(57)【要約】      （修正有）【課題】固体高分子形燃料電池に使用する、電解質膜と支持体とを高い位置精度で取り付けた高品質の支持体付き電解質膜の提供。【解決手段】支持体付き電解質膜は、電解質膜７と、電解質膜７の一方面の少なくとも四隅を含む外周縁部に設けられた第１の支持体１と、電解質膜７を収容する凹部を有し、凹部の底面には電解質膜７よりも外形の小さい開口部が形成された第２の支持体２と、を備える。前記第１の支持体は、前記電解質膜の外周縁部の全周にわたって設けられ、前記第２の支持体の前記凹部の底面に溝部が設けられ、前記溝部に前記第１の支持体が嵌め込まれる。【選択図】図１
2015165470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形状の電解質膜と、
前記電解質膜の一方面の少なくとも四隅を含む外周縁部に設けられた第１の支持体と、
前記電解質膜を収容する凹部を有し、前記凹部の底面には前記電解質膜よりも外形の小さい開口部が形成された第２の支持体と、
を備える、支持体付き電解質膜。
【請求項２】
前記第１の支持体は、前記電解質膜の外周縁部の全周にわたって設けられる、請求項１に記載の支持体付き電解質膜。
【請求項３】
第３の支持体をさらに備え、
前記第３の支持体の少なくとも一部が、前記第２の支持体の前記開口部の少なくとも一部に沿う、請求項１または２に記載の支持体付き電解質膜。
【請求項４】
前記第２の支持体の前記凹部の底面に溝部が設けられ、前記溝部に前記第１の支持体が嵌め込まれている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の支持体付き電解質膜。
【請求項５】
第４の支持体をさらに備え、
前記第４の支持体は前記電解質膜の他方面の少なくとも一部に設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の支持体付き電解質膜。
【請求項６】
枠型の第５の支持体をさらに備え、
前記第５の支持体は前記第２の支持体の一方面に設けられ、
前記第５の支持体の内周縁部は、前記電解質膜上に位置するよう前記第２の支持体の凹部の内側に突き出ている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の支持体付き電解質膜。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の支持体付き電解質膜と、
前記電解質膜の両面に形成された触媒層と、
を備える、触媒層−電解質膜積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池に用いられる支持体付き電解質膜および触媒層−電解質膜積層体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質の両面に電極が配置され、水素と酸素の電気化学反応により発電する電池であり、発電時に発生するのは水のみである。このように従来の内燃機関と異なり、二酸化炭素等の環境負荷ガスを発生しないために次世代のクリーンエネルギーシステムとして普及が見込まれている。その中でも特に固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、電解質の抵抗が少ないことに加え、活性の高い触媒を用いるので小型でも高出力を得ることができ、家庭用コージェネレーションシステム等として実用化されている。
【０００３】
この固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用い、当該電解質膜の両面に触媒層及び導電性多孔質基材（ガス拡散層）を順に積層している。そして、この触媒層及び導電性多孔質基材からなる電極の周囲を囲むようにガスケットを配置し、さらにこれをセパレータで挟んだ構造を有している。ここで、電解質膜の両面に形成された電極同士が短絡しないように、電解質膜の外周縁部は、電極の外周縁部よりも突出させ、当該突出部分に支持体を設ける技術が提案されている。しかし、電解質膜は材料費が高く、また、電解質膜の突出部分及び支持体との重複部分は発電に寄与しないため、電解質膜の周辺に絶縁体のシートを設け、電解質膜の使用量を削減する技術が提案されている。（例えば、特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５１２７号公報
【特許文献２】特開２００７−２５０２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この場合、電解質膜と支持体との重複部分の面積を小さくして、電解質膜の使用量を削減することが望ましい。従って、高い位置精度で電解質膜を支持体に取り付ける必要がある。
【０００６】
