JP5399122B2 - Membrane electrode-frame assembly, manufacturing method thereof, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Membrane electrode-frame assembly, manufacturing method thereof, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される高分子電解質形燃料電池、当該燃料電池が備える膜電極−枠接合体及びその製造方法に関し、より詳しくは、前記膜電極−枠接合体の外縁部の構造の改良に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell used as a driving source for a mobile body such as an automobile, a distributed power generation system, a household cogeneration system, a membrane electrode-frame assembly provided in the fuel cell, and the like More specifically, the present invention relates to an improvement in the structure of the outer edge portion of the membrane electrode-frame assembly.

高分子電解質形燃料電池（以下、燃料電池と略す）は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。   A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter abbreviated as a fuel cell) generates electricity and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. It is a device to let you.

燃料電池は、一般的には複数のセルを積層し、それらをボルトなどの締結部材で加圧締結することにより構成されている。１つのセルは、膜電極−枠接合体を一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。膜電極−枠接合体は、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assemblyという）と、ＭＥＡの外縁部を包囲するように配置された枠状部材を備えている。ここでは、前記枠状部材を備えるＭＥＡを膜電極−枠接合体という。   A fuel cell is generally configured by stacking a plurality of cells and pressurizing them with a fastening member such as a bolt. One cell is configured by sandwiching a membrane electrode-frame assembly between a pair of plate-like conductive separators. The membrane electrode-frame assembly includes a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA: Membrane-Electrode-Assembly) and a frame-like member arranged so as to surround the outer edge of the MEA. Here, the MEA including the frame member is referred to as a membrane electrode-frame assembly.

ＭＥＡは、周縁部を前記枠状部材に支持される高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両面に形成され且つ前記枠状部材より内側に配置された一対の電極層によって構成されている。一対の電極層は、高分子電解質膜の両面に形成され、金属触媒をカーボン粉末に坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層と、当該触媒層の上に形成される多孔質で導電性を有するガス拡散層とで構成されている。ガス拡散層は、一般に、炭素繊維からなる基材の表面に、カーボンと撥水材からなるコーティング層を設けて構成されている（例えば、特許文献１：特開２００３−１９７２０２号公報参照）。前記一対の電極層にそれぞれ燃料ガス又は酸化剤ガスが接触することにより、電気化学反応が発生し、電力と熱とが発生する。   The MEA is composed of a polymer electrolyte membrane whose peripheral portion is supported by the frame-shaped member, and a pair of electrode layers formed on both sides of the polymer electrolyte membrane and disposed inside the frame-shaped member. . The pair of electrode layers is formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane, and is composed of a catalyst layer mainly composed of carbon powder having a metal catalyst supported on carbon powder, and a porous and conductive layer formed on the catalyst layer. And a gas diffusion layer having The gas diffusion layer is generally configured by providing a coating layer made of carbon and a water repellent material on the surface of a base material made of carbon fiber (see, for example, Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 2003-197202). When the fuel gas or the oxidant gas comes into contact with the pair of electrode layers, an electrochemical reaction is generated, and electric power and heat are generated.

近年、燃料電池の高効率化の為に、発電を従来よりも高温化して、熱回収温度を高くする検討が行われている。また、システム内の機器を削減する為に、ＭＥＡの電極層に供給する加湿量を従来よりも減らす（低加湿運転）検討が行われている。このような高温・低加湿運転を行う場合、前記構成を有する従来の燃料電池においては、ガス拡散層の炭素繊維基材の多孔度が通常８０％以上と高くなる為に、ガス拡散層内の保水性を十分に高くできず電極層の内部が乾燥し、高分子電解質膜のプロトン伝導抵抗が増加して、電圧が低下するという課題がある。   In recent years, in order to increase the efficiency of fuel cells, studies have been made to increase the heat recovery temperature by increasing the temperature of power generation compared to the prior art. In addition, in order to reduce the number of devices in the system, studies have been made to reduce the amount of humidification supplied to the electrode layer of the MEA as compared with the prior art (low humidification operation). When performing such a high temperature / low humidification operation, in the conventional fuel cell having the above-described configuration, the porosity of the carbon fiber substrate of the gas diffusion layer is usually as high as 80% or more. There is a problem that the water retention cannot be sufficiently increased, the inside of the electrode layer is dried, the proton conduction resistance of the polymer electrolyte membrane is increased, and the voltage is lowered.

このため、ガス拡散層の多孔度を低くすることが求められている。ガス拡散層の多孔度を低くするためには、炭素繊維を基材として用いずにガス拡散層を構成する必要がある。炭素繊維を基材として用いないガス拡散層としては、例えば、特許文献２（特開２００２−１７０５７２号公報）及び特許文献３（特開２００３−１８７８０９号公報）に開示されたものがある。
特開２００３−１９７２０２号公報 特開２００２−１７０５７２号公報 特開２００３−１８７８０９号公報 For this reason, it is required to reduce the porosity of the gas diffusion layer. In order to reduce the porosity of the gas diffusion layer, it is necessary to form the gas diffusion layer without using carbon fiber as a base material. Examples of gas diffusion layers that do not use carbon fiber as a substrate include those disclosed in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-170572) and Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-187809).
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-197202 JP 2002-170572 A Japanese Patent Laid-Open No. 2003-187809

しかしながら、ガス拡散層の多孔度を低くすると、枠状部材がＭＥＡを保持する強度が低くなり、膜電極−枠接合体を空中で保持したときに、ＭＥＡの自重により、枠状部材とＭＥＡとの厚み方向の位置関係にズレが生じる恐れがある。すなわち、枠状部材をＭＥＡの外縁部に設ける際、例えば、樹脂材料を用いて枠状部材を射出成形して、樹脂材料がガス拡散層の外縁部の一部に染み込むようにすると、枠状部材とガス拡散層との接合を強固にすることができるが、ガス拡散層の多孔度が低いと、樹脂材料が染み込みにくくなり、枠状部材とガス拡散層との接合が弱くなる。これにより、枠状部材とＭＥＡとの位置関係にズレが生じると、燃料電池の製造工程において、膜電極−枠接合体のハンドリング性が悪化し、生産性の低下に繋がる恐れがある。   However, if the porosity of the gas diffusion layer is lowered, the strength of the frame-shaped member holding the MEA is reduced, and when the membrane electrode-frame assembly is held in the air, the frame-shaped member and the MEA There is a possibility that the positional relationship in the thickness direction will be shifted. That is, when the frame-shaped member is provided on the outer edge portion of the MEA, for example, when the frame-shaped member is injection-molded using a resin material so that the resin material penetrates into a part of the outer edge portion of the gas diffusion layer, The bonding between the member and the gas diffusion layer can be strengthened, but if the porosity of the gas diffusion layer is low, the resin material is less likely to permeate and the bonding between the frame-shaped member and the gas diffusion layer is weakened. As a result, when the positional relationship between the frame-shaped member and the MEA is shifted, the handling property of the membrane electrode-frame assembly is deteriorated in the fuel cell manufacturing process, which may lead to a decrease in productivity.

従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、枠状部材が膜電極接合体を保持する強度を向上させることができる膜電極−枠接合体及びその製造方法、並びに高分子電解質形燃料電池を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problem, and a membrane electrode-frame assembly, a manufacturing method thereof, and a polymer capable of improving the strength with which the frame-shaped member holds the membrane electrode assembly. The object is to provide an electrolyte fuel cell.

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向する一対のガス拡散層と、
樹脂材料で構成され、前記一対のガス拡散層のそれぞれの外縁部を包囲するように配置された枠体と、を有し、
前記一対のガス拡散層は、同一形状で且つそれぞれの外縁部が凹凸形状に形成されるとともに、当該一対のガス拡散層の凹凸形状の外縁部が厚み方向から見て一致するように配置され、
前記枠状部材は前記凹凸形状の外縁部に隙間無く嵌合している、膜電極−枠接合体を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
According to a first aspect of the present invention, a polymer electrolyte membrane;
A pair of catalyst layers facing each other across the polymer electrolyte membrane;
A pair of gas diffusion layers facing each other across the polymer electrolyte membrane and the pair of catalyst layers;
A frame body made of a resin material and arranged to surround each outer edge of the pair of gas diffusion layers,
The pair of gas diffusion layers, Rutotomoni is formed and each of the outer edges unevenness in the same shape, the outer edge portion of the uneven shape of the pair of gas diffusion layers is arranged to coincide when viewed from the thickness direction,
The frame-shaped member provides a membrane electrode-frame assembly that is fitted to the outer peripheral portion of the concavo-convex shape without a gap .

本発明の第２態様によれば、前記凹凸形状の外縁部の一部には、前記枠状部材を構成する樹脂材料が染み込んでいる、第１態様に記載の膜電極−枠接合体を提供する。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the membrane electrode-frame assembly according to the first aspect, wherein a resin material constituting the frame-shaped member is infiltrated into a part of the outer edge of the concavo-convex shape. To do.

本発明の第３態様によれば、前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成されている、第１又は２態様に記載の膜電極−枠接合体を提供する。   According to a third aspect of the present invention, the gas diffusion layer is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and the membrane electrode-frame according to the first or second aspect. Provide a joined body.

ここで、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材とすることなく、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される構造（いわゆる自己支持体構造）を持つ多孔質部材を意味する。導電性粒子と高分子樹脂とで多孔質部材を製造する場合、例えば、後述するように界面活性剤と分散溶媒とを用いる。この場合、製造工程中に、焼成により界面活性剤と分散溶媒とを除去するが、十分に除去できずにそれらが多孔質部材中に残留することが有り得る。従って、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される構造である限り、そのようにして残留した界面活性剤と分散溶媒が多孔質部材に含まれてもよいことを意味する。また、本発明の目的を達成できる範囲内であれば、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒以外の材料（例えば、短繊維の炭素繊維など）が多孔質部材に含まれてもよいことも意味する。   Here, the “porous member mainly composed of conductive particles and polymer resin” means a structure (so-called self-supporting structure) that is supported only by conductive particles and polymer resin without using carbon fiber as a base material. It means a porous member having a support structure. When producing a porous member with conductive particles and a polymer resin, for example, a surfactant and a dispersion solvent are used as described later. In this case, during the production process, the surfactant and the dispersion solvent are removed by firing, but they may not be sufficiently removed and may remain in the porous member. Therefore, “a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin” means that the surface active agent remaining in such a manner is used as long as the structure is supported only by the conductive particles and the polymer resin. It means that a dispersion solvent may be contained in the porous member. In addition, within the range in which the object of the present invention can be achieved, the porous member includes materials other than the conductive particles, the polymer resin, the surfactant, and the dispersion solvent (for example, short-fiber carbon fibers). It also means good.

本発明の第４態様によれば、前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とし、前記高分子樹脂よりも少ない重量の炭素繊維が添加された多孔質部材で構成されている、第１又は２態様に記載の膜電極−枠接合体を提供する。   According to the fourth aspect of the present invention, the gas diffusion layer is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, to which carbon fibers having a weight less than that of the polymer resin are added. The membrane electrode-frame assembly according to the first or second aspect is provided.

