JP2013251234A - Electrolyte membrane/electrode structure and manufacturing method of the same - Google Patents

Electrolyte membrane/electrode structure and manufacturing method of the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte membrane/electrode structure including a porous layer which can suppress deterioration or breakage of the electrolyte membrane and increase bondability with an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer respectively, thereby increasing productivity and durability.SOLUTION: A porous layer 36, 44 is interposed between electrode catalyst layers 32, 40 of an anode electrode 28 and a cathode electrode 30 and a gas diffusion layer 34, 42. A surface roughness of a diffusion layer contact part 50, 56 of the porous layer 36, 44 contacting with the gas diffusion layer 34, 42 is set to be larger than that of a catalyst layer contact part 52, 58 contacting with the electrode catalyst layer 32, 40, an electrolyte membrane contact part 54a, 60a contacting with an electrolyte membrane 24, and a seal formation part 54b, 60b contacting with an insulation sheet 38, 46. A center line average roughness Ra of the diffusion layer contact part 50, 56 is preferably 3.0-10.0 μm, and the center line average roughness Ra of the catalyst layer contact part 52, 58, the electrolyte membrane contact part 54a, 60a, and the seal formation part 54b, 60b is preferably 1.0 μm or less.

Description

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有し、且つ前記電極中の少なくとも一方には、電極触媒層とガス拡散層の間に多孔質層が介在する電解質膜・電極構造体及びその製造方法に関する。   The present invention has electrodes having an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, respectively, and at least one of the electrodes is porous between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer. The present invention relates to an electrolyte membrane / electrode structure in which a layer is interposed and a method for manufacturing the same.

固体高分子型燃料電池の単位セルは、電解質膜・電極構造体を一組のセパレータによって挟持することで構成される。前記電解質膜・電極構造体は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜と、該電解質膜の一方の面に臨むアノード電極及び他方の面に臨むカソード電極とを備える。   A unit cell of a polymer electrolyte fuel cell is configured by sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure with a pair of separators. The electrolyte membrane / electrode structure includes an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane, an anode electrode facing one surface of the electrolyte membrane, and a cathode electrode facing the other surface.

これらアノード電極及びカソード電極は各々、電解質膜に臨む電極触媒層と、該電極触媒層に反応ガスを拡散して供給するガス拡散層とで構成されるのが一般的であるが、電極触媒層とガス拡散層との間に多孔質層が介装されることもある。この多孔質層は、アノード電極及びカソード電極の保水性と排水性の双方の適切な均衡を図ること等を目的として設けられ、電子伝導性物質と撥水性樹脂とを含んで構成される。具体的には、多孔質層は、例えば、特許文献１に示されるように、ガス拡散層を構成するカーボンペーパに、電子伝導性物質及び撥水性樹脂を含む分散液を塗布して乾燥する塗工によって形成することができる。   Each of the anode electrode and the cathode electrode is generally composed of an electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane and a gas diffusion layer that diffuses and supplies the reaction gas to the electrode catalyst layer. A porous layer may be interposed between the gas diffusion layer and the gas diffusion layer. This porous layer is provided for the purpose of, for example, achieving an appropriate balance between water retention and drainage of the anode electrode and the cathode electrode, and includes an electron conductive substance and a water repellent resin. Specifically, for example, as shown in Patent Document 1, the porous layer is a coating in which a dispersion containing an electron conductive substance and a water repellent resin is applied to carbon paper constituting the gas diffusion layer and dried. It can be formed by work.

しかしながら、塗工では、乾燥工程を経ること等によって、形成途中や、形成後の多孔質層にひび割れが生じてしまう懸念がある。さらには、得られる多孔質層の透水圧が低いため、多孔質層を介して、Ｆｅ等の不純物イオンが電解質膜の内部へと進入し、これによって、電解質膜の劣化が促進されることも考えられる。   However, in the coating, there is a concern that cracks may occur in the porous layer during or after the formation due to a drying process. Furthermore, since the water permeability of the obtained porous layer is low, impurity ions such as Fe enter the inside of the electrolyte membrane through the porous layer, which may promote deterioration of the electrolyte membrane. Conceivable.

このような不都合を回避するべく、例えば、特許文献２に提案されるように、前記分散液に浸漬したポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルム（多孔質層シート）をガス拡散層に接合して、多孔質層を形成することが想起される。   In order to avoid such inconvenience, for example, as proposed in Patent Document 2, a polytetrafluoroethylene (PTFE) film (porous layer sheet) immersed in the dispersion is joined to a gas diffusion layer, It is envisaged to form a porous layer.

特開２０１１−１７５８９１号公報JP 2011-175891 A 特開２００７−５６０６４号公報JP 2007-56064 A

多孔質層は、ガス拡散層と電極触媒層面の双方に接合される。ここで、ガス拡散層の面粗度は電極触媒層に比して大きい。これに対し、多孔質シートから得られた多孔質層の面粗度は比較的小さく、このため、多孔質層は、ガス拡散層に対して容易には接合しない。   The porous layer is bonded to both the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer surface. Here, the surface roughness of the gas diffusion layer is larger than that of the electrode catalyst layer. On the other hand, the surface roughness of the porous layer obtained from the porous sheet is relatively small, and therefore the porous layer does not easily join the gas diffusion layer.

多孔質層とガス拡散層との間の接合性を向上させるべく、面粗度が大きいガス拡散層に合わせて、多孔質層の面粗度を大きく設定することが考えられる。しかしながら、この場合、多孔質層のガス拡散層に対する接合性は向上するものの、面粗度の小さい電極触媒層に対する接合性が低下してしまう懸念がある。   In order to improve the bondability between the porous layer and the gas diffusion layer, it is conceivable that the surface roughness of the porous layer is set large in accordance with the gas diffusion layer having a large surface roughness. However, in this case, although the bonding property of the porous layer to the gas diffusion layer is improved, there is a concern that the bonding property to the electrode catalyst layer having a small surface roughness is lowered.

さらには、面粗度が大きい多孔質層に対し、塗工や転写等によって電極触媒層を形成しようとすると、平坦な電極触媒層を得ることが困難となる。すなわち、電極触媒層の面粗度も大きくなる。電解質膜・電極構造体を構成する際、このような電極触媒層に電解質膜を接触させると、電解質膜に比較的大きな物理的ストレスが加わることになるため、電解質膜に劣化や損傷が生じる原因となる懸念がある。   Furthermore, it is difficult to obtain a flat electrode catalyst layer when an electrode catalyst layer is formed on a porous layer having a large surface roughness by coating, transferring, or the like. That is, the surface roughness of the electrode catalyst layer is also increased. When an electrolyte membrane / electrode structure is constructed, if the electrolyte membrane is brought into contact with such an electrode catalyst layer, a relatively large physical stress is applied to the electrolyte membrane, which may cause deterioration or damage to the electrolyte membrane. There is concern to become.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、電解質膜の劣化や損傷を抑制しつつ、電極触媒層及びガス拡散層の各々との接合性を高めることができる多孔質層を有し、生産性及び耐久性を向上させることが可能な電解質膜・電極構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and has a porous layer that can enhance the bonding property with each of the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer while suppressing deterioration and damage of the electrolyte membrane. An object of the present invention is to provide an electrolyte membrane / electrode structure capable of improving productivity and durability and a method for producing the same.

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一組の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、
前記一組の電極の各々は、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、ガス拡散層とを有し、
前記一組の電極の少なくとも一方の前記電極触媒層及び前記ガス拡散層の間には、多孔質シートからなる多孔質層が介在し、
前記多孔質層中の前記ガス拡散層と接触する拡散層接触部は、前記電極触媒層と接触する触媒層接触部に比して面粗度が大きいことを特徴とする。 To achieve the above object, the present invention provides an electrolyte membrane / electrode structure configured by sandwiching an electrolyte membrane made of a solid polymer membrane between a pair of electrodes,
Each of the set of electrodes has an electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane, and a gas diffusion layer,
Between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer of at least one of the set of electrodes, a porous layer made of a porous sheet is interposed,
The diffusion layer contact portion in contact with the gas diffusion layer in the porous layer has a larger surface roughness than the catalyst layer contact portion in contact with the electrode catalyst layer.

本発明に係る電解質膜・電極構造体における多孔質層では、ガス拡散層と接触する拡散層接触部の面粗度がガス拡散層の面粗度に応じて設定され、且つ、電極触媒層と接触する触媒層接触部の面粗度が、該電極触媒層の面粗度に応じて設定されている。一般的に、ガス拡散層は、ガス拡散性が発現するように多孔質素材等から形成されるため、電解質膜・電極構造体の他の構成要素に比して面粗度が大きい。すなわち、このようなガス拡散層と接触する拡散層接触部は、触媒層接触部に比して面粗度が大きい。このため、多孔質層とガス拡散層とが良好に接合可能である。   In the porous layer in the electrolyte membrane / electrode structure according to the present invention, the surface roughness of the diffusion layer contact portion in contact with the gas diffusion layer is set according to the surface roughness of the gas diffusion layer, and the electrode catalyst layer and The surface roughness of the contact portion of the catalyst layer in contact is set according to the surface roughness of the electrode catalyst layer. In general, since the gas diffusion layer is formed of a porous material or the like so as to exhibit gas diffusibility, the surface roughness is higher than that of other components of the electrolyte membrane / electrode structure. That is, the diffusion layer contact portion that comes into contact with such a gas diffusion layer has a larger surface roughness than the catalyst layer contact portion. For this reason, the porous layer and the gas diffusion layer can be bonded satisfactorily.

その一方で、多孔質層の触媒層接触部は、上記の通り拡散層接触部に比して面粗度が小さい。このため、ガス拡散層に比して面粗度の小さい電極触媒層に対しても良好に接合可能である。   On the other hand, the catalyst layer contact portion of the porous layer has a smaller surface roughness than the diffusion layer contact portion as described above. For this reason, it can be satisfactorily bonded even to an electrode catalyst layer having a smaller surface roughness than the gas diffusion layer.

すなわち、ガス拡散層及び電極触媒層の各々と多孔質層との接合強度が向上する。従って、電解質膜・電極構造体の構成要素同士が互いに剥離することを有効に抑制した燃料電池を構成することができる。   That is, the bonding strength between the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer and the porous layer is improved. Therefore, it is possible to configure a fuel cell in which the constituent elements of the electrolyte membrane / electrode structure are effectively prevented from being separated from each other.

また、例えば、塗工や転写によって電極触媒層を触媒層接触部上に形成する場合であっても、触媒層接触部の面粗度が小さいため、略平坦な電極触媒層を得ることができる。このため、電極触媒層と電解質膜が接触した際に該電極触媒層から電解質膜に加えられる物理的ストレスを低減することができる。従って、電解質膜の耐久性、ひいては電解質膜・電極構造体の耐久性を高めることが可能となる。   In addition, for example, even when the electrode catalyst layer is formed on the catalyst layer contact portion by coating or transfer, a substantially flat electrode catalyst layer can be obtained because the surface roughness of the catalyst layer contact portion is small. . For this reason, when an electrode catalyst layer and an electrolyte membrane contact, the physical stress added to an electrolyte membrane from this electrode catalyst layer can be reduced. Therefore, the durability of the electrolyte membrane, and thus the durability of the electrolyte membrane / electrode structure can be improved.

拡散層接触部の面粗度については、その中心線平均粗さＲａが３．０〜１０．０μｍであることが好ましく、触媒層接触部の面粗度については、その中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下であることが好ましい。この場合、多孔質層は、ガス拡散層、電極触媒層のいずれともより良好に接合することが可能である。従って、電解質膜等が損傷や劣化することを有効に抑制することができ、電解質膜・電極構造体の耐久性及び生産性を向上させることができる。   Regarding the surface roughness of the diffusion layer contact portion, the center line average roughness Ra is preferably 3.0 to 10.0 μm, and the surface roughness of the catalyst layer contact portion is the center line average roughness Ra. Is preferably 1.0 μm or less. In this case, the porous layer can be better bonded to both the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer. Therefore, damage or deterioration of the electrolyte membrane or the like can be effectively suppressed, and durability and productivity of the electrolyte membrane / electrode structure can be improved.

