JP4818546B2 - 膜・電極構造体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対のガス拡散電極層を設けた膜・電極構造体またはこの膜・電極構造体を一対のセパレータで挟持した燃料電池に係り、特に、固体高分子電解質膜が一方のガス拡散電極層からはみ出した形状の膜・電極構造体または燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、膜・電極構造体を、一対のセパレータで挟持して燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルを複数積層させた構造のものがある。
【０００３】
この膜・電極構造体の一例を図９によって説明すると、この図において１は膜・電極構造体を示し、この膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜２と、その両側に設けたガス拡散電極層３，４（アノード側ガス拡散電極層３とカソード側ガス拡散電極層４）で構成されている。前記ガス拡散電極層３，４には、それぞれ触媒層５，６とガス拡散層７，８とが形成してあり、前記触媒層５，６が前記固体高分子電解質膜２の両面に当接している。図９に示したように、固体高分子電解質膜２は、その両側のガス拡散電極層３，４より平面寸法を大きく形成してあり、ガス拡散電極層３、４の外周に固体高分子電解質膜２がはみ出した構造となっている。このように構成された膜・電極構造体１の両面に、一対のセパレータ（図示せず）が配設され、各セパレータ同士の対向面周縁側にリング状のシール部材（図示せず）をセットして、燃料電池セルが構成されるのである。
【０００４】
上記のように構成した燃料電池セルにおいては、前記アノード側ガス拡散電極層３の反応面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給すると、アノード側ガス拡散電極層３の触媒層５で水素がイオン化され、固体高分子電解質膜２を介してカソード側ガス拡散電極層４の触媒層６側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード側ガス拡散電極層４においては酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。
【０００５】
また、他に知られた膜・電極構造体としては、図１０、図１１に示したものがある。図１０に示した膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜２と、その両側のガス拡散電極層３，４とが同一サイズに形成され、それぞれの端面を一致させて積層した構成となっている（米国特許公報５，１７６，９６６号参照）。図１１に示した膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜２と、ガス拡散電極層３、４との間に、それぞれガスケット１０，１１を設けて、当該ガスケット１０，１１により固体高分子電解質膜２の端面側をシールしている（米国特許公報５，４６４，７００号参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来に示した膜・電極構造体には、以下のような問題がある。
近年、燃料電池のサイズを小型化する要請が高まっており、その要請に応えるために、膜・電極構造体の固体高分子電解質膜は、膜厚の薄いものが用いられる傾向にある。これに伴い、図９に示した膜・電極構造体１における固体高分子電解質膜２の膜厚を薄くすると、両側のガス拡散電極層３，４からはみ出した部分が強度的に弱くなるおそれがある。
さらに、図９に示した膜・電極構造体１において、積層した際に固体高分子電解質膜２は、両側に設けられる触媒層５，６両側の外周端部から受ける応力が表と裏で同じ場所に集中することにより、過度の負担がかかるおそれがある。
【０００７】
また、図１０に示した膜・電極構造体１においては、固体高分子電解質膜２の両側に設けたガス拡散電極層３，４同士の端面位置が固体高分子電解質膜２の端面位置に一致しており、互いの端面が近い位置に設けられているため、ガス拡散電極層３，４に供給されるそれぞれの反応ガスが固体高分子電解質膜２の端面から回り込み、拡散しやすい。従って、反応ガス同士がそれぞれのガス拡散電極層３，４の端面付近で混合するおそれがある。さらに、ガス拡散電極層３，４の端面位置が近いために、電気的に短絡するおそれがある。
【０００８】
また、図１１に示した膜・電極構造体１においては、ガス拡散電極層３，４と固体高分子電解質膜２と間の端部側にガスケット１０，１１を設けるため、この端部側の厚みが増大してしまう。また、前記ガスケット１０，１１に当接させることにより、ガス拡散電極層３，４が変形して平坦度が損なわれるため、これを防止するための処理が必要となり工程が複雑化してしまう。
そこで、本発明は、固体高分子電解質膜の保護を高めることにより、固体高分子電解質膜の薄膜化を図ることができる膜・電極構造体及び燃料電池を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜２２）が、触媒層（例えば、実施形態における触媒層２８，３０）とガス拡散層（例えば、実施形態におけるガス拡散層３２，３４）とを備える一対のガス拡散電極層（例えば、実施形態におけるガス拡散電極層２４，２６）により、前記固体高分子電解質膜の両面に前記触媒層が当接するようにして挟持され、前記固体高分子電解質膜が、一方のガス拡散電極層（例えば、実施形態におけるカソード側ガス拡散電極層２６）で覆われるとともに、他方のガス拡散電極層（例えば、実施形態におけるアノード側ガス拡散電極層２４）からはみ出してなる膜・電極構造体（例えば、実施形態における膜・電極構造体２０）であって、一方のガス拡散電極層の触媒層の端面が、他方のガス拡散電極層の触媒層の端面に対して位置がずれて設置されていることを特徴とする。このように構成すると、固体高分子電解質膜に接触するそれぞれの触媒層端面からの応力が固体高分子電解質膜の一カ所に集中しないで固体高分子電解質膜の両面から分散させることができるため、固体高分子電解質膜に応力が集中するのを防ぐことができる。また、前記固体高分子電解質膜が一方のガス拡散電極層で覆われているため、固体高分子電解質膜を保護して固体高分子電解質膜の破損を防止することが出来る。さらに、それぞれのガス拡散電極層の端面が離れた位置にあるため、それぞれのガス拡散電極層に供給される反応ガス同士がガス拡散電極層の端面位置で混合するおそれが無くなるとともに、電気的に短絡するおそれが無くなる。なお、前記一方の触媒層は、他方の触媒層に対して位置がずれて設置されるものであればよく、同一サイズのものであっても、異なるサイズのものであってもよい。
【００１０】
また、前記固体高分子電解質膜を覆う前記一方のガス拡散電極層の前記触媒層（例えば、実施形態における触媒層３０）の外周に、前記一方のガス拡散電極層の前記ガス拡散層と前記固体高分子電解質膜とを接着する第１接着層（例えば、実施形態における接着層３６）を形成し、当該第１接着層にて前記固体高分子電解質膜の前記一方のガス拡散電極層が設けられている面上における周縁部を覆ってなることを特徴とする。このように接着層を形成したことにより、固体高分子電解質膜とガス拡散層とが一体化し、固体高分子電解質膜の厚み方向の強度をガス拡散層で支持して補強することが出来、膜・電極構造体の取扱い性が向上する。また、前記接着層が内側の触媒層を覆うためシール機能を果たし、これにより反応ガスの混合するおそれを一層低減することができる。なお、他方のガス拡散電極層の触媒層の外周にも接着層を形成してもよい。
