(57)【要約】【課題】膜電極接合体の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形する際に、ガス拡散層の外縁部から中心部への樹脂材料の染み込みを抑えて、発電効率の低下を抑えることができる膜電極接合体を提供する。【解決手段】高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、高分子電解質膜及び一対の触媒層を挟んで互いに対向する一対のガス拡散層と、一対のガス拡散層のうちの少なくとも一方のガス拡散層の外縁部に隣接して配置され、加熱により溶融した樹脂材料が一部に染み込むことを許容する一方、樹脂材料がガス拡散層に染み込まないように規制可能な樹脂染み込み規制部とを有する。【選択図】図８
2010062024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向する一対のガス拡散層と、
前記一対のガス拡散層のうちの少なくとも一方のガス拡散層の外縁部に隣接して配置され、加熱により溶融した樹脂材料が一部に染み込むことを許容する一方、前記樹脂材料が前記ガス拡散層に染み込まないように規制可能な樹脂染み込み規制部と、
を有する、膜電極接合体。
【請求項２】
前記樹脂染み込み規制部の厚さは、前記撥水カーボン層の厚さより大きく、前記ガス拡散層の厚さ以下である、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
前記ガス拡散層は、多孔質構造を有する導電性基材の前記触媒層側の表層部分に、撥水材料及び導電性カーボンを含む撥水カーボン層を有し、
前記樹脂染み込み規制部は、前記導電性基材に、前記ガス拡散層に含まれる前記撥水材料の目付重量より大きい目付重量にて前記撥水材料を含むように構成されて、前記樹脂材料の前記ガス拡散層への染みこみを規制する、請求項１又は２に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
前記樹脂染み込み規制部の前記撥水材料の目付重量は、前記ガス拡散層の近傍の内縁側領域の方が外縁側領域よりも大きい、請求項３に記載の膜電極接合体。
【請求項５】
前記樹脂染み込み規制部の前記撥水材料は、前記ガス拡散層の厚さ方向と平行な方向においては略均一に分布している、請求項３又は４に記載の膜電極接合体。
【請求項６】
前記ガス拡散層は、多孔質構造を有する導電性基材の前記触媒層側の表層部分に、撥水材料及び導電性カーボンを含む撥水カーボン層を有し、
前記樹脂染み込み規制部は、前記導電性基材に、前記撥水カーボン層に含まれる前記導電性カーボンの目付重量より大きい目付重量にて前記導電性カーボンを含むように構成されて、前記樹脂材料の前記ガス拡散層への染みこみを規制する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の膜電極接合体。
【請求項７】
前記樹脂染み込み規制部の前記導電性カーボンの目付重量は、前記ガス拡散層の近傍の内縁側領域の方が外縁側領域よりも大きい、請求項６に記載の膜電極接合体。
【請求項８】
前記樹脂染み込み規制部の前記導電性カーボンは、前記ガス拡散層の厚さ方向と平行な方向においては略均一に分布している、請求項６又は７に記載の膜電極接合体。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の膜電極接合体と、
前記樹脂染み込み規制部の外縁部に隣接して配置された、前記樹脂材料で形成される枠体と、を有し、
前記樹脂染み込み規制部の前記一部に前記枠体の前記樹脂材料が染み込んでいる、膜電極−枠接合体。
【請求項１０】
請求項９に記載の膜電極−枠接合体と、
前記膜電極−枠接合体を挟んで対向するように配置された一対のセパレータと、
を有する、高分子電解質形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体、当該膜電極接合体を備える膜電極−枠接合体及び高分子電解質形燃料電池に関し、より詳しくは、前記膜電極接合体の外縁部の構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車などの移動体、分散発電システム、及び家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として、高分子電解質形燃料電池（以下、燃料電池と略す）の開発が進められている。
【０００３】
燃料電池は、膜電極接合体の外縁部を包囲するように枠体を配置した膜電極−枠接合体を、一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。膜電極接合体１０１は、図１３に示すように、外縁部を前記枠体に支持される高分子電解質膜１１１と、高分子電解質膜１１１の両面に形成された一対の電極層１１２，１１２とで構成されている。電極層１１２は、高分子電解質膜１１１の表面に形成される白金等の触媒層１１３と、触媒層１１３の表面に形成されるガス拡散層１１４とで構成されている。ガス拡散層１１４は、多孔質構造を有する導電性基材１１４ａの触媒層１１３側の表層部分に、撥水材料及び導電性カーボンを含む撥水カーボン層１１４ｂを有するように構成されている。
燃料電池は、一方のガス拡散層１１４に水素を含有する燃料ガスを供給し、他方のガス拡散層１１４に空気などの酸素を含有する酸化剤ガスを供給することにより、電気化学反応を生じさせて、電力と熱とを同時に発生させる装置である。
【０００４】
前記構成を有する燃料電池においては、実用化に向けて、発電性能向上のため様々な提案がされている。例えば、特許文献１（特開２００７−６６８０５号公報）には、高分子電解質膜１１１の劣化を抑制することを意図して、撥水カーボン層１１４ｂの外縁部の厚さを中心部よりも厚くする技術などが開示されている。
【特許文献１】特開２００７−６６８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１を含む従来の燃料電池においては、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、膜電極接合体１０１の外縁部に隣接して枠体１１６を樹脂成形する際に、加熱により溶融した樹脂材料がガス拡散層１１４の外縁部から中心部に向けて過剰に染み込む恐れがある。この樹脂材料が染みこんだ部分１１７は、ガス拡散性が失われて発電に寄与しない。このため、当該染み込み部分１１７が大きくなるほど、燃料電池の発電性能が低下することになる。
【０００６】
従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、膜電極接合体の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形する際に、ガス拡散層への樹脂材料の染み込みを抑えて、発電性能の低下を抑えることができる膜電極接合体、膜電極−枠接合体、及び高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向する一対のガス拡散層と、
