[go: up one dir, main page]

WO2009151013A1 - 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体 - Google Patents

固体高分子形燃料電池用膜電極接合体 Download PDF

Info

Publication number
WO2009151013A1
WO2009151013A1 PCT/JP2009/060395 JP2009060395W WO2009151013A1 WO 2009151013 A1 WO2009151013 A1 WO 2009151013A1 JP 2009060395 W JP2009060395 W JP 2009060395W WO 2009151013 A1 WO2009151013 A1 WO 2009151013A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
protective layer
electrode assembly
membrane
ion exchange
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2009/060395
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
田沼　敏弘
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AGC Inc
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Glass Co Ltd filed Critical Asahi Glass Co Ltd
Priority to JP2010516838A priority Critical patent/JP5397375B2/ja
Publication of WO2009151013A1 publication Critical patent/WO2009151013A1/ja
Priority to US12/910,935 priority patent/US8535847B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8892—Impregnation or coating of the catalyst layer, e.g. by an ionomer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell.
  • Fuel cells have high power generation efficiency, the reaction product is only water in principle, and the environmental load is small.
  • polymer electrolyte fuel cells are expected to be widely used as automobiles, distributed power generation systems, portable power generation systems, and household cogeneration systems because of their high output density.
  • a polymer electrolyte fuel cell is usually a cathode having a catalyst layer and a gas diffusion layer, an anode having a catalyst layer and a gas diffusion layer, and a solid high-layer disposed between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. It is comprised from the cell formed by arrange
  • a gas diffusing base material carbon paper, carbon cloth, carbon felt, etc.
  • carbon fibers may pierce the catalyst layer adjacent to the gas diffusion layer, and further the solid polymer electrolyte membrane, causing a short circuit, etc. It becomes.
  • a membrane electrode assembly (Patent Document 1) having a protective adhesive layer containing conductive carbon particles (Ketjen black, acetylene black, etc.) and a fluorine-containing ion exchange resin between a catalyst layer and a gas diffusion layer.
  • conductive carbon particles Ketjen black, acetylene black, etc.
  • the carbon fiber penetrates the protective adhesive layer. It may pierce the solid polymer electrolyte membrane.
  • the protective adhesive layer has small pores and poor drainage, pore clogging (flooding) due to condensation of water vapor tends to occur.
  • the present invention provides a membrane electrode assembly in which short-circuiting and flooding due to the carbon fiber of the gas diffusion layer piercing the solid polymer electrolyte membrane are unlikely to occur.
  • a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes a cathode having a catalyst layer and a gas diffusion layer, an anode having a catalyst layer and a gas diffusion layer, the catalyst layer of the cathode, and the catalyst layer of the anode.
  • a protective layer containing an exchange resin, and a mass ratio (F / C) of the fluorine-containing ion exchange resin (F) and the carbon fiber (C) contained in the protective layer is 0.05 to 0.30. It is characterized by being.
  • the thickness of the protective layer is preferably 15 to 80 ⁇ m.
  • At least one of the cathode and the anode preferably further has an adhesive drainage layer containing carbon fibers having an average fiber diameter of 1 to 200 nm between the catalyst layer and the protective layer. It is preferable that at least one of the cathode and the anode further includes a microporous layer containing carbon particles between the protective layer and the gas diffusion layer.
  • the repeating unit represented by the formula (1) is referred to as a unit (1).
  • Repeating units represented by other formulas are also described in the same manner.
  • the repeating unit means a unit derived from the monomer formed by polymerization of the monomer.
  • the repeating unit may be a unit directly formed by a polymerization reaction, or may be a unit in which a part of the unit is converted into another structure by treating the polymer.
  • the compound represented by Formula (2) is described as a compound (2). The same applies to compounds represented by other formulas.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the membrane electrode assembly of the present invention.
  • the membrane electrode assembly 10 includes a cathode 20 having a catalyst layer 22, a protective layer 24, and a gas diffusion layer 26 in this order; an anode 30 having a catalyst layer 32, a protective layer 34, and a gas diffusion layer 36 in this order; 22 and a solid polymer electrolyte membrane 40 disposed between the catalyst layer 32 of the anode 30.
  • the catalyst layer 22 and the catalyst layer 32 are layers containing a catalyst and an ion exchange resin.
  • the catalyst layer 22 and the catalyst layer 32 may be the same component, composition, thickness, or the like, or may be different layers.
  • the catalyst is not particularly limited as long as it promotes the oxidation-reduction reaction in the fuel cell, and a catalyst containing platinum is preferable, and a supported catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported on a carbon support is particularly preferable.
  • Examples of the carbon carrier include activated carbon and carbon black. From the viewpoint of high chemical durability, those graphitized by heat treatment or the like are preferable.
  • the specific surface area of the carbon support is preferably 200 m 2 / g or more. The specific surface area of the carbon support is measured by nitrogen adsorption on the carbon surface with a BET specific surface area apparatus.
  • Platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), gold, silver, chromium, iron, titanium, manganese, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, zinc An alloy of platinum and one or more metals selected from the group consisting of tin and platinum is preferable.
  • the platinum alloy may contain a metal alloyed with platinum and an intermetallic compound of platinum.
  • the supported amount of platinum or platinum alloy is preferably 10 to 70% by mass in the supported catalyst (100% by mass).
  • the ion exchange resin is preferably a fluorine-containing ion exchange resin from the viewpoint of durability, and more preferably a perfluorocarbon polymer having an ionic group (which may contain an etheric oxygen atom).
  • the perfluorocarbon polymer is preferably polymer (H) or polymer (Q).
  • the polymer (H) is a copolymer having units based on tetrafluoroethylene (hereinafter referred to as TFE) and units (1).
  • X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group
  • m is an integer of 0 to 3
  • n is an integer of 1 to 12
  • p is 0 or 1.
  • the polymer (H) is obtained by polymerizing a mixture of TFE and the compound (2) to obtain a precursor polymer (hereinafter referred to as polymer (F)), and then converting the —SO 2 F group in the polymer (F) to sulfone. Obtained by conversion to acid groups.
  • the conversion of —SO 2 F group to sulfonic acid group is performed by hydrolysis and acidification treatment.
  • CF 2 CF (OCF 2 CFX) m —O p — (CF 2 ) n —SO 2 F (2).
  • X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group
  • m is an integer of 0 to 3
  • n is an integer of 1 to 12
  • p is 0 or 1.
  • n1, n2, and n3 are integers of 1 to 8, and m3 is an integer of 1 to 3.
  • Polymer (Q) The polymer (Q) is a copolymer having units (U1) and units (U2).
  • Q 1 is a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom
  • Q 2 is a perfluoroalkylene group which may have a single bond or an etheric oxygen atom
  • R f1 is a perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom
  • X 1 is an oxygen atom, a nitrogen atom or a carbon atom
  • a is a case where X 1 is an oxygen atom 0, 1 when X 1 is a nitrogen atom, 2 when X 1 is a carbon atom
  • Y 1 is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group
  • s is 0 or 1
  • Q 3 is a single bond or a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom
  • R f2 is a perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom.
  • X 2 is, Atom, a nitrogen atom or a carbon atom
  • b is 0 when X 2 is an oxygen atom, 1 when X 2 is a nitrogen atom, or 2 when X 2 is a carbon atom
  • Y 2 is ,
  • a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, and t is 0 or 1.
  • the single bond means that the carbon atom of CY 1 or CY 2 and the sulfur atom of SO 2 are directly bonded.
  • An organic group means a group containing one or more carbon atoms.
  • the oxygen atom may be 1 or 2 or more.
  • the oxygen atom may be inserted between the carbon atom-carbon atom bonds of the perfluoroalkylene group or may be inserted at the carbon atom bond terminal.
  • the perfluoroalkylene group may be linear or branched, and is preferably linear.
  • the perfluoroalkylene group preferably has 1 to 6 carbon atoms, and more preferably 1 to 4 carbon atoms. If the number of carbon atoms is 6 or less, the boiling point of the raw fluorine-containing monomer is lowered, and distillation purification becomes easy. Moreover, if carbon number is 6 or less, the increase in the equivalent weight of a polymer (Q) will be suppressed and the fall of proton conductivity will be suppressed.
  • Q 2 is preferably a C 1-6 perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom.
  • Q 2 is a perfluoroalkylene group having 1 to 6 carbon atoms which may have an etheric oxygen atom
  • the polymer electrolyte fuel cell can be operated over a longer period than when Q 2 is a single bond. In this case, the stability of power generation performance is excellent.
  • At least one of Q 1 and Q 2 is preferably a C 1-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom.
  • the fluorine-containing monomer having a C 1-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom can be synthesized without undergoing a fluorination reaction with a fluorine gas, the yield is good and the production is easy.
  • the perfluoroalkyl group for R f1 may be linear or branched, and is preferably linear.
  • the perfluoroalkyl group preferably has 1 to 6 carbon atoms, more preferably 1 to 4 carbon atoms.
  • As the perfluoroalkyl group a perfluoromethyl group, a perfluoroethyl group, and the like are preferable.
  • R f1 may be the same group or different groups.
  • - (SO 2 X 1 (SO 2 R f1) a) - H + group is an ionic group.
  • Y 1 is preferably a fluorine atom or a linear perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have an etheric oxygen atom.
  • the unit (U1) the unit (M1) is preferable, and the unit (M11), the unit (M12) or the unit (M13) is preferably used because the production of the polymer (Q) is easy and industrial implementation is easy. More preferred.
  • R F11 is a straight-chain perfluoroalkylene group having 1 to 6 carbon atoms which may have a single bond or an etheric oxygen atom
  • R F12 is a straight chain having 1 to 6 carbon atoms. It is a chain perfluoroalkylene group.
  • the oxygen atom may be one or two or more.
  • the oxygen atom may be inserted between the carbon atom-carbon atom bonds of the perfluoroalkylene group or may be inserted at the carbon atom bond terminal.
  • the perfluoroalkylene group may be linear or branched.
  • the perfluoroalkylene group preferably has 1 to 6 carbon atoms, and more preferably 1 to 4 carbon atoms. When the number of carbon atoms is 6 or less, an increase in the equivalent weight of the polymer (Q) can be suppressed, and a decrease in proton conductivity can be suppressed.
  • the perfluoroalkyl group for R f2 may be linear or branched, and is preferably linear.
  • the perfluoroalkyl group preferably has 1 to 6 carbon atoms, more preferably 1 to 4 carbon atoms.
  • As the perfluoroalkyl group a perfluoromethyl group, a perfluoroethyl group, and the like are preferable.
  • the — (SO 2 X 2 (SO 2 R f2 ) b ) — H + group is an ionic group.
  • Y 2 is preferably a fluorine atom or a trifluoromethyl group.
  • the unit (M2) is preferable, and the unit (M21), unit (M22), unit (M23) or The unit (M24) is more preferable.
  • Y is a fluorine atom or a trifluoromethyl group
  • m is an integer of 0 to 3
  • n is an integer of 1 to 12
  • p is 0 or 1
  • the polymer (Q) may further have a repeating unit (hereinafter referred to as another unit) based on another monomer described later. What is necessary is just to adjust suitably the ratio of another unit so that the equivalent weight of a polymer (Q) may become the preferable range mentioned later.
  • the other unit is preferably a repeating unit based on a perfluoromonomer, more preferably a repeating unit based on TFE, from the viewpoint of mechanical strength and chemical durability.
  • the proportion of the repeating unit based on TFE is preferably 20 mol% or more, and preferably 40 mol% of all repeating units (100 mol%) constituting the polymer (Q) from the viewpoint of mechanical strength and chemical durability. The above is more preferable.
  • the proportion of repeating units based on TFE is preferably 92 mol% or less, more preferably 87 mol% or less, of all repeating units (100 mol%) constituting the polymer (Q) from the viewpoint of electrical resistance.
  • the polymer (Q) may have one unit (U1), one unit (U2), and another unit, or two or more units.
  • the polymer (Q) is preferably a perfluoropolymer from the viewpoint of chemical durability.
  • the equivalent weight of polymer (Q) (the number of grams of polymer H per equivalent of ionic group, hereinafter referred to as EW) is preferably 400 to 900 g dry resin / equivalent (hereinafter referred to as g / equivalent). 500 to 800 g / equivalent is more preferable, 550 to 780 g / equivalent is more preferable, and 580 to 750 g / equivalent is particularly preferable.
  • EW is 900 g / equivalent or less, proton conductivity increases (electric resistance decreases), so that sufficient battery output can be obtained.
  • the EW is 400 g / equivalent or more
  • synthesis of a polymer having a high molecular weight is easy, and the polymer (Q) does not swell excessively with water, so that the mechanical strength can be maintained.
  • the EW of a polymer that has been conventionally used for general purposes is set to 900 to 1100 g / equivalent from the balance between electric resistance and mechanical strength.
  • the mechanical strength can be maintained even when the EW is reduced and the electric resistance is lowered.
  • the ratio of the unit (U2) in the polymer (Q) is preferably 0.2 to 0.7, preferably 0.25 to 0.6, when unit (U2) / (unit (U1) + unit (U2)). Is more preferably 0.3 to 0.55 (molar ratio).
  • the ratio of the unit (U2) is 0.2 or more, durability against repetition of wetting and drying becomes high, and the solid polymer fuel cell can be stably operated over a long period of time.
  • the ratio of the unit (U2) is 0.7 or less, the water content is not too high, and the mechanical strength can be maintained without the softening temperature and the glass transition temperature becoming too low.
  • the mass average molecular weight of the polymer (Q) is preferably 1 ⁇ 10 4 to 1 ⁇ 10 7, more preferably 5 ⁇ 10 4 to 5 ⁇ 10 6 , and even more preferably 1 ⁇ 10 5 to 3 ⁇ 10 6 .
  • the mass average molecular weight of the polymer (Q) is 1 ⁇ 10 4 or more, the physical properties such as the degree of swelling hardly change with time, and the durability is sufficient. If the mass average molecular weight of the polymer (Q) is 1 ⁇ 10 7 or less, solutionization and molding become easy.
  • the mass average molecular weight of the polymer (Q) can be evaluated by measuring the TQ value.
  • the TQ value (unit: ° C.) is an index of the molecular weight of the polymer, and the extrusion amount when the polymer is melt-extruded under the condition of the extrusion pressure of 2.94 MPa using a nozzle having a length of 1 mm and an inner diameter of 1 mm is 100 mm.
  • the temperature is 3 / sec.
  • a polymer having a TQ value of 200 to 300 ° C. corresponds to a mass average molecular weight of 1 ⁇ 10 5 to 1 ⁇ 10 6 although the composition of repeating units constituting the polymer differs.
  • the ion exchange capacity of the fluorine-containing ion exchange resin is preferably 0.5 to 2.0 meq / g dry resin, and 0.8 to 1.5 meq / g dry resin from the viewpoint of conductivity and gas permeability. Is particularly preferred.
  • the mass ratio of the fluorine-containing ion exchange resin to the carbon in the catalyst (fluorine ion-exchange resin / carbon in the catalyst) in the catalyst layer is preferably 0.4 to 1.6 from the viewpoint of power generation performance of the fuel cell. 0.6 to 1.2 is particularly preferable.
  • the amount of platinum contained in the catalyst layer is preferably 0.01 to 0.5 mg / cm 2 from the viewpoint of the optimum thickness for efficiently performing the electrode reaction, and is 0 from the viewpoint of the balance between the cost and performance of the raw material. 0.05 to 0.35 mg / cm 2 is more preferable.
  • the thickness of the catalyst layer is preferably 20 ⁇ m or less, more preferably 1 to 15 ⁇ m from the viewpoint of facilitating gas diffusion in the catalyst layer and improving the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell. Moreover, it is preferable that the thickness of a catalyst layer is uniform. If the thickness of the catalyst layer is reduced, the amount of catalyst present per unit area may be reduced and the reaction activity may be reduced. In this case, a supported catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported at a high loading rate as a catalyst. If it is used, the reaction activity of the electrode can be maintained high without being insufficient in the amount of catalyst even if it is thin. The thickness of the catalyst layer is measured by observing the cross section of the catalyst layer with an SEM (scanning electron microscope) or the like.
  • the protective layer 24 and the protective layer 34 are layers containing carbon fibers having an average fiber diameter of 1 to 30 ⁇ m and a fluorinated ion exchange resin.
  • the protective layer 24 and the protective layer 34 may be layers having the same components, composition, thickness, or the like, or may be different layers.
  • Examples of the carbon fiber contained in the protective layer include PAN-based carbon fiber and pitch-based carbon fiber. Examples of the carbon fiber include chopped fiber and milled fiber.
  • the average fiber diameter of the carbon fibers contained in the protective layer is 1 to 30 ⁇ m, preferably 3 to 25 ⁇ m, more preferably 5 to 20 ⁇ m.
  • the carbon fibers in the gas diffusion layer are difficult to penetrate.
  • the protective layer formed using the coating liquid has good gas diffusibility and drainage. If the average fiber diameter of the carbon fibers is 30 ⁇ m or less, the carbon fibers can be favorably dispersed in the dispersion medium.
  • the fluorine-containing ion exchange resin contained in the protective layer a perfluoropolymer having an ion exchange group is preferable, and the above-described polymer (H) or polymer (Q) is particularly preferable.
  • the fluorinated ion exchange resin contained in the protective layer may be the same as or different from the fluorinated ion exchange resin contained in the catalyst layer when the ion exchange resin contained in the catalyst layer is a fluorinated ion exchange resin. May be.
  • the ion exchange capacity of the fluorine-containing ion exchange resin is preferably 0.5 to 2.0 meq / g dry resin, and 0.8 to 1.5 meq / g dry resin from the viewpoint of conductivity and gas permeability. Is particularly preferred.
