(57)【要約】【課題】段差ＭＥＡを具備する燃料電池の発電特性を、長期間にわたって維持する。【解決手段】段差ＭＥＡ１０の第２電極（例えば、カソード電極２０）では、第２ガス拡散層３２から第２電極触媒層２８の外縁部が突出している。樹脂製枠部材１２に形成された挿入孔３６に第２ガス拡散層３２が挿入されると、挿入孔３６の内壁と第２ガス拡散層３２との間にクリアランス３８が形成される。このクリアランス３８には、第２電極触媒層２８の突出した前記外縁部を被覆する充填層４０が形成される。該充填層４０の酸素透過度は、２×１０5ｍｌ／ｍ2・２４ｈｒ・ａｔｍ以下に設定されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜からなる電解質膜を第１電極と第２電極の間に介装した電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外壁を囲繞する樹脂製枠部材とを具備する燃料電池において、
前記第１電極は、前記電解質膜に臨む第１電極触媒層と、前記第１電極触媒層の外方に配設される第１ガス拡散層とを有し、且つ前記第２電極は、前記電解質膜に臨む第２電極触媒層と、前記第２電極触媒層の外方に配設される第２ガス拡散層とを有し、
前記第２電極触媒層の面積が前記第２ガス拡散層に比して大きく設定されることで前記第２電極触媒層の外縁部が前記第２ガス拡散層から突出し、
且つ前記電解質膜の面積が前記第２電極触媒層に比して大きく設定されることで前記電解質膜の外縁部が前記第２電極触媒層から突出し、
前記樹脂製枠部材には、前記第１電極、前記電解質膜、及び、前記第２ガス拡散層から突出した前記第２電極触媒層を収容する凹部と、前記凹部に連なり前記第２ガス拡散層が挿入される挿入孔とが形成され、
少なくとも、前記挿入孔の内壁と前記第２ガス拡散層との間に、前記第２電極触媒層の前記外縁部を覆い且つ酸素透過度が２×１０5ｍｌ／ｍ2・２４ｈｒ・ａｔｍ以下である充填層が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記充填層が前記凹部の内壁と前記第２電極触媒層との間にさらに進入していることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記充填層が有機化合物からなることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池において、前記充填層がプラスチック、ゴム又は接着剤からなることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜・電極構造体を囲繞する樹脂製枠部材を具備する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持した電解質膜・電極構造体（以下、ＭＥＡとも表記する）を具備する。周知の通り、アノード電極及びカソード電極の各々は、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、該電極触媒層に積層されたガス拡散層とを有する。
【０００３】
この種のＭＥＡにおいて、アノード電極又はカソード電極の一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるとともに、残余の一方のガス拡散層が前記電解質膜と同一の表面積に設定される、いわゆる段差ＭＥＡを構成する場合がある。その際、比較的高価な電解質膜の使用量を削減するとともに、薄膜状で低強度の前記電解質膜を保護するために、ＭＥＡの外壁を樹脂製枠部材で囲繞するようにしている。
【０００４】
このような構成の燃料電池としては、特許文献１に開示されたものが例示される。該特許文献１の図１Ａに示されるように、この燃料電池では、アノード電極と、アノード電極に比してガス拡散層及び電極触媒層の表面積が小さなカソード電極とで電解質膜を挟持している。一方、樹脂製枠部材には、下方から上方に向かって陥没するように凹部が形成されるとともに、該凹部の天井面を起点とする挿入孔が貫通形成される。凹部には、アノード電極と電解質膜が収容され、挿入孔には、カソード電極が挿入される。
【０００５】
