WO2014010399A1 - 膜電極接合体 - Google Patents

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貴行 寺崎
将也 山本
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哲史 堀部
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Definitions

  • the present invention relates to a membrane electrode assembly.
  • a membrane electrode assembly (MEA: membrane electrode assembly) included in a single cell of a fuel cell includes a polymer electrolyte membrane in which a catalyst layer is arranged, and a frame-like gasket arranged on both sides of the polymer electrolyte membrane.
  • the gasket is positioned so as to surround the catalyst layer of the polymer electrolyte membrane, and has a function of preventing the fuel gas and the oxidant gas supplied to the catalyst layer from leaking to the outside.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems associated with the prior art, and an object thereof is to provide a membrane electrode assembly in which external leakage of fuel gas and oxidant gas supplied to a catalyst layer is suppressed.
  • the present invention for achieving the above object is a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane and frame-shaped first and second gaskets disposed on both surfaces of the electrolyte membrane.
  • the first and second gaskets are located on an outer peripheral edge of the electrolyte membrane and are opposed to the electrolyte membrane; a joint located on the outer side of the outer peripheral edge and bonded to each other;
  • Have The overlap portion and the joint portion have a through hole extending in the thickness direction of the electrolyte membrane, and an opening ratio of the through hole of the overlap portion is larger than an opening ratio of the through hole of the joint portion.
  • the first and second gaskets since the overlap portion and the joint portion of the first and second gaskets have through holes extending in the thickness direction of the electrolyte membrane, the first and second gaskets are arranged on the electrolyte membrane and bonded together. After that, it is possible to remove the bubbles remaining in the gaps and the overlap portions of the joints via the through holes.
  • the opening ratio of the through hole in the overlap portion is larger than the opening ratio of the through hole in the joint portion, the through hole in the overlap portion is sufficient even if the outer peripheral edge of the electrolyte membrane is interposed. Demonstrates air bubble removal function.
  • the overlap portion and the outer peripheral edge of the electrolyte membrane are sufficiently bonded to each other as in the case of the joint portion of the first gasket and the joint portion of the second gasket where the polymer electrolyte membrane is not disposed. Residual air bubbles are suppressed. Therefore, it is possible to provide a membrane electrode assembly in which external leakage of fuel gas and oxidant gas supplied to the catalyst layer is suppressed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a cell structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 2 and 3 are arranged on both surfaces of the outer periphery of the polymer electrolyte membrane shown in FIG. It is the top view and sectional drawing for demonstrating a 1st and 2nd gasket.
  • the single cell 10 is applied to a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) or the like using hydrogen as a fuel, and has a membrane electrode assembly 20 and separators 80 and 85.
  • PEFC polymer electrolyte fuel cell
  • the single cell 10 further includes a cooling plate 90, and a refrigerant flow through which a refrigerant for cooling the single cell 10 flows by a groove 92 provided in the cooling plate 90.
  • a road is constructed.
  • the membrane electrode assembly 20 includes a polymer electrolyte membrane 30, catalyst layers 32 and 33, gas diffusion layers (GDLs) 35 and 36, a first gasket 40 and a second gasket 60.
  • GDLs gas diffusion layers
  • the catalyst layer 32 is an anode catalyst layer that includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and a polymer electrolyte, and in which a hydrogen oxidation reaction proceeds. It is arranged on the side.
  • the catalyst layer 33 is a cathode catalyst layer that includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and a polymer electrolyte, and in which the oxygen reduction reaction proceeds. It is arranged on the side.
  • the polymer electrolyte membrane 30 has a function of selectively permeating protons generated in the catalyst layer 32 to the catalyst layer 33 and does not mix the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side. It functions as a partition wall.
  • the gas diffusion layer 35 is an anode gas diffusion layer for dispersing the fuel gas supplied to the anode side, and is located between the separator 80 and the catalyst layer 32.
  • the gas diffusion layer 36 is a cathode gas diffusion layer for dispersing the oxidant gas supplied to the cathode side, and is located between the separator 85 and the catalyst layer 33.
  • the first and second gaskets 40 and 60 have a frame shape as shown in FIGS. 2 and 3 and are arranged on both surfaces of the outer peripheral portion of the polymer electrolyte membrane 30.
  • the gasket 40 is positioned so as to surround the catalyst layer 32 and the gas diffusion layer 35, and has a function of preventing the fuel gas supplied to the catalyst layer 32 from leaking to the outside.
  • the gasket 60 is positioned so as to surround the catalyst layer 33 and the gas diffusion layer 36, and has a function of preventing the oxidant gas supplied to the catalyst layer 33 from leaking to the outside.
  • the separators 80 and 85 have a function of electrically connecting the single cells 10 in series and a function of a partition that blocks fuel gas, oxidant gas, and refrigerant from each other, and have substantially the same shape as the membrane electrode assembly 20.
  • it is formed by pressing a stainless steel plate.
  • the stainless steel plate is preferable in that it can be easily subjected to complicated machining and has good conductivity, and can be coated with a corrosion-resistant coating as necessary.
