燃料電池用電解質膜・電極構造体
【課題】簡単且つ経済的な構成で、電極触媒層から外方に延在する固体高分子電解質膜の外周端部に劣化が発生することを可及的に阻止することを可能にする。
【解決手段】電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８と前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側電極２０及びカソード側電極２２とを備える。アノード側電極２０は、電極触媒層２０ａ及びガス拡散層２０ｂを設ける一方、カソード側電極２２は、電極触媒層２２ａ及びガス拡散層２２ｂを設ける。固体高分子電解質膜１８は、アノード側電極２０の外周部から外部に露呈する端面１８ａｅ及びカソード側電極２２側の端面１８ｂｅに、電極触媒層２０ａ及び２２ａの形成時に使用される溶剤と同一の溶剤２８ａ及び２８ｂが塗布される。
【解決手段】電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８と前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側電極２０及びカソード側電極２２とを備える。アノード側電極２０は、電極触媒層２０ａ及びガス拡散層２０ｂを設ける一方、カソード側電極２２は、電極触媒層２２ａ及びガス拡散層２２ｂを設ける。固体高分子電解質膜１８は、アノード側電極２０の外周部から外部に露呈する端面１８ａｅ及びカソード側電極２２側の端面１８ｂｅに、電極触媒層２０ａ及び２２ａの形成時に使用される溶剤と同一の溶剤２８ａ及び２８ｂが塗布される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極触媒層が設けられる燃料電池用電解質膜・電極構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の表面積が、この固体高分子電解質膜の両面に積層されているガス拡散層及び触媒層の表面積よりも大きく構成され、前記固体高分子電解質膜の外周端面が、各ガス拡散層及び前記触媒層の外周端面よりも外方に突出する、所謂、膜突出型ＭＥＡを構成する場合がある。
【０００４】
また、この種の電解質膜・電極構造体では、一方の電極の面積が他方の電極の面積よりも大きく構成され、前記一方の電極の端部が前記他方の電極の端部から外方に突出する、所謂、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。
【０００５】
上記のＭＥＡでは、固体高分子電解質膜の面方向外方に突出する外周部からのガス透過量が、面方向内方側の触媒層が塗布された部分のガス透過量に比べて多くなり易い。このため、固体高分子電解質膜の外周縁部では、該固体高分子電解質膜の両側に存在する燃料ガスと酸化剤ガスとの混在が惹起され易く、前記固体高分子電解質膜の劣化が促進されるという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質膜電極接合体が知られている。この固体高分子電解質膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両面に配設される触媒を含む触媒層と該触媒層を周縁部の内側に支持するガス拡散層とを備える電極と、からなっている。
【０００７】
固体高分子電解質膜は、膜の厚さ方向全体にプロトン導電性を有する第１の領域と、該第１の領域の外周部に位置し無孔のシートが配置されることにより、膜の厚さ方向全体にはプロトン導電性を有しない第２の領域とを有している。そして、触媒層の外縁からガス拡散層の外縁までは、第２の領域に位置するように配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１００２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献１では、固体高分子電解質膜に、別材質で構成された無孔のシートが配置されているため、発電中の前記固体高分子電解質膜には、部分的に、含水環境の相違する領域が発生してしまう。これにより、固体高分子電解質膜には、反応ガスが透過する透過量に分布が惹起され易く、発電性能が低下するという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、電極触媒層から外方に延在する固体高分子電解質膜の外周端部に劣化が発生することを可及的に阻止することが可能な燃料電池用電解質膜・電極構造体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】
【００１１】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極触媒層が設けられる燃料電池用電解質膜・電極構造体に関するものである。この電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の外周部には、電極触媒層から外方に延在する突出端部が設けられるとともに、前記突出端部の少なくとも一方の面には、溶剤が塗布されている。
【００１２】
また、この燃料電池用電解質膜・電極構造体では、溶剤は、電極触媒層に使用された溶剤と同一の溶剤であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、固体高分子電解質膜の外周部には、溶剤が塗布されている。このため、固体高分子電解質膜では、触媒領域と突出端部領域とにおける反応ガス透過量を同等にすることができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、電極触媒層から外方に延在する固体高分子電解質膜の外周端部に劣化が発生することを可及的に阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体を組み込む燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の一部断面説明図である。
【図４】前記電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図５】固体高分子電解質膜に電極触媒層を塗布する際の説明図である。
【図６】固体高分子電解質膜の外周端部に溶剤を塗布する際の説明図である。
【図７】固体高分子電解質膜にガス拡散層を接合する際の説明図である。
【図８】前記電解質膜・電極構造体を製造するための工程説明図である。
【図９】従来の前記電解質膜・電極構造体の膜強度の説明図である。
【図１０】第１の実施形態の前記電解質膜・電極構造体の膜強度の説明図である。
