(57)【要約】【課題】高品質の支持体付き電解質膜を提供する。【解決手段】支持体付き電解質膜は、矩形状の電解質膜７、及び、電解質膜７の一部を残した状態で電解質膜７の一方面の外周縁部の少なくとも四隅に積層された第１の支持体１を備える積層体Ｍと、電解質膜７の外周縁よりも外形が大きい外周縁を有し、且つ、内側に電解質膜７の外周縁よりも外形が小さい開口部２２が形成された第２の支持体２と、を備え、第２の支持体２が積層体Ｍのいずれかの面に、その一部が積層体Ｍの厚み方向に第１の支持体１と重なるように積層され、積層体Ｍ及び第２の支持体２は、互いに重なる位置に、それぞれ第１の嵌合部形成手段Ｆ１及び第１の嵌合部形成手段Ｆ１と嵌合する第２の嵌合部形成手段Ｆ２を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形状の電解質膜、及び、前記電解質膜の一部を残した状態で前記電解質膜の一方面の外周縁部の少なくとも四隅に積層された第１の支持体を備える積層体と、
前記電解質膜の外周縁よりも外形が大きい外周縁を有し、且つ、内側に前記電解質膜の外周縁よりも外形が小さい開口部が形成された第２の支持体と、
を備え、
前記第２の支持体が前記積層体のいずれかの面に、その一部が前記積層体の厚み方向に前記第１の支持体と重なるように積層され、前記積層体及び前記第２の支持体は、互いに重なる位置に、それぞれ第１の嵌合部形成手段及び前記第１の嵌合部形成手段と嵌合する第２の嵌合部形成手段を有する、支持体付き電解質膜。
【請求項２】
前記第２の支持体が、前記積層体の前記第１の支持体側の面に積層されており、
前記第１の嵌合部形成手段は、前記積層体の前記第１の支持体にのみ形成されている、請求項１に記載の支持体付き電解質膜。
【請求項３】
前記第１の嵌合部形成手段は孔であり、
前記第２の嵌合部形成手段は凸部である、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の支持体は、前記開口部の周縁を囲む凹部を有し、
前記凹部には前記積層体が配置されている、請求項１〜３のいずれかに記載の支持体付き電解質膜。
【請求項５】
枠型の第３の支持体をさらに備え、
前記第３の支持体は、前記第２の支持体の前記凹部を有する面に、その一部が前記積層体の厚み方向に前記第１の支持体と重なるように積層され、
その内周縁部は、前記凹部の内側に突き出ている、請求項４に記載の支持体付き電解質膜。
【請求項６】
前記積層体及び前記第３の支持体は、互いに重なる位置に、それぞれ第３の嵌合部形成手段及び前記第３の嵌合部形成手段と嵌合する第４の嵌合部形成手段を有する、請求項５に記載の支持体付き電解質膜。
【請求項７】
前記第１の嵌合部形成手段及び前記第３の嵌合部形成手段は、互いに連通することにより前記積層体を貫通する貫通孔を構成しており、
前記第２の嵌合部形成手段及び前記第４の嵌合部形成手段は凸部である、請求項６に記載の支持体付き電解質膜。
【請求項８】
前記第２の支持体及び前記第３の支持体は、互いに重なる位置に、それぞれ第５の嵌合部形成手段及び前記第５の嵌合部形成手段と嵌合する第６の嵌合部形成手段を有する、請求項５〜７のいずれかに記載の支持体付き電解質膜。
【請求項９】
請求項１〜８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及び触媒層−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】
この場合であっても、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おそれがある。例えば、位置精度が悪いために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、及び、前記電解質膜の一部を残した状態で前記電解質膜の一方面の外周縁部の少なくとも四隅に積層された第１の支持体を備える積層体と、前記電解質膜の外周縁よりも外形が大きい外周縁を有し、且つ、内側に前記電解質膜の外周縁よりも外形が小さい開口部が形成された第２の支持体と、を備え、前記第２の支持体が前記積層体のいずれかの面に、その一部が前記積層体の厚み方向に前記第１の支持体と重なるように積層され、前記積層体及び前記第２の支持体は、互いに重なる位置に、それぞれ第１の嵌合部形成手段及び前記第１の嵌合部形成手段と嵌合する第２の嵌合部形成手段を有する。
【００１０】
本発明に係る支持体付き電解質膜では、電解質膜の一方面の外周縁部の少なくとも四隅に第１の支持体が積層されているので、動きが抑えられた状態で電解質膜を第２の支持体に取り付けることができる。また、第１の嵌合部形成手段と第２の嵌合部形成手段とを嵌め合わせるだけで、電解質膜を第２の支持体の所望の位置に高い精度で取り付けることができる。よって、高品質の支持体付き電解質膜を容易に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２の支持体が、前記積層体の前記第１の支持体側の面に積層されており、前記第１の嵌合部形成手段は、前記積層体の前記第１の支持体にのみ形成されていてもよい。
【００１２】
上記支持体付き電解質膜では、前記第１の嵌合部形成手段は孔であり、前記第２の嵌合部形成手段は凸部であってもよい。
【００１３】
上記支持体付き電解質膜では、前記第２の支持体は、前記開口部の周縁を囲む凹部を有し、前記凹部には前記積層体が配置されている構成としてもよい。
【００１４】
