(57)【要約】【課題】うねり曲線を有する電極触媒層と固体高分子電解質膜との接合性を保ちつつ撥水性の良好な膜電極接合体を形成することができ、発電性能が向上した膜電極接合体、膜電極接合体製造用の転写基材、膜電極接合体製造用の電極触媒層の塗工転写基材及び固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】一対の電極触媒層で高分子電解質膜を狭持した構造を備える膜電極接合体であって、一対の電極触媒層の一方の高分子電解質膜との接合面と反対側の表面が、一対の電極触媒層のどちらか一方の面内の一方向においてカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが３μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする膜電極接合体。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極触媒層で高分子電解質膜を狭持した構造を備える膜電極接合体であって、
前記一対の電極触媒層の一方の前記高分子電解質膜との接合面と反対側の表面が、前記一対の電極触媒層のどちらか一方の面内の一方向においてカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが３μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項２】
前記一対の電極触媒層のどちらか一方をカソードとして用いることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の膜電極接合体が一対のガス拡散層で狭持され、さらに、前記ガス拡散層はで狭持された膜電極接合体が一対のセパレータで狭持されるし用いることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
請求項１または２に記載の膜電極接合体製造用の転写基材であって、
前記転写基材の表面が、面内の少なくとも一方向においてカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが３μｍ以上１７μｍ以下であることを特徴とする膜電極接合体製造用の転写基材。
【請求項５】
膜電極接合体の電極触媒層を転写基材上に設けた膜電極接合体製造用の電極触媒塗工転写基材であって、
転写基材上の触媒表面は面内の少なくとも一方向においてカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが７μｍ以下であることを特徴とする、膜電極接合体製造用の電極触媒塗工転写基材。
【請求項６】
請求項４または５に記載の電極触媒塗工転写基材を用いて製造されることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項７】
請求項６に記載の膜電極接合体が一対のガス拡散層で狭持され、さらに、前記ガス拡散層はで狭持された膜電極接合体が一対のセパレータで狭持されることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体、膜電極接合体製造用の転写基材、膜電極接合体製造用の電極触媒層の塗工転写基材及び固体高分子形燃料電池に関する。特に、発電性能が向上した膜電極接合体、膜電極接合体製造用の転写基材、膜電極接合体製造用の電極触媒層の塗工転写基材及び固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、二つの電極（酸化極と還元極）で固体高分子電解質膜を挟んで接合した膜電極接合体を、ガス拡散層で挟んだ構造をしている。アノードとカソードに水素と酸素を流すことで電気化学反応を起こし、発電を起こすシステムである。燃料電池は従来の発電装置と異なり、発電状態において発生するのは水のみであり、近年問題となっている二酸化炭素等の環境負荷ガスを発生しないクリーンな発電装置として期待されている。
【０００３】
一方、膜電極接合体の作製方法としては、触媒担持した導電性粒子と、イオン導電性を持つ高分子とを有機溶媒に分散させた燃料電池用電極触媒インクを、ガス拡散層に塗布して電極触媒層を形成し、形成した電極触媒層と固体高分子電解質膜とが接するように熱圧着する方法や、転写フィルムに上記電極触媒インクを塗布し電極触媒層を形成し、形成した電極触媒層と固体高分子電解質膜とが接するように熱圧着する方法が知られている。
【０００４】
このとき用いられる電極触媒層は、一般に固体高分子電解質膜との密着性の向上から平滑性が高いことが求められている。
【０００５】
また、撥水性を高める為に、グリセリンなどの造孔材を電極触媒インクに混ぜた後に、電極触媒層を形成し造孔材取り除き多孔性を高める方法や、フッ素樹脂などを電極触媒インクに混ぜる方法などが取られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２２０９７９号公報
【特許文献２】特開２００８―２１８１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、単純に平滑性の高い電極触媒層では、特に高電流密度における発電状態において排水性の効果を十分に得ることができない。
【０００８】
また、電極触媒インクに造孔材や撥水剤を混ぜる方法では、電極触媒層の電気抵抗が高くなり、特に低電流側での出力が落ちてしまう問題があった。
【０００９】
