JP6963703B2 - 膜電極接合体 - Google Patents

Description

本発明は、膜電極接合体に関するものである。

燃料電池は、膜電極接合体と、一対のセパレータとを有している。膜電極接合体は、電解質膜、アノード及びカソードを有している。アノードに燃料、カソードに酸化剤が供給されることによって、燃料電池は発電する。

特開２０１５−１３３３３７号公報

カソードに供給される酸化剤としては、一般的に空気が用いられる。このカソードに供給される空気は、アンモニア、硫化アンモニウム、又はジメチルスルフィドなどの触媒毒を含んでいる。燃料電池の使用に伴い、触媒毒によってカソード触媒の性能が低下してしまうという問題がある。この問題に対して、カソード触媒の性能が低下するまでの期間を長くする、すなわち、カソードの耐久性を向上させることが要望されている。

本発明の課題は、カソードの耐久性を向上させることにある。

本発明のある側面に係る膜電極接合体は、電解質膜と、第１触媒層と、第１ガス拡散層とを備える。第１触媒層は、電解質膜上に配置される。第１ガス拡散層は、第１触媒層上に配置される。第１界面長さＬ１は、第２界面長さＬ２よりも長い。第１界面長さは、第１触媒層と第１ガス拡散層との界面の長さである。第２界面長さＬ２は、第１触媒層と電解質膜との界面の長さである。第２界面長さＬ２に対する、第１界面長さＬ１の割合（Ｌ１／Ｌ２）は、１．０７以上である。

この構成の膜電極接合体を用いれば、カソードの耐久性を向上させることができる。すなわち、この膜電極接合体は、第２界面長さＬ２に対する、第１界面長さＬ１の割合（Ｌ１／Ｌ２）は、１．０７以上となっている。このように、第１触媒層と第１ガス拡散層との界面をより大きくしているため、この界面によって、カソードに供給される空気中の触媒毒をより多く捕集することができる。このように電解質膜から離れた界面によって触媒毒をより多く捕集することができるため、カソード触媒の実質的な性能に寄与する電解質膜側のカソード触媒の性能低下を抑制することができる。この結果、実質的なカソード触媒の性能が低下するまでの期間を長くすることができ、カソードの耐久性を向上させることができる。

好ましくは、膜電極接合体は、第２触媒層と第２ガス拡散層とをさらに備える。第２触媒層は、第１触媒層と反対側において電解質膜上に配置される。第２ガス拡散層は、第２触媒層上に配置される。

好ましくは、第５界面長さＬ５に対する、第４界面長さＬ４の割合（Ｌ４／Ｌ５）は、第２界面長さＬ２に対する、第１界面長さＬ１の割合（Ｌ１／Ｌ２）よりも小さい。なお、第５界面長さＬ５は、第２触媒層と電解質膜との界面の長さである。第４界面長さＬ４は、第２触媒層と第２ガス拡散層との界面の長さである。

本発明によれば、カソードの耐久性を向上させることができる。

燃料電池の断面図。 膜電極接合体のカソード側の拡大断面図。 界面長さの測定方法を説明するための膜電極接合体の平面図。 界面長さの測定方法を説明するための別の実施形態における膜電極接合体の平面図。 界面長さの測定方法を説明するための膜電極接合体の断面図。 カソード側の界面長さの測定方法を説明するための拡大断面図。 膜電極接合体のアノード側の拡大断面図。 アノード側の界面長さの測定方法を説明するための拡大断面図。 膜電極接合体の拡大断面図。 変形例に係る電解質の拡大断面図。 変形例に係る膜電極接合体の拡大断面図。

以下、本実施形態に係る膜電極接合体１０を図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る膜電極接合体１０を用いた固体アルカリ形燃料電池１００の構成を示す断面図である。なお、固体アルカリ形燃料電池１００は、水酸化物イオンをキャリアとするアルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）の一種である。

（固体アルカリ形燃料電池１００）
図１に示すように、固体アルカリ形燃料電池１００は、膜電極接合体１０、第１セパレータ１１、及び第２セパレータ１２を備えている。実際に使用する際は、複数の固体アルカリ形燃料電池１００がスタックされる。詳細には、複数の膜電極接合体１０が第１及び第２セパレータ１１、１２を介してスタックされる。

（膜電極接合体１０）
膜電極接合体１０は、カソード２、アノード３、及び電解質膜４を備える。膜電極接合体１０は、下記の電気化学反応式に基づいて、比較的低温（例えば、５０℃〜２５０℃）で発電する。ただし、下記の電気化学反応式では、燃料の一例としてメタノールが用いられている。

・カソード２： ３／２Ｏ_２＋３Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻→６ＯＨ⁻
・アノード３： ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→６ｅ⁻＋ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ
・全体 ： ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ

（カソード２）
カソード２は、電解質膜４の第１面４１側（図１の上面側）に配置されている。カソード２は、一般的に空気極と呼ばれる陽極である。

固体アルカリ形燃料電池１００の発電中、カソード２には、第１セパレータ１１の第１流路１１１を介して酸素（Ｏ_２）を含む酸化剤が供給される。酸化剤としては、空気を用いるのが好ましく、空気は加湿されていることがより好ましい。カソード２は、内部に酸化剤を拡散可能な多孔質体である。カソード２の気孔率は特に制限されない。カソード２の厚みは特に制限されないが、例えば１０〜２００μｍとすることができる。

図２に示すように、カソード２は、第１触媒層２１と、第１ガス拡散層２２とを有している。第１触媒層２１は、電解質膜４上に配置されている。第１触媒層２１は、平面視において、矩形状である。第１触媒層２１の厚さは、例えば、５〜５０μｍ程度である。