【図１１】前記電解質膜・電極構造体を製造するための別の工程説明図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体を組み込む燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図１３】前記燃料電池の、図１２中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１及び図２に示すように、固体高分子型燃料電池１０は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体１２を組み込むとともに、前記燃料電池１０は、前記電解質膜・電極構造体１２を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持する。
【００１６】
第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板等で構成されている。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。
【００１７】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側電極２０及びカソード側電極２２とを備える。アノード側電極２０は、カソード側電極２２及び固体高分子電解質膜１８よりも小さな表面積を有する（段差ＭＥＡ）。
【００１８】
固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。第１の実施形態では、固体高分子電解質膜１８は、例えば、主鎖がポリフェニレン構造であり、スルホン酸基を有する側鎖と含窒素複素環基を有する側鎖とを有する構造でもよい。
【００１９】
図３に示すように、アノード側電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに当接し、且つ前記固体高分子電解質膜１８の外周を額縁状に露呈させる電極触媒層２０ａ及びガス拡散層２０ｂを設ける。ガス拡散層２０ｂは、カーボンペーパやカーボンクロス等からなり、前記ガス拡散層２０ｂの表面に白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が一様に塗布されて電極触媒層２０ａが形成される。
【００２０】
カソード側電極２２は、上記のアノード側電極２０と同様に、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに当接する電極触媒層２２ａ及びガス拡散層２２ｂを設ける。なお、電極触媒層２０ａ、２２ａは、複数の層から構成してもよい。
【００２１】
ガス拡散層２２ｂの平面は、ガス拡散層２０ｂの平面よりも大きく設定されるとともに、前記ガス拡散層２２ｂは、電極触媒層２２ａの外周から突出して固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂ全体を覆う。
【００２２】
電極触媒層２０ａの端部は、電極触媒層２２ａの端部よりも固体高分子電解質膜１８の面方向外側全周にわたって距離Ｈだけ突出した位置に設定される。なお、電極触媒層２０ａの端部と電極触媒層２２ａの端部とは、隣り合った辺で寸法の大小関係が逆に設定されてもよい。また、アノード側電極２０とカソード側電極２２の大小関係が逆であってもよい。電極触媒層２０ａの外周から突出するガス拡散層２０ｂと、固体高分子電解質膜１８との間には、接着層２６ａが設けられる。電極触媒層２２ａの外周から突出するガス拡散層２２ｂと、固体高分子電解質膜１８との間には、接着層２６ｂが設けられる。接着層２６ａ、２６ｂは、例えば、フッ素系接着剤を用いることができる。
【００２３】
固体高分子電解質膜１８は、アノード側電極２０の電極触媒層２０ａの外周部から外部に露呈する端面１８ａｅ及びカソード側電極２２の電極触媒層２２ａ側の端面１８ｂｅに、後述するように、電極触媒層２０ａ及び２２ａの形成時に使用される溶剤と同一の溶剤２８ａ及び２８ｂが塗布される（図４参照）。その際、溶剤２８ａ及び２８ｂは、電極触媒層２０ａ、２２ａの端部から隙間なく塗布される。
【００２４】
溶剤２８ａ及び２８ｂは、例えば、アルコール系溶媒が使用され、具体的には、水とｎ−プロピルアルコールとエタノールとの混合液である。なお、電極触媒層２０ａ、２２ａに用いられた溶媒と異なった溶媒を用いてもよい。また、固体高分子電解質膜１８の側の端面１８ｂｅには、必要に応じて溶剤２８ｂを塗布すればよく、不要にすることもできる。少なくとも一方の側に塗布すればよい。
【００２５】
図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２６】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２７】
第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。
【００２８】
第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。
【００２９】
図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化されるとともに、第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。
【００３０】
図２に示すように、第１シール部材４２は、電解質膜・電極構造体１２の外部に露呈する固体高分子電解質膜１８に当接する第１凸状シール４２ａと、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間に介装される第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４２ｂに代えて、第２シール部材４４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。
【００３１】
第１及び第２シール部材４２、４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
【００３２】
図１に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３４ａを燃料ガス流路３８に連通する供給孔部４６と、前記燃料ガス流路３８を燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する排出孔部４８とが形成される。
【００３３】
このように構成される燃料電池１０において、電解質膜・電極構造体１２を製造する方法について以下に説明する。
