WO2012035591A1 - 膜電極接合体およびそれを用いた燃料電池、膜電極接合体の製造方法 - Google Patents

膜電極接合体およびそれを用いた燃料電池、膜電極接合体の製造方法 Download PDF

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layer
catalyst layer
diffusion layer
outer peripheral
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健二 壷阪
大雄 吉川
淳二 中西
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • This invention relates to a fuel cell.
  • a fuel cell that includes a membrane electrode assembly in which electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane having proton conductivity.
  • the electrode has a gas diffusion layer for spreading the reaction gas over the entire electrode surface and a catalyst layer on which a catalyst for promoting the fuel cell reaction is supported (Patent Document 1 below).
  • the gas diffusion layer may be generally composed of a conductive fiber base material, but fluff that is a fine protrusion is present on the outer surface of the fiber base material, particularly at the end thereof.
  • the fluff may pierce the electrolyte membrane and damage the electrolyte membrane.
  • An object of the present invention is to provide a technique for suppressing deterioration of an electrolyte membrane in a fuel cell.
  • the present invention has been made to solve at least a part of the problems described above, and can be realized as the following forms or application examples.
  • a membrane electrode assembly used in a fuel cell comprising: an electrolyte membrane; and first and second electrode layers disposed on both sides of the electrolyte membrane, wherein the first and second electrode layers are: A catalyst layer disposed in contact with the electrolyte membrane; and a gas diffusion layer disposed on the catalyst layer, wherein at least the first electrode of the first and second electrode layers.
  • the layer is formed such that the outer peripheral end of the gas diffusion layer is located inside the outer peripheral end of the catalyst layer by making the surface of the gas diffusion layer on the catalyst layer side smaller than the surface of the catalyst layer on the gas diffusion layer side.
  • the gas diffusion layer and the electrolyte membrane are prevented from coming into direct contact with each other when the outer peripheral end of the gas diffusion layer enters inside the outer peripheral end of the catalyst layer. Therefore, hydrogen peroxide radicals generated in the gas diffusion layer pass through the catalyst layer before reaching the electrolyte membrane, and the hydrogen peroxide radicals can be extinguished in the catalyst layer. Therefore, deterioration of the electrolyte membrane due to hydrogen peroxide radicals can be suppressed.
  • the catalyst layer can function as a protective layer for protecting the electrolyte membrane from the end of the gas diffusion layer.
  • the gas diffusion layer is formed of a fiber base material, and at least the first electrode layer of the first and second electrode layers includes the A membrane electrode assembly, wherein a water-repellent layer is provided between a catalyst layer and the gas diffusion layer, and the water-repellent layer covers at least a part of an end face of the outer peripheral end of the gas diffusion layer.
  • the fluff present on the catalyst layer side surface and the outer peripheral end surface of the gas diffusion layer is covered with the water-repellent layer.
  • the membrane can be protected.
  • the protective effect of the electrolyte membrane is further improved by covering the outer peripheral edge of the gas diffusion layer with the water repellent layer.
  • the said water repellent layer is a membrane electrode assembly comprised by the water repellent thin film which has a water repellent resin as a main component. According to this membrane / electrode assembly, the fluff on the outer surface of the gas diffusion layer can be covered with the water-repellent thin film which is the water-repellent layer, and the electrolyte membrane can be more reliably protected.
  • [Application Example 4] 4 The membrane / electrode assembly according to any one of Application Examples 1 to 3, wherein at least one of the first and second electrode layers includes a gas diffusion layer and the catalyst at a peripheral portion of a power generation region.
  • [Application Example 6] 6 The membrane electrode assembly according to any one of Application Examples 1 to 5, wherein at least the second electrode layer of the first and second electrode layers has the gas diffusion of the catalyst layer. There is provided a locking portion that is formed by bending the gas diffusion layer side surface protruding from the outer peripheral end of the layer to the gas diffusion layer side and suppresses the separation between the catalyst layer and the gas diffusion layer. , Membrane electrode assembly. According to this membrane / electrode assembly, since the portion of the catalyst layer protruding from the outer peripheral end of the gas diffusion layer is used, the locking portion for suppressing the divergence between the gas diffusion layer and the catalyst layer is provided. In addition, the separation between the gas diffusion layer and the catalyst layer can be efficiently suppressed.
  • this membrane / electrode assembly by providing the engaging portion using the electrolyte membrane and the catalyst layer at the outer peripheral ends of the two electrode layers, the separation between the gas diffusion layer and the catalyst layer is efficient, and Suppressed reliably. In addition, the integrity of the membrane electrode assembly is improved by the locking portion.
  • a fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 8. According to this fuel cell, since the deterioration of the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly is suppressed, the durability of the fuel cell is improved.
  • a method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising an electrode layer comprising a catalyst layer disposed in contact with an electrolyte membrane and a gas diffusion layer composed of a fiber base material and disposed on the catalyst layer Because (A) preparing a fiber base material that is a base material of the gas diffusion layer; (B) forming a water repellent layer on one surface of the fiber substrate; (C) cutting the outer peripheral end of the fiber base so that the outer peripheral end of the gas diffusion layer enters inside the outer peripheral end of the catalyst layer; (D) a step of forming the electrode layer by overlapping and joining the fiber base material so that the catalyst layer and the water repellent layer are in contact with the catalyst layer previously formed on the electrolyte membrane; With In the step (d), a groove portion in which the water-repellent layer enters the inside of the fiber base is formed on the surface of the fiber base by pre-pressing on a cutting line for cutting the fiber base before cutting.
  • the manufacturing method including the process of forming and cutting
  • the outer peripheral end surface of the base material of the gas diffusion layer and the surface on the catalyst layer side are covered with the water repellent layer, and the fluffing of the outer peripheral end surface of the base material of the gas diffusion layer is opposite to that of the catalyst layer. It is arranged to face to the side. Therefore, damage to the electrolyte membrane due to fluff on the substrate surface of the gas diffusion layer is suppressed.
  • the surface of the gas diffusion layer on the catalyst layer side is smaller than the surface of the catalyst layer on the gas diffusion layer side. Contact can be suppressed, and deterioration of the electrolyte membrane due to hydrogen peroxide radicals can be suppressed.
  • a method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising an electrode layer having a catalyst layer disposed so as to contact an electrolyte membrane and a gas diffusion layer disposed on the catalyst layer, (A) preparing an electrolyte membrane having the catalyst layer formed on one surface; (B) preparing a fiber substrate having a smaller size than the catalyst layer as a substrate of the gas diffusion layer; (C) disposing the fiber base material on the catalyst layer such that the outer peripheral edge of the fiber base material is inside from the outer peripheral edge of the catalyst layer; (D) The catalyst layer and the fiber base material are joined together by hot pressing together with the electrolyte membrane, and the catalyst layer and the electrolyte are utilized by utilizing deformation due to thermal contraction of the electrolyte membrane and the catalyst layer.
  • a manufacturing method comprising: According to this manufacturing method, it is possible to provide the membrane electrode assembly with the locking portion for suppressing the detachment between the catalyst layer and the gas diffusion layer by utilizing the deformation accompanying the thermal shrinkage caused by hot pressing. Therefore, the membrane electrode assembly in which the separation between the catalyst layer and the gas diffusion layer is suppressed can be efficiently produced.
  • step (d) In the manufacturing method according to application example 11, in the step (d), first and second electrolyte membranes in which the catalyst layer and the fiber base material are stacked and arranged are prepared, and the first and second electrolyte membranes are prepared.
  • a manufacturing method comprising the steps of joining the catalyst layer and the fiber base material by hot-pressing the electrolyte membranes together and joining the first and second electrolyte membranes. According to this manufacturing method, it is possible to efficiently provide the engaging portions using the outer peripheral ends of the electrolyte membrane and the catalyst layer in the two electrode layers of the membrane electrode assembly.
  • a membrane electrode assembly for a fuel cell a fuel cell using the membrane electrode assembly, a fuel cell system including the fuel cell, It can be realized in the form of a vehicle or the like equipped with the fuel cell system.
  • Schematic which shows the structure of a fuel cell The schematic diagram which shows the structure of a membrane electrode assembly as a reference example, and the schematic diagram for demonstrating deterioration of the electrolyte membrane in a membrane electrode assembly. Schematic which shows the structure of the membrane electrode assembly as a reference example, and the schematic diagram for demonstrating the damage of the electrolyte membrane by having provided the protective sheet. The schematic diagram for demonstrating the effect by which deterioration of an electrolyte membrane is suppressed in a membrane electrode assembly. Schematic which shows the structure of the fuel cell as 2nd Example. The schematic diagram which shows the formation process of an electrode in order of a process. The schematic diagram which shows the edge part of the base material of a gas diffusion layer.
  • the schematic diagram which shows the outer peripheral edge part of the membrane electrode assembly as another structural example of 2nd Example Schematic which shows the structure of the fuel cell as 3rd Example. Schematic which shows the structure of the fuel cell as a 4th Example. Schematic which shows the structure of the fuel cell as a 5th Example. Schematic which shows the impregnation area
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell as an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell 100 is a polymer electrolyte fuel cell that generates power by receiving supply of hydrogen and oxygen as reaction gases.
  • the fuel cell 100 has a stack structure in which a plurality of single cells 110 are stacked.
  • the single cell 110 includes a seal-integrated membrane electrode assembly 10 and two separators 40 that sandwich the seal-integrated membrane electrode assembly 10.
  • the seal-integrated membrane electrode assembly 10 includes a membrane electrode assembly 5 and a seal portion 20 provided at the outer peripheral end of the membrane electrode assembly 5.
  • the membrane electrode assembly 5 is a power generator in which electrodes 2 having gas diffusibility are integrally disposed on both sides of an electrolyte membrane 1 that exhibits good proton conductivity in a wet state.
  • the electrode 2 includes a catalyst layer 2c on which a catalyst (for example, platinum (Pt)) for promoting a fuel cell reaction is supported, and a gas diffusion layer 2g for spreading the reaction gas over the entire electrode surface.
  • a catalyst for example, platinum (Pt)
  • a fluororesin ion exchange membrane As the electrolyte membrane 1, a fluororesin ion exchange membrane can be used.
  • the catalyst layer 2c is applied to the outer surface of the electrolyte membrane 1 by applying a catalyst ink, which is a mixed solution in which a catalyst-supporting carbon and an electrolyte that is the same kind of compound as an electrolyte membrane are dispersed in a water-soluble solvent or an organic solvent, and dried. Can be formed.
  • the catalyst layer 2c may be formed by transferring a catalyst layer previously formed on the surface of the film base material to the surface of the electrolyte membrane 1.
  • the gas diffusion layer 2g can be composed of a porous fiber base material having conductivity, gas permeability and gas diffusibility such as carbon fiber and graphite fiber.
  • the electrode 2 is formed by placing a base material constituting the gas diffusion layer 2g on the catalyst layer 2c formed in advance on the electrolyte membrane 1 and joining them by hot pressing or the like.
  • the size of the gas diffusion layer 2g is made smaller than the size of the catalyst layer 2c, so that the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g is The inner periphery of the catalyst layer 2c is exposed so as to enter further inside.
  • the reason why the electrode 2 is configured such that the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g enters the inner side of the outer peripheral end of the catalyst layer 2c will be described later.
  • the seal portion 20 is provided by injection molding a resin material so as to cover the outer peripheral end portions of the electrolyte membrane 1 and the electrode 2 of the membrane electrode assembly 5.
  • the seal part 20 forms a seal line with the separator 40 when sandwiched between the separators 40 from both sides. By this seal line, leakage of the reaction gas to the outside of the fuel cell 100 is suppressed.
  • the seal part 20 is good also as what is formed by methods other than the formation process by the injection molding of the resin material.
  • the seal portion 20 may be formed by injecting and solidifying a resin material having adhesiveness.
  • the outer peripheral end portion of the electrolyte membrane 1 protrudes from the outer peripheral end portion of the catalyst layer 2c, and the protruding outer peripheral end portion is covered with the seal portion 20.
  • the seal portion 20 With this configuration, cross leak of the reaction gas through the outer peripheral end surfaces of the electrolyte membrane 1 and the electrode 2 is suppressed.
  • coolant is formed in the seal
  • the separator 40 can be constituted by a conductive gas-impermeable plate-like member (for example, a metal plate). On the surface of the separator 40 on the electrode 2 side, a flow channel 43 for a reactive gas is formed over the entire power generation region (region surrounded by the seal portion 20).
  • a conductive gas-impermeable plate-like member for example, a metal plate.
  • a flow channel 43 for a reactive gas is formed over the entire power generation region (region surrounded by the seal portion 20).
  • coolant are formed in the separator 40, the illustration and description are abbreviate
  • a gas flow path member 30 is disposed between the separator 40 and the electrode 2 to distribute the reaction gas in the flow path groove 43 to the entire gas diffusion layer 2g.
  • the gas flow path member 30 also functions as a conductive path between the membrane electrode assembly 5 and the separator 40.
  • the gas flow path member 30 can be composed of a member obtained by processing a metal plate such as expanded metal or punching metal into a porous material, or a porous member having conductivity such as a carbon sintered body.
  • one or both of the two gas flow path members 30 may be omitted.
  • the flow path wall of the flow path groove 43 provided on the outer surface of the separator 40 and the gas diffusion layer 2g of the electrode 2 are in direct contact with each other.
  • One or both of the two separators 40 may be omitted.
  • FIG. 2 (A) is a schematic diagram showing the configuration of a membrane electrode assembly 5a as a reference example of the present invention.
  • This membrane electrode assembly 5a is substantially the same as the membrane electrode assembly 5 of the present embodiment except that the configuration of the electrode 2a is different.
  • the size of the gas diffusion layer 2g is configured to be larger than the size of the catalyst layer 2c, and the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g is in direct contact with the electrolyte membrane 1.
  • FIG. 2B is a schematic diagram for explaining the deterioration of the electrolyte membrane 1 in the membrane electrode assembly 5a of the reference example.
  • FIG. 2B schematically shows the vicinity of the outer peripheral end portion of the membrane electrode assembly 5a when the fuel cell is configured.
  • the gas diffusion layer 2g is composed of a fiber base material, there are fluffs 2f that are fine protrusions on the outer surface, particularly on the outer peripheral end. Therefore, when the gas diffusion layer 2g and the electrolyte membrane 1 are in direct contact as in the membrane electrode assembly 5a of the reference example, the fluff 2f of the gas diffusion layer 2g pierces the electrolyte membrane 1. There is a possibility that a cross leak of the reaction gas or a short circuit between the electrodes 2 may be caused.
  • hydrogen when power is generated, hydrogen may move through the electrolyte membrane to the cathode side or oxygen to the anode side, respectively. If hydrogen and oxygen exist on the same electrode side due to the permeation of the reaction gas, hydrogen and oxygen may react with each other to generate hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). . Hydrogen peroxide generated in the membrane electrode assembly may be radicalized to deteriorate the electrolyte membrane.
  • the hydrogen peroxide radical obtained by radicalizing hydrogen peroxide is highly likely to be converted to water or oxygen by the action of the catalyst in the catalyst layer and disappear.
  • the membrane electrode assembly 5a of this reference example has a region where the electrolyte membrane 1 and the gas diffusion layer 2g are in direct contact with each other on the outer periphery of the catalyst layer 2c. Therefore, there is a high possibility that the hydrogen peroxide radicals reach the electrolyte membrane 1 without being extinguished by the catalytic action and deteriorate the electrolyte membrane 1 in that region.
  • FIG. 3 (A) is a schematic diagram showing a configuration of a membrane electrode assembly 5b as a reference example of the present invention.
  • FIG. 3A is substantially the same as FIG. 2A except that the protective sheet 4 is provided on the outer periphery of the catalyst layer 2c.
  • the protective sheet 4 for protecting the electrolyte membrane 1 is disposed on the outer periphery of the catalyst layer 2c, and the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g is above the protective sheet 4. Is arranged. That is, in the membrane / electrode assembly 5b, the protective sheet 4 prevents the gas diffusion layer 2g and the electrolyte membrane 1 from coming into direct contact.
  • the protection sheet 4 can be comprised with resin members, such as a polyethylene naphthalate (PEN).
