(57)【要約】【課題】燃料電池において、固体高分子膜からなる電解質膜の良好なプロトン伝導を確保しつつ、該電解質膜が劣化することを回避する。【解決手段】燃料電池となる単位セル１０ａは、電解質膜・電極構造体１８ａの外周を囲繞する樹脂製枠体２８を有する。例えば、電解質膜・電極構造体１８ａを構成するカソード電極１４の第１ガス拡散層２０及び第１電極触媒層２２と前記樹脂製枠体２８、第１電極触媒層２２と電解質膜１２、電解質膜１２とアノード電極１６の第２電極触媒層２６とは、接着剤４６を介して接合される。この接着剤４６は、過酸化水素又はラジカルの少なくともいずれかを分解可能なクエンチャ４８を含有する。【選択図】図１
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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アノード電極とカソード電極の間に介装した電解質膜・電極構造体を具備する燃料電池において、
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、反応ガスが供給されるガス拡散層と、前記電解質膜に隣接する電極触媒層とを有し、
前記電解質膜・電極構造体の外周を囲繞する樹脂製枠体又は樹脂製フィルムを有し、
前記電解質膜・電極構造体の外周と、前記樹脂製枠体又は前記樹脂製フィルムとが、過酸化水素又はラジカルの少なくともいずれかを分解可能なクエンチャを含有する接着剤によって接合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、前記クエンチャを含有した前記接着剤が、前記アノード電極の前記ガス拡散層、前記電極触媒層、前記カソード電極の前記ガス拡散層、前記電極触媒層、又は前記電解質膜の少なくともいずれかの端部と、前記樹脂製枠体又は前記樹脂製フィルムとの間に介在した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、前記接着剤の重量を１００重量部とするとき、前記クエンチャを０．１〜３０重量部含有することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記接着剤がホットメルトシートであることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極の間に介装した電解質膜・電極構造体を具備する燃料電池において、
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、反応ガスが供給されるガス拡散層と、前記電解質膜に隣接する電極触媒層とを有し、
前記電解質膜の外周端部と、前記アノード電極又は前記カソード電極の少なくともいずれかとが、過酸化水素又はラジカルの少なくともいずれかを分解可能なクエンチャを含有する接着剤によって接合されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池において、前記接着剤の重量を１００重量部とするとき、前記クエンチャを０．１〜３０重量部含有することを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項５又は６記載の燃料電池において、前記接着剤がホットメルトシートであることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極の間に介装した電解質膜・電極構造体を具備する燃料電池において、
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、反応ガスが供給されるガス拡散層と、前記電解質膜に隣接する電極触媒層とを有し、
前記アノード電極又は前記カソード電極の少なくともいずれかの前記電極触媒層の外周端部と前記ガス拡散層とが、過酸化水素又はラジカルの少なくともいずれかを分解可能なクエンチャを含有する接着剤によって接合されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池において、前記接着剤の重量を１００重量部とするとき、前記クエンチャを０．１〜３０重量部含有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の燃料電池において、前記接着剤がホットメルトシートであることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池において、さらに、前記ガス拡散層の外周端部と前記電解質膜の外周端部が前記クエンチャを含有する前記接着剤によって接合されてい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、固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極の間に介装した電解質膜・電極構造体を具備する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体１の概略水平断面図である。この電解質膜・電極構造体１は、プロトン伝導体である固体高分子膜からなる電解質膜２をカソード電極３とアノード電極４で挟持して構成される。なお、カソード電極３は第１ガス拡散層５と第１電極触媒層６を有し、アノード電極４も同様に、第２ガス拡散層７と第２電極触媒層８を有する。
【０００３】