しかし、通常、単体の電解質膜は薄膜であり、空気中の湿度が高い場合、その寸法が変化しやすい。そのため、電解質膜を支持体に取り付ける際に電解質膜が動くことにより、電解質膜と支持体との位置ずれが起きやすく、高い位置精度で電解質膜を支持体に取り付けることが困難であるという問題がある。  
【０００７】
電解質膜と支持体との位置精度が悪い場合、当該電解質膜を用いた触媒層−電解質膜積層体や燃料電池の性能に悪影響を及ぼす。例えば、電解質膜の周縁を支持体によって覆わずに触媒層を形成した場合、触媒層間で短絡が生じるおそれがある。また、電解質膜と支持体との位置精度が悪い触媒層−電解質膜積層体を複数使用してスタック化し、燃料電池を形成した場合、有効発電面積の減少やガスリークの原因となる。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、高品質の支持体付き電解質膜の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る支持体付き電解質膜は、上記課題を解決するためになされたものであり、矩形状の電解質膜と、前記電解質膜の一方面の少なくとも四隅を含む外周縁部に設けられた第１の支持体と、前記電解質膜を収容する凹部を有し、前記凹部の底面には前記電解質膜よりも外形の小さい開口部が形成された第２の支持体と、を備える。
【００１０】
本発明に係る支持体付き電解質膜では、電解質膜の少なくとも一方面の四隅を含む外周縁部に第１の支持体が設けられているので、動きが抑えられた状態で電解質膜を第２の支持体の凹部内に収容することができる。よって、電解質膜を凹部の所望の位置に容易に収容することができる。したがって、電解質膜と第１および第２の支持体との位置精度を向上させることができ、高品質の支持体付き電解質膜を提供することができる。
【００１１】
上記支持体付き電解質膜では、前記第１の支持体は、前記電解質膜の外周縁部の全周にわたって設けられることが好ましい。このような構成によれば、電解質膜を第２の支持体の凹部内に収容する際の位置合わせをさらに確実に行うことができる。
【００１２】
上記支持体付き電解質膜は、第３の支持体をさらに備え、前記第３の支持体の少なくとも一部が、前記第２の支持体の前記開口部の少なくとも一部に沿うことが好ましい。このような構成によれば、電解質膜を第２の支持体の凹部に収容する際に、第３の支持体を開口部に沿わせることによっても、電解質膜と第２の支持体との位置合わせを行うことができる。よって、電解質膜を第２の支持体の凹部内に収容する際の位置合わせをさらに確実に行うことができる。
【００１３】
上記支持体付き電解質膜では、前記第２の支持体の前記凹部の底面に溝部が設けられ、前記溝部に前記第１の支持体が嵌め込まれていることが好ましい。このような構成によれば、電解質膜を第２の支持体の凹部に収容する際に、電解質膜の位置合わせがさらに確実になる。
【００１４】
上記支持体付き電解質膜は、第４の支持体をさらに備え、前記第４の支持体は前記電解質膜の他方面の少なくとも一部に設けられることが好ましい。例えば、第４の支持体の少なくとも一部が、前記第２の支持体の凹部の内周面の少なくとも一部に沿うようにすることにより、電解質膜を第２の支持体の凹部に収容する際に、第４の支持体を凹部の内周面に沿わせることによっても、電解質膜と第２の支持体との位置合わせを行うことができる。よって、電解質膜を第２の支持体の凹部内に収容する際の位置合わせをさらに確実に行うことができる。
【００１５】
上記支持体付き電解質膜は、枠型の第５の支持体をさらに備え、前記第５の支持体は前記第２の支持体の一方面に設けられ、前記第５の支持体の内周縁部は、前記電解質膜上に位置するよう前記第２の支持体の凹部の内側に突き出ていることが好ましい。このような構成によれば、第５の支持体により電解質膜の少なくとも外周縁部が覆われるので、第５の支持体によって電解質膜から外部へのガスリークを効果的に防止することができる。なお、第５の支持体の内周縁部と電解質膜との間に、第４の支持体が設けられてもよい。
【００１６】
本発明に係る触媒層−電解質膜積層体は、本発明に係る支持体付き電解質膜と、  前記電解質膜の両面に形成された触媒層と、を備える。電解質膜を第２の支持体の凹部に収容する前に、電解質膜に触媒層を形成した場合であっても、第１の支持体によって電解質膜の動きが抑えられているので、触媒層−電解質膜積層体と第２の支持体との位置合わせが容易である。よって、高品質の触媒層−電解質膜積層体を製造することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高品質の支持体付き電解質膜および触媒層−電解質膜積層体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る支持体付き電解質膜の断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、図１に示す支持体付き電解質膜の平面図および底面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、図１に示す第２の支持体の断面図および平面図である。