  • PEN polyethylene naphthalate
  • FIG. 3B is a schematic diagram for explaining damage to the electrolyte membrane 1 due to the provision of the protective sheet 4.
  • FIG. 3B shows stepwise changes in the state of the membrane electrode assembly 5b that is assembled in the fuel cell and generating power. In FIG. 3B, only a part of the membrane electrode assembly 5b is shown, and the illustration of the gas diffusion layer 2g and other components of the fuel cell other than the membrane electrode assembly 5b are omitted. ing.
  • the membrane electrode assembly becomes high temperature (for example, about 80 ° C.), and a large amount of moisture is generated in the power generation region, so that the electrolyte membrane swells.
  • the swelling of the portion sandwiched by the protective sheet 4 is suppressed, while the central region surrounded by the protective sheet 4 swells. Therefore, when the electrolyte membrane 1 starts to swell, stress is generated in the direction of being pulled toward the central region at the portion sandwiched by the protective sheet 4 of the electrolyte membrane 1, and the membrane may be broken. .
  • the shrinkage of the electrolyte membrane 1 is suppressed by the protective sheet 4. Therefore, in the electrolyte membrane 1, stress acts in a direction in which the portion sandwiched by the protective sheet 4 and the central region surrounded by the protective sheet 4 are separated from each other, and the membrane may be broken.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the effect of suppressing the deterioration of the electrolyte membrane 1 in the membrane electrode assembly 5 of the present embodiment.
  • FIG. 4 schematically shows the vicinity of the end of the membrane electrode assembly 5 when assembled to the fuel cell 100.
  • FIG. 4 only one electrode 2 of the membrane electrode assembly 5 is shown, and the other electrode 2 is not shown.
  • illustration of other components of the fuel cell 100 is omitted.
  • the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g is disposed on the inner side of the outer peripheral end of the catalyst layer 2c, so that the fluff 2f of the gas diffusion layer 2g is formed by the catalyst layer 2c.
  • the film 1 is suppressed from being pierced. That is, the catalyst layer 2 c functions as a protective layer for the electrolyte membrane 1. Even when hydrogen peroxide is generated and radicalized at the electrode 2, the hydrogen peroxide radical is converted into oxygen or water by the catalytic action of the catalyst layer 2 c and reaches the electrolyte membrane 1. It is suppressed.
  • the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g enters inside the outer peripheral end of the catalyst layer 2c, and the gas diffusion layer 2g and the electrolyte membrane Direct contact with 1 is suppressed. Therefore, it is possible to suppress the electrolyte membrane 1 from being damaged or deteriorated by the fluff of the gas diffusion layer 2g or the hydrogen peroxide radical.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell 100A as a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is substantially the same as FIG. 1 except that the configuration of the electrode 2A is different.
  • the outer peripheral end portion of the gas diffusion layer 2g is constituted by a substantially tapered inclined surface that tapers toward the catalyst layer 2c. That is, the angle formed by the end face of the gas diffusion layer 2g and the surface of the gas diffusion layer 2g on the catalyst layer 2c side is configured to be an acute angle.
  • a water repellent layer 3 is provided on the outer surface of the gas diffusion layer 2g. The water repellent layer 3 covers the surface of the gas diffusion layer 2g on the catalyst layer 2c side and a part of the outer peripheral end surface.
  • FIGS. 6A to 6F are schematic views showing the formation process of the electrode 2A in the order of steps. 6A to 6F, only the formation process of one electrode 2A is shown, but the formation process of the other electrode 2A is also the same, and the illustration and description thereof are omitted.
  • the electrolyte membrane 1 is prepared (FIG. 6A).
  • a catalyst ink similar to that described in the first embodiment is applied to the outer surface of the electrolyte membrane 1, dried and solidified to form the catalyst layer 2c (FIG. 6B).
  • a base material for the gas diffusion layer 2g is prepared (FIG. 6C).
  • the base material of the gas diffusion layer 2g is the same fiber base material as described in the first embodiment.
  • the water repellent layer 3 is formed on the entire surface in contact with the catalyst layer 2c.
  • the water repellent layer 3 has a water repellent thin film (a microporous layer (mainly composed of a water repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE)) and a conductive material such as carbon black on the base material surface of the gas diffusion layer 2g. MPL)).
  • a water repellent thin film a microporous layer (mainly composed of a water repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE)) and a conductive material such as carbon black on the base material surface of the gas diffusion layer 2g. MPL)
  • the water repellent layer 3 is disposed between the gas diffusion layer 2g and the catalyst layer 2c when the electrode 2A is formed.
  • the wet state of the electrolyte membrane 1 is maintained well during the operation of the fuel cell 100, and the gas diffusion is performed. It is suppressed that the pores of the layer 2g are blocked by moisture.
  • the water repellent layer 3 of the fuel cell 100A also has a function of protecting the electrolyte membrane 1, and details thereof will be described later.
  • the outer peripheral edge of the base material of the gas diffusion layer 2g is cut so that the size of the gas diffusion layer 2g is smaller than the size of the catalyst layer 2c.
  • This cutting process is performed in a two-stage process described below. Specifically, first, prior to the cutting of the outer peripheral end portion, the surface of the gas diffusion layer 2g on the water repellent layer 3 side is previously pressed by the pressing tool 200 along the cutting line to be cut, A groove 6 that runs on the cutting line is formed (FIG. 6D). In the step of forming the groove 6, the surface of the gas diffusion layer 2 g is pressed so that the water repellent layer 3 enters the inside of the gas diffusion layer 2 g and the water repellent layer 3 constitutes the inner wall surface of the groove 6. To do.
  • the bottom surface of the groove 6 is cut with the cutting tool 202 (FIG. 6E).
  • the size of the base material of the gas diffusion layer 2g is made smaller than the size of the catalyst layer 2c, and the outer peripheral end surface of the gas diffusion layer 2g is partially a water repellent layer 3. It is constituted as an inclined surface covered with.
  • the base material of the gas diffusion layer 2g is overlapped and joined to the catalyst layer 2c so that the water repellent layer 3 and the catalyst layer 2c are in contact with each other (FIG. 6F).
  • the electrode 2A is formed on the electrolyte membrane 1.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an end portion of the base material of the gas diffusion layer 2g in the broken line region 7 shown in FIG. 6 (F).
  • the fluff 2f is present on the outer surface of the base material of the gas diffusion layer 2g, particularly on the outer peripheral edge thereof.
  • the water repellent layer 3 is provided on the surface of the gas diffusion layer 2g on the electrolyte membrane 1 side and the outer peripheral end surface, and the fuzz 2f is covered with the water repellent layer 3. Therefore, when the gas diffusion layer 2g is joined to the catalyst layer 2c, the fluff 2f is pierced into the electrolyte membrane 1 through the catalyst layer 2c, and the electrolyte membrane 1 is prevented from being damaged.
  • the water repellent layer 3 can be interpreted as functioning as a protective layer for protecting the electrolyte membrane 1 together with the catalyst layer 2c.
  • the water-repellent layer 3 covers the outer peripheral end face of the gas diffusion layer 2g, so that the electrolyte membrane 1 is damaged by the fuzz 2f present at the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g. Can be suppressed.
  • the water repellent layer 3 is folded inside the gas diffusion layer 2g to form the groove 6 described with reference to FIG. It was.
  • the fluffing direction at the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g is adjusted so as to face the bottom surface side of the groove 6 (outside the electrode 2A). Therefore, damage to the electrolyte membrane 1 due to the piercing of the fluff 2f is further suppressed.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing an outer peripheral end portion of a membrane electrode assembly 5Aa as another configuration example of the second embodiment.
  • the configuration of the membrane electrode assembly 5Aa is the same as that of the membrane electrode assembly 5A except for the points described below.
  • the gas diffusion layer 2g and the catalyst layer 2c are configured to have substantially the same size.
  • an inclined surface of the water repellent layer 3 formed by pressing a corner on the catalyst layer 2c side is provided at the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g.
  • the surface of the gas diffusion layer 2g on the catalyst layer 2c side is larger than the surface of the catalyst layer 2c on the gas diffusion layer 2g side, and the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g is the catalyst layer 2c. It enters the inside of the outer peripheral edge. Even with such a configuration, the electrolyte membrane 1 can be protected from the fluff of the gas diffusion layer 2 g by the water repellent layer 3.
  • the inner peripheral surface of the catalyst layer 2c is exposed from the gas diffusion layer 2g as in the membrane electrode assembly 5 of the first embodiment.
  • the exposed surfaces and the end surfaces of the catalyst layer 2c and the gas diffusion layer 2g are covered with a seal portion 20 (not shown). Therefore, even with this configuration, hydrogen peroxide radicals are prevented from moving from the gas diffusion layer 2g to the electrolyte membrane 1 without passing through the catalyst layer 2c. Therefore, deterioration of the electrolyte membrane 1 can be suppressed.
  • the membrane electrode assembly 5A, 5Aa of the second embodiment the membrane electrode assembly formed by the piercing of the fluff of the gas diffusion layer 2g by processing the outer peripheral end of the water repellent layer 3 or the gas diffusion layer 2g.
  • the damage of 5a can be suppressed.
  • deterioration of the electrolyte membrane 1 due to hydrogen peroxide radicals can be suppressed.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell 100B as a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is substantially the same as FIG. 5 except that an electrode 2B having a configuration of an outer peripheral end different from that of the electrode 2A is provided on one surface side of the membrane electrode assembly 5B.
  • the catalyst layer 2c, the gas diffusion layer 2g, and the water-repellent layer 3 are formed in substantially the same size as the electrolyte membrane 1, and the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2c
  • the end surfaces of the gas diffusion layer 2g and the water repellent layer 3 are laminated in a substantially aligned state.
  • oxygen and hydrogen are supplied to the electrode 2A side as a cathode and the electrode 2B side as an anode, respectively.
  • the water repellent layer 3 of the electrode 2B may be omitted.
  • the electrolyte membrane 1 is damaged or deteriorated on the electrode 2 side. Can be suppressed.
  • the outer peripheral end of the electrode 2B can function as a support portion for the outer peripheral end of the electrolyte membrane 1. Therefore, it is possible to prevent the electrolyte membrane 1 from being damaged in the assembly process of the membrane electrode assembly 5B, such as the process of providing the seal portion 20 on the outer periphery of the membrane electrode assembly 5B.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell 100C as a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is substantially the same as FIG. 9 except that in the membrane electrode assembly 5C, an electrode 2C having a different configuration at the outer peripheral end is provided instead of the anode-side electrode 2A.
  • the outer peripheral end surface of the gas diffusion layer 2g is not inclined, and is configured as a surface substantially perpendicular to the outer surface of the catalyst layer 2c.
  • the outer peripheral end portion of the gas diffusion layer 2g enters inside the outer peripheral end portion of the catalyst layer 2c. Can be suppressed. Further, the water repellent layer 3 provided between the gas diffusion layer 2g and the electrolyte membrane 1 also suppresses the damage and deterioration of the electrolyte membrane 1 in the same manner as in the above embodiment. In the configuration of the fourth embodiment, part or all of the outer peripheral end face of the gas diffusion layer 2g may be covered with the water repellent layer 3.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell 100D as a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is substantially the same as FIG. 9 except that the adhesive member 7 impregnated in each of the two electrodes 2A and 2B is provided and the range of the seal area SA is illustrated.
  • the fuel cell 100D includes a membrane electrode assembly 5D in which the adhesive member 7 is impregnated inside the two electrode layers 2A and 2B.
  • the adhesive member 7 is for suppressing the separation between the gas diffusion layer 2g and the catalyst layer 2c.
  • the adhesive member 7 can be composed of the same kind of compound as the solid electrolyte constituting the electrolyte membrane 1 or an adhesive capable of impregnating the pores. Specifically, a DuPont Nafion (registered trademark) solution (trade name “Nafion DE2020” or the like) or a Konishi bond (registered trademark; trade name “MOS7” or the like) is used as the adhesive member 7. Can do.
  • a DuPont Nafion (registered trademark) solution trade name “Nafion DE2020” or the like
  • a Konishi bond registered trademark; trade name “MOS7” or the like
  • FIG. 12A and 12 (B) are schematic views showing regions where the adhesive member 7 is impregnated in each of the two electrodes 2A and 2B.
  • FIG. 12A is a view when the outer surface of the electrode 2A is viewed along a direction perpendicular to the electrode surface
  • FIG. 12B is a diagram illustrating the outer surface of the electrode 2B with respect to the electrode surface. It is a figure when it sees along a perpendicular direction.
  • the arrangement region of the adhesive member 7 is shown by hatching similar to that in FIG. 12A and 12B, the seal region SA surrounded by the seal portion 20 on the outer surface of the electrodes 2A and 2B is shown by a one-dot chain line.
  • the adhesive member 7 is impregnated in a circumferential region so as to surround the seal region SA in the two electrodes 2A and 2B.
  • the water repellent material is applied to the region illustrated in FIGS. 12A and 12B from the adhesive surface side of the gas diffusion layer 2g and the catalyst layer 2c by a dispenser or the like.
  • the pores (pores) of the layer 3, the gas diffusion layer 2g, and the catalyst layer 2c are impregnated.
  • the adhesive member 7 may be impregnated in the pores of the water repellent layer 3, the gas diffusion layer 2g, and the catalyst layer 2c by screen printing.
  • FIG. 13 is a schematic diagram for explaining a problem caused by a divergence between the gas diffusion layer 2g and the catalyst layer 2c.
  • FIG. 13 shows a fuel cell 100c as a reference example. This fuel cell 100c is similar to the fuel cell 100C of the fourth embodiment except that the water-repellent layer 3 is omitted and that the size of the catalyst layer 2c and the gas diffusion layer 2g of the electrode 2C is small. The configuration is similar.
  • FIG. 13 schematically shows a state where the gas diffusion layer 2g and the catalyst layer 2c are separated from each other at the end of the electrode 2B.
  • the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2c are likely to be deformed by heat shrinkage at a high temperature (for example, 100 ° C.).
  • the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2c have a higher heat shrinkage rate than the catalyst layer 2c. Therefore, in the heating step such as the molding step of the seal portion 20, when the catalyst layer 2c of the electrode 2B and the gas diffusion layer 2g are separated, the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2c are turned up toward the electrode 2C. There is a possibility of deformation.
  • the fuel cell 100c is configured with the catalyst layer 2c and the gas diffusion layer 2g being deformed, the reactant gas leaks from the electrode 2B side to the electrode 2C side. It becomes easy. Therefore, there is a high possibility that the performance of the fuel cell 100c is deteriorated and the electrolyte membrane 1 is deteriorated.
  • the fuel cell 100D of the fifth example also has a configuration in which the outer peripheral end portions of the electrolyte membrane 1 and the electrode 2B protrude from the outer peripheral end portion of the electrode 2A.
  • the outer peripheral end of the electrode 2B is impregnated with the adhesive member 7, and the gas diffusion layer 2g, the water repellent layer 3 and the catalyst layer 2c are prevented from being peeled off. Therefore, in the manufacturing process of the fuel cell 100D, the deformation of the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2c as described with reference to FIG. 13 is suppressed.
  • FIGS. 14A and 14B are schematic views for explaining the function of suppressing deterioration of the membrane electrode assembly 1 by the adhesive member 7 in the fifth embodiment.
  • FIG. 14A shows only the ends of the electrolyte membrane 1 and the electrode 2A of the membrane electrode assembly 5D in the fuel cell 100D of the fifth embodiment, and the other components of the fuel cell 100D are shown. It is omitted.
  • FIG. 14B is substantially the same as FIG. 14A except that the adhesive member 7 is omitted.
  • reaction (A) occurs in the electrode 2A as a power generation reaction.
  • H 2 + 1 / 2O 2 ⁇ H 2 O (A) Since this reaction is an exothermic reaction, heat of reaction is generated in the catalyst layer 2c.
  • the amount of reaction heat transferred to the electrolyte membrane 1 increases, the deterioration of the electrolyte membrane 1 is promoted.
  • the adhesive member 7 is provided so as to surround the seal region SA. Therefore, in this membrane electrode assembly 5D, the adhesive member 7 suppresses the reaction gas from diffusing to the protruding portion of the catalyst layer 2c outside the seal region SA, and the reaction heat is generated at the portion. This is suppressed (FIG. 14A). Since the catalyst layer 2c is adjacent to the gas diffusion layer 2g and the water repellent layer 3 having relatively high thermal conductivity within the seal region SA, the reaction heat generated in the catalyst layer 2c in the seal region SA is It can move to the gas diffusion layer 2g side, and the deterioration of the electrolyte membrane 1 is suppressed.
