JP5707825B2 - 固体高分子形燃料電池の膜電極接合体およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用の膜電極接合体およびその製造方法に関するものである。

燃料電池は、水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す発電方式である。
燃料電池は、発電効率が高く、静粛性に優れ、大気汚染の原因となるＮＯｘ、ＳＯｘ、また地球温暖化の原因となるＣＯ２の排出量が少ない等の利点から、新エネルギーとして期待されている。

その適用例は、携帯電気機器の長時間電力供給、コジェネレーション用定置型発電温水供給機、燃料電池自動車など、その用途も規模も多様である。
燃料電池の種類は使用する電解質によって、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、アルカリ形等に分類される。また、それぞれの種類によって運転温度が大きく異なり、それに伴い発電規模や利用分野も異なる。

また、陽イオン交換膜を電解質として用いる固体高分子型燃料電池は、比較的低温での動作が可能である。また、電解質膜の薄膜化により内部抵抗を低減できるため、高出力化、コンパクト化が可能である。
燃料電池は、電解質膜の一方の面にアノード触媒層、ガス拡散層、ガスケット層を設け、他方の面にカソード触媒層、ガス拡散層、ガスケット層を設けた膜電極接合体（以下ＭＥＡと称す場合がある）の両側に、セパレータを配した単電池セルを一つ設けた構造、あるいは、単電池セルを複数積層した構造を有している。

図３は、電解質膜の両面に電極触媒層が形成された従来の膜電極接合体の断面図である。従来の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の単セルは、固体高分子電解質膜８１（パーフルオロカーボンスルホン酸膜）を、それぞれカーボンブラック粒子に触媒物質（主として白金（Ｐｔ）あるいは白金族金属（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ））を担持したアノード触媒層８２とカソード触媒層８３とで挟持させる。

そして、このアノード触媒層８２とカソード触媒層８３とを、それぞれアノード側ガス拡散層８４とカソード側ガス拡散層８５で挟持させてアノード８６およびカソード８７とする。これらの構成と、ガスのシールの機能を有するアノード側ガスケット８８と、カソード側ガスケット８９にて膜電極接合体９２が構成される。そして、膜電極接合体９２を一組のセパレータ９０により挟持させることで単セルが構成される。

電池構造としては、出力密度の増大と燃料電池全体のコンパクト化とを目的として、膜電極接合体９２をセパレータ９０で挟持して成る単電池セルを複数積層（スタック）した構造が用いられている。必要な電力により、スタック枚数は異なり、一般的に携帯電気機器のポータブル電源では数枚から１０枚程度、コジェネレーション用定置型電気および温水供給機では６０枚以上９０枚以下程度、自動車用途では２５０枚以上４００枚以下程度といわれている。高出力化のためにはスタック枚数の増大は必然的であり、よって、単セルのコストが燃料電池本体の価格に大きく影響することになる。

また、膜電極接合体の一部を構成するガスケットは、電解質膜を支持し、酸素および水素のリークの抑制と電解質膜の湿度維持とに寄与することが求められている。また、プロセスコストの観点から、部品数が少なく組み立てが容易な膜電極接合体構造が望まれており、積層プロセスが可能な膜電極接合体構造は、製造上有利である。特に、印刷による積層工程を含むプロセスは、大量生産や連続生産の点で望ましい。

従来の燃料電池のガスケットは、特許文献１に記載されているように、セパレータ板と電極との接触を行わせつつ、ガスシールを行うため、高い寸法精度、十分な弾性および十分な締め代を有することが必要である。このため、樹脂やゴム等からなるシート状のガスケットや、ゴムからなるＯリング等が用いられている。ただし、ガスケットは、通常、額縁形状であり、シート材料を用いると打ち抜きなどの方法により形成されるため、内側の部材が材料ロスとなってしまうという問題点がある。また、Ｏリングを用いる場合には、材料に剛性がないために、組み立て時のハンドリングが難しいという問題点がある。

また、特許文献２では、部品数が少なく組み立てが容易な膜電極接合体構造として、触媒層および電解質膜上に熱可塑性樹脂の保護層を配置し、その上に熱硬化性樹脂の補強枠を積層する膜電極接合体構造が採用されている。補強枠に弾性率の高い熱硬化性樹脂を平面上に配置することで、ガスケットにかかる応力を分散させて電解質膜の歪みを抑制することができ、シール性を向上することができる。保護層は、補強枠である熱硬化性樹脂の成分（主剤や硬化剤）による、熱硬化時の高温下での電解質膜の変質を軽減するためのものであり、熱可塑性樹脂が用いられる。