前記一対のガス拡散層のうちの少なくとも一方のガス拡散層の外縁部に隣接して配置され、加熱により溶融した樹脂材料が一部に染み込むことを許容する一方、前記樹脂材料が前記ガス拡散層に染み込まないように規制可能な樹脂染み込み規制部と、
を有する、膜電極接合体を提供する。
【０００８】
本発明の第２態様によれば、前記樹脂染み込み規制部の厚さは、前記撥水カーボン層の厚さより大きく、前記ガス拡散層の厚さ以下である、第１態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【０００９】
本発明の第３態様によれば、前記ガス拡散層は、多孔質構造を有する導電性基材の前記触媒層側の表層部分に、撥水材料及び導電性カーボンを含む撥水カーボン層を有し、
前記樹脂染み込み規制部は、前記導電性基材に、前記ガス拡散層に含まれる前記撥水材料の目付重量より大きい目付重量にて前記撥水材料を含むように構成されて、前記樹脂材料の前記ガス拡散層への染みこみを規制する、第１又は２態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【００１０】
本発明の第４態様によれば、前記樹脂染み込み規制部の前記撥水材料の目付重量は、前記ガス拡散層の近傍の内縁側領域の方が外縁側領域よりも大きい、第３態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【００１１】
本発明の第５態様によれば、前記樹脂染み込み規制部の前記撥水材料は、前記ガス拡散層の厚さ方向と平行な方向においては略均一に分布している、第３又は４態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【００１２】
本発明の第６態様によれば、前記ガス拡散層は、多孔質構造を有する導電性基材の前記触媒層側の表層部分に、撥水材料及び導電性カーボンを含む撥水カーボン層を有し、
前記樹脂染み込み規制部は、前記導電性基材に、前記撥水カーボン層に含まれる前記導電性カーボンの目付重量より大きい目付重量にて前記導電性カーボンを含むように構成されて、前記樹脂材料の前記ガス拡散層への染みこみを規制する、第１〜５のいずれか１つの態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【００１３】
本発明の第７態様によれば、前記樹脂染み込み規制部の前記導電性カーボンの目付重量は、前記ガス拡散層の近傍の内縁側領域の方が外縁側領域よりも大きい、第６態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【００１４】
本発明の第８態様によれば、前記樹脂染み込み規制部の前記導電性カーボンは、前記ガス拡散層の厚さ方向と平行な方向においては略均一に分布している、第６又は７態様に記載の膜電極接合体を提供する。
【００１５】
本発明の第９態様によれば、第１〜８のいずれか１つの態様に記載の膜電極接合体と、
前記樹脂染み込み規制部の外縁部に隣接して配置された、前記樹脂材料で形成される枠体と、を有し、
前記樹脂染み込み規制部の前記一部に前記枠体の前記樹脂材料が染み込んでいる、膜電極−枠接合体を提供する。
【００１６】
本発明の第１０態様によれば、第９態様に記載の膜電極−枠接合体と、
前記膜電極−枠接合体を挟んで対向するように配置された一対のセパレータと、
を有する、高分子電解質形燃料電池を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にかかる膜電極接合体、膜電極−枠接合体、及び高分子電解質形燃料電池によれば、ガス拡散層の外縁部に隣接して、加熱により溶融した樹脂材料がガス拡散層に染み込まないように規制可能な樹脂染み込み規制部を備えているので、枠体を樹脂成形する際に、ガス拡散層の外縁部から中心部への樹脂材料の過剰な染み込みを抑制することができる。これにより、ガス拡散層のガス拡散性が失われることを抑えて、燃料電池の発電性能の低下を従来よりも抑えることができる。また、前記樹脂染み込み規制部はその一部に前記樹脂材料が染み込むことを許容するので、前記樹脂染み込み規制部と枠体とは隙間無く強固に接合されることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
以下、本発明の最良の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
《第１実施形態》
図１を参照しつつ、本発明の第１実施形態にかかる膜電極接合体の構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態にかかる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）の基本構成の一例を示す模式断面図である。膜電極接合体は、高分子電解質形燃料電池（以下、燃料電池と略す）に搭載される単電池を構成するものである。
【００２０】
図１に示すように、本発明の第１実施形態にかかる膜電極接合体１は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１と、高分子電解質膜１１の両面に形成された一対の電極層１２，１２とを備えている。一対の電極層１２，１２のうちの一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。なお、一対の電極層１２，１２は、同様の構成を有するので、特にことわりのない限り、以下、一方の電極層１２の構成についてのみ説明する。
【００２１】
電極層１２は、高分子電解質膜１１の表面に形成される白金等の触媒層１３と、触媒層１３の表面に形成されるガス拡散層１４とを備えている。ガス拡散層１４は、通気性及び電子伝導性を併せ持つものである。具体的には、ガス拡散層１４は、多孔質構造を有する導電性基材１４ａの触媒層１３側の表層部分に、撥水材料及び導電性カーボンを混合した撥水カーボン層１４ｂを有するように構成されている。膜電極接合体１は、一方の電極層１２（アノード電極）に水素を含有する燃料ガスが供給され、他方の電極層１２（カソード電極）に空気などの酸素を含有する酸化剤ガスが供給されることにより、電気化学反応を生じて、電力と熱とを同時に発生させることができる。
【００２２】
ガス拡散層１４の外縁部（周囲）には、加熱により溶融した樹脂材料がその一部に染み込むことを許容する一方、前記樹脂材料がガス拡散層１４に染み込まないように規制可能に構成された樹脂染み込み規制部１５が隣接配置されている。具体的には、樹脂染み込み規制部１５は、撥水カーボン層１４ｂと同様に、導電性基材１４ａに撥水材料及び導電性カーボンを混合して構成されるが、ガス拡散層１４の全体に含まれる撥水材料及び導電性カーボンの目付重量より大きい目付重量にて前記撥水材料及び導電性カーボンを含むように構成されている。また、樹脂染み込み規制部１５は、膜電極接合体１が燃料電池に搭載されたときに、主に発電に寄与することを意図しない領域、例えば膜電極接合体１が他の部材に保持される領域に配置されている。樹脂染み込み規制部１５の幅は、例えば５ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。