【００３４】
先ず、図５に示すように、固体高分子電解質膜１８が長方形状に作製された後、この固体高分子電解質膜１８の面１８ａ及び面１８ｂには、それぞれ触媒ペーストを塗布することにより、電極触媒層２０ａ及び電極触媒層２２ａが形成される。
【００３５】
電極触媒層２０ａ及び電極触媒層２２ａは、例えば、イオン導電性バインダと、Ｐｔを担持したカーボン粒子からなる触媒粒子とを、アルコール系溶媒、例えば、水とｎ−プロピルアルコールとエタノールとの混合液に、一定の割合で混合して触媒ペーストを作成する。さらに、この触媒ペーストを固体高分子電解質膜１８の両面にスクリーン印刷した後、前記触媒ペーストを乾燥させることにより形成される。
【００３６】
次いで、図６に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａにおいて電極触媒層２０ａの外方に露呈する端面１８ａｅ、及び必要に応じて面１８ｂの電極触媒層２２ａの端部から外方に露呈する１８ｂｅに、それぞれアルコール系触媒、例えば、水とｎ−プロピルアルコールとエタノールとの混合液からなる溶剤２８ａ及び２８ｂが塗布される。なお、アルコール系の溶剤であれば、必ずしも成分は限定されない。
【００３７】
そして、溶剤２８ａ、２８ｂに乾燥処理が施された後、図７に示すように、ガス拡散層２０ｂ、２２ｂには、それぞれ外周縁部に接着層２６ａ、２６ｂがスクリーン印刷により塗布される。
【００３８】
ガス拡散層２０ｂは、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ側に押圧される一方、ガス拡散層２２ｂは、前記固体高分子電解質膜１８の面１８ｂ側に押圧される。ガス拡散層２０ｂ、２２ｂは、ホットプレス処理が施されることによって、固体高分子電解質膜１８に一体化され、電解質膜・電極構造体１２が製造される（図３参照）。
【００３９】
電解質膜・電極構造体１２を製造する工程は、図８に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ、１８ｂに電極触媒層２０ａ、２２ａを形成する電極塗布工程（ステップＳ１）、前記電極触媒層２０ａ、２２ａを乾燥させる乾燥工程（ステップＳ２）、前記固体高分子電解質膜１８の端面１８ａｅ、１８ｂｅに溶剤２８ａ、２８ｂを塗布する溶剤塗布工程（ステップＳ３）、前記溶剤２８ａ、２８ｂを乾燥させる乾燥工程（ステップＳ４）及びガス拡散層２０ｂ、２２ｂを一体化させるガス拡散層合体工程（ステップＳ５）を基本的に有する。
【００４０】
ここで、ステップＳ３では、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａ（アノード側面）の端面１８ａｅにのみ溶剤２８ａを塗布する工程（ステップＳ１１）を有してもよい。また、ステップＳ３では、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂ（カソード側面）の端面１８ｂｅにのみ溶剤２８ｂを塗布してもよい（ステップＳ２１）。
【００４１】
さらに、ステップＳ３では、一方の端面１８ａｅにのみ溶剤２８ａを塗布し（ステップＳ３１）、この溶剤２８ａを乾燥させた後（ステップＳ３２）、他方の端面１８ｂｅにのみ溶剤２８ｂを塗布（ステップＳ３３）してもよい。
【００４２】
さらにまた、ステップＳ３では、固体高分子電解質膜１８の他方の端面１８ｂｅにのみ溶剤２８ｂを塗布し（ステップＳ４１）、この溶剤２８ｂを乾燥させた後、一方の端面１８ａｅにのみ溶剤２８ａを塗布（ステップＳ４３）してもよい。
【００４３】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４４】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４５】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部４６を通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２０に供給される。
【００４６】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００４７】
次いで、カソード側電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４８を通り燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４８】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００４９】
この場合、第１の実施形態では、固体高分子電解質膜１８の少なくともアノード側電極２０の外部に露呈する端面１８ａｅ（必要に応じてカソード側電極２２の外部に露呈する端面１８ｂｅ）に、電極触媒層２０ａ（２２ａ）の成形時に使用される溶剤と同一の溶剤２８ａ（２８ｂ）、又は異なる溶剤が塗布されている。このため、固体高分子電解質膜１８では、アノード側電極２０（及びカソード側電極２２）の触媒領域と端面１８ａｅ（及び１８ｂｅ）の突出端部領域とにおける燃料ガス（及び酸化剤ガス）のガス透過量を同等にすることができる。
【００５０】
ここで、図９には、通常の固体高分子電解質膜１８ｐｒの外周部に溶剤が塗布されていない電解質膜・電極構造体１２ｐｒの膜強度分布が示されている。電解質膜・電極構造体１２ｐｒでは、電極塗布工程で、溶剤が固体高分子電解質膜１８ｐｒに浸み込むことにより、この固体高分子電解質膜１８ｐｒの分子配向が変化する。
【００５１】
従って、固体高分子電解質膜１８ｐｒの電極塗布範囲内では、電極塗布工程前の前記固体高分子電解質膜１８ｐｒとガス拡散性が変化する。一方、固体高分子電解質膜１８ｐｒの外周部（電極塗布範囲外）には、電極塗布工程前と同一のガス拡散性が維持されている。これにより、従来の固体高分子電解質膜１８ｐｒでは、面内にガス拡散性の異なる箇所が存在し、燃料ガスである水素ガスと空気の混在比率が変化し、局所的な劣化が発生してしまう。
【００５２】
図９において、面内膜強度は、ＴＦ１＜ＴＦ２＜ＴＦ３＜ＴＦ４＜ＴＦ５の関係を有する。このため、固体高分子電解質膜１８ｐｒでは、特に外周縁部に最も強度低下（ＴＦ１）が顕著に表れており、前記固体高分子電解質膜１８ｐｒの耐久性が低下するという現象が顕在化している。
【００５３】
これに対して、第１の実施形態では、図１０に示すように、固体高分子電解質膜１８の全面におけるガス透過性が均一化されている。従って、この固体高分子電解質膜１８には、局所的な劣化が発生することがなく、耐久性の向上が図られる。
【００５４】