【図４】図１に示す支持体付き電解質膜の変形例を示す断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、第２の支持体を作製する工程を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、所定の大きさに成形された第１の支持体および電解質膜を作製する工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、電解質膜を第２の支持体の凹部に収容する工程を示す断面図である。
【図８】本発明に係る支持体付き電解質膜の他の実施形態を示す断面図である。
【図９】図８に示す第２の支持体の断面図および平面図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る支持体付き電解質膜の変形例を示す断面図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は、第１の支持体の変形例を示す平面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係る触媒層−電解質膜積層体の具体例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る支持体付き電解質膜の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る支持体付き電解質膜の断面図であり、図２（ａ）および（ｂ）は、当該支持体付き電解質膜の平面図（一方面側から見た図）および底面図（他方面側から見た図）であり、図３（ａ）および（ｂ）は、第２の支持体２の断面図および平面図（一方面側から見た図）である。
【００２０】
本実施形態に係る支持体付き電解質膜は、図１に示すように、電解質膜７と、第１の支持体１と、第２の支持体２とを備えている。
【００２１】
電解質膜７は、図１および図２（ａ）、（ｂ）に示すように、平面視矩形状の薄膜である。電解質膜７の厚さは、１０〜２５０μｍ程度、好ましくは１０〜８０μｍである。なお、電解質膜７の四隅の角部は、多少の丸みを帯びていてもよく、電解質膜７の外縁の一部に突起や切り欠きなどが形成されていてもよい。同様に、本願明細書において、「矩形状」とは、長方形や正方形に加えて、菱形や台形も含むうえ、角部が多少の丸みを帯びている形状や、外縁の一部に突起や切り欠きなどを有する形状も含む。
【００２２】
第１の支持体１の外形は、電解質膜７の寸法変化を抑制された状態で保持する観点から電解質膜７の少なくとも四隅を含む外周縁部の一部に対応する形状であればよい。本実施形態では、第１の支持体１は、図１および図２（ａ）に示すように、中央が開口する平面視矩形状の枠型であり、電解質膜７の一方面（上面）の外周縁部の全周にわたって設けられている。第１の支持体１をこのような形状にすることによって、薄膜である電解質膜７の寸法の変化をより確実に抑えることができ、後述する第２の支持体２との位置を合わせることがより容易となる。
【００２３】
なお、電解質膜７の外周縁部とは、電解質膜７の輪郭をなす外縁より内側の所定部分である。同様に、本願明細書において、「外周縁部」とは、部材の輪郭をなす外縁より内側の所定部分であり、「内周縁部」とは、部材に形成された開口の輪郭をなす内縁より外側の所定部分である。
【００２４】
第１の支持体１の幅および厚さは、支持体付き電解質膜の大きさに応じて適宜設定され、特に制限されない。例えば、第１の支持体１の各辺の幅は、１ｍｍ〜１５ｍｍであり、好ましくは１ｍｍ〜８ｍｍである。第１の支持体１の厚さは１０μｍ〜１５０μｍ程度、好ましくは２５μｍ〜５０μｍである。
【００２５】
第２の支持体２は、図１および図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態では、平面視矩形状であり、一方面２１の中央位置に電解質膜７の外形に沿う平面視矩形状の溝形状の凹部２２を有している。この凹部２２に電解質膜７が収容されることで電解質膜７の外周縁部が第２の支持体２により支持される。電解質膜７は、第１の支持体１によって寸法変化が抑えられているので、高い位置精度で電解質膜７を凹部２２に収容することができる。よって、高品質の支持体付き電解質膜を得ることができる。凹部２２の底面２３には、電解質膜７よりも外形の小さい開口部２４が形成されている。開口部２４は、平面視矩形状であり、第２の支持体２の他方面２５まで貫通している。このように、電解質膜７の第１の支持体１を設けていない側の面が凹部２２の底面に接するように電解質膜７を収容してもよいし、あるいは図４に示すように、第１の支持体１が凹部２２の底面に接するように電解質膜７を収容してもよい。