上記支持体付き電解質膜では、枠型の第３の支持体をさらに備え、前記第３の支持体は、前記第２の支持体の前記凹部を有する面に、その一部が前記積層体の厚み方向に前記第１の支持体と重なるように積層され、その内周縁部は、前記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３の支持体の内周縁部が電解質膜の外周縁部を覆っているため、第３の支持体によって電解質膜から外部へのガスリークをより効果的に防止することができる。
【００１５】
上記支持体付き電解質膜では、前記積層体及び前記第３の支持体は、互いに重なる位置に、それぞれ第３の嵌合部形成手段及び前記第３の嵌合部形成手段と嵌合する第４の嵌合部形成手段を有することが好ましい。このような構成によれば、第４の嵌合部形成手段を第３の嵌合部形成手段に嵌め込むことにより、第３の支持体を積層体に取り付けることができるので、第３の支持体の位置決めが容易になる。
【００１６】
上記支持体付き電解質膜では、前記第１の嵌合部形成手段及び前記第３の嵌合部形成手段は、互いに連通することにより前記積層体を貫通する貫通孔を構成しており、前記第２の嵌合部形成手段及び前記第４の嵌合部形成手段は凸部であることが好ましい。このような構成によれば、貫通孔に第２の嵌合部形成手段及び第４の嵌合部形成手段が嵌め込まれるため、積層体に貫通孔を設けるだけで、積層体の位置決めだけでなく、第３の支持体の位置決めも容易にすることができる。
【００１７】
上記支持体付き電解質膜では、前記第２の支持体及び前記第３の支持体は、互いに重なる位置に、それぞれ第５の嵌合部形成手段及び前記第５の嵌合部形成手段と嵌合する第６の嵌合部形成手段を有することが好ましい。このような構成によれば、第６の嵌合部形成手段を第５の嵌合部形成手段に嵌め込むことにより、第３の支持体を第２の支持体に取り付けることができるので、第３の支持体の位置決めが容易になる。
【００１８】
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の支持体に取り付ける前に、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】
【００１９】
本発明によれば、高品質の支持体付き電解質膜及び触媒層−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】
【００２０】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る支持体付き電解質膜の平面図及び底面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、図１に示す支持体付き電解質膜のＡ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す支持体付き電解質膜の変形例を示す平面図、Ａ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図１に示す支持体付き電解質膜の他の変形例を示す断面図である。
【図５】図１に示す支持体付き電解質膜のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図６】図１に示す支持体付き電解質膜のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、第２の支持体を作製する工程を示す断面図及び平面図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、第２の支持体を作製する工程を示す断面図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、上記工程によって作製された第２の支持体の断面図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、第１の支持体及び電解質膜を作製する工程を示す平面図及び断面図である。
【図１１】第１の支持体及び電解質膜を作製する工程を示す断面図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は、上記工程によって作製された第１の支持体及び電解質膜の平面図及び断面図である。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）は、電解質膜を第２の支持体に取り付ける工程を示す断面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）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平面図、Ａ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。
【図１５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る支持体付き電解質膜のさらに他の実施形態を示す平面図、Ａ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る支持体付き電解質膜のさらに他の実施形態を示す平面図、Ａ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。
【図１７】図１６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１８】図１６に示す支持体付き電解質膜の他の変形例を示す断面図である。
