(57)【要約】【課題】燃料電池反応によりカソード触媒層側から逆拡散してくる水分をアノード触媒層へ保持させることにより、該水分の逆拡散量を抑制し、アノード流路内での結露の発生量を減少させることができる燃料電池を提供する。【解決手段】少なくとも固体高分子電解質膜と、その両面に配置されたアノード触媒層およびカソード触媒層を有する燃料電池であって、  前記アノード触媒層における前記電解質膜側とは反対側に、水蒸気を含む水分の透過を抑制することができる金属シートによる水遮断層を備え、  前記水遮断層によって、前記カソード触媒層側から逆拡散してきた水蒸気を含む水分を前記アノード触媒層へ保持させる構成とする。【選択図】            図１
2010123399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも固体高分子電解質膜と、その両面に配置されたアノード触媒層およびカソード触媒層を有する燃料電池であって、
前記アノード触媒層における前記電解質膜側とは反対側に、水蒸気を含む水分の透過を抑制することができる金属シートによる水遮断層を備え、
前記水遮断層によって、前記カソード触媒層側から逆拡散してきた水蒸気を含む水分を前記アノード触媒層へ保持させることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記金属シートが、耐腐食性を備えた金属材料によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記水遮断層における前記アノード触媒層側とは反対側に、導電性弾性体層を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記導電性弾性体層が、多孔質体によって構成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記導電性弾性体層における燃料ガスの圧力損失が、前記アノード触媒層における燃料ガスの圧力損失よりも小さいことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノード触媒層は、該アノード触媒層の厚さが５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、プロトン導電性を有する固体高分子電解質膜、およびその両面に配置された一対の電極からなる。
電極は、白金あるいは白金族金属触媒を含む触媒層および触媒層の外面に形成されたガス供給と集電を担うガス拡散層から構成される。
一対の電極および固体高分子電解質膜を一体化させたものは膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）とよばれ、一方の電極に燃料（水素）を、他方に酸化剤（酸素）を供給することで発電が行われる。
【０００３】
燃料電池の一セル当たりの理論電圧は約１．２３Ｖであり、実際の運転状態においては０．７Ｖ程度の出力電圧で使用されるのが一般的である。
そのため、より高い起電圧を必要とする場合には、複数のセルを積層し、各セルを電気的に直列に接続して使用される。このような構造は燃料電池スタックと呼ばれる。
【０００４】
燃料電池スタックを効率よく発電させるためには、燃料電池スタックを構成する個々のセルを効率よく発電させる必要がある。
そのため、各セルの温度条件や各セルへの燃料や酸化剤の供給が均一になるように設計、制御する必要がある。
一般的に、燃料電池スタックの燃料流路および酸化剤流路は各セルに並列に形成されており、燃料および酸化剤が各セルへ並列に分配される。
水素を燃料として用いるタイプの燃料電池においては、各セルの燃料流路における圧力損失ばらつきや、逆拡散水の結露による燃料流路の閉塞などが発生し、燃料ガスが各セルへ均一に供給できなくなる問題がある。
燃料ガスが均一に供給されない場合、燃料ガスが不足したり、ＭＥＡを通じて燃料流路内に侵入する窒素ガスなどの不純物ガスが燃料流路内に蓄積したり、排出ガスが逆流するなどの現象により燃料電池スタックの性能低下や劣化を引き起こすおそれがあった。
【０００５】
ところで、アノード流路内の水分は、主にカソード触媒層にて燃料電池反応により生成した水分が電解質膜を通じて逆拡散してきた水分によるものである。
従来において、このような水分がアノード流路内で結露して流路が閉塞するのを防止するため、アノード流路に水回収機構を設けたり、あるいは流路内を掃気するシステムを採用したりしていた。