【００２６】
また、支持体付き電解質膜を構成する各部材は、接着剤や粘着剤を用いて互いに接合されていてもよい。ただし、支持体付き電解質膜を構成する各部材は必ずしも接着剤で接着されている必要はなく、ガスリーク防止のため、各部材同士（少なくとも、第１の支持体１と電解質膜７、第２の支持体２と電解質膜７、第１の支持体１と第２の支持体２）が適度な強度で固定されていればよい。例えば、各部材同士が熱プレスによって接合されてもよい。
【００２７】
次に、上記の支持体付き電解質膜の各材料について説明する。
【００２８】
電解質膜７は、例えば、基材上にイオン伝導性高分子電解質を含有する溶液を塗工し、乾燥することにより形成される。イオン伝導性高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、より具体的には、炭化水素系イオン交換膜のＣ−Ｈ結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー（ＰＦＳ系ポリマー）等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入することで、化学的に非常に安定し、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン伝導性が実現できる。このようなイオン伝導性高分子電解質の具体例としては、デュポン社製の「Ｎａｆｉｏｎ」（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）、ゴア（Ｇｏｒｅ）社製の「Ｇｏｒｅ  Ｓｅｌｅｃｔ」（登録商標）等が挙げられる。イオン伝導性高分子電解質含有溶液中に含まれるイオン伝導性高分子電解質の濃度は、通常５〜６０重量％程度、好ましくは２０〜４０重量％程度である。なお、上記のイオン伝導性高分子電解質膜以外には、アニオン導電性固高分子電解質膜や液状物質含浸膜も挙げられる。アニオン伝導性電解質膜としては炭化水素系樹脂又はフッ素系樹脂等が挙げられ、具体例としては炭化水素系樹脂としては、旭化成（株）製のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）Ａ２０１，２１１，２２１や、トクヤマ（株）製のネオセプタ（登録商標）ＡＭ−１，ＡＨＡ等が挙げられ、フッ素系樹脂としては、東ソー（株）製のトスフレックス（登録商標）ＩＥ−ＳＦ３４等が挙げられる。また液状物質含浸膜としては、例えばポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）が挙げられる。
【００２９】
第１および第２の支持体１，２は、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリメチルテンペン、ポリフェニレンオキサイド、ポリサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂などのプラスチック、或いは、アルミニウム、銅、亜鉛などの金属を好ましく使用することができる。なお、ポリエステルは、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリブチレンナフタレート等を挙げることができる。また、上記のプラスチック及び金属を積層した積層体、或いは、上記のプラスチックにアルミナ、シリカ、チタニアなどの酸化物を積層した積層体を第１〜第５の支持体１〜５として使用することもできる。これらの中で、ポリエステル、特にポリエチレンナフタレートは、水蒸気、水、燃料ガス及び酸化剤ガスに対するガスバリア性、耐熱性、熱寸法安定性、製造コストの低減の観点から好ましい。なお、第１および第２の支持体１，２の材質は同一であってもよいが、図１では、区別しやすいように第１および第２の支持体１，２を互いに異なるハッチングで示している。
【００３０】
また、支持体付き電解質膜を構成する各部材を接着する接着材は、ポリオレフィン系樹脂を挙げることができ、例えば、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、エチレン−α・オレフィン共重合体、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリイソブテン、ポリイソブチレン、ポリブタジエン、ポリイソプレン、エチレン−メタクリル酸共重合体、あるいはエチレン−アクリル酸共重合体等のエチレンと不飽和カルボン酸との共重合体、あるいはそれらを変性した酸変性ポリオレフィン系樹脂、シラン変性ポリオレフィン系樹脂、エチレン−アクリル酸エチル共重合体、アイオノマー樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体等を使用することができ、その中でも不飽和カルボン酸でグラフト変性したポリプロピレン又は不飽和カルボン酸で変性したポリエチレンを使用することが絶縁性もしくは耐熱性の点で好ましい。