(57)【要約】【課題】十分な特性を確保しかつ十分な膜電極接合体の補強が可能な高分子電解質形燃料電池を提供する。【解決手段】第１の触媒層、高分子電解質膜および第２の触媒層を含む膜触媒層接合体の周縁部において、高分子電解質膜の第１主面に枠状の第１補強膜を配置し、高分子電解質膜の外縁を第１触媒層の外縁および第２触媒層の外縁よりも外側に突出させ、第１補強膜の内縁を、第１触媒層と第１ガス拡散層との間に挿入させた構成とする。【選択図】図１
2008071542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の第１主面および第２主面にそれぞれ配置され、前記高分子電解質膜とともに膜触媒層接合体を構成する第１触媒層および第２触媒層と、
前記高分子電解質膜の前記第１主面に配置された枠状の第１補強膜と、
前記第１触媒層および前記第２触媒層上にそれぞれ配置された第１ガス拡散層および第２ガス拡散層と、を含み、
前記高分子電解質膜の外縁が前記第１触媒層の外縁および前記第２触媒層の外縁よりも外側に突出しており、
前記膜触媒層接合体において前記高分子電解質膜が突出して形成する周縁部に前記第１補強膜が配置されており、
前記第１補強膜の内縁が、前記第１触媒層と前記第１ガス拡散層との間に挿入されていること、
を特徴とする高分子電解質形燃料電池。
【請求項２】
前記高分子電解質膜の前記第２主面に配置された枠状の第２補強膜を含み、
前記膜触媒層接合体において前記高分子電解質膜が突出して形成する周縁部に前記第２補強膜が配置されており、
前記第２補強膜の内縁が、前記第２触媒層と前記第２ガス拡散層との間に挿入されていること、
を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項３】
前記高分子電解質膜の外縁が前記第１補強膜の外縁と略一致していること、
を特徴とする請求項１または２に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項４】
前記高分子電解質膜の外縁が前記第２補強膜の外縁と略一致していること、
を特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項５】
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と；前記高分子電解質膜の第１主面および第２主面にそれぞれ配置され、前記高分子電解質膜とともに膜触媒層接合体を構成する第１触媒層および第２触媒層と；前記高分子電解質膜の前記第１主面および前記第２主面にそれぞれ配置された枠状の第１補強膜および第２補強体のうちの少なくとも一方と；前記第１触媒層および前記第２触媒層上にそれぞれ配置された第１ガス拡散層および第２ガス拡散層と；を含み、前記高分子電解質膜の外縁が前記第１触媒層の外縁および前記第２触媒層の外縁よりも外側に突出しており、前記膜触媒層接合体において前記高分子電解質膜が突出して形成する周縁部に前記第１補強膜および前記第２補強膜のうちの少なくとも一方が配置されており、前記第１補強膜および前記第２補強膜のうちの少なくとも一方の内縁が、それぞれ前記第１触媒層と前記第１ガス拡散層との間および前記第２触媒層と前記第２ガス拡散層との間のうちの少なくとも一方に挿入されている、高分子電解質形燃料電池の製造方法であって、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜の第１主面および第２主面に、それぞれ第１触媒層および第２触媒層を配置し、前記高分子電解質膜の外縁が前記第１触媒層の外縁および前記第２触媒層の外縁よりも外側に突出している膜触媒層接合体を形成する第１工程と、
前記膜触媒層接合体の周縁部において前記高分子電解質膜の前記第１主面に枠状の第１補強膜を配置し、膜触媒層補強膜接合体を形成する第２工程と、
前記膜触媒層補強膜接合体の前記第１触媒層および前記第２触媒層上に、それぞれ第１ガス拡散層および第２ガス拡散層を配置し、膜電極接合体を形成する第３工程と、を含み、
前記第１補強膜の内縁が、前記第１触媒層と前記第１ガス拡散層との間に挿入されるようにすること、
を特徴とする高分子電解質形燃料電池の製造方法。
【請求項６】
前記第２工程において、前記膜触媒層接合体の周縁部のうちの前記高分子電解質膜の前記第２主面に枠状の第２補強膜を配置すること、
を特徴とする請求項５に記載の高分子電解質形燃料電池の製造方法。
【請求項７】
前記高分子電解質膜の外縁が前記第１補強膜の外縁と略一致していること、
を特徴とする請求項５または６に記載の高分子電解質形燃料電池の製造方法。
【請求項８】
前記高分子電解質膜の外縁が前記第２補強膜の外縁と略一致していること、
を特徴とする請求項５〜７のうちのいずれかに記載の高分子電解質形燃料電池の製造方法。
【請求項９】
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と；前記高分子電解質膜の第１主面および第２主面にそれぞれ配置され、前記高分子電解質膜とともに膜触媒層接合体を構成する第１触媒層および第２触媒層と；前記高分子電解質膜の前記第１主面および前記第２主面にそれぞれ配置された枠状の第１補強膜および第２補強体のうちの少なくとも一方と；前記第１触媒層および前記第２触媒層上にそれぞれ配置された第１ガス拡散層および第２ガス拡散層と；を含み、前記高分子電解質膜の外縁が前記第１触媒層の外縁および前記第２触媒層の外縁よりも外側に突出しており、前記膜触媒層接合体において前記高分子電解質膜が突出して形成する周縁部に前記第１補強膜および前記第２補強膜のうちの少なくとも一方が配置されており、前記第１補強膜および前記第２補強膜のうちの少なくとも一方の内縁が、それぞれ前記第１触媒層と前記第１ガス拡散層との間および前記第２触媒層と前記第２ガス拡散層との間のうちの少なくとも一方に挿入されている、高分子電解質形燃料電池の製造方法であって、
第１ガス拡散層の一方の面に枠状の第１補強膜を配置し、第１ガス拡散層補強膜接合体を形成する第１工程と、
前記第１ガス拡散層補強膜接合体のうちの前記第１ガス拡散層および前記第１補強膜の上に、第１触媒層を形成する第２工程と、を含むこと、
を特徴とする高分子電解質形燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
前記第１工程において、第２ガス拡散層の第２主面に前記第２補強膜を配置し、第２ガス拡散層補強膜接合体を形成し、
前記第２工程の後に、第１ガス拡散層補強膜接合体と第２ガス拡散層補強膜接合体とを、前記高分子電解質膜を介して接合し、膜電極接合体を形成する第３工程を含むこと、
を特徴とする請求項９に記載の高分子電解質形燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
前記第３工程において、前記第１ガス拡散層補強膜接合体と前記第２ガス拡散層補強膜接合体との間に、前記高分子電解質膜の原料液をキャストして前記第１ガス拡散層補強膜接合体と前記第２ガス拡散層補強膜接合体とを接合すること、
