（８）に対向配置される平板状の第２ガス拡散電極（９）と、第１触媒層（２）と第２ガス拡散電極（９）との間に配置されており、第１触媒層（２）の主面以上の面積の主面を有する高分子電解質膜（１）と、第１触媒層（２）の第１ガス拡散層（４）側の主面の外周縁部に沿って延在し、かつ、その内周縁部が第１触媒層（２）と第１ガス拡散層（４）の外周縁部との間に挿入されるように配置された額縁状の第１枠体（６）と、第１枠体（６）の第１触媒層（２）から遠い方の主面の外周縁部に沿って延在し、かつ、第１ガス拡散層（４）の周囲であって当該第１ガス拡散層（４）に重ならないように配置された額縁状の第１ガスシール部材（１３）と、を有している。

Description

明細書

膜一電極接合体、及びこれを備えた高分子電解質形燃料電池技術分野

[0001] 本発明は、高分子電解質形燃料電池に用いる、高分子電解質膜を備えた膜ー電極接合体及びこれを備えた高分子電解質形燃料電池に関し、特に、高分子電解質膜の破損が防止可能な膜電極接合体に関する。

背景技術

[0002] 従来、高分子電解質形燃料電池には、膜電極接合体が用いられている。膜ー電極接合体は、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の両側に配設された一対の電極 (ガス拡散電極）とを備えている。ここで、高分子電解質膜の破損を防止する技術として、特許文献 1に示すように、高分子電解質膜の周縁部分に密着して配され前記電極に重なりを有する額縁状の保護膜を、前記高分子電解質膜の少なくとも一方の主面側に備えるシール構造が開示されている。

特許文献 1 :特開平 5— 21077号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] しかしながら、特許文献 1の構成においては、高分子電解質膜の外周縁部の破損を十分に抑制することができな!/、と!/、う問題を有して!/、た。

[0004] 本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高分子電解質膜の外周縁部の破損が十分に抑制された膜電極接合体、及びこれを備えた高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0005] 本件発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意検討した。

[0006] その結果、特許文献 1の構成においては、ガス拡散電極において、中央部に比較して外周縁部の発熱による破損の進行が大きくなり、外周縁部付近の保護膜と高分子電解質膜の破損が進行しやすくなつて、 V、まだ改善の余地があった。

[0007] すなわち、保護膜をガス拡散電極の周縁部に重なりを有するようにして高分子電解質膜に配設した場合には、保護膜が存在するガス拡散電極の周縁部は、保護膜が存在しない中央部に比較して、電池反応により生成した生成水が供給されにくい。そのため、ガス拡散電極の周縁部は中央部に比べて乾燥しやすい。その結果、ガス拡散電極の周縁部で、反応ガスの電気化学反応のほ力、に、反応ガスの触媒上での燃焼反応（高分子電解質膜中をクロスオーバーして互いに交じり合う燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼反応）が起こった場合、生成水が十分に存在するガス拡散電極の中央部に比較して、燃焼反応による反応熱がガス拡散電極の周縁部付近の高分子電解質膜に伝わりやすぐ高分子電解質膜の熱破損が起こりやすかつた。

[0008] 特に、特許文献 1の膜電極接合体の場合、ガス拡散電極の外縁と、その周囲に配設されるガスシール部材の内縁との間に隙間（特許文献 1、図 1中の隙間 8)が形成されているため、この隙間を通る反応ガスによって、ガス拡散電極の周縁部での燃焼反応の影響がより顕著になる傾向があると考えられる。

そこで、上記課題を解決するために、本発明の膜—電極接合体は、ガス拡散性を有する第 1ガス拡散層と、前記第 1ガス拡散層と互レ、に積層されており前記第 1ガス拡散層の主面よりも大きな面積の主面を有しておりその外周縁部が前記第 1ガス拡散層よりも外側にはみ出すように配置された第 1触媒層と、を含む平板状の第 1ガス拡散電極と、前記第 1ガス拡散電極に対向配置される平板状の第 2ガス拡散電極と、前記第 1触媒層と前記第 2ガス拡散電極との間に配置されており、前記第 1触媒層の主面以上の面積の主面を有する高分子電解質膜と、前記第 1触媒層の前記第 1ガス拡散層側の主面の外周縁部に沿って延在し、かつ、その内周縁部が前記第 1触媒層と第 1ガス拡散層の外周縁部との間に挿入されるように配置された額縁状の第 1枠体と、前記第 1枠体の前記第 1触媒層から遠い方の主面の外周縁部に沿って延在し、かつ、前記第 1ガス拡散層の周囲であって当該第 1ガス拡散層に重ならないように配置された額縁状の第 1ガスシール部材と、を有している（請求項 1)。