この種の燃料電池には、運転（発電）を継続すると前記電解質膜２が劣化してしまうという不具合がある。この劣化は、カソード電極３及びアノード電極４にて電極反応が起こる際に不可避的に副生する過酸化水素やヒドロキシラジカルによって、電解質膜２が攻撃されるためであると考えられている。
【０００４】
この不具合を回避するべく、特許文献１に記載されるように、電解質膜に対し、過酸化水素ないしヒドロキシラジカルを分解可能なクエンチャを添加することが広汎に行われている。なお、クエンチャは、上記の機能から「耐ラジカル剤」（特許文献２参照）、又は「過酸化物分解触媒」（特許文献３参照）等と指称されることもある。
【０００５】
特許文献４においては、電解質膜とセパレータとの間をシールするシール部材が劣化することに刮目し、これを回避するべく、シール部材にクエンチャを配置して、電極の端部近傍に滞留した生成水に含まれる過酸化水素を分解するようにしている。なお、この場合、クエンチャは、シール部材の表面に付着されるか、又は、シール部材に含有される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−９９９９９号公報（特に段落［００１４］参照）
【特許文献２】特開２０１０−１３８２５２号公報（特に段落［００３４］参照）
【特許文献３】特許第４４５１１５４号公報（特に段落［００２５］参照）
【特許文献４】特開２００５−２６７９０４号公報（特に段落［００２１］参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電解質膜２は、上記したようにプロトン伝導体であるが、クエンチャはプロトン伝導には寄与しない。このため、特許文献１〜３に記載されるように電解質膜２にクエンチャを添加すると、プロトン伝導を妨げる一因となる。従って、クエンチャの添加量を限定せざるを得ず、その結果として、電解質膜２の劣化を抑制する効果にも限りがある。
【０００８】
また、電解質膜２の劣化は、図９において一点鎖線で囲繞して示すように、電極３、４の外周端部との界面で特に顕著である。このため、シール部材にクエンチャを配置したとしても、当該部位の劣化を回避することは容易ではない。
【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、電解質膜の良好なプロトン伝導を確保しながら、該電解質膜が劣化することを有効に回避し得る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】
前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極の間に介装した電解質膜・電極構造体を具備する燃料電池において、
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、反応ガスが供給されるガス拡散層と、前記電解質膜に隣接する電極触媒層とを有し、
前記電解質膜・電極構造体の外周を囲繞する樹脂製枠体又は樹脂製フィルムを有し、
前記電解質膜・電極構造体の外周と、前記樹脂製枠体又は前記樹脂製フィルムとが、過酸化水素又はラジカルの少なくともいずれかを分解可能なクエンチャを含有する接着剤によって接合されていることを特徴とする。
【００１１】
この場合、電解質膜・電極構造体の外周にクエンチャが存在することになる。従って、電解質膜にクエンチャを添加する必要は特になく、添加したとしても、プロトン伝導が阻害されることのない少量とすることが可能である。このため、電解質膜に良好なプロトン伝導が発現する。
【００１２】
しかも、電解質膜・電極構造体の外周近傍にクエンチャが存在するので、過酸化水素又はラジカルの少なくともいずれかが速やかに分解される。これにより、電解質膜の外周端部が劣化することが回避される。
【００１３】
以上のような理由から、電解質膜の良好なプロトン伝導を確保しつつ、該電解質膜が劣化することを回避することができる。
【００１４】
なお、クエンチャを含有した接着剤は、例えば、アノード電極のガス拡散層もしくは電極触媒層、カソード電極のガス拡散層もしくは電極触媒層、又は電解質膜の少なくともいずれかの端部と、前記樹脂製枠体又は前記樹脂製フィルムとの間に介在させればよい。
【００１５】
電解質膜と、アノード電極又はカソード電極の少なくともいずれかとを、クエンチャを含有する接着剤で接合するようにしてもよい。すなわち、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極の間に介装した電解質膜・電極構造体を具備する燃料電池において、
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、反応ガスが供給されるガス拡散層と、前記電解質膜に隣接する電極触媒層とを有し、
前記電解質膜の外周端部と、前記アノード電極又は前記カソード電極の少なくともいずれかとが、過酸化水素又はラジカルの少なくともいずれかを分解可能なクエンチャを含有する接着剤によって接合されていることを特徴とする。
【００１６】
又は、アノード電極を構成するガス拡散層と電極触媒層、カソード電極を構成するガス拡散層と電極触媒層の少なくともいずれかを、クエンチャを含有する接着剤で接合するようにしてもよい。すなわち、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極の間に介装した電解質膜・電極構造体を具備する燃料電池において、