特開２００６−６６１６０号公報 特開２００７−１０９５７６号公報

しかしながら、熱可塑性樹脂のような固体を電解質膜上に積層する場合、精度的な問題から間隙が生じやすいという問題がある。燃料電池が発電、非発電を繰り返すことで、電解質膜では、湿潤状態と乾燥状態が繰り返される。このとき、膨張と収縮が繰り返されるため、触媒層とガスケット層に間隙がある場合、間隙に応力が集中し、電解質膜の疲労による破損が生じる。その結果、破損部位からのガスリークや湿度の低下が生じる。

また、膜電極接合体を構築するにあたり、熱処理プロセス（特に熱硬化性樹脂の硬化に要する熱処理）は、電解質膜を始めとした各部材の熱膨張率の差による各部材の破損や剥離を招く恐れがあることから、できるだけ抑えたほうが望ましい。
本発明の目的は、前述した背景技術における問題点を考慮し、シール性の向上という課題を解決するためになされてものであり、膨張と収縮による電解質膜の破損および製造プロセス時の熱処理プロセスによる各部材の破損や剥離を抑制し、シール性が高い固体高分子形燃料電池における膜電極接合体、およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明者等は、上記問題を解決すべく鋭意検討を行った結果、例えば、液状樹脂の硬化物である第１のガスケット層と第１のガスケット層上に配置される第２のガスケット層と第２のガスケット層の端部間に配置される第３のガスケット層を一体化された固体高分子形燃料電池の膜電極接合体とすることにより、シール性能に優れた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を提供できることを見出し、本発明を成すに到った。

本発明は、電解質膜の一方の面に配置されたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置されるアノード触媒層と、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の前記電解質膜と接する面とは反対の面にそれぞれ配置されるガス拡散層と、ガスケット層と、を有する固体高分子形燃料電池の膜電極接合体であって、前記電解質膜は、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、および前記ガス拡散層よりも大きい面積を有し、前記ガスケット層は、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層のそれぞれの周囲を隙間なく覆うように配置され、かつ、前記電解質膜の両面に配置される液状樹脂の硬化物である第１のガスケット層と、前記第１のガスケット層上に配置される２つの部位からなる第２のガスケット層と、前記第２のガスケット層の前記２つの部位の間に配置され、前記第２のガスケット層とは異なる材料からなる第３のガスケット層と、が一体化されてなり、前記第１のガスケット層は、粘着材あるいは接着材からなり、パターン印刷により前記電解質膜上に形成されることを特徴とする固体高分子形燃料電池の膜電極接合体を提案する。

また、前記カソード触媒層の厚さと、前記カソード触媒層の周囲に配置される前記第１のガスケット層の厚さとが等しく、かつ、前記アノード触媒層の厚さと、前記アノード触媒層の周囲に配置される前記第１のガスケット層の厚さとが等しくなっていてもよい。
また、前記第１のガスケット層の一部が前記ガス拡散層の一部に接して、接着されていてもよい。
また、前記ガス拡散層の厚さと、前記ガス拡散層の周囲に配置される前記第２のガスケット層の厚さと、前記第３のガスケット層の厚さとがそれぞれ等しく、前記第２のガスケット層は、前記第１のガスケット層と接触する接触領域と、前記接触領域の周囲に位置し、前記第１のガスケット層と接触しない非接触領域とを備えているものであってもよい。

また、前記第２のガスケット層は、熱可塑性樹脂フィルムを打ち抜くことにより、短冊状もしくは一筆書きが可能な形状に加工された２つの部位からなるものであってもよい。
また、前記第３のガスケット層は、前記第２のガスケット層と溶着されて作製されるものであってもよい。
また、前記第２のガスケット層および前記第３のガスケット層は、その外側から圧力を負荷しながら溶着して平面化した後、前記第１のガスケット層上に積層されて作製されるものであってもよい。

