(57)【要約】【課題】ガス拡散電極の電極面内の局所間での締結圧力のバラツキを容易、かつ、充分に低減できる優れた信頼性を有する膜−電極積層体を提供することを目的とする。【解決手段】高分子電解質膜１と、第１ガス拡散電極６ａと、第２ガス拡散電極６ｂと、開口を有するように形成され、高分子電解質膜１の一方の主面に接触するように配置された第１補強膜７ａと、を備え、第１ガス拡散電極６ａは、高分子電解質膜１の一方の主面に接触するように配置された第１触媒層２ａと、該第１触媒層２ａを覆うように配置された第２ガス拡散層３ａと、該第２ガス拡散層３ａと第１補強膜７ａの主面の一部を覆うように配置された第１ガス拡散層４ａと、を有し、第１触媒層２ａの厚さと第２ガス拡散層の３ａ厚さとを合わせた総和が第１補強膜７ａの厚さよりも大きくなるように構成されている、膜−電極積層体。【選択図】図１
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【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一方の主面に接触するように配置された第１ガス拡散電極と、
前記高分子電解質膜の他方の主面に接触するように配置された第２ガス拡散電極と、
開口を有するように形成され、その一方の主面が前記高分子電解質膜の一方の主面に接触するように配置された第１補強膜と、を備え、
前記第１ガス拡散電極は、前記高分子電解質膜の前記一方の主面に接触するように配置された第１触媒層と、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記第１補強膜の前記開口からはみ出さないように形成され前記第１触媒層を覆うように配置された第２ガス拡散層と、該第２ガス拡散層と前記第１補強膜の前記他方の主面の一部を覆うように配置された第１ガス拡散層と、を有し、
前記第１触媒層の厚さと前記第２ガス拡散層の厚さとを合わせた総和が前記第１補強膜の厚さよりも大きくなるように構成されている、膜−電極積層体。
【請求項２】
前記第１触媒層は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、その周縁が前記第１補強膜の前記開口からはみ出さないように形成されている、請求項１に記載の膜−電極積層体。
【請求項３】
前記第２ガス拡散層は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、その周縁が前記第１触媒層の周縁からはみ出さないように形成されている、請求項１に記載の膜−電極積層体。
【請求項４】
開口を有するように形成され、その一方の主面が前記高分子電解質膜の他方の主面に接触するように配置された第２補強膜をさらに備え、
前記第２ガス拡散電極は、前記高分子電解質膜の前記他方の主面に接触するように配置された第２触媒層と、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記第２補強膜の前記開口からはみ出さないように形成され前記第２触媒層を覆うように配置された第４ガス拡散層と、該第４ガス拡散層と前記第２補強膜の前記他方の主面の一部を覆うように配置された第３ガス拡散層と、を有し、
前記第２触媒層の厚さと前記第４ガス拡散層の厚さとを合わせた総和が前記第２補強膜の厚さよりも大きくなるように構成されている、請求項１に記載の膜−電極積層体。
【請求項５】
前記第２触媒層は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、その周縁が前記第２補強膜の前記開口からはみ出さないように形成されている、請求項４に記載の膜−電極積層体。
【請求項６】
前記第４ガス拡散層は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、その周縁が前記第２触媒層の周縁からはみ出さないように形成されている、請求項４に記載の膜−電極積層体。
【請求項７】
請求項１に記載の膜−電極積層体と、
一対の板状のセパレータと、を備え、
前記膜−電極積層体は、一対の前記セパレータに挟まれている、高分子電解質形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜−電極積層体及びこれを備える高分子電解質形燃料電池に関し、特に、膜−電極積層体の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電気と熱を同時に発生させるものである。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極積層体）と、ガスケットと、導電性のセパレータと、を有している。
【０００３】
ＭＥＡにおいては、ガス漏れを防止するためガスケットを配置する観点から、高分子電解質膜の主面の大きさが、ガス拡散電極の主面の大きさよりも大きく、かつ、正面視にて、高分子電解質膜の周縁部が、ガス拡散電極の外周よりも外側に突出するように構成されている。また、セパレータには、ガス拡散電極と当接する主面に燃料ガス又は酸化剤ガス（これらを反応ガスという）を流すための溝状の反応ガス流路が設けられている。
【０００４】
そして、高分子電解質膜の周縁部にガスケットが配置されたＭＥＡが、一対のセパレータで挟まれて、セルが構成される。燃料電池スタックは、このセルを複数積層し、積層されたセルの両端を端板で挟み、該端板とセルとを締結具により締結することにより、形成される。
【０００５】
近年、このようなＰＥＦＣはその実用化に向けて様々な検討がなされている。例えば、ＰＥＦＣの性能向上（内部抵抗の低減）を意図して、高分子電解質膜の薄膜化（例えば、厚さ５０μｍ以下）を行う場合、高分子電解質膜の機械的強度が低下する。そのため、高分子電解質膜の機械的強度を向上させることを意図して、額縁状の補強膜を高分子電解質膜（イオン交換膜）の少なくとも一方の面に配設する構成を採用した固体高分子型燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−１５４５２１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、特許文献１に開示されている高分子電解質膜の一方の面に補強膜を配設した燃料電池等の従来の燃料電池であっても、ガス拡散電極の電極面内の局所間での締結圧力のバラツキを低減するという観点からは、未だ改善の余地があることを本発明者等は見出した。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、ガス拡散電極の電極面内の局所間での締結圧力のバラツキを容易、かつ、充分に低減できる優れた信頼性を有する膜−電極積層体及びこれを備える高分子電解質形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】
【０００８】
本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下の点を見出した。
【０００９】
すなわち、特許文献１に開示されているような高分子電解質膜の一方の面に補強膜を配設する従来の燃料電池では、補強膜の構成材料として、フッ素樹脂フィルム、ポリエチレンナフタレートフィルム等の合成樹脂フィルムを使用しており、高分子電解質膜の機械的強度を充分に補強する観点から、補強膜がガス拡散層及び触媒層よりも硬い場合が多いことを見出した。そして、後述する感圧紙を用いた試験等により、補強膜がガス拡散層よりも硬い場合には、膜−電極接合体をセパレータで挟んで締結すると、ガス拡散電極の電極面内（特に、ガス拡散電極のガス拡散層と触媒層との接触面やガス拡散電極のガス拡散層と該ガス拡散層に接触するセパレータとの接触面等）で締結圧力が均一にかからず、電極面内の局所間で締結圧力のバラツキが発生していることを見出した（図１０に示す比較例１の結果を参照）。