  • the mass ratio (F / C) of the fluorine-containing ion exchange resin (F) and the carbon fiber (C) contained in the protective layer is 0.05 to 0.30, preferably 0.1 to 0.2. If F / C is 0.05 or more, the carbon fiber can be favorably dispersed in the dispersion medium. When the amount of the fluorine-containing ion exchange resin is 0.30 or less, the protective layer formed using the coating liquid has good gas diffusibility and drainage.
  • the thickness of the protective layer is preferably 15 to 80 ⁇ m, and more preferably 20 to 50 ⁇ m. If the thickness of the protective layer is 15 ⁇ m or more, the carbon fiber of the gas diffusion layer is difficult to penetrate. If the thickness of the protective layer is 80 ⁇ m or less, the protective layer formed using the coating liquid has good gas diffusibility and drainage. The thickness of the protective layer is measured by observing the cross section of the protective layer with an SEM or the like.
  • the gas diffusion layer 26 and the gas diffusion layer 36 are layers made of a gas diffusing substrate.
  • the gas diffusion layer 26 and the gas diffusion layer 36 may be the same component, composition, thickness, or the like, or may be different layers.
  • Examples of the gas diffusing substrate include carbon paper, carbon cloth, carbon felt and the like.
  • the thickness of the gas diffusion layer is preferably 100 to 400 ⁇ m, more preferably 120 to 300 ⁇ m.
  • the thickness of the gas diffusion layer is calculated by measuring the thickness at four locations using a digimatic indicator (Mitutoyo Corporation, 543-250, flat measurement terminal: ⁇ 5 mm) and averaging them.
  • the membrane / electrode assembly of the present invention comprises an adhesive drainage layer 28 containing carbon fibers having an average fiber diameter of 1 to 200 nm and an ion exchange resin between the catalyst layer and the protective layer.
  • An adhesive drainage layer 38 (hereinafter collectively referred to as an adhesive drainage layer) may be included.
  • the adhesive drainage layer 28 and the adhesive drainage layer 38 may be the same component, composition, thickness, or the like, or may be different layers.
  • carbon nanofiber As the carbon fiber contained in the adhesive drainage layer, carbon nanofiber is preferable because it is fine and has high electron conductivity.
  • examples of the carbon nanofiber include vapor grown carbon fiber, carbon nanotube (single wall, double wall, multiwall, cup laminated type, etc.).
  • the average fiber diameter of the carbon fibers contained in the adhesive drainage layer is 1 to 200 nm, preferably 10 to 180 nm. By setting this range, the carbon fibers are entangled with each other to form voids and do not fill the porous voids, so that high gas diffusibility and drainage are maintained.
  • the ion exchange resin contained in the adhesive drainage layer is preferably a fluorine-containing ion exchange resin.
  • a fluorine-containing ion exchange resin a perfluorocarbon polymer having an ionic group (which may contain an etheric oxygen atom) is preferable, and a polymer (H) or a polymer (Q) is particularly preferable.
  • the fluorine-containing ion exchange resin when the adhesive drainage layer contains a fluorine-containing ion exchange resin may be the same as or different from the fluorine-containing ion exchange resin contained in the protective layer.
  • the fluorine-containing ion exchange resin contained in the adhesive drainage layer and the fluorine-containing ion exchange resin contained in the catalyst layer And may be the same or different.
  • the mass ratio (f / c) between the fluorinated ion exchange resin (f) and the carbon fiber (c) contained in the adhesive drainage layer is 0.05. To 2 is preferable, and 0.1 to 0.7 is more preferable. If f / c is 0.05 or more, the dispersion stability becomes high. If f / c is 2 or less, there is no practical problem in the electrical conductivity of the coating layer. By setting it as this range, the gas diffusibility of the adhesive drainage layer, drainage, and the adhesiveness with the catalyst layer and the protective layer become good.
  • the thickness of the adhesive drainage layer is preferably 2 to 15 ⁇ m. By setting it as this range, adhesiveness with a catalyst layer and a protective layer becomes favorable, and the contact resistance in this interface can be made small enough.
  • the thickness of the adhesive drainage layer is measured by observing the cross section of the adhesive drainage layer with an SEM or the like.
  • the adhesive drainage layer may be provided on both the cathode 20 and the anode 30, or may be provided on one of the cathode 20 and the anode 30.
  • the cathode 20 preferably has an adhesive drainage layer.
  • the membrane / electrode assembly of the present invention includes a microporous layer 29 and a microporous layer 39 (hereinafter collectively referred to as a carbon porous layer 29) containing carbon particles and a binder between a protective layer and a gas diffusion layer. May be referred to as a microporous layer).
  • the microporous layer 29 and the microporous layer 39 may be layers having the same component, composition, thickness, or the like, or may be different layers.
  • Examples of the carbon particles contained in the microporous layer include carbon black.
  • a water-repellent fluoropolymer is preferable, and polytetrafluoroethylene (PTFE) is particularly preferable.
  • the microporous layer may be provided on both the cathode 20 and the anode 30, or may be provided on one of the cathode 20 and the anode 30.
  • the cathode 20 preferably has a microporous layer.
  • the solid polymer electrolyte membrane 40 is an ion exchange resin membrane.
  • the ion exchange resin is preferably a fluorine-containing ion exchange resin from the viewpoint of durability, more preferably a perfluorocarbon polymer having an ionic group (which may contain an etheric oxygen atom), and the above-described polymer (H ) Or polymer (Q) is particularly preferred.
  • the ion exchange capacity of the fluorine-containing ion exchange resin is preferably 0.5 to 2.0 meq / g dry resin, particularly preferably 0.8 to 1.5 meq / g dry resin.
  • the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 40 is preferably 10 to 30 ⁇ m, and more preferably 15 to 25 ⁇ m. When the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 40 is 30 ⁇ m or less, a decrease in power generation performance of the solid polymer fuel cell under low humidification conditions can be suppressed. Further, by setting the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 40 to 10 ⁇ m or more, gas leak and electrical short circuit can be suppressed. The thickness of the solid polymer electrolyte membrane 40 is measured by observing the cross section of the solid polymer electrolyte membrane 40 with an SEM or the like.
  • Method for producing membrane electrode assembly examples include the following methods (I) to (III).
  • (I-1) A step of obtaining a laminate (A) composed of a gas diffusion layer and a protective layer by applying a coating solution for forming a protective layer, which will be described later, to the surface of the gas diffusible substrate and drying it .
  • the membrane-catalyst layer assembly 2 and the catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly in which the catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane are in contact with the protective layer of the laminate (A).
  • a coating method a known method may be used.
  • the drying temperature is preferably 40 to 130 ° C.
  • Examples of the bonding method include a hot press method, a hot roll press method, and an ultrasonic fusion method, and the hot press method is preferable from the viewpoint of in-plane uniformity.
  • the temperature of the press plate in the press is preferably 100 to 150 ° C.
  • the pressing pressure is preferably 0.5 to 4.0 MPa.
  • Method (II) A method of manufacturing the membrane electrode assembly 10 of FIG. 2 by sequentially performing the following steps (II-1) to (II-3).
  • (II-1) A step of forming an adhesive drainage layer by applying a coating liquid for forming an adhesive drainage layer, which will be described later, to the surface of the release film and drying it.
  • (II-2) A protective layer-forming coating solution described later is applied to the surface of the adhesive drainage layer, and a gas diffusing substrate is placed on the coating solution before the coating solution is dried.
  • the process of obtaining the laminated body (B) which consists of a gas diffusion layer, a protective layer, and an adhesion drainage layer by drying this coating liquid.
  • (II-3) Membrane catalyst layer assembly so that the catalyst layer of the membrane catalyst layer assembly in which the catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane and the adhesive drainage layer of the laminate (B) are in contact with each other.
  • the release film include a polypropylene film, a polyethylene terephthalate (PET) film, and an ethylene-TFE copolymer (ETFE) film. Coating, drying and joining may be performed under the same conditions as in method (I).
  • Method (III) A method of manufacturing the membrane electrode assembly 10 of FIG. 3 by sequentially performing the following steps (III-1) to (III-3).
  • III-1) A step of forming an adhesive drainage layer by applying a coating liquid for forming an adhesive drainage layer, which will be described later, to the surface of the release film and drying it.
  • III-2) A coating solution for forming a protective layer, which will be described later, is applied to the surface of the adhesive drainage layer, and before the coating solution is dried, a gas diffusing substrate (micrometer) is formed on the coating solution.
  • a step of obtaining a laminate (C) comprising a gas diffusion layer, a microporous layer, a protective layer, and an adhesive drainage layer by placing the porous layer) and drying the coating solution.
  • the membrane-catalyst layer assembly so that the catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly in which the catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane and the adhesive drainage layer of the laminate (C) are in contact with each other
  • the microporous layer is formed by applying a microporous layer-forming coating solution containing carbon particles and, if necessary, a binder to the surface of the gas diffusing substrate and drying it.
  • the protective layer-forming coating solution contains carbon fibers having an average fiber diameter of 1 to 30 ⁇ m, a fluorine-containing ion exchange resin, and a dispersion medium.
  • the dispersion medium include organic solvents and water, and a dispersion medium containing alcohols and water is particularly preferable.
  • alcohols include non-fluorine alcohols (methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, etc.), fluorine alcohols (2,2,2-trifluoroethanol, 2,2,3,3,3).
  • fluorine-containing compound solvent 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl methyl ether, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl fluoromethyl ether, 1,1,3,3,3 -Pentafluoro-2-trifluoromethylpropyl methyl ether can also be used.
  • the dispersion medium preferably contains a fluorinated solvent from the viewpoint that the dispersion state of the carbon fiber can be maintained for a long period of time.
  • Fluorinated solvents include fluorinated aliphatic compounds (1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane, 1,3-dichloro-1,1,2,2,3-pentafluoropropane.
  • the ratio of alcohols is preferably 40 to 80% by mass, more preferably 50 to 70% by mass in 100% by mass of the dispersion medium. If the proportion of alcohol exceeds 80% by mass, the viscosity of the coating solution becomes too large and it becomes difficult to apply uniformly, so the layer formed using the coating solution becomes non-uniform. The problem that it becomes easy to catch fire in the drying process after coating, etc. arises. If the proportion of alcohol is less than 40% by mass, it becomes difficult to uniformly mix with the remaining dispersion medium components (for example, water or a fluorine-based solvent), and the dispersion state of the carbon fiber deteriorates, so that a coating solution is used. This may cause uneven coating on the formed layer.
  • the remaining dispersion medium components for example, water or a fluorine-based solvent
  • the proportion of water is preferably 5 to 40% by mass and more preferably 10 to 30% by mass in 100% by mass of the dispersion medium. If the proportion of water exceeds 40% by mass, the viscosity of the coating solution will not be sufficiently increased, and it will be difficult to maintain good dispersion of the carbon fibers. If the proportion of water is less than 5% by mass, the viscosity of the coating solution becomes too large, and it becomes difficult to coat uniformly, so the layer formed using the coating solution becomes non-uniform, Problems such as being easy to ignite in the drying process after coating occur.
  • the proportion of the fluorinated solvent is preferably 2 to 40% by mass, more preferably 10 to 30% by mass, out of 100% by mass of the dispersion medium.
  • the ratio of the fluorinated solvent is 10% by mass or more, the dispersion state of the carbon fiber can be maintained for a long time.
  • the ratio of the fluorinated solvent is less than 10% by mass, the viscosity of the coating liquid cannot be increased, and the dispersion state of the carbon fibers cannot be maintained for a long period.
  • the solid content concentration of the coating liquid for forming the protective layer is preferably 10 to 50% by mass, more preferably 20 to 40% by mass, and particularly preferably 25 to 35% by mass. If the solid content concentration is 10% by mass or more, a layer formed using a coating liquid having a thickness of 100 to 300 ⁇ m is applied at a time by adjusting the viscosity of the coating liquid with the composition of the dispersion medium. be able to. If the solid content concentration is 50% by mass or less, the dispersion state of the carbon fiber can be maintained for a long time.
  • the solid content concentration of the coating liquid for forming the protective layer is expressed as a ratio of the sum of the masses of the carbon fiber and the fluorine-containing ion exchange resin in the total mass of the coating liquid.
  • the protective layer-forming coating solution is prepared, for example, as follows.
  • a fluorine-containing ion exchange resin is dispersed in a part of the dispersion medium to prepare a dispersion of the fluorine-containing ion exchange resin.
  • Carbon fiber, the remaining dispersion medium, and a dispersion of the fluorine-containing ion exchange resin are mixed to obtain a mixed solution.
  • the mixed solution is stirred to disperse the carbon fiber in the dispersion medium to obtain a gas diffusion layer forming coating solution.
  • the adhesive drainage layer forming coating solution contains carbon fibers having an average fiber diameter of 1 to 200 nm, an ion exchange resin, and a dispersion medium.
  • an ion exchange resin a fluorine-containing ion exchange resin is preferable.
  • the dispersion medium include organic solvents and water, and a dispersion medium containing alcohols and water is particularly preferable.
  • alcohols examples include alcohols that can be used in the above-described protective layer-forming coating solution.
  • the proportion of the alcohol is preferably 10 to 90% by mass, more preferably 30 to 70% by mass in 100% by mass of the dispersion medium.
  • the proportion of water is preferably 10 to 90% by mass, more preferably 30 to 70% by mass, based on 100% by mass of the dispersion medium. It is particularly preferable that the proportion of alcohol is 30 to 70% by mass and the proportion of water is 30 to 70% by mass in 100% by mass of the dispersion medium because coating properties and dispersion stability are further improved. .
  • a solvent composition in this range is preferable because a dispersion having a solid content concentration of up to 30% by mass can be prepared.
  • a fluorine-based solvent can be further added as a dispersion medium.
  • a fluorine-type solvent the fluorine-type solvent which can be used for the coating liquid for protective layer formation mentioned above is mentioned.
  • the fluorine-based solvent 1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane or 2,2,3,3,3-pentafluoro-1-propanol is particularly preferable.
  • the cathode 20 and the anode 30 have a protective layer between the catalyst layer and the gas diffusion layer, the carbon fibers constituting the gas diffusion layer are solid high. Physical damage such as piercing the molecular electrolyte membrane 40 can be prevented by the protective layer. Thereby, the short circuit of the membrane electrode assembly 10 can be suppressed, and the durability of the membrane electrode assembly 10 can be further improved. In addition, since the protective layer is provided, flooding hardly occurs.
  • the membrane electrode assembly of the present invention is used for a polymer electrolyte fuel cell.
  • the separator has a plurality of grooves formed as gas flow paths on both sides.
  • the separator include a separator made of various conductive materials such as a metal separator, a carbon separator, and a separator made of a material in which graphite and a resin are mixed.
  • the polymer electrolyte fuel cell include a hydrogen / oxygen fuel cell and a direct methanol fuel cell (DMFC).
  • Examples 1 to 9 are examples, and examples 10 to 14 are comparative examples.
  • the average fiber diameter of the carbon fibers contained in each coating solution is determined by applying the coating solution to a PET film with an applicator and drying to form a coating film (protective layer or adhesive drainage layer) with a thickness of 50 to 100 ⁇ m. Then, the coating film was observed with a microscope (manufactured by Keyence Corporation, digital microscope VHX-900), and the fiber diameters of 30 carbon fibers randomly selected from the microscope images were measured, and the average was measured. It was calculated by doing.
  • the average fiber diameter of the carbon fibers contained in each layer is the same as the average fiber diameter of the carbon fibers contained in the coating liquid forming the layer.
  • the short-circuit prevention effect was judged according to the following criteria. ⁇ : The short-circuit current density is less than 0.01 mA / cm 2 . ⁇ : short-circuit current density of 0.01 mA / cm 2 or more less than 0.05 mA / cm 2. X: The short circuit current density is 0.05 mA / cm 2 or more.
  • the interface between the catalyst layer of the membrane electrode assembly and the protective layer or the adhesive drainage layer was observed and judged according to the following criteria. ⁇ : The catalyst layer and the protective layer or the adhesive drainage layer are sufficiently adhered, and peeling does not occur at the interface. ⁇ : The catalyst layer and the protective layer or the adhesive drainage layer are in close contact with each other, but a portion where the protective layer or the adhesive drainage layer floats from the catalyst layer is seen at a part of the interface. X: The catalyst layer does not adhere to the protective layer or the adhesive drainage layer, and peeling is likely to occur at the interface.
  • the membrane electrode assembly is incorporated into a power generation cell, hydrogen (utilization rate 70%) / air (utilization rate 40%) is supplied at normal pressure, and a current density of 0.2 A / cm 2 and 1 at a cell temperature of 80 ° C.
  • the cell voltage at the initial stage of operation at 5 A / cm 2 was measured to confirm the degree of voltage drop due to flooding. Note that hydrogen having a dew point of 80 ° C. was supplied to the anode side, and air having a dew point of 80 ° C. was supplied to the cathode side.