また、本発明は、電解質膜の一方の面に配置されたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置されるアノード触媒層と、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の前記電解質膜と接する面とは反対の面にそれぞれ配置されるガス拡散層と、ガスケット層と、を有し、前記電解質膜は、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、および前記ガス拡散層よりも大きい面積を有し、前記ガスケット層は、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層のそれぞれの周囲を隙間なく覆うように配置され、かつ、前記電解質膜の両面に配置される液状樹脂の硬化物である第１のガスケット層と、前記第１のガスケット層上に配置される２つの部位からなる第２のガスケット層と、前記第２のガスケット層の前記２つの部位の間に配置される第３のガスケット層と、が一体化されてなる固体高分子形燃料電池の膜電極接合体の製造方法であって、前記第１のガスケット層を、パターン印刷により前記電解質膜上に形成することを特徴とする固体高分子形燃料電池の膜電極接合体の製造方法を提案する。

また、短冊状もしくは一筆書きが可能な形状に熱可塑性樹脂フィルムを打ち抜くことにより、２つの部位からなる前記第２のガスケット層を作製するようになっていてもよい。
また、前記第３のガスケット層を、前記第２のガスケット層と溶着するようになっていてもよい。
また、前記第２のガスケット層および前記第３のガスケット層を、その外側から圧力を負荷しながら溶着して平面化した後、前記第１のガスケット層上に積層するようになっていてもよい。

本発明によれば、第１ガスケット層に粘着剤もしくは接着剤等の液状樹脂の硬化物を用いることにより、触媒層とガスケット層の間隙を埋めることができるため、電解質膜の破損を防止することができる。加えて、ガスケット層を３つに分けることにより、例えば第２ガスケット層に熱可塑性樹脂を用いれば、ガスケット層すべてを粘着剤もしくは接着剤とする場合に比べ、硬化時の熱処理温度、時間を抑制できる。これらにより、シール性の高い膜電極接合体を提供できる。

本発明の実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池の膜電極接合体の断面図である。 本発明の実施の形態にかかる製造方法により作製される固体高分子形燃料電池の膜電極接合体の断面図である。 従来の電解質膜の両面に電極触媒層とガス拡散層とガスケット層を形成した従来の膜電極接合体の断面図である。

以下に、本発明の実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池における膜電極接合体およびその製造方法について説明する。
図１は、本発明の実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池における膜電極接合体１２の概略断面図である。図１に示すように、膜電極接合体１２は、電解質膜１と、電界質膜１の一方の面側に配置されたアノード触媒層２と、他方の面側に配置されたカソード触媒層３とから構成される。

電解質膜１は、触媒層２、３およびガス拡散層４、５よりも一回り大きい。また、触媒層２、３は、電解質膜１の両面にそれぞれ配置される。また、その触媒層２、３の、電解質膜１と接している面とは反対の面に、ガス拡散層４、５がそれぞれ配置される。また、ガス拡散層４、５は、触媒層２、３より面積が大きくなっている。
また、触媒層２、３の端部の周囲には、それぞれ第１ガスケット層２１、３１が配置される。ガス拡散層４、５の端部の周囲には、それぞれ第２ガスケット層２２、３２が配置される。なお、第２ガスケット層２２は、２つの部位２２ａ、２２ｂから構成される。また、第２ガスケット層３２は、２つの部位３２ａ、３２ｂから構成される。第３のガスケット層２３、３３は、第２ガスケット層２２、３２の２つの部位２２ａ、２２ｂの端部同士、および部位３２ａ、３２ｂの端部同士を、それぞれつなぐ役目を果たす。

また、第１ガスケット層２１、第２ガスケット層２２、第３ガスケット層２３は、一体化されている。また、第１ガスケット層３１、第２ガスケット層３２、第３ガスケット層３３は、一体化されている。
すなわち、本実施形態にかかる膜電極接合体１２は、ガスケット層を、第１ガスケット層２１、３１と、第２ガスケット層２２、３２とに分けることで、触媒層とガスケット層との間隙、およびガス拡散層とガスケット層との間隙を抑えることができ、シール性を向上させることができる。

