(57)【要約】【課題】触媒層周縁のガス拡散層と電解質膜の接続箇所における接着強度が高く、また、ガスのクロスリークが効果的に抑止され、さらには、部品点数が可及的に低減された燃料電池とその製造方法を提供する。【解決手段】電解質膜１と触媒層２を有する膜電極接合体に、集電層３１（ＭＰＬ）と拡散層基材３２を有するガス拡散層３を接合してなる燃料電池であり、電解質膜１には、該電解質膜１よりも狭小な触媒層２が当接し、集電層３１は、該触媒層２を包囲するとともに触媒層２の周縁で該電解質膜１と当接するものであり、集電層３１の触媒層２と反対側に拡散層基材３２が形成されており、拡散層基材３２および集電層３１のうち、触媒層２の周縁の領域であって、かつ、少なくとも、拡散層基材３２と集電層３１の界面領域、および、集電層３１と電解質膜１の界面領域に電解質が含浸保持されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と触媒層を有する膜電極接合体に、集電層（ＭＰＬ）と拡散層基材を有するガス拡散層を接合してなる燃料電池において、
前記電解質膜には、該電解質膜よりも狭小な前記触媒層が当接し、前記集電層は、該触媒層を包囲するとともに触媒層の周縁で該電解質膜と当接するものであり、
前記集電層の触媒層と反対側に前記拡散層基材が形成されており、
拡散層基材および集電層のうち、前記触媒層の周縁の領域であって、かつ、少なくとも、拡散層基材と集電層の界面領域、および、集電層と電解質膜の界面領域に電解質が含浸保持されている、燃料電池。
【請求項２】
前記集電層と電解質膜の界面領域には、電解質膜の一部も含まれる、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
拡散層基材および集電層のうち、前記触媒層の周縁の全領域に電解質が含浸保持されている、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
拡散層基材および集電層のうち、前記触媒層の周縁の領域であって、拡散層基材がセパレータと当接する端面を除く領域に電解質が含浸保持されている、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス拡散層の前記触媒層よりも周縁の領域に含浸されている電解質は、触媒層を形成する電解質と同素材である、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
触媒層の周縁の集電層と電解質膜の間には、補強用のポリマーフィルムが介在している、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
電解質膜と触媒層を有する膜電極接合体に、集電層（ＭＰＬ）と拡散層基材を有するガス拡散層を接合してなり、前記電解質膜には、該電解質膜よりも狭小な前記触媒層が当接し、前記集電層は、該触媒層を包囲するとともに触媒層の周縁で電解質膜と当接するものであり、前記集電層の触媒層と反対側に前記拡散層基材が形成されてなる、燃料電池の製造方法であって、
拡散層基材および集電層のうち、前記触媒層の周縁の領域であって、かつ、少なくとも、拡散層基材と集電層の界面領域、および、集電層と電解質膜の界面領域に電解質を含浸させる第１の工程と、次いで、ガス拡散層と膜電極接合体とを熱圧着する第２の工程と、を備え、
第１の工程が、ガス拡散層の前記領域を電解質溶液内に浸漬する方法、もしくは、ガス拡散層の前記領域に電解質溶液を塗工する方法、のいずれか一方からなる、燃料電池の製造方法。
【請求項８】
前記第１の工程において、拡散層基材および集電層のうち、前記触媒層の周縁の全領域に電解質を含浸させる、請求項７に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】
前記第１の工程において、拡散層基材および集電層のうち、前記触媒層の周縁の領域であって、拡散層基材がセパレータと当接する端面を除く領域に電解質を含浸させる、請求項７に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