  • the adhesive member 7 can suppress the diffusion of the reaction gas to the projecting portion of the catalyst layer 2c outside the seal region SA, and the reaction heat at the portion. Can be suppressed. Therefore, deterioration of the electrolyte membrane 1 can be suppressed.
  • FIG. 15A is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100Da as another configuration example of the fifth embodiment.
  • FIG. 15A is almost the same as FIG. 11 except that the entire outer peripheral end of the electrodes 2B and 2C outside the seal area SA is impregnated with the adhesive member 7.
  • the adhesive member 7 for the electrodes 2B and 2C in this configuration example is formed by a so-called dipping process in which the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g provided with the catalyst layer 2c and the water repellent layer 3 is immersed in the liquid layer of the adhesive member 7. The entire inner periphery of the catalyst layer 2c and the gas diffusion layer 2g is impregnated.
  • the separation between the catalyst layer 2c and the gas diffusion layer 2g can be more reliably suppressed. Moreover, it can suppress more reliably that the electrolyte membrane 1 deteriorates with the reaction heat in the outer peripheral edge part of the catalyst layer 2c of the electrode 2C.
  • FIG. 15B is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100Db as another configuration example of the fifth embodiment.
  • FIG. 15B is substantially the same as FIG. 10 except that the adhesive member 7 is provided in the same manner as the fuel cell 100D of the fifth embodiment.
  • the electrodes 2C and 2B can be provided by impregnating the adhesive member 7.
  • the divergence between the gas diffusion layer 2g and the catalyst layer 2c can be suppressed, and deterioration of the electrolyte membrane 1 due to reaction heat can be suppressed.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell 100E as a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is substantially the same as FIG. 1 except that an electrode 2E having a locking portion 8 at the outer peripheral end is provided instead of the electrode 2 on the lower side of the drawing.
  • the thickness of the electrolyte membrane 1 is shown thinner than that in FIG.
  • the membrane electrode assembly 5E of the fuel cell 100E has a first electrode 2 and a second electrode 2E.
  • the first electrode 2 has the same configuration as that described in the first embodiment, the size of the gas diffusion layer 2g is smaller than the size of the catalyst layer 2c, and the outer periphery of the gas diffusion layer 2g is the outer periphery of the catalyst layer 2c. It has entered the edge.
  • the second electrode 2E has a configuration in which the size of the gas diffusion layer 2g is smaller than the size of the catalyst layer 2c.
  • the catalyst layer 2c of the second electrode 2E is formed by applying a catalyst ink to the entire surface of the electrolyte membrane 1.
  • the surface 2s on the gas diffusion layer 2g side of the catalyst layer 2c protruding from the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g is bent along the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g, thereby locking the second electrode 2E.
  • Part 8 is formed.
  • the locking portion 8 is for suppressing the separation between the catalyst layer 2c and the gas diffusion layer 2g, and is formed in a circumferential shape along the outer periphery of the gas diffusion layer 2g.
  • the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2c are deformed to provide the locking portion 8, thereby suppressing the separation between the catalyst layer 2c and the gas diffusion layer 2g. Yes. Therefore, the addition of another member for suppressing the divergence of the catalyst layer 2c and the gas diffusion layer 2g can be omitted.
  • the catalyst layer 2c functions as a protective layer of the electrolyte membrane 1 against the gas diffusion layer 2g.
  • the outer peripheral end 2ct of the catalyst layer 2c in the second electrode 2E is a portion located on the outermost side of the portion constituting the locking portion 8. Therefore, this electrode 2E can also be interpreted as having a configuration in which the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g enters the inner side of the outer peripheral end of the catalyst layer 2c.
  • FIGS. 17A to 17D are schematic views showing the steps of forming the locking portion 8 in the second electrode 2E in the order of steps.
  • FIG. 17A shows a schematic cross-sectional view of the electrolyte membrane 1 on which the catalyst layer 2c is formed.
  • the catalyst layer 2c is formed by applying the catalyst ink to one whole surface of the electrolyte membrane 1 and drying it.
  • the catalyst layer 2c may be formed by transferring the catalyst layer 2c formed on the film base material to the electrolyte membrane 1.
  • FIG. 17B is a schematic view of the electrolyte membrane 1 on which the catalyst layer 2c is formed as viewed from the formation surface side of the catalyst layer 2c.
  • the four corners CP of the electrolyte membrane 1 on which the catalyst layer 2c is formed are excised.
  • the locking part 8 is formed by cutting out the four corners CP, the parts constituting the locking part 8 of the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2c are the surfaces of the gas diffusion layer 2g. Avoid overlapping on top.
  • FIG. 17 (C) schematically shows a state where the gas diffusion layer 2g is arranged on the outer surface of the catalyst layer 2c. In the third step, the gas diffusion layer 2g is disposed so as to be within the outer surface of the catalyst layer 2c.
  • FIG. 17D schematically shows a state in which the outer peripheral end portions of the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 c are bent to form the locking portions 8. In FIG. 17D, for convenience, the outer peripheral contour lines of the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2c before bending are shown by broken lines.
  • the locking portion 8 is formed by bending the catalyst layer 2c protruding from the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g together with the electrolyte membrane 1 to the gas diffusion layer 2g side. Note that, as described with reference to FIG. 17B, the corner portions CP of the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2c are cut off, so that the portions constituting the engaging portions 8 of the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2c overlap each other. Has been avoided.
  • FIGS. 18A and 18B are schematic views for explaining other forming steps of the locking portion 8 in the order of steps.
  • FIG. 18A schematically shows a process of disposing the gas diffusion layer 2g on the electrolyte membrane 1 on which the catalyst layer 2c is formed.
  • the electrolyte membrane 1 having the catalyst layer 2c formed on one surface is prepared with a thickness sufficient to maintain a convex curved shape on the electrolyte membrane 1 side.
  • the gas diffusion layer 2g is disposed on the concave surface of the catalyst layer 2c so that the outer peripheral end thereof is located inside the outer peripheral end of the catalyst layer 2c.
  • FIG. 18 (B) schematically shows a hot press process for joining the catalyst layer 2c and the gas diffusion layer 2g.
  • the two electrothermal plates 210 sandwich and hold the electrolyte membrane 1 on which the catalyst layer 2c is formed and the gas diffusion layer 2g, and press and heat the catalyst layer 2c and the gas diffusion layer 2g.
  • the electrolyte membrane 1 has a curved shape as described above. Therefore, the outer peripheral end portion of the electrolyte membrane 1 protruding from the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g is easily bent toward the gas diffusion layer 2g due to thermal contraction of the electrolyte membrane 1 in the hot press process. Therefore, in this step, the protruding outer peripheral end portions of the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2c that are easily deformed are bent toward the gas diffusion layer 2g to form the locking portion 8.
  • the catalyst layer 2c and the electrolyte membrane 1 constituting the locking portion 8 are opposite to the arrangement surface of the catalyst layer 2c of the gas diffusion layer 2g. It is not folded to the surface.
  • locking part 8 does not need to have the structure bent in the substantially U shape.
  • locking part 8 does not need to completely coat
  • the latching portion 8 only needs to bend the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2c so that the separation between the catalyst layer 2c and the gas diffusion layer 2g can be suppressed.
  • the seal portion 20 of the fuel cell 100E can be formed as follows. That is, the membrane electrode assembly 5E and the gas diffusion member 30 are disposed between the two separators 40, and a gel-like thermosetting resin is disposed on the outer periphery of the membrane electrode assembly 5E. And the seal
  • the seal portion 20 is prepared by preparing a resin member that represents the seal portion 20 in advance, and sandwiching and bonding the resin member to the two separators 40 together with the membrane electrode assembly 5E and the gas diffusion member 30. It may be formed.
  • FIG. 19 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100Ea as another configuration example of the sixth embodiment.
  • FIG. 19 is substantially the same as FIG. 16 except that a second electrode 2Ea is provided instead of the second electrode 2E.
  • the membrane electrode assembly 5Ea of the fuel cell 100Ea includes first and second electrodes 2 and 2Ea having different configurations.
  • the first electrode 2 has the same configuration as the electrode 2 of the fuel cell 100E described in FIG.
  • the second electrode 2Ea includes a catalyst layer 2c formed so as to cover the entire one surface of the electrolyte membrane 1, and a gas diffusion layer 2gE having a size larger than that of the catalyst layer 2c.
  • a locking portion 8a is provided for suppressing the deviation from the catalyst layer 2c.
  • the locking portion 8a is formed by bending the outer peripheral portion of the gas diffusion layer 2gE protruding from the outer peripheral end of the catalyst layer 2c to the first electrode 2 side, and the outer peripheral end portions of the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2c. It is formed by coating.
  • the gas diffusion layer 2gE is preferably cut off at four corners in order to form the locking portion 8a, like the catalyst layer 2c and the electrolyte membrane 1 described with reference to FIG.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100Eb as another configuration example of the sixth embodiment. 20 is substantially the same as FIG. 19 except that the locking portion 8 described in FIG. 16 is provided on the left side of the drawing instead of the locking portion 8a.
  • the second electrode 2Eb of the membrane electrode assembly 5Eb of this configuration example includes a catalyst layer 2cEb and a gas diffusion layer 2gEb, and two types of locking portions 8 and 8a are provided.
  • FIGS. 21A to 21C are schematic views showing the steps of forming the two types of locking portions 8 and 8a in the order of steps.
  • FIG. 21A shows a catalyst layer 2 cEb and a gas diffusion layer 2 gEb formed on the electrolyte membrane 1.
  • a catalyst layer 2cEb formed so as to cover one entire surface of the electrolyte membrane 1 and a gas diffusion layer 2gEb are prepared.
  • the catalyst layer 2cEb and the gas diffusion layer 2gEb formed on the electrolyte membrane 1 are prepared with approximately the same size and prepared with one corner portion cut off.
  • FIG. 21B shows a state in which the catalyst layer 2cEb and the gas diffusion layer 2gEb are overlapped.
  • the catalyst layer 2cEb and the gas diffusion layer 2gEb are overlapped with each other being offset from each other along the diagonal direction. That is, two sides of the catalyst layer 2cEb constituting the locking portion 8 are protruded from the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2gEb, while two sides of the gas diffusion layer 2gEb constituting the locking portion 8a are protruded from the outer peripheral end of the catalyst layer 2cEb.
  • the catalyst layer 2cEb and the gas diffusion layer 2gEb are overlaid.
  • membrane 1) and gas diffusion layer 2gEb was cut off is each arrange
  • FIG. 21 (C) shows a state where the locking portions 8 and 8a are formed by bending the ends of the catalyst layer 2cEb and the gas diffusion layer 2gEb.
  • the outer peripheral contour lines of the catalyst layer 2cEb and the gas diffusion layer 2gEb before being bent are shown by broken lines.
  • the locking part 8 is formed by bending the two sides of the catalyst layer 2cEb protruding from the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2gEb together with the electrolyte membrane 1 to the gas diffusion layer 2gEb side.
  • the locking portion 8a is formed by bending the two sides of the gas diffusion layer 2gEb protruding from the outer peripheral end of the catalyst layer 2cEb toward the catalyst layer 2cEb.
  • two types of locking portions 8 and 8a are provided in combination on the outer periphery of the electrode 2Eb. Even with such a configuration, the separation between the catalyst layer 2cEb and the gas diffusion layer 2gEb can be suppressed.
  • FIGS. 22 and 23 are schematic views showing the configurations of fuel cells 100Ec and 100Ed, respectively, according to another configuration example of the sixth embodiment.
  • FIGS. 22 and 23 are respectively the same as FIGS. 16 and 19 except that the electrodes 2, 2E and 2Ea are provided with the same adhesive member 7 as described in the fifth embodiment. It is almost the same.
  • the adhesive member 7 may be provided on the electrodes 2 and 2Eb.
  • FIG. 24 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell 100F as a seventh embodiment of the present invention.
  • the membrane electrode assembly 5F of the fuel cell 100F has first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb joined together, and the first electrode 2Fa is formed on the outer surface of the first electrolyte membrane 1Fa.
  • the second electrode 2Fb is formed on the outer surface of the second electrolyte membrane 1Fb.
  • the joint surfaces of the first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb are shown by broken lines.
  • Each of the first and second electrodes 2Fa, 2Fb has a gas diffusion formed by a catalyst layer 2cF formed so as to cover the entire outer surface of the first or second electrolyte membrane 1Fa, 1Fb, and a fiber substrate.
  • the layer 2g is laminated. Further, the first and second electrodes 2Fa and 2Fb are respectively locked in the same manner as described in FIG. 16 by bending the end portions of the catalyst layer 2cF and the first or second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb.
  • a part 8 is provided.
  • both of the first and second electrodes 2Fa and 2Fb have a surface on the catalyst layer 2cF side of the gas diffusion layer 2g that is closer to the gas diffusion layer 2g side of the catalyst layer 2cF. It is small. Then, the surface of the catalyst layer 2cF protruding from the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g is bent toward the gas diffusion layer 2g together with the first or second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb, thereby engaging the locking portion. 8 is configured.
  • the first and second electrodes 2Fa and 2Fb have a configuration in which the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g enters the inner side of the outer peripheral end 2ct of the catalyst layer 2cF constituting the locking portion 8. .
  • the first electrode 2Fa functions as a cathode
  • the second electrode 2Fb functions as an anode.
  • the catalyst layer 2cF can function as a protective layer for the first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb in both the first and second electrodes 2Fa and 2Fb.
  • the deterioration of the first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb can be suppressed.
  • locking part 8 is formed in both the 1st and 2nd electrodes 2Fa and 2Fb, in both the 1st and 2nd electrodes 2Fa and 2Fb, the catalyst layer 2cF and the gas diffusion layer 2g Deviation is suppressed.
  • these locking portions 8 improve the integrity of each component of the membrane electrode assembly 5F, thereby improving the handleability (handleability) of the membrane electrode assembly 5F in the manufacturing process of the fuel cell 100F. ing.
  • FIGS. 25A to 25D are schematic views showing the manufacturing process of the membrane electrode assembly 5F of the seventh embodiment in the order of steps.
  • first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb on which the catalyst layer 2cF is formed so as to cover the entire one surface are prepared (FIG. 25A).
  • the first and second electrolyte membranes 1Fa, 1Fb are overlapped with each other so that the outside becomes the catalyst layer 2cF, and are joined by hot pressing (FIG. 25B).
  • hot pressing is performed by sandwiching the first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb on the electric heating plate 210 so that the outer peripheral ends of the first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb protrude. Execute. This prevents the first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb from being joined to each other at their outer peripheral ends.
  • FIG. 25 (B) the boundary where the first and second electrolyte membranes 1Fa, 1Fb are joined is indicated by a broken line.
  • the outer peripheral end portions of the first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb protruding from the electric heating plate 210 are sandwiched by the holding member 211 in order to suppress deformation due to thermal contraction.
  • the gas diffusion layer 2g is disposed outside the two catalyst layers 2cF, hot-pressed by the electric heating plate 210, and the catalyst layer 2cF and the gas diffusion layer 2g are joined (FIG. 25C).
  • the entire contact surface between the catalyst layer 2cF and the gas diffusion layer 2g is joined.
  • the outer peripheral ends of the first and second electrolyte membranes 2Fa and 2Fb, together with the outer peripheral end of the catalyst layer 2cF are deformed due to thermal contraction, thereby causing a gas diffusion layer 2g side. Turn up. By this deformation, the locking portion 8 is formed, and the membrane electrode assembly 5F is completed (FIG. 25D).
  • an auxiliary external force may be applied to the outer peripheral ends of the first and second electrolyte membranes 1Fa, 1Fb and the catalyst layer 2cF in order to form the locking portion 8.
  • FIGS. 26A to 26D are schematic views showing other manufacturing steps in order of the membrane electrode assembly 5F of the seventh embodiment.
  • the first step is a preparation step for the first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb similar to that described in FIG. 25A (FIG. 26A).
  • the second step the first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb are arranged on the base 212 so that the catalyst layer 2cF is on the upper side, and the gas diffusion layer 2g is arranged on the catalyst layer 2c.