  • the separator 80 is an anode separator that is disposed on the anode side of the membrane electrode assembly 20, and is opposed to the catalyst layer 32 and constitutes a groove portion 82 that constitutes a gas flow path positioned between the membrane electrode assembly 20 and the separator 80.
  • Have The groove (gas flow path) 82 is used for supplying the fuel gas to the catalyst layer 32.
  • the separator 85 is a cathode separator disposed on the cathode side of the membrane electrode assembly 20, and is opposed to the catalyst layer 33 and constitutes a groove portion 87 that constitutes a gas flow path located between the membrane electrode assembly 20 and the separator 85.
  • Have The groove (gas flow path) 87 is used to supply the oxidant gas to the catalyst layer 33.
  • the polymer electrolyte membrane 30 is a porous polymer electrolyte membrane made of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer, a porous resin membrane having a sulfonic acid group, and a porous material impregnated with an electrolyte component such as phosphoric acid or ionic liquid.
  • a shaped film can be applied.
  • the perfluorocarbon sulfonic acid polymer is, for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.).
  • the porous film is made of, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the thickness of the polymer electrolyte membrane 30 is not particularly limited, but is preferably 5 to 300 ⁇ m, more preferably 10 to 200 ⁇ m from the viewpoint of strength, durability, and output characteristics.
  • the catalyst component used for the catalyst layer (cathode catalyst layer) 35 is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxygen reduction reaction.
  • the catalyst component used for the catalyst layer (anode catalyst layer) 34 is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen.
  • catalyst components include, for example, platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and other metals, and alloys thereof. Etc. are selected. In order to improve catalytic activity, poisoning resistance to carbon monoxide, heat resistance, etc., the catalyst component preferably contains at least platinum.
  • the catalyst components applied to the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer need not be the same, and can be changed as appropriate.
  • the conductive carrier of the catalyst used for the catalyst layers 32 and 33 is particularly limited as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and sufficient electronic conductivity as a current collector.
  • the main component is preferably carbon particles.
  • the carbon particles are composed of, for example, carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, and artificial graphite.
  • the polymer electrolyte used for the catalyst layers 32 and 33 is not particularly limited as long as it is a substance having at least high proton conductivity.
  • a fluorine-based electrolyte containing a fluorine atom in all or part of the polymer skeleton or a polymer A hydrocarbon-based electrolyte that does not contain a fluorine atom in the skeleton is applicable.
  • the polymer electrolyte used for the catalyst layers 32 and 33 may be the same as or different from the polymer electrolyte used for the polymer electrolyte membrane 30, but the catalyst layers 32 and 33 adhere to the polymer electrolyte membrane 30. From the viewpoint of improving the properties, it is preferable that they are the same.
  • the gas diffusion layers 35 and 36 are configured by using, as a base material, a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric such as glassy carbon, a paper-like paper body, a felt, and a nonwoven fabric.
  • the thickness of the substrate is not particularly limited, but is preferably 30 to 500 ⁇ m from the viewpoint of mechanical strength and permeability such as gas and water.
  • the gas diffusion layers 35 and 36 preferably contain a water repellent in the base material from the viewpoint of water repellency and suppression of the flooding phenomenon.
  • water repellent examples include fluorine-based polymer materials such as PTFE, PVDF, polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polypropylene, and polyethylene.
  • fluorine-based polymer materials such as PTFE, PVDF, polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polypropylene, and polyethylene.
  • the first and second gaskets 40 and 60 are made of, for example, a rubber material, a fluorine-based polymer material, or a thermoplastic resin.
  • the rubber material include fluorine rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), and polyisobutylene rubber.
  • the fluorine-based polymer material include PTFE, PVDF, polyhexafluoropropylene, and FEP.
  • the thermoplastic resin is polyolefin or polyester.
  • the polyester is, for example, polyethylene naphthalate (PEN).
  • the thickness of the first and second gaskets 40 and 60 is not particularly limited, but is preferably 50 ⁇ m to 2 mm, and more preferably 100 ⁇ m to 1 mm.
  • the separators 80 and 85 are not limited to the form of the stainless steel plate, and other metal materials (for example, aluminum plate or clad material), carbon such as dense carbon graphite or carbon plate can also be applied. When carbon is applied, the grooves 82 and 87 can be formed by cutting or screen printing.
  • FIGS. 4 and 5 are a plan view and a cross-sectional view for explaining the through holes of the first and second gaskets shown in FIGS. 2 and 3, and FIGS. 6 and 7 are views showing the joint shown in FIG. It is a top view for demonstrating the comparative example 1 and the comparative example 2 which concern.
  • the first and second gaskets 40, 60 have overlap portions 42, 62 and joint portions 52, 72.
  • the overlap portions 42 and 62 are located on the outer peripheral edge 31 of the polymer electrolyte membrane 30, are opposed to the polymer electrolyte membrane 30, and are provided with through holes 48 and 68.
  • the joint portions 52 and 72 are located outside the outer peripheral edge 31 of the polymer electrolyte membrane 30 and bonded to each other, and the inner portions 54 and 74 where the through holes 58 and 78 are disposed, and the inner portions 54 and 74.