[0009] このような構成によれば、第 1触媒層全体が高分子電解質膜上に配置されているので、第 1触媒層の外周縁部にも第 1触媒層の中央部と同等の量の反応生成水をレ、きわたらせること力 Sできる。このため、燃焼反応熱による高分子電解質膜の外周縁部の破損が抑制される。 [0010] また、本発明の膜電極接合体は、第 1触媒層から外にはみ出した第 1触媒層の外周縁部が第 1枠体で覆われており、当該第 1枠体上にガスシール部材が配置されている。そのため、本発明の膜電極接合体は、特許文献 1の構成と異なり、第 1ガス拡散電極とガスシール部材との間には隙間がない。第 1枠体を上述のように配置することにより、第 1ガス拡散層とガスシール部材との間から反応ガスが第 1触媒層に直接流入することが十分に防がれるので、この観点からも燃焼反応熱による高分子電解質膜の外周縁部の破損が起こりに《なる。

[0011] さらに、第 1ガス拡散層及び第 1ガスシール部材と高分子電解質膜との間に、第 1 枠体と第 1触媒層とが介在しているため、第 1ガス拡散層の外端及び第 1ガスシール部材の内端とが高分子電解質膜を傷つけることが防止される。これにより、膜電極接合体をセパレータと共に締結する際に機械的ストレスによる高分子電解質膜の破損がさらに抑制される。

[0012] 前記第 2ガス拡散電極の周囲に前記第 1ガスシール部材に対向するように配置された額縁状の第 2ガスシール部材を更に有して!/、てもよ!/、（請求項 2)。

[0013] 前記第 2ガス拡散電極が、ガス拡散性を有する第 2ガス拡散層と、前記第 2ガス拡散層と前記高分子電解質膜との間に配置された第 2触媒層と、を含むよう構成されており、前記第 2触媒層の厚み方向から見た場合、前記第 2触媒層の外縁が前記第 1 枠体の内縁と外縁との間に位置して!/、てもよ!/、（請求項 3)。

[0014] 前記第 2触媒層は、前記第 2ガス拡散層の主面よりも大きな主面を有しており、その外周縁部が前記第 2ガス拡散層よりも外側にはみ出すように配置されていてもよい（請求項 4)。

[0015] 前記第 2触媒層の前記第 2ガス拡散層側の主面の外周縁部に沿って延在し、かつ、その内周縁部が前記第 2触媒層と第 2ガス拡散層の外周縁部との間に挿入されるように配置された額縁状の第 2枠体と、前記第 2枠体の前記第 2触媒層から遠い方の主面の外周縁部に沿って延在し、かつ、前記第 2ガス拡散層の周囲であって当該第 2ガス拡散層に重ならないように配置された額縁状の第 2ガスシール部材と、を更に有していてもよい（請求項 5)。

[0016] 前記第 1ガス拡散電極がアノードであると好ましい（請求項 6)。このようにアノード側に本発明における上記構成を採用することにより、本発明の膜電極接合体を用いた高分子電解質形燃料電池の運転方式として、いわゆる DSS運転のように発電の停止と起動を繰り返す運転方式を採用する際に、発電停止から次の起動までの間に力ソードの酸化剤ガス（例えば酸素）の一部が高分子電解質膜中をアノードへ移動し、アノードにおいて触媒上で上述の燃焼反応が起こりうる状態になった場合でも、高分子電解質膜の破損を十分に抑制できるようになる。また、アノード側をェアブリードする運転方式を採用し、触媒上での燃焼反応が起こりうる状態となる場合でも、ァノ一ドに本発明における上記構成を採用することで、高分子電解質膜の破損を十分に才卬制でさるようになる。

[0017] 前記高分子電解質膜の外周縁部が、前記第 1触媒層及び前記第 2ガス拡散電極よりも外側にはみだして!/、てもよ!/ヽ (請求項 7)。

[0018] このような構成とすると、第 1枠体と第 1ガスシール部材とが高分子電解質膜の外周縁部の上に配置されるので、セパレータで締結したときのガスシール性がさらに向上する。また、第 2枠体と第 2シール部材とが高分子電解質膜の外周縁部の上に配置されるので、セパレータで締結したときのガスシール性がさらに向上する。

[0019] 前記第 1ガス拡散層の外縁と前記第 1ガスシール部材の内縁との間に隙間が設けられていてもよい（請求項 8)。

[0020] 前記第 2ガス拡散層の外縁と前記第 2ガスシール部材の内縁との間に隙間が設けられていてもよい（請求項 9)。

[0021] 前記第 1ガス拡散層の外縁と前記第 1ガスシール部材の内縁とが互いに重ならないように接触して!/、てもよ!/ヽ（請求項 10)。

[0022] 前記第 2ガス拡散層の外縁と前記第 2ガスシール部材の内縁とが互いに重ならないように接触して!/、てもよ!/ヽ (請求項 11 )。

[0023] 本発明の高分子電解質形燃料電池は、上記いずれかの膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように互いに対向配置されており、前記膜電極接合体へ反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されている一対のセパレータと、を有している（請求項 12)。