多孔質層の外形寸法（面積）を、ガス拡散層の外形寸法（面積）に比して大きく設定するようにしてもよい。この場合、多孔質層は、ガス拡散層の外周から突出して露呈する外周縁部を有することになる。この外周縁部が、ガス拡散層と電解質膜との間に介在することにより、ガス拡散層を構成する繊維が電解質膜に突き刺さることを防止することができる。   The outer dimension (area) of the porous layer may be set larger than the outer dimension (area) of the gas diffusion layer. In this case, the porous layer has an outer peripheral edge protruding from the outer periphery of the gas diffusion layer and exposed. Since the outer peripheral edge portion is interposed between the gas diffusion layer and the electrolyte membrane, it is possible to prevent the fibers constituting the gas diffusion layer from piercing the electrolyte membrane.

この外周縁部のセパレータに臨む側の面には、拡散層接触部以外の部位に対し、ガス不透過性の絶縁シート等のシールを設ける。すなわち、該部位はシール形成部である。このシールにより、アノード側電極とカソード側電極との間で反応ガスが移動し、混在してしまうことを回避することができる。   On the surface of the outer peripheral edge facing the separator, a seal such as a gas-impermeable insulating sheet is provided for portions other than the diffusion layer contact portion. That is, the part is a seal forming part. By this sealing, it is possible to avoid the reaction gas from moving and mixing between the anode side electrode and the cathode side electrode.

この場合において、拡散層接触部の面粗度は、シール形成部に比して大きいことが好ましい。換言すれば、シール形成部の面粗度は、拡散層接触部に比して小さいことが好ましい。   In this case, the surface roughness of the diffusion layer contact portion is preferably larger than that of the seal formation portion. In other words, the surface roughness of the seal forming part is preferably smaller than that of the diffusion layer contact part.

シールの面粗度は、ガス拡散層に比して小さい。従って、シール形成部の面粗度を上記したように小さくすることにより、シール形成部にシールを良好に接合することができる。このため、アノード電極及びカソード電極間で反応ガスが混在することを効果的に阻止して、電解質膜等が劣化することを有効に抑制することができる。すなわち、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。   The surface roughness of the seal is smaller than that of the gas diffusion layer. Therefore, by reducing the surface roughness of the seal forming portion as described above, the seal can be favorably bonded to the seal forming portion. For this reason, it is possible to effectively prevent the reaction gas from being mixed between the anode electrode and the cathode electrode, and to effectively suppress the deterioration of the electrolyte membrane and the like. That is, the durability of the electrolyte membrane / electrode structure can be improved.

ここで、拡散層接触部の好ましい中心線平均粗さＲａは、上記したように３．０〜１０．０μｍである。一方、シール形成部の中心線平均粗さＲａは、１．０μｍ以下であることが好ましい。この場合、多孔質層は、ガス拡散層及び絶縁シートのいずれともより良好に接合することが可能である。   Here, the preferred centerline average roughness Ra of the diffusion layer contact portion is 3.0 to 10.0 μm as described above. On the other hand, the center line average roughness Ra of the seal forming part is preferably 1.0 μm or less. In this case, the porous layer can be better bonded to both the gas diffusion layer and the insulating sheet.

また、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜を挟持する一組の電極が電極触媒層と、ガス拡散層とを有するとともに、前記一組の電極中の少なくとも一方が、前記電極触媒層及び前記ガス拡散層の間に介在して多孔質シートからなる多孔質層をさらに有する電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
前記多孔質層を作製する際、前記ガス拡散層と接触する拡散層接触部の面粗度が、前記電極触媒層と接触する触媒層接触部の面粗度に比して大きくなるように、前記多孔質層に面粗度の大小差を設けることを特徴とする。 In the present invention, the set of electrodes sandwiching the electrolyte membrane made of the solid polymer membrane has an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer, and at least one of the set of electrodes is the electrode catalyst layer. And a method for producing an electrolyte membrane / electrode structure further comprising a porous layer comprising a porous sheet interposed between the gas diffusion layers,
When producing the porous layer, the surface roughness of the diffusion layer contact portion in contact with the gas diffusion layer is larger than the surface roughness of the catalyst layer contact portion in contact with the electrode catalyst layer, A difference in surface roughness is provided in the porous layer.

このように、拡散層接触部と触媒層接触部とで面粗度の大小差を設けることにより、電極触媒層及びガス拡散層の各々とに良好に接合する多孔質層を得ることができる。   Thus, by providing a difference in surface roughness between the diffusion layer contact portion and the catalyst layer contact portion, a porous layer that can be satisfactorily bonded to the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer can be obtained.

従って、構成要素同士が良好に接合し、互いに剥離することを有効に抑制した状態で電解質膜・電極構造体を製造することができる。このため、電解質膜・電極構造体の歩留まりが向上するとともに、その生産効率が向上する。   Therefore, it is possible to manufacture the electrolyte membrane / electrode structure in a state in which the constituent elements are satisfactorily bonded and effectively prevented from being separated from each other. For this reason, the yield of the electrolyte membrane / electrode structure is improved and the production efficiency is improved.

しかも、電極触媒層の面が比較的平坦となるため、該電極触媒層に接触する電解質膜に加わる物理的ストレスが小さくなる。このため、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。   In addition, since the surface of the electrode catalyst layer is relatively flat, physical stress applied to the electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer is reduced. For this reason, the durability of the electrolyte membrane / electrode structure can be improved.

拡散層接触部と触媒層接触部とで面粗度の大小差を設けるには、例えば、多孔質層の拡散層接触部となる部位に第１基材を接触させ、且つ触媒層接触部となる部位に、第１基材に比して面粗度の小さな第２基材を接触させ、この状態で荷重を付与すればよい。第１基材が接触した部位が、面粗度が大きな拡散層接触部となり、一方、第２基材が接触した部位が、面粗度が小さな触媒層接触部となる。なお、第１基材は、中心線平均粗さＲａが３．０〜１０．０μｍである拡散層接触部が得られるものが好ましく、第２基材は、中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下である触媒層接触部が得られるものが好ましい。   In order to provide a difference in surface roughness between the diffusion layer contact portion and the catalyst layer contact portion, for example, the first substrate is brought into contact with the portion that becomes the diffusion layer contact portion of the porous layer, and the catalyst layer contact portion A second substrate having a smaller surface roughness than that of the first substrate may be brought into contact with the portion to be formed, and a load may be applied in this state. The site where the first base material is in contact is a diffusion layer contact portion with a large surface roughness, while the site where the second base material is in contact is a catalyst layer contact portion with a low surface roughness. The first substrate preferably has a diffusion layer contact portion having a center line average roughness Ra of 3.0 to 10.0 μm. The second substrate has a center line average roughness Ra of 1. What can obtain the catalyst layer contact part which is 0 micrometer or less is preferable.

多孔質層をガス拡散層に比して大面積とする場合には、該多孔質層に、ガス拡散層の外周から突出して露呈する外周縁部が形成される。この外周縁部のセパレータに臨む側の面には、上記したように、拡散層接触部以外の部位、すなわち、シール形成部にシールを設けることが好ましい。シールの面粗度がガス拡散層に比して小さいことから、シール形成部の面粗度を、拡散層接触部に比して小さく（拡散層接触部の面粗度を、シール形成部に比して大きく）設定することが好ましい。これにより、シールがシール形成部に対して良好に接合するようになるからである。   When the porous layer has a larger area than the gas diffusion layer, an outer peripheral edge that protrudes from the outer periphery of the gas diffusion layer and is exposed is formed in the porous layer. As described above, it is preferable to provide a seal at a portion other than the diffusion layer contact portion, that is, at the seal forming portion, on the surface of the outer peripheral edge facing the separator. Since the surface roughness of the seal is smaller than that of the gas diffusion layer, the surface roughness of the seal formation portion is smaller than that of the diffusion layer contact portion (the surface roughness of the diffusion layer contact portion is reduced to the seal formation portion). It is preferable to set a larger value. This is because the seal is favorably bonded to the seal forming portion.

従って、シールにより、アノード電極及びカソード電極間で反応ガスが混在することを効果的に阻止して、電解質膜等が劣化することを一層有効に抑制することができる。このため、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。さらには、シールを設ける場合であっても、シールが剥離し難いために電解質膜・電極接合体の歩留まりが向上するとともに、その生産効率が向上する。   Therefore, the seal can effectively prevent the reaction gas from being mixed between the anode electrode and the cathode electrode, and can more effectively suppress the deterioration of the electrolyte membrane and the like. For this reason, the durability of the electrolyte membrane / electrode structure can be improved. Furthermore, even when a seal is provided, the seal is difficult to peel off, so that the yield of the electrolyte membrane / electrode assembly is improved and the production efficiency is improved.

シール形成部の面粗度を小さく設定するには、例えば、拡散層接触部となる部位に第１基材を接触させ、且つ前記触媒層接触部となる部位及び前記シール形成部に、前記第１基材に比して面粗度の小さな第２基材及び第３基材をそれぞれ接触させ、この状態で荷重を付与すればよい。   In order to set the surface roughness of the seal formation portion to be small, for example, the first base material is brought into contact with the portion that becomes the diffusion layer contact portion, and the portion that becomes the catalyst layer contact portion and the seal formation portion have the first What is necessary is just to make a 2nd base material and a 3rd base material with small surface roughness compared with 1 base material contact, respectively, and to give a load in this state.

なお、第１基材は、中心線平均粗さＲａが３．０〜１０．０μｍである拡散層接触部が得られるものが好ましく、第２基材及び第３基材は、中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下である触媒層接触部、シール形成部が得られるものが好ましい。このことから諒解されるように、第２基材及び第３基材は、同一の材質からなるものであってもよい。   The first substrate preferably has a diffusion layer contact portion having a center line average roughness Ra of 3.0 to 10.0 μm. The second substrate and the third substrate have a center line average roughness. It is preferable to obtain a catalyst layer contact portion and a seal forming portion having a thickness Ra of 1.0 μm or less. As understood from this, the second base material and the third base material may be made of the same material.

電極触媒層は、電解質膜に形成するようにしてもよいが、触媒層接触部上に形成するようにしてもよい。該触媒層接触部の面粗度が上記のように小さく設定されているので、例えば、塗工や転写によって、平坦な薄膜形状の電極触媒層を得ることができる。このため、該電極触媒層と電解質膜が接触しても、該電極触媒層から電解質膜に加わる物理的ストレスが低減する。その結果として、電解質膜・電極構造体の耐久性が向上する。   The electrode catalyst layer may be formed on the electrolyte membrane, but may be formed on the catalyst layer contact portion. Since the surface roughness of the catalyst layer contact portion is set to be small as described above, a flat thin-film electrode catalyst layer can be obtained by, for example, coating or transfer. For this reason, even if this electrode catalyst layer and electrolyte membrane contact, the physical stress added to an electrolyte membrane from this electrode catalyst layer reduces. As a result, the durability of the electrolyte membrane / electrode structure is improved.

本発明によれば、電極を構成する多孔質層において、電極触媒層が接触する触媒層接触部の面粗度に比して、ガス拡散層が接触する拡散層接触部の面粗度が大きく設定されている。一方、ガス拡散層の面粗度は、電極触媒層に比して大きい。このため、拡散層接触部とガス拡散層が良好に接合するとともに、触媒層接触部と電極触媒層とが良好に接合する。すなわち、多孔質層と、ガス拡散層及び電極触媒層の各々との接合強度が向上する。   According to the present invention, in the porous layer constituting the electrode, the surface roughness of the diffusion layer contact portion with which the gas diffusion layer contacts is larger than the surface roughness of the catalyst layer contact portion with which the electrode catalyst layer contacts. Is set. On the other hand, the surface roughness of the gas diffusion layer is larger than that of the electrode catalyst layer. For this reason, while a diffusion layer contact part and a gas diffusion layer are joined favorably, a catalyst layer contact part and an electrode catalyst layer join favorably. That is, the bonding strength between the porous layer and each of the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer is improved.

以上のように、電解質膜・電極接合体の構成要素同士が強固に接合し、剥離し難くなる。このため、電解質膜・電極構造体の歩留まり及び生産効率を向上させることができる。さらには、電極触媒層が平坦となるので、該電極触媒層に接触する電解質膜に加わる物理的ストレスが小さくなる。従って、電解質膜が劣化したり損傷したりすることが回避されるので、その耐久性が向上する。   As described above, the constituent elements of the electrolyte membrane / electrode assembly are firmly bonded to each other, and are difficult to peel off. For this reason, the yield and production efficiency of the electrolyte membrane / electrode structure can be improved. Furthermore, since the electrode catalyst layer becomes flat, physical stress applied to the electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer is reduced. Therefore, the electrolyte membrane is prevented from being deteriorated or damaged, and its durability is improved.