例えば、特許文献１では、アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器をガス循環流路に配置し、燃料電池と気水分離器に高低差をつけて配置した燃料電池システムが開示されている。
また、特許文献２において、炭素粉末と撥水性ポリマーを含むスラリーを焼成して１００μｍ以上の厚さの緻密撥水層を有し、アノードからカソードへの水の拡散を抑制するようにした燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開２００８−０１６２６９号公報
【特許文献２】特開２００８−０８４５３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した従来例のものにおいては、つぎのような課題を有している。
例えば、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、上記したようにアノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器がガス循環流路に配置されることから、システム全体が複雑化し、装置が大型化するため、特に小型の燃料電池には適用が困難である。
また、アノード流路内に逆拡散してきた水分量を抑制するものではないため、アノード流路内に逆拡散してくる水分量そのものは変わらないものである。
また、特許文献２のものにおいては、緻密撥水層が炭素粉末と撥水性ポリマーを焼成され形成された多孔質体であることから、アノード触媒層中の水分が吸い取られてしまう場合が生じ、起動時の問題や、発電中におけるアノードのドライアウト、等が起こり得る。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、燃料電池反応によりカソード触媒層側から逆拡散してくる水分をアノード触媒層へ保持させることにより、該水分の逆拡散量を抑制し、アノード流路内での結露の発生量を減少させることができる燃料電池の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、次のように構成した燃料電池を提供するものである。
本発明の燃料電池は、少なくとも固体高分子電解質膜と、その両面に配置されたアノード触媒層およびカソード触媒層を有する燃料電池であって、
前記アノード触媒層における前記電解質膜側とは反対側に、水蒸気を含む水分の透過を抑制することができる金属シートによる水遮断層を備え、
前記水遮断層によって、前記カソード触媒層側から逆拡散してきた水蒸気を含む水分を前記アノード触媒層へ保持させることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記金属シートが、耐腐食性を備えた金属材料によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記水遮断層における前記アノード触媒層側とは反対側に、導電性弾性体層を備えていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記導電性弾性体層が、多孔質体によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記導電性弾性体層における燃料ガスの圧力損失が、前記アノード触媒層における燃料ガスの圧力損失よりも小さいことを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記アノード触媒層は、該アノード触媒層の厚さが５０μｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池反応によりカソード触媒層側から逆拡散してくる水分をアノード触媒層へ保持させることにより、該水分の逆拡散量を抑制し、アノード流路内での結露の発生量を減少させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
本実施形態の燃料電池は、少なくとも固体高分子電解質と、その両面に配置されたアノード触媒層およびカソード触媒層を有する燃料電池を、つぎのように構成し、カソード触媒層側から逆拡散してきた水蒸気を含む水分をアノード触媒層へ保持させるようにする。
前記アノード触媒層における前記電解質膜側とは反対側に、水蒸気を含む水分の透過を抑制することができる金属シートによる水遮断層を備えた構成とする。