  • hot pressing is performed by the electric heating plate 210 (FIG. 26B).
  • the gas diffusion layer 2g is moved from the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g to the first or second electrolyte in both hot pressing of the first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb. It arrange
  • hot pressing is performed, the outer peripheral ends of the first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb and the outer peripheral end of the catalyst layer 2cF are turned to the gas diffusion layer 2g side by deformation due to thermal contraction. Go up.
  • the first and second electrodes 2Fa and 2Fb in which the locking portions 8 are formed on the first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb, respectively, are formed.
  • an auxiliary external force may be applied to the outer peripheral ends of the first and second electrolyte membranes 1Fa, 1Fc and the catalyst layer 2cF to form the locking portion 8.
  • the first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb are sandwiched by the electric heating plate 210 in an overlapped state, and the first and second electrolyte membranes 1Fa and 1Fb are joined by hot pressing ( FIG. 26 (C)).
  • the membrane electrode assembly 5F is completed (FIG. 26D).
  • locking part 8 can be formed using the deformation
  • FIG. 27 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100Fa as another configuration example of the seventh embodiment.
  • FIG. 27 is substantially the same as FIG. 24 except that each of the first and second electrodes 2Fa and 2Fb is impregnated with the same adhesive member 7 as described in the first embodiment. .
  • the first and second electrodes 2Fa and 2Fb are provided with the adhesive member 7 similar to that described in the first embodiment, so that the catalyst layer 2cF and the gas are supplied.
  • the deviation from the diffusion layer 2g can be more reliably suppressed, and the deterioration of the electrolyte membrane 1 can be suppressed.
  • the gas diffusion layer 2g does not have to be constituted by a fiber base material, and may be constituted by a member having a large number of pores for diffusing gas, a metal processing plate such as expanded metal, or the like. . Even with such a configuration, by suppressing direct contact between the gas diffusion layer and the electrolyte membrane, hydrogen peroxide radicals are prevented from reaching the electrolyte membrane, and deterioration of the electrolyte membrane can be suppressed. Moreover, it can suppress that an electrolyte membrane is damaged by the press of the micro unevenness
  • the electrode 2 of the membrane electrode assembly 5 was not provided with the water repellent layer 3.
  • the water-repellent layer 3 may be provided between the gas diffusion layer 2g of the membrane electrode assembly 5 and the catalyst layer 2c. In this case, it is preferable that at least a part of the outer peripheral end face of the gas diffusion layer 2g is covered with the water repellent layer 3.
  • the groove portion 6 is formed on the surface on which the water repellent layer 3 is formed, and the outer peripheral end portion of the gas diffusion layer 2g is cut along the groove portion 6, An area covered with the water repellent layer 3 was formed on the outer peripheral end face of the gas diffusion layer 2g.
  • the electrode 2A may not be formed by this process. For example, after cutting the outer peripheral end of the base material of the gas diffusion layer 2g to make the base material size of the gas diffusion layer 2g smaller than the size of the catalyst layer 2c, one surface of the base material of the gas diffusion layer 2g and The water repellent layer 3 may be provided so as to cover the outer peripheral end face.
  • the water repellent layer 3 is provided between the catalyst layer 2c and the gas diffusion layer 2g.
  • the water repellent layer 3 may be omitted.
  • the outer peripheral end portion of the gas diffusion layer 2g is formed to be tapered toward the catalyst layer 2c, and the outer peripheral end portion of the gas diffusion layer 2g enters inside the outer peripheral end portion of the catalyst layer 2c.
  • the water repellent layer 3 was comprised by the water repellent thin film which has a water repellent resin material as a main component
  • the water repellent layer 3 is a water repellent thin film which has a water repellent resin material as a main component. It does not need to be constituted by.
  • the fuel cell 100B is supplied with oxygen and hydrogen using the electrode 2A side as a cathode and the electrode 2A side as an anode, respectively.
  • the fuel cell 100B may be configured such that hydrogen and oxygen are supplied to the electrode 2A as an anode and the electrode 2B as a cathode, respectively.
  • the electrode of the fuel cell may be configured so that the outer peripheral end of the gas diffusion layer enters the inner side of the outer peripheral end of the catalyst layer in at least one of the anode and the cathode.
  • the adhesive member 7 is provided on both the two electrodes 2A and 2B. However, the adhesive member 7 may be omitted in one of the two electrodes 2A and 2B. The same applies to other configuration examples of the fifth embodiment.
  • the adhesive member 7 is provided on the electrode 2B, it is possible to suppress the catalyst layer 2c from being deformed together with the electrolyte membrane 1 due to thermal contraction or the like and being separated from the gas diffusion layer 2g.
  • the adhesive member 7 is provided in the electrode 2A, it can suppress that the electrolyte membrane 1 deteriorates with the reaction heat in the outer peripheral edge part of the catalyst layer 2c.
  • the electrode 2A in which the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g enters the inner side of the outer peripheral end of the catalyst layer 2c is configured as the cathode.
  • the electrode 2A may be configured as an anode.
  • the adhesive member 7 is impregnated in a circumferential region surrounding the seal region SA.
  • the adhesive member 7 only needs to be impregnated circumferentially along the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g entering the inner side from the outer peripheral end of the catalyst layer 2c, and may be impregnated inside the seal area SA. good.
  • the adhesive member 7 is impregnated inside the catalyst layer 2c, the gas diffusion layer 2g, and the water repellent layer 3 over the entire circumference of the region surrounding the seal region SA.
  • the adhesive member 7 may not be impregnated inside the catalyst layer 2c, the gas diffusion layer 2g, and the water repellent layer 3 over the entire circumference in the region surrounding the seal region SA. That is, the adhesive member 7 may be provided only in a partial region of the inner peripheral edge of the gas diffusion layer 2g and the catalyst layer 2c to such an extent that the separation between the gas diffusion layer 2g and the catalyst layer 2c is suppressed.
  • the adhesive member 7 may not be impregnated inside the electrode, and may be disposed only at the contact interface between the gas diffusion layer 2g and the water repellent layer 3 and the catalyst layer 2c.
  • the configuration as in the fifth embodiment is preferable because deterioration of the electrolyte membrane 1 due to reaction heat can be suppressed.
  • the water repellent layer 3 is provided on each of the two electrodes 2A and 2B. However, the water repellent layer 3 may be omitted. The same applies to other configuration examples of the fifth embodiment. Conversely, in the sixth and seventh embodiments, the water repellent layer 3 may be provided on the surface of the gas diffusion layers 2g, 2gE, and 2gEb on the catalyst layer 2c side.
  • the gas diffusion layer 2g is disposed so that the entire outer periphery of the gas diffusion layer 2g fits in the plane of the catalyst layer 2c, and the catalyst layer 2c protruding from the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g is bent.
  • the locking portion 8 was formed in a circumferential shape along the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g.