本発明は、うねり曲線を有する電極触媒層と固体高分子電解質膜との接合性を保ちつつ撥水性の良好な膜電極接合体を形成することができ、発電性能が向上した膜電極接合体、膜電極接合体製造用の転写基材、膜電極接合体製造用の電極触媒層の塗工転写基材及び固体高分子形燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、上記課題を解決するため燃料電池膜電極接合体の電極触媒層のうねり曲線要素の平均高さを適正化することで触媒性能向上が可能であることが分かった。
【００１１】
本発明の請求項１に係る発明は、一対の電極触媒層で高分子電解質膜を狭持した構造を備える膜電極接合体であって、一対の電極触媒層の一方の高分子電解質膜との接合面と反対側の表面が、一対の電極触媒層のどちらか一方の面内の一方向においてカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが３μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする膜電極接合体としたものである。
【００１２】
本発明の請求項２に係る発明は、一対の電極触媒層のどちらか一方をカソードとして用いることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体としたものである。
【００１３】
本発明の請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の膜電極接合体が一対のガス拡散層で狭持され、さらに、ガス拡散層はで狭持された膜電極接合体が一対のセパレータで狭持されることを特徴とする固体高分子形燃料電池としたものである。
【００１４】
本発明の請求項４に係る発明は、請求項１または２に記載の膜電極接合体製造用の転写基材であって、転写基材の表面が、面内の少なくとも一方向においてカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが３μｍ以上１７μｍ以下であることを特徴とする膜電極接合体製造用の転写基材としたものである。
【００１５】
本発明の請求項５に係る発明は、膜電極接合体の電極触媒層を転写基材上に設けた膜電極接合体製造用の電極触媒塗工転写基材であって、転写基材上の触媒表面は面内の少なくとも一方向においてカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが７μｍ以下であることを特徴とする、膜電極接合体製造用の電極触媒塗工転写基材としたものである。
【００１６】
本発明の請求項６に係る発明は、請求項４または５に記載の電極触媒塗工転写基材を用いて製造されることを特徴とする膜電極接合体としたものである。
【００１７】
本発明の請求項７に係る発明は、請求項６に記載の膜電極接合体が一対のガス拡散層で狭持され、さらに、ガス拡散層はで狭持された膜電極接合体が一対のセパレータで狭持されることを特徴とする固体高分子形燃料電池としたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、うねり曲線を有する電極触媒層と固体高分子電解質膜との接合性を保ちつつ撥水性の良好な膜電極接合体を形成することができ、発電性能が向上した膜電極接合体、膜電極接合体製造用の転写基材、膜電極接合体製造用の電極触媒層の塗工転写基材及び固体高分子形燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池を示す概略分解模式図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体を示す概略断面模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る膜電極接合体を示す概略模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体（ＭＥＡ）１１及び固体高分子形燃料電池１３について説明する。なお、本発明は、以下に記載する各実施の形態に限定されうるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００２１】
まず、本発明の実施の形態において、うねり曲線要素の平均高さについて説明するが、これらはＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２００１によって定義されている。
【００２２】
本発明の実施の形態に係る電極触媒層の表面には、通常、短い波長成分（粗さ）、長い波長成分（うねり）、及び更に長い波長成分が同時に含まれている。そこで、本発明の実施の形態では、電極触媒層の表面形状を限定するために、うねり成分を用いて、粗さ成分とうねり成分より更に長い波長成分を取り除いて測定する必要がある。本発明の実施の形態において、カットオフ値λｆとは、うねり成分とそれより長い波長成分との境界を定義するフィルタであり、カットオフ値λｃとは、粗さ成分とうねり成分との境界を定義するフィルタである。本発明の実施の形態ではカットオフ値λｆとλｃを用いて、うねりの成分以外の波長を取り除き電極触媒層の表面形状を限定した。
【００２３】