このような構成により、カソード側から逆拡散してきた水分をアノード触媒層から散逸しにくい状態にすることが可能となる。
水遮断層によって逆拡散水がアノード触媒層中に保持されることにより、アノード側に存在する水分量が相対的に増加する。
その結果、カソード側との水分量の差が小さくなり、逆拡散水の量を抑制することが可能となる。
従来においては、アノード触媒層からアノードガス拡散層などを通じて水分が散逸し、アノード流路内へ放出されていた。
そのため、カソード側とアノード側の水分量の差は常に大きい状態となるため、カソード側からの逆拡散水の量が多く、アノード流路での結露による燃料ガスの閉塞などが問題となっていた。
水遮断層を緻密な金属シートで形成することにより、アノード触媒層からアノード流路への水の散逸を抑制すると共に、燃料電池反応により生成した電子を集電することができる。
また、前記水遮断層における前記アノード触媒層側とは反対側に、導電性弾性体層を備えている構成とすることにより、集電体やセパレータなどと電気的な接触を充分に保つことが可能となる。
このような導電性弾性体層が間に挿入されることにより、膜電極接合体、集電体やセパレータ表面などの凹凸に対して、接触面積を確保し、接触抵抗を充分に低くすることができる。
さらに、導電性弾性体層を多孔質体から構成することにより、上記した膜電極接合体と集電体やセパレータなどとの間における接触確保の機能に加えて、燃料ガス流路としての機能を与えることができる。
特に、導電性弾性体層における燃料ガスの圧力損失を、アノード触媒層における燃料ガスの圧力損失よりも小さくすることで、優先的に導電性弾性体層に燃料ガスのフローが流れる。
燃料ガスのフローは、水遮断層によりアノード触媒層に保持された水をアノード流路内へ流してしまう可能性がある。
導電性弾性体層を多孔質にしてアノード触媒層との圧力損失の大小を適切に設計することで、燃料ガスのフローによってアノード触媒層から散逸する水分量を減少させることが可能となる。
また、アノード触媒層の厚さを５０μｍ以下とすることで、カソード側からの逆拡散水を効果的に抑制することができる。
アノード触媒層の厚さは、水遮断層と電解質膜の距離に相当する。この距離が離れすぎている場合には、逆拡散水の量を抑制するのに必要な水分をアノード触媒層中に保持するまでの時間が多く掛かることになる。
アノード触媒層の厚さを５０μｍ以下とすることで、より短時間でアノード側の水分量を多い状態にすることができる。
【００１１】
つぎに、本発明の実施形態について、図を参照して更に詳細に説明する。
（実施形態１）
実施形態１として、アノード触媒層における電解質膜側とは反対側に、緻密な金属シートからなる水遮断層を備えた燃料電池における単セルの構成例について説明する。
図１に、本実施形態における水遮断層を備えた燃料電池の単セルの構成例について説明する断面模式図を示す。
図２は図１の単セルにおける膜電極接合体の拡大断面図である。
図１中、１は燃料電池を構成する単セル、２は膜電極接合体、３は固体高分子電解質膜、４はアノード触媒層、５はカソード触媒層、６はカソードガス拡散層、７は酸化剤供給層、８はアノード集電体、９はカソード集電体である
１０は絶縁板、１１はエンドプレート、１２は供給流路、１３は排出流路、１４はアノード流路、１５は水遮断層である。
【００１２】
図１に示すように、燃料電池を構成するる単セル１には、固体高分子電解質膜３が中心に配置され、両面にそれぞれアノード触媒層４、カソード触媒層５が配置され、膜電極接合体２を形成している。
固体高分子電解質膜３には、一般にパーフルオロスルホン酸系のプロトン交換樹脂膜などが用いられるが、本発明は固体高分子電解質膜の種類によらず実施することができる。
固体高分子電解質膜３の両面に形成される触媒層（アノード触媒層４およびカソード触媒層５）は、通常燃料電池反応を促進する触媒とプロトン導電性を有する電解質からなり、必要に応じて触媒担体や疎水剤、親水剤などを含む。
一般に用いられる触媒としては、白金や白金合金の微粒子、白金担持カーボンなどが知られているが、本発明はこれらの触媒の種類によらず実施することができる。
【００１３】
カソードガス拡散層６は、ガス透過性と電気伝導性を有する層である。すなわち、電極反応を効率良く行わせるために燃料や酸化剤を触媒の反応領域へ均一かつ充分に供給し、電極反応によって生じる電荷をセル外部に取り出す機能を有している。