  • the locking portion 8 may not be formed in a circumferential shape along the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g.
  • the locking portion 8 may be formed only on two sides facing each other among the outer peripheral ends of the gas diffusion layer 2g.
  • the locking portion 8 engages only a part of the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g by protruding only a part of the catalyst layer 2c from the outer peripheral end of the gas diffusion layer 2g and bending the protruding part. It is good also as what is provided so that it may stop.
  • the first electrode 2Fa has a smaller size than the second electrode 2Fb.
  • the first and second electrodes 2Fa and 2Fb may be configured to have substantially the same size, and the second electrode 2Fb is configured to be smaller than the first electrode 2Fa. It is good as a thing.
  • the locking portion 8 is formed by utilizing deformation due to thermal contraction of the first and second electrolyte membranes 1Fa, 1Fb and the catalyst layer 2cF formed thereon (FIG. 25C ), FIG. 26 (B)). However, the locking portion 8 may not be formed using such deformation due to heat shrinkage. The locking portion 8 may be formed by applying an external force to bend the outer peripheral ends of the first and second electrolyte membranes 1Fa, 1Fb and the catalyst layer 2cF formed thereon.
  • Gas flow path member 40 ... Separator 43 ... Flow path groove 100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100Da, 100Db, 100E, 100Ea to 100Ed, 100F, 100c ...
  • Fuel cell 110 ... Single cell 200 ... Pressing tool 202 ... Cutting tool 210 ... Electric heating plate 211 ... Holding part 212 ... base

Abstract

燃料電池における電解質膜の劣化を抑制する技術を提供する。燃料電池１００は、膜電極接合体５を備える。膜電極接合体５は、プロトン伝導性を有する電解質膜１の両側に電極２が配置された発電体である。電極２は、触媒が担持された触媒層２ｃと、反応ガスを電極面に行き渡らせるためのガス拡散層２ｇとが積層された積層構造を有する。ガス拡散層２ｇの外周端部は、触媒層２ｃの外周端より内側に入り込んでいる。

Description

膜電極接合体およびそれを用いた燃料電池、膜電極接合体の製造方法
　この発明は、燃料電池に関する。
　燃料電池としては、プロトン伝導性を有する電解質膜の両側に電極が配置された膜電極接合体を備えるものが知られている。電極は、反応ガスを電極面全体に行き渡らせるためのガス拡散層と、燃料電池反応を促進させるための触媒が担持された触媒層とを有する（下記特許文献１）。
　ところで、燃料電池の発電の際には、反応ガスである水素や酸素がそれぞれ電解質膜を透過して、供給された側の電極とは反対側の電極へと移動してしまう場合がある。この場合には、膜電極接合体の同じ電極の側に水素と酸素とが存在することとなり、それらの水素と酸素とが互いに反応して過酸化水素が生成されてしまう可能性がある。過酸化水素がラジカル化した過酸化水素ラジカルは、電解質膜を劣化させる原因となることが知られている。
　また、ガス拡散層は、一般に、導電性を有する繊維基材によって構成される場合があるが、繊維基材の外表面、特に、その端部には微細な突起である毛羽が存在する。膜電極接合体では、その毛羽が電解質膜に突き刺さり、電解質膜を損傷させてしまう場合があった。これまで、こうした電解質膜の劣化を抑制することについて十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
特開２００７－２１３８３０号公報
　本発明は、燃料電池における電解質膜の劣化を抑制する技術を提供することを目的とする。
　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］
　燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、電解質膜と、前記電解質膜の両側に配置された第１と第２の電極層と、を備え、前記第１と第２の電極層は、前記電解質膜に接して配置された触媒層と、前記触媒層の上に配置されたガス拡散層とを有しており、前記第１と第２の電極層のうちの少なくとも前記第１の電極層は、前記触媒層の前記ガス拡散層側の面より、前記ガス拡散層の前記触媒層側の面を小さくすることにより、前記ガス拡散層の外周端が、前記触媒層の外周端より内側に入り込んでいる、膜電極接合体。
　この膜電極接合体によれば、ガス拡散層の外周端が触媒層の外周端より内側に入り込むことにより、ガス拡散層と電解質膜とが直接的に接触することが抑制されている。そのため、ガス拡散層において発生した過酸化水素ラジカルが、電解質膜に到達する前に触媒層を通過することとなり、過酸化水素ラジカルを触媒層において消滅させることができる。従って、過酸化水素ラジカルによる電解質膜の劣化を抑制できる。また、触媒層を、ガス拡散層の端部から電解質膜を保護するための保護層として機能させることができる。
［適用例２］
　適用例１記載の膜電極接合体であって、前記ガス拡散層は、繊維基材により構成されており、前記第１と第２の電極層のうちの少なくとも第１の電極層には、前記触媒層と前記ガス拡散層との間に撥水層が設けられ、前記撥水層は、前記ガス拡散層の外周端の端面の少なくとも一部を被覆している、膜電極接合体。
　この膜電極接合体によれば、ガス拡散層の触媒層側の面と外周端面に存在する毛羽が、撥水層によって被覆されるため、ガス拡散層の基材外表面に存在する毛羽から電解質膜を保護することができる。特に、ガス拡散層の外周端部には多数の毛羽が存在するため、ガス拡散層の外周端部が撥水層によって被覆されることによって、電解質膜の保護効果がより向上する。
［適用例３］
　適用例２記載の膜電極接合体であって、前記撥水層は、撥水性樹脂を主成分とする撥水性薄膜により構成されている、膜電極接合体。
　この膜電極接合体によれば、撥水層である撥水性薄膜によって、ガス拡散層の外表面の毛羽を被覆することができ、電解質膜を、より確実に保護することができる。
［適用例４］
　適用例１～３のいずれか一つに記載の膜電極接合体であって、前記第１と第２の電極層の少なくとも一方には、発電領域の周縁部に、前記ガス拡散層と前記触媒層との乖離を抑制するための接着部材が配置されている、膜電極接合体。
　この膜電極接合体によれば、ガス拡散層と触媒層との乖離が抑制されるため、反応ガスのリークの発生を抑制でき、電解質膜および電極の劣化を抑制できる。
［適用例５］
　適用例４記載の膜電極接合体であって、前記接着部材は、少なくとも前記第１の電極層において、前記ガス拡散層の外周端より外側に突出している前記触媒層の外周端への反応ガスの拡散を抑制するために、前記触媒層の外周端より内側に入り込んでいる前記ガス拡散層の外周端に沿った周状の領域において、前記触媒層および前記ガス拡散層の内部に含浸されている、膜電極接合体。
　この膜電極接合体によれば、接着部材によって、ガス拡散層の外周端から突出している触媒層の外周端への反応ガスの拡散が抑制され、触媒層の外周端において反応熱が発生することが抑制される。そのため、当該触媒層の外周端における部位から電解質膜へと反応熱が移動することが抑制され、反応熱による電解質膜の劣化が抑制される。
［適用例６］
　適用例１～５のいずれか一つに記載の膜電極接合体であって、前記第１と第２の電極層のうちの少なくとも前記第２の電極層には、前記触媒層の前記ガス拡散層の外周端より突出した前記ガス拡散層側の面が前記ガス拡散層側に折り曲げられて形成された、前記触媒層と前記ガス拡散層との乖離を抑制する係止部が設けられている、膜電極接合体。
　この膜電極接合体によれば、ガス拡散層の外周端から突出した触媒層の部位を利用して、ガス拡散層と触媒層との乖離を抑制するための係止部が設けられているため、ガス拡散層と触媒層との乖離を効率よく抑制することができる。
［適用例７］
　適用例１～６のいずれか一つに記載の膜電極接合体であって、前記第２の電極層には、前記ガス拡散層の外周端において、前記ガス拡散層の前記触媒層の外周端より突出した部位を前記触媒層側に折り曲げた、前記触媒層と前記ガス拡散層との乖離を抑制する係止部が設けられている、膜電極接合体。
　この膜電極接合体によれば、ガス拡散層の触媒層より突出した部位を利用して、ガス拡散層と触媒層との乖離を抑制するための係止部が設けられるため、ガス拡散層と触媒層との乖離を効率よく抑制することができる。
［適用例８］
　適用例６記載の膜電極接合体であって、前記電解質膜の外周端部は、前記ガス拡散層の外側に突出するとともに、前記第１の電極層側の面と前記第２の電極層側の面とが、前記電解質膜の厚み方向に沿った二方向に分離して、前記第１と第２の電極層のそれぞれの側に折り曲げられており、前記第１と第２の電極層における前記触媒層の外周端には、前記ガス拡散層側の面が、前記ガス拡散層の外側において、前記電解質膜の外周端部とともに、前記ガス拡散層に向かって折り曲げられた、前記触媒層と前記ガス拡散層との乖離を抑制するための係止部が設けられている、膜電極接合体。
　この膜電極接合体によれば、２つの電極層の外周端に電解質膜と触媒層とを利用した係止部が設けられることにより、ガス拡散層と触媒層との乖離が効率よく、かつ、確実に抑制される。また、その係止部により、膜電極接合体の一体性が向上する。
［適用例９］
　燃料電池であって、請求項１～８のいずれか一項に記載の膜電極接合体を備える、燃料電池。
　この燃料電池によれば、膜電極接合体の電解質膜の劣化が抑制されているため、燃料電池の耐久性が向上する。
［適用例１０］
　電解質膜に接するように配置された触媒層と、繊維基材によって構成され、前記触媒層の上に配置されたガス拡散層とを有する電極層を備える燃料電池用の膜電極接合体の製造方法であって、
（ａ）前記ガス拡散層の基材である繊維基材を準備する工程と、
（ｂ）前記繊維基材の一方の面に撥水層を形成する工程と、
（ｃ）前記ガス拡散層の外周端が前記触媒層の外周端より内側に入り込むように、前記繊維基材の外周端を切断する工程と、
（ｄ）前記電解質膜に予め形成された前記触媒層に、前記触媒層と前記撥水層とが接するように、前記繊維基材を重ねて接合し、前記電極層を形成する工程と、
を備え、
　前記工程（ｄ）は、前記繊維基材を切断する切断線上を切断前に予め押圧することにより、前記繊維基材の表面に前記撥水層が前記繊維基材の内側へと入り込んだ溝部を形成し、前記溝部に沿って、前記繊維基材を切断する工程を含む、製造方法。
　この製造方法によれば、ガス拡散層の基材の外周端面および触媒層側の面が撥水層によって被覆されるとともに、ガス拡散層の基材の外周端面の毛羽立ちが触媒層とは反対の側へと向くように整えられる。そのため、ガス拡散層の基材表面の毛羽による電解質膜の損傷が抑制される。また、この製造方法により製造された膜電極接合体によれば、ガス拡散層の触媒層側の面が触媒層のガス拡散層側の面より小さくなるため、ガス拡散層と電解質膜とが直接的に接触することを抑制でき、過酸化水素ラジカルによる電解質膜の劣化を抑制できる。
［適用例１１］
　電解質膜に接するように配置された触媒層と、前記触媒層の上に配置されたガス拡散層とを有する電極層を備える燃料電池用の膜電極接合体の製造方法であって、
（ａ）一方の面に前記触媒層が形成された電解質膜を準備する工程と、
（ｂ）前記ガス拡散層の基材として、前記触媒層よりサイズが小さい繊維基材を準備する工程と、
（ｃ）前記触媒層の外周端より前記繊維基材の外周端が内側となるように、前記触媒層の上に前記繊維基材を配置する工程と、
（ｄ）前記触媒層と前記繊維基材とを、前記電解質膜とともにホットプレスすることにより接合するとともに、前記電解質膜と前記触媒層の熱収縮による変形を利用して、前記触媒層と前記電解質膜の前記繊維基材の外側に突出した部位を、前記繊維基材側に折り曲がらせて、前記触媒層と前記繊維基材との乖離を抑制する係止部を設ける工程と、
を備える、製造方法。
　この製造方法によれば、ホットプレスによる熱収縮に伴う変形を利用して、触媒層とガス拡散層との乖離を抑制するための係止部を、膜電極接合体に設けることができる。従って、触媒層とガス拡散層との乖離が抑制された膜電極接合体を、効率よく製造することができる。
［適用例１２］
　適用例１１記載の製造方法であって、前記工程（ｄ）は、前記触媒層と前記繊維基材とが積層配置された第１と第２の電解質膜を準備し、前記第１と第２の電解質膜同士を重ねてホットプレスすることにより、前記触媒層と前記繊維基材とを接合するとともに、前記第１と第２の電解質膜同士を接合する工程を含む、製造方法。
　この製造方法によれば、膜電極接合体の２つの電極層に、電解質膜と触媒層の外周端を利用した係止部を、効率よく設けることができる。
　なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池用の膜電極接合体、その膜電極接合体を用いた燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
燃料電池の構成を示す概略図。 参考例として膜電極接合体の構成を示す概略図と、膜電極接合体における電解質膜の劣化を説明するための模式図。 参考例としての膜電極接合体の構成を示す概略図と、保護シートを設けたことによる電解質膜の損傷を説明するための模式図。 膜電極接合体において電解質膜の劣化が抑制される効果を説明するための模式図。 第２実施例としての燃料電池の構成を示す概略図。 電極の形成工程を工程順に示す模式図。 ガス拡散層の基材の端部を示す模式図。 第２実施例の他の構成例としての膜電極接合体の外周端部を示す模式図。 第３実施例としての燃料電池の構成を示す概略図。 第４実施例としての燃料電池の構成を示す概略図。 第５実施例としての燃料電池の構成を示す概略図。 ２つの電極のそれぞれにおける接着部材の含浸領域を示す概略図。 ガス拡散層と触媒層との乖離による不具合を説明するための模式図。 接着部材による膜電極接合体の劣化の抑制機能を説明するための模式図。 第５実施例の他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。 第６実施例としての燃料電池の構成を示す概略図。 係止部の形成工程を工程順に示す模式図。 係止部の他の形成工程を工程順に示す模式図。 第６実施例の他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。 第６実施例の他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。 ２種類の係止部の形成工程を工程順に示す模式図。 第６実施例の他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。 第６実施例の他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。 第７実施例としての燃料電池の構成を示す概略図。 第７実施例の膜電極接合体の製造工程を工程順に示す模式図。 第７実施例の膜電極接合体の他の製造工程を工程順に示す模式図。 第７実施例の他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。
A．第１実施例：
　図１は本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１００は、複数の単セル１１０が積層されたスタック構造を有する。単セル１１０は、シール一体型膜電極接合体１０と、シール一体型膜電極接合体１０を狭持する２枚のセパレータ４０とを備える。
　シール一体型膜電極接合体１０は、膜電極接合体５と、膜電極接合体５の外周端に設けられたシール部２０とを有する。膜電極接合体５は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜１の両側に、ガス拡散性を有する電極２が一体的に配置された発電体である。電極２は、燃料電池反応を促進するための触媒（例えば、白金（Ｐｔ））が担持された触媒層２ｃと、反応ガスを電極面全体に行き渡らせるためのガス拡散層２ｇとを有する。
　電解質膜１としては、フッ素樹脂系のイオン交換膜を用いることができる。触媒層２ｃは、電解質膜１の外表面に、水溶性溶媒または有機溶媒に触媒担持カーボンと電解質膜と同種の化合物である電解質を分散させた混合溶液である触媒インクを塗布し、乾燥させることによって形成することができる。なお、触媒層２ｃは、予めフィルム基材の表面に形成された触媒層を電解質膜１の表面に転写することにより形成するものとしても良い。
　ガス拡散層２ｇは、炭素繊維や黒鉛繊維などの導電性およびガス透過性・ガス拡散性を有する多孔質の繊維基材によって構成できる。電極２は、ガス拡散層２ｇを構成する基材を、電解質膜１に予め形成された触媒層２ｃの上に重ねて配置し、ホットプレスなどで接合することにより形成される。