【００１０】
なお、補強膜がガス拡散層よりも硬い場合に、ガス拡散電極の電極面内の局所間での締結圧力のバラツキが発生しやすくなることについての詳細なメカニズムは、明確には解明されていないが、本発明者等は、締結時において補強膜からセパレータにかかる反力が大きくなり、締結した際にガス拡散層の主面が、触媒層の主面にフラットな状態で当接しにくくなっていることが影響していると考えている。
【００１１】
そして、このガス拡散電極の電極面内の局所間での締結圧力のバラツキは、（Ｉ）構成部材間の接触抵抗の増大（特に、ガス拡散電極のガス拡散層と触媒層との接触面での接触抵抗の増大、ガス拡散電極のガス拡散層と該ガス拡散層に接触するセパレータとの接触面での接触抵抗の増大等）による電池出力の低下、（ＩＩ）ガス拡散層中及び触媒層中における反応ガスの分配性（等分配性）の低下によるフラッディングの発生、（ＩＩＩ）触媒層中で反応の進行しやすい部分と反応の進行しにくい部分とができることによる、触媒層中の局所間での反応熱の局在化及びこれに伴う高分子電解質膜の劣化の進行、並びに、（ＩＶ）膜−電極接合体を複数積層する場合の各セル間での出力電圧のバラツキの発生、といった不具合を引き起こす原因となる。
【００１２】
このため、ＰＥＦＣの実用化の際に製品として求められる信頼性（出力性能及び耐久性についての信頼性）を確保する観点から、ガス拡散電極の電極面内の局所間での締結圧力のバラツキを充分に低減することは重要である。
【００１３】
このような問題に対して、本発明者等は、以下に記載する構成を採用することが、上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であるということを見出し、本発明を想到した。
【００１４】
すなわち、本発明に係る膜−電極積層体は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の主面に接触するように配置された第１ガス拡散電極と、前記高分子電解質膜の他方の主面に接触するように配置された第２ガス拡散電極と、開口を有するように形成され、その一方の主面が前記高分子電解質膜の一方の主面に接触するように配置された第１補強膜と、を備え、前記第１ガス拡散電極は、前記高分子電解質膜の前記一方の主面に接触するように配置された第１触媒層と、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記第１補強膜の前記開口からはみ出さないように形成され前記第１触媒層を覆うように配置された第２ガス拡散層と、該第２ガス拡散層と前記第１補強膜の前記他方の主面の一部を覆うように配置された第１ガス拡散層と、を有し、前記第１触媒層の厚さと前記第２ガス拡散層の厚さとを合わせた総和が前記第１補強膜の厚さよりも大きくなるように構成されている。
【００１５】
これにより、本発明に係る膜−電極積層体を一対のセパレータで挟んで締結すると、第２ガス拡散層が第１補強膜の反力を受けることなく、第１ガス拡散層によって圧縮され、この圧縮による第２ガス拡散層の弾性反発力が第１触媒層に実質的に均一に加わる。このため、第１ガス拡散電極及び第２ガス拡散電極の電極面内（特に、第１ガス拡散電極における第１ガス拡散層と第２ガス拡散層との間の接触面、第１ガス拡散電極における第２ガス拡散層と第１触媒層との接触面、及び第２ガス拡散電極のガス拡散層と触媒層との接触面）の局所間での締結圧力のバラツキを容易、かつ、充分に低減することができる。
【００１６】
また、第１ガス拡散層が第２ガス拡散層と第１補強膜の主面の一部を覆うように配置されているため、第１ガス拡散層の端部（周縁）が高分子電解質膜に触れることによる高分子電解質膜の損傷の進行をより確実に防止することができるようになる。
【００１７】
また、本発明に係る膜−電極積層体では、前記第１触媒層は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、その周縁が前記第１補強膜の前記開口からはみ出さないように形成されていてもよい。
【００１８】
また、本発明に係る膜−電極積層体では、前記第２ガス拡散層は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、その周縁が前記第１触媒層の周縁からはみ出さないように形成されていてもよい。
【００１９】
また、本発明に係る膜−電極積層体では、開口を有するように形成され、その一方の主面が前記高分子電解質膜の他方の主面に接触するように配置された第２補強膜をさらに備え、前記第２ガス拡散電極は、前記高分子電解質膜の前記他方の主面に接触するように配置された第２触媒層と、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記第２補強膜の前記開口からはみ出さないように形成され前記第２触媒層を覆うように配置された第４ガス拡散層と、該第４ガス拡散層と前記第２補強膜の前記他方の主面の一部を覆うように配置された第３ガス拡散層と、を有し、前記第２触媒層の厚さと前記第４ガス拡散層の厚さとを合わせた総和が前記第２補強膜の厚さよりも大きくなるように構成されていてもよい。
【００２０】
これにより、本発明に係る膜−電極積層体を一対のセパレータで挟んで締結すると、第４ガス拡散層が第２補強膜の反力を受けることなく、第４ガス拡散層によって圧縮され、この圧縮による第４ガス拡散層の弾性反発力が第２触媒層に実質的に均一に加わる。このため、第３ガス拡散電極及び第４ガス拡散電極の電極面内（特に、第１ガス拡散電極における第１ガス拡散層と第２ガス拡散層との間の接触面、第１ガス拡散電極における第２ガス拡散層と第１触媒層との接触面、及び第２ガス拡散電極における第３ガス拡散層と第４ガス拡散層との間の接触面、第２ガス拡散電極における第４ガス拡散層と第２触媒層との接触面）の局所間での締結圧力のバラツキを容易、かつ、充分に低減することができる。
【００２１】
また、第３ガス拡散層が第４ガス拡散層と第２補強膜の主面の一部を覆うように配置されているため、第３ガス拡散層の端部（周縁）が高分子電解質膜に触れることによる高分子電解質膜の損傷の進行をより確実に防止することができるようになる。
【００２２】
また、本発明に係る膜−電極積層体では、前記第２触媒層は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、その周縁が前記第２補強膜の前記開口からはみ出さないように形成されていてもよい。
【００２３】
さらに、本発明に係る膜−電極積層体では、前記第４ガス拡散層は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、その周縁が前記第２触媒層の周縁からはみ出さないように形成されていてもよい。
【００２４】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、前記膜−電極積層体と、一対の板状のセパレータと、を備え、前記膜−電極積層体は、一対の前記セパレータに挟まれている。
【００２５】