一般に、ガス拡散層は多孔質カーボン材料が用いられ、本発明においてもこれら一般的な材料を用いることができる。
酸化剤供給層７は、カソードガス拡散層６の外側に配置され、カソードガス拡散層６表面へ空気もしくは酸素などの酸化剤を供給する機能と、カソード集電体９とカソードガス拡散層６の電気的接続を付与する機能を有する。
酸化剤供給層７としては、発泡金属や多孔質カーボン構造体、金属メッシュ、酸化剤供給用の溝を有する導電体板などが例示できる。
【００１４】
アノード集電体８およびカソード集電体９は、金属やカーボンなどの導電性材料により形成された板状の部材であり、燃料電池反応により生成した電子を外部へ取り出す機能を有する。
したがって、アノード集電体８およびカソード集電体９は、それぞれアノード極および酸化剤供給層７に接触して配置され、外部へ出力を取り出すための端子を有する。
絶縁板１０は、エンドプレート１１とアノード集電体８もしくはカソード集電体９間を電気的に絶縁する機能を有する。
絶縁板１０は、例えば樹脂などで形成することができる。エンドプレート１１は、燃料電池に対して均一に締結圧を伝達する機能を有する。
エンドプレート１１は、剛性材料、例えばＳＵＳなどで形成することができる。本発明において、一対のエンドプレート１１の一方に燃料ガスの供給流路１２および排出流路１３が形成されている構成が例示されているが、この構成に限定されるものではない。
【００１５】
本実施形態において、水遮断層１５は、アノード触媒層における電解質膜と面している面側と反対の面側に設置される。
この水遮断層１５により、カソード触媒層５側から固体高分子電解質膜３を通して逆拡散してきた水分をアノード触媒層４中へ保持させると共に、アノード燃料電池反応により生成した電子をアノード集電体８へ伝導するように機能させる。
このように機能する水遮断層１５を設置することで、アノード触媒層４中の水分量が増加した際、カソード触媒層５側から逆拡散してくる水分量を抑制することができる。
以上のような機能を奏させるため、水遮断層１５には、水を透過しないこと、および高い電気伝導性を持つことが求められる。
さらに、アノード触媒層４付近は強い酸性条件に曝されるため、耐腐食性の高いことも求められる。
したがって、水遮断層１５を構成する材料としては、耐腐食性の高い金属材料を用いることが望ましい。
耐腐食性が高い金属材料の例としては、Ｔｉ、Ｐｄ、ＰｔおよびＡｕ、等を挙げることができる。
また、上記金属に限定されるものではなく、その他の金属であっても、水遮断層１５として求められる機能を有する金属であればよい。また、複数の元素からなる合金でもよい。
【００１６】
また、水遮断層１５は、緻密な金属シートであることが好ましい。
ここで緻密とは、水分の透過を抑制することができる構造であり、実質的に細孔がない状態を指す。水分の透過については、液体の水と水蒸気の両方を含んでいる。
大きな細孔がある場合や、細孔が小さくても多数ある場合においては、アノード触媒層４から水分がアノード流路１４へ流出してしまう。水分をアノード触媒層４中に保持するために、水遮断層１５を形成する金属シートは細孔が少なければ少ないほどよく、実質的に細孔がないことが好ましい。
実質的に細孔がない状態を確認する手段としては、金属シートのガスもしくは液体水透過性評価、微細構造観察などが挙げられる。
例えば、微細構造観察については、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡；Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などの手段により１万〜３万倍の倍率による観察で細孔などが確認されなければ、実質的に細孔がない状態とする。
【００１７】
水遮断層１５として、緻密な金属シートを作製する製造方法の例としては、スパッタリング法や電子ビーム蒸着法、イオンプレーティング法などの広義の真空蒸着法によって容易に作製することができる。
緻密な金属シートを作製するために、真空蒸着において様々なパラメータが存在するが、最も明確なパラメータとして金属シートの膜厚が挙げられる。
５０ｎｍ以下といった極端に薄い膜厚の金属シートにおいては、多数の細孔が存在し、水分を遮断することができない。
例として、図３に真空蒸着によって５０ｎｍの膜厚で形成した金属シート表面のＳＥＭ写真を示す。
