(57)【要約】【課題】電解質膜の物理的な変形を簡素な構成で抑制可能であり、且つ優れた発電特性を得ることが可能な電解質膜・電極構造体を提供する。【解決手段】電解質膜・電極構造体１２は、電解質膜２４をアノード電極２６とカソード電極２８で挟持して構成される。アノード電極２６は、電解質膜２４に臨むアノード電極触媒層３０と、アノードガス拡散層３５とを有する。また、カソード電極２８は、電解質膜２４に臨むカソード電極触媒層３８と、カソードガス拡散層４３とを有する。アノードガス拡散層３５は、カソードガス拡散層４３に比して、電解質膜２４に臨む側の表面うねりが小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持して構成される電解質膜・電極構造体であって、
前記アノード電極は、前記電解質膜に臨むアノード電極触媒層と、アノードガス拡散層とを有し、
前記カソード電極は、前記電解質膜に臨むカソード電極触媒層と、カソードガス拡散層とを有し、
前記アノードガス拡散層は、前記カソードガス拡散層に比して、前記電解質膜に臨む側の表面うねりが小さいことを特徴とする電解質膜・電極構造体。
【請求項２】
請求項１記載の電解質膜・電極構造体において、
前記アノードガス拡散層の最大高さうねりが１０．０μｍ以下であり、
前記カソードガス拡散層の最大高さうねりが２０．０〜５０．０μｍであることを特徴とする電解質膜・電極構造体。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電解質膜・電極構造体において、
前記アノードガス拡散層の算術平均うねりが１．５μｍ以下であり、
前記カソードガス拡散層の算術平均うねりが３．０〜５．０μｍであることを特徴とする電解質膜・電極構造体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解質膜・電極構造体において、
前記アノードガス拡散層は、前記アノード電極触媒層に臨むアノード多孔質層と、カーボンペーパ又はカーボンクロスとを積層した積層体からなり、
前記カソードガス拡散層は、前記カソード電極触媒層に臨むカソード多孔質層と、カーボンペーパ又はカーボンクロスとを積層した積層体からなることを特徴とする電解質膜・電極構造体。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解質膜・電極構造体において、
前記アノードガス拡散層は、電子伝導性物質及び撥水性樹脂を含むアノード多孔質層からなり、
前記カソードガス拡散層は、カーボンペーパ又はカーボンクロスを含むことを特徴とする電解質膜・電極構造体。
【請求項６】
請求項５記載の電解質膜・電極構造体において、
前記カソードガス拡散層は、前記カソード電極触媒層に臨むカソード多孔質層と、前記カーボンペーパ又はカーボンクロスとを積層した積層体からなることを特徴とする電解質膜・電極構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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備える電解質膜・電極構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池のガス拡散層は、一般的に、カーボンペーパやカーボンクロス等から構成され、電解質膜・電極構造体の製造過程等において、電極触媒層を介して電解質膜に押圧される。この際、ガス拡散層のうねり等によって、電解質膜が物理的に変形する懸念がある。また、ガス拡散層の繊維が電極触媒層を貫通して電解質膜に突き刺さること等によって、電解質膜が物理的に損傷する懸念もある。以上のような事態が発生すると、電解質膜の劣化が促進されたり、反応ガスに対するガスバリア性が低下したりしてしまう可能性がある。従って、この種の燃料電池の電解質膜・電極構造体では、ガス拡散層の影響による電解質膜の物理的な変形及び損傷を十分に抑制する必要がある。
【０００３】
そこで、例えば、特許文献１には、電極触媒層の面方向の結合状態を強固にすることで、ガス拡散層の繊維が電極触媒層越しに電解質膜に突き刺さることを防止する方法が提案されている。具体的には、電極触媒層の積層方向に不連続な電解質高比率部を設けている。
【０００４】
また、特許文献２では、電解質膜の外周縁部に対して、ガス拡散層の繊維が通過することを阻止するための補強材料を設けることが提案されている。一般的に、電解質膜・電極構造体では、電解質膜に比して電極触媒層の外形寸法が小さくなるように形成されている。このため、電解質膜の外周縁部は、電極触媒層の外周から外部に露呈しており、ガス拡散層の影響を受け易い。従って、上記の補強材料は、この電解質膜の外周縁部とガス拡散層の外周縁部との間に配置されて、該ガス拡散層の影響による電解質膜の物理的な変形や損傷を抑制する。具体的には、電解質膜の対向する２辺のみを電極触媒層の外周から外部に露出させる形状とし、該２辺側に補強材料を配置している。
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２のいずれに示す技術も、上記の通り、電極触媒層や電解質膜を特別な構成とする必要があること等から、電解質膜・電極構造体の構成が複雑となる。このため、電解質膜・電極構造体の生産性の低下や、製造コストの増加等が問題となる。また、特許文献２記載の方法では、電解質膜の外周縁部以外の部位について、ガス拡散層の影響による物理的な変形や損傷を抑制することが十分に考慮されていない。
【０００６】
このような不都合を回避するべく、特許文献３には、電解質膜の全体と、電極触媒層ないしガス拡散層との間に補強層を介在させることが提案されている。この補強層は、電解質膜をガス拡散層から保護するものであり、アノード電極又はカソード電極の少なくともいずれか一方側に設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−４０３７７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４６７６９号公報
【特許文献３】特開２００５−３３２６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、電解質膜・電極構造体では、アノード電極に比してカソード電極側の活性化過電圧が大きい。このため、カソード電極側の触媒量を多くして、活性化過電圧を低減させること、すなわち、アノード電極に比してカソード電極側の電極触媒層を厚く形成することが一般的である。換言すれば、アノード電極の電極触媒層は肉薄である。この分、電解質膜がアノード電極のガス拡散層のうねりや繊維等の影響を受け易い。一方で、カソード電極側では、燃料電池の発電反応に伴って生成水が生じるため、アノード電極に比して、いわゆるフラッディングが生じ易い。
【０００９】
従って、特許文献３のように、アノード電極又はカソード電極の少なくともいずれか一方側に補強層を設けるのみでは、電解質膜の物理的な変形や損傷を十分に抑制することができない場合がある。さらには、補強層が上記のフラッディングを促進してしまうことや、電解質膜を乾燥させる一因になってしまう懸念がある。すなわち、電解質膜を適切に保護しつつ、燃料電池の発電特性を維持することについて、十分な考慮がなされていなかった。