【図１９】図１６に示す支持体付き電解質膜のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図２０】（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る支持体付き電解質膜のさらに他の実施形態を示す平面図、Ａ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。
【図２１】（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。
【図２２】（ａ）及び（ｂ）は、第１の支持体及び第１の嵌合部形成手段の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る支持体付き電解質膜の平面図（一方面側から見た図）及び底面図（他方面側から見た図）であり、図２（ａ）及び（ｂ）は、当該支持体付き電解質膜のＡ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。
【００２２】
本実施形態に係る支持体付き電解質膜は、図１及び図２に示すように、電解質膜７及び第１の支持体１を備える積層体Ｍと、第２の支持体２とを備えている。
【００２３】
電解質膜７は、図１（ａ）及び（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。
【００２４】
第１の支持体１は、電解質膜７の一部を残した状態で電解質膜７の一方面の外周縁部の少なくとも四隅に積層されている。そのため、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ことができる。本実施形態では、第１の支持体１は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、中央に開口部１１が形成された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積層されている。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る。
【００２５】
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。
【００２６】
第１の支持体１の幅及び厚さは、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。
【００２７】
また、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、第２の支持体２が、積層体Ｍのいずれかの面（本実施形態では下面）に、その一部が積層体Ｍの厚み方向に第１の支持体１と重なるように積層され、積層体Ｍ及び第２の支持体２は、互いに重なる位置に、それぞれ第１の嵌合部形成手段Ｆ１及び第１の嵌合部形成手段Ｆ１と嵌合する第２の嵌合部形成手段Ｆ２を有している。本実施形態では、第１の嵌合部形成手段Ｆ１は孔であり、図１（ａ）に示すように、積層体Ｍの四隅に１つずつ形成されている。また、図２（ａ）に示すように、第１の嵌合部形成手段Ｆ１は、積層体Ｍを貫通している。第１の嵌合部形成手段Ｆ１の断面形状は特に限定されないが、本実施形態では、円形である。また、第１の嵌合部形成手段Ｆ１の直径は例えば１〜５ｍｍである。
【００２８】
第２の支持体２は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態では、平面視矩形状である。また、図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示すように、第２の支持体２は、電解質膜７の外周縁よりも外形が大きい外周縁を有し、且つ、第２の支持体２の内側には、電解質膜７の外周縁よりも外形が小さい開口部２２が形成されている。開口部２２は、平面視矩形状であり、第２の支持体２の一方面から他方面まで貫通している。積層体Ｍは、開口部２２を覆うように第２の支持体２に配置される。また、開口部２２及び第１の支持体１の開口部１１の大きさは、本実施形態のように同一であってもよいし、互いに異なってもよい。
【００２９】
さらに、第２の支持体２は、開口部２２の外側の積層体Ｍと重なる位置であって、厚み方向に第１の支持体１と重なる位置に第２の嵌合部形成手段Ｆ２を有している。本実施形態では、第２の嵌合部形成手段Ｆ２は、第１の嵌合部形成手段Ｆ１をなす孔に嵌合する凸部である。より具体的には、図１（ａ）に示すように、第２の嵌合部形成手段Ｆ２は、第１の嵌合部形成手段Ｆ１に対応する位置に形成されており、図２（ａ）に示すように、第１の嵌合部形成手段Ｆ１と互いに嵌合している。これにより、電解質膜７は開口部２２を覆うように第２の支持体２の一方面に取り付けられる。第２の嵌合部形成手段Ｆ２の断面形状は特に限定されないが、第１の嵌合部形成手段Ｆ１に嵌る形状であればよく、第１の嵌合部形成手段Ｆ１の断面形状と同一であることが好ましい。本実施形態では、第２の嵌合部形成手段Ｆ２の断面形状は円形である。また、第２の嵌合部形成手段Ｆ２の直径は第１の嵌合部形成手段Ｆ１の直径にほぼ等しい。
【００３０】
後述するように、積層体Ｍの第１の嵌合部形成手段Ｆ１に、第２の嵌合部形成手段Ｆ２を嵌め込むことにより、支持体付き電解質膜を作製する。このとき、動きが抑えられた状態で電解質膜７を第２の支持体２に取り付けることができるので、電解質膜７と第２の支持体２との位置精度を容易に向上させることができる。