  • outer portions 56 and 76 which are located on the outer side and in which no through holes are arranged.
  • the joint portions 52 and 72 have a function of suppressing the first and second gaskets 40 and 60 from peeling from the polymer electrolyte membrane 30.
  • the through-holes 48 and 68 and the through-holes 58 and 78 are fine and extend in the thickness direction T of the polymer electrolyte membrane 30, and the influence on the direction orthogonal to the thickness direction T is suppressed.
  • the opening ratios of the through holes 48 and 68 of the overlap parts 42 and 62 are set to be larger than the opening ratios of the through holes 58 and 78 of the joint parts 52 and 72.
  • the opening ratio of the through hole is adjusted by changing the hole diameter (size) of the through hole. That is, the hole diameters of the through holes 48 and 68 of the overlap parts 42 and 62 are made larger than the hole diameters of the through holes 58 and 78 of the joint parts 52 and 72, thereby the through holes 48 of the overlap parts 42 and 62. , 68 can easily be made larger than the aperture ratio of the through holes 58, 78 of the joint portions 52, 72.
  • the opening ratio of the through hole is preferably 20% or less from the viewpoint of rigidity, and preferably 0.2% or more from the viewpoint of the effect of the through hole.
  • the aperture ratio is about 20% when the pitch interval is set to twice the hole diameter of the through holes, and the aperture ratio is set when the pitch interval is set to 10 times the hole diameter of the through holes.
  • the aperture ratio is about 0.001 to 0.01%.
  • the pitch interval is preferably 2 to 100 times the hole diameter, and when the hole diameter of the through hole is 10 to 100 ⁇ m, the pitch interval is 2 to 10 times the hole diameter. It is preferable.
  • the method for forming the through hole is not particularly limited, and a laser, a mold, or the like can be used.
  • a laser for example, the position and size of the through hole are adjusted by controlling the laser output, spot diameter, scanning timing, and the like.
  • the cavity surface is configured like a sword mountain with fine protrusions, and it is possible to provide melting holes by pressing against the gasket material and heating, and the position and size of the protrusions etc. Is changed, the position and size of the through hole are adjusted.
  • the catalyst layers 32 and 33 can be formed after the first and second gaskets 40 and 60 are disposed and pasted as needed, or can be formed in advance on the polymer electrolyte membrane 30. .
  • the gas diffusion layers 35 and 36 can be arranged integrally with the catalyst layers 32 and 33, or can be arranged separately when the membrane electrode assembly 20 is laminated, for example.
  • FIG. 9, FIG. 10 and FIG. 11 are cross-sectional views for explaining the arrangement of the second gasket, cross-sectional views for explaining the arrangement of the polymer electrolyte membrane, and for explaining the arrangement of the first gasket.
  • FIG. 12 and FIG. 13 are sectional views and plan views for explaining bubble removal by a squeegee. It is sectional drawing for demonstrating the comparative example 1 and the comparative example 2 which concern on arrangement
  • the mounting table 98 is made of a porous member, and is connected to an external vacuum source (not shown), and is configured to be able to suck an arranged object.
  • the polymer electrolyte membrane 30 is placed on the mounting table 98 and bonded, and the outer peripheral edge 31 of the polymer electrolyte membrane 30 is positioned so as to overlap the second gasket 60. Thereby, the overlap part 62 is formed in the second gasket 60. At this time, the outer peripheral edge 31 of the polymer electrolyte membrane 30 is sucked into the mounting table 98 through the through hole 68 provided in the overlap portion 62 of the second gasket 60. For example, the polymer electrolyte membrane 30 The turning of the outer peripheral edge 31 is suppressed.
  • the first gasket 40 is placed on the mounting table 98 and bonded, and the first gasket 40 is positioned so as to overlap the outer peripheral edge 31 of the polymer electrolyte membrane 30. Thereby, the overlap part 62 and the joining part 52 are formed in the first gasket 40, and the joining part 72 is formed in the second gasket 60.
  • the opening ratios of the through holes 48 and 68 of the overlap parts 42 and 62 are set larger than the opening ratios of the through holes 58 and 78 of the joint parts 52 and 72, the penetrations of the overlap parts 42 and 62 are achieved.
  • the holes 48 and 68 exhibit a sufficient bubble removing function even when the polymer electrolyte membrane 30 is interposed. Thereby, like the case of the junction parts 52 and 72 where the polymer electrolyte membrane 30 is not disposed, the overlap parts 42 and 62 and the outer peripheral edge 31 of the polymer electrolyte membrane 30 are sufficiently bonded, Residual air bubbles are suppressed.
  • the remaining bubbles form a gas leak passage
  • the protrusions formed by the remaining bubbles are located between the first and second gaskets 40, 60 and the separators 80, 85. Therefore, it is possible to prevent the fuel gas and the oxidant gas supplied to the catalyst layers 32 and 33 from leaking to the outside. The That is, it is possible to provide the membrane electrode assembly 20 in which external leakage of fuel gas and oxidant gas supplied to the catalyst layer is suppressed.