【００１０】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、ガス拡散層の影響による電解質膜の物理的な変形や損傷を簡素な構成で適切に抑制しつつ、優れた発電性能を示す電解質膜・電極構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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アノード電極とカソード電極で挟持して構成される電解質膜・電極構造体であって、前記アノード電極は、前記電解質膜に臨むアノード電極触媒層と、アノードガス拡散層とを有し、前記カソード電極は、前記電解質膜に臨むカソード電極触媒層と、カソードガス拡散層とを有し、前記アノードガス拡散層は、前記カソードガス拡散層に比して、前記電解質膜に臨む側の表面うねりが小さいことを特徴とする。
【００１２】
一般的に、カソード電極の活性化過電圧は、アノード電極の活性化過電圧に比して大きい。このため、カソード電極では、活性化過電圧を低減させるべく、アノード電極に比して触媒量を多くしている。すなわち、アノード電極触媒層は、カソード電極触媒層に比して薄く形成されている。
【００１３】
具体的な一例を挙げると、白金（Ｐｔ）等を触媒とした場合、電極触媒層が単位面積あたりに含有する触媒量は、アノード電極側で０．０１〜０．２０ｍｇ／ｃｍ2、カソード電極側で０．０５〜１．００ｍｇ／ｃｍ2である。また、この場合の電極触媒層の典型的な厚さは、アノード電極側が０．５〜１０．０μｍ、カソード電極側が１．０〜５０．０μｍである。
【００１４】
従って、電解質膜では、アノード電極に臨む側の一面が、カソード電極に臨む側の面に比して、ガス拡散層のうねりや繊維等の影響を受け易い。一方で、カソード電極では、発電反応によって生成水が生じるため、アノード電極に比してフラッディングが生じ易い。
【００１５】
本発明に係る電解質膜・電極構造体では、上記の通り、電解質膜に臨む側の表面うねりが、カソードガス拡散層に比して、アノードガス拡散層において小さく設定されている。ここで、表面うねりとは、表面粗さよりも低く且つ幾何偏差より高い周期からなる幾何形状であり、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２０１３に示すように、例えば、最大高さうねりＷｚ及び算術平均うねりＷａをパラメータとして定義される。
【００１６】
これによって、アノード電極では、アノードガス拡散層の影響による電解質膜の物理的な変形や損傷を効果的に抑制することができる。従って、電解質膜の劣化を抑制することや、反応ガスに対するガスバリア性を向上させることができ、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。
【００１７】
また、電解質膜の変形が抑制される分、該電解質膜とアノード電極触媒層との接触面積が大きくなる。これによって、電解質膜とアノード電極触媒層との間でプロトンが効率よく授受されるようになるので、プロトン伝導の経路が確保され、燃料電池としての発電特性が向上する。
【００１８】
一方で、カソード電極は、カソードガス拡散層として、空隙や細孔を十分に維持することができ、ガス拡散性を良好に維持することができる。すなわち、カソード電極では、余剰の水を排出して反応ガスを迅速に拡散させることができ、フラッディングを効果的に抑制することができる。
【００１９】
つまり、この電解質膜・電極構造体では、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の各々の電解質膜に臨む側が互いに異なる表面うねりを有するように形成される。これによって、電解質膜の物理的な変形や損傷を簡素な構成で効果的に抑制して、優れた耐久性及び発電性能を示すことができる。
【００２０】
前記電解質膜・電極構造体において、前記アノードガス拡散層の最大高さうねりが１０．０μｍ以下であり、前記カソードガス拡散層の最大高さうねりが２０．０〜５０．０μｍであることが好ましい。また、前記アノードガス拡散層の算術平均うねりが１．５μｍ以下であり、前記カソードガス拡散層の算術平均うねりが３．０〜５．０μｍであることが好ましい。
【００２１】
この電解質膜・電極構造体では、アノードガス拡散層の影響による電解質膜の物理的な変形や損傷を効果的に抑制しつつ、カソードガス拡散層のガス拡散性を良好に維持して、優れた耐久性及び発電性能を示すことができる。
【００２２】
前記電解質膜・電極構造体において、前記アノードガス拡散層は、前記アノード電極触媒層に臨むアノード多孔質層と、カーボンペーパ又はカーボンクロスとを積層した積層体からなり、前記カソードガス拡散層は、前記カソード電極触媒層に臨むカソード多孔質層と、カーボンペーパ又はカーボンクロスとを積層した積層体からなることが好ましい。
【００２３】
このようにアノード多孔質層及びカソード多孔質層を備えることによって、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の表面うねりを上記の範囲内に容易に設定することが可能になる。また、カーボンペーパ又はカーボンクロスと電解質膜との間に、アノード多孔質層及びカソード多孔質層が介在する。これによって、カーボンペーパ又はカーボンクロスの良好なガス拡散性を維持しつつ、該カーボンペーパ又はカーボンクロスのうねりや繊維等が電解質膜に影響することを効果的に抑制できる。以降、アノード多孔質層及びカソード多孔質層を総称して多孔質層ともいう。
【００２４】
さらに、この多孔質層によって、アノード電極及びカソード電極間の保水性及び排水性の均衡を一層適切に図ることができる。従って、電解質膜の物理的な変形や損傷を効果的に抑制して耐久性を向上させつつ、より良好な発電性能を示す電解質膜・電極構造体を得ることができる。
【００２５】
前記電解質膜・電極構造体において、前記アノードガス拡散層は、電子伝導性物質及び撥水性樹脂を含むアノード多孔質層からなり、前記カソードガス拡散層は、カーボンペーパ又はカーボンクロスを含むものであってもよい。この場合、アノード電極がアノードガス拡散層としてアノード多孔質層を有している。このアノード多孔質層は、カソード電極のカソードガス拡散層に含まれるカーボンペーパやカーボンクロスに比して、平滑且つ柔軟に形成することができる。
【００２６】
すなわち、アノード多孔質層をアノードガス拡散層として有するアノード電極では、該アノードガス拡散層の影響による電解質膜の物理的な変形や損傷を効果的に抑制することができる。これによって、電解質膜とアノード電極触媒層との間でプロトンが効率よく授受されるようになるので、燃料電池としての発電特性が向上する。
【００２７】
一方で、カソード電極は、カソードガス拡散層としてカーボンペーパやカーボンクロスを有する。カーボンペーパやカーボンクロスは、ガス拡散性が高くなるように形成することができる。従って、カソード電極では、余剰の水を排出して反応ガスを迅速に拡散させることができ、フラッディングを効果的に抑制することができる。