[0024] 本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

発明の効果

[0025] 本発明の膜電極接合体及び高分子電解質形燃料電池は、上記のような構成としたため、高分子電解質膜の外周縁部における破損が抑制されるという効果を奏す図面の簡単な説明

[0026] [図 1]図 1は本発明の第 1実施形態の膜電極接合体及びこれを備えた高分子電解質形燃料電池の構成を示す断面図であって、 (a)は高分子電解質形燃料電池を組み立てる前の断面図、（b)は高分子電解質形燃料電池を組み立てた後の断面図である。

[図 2]図 2は本発明の膜電極接合体及びこれを備えた高分子電解質形燃料電池の第 1変形例の構成を示す断面図であって、 (a)は高分子電解質形燃料電池を組み立てる前の断面図、（b)は高分子電解質形燃料電池を組み立てた後の断面図である。

[図 3]図 3は本発明の第 2実施形態の膜電極接合体及びこれを備えた高分子電解質形燃料電池の構成を示す断面図であって、 (a)は高分子電解質形燃料電池を組み立てる前の断面図、（b)は高分子電解質形燃料電池を組み立てた後の断面図である。

[図 4]図 4は本発明の膜電極接合体及びこれを備えた高分子電解質形燃料電池の第 2変形例の構成を示す断面図であって、 (a)は高分子電解質形燃料電池を組み立てる前の断面図、（b)は高分子電解質形燃料電池を組み立てた後の断面図である。

符号の説明

[0027] 1 高分子電解質膜

2 第 1触媒層

3 第 2触媒層

4 第 1ガス拡散層

5 第 2ガス拡散層 7 第 2枠体

8 第 1ガス拡散電極

9 第 2ガス拡散電極

10 膜電極接合体

11 第 1ガスシール部材

13 第 2ガスシール部材

15 第 1セパレータ

15a 反応ガス流路

17 第 2セパレータ

17a 反応ガス流路

21 , 23 隙間

100 高分子電解質形燃料電池

発明を実施するための最良の形態

[0028] 以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

[0029] (第 1実施形態）

図 1は、本発明の第 1実施形態の膜電極接合体及びこれを備えた高分子電解質形燃料電池の構成を示す断面図であって、 (a)は高分子電解質形燃料電池を組み立てる前の断面図、（b)は高分子電解質形燃料電池を組み立てた後の断面図である。以下、図 1を参照しながら、本実施形態の高分子電解質形燃料電池及び膜ー電極接合体にっレ、て説明する。

[0030] 図 1 (a)、 (b)に示すように、本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100は、第 1 セパレータ 15及び第 2セパレータ 17と、第 1ガスシール部材 11及び第 2ガスシール部材 13と、膜電極接合体 10と、を備えている。

[0031] 第 1セパレータ 15と第 2セパレータ 17とは、後述する膜—電極接合体 10を挟むように配設されている。第 1セパレータ 15及び第 2セパレータ 17は、平板状に形成されている。第 1セパレータ 15及び第 2セパレータ 17には、膜—電極接合体 10に対向する主面に反応ガス流路 15a, 17aが形成されている。なお、第 1セパレータ 15及び第 2セパレータ 17の反応ガス流路 15a, 17aが形成された主面の反対側の主面には、冷却水流路（図示せず）が形成されて!、てもよ!/、。第 1セパレータ 15及び第 2セパレータ 17は、導電性の材料、例えば、黒鉛材料、金属材料等で構成されている。

[0032] 第 1セパレータ 15と第 2セパレータ 17との間には、膜—電極接合体 10が配設される。膜電極接合体 10は、高分子電解質膜 1と、この高分子電解質膜 1の両側の主面に配設された第 1触媒層 2及び第 2触媒層 3と、第 1触媒層 2及び第 2触媒層 3にそれぞれ積層された第 1ガス拡散層 4及び第 2ガス拡散層 5と、第 1触媒層 2と第 1ガス拡散層 4との間及び第 2触媒層 3と第 2ガス拡散層 5との間にそれぞれ揷入された第 1 枠体 6及び第 2枠体 7と、を備えている。

[0033] 高分子電解質膜 1は、矩形のシート状に形成されている。高分子電解質膜 1は、本実施形態では、その厚みが 30 mになるよう形成されている。なお、高分子電解質膜 1の厚みは特に 30 mに限定されない。高分子電解質膜 1の厚みは、オーム損を十分に低減する観点と十分な機械的強度を確保する観点から、 20 m〜50 mであること力 S好ましい。高分子電解質膜 1は、プロトン伝導性を有している。高分子電解質膜 1としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、及びスルホンイミド基を有するものが好ましくあげられる。プロトン伝導性の観点から、高分子電解質膜 1はスルホン酸基を有するものがより好ましぐ CF = CF— (OCF C FX) O — (CF ) — SO Hで表されるパーフルォロビニル化合物（mは 0〜3の整数 m p 2 n 3