第１触媒層２１は、ＡＦＣに使用される公知のカソード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。カソード触媒の例としては、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）等の第８〜１０族元素（ＩＵＰＡＣ形式での周期表において第８〜１０族に属する元素）、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の第１１族元素（ＩＵＰＡＣ形式での周期表において第１１族に属する元素）、ロジウムフタロシアニン、テトラフェニルポルフィリン、Ｃｏサレン、Ｎｉサレン（サレン＝Ｎ，Ｎ’−ビス（サリチリデン）エチレンジアミン）、銀硝酸塩、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。カソード２における触媒の担持量は特に限定されないが、好ましくは０．１〜１０ｍｇ／ｃｍ^２、より好ましくは、０．１〜５ｍｇ／ｃｍ^２である。カソード触媒はカーボンに担持させるのが好ましい。カソード２ないしそれを構成する触媒の好ましい例としては、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）、パラジウム担持カーボン（Ｐｄ／Ｃ）、ロジウム担持カーボン（Ｒｈ／Ｃ）、ニッケル担持カーボン（Ｎｉ／Ｃ）、銅担持カーボン（Ｃｕ／Ｃ）、及び銀担持カーボン（Ａｇ／Ｃ）が挙げられる。

第１ガス拡散層２２は、第１触媒層２１上に配置されている。第１ガス拡散層２２は、平面視において、矩形状である。第１ガス拡散層２２は、第１触媒層２１よりも厚い。第１ガス拡散層２２の厚さは、例えば、５０〜１５０μｍ程度である。

第１ガス拡散層２２は、第１セパレータ１１の第１流路１１１内を流れる酸化剤を拡散して第１触媒層２１に供給する。第１ガス拡散層２２は、電気伝導性を有する。第１ガス拡散層２２は、集電部材としても機能する。

第１ガス拡散層２２は、カーボンペーパー、カーボンクロス、又はカーボンフェルトなどの導電性多孔質材料によって構成することができる。第１ガス拡散層２２には、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、又はグラファイトなどの導電性材料と、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ）などの撥水性材料と、を含むマイクロポーラス層が形成されていてもよい。

第１触媒層２１と第１ガス拡散層２２との界面Ｓ１の長さを第１界面長さＬ１とする。第１触媒層２１と電解質膜４との界面Ｓ２の長さを第２界面長さＬ２とする。第１界面長さＬ１は、第２界面長さＬ２よりも長い。第２界面長さＬ２に対する、第１界面長さＬ１の割合（Ｌ１／Ｌ２）は、１．０７以上である。なお、割合（Ｌ１／Ｌ２）は、例えば、１．２５以下とすることができる。

第１及び第２界面長さＬ１、Ｌ２は、次のようにして測定することができる。まず、図２に示すような膜電極接合体１０の切断面を３つ形成する。詳細には、図３に示すように、カソード２の中心Ｃを通り、第１流路１１１が延びる方向に沿って切断した第１切断面Ｃ１を形成する。また、この第１切断面Ｃ１と平行となるように切断した第２切断面Ｃ２及び第３切断面Ｃ３を形成する。なお、第１切断面Ｃ１と第２切断面Ｃ２との距離ｄ１は、第１切断面Ｃ１と第３切断面Ｃ３との距離ｄ２と同じであり、これらの距離ｄ１及びｄ２は、カソード２の第１寸法ｄ０の４０％とする。ここで、カソード２の第１寸法ｄ０とは、カソード２の中心Ｃを通り、第１切断面Ｃ１と直交する方向に延びる寸法を意味する。なお、図４に示すように、平面視が矩形状でない場合、例えば、円形状のような場合であっても同様の方法で各切断面Ｃ１〜Ｃ３を形成する。

以上により、図５に示すような切断面Ｃ１〜Ｃ３が形成される。次に、各切断面Ｃ１〜Ｃ３におけるカソード２の中央部２０１及び両端部２０２において、界面Ｓ１，Ｓ２の部分をＳＥＭによって５００倍に拡大して撮影する。各切断面Ｃ１〜Ｃ３のそれぞれで３視野撮影するため、合計９視野撮影する。なお、各切断面Ｃ１〜Ｃ３におけるカソード２の中央部２０１と両端部２０２との距離ｄ３は、各切断面Ｃ１〜Ｃ３におけるカソード２の第２寸法ｄ４の４０％とする。ここで、カソード２の第２寸法ｄ４とは、各切断面Ｃ１〜Ｃ３におけるカソード２の長手方向の寸法を意味する。

図６は、第１及び第２界面長さＬ１，Ｌ２の測定方法を説明するための図である。上述のように作製した９視野分の各断面画像において、図６の二点鎖線で示すように、第１触媒層２１と第１ガス拡散層２２との界面Ｓ１、及び第１触媒層２１と電解質膜４との界面Ｓ２を、分割線Ｄ１によって等間隔に分割する。この分割線Ｄ１の間隔は、例えば、１０μｍとする。

この各分割線Ｄ１と界面Ｓ１とが交差する点同士を結んでできた直線Ｅ１（図６の点線）の長さを足し合わせたものを各断面画像で算出し、各断面画像で算出した値の平均値を第１界面長さＬ１とする。また、各分割線Ｄ１と界面Ｓ２とが交差する点同士を結んでできた直線Ｅ２の長さを足し合わせたものを各断面画像で算出し、各断面画像で算出した値の平均値を第２界面長さＬ２とする。

上述したようなカソード２は、次のように作製する。まず、第１ガス拡散層２２を準備する。そして、この第１ガス拡散層２２に対して、凹凸形状を有する金型でプレスすることによって、第１ガス拡散層２２の第１主面に凹凸形状を形成する。この第１ガス拡散層２２の第１主面上に触媒ペーストを塗布することなどによって第１触媒層２１を形成する。このようにカソード２を形成することによって、Ｌ１／Ｌ２の値を１．０７以上とすることができる。なお、この凹凸形状を有する金型を別の金型に取り換えることによって、Ｌ１／Ｌ２の値を変更することができる。