【００２８】
つまり、この電解質膜・電極構造体では、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の各々が上記の通り適切な表面うねりを示すように互いに異なる材料から形成される。これによって、電解質膜の物理的な変形や損傷を簡素な構成で効果的に抑制して、優れた耐久性及び発電性能を示すことができる。
【００２９】
また、この場合には、前記カソードガス拡散層は、前記カソード電極触媒層に臨むカソード多孔質層と、前記カーボンペーパ又はカーボンクロスとを積層した積層体からなることが好ましい。このようにカソードガス拡散層がカソード多孔質層を備えることによって、該カソードガス拡散層のカーボンペーパ又はカーボンクロスのうねりや繊維等が電解質膜に影響することについても効果的に抑制できる。また、アノード多孔質層とカソード多孔質層とによって、アノード電極及びカソード電極間の保水性及び排水性の均衡を一層適切に図ることができる。従って、電解質膜の物理的な変形や損傷を効果的に抑制して、より良好な耐久性及び発電性能を示す電解質膜・電極構造体を得ることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、アノード電極のアノードガス拡散層と、カソード電極のカソードガス拡散層とが各々適切な性質を示すように互いに異なる表面うねりを有する。その結果、電解質膜の物理的な変形を簡素な構成で効果的に抑制することができ、優れた耐久性及び発電性能を示す電解質膜・電極構造体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】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２】アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の表面うねりとして、最大高さうねりＷｚ及び算術平均うねりＷａを算出する方法を説明するための説明図である。
【図３】実施例１〜３及び比較例１〜５の電解質膜・電極構造体について、アノード多孔質層及びカソード多孔質層それぞれの作製条件、最大高さうねりＷｚ、算術平均うねりＷａ、膜圧分散、セル電圧を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
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。
【００３３】
図１は、固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも表記する）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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、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。燃料ガス流路１８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。
【００３６】
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。酸化剤ガス流路２０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。なお、燃料ガス流路１８中の燃料ガスと、酸化剤ガス流路２０中の酸化剤ガスとは、互いに対向する向きに流通する。
【００３７】
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、冷却媒体流路２２が一体的に形成されている。冷却媒体流路２２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。
【００３８】
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２６及びカソード電極２８とを備える。電解質膜２４の外形寸法（表面積）は、アノード電極２６及びカソード電極２８の外形寸法よりも大きく設定される。これによって、アノード電極２６及びカソード電極２８の一方の電極に供給された反応ガスが他方の電極に移動することを防止できる。また、後述するシール部材４６、４８によって、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）を防止できる。
【００３９】
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。
【００４０】
アノード電極２６及びカソード電極２８は、電解質膜２４を挟持するように設けられる。アノード電極２６は、電解質膜２４の一方の面に臨むアノード電極触媒層３０と、アノードガス拡散層３５とを有している。一方、カソード電極２８は、電解質膜２４の他方の面に臨むカソード電極触媒層３８と、カソードガス拡散層４３とを有している。
【００４１】
アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８は、電解質膜２４に接合して設けられ、外形寸法が該電解質膜２４に比して小さく設定される。また、アノード電極触媒層３０とカソード電極触媒層３８は、外形寸法（表面積）が互いに異なっていてもよい。さらに、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８は、電解質膜２４を介して積層される際、互いの外周端部の位置が一致しないように配置されることが好ましい。この場合、電解質膜２４に対して、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８の外周端部による応力が集中することを防止できる。その結果、電解質膜２４の物理的な変形や損傷を効果的に防止することができる。
【００４２】
アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８は、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。また、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８のそれぞれは、組成の異なる２層以上の触媒層から構成されていてもよい。
【００４３】
本実施形態に係る電解質膜・電極構造体１２では、アノード電極触媒層３０がカソード電極触媒層３８よりも薄く形成されている。すなわち、アノード電極触媒層３０の含有する前記触媒粒子の量は、カソード電極触媒層３８に比して少なくなっている。これによって、カソード電極２８の活性化過電圧を低減させることができる。
【００４４】
単位面積あたりの前記触媒粒子の含有量は、アノード電極触媒層３０では０．０１〜０．２０ｍｇ／ｃｍ2であり、カソード電極触媒層３８では０．０５〜１．００ｍｇ／ｃｍ2であることが好ましい。この場合、アノード電極触媒層３０の厚さは０．５〜１０．０μｍであり、カソード電極触媒層３８の厚さは１．０〜５０．０μｍであることが好ましい。