　ところで、本実施例の膜電極接合体５では、電極２において、ガス拡散層２ｇのサイズを触媒層２ｃのサイズより小さく構成することにより、ガス拡散層２ｇの外周端が触媒層２ｃの外周端より内側に入り込むように構成し、触媒層２ｃの内周縁部を露出させている。このように、電極２において、ガス拡散層２ｇの外周端が触媒層２ｃの外周端より内側に入り込むように構成する理由については後述する。
　シール部２０は、膜電極接合体５の電解質膜１および電極２の外周端部を被覆するように樹脂材料を射出成形することにより設けられている。シール部２０は、セパレータ４０によって両側から狭持されたときに、セパレータ４０との間にシールラインを形成する。このシールラインによって、反応ガスが燃料電池１００の外部へと漏洩してしまうことが抑制される。なお、シール部２０は、樹脂材料の射出成形による形成工程以外の方法により形成されるものとしても良い。シール部２０は、接着性を有する樹脂材料を注入・固化させることにより形成するものとしても良い。
　ここで、本実施例の燃料電池１００では、電解質膜１の外周端部が触媒層２ｃの外周端部より突出しており、その突出した外周端部をシール部２０が被覆している。この構成により、電解質膜１および電極２の外周端面を介した反応ガスのクロスリークが抑制されている。なお、シール部２０には、反応ガスや冷媒のためのマニホールドが形成されるが、その図示および説明は省略する。
　セパレータ４０は、導電性を有するガス不透過の板状部材（例えば金属板）によって構成することができる。セパレータ４０の電極２側の面には、反応ガスのための流路溝４３が、発電領域（シール部２０によって囲まれた領域）全体にわたって形成されている。なお、セパレータ４０には、反応ガスや冷媒のためのマニホールドや、冷媒のための流路が形成されるが、その図示および説明は省略する。
　単セル１１０では、セパレータ４０と電極２との間に、流路溝４３の反応ガスをガス拡散層２ｇ全体に行き渡らせるためのガス流路部材３０が配置されている。ガス流路部材３０は、膜電極接合体５とセパレータ４０との間の導電パスとしても機能する。ガス流路部材３０は、エキスパンドメタルやパンチングメタルなどの金属板を多孔質に加工した部材や、カーボン焼結体などの導電性を有する多孔質部材によって構成することができる。
　なお、２つのガス流路部材３０は、その一方、または、その両方が省略されるものとしても良い。ただし、この場合には、セパレータ４０の外表面に設けられた流路溝４３の流路壁と電極２のガス拡散層２ｇとが直接的に接触するように構成されることが好ましい。また、２枚のセパレータ４０のうちの一方、またはその両方の流路溝４３が省略されるものとしても良い。
　図２（Ａ）は、本発明の参考例として膜電極接合体５ａの構成を示す概略図である。この膜電極接合体５ａは、電極２ａの構成が異なる点以外は、本実施例の膜電極接合体５とほぼ同じである。参考例の電極２ａでは、ガス拡散層２ｇのサイズが、触媒層２ｃのサイズより大きく構成されており、ガス拡散層２ｇの外周端部が、電解質膜１と直接的に接触している。
　図２（Ｂ）は、参考例の膜電極接合体５ａにおける電解質膜１の劣化を説明するための模式図である。図２（Ｂ）には、燃料電池を構成したときの膜電極接合体５ａの外周端部近傍が模式的に図示されている。ガス拡散層２ｇは、前記したとおり、繊維基材によって構成されるため、その外表面、特に外周端部には微細な突起である毛羽２ｆが存在する。従って、参考例の膜電極接合体５ａのように、ガス拡散層２ｇと電解質膜１とが直接的に接触している場合には、ガス拡散層２ｇの毛羽２ｆが電解質膜１に突き刺さってしまい、反応ガスのクロスリークや、電極２同士の短絡が引き起こされる可能性がある。
　また、燃料電池では、その発電の際に、水素がカソード側に、あるいは、酸素がアノード側に、それぞれ電解質膜を透過して移動してしまう場合がある。こうした反応ガスの透過移動により、同じ電極の側に水素と酸素とが存在してしまうと、その水素と酸素とが反応して過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）が生成されてしまう場合がある。膜電極接合体において生じた過酸化水素は、ラジカル化して電解質膜を劣化させてしまう可能性がある。
　ここで、過酸化水素がラジカル化した過酸化水素ラジカルは、触媒層において、触媒の作用により、水や酸素に変換され、消滅する可能性が高い。しかし、この参考例の膜電極接合体５ａでは、触媒層２ｃの外周において、電解質膜１とガス拡散層２ｇとが直接的に接している領域を有している。そのため、その領域において、過酸化水素ラジカルが、触媒作用によって消滅することなく、電解質膜１に到達し、電解質膜１を劣化させる可能性が高い。
　図３（Ａ）は、本発明の参考例としての膜電極接合体５ｂの構成を示す概略図である。図３（Ａ）は、触媒層２ｃの外周に保護シート４が設けられている点以外は、図２（Ａ）とほぼ同じである。この参考例の膜電極接合体５ｂでは、触媒層２ｃの外周に、電解質膜１を保護するための保護シート４が配置されており、ガス拡散層２ｇの外周端部は、保護シート４の上に配置されている。即ち、膜電極接合体５ｂでは、保護シート４によって、ガス拡散層２ｇと電解質膜１とが直接的に接触することが抑制されている。なお、保護シート４は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などの樹脂部材によって構成することができる。
　図３（Ｂ）は、保護シート４を設けたことによる電解質膜１の損傷を説明するための模式図である。図３（Ｂ）には、燃料電池に組み付けられ、発電している際の膜電極接合体５ｂの状態の変化が段階的に図示されている。なお、図３（Ｂ）では、膜電極接合体５ｂの一部のみが図示されており、ガス拡散層２ｇの図示および膜電極接合体５ｂ以外の燃料電池の他の構成部の図示は省略されている。
　ここで、燃料電池の発電の際には、膜電極接合体は高温（例えば８０℃程度）となるとともに、その発電領域では、多量の水分が生成されるため、電解質膜は膨潤する。しかし、参考例の膜電極接合体５ｂの電解質膜１では、保護シート４で狭持された部位の膨潤が抑制される一方で、保護シート４によって囲まれた中央領域が膨潤する。そのため、電解質膜１の膨潤が始まると、電解質膜１の保護シート４で狭持された部位では、中央領域に向かって引っ張られる方向に応力が発生し、膜破れが生じてしまう可能性がある。
　また、燃料電池の発電が停止され、膨潤した電解質膜１の収縮が始まる際には、保護シート４によって電解質膜１の収縮が抑制される。そのため、電解質膜１では、保護シート４で狭持された部位と、保護シート４に囲まれた中央領域とが乖離する方向に応力が働き、膜破れが生じてしまう可能性がある。
　図４は、本実施例の膜電極接合体５において電解質膜１の劣化が抑制される効果を説明するための模式図である。図４には、燃料電池１００に組み付けられたときの膜電極接合体５の端部近傍が模式的に図示されている。なお、図４では、膜電極接合体５の一方の電極２のみが図示され、他方の電極２の図示は省略されている。また、図４では、燃料電池１００の他の構成部の図示は省略されている。
　本実施例の膜電極接合体５では、ガス拡散層２ｇの外周端部が触媒層２ｃの外周端部より内側に配置されているため、触媒層２ｃによって、ガス拡散層２ｇの毛羽２ｆが電解質膜１に突き刺さることが抑制されている。即ち、触媒層２ｃを電解質膜１の保護層として機能させている。また、電極２において過酸化水素が生成され、ラジカル化してしまった場合であっても、その過酸化水素ラジカルは、触媒層２ｃの触媒作用によって酸素や水に変換され、電解質膜１に到達することが抑制される。
　このように、本実施例の燃料電池１００では、膜電極接合体５において、ガス拡散層２ｇの外周端部が触媒層２ｃの外周端部より内側に入り込んでおり、ガス拡散層２ｇと電解質膜１との直接的な接触が抑制されている。従って、ガス拡散層２ｇの毛羽や、過酸化水素ラジカルによって、電解質膜１が損傷・劣化することを抑制できる。
B．第２実施例：
　図５は本発明の第２実施例としての燃料電池１００Ａの構成を示す概略図である。図５は電極２Ａの構成が異なる点以外は図１とほぼ同じである。この燃料電池１００Ａの膜電極接合体５Ａでは、ガス拡散層２ｇの外周端部が、触媒層２ｃの側に向かって先細りとなる略テーパー状の傾斜面で構成されている。即ち、ガス拡散層２ｇの端面と、ガス拡散層２ｇの触媒層２ｃ側の表面とが形成する角度が鋭角となるように構成されている。また、ガス拡散層２ｇの外表面には撥水層３が設けられている。撥水層３は、ガス拡散層２ｇの触媒層２ｃ側の表面と、外周端面の一部とを被覆している。
　図６（Ａ）～（Ｆ）は、電極２Ａの形成工程を工程順に示す模式図である。なお、図６（Ａ）～（Ｆ）では、一方の電極２Ａの形成工程のみを図示しているが、他方の電極２Ａの形成工程も同様であるため、その図示および説明は省略する。第１工程では、電解質膜１を準備する（図６（Ａ））。第２工程では、電解質膜１の外表面に、第１実施例で説明したのと同様な触媒インクを塗布し、乾燥・固化させ、触媒層２ｃを形成する（図６（Ｂ））。
　第３工程では、ガス拡散層２ｇの基材を準備する（図６（Ｃ））。ガス拡散層２ｇの基材は、第１実施例で説明したのと同様な繊維基材である。ここで、ガス拡散層２ｇの基材には、触媒層２ｃと接触させる面全体に撥水層３が形成されている。撥水層３は、ガス拡散層２ｇの基材表面に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料とを主成分とする撥水薄膜（マイクロポーラス層（ＭＰＬ））として形成される。
　図５で説明したように、撥水層３は、電極２Ａが構成されたときに、ガス拡散層２ｇと触媒層２ｃとの間に配置される。このように、ガス拡散層２ｇと触媒層２ｃとの間に撥水層３が設けられることにより、燃料電池１００の運転中において、電解質膜１の湿潤状態が良好に保持されるとともに、ガス拡散層２ｇの細孔が水分により閉塞されていまうことが抑制される。なお、この燃料電池１００Ａの撥水層３は、電解質膜１を保護する機能も有するが、その詳細については後述する。
　第４工程では、ガス拡散層２ｇのサイズが触媒層２ｃのサイズより小さくなるように、ガス拡散層２ｇの基材の外周端部を切断する。なお、この切断加工は、以下に説明する２段階の工程で実施される。具体的には、まず、外周端部の切断に先だって、押圧工具２００によって、ガス拡散層２ｇの基材の撥水層３側の表面を、切断されるべき切断線に沿って予め押圧し、切断線上を走る溝部６を形成する（図６（Ｄ））。なお、この溝部６の形成工程では、撥水層３をガス拡散層２ｇの内側に入り込ませ、撥水層３によって溝部６の内壁面が構成されるように、ガス拡散層２ｇの表面を押圧する。
　次に、切削工具２０２によって、溝部６の底面部を切断する（図６（Ｅ））。図６（Ｄ），（Ｅ）の工程によって、ガス拡散層２ｇの基材のサイズが、触媒層２ｃのサイズより小さくなり、ガス拡散層２ｇの外周端面が、その一部が撥水層３によって被覆された傾斜面として構成される。さらに、第５工程では、ガス拡散層２ｇの基材が、撥水層３と触媒層２ｃとが接触するように触媒層２ｃに重ねられて接合される（図６（Ｆ））。これによって、電解質膜１に電極２Ａが形成される。
　図７は、図６（Ｆ）に示す破線領域７におけるガス拡散層２ｇの基材の端部を示す模式図である。ガス拡散層２ｇの基材の外表面、特に、その外周端部には、前記したように毛羽２ｆが存在している。しかし、ガス拡散層２ｇの電解質膜１側の表面および外周端面には撥水層３が設けられており、その毛羽２ｆは、撥水層３に被覆された状態となる。従って、ガス拡散層２ｇが触媒層２ｃと接合されたときに、毛羽２ｆが触媒層２ｃを介して電解質膜１に突き刺さり、電解質膜１を損傷させることが抑制される。
　即ち、撥水層３は、触媒層２ｃとともに電解質膜１の保護するための保護層としても機能していると解釈することができる。特に、膜電極接合体５Ａでは、ガス拡散層２ｇの外周端面まで撥水層３が被覆しているため、ガス拡散層２ｇの外周端部に存在する毛羽２ｆによって、電解質膜１が損傷してしまうことを抑制できる。
　また、電極２Ａの形成工程では、ガス拡散層２ｇの外周端部の切断に先立って、撥水層３をガス拡散層２ｇの内側に折り込み、図６（Ｄ）で説明した溝部６を形成していた。この加工によって、ガス拡散層２ｇの外周端部における毛羽立ちの方向は、溝部６の底面側（電極２Ａの外側）に向くように整えられる。従って、毛羽２ｆの突き刺しによる電解質膜１の損傷がより抑制される。
　図８は、第２実施例の他の構成例としての膜電極接合体５Ａａの外周端部を示す模式図である。この膜電極接合体５Ａａの構成は、以下に説明する点以外は、上記の膜電極接合体５Ａと同様である。膜電極接合体５Ａａの電極２Ａａでは、ガス拡散層２ｇと触媒層２ｃとがほぼ同サイズで構成されている。しかし、ガス拡散層２ｇの外周端部には、触媒層２ｃ側の角部が押圧されることにより形成された撥水層３の傾斜面が設けられている。これによって、膜電極接合体５Ａａでは、触媒層２ｃのガス拡散層２ｇ側の面より、ガス拡散層２ｇの触媒層２ｃ側の面が大きくなり、ガス拡散層２ｇの外周端部が触媒層２ｃの外周端の内側に入り込んでいる。このような構成であっても、撥水層３によって電解質膜１をガス拡散層２ｇの毛羽から保護することができる。
　ここで、膜電極接合体５Ａａでは、第１実施例の膜電極接合体５と同様に、触媒層２ｃの内周縁表面がガス拡散層２ｇから露出している。この露出面や触媒層２ｃ、ガス拡散層２ｇの端面は、シール部２０（図示は省略）によって被覆されることとなる。従って、この構成であっても、過酸化水素ラジカルは、触媒層２ｃを介さずにガス拡散層２ｇから電解質膜１へと移動してしまうことが抑制される。そのため、電解質膜１の劣化を抑制することができる。
　このように、第２実施例の膜電極接合体５Ａ，５Ａａによれば、撥水層３やガス拡散層２ｇの外周端部の加工により、ガス拡散層２ｇの毛羽の突き刺しによる膜電極接合体５ａの損傷を抑制できる。また、過酸化水素ラジカルによる電解質膜１の劣化を抑制することができる。
C．第３実施例：
　図９は、本発明の第３実施例としての燃料電池１００Ｂの構成を示す概略図である。図９は、膜電極接合体５Ｂの一方の面側に、電極２Ａとは外周端部の構成が異なる電極２Ｂが設けられている点以外は、図５とほぼ同じである。膜電極接合体５Ｂの一方の電極２Ｂでは、触媒層２ｃと、ガス拡散層２ｇと、撥水層３とが、電解質膜１とほぼ同じサイズで形成されており、電解質膜１と触媒層２ｃとガス拡散層２ｇと撥水層３のそれぞれの端面が、ほぼ揃った状態で積層されている。この燃料電池１００では、電極２Ａ側をカソードとし、電極２Ｂ側をアノードとして、それぞれに酸素と水素とが供給されるものとする。なお、電極２Ｂの撥水層３は省略されるものとしても良い。
　このように、一方の電極２Ｂ側においてのみガス拡散層２ｇの外周端部が触媒層２ｃの外周端部より内側に入り込んでいる構成であっても、電極２側における電解質膜１の損傷・劣化を抑制することができる。また、この構成によれば、電極２Ｂの外周端を電解質膜１の外周端の支持部として機能させることができる。そのため、膜電極接合体５Ｂの外周にシール部２０を設ける工程など、膜電極接合体５Ｂの組み付け工程において、電解質膜１が損傷してしまうことを抑制することができる。
D．第４実施例：
　図１０は、本発明の第４実施例としての燃料電池１００Ｃの構成を示す概略図である。図１０は、膜電極接合体５Ｃにおいて、アノード側の電極２Ａに換えて外周端部の構成が異なる電極２Ｃが設けられている点以外は、図９とほぼ同じである。燃料電池１００Ｃの膜電極接合体５Ｃでは、ガス拡散層２ｇの外周端面が傾斜しておらず、触媒層２ｃの外表面に対してほぼ垂直な面として構成されている。
　このような構成であっても、電極２Ｃ側では、ガス拡散層２ｇの外周端部が、触媒層２ｃの外周端部より内側に入り込んでいるため、電解質膜１の電極２Ｃ側における損傷・劣化を抑制することができる。また、ガス拡散層２ｇと電解質膜１との間に設けられた撥水層３によっても、電解質膜１の損傷・劣化が上記実施例と同様に抑制される。なお、この第４実施例の構成において、ガス拡散層２ｇの外周端面の一部または全部が、撥水層３によって被覆されるものとしても良い。
E.第５実施例：
　図１１は、本発明の第５実施例としての燃料電池１００Ｄの構成を示す概略図である。図１１は、２つの電極２Ａ，２Ｂのそれぞれの内部に含浸された接着部材７が設けられている点と、シール領域ＳＡの範囲が図示されている点以外は、図９とほぼ同じである。燃料電池１００Ｄは、２つの電極層２Ａ，２Ｂの内部に接着部材７が含浸された膜電極接合体５Ｄを備える。接着部材７は、ガス拡散層２ｇと触媒層２ｃとの乖離を抑制するためのものである。
　接着部材７は、電解質膜１を構成する固体電解質と同種の化合物や、細孔への含浸が可能な接着剤によって構成することができる。具体的には、接着部材７として、デュポン社製のナフィオン（登録商標）溶液（商品名「ナフィオンＤＥ２０２０」など）や、コニシ社製のボンド（登録商標；商品名「ＭＯＳ７」など）を用いることができる。
　図１２（Ａ），（Ｂ）は、２つの電極２Ａ，２Ｂのそれぞれにおいて接着部材７が含浸された領域を示す概略図である。図１２（Ａ）は、電極２Ａの外表面を電極面に対して垂直な方向に沿って見たときの図であり、図１２（Ｂ）は、電極２Ｂの外表面を電極面に対して垂直な方向に沿って見たときの図である。図１２（Ａ），（Ｂ）には、接着部材７の配置領域を、図１１と同様なハッチングを付すことにより示してある。また、図１２（Ａ），（Ｂ）には、電極２Ａ，２Ｂの外表面においてシール部２０によって囲まれたシール領域ＳＡを一点鎖線で図示してある。
　接着部材７は、２つの電極２Ａ，２Ｂにおいて、シール領域ＳＡを囲むように、周状の領域に含浸されている。接着部材７は、流動性を有する状態のときに、ディスペンサーなどによって、図１２（Ａ），（Ｂ）に図示された領域に、ガス拡散層２ｇや触媒層２ｃの接着面側から、撥水層３やガス拡散層２ｇ、触媒層２ｃの細孔（気孔）に含浸される。なお、接着部材７は、スクリーン印刷によって、撥水層３やガス拡散層２ｇ、触媒層２ｃの細孔に含浸されるものとしても良い。
　図１３は、ガス拡散層２ｇと触媒層２ｃとの乖離による不具合を説明するための模式図である。図１３には、参考例としての燃料電池１００ｃが図示されている。この燃料電池１００ｃは、撥水層３が省略されている点と、電極２Ｃの触媒層２ｃおよびガス拡散層２ｇのサイズが小さく構成されている点以外は、第４実施例の燃料電池１００Ｃと同様な構成である。なお、図１３では、電極２Ｂの端部において、ガス拡散層２ｇと触媒層２ｃとが剥離した状態が模式的に図示されている。
　ここで、電解質膜１と触媒層２ｃとは、高温（例えば１００℃）において、熱収縮による変形を生じやすい。また、一般に、電解質膜１と触媒層２ｃとでは、電解質膜１の方が触媒層２ｃよりも熱収縮率が高い。そのため、シール部２０の成形工程などの加熱工程では、電極２Ｂの触媒層２ｃとガス拡散層２ｇとが乖離すると、それら電解質膜１と触媒層２ｃとが、電極２Ｃ側へとめくれあがるように変形してしまう可能性がある。
