JP5889720B2 - 電解質膜・電極構造体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ、電極触媒層及びガス拡散層を有する電極を有し、且つ前記電極中の少なくとも一方には、電極触媒層とガス拡散層の間に多孔質層が介在する電解質膜・電極構造体及びその製造方法に関する。

固体高分子型燃料電池の単位セルは、電解質膜・電極構造体を一組のセパレータによって挟持することで構成される。前記電解質膜・電極構造体は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜と、該電解質膜の一方の面に臨むアノード電極及び他方の面に臨むカソード電極とを備える。

これらアノード電極及びカソード電極は各々、電解質膜に臨む電極触媒層と、該電極触媒層に反応ガスを拡散して供給するガス拡散層とで構成されるのが一般的であるが、電極触媒層とガス拡散層との間に多孔質層が介装されることもある。この多孔質層は、アノード電極及びカソード電極の保水性と排水性の双方の適切な均衡を図ること等を目的として設けられ、電子伝導性物質と撥水性樹脂とを含んで構成される。具体的には、多孔質層は、例えば、特許文献１に示されるように、ガス拡散層を構成するカーボンペーパに、電子伝導性物質及び撥水性樹脂を含む分散液を塗布して乾燥する塗工によって形成することができる。

しかしながら、塗工では、乾燥工程を経ること等によって、形成途中や、形成後の多孔質層にひび割れが生じてしまう懸念がある。さらには、得られる多孔質層の透水圧が低いため、多孔質層を介して、Ｆｅ等の不純物イオンが電解質膜の内部へと進入し、これによって、電解質膜の劣化が促進されることも考えられる。

このような不都合を回避するべく、例えば、特許文献２に提案されるように、前記分散液に浸漬したポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルム（多孔質層シート）をガス拡散層に接合して、多孔質層を形成することが想起される。

特開２０１１−１７５８９１号公報 特開２００７−５６０６４号公報

多孔質層は、ガス拡散層と電極触媒層面の双方に接合される。ここで、ガス拡散層の面粗度は電極触媒層に比して大きい。これに対し、多孔質シートから得られた多孔質層の面粗度は比較的小さく、このため、多孔質層は、ガス拡散層に対して容易には接合しない。

多孔質層とガス拡散層との間の接合性を向上させるべく、面粗度が大きいガス拡散層に合わせて、多孔質層の面粗度を大きく設定することが考えられる。しかしながら、この場合、多孔質層のガス拡散層に対する接合性は向上するものの、面粗度の小さい電極触媒層に対する接合性が低下してしまう懸念がある。

さらには、面粗度が大きい多孔質層に対し、塗工や転写等によって電極触媒層を形成しようとすると、平坦な電極触媒層を得ることが困難となる。すなわち、電極触媒層の面粗度も大きくなる。電解質膜・電極構造体を構成する際、このような電極触媒層に電解質膜を接触させると、電解質膜に比較的大きな物理的ストレスが加わることになるため、電解質膜に劣化や損傷が生じる原因となる懸念がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、電解質膜の劣化や損傷を抑制しつつ、電極触媒層及びガス拡散層の各々との接合性を高めることができる多孔質層を有し、生産性及び耐久性を向上させることが可能な電解質膜・電極構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜を一組の電極で挟持した後、前記電解質膜と前記一組の電極の各々とを接合して構成される電解質膜・電極構造体であって、
前記一組の電極の各々は、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、ガス拡散層とを有し、
前記一組の電極の少なくとも一方の前記電極触媒層及び前記ガス拡散層の間には、多孔質シートからなる多孔質層が介在し、
前記多孔質層中の前記ガス拡散層と接触する拡散層接触部は、前記接合前において、前記電極触媒層と接触する触媒層接触部に比して面粗度が大きいことを特徴とする。

本発明に係る電解質膜・電極構造体における多孔質層では、ガス拡散層と接触する拡散層接触部の面粗度がガス拡散層の面粗度に応じて設定され、且つ、電極触媒層と接触する触媒層接触部の面粗度が、該電極触媒層の面粗度に応じて設定されている。一般的に、ガス拡散層は、ガス拡散性が発現するように多孔質素材等から形成されるため、電解質膜・電極構造体の他の構成要素に比して面粗度が大きい。すなわち、このようなガス拡散層と接触する拡散層接触部は、触媒層接触部に比して面粗度が大きい。このため、多孔質層とガス拡散層とが良好に接合可能である。

その一方で、多孔質層の触媒層接触部は、上記の通り拡散層接触部に比して面粗度が小さい。このため、ガス拡散層に比して面粗度の小さい電極触媒層に対しても良好に接合可能である。

すなわち、ガス拡散層及び電極触媒層の各々と多孔質層との接合強度が向上する。従って、電解質膜・電極構造体の構成要素同士が互いに剥離することを有効に抑制した燃料電池を構成することができる。

また、例えば、塗工や転写によって電極触媒層を触媒層接触部上に形成する場合であっても、触媒層接触部の面粗度が小さいため、略平坦な電極触媒層を得ることができる。このため、電極触媒層と電解質膜が接触した際に該電極触媒層から電解質膜に加えられる物理的ストレスを低減することができる。従って、電解質膜の耐久性、ひいては電解質膜・電極構造体の耐久性を高めることが可能となる。

拡散層接触部の面粗度については、その中心線平均粗さＲａが３．０〜１０．０μｍであることが好ましく、触媒層接触部の面粗度については、その中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下であることが好ましい。この場合、多孔質層は、ガス拡散層、電極触媒層のいずれともより良好に接合することが可能である。従って、電解質膜等が損傷や劣化することを有効に抑制することができ、電解質膜・電極構造体の耐久性及び生産性を向上させることができる。

多孔質層の外形寸法（面積）を、ガス拡散層の外形寸法（面積）に比して大きく設定するようにしてもよい。この場合、多孔質層は、ガス拡散層の外周から突出して露呈する外周縁部を有することになる。この外周縁部が、ガス拡散層と電解質膜との間に介在することにより、ガス拡散層を構成する繊維が電解質膜に突き刺さることを防止することができる。

この外周縁部のセパレータに臨む側の面には、拡散層接触部以外の部位に対し、ガス不透過性の絶縁シート等のシールを設ける。すなわち、該部位はシール形成部である。このシールにより、アノード側電極とカソード側電極との間で反応ガスが移動し、混在してしまうことを回避することができる。

