【手続補正書】
【提出日】平成21年11月20日(2009.11.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード触媒層と、カソード触媒層と、前記アノード触媒層および前記カソード触媒層の間に配置される高分子電解質膜と、を含む膜触媒層接合体であって、
前記アノード触媒層および前記カソード触媒層は、カーボン粉末および前記カーボン粉末に担持された電極触媒を含む触媒担持カーボンと、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを含んでおり、
前記アノード触媒層および前記カソード触媒層のうちの少なくとも一方の触媒層の主面の周辺部は、前記触媒層の主面の法線方向から見て、前記触媒層の厚さが内側から外側に向けて減少し、かつ、前記電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が、内側から外側に向けて減少している減少部分を有し、
前記減少部分は、島状に設けられている、膜触媒層接合体。
【請求項２】
前記減少部分を有する前記触媒層は、触媒層形成用インクをスプレー法により高分子電解質膜または支持体の表面に塗布して形成され、単層構造を有している請求項１に記載の膜触媒層接合体。
【請求項３】
前記触媒層を形成するために打ち抜かれた形状の内周部を有する触媒層形成用マスクを用い、前記高分子電解質膜または前記支持体と前記触媒層形成用マスクとの間に隙間を設けた状態で、触媒層形成用インクを塗布する請求項２に記載の膜触媒層接合体。
【請求項４】
請求項１に記載の膜触媒層接合体と、
前記膜触媒層接合体の前記アノード触媒層の外側に配置されるアノードガス拡散層と、
前記膜触媒層接合体の前記カソード触媒層の外側に配置されるカソードガス拡散層と、を含む膜電極接合体。
【請求項５】
請求項４に記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノードガス拡散層の外側に配置されており、前記アノードガス拡散層および前記アノード触媒層に燃料ガスを供給するためのガス流路が形成されたアノードセパレータと、
前記膜電極接合体のカソードガス拡散層の外側に配置されており、前記カソードガス拡散層および前記カソード触媒層に酸化剤ガスを供給するためのガス流路が形成されたカソードセパレータと、を含む燃料電池。
【請求項６】
前記膜電極接合体の主面の法線方向に略平行な断面において、前記減少部分が形成された前記周辺部は、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータのうちの少なくとも一方に形成された前記ガス流路のうち、最も外側にあるガス流路の外端よりも外側に配置されている請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
高分子電解質膜の一方の表面にアノード触媒層および他方の表面にカソード触媒層を形成する膜触媒層接合体の製造方法であって、
前記高分子電解質膜と前記触媒層形成用マスクとの間に隙間を設けた状態で、触媒層形成用マスクを配置する工程と、
触媒層形成用インクをスプレー法で塗布し、前記高分子電解質膜の表面に前記アノード触媒層および前記カソード触媒層のうちの少なくとも一方を形成する工程と、を有する膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項８】
高分子電解質膜の一方の表面にアノード触媒層および他方の表面にカソード触媒層を形成する膜触媒層接合体の製造方法であって、
前記支持体と前記触媒層形成用マスクとの間に隙間を設けた状態で、支持体の表面に触媒層形成用マスクを配置する工程と、
触媒層形成用インクをスプレー法で塗布し、前記支持体表面に前記アノード触媒層および前記カソード触媒層のうちの少なくとも一方を形成する工程と、
得られた前記触媒層を前記高分子電解質膜の表面に接合する工程と、を有する膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項９】
前記触媒層形成用マスクは、前記触媒層を形成するために打ち抜かれた形状の内周部を有し、
前記高分子電解質膜または前記支持体と、前記触媒層形成用マスクの前記内周部との間に隙間を設けた状態で、前記触媒層形成用インクを塗布する請求項７または８に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】膜触媒層接合体およびその製造方法、膜電極接合体ならびに燃料電池
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、膜触媒層接合体およびその製造方法、膜電極接合体ならびに燃料電池に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、高分子電解質膜に密着して設けられているアノード触媒層およびカソード触媒層が、高分子電解質膜の耐久性に大きく影響を与えている可能性について検討し、触媒層の構成を下記の構成に工夫することにより、膜触媒層接合体の耐久性および膜電極接合体の耐久性を向上させ得ることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、アノード触媒層と、カソード触媒層と、アノード触媒層およびカソード触媒層の間に配置される高分子電解質膜と、を含む膜触媒層接合体であって、アノード触媒層およびカソード触媒層は、カーボン粉末およびカーボン粉末に担持された電極触媒を含む触媒担持カーボンと、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを含んでおり、アノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方の触媒層の主面の周辺部は、触媒層の主面の法線方向から見て、触媒層の厚さが内側から外側に向けて減少し、かつ、電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が、内側から外側に向けて減少している減少部分を有し、減少部分は、島状に設けられている、膜触媒層接合体を提供する。
