JP7001890B2 - 膜電極接合体、それを備える燃料電池、および膜電極接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池に使用される膜電極接合体（ＭＥＡ）、それを備える燃料電池、およびＭＥＡの製造方法に関する。

燃料電池は、一般に、積層された複数のセルを備えており、複数のセルは、締結部材で加圧締結されている。セルは、電解質膜と、電解質膜を挟む一対の電極（アノードおよびカソード）とを有する膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assemblyという）を含む。電極は、電解質膜と接触する触媒層と、触媒層に積層されたガス拡散層とを備える。ＭＥＡの各ガス拡散層の外側には一対のセパレータが配置される。ガス拡散層とセパレータとの間には、流体流路が形成されており、この流路を通って、ガス状の燃料や酸化剤が各電極に供給される。

このように、燃料電池では、複数の構成部材が積層されているため、隣接する構成部材間の密着性が接触抵抗に影響する。特許文献１では、接触抵抗を小さくするために、ガス拡散層の触媒層側の表面の粗さを大きくすることが提案されている。

国際公開第２０１１／０４５８８９号

ガス拡散層とセパレータとの間に空間である流体流路が形成されるが、触媒層とガス拡散層とを重ねただけでは、これらの層の界面の、流体流路の下または上に位置する部分には、締結圧が加わり難い。また、発電により生成した水の圧力でガス拡散層が触媒層から浮いてしまうことがある。よって、接触抵抗を低く保つことが難しい。

本開示にかかる発明の一局面は、電解質膜およびこの電解質膜を挟むように配置された一対の電極層を含む膜電極接合体に関する。一対の電極層は、電解質膜を挟むように配置された一対の触媒層と、一対の触媒層のそれぞれの電解質膜とは反対側に配置された一対のガス拡散層と、を備える。一対のガス拡散層のそれぞれは、ガス拡散層から触媒層側に突出し、かつ触媒層に進入する複数のガス拡散層凸部（ＧＤＬ凸部、ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）と、触媒層とは反対側に形成されたガス流路とを有する。一対の触媒層のそれぞれは、複数のＧＤＬ凸部と接する複数の触媒層凹部を有する。

本開示にかかる発明の他の局面は、上記の膜電極接合体と、一対のガス拡散層のそれぞれを介して前記膜電極接合体を挟むように配置された一対のセパレータと、を備える、燃料電池に関する。

本開示にかかる発明のさらに他の局面は、準備工程と、積層体形成工程と、プレス成形工程と、を備える、膜電極接合体の製造方法に関する。準備工程は、一対の触媒層で挟まれた電解質膜と、一対のガス拡散層とを準備する工程である。積層体形成工程は、一対の触媒層のそれぞれの電解質膜とは反対側に、一対のガス拡散層を配置して積層体を形成する工程である。

プレス成形工程は、一対の型体にて積層体を挟み、一対のガス拡散層を押圧して、複数のＧＤＬ凸部を形成するとともに、ガス流路を形成し、複数の触媒層凹部を形成する工程である。ここで、一対の型体は、ガス流路を形成するための突出部を有する一対の型体である。複数のＧＤＬ凸部は、ガス拡散層の触媒層側に、ガス拡散層から触媒層側に突出し、かつ触媒層に進入するように形成される。ガス流路は、ガス拡散層の触媒層とは反対側に形成される。複数の触媒層凹部は、触媒層のガス拡散層側に形成される。

本開示によれば、ＭＥＡの触媒層とガス拡散層との間の接触抵抗を低く保つことができる。

本開示の一実施形態に係るＭＥＡを概略的に示す縦断面図である。 本開示の一実施形態に係るＭＥＡの製造方法の一工程を示す断面図である。 同ＭＥＡの製造方法の一工程を示す断面図である。 同ＭＥＡの製造方法の一工程を示す断面図である。

