JP2007087728A - 積層体及びその製造方法並びに燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解質膜と電極用の触媒層とを有する積層体において、触媒層の周縁部に生成水が溜まり電解質膜が劣化するのを抑制する。
【解決手段】 電解質膜１１と、この電解質膜１１の両面に設けられる電極用の触媒層１２と、電解質膜１１に触媒層１２を介して接合される拡散層１３と、を備える積層体２０の製造方法であって、電解質膜１１と触媒層１２の周縁部１２ａとの境界近傍（領域Ａ）が略平面になるような条件で圧着を行う圧着工程を含む。電解質膜１１と触媒層１２の周縁部１２ａとの境界近傍を略平面にすることにより、触媒層１２の周縁部１２ａに生成水が溜まることを抑制する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、積層体及びその製造方法並びに燃料電池に関する。

固体高分子電解質型の燃料電池は、電解質膜と電極用の触媒層とからなる膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）に拡散層を接合して構成した膜・電極・拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane-Electrode-Gas diffusion layer Assembly）を備えている。近年においては、電解質膜と、電極用の触媒層と、カーボン布等の拡散層と、をホットプレス法により圧着接合して膜・電極・拡散層接合体を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特許第３４９２３８５号公報

ところで、膜・電極接合体を構成する電極用の触媒層は、一般に、電解質膜より小面積とされる。従って、膜・電極接合体の周縁部近傍部分は電解質膜のみから構成されることとなり、この周縁部近傍部分の厚さは、電解質膜と触媒層とからなる中央部分よりも薄くなる。

このため、前記した特許文献１に記載されたような従来のホットプレス法を採用して図７に示すように、電解質膜１１０と触媒層１２０とからなる膜・電極接合体１００に拡散層１３０を圧着すると、触媒層１２０の周縁部１２１に沿って電解質膜１１０と拡散層１３０との間に空隙２００が形成され、発電により生成された水分（生成水）がこの空隙２００に溜まることとなる。このように空隙２００に生成水が溜まると、生成水に含まれる過酸化水素やラジカルにより電解質膜１１０が化学的に劣化し、電解質膜１１０の耐久性が低下したり燃料電池の発電効率が低下したりする等の問題が生じ得る。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、電解質膜と電極用の触媒層とを有する積層体において、触媒層の周縁部に生成水が溜まり電解質膜が劣化するのを抑制することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る積層体は、電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられる電極用の触媒層と、電解質膜の両面に触媒層を介して接合される拡散層と、を備える積層体であって、拡散層と触媒層の周縁部との境界近傍が略平面になるように構成されてなるものである。

かかる構成によれば、拡散層と触媒層の周縁部との境界近傍が略平面にされるため、触媒層の周縁部（電解質膜と拡散層との間）に生成水が溜まることを抑制することができる。この結果、電解質膜の化学的劣化を抑制することができるので、電解質膜の耐久性向上や発電効率の増大が可能となる。

前記積層体において、拡散層の触媒層側の表面に凹部を設け、触媒層の少なくとも周縁部をこの凹部に埋設させることもできる。

また、本発明に係る積層体は、電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられる電極用の触媒層と、電解質膜の両面に触媒層を介して接合される拡散層と、を備える積層体であって、電解質膜の表面と、拡散層の触媒層側の表面と、に各々凹部が設けられるとともに、これら凹部が対向配置されて空間が形成され、この空間内に触媒層の少なくとも周縁部が充填されてなるものである。

かかる構成によれば、電解質膜の表面と拡散層の表面とに設けられた凹部を対向配置して形成した空間内に、触媒層の少なくとも周縁部が充填されるため、触媒層の周縁部（電解質膜と拡散層との間）に生成水が溜まることを抑制することができる。この結果、電解質膜の化学的劣化を抑制することができるので、電解質膜の耐久性向上や発電効率の増大が可能となる。