（アノード３）
図１に示すように、アノード３は、電解質膜４の第２面４２側（図１の下面側）に配置されている。アノード３は、一般的に燃料極と呼ばれる陰極である。

固体アルカリ形燃料電池１００の発電中、アノード３には、第２セパレータ１２の第２流路１２１を介して、水素原子（Ｈ）を含む燃料が供給される。燃料としては、メタノールを用いるのが好ましい。アノード３は、内部に燃料を拡散可能な多孔質体である。アノード３の気孔率は特に制限されない。アノード３の厚みは特に制限されないが、例えば１０〜５００μｍとすることができる。

燃料は、アノード３において水酸化物イオン（ＯＨ⁻）と反応可能な燃料化合物を含んでいればよく、液体燃料及び気体燃料のいずれの形態であってもよい。

燃料化合物としては、例えば、（ｉ）ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２）、水加ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２Ｏ）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ_２ＮＨ_２）_２ＣＯ_２）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２ＳＯ_４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ_３ＮＨＮＨ_２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ_３）_２ＮＮＨ_２、ＣＨ_３ＮＨＮＨＣＨ_３）、及びカルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ_２）_２ＣＯ）等のヒドラジン類、（ｉｉ）尿素（ＮＨ_２ＣＯＮＨ_２）、（ｉｉｉ）アンモニア（ＮＨ_３）、（ｉｖ）イミダゾール、１，３，５−トリアジン、３−アミノ−１，２，４−トリアゾール等の複素環類化合物、（ｖ）ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ）、硫酸ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ・Ｈ_２ＳＯ_４）等のヒドロキシルアミン類、及びこれらの組合せが挙げられる。これらの燃料化合物のうち炭素を含まない化合物（すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、アンモニア、ヒドロキシルアミン、硫酸ヒドロキシルアミン等）は、一酸化炭素による触媒被毒の問題が無いため特に好適である。

燃料化合物は、そのまま燃料として用いてもよいが、水及び／又はアルコール（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコール等）に溶解させた溶液として用いてもよい。例えば、上記燃料化合物のうち、ヒドラジン、水化ヒドラジン、モノメチルヒドラジン及びジメチルヒドラジンは液体であるので、そのまま液体燃料として使用可能である。また、炭酸ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、カルボンヒドラジド、尿素、イミダゾール、及び３−アミノ−１，２，４−トリアゾール、及び硫酸ヒドロキシルアミンは固体であるが水に可溶である。１，３，５−トリアジン及びヒドロキシルアミンは固体であるがアルコールに可溶である。アンモニアは気体であるが水に可溶である。このように、固体の燃料化合物は、水又はアルコールに溶解させて液体燃料として使用可能である。燃料化合物を水及び／又はアルコールに溶解させて用いる場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、例えば１〜９９重量％であり、好ましくは３０〜９９重量％である。

また、メタノール、エタノール等のアルコール類やエーテル類を含む炭化水素系液体燃料、メタン等の炭化水素系ガス、或いは純水素などは、そのまま燃料として用いることができる。特に、本実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池１００に用いられる燃料としては、メタノールが好適である。メタノールは、気体状態、液体状態、及び、気液混合状態のいずれであってもよい。

図７に示すように、アノード３は、第２触媒層３１と、第２ガス拡散層３２とを有している。第２触媒層３１は、電解質膜４上に配置されている。第２触媒層３１は、平面視において、矩形状である。第２触媒層３１の厚さは、例えば、５〜５０μｍ程度である。

第２触媒層３１は、ＡＦＣに使用される公知のアノード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。アノード触媒の例としては、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｓｎ、及びＰｄ等の金属触媒が挙げられる。金属触媒は、カーボン等の担体に担持されるのが好ましいが、金属触媒の金属原子を中心金属とする有機金属錯体の形態としてもよく、この有機金属錯体を担体として担持されていてもよい。また、アノード触媒の表面には多孔質材料等で構成された拡散層を配置してもよい。アノード３及びそれを構成する触媒の好ましい例としては、ニッケル、コバルト、銀、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）、パラジウム担持カーボン（Ｐｄ／Ｃ）、ロジウム担持カーボン（Ｒｈ／Ｃ）、ニッケル担持カーボン（Ｎｉ／Ｃ）、銅担持カーボン（Ｃｕ／Ｃ）、及び銀担持カーボン（Ａｇ／Ｃ）が挙げられる。

第２ガス拡散層３２は、第２触媒層３１上に配置されている。第２ガス拡散層３２は、平面視において、矩形状である。第２ガス拡散層３２は、第２触媒層３１よりも厚い。第２ガス拡散層３２の厚さは、例えば、５０〜１５０μｍ程度である。

第２ガス拡散層３２は、第２セパレータ１２の第２流路１２１内を流れる燃料を拡散して第２触媒層３１に供給する。第２ガス拡散層３２は、電気伝導性を有する。第２ガス拡散層３２は、集電部材としても機能する。

第２ガス拡散層３２は、カーボンペーパー、カーボンクロス、又はカーボンフェルトなどの導電性多孔質材料によって構成することができる。第２ガス拡散層３２には、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、又はグラファイトなどの導電性材料と、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ）などの撥水性材料と、を含むマイクロポーラス層が形成されていてもよい。

第２触媒層３１と第２ガス拡散層３２との界面Ｓ４の長さを第４界面長さＬ４とする。第２触媒層３１と電解質膜４との界面Ｓ５の長さを第５界面長さＬ５とする。第４界面長さＬ４は、第５界面長さＬ５よりも長い。なお、第４界面長さＬ４は、第５界面長さＬ５よりも短くてもよいし、第５界面長さＬ５と略同じでもよい。

例えば、第５界面長さＬ５に対する、第４界面長さＬ４の割合（Ｌ４／Ｌ５）は、第２界面長さＬ２に対する、第１界面長さＬ１の割合（Ｌ１／Ｌ２）よりも小さくすることができる。すなわち、第２界面長さＬ５に対する、第４界面長さＬ４の割合（Ｌ４／Ｌ５）を、１．０７未満とすることができる。