  • the coating liquid for forming the protective layer was applied to the surface of a commercially available gas diffusing substrate (manufactured by NOK, H2315 T10A, no microporous layer) with a die coater and dried at 80 ° C. for 20 minutes.
  • a protective layer having a thickness of 10 ⁇ m was formed to obtain a laminate (A) composed of a gas diffusion layer and a protective layer.
  • Table 2 shows the average fiber diameter, F / C, and thickness of the carbon fiber for the protective layer.
  • the evaluation result of the short circuit prevention effect is shown in Table 2.
  • Example 2 10 g of carbon fiber (Made by Mitsubishi Plastics, Dialad K223QM, fiber diameter: 11 ⁇ m, fiber length: 57 ⁇ m), 17.2 g of ethanol, 5.2 g of distilled water, 3 of the polymer (H1) dispersion of Example 1 .6 g was added, stirred, and mixed and dispersed using a homogenizer. Further, add 6.3 g of 1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane (ZEROLA H, manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.), mix and disperse using a homogenizer, and apply a coating for forming a protective layer. A working solution was obtained. Table 1 shows the composition of the dispersion medium, F / C, solid content concentration, and average fiber diameter of the carbon fibers for the protective layer-forming coating solution.
  • ZEROLA H 1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane
  • the coating liquid for forming the protective layer was applied to the surface of a commercially available gas diffusing substrate (manufactured by NOK, H2315 T10A, no microporous layer) with a die coater and dried at 80 ° C. for 20 minutes.
  • a protective layer having a thickness of 100 ⁇ m was formed to obtain a laminate (A) composed of a gas diffusion layer and a protective layer.
  • Table 2 shows the average fiber diameter, F / C, and thickness of the carbon fiber for the protective layer.
  • the evaluation result of the short circuit prevention effect is shown in Table 2.
  • a membrane / electrode assembly having the structure shown in FIG. 1 having an electrode area of 25 cm 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laminate (A) was used.
  • Table 2 shows the evaluation results of the adhesiveness and flooding prevention effect of the membrane / electrode assembly.
  • Example 3 The protective layer-forming coating solution of Example 2 was applied to the surface of a commercially available gas diffusing substrate (NOK, H2315 T10A, no microporous layer) with a die coater and dried at 80 ° C. for 20 minutes. Then, a protective layer having a thickness of 30 ⁇ m was formed to obtain a laminate (A) composed of a gas diffusion layer and a protective layer. Table 2 shows the average fiber diameter, F / C, and thickness of the carbon fiber for the protective layer. Moreover, about this laminated body (A), the evaluation result of the short circuit prevention effect is shown in Table 2. A membrane / electrode assembly having the structure shown in FIG. 1 having an electrode area of 25 cm 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laminate (A) was used. Table 2 shows the evaluation results of the adhesiveness and flooding prevention effect of the membrane / electrode assembly.
  • NOK NOK, H2315 T10A, no microporous layer
  • Example 4 To 10 g of the carbon fiber used in Example 2, 17.2 g of ethanol, 5.4 g of distilled water, and 2.1 g of the dispersion of the polymer (H1) of Example 1 were added, stirred, and mixed using a homogenizer. Distributed. Further, 6.0 g of 1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane (ZEROLA H, manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) was added, mixed and dispersed using a homogenizer, and a protective layer-forming coating was added. A working solution was obtained. Table 1 shows the composition of the dispersion medium, F / C, solid content concentration, and average fiber diameter of the carbon fibers for the protective layer-forming coating solution.
  • ZEROLA H 1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane
  • a protective layer having a thickness of 30 ⁇ m was formed in the same manner as in Example 3 except that the coating liquid for forming the protective layer was used to obtain a laminate (A) composed of a gas diffusion layer and a protective layer.
  • Table 2 shows the average fiber diameter, F / C, and thickness of the carbon fiber for the protective layer.
  • the evaluation result of the short circuit prevention effect is shown in Table 2.
  • a membrane / electrode assembly having the structure shown in FIG. 1 having an electrode area of 25 cm 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laminate (A) was used.
  • Table 2 shows the evaluation results of the adhesiveness and flooding prevention effect of the membrane / electrode assembly.
  • Example 5 To 10 g of the carbon fiber used in Example 2, 17.5 g of ethanol, 4.5 g of distilled water, and 8.9 g of the dispersion of the polymer (H1) of Example 1 were added, stirred, and mixed using a homogenizer. Distributed. Further, 7.1 g of 1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane (ZEROLA H, manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) was added, mixed and dispersed using a homogenizer, and a protective layer-forming coating was added. A working solution was obtained. Table 1 shows the composition of the dispersion medium, F / C, solid content concentration, and average fiber diameter of the carbon fibers for the protective layer-forming coating solution.
  • ZEROLA H 1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane
  • a protective layer having a thickness of 30 ⁇ m was formed in the same manner as in Example 3 except that the coating liquid for forming the protective layer was used to obtain a laminate (A) composed of a gas diffusion layer and a protective layer.
  • Table 2 shows the average fiber diameter, F / C, and thickness of the carbon fiber for the protective layer.
  • the evaluation result of the short circuit prevention effect is shown in Table 2.
  • a membrane / electrode assembly having the structure shown in FIG. 1 having an electrode area of 25 cm 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laminate (A) was used.
  • Table 2 shows the evaluation results of the adhesiveness and flooding prevention effect of the membrane / electrode assembly.
  • Example 6 The protective layer-forming coating solution of Example 1 was applied to the surface of a commercially available gas diffusible substrate (NOK, H2315 T10A, no microporous layer) with a die coater and dried at 80 ° C. for 20 minutes. Then, a protective layer having a thickness of 30 ⁇ m was formed to obtain a laminate (A) composed of a gas diffusion layer and a protective layer. Table 2 shows the average fiber diameter, F / C, and thickness of the carbon fiber for the protective layer. Moreover, about this laminated body (A), the evaluation result of the short circuit prevention effect is shown in Table 2. A membrane / electrode assembly having the structure shown in FIG. 1 having an electrode area of 25 cm 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laminate (A) was used. Table 2 shows the evaluation results of the adhesiveness and flooding prevention effect of the membrane / electrode assembly.
  • NOK NOK, H2315 T10A, no microporous layer
  • Example 7 10 g of vapor-grown carbon fiber (Showa Denko KK, VGCF-H, fiber diameter: 0.15 ⁇ m), 37.4 g of ethanol, 41.0 g of distilled water, a dispersion of the polymer (H1) of Example 1 25.0 g was added, stirred and mixed and dispersed using a homogenizer to obtain a coating liquid for forming an adhesive drainage layer.
  • the adhesive drainage layer forming coating solution is applied to the surface of an ETFE film (Asahi Glass Co., Ltd., Fluon ETFE 50 microns) with a die coater, dried at 80 ° C. for 30 minutes, and an adhesive drainage layer having a thickness of 10 ⁇ m. Formed.
  • ETFE film Asahi Glass Co., Ltd., Fluon ETFE 50 microns
  • Table 2 shows the average fiber diameter, f / c and thickness of the carbon fiber for the adhesive drainage layer.
  • the membrane catalyst layer assembly and the two laminates (B) were pressed at a press temperature of 130 ° C. so that the catalyst layer of the membrane catalyst layer assembly of Example 1 was in contact with the adhesive drainage layer of the laminate (B).
  • the membrane electrode assembly of the structure shown in FIG. 2 with an electrode area of 25 cm 2 was obtained by bonding by a hot press method with a pressure of 2 MPa. Table 2 shows the evaluation results of the adhesiveness and flooding prevention effect of the membrane / electrode assembly.
  • Example 8 The protective layer forming coating solution of Example 2 was applied to the surface of the adhesive drainage layer formed in the same manner as in Example 7 with a die coater so that the thickness after drying was 25 ⁇ m, and then the protective layer was formed. Before drying the coating solution, a commercially available gas diffusible substrate (manufactured by NOK, H2315 T10C1, with microporous layer) is placed on the coating solution, and the coating solution is applied while uniformly applying a pressure of 1 kPa. The working solution was dried at 80 ° C. for 30 minutes, and the ETFE film was peeled off to obtain a laminate (C) composed of a gas diffusion layer, a microporous layer, a protective layer, and an adhesive drainage layer. Table 2 shows the average fiber diameter, F / C, and thickness of the carbon fiber for the protective layer. Moreover, about this laminated body (B), the evaluation result of the short circuit prevention effect is shown in Table 2.
  • the membrane catalyst layer assembly and the two laminates (C) were pressed at a press temperature of 130 ° C. so that the catalyst layer of the membrane catalyst layer assembly of Example 1 was in contact with the adhesive drainage layer of the laminate (C).
  • the membrane electrode assembly of the structure shown in FIG. 3 having an electrode area of 25 cm 2 was obtained by bonding by a hot press method at a pressure of 2 MPa. Table 2 shows the evaluation results of the adhesiveness and flooding prevention effect of the membrane / electrode assembly.
  • Example 9 The protective layer-forming coating solution prepared in the same manner as in Example 1 was applied to the surface of a commercially available gas diffusible substrate (manufactured by NOK, H2315 T10AC1, with a microporous layer) with a die coater, and 80 ° C. was dried for 20 minutes to form a protective layer having a thickness of 30 ⁇ m to obtain a laminate (A) comprising a gas diffusion layer and a protective layer. Before drying the adhesive drainage layer formed in the same manner as in Example 7, the laminate (A) composed of the gas diffusion layer and the protective layer was placed, and the coating liquid was applied at 80 ° C. while applying a pressure of 1 kPa uniformly.
  • a laminate (B) comprising a gas diffusion layer, a microporous layer, a protective layer, and an adhesive drainage layer.
  • Table 2 shows the average fiber diameter, F / C, and thickness of the carbon fiber for the protective layer.
  • the membrane catalyst layer assembly and the two laminates (C) were pressed at a press temperature of 130 ° C. so that the catalyst layer of the membrane catalyst layer assembly of Example 1 was in contact with the adhesive drainage layer of the laminate (B).
  • the membrane electrode assembly of the structure shown in FIG. 3 having an electrode area of 25 cm 2 was obtained by bonding by a hot press method at a pressure of 2 MPa.
  • Table 2 shows the evaluation results of the adhesiveness and flooding prevention effect of the membrane / electrode assembly.
  • Example 10 To 10 g of carbon particles (manufactured by AKZO Chemie, Ketjen Black EC) was added 17.6 g of ethanol, 0.6 g of distilled water, and 10.7 g of the dispersion of the polymer (H1) of Example 1 and stirred. Mix and disperse using a homogenizer, and then add 11.1 g of 1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane (ZEROLA H, manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) and mix using a homogenizer To obtain a coating solution for forming a protective layer.
  • ZEROLA H 1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane
  • a protective layer having a thickness of 30 ⁇ m was formed in the same manner as in Example 3 except that the coating liquid for forming the protective layer was used to obtain a laminate (A) composed of a gas diffusion layer and a protective layer.
  • the thickness of the protective layer is shown in Table 2.
  • the evaluation result of the short circuit prevention effect is shown in Table 2.
  • a membrane / electrode assembly having the structure shown in FIG. 1 having an electrode area of 25 cm 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laminate (A) was used.
  • Table 2 shows the evaluation results of the adhesiveness and flooding prevention effect of the membrane / electrode assembly.
  • Example 11 10 g of vapor-grown carbon fiber (Showa Denko KK, VGCF-H, fiber diameter: 0.15 ⁇ m, fiber length: 10-20 ⁇ m), 17.2 g of ethanol, 5.2 g of distilled water, polymer of Example 1 Add 3.6 g of the dispersion of (H1), stir, mix and disperse using a homogenizer, and further 1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane (manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) And 6.3 g of Zeolora H) were mixed and dispersed using a homogenizer to obtain a coating solution for forming a protective layer.
  • Table 1 shows the composition of the dispersion medium, F / C, solid content concentration, and average fiber diameter of the carbon fibers for the protective layer-forming coating solution.
  • a protective layer having a thickness of 30 ⁇ m was formed in the same manner as in Example 3 except that the coating liquid for forming the protective layer was used to obtain a laminate (A) composed of a gas diffusion layer and a protective layer.
  • Table 2 shows the average fiber diameter, F / C, and thickness of the carbon fiber for the protective layer.
  • the evaluation result of the short circuit prevention effect is shown in Table 2.
  • a membrane / electrode assembly having the structure shown in FIG. 1 having an electrode area of 25 cm 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laminate (A) was used.
  • Table 2 shows the evaluation results of the adhesiveness and flooding prevention effect of the membrane / electrode assembly.
  • a commercially available gas diffusing substrate manufactured by NOK, H2315 T10A, no microporous layer
  • a protective layer was formed to obtain a laminate (A) composed of a gas diffusion layer and a protective layer.
  • the thickness of the protective layer is shown in Table 2.
  • the evaluation result of the short circuit prevention effect is shown in Table 2.
  • a membrane / electrode assembly having the structure shown in FIG. 1 having an electrode area of 25 cm 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laminate (A) was used.
  • Table 2 shows the evaluation results of the adhesiveness and flooding prevention effect of the membrane / electrode assembly.
  • Example 13 To 10 g of the carbon fiber used in Example 2, 19.3 g of ethanol, 3.9 g of distilled water, and 17.9 g of the dispersion of the polymer (H1) of Example 1 were added, stirred, and mixed using a homogenizer. Distributed. Furthermore, 9.0 g of 1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane (ZEROLA H manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) was added, mixed and dispersed using a homogenizer, and a coating for forming a protective layer was formed. A working solution was obtained. Table 1 shows the composition of the dispersion medium, F / C, solid content concentration, and average fiber diameter of the carbon fibers for the protective layer-forming coating solution.
  • ZEROLA H 1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane
  • a protective layer having a thickness of 30 ⁇ m was formed in the same manner as in Example 3 except that the coating liquid for forming the protective layer was used to obtain a laminate (A) composed of a gas diffusion layer and a protective layer.
  • Table 2 shows the average fiber diameter, F / C, and thickness of the carbon fiber for the protective layer.
  • the evaluation result of the short circuit prevention effect is shown in Table 2.
  • a membrane / electrode assembly having the structure shown in FIG. 1 having an electrode area of 25 cm 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laminate (A) was used.
  • Table 2 shows the evaluation results of the adhesiveness and flooding prevention effect of the membrane / electrode assembly.
  • Example 14 To 10 g of the carbon fiber used in Example 2, 14.0 g of ethanol, 4.6 g of distilled water, and 0.36 g of the dispersion of the polymer (H1) of Example 1 were added, stirred, and mixed using a homogenizer. Distributed. Furthermore, 4.7 g of 1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane (Zeonor H, manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) was added, and mixing and dispersion were performed using a homogenizer. The coating liquid for forming the protective layer could not be produced due to a defect. Table 1 shows the composition of the dispersion medium, the F / C, the solid content concentration, and the average fiber diameter of the carbon fibers for the composition liquid for which preparation of the protective layer-forming coating liquid was attempted.
  • Table 1 shows the composition of the dispersion medium, the F / C, the solid content concentration, and the average fiber diameter of the carbon fibers for the composition liquid for which preparation of the protective layer-forming coating liquid was
  • Examples 2 to 9 had a protective layer containing carbon fibers having a sufficient thickness and an average fiber diameter of 1 to 30 ⁇ m, and thus were excellent in short circuit prevention effect.
  • Example 1 since the protective layer was thin, the short-circuit preventing effect was slightly inferior.
  • Examples 3, 4, 7, 8, and 9 are flooded because the protective layer has an appropriate thickness, the carbon fibers have an appropriate average fiber diameter, and the F / C is adjusted to an appropriate range. Excellent prevention effect.
  • Examples 1 and 6 since the average fiber diameter of the carbon fiber was thin, the protective layer became dense and the flooding prevention effect was slightly inferior.
  • Example 2 since the protective layer was thick, the flooding prevention effect was slightly inferior.
  • Example 5 since the F / C was large, the effect of preventing flooding was slightly inferior. Since Examples 7, 8, and 9 had an adhesive drainage layer, the adhesiveness was also excellent.
  • Example 10 since carbon particles were used instead of carbon fiber, the short-circuit prevention effect and the flooding prevention effect were inferior.
  • Example 11 since the average fiber diameter of the carbon fiber was too thin, the short-circuit prevention effect was considerably inferior and the flooding prevention effect was slightly inferior.
  • the value of F / C was small, adhesiveness was a little inferior.
  • Example 12 the adhesive property was considerably inferior because the protective layer contained PTFE instead of the fluorine-containing ion exchange resin. Since the average fiber diameter of the carbon fiber was thin, the short circuit prevention effect and the flood prevention effect were slightly inferior.
  • Example 13 since F / C was too large, the flooding prevention effect was considerably inferior. Since the F / C of the coating liquid for forming the protective layer of Example 14 was too small, the carbon fibers were not sufficiently dispersed and could not be used for forming the protective layer.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