  • the suction is performed up to the upper surface of the first gasket 140A. (Vacuum) is affected, and it is difficult to accurately release the first gasket 140A toward the outer peripheral edge 31 (second gasket 160A) of the polymer electrolyte membrane 30.
  • air bubbles can be removed with a squeegee after the first gasket is placed.
  • the first and second gaskets 40 and 60 are pressed by moving the squeegee 99 while suctioning by the mounting table 98.
  • the pressing by the squeegee 99 causes bubbles (biting air) remaining in the gap S between the joint portions 52 and 72 and the overlap portions 42 and 62 to pass through the through holes 48 and 68 of the overlap portions 42 and 62 and the joint portion 52. , 72 through the through holes 58, 78.
  • the squeegee 99 is made of plastic or metal.
  • FIG. 14 is a plan view for explaining a modification according to the embodiment of the present invention.
  • the aperture ratios of the through holes 48, 58, 68, 78 can be adjusted by changing the density of the through holes 48, 58, 68, 78.
  • the aperture ratio is adjusted by making the density of the through holes 48 and 68 of the overlap portions 42 and 62 larger than the density of the through holes 58 and 78 of the joint portions 52 and 72. Can be easily achieved.
  • the overlap portion and the joint portion of the first and second gaskets have through holes extending in the thickness direction of the electrolyte membrane, and therefore the first and second gaskets are used.
  • the first and second gaskets are used.
  • the overlap portion and the outer peripheral edge of the electrolyte membrane are sufficiently bonded to each other as in the case of the joint portion of the first gasket and the joint portion of the second gasket where the polymer electrolyte membrane is not disposed. Residual air bubbles are suppressed. Therefore, it is possible to provide a membrane electrode assembly in which external leakage of fuel gas and oxidant gas supplied to the catalyst layer is suppressed.
  • the opening ratio of the through holes can be adjusted by changing the size of the through holes or the density of the through holes. For example, by making the size of the through hole in the overlap part larger than the size of the through hole in the joint part, or by making the density of the through hole in the overlap part larger than the density of the through hole in the joint part, It is easily achieved that the opening ratio of the through-holes is larger than the opening ratio of the through-holes of the joint portion.
  • the fuel cell can be constituted by a polymer electrolyte fuel cell using methanol as a fuel, or can be applied as a stationary power source.
  • the polymer electrolyte fuel cell using methanol as a fuel is a direct methanol fuel cell (DMFC), a micro fuel cell (passive DMFC), or the like.
  • ethanol 1-propanol, 2-propanol, primary butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol, etc. can be applied. It is.