これにより、第１の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜１８の外周端部に劣化が発生することを可及的に阻止し、耐久性の向上を図ることができるという効果が得られる。
【００５５】
ところで、第１の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１２は、図１１に示す製造工程により製造することができる。
【００５６】
この製造工程は、先ず、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂには、それぞれ全面にわたって溶剤２８ａ、２８ｂを塗布する全面溶剤塗布工程（ステップＳ１０１）、前記溶剤２８ａ、２８ｂを乾燥させる乾燥工程（ステップＳ１０２）、各面１８ａ、１８ｂに電極触媒層２０ａ、２２ａを塗布する電極塗布工程（ステップＳ１０３）、前記電極触媒層２０ａ、２２ａを乾燥させる乾燥工程（ステップＳ１０４）及びガス拡散層２０ｂ、２２ｂを前記固体高分子電解質膜１８の両面に接着させて、電解質膜・電極構造体１２を製造するガス拡散層合体工程（ステップＳ１０５）を有している。
【００５７】
これにより、図８に示す製造工程と同様に、所望の電解質膜・電極構造体１２を効率的に製造することができる。
【００５８】
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体６０を組み込む固体高分子型燃料電池６２の要部分解斜視説明図である。
【００５９】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６０】
燃料電池６２は、電解質膜・電極構造体６０を第１セパレータ６４及び第２セパレータ６６により挟持する。燃料電池６２の矢印Ｃ方向（鉛直方向）の上端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス入口連通孔３４ａが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００６１】
燃料電池６２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００６２】
第１セパレータ６４の電解質膜・電極構造体６０に向かう面６４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が、鉛直方向に沿って設けられる。
【００６３】
第２セパレータ６６の電解質膜・電極構造体６０に向かう面６６ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が、鉛直方向に沿って設けられる。
【００６４】
互いに隣接する燃料電池６２を構成する第１セパレータ６４の面６４ｂと、第２セパレータ６６の面６６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する冷却媒体流路４０が、鉛直方向に沿って設けられる。
【００６５】
第１セパレータ６４の面６４ａ、６４ｂには、第１シール部材６８が、一体的又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ６６の面６６ａ、６６ｂには、第２シール部材７０が、一体的に又は個別に設けられる。
【００６６】
図１３に示すように、電解質膜・電極構造体６０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜７４と、前記固体高分子電解質膜７４を挟持するカソード側電極７６及びアノード側電極７８とを備える。固体高分子電解質膜７４は、第１の実施形態の固体高分子電解質膜１８と同様に、例えば、主鎖がポリフェニレン構造であり、スルホン酸基を有する側鎖と含窒素複素環基を有する側鎖とを有する構造でもよい。
【００６７】
カソード側電極７６及びアノード側電極７８は、同一の表面積（外形寸法）を有するとともに、固体高分子電解質膜７４は、前記カソード側電極７６及び前記アノード側電極７８よりも大きな表面積（外形寸法）を有する。固体高分子電解質膜７４の両端面７４ａｅ、７４ｂｅは、カソード側電極７６及びアノード側電極７８の端部から外方に延在する。
【００６８】
カソード側電極７６及びアノード側電極７８は、固体高分子電解質膜７４の両方の面７４ａ、７４ｂに接合される電極触媒層７６ａ、７８ａと、前記電極触媒層７６ａ、７８ａに積層されるガス拡散層（多孔質拡散層）７６ｂ、７８ｂとを設ける。
【００６９】
電極触媒層７６ａの外周から突出するガス拡散層７６ｂと、固体高分子電解質膜７４との間には、接着層８０ａが設けられる。電極触媒層７８ａの外周から突出するガス拡散層７８ｂと、固体高分子電解質膜７４との間には、接着層８０ｂが設けられる。
【００７０】
このように構成される電解質膜・電極構造体６０は、上記の電解質膜・電極構造体１２と同様に製造される。具体的には、電解質膜・電極構造体６０は、図８に示す製造工程、又は図１１に示す製造工程によって製造されるものであり、固体高分子電解質膜７４の端面７４ａｅ、７４ｂｅに、それぞれ溶剤２８ａ、２８ｂが塗布された後、乾燥処理が施されている。
【００７１】
従って、固体高分子電解質膜７４は、電極触媒層７６ａ、７８ａが塗布された触媒領域と前記電極触媒層７６ａ、７８ａが設けられていない突出端部領域とにおいて、反応ガス透過量を同等にすることができる。
【００７２】
これにより、第２の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、電極触媒層７６ａ、７８ａから外方に延在する固体高分子電解質膜７４の外周端面７４ａｅ、７４ｂｅに劣化が発生することを可及的に阻止することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７３】
１０、６２…燃料電池 １２、６０…電解質膜・電極構造体
１４、１６、６４、６６…セパレータ １８、７４…固体高分子電解質膜
１８ａｅ、１８ｂｅ、７４ａｅ、７４ｂｅ…端面
２０、７８…アノード側電極
２０ａ、２２ａ、７６ａ、７８ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ、７６ｂ、７８ｂ…ガス拡散層
２２、７６…カソード側電極
２６ａ、２６ｂ、８０ａ、８０ｂ…接着層
２８ａ、２８ｂ…溶剤 ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…冷却媒体入口連通孔