前記電解質溶液内の電解質は、触媒層を形成する電解質と同素材である、請求項７〜９のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池とその製造方法に係り、特に、集電層と拡散層基材とからなるガス拡散層と電解質膜との間の接着強度が高く、ガスのクロスリークが抑止された燃料電池とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の単セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該膜電極接合体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ）とセパレータを少なくとも備えている。なお、このセパレータは、各単セルを画成するとともにガス流路層となるものであり、このガス流路層がセパレータから分離した、いわゆるフラットタイプのセパレータもある。燃料電池スタックは、所要電力に応じてこの単セルを所定数だけ積層することによって形成されている。
【０００３】
上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層（またはセパレータ）にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒層に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。
【０００４】
上記するガス拡散層の形態として、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ：Ｍｉｃｒｏ  Ｐｏｒｏｕｓ  Ｌａｙｅｒ）とから構成されるものは一般に知られるところである。このガス拡散層と膜電極接合体とは、ホットプレスなどの熱圧着によって接合されており、その接触抵抗を低減するために締結圧が加えられているのが一般的である。この熱圧着は電解質膜のガラス転移点付近まで加熱しておこなわれるものであるために、圧着時に電解質膜が損傷しやすい状態にあり、さらには、この状態において、ガス拡散層の一部（毛羽）が電解質膜に突き刺さり易く、この突き刺さり箇所がガスのクロスリークを助長する要因にもなっている。
【０００５】
したがって、特に電解質膜の端部を保護するべく、この部位では強い押圧力にて熱圧着できないことから、他の部位に比して接着強度が不十分となり易く、結果としてガスのクロスリーク耐久性が低下するといった課題が存在する。
【０００６】
そこで、たとえば特許文献１に開示の製造方法のごとく、触媒層と電解質膜のエッジ部分とガス拡散層が接続される箇所に、水素イオン伝導性フィルムを挟持し、熱圧着時の界面間のダメージを軽減させてクロスリーク耐久性を向上させようとする技術がある。また、特許文献２に開示の製造方法のごとく、電解質膜に接着層を配置して、やはりガス拡散層と電解質膜の直接的な接触を抑制し、界面間のダメージを軽減せんとする技術がある。
【０００７】
上記特許文献１，２に開示の製造方法では、高分子フィルムや接着層を界面に介在させた姿勢で熱圧着（ホットプレス）することで、電解質膜を物理的なダメージから保護することが可能となるが、これらの技術では、フィルムや接着層が介在することでこれらが存在しない構造に比してガス拡散層と電解質膜との接続強度が低下することは否めず、特に接着層の場合には、排水性能の低下も招来される。また、フィルムや接着層などを必須の構成とすることから、これが燃料電池製造に際しての部品点数の増加に繋がっている。
【０００８】
また、他の従来技術として特許文献３に開示の燃料電池の製造方法を挙げることができる。この燃料電池の製造方法では、たとえば、その図２で示すように、電極基材の周縁に電解質が含浸されたシール層を形成し、該電極基材よりも狭小な触媒層を加熱処理して双方を接着させ、最後に触媒層の周縁にやはり電解質が含浸されたテープ状のシール層を形成するものである。
【０００９】
特許文献３に開示の製造方法によってできた燃料電池によれば、電極周縁に電解質が含浸保持されたウエットシール層が形成されることで、該周縁からのガスリークが防止される、というものである。しかし、この製造方法でも、テープ状のシール層が介在することでこれらが存在しない構造に比してガス拡散層と電解質膜との接続強度が低下することは否めず、さらには、必須構成であるテープ状のシール層が燃料電池製造に際しての部品点数の増加に繋がっていることも同様である。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−２１６７８９号公報
【特許文献２】特開２００７−６６７６９号公報