これにより、第１ガス拡散電極及び第２ガス拡散電極の電極面内（特に、第１ガス拡散電極における第１ガス拡散層と第２ガス拡散層との間の接触面、第１ガス拡散電極における第２ガス拡散層と第１触媒層との接触面、及び第２ガス拡散電極のガス拡散層と触媒層との接触面）の局所間での締結圧力のバラツキを容易、かつ、充分に低減することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の膜−電極積層体及びそれを備える高分子電解質形燃料電池によれば、ガス拡散電極の電極面内の局所間での締結圧力のバラツキを容易、かつ、充分に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、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。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る膜−電極積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。図２は、図１において矢印ＩＩの方向から見た膜−電極積層体を示す模式図である。なお、図１においては、後述するカソードセパレータ及びアノードセパレータで挟まれて締結される前の膜−電極積層体を模式的に示している。
【００２９】
[膜−電極積層体の構成]
まず、本発明の実施の形態１に係る膜−電極積層体の構成について説明する。
【００３０】
図１及び図２に示すように、本実施の形態１に係る膜−電極積層体１０は、高分子電解質膜１、カソード（第１ガス拡散電極）６ａ、アノード（第２ガス拡散電極）６ｂ、第１補強膜７ａ、及び第２補強膜７ｂを備えている。カソード６ａは、カソード触媒層２ａとカソードガス拡散層５ａを有しており、アノード６ｂは、アノード触媒層２ｂとアノードガス拡散層５ｂを有している。
【００３１】
高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）に形成されている。高分子電解質膜１の一方の主面には、第１補強膜７ａが配置されており、高分子電解質膜１の他方の主面には、第２補強膜７ｂが配置されている。
【００３２】
第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ａは、同じ形状に形成されており、高分子電解質膜１と相似の矩形に形成されている。第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂの外周面は、高分子電解質膜１の外周面と実質的に面一になるように形成されていて、その主面には、カソード触媒層（第１触媒層）２ａ又はアノード触媒層（第２触媒層）２ｂの主面より若干大きな開口が、それぞれ形成されている。なお、第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂの厚みは、可撓性を有する観点から、薄く形成することが好ましく、製造を容易にする観点から、その厚みは同じであることが好ましい。
【００３３】
また、高分子電解質膜１の一方の主面には、カソード触媒層２ａが、第１補強膜７ａの開口を埋めるようにして配設されている。同様に、高分子電解質膜１の他方の主面には、アノード触媒層２ｂが、第２補強膜７ｂの開口内に位置するようにして配設されている。カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂは、ここでは、高分子電解質膜１と相似の矩形に形成され、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、互いに重なるように配置されている。
【００３４】
カソード触媒層２ａの高分子電解質膜１の主面と接触していない側の主面（以下、外面）には、第２カソードガス拡散層（第２ガス拡散層）３ａが、カソード触媒層２ａの外面を覆うように配設されている。同様に、アノード触媒層２ｂの高分子電解質膜１の主面と接触していない側の主面（以下、外面）には、第２アノードガス拡散層（第４ガス拡散層）３ｂが、アノード触媒層２ｂの外面を覆うように配設されている。第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂは、ここでは、高分子電解質膜１と相似の矩形に形成され、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、互いに重なり、かつ、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの外周と一致するように配置されている。
【００３５】
そして、本実施の形態１に係る膜−電極積層体１０は、カソード触媒層２ａの厚さｔｃと第２カソードガス拡散層３ａの厚さｔｓの総和が、第１補強膜７ａの厚さｔｓよりも大きくなるように構成されており、また、アノード触媒層２ｂの厚さｔｃと第２アノードガス拡散層３ｂの厚さｔ２の総和が、第２補強膜７ｂの厚さｔｓよりも大きくなるように構成されている。換言すると、本実施の形態１に係る膜−電極積層体１０は、第２カソードガス拡散層３ａのカソード触媒層２ａと接触していない側の主面（以下、外面）が、第１補強膜７ａの高分子電解質膜１の主面と接触していない側の主面（以下、外面）より、突出するように構成されており、また、第２アノードガス拡散層３ｂのアノード触媒層２ｂと接触していない側の主面（以下、外面）が、第２補強膜７ｂの高分子電解質膜１の主面と接触していない側の主面（以下、外面）より突出するように構成されている。なお、ここでは、カソード触媒層２ａの厚さｔｃとアノード触媒層２ｂの厚さｔｃは、同じになるように形成され、第２カソードガス拡散層３ａの厚さｔ２と第２アノードガス拡散層３ｂの厚さｔ２は、同じになるように形成され、また、第１補強膜７ａの厚さｔｓと第２補強膜７ｂの厚さｔｓは、同じになるように形成されている。
【００３６】
また、第２カソードガス拡散層３ａの外面には、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、第１カソードガス拡散層４ａ（第１ガス拡散層）が、第２カソードガス拡散層３ａの外面と第１補強膜７ａの主面の一部を覆うように配設されている。同様に、第２アノードガス拡散層３ｂの外面には、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、第１アノードガス拡散層４ｂ（第３ガス拡散層）が、第２アノードガス拡散層３ｂの外面と第２補強膜７ｂの主面の一部を覆うように配設されている。なお、第２カソードガス拡散層３ａ及び第１カソードガス拡散層４ａからカソードガス拡散層５ａが構成されており、第２アノードガス拡散層３ｂ及び第１アノードガス拡散層４ｂからアノードガス拡散層５ｂが構成されている。
【００３７】
これにより、本実施の形態１に係る膜−電極積層体１０を後述する一対のセパレータで挟んで締結した際に、第１カソードガス拡散層４ａ及び第１アノードガス拡散層３ｂの端部が、それぞれ、第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂの外面に接触して、直接、高分子電解質膜１の主面に接触しないため、高分子電解質膜１の破損を充分に低減することができる。
【００３８】
次に、本実施の形態１に係る膜−電極積層体１０の各構成要素について説明する。
【００３９】
高分子電解質膜１は、固体電解質からなり、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性を有する。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、通常の固体高分子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、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）等）を使用することができる。
【００４０】