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。It is a principal part schematic longitudinal cross-sectional view of the fuel cell in which the electrolyte membrane and electrode structure which concerns on embodiment of this invention is integrated. 図１の電解質膜・電極構造体の分解縦断面側面図である。FIG. 2 is an exploded vertical cross-sectional side view of the electrolyte membrane / electrode structure of FIG. 1. 図１の電解質膜・電極構造体の多孔質層を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a porous layer of the electrolyte membrane / electrode structure of FIG. 1. 他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。It is a principal part schematic longitudinal cross-sectional view of the fuel cell in which the electrolyte membrane electrode structure which concerns on other embodiment is integrated. 実施例１〜３及び比較例１、２の電解質膜・電極構造体を作製する際に用いた基材と、各部位の面粗度及び構成要素の接合状態を示す図表である。It is a table | surface which shows the joining state of the base material used when producing the electrolyte membrane and electrode structure of Examples 1-3 and Comparative Examples 1 and 2, the surface roughness of each site | part, and a component. 実施例１及び実施例４における拡散層接触部及びシール形成部の面粗度と、アウトリーク量を示す図表である。It is a chart which shows the surface roughness of the diffused layer contact part in Example 1 and Example 4, and a seal formation part, and the amount of out leak.

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。   Hereinafter, preferred embodiments of the electrolyte membrane / electrode structure according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図１は、固体高分子型の燃料電池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。   FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a main part of a polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell 10 is configured by incorporating the electrolyte membrane / electrode structure 12 according to the present embodiment.

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。   First, the configuration of the fuel cell 10 will be described. In the fuel cell 10, the electrolyte membrane / electrode structure 12, the anode-side separator 14, and the cathode-side separator 16 are stacked, for example, in a standing posture. By stacking a plurality of fuel cells 10 in this stacking direction (the direction of arrow A in FIG. 1), for example, an in-vehicle fuel cell stack (not shown) is configured. In addition, as the anode side separator 14 and the cathode side separator 16, for example, a carbon separator is used, but a metal separator may be used instead.

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、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。   A surface 14a of the anode separator 14 facing the electrolyte membrane / electrode structure 12 is provided with a fuel gas inlet communication hole (not shown) for supplying a fuel gas such as a hydrogen-containing gas, and for discharging the fuel gas. A fuel gas flow path 18 communicating with a fuel gas outlet communication hole (not shown) is provided extending in the horizontal direction (a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1; hereinafter referred to as B direction for convenience).

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。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）とに連通する冷却媒体流路２２が一体的に形成されている。   Similarly, on the surface 16a of the cathode separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 12, an oxidant gas inlet communication hole (not shown) for supplying an oxidant gas such as an oxygen-containing gas, and the oxidant An oxidant gas flow path 20 that communicates with an oxidant gas outlet communication hole (not shown) for discharging gas is provided extending in the horizontal direction (the B direction). Between the surfaces where the anode side separator 14 and the cathode side separator 16 face each other when a plurality of fuel cells 10 are stacked, a cooling medium inlet communication hole (not shown) for supplying a cooling medium, and a cooling medium Is formed integrally with a cooling medium passage 22 communicating with a cooling medium outlet communication hole (not shown).

図１及び図２に示すように、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２８及びカソード電極３０とを備える。電解質膜２４の外形寸法は、アノード電極２８及びカソード電極３０の外形寸法よりも大きく設定される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the electrolyte membrane / electrode structure 12 includes an electrolyte membrane 24 made of a solid polymer membrane, and an anode electrode 28 and a cathode electrode 30 that sandwich the electrolyte membrane 24. The outer dimensions of the electrolyte membrane 24 are set larger than the outer dimensions of the anode electrode 28 and the cathode electrode 30.

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。   As the electrolyte membrane 24, for example, a film formed of a polymer that belongs to a cation exchange resin and has proton conductivity can be used. Examples of the cation exchange resin include sulfonated products of vinyl polymers such as polystyrene sulfonic acid, heat-resistant polymers such as perfluoroalkyl sulfonic acid polymer, perfluoroalkyl carboxylic acid polymer, polybenzimidazole, and polyether ether ketone. Examples thereof include a polymer having a sulfonic acid group or a phosphoric acid group introduced therein, a rigid polyphenylene obtained by polymerizing an aromatic compound having a phenylene chain as a main component, and a polymer having a sulfonic acid group introduced thereto.

アノード電極２８及びカソード電極３０は、電解質膜２４を挟持するように設けられる。そして、アノード電極２８は、第１電極触媒層３２と、第１ガス拡散層３４と、第１多孔質層３６とを有し、この中の第１多孔質層３６には、シールである第１絶縁シート３８が設けられている。一方、カソード電極３０は、第２電極触媒層４０と、第２ガス拡散層４２と、第２多孔質層４４とを有し、この中の第２多孔質層４４には、第２絶縁シート４６が設けられる。   The anode electrode 28 and the cathode electrode 30 are provided so as to sandwich the electrolyte membrane 24. The anode electrode 28 includes a first electrode catalyst layer 32, a first gas diffusion layer 34, and a first porous layer 36, and the first porous layer 36 therein includes a first seal. One insulating sheet 38 is provided. On the other hand, the cathode electrode 30 includes a second electrode catalyst layer 40, a second gas diffusion layer 42, and a second porous layer 44. The second porous layer 44 includes a second insulating sheet. 46 is provided.

第１電極触媒層３２は、それぞれ、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等の高分子電解質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。   Each of the first electrode catalyst layers 32 includes catalyst particles formed by supporting a catalyst metal such as platinum on a catalyst carrier such as carbon black, and a polymer electrolyte such as an ion conductive polymer binder. . In place of the catalyst particles, catalyst particles that are composed only of catalyst metal particles and do not include a catalyst carrier (for example, platinum black) may be employed.

第１ガス拡散層３４は、例えば、多数の繊維状カーボンがセルロース質に含有されることで構成されたカーボンペーパを基材とする。このような構成であるため、第１ガス拡散層３４の面粗度は、第１電極触媒層３２及び電解質膜２４に比して比較的大きい。   The first gas diffusion layer 34 is made of, for example, carbon paper formed by containing a large number of fibrous carbons in the cellulosic material. Due to such a configuration, the surface roughness of the first gas diffusion layer 34 is relatively larger than that of the first electrode catalyst layer 32 and the electrolyte membrane 24.

第１多孔質層３６は、電子伝導性物質と撥水性樹脂とを含む多孔質シートからなり、前記電子伝導性物質に基づいて導電性を示す。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（ケチェン・ブラック社製「ケチェンブラックＥＣ」及び「ケチェンブラック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。   The first porous layer 36 is made of a porous sheet containing an electron conductive material and a water-repellent resin, and exhibits conductivity based on the electron conductive material. Preferred examples of the electron conductive material include furnace black ("Ketjen Black EC" and "Ketjen Black EC-600JD" manufactured by Ketjen Black, "Vulcan XC-72" manufactured by Carbot, and Tokai Carbon Co., Ltd. “Toka Black”, “Asahi AX” manufactured by Asahi Carbon Co., Ltd .; all trade names), acetylene black (“Denka Black” produced by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd .; trade names), crushed products of glassy carbon, vapor grown carbon fiber ("VGCF" and "VGCF-H" manufactured by Showa Denko KK; both are trade names), carbon nanotubes, and powders obtained by graphitizing them, or a mixture of two or more thereof.

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、及びシリコーン樹脂等が例示される。   One water-repellent resin material is ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), PVF (polyvinyl fluoride), ECTFE (chlorotrifluoroethylene / ethylene copolymer), PTFE. (Polytetrafluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer) and other crystalline fluororesins, “Asahi Glass” Examples include amorphous fluororesins such as “Lumiflon” and “Cytop” (both trade names), silicone resins, and the like.

第１多孔質層３６は、第１ガス拡散層３４及び第１電極触媒層３２よりも外形寸法が大、換言すれば、面積が大に設定される。このため、第１多孔質層３６において、第１ガス拡散層３４ないし第１電極触媒層３２に接触する部位以外の部位は、第１ガス拡散層３４の外周から突出して該第１ガス拡散層３４から露呈する。以下においては、第１ガス拡散層３４に接触する部位を第１拡散層接触部５０、第１電極触媒層３２に接触する部位を第１触媒層接触部５２、第１ガス拡散層３４及び第１電極触媒層３２の外周から突出して露呈した部位を第１外周縁部５４と表記する。   The first porous layer 36 has a larger outer dimension than the first gas diffusion layer 34 and the first electrode catalyst layer 32, in other words, a larger area. For this reason, portions of the first porous layer 36 other than the portions that are in contact with the first gas diffusion layer 34 or the first electrode catalyst layer 32 protrude from the outer periphery of the first gas diffusion layer 34 and the first gas diffusion layer 34. Exposed from 34. In the following description, the portion that contacts the first gas diffusion layer 34 is the first diffusion layer contact portion 50, and the portion that contacts the first electrode catalyst layer 32 is the first catalyst layer contact portion 52, the first gas diffusion layer 34, and the first gas diffusion layer 34. A portion that protrudes from the outer periphery of the one-electrode catalyst layer 32 and is exposed is referred to as a first outer peripheral edge portion 54.

なお、第１電極触媒層３２の外形寸法は、電解質膜２４に比して小さい。このため、第１外周縁部５４の第１触媒層接触部５２側の面では、該第１触媒層接触部５２の外周側が電解質膜２４と接触する。以下、電解質膜２４と接触する部位を第１電解質膜接触部５４ａと表記する。   Note that the outer dimensions of the first electrode catalyst layer 32 are smaller than those of the electrolyte membrane 24. Therefore, on the surface of the first outer peripheral edge 54 on the first catalyst layer contact portion 52 side, the outer peripheral side of the first catalyst layer contact portion 52 is in contact with the electrolyte membrane 24. Hereinafter, the portion in contact with the electrolyte membrane 24 is referred to as a first electrolyte membrane contact portion 54a.

第１多孔質層３６の各面において、第１外周縁部５４は、第１拡散層接触部５０及び第１触媒層接触部５２を囲繞している。従って、図３に示すように、第１外周縁部５４は、額縁形状をなす。   On each surface of the first porous layer 36, the first outer peripheral edge portion 54 surrounds the first diffusion layer contact portion 50 and the first catalyst layer contact portion 52. Therefore, as shown in FIG. 3, the first outer peripheral edge 54 has a frame shape.

第１外周縁部５４は、第１ガス拡散層３４と電解質膜２４との間に介在することによって、第１ガス拡散層３４を構成する繊維が電解質膜２４に突き刺さることを防止する役割を担う。また、この第１外周縁部５４には、例えば、プレスや、樹脂剤を含浸させることにより、ガス不透過性とする処理が施されていてもよい。   The first outer peripheral edge portion 54 is interposed between the first gas diffusion layer 34 and the electrolyte membrane 24, thereby playing a role of preventing the fibers constituting the first gas diffusion layer 34 from piercing the electrolyte membrane 24. . In addition, the first outer peripheral edge portion 54 may be subjected to a gas impermeable treatment by, for example, pressing or impregnating with a resin agent.

第１外周縁部５４において、アノード側セパレータ１４に臨む側の面には、第１外周縁部５４と同じ額縁形状をなす前記第１絶縁シート３８が設けられる。以下、第１絶縁シート３８が設けられる部位を第１シール形成部５４ｂと表記する。図１〜図３から容易に諒解されるように、第１拡散層接触部５０と第１シール形成部５４ｂは、第１多孔質層３６の同一面に設けられる。   In the first outer peripheral edge 54, the first insulating sheet 38 having the same frame shape as that of the first outer peripheral edge 54 is provided on the surface facing the anode separator 14. Hereinafter, a portion where the first insulating sheet 38 is provided is referred to as a first seal forming portion 54b. As easily understood from FIGS. 1 to 3, the first diffusion layer contact portion 50 and the first seal forming portion 54 b are provided on the same surface of the first porous layer 36.

第１拡散層接触部５０と第１シール形成部５４ｂでは、面粗度が互いに相違する。具体的には、第１拡散層接触部５０の方が面粗度が大きい。好適には、第１拡散層接触部５０は中心線平均粗さＲａが３．０〜１０．０μｍであり、第１シール形成部５４ｂは中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下である。   The first diffusion layer contact portion 50 and the first seal formation portion 54b have different surface roughness. Specifically, the first diffusion layer contact portion 50 has a larger surface roughness. Preferably, the first diffusion layer contact portion 50 has a center line average roughness Ra of 3.0 to 10.0 μm, and the first seal formation portion 54b has a center line average roughness Ra of 1.0 μm or less.