本発明の実施の形態において、うねり曲線要素の平均高さＷｃとは、測定した基準長での輪郭曲線要素の高さＺｔの平均のことであり、輪郭曲線要素の高さとは、一つの山＋隣の谷、或いは一つの谷＋隣の山との高さの差にあたる。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池１３を示す概略分解模式図である。図１に示すように、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池１３は、固体高分子電解質膜１、電極触媒層２及び電極触媒層３を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）１１、空気極側ガス拡散層４、燃料極側ガス拡散層５、ガス流路８及び冷却水流路９を有する一対のセパレータ１０を備えている。
【００２５】
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池１３は、固体高分子電解質膜１の両面に電極触媒層２及び電極触媒層３が接合され、狭持された膜電極接合体（ＭＥＡ）１１を備え、膜電極接合体１１の電極触媒層２及び電極触媒層３と対向して空気極側ガス拡散層４及び燃料極側ガス拡散層５が配置される。これによりそれぞれ空気極６及び燃料極７が構成される。そしてガス流通用のガス流路８を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路９を備えた導電性でかつ不透過性の材料よりなる１組のセパレータ１０が配置される。燃料極７側のセパレータ１０のガス流路８からは燃料ガスとして、例えば水素ガスが供給される。一方、空気極６側のセパレータ１０のガス流路８からは、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが供給される。
【００２６】
また、一組のセパレータ１０に固体高分子電解質膜１、電極触媒層２、電極触媒層３、空気極側ガス拡散層４、燃料極側ガス拡散層５が狭持された。いわゆる単セル構造の固体高分子形燃料電池１３であるが、本発明の実施の形態にあっては、セパレータ１０を介して複数のセルを積層して燃料電池とすることもできる。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体１１の電極触媒層２及び電極触媒層３について説明する。
【００２８】
本発明の実施の形態に係る電極触媒層２及び電極触媒層３を形成する触媒インクには、触媒担持した導電性粒子とイオン伝導性高分子と溶媒とを含み構成される。
【００２９】
触媒担持した導電性粒子は、導電性を持つ担体と、触媒能を持つ触媒金属から成り立つ。触媒金属には、カソードでは酸素の還元反応、アノードでは水素の酸化反応に触媒作用を有すれば特に限定するものではない。具体的には、例えば遷移金属単体、遷移金属群からなる合金、酸化物、複酸化物、炭化物、錯体を用いることができる。中でも特にＰｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｏ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｆｅ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等が好ましく、この群からなる合金、酸化物、複酸化物、炭化物、錯体を用いることが好ましい。また、触媒担持した導電性粒子の粒径は、触媒金属の利用率、反応性及び安定性を考慮し、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度が好ましい。
【００３０】
導電性を持つ担体としては、特に制限されず公知のものが使用できるが、代表的なものとしてはカーボン粒子があり、具体的にはカーボンブラック、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、フラーレン、固体酸凝集体等の炭素粒子等が挙げられ、この中から一つ以上選べばよい。導電性を持つ担体の粒径としては１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度が好ましい。
【００３１】
電極触媒インクには、触媒担持した導電性粒子以外にも、触媒を担持していない導電性粒子を混合させても良い。
【００３２】
電極触媒インクに含まれる高分子は、イオン伝導性を有するものであれば良いが、電極触媒層２及び電極触媒層３と固体高分子電解質膜１との密着性を考えると、固体高分子電解質膜１と同じ材料を選択することが好ましい。
【００３３】
本発明の実施の形態に係る電極触媒インクは、上記触媒担持した導電性粒子を予め水に馴染ませておく。担持された触媒により、アルコールなどの有機溶媒を加えた際に発火の恐れがあるためである。
【００３４】
更に有機溶媒として、メタノール、エタノール、エチレングリコール、１−プロパノール、２−プロパノール、１，２−プロパンジオール、１，３−プロパンジオール、グリセリン、ブタノールなどのアルコール類、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルスルホキシド等の非プロトン極性溶媒など、イオン伝導性を有する高分子を溶解可能であり、その後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、上記記述に関わらずいずれの溶媒でも構わない。溶媒は１種又は２種以上選択したものを用いる。
【００３５】
電極触媒インク中の触媒担持した導電性粒子とイオン伝導性を有する高分子とを含めた固形分は、水と有機溶媒を合わせた全溶媒に対し、５ｗｔ％以上４５ｗｔ％以下にするのが好ましい。この範囲外である場合、インクとしての安定性に欠け、インクの印刷性が悪化してしまうからである。
