(57)【要約】【課題】十分なガス拡散性を備える電極触媒層を形成できる膜−電極構造体の製造方法、該構造体を備える固体高分子型燃料電池、該燃料電池を用いる電気機器、輸送用機器を提供する。【解決手段】スルホン化ポリアリーレン系ポリマー溶液から高分子電解質膜１を形成する。触媒粒子と、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物溶液と、孔部形成材料とからなる触媒ペーストを、接触角５５〜１０５°のシート状支持体２上に塗布、乾燥し、多孔性電極触媒層３ａ，３ｂを形成する。高分子電解質膜１の両面に電極触媒層３ａ，３ｂを１〜５ＭＰａの圧力で熱転写して接合する。電極触媒層３ａ，３ｂ上に拡散層７，７を積層して、加熱下に０．５〜４ＭＰａの圧力で加圧し、高分子電解質膜１、電極触媒層３ａ，３ｂ、拡散層７，７を一体化する。電極触媒層３ａ，３ｂは、溶媒の含有量が全体の２０重量％以下になるまで乾燥した後、高分子電解質膜１に熱転写する。【選択図】    図１
2004193109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スルホン化ポリアリーレン系ポリマーの溶液から高分子電解質膜を形成する工程と、
触媒を炭素粒子に担持させた触媒粒子と、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物の有機溶媒溶液と、孔部形成材料とからなる触媒ペーストをシート状支持体上に塗布し、乾燥させて、多孔性の電極触媒層を形成する工程と、
該高分子電解質膜の両面に該電極触媒層を熱転写して接合する工程と、
該シート状支持体を剥離した後、各電極触媒層の上に拡散層を積層して、加熱下に加圧することにより、該高分子電解質膜と、該電極触媒層と、該拡散層とを接合して一体化する工程とを備える膜−電極構造体の製造方法において、
前記電極触媒層は、溶媒の含有量が該電極触媒層全体の２０重量％以下の範囲になるまで乾燥した後、前記高分子電解質膜に熱転写して接合することを特徴とする膜−電極構造体の製造方法。
【請求項２】
前記熱転写は、１〜５ＭＰａの範囲の圧力で行うことを特徴とする請求項１記載の膜−電極構造体の製造方法。
【請求項３】
前記触媒ペーストは、表面が水に対して５５〜１０５°の範囲の接触角を備える前記シート状支持体上に塗布することを特徴とする請求項１または請求項２記載の膜−電極構造体の製造方法。
【請求項４】
各電極触媒層の上に前記拡散層を積層して、加熱下に加圧する際に、該加圧は、０．５〜４ＭＰａの範囲の圧力で行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の膜−電極構造体の製造方法。
【請求項５】
スルホン化ポリアリーレン系ポリマーの溶液から高分子電解質膜を形成する工程と、
触媒を炭素粒子に担持させた触媒粒子と、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物の有機溶媒溶液と、孔部形成材料とからなる触媒ペーストをシート状支持体上に塗布し、乾燥させて、多孔性の電極触媒層を形成する工程と、
該高分子電解質膜の両面に該電極触媒層を熱転写して接合する工程と、
該シート状支持体を剥離した後、各電極触媒層の上に拡散層を積層して、加熱下に加圧することにより、該高分子電解質膜と、該電極触媒層と、該拡散層とを接合して一体化する工程とを備え、
前記電極触媒層は、溶媒の含有量が該電極触媒層全体の２０重量％以下の範囲になるまで乾燥した後、前記高分子電解質膜に熱転写して接合する製造方法により得られた膜−電極構造体を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
スルホン化ポリアリーレン系ポリマーの溶液から高分子電解質膜を形成する工程と、
触媒を炭素粒子に担持させた触媒粒子と、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物の有機溶媒溶液と、孔部形成材料とからなる触媒ペーストをシート状支持体上に塗布し、乾燥させて、多孔性の電極触媒層を形成する工程と、