【特許文献３】特開２００１−６７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、触媒層周縁のガス拡散層と電解質膜の接続箇所における接着強度が高く、また、ガスのクロスリークが効果的に抑止され、さらには、部品点数が可及的に低減された燃料電池とその製造方法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】
【００１２】
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、電解質膜と触媒層を有する膜電極接合体に、集電層（ＭＰＬ）と拡散層基材を有するガス拡散層を接合してなる燃料電池において、前記電解質膜には、該電解質膜よりも狭小な前記触媒層が当接し、前記集電層は、該触媒層を包囲するとともに触媒層の周縁で該電解質膜と当接するものであり、前記集電層の触媒層と反対側に前記拡散層基材が形成されており、拡散層基材および集電層のうち、前記触媒層の周縁の領域であって、かつ、少なくとも、拡散層基材と集電層の界面領域、および、集電層と電解質膜の界面領域に電解質が含浸保持されているものである。
【００１３】
本発明の燃料電池は、ガス拡散層を構成する集電層の一方面に、これよりも狭小な（平面積の小さな）触媒層が埋め込まれた構造を呈しており、集電層と拡散層基材のうち、この触媒層よりも周縁（外側）の領域において、特に、拡散層基材と集電層の界面領域、および、集電層と電解質膜の界面領域に電解質が含浸保持されているものであり、双方の界面領域に電解質が含浸保持されていることにより、従来の熱圧着時の温度よりも低い温度で電解質膜とガス拡散層および触媒層を熱圧着することを可能としたものである。なお、電解質膜表面に触媒インクを塗工し、乾燥させたり、熱転写する等して触媒層を形成し、該触媒層が形成された電解質膜表面にガス拡散層（の集電層）を熱圧着することにより、集電層内に触媒層が埋め込まれた構造が形成されるものである。
【００１４】
ここで、使用される上記する触媒層の周縁領域に含浸する電解質は、イオン導電性を有する電解質であればその素材は特に限定されるものではないが、触媒層を形成する電解質と同素材のものを使用することが、同一電極内での異種素材のコンタミが生じないことから好ましい。その素材の一例を挙げれば、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。
【００１５】
また、拡散層基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から繊維状導電性無機物質（無機導電性繊維）であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、斜文織、朱子織、紋織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ法、メルトブロー法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。なお、この拡散層基材は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）分散液などを用いて撥水処理されたものが望ましい。
【００１６】
さらに、集電層はアノード側、カソード側の触媒層から電子を集める電極の役割を果たすものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料などから形成できる。
【００１７】
ところで、従来の熱圧着時の温度はたとえば１３０℃程度で実行されていたが、この高温雰囲気では、熱圧着時に電解質膜自体が軟化してしまい、上記するように、プレスされたガス拡散層の一部（毛羽）が電解質膜に突き刺さり易くなってしまう。これを回避するべく、熱圧着時の加圧力を低くすると、今度はガス拡散層（のうち、触媒層の周縁に位置する集電層）と電解質膜の接着強度が十分に得られ難くなってしまう。
【００１８】
本発明者等によれば、上記する本発明の燃料電池の構造とすることにより、集電層と電解質膜の界面領域に電解質が含浸保持されていることから、たとえば８０〜１００℃の比較的低温な温度雰囲気で熱圧着した場合でも、ガス拡散層と電解質膜の間の十分な接着強度が得られるという知見が得られている。
【００１９】
