(57)【要約】【課題】拡散層の剥がれと発電量の低下を抑制できる燃料電池用膜電極接合体を提供する。【解決手段】高分子電解質膜１１１と、アノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３と、アノード触媒層上に外縁が揃うように設けられたアノードガス拡散層１１４と、カソード触媒層上に外縁が揃うように設けられたカソードガス拡散層１１５と、前記アノードガス拡散層上の外縁部又は前記カソードガス拡散層上の外縁部の少なくとも一方に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の補強層１１６，１１７と、を備える燃料電池用膜電極接合体１１において、前記補強層の内縁部と前記アノードガス拡散層上または前記カソードガス拡散層上の外縁部との重なる面積Ｓ１が、発電面積Ｓ０に対して３％〜１２％である。【選択図】  図２
2015050134.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の第１主面及び第２主面のそれぞれに設けられたアノード触媒層及びカソード触媒層と、
前記アノード触媒層と同じ外縁形状に形成され、当該アノード触媒層上に外縁が揃うように設けられたアノードガス拡散層と、
前記カソード触媒層と同じ外縁形状に形成され、当該カソード触媒層上に外縁が揃うように設けられたカソードガス拡散層と、
前記アノードガス拡散層上の外縁部又は前記カソードガス拡散層上の外縁部の少なくとも一方に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の補強層と、を備える燃料電池用膜電極接合体において、
前記補強層の内縁部と前記アノードガス拡散層上または前記カソードガス拡散層上の外縁部との重なる面積が、発電面積に対して３％〜１２％である燃料電池用膜電極接合体。
【請求項２】
前記補強層の厚さが、１２．５μｍ〜１２５μｍである請求項１に記載の燃料電池用膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の膜電極接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜及びこの電解質膜の両面に形成された触媒層を含む膜電極接合体と、膜電極接合体の両面に形成されたガス拡散層とを含む燃料電池において、膜電極接合体の周縁部の機械的強度を補強するために、膜電極接合体の周縁部とガス拡散層との間に額縁状補強フィルムを挟持し、触媒層と補強フィルムとを接着性ポリマーで接着したものが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−８０１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術のように膜電極接合体の周縁部とガス拡散層との間に額縁状補強フィルムを挟持すると、ガス拡散層の外周端部に補強フィルムの段差が生じるためガス拡散層の外周端部が剥がれるおそれがある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、拡散層の剥がれと発電量の低下を抑制できる燃料電池用膜電極接合体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の第１主面及び第２主面のそれぞれに設けられたアノード触媒層及びカソード触媒層と、前記アノード触媒層と同じ外縁形状に形成され、当該アノード触媒層上に外縁が揃うように設けられたアノードガス拡散層と、前記カソード触媒層と同じ外縁形状に形成され、当該カソード触媒層上に外縁が揃うように設けられたカソードガス拡散層と、前記アノードガス拡散層上の外縁部又は前記カソードガス拡散層上の外縁部の少なくとも一方に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の補強層と、を備える燃料電池用膜電極接合体において、前記補強層の内縁部と前記アノードガス拡散層上または前記カソードガス拡散層上の外縁部との重なる面積が、発電面積に対して３％〜１２％である燃料電池用膜電極接合体によって上記課題を解決する。
【０００７】