また、エポキシ樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することもできる。また、アクリル系樹脂や、脂肪族ポリアミドなどの粘着剤を使用することもできる。また、必要に応じて適宜、エポキシ系樹脂、ポリチオールなどの硬化剤を使用することもできる。また、上記接着材は、１種単独で用いてもよく、また２種以上を組み合わせて用いてもよい。組み合わせの例としては、エポキシ樹脂と、脂肪族ポリアミドと、ポリチオールとを組み合わせて用いることもできる。
【００３１】
以上のように、本実施形態に係る支持体付き電解質膜は、電解質膜７の少なくとも四隅を含む外周縁部に第１の支持体１が設けられているので、動きが抑えられた状態で電解質膜７を第２の支持体２の凹部２２内に収容することができる。よって、電解質膜７を凹部２２の所望の位置に容易に収容することができる。したがって、電解質膜７と第１および第２の支持体１，２との位置精度を向上させることができ、量産性に優れた高品質の支持体付き電解質膜を提供することができる。
【００３２】
次に、本実施形態の支持体付き電解質膜の製造方法の一例について説明する。
【００３３】
まず、図５（ａ）〜（ｃ）に示す工程によって、第２の支持体２を作製する。具体的には、図５（ａ）に示すように、所定の厚みを有する２つの平面視矩形状の基材２ａ，２ｂを積層し、例えば粘着剤などで互いに貼り合せる。基材２ａ，２ｂを貼り合わせる方法は、特に限定されない。各基材２ａ，２ｂは、平面視の外形が第２の支持体２と同じ大きさである。
【００３４】
続いて、図５（ｂ）に示すように、第１の切断刃８１および第２の切断刃８２によって、基材２ａ，２ｂの積層体の一部に切れ目を形成する。第１の切断刃８１は、図３（ｂ）に示す第２の支持体２の凹部２２と同じ大きさの平面視矩形枠状の切断刃であり、第２の切断刃８２は、第２の支持体２の開口部２４と同じ大きさの平面視矩形枠状の切断刃である。第１の切断刃８１、第２の切断刃８２および基材２ａ，２ｂの積層体の各中心が一致し、かつ、第１の切断刃８１、第２の切断刃８２および基材２ａ，２ｂの積層体の各辺が平行となるように位置合わせを行い、第１の切断刃８１によって、基材２ａのみを貫通する切れ目を入れ、第２の切断刃８２によって、基材２ａ，２ｂを貫通する切れ目を入れる。その後、切れ目の内側部分を除去することにより、図５（ｃ）に示すように、凹部２２および開口部２４が形成される。これにより、第２の支持体２が作製される。
【００３５】
続いて、図６（ａ）〜（ｃ）に示す工程によって、第１の支持体１が取り付けられた電解質膜７を作製する。まず、図６（ａ）に示すように、電解質膜７の上面（一方面）の外周縁部に、第１の支持体１を例えば粘着剤などによって貼り合わせる。このとき、第１の支持体１が取り付けられた電解質膜７の平面視の外形は、第２の支持体２の凹部２２の平面視の外形よりも若干大きく形成されている。
【００３６】
続いて、図６（ｂ）に示すように、上記した図５（ｂ）に示す工程において用いた第１の切断刃８１によって、第１の支持体１および電解質膜７を所定の大きさにカットする。第１の切断刃８１および電解質膜７の各中心が一致し、かつ、第１の切断刃８１および電解質膜７の各辺が平行となるように位置合わせを行い、第１の切断刃８１によって、第１の支持体１および電解質膜７を貫通する切れ目を入れる。その後、当該切れ目の外側部分を除去することにより、図６（ｃ）に示すように、所定の大きさに成形された第１の支持体１が取り付けられた電解質膜７が作製される。
【００３７】
続いて、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、第１の支持体１が取り付けられた電解質膜７を、第２の支持体２の凹部２２に収容することにより、図１に示す支持体付き電解質膜が製造される。
【００３８】
このように、本実施形態では、第１および第２の支持体１，２および電解質膜７を切断加工している。切断加工では、切断刃と加工対象との位置合わせが容易であり、加工対象を鋭利に切り取ることができる。そのため、高い寸法精度で第１および第２の支持体１，２および電解質膜７を簡便に作製することができる。なお、図５に示す工程を図６に示す工程の後に実施してもよい。また、上記では切断加工によって第２の支持体２を作製していたが、例えば、金型を用いた樹脂成型によって第２の支持体２を作製してもよい。さらに、第２の支持体２の材質が金属である場合、金属エッチングによって金属体を成形加工することにより、第２の支持体２を作製してもよい。
【００３９】
図８は、本発明に係る支持体付き電解質膜の他の実施形態を示す断面図である。