【００２３】
次に、高分子電解質膜１１、触媒層１３、ガス拡散層１４、及び樹脂染み込み規制部１５の構成、材質、形成方法などについて詳しく説明する。
【００２４】
まず、高分子電解質膜１１について説明する。
本第１実施形態にかかる高分子電解質膜１１としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（例えば、米国DuPont社製のNafion（登録商標）、旭化成（株）製のAciplex（登録商標）、ジャパンゴアテックス（株）製のゴアセレクト（登録商標）など）を使用することができる。高分子電解質膜１１の厚さは、本発明の効果を得られる範囲内であれば特に限定されない。
【００２５】
高分子電解質膜１１を構成する高分子電解質としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、又はスルホンイミド基を有するものが好ましい。なお、それらのうちスルホン酸基を有する高分子電解質が、水素イオン伝導性の観点からさらに好ましい。このスルホン酸基を有する高分子電解質は、イオン交換容量が０．５〜１．５ｍｅｑ／ｇであることが好ましい。前記イオン交換容量が０．５ｍｅｑ／ｇ以上であると、得られた触媒層１３の抵抗値が発電時に上昇する恐れがない。一方、前記イオン交換容量が１．５ｍｅｑ／ｇ以下であると、得られた触媒層１３の含水率が増大せず、膨潤し易くならず、細孔が閉塞する恐れが無い。なお、前記イオン交換容量は、０．８〜１．２ｍｅｑ／ｇであることがさらに好ましい。
【００２６】
また、高分子電解質膜１１を構成する高分子電解質は、ＣＦ２＝ＣＦ−(ＯＣＦ２ＣＦＸ)ｍ−ＯＰ−(ＣＦ２)ｎ−ＳＯ３Ｈ（ｍは０〜３の整数を示し、ｎは１〜１２の整数を示し、ｐは０又は１を示し、Ｘはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。）で表されるパーフルオロビニル化合物に基づく重合単位と、ＣＦ２＝ＣＦ２で表されるテトラフルオロエチレンに基づく重合単位とを含むパーフルオロカーボン共重合体であることが好ましい。なお、前記フルオロカーボン重合体は、例えばエーテル結合性の酸素原子などを含んでもよい。
【００２７】
前記パーフルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式（１）〜（３）で表される化合物が挙げられる。但し、下記式中、ｑは１〜８の整数、ｒは１〜８の整数、ｔは１〜３の整数を示す。
【００２８】
ＣＦ２＝ＣＦＯ（ＣＦ２）ｑ−ＳＯ３Ｈ  ・・・（１）
ＣＦ２＝ＣＦＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）Ｏ（ＣＦ２）ｒ−ＳＯ３Ｈ  ・・・（２）
ＣＦ２＝ＣＦ（ＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３））ｔＯ（ＣＦ２）２−ＳＯ３  ・・・（３）
【００２９】
また、高分子電解質膜１１を構成する高分子電解質は、一種又は複数種の高分子電解質で構成されてもよく、また、内部に補強体（充填材）を含んでもよい。前記補強体の配置（例えば疎密の程度、規則性など）は特に限定されない。前記補強体を構成する材料としては、例えばポリテトラフルオルエチレン、ポリフルオロアルコキシエチレン、又はポリフェニルスルフィドなどを使用することができる。前記補強体の形状としては、例えば、多孔体状の補強体、並びにフィブリル状、繊維状、及び球状の補強体粒子などが挙げられる。
【００３０】
次に、触媒層１３について説明する。
触媒層１３は、電極触媒（例えば白金系の金属触媒）をカーボン粉末に担持させて得られる触媒担持カーボンと、当該触媒担持カーボンに付着させる水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを備えている。
【００３１】
触媒層１３における担体であるカーボン粉末（導電性カーボン粒子）としては、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料であることが好ましい。当該カーボン材料としては、例えば、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、及びカーボンチューブなどを使用することができる。前記カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、及びアセチレンブラックなどが挙げられる。また、前記活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理及び賦活処理することによって得ることができる。
【００３２】
前記カーボン粉末の比表面積は５０〜１５００ｍ２／ｇであることが好ましい。カーボン粉末の比表面積が５０ｍ２／ｇ以上であると、電極触媒の担持率を向上させ易く、カソード側触媒層及びアノード側触媒層の出力特性が低下する恐れがない。一方、カーボン粉末の比表面積が１５００ｍ２／ｇ以下であると、細孔が微細過ぎずに前記高分子電解質による被覆がより容易となる。このため、触媒層１３の出力特性が低下する恐れがない。なお、カーボン粉末の比表面積は、２００〜９００ｍ２／ｇであることがさらに好ましい。
【００３３】
触媒層１３を構成する電極触媒としては、白金又は白金合金を用いることが好ましい。白金合金は、白金以外の白金族の金属（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム）、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛、及びスズからなる群より選択される１種以上の金属と、白金との合金であることが好ましい。また、前記白金合金には、白金と前記金属との金属間化合物が含有されてもよい。
【００３４】
また、触媒層１３を構成する電極触媒は、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒とを混合したものであってもよい。さらに、触媒層１３を構成する電極触媒として、アノード側とカソード側とに、同じ電極触媒を用いても異なる電極触媒を用いてもよい。
【００３５】
また、触媒層１３を構成する電極触媒の一次粒子径は、触媒層１３を高活性とするために、１〜２０ｎｍであることが好ましい。なお、前記一次粒子径は、反応活性を増大させるために総表面積を大きく確保することが可能であるという観点から、２〜１０ｎｍであることがさらに好ましい。
【００３６】