【００３１】
上記のように、電解質膜７の第１の支持体１が積層されていない側の面が第２の支持体２に接するようにしてもよいし、あるいは図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１の支持体１が第２の支持体２に接するように、電解質膜７を第２の支持体２に取り付けてもよい。すなわち、第２の支持体２が、積層体Ｍの第１の支持体１側の面に積層されてもよい。また、第１の嵌合部形成手段Ｆ１は、積層体Ｍを貫通していなくてもよく、例えば、図４に示すように、第１の支持体１にのみ形成されていてもよい。さらに、図４では、第１の嵌合部形成手段Ｆ１は第１の支持体１を貫通しているが、第１の支持体１を貫通していなくてもよい。
【００３２】
また、上述の形態では、第２の嵌合部形成手段Ｆ２の長さが第１の嵌合部形成手段Ｆ１の長さと同一であったが、第２の嵌合部形成手段Ｆ２の長さが第１の嵌合部形成手段Ｆ１の長さと異なっていてもよく、例えば、図５に示すように、第２の嵌合部形成手段Ｆ２の端部が第１の嵌合部形成手段Ｆ１から突き出てもよい。
【００３３】
また、上述の形態では、第１の嵌合部形成手段Ｆ１が孔であり、第２の嵌合部形成手段Ｆ２が凸部であったが、本発明はこれに限定されず、第１の嵌合部形成手段Ｆ１及び第２の嵌合部形成手段Ｆ２は、互いに嵌合する形状であればよい。例えば、図６に示す支持体付き電解質膜のように、第１の嵌合部形成手段Ｆ１が凸部であり、第２の嵌合部形成手段Ｆ２が孔であってもよい。
【００３４】
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（例えば、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
第１及び第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、ゴム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、上記の単体又は複数の材料を積層した積層体、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及び第２の支持体１，２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及び第２の支持体１，２の材質は同一であってもよいが、図２では、区別しやすいように第１及び第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。
【００３８】
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。
【００３９】
以上のように、本実施形態に係る支持体付き電解質膜は、矩形状の電解質膜７、及び、電解質膜７の一部を残した状態で電解質膜７の一方面の外周縁部の少なくとも四隅に積層された第１の支持体１を備える積層体Ｍと、電解質膜７の外周縁よりも外形が大きい外周縁を有し、且つ、内側に電解質膜７の外周縁よりも外形が小さい開口部が形成された第２の支持体２と、を備え、第２の支持体２が積層体Ｍのいずれかの面に、その一部が積層体Ｍの厚み方向に第１の支持体１と重なるように積層され、積層体Ｍ及び第２の支持体２は、互いに重なる位置に、それぞれ第１の嵌合部形成手段Ｆ１及び第１の嵌合部形成手段Ｆ１と嵌合する第２の嵌合部形成手段Ｆ２を有するので、電解質膜７の動きが抑えられた状態で第２の嵌合部形成手段Ｆ２を第１の嵌合部形成手段Ｆ１に嵌め込むことができる。よって、電解質膜７を第２の支持体２の所望の位置に容易に取り付けることができる。したがって、電解質膜７と第１及び第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。
【００４０】
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。
【００４１】
まず、図７及び図８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７（ａ）及び（ｂ）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の平面視の外形も特に限定されず、本実施形態のように第２の支持体２と同じ大きさであってもよいし、第２の支持体２と異なる大きさであってもよい。なお、図７（ａ）は、基材２ａ，２ｂの積層体の断面図であり、図７（ｂ）は、当該積層体の平面図である。
【００４２】
続いて、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の切断刃８１及び第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。図８（ａ）は、図７（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図であり、図８（ｂ）は、図７（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図である。第１の切断刃８１は、円筒形状の切断刃であり、図８（ａ）に示すように、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る。第２の切断刃８２は、第２の支持体２の開口部２２と同じ大きさの平面視矩形枠状の切断刃であり、図８（ｂ）に示すように、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９（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２の嵌合部形成手段Ｆ２及び開口部２２が形成される。図９（ａ）は、図７（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図であり、図９（ｂ）は、図７（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図である。これにより、第２の支持体２が作製される。