本開示の一実施形態に係る膜電極接合体（ＭＥＡ）は、電解質膜および電解質膜を挟むように配置された一対の電極層を含む。一対の電極層は、電解質膜を挟むように配置された一対の触媒層と、一対の触媒層のそれぞれの電解質膜とは反対側に配置された一対のガス拡散層（ＧＤＬ）と、を備える。一対のＧＤＬのそれぞれは、ＧＤＬから触媒層側に突出し、かつ触媒層に進入する複数のガス拡散層凸部（ＧＤＬ凸部）と、触媒層とは反対側に形成されたガス流路とを有する。一対の触媒層のそれぞれは、複数のＧＤＬ凸部と接する複数の触媒層凹部を有する。

このようなＭＥＡは、準備工程と、積層体形成工程と、プレス成形工程と、を備える、製造方法により製造される。準備工程は、一対の触媒層で挟まれた電解質膜と、一対のＧＤＬとを準備する工程である。積層体形成工程は、一対の触媒層のそれぞれの電解質膜とは反対側に、一対のＧＤＬを配置して積層体を形成する工程である。

プレス成形工程は、一対の型体で、積層体を挟み、一対のＧＤＬを押圧して、複数のＧＤＬ凸部を形成するとともに、ガス流路を形成し、複数の触媒層凹部を形成する工程である。ここで、一対の型体は、ガス流路を形成するための突出部を有する。ＧＤＬ凸部は、ＧＤＬの触媒層側に、ＧＤＬから触媒層側に突出し、かつ触媒層に進入するように形成される。また、ガス流路は、ＧＤＬの触媒層とは反対側に形成される。複数の触媒層凹部は、触媒層のＧＤＬ側に形成される。

このように、本実施形態では、ＧＤＬから触媒層側に突出する複数のＧＤＬ凸部が触媒層に進入するように、すなわち、食い込むように形成され、このＧＤＬ凸部の食い込みにより、触媒層のＧＤＬ側には複数の触媒層凹部が形成される。言い換えると、複数の触媒層凹部は複数のガス拡散層凸部と接している。そして、このようなＧＤＬと触媒層との界面における凹凸は、ガス流路を形成するための突出部を有する型体でプレス加工することにより、ＧＤＬの触媒層とは反対側にガス流路を形成する際に、ＧＤＬを型体の突出部で押圧することで形成される。ＧＤＬの型体の突出部で押圧された部分が触媒層側に突出してＧＤＬ凸部が形成され、ＧＤＬ凸部の形成と同時に、ＧＤＬ凸部により押圧されて触媒層のＧＤＬ側に触媒層凹部が形成される。ＧＤＬ凸部と触媒層凹部とが同時に形成されることで、アンカー効果によりＧＤＬ凸部と触媒層凹部との間の接着強度が高まり、触媒層とＧＤＬとを単に重ねる場合に比べて、接触抵抗を低減することができる。また、ガス拡散層が触媒層に食い込む（進入する）ことにより、触媒層にガスが拡散し易くなり、高電流密度領域での発電特性を向上することもできる。

ＧＤＬと触媒層との界面の凹凸は、ＧＤＬのガス流路が形成される位置に形成される。つまり、ＧＤＬの複数のＧＤＬ凸部は、ＧＤＬの触媒層とは反対側のガス流路に沿うように形成される。また、ＭＥＡの厚み方向に、ＧＤＬのガス流路を触媒層に向かって投影したとき、複数のＧＤＬ凸部は、ガス流路の投影領域内に形成されている。よって、ＧＤＬと触媒層の界面での凹凸（触媒層凹部とＧＤＬ凸部）によるアンカー効果が働き、発電中に水が生成しても、ＧＤＬの浮きを抑制できるため、接触抵抗を低く抑えることができるとともに、ＭＥＡの耐久性が向上する。