なお、ここでいう「集電層と電解質膜の界面領域」とは、双方の界面を形成する集電層の一部のみならず、集電層と電解質膜双方の一部を含むものである。
【００２０】
また、ガスの拡散性能や特にカソード側での生成水の排水性能を担保するためには、ガス拡散層を構成する集電層と拡散層基材との間の界面の接着強度も十分に確保される必要がある。
【００２１】
そこで、本発明の燃料電池においては、上記するように、集電層と拡散層基材のうち、この触媒層の周縁における拡散層基材と集電層の間の界面領域にも電解質を含浸保持させることにより、該界面での十分な接着強度を確保し、電極部でのガスの拡散性能や生成水の排水性能を担保するものである。
【００２２】
本発明の燃料電池によれば、触媒層の周縁における集電層と電解質膜の界面領域、および、集電層と拡散層基材の界面領域の双方に電解質が含浸保持されていることにより、電解質膜が軟化しない程度の比較的低温な温度条件でのガス拡散層と触媒層および電解質膜との熱圧着が可能となり、ガス拡散層の一部（毛羽）の電解質膜への突き刺さりを効果的に抑止することができ、各界面での十分な接着強度が確保できることで、ガスのクロスリークを効果的に抑止することが可能となる。さらに、ガスの拡散性能、生成水の排水性能の向上を図ることもできる。
【００２３】
また、本発明による燃料電池の他の実施の形態は、拡散層基材および集電層のうち、前記触媒層の周縁の全領域に電解質が含浸保持されているものである。
【００２４】
本実施の形態は、拡散層基材および集電層のうち、前記触媒層の周縁の全領域に電解質を含浸保持させるものであり、この全領域には、上記する集電層と電解質膜の界面領域、および、集電層と拡散層基材の界面領域の双方が当然に含まれるものである。
【００２５】
たとえば、電解質が有機溶媒内に分散されてなる電解質溶液を用意し、これにガス拡散層の周縁（端部）を浸漬処理するだけで、ガス拡散層の触媒層周縁領域に電解質を比較的簡易に含浸させることが可能になる。また、触媒層の周縁の全領域に電解質が含浸されていることで、ガス拡散層の該周縁領域が緻密化されてその剛性が高められる結果、燃料電池製造過程におけるガス拡散層のハンドリング性も良好となり、製造効率を向上させることにも繋がる。
【００２６】
なお、ガス拡散層に電解質を含浸させることに関し、この電解質を触媒層の上方領域にも含浸させてしまうと、たとえば撥水処理が施されているガス拡散層が親水性となり、結果としてガス拡散性能が低下する虞があることから、「触媒層よりも周縁の領域」を電解質含浸領域に規定したものである。
【００２７】
また、本発明による燃料電池の好ましい実施の形態は、拡散層基材および集電層のうち、前記触媒層の周縁の領域であって、拡散層基材がセパレータと当接する端面を除く領域に電解質が含浸保持されているものである。
【００２８】
上記するように、ガス拡散層が撥水処理を施されている場合に、該拡散層基材がセパレータと当接する端面まで電解質が含浸されていると、これが電気化学反応で生成された生成水を捕捉してしまい、排水性能低下の原因となり得る。これは特にカソード側でのフラッティングを助長することにもなり、セルの発電性能の低下に直結するものである。そこで、本実施の形態では、拡散層基材がセパレータと当接する端面を除く領域に電解質を含浸させておくものであり、この構成により、拡散層基材のセパレータ側端面が生成水を捕捉するといった問題を解消することができる。
【００２９】
また、所定の高温雰囲気下にて、電解質膜とガス拡散層をたとえば２枚の圧縮板にて押圧して熱圧着する方法において、拡散層基材がセパレータと当接する端面まで電解質が含浸されていると、熱圧着の際にこの圧縮板に電解質溶液が付着する可能性が極めて高く、その都度圧縮板を洗浄するなどの作業手間が生じる。これに対し、本実施の形態によれば、圧縮板まで電解質溶液が到達しない範囲に電解質を含浸させておくことで、この洗浄作業を不要とできる。
【００３０】
また、本発明による燃料電池の他の実施の形態において、触媒層の周縁の集電層と電解質膜の間には、補強用のポリマーフィルムが介在しているものである。
【００３１】
従来公知のポリマーフィルムを触媒層の周縁の集電層と電解質膜の間に介在させることで、熱圧着時にガス拡散層の一部（毛羽）が電解質膜に突き刺さることをより確実に抑制できる。また、このポリマーフィルムが膜電極接合体およびガス拡散層からなる電極体の側方に延び、この側方領域にたとえば射出成形にてガスシール用ガスケットが形成される場合においては、ポリマーフィルムがガスケットの補強材にもなり得る。