図８は、第４及び第５界面長さＬ４，Ｌ５の測定方法を説明するための図である。図８に示すように、第４及び第５界面長さＬ４、Ｌ５は、次のようにして測定することができる。まず、図７に示すような膜電極接合体１０の切断面を３つ形成する。この３つの切断面は、例えば、上記第１及び第２界面長さＬ１，Ｌ２の測定のために作成した切断面Ｃ１〜Ｃ３と同じである。

そして、図５に示すように、各切断面Ｃ１〜Ｃ３におけるアノード３の中央部３０１及び両端部３０２において、界面Ｓ４，Ｓ５の部分をＳＥＭによって５００倍に拡大して撮影する。各切断面Ｃ１〜Ｃ３のそれぞれで３視野撮影するため、合計９視野撮影する。なお、各切断面Ｃ１〜Ｃ３におけるアノード３の中央部３０１と両端部３０２との距離ｄ５は、各切断面Ｃ１〜Ｃ３におけるアノード３の寸法ｄ６の４０％とする。ここで、アノード３の寸法ｄ６とは、各切断面Ｃ１〜Ｃ３におけるアノード３の長手方向の寸法を意味する。

このようにして作製した９視野分の各断面画像において、図８の二点鎖線で示すように、第２触媒層３１と第２ガス拡散層３２との界面Ｓ４、及び第２触媒層３１と電解質膜４との界面Ｓ５を、分割線Ｄ２によって等間隔に分割する。この分割線Ｄ２の間隔は、例えば、１０μｍとする。

この各分割線Ｄ２と界面Ｓ４とが交差する点同士を結んでできた直線Ｅ４（図８の点線）の長さを足し合わせたものを各断面画像で算出し、各断面画像で算出した値の平均値を第４界面長さＬ４とする。また、各分割線Ｄ２と界面Ｓ５とが交差する点同士を結んでできた直線Ｅ５の長さを足し合わせたものを各断面画像で算出し、各断面画像で算出した値の平均値を第５界面長さＬ５とする。

上述したようなアノード３は、上述したカソード２と同様の方法によって作製する。

（電解質膜４）
図１に示すように、電解質膜４は、カソード２とアノード３との間に配置される。電解質膜４は、カソード２及びアノード３のそれぞれに接続される。電解質膜４は、イオン伝導性を有する。電解質膜４は、膜状であって、第１面４１と第２面４２とを有している。第１面４１と第２面４２とは、互いに逆側を向いている。電解質膜４の第１面４１側にはカソード２が配置されており、第２面４２側にはアノード３が配置されている。

図９は、電解質膜４の断面を拡大して示す模式図である。電解質膜４は、支持体５と、イオン伝導体６とを有する。

支持体５は、イオン伝導体６を支持するように構成されている。詳細には、支持体５は、三次元網目構造を有する多孔質基材によって構成されている。「三次元網目構造」とは、基材の構成物質が立体的かつ網目状に繋がった構造である。なお、支持体５を構成する多孔質基材は、三次元網目構造を有していなくてもよい。

支持体５は、連続孔５ａを形成する。連続孔５ａは、立体的かつ網目状に孔が繋がることによって構成されており、支持体５の外表面に露出している。連続孔５ａには、イオン伝導体６が含浸されている。

支持体５は、金属材料、セラミックス材料、及び高分子材料から選択される少なくとも１種によって構成することができる。

支持体５を構成する金属材料としては、ステンレス（Ｆｅ−Ｃｒ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金など）、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、又は、チタンなどを用いることができる。このような金属材料は、セラミックス材料や高分子材料に比べて熱伝導性が高いため、支持体５の放熱効率を向上させることができるとともに、支持体５内の温度分布を低減させることができる。三次元網目構造を有する限り、支持体５の形態は特に制限されず、例えば、多孔質金属材料（例えば、発砲金属材料）によって構成されるセル状又はモノリス状の構造物であってもよいし、細線金属材料によって構成されるメッシュ状の塊であってもよい。

また、支持体５が金属材料によって構成される場合、支持体５の表面には絶縁膜が形成されていてもよい。絶縁膜は、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４などによって構成することができる。支持体５をステンレスによって構成する場合、ステンレスを酸化処理することにより、絶縁膜としてのＣｒ_２Ｏ_３膜を簡便に形成することができる。ただし、本実施形態では、後述する第１及び第２膜状部４ｂ，４ｃが、絶縁膜として機能するため、支持体５の表面には、絶縁膜が形成されていなくてもよい。

支持体５を構成するセラミックス材料としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、カルシア、コージェライト、ゼオライト、ムライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、及びこれらの任意の組合せが挙げられる。

支持体５を構成する高分子材料としては、例えば、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、親水化したフッ素樹脂（四フッ素化樹脂：ＰＴＦＥ等、ポリフッ化ビニリデン）、セルロース、ナイロン、ポリエチレン及びこれらの任意の組合せが挙げられる。支持体５をフレキシブル性の高分子材料で構成する場合には、気孔率を高めながら厚さを薄くしやすいため、水酸化物イオン伝導性を向上させることができる。高分子材料によって構成される支持体５としては、リチウム電池用セパレータとして市販されているような微多孔膜を用いることができる。

支持体５の厚さは特に制限されないが、例えば、２００μｍ以下とすることができ、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは７５μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下、特に好ましくは２５μｍ以下であり、５μｍ以下が最も好ましい。支持体５の厚さの下限値は、用途に応じて適宜設定すればよいが、ある程度の堅さを確保するには１μｍ以上が好ましく、２μｍ以上がより好ましい。