上記発明において、前記補強層の厚さが１２．５μｍ〜１２５μｍであることが好ましい。また、前記補強層を前記アノードガス拡散層上の外縁部及び前記カソードガス拡散層上の外縁部の両方にそれぞれ設けることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、補強層の内縁部とガス拡散層の外縁部との重なる面積が発電面積に対して３％以上あるので、補強層の内縁部によってガス拡散層の外縁部を充分に押さえて支持することができ、これによりガス拡散層の外縁部からの剥がれを抑制することができる。一方において、補強層の内縁部とガス拡散層の外縁部との重なる面積が発電面積に対して１２％以下であるので、補強層の内縁部によってガス拡散層の外縁部を覆っても、ガス拡散層の外縁部の近傍に供給された燃料は外縁に向かって十分に廻り込み、これにより発電量の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る膜電極接合体を適用した燃料電池を示す一部分解断面図である。
【図２】図１の膜電極接合体を示す拡大断面図及び平面図である。
【図３】図１の膜電極接合体の製造方法の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明の一実施の形態に係る燃料電池１は、メタノールを燃料として発電するダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）であり、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-electrode assembly）１１と、膜電極接合体１１を挟む板状のアノードセパレータ１４およびカソードセパレータ１５と、アノードセパレータ１４の外側の表面に設けられたアノード集電体１２及びカソードセパレータ１５の外側の表面に設けられたカソード集電体１３と、アノードセパレータ１４の内側に設けられたガスケット１８及びカソードセパレータ１５の内側に設けられたガスケット１９と、を備える。なお、図１は、膜電極接合体１１を挟んで組み立てる前の状態のアノードセパレータ１４及びカソードセパレータ１５を示し、この状態からアノードセパレータ１４とカソードセパレータ１５が膜電極接合体１１を挟んだ状態で組み付けられる。また図１は単電池の構成を示すが、要求起電力に応じてこの単電池を複数積層した燃料電池を構成してもよい。
【００１１】
本例の膜電極接合体１１は、水素イオン（陽イオン）伝導性を有する高分子電解質膜１１１と、アノード触媒層１１２と、カソード触媒層１１３と、アノードガス拡散層１１４と、カソードガス拡散層１１５とを含む。アノード触媒層１１２とアノードガス拡散層１１４がアノード（燃料極）を構成し、カソード触媒層１１３とカソードガス拡散層１１５がカソード（空気極）を構成する。
【００１２】
高分子電解質膜１１１は、矩形、円形、楕円形、多角形など燃料電池の外形形状に応じた適宜の形状とされ、アノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３は、高分子電解質膜１１１の外縁より小さい外縁を有する、矩形、円形、楕円形、多角形など適宜の形状とされている。また本例のアノードガス拡散層１１４及びカソードガス拡散層１１５は、図１，２に示すように、それぞれアノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３の各外縁形状と同じ外縁形状とされ、アノード触媒層１１２とアノードガス拡散層１１４は互いの外縁が揃うように積層され、同様にカソード触媒層１１３とカソードガス拡散層１１５は互いの外縁が揃うように積層されている。
【００１３】
高分子電解質膜１１１としては、特に限定されるものではなく、通常の高分子電解質形燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。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（商品名，登録商標）、旭化成（株）製のＡｃｉｐｌｅｘ（商品名，登録商標）、旭硝子(株)社製のＦｌｅｍｉｏｎ（商品名，登録商標）などを使用することができる。高分子電解質膜１１１の厚さは特に限定されないが、通常２５〜２５０μｍである。
【００１４】
アノード触媒層１１２およびカソード触媒層１１３は、例えば白金系の金属触媒などの電極触媒と、当該電極触媒を担持する導電性炭素粒子（カーボン粉末）と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とで構成されている。これらアノード触媒層１１２およびカソード触媒層１１３の厚さは特に限定されないが、通常５〜５０μｍである。