前記積層体において、触媒層を、アノード電極用触媒層及びカソード電極用触媒層とし、アノード電極用触媒層の面積と、カソード電極用触媒層の面積と、を異ならせることもできる。例えば、カソード電極用触媒層の面積をアノード電極用触媒層の面積よりも小さくする（カソード電極用触媒層の周縁部の位置をアノード電極用触媒層の周縁部の位置よりも平面視で中央寄りにする）ことにより、積層体の耐用期間を長期化することが可能となる。

また、本発明に係る燃料電池は、前記積層体を備えるものである。

かかる構成を採用すると、電解質膜の化学的劣化を抑制することが可能な積層体を備えるため、発電効率を増大させることができる。

また、本発明に係る積層体の製造方法は、電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられる電極用の触媒層と、を備える積層体の製造方法であって、電解質膜と触媒層の周縁部との境界近傍が略平面になるような条件で圧着を行う圧着工程を含むものである。

かかる方法によれば、電解質膜と触媒層の周縁部との境界近傍を略平面にすることができるので、積層体の電解質膜に触媒層を介して拡散層を接合する場合においても、触媒層の周縁部に生成水が溜まることを抑制することができる。この結果、電解質膜の化学的劣化を抑制することができるので、電解質膜の耐久性向上や発電効率の増大が可能となる。

前記製造方法において、圧着工程は、電解質膜の両面に触媒層を介して拡散層を接合する拡散層接合工程を含むこともできる。

また、本発明に係る積層体の製造方法は、電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられる電極用の触媒層と、電解質膜の両面に触媒層を介して接合される拡散層と、を備える積層体の製造方法であって、拡散層と触媒層の周縁部との境界近傍が略平面になるような条件で圧着を行う圧着工程を含むものである。

かかる方法によれば、拡散層と触媒層の周縁部との境界近傍を略平面にすることができるので、触媒層の周縁部（電解質膜と拡散層との間）に生成水が溜まることを抑制することができる。この結果、電解質膜の化学的劣化を抑制することができるので、電解質膜の耐久性向上や発電効率の増大が可能となる。

また、本発明に係る積層体の製造方法は、電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられる電極用の触媒層と、電解質膜の両面に触媒層を介して接合される拡散層と、を備える積層体の製造方法であって、電解質膜の表面と、拡散層の触媒層側の表面と、に各々凹部を設けるとともに、これら凹部を対向配置して空間を形成し、この空間内に触媒層の少なくとも周縁部を充填するような条件で圧着を行う圧着工程を含むものである。

かかる方法によれば、電解質膜の表面と拡散層の表面とに設けた凹部を対向配置して形成した空間内に、触媒層の少なくとも周縁部を充填することができるので、触媒層の周縁部（電解質膜と拡散層との間）に生成水が溜まることを抑制することができる。この結果、電解質膜の化学的劣化を抑制することができるので、電解質膜の耐久性向上や発電効率の増大が可能となる。

本発明によれば、電解質膜と電極用の触媒層とを有する積層体において、触媒層の周縁部に生成水に溜まるのを抑制することができるので、電解質膜の劣化を抑制することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池について説明する。以下の各実施形態に係る燃料電池は、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池である。

＜第１実施形態＞
まず、図１〜図３を用いて、本発明の第１実施形態に係る燃料電池１について説明する。

本実施形態に係る燃料電池１は、図１に示すように、複数の単電池１０を積層したスタック本体２を備えており、スタック本体２の両端に位置する単電池１０の外側に、出力端子付の集電板３、絶縁板４及び端板５がこの順に配置されて構成されている。各端板５の外側には図示していないテンションプレートが配置され、これらテンションプレートが各々端板５にボルト固定されることにより、単電池１０の積層方向に所定の圧縮力が加えられるようになっている。

単電池１０は、図２に示すように、電解質膜１１、電解質膜１１の両面に設けられた電極用の触媒層１２、触媒層１２の外側に配設される拡散層１３、反応ガス流路が設けられたセパレータ１４、拡散層１３とセパレータ１４との間をシールするシール部材１５等から構成されている。