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、反応ガスが供給されるガス拡散層と、前記電解質膜に隣接する電極触媒層とを有し、
前記アノード電極又は前記カソード電極の少なくともいずれかの前記電極触媒層の外周端部と前記ガス拡散層とが、過酸化水素又はラジカルの少なくともいずれかを分解可能なクエンチャを含有する接着剤によって接合されていることを特徴とする。
【００１７】
この場合、ガス拡散層の外周端部と電解質膜の外周端部を、クエンチャを含有する前記接着剤によって接合するようにしてもよい。
【００１８】
このような場合においても、上記と同様に、電解質膜に良好なプロトン伝導を発現させながら、該電解質膜が劣化することを回避することができる。
【００１９】
なお、接着剤に対するクエンチャの好適な添加割合は、接着剤の重量を１００重量部とするとき、０．１〜３０重量部である。０．１重量部未満であるとクエンチャとしての効果が十分ではなく、３０重量部を超えると、接着剤の相対的な割合が小さくなるので、接着能力が小さくなる傾向がある。０．１〜２０重量部が一層好ましく、１〜１０重量部が特に好ましい。
【００２０】
いずれの場合においても、ホットメルトシートを接着剤として採用することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、過酸化水素又はラジカルの少なくともいずれかを分解可能なクエンチャを電解質膜以外の箇所に配置するようにしているので、電解質膜にクエンチャを添加する必要がなく、添加したとしても、プロトン伝導が阻害されることのない少量に設定することができる。このため、電解質膜に良好なプロトン伝導が発現する。
【００２２】
また、クエンチャが過酸化水素又はラジカルの少なくともいずれかを速やかに分解するので、電解質膜が劣化することを回避することが容易である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池を構成する単位セルの概略水平断面図である。
【図２】図１の単位セルを得るまでの概略フロー図である。
【図３】第１実施形態の変形例に係る燃料電池を構成する単位セルの概略水平断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る燃料電池を構成する単位セルの概略水平断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る燃料電池を構成する単位セルの概略水平断面図である。
【図６】図５の単位セルを得るまでの概略フロー図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る燃料電池を構成する単位セルの概略水平断面図である。
【図８】図７の単位セルを得るまでの概略フロー図である。
【図９】燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の概略水平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
図１は、第１実施形態に係る燃料電池を構成する単位セル１０ａの概略水平断面図である。この単位セル１０ａは、固体高分子膜からなる電解質膜１２をカソード電極１４とアノード電極１６の間に介装した電解質膜・電極構造体１８ａを具備する。
【００２６】
カソード電極１４は、圧縮空気等の酸化剤ガス（反応ガス）が供給される第１ガス拡散層２０と、電解質膜１２に隣接する第１電極触媒層２２とを有する。一方、アノード電極１６は、水素等の燃料ガス（反応ガス）が供給される第２ガス拡散層２４と、電解質膜１２に隣接する第２電極触媒層２６とを有する。アノード電極１６及びカソード電極１４のこのような構成は周知であり、従って、その詳細な説明は省略する。
【００２７】
この場合、カソード電極１４の第１ガス拡散層２０及び第１電極触媒層２２は同一寸法・同一面積に設定される。従って、第１ガス拡散層２０と第１電極触媒層２２は、互いの外周端が合致するように積層・接合される。
【００２８】
アノード電極１６も同様に、第２ガス拡散層２４及び第２電極触媒層２６が同一寸法・同一面積に設定され、従って、互いの外周端が合致するように積層・接合される。ただし、第２ガス拡散層２４及び第２電極触媒層２６は、第１ガス拡散層２０及び第１電極触媒層２２に比して大面積である。
【００２９】
また、電解質膜１２は、アノード電極１６と同一寸法・同一面積に設定される。このため、電解質膜１２の外周端部は、カソード電極１４の外周端部から突出する。
【００３０】
以上のように構成される電解質膜・電極構造体１８ａは、電気的絶縁性を示す材料、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＰＡ（ポリフタルアミド）等で構成される樹脂製枠体２８に形成された収容開口３０に収容される。従って、電解質膜・電極構造体１８ａの外周が樹脂製枠体２８の内壁に囲繞された状態となる。ここで、図１中の参照符号２８ａは、樹脂製枠体２８を構成する樹脂材が第２ガス拡散層２４に含浸することで形成された含浸部位を示す。
【００３１】
樹脂製枠体２８には、カソード電極１４がアノード電極１６に比して小面積であることに対応し、段部３２が設けられる。すなわち、段部３２は、その上端面が、電解質膜１２におけるカソード電極１４から突出した外周端部に対向するように配置される。一方、電解質膜１２及びアノード電極１６の外周は、収容開口３０の内壁に当接する。