ここで、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とし、前記高分子樹脂よりも少ない重量の炭素繊維が添加された多孔質部材」とは、炭素繊維を基材とすることなく、導電性粒子と高分子樹脂と炭素繊維のみで支持される構造（いわゆる自己支持体構造）を持つ多孔質部材を意味する。導電性粒子と高分子樹脂と炭素繊維とで多孔質部材を製造する場合、例えば、後述するように界面活性剤と分散溶媒とを用いる。この場合、製造工程中に、焼成により界面活性剤と分散溶媒とを除去するが、十分に除去できずにそれらが多孔質部材中に残留することが有り得る。従って、導電性粒子と高分子樹脂と炭素繊維のみで支持される構造である限り、そのようにして残留した界面活性剤と分散溶媒が多孔質部材に含まれてもよいことを意味する。また、本発明の目的を達成できる範囲内の量であれば、導電性粒子と高分子樹脂と炭素繊維と界面活性剤と分散溶媒以外の材料が多孔質部材に含まれてもよいことも意味する。   Here, “a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin and to which carbon fiber having a weight less than that of the polymer resin is added” refers to a conductive material without using carbon fiber as a base material. This means a porous member having a structure (so-called self-supporting structure) supported only by conductive particles, a polymer resin, and carbon fibers. When producing a porous member with conductive particles, a polymer resin, and carbon fiber, for example, a surfactant and a dispersion solvent are used as described later. In this case, during the production process, the surfactant and the dispersion solvent are removed by firing, but they may not be sufficiently removed and may remain in the porous member. Therefore, as long as the structure is supported only by the conductive particles, the polymer resin, and the carbon fiber, it means that the surfactant and the dispersion solvent remaining in this manner may be contained in the porous member. In addition, it is also meant that the porous member may contain materials other than the conductive particles, the polymer resin, the carbon fiber, the surfactant, and the dispersion solvent as long as the amount can achieve the object of the present invention. To do.

本発明の第５態様によれば、前記高分子電解質膜は、前記一対のガス拡散層と同一形状に形成され、その外縁部が厚み方向から見て前記一対のガス拡散層の外縁部と一致するように配置されている、第１〜４態様のいずれか１つに記載の膜電極−枠接合体を提供する。 According to the fifth aspect of the present invention, the polymer electrolyte membrane is formed in the same shape as the pair of gas diffusion layers, and the outer edge portion thereof coincides with the outer edge portions of the pair of gas diffusion layers when viewed in the thickness direction. The membrane electrode-frame assembly according to any one of the first to fourth aspects is provided.

本発明の第６態様によれば、前記高分子電解質膜は、前記一対のガス拡散層の外縁部よりも外側に突出するように前記一対のガス拡散層よりもサイズが大きく形成され、
前記枠状部材は、前記高分子電解質膜の外縁部の両面を挟持する、第１〜４態様のいずれか１つに記載の膜電極−枠接合体を提供する。 According to the sixth aspect of the present invention, the polymer electrolyte membrane is formed larger in size than the pair of gas diffusion layers so as to protrude outward from the outer edges of the pair of gas diffusion layers,
The frame-shaped member provides the membrane electrode -frame assembly according to any one of the first to fourth aspects, which sandwiches both surfaces of the outer edge portion of the polymer electrolyte membrane.

本発明の第７態様によれば、第１〜６態様のいずれか１つに記載の膜電極−枠接合体と、
前記膜電極−枠接合体を挟んで対向するように配置されたセパレータと、
を有する、高分子電解質形燃料電池を提供する。 According to a seventh aspect of the present invention, the membrane electrode-frame assembly according to any one of the first to sixth aspects;
A separator disposed so as to oppose the membrane electrode-frame assembly, and
A polymer electrolyte fuel cell is provided.

本発明の第８態様によれば、高分子電解質膜を挟んで互いに対向するように一対の触媒層を配置し、前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向するように一対のガス拡散層を配置し、前記一対のガス拡散層のそれぞれの外縁部を包囲するように樹脂製の枠状部材を配置した膜電極−枠接合体の製造方法であって、
前記一対のガス拡散層を同一形状で且つそれぞれの外縁部を凹凸形状に形成するとともに、前記一対のガス拡散層の凹凸形状の外縁部が厚み方向から見て一致するように配置し、当該凹凸形状の外縁部に前記枠状部材を隙間無く嵌合させることを含む、膜電極−枠接合体の製造方法を提供する。 According to the eighth aspect of the present invention, a pair of catalyst layers are arranged so as to face each other across the polymer electrolyte membrane, and a pair so as to face each other across the polymer electrolyte membrane and the pair of catalyst layers. A membrane electrode-frame assembly, in which a resin frame-like member is arranged so as to surround each outer edge of the pair of gas diffusion layers,
The pair of gas diffusion layers are formed in the same shape and the outer edge portions thereof are formed in an uneven shape, and the uneven edge portions of the pair of gas diffusion layers are arranged so as to coincide with each other when viewed in the thickness direction. Provided is a method for producing a membrane electrode-frame assembly, which comprises fitting the frame-shaped member to an outer edge of a shape without a gap .

本発明の第９態様によれば、前記枠状部材は、前記凹凸形状の外縁部の一部に前記樹脂材料が染み込むように射出成形することにより形成する、第８態様に記載の膜電極−枠接合体の製造方法を提供する。 According to a ninth aspect of the present invention, the frame-like member is formed by the resin material in a portion of the outer edge portion of the uneven shape is injection molded as soak, film electrode according to an eighth aspect - A method for manufacturing a frame joined body is provided.

本発明の第１０態様によれば、前記ガス拡散層は、
導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混練し、
前記混練して得た混練物を圧延してシート状に成形し、
前記シート状に成形した混練物を焼成して前記混練物中から前記界面活性剤と分散溶媒とを除去し、
前記界面活性剤と前記分散溶媒とを除去した混練物を再圧延して厚さを調整する、
ことにより形成する、第８又は９態様に記載の膜電極−枠接合体の製造方法を提供する。 According to a tenth aspect of the present invention, the gas diffusion layer comprises:
Conductive particles and polymer resin, a surfactant and a dispersing solvent mixed kneaded,
Formed into a sheet by rolling the mixed kneaded product obtained by the mixed paste,
Wherein firing the sheet-like mixed kneaded product was molded into a removal of the dispersing solvent and the surfactant from the mixed paste material in,
Adjusting the thickness by re-rolling the blend kneaded product was removed and the dispersion solvent and the surfactant,
The manufacturing method of the membrane electrode-frame assembly as described in the 8th or 9th aspect formed by this is provided.

本発明の第１１態様によれば、前記ガス拡散層は、
導電性粒子と高分子樹脂と炭素繊維と界面活性剤と分散溶媒とを混練し、
前記混練して得た混練物を圧延してシート状に成形し、
前記シート状に成形した混練物を焼成して前記混練物中から前記界面活性剤と分散溶媒とを除去し、
前記界面活性剤と前記分散溶媒とを除去した混練物を再圧延して厚さを調整する、
ことにより形成する、第８又は９態様に記載の膜電極−枠接合体の製造方法を提供する。

According to an eleventh aspect of the present invention, the gas diffusion layer comprises:
Kneading the conductive particles, polymer resin, carbon fiber, surfactant and dispersion solvent,
Formed into a sheet by rolling a kneaded product obtained by the mixed paste,
Wherein firing the sheet-like mixed kneaded product was molded into a removal of the dispersing solvent and the surfactant from the mixed paste material in,
Adjusting the thickness by re-rolling the blend kneaded product was removed and the dispersion solvent and the surfactant,
The manufacturing method of the membrane electrode-frame assembly as described in the 8th or 9th aspect formed by this is provided.

本発明の第１２態様によれば、前記高分子電解質膜の両面に前記触媒層及び前記ガス拡散層を積層したのち、その外縁部を前記凹凸形状に打ち抜いて、前記一対のガス拡散層の外縁部と前記高分子電解質膜の外縁部とを厚み方向から見て一致させる、第８〜１１態様のいずれか１つに記載の膜電極−枠接合体の製造方法を提供する。 According to the twelfth aspect of the present invention, after laminating the catalyst layer and the gas diffusion layer on both surfaces of the polymer electrolyte membrane, the outer edge portion is punched into the concavo-convex shape, and the outer edges of the pair of gas diffusion layers The method for producing a membrane electrode-frame assembly according to any one of the eighth to eleventh aspects is provided, in which the portion and the outer edge portion of the polymer electrolyte membrane are matched when viewed from the thickness direction.

本発明の第１３態様によれば、前記一対のガス拡散層の外縁部よりも外側に突出するように前記一対のガス拡散層よりもサイズを大きく形成し、
前記枠状部材は、前記高分子電解質膜の外縁部の両面を挟持するように配置する、第８〜１１態様のいずれか１つに記載の膜電極−枠接合体の製造方法を提供する。

According to the thirteenth aspect of the present invention, the size is formed larger than the pair of gas diffusion layers so as to protrude outward from the outer edge portions of the pair of gas diffusion layers,
The said frame-shaped member provides the manufacturing method of the membrane electrode -frame assembly as described in any one of the 8th-11th aspects arrange | positioned so that both surfaces of the outer edge part of the said polymer electrolyte membrane may be clamped.

本発明の膜電極−枠接合体によれば、前記一対のガス拡散層のうちの少なくとも一方の外縁部が凹凸形状に形成され、前記枠状部材が前記凹凸形状の外縁部に嵌合しているので、ガス拡散層と枠状部材との接触面積を増加させることができる。これにより、枠状部材が膜電極接合体を保持する強度を向上させることができる。   According to the membrane electrode-frame assembly of the present invention, at least one outer edge portion of the pair of gas diffusion layers is formed in a concavo-convex shape, and the frame member is fitted to the concavo-convex outer edge portion. Therefore, the contact area between the gas diffusion layer and the frame member can be increased. Thereby, the intensity | strength which a frame-shaped member hold | maintains a membrane electrode assembly can be improved.

本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
以下、本発明の最良の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Before continuing the description of the present invention, the same parts are denoted by the same reference numerals in the accompanying drawings.
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

《第１実施形態》
以下、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池について説明する。本実施形態にかかる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。 << First Embodiment >>
Hereinafter, the fuel cell according to the first embodiment of the present invention will be described. The fuel cell according to the present embodiment is an apparatus that simultaneously generates electric power and heat by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air.

図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の基本構成を示す模式断面図である。
図１に示すように、本第１実施形態にかかる燃料電池は、膜電極−枠接合体１と、膜電極−枠接合体１の両面に配置された一対の板状の導電性のセパレータ２，２とを有するセル（単電池）３を備えている。なお、本第１実施形態にかかる燃料電池は、このセル３を複数個積層して構成されてもよい。この場合、互いに積層されたセル３は、燃料ガス及び酸化剤ガスがリークしないように且つ接触抵抗を減らすために、ボルトなどの締結部材（図示せず）により所定の締結圧にて加圧締結されることが好ましい。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a basic configuration of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the fuel cell according to the first embodiment includes a membrane electrode-frame assembly 1 and a pair of plate-like conductive separators 2 arranged on both surfaces of the membrane electrode-frame assembly 1. , 2, a cell (single cell) 3 is provided. Note that the fuel cell according to the first embodiment may be configured by stacking a plurality of the cells 3. In this case, the stacked cells 3 are fastened with a predetermined fastening pressure by a fastening member (not shown) such as a bolt so that the fuel gas and the oxidant gas do not leak and the contact resistance is reduced. It is preferred that

膜電極−枠接合体１は、ＭＥＡ（膜電極接合体）１０と、ＭＥＡ１０の外縁部を包囲するように配置された樹脂製の枠状部材１５とを有している。ＭＥＡ１０は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１と、当該高分子電解質膜１１の両面に形成された一対の電極層１２とを備えている。一対の電極層１２の一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。一対の電極層１２，１２は、高分子電解質膜１１の両面に形成され、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層１３と、当該触媒層１３上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つガス拡散層１４とを有している。ガス拡散層１４は、後で詳しく説明するように、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成されている。なお、図１では、触媒層１３は、ガス拡散層１４と同じサイズであるように示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、触媒層１３は、高分子電解質膜１１と同じサイズであってもよい。   The membrane electrode-frame assembly 1 has an MEA (membrane electrode assembly) 10 and a resin-made frame-like member 15 arranged so as to surround the outer edge portion of the MEA 10. The MEA 10 includes a polymer electrolyte membrane 11 that selectively transports hydrogen ions and a pair of electrode layers 12 formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 11. One of the pair of electrode layers 12 is an anode electrode, and the other is a cathode electrode. The pair of electrode layers 12, 12 are formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 11, and are formed on the catalyst layer 13, which is mainly composed of carbon powder carrying a white metal catalyst, and on the catalyst layer 13. It has a gas diffusion layer 14 having both action, gas permeability and water repellency. As will be described in detail later, the gas diffusion layer 14 is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. In FIG. 1, the catalyst layer 13 is shown to have the same size as the gas diffusion layer 14, but the present invention is not limited to this. For example, the catalyst layer 13 may be the same size as the polymer electrolyte membrane 11.