電解質膜１１は、固体高分子材料のイオン交換膜から構成され、燃料ガスから供給された水素イオンをアノード側電極からカソード側電極に移動させる機能を有する。触媒層１２は、白金等の電極触媒が担持されたシート状成形体であって、電解質膜１１に接合されてアノード側電極とカソード側電極とを構成する。燃料ガスから供給された水素（Ｈ₂）は、触媒層１２に到達すると、触媒の表面で活性な２個の水素原子（水素活性種：Ｈ^*）に解離する。さらに、触媒表面では酸化反応が進行して水素活性種から水素イオン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とが生じ、これらのうち水素イオンは電解質膜１１中に移入する。この触媒層１２では、触媒と固体電解質との配合割合を適宜設定することにより、触媒利用効率の低下を抑えて電池性能を向上させることができる。

本実施形態における電解質膜１１及び触媒層１２は、何れも平面視で矩形形状を呈しており、図２及び図３に示すように、電解質膜１１は触媒層１２よりも大きい面積を有している。また、本実施形態における電解質膜１１は、拡散層１３よりも低い剛性を有している。従って、電解質膜１１と触媒層１２と拡散層１３とを圧着接合する際に、図３に示すように電解質膜１１の表面に凹部１１ａが設けられ、この凹部１１ａに触媒層１２が埋設された状態となる。これにより、電解質膜１１と触媒層１２の周縁部１２ａとの境界近傍部分（図２及び図３における領域Ａ）が略平面とされる。

拡散層１３は、カーボン布やカーボンペーパ等の多孔質の素材から構成され、燃料電池１の外部からセパレータ１４を介して触媒層１２側に供給された反応ガスを拡散させて触媒層１２に流す機能を有している。また、拡散層１３は、触媒層１２とセパレータ１４とを導通させる導電機能をも有している。本実施形態における拡散層１３は、平面視で矩形形状を呈しており、図２及び図３に示すように、電解質膜１１よりも小さく触媒層１２よりも大きい面積を有している。また、本実施形態における拡散層１３の触媒層１２と反対側の表面には、撥水処理が施されている。

なお、電解質膜１１と触媒層１２とからなる膜・電極接合体（以下「ＭＥＡ」という）は、本発明に係る積層体の一実施形態である。また、電解質膜１１と触媒層１２と拡散層１３とからなる膜・電極・拡散層接合体（以下「ＭＥＧＡ」という）２０も、本発明に係る積層体の一実施形態である。

セパレータ１４は、積層される各単電池１０同士を区切る境界であり、隣接する単電池１０間でアノード側電極とカソード側電極とが接触することによるその単電池１０同士の短絡を防止する機能と、隣接する単電池１０同士を導通させる機能と、を有する。セパレータ１４はＭＥＧＡ２０に隣接配置され、図２に示すように、拡散層１３と対向する面に反応ガス流路１４ａが形成されている。また、セパレータ１４には、反応ガスの入口及び出口となるマニホールド１４ｂが設けられており、マニホールド１４ｂは反応ガス流路１４ａに連通するようになっている。セパレータ１４は、電子伝導性が高く、耐食性に優れ、かつガス雰囲気において金属イオンを放出しないという特性を有することが好ましい。かかる特性を有する材料としては、カーボン等の炭素質材料やステンレス鋼等の金属材料が挙げられる。

次に、本実施形態に係る燃料電池１に含まれるＭＥＧＡ２０の製造方法について説明する。

まず、電解質膜１１を準備する（電解質膜準備工程）。次いで、白金粒子や炭素粒子を所定の溶媒に混合させたペースト状混合物を電解質膜１１の両面に塗布して乾燥させることにより、触媒層１２を形成する（触媒層形成工程）。これら電解質膜１１及び触媒層１２によりＭＥＡが構成される。