を特徴とする請求項１０に記載の高分子電解質形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、高分子電解質形燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、高分子電解質形燃料電池を備える燃料電池発電システムの実用化に向けて様々な検討がなされている。例えば、高分子電解質形燃料電池は、電気自動車等の移動体用の発電システムや家庭用コジェネレーションシステムに用いることが検討されている。上記のような燃料電池発電システムを広く普及させるためには、高分子電解質形燃料電池を構成する部材の取り扱い性を向上させ、かつ低コスト化を実現することが重要な課題である。そして、このような課題を解決するため、高分子電解質形燃料電池に搭載される膜電極接合体のうちの、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜の補強を意図して、当該高分子電解質膜に補強膜を配置する技術が提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１〜３においては、ガスシール材と別に膜触媒層接合体の外周部に沿って補強膜を設置する方法が提案されている。まず、図５は、特許文献１における高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池の構成を示す概略断面図である。図５に示すように、高分子電解質膜１０１の両面に、高分子電解質膜１０１とほぼ同面積のアノード触媒層１０２ａおよびカソード触媒層１０２ｃと、アノードガス拡散電極１０３ａおよびカソードガス拡散電極１０３ｃと、がそれぞれ接合されて構成された膜電極接合体１１０と、膜電極接合体１１０の両面に配置されたアノードセパレータ１０５ａおよびカソードセパレータ１０５ｃとを含む単電池において、膜電極接合体１１０の少なくとも片面に、ガスシール材１０６ａ、１０６ｃとは別に、中心部に開口を有する額縁状の補強膜１０４ａ、１０４ｃが接合されている。補強膜１０４ａ、１０４ｃの外縁は、膜電極接合体１１０の外周よりはみ出ており、補強膜１０４ａ、１０４ｃの内縁は膜電極接合体１１０の外周の内側に配置されている。
【０００４】
次に、図６は、特許文献２における高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池の構成を示す概略断面図である。図６に示すように、特許文献２記載の単電池は、高分子電解質膜２０１と、アノード２０３ａおよびカソード２０３ｃの両電極と、補強膜２０４ａ、２０４ｃと、一対のガスシール部２０６ａ、２０６ｃと、一対の反応ガス供給板（セパレータ）２０５ａ、２０５ｃとを有し、アノード２０３ａおよびカソード２０３ｃの両電極は、高分子電解質膜２０１主面の外縁部を残して、高分子電解質膜２０１主面の中央部に高分子電解質膜２０１を挟んで対向して配置され、補強膜２０４ａ、２０４は高分子電解質膜２０１の二つの主面のうちの少なくとも一方の主面の電極周縁部と上記外縁部を被覆し、一対のガスシール部２０６ａ、２０６ｃは高分子電解質膜２０１の外縁部に対向して配置されている。
【０００５】
さらに、図７は、特許文献３における高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池の構成を示す概略断面図である。図７に示すように、特許文献３記載の単電池においては、イオン交換膜（高分子電解質膜）３０１の面積が、アノード触媒層３０２ａおよびカソード触媒層３０２ｃの面積ならびにアノードガス拡散層３０３ａおよびカソードガス拡散層３０３ｃの面積（すなわち触媒層とガス拡散層とで構成されるガス拡散電極の面積）よりも大きく、イオン交換膜３０１のガス拡散電極と接合されていない周囲部分が上下のガスケット３０６ａ、３０６ｃで挟み込まれている。そして、アノードガス拡散層３０３ａおよびカソードガス拡散層３０３ｃの周縁には、補助ガスケット３０９ａ、３０９ｃが設けられている。
【特許文献１】特開2004-47230号公報
【特許文献２】特許第3052536号明細書
【特許文献３】特開平7-220742号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１〜３において提案されている技術では、高分子電解質膜の十分な補強ができず未だ改善の余地があった。なかでも、特に特許文献１において提案されている技術では、膜触媒層接合体と補強膜とが重なる部分において、燃料ガスや酸化剤ガス等のガスが一方の電極から他方の電極へ流入（クロスオーバー）してしまうことを効果的に防止することができないという問題がある。クロスオーバーが起こると、電池電圧の低下を引き起こすだけではなく、触媒層中の触媒上において反応ガスとクロスオーバーガスとが反応（局所燃焼）し、高分子電解質膜が劣化するおそれがある。
【０００７】
また、特許文献２において提案されている技術においては、イオン交換膜を補強するという効果を十分なものにするため、イオン交換膜よりも硬い補強膜が用いられており、これにより上記補強膜の内縁がイオン交換膜に当たって当該イオン交換膜を損傷するおそれがある。
さらに、特許文献３において提案されている技術においては、膜電極接合体や単電池の組み立て時に生じる公差等に起因して補強膜と触媒層との間に少しでも隙間が形成されると、高分子電解質膜の一部が露出し、当該露出部分においてガス拡散層が高分子電解質膜に直接接触して当該高分子電解質膜に損傷を与えたり、燃料ガスや酸化剤ガス等のガスのクロスオーバーが起こり、上述のように、電池電圧の低下や高分子電解質膜の劣化を引き起こすおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明は、以上の観点に鑑みてなされたものであり、十分な特性を確保しかつ十分な膜電極接合体の補強が可能な高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。より具体的には、強度および取り扱い性に優れ、燃料ガスや酸化剤ガスのクロスオーバーをより確実に抑制することができ、電池電圧の低下や高分子電解質膜の損傷をより確実に低減することにより耐久性が十分に確保された、高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記のような高分子電解質形燃料電池を容易に得ることができる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】
【０００９】
本発明者らは、上記のような課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、高分子電解質膜および上記高分子電解質膜の両面に設けられた一対の触媒層で構成される膜触媒層接合体と、上記膜触媒層接合体を挟む一対のガス拡散層と、を備える高分子電解質形燃料電池において、上記膜触媒層接合体の少なくとも一方の面の側には、中心部に窓を開けた枠状（額縁状）の補強膜を設け、上記高分子電解質膜の外縁を触媒層の外縁よりも外側に突出させ、上記補強膜の内縁を上記触媒層と上記ガス拡散層との間に挿入すること（即ち、上記補強膜の内側の周縁部を前記触媒層の外側の周縁部より内側に配置すること）が、極めて有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、上記のような課題を解決すべく、本発明は、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、
高分子電解質膜の第１主面および第２主面にそれぞれ配置され、高分子電解質膜とともに膜触媒層接合体を構成する第１触媒層および第２触媒層と、
高分子電解質膜の第１主面に配置された枠状の第１補強膜と、
第１触媒層および第２触媒層上にそれぞれ配置された第１ガス拡散層および第２ガス拡散層と、を含み、
高分子電解質膜の外縁が第１触媒層の外縁および第２触媒層の外縁よりも外側に突出しており、
膜触媒層接合体において高分子電解質膜が突出して形成する周縁部に第１補強膜が配置されており、
第１補強膜の内縁が、第１触媒層と第１ガス拡散層との間に挿入されていること、を特徴とする高分子電解質形燃料電池を提供する。
【００１１】
このような構成によれば、取り扱い性および強度に優れ、かつ、一方の電極から他方の電極へのガスのクロスオーバーをより確実に抑制することができ、高分子電解質膜の劣化を抑制して耐久性を十分に確保した高分子電解質形燃料電池を実現することができる。