【００１５】
アノード触媒層１１２およびカソード触媒層１１３における担体である導電性炭素粒子としては、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料を用いるのが好ましく、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバーおよびカーボンチューブなどを使用することができる。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、サーマルブラックおよびアセチレンブラックなどが挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理および賦活処理することによって得ることができる。
【００１６】
アノード触媒層１１２およびカソード触媒層１１３における電極触媒としては、白金または白金合金を用いるのが好ましい。白金合金としては、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、亜鉛およ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のが好ましい。特にアノード触媒層１１２にあっては、中間生成物である一酸化炭素が白金触媒を被毒する問題があるため、耐一酸化炭素被毒性を有するルテニウムなどを含むことが望ましい。また、上記白金合金には、白金と上記金属との金属間化合物が含有されていてもよい。さらに、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒を混合して得られる電極触媒混合物を用いてもよく、アノード側とカソード側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。
【００１７】
アノード触媒層１１２およびカソード触媒層１１３に含有されて、上記触媒担持粒子に付着させる上記高分子電解質としては、高分子電解質膜１１１を構成する高分子電解質を用いることができる。アノード触媒層１１２およびカソード触媒層１１３ならびに高分子電解質膜１１１を構成する高分子電解質は、同じ種類であっても、異なる種類であってもよい。例えば、上述した米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（商品名，登録商標）、旭化成（株）製のＡｃｉｐｌｅｘ（商品名，登録商標）、旭硝子(株)社製のＦｌｅｍｉｏｎ（商品名，登録商標）などを使用することができる。
【００１８】
アノード触媒層１１２およびカソード触媒層１１３における高分子電解質は、触媒担持粒子を被覆し、３次元に水素イオン伝導経路を確保するために、アノード触媒層１１２およびカソード触媒層１１３を構成する触媒担持粒子の質量に比例した量で、アノード触媒層１１２およびカソード触媒層１１３に含まれていることが好ましい。具体的には、アノード触媒層１１２およびカソード触媒層１１３に含まれる高分子電解質の質量は、触媒担持粒子質量に対して０．２倍以上、２．０倍以下であることが望ましい。この範囲であれば、高い電池出力を得ることができる。上述のように高分子電解質の質量が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、２．０倍以下であると、フラッディングの回避が可能であり、より高い電池出力を実現することができる。
【００１９】
アノードガス拡散層１１４およびカソードガス拡散層１１５は、それぞれアノード触媒層１１２およびカソード触媒層１１３の上側に配置され、アノードセパレータ１４およびカソードセパレータ１５のアノード流路１６及びカソード流路１７から流入したメタノールや酸素（空気）をアノード触媒層１１２およびカソード触媒層１１３効率よく導く機能と導電性があれば特に限定されず、当該分野において公知の種々のガス拡散層を用いることができる。これらのガス拡散層１１４，１１５を構成する基材としては、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、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、導電性多孔質基材を用いることができる。また、排水性を向上させるために、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代表とする撥水性材料（高分子）を上記基材の内部に分散させて、上記基材は撥水処理を施してもよい。さらに、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料で上記基材を構成してもよい。なお、カソード側およびアノード側において同じガス拡散層を用いても異なるガス拡散層を用いてもよい。アノードガス拡散層１１４およびカソードガス拡散層１１５の厚さは特に限定されないが、通常１００〜５００μｍである。