第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂを構成する材料としては、高分子電解質膜１を自ら傷つけることなく補強する（保護する）観点から柔軟性と可とう性とを有する合成樹脂であることが好ましい。
【００４１】
また、上記の合成樹脂としては、耐久性の観点から、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、フルオロエチレン−プロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリスルフィド、ポリイミド、及び、ポリイミドアミドからなる群より選択される少なくとも１以上の樹脂から構成される合成樹脂であることがより好ましい。
【００４２】
さらに、第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂは、同じ材料を用いて形成してもよく、異なる材料を用いて形成してもよい。
【００４３】
カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの構成としては、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の燃料電池におけるガス拡散電極の触媒層と同様の構成を有していてもよく、例えば、電極触媒（例えば、白金）が担持された導電性炭素粒子（粉末）と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質と、を含むような構成であってもよく、また、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水材料をさらに含むような構成であってもよい。また、アノード触媒層２ｂ及びカソード触媒層２ａの構成は、同一であってもよく、異なっていてもよい。
【００４４】
カソードガス拡散層５ａ（第１及び第２カソードガス拡散層３ａ、４ａ）及びアノードガス拡散層５ｂ（第１及び第２アノードガス拡散層３ｂ、４ｂ）の構成は、互いに同一の構成であってもよく、また、異なる構成であってもよい。
【００４５】
また、カソードガス拡散層５ａ及びアノードガス拡散層５ｂとしては、例えば、ガス透過性を持たせるために、カーボン織布又はカーボン不織布等を用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いてもよい。また、充分な排水性を得る観点から、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをカソードガス拡散層５ａ及びアノードガス拡散層５ｂの中に分散させてもよい。また、例えば、カーボン粉末と撥水性高分子を混合してシート状に成型した導電性シートであってもよい。さらに、膜−触媒層積層体１０における水管理（膜−電極積層体１０の良好な特性維持に必要な水の保持及び不必要な水の迅速な排水）をより容易に、かつ、より確実に行うことができる観点から、第２カソードガス拡散層３ａとカソード触媒層２ａとの間、又は第２アノードガス拡散層３ｂとアノード触媒層２ｂとの間には、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けてもよい。
【００４６】
[高分子電解質形燃料電池の構成]
次に、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣ）の構成について、図３を参照しながら説明する。
【００４７】
図３は、本発明の実施の形態１に係るＰＥＦＣの概略構成を模式的に示す断面図である。
【００４８】
図３に示すように、本発明の実施の形態１に係るＰＥＦＣの単電池（セル）５０は、本発明に係る膜−電極積層体１０、ガスケット８、カソードセパレータ９ａ、及びアノードセパレータ９ｂを備えている。また、ＰＥＦＣ（セルスタック）１００は、複数のセル５０と、一対の集電板、絶縁板、及び端板（いずれも図示せず）と、締結具（図示せず）と、を備えている。
【００４９】
膜−電極積層体１０の周縁部（正確には、高分子電解質膜１、第１補強膜７ａ、及び第２補強膜７ｂの周縁部）には、ガスケット８が設けられている。ガスケット８は、高分子電解質膜１と相似の矩形に形成されていて、開口を有している。該開口を形成する内周面の略中央部には、内周面に沿って環状の凹部８ａが形成されており、該凹部８ａには、膜−電極積層体１０の周縁部が嵌合されている。
【００５０】
これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、セル５０内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット８の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給用マニホールド孔等の各マニホールド孔が設けられている（図示せず）。また、ガスケット８は、非導電性の材料、例えば、フッ素ゴムで形成されている。
【００５１】
また、膜−電極積層体１０とガスケット８を挟むように、導電性を有する板状のカソードセパレータ９ａとアノードセパレータ９ｂが配設されている。なお、これらのセパレータ９ａ、９ｂの周縁部には、燃料ガス供給用マニホールド孔等の各マニホールド孔が設けられている（図９参照）。
【００５２】
これにより、膜−電極積層体１０が機械的に固定され、複数のセル５０をその厚み方向に積層したときには、膜−電極積層体１０が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ９ａ、９ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
【００５３】
カソードセパレータ９ａのカソード６ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、カソード６ａに酸化剤ガスを供給し、電極反応により生成した生成物（例えば、水分）や未反応の酸化剤ガスを膜−電極積層体１０の外部に運び去るための溝状の酸化剤ガス流路１１が、酸化剤ガス供給用マニホールド孔と酸化剤ガス排出用マニホールド孔を接続するように設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１３が、冷却媒体供給用マニホールド孔と冷却媒体排出用マニホールド孔を接続するように設けられている。なお、酸化剤ガス流路１１は、ここでは、サーペンタイン状に形成されており（図９参照）、同様に、冷却媒体流路１３は、サーペンタイン状に形成されている（図示せず）。
【００５４】
同様に、アノードセパレータ８ｂのアノード６ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、アノード６ｂに燃料ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の酸化剤ガスを膜−電極積層体１０の外部に運び去るための溝状の燃料ガス流路１２が、燃料ガス供給用マニホールド孔と燃料ガス排出用マニホールド孔を接続するように設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１３が、冷却媒体供給用マニホールド孔と冷却媒体排出用マニホールド孔を接続するように設けられている（いずれも図示せず）。
【００５５】
これにより、カソード６ａ及びアノード６ｂには、それぞれ酸化剤ガス及び燃料ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の冷却媒体を冷却媒体流路１３に通流させることにより、発生した熱の回収が行われ、発電中の燃料電池５０内の温度をほぼ一定に調節することができる。
【００５６】