図２は、膜電極−枠接合体の平面図であり、図３は、ＭＥＡの外縁部の構成を模式的に示す斜視図であり、図４は、ＭＥＡの外縁部の拡大平面図である。なお、図３及び図４においては、便宜上、触媒層１３の図示を省略している。   FIG. 2 is a plan view of the membrane electrode-frame assembly, FIG. 3 is a perspective view schematically showing the configuration of the outer edge portion of the MEA, and FIG. 4 is an enlarged plan view of the outer edge portion of the MEA. . 3 and 4, the catalyst layer 13 is not shown for convenience.

一対のガス拡散層１４，１４のうちの少なくとも一方は、外縁部１４Ａが凹凸形状に形成されている。この外縁部１４Ａの凹凸形状は、凸部の配置ピッチＰに対する凸部の長さＴの割合（Ｐ／Ｔ）が０．１〜５．０であることが好ましい。凹部及び凸部の幅寸法は、例えば２ｍｍであり、凸部の長さＴは、例えば３ｍｍである。外縁部１４Ａの凹凸形状は、例えば、当該凹凸形状に合わせた環状（又は枠状）のカッターを用いて形成することが可能である。また、外縁部１４Ａの凹凸形状は、これに代えて、凹凸形状のカッターを用いてガス拡散層１４の各辺を複数回切断することでも形成可能である。   At least one of the pair of gas diffusion layers 14 and 14 has an outer edge portion 14A formed in an uneven shape. In the uneven shape of the outer edge portion 14A, the ratio (P / T) of the length T of the convex portion to the arrangement pitch P of the convex portion is preferably 0.1 to 5.0. The width dimension of the concave portion and the convex portion is, for example, 2 mm, and the length T of the convex portion is, for example, 3 mm. The uneven shape of the outer edge portion 14A can be formed using, for example, an annular (or frame-shaped) cutter that matches the uneven shape. Alternatively, the uneven shape of the outer edge portion 14A can be formed by cutting each side of the gas diffusion layer 14 a plurality of times by using an uneven shape cutter instead.

枠状部材１５は、図２に示すように、凹凸形状の外縁部１４Ａに嵌合、好ましくは隙間無く嵌合している。すなわち、枠状部材１５の内縁部は、凹凸形状に形成されている。また、枠状部材１５は、射出成形により形成されている。これにより、枠状部材１５に隣接するガス拡散層１４の外縁部１４Ａの一部には、枠状部材１５を構成する樹脂材料が染み込んだ染み込み部分１６が形成されている。枠状部材１５は、ＭＥＡ１０を保持する、いわゆる枠体であってもよいし、電気化学反応に必要なガスが外部に漏れるのを防ぐために枠体の表面に形成する、いわゆるガスケットであってもよい。すなわち、枠状部材１５は、ガス拡散層１４に隣接する部材であり且つ樹脂材料で構成される部材であればよい。   As shown in FIG. 2, the frame-like member 15 is fitted into the concavo-convex outer edge portion 14 </ b> A, preferably fitted without a gap. That is, the inner edge portion of the frame-like member 15 is formed in an uneven shape. The frame-like member 15 is formed by injection molding. Thus, a part 16 of the outer edge portion 14A of the gas diffusion layer 14 adjacent to the frame member 15 is formed with a soaked portion 16 soaked with the resin material constituting the frame member 15. The frame-like member 15 may be a so-called frame body that holds the MEA 10 or may be a so-called gasket that is formed on the surface of the frame body to prevent the gas necessary for the electrochemical reaction from leaking to the outside. Good. That is, the frame-like member 15 may be a member that is a member adjacent to the gas diffusion layer 14 and made of a resin material.

一対のセパレータ２，２のうちの一方には、ガス拡散層１４（アノード電極側）と当接する主面に、燃料ガスを流すための燃料ガス流路溝２１が設けられている。一対のセパレータ２，２のうちの他方には、ガス拡散層１４（カソード電極側）と当接する主面に、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路溝２２が設けられている。なお、一対のセパレータ２，２には、冷却水などが通る冷却水流路溝（図示せず）が設けられてもよい。当該各ガス流路溝２１，２２を通じて一対の電極層１２，１２にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。なお、数十から数百ｍＡ／ｃｍ２の実用電流密度通電時においては、一つのセル３につき０．７〜０．８Ｖ程度の起電力を発生させることができる。 One of the pair of separators 2 and 2 is provided with a fuel gas flow channel 21 for flowing a fuel gas on a main surface in contact with the gas diffusion layer 14 (anode electrode side). The other of the pair of separators 2 and 2 is provided with an oxidant gas flow path groove 22 for flowing an oxidant gas on the main surface in contact with the gas diffusion layer 14 (cathode electrode side). The pair of separators 2 and 2 may be provided with a cooling water passage groove (not shown) through which cooling water or the like passes. By supplying fuel gas and oxidant gas to the pair of electrode layers 12 and 12 through the gas flow channel grooves 21 and 22, respectively, an electrochemical reaction occurs, and electric power and heat are generated. It should be noted that an electromotive force of about 0.7 to 0.8 V can be generated per cell 3 when a practical current density of tens to hundreds of mA / cm 2 is applied.

次に、高分子電解質膜１１、触媒層１３、ガス拡散層１４、及び枠状部材１５の構成、材質、形成方法などについてさらに詳しく説明する。   Next, the configuration, material, formation method, and the like of the polymer electrolyte membrane 11, the catalyst layer 13, the gas diffusion layer 14, and the frame member 15 will be described in more detail.

まず、高分子電解質膜１１について説明する。
本第１実施形態にかかる高分子電解質膜１１としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（例えば、米国DuPont社製のNafion（登録商標）、旭化成（株）製のAciplex（登録商標）、ジャパンゴアテックス（株）製のゴアセレクト（登録商標）など）を使用することができる。 First, the polymer electrolyte membrane 11 will be described.
Examples of the polymer electrolyte membrane 11 according to the first embodiment include a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont of the United States, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation). Trademark) and Gore Select (registered trademark) manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd. can be used.

高分子電解質膜１１を構成する高分子電解質としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、又はスルホンイミド基を有するものが好ましい。なお、それらのうちスルホン酸基を有する高分子電解質が、水素イオン伝導性の観点からさらに好ましい。このスルホン酸基を有する高分子電解質は、イオン交換容量が０．５〜１．５ｍｅｑ／ｇであることが好ましい。前記イオン交換容量が０．５ｍｅｑ／ｇ以上であると、得られた触媒層１３の抵抗値が発電時に上昇する恐れがない。一方、前記イオン交換容量が１．５ｍｅｑ／ｇ以下であると、得られた触媒層１３の含水率が増大せず、膨潤し易くならず、細孔が閉塞する恐れが無い。なお、前記イオン交換容量は、０．８〜１．２ｍｅｑ／ｇであることがさらに好ましい。   The polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane 11 preferably has a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, or a sulfonimide group as a cation exchange group. Of these, a polymer electrolyte having a sulfonic acid group is more preferable from the viewpoint of hydrogen ion conductivity. The polymer electrolyte having a sulfonic acid group preferably has an ion exchange capacity of 0.5 to 1.5 meq / g. When the ion exchange capacity is 0.5 meq / g or more, there is no fear that the resistance value of the obtained catalyst layer 13 increases during power generation. On the other hand, when the ion exchange capacity is 1.5 meq / g or less, the water content of the obtained catalyst layer 13 does not increase, it does not easily swell, and there is no possibility of clogging the pores. The ion exchange capacity is more preferably 0.8 to 1.2 meq / g.

また、高分子電解質膜１１を構成する高分子電解質は、ＣＦ２＝ＣＦ−(ＯＣＦ２ＣＦＸ)ｍ−ＯＰ−(ＣＦ２)ｎ−ＳＯ３Ｈ（ｍは０〜３の整数を示し、ｎは１〜１２の整数を示し、ｐは０又は１を示し、Ｘはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。）で表されるパーフルオロビニル化合物に基づく重合単位と、ＣＦ２＝ＣＦ２で表されるテトラフルオロエチレンに基づく重合単位とを含むパーフルオロカーボン共重合体であることが好ましい。なお、前記フルオロカーボン重合体は、例えばエーテル結合性の酸素原子などを含んでもよい。 The polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane 11, CF 2 = CF- (OCF 2 CFX) m -O P - (CF 2) n-SO 3 H (m is an integer of 0 to 3, n represents an integer of 1 to 12, p represents 0 or 1, X represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group, and a polymer unit based on a perfluorovinyl compound represented by CF 2 = CF 2 It is preferable that it is a perfluorocarbon copolymer containing the polymerization unit based on the tetrafluoroethylene represented by these. The fluorocarbon polymer may contain, for example, an etheric oxygen atom.

前記パーフルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式（１）〜（３）で表される化合物が挙げられる。但し、下記式中、ｑは１〜８の整数、ｒは１〜８の整数、ｔは１〜３の整数を示す。   Preferable examples of the perfluorovinyl compound include compounds represented by the following formulas (1) to (3). However, in the following formula, q represents an integer of 1 to 8, r represents an integer of 1 to 8, and t represents an integer of 1 to 3.

ＣＦ２＝ＣＦＯ（ＣＦ２）ｑ−ＳＯ３Ｈ ・・・（１）
ＣＦ２＝ＣＦＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）Ｏ（ＣＦ２）ｒ−ＳＯ３Ｈ ・・・（２）
ＣＦ２＝ＣＦ（ＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３））ｔＯ（ＣＦ２）２−ＳＯ３ ・・・（３） CF 2 = CFO (CF 2) q -SO 3 H ··· (1)
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) r-SO 3 H ··· (2)
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) t O (CF 2) 2 -SO 3 ··· (3)

また、高分子電解質膜１１を構成する高分子電解質は、一種又は複数種の高分子電解質で構成されてもよく、また、内部に補強体（充填材）を含んでもよい。前記補強体の配置（例えば疎密の程度、規則性など）は特に限定されない。前記補強体を構成する材料としては、例えばポリテトラフルオルエチレン、ポリフルオロアルコキシエチレン、又はポリフェニルスルフィドなどを使用することができる。前記補強体の形状としては、例えば、多孔体状の補強体、並びにフィブリル状、繊維状、及び球状の補強体粒子などが挙げられる。   Moreover, the polymer electrolyte which comprises the polymer electrolyte membrane 11 may be comprised by 1 type or multiple types of polymer electrolyte, and may also contain a reinforcement body (filler) inside. The arrangement of the reinforcing bodies (for example, the degree of density or regularity) is not particularly limited. As a material constituting the reinforcing body, for example, polytetrafluoroethylene, polyfluoroalkoxyethylene, or polyphenyl sulfide can be used. Examples of the shape of the reinforcing body include a porous reinforcing body and fibril, fibrous, and spherical reinforcing body particles.

次に、触媒層１３について説明する。
触媒層１３は、電極触媒（例えば白金系の金属触媒）をカーボン粉末に担持させて得られる触媒担持カーボンと、当該触媒担持カーボンに付着させる水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを備えている。 Next, the catalyst layer 13 will be described.
The catalyst layer 13 includes a catalyst-supported carbon obtained by supporting an electrode catalyst (for example, a platinum-based metal catalyst) on carbon powder, and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity to be attached to the catalyst-supported carbon. .