　このような触媒層２ｃとガス拡散層２ｇとがめくれあがった変形が生じたまま、燃料電池１００ｃが構成されると、その変形部位において、電極２Ｂ側から電極２Ｃ側への反応ガスのリークが生じやすくなる。そのため、燃料電池１００ｃの性能低下や電解質膜１の劣化が生じる可能性が高くなる。
　第５実施例の燃料電池１００Ｄも、参考例の燃料電池１００ｃと同様に、電極２Ａの外周端部から電解質膜１および電極２Ｂの外周端部が突出した構成を有している。しかし、電極２Ｂの外周端部には、接着部材７が含浸されており、ガス拡散層２ｇおよび撥水層３と、触媒層２ｃとの剥離が抑制されている。そのため、燃料電池１００Ｄの製造工程では、図１３で説明したような電解質膜１および触媒層２ｃの変形の発生が抑制される。
　図１４（Ａ），（Ｂ）は、第５実施例における接着部材７による膜電極接合体１の劣化の抑制機能を説明するための模式図である。図１４（Ａ）には、第５実施例の燃料電池１００Ｄにおける膜電極接合体５Ｄの電解質膜１と電極２Ａの端部のみが図示されており、燃料電池１００Ｄの他の構成部の図示は省略されている。図１４（Ｂ）は、接着部材７が省略されている点以外は、図１４（Ａ）とほぼ同じである。
　ここで、燃料電池１００Ｄでは、発電反応として、電極２Ａにおいて下記の反応（Ａ）が生じている。
　Ｈ2　＋　１／２Ｏ2　→　Ｈ2Ｏ　…（Ａ）
この反応は発熱反応であるため、触媒層２ｃには反応熱が発生する。この反応熱の電解質膜１側への移動量が増大すると、電解質膜１の劣化が促進されてしまう。
　ところで、図１２で説明したように、接着部材７はシール領域ＳＡを囲むように設けられている。そのため、この膜電極接合体５Ｄでは、接着部材７によって、シール領域ＳＡの外側における触媒層２ｃの突出部位にまで反応ガスが拡散してしまうことが抑制されており、反応熱が当該部位で発生することが抑制されている（図１４（Ａ））。シール領域ＳＡ内であれば、触媒層２ｃは、比較的熱伝導率の高いガス拡散層２ｇおよび撥水層３と隣接しているため、シール領域ＳＡ内の触媒層２ｃで発生した反応熱は、ガス拡散層２ｇ側へと移動することができ、電解質膜１の劣化は抑制される。
　一方、接着部材７が省略されている場合には、ガス拡散層２ｇの外周端より突出した触媒層２ｃの外周端部まで拡散する反応ガスの量が増大する（図１４（Ｂ））。そのため、触媒層２ｃが、ガス拡散層２ｇおよび撥水層３と隣接せず、シール部２０と直接的に接触する部位における反応熱の発生量が増大する。樹脂部材で構成されるシール部２０は比較的熱伝導率が低いため、上記のような部位においては、電解質膜１側へと移動する反応熱の量が増大してしまう。従って、当該部位における反応熱によって電解質膜１の劣化が促進される可能性がある。
　このように、第５実施例の膜電極接合体５Ｄであれば、接着部材７によって、シール領域ＳＡの外側の触媒層２ｃの突出部位への反応ガスの拡散を抑制でき、当該部位における反応熱の発生を抑制できる。従って、電解質膜１の劣化を抑制できる。
　図１５（Ａ）は、第５実施例の他の構成例としての燃料電池１００Ｄａの構成を示す概略図である。図１５（Ａ）は、シール領域ＳＡの外側における電極２Ｂ，２Ｃの外周端部全体に接着部材７が含浸されている点以外は、図１１とほぼ同じである。この構成例における電極２Ｂ，２Ｃの接着部材７は、触媒層２ｃおよび撥水層３が設けられたガス拡散層２ｇの外周端部を接着部材７の液層に浸漬させる、いわゆるディッピング工程により、触媒層２ｃおよびガス拡散層２ｇの外周端部の内部全体に含浸されている。このような構成であれば、触媒層２ｃとガス拡散層２ｇとの乖離を、より確実に抑制できる。また、電極２Ｃの触媒層２ｃの外周端部における反応熱によって電解質膜１が劣化してしまうことを、より確実に抑制できる。
　図１５（Ｂ）は、第５実施例の他の構成例としての燃料電池１００Ｄｂの構成を示す概略図である。図１５（Ｂ）は、接着部材７が、第５実施例の燃料電池１００Ｄと同様に設けられている点以外は、図１０とほぼ同じである。このように、第４実施例で説明した燃料電池１００Ｃの構成において、電極２Ｃ，２Ｂに接着部材７を含浸させて設けることも可能である。これによって、第５実施例の燃料電池１００Ｄと同様に、ガス拡散層２ｇと触媒層２ｃとの乖離が抑制されるとともに、反応熱による電解質膜１の劣化を抑制することができる。
F．第６実施例：
　図１６は、本発明の第６実施例としての燃料電池１００Ｅの構成を示す概略図である。図１６は、紙面下側の電極２に換えて、外周端に係止部８が設けられた電極２Ｅが設けられている点以外は、図１とほぼ同じである。なお、図１６では、便宜上、電解質膜１の厚みが図１より薄型化して図示してある。
　この燃料電池１００Ｅの膜電極接合体５Ｅは、第１の電極２と第２の電極２Ｅとを有している。第１の電極２は、第１実施例で説明したのと同様な構成であり、ガス拡散層２ｇのサイズが触媒層２ｃのサイズより小さく、ガス拡散層２ｇの外周端が触媒層２ｃの外周端に入り込んでいる。第２の電極２Ｅは、第１の電極２と同様に、ガス拡散層２ｇのサイズが触媒層２ｃのサイズより小さい構成を有している。なお、第２の電極２Ｅの触媒層２ｃは、電解質膜１の面全体に触媒インクを塗布することにより形成されている。
　また、第２の電極２Ｅでは、ガス拡散層２ｇの外周端から突出した触媒層２ｃのガス拡散層２ｇ側の面２ｓを、ガス拡散層２ｇの外周端部に沿って折り曲げることにより、係止部８が形成されている。この係止部８は、触媒層２ｃとガス拡散層２ｇとの乖離を抑制するためのものであり、ガス拡散層２ｇの外周に沿って周状に形成されている。
　このように、第５実施例の燃料電池１００Ｅでは、電解質膜１および触媒層２ｃを変形加工して係止部８を設けることにより、触媒層２ｃとガス拡散層２ｇとの乖離が抑制されている。従って、触媒層２ｃやガス拡散層２ｇの乖離を抑制するための別部材の追加を省略することができる。
　なお、この第２の電極２Ｅにおいても、触媒層２ｃが、ガス拡散層２ｇに対する電解質膜１の保護層として機能している。ここで、第２の電極２Ｅにおける触媒層２ｃの外周端２ｃｔは、係止部８を構成する部位の最も外側に位置する部位である。従って、この電極２Ｅにおいても、ガス拡散層２ｇの外周端が触媒層２ｃの外周端より内側に入り込んだ構成を有していると解釈することができる。
　図１７（Ａ）～（Ｄ）は、第２の電極２Ｅにおける係止部８の形成工程を工程順に示す模式図である。図１７（Ａ）には、触媒層２ｃが形成された電解質膜１の概略断面図が示されている。第１工程では、電解質膜１の一方の面全体に触媒インクを塗布し、乾燥させることにより、触媒層２ｃを形成する。なお、触媒層２ｃは、フィルム基材に形成された触媒層２ｃを電解質膜１に転写することにより形成されるものとしても良い。
　図１７（Ｂ）には、触媒層２ｃが形成された電解質膜１を触媒層２ｃの形成面側からみたときの模式図が図示されている。第２工程では、触媒層２ｃが形成された電解質膜１の４つの角部ＣＰを切除する。このように、４つの角部ＣＰを切除することにより、係止部８を形成したときに、電解質膜１および触媒層２ｃの係止部８を構成する部位同士が、ガス拡散層２ｇの面上で重なり合うことを回避する。
　図１７（Ｃ）には、触媒層２ｃの外表面状にガス拡散層２ｇが配置された状態が模式的に図示されている。第３工程では、ガス拡散層２ｇが、触媒層２ｃの外表面内に収まるように配置される。図１７（Ｄ）には、電解質膜１および触媒層２ｃの外周端部を折り曲げて係止部８が形成された様子が模式的に図示されている。なお、図１７（Ｄ）では、便宜上、曲げ加工を施す前の電解質膜１および触媒層２ｃの外周輪郭線が破線で図示されている。
　第４工程では、ガス拡散層２ｇの外周端より突出している触媒層２ｃを、電解質膜１とともに、ガス拡散層２ｇ側に折り曲げることにより、係止部８が形成される。なお、図１７（Ｂ）で説明したとおり、電解質膜１および触媒層２ｃの角部ＣＰが切除されているため、電解質膜１および触媒層２ｃの係止部８を構成する部位同士が重なり合うことが回避されている。
　図１８（Ａ），（Ｂ）は、係止部８の他の形成工程を工程順に説明するための模式図である。図１８（Ａ）は、触媒層２ｃが形成された電解質膜１にガス拡散層２ｇを配置する工程を模式的に示している。この製造工程では、一方の面に触媒層２ｃが形成された電解質膜１は、電解質膜１側に凸の湾曲形状が保持できる程度の厚みで準備される。そして、触媒層２ｃの凹面に、ガス拡散層２ｇが、その外周端が触媒層２ｃの外周端より内側に収まるように配置される。なお、この製造工程においても、図１７（Ｂ）で説明したように、電解質膜１および触媒層２ｃの４つの角部ＣＰが切除されていることが好ましい。
　図１８（Ｂ）は、触媒層２ｃとガス拡散層２ｇとを接合するホットプレス工程を模式的に示している。この工程では、２つの電熱板２１０によって、触媒層２ｃが形成された電解質膜１と、ガス拡散層２ｇとを狭持した状態で、押厚・加熱し、触媒層２ｃとガス拡散層２ｇとを接合する。ここで、電解質膜１は、上述のように湾曲した形状を有している。そのため、ガス拡散層２ｇの外周端から突出している電解質膜１の外周端部は、ホットプレス工程における電解質膜１の熱収縮により、ガス拡散層２ｇ側へと折れ曲がりやすくなっている。そこで、この工程では、変形加工しやすくなっている電解質膜１および触媒層２ｃの突出した外周端部を、ガス拡散層２ｇ側に折り曲げて係止部８を形成する。
　なお、図１８（Ｂ）では、図１６に示した構成とは異なり、係止部８を構成する触媒層２ｃおよび電解質膜１は、ガス拡散層２ｇの触媒層２ｃの配置面とは反対側の面にまで折り曲げられてはいない。このように、係止部８は略Ｕ字状に折り曲がった構成を有していなくとも良い。また、係止部８は、ガス拡散層２ｇの外周端面を完全に被覆していなくとも良い。係止部８は、触媒層２ｃとガス拡散層２ｇとの乖離が抑制できる程度に、電解質膜１および触媒層２ｃが折り曲げられていれば良い。
　ところで、燃料電池１００Ｅ（図１６）のシール部２０は、以下のように形成することができる。即ち、２つのセパレータ４０の間に、膜電極接合体５Ｅと、ガス拡散部材３０とを配置するとともに、膜電極接合体５Ｅの外周縁にゲル状の熱硬化性樹脂を配置する。そして、その熱硬化性樹脂を加熱して硬化させることにより、シール部２０を形成する。あるいは、シール部２０は、シール部２０を象った樹脂部材を予め準備し、その樹脂部材を、膜電極接合体５Ｅおよびガス拡散部材３０とともに２枚のセパレータ４０に狭持・接合することにより形成されるものとしても良い。
　図１９は、第６実施例の他の構成例としての燃料電池１００Ｅａの構成を示す概略図である。図１９は、第２の電極２Ｅに換えて第２の電極２Ｅａが設けられている点以外は、図１６とほぼ同じである。この燃料電池１００Ｅａの膜電極接合体５Ｅａは、互いに構成の異なる第１と第２の電極２，２Ｅａを有する。第１の電極２は、図１６で説明した燃料電池１００Ｅの電極２と同様の構成である。
　第２の電極２Ｅａは、電解質膜１の一方の面全体を被覆するように形成された触媒層２ｃと、触媒層２ｃよりも大きいサイズで構成されたガス拡散層２ｇＥとを備える。ガス拡散層２ｇＥの外周端部には、触媒層２ｃとの乖離を抑制するための係止部８ａが設けられている。具体的には、係止部８ａは、触媒層２ｃの外周端より突出したガス拡散層２ｇＥの外周部位を第１の電極２側へと折り曲げて、電解質膜１および触媒層２ｃの外周端部を被覆させることにより形成されている。なお、ガス拡散層２ｇＥは、図１７（Ｂ）で説明した触媒層２ｃおよび電解質膜１と同様に、係止部８ａを形成するために４つの角部が切除されていることが好ましい。
　このように、ガス拡散層２ｇＥの外周部位を利用した係止部８ａを設けた場合であっても、ガス拡散層２ｇＥと触媒層２ｃとの乖離を抑制することができる。なお、この係止部８ａを形成した場合には、ガス拡散層２ｇＥの端面と電極２との間が、シール部２０によって確実にシールされることが望ましい。これによって、係止部８ａを介したクロスリークの発生を抑制できる。
　図２０は、第６実施例の他の構成例としての燃料電池１００Ｅｂの構成を示す概略図である。図２０は、紙面左側において、係止部８ａに換えて、図１６で説明した係止部８が設けられている点以外は、図１９とほぼ同じである。この構成例の膜電極接合体５Ｅｂの第２の電極２Ｅｂは、触媒層２ｃＥｂと、ガス拡散層２ｇＥｂとを有し、２種類の係止部８，８ａが設けられている。
　図２１（Ａ）～（Ｃ）は、２種類の係止部８，８ａの形成工程を工程順に示す模式図である。図２１（Ａ）には、電解質膜１に形成された触媒層２ｃＥｂと、ガス拡散層２ｇＥｂとが図示されている。第１工程では、電解質膜１の一方の面全体を被覆するように形成された触媒層２ｃＥｂと、ガス拡散層２ｇＥｂとを準備する。なお、電解質膜１に形成された触媒層２ｃＥｂと、ガス拡散層２ｇＥｂとはそれぞれ、ほぼ同程度のサイズで準備されるとともに、１つの角部が切除された状態で準備されることが好ましい。
　図２１（Ｂ）には、触媒層２ｃＥｂとガス拡散層２ｇＥｂとが重ね合わされた状態が図示されている。第２工程では、触媒層２ｃＥｂとガス拡散層２ｇＥｂとを互いの位置を対角線方向に沿ってオフセットさせつつ重ね合わせる。即ち、係止部８を構成する触媒層２ｃＥｂの二辺をガス拡散層２ｇＥｂの外周端より突出させつつ、係止部８ａを構成するガス拡散層２ｇＥｂの二辺を触媒層２ｃＥｂの外周端より突出させた状態で、触媒層２ｃＥｂとガス拡散層２ｇＥｂとを重ね合わせる。なお、触媒層２ｃＥｂ（電解質膜１）およびガス拡散層２ｇＥｂの角部が切除された部位はそれぞれ、上述のオフセット方向に沿って対角する位置に配置されることが好ましい。
　図２１（Ｃ）には、触媒層２ｃＥｂおよびガス拡散層２ｇＥｂの端部を折り曲げて係止部８，８ａが形成された状態が図示されている。なお、図２１（Ｃ）には、便宜上、折り曲げ加工される前の触媒層２ｃＥｂとガス拡散層２ｇＥｂの外周輪郭線が破線で図示されている。第３工程では、ガス拡散層２ｇＥｂの外周端より突出した触媒層２ｃＥｂの二辺を、電解質膜１とともにガス拡散層２ｇＥｂ側に折り曲げて係止部８を形成する。また、この第３工程では、触媒層２ｃＥｂの外周端より突出したガス拡散層２ｇＥｂの二辺を、触媒層２ｃＥｂ側に折り曲げて係止部８ａを形成する。
　このように、この構成例では、電極２Ｅｂの外周において、２種類の係止部８，８ａが組み合わされて設けられている。このような構成であっても、触媒層２ｃＥｂとガス拡散層２ｇＥｂとの乖離を抑制することができる。
　図２２，図２３はそれぞれ、第６実施例の他の構成例の燃料電池１００Ｅｃ，１００Ｅｄの構成を示す概略図である。図２２，図２３はそれぞれ、電極２，２Ｅ，２Ｅａの内部に、第５実施例で説明したのと同様な接着部材７が含浸して設けられている点以外は、図１６および図１９とほぼ同じである。このように、係止部８，８ａとともに、接着部材７が設けられることにより、より確実に、触媒層２ｃとガス拡散層２ｇ，２ｇＥとの乖離を抑制することができる。また、反応熱による電解質膜１の劣化を抑制することができる。なお、図２０の構成において、電極２，２Ｅｂに接着部材７を設けるものとしても良い。
G．第７実施例：
　図２４は、本発明の第７実施例としての燃料電池１００Ｆの構成を示す概略図である。この燃料電池１００Ｆの膜電極接合体５Ｆは、互いに接合された第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂを有し、第１の電解質膜１Ｆａの外表面には第１の電極２Ｆａが形成され、第２の電解質膜１Ｆｂの外表面には第２の電極２Ｆｂが形成されている。なお、図２４では、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂの接合面を破線で図示してある。
　第１と第２の電極２Ｆａ，２Ｆｂはそれぞれ、第１または第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂの外表面全体を被覆するように形成された触媒層２ｃＦと、繊維基材によって構成されたガス拡散層２ｇとが積層された構成を有する。また、第１と第２の電極２Ｆａ，２Ｆｂにはそれぞれ、触媒層２ｃＦと第１または第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂの端部を折り曲げることにより、図１６で説明したのと同様な係止部８が設けられている。
　即ち、第７実施例の燃料電池１００Ｆでは、第１と第２の電極２Ｆａ，２Ｆｂはともに、触媒層２ｃＦのガス拡散層２ｇ側の面より、ガス拡散層２ｇの触媒層２ｃＦ側の面が小さく構成されている。そして、ガス拡散層２ｇの外周端より突出した触媒層２ｃＦのガス拡散層２ｇ側の面を、第１または第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂとともにガス拡散層２ｇに向かって折り曲げることにより係止部８が構成されている。また、第１と第２の電極２Ｆａ，２Ｆｂでは、ガス拡散層２ｇの外周端は、係止部８を構成している触媒層２ｃＦの外周端２ｃｔより内側に入り込んだ構成を有している。なお、燃料電池１００Ｆでは、第１の電極２Ｆａがカソードとして機能し、第２の電極２Ｆｂがアノードとして機能する。
　第５実施例の燃料電池１００Ｆによれば、第１と第２の電極２Ｆａ，２Ｆｂの両方において、触媒層２ｃＦを第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂの保護層として機能させることができ、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂの劣化を抑制できる。また、第１と第２の電極２Ｆａ，２Ｆｂの両方に係止部８が形成されているため、第１と第２の電極２Ｆａ，２Ｆｂの両方において、触媒層２ｃＦとガス拡散層２ｇとの乖離が抑制される。さらに、これらの係止部８によって、膜電極接合体５Ｆの各構成部の一体性が向上しており、燃料電池１００Ｆの製造工程における膜電極接合体５Ｆの取り扱い性（ハンドリング性）が向上している。
　図２５（Ａ）～（Ｄ）は、第７実施例の膜電極接合体５Ｆの製造工程を工程順に示す模式図である。第１工程では、一方の面全体を被覆するように触媒層２ｃＦが形成された第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂを準備する（図２５（Ａ））。第２工程では、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂ同士を、外側が触媒層２ｃＦとなるように互いに重ね合わせ、ホットプレスにより接合する（図２５（Ｂ））。