３２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路 ４０…冷却媒体流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極触媒層が設けられる燃料電池用電解質膜・電極構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の表面積が、この固体高分子電解質膜の両面に積層されているガス拡散層及び触媒層の表面積よりも大きく構成され、前記固体高分子電解質膜の外周端面が、各ガス拡散層及び前記触媒層の外周端面よりも外方に突出する、所謂、膜突出型ＭＥＡを構成する場合がある。
【０００４】
また、この種の電解質膜・電極構造体では、一方の電極の面積が他方の電極の面積よりも大きく構成され、前記一方の電極の端部が前記他方の電極の端部から外方に突出する、所謂、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。
【０００５】
上記のＭＥＡでは、固体高分子電解質膜の面方向外方に突出する外周部からのガス透過量が、面方向内方側の触媒層が塗布された部分のガス透過量に比べて多くなり易い。このため、固体高分子電解質膜の外周縁部では、該固体高分子電解質膜の両側に存在する燃料ガスと酸化剤ガスとの混在が惹起され易く、前記固体高分子電解質膜の劣化が促進されるという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質膜電極接合体が知られている。この固体高分子電解質膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両面に配設される触媒を含む触媒層と該触媒層を周縁部の内側に支持するガス拡散層とを備える電極と、からなっている。
【０００７】
固体高分子電解質膜は、膜の厚さ方向全体にプロトン導電性を有する第１の領域と、該第１の領域の外周部に位置し無孔のシートが配置されることにより、膜の厚さ方向全体にはプロトン導電性を有しない第２の領域とを有している。そして、触媒層の外縁からガス拡散層の外縁までは、第２の領域に位置するように配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１００２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献１では、固体高分子電解質膜に、別材質で構成された無孔のシートが配置されているため、発電中の前記固体高分子電解質膜には、部分的に、含水環境の相違する領域が発生してしまう。これにより、固体高分子電解質膜には、反応ガスが透過する透過量に分布が惹起され易く、発電性能が低下するという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、電極触媒層から外方に延在する固体高分子電解質膜の外周端部に劣化が発生することを可及的に阻止することが可能な燃料電池用電解質膜・電極構造体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】
【００１１】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極触媒層が設けられる燃料電池用電解質膜・電極構造体に関するものである。この電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の外周部には、電極触媒層から外方に延在する突出端部が設けられるとともに、前記突出端部の少なくとも一方の面には、溶剤が塗布されている。
【００１２】
また、この燃料電池用電解質膜・電極構造体では、溶剤は、電極触媒層に使用された溶剤と同一の溶剤であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、固体高分子電解質膜の外周部には、溶剤が塗布されている。このため、固体高分子電解質膜では、触媒領域と突出端部領域とにおける反応ガス透過量を同等にすることができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、電極触媒層から外方に延在する固体高分子電解質膜の外周端部に劣化が発生することを可及的に阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体を組み込む燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の一部断面説明図である。
【図４】前記電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図５】固体高分子電解質膜に電極触媒層を塗布する際の説明図である。
【図６】固体高分子電解質膜の外周端部に溶剤を塗布する際の説明図である。
【図７】固体高分子電解質膜にガス拡散層を接合する際の説明図である。
【図８】前記電解質膜・電極構造体を製造するための工程説明図である。
【図９】従来の前記電解質膜・電極構造体の膜強度の説明図である。
【図１０】第１の実施形態の前記電解質膜・電極構造体の膜強度の説明図である。
【図１１】前記電解質膜・電極構造体を製造するための別の工程説明図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体を組み込む燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図１３】前記燃料電池の、図１２中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１及び図２に示すように、固体高分子型燃料電池１０は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体１２を組み込むとともに、前記燃料電池１０は、前記電解質膜・電極構造体１２を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持する。
【００１６】
第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板等で構成されている。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。
【００１７】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側電極２０及びカソード側電極２２とを備える。アノード側電極２０は、カソード側電極２２及び固体高分子電解質膜１８よりも小さな表面積を有する（段差ＭＥＡ）。
【００１８】
固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。第１の実施形態では、固体高分子電解質膜１８は、例えば、主鎖がポリフェニレン構造であり、スルホン酸基を有する側鎖と含窒素複素環基を有する側鎖とを有する構造でもよい。