触媒層は、膜電極接合体の厚み方向に、触媒層凹部を電解質膜に向かって投影したときの投影領域である第１領域と、第１領域以外の第２領域とに区分される。触媒層凹部は、ＧＤＬ凸部が形成される際に、ＧＤＬ凸部により押圧されることで形成される。そのため、第１領域における触媒層の空隙率は、第２領域における触媒層の空隙率よりも低くなる。第１領域にはＧＤＬ凸部が食い込むことでガスが入り込み易いため、発電の反応効率を高めることができる。一方、第１領域に比べてガスが入り込みがたい第２領域では、触媒層の空隙率が高いことで、ガスの拡散経路を確保することができる。よって、触媒層におけるガスの供給と反応とのアンバランスを低減することができ、触媒層全体を有効利用しながら、局所的な反応集中を抑制することができる。それにより、触媒層全体においてより均一に発電を行なうことができる。また、触媒層のガス流路に対向する領域では空隙率が低いため、触媒層の抵抗を低減することができる。よって、ガス流路が存在することでセパレータからの距離が遠くなる第１領域からの電流の取り出し効率を高めることができるため、高電流密度領域でのＭＥＡの発電特性を向上できる。

ＭＥＡにおいて、一対の触媒層は、アノード触媒層およびカソード触媒層である。カソード触媒層に形成された複数の触媒層凹部の平均深さは、アノード触媒層に形成された複数の触媒層凹部の平均深さと同じであってもよく、小さくてもよいが、アノードガスの拡散係数は、カソードガスの拡散係数より大きい。よって、カソード触媒層に形成された複数の触媒層凹部の平均深さは、アノード触媒層に形成された複数の触媒層凹部の平均深さよりも大きいことが好ましい。複数の触媒層凹部の平均深さが、アノード側触媒層においてよりも、カソード触媒層において大きい場合、電解質膜の表裏においてアノードガスの拡散分布挙動とカソードガスの拡散分布挙動が近いものとなる。これにより、ＭＥＡの発電効率を高めることができる。

上記の製造方法では、プレス成形工程において、一対の型体の一方の型体の突出部と他方の型体の突出部とがＭＥＡの厚み方向において重なる位置に配置することが好ましい。この場合、プレス成形により、アノード側ＧＤＬとカソード側ＧＤＬとで、重なる位置に複数のＧＤＬ凸部が同時に形成されるため、ＧＤＬ凸部の位置がずれるのを抑制できる。

なお、一方の型体の突出部と他方の型体の突出部とが、ＭＥＡの厚み方向（つまり、電解質膜、触媒層、ＧＤＬおよびセパレータの積層方向）において重なる位置とは、一方の型体の突出部をＭＥＡの厚み方向に、他方の型体に向かって投影したとき、一方の型体の突出部が他方の型体の突出部と重なる状態をいう。各突出部の重なりは部分的であってもよい。例えば、一方の型体の突出部の投影面積と他方の型体の突出部の投影面積との重なりが、８０％以上であることが好ましい。特に、突出部の中心（または突出部の高さが最も高い位置）同士が重なることが好ましい。つまり、双方のＧＤＬにおいて、対向するＧＤＬ凸部同士の投影面積の重なりが８０％以上であることが好ましく、特に、ＧＤＬ凸部の中心（またはＧＤＬ凸部の高さが最も高い位置）同士が重なることが好ましい。

本実施形態に係るＭＥＡは、燃料電池に使用される。燃料電池は、上記の膜電極接合体と、一対のガス拡散層のそれぞれを介して膜電極接合体を挟むように配置された一対のセパレータと、を備えており、このような燃料電池も本発明に包含される。