【００３２】
電解質膜・電極構造体１８ａと樹脂製枠体２８は、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６の間に介装される。これにより、単位セル１０ａが構成される。
【００３３】
第１セパレータ３４には、カソード電極１４に臨む端面に酸化剤ガス流路３８が形成される。同様に、第２セパレータ３６には、アノード電極１６に臨む端面に燃料ガス流路４０が形成される。
【００３４】
そして、樹脂製枠体２８と第２セパレータ３６との間、及び第１セパレータ３４と第２セパレータ３６の間には、反応ガスが漏洩することを防止するためのシール４２、４４が設けられる。
【００３５】
さらに、この場合、カソード電極１４を構成する第１電極触媒層２２の外周端部と電解質膜１２、カソード電極１４の外周端面（外壁）と樹脂製枠体２８の段部３２、アノード電極１６を構成する第２電極触媒層２６の外周端部と電解質膜１２、第２電極触媒層２６の外周端面（外壁）と樹脂製枠体２８が、接着剤４６を介して接合されている。
【００３６】
接着剤４６は、特に限定されるものではなく、例えば、一般的な高分子系接着剤を用いることができる。具体的には、シリコーン系接着剤、エポキシ系接着剤、合成ゴム系接着剤、フッ素ゴム系接着剤、フェノール系接着剤、アクリル系接着剤、水性アクリル系接着剤、エステル系（繊維系エステル系、変性エステル系）接着剤、変性アルキド系接着剤等が挙げられる。
【００３７】
この接着剤４６には、過酸化水素又はラジカルの少なくともいずれかを分解可能なクエンチャ４８が粒子として添加されている。クエンチャ４８は、このような機能を営む物質であれば特に限定されるものではないが、例えば、金属、金属酸化物、金属フッ化物、金属リン酸塩、大環状金属錯体等が挙げられる。金属としてはＲｕ、Ａｇ、Ｃｅ、Ｍｎ等、金属酸化物としては、ＲｕＯ2、ＷＯ3、ＣｅＯ2、ＭｎＯ2、Ｆｅ3Ｏ4等、金属フッ化物としてはＣｅＦ3、ＦｅＦ3等、金属リン酸塩としてはＣｅＰＯ4、ＣｒＰＯ4、ＡｌＰＯ4、ＦｅＰＯ4等、大環状金属錯体としてはＦｅ−ポルフィリン、Ｃｏ−ポルフィリン、ヘム、カタラーゼ等が好適である。これらの物質の中から選定した一種を単独で用いるか、又は二種以上を併用すればよい。特に、過酸化水素やラジカルの分解性能が高いという理由から、ＣｅＯ2、ＲｕＯ2、ＣｅＰＯ4を用いることが好ましい。
【００３８】
クエンチャ４８を含有した接着剤４６は、後述するように、例えば、塗布済の接着剤４６に対してクエンチャ４８となる粒子を散布することによって得られる。又は、塗布前の接着剤４６に対してクエンチャ４８を添加し、ボールミルやスターラ等の適切な撹拌手段によって５〜１５分程度撹拌するようにしてもよい。なお、クエンチャ４８が接着剤４６中に均一に分散する必要は特にない。
【００３９】
ここで、クエンチャ４８は、接着剤４６の重量を１００重量部とするとき、０．１〜３０重量部の割合で添加すればよい。０．１重量部未満であると、過酸化水素又はラジカルの少なくともいずれかを分解し得る量が少なくなる。また、３０重量部よりも多いと、接着剤４６の割合が相対的に少なくなるので、接着能力が小さくなる傾向がある。クエンチャ４８の割合は０．１〜２０重量部が一層好ましく、１〜１０重量部が特に好ましい。
【００４０】
燃料電池は、通常、上記の単位セル１０ａが複数個積層され、スタックとして構成される。
【００４１】
第１実施形態に係る燃料電池は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につき説明する。
【００４２】
この燃料電池を運転するに際しては、第１セパレータ３４の酸化剤ガス流路３８に酸化剤ガス（例えば、圧縮空気）が供給されるとともに、第２セパレータ３６の燃料ガス流路４０に燃料ガス（例えば、水素）が供給される。
【００４３】
燃料ガスは、アノード電極１６の第２ガス拡散層２４を拡散しながら通過し、第２電極触媒層２６に到達してプロトンと電子に電離する（アノード反応）。プロトンは、電解質膜１２中を移動してカソード電極１４の第１電極触媒層２２に到達する。
【００４４】
ここで、第１実施形態においては、クエンチャ４８は電解質膜１２に添加されていないか、添加されているとしても、プロトン伝導を妨げない程度の少量である。従って、プロトンは、電解質膜１２を効率よく移動する。
【００４５】
燃料ガス中の水素は、アノード電極１６の第２ガス拡散層２４を拡散しながら通過し、第２電極触媒層２６を透過した後、水素分子として電解質膜１２を透過する。すなわち、カソード電極１４の第１電極触媒層２２に到達し、この際、過酸化水素やラジカルが不可避的に副生すると考えられる。
【００４６】
さらに、酸素が電解質膜１２を透過してアノード電極１６に到達するような場合には、アノード電極１６においても、酸素によって過酸化水素やラジカルが副生すると考えられる。
【００４７】
上記の反応は、発電状態であるか非発電状態であるかに関わらず起こり得る。
【００４８】
第１実施形態では、上記したように第１電極触媒層２２の外周端部と電解質膜１２との間、カソード電極１４の外周端面と樹脂製枠体２８の段部３２との間、第２電極触媒層２６の外周端部と電解質膜１２との間、アノード電極１６の外周端面と樹脂製枠体２８の収容開口３０の内壁との間に、クエンチャ４８を含有した接着剤４６が配置されている。電極反応で副生した過酸化水素やラジカルの少なくともいずれか、好ましくは双方は、このクエンチャ４８により分解される。