【００４３】
続いて、図１０及び図１１に示す工程によって、第１の支持体１及び電解質膜７を備える積層体Ｍを作製する。まず、図１０（ａ）及び（ｂ）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。なお、図１０（ａ）は、第１の支持体１及び電解質膜７の積層体Ｍの平面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。続いて、図１１に示すように、上記した図８（ａ）に示す工程において用いた第１の切断刃８１によって、積層体Ｍをくり貫く。なお、図１１は、図１０（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図である。
【００４４】
これにより、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の支持体１及び電解質膜７を貫通する第１の嵌合部形成手段Ｆ１を形成する。なお、図１２（ａ）は、積層体Ｍの平面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図である。
【００４５】
続いて、図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、積層体Ｍと第２の支持体２とを対向させ、第１の嵌合部形成手段Ｆ１に第２の嵌合部形成手段Ｆ２を嵌め込むことにより、電解質膜７を第２の支持体２に積層する。これにより、図１に示す支持体付き電解質膜が製造される。
【００４６】
このように、本実施形態では、第１及び第２の支持体１，２及び電解質膜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及び第２の支持体１，２及び電解質膜７を簡便に作製することができる。なお、図８に示す工程を図１０及び図１１に示す工程の後に実施してもよい。また、図１０及び図１１に示す工程では、電解質膜７と第１の支持体１とを積層してから、第１の嵌合部形成手段Ｆ１を形成しているが、これに限定されない。例えば、第１の支持体１のみに第１の嵌合部形成手段Ｆ１が形成された積層体Ｍを作製する場合等は、第１の支持体１に第１の嵌合部形成手段Ｆ１を形成した後に、電解質膜７と第１の支持体１とを積層してもよい。
【００４７】
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。
【００４８】
図１４（ａ）〜（ｃ）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平面図、Ａ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。
【００４９】
図１４に示す支持体付き電解質膜では、電解質膜７の外形が第１の支持体１の外形よりも一回り小さく、かつ、開口部１１の外形よりも一回り大きい。また、４つの第１の嵌合部形成手段Ｆ１が第１の支持体１にのみ形成されており、電解質膜７は、第１の嵌合部形成手段Ｆ１を頂点とする矩形領域に収まるように、第１の支持体１に取り付けられている。その他の構造は、図３に示す支持体付き電解質膜と同一である。図１４に示す形態においても、第１の支持体１によって電解質膜７の動きが抑えられた状態で第２の嵌合部形成手段Ｆ２を第１の嵌合部形成手段Ｆ１に嵌め込むことができるので、電解質膜７を第２の支持体２の所望の位置に高い精度で容易に取り付けることができる。
【００５０】
図１５（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る支持体付き電解質膜のさらに他の実施形態を示す平面図、Ａ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。
【００５１】
図１５に示す支持体付き電解質膜では、第２の支持体２が、開口部２２の周縁を囲む凹部２３を有し、凹部２３には積層体Ｍが配置されている。積層体Ｍの下面の外周縁部は、凹部２３の底面２４に接している。その他の構造は、図３に示す支持体付き電解質膜と同一である。図１５に示す形態においても、第１の支持体１によって電解質膜７の動きが抑えられた状態で第２の嵌合部形成手段Ｆ２を第１の嵌合部形成手段Ｆ１に嵌め込むことができるので、電解質膜７を第２の支持体２の所望の位置に容易に取り付けることができる。凹部２３の内周は、電解質膜７及び第１の支持体１よりも大きくてもよいが、図１５に示す形態のように、凹部２３の内周を電解質膜７及び第１の支持体１と同じ大きさとすることが好ましい。これにより、電解質膜７からのガスリークを防止することができる。
【００５２】
また、図１５に示す支持体付き電解質膜では、積層体Ｍの全体が凹部２３に収容されているが、積層体Ｍの一部が凹部２３からはみ出してもよい。
【００５３】