真空蒸着により形成された粒径２５〜５０ｎｍ程度の金属粒子が観察できる。粒界がはっきりと観察できることから、ガスの透過性が高い膜であり、ガス透過を遮断するのに充分な量が積層されていないと言える。
一方、図４に真空蒸着によって１００ｎｍの膜厚で形成した金属シートのＳＥＭ写真を示す。図３とは異なり、金属粒子の形状をはっきりと確認することができない。
多少の凹凸を有するものの粒界や細孔などは３万倍の倍率では確認できない。したがって、少なくとも１００ｎｍ以上の膜厚を有する金属シートを用いることにより、より効果的な水遮断層１５の効果を得ることができる。
厚さの上限については、厚くしても水遮断層１５の効果が失われることはないので、特に制限はない。ただし、材料コストや製造プロセスなどを勘案すると、厚さの上限は５００ｎｍ〜数十μｍ程度である。
金属シートを形成するための下地基板としては、どのようなものを用いてもよいが、アノード触媒層４への設置を考慮すると、剥離性の高い下地基板が好ましい。
剥離性および耐熱性を勘案するとＰＴＦＥシートや触媒層形成に用いる各種転写シートなどが例示できる。
【００１８】
アノード触媒層４へ水遮断層１５を設置する方法は、アノード触媒層４が形成された膜電極接合体２に金属シートを設置する方法と、水遮断層１５上にアノード触媒層４を形成し、固体高分子電解質膜３に転写する方法などが挙げられる。
アノード触媒層４が形成された膜電極接合体２に金属シートを設置する方法は、水遮断層１５となる金属シートを上記方法で作製後、膜電極接合体２のアノード触媒層４形成面に設置する。
設置方法は、金属シートの表面に結着剤として電解質や導電性ペーストなどを塗布後に熱圧着して接合する方法や燃料電池セルの締結圧によって固定する方法などにより設置することができる。
下地基板からの転写（例えば上記熱圧着）による設置の場合は金属シート作製時に使用した下地基板を剥離して、水遮断層１５付き膜電極接合体２を得ることができる。
【００１９】
また、水遮断層１５上にアノード触媒層４を形成し、固体高分子電解質膜３に転写する方法は、水遮断層１５となる金属シートを下地基板上に形成後、金属シート上にアノード触媒層４を形成する。
アノード触媒層４は、公知の方法で金属シート上に作製すればよい。
また、アノード触媒を気相法で形成する場合は、より簡易なプロセスになりうる。
例えば、反応性真空蒸着法などにより得られる樹枝状構造を有する触媒をアノード触媒として用いる場合は、下地基板上に真空蒸着法で金属シートを形成後、反応性真空蒸着法で触媒を形成する。
この場合は、同一装置内で連続的に水遮断層１５およびアノード触媒を形成することができる。
例えば、スパッタリングの場合、プロセスガスをＡｒのみでスパッタすることで水遮断層を、ＡｒおよびＯ２の混合ガスでスパッタすることでアノード触媒を得ることができる。
その後、触媒に電解質を塗布することで、金属シート上にアノード触媒層４が得られる。
【００２０】
水遮断層１５が設置されたアノード触媒層４は、水遮断層１５の効果を高めるためには、なるべく膜厚が薄いほうが好ましい。
アノード触媒層４の膜厚として、どのような厚さにおいても水遮断層１５の効果を確認することができるが、膜厚が薄いことでより効果が高まる。
カソード側から逆拡散してくる水分をアノード触媒層４中に保持することで水遮断層１５の効果が現れるが、アノード触媒層４が厚い場合、より多くの水分量が必要となる。
結果として、より多くの水分がアノード側へ逆拡散することになるため、水遮断層１５の効果が低くなる。
一方、アノード触媒層４が薄い場合、アノード触媒層４中に保持される水分量がより少なくなる。
そのため、アノード側へ逆拡散してくる水分量は少なく抑えることができるため、水遮断層１５の効果はより一層高いものとなる。
好ましいアノード触媒層４の厚さは、薄ければ薄いほどよいが、燃料電池の仕様によって決定される発電に必要なアノード反応面積は確保しなければならない。
少なくともアノード触媒層４が必要なアノード反応面積を確保できる膜厚より厚いことが求められる。
したがって、アノード触媒層４の厚さは、燃料電池の仕様やサイズ、触媒層の種類によっても異なるが、５０μｍ以下の膜厚が好ましい。
【００２１】
図１において、燃料ガスは供給流路１２から排出流路１３へ向かって流れる。アノード触媒層４への燃料ガスの供給は、アノード触媒層４を燃料流路として供給する場合とアノード集電体に燃料ガスが流通する溝を設け、アノード触媒層４の側面から拡散により燃料を供給する場合が考えられる。