また、第１拡散層接触部５０と第１触媒層接触部５２でも、面粗度が互いに相違する。すなわち、第１拡散層接触部５０の方が第１触媒層接触部５２に比して面粗度が大きい。好適には、第１拡散層接触部５０の中心線平均粗さＲａは上記したように３．０〜１０．０μｍであり、一方、第１触媒層接触部５２の中心線平均粗さＲａは１．０μｍ以下である。   Further, the surface roughness is different between the first diffusion layer contact portion 50 and the first catalyst layer contact portion 52. That is, the surface roughness of the first diffusion layer contact portion 50 is larger than that of the first catalyst layer contact portion 52. Preferably, the center line average roughness Ra of the first diffusion layer contact portion 50 is 3.0 to 10.0 μm as described above, while the center line average roughness Ra of the first catalyst layer contact portion 52 is 1.0 μm or less.

なお、第１触媒層接触部５２が設けられる面では、第１電解質膜接触部５４ａと第１触媒層接触部５２との面粗度を相違させる必要は特にない。すなわち、この面では、第１電解質膜接触部５４ａと第１触媒層接触部５２との面粗度は同等であってもよい。   Note that there is no need to make the surface roughness of the first electrolyte membrane contact portion 54a and the first catalyst layer contact portion 52 different from each other on the surface where the first catalyst layer contact portion 52 is provided. That is, on this surface, the surface roughness of the first electrolyte membrane contact portion 54a and the first catalyst layer contact portion 52 may be equal.

ここで、第１多孔質層３６の厚さは、一般的には３０〜６０μｍに設定される。このような場合において、第１拡散層接触部５０の中心線平均粗さＲａが１０．０μｍを超える場合、該第１拡散層接触部５０の裏面（反対面）である第１電解質膜接触部５４ａの中心線平均粗さＲａを１．０μｍ以下とすることが容易でなくなる。また、第１多孔質層３６の厚みのバラツキが大きくなり、第１ガス拡散層３４及び第１電極触媒層３２との接合強度が低下する懸念がある。   Here, the thickness of the first porous layer 36 is generally set to 30 to 60 μm. In such a case, when the center line average roughness Ra of the first diffusion layer contact portion 50 exceeds 10.0 μm, the first electrolyte membrane contact portion that is the back surface (opposite surface) of the first diffusion layer contact portion 50. It is not easy to set the center line average roughness Ra of 54a to 1.0 μm or less. In addition, the thickness variation of the first porous layer 36 is increased, and there is a concern that the bonding strength between the first gas diffusion layer 34 and the first electrode catalyst layer 32 is lowered.

以上のように、第１多孔質層３６では、第１拡散層接触部５０の面粗度が最大に設定される。この理由は、上記したように第１ガス拡散層３４の面粗度が第１電極触媒層３２及び第１絶縁シート３８に比して大きいからであるが、その詳細については後述する。   As described above, in the first porous layer 36, the surface roughness of the first diffusion layer contact portion 50 is set to the maximum. The reason for this is that the surface roughness of the first gas diffusion layer 34 is larger than that of the first electrode catalyst layer 32 and the first insulating sheet 38 as described above, and details thereof will be described later.

第１シール形成部５４ｂに設けられる第１絶縁シート３８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、第１絶縁シート３８の厚みと第１ガス拡散層３４の厚みは略同等であり、このため、これら第１絶縁シート３８の厚みと第１ガス拡散層３４の面同士は面一となっている。   The first insulating sheet 38 provided in the first seal forming portion 54b has gas impermeability, and is formed of, for example, a substantially flat film made of PEN (polyethylene naphthalate). Further, the thickness of the first insulating sheet 38 and the thickness of the first gas diffusion layer 34 are substantially equal, and therefore the thickness of the first insulating sheet 38 and the surface of the first gas diffusion layer 34 are flush with each other. ing.

カソード電極３０における第２電極触媒層４０、第２ガス拡散層４２、第２多孔質層４４及び第２絶縁シート４６は、上記した第１電極触媒層３２、第１ガス拡散層３４、第１多孔質層３６及び第１絶縁シート３８と同様に構成されている。このため、カソード電極３０の構成についての詳細な説明は省略する。ここで、図１中の参照符号５６、５８、６０、６０ａ、６０ｂは、それぞれ、第２拡散層接触部、第２触媒層接触部、第２外周縁部、第２電解質膜接触部、第２シール形成部を示す。   The second electrode catalyst layer 40, the second gas diffusion layer 42, the second porous layer 44, and the second insulating sheet 46 in the cathode electrode 30 are the same as the first electrode catalyst layer 32, the first gas diffusion layer 34, and the first The porous layer 36 and the first insulating sheet 38 are configured similarly. For this reason, the detailed description about the structure of the cathode electrode 30 is abbreviate | omitted. Here, reference numerals 56, 58, 60, 60a, and 60b in FIG. 1 respectively denote a second diffusion layer contact portion, a second catalyst layer contact portion, a second outer peripheral edge portion, a second electrolyte membrane contact portion, 2 shows a seal forming part.

また、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、第１ガス拡散層３４、第２ガス拡散層４２の縁部を囲繞するようにしてシール部材６１ａ、６１ｂが設けられる。これらシール部材６１ａ、６１ｂにより、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）を有効に防止することができる。   The anode-side separator 14 and the cathode-side separator 16 are provided with seal members 61a and 61b so as to surround the edges of the first gas diffusion layer 34 and the second gas diffusion layer 42, respectively. These sealing members 61a and 61b can effectively prevent the reaction gas from leaking out of the electrolyte membrane / electrode structure 12 (outleak).

次に、上記した電解質膜・電極構造体１２の製造方法につき説明する。   Next, a manufacturing method of the above-described electrolyte membrane / electrode structure 12 will be described.

電解質膜・電極構造体１２を製造するに際しては、アノード電極２８及びカソード電極３０を個別に作製する。すなわち、はじめに、第１多孔質層３６及び第２多孔質層４４をそれぞれ構成する２枚の多孔質シートを作製する。具体的には、前記電子伝導性物質を前記撥水性樹脂に分散させた分散液を凝集させてろ別することにより凝集体を得、この凝集体を溶剤に添加して多孔質層ペーストを調製する。この多孔質層ペーストを延伸処理してシート状とし、焼成処理することによって、導電性且つ多孔性を有する多孔質シートを得る。   When the electrolyte membrane / electrode structure 12 is manufactured, the anode electrode 28 and the cathode electrode 30 are individually manufactured. That is, first, two porous sheets that respectively constitute the first porous layer 36 and the second porous layer 44 are produced. Specifically, an agglomerate is obtained by aggregating and filtering a dispersion in which the electron conductive material is dispersed in the water-repellent resin, and the agglomerate is added to a solvent to prepare a porous layer paste. . The porous layer paste is stretched to form a sheet and fired to obtain a porous sheet having conductivity and porosity.

次いで、得られた多孔質シートに対し、第１拡散層接触部５０となる部位の面粗度が大きくなる一方、第１触媒層接触部５２となる部位、第１電解質膜接触部５４ａとなる部位、及び第１シール形成部５４ｂとなる部位の面粗度が小さくなるように、面粗度に大小差を設ける。   Next, with respect to the obtained porous sheet, the surface roughness of the portion to be the first diffusion layer contact portion 50 is increased, while the portion to be the first catalyst layer contact portion 52 is the first electrolyte membrane contact portion 54a. A large and small difference is provided in the surface roughness so that the surface roughness of the part and the part serving as the first seal forming portion 54b becomes small.

このためには、面粗度が大きな第１基材と、該第１基材に比して面粗度が小さな第２基材及び第３基材とを用意する。好適な第１基材は、中心線平均粗さＲａが３．０〜１０．０μｍである第１拡散層接触部５０を形成し得るものであり、その具体例としては、工作紙等が挙げられる。一方、好適な第２基材及び第３基材は、中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下である第１触媒層接触部５２、第１電解質膜接触部５４ａ、第１シール形成部５４ｂを形成し得るものであり、その具体例としては、ＰＴＦＥフィルム、ポリイミドフィルム等が挙げられる。   For this purpose, a first base material having a large surface roughness and a second base material and a third base material having a surface roughness smaller than that of the first base material are prepared. A suitable first base material is capable of forming the first diffusion layer contact portion 50 having a center line average roughness Ra of 3.0 to 10.0 μm, and a specific example thereof is a work paper or the like. It is done. On the other hand, the preferred second base material and third base material are the first catalyst layer contact portion 52, the first electrolyte membrane contact portion 54a, and the first seal formation portion 54b whose centerline average roughness Ra is 1.0 μm or less. Specific examples thereof include PTFE film and polyimide film.

そして、多孔質シートの一面中の第１拡散層接触部５０となる部位に第１基材を接触させるとともに、該一面中の第１シール形成部５４ｂとなる部位に第３基材を接触させる。さらに、多孔質シートの残余の他面に第２基材を接触させる。   And while making a 1st base material contact the site | part used as the 1st diffused layer contact part 50 in one surface of a porous sheet, a 3rd base material is made to contact the site | part used as the 1st seal formation part 54b in this surface. . Furthermore, a 2nd base material is made to contact the other surface of the remainder of a porous sheet.

この状態で、荷重を付与して押圧する。すなわち、プレス処理を施す。これにより、多孔質シートの一面に、第１基材の表面の凹凸が転写されて面粗度が大きな第１拡散層接触部５０と、第３基材によって平坦化され面粗度が小さな第１シール形成部５４ｂとが形成され、同時に、他面に、第２基材によって平坦化されて面粗度が小さな第１触媒層接触部５２及び第１電解質膜接触部５４ａが形成される。以上により、部位に応じて面粗度に大小差が設けられた第１多孔質層３６が得られる。   In this state, a load is applied and pressed. That is, a press process is performed. As a result, the first diffusion layer contact portion 50 having a large surface roughness by transferring the irregularities on the surface of the first substrate to one surface of the porous sheet, and the first substrate having a small surface roughness that is flattened by the third substrate. 1 seal formation part 54b is formed, and at the same time, the first catalyst layer contact part 52 and the first electrolyte membrane contact part 54a which are flattened by the second base material and have a small surface roughness are formed on the other surface. As described above, the first porous layer 36 having a difference in surface roughness according to the part is obtained.

上記したように、第１拡散層接触部５０の中心線平均粗さＲａは３．０〜１０．０μｍであることが好ましく、第１シール形成部５４ｂ、第１触媒層接触部５２及び第１電解質膜接触部５４ａの中心線平均粗さＲａは１．０μｍ以下であることが好ましい。   As described above, the center line average roughness Ra of the first diffusion layer contact portion 50 is preferably 3.0 to 10.0 μm, and the first seal formation portion 54b, the first catalyst layer contact portion 52, and the first The center line average roughness Ra of the electrolyte membrane contact portion 54a is preferably 1.0 μm or less.

第２多孔質層４４も、上記と同様にして作製することができる。すなわち、第１基材によって面粗度が大きな第２拡散層接触部５６が形成されるとともに、第３基材によって面粗度が小さな第２シール形成部６０ｂが形成され、同時に、第２基材によって面粗度が小さな第２触媒層接触部５８及び第２電解質膜接触部６０ａが形成される。以上により、第２多孔質層４４が得られる。勿論、第２拡散層接触部５６の中心線平均粗さＲａは３．０〜１０．０μｍであることが好ましく、第２シール形成部６０ｂ、第２触媒層接触部５８及び第２電解質膜接触部６０ａの中心線平均粗さＲａは１．０μｍ以下であることが好ましい。   The second porous layer 44 can also be produced in the same manner as described above. That is, the second diffusion layer contact portion 56 having a large surface roughness is formed by the first base material, and the second seal forming portion 60b having a small surface roughness is formed by the third base material. The second catalyst layer contact portion 58 and the second electrolyte membrane contact portion 60a having a small surface roughness are formed by the material. Thus, the second porous layer 44 is obtained. Of course, the center line average roughness Ra of the second diffusion layer contact portion 56 is preferably 3.0 to 10.0 μm, and the second seal formation portion 60b, the second catalyst layer contact portion 58, and the second electrolyte membrane contact. The center line average roughness Ra of the portion 60a is preferably 1.0 μm or less.