該高分子電解質膜の両面に該電極触媒層を熱転写して接合する工程と、
該シート状支持体を剥離した後、各電極触媒層の上に拡散層を積層して、加熱下に加圧することにより、該高分子電解質膜と、該電極触媒層と、該拡散層とを接合して一体化する工程とを備え、
前記電極触媒層は、溶媒の含有量が該電極触媒層全体の２０重量％以下の範囲になるまで乾燥した後、前記高分子電解質膜に熱転写して接合する製造方法により得られた膜−電極構造体を備える固体高分子型燃料電池を用いることを特徴とする電気機器。
【請求項７】
スルホン化ポリアリーレン系ポリマーの溶液から高分子電解質膜を形成する工程と、
触媒を炭素粒子に担持させた触媒粒子と、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物の有機溶媒溶液と、孔部形成材料とからなる触媒ペーストをシート状支持体上に塗布し、乾燥させて、多孔性の電極触媒層を形成する工程と、
該高分子電解質膜の両面に該電極触媒層を熱転写して接合する工程と、
該シート状支持体を剥離した後、各電極触媒層の上に拡散層を積層して、加熱下に加圧することにより、該高分子電解質膜と、該電極触媒層と、該拡散層とを接合して一体化する工程とを備え、
前記電極触媒層は、溶媒の含有量が該電極触媒層全体の２０重量％以下の範囲になるまで乾燥した後、前記高分子電解質膜に熱転写して接合する製造方法により得られた膜−電極構造体を備える固体高分子型燃料電池を用いることを特徴とする輸送用機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる膜−電極構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
石油資源が枯渇化する一方、化石燃料の消費による地球温暖化等の環境問題が深刻化している。そこで、二酸化炭素の発生を伴わないクリーンな電動機用電力源として燃料電池が注目されて広範に開発され、一部では実用化され始めている。前記燃料電池を自動車等に搭載する場合には、高電圧と大電流とが得やすいことから、高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池が好適に用いられる。
【０００３】
前記固体高分子型燃料電池に用いる電極構造体として、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持されイオン導伝性高分子バインダーにより一体化されることにより形成されている一対の電極触媒層を備え、両電極触媒層の間にイオン導伝可能な高分子電解質膜を挟持すると共に、各電極触媒層の上に、拡散層を積層したものが知られている。前記電極構造体は、さらに各電極触媒層の上に、ガス通路を兼ねたセパレータを積層することにより、固体高分子型燃料電池を構成する。
【０００４】
前記固体高分子型燃料電池では、一方の電極触媒層を燃料極として前記拡散層を介して水素、メタノール等の還元性ガスを導入し、他方の電極触媒層を酸素極として前記拡散層を介して空気、酸素等の酸化性ガスを導入する。このようにすると、燃料極側では、前記電極触媒層に含まれる触媒の作用により、前記還元性ガスからプロトンが生成し、前記プロトンは前記高分子電解質膜を介して、前記酸素極側の電極触媒層に移動する。そして、前記プロトンは、前記酸素極側の電極触媒層で、前記電極触媒層に含まれる触媒の作用により、該酸素極に導入される前記酸化性ガスと反応して水を生成する。従って、前記燃料極と酸素極とを導線により接続することにより電流を取り出すことができる。
【０００５】
従来、前記電極構造体は、例えば次のようにして製造されている。まず、高分子電解質溶液から、キャスト法により高分子電解質膜を形成する。一方、触媒粒子と、炭素繊維等の孔部形成材料とを、高分子電解質の有機溶媒溶液に分散させて得られた触媒ペーストを、フッ素樹脂積層系離型フィルム等のシート状支持体上に塗布することにより、電極触媒層を形成する。
【０００６】
次に、前記高分子電解質膜の両面を前記電極触媒層で挟持して、前記電極触媒層を、前記シート状支持体側から、前記高分子電解質膜側に熱転写する。そして、前記電極触媒層の両側に接合された電極触媒層を、多孔質体からなる拡散層で挟持してホットプレスすることにより、各電極触媒層に前記拡散層が接合され、電極構造体を形成する（例えば特許文献１参照。）。