を示し、 nは 1〜； 12の整数を示し、 pは 0または 1を示し、 Xはフッ素原子またはトリフルォロメチル基を示す）に基づく繰返し単位と、 CF = CFで表されるテトラフルォロェチレンに基づく繰返し単位と、を含むパーフルォロカーボン共重合体を構成材料となる高分子電解質として含む膜であることが特に好ましい。高分子電解質膜 1としては、本実施形態では、 Nafion膜 (登録商標；米国 DuPont社製）が用いられる。

[0034] 高分子電解質膜 1の両方の主面には、第 1触媒層 2及び第 2触媒層 3が形成されている。第 1触媒層 2及び第 2触媒層 3は、その主面の面積が高分子電解質膜 1の主面の面積よりも小さくなるよう形成されている。具体的には、第 1触媒層 2及び第 2触媒層 3が高分子電解質膜 1に配設された状態において、高分子電解質膜 1と第 1触媒層 2及び第 2触媒層 3とが重なっていない部分である高分子電解質膜 1の外周縁部が平面視において矩形の環状 (額縁状）になるよう形成されている。換言すると、第 1 触媒層 2の外周縁部が、後述する第 1ガス拡散層 4の外周縁部の外側にはみ出した構成となっている。また、第 2触媒層 3の外周縁部が、後述する第 2ガス拡散層 5の外周縁部の外側にはみ出した構成となっている。第 1触媒層 2の構成及び第 2触媒層 3 の構成としては、電極触媒が担持された導電性炭素粒子と、陽イオン (水素イオン）伝導性を有する高分子電解質とを含む構成を有していてもよぐ更に、ポリテトラフルォロエチレンなどの撥水材料を更に含む構成を有していてもよい。なお、高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜 1の構成材料と同種のものを使用してもよく異なる種類のものを使用してもよい。高分子電解質としては、高分子電解質膜 1の構成材料として記載したものを使用すること力 Sできる。電極触媒は、金属粒子（例えば貴金属からなる金属粒子）からなり、導電性炭素粒子（粉末）に担持されて用いられる。当該金属粒子は、特に限定されず種々の金属を使用することができる力電極反応活性の観点から、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジゥム、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、ァノレミニゥム、ケィ素、亜鉛及びスズからなる群より選択される少なくとも 1種であることが好ましい。な力、でも、白金及び白金との合金が好ましぐ白金とルテニウムの合金が、アノードにおレ、ては触媒の活性が安定することから特に好まし!/、。

[0035] 第 1触媒層 2の高分子電解質膜 1から遠い方の主面には、第 1ガス拡散層 4が配設されている。第 2触媒層 3の高分子電解質膜 1から遠い方の主面には、第 2ガス拡散層 5が配設されている。第 1ガス拡散層 4の主面の面積は、後述する第 1枠体 6の内周縁部の面積よりも大きぐかつ、第 1触媒層 2の主面の面積よりも小さくなるよう形成されている。第 2ガス拡散層 5の主面の面積は、後述する第 2枠体 7の内周縁部の面積よりも大きく、かつ、第 2触媒層 3の主面の面積よりも小さくなるよう形成されている。

[0036] 第 1ガス拡散層 4及び第 2ガス拡散層 5は、本実施形態では、その厚みが 300 m になるよう形成されている。なお、第 1ガス拡散層 4及び第 2ガス拡散層 5の厚みは特に 300 mに限定されない。第 1ガス拡散層 4及び第 2ガス拡散層 5の厚みは、ォーム損を十分に低減する観点と十分な機械的強度を確保する観点から、 ΙΟΟ m〜4 00 であることが好ましい。第 1ガス拡散層 4及び第 2ガス拡散層 5は、カーボン織布、カーボン不織布、カーボンペーパー、カーボン粉末シート等で構成されている。第 1触媒層 2と第 1ガス拡散層 4とは、互いに積層されることによって平板状の第 1ガス拡散電極 8を構成している。また、第 2触媒層 3と第 2ガス拡散層 5とは、互いに積層されることによって平板状の第 2ガス拡散電極 9を構成している。力、くして、第 1ガス拡散電極 8と第 2ガス拡散電極 9とは、高分子電解質膜 1を挟んで対向するように配置されている。

[0037] 第 1触媒層 2の高分子電解質膜 1から遠い方の主面の外周縁部と、第 1ガス拡散層 4の高分子電解質膜 1に近い方の主面の外周縁部との間には、第 1枠体 6が配設されている。第 1枠体 6は、矩形の環状 (額縁状）に形成されていて、第 1触媒層 2の第 1ガス拡散層 4側の主面にその外周縁部に沿って延在し、かつ、その内周縁部が第 1 触媒層 2と第 1ガス拡散層 4の外周縁部との間に挿入されるように配置されている。第 2触媒層 3の高分子電解質膜 1から遠い方の主面の外周縁部と、第 2ガス拡散層 5の高分子電解質膜 1に近い方の主面の外周縁部との間には、第 2枠体 7が配設されている。第 2枠体 7は、矩形の環状 (額縁状）に形成されていて、第 2触媒層 3の第 2ガス拡散層 5側の主面にその外周縁部に沿って延在し、かつ、その内周縁部が第 2触媒層 3と第 2ガス拡散層 5の外周縁部との間に挿入されるように配置されている。第 1枠体 6及び第 2枠体 7は、それぞれ、第 1触媒層 2及び第 2触媒層 3の外周からはみ出すよう形成されている。