次いで、ＭＥＡの両面に拡散層１３となるカーボン布やカーボンペーパ等を隣接配置し、特定の温度及び圧力で拡散層１３の全面にわたってホットプレスを行うことにより、電解質膜１１及び触媒層１２に拡散層１３を圧着接合してＭＥＧＡ２０を構成する（圧着工程）。

かかる圧着工程においては、電解質膜１１の表面に凹部１１ａを設け、触媒層１２をこの凹部１１ａに埋設させるようにして電解質膜１１と触媒層１２の周縁部１２ａとの境界近傍（図２及び図３における領域Ａ）が略平面になるような条件でホットプレスを行う。

ＭＥＡを構成する触媒層１２は、図２に示すように電解質膜１１より小面積とされるため、ＭＥＡの周縁部近傍部分は電解質膜１１のみから構成されることとなり、この周縁部近傍部分の厚さは、電解質膜１１と触媒層１２とからなる中央部分よりも薄くなる。このため、ＭＥＡに拡散層１３を単に圧着するだけでは、触媒層１２の周縁部１２ａに沿って電解質膜１１と拡散層１３との間に空隙が形成されてしまう。本実施形態においては、このような空隙の容積を可及的に低減させるような条件（電解質膜１１と触媒層１２の周縁部１２ａとの境界近傍における領域Ａが略平面になるような条件）でホットプレスを行うこととしている。

図４（ａ）は、一定圧力下におけるホットプレス時の温度Ｔと、触媒層１２の周縁部１２ａに形成される空隙の容積Ｖと、の関係を示すグラフである。このグラフに示されるように、ホットプレス時の圧力が一定の場合には、温度Ｔを上昇させるほど空隙の容積Ｖが低減することが知られている。また、図４（ｂ）は、一定温度下におけるホットプレス時の圧力Ｐと、触媒層１２の周縁部１２ａに形成される空隙の容積Ｖと、の関係を示すグラフである。このグラフに示されるように、ホットプレス時の温度が一定の場合には、圧力Ｐを上昇させるほど空隙の容積Ｖが低減することが知られている。

従って、本実施形態においては、これら図４に示されるような温度Ｔ（圧力Ｐ）と空隙容積Ｖとの間の相関関係、電解質膜１１と触媒層１２と拡散層１３の各々の材料特性（剛性、組成変化、溶融温度等）や厚さ、等を総合的に考慮して、圧着工程で採用する条件（ホットプレス時の温度及び圧力）を決定する。

例えば、厚さｔ₁μｍの電解質膜１１と、厚さｔ₂ｍｍの拡散層１３と、を採用した場合に、ホットプレス時の温度をＴ₁〜Ｔ₂℃に設定し、圧力をＰ₁〜Ｐ₂MPaに設定することにより、電解質膜１１と触媒層１２の周縁部１２ａとの境界近傍が略平面になるようにする。ここで、Ｔ₁、Ｔ₂、Ｐ₁、Ｐ₂は、電解質膜１１及び拡散層１３の厚さ（ｔ₁、ｔ₂）や材料特性から決定される数値である。

以上の工程群（電解質膜準備工程、触媒層形成工程及び圧着工程）を経て、ＭＥＧＡ２０が製造されることとなる。本実施形態における圧着工程には、本発明における拡散層接合工程の一実施形態が含まれる。なお、ＭＥＧＡ２０を、シール部材１５を介してセパレータ１４で挟持することにより単電池１０を構成することができる。そして、このように構成した単電池１０を複数積層してスタック本体２を構成し、このスタック本体２の端部に集電板３、絶縁板４及びエンドプレート５を配置し、エンドプレート５にテンションプレートをボルト固定することにより、燃料電池１を得ることができる。

以上説明した実施形態に係る積層体（ＭＥＧＡ２０）の製造方法においては、電解質膜１１と触媒層１２の周縁部１２ａとの境界近傍（領域Ａ）を略平面にすることができるので、触媒層１２の周縁部１２ａに生成水が溜まることを抑制することができる。この結果、電解質膜１１の化学的劣化を抑制することができるので、電解質膜１１の耐久性を向上させることができるとともに、燃料電池１の発電効率を増大させることができる。