凹部の天井面と、電解質膜において、カソード電極から突出して前記天井面に対向する部位とは、接着層を介して接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−６６７６６号公報（特に、段落［００１４］及び図１Ａ参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された燃料電池（段差ＭＥＡ）のカソード電極では、電極触媒層とガス拡散層が同一表面積に設定されているが、近時、小表面積側の電極において、電極触媒層の表面積をガス拡散層よりも大きく設定することが試みられている。すなわち、この場合、電極触媒層の外縁部がガス拡散層から突出するとともに、突出した前記外縁部が凹部の天井面に接合される。
【０００８】
この構成を採用した燃料電池では、使用時間の経過とともに発電特性が低下することがある。このため、良好な発電特性を長期間にわたって維持させることが求められている。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、段差ＭＥＡを具備するとともに、長期間にわたって良好な発電特性を示す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】
【００１０】
本発明者は、上記の燃料電池の発電特性が比較的短期間で低下する原因を解明する過程で、発電を繰り返すと、電解質膜において、前記外縁部に接する部位の膜厚が減少するとの知見を得た。この知見に基づき、本発明者は、電解質膜の膜厚減少を回避し得る構成につき鋭意検討を重ね、本発明をするに至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜を第１電極と第２電極の間に介装した電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外壁を囲繞する樹脂製枠部材とを具備する燃料電池において、
前記第１電極は、前記電解質膜に臨む第１電極触媒層と、前記第１電極触媒層の外方に配設される第１ガス拡散層とを有し、且つ前記第２電極は、前記電解質膜に臨む第２電極触媒層と、前記第２電極触媒層の外方に配設される第２ガス拡散層とを有し、
前記第２電極触媒層の面積が前記第２ガス拡散層に比して大きく設定されることで前記第２電極触媒層の外縁部が前記第２ガス拡散層から突出し、
且つ前記電解質膜の面積が前記第２電極触媒層に比して大きく設定されることで前記電解質膜の外縁部が前記第２電極触媒層から突出し、
前記樹脂製枠部材には、前記第１電極、前記電解質膜、及び、前記第２ガス拡散層から突出した前記第２電極触媒層を収容する凹部と、前記凹部に連なり前記第２ガス拡散層が挿入される挿入孔とが形成され、
少なくとも、前記挿入孔の内壁と前記第２ガス拡散層との間に、前記第２電極触媒層の前記外縁部を覆い且つ酸素透過度が２×１０5ｍｌ／ｍ2・２４ｈｒ・ａｔｍ以下である充填層が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
この構成においては、第２電極触媒層の突出した外縁部の中、挿入孔の内壁と第２ガス拡散層との間のクリアランスに臨む部位が充填層によって保護される。すなわち、該部位に酸素が到達することが困難である。このため、第２電極触媒層の外縁部中の前記部位と、電解質膜との界面で電極反応が生じることが防止される。
【００１３】
その結果、電解質膜において、第２電極触媒層の外縁部に接する部位の膜厚が減少することが回避されるので、燃料電池の発電特性が低下することを回避することができる。換言すれば、燃料電池の発電特性を長期間にわたって維持することができる。
【００１４】
充填層は、前記凹部の内壁と前記第２電極触媒層との間にさらに進入していてもよい。これにより第２電極触媒層の外縁部の全体が充填層によって保護されるので、第２電極触媒層の外縁部と、電解質膜との界面で電極反応が生じることが防止される。従って、上記の効果が一層顕著となる。
【００１５】
このような充填層は、例えば、有機化合物から形成することができる。なお、本発明における「有機化合物」に高分子化合物が含まれることは勿論である。
【００１６】