より具体的には、膜触媒層接合体の周縁部のうちの高分子電解質膜の第１主面に配置された枠状の第１補強膜によって、高分子電解質膜をより確実に補強することができる。また、高分子電解質膜の外縁が第１触媒層の外縁および第２触媒層の外縁よりも外側に突出していることから、ガスが高分子電解質膜を透過するクロスオーバーを上記第１補強膜によってより確実に抑制することができ、高分子電解質膜の劣化をより確実に抑制することができる。
【００１２】
さらに、上記のような構成によれば、電極の周縁部において、膜触媒層接合体の一部である高分子電解質膜と補強膜とが接合されるため、補強膜と膜触媒層接合体の接着強度を向上させることができ、触媒層が上記接合部分に重なって発電に寄与しない部分の面積を小さくし、発電に寄与しない触媒の割合を少なくすることができる。そして、補強膜を高分子電解質膜上に配置することによって、高分子電解質膜を接着剤として利用することができ、コンタミネーションになり得る接着剤を不要にすることができる。
【００１３】
また、第１補強膜の内縁が、第１触媒層と第１ガス拡散層との間に挿入されていることから、上記高分子電解質形燃料電池を作製する際に上記第１補強膜の位置合わせが容易となり、上記構造を有する高分子電解質形燃料電池をより容易かつ確実に作製することができる。また、高分子電解質膜上において第１触媒層と第１補強膜とが重なっていることにより、高分子電解質形燃料電池の作製時に高分子電解質膜が収縮したとしても、第１補強膜と第１触媒層との間に高分子電解質膜の露出部分が形成されず、イオン交換膜上で触媒層と補強膜とが重ならないように並置される上記特許文献３の場合のようなデメリットを回避することができる。即ち、上記露出部分が形成された場合と異なり、ガス拡散層が高分子電解質膜に直接接触して当該高分子電解質膜に損傷を与えることはなく、燃料ガスや酸化剤ガス等のガスのクロスオーバーをより確実に抑制することができ、電池電圧の低下や高分子電解質膜の劣化をより確実に抑制することができる。
【００１４】
また、本発明は、上記高分子電解質形燃料電池の製造方法をも提供する。即ち、本発明は、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と；高分子電解質膜の第１主面および第２主面にそれぞれ配置された第１触媒層および第２触媒層と；高分子電解質膜の第１主面および第２主面にそれぞれ配置された枠状の第１補強膜および第２補強体のうちの少なくとも一方と；第１触媒層および第２触媒層上にそれぞれ配置された第１ガス拡散層および第２ガス拡散層と；を含み、高分子電解質膜の外縁が第１触媒層の外縁および第２触媒層の外縁よりも外側に突出しており、膜触媒層接合体において高分子電解質膜が突出して形成する周縁部に第１補強膜および第２補強膜のうちの少なくとも一方が配置されており、第１補強膜および第２補強膜のうちの少なくとも一方の内縁が、それぞれ第１触媒層と第１ガス拡散層との間および第２触媒層と第２ガス拡散層との間のうちの少なくとも一方に挿入されている、高分子電解質形燃料電池の製造方法であって、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜の第１主面および第２主面に、それぞれ第１触媒層および第２触媒層を配置し、高分子電解質膜の外縁が第１触媒層の外縁および第２触媒層の外縁よりも外側に突出している膜触媒層接合体を形成する第１工程と、
膜触媒層接合体の周縁部において高分子電解質膜の第１主面に枠状の第１補強膜を配置し、膜触媒層補強膜接合体を形成する第２工程と、
膜触媒層補強膜接合体の第１触媒層および第２触媒層上に、それぞれ第１ガス拡散層および第２ガス拡散層を配置し、膜電極接合体を形成する第３工程と、を含み、
第１補強膜の内縁が、第１触媒層と第１ガス拡散層との間に挿入されるようにすること、
を特徴とする高分子電解質形燃料電池の製造方法を提供する。
【００１５】
このような構成によれば、上記のような本発明の高分子電解質形燃料電池をより容易に得ることができる。また、第１補強膜の内縁が、第１触媒層と第１ガス拡散層との間に挿入されていることから、上記高分子電解質形燃料電池を作製する際に上記第１補強膜の位置合わせが容易となり、上記構造を有する高分子電解質形燃料電池をより容易かつ確実に作製することができる。
【００１６】
さらに、本発明は、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と；高分子電解質膜の第１主面および第２主面にそれぞれ配置され、高分子電解質膜とともに膜触媒層接合体を構成する第１触媒層および第２触媒層と；高分子電解質膜の第１主面および第２主面にそれぞれ配置された枠状の第１補強膜および第２補強体のうちの少なくとも一方と；第１触媒層および第２触媒層上にそれぞれ配置された第１ガス拡散層および第２ガス拡散層と；を含み、高分子電解質膜の外縁が第１触媒層の外縁および第２触媒層の外縁よりも外側に突出しており、膜触媒層接合体において高分子電解質膜が突出して形成する周縁部に第１補強膜および第２補強膜のうちの少なくとも一方が配置されており、第１補強膜および第２補強膜のうちの少なくとも一方の内縁が、第１触媒層と第１ガス拡散層との間および第２触媒層と第２ガス拡散層との間のうちの少なくとも一方に挿入されている、高分子電解質形燃料電池の製造方法であって、
第１ガス拡散層の一方の面に枠状の第１補強膜を配置し、第１ガス拡散層補強膜接合体を形成する第１工程と、
第１ガス拡散層補強膜接合体のうちの第１ガス拡散層および第１補強膜の上に、第１触媒層を形成する第２工程と、を含むこと、
を特徴とする高分子電解質形燃料電池の製造方法を提供する。
【００１７】
このような構成によれば、高分子電解質膜よりも取り扱い性に優れるガス拡散層に補強膜を配置することから、高分子電解質膜に損傷を与えることなく、上記のような本発明の高分子電解質形燃料電池をより容易に得ることができる。また、第１補強膜の内縁が、第１触媒層と第１ガス拡散層との間に挿入されていることから、上記高分子電解質形燃料電池を作製する際に上記第１補強膜の位置合わせが容易となり、上記構造を有する高分子電解質形燃料電池をより容易かつ確実に作製することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、取り扱い性および強度に優れ、かつ、一方の電極から他方の電極へのガスのクロスオーバーをより確実に抑制することができ、高分子電解質膜の劣化を抑制して耐久性を十分に確保した高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
【００２０】
［第一実施形態］
図１は、本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態に搭載される単電池の構成を示す概略断面図である。まず、本実施形態の単電池の構成要素について説明する。
図１に示すように、本実施形態の単電池は、膜電極接合体１０（MEA：Membrane-electrode assembly）、膜電極接合体１０を挟む板状のアノードセパレータ５ａおよびカソードセパレータ５ｃと、略矩形で枠状（額縁状）のガスケット６ａ、６ｃとを含む。
【００２１】
また、膜電極接合体１０は、水素イオン（陽イオン）伝導性を有する略矩形の高分子電解質膜１と、略矩形の第１触媒層（アノード触媒層）２ａおよび第２触媒層（カソード触媒層）２ｃと、を含む膜触媒層接合体（図示せず）、ならびに、略矩形の第１ガス拡散層（アノードガス拡散層）３ａおよび第２ガス拡散層（カソードガス拡散層）３ｃを含む。アノード触媒層２ａとアノードガス拡散層３ａとがアノード（図示せず）を構成し、カソード触媒層２ｃとカソードガス拡散層３ｃとがカソード（図示せず）を構成する。
【００２２】