この場合において、拡散層接触部の面粗度は、シール形成部に比して大きいことが好ましい。換言すれば、シール形成部の面粗度は、拡散層接触部に比して小さいことが好ましい。

シールの面粗度は、ガス拡散層に比して小さい。従って、シール形成部の面粗度を上記したように小さくすることにより、シール形成部にシールを良好に接合することができる。このため、アノード電極及びカソード電極間で反応ガスが混在することを効果的に阻止して、電解質膜等が劣化することを有効に抑制することができる。すなわち、電解質膜・電極構造体の耐久性を向上させることができる。

ここで、拡散層接触部の好ましい中心線平均粗さＲａは、上記したように３．０〜１０．０μｍである。一方、シール形成部の中心線平均粗さＲａは、１．０μｍ以下であることが好ましい。この場合、多孔質層は、ガス拡散層及び絶縁シートのいずれともより良好に接合することが可能である。

また、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜を挟持する一組の電極が電極触媒層と、ガス拡散層とを有するとともに、前記一組の電極中の少なくとも一方が、前記電極触媒層及び前記ガス拡散層の間に介在して多孔質シートからなる多孔質層をさらに有する電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
前記多孔質層を作製する際、前記ガス拡散層と接触する拡散層接触部の面粗度が、前記電極触媒層と接触する触媒層接触部の面粗度に比して大きくなるように、前記多孔質層に面粗度の大小差を設けることを特徴とする。

このように、拡散層接触部と触媒層接触部とで面粗度の大小差を設けることにより、電極触媒層及びガス拡散層の各々とに良好に接合する多孔質層を得ることができる。

従って、構成要素同士が良好に接合し、互いに剥離することを有効に抑制した状態で電解質膜・電極構造体を製造することができる。このため、電解質膜・電極構造体の歩留まりが向上するとともに、その生産効率が向上する。

しかも、電極触媒層の面が比較的平坦となるため、該電極触媒層に接触する電解質膜に加わる物理的ストレスが小さくなる。このため、電解質膜・電極構造体の耐久性を向上させることができる。

拡散層接触部と触媒層接触部とで面粗度の大小差を設けるには、例えば、多孔質層の拡散層接触部となる部位に第１基材を接触させ、且つ触媒層接触部となる部位に、第１基材に比して面粗度の小さな第２基材を接触させ、この状態で荷重を付与すればよい。第１基材が接触した部位が、面粗度が大きな拡散層接触部となり、一方、第２基材が接触した部位が、面粗度が小さな触媒層接触部となる。なお、第１基材は、中心線平均粗さＲａが３．０〜１０．０μｍである拡散層接触部が得られるものが好ましく、第２基材は、中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下である触媒層接触部が得られるものが好ましい。

多孔質層をガス拡散層に比して大面積とする場合には、該多孔質層に、ガス拡散層の外周から突出して露呈する外周縁部が形成される。この外周縁部のセパレータに臨む側の面には、上記したように、拡散層接触部以外の部位、すなわち、シール形成部にシールを設けることが好ましい。シールの面粗度がガス拡散層に比して小さいことから、シール形成部の面粗度を、拡散層接触部に比して小さく（拡散層接触部の面粗度を、シール形成部に比して大きく）設定することが好ましい。これにより、シールがシール形成部に対して良好に接合するようになるからである。

従って、シールにより、アノード電極及びカソード電極間で反応ガスが混在することを効果的に阻止して、電解質膜等が劣化することを一層有効に抑制することができる。このため、電解質膜・電極構造体の耐久性を向上させることができる。さらには、シールを設ける場合であっても、シールが剥離し難いために電解質膜・電極接合体の歩留まりが向上するとともに、その生産効率が向上する。

シール形成部の面粗度を小さく設定するには、例えば、拡散層接触部となる部位に第１基材を接触させ、且つ前記触媒層接触部となる部位及び前記シール形成部に、前記第１基材に比して面粗度の小さな第２基材及び第３基材をそれぞれ接触させ、この状態で荷重を付与すればよい。

なお、第１基材は、中心線平均粗さＲａが３．０〜１０．０μｍである拡散層接触部が得られるものが好ましく、第２基材及び第３基材は、中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下である触媒層接触部、シール形成部が得られるものが好ましい。このことから諒解されるように、第２基材及び第３基材は、同一の材質からなるものであってもよい。

電極触媒層は、電解質膜に形成するようにしてもよいが、触媒層接触部上に形成するようにしてもよい。該触媒層接触部の面粗度が上記のように小さく設定されているので、例えば、塗工や転写によって、平坦な薄膜形状の電極触媒層を得ることができる。このため、該電極触媒層と電解質膜が接触しても、該電極触媒層から電解質膜に加わる物理的ストレスが低減する。その結果として、電解質膜・電極構造体の耐久性が向上する。

本発明によれば、電極を構成する多孔質層において、電極触媒層が接触する触媒層接触部の面粗度に比して、ガス拡散層が接触する拡散層接触部の面粗度が大きく設定されている。一方、ガス拡散層の面粗度は、電極触媒層に比して大きい。このため、拡散層接触部とガス拡散層が良好に接合するとともに、触媒層接触部と電極触媒層とが良好に接合する。すなわち、多孔質層と、ガス拡散層及び電極触媒層の各々との接合強度が向上する。

以上のように、電解質膜・電極接合体の構成要素同士が強固に接合し、剥離し難くなる。このため、電解質膜・電極構造体の歩留まり及び生産効率を向上させることができる。さらには、電極触媒層が平坦となるので、該電極触媒層に接触する電解質膜に加わる物理的ストレスが小さくなる。従って、電解質膜が劣化したり損傷したりすることが回避されるので、その耐久性が向上する。

本発明の実施形態に係る電解質膜・電極構造体が組み込まれる燃料電池の要部概略縦断面図である。 図１の電解質膜・電極構造体の分解縦断面側面図である。 図１の電解質膜・電極構造体の多孔質層を示す平面図である。 他の実施形態に係る電解質膜・電極構造体が組み込まれる燃料電池の要部概略縦断面図である。 実施例１〜３及び比較例１、２の電解質膜・電極構造体を作製する際に用いた基材と、各部位の面粗度及び構成要素の接合状態を示す図表である。 実施例１及び実施例４における拡散層接触部及びシール形成部の面粗度と、アウトリーク量を示す図表である。

以下、本発明に係る電解質膜・電極構造体につき好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、固体高分子型の燃料電池１０の要部概略縦断面図である。この燃料電池１０は、本実施形態に係る電解質膜・電極構造体１２が組み込まれて構成される。