一層具体的には、充填層は、プラスチック、ゴム又は接着剤等から形成することが可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、樹脂製枠部材に形成された挿入孔と、該挿入孔に挿入されたガス拡散層との間に形成されたクリアランスに、酸素透過度が２×１０5ｍｌ／ｍ2・２４ｈｒ・ａｔｍ以下である充填層を設けるようにしている。この充填層に覆われることによって、前記ガス拡散層から突出した電極触媒層の外縁部が保護される。これにより該外縁部と電解質膜との界面で電極反応が生じることが回避される結果、電解質膜の膜厚が減少することが回避される。
【００１８】
以上のような理由から、燃料電池の発電特性を長期間にわたって維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池を構成する組立体の概略縦断面である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】図１の組立体の平面図である。
【図４】図１の組立体を構成する電解質膜・電極構造体（段差ＭＥＡ）の概略縦断面である。
【図５】図４の段差ＭＥＡと樹脂製枠部材の間に接着剤を配置した状態を示す概略縦断面である。
【図６】樹脂製枠部材の挿入孔の内壁と、該挿入孔に挿入された第２ガス拡散層との間のクリアランスに充填層を設けた状態を示す概略縦断面である。
【図７】充填層の酸素透過度と、電解質膜の膜厚の減少量との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る燃料電池につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
本実施の形態に係る燃料電池は、図１に示す電解質膜・電極構造体（段差ＭＥＡ）１０が樹脂製枠部材１２に支持された組立体１４を具備する。すなわち、この組立体１４が１組のセパレータ（図示せず）で挟持されることにより、単位セルが構成される。なお、図１は、組立体１４の概略縦断面である。
【００２２】
段差ＭＥＡ１０につき説明すると、この段差ＭＥＡ１０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された電解質膜１６と、前記電解質膜１６を挟持するアノード電極１８（第１電極）及びカソード電極２０（第２電極）とを有する。電解質膜１６は、炭化水素化合物からなるものであってもよい。
【００２３】
アノード電極１８は、電解質膜１６の一端面に接合される第１電極触媒層２２と、該第１電極触媒層２２に積層される第１中間層２４と、第１ガス拡散層２６とを有する。第１電極触媒層２２、第１中間層２４及び第１ガス拡散層２６は、電解質膜１６と同一の外形寸法に設定される。すなわち、電解質膜１６、第１電極触媒層２２、第１中間層２４及び第１ガス拡散層２６の表面積は、互いに同一である。このため、アノード電極１８側では、電解質膜１６はアノード電極１８に覆われ、露呈した部位はない。
【００２４】
一方、カソード電極２０は、電解質膜１６の他端面に接合される第２電極触媒層２８と、該第２電極触媒層２８に積層される第２中間層３０と、第２ガス拡散層３２とを有する。ここで、第２中間層３０と第２ガス拡散層３２が同一の外形寸法（表面積）に設定されるとともに、第２電極触媒層２８は、第２中間層３０及び第２ガス拡散層３２に比して広大に設けられる。すなわち、第２電極触媒層２８の表面積は第２中間層３０及び第２ガス拡散層３２に比して大きく、このため、図２に要部を拡大して示すように、第２電極触媒層２８の外縁部は、第２中間層３０及び第２ガス拡散層３２から突出する。
【００２５】
なお、第２電極触媒層２８の表面積は、電解質膜１６よりも小さく設定される。従って、電解質膜１６の外縁部は、第２電極触媒層２８から突出する。
【００２６】
第１電極触媒層２２及び第２電極触媒層２８は、例えば、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子が電解質膜１６の両端面に形成されることによって構成される。
【００２７】
第１中間層２４及び第２中間層３０は、例えば、アノード電極１８及びカソード電極２０の排水性及び保水性の均衡を図るための層である。この場合、第１中間層２４及び第２中間層３０は、電子伝導性物質と撥水性樹脂とを含む多孔質性の層として設けられる。
【００２８】