図１における第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃについては後述するが、本実施形態においては、高分子電解質膜１の主面の面積が、アノード触媒層２ａ、カソード触媒層２ｃ、アノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃの主面の面積よりも大きく、高分子電解質膜１の外縁がアノード触媒層２ａの外縁およびカソード触媒層２ｃの外縁よりも外側（即ち、図１において、高分子電解質膜１の主面の中心からみて第１補強膜および第２補強膜が位置する側）に突出している。
【００２３】
そして、第１補強膜４ａの内縁および第２補強膜４ｃの内縁が、それぞれアノード触媒層２ａとアノードガス拡散層３ａとの間およびカソード触媒層２ｃとカソードガス拡散層３ｃとの間に挿入されている。なお、アノード触媒層２ａ、カソード触媒層２ｃ、アノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃの主面の面積は略一致している。また、第１補強膜の外側の周縁部および第２補強膜の外側の周縁部は、高分子電解質膜１の外側の周縁部よりも外側に位置している。
【００２４】
本実施形態における高分子電解質膜１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）、旭化成（株）製のAciplex（商品名）、ジャパンゴアテックス（株）製のＧＳIIなど）を使用することができる。
【００２５】
また、高分子電解質膜１を構成する高分子電解質としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、およびスルホンイミド基を有するものなどが好ましく挙げられる。水素イオン伝導性の観点から、スルホン酸基を有するものが特に好ましい。スルホン酸基を有する高分子電解質としては、イオン交換容量が０．５〜１．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂であるものことが好ましい。高分子電解質のイオン交換容量が０．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂以上であると、得られた触媒層の抵抗値を発電時にも抑制することができ好ましく、イオン交換容量が１．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂以下であると、得られた触媒層の含水率を適度に保つことができ、膨潤し過ぎずに細孔の形状を保持し易く好ましい。イオン交換容量は０．８〜１．２ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂が特に好ましい。
【００２６】
また、高分子電解質としては、ＣＦ2＝ＣＦ−(ＯＣＦ2ＣＦＸ)m−Ｏp−(ＣＦ2)n−ＳＯ3Ｈで表されるパーフルオロビニル化合物（ｍは０〜３の整数を示し、ｎは１〜１２の整数を示し、ｐは０または１を示し、Ｘはフッ素原子またはトリフルオロメチル基を示す。）に基づく重合単位と、ＣＦ2＝ＣＦ2で表されるテトラフルオロエチレンに基づく重合単位と、を含むパーフルオロカーボン共重合体であることが好ましい。なお、上記フルオロカーボン重合体は、例えばエーテル結合性の酸素原子などを含んでいてもよい。
【００２７】
上記パーフルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式（１）〜（２）で表される化合物が挙げられる。ただし、下記式中、ｑは１〜８の整数、ｒは１〜８の整数、ｔは１〜３の整数を示す。
ＣＦ2＝ＣＦＯ（ＣＦ2）q−ＳＯ3Ｈ      ・・・（１）
ＣＦ2＝ＣＦＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3）Ｏ（ＣＦ2）r−ＳＯ3Ｈ  ・・・（２）
ＣＦ2＝ＣＦ（ＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3））tＯ（ＣＦ2）2−ＳＯ3  ・・・（３）
【００２８】
また、高分子電解質膜は、一種または複数種の高分子電解質で構成されていてもよいが、内部に補強体（充填材）を含んでいてもよい。ただし、高分子電解質膜における上記補強体の配置状態（例えば疎密の程度や規則性）は特に限定されない。
このような補強体を構成する材料としては、特に制限されないが、例えばポリテトラフルオルエチレン、ポリフルオロアルコキシエチレンまたはポリフェニルスルフィドなどが挙げられる。上記補強体の形状も特に制限されないが、例えば、多孔体状の補強体、ならびにフィブリル状、繊維状および球状の補強体粒子などが挙げられる。
【００２９】
次に、高分子電解質膜１の第１主面および第２主面にそれぞれ設けられるアノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃは、電極触媒（例えば白金系の金属触媒）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、で構成される。
【００３０】
アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃ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。
【００３１】
導電性炭素粒子の比表面積が５０〜１５００ｍ2／ｇであることが好ましい。比表面積５０ｍ2／ｇ以上であると、電極触媒の担持率を向上させ易く、アノード触媒層およびカソード触媒層の出力特性が低下するおそれがないことから好ましく、比表面積が１５００ｍ2／ｇ以下であると、細孔が微細すぎずに高分子電解質による被覆がより容易となり、触媒層の出力特性が低下するおそれがないことから好ましい。比表面積は２００〜９００ｍ2／ｇが特に好ましい。
【００３２】
アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃ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。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。
【００３３】
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。
【００３４】
また、電極触媒の一次粒子径は、アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃを高活性とするために、１〜２０ｎｍであることが好ましく、特に、反応活性を増大させるために表面積を大きく確保することが可能であるという観点から、２〜１０ｎｍであることが好ましい。
【００３５】
触媒担持粒子（即ち、電極触媒を担持する導電性炭素粒子）の触媒担持率（即ち、触媒担持粒子の全質量に対する、担持されている電極触媒の質量の割合）は、２０〜８０質量％であればよく、特に４０〜６０質量％であるのが望ましい。この範囲であれば、高い電池出力を得ることができる。上述のように触媒担持率が２０質量％以上であると、十分な電池出力をより確実に得ることができ、８０質量％以下であると、電極触媒の粒子を分散性よくカーボン粉末に担持させることができ、触媒有効面積をより増大させることができる。
【００３６】
アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃ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１を構成する高分子電解質を用いればよい。アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃならびに高分子電解質膜１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かまわない。例えば、米国DuPont社製のNafion（商品名）、旭硝子（株）製のFlemion（商品名）、旭化成（株）製のAciplex（商品名）等の市販品であってもかまわない。