[0038] 第 1枠体 6及び第 2枠体 7は、本実施形態では、その厚みが 15 mになるよう形成されている。なお、第 1枠体 6及び第 2枠体 7の厚みは特に 15 mに限定されない。第 1枠体 6及び第 2枠体 7の厚みは、本発明の効果をより確実に得る観点から、 δ μ ΐη 〜50 111であることが好ましい。第 1枠体 6及び第 2枠体 7を構成する材料は、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルォロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、フルォ口エチレンプロピレン共重合体、テトラフルォロエチレンパーフルォロアルコキシエチレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルアミド、ポリエーテルィミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフエ二レンスルフイド、ポリアリレート、ポリスルフイド、ポリイミド、及び、ポリイミドアミドからなる群より選択される少なくとも 1種の合成樹脂であることが好ましい。 [0039] 第 1セパレータ 15及び第 2セパレータ 17と膜—電極接合体 10との間には、第 1ガスシール部材 11及び第 2ガスシール部材 13が配設されて!/、る。第 1ガスシール部材 11は、第 1枠体 6の第 1触媒層 2から遠い方の主面の外周縁部に沿って延在し、かつ、第 1ガス拡散層 4の周囲であって第 1ガス拡散層 4に重ならないように配置されている。第 2ガスシール部材 13は、第 2枠体 7の第 2触媒層 3から遠い方の主面の外周縁部に沿って延在し、かつ、第 2ガス拡散層 5の周囲であって第 2ガス拡散層 5に重ならないように配置されている。第 1ガスシール部材 11及び第 2ガスシール部材 13は、額縁状、すなわち、矩形の環状に形成されている。第 1ガスシール部材 11の内周縁部と、第 1ガス拡散層 4の外縁との間には、所定の間隔の隙間 21が設けられている。第 2ガスシール部材 13の内周縁部と、第 2ガス拡散層 5の外縁との間には、所定の間隔の隙間 23が設けられている。第 1ガスシール部材 11及び第 2ガスシール部材 13は、フッ素ゴム、シリコンゴム、天然ゴム、エチレン一プロピレンゴム（EPDM)、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、臭化ブチルゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエン共重合体、エチレン酢酸ビュルゴム、アクリルゴム、ポリイソプロピレンポリマー、ノーフノレォロカーボン、熱可塑性エラストマ一（ポリスチレン系エラストマ一、ポリオレフイン系ェラストマー、ポリエステル系エラストマ一、ポリアミド系エラストマ一など）、ラテックス（ィソプレンゴム、ブタジエンゴムなど）を用いた接着剤、液状の接着剤（ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロ口プレン、シリコンゴム、フッ素ゴム、アタリロニトリノレーブタジェンゴムなどを用いた接着剤）等で構成されて!/、る。

[0040] 次に、本実施形態の膜電極接合体 10及びこれを備えた高分子電解質形燃料電池 100の製造方法について、簡単に説明する。

[0041] 高分子電解質膜 1の一方の主面に、第 1触媒層 2が塗布される。第 1触媒層 2は、高分子電解質膜 1の外周縁部が矩形状に残存するようにして塗布される。次に、第 1 触媒層 2の外縁にその内周縁部が重なるようにして第 1枠体 6を配置する。そして、第 1枠体 6の内周縁部に重なるようにして第 1ガス拡散層 4を配置する。

[0042] 次に、上記と同様にして、高分子電解質膜 1の他方の主面に、第 2触媒層 3を塗布し、第 2枠体 7及び第 2ガス拡散層 5を配置する。

[0043] すなわち、高分子電解質膜 1の他方の主面に、第 2触媒層 3が塗布される。第 2触媒層 3は、高分子電解質膜 1の外周縁部が矩形状に残存するようにして塗布される。次に、第 2触媒層 3の外縁にその内周縁部が重なるようにして第 2枠体 7を配置する。そして、第 2枠体 7の内周縁部に重なるようにして第 2ガス拡散層 5を配置する。

[0044] 上記のように配置されたものを熱圧加工することにより、膜電極接合体 10が形成される。

[0045] 次に、第 1触媒層 2の外縁及び第 1枠体 6の外周縁部に重なるようにして第 1ガスシ一ル部材 11を配置する。また、第 2触媒層 3の外縁及び第 2枠体 7の外周縁部に重なるようにして第 2ガスシール部材 13を配置する。