本実施形態で用いる電解質膜１は、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるものでよい。例えば、フッ素系電解質膜や炭化水素電解質膜が好適に使用でき、特にフッ素系電解質膜が望ましい。
同様に触媒層２、３としても、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるものでよい。例えば、白金または白金と他の金属（例えばＲｕ、Ｒｈ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ等）との合金の微粒子（平均粒径は１０ｎｍ以下が望ましい）が表面に担持されたカーボンブラックなどの導電性炭素微粒子（平均粒径：２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度）と、パーフルオロスルホン酸樹脂溶液などの高分子溶液とが適当な溶剤（エタノールなど）中で均一に混合されたインクより作製されるものが使用できる。

ガス拡散層４、５は、少なくともガス透過性（通気性）と導電性を有するものであればよい。例えば、炭素材料によって構成された織布、不織布（炭素繊維を交絡させることによって得られるフェルト等）、ペーパー類（カーボンペーパー等）などが汎用される。また、ガス拡散層４、５は、触媒層２、３より大きい面積を持つ。結果、高価な白金触媒等を含む触媒層を、端部まで利用することができる。

第１ガスケット層２１、３１は、粘着剤もしくは接着剤よりなる。粘着剤もしくは接着剤は、主鎖骨格がポリシロキサン骨格やポリエーテル骨格、フルオロエーテル骨格、ポリオレフィン骨格等のものが使用できる。また、スクリーン印刷等の方法でパターン塗布することで、樹脂フィルムを用いたガスケットで問題となる材料ロスを避けることができる。すなわち、額縁形状のガスケットを打ち抜くなどの加工を行わないため、無駄な材料ロスを低減させることが可能となり、安価な膜電極接合体およびその製造方法を提供することができる。また、電解質膜上に配置されることから、粘着剤もしくは接着剤の溶媒由来による電解質膜の膨潤を避けるために、無溶媒系であることが望ましい。

また、ガス拡散層４、５の触媒層２、３との接触面側において触媒層２、３と接触しない部分（図１に示す領域Ａの部分）において、第１ガスケット層２１、３１がガス拡散層４、５と接するように配置される。これにより、ガス拡散層４、５を膜電極接合体１２として一体化することができる。なお、領域Ａは、狭すぎるとガス拡散層４、５との接着が不十分となり、広すぎるとガス拡散層４、５を無駄に使うことになるので、０．２ｃｍ以上２ｃｍ以下程度あればよい。

第２ガスケット層２２、３２は、熱可塑性樹脂よりなる。例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＥＮ（ポリエチレンナナフタレート）、ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＩ（ポリイミド）等が使用できる。特に、弾性率の高い熱可塑性樹脂が望ましく、繊維強化されたものを用いてもよい。
第２ガスケット層２２、３２は、第１ガスケット層２１、３１に対し、十分に厚くすることが望ましい。望ましくは、４倍〜１５倍程度の厚さである。これにより、セル組み立て後の第１ガスケット層２１、３１に対する応力を、それぞれ第２ガスケット層２２、３２が受け、かつ、応力を分散し、応力による電解質膜１の歪みを軽減できる。

第３ガスケット層２３、３３は、それぞれ、短冊状もしくは一筆書き可能な形状をしている第２ガスケット層２２、３２の端部間を溶着可能な材料を選択する必要がある。熱や超音波などを使用して溶着することが可能である熱可塑性樹脂が好ましい。例えば、第１ガスケット層２１、２２と同様に、主鎖骨格がポリシロキサン骨格やポリエーテル骨格、フルオロエーテル骨格、ポリオレフィン骨格等の粘着材や接着材、ゴムや熱可塑性エラストマーなどがあげられる。ただし、これらは一例である。ここで、第２ガスケット層２２、３２を短冊状もしくは一筆書き可能な形状とすることによって、第２ガスケット層２２、３２の材料ロスを低減することが可能となる。

次に、本発明の実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池における膜電極接合体の製造方法について、図２により説明する。
図２（ａ）に示されるように、まず、電解質膜１の両面上にそれぞれ触媒層２、３を形成する。触媒層２、３を形成するにあたっては、高分子電解質と、触媒物質と、触媒を担持するカーボン担体と、分散媒とを含むインクを調製する。調製された触媒インクは、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などの塗布法または噴霧法を用いて電解質膜１上に塗布し、触媒層２、３を形成する。また、転写基材を用い、転写基材上に触媒インクを塗布し、転写基材上に触媒層２、３を一旦形成した後、転写法により電解質膜１上に触媒層２、３を形成しても良い。