なお、電子伝導性物質の好適な例としてはカーボン類が挙げられる。また、撥水性樹脂の素材としては、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＦ（ポリフッ化ビニル）、ＥＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（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）、ＦＥＰ（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）をはじめとする結晶性フッ素樹脂や、非晶質フッ素樹脂、シリコーン樹脂等が例示される。
【００２９】
第１ガス拡散層２６及び第２ガス拡散層３２は、例えば、多数の繊維状カーボンがセルロース質に含有されることで構成されたカーボンペーパーを基材とする。この基材に、例えば、ＦＥＰ等からなる撥水性樹脂を含有させた構成としてもよい。
【００３０】
樹脂製枠部材１２は、上記のように構成される段差ＭＥＡ１０の外壁を囲繞するように配設される。なお、樹脂製枠部材１２は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、フッ素ゴム又はＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等で構成される。
【００３１】
樹脂製枠部材１２は、例えば、溶融樹脂を用いた射出成形によって作製することができる。又は、樹脂フィルムから作製するようにしてもよい。
【００３２】
樹脂製枠部材１２には、図１における下端面から上端面に向かうようにして、凹部３４が陥没形成される。また、凹部３４の内壁（天井面）から上端面には、該凹部３４に連なるようにして挿入孔３６が貫通形成される。
【００３３】
凹部３４には、アノード電極１８の全体（第１ガス拡散層２６、第１中間層２４及び第１電極触媒層２２）、電解質膜１６、カソード電極２０の第２電極触媒層２８が収容される。従って、図２に示すように、電解質膜１６において、第２電極触媒層２８から突出した外縁部と、第２電極触媒層２８において、第２中間層３０及び第２ガス拡散層３２から突出し、且つ樹脂製枠部材１２の内面に重なる部位を有する外縁部とが、凹部３４の内壁（天井面）に対向する。
【００３４】
また、挿入孔３６には、第２中間層３０と第２ガス拡散層３２が挿入される。従って、組立体１４を上端面側から視認すると、図３に示すように、額縁形状の樹脂製枠部材１２に第２ガス拡散層３２が囲繞された状態となる。
【００３５】
挿入孔３６の内壁と、第２中間層３０及び第２ガス拡散層３２との間には、所定間隔でクリアランス３８が形成される。このクリアランス３８には、充填剤が充填されることで充填層４０が形成されている。
【００３６】
この場合、充填層４０は、凹部３４の天井面（内壁）と第２電極触媒層２８との間、さらには、凹部３４の天井面（内壁）と電解質膜１６との間にまで進入している。すなわち、第２電極触媒層２８において、第２中間層３０及び第２ガス拡散層３２から突出した外縁部は、充填層４０によって覆われている。なお、充填層４０を、必要に応じ、凹部３４の側壁（内壁）とアノード電極１８との間まで進入させるようにしてもよい（図１参照）。
【００３７】
充填層４０の好適な素材としては、弾力性に富み、このために緩衝材として機能し得る有機化合物が挙げられる。有機化合物は高分子化合物であってもよく、例えば、プラスチックであってもよい。具体的には、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ウレタン、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、エポキシ、アクリル、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等や、これらを複合したプラスチックアロイが例示される。プラスチックの場合、エラストマーを含んでいてもよく、ガラスやカーボン、タルク、酸化チタン等の無機フィラーを含んでいてもよい。
【００３８】
充填層４０は、ゴムからなるものであってもよい。この場合、その具体的な例としては、フッ素系化合物ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、アクリルニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、エピクロロヒドリンゴム、水素化ニトリルゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ノルボルネンゴム等が挙げられる。