【００３２】
また、本発明による燃料電池の製造方法は、電解質膜と触媒層を有する膜電極接合体に、集電層（ＭＰＬ）と拡散層基材を有するガス拡散層を接合してなり、前記電解質膜には、該電解質膜よりも狭小な前記触媒層が当接し、前記集電層は、該触媒層を包囲するとともに触媒層の周縁で電解質膜と当接するものであり、前記集電層の触媒層と反対側に前記拡散層基材が形成されてなる、燃料電池の製造方法であって、拡散層基材および集電層のうち、前記触媒層の周縁の領域であって、かつ、少なくとも、拡散層基材と集電層の界面領域、および、集電層と電解質膜の界面領域に電解質を含浸させる第１の工程と、次いで、ガス拡散層と膜電極接合体とを熱圧着する第２の工程と、を備え、第１の工程が、ガス拡散層の前記領域を電解質溶液内に浸漬する方法、もしくは、ガス拡散層の前記領域に電解質溶液を塗工する方法、のいずれか一方からなるものである。
【００３３】
ここで、電解質溶液とは、上記する電解質をたとえば有機溶媒に混ぜ合わせたものであり、この有機溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。
【００３４】
拡散層基材および集電層のうち、前記触媒層の周縁の全領域に電解質を含浸させる場合には、電解質溶液内に、ガス拡散層の周縁領域を浸漬させればよい。
【００３５】
また、拡散層基材と集電層の界面領域、および、集電層と電解質膜の界面領域にのみ電解質を含浸させる場合や、触媒層の周縁の領域であって、拡散層基材がセパレータと当接する端面を除く領域に電解質を含浸させる場合には、上記する電解質溶液をディスペンサー塗工、スプレー塗工、スクリーン印刷（これらを総称して本明細書では、「塗工」と称する）することができる。
【００３６】
上記する領域に電解質が含浸されていることで、たとえば触媒層が接続された膜電極接合体とガス拡散層との熱圧着時における温度を電解質膜が軟化しない程度の温度（たとえば８０〜１００℃程度）まで低下させることができ（したがって、ガス拡散層の突き刺さりが抑止できる）、従来の製造方法に比してガス拡散層（の集電層）と電解質膜との接着強度の高い燃料電池を製造することができる。さらには、電解質膜と集電層の間の剥離は勿論のこと、集電層と拡散層基材の間の剥離も抑止でき、クロスリーク耐久性に優れ、ガスの拡散性能と生成水の排水性能に優れた燃料電池を製造することができる。
【発明の効果】
【００３７】
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池とその製造方法によれば、ガスのクロスリーク耐久性、ガス拡散性、生成水の排水性のすべてに優れた燃料電池を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例は、燃料電池セルの電極体のカソード側のみを取上げて説明したものであるが、アノード側も同様の方法により、同様の構造を呈していることは勿論のことである。
【００３９】
図１は、本発明の燃料電池の製造方法を概説した模式図である。まず、不図示の容器にて、白金や白金合金等の触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）等の電解質と、エタノール、プロピレングリコールなどの分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒インクを生成する。
【００４０】
生成された触媒インクを電解質膜１上に流し込み、不図示の塗工ブレードにて触媒インクを層状に引き伸ばして略均一な塗膜を形成し、これをたとえば温風乾燥させることにより、電解質膜１表面に、該電解質膜１よりも平面積の小さなカソード側の触媒層２を形成する。なお、電解質膜１上に触媒層２を形成する方法はこの方法に限定されるものではなく、スプレー塗工や熱転写などの従来公知の形成方法が適用できるものである。
【００４１】
ここで、電解質膜１は、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成されている。
【００４２】
次に、電解質膜１と平面積が同程度の集電層３１と拡散層基材３２を接着してなるガス拡散層３を用意し、その端部領域、具体的には、電解質膜１とガス拡散層３が熱圧着された際に触媒層２の周縁の領域（電解質含浸領域Ａ）に電解質を含浸させる。