触媒層１３における担体であるカーボン粉末（導電性カーボン粒子）としては、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料であることが好ましい。当該カーボン材料としては、例えば、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、及びカーボンチューブなどを使用することができる。前記カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、及びアセチレンブラックなどが挙げられる。また、前記活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理及び賦活処理することによって得ることができる。   The carbon powder (conductive carbon particles) which is a carrier in the catalyst layer 13 is preferably a carbon material having conductive fine pores. As the carbon material, for example, carbon black, activated carbon, carbon fiber, carbon tube, and the like can be used. Examples of the carbon black include channel black, furnace black, thermal black, and acetylene black. Moreover, the activated carbon can be obtained by carbonizing and activating materials containing various carbon atoms.

前記カーボン粉末の比表面積は５０〜１５００ｍ２／ｇであることが好ましい。カーボン粉末の比表面積が５０ｍ２／ｇ以上であると、電極触媒の担持率を向上させ易く、カソード側触媒層及びアノード側触媒層の出力特性が低下する恐れがない。一方、カーボン粉末の比表面積が１５００ｍ２／ｇ以下であると、細孔が微細過ぎずに前記高分子電解質による被覆がより容易となる。このため、触媒層１３の出力特性が低下する恐れがない。なお、カーボン粉末の比表面積は、２００〜９００ｍ２／ｇであることがさらに好ましい。 The carbon powder preferably has a specific surface area of 50 to 1500 m 2 / g. When the specific surface area of the carbon powder is 50 m 2 / g or more, the loading ratio of the electrode catalyst is easily improved, and there is no fear that the output characteristics of the cathode side catalyst layer and the anode side catalyst layer are deteriorated. On the other hand, when the specific surface area of the carbon powder is 1500 m 2 / g or less, the pores are not too fine and the coating with the polymer electrolyte becomes easier. For this reason, there is no possibility that the output characteristics of the catalyst layer 13 will deteriorate. In addition, it is more preferable that the specific surface area of carbon powder is 200-900 m < 2 > / g.

触媒層１３を構成する電極触媒としては、白金又は白金合金を用いることが好ましい。白金合金は、白金以外の白金族の金属（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム）、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛、及びスズからなる群より選択される１種以上の金属と、白金との合金であることが好ましい。また、前記白金合金には、白金と前記金属との金属間化合物が含有されてもよい。   As an electrode catalyst constituting the catalyst layer 13, platinum or a platinum alloy is preferably used. Platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), iron, titanium, gold, silver, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, rhenium, zinc, and tin. An alloy of one or more metals selected from the group and platinum is preferable. The platinum alloy may contain an intermetallic compound of platinum and the metal.

また、触媒層１３を構成する電極触媒は、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒とを混合したものであってもよい。さらに、触媒層１３を構成する電極触媒として、アノード側とカソード側とに、同じ電極触媒を用いても、異なる電極触媒を用いてもよい。   The electrode catalyst constituting the catalyst layer 13 may be a mixture of an electrode catalyst made of platinum and an electrode catalyst made of a platinum alloy. Further, as the electrode catalyst constituting the catalyst layer 13, the same electrode catalyst or different electrode catalysts may be used on the anode side and the cathode side.

また、触媒層１３を構成する電極触媒の一次粒子径は、触媒層１３を高活性とするために、１〜２０ｎｍであることが好ましい。なお、前記一次粒子径は、反応活性を増大させるために総表面積を大きく確保することが可能であるという観点から、２〜１０ｎｍであることがさらに好ましい。   The primary particle diameter of the electrode catalyst constituting the catalyst layer 13 is preferably 1 to 20 nm in order to make the catalyst layer 13 highly active. The primary particle size is more preferably 2 to 10 nm from the viewpoint that a large total surface area can be secured in order to increase the reaction activity.

前記触媒担持カーボンの触媒担持率（触媒担持カーボンの全質量に対する、担持されている電極触媒の質量の割合）は、２０〜８０質量％であることが好ましい。前記触媒担持率が２０質量％以上であると、必要な電池出力をより確実に得ることができる。一方、前記触媒担持率が８０質量％以下であると、前記電極触媒の粒子を分散性良く前記カーボン粉末に担持させることができる。これにより、触媒有効面積をより増大させることができる。なお、前記触媒担持率は、４０〜６０質量％であることがさらに好ましい。   The catalyst supporting rate of the catalyst supporting carbon (ratio of the mass of the supported electrode catalyst to the total mass of the catalyst supporting carbon) is preferably 20 to 80% by mass. When the catalyst loading is 20% by mass or more, the required battery output can be obtained more reliably. On the other hand, when the catalyst supporting rate is 80% by mass or less, the electrode catalyst particles can be supported on the carbon powder with good dispersibility. Thereby, a catalyst effective area can be increased more. The catalyst loading is more preferably 40 to 60% by mass.

触媒層１３を構成する高分子電解質は、高分子電解質膜１１を構成する高分子電解質と同じ種類のものであっても、異なる種類のものであってもよい。例えば、触媒層１３を構成する高分子電解質として、米国DuPont社製のNafion（登録商標）、旭硝子（株）製のFlemion（登録商標）、旭化成（株）製のAciplex（登録商標）等の市販品が使用されてもよい。   The polymer electrolyte constituting the catalyst layer 13 may be the same type as the polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane 11 or may be a different type. For example, commercially available Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd. Goods may be used.

また、触媒層１３を構成する高分子電解質は、触媒担持カーボン粒子を被覆し、かつ、３次元的に水素イオン伝導経路を確保するために、前記触媒担持カーボンの質量に比例して添加されることが望ましい。具体的には、触媒層１３を構成する高分子電解質の質量は、前記触媒担持カーボンの質量の０．２倍〜２．０倍であることが好ましい。触媒層１３を構成する高分子電解質の質量が前記触媒担持カーボンの質量の０．２倍以上であると、十分な水素イオン伝導性が確保できる。一方、触媒層１３を構成する高分子電解質の質量が前記触媒担持カーボンの質量の２．０倍以下であると、フラッディングの回避が可能となり、より高い電池出力を実現することができる。   The polymer electrolyte constituting the catalyst layer 13 is added in proportion to the mass of the catalyst-carrying carbon in order to cover the catalyst-carrying carbon particles and secure a three-dimensional hydrogen ion conduction path. It is desirable. Specifically, the mass of the polymer electrolyte constituting the catalyst layer 13 is preferably 0.2 to 2.0 times the mass of the catalyst-supporting carbon. When the mass of the polymer electrolyte composing the catalyst layer 13 is 0.2 times or more of the mass of the catalyst-supporting carbon, sufficient hydrogen ion conductivity can be ensured. On the other hand, when the mass of the polymer electrolyte constituting the catalyst layer 13 is 2.0 times or less of the mass of the catalyst-supporting carbon, flooding can be avoided and higher battery output can be realized.

なお、本第１実施形態においては、触媒層１３を構成する高分子電解質が、前記触媒担持カーボン粒子の表面に部分的に付着していればよく（すなわち、触媒担持カーボン粒子の少なくとも一部を被覆していればよく）、必ずしも触媒担持カーボン粒子全体を被覆していなくてもよい。   In the first embodiment, the polymer electrolyte constituting the catalyst layer 13 only needs to be partially attached to the surface of the catalyst-carrying carbon particles (that is, at least a part of the catalyst-carrying carbon particles is formed). It is not always necessary to coat the entire catalyst-supporting carbon particles.

触媒層１３は、当該触媒層１３の構成を実現可能な成分組成に調製された複数の触媒層形成用インクを用いて形成することができる。前記触媒層形成用インクを調製するために用いる分散媒としては、前記高分子電解質を溶解可能又は分散可能（高分子電解質の一部が溶解し、他の一部が溶解せずに分散している状態を含む）であるアルコールを含む液体を用いることが好ましい。前記分散媒は、水、メタノール、エタノール、プロパノール、ｎ−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、及びｔｅｒｔ―ブチルアルコールのうちの少なくとも１種を含んでいることが好ましい。これらの水及びアルコールは、単独で使用されてもよく、また、２種以上混合されてもよい。前記アルコールとしては、分子内にＯＨ基を１つ有する直鎖構造のものがさらに好ましく、その中でもエタノールが特に好ましい。また、前記アルコールには、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのエーテル結合を有するものも含まれる。   The catalyst layer 13 can be formed using a plurality of inks for forming a catalyst layer prepared to have a component composition capable of realizing the configuration of the catalyst layer 13. As the dispersion medium used for preparing the ink for forming the catalyst layer, the polymer electrolyte can be dissolved or dispersible (a part of the polymer electrolyte is dissolved and the other part is dispersed without being dissolved). It is preferable to use a liquid containing an alcohol that includes a state of The dispersion medium preferably contains at least one of water, methanol, ethanol, propanol, n-butyl alcohol, isobutyl alcohol, sec-butyl alcohol, and tert-butyl alcohol. These water and alcohol may be used independently and may be mixed 2 or more types. As the alcohol, those having a linear structure having one OH group in the molecule are more preferred, and ethanol is particularly preferred among them. The alcohol includes those having an ether bond such as ethylene glycol monomethyl ether.

また、前記触媒層形成用インクの組成は、触媒層１３の構成に応じて適宜調整すればよいが、固形分濃度が０．１〜２０質量％であることが好ましい。前記固形分濃度が０．１質量％以上であると、前記触媒層形成用インクを噴霧又は塗布することにより触媒層１３を形成するときに、何回も繰り返し噴霧又は塗布しなくても、所望の厚さの触媒層１３を得ることができる。これにより、生産効率の低下を抑えることができる。一方、前記固形分濃度が２０質量％以下であると、前記触媒層形成用インクの粘度が高くなり過ぎず、触媒層１３の厚さを略均一にすることができる。なお、前記固形分濃度は、１〜１０質量％であることがさらに好ましい。   The composition of the ink for forming the catalyst layer may be appropriately adjusted according to the configuration of the catalyst layer 13, but the solid content concentration is preferably 0.1 to 20% by mass. When the solid content concentration is 0.1% by mass or more, when the catalyst layer 13 is formed by spraying or coating the ink for forming the catalyst layer, it is desired that the catalyst layer 13 is not repeatedly sprayed or applied many times. The catalyst layer 13 having a thickness of 5 mm can be obtained. Thereby, the fall of production efficiency can be suppressed. On the other hand, when the solid content concentration is 20% by mass or less, the viscosity of the catalyst layer forming ink does not become too high, and the thickness of the catalyst layer 13 can be made substantially uniform. The solid content concentration is more preferably 1 to 10% by mass.

前記触媒層形成用インクは、公知の方法に基づいて調製することができる。例えば、ホモジナイザ、ホモミキサ等の撹拌機を使用する方法、高速回転ジェット流方式を使用するなどの高速回転を使用する方法を利用して、前記触媒層形成用インクを調製することができる。また、高圧乳化装置などの高圧をかけて狭い部分から分散液を押し出すことで分散液にせん断力を付与する方法を利用して、前記触媒層形成用インクを調製することもできる。   The catalyst layer forming ink can be prepared based on a known method. For example, the catalyst layer forming ink can be prepared by using a method using a stirrer such as a homogenizer or a homomixer or a method using high-speed rotation such as a high-speed rotation jet flow method. The ink for forming a catalyst layer can also be prepared by using a method of applying a high pressure to extrude the dispersion from a narrow portion and applying a shearing force to the dispersion.