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Abstract

【課題】触媒層に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部リークが抑制された膜電極接合体を提供する。 【解決手段】電解質膜３０と、電解質膜３０の両面に配置される枠状の第１および第２ガスケット４０，６０とを有する膜電極接合体である。第１および第２ガスケット４０，６０は、電解質膜３０の外周縁３１に位置し、電解質膜３０に対向しているオーバーラップ部４２，６２と、外周縁３１の外側に位置し、互いに接着している接合部５２，７２と、を有する。オーバーラップ部４２，６２および接合部５２，７２は、電解質膜３０の厚さ方向Ｔに延びる貫通孔４８，６８，５８，７８を有する。オーバーラップ部４２，６２の貫通孔４８，６８の開口率は、接合部５２，７２の貫通孔５８，７８の開口率より大きい。

Description

膜電極接合体
　本発明は、膜電極接合体に関する。
　燃料電池の単セルに含まれる膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、触媒層が配置された高分子電解質膜と、高分子電解質膜の両面に配置される枠状のガスケットと、を有する。ガスケットは、高分子電解質膜の触媒層を包囲するように位置決めされており、触媒層に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。
　しかし、ガスケットを高分子電解質膜の両面に配置して貼合わせる際に、ガスケット間や、ガスケットと高分子電解質膜との間に気泡が残留すると、製造された膜電極接合体においてガスリークの要因となる。一方、貫通孔を有する樹脂シートが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特許第４８９８２２１号明細書
　しかし、特許文献１に係る樹脂シートは、ガスケット用途ではなく、膜電極接合体のガスケットに適用しても、気泡の残留を抑制することが困難である。したがって、ガスケットで包囲された領域とガスケットの外周縁の外側に位置する領域とが、残留した気泡によって連通したり、残留した気泡がガスケットに凸部を形成することで、ガスケットとセパレータとの密着性が低下したりすることにより、触媒層に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが、外部にリークする恐れがある。
　本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、触媒層に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部リークが抑制された膜電極接合体を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するための本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置される枠状の第１および第２ガスケットを有する膜電極接合体である。前記第１および第２ガスケットは、前記電解質膜の外周縁に位置し、前記電解質膜に対向しているオーバーラップ部と、前記外周縁の外側に位置し、互いに接着している接合部と、を有する。前記オーバーラップ部および前記接合部は、前記電解質膜の厚さ方向に延びる貫通孔を有し、前記オーバーラップ部の貫通孔の開口率は、前記接合部の貫通孔の開口率より大きい。
　本発明によれば、第１および第２ガスケットのオーバーラップ部および接合部は、電解質膜の厚さ方向に延びる貫通孔を有するため、第１および第２ガスケットを電解質膜に配置して貼合わせた後、接合部の隙間やオーバーラップ部に残留している気泡を、貫通孔を経由して除去することが可能である。また、この際、オーバーラップ部の貫通孔の開口率は、接合部の貫通孔の開口率より大きいため、オーバーラップ部の貫通孔は、電解質膜の外周縁が介在していても、十分な気泡除去機能を発揮する。これにより、高分子電解質膜が配置されていない第１ガスケットの接合部と第２ガスケットの接合部との場合と同様に、オーバーラップ部と電解質膜の外周縁とは十分に接着されることとなり、気泡の残留が抑制される。したがって、触媒層に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部リークが抑制された膜電極接合体を提供することが可能である。
　本発明のさらに他の目的、特徴および特質は、以後の説明および添付図面に例示される好ましい実施の形態を参照することによって、明らかになるであろう。
本発明の実施の形態に係る燃料電池のセル構造を説明するための断面図である。 図１に示される高分子電解質膜の外周部の両面に配置される第１および第２ガスケットを説明するための平面図である。 図１に示される高分子電解質膜の外周部の両面に配置される第１および第２ガスケットを説明するための断面図である。 図２および図３に示される第１および第２ガスケットの貫通孔を説明するための平面図である。 図２および図３に示される第１および第２ガスケットの貫通孔を説明するための断面図である。 図４に示される接合部に係る比較例１を説明するための平面図である。 図４に示される接合部に係る比較例２を説明するための平面図である。 本発明の実施の形態に係る高分子電解質膜における第１および第２ガスケットの配置を説明するための断面図であり、第２ガスケットの配置を示している。 図８示される第２ガスケットの配置に続く、高分子電解質膜の配置を説明するための断面図である。 高分子電解質膜の配置に続く、第１ガスケットの配置を説明するための断面図である。 第１ガスケットの配置に続く、スキージによる気泡除去を説明するための平面図である。 第１ガスケットの配置に係る比較例１を説明するための断面図である。 第１ガスケットの配置に係る比較例２を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例を説明するための平面図である。
　以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
　図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池のセル構造を説明するための断面図、図２および図３は、図１に示される高分子電解質膜の外周部の両面に配置される第１および第２ガスケットを説明するための平面図および断面図である。
　図１に示される単セル１０は、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等に適用され、膜電極接合体２０およびセパレータ８０，８５を有する。なお、単セル１０は、スタックして使用する場合は、例えば、冷却板９０をさらに有し、冷却板９０に設けられた溝部９２によって、単セル１０を冷却するための冷媒が流通する冷媒流路が構成される。