支持体５の断面における連続孔５ａの平均内径は特に制限されないが、例えば、０．００１〜１．５μｍとすることができ、好ましくは０．００１〜１．２５μｍ、より好ましくは０．００１〜１．０μｍ、さらに好ましくは０．００１〜０．７５μｍ、特に好ましくは０．００１〜０．５μｍである。これらの範囲内とすることによって、支持体５に支持体としての強度を付与しつつ、イオン伝導体６の緻密度を向上させることができる。連続孔５ａの平均内径とは、支持体５の断面を電子顕微鏡で観察した場合に、観察画像上で無作為に選出した２０箇所における連続孔５ａの円相当径を算術平均することによって得られる。連続孔５ａの円相当径とは、観察画像において、連続孔５ａの断面積と同じ面積を有する円の直径である。なお、電子顕微鏡の倍率は、連続孔５ａの断面サイズに応じて適宜設定すればよい。

連続孔５ａの体積率は特に制限されないが、例えば、１０〜８０％とすることができ、好ましくは１５〜７５％、より好ましくは２０〜７０％である。これらの範囲内とすることによって、支持体５に支持体としての強度を確保しつつ、イオン伝導体６の緻密度を向上させることができる。連続孔５ａの体積率は、アルキメデス法により測定することができる。

また、図９では図示されていないが、支持体５は、それ自体の内部に複数の細孔を有することが好ましい。複数の細孔は、支持体５の内部において、互いに繋がっていてもよい。そして、各細孔は支持体５の表面に開口する開気孔であって、各細孔にはイオン伝導体６が含浸していることがより好ましい。これによって、連続孔５ａ→支持体５内の細孔→連続孔５ａという短距離イオン伝導パスや、連続孔５ａ→支持体５内の細孔→第２膜状部４ｃ、或いは、第１膜状部４ｂ→支持体５内の細孔→第２膜状部４ｃという長距離イオン伝導パスを形成することができる。その結果、複合部４ａ内のイオン伝導可能領域が広がるため、電解質膜４全体としてのイオン伝導性を向上させることができる。

イオン伝導体６は、水酸化物イオン伝導性を有する。固体アルカリ形燃料電池１００の発電中、イオン伝導体６は、カソード２側からアノード３側に水酸化物イオン（ＯＨ⁻）を伝導させる。イオン伝導体６の水酸化物イオン伝導率は特に制限されないが、０．１ｍＳ／ｃｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５ｍＳ／ｃｍ以上、さらに好ましくは１．０ｍＳ／ｃｍ以上である。イオン伝導体６の水酸化物イオン伝導率は、高いほど好ましく、その上限値は特に制限されないが、例えば１０ｍＳ／ｃｍである。

イオン伝導体６は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックス材料によって構成することができる。このようなセラミックス材料としては、層状複水酸化物（ＬＤＨ：Ｌａｙｅｒｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）が好適である。

ＬＤＨは、Ｍ^２＋ _１−ｘＭ^３＋ _ｘ（ＯＨ）_２Ａ^ｎ−ｘ／ｎ・ｍＨ_２Ｏ（式中、Ｍ^２＋は２価の陽イオン、Ｍ^３＋は３価の陽イオンであり、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、ｘは０．１〜０．４、ｍは水のモル数を意味する任意の整数である）の一般式で示される基本組成を有する。Ｍ^２＋の例としてはＭｇ^２＋、Ｃａ^２＋、Ｓｒ^２＋、Ｎｉ^２＋、Ｃｏ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ｍｎ^２＋、及びＺｎ^２＋が挙げられ、Ｍ^３＋の例としては、Ａｌ^３＋、Ｆｅ^３＋、Ｔｉ^３＋、Ｙ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｍｏ^３＋、及びＣｒ^３＋が挙げられ、Ａ^ｎ−の例としてはＣＯ_３ ^２−及びＯＨ⁻が挙げられる。Ｍ^２＋及びＭ^３＋としては、それぞれ１種単独で又は２種以上を組み合わせて用いることもできる。

ＬＤＨは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。中間層は、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される。水酸化物基本層は、例えば金属ＭがＮｉ、Ａｌ、Ｔｉの場合には、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含む。以下、ＬＤＨの水酸化物基本層がＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含む場合について説明する。

ＬＤＨ中のＮｉはニッケルイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のニッケルイオンは典型的にはＮｉ^２＋であると考えられるが、Ｎｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＡｌはアルミニウムイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のアルミニウムイオンは典型的にはＡｌ^３＋であると考えられるが、他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＴｉはチタンイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のチタンイオンは典型的にはＴｉ^４＋であると考えられるが、Ｔｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を主要構成要素として含むのが好ましいが、他の元素ないしイオンを含んでいてもよいし、不可避不純物を含んでいてもよい。不可避不純物は、製法上不可避的に混入されうる任意元素であり、例えば原料や基材に由来してＬＤＨ中に混入しうる。

ＬＤＨの中間層は、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される。陰イオンは１価以上の陰イオン、好ましくは１価又は２価のイオンである。好ましくは、ＬＤＨ中の陰イオンはＯＨ⁻及び／又はＣＯ_３ ^２−を含む。

上記のとおり、Ｎｉ、Ａｌ及びＴｉの価数は必ずしも定かではないため、ＬＤＨを一般式で厳密に特定することは非実際的又は不可能である。仮に水酸化物基本層が主としてＮｉ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｔｉ^４＋及びＯＨ基で構成されるものと想定した場合、ＬＤＨは、一般式：Ｎｉ^２＋ _{１−ｘ−ｙ}Ａｌ^３＋ _ｘＴｉ^４＋ _ｙ（ＯＨ）_２Ａ^ｎ− _{（ｘ＋２ｙ）／ｎ}・ｍＨ_２Ｏ（式中、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、好ましくは１又は２であり、０＜ｘ＜１、好ましくは０．０１≦ｘ≦０．５、０＜ｙ＜１、好ましくは０．０１≦ｙ≦０．５、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｍは０以上、典型的には０を超える又は１以上の実数である）なる基本組成で表すことができる。もっとも、上記一般式はあくまで「基本組成」と解されるべきであり、Ｎｉ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｔｉ^４＋等の元素がＬＤＨの基本的特性を損なわない程度に他の元素又はイオン（同じ元素の他の価数の元素又はイオンや製法上不可避的に混入されうる元素又はイオンを含む）で置き換え可能なものとして解されるべきである。