【００３９】
さらに、充填層４０は、樹脂製枠部材１２と材質が異なるシリコーン系、エポキシ系、アクリル系、ウレタン系、フッ素系等の各種接着剤であってもよい。接着剤は、加熱により溶融し、冷却により固化して接着力を得るホットメルト接着剤であってもよい。
【００４０】
充填層４０の単位体積当たりの酸素透過度は、充填剤の種類によって相違する。従って、本実施の形態では、図２に示す充填層４０の厚みＴ（第２電極触媒層２８の上端面から充填層４０の上端面までの距離）又は幅Ｗ（第２ガス拡散層３２と樹脂製枠部材１２との間の間隙に対応）を調整することによって、第２電極触媒層２８の上端面から充填層４０の上端面までの間における酸素透過度が２×１０5ｍｌ／ｍ2・２４ｈｒ・ａｔｍ以下となるように設定されている。このように、充填剤の材質に応じて厚みＴ及び幅Ｗを適切に調整することにより、充填層４０の酸素透過度を２×１０5ｍｌ／ｍ2・２４ｈｒ・ａｔｍ以下に設定することが可能である。
【００４１】
ここで、酸素透過度は、充填剤をフィルム状に形成した充填層４０に対し、ＪＩＳ Ｋ ７１２６Ｂに規定される計測方法を適用することで測定することができる。
【００４２】
充填層４０の一部は、第１ガス拡散層２６、第１中間層２４、第２ガス拡散層３２及び第２中間層３０に浸透していてもよい。
【００４３】
また、例えば、凹部３４の近傍の充填層４０が第１ガス拡散層２６に浸透し、一方、挿入孔３６の近傍の充填層４０が第２ガス拡散層３２に浸透していることが好ましい。以上の浸透により、樹脂製枠部材１２が段差ＭＥＡ１０に一層強固に接合されるようになる。
【００４４】
樹脂製枠部材１２の上端面の高さ位置は、第２ガス拡散層３２の上端面の高さ位置に略等しい。すなわち、挿入孔３６近傍の外面と、第２ガス拡散層３２の上端面とは略面一である。
【００４５】
本実施の形態に係る燃料電池は、以上のように構成される組立体１４が１組のセパレータで挟持された単位セルを具備するものであり、次に、その作用効果につき、該燃料電池の動作との関係で説明する。
【００４６】
この燃料電池を発電する際には、前記セパレータを介して段差ＭＥＡ１０に反応ガスが供給される。すなわち、アノード電極１８の第１ガス拡散層２６に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、カソード電極２０の第２ガス拡散層３２に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給される。燃料ガスが第１中間層２４を通過して第１電極触媒層２２に到達すると、該燃料ガス中の水素が第１電極触媒層２２にて電離する反応が起こる。これにより、プロトンと水素が生成する。プロトンは、電解質膜１６のプロトン伝導作用により、第２電極触媒層２８に移動する。
【００４７】
一方、酸化剤ガスは、第２中間層３０を通過して第２電極触媒層２８に到達する。この第２電極触媒層２８において、酸化剤ガス中の酸素と、該第２電極触媒層２８に移動してきたプロトンと、アノード電極１８から取り出され、モータ等の外部負荷を付勢してカソード電極２０に到達した電子とが反応し、水が生成する。
【００４８】
本実施の形態においては、図２に示すように、挿入孔３６の内壁と、第２中間層３０及び第２ガス拡散層３２との間に形成されたクリアランス３８に、酸素透過度が２×１０5ｍｌ／ｍ2・２４ｈｒ・ａｔｍ以下である充填層４０を設けるようにしている。このため、第２電極触媒層２８において、第２中間層３０及び第２ガス拡散層３２から突出した外縁部に酸素が到達することが阻害される。従って、第２電極触媒層２８の外縁部と、電解質膜１６との界面で上記の反応が生じることが防止される。
【００４９】
その結果、電解質膜１６において、第２電極触媒層２８の外縁部に接する部位の膜厚が減少することが回避される。これにより、燃料電池の発電特性が低下することが回避され、結局、燃料電池が長期間にわたって優れた発電特性を示す。
【００５０】
以上のように、本実施の形態によれば、第２電極触媒層２８の、第２中間層３０及び第２ガス拡散層３２から突出した外縁部を、充填層４０によって酸素から保護するようにしている。このため、燃料電池の良好な発電特性を長期間にわたって維持することができるという効果が得られる。
【００５１】