【０００７】
前記電極構造体において、前記電極触媒層は前記炭素繊維等の孔部形成材料を含む触媒ペーストにより形成されるので、該触媒ペーストの乾燥後、該炭素繊維間の間隙を孔部とする多孔質体となっている。そこで、各電極触媒層は、前記拡散層を介して導入される還元性ガスまたは酸化性ガスを、層内で十分に拡散させることができる。また、酸素極側では、電気化学反応により生成した水の排出を容易に行うことができる。
【０００８】
ところで、前記高分子電解質膜がスルホン化ポリアリーレン系ポリマーからなり、前記電極触媒層に含まれる高分子電解質がパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物である場合、該高分子電解質膜と該電極触媒層との間で十分な密着性を得るためには、前記シート状支持体側から該高分子電解質膜側への該電極触媒層の熱転写を高温高圧下に行う必要がある。
【０００９】
しかしながら、前記熱転写を高温高圧下に行うと、前記電極触媒層では前記炭素繊維等の孔部形成材料が必要以上に圧縮されて所定の孔部を形成できず、十分なガス拡散性を確保することができないことがある。また、前記電極触媒層に所定の孔部が形成できないと、酸素極側で生成した水が滞留し、濃度過電圧が高くなるという不都合がある。
【特許文献１】特許第３１８２２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、かかる不都合を解消して、高分子電解質膜がスルホン化ポリアリーレン系ポリマーからなり、電極触媒層に含まれる高分子電解質がパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物である場合に、十分なガス拡散性を備える電極触媒層を形成することができる膜−電極製造方法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】
かかる目的を達成するために、本発明の膜−電極製造方法は、スルホン化ポリアリーレン系ポリマーの溶液から高分子電解質膜を形成する工程と、触媒を炭素粒子に担持させた触媒粒子と、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物の有機溶媒溶液と、孔部形成材料とからなる触媒ペーストをシート状支持体上に塗布し、乾燥させて、多孔性の電極触媒層を形成する工程と、該高分子電解質膜の両面に該電極触媒層を熱転写して接合する工程と、該シート状支持体を剥離した後、各電極触媒層の上に拡散層を積層して、加熱下に加圧することにより、該高分子電解質膜と、該電極触媒層と、該拡散層とを接合して一体化する工程とを備える膜−電極構造体の製造方法において、前記電極触媒層は、溶媒の含有量が該電極触媒層全体の２０重量％以下の範囲になるまで乾燥した後、前記高分子電解質膜に熱転写して接合することを特徴とする。
【００１２】
本発明の製造方法によれば、前記電極触媒層の溶媒の含有量が、該電極触媒層全体の２０重量％以下の範囲になるまで乾燥した後、前記熱転写を行うことにより、該熱転写を従来に比較して低圧で行うことができる。この結果、前記電極触媒層では前記孔部形成材料が必要以上に圧縮されることがないので所定の孔部を形成して、十分なガス拡散性を確保することができ、しかも前記高分子電解質膜と前記電極触媒層との間で十分な密着性を得ることができる。
【００１３】
前記熱転写は、例えば、１〜５ＭＰａの範囲の圧力で行う。前記圧力が、１ＭＰａ未満では、前記高分子電解質膜と前記電極触媒層との間で十分な密着性を得ることができないことがある。また、前記圧力が、５ＭＰａを超えると前記孔部形成材料が圧縮されて、所定の孔部を形成できないことがある。
【００１４】
前記触媒ペーストは、表面が水に対して５５〜１０５°の範囲の接触角を備える前記シート状支持体上に塗布する。前記シート状支持体表面の接触角が水に対して５５°未満であるときには、前記電極触媒層を前記熱転写により前記高分子電解質膜側に転写することが難しい。また、前記シート状支持体表面の接触角が水に対して１０５°を超えるときには、該シート状支持体に前記触媒ペーストを塗布することが難しく、前記電極触媒層を均一に形成できないことがある。