なお、本実施の形態においては、酸化剤ガス流路１１、燃料ガス流路１２、及び冷却媒体流路１３を、サーペンタイン状に形成されているとしたが、これに限定されず、セパレータ９ａ、９ｂの主面のほぼ全域を反応ガス、又は冷却媒体が通流することができれば、どのような形状であってもよい。
【００５７】
そして、このように構成されたセル５０をその厚み方向に積層することにより、セル積層体が形成される。このとき、ガスケット８、カソードセパレータ９ａ、及びアノードセパレータ９ｂに設けられた燃料ガス供給マニホールド孔等のマニホールド孔は、厚み方向にそれぞれつながって、燃料ガス供給マニホールド等のマニホールドがそれぞれ形成される。そして、セル積層体の両端に集電板及び絶縁板を配置し、さらにその両端に端板を配置して、締結具で締結することにより、セルスタック１００が形成される。このとき、セルスタック１００を締結する締結圧により、カソードガス拡散層５ａ（特に、第２カソードガス拡散層３ａ）及びアノードガス拡散層５ｂ（特に、第２アノードガス拡散層３ｂ）が、厚み方向に圧縮される。
【００５８】
これにより、カソード６ａ及びアノード６ｂの電極面内（特に、カソード６ａにおけるカソード触媒層２ａと第２カソードガス拡散層３ａの接触面と第２カソードガス拡散層３ａと第１カソードガス拡散層４ａの接触面及びアノード６ｂにおけるアノード触媒層２ｂと第２アノードガス拡散層３ｂの接触面と第２アノードガス拡散層３ｂと第１アノードガス拡散層４ｂの接触面）の局所間での締結圧力のバラツキを低減することができる。
[高分子電解質形燃料電池の製造方法]
次に、本実施の形態１に係るＰＥＦＣ１００の製造方法について、図１乃至図３を参照しながら説明する。
【００５９】
まず、第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂを製造する。
【００６０】
第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂの製造方法としては、鋳型を用いて製造する方法と、シート状の補強膜部材を切断して製造する方法と、が挙げられる。鋳型で製造する場合は、上述したような第１補強膜７ａの形状となるように鋳型を作成し、第１補強膜７ａを構成する材料を材料の融点以上の温度に加熱して液状にして鋳型に流し込むことで製造することができる。また、シート状の補強膜部材を切断して製造する方法としては、開口となる部分をカッター等の切断刃やレーザ光で切断してから、補強膜部材の端部から長手方向に所定の長さ離れた位置を切断刃等で切断することで、第１補強膜７ａを製造することができる。
【００６１】
次に、高分子電解質膜１の両主面に、第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂをそれぞれ配置して、ヒートプレスで接合する。具体的には、ヒートプレスを予め高分子電解質膜１を構成する高分子電解質のガラス転移点以上の温度になるようプレス面を予熱しておき、該プレス面で第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂを加熱処理する。そして、第１補強膜７ａ、高分子電解質膜１、及び第２補強膜７ｂが位置ずれを起こさないように、これらをヒートプレスで挟んで加圧処理して、接合する。
【００６２】
なお、高分子電解質膜１に接触させる前の第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂの裏面（接触面となる部分）に、接着剤を塗工する前処理を行ってもよい。この場合、ヒートプレスを予熱して加圧処理を行ってもよく、予熱を行わずに、加圧処理のみ行ってもよい。また、接着剤としては、電池特性を低下させないものであることが好ましく、例えば、高分子電解質膜１と同種又は異種（但し、高分子電解質膜１と充分に一体化可能な親和性を有するもの）の高分子電解質材料（例えば、先に高分子電解質膜１の構成材料として例示したもの）を分散媒又は溶媒に含有させた液を用いてもよい。
【００６３】
次に、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂを形成する。カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの形成方法としては、公知の燃料電池のガス拡散層の触媒層を形成するために採用されている方法、例えば、スプレー法、スピンコート法、ドクターブレード法、ダイコート法、スクリーン印刷法を用いて製造することができる。
【００６４】
具体的には、高分子電解質膜１に接合された第１補強膜７ａの開口を埋めるようにして、高分子電解質膜１の一方の主面を覆うように、触媒層形成用インクを塗工する等により、カソード触媒層２ａを形成する。ついで、カソード触媒層２ａが形成された高分子電解質膜１の裏表を反対にし、第２補強膜７ｂに形成された開口を埋めるようにして、高分子電解質膜１の他方の主面を覆うように、触媒層形成用インクを塗工する等により、アノード触媒層２ｂを形成する。
【００６５】
なお、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂは、適度な柔軟性を有するようにその成分組成、乾燥の度合い等が調節されており、また、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂは、高分子電解質膜１の裏表が反対になった場合にも、高分子電解質膜１から剥がれ落ちないための処置（例えば、触媒層形成用インクを塗工した後、高分子電解質膜１等を加熱して、触媒層形成用のインクの分散剤を乾燥処理する）が施されている。また、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂを形成するごとに、乾燥処理（例えば加熱処理、送風処理及び脱気処理のうちの少なくとも１つの処理）を適宜行ってもよい。
【００６６】
さらに、ここでは、高分子電解質膜１の両主面に第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂを接合してから、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂを形成したが、これに限定されず、高分子電解質膜１にカソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂを形成してから第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂを接合してもよい。
【００６７】
次に、第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂをカソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの主面にそれぞれ配置する。具体的には、第１補強膜７ａ（第２補強膜７ｂ）の厚みとカソード触媒層２ａ（アノード触媒層２ｂ）の厚みの差よりも大きな厚みを有する、カーボン織布、又はカーボン不織布等を用いて作製された導電性基材を用意し、該導電性基材にポリテトラフルオロエチレン等の樹脂を含浸させる。ついで、樹脂を含浸させた導電性基材を適宜な大きさに切断し、切断した導電性基材をカソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの主面にそれぞれ配置して、第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂを形成する。
【００６８】
なお、第２カソードガス拡散層３ａのカソード触媒層２ａと接触する主面及び第２アノードガス拡散層３ｂのアノード触媒層２ｂと接触する主面に、撥水カーボン層用塗料を形成してもよい。