次に、第１ガスケット層２１を、形成された触媒層２の周囲の電解質膜１上（領域Ｂの部分）に形成する。第１ガスケット層２１を形成するにあたっては、粘着剤もしくは接着剤をスクリーン印刷などパターン形成が可能な方法により塗布し、第１ガスケット層２１を形成する。
第１ガスケット層２１の厚さは、触媒層２と同じ厚さであることが望ましい。第１ガスケット層２１の厚さが触媒層２の厚さと異なると、ガス拡散層４もしくは第２ガスケット層２２を積層した際に、間隙が生じることからシール性が低下してしまう。

また、精度的な問題から、触媒層２と第１ガスケット層２１の間隙を、０.１ｍｍ以上１ｍｍ以下程度設けても良い。その場合は、触媒層２の厚さより若干厚めに塗布し、第２ガスケット層２２と第３ガスケット層２３を積層後、プレスすることで触媒層２と第１ガスケット層２１の厚さを揃えるとともに、触媒層２と第１ガスケット層２１の間隙を埋めることができる。結果、触媒層２と第１ガスケット層２１の間隙によって生じる電解質膜１の疲労による破損を抑制することができる。

次に、第２ガスケット層２２と第３ガスケット層２３の一体化を行う。その方法は、例えば短冊状もしくは一筆書きが可能な形状に打ち抜きなどの方法により加工した第２ガスケット層２２の部位２２ａと部位２２ｂとの間に第３ガスケット層２３を易剥離性のフィルム上に配置した後、さらに易剥離性のフィルムをかぶせて熱プレスする。その後、易剥離性フィルムを剥がすことにより面精度に優れた一体化された第２ガスケット層２２と第３ガスケット層２３を作製することができる。

ここで、第３ガスケット層２３の形成方法はディスペンス、スクリーン印刷などのパターン形成が可能な方法などとすることが可能である。また、上記では、易剥離性フィルムを用いて一体化する方法を例示したが、フィルムを用いずに金型内で成型することも可能である。

第１ガスケット層２１の上に、一体化された第２ガスケット層２２と第３ガスケット層２３、およびガス拡散層４を積層形成する。一体化された第２ガスケット層２２と第３ガスケット層２３、およびガス拡散層４を形成するにあたっては、貼合装置等で貼り合わせることができる。
以上のように、電解質膜１の片面にガス拡散層とガスケット層を形成することができる（図２（ａ)）。ここで、第２ガスケット層２２と第３ガスケット層２３を一体化した後にガス拡散層４を積層形成する方法以外にも、第２ガスケット層２２と第３ガスケット層２３とガス拡散層４を各々貼り合わせる方法とすることも可能である。

続いて、図２（ｂ）に示されるように、上下反転させ、第１ガスケット層３１をスクリーン印刷などのパターン形成が可能な方法により電解質膜１の上に塗布し、形成する。塗布する領域は、領域Ｂ´（触媒層３の周囲）のみ、または領域Ｂ´と領域Ｃ（第１ガスケット層２１の周囲）である。
第１ガスケット層３１を形成後、図２（ｃ）に示されるように、上述した方法で作製されて一体化された第２ガスケット層３２と第３ガスケット層３３、およびガス拡散層５を積層する。ここでも、第２ガスケット層３２と第３ガスケット層３３を一体化した後にガス拡散層５を積層形成する方法以外にも、第２ガスケット層３２と第３ガスケット層３３とガス拡散層５を各々貼り合わせる方法とすることも可能である。

また、図２（ｂ）に示す領域Ｄ（電解質膜１の周囲、および触媒層３の周囲に形成される第１ガスケット層３１のさらに外周）にも第１ガスケット層３１を塗布してもよい。これにより、電解質膜１の端部についても封止を行うことも可能であり、これにより電解質膜１の湿度維持に寄与できる。
最後に、プレスおよび熱処理をして、膜電極接合体１２を一体化する（図２（ｃ）)。膜電極接合体１２の一体化の方法は、熱プレス法や熱ラミネート法が好ましいが、これに限られない。こうして、本発明の膜電極接合体１２を作製することができる。なお、本実施の形態においては、アノード側から先に形成する方法を例示したが、カソード側を先に形成する方法も可能である。