【００２０】
一対のアノードセパレータ１４およびカソードセパレータ１５は、膜電極接合体１１の外形形状に応じた適宜の外形形状とされ、膜電極接合体１１の外側に配置されて、膜電極接合体１１を機械的に固定するための導電性を有する部材である。アノードセパレータ１４のうちの膜電極接合体１１と接触する面には、アノードに燃料であるメタノールを供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質を反応場から外部に運び去るためのアノード流路１６が形成され、同様に、カソードセパレータ１５のうちの膜電極接合体１１と接触する面には、カソードに酸素（空気）を供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質を反応場から外部に運び去るためのカソード流路１７が形成されている。
【００２１】
こうしたアノード流路１６およびカソード流路１７は、図示はしないが、それぞれアノードセパレータ１４およびカソードセパレータ１５の表面に常法により溝を設けることによって形成されている。特に制限されるものではないが、アノード流路１６およびカソード流路１７は、例えば複数の直線状溝部と、隣接する直線状溝部を上流から下流へと連結する複数のターン状溝部とで構成されたサーペンタイン形状を有する。
【００２２】
ガスケット１８，１９は、アノードセパレータ１４及びカソードセパレータ１５の外形形状に応じた形状とされ、枠状（額縁状）又は環状であり、単電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部へのリーク防止や混合を防止するため、それぞれアノードおよびカソード（特にアノードガス拡散層１１４およびカソードガス拡散層１１５）の周囲に配置される。図１に示すように、ガスケット１８の内縁は、アノード触媒層１１２の外縁及びアノードガス拡散層１１４の外縁より外側であって、高分子電解質膜１１１の外縁より内側に位置する大きさとされている。同様にガスケット１９の内縁は、カソード触媒層１１３の外縁及びカソードガス拡散層１１５の外縁より外側であって、高分子電解質膜１１１の外縁より内側に位置する大きさとされている。ガスケット１８，１９の内縁部がガス拡散層１１４，１１５に重なると、その部分のみ過大な厚さになり、燃料漏れの原因となるからである。またガスケット１８，１９の内縁が高分子電解質膜１１１より外側であると、厚さが足りずに燃料漏れの原因となるからである。このようなガスケット１８，１９としては、ゴムなどの当該分野で公知のものを用いることができる。
【００２３】
アノード集電体１２及びカソード集電体１３としては、導電性を有する、たとえば厚さ１〜３ｍｍの金属板（銅板など）に３〜４μｍの金コーティングが施されたものを用いることができる。アノード集電体１２は導電性を有するアノードセパレータ１４の外側の表面に設けられ、カソード集電体１３は導電性を有するカソードセパレータ１５の外側の表面に設けられる。なお、燃料電池１の組立完成状態において、アノード集電体１２は電力負荷の陰極（マイナス）に接続され、カソード集電体１３は電力負荷の陽極（プラス）に接続されて燃料電池１からの電力が電力負荷に供給される。
【００２４】
以上のように構成された燃料電池１において、上述したアノードセパレータ１４のアノード流路１６入口にメタノールを供給し、カソードセパレータ１５のカソード流路１７の入口に空気を供給すると、アノードにおいては、
［数１］
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
という酸化反応が生じ、カソードにおいては、
［数２］
１／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ
という還元反応が生じる。これによりアノードとカソードとの間に電流が流れることになる。
【００２５】