前記触媒担持カーボンの触媒担持率（触媒担持カーボンの全質量に対する、担持されている電極触媒の質量の割合）は、２０〜８０質量％であることが好ましい。前記触媒担持率が２０質量％以上であると、必要な電池出力をより確実に得ることができる。一方、前記触媒担持率が８０質量％以下であると、前記電極触媒の粒子を分散性良く前記カーボン粉末に担持させることができる。これにより、触媒有効面積をより増大させることができる。なお、前記触媒担持率は、４０〜６０質量％であることがさらに好ましい。
【００３７】
触媒層１３を構成する高分子電解質は、高分子電解質膜１１を構成する高分子電解質と同じ種類のものであっても、異なる種類のものであってもよい。例えば、触媒層１３を構成する高分子電解質として、米国DuPont社製のNafio（登録商標）、旭硝子（株）製のFlemion（登録商標）、旭化成（株）製のAciplex（登録商標）等の市販品が使用されてもよい。
【００３８】
また、触媒層１３を構成する高分子電解質は、触媒担持カーボン粒子を被覆し、かつ、３次元的に水素イオン伝導経路を確保するために、前記触媒担持カーボンの質量に比例して添加されることが望ましい。具体的には、触媒層１３を構成する高分子電解質の質量は、前記触媒担持カーボンの質量の０．２倍〜２．０倍であることが好ましい。触媒層１３を構成する高分子電解質の質量が前記触媒担持カーボンの質量の０．２倍以上であると、十分な水素イオン伝導性が確保できる。一方、触媒層１３を構成する高分子電解質の質量が前記触媒担持カーボンの質量の２．０倍以下であると、フラッディングの回避が可能となり、より高い電池出力を実現することができる。
【００３９】
なお、本第１実施形態においては、触媒層１３を構成する高分子電解質が、前記触媒担持カーボン粒子の表面に部分的に付着していればよく（すなわち、触媒担持カーボン粒子の少なくとも一部を被覆していればよく）、必ずしも触媒担持カーボン粒子全体を被覆していなくてもよい。
【００４０】
触媒層１３は、当該触媒層１３の構成を実現可能な成分組成に調製された複数の触媒層形成用インクを用いて形成することができる。前記触媒層形成用インクを調製するために用いる分散媒としては、前記高分子電解質を溶解可能又は分散可能（高分子電解質の一部が溶解し、他の一部が溶解せずに分散している状態を含む）であるアルコールを含む液体を用いることが好ましい。前記分散媒は、水、メタノール、エタノール、プロパノール、ｎ−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、及びｔｅｒｔ―ブチルアルコールのうちの少なくとも１種を含んでいることが好ましい。これらの水及びアルコールは、単独で使用されてもよく、また、２種以上混合されてもよい。前記アルコールとしては、分子内にＯＨ基を１つ有する直鎖構造のものがさらに好ましく、その中でもエタノールが特に好ましい。また、前記アルコールには、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのエーテル結合を有するものも含まれる。
【００４１】
また、前記触媒層形成用インクの組成は、触媒層１３の構成に応じて適宜調整すればよいが、固形分濃度が０．１〜２０質量％であることが好ましい。前記固形分濃度が０．１質量％以上であると、前記触媒層形成用インクを噴霧又は塗布することにより触媒層１３を形成するときに、何回も繰り返し噴霧又は塗布しなくても、所望の厚さの触媒層１３を得ることができる。これにより、生産効率の低下を抑えることができる。一方、前記固形分濃度が２０質量％以下であると、前記触媒層形成用インクの粘度が高くなり過ぎず、触媒層１３の厚さを略均一にすることができる。なお、前記固形分濃度は、１〜１０質量％であることがさらに好ましい。
【００４２】
前記触媒層形成用インクは、公知の方法に基づいて調製することができる。例えば、ホモジナイザ、ホモミキサ等の撹拌機を使用する方法、高速回転ジェット流方式を使用するなどの高速回転を使用する方法を利用して、前記触媒層形成用インクを調製することができる。また、高圧乳化装置などの高圧をかけて狭い部分から分散液を押し出すことで分散液にせん断力を付与する方法を利用して、前記触媒層形成用インクを調製することもできる。
【００４３】
前記触媒層形成用インクを用いて触媒層１３を形成する方法としては、高分子電解質膜１１に触媒層１３を、直接塗布する直接塗布方法、及び間接的に塗布する間接塗布方法のいずれの方法も採用することができる。直接及び間接塗布方法としては、例えば、スクリーン印刷法、ダイコート法、スプレー法、及びインクジェット法などを利用することができる。間接塗布方法を採用する場合、例えば、ポリプロピレン又はポリエチレンテレフタラート製の支持体上に前記塗布方法を利用して触媒層形成用インクを塗布し、その後、熱転写することにより、高分子電解質膜１１上に触媒層１３を形成することができる。
【００４４】
次に、ガス拡散層１４について説明する。
ガス拡散層１４を構成する導電性基材１４ａは、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパー、又はカーボンクロスなどを用いて作製することができる。なお、導電性基材１４ａには、排水性を持たせるために、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子材料などがその内部に分散されてもよい。また、導電性基材１４ａは、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維、又はカーボン微粉末などの電子伝導性材料で構成されてもよい。
【００４５】
また、ガス拡散層１４を構成する導電性基材１４ａは、多孔質構造を有する織布又は不織布で構成されている。導電性基材１４ａが前記織布で構成される場合、前記織布を構成する糸の太さが１００〜２００μｍであり、かつ、前記織布の目付量が６０〜９０ｇ／ｍ２であることが好ましい。また、導電性基材１４ａが前記不織布で構成される場合、前記不織布の目付量が５０〜８０ｇ／ｍ２であり、かつ、前記不織布の厚さが１００〜３００μｍであることが好ましい。
【００４６】
ガス拡散層１４を構成する撥水カーボン層１４ｂは、導電性基材１４ａの触媒層１３側の表層部分に撥水材料（高分子）及び導電性カーボン粉末を混合して構成されたものである。撥水カーボン層１４ｂは、撥水材料と導電性カーボン粉末と分散媒とを含む撥水カーボン層用インクを調製し、当該インクを導電性基材１４ａの触媒層１３側の表層部分に塗布したのち、乾燥することにより形成することができる。
【００４７】
前記撥水材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などのフッ素樹脂を使用することができる。
【００４８】
前記導電性カーボン粉末としては、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、及びカーボンチューブなどを使用することができる。前記カーボンブラックとしては、例えば、チャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、及びアセチレンブラックなどが挙げられる。
【００４９】