先ず、燃料電池１０の構成につき説明する。この燃料電池１０では、電解質膜・電極構造体１２と、アノード側セパレータ１４と、カソード側セパレータ１６とが、例えば、立位姿勢で積層される。この積層方向（図１の矢印Ａ方向）に、燃料電池１０が複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタック（不図示）が構成される。なお、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６としては、例えば、カーボンセパレータが使用されるが、これに代えて金属セパレータを用いてもよい。

アノード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に臨む面１４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（不図示）と、該燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（不図示）とに連通する燃料ガス流路１８が、水平方向（図１の紙面に直交する方向。以下、便宜的にＢ方向という）に延在して設けられる。

同様に、カソード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に臨む面１６ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（不図示）と、該酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（不図示）とに連通する酸化剤ガス流路２０が水平方向（前記Ｂ方向）に延在して設けられる。燃料電池１０を複数積層した際にアノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６とが互いに対向する面同士の間には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（不図示）と、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（不図示）とに連通する冷却媒体流路２２が一体的に形成されている。

図１及び図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子膜からなる電解質膜２４と、該電解質膜２４を挟持するアノード電極２８及びカソード電極３０とを備える。電解質膜２４の外形寸法は、アノード電極２８及びカソード電極３０の外形寸法よりも大きく設定される。

電解質膜２４は、例えば、陽イオン交換樹脂に属してプロトン伝導性を備えるポリマーを、フィルム状に形成したものを用いることができる。陽イオン交換樹脂としては、例えば、ポリスチレンスルホン酸等のビニル系ポリマーのスルホン化物や、パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー、パーフルオロアルキルカルボン酸ポリマー、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン等の耐熱性高分子にスルホン酸基又はリン酸基を導入したポリマーや、フェニレン連鎖からなる芳香族化合物を重合して得られる剛直ポリフェニレンを主成分として、これにスルホン酸基を導入したポリマー等が挙げられる。

アノード電極２８及びカソード電極３０は、電解質膜２４を挟持するように設けられる。そして、アノード電極２８は、第１電極触媒層３２と、第１ガス拡散層３４と、第１多孔質層３６とを有し、この中の第１多孔質層３６には、シールである第１絶縁シート３８が設けられている。一方、カソード電極３０は、第２電極触媒層４０と、第２ガス拡散層４２と、第２多孔質層４４とを有し、この中の第２多孔質層４４には、第２絶縁シート４６が設けられる。

第１電極触媒層３２は、それぞれ、カーボンブラック等の触媒担体に白金等の触媒金属を担持してなる触媒粒子と、イオン伝導性高分子バインダ等の高分子電解質とを含んで構成されている。なお、前記触媒粒子に代替し、触媒金属の粒子のみからなり、触媒担体を含まない触媒粒子（例えば、白金黒等）を採用するようにしてもよい。

第１ガス拡散層３４は、例えば、多数の繊維状カーボンがセルロース質に含有されることで構成されたカーボンペーパを基材とする。このような構成であるため、第１ガス拡散層３４の面粗度は、第１電極触媒層３２及び電解質膜２４に比して比較的大きい。

第１多孔質層３６は、電子伝導性物質と撥水性樹脂とを含む多孔質シートからなり、前記電子伝導性物質に基づいて導電性を示す。この電子伝導性物質の好適な例としては、ファーネスブラック（ケチェン・ブラック社製「ケチェンブラックＥＣ」及び「ケチェンブラックＥＣ−６００ＪＤ」、Ｃａｒｂｏｔ社製「バルカンＸＣ−７２」、東海カーボン社製「トーカブラック」、旭カーボン社製「旭ＡＸ」等；いずれも商品名）、アセチレンブラック（電気化学工業社製「デンカブラック」等；商品名）、グラッシーカーボンの粉砕品、気相法炭素繊維（昭和電工社製「ＶＧＣＦ」及び「ＶＧＣＦ−Ｈ」等；いずれも商品名）、カーボンナノチューブ、及びこれらを黒鉛化処理した粉末を単独又は２種以上混合したものが挙げられる。

一方の撥水性樹脂の素材としては、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＦ（ポリフッ化ビニル）、ＥＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、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）、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）をはじめとする結晶性フッ素樹脂や、旭硝子社製の「ルミフロン」及び「サイトップ」（いずれも商品名）等の非晶質フッ素樹脂、及びシリコーン樹脂等が例示される。

第１多孔質層３６は、第１ガス拡散層３４及び第１電極触媒層３２よりも外形寸法が大、換言すれば、面積が大に設定される。このため、第１多孔質層３６において、第１ガス拡散層３４ないし第１電極触媒層３２に接触する部位以外の部位は、第１ガス拡散層３４の外周から突出して該第１ガス拡散層３４から露呈する。以下においては、第１ガス拡散層３４に接触する部位を第１拡散層接触部５０、第１電極触媒層３２に接触する部位を第１触媒層接触部５２、第１ガス拡散層３４及び第１電極触媒層３２の外周から突出して露呈した部位を第１外周縁部５４と表記する。

なお、第１電極触媒層３２の外形寸法は、電解質膜２４に比して小さい。このため、第１外周縁部５４の第１触媒層接触部５２側の面では、該第１触媒層接触部５２の外周側が電解質膜２４と接触する。以下、電解質膜２４と接触する部位を第１電解質膜接触部５４ａと表記する。

第１多孔質層３６の各面において、第１外周縁部５４は、第１拡散層接触部５０及び第１触媒層接触部５２を囲繞している。従って、図３に示すように、第１外周縁部５４は、額縁形状をなす。

第１外周縁部５４は、第１ガス拡散層３４と電解質膜２４との間に介在することによって、第１ガス拡散層３４を構成する繊維が電解質膜２４に突き刺さることを防止する役割を担う。また、この第１外周縁部５４には、例えば、プレスや、樹脂剤を含浸させることにより、ガス不透過性とする処理が施されていてもよい。

第１外周縁部５４において、アノード側セパレータ１４に臨む側の面には、第１外周縁部５４と同じ額縁形状をなす前記第１絶縁シート３８が設けられる。以下、第１絶縁シート３８が設けられる部位を第１シール形成部５４ｂと表記する。図１〜図３から容易に諒解されるように、第１拡散層接触部５０と第１シール形成部５４ｂは、第１多孔質層３６の同一面に設けられる。