【００４９】
このため、電解質膜１２が過酸化水素ないしラジカルから攻撃を受けることが回避される。その結果、電解質膜１２が劣化することを回避することができる。特に、第１実施形態では、第１電極触媒層２２の外周端部と電解質膜１２との間、第２電極触媒層２６の外周端部と電解質膜１２との間にクエンチャ４８を含有した接着剤４６が存在するので、電解質膜１２の外周端部が優先的に劣化することを回避することが容易となる。
【００５０】
すなわち、第１実施形態によれば、電解質膜１２の良好なプロトン伝導を確保しながら、該電解質膜１２（特に外周端部）が劣化することを有効に回避することが可能となる。
【００５１】
この燃料電池は、以下のようにして作製することができる。
【００５２】
先ず、第１電極触媒層２２又は第２電極触媒層２６となる触媒層用ペーストを調製する。すなわち、例えば、白金又は白金合金を担持した炭素材、白金ブラック、白金合金等の触媒粒子と、電解質を蒸留水等の適切な溶媒に添加し、ボールミル、ビーズミル、超音波ホモジナイザ等を用いて撹拌する。
【００５３】
次に、第１ガス拡散層２０又は第２ガス拡散層２４となる基材（例えば、カーボンペーパー等）の一端面に前記触媒層用ペーストを塗布する。この際には、インクジェット印刷やスプレー塗布等の公知の手法を実施すればよい。この触媒層用ペーストを乾燥することにより、図２（ａ）に示すように、第１電極触媒層２２又は第２電極触媒層２６が形成され、これにより、カソード電極１４及びアノード電極１６が構成される。
【００５４】
その一方で、図２（ｂ）に示すように、上記したような高分子系接着剤等からなる接着剤４６を、カソード電極１４の第１電極触媒層２２の外周端部、アノード電極１６の第２電極触媒層２６の外周端部にそれぞれ塗布する。
【００５５】
さらに、塗布済の接着剤４６に対してクエンチャ４８となる物質の粒子、例えば、セリアを散布する。散布に際しては、接着剤４６以外の箇所をマスクし、接着剤４６以外の箇所にクエンチャ４８が散布されないようにすることが好ましい。
【００５６】
この散布により、図２（ｃ）に示すように、クエンチャ４８を含有した接着剤４６が得られる。
【００５７】
次に、図２（ｄ）に示すように、第１電極触媒層２２と第２電極触媒層２６との間に電解質膜１２を挟み、この状態でホットプレス等を行ってカソード電極１４、電解質膜１２及びアノード電極１６を圧着する。その結果、図２（ｅ）に示すように、下方から第１ガス拡散層２０、第１電極触媒層２２、電解質膜１２、第２電極触媒層２６及び第２ガス拡散層２４がこの順序で配列された電解質膜・電極構造体１８ａが得られる。この時点で、クエンチャ４８を含有した接着剤４６は、第１電極触媒層２２と電解質膜１２との間、及び電解質膜１２と第２電極触媒層２６との間に介在する。また、電解質膜１２におけるカソード電極１４を臨む側の面の外周端部がカソード電極１４から突出する。
【００５８】
一方、樹脂製枠体２８の段部３２の上端面にも、図２（ｆ）に示すように接着剤４６を塗布した後、該接着剤４６に対してクエンチャ４８を散布する。これにより、図２（ｇ）に示すように、段部３２の上端面に、クエンチャ４８を含有した接着剤４６が配置された状態となる。
【００５９】
その後、収容開口３０に対して電解質膜・電極構造体１８ａを挿入すると、図２（ｈ）に示すように、段部３２の上端面に、カソード電極１４から突出した電解質膜１２の外周端部が載置される。これにより段部３２の上端面に塗布されていた接着剤４６が押圧されて流動し、段部３２の側部とカソード電極１４の外周との間のクリアランスに流入する。
【００６０】
勿論、収容開口３０に対して電解質膜・電極構造体１８ａを挿入した後、段部３２の側部とカソード電極１４の外壁との間のクリアランスに接着剤４６を導入するようにしてもよい。
【００６１】
次に、ホットプレス等を行うことで樹脂製枠体２８に予め設けられた突部５０を加熱・加圧すると、該突部５０が軟化して流動し、第２ガス拡散層２４に浸透する。この状態で第２ガス拡散層２４中に浸透した軟化樹脂を硬化させることにより、図２（ｉ）に示すように、電解質膜・電極構造体１８ａが樹脂製枠体２８に接合一体化される。必要に応じ、接着剤４６に対して熱処理を施すようにしてもよい。
【００６２】
さらに、シール４２、４４が設けられた第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６によって電解質膜・電極構造体１８ａ及び樹脂製枠体２８を挟持することにより、図１に示す単位セル１０ａが得られるに至る。この単位セル１０ａを燃料電池とするようにしてもよいし、複数個積層してスタックとするようにしてもよい。
【００６３】
クエンチャ４８を含有した接着剤４６は、接着剤４６に対してクエンチャ４８となる物質の粒子を添加・混合することによって得るようにしてもよい。この場合、上記したような高分子系接着剤等に対し、クエンチャ４８となる物質の粒子、例えば、セリアを添加する。この際には、上記したように接着剤４６を１００重量部とするとき、クエンチャ４８を０．１〜３０重量部とすることが好ましい。その後、ボールミルやスターラ等によって５〜１５分程度撹拌する。
【００６４】
このようにして得たクエンチャ４８を含有した接着剤４６を、図２（ｃ）に示すように、カソード電極１４の第１電極触媒層２２の外周端部、アノード電極１６の第２電極触媒層２６の外周端部にそれぞれ塗布すればよい。樹脂製枠体２８の段部３２の上端面にも同様にしてクエンチャ４８を含有した接着剤４６を塗布すれば、図２（ｇ）に示す状態となる。