本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５２】
例えば、上記の実施の形態では、アノード電極１８を表面積が広大な第１電極とし、且つカソード電極２０を表面積が狭小な第２電極としているが、これとは逆に、カソード電極２０を表面積が広大な第１電極とし、且つアノード電極１８を表面積が狭小な第２電極としてもよい。
【００５３】
また、充填層４０は、凹部３４の天井面（内壁）と第２電極触媒層２８との間の接着層や、凹部３４の天井面（内壁）と電解質膜１６との間の接着層、凹部３４の側壁（内壁）とアノード電極１８との間の接着層を、同一の材料で一体で形成してもよく、別の材料で個別に形成してもよい。
【００５４】
さらに、第１中間層２４及び第２中間層３０を割愛するようにしてもよい。
【００５５】
さらにまた、樹脂製枠部材１２を溶融してその一部を第１ガス拡散層２６、第２ガス拡散層３２に浸透させてもよい。
【実施例】
【００５６】
はじめに、図４に示す段差ＭＥＡ１０を作製した。すなわち、先ず、東レ社製のカーボンペーパーであるＴＧＰ−Ｈ０６０から、外形寸法が１００ｍｍ×１４０ｍｍである大切片と、７３×１１３ｍｍである小切片とを切り出した。その一方で、カーボンブラックとＰＴＦＥ粒子を重量比で４：６で混合した混合粒子をエチレングリコールに略均一に分散させ、スラリーを得た。このスラリーを、前記大切片及び前記小切片の各々に塗布して乾燥し、大切片（カーボンペーパー）からなる第１ガス拡散層２６上に第１中間層２４が積層された大面積重畳体と、小切片（カーボンペーパー）からなる第２ガス拡散層３２上に第２中間層３０が積層された小面積重畳体とを得た。
【００５７】
また、ｎ−プロパノール：水＝１：２（体積比）の混合溶媒に、重量比で該混合溶媒の１／１０の白金粒子を添加した。その後、イオン伝導性ポリマー溶液であるＤＥ２０２０（デュポン社製のパーフルオロスルホン酸高分子化合物溶液の商品名）を、白金粒子：ポリマー成分＝１：１．５（重量比）でさらに添加し、遊星ボールミルにて８０ｒｐｍ、１２０分間の回転混合を行った。以上により、カソード触媒用インクを得た。
【００５８】
さらに、このカソード触媒用インクをＰＥＴフィルム上にスクリーン印刷で塗布した。この際、白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ2、塗布領域が７６ｍｍ×１１６ｍｍとなるようにした。その後、６０℃で１０分間加熱し、次いで、減圧下にて１００℃で１５分間加熱し、カソード側電極触媒層（第２電極触媒層２８）を得た。
【００５９】
その一方で、アノード側電極触媒層を形成した。すなわち、先ず、白金粒子：ポリマー成分＝１：１（重量比）となるようにしたこと以外は上記に準拠してアノード触媒用インクを得た。次いで、このアノード触媒用インクを前記ＰＥＴフィルムとは熱のＰＥＴフィルム上にスクリーン印刷で塗布した。この際、白金量が０．２ｍｇ／ｃｍ2、塗布領域が１００ｍｍ×１４０ｍｍとなるようにした。その後、６０℃で１０分間加熱し、次いで、減圧下にて１００℃で１５分間加熱し、アノード側電極触媒層（第１電極触媒層２２）を得た。
【００６０】
そして、電解質膜１６であるナフィオンＮＲＥ−２１１（デュポン社製）の両端面に、アノード側電極触媒層、カソード側電極触媒層をそれぞれ当接させ、この状態で、１２０℃、２．０ＭＰａの条件下で８分間のホットプレスを行うことで、電解質膜１６にアノード側電極触媒層、カソード側電極触媒層を接合した。その後、ＰＥＴフィルムを剥離した。
【００６１】
次いで、前記大面積重畳体の前記第１中間層２４をアノード側電極触媒層に当接させ、且つ前記小面積重畳体の前記第２中間層３０をカソード側電極触媒層に当接させた。この状態で、１２０℃、２．０ＭＰａの条件下で１２分間のホットプレスを行うことにより、電解質膜１６の両端面に、大切片（第１ガス拡散層２６）、第１中間層２４、アノード側電極触媒層（第１電極触媒層２２）からなる大面積のアノード電極１８と、小切片（第２ガス拡散層３２）、第２中間層３０、カソード側電極触媒層（第２電極触媒層２８）からなる小面積のカソード電極２０をそれぞれ形成し、段差ＭＥＡ１０を得た。この時点で、カソード側電極触媒層の外縁部が第２中間層３０及び小切片から突出していた。
【００６２】
さらに、この段差ＭＥＡ１０につきトリミングを行い、最大の外形寸法を７９．５ｍｍ×１１９．５ｍｍとした。