【００３７】
上記高分子電解質は、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２ａおよびカソード触媒層２ｃ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２ａおよびカソード触媒層２ｃに含まれているのが好ましい。具体的には、アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃ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。
【００３８】
なお、本実施形態のアノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃにおいては、上記高分子電解質が、触媒担持粒子表面に部分的に付着していればよく（即ち、触媒担持粒子の少なくとも一部を被覆していればよく）、必ずしも触媒担持粒子全体を被覆していなくてもよい。もちろん、上記高分子電解質が、触媒担持粒子表面の全体を被覆していてもよい。
【００３９】
本実施形態のアノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃの外側（即ち、図１における単電池において高分子電解質膜１からみてアノードセパレータ５ａおよびカソードセパレータ５ｃが位置する側）に配置されるアノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃとしては、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。
ガス拡散層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。
【００４０】
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されていてもよい。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。
【００４１】
さらに、アノード触媒層２ａとアノードガス拡散層３ａとの間およびカソード触媒層２ｃとカソードガス拡散層３ｃとの間のうちの少なくとも一方には、図示しないが、撥水カーボン層が設けられていてもよい。上記撥水カーボン層は、例えば撥水性材料（高分子）と導電性炭素粒子とで構成される。撥水性材料としては上述したような種々のフッ素樹脂を用いることができ、導電性炭素粒子としては上述したものと同様のものを用いることができる。
【００４２】
本実施形態の高分子電解質形燃料電池の基本構成である単電池は、上述のような構成を有する膜電極接合体１０と、ガスケット６ａ、６ｃと、アノードセパレータ５ａおよびカソードセパレータ５ｃと、で構成される。
【００４３】
ガスケット６ａ、６ｃは、略矩形の枠状（額縁状）ないしは環状であり、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３ａおよびカソードガス拡散層３ｃ）の周囲に配置される。このようなガスケット６ａ、６ｃとしては、当該分野で公知のものを用いることができる。
【００４４】
そして、膜電極接合体１０の外側には、膜電極接合体１０を機械的に固定するための一対のアノードセパレータ５ａおよびカソードセパレータ５ｃが配置されている。アノードセパレータ５ａのうちの膜電極接合体１０と接触する面には、アノードに反応ガスである燃料ガスを供給し、電極反応生成物、未反応の反応ガスを含むガスを反応場から外部に運び去るためのアノードガス流路７ａが形成されており、カソードセパレータ５ｃのうちの膜電極接合体１０と接触する面には、カソードに反応ガスである酸化剤ガスを供給し、電極反応生成物、未反応の反応ガスを含むガスを反応場から外部に運び去るためのカソードガス流路７ｃが形成されている。
【００４５】
アノードガス流路７ａおよびカソードガス流路７ｃは、図示しないが、それぞれアノードセパレータ５ａおよびカソードセパレータ５ｃ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、アノードガス流路７ａおよびカソードガス流路７ｃ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。
なお、図示しないが、アノードセパレータ５ａおよびカソードセパレータ５ｃのうちの、膜電極接合体１０とは反対側の面には、常法により冷却流体用流路が設けられていてもよい。
【００４６】
上記のように、一対のアノードセパレータ５ａおよびカソードセパレータ５ｃで膜電極接合体１０を固定し、アノードセパレータ５ａのアノードガス流路７ａに燃料ガスを供給し、カソードセパレータ７ｃのカソードガス流路７ｃに酸化剤ガスを供給することで、数十から数百ｍＡ／ｃｍ2の実用電流密度通電時において、一つの単電池で０．７〜０．８Ｖ程度の起電力を発生させることができる。図１には本発明の高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池を示しているが、本発明の高分子電解質形燃料電池を電源として使用する際には、単電池複数個を直列に接続して積層体を構成し、燃料電池スタック（図示せず）として使用することもできる。
【００４７】
なお、図示しないが、アノードガス流路７ａに燃料ガスを供給し、カソードガス流路７ｃに酸化剤ガスを供給するためには、これらガスを供給する配管を直接アノードセパレータ５ａのアノードガス流路７ａまたはカソードセパレータ５ｃのカソードガス流路７ｃにつなぎ込むマニホールドが必要である。図１には図示していないが、本実施形態においては、外部マニホールドと内部マニホールドのいずれを採用することも可能である。
【００４８】
ここで、本実施形態における最大の特徴である、第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃについて説明する。
第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃは、略矩形の枠状（額縁状）であり、膜電極接合体１０の周縁部のうちの高分子電解質膜１の第１主面に配置されており、第１補強膜４ａの内縁および第２補強膜４ｃの内縁が、それぞれアノード触媒層２ａとアノードガス拡散層３ａとの間およびカソード触媒層２ｃとカソードガス拡散層３ｃとの間に挿入されている。また、第１補強膜４ａの外側の周縁部および第２補強膜４ｃの外側の周縁部は、高分子電解質膜１の外側の周縁部よりも外側にまで延びており、図１におけるガスケット６ａとガスケット６ｃとの間において第１補強膜４ａとは折れ曲がって接触している。
【００４９】
上記第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃは、上記ガスケット６ａ、６ｃと同様の材料で構成することができる。
【００５０】
このような本実施形態によれば、膜触媒層接合体１０の周縁部のうちの高分子電解質膜１の第１主面および第２主面にそれぞれ配置された第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃによって、高分子電解質膜１がより確実に補強され、高分子電解質膜１の外縁がアノード触媒層２ａの外縁およびカソード触媒層２ｃの外縁よりも外側に突出しており、かつ第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃが高分子電解質膜１の外側の周縁部よりも外側で接して閉じているため、燃料ガスおよび酸化剤ガスが高分子電解質膜１を透過するクロスオーバーをより確実に抑制することができ、電池性能の低下および高分子電解質膜１の劣化をより確実に抑制することができる。