【００３６】
電極触媒インクの粘度は２５℃のインク温度で５０ｍＰａ・ｓ以上８００ｍＰａ・ｓ以下にするのが好ましい。固形分と粘度は印刷方法によって調整すればよいが、上記範囲内とすることにより塗工適性に優れた電極触媒インクとすることができる。
【００３７】
電極触媒インクには、適宜増粘材、分散剤を混ぜても構わない。カーボンの分散剤として好適なのは、スルホン酸基が導入された無定形炭素である、固体酸が代表的に挙げられるが、特に限定しない。
【００３８】
電極触媒インクに加えるイオン伝導性を持つ高分子溶液の固形分は１ｗｔ％〜３０ｗｔ％が望ましい。
【００３９】
本発明の実施の形態に係る電極触媒インク製造方法における混合方法としては、遊星ボールミル、ビーズミル、ホモジナイザをはじめとする公知の方法が挙げられるが特に限定しない。溶媒が触媒により溶存酸素により酸化されるため、電極触媒インクの分散は不活性ガス下で行うのが好ましいが、大気雰囲気下で混合しても特に構わない。
【００４０】
本発明の実施の形態に係る固体高分子電解質膜１は、イオン伝導性を有するものを用いることが好ましい。例えば、フッ素系固体高分子電解質膜１としては、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、旭硝子（株）製Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成（株）製Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、ゴア社製Ｇｏｒｅ  Ｓｅｌｅｃｔ（登録商標）などが挙げられる。炭化水素系固体高分子電解質膜１としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の固体高分子電解質膜１が挙げられるが特に限定しない。膜厚は２０μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。
【００４１】
次に、電極触媒層２及び電極触媒層３の形成方法及び膜電極接合体１１の作製方法について説明する。
【００４２】
膜電極接合体１１の作製方法は、固体高分子電解質膜１に電極触媒インクを塗布する方法、ガス拡散層に電極触媒インクを塗布しこれを固体高分子電解質膜１に挟持させ熱圧着する方法、転写基材に電極触媒層を一旦形成した後、固体高分子電解質膜１に挟持させ熱圧着する方法の大きく３つの方法が挙げられるがいずれの方法をとっても構わない。
【００４３】
調整された電極触媒インクの印刷方法は、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などの塗布法、噴霧法などの方法が挙げられるが特に限定しない。塗布基材により最適なものを選定すればよい。
【００４４】
転写基材、ガス拡散層、固体高分子電解質膜１に対し乾燥後の電極触媒層２または電極触媒層３の面内の一方向において、電極触媒層２または電極触媒層３の少なくとも一方の、固体高分子電解質膜１との接合面と反対側の表面が、少なくとも電極触媒層２または電極触媒層３の面内の一方向においてカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが３μｍ以上１５μｍとなるように塗布しても構わない。
【００４５】
うねり曲線要素の平均高さが３μｍ以上１５μｍを持つ電極触媒層２または電極触媒層３からなる膜電極接合体１１は、電極触媒層２または電極触媒層３に造孔材や撥水材を混ぜることなく撥水性を高めることができる。うねり曲線要素の平均高さが３μｍ未満である場合、十分に撥水の効果が見られなくなってしまい、平均高さが１５μｍを超える場合、電極触媒層２または電極触媒層３の強度が保てなくなり、ガス拡散層との接合性が保てず、内部抵抗が高くなってしまう。
【００４６】
このような表面のうねり曲線を持つ電極触媒層２または電極触媒層３からなる膜電極接合体１１は、とくに発電時における水の発生がカソードで顕著であるため、カソードとして用いることで撥水性の効果が高まる。
【００４７】
本発明の実施の形態において、電極触媒層２及び電極触媒層３を転写基材に塗布する場合、電極触媒層２及び電極触媒層３を転写基材に塗布してからこれを固体高分子電解質膜１に熱圧着する。転写基材としては特に限定しないが、電極触媒層２及び電極触媒層３が熱圧着により離型するものが良い。具体的にはＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ等のフッ素系樹脂、表面にシリコン樹脂等が塗布されている離型材、ＰＥＴフィルム、ポリイミド、ＰＥＥＫなどの高分子フィルム、ＳΜＳ等の金属板などが挙げられるが、電極触媒層２及び電極触媒層３が良好に印刷されかつ転写されれば特に限定しない。
【００４８】
転写基材に電極触媒層２及び電極触媒層３を塗布する場合には、電極触媒層２または電極触媒層３の少なくとも一方の、固体高分子電解質膜１との接合面と反対側の表面が、少なくとも電極触媒層２または電極触媒層３の面内の一方向においてカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが３μｍ以上１７μｍとして転写基材を用いることで、うねり曲線要素の平均高さが３μｍ以上１５μｍである膜電極接合体１１を製造することができる。
【００４９】