また、本発明は、前述の膜触媒層接合体と、前記膜触媒層接合体のアノード触媒層の外側に配置されるアノードガス拡散層と、前記膜触媒層接合体のカソード触媒層の外側に配置されるカソードガス拡散層と、を含む膜電極接合体を提供する。
また、本発明は、前述の膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノードガス拡散層の外側に配置されており、アノードガス拡散層およびアノード触媒層に燃料ガスを供給するためのガス流路が形成されたアノードセパレータと、前記膜電極接合体のカソードガス拡散層の外側に配置されており、カソードガス拡散層およびカソード触媒層に酸化剤ガスを供給するためのガス流路が形成されたカソードセパレータと、を含む燃料電池を提供する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
本発明の膜触媒層接合体においては、アノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方の触媒層の主面の周辺部において、触媒層単位面積あたりの触媒の質量が内側から外側に向けて減少している減少部分が存在する。そして、減少部分は、触媒層を島状に設け、触媒層の厚さが内側から外側に向けて減少するように形成されている。
このようにアノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方の触媒層を上述の構成とする膜触媒層接合体を燃料電池に用いることにより、燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する燃料電池を容易かつ確実に実現することができる。
より具体的には、本発明の燃料電池は、先に述べた減少部分が存在する触媒層を具備しているため、膜電極接合体における高分子電解質膜の分解劣化が抑制され、燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって初期特性の低下を充分に防止でき、優れた耐久性を得ることができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
上記概略的に減少している状態とは、上記断面でみた場合に、内側から外側に向けて、上記電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が不連続に減少している状態である。具体的には、触媒層を上記断面に沿ってみた場合、内側から外側にみて触媒層が局所的にない状態（島状）である（後述の図６に示す状態を参照）。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
本発明の膜電極接合体によれば、アノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方の触媒層を上述の構成とすることにより、膜電極接合体における高分子電解質膜の分解劣化が抑制され、燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって初期特性の低下を充分に防止でき、優れた耐久性を有する燃料電池を容易かつ確実に得ることができる。
さらに、本発明の膜触媒層接合体によれば、アノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方の触媒層を上述の構成とすることにより、燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止でき、優れた耐久性を有する燃料電池を容易かつ確実に得ることができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
さらに、本発明は、高分子電解質膜の一方の表面にアノード触媒層および他方の表面にカソード触媒層を形成する膜触媒層接合体の製造方法であって、高分子電解質膜と触媒層形成用マスクとの間に隙間を設けた状態で、触媒層形成用マスクを配置する工程と、触媒層形成用インクをスプレー法で塗布し、高分子電解質膜の表面にアノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方を形成する工程と、を有する膜触媒層接合体の製造方法を提供する。
さらに、本発明は、高分子電解質膜の一方の表面にアノード触媒層および他方の表面にカソード触媒層を形成する膜触媒層接合体の製造方法であって、支持体と触媒層形成用マスクとの間に隙間を設けた状態で、支持体の表面に触媒層形成用マスクを配置する工程と、触媒層形成用インクをスプレー法で塗布し、支持体表面にアノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方を形成する工程と、得られた触媒層を高分子電解質膜の表面に接合する工程と、を有する膜触媒層接合体の製造方法を提供する。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
本発明によれば、燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止でき、長期にわたって充分に安定な電池性能を発揮する、優れた耐久性を有する燃料電池を得ることができる。
また、本発明によれば、燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する燃料電池を確実に実現し得る膜触媒層接合体および膜電極接合体を得ることができる。
さらに、本発明によれば、上記本発明の燃料電池を複数個搭載しており、作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する燃料電池スタックを構成してもよい。