請求項２に記載した発明は、前記他方のガス拡散電極層の前記触媒層の外周に、前記他方のガス拡散電極層の前記ガス拡散層と前記固体高分子電解質膜とを接着する第２接着層が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、前記固体高分子電解質膜の一方の面を覆うガス拡散電極層の触媒層の端面は、他方の触媒層の端面の内側にあることを特徴とする。このようにしたため、前記一方の面を覆うガス拡散電極層（一方のガス拡散電極層）の触媒層（一方の触媒層）の端面外側に、接着層を形成することができる。これにより、前記一方のガス拡散電極層における、他方の触媒層の端面に対向する位置には、接着層が形成されていることになるため、この位置の固体高分子電解質膜の強度が補強される。したがって、他方の触媒層端面からの固体高分子電解質膜にかかる応力から、固体高分子電解質膜を保護することができる。加えて、触媒層の発電に寄与しない部分に接着層を形成しているため、発電効率を維持するとともに、高価な触媒層の使用を最小限度に抑えることが出来る。なお、前記一方の触媒層は、前記他方の触媒層に対してほぼ同程度の若干小さな大きさに形成することが好ましい。
請求項４に記載した発明は、前記固体高分子電解質膜の一方の面を覆うガス拡散電極層の触媒層の端面は、他方の触媒層の端面の外側にあることを特徴とする。
【００１２】
他の発明は、カソード側ガス拡散電極層２６のガス拡散層３４の平面寸法を、アノード側ガス拡散電極層２４のガス拡散層３２の平面寸法より小さくするとともに、ガス拡散層３４の接着層３６に対向する部分を、額状のシール部材（額状部材）６２に置き換えた点が異なるものである。このようにすると、発電効率を前実施形態と同程度に維持するとともに、高価なガス拡散層３４に必要な量を低減することができ、低コスト化を図ることができるという効果がある。さらに、額状部材６２によりガス拡散層３４をシールすることができるという効果がある。
【００１３】
他の発明は、カソード側ガス拡散電極層２６のガス拡散層３４の外周のみならず、接着層３６や固体高分子電解質膜２２の端面を覆うような、額状部材７２を備えた点が異なるものである。このようにすると、ガス拡散層３４のみならず、触媒層３０や固体高分子電解質膜２２も、額状部材７２によりシールすることができるため、反応ガスの混合をより一層防止することができるという効果がある。加えて固体高分子電解質膜２２の端面から水分が蒸発することを防止できるという効果がある。
【００１４】
他の発明は、一対のセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ８２，８４）で挟持して、当該一対のセパレータと膜・電極構造体との間に形成されるガス流路に各反応ガス（例えば、実施形態における燃料ガス８７、酸化剤ガス８９）が供給される燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池９０）であって、各反応ガスのうち圧力が高い方の反応ガスが供給されるセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ８２）に、固体高分子電解質膜のガス拡散電極層からはみ出した面が対向配置してあることを特徴とする。このようにしたため、固体高分子電解質膜のガス拡散電極層からはみ出した面には、圧力が高い方の反応ガスが供給される。この反応ガスが固体高分子電解質膜のガス拡散電極層からはみ出した面を押圧して、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の一方の面を覆うガス拡散電極層とが密着するように作用するため、固体高分子電解質膜がガス拡散電極層から剥離するのを防ぐことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態における膜・電極構造体及び燃料電池を図面と共に説明する。図１は本発明の第１実施形態における膜・電極構造体２０の断面図である。膜・電極構造体２０は、固体高分子電解質膜２２と、この固体高分子電解質膜２２を挟んで配設されるアノード側ガス拡散電極層２４及びカソード側ガス拡散電極層２６とを有する。前記アノード側ガス拡散電極層２４及びカソード側ガス拡散電極層２６には、それぞれ触媒層２８，３０とガス拡散層３２，３４が形成されて、前記触媒層２８，３０が固体高分子電解質膜２２の両面にそれぞれ当接している。前記触媒層２８，３０は白金を主成分とする材料で形成され、前記ガス拡散層３２，３４は多孔質層である多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーで形成され、前記固体高分子電解質膜２２はペルフルオロスルホン酸ポリマー（フッ素系樹脂）で形成されている。なお、固体高分子電解質膜膜２２の材料としては、炭化水素系樹脂を主成分とするものを用いることもできる。また、触媒層２８，３０の形成方法は、特に限定されず、ガス拡散層３２，３４の表面に触媒ペーストを塗布あるいは蒸着して形成してもよく、他の部材（例えばフィルム）に形成した触媒層を固体高分子電解質膜に転写させて形成してもよい。
【００１６】
前記固体高分子電解質膜２２は、図８に示したように、前記アノード側ガス拡散電極層２４から一方の面のみがはみ出しているとともに、他方の面が前記カソード側ガス拡散電極層２６にて覆われている。このように固体高分子電解質膜２２の両側に配されるガス拡散電極層２４，２６の平面寸法を異ならせて、固体高分子電解質膜２２の一方の面のみがはみだしているため、ガス拡散電極層２４，２６の端面同士が固体高分子電解質膜２２を介して離間した位置に設けられる。このため、ガス拡散電極層２４，２６にそれぞれ供給される反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が固体高分子電解質膜２２の端面付近で混合するおそれを低減することができるとともに、電気的に短絡することを防止できる。また、固体高分子電解質膜２２の一方の面はカソード側ガス拡散電極層２６により覆われているため、固体高分子電解質膜２２を保護して固体高分子電解質膜２２の破損を防止することができる。
【００１７】
本実施形態においては、アノード側ガス拡散電極層２４の触媒層２８と、カソード側ガス拡散電極層２６の触媒層３０との平面的な大きさがそれぞれ異なっており、それぞれの触媒層２８，３０の端面位置をずらして設置されている。これにより、固体高分子電解質膜２２に接触するそれぞれの触媒層２８，３０端面からの応力が一カ所に集中しないで固体高分子電解質膜の両面から分散することができるため、固体高分子電解質膜２２に応力を集中するのを防ぐことができる。
【００１８】