前記触媒層形成用インクを用いて触媒層１３を形成する方法としては、高分子電解質膜１１に触媒層１３を、直接塗布する直接塗布方法、及び間接的に塗布する間接塗布方法のいずれの方法も採用することができる。直接及び間接塗布方法としては、例えば、スクリーン印刷法、ダイコート法、スプレー法、及びインクジェット法などを利用することができる。間接塗布方法を採用する場合、例えば、ポリプロピレン又はポリエチレンテレフタラート製の支持体上に前記塗布方法を利用して触媒層形成用インクを塗布し、その後、熱転写することにより、高分子電解質膜１１上に触媒層１３を形成することができる。   As a method for forming the catalyst layer 13 using the catalyst layer forming ink, any one of a direct coating method in which the catalyst layer 13 is directly coated on the polymer electrolyte membrane 11 and an indirect coating method in which the catalyst layer 13 is indirectly coated is used. Can also be adopted. As the direct and indirect coating methods, for example, a screen printing method, a die coating method, a spray method, an ink jet method, or the like can be used. In the case of employing the indirect coating method, for example, the catalyst layer forming ink is coated on a support made of polypropylene or polyethylene terephthalate by using the coating method, and then thermally transferred, whereby the polymer electrolyte membrane 11 is coated. Thus, the catalyst layer 13 can be formed.

次に、ガス拡散層１４について説明する。   Next, the gas diffusion layer 14 will be described.

ガス拡散層１４は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状で且つゴム状の多孔質部材で構成されている。すなわち、ガス拡散層１４は、炭素繊維を基材して使用せず、多孔度が８０％以下となるように構成されている。   The gas diffusion layer 14 is a sheet-like and rubber-like porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. That is, the gas diffusion layer 14 is configured not to use carbon fiber as a base material, but to have a porosity of 80% or less.

前記導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭などのカーボン材料が挙げられる。前記カーボンブラックとしては、アセチレンブラック（ＡＢ）、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカンなどが挙げられる。なお、それらの中でもカーボンブラックの主成分としてアセチレンブラックが用いられることが、不純物含有量が少なく、電気伝導性が高いという観点から好ましい。また、グラファイトの材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛などが挙げられる。なお、これらの中でもグラファイトの主成分として人造黒鉛が用いられることが、不純物量が少ないという観点から好ましい。   Examples of the material for the conductive particles include carbon materials such as graphite, carbon black, and activated carbon. Examples of the carbon black include acetylene black (AB), furnace black, ketjen black, and vulcan. Of these, acetylene black is preferably used as the main component of carbon black from the viewpoint of low impurity content and high electrical conductivity. Examples of the graphite material include natural graphite and artificial graphite. Of these, artificial graphite is preferably used as the main component of graphite from the viewpoint of a small amount of impurities.

また、前記導電性粒子は、平均粒子径が異なる２種類のカーボン材料を混合して構成されることが好ましい。これにより、ガス拡散層全体の多孔度を低くすることが可能になる。充填構造を作製しやすい導電性粒子としてはグラファイトが挙げられる。従って、導電性粒子は、アセチレンブラックとグラファイトとを混合して構成されることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the said electroconductive particle is comprised by mixing two types of carbon materials from which an average particle diameter differs. This makes it possible to reduce the porosity of the entire gas diffusion layer. An example of the conductive particles that can easily form a filling structure is graphite. Therefore, the conductive particles are preferably configured by mixing acetylene black and graphite.

なお、アセチレンブラックの平均粒子径Ｄ５０（相対粒子量が５０％の時の粒子径：メディアン径ともいう）を、レーザ回折式粒度測定装置マイクロトラックＨＲＡを使用して測定したところ、Ｄ５０＝５μｍであった。また、アセチレンブラックと同様にして、グラファイトの粒子径Ｄ５０を測定したところ、Ｄ５０＝１６μｍであった。これらの平均粒子径の測定は、１０ｗｔ％の界面活性剤を含有した蒸留水にアセチレンブラック又はグラファイトの粒子を分散させ、粒度分布が安定した時点で行った。 The average particle diameter D 50 (particle diameter when the relative particle amount is 50%: also referred to as median diameter) of acetylene black was measured using a laser diffraction particle size measuring device Microtrac HRA, and D 50 = It was 5 μm. Further, in the same manner as acetylene black was measured for particle diameter D 50 of the graphite was D 50 = 16 [mu] m. These average particle diameters were measured when acetylene black or graphite particles were dispersed in distilled water containing 10 wt% surfactant and the particle size distribution was stabilized.

なお、前記導電性粒子を３種類以上のカーボン材料を混合して構成すると、分散、混練、圧延条件などの最適化が困難である。このため、前記導電性粒子は、２種類のカーボン材料を混合して構成することが好ましい。   When the conductive particles are composed of three or more kinds of carbon materials, it is difficult to optimize dispersion, kneading, rolling conditions, and the like. For this reason, the conductive particles are preferably configured by mixing two types of carbon materials.

また、カーボン材料の原料形態としては、例えば、粉末状、繊維状、粒状などが挙げられる。それらの中でも粉末状がカーボン材料の原料形態として採用されることが、分散性、取り扱い性の観点から好ましい。   Moreover, as a raw material form of a carbon material, powder form, fibrous form, granular form, etc. are mentioned, for example. Among these, it is preferable from the viewpoint of dispersibility and handleability that the powder form is adopted as the raw material form of the carbon material.

前記高分子樹脂は、前記導電性粒子同士を結着するバインダーとしての機能を有する。また、前記高分子樹脂は、撥水性を有するため、燃料電池の内部にて水を系内に閉じ込める機能（保水性）も有する。   The polymer resin functions as a binder that binds the conductive particles. Further, since the polymer resin has water repellency, it also has a function (water retention) for confining water in the system inside the fuel cell.

前記高分子樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（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）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）などが挙げられる。これらの中でも前記高分子樹脂としてＰＴＦＥが使用されることが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から好ましい。ＰＴＦＥの原料形態としては、ディスパージョン、粉末状などがあげられる。それらの中でもディスパージョンがＰＴＦＥの原料形態として採用されることが、作業性の観点から好ましい。   Examples of the polymer resin include PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer), and PCTFE. (Polychlorotrifluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), and the like. Among these, it is preferable from the viewpoint of heat resistance, water repellency, and chemical resistance that PTFE is used as the polymer resin. Examples of the raw material form of PTFE include dispersion and powder. Among these, it is preferable from the viewpoint of workability that the dispersion is adopted as a raw material form of PTFE.

なお、ガス拡散層１４には、導電性粒子及び高分子樹脂以外に、ガス拡散層１４の製造時に使用する界面活性剤及び分散溶媒などが微量含まれていてもよい。分散溶媒としては、例えば、水、メタノール及びエタノールなどのアルコール類、エチレングリコールなどのグリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどのノニオン系、アルキルアミンオキシドなどの両性イオン系が挙げられる。製造時に使用する分散溶媒の量及び界面活性剤の量は、導電性粒子の種類、高分子樹脂の種類、それらの配合比率などに応じて適宜設定すればよい。なお、一般的には、分散溶媒の量及び界面活性剤の量が多いほど、導電性粒子と高分子樹脂とが均一に分散しやすい傾向がある一方で、流動性が高くなり、ガス拡散層のシート化が難しくなる傾向がある。なお、ガス拡散層１４には、本発明の目的を達成できる範囲内であれば、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒以外の材料（例えば、短繊維の炭素繊維など）が含まれていてもよい。   In addition to the conductive particles and the polymer resin, the gas diffusion layer 14 may contain a trace amount of a surfactant, a dispersion solvent, and the like used when the gas diffusion layer 14 is manufactured. Examples of the dispersion solvent include water, alcohols such as methanol and ethanol, and glycols such as ethylene glycol. Examples of the surfactant include nonionic compounds such as polyoxyethylene alkyl ethers and zwitterionic compounds such as alkylamine oxides. What is necessary is just to set suitably the quantity of the dispersion solvent used at the time of manufacture, and the quantity of surfactant according to the kind of electroconductive particle, the kind of polymer resin, those compounding ratios, etc. In general, as the amount of the dispersion solvent and the amount of the surfactant increases, the conductive particles and the polymer resin tend to be uniformly dispersed, while the fluidity increases, and the gas diffusion layer It tends to be difficult to make a sheet. The gas diffusion layer 14 is made of a material other than the conductive particles, the polymer resin, the surfactant, and the dispersion solvent (for example, short-fiber carbon fiber) as long as the object of the present invention can be achieved. It may be included.

また、ガス拡散層１４の多孔度は、４２％以上６０％以下であることが好ましい。多孔度が４２％未満である場合には、ガス拡散性能が低下するため、十分な電気化学反応が起こらず、発電性能が急激に低下することとなる。一方、多孔度が６０％より大きい場合には、ガス拡散層が疎な構造であるため、燃料電池内のガスと水の移動が容易となって系外に水又は水蒸気が排出されやすくなり、保水性が急激に低下する恐れがある。保水性が低下した場合には、抵抗成分（特に膜抵抗）が増加し、これにより発電性能は低下することとなる。   The porosity of the gas diffusion layer 14 is preferably 42% or more and 60% or less. When the porosity is less than 42%, the gas diffusion performance is lowered, so that a sufficient electrochemical reaction does not occur, and the power generation performance is rapidly lowered. On the other hand, when the porosity is larger than 60%, since the gas diffusion layer has a sparse structure, the movement of gas and water in the fuel cell is facilitated and water or water vapor is easily discharged out of the system. There is a risk that water retention will drop rapidly. When the water retention is lowered, the resistance component (particularly the membrane resistance) is increased, and the power generation performance is thereby lowered.

なお、ガス拡散層１４の多孔度は、次のようにして測定（算出）することができる。
まず、ガス拡散層を構成する各材料の真密度と組成比率から、製造したガス拡散層の見かけ真密度を算出する。
次いで、製造したガス拡散層の重量、厚さ、縦横寸法を測定して、製造したガス拡散層の密度を算出する。
次いで、多孔度＝（ガス拡散層の密度）／（見かけ真密度）×１００の式に、前記算出したガス拡散層の密度及び見かけ真密度を代入し、多孔度を算出する。 The porosity of the gas diffusion layer 14 can be measured (calculated) as follows.
First, the apparent true density of the manufactured gas diffusion layer is calculated from the true density and composition ratio of each material constituting the gas diffusion layer.
Next, the weight, thickness, vertical and horizontal dimensions of the manufactured gas diffusion layer are measured, and the density of the manufactured gas diffusion layer is calculated.
Next, the porosity is calculated by substituting the calculated density of the gas diffusion layer and the apparent true density into the formula of porosity = (density of the gas diffusion layer) / (apparent true density) × 100.

また、ガス拡散層１４の厚さは、３００μｍ以上６００μｍ以下であることが好ましい。厚さが３００μｍ未満である場合には、ガス拡散層のガス透過性が高くなるために、低加湿運転下での保水性が急激に低下して、発電性能が低下することとなる。一方、厚さが６００μｍより大きい場合には、ガス拡散層のガス透過性が急激に低下し、燃料ガス及び酸化剤ガスが触媒層に到達しにくくなるために十分な電気化学反応が起こらず、発電性能が低下することとなる。   The thickness of the gas diffusion layer 14 is preferably 300 μm or more and 600 μm or less. When the thickness is less than 300 μm, the gas permeability of the gas diffusion layer is increased, so that the water retention under the low humidification operation is drastically decreased, and the power generation performance is decreased. On the other hand, when the thickness is larger than 600 μm, the gas permeability of the gas diffusion layer is drastically lowered, and the fuel gas and the oxidant gas are difficult to reach the catalyst layer, so that a sufficient electrochemical reaction does not occur, The power generation performance will be reduced.

次に、図５を参照しつつ、本第１実施形態にかかるガス拡散層１４の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the gas diffusion layer 14 according to the first embodiment will be described with reference to FIG.

まず、ステップＳ１では、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混錬する。より具体的には、導電性粒子としてのカーボン材料と界面活性剤と分散溶媒とを攪拌・混錬機に投入し、それらを混錬してカーボン材料を粉砕及び造粒する。この後、それらの混錬物の中に高分子樹脂材料を添加してさらに分散させる。なお、カーボン材料と高分子樹脂材料とを別々に混錬機に投入せず、全ての材料を同時に混練機に投入しても良い。   First, in step S1, conductive particles, a polymer resin, a surfactant, and a dispersion solvent are kneaded. More specifically, a carbon material as a conductive particle, a surfactant, and a dispersion solvent are put into a stirrer / kneader and kneaded to pulverize and granulate the carbon material. Thereafter, the polymer resin material is added to these kneaded materials and further dispersed. Note that the carbon material and the polymer resin material may not be separately charged into the kneader, but all materials may be simultaneously charged into the kneader.