　ガス拡散層のカーボンファイバーが固体高分子電解質膜に突き刺さることによる短絡、およびフラッディングが発生しにくい膜電極接合体を提供する。 　触媒層２２およびガス拡散層２６を有するカソード２０と、触媒層３２およびガス拡散層３６を有するアノード３０と、カソード２０の触媒層２２とアノード３０の触媒層３２との間に配置される固体高分子電解質膜４０とを備え、カソード２０およびアノード３０がそれぞれ触媒層とガス拡散層との間に、平均繊維径が１～３０μｍであるカーボンファイバーと含フッ素イオン交換樹脂とを含む保護層２４および保護層３４をさらに有し、保護層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂（Ｆ）とカーボンファイバー（Ｃ）との質量比（Ｆ／Ｃ）が、０．０５～０．３０である膜電極接合体１０。

Description

固体高分子形燃料電池用膜電極接合体
　本発明は、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体に関する。
　燃料電池は発電効率が高く、反応生成物が原理的には水だけであり、環境への負荷が小さいことから今後の普及が見込まれている。なかでも固体高分子形燃料電池は、出力密度が高いため自動車用や分散発電システム、可搬型発電システム、および家庭用のコージェネレーションシステムとして広く普及することが期待されている。
　固体高分子形燃料電池は、通常、触媒層およびガス拡散層を有するカソードと、触媒層およびガス拡散層を有するアノードと、カソードの触媒層とアノードの触媒層との間に配置される固体高分子電解質膜とを備えた膜電極接合体の両側に、ガス流路が形成された導電性のセパレータを配置してなるセルから構成される。
　ガス拡散層としては、通常、カーボンファイバーを集積したガス拡散性基材（カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等。）が用いられる。しかし、ガス拡散性基材の表面にカーボンファイバーの毛羽立ち等があると、該カーボンファイバーが、ガス拡散層に隣接する触媒層、さらには固体高分子電解質膜に突き刺さる場合があり、短絡等の原因となる。
　ガス拡散層のカーボンファイバーによる固体高分子電解質膜の損傷が抑えられた膜電極接合体としては、たとえば、下記のものが提案されている。
　触媒層とガス拡散層との間に、導電性カーボン粒子（ケッチェンブラック、アセチレンブラック等。）と含フッ素イオン交換樹脂とを含む保護接着層を有する膜電極接合体（特許文献１）。
　しかし、該膜電極接合体においては、ガス拡散性基材の表面の毛羽立ったカーボンファイバーの長さが保護接着層の厚さよりも長い場合には、該カーボンファイバーが、保護接着層を貫通して固体高分子電解質膜に突き刺さる場合がある。また、該保護接着層は、細孔が小さく、排水性が悪いため、水蒸気の凝縮による細孔の閉塞（フラッディング）が起きやすい。
特開２００５－２１６８３４号公報
　本発明は、ガス拡散層のカーボンファイバーが固体高分子電解質膜に突き刺さることによる短絡、およびフラッディングが発生しにくい膜電極接合体を提供する。
　本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、触媒層およびガス拡散層を有するカソードと、触媒層およびガス拡散層を有するアノードと、前記カソードの触媒層と前記アノードの触媒層との間に配置される固体高分子電解質膜とを備え、前記カソードおよび前記アノードが、前記触媒層と前記ガス拡散層との間に、平均繊維径が１～３０μｍであるカーボンファイバーと含フッ素イオン交換樹脂とを含む保護層をさらに有し、前記保護層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂（Ｆ）とカーボンファイバー（Ｃ）との質量比（Ｆ／Ｃ）が、０．０５～０．３０であることを特徴とする。
　前記保護層の厚さは、１５～８０μｍであることが好ましい。
　前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方は、前記触媒層と前記保護層との間に、平均繊維径が１～２００ｎｍであるカーボンファイバーを含む接着排水層をさらに有すること好ましい。
　前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方は、前記保護層と前記ガス拡散層との間に、カーボン粒子を含むマイクロポーラス層をさらに有することが好ましい。
　本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体においては、ガス拡散層のカーボンファイバーが固体高分子電解質膜に突き刺さることによる短絡、およびフラッディングが発生しにくい。
本発明の膜電極接合体の一例を示す断面図である。 本発明の膜電極接合体の他の例を示す断面図である。 本発明の膜電極接合体の他の例を示す断面図である。
　本明細書においては、式（１）で表される繰り返し単位を単位（１）と記す。他の式で表される繰り返し単位も同様に記す。繰り返し単位は、モノマーが重合することによって形成された該モノマーに由来する単位を意味する。繰り返し単位は、重合反応によって直接形成された単位であってもよく、ポリマーを処理することによって該単位の一部が別の構造に変換された単位であってもよい。
　また、本明細書においては、式（２）で表される化合物を化合物（２）と記す。他の式で表される化合物も同様に記す。
＜膜電極接合体＞
　図１は、本発明の膜電極接合体の一例を示す断面図である。膜電極接合体１０は、触媒層２２、保護層２４およびガス拡散層２６を順に有するカソード２０と；触媒層３２、保護層３４およびガス拡散層３６を順に有するアノード３０と；カソード２０の触媒層２２とアノード３０の触媒層３２との間に配置される固体高分子電解質膜４０とを備えたものである。
（触媒層）
　触媒層２２および触媒層３２（以下、まとめて触媒層とも記す。）は、触媒およびイオン交換樹脂を含む層である。触媒層２２および触媒層３２は、成分、組成、厚さ等が同じ層であってもよく、異なる層であってもよい。
　触媒としては、燃料電池における酸化還元反応を促進するものであればよく、白金を含む触媒が好ましく、白金または白金合金がカーボン担体に担持された担持触媒が特に好ましい。
　カーボン担体としては、活性炭、カーボンブラック等が挙げられ、化学的耐久性が高い点から、熱処理等によりグラファイト化したものが好ましい。
　カーボン担体の比表面積は、２００ｍ２／ｇ以上が好ましい。カーボン担体の比表面積は、ＢＥＴ比表面積装置により、カーボン表面への窒素吸着により測定する。
　白金合金としては、白金を除く白金族の金属（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム。）、金、銀、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびスズからなる群から選ばれる１種以上の金属と、白金との合金が好ましい。該白金合金には、白金と合金化される金属と、白金との金属間化合物が含まれていてもよい。
　白金または白金合金の担持量は、担持触媒（１００質量％）のうち、１０～７０質量％が好ましい。
　イオン交換樹脂としては、耐久性の点から、含フッ素イオン交換樹脂が好ましく、イオン性基を有するパーフルオロカーボンポリマー（エーテル性酸素原子を含んでいてもよい。）がより好ましい。該パーフルオロカーボンポリマーとしては、ポリマー（Ｈ）またはポリマー（Ｑ）が好ましい。
ポリマー（Ｈ）：
　ポリマー（Ｈ）は、テトラフルオロエチレン（以下、ＴＦＥと記す。）に基づく単位と、単位（１）とを有するコポリマーである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
 　ただし、Ｘはフッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、ｍは０～３の整数であり、ｎは１～１２の整数であり、ｐは０または１である。
　ポリマー（Ｈ）は、ＴＦＥおよび化合物（２）の混合物を重合して前駆体ポリマー（以下、ポリマー（Ｆ）と記す。）を得た後、ポリマー（Ｆ）中の－ＳＯ２Ｆ基をスルホン酸基に変換することにより得られる。－ＳＯ２Ｆ基のスルホン酸基への変換は、加水分解および酸型化処理により行われる。
　ＣＦ２＝ＣＦ（ＯＣＦ２ＣＦＸ）ｍ－Ｏｐ－（ＣＦ２）ｎ－ＳＯ２Ｆ　・・・（２）。
　ただし、Ｘはフッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、ｍは０～３の整数であり、ｎは１～１２の整数であり、ｐは０または１である。
　化合物（２）としては、化合物（２－１）～（２－３）が好ましい。
　ＣＦ２＝ＣＦＯ（ＣＦ２）ｎ１ＳＯ２Ｆ　・・・（２－１）、
　ＣＦ２＝ＣＦＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）Ｏ（ＣＦ２）ｎ２ＳＯ２Ｆ　・・・（２－２）、　ＣＦ２＝ＣＦ（ＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３））ｍ３Ｏ（ＣＦ２）ｎ３ＳＯ２Ｆ　・・・（２－３）。
　ただし、ｎ１、ｎ２、ｎ３は１～８の整数であり、ｍ３は１～３の整数である。
ポリマー（Ｑ）：
　ポリマー（Ｑ）は、単位（Ｕ１）と単位（Ｕ２）とを有するコポリマーである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
　ただし、Ｑ１は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキレン基であり、Ｑ２は、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキレン基であり、Ｒｆ１は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキル基であり、Ｘ１は、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、ａは、Ｘ１が酸素原子の場合０であり、Ｘ１が窒素原子の場合１であり、Ｘ１が炭素原子の場合２であり、Ｙ１は、フッ素原子または１価のパーフルオロ有機基であり、ｓは、０または１であり、Ｑ３は、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキレン基であり、Ｒｆ２は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキル基であり、Ｘ２は、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、ｂは、Ｘ２が酸素原子の場合０であり、Ｘ２が窒素原子の場合１であり、Ｘ２が炭素原子の場合２であり、Ｙ２は、フッ素原子または１価のパーフルオロ有機基であり、ｔは、０または１である。
　単結合は、ＣＹ１またはＣＹ２の炭素原子と、ＳＯ２のイオウ原子とが直接結合していることを意味する。
　有機基は、炭素原子を１以上含む基を意味する。
　単位（Ｕ１）：
　Ｑ１、Ｑ２のパーフルオロアルキレン基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、１個であってもよく、２個以上であってもよい。また、該酸素原子は、パーフルオロアルキレン基の炭素原子－炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。
　パーフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
　パーフルオロアルキレン基の炭素数は、１～６が好ましく、１～４がより好ましい。炭素数が６以下であれば、原料の含フッ素モノマーの沸点が低くなり、蒸留精製が容易となる。また、炭素数が６以下であれば、ポリマー（Ｑ）の当量重量の増加が抑えられ、プロトン伝導率の低下が抑えられる。
　Ｑ２は、エーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数１～６のパーフルオロアルキレン基であることが好ましい。Ｑ２がエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数１～６のパーフルオロアルキレン基であれば、Ｑ２が単結合である場合に比べ、長期にわたって固体高分子形燃料電池を運転した際に、発電性能の安定性に優れる。
　Ｑ１、Ｑ２の少なくとも一方は、エーテル性の酸素原子を有する炭素数１～６のパーフルオロアルキレン基であることが好ましい。エーテル性の酸素原子を有する炭素数１～６のパーフルオロアルキレン基を有する含フッ素モノマーは、フッ素ガスによるフッ素化反応を経ずに合成できるため、収率が良好で、製造が容易である。
　Ｒｆ１のパーフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
　パーフルオロアルキル基の炭素数は、１～６が好ましく、１～４がより好ましい。パーフルオロアルキル基としては、パーフルオロメチル基、パーフルオロエチル基等が好ましい。
　単位（Ｕ１）が２つ以上のＲｆ１を有する場合、Ｒｆ１は、それぞれ同じ基であってもよく、それぞれ異なる基であってもよい。
　－（ＳＯ２Ｘ１（ＳＯ２Ｒｆ１）ａ）－Ｈ＋基は、イオン性基である。
　－（ＳＯ２Ｘ１（ＳＯ２Ｒｆ１）ａ）－Ｈ＋基としては、スルホン酸基（－ＳＯ３ －Ｈ＋基）、スルホンイミド基（－ＳＯ２Ｎ（ＳＯ２Ｒｆ１）－Ｈ＋基）、またはスルホンメチド基（－ＳＯ２Ｃ（ＳＯ２Ｒｆ１）２）－Ｈ＋基）が挙げられる。
　Ｙ１としては、フッ素原子、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数１～６の直鎖のパーフルオロアルキル基であることが好ましい。
　単位（Ｕ１）としては、単位（Ｍ１）が好ましく、ポリマー（Ｑ）の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位（Ｍ１１）、単位（Ｍ１２）または単位（Ｍ１３）がより好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
 　ただし、ＲＦ１１は、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数１～６の直鎖状のパーフルオロアルキレン基であり、ＲＦ１２は、炭素数１～６の直鎖状のパーフルオロアルキレン基である。
　単位（Ｕ２）：
　Ｑ３のパーフルオロアルキレン基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、１個であってもよく、２個以上であってもよい。また、該酸素原子は、パーフルオロアルキレン基の炭素原子－炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。
　パーフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよい。
　パーフルオロアルキレン基の炭素数は、１～６が好ましく、１～４がより好ましい。炭素数が６以下であれば、ポリマー（Ｑ）の当量重量の増加が抑えられ、プロトン伝導率の低下が抑えられる。
　Ｒｆ２のパーフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
　パーフルオロアルキル基の炭素数は、１～６が好ましく、１～４がより好ましい。パーフルオロアルキル基としては、パーフルオロメチル基、パーフルオロエチル基等が好ましい。