【００１９】
図３に示すように、アノード側電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに当接し、且つ前記固体高分子電解質膜１８の外周を額縁状に露呈させる電極触媒層２０ａ及びガス拡散層２０ｂを設ける。ガス拡散層２０ｂは、カーボンペーパやカーボンクロス等からなり、前記ガス拡散層２０ｂの表面に白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が一様に塗布されて電極触媒層２０ａが形成される。
【００２０】
カソード側電極２２は、上記のアノード側電極２０と同様に、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに当接する電極触媒層２２ａ及びガス拡散層２２ｂを設ける。なお、電極触媒層２０ａ、２２ａは、複数の層から構成してもよい。
【００２１】
ガス拡散層２２ｂの平面は、ガス拡散層２０ｂの平面よりも大きく設定されるとともに、前記ガス拡散層２２ｂは、電極触媒層２２ａの外周から突出して固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂ全体を覆う。
【００２２】
電極触媒層２０ａの端部は、電極触媒層２２ａの端部よりも固体高分子電解質膜１８の面方向外側全周にわたって距離Ｈだけ突出した位置に設定される。なお、電極触媒層２０ａの端部と電極触媒層２２ａの端部とは、隣り合った辺で寸法の大小関係が逆に設定されてもよい。また、アノード側電極２０とカソード側電極２２の大小関係が逆であってもよい。電極触媒層２０ａの外周から突出するガス拡散層２０ｂと、固体高分子電解質膜１８との間には、接着層２６ａが設けられる。電極触媒層２２ａの外周から突出するガス拡散層２２ｂと、固体高分子電解質膜１８との間には、接着層２６ｂが設けられる。接着層２６ａ、２６ｂは、例えば、フッ素系接着剤を用いることができる。
【００２３】
固体高分子電解質膜１８は、アノード側電極２０の電極触媒層２０ａの外周部から外部に露呈する端面１８ａｅ及びカソード側電極２２の電極触媒層２２ａ側の端面１８ｂｅに、後述するように、電極触媒層２０ａ及び２２ａの形成時に使用される溶剤と同一の溶剤２８ａ及び２８ｂが塗布される（図４参照）。その際、溶剤２８ａ及び２８ｂは、電極触媒層２０ａ、２２ａの端部から隙間なく塗布される。
【００２４】
溶剤２８ａ及び２８ｂは、例えば、アルコール系溶媒が使用され、具体的には、水とｎ−プロピルアルコールとエタノールとの混合液である。なお、電極触媒層２０ａ、２２ａに用いられた溶媒と異なった溶媒を用いてもよい。また、固体高分子電解質膜１８の側の端面１８ｂｅには、必要に応じて溶剤２８ｂを塗布すればよく、不要にすることもできる。少なくとも一方の側に塗布すればよい。
【００２５】
図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２６】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２７】
第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。
【００２８】
第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。
【００２９】
図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化されるとともに、第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。
【００３０】
図２に示すように、第１シール部材４２は、電解質膜・電極構造体１２の外部に露呈する固体高分子電解質膜１８に当接する第１凸状シール４２ａと、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間に介装される第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４２ｂに代えて、第２シール部材４４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。
【００３１】
第１及び第２シール部材４２、４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
【００３２】
図１に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３４ａを燃料ガス流路３８に連通する供給孔部４６と、前記燃料ガス流路３８を燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する排出孔部４８とが形成される。
【００３３】
このように構成される燃料電池１０において、電解質膜・電極構造体１２を製造する方法について以下に説明する。
【００３４】
先ず、図５に示すように、固体高分子電解質膜１８が長方形状に作製された後、この固体高分子電解質膜１８の面１８ａ及び面１８ｂには、それぞれ触媒ペーストを塗布することにより、電極触媒層２０ａ及び電極触媒層２２ａが形成される。
【００３５】
電極触媒層２０ａ及び電極触媒層２２ａは、例えば、イオン導電性バインダと、Ｐｔを担持したカーボン粒子からなる触媒粒子とを、アルコール系溶媒、例えば、水とｎ−プロピルアルコールとエタノールとの混合液に、一定の割合で混合して触媒ペーストを作成する。さらに、この触媒ペーストを固体高分子電解質膜１８の両面にスクリーン印刷した後、前記触媒ペーストを乾燥させることにより形成される。
【００３６】
次いで、図６に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａにおいて電極触媒層２０ａの外方に露呈する端面１８ａｅ、及び必要に応じて面１８ｂの電極触媒層２２ａの端部から外方に露呈する１８ｂｅに、それぞれアルコール系触媒、例えば、水とｎ−プロピルアルコールとエタノールとの混合液からなる溶剤２８ａ及び２８ｂが塗布される。なお、アルコール系の溶剤であれば、必ずしも成分は限定されない。
【００３７】
そして、溶剤２８ａ、２８ｂに乾燥処理が施された後、図７に示すように、ガス拡散層２０ｂ、２２ｂには、それぞれ外周縁部に接着層２６ａ、２６ｂがスクリーン印刷により塗布される。
【００３８】
ガス拡散層２０ｂは、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ側に押圧される一方、ガス拡散層２２ｂは、前記固体高分子電解質膜１８の面１８ｂ側に押圧される。ガス拡散層２０ｂ、２２ｂは、ホットプレス処理が施されることによって、固体高分子電解質膜１８に一体化され、電解質膜・電極構造体１２が製造される（図３参照）。