　膜電極接合体２０は、高分子電解質膜３０、触媒層３２，３３、ガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｌａｙｅｒ）３５，３６、第１ガスケット４０および第２ガスケット６０を有する。
　触媒層３２は、触媒成分と、触媒成分を担持する導電性の触媒担体と、高分子電解質とを含んでおり、水素の酸化反応が進行するアノード触媒層であり、高分子電解質膜３０の一方の側に配置される。触媒層３３は、触媒成分と、触媒成分を担持する導電性の触媒担体と、高分子電解質とを含んでおり、酸素の還元反応が進行するカソード触媒層であり、高分子電解質膜３０の他方の側に配置される。
　高分子電解質膜３０は、触媒層３２で生成したプロトンを触媒層３３へ選択的に透過させる機能、およびアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。
　ガス拡散層３５は、アノード側に供給される燃料ガスを分散させるためのアノードガス拡散層であり、セパレータ８０と触媒層３２との間に位置している。ガス拡散層３６は、カソード側に供給される酸化剤ガスを分散させるためのカソードガス拡散層であり、セパレータ８５と触媒層３３との間に位置している。
　第１および第２ガスケット４０，６０は、図２および図３に示されるように、枠状であり、高分子電解質膜３０の外周部の両面に配置される。ガスケット４０は、触媒層３２およびガス拡散層３５を包囲するように位置決めされており、触媒層３２に供給される燃料ガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。ガスケット６０は、触媒層３３およびガス拡散層３６を包囲するように位置決めされており、触媒層３３に供給される酸化剤ガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。
　セパレータ８０，８５は、単セル１０を電気的に直列接続する機能、および燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を互いに遮断する隔壁としての機能を有し、膜電極接合体２０と略同一形状であり、例えば、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことで形成される。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。
　セパレータ８０は、膜電極接合体２０のアノード側に配置されるアノードセパレータであり、触媒層３２に相対し、膜電極接合体２０とセパレータ８０との間に位置するガス流路を構成する溝部８２を有する。溝部（ガス流路）８２は、燃料ガスを触媒層３２に供給するために利用される。
　セパレータ８５は、膜電極接合体２０のカソード側に配置されるカソードセパレータであり、触媒層３３に相対し、膜電極接合体２０とセパレータ８５との間に位置するガス流路を構成する溝部８７を有する。溝部（ガス流路）８７は、酸化剤ガスを触媒層３３に供給するために利用される。
　次に、各構成部材の材質およびサイズ等について詳述する。
　高分子電解質膜３０は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン株式会社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）である。多孔質状の膜は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から形成される。
　高分子電解質膜３０の厚みは、特に限定されないが、強度、耐久性および出力特性の観点から５～３００μｍが好ましく、より好ましくは１０～２００μｍである。
　触媒層（カソード触媒層）３５に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。触媒層（アノード触媒層）３４に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。
　具体的な触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、触媒成分は、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード触媒層およびアノード触媒層に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜変更することが可能である。
　触媒層３２，３３に用いられる触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。
　触媒層３２，３３に用いられる高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する物質であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。触媒層３２，３３に用いられる高分子電解質は、高分子電解質膜３０に用いられる高分子電解質と同一であっても異なっていてもよいが、高分子電解質膜３０に対する触媒層３２，３３の密着性を向上させる観点から、同一であることが好ましい。
　ガス拡散層３５，３６は、例えば、グラッシーカーボン等の炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を、基材として構成される。基材の厚さは、特に限定されないが、機械的強度およびガスや水などの透過性の観点から、３０～５００μｍが好ましい。ガス拡散層３５，３６は、撥水性およびフラッディング現象の抑制の観点から、基材に撥水剤を含ませることが好ましい。撥水剤は、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。
　第１および第２ガスケット４０，６０は、例えば、ゴム材料、フッ素系の高分子材料、熱可塑性樹脂から構成される。ゴム材料は、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリイソブチレンゴムなどである。フッ素系の高分子材料は、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、ＦＥＰなどである。熱可塑性樹脂は、ポリオレフィンやポリエステルなどである。ポリエステルは、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）である。第１および第２ガスケット４０，６０の厚さは、特に限定されないが、好ましくは５０μｍ～２ｍｍであり、より好ましくは１００μｍ～１ｍｍである。