【００４５】
アノードガス拡散層３５は、基材３２と、アノード多孔質層３４とが積層された積層体から構成され、アノード多孔質層３４がアノード電極触媒層３０に臨む。一方、カソードガス拡散層４３は、基材４０と、カソード多孔質層４２とが積層された積層体から構成され、カソード多孔質層４２がカソード電極触媒層３８に臨む。
【００４６】
アノード多孔質層３４及びカソード多孔質層４２は、電子伝導性物質と撥水性樹脂とを含む多孔質性の層であり、該電子伝導性物質に基づいて伝導性を示す。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（ケッチェン・ブラック社製「ケッチェンブラックＥＣ」及び「ケッチェンブラック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。
【００４７】
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、シリコーン樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等が例示され、これらを単独で又は２種以上組み合わせて使用することができる。
【００４８】
基材３２、４０は、多数の繊維状カーボンがセルロース質に含有されて得られるカーボンペーパ又はカーボンクロスからなる。また、基材３２、４０は、例えば、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）等からなる撥水性樹脂を含有してもよい。基材３２、４０、アノード多孔質層３４、カソード多孔質層４２はそれぞれ略同等の外形寸法に形成されて互いに積層されている。
【００４９】
アノードガス拡散層３５の表面うねりは、カソードガス拡散層４３に比して小さい。具体的には、アノードガス拡散層３５のアノード電極触媒層３０に臨む側、すなわち、アノード多孔質層３４の最大高さうねりＷｚが１０．０μｍ以下であることが好ましい。このとき、カソードガス拡散層４３のカソード電極触媒層３８側、すなわち、カソード多孔質層４２の最大高さうねりＷｚが２０．０〜５０．０μｍであることが好ましい。
【００５０】
又は、アノード多孔質層３４の算術平均うねりＷａを１．５μｍ以下とし、且つ、カソード多孔質層４２の算術平均うねりを３．０〜５．０μｍとするようにしてもよい。
【００５１】
さらに、上記の両条件を同時に満足することが好ましい。すなわち、アノード多孔質層３４の最大高さうねりＷｚが１０．０μｍ以下、算術平均うねりＷａが１．５μｍ以下であり、且つ、カソード多孔質層４２の最大高さうねりＷｚが２０．０〜５０．０μｍ、算術平均うねりが３．０〜５．０μｍであることが最も好ましい。
【００５２】
これらの物性値は、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の最大細孔径、平均細孔径、細孔径分布、撥水性樹脂の種類や量等が適宜調整されることによって設定することができる。この場合、後述するように、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の影響によって電解質膜２４に物理的な変形や損傷が生じることを適切に抑制しつつ、燃料電池１０の発電性能を向上させることができる。
【００５３】
なお、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の表面うねりは、例えば、オリンパス社製のレーザ顕微鏡「ＬＥＸＴ  ＯＬＳ４０００」（商品名）を用いて求めることができる。具体的な算出方法については、後述する。
【００５４】
アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の外形寸法は、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８に比して大きく設定される。すなわち、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８は、上記の通り、電解質膜２４、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３に比して外形寸法が小さく設定される。このため、電解質膜２４の外周縁部は、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８の外周から外部に露呈する。この電解質膜２４の露呈する部位を、以下、露呈部位ともいう。
【００５５】
電解質膜・電極構造体１２では、露呈部位の一方側の面及びアノード電極触媒層３０に対して、アノードガス拡散層３５を構成するアノード多孔質層３４が接触している。また、露呈部位の他方側の面及びカソード電極触媒層３８に対して、カソードガス拡散層４３のカソード多孔質層４２が接触している。
【００５６】
また、電解質膜２４の露呈部位のうち、さらにアノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の外周から外部に露呈する部位のアノード側セパレータ１４に臨む側の面には、額縁形状をなすアノード絶縁シート３６が当接するように設けられる。同様に、前記露呈する部位のカソード側セパレータ１６に臨む側の面には、額縁形状をなすカソード絶縁シート４４が当接するように設けられる。
【００５７】
アノード絶縁シート３６及びカソード絶縁シート４４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、アノード絶縁シート３６の厚さとアノードガス拡散層３５の厚さは略同等であるため、アノード絶縁シート３６及びアノードガス拡散層３５の面同士が面一の状態で、アノード側セパレータ１４に当接している。同様に、カソード絶縁シート４４及びカソードガス拡散層４３の面同士が面一の状態で、カソード側セパレータ１６に当接している。
【００５８】
このように、アノード絶縁シート３６及びカソード絶縁シート４４を設けることによって、アノード電極２６とカソード電極２８との間で反応ガスが移動して混在してしまうことや、アウトリークが起こることを効果的に回避できる。
【００５９】
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、アノードガス拡散層３５、カソードガス拡散層４３の縁部を囲繞するようにしてシール部材４６、４８が設けられる。これらシール部材４６、４８により、アウトリークを有効に防止することができる。
【００６０】
次に、上記した電解質膜・電極構造体１２を作製する方法について説明する。
【００６１】
電解質膜・電極構造体１２を作製するに際しては、はじめに、前述した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から選択したポリマーを長方形のシート形状として電解質膜２４を作製する。
【００６２】
そして、この電解質膜２４の一方の面にアノード電極触媒層３０を形成し、且つ他方の面にカソード電極触媒層３８を形成する。具体的には、先ず、電解質膜２４に用いたポリマーと同種のポリマーの溶液（高分子電解質）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ペーストを調製する。