【００５１】
さらに、アノードおよびカソードの周縁部において、高分子電解質膜１と第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃとが接合されているため、第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃと膜触媒層接合体（図示せず）との接着強度を向上させることができ、アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃが上記接合部分に重なって発電に寄与しない部分の面積を小さくし、発電に寄与しない触媒の割合を少なくすることができる。そして、第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃが高分子電解質膜１上に配置されていることから、高分子電解質膜１を接着剤として利用することができ、コンタミネーションになり得る接着剤を不要にすることができる。
【００５２】
また、第１補強膜４ａの内縁が、アノード触媒層２ａとアノードガス拡散層３ａとの間に挿入され、第２補強膜４ｃの内縁が、カソード触媒層２ｃとカソードガス拡散層３ｃとの間に挿入されていることから、図１に示す単電池を作製する際に第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃの位置合わせが容易となり、上記構造を有する高分子電解質形燃料電池をより容易かつ確実に作製することができる。
【００５３】
また、高分子電解質膜１上において、アノード触媒層２ａと第１補強膜４ａとが重なり、カソード触媒層２ｃと第２補強膜４ｃとが重なっていることにより、上記単電池の作製時に高分子電解質膜１が収縮したとしても、第１補強膜４ａとアノード触媒層２ａとの間および第２補強膜４ｃとカソード触媒層２ｃとの間に高分子電解質膜１の露出部分が形成されない。即ち、かかる露出部分が形成された場合と異なり、アノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃが高分子電解質膜１に直接接触して高分子電解質膜１に損傷を与えることはなく、燃料ガスや酸化剤ガス等のガスのクロスオーバーをより確実に抑制することができ、電池電圧の低下や高分子電解質膜１の劣化をより確実に抑制することができる。
【００５４】
すなわち、本実施形態によれば、取り扱い性および強度に優れ、かつ、一方の電極から他方の電極へのガスのクロスオーバーをより確実に抑制することができ、高分子電解質膜の劣化を抑制して耐久性を十分に確保した高分子電解質形燃料電池を実現することができる。
【００５５】
次に、上述のような構造を有する本実施形態の高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池の好適な製造方法について説明する。
本実施形態の高分子電解質形燃料電池の好適な第１製造方法は、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜の第１主面および第２主面に、それぞれ第１触媒層および第２触媒層を配置し、高分子電解質膜の外縁が第１触媒層の外縁および第２触媒層の外縁よりも外側に突出している膜触媒層接合体を形成する第１工程と、
膜触媒層接合体の周縁部のうちの高分子電解質膜の第１主面に枠状の第１補強膜を配置し、膜触媒層補強膜接合体を形成する第２工程と、
膜触媒層補強膜接合体の第１触媒層および第２触媒層上に、それぞれ第１ガス拡散層および第２ガス拡散層を配置し、膜電極接合体を形成する第３工程と、を含み、
第１補強膜の内縁が、第１触媒層と第１ガス拡散層との間に挿入されるようにすること、
を特徴とする。
【００５６】
図２は、本実施形態の高分子電解質形燃料電池の第１製造方法の工程図である。
まず、第１工程においては、図２の（ａ）に示すように、高分子電解質膜１の第１主面および第２主面に、それぞれアノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃを配置し、高分子電解質膜１の外縁がアノード触媒層２ａの外縁およびカソード触媒層２ｃの外縁よりも外側に突出している膜触媒層接合体を形成する。
アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃは、アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃの構成を実現可能な成分組成に調製された複数の触媒層形成用インクを用いて形成することができる。触媒層形成用インクを調製するために用いる分散媒としては、高分子電解質を溶解可能または分散可能（高分子電解質の一部が溶解し、他の一部が溶解せずに分散している状態を含む）であるアルコールを含む液体を用いることが好ましい。
【００５７】
分散媒は、水、メタノール、エタノール、プロパノール、ｎ−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコールおよびｔｅｒｔ―ブチルアルコールのうちの少なくとも１種を含んでいることが好ましい。これらの水およびアルコールは単独でも使用してもよく、２種以上混合してもよい。アルコールは、分子内にＯＨ基を１つ有する直鎖のものが特に好ましく、エタノールが特に好ましい。このアルコールには、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのエーテル結合を有するものも含まれる。
【００５８】
また、触媒層形成用インクの組成は、アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃの構成に応じて、適宜調整すればよいが、固形分濃度０．１〜２０質量％であることが好ましい。固形分濃度が０．１質量％以上であると、触媒層形成用インクの噴霧または塗布により触媒層を作製するにあたり、何回も繰り返し噴霧または塗布しなくても所定の厚さの触媒層が得られ生産効率が低くならない。また、固形分濃度が２０質量％以下であると、混合液の粘度が高くなり過ぎず、得られる触媒層が不均一となるおそれがない。固形分濃度で１〜１０質量％であることが特に好ましい。
【００５９】
触媒層形成用インクは、従来公知の方法に基づいて調製することができる。具体的には、ホモジナイザ、ホモミキサ等の撹拌機を使用する方法、高速回転ジェット流方式を使用するなどの高速回転を使用する方法、高圧乳化装置などの高圧をかけて狭い部分から分散液を押出すことで分散液にせん断力を付与する方法などが挙げられる。
【００６０】
上記触媒層形成用インクを用いてアノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃを形成する際には、高分子電解質膜１上に直接形成する直接塗布法であっても間接的に形成する間接塗布方法のいずれを採用することも可能である。塗布法としては、スクリーン印刷法、ダイコート法、スプレー法およびインクジェット法などが挙げられる。間接塗布法としては、例えばポリプロピレンまたはポリエチレンテレフタラート製の支持体上に、上記の方法でアノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃを形成した後、熱転写により、高分子電解質膜１上に配置する方法等が挙げられる。
【００６１】
次に、第２工程において、膜触媒層接合体１１の周縁部のうちの高分子電解質膜１の第１主面および第２主面に、図２の（ｂ）に示すように、それぞれ第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃを配置し、膜触媒層補強膜接合体１２を形成する。