＜第２実施形態＞
次に、図５等を参照して、本発明の第２実施形態に係る燃料電池について説明する。本実施形態に係る燃料電池は、第１実施形態に係る燃料電池１のＭＥＧＡ２０の構成を変更したものであり、その他の構成については第１実施形態と実質的に同一である。このため、変更した構成を中心に説明することとし、第１実施形態と共通する部分については同一符号を付してその説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池に含まれるＭＥＧＡ２０Ａは、図５に示すように、電解質膜１１Ａ、電解質膜１１Ａの両面に設けられた電極用の触媒層１２、触媒層１２の外側に配設される拡散層１３Ａ等から構成されている。触媒層１２は第１実施形態で説明したものと実質的に同一であるので、説明を省略する。

本実施形態における電解質膜１１Ａは、第１実施形態における電解質膜１１と同様に固体高分子材料のイオン交換膜から構成され、燃料ガスから供給された水素イオンをアノード側電極からカソード側電極に移動させる機能を有する。本実施形態における拡散層１３Ａは、第１実施形態における拡散層１３と同様にカーボン布やカーボンペーパ等の多孔質の素材から構成され、燃料電池の外部からセパレータを介して触媒層１２側に供給された反応ガスを拡散させて触媒層１２に流す機能と、触媒層１２とセパレータとを導通させる導電機能と、を有している。これら電解質膜１１Ａ及び拡散層１３Ａの形状も第１実施形態における電解質膜１１及び拡散層１３の形状と同様である。

本実施形態における電解質膜１１Ａは、拡散層１３Ａよりも高い剛性を有している。従って、電解質膜１１Ａと触媒層１２と拡散層１３Ａとを圧着接合する際に、電解質膜１１Ａの表面に凹部が設けられることはなく、図５に示すように拡散層１３Ａの触媒層１２側の表面に凹部１３Ａａが設けられ、この凹部１３Ａａに触媒層１２が埋設された状態となる。これにより、拡散層１３Ａと触媒層１２の周縁部１２ａとの境界近傍部分（図５における領域Ｂ）が略平面とされる。なお、電解質膜１１Ａと触媒層１２と拡散層１３ＡとからなるＭＥＧＡ２０Ａは、本発明に係る積層体の一実施形態である。

次に、本実施形態に係るＭＥＧＡ２０Ａの製造方法について説明する。

まず、電解質膜１１Ａを準備する（電解質膜準備工程）。次いで、白金粒子や炭素粒子を所定の溶媒に混合させたペースト状混合物を電解質膜１１Ａの両面に塗布して乾燥させることにより、触媒層１２を形成する（触媒層形成工程）。次いで、電解質膜１１Ａの両面に拡散層１３Ａとなるカーボン布やカーボンペーパ等を隣接配置し、特定の温度及び圧力で拡散層１３Ａの全面にわたってホットプレスを行うことにより、電解質膜１１Ａ及び触媒層１２に拡散層１３Ａを圧着接合してＭＥＧＡ２０Ａを構成する（圧着工程）。

かかる圧着工程においては、拡散層１３Ａの表面に凹部１３Ａａを設け、触媒層１２をこの凹部１３Ａａに埋設させるようにして拡散層１３Ａと触媒層１２の周縁部１２ａとの境界近傍（図５における領域Ｂ）が略平面になるような条件でホットプレスを行う。この際、図４に示されるような温度Ｔ（圧力Ｐ）と空隙容積Ｖとの間の相関関係、電解質膜１１Ａと触媒層１２と拡散層１３Ａの各々の材料特性（剛性、組成変化、溶融温度等）や厚さ等を総合的に考慮して、圧着工程で採用する条件（ホットプレス時の温度及び圧力）を決定する。