【００４０】
図８に示す支持体付き電解質膜は、電解質膜７と、第１〜第５の支持体１〜５とを備えている。第１の支持体１は、電解質膜７の四隅を含む外周縁部の一部に対応する形状であればよいが、図８に示す実施形態では、図１に示す第１の支持体１と同様、中央が開口する平面視矩形状の枠型であり、電解質膜７の一方面（下面）の外周縁部の全周にわたって設けられている。
【００４１】
第２の支持体２は、図９（ａ）および（ｂ）に示すように、一方面２１の中央位置に電解質膜７の外形に沿う平面視矩形状の溝形状の凹部２２を有し、凹部２２の底面２３に、電解質膜７よりも外形の小さい開口部２４が形成されており、さらに、底面２３の開口部２４の周囲には、溝部２６が設けられている。溝部２６は、第１の支持体１を嵌め込むことが可能なように第１の支持体１に対応する形状であればよく、凹部２２の内周面に当接する位置の少なくとも一部に設けられていればよいが、図９（ａ）および（ｂ）に示す実施形態では、凹部２２の内周面に当接する位置に、一周にわたって設けられている。溝部２６の幅および深さは、第１の支持体１の幅および厚さと同一ないしは略同一であり、第１の支持体１を嵌め込むことが可能である。
【００４２】
第３の支持体３は、その外形の少なくとも一部が、第２の支持体２の開口部２４の少なくとも一部に沿う形状であればよいが、図８に示す実施形態では中央が開口する平面視矩形状の枠型であり、第１の支持体１の外形よりも一回り小さい外形に形成されている。第３の支持体３は、電解質膜７の開口部２４と対向する側の面に設けられており、図８に示す実施形態では、第１の支持体１と同じ一方面（下面）に設けられている。この第３の支持体３は、開口部２４の外形に沿う外形を有しており、電解質膜７を第２の支持体２の凹部２２内に収容する際に、第３の支持体３を開口部２４の内周面に沿わせることが可能となっている。電解質膜７が凹部２２内に収容されると、第３の支持体３は第２の支持体２の開口部２４に嵌め込まれる。
【００４３】
第４の支持体４は、電解質膜７の他方面（上面）の少なくとも一部に設けられる。第４の支持体４の形状は、電解質膜７の外周縁部の少なくとも一部に対応する形状であることが好ましく、図８に示す実施形態では、中央が開口する平面視矩形状の枠型であり、第１の支持体１とは反対側の電解質膜７の他方面の外周縁部の全周にわたって設けられている。第４の支持体４も、第１の支持体１と同様、第２の支持体２の凹部２２の内周面の少なくとも一部に沿う外形であれば好ましいが、図８に示す実施形態では、第２の支持体２の凹部２２の内周面の全周に沿う外形である。これにより、電解質膜７を第２の支持体２の凹部２２内に収容する際に、第４の支持体４を凹部２２の内周面に沿わせることが可能となっている。第４の支持体４は、上面が第２の支持体２の一方面２１と実質的に同じ高さ位置となるように、高さが設定されていることが望ましい。なお、第４の支持体４を電解質膜７の他方面の外周縁部の全周にわたって設けることにより、位置合わせが容易になることに加え、電解質膜７の寸法変化をより確実に抑えることができる。
【００４４】
第５の支持体５は、中央が開口する平面視矩形状の枠型であり、図８に示すように、第２の支持体２の一方面２１に設けられている。第５の支持体５の内周縁部は、電解質膜７上に位置するよう第２の支持体２の凹部２２の内側に突き出ており、本実施形態では、第４の支持体４を介して電解質膜７の外周縁部を覆っている。
【００４５】
第３および第４の支持体３，４の幅および厚さは、第１の支持体と同様、支持体付き電解質膜の大きさに応じて適宜設定され、特に制限されない。第１、第３および第４の支持体１，３，４の幅および厚さは、同一であってもよいし、互いに異なってもよい。また、第３〜第５の支持体３〜５の材質は特に限定されないが、第１および第２の支持体１，２と同様の材質を用いることができる。
【００４６】
図８に示す支持体付き電解質膜は、図１に示す支持体付き電解質膜と同様、電解質膜７の外周縁部に第１の支持体１が設けられているので、動きが抑えられた状態で電解質膜７を第２の支持体２の凹部２２内に収容することができる。
【００４７】
さらに、図８に示す支持体付き電解質膜では、電解質膜７を第２の支持体２の凹部２２に収容する際に、第１の支持体１を溝部２６に嵌め込むとともに、第３の支持体３を開口部２４に嵌め込むように構成されている。これにより、位置を合わせる箇所を増やすことで、第２の支持体２に対する電解質膜７の位置合わせを確実かつ容易に行うことができる。
【００４８】
また、電解質膜７の他方面（上面）の外周縁部に、凹部２２に沿った外形を有する第４の支持体４が設けられているので、電解質膜７を第２の支持体２の凹部２２に収容する際に、第４の支持体４を凹部２２の内周面に沿わせることによっても、電解質膜７と第２の支持体２との位置合わせを行うことができる。よって、電解質膜７を第２の支持体２の凹２２部内に収容する際の位置合わせをさらに確実に行うことができる。