図１は、本発明の一実施形態に係るＭＥＡを概略的に示す縦断面図である。ＭＥＡ１は、電解質膜１１と、電解質膜１１を挟むカソードおよびアノードからなる一対の電極層とを含む。一対の電極層は、電解質膜１１を挟むように配置された一対の触媒層１２ａ，１２ｂと、触媒層１２ａ，１２ｂの電解質膜１１とは反対側に配置された一対のＧＤＬ１３ａ，１３ｂとを備えている。より詳細には、電解質膜１１の一方の主面（カソード側の主面）にカソード触媒層１２ａが配置され、他方の主面（アノード側の主面）にアノード触媒層１２ｂが配置される。触媒層１２ａ，１２ｂのそれぞれの周囲には、触媒層１２，１２ｂを取り囲むようにサブガスケット１７が配置される。カソード触媒層１２ａに接触するようにカソード側ＧＤＬ１３ａが配置され、アノード触媒層１２ｂに接触するようにアノード側ＧＤＬ１３ｂが配置されている。ＧＤＬ１３ａ，１３ｂは、それぞれ、ＧＤＬ１３ａ，１３ｂから触媒層１２ａ，１２ｂに向かって突出する複数のＧＤＬ凸部１４ａ，１４ｂを備えている。

カソード側ＧＤＬ１３ａから突出するＧＤＬ凸部（カソードＧＤＬ凸部）１４ａは、カソード触媒層１２ａに食い込んで（進入して）おり、このＧＤＬ凸部１４ａの食い込みによりカソード触媒層１２ａには複数の触媒層凹部（カソード触媒層凹部）１５ａが形成されている。つまり、複数の触媒層凹部（カソード触媒層凹部）１５ａは複数のＧＤＬ凸部１４ａと接している。同様に、アノード側ＧＤＬ１３ｂから突出する複数のＧＤＬ凸部（アノードＧＤＬ凸部）１４ｂは、アノード触媒層１２ｂに食い込んで（進入して）おり、この食い込みによりアノード触媒層１２ｂには複数の触媒層凹部（アノード触媒層凹部）１５ｂが形成されている。つまり、複数の触媒層凹部（アノード触媒層凹部）１５ｂは複数のＧＤＬ凸部１４ｂと接している。

一対のＧＤＬ１３ａ，１３ｂのそれぞれは、触媒層１２ａ，１２ｂとは反対側に形成されたガス流路１６ａ，１６ｂを有している。複数のＧＤＬ凸部１４ａ，１４ｂは、それぞれ、ガス流路１６ａ，１６ｂに沿って形成されている。図示例では、複数のＧＤＬ凸部１４ａ，１４ｂは、ガス入口側からガス出口側に向かって延びており、ライン状に並んで形成されている。

以下、ＭＥＡおよび燃料電池の各構成要素について具体的に説明する。

本開示にかかる発明の特徴は、触媒層とＧＤＬとの界面の構造にあり、それ以外の構成については公知のものが特に制限なく使用できる。

（１）ＭＥＡ
（１ａ）電解質膜
電解質膜１１としては、高分子電解質膜が好ましい。高分子電解質膜としては、例えば、燃料電池で従来から使用されているプロトン伝導性高分子膜を特に制限なく使用できる。具体的には、パーフルオロスルホン酸系高分子膜、炭化水素系高分子膜などを好ましく使用できる。パーフルオロスルホン酸系高分子膜としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などが挙げられる。

電解質膜１１の厚みは、例えば、５～５０μｍである。

（１ｂ）触媒層
一対の触媒層１２ａ，１２ｂは、それぞれ、例えば、イオン交換樹脂および触媒粒子、場合によって触媒粒子を担持する炭素粒子を含む。イオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜とを接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を果たす。このイオン交換樹脂としては、例えば、電解質膜（高分子電解質膜）１１を構成する高分子材料が使用できる。このような高分子材料としては、パーフルオロスルホン酸系高分子、炭化水素系高分子などが例示される。