例えば、厚さｔ₃μｍの電解質膜１１Ａと、厚さｔ₄ｍｍの拡散層１３Ａと、を採用した場合に、ホットプレス時の温度をＴ₃〜Ｔ₄℃に設定し、圧力をＰ₃〜Ｐ₄MPaに設定することにより、拡散層１３Ａと触媒層１２の周縁部１２ａとの境界近傍が略平面になるようにする。ここで、Ｔ₃、Ｔ₄、Ｐ₃、Ｐ₄は、電解質膜１１Ａ及び拡散層１３Ａの厚さ（ｔ₃、ｔ₄）や材料特性から決定される数値である。

以上の工程群（電解質膜準備工程、触媒層形成工程及び圧着工程）を経て、ＭＥＧＡ２０Ａが製造されることとなる。本実施形態における圧着工程には、本発明における拡散層接合工程の一実施形態が含まれる。

以上説明した実施形態に係る積層体（ＭＥＧＡ２０Ａ）においては、拡散層１３Ａと触媒層１２の周縁部１２ａとの境界近傍（領域Ｂ）が略平面にされているため、触媒層１２の周縁部１２ａ（電解質膜１１Ａと拡散層１３Ａとの間）に生成水が溜まることを抑制することができる。この結果、電解質膜１１Ａの化学的劣化を抑制することができるので、電解質膜１１Ａの耐久性を向上させることができるとともに、燃料電池の発電効率を増大させることができる。

＜第３実施形態＞
次に、図６等を参照して、本発明の第３実施形態に係る燃料電池について説明する。本実施形態に係る燃料電池は、第１実施形態に係る燃料電池１のＭＥＧＡ２０の構成を変更したものであり、その他の構成については第１実施形態と実質的に同一である。このため、変更した構成を中心に説明することとし、第１実施形態と共通する部分については同一符号を付してその説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池に含まれるＭＥＧＡ２０Ｂは、図６に示すように、電解質膜１１Ｂ、電解質膜１１Ｂの両面に設けられた電極用の触媒層１２、触媒層１２の外側に配設される拡散層１３Ｂ等から構成されている。触媒層１２は第１実施形態で説明したものと実質的に同一であるので、説明を省略する。

本実施形態における電解質膜１１Ｂは、第１実施形態における電解質膜１１と同様に固体高分子材料のイオン交換膜から構成され、燃料ガスから供給された水素イオンをアノード側電極からカソード側電極に移動させる機能を有する。本実施形態における拡散層１３Ｂは、第１実施形態における拡散層１３と同様にカーボン布やカーボンペーパ等の多孔質の素材から構成され、燃料電池の外部からセパレータを介して触媒層１２側に供給された反応ガスを拡散させて触媒層１２に流す機能と、触媒層１２とセパレータとを導通させる導電機能と、を有している。これら電解質膜１１Ｂ及び拡散層１３Ｂの形状も第１実施形態における電解質膜１１及び拡散層１３の形状と同様である。

本実施形態における電解質膜１１Ｂは、拡散層１３Ｂと同等の剛性を有している。従って、電解質膜１１Ｂと触媒層１２と拡散層１３Ｂとを圧着接合する際に、図６に示すように電解質膜１１Ｂの表面に凹部１１Ｂａが設けられるとともに、拡散層１３ｂの表面にも凹部１３Ｂａが設けられる。そして、これら凹部１１Ｂａ、１３Ｂａが対向配置されて形成された空間に触媒層１２全体（特に周縁部１２ａ）が充填されるようになっている。なお、電解質膜１１Ｂと触媒層１２と拡散層１３ＢとからなるＭＥＧＡ２０Ｂは、本発明に係る積層体の一実施形態である。