【００４９】
また、第５の支持体５の内周縁部が電解質膜７の外周縁部を覆っているため、第５の支持体５によって電解質膜７から外部へのガスリークを効果的に防止することができる。
【００５０】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。図１０（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る支持体付き電解質膜の他の実施形態を示す断面図である。
【００５１】
図１０（ａ）に示す支持体付き電解質膜では、電解質膜７の上面と第２の支持体２の一方面２１とが実質的に同じ高さであり、第５の支持体５は、第２の支持体２の一方面２１および電解質膜７の上面の外周縁部に設けられている。第４の支持体４は、第５の支持体の内周縁の少なくとも一部に沿う外形であることが好ましく、図１０（ａ）に示す実施形態では、第５の支持体の内周縁の全周に沿う外形であり、第５の支持体５の内側に隣接して配置されている。その他の構造は、図８に示す支持体付き電解質膜と同一である。図１０（ａ）に示す構成では、第４の支持体４の幅を変えることにより、電解質膜７の露出面積を変えることができる。
【００５２】
図１０（ｂ）に示す支持体付き電解質膜では、第１の支持体１が電解質膜７の上面の外周縁部に取り付けられている。第１の支持体１の上面は、第２の支持体２の一方面２１と実質的に同じ高さであり、第５の支持体５は、第１の支持体１の上面および第２の支持体２の一方面２１に設けられている。また、電解質膜７の下面には第３の支持体３が設けられており、第３の支持体３は、第２の支持体２の開口部２４に嵌め込まれている。第４の支持体４は電解質膜７に設けられておらず、電解質膜７の下面の外周縁部が、凹部２２の底面２３に接している。さらに、凹部２２の内周が第１の支持体１よりも大きく、電解質膜７の外周が第１の支持体１の外周よりも一回り小さく形成されている。図１０（ｂ）に示す構成においても、第１の支持体１によって電解質膜７の動きが抑えられているので、電解質膜７を容易に第２の支持体２の凹部２２に収容することができる。
【００５３】
また、上述した実施形態では、第１の支持体１の外形は、平面視矩形状の枠型であるが、これに限定されるものではなく、電解質膜の寸法変化を押さえられた状態で保持する観点から電解質膜７の少なくとも四隅を含む外周縁部の一部に対応する形状であればよい。例えば、図１１（ａ）に示すように、第１の支持体１を電解質膜７の外周縁部の３辺に設けた平面視コ字状に形成してもよい。または、図１１（ｂ）に示すように、第１の支持体１を、縦横の長さが電解質膜７の各辺よりも短いＬ字形状に形成し、電解質膜７の四隅に設けてもよい。第４の支持体４が電解質膜７の外周縁部に対応する形状である場合の外形についても、平面視矩形状の枠型に限らず第１の支持体１と同様の変更が可能である。
【００５４】
また、第３の支持体３の外形も、平面視矩形状の枠型に限定されず、第２の支持体２の開口部２４の少なくとも一部の外形に沿ったものであればよく、第１の支持体１と同様の変更が可能である。
【００５５】
図１２（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体の具体例を示す断面図である。本実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体は、上述した本実施形態に係る支持体付き電解質膜と、電解質膜７の両面に形成された触媒層８とを備える。
【００５６】
図１２（ａ）に示す形態のように、触媒層８は、電解質膜７の露出部分に設けられてもよい。また、図１２（ｂ）に示す形態のように、第２の支持体２の一部が触媒層８の外周縁部に乗り上げてもよい。
【００５７】
図１２（ｃ）に示す形態では、第１の支持体１が第２の支持体２の凹部の底面側に設けられた支持体付き電解質膜の電解質膜７の両面に触媒層８が形成されている。また、図１２（ｄ）に示す形態は、図１２（ｃ）に示す形態に第５の支持体５を設けた構成である。図１２（ｄ）に示すように、第５の支持体５は、触媒層８の外周縁部に乗り上げてもよい。
【００５８】
なお、上記のいずれの形態においても、触媒層８の形成は、電解質膜７を第２の支持体２の凹部に収容する前であっても後であってもよい。電解質膜７を第２の支持体２の凹部に収容する前に、電解質膜７に触媒層８を形成した場合であっても、第１の支持体１によって電解質膜７の動きが抑えられているので、触媒層−電解質膜積層体と第２の支持体２との位置合わせが容易である。よって、高品質の触媒層−電解質膜積層体を製造することができる。
【００５９】
触媒層８は、触媒を含有していればよく、例えば、炭素粒子に触媒粒子を担持させたものを用いてもよい。さらに触媒層８は、触媒の他に高分子重合体を含有してもよく、イオン伝導性高分子電解質等を用いてもよい。