また、カソード側ガス拡散電極層２６の触媒層３０は、アノード側ガス拡散電極層２４の触媒層２８に対して平面寸法を小さく形成してあるとともに、前記触媒層３０の外周側には接着層３６を形成してあり、当該接着層３６により固体高分子電解質膜２２の周縁部を覆わせている。このように接着層３６を設けたため、固体高分子電解質膜２２とカソード側ガス拡散電極層２６とが一体化し、固体高分子電解質膜２２をガス拡散層で支持して補強することが出来、膜・電極構造体の取扱い性が向上する。また、前記接着層３６が内側の触媒層３０を覆うためシール機能を果たし、これにより反応ガスの混合するおそれを一層低減することができるとともに、短絡のおそれをより確実に無くすことができる。さらに、固体高分子電解質膜２２には、前記触媒層２８の端面と接触する箇所の反対側に接着層３６を配置しているため、前記触媒層２８の端面からの応力に対して、固体高分子電解質膜２２を保護することができる。なお、接着層３６に用いられる接着材には、フッ素系またはシリコン系の材料を用いることが好ましい。
【００１９】
次に、本発明の第２実施形態における膜・電極構造体について説明する。図２は本発明の第２実施形態における膜・電極構造体４０の断面図である。なお、以下において第１実施形態に対応する部材については、同一の番号を付すととともに適宜その説明を省略する。この実施形態は、前記固体高分子電解質膜２２の表面を覆うカソード側ガス拡散電極層２６の触媒層３０の端面が、他方の触媒層２８の端面より外側である点が異なるものである。このようにすると、固体高分子電解質膜２２の周縁部の接着効果を高く維持することができる。また、第１実施形態と同様に、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が固体高分子電解質膜２２の端面付近で混合するおそれを低減することができるとともに、電気的に短絡することを防止できる。また、固体高分子電解質膜２２を保護して固体高分子電解質膜２２の破損を防止することができる。加えて、固体高分子電解質膜２２に接触するそれぞれの触媒層２８，３０端面からの応力が一カ所に集中しないで固体高分子電解質膜の両面から分散することができるため、固体高分子電解質膜２２に応力を集中するのを防ぐことができる。
【００２０】
次に、本発明の第３実施形態における膜・電極構造体について説明する。図３は本発明の第３実施形態における膜・電極構造体５０の断面図である。この実施形態は、カソード側ガス拡散電極層２６の触媒層３０の外周に接着層３６を形成するとともに、アノード側ガス拡散電極層２４の触媒層２８の外周にも接着層５２を形成した点が異なるものである。このようにすると、固体高分子電解質膜２２とカソード側ガス拡散電極層２６との密着力を接着層３６によって高めることができるとともに、固体高分子電解質膜２２とアノード側ガス拡散電極層２４との密着力を接着層５２によって高めることができるという効果がある。また、第１実施形態と同様に、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が固体高分子電解質膜２２の端面付近で混合するおそれを低減することができるとともに、電気的に短絡することを防止できる。また、固体高分子電解質膜２２を保護して固体高分子電解質膜２２の破損を防止することができる。加えて、固体高分子電解質膜２２に接触するそれぞれの触媒層２８，３０端面からの応力が一カ所に集中しないで固体高分子電解質膜の両面から分散することができるため、固体高分子電解質膜２２に応力を集中するのを防ぐことができる。
以上の実施形態においては、アノード側ガス拡散電極層２４よりもカソード側ガス拡散電極層２６の平面寸法を大きくした場合について説明したが、これに限らず、アノード側ガス拡散電極層２４よりもカソード側ガス拡散電極層２６の平面寸法を小さくしてもよい。
【００２１】
次に、本発明の第４実施形態における膜・電極構造体について説明する。図４は本発明の第４実施形態における膜・電極構造体６０の断面図である。この実施形態は、カソード側ガス拡散電極層２６のガス拡散層３４の平面寸法を、アノード側ガス拡散電極層２４のガス拡散層３２の平面寸法より小さくするとともに、ガス拡散層３４の接着層３６に対向する部分を、額状のシール部材（額状部材）６２に置き換えた点が異なるものである。このようにすると、発電効率を前実施形態と同程度に維持するとともに、高価なガス拡散層３４に必要な量を低減することができ、低コスト化を図ることができるという効果がある。さらに、額状部材６２によりガス拡散層３４をシールすることができるという効果がある。また、第１実施形態と同様に、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が固体高分子電解質膜２２の端面付近で混合するおそれを低減することができるとともに、電気的に短絡することを防止できる。また、固体高分子電解質膜２２を保護して固体高分子電解質膜２２の破損を防止することができる。加えて、固体高分子電解質膜２２に接触するそれぞれの触媒層２８，３０端面からの応力が一カ所に集中しないで固体高分子電解質膜の両面から分散することができるため、固体高分子電解質膜２２に応力を集中するのを防ぐことができる。
【００２２】
次に、本発明の第５実施形態における膜・電極構造体について説明する。図５は本発明の第５実施形態における膜・電極構造体７０の断面図である。この実施形態は、カソード側ガス拡散電極層２６のガス拡散層３４の外周のみならず、接着層３６や固体高分子電解質膜２２の端面を覆うような、額状部材７２を備えた点が異なるものである。このようにすると、ガス拡散層３４のみならず、触媒層３０や固体高分子電解質膜２２も、額状部材７２によりシールすることができるため、反応ガスの混合をより一層防止することができるという効果がある。加えて固体高分子電解質膜２２の端面から水分が蒸発することを防止できるという効果がある。また、第１実施形態と同様に、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が固体高分子電解質膜２２の端面付近で混合するおそれを低減することができるとともに、電気的に短絡することを防止できる。また、固体高分子電解質膜２２を保護して固体高分子電解質膜２２の破損を防止することができる。加えて、固体高分子電解質膜２２に接触するそれぞれの触媒層２８，３０端面からの応力が一カ所に集中しないで固体高分子電解質膜の両面から分散することができるため、固体高分子電解質膜２２に応力を集中するのを防ぐことができる。
【００２３】
なお、第４実施形態および第５実施形態においては、アノード側ガス拡散電極層２４よりもカソード側ガス拡散電極層２６の平面寸法を小さくした場合について説明したが、これに限らず、アノード側ガス拡散電極層２４よりもカソード側ガス拡散電極層２６の平面寸法を大きくしてもよい。また、互いの触媒層２８，３０の端面同士の位置がずれていれば、互いの触媒層２８，３０を同一寸法に形成してもよい。
【００２４】
上記した膜・電極構造体を用いた燃料電池について説明する。図６は本発明の第１実施形態における膜・電極構造体２０を用いた燃料電池８０の断面図である。この燃料電池８０は前記膜・電極構造体２０とこれを挟持する一対のセパレータ８２、８４を備えている。前記セパレータ８２，８４には、それぞれの反応ガスを流通させるための流路溝８６，８８が形成してある。本実施形態においては、前記セパレータ８２の流路溝８６には燃料ガス（水素）８７を、前記セパレータ８４の流路溝８８には酸化剤ガス（空気）８９をそれぞれ流通させている。
【００２５】