　ここで、この工程では、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂの外周端部が突出するように、電熱板２１０に第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂを狭持させてホットプレスを実行する。これによって、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂ同士が、それらの外周端部において互いに接合されないようにする。図２５（Ｂ）では、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂ同士が接合される境界を破線で図示してある。なお、電熱板２１０から突出した第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂの外周端部は、熱収縮による変形を抑制するために、保持部材２１１によって狭持されることが好ましい。
　第３工程では、２つの触媒層２ｃＦの外側にガス拡散層２ｇを配置し、電熱板２１０によってホットプレスし、触媒層２ｃＦとガス拡散層２ｇとを接合する（図２５（Ｃ））。この工程では、触媒層２ｃＦとガス拡散層２ｇとの接触面全体が接合されるようにする。ここで、このホットプレス工程の際には、第１と第２の電解質膜２Ｆａ，２Ｆｂの外周端部はそれぞれ、触媒層２ｃＦの外周端部とともに、熱収縮による変形によって、ガス拡散層２ｇ側へとめくれあがる。この変形により、係止部８が形成され、膜電極接合体５Ｆが完成する（図２５（Ｄ））。なお、この工程では、係止部８の形成のために、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂおよび触媒層２ｃＦの外周端部に、補助的な外力を加えるものとしても良い。
　図２６（Ａ）～（Ｄ）は、第７実施例の膜電極接合体５Ｆの他の製造工程を工程順に示す模式図である。第１工程は、図２５（Ａ）で説明したのと同様な第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂの準備工程である（図２６（Ａ））。第２工程では、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂをそれぞれ、触媒層２ｃＦが上側となるように、基台２１２に配置するとともに、触媒層２ｃの上にガス拡散層２ｇを配置して、電熱板２１０によりホットプレスする（図２６（Ｂ））。
　ここで、この工程では、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂのいずれのホットプレスの際にも、ガス拡散層２ｇは、ガス拡散層２ｇの外周端より、第１または第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂの外周端が突出するように配置される。そして、ホットプレスが実行されたときに、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂの外周端部および触媒層２ｃＦの外周端部は、熱収縮による変形により、ガス拡散層２ｇ側へとめくれ上がる。これによって、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂのそれぞれに係止部８が形成された第１と第２の電極２Ｆａ，２Ｆｂが形成される。なお、この工程では、係止部８の形成のために補助的な外力を、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｃおよび触媒層２ｃＦの外周端部に加えるものとしても良い。
　第３工程では、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂ同士を重ね合わせた状態で電熱板２１０によって狭持し、ホットプレスにより、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂを接合する（図２６（Ｃ））。このホットプレス工程により、膜電極接合体５Ｆが完成する（図２６（Ｄ））。このように、図２５や図２６の製造工程によれば、ホットプレス工程の際の熱収縮による変形を利用して係止部８を形成することができ、効率よく膜電極接合体５Ｆを製造することができる。
　図２７は、第７実施例の他の構成例としての燃料電池１００Ｆａの構成を示す概略図である。図２７は、第１と第２の電極２Ｆａ，２Ｆｂのそれぞれの内部に、第１実施例で説明したのと同様な接着部材７が含浸されている点以外は、図２４とほぼ同じである。このように、係止部８に加えて、第１と第２の電極２Ｆａ，２Ｆｂのそれぞれに、第１実施例で説明したのと同様な接着部材７を設けることにより、触媒層２ｃＦとガス拡散層２ｇとの乖離をより確実に抑制できるとともに、電解質膜１の劣化を抑制することができる。
H．変形例：
　なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
H1．変形例１：
　上記実施例において、ガス拡散層２ｇは繊維基材によって構成されていた。しかし、ガス拡散層２ｇは繊維基材によって構成されていなくとも良く、ガスを拡散するための多数の細孔を有する部材や、エキスパンドメタルのような金属加工板などによって構成されるものとしても良い。このような構成であっても、ガス拡散層と電解質膜との直接的な接触を抑制することにより、過酸化水素ラジカルが電解質膜に到達することが抑制され、電解質膜の劣化を抑制できる。また、ガス拡散層の基材外表面に存在する微少な凹凸や、ガス拡散層の基材端部などの押圧によって電解質膜が損傷してしまうことを抑制することができる。
H2．変形例２：
　上記第１実施例において、膜電極接合体５の電極２には撥水層３が設けられていなかった。しかし、膜電極接合体５のガス拡散層２ｇと触媒層２ｃとの間にも、撥水層３が設けられるものとしても良い。なお、この場合には、ガス拡散層２ｇの外周端面の少なくとも一部が撥水層３によって被覆されることが好ましい。
H3．変形例３：
　上記第２実施例では、電極２Ａの形成工程において、撥水層３が形成された面に溝部６を形成し、その溝部６に沿ってガス拡散層２ｇの外周端部を切断することにより、ガス拡散層２ｇの外周端面に撥水層３による被覆領域を形成していた。しかし、電極２Ａは、この工程によって形成されていなくとも良い。例えば、ガス拡散層２ｇの基材の外周端部を切断して、ガス拡散層２ｇの基材のサイズを触媒層２ｃのサイズより小さくした後に、ガス拡散層２ｇの基材の一方の面および外周端面を被覆するように撥水層３を設けるものとしても良い。
H4．変形例４：
　上記第２実施例では、触媒層２ｃとガス拡散層２ｇとの間に撥水層３が設けられていた。しかし、撥水層３は省略されるものとしても良い。この場合であっても、ガス拡散層２ｇの外周端部が触媒層２ｃ側に先細りとなるよう形成され、ガス拡散層２ｇの外周端部が、触媒層２ｃの外周端部より内側に入り込むことにより、ガス拡散層２ｇの毛羽などの突起部による電解質膜１の損傷や、過酸化水素ラジカルによる電解質膜１の劣化が抑制される。また、上記実施例では、撥水層３は、撥水性樹脂材料を主成分に含む撥水性薄膜により構成されていたが、撥水層３は、撥水性樹脂材料を主成分として含む撥水性薄膜によって構成されていなくとも良い。ただし、撥水層３を撥水性薄膜により構成することにより、図７で説明したように、ガス拡散層２ｇの毛羽２ｆを撥水性樹脂により被覆できるため好ましい。
H5．変形例５：
　上記第３実施例では、燃料電池１００Ｂは、電極２Ａ側をカソードとし、電極２Ａ側をアノードとして、それぞれに酸素と水素とが供給されていた。しかし、燃料電池１００Ｂは、電極２Ａをアノードとし、電極２Ｂをカソードとして、それぞれに水素と酸素とが供給されるものとしても良い。即ち、燃料電池の電極は、アノードおよびカソードのうち、少なくとも一方の電極において、ガス拡散層の外周端部が触媒層の外周端部より内側に入り込むように構成されていれば良い。
H6．変形例６：
　上記第５実施例では、接着部材７は、２つの電極２Ａ，２Ｂの両方に設けられていた。しかし、接着部材７は、２つの電極２Ａ，２Ｂのうちの一方において省略されるものとしても良い。第５実施例の他の構成例においても同様である。なお、電極２Ｂに接着部材７を設けた場合には、熱収縮などにより触媒層２ｃが電解質膜１とともに変形し、ガス拡散層２ｇから乖離してしまうことを抑制できる。また、電極２Ａに接着部材７を設けた場合には、触媒層２ｃの外周端部における反応熱によって電解質膜１が劣化してしまうことを抑制できる。
H7．変形例７：
　上記第５実施例の燃料電池１００Ｄでは、ガス拡散層２ｇの外周端が触媒層２ｃの外周端より内側に入り込んだ電極２Ａがカソードとして構成されていた。しかし、燃料電池１００Ｄでは、電極２Ａがアノードとして構成されるものとしても良い。
H8.変形例８：
　上記第５実施例では、接着部材７は、シール領域ＳＡを囲む周状の領域において含浸されていた。しかし、接着部材７は、触媒層２ｃの外周端より内側に入り込んでいるガス拡散層２ｇの外周端に沿って周状に含浸されていれば良く、シール領域ＳＡの内側において含浸されていても良い。
H9．変形例９：
　上記第５実施例では、接着部材７は、シール領域ＳＡを囲む領域の全周に渡って、触媒層２ｃと、ガス拡散層２ｇと、撥水層３の内部に含浸されていた。しかし、接着部材７は、シール領域ＳＡを囲む領域において全周に渡って、触媒層２ｃと、ガス拡散層２ｇと、撥水層３の内部に含浸されていなくとも良い。即ち、接着部材７は、ガス拡散層２ｇと触媒層２ｃとの乖離が抑制される程度に、ガス拡散層２ｇと触媒層２ｃの内周縁部の一部領域にのみ設けられるものとしても良い。また、接着部材７は、電極内部に含浸されていなくとも良く、ガス拡散層２ｇおよび撥水層３と、触媒層２ｃとの接触界面にのみ配置されるものとしても良い。ただし、図１４で説明したように、上記第５実施例のように構成することにより、反応熱による電解質膜１の劣化を抑制することができるため好ましい。
H10．変形例１０：
　上記第５実施例では、２つの電極２Ａ，２Ｂにそれぞれ撥水層３が設けられていた。しかし、撥水層３は省略されるものとしても良い。これは、第５実施例の他の構成例においても同様である。逆に、第６実施例や第７実施例においては、ガス拡散層２ｇ，２ｇＥ，２ｇＥｂの触媒層２ｃ側の面に撥水層３が設けられるものとしても良い。
H11．変形例１１：
　上記第６実施例では、触媒層２ｃの面内にガス拡散層２ｇの外周全体が収まるようにガス拡散層２ｇが配置され、ガス拡散層２ｇの外周端より突出した触媒層２ｃを折り曲げることにより、係止部８がガス拡散層２ｇの外周端に沿って周状に形成されていた。しかし、係止部８は、ガス拡散層２ｇの外周端に沿って周状に形成されていなくとも良い。例えば、係止部８は、ガス拡散層２ｇの外周端のうち、互いに対向する二辺についてのみ形成されるものとしても良い。また、係止部８は、触媒層２ｃの一部のみをガス拡散層２ｇの外周端より突出させ、その突出した一部を折り曲げることにより、ガス拡散層２ｇの外周端の一部のみを係止するように設けられるものとしても良い。
H12．変形例１２：
　上記第７実施例では、第１の電極２Ｆａの方が第２の電極２Ｆｂより小さいサイズで構成されていた。しかし、第１と第２の電極２Ｆａ，２Ｆｂは互いにほぼ同程度のサイズで構成されるものとしても良く、第２の電極２Ｆｂの方が、第１の電極２Ｆａよりも小さいサイズで構成されるものとしても良い。
H13．変形例１３：
　上記第７実施例では、第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂおよびそれらに形成された触媒層２ｃＦの熱収縮による変形を利用して係止部８が形成されていた（図２５（Ｃ），図２６（Ｂ））。しかし、係止部８は、そうした熱収縮による変形を利用して形成されなくとも良い。係止部８は、外力を付与して第１と第２の電解質膜１Ｆａ，１Ｆｂおよびそれらに形成された触媒層２ｃＦの外周端部を折り曲げることにより形成されるものとしても良い。
　　　１，１Ｅ，１Ｆａ，１Ｆｂ…電解質膜
　　　２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ,２Ｅ，２Ｅａ，２Ｅｂ，２Ｆａ，２Ｆｂ，２ａ…電極
　　　２ｃ，２ｃＥ，２ｃＥｂ，２ｃＦ…触媒層
　　　２ｆ…毛羽
　　　２ｇ，２ｇＥ，２ｇＥｂ…ガス拡散層
　　　２ｓ…面
　　　２ｃｔ…外周端
３…撥水層
　　　４…保護シート
　　　５，５Ａ，５Ａａ，５Ｂ，５Ｃ，５ａ，５ｂ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｅａ…膜電極接合体
６…溝部
７…接着部材
８，８ａ…係止部
　　１０…シール一体型膜電極接合体
　　２０…シール部
　　３０…ガス流路部材
　　４０…セパレータ
　　４３…流路溝
　１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｄａ，１００Ｄｂ，１００Ｅ，１００Ｅａ～１００Ｅｄ，１００Ｆ，１００ｃ…燃料電池
　１１０…単セル
　２００…押圧工具
　２０２…切削工具
　２１０…電熱板
　２１１…保持部材
　２１２…基台

Claims (12)

  1. 　燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
    　電解質膜と、
    　前記電解質膜の両側に配置された第１と第２の電極層と、
    　を備え、
    　前記第１と第２の電極層は、前記電解質膜に接して配置された触媒層と、前記触媒層の上に配置されたガス拡散層とを有しており、
    　前記第１と第２の電極層のうちの少なくとも前記第１の電極層は、前記触媒層の前記ガス拡散層側の面より、前記ガス拡散層の前記触媒層側の面を小さくすることにより、前記ガス拡散層の外周端が、前記触媒層の外周端より内側に入り込んでいる、膜電極接合体。
  2. 　請求項１記載の膜電極接合体であって、
    　前記ガス拡散層は、繊維基材により構成されており、
    　前記第１と第２の電極層のうちの少なくとも前記第１の電極層には、前記触媒層と前記ガス拡散層との間に撥水層が設けられ、
    　前記撥水層は、前記ガス拡散層の外周端の端面の少なくとも一部を被覆している、膜電極接合体。
  3. 　請求項２記載の膜電極接合体であって、
    　前記撥水層は、撥水性樹脂を主成分とする撥水性薄膜により構成されている、膜電極接合体。
  4. 　請求項１～３のいずれか一項に記載の膜電極接合体であって、
    　前記第１と第２の電極層の少なくとも一方には、発電領域の周縁部に、前記ガス拡散層と前記触媒層との乖離を抑制するための接着部材が配置されている、膜電極接合体。
  5. 　請求項４記載の膜電極接合体であって、
    　前記接着部材は、少なくとも前記第１の電極層において、前記ガス拡散層の外周端より外側に突出している前記触媒層の外周端への反応ガスの拡散を抑制するために、前記触媒層の外周端より内側に入り込んでいる前記ガス拡散層の外周端に沿った周状の領域において、前記触媒層および前記ガス拡散層の内部に含浸されている、膜電極接合体。
  6. 　請求項１～５のいずれか一項に記載の膜電極接合体であって、
    　前記第１と第２の電極層のうちの少なくとも前記第２の電極層には、前記触媒層の前記ガス拡散層の外周端より突出した前記ガス拡散層側の面が前記ガス拡散層側に折り曲げられて形成された、前記触媒層と前記ガス拡散層との乖離を抑制する係止部が設けられている、膜電極接合体。
  7. 　請求項１～６のいずれか一項に記載の膜電極接合体であって、
    　前記第２の電極層には、前記ガス拡散層の外周端において、前記ガス拡散層の前記触媒層の外周端より突出した部位を前記触媒層側に折り曲げた、前記触媒層と前記ガス拡散層との乖離を抑制する係止部が設けられている、膜電極接合体。
  8. 　請求項６記載の膜電極接合体であって、
    　前記電解質膜の外周端部は、前記ガス拡散層の外側に突出するとともに、前記第１の電極層側の面と前記第２の電極層側の面とが、前記電解質膜の厚み方向に沿った二方向に分離して、前記第１と第２の電極層のそれぞれの側に折り曲げられており、
    　前記第１と第２の電極層における前記触媒層の外周端には、前記ガス拡散層側の面が、前記ガス拡散層の外側において、前記電解質膜の外周端部とともに、前記ガス拡散層に向かって折り曲げられた、前記触媒層と前記ガス拡散層との乖離を抑制するための係止部が設けられている、膜電極接合体。
  9. 　燃料電池であって、
    　請求項１～８のいずれか一項に記載の膜電極接合体を備える、燃料電池。
  10. 　電解質膜に接するように配置された触媒層と、繊維基材によって構成され、前記触媒層の上に配置されたガス拡散層とを有する電極層を備える燃料電池用の膜電極接合体の製造方法であって、
    （ａ）前記ガス拡散層の基材である繊維基材を準備する工程と、
    （ｂ）前記繊維基材の一方の面に撥水層を形成する工程と、
    （ｃ）前記ガス拡散層の外周端が前記触媒層の外周端より内側に入り込むように、前記繊維基材の外周端を切断する工程と、
    （ｄ）前記電解質膜に予め形成された前記触媒層に、前記触媒層と前記撥水層とが接するように、前記繊維基材を重ねて接合し、前記電極層を形成する工程と、
    を備え、
    　前記工程（ｄ）は、前記繊維基材を切断する切断線上を切断前に予め押圧することにより、前記繊維基材の表面に前記撥水層が前記繊維基材の内側へと入り込んだ溝部を形成し、前記溝部に沿って、前記繊維基材を切断する工程を含む、製造方法。
  11. 　電解質膜に接するように配置された触媒層と、前記触媒層の上に配置されたガス拡散層とを有する電極層を備える燃料電池用の膜電極接合体の製造方法であって、
    （ａ）一方の面に前記触媒層が形成された電解質膜を準備する工程と、
    （ｂ）前記ガス拡散層の基材として、前記触媒層よりサイズが小さい繊維基材を準備する工程と、
    （ｃ）前記触媒層の外周端より前記繊維基材の外周端が内側となるように、前記触媒層の上に前記繊維基材を配置する工程と、
    （ｄ）前記触媒層と前記繊維基材とを、前記電解質膜とともにホットプレスすることにより接合するとともに、前記電解質膜と前記触媒層の熱収縮による変形を利用して、前記触媒層と前記電解質膜の前記繊維基材の外側に突出した部位を、前記繊維基材側に折り曲がらせて、前記触媒層と前記繊維基材との乖離を抑制する係止部を設ける工程と、
    を備える、製造方法。
  12. 　請求項１１記載の製造方法であって、
    　前記工程（ｄ）は、前記触媒層と前記繊維基材とが積層配置された第１と第２の電解質膜を準備し、前記第１と第２の電解質膜同士を重ねてホットプレスすることにより、前記触媒層と前記繊維基材とを接合するとともに、前記第１と第２の電解質膜同士を接合する工程を含む、製造方法。
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