ステップＳ２では、混錬して得た混錬物をロールプレス機又は平板プレス機などで圧延してシート状に成形する。
ステップＳ３では、シート状に成形した混錬物を焼成して、前記混錬物中から界面活性剤と分散溶媒とを除去する。
ステップＳ４では、界面活性剤と分散溶媒とを除去した混錬物を再圧延して厚さを調整する。
これにより、本第１実施形態にかかるガス拡散層１４を製造することができる。 In step S2, the kneaded material obtained by kneading is rolled into a sheet by a roll press or a flat plate press.
In step S3, the kneaded product formed into a sheet is fired to remove the surfactant and the dispersion solvent from the kneaded product.
In step S4, the kneaded product from which the surfactant and the dispersion solvent have been removed is re-rolled to adjust the thickness.
Thereby, the gas diffusion layer 14 according to the first embodiment can be manufactured.

本第１実施形態によれば、炭素繊維の基材を使用せず、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材でガス拡散層１４が構成されているので、燃料電池の低コスト化を図ることができる。また、多孔度又は厚さを調整することで、発電性能の向上を図ることが可能となり、低加湿運転下でも高い電圧を得ることが可能となる。   According to the first embodiment, since the gas diffusion layer 14 is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin without using a carbon fiber base material, Cost reduction can be achieved. Further, by adjusting the porosity or thickness, it is possible to improve the power generation performance, and a high voltage can be obtained even under a low humidification operation.

次に、枠状部材１５について説明する。図６Ａ及び図６Ｂは、枠状部材１５の製造方法を示す模式断面図である。   Next, the frame member 15 will be described. 6A and 6B are schematic cross-sectional views showing a method for manufacturing the frame-shaped member 15.

まず、図６Ａに示すように、膜電極接合体１を金型３０，３０内に配置する。
次いで、枠状部材１５を構成する樹脂材料を溶融（軟化）させて、図６Ａの矢印の方向に流し込む。これにより、前記溶融した樹脂材料がガス拡散層１４の一部に染み込み、図６Ｂに示すように、染み込み部分１６が生じる。この後、前記樹脂材料を固化させる。
これにより、図６Ｂに示す膜電極−枠接合体１が完成する。 First, as shown in FIG. 6A, the membrane electrode assembly 1 is placed in the molds 30 and 30.
Next, the resin material constituting the frame-like member 15 is melted (softened) and poured in the direction of the arrow in FIG. 6A. As a result, the molten resin material soaks into a part of the gas diffusion layer 14, and a soaked portion 16 is generated as shown in FIG. 6B. Thereafter, the resin material is solidified.
Thereby, the membrane electrode-frame assembly 1 shown in FIG. 6B is completed.

枠状部材１５を構成する樹脂材料としては、例えば熱可塑性樹脂材料及び熱硬化性樹脂材料を用いることができる。熱可塑性樹脂材料を用いる場合には、図６Ａに示すように、当該樹脂を高温に溶融させて金型３０、２０内に流し込んだ後、低温にした矩形状の金型（図示せず）に入れて固化させればよい。また、熱硬化性樹脂材料を用いる場合には、加温（例えば５０℃前後）して流動性を持たせた当該樹脂を金型３０、３０内に流し込んだ後、高温（例えば１５０℃前後）にした矩形状の金型（図示せず）に入れて硬化（固化）させればよい。   As the resin material constituting the frame member 15, for example, a thermoplastic resin material and a thermosetting resin material can be used. When a thermoplastic resin material is used, as shown in FIG. 6A, the resin is melted at a high temperature and poured into the molds 30 and 20, and then placed in a rectangular mold (not shown) that is cooled to a low temperature. What is necessary is just to put and solidify. Further, when a thermosetting resin material is used, the resin that has been heated (for example, around 50 ° C.) to have fluidity is poured into the molds 30, 30, and then heated (for example, around 150 ° C.). What is necessary is just to make it harden | cure (solidify) in the rectangular-shaped metal mold | die (not shown) made into.

前記熱可塑性樹脂材料としては、例えば、ポリエチレン、高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、テフロン、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド（ＰＡ）、ナイロン、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）変性ポリフェニレンエーテル（ｍ-ＰＰＥ、変性ＰＰＥ、ＰＰＯ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンテレフタレート・ガラス樹脂入り（ＰＥＴ−Ｇ）、グラスファイバー強化ポリエチレンテレフタレート（ＧＦ−ＰＥＴ）、環状ポリオレフィン（ＣＯＰ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、非晶ポリアリレート（ＰＡＲ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、熱可塑性ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）などが挙げられる。   Examples of the thermoplastic resin material include polyethylene, high density polyethylene, medium density polyethylene, low density polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polystyrene, polyvinyl acetate, Teflon, ABS resin, AS resin, and acrylic resin. Polyamide (PA), nylon, polyacetal (POM), polycarbonate (PC) modified polyphenylene ether (m-PPE, modified PPE, PPO), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), with polyethylene terephthalate glass resin (PET-G), glass fiber reinforced polyethylene terephthalate (GF-PET), cyclic polyolefin (COP), polyphenylene sulfide (PPS), polysulfone (PSF) ), Polyethersulfone (PES), amorphous polyarylate (PAR), liquid crystal polymer (LCP), polyetheretherketone (PEEK), thermoplastic polyimide (PI), polyamideimide (PAI) and the like.

前記熱硬化性樹脂材料としては、フェノール樹脂（ＰＦ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、メラミン樹脂（ＭＦ）、尿素樹脂（ユリア樹脂、ＵＦ）、不飽和ポリエステル樹脂（ＵＰ）、アルキド樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、熱硬化性ポリイミド（ＰＩ）などが挙げられる。   Examples of the thermosetting resin material include phenol resin (PF), epoxy resin (EP), melamine resin (MF), urea resin (urea resin, UF), unsaturated polyester resin (UP), alkyd resin, polyurethane (PUR). ) And thermosetting polyimide (PI).

以上、本第１実施形態によれば、ガス拡散層１４の外縁部１４Ａが凹凸形状に形成され、枠状部材１５が前記凹凸形状の外縁部１４Ａに嵌合しているので、ガス拡散層１４と枠状部材１５との接触面積を増加させることができる。これにより、枠状部材１５がＭＥＡ１０を保持する強度を向上させることができ、ＭＥＡ１０と枠状部材１５との位置関係のズレを抑えることができる。   As described above, according to the first embodiment, the outer edge portion 14A of the gas diffusion layer 14 is formed in a concavo-convex shape, and the frame-like member 15 is fitted to the outer rim portion 14A having the concavo-convex shape. And the contact area between the frame-like member 15 can be increased. Thereby, the intensity | strength which the frame-shaped member 15 hold | maintains MEA10 can be improved, and the shift | offset | difference of the positional relationship of MEA10 and the frame-shaped member 15 can be suppressed.

また、高分子電解質膜１１とガス拡散層１４の大きさが近いほど、高分子電解質膜１１と枠状部材１５との間の界面（隙間）を経由してガスが漏れる、いわゆるガスクロスリークが発生する可能性が高くなる。これに対して、本第１実施形態によれば、ガス拡散層１４と枠状部材１５との接触面積を増加させることで、ガスクロスリークも低減することができる。   In addition, as the size of the polymer electrolyte membrane 11 and the gas diffusion layer 14 is closer, so-called gas cross leak occurs in which gas leaks through the interface (gap) between the polymer electrolyte membrane 11 and the frame-like member 15. Is more likely to do. On the other hand, according to the first embodiment, the gas cross leak can be reduced by increasing the contact area between the gas diffusion layer 14 and the frame member 15.

また、枠状部材１５を構成する樹脂材料がガス拡散層１４の外縁部１４Ａの一部に染み込むようにしているので、枠状部材１５とガス拡散層１４との接合を強固にすることができる。なお、枠状部材１５を構成する樹脂材料がガス拡散層１４の外縁部１４Ａの一部に染み込ませなくても、本第１実施形態によれば、ガス拡散層１４と枠状部材１５との接触面積を増加させることで、従来よりも、枠状部材１５が膜電極接合体１０を保持する強度を向上させることが可能である。   Further, since the resin material constituting the frame-shaped member 15 is soaked into a part of the outer edge portion 14A of the gas diffusion layer 14, the bonding between the frame-shaped member 15 and the gas diffusion layer 14 can be strengthened. . Note that, even if the resin material constituting the frame-shaped member 15 does not soak into a part of the outer edge portion 14A of the gas diffusion layer 14, according to the first embodiment, the gas diffusion layer 14 and the frame-shaped member 15 By increasing the contact area, it is possible to improve the strength with which the frame-like member 15 holds the membrane electrode assembly 10 as compared with the conventional case.

《第２実施形態》
本発明の第２実施形態にかかる燃料電池について説明する。本第２実施形態の燃料電池が、前記第１実施形態の燃料電池と異なる点は、ガス拡散層１４の構成のみである。以下、重複する説明は省略し、主に相違点について説明する。 << Second Embodiment >>
A fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described. The fuel cell of the second embodiment is different from the fuel cell of the first embodiment only in the configuration of the gas diffusion layer 14. Hereinafter, the overlapping description will be omitted, and differences will be mainly described.

本発明の第２実施形態にかかるガス拡散層１４Ａは、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とし、基材としては成立しない重量（例えば導電性粒子及び高分子樹脂よりも少ない重量）の炭素繊維が添加されたシート状で且つゴム状の多孔質部材で構成されている。前記導電性粒子と高分子樹脂の構成は、前記第１実施形態にかかるガス拡散層１４の導電性粒子と高分子樹脂の構成と同様である。   The gas diffusion layer 14A according to the second embodiment of the present invention is mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and has a weight that is not realized as a base material (for example, a weight smaller than that of the conductive particles and the polymer resin). It is composed of a sheet-like and rubber-like porous member to which carbon fibers are added. The configuration of the conductive particles and the polymer resin is the same as the configuration of the conductive particles and the polymer resin of the gas diffusion layer 14 according to the first embodiment.

前記炭素繊維の材料としては、例えば、気相成長法炭素繊維（以下、ＶＧＣＦという）、ミルドファイバー、カットファイバー、チョップファイバーなどが挙げられる。前記炭素繊維としてＶＧＣＦを使用する場合、例えば、繊維径０．１５μｍ、繊維長１５μｍのものを使用すればよい。また、前記炭素繊維としてミルドファイバー、カットファイバー、又はチョップファイバーを使用する場合、例えば、繊維径５〜２０μｍ、繊維長２０μｍ〜１００μｍであるものを使用すればよい。   Examples of the carbon fiber material include vapor grown carbon fiber (hereinafter referred to as VGCF), milled fiber, cut fiber, and chop fiber. When VGCF is used as the carbon fiber, for example, a fiber having a fiber diameter of 0.15 μm and a fiber length of 15 μm may be used. Moreover, when using a milled fiber, a cut fiber, or a chop fiber as said carbon fiber, what is necessary is just to use what is a fiber diameter 5-20 micrometers and fiber length 20 micrometers-100 micrometers, for example.

前記ミルドファイバー、カットファイバー、又はチョップファイバーの原料は、ＰＡＮ系、ピッチ系、レイヨン系のいずれでもよい。また、前記ファイバーは、原糸（長繊維フィラメント又は短繊維ステーブル）を切断、裁断することにより作製された短繊維の束を分散させて使用することが好ましい。   The raw material of the milled fiber, cut fiber, or chop fiber may be any of PAN, pitch, and rayon. The fiber is preferably used by dispersing a bundle of short fibers produced by cutting and cutting an original yarn (long fiber filament or short fiber stable).