【００４３】
まず、触媒層２で使用された電解質と同素材の電解質をたとえばメタノール、エタノールなどの有機溶媒に分散させてなる電解質溶液を用意し、この溶液内にガス拡散層３の周縁を浸漬させ、電解質含浸領域Ａに電解質含浸部４を形成する。
【００４４】
ガス拡散層３周縁の電解質含浸領域Ａに電解質含浸部４を形成した後に、電解質膜１にガス拡散層３を当接させ（図１の矢印）、電解質膜１が軟化しない８０〜１００℃程度の温度雰囲気下にて熱圧着（ホットプレス）を実施する。なお、この熱圧着は、不図示の一組の圧縮板内に当接姿勢の電解質膜１およびガス拡散層３を載置し、上記温度雰囲気下にてたとえば１〜５ＭＰａ程度の押圧力を作用させておこなわれる。
【００４５】
図２ａは、図１の製造方法によって製造されたカソード側の電極体を示した図であり、図２ｂは、図２ａのｂ−ｂ矢視図（平面図）でより具体的には触媒層２を通る平面で切断してできる平面図である。
【００４６】
電解質膜１とガス拡散層３を熱圧着することにより、電解質膜１に比して狭小な触媒層２が集電層３１内に埋め込まれ、ガス拡散層３のうち、触媒層２の周縁には電解質含浸部４が形成される（図２ｂ）。
【００４７】
図３は、図２のIII部を拡大した図であり、図４〜６は、図３に示す拡大図に対応した図であって、電極厚み方向における電解質含浸領域の他の実施の形態を示した図である。
【００４８】
まず、図３で示す電極厚み方向における電解質含浸領域は、電解質膜１の集電層３１側の領域の一部から拡散層基材３２の表面（図３における上面）までの範囲となっている。
【００４９】
なお、同図において、電解質含浸領域が集電層３１と電解質膜１の界面までの範囲（したがって、電解質含浸領域が電解質膜１内に及ばない）であってもよい。
【００５０】
図示の領域に電解質が含浸保持されていることにより、電解質膜１が軟化しない程度の温度雰囲気下での熱圧着によっても、電解質膜１と集電層３１の界面の接着強度、および、拡散層基材３２と集電層３１の界面の接着強度を十分に確保することが可能となる。双方の界面における接着強度が確保されることで、電極体の特にガス拡散層におけるガス拡散性能と生成水の排水性能を担保することができる。さらに、電解質膜１が軟化しない程度の温度雰囲気にて熱圧着することにより、熱圧着時に集電層３１の一部（毛羽）が電解質膜１に突き刺さり難くなり、突き刺さることによってガスのクロスリークが助長されるという課題を効果的に解消することができる。
【００５１】
図４で示す実施の形態は、ガス拡散層３における触媒層２の周縁の領域であって、電解質膜１と集電層３１の界面領域が電解質含浸領域Ａ１となり、拡散層基材３２と集電層３１の界面領域が電解質含浸領域Ａ１’となっているものである。
【００５２】
これは、拡散層基材３２と集電層３１のいずれか一方もしくは双方に電解質溶液を塗工しておき、その後に双方を接着することで電解質含浸領域Ａ１’を形成し、次いで、集電層３１と電解質膜１のいずれか一方もしくは双方に電解質溶液を塗工しておき、その後にガス拡散層３と電解質膜１を熱圧着することで電解質含浸領域Ａ１を形成するものである。
【００５３】
図５で示す実施の形態は、図３と比較することでその構成がより明瞭となるが、拡散層基材３２が不図示のセパレータと当接する端面を除く範囲が電解質含浸領域Ａ２となっているものである。
【００５４】
この実施の形態も図４の実施の形態と同様に、接着や熱圧着に先行して電解質溶液を所望範囲に塗工しておくことで形成できる。
【００５５】
電解質含浸領域Ａ２がセパレータと当接する端面まで及ばない範囲となっていることにより、大きく２つの効果が奏される。その一つは、撥水処理を施された拡散層基材３２のセパレータ側端部に電解質が含浸されていないことでこの領域が親水性とならず、したがって、電気化学反応で生成された生成水を捕捉して排水性能を低下させるという問題を生じさせないことである。
【００５６】
また、他の効果は、電解質含浸領域Ａ２がセパレータと当接する端面まで及ばない範囲となっていることで、熱圧着の際に使用される圧縮板に電解質溶液が付着する可能性が極めて低くなり、これに電解質溶液が付着した際の洗浄作業を不要とできることである。
【００５７】
図６で示す実施の形態は、図５の実施の形態にポリマーフィルム５を付加したものであり、具体的には、集電層３１と電解質膜１の間の界面にポリマーフィルム５を配設している。
【００５８】