前記燃料ガス８７は酸化剤ガス８９よりも高い圧力となるように設定してある。これにより、固体高分子電解質膜２２のアノード側ガス拡散電極層２４からはみ出した面には、高圧の燃料ガス８７が供給され、この燃料ガス８７が固体高分子電解質膜２２のはみ出した面を押圧する。固体高分子電解質膜２２自体の厚みは薄く、また固体高分子電解質膜２２内に含まれる水分等により伸縮するため、何らかの処置を施さないと破損するおそれがある。しかし、本実施形態においては、上記のように燃料ガス８７がはみ出した面を押圧して、固体高分子電解質膜２２とガス拡散電極層２６とが密着するように作用するため、固体高分子電解質膜２２の強度を一層高めることができ、固体高分子電解質膜２２の破損を防止することができる。
【００２６】
また、固体高分子電解質膜２２のアノード側ガス拡散電極層２４からはみ出した部分とセパレータ８２との間にシール部材９０が設けられるとともに、当該シール部材９０の外側のセパレータ８２とセパレータ８４との間にシール部材９２が設けてある。前記シール部材９０，９２は断面略円形状のものを用いているため、燃料電池８０形成時に厚み方向に圧縮されて（断面楕円形状に変形して）密着度が増し、高いシール性を発揮することができる。
【００２７】
以下、他の構成の燃料電池について説明する。図７は本発明の第５実施形態における膜・電極構造体７０を用いた燃料電池１００の断面図である。この場合においては、前記額状部材７２とシール部材９０とを密着させることで、膜・電極構造体７０を外部に対してシールすることができるとともに、シール部材９０が固体高分子電解質膜２２に密着しないため、固体高分子電解質膜２２にシール部材９０からの押圧力が加わらず、より一層固体高分子電解質膜２２の保護を高めることができる。
【００２８】
【実施例】
以下のようにして膜・電極構造体を作成した。まず、固体高分子電解質膜としてＮａｆｉｏｎ１１２（デュポン社商品名）を用いた。触媒層は、以下のようにして作成した。すなわち、イオン導電性バインダーと、Ｐｔを担持したカーボン粒子からなる触媒粒子とを、一定の割合で混合して触媒ペーストを作製した。この触媒ペーストを固体高分子電解質膜の両面に互いに所定位置で端面がずれるようにスクリーン印刷した後に触媒ペーストを乾燥させて、固体高分子電解質膜両面に触媒層を形成した。
ガス拡散層にはカーボンペーパーからなる板材を用い、一方のガス拡散層の周縁部分に接着材を塗布した後、前記触媒層を形成した固体高分子電解質膜に当該一方のガス拡散層を接着した。また、他方のガス拡散層を固体高分子電解質膜の他方の面上の所定位置に配置した後、高温で一定時間ホットプレス処理することにより、膜・電極構造体を作成した。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、固体高分子電解質膜に接触するそれぞれの触媒層端面からの応力が固体高分子電解質膜の一カ所に集中しないで固体高分子電解質膜の両面から分散を分散させることができるため、固体高分子電解質膜に応力が集中するのを防ぐことができる。また、前記固体高分子電解質膜が一方のガス拡散電極層で覆われているため、固体高分子電解質膜を保護して固体高分子電解質膜の破損を防止することが出来る。したがって、固体高分子電解質膜の薄膜化を図ることができる。さらに、それぞれのガス拡散電極層の端面が離れた位置にあるため、反応ガス同士がガス拡散電極層の端面位置で混合するおそれが無くなるとともに、電気的に短絡するおそれが無くなる。
また、固体高分子電解質膜とガス拡散層とが一体化し、固体高分子電解質膜の厚み方向の強度をガス拡散層で支持して補強することが出来、膜・電極構造体の取扱い性が向上するため、より一層の薄膜化を図ることができる。また、前記接着層が内側の触媒層を覆うためシール機能を果たし、これにより反応ガスの混合を防止することができる。
請求項３に記載した発明によれば、前記固体高分子電解質膜の一方の面を覆うガス拡散電極層における、他方の触媒層の端面に対向する位置には、接着層を形成することができるため、この位置の固体高分子電解質膜の強度が補強される。
したがって、他方の触媒層端面からの固体高分子電解質膜にかかる応力から、固体高分子電解質膜を保護することができる。加えて、触媒層の発電に寄与しない部分に接着層を形成しているため、発電効率を維持するとともに、高価な触媒層の使用を最小限度に抑えることが出来、これにより、より一層の薄膜化を図ることができる。
他の発明によれば、発電効率を維持するとともに、高価なガス拡散層に必要な量を低減することができ、低コスト化を図ることができるという効果がある。さらに、額状部材によりガス拡散層をシールすることができるという効果がある。
他の発明によれば、ガス拡散層のみならず、触媒層や固体高分子電解質膜も、額状部材によりシールすることができるため、反応ガスの混合をより一層防止することができるという効果がある。加えて固体高分子電解質膜の端面から水分が蒸発することを防止できるという効果がある。
他の発明によれば、反応ガスが固体高分子電解質膜のガス拡散電極層からはみ出した面を押圧して、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の一方の面を覆うガス拡散電極層とが密着するように作用するため、固体高分子電解質膜がガス拡散電極層から剥離するのを防ぐことができ、より一層の薄膜化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の第１実施形態における膜・電極構造体の断面図である。
【図２】 図２は本発明の第２実施形態における膜・電極構造体の断面図である。
【図３】 図３は本発明の第３実施形態における膜・電極構造体の断面図である。
【図４】 図４は本発明の第４実施形態における膜・電極構造体の断面図である。
【図５】 図５は本発明の第５実施形態における膜・電極構造体の断面図である。
【図６】 図６は本発明の第１実施形態における膜・電極構造体を用いた燃料電池の断面図である。
【図７】 図７は本発明の第５実施形態における膜・電極構造体を用いた燃料電池の断面図である。
【図８】 図８は本発明の第１実施形態における膜・電極構造体の平面図である。
【図９】 図９は従来における膜・電極構造体の断面図である。
【図１０】 図１０は従来における膜・電極構造体の断面図である。
【図１１】 図１１は従来における膜・電極構造体の断面図である。
【符号の説明】
２０ 膜・電極構造体
２２ 固体高分子電解質膜
２４ アノード側ガス拡散電極層
２６ カソード側ガス拡散電極層
２８、３０ 触媒層
３２、３４ ガス拡散層
３６ 接触層
８０ 燃料電池
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対のガス拡散電極層を設けた膜・電極構造体またはこの膜・電極構造体を一対のセパレータで挟持した燃料電池に係り、特に、固体高分子電解質膜が一方のガス拡散電極層からはみ出した形状の膜・電極構造体または燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、膜・電極構造体を、一対のセパレータで挟持して燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルを複数積層させた構造のものがある。
【０００３】