なお、炭素繊維の配合比率は、２．０重量％以上７．５重量％以下であることが好ましい。炭素繊維の配合比率が２．０重量％未満である場合には、内部抵抗値が急激に高くなり、発電効率が低下する恐れがある。一方、炭素繊維の配合比率が７．５重量％より大きい場合には、炭素繊維は高分子電解質膜よりも通常硬い材料で構成されるので、高分子電解質膜が損傷して、燃料電池としての耐久性が低下する恐れがある。   In addition, it is preferable that the mixture ratio of carbon fiber is 2.0 to 7.5 weight%. When the blending ratio of the carbon fiber is less than 2.0% by weight, the internal resistance value increases rapidly, and the power generation efficiency may decrease. On the other hand, when the blending ratio of the carbon fiber is larger than 7.5% by weight, the carbon fiber is composed of a material that is usually harder than the polymer electrolyte membrane. Durability may be reduced.

また、高分子樹脂の配合比率は、１０重量％以上１７重量％以下であることが好ましい。高分子樹脂の配合比率が１０重量％未満である場合には、高分子樹脂の配合比率が低くなることで、バインダーとしての機能が弱くなり、導電性材料同士の結着性が低下するので、シート状のガス拡散層を得ることが困難である。一方、高分子樹脂の配合比率が１７重量％より大きい場合には、内部抵抗値が急激に高くなり、発電効率が低下する恐れがある。   The blending ratio of the polymer resin is preferably 10% by weight to 17% by weight. When the blending ratio of the polymer resin is less than 10% by weight, the blending ratio of the polymer resin is lowered, so that the function as a binder is weakened, and the binding property between the conductive materials is reduced. It is difficult to obtain a sheet-like gas diffusion layer. On the other hand, when the blending ratio of the polymer resin is larger than 17% by weight, the internal resistance value increases rapidly, and the power generation efficiency may decrease.

また、ガス拡散層１４Ａの厚さは、１５０μｍ以上６００μｍ以下であることが好ましい。厚さが１５０μｍ未満である場合には、ガス拡散層としての強度が不足するとともに、厚さが薄くなることでガス拡散層のガス透過性が向上するために、低加湿運転下での保水性（保湿性）が低下して高分子電解質膜が乾燥し、内部抵抗値が増加する恐れがある。一方、厚さが６００μｍより大きい場合には、内部抵抗値が急激に高くなり、発電効率が低下する恐れがある。   The thickness of the gas diffusion layer 14A is preferably 150 μm or more and 600 μm or less. When the thickness is less than 150 μm, the strength as the gas diffusion layer is insufficient and the gas permeability of the gas diffusion layer is improved by reducing the thickness. There is a possibility that the (moisturizing property) is lowered, the polymer electrolyte membrane is dried, and the internal resistance value is increased. On the other hand, when the thickness is larger than 600 μm, the internal resistance value increases rapidly, and the power generation efficiency may decrease.

次に、図７を参照しつつ、本発明の実施形態にかかるガス拡散層１４Ａの製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the gas diffusion layer 14A according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

まず、ステップＳ１１では、導電性粒子と高分子樹脂と炭素繊維と界面活性剤と分散溶媒とを混錬する。より具体的には、導電性粒子と炭素繊維と界面活性剤と分散溶媒とを攪拌・混錬機に投入し、それらを混錬して粉砕及び造粒する。この後、それらの混錬物の中に高分子樹脂材料を添加してさらに分散させる。なお、高分子樹脂材料を他の材料と別に混錬機に投入せずに、高分子樹脂材料を含む全ての材料を同時に混練機に投入しても良い。   First, in step S11, the conductive particles, the polymer resin, the carbon fiber, the surfactant, and the dispersion solvent are kneaded. More specifically, the conductive particles, the carbon fibers, the surfactant, and the dispersion solvent are put into a stirrer / kneader and kneaded and pulverized and granulated. Thereafter, the polymer resin material is added to these kneaded materials and further dispersed. Note that all the materials including the polymer resin material may be simultaneously charged into the kneader without the polymer resin material being charged into the kneader separately from other materials.

ステップＳ１２では、混錬して得た混錬物をロールプレス機又は平板プレス機などで圧延してシート状に成形する。
ステップＳ１３では、シート状に成形した混錬物を焼成して、前記混錬物中から界面活性剤と分散溶媒とを除去する。
ステップＳ１４では、界面活性剤と分散溶媒とを除去した混錬物を再圧延して厚さを調整する。
これにより、本第２実施形態にかかるガス拡散層１４Ａを製造することができる。 In step S12, the kneaded material obtained by kneading is rolled into a sheet by a roll press or a flat plate press.
In step S13, the kneaded product formed into a sheet is baked to remove the surfactant and the dispersion solvent from the kneaded product.
In step S14, the kneaded product from which the surfactant and the dispersion solvent have been removed is re-rolled to adjust the thickness.
Thereby, the gas diffusion layer 14A according to the second embodiment can be manufactured.

本第２実施形態によれば、ガス拡散層１４Ａが、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とし、前記高分子樹脂よりも少ない重量の炭素繊維が添加された多孔質部材で構成され、炭素繊維を基材として使用しないので、燃料電池の低コスト化を図ることができる。また、炭素繊維を添加することで、ガス拡散層１４Ａとしての強度を強化することができるので、バインダーとして作用する高分子樹脂の配合量を少なくすることが可能となる。これにより、絶縁体である高分子樹脂の配合比率を低くすることができるので、発電性能の向上を図ることができる。   According to the second embodiment, the gas diffusion layer 14A is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, to which carbon fiber having a weight less than that of the polymer resin is added, Since carbon fiber is not used as the base material, the cost of the fuel cell can be reduced. Moreover, since the strength as the gas diffusion layer 14A can be strengthened by adding carbon fibers, it is possible to reduce the amount of the polymer resin acting as a binder. Thereby, since the compounding ratio of the polymer resin which is an insulator can be lowered, the power generation performance can be improved.

《第３実施形態》
図８を用いて、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池について説明する。図８は、本第３実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡの外縁部の拡大平面図である。本第３実施形態の燃料電池が、前記第１実施形態の燃料電池と異なる点は、一対のガス拡散層１４，１４を同一形状に形成するとともに、それぞれの外縁部が厚み方向から見て一致するように配置している点である。 << Third Embodiment >>
A fuel cell according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is an enlarged plan view of the outer edge portion of the MEA included in the fuel cell according to the third embodiment. The difference between the fuel cell of the third embodiment and the fuel cell of the first embodiment is that the pair of gas diffusion layers 14 and 14 are formed in the same shape, and the outer edge portions of the fuel cell are identical when viewed in the thickness direction. It is a point arranged so as to.

高分子電解質膜１１の厚み方向から見て、一対のガス拡散層１４の外縁部がずれている場合には、特に燃料電池の作製時に締結部材で締結した際、高分子電解質膜１１の両面にかかる圧力に差が生じやすくなる。このため、高分子電解質膜１１の一部に応力が集中して機械的ストレスがかかり、高分子電解質膜１１の劣化が促進される恐れがある。   When the outer edge portions of the pair of gas diffusion layers 14 are displaced as seen from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11, especially when both the surfaces of the polymer electrolyte membrane 11 are fastened with a fastening member when the fuel cell is manufactured. A difference is likely to occur in the pressure. For this reason, stress concentrates on a part of the polymer electrolyte membrane 11 and mechanical stress is applied, which may promote deterioration of the polymer electrolyte membrane 11.

これに対して、本第３実施形態によれば、一対のガス拡散層１４が同一形状に形成され、それぞれの外縁部が厚み方向から見て一致するように配置されているので、高分子電解質膜１１は両側からほぼ均等に圧力を受けることになる。これにより、高分子電解質膜１１の一部に応力が集中することを抑制して、機械的ストレスを低減し、高分子電解質膜１１の劣化を防止することができる。   On the other hand, according to the third embodiment, the pair of gas diffusion layers 14 are formed in the same shape, and the respective outer edge portions are arranged so as to coincide when viewed in the thickness direction. The membrane 11 receives pressure almost evenly from both sides. Thereby, it can suppress that stress concentrates on a part of polymer electrolyte membrane 11, can reduce a mechanical stress, and can prevent the polymer electrolyte membrane 11 from deteriorating.

《第４実施形態》
図９を用いて、本発明の第４実施形態にかかる燃料電池について説明する。図９は、本第４実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡの外縁部の拡大平面図である。本第４実施形態の燃料電池が、前記第３実施形態の燃料電池と異なる点は、一対のガス拡散層１４，１４と高分子電解質膜１１を同一形状に形成するとともに、それぞれの外縁部が厚み方向から見て一致するように配置している点である。 << 4th Embodiment >>
A fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is an enlarged plan view of the outer edge portion of the MEA included in the fuel cell according to the fourth embodiment. The fuel cell according to the fourth embodiment is different from the fuel cell according to the third embodiment in that the pair of gas diffusion layers 14 and 14 and the polymer electrolyte membrane 11 are formed in the same shape, and the outer edge portions thereof are It is the point arrange | positioned so that it may correspond seeing from the thickness direction.

本第４実施形態にかかる燃料電池のＭＥＡは、高分子電解質膜１１の両面に触媒層１３，１３を介して一対のガス拡散層１４，１４を積層した後、当該積層物の外縁部を凹凸形状に打ち抜くことで作製することができる。すなわち、本第４実施形態によれば、外縁部が厚み方向から見て一致するように配置された一対のガス拡散層１４を、簡便且つ低コストで作製することができる。   In the MEA of the fuel cell according to the fourth embodiment, after a pair of gas diffusion layers 14 and 14 are laminated on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 11 via the catalyst layers 13 and 13, the outer edge of the laminate is uneven. It can be produced by punching into a shape. That is, according to the fourth embodiment, the pair of gas diffusion layers 14 arranged so that the outer edge portions coincide with each other when viewed from the thickness direction can be manufactured easily and at low cost.

《第５実施形態》
図１０を用いて、本発明の第５実施形態にかかる燃料電池について説明する。図１０は、本第５実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡの外縁部の拡大平面図である。本第５実施形態の燃料電池が、前記第１実施形態の燃料電池と異なる点は、高分子電解質膜１１が、ガス拡散層１４の外縁部１４Ａよりも外側にも位置するようにガス拡散層１４よりもサイズが大きく形成されている点である。 << 5th Embodiment >>
A fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 is an enlarged plan view of the outer edge portion of the MEA included in the fuel cell according to the fifth embodiment. The fuel cell of the fifth embodiment differs from the fuel cell of the first embodiment in that the polymer electrolyte membrane 11 is positioned outside the outer edge portion 14A of the gas diffusion layer 14 as well. The size is larger than 14.

本第５実施形態によれば、高分子電解質膜１１が、ガス拡散層１４の外縁部１４Ａよりも外側に突出するようにガス拡散層１４よりもサイズが大きく形成されているので、枠状部材１５によって高分子電解質膜１１の両面を挟持する面積を大きくすることができる。これにより、枠状部材１５の内縁部とガス拡散層１４の外縁部１４Ａとを確実に嵌合させることができ、枠状部材１５によるＭＥＡ１０の保持強度をより向上させることができる。   According to the fifth embodiment, since the polymer electrolyte membrane 11 is formed larger in size than the gas diffusion layer 14 so as to protrude outward from the outer edge portion 14A of the gas diffusion layer 14, the frame-shaped member 15, the area for sandwiching both surfaces of the polymer electrolyte membrane 11 can be increased. Thereby, the inner edge part of the frame-shaped member 15 and the outer edge part 14A of the gas diffusion layer 14 can be reliably fitted, and the holding strength of the MEA 10 by the frame-shaped member 15 can be further improved.