次いで、このようにして得られた第１多孔質層３６及び第２多孔質層４４に対し、第１電極触媒層３２、第２電極触媒層４０をそれぞれ設ける。   Next, the first electrode catalyst layer 32 and the second electrode catalyst layer 40 are provided on the first porous layer 36 and the second porous layer 44 thus obtained, respectively.

すなわち、イオン伝導性高分子溶液中に、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層用ペーストを調製した後、この触媒層用ペーストを、ＰＴＦＥ等から形成したフィルム上に所定量塗布して熱処理を施す。これにより、第１電極触媒層３２が得られる。同様にして、別のフィルム上に第２電極触媒層４０を形成する。   That is, after preparing the catalyst layer paste by adding and mixing the catalyst particles and the organic solvent in the ion conductive polymer solution, a predetermined amount of the catalyst layer paste is formed on the film formed from PTFE or the like. Apply and heat-treat. Thereby, the 1st electrode catalyst layer 32 is obtained. Similarly, the second electrode catalyst layer 40 is formed on another film.

そして、前記フィルムにおける第１電極触媒層３２が形成された側の面を第１多孔質層３６の第１触媒層接触部５２に対して熱圧着し、その後、フィルムを剥離する。これにより、第１電極触媒層３２が第１触媒層接触部５２に転写される。同様にして、第２多孔質層４４の第２触媒層接触部５８に第２電極触媒層４０を転写する。以上により、第１電極触媒層３２が形成された第１多孔質層３６と、第２電極触媒層４０が形成された第２多孔質層４４が得られる。   Then, the surface of the film on which the first electrode catalyst layer 32 is formed is thermocompression bonded to the first catalyst layer contact portion 52 of the first porous layer 36, and then the film is peeled off. Thereby, the first electrode catalyst layer 32 is transferred to the first catalyst layer contact portion 52. Similarly, the second electrode catalyst layer 40 is transferred to the second catalyst layer contact portion 58 of the second porous layer 44. As described above, the first porous layer 36 in which the first electrode catalyst layer 32 is formed and the second porous layer 44 in which the second electrode catalyst layer 40 is formed are obtained.

触媒層用ペーストを第１多孔質層３６及び第２多孔質層４４に塗布し、その後に熱処理を施して第１電極触媒層３２、第２電極触媒層４０を得るようにしてもよい。すなわち、塗工を行うようにしてもよい。   The catalyst layer paste may be applied to the first porous layer 36 and the second porous layer 44 and then heat-treated to obtain the first electrode catalyst layer 32 and the second electrode catalyst layer 40. That is, you may make it perform coating.

いずれの場合においても、第１触媒層接触部５２及び第２触媒層接触部５８の面粗度が小さく、好適には中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下であるので、第１触媒層接触部５２と第１電極触媒層３２との接触面積、及び第２触媒層接触部５８と第２電極触媒層４０との接触面積が大きくなり、このために第１多孔質層３６と第１電極触媒層３２、及び第２多孔質層４４と第２電極触媒層４０とが十分な強度で且つ接触抵抗が低減するように接合する。しかも、この場合、面が平坦な第１電極触媒層３２及び第２電極触媒層４０が得られるという利点がある。   In any case, since the surface roughness of the first catalyst layer contact portion 52 and the second catalyst layer contact portion 58 is small, and preferably the center line average roughness Ra is 1.0 μm or less, the first catalyst layer The contact area between the contact part 52 and the first electrode catalyst layer 32 and the contact area between the second catalyst layer contact part 58 and the second electrode catalyst layer 40 are increased. For this reason, the first porous layer 36 and the first electrode layer The electrode catalyst layer 32, the second porous layer 44, and the second electrode catalyst layer 40 are bonded to each other with sufficient strength and reduced contact resistance. In addition, in this case, there is an advantage that the first electrode catalyst layer 32 and the second electrode catalyst layer 40 having flat surfaces can be obtained.

これとは別に、カーボンペーパに撥水性樹脂を含浸させた後、乾燥させることによって、互いに同様の構成を有する第１ガス拡散層３４及び第２ガス拡散層４２をそれぞれ作製する。   Separately, the first gas diffusion layer 34 and the second gas diffusion layer 42 having the same configuration are produced by impregnating carbon paper with a water-repellent resin and then drying.

また、前述した陽イオン交換樹脂に属し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、電解質膜２４を作製する。   Further, a polymer selected from the polymers belonging to the cation exchange resin and having proton conductivity is formed into a rectangular sheet shape, and the electrolyte membrane 24 is produced.

次いで、この電解質膜２４の一方の面に、第１電極触媒層３２が接触し、他方の面に第２電極触媒層４０が接触するように、第１電極触媒層３２及び第１多孔質層３６と、電解質膜２４と、第２電極触媒層４０及び第２多孔質層４４とを重畳した後、熱圧着して積層体とする。   Next, the first electrode catalyst layer 32 and the first porous layer are arranged so that the first electrode catalyst layer 32 is in contact with one surface of the electrolyte membrane 24 and the second electrode catalyst layer 40 is in contact with the other surface. 36, the electrolyte membrane 24, the second electrode catalyst layer 40, and the second porous layer 44 are superposed and then thermocompression bonded to form a laminate.

この時点で、第１電極触媒層３２、第１多孔質層３６の第１電解質膜接触部５４ａ、第２電極触媒層４０、及び第２多孔質層４４の第２電解質膜接触部６０ａが電解質膜２４に接合する。上記したように、第１電解質膜接触部５４ａ及び第２電解質膜接触部６０ａの面粗度は小さく、好適には、ともに中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下である。また、第１電極触媒層３２及び第２電極触媒層４０の面も比較的平坦である。従って、この接合の際、電解質膜２４に加わる物理的ストレスは小さい。   At this point, the first electrode catalyst layer 32, the first electrolyte membrane contact portion 54a of the first porous layer 36, the second electrode catalyst layer 40, and the second electrolyte membrane contact portion 60a of the second porous layer 44 are electrolytes. Bonded to the membrane 24. As described above, the surface roughness of the first electrolyte membrane contact portion 54a and the second electrolyte membrane contact portion 60a is small, and preferably the center line average roughness Ra is 1.0 μm or less. The surfaces of the first electrode catalyst layer 32 and the second electrode catalyst layer 40 are also relatively flat. Therefore, the physical stress applied to the electrolyte membrane 24 during this joining is small.

前記積層体における最外面では、第１多孔質層３６の第１拡散層接触部５０及び第１シール形成部５４ｂと、第２多孔質層４４の第２拡散層接触部５６及び第２シール形成部６０ｂが露呈している。この中の第１拡散層接触部５０に第１ガス拡散層３４を接触させるとともに、第２拡散層接触部５６に第２ガス拡散層４２を接触させ、この状態で、熱圧着する。   On the outermost surface of the laminate, the first diffusion layer contact portion 50 and the first seal formation portion 54b of the first porous layer 36, and the second diffusion layer contact portion 56 and the second seal formation of the second porous layer 44 are formed. The part 60b is exposed. The first gas diffusion layer 34 is brought into contact with the first diffusion layer contact portion 50 therein, and the second gas diffusion layer 42 is brought into contact with the second diffusion layer contact portion 56, and in this state, thermocompression bonding is performed.

ここで、第１ガス拡散層３４及び第２ガス拡散層４２は、上記したように多数の繊維状カーボンがセルロース質に含有されることで構成されたカーボンペーパを基材とするものであり、その面粗度が大きい。これに対応するべく、本実施形態においては、第１拡散層接触部５０及び第２拡散層接触部５６の面粗度を、その他の部位に比して大きく設定するようにしている。このため、第１ガス拡散層３４及び第２ガス拡散層４２に含まれる繊維状カーボンが、第１拡散層接触部５０及び第２拡散層接触部５６に対して容易に且つランダムに絡む。その結果として、第１多孔質層３６と第１ガス拡散層３４、及び第２多孔質層４４と第２ガス拡散層４２とが十分な強度で接合する。   Here, the first gas diffusion layer 34 and the second gas diffusion layer 42 are based on carbon paper constituted by containing a large number of fibrous carbon in the cellulose as described above, The surface roughness is large. In order to respond to this, in the present embodiment, the surface roughness of the first diffusion layer contact portion 50 and the second diffusion layer contact portion 56 is set to be larger than that of other portions. For this reason, the fibrous carbon contained in the first gas diffusion layer 34 and the second gas diffusion layer 42 is easily and randomly entangled with the first diffusion layer contact portion 50 and the second diffusion layer contact portion 56. As a result, the first porous layer 36 and the first gas diffusion layer 34, and the second porous layer 44 and the second gas diffusion layer 42 are bonded with sufficient strength.

次いで、第１ガス拡散層３４を囲繞する第１シール形成部５４ｂ上と、第２ガス拡散層４２を囲繞する第２シール形成部６０ｂ上に、ＰＥＮフィルムからなる第１絶縁シート３８、第２絶縁シート４６をそれぞれ重畳し、その後、熱圧着する。   Next, the first insulating sheet 38 made of a PEN film, the second on the first seal forming part 54b surrounding the first gas diffusion layer 34 and on the second seal forming part 60b surrounding the second gas diffusion layer 42. Insulating sheets 46 are superimposed, and then thermocompression bonded.

フィルム等から構成される第１絶縁シート３８及び第２絶縁シート４６は、面粗度が比較的小さい。これに対応するべく、第１シール形成部５４ｂ及び第２シール形成部６０ｂの面粗度は、第１拡散層接触部５０及び第２拡散層接触部５６に比して小さく設定されている。このため、第１多孔質層３６と第１絶縁シート３８、第２多孔質層４４と第２絶縁シート４６とを、互いに密着するように良好に接合することができる。   The first insulating sheet 38 and the second insulating sheet 46 made of a film or the like have a relatively small surface roughness. In order to cope with this, the surface roughness of the first seal formation portion 54b and the second seal formation portion 60b is set smaller than that of the first diffusion layer contact portion 50 and the second diffusion layer contact portion 56. For this reason, the 1st porous layer 36 and the 1st insulating sheet 38 and the 2nd porous layer 44 and the 2nd insulating sheet 46 can be favorably joined so that it may mutually stick.

以上のように、第１多孔質層３６及び第２多孔質層４４の面粗度を、部位によって相違させることにより、これら第１多孔質層３６及び第２多孔質層４４に対し、その他の構成要素を十分な強度で接合することができる。   As described above, by making the surface roughness of the first porous layer 36 and the second porous layer 44 different from each other, the first porous layer 36 and the second porous layer 44 are different from each other. The components can be joined with sufficient strength.

このため、接合した構成要素同士が剥離することが防止される。従って、電解質膜・電極構造体１２を歩留まりよく製造することができるとともに、その生産効率を向上させることができる。   For this reason, it is prevented that the joined component peels. Therefore, the electrolyte membrane / electrode structure 12 can be manufactured with high yield, and the production efficiency can be improved.

このようにして、各構成要素同士が強固に接合し、且つ電解質膜２４に対する物理的ストレスが小さな電解質膜・電極構造体１２が得られるに至る。燃料電池１０を構成するには、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で挟持すればよい。   In this way, the electrolyte membrane / electrode structure 12 is obtained in which the constituent elements are firmly bonded to each other and the physical stress on the electrolyte membrane 24 is small. In order to configure the fuel cell 10, the electrolyte membrane / electrode structure 12 may be sandwiched between the anode separator 14 and the cathode separator 16.

次に、本実施形態に係る電解質膜・電極構造体１２を組み込んだ燃料電池１０の動作につき説明する。   Next, the operation of the fuel cell 10 incorporating the electrolyte membrane / electrode structure 12 according to this embodiment will be described.

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。   When generating power in the fuel cell 10, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole. Further, a cooling medium such as pure water or ethylene glycol is supplied to the cooling medium inlet communication hole.

冷却媒体入口連通孔に供給された冷却媒体は、図１に示すように、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中の矢印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の発電面を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。   The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole is introduced into a cooling medium flow path 22 formed between the anode side separator 14 and the cathode side separator 16 as shown in FIG. In this cooling medium flow path 22, the cooling medium moves in the direction of gravity (the direction of arrow C in FIG. 1). Accordingly, the cooling medium is cooled over the entire power generation surface of the electrolyte membrane / electrode structure 12 and then discharged to the cooling medium outlet communication hole.

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に沿って前記Ｂ方向に流通し、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極３０に沿って移動する。   The oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 20 of the cathode separator 16 from the oxidant gas inlet communication hole. The oxidant gas flows in the B direction along the oxidant gas flow path 20 and moves along the cathode electrode 30 of the electrolyte membrane / electrode structure 12.