前記分散媒としては、前述した触媒層形成用インクの分散媒と同様のものを用いることができる。また、撥水カーボン層用インクの組成は、本発明の効果を損なわない範囲で適宜調整すればよい。
【００５０】
次に、樹脂染み込み規制部１５について説明する。
樹脂染み込み規制部１５は、前述したように、導電性基材１４ａに撥水カーボン層１４ｂと同じ撥水材料及び導電性カーボンを、ガス拡散層１４の全体に含まれる撥水材料及び導電性カーボンの目付重量より大きい目付重量にて含むように構成されている。これにより、樹脂染み込み規制部１５は、加熱により溶融した樹脂材料がその一部に染み込むことを許容する一方、前記樹脂材料がガス拡散層１４に染み込まないように規制可能に構成されている。
【００５１】
樹脂染み込み規制部１５は、以下に説明するような種々の方法で、ガス拡散層１４の作製と連続して効率的に作製することができる。
【００５２】
図３Ａ及び図３Ｂは、図２に示すガス拡散層１４及び樹脂染み込み規制部１５の製造方法の一例を示している。
まず、図３Ａに示すように、樹脂染み込み規制部１５と対応する位置に空孔３２が設けられた平板状治具３１の上に、導電性基材１４ａを載置する。
次いで、樹脂染み込み規制部１５に対応する導電性基材１４ａの上面の領域に、前記撥水カーボン層用インクを塗布する。このとき、当該インクの塗布方法としては、スクリーン印刷法、コート法、スプレー法、及びインクジェット法等を利用することができる。
【００５３】
次いで、平板状治具３１の空孔３２を通じて、図３Ｂに示すように、前記塗布したインクを下方に（図３Ｂの矢印の方向に）真空引きする。これにより、樹脂染み込み規制部１５に対応する導電性基材１４ａの領域に撥水材料及び導電性カーボンが分散配置される。
次いで、前記導電性基材１４ａの上面に、前記撥水カーボン層用インクを塗布する。このとき、当該インクの塗布方法としては、スクリーン印刷法、コート法、スプレー法、及びインクジェット法等を利用することができる。
次いで、前記撥水カーボン層用インクを塗布した導電性基材１４ａを焼成する。このときの焼成温度は、例えば約３２５℃であり、焼成時間は、例えば１時間である。
次いで、樹脂染み込み規制部１５より外側の部分を切断する。
以上の各工程を実行することにより、図２に示すように、ガス拡散層１４の外縁部に隣接して樹脂染み込み規制部１５を形成することができる。
【００５４】
また、図４Ａ及び図４Ｂは、図２に示すガス拡散層１４及び樹脂染み込み規制部１５の製造方法の別の一例を示している。
まず、図４Ａに示すように、ロール状に巻かれた導電性基材１４ａのシートを、樹脂染み込み規制部１５に対応する位置に空孔３４が設けられた円筒状治具３３に向けて引き出す。この過程において、導電性基材１４ａの上面に前記撥水カーボン層用インクを塗布する。当該インクの塗布方法としては、スクリーン印刷法、コート法、スプレー法、及びインクジェット法等を利用することができる。
【００５５】
次いで、円筒状治具３３上まで引き出された導電性基材１４ａを、空孔３４を通じて円筒状治具３３の内側から真空引きする。これにより、図４Ｂに示すように、樹脂染み込み規制部１５に対応する導電性基材１４ａの領域に撥水材料及び導電性カーボンが分散配置される。
次いで、前記導電性基材１４ａの上面に、前記撥水カーボン層用インクを再度塗布する。このとき、当該インクの塗布方法としては、スクリーン印刷法、コート法、スプレー法、及びインクジェット法等を利用することができる。
次いで、前記撥水カーボン層用インクを塗布した導電性基材１４ａを焼成する。このときの焼成温度は、例えば約３２５℃であり、焼成時間は、例えば１時間である。
次いで、樹脂染み込み規制部１５より外側の部分を切断する。
以上の各工程を実行することにより、図２に示すように、ガス拡散層１４の外縁部に隣接して樹脂染み込み規制部１５を形成することができる。
【００５６】
また、図５Ａ〜図５Ｄは、図２に示すガス拡散層１４及び樹脂染み込み規制部１５の製造方法のさらに別の一例を示している。
まず、図５Ａに示すように、ステージ３５上に配置された撥水カーボン層用インク３６に、導電性基材１４ａの下面を浸す。これにより、図５Ｂに示すように、導電性基材１４ａの下面の表層部分に撥水カーボン層用インク３６が浸透し、撥水カーボン層１４ｂが形成される。
【００５７】
次いで、図５Ｃに示すように、導電性基材１４ａの上面側から、樹脂染み込み規制部１５に対応する導電性基材１４ａの領域のみを真空引きする。これにより、撥水カーボン層用インク３６が上方（図５Ｃの矢印の方向に）に吸い上げられ、図５Ｄに示すように、樹脂染み込み規制部１５に対応する導電性基材１４ａの領域に撥水材料及び導電性カーボンが分散配置される。なお、前記真空引きは、ステージ３５上から導電性基材１４ａが動かないように固定しながら行われることが好ましい。
次いで、図５Ｄに示す導電性基材１４ａを焼却炉（図示せず）に移して焼成する。このときの焼成温度は、例えば約３２５℃であり、焼成時間は、例えば１時間である。
以上の各工程を実行することにより、図２に示すように、ガス拡散層１４の外縁部に隣接して樹脂染み込み規制部１５を形成することができる。
【００５８】
なお、図１に示す膜電極接合体１は、前記のようにして得られたガス拡散層１４及び樹脂染み込み規制部１５を、高分子電解質膜１１の両面にホットプレス等で接合することにより得ることができる。
【００５９】
本第１実施形態においては、ガス拡散層１４を構成する導電性基材１４ａを利用して樹脂染み込み規制部１５を構成しているので、樹脂染み込み規制部１５の製造の効率化（例えば製造コストの削減、製造時間の短縮など）を図ることができる。また、撥水カーボン層１４ｂと同様にして、導電性基材１４ａに撥水材料及び導電性カーボンを混合することにより樹脂染み込み規制部１５を構成しているので、樹脂染み込み規制部１５の製造のさらなる効率化を図ることができる。
【００６０】
次に、図６Ａ〜図６Ｃを用いて、前記膜電極接合体１を備えた膜電極−枠接合体の製造方法について説明する。
【００６１】
まず、図６Ａに示すように、膜電極接合体１を金型２０，２０内に配置する。
次いで、枠体１６を構成する樹脂材料を溶融（軟化）させて、図６Ａの矢印の方向に流し込む。このとき、前記溶融した樹脂材料は、樹脂染み込み規制部１５によりガス拡散層１４への移動が規制されるので、図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、前記樹脂材料の一部が樹脂染み込み規制部１５の一部に染み込み部分１７が生じる。
この後、前記樹脂材料を固化させる。これにより、図６Ｂ及び図６Ｃに示す膜電極−枠接合体２が完成する。
【００６２】
前記枠体１６を構成する樹脂材料としては、例えば熱可塑性樹脂材料及び熱硬化性樹脂材料を用いることができる。熱可塑性樹脂材料を用いる場合には、当該樹脂を高温に溶融させて金型２０、２０内に流し込んだ後、低温にした矩形状の金型（図示せず）に入れて固化させればよい。また、熱硬化性樹脂材料を用いる場合には、加温（例えば５０℃前後）して流動性を持たせた当該樹脂を金型２０、２０内に流し込んだ後、高温（例えば１５０℃前後）にした矩形状の金型（図示せず）に入れて硬化（固化）させればよい。