さて、本例の膜電極接合体１１は、膜電極接合体１１の機械的強度を高めるために、アノードガス拡散層１１４の上面の外縁部に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の第１補強層１１６を有し、カソードガス拡散層１１５の上面の外縁部に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の第２補強層１１７を有する。なお、膜電極接合体１１の機械的強度を高めるためには第１補強層１１６及び第２補強層１１７の両方を備えることが好ましいが、本発明の膜電極接合体としては少なくともいずれか一方を備えればよい。
【００２６】
本例の第１補強層１１６及び第２補強層１１７は、所望の剛性を有する材料であれば特に限定されない。たとえばポリエチレンテレフタレートＰＥＴ、ポリエチレンナフタレートＰＥＮ、ポリテトラフルオロエチレンＰＴＦＥなどからなるフィルムを用いることができるが、耐熱性、剛性、コスト、接着性などの総合的観点からポリエチレンテレフタレートＰＥＴ、ポリエチレンナフタレートＰＥＮを用いることがより好ましい。
【００２７】
本例の第１補強層１１６及び第２補強層１１７の一主面（図１，２の互いに対向する主面）には、接着剤が塗布されている。この接着剤としては、高分子電解質膜１１１及びガス拡散層１１４，１１５との間において、ホットプレス機などを用いた加熱加圧による接着が可能であり、且つ燃料電池１の作動温度範囲において接着性が確保できるものであれば特に限定されない。たとえば、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂を主成分とする接着剤を用いることができる。なお、後述するとおり第１補強層１１６及び第２補強層１１７は、接着剤の反応温度にて熱プレスにより接着されるため、接着剤の反応温度よりも高い融点を有する材料であることが必要とされる。
【００２８】
特に本例の額縁状第１補強層１１６は、その内縁部１１６Ａがアノードガス拡散層１１４の外縁部１１４Ａに重なるように積層され、これら重なり合った面積Ｓ１が、発電面積Ｓ０に対して３％〜１２％（＝Ｓ１／Ｓ０）となるように設けられている。同様に、額縁状第２補強層１１７は、その内縁部１１７Ａがカソードガス拡散層１１５の外縁部１１５Ａに重なるように積層され、これら重なり合った面積Ｓ１が、発電面積Ｓ０に対して３％〜１２％（＝Ｓ１／Ｓ０）となるように設けられている。第１補強層１１６とアノードガス拡散層１１４との重なり条件と、第２補強層１１７とカソードガス拡散層１１５との重なり条件は同じであるため、第１補強層１１６とアノードガス拡散層１１４との関係を、図２を参照しながら説明する。
【００２９】
本例にいう発電面積とは、既述したアノードにおける酸化反応とカソードにおける還元反応が有効に生じ得る面積であり、アノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３それぞれの面積である。これに対して、第１補強層１１６の内縁部１１６Ａとアノードガス拡散層１１４の外縁部１１４Ａとが重なり合った面積Ｓ１とは、図２の下図（平面図）に示すように、アノードガス拡散層１１４の面積Ｓ２から第１補強層１１６の内縁が構成する矩形状開口部の面積Ｓ３を減算した面積（Ｓ１＝Ｓ２−Ｓ３）である。
【００３０】
本例の膜電極接合体１１のように、アノードガス拡散層１１４の上面に第１補強層１１６を重ねると当該アノードガス拡散層１１４の外縁からの剥がれが抑制される一方、アノードガス拡散層１１４の外縁部１１４Ａの上面が第１補強層１１６にて覆われるため見かけ上の発電面積Ｓ０が減少することになる。しかしながら、アノードガス拡散層１１４の外縁部１１４Ａに導入されたメタノールや酸素は当該アノードガス拡散層１１４の拡散作用によってアノード触媒層１１２の外縁まで廻り込んで到達するので、本発明者らはこの重なり面積を適切な値に設定することでアノードガス拡散層１１４の剥がれ防止と発電量低下防止の両立を図れることを知見した。
【００３１】
すなわち、第１補強層１１６の内縁部１１６Ａとアノードガス拡散層１１４の外縁部１１４Ａとが重なり合った面積Ｓ１を発電面積Ｓ０の３％以上に設定すれば、アノードガス拡散層１１４の剥がれが有効に防止できる一方、第１補強層１１６の内縁部１１６Ａとアノードガス拡散層１１４の外縁部１１４Ａとが重なり合った面積Ｓ１を発電面積Ｓ０の１２％以下に設定すれば、第１補強層１１６を設けないものと同等の発電量が得られ、第１補強層１１６を設けることによる発電量の低下を防止することができる。なお、第２補強層１１７とカソードガス拡散層１１５との重なり条件についても同様である。