この膜・電極構造体の一例を図９によって説明すると、この図において１は膜・電極構造体を示し、この膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜２と、その両側に設けたガス拡散電極層３，４（アノード側ガス拡散電極層３とカソード側ガス拡散電極層４）で構成されている。前記ガス拡散電極層３，４には、それぞれ触媒層５，６とガス拡散層７，８とが形成してあり、前記触媒層５，６が前記固体高分子電解質膜２の両面に当接している。図９に示したように、固体高分子電解質膜２は、その両側のガス拡散電極層３，４より平面寸法を大きく形成してあり、ガス拡散電極層３、４の外周に固体高分子電解質膜２がはみ出した構造となっている。このように構成された膜・電極構造体１の両面に、一対のセパレータ（図示せず）が配設され、各セパレータ同士の対向面周縁側にリング状のシール部材（図示せず）をセットして、燃料電池セルが構成されるのである。
【０００４】
上記のように構成した燃料電池セルにおいては、前記アノード側ガス拡散電極層３の反応面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給すると、アノード側ガス拡散電極層３の触媒層５で水素がイオン化され、固体高分子電解質膜２を介してカソード側ガス拡散電極層４の触媒層６側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード側ガス拡散電極層４においては酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。
【０００５】
また、他に知られた膜・電極構造体としては、図１０、図１１に示したものがある。図１０に示した膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜２と、その両側のガス拡散電極層３，４とが同一サイズに形成され、それぞれの端面を一致させて積層した構成となっている（米国特許公報５，１７６，９６６号参照）。図１１に示した膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜２と、ガス拡散電極層３、４との間に、それぞれガスケット１０，１１を設けて、当該ガスケット１０，１１により固体高分子電解質膜２の端面側をシールしている（米国特許公報５，４６４，７００号参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来に示した膜・電極構造体には、以下のような問題がある。
近年、燃料電池のサイズを小型化する要請が高まっており、その要請に応えるために、膜・電極構造体の固体高分子電解質膜は、膜厚の薄いものが用いられる傾向にある。これに伴い、図９に示した膜・電極構造体１における固体高分子電解質膜２の膜厚を薄くすると、両側のガス拡散電極層３，４からはみ出した部分が強度的に弱くなるおそれがある。
さらに、図９に示した膜・電極構造体１において、積層した際に固体高分子電解質膜２は、両側に設けられる触媒層５，６両側の外周端部から受ける応力が表と裏で同じ場所に集中することにより、過度の負担がかかるおそれがある。
【０００７】
また、図１０に示した膜・電極構造体１においては、固体高分子電解質膜２の両側に設けたガス拡散電極層３，４同士の端面位置が固体高分子電解質膜２の端面位置に一致しており、互いの端面が近い位置に設けられているため、ガス拡散電極層３，４に供給されるそれぞれの反応ガスが固体高分子電解質膜２の端面から回り込み、拡散しやすい。従って、反応ガス同士がそれぞれのガス拡散電極層３，４の端面付近で混合するおそれがある。さらに、ガス拡散電極層３，４の端面位置が近いために、電気的に短絡するおそれがある。
【０００８】
また、図１１に示した膜・電極構造体１においては、ガス拡散電極層３，４と固体高分子電解質膜２と間の端部側にガスケット１０，１１を設けるため、この端部側の厚みが増大してしまう。また、前記ガスケット１０，１１に当接させることにより、ガス拡散電極層３，４が変形して平坦度が損なわれるため、これを防止するための処理が必要となり工程が複雑化してしまう。
そこで、本発明は、固体高分子電解質膜の保護を高めることにより、固体高分子電解質膜の薄膜化を図ることができる膜・電極構造体及び燃料電池を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜２２）が、触媒層（例えば、実施形態における触媒層２８，３０）とガス拡散層（例えば、実施形態におけるガス拡散層３２，３４）とを備える一対のガス拡散電極層（例えば、実施形態におけるガス拡散電極層２４，２６）により、前記固体高分子電解質膜の両面に前記触媒層が当接するようにして挟持され、前記固体高分子電解質膜が、一方のガス拡散電極層（例えば、実施形態におけるカソード側ガス拡散電極層２６）で覆われるとともに、他方のガス拡散電極層（例えば、実施形態におけるアノード側ガス拡散電極層２４）からはみ出してなる膜・電極構造体（例えば、実施形態における膜・電極構造体２０）であって、一方のガス拡散電極層の触媒層の端面が、他方のガス拡散電極層の触媒層の端面に対して位置がずれて設置されていることを特徴とする。このように構成すると、固体高分子電解質膜に接触するそれぞれの触媒層端面からの応力が固体高分子電解質膜の一カ所に集中しないで固体高分子電解質膜の両面から分散させることができるため、固体高分子電解質膜に応力が集中するのを防ぐことができる。また、前記固体高分子電解質膜が一方のガス拡散電極層で覆われているため、固体高分子電解質膜を保護して固体高分子電解質膜の破損を防止することが出来る。さらに、それぞれのガス拡散電極層の端面が離れた位置にあるため、それぞれのガス拡散電極層に供給される反応ガス同士がガス拡散電極層の端面位置で混合するおそれが無くなるとともに、電気的に短絡するおそれが無くなる。なお、前記一方の触媒層は、他方の触媒層に対して位置がずれて設置されるものであればよく、同一サイズのものであっても、異なるサイズのものであってもよい。
【００１０】
また、前記固体高分子電解質膜を覆う前記一方のガス拡散電極層の前記触媒層（例えば、実施形態における触媒層３０）の外周に、前記一方のガス拡散電極層の前記ガス拡散層と前記固体高分子電解質膜とを接着する第１接着層（例えば、実施形態における接着層３６）を形成し、当該第１接着層にて前記固体高分子電解質膜の前記一方のガス拡散電極層が設けられている面上における周縁部を覆ってなることを特徴とする。このように接着層を形成したことにより、固体高分子電解質膜とガス拡散層とが一体化し、固体高分子電解質膜の厚み方向の強度をガス拡散層で支持して補強することが出来、膜・電極構造体の取扱い性が向上する。また、前記接着層が内側の触媒層を覆うためシール機能を果たし、これにより反応ガスの混合するおそれを一層低減することができる。なお、他方のガス拡散電極層の触媒層の外周にも接着層を形成してもよい。
請求項２に記載した発明は、前記他方のガス拡散電極層の前記触媒層の外周に、前記他方のガス拡散電極層の前記ガス拡散層と前記固体高分子電解質膜とを接着する第２接着層が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、前記固体高分子電解質膜の一方の面を覆うガス拡散電極層の触媒層の端面は、他方の触媒層の端面の内側にあることを特徴とする。このようにしたため、前記一方の面を覆うガス拡散電極層（一方のガス拡散電極層）の触媒層（一方の触媒層）の端面外側に、接着層を形成することができる。これにより、前記一方のガス拡散電極層における、他方の触媒層の端面に対向する位置には、接着層が形成されていることになるため、この位置の固体高分子電解質膜の強度が補強される。したがって、他方の触媒層端面からの固体高分子電解質膜にかかる応力から、固体高分子電解質膜を保護することができる。加えて、触媒層の発電に寄与しない部分に接着層を形成しているため、発電効率を維持するとともに、高価な触媒層の使用を最小限度に抑えることが出来る。なお、前記一方の触媒層は、前記他方の触媒層に対してほぼ同程度の若干小さな大きさに形成することが好ましい。