【００６３】
前記熱可塑性樹脂材料としては、例えば、ポリエチレン、高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、テフロン、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド（ＰＡ）ナイロン、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）変性ポリフェニレンエーテル（ｍ-ＰＰＥ、変性ＰＰＥ、ＰＰＯ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンテレフタレート・ガラス樹脂入り（ＰＥＴ−Ｇ）、グラスファイバー強化ポリエチレンテレフタレート（ＧＦ−ＰＥＴ）、環状ポリオレフィン（ＣＯＰ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、非晶ポリアリレート（ＰＡＲ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、熱可塑性ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）などが挙げられる。
【００６４】
前記熱硬化性樹脂材料としては、フェノール樹脂（ＰＦ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、メラミン樹脂（ＭＦ）、尿素樹脂（ユリア樹脂、ＵＦ）、不飽和ポリエステル樹脂（ＵＰ）、アルキド樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、熱硬化性ポリイミド（ＰＩ）などが挙げられる。
【００６５】
次に、図７及び図８を用いて、膜電極−枠接合体２を備えた燃料電池（単電池）３の製造方法について説明する。
【００６６】
まず、図７に示すように、膜電極−枠接合体２の両面に、枠体１６と同様の樹脂材料を用いてガスケット１８を樹脂成形する。このとき、ガスケット１８を構成する樹脂材料がガス拡散層１４に染みこまないように、ガスケット１８は、枠体１６と樹脂染み込み規制部１５（好ましくは染み込み部分１７）とに隣接して形成される。当該ガスケット１８は、一対のガス拡散層１４，１４に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの外部へのリーク防止及び混合を防止するためのものである。
【００６７】
次いで、図８に示すように、ガスケット１８を取り付けた膜電極−枠接合体２を、一対のセパレータ１９，１９で挟持させて固定する。これにより、燃料電池３が完成する。
なお、一方のセパレータ（アノードセパレータ）１９には、ガス拡散層１４と接触する位置に燃料ガス用のガス流路１９ａが設けられている。また、他方のセパレータ（カソードセパレータ）には、ガス拡散層１４と接触する位置に酸化剤ガス用のガス流路１９ａが設けられている。
【００６８】
一方のセパレータ１９のガス流路１９ａに燃料ガスを供給し、他方のセパレータ１９のガス流路１９ａに酸化剤ガスを供給することで、数十から数百ｍＡ／ｃｍ２の実用電流密度通電時において、一つの燃料電池（単電池）で０．７〜０．８Ｖ程度の起電力を発生させることができる。
【００６９】
なお、燃料電池３を電源として使うときには、図８に示す燃料電池（単電池）３を、必要とする個数だけ直列に連結して、いわゆるスタック（図示せず）として使用することができる。この場合、ガス流路１９ａに反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を供給するためには、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータ１９の枚数に対応する数に分岐し、それらの分岐先をガス流路１９ａにつなぐマニホールドが必要となる。本第１実施形態においては、当該マニホールドとして、公知の外部マニホールド及び内部マニホールドのいずれも採用することができる。
【００７０】
以上、本発明の第１実施形態にかかる膜電極接合体１、膜電極−枠接合体２、及び燃料電池３によれば、ガス拡散層１４の外縁部に隣接して、加熱により溶融した樹脂材料がガス拡散層１４に染み込まないように規制可能な樹脂染み込み規制部１５を備えている。そのため、膜電極接合体１の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形する際に、ガス拡散層１４の外縁部から中心部への樹脂材料の過剰な染み込みを抑制することができる。これにより、ガス拡散層１４のガス拡散性が失われることを抑えて、燃料電池の発電性能の低下を従来よりも抑えることができる。また、樹脂染み込み規制部１５はその一部に前記樹脂材料が染み込むことを許容するので、樹脂染み込み規制部１５と枠体１６とは隙間無く強固に接合されることができる。
【００７１】
なお、撥水材料及び導電性カーボンを、撥水カーボン層１４ｂよりも大きい目付重量にて樹脂染み込み込み規制部１５が含むことにより、ガス拡散層１４への樹脂材料の染み込みを抑えられることについては、明確なメカニズムは解明されていないが、以下のように推察される。
【００７２】
ガス拡散層１４への樹脂材料の過剰な染み込み原因としては、主として、以下の２つの原因が考えられる。１つは、加熱により溶融した樹脂材料の粘度低下によって、多孔質構造を有する導電性基材１４ａ内での毛細管現象が促進されることである。もう１つは、枠体成形時において、樹脂材料の粘度低下のために、当該樹脂材料に加える圧力を適切に制御できず、その結果、当該圧力が過剰に高くなり、導電性基材１４ａ内での前記樹脂材料の拡散を助長してしまうことである。
【００７３】
枠体成形時において、前記樹脂材料は、その融点よりも高い温度で加熱されて液化される。このとき、樹脂材料の材質によっては、数ポアズ程度まで粘度が低下するものもある。一般に、粘度の低下に応じて樹脂材料の流動性は増加する。このため、毛細管現象により導電性基材１４ａ内に樹脂材料が過剰に染み込んだり（基材への濡れの進行）、樹脂材料に加える圧力が過剰に高くなって、導電性基材１４ａ内の広領域に前記樹脂材料が拡散したりすることがある。
【００７４】
一般に、多孔質構造を有する部材への毛細管内への濡れ（染み込み）は、下記式に従うことが知られている（例えば、日本化学会編、コロイド科学III−生体コロイド及びコロイドの応用−第１版１９９６参照）。
ΔＰ＝２γＬcosθ/ｒ
【００７５】
ここで、ΔＰは、毛細管内へ液体が進入する圧力を示している。ΔＰが正のときは、毛細管内へ液体が侵入し、ΔＰが負のときは、毛細管内から液体が押し出される。また、γＬは液体の表面張力を示し、ｒは毛細管の半径を示し、θは液体と毛細管壁との接触角（本第１実施形態では、液化した樹脂材料と導電性基材１４ａとの接触角）を示している。