【００６３】
次に、この触媒ペーストを、ＰＴＦＥ等から形成したフィルムの一方の面上に所定量塗布する。そして、前記フィルムにおける触媒ペーストを塗布した面を電解質膜２４の一方の面に対して熱圧着する。その後、フィルムを剥離すれば、触媒ペーストが電解質膜２４の一方の面に転写される。これによって、アノード電極触媒層３０を形成することができる。また、電解質膜２４の他方の面に対しても同様にして、前記触媒ペーストを転写することで、カソード電極触媒層３８を形成することができる。この際、フィルムに対する触媒ペーストの塗布量を調整することによって、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８の触媒粒子の含有量や厚さが上記の範囲となるように調整することができる。すなわち、上記の通り、アノード電極触媒層３０がカソード電極触媒層３８に比して薄く形成される。
【００６４】
これとは別に、基材３２上にアノード多孔質層３４を形成してアノードガス拡散層３５を得るとともに、基材４０上にカソード多孔質層４２を形成してカソードガス拡散層４３を得る。
【００６５】
具体的には、例えば、前記電子伝導性物質と、前記撥水性樹脂とを、エタノール、プロパノール、エチレングリコール等の有機溶媒中で混合することにより多孔質層用ペーストを調製する。そして、この多孔質層用ペーストの所定量を、基材３２上に塗布した後、熱処理することでアノード多孔質層３４を形成する。これによって、アノードガス拡散層３５を得ることができる。
【００６６】
前記多孔質層用ペーストと同様に、前記電子伝導性物質及び前記撥水性樹脂を前記有機溶媒中で混合することにより多孔質層用ペーストを調製する。そして、この多孔質層用ペーストの所定量を、基材４０上に塗布した後、熱処理することでカソード多孔質層４２を形成する。これによって、カソードガス拡散層４３を得ることができる。
【００６７】
この際、例えば、基材３２、４０上に塗布する多孔質層用ペーストの塗布量や、該多孔質層用ペーストの固形分濃度等を適宜調整する。これにより、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の各々の表面うねりが上記の範囲内となるように調整することができる。さらには、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の物性値を調整するべく、基材３２、４０の各々の物性値や、該基材３２、４０に含浸させる撥水性樹脂の濃度等を調整してもよい。また、基材３２上に塗布する多孔質層用ペーストと、基材４０上に塗布する多孔質層用ペーストとは、互いに異なる成分から調製されてもよい。
【００６８】
上記の作製方法に代えて、アノード多孔質層３４及びカソード多孔質層４２を、シート状成形体として得るようにしてもよい。この場合、例えば、前記多孔質層用ペーストを固形分濃度が高くなるように調製した後、さらに溶媒を抽出して延伸処理等を行う。これによって、シート状成形体として得られたアノード多孔質層３４及びカソード多孔質層４２をそれぞれ、基材３２、４０に重畳して、加圧及び加熱（ホットプレス）する。その結果、アノード多孔質層３４と基材３２と熱圧着してアノードガス拡散層３５を得ることができる。同様に、カソード多孔質層４２と基材４０とを熱圧着してカソードガス拡散層４３を得ることができる。
【００６９】
この際、例えば、多孔質層用ペーストの量や、該多孔質層用ペーストの有機溶媒に対する電子伝導性物質及び撥水性樹脂の濃度（固形分濃度）、延伸処理後のシート状成形体の厚さ等を適宜調整する。これによって、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の各々の表面うねりを上記の範囲内となるように調整することができる。
【００７０】
以上のようにして得られたアノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３と、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８が形成された電解質膜２４とを重畳する。具体的には、アノードガス拡散層３５のアノード多孔質層３４とアノード電極触媒層３０とが対向し、カソードガス拡散層４３のカソード多孔質層４２とカソード電極触媒層３８とが対向するように上記の構成要素を重畳する。そして、得られた重畳体を熱圧着等により一体化することで、電解質膜・電極構造体１２が得られるに至る。
【００７１】
この際、上記した通り、電解質膜２４に対して、直接ないしアノード電極触媒層３０又はカソード電極触媒層３８を介して当接するのは、アノード多孔質層３４とカソード多孔質層４２である。アノード多孔質層３４及びカソード多孔質層４２は、電子伝導性物質及び撥水性樹脂から主に構成されるため、多数の繊維状カーボンから主に構成されるカーボンペーパやカーボンクロスに比して、平滑且つ柔軟に形成される。
【００７２】
さらに、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の電解質膜２４側、すなわち、アノード多孔質層３４及びカソード多孔質層４２の表面うねりはそれぞれ上記の通り設定されている。これによって、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３は、電解質膜２４を物理的に変形させるようなうねりが抑制されている。特に、カソード電極触媒層３８に比して、厚さが小さいアノード電極触媒層３０に当接するアノード多孔質層３４の表面うねりは、上記の通り小さく設定されている。
【００７３】
従って、電解質膜・電極構造体１２の製造過程において、熱圧着による荷重が前記重畳体に付与されても、電解質膜２４が物理的に変形すること及び損傷することを効果的に抑制できる。
【００７４】
また、基材３２と、電解質膜２４ないしアノード電極触媒層３０との間にアノード多孔質層３４が介在し、且つ基材４０と、電解質膜２４ないしカソード電極触媒層３８との間にカソード多孔質層４２が介在している。これによって、基材３２、４０の繊維等が電解質膜２４に物理的な変形や損傷が生じることを抑制できる。
【００７５】
基本的に以上のように構成される電解質膜・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で挟持することにより、燃料電池１０が構成される。
【００７６】
次に、燃料電池１０の発電時の動作について説明する。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。
【００７７】
冷却媒体入口連通孔に供給された冷却媒体は、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。
【００７８】
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に沿って矢印Ｂ方向に流通し、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２８に沿って移動する。