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、燃料ガスが前記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２８に沿って移動する。   On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 18 of the anode-side separator 14 from the fuel gas inlet communication hole. In the fuel gas flow path 18, the fuel gas flows in the B direction and moves along the anode electrode 28 of the electrolyte membrane / electrode structure 12.

従って、電解質膜・電極構造体１２では、アノード電極２８に供給されて第１ガス拡散層３４、第１多孔質層３６を通過した燃料ガスと、カソード電極３０に供給されて第２ガス拡散層４２、第２多孔質層４４を通過した酸化剤ガスとが、第１電極触媒層３２及び第２電極触媒層４０内で電気化学反応によりそれぞれ消費され、発電が行われる。   Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 12, the fuel gas supplied to the anode electrode 28 and passed through the first gas diffusion layer 34 and the first porous layer 36, and supplied to the cathode electrode 30 and the second gas diffusion layer. 42 and the oxidant gas that has passed through the second porous layer 44 are consumed by the electrochemical reaction in the first electrode catalyst layer 32 and the second electrode catalyst layer 40, respectively, and electricity is generated.

この電解質膜・電極構造体１２においては、第１多孔質層３６の第１外周縁部５４が第１ガス拡散層３４と電解質膜２４との間に介在し、且つ第１シール形成部５４ｂと第１絶縁シート３８が良好に接合にされている。このため、アノード電極２８に供給された燃料ガスが電解質膜２４に到達することが防止される。従って、燃料ガスが該電解質膜２４を通過してカソード電極３０側に移動し、酸化剤ガスと混在してしまうことを阻止することができる。   In the electrolyte membrane / electrode structure 12, the first outer peripheral edge 54 of the first porous layer 36 is interposed between the first gas diffusion layer 34 and the electrolyte membrane 24, and the first seal forming portion 54 b The first insulating sheet 38 is well bonded. For this reason, the fuel gas supplied to the anode electrode 28 is prevented from reaching the electrolyte membrane 24. Accordingly, it is possible to prevent the fuel gas from passing through the electrolyte membrane 24 and moving to the cathode electrode 30 side and mixing with the oxidant gas.

従って、例えば、燃料ガスに含まれる水素と、酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して過酸化水素水が発生し、さらにこれが分解してヒドロキシラジカル等が発生することを有効に阻止することができる。このため、ヒドロキシラジカル等が電解質膜２４等の電解質膜・電極構造体１２の構成要素を劣化させてしまうことを有効に抑制して、耐久性を向上させることができる。   Accordingly, for example, hydrogen peroxide contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas are reacted to generate hydrogen peroxide water, which is further effectively prevented from being decomposed to generate hydroxy radicals and the like. Can do. For this reason, it can suppress effectively that the hydroxyl radical etc. degrade the component of electrolyte membrane / electrode structure 12, such as the electrolyte membrane 24, and can improve durability.

また、電解質膜・電極構造体１２の作製時に電解質膜２４に加わった物理的ストレスが小さいので、電解質膜２４が劣化したり損傷したりすることが回避される。このことも相俟って、電解質膜・電極構造体１２の耐久性が一層向上する。   Further, since the physical stress applied to the electrolyte membrane 24 during the production of the electrolyte membrane / electrode structure 12 is small, the electrolyte membrane 24 can be prevented from being deteriorated or damaged. Combined with this, the durability of the electrolyte membrane / electrode structure 12 is further improved.

加えて、電解質膜２４は、第１多孔質層３６及び第２多孔質層４４の外方まで延在している。このことも、一方の電極に供給された反応ガスが電解質膜２４を通過して他方の電極に移動することや、アウトリークが起こることを防止することに寄与する。   In addition, the electrolyte membrane 24 extends to the outside of the first porous layer 36 and the second porous layer 44. This also contributes to preventing the reaction gas supplied to one electrode from passing through the electrolyte membrane 24 and moving to the other electrode, and preventing out leakage.

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。   The present invention is not particularly limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.

例えば、上記の実施形態では、第１外周縁部５４を有する第１多孔質層３６と、第２外周縁部６０を有する第２多孔質層４４とを採用して電解質膜・電極構造体１２を構成するようにしているが、特にこれに限定されるものではなく、図４に示すように、ガス拡散層、多孔質層及び電極触媒層の面積が同一であるために第１外周縁部及び第２外周縁部が存在しないものであってもよい。   For example, in the above embodiment, the first porous layer 36 having the first outer peripheral edge portion 54 and the second porous layer 44 having the second outer peripheral edge portion 60 are adopted, and the electrolyte membrane / electrode structure 12 is used. However, the present invention is not particularly limited to this, and as shown in FIG. 4, since the areas of the gas diffusion layer, the porous layer, and the electrode catalyst layer are the same, the first outer peripheral edge portion is formed. The second outer peripheral edge portion may not exist.

この実施形態につき概略説明する。なお、図１〜図３に示す構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。   This embodiment will be described briefly. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the component shown in FIGS. 1-3, and the description is abbreviate | omitted.

燃料電池６２を構成する電解質膜・電極構造体６４は、前記アノード電極２８及びカソード電極３０に代えて、アノード電極６６及びカソード電極６８を備えている。アノード電極６６は、外形寸法（面積）が略同一である第１電極触媒層３２、第１多孔質層７０、第１ガス拡散層７２を有する。同様に、カソード電極６８は、外形寸法（面積）が略同一である第２電極触媒層４０、第２多孔質層７４、第２ガス拡散層７６を有する。   The electrolyte membrane / electrode structure 64 constituting the fuel cell 62 includes an anode electrode 66 and a cathode electrode 68 in place of the anode electrode 28 and the cathode electrode 30. The anode electrode 66 includes a first electrode catalyst layer 32, a first porous layer 70, and a first gas diffusion layer 72 that have substantially the same external dimensions (area). Similarly, the cathode electrode 68 includes a second electrode catalyst layer 40, a second porous layer 74, and a second gas diffusion layer 76 that have substantially the same outer dimensions (area).

第１多孔質層７０と第１ガス拡散層７２の外形寸法が略同一であり、且つ第２多孔質層７４と第２ガス拡散層７６の外形寸法が略同一であるため、第１ガス拡散層７２は第１多孔質層７０の全体を覆い、第２ガス拡散層７６は第２多孔質層７４の全体を覆う。従って、第１多孔質層７０及び第２多孔質層７４には、第１ガス拡散層７２及び第２ガス拡散層７６から露呈するような部位（外周縁部）が存在しない。   Since the outer dimensions of the first porous layer 70 and the first gas diffusion layer 72 are substantially the same, and the outer dimensions of the second porous layer 74 and the second gas diffusion layer 76 are substantially the same, the first gas diffusion The layer 72 covers the entire first porous layer 70, and the second gas diffusion layer 76 covers the entire second porous layer 74. Therefore, the first porous layer 70 and the second porous layer 74 do not have a portion (outer peripheral edge) that is exposed from the first gas diffusion layer 72 and the second gas diffusion layer 76.

この場合、第１多孔質層７０及び第２多孔質層７４の各々では、表裏の面の面粗度が互いに相違していればよい。具体的には、第１多孔質層７０の第１ガス拡散層７２に接触する面（第１拡散層接触部７８）の面粗度を、第１電極触媒層３２に接触する面（第１触媒層接触部８０）に比して大きく設定する。第２多孔質層７４についても同様に、第２ガス拡散層７６に接触する面（第２拡散層接触部８２）の面粗度を、第２電極触媒層４０に接触する面（第２触媒層接触部８４）に比して大きく設定する。   In this case, in each of the first porous layer 70 and the second porous layer 74, the surface roughness of the front and back surfaces may be different from each other. Specifically, the surface roughness (first diffusion layer contact portion 78) of the first porous layer 70 in contact with the first gas diffusion layer 72 is set to the surface roughness of the first electrode catalyst layer 32 (first It is set larger than the catalyst layer contact portion 80). Similarly, for the second porous layer 74, the surface roughness of the surface in contact with the second gas diffusion layer 76 (second diffusion layer contact portion 82) is set to the surface in contact with the second electrode catalyst layer 40 (second catalyst). Larger than the layer contact portion 84).

このためには、第１多孔質層７０及び第２多孔質層７４を作製する際、第１拡散層接触部７８又は第２拡散層接触部８２となる側の面に上記したような第１基材を接触させ、且つ第１触媒層接触部８０又は第２触媒層接触部８４となる側の面に上記したような第２基材を接触させればよい。なお、第１拡散層接触部７８及び第２拡散層接触部８２の好ましい中心線平均粗さＲａは３．０〜１０．０μｍであり、第１触媒層接触部８０及び第２触媒層接触部８４の好ましい中心線平均粗さＲａは１．０μｍ以下である。   For this purpose, when the first porous layer 70 and the second porous layer 74 are produced, the first diffusion layer contact portion 78 or the first diffusion layer contact portion 82 is formed on the surface that becomes the first diffusion layer contact portion 82 as described above. What is necessary is just to make a base material contact and to make the above-mentioned 2nd base material contact the surface of the side used as the 1st catalyst layer contact part 80 or the 2nd catalyst layer contact part 84. FIG. In addition, the preferable centerline average roughness Ra of the 1st diffusion layer contact part 78 and the 2nd diffusion layer contact part 82 is 3.0-10.0 micrometers, and the 1st catalyst layer contact part 80 and the 2nd catalyst layer contact part The preferred centerline average roughness Ra of 84 is 1.0 μm or less.

また、図１及び図４に示す実施形態では、第１多孔質層３６、７０及び第２多孔質層４４、７４を有する電解質膜・電極構造体１２、６４をそれぞれ例示しているが、第１多孔質層３６、７０及び第２多孔質層４４、７４の双方を設ける必要は特になく、いずれか一方のみを設けるようにしてもよい。   1 and 4 illustrate the electrolyte membrane / electrode structures 12 and 64 having the first porous layers 36 and 70 and the second porous layers 44 and 74, respectively. It is not particularly necessary to provide both the first porous layers 36 and 70 and the second porous layers 44 and 74, and only one of them may be provided.

［実施例１］
（１） 第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層は、互いに同一の構成となるように、それぞれ同様に作製した。具体的には、嵩密度が０．３１ｇ／ｍ２、厚さが１７０μｍ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。 [Example 1]
(1) The 1st gas diffusion layer and the 2nd gas diffusion layer were similarly produced so that it might become the mutually same structure. Specifically, a carbon paper having a bulk density of 0.31 g / m 2 and a thickness of 170 μm, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP) dispersion “FEP” manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd. 120-JRB Dispersion "(trade name) was impregnated and dried at 120 ° C for 30 minutes. At this time, the carbon paper was impregnated in the dispersion so that the dry weight of FEP with respect to the carbon paper was 2.4% by weight.

（２） 第１多孔質層及び第２多孔質層のそれぞれを構成する多孔質シートは、互いに同一の構成となるように作製した。具体的には、先ず、電気化学工業社製のアセチレンブラック１００ｇを含む水溶液１０００ｍｌを遊星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る。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する。この際、ＰＴＦＥとカーボンブラックとが質量比で７０：３０となるように添加する。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、ろ別する。   (2) The porous sheet which comprises each of a 1st porous layer and a 2nd porous layer was produced so that it might become the mutually same structure. Specifically, first, 1000 ml of an aqueous solution containing 100 g of acetylene black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. is stirred and dispersed with a planetary ball mill to obtain a carbon black dispersion. To this dispersion, a polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion solution manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd. is mixed. At this time, PTFE and carbon black are added so as to have a mass ratio of 70:30. To the obtained dispersion, 50 mass% of isopropyl alcohol is added to agglomerate PTFE and carbon black, followed by filtration.

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ペースト塊を作製した。このペースト塊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、導電性且つ多孔性を有する厚さ４５μｍ、中心線平均粗さＲａが４．３μｍである多孔質シートを得た。   The obtained aggregate was dried at 120 ° C. for 3 hours, and then 50% by mass of solvent naphtha was added as a solvent to prepare a paste lump. After the paste lump was rolled to a thickness of 1 mm with a roll machine, the solvent naphtha was dried at 120 ° C. for 2 hours to evaporate. Thereafter, using a simultaneous biaxial stretching apparatus, the stretching temperature is set to 300 ° C., and the film is stretched 1.5 times in the uniaxial direction. Then, the length in the stretching direction of the stretched sheet is fixed to 350 ° C. so as not to be thermally contracted. It heated and the complete baking process was performed. As a result, a porous sheet having a conductive and porous thickness of 45 μm and a center line average roughness Ra of 4.3 μm was obtained.