【００６９】
次に、第１カソードガス拡散層４ａ及び第１アノードガス拡散層４ｂを第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂの主面にそれぞれ配置する。具体的には、カーボン織布、又はカーボン不織布等を用いて作製された導電性基材を用意し、該導電性基材にポリテトラフルオロエチレン等の樹脂を含浸させる。ついで、樹脂を含浸させた導電性基材を適宜な大きさに切断し、切断した導電性基材を第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂの主面にそれぞれ配置して、第１カソードガス拡散層４ａ及び第１アノードガス拡散層４ｂを形成する。これにより、本実施の形態１に係る膜−触媒層積層体１０が作製される。
【００７０】
次に、予め作製したカソードセパレータ９ａ及びアノードセパレータ９ｂで膜−触媒層積層体１０を挟むことで、セル５０が形成され、このセル５０を複数積層して、締結具で締結することで、セルスタック１００が形成（製造）される。このとき、セルスタック１００を締結する締結圧により、カソードガス拡散層５ａ（特に、第２カソードガス拡散層３ａ）及びアノードガス拡散層５ｂ（特に、第２アノードガス拡散層３ｂ）が、厚み方向に圧縮されるが、第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂが、それぞれ、第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂの反力を受けることなく、第１カソードガス拡散層４ａ及び第１アノードガス拡散層４ｂによって圧縮され、この圧縮による第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂの弾性反発力が、それぞれ、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂに実質的に均一に加わる。
【００７１】
これにより、カソード６ａ及びアノード６ｂの電極面内（特に、カソード６ａにおけるカソード触媒層２ａと第２カソードガス拡散層３ａの接触面と第２カソードガス拡散層３ａと第１カソードガス拡散層４ａの接触面及びアノード６ｂにおけるアノード触媒層２ｂと第２アノードガス拡散層３ｂの接触面と第２アノードガス拡散層３ｂと第１アノードガス拡散層４ｂの接触面）の局所間での締結圧力のバラツキを容易に、かつ、充分に低減することができる（後述する実施例参照）。
【００７２】
このように、本実施の形態１に係るＰＥＦＣ１００では、第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂにより、高分子電解質膜１の破損を抑制しつつ、ガス拡散層を２層構造にすることで、カソード６ａ及びアノード６ｂの電極面内の局所間での締結圧力のバラツキを容易に、かつ、充分に低減し、より信頼性の高い燃料電池を提供することが可能となる。
【００７３】
なお、本実施の形態においては、セル５０を複数積層して、セル積層体を形成し、セルスタック１００を構成したが、これに限定されず、１のセル５０を一対の集電板、絶縁板、及び端板で挟んで締結して、高分子電解質形燃料電池を形成してもよい。
【００７４】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る膜−触媒層積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【００７５】
図４に示すように、本発明の実施の形態２に係る膜−触媒層積層体１０は実施の形態１に係る膜−触媒層積層体１０と基本的構成は同じであるが、第１補強膜７ａ、第２補強膜７ｂ、カソード触媒層２ａ、及びアノード触媒層２ｂの構成が異なる。
【００７６】
具体的には、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの主面が、第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂの主面よりも大きくなるように（カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの外周が、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂの外周からはみ出すように）形成されていて、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの周縁部が、それぞれ、第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂに覆われている。
【００７７】
また、第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂには、それぞれ、高分子電解質膜１と接触する側の主面（以下、内面という）の内周縁に、厚み方向に凹んだ環状の凹部１５が形成されており、該凹部１５にその周縁部が位置するように、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂが、それぞれ配置されている。さらに、第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂにおける外面の内周縁には、それぞれ、厚み方向に突出する環状の鍔部１４ａ、１４ｂが形成されている。
【００７８】
そして、本実施の形態においては、第１補強膜７ａ（第２補強膜７ｂ）の内面から鍔部１４ａ（１４ｂ）の端面までの厚みｔｓが、カソード触媒層２ａ（アノード触媒層２ｂ）の厚みｔｃと第２カソードガス拡散層３ａ（第２アノードガス拡散層３ｂ）の厚みｔ２の総和より小さくなるように構成されている。
【００７９】
このように構成された本実施の形態２に係る膜−電極積層体１０を備えた高分子電解質形燃料電池であっても、実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
【００８０】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る膜−電極積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【００８１】
図５に示すように、本発明の実施の形態３に係る膜−電極積層体１０は、実施の形態２に係る膜−電極積層体１０と基本的構成は同じであるが、第２補強膜７ｂが設けられておらず、また、カソードガス拡散層５ａが、２層構造ではなく、１層構造である点が異なる。
【００８２】
このように構成された本発明の実施の形態３に係る膜−電極積層体１０を備える高分子電解質形燃料電池であっても、実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。なお、本実施の形態３に係る膜−電極積層体１０を備える高分子電解質形燃料電池では、第２補強膜７ｂが設けられておらず、また、カソードガス拡散層５ａが１層構造であるため、ガスケット８の構成が、実施の形態１に係るＰＥＦＣ１００と異なる。
【００８３】
（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４に係る膜−電極積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【００８４】