【００３２】
第１補強層１１６及び第２補強層１１７の厚さは、接着剤を含めて１２．５〜１２５μｍであることが好ましい。第１補強層１１６及び第２補強層１１７の厚さが１２．５μｍ未満であっても膜電極接合体１１の機械的強度を向上させるといった目的は達成できるが、折れ易いという欠点があり作業性が損なわれる。また１２５μｍを超えると、第１補強層１１６及び第２補強層１１７の各内縁に生じる段差が大きくなるので、第１補強層１１６にあってはアノード触媒層１１２及びアノードガス拡散層１１４の端部に空洞が発生し、第２補強層１１７にあってはカソード触媒層１１３及びカソードガス拡散層１１５の端部に空洞が発生し、起電力が低下する可能性がある。
【００３３】
本例の第１補強層１１６及び第２補強層１１７の外縁部は、高分子電解質膜１１１の端部を覆うように延在し、両補強層１１６，１１７が貼り合わされている。これにより、高分子電解質膜１１１、触媒層１１３，１１４及びガス拡散層１１５，１１６を含めた膜電極接合体１１の機械的強度が向上する。なお、本発明の膜電極接合体にあっては第１補強層１１６及び第２補強層１１７の少なくとも一方を備えれば機械的強度の向上の目的は達成できるが、補強層１１６，１１７とガス拡散層１１５，１１６及び高分子電解質膜１１１との貼り合わせは、基本的に異種材料の貼り合わせであることから、動作温度に応じて反りが生じる可能性がある、したがって、本例のように第１補強層１１６及び第２補強層１１７の両方を設けることが最も好ましい。
【００３４】
次に本例の膜電極接合体１１の製造方法について説明する。図３は、ホットプレス機を用いて本例の膜電極接合体１１を製造する工程を説明するための断面図である。ホットプレス機５は、位置が固定された第１熱盤５１と、当該第１熱盤５１に対して加圧シリンダ５５によって上下移動する第２熱盤５２とを備え、第１熱盤５１及び第２熱盤５２はそれぞれ熱源に接続されて所望の温度に加熱されるように構成されている。
【００３５】
本例の膜電極接合体１１は、治具５３にセットされたのちこの治具５３がホットプレス機５にセットされる。治具５３は、四隅に位置決め固定用ピン５４が設けられ、一方、高分子電解質膜１１１、第１補強層１１６及び第２補強層１１７の四隅には位置決め固定用ピン５４のそれぞれに対応した位置に位置決め固定用孔１１１ｈ，１１６ｈ，１１７ｈが形成されている。
【００３６】
本例の膜電極接合体１１を製造するに際し、予め高分子電解質膜１１１の両主面の所定位置にアノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３を形成する。これは、高分子電解質膜１１１の両主面に、アノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３を構成する材料をスプレー塗装し、乾燥することにより行うことができる。またこれに代えて、高分子電解質膜１１１の両主面に、アノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３を熱転写することにより行うこともできる。
【００３７】
ホットプレス機５の治具５３に対しては、膜電極接合体１１を構成する各層の積層順にセットする。すなわち、第２補強層１１７の４つの位置決め固定用孔１１７ｈを治具５３の４つの位置決め固定用ピン５４に挿入しながら治具５３に載置し、次いで第２補強層１１７の内縁の開口部を位置決め基準にしてカソードガス拡散層１１５を第２補強層１１７の上に載置する。
【００３８】
以下においても同様であるが、位置決め固定用ピン５４と位置決め固定用孔１１１ｈ，１１６ｈ，１１７ｈとの位置合わせを用いないで、第２補強層１１７の内縁の開口部を位置決め基準にしてカソードガス拡散層１１５を第２補強層１１７の上に載置するには、固定カメラによって治具５３に載置された第２補強層１１７と、次にセットしようとしているカソードガス拡散層１１５を撮影し、第２補強層１１７の開口部の画像位置に基づいてカソードガス拡散層１１５の画像位置を画像解析しながらロボットなどを制御し、所定位置になるようにカソードガス拡散層１１５を第２補強層１１７の上に載置すればよい。
【００３９】