触媒粒子としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体といった触媒金属が挙げられる。

炭素粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ等を用いることができる。

触媒層の厚さは、それぞれ、例えば、３μｍ以上４０μｍ以下である。

上述のように、触媒層は、第１領域と、第１領域以外の第２領域とに区分するとき、第１領域における触媒層の空隙率が、第２領域における触媒層の空隙率よりも低いことが好ましい。第１領域における触媒層の空隙率ｐ１と第２領域における触媒層の空隙率ｐ２との比：ｐ１／ｐ２は、例えば、０．５～０．９８であり、０．８～０．９５であることが好ましい。触媒層凹部の深さにもよるが、ｐ１／ｐ２比がこのような範囲である場合、触媒層全体における反応の均一性を高め易い。なお、空隙率ｐ１およびｐ２は、それぞれ、触媒層断面のＳＥＭ画像を、画像処理ソフトを用いて２値化処理することにより求めることができる。すなわち２値化処理により触媒層構成材料（例えば、触媒粒子および炭素粒子など）と空隙とを区別し、触媒層断面の所定面積に占める空隙の面積の比率を算出し、この比率を体積基準の空隙率と見積もることができる。

触媒層凹部の平均深さは、例えば、０．１～２５μｍであり、０．２～５μｍであることが好ましい。また、触媒層凹部の平均深さは、触媒層の厚みの、例えば、０．２～５０％であり、４～１０％であることが好ましい。触媒層凹部の平均深さは、ＭＥＡの断面の電子顕微鏡写真において、任意の複数（例えば、１０個）の触媒層凹部の深さ（個々の触媒層凹部の最大深さ）を計測し、平均化することにより求めることができる。なお、触媒層凹部とＧＤＬ凸部とは対応しているため、ＧＤＬ凸部の平均高さは、上記の触媒層凹部の平均深さと同じであるものとする。触媒層凹部の深さは、触媒層凹部の最も引っ込んだ部分の高さ位置と、触媒層凹部を挟む２つの凸状の部分のそれぞれ最も突出した部分の高さ位置の中間の高さ位置との間の距離とする。

燃料電池では、アノード側に水素ガスが供給され、カソード側に酸素ガスなどの酸化剤が供給される。水素ガスは、酸化剤に比べて圧力損失が小さいため、ガス流路を通過し易いのに対し、酸化剤はガス流路を通過し難い。また、カソード側では発電により水が発生し易い。そのため、カソード触媒層凹部の平均深さを、アノード触媒層凹部の平均深さよりも大きくすることで、カソードへのガスを供給し易くしてもよい。

（１ｃ）ＧＤＬ
一般的なＭＥＡにおけるＧＤＬは、導電性撥水層と、導電性撥水層を支持する基材層（導電性の多孔質材料など）とで構成される。本実施形態では、従来と同様に、基材層と導電性撥水層とを備えるＧＤＬを用いることもできる。しかし、型体の突出部の押圧によりＧＤＬと触媒層との界面に凹凸を形成するため、一対のＧＤＬ１３ａ，１３ｂは、それぞれ、基材層を含まない、つまり、導電性撥水層で形成することが好ましい。

導電性撥水層は、導電剤と撥水剤を含む。導電性撥水層に含まれる導電剤としては、カーボンブラックなど、燃料電池の分野で使用される公知の導電性材料を特に制限なく用いることができる。導電性撥水層に含まれる撥水剤は、フッ素樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）などの燃料電池の分野で使用される公知の材料を、特に制限なく用いることができる。

複数のＧＤＬ凸部は、ガス流路の形成に伴って形成されるため、ガス流路に沿って形成される。ＧＤＬ凸部の形状は、ガス流路の形状に対応している。例えば、ライン状のガス流路を形成する場合には、ライン状のＧＤＬ凸部が形成され、サーペンタイン状のガス流路を形成する場合には、サーペンタイン状のＧＤＬ凸部が形成される。

ＧＤＬ凸部の平均高さは、上述の触媒層凹部の平均深さと同じ範囲から決定できる。

隣接するＧＤＬ凸部の平均間隔は、例えば、０．２～１ｍｍであり、０．２～０．８ｍｍが好ましい。なお、ＧＤＬ凸部の平均間隔とは、例えば、ＭＥＡの断面の電子顕微鏡写真において、任意に選択した複数（例えば、１０個）のＧＤＬ凸部とこれに隣接するＧＤＬ凸部との中心間距離（つまり、間隔）を求め、平均化することにより求めることができる。平均間隔がこのような範囲である場合、触媒層全体において反応をより均一に進行させることができる。