[0046] そして、図 1 (b)に示すように、膜電極接合体 10と、第 1ガスシール部材 11及び第 2ガスシール部材 13と、第 1セパレータ 15及び第 2セパレータ 17とを積層し、締結することにより高分子電解質形燃料電池 100を製造する。なお、ひとつの高分子電解質形燃料電池 (セル）は起電力が小さいため、複数個の高分子電解質形燃料電池（セル）を積層し、締結してセルスタックとすることが好ましレ、。

[0047] なお、高分子電解質形燃料電池 100を締結した場合において、第 1枠体 6及び第 2枠体 7の内周縁部は、それぞれ、第 1ガス拡散層 4及び第 2ガス拡散層 5により、その隆起が吸収される。また、第 1枠体 6及び第 2枠体 7の外周縁部が、それぞれ、第 1 触媒層 2及び第 2触媒層 3の外縁と高分子電解質膜 1との間に形成される段差に沿つて変形される。第 1触媒層 2の外縁及び第 1枠体 6の外縁により形成された段差は、第 1シール部材 11によって吸収される。第 2触媒層 3の外縁及び第 2枠体 7の外縁により形成された段差は、第 2シール部材 13によって吸収される。

[0048] 本実施形態の膜電極接合体 10及び高分子電解質形燃料電池 100は、上記のような構成としたため、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により生成した生成水が第 1枠体 6及び第 2枠体 7に遮断されることなく第 1触媒層 2及び第 2触媒層 3を通って高分子電解質膜 1に到達することができる。これにより、高分子電解質膜 1の外縁の乾燥が抑制され、高分子電解質膜 1の外縁の熱破損が起こりにくくなる。

[0049] また、本実施形態の膜電極接合体 10は、第 1触媒層 2から外にはみ出した第 1 触媒層 2の外周縁部が第 1枠体 6で覆われており、当該第 1枠体 6上に第 1ガスシール部材 11が配置されている。そのため、本実施形態の膜電極接合体 10は、特許文献 1の構成と異なり、第 1ガス拡散電極 8と第 1ガスシール部材 11との間には隙間がない。第 1枠体 6を上述のように配置することにより、第 1ガス拡散層 4と第 1ガスシ一ル部材 11との間から反応ガスが第 1触媒層 2に直接流入することが十分に防がれるので、この観点からも燃焼反応熱による高分子電解質膜 1の外周縁部の破損が起こりに《なる。

[0050] 同様に、本実施形態の膜電極接合体 10は、第 2触媒層 3から外にはみ出した第 2触媒層 3の外周縁部が第 2枠体 7で覆われており、当該第 2枠体 7上に第 2ガスシール部材 13が配置されている。そのため、本実施形態の膜電極接合体 10は、特許文献 1の構成と異なり、第 2ガス拡散電極 9と第 2ガスシール部材 13との間には隙間がない。第 2枠体 7を上述のように配置することにより、第 2ガス拡散層 5と第 2ガスシ一ル部材 13との間から反応ガスが第 2触媒層 3に直接流入することが十分に防がれるので、この観点からも燃焼反応熱による高分子電解質膜 1の外周縁部の破損が起こりに《なる。

[0051] さらに、第 1ガス拡散層 4及び第 1ガスシール部材 11と高分子電解質膜 1との間に、第 1枠体 6と第 1触媒層 2とが介在しているため、第 1ガス拡散層 4の外端及び第 1ガスシール部材 11の内端とが高分子電解質膜 1を傷つけることが防止される。また、第 2ガス拡散層 5及び第 2ガスシール部材 13と高分子電解質膜 1との間に、第 2枠体 7 と第 2触媒層 3とが介在しているため、第 2ガス拡散層 5の外端及び第 2ガスシール部材 13の内端とが高分子電解質膜 1を傷つけることが防止される。これにより、膜一電極接合体 10をセパレータ 15, 17と共に締結する際に機械的ストレスによる高分子電解質膜 1の破損がさらに抑制される。

[0052] [第 1変形例] (第 1実施形態の変形例）

図 2は、本発明の膜電極接合体及びこれを備えた高分子電解質形燃料電池の第 1変形例の構成を示す断面図であって、 (a)は高分子電解質形燃料電池を組み立てる前の断面図、（b)は高分子電解質形燃料電池を組み立てた後の断面図であ

[0053] 上記の第 1実施形態にお!/、ては、第 1ガス拡散電極 8側及び第 2ガス拡散電極 9側の双方に枠体が配設されたが、本変形例では第 1ガス拡散電極 8側と第 2ガス拡散電極 9側とのうちの一方の側に枠体 6が配設されている。この場合においては、枠体 6が配設されるガス拡散電極がアノードであることが好ましい。すなわち、アノード側に枠体 6が配設されることが好ましい。それ以外の構成は、第 1実施形態の膜電極接合体と同様である。また、膜電極接合体 10及び高分子電解質形燃料電池 100 の製造方法については、第 1実施形態の場合と同様である。

[0054] このような構成とすると、高分子電解質形燃料電池 100を停止する際に、高分子電解質膜 1の破損がさらに抑制される。また、アノード側をェアブリードする際にも、高分子電解質膜 1の破損がさらに抑制される。以下、その理由を説明する。