【００１５】
また、各電極触媒層の上に前記拡散層を積層して、加熱下に加圧する際に、該加圧は、０．５〜４ＭＰａの範囲の圧力で行う。前記圧力が０．５ＭＰａより低いと、前記高分子電解質膜と、前記電極触媒層と、前記拡散層とを接合することができないことがある。また、前記圧力が４ＭＰａより高いと該拡散層の層内剥離が発生したり、前記電極触媒層に形成された孔部が圧縮されて潰されることがある。
【００１６】
尚、本明細書では、「スルホン化ポリアリーレン系ポリマー」とは、次式の構成を備えるポリマーのスルホン化物を意味する。
【００１７】
【化１】
2004193109.tif 000003
前記２価の有機基としては、−ＣＯ−、−ＣＯＮＨ−、−（ＣＦ２）ｐ−（ｐは１〜１０の整数）、−Ｃ（ＣＦ３）２−、−ＣＯＯ−、−ＳＯ−、−ＳＯ２−等の電子吸引性基、−Ｏ−、−Ｓ−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−Ｃ≡Ｃ−等の基、さらに次式で表される電子供与性基等を挙げることができる。
【００１８】
【化２】
2004193109.tif 000004
また、前記２価の電子吸引性基としては、−ＣＯ−、−ＣＯＮＨ−、−（ＣＦ２）ｐ−（ｐは１〜１０の整数）、−Ｃ（ＣＦ３）２−、−ＣＯＯ−、−ＳＯ−、−ＳＯ２−等の基を挙げることができる。
【００１９】
また、本発明は、前記製造方法により得られた膜−電極構造体を用いる固体高分子型燃料電池にもある。本発明の固体高分子型燃料電池は、例えば、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の電気機器の電源、バックアップ電源等として用いることができる。また、本発明の固体高分子型燃料電池は、例えば、自動車、潜水艦等の船舶等の輸送用機器の動力等としても用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の膜−電極構造体の製造方法を模式的に示す製造工程図であり、図２は接触角の定義を説明する図である。
【００２１】
また、図３は電極触媒層中の溶媒含有量に対する高分子電解質膜と電極触媒層との密着性を示すグラフ、図４はシート状支持体表面の接触角に対する高分子電解質膜と電極触媒層との密着性を示すグラフ、図５は各電極触媒層の上に拡散層を積層して加熱下に加圧する際の圧力に対する拡散層の層内剥離の関係を示すグラフ、図６は各電極触媒層の上に拡散層を積層して加熱下に加圧する際の圧力に対する拡散層の抵抗と、差圧との関係を示すグラフである。
【００２２】
本実施形態の製造方法では、まず、スルホン化ポリアリーレン系ポリマーを調製する。前記スルホン化ポリアリーレン系ポリマーは、例えば、式（１）で表されるポリアリーレン系ポリマーに濃硫酸を加えて、例えばイオン交換容量が１．８ｍｅｑ／ｇとなるようにスルホン化することにより調製することができる。
【００２３】
【化３】
2004193109.tif 000005
式（１）において、ｍ：ｎ＝０．５〜１００：９９．５〜０であり、ｌは１以上の整数である。
【００２４】
式（１）で表されるポリアリーレン系ポリマーは、例えば、次のようにして調製することができる。まず、２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパン（ビスフェノールＡＦ）６７．３重量部、４，４’−ジクロロベンゾフェノン５３．５重量部、炭酸カリウム３４．６重量部を、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドとトルエンとの混合溶媒中、窒素雰囲気下で加熱し、撹拌しながら１３０℃で反応させる。反応により生成する水をトルエンと共沸させて系外に除去しながら、水の生成が殆ど認められなくなるまで反応させた後、反応温度を徐々に１５０℃まで上げてトルエンを除去する。１５０℃で１０時間反応を続けた後、４，４’−ジクロロベンゾフェノン３．３重量部を加え、さらに５時間反応させる。