第１多孔質層を形成する多孔質シートの第１ガス拡散層と接触する側の面には、第１基材としてフワットライト（工作紙）を接触させ、一方、第１電極触媒層及び電解質膜と接触する側の面には、第２基材としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムを接触させて、室温の下、３０ｋｇｆ／ｃｍ２程度の面圧を付与してプレス処理を行い、面粗度の大小差を設けた。すなわち、面粗度が大きな第１拡散層接触部と、面粗度が小さな第１触媒層接触部及び第１電解質膜接触部とを有する第１多孔質層を得た。同様にして、面粗度が大きな第２拡散層接触部と、面粗度が小さな第２触媒層接触部及び第２電解質膜接触部とを有する第２多孔質層を作製した。 The surface of the porous sheet forming the first porous layer that is in contact with the first gas diffusion layer is contacted with wattlite (work paper) as the first substrate, while the first electrode catalyst layer and the electrolyte A polytetrafluoroethylene (PTFE) film is brought into contact with the surface on the side in contact with the membrane as a second substrate, a surface pressure of about 30 kgf / cm 2 is applied at room temperature, and press treatment is performed. A difference in roughness was provided. That is, a first porous layer having a first diffusion layer contact portion with a large surface roughness, a first catalyst layer contact portion and a first electrolyte membrane contact portion with a small surface roughness was obtained. Similarly, a second porous layer having a second diffusion layer contact portion with a large surface roughness, a second catalyst layer contact portion and a second electrolyte membrane contact portion with a small surface roughness was produced.

（３） 触媒層用ペーストは、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。   (3) In the catalyst layer paste, the weight ratio of the platinum catalyst “LSA” (trade name) manufactured by BASF to the ion conductive polymer solution “DE2020CS” (trade name) manufactured by DuPont is 0.1. In addition, the mixture was further stirred and mixed with a ball mill.

（４） ＰＴＦＥシート上に、（３）で調整した触媒層用ペーストを、白金の重量が０．４ｍｇ／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、第１電極触媒層を得た。 (4) By applying the catalyst layer paste prepared in (3) on the PTFE sheet so that the weight of platinum is 0.4 mg / cm 2 , heat treatment is performed at 120 ° C. for 60 minutes, A first electrode catalyst layer was obtained.

（５） ＰＴＦＥシート上に、（３）で調整した触媒層用ペーストを、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、第２電極触媒層を得た。 (5) After applying the catalyst layer paste prepared in (3) on the PTFE sheet so that the weight of platinum is 0.7 mg / cm 2 , heat treatment is performed at 120 ° C. for 60 minutes, A second electrode catalyst layer was obtained.

（６） （４）で作製したＰＴＦＥシート中の第１電極触媒層を、（２）で作製した第１多孔質層の第１触媒層接触部に接触させ、この状態で熱圧着した。その後、ＰＴＦＥシートを剥離した。また、（５）で作製したＰＴＦＥシート中の第２電極触媒層を、（２）で作製した第２多孔質層の第２触媒層接触部に接触させ、この状態で熱圧着した。その後、ＰＴＦＥシートを剥離した。すなわち、デカール法により、第１多孔質層上に第１電極触媒層を転写するとともに、第２多孔質層上に第２電極触媒層を転写した。   (6) The first electrode catalyst layer in the PTFE sheet prepared in (4) was brought into contact with the first catalyst layer contact portion of the first porous layer prepared in (2), and thermocompression bonded in this state. Thereafter, the PTFE sheet was peeled off. Further, the second electrode catalyst layer in the PTFE sheet prepared in (5) was brought into contact with the second catalyst layer contact portion of the second porous layer prepared in (2), and thermocompression bonded in this state. Thereafter, the PTFE sheet was peeled off. That is, the first electrode catalyst layer was transferred onto the first porous layer and the second electrode catalyst layer was transferred onto the second porous layer by a decal method.

（７） （６）で作製した第１多孔質層上の第１電極触媒層を、厚さ２４μｍ、含水率０．０５９４ｍｍｏｌ／ｃｍ２としたフッ素系の電解質膜の一方の面に１００℃で面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で熱圧着させた。同様の条件で、（６）で作製した第２多孔質層上の第２電極触媒層を、電解質膜の他方の面に熱圧着させた。 (7) The first electrode catalyst layer on the first porous layer prepared in (6) is placed on one surface of a fluorine-based electrolyte membrane having a thickness of 24 μm and a water content of 0.0594 mmol / cm 2 at 100 ° C. Thermocompression bonding was performed under the condition of a surface pressure of 10 kgf / cm 2 . Under the same conditions, the second electrode catalyst layer on the second porous layer produced in (6) was thermocompression bonded to the other surface of the electrolyte membrane.

（８） （７）で作製した積層体の第１多孔質層の第１拡散層接触部及び第２多孔質層の第２拡散層接触部に、（１）で作製した第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層をそれぞれ１００℃で面圧１５ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で熱圧着させた。 (8) The first gas diffusion layer prepared in (1) is applied to the first diffusion layer contact portion of the first porous layer and the second diffusion layer contact portion of the second porous layer of the laminate prepared in (7). The second gas diffusion layer was thermocompression bonded at 100 ° C. under a surface pressure of 15 kgf / cm 2 .

（９） さらに、（８）で作製した積層体の第１多孔質層の第１外周縁部（第１シール形成部）及び第２多孔質層の第２外周縁部（第２シール形成部）のそれぞれに、第１絶縁シート及び第２絶縁シートとして、厚み１５０μｍのＰＥＮフィルムを１００℃で面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で熱圧着させた。これにより、電解質膜・電極構造体を作製した。これを実施例１とする。 (9) Furthermore, the 1st outer periphery part (1st seal formation part) of the 1st porous layer of the laminated body produced by (8) and the 2nd outer periphery part (2nd seal formation part) of a 2nd porous layer ) As a first insulating sheet and a second insulating sheet, a PEN film having a thickness of 150 μm was thermocompression bonded at 100 ° C. under a surface pressure of 10 kgf / cm 2 . Thus, an electrolyte membrane / electrode structure was produced. This is Example 1.

［実施例２］
第１多孔質層を形成する多孔質シートの第１触媒層接触部に接触させる第２基材としてポリイミドフィルムを採用した。第２多孔質層についても同様である。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。 [Example 2]
A polyimide film was employed as the second substrate to be brought into contact with the first catalyst layer contact portion of the porous sheet forming the first porous layer. The same applies to the second porous layer. Otherwise in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane / electrode structure was obtained. This is Example 2.

［実施例３］
第１多孔質層及び第２多孔質層を形成するシートについて、面粗度の大小差を設ける際に、４０ｋｇｆ／ｃｍ２の面圧を付与してプレス処理を行った。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。 [Example 3]
About the sheet | seat which forms a 1st porous layer and a 2nd porous layer, when providing the magnitude | size difference of surface roughness, the surface pressure of 40 kgf / cm < 2 > was provided and the press process was performed. Otherwise in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane / electrode structure was obtained. This is Example 3.

［実施例４］
第１多孔質層を作製する際、多孔質シートの第１拡散層接触部となる部位に第１基材としてフワットライト（工作紙）を接触させるとともに、その周囲の部位（第１シール形成部）となる部位に第３基材としてポリイミドフィルムを接触させたことを除いては実施例１に準拠して、第１拡散層接触部と第１シール形成部とで面粗度が相違するアノード電極を得た。同様にして、第２拡散層接触部と第２シール形成部とで面粗度が相違するカソード電極を作製した。さらに、これらのアノード電極及びカソード電極を用いて電解質膜・電極構造体を得た。これを実施例４とする。 [Example 4]
When producing a 1st porous layer, while making the wattlite (work paper) as a 1st base material contact the site | part used as the 1st diffused layer contact part of a porous sheet, the surrounding site | part (1st seal formation part) In accordance with Example 1, except that a polyimide film is brought into contact with the portion to be a third base material, the anode having a different surface roughness between the first diffusion layer contact portion and the first seal formation portion An electrode was obtained. Similarly, cathode electrodes having different surface roughnesses were produced between the second diffusion layer contact portion and the second seal formation portion. Furthermore, an electrolyte membrane / electrode structure was obtained using these anode electrode and cathode electrode. This is Example 4.

［比較例１］
第１多孔質層を作製する際、多孔質シートの両面にポリイミドフィルムを接触させた。すなわち、多孔質シートの両面に同一の基材を接触させ、両面の面粗度を同等とした。第２多孔質層についても同様である。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。 [Comparative Example 1]
When producing a 1st porous layer, the polyimide film was made to contact both surfaces of a porous sheet. That is, the same base material was made to contact both surfaces of a porous sheet, and the surface roughness of both surfaces was made equivalent. The same applies to the second porous layer. Otherwise in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane / electrode structure was obtained. This is referred to as Comparative Example 1.

［比較例２］
第１多孔質層を作製する際、多孔質シートの第１拡散層接触部となる部位にポリイミドフィルムを接触させるとともに、第１触媒層接触部となる部位に工作紙を接触させた。第２多孔質層についても同様である。すなわち、実施例２における第１基材と第２基材を、反対面に接触させた。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。 [Comparative Example 2]
When producing a 1st porous layer, while making the polyimide film contact the site | part used as the 1st diffused layer contact part of a porous sheet, the work paper was made to contact the site | part used as a 1st catalyst layer contact part. The same applies to the second porous layer. That is, the 1st base material in Example 2 and the 2nd base material were made to contact the opposite surface. Otherwise in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane / electrode structure was obtained. This is referred to as Comparative Example 2.

上記の実施例１〜３及び比較例１、２の電解質膜・電極構造体の第１多孔質層及び第２多孔質層について、各部位の面粗度、多孔質層とガス拡散層及び電極触媒層との接合状態を評価した結果を、採用した基材とともに図５に併せて示す。ここで、図５における面粗度は、表面粗さ計を用い、ＪＩＳ−Ｂ−０６０１に準じて、第１及び第２多孔質層の表面を触針でトレースして得た測定値から算出した中心線平均粗さＲａである。なお、表面粗さ計は、ミツトヨ社製ＳＪ−２０１Ｐを利用し、検出器の測定力は４ｍＮであり、触針の先端半径は５μｍとした。   Regarding the first porous layer and the second porous layer of the electrolyte membrane / electrode structure of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, the surface roughness of each part, the porous layer, the gas diffusion layer, and the electrode The result of evaluating the bonding state with the catalyst layer is shown in FIG. 5 together with the adopted base material. Here, the surface roughness in FIG. 5 is calculated from measured values obtained by tracing the surfaces of the first and second porous layers with a stylus according to JIS-B-0601 using a surface roughness meter. The centerline average roughness Ra. The surface roughness meter used was SJ-201P manufactured by Mitutoyo Corporation, the measuring force of the detector was 4 mN, and the tip radius of the stylus was 5 μm.

また、図５中の「○」、「△」及び「×」は、それぞれ、十分に大きな接合強度が得られたこと、接合強度が比較的大きかったこと、接合強度が不十分であったことを表す。具体的には、ＪＩＳ−Ｋ−６８５４−２に準じて、剥離強度を測定し、測定値が０．２Ｎ／ｍｍ以上であった場合に「○」、０．２Ｎ／ｍｍ未満０．１Ｎ／ｍｍ以上であった場合に「△」、０．１Ｎ／ｍｍ未満であった場合に「×」として評価を行った。   In addition, “◯”, “Δ”, and “×” in FIG. 5 indicate that a sufficiently large bonding strength was obtained, that the bonding strength was relatively high, and that the bonding strength was insufficient. Represents. Specifically, the peel strength was measured according to JIS-K-6854-2, and when the measured value was 0.2 N / mm or more, “◯”, less than 0.2 N / mm, and 0.1 N / mm. Evaluation was made as “Δ” when it was mm or more, and as “x” when it was less than 0.1 N / mm.

なお、以下では、第１多孔質層及び第２多孔質層を一括して「多孔質層」とも表記する。第１拡散層接触部及び第２拡散層接触部、第１触媒層接触部及び第２触媒層接触部等についても同様に、「拡散層接触部」、「触媒層接触部」と表記することがある。   Hereinafter, the first porous layer and the second porous layer are collectively referred to as a “porous layer”. Similarly, the first diffusion layer contact portion, the second diffusion layer contact portion, the first catalyst layer contact portion, the second catalyst layer contact portion, etc. shall be expressed as “diffusion layer contact portion” and “catalyst layer contact portion”. There is.