以下に、具体的な実施例を示し、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の膜電極接合体およびその製造方法をさらに説明する。なお、後述する実施例は一例であり、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。
また、以下に説明する実施例では、上述した製造方法と異なり、カソード側から先に形成した。
白金担持量が６０%である白金担持カーボン触媒と、２０質量%高分子電解質溶液であるＮａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）を、混合比１：２の水、エタノール混合溶媒で混合した。続いて、遊星ボールミルで分散処理を行い、触媒インクを調整した。

プレート上に転写シートを固定し、ドクターブレードにより触媒インクを転写シート上に塗布した。触媒インクからなる塗膜が形成された転写シートをオーブン（熱風循環恒温乾燥機４１‐Ｓ５Ｈ／佐竹化学機械工業社製）に入れ、オーブンの温度を５０℃に設定し５分間乾燥させることで転写シート上に触媒層２、３を作製した。このとき、白金担持量はカソード触媒層３が約０．５ｍｇ／ｃｍ²、アノード触媒層２が約０．３ｍｇ／ｃｍ²となるように調製した。

触媒層２、３が形成された転写シートを２５ｃｍ²に２枚切り取り、触媒層２、３が正対するように、電解質膜１の両面にそれぞれ配置した。電解質膜１としては、Ｎａｆｉｏｎ２１１（デュポン社製）を用いた。続いて、１３０℃、６ＭＰａの条件でホットプレスを行い、転写基材のみを剥がした。
次に、厚さ５０μｍのＰＴＦＥシート上に額縁形状にフルオロエーテル系の接着剤を厚さ２５μｍとなるようにスクリーン印刷にて塗布し、その後、短冊状の厚さ１５０μｍのＰＥＮフィルムを印刷部の上に載せてその端部同士を同じ材料でディスペンサーにて塗布した。

その後、厚さ５０μｍのＰＴＦＥシート上に額縁形状にフルオロエーテル系の接着剤を厚さ２５μｍとなるようにスクリーン印刷にて塗布したシートをさらに載せ、熱プレスと１５０℃のポストベーク後、ＰＴＦＥシートを剥がすことにより、一体化した第２ガスケット層３２と第３ガスケット層３３とを得た。
カソード触媒層３の端部に、スクリーン印刷によりフルオロエーテル系の接着剤を３５μｍ厚さになるよう塗布し、第１ガスケット層３１を形成した。続いて、ＭＰＬ処理カーボンペーパー（東レ社製）をカソード触媒層３上に貼合した後、カソード側ガス拡散層５を形成し、形成したガス拡散層５の端部に、一体化した第２ガスケット層３２と第３ガスケット層３３を形成した。

上下反転させ、アノード触媒層２の端部に、スクリーン印刷によりフルオロエーテルタイプの接着剤を３５μｍの厚さになるよう塗布し、第１ガスケット層２１を形成した。このとき、先に形成したカソード側第２ガスケット層３２上にも接着剤を塗布した。続いて、カソード側と同様に、ガス拡散層４、および一体化した第２ガスケット層２２と第３のガスケット層２３を形成した。

以上のようにして得られた膜電極接合体１２を、プレス後、オーブンに入れ、１５０℃、１時間加熱処理して一体化を行った。これにより、所望の膜電極接合体１２を得ることができた。
また、加熱処理後、膜電極接合体１２を刃型により打ち抜いた。触媒層２、３と第１ガスケット層２１、３１との間隙の観察を行ったところ、間隙は、第１ガスケット層２１、３１で埋められていることが確認できた。また、電解質膜１の端部もガスケットにより封止されていることを確認することができた。

本発明に係る膜電極接合体は、固体高分子形燃料電池、特に燃料電池自動車や家庭用燃料電池などにおける、固体高分子形燃料電池単セルやスタックに好適に活用することができる。

１・・・電解質膜
２・・・アノード触媒層
３・・・カソード触媒層
４・・・アノード側ガス拡散層
５・・・カソード側ガス拡散層
１２・・・膜電極接合体
２１・・・アノード側第１ガスケット層
２２・・・アノード側第２ガスケット層
２３・・・アノード側第３ガスケット層
３１・・・カソード側第１ガスケット層
３２・・・カソード側第２ガスケット層
３３・・・カソード側第３ガスケット層
８１・・・固体高分子電解質膜
８２・・・アノード触媒層
８３・・・カソード触媒層
８４・・・アノード側ガス拡散層
８５・・・カソード側ガス拡散層
８６・・・アノード
８７・・・カソード
８８・・・アノード側ガスケット
８９・・・カソード側ガスケット
９０・・・セパレータ
９２・・・膜電極接合体