[0055] まず、高分子電解質形燃料電池 100を停止する場合について説明する。

[0056] 高分子電解質形燃料電池 100を停止する場合にお!/、て、パージを行わな!/、場合には、アノード側に燃料ガスを封止し、力ソード側に酸化剤ガスを封止することになる。この場合には、高分子電解質形燃料電池 100の停止中においても、高分子電解質膜 1を透過した燃料ガス及び酸化剤ガスにより燃焼反応が起こり、高分子電解質形燃料電池 100の内部が負圧になる。一方、高分子電解質形燃料電池 100を停止する場合において、アノード側及び力ソード側を原料ガス（例えば、燃料ガスに改質する前の都市ガス）でパージすることがある。この場合には、高分子電解質形燃料電池 100を停止した後の温度低下により、高分子電解質形燃料電池 100の内部が負圧になる。そうすると、高分子電解質形燃料電池 100をパージするか否かにかかわらず、高分子電解質形燃料電池 100を停止する場合において、外部から高分子電解質形燃料電池 100の内部に空気が侵入する。この状態で高分子電解質形燃料電池 100を起動すると、アノード側に侵入した空気と供給された燃料ガスとが燃焼反応を起こす。したがって、上記のような構成とすると、高分子電解質形燃料電池 100の停止時に侵入した空気と燃料ガスとの燃焼反応による高分子電解質膜 1の破損を抑制すること力 Sでさる。

[0057] 次に、アノード側にエアブリードする場合について説明する。

[0058] エアブリードとは、アノード側に供給される燃料ガスに少量の空気等を混入させることをいう。このようにすると、混入された空気と燃料ガスとが燃焼反応を起こす。したがつて、上記のような構成とすると、エアブリードによる空気と燃料ガスとの燃焼反応による高分子電解質膜 1の破損を抑制することができる。

[0059] (第 2実施形態）

図 3は、本発明の第 2実施形態の膜電極接合体及びこれを備えた高分子電解質形燃料電池の構成を示す断面図であって、 (a)は高分子電解質形燃料電池を組み立てる前の断面図、（b)は高分子電解質形燃料電池を組み立てた後の断面図である。以下、図 3を参照しながら、本実施形態の膜電極接合体及び高分子電解質形燃料電池につ!/、て説明する。

[0060] 前述の第 1実施形態の膜-電極接合体 10においては、第 1ガスシール部材 11の内周縁部と第 1ガス拡散層 4との間、及び第 2ガスシール部材 13の内周縁部と第 2ガス拡散層 5との間には、それぞれ、所定の間隔の隙間 21 , 23が設けられていた。本実施形態の膜電極接合体 10においては、第 1ガスシール部材 11の内周縁部と第 1ガス拡散層 4との間、及び第 2ガスシール部材 13の内周縁部と第 2ガス拡散層 5との間に隙間が設けられていない。すなわち、第 1ガスシール部材 11の内周縁部と、第 1ガス拡散層 4の外縁とが接触している。また、第 2ガスシール部材 13の内周縁部と、第 2ガス拡散層 5の外縁とが接触している。それ以外の構成は前述の第 1実施形態の膜電極接合体と同様である。また、膜電極接合体 10及び高分子電解質形燃料電池 100の製造方法については、前述の第 1実施形態の場合と同様である。

[0061] 本実施形態の膜電極接合体 10及び高分子電解質形燃料電池 100は、上記のような構成としたため、第 1ガス拡散層 4と第 1ガスシール部材 11との間、及び第 2ガス拡散層 5と第 2ガスシール部材 13との間から反応ガスが入り込むことが防止される。これにより、反応ガスが触媒上で燃焼反応することが抑制され、高分子電解質膜 1の熱破損がさらに起こりにくくなる。

[0062] [第 2変形例] (第 2実施形態の変形例）

図 4は、本発明の膜電極接合体及びこれを備えた高分子電解質形燃料電池の第 2変形例の構成を示す断面図であって、 (a)は高分子電解質形燃料電池を組み立てる前の断面図、（b)は高分子電解質形燃料電池を組み立てた後の断面図であ

[0063] 本変形例の膜電極接合体 10においては、第 2実施形態の膜電極接合体と同様に、第 1ガスシール部材 11の内周縁部と第 1ガス拡散層 4との間、及び第 2ガスシ一ル部材 13の内周縁部と第 2ガス拡散層 5との間に隙間が設けられていない。そして、本変形例の膜電極接合体 10においては、第 1ガス拡散電極 8側と第 2ガス拡散電極 9側とのうちの一方の側に枠体 6が配設されている。この場合においては、枠体 6が配設されるガス拡散電極がアノードであることが好ましい。すなわち、アノード側に枠体 6が配設されることが好ましい。それ以外の構成は、第 2実施形態の膜ー電極接合体と同様である。また、膜電極接合体 10及び高分子電解質形燃料電池 10 0の製造方法については、前述の第 1実施形態の場合と同様である。