ＧＤＬの平均厚みは、例えば、１００～６００μｍである。カソード側ＧＤＬの平均厚みは、１５０～６００μｍであることが好ましい。アノード側ＧＤＬの平均厚みは、１００～５００μｍであることが好ましい。ここで、ＧＤＬの厚みとは、ＧＤＬ凸部の頂部と、ＧＤＬの流体流路を挟むように突出した部分の頂部との間の距離であり、図１における寸法Ａである。

カソード側ＧＤＬの流体流路の部分の平均厚みは、例えば、５０～２００μｍであり、アノード側ＧＤＬの流体流路の部分の平均厚みは、例えば、５０～１５０μｍである。カソード側ＧＤＬの流体流路の部分は、図１では、Ｘで表される領域であり、カソード側ＧＤＬの流体流路の厚みは、図１の領域Ｘにおける寸法Ｂである。アノード側ＧＤＬの流体流路の厚みは、カソード側ＧＤＬの場合に準じ求められる。

また、ＧＤＬの流体流路以外の部分の平均厚みは、カソード側で、例えば、１３０～６００μｍであり、アノード側で、例えば、７０～５００μｍである。ＧＤＬの流体流路以外の部分は、図１ではＹで表される領域である。ＧＤＬの流体流路以外の部分の厚みは、ＧＤＬの流体流路を挟むように突出した部分におけるＧＤＬの厚みであり、カソード側については、図１の領域Ｙにおける寸法Ｃである。アノード側のＧＤＬの流体流路以外の部分の厚みについては、カソード側の場合に準じて求められる。

なお、これらの平均厚みは、例えば、ＭＥＡの断面の電子顕微鏡写真において、任意に選択した複数箇所（例えば、１０箇所）において、各部分の厚みを計測し、平均化することにより求めることができる。

（１ｄ）サブガスケット
サブガスケット１７は、触媒層１２ａ，１２ｂの周縁をループ状に取り囲むように配置される。図示例では、触媒層のみを取り囲むようにサブガスケットを配置したが、この場合に限らず、触媒層とＧＤＬの双方の周縁を取り囲むようにサブガスケットを配置してもよい。必要に応じて、サブガスケットと、触媒層（およびＧＤＬ）との間には、接着剤層を形成してもよい。サブガスケットや接着剤層を構成する接着剤としては、公知のものが使用される。例えば、接着剤としては熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。サブガスケットは、熱硬化性樹脂で構成してもよく、熱可塑性樹脂で構成してもよい。また、サブガスケットは、繊維などの補強材を含んでもよい。

（２）燃料電池
燃料電池は、上記のＭＥＡと、一対のＧＤＬのそれぞれを介してＭＥＡを挟むように配置された一対のセパレータとを備えている。また、燃料電池は、ＭＥＡとセパレータとを有する単セルを複数積層させたものを備えていてもよい。複数のセルを有する燃料電池では、隣接するＭＥＡ間にセパレータが介在するように単セルが積層される。上記のＭＥＡでは、複数のセルが積層され、加圧締結される場合でも、接触抵抗を低く抑えることができる。

（２ａ）セパレータ
セパレータの材質としては、公知のものが特に制限なく使用できる。セパレータの材質は、例えば、炭素材料、金属材料などを用いることができる。金属材料には、カーボンを被覆してもよい。

セパレータのＧＤＬとは反対側の主面には、冷却媒体（冷却水など）を供給するための流路が形成されてもよい。

セパレータの厚みは、例えば、５０～５００μｍである。

（３）ＭＥＡの製造方法
上記のＭＥＡは、一対の触媒層で挟まれた電解質膜と、一対のガス拡散層とを準備する工程と、一対の触媒層のそれぞれの電解質膜とは反対側に、一対のガス拡散層を配置して積層体を形成する工程と、積層体をプレス成形する工程とを備える製造方法により製造できる。