このポリマーフィルム５により、熱圧着の際に集電層３１の一部（毛羽）が電解質膜１に突き刺さることをより確実に抑止できることや、図示する電極体の側方に射出成形等で形成されるガスケットの補強材となり得るものである。
【００５９】
燃料電池を構成する単セルは、電解質膜１とこれを挟持するカソード側の触媒層２および不図示のアノード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ）が形成され、膜電極接合体を挟持するカソード側のガス拡散層３および不図示のアノード側のガス拡散層から電極体（ＭＥＧＡ）が形成され、この電極体を不図示のカソード側のガス流路層およびアノード側のガス流路層が挟持し、さらにこれらガス流路層をフラットタイプのセパレータが挟持することによって単セルが構成される。なお、フラットタイプのセパレータのほかにも、ガス流路作用と集電作用、および隣接セルとの画成作用を凹凸状のセパレータが備えた従来一般のセパレータであってもよい。
【００６０】
実際の燃料電池においては、所望する発電量に応じて単セルが所定段積層されて燃料電池スタックが形成される。さらに、この燃料電池スタックは、最外側にエンドプレート、テンションプレート等を備え、両端のテンションプレート間に圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。
【００６１】
電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。
【００６２】
[本発明の燃料電池（実施例１，２）と従来構造の燃料電池（比較例１，２，３）とで、リーク電流、引張試験における剥離部位、およびサイクル耐久性を検証した実験（その１）とその結果]
本発明者等は、図３で示すカソード側の電極体の構造と同様のアノード側の構造を有する単セルからなる燃料電池を製造して実施例１とし、この実施例１の構成に図６のようにポリマーフィルムを付加してなる電極体を有する単セルからなる燃料電池を製造して実施例２とした。これに対して、ガス拡散層の周縁に電解質が含浸保持されていない従来の電極体を有する単セルからなる燃料電池を製造して比較例１とし、この比較例１の構成にポリマーフィルムを付加してなるものを製造して比較例２とし、比較例１の構成に電解質膜と集電層の間にのみ電解質を含浸させたものを製造して比較例３とした。なお、実施例１，２においては、電解質膜に触媒層を形成後、電解質膜とガス拡散層を１００℃の温度雰囲気にて熱圧着したものであり、比較例１〜３においては、電解質膜に触媒層を形成後、電解質膜とガス拡散層を１３０℃の温度雰囲気にて熱圧着したものである。
【００６３】
実施例１，２、比較例１〜３の燃料電池を使用して、それぞれのリーク電流値、引張試験における剥離部位、サイクル耐久性を計測した。ここで、引張試験は、電極体の各界面（電解質膜と集電層、集電層と拡散層基材）の接着強度よりも高い粘着力のテープを電極体に貼着し、テープを引張った際の剥離箇所を特定したものである。また、サイクル耐久性に関しては、セル温度を８０℃、通電電流密度を０．１Ａ／ｃｍ２とした際に、クロスリークが所定の規格値を超えるまでの耐久時間を計測したものである。
【００６４】
表１に短絡リークを測定した結果を、表２に引張試験における剥離部位の結果を、表３にサイクル耐久を測定した結果をそれぞれ示している。
【００６５】
【表１】
2010027284.tif 000003
【００６６】
【表２】
2010027284.tif 000004
【００６７】
【表３】
2010027284.tif 000005
【００６８】
表１より、比較例１に対して実施例１では短絡電流値の低下が特定された。また、実施例２、比較例２のように補強用のポリマーフィルムを適用した場合には、同程度の低い短絡電流値となることが特定された。さらに、比較例３のように電解質膜−集電層の間にのみ電解質を含浸させた場合には、熱圧着が１３０℃にて実施されていることで電解質膜が軟化し、結果としてリーク電流値が増加することが分かった。この結果は、表３の結果にも繋がるものであり、比較例１〜３に比して実施例１，２ではサイクル耐久性が向上しており、各界面に電解質を含浸保持させることで、電極体の構成部材を増加させることなく、電解質膜へのダメージを可及的に軽減させ、そのクロスリーク耐久性が高められることが特定された。
【００６９】