【００６０】
触媒としては、例えば、白金や白金化合物などが挙げられる。白金化合物としては、例えば、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、鉄などからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属と、白金との合金などが挙げられる。なお、通常は、触媒層に含まれる触媒は白金である。
【００６１】
炭素粒子は、導電性を有しているものであれば限定的ではなく、公知または市販のものを広く使用できる。例えば、カーボンブラックや、黒鉛、活性炭などを１種または２種以上で用いることができる。カーボンブラックの例としては、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ランプブラックなどを挙げることができる。炭素粒子の算術平均粒子径は通常５ｎｍ〜２００ｎｍ程度、好ましくは２０ｎｍ〜８０ｎｍ程度である。この炭素粒子の平均粒子径は、例えば、粒子径分布測定装置ＬＡ−９２０：（株）堀場製作所製などにより測定できる。
【００６２】
高分子重合体としては、特に限定的ではなく、公知の材料を使用できる。具体的には、イオン伝導性高分子電解質、酢酸ビニル樹脂、スチレン−アクリル共重合体樹脂、スチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂、ポリエステル−アクリル共重合体樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂等が挙げられる。また、六フッ化プロピレン−フッ化ビニリデン共重合体、三フッ化塩化エチレン−フッ化ビニリデン共重合体等のフッ素ゴム、シリコーンゴム等も挙げられる。これらの高分子重合体は、単独で用いても良いし、２種類以上を組み合わせてもよい。
【００６３】
イオン伝導性高分子電解質としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、より具体的には、炭化水素系イオン交換膜のＣ−Ｈ結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー（ＰＦＳ系ポリマー）等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入することで、化学的に非常に安定し、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン伝導性が実現できる。このようなイオン伝導性高分子電解質の具体例としては、デュポン社製の「Ｎａｆｉｏｎ」（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）、ゴア（Ｇｏｒｅ）社製の「Ｇｏｒｅ  Ｓｅｌｅｃｔ」（登録商標）等が挙げられる。イオン伝導性高分子電解質含有溶液中に含まれるイオン伝導性高分子電解質の濃度は、通常５〜６０重量％程度、好ましくは２０〜４０重量％程度である。
【００６４】
なお、本実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体の触媒層８上に導電性多孔質基材を配置して膜−電極接合体を形成し、セパレータを導電性多孔質基材上に配置し、導電性多孔質基材とセパレータとが電気的に接続されるようにセパレータで膜−電極接合体を挟持することによって、固体高分子形燃料電池が作製される。
【００６５】
本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態に開示された各構成を適宜組み合わせて得られる形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６６】
１    第１の支持体
２    第２の支持体
３    第３の支持体
４    第４の支持体
５    第５の支持体
７    電解質膜
８    触媒層
２１    一方面
２２    凹部
２３    底面
２４    開口部
２５    他方面
２６    溝部
【図２】
2015165470.tif 000003
【図３】
2015165470.tif 000004
【図５】
2015165470.tif 000005
【図９】
2015165470.tif 000006
【図１１】
2015165470.tif 000007
【図１】
2015165470.tif 000008
【図４】
2015165470.tif 000009
【図６】
2015165470.tif 000010
【図７】
2015165470.tif 000011
【図８】
2015165470.tif 000012
【図１０】
2015165470.tif 000013
【図１２】
2015165470.tif 000014