次いで、両主面にアノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３が設けられた高分子電解質膜１１１の４つの位置決め固定用孔１１１ｈを治具５３の４つの位置決め固定用ピン５４に挿入しながら治具５３に載置する。次いで、アノード触媒層１１２を位置決め基準にしてアノードガス拡散層１１４をアノード触媒層１１２の上に載置する。このセットは固定カメラを用いた画像解析により行うことができる。次いで、第１補強層１１６の４つの位置決め固定用孔１１６を治具５３の４つの位置決め固定用ピン５４に挿入しながら治具５３に載置する。
【００４０】
なお、必要に応じてアノード集電体１２及びカソード集電体１３を一体成形してもよい。この場合は、上述した第２補強層１１７とカソードガス拡散層１１５との間にカソード集電体１３をセットし、アノードガス拡散層１１４と第１補強層１１６との間にアノード集電体１２をセットすればよい。
【００４１】
以上のようにして膜電極接合体１１を構成する各層を治具５３にセットしたら、これをホットプレス機５にセットし、第１熱盤５１及び第２熱盤５２を所定温度に加熱したのち加圧シリンダ５５を駆動して第２熱盤５２を下降し、所定圧を所定時間だけ印加する。これにより、第１補強層１１６及び第２補強層１１７に形成された接着剤が反応して両補強層１１６，１１７が強固に接着することになる。またこれにより、両主面にアノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３が設けられた高分子電解質膜１１１とガス拡散層１１４，１１５も強固に接着されることになる。
【００４２】
以下、本発明をさらに具体化した実施例と、当該実施例に対する比較例を挙げて本発明を説明する。ただし、以下の実施例の数値や材質などの諸条件は本発明の単なる一例であって本発明を何ら限定するものではない。
【００４３】
《実施例１》
高分子電解質膜１１１として、縦２００ｍｍ、横２００ｍｍ、厚さ１２５μｍの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（米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（商品名，登録商標））を用い、
アノード触媒層１１２として、縦１４６ｍｍ、横１２８ｍｍ、厚さ４０μｍの白金・ルテニウム触媒（田中貴金属社製ＴＥＣ６６Ｅ５０，白金・ルテニウム担持量５０重量％）を用い、
カソード触媒１１３として、縦１４６ｍｍ、横１２８ｍｍ、厚さ２０μｍの白金触媒（田中貴金属社製ＴＥＣ１０Ｅ７０ＴＰＭ，白金担持量７０重量％）を用い、
アノードガス拡散層１１４及びカソードガス拡散層１１５として、縦１４６ｍｍ、横１２８ｍｍ、厚さ２３５μｍの黒鉛繊維不織布（ＭＦＣテクノロジー社製カーボンファイバペーパＳＩＧＲＡＣＥＴ  ＧＤＬ２５ＢＣ）を用い、
第１補強層１１６及び第２補強層１１７として、外縁の縦２１０ｍｍ、外縁の横２１０ｍｍ、内縁の縦１４０ｍｍ、内縁の横１２３ｍｍ、厚さ２５μｍのポリエチレンナフタレートフィルム（帝人デュポンフィルム社製テオネックス）を用いた。本例の発電面積は、縦１４６ｍｍ×横１２８ｍｍ＝１８６８８ｍｍ２、第１補強層１１６（又は第２補強層１１７）の内縁部とアノードガス拡散層１１４（又はカソードガス拡散層１１５）の外縁部との重なり合った面積は１４６８ｍｍ２、その面積割合は８％であった。
【００４４】
まず高分子電解質膜１１１の両主面に、アノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３をスプレー塗装し、乾燥させた。そして、図３に示すように第２補強層１１７、カソードガス拡散層１１５、アノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３が形成された高分子電解質膜１１１、アノードガス拡散層１１４、第１補強層１１６の順で積層し、ホットプレス機５を用いて、温度１３０℃、圧力３ＭＰａで５分間の加熱加圧処理を行った。
【００４５】
こうして得られた膜電極接合体１１を目視観察し、ガス拡散層１１４，１１５の剥がれの有無を確認した。また得られた膜電極接合体１１を用いて燃料電池１を組み立て、その際の作業性として把持したときに膜電極接合体１１に折れが生じるか否かを確認した。さらに組み立てられた燃料電池にメタノールと空気を供給して動作試験を行い、単電池の起電力を測定した。この結果を表１に示す。
【００４６】
《実施例２〜５》
実施例１における第１補強層１１６及び第２補強層１１７の内縁の縦の寸法と横の寸法を変えて、第１補強層１１６及び第２補強層１１７の内縁部とアノードガス拡散層１１４及びカソードガス拡散層１１５の外縁部との重なり合った面積の面積割合を，３％，５％，１０％，１２％としたこと以外は実施例１と同じ条件で膜電極接合体１１を作製し、同じ評価を行った。これらの結果を表１に示す。