【００３９】
電解質膜・電極構造体１２を製造する工程は、図８に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ、１８ｂに電極触媒層２０ａ、２２ａを形成する電極塗布工程（ステップＳ１）、前記電極触媒層２０ａ、２２ａを乾燥させる乾燥工程（ステップＳ２）、前記固体高分子電解質膜１８の端面１８ａｅ、１８ｂｅに溶剤２８ａ、２８ｂを塗布する溶剤塗布工程（ステップＳ３）、前記溶剤２８ａ、２８ｂを乾燥させる乾燥工程（ステップＳ４）及びガス拡散層２０ｂ、２２ｂを一体化させるガス拡散層合体工程（ステップＳ５）を基本的に有する。
【００４０】
ここで、ステップＳ３では、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａ（アノード側面）の端面１８ａｅにのみ溶剤２８ａを塗布する工程（ステップＳ１１）を有してもよい。また、ステップＳ３では、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂ（カソード側面）の端面１８ｂｅにのみ溶剤２８ｂを塗布してもよい（ステップＳ２１）。
【００４１】
さらに、ステップＳ３では、一方の端面１８ａｅにのみ溶剤２８ａを塗布し（ステップＳ３１）、この溶剤２８ａを乾燥させた後（ステップＳ３２）、他方の端面１８ｂｅにのみ溶剤２８ｂを塗布（ステップＳ３３）してもよい。
【００４２】
さらにまた、ステップＳ３では、固体高分子電解質膜１８の他方の端面１８ｂｅにのみ溶剤２８ｂを塗布し（ステップＳ４１）、この溶剤２８ｂを乾燥させた後、一方の端面１８ａｅにのみ溶剤２８ａを塗布（ステップＳ４３）してもよい。
【００４３】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４４】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４５】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部４６を通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２０に供給される。
【００４６】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００４７】
次いで、カソード側電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４８を通り燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４８】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００４９】
この場合、第１の実施形態では、固体高分子電解質膜１８の少なくともアノード側電極２０の外部に露呈する端面１８ａｅ（必要に応じてカソード側電極２２の外部に露呈する端面１８ｂｅ）に、電極触媒層２０ａ（２２ａ）の成形時に使用される溶剤と同一の溶剤２８ａ（２８ｂ）、又は異なる溶剤が塗布されている。このため、固体高分子電解質膜１８では、アノード側電極２０（及びカソード側電極２２）の触媒領域と端面１８ａｅ（及び１８ｂｅ）の突出端部領域とにおける燃料ガス（及び酸化剤ガス）のガス透過量を同等にすることができる。
【００５０】
ここで、図９には、通常の固体高分子電解質膜１８ｐｒの外周部に溶剤が塗布されていない電解質膜・電極構造体１２ｐｒの膜強度分布が示されている。電解質膜・電極構造体１２ｐｒでは、電極塗布工程で、溶剤が固体高分子電解質膜１８ｐｒに浸み込むことにより、この固体高分子電解質膜１８ｐｒの分子配向が変化する。
【００５１】
従って、固体高分子電解質膜１８ｐｒの電極塗布範囲内では、電極塗布工程前の前記固体高分子電解質膜１８ｐｒとガス拡散性が変化する。一方、固体高分子電解質膜１８ｐｒの外周部（電極塗布範囲外）には、電極塗布工程前と同一のガス拡散性が維持されている。これにより、従来の固体高分子電解質膜１８ｐｒでは、面内にガス拡散性の異なる箇所が存在し、燃料ガスである水素ガスと空気の混在比率が変化し、局所的な劣化が発生してしまう。
【００５２】
図９において、面内膜強度は、ＴＦ１＜ＴＦ２＜ＴＦ３＜ＴＦ４＜ＴＦ５の関係を有する。このため、固体高分子電解質膜１８ｐｒでは、特に外周縁部に最も強度低下（ＴＦ１）が顕著に表れており、前記固体高分子電解質膜１８ｐｒの耐久性が低下するという現象が顕在化している。
【００５３】
これに対して、第１の実施形態では、図１０に示すように、固体高分子電解質膜１８の全面におけるガス透過性が均一化されている。従って、この固体高分子電解質膜１８には、局所的な劣化が発生することがなく、耐久性の向上が図られる。
【００５４】
これにより、第１の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜１８の外周端部に劣化が発生することを可及的に阻止し、耐久性の向上を図ることができるという効果が得られる。
【００５５】
ところで、第１の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１２は、図１１に示す製造工程により製造することができる。
【００５６】
この製造工程は、先ず、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂには、それぞれ全面にわたって溶剤２８ａ、２８ｂを塗布する全面溶剤塗布工程（ステップＳ１０１）、前記溶剤２８ａ、２８ｂを乾燥させる乾燥工程（ステップＳ１０２）、各面１８ａ、１８ｂに電極触媒層２０ａ、２２ａを塗布する電極塗布工程（ステップＳ１０３）、前記電極触媒層２０ａ、２２ａを乾燥させる乾燥工程（ステップＳ１０４）及びガス拡散層２０ｂ、２２ｂを前記固体高分子電解質膜１８の両面に接着させて、電解質膜・電極構造体１２を製造するガス拡散層合体工程（ステップＳ１０５）を有している。
【００５７】
これにより、図８に示す製造工程と同様に、所望の電解質膜・電極構造体１２を効率的に製造することができる。
【００５８】
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体６０を組み込む固体高分子型燃料電池６２の要部分解斜視説明図である。
【００５９】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６０】