第１拡散層接触部５０と第１シール形成部５４ｂでは、面粗度が互いに相違する。具体的には、第１拡散層接触部５０の方が面粗度が大きい。好適には、第１拡散層接触部５０は中心線平均粗さＲａが３．０〜１０．０μｍであり、第１シール形成部５４ｂは中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下である。

また、第１拡散層接触部５０と第１触媒層接触部５２でも、面粗度が互いに相違する。すなわち、第１拡散層接触部５０の方が第１触媒層接触部５２に比して面粗度が大きい。好適には、第１拡散層接触部５０の中心線平均粗さＲａは上記したように３．０〜１０．０μｍであり、一方、第１触媒層接触部５２の中心線平均粗さＲａは１．０μｍ以下である。

なお、第１触媒層接触部５２が設けられる面では、第１電解質膜接触部５４ａと第１触媒層接触部５２との面粗度を相違させる必要は特にない。すなわち、この面では、第１電解質膜接触部５４ａと第１触媒層接触部５２との面粗度は同等であってもよい。

ここで、第１多孔質層３６の厚さは、一般的には３０〜６０μｍに設定される。このような場合において、第１拡散層接触部５０の中心線平均粗さＲａが１０．０μｍを超える場合、該第１拡散層接触部５０の裏面（反対面）である第１電解質膜接触部５４ａの中心線平均粗さＲａを１．０μｍ以下とすることが容易でなくなる。また、第１多孔質層３６の厚みのバラツキが大きくなり、第１ガス拡散層３４及び第１電極触媒層３２との接合強度が低下する懸念がある。

以上のように、第１多孔質層３６では、第１拡散層接触部５０の面粗度が最大に設定される。この理由は、上記したように第１ガス拡散層３４の面粗度が第１電極触媒層３２及び第１絶縁シート３８に比して大きいからであるが、その詳細については後述する。

第１シール形成部５４ｂに設けられる第１絶縁シート３８は、ガス不透過性を有し、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）製の略平坦なフィルム等で構成される。また、第１絶縁シート３８の厚みと第１ガス拡散層３４の厚みは略同等であり、このため、これら第１絶縁シート３８の厚みと第１ガス拡散層３４の面同士は面一となっている。

カソード電極３０における第２電極触媒層４０、第２ガス拡散層４２、第２多孔質層４４及び第２絶縁シート４６は、上記した第１電極触媒層３２、第１ガス拡散層３４、第１多孔質層３６及び第１絶縁シート３８と同様に構成されている。このため、カソード電極３０の構成についての詳細な説明は省略する。ここで、図１中の参照符号５６、５８、６０、６０ａ、６０ｂは、それぞれ、第２拡散層接触部、第２触媒層接触部、第２外周縁部、第２電解質膜接触部、第２シール形成部を示す。

また、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６には、それぞれ、第１ガス拡散層３４、第２ガス拡散層４２の縁部を囲繞するようにしてシール部材６１ａ、６１ｂが設けられる。これらシール部材６１ａ、６１ｂにより、電解質膜・電極構造体１２からその外部へ反応ガスが漏れること（アウトリーク）を有効に防止することができる。

次に、上記した電解質膜・電極構造体１２の製造方法につき説明する。

電解質膜・電極構造体１２を製造するに際しては、アノード電極２８及びカソード電極３０を個別に作製する。すなわち、はじめに、第１多孔質層３６及び第２多孔質層４４をそれぞれ構成する２枚の多孔質シートを作製する。具体的には、前記電子伝導性物質を前記撥水性樹脂に分散させた分散液を凝集させてろ別することにより凝集体を得、この凝集体を溶剤に添加して多孔質層ペーストを調製する。この多孔質層ペーストを延伸処理してシート状とし、焼成処理することによって、導電性且つ多孔性を有する多孔質シートを得る。

次いで、得られた多孔質シートに対し、第１拡散層接触部５０となる部位の面粗度が大きくなる一方、第１触媒層接触部５２となる部位、第１電解質膜接触部５４ａとなる部位、及び第１シール形成部５４ｂとなる部位の面粗度が小さくなるように、面粗度に大小差を設ける。

このためには、面粗度が大きな第１基材と、該第１基材に比して面粗度が小さな第２基材及び第３基材とを用意する。好適な第１基材は、中心線平均粗さＲａが３．０〜１０．０μｍである第１拡散層接触部５０を形成し得るものであり、その具体例としては、工作紙等が挙げられる。一方、好適な第２基材及び第３基材は、中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下である第１触媒層接触部５２、第１電解質膜接触部５４ａ、第１シール形成部５４ｂを形成し得るものであり、その具体例としては、ＰＴＦＥフィルム、ポリイミドフィルム等が挙げられる。

そして、多孔質シートの一面中の第１拡散層接触部５０となる部位に第１基材を接触させるとともに、該一面中の第１シール形成部５４ｂとなる部位に第３基材を接触させる。さらに、多孔質シートの残余の他面に第２基材を接触させる。

この状態で、荷重を付与して押圧する。すなわち、プレス処理を施す。これにより、多孔質シートの一面に、第１基材の表面の凹凸が転写されて面粗度が大きな第１拡散層接触部５０と、第３基材によって平坦化され面粗度が小さな第１シール形成部５４ｂとが形成され、同時に、他面に、第２基材によって平坦化されて面粗度が小さな第１触媒層接触部５２及び第１電解質膜接触部５４ａが形成される。以上により、部位に応じて面粗度に大小差が設けられた第１多孔質層３６が得られる。

上記したように、第１拡散層接触部５０の中心線平均粗さＲａは３．０〜１０．０μｍであることが好ましく、第１シール形成部５４ｂ、第１触媒層接触部５２及び第１電解質膜接触部５４ａの中心線平均粗さＲａは１．０μｍ以下であることが好ましい。

第２多孔質層４４も、上記と同様にして作製することができる。すなわち、第１基材によって面粗度が大きな第２拡散層接触部５６が形成されるとともに、第３基材によって面粗度が小さな第２シール形成部６０ｂが形成され、同時に、第２基材によって面粗度が小さな第２触媒層接触部５８及び第２電解質膜接触部６０ａが形成される。以上により、第２多孔質層４４が得られる。勿論、第２拡散層接触部５６の中心線平均粗さＲａは３．０〜１０．０μｍであることが好ましく、第２シール形成部６０ｂ、第２触媒層接触部５８及び第２電解質膜接触部６０ａの中心線平均粗さＲａは１．０μｍ以下であることが好ましい。