前記式より、毛細管内への液体の浸入を抑えるには、ΔＰが負であり、cosθ＜0、θ＞９０°であることが必要であることが分かる。
【００７６】
前記樹脂材料の導電性基材１４ａへの過剰な染み込み（濡れの過剰進行）は、導電性基材１４ａの表面エネルギーが大きく、接触角が９０°よりも小さいために発生すると考えられる。一方、導電性基材１４ａの空隙率が大きい場合には、枠体成形時において、樹脂材料に加える圧力を適切に制御しないと、樹脂材料の導電性基材１４ａ内での拡散が促進されてしてしまう。
【００７７】
従って、樹脂材料の導電性基材１４ａへの過剰な染み込みを抑えるには、導電性基材１４ａの表面エネルギーを低くしたり、導電性基材１４ａの空隙率を低くしたりすることが有効であると考えられる。
【００７８】
本第１実施形態においては、導電性基材１４ａに撥水材料及び導電性カーボンを混合することにより樹脂染み込み規制部１５を構成しているので、導電性基材１４ａの空隙率を低くすることができる。また、撥水材料には、導電性基材１４ａの表面エネルギーを低くする効果がある。従って、樹脂材料の導電性基材１４ａへの染み込みを効果的に抑えることができる。
【００７９】
なお、本第１実施形態においては、導電性基材１４ａに撥水材料及び導電性カーボンを混合することにより樹脂染み込み規制部１５を構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、導電性基材１４ａに導電性カーボンのみを混合して樹脂染み込み規制部１５を構成してもよい。この場合、混合した導電性カーボンの量に応じて、導電性基材１４ａの空隙率を低くすることができ、樹脂材料の導電性基材１４ａへの染み込みを抑えることができる。
【００８０】
また、導電性基材１４ａに撥水材料のみを混合することにより樹脂染み込み規制部１５を構成してもよい。この場合、混合した撥水材料の量に応じて、導電性基材１４ａの空隙率を低くすることができ、かつ、導電性基材１４ａの表面エネルギーを低くすることができる。これにより、樹脂材料の導電性基材１４ａへの染み込みをさらに効果的に抑えることができる。
【００８１】
また、導電性基材１４ａに撥水材料及び導電性カーボンとは別の部材を混合することにより樹脂染み込み規制部１５を構成してもよい。当該部材としては、各部材と化学反応しないものであり、加熱された樹脂材料の熱により溶出しないものであり、かつ、触媒層１３を傷つけないように柔軟性があるものであることが好ましい。このような部材の一例としては、フッ素系ゴム材料が挙げられる。
【００８２】
また、ガス拡散層１４を構成する各部材とは別の部材で樹脂染み込み規制部１５を構成してもよい。
【００８３】
《第２実施形態》
図９を用いて、本発明の第２実施形態にかかる膜電極接合体について説明する。図９は、本発明の第２実施形態にかかる膜電極接合体を備える膜電極−枠接合体の一部拡大断面図である。本第２実施形態の膜電極接合体１Ａが、前記第１実施形態の膜電極接合体１と異なる点は、一方の電極層１２を高分子電解質膜１１と平行な方向にずらして配置している点と、当該一方の電極層１２のガス拡散層１４に隣接して樹脂染み込み規制部１５を設けていない点である。
【００８４】
このように膜電極接合体１Ａを構成した場合、膜電極接合体１Ａの外縁部に隣接して枠体１６を樹脂成形する際、樹脂染み込み規制部１５を設けていない一方のガス拡散層１４には、枠体１６を構成する樹脂材料が過剰に流れ込む恐れがある。しかしながら、燃料電池における電気化学反応は、主に、一対のガス拡散層１４，１４が互いに対向する部分で発生する。すなわち、一対のガス拡散層１４，１４が互いに対向しない領域に、前記樹脂材料の染み込み部分１７Ａが生じたとしても、発電性能には影響しない。
【００８５】
従って、本第２実施形態のように膜電極接合体１Ａを構成しても、枠体１６を樹脂成形する際に、ガス拡散層１４への樹脂材料の染み込みを抑えて、発電性能の低下を抑えることができる。
【００８６】
《第３実施形態》
図１０Ａ〜図１０Ｃ、及び図１１を用いて、本発明の第３実施形態にかかる膜電極接合体について説明する。図１０Ａ〜図１０Ｃは、本発明の第３実施形態にかかる膜電極接合体の樹脂染み込み規制部の作製方法を示す模式図である。図１１は、本発明の第３実施形態にかかる膜電極接合体を備える膜電極−枠接合体の一部拡大断面図である。
【００８７】
本第３実施形態の膜電極接合体１Ｂが、前記第１実施形態の膜電極接合体１と異なる点は、樹脂染み込み規制部１５Ａに含まれる撥水材料及び導電性カーボンの目付重量が、外縁側領域よりもガス拡散層１４の近傍の内縁側領域の方が大きくなるように構成した点である。
【００８８】
具体的には、以下のようにして、樹脂染み込み規制部１５Ａを作製している。
まず、図１０Ａに示すように、２段の凸部を備える凸型治具３７を、断面矩形の導電性基材１４ａに押し付けて、導電性基材１４ａの外縁部を圧縮する。これにより、図１０Ｂに示すように、導電性基材１４ａの外縁部が凸型治具３７の形状に応じて変形する。
【００８９】
次いで、図１０Ｃに示すように、前記変形により形成された空間部と導電性基材１４ａの表面とに、前記撥水カーボン層用インクを塗布する。このとき、当該インクの塗布方法としては、スクリーン印刷法、コート法、スプレー法、及びインクジェット法等を利用することができる。
次いで、前記撥水カーボン層用インクを塗布した導電性基材１４ａを焼成する。このときの焼成温度は、例えば約３２５℃であり、焼成時間は、例えば１時間である。
以上の各工程を実行することにより、樹脂染み込み規制部１５Ａの内縁側領域に含まれる撥水材料及び導電性カーボンの目付重量が、樹脂染み込み規制部１５Ａの外縁側領域よりも大きくなるように樹脂染み込み規制部１５Ａを作製することができる。
【００９０】
前記のようにして作製した樹脂染み込み規制部１５Ａに隣接して枠体１６を樹脂成形した場合には、図１１に示すようになる。すなわち、撥水材料及び導電性カーボンの目付重量が少ない樹脂染み込み規制部１５Ａの外縁側領域には、加熱により溶融した樹脂材料が染み込んだ染み込み部分１７が発生する。一方、撥水材料及び導電性カーボンの目付重量が多い樹脂染み込み規制部１５Ａの内縁側領域では、加熱により溶融した樹脂材料の染み込みが抑えられる。これにより、ガス拡散層１４への樹脂材料の染み込みを抑えて、発電性能の低下を従来よりも抑えることができる。また、樹脂染み込み規制部１５の外周側領域には前記樹脂材料が染み込むので、樹脂染み込み規制部１５と枠体１６とは隙間無く強固に接合されることができる。
【００９１】
なお、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記第３実施形態では、２段の凸部を備える凸型治具を用いて導電性基材１４ａを変形させることにより、樹脂染み込み規制部１５Ａの内縁側領域と外縁側領域とに含まれる撥水材料及び導電性カーボンの目付重量を変えるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、樹脂染み込み規制部１５Ａの内縁側領域のみに撥水材料又は導電性カーボンを充填することで、樹脂染み込み規制部１５Ａを作製してもよい。また、樹脂染み込み規制部１５Ａの外縁部から内縁部に向けて徐々に撥水材料又は導電性カーボンの目付重量が増加するように樹脂染み込み規制部１５Ａを構成してもよい。