また、表２より、実施例１では各界面での接着力が向上する結果、界面での接着剥離以外の破壊形態となっている。さらに、実施例２においても実施例１と同程度の接着力が確保されていることが特定された。
【００７０】
[本発明の燃料電池（実施例３，４）と従来構造の燃料電池（比較例４，５）とで、リーク電流、引張試験における剥離部位、およびサイクル耐久性を検証した実験（その２）とその結果]
本発明者等は、図５で示すカソード側の電極体の構造と同様のアノード側の構造を有する単セルからなる燃料電池を製造して実施例３とし、図６で示すポリマーフィルムを付加してなる電極体を有する単セルからなる燃料電池を製造して実施例４とした。これに対して、ガス拡散層の周縁に電解質が含浸保持されていない従来の電極体を有する単セルであって、ガス拡散層に触媒層を形成後にこれと電解質膜を熱圧着するとともに、電解質膜と集電層の間にポリマーフィルムを介層させた燃料電池を製造して比較例４とし、電解質膜に触媒層を形成後にこれとガス拡散層を熱圧着するとともに、電解質膜と集電層の間にポリマーフィルムを介層させた燃料電池を製造して比較例５とした。
【００７１】
実施例３，４、比較例４，５の燃料電池を使用して、それぞれのリーク電流値、冷熱サイクル試験後の引張試験における剥離部位、サイクル耐久性を計測した。ここで、冷熱サイクル試験は、８０℃の温水に６０分浸漬させ、次いで液体窒素に６０分浸漬させるものであり、この試験後のテストピースに対してテープによる引張試験を実施した。
【００７２】
表４に短絡リークを測定した結果を、表５に引張試験における剥離部位の結果を、表６にサイクル耐久を測定した結果をそれぞれ示している。
【００７３】
【表４】
2010027284.tif 000006
【００７４】
【表５】
2010027284.tif 000007
【００７５】
【表６】
2010027284.tif 000008
【００７６】
表４より、実施例３では、補強用のポリマーフィルムを用いた実施例４、比較例４，５と同程度の短絡電流低下が特定された。ただし、比較例５ではポリマーフィルムとの接着は得られなかった。この結果は、表６の結果にも繋がるものであり、比較例４，５に比して特に実施例４ではサイクル耐久性が向上しており、各界面に電解質を含浸保持させることで、電極体の構成部材を増加させることなく、電解質膜へのダメージを可及的に軽減させ、そのクロスリーク耐久性が高められることが特定された。
【００７７】
また、表５より、冷熱サイクル後に各界面間を積極的に破壊させたところ、比較例４では触媒層と電解質膜の間で剥離が生じ、その後の発電性能は著しく低下した。
【００７８】
さらに、実施例３，４の間で剥離モードが相違した理由として、実施例４ではポリマーフィルムによって該フィルム側の面あたりが強くなり、電極部における圧着力が低下したものと特定される。したがって、本発明の製造方法によれば、フィルムとの接合に際して、含浸した電解質に接着剤としての効果を期待できることも特定された。
【００７９】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の燃料電池の製造方法を概説した模式図である。
【図２】（ａ）は図１の製造方法によって製造されたカソード側の電極体を示した図であり、（ｂ）は図２ａのｂ−ｂ矢視図である。
【図３】図２ａのIII部の拡大図であって、電極厚み方向における電解質含浸領域の一実施の形態を示した図である。
【図４】電極厚み方向における電解質含浸領域の他の実施の形態を示した図である。
【図５】電極厚み方向における電解質含浸領域のさらに他の実施の形態を示した図である。
【図６】図５に示す実施の形態に強用のポリマーフィルムが付加されたさらに他の実施の形態を示した図である。
【符号の説明】
【００８１】
１…電解質膜、２…（カソード側）触媒層、３…ガス拡散層（ＧＤＬ）、３１…（カソード側）集電層、３２…（カソード側）拡散層基材、４…電解質含浸部、５…ポリマーフィルム、Ａ，Ａ１，Ａ１’,Ａ２…電解質含浸領域
【図１】
2010027284.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
2010027284.tif 000012
【図５】
2010027284.tif 000013
【図６】
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