次に、本実施形態に係るＭＥＧＡ２０Ｂの製造方法について説明する。

まず、電解質膜１１Ｂを準備する（電解質膜準備工程）。次いで、白金粒子や炭素粒子を所定の溶媒に混合させたペースト状混合物を電解質膜１１Ｂの両面に塗布して乾燥させることにより、触媒層１２を形成する（触媒層形成工程）。次いで、電解質膜１１Ｂの両面に拡散層１３Ｂとなるカーボン布やカーボンペーパ等を隣接配置し、特定の温度及び圧力で拡散層１３Ｂの全面にわたってホットプレスを行うことにより、電解質膜１１Ｂ及び触媒層１２に拡散層１３Ｂを圧着接合してＭＥＧＡ２０Ｂを構成する（圧着工程）。

かかる圧着工程においては、電解質膜１１Ｂの表面に凹部１１Ｂａを設けるとともに、拡散層１３Ｂの表面に凹部１３Ｂａを設け、これら凹部１１Ｂａ、１３Ｂａが対向配置されて形成された空間に触媒層１２全体を充填するような条件でホットプレスを行う。この際、図４に示されるような温度Ｔ（圧力Ｐ）と空隙容積Ｖとの間の相関関係、電解質膜１１Ｂと触媒層１２と拡散層１３Ｂの各々の材料特性（剛性、組成変化、溶融温度等）や厚さ等を総合的に考慮して、圧着工程で採用する条件（ホットプレス時の温度及び圧力）を決定する。

例えば、厚さｔ₅μｍの電解質膜１１Ｂと、厚さｔ₆ｍｍの拡散層１３Ｂと、を採用した場合に、ホットプレス時の温度をＴ₅〜Ｔ₆℃に設定し、圧力をＰ₅〜Ｐ₆MPaに設定する。ここでＴ₅、Ｔ₆、Ｐ₅、Ｐ₆は、電解質膜１１Ｂ及び拡散層１３ｂの厚さ（ｔ₅、ｔ₆）や材料特性から決定される数値である。以上の工程群（電解質膜準備工程、触媒層形成工程及び圧着工程）を経て、ＭＥＧＡ２０Ｂが製造されることとなる。

以上説明した実施形態に係る積層体（ＭＥＧＡ２０Ｂ）においては、電解質膜１１Ｂの表面と拡散層１３Ｂの表面とに設けられた凹部１１Ｂａ、１３Ｂａからなる空間内に触媒層１２全体（特に周縁部１２ａ）が充填されるため、触媒層１２の周縁部１２ａ（電解質膜１１Ｂと拡散層１３Ｂとの間）に生成水が溜まることを抑制することができる。この結果、電解質膜１１Ｂの化学的劣化を抑制することができるので、電解質膜１１Ｂの耐久性を向上させることができるとともに、燃料電池の発電効率を増大させることができる。

なお、以上の各実施形態においては、電解質膜の表面に触媒層を形成し、その後、拡散層を電解質膜に接合してＭＥＧＡを製造した例を示したが、拡散層の電解質膜側の表面に触媒層を形成して拡散電極を構成し、この拡散電極を電解質膜に接合する、という工程を経てＭＥＧＡを製造することもできる。

また、以上の各実施形態においては、電解質膜と触媒層と拡散層とを圧着接合してＭＥＧＡを製造しているが、この際、加熱加圧ローラを有するホットプレス機を使用した圧着接合（ローラ圧着）を行ってもよく、プレス板を有するホットプレス機を使用した圧着接合（平板圧着）を行ってもよい。

また、以上の各実施形態においては、拡散層の全面にわたってホットプレスを行うことにより電解質膜と触媒層と拡散層とを圧着接合してＭＥＧＡを製造した例を示したが、拡散層の表面の一部（触媒層の周縁部近傍に対応する領域）においてホットプレスを行うことにより電解質膜と触媒層と拡散層とを圧着接合してＭＥＧＡを製造することもできる。

また、以上の各実施形態においては、触媒層全体が埋設・充填されるように電解質膜及び／又は拡散層に凹部を設けた例を示したが、必ずしも触媒層全体が埋設・充填されるような凹部を設ける必要はなく、触媒層の少なくとも周縁部近傍が埋設されるような凹部を設けて、電解質膜（拡散層）と触媒層の周縁部との境界近傍を略平面にし、触媒層の周縁部における空隙の容積を低減することもできる。