【００９２】
また、前記第１実施形態では、図２に示すように、樹脂染み込み規制部１５の厚さをガス拡散層１４の厚さと同じにしたが、本発明はこれに限定されない。図１２に示すように、樹脂染み込み規制部１５Ｂの厚さを撥水カーボン層１４ｂの厚さより大きく設定すれば、従来よりもガス拡散層１４への樹脂材料の染み込みを抑えることができる。また、図１２に示すように、樹脂染み込み規制部１５Ｂの厚さをガス拡散層１４の厚さ以下に設定すれば、従来のように導電性基材１４ａの一部の厚さを高くするような必要がなく、導電性基材１４ａの作製が容易である。なお、ここでいう樹脂染み込み規制部１５の厚さとは、ガス拡散層１４への樹脂材料の染み込みを規制するために、撥水材料又は導電性カーボンを混合した領域の高さ（図１２の上下方向）を意味する。
【００９３】
また、樹脂染み込み規制部１５に含まれる撥水材料又は導電性カーボンは、導電性基材１４ａの厚さ方向と平行な方向においては略均一に分散されている方が好ましい。これにより、ガス拡散層１４への樹脂材料の染み込みを効果的に規制することができる。
【００９４】
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明にかかる膜電極接合体、膜電極−枠接合体、及び高分子電解質形燃料電池は、膜電極接合体の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形する際に、ガス拡散層への樹脂材料の染み込みを抑えて、発電性能の低下を抑えることができるので、特に、自動車などの移動体、分散発電システム、及び家庭用のコージェネレーションシステムなどに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる膜電極接合体の構成を示す模式断面図である。
【図２】図１に示す膜電極接合体が備えるガス拡散層及び樹脂染み込み規制部の模式断面図である。
【図３Ａ】図２に示すガス拡散層及び樹脂染み込み規制部の製造方法の一例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａに続く工程を示す図である。
【図４Ａ】図２に示すガス拡散層及び樹脂染み込み規制部の製造方法の別の一例を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａに続く工程を示す図である。
【図５Ａ】図２に示すガス拡散層及び樹脂染み込み規制部の製造方法のさらに別の一例を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａに続く工程を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｂに続く工程を示す図である。
【図５Ｄ】図５Ｃに続く工程を示す図である。
【図６Ａ】図１に示す膜電極接合体の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形する様子を示す図である。
【図６Ｂ】図１に示す膜電極接合体の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形した膜電極−枠接合体の一部拡大断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｂに示す膜電極−枠接合体の一部拡大平面図である。
【図７】図６Ｂに示す膜電極−枠接合体を挟むようにガスケットを配置した状態を示す一部拡大断面図である。
【図８】本発明の第１実施形態にかかる膜電極接合体を備えた高分子電解質形燃料電池の断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態にかかる膜電極接合体を模式的に示す一部拡大断面図である。
【図１０Ａ】本発明の第３実施形態にかかる膜電極接合体の樹脂染み込み規制部の作製方法を示す模式図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに続く工程を示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｂに続く工程を示す図である。
【図１１】本発明の第３実施形態にかかる膜電極接合体の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形した膜電極−枠接合体の一部拡大断面図である。
【図１２】本発明の変形形態にかかる膜電極接合体の構成を示す模式断面図である。
【図１３】従来の膜電極接合体の構成を示す模式断面図である。
【図１４Ａ】従来の膜電極接合体の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形した膜電極−枠接合体の一部拡大断面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａに示す膜電極−枠接合体の一部拡大平面図である。
【符号の説明】
【００９７】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  膜電極接合体
２      膜電極−枠接合体
３      高分子電解質形燃料電池
１１    高分子電解質膜
１２    電極層
１３    触媒層
１４    ガス拡散層
１４ａ    導電性基材
１４ｂ    撥水カーボン層
１５，１５Ａ，１５Ｂ    樹脂染み込み規制部
１６    枠体
１７    染み込み部分
１８    ガスケット
１９    セパレータ
１９ａ  ガス流路
２０    金型
３１    平板状冶具
３２，３４    空孔
３３    円筒状冶具
３５    ステージ
３６    撥水カーボン層用インク
３７    凸部型冶具
【図１】
2010062024.tif 000003
【図２】
2010062024.tif 000004
【図３Ａ】
2010062024.tif 000005
【図３Ｂ】
2010062024.tif 000006
【図４Ａ】
2010062024.tif 000007
【図４Ｂ】
2010062024.tif 000008
【図５Ａ】
2010062024.tif 000009
【図５Ｂ】
2010062024.tif 000010
【図５Ｃ】
2010062024.tif 000011
【図５Ｄ】
2010062024.tif 000012
【図６Ａ】
2010062024.tif 000013
【図６Ｂ】
2010062024.tif 000014
【図６Ｃ】
2010062024.tif 000015
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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