このとき、第１補強膜４ａの内縁および第２補強膜４ｃの内縁が、それぞれアノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃに重なる部分が形成されるように、第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃを膜触媒層接合体上に配置する。また、高分子電解質膜１の外側の周縁部よりも外側においては、第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃを、高分子電解質膜１側に折り曲げて接触させ、第１補強膜４ａと第２補強膜４ｃとの間の空間を閉じる。
【００６２】
そして、第３工程において、膜触媒層補強膜接合体１２のアノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃ上に、図２の（ｃ）に示すように、それぞれアノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃを配置し、膜電極接合体１０を形成する。
アノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃには、上述した従来公知の基材を用いることができるが、この工程の前に、必要に応じて、常法により上記基材に撥水処理を施したり、上記基材（即ち、アノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃ）のうちの少なくともアノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃと接触する面に、常法により撥水カーボン層を設けたりしてもよい。
【００６３】
以上のようにして作製した膜電極接合体１０を、例えば図１に示す構造を有するアノードセパレータ５ａおよびカソードセパレータ５ｃで挟持することにより、本実施形態の高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池を得ることができる。
単電池複数個を含むスタックからなる高分子電解質形燃料電池を得る場合には、上記単電池複数個を積層し、得られた積層体の両端部にそれぞれ集電板、絶縁板および端板を配置し、全体を締結すればよい。
【００６４】
すなわち、上記第１製造方法によれば、上記のような本発明の高分子電解質形燃料電池をより容易に得ることができる。また、第１補強膜および第２補強膜の内縁が、それぞれ第１触媒層と第１ガス拡散層との間および第２触媒層と第２ガス拡散層との間に挿入されていることから、上記高分子電解質形燃料電池を作製する際に上記第１補強膜および上記第２補強膜の位置合わせが容易となり、上記構造を有する高分子電解質形燃料電池をより容易かつ確実に作製することができる。
【００６５】
次に、本実施形態の高分子電解質形燃料電池の好適な第２製造方法は、
第１ガス拡散層の一方の面および第２ガス拡散層の一方の面にそれぞれ枠状の第１補強膜および第２補強膜を配置し、第１ガス拡散層補強膜接合体および第２ガス拡散層補強膜接合体を形成する第１工程と、
第１ガス拡散層補強膜接合体のうちの第１ガス拡散層および第１補強膜の上に、アノード触媒層を形成して、第１ガス拡散層補強膜触媒層接合体を得るとともに、第２ガス拡散層補強膜接合体のうちの第２ガス拡散層および第２補強膜の上に、カソード触媒層を形成して、第２ガス拡散層補強膜触媒層接合体を得る第２工程と、
上記第１ガス拡散層補強膜触媒層接合体と上記第２ガス拡散層補強膜触媒層接合体とを、アノード触媒層およびカソード触媒層が対向するように高分子電解質膜を介して、接合させて膜電極接合体を得る第３工程と、を含むこと、
を特徴とする。
【００６６】
図３は、本実施形態の高分子電解質形燃料電池の第２製造方法の工程図である。
まず、第１工程においては、図３の（ａ）に示すように、アノードガス拡散層３ａの一方の面およびカソードガス拡散層３ｃの一方の面に、それぞれ第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃを配置し、第１ガス拡散層補強膜接合体１３ａおよび第２ガス拡散層補強膜接合体１３ｃを形成する。
【００６７】
次に、第２工程においては、図２の（ｂ）に示すように、第１ガス拡散層補強膜接合体１３ａのうちの第１ガス拡散層３ａおよび第１補強膜４ａの上に、アノード触媒層２ａを形成して、第１ガス拡散層補強膜触媒層接合体１４ａを得るとともに、第２ガス拡散層補強膜接合体１３ｃのうちの第２ガス拡散層３ｃおよび第２補強膜４ｃの上に、カソード触媒層２ｃを形成して、第２ガス拡散層補強膜触媒層接合体１４ｃを得る。
このとき、アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃは、上述したように触媒層形成用インクを調製し、得られた触媒層形成用インクを、第１ガス拡散層３ａおよび第１補強膜４ａの上ならびに第２ガス拡散層３ｃおよび第２補強膜４ｃの上に、塗布して形成する。
【００６８】
続く第３工程においては、図３の（ｃ）に示すように、第１ガス拡散層補強膜触媒層接合体１４ａのうちのアノード触媒層２ａおよび第１補強膜４ａの上に、高分子電解質膜１を配置し、半膜電極接合体１５ａを得る。このとき、高分子電解質膜１を構成する高分子電解質を含む原料液をキャスト法等により塗布することにより、高分子電解質膜１を形成するのが好ましい。もちろん、上述したような種々の既に成型された高分子電解質膜を用いてもよい。なお、ここでは、第１ガス拡散層補強膜触媒層接合体１４ａのうちのアノード触媒層２ａおよび第１補強膜４ａの上に、高分子電解質膜１を配置するとしたが、第２ガス拡散層補強膜触媒層接合体１４ｃのうちのカソード触媒層２ｃおよび第２補強膜４ｃの上に、高分子電解質膜１を配置してもよい。
【００６９】
ついで第４工程において、図３の（ｄ）に示すように、半膜電極接合体１５ａと第２ガス拡散層補強膜触媒層接合体１４ｃとを、アノード触媒層２ａとカソード触媒層２ｃとが対向するように重ね合わせて接合し、第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃを互いの方向に折り曲げ、第１補強膜４ａおよび第２補強膜４ｃの外側の周縁部を互いに接触させ、膜電極接合体１０を得る。
【００７０】
以上のようにして作製した膜電極接合体１０を、例えば図１に示す構造を有するアノードセパレータ５ａおよびカソードセパレータ５ｃで挟持することにより、本実施形態の高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池を得ることができる。
単電池複数個を含むスタックからなる高分子電解質形燃料電池を得る場合には、上記単電池複数個を積層し、得られた積層体の両端部にそれぞれ集電板、絶縁板および端板を配置し、全体を締結すればよい。
【００７１】
すなわち、上記第２製造方法によれば、高分子電解質膜よりも取り扱い性に優れるガス拡散層に補強膜を配置することから、高分子電解質膜に損傷を与えることなく、上記のような本発明の高分子電解質形燃料電池をより容易に得ることができる。また、第１補強膜および第２補強膜の内縁が、それぞれ第１触媒層と第１ガス拡散層との間および第２触媒層と第２ガス拡散層との間に挿入されていることから、上記高分子電解質形燃料電池を作製する際に上記第１補強膜および上記第２補強膜の位置合わせが容易となり、上記構造を有する高分子電解質形燃料電池をより容易かつ確実に作製することができる。
【００７２】
［第二実施形態］