次いで、このようにして得られた第１多孔質層３６及び第２多孔質層４４に対し、第１電極触媒層３２、第２電極触媒層４０をそれぞれ設ける。

すなわち、イオン伝導性高分子溶液中に、前記触媒粒子及び有機溶媒を添加、混合することにより触媒層用ペーストを調製した後、この触媒層用ペーストを、ＰＴＦＥ等から形成したフィルム上に所定量塗布して熱処理を施す。これにより、第１電極触媒層３２が得られる。同様にして、別のフィルム上に第２電極触媒層４０を形成する。

そして、前記フィルムにおける第１電極触媒層３２が形成された側の面を第１多孔質層３６の第１触媒層接触部５２に対して熱圧着し、その後、フィルムを剥離する。これにより、第１電極触媒層３２が第１触媒層接触部５２に転写される。同様にして、第２多孔質層４４の第２触媒層接触部５８に第２電極触媒層４０を転写する。以上により、第１電極触媒層３２が形成された第１多孔質層３６と、第２電極触媒層４０が形成された第２多孔質層４４が得られる。

触媒層用ペーストを第１多孔質層３６及び第２多孔質層４４に塗布し、その後に熱処理を施して第１電極触媒層３２、第２電極触媒層４０を得るようにしてもよい。すなわち、塗工を行うようにしてもよい。

いずれの場合においても、第１触媒層接触部５２及び第２触媒層接触部５８の面粗度が小さく、好適には中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下であるので、第１触媒層接触部５２と第１電極触媒層３２との接触面積、及び第２触媒層接触部５８と第２電極触媒層４０との接触面積が大きくなり、このために第１多孔質層３６と第１電極触媒層３２、及び第２多孔質層４４と第２電極触媒層４０とが十分な強度で且つ接触抵抗が低減するように接合する。しかも、この場合、面が平坦な第１電極触媒層３２及び第２電極触媒層４０が得られるという利点がある。

これとは別に、カーボンペーパに撥水性樹脂を含浸させた後、乾燥させることによって、互いに同様の構成を有する第１ガス拡散層３４及び第２ガス拡散層４２をそれぞれ作製する。

また、前述した陽イオン交換樹脂に属しプロトン伝導性を備えるポリマーから選択したポリマーを長方形のシート形状とし、電解質膜２４を作製する。

次いで、この電解質膜２４の一方の面に、第１電極触媒層３２が接触し、他方の面に第２電極触媒層４０が接触するように、第１電極触媒層３２及び第１多孔質層３６と、電解質膜２４と、第２電極触媒層４０及び第２多孔質層４４とを重畳した後、熱圧着して積層体とする。

この時点で、第１電極触媒層３２、第１多孔質層３６の第１電解質膜接触部５４ａ、第２電極触媒層４０、及び第２多孔質層４４の第２電解質膜接触部６０ａが電解質膜２４に接合する。上記したように、第１電解質膜接触部５４ａ及び第２電解質膜接触部６０ａの面粗度は小さく、好適には、ともに中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下である。また、第１電極触媒層３２及び第２電極触媒層４０の面も比較的平坦である。従って、この接合の際、電解質膜２４に加わる物理的ストレスは小さい。

前記積層体における最外面では、第１多孔質層３６の第１拡散層接触部５０及び第１シール形成部５４ｂと、第２多孔質層４４の第２拡散層接触部５６及び第２シール形成部６０ｂが露呈している。この中の第１拡散層接触部５０に第１ガス拡散層３４を接触させるとともに、第２拡散層接触部５６に第２ガス拡散層４２を接触させ、この状態で、熱圧着する。

ここで、第１ガス拡散層３４及び第２ガス拡散層４２は、上記したように多数の繊維状カーボンがセルロース質に含有されることで構成されたカーボンペーパを基材とするものであり、その面粗度が大きい。これに対応するべく、本実施形態においては、第１拡散層接触部５０及び第２拡散層接触部５６の面粗度を、その他の部位に比して大きく設定するようにしている。このため、第１ガス拡散層３４及び第２ガス拡散層４２に含まれる繊維状カーボンが、第１拡散層接触部５０及び第２拡散層接触部５６に対して容易に且つランダムに絡む。その結果として、第１多孔質層３６と第１ガス拡散層３４、及び第２多孔質層４４と第２ガス拡散層４２とが十分な強度で接合する。

次いで、第１ガス拡散層３４を囲繞する第１シール形成部５４ｂ上と、第２ガス拡散層４２を囲繞する第２シール形成部６０ｂ上に、ＰＥＮフィルムからなる第１絶縁シート３８、第２絶縁シート４６をそれぞれ重畳し、その後、熱圧着する。

フィルム等から構成される第１絶縁シート３８及び第２絶縁シート４６は、面粗度が比較的小さい。これに対応するべく、第１シール形成部５４ｂ及び第２シール形成部６０ｂの面粗度は、第１拡散層接触部５０及び第２拡散層接触部５６に比して小さく設定されている。このため、第１多孔質層３６と第１絶縁シート３８、第２多孔質層４４と第２絶縁シート４６とを、互いに密着するように良好に接合することができる。

以上のように、第１多孔質層３６及び第２多孔質層４４の面粗度を、部位によって相違させることにより、これら第１多孔質層３６及び第２多孔質層４４に対し、その他の構成要素を十分な強度で接合することができる。

このため、接合した構成要素同士が剥離することが防止される。従って、電解質膜・電極構造体１２を歩留まりよく製造することができるとともに、その生産効率を向上させることができる。

このようにして、各構成要素同士が強固に接合し、且つ電解質膜２４に対する物理的ストレスが小さな電解質膜・電極構造体１２が得られるに至る。燃料電池１０を構成するには、電解質膜・電極構造体１２をアノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６で挟持すればよい。

次に、本実施形態に係る電解質膜・電極構造体１２を組み込んだ燃料電池１０の動作につき説明する。

燃料電池１０を発電させるに際しては、酸化剤ガス入口連通孔に酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔に水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔に純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

冷却媒体入口連通孔に供給された冷却媒体は、図１に示すように、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６間に形成された冷却媒体流路２２に導入される。この冷却媒体流路２２では、冷却媒体が重力方向（図１中の矢印Ｃ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面を全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔に排出される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔からカソード側セパレータ１６の酸化剤ガス流路２０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２０に沿って前記Ｂ方向に流通し、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極３０に沿って移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔からアノード側セパレータ１４の燃料ガス流路１８に導入される。この燃料ガス流路１８では、燃料ガスが前記Ｂ方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２８に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、アノード電極２８に供給されて第１ガス拡散層３４、第１多孔質層３６を通過した燃料ガスと、カソード電極３０に供給されて第２ガス拡散層４２、第２多孔質層４４を通過した酸化剤ガスとが、第１電極触媒層３２及び第２電極触媒層４０内で電気化学反応によりそれぞれ消費され、発電が行われる。