　－（ＳＯ２Ｘ２（ＳＯ２Ｒｆ２）ｂ）－Ｈ＋基は、イオン性基である。
　－（ＳＯ２Ｘ２（ＳＯ２Ｒｆ２）ｂ）－Ｈ＋基としては、スルホン酸基（－ＳＯ３ －Ｈ＋基）、スルホンイミド基（－ＳＯ２Ｎ（ＳＯ２Ｒｆ２）－Ｈ＋基）、またはスルホンメチド基（－ＳＯ２Ｃ（ＳＯ２Ｒｆ２）２）－Ｈ＋基）が挙げられる。
　Ｙ２としては、フッ素原子またはトリフルオロメチル基が好ましい。
　単位（Ｕ２）としては、単位（Ｍ２）が好ましく、ポリマー（Ｑ）の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位（Ｍ２１）、単位（Ｍ２２）、単位（Ｍ２３）または単位（Ｍ２４）がより好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 　ただし、Ｙは、フッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、ｍは、０～３の整数であり、ｎは、１～１２の整数であり、ｐは、０または１であり、かつ、ｍ＋ｐ＞０である。
　他の単位：
　ポリマー（Ｑ）は、さらに、後述する他のモノマーに基づく繰り返し単位（以下、他の単位と記す。）を有していてもよい。他の単位の割合は、ポリマー（Ｑ）の、当量重量が後述の好ましい範囲となるように、適宜調整すればよい。
　他の単位としては、機械的強度および化学的な耐久性の点から、パーフルオロモノマーに基づく繰り返し単位が好ましく、ＴＦＥに基づく繰り返し単位がより好ましい。
　ＴＦＥに基づく繰り返し単位の割合は、機械的強度および化学的な耐久性の点から、ポリマー（Ｑ）を構成する全繰り返し単位（１００モル％）のうち、２０モル％以上が好ましく、４０モル％以上がより好ましい。
　ＴＦＥに基づく繰り返し単位の割合は、電気抵抗の点から、ポリマー（Ｑ）を構成する全繰り返し単位（１００モル％）のうち、９２モル％以下が好ましく、８７モル％以下がより好ましい。
　ポリマー（Ｑ）は、単位（Ｕ１）、単位（Ｕ２）、および他の単位を、それぞれ１種ずつ有していてもよく、それぞれ２種以上有していてもよい。
　ポリマー（Ｑ）は、化学的な耐久性の点から、パーフルオロポリマーであることが好ましい。
　ポリマー（Ｑ）の当量重量（イオン性基１当量あたりのポリマーＨのｇ数。以下、ＥＷと記す。）は、４００～９００ｇ乾燥樹脂／当量（以下、ｇ／当量と記す。）が好ましく、５００～８００ｇ／当量がより好ましく、５５０～７８０ｇ／当量がさらに好ましく、５８０～７５０ｇ／当量が特に好ましい。ＥＷが９００ｇ／当量以下であれば、プロトン伝導率が高くなる（電気抵抗が低くなる）ため、充分な電池出力を得ることできる。ＥＷが４００ｇ／当量以上であれば、分子量の高いポリマーの合成が容易であり、また、ポリマー（Ｑ）が過度に水で膨潤しないため、機械的強度を保持できる。
　従来から汎用的に用いられているポリマーのＥＷは、電気抵抗と機械的強度とのバランスから、９００～１１００ｇ／当量とされている。一方、ポリマー（Ｑ）においては、ＥＷを小さくして、電気抵抗を下げても、機械的強度を保持できる。
　ポリマー（Ｑ）における単位（Ｕ２）の割合は、単位（Ｕ２）／（単位（Ｕ１）＋単位（Ｕ２））とした場合、０．２～０．７が好ましく、０．２５～０．６がより好ましく、０．３～０．５５（モル比）がさらに好ましい。単位（Ｕ２）の割合が０．２以上であれば、湿潤と乾燥との繰り返しに対する耐久性が高くなり、固体高分子形燃料電池を長期にわたって安定して運転できる。単位（Ｕ２）の割合が０．７以下であれば、含水率が高すぎることなく、また、軟化温度およびガラス転移温度も低くなりすぎることなく、機械的強度を保持できる。
　ポリマー（Ｑ）の質量平均分子量は、１×１０４～１×１０７が好ましく、５×１０４～５×１０６がより好ましく、１×１０５～３×１０６がさらに好ましい。ポリマー（Ｑ）の質量平均分子量が１×１０４以上であれば、膨潤度等の物性が経時的に変化しにくく、耐久性が充分となる。ポリマー（Ｑ）の質量平均分子量が１×１０７以下であれば、溶液化および成形が容易となる。
　ポリマー（Ｑ）の質量平均分子量は、ＴＱ値を測定することにより評価できる。ＴＱ値（単位：℃）は、ポリマーの分子量の指標であり、長さ１ｍｍ、内径１ｍｍのノズルを用い、２．９４ＭＰａの押出し圧力の条件でポリマーの溶融押出しを行った際の押出し量が１００ｍｍ３／秒となる温度である。たとえば、ＴＱ値が２００～３００℃であるポリマーは、ポリマーを構成する繰り返し単位の組成で異なるが、質量平均分子量が１×１０５～１×１０６に相当する。
　含フッ素イオン交換樹脂のイオン交換容量は、導電性およびガス透過性の点から、０．５～２．０ミリ当量／ｇ乾燥樹脂が好ましく、０．８～１．５ミリ当量／ｇ乾燥樹脂が特に好ましい。
　触媒層における含フッ素イオン交換樹脂と触媒中のカーボンとの質量比（含フッ素イオン交換樹脂／触媒中のカーボン）は、燃料電池の発電性能の点から、０．４～１．６が好ましく、０．６～１．２が特に好ましい。
　触媒層に含まれる白金量は、電極反応を効率よく行うための最適な厚みの点から、０．０１～０．５ｍｇ／ｃｍ２が好ましく、原料のコストと性能とのバランスの点から、０．０５～０．３５ｍｇ／ｃｍ２がより好ましい。
　触媒層の厚さは、触媒層中のガス拡散を容易にし、固体高分子形燃料電池の発電性能を向上させる点から、２０μｍ以下が好ましく、１～１５μｍがより好ましい。また、触媒層の厚さは、均一であることが好ましい。触媒層の厚さを薄くすると、単位面積あたりに存在する触媒量が少なくなって反応活性が低くなるおそれがあるが、該場合は触媒として白金または白金合金が高担持率で担持された担持触媒を用いれば、薄くても触媒量が不足することなく電極の反応活性を高く維持できる。
　触媒層の厚さは、触媒層の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）等によって観察することにより測定する。
（保護層）
　保護層２４および保護層３４（以下、まとめて保護層とも記す。）は、平均繊維径が１～３０μｍであるカーボンファイバーと含フッ素イオン交換樹脂とを含む層である。保護層２４および保護層３４は、成分、組成、厚さ等が同じ層であってもよく、異なる層であってもよい。
　保護層に含まれるカーボンファイバーとしては、ＰＡＮ系カーボンファイバー、ピッチ系カーボンファイバー等が挙げられる。
　カーボンファイバーの形態としては、チョップドファイバー、ミルドファイバー等が挙げられる。
　保護層に含まれるカーボンファイバーの平均繊維径は、１～３０μｍであり、３～２５μｍが好ましく、５～２０μｍがより好ましい。カーボンファイバーの平均繊維径が１μｍ以上であれば、ガス拡散層のカーボンファイバーが貫通しにくくなる。また、塗工液を用いて形成した保護層が良好なガス拡散性、排水性を有する。カーボンファイバーの平均繊維径が３０μｍ以下であれば、分散媒にカーボンファイバーを良好に分散できる。
　保護層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂としては、イオン交換基を有するパーフルオロポリマーが好ましく、上述のポリマー（Ｈ）またはポリマー（Ｑ）が特に好ましい。保護層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂は、触媒層に含まれるイオン交換樹脂が含フッ素イオン交換樹脂である場合には触媒層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂と同じであってもよく、異なってもよい。
　含フッ素イオン交換樹脂のイオン交換容量は、導電性およびガス透過性の点から、０．５～２．０ミリ当量／ｇ乾燥樹脂が好ましく、０．８～１．５ミリ当量／ｇ乾燥樹脂が特に好ましい。
　保護層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂（Ｆ）とカーボンファイバー（Ｃ）との質量比（Ｆ／Ｃ）は、０．０５～０．３０であり、０．１～０．２が好ましい。Ｆ／Ｃが０．０５以上であれば、分散媒にカーボンファイバーを良好に分散できる。含フッ素イオン交換樹脂の量が０．３０以下であれば、塗工液を用いて形成した保護層が良好なガス拡散性、および排水性を有する。
　保護層の厚さは、１５～８０μｍが好ましく、２０～５０μｍがより好ましい。保護層の厚さが１５μｍ以上であれば、ガス拡散層のカーボンファイバーが貫通しにくくなる。
保護層の厚さが８０μｍ以下であれば、塗工液を用いて形成した保護層が良好なガス拡散性、および排水性を有する。
　保護層の厚さは、保護層の断面をＳＥＭ等によって観察することにより測定する。
（ガス拡散層）
　ガス拡散層２６およびガス拡散層３６（以下、まとめてガス拡散層とも記す。）は、ガス拡散性基材からなる層である。ガス拡散層２６およびガス拡散層３６は、成分、組成、厚さ等が同じ層であってもよく、異なる層であってもよい。
　ガス拡散性基材としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等が挙げられる。
　ガス拡散層の厚さは、１００～４００μｍが好ましく、１２０～３００μｍがより好ましい。
　ガス拡散層の厚さは、デジマチックインジケータ（ミツトヨ社製、５４３－２５０、フラット測定端子：φ５ｍｍ）を用いて４箇所の厚さを測定し、これらを平均して算出する。
（接着排水層）
　本発明の膜電極接合体は、図２に示すように、触媒層と保護層との間に、平均繊維径が１～２００ｎｍであるカーボンファイバーと、イオン交換樹脂とを含む接着排水層２８および接着排水層３８（以下、まとめて接着排水層とも記す。）を有していてもよい。接着排水層２８および接着排水層３８は、成分、組成、厚さ等が同じ層であってもよく、異なる層であってもよい。
　触媒層と保護層との間に、平均繊維径が１～２００ｎｍであるカーボンファイバーを主体とする接着排水層を設けることにより、水が毛細管現象によって触媒層から保護層へと速やかに移動し、固体高分子形燃料電池の運転時のフラッディングの問題が解消されやすくなる。
　接着排水層に含まれるカーボンファイバーとしては、微細でかつ電子伝導性が高い点から、カーボンナノファイバーが好ましい。カーボンナノファイバーとしては、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ（シングルウォール、ダブルウォール、マルチウォール、カップ積層型等。）等が挙げられる。
　接着排水層に含まれるカーボンファイバーの平均繊維径は、１～２００ｎｍであり、１０～１８０ｎｍが好ましい。該範囲とすることにより、カーボンファイバーが互いに絡み合って空隙を形成し、多孔質の空隙を埋めてしまうことがないため、高いガス拡散性、および排水性が維持される。
　接着排水層に含まれるイオン交換樹脂としては、含フッ素イオン交換樹脂が好ましい。
含フッ素イオン交換樹脂としては、イオン性基を有するパーフルオロカーボンポリマー（エーテル性酸素原子を含んでいてもよい。）が好ましく、ポリマー（Ｈ）またはポリマー（Ｑ）が特に好ましい。接着排水層に含フッ素イオン交換樹脂を含む場合の含フッ素イオン交換樹脂は、保護層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂と同じであってもよく、異なってもよい。また、接着排水層に含フッ素イオン交換樹脂を含み、触媒層に含フッ素イオン交換樹脂を含む場合は、接着排水層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂と、触媒層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂とは、同じであってもよく、異なってもよい。
　また、接着排水層に含フッ素イオン交換樹脂を含む場合は、接着排水層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂（ｆ）とカーボンファイバー（ｃ）との質量比（ｆ／ｃ）は、０．０５～２が好ましく、０．１～０．７がより好ましい。ｆ／ｃが０．０５以上であれば、分散安定性が高くなる。ｆ／ｃが２以下であれば、塗工層の電気伝導性に実用上の問題はない。該範囲とすることにより、接着排水層のガス拡散性、排水性、触媒層や保護層との接着性が良好となる。
　接着排水層の厚さは、２～１５μｍが好ましい。該範囲とすることにより、触媒層や保護層との接着性が良好となり、また、該界面での接触抵抗を充分小さくできる。
　接着排水層の厚さは、接着排水層の断面をＳＥＭ等によって観察することにより測定する。
　接着排水層は、カソード２０およびアノード３０の両方に設けてもよく、カソード２０およびアノード３０の一方に設けてもよい。カソード２０およびアノード３０の一方が接着排水層を有し、他方が接着排水層を有さない場合、カソード２０が接着排水層を有することが好ましい。
（マイクロポーラス層）
　本発明の膜電極接合体は、図３に示すように、保護層とガス拡散層との間に、カーボン粒子と結着剤とを含むマイクロポーラス層２９およびマイクロポーラス層３９（以下、まとめてマイクロポーラス層とも記す。）を有していてもよい。マイクロポーラス層２９およびマイクロポーラス層３９は、成分、組成、厚さ等が同じ層であってもよく、異なる層であってもよい。
　保護層とガス拡散層との間に、カーボン粒子を主体とするマイクロポーラス層を設けることにより、水がガス拡散層の細孔を塞ぎにくくなり、ガス拡散性の低下が抑えられる。
　マイクロポーラス層に含まれるカーボン粒子としては、カーボンブラック等が挙げられる。
　マイクロポーラス層に含まれる結着剤としては、撥水性の含フッ素ポリマーが好ましく、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が特に好ましい。
　マイクロポーラス層は、カソード２０およびアノード３０の両方に設けてもよく、カソード２０およびアノード３０の一方に設けてもよい。カソード２０およびアノード３０の一方がマイクロポーラス層を有し、他方がマイクロポーラス層を有さない場合、カソード２０がマイクロポーラス層を有することが好ましい。
（固体高分子電解質膜）
　固体高分子電解質膜４０は、イオン交換樹脂の膜である。
　イオン交換樹脂としては、耐久性の点から、含フッ素イオン交換樹脂が好ましく、イオン性基を有するパーフルオロカーボンポリマー（エーテル性酸素原子を含んでいてもよい。）がより好ましく、上述のポリマー（Ｈ）またはポリマー（Ｑ）が特に好ましい。
　含フッ素イオン交換樹脂のイオン交換容量は、０．５～２．０ミリ当量／ｇ乾燥樹脂が好ましく、０．８～１．５ミリ当量／ｇ乾燥樹脂が特に好ましい。
　固体高分子電解質膜４０の厚さは、１０～３０μｍが好ましく、１５～２５μｍがより好ましい。固体高分子電解質膜４０の厚さが３０μｍ以下であれば、低加湿条件での固体高分子形燃料電池の発電性能の低下が抑えられる。また、固体高分子電解質膜４０の厚さを１０μｍ以上とすることにより、ガスリークや電気的な短絡を抑えることができる。
　固体高分子電解質膜４０の厚さは、固体高分子電解質膜４０の断面をＳＥＭ等によって観察することにより測定する。
（膜電極接合体の製造方法）
　膜電極接合体１０の製造方法としては、たとえば、下記の方法（Ｉ）～（III）が挙げられる。
方法（Ｉ)：
　下記の工程（Ｉ－１）、（Ｉ－２）を順に行い、図１の膜電極接合体１０を製造する方法。
　（Ｉ－１）ガス拡散性基材の表面に、後述の保護層形成用塗工液を塗工し、乾燥させることによって、ガス拡散層と保護層とからなる積層体（Ａ）を得る工程。