請求項４に記載した発明は、前記固体高分子電解質膜の一方の面を覆うガス拡散電極層の触媒層の端面は、他方の触媒層の端面の外側にあることを特徴とする。
【００１２】
他の発明は、カソード側ガス拡散電極層２６のガス拡散層３４の平面寸法を、アノード側ガス拡散電極層２４のガス拡散層３２の平面寸法より小さくするとともに、ガス拡散層３４の接着層３６に対向する部分を、額状のシール部材（額状部材）６２に置き換えた点が異なるものである。このようにすると、発電効率を前実施形態と同程度に維持するとともに、高価なガス拡散層３４に必要な量を低減することができ、低コスト化を図ることができるという効果がある。さらに、額状部材６２によりガス拡散層３４をシールすることができるという効果がある。
【００１３】
他の発明は、カソード側ガス拡散電極層２６のガス拡散層３４の外周のみならず、接着層３６や固体高分子電解質膜２２の端面を覆うような、額状部材７２を備えた点が異なるものである。このようにすると、ガス拡散層３４のみならず、触媒層３０や固体高分子電解質膜２２も、額状部材７２によりシールすることができるため、反応ガスの混合をより一層防止することができるという効果がある。加えて固体高分子電解質膜２２の端面から水分が蒸発することを防止できるという効果がある。
【００１４】
他の発明は、一対のセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ８２，８４）で挟持して、当該一対のセパレータと膜・電極構造体との間に形成されるガス流路に各反応ガス（例えば、実施形態における燃料ガス８７、酸化剤ガス８９）が供給される燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池９０）であって、各反応ガスのうち圧力が高い方の反応ガスが供給されるセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ８２）に、固体高分子電解質膜のガス拡散電極層からはみ出した面が対向配置してあることを特徴とする。このようにしたため、固体高分子電解質膜のガス拡散電極層からはみ出した面には、圧力が高い方の反応ガスが供給される。この反応ガスが固体高分子電解質膜のガス拡散電極層からはみ出した面を押圧して、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の一方の面を覆うガス拡散電極層とが密着するように作用するため、固体高分子電解質膜がガス拡散電極層から剥離するのを防ぐことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態における膜・電極構造体及び燃料電池を図面と共に説明する。図１は本発明の第１実施形態における膜・電極構造体２０の断面図である。膜・電極構造体２０は、固体高分子電解質膜２２と、この固体高分子電解質膜２２を挟んで配設されるアノード側ガス拡散電極層２４及びカソード側ガス拡散電極層２６とを有する。前記アノード側ガス拡散電極層２４及びカソード側ガス拡散電極層２６には、それぞれ触媒層２８，３０とガス拡散層３２，３４が形成されて、前記触媒層２８，３０が固体高分子電解質膜２２の両面にそれぞれ当接している。前記触媒層２８，３０は白金を主成分とする材料で形成され、前記ガス拡散層３２，３４は多孔質層である多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーで形成され、前記固体高分子電解質膜２２はペルフルオロスルホン酸ポリマー（フッ素系樹脂）で形成されている。なお、固体高分子電解質膜膜２２の材料としては、炭化水素系樹脂を主成分とするものを用いることもできる。また、触媒層２８，３０の形成方法は、特に限定されず、ガス拡散層３２，３４の表面に触媒ペーストを塗布あるいは蒸着して形成してもよく、他の部材（例えばフィルム）に形成した触媒層を固体高分子電解質膜に転写させて形成してもよい。
【００１６】
前記固体高分子電解質膜２２は、図８に示したように、前記アノード側ガス拡散電極層２４から一方の面のみがはみ出しているとともに、他方の面が前記カソード側ガス拡散電極層２６にて覆われている。このように固体高分子電解質膜２２の両側に配されるガス拡散電極層２４，２６の平面寸法を異ならせて、固体高分子電解質膜２２の一方の面のみがはみだしているため、ガス拡散電極層２４，２６の端面同士が固体高分子電解質膜２２を介して離間した位置に設けられる。このため、ガス拡散電極層２４，２６にそれぞれ供給される反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が固体高分子電解質膜２２の端面付近で混合するおそれを低減することができるとともに、電気的に短絡することを防止できる。また、固体高分子電解質膜２２の一方の面はカソード側ガス拡散電極層２６により覆われているため、固体高分子電解質膜２２を保護して固体高分子電解質膜２２の破損を防止することができる。
【００１７】
本実施形態においては、アノード側ガス拡散電極層２４の触媒層２８と、カソード側ガス拡散電極層２６の触媒層３０との平面的な大きさがそれぞれ異なっており、それぞれの触媒層２８，３０の端面位置をずらして設置されている。これにより、固体高分子電解質膜２２に接触するそれぞれの触媒層２８，３０端面からの応力が一カ所に集中しないで固体高分子電解質膜の両面から分散することができるため、固体高分子電解質膜２２に応力を集中するのを防ぐことができる。
【００１８】
また、カソード側ガス拡散電極層２６の触媒層３０は、アノード側ガス拡散電極層２４の触媒層２８に対して平面寸法を小さく形成してあるとともに、前記触媒層３０の外周側には接着層３６を形成してあり、当該接着層３６により固体高分子電解質膜２２の周縁部を覆わせている。このように接着層３６を設けたため、固体高分子電解質膜２２とカソード側ガス拡散電極層２６とが一体化し、固体高分子電解質膜２２をガス拡散層で支持して補強することが出来、膜・電極構造体の取扱い性が向上する。また、前記接着層３６が内側の触媒層３０を覆うためシール機能を果たし、これにより反応ガスの混合するおそれを一層低減することができるとともに、短絡のおそれをより確実に無くすことができる。さらに、固体高分子電解質膜２２には、前記触媒層２８の端面と接触する箇所の反対側に接着層３６を配置しているため、前記触媒層２８の端面からの応力に対して、固体高分子電解質膜２２を保護することができる。なお、接着層３６に用いられる接着材には、フッ素系またはシリコン系の材料を用いることが好ましい。
【００１９】