【００７９】
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、燃料ガスが矢印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２６に沿って移動する。
【００８０】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、アノード電極２６に供給された燃料ガスがアノードガス拡散層３５を通過し、カソード電極２８に供給された酸化剤ガスがカソードガス拡散層４３を通過する。その結果、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８内で、燃料ガス及び酸化剤ガスが電気化学反応（電極反応）によってそれぞれ消費され、発電が行われる。
【００８１】
一層詳細には、燃料ガス中の水素ガスがアノード電極２６のアノード電極触媒層３０で電離し、プロトン（Ｈ+）と電子が生成される。電子は、燃料電池１０に電気的に接続された外部負荷（図示せず）を付勢するための電気エネルギとして取り出される。一方、プロトンは、電解質膜２４を介してカソード電極２８に到達する。なお、プロトンは、電解質膜２４に含まれる水を伴って、アノード電極２６側からカソード電極２８側へ移動する。
【００８２】
カソード電極２８のカソード電極触媒層３８では、前記プロトンと、外部負荷を付勢した後に該カソード電極２８に到達した電子と、前記酸化剤ガス中の酸素ガスとが結合する。この結果、水が生成される。以下、この水を生成水ともいう。
【００８３】
以上の電極反応の最中、電解質膜２４に良好なプロトン伝導性を発現させるためには、該電解質膜２４を湿潤状態に維持する必要がある。その一方で、生成水等がアノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８や、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の細孔内に滞留すると、反応ガスの流路が閉塞されてフラッディングが生じる。この場合、電極反応の進行が阻害される懸念がある。
【００８４】
従って、燃料電池１０が良好な発電性能を示すためには、電解質膜２４を湿潤状態に保つための保水性と、反応ガスを円滑に拡散させるよう生成水を速やかに除去する排水性という、互いに相反する特性が適切に均衡していることが求められる。
【００８５】
特に、カソード電極２８では、生成水が生じる分、アノード電極２６に比してフラッディングが生じ易い。このため、アノード電極２６及びカソード電極２８において、上記の保水性及び排水性の均衡を保つ場合、アノードガス拡散層３５に比して、カソードガス拡散層４３のガス拡散性が高いことが求められる。
【００８６】
電解質膜・電極構造体１２においては、上記の通り、カソードガス拡散層４３の表面うねりが、アノードガス拡散層３５に比して大きく設定されている。従って、カソードガス拡散層４３では、アノードガス拡散層３５に比して、十分な空隙や細孔を維持することができ、良好なガス拡散性を示す。
【００８７】
なお、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の各々は、アノード多孔質層３４及びカソード多孔質層４２を備えることで、容易に表面うねり等の物性値を調整することができる。
【００８８】
これらによって、アノード電極２６及びカソード電極２８の間で、保水性と排水性との均衡を適切に図ることができる。その結果、電解質膜２４に良好なプロトン伝導性を発現させることができるとともに、反応ガスの拡散性を向上させて発電反応を促すことができる。ひいては、電解質膜・電極構造体１２を備える燃料電池１０の発電特性を向上させることができる。
【００８９】
なお、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。
【００９０】
例えば、上記の実施形態では、アノードガス拡散層３５は、基材３２と、アノード多孔質層３４との積層体から構成されることとしたが、アノード多孔質層３４のみから構成されていてもよい。また、上記の実施形態では、カソードガス拡散層４３は、基材４０と、カソード多孔質層４２との積層体から構成されることとしたが、基材４０のみから構成されていてもよい。つまり、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の各々が上記の通り適切な表面うねりを示すように互いに異なる材料から形成されてもよい。
【００９１】
アノードガス拡散層３５がアノード多孔質層３４のみから構成される場合、該アノードガス拡散層３５がカーボンペーパやカーボンクロスを含まないこととなる。従って、アノードガス拡散層３５が、上記の通り厚さが小さいアノード電極触媒層３０を介して電解質膜２４と積層されても、該電解質膜２４に物理的な変形や損傷を生じさせることを効果的に抑制できる。
【００９２】
一方で、カソードガス拡散層４３では、主にカーボンペーパ又はカーボンクロスから構成される基材４０によって、良好なガス拡散性を維持することができる。その結果、電解質膜２４の物理的な変形や損傷を簡素な構成で効果的に抑制して、優れた耐久性及び発電性能を示すことができる。
【００９３】
また、上記の実施形態では、カソード電極触媒層３８に比して、アノード電極触媒層３０の電極触媒の量を少なくしたが、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８の互いの電極触媒の量は略同等であってもよい。
【実施例】
【００９４】
［実施例１］
（１）  基材と多孔質層とを積層した積層体から、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の各々を構成した。すなわち、先ず、基材として、嵩密度が０．３１ｇ／ｍ2、厚さが１９０μｍ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。
【００９５】
（２）  多孔質層用ペーストＡは、昭和電工社製の気相成長カーボン「ＶＧＣＦ」（商品名）を１２ｇと、三井・デュポンフロロケミカル社製のＦＥＰ分散液（固形分濃度５４％）「ＦＥＰ１２０ＪＲＢ」（商品名）を２０ｇと、エチレングリコールを２００ｇとをボールミルで撹拌して混合することにより調製した。
【００９６】
（３）  前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡを、アノード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。そして、３８０℃で３０分間の熱処理を行うことによってアノード多孔質層を形成し、アノードガス拡散層を得た。
【００９７】
（４）  前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡをインクとして、カソード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。そして、３８０℃で３０分間の熱処理を行うことによってカソード多孔質層を形成し、カソードガス拡散層を得た。