　（Ｉ－２）固体高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された膜触媒層接合体の触媒層と、積層体（Ａ）の保護層とが接するように、膜触媒層接合体と２枚の積層体（Ａ）とを接合する工程。
　塗工方法としては、公知の方法を用いればよい。
　乾燥温度は、４０～１３０℃が好ましい。
　接合方法としては、ホットプレス法、ホットロールプレス法、超音波融着法等が挙げられ、面内の均一性の点から、ホットプレス法が好ましい。
　プレス機内のプレス板の温度は、１００～１５０℃が好ましい。
　プレス圧力は、０．５～４．０ＭＰａが好ましい。
方法（II)：
　下記の工程（II－１）～（II－３）を順に行い、図２の膜電極接合体１０を製造する方法。
　（II－１）離型フィルムの表面に、後述の接着排水層形成用塗工液を塗工し、乾燥させることによって、接着排水層を形成する工程。
　（II－２）接着排水層の表面に、後述の保護層形成用塗工液を塗工し、該塗工液を乾燥させる前に、該塗工液の上にガス拡散性基材を載せ、該塗工液を乾燥させることによって、ガス拡散層と保護層と接着排水層とからなる積層体（Ｂ）を得る工程。
　（II－３）固体高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された膜触媒層接合体の触媒層と、積層体（Ｂ）の接着排水層とが接するように、膜触媒層接合体と２枚の積層体（Ｂ）とを接合する工程。
　離型フィルムとしては、ポリプロピレンフィルム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム、エチレン－ＴＦＥコポリマー（ＥＴＦＥ）フィルム等が挙げられる。
　塗工、乾燥および接合は、方法（Ｉ）と同様の条件で行えばよい。
方法（III)：
　下記の工程（III－１）～（III－３）を順に行い、図３の膜電極接合体１０を製造する方法。
　（III－１）離型フィルムの表面に、後述の接着排水層形成用塗工液を塗工し、乾燥させることによって、接着排水層を形成する工程。
　（III－２）接着排水層の表面に、後述の保護層形成用塗工液を塗工し、該塗工液を乾燥させる前に、該塗工液の上にガス拡散性基材（マイクロポーラス層付き）を載せ、該塗工液を乾燥させることによって、ガス拡散層とマイクロポーラス層と保護層と接着排水層とからなる積層体（Ｃ）を得る工程。
　（III－３）固体高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された膜触媒層接合体の触媒層と、積層体（Ｃ）の接着排水層とが接するように、膜触媒層接合体と２枚の積層体（Ｃ）とを接合する工程。
　マイクロポーラス層は、ガス拡散性基材の表面に、カーボン粒子と、必要に応じて結着剤とを含むマイクロポーラス層形成用塗工液を塗工し、乾燥させることによって形成される。
（保護層形成用塗工液）
　保護層形成用塗工液は、平均繊維径が１～３０μｍであるカーボンファイバーと、含フッ素イオン交換樹脂と、分散媒とを含む。
　分散媒としては、有機溶媒、水が挙げられ、アルコール類と水とを含む分散媒が特に好ましい。
　アルコール類としては、非フッ素系アルコール類（メタノール、エタノール、１－プロパノール、２－プロパノール等。）、フッ素系アルコール類（２，２，２－トリフルオロエタノール、２，２，３，３，３－ペンタフルオロ－１－プロパノール、２，２，３，３－テトラフルオロ－１－プロパノール、４，４，５，５，５－ペンタフルオロ－１－ペンタノール、１，１，１，３，３，３－ヘキサフルオロ－２－プロパノール、３，３，３－トリフルオロ－１－プロパノール、３，３，４，４，５，５，６，６，６－ノナフルオロ－１－ヘキサノール、３，３，４，４，５，５，６，６，７，７，８，８，８－トリデカフルオロ－１－オクタノール等。）等が挙げられる。
　また、含フッ素化合物溶媒として、２，２，３，３，３－ペンタフルオロプロピルメチルエーテル、２，２，３，３，３－ペンタフルオロプロピルフルオロメチルエーテル、１，１，３，３，３－ペンタフルオロ－２－トリフルオロメチルプロピルメチルエーテルなどを利用することもできる。
　分散媒は、カーボンファイバーの分散状態を長期間保持できる点から、フッ素系溶媒を含むことが好ましい。
　フッ素系溶媒としては、フッ素系脂肪族類（１，１，２，２，３，３，４－ヘプタフルオロシクロペンタン、１，３－ジクロロ－１，１，２，２，３－ペンタフルオロプロパン、１，１－ジクロロ－２，２，３，３，３－ペンタフルオロプロパン、１，１，１，２，３，４，４，５，５，５－デカフルオロペンタン、１，１，１－トリクロロ－２，２，３，３，３－ペンタフルオロプロパン等。）、前記フッ素系アルコール類等が挙げられ、カーボンファイバーの分散状態を長期間保持できる点から、１，１，２，２，３，３，４－ヘプタフルオロシクロペンタンまたは２，２，３，３，３－ペンタフルオロ－１－プロパノールが特に好ましい。
　アルコール類の割合は、分散媒１００質量％のうち、４０～８０質量％が好ましく、５０～７０質量％がより好ましい。アルコール類の割合が８０質量％を超えると、塗工液の粘度が大きくなりすぎ、均一に塗工することが困難になることから塗工液を用いて形成した層が不均一になってしまったり、塗工後の乾燥工程で引火し易くなったりする等の問題が生じる。アルコール類の割合が４０質量％未満では、残りの分散媒成分（たとえば水、フッ素系溶媒）とで均一に混合することが困難になり、カーボンファイバーの分散状態が悪化して塗工液を用いて形成した層に塗工ムラができる原因となる。
　水の割合は、分散媒１００質量％のうち、５～４０質量％が好ましく、１０～３０質量％がより好ましい。水の割合が４０質量％を超えると、塗工液の粘度が充分大きくならず、カーボンファイバーの分散を良好に保ちにくくなる。水の割合が５質量％未満では、塗工液の粘度が大きくなりすぎ、均一に塗工することが困難になることから塗工液を用いて形成した層が不均一になってしまったり、塗工後の乾燥工程で引火しやすくなったりする等の問題が生じる。
　フッ素系溶媒の割合は、分散媒１００質量％のうち、２～４０質量％が好ましく、１０～３０質量％がより好ましい。フッ素系溶媒の割合が１０質量％以上であれば、カーボンファイバーの分散状態を長期間保持できる。フッ素系溶媒の割合が１０質量％未満では、塗工液の粘度を上げることができず、カーボンファイバーの分散状態を長期間保持できない。
　保護層形成用塗工液の固形分濃度は、１０～５０質量％が好ましく、２０～４０質量％がより好ましく、２５～３５質量％が特に好ましい。固形分濃度が１０質量％以上であれば、塗工液の粘度を分散媒の組成で調整することにより厚さが１００～３００μｍの塗工液を用いて形成する層を１回で塗工することができる。固形分濃度が５０質量％以下であれば、カーボンファイバーの分散状態を長期間保持できる。
　保護層形成用塗工液の固形分濃度は、塗工液の総質量におけるカーボンファイバーおよび含フッ素イオン交換樹脂の質量の和の割合で表す。
　保護層形成用塗工液は、たとえば、下記のようにして調製される。
　分散媒の一部に含フッ素イオン交換樹脂を分散させて、含フッ素イオン交換樹脂の分散液を調製する。
　カーボンファイバー、残りの分散媒、前記含フッ素イオン交換樹脂の分散液を混合し混合液を得る。該混合液を撹拌し、分散媒にカーボンファイバーを分散させ、ガス拡散層形成用塗工液を得る。
　混合液の撹拌の際には、カーボンファイバーが適当な長さに揃えられ、分散性が向上する点から、ホモジナイザー、ビーズミル等を用いることが好ましい。
（接着排水層形成用塗工液）
　接着排水層形成用塗工液は、平均繊維径が１～２００ｎｍであるカーボンファイバーと、イオン交換樹脂と、分散媒とを含む。
　イオン交換樹脂としては、含フッ素イオン交換樹脂が好ましい。
　分散媒としては、有機溶媒、水が挙げられ、アルコール類と水とを含む分散媒が特に好ましい。
　アルコール類としては、前述した保護層形成用塗工液に用いることができるアルコール類が挙げられる。
　アルコール類の割合は、分散媒１００質量％のうち、１０～９０質量％が好ましく、３０～７０質量％がさらに好ましい。
　水の割合は、分散媒１００質量％のうち、１０～９０質量％が好ましく、３０～７０質量％がさらに好ましい。
　分散媒１００質量％のうち、アルコール類の割合が、３０～７０質量％であり、水の割合が３０～７０質量％であると、塗工性、分散安定性が一段と向上することから特に好ましい。また、該範囲の溶媒組成であれば、固形分濃度として最大３０質量％までの分散液を調製することができるので好ましい。
　また、分散媒として、さらにフッ素系溶媒を添加することもできる。
　フッ素系溶媒としては、前述した保護層形成用塗工液に用いることができるフッ素系溶媒が挙げられる。フッ素系溶媒としては、１，１，２，２，３，３，４－ヘプタフルオロシクロペンタンまたは２，２，３，３，３－ペンタフルオロ－１－プロパノールが特に好ましい。分散媒にフッ素系溶媒を添加することで、分散液の粘度、および分散安定性を調節できる。
　以上説明した膜電極接合体１０にあっては、カソード２０およびアノード３０が触媒層とガス拡散層との間に保護層を有しているため、ガス拡散層を構成するカーボンファイバーが、固体高分子電解質膜４０に突き刺さる等の物理的なダメージを保護層によって防ぐことができる。これにより膜電極接合体１０の短絡を抑えることができ、膜電極接合体１０の耐久性をより向上させることができる。また、保護層を有しているため、フラッディングが発生しにくい。
＜固体高分子形燃料電池＞
　本発明の膜電極接合体は、固体高分子形燃料電池に用いられる。固体高分子形燃料電池は、たとえば、膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟んで対向して配置された一対のセパレータとからなるセルを、膜電極接合体とセパレータとが交互に配置されるようにスタックしたものである。
　セパレータは、両面にガスの流路となる複数の溝が形成されたものである。
　セパレータとしては、金属製セパレータ、カーボン製セパレータ、黒鉛と樹脂とを混合した材料からなるセパレータ等、各種導電性材料からなるセパレータが挙げられる。
　固体高分子形燃料電池の種類としては、水素／酸素型燃料電池、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）等が挙げられる。
　以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されない。
　例１～９は実施例であり、例１０～１４は比較例である。
（平均繊維径）
　各塗工液に含まれるカーボンファイバーの平均繊維径は、塗工液をＰＥＴフィルムにアプリケーターで塗工し、乾燥させて厚さが５０～１００μｍの塗膜（保護層または接着排水層）を形成した後、該塗膜をマイクロスコープ（キーエンス社製、デジタルマイクロスコープ　ＶＨＸ－９００）によって観察し、マイクロスコープ像の中から無作為に選ばれた３０本のカーボンファイバーの繊維径を測定し、平均することにより算出した。
　各層に含まれるカーボンファイバーの平均繊維径は、該層を形成する塗工液に含まれるカーボンファイバーの平均繊維径と同じである。
（短絡防止効果）
　５ｃｍ×５ｃｍの積層体（Ａ）または積層体（Ｂ）の２枚と、６ｃｍ×６ｃｍ×厚さ３０μｍの固体高分子電解質膜（スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンポリマーの膜、旭硝子社製、商品名：フレミオン、イオン交換容量：１．１ミリ当量／ｇ乾燥樹脂）の１枚を用意した。
　積層体（Ａ）の保護層または積層体（Ｂ）の接着排水層が固体高分子電解質膜に接するように、２枚の積層体（Ａ）の間または２枚の積層体（Ｂ）の間に固体高分子電解質膜を挟み、２枚の積層体（Ａ）の間または２枚の積層体（Ｂ）の間に５０ｍＶの電圧を印加しながら、積層体（Ａ）または積層体（Ｂ）の外側から均一に３ＭＰａの圧力をかけ、短絡電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）を求めた。短絡防止効果は下記の基準で判断した。
　○：短絡電流密度が０．０１ｍＡ／ｃｍ２未満である。
　△：短絡電流密度が０．０１ｍＡ／ｃｍ２以上０．０５未満ｍＡ／ｃｍ２である。
　×：短絡電流密度が０．０５ｍＡ／ｃｍ２以上である。
（接着性）
　膜電極接合体の触媒層と保護層または接着排水層との界面を観察し、下記の基準で判断した。
　○：触媒層と保護層または接着排水層は充分に密着しており、該界面にて剥離が発生することはない。
　△：触媒層と保護層または接着排水層は密着しているが、該界面の一部に保護層または接着排水層が触媒層から浮いている部分が見られる。
　×：触媒層と保護層または接着排水層が密着せず、該界面にて剥離が発生しやすい。
（フラッディング防止効果）
　膜電極接合体を発電用セルに組み込み、常圧にて、水素（利用率７０％）／空気（利用率４０％）を供給し、セル温度８０℃において電流密度０．２Ａ／ｃｍ２および１．５Ａ／ｃｍ２における運転初期のセル電圧を測定し、フラッディングによる電圧の低下の程度を確認した。なお、アノード側には露点８０℃の水素を供給し、カソード側には露点８０℃の空気を供給した。
〔例１〕
　ＴＦＥに基づく単位と、下式（１１）で表される繰り返し単位とからなるポリマー（Ｈ１）（イオン交換容量：１．１ミリ当量／ｇ乾燥樹脂）をエタノールと水との混合分散媒（エタノール／水＝６０／４０（質量比））に分散させ、固形分濃度２８質量％のポリマー（Ｈ１）の分散液を調製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
　カーボンファイバー（東レ社製、ＭＬＤ３０、繊維径：７μｍ、繊維長：３０μｍ）の１０ｇに、エタノールの１７．２ｇ、蒸留水の５．２ｇ、ポリマー（Ｈ１）の分散液の３．６ｇを加え、撹拌し、ホモジナイザーを用いて混合、分散した。さらに、１，１，２，２，３，３，４－ヘプタフルオロシクロペンタン（日本ゼオン社製、ゼオローラＨ）の６．３ｇを加え、ホモジナイザーを用いて混合、分散し、保護層形成用塗工液を得た。該保護層形成用塗工液について、分散媒の組成、Ｆ／Ｃ、固形分濃度、カーボンファイバーの平均繊維径を表１に示す。
　該保護層形成用塗工液を、市販のガス拡散性基材（ＮＯＫ社製、Ｈ２３１５　Ｔ１０Ａ、マイクロポーラス層なし）の表面に、ダイコーターで塗工し、８０℃で２０分間乾燥させて、厚さ１０μｍの保護層を形成し、ガス拡散層と保護層とからなる積層体（Ａ）を得た。該保護層について、カーボンファイバーの平均繊維径、Ｆ／Ｃおよび厚さを表２に示す。また、該積層体（Ａ）について、短絡防止効果の評価結果を表２に示す。
　厚さ２５μｍの固体高分子電解質膜（スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンポリマーの膜、旭硝子社製、商品名：フレミオン、イオン交換容量：１．１ミリ当量／ｇ乾燥樹脂）の両面に厚さ５μｍの触媒層（白金量：０．２ｍｇ／ｃｍ２）が形成された膜触媒層接合体を用意した。
　膜触媒層接合体の触媒層と、積層体（Ａ）の保護層とが接するように、膜触媒層接合体と２枚の積層体（Ａ）とを、プレス温度１３０℃、プレス圧力２ＭＰａのホットプレス法により接合し、電極面積が２５ｃｍ２である、図１に示す構成の膜電極接合体を得た。該膜電極接合体について、接着性およびフラッディング防止効果の評価結果を表２に示す。
〔例２〕