図６に示すように、本発明の実施の形態４に係る膜−電極積層体１０は、実施の形態１に係る膜−電極積層体１０と基本的構成は同じであるが、第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂの主面の大きさが、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの主面の大きさより大きくなるように（第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂの外周が、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの外周からはみ出るように）形成されている点が異なる。
【００８５】
このように構成された本発明の実施の形態４に係る膜−電極積層体１０を備える高分子電解質形燃料電池であっても、実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態４に係る膜−電極積層体１０を備える高分子電解質形燃料電池では、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの主面の大きさが、第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂの主面の大きさよりも小さく形成されているため、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路からカソードガス拡散層５ａ及びアノードガス拡散層５ｂにそれぞれ供給された反応ガスを、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの主面の全域を反応の場として利用することができ、効率よく反応を行うことができる。
【００８６】
（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５に係る膜−電極積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【００８７】
図７に示すように、本発明の実施の形態５に係る膜−電極積層体１０は、実施の形態１に係る膜−電極積層体１０と基本的構成は同じであるが、第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂの主面の大きさが、カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの主面の大きさより小さくなるように（カソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの外周が、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂの外周からはみ出るように）形成されている点が異なる。
【００８８】
このように構成された本発明の実施の形態５に係る膜−電極積層体１０を備える高分子電解質形燃料電池であっても、実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
【００８９】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本発明の膜−電極積層体及び高分子電解質形燃料電池の構成は、ダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）等の燃料電池にも適用可能である。
【００９０】
また、上記実施の形態においては、第１ガス拡散電極をカソードとし、第２ガス拡散電極をアノードにしたが、第１ガス拡散電極がアノードで、第２ガス拡散電極がカソードにであってもよい。
【００９１】
また、第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂの外周面は、高分子電解質膜１の外周面と実質的に面一になるとしたが、これに限定されない。例えば、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、高分子電解質膜１の外周面が第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂの外周面より外側になるよう形成されていてもよい。また、例えば、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、高分子電解質膜１の外周面が第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂの外周面より内側になるよう形成されていてもよい。
【実施例】
【００９２】
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳しく説明する。
【００９３】
［実施例１］
本実施例１においては、上述した本発明の実施の形態１に係るＰＥＦＣにおけるセル５０を作製した。
【００９４】
まず、シート状のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）膜（厚さ１３０μｍ）からトムソン刃にて１００ｍｍ角の開口を設け、所定の大きさ（ここでは、１５２ｍｍ角）に切断して、第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂを作製した。
【００９５】
次に、厚さ３０μｍ、１５０ｍｍ角の高分子電解質膜（ＤｕＰｏｎｔ社製  Ｎａｆｉｏｎ１１２（商品名））１の両面に第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂを配置し、これらをヒートプレスで接合した。ついで、第１補強膜７ａの開口面積より小さな開口を有するマスキング部材を、第１補強膜７ａを覆うように配置し、マスキング部材の開口の上方から触媒層形成用インクを塗工することにより、カソード触媒層２ａを形成した。ついで、高分子電解質膜１の裏表を反対にし、マスキング部材を、第２補強膜７ｂを覆うように配置し、マスキング部材の開口の上方から触媒層形成用インクを塗工することにより、アノード触媒層２ｂを形成した。
【００９６】
次に、界面活性剤（Ｔｒｉｔｏｎ  Ｘ−１００）を純水に溶解し、この水溶液にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を分散させて、ＰＴＦＥ分散液を作製した。東レ（株）製カーボン不織布（厚さ１１０μｍ）をＰＴＦＥ分散液に浸漬させた後、遠赤外線乾燥炉内にて、３００℃で６０分間焼成し、撥水処理を行った。
【００９７】
次に、界面活性剤（Ｔｒｉｔｏｎ  Ｘ−１００）を純水に溶解し、この水溶液に、カーボンブラックを加え、プラネタリーミキサで３時間分散させた。ついで、分散液にＰＴＦＥと水を加え、さらに３時間混練した。このようにして調製した撥水カーボン層用塗料を、撥水処理済のカーボン不織布の片面に、アプリケータを用いて塗工し、熱風乾燥機を用いて３００℃で２時間焼成して、撥水カーボン層を形成した。撥水カーボン層を形成したカーボン不織布は、厚さが１２０μｍであった。そして、撥水カーボン層を形成したカーボン不織布をトムソン刃で１００ｍｍ角に切断し、切断したカーボン不織布をカソード触媒層２ａ及びアノード触媒層２ｂの外面にそれぞれ配置し、第２カソード拡散層３ａ及び第２アノード拡散層３ｂを形成した。
【００９８】
次に、日本カーボン（株）製カーボン織布（厚さ３９０μｍ）をＰＴＦＥ分散液に浸漬させた後、遠赤外線乾燥炉内にて、３００℃で６０分間焼成し、焼成後のカーボン織布をトムソン刃で１０２ｍｍ角に切断した。なお、焼成後のカーボン織布の厚さは４００μｍであった。そして、切断したカーボン不織布を第２カソード拡散層３ａ及び第２アノード拡散層３ｂの外面にそれぞれ配置して、第１カソード拡散層４ａ及び第１アノード拡散層４ｂを形成し、膜−電極積層体１０を作製した。