【００２５】
得られた反応液を冷却後、副生した無機化合物の沈殿物を濾過して除去し、濾液をメタノール中に投入する。沈殿した生成物を濾別、回収して乾燥後、テトラヒドロフランに溶解する。これをメタノールで再沈殿することにより、次式（２）で表されるオリゴマーが得られる。前述のようにして得られる式（２）のオリゴマーでは、ｌの平均値は、例えば、１８．９である。
【００２６】
【化４】
2004193109.tif 000006
次に、式（２）で表されるオリゴマー２８．４重量部、２，５−ジクロロ−４’−（４−フェノキシ）フェノキシベンゾフェノン２９．２重量部、ビス（トリフェニルホスフィン）ニッケルジクロリド１．３７重量部、ヨウ化ナトリウム１．３６重量部、トリフェニルホスフィン７．３４重量部、亜鉛末１１．０重量部をフラスコに取り、乾燥窒素置換する。次に、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを加え、８０℃に加熱して撹拌下に４時間重合を行う。重合溶液をテトラヒドロフランで希釈し、塩酸／メタノールで凝固させ回収する。回収物に対してメタノール洗浄を繰り返し、テトラヒドロフランに溶解する。これをメタノールで再沈殿して精製し、濾集したポリマーを真空乾燥することにより、式（１）で表されるポリアリーレン系ポリマーが得られる。
【００２７】
式（１）で表されるポリアリーレン系ポリマーのスルホン化は、例えば、該ポリアリーレン系ポリマーに９６％硫酸を加え、窒素気流下に２４時間撹拌することにより行うことができる。
【００２８】
次に、前記スルホン化ポリアリーレン系ポリマーをＮ−メチルピロリドンに溶解して高分子電解質溶液を調製する。そして、前記高分子電解質溶液からキャスト法により成膜し、オーブンにて乾燥することにより、図１（ａ）に示すように、例えば乾燥膜厚３５μｍの高分子電解質膜１を形成する。
【００２９】
次に、カーボンブラック（ファーネスブラック）に白金粒子を、例えばカーボンブラック：白金粒子＝１：１の重量比で担持させて触媒粒子を調製する。次に、前記触媒粒子と、孔部形成材料としての炭素繊維（例えば、昭和電工株式会社製ＶＧＣＦ（商品名））とを、イオン導伝性高分子バインダー溶液としてのパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物（例えば、デュポン社製ナフィオン（商品名））の有機溶媒溶液に、例えば触媒粒子：炭素繊維：イオン導伝性高分子バインダー＝１：０．５：１．４の重量比で均一に分散させることにより、第１の触媒ペーストを調製する。
【００３０】
次に、図１（ｂ）示のフッ素樹脂積層系離型フィルム（例えば、三菱樹脂株式会社製フロオロージュ（商品名））２上に、前記第１の触媒ペーストを、白金量が例えば０．５ｍｇ／ｃｍ２となるようにコータにより塗布し、乾燥させて、カソード電極触媒層３ａを形成する。フッ素樹脂積層系離型フィルム２の表面の水に対する接触角は５５〜１０５°の範囲にある。
【００３１】
ここで、前記接触角は、図２に示すように、水滴Ｐがフッ素樹脂積層系離型フィルム２に接触する点における水滴Ｐの接線と、フッ素樹脂積層系離型フィルム２の表面とが成す角θとして表される。接触角θは、値が小さいほど、フッ素樹脂積層系離型フィルム２の表面の水に対する親和性が高く、水により濡れやすいことを示す。
【００３２】
また、前記乾燥は、乾燥後の電極触媒層３ａの溶媒含有量が、電極触媒層３ａ全体の２０重量％以下になるようにする。前記乾燥により形成される電極触媒層３ａは、前記炭素繊維を含む第１の触媒ペーストにより形成されているので、該炭素繊維間の間隙を孔部とする多孔質体となっている。
【００３３】
次に、カーボンブラック（ファーネスブラック）に白金−ルテニウム合金（例えば白金：ルテニウム＝３：２（重量比））を、例えばカーボンブラック：白金−ルテニウム合金＝１：１の重量比で担持させて触媒粒子を調製する。次に、前記触媒粒子を、イオン導伝性高分子バインダー溶液としてのパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物の有機溶媒溶液に、例えば触媒粒子：イオン導伝性高分子バインダー＝１：１．６の重量比で均一に分散させることにより、第２の触媒ペーストを調製する。