次に、本発明の第２実施形態における膜・電極構造体について説明する。図２は本発明の第２実施形態における膜・電極構造体４０の断面図である。なお、以下において第１実施形態に対応する部材については、同一の番号を付すととともに適宜その説明を省略する。この実施形態は、前記固体高分子電解質膜２２の表面を覆うカソード側ガス拡散電極層２６の触媒層３０の端面が、他方の触媒層２８の端面より外側である点が異なるものである。このようにすると、固体高分子電解質膜２２の周縁部の接着効果を高く維持することができる。また、第１実施形態と同様に、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が固体高分子電解質膜２２の端面付近で混合するおそれを低減することができるとともに、電気的に短絡することを防止できる。また、固体高分子電解質膜２２を保護して固体高分子電解質膜２２の破損を防止することができる。加えて、固体高分子電解質膜２２に接触するそれぞれの触媒層２８，３０端面からの応力が一カ所に集中しないで固体高分子電解質膜の両面から分散することができるため、固体高分子電解質膜２２に応力を集中するのを防ぐことができる。
【００２０】
次に、本発明の第３実施形態における膜・電極構造体について説明する。図３は本発明の第３実施形態における膜・電極構造体５０の断面図である。この実施形態は、カソード側ガス拡散電極層２６の触媒層３０の外周に接着層３６を形成するとともに、アノード側ガス拡散電極層２４の触媒層２８の外周にも接着層５２を形成した点が異なるものである。このようにすると、固体高分子電解質膜２２とカソード側ガス拡散電極層２６との密着力を接着層３６によって高めることができるとともに、固体高分子電解質膜２２とアノード側ガス拡散電極層２４との密着力を接着層５２によって高めることができるという効果がある。また、第１実施形態と同様に、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が固体高分子電解質膜２２の端面付近で混合するおそれを低減することができるとともに、電気的に短絡することを防止できる。また、固体高分子電解質膜２２を保護して固体高分子電解質膜２２の破損を防止することができる。加えて、固体高分子電解質膜２２に接触するそれぞれの触媒層２８，３０端面からの応力が一カ所に集中しないで固体高分子電解質膜の両面から分散することができるため、固体高分子電解質膜２２に応力を集中するのを防ぐことができる。
以上の実施形態においては、アノード側ガス拡散電極層２４よりもカソード側ガス拡散電極層２６の平面寸法を大きくした場合について説明したが、これに限らず、アノード側ガス拡散電極層２４よりもカソード側ガス拡散電極層２６の平面寸法を小さくしてもよい。
【００２１】
次に、本発明の第４実施形態における膜・電極構造体について説明する。図４は本発明の第４実施形態における膜・電極構造体６０の断面図である。この実施形態は、カソード側ガス拡散電極層２６のガス拡散層３４の平面寸法を、アノード側ガス拡散電極層２４のガス拡散層３２の平面寸法より小さくするとともに、ガス拡散層３４の接着層３６に対向する部分を、額状のシール部材（額状部材）６２に置き換えた点が異なるものである。このようにすると、発電効率を前実施形態と同程度に維持するとともに、高価なガス拡散層３４に必要な量を低減することができ、低コスト化を図ることができるという効果がある。さらに、額状部材６２によりガス拡散層３４をシールすることができるという効果がある。また、第１実施形態と同様に、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が固体高分子電解質膜２２の端面付近で混合するおそれを低減することができるとともに、電気的に短絡することを防止できる。また、固体高分子電解質膜２２を保護して固体高分子電解質膜２２の破損を防止することができる。加えて、固体高分子電解質膜２２に接触するそれぞれの触媒層２８，３０端面からの応力が一カ所に集中しないで固体高分子電解質膜の両面から分散することができるため、固体高分子電解質膜２２に応力を集中するのを防ぐことができる。
【００２２】
次に、本発明の第５実施形態における膜・電極構造体について説明する。図５は本発明の第５実施形態における膜・電極構造体７０の断面図である。この実施形態は、カソード側ガス拡散電極層２６のガス拡散層３４の外周のみならず、接着層３６や固体高分子電解質膜２２の端面を覆うような、額状部材７２を備えた点が異なるものである。このようにすると、ガス拡散層３４のみならず、触媒層３０や固体高分子電解質膜２２も、額状部材７２によりシールすることができるため、反応ガスの混合をより一層防止することができるという効果がある。加えて固体高分子電解質膜２２の端面から水分が蒸発することを防止できるという効果がある。また、第１実施形態と同様に、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が固体高分子電解質膜２２の端面付近で混合するおそれを低減することができるとともに、電気的に短絡することを防止できる。また、固体高分子電解質膜２２を保護して固体高分子電解質膜２２の破損を防止することができる。加えて、固体高分子電解質膜２２に接触するそれぞれの触媒層２８，３０端面からの応力が一カ所に集中しないで固体高分子電解質膜の両面から分散することができるため、固体高分子電解質膜２２に応力を集中するのを防ぐことができる。
【００２３】
なお、第４実施形態および第５実施形態においては、アノード側ガス拡散電極層２４よりもカソード側ガス拡散電極層２６の平面寸法を小さくした場合について説明したが、これに限らず、アノード側ガス拡散電極層２４よりもカソード側ガス拡散電極層２６の平面寸法を大きくしてもよい。また、互いの触媒層２８，３０の端面同士の位置がずれていれば、互いの触媒層２８，３０を同一寸法に形成してもよい。
【００２４】
上記した膜・電極構造体を用いた燃料電池について説明する。図６は本発明の第１実施形態における膜・電極構造体２０を用いた燃料電池８０の断面図である。この燃料電池８０は前記膜・電極構造体２０とこれを挟持する一対のセパレータ８２、８４を備えている。前記セパレータ８２，８４には、それぞれの反応ガスを流通させるための流路溝８６，８８が形成してある。本実施形態においては、前記セパレータ８２の流路溝８６には燃料ガス（水素）８７を、前記セパレータ８４の流路溝８８には酸化剤ガス（空気）８９をそれぞれ流通させている。
【００２５】
前記燃料ガス８７は酸化剤ガス８９よりも高い圧力となるように設定してある。これにより、固体高分子電解質膜２２のアノード側ガス拡散電極層２４からはみ出した面には、高圧の燃料ガス８７が供給され、この燃料ガス８７が固体高分子電解質膜２２のはみ出した面を押圧する。固体高分子電解質膜２２自体の厚みは薄く、また固体高分子電解質膜２２内に含まれる水分等により伸縮するため、何らかの処置を施さないと破損するおそれがある。しかし、本実施形態においては、上記のように燃料ガス８７がはみ出した面を押圧して、固体高分子電解質膜２２とガス拡散電極層２６とが密着するように作用するため、固体高分子電解質膜２２の強度を一層高めることができ、固体高分子電解質膜２２の破損を防止することができる。
【００２６】
また、固体高分子電解質膜２２のアノード側ガス拡散電極層２４からはみ出した部分とセパレータ８２との間にシール部材９０が設けられるとともに、当該シール部材９０の外側のセパレータ８２とセパレータ８４との間にシール部材９２が設けてある。前記シール部材９０，９２は断面略円形状のものを用いているため、燃料電池８０形成時に厚み方向に圧縮されて（断面楕円形状に変形して）密着度が増し、高いシール性を発揮することができる。