また、以上の各実施形態においては、電解質膜の両面に形成した双方の触媒層（アノード電極用触媒層及びカソード電極用触媒層）の面積を同一にした例を示したが、アノード電極用触媒層の面積とカソード電極用触媒層の面積とを異ならせることもできる。例えば、カソード電極用触媒層の面積をアノード電極用触媒層の面積よりも小さくする（カソード電極用触媒層の周縁部の位置をアノード電極用触媒層の周縁部の位置よりも中央寄りにする）と、ＭＥＧＡの耐用期間を長期化することができるので、好ましい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。 図１に示した燃料電池を構成する単電池の分解斜視図である。 図２に示した単電池に含まれるＭＥＧＡの断面図である。 （ａ）は図３に示したＭＥＧＡの内部に形成される空隙の容積とホットプレス時の温度との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、図３に示したＭＥＧＡの内部に形成される空隙の容積とホットプレス時の圧力との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池に含まれるＭＥＧＡの断面図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池に含まれるＭＥＧＡの断面図である。 従来の製造方法で製造されたＭＥＧＡの断面図である。

符号の説明

１…燃料電池、１１・１１Ａ・１１Ｂ…電解質膜、１１ａ・１１Ｂａ…凹部、１２…触媒層、１２ａ…周縁部、１３・１３Ａ・１３Ｂ…拡散層、１３Ａａ・１３Ｂａ…凹部、２０・２０Ａ・２０Ｂ…ＭＥＧＡ（積層体）

Claims (9)

1. 電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられる電極用の触媒層と、前記電解質膜の両面に前記触媒層を介して接合される拡散層と、を備える積層体であって、
   前記拡散層と前記触媒層の周縁部との境界近傍が略平面になるように構成されてなる積層体。
2. 前記拡散層の前記触媒層側の表面に凹部が設けられ、
   前記触媒層の少なくとも周縁部が前記拡散層の前記凹部に埋設されてなる請求項１に記載の積層体。
3. 電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられる電極用の触媒層と、前記電解質膜の両面に前記触媒層を介して接合される拡散層と、を備える積層体であって、
   前記電解質膜の表面と、前記拡散層の前記触媒層側の表面と、に各々凹部が設けられるとともに、これら凹部が対向配置されて空間が形成され、この空間内に前記触媒層の少なくとも周縁部が充填されてなる積層体。
4. 前記触媒層は、アノード電極用触媒層及びカソード電極用触媒層であり、
   前記アノード電極用触媒層の面積と、前記カソード電極用触媒層の面積と、が異なるように構成されてなる請求項１から３の何れか一項に記載の積層体。
5. 請求項１から４の何れか一項に記載の積層体を備える燃料電池。
6. 電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられる電極用の触媒層と、を備える積層体の製造方法であって、
   前記電解質膜と前記触媒層の周縁部との境界近傍が略平面になるような条件で圧着を行う圧着工程を含む積層体の製造方法。
7. 前記圧着工程は、前記電解質膜の両面に前記触媒層を介して拡散層を接合する拡散層接合工程を含む請求項６に記載の積層体の製造方法。
8. 電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられる電極用の触媒層と、前記電解質膜の両面に前記触媒層を介して接合される拡散層と、を備える積層体の製造方法であって、
   前記拡散層と前記触媒層の周縁部との境界近傍が略平面になるような条件で圧着を行う圧着工程を含む積層体の製造方法。
9. 電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられる電極用の触媒層と、前記電解質膜の両面に前記触媒層を介して接合される拡散層と、を備える積層体の製造方法であって、
   前記電解質膜の表面と、前記拡散層の前記触媒層が接合される表面と、に各々凹部を設けるとともに、これら凹部を対向配置して空間を形成し、この空間内に前記触媒層の少なくとも周縁部を充填するような条件で圧着を行う圧着工程を含む積層体の製造方法。
   
   

Images