【００３４】
次に、図１（ｂ）示のフッ素樹脂積層系離型フィルム２上に、前記第２の触媒ペーストを、触媒量が例えば０．５ｍｇ／ｃｍ２となるようにコータにより塗布し、乾燥させて、アノード電極触媒層３ｂを形成する。前記乾燥は、乾燥後の電極触媒層３ｂの溶媒含有量が、電極触媒層３ｂ全体の２０重量％以下になるようにする。
【００３５】
次に、図１（ｃ）示のように、高分子電解質膜１を一対の電極触媒層３ａ，３ｂで挟持し、フッ素樹脂積層系離型フィルム２上からホットプレスする。前記ホットプレスは、例えば１６０℃の温度で、４ＭＰａの範囲の面圧を掛け、１５分間行う。この結果、電極触媒層３ａ，３ｂが高分子電解質膜１側に転写され、高分子電解質膜１と接合される。次いで、フッ素樹脂積層系離型フィルム２を剥離すると、図１（ｄ）示のように、高分子電解質膜１を一対の電極触媒層３ａ，３ｂで挟持した構造体４が得られる。
【００３６】
次に、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子とを例えば４：６の重量比で混合して得られた混合物をエチレングリコールに均一に分散させたスラリーを、図１（ｅ）示のカーボンペーパー５の片面に塗布、乾燥させる。次に、さらにその上に、カーボンブラックと前記炭素繊維とを、前記イオン導伝性高分子バインダー溶液としてのパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物の有機溶媒溶液に、例えばカーボンブラック：炭素繊維：イオン導伝性高分子バインダー＝１：０．５：１の重量比で均一に分散させたスラリーを塗布、乾燥させ、２層構成の下地層６を形成する。この結果、カーボンペーパー５と下地層６とからなる拡散層７が形成される。
【００３７】
次に、図１（ｆ）に示すように、構造体４を一対の下地層６，６で挟持し、カーボンペーパー５上からホットプレスする。前記ホットプレスは、例えば、１２０℃の温度で、３ＭＰａの範囲の面圧を掛け、６分間行う。この結果、拡散層７が下地層６を介して電極触媒層３ａ，３ｂに接合された構成を備える膜−電極構造体８が得られる。
【００３８】
次に、乾燥後の電極触媒層３ａ，３ｂに含まれる溶媒の量を２〜２５重量％の範囲で変量して膜−電極構造体８を製造し、各膜−電極構造体８について高分子電解質膜１と電極触媒層３ａ，３ｂとの密着性の指標としての接着率を測定した。前記接着率は、高分子電解質膜１に電極触媒層３ａ，３ｂを熱転写して、フッ素樹脂積層系離型フィルム２を剥離した後、フッ素樹脂積層系離型フィルム２上に残された電極触媒層３ａ，３ｂの面積を画像解析することにより測定した。そして、フッ素樹脂積層系離型フィルム２上に残された電極触媒層３ａ，３ｂの面積を電極触媒層３ａ，３ｂの全面積から差し引くことにより、高分子電解質膜１に接着した電極触媒層３ａ，３ｂの面積を算出し、該面積の電極触媒層３ａ，３ｂの全面積に対する割合を算出した。結果を図３に示す。
【００３９】
図３から、乾燥後の電極触媒層３ａ，３ｂに含まれる溶媒の量が２０重量％以下であるときには、２５重量％の場合よりも接着率が格段に高く、１〜５ＭＰａという従来よりも穏和な条件で熱転写を行っても、電解質膜１と電極触媒層３ａ，３ｂとの間で優れた密着性が得られることが明らかである。
【００４０】
また、本実施形態の膜−電極構造体８によれば、１〜５ＭＰａの範囲の圧力で前記熱転写を行うことができるので、電極触媒層３ａ，３ｂに含まれる前記孔部形成材料としての前記炭素繊維が過度に圧縮されることが無く、電極触媒層３ａ，３ｂに所定の孔部を形成して、ガスの拡散性を確保することができることが明らかである。
【００４１】
次に、フッ素樹脂積層系離型フィルム２の表面の水に対する接触角を５５〜１０５°の範囲で変量して膜−電極構造体８を製造し、各膜−電極構造体８について接着率を測定した。前記接着率は、図３示の接着率と同一の方法により測定した。結果を図４に示す。
【００４２】