【００６５】
接着剤４６はホットメルトシートであってもよい。ホットメルトシートは、常温ではシート体であるので、シート体を適切な寸法に切り出して第１電極触媒層２２、第２電極触媒層２６、及び樹脂製枠体２８の段部３２の上端面に載置すればよい。これにより、図２（ｂ）、（ｆ）に示す状態と略同様の状態となる。
【００６６】
その後、ホットメルトシートに対し、クエンチャ４８となる物質（例えば、セリア）の粒子を散布する。
【００６７】
次に、第１電極触媒層２２と第２電極触媒層２６との間に電解質膜１２を挟み、この状態でホットプレス等を行ってカソード電極１４、電解質膜１２及びアノード電極１６を圧着する。これにより、図２（ｅ）に示す電解質膜・電極構造体１８ａが得られる。
【００６８】
この電解質膜・電極構造体１８ａを、樹脂製枠体２８の収容開口３０に対して挿入し、図２（ｈ）に示すように、段部３２の上端面に、カソード電極１４から突出した電解質膜１２の外周端部を載置する。以降は上記と同様の作業を行うことにより、単位セル１０ａが構成される。
【００６９】
高分子系接着剤、ホットメルトシートのいずれを用いるにしても、第１電極触媒層２２、第２電極触媒層２６に塗布（又は配置）することに代替し、電解質膜１２に塗布（又は配置）するようにしてもよい。同様に、樹脂製枠体２８の段部３２の上端面に接着剤４６、ホットメルトシートを塗布（又は配置）することに代替し、電解質膜１２におけるカソード電極１４から突出した外周端部に塗布（又は配置）するようにしてもよい。
【００７０】
さらに、図３に示すように、樹脂製枠体２８に代替して樹脂製フィルムを設けるようにしてもよい。
【００７１】
なお、図３に示す燃料電池（単位セル１０ｂ）では、カソード電極１４、アノード電極１６、電解質膜１２の順で面積が大きくなっている。このため、電解質膜１２の外周端部は、カソード電極１４及びアノード電極１６の双方から突出する。その突出面積は、カソード電極１４側が大である。従って、第１ガス拡散層２０の外周を囲繞する第１フィルム６０（樹脂製フィルム）は、第２電極触媒層２６及び第２ガス拡散層２４の外周を囲繞する第２フィルム６２（樹脂製フィルム）に比して幅広に設定されている。図３中の参照符号６２ａは、上記２８ａと同様に含浸部位を示す。
【００７２】
この単位セル１０ｂにおいては、第１電極触媒層２２の外周端部と電解質膜１２、第１フィルム６０と電解質膜１２の外周端部、電解質膜１２と第２電極触媒層２６の外周端部、及び電解質膜１２と第２フィルム６２が、それぞれ、接着剤４６を介して接合されている。
【００７３】
この単位セル１０ｂの電解質膜・電極構造体１８ｂは、図２に示すフローに準じて作製することができる。すなわち、例えば、クエンチャ４８を含有した接着剤４６が外周端部に塗布された第１電極触媒層２２及び第２電極触媒層２６を電解質膜１２に対してホットプレス等で圧着し、その後、クエンチャ４８を含有した接着剤４６が一端面に塗布された第１フィルム６０及び第２フィルム６２を電解質膜１２に対してホットプレス等で圧着すればよい。
【００７４】
クエンチャ４８を含有した接着剤４６を得るには、上記と同様に、塗布された接着剤４６に対してクエンチャ４８を散布するか、又は、クエンチャ４８を予め添加すればよい。
【００７５】
なお、第１ガス拡散層２０と第１電極触媒層２２との間、又は第２ガス拡散層２４と第２電極触媒層２６との間の少なくともいずれかに、多孔質層（Micro Porous Layer，ＭＰＬ）を介装することも可能である。
【００７６】
次に、第２実施形態に係る燃料電池につき、図４を参照して説明する。なお、図１〜図３に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００７７】
図４から諒解されるように、この燃料電池（単位セル１０ｃ）は、樹脂製枠体２８又は樹脂製フィルム（第１フィルム６０、第２フィルム６２）を具備しない構成とされている。さらに、カソード電極１４においては、第１ガス拡散層２０の面積が第１電極触媒層２２に比して大面積に設定されている。また、電解質膜１２は第１ガス拡散層２０と同一寸法・面積に設定されており、このため、第１ガス拡散層２０の外周端部と電解質膜１２の外周端部が対向する。
【００７８】
一方、アノード電極１６においては、第２電極触媒層２６と第２ガス拡散層２４が同一寸法・面積に設定される。また、第２電極触媒層２６及び第２ガス拡散層２４の面積は、第１電極触媒層２２よりも大きく、且つ第１ガス拡散層２０よりも小さい。このため、電解質膜１２の外周端部は、アノード電極１６から突出する。
【００７９】
さらに、アノード電極１６から突出した電解質膜１２の外周端部と第２セパレータ３６との間、第１セパレータ３４と第２セパレータ３６との間にシール４２、４４が設けられる。
【００８０】
この単位セル１０ｃでは、第１電極触媒層２２の外周端部と電解質膜１２、第１ガス拡散層２０の外周端部と電解質膜１２、電解質膜１２と第２電極触媒層２６の外周端部が、クエンチャ４８を含有する接着剤４６を介して接合されている。このため、第１実施形態に係る燃料電池（単位セル１０ａ）と同様に、不可避的に副生した過酸化水素やラジカルがクエンチャ４８の作用下に分解されるので、電解質膜１２の良好なプロトン伝導を確保しながら、該電解質膜１２（特に外周端部）が劣化することを有効に回避することができる。
【００８１】