燃料電池の仕様によって、どちらの供給方法をとってもよいが、前者の場合は、アノード触媒層４が非常に薄く形成されているので圧力損失が大きいことが多い。
【００２２】
（実施形態２）
実施形態２として、前記水遮断層における前記アノード触媒層側とは反対側に、導電性弾性体層を備えた燃料電池における単セルの構成例について説明する。図５に、本実施形態における導電性弾性体層を備えた燃料電池における単セルの構成例について説明する断面模式図を示す。
図５中、１６は導電性弾性体層である。
【００２３】
導電性弾性体層１６は、アノード燃料電池反応で発生した電子を効率的にアノード集電体８もしくはセパレータなどに導電する機能を有する。
膜電極接合体２は固体高分子電解質膜３や触媒粒子からなり、微細な凹凸を有している。
また、固体高分子電解質膜３は含んでいる水分量によって膨潤収縮を繰り返す。アノード集電体８表面やセパレータなども表面には微細な凹凸が存在するため、これらの部材間の電気を伝導するためには、導電性の弾性体が重要な役割を果たす。
導電性弾性体を間に挿入することによって、膜電極接合体２やアノード集電体８などの表面凹凸をならし、接触抵抗を大幅に低減させて、効率的な発電を実現することが可能となる。
したがって、導電性弾性体層１６に求められる厚さやばね定数などは使用する膜電極接合体２やアノード集電体８などの表面凹凸の大きさや固体高分子電解質膜３の膨潤収縮の量などによって適宜決定される。
【００２４】
また、導電性弾性体層１６は、多孔質体により構成されていてもよい。
多孔質体により構成されることにより、一般的に高い圧力損失を有するアノード触媒層に比べて低い圧力損失の燃料ガス供給パスを導電性弾性体層１６中に形成することができる。
つまり、弾性体による接触抵抗低減機能および導電体による集電機能に加えて、多孔質体による燃料ガス流通機能を持つ構成をとることができる。
燃料フロー系燃料電池においては、大きなフロー量がアノード触媒層４中を通過すると、燃料フローによってアノード触媒層４中の水分が流出してしまう可能性がある。
したがって、導電性弾性体層１６やアノード集電体８に設けた燃料供給溝などに主燃料ガスフローを流し、アノード触媒層４の側面部位などから燃料ガスを供給する構成が好ましい。
多孔質体からなる導電性弾性体層１６を構成する材料としては、カーボンペーパーやカーボンクロス、カーボンフェルト、発泡金属などが挙げられる。
【実施例】
【００２５】
以下に、本発明の実施例について説明する。
本実施例では、水遮断層と導電性弾性体層を設置した燃料電池の構成例について説明する。
図６に、本実施例の燃料電池の構成例について説明する断面模式図を示す。
図６に示した燃料電池は、カソード側からアノード側への逆拡散してきた水分量を測定するために、アノード集電体８に小型温湿度測定センサ１７とセンサ用排出流路１８が設けられている。
小型温湿度測定センサ１７としてＳｅｎｓｉｒｉｏｎ社製ＳＨＴ−１１を用い、排出流路１３とは別途、温湿度測定用にセンサ用排出流路１８が設けられている。
固体高分子電解質膜３として、Ｎａｆｉｏｎ膜（ナフィオン（登録商標）、デュポン社製、ＮＲＥ−２１２）を用いた。
アノード触媒層４およびカソード触媒層５として、白金酸化物からなる樹枝状構造体を適切な還元処理を行うことで得られる白金樹枝状構造体を含む触媒層を用いた。
【００２６】
カソード触媒層５として、白金酸化物からなる樹枝状構造体を形成する基材としてＰＴＦＥシート（日東電工社製、ニトフロン（登録商標））を用い、反応性スパッタ法により、触媒前駆体である白金酸化物からなる樹枝状構造体を２μｍの厚さで形成した。
このときのＰｔ担持量は０．６８ｍｇ／ｃｍ２であった。なお、Ｐｔ担持量は蛍光Ｘ線分析により測定した。
反応性スパッタは、全圧４Ｐａ、酸素流量比（ＱＯ２／（ＱＡｒ＋ＱＯ２））７０％、基板温度２５℃、投入パワー４．９Ｗ／ｃｍ２の条件にて行った。
得られた白金酸化物からなる樹枝状構造体に適切な疎水化処理を施した後に、プロトン導電性電解質の塗布を行った。
プロトン導電性電解質は５ｗｔ．％Ｎａｆｉｏｎ溶液（ナフィオン（登録商標）和光純薬社製）をイソプロピルアルコール（和光純薬社製、特級）を用いて５倍に希釈した溶液を１ｃｍ２当たり１０μｌ塗布後、溶媒を揮発させることでカソード触媒層を形成した。
【００２７】
水遮断層１５を設けたアノード触媒層４として、基材としてＰＴＦＥシート（日東電工社製、ニトフロン（登録商標））を用いた。