【００６３】
以上とは別に、東レ社製のＡ−９００（ＰＰＳ）を用いて射出成形を行い、上端面側の外形寸法（図３中のＬ１×Ｌ２）が１００ｍｍ×１４０ｍｍ、凹部３４の外形寸法が８０ｍｍ×１２０ｍｍ、挿入孔３６の外形寸法（図３中のＬ３×Ｌ４）が７４×１１４ｍｍである樹脂製枠部材１２を作製した。
【００６４】
次いで、カソード側電極触媒層の突出した外縁部と、前記樹脂製枠部材１２における凹部３４の天井面との間に、図５に示すように、スリーボンド社製のＴＢ１２２０Ｇ（商品名）からなる接着剤４２を、幅が３ｍｍ、厚みが９０μｍとなるように塗布した。この塗布には、ムサシエンジニアリング社製のディスペンサＭＬ−６０６ＧＸを用いた。
【００６５】
その後、樹脂製枠部材１２上に、ＰＴＦＥシート及び平板を介して５ｋｇの重錘を載置し、１３０℃とした乾燥炉内に１２０分間保持してＴＢ１２２０Ｇを硬化させた。
【００６６】
この時点では、挿入孔３６の内壁と、第２中間層３０及び小切片との間にクリアランス３８が生じていた。そこで、このクリアランス３８に、ディスペンサＭＬ−６０６ＧＸによってＴＢ１２２０Ｇを種々の量で導入し、１３０℃とした乾燥炉内に１２０分間保持して硬化させ、図６に示すように、充填層４０を有する組立体１４を得た。
【００６７】
さらに、東亞合成社製のアロンメルトＰＥＳ３７５Ｓ４０（商品名）、又はデュポン社製ナフィオン溶液ＤＥ２０２０を用いたことを除いては上記と同様にして充填層４０を形成し、組立体１４を得た。
【００６８】
以上のようにして得た組立体１４から単位セルを構成した後、アノード電極１８に水素ガス、カソード電極２０に酸素ガスを供給し、開回路状態を３０００時間継続した。なお、セル温度：８０℃、水素ガス流量：０．１ノルマルリットル／分、水素ガス圧力：１６０ｋＰａ、水素ガスの相対湿度：５０％Ｒｈ、酸素ガス流量：０．３ノルマルリットル／分、酸素ガス圧力：１６０ｋＰａ、水素ガスの相対湿度：５０％Ｒｈとした。
【００６９】
その後、組立体１４の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察を行い、充填層４０の厚みと、電解質膜１６の、水素ガス及び酸素ガスを供給する前の膜厚からの減少量を求めた。
【００７０】
その一方で、ＴＢ１２２０Ｇ、アロンメルトＰＥＳ３７５Ｓ４０又はＤＥ２０２０から、前記充填層４０の厚みと同一の厚みであるサンプル層を別途形成した。このサンプル層を用い、ＪＩＳ Ｋ ７１２６Ｂに規定される計測方法に基づいて酸素透過度を測定した。
【００７１】
サンプル層（充填層４０）の酸素透過度と、電解質膜１６の膜厚の減少量との関係をグラフにして図７に示す。図７中の四角（□）、バツ（×）、丸（●）は、それぞれ、ＴＢ１２２０Ｇ、アロンメルトＰＥＳ３７５Ｓ４０、ＤＥ２０２０のプロットである。
【００７２】
この図７から、ＴＢ１２２０Ｇ、アロンメルトＰＥＳ３７５Ｓ４０、ＤＥ２０２０のいずれにおいても、酸素透過度が２×１０5ｍｌ／ｍ2・２４ｈｒ・ａｔｍ以下であるときには、電解質膜１６の膜厚の減少が認められないことが分かる。このことから、酸素透過度が２×１０5ｍｌ／ｍ2・２４ｈｒ・ａｔｍ以下である充填層４０で電極触媒層の突出した外縁部を覆うことで電解質膜１６の膜厚を維持し得ること、ひいては燃料電池の発電特性を維持し得ることが明らかである。
【符号の説明】
【００７３】
１０…段差ＭＥＡ                        １２…樹脂製枠部材
１４…組立体                            １６…電解質膜
１８…アノード電極                      ２０…カソード電極
２２…第１電極触媒層                    ２４…第１中間層
２６…第１ガス拡散層                    ２８…第２電極触媒層
３０…第２中間層                        ３２…第２ガス拡散層
３４…凹部                              ３６…挿入孔
３８…クリアランス                      ４０…充填層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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