　セパレータ８０，８５は、ステンレス鋼鈑から構成する形態に限定されず、その他の金属材料（例えば、アルミニウム板やクラッド材）、緻密カーボングラファイトや炭素板などのカーボンを適用することも可能である。カーボンを適用する場合、溝部８２，８７は、切削加工やスクリーン印刷によって形成することが可能である。
　次に、第１および第２ガスケット４０，６０を詳述する。
　図４および図５は、図２および図３に示される第１および第２ガスケットの貫通孔を説明するための平面図および断面図、図６および図７は、図４に示される接合部に係る比較例１および比較例２を説明するための平面図である。
　第１および第２ガスケット４０，６０は、オーバーラップ部４２，６２および接合部５２，７２を有する。
　オーバーラップ部４２，６２は、高分子電解質膜３０の外周縁３１に位置し、高分子電解質膜３０に対向しており、貫通孔４８，６８が設けられている。接合部５２，７２は、高分子電解質膜３０の外周縁３１の外側に位置しかつ互いに接着しており、貫通孔５８，７８が配置される内側部５４，７４と、内側部５４，７４の外側に位置しかつ貫通孔が配置されていない外側部５６，７６と、を有する。なお、接合部５２，７２は、第１および第２ガスケット４０，６０が高分子電解質膜３０から剥離するのを抑制する機能を有する。
　貫通孔４８，６８および貫通孔５８，７８は、微細であり、高分子電解質膜３０の厚さ方向Ｔに延びており、厚さ方向Ｔと直交する方向に関する影響は抑制されている。オーバーラップ部４２，６２の貫通孔４８，６８の開口率は、接合部５２，７２の貫通孔５８，７８の開口率より大きく設定されている。
　本実施の形態においては、貫通孔の開口率は、貫通孔の孔径（サイズ）を変更することにより、調整している。つまり、オーバーラップ部４２，６２の貫通孔４８，６８の孔径を、接合部５２，７２の貫通孔５８，７８の孔径より大きくしており、これにより、オーバーラップ部４２，６２の貫通孔４８，６８の開口率を、接合部５２，７２の貫通孔５８，７８の開口率より大きくすることを、容易に達成している。
　接合部５２，７２の外側部５６，７６には、貫通孔が配置されていない。そのため、図６の比較例１および図７の比較例２に示されるように、貫通孔１５７を伝ってクラック１７７が生じ拡大したり、外側部１５６，１７６が破断したりすることが防がれる。
　貫通孔の開口率は、剛性の観点から２０％以下であることが好ましく、貫通孔の効果の観点から０．２％以上であることが好ましい。例えば、貫通孔を矩形状に配置した場合、ピッチ間隔を貫通孔の孔径の２倍に設定すると、開口率が約２０％となり、ピッチ間隔を貫通孔の孔径の１０倍に設定すると、開口率が約０．１～１％となり、ピッチ間隔を貫通孔の孔径の１００倍に設定すると、開口率が約０．００１～０．０１％となる。
　貫通孔の孔径が０．１～１０μの場合、ピッチ間隔は孔径の２～１００倍であることが好ましく、貫通孔の孔径が１０～１００μの場合、ピッチ間隔は孔径の２～１０倍であることが好ましい。
　貫通孔の形成方法は、特に限定されず、レーザーや金型等を利用することが可能である。レーザーの場合は、例えば、レーザー出力、スポット径、走査のタイミング等を制御することにより、貫通孔の位置およびサイズが調整される。金型の場合は、例えば、キャビティ面を微細な突起を有する剣山のように構成し、ガスケット素材に押し当てて加熱することで、溶融孔を設けることが可能であり、突起の位置およびサイズ等を変更することにより、貫通孔の位置およびサイズが調整される。
　触媒層３２，３３は、必要に応じて、第１および第２ガスケット４０，６０を配置して貼付けた後に形成したり、高分子電解質膜３０に予め形成しておいたりすることが可能である。ガス拡散層３５，３６は、触媒層３２，３３と一体化して配置したり、例えば、膜電極接合体２０を積層する際に、別途配置したりすることが可能である。
　次に、膜電極接合体における第１および第２ガスケットの配置の際における貫通孔の作用効果を説明する。
　図８、図９、図１０および図１１は、第２ガスケットの配置を説明するための断面図、高分子電解質膜の配置を説明するための断面図、第１ガスケットの配置を説明するための断面図およびスキージによる気泡除去を説明するための平面図、図１２および図１３は、
第１ガスケットの配置に係る比較例１および比較例２を説明するための断面図である。
　高分子電解質膜３０の外周部の両面に第１および第２ガスケット４０，６０を配置する場合、まず、図８に示されるように、第２ガスケット６０が載置台９８に配置される。載置台９８は、多孔質部材から構成され、また、外部の真空源（不図示）に連結されており、配置された物体を吸引可能に構成される。
　そして、図９に示されるように、高分子電解質膜３０が載置台９８に配置されて貼合わせられ、高分子電解質膜３０の外周縁３１が第２ガスケット６０と重なるように位置決めされる。これにより、第２ガスケット６０にオーバーラップ部６２が形成される。この際、高分子電解質膜３０の外周縁３１は、第２ガスケット６０のオーバーラップ部６２に設けられている貫通孔６８を介して載置台９８に吸引されるため、例えば、高分子電解質膜３０の外周縁３１のめくれが抑制される。
　その後、図１０に示されるように、第１ガスケット４０が載置台９８に配置されて貼合わせられ、第１ガスケット４０が高分子電解質膜３０の外周縁３１と重なるように位置決めされる。これにより、第１ガスケット４０にオーバーラップ部６２および接合部５２が形成され、また、第２ガスケット６０に接合部７２が形成される。
　この際、オーバーラップ部４２，６２の貫通孔４８，６８の開口率は、接合部５２，７２の貫通孔５８，７８の開口率より大きく設定されているため、オーバーラップ部４２，６２の貫通孔４８，６８は、高分子電解質膜３０が介在していても、十分な気泡除去機能を発揮する。これにより、高分子電解質膜３０が配置されていない接合部５２，７２の場合と同様に、オーバーラップ部４２，６２と高分子電解質膜３０の外周縁３１とは十分に接着されることとなり、気泡の残留が抑制される。
　したがって、第１および第２ガスケット４０，６０で包囲された領域と、第１および第２ガスケット４０，６０の外側部５６，７６の外周縁の外側に位置する領域とが、残留した気泡によって連通すること（残留した気泡がガスのリーク通路を形成すること）が回避され、また、残留した気泡により形成される凸部が、第１および第２ガスケット４０，６０とセパレータ８０，８５との間の接着部に、隙間を形成して接着部の密着性を低下させることが防止されるため、触媒層３２，３３に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが、外部にリークすることが抑制される。つまり、触媒層に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部リークが抑制された膜電極接合体２０を提供することが可能である。