また、水遮断層１５を通常のスパッタ法およびアノード触媒層４を反応性スパッタ法により、白金からなる水遮断層１５を１００ｎｍの厚さで形成した上に、触媒前駆体である白金酸化物からなる樹枝状構造体を５００ｎｍの厚さで形成した。
上記したカソード触媒層と同様にプロトン導電性電解質の塗布を行い、水遮断層１５を設けたアノード触媒層４を得た。
得られたアノード触媒層４およびカソード触媒層５を所定面積に切り出し、固体高分子電解質膜３の両面に配置してホットプレス（４ＭＰａ、１５０℃、３０分間）を行うことでアノード触媒層４側に水遮断層１５を設けた膜電極接合体２を得た。
【００２８】
図７に水遮断層１５表面のＳＥＭ像を示す。
これは固体高分子電解質膜３に転写したのち、アノード触媒層４を２％Ｈ２／Ｈｅガスにて還元処理を行ったサンプルについて撮影したものである。
図７からは、クラックや細孔などが観察されず、緻密な水遮断層１５が得られている様子が分かる。
カソードガス拡散層６にはカーボンクロス（Ｅ−ＴＥＫ社製、ＬＴ  １２００−Ｗ）、酸化剤供給層７には接触抵抗を低減させるための金めっきを施した発泡金属（住友電工社製、セルメット＃５）を用いた。
導電性弾性体層１６にはカーボンクロス（Ｅ−ＴＥＫ社製、ＬＴ  ２５００−Ｗ）を用いた。
アノードおよびカソード集電体は、ＳＵＳ板を加工したものを用いた。
加工したＳＵＳ板の表面に接触抵抗を低減させるための金メッキを施したものを使用した。図８にアノード集電体の構成を示す斜視図を示す。
アノード集電体８には導電性弾性体層１６の厚さに対応する深さの凹部１９が掘り込まれている構成とした。
上記部材を用いて図６に示した燃料電池を作製し、アノード側への逆拡散水分量および燃料電池特性を、以下に述べるように、比較例との比較において評価を行った。
【００２９】
（比較例）
上記実施例と比較するため、実施例の燃料電池での水遮断層を設けずに、それ以外は全て実施例と同様の燃料電池を作製し、それを比較例とした。
水遮断層１５が設置されない本比較例においては、導電性弾性体層１６はアノード触媒層４と隣接し、アノードガス拡散層として機能する。
実施例と同様、得られた膜電極接合体２のアノード触媒層表面のＳＥＭ像を図９に示す。
これは固体高分子電解質膜３に転写したのち、アノード触媒層４を２％Ｈ２／Ｈｅガスにて還元処理を行ったサンプルについて撮影したものである。
樹枝状構造を有する触媒層は、特徴的な構造を有し、初期層が形成された上に樹枝状構造が形成される。
樹枝状構造に比べて初期層は、空孔率が低いことが知られているが、図９から明らかなようにクラックや細孔が数多く観察される。
このような部材を用いて図６に示した燃料電池を作製し、アノード側への逆拡散水分量および燃料電池特性の評価を行った。
【００３０】
・アノード側への逆拡散水分量の比較
逆拡散水分量測定の実験条件は、以下のようなものである。
温度４０℃、相対湿度２０％の恒温恒湿槽中にセルを設置し、カソード側の空気供給はブロアーなどを用いない自然吸気方式とした。
アノードには供給流路１２から０．１ＭＰａの圧力で水素ガスを無加湿で供給し、排出流路１３およびセンサ用排出流路１８の出口にはそれぞれニードルバルブを設置し、各出口から１０ｃｃｍの水素ガスが排出されるように調整した。
まず、水素供給開始から３０分間はＯＣＶ（Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ；開回路）測定を行った。
そして、３０分後からは４００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度まで０．１ｍＡ／ｃｍ２・ｓｅｃのスイープ速度でＧａｌｖａｎｏ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ測定を行った。
その後、４００ｍＡ／ｃｍ２から０ｍＡ／ｃｍ２まで同じ速度でＧａｌｖａｎｏ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ測定を行い、さらに、６０分間のＯＣＶ測定を行った。
【００３１】
図１０に、小型温湿度計により測定された温湿度から、センサ用排出流路１８を通って排出される水素ガスに含まれていた水分量を計算した結果を示す。
ＯＣＶ測定中の水分量は、燃料電池の置かれている雰囲気中の水分が透過している量を示すと考えられ、実施例および比較例で違いは見られていない。
発電を開始すると、発生した水分量に応じて逆拡散水分量も増加し、４００ｍＡ／ｃｍ２付近では比較例に比べて実施例の逆拡散水分量が小さくなっている。