図４から、接触角が５５〜１０５°の範囲では、電解質膜１と電極触媒層３ａ，３ｂとの間で優れた密着性が得られることが明らかである。尚、前記接触角は５５°未満では形成された電極触媒層３ａ，３ｂの高分子電解質膜１側への転写が困難であり、１０５°を超えるとフッ素樹脂積層系離型フィルム２に対して各触媒ペーストの塗布が困難になり、いずれの場合にも膜−電極構造体８を製造することができなかった。
【００４３】
次に、図１（ｄ）示の構造体４の電極触媒層３ａ，３ｂの上に拡散層７，７を積層して加熱下に加圧する際に、加圧力を０．５〜８ＭＰａの範囲で変量して膜−電極構造体８を製造し、各膜−電極構造体８についてカーボンペーパー５内の最大剥離量を測定した。前記最大剥離量は、膜−電極構造体８の断面におけるカーボンペーパー５内の剥離距離を電子顕微鏡で観察することにより測定した。結果を図５に示す。
【００４４】
図５から、前記加圧力が０．５〜４ＭＰａの範囲では、４ＭＰａを超える場合に比較して前記最大剥離量が格段に小さく、電極触媒層３ａ，３ｂと拡散層７，７とが良好に接合されていることが明らかである。
【００４５】
次に、図１（ｄ）示の構造体４の電極触媒層３ａ，３ｂの上に拡散層７，７を積層して加熱下に加圧する際に、加圧力が拡散層７に与える影響を確認するために拡散層７のみを加圧し、加圧力を０〜６ＭＰａの範囲で変量して拡散層７の抵抗と差圧とを測定した。前記抵抗は、金メッキを施した測定端子で拡散層７を挟持し四端子法にて測定した。また、前記差圧は、空気を流通可能とした一対の導管で拡散層７を挟持し、一方の導管から拡散層７を介して他方の導管に一定量の空気を流通したときの上流と下流との圧力損失を測定することにより算出した。結果を図６に示す。
【００４６】
図６から、前記加圧力が０．５〜４ＭＰａの範囲では、前記抵抗、差圧がいずれも小さく、導電性とガス拡散性とがいずれも良好であることが明らかである。これに対して、前記加圧力が０．５ＭＰａ未満の場合には、０．５〜４ＭＰａの範囲の場合に比較して抵抗が大きく、導電性が低いことが明らかである。また、前記加圧力が４ＭＰａを超える場合には、０．５〜４ＭＰａの範囲の場合に比較して差圧が大きく、拡散層７中のガス拡散性が不十分になっていることが明らかである。
【００４７】
尚、本実施形態では、前記スルホン化ポリアリーレン系ポリマーとして、前記式（１）で示されるポリアリーレン系ポリマーのスルホン化物を用いる場合について説明しているが、次式（３）で表されるスルホン化ポリアリーレン系ポリマーを用いてもよい。
【００４８】
【化５】
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式（３）で表される共重合体は、次式（４）で表されるモノマーと、前記式（２）で表されるオリゴマーとを共重合させた後、スルホン酸エステル基（−ＳＯ3ＣＨ（ＣＨ3）Ｃ2Ｈ5）を加水分解してスルホン酸基（−ＳＯ3Ｈ）とすることにより得ることができる。
【００４９】
【化６】
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【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の膜−電極構造体の製造方法を模式的に示す製造工程図。
【図２】接触角の定義を説明する図。
【図３】電極触媒層中の溶媒含有量に対する高分子電解質膜と電極触媒層との密着性を示すグラフ。
【図４】シート状支持体表面の接触角に対する高分子電解質膜と電極触媒層との密着性を示すグラフ。
【図５】各電極触媒層の上に拡散層を積層して加熱下に加圧する際の圧力に対する拡散層の層内剥離の関係を示すグラフ。
【図６】各電極触媒層の上に拡散層を積層して加熱下に加圧する際の圧力に対する拡散層の抵抗と、差圧との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５１】
１…高分子電解質膜、  ２…シート状支持体、  ３ａ，３ｂ…電極触媒層、  ７…拡散層、  ８…膜−電極構造体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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