電解質膜４は、複合部４ａ、第１膜状部４ｂ、及び第２膜状部４ｃを有する。複合部４ａは、支持体５とイオン伝導体６とを有する。第１膜状部４ｂ及び第２膜状部４ｃは、イオン伝導体６を有しているが、支持体５を有していない。

複合部４ａは、第１膜状部４ｂと第２膜状部４ｃとの間に配置される。イオン伝導体６は、支持体５内において、支持体５に支持されている。詳細には、イオン伝導体６は、支持体５の連続孔５ａ内に配置される。イオン伝導体６は、支持体５の連続孔５ａ内に含浸されており、支持体５と一体化している。このように、イオン伝導体６を支持体５で支持することによって、イオン伝導体６の強度を向上できるため、イオン伝導体６を薄くすることができる。その結果、電解質膜４の低抵抗化を図ることができる。

本実施形態において、イオン伝導体６は、支持体５の連続孔５ａの略全域に広がる。ただし、電解質膜４が第１膜状部４ｂ及び第２膜状部４ｃの少なくとも一方を有さない場合、イオン伝導体６は、支持体５の一部にのみ含浸されていてもよい。

ここで、複合部４ａにおいて、電解質膜４は、その内部に形成された複数の閉気孔６１を有する。このような閉気孔６１が形成されるため、固体アルカリ形燃料電池１００の作動中にイオン伝導体６の含水状況の変動に起因する電解質膜４の体積変化を緩和させることができる。これにより、電解質膜４とカソード２との界面、又は／及び電解質膜４とアノード３との界面に応力が発生することを抑制できる。その結果、カソード２又は／及びアノード３から電解質膜４が剥離したり、電解質膜４自体が変形したりすることを抑制できる。

さらに、閉気孔６１が複合部４ａの内部に形成されることで、複合部４ａに柔軟性を付与することができるため、固体アルカリ形燃料電池１００内の温度分布に起因して、カソード２と電解質膜４との界面、又は／及び、アノード３と電解質膜４との界面に熱応力が発生することを抑制できる。そのため、カソード２又は／及びアノード３から電解質膜４が剥離したり、或いは、電解質膜４自体が変形したりすることを抑制できる。

閉気孔６１は、支持体５から離れている。すなわち、閉気孔６１は、複合部４ａの内部に閉じこめられており、連続孔５ａの内表面と直接的に接触しない。これによって、閉気孔６１が支持体５に直接接触する場合に比べて、電解質膜４に体積変化や変形が生じた場合に、支持体５、複合部４ａ及び閉気孔６１の三者で作られる角部を起点として、複合部４ａが支持体５から剥離することを抑制できる。

各閉気孔６１の平均円相当径は特に制限されないが、例えば、０．００１〜１．０μｍとすることができる。各閉気孔６１の平均円相当径は、０．００１μｍ以上が好ましく、０．００２μｍ以上がより好ましい。これによって、複合部４ａの柔軟性をより向上させることができる。また、各閉気孔６１の平均円相当径は、１．０μｍ以下が好ましく、０．８μｍ以下がより好ましい。

各閉気孔６１の平均円相当径は、電解質膜４の断面を２０，０００〜１，５００，０００倍の電子顕微鏡で観察し、無作為に選出した２０個の閉気孔６１の円相当径を算術平均することによって得られる。閉気孔６１の円相当径とは、電解質膜４の断面において、閉気孔６１と同じ面積を有する円の直径である。ただし、０．００１μｍ以下の円相当径を有する閉気孔６１は、複合部４ａの柔軟性向上への寄与が極めて小さいため、各閉気孔６１の平均円相当径を求める際には除外するものとする。

第１膜状部４ｂは、複合部４ａのカソード２側に連なる。第１膜状部４ｂは、膜状に形成される。第１膜状部４ｂのイオン伝導体６は、複合部４ａのイオン伝導体６と一体的に形成される。

第２膜状部４ｃは、複合部４ａのアノード３側に連なる。第２膜状部４ｃは、膜状に形成される。第２膜状部４ｃのイオン伝導体６は、複合部４ａのイオン伝導体６と一体的に形成される。第１膜状部４ｂ及び第２膜状部４ｃそれぞれは、一様な平面状に形成されていてもよいし、縞状など所望の平面形状にパターン化されていてもよい。第１膜状部４ｂ及び第２膜状部４ｃそれぞれの厚さは特に制限されないが、例えば、１０μｍ以下とすることができ、好ましくは７μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下である。

（電解質膜４の製造方法）
電解質膜４の作製方法は特に限定されないが、イオン伝導体６をＬＤＨで構成する場合であって、ＬＤＨの水酸化物基本層がＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含むとき、以下の工程（１）〜（４）で作製することができる。

（１）支持体５を用意する。

（２）支持体５の全体にアルミナ及びチタニアの混合ゾルを含浸させて熱処理することでアルミナ・チタニア層を形成させる。後述するように、支持体５の表面全体からＬＤＨを成長させるには、支持体５の表面全体にアルミナ・チタニア層を形成させることが重要となるため、アルミナ及びチタニアの混合ゾルを含浸させて熱処理することを複数回実施する。これにより、支持体５の表面全体にアルミナ・チタニア層を形成することができる。