【００９８】
（５）  触媒ペーストは、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。
【００９９】
（６）  ＰＴＦＥシート上に、前記（５）で調製した触媒ペーストを白金の重量が０．１ｍｇ／ｃｍ2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、アノード電極触媒層を電解質膜の一方の面に転写するためのシートを作製した。
【０１００】
（７）  ＰＴＦＥシート上に、前記（５）で調製した触媒ペーストを白金の重量が０．７ｍｇ／ｃｍ2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、カソード電極触媒層を電解質膜の他方の面に転写するためのシートを作製した。
【０１０１】
（８）  前記（６）及び（７）で作製したシートの触媒ペースト塗布側を、厚さ２４μｍ、イオン交換容量１．０５ｍｅｑ／ｇとしたフッ素系の電解質膜の面に熱圧着させた後、ＰＴＦＥシートを剥離した。すなわち、デカール法により、電解質膜の一方の面にアノード電極触媒層を形成するとともに、他方の面にカソード電極触媒層を形成した。
【０１０２】
（９）  前記（８）で作製した電解質膜に形成されたアノード電極触媒層及びカソード電極触媒層にそれぞれ、前記（３）で作製したアノードガス拡散層のアノード多孔質層及び前記（４）で作製したカソードガス拡散層のカソード多孔質層を１２０℃で面圧３０ｋｇｆ／ｃｍ2の条件で熱圧着させた。これによって、電解質膜・電極構造体を作製した。これを実施例１とする。
【０１０３】
［実施例２］
前記（３）の工程に代えて、前記（１）で作製した基材上に、多孔質層用ペーストＢを、アノード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。
【０１０４】
多孔質層用ペーストＢは、Ｃａｂｏｔ社製のカーボン「Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ７２Ｒ」（商品名）を１２ｇと、三井・デュポンフロロケミカル社製のＦＥＰ分散液（固形分濃度５４％）「ＦＥＰ１２０ＪＲＢ」（商品名）を２０ｇと、エチレングリコールを１５５ｇとをボールミルで撹拌して混合することにより調製した。
【０１０５】
また、前記（４）の工程で、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡをインクとして、カソード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。
【０１０６】
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。
【０１０７】
［実施例３］
前記（３）の工程に代えて、先ず、電気化学工業社製のアセチレンブラック１０ｇを含む水溶液１００ｍｌを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た。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した。この際、ＰＴＦＥとカーボンブラックとが質量比で７０：３０となるように添加した。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、ろ別した。
【０１０８】
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多孔質層用ペーストを作製した。この多孔質層用ペースト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、アノード多孔質層として、厚さが３０μｍのシート状成形体を得た。
【０１０９】
このアノード多孔質層を前記（１）で作製した基材上に積層した状態で、プレスすることで、厚さが１６０μｍのアノードガス拡散層を得た。
【０１１０】
また、前記（４）の工程で、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡをインクとして、カソード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。
【０１１１】
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。
【０１１２】
［比較例１］
前記（３）の工程で、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡをインクとして、アノード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。
【０１１３】
また、前記（４）の工程に代えて、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡをインクとして、カソード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。
【０１１４】
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。
【０１１５】
［比較例２］
前記（３）の工程で、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡを、アノード多孔質層の厚さが４０μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。
【０１１６】
また、前記（４）の工程で、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡを、カソード多孔質層の厚さが２０μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。
【０１１７】
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。
【０１１８】
［比較例３］
前記（３）の工程で、前記（１）で作製した基材上に、前記多孔質層用ペーストＢをインクとして、アノード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。
【０１１９】
また、前記（４）の工程で、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡを、カソード多孔質層の厚さが４０μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。
【０１２０】
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３とする。
【０１２１】
［比較例４］
前記（３）の工程に代えて、実施例３と同様に、アノード多孔質層として、厚さが３０μｍのシート状成形体を得て、このアノード多孔質層を、前記（１）で作製した基材上に積層した状態で、プレスすることで、アノードガス拡散層を得た。
【０１２２】