Claims (11)

1. 電解質膜の一方の面に配置されたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置されるアノード触媒層と、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の前記電解質膜と接する面とは反対の面にそれぞれ配置されるガス拡散層と、ガスケット層と、を有する固体高分子形燃料電池の膜電極接合体であって、
   前記電解質膜は、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、および前記ガス拡散層よりも大きい面積を有し、
   前記ガスケット層は、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層のそれぞれの周囲を隙間なく覆うように配置され、かつ、前記電解質膜の両面に配置される液状樹脂の硬化物である第１のガスケット層と、前記第１のガスケット層上に配置される２つの部位からなる第２のガスケット層と、前記第２のガスケット層の前記２つの部位の間に配置され、前記第２のガスケット層とは異なる材料からなる第３のガスケット層と、が一体化されてなり、
   前記第１のガスケット層は、粘着材あるいは接着材からなり、パターン印刷により前記電解質膜上に形成されることを特徴とする固体高分子形燃料電池の膜電極接合体。
2. 前記カソード触媒層の厚さと、前記カソード触媒層の周囲に配置される前記第１のガスケット層の厚さとが等しく、かつ、
   前記アノード触媒層の厚さと、前記アノード触媒層の周囲に配置される前記第１のガスケット層の厚さとが等しいことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池の膜電極接合体。
3. 前記第１のガスケット層の一部が前記ガス拡散層の一部に接していることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体高分子形燃料電池の膜電極接合体。
4. 前記ガス拡散層の厚さと、前記ガス拡散層の周囲に配置される前記第２のガスケット層の厚さと、前記第３のガスケット層の厚さとがそれぞれ等しく、
   前記第２のガスケット層は、前記第１のガスケット層と接触する接触領域と、前記接触領域の周囲に位置し、前記第１のガスケット層と接触しない非接触領域とを備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池の膜電極接合体。
5. 前記第２のガスケット層は、熱可塑性樹脂フィルムを打ち抜くことにより、短冊状もしくは一筆書きが可能な形状に加工された２つの部位からなるものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池の膜電極接合体。
6. 前記第３のガスケット層は、前記第２のガスケット層と溶着されて作製されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池の膜電極接合体。
7. 前記第２のガスケット層および前記第３のガスケット層は、その外側から圧力を負荷しながら溶着して平面化した後、前記第１のガスケット層上に積層されて作製されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池の膜電極接合体。
8. 電解質膜の一方の面に配置されたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置されるアノード触媒層と、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の前記電解質膜と接する面とは反対の面にそれぞれ配置されるガス拡散層と、ガスケット層と、を有し、前記電解質膜は、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、および前記ガス拡散層よりも大きい面積を有し、前記ガスケット層は、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層のそれぞれの周囲を隙間なく覆うように配置され、かつ、前記電解質膜の両面に配置される液状樹脂の硬化物である第１のガスケット層と、前記第１のガスケット層上に配置される２つの部位からなる第２のガスケット層と、前記第２のガスケット層の前記２つの部位の間に配置される第３のガスケット層と、が一体化されてなる固体高分子形燃料電池の膜電極接合体の製造方法であって、
   前記第１のガスケット層を、パターン印刷により前記電解質膜上に形成することを特徴とする固体高分子形燃料電池の膜電極接合体の製造方法。
9. 短冊状もしくは一筆書きが可能な形状に熱可塑性樹脂フィルムを打ち抜くことにより、２つの部位からなる前記第２のガスケット層を作製することを特徴とする請求項８に記載の固体高分子形燃料電池の膜電極接合体の製造方法。
10. 前記第３のガスケット層を、前記第２のガスケット層と溶着することを特徴とする請求項８又は９に記載の固体高分子形燃料電池の膜電極接合体の製造方法。
11. 前記第２のガスケット層および前記第３のガスケット層を、その外側から圧力を負荷しながら溶着して平面化した後、前記第１のガスケット層上に積層することを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池の膜電極接合体の製造方法。

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