この電解質膜・電極構造体１２においては、第１多孔質層３６の第１外周縁部５４が第１ガス拡散層３４と電解質膜２４との間に介在し、且つ第１シール形成部５４ｂと第１絶縁シート３８が良好に接合にされている。このため、アノード電極２８に供給された燃料ガスが電解質膜２４に到達することが防止される。従って、燃料ガスが該電解質膜２４を通過してカソード電極３０側に移動し、酸化剤ガスと混在してしまうことを阻止することができる。

従って、例えば、燃料ガスに含まれる水素と、酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して過酸化水素水が発生し、さらにこれが分解してヒドロキシラジカル等が発生することを有効に阻止することができる。このため、ヒドロキシラジカル等が電解質膜２４等の電解質膜・電極構造体１２の構成要素を劣化させてしまうことを有効に抑制して、耐久性を向上させることができる。

また、電解質膜・電極構造体１２の作製時に電解質膜２４に加わった物理的ストレスが小さいので、電解質膜２４が劣化したり損傷したりすることが回避される。このことも相俟って、電解質膜・電極構造体１２の耐久性が一層向上する。

加えて、電解質膜２４は、第１多孔質層３６及び第２多孔質層４４の外方まで延在している。このことも、一方の電極に供給された反応ガスが電解質膜２４を通過して他方の電極に移動することや、アウトリークが起こることを防止することに寄与する。

本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、上記の実施形態では、第１外周縁部５４を有する第１多孔質層３６と、第２外周縁部６０を有する第２多孔質層４４とを採用して電解質膜・電極構造体１２を構成するようにしているが、特にこれに限定されるものではなく、図４に示すように、ガス拡散層、多孔質層及び電極触媒層の面積が同一であるために第１外周縁部及び第２外周縁部が存在しないものであってもよい。

この実施形態につき概略説明する。なお、図１〜図３に示す構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。

燃料電池６２を構成する電解質膜・電極構造体６４は、前記アノード電極２８及びカソード電極３０に代えて、アノード電極６６及びカソード電極６８を備えている。アノード電極６６は、外形寸法（面積）が略同一である第１電極触媒層３２、第１多孔質層７０、第１ガス拡散層７２を有する。同様に、カソード電極６８は、外形寸法（面積）が略同一である第２電極触媒層４０、第２多孔質層７４、第２ガス拡散層７６を有する。

第１多孔質層７０と第１ガス拡散層７２の外形寸法が略同一であり、且つ第２多孔質層７４と第２ガス拡散層７６の外形寸法が略同一であるため、第１ガス拡散層７２は第１多孔質層７０の全体を覆い、第２ガス拡散層７６は第２多孔質層７４の全体を覆う。従って、第１多孔質層７０及び第２多孔質層７４には、第１ガス拡散層７２及び第２ガス拡散層７６から露呈するような部位（外周縁部）が存在しない。

この場合、第１多孔質層７０及び第２多孔質層７４の各々では、表裏の面の面粗度が互いに相違していればよい。具体的には、第１多孔質層７０の第１ガス拡散層７２に接触する面（第１拡散層接触部７８）の面粗度を、第１電極触媒層３２に接触する面（第１触媒層接触部８０）に比して大きく設定する。第２多孔質層７４についても同様に、第２ガス拡散層７６に接触する面（第２拡散層接触部８２）の面粗度を、第２電極触媒層４０に接触する面（第２触媒層接触部８４）に比して大きく設定する。

このためには、第１多孔質層７０及び第２多孔質層７４を作製する際、第１拡散層接触部７８又は第２拡散層接触部８２となる側の面に上記したような第１基材を接触させ、且つ第１触媒層接触部８０又は第２触媒層接触部８４となる側の面に上記したような第２基材を接触させればよい。なお、第１拡散層接触部７８及び第２拡散層接触部８２の好ましい中心線平均粗さＲａは３．０〜１０．０μｍであり、第１触媒層接触部８０及び第２触媒層接触部８４の好ましい中心線平均粗さＲａは１．０μｍ以下である。

また、図１及び図４に示す実施形態では、第１多孔質層３６、７０及び第２多孔質層４４、７４を有する電解質膜・電極構造体１２、６４をそれぞれ例示しているが、第１多孔質層３６、７０及び第２多孔質層４４、７４の双方を設ける必要は特になく、いずれか一方のみを設けるようにしてもよい。

［実施例１］
（１） 第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層は、互いに同一の構成となるように、それぞれ同様に作製した。具体的には、嵩密度が０．３１ｇ／ｍ^２、厚さが１７０μｍのカーボンペーパに、三井・デュポンフロロケミカル社製の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）の分散液「ＦＥＰ １２０−ＪＲＢ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ」（商品名）を含浸させ、１２０℃で３０分間乾燥させた。この際、カーボンペーパは、該カーボンペーパに対するＦＥＰの乾燥重量が、２．４重量％となるように分散液に含浸させた。

（２） 第１多孔質層及び第２多孔質層のそれぞれを構成する多孔質シートは、互いに同一の構成となるように作製した。具体的には、先ず、電気化学工業社製のアセチレンブラック１００ｇを含む水溶液１０００ｍｌを遊星ボールミルにて撹拌分散させてカーボンブラック分散液を得る。この分散液に、三井・デュポンフロロケミカル社製のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ディスパージョン溶液を混合する。この際、ＰＴＦＥとカーボンブラックとが質量比で７０：３０となるように添加する。得られた分散液に対して、イソプロピルアルコールを５０質量％添加することにより、ＰＴＦＥとカーボンブラックとを凝集させた後、ろ別する。

これにより得られた凝集体を１２０℃で３時間乾燥させた後、溶剤としてソルベントナフサを５０質量％添加することによりペースト塊を作製した。このペースト塊をロール機で厚さが１ｍｍとなるようにロールした後、前記ソルベントナフサを１２０℃で２時間乾燥させて蒸発させた。その後、同時二軸延伸装置を用いて、延伸温度３００℃として１軸方向に１．５倍延伸処理した後、熱収縮しないように延伸シートの延伸方向の長さを固定した状態で３５０℃に加熱して、完全焼成処理を行った。これにより、導電性且つ多孔性を有する厚さ４５μｍ、中心線平均粗さＲａが４．３μｍである多孔質シートを得た。