これは、実施例のアノード触媒層４に設置された水遮断層１５により、アノード触媒層中に逆拡散水が保持され、カソード側からの逆拡散水分量が抑制された結果であると考えられる。
特に、電流密度が大きい領域で逆拡散水分量に差が見られることから、電流密度が大きい発電条件や長時間の発電において、水遮断層１５は大きな効果を示すと考えられる。
なお、測定された逆拡散水分量は、アノード触媒層４部分からの透過だけでなく、触媒層が設置されていない周囲の固体高分子電解質膜３から逆拡散する水分量が測定される。
そのため、水遮断層１５が設置された実施例においても、逆拡散水分量はある程度の量が測定されてしまうこととなる。
燃料電池の構造を改善して、アノード触媒層４および水遮断層１５の設置された領域のみを燃料ガスが接触するように設計することで、水遮断層１５の効果をより大きいものにすることができる。
【００３２】
・燃料電池特性の比較
図１１および図１２に、上記図１０に示した逆拡散水分量の測定時における燃料電池特性（電流−電圧特性）および抵抗値（交流インピーダンス法により測定）の変化をそれぞれ示す。
図１１に示した燃料電池特性においては、２００ｍＡ／ｃｍ２以上の電流値において比較例よりも実施例が高い電圧値を示している。
図１２に示した抵抗値も２００ｍＡ／ｃｍ２以上の電流値におけるプロットにおいて、比較例よりも実施例が低い抵抗値を示している。
これは、温度４０℃、相対湿度２０％という高温低加湿の運転条件において、発電により生じた水分がアノード側へ逆拡散するが、比較例では図９に示したようなクラックや細孔が多数存在するアノード触媒層４の構造である。
そのため、比較例では逆拡散してきた水分がアノードガス拡散層からアノード流路へ流出し、固体高分子電解質膜３へ含水させることができなかった結果、特性の低下や抵抗値の上昇が発生したものと考えられる。
【００３３】
一方、実施例においては、水遮断層１５が設置されているため、カソード側から逆拡散してきた水分がアノード流路へ流出するのを抑制し、アノード触媒層４中に保持する。
これにより、高温低加湿の運転条件においても固体高分子電解質膜３へ水分を充分に供給することが可能となり、さらに、低い抵抗値とすることができる。
その結果、高い電流密度領域において高い燃料電池特性を示す燃料電池を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態１における燃料電池の単セルの構成例について説明する断面模式図である。
【図２】本発明の実施形態１の燃料電池の単セルにおける膜電極接合体の拡大断面図である。
【図３】本発明の実施形態１における真空蒸着により５０ｎｍの膜厚で形成した膜表面のＳＥＭ像である。
【図４】本発明の実施形態１における真空蒸着により１００ｎｍの膜厚で形成した膜表面のＳＥＭ像である。
【図５】本発明の実施形態２における燃料電池の単セルの構成例について説明する断面模式図である。
【図６】本発明の実施例における燃料電池の構成例について説明する断面模式図である。
【図７】本発明の実施例における水遮断層表面のＳＥＭ像である。
【図８】本発明の実施例におけるアノード集電体の構成を表す斜視図である。
【図９】本発明の実施例と比較例とにおけるアノード触媒層表面のＳＥＭ像である。
【図１０】本発明の実施例および比較例の発電中における逆拡散水分量を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施例および比較例の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例および比較例の発電中における抵抗値を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１：燃料電池単セル
２：膜電極接合体
３：固体高分子電解質膜
４：アノード触媒層
５：カソード触媒層
６：カソードガス拡散層
７：酸化剤供給層
８：アノード集電体
９：カソード集電体
１０：絶縁板
１１：エンドプレート
１２：供給流路
１３：排出流路
１４：アノード流路
１５：水遮断層
１６：導電性弾性体層
１７：小型温湿度測定センサ
１８：センサ用排出流路
１９：導電性弾性体層用凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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