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記実施形態では、炭素繊維を基材として用いずにガス拡散層を構成したが、従来と同様に炭素繊維を基材としても用いてもよい。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can implement in another various aspect. For example, in the said embodiment, although the gas diffusion layer was comprised without using carbon fiber as a base material, you may use carbon fiber as a base material similarly to the past.

なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。   It is to be noted that, by appropriately combining any of the various embodiments, the effects possessed by them can be produced.

本発明にかかる膜電極−枠接合体及びその製造方法、並びに高分子電解質形燃料電池は、枠状部材が膜電極接合体を保持する強度を向上させることができるので、特に、自動車などの移動体、分散発電システム、及び家庭用のコージェネレーションシステムなどに有用である。   The membrane electrode-frame assembly according to the present invention, the manufacturing method thereof, and the polymer electrolyte fuel cell can improve the strength with which the frame-shaped member holds the membrane electrode assembly. It is useful for body, distributed power generation system, and home cogeneration system.

本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の基本構成を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a basic configuration of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 図１に示す膜電極−枠接合体の平面図である。It is a top view of the membrane electrode-frame assembly shown in FIG. 図１に示すＭＥＡの外縁部の構成を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the structure of the outer edge part of MEA shown in FIG. 図１に示すＭＥＡの外縁部の拡大平面図である。It is an enlarged plan view of the outer edge part of MEA shown in FIG. 図１に示すガス拡散層の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the gas diffusion layer shown in FIG. 図１に示すＭＥＡの外縁部に隣接して枠状部材を樹脂成形する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that a frame-shaped member is resin-molded adjacent to the outer edge part of MEA shown in FIG. 図１に示すＭＥＡの外縁部に隣接して枠状部材を樹脂成形した膜電極−枠接合体の一部拡大断面図である。FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view of a membrane electrode-frame assembly obtained by resin-molding a frame-shaped member adjacent to the outer edge of the MEA shown in FIG. 1. 本発明の第２実施形態にかかる燃料電池が備えるガス拡散層の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the gas diffusion layer with which the fuel cell concerning 2nd Embodiment of this invention is provided. 本発明の第３実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡの外縁部の拡大平面図である。It is an enlarged plan view of the outer edge part of MEA with which the fuel cell concerning 3rd Embodiment of this invention is provided. 本発明の第４実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡの外縁部の拡大平面図である。It is an enlarged plan view of the outer edge part of MEA with which the fuel cell concerning 4th Embodiment of this invention is provided. 本発明の第５実施形態にかかる燃料電池が備えるＭＥＡの外縁部の拡大平面図である。It is an enlarged plan view of the outer edge part of MEA with which the fuel cell concerning 5th Embodiment of this invention is provided.

１ 膜電極−枠接合体
２ セパレータ
３ セル
１０ ＭＥＡ（膜電極接合体）
１１ 高分子電解質膜
１２ 電極層
１３ 触媒層
１４ ガス拡散層
１５ 枠状部材
１６ 染み込み部分
２１ 燃料ガス流路溝
２２ 酸化剤ガス流路溝
３０ 金型 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Membrane electrode-frame assembly 2 Separator 3 Cell 10 MEA (membrane electrode assembly)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Polymer electrolyte membrane 12 Electrode layer 13 Catalyst layer 14 Gas diffusion layer 15 Frame-like member 16 Infiltration part 21 Fuel gas flow path groove 22 Oxidant gas flow path groove 30 Mold

Claims (13)

高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向する一対のガス拡散層と、
前記一対のガス拡散層のそれぞれの外縁部を包囲するように配置された樹脂製の枠状部材と、を有し、
前記一対のガス拡散層は、同一形状で且つそれぞれの外縁部が凹凸形状に形成されるとともに、当該一対のガス拡散層の凹凸形状の外縁部が厚み方向から見て一致するように配置され、
前記枠状部材は前記凹凸形状の外縁部に隙間無く嵌合している、膜電極−枠接合体。 A polymer electrolyte membrane;
A pair of catalyst layers facing each other across the polymer electrolyte membrane;
A pair of gas diffusion layers facing each other across the polymer electrolyte membrane and the pair of catalyst layers;
A resin-made frame-like member disposed so as to surround each outer edge portion of the pair of gas diffusion layers,
The pair of gas diffusion layers have the same shape and the outer edge portions thereof are formed in an uneven shape, and the outer edge portions of the uneven shape of the pair of gas diffusion layers are arranged so as to coincide with each other when viewed from the thickness direction,
The frame-like member is a membrane electrode-frame assembly that is fitted to the outer edge of the concavo-convex shape without a gap. 前記凹凸形状の外縁部の一部には、前記枠状部材を構成する樹脂材料が染み込んでいる、請求項１に記載の膜電極−枠接合体。   2. The membrane electrode-frame assembly according to claim 1, wherein a resin material constituting the frame-like member is infiltrated into a part of the uneven outer edge portion. 前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成されている、請求項１又は２に記載の膜電極−枠接合体。   The membrane electrode-frame assembly according to claim 1 or 2, wherein the gas diffusion layer is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. 前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とし、前記高分子樹脂よりも少ない重量の炭素繊維が添加された多孔質部材で構成されている、請求項１又は２に記載の膜電極−枠接合体。   The said gas diffusion layer is comprised with the porous member which has as a main component electroconductive particle and polymer resin, and the carbon fiber of the weight smaller than the said polymer resin was added. Membrane electrode-frame assembly. 前記高分子電解質膜は、前記一対のガス拡散層と同一形状に形成され、その外縁部が厚み方向から見て前記一対のガス拡散層の外縁部と一致するように配置されている、請求項１〜４のいずれか１つに記載の膜電極−枠接合体。   The polymer electrolyte membrane is formed in the same shape as the pair of gas diffusion layers, and is arranged so that an outer edge portion thereof coincides with an outer edge portion of the pair of gas diffusion layers when viewed from the thickness direction. The membrane electrode-frame assembly as described in any one of 1-4. 前記高分子電解質膜は、前記一対のガス拡散層の外縁部よりも外側に突出するように前記一対のガス拡散層よりもサイズが大きく形成され、
前記枠状部材は、前記高分子電解質膜の外縁部の両面を挟持する、請求項１〜４のいずれか１つに記載の膜電極−枠接合体。 The polymer electrolyte membrane is formed larger in size than the pair of gas diffusion layers so as to protrude outward from the outer edges of the pair of gas diffusion layers,
The membrane electrode-frame assembly according to any one of claims 1 to 4, wherein the frame-shaped member sandwiches both surfaces of an outer edge portion of the polymer electrolyte membrane. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の膜電極−枠接合体と、
前記膜電極−枠接合体を挟んで対向するように配置されたセパレータと、
を有する、高分子電解質形燃料電池。 The membrane electrode-frame assembly according to any one of claims 1 to 6,
A separator disposed so as to oppose the membrane electrode-frame assembly, and
A polymer electrolyte fuel cell. 高分子電解質膜を挟んで互いに対向するように一対の触媒層を配置し、前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向するように一対のガス拡散層を配置し、前記一対のガス拡散層のそれぞれの外縁部を包囲するように樹脂製の枠状部材を配置した膜電極−枠接合体の製造方法であって、
前記一対のガス拡散層を同一形状で且つそれぞれの外縁部を凹凸形状に形成するとともに、当該一対のガス拡散層の凹凸形状の外縁部が厚み方向から見て一致するように配置し、当該凹凸形状の外縁部に前記枠状部材を隙間無く嵌合させることを含む、膜電極−枠接合体の製造方法。 A pair of catalyst layers are arranged so as to face each other across the polymer electrolyte membrane, a pair of gas diffusion layers are arranged so as to face each other across the polymer electrolyte membrane and the pair of catalyst layers, A membrane electrode-frame assembly manufacturing method in which resin-made frame-like members are arranged so as to surround each outer edge portion of the gas diffusion layer,
The pair of gas diffusion layers have the same shape and the outer edge portions are formed in a concavo-convex shape, and the concavo-convex shape outer edges of the pair of gas diffusion layers are arranged so as to coincide with each other in the thickness direction. A method for producing a membrane electrode-frame assembly, comprising fitting the frame-shaped member to a shape outer edge portion without a gap. 前記枠状部材は、前記凹凸形状の外縁部の一部に前記樹脂材料が染み込むように射出成形することにより形成する、請求項８に記載の膜電極−枠接合体の製造方法。   The method for manufacturing a membrane electrode-frame assembly according to claim 8, wherein the frame-shaped member is formed by injection molding so that the resin material penetrates into a part of the outer edge of the concavo-convex shape. 前記ガス拡散層は、
導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混練し、
前記混練して得た混練物を圧延してシート状に成形し、
前記シート状に成形した混練物を焼成して前記混練物中から前記界面活性剤と分散溶媒とを除去し、
前記界面活性剤と前記分散溶媒とを除去した混練物を再圧延して厚さを調整する、
ことにより形成する、請求項８又は９に記載の膜電極−枠接合体の製造方法。 The gas diffusion layer is
Conductive particles and polymer resin, a surfactant and a dispersing solvent mixed kneaded,
Formed into a sheet by rolling the mixed kneaded product obtained by the mixed paste,
Wherein firing the sheet-like mixed kneaded product was molded into a removal of the dispersing solvent and the surfactant from the mixed paste material in,
Adjusting the thickness by re-rolling the blend kneaded product was removed and the dispersion solvent and the surfactant,
The manufacturing method of the membrane electrode-frame assembly of Claim 8 or 9 formed by this. 前記ガス拡散層は、
導電性粒子と高分子樹脂と炭素繊維と界面活性剤と分散溶媒とを混練し、
前記混練して得た混練物を圧延してシート状に成形し、
前記シート状に成形した混練物を焼成して前記混練物中から前記界面活性剤と分散溶媒とを除去し、
前記界面活性剤と前記分散溶媒とを除去した混練物を再圧延して厚さを調整する、
ことにより形成する、請求項８又は９に記載の膜電極−枠接合体の製造方法。 The gas diffusion layer is
Kneading the conductive particles, polymer resin, carbon fiber, surfactant and dispersion solvent,
Formed into a sheet by rolling a kneaded product obtained by the mixed paste,
Wherein firing the sheet-like mixed kneaded product was molded into a removal of the dispersing solvent and the surfactant from the mixed paste material in,
Adjusting the thickness by re-rolling the blend kneaded product was removed and the dispersion solvent and the surfactant,
The manufacturing method of the membrane electrode-frame assembly of Claim 8 or 9 formed by this. 前記高分子電解質膜の両面に前記触媒層及び前記ガス拡散層を積層したのち、その外縁部を前記凹凸形状に打ち抜いて、前記一対のガス拡散層の外縁部と前記高分子電解質膜の外縁部とを厚み方向から見て一致させる、請求項８〜１１のいずれか１つに記載の膜電極−枠接合体の製造方法。   After laminating the catalyst layer and the gas diffusion layer on both surfaces of the polymer electrolyte membrane, the outer edge portion is punched into the concavo-convex shape, and the outer edge portion of the pair of gas diffusion layers and the outer edge portion of the polymer electrolyte membrane The manufacturing method of the membrane electrode-frame assembly according to any one of claims 8 to 11, wherein the two are matched when viewed from the thickness direction. 前記高分子電解質膜は、前記一対のガス拡散層の外縁部よりも外側に突出するように前記一対のガス拡散層よりもサイズを大きく形成し、
前記枠状部材は、前記高分子電解質膜の外縁部の両面を挟持するように配置する、請求項８〜１１のいずれか１つに記載の膜電極−枠接合体の製造方法。 The polymer electrolyte membrane is formed larger in size than the pair of gas diffusion layers so as to protrude outward from the outer edge portions of the pair of gas diffusion layers,
The method for producing a membrane electrode-frame assembly according to any one of claims 8 to 11, wherein the frame-shaped member is disposed so as to sandwich both surfaces of an outer edge portion of the polymer electrolyte membrane.
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