　一方、図１２に示される比較例１の第１および第２ガスケット１４０，１６０のように、貫通孔が設けられていない場合、高分子電解質膜３０の外周縁３１にめくれが生じ、第１ガスケット１４０を適切に配置して貼付けることが困難である。
　また、図１３に示される比較例２の第１および第２ガスケット１４０Ａ，１６０Ａのように、大径の貫通孔１５８，１７８が一様に設けられている場合、第１ガスケット１４０Ａの上面まで吸引(真空)の影響が及ぶこととなり、高分子電解質膜３０の外周縁３１（第２ガスケット１６０Ａ）に向かって第１ガスケット１４０Ａを正確にリリースすることが困難である。
　必要に応じ、第１ガスケットの配置の後において、スキージによる気泡除去を併用することも可能である。この場合、例えば、図１１に示されるように、載置台９８によって吸引しながら、スキージ９９を移動させることによって、第１および第２ガスケット４０，６０が押圧される。スキージ９９による押圧は、接合部５２，７２の隙間Ｓやオーバーラップ部４２，６２に残留している気泡（噛み込みエア）を、オーバーラップ部４２，６２の貫通孔４８，６８および接合部５２，７２の貫通孔５８，７８を経由して、排出させることとなる。スキージ９９は、プラスチックや金属等から形成される。
　なお、貫通孔４８，５８，６８，７８を有しないガスケットの場合、スキージによる気泡除去は困難である。例えば、ガスケットにスキージを押し当てて加圧し、気泡を押出そうとしても、気泡の形状が横方向に伸びるだけあり、気泡は除去されず、また、伸びた気泡がガスのリーク通路を形成する要因となる。
　図１４は、本発明の実施の形態に係る変形例を説明するための平面図である。
　貫通孔４８，５８，６８，７８の開口率は、貫通孔４８，５８，６８，７８の密度を変更することにより、調整することも可能である。例えば、図１４に示されるように、オーバーラップ部４２，６２の貫通孔４８，６８の密度を、接合部５２，７２の貫通孔５８，７８の密度より大きくすることにより、開口率の調整を容易に達成できる。
　以上のように、本発明の実施の形態においては、第１および第２ガスケットのオーバーラップ部および接合部は、電解質膜の厚さ方向に延びる貫通孔を有するため、第１および第２ガスケットを電解質膜に配置して貼合わせた後、接合部の隙間やオーバーラップ部に残留している気泡を、貫通孔を経由して除去することが可能である。また、この際、オーバーラップ部の貫通孔の開口率は、接合部の貫通孔の開口率より大きいため、オーバーラップ部の貫通孔は、電解質膜の外周縁が介在していても十分な気泡除去機能を発揮する。これにより、高分子電解質膜が配置されていない第１ガスケットの接合部と第２ガスケットの接合部との場合と同様に、オーバーラップ部と電解質膜の外周縁とは十分に接着されることとなり、気泡の残留が抑制される。したがって、触媒層に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部リークが抑制された膜電極接合体を提供することが可能である。
　貫通孔の開口率は、貫通孔のサイズあるいは貫通孔の密度を変更することにより、調整することが可能である。例えば、オーバーラップ部の貫通孔のサイズを接合部の貫通孔のサイズより大きくしたり、オーバーラップ部の貫通孔の密度を接合部の貫通孔の密度より大きくしたりすることにより、オーバーラップ部の貫通孔の開口率を接合部の貫通孔の開口率より大きくすることが、容易に達成される。
　接合部の外側部に貫通孔を配置しない場合、貫通孔を伝ってクラックが拡大したり、外側部が破断したりすることを防ぐことが可能である。
　本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。
　例えば、貫通孔の開口率を、オーバーラップ部の内側から接合部の外側に向かって、順次減少するように構成することも可能である。また、燃料電池は、メタノールを燃料とする固体高分子形燃料電池によって構成したり、定置用電源として適用したりすることも可能である。メタノールを燃料とする固体高分子形燃料電池は、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）やマイクロ燃料電池（パッシブ型ＤＭＦＣ）等である。水素やメタノール以外の燃料としては、エタノール、１－プロパノール、２－プロパノール、第１級ブタノール、第２級ブタノール、第３級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどを適用することも可能である。
　本出願は、２０１２年７月１０日に出願された日本特許出願番号２０１２－１５４９６１号に基づいており、それらの開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。
１０　単セル、
２０　膜電極接合体、
３０　高分子電解質膜、
３１　外周縁、
３２，３３　触媒層、
３５，３６　ガス拡散層、
４０，１４０，１４０Ａ　第１ガスケット、
４２　オーバーラップ部、
４８　貫通孔、
５２　接合部、
５４　内側部、
５６　外側部、
５８　貫通孔、
６０，１６０，１６０Ａ　第２ガスケット、
６２　オーバーラップ部、
６８　貫通孔、
７２　接合部、
７４　内側部、
７６　外側部、
７８　貫通孔、
８０，８５　セパレータ、
８２，８７　溝部、
９０　冷却板、
９２　溝部、
９８　載置台、
９９　スキージ、
１５６，１７６　外側部、
１５７，１５８，１７８　貫通孔、
１７７　クラック、
Ｔ　厚さ方向、
Ｓ　隙間。

Claims (4)

  1. 　電解質膜と、
    　前記電解質膜の両面に配置される枠状の第１および第２ガスケットを有し、
    　前記第１および第２ガスケットは、
    　前記電解質膜の外周縁に位置し、前記電解質膜に対向しているオーバーラップ部と、
    　前記外周縁の外側に位置し、互いに接着している接合部と、を有し、
    　前記オーバーラップ部および前記接合部は、前記電解質膜の厚さ方向に延びる貫通孔を有し、
    　前記オーバーラップ部の貫通孔の開口率は、前記接合部の貫通孔の開口率より大きい、膜電極接合体。
  2. 　前記オーバーラップ部の貫通孔のサイズは、前記接合部の貫通孔のサイズより大きい請求項１に記載の膜電極接合体。
  3. 　前記オーバーラップ部の貫通孔の密度は、前記接合部の貫通孔の密度より大きい請求項１又は請求項２に記載の膜電極接合体。
  4. 　前記接合部は、前記貫通孔が配置される内側部と、前記内側部の外側に位置し、前記貫通孔が配置されていない外側部と、を有する請求項１～３のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
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