【００９９】
次に、膜−電極積層体１０の第１カソードガス拡散層４ａの第２カソードガス拡散層３ａと接触していない側の主面に感圧紙（富士フィルム（株）製  プレスケール）を配置し、これらをカソードセパレータ９ａ及びアノードセパレータ９ｂで挟み、セル５０を作製した。
【０１００】
[実施例２]
本実施例２では、第１カソード拡散層４ａ及び第１アノード拡散層４ｂを、実施例１で第２カソード拡散層３ａ及び第２アノード拡散層３ｂを形成するときに用いたカーボン不織布を用いた以外は、実施例１で作製したセル５０と同じようにセル５０を作製した。
【０１０１】
[実施例３]
本実施例３では、第２カソード拡散層３ａ及び第２アノード拡散層３ｂを、実施例１で第１カソード拡散層４ａ及び第１アノード拡散層４ｂを形成するときに用いたカーボン織布を用いた以外は、実施例１で作製したセル５０と同じようにセル５０を作製した。
【０１０２】
[実施例４]
本実施例４では、第１カソード拡散層４ａ及び第１アノード拡散層４ｂを、実施例１で第２カソード拡散層３ａ及び第２アノード拡散層３ｂを形成するときに用いたカーボン不織布を用い、第２カソード拡散層３ａ及び第２アノード拡散層３ｂを、実施例１で第１カソード拡散層４ａ及び第１アノード拡散層４ｂを形成するときに用いたカーボン織布を用いた以外は、実施例１で作製したセル５０と同じようにセル５０を作製した。
【０１０３】
[実施例５]
本実施例５では、上述した本発明の実施の形態２に係るＰＥＦＣにおけるセル５０を作製した。具体的には、まず、シート状のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）膜（厚さ１０５μｍ）からトムソン刃にて１００ｍｍ角の開口を設け、所定の大きさ（ここでは、１５２ｍｍ角）に切断して、第１補強膜７ａ及び第２補強膜７ｂを作製した。
【０１０４】
次に、１２０ｍｍ角の開口を有するマスキング部材を、高分子電解質膜１の一方の主面上に配置し、マスキング部材の開口の上方から触媒層形成用インクを塗工することにより、カソード触媒層２ａを形成した。ついで、高分子電解質膜１の裏表を反対にし、マスキング部材を高分子電解質膜１の他方の主面上に配置し、マスキング部材の開口の上方から触媒層形成用インクを塗工することにより、アノード触媒層２ｂを形成した。
【０１０５】
次に、カソード触媒層２ａを形成した高分子電解質膜１の一方の主面に、第１補強膜７ａをカソード触媒層２ａの周縁部を覆うように配置し、同様に、アノード触媒層２ｂを形成した高分子電解質膜１の他方の主面に、第２補強膜７ｂをアノード触媒層２ｂの周縁部を覆うように配置して、これらをヒートプレスで接合した。
【０１０６】
そして、実施例１と同様にして、膜−電極積層体１０を作製し、セル５０を作製した。
【０１０７】
[実施例６]
本実施例６では、上述した本発明の実施の形態３に係るＰＥＦＣにおけるセル５０を作製した。具体的には、第２補強膜７ｂを高分子電解質膜１に接合させないこと及び第２アノードガス拡散層３ｂを配置しないこと以外は、実施例５と同様にセル５０を作製した。
【０１０８】
[比較例１]
比較例１では、図８に示すセル５０を作製した。具体的には、第２カソードガス拡散層３ａ及び第２アノードガス拡散層３ｂを配置せずに、第１カソードガス拡散層４ａを直接カソード触媒層２ａの外面に配置して、カソードガス拡散層５ａとし、第１アノードガス拡散層４ｂを直接アノード触媒層２ｂの外面に配置して、アノードガス拡散層５ｂとした以外は、実施例１と同様にセル５０を作製した。
【０１０９】
次に、上記実施例１〜６及び比較例１のセル５０を用いて、電極面内の圧力分布測定試験を行った。
【０１１０】
電極面内の圧力分布測定試験は、プレス機にて締結圧力が１０ｋｇ／ｃｍ2となるようにセル５０を締結し、締結した状態のセル５０を１分間放置し、その後、セル５０を解体して、感圧紙を取り出すことによって行った。
【０１１１】
なお、圧力分布測定試験の評価は、セル５０から取り出した感圧紙を画像処理し、図９に示す、電極中心部Ａ、電極周縁部Ｂ、及びマニホールドシール部Ｃにおける圧力分布を評価した。ここで、図９は、図３に示すＰＥＦＣ１００におけるカソードセパレータ９ａの概略構成を模式的に示す正面図である。図８に示すように、電極中心部Ａは、カソード６ａの４つの角の対角線が交差した部分であり、マニホールドシール部Ｃは、マニホールド孔よりも内方の部分で、カソード６ａよりも外方の部分である。
【０１１２】
そして、この電極面内の圧力分布測定試験の結果を図１０に示した。
【０１１３】
図１０に示すように、本実施例１〜６のセル５０では、比較例１のセル５０に比べて、電極面内の局所間での締結圧力のバラツキを充分に低減できることが確認された。なお、ここではカソード６ａ側の圧力分布の結果を示したが、アノード６ｂ側についても同様の構成の結果が確認された。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明の膜−電極接合体及びそれを備える燃料電池は、電極面内の局所間での締結圧力のバラツキを容易に、かつ、充分に低減できるため、燃料電池の分野等で有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る膜−電極積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１において矢印ＩＩの方向から見た膜−電極積層体を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２に係る膜−触媒層積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態３に係る膜−電極積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態４に係る膜−電極積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態５に係る膜−電極積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、比較例１の高分子電解質形燃料電池におけるセルの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、図３に示す高分子電解質形燃料電池におけるカソードセパレータの概略構成を模式的に示す正面図である。
【図１０】図１０は、電極面内の圧力分布測定試験の結果を示す表である。
【符号の説明】
【０１１６】
１  高分子電解質膜
２ａ  カソード触媒層（第１触媒層）
２ｂ  アノード触媒層（第２触媒層）
３ａ  第２カソードガス拡散層（第２ガス拡散層）
３ｂ  第２アノードガス拡散層（第４ガス拡散層）
４ａ  第１カソードガス拡散層（第１ガス拡散層）
４ｂ  第１アノードガス拡散層（第３ガス拡散層）
５ａ  カソードガス拡散層
５ｂ  アノードガス拡散層
６ａ  カソード
６ｂ  アノード
７ａ  第１補強膜
７ｂ  第２補強膜
８  ガスケット
８ａ  凹部
９ａ  カソードセパレータ
９ｂ  アノードセパレータ
１０  膜−電極積層体
１１  酸化剤ガス流路
１２  燃料ガス流路
１３  冷却媒体流路
１４ａ  鍔部
１４ｂ  鍔部
１５  凹部
５０  セル
１００  高分子電解質形燃料電池
Ａ  電極中心部
Ｂ  電極周縁部
Ｃ  マニホールドシール部
ｔ２  厚み
ｔｃ  厚み
ｔｓ  厚み
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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