燃料電池６２は、電解質膜・電極構造体６０を第１セパレータ６４及び第２セパレータ６６により挟持する。燃料電池６２の矢印Ｃ方向（鉛直方向）の上端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス入口連通孔３４ａが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００６１】
燃料電池６２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００６２】
第１セパレータ６４の電解質膜・電極構造体６０に向かう面６４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が、鉛直方向に沿って設けられる。
【００６３】
第２セパレータ６６の電解質膜・電極構造体６０に向かう面６６ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が、鉛直方向に沿って設けられる。
【００６４】
互いに隣接する燃料電池６２を構成する第１セパレータ６４の面６４ｂと、第２セパレータ６６の面６６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する冷却媒体流路４０が、鉛直方向に沿って設けられる。
【００６５】
第１セパレータ６４の面６４ａ、６４ｂには、第１シール部材６８が、一体的又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ６６の面６６ａ、６６ｂには、第２シール部材７０が、一体的に又は個別に設けられる。
【００６６】
図１３に示すように、電解質膜・電極構造体６０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜７４と、前記固体高分子電解質膜７４を挟持するカソード側電極７６及びアノード側電極７８とを備える。固体高分子電解質膜７４は、第１の実施形態の固体高分子電解質膜１８と同様に、例えば、主鎖がポリフェニレン構造であり、スルホン酸基を有する側鎖と含窒素複素環基を有する側鎖とを有する構造でもよい。
【００６７】
カソード側電極７６及びアノード側電極７８は、同一の表面積（外形寸法）を有するとともに、固体高分子電解質膜７４は、前記カソード側電極７６及び前記アノード側電極７８よりも大きな表面積（外形寸法）を有する。固体高分子電解質膜７４の両端面７４ａｅ、７４ｂｅは、カソード側電極７６及びアノード側電極７８の端部から外方に延在する。
【００６８】
カソード側電極７６及びアノード側電極７８は、固体高分子電解質膜７４の両方の面７４ａ、７４ｂに接合される電極触媒層７６ａ、７８ａと、前記電極触媒層７６ａ、７８ａに積層されるガス拡散層（多孔質拡散層）７６ｂ、７８ｂとを設ける。
【００６９】
電極触媒層７６ａの外周から突出するガス拡散層７６ｂと、固体高分子電解質膜７４との間には、接着層８０ａが設けられる。電極触媒層７８ａの外周から突出するガス拡散層７８ｂと、固体高分子電解質膜７４との間には、接着層８０ｂが設けられる。
【００７０】
このように構成される電解質膜・電極構造体６０は、上記の電解質膜・電極構造体１２と同様に製造される。具体的には、電解質膜・電極構造体６０は、図８に示す製造工程、又は図１１に示す製造工程によって製造されるものであり、固体高分子電解質膜７４の端面７４ａｅ、７４ｂｅに、それぞれ溶剤２８ａ、２８ｂが塗布された後、乾燥処理が施されている。
【００７１】
従って、固体高分子電解質膜７４は、電極触媒層７６ａ、７８ａが塗布された触媒領域と前記電極触媒層７６ａ、７８ａが設けられていない突出端部領域とにおいて、反応ガス透過量を同等にすることができる。
【００７２】
これにより、第２の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、電極触媒層７６ａ、７８ａから外方に延在する固体高分子電解質膜７４の外周端面７４ａｅ、７４ｂｅに劣化が発生することを可及的に阻止することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７３】
１０、６２…燃料電池 １２、６０…電解質膜・電極構造体
１４、１６、６４、６６…セパレータ １８、７４…固体高分子電解質膜
１８ａｅ、１８ｂｅ、７４ａｅ、７４ｂｅ…端面
２０、７８…アノード側電極
２０ａ、２２ａ、７６ａ、７８ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ、７６ｂ、７８ｂ…ガス拡散層
２２、７６…カソード側電極
２６ａ、２６ｂ、８０ａ、８０ｂ…接着層
２８ａ、２８ｂ…溶剤 ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…冷却媒体入口連通孔
３２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路 ４０…冷却媒体流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に電極触媒層が設けられる燃料電池用電解質膜・電極構造体であって、
前記固体高分子電解質膜の外周部には、前記電極触媒層から外方に延在する突出端部が設けられるとともに、
前記突出端部の少なくとも一方の面には、溶剤が塗布されることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記溶剤は、前記電極触媒層に使用された溶剤と同一の溶剤であることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に電極触媒層が設けられる燃料電池用電解質膜・電極構造体であって、
前記固体高分子電解質膜の外周部には、前記電極触媒層から外方に延在する突出端部が設けられるとともに、
前記突出端部の少なくとも一方の面には、溶剤が塗布されることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記溶剤は、前記電極触媒層に使用された溶剤と同一の溶剤であることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−２２６８４７（Ｐ２０１２−２２６８４７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９０７２２（Ｐ２０１１−９０７２２）
【出願日】平成２３年４月１５日（２０１１．４．１５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１５日（２０１１．４．１５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]