（３）ニッケルイオン（Ｎｉ^２＋）及び尿素を含む原料水溶液に支持体５を浸漬させる。

（４）原料水溶液中で支持体５を水熱処理して、ＬＤＨを支持体５上及び支持体５中に形成させることによって、イオン伝導体６を形成する。この際、水熱処理時間および溶液濃度を適宜調整することによって、気孔が閉塞する前に反応を停止することでイオン伝導体６内に閉気孔６１を形成させることができる。ＬＤＨは支持体５の表面に形成されたアルミナ・チタニア層を核として成長するため、支持体５の表面全体にアルミナ・チタニア層を形成させた場合においては、支持体５の表面全体からＬＤＨが成長することになる。その結果として、閉気孔６１を支持体５から離すことができる。

（第１及び第２セパレータ１１、１２）
図１に示すように、第１及び第２セパレータ１１、１２は、膜電極接合体１０を厚さ方向（ｚ軸方向）の両側から挟むように配置されている。第１セパレータ１１は、カソード２に酸素（Ｏ_２）を含む酸化剤を供給するように構成されている。第１セパレータ１１は、第１流路１１１を有している。第１流路１１１は、カソード２と対向している。この第１流路１１１には、酸素（Ｏ_２）を含む酸化剤が供給される。

第２セパレータ１２は、アノード３に水素原子（Ｈ）を含む燃料を供給するように構成されている。第２セパレータ１２は、第２流路１２１を有している。第２流路１２１は、アノード３と対向している。この第２流路１２１には、水素原子（Ｈ）を含む燃料が供給される。例えば、第２流路１２１には、メタノールが供給される。

複数の膜電極接合体１０が第１及び第２セパレータ１１，１２を介してスタックされている場合は、第１セパレータ１１は、第１流路１１１が形成される面とは反対側の面に第２流路が形成されている。また、第２セパレータ１２は、第２流路１２１が形成される面とは反対側の面に第１流路が形成されている。

第１セパレータ１１と膜電極接合体１０との間には、第１シール部材１３ａが配置されている。第１シール部材１３ａは、第１セパレータ１１と膜電極接合体１０との間の密着性を向上させて、酸化剤が外部へ漏出することを防止する。第２セパレータ１２と膜電極接合体１０との間には、第２シール部材１３ｂが配置されている。第２シール部材１３ｂは、第２セパレータ１２と膜電極接合体１０との間の密着性を向上させて、燃料が外部へ漏出することを防止する。

第１及び第２シール部材１３ａ、１３ｂは、環状であり、膜電極接合体１０の電解質膜４の外周部に当接している。第１及び第２シール部材１３ａ、１３ｂとして、例えば、Ｏリング、ゴムシートなどを例示することができる。第１シール部材１３ａは、第１セパレータ１１と一体的に構成されていてもよい。第２シール部材１３ｂは、第２セパレータ１２と一体的に構成されていてもよい。

（実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

変形例１
上記実施形態では、電解質膜４の支持体５は、多孔質基材によって構成されているが、支持体５はこれに限定されない。例えば、電解質膜４の支持体５は、バインダであってもよい。例えば、図１０に示すように、バインダとして構成されている支持体５は、イオン伝導体６の構成粒子間に配置されている。この支持体５は、イオン伝導体６の各構成粒子同士を結着する。例えば、支持体５は、ＬＤＨ粒子同士を結着することによって、電解質膜４の形状を維持する。このようなバインダとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、スチレン−ブタジエンゴム、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、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、又はエチレン−アクリル酸共重合体などを挙げることができる。

変形例２
上記実施形態では、閉気孔６１は、支持体５から離れていたが、図１１に示すように、閉気孔６１は、支持体５に接していてもよい。すなわち、閉気孔６１は、連続孔５ａの内表面と直接的に接触していてもよい。これによって、閉気孔６１が支持体５から離れている場合に比べて、閉気孔６１の存在による支持体５の拘束面積を低減できるため、支持体５自体の柔軟性を向上させることができる。そのため、電解質膜４に体積変化や変形が生じた場合に、カソード２と電解質膜４との界面、又は／及び、アノード３と電解質膜４との界面に応力が発生することをより抑制できる。

変形例３
上記実施形態では、電解質膜４は、複合部４ａ、第１膜状部４ｂ、及び第２膜状部４ｃを有することとしたが、複合部４ａのみを有していてもよい。すなわち、電解質膜４は、第１膜状部４ｂ及び第２膜状部４ｃの少なくとも一方を備えていなくてよい。

変形例４
上記実施形態では、電解質膜４は、水酸化物イオン伝導性を有するアニオン交換膜として構成されているが、カチオン交換膜として構成されていてもよい。電解質膜４は、Ｎａｆｉｏｎ(登録商標)のような固体高分子膜であってもよい。

変形例５
上記実施形態では、本発明に係る燃料電池を固体アルカリ形燃料電池に適用した実施形態を説明したが、本発明に係る燃料電池が適用される対象は固体アルカリ形燃料電池に限定されず、例えば、プロトン伝導膜を用いた固体高分子形燃料電池などの他の燃料電池にも適用することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例には限定されない。

（試験Ａ）
まず、支持体５として、ポリフッ化ビニリデンによって構成され、連続孔を有する多孔質基材を用意した。

次に、多孔質基材の全体にアルミナ及びチタニアの混合ゾルを含浸させて、１２０℃で所定時間の熱処理工程を複数回繰り返すことによって、多孔質基材の表面全体にアルミナ・チタニア層を形成した。

次に、Ｎｉ^２＋及び尿素を含む原料水溶液に多孔質基材を浸漬させ、原料水溶液中で多孔質基材を水熱処理することによって、ＬＤＨからなるイオン伝導体６を形成した。これにより、イオン伝導体６と支持体５とを備える電解質膜４が形成された。なお、この電解質膜４を１２０℃で熱プレスすることで、厚さを約５０μｍに調整した。