第１多孔質層を形成する多孔質シートの第１ガス拡散層と接触する側の面には、第１基材としてフワットライト（工作紙）を接触させ、一方、第１電極触媒層及び電解質膜と接触する側の面には、第２基材としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムを接触させて、室温の下、３０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の面圧を付与してプレス処理を行い、面粗度の大小差を設けた。すなわち、面粗度が大きな第１拡散層接触部と、面粗度が小さな第１触媒層接触部及び第１電解質膜接触部とを有する第１多孔質層を得た。同様にして、面粗度が大きな第２拡散層接触部と、面粗度が小さな第２触媒層接触部及び第２電解質膜接触部とを有する第２多孔質層を作製した。

（３） 触媒層用ペーストは、デュポン社製のイオン伝導性ポリマー溶液「ＤＥ２０２０ＣＳ」（商品名）に対し、ＢＡＳＦ社製の白金触媒「ＬＳＡ」（商品名）の重量比が０．１となるように添加し、さらに、ボールミルで撹拌して混合することにより調製した。

（４） ＰＴＦＥシート上に、（３）で調整した触媒層用ペーストを、白金の重量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布した後、１２０℃で６０分間の熱処理を行うことにより、第１電極触媒層を得た。

（５） ＰＴＦＥシート上に、（３）で調整した触媒層用ペーストを、白金の重量が０．７ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布した後、１２０℃で６０分間の熱処理を行うことにより、第２電極触媒層を得た。

（６） （４）で作製したＰＴＦＥシート中の第１電極触媒層を、（２）で作製した第１多孔質層の第１触媒層接触部に接触させ、この状態で熱圧着した。その後、ＰＴＦＥシートを剥離した。また、（５）で作製したＰＴＦＥシート中の第２電極触媒層を、（２）で作製した第２多孔質層の第２触媒層接触部に接触させ、この状態で熱圧着した。その後、ＰＴＦＥシートを剥離した。すなわち、デカール法により、第１多孔質層上に第１電極触媒層を転写するとともに、第２多孔質層上に第２電極触媒層を転写した。

（７） （６）で作製した第１多孔質層上の第１電極触媒層を、厚さ２４μｍ、含水率０．０５９４ｍｍｏｌ／ｃｍ^２としたフッ素系の電解質膜の一方の面に１００℃で面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ^２の条件で熱圧着させた。同様の条件で、（６）で作製した第２多孔質層上の第２電極触媒層を、電解質膜の他方の面に熱圧着させた。

（８） （７）で作製した積層体の第１多孔質層の第１拡散層接触部及び第２多孔質層の第２拡散層接触部に、（１）で作製した第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層をそれぞれ１００℃で面圧１５ｋｇｆ／ｃｍ^２の条件で熱圧着させた。

（９） さらに、（８）で作製した積層体の第１多孔質層の第１外周縁部（第１シール形成部）及び第２多孔質層の第２外周縁部（第２シール形成部）のそれぞれに、第１絶縁シート及び第２絶縁シートとして、厚み１５０μｍのＰＥＮフィルムを１００℃で面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ^２の条件で熱圧着させた。これにより、電解質膜・電極構造体を作製した。これを実施例１とする。

［実施例２］
第１多孔質層を形成する多孔質シートの第１触媒層接触部に接触させる第２基材としてポリイミドフィルムを採用した。第２多孔質層についても同様である。それ以外は実施例１と同様にして、電解質膜・電極構造体を得た。これを実施例２とする。

［実施例３］
第１多孔質層及び第２多孔質層を形成するシートについて、面粗度の大小差を設ける際に、４０ｋｇｆ／ｃｍ^２の面圧を付与してプレス処理を行った。それ以外は実施例１と同様にして、電解質膜・電極構造体を得た。これを実施例３とする。

［実施例４］
第１多孔質層を作製する際、多孔質シートの第１拡散層接触部となる部位に第１基材としてフワットライト（工作紙）を接触させるとともに、その周囲の部位（第１シール形成部）となる部位に第３基材としてポリイミドフィルムを接触させたことを除いては実施例１に準拠して、第１拡散層接触部と第１シール形成部とで面粗度が相違するアノード電極を得た。同様にして、第２拡散層接触部と第２シール形成部とで面粗度が相違するカソード電極を作製した。さらに、これらのアノード電極及びカソード電極を用いて電解質膜・電極構造体を得た。これを実施例４とする。

［比較例１］
第１多孔質層を作製する際、多孔質シートの両面にポリイミドフィルムを接触させた。すなわち、多孔質シートの両面に同一の基材を接触させ、両面の面粗度を同等とした。第２多孔質層についても同様である。それ以外は実施例１と同様にして、電解質膜・電極構造体を得た。これを比較例１とする。

［比較例２］
第１多孔質層を作製する際、多孔質シートの第１拡散層接触部となる部位にポリイミドフィルムを接触させるとともに、第１触媒層接触部となる部位に工作紙を接触させた。第２多孔質層についても同様である。すなわち、実施例２における第１基材と第２基材を、反対面に接触させた。それ以外は実施例１と同様にして、電解質膜・電極構造体を得た。これを比較例２とする。

上記の実施例１〜３及び比較例１、２の電解質膜・電極構造体の第１多孔質層及び第２多孔質層について、各部位の面粗度、多孔質層とガス拡散層及び電極触媒層との接合状態を評価した結果を、採用した基材とともに図５に併せて示す。ここで、図５における面粗度は、表面粗さ計を用い、ＪＩＳ−Ｂ−０６０１に準じて、第１及び第２多孔質層の表面を触針でトレースして得た測定値から算出した中心線平均粗さＲａである。なお、表面粗さ計は、ミツトヨ社製ＳＪ−２０１Ｐを利用し、検出器の測定力は４ｍＮであり、触針の先端半径は５μｍとした。

また、図５中の「○」、「△」及び「×」は、それぞれ、十分に大きな接合強度が得られたこと、接合強度が比較的大きかったこと、接合強度が不十分であったことを表す。具体的には、ＪＩＳ−Ｋ−６８５４−２に準じて、剥離強度を測定し、測定値が０．２Ｎ／ｍｍ以上であった場合に「○」、０．２Ｎ／ｍｍ未満０．１Ｎ／ｍｍ以上であった場合に「△」、０．１Ｎ／ｍｍ未満であった場合に「×」として評価を行った。