図１６（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る支持体付き電解質膜のさらに他の実施形態を示す平面図、Ａ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。
【００５４】
図１６に示す支持体付き電解質膜は、図１５に示す支持体付き電解質膜において、枠型の第３の支持体３をさらに備えた構成である。また、第１の嵌合部形成手段Ｆ１は積層体Ｍを貫通しておらず、第３の支持体３は第２の支持体２の凹部２３を有する面（上面）に、その一部が積層体Ｍの厚み方向に第１の支持体１と重なるように積層されている。第３の支持体３の内周縁部は、凹部２３の内側に突き出ている。図１６に示す形態では、電解質膜７を第２の支持体２の所望の位置に容易に取り付けることができることに加え、第３の支持体３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３の支持体３によって電解質膜７から外部へのガスリークをより効果的に防止することができる。
【００５５】
続いて、第３の支持体の位置決めを容易にする構成について説明する。
【００５６】
図１７は、図１６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。
【００５７】
図１７に示す支持体付き電解質膜は、図１６に示す支持体付き電解質膜において、積層体Ｍ及び第３の支持体３が、互いに重なる位置に、それぞれ第３の嵌合部形成手段Ｆ３及び第３の嵌合部形成手段Ｆ３と互いに嵌合する第４の嵌合部形成手段Ｆ４を有する構成である。本実施形態では、第１の嵌合部形成手段Ｆ１及び第３の嵌合部形成手段Ｆ３は孔であり、第２の嵌合部形成手段Ｆ２及び第４の嵌合部形成手段Ｆ４は凸部である。第４の嵌合部形成手段Ｆ４を第３の嵌合部形成手段Ｆ３に嵌め込むことにより、第３の支持体３を積層体Ｍに取り付けることができるので、第３の支持体３の位置決めが容易になる。なお、第３の嵌合部形成手段Ｆ３及び第４の嵌合部形成手段Ｆ４は互いに嵌合する形状であればよく、例えば、第３の嵌合部形成手段Ｆ３が凸部であり、第４の嵌合部形成手段Ｆ４が孔であってもよい。
【００５８】
図１８は、図１６に示す支持体付き電解質膜の他の変形例を示す断面図である。
【００５９】
図１８に示す支持体付き電解質膜では、第１の嵌合部形成手段Ｆ１及び第３の嵌合部形成手段Ｆ３が、互いに連通することにより積層体Ｍを貫通する貫通孔を構成している点を除き、図１７に示す支持体付き電解質膜と同一の構成である。上記貫通孔のうち、第２の嵌合部形成手段Ｆ２が嵌まっている部分が第１の嵌合部形成手段Ｆ１に相当し、第４の嵌合部形成手段Ｆ４が嵌まっている部分が第３の嵌合部形成手段Ｆ３に相当する。このように、貫通孔に第２の嵌合部形成手段Ｆ２及び第４の嵌合部形成手段Ｆ４が嵌め込まれるため、積層体Ｍに貫通孔を設けるだけで、積層体Ｍの位置決めだけでなく、第３の支持体３の位置決めも容易にすることができる。
【００６０】
なお、図１８に示す支持体付き電解質膜では、第２の嵌合部形成手段Ｆ２及び第４の嵌合部形成手段Ｆ４の長さの合計が、上記貫通孔の長さと同一である。また、第２の嵌合部形成手段Ｆ２及び第４の嵌合部形成手段Ｆ４の長さの合計が、上記貫通孔の長さよりも短くてもよい。すなわち、第２の嵌合部形成手段Ｆ２の先端と第４の嵌合部形成手段Ｆ４の先端とが離間してもよい。
【００６１】
図１９は、図１６に示す支持体付き電解質膜のさらに他の変形例を示す断面図である。
【００６２】
図１９に示す支持体付き電解質膜は、図１８に示す支持体付き電解質膜において、第２の支持体２及び第３の支持体３が、互いに重なる位置に、それぞれ第５の嵌合部形成手段Ｆ５及び第５の嵌合部形成手段Ｆ５と嵌合する第６の嵌合部形成手段Ｆ６を有する構成である。本実施形態では、第５の嵌合部形成手段Ｆ５は孔であり、第６の嵌合部形成手段Ｆ６は凸部である。当該構成においても、第６の嵌合部形成手段Ｆ６を第５の嵌合部形成手段Ｆ５に嵌め込むことにより、第３の支持体３を第２の支持体２に取り付けることができるので、第３の支持体３の位置決めが容易になる。
【００６３】
なお、第５の嵌合部形成手段Ｆ５の位置は、第２の支持体２の一方面上であれば特に限定されない。また、第５の嵌合部形成手段Ｆ５の長さは特に限定されず、第２の支持体２を貫通してもよい。また、第５の嵌合部形成手段Ｆ５の長さと第６の嵌合部形成手段Ｆ６の長さは同一であってもよいし、互いに異なってもよい。
【００６４】
また、第５の嵌合部形成手段Ｆ５及び第６の嵌合部形成手段Ｆ６は互いに嵌合する形状であればよく、例えば、第５の嵌合部形成手段Ｆ５が凸部であり、第６の嵌合部形成手段Ｆ６が孔であってもよい。
【００６５】
上述の各支持体付き電解質膜における積層体Ｍは、電解質膜７の一方面に第１の支持体１が積層された構成であったが、電解質膜７の他方面にさらなる支持体を積層してもよい。図２０（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る支持体付き電解質膜のさらに他の実施形態を示す平面図、Ａ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。
【００６６】
図２０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において、電解質膜７の一部を残した状態で電解質膜７の他方面の外周縁部に第４の支持体４をさらに積層した構成である。すなわち、積層体Ｍは、電解質膜７、第１の支持体１及び第４の支持体４を備えて構成される。これにより、電解質膜７に第１の支持体１のみを積層する構成に比べ、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る。