図４は、本発明の高分子電解質形燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の高分子電解質形燃料電池は、図１に示した第一実施形態の単電池を構成する膜電極接合体１０のうちの高分子電解質膜、第１補強膜および第２補強膜を異なる構成に代えたものであり、高分子電解質膜、第１補強膜および第２補強膜以外の構成は第一実施形態と同様である。
以下、第二実施形態の高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池のうちの、膜電極接合体１０について説明する。図４は、第二実施形態の単電池の概略断面図である。
【００７３】
図４に示すように、本実施形態においては、高分子電解質膜４１の外縁が、第１補強膜４４ａの外縁および第２補強膜４４ｃの外縁と略一致しており、上記第一実施形態のように第１補強膜と第２補強膜とは接していない。
このような構成によっても、膜触媒層接合体１０の周縁部のうちの高分子電解質膜４１の第１主面および第２主面にそれぞれ配置された第１補強膜４４ａおよび第２補強膜４４ｃによって、高分子電解質膜４１がより確実に補強され、燃料ガスおよび酸化剤ガスが高分子電解質膜４１を透過するクロスオーバーをより確実に抑制することができ、電池性能の低下および高分子電解質膜４１の劣化をより確実に抑制することができる。
【００７４】
さらに、アノードおよびカソードの周縁部において、高分子電解質膜４１と第１補強膜４４ａおよび第２補強膜４４ｃとが接合されているため、第１補強膜４４ａおよび第２補強膜４４ｃと膜触媒層接合体（図示せず）との接着強度を向上させることができ、アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｃが上記接合部分に重なって発電に寄与しない部分の面積を小さくし、発電に寄与しない触媒の割合を少なくすることができる。そして、第１補強膜４４ａおよび第２補強膜４４ｃが高分子電解質膜４１上に配置されていることから、高分子電解質膜４１を接着剤として利用することができ、コンタミネーションになり得る接着剤を不要にすることができる。
【００７５】
また、第１補強膜４４ａの内縁が、アノード触媒層２ａとアノードガス拡散層３ａとの間に挿入され、第２補強膜４４ｃの内縁が、カソード触媒層２ｃとカソードガス拡散層３ｃとの間に挿入されていることから、図４に示す単電池を作製する際に第１補強膜４４ａおよび第２補強膜４４ｃの位置合わせが容易となり、上記構造を有する高分子電解質形燃料電池をより容易かつ確実に作製することができる。
【００７６】
また、高分子電解質膜４１上において、アノード触媒層２ａと第１補強膜４４ａとが重なり、カソード触媒層２ｃと第２補強膜４４ｃとが重なっていることにより、上記単電池の作製時に高分子電解質膜４１が収縮したとしても、第１補強膜４４ａとアノード触媒層２ａとの間および第２補強膜４４ｃとカソード触媒層２ｃとの間に高分子電解質膜４１の露出部分が形成されない。即ち、かかる露出部分が形成された場合と異なり、アノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃが高分子電解質膜４１に直接接触して高分子電解質膜１に損傷を与えることはなく、燃料ガスや酸化剤ガス等のガスのクロスオーバーをより確実に抑制することができ、電池電圧の低下や高分子電解質膜４１の劣化をより確実に抑制することができる。
【００７７】
すなわち、本実施形態によれば、取り扱い性および強度に優れ、かつ、一方の電極から他方の電極へのガスのクロスオーバーをより確実に抑制することができ、高分子電解質膜の劣化を抑制して耐久性を十分に確保した高分子電解質形燃料電池を実現することができる。
なお、本実施形態の高分子電解質形燃料電池は、上記第一実施形態において説明したものと同様の方法によって作製することができる。
【００７８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるわけではなく、本発明の思想を逸脱せずその効果を損なわない範囲で種々の設計変更が可能である。
例えば、上記実施形態においては、アノード側およびカソード側の両方に補強膜が設けられる場合について説明したが、いずれか一方に補強膜を設けても本発明の効果を得ることができる。また、アノードセパレータおよびカソードセパレータにそれぞれ設けられるアノードガス流路およびカソードガス流路の形状等も特に限定されるものではなく、種々の形状等を採用することができる。
【００７９】
また、先に述べた、本発明の高分子電解質形燃料電池の好適な実施形態においては、１個の単電池のみからなる高分子電解質形燃料電池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い。単電池を複数積層したスタックの構成を有する高分子電解質形燃料電池も本発明の範囲に含まれる。
さらに上記実施形態においては、アノードセパレータおよびカソードセパレータに設けるべき冷却流体用流路を省略して説明したが、アノードセパレータおよびカソードセパレータの両方に冷却流体用流路を設けても、アノードセパレータおよびカソードセパレータのうちの少なくとも一方に冷却流体用流路を設けてもよい。特に、複数の単電池１を積層して得られるスタックを本発明の高分子電解質形燃料電池として用いる場合は、２〜３個の単電池毎に、１つの冷却流体用流路を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の高分子電解質形燃料電池は、電気自動車や家庭用コジェネレーションシステム等に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態に搭載される単電池の構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の第１製造方法の工程図である。
【図３】本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の第２製造方法の工程図である。
【図４】本発明の高分子電解質形燃料電池の第二実施形態に搭載される単電池の構成を示す概略断面図である。
【図５】従来の高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池の構成を示す概略断面図である。
【図６】従来の高分子電解質形燃料電池に搭載される別の単電池の構成を示す概略断面図である。
【図７】従来の高分子電解質形燃料電池に搭載されるさらに別の単電池の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００８２】
１、４１、１０１、２０１、３０１・・・高分子電解質膜、２ａ、１０２ａ、３０２ａ・・・アノード触媒層、２ｃ、１０２ｃ、３０２ｃ・・・カソード触媒層、３ａ、１０３ａ、３０３ａ・・・アノードガス拡散層、３ｃ、１０３ｃ、３０３ｃ・・・カソードガス拡散層、４ａ、４４ａ、１０４ａ、２０４ａ・・・第１補強膜、４ｃ、４４ｃ、１０４ｃ、２０４ｃ・・・第２補強膜、５ａ、１０５ａ、２０５ａ・・・アノードセパレータ、５ｃ、１０５ｃ、２０５ｃ・・・カソードセパレータ、６ａ、６ｃ、１０６ａ、１０６ｃ、２０６ａ、２０６ｃ、３０６ａ、３０６ｃ・・・ガスケット、７ａ・・・アノードガス流路、７ｃ・・・カソードガス流路、１０、１１０、２１０、３１０・・・膜電極接合体、１２・・・膜触媒層補強膜接合体、１３ａ・・・第１ガス拡散層補強膜接合体、１３ｃ・・・第２ガス拡散層補強膜接合体、１４ａ・・・第１ガス拡散層補強膜触媒層接合体、１４ｃ・・・第２ガス拡散層補強膜触媒層接合体、１５ａ・・・半膜電極接合体、２０３ａ・・・アノード、２０３ｃ・・・カソード、３０９ａ、３０９ｃ・・・補助ガスケット。
【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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