[0064] このような構成とすると、高分子電解質形燃料電池 100を停止する際に、高分子電解質膜 1の破損が抑制される。また、アノード側をェアブリードする際にも、高分子電解質膜 1の破損が抑制される。

[0065] また、第 1ガス拡散層 4と第 1ガスシール部材 11との間、及び第 2ガス拡散層 5と第 2 ガスシール部材 13との間から反応ガスが入り込むことが防止される。これにより、反応ガスが触媒上で燃焼反応することが抑制され、高分子電解質膜 1の熱破損がさらに起こりにくくなる。

[0066] 上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなぐその構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。

産業上の利用可能性

[0067] 本発明の膜電極接合体及び高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜の外周縁部における破損が抑制可能な膜電極接合体及び高分子電解質形燃料電池として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] ガス拡散性を有する第 1ガス拡散層と、前記第 1ガス拡散層と互いに積層されており前記第 1ガス拡散層の主面よりも大きな面積の主面を有しておりその外周縁部が前記第 1ガス拡散層よりも外側にはみ出すように配置された第 1触媒層と、を含む平板状の第 1ガス拡散電極と、

前記第 1ガス拡散電極に対向配置される平板状の第 2ガス拡散電極と、前記第 1触媒層と前記第 2ガス拡散電極との間に配置されており、前記第 1触媒層の主面以上の面積の主面を有する高分子電解質膜と、

前記第 1触媒層の前記第 1ガス拡散層側の主面の外周縁部に沿って延在し、かつ、その内周縁部が前記第 1触媒層と第 1ガス拡散層の外周縁部との間に挿入されるように配置された額縁状の第 1枠体と、

前記第 1枠体の前記第 1触媒層から遠い方の主面の外周縁部に沿って延在し、かつ、前記第 1ガス拡散層の周囲であって当該第 1ガス拡散層に重ならないように配置された額縁状の第 1ガスシール部材と、

を有している、膜電極接合体。

[2] 前記第 2ガス拡散電極の周囲に前記第 1ガスシール部材に対向するように配置された額縁状の第 2ガスシール部材を更に有している、

請求項 1に記載の膜電極接合体。

[3] 前記第 2ガス拡散電極が、ガス拡散性を有する第 2ガス拡散層と、前記第 2ガス拡散層と前記高分子電解質膜との間に配置された第 2触媒層と、を含むよう構成されており、

前記第 2触媒層の厚み方向から見た場合、前記第 2触媒層の外縁が前記第 1枠体の内縁と外縁との間に位置している、

請求項 1に記載の膜電極接合体。

[4] 前記第 2触媒層は、前記第 2ガス拡散層の主面よりも大きな主面を有しており、その外周縁部が前記第 2ガス拡散層よりも外側にはみ出すように配置されている、請求項

3に記載の膜電極接合体。

[5] 前記第 2触媒層の前記第 2ガス拡散層側の主面の外周縁部に沿って延在し、かつ、その内周縁部が前記第 2触媒層と第 2ガス拡散層の外周縁部との間に挿入されるように配置された額縁状の第 2枠体と、

前記第 2枠体の前記第 2触媒層から遠い方の主面の外周縁部に沿って延在し、かつ、前記第 2ガス拡散層の周囲であって当該第 2ガス拡散層に重ならないように配置された額縁状の第 2ガスシール部材と、

を更に有している、請求項 4に記載の膜電極接合体。

[6] 前記第 1ガス拡散電極がアノードである、請求項 1に記載の膜電極接合体。

[7] 前記高分子電解質膜の外周縁部が、前記第 1触媒層及び前記第 2ガス拡散電極よりも外側にはみだしている、請求項 1〜6のうちのいずれ力、 1項に記載の膜電極接合体。

[8] 前記第 1ガス拡散層の外縁と前記第 1ガスシール部材の内縁との間に隙間が設けられている、請求項 1〜7のうちのいずれ力、 1項に記載の膜電極接合体。

[9] 前記第 2ガス拡散層の外縁と前記第 2ガスシール部材の内縁との間に隙間が設けられている、請求項 2〜8のうちのいずれか 1項に記載の膜電極接合体。

[10] 前記第 1ガス拡散層の外縁と前記第 1ガスシール部材の内縁とが互いに重ならないように接触している、請求項 1〜7のうちのいずれ力、 1項に記載の膜電極接合体。

[11] 前記第 2ガス拡散層の外縁と前記第 2ガスシール部材の内縁とが互いに重ならないように接触している、請求項 2〜8のうちのいずれ力、 1項に記載の膜電極接合体。

[12] 請求項;!〜 11のうちの何れか 1項に記載の膜電極接合体と、

前記膜電極接合体を挟むように互いに対向配置されており、前記膜電極接合体へ反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されている一対のセパレータと、を有している、高分子電解質形燃料電池。