【００６７】
なお、第４の支持体４が積層される位置は、電解質膜７の他方面の外周縁部の少なくとも四隅であればよい。そのため、第４の支持体４の外形は、本実施形態では中央に開口部４１が形成された平面視矩形状の枠型であるが、電解質膜７の一部を残した状態で電解質膜７の外周縁部の少なくとも四隅を含む部分に対応する形状であればよい。また、第４の支持体４の外形及び寸法は、第１の支持体１と同一であってもよいし、異なってもよい。
【００６８】
続いて、本実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体について説明する。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。図２１（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。
【００６９】
図２１（ａ）に示す形態のように、触媒層８は、電解質膜７の露出部分に形成されてもよい。また、図２１（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。
【００７０】
図２１（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２３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２１（ｄ）に示す形態は、図２１（ｃ）に示す形態に第３の支持体３を設けた構成である。図２１（ｄ）に示すように、第３の支持体３は、触媒層８の外周縁部に乗り上げてもよい。
【００７１】
なお、上記のいずれの形態においても、触媒層８を電解質膜７に形成する工程は、電解質膜７を第２の支持体２に取り付け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に取り付ける前に、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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
以上、本発明の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。
【００７９】
例えば、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の一部を残した状態で電解質膜７の外周縁部の少なくとも四隅を含む部分に対応する形状であればよい。例えば、図２２（ａ）に示すように、第１の支持体１を平面視コ字状に形成し、電解質膜７の外周縁部の３辺に積層してもよい。または、図２２（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の四隅に積層してもよい。
【００８０】
また、第１の嵌合部形成手段Ｆ１の形成位置も、上述した実施形態に限定されない。例えば、図２２（ａ）に示すように、第１の嵌合部形成手段Ｆ１を電解質膜７及び第１の支持体１の対角線上に向かい合う二隅のみに形成してもよい。あるいは、第１の嵌合部形成手段Ｆ１を電解質膜７及び第１の支持体１の四隅以外の部分に形成してもよい。第１の嵌合部形成手段Ｆ１の個数も特に限定されず、１つのみであってもよい。
【００８１】
また、第１の嵌合部形成手段Ｆ１の断面形状も、上述した実施形態に限定されない。図１９（ｂ）に示す第１の嵌合部形成手段Ｆ１１〜Ｆ１４は、断面が円形である第１の嵌合部形成手段Ｆ１の変形例であり、第１の嵌合部形成手段Ｆ１１〜Ｆ１４の断面形状は、それぞれ矩形、Ｘ字状、Ｌ字状、細長形状である。これらの断面形状は一例であり、特に限定されない。さらに、第２〜第６の嵌合部形成手段Ｆ２〜Ｆ６の断面形状についても、第１の嵌合部形成手段Ｆ１と同様の変形が可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１    第１の支持体
２    第２の支持体
２ａ    基材
２ｂ    基材
３    第３の支持体
４    第４の支持体
７    電解質膜
８    触媒層
１１    開口部
２２    開口部
２３    凹部
２４    底面
４１    開口部
８１    第１の切断刃
８２    第２の切断刃
Ｆ１    第１の嵌合部形成手段
Ｆ１１  第１の嵌合部形成手段
Ｆ１２  第１の嵌合部形成手段
Ｆ１３  第１の嵌合部形成手段
Ｆ１４  第１の嵌合部形成手段
Ｆ２    第２の嵌合部形成手段
Ｆ３    第３の嵌合部形成手段
Ｆ４    第４の嵌合部形成手段
Ｆ５    第５の嵌合部形成手段
Ｆ６    第６の嵌合部形成手段
Ｍ    積層体
【図１】
2016035827.tif 000003
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図２２】
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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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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