なお、以下では、第１多孔質層及び第２多孔質層を一括して「多孔質層」とも表記する。第１拡散層接触部及び第２拡散層接触部、第１触媒層接触部及び第２触媒層接触部等についても同様に、「拡散層接触部」、「触媒層接触部」と表記することがある。

図５における実施例１〜３及び比較例１、２から、多孔質層の拡散層接触部の面粗度を、触媒層接触部の面に比して大きくすることによって、ガス拡散層及び電極触媒層の各々と、多孔質層とが良好に接合することが明らかである。さらに、実施例１、２と実施例３とを対比し、拡散層接触部の中心線平均粗さＲａが３．０μｍ以上であるとき、多孔質層とガス拡散層とが一層良好に接合するとともに、触媒接触部の中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下であるとき、多孔質層と電極触媒層とが一層良好に接合することが分かる。

以上とは別に、多孔質層における拡散層接触部とシール形成部の面粗度が同等である実施例１と、拡散層接触部の面粗度がシール形成部に比して大きく設定された実施例４につき、アウトリーク量の測定を行った。その結果を図６に示す。ここで、図６のアウトリーク量は、５０ｃｍ^２の単セルを作製し、該単セルについて、アノード電極側とカソード電極の差圧を５０ｋＰａとした場合にリークしたガスの量を測定した値である。

図６から、拡散層接触部の面粗度をシール形成部の面粗度に比して大きくすることによって、アウトリーク量を低減できることが明らかである。すなわち、多孔質層と電極触媒層とを互いに密着するように接合することが可能となり、アノード電極及びカソード電極間で反応ガスが混在することを効果的に阻止することができる。

１０、６２…燃料電池 １２、６４…電解質膜・電極構造体
１４…アノード側セパレータ １６…カソード側セパレータ
１８…燃料ガス流路 ２０…酸化剤ガス流路
２２…冷却媒体流路 ２４…電解質膜
２８、６６…アノード電極 ３０、６８…カソード電極
３２…第１電極触媒層 ３４、７２…第１ガス拡散層
３６、７０…第１多孔質層 ３８…第１絶縁シート
４０…第２電極触媒層 ４２、７６…第２ガス拡散層
４４、７４…第２多孔質層 ４６…第２絶縁シート
５０、７８…第１拡散層接触部 ５２、８０…第１触媒層接触部
５４…第１外周縁部 ５４ａ…第１電解質膜接触部
５４ｂ…第１シール形成部 ５６、８２…第２拡散層接触部
５８、８４…第２触媒層接触部 ６０…第２外周縁部
６０ａ…第２電解質膜接触部 ６０ｂ…第２シール形成部

Claims (11)

1. 固体高分子膜からなる電解質膜を一組の電極で挟持した後、前記電解質膜と前記一組の電極の各々とを接合して構成される電解質膜・電極構造体であって、
   前記一組の電極の各々は、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、ガス拡散層とを有し、
   前記一組の電極の少なくとも一方の前記電極触媒層及び前記ガス拡散層の間には、多孔質シートからなる多孔質層が介在し、
   前記多孔質層中の前記ガス拡散層と接触する拡散層接触部は、前記接合前において、前記電極触媒層と接触する触媒層接触部に比して面粗度が大きいことを特徴とする電解質膜・電極構造体。
2. 請求項１記載の電解質膜・電極構造体において、前記拡散層接触部の中心線平均粗さＲａが３．０〜１０．０μｍであり、且つ前記触媒層接触部の中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下であることを特徴とする電解質膜・電極構造体。
3. 請求項１又は２記載の電解質膜・電極構造体において、前記多孔質層は、前記ガス拡散層の外周から突出して露呈する外周縁部を有し、
   前記外周縁部のセパレータに臨む側の面中、拡散層接触部以外の部位を、シールを設けるためのシール形成部とし、
   前記拡散層接触部は、前記シール形成部に比して面粗度が大きいことを特徴とする電解質膜・電極構造体。
4. 請求項３記載の電解質膜・電極構造体において、前記拡散層接触部の中心線平均粗さＲａが３．０〜１０．０μｍであり、且つ前記シール形成部の中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下であることを特徴とする電解質膜・電極構造体。
5. 固体高分子膜からなる電解質膜を挟持する一組の電極が電極触媒層と、ガス拡散層とを有するとともに、前記一組の電極中の少なくとも一方が、前記電極触媒層及び前記ガス拡散層の間に介在して多孔質シートからなる多孔質層をさらに有する電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
   前記多孔質層を作製する際、前記ガス拡散層と接触する拡散層接触部の面粗度が、前記電極触媒層と接触する触媒層接触部の面粗度に比して大きくなるように、前記多孔質層に面粗度の大小差を設けることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。
6. 請求項５記載の製造方法において、前記多孔質層の前記拡散層接触部となる部位に第１基材を接触させ、且つ前記触媒層接触部となる部位に、前記第１基材に比して面粗度の小さな第２基材を接触させ、この状態で荷重を付与することで前記多孔質層に面粗度の大小差を設けることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。
7. 請求項５又は６記載の製造方法において、前記拡散層接触部の中心線平均粗さＲａを３．０〜１０．０μｍ、前記触媒層接触部の中心線平均粗さＲａを１．０μｍ以下とすることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。
8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の製造方法において、前記多孔質層を、前記ガス拡散層に比して大面積とすることで、該多孔質層に、前記ガス拡散層の外周から突出して露呈する外周縁部を形成するとともに、前記外周縁部のセパレータに臨む側の面中、拡散層接触部以外の部位を、シールを設けるためのシール形成部とし、
   前記多孔質層に面粗度の大小差を設ける際、さらに、前記拡散層接触部の面粗度を、前記シール形成部の面粗度に比して大きくすることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。
9. 請求項８記載の製造方法において、前記拡散層接触部となる部位に第１基材を接触させ、且つ前記触媒層接触部となる部位及び前記シール形成部に、前記第１基材に比して面粗度の小さな第２基材及び第３基材をそれぞれ接触させ、この状態で荷重を付与することで前記拡散層接触部と前記シール形成部に面粗度の大小差を設けることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。
10. 請求項８又は９記載の製造方法において、前記拡散層接触部の中心線平均粗さＲａを３．０〜１０．０μｍ、前記シール形成部の中心線平均粗さＲａを１．０μｍ以下とすることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。
11. 請求項５〜１０のいずれか１項に記載の製造方法において、前記触媒層接触部上に前記電極触媒層を形成することを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。

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