　カーボンファイバー（三菱樹脂社製、Ｄｉａｌｅａｄ　Ｋ２２３ＱＭ、繊維径：１１μｍ、繊維長：５７μｍ）の１０ｇに、エタノールの１７．２ｇ、蒸留水の５．２ｇ、例１のポリマー（Ｈ１）の分散液の３．６ｇを加え、撹拌し、ホモジナイザーを用いて混合、分散した。さらに、１，１，２，２，３，３，４－ヘプタフルオロシクロペンタン（日本ゼオン社製、ゼオローラＨ）の６．３ｇを加え、ホモジナイザーを用いて混合、分散し、保護層形成用塗工液を得た。該保護層形成用塗工液について、分散媒の組成、Ｆ／Ｃ、固形分濃度、カーボンファイバーの平均繊維径を表１に示す。
　該保護層形成用塗工液を、市販のガス拡散性基材（ＮＯＫ社製、Ｈ２３１５　Ｔ１０Ａ、マイクロポーラス層なし）の表面に、ダイコーターで塗工し、８０℃で２０分間乾燥させて、厚さ１００μｍの保護層を形成し、ガス拡散層と保護層とからなる積層体（Ａ）を得た。該保護層について、カーボンファイバーの平均繊維径、Ｆ／Ｃおよび厚さを表２に示す。また、該積層体（Ａ）について、短絡防止効果の評価結果を表２に示す。
　該積層体（Ａ）を用いた以外は、例１と同様にして電極面積が２５ｃｍ２である、図１に示す構成の膜電極接合体を得た。該膜電極接合体について、接着性およびフラッディング防止効果の評価結果を表２に示す。
〔例３〕
　例２の保護層形成用塗工液を、市販のガス拡散性基材（ＮＯＫ社製、Ｈ２３１５　Ｔ１０Ａ、マイクロポーラス層なし）の表面に、ダイコーターで塗工し、８０℃で２０分間乾燥させて、厚さ３０μｍの保護層を形成し、ガス拡散層と保護層とからなる積層体（Ａ）を得た。該保護層について、カーボンファイバーの平均繊維径、Ｆ／Ｃおよび厚さを表２に示す。また、該積層体（Ａ）について、短絡防止効果の評価結果を表２に示す。
　該積層体（Ａ）を用いた以外は、例１と同様にして電極面積が２５ｃｍ２である、図１に示す構成の膜電極接合体を得た。該膜電極接合体について、接着性およびフラッディング防止効果の評価結果を表２に示す。
〔例４〕
　例２で用いたカーボンファイバーの１０ｇに、エタノールの１７．２ｇ、蒸留水の５．４ｇ、例１のポリマー（Ｈ１）の分散液の２．１ｇを加え、撹拌し、ホモジナイザーを用いて混合、分散した。さらに、１，１，２，２，３，３，４－ヘプタフルオロシクロペンタン（日本ゼオン社製、ゼオローラＨ）の６．０ｇを加え、ホモジナイザーを用いて混合、分散し、保護層形成用塗工液を得た。該保護層形成用塗工液について、分散媒の組成、Ｆ／Ｃ、固形分濃度、カーボンファイバーの平均繊維径を表１に示す。
　該保護層形成用塗工液を用いた以外は、例３と同様にして厚さ３０μｍの保護層を形成し、ガス拡散層と保護層とからなる積層体（Ａ）を得た。該保護層について、カーボンファイバーの平均繊維径、Ｆ／Ｃおよび厚さを表２に示す。また、該積層体（Ａ）について、短絡防止効果の評価結果を表２に示す。
　該積層体（Ａ）を用いた以外は、例１と同様にして電極面積が２５ｃｍ２である、図１に示す構成の膜電極接合体を得た。該膜電極接合体について、接着性およびフラッディング防止効果の評価結果を表２に示す。
〔例５〕
　例２で用いたカーボンファイバーの１０ｇに、エタノールの１７．５ｇ、蒸留水の４．５ｇ、例１のポリマー（Ｈ１）の分散液の８．９ｇを加え、撹拌し、ホモジナイザーを用いて混合、分散した。さらに、１，１，２，２，３，３，４－ヘプタフルオロシクロペンタン（日本ゼオン社製、ゼオローラＨ）の７．１ｇを加え、ホモジナイザーを用いて混合、分散し、保護層形成用塗工液を得た。該保護層形成用塗工液について、分散媒の組成、Ｆ／Ｃ、固形分濃度、カーボンファイバーの平均繊維径を表１に示す。
　該保護層形成用塗工液を用いた以外は、例３と同様にして厚さ３０μｍの保護層を形成し、ガス拡散層と保護層とからなる積層体（Ａ）を得た。該保護層について、カーボンファイバーの平均繊維径、Ｆ／Ｃおよび厚さを表２に示す。また、該積層体（Ａ）について、短絡防止効果の評価結果を表２に示す。
　該積層体（Ａ）を用いた以外は、例１と同様にして電極面積が２５ｃｍ２である、図１に示す構成の膜電極接合体を得た。該膜電極接合体について、接着性およびフラッディング防止効果の評価結果を表２に示す。
〔例６〕
　例１の保護層形成用塗工液を、市販のガス拡散性基材（ＮＯＫ社製、Ｈ２３１５　Ｔ１０Ａ、マイクロポーラス層なし）の表面に、ダイコーターで塗工し、８０℃で２０分間乾燥させて、厚さ３０μｍの保護層を形成し、ガス拡散層と保護層とからなる積層体（Ａ）を得た。該保護層について、カーボンファイバーの平均繊維径、Ｆ／Ｃおよび厚さを表２に示す。また、該積層体（Ａ）について、短絡防止効果の評価結果を表２に示す。
　該積層体（Ａ）を用いた以外は、例１と同様にして電極面積が２５ｃｍ２である、図１に示す構成の膜電極接合体を得た。該膜電極接合体について、接着性およびフラッディング防止効果の評価結果を表２に示す。
〔例７〕
　気相成長炭素繊維（昭和電工社製、ＶＧＣＦ－Ｈ、繊維径：０．１５μｍ）の１０ｇに、エタノールの３７．４ｇ、蒸留水の４１．０ｇ、例１のポリマー（Ｈ１）の分散液の２５．０ｇを加え、撹拌し、ホモジナイザーを用いて混合、分散し、接着排水層形成用塗工液を得た。
　該接着排水層形成用塗工液を、ＥＴＦＥフィルム（旭硝子社製、Ｆｌｕｏｎ　ＥＴＦＥ　５０ミクロン）の表面に、ダイコーターで塗工し、８０℃で３０分間乾燥させて、厚さ１０μｍの接着排水層を形成した。該接着排水層について、カーボンファイバーの平均繊維径、ｆ／ｃおよび厚さを表２に示す。
　該接着排水層の表面に、例２の保護層形成用塗工液を、乾燥後の厚さが３０μｍとなるようにダイコーターで塗工した後、保護層形成用塗工液を乾燥させる前に、該塗工液の上に市販のガス拡散性基材（ＮＯＫ社製、Ｈ２３１５　Ｔ１０Ａ、マイクロポーラス層なし）を載せ、均一に１ｋＰａの圧力をかけながら該塗工液を８０℃で３０分間乾燥させ、ＥＴＦＥフィルムを剥離することにより、ガス拡散層と保護層と接着排水層とからなる積層体（Ｂ）を得た。該保護層について、カーボンファイバーの平均繊維径、Ｆ／Ｃおよび厚さを表２に示す。また、該積層体（Ｂ）について、短絡防止効果の評価結果を表２に示す。
　例１の膜触媒層接合体の触媒層と、積層体（Ｂ）の接着排水層が接するように、膜触媒層接合体と２枚の積層体（Ｂ）とを、プレス温度１３０℃、プレス圧力２ＭＰａのホットプレス法により接合し、電極面積が２５ｃｍ２である、図２に示す構成の膜電極接合体を得た。該膜電極接合体について、接着性およびフラッディング防止効果の評価結果を表２に示す。
〔例８〕
　例７と同様にして形成された接着排水層の表面に、例２の保護層形成用塗工液を、乾燥後の厚さが２５μｍとなるようにダイコーターで塗工した後、保護層形成用塗工液を乾燥させる前に、該塗工液の上に市販のガス拡散性基材（ＮＯＫ社製、Ｈ２３１５　Ｔ１０Ｃ１、マイクロポーラス層あり）を載せ、均一に１ｋＰａの圧力をかけながら該塗工液を８０℃で３０分間乾燥させ、ＥＴＦＥフィルムを剥離することにより、ガス拡散層とマイクロポーラス層と保護層と接着排水層とからなる積層体（Ｃ）を得た。該保護層について、カーボンファイバーの平均繊維径、Ｆ／Ｃおよび厚さを表２に示す。また、該積層体（Ｂ）について、短絡防止効果の評価結果を表２に示す。
　例１の膜触媒層接合体の触媒層と、積層体（Ｃ）の接着排水層が接するように、膜触媒層接合体と２枚の積層体（Ｃ）とを、プレス温度１３０℃、プレス圧力２ＭＰａのホットプレス法により接合し、電極面積が２５ｃｍ２である、図３に示す構成の膜電極接合体を得た。該膜電極接合体について、接着性およびフラッディング防止効果の評価結果を表２に示す。
　また、保護層形成用塗工液に添加するカーボンファイバーを平均繊維径１３μｍのカーボンファイバーを用いる以外は例８と同様にして製造した膜電極接合体でも、例８の膜電極接合体と同様の接着性およびフラッディング防止効果を得ることができる。
　さらに、保護層形成用塗工液に添加するカーボンファイバーを平均繊維径１８μｍのカーボンファイバーを用いる以外は例８と同様にして製造した膜電極接合体でも、例８の膜電極接合体と同様の接着性およびフラッディング防止効果を得ることができる。
〔例９〕
　例１と同様にして調製した保護層形成用塗工液を、市販のガス拡散性基材（ＮＯＫ社製、Ｈ２３１５　Ｔ１０ＡＣ１、マイクロポーラス層あり）の表面に、ダイコーターで塗工し、８０℃で２０分間乾燥させて、厚さ３０μｍの保護層を形成し、ガス拡散層と保護層とからなる積層体（Ａ）を得た。例７と同様にして形成された接着排水層を乾燥させる前に、ガス拡散層と保護層とからなる積層体（Ａ）を載せ、均一に１ｋＰａの圧力をかけながら該塗工液を８０℃で３０分間乾燥させ、ＥＴＦＥフィルムを剥離することにより、ガス拡散層とマイクロポーラス層と保護層と接着排水層とからなる積層体（Ｂ）を得た。該保護層について、カーボンファイバーの平均繊維径、Ｆ／Ｃおよび厚さを表２に示す。
　例１の膜触媒層接合体の触媒層と、積層体（Ｂ）の接着排水層が接するように、膜触媒層接合体と２枚の積層体（Ｃ）とを、プレス温度１３０℃、プレス圧力２ＭＰａのホットプレス法により接合し、電極面積が２５ｃｍ２である、図３に示す構成の膜電極接合体を得た。該膜電極接合体について、接着性およびフラッディング防止効果の評価結果を表２に示す。
〔例１０〕
　カーボン粒子（ＡＫＺＯ　Ｃｈｅｍｉｅ社製、ケッチェンブラックＥＣ）の１０ｇに、エタノールの１７．６ｇ、蒸留水の０．６ｇ、例１のポリマー（Ｈ１）の分散液の１０．７ｇを加え、撹拌し、ホモジナイザーを用いて混合、分散し、さらに、１，１，２，２，３，３，４－ヘプタフルオロシクロペンタン（日本ゼオン社製、ゼオローラＨ）の１１．１ｇを加え、ホモジナイザーを用いて混合、分散し、保護層形成用塗工液を得た。
　該保護層形成用塗工液を用いた以外は、例３と同様にして厚さ３０μｍの保護層を形成し、ガス拡散層と保護層とからなる積層体（Ａ）を得た。該保護層について、厚さを表２に示す。また、該積層体（Ａ）について、短絡防止効果の評価結果を表２に示す。
　該積層体（Ａ）を用いた以外は、例１と同様にして電極面積が２５ｃｍ２である、図１に示す構成の膜電極接合体を得た。該膜電極接合体について、接着性およびフラッディング防止効果の評価結果を表２に示す。
〔例１１〕
　気相成長炭素繊維（昭和電工社製、ＶＧＣＦ－Ｈ、繊維径：０．１５μｍ、繊維長：１０～２０μｍ）の１０ｇに、エタノールの１７．２ｇ、蒸留水の５．２ｇ、例１のポリマー（Ｈ１）の分散液の３．６ｇを加え、撹拌し、ホモジナイザーを用いて混合、分散し、さらに、１，１，２，２，３，３，４－ヘプタフルオロシクロペンタン（日本ゼオン社製、ゼオローラＨ）の６．３ｇを加え、ホモジナイザーを用いて混合、分散し、保護層形成用塗工液を得た。該保護層形成用塗工液について、分散媒の組成、Ｆ／Ｃ、固形分濃度、カーボンファイバーの平均繊維径を表１に示す。
　該保護層形成用塗工液を用いた以外は、例３と同様にして厚さ３０μｍの保護層を形成し、ガス拡散層と保護層とからなる積層体（Ａ）を得た。該保護層について、カーボンファイバーの平均繊維径、Ｆ／Ｃおよび厚さを表２に示す。また、該積層体（Ａ）について、短絡防止効果の評価結果を表２に示す。
　該積層体（Ａ）を用いた以外は、例１と同様にして電極面積が２５ｃｍ２である、図１に示す構成の膜電極接合体を得た。該膜電極接合体について、接着性およびフラッディング防止効果の評価結果を表２に示す。
〔例１２〕
　特開２００７－１５７７３６号公報の例７と同様にして、ＰＴＦＥとＰＡＮ系カーボンファイバー（東レ社製、ＭＬＤ－３００、繊維径：７μｍ、繊維長：１３０μｍ）と、水／エタノール＝１／２の溶媒とを含むガス拡散用スラリーを調製した。ＰＴＦＥは４０質量％混合した。
　該ガス拡散用スラリーを、市販のガス拡散性基材（ＮＯＫ社製、Ｈ２３１５　Ｔ１０Ａ、マイクロポーラス層なし）の表面に、スプレーで塗工し、８０℃で２０分間乾燥させて、厚さ３０μｍの保護層を形成し、ガス拡散層と保護層とからなる積層体（Ａ）を得た。
該保護層について、厚さを表２に示す。また、該積層体（Ａ）について、短絡防止効果の評価結果を表２に示す。
　該積層体（Ａ）を用いた以外は、例１と同様にして電極面積が２５ｃｍ２である、図１に示す構成の膜電極接合体を得た。該膜電極接合体について、接着性およびフラッディング防止効果の評価結果を表２に示す。
〔例１３〕
　例２で用いたカーボンファイバーの１０ｇに、エタノールの１９．３ｇ、蒸留水の３．９ｇ、例１のポリマー（Ｈ１）の分散液の１７．９ｇを加え、撹拌し、ホモジナイザーを用いて混合、分散した。さらに、１，１，２，２，３，３，４－ヘプタフルオロシクロペンタン（日本ゼオン社製、ゼオローラＨ）の９．０ｇを加え、ホモジナイザーを用いて混合、分散し、保護層形成用塗工液を得た。該保護層形成用塗工液について、分散媒の組成、Ｆ／Ｃ、固形分濃度、カーボンファイバーの平均繊維径を表１に示す。
　該保護層形成用塗工液を用いた以外は、例３と同様にして厚さ３０μｍの保護層を形成し、ガス拡散層と保護層とからなる積層体（Ａ）を得た。該保護層について、カーボンファイバーの平均繊維径、Ｆ／Ｃおよび厚さを表２に示す。また、該積層体（Ａ）について、短絡防止効果の評価結果を表２に示す。
　該積層体（Ａ）を用いた以外は、例１と同様にして電極面積が２５ｃｍ２である、図１に示す構成の膜電極接合体を得た。該膜電極接合体について、接着性およびフラッディング防止効果の評価結果を表２に示す。
〔例１４〕
　例２で用いたカーボンファイバーの１０ｇに、エタノールの１４．０ｇ、蒸留水の４．６ｇ、例１のポリマー（Ｈ１）の分散液の０．３６ｇを加え、撹拌し、ホモジナイザーを用いて混合、分散した。さらに、１，１，２，２，３，３，４－ヘプタフルオロシクロペンタン（日本ゼオン社製、ゼオローラＨ）の４．７ｇを加え、ホモジナイザーを用いて混合、分散を行ってみたが、分散不良のため保護層形成用塗工液を作製することができなかった。該保護層形成用塗工液の作製を試みた組成液についての、分散媒の組成、Ｆ／Ｃ、固形分濃度、カーボンファイバーの平均繊維径を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　例２～９は、充分な厚さを有し、かつ平均繊維径が１～３０μｍであるカーボンファイバーを含む保護層を有するため、短絡防止効果に優れていた。例１は、保護層の厚さが薄いため、短絡防止効果がやや劣っていた。
　例３、４、７、８、９は、保護層が適度な厚さを有し、カーボンファイバーが適度な平均繊維径を有し、Ｆ／Ｃが適度な範囲に調整されているため、フラッディング防止効果に優れていた。例１、６は、カーボンファイバーの平均繊維径が細いため、保護層が密になり、フラッディング防止効果がやや劣っていた。例２は、保護層が厚いため、フラッディング防止効果がやや劣っていた。例５は、Ｆ／Ｃが大きいため、フラッディング防止効果がやや劣っていた。
　例７、８、９は、接着排水層を有するため、接着性にも優れていた。
　例１０は、カーボンファイバーの代わりにカーボン粒子を用いたため、短絡防止効果、フラッディング防止効果が劣っていた。
　例１１は、カーボンファイバーの平均繊維径が細すぎたため、短絡防止効果がかなり劣り、フラッディング防止効果がやや劣っていた。また、Ｆ／Ｃの値が小さいため、接着性がやや劣っていた。
　例１２は、保護層が含フッ素イオン交換樹脂の代わりにＰＴＦＥを含むため、接着性がかなり劣っていた。カーボンファイバーの平均繊維径が細いため、短絡防止効果およびフラッディング防止効果がやや劣っていた。
　例１３は、Ｆ／Ｃが大きすぎたため、フラッディング防止効果がかなり劣っていた。
　例１４の保護層形成用塗工液は、Ｆ／Ｃが小さすぎたため、カーボンファイバーが充分に分散されず、保護層の形成に用いることはできなかった。
　本発明によれば、ガス拡散層のカーボンファイバーが固体高分子電解質膜に突き刺さることによる短絡が発生しにくい膜電極接合体を提供できるため、定置用、自動車用等の固体高分子形燃料電池の膜電極接合体として有用である。