図２Ａ～Ｃは、それぞれ図１のＭＥＡの製造方法の一工程を表す図である。ＭＥＡの製造工程は、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃの順に進む。

まず、図２Ａに示すように、電解質膜１１の双方の主面を、一対の触媒層１２ａ，１２ｂで挟む。電解質膜１１の、触媒層１２ａ，１２ｂの外縁よりも外側に位置する領域には、触媒層１２ａ，１２ｂで電解質膜１１を挟む前に、予めサブガスケット１７が配置される。触媒層１２ａ，１２ｂは、電解質膜１１の主面に直接塗布などにより形成してもよく、別途作製し、電解質膜１１に積層してもよい。

次いで、図２Ｂに示すように、別途準備した一対のＧＤＬ１３ａ，１３ｂを、電解質膜１１を挟む触媒層１２ａ，１２ｂの、電解質膜１１とは反対側の主面に、触媒層１２ａ，１２ｂをそれぞれ覆うように配置して、積層体を形成する。

ここまでの各工程については、それぞれ公知の手順が採用できる。

そして、続くプレス成形工程では、ガス流路を形成するための突出部１９を有する一対の金型１８などの型体を用いて、積層体をプレスすることで、ガス流路を形成すると同時に、ＧＤＬ１３ａ，１３ｂと触媒層１２ａ，１２ｂとの界面に、凹凸を形成する。より具体的に説明すると、まず、突出部１９を有する一対の金型１８で積層体を挟む。このとき、互いの金型１８が有する突出部１９が対向するように（つまり、ＧＤＬ１３ａ，１３ｂに接触するように）一対の金型１８を向かい合わせて、積層体を挟む。

そして、図２Ｃに示すように、積層体を金型１８の突出部１９で挟むように押圧する。突出部１９により押圧されたＧＤＬ１３ａ，１３ｂの触媒層１２ａ，１２ｂとは反対側の主面には、ガス流路（図１のガス流路１６ａ，１６ｂ）が形成される。このガス流路の形成と同時に、突出部１９で押圧された領域において、ＧＤＬ１３ａ，１３ｂが、触媒層１２ａ，１２ｂに向かって突出し、ＧＤＬ凸部１４ａ，１４ｂがそれぞれ形成される。このＧＤＬ凸部１４ａ，１４ｂが形成されることで、触媒層１２ａ，１２ｂのＧＤＬ１３ａ，１３ｂ側の主面のＧＤＬ凸部１４ａ，１４ｂに対向する領域が凹み、触媒層１２ａ，１２ｂのＧＤＬ凸部１４ａ，１４ｂに対向する位置に触媒層凹部１５ａ，１５ｂが形成される。

プレス成形工程では、一方の金型１８の突出部１９と他方の金型１８の突出部１９とがＭＥＡの厚み方向（つまり、積層体の積層方向）において重なる位置に配置することが好ましい。金型１８同士の突出部１９の位置が重なるようにすることで、形成されるＧＤＬ凸部１４ａ，１４ｂの位置を重ねることができる。

このように、ガス流路の形成と同時に、ＧＤＬと触媒層との間に凹凸を形成することができる。そのため、各層を別途作製して積層したり、順次積層していく場合と異なり、アノード側とカソード側とでＧＤＬ凸部の位置がずれるのを抑制できる。

なお、本実施形態の製造方法においては、型体として金型を用いたがこの場合に限定されない。金属製以外の型体、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の樹脂製の型体を用いることができる。