【００２７】
以下、他の構成の燃料電池について説明する。図７は本発明の第５実施形態における膜・電極構造体７０を用いた燃料電池１００の断面図である。この場合においては、前記額状部材７２とシール部材９０とを密着させることで、膜・電極構造体７０を外部に対してシールすることができるとともに、シール部材９０が固体高分子電解質膜２２に密着しないため、固体高分子電解質膜２２にシール部材９０からの押圧力が加わらず、より一層固体高分子電解質膜２２の保護を高めることができる。
【００２８】
【実施例】
以下のようにして膜・電極構造体を作成した。まず、固体高分子電解質膜としてＮａｆｉｏｎ１１２（デュポン社商品名）を用いた。触媒層は、以下のようにして作成した。すなわち、イオン導電性バインダーと、Ｐｔを担持したカーボン粒子からなる触媒粒子とを、一定の割合で混合して触媒ペーストを作製した。この触媒ペーストを固体高分子電解質膜の両面に互いに所定位置で端面がずれるようにスクリーン印刷した後に触媒ペーストを乾燥させて、固体高分子電解質膜両面に触媒層を形成した。
ガス拡散層にはカーボンペーパーからなる板材を用い、一方のガス拡散層の周縁部分に接着材を塗布した後、前記触媒層を形成した固体高分子電解質膜に当該一方のガス拡散層を接着した。また、他方のガス拡散層を固体高分子電解質膜の他方の面上の所定位置に配置した後、高温で一定時間ホットプレス処理することにより、膜・電極構造体を作成した。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、固体高分子電解質膜に接触するそれぞれの触媒層端面からの応力が固体高分子電解質膜の一カ所に集中しないで固体高分子電解質膜の両面から分散を分散させることができるため、固体高分子電解質膜に応力が集中するのを防ぐことができる。また、前記固体高分子電解質膜が一方のガス拡散電極層で覆われているため、固体高分子電解質膜を保護して固体高分子電解質膜の破損を防止することが出来る。したがって、固体高分子電解質膜の薄膜化を図ることができる。さらに、それぞれのガス拡散電極層の端面が離れた位置にあるため、反応ガス同士がガス拡散電極層の端面位置で混合するおそれが無くなるとともに、電気的に短絡するおそれが無くなる。
また、固体高分子電解質膜とガス拡散層とが一体化し、固体高分子電解質膜の厚み方向の強度をガス拡散層で支持して補強することが出来、膜・電極構造体の取扱い性が向上するため、より一層の薄膜化を図ることができる。また、前記接着層が内側の触媒層を覆うためシール機能を果たし、これにより反応ガスの混合を防止することができる。
請求項３に記載した発明によれば、前記固体高分子電解質膜の一方の面を覆うガス拡散電極層における、他方の触媒層の端面に対向する位置には、接着層を形成することができるため、この位置の固体高分子電解質膜の強度が補強される。
したがって、他方の触媒層端面からの固体高分子電解質膜にかかる応力から、固体高分子電解質膜を保護することができる。加えて、触媒層の発電に寄与しない部分に接着層を形成しているため、発電効率を維持するとともに、高価な触媒層の使用を最小限度に抑えることが出来、これにより、より一層の薄膜化を図ることができる。
他の発明によれば、発電効率を維持するとともに、高価なガス拡散層に必要な量を低減することができ、低コスト化を図ることができるという効果がある。さらに、額状部材によりガス拡散層をシールすることができるという効果がある。
他の発明によれば、ガス拡散層のみならず、触媒層や固体高分子電解質膜も、額状部材によりシールすることができるため、反応ガスの混合をより一層防止することができるという効果がある。加えて固体高分子電解質膜の端面から水分が蒸発することを防止できるという効果がある。
他の発明によれば、反応ガスが固体高分子電解質膜のガス拡散電極層からはみ出した面を押圧して、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の一方の面を覆うガス拡散電極層とが密着するように作用するため、固体高分子電解質膜がガス拡散電極層から剥離するのを防ぐことができ、より一層の薄膜化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の第１実施形態における膜・電極構造体の断面図である。
【図２】 図２は本発明の第２実施形態における膜・電極構造体の断面図である。
【図３】 図３は本発明の第３実施形態における膜・電極構造体の断面図である。
【図４】 図４は本発明の第４実施形態における膜・電極構造体の断面図である。
【図５】 図５は本発明の第５実施形態における膜・電極構造体の断面図である。
【図６】 図６は本発明の第１実施形態における膜・電極構造体を用いた燃料電池の断面図である。
【図７】 図７は本発明の第５実施形態における膜・電極構造体を用いた燃料電池の断面図である。
【図８】 図８は本発明の第１実施形態における膜・電極構造体の平面図である。
【図９】 図９は従来における膜・電極構造体の断面図である。
【図１０】 図１０は従来における膜・電極構造体の断面図である。
【図１１】 図１１は従来における膜・電極構造体の断面図である。
【符号の説明】
２０ 膜・電極構造体
２２ 固体高分子電解質膜
２４ アノード側ガス拡散電極層
２６ カソード側ガス拡散電極層
２８、３０ 触媒層
３２、３４ ガス拡散層
３６ 接触層
８０ 燃料電池
Claims (4)
- 固体高分子電解質膜が、触媒層とガス拡散層とを備える一対のガス拡散電極層により、前記固体高分子電解質膜の両面に前記触媒層が当接するようにして挟持され、
前記固体高分子電解質膜が、一方の前記ガス拡散電極層で覆われるとともに、他方の前記ガス拡散電極層からはみ出してなる膜・電極構造体であって、
前記一方のガス拡散電極層の前記触媒層の端面が、前記他方のガス拡散電極層の前記触媒層の端面に対して位置がずれて設置され、
前記固体高分子電解質膜を覆う前記一方のガス拡散電極層は前記触媒層の外周に、前記一方のガス拡散電極層の前記ガス拡散層と前記固体高分子電解質膜とを接着する第１接着層を形成し、当該第１接着層にて前記固体高分子電解質膜の前記一方のガス拡散電極層が設けられている面上における周縁部を覆ってなることを特徴とする膜・電極構造体。 - 前記他方のガス拡散電極層の前記触媒層の外周に、前記他方のガス拡散電極層の前記ガス拡散層と前記固体高分子電解質膜とを接着する第２接着層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の膜・電極構造体。
- 前記固体高分子電解質膜を覆う前記一方のガス拡散電極層の前記触媒層の端面は、前記他方のガス拡散電極層の前記触媒層の端面の内側にあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の膜・電極構造体。
- 前記固体高分子電解質膜を覆う前記一方のガス拡散電極層の前記触媒層の端面は、前記他方のガス拡散電極層の前記触媒層の端面の外側にあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の膜・電極構造体。
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