うねり曲線要素の平均高さが３μｍ未満だと、十分に撥水効果をもつ電極触媒層２または電極触媒層３が製造できなくなってしまい、うねり曲線要素の平均高さが１７μｍを超えると、転写性が悪く転写基材上に電極触媒層２または電極触媒層３が一部残ってしまう上、作製された電極触媒層２または電極触媒層３の強度がもろくなってしまう。
【００５０】
転写基材は、エンボス処理、ブラスト処理、粗化などの処理を行うことで表面にうねりをつけてあってもよい。
【００５１】
電極触媒層２または電極触媒層３を転写基材上に設けた膜電極接合体製造用の電極触媒層の塗工転写基材は、転写基材上の電極触媒層２または電極触媒層３の表面は面内の少なくとも一方向においてカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが７μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５μｍ以下である。このような条件を電極触媒層の塗工転写基材が満たすことで電極触媒層２または電極触媒層３の固体高分子電解質膜１への塗工性が良好となる。
【００５２】
うねり曲線要素の平均高さが７μｍを超える大きい場合、固体高分子電解質膜１と電極触媒層２及び電極触媒層３との接合性が悪くなり、膜電極接合体１１の内部抵抗が高くなってしまう。
【００５３】
また、固体高分子電解質膜１への電極触媒層２または電極触媒層３の転写は複数回にわたっても構わない。例えば転写基材に塗布した電極触媒層２または電極触媒層３を固体高分子電解質膜１に挟持させ転写し（膜電極接合体１１）、更に膜電極接合体１１に電極触媒層２または電極触媒層３を挟持させ転写しても構わない。これを複数回行う、片側だけ行う、交互に行うなど、その順番、回数などは問わない。
【００５４】
本発明の実施の形態における電極触媒層を塗布後の乾燥条件であるが、最適な乾燥温度は、４０℃〜１２０℃である。乾燥時間は加える溶媒、塗布厚み、乾燥温度に依存するが、１分〜２時間程度が良い。乾燥温度・乾燥時間によっても、うねり曲線要素の平均高さが３μｍ以上１５μｍである電極触媒層を形成することができる。
【００５５】
本発明の実施の形態に係る熱圧着方法としては、ラミネータ、熱プレスなど、密着性が良好であればその手段を問わない。
【００５６】
本発明の実施の形態に係る熱圧着条件であるが、電極触媒層に含まれるイオン伝導性を持つ高分子と固体高分子電解質膜１とのガラス転移点程度で、かつ熱劣化する温度より低い必要がある。最適な条件は使用する電極触媒インクに含まれる高分子や、固体高分子電解質膜１にも依存するが、ガラス点移転付近の８０℃〜１６０℃付近がよい。好ましくは、１４０℃以下がよい。
【００５７】
上記のようにして作製された膜電極接合体１１のカソードは、固体高分子電解質膜１との接合面と反対側の表面が、少なくとも電極触媒層の面内の一方向においてカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さがが３μｍ以上１５μｍ以下であればよい。より好ましくは、３μｍ以上１２μｍ以下が好ましい。形状は、たとえば図２（ａ）〜（ｃ）に示すような形状であればよい。アノードは運転条件によって形状を決めれば良いが、固体高分子電解質膜１との接合面と反対側の表面が、少なくとも電極触媒層の面内の一方向においてカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さがが１５μｍ以下であることが好ましい。
【００５８】
また電極触媒層の形状は、電極触媒層の面内の一方向において上記うねり曲線要素の平均高さの条件を満たせばよく、図３に示すように蒲鉾形に数列並べたような形状、格子状、ハニカム状、ストライプ状、サーペンタイン状、円柱状など特に形状を限定しない。
【００５９】
本発明の実施の形態に係るガス拡散層としては、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルト等が挙げられるが、特に限定しない。電極触媒層側にカーボンブラックなどの炭素粒子を塗布したり、ＰＴＦＥ溶液などで撥水処理したりするなどの処理を施しても構わない。
【００６０】
さらに本発明の実施の形態に用いられるセパレータ１０としてはカーボン、金属等を用いることができる。また、燃料電池としては、ガス供給装置、冷却装置などその他付随する装置を組み立てることにより製造される。
【００６１】
本発明の実施の形態に係る膜電極接合体１１は、カソード側にカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが３μｍ以上１５μｍ以下である電極触媒層を用いることで、電極触媒層と固体高分子電解質膜１との接合性を保ちつつ撥水性を向上させることができる。
【実施例１】
【００６２】
以下、実施例を挙げて本発明を説明する。なお、本発明は下記実施例によって制限されるものではない。なお、以下すべての実施例において、表面うねりは、サンプルを多孔室吸着板に吸着させた後、顕微鏡レーザ変位計（オプレンス製）を用いて求めた。
【００６３】
ＰＴＦＥフィルムを転写基材として用い、これにブラスト処理を施し、フィルム表面を、カットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さを８μｍとなるように粗化した。このフィルムに対し、アプリケータにて電極触媒インクを塗布した。このとき、触媒表面がカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは４μｍであった。
【００６４】