【００４７】
《比較例１》
実施例１〜５の比較例として、実施例１の第１補強層１１６及び第２補強層１１７を省略したこと以外は実施例１と同じ条件で膜電極接合体１１を作製し、同じ評価を行った。この結果を表１に示す。
【００４８】
《比較例２〜４》
実施例１〜５の比較例として、実施例１における第１補強層１１６及び第２補強層１１７の内縁の縦の寸法と横の寸法を変えて、第１補強層１１６及び第２補強層１１７の内縁部とアノードガス拡散層１１４及びカソードガス拡散層１１５の外縁部との重なり合った面積の面積割合を、１％，２％，１５％としたこと以外は実施例１と同じ条件で膜電極接合体１１を作製し、同じ評価を行った。これらの結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
2015050134.tif 000003
【００５０】
《考察１》
実施例１〜５及び比較例１〜４の結果から、補強層１１６，１１７を省略した比較例１においてはガス拡散層１１４，１１５がほぼ全周にわたって剥がれが発生し、また補強層１１６，１１７とガス拡散層１１４，１１５との重なる面積割合が２％以下の比較例２，３においても一部においてガス拡散層１１４，１１５の剥がれが発生した。またこの面積割合が１５％以上の比較例４においては剥がれの不具合は発生しなかったが単電池の起電力が比較例１の補強層１１６，１１７のないものに比べて８８％にまで低下した。
【００５１】
これに対して、補強層１１６，１１７とガス拡散層１１４，１１５との重なる面積割合が３％〜１２％である実施例１〜５の膜電極接合体１１にあっては、ガス拡散層１１４，１１５の剥がれは何ら観察されなかった。また起電力についても、最小の実施例５でも、補強層１１６，１１７のない比較例１に比べて９６％にまでしか低下しなかった。
【００５２】
《実施例６〜１０》
実施例１における第１補強層１１６及び第２補強層１１７の厚さ寸法を１２．５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍにそれぞれ変えたこと以外は実施例１と同じ条件で膜電極接合体１１を作製し、同じ評価を行った。これらの結果を実施例１とともに表２に示す。
【００５３】
《比較例５〜７》
実施例１，６〜１０の比較例として、実施例１における第１補強層１１６及び第２補強層１１７の厚さ寸法を１０μｍ、１８８μｍ、２５０にそれぞれ変えたこと以外は実施例１と同じ条件で膜電極接合体１１を作製し、同じ評価を行った。これらの結果を実施例１とともに表２に示す。
【００５４】
【表２】
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【００５５】
《考察２》
実施例１，６〜１０及び比較例５〜７の結果から、補強層１１６，１１７の厚さが１０μｍと薄い比較例５にあっては膜電極接合体１１を把持すると折れ曲がって形状が安定せず、その後の組立作業性が著しく悪かった。また補強層１１６，１１７の厚さが１８８μｍ以上になると、膜電極接合体１１の作業性は良好であるものの、単電池の起電力が比較例１の補強層１１６，１１７のないものに比べて、比較例６では９０％、比較例７では７６％にまで低下した。
【００５６】
これに対して、補強層１１６，１１７の厚さ寸法が１２．５μｍ〜１２５μｍである実施例１，６〜１０の膜電極接合体１１にあっては、膜電極接合体１１の作業性は良好で、しかも単電池の起電力についても、最小の実施例１０でも、補強層１１６，１１７のない比較例１に比べて９９％にまでしか低下しなかった。
【符号の説明】
【００５７】
１…燃料電池
１１…膜電極接合体
１１１…高分子電解質膜
１１２…アノード触媒層（燃料極）
１１３…カソード触媒層（空気極）
１１４…アノードガス拡散層
１１５…カソードガス拡散層
１１６…第１補強層
１１７…第２補強層
１２…アノード集電体
１３…カソード集電体
１４…アノードセパレータ
１５…カソードセパレータ
１６…アノード流路
１７…カソード流路
１８，１９…ガスケット
５…ホットプレス機
５１…第１熱盤
５２…第２熱盤
５３…治具
５４…位置決め固定用ピン
５５…加圧シリンダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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