単位セル１０ｃの電解質膜・電極構造体１８ｃは、第１ガス拡散層２０又は第２ガス拡散層２４となる基材（例えば、カーボンペーパー等）の一端面に前記触媒層用ペーストを塗布することでカソード電極１４及びアノード電極１６を構成した後、第１電極触媒層２２、第２電極触媒層２６及び第１ガス拡散層２０の各外周端部にクエンチャ４８を含有した接着剤４６を塗布するか、電解質膜１２の外周端部にクエンチャ４８を含有した接着剤４６を塗布し、さらに、カソード電極１４、電解質膜１２、アノード電極１６の順に積層した状態でホットプレス等により圧着を行うことで作製することができる。
【００８２】
クエンチャ４８を含有した接着剤４６を得るには、上記と同様に、塗布された接着剤４６に対してクエンチャ４８を散布するか、又は、クエンチャ４８を予め添加すればよい。
【００８３】
次に、第３実施形態に係る燃料電池につき、図５を参照して説明する。なお、図１〜図４に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００８４】
第３実施形態に係る燃料電池（単位セル１０ｄ）のカソード電極１４では、第１ガス拡散層２０の面積が第１電極触媒層２２に比して大面積に設定されている。また、電解質膜１２は第１ガス拡散層２０と同一寸法・面積に設定されており、このため、第１ガス拡散層２０の外周端部と電解質膜１２の外周端部が対向する。
【００８５】
アノード電極１６においても同様に、第２ガス拡散層２４の面積が第２電極触媒層２６に比して大面積に設定されている。このため、第２ガス拡散層２４の外周端部と電解質膜１２の外周端部が対向する。ただし、第２ガス拡散層２４の面積は電解質膜１２よりも小さく、このため、電解質膜１２の外周端部はアノード電極１６から突出する。また、第２ガス拡散層２４の面積は第１ガス拡散層２０よりも小さく、且つ第２電極触媒層２６の面積は第１電極触媒層２２よりも大である。
【００８６】
さらに、第２実施形態に係る燃料電池（単位セル１０ｃ）と同様に、アノード電極１６から突出した電解質膜１２の外周端部と第２セパレータ３６との間、第１セパレータ３４と第２セパレータ３６との間にシール４２、４４が設けられる。
【００８７】
この単位セル１０ｄでは、第１ガス拡散層２０と第１電極触媒層２２、第１ガス拡散層２０と電解質膜１２、第２電極触媒層２６と第２ガス拡散層２４、電解質膜１２と第２ガス拡散層２４が、クエンチャ４８を含有する接着剤４６を介して接合されている。この場合においても、第１実施形態に係る燃料電池（単位セル１０ａ、１０ｂ）、第２実施形態に係る燃料電池（単位セル１０ｃ）と同様に、不可避的に副生した過酸化水素やラジカルがクエンチャ４８の作用下に分解される。従って、電解質膜１２の良好なプロトン伝導を確保しながら、該電解質膜１２（特に外周端部）が劣化することを有効に回避することができる。
【００８８】
単位セル１０ｄの電解質膜・電極構造体１８ｄを得るには、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、第１ガス拡散層２０又は第２ガス拡散層２４となる基材（例えば、カーボンペーパー等）の一端面の外周端部に接着剤４６を塗布する。その後、接着剤４６に対してクエンチャ４８を散布する。これにより、図６（ｃ）に示すように、接着剤４６がクエンチャ４８を含有した状態となる。
【００８９】
その一方で、図６（ｄ）、（ｅ）に示すように、電解質膜１２に対して第１電極触媒層２２及び第２電極触媒層２６を設ける。このためには、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のシート体上に触媒層用ペーストを塗布した後に乾燥させることで第１電極触媒層２２、第２電極触媒層２６を形成し、これを電解質膜１２に転写すればよい。又は、電解質膜１２に対して触媒層用ペーストを塗布するようにしてもよい。
【００９０】
さらに、図６（ｆ）に示すように、第１ガス拡散層２０を第１電極触媒層２２側に配置するとともに第２ガス拡散層２４を第２電極触媒層２６側に配置して積層し、ホットプレス等により圧着を行う。これにより第１ガス拡散層２０上に第１電極触媒層２２が重畳されてカソード電極１４が構成されると同時に第２電極触媒層２６上に第２ガス拡散層２４が重畳されてアノード電極１６が構成され、電解質膜・電極構造体１８ｄが得られるに至る。
【００９１】
次に、第４実施形態に係る燃料電池につき、図７を参照して説明する。なお、図１〜図６に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００９２】
第４実施形態に係る燃料電池（単位セル１０ｅ）のカソード電極１４では、第１ガス拡散層２０の面積が第１電極触媒層２２に比して大面積に設定されている。また、電解質膜１２は第１ガス拡散層２０と同一寸法・面積に設定されており、このため、第１ガス拡散層２０の外周端部と電解質膜１２の外周端部が対向する。
【００９３】
一方、アノード電極１６においては、第２電極触媒層２６と第２ガス拡散層２４が同一寸法・面積に設定される。また、第２電極触媒層２６及び第２ガス拡散層２４の面積は、第１電極触媒層２２よりも大きく、且つ第１ガス拡散層２０よりも小さい。このため、電解質膜１２の外周端部は、アノード電極１６から突出する。
【００９４】
そして、アノード電極１６から突出した電解質膜１２の外周端部と第２セパレータ３６との間、第１セパレータ３４と第２セパレータ３６との間にシール４２、４４が設けられる。
【００９５】