　なお、２００８年６月９日に出願された日本特許出願２００８－１５０３１９号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
　１０　膜電極接合体
　２０　カソード
　２２　触媒層
　２４　保護層
　２６　ガス拡散層
　２８　接着排水層
　２９　マイクロポーラス層
　３０　アノード
　３２　触媒層
　３４　保護層
　３６　ガス拡散層
　３８　接着排水層
　３９　マイクロポーラス層

Claims (9)

  1. 　触媒層およびガス拡散層を有するカソードと、
    　触媒層およびガス拡散層を有するアノードと、
    　前記カソードの触媒層と前記アノードの触媒層との間に配置される固体高分子電解質膜とを備え、
    　前記カソードおよび前記アノードが、前記触媒層と前記ガス拡散層との間に、平均繊維径が１～３０μｍであるカーボンファイバーと含フッ素イオン交換樹脂とを含む保護層をさらに有し、
    　前記保護層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂（Ｆ）とカーボンファイバー（Ｃ）との質量比（Ｆ／Ｃ）が、０．０５～０．３０である、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
  2. 　前記保護層の厚さが、１５～８０μｍである、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
  3. 前記保護層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂のイオン交換容量が０．５～２．０ミリ当量／ｇ乾燥樹脂である、請求項１または２に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
  4. 　前記保護層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂がイオン交換基を有するパーフルオロポリマーである、請求項１～３のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
  5. 　前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方が、前記触媒層と前記保護層との間に、平均繊維径が１～２００ｎｍであるカーボンファイバーを含む接着排水層をさらに有する、請求項１～４のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
  6. 　前記接着排水層の厚さが、２～１５μｍである、請求項５に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
  7. 　前記接着排水層がさらに含フッ素イオン交換樹脂を含む、請求項５または６に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
  8. 　前記接着排水層に含まれる含フッ素イオン交換樹脂（ｆ）とカーボンファイバー（ｃ）との質量比（ｆ／ｃ）が、０．０５～２である、請求項７に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
  9. 　前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方が、前記保護層と前記ガス拡散層との間に、カーボン粒子を含むマイクロポーラス層をさらに有する、請求項１～８のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
PCT/JP2009/060395 2008-06-09 2009-06-05 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体 Ceased WO2009151013A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010516838A JP5397375B2 (ja) 2008-06-09 2009-06-05 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体
US12/910,935 US8535847B2 (en) 2008-06-09 2010-10-25 Membrane/electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008-150319 2008-06-09
JP2008150319 2008-06-09

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US12/910,935 Continuation US8535847B2 (en) 2008-06-09 2010-10-25 Membrane/electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009151013A1 true WO2009151013A1 (ja) 2009-12-17

Family

ID=41416718

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2009/060395 Ceased WO2009151013A1 (ja) 2008-06-09 2009-06-05 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8535847B2 (ja)
JP (1) JP5397375B2 (ja)
WO (1) WO2009151013A1 (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014110175A (ja) * 2012-12-03 2014-06-12 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
EP2549570A4 (en) * 2010-03-19 2014-07-30 Asahi Glass Co Ltd MEMBRANE ELECTRODE ARRANGEMENT FOR A SOLID-POLYMER FUEL CELL AND METHOD FOR PRODUCING A CATHODE FOR SOLID-BODY FUEL CELL
JP2015506915A (ja) * 2011-12-06 2015-03-05 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー ペンダント官能基を有するフッ素化オリゴマー
JPWO2017033686A1 (ja) * 2015-08-24 2018-06-28 旭硝子株式会社 液状組成物、触媒層形成用塗工液および膜電極接合体の製造方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6098430B2 (ja) 2013-04-15 2017-03-22 旭硝子株式会社 固体高分子形燃料電池
EP3011625B1 (en) * 2013-06-20 2021-05-05 Gencell Ltd. Gas diffusion electrode and process for making same
KR102558620B1 (ko) * 2015-08-21 2023-07-21 에이지씨 가부시키가이샤 액상 조성물의 제조 방법, 촉매층 형성용 도공액의 제조 방법 및 막 전극 접합체의 제조 방법
DE102016116632A1 (de) 2016-09-06 2018-03-08 Audi Ag Gasdiffusionselektrode sowie Brennstoffzelle mit einer solchen
KR102270108B1 (ko) * 2018-12-10 2021-06-29 한국과학기술원 고분자 전해질 연료전지용 막전극 집합체 및 그 제조방법
KR102272937B1 (ko) 2020-02-12 2021-07-06 한국과학기술원 이온전도성 막 및 이의 제조방법

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001160398A (ja) * 1999-12-01 2001-06-12 Japan Storage Battery Co Ltd 燃料電池用ガス拡散電極およびそれを用いた燃料電池
JP2002313365A (ja) * 2001-04-16 2002-10-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 高分子イオン交換薄膜とその製造方法
JP2004220843A (ja) * 2003-01-10 2004-08-05 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 膜電極接合体
EP1598890A2 (en) * 2004-05-19 2005-11-23 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Membrane electrode assembly
JP2007194004A (ja) * 2006-01-18 2007-08-02 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子形燃料電池用ガス拡散層の製造方法および膜電極接合体
JP2008016431A (ja) * 2006-06-09 2008-01-24 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19837669A1 (de) * 1998-08-20 2000-03-09 Degussa Katalysatorschicht für Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen
US6350539B1 (en) * 1999-10-25 2002-02-26 General Motors Corporation Composite gas distribution structure for fuel cell
US6572997B1 (en) * 2000-05-12 2003-06-03 Hybrid Power Generation Systems Llc Nanocomposite for fuel cell bipolar plate
WO2004011535A1 (ja) * 2002-07-26 2004-02-05 Asahi Glass Company, Limited 高分子膜、その製造方法及び固体高分子型燃料電池用膜電極接合体
US7105242B2 (en) * 2003-10-17 2006-09-12 General Motors Corporation Control of polymer surface distribution on diffusion media improved fuel cell performance
JP2005216834A (ja) 2004-02-02 2005-08-11 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池
US7399549B2 (en) * 2005-04-22 2008-07-15 Gm Global Technology Operations, Inc. Altering zeta potential of dispersions for better HCD performance and dispersion stability
US7794880B2 (en) * 2005-11-16 2010-09-14 California Institute Of Technology Fluorination of multi-layered carbon nanomaterials
CN104022300A (zh) 2005-10-31 2014-09-03 旭硝子株式会社 固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的制造方法
CN101617424B (zh) 2007-02-02 2012-11-28 旭硝子株式会社 固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的制造方法及固体高分子型燃料电池的制造方法
JP2010146965A (ja) 2008-12-22 2010-07-01 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体、固体高分子形燃料電池用触媒層形成用塗工液、および固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001160398A (ja) * 1999-12-01 2001-06-12 Japan Storage Battery Co Ltd 燃料電池用ガス拡散電極およびそれを用いた燃料電池
JP2002313365A (ja) * 2001-04-16 2002-10-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 高分子イオン交換薄膜とその製造方法
JP2004220843A (ja) * 2003-01-10 2004-08-05 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 膜電極接合体
EP1598890A2 (en) * 2004-05-19 2005-11-23 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Membrane electrode assembly
JP2007194004A (ja) * 2006-01-18 2007-08-02 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子形燃料電池用ガス拡散層の製造方法および膜電極接合体
JP2008016431A (ja) * 2006-06-09 2008-01-24 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2549570A4 (en) * 2010-03-19 2014-07-30 Asahi Glass Co Ltd MEMBRANE ELECTRODE ARRANGEMENT FOR A SOLID-POLYMER FUEL CELL AND METHOD FOR PRODUCING A CATHODE FOR SOLID-BODY FUEL CELL
JP2015506915A (ja) * 2011-12-06 2015-03-05 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー ペンダント官能基を有するフッ素化オリゴマー
US10975025B2 (en) 2011-12-06 2021-04-13 3M Innovative Properties Company Fluorinated oligomers having pendant functional groups
JP2014110175A (ja) * 2012-12-03 2014-06-12 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
US10074869B2 (en) 2012-12-03 2018-09-11 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell
JPWO2017033686A1 (ja) * 2015-08-24 2018-06-28 旭硝子株式会社 液状組成物、触媒層形成用塗工液および膜電極接合体の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US8535847B2 (en) 2013-09-17
JPWO2009151013A1 (ja) 2011-11-17
JP5397375B2 (ja) 2014-01-22
US20110039189A1 (en) 2011-02-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5397375B2 (ja) 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体
CN101617424B (zh) 固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的制造方法及固体高分子型燃料电池的制造方法
JP5107050B2 (ja) 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法
CN101978540B (zh) 固体高分子型燃料电池用膜电极接合体及固体高分子型燃料电池
JP5122149B2 (ja) 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法
JP2010146965A (ja) 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体、固体高分子形燃料電池用触媒層形成用塗工液、および固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法
JP5195286B2 (ja) 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法
JP5194624B2 (ja) 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法
JP5696722B2 (ja) 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体、および固体高分子形燃料電池用カソードの製造方法
JP2008210725A (ja) ガス拡散電極、膜−電極接合体とその製造方法、および固体高分子型燃料電池
JP5181717B2 (ja) 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体およびその製造方法
JP5527254B2 (ja) 触媒層用キャリアフィルム、触媒層転写フィルムおよび膜触媒層接合体の製造方法
JP6447249B2 (ja) 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法および中間層形成用ペースト
JP5311538B2 (ja) 多孔質炭素電極基材の製造方法
JP2019083113A (ja) 電極触媒層、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池
JP2010205527A (ja) 膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池
CN101297425A (zh) 固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的制造方法
JP5319061B2 (ja) 膜電極接合体、およびその製造方法、並びに燃料電池
WO2018012435A1 (ja) ガス拡散部材および固体高分子形燃料電池用膜電極接合体
JP2026001532A (ja) カーボンナノチューブ膜、ガス拡散層、及び固体高分子形燃料電池
JP5522239B2 (ja) 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法
JP2021111542A (ja) 膜電極複合体

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09762443

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010516838

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09762443

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1