この転写基材をＮａｆｉｏｎ２１２膜（登録商標、デュポン社製）に対しその両面に１４０℃１０分で熱プレスを行い電極触媒層を転写させた。これより転写基材のみを剥がすことにより、電極触媒層付き固体高分子電解質膜１、膜電極接合体１１を得た。このとき、固体高分子電解質膜１との接合面と反対側の電極触媒層の表面のカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは６μｍであった。転写基材に電極触媒層が残ることはなかった。
【実施例２】
【００６５】
ＰＴＦＥフィルムを転写基材として用い、これにスクリーン印刷にてサーペンタイン状に電極触媒インクを塗布した。このとき固体高分子電解質膜１との接合面と反対側の電極触媒層の表面のカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは５μｍであった。
【００６６】
この転写基材をＮａｆｉｏｎ２１２膜（デュポン社製）に対し、その両面に１４０℃１０分で熱プレスを行い電極触媒層を転写させた。これより転写基材のみを剥がすことにより、電極触媒層付き固体高分子電解質膜１、膜電極接合体１１を得た。このとき、固体高分子電解質膜１との接合面と反対側の電極触媒層の表面のカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは４μｍであった。
【実施例３】
【００６７】
ＰＴＦＥフィルムを転写基材として用い、これにスクリーン印刷にて格子状に電極触媒インクを塗布した（これを転写基材２１とする）のとき、固体高分子電解質膜１との接合面と反対側の電極触媒層の表面のカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは５μｍであった。更に別のＰＴＦＥフィルムを転写基材として用いこれにバーコータにて電極触媒インクを塗布した（これを転写基材２２とする）。このとき、転写基材２２の電極触媒層の表面のカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは２μｍであった。
【００６８】
転写基材２２をＮａｆｉｏｎ２１２膜（デュポン社製）に対し、その両面に１４０℃１０分で熱プレスを行い電極触媒層を転写させた。更に転写基材２１を両面に転写させた。これより転写基材のみを剥がすことにより、電極触媒層付き固体高分子電解質膜１、膜電極接合体１１を得た。このとき、固体高分子電解質膜１との接合面と反対側の電極触媒層の表面のカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは６μｍであった。
【実施例４】
【００６９】
ＰＴＦＥフィルムを転写基材として用いこれにバーコータにて電極触媒インクを塗布した。このとき、触媒表面がカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは３μｍであった。この転写基材をＮａｆｉｏｎ２１２膜（デュポン社製）に対しその両面に１４０℃１０分で熱プレスを行い電極触媒層を転写させた。この膜電極接合体１１にエンボス処理を施したところ、電極触媒層の表面がカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは７μｍとなった。
【００７０】
［比較例１］
ＰＴＦＥフィルムを転写基材として用いこれにバーコータにて電極触媒インクを塗布した。このとき、電極触媒層の表面がカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは３μｍであった。この転写基材をＮａｆｉｏｎ２１２膜（デュポン社製）に対しその両面に１４０℃１０分で熱プレスを行い電極触媒層を転写させた。これより転写基材のみを剥がすことにより、電極触媒層付き固体高分子電解質膜１、膜電極接合体１１を得た。このとき、固体高分子電解質膜１との接合面と反対側の電極触媒層の表面のカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは２μｍであった。
【００７１】
実施例１、２、３及び比較例１の膜電極接合体の両面に、ガス拡散層として一対のカーボンペーパで挟持し、固体高分子形燃料電池１３を作製した。燃料電池測定装置（東陽テクニカ社製ＧＦＴ−ＳＧ１）を用い、燃料として水素ガス、酸化剤として酸素を使用し、セル温度８０℃、フル加湿条件下にて発電特性評価をおこなった。
【００７２】
フラッディングが始まるときの電流は、実施例１、２、３がそれぞれ０．９５［Ａ／ｃｍ２］、０．９２［Ａ／ｃｍ２］、０．９７［Ａ／ｃｍ２］、０．９２［Ａ／ｃｍ２］であったのに対し、比較例１は０．８６［Ａ／ｃｍ２］であった。
【００７３】
実施例及び比較例で作製した固体高分子形燃料電池１３を比較すると、実施例１乃至実施例３の電極触媒層がカットオフ値λｆ４ｍｍ、λｃ０．８ｍｍの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さを３μｍ以上１５μｍ以下とすることにより発電効率が向上することがわかる。
【符号の説明】
【００７４】
１…固体高分子電解質膜、２…空気極側電極触媒層、３…燃料極側電極触媒層、４…空気極側ガス拡散層、５…燃料極側ガス拡散層、６…空気極、７…燃料極、８…ガス流路、９…冷却水流路、１０…セパレータ、１１…膜電極接合体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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