次に、第１触媒層２１及び第１ガス拡散層２２を有するカソード２を形成した。詳細には、第１ガス拡散層２２としてカーボンペーパーを準備した。そして、このカーボンペーパーに対して凹凸形状を有する金型を用いてプレスし、カーボンペーパーの第１主面に凹凸形状を形成した。なお、このときのプレス条件は、１０ＭＰａ、１５０℃、３分とした。また、実施例１〜３、比較例１〜３において、カーボンペーパーの凹凸形状を変更するために、それぞれ異なる金型でプレスした。

続いて、炭素に担持されたカソード触媒（Ｐｔ／Ｃ）とバインダ（ポリフッ化ビニリデン）とを混合したペースト状混合物を作製した。そして、そのペースト状混合物をカーボンペーパーの第１主面に塗布することによって、カソード２を形成した。なお、乾燥重量から算出したカソード触媒の貴金属量は、０．５ｍｇ−Ｐｔ／ｃｍ^２で、膜厚２５μｍを得た。

以上のようにして形成された各実施例及び比較例のカソード２において、第２界面長さＬ２に対する、第１界面長さＬ１の割合（Ｌ１／Ｌ２）は、表１の通りである。なお、この割合（Ｌ１／Ｌ２）は、後述する耐久性の評価が終わった後に算出した。

次に、第２触媒層３１及び第２ガス拡散層３２を有するアノード３を形成した。詳細には、炭素に担持されたアノード触媒（Ｐｔ−Ｒｕ／Ｃ）とバインダー（ポリフッ化ビニリデン）とを混合したペースト状混合物を作製した。そして、このペースト状混合物を、第２拡散層３２として準備したカーボンペーパー上に塗布することによってアノード３を形成した。なお、乾燥重量から算出したアノード触媒の貴金属量は、０．５ｍｇ−ＰｔＲｕ／ｃｍ^２で膜厚１０μmを得た。また、このアノード３のカーボンペーパーには、金型によって凹凸形状を形成していない。

以上のようにして形成した、カソード２、電解質膜４、及びアノード３を積層し、６ＭＰａ、１２０℃、１．５分の条件で熱プレスすることによって、膜電極接合体１０を作製した。そして、実施例１〜３及び比較例１〜３の各膜電極接合体１０を、第１セパレータ１１と第２セパレータ１２とで挟むことによって、固体アルカリ形燃料電池１００を作製した。なお、各実施例及び比較例において、割合（Ｌ１／Ｌ２）以外は、基本的に同じ構成としている。

（評価方法）
以上のように作製した各膜電極接合体１０に対して、以下の方法によって、カソード２の耐久性を評価した。まず、第１セパレータ１１の第１流路１１１内にフル加湿した空気（利用率５０％）を供給し、第２セパレータ１２の第２流路１２１内にフル加湿した水素（利用率８０％）を供給した。そして、膜電極接合体１０の温度を９０℃とし、電圧０．５Ｖ（定電圧モード）で１時間後の電流値を初期出力とする。そして、第１流路１１１内を流れる空気に３ｐｐｍＳＯ_２を混入させて、電圧０．５Ｖ負荷時の電流値が初期出力の７０％を下回る時間を計測し、その計測した時間を耐久時間として表１に示した。なお、表１における評価の項目において「◎」は、耐久時間が比較例１に対して２０％以上改善していること（耐久時間が２９時間以上）を意味し、「〇」は耐久時間が比較例１に対して１０％以上改善していること（耐久時間が２７時間以上）を意味する。

表１に示すように、実施例１〜３は、比較例１〜３に比べて、耐久性が向上していることが分かる。これは、実施例１〜３のカソード２において、割合（Ｌ１／Ｌ２）を１．０７以上にしたためであると考えられる。

（試験Ｂ）
試験Ｂでは、電解質膜４として、高分子電解質であるＮａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）を使用した。詳細には、５ミル厚のＮａｆｉｏｎ１１５を使用した

この電解質膜４上に、上記試験Ａと同様の方法でカソード２及びアノード３を形成し、比較例４〜６、及び実施例４〜６を作成した。なお、第２界面長さＬ２に対する、第１界面長さＬ１の割合（Ｌ１／Ｌ２）は、表２の通りである。

表２に示すように、実施例４〜６は、比較例４〜６に比べて、耐久性が向上していることが分かる。これは、実施例４〜６のカソード２において、割合（Ｌ１／Ｌ２）を１．０７以上にしたためであると考えられる。

４ 電解質膜
１０ 膜電極接合体
２１ 第１触媒層
２２ 第１ガス拡散層
３１ 第２触媒層
３２ 第２ガス拡散層

Claims (3)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜上に配置される第１触媒層と、
   前記第１触媒層上に配置される第１ガス拡散層と、
   を備え、
   前記第１触媒層は、前記電解質膜と対向する面の全体が前記電解質膜と接し、前記第１ガス拡散層と対向する面の全体が前記第１ガス拡散層と接しており、
   前記第１触媒層と前記第１ガス拡散層との界面の長さである第１界面長さＬ１は、前記第１触媒層と前記電解質膜との界面の長さである第２界面長さＬ２よりも長く、
   前記第２界面長さＬ２に対する、前記第１界面長さＬ１の割合（Ｌ１／Ｌ２）は、１．０７以上である、
   膜電極接合体。
   
2. 前記第１触媒層と反対側において前記電解質膜上に配置される第２触媒層と、
   前記第２触媒層上に配置される第２ガス拡散層と、
   をさらに備える、請求項１に記載の膜電極接合体。
   
3. 前記第２触媒層と前記電解質膜との界面の長さである第５界面長さＬ５に対する、前記第２触媒層と前記第２ガス拡散層との界面の長さである第４界面長さＬ４の割合（Ｌ４／Ｌ５）は、前記第２界面長さＬ２に対する、前記第１界面長さＬ１の割合（Ｌ１／Ｌ２）よりも小さい、
   請求項２に記載の膜電極接合体。

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