図５における実施例１〜３及び比較例１、２から、多孔質層の拡散層接触部の面粗度を、触媒層接触部の面に比して大きくすることによって、ガス拡散層及び電極触媒層の各々と、多孔質層とが良好に接合することが明らかである。さらに、実施例１、２と実施例３とを対比し、拡散層接触部の中心線平均粗さＲａが３．０μｍ以上であるとき、多孔質層とガス拡散層とが一層良好に接合するとともに、触媒接触部の中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下であるとき、多孔質層と電極触媒層とが一層良好に接合することが分かる。   From Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 in FIG. 5, by increasing the surface roughness of the diffusion layer contact portion of the porous layer as compared with the surface of the catalyst layer contact portion, the gas diffusion layer and the electrode It is clear that each of the catalyst layers and the porous layer are well bonded. Further, when Examples 1 and 2 are compared with Example 3 and the center line average roughness Ra of the diffusion layer contact portion is 3.0 μm or more, the porous layer and the gas diffusion layer are more favorably bonded. In addition, it can be seen that when the center line average roughness Ra of the catalyst contact portion is 1.0 μm or less, the porous layer and the electrode catalyst layer are more favorably joined.

以上とは別に、多孔質層における拡散層接触部とシール形成部の面粗度が同等である実施例１と、拡散層接触部の面粗度がシール形成部に比して大きく設定された実施例４につき、アウトリーク量の測定を行った。その結果を図６に示す。ここで、図６のアウトリーク量は、５０ｃｍ２の単セルを作製し、該単セルについて、アノード電極側とカソード電極の差圧を５０ｋＰａとした場合にリークしたガスの量を測定した値である。 Separately from the above, Example 1 in which the surface roughness of the diffusion layer contact portion and the seal formation portion in the porous layer was the same, and the surface roughness of the diffusion layer contact portion was set larger than the seal formation portion For Example 4, the amount of outleak was measured. The result is shown in FIG. Here, the amount of out-leakage in FIG. 6 is a value obtained by measuring the amount of gas leaked when a single cell of 50 cm 2 was produced and the differential pressure between the anode electrode side and the cathode electrode was 50 kPa. is there.

図６から、拡散層接触部の面粗度をシール形成部の面粗度に比して大きくすることによって、アウトリーク量を低減できることが明らかである。すなわち、多孔質層と電極触媒層とを互いに密着するように接合することが可能となり、アノード電極及びカソード電極間で反応ガスが混在することを効果的に阻止することができる。   From FIG. 6, it is clear that the amount of outleak can be reduced by increasing the surface roughness of the diffusion layer contact portion as compared with the surface roughness of the seal forming portion. That is, the porous layer and the electrode catalyst layer can be bonded so as to be in close contact with each other, and the reaction gas can be effectively prevented from being mixed between the anode electrode and the cathode electrode.

１０、６２…燃料電池 １２、６４…電解質膜・電極構造体
１４…アノード側セパレータ 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
２８、６６…アノード電極 ３０、６８…カソード電極
３２…第１電極触媒層 ３４、７２…第１ガス拡散層
３６、７０…第１多孔質層 ３８…第１絶縁シート
４０…第２電極触媒層 ４２、７６…第２ガス拡散層
４４、７４…第２多孔質層 ４６…第２絶縁シート
５０、７８…第１拡散層接触部 ５２、８０…第１触媒層接触部
５４…第１外周縁部 ５４ａ…第１電解質膜接触部
５４ｂ…第１シール形成部 ５６、８２…第２拡散層接触部
５８、８４…第２触媒層接触部 ６０…第２外周縁部
６０ａ…第２電解質膜接触部 ６０ｂ…第２シール形成部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 62 ... Fuel cell 12, 64 ... Electrolyte membrane electrode assembly 14 ... Anode side separator 16 ... Cathode side separator 18 ... Fuel gas flow path 20 ... Oxidant gas flow path 22 ... Cooling medium flow path 24 ... Electrolyte film 28 , 66 ... Anode electrode 30, 68 ... Cathode electrode 32 ... First electrode catalyst layer 34, 72 ... First gas diffusion layer 36, 70 ... First porous layer 38 ... First insulating sheet 40 ... Second electrode catalyst layer 42 76 ... second gas diffusion layers 44, 74 ... second porous layer 46 ... second insulating sheets 50, 78 ... first diffusion layer contact portion 52,80 ... first catalyst layer contact portion 54 ... first outer peripheral edge portion 54a ... 1st electrolyte membrane contact part 54b ... 1st seal formation part 56, 82 ... 2nd diffused layer contact part 58, 84 ... 2nd catalyst layer contact part 60 ... 2nd outer periphery part 60a ... 2nd electrolyte membrane contact part 60b ... 2nd seal formation part

Claims (11)

固体高分子膜からなる電解質膜を一組の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、
前記一組の電極の各々は、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、ガス拡散層とを有し、
前記一組の電極の少なくとも一方の前記電極触媒層及び前記ガス拡散層の間には、多孔質シートからなる多孔質層が介在し、
前記多孔質層中の前記ガス拡散層と接触する拡散層接触部は、前記電極触媒層と接触する触媒層接触部に比して面粗度が大きいことを特徴とする電解質膜・電極構造体。 An electrolyte membrane / electrode structure configured by sandwiching an electrolyte membrane made of a solid polymer membrane between a pair of electrodes,
Each of the set of electrodes has an electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane, and a gas diffusion layer,
Between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer of at least one of the set of electrodes, a porous layer made of a porous sheet is interposed,
The electrolyte membrane / electrode structure characterized in that the diffusion layer contact portion in contact with the gas diffusion layer in the porous layer has a larger surface roughness than the catalyst layer contact portion in contact with the electrode catalyst layer. . 請求項１記載の電解質膜・電極構造体において、前記拡散層接触部の中心線平均粗さＲａが３．０〜１０．０μｍであり、且つ前記触媒層接触部の中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下であることを特徴とする電解質膜・電極構造体。   2. The electrolyte membrane / electrode structure according to claim 1, wherein the diffusion layer contact portion has a center line average roughness Ra of 3.0 to 10.0 μm, and the catalyst layer contact portion has a center line average roughness Ra. 1. An electrolyte membrane / electrode structure characterized by being 1.0 μm or less. 請求項１又は２記載の電解質膜・電極構造体において、前記多孔質層は、前記ガス拡散層の外周から突出して露呈する外周縁部を有し、
前記外周縁部のセパレータに臨む側の面中、拡散層接触部以外の部位を、シールを設けるためのシール形成部とし、
前記拡散層接触部は、前記シール形成部に比して面粗度が大きいことを特徴とする電解質膜・電極構造体。 The electrolyte membrane / electrode structure according to claim 1 or 2, wherein the porous layer has an outer peripheral edge portion that protrudes from the outer periphery of the gas diffusion layer and is exposed.
In the surface of the outer peripheral edge facing the separator, a portion other than the diffusion layer contact portion is used as a seal forming portion for providing a seal,
The electrolyte membrane / electrode structure according to claim 1, wherein the diffusion layer contact portion has a larger surface roughness than the seal formation portion. 請求項３記載の電解質膜・電極構造体において、前記拡散層接触部の中心線平均粗さＲａが３．０〜１０．０μｍであり、且つ前記シール形成部の中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以下であることを特徴とする電解質膜・電極構造体。   4. The electrolyte membrane / electrode structure according to claim 3, wherein the center line average roughness Ra of the diffusion layer contact portion is 3.0 to 10.0 μm, and the center line average roughness Ra of the seal forming portion is 1. An electrolyte membrane / electrode structure having a thickness of 0.0 μm or less. 固体高分子膜からなる電解質膜を挟持する一組の電極が電極触媒層と、ガス拡散層とを有するとともに、前記一組の電極中の少なくとも一方が、前記電極触媒層及び前記ガス拡散層の間に介在して多孔質シートからなる多孔質層をさらに有する電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
前記多孔質層を作製する際、前記ガス拡散層と接触する拡散層接触部の面粗度が、前記電極触媒層と接触する触媒層接触部の面粗度に比して大きくなるように、前記多孔質層に面粗度の大小差を設けることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。 A set of electrodes sandwiching an electrolyte membrane made of a solid polymer membrane has an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer, and at least one of the set of electrodes is formed of the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer. A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure further comprising a porous layer comprising a porous sheet interposed therebetween,
When producing the porous layer, the surface roughness of the diffusion layer contact portion in contact with the gas diffusion layer is larger than the surface roughness of the catalyst layer contact portion in contact with the electrode catalyst layer, A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure, wherein a difference in surface roughness is provided in the porous layer. 請求項５記載の製造方法において、前記多孔質層の前記拡散層接触部となる部位に第１基材を接触させ、且つ前記触媒層接触部となる部位に、前記第１基材に比して面粗度の小さな第２基材を接触させ、この状態で荷重を付与することで前記多孔質層に面粗度の大小差を設けることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。   6. The manufacturing method according to claim 5, wherein the first substrate is brought into contact with a portion that becomes the diffusion layer contact portion of the porous layer, and the portion that becomes the catalyst layer contact portion is compared with the first substrate. A method of manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure, wherein a difference in surface roughness is provided in the porous layer by contacting a second substrate having a small surface roughness and applying a load in this state. . 請求項５又は６記載の製造方法において、前記拡散層接触部の中心線平均粗さＲａを３．０〜１０．０μｍ、前記触媒層接触部の中心線平均粗さＲａを１．０μｍ以下とすることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。   The manufacturing method according to claim 5 or 6, wherein a center line average roughness Ra of the diffusion layer contact portion is 3.0 to 10.0 µm, and a center line average roughness Ra of the catalyst layer contact portion is 1.0 µm or less. A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure, comprising: 請求項５〜７のいずれか１項に記載の製造方法において、前記多孔質層を、前記ガス拡散層に比して大面積とすることで、該多孔質層に、前記ガス拡散層の外周から突出して露呈する外周縁部を形成するとともに、前記外周縁部のセパレータに臨む側の面中、拡散層接触部以外の部位を、シールを設けるためのシール形成部とし、
前記多孔質層に面粗度の大小差を設ける際、さらに、前記拡散層接触部の面粗度を、前記シール形成部の面粗度に比して大きくすることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 5 to 7, wherein the porous layer has a larger area than the gas diffusion layer, so that the porous layer has an outer periphery of the gas diffusion layer. Forming the outer peripheral edge protruding from the outer peripheral edge, and in the surface facing the separator of the outer peripheral edge, a part other than the diffusion layer contact part is a seal forming part for providing a seal,
When the surface roughness of the porous layer is provided, the electrolyte layer is characterized in that the surface roughness of the diffusion layer contact portion is larger than the surface roughness of the seal forming portion. Manufacturing method of electrode structure. 請求項８記載の製造方法において、前記拡散層接触部となる部位に第１基材を接触させ、且つ前記触媒層接触部となる部位及び前記シール形成部に、前記第１基材に比して面粗度の小さな第２基材及び第３基材をそれぞれ接触させ、この状態で荷重を付与することで前記拡散層接触部と前記シール形成部に面粗度の大小差を設けることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。   The manufacturing method according to claim 8, wherein the first base material is brought into contact with a portion that becomes the diffusion layer contact portion, and the portion that becomes the catalyst layer contact portion and the seal formation portion are compared with the first base material. The second base material and the third base material having a small surface roughness are brought into contact with each other, and a load is applied in this state to provide a difference in surface roughness between the diffusion layer contact portion and the seal forming portion. A method for producing a characteristic electrolyte membrane / electrode structure. 請求項８又は９記載の製造方法において、前記拡散層接触部の中心線平均粗さＲａを３．０〜１０．０μｍ、前記シール形成部の中心線平均粗さＲａを１．０μｍ以下とすることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。   10. The manufacturing method according to claim 8, wherein a center line average roughness Ra of the diffusion layer contact portion is 3.0 to 10.0 μm, and a center line average roughness Ra of the seal forming portion is 1.0 μm or less. A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure, comprising: 請求項５〜１０のいずれか１項に記載の製造方法において、前記触媒層接触部上に前記電極触媒層を形成することを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。   11. The method for producing an electrolyte membrane / electrode structure according to claim 5, wherein the electrode catalyst layer is formed on the catalyst layer contact portion.
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