また、前記（４）の工程に代えて、実施例３と同様に、カソード多孔質層として、厚さが３０μｍのシート状成形体を得て、このカソード多孔質層を、前記（１）で作製した基材上に積層した状態で、プレスすることで、カソードガス拡散層を得た。
【０１２３】
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４とする。
【０１２４】
［比較例５］
前記（３）の工程に代えて、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡを、アノード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。
【０１２５】
また、前記（４）の工程に代えて、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡをインクとして、カソード多孔質層の厚さが４０μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。
【０１２６】
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５とする。
【０１２７】
先ず、上記の実施例１〜３及び比較例１〜５に係る電解質膜・電極構造体について、それぞれのアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の表面うねりとして、最大高さうねりＷｚ（μｍ）及び算術平均うねりＷａ（μｍ）を求めた。
【０１２８】
具体的には、最大高さうねりＷｚ及び算術平均うねりＷａは、オリンパス社製のレーザ顕微鏡「ＬＥＸＴ  ＯＬＳ４０００」（商品名）を用いて求めた。すなわち、先ず、上記のように作製したアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層のそれぞれを測定試料とした。この測定試料を打ち抜いて、５ｃｍ×５ｃｍのアノード多孔質層側及びカソード多孔質層側の面を測定対象面とした。この測定対象面に対して、測定倍率１００倍とした１２９μｍ×１２９μｍの視野において、１視野つきｘｙ方向（面内方向）に各３カ所の線分析を行い、合計１００視野の測定を行った。
【０１２９】
そして、各視野について、最大高さうねりＷｚ及び算術平均うねりＷａを算出した。この最大高さうねりＷｚ及び算術平均うねりＷａの算出方法について、図２を参照しつつ説明する。先ず、図２に示す長さｌを基準長として、高域フィルタのカットオフ値を８．０μｍに設定し、ＪＩＳ  Ｂ  ０６３２：１９９４に準じて、断面曲線からうねり曲線ｙ＝ｆ（ｘ）を得る。
【０１３０】
最大高さうねりＷｚは、うねり曲線ｙ＝ｆ（ｘ）におけるうねりの最大値Ｗｚ１から最小値Ｗｚ２を引いた差で示される。すなわち、次式（１）で定義される。
Ｗｚ＝Ｗｚ１−Ｗｚ２  …（１）
【０１３１】
また、算術平均うねりＷａは、うねり曲線ｙ＝ｆ（ｘ）の平均線Ｍ１から測定曲線Ｍ２までの偏差の絶対値を合計した平均値であり、次式（２）で示される。
【０１３２】
【数１】
2015079639.tif 000003
【０１３３】
上記の１００視野について同様に測定を行って得られた最大高さうねりＷｚの最大値を、測定試料の最大高さうねりＷｚ（μｍ）とした。また、上記１００視野についての算術平均うねりＷａの平均を、測定試料の算術平均うねりＷａ（μｍ）とした。
【０１３４】
次に、上記の実施例１〜３及び比較例１〜５に係る電解質膜・電極構造体について、電解質膜の厚さの分散（膜厚分散）を求めた。
【０１３５】
具体的には、電解質膜の膜厚分散は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて求めた。すなわち、電解質膜の略中央部について、５ｍｍの直線範囲を測定区間とし、この測定区間内で膜厚を１０μｍ間隔で５００点測定した。そして、この測定結果から、次式（３）によって、電解質膜の膜厚分散Ｑ（Ｘ）を算出した。
Ｑ（Ｘ）＝Ｅ（Ｘ2）−（Ｅ（Ｘ））2  …（３）
ただし、Ｅ（Ｘ）は５００点の膜厚測定値の平均の関数（期待値）であり、Ｅ（Ｘ2）は５００点の膜厚測定値の２乗平均の関数（期待値）である。なお、Ｑ（Ｘ）の単位はμｍ2である。
【０１３６】
次に、実施例１〜３及び比較例１〜５の電解質膜・電極構造体を用いてセルを作製し、それぞれセル電圧（ｍＶ）を求めた。発電条件は、発電温度；５０℃、相対湿度（ＲＨ）；燃料ガス５０％及び酸化剤ガス１００％、ガス利用率；燃料ガス７０％及び酸化剤ガス６０％、ガス圧；燃料ガス及び酸化剤ガスともに１００ｋＰａ、出力電流密度；１．０Ａ／ｃｍ2とした。
【０１３７】
上記のようにして求めた、実施例１〜３及び比較例１〜５のそれぞれにおける最大高さうねりＷｚ（μｍ）及び算術平均うねりＷａ（μｍ）、膜厚分散、セル電圧（ｍＶ）の値について、上記のアノード多孔質層及びカソード多孔質層の作成条件とともに図３に示す。
【０１３８】
図３から、実施例１〜３の電解質膜・電極構造体では、比較例１〜５の電解質膜・電極構造体に比して、電解質膜の膜厚分散を小さく且つ、セル電圧を大きくできることが分かる。
【０１３９】
実施例１〜３の電解質膜・電極構造体では、アノードガス拡散層のアノード電極触媒層に臨む側、すなわち、アノード多孔質層の最大高さうねりが１０．０μｍ以下であり、算術平均うねりが１．５μｍ以下である。また、カソードガス拡散層のカソード電極触媒層に臨む側、すなわち、カソード多孔質層の最大高さうねりが２０．０〜５０．０μｍであり、算術平均うねりが３．０〜５．０μｍである。つまり、実施例１〜３の電解質膜・電極構造体では、カソードガス拡散層に比して、アノードガス拡散層の表面うねりが小さくなっている。
【０１４０】
上記のようにカソードガス拡散層及びアノードガス拡散層の表面うねりを設定することによって、電解質膜の厚さのバラツキが適切に低減され、電解質膜の物理的な変形や損傷を簡素な構成で効果的に抑制できる。また、ガス拡散性を良好に維持して、フラッディングを効果的に抑制することができる。つまり、電解質膜の物理的な変形や損傷を簡素な構成で効果的に抑制して、優れた耐久性及び発電性能を示すことができる。
【符号の説明】
【０１４１】
１０…燃料電池                      １２…電解質膜・電極構造体
１４…アノード側セパレータ          １４ａ、１６ａ…面
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                      ２６…アノード電極
２８…カソード電極                  ３０…アノード電極触媒層
３２、４０…基材                    ３４…アノード多孔質層
３５…アノードガス拡散層            ３６…アノード絶縁シート
３８…カソード電極触媒層            ４２…カソード多孔質層
４３…カソードガス拡散層            ４４…カソード絶縁シート
４６、４８…シール部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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