本開示に係るＭＥＡは、例えば、自動車、携帯電子機器、アウトドアレジャー用電源、非常用バックアップ電源などに使用される燃料電池に適している。

１ ＭＥＡ
１１ 電解質膜
１２ａ，１２ｂ 触媒層
１３ａ，１３ｂ ガス拡散層（ＧＤＬ）
１４ａ，１４ｂ ガス拡散層凸部（ＧＤＬ凸部）
１５ａ，１５ｂ 触媒層凹部
１６ａ，１６ｂ ガス流路
１７ サブガスケット
１８ 金型（型体）
１９ 突出部

Claims (7)

1. 電解質膜および前記電解質膜を挟むように配置された一対の電極層を含み、
   前記一対の電極層は、前記電解質膜を挟むように配置された一対の触媒層と、前記一対の触媒層のそれぞれの前記電解質膜とは反対側に配置された一対のガス拡散層と、を備え、
   前記一対のガス拡散層のそれぞれは、前記ガス拡散層から前記触媒層側に突出し、かつ前記触媒層に進入する複数のガス拡散層凸部と、前記触媒層とは反対側に形成されたガス流路とを有し、
   前記一対の触媒層のそれぞれは、前記複数のガス拡散層凸部と接する複数の触媒層凹部を有する膜電極接合体であって、
   前記触媒層は、前記膜電極接合体の厚み方向に、前記触媒層凹部を前記電解質膜に向かって投影したときの投影領域である第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とに区分され、前記第１領域における前記触媒層の空隙率は、前記第２領域における前記触媒層の空隙率よりも低い、膜電極接合体。
2. 電解質膜および前記電解質膜を挟むように配置された一対の電極層を含み、
   前記一対の電極層は、前記電解質膜を挟むように配置された一対の触媒層と、前記一対の触媒層のそれぞれの前記電解質膜とは反対側に配置された一対のガス拡散層と、を備え、
   前記一対のガス拡散層のそれぞれは、前記ガス拡散層から前記触媒層側に突出し、かつ前記触媒層に進入する複数のガス拡散層凸部と、前記触媒層とは反対側に形成されたガス流路とを有し、
   前記一対の触媒層のそれぞれは、前記複数のガス拡散層凸部と接する複数の触媒層凹部を有し、
   前記一対の触媒層は、アノード触媒層およびカソード触媒層であり、
   前記カソード触媒層に形成された前記複数の触媒層凹部の平均深さは、前記アノード触媒層に形成された前記複数の触媒層凹部の平均深さよりも大きい、膜電極接合体。
3. 前記複数のガス拡散層凸部は、前記反対側の前記ガス流路に沿うように形成されている、請求項１または２に記載の膜電極接合体。
4. 前記膜電極接合体の厚み方向に、前記ガス拡散層の前記ガス流路を前記触媒層に向かって投影したとき、前記複数のガス拡散層凸部は、前記ガス流路の投影領域内に形成されている、請求項３に記載の膜電極接合体。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の膜電極接合体と、
   前記一対のガス拡散層のそれぞれを介して前記膜電極接合体を挟むように配置された一対のセパレータと、を備える、燃料電池。
6. 一対の触媒層で挟まれた電解質膜と、一対のガス拡散層とを準備する工程と、
   前記一対の触媒層のそれぞれの前記電解質膜とは反対側に、前記一対のガス拡散層を配置して積層体を形成する工程と、
   ガス流路を形成するための突出部を有する一対の型体で、前記積層体を挟み、前記一対のガス拡散層を押圧して、前記ガス拡散層の前記触媒層側に、前記ガス拡散層から前記触媒層側に突出し、かつ前記触媒層に進入する複数のガス拡散層凸部を形成するとともに、前記ガス拡散層の前記触媒層とは反対側に前記ガス流路を形成し、前記触媒層の前記ガス拡散層側に複数の触媒層凹部を形成するプレス成形工程と、を備える、膜電極接合体の製造方法。
7. 前記プレス成形工程において、前記一対の型体の一方の型体の突出部と他方の型体の突出部とが前記膜電極接合体の厚み方向において重なる位置に配置される、請求項６に記載の膜電極接合体の製造方法。

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