この単位セル１０ｅでは、第１ガス拡散層２０と第１電極触媒層２２、第１ガス拡散層２０と電解質膜１２、電解質膜１２と第２電極触媒層２６が、クエンチャ４８を含有する接着剤４６を介して接合されている。この構成においても、第１〜第３実施形態に係る各燃料電池（単位セル１０ａ〜１０ｄ）と同様に、不可避的に副生した過酸化水素やラジカルがクエンチャ４８の作用下に分解される。その結果、電解質膜１２の良好なプロトン伝導を確保しながら、該電解質膜１２（特に外周端部）が劣化することを有効に回避することができる。
【００９６】
単位セル１０ｅの電解質膜・電極構造体１８ｅを得るには、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、第１ガス拡散層２０となる基材（例えば、カーボンペーパー等）の一端面の外周端部に接着剤４６を塗布する。その後、接着剤４６に対してクエンチャ４８を散布する。これにより、図８（ｃ）に示すように、接着剤４６がクエンチャ４８を含有した状態となる。
【００９７】
その一方で、図８（ｄ）、（ｅ）に示すように、電解質膜１２に対して第１電極触媒層２２を設ける。このためには、上記と同様に、ＰＴＦＥ等からなるシート体上に触媒層用ペーストを塗布した後に乾燥させることで第１電極触媒層２２を形成し、これを電解質膜１２に転写すればよい。又は、電解質膜１２に対して触媒層用ペーストを塗布するようにしてもよい。
【００９８】
さらに、図８（ｆ）に示すように、第２ガス拡散層２４となる基材（例えば、カーボンペーパー等）の一端面に塗布された前記触媒層用ペーストを乾燥し、第２電極触媒層２６とする。これにより、アノード電極１６が構成される。
【００９９】
次に、図８（ｇ）に示すように、第２電極触媒層２６の外周端部に接着剤４６を塗布した後、接着剤４６に対してクエンチャ４８を散布する。これにより、図８（ｈ）に示すように、接着剤４６がクエンチャ４８を含有した状態となる。
【０１００】
さらに、図８（ｉ）に示すように、第１ガス拡散層２０を第１電極触媒層２２側に配置するとともに、アノード電極１６を、第２電極触媒層２６が電解質膜１２に臨む向きに配置して積層し、ホットプレス等により圧着を行う。これにより、電解質膜・電極構造体１８ｅが得られるに至る。
【０１０１】
勿論、第２〜第４実施形態においても、接着剤４６としてホットメルトシートを用いるようにしてもよい。また、第１ガス拡散層２０と第１電極触媒層２２との間、又は第２ガス拡散層２４と第２電極触媒層２６との間の少なくともいずれかに、多孔質層（ＭＰＬ）を介装することも可能である。
【０１０２】
本発明は、上記した第１〜第４実施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。
【０１０３】
例えば、いずれの実施形態においても、カソード電極１４とアノード電極１６の寸法・面積を同一とすることができる。また、カソード電極１４がアノード電極１６よりも大寸法・大面積であってもよい。さらに、カソード電極１４を構成する第１ガス拡散層２０及び第１電極触媒層２２、アノード電極１６を構成する第２ガス拡散層２４及び第２電極触媒層２６の寸法及び面積の大小についても適宜に設定することができる。
【０１０４】
電解質膜１２についても同様に、カソード電極１４又はアノード電極１６の少なくともいずれか一方又は双方の寸法・面積と同一とするようにしてもよいし、カソード電極１４、アノード電極１６及び電解質膜１２の寸法・面積を全て相違させるようにしてもよい。
【０１０５】
また、第１電極触媒層２２と第２電極触媒層２６は同一の触媒層用ペーストから形成する必要は特になく、例えば、触媒の担持量が互いに相違する出発原料を用いて触媒層用ペーストを個別に調製し、単位面積当たりの触媒量が互いに相違する第１電極触媒層２２と第２電極触媒層２６を形成するようにしてもよい。
【０１０６】
さらに、接着剤４６及びクエンチャ４８を介して樹脂製枠体２８（又は樹脂製フィルム）に接着する層は、ガス拡散層２０、２４、電極触媒層２２、２６、電解質膜１２等から適宜に選定することができる。
【符号の説明】
【０１０７】
１、１８ａ〜１８ｅ…電解質膜・電極構造体    ２、１２…電解質膜
３、１４…カソード電極                      ４、１６…アノード電極
５、２０…第１ガス拡散層                    ６、２２…第１電極触媒層
７、２４…第２ガス拡散層                    ８、２６…第２電極触媒層
１０ａ〜１０ｅ…単位セル                    ２８…樹脂製枠体
３４…第１セパレータ                        ３６…第２セパレータ
３８…酸化剤ガス流路                        ４０…燃料ガス流路
４２、４４…シール                          ４６…接着剤
４８…クエンチャ                            ６０…第１フィルム
６２…第２フィルム
【図１】
2015035357.tif 000003
【図２】
2015035357.tif 000004
【図３】
2015035357.tif 000005
【図４】
2015035357.tif 000006
【図５】
2015035357.tif 000007
【図６】
2015035357.tif 000008
【図７】
2015035357.tif 000009
【図８】
2015035357.tif 000010
【図９】
2015035357.tif 000011