(57)【要約】【課題】  燃料電池内で生成される水が過剰、不足になったときのフラッディング現象、ドライアップ現象を抑制すること。【解決手段】  電解質膜１、触媒層２、及び撥水層３を、この順に含む燃料電池用の電極構造体３０において、低毛管圧勾配で水を吸収する親水性バッファー層７を、触媒層２に隣接して形成する。さらに、触媒層２の片面、又は両面に、低毛管圧勾配で水を吸収する親水性バッファー層７を形成する。これによって、触媒層２において生成される水が、親水性バッファー層７において吸収される。親水性バッファー層７の水を逆拡散させ、乾燥した層に水を供給することもできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、触媒層、及び撥水層を、この順に含む燃料電池用の電極構造体であって、
低毛管圧勾配で水を吸収する親水性バッファー層が、
前記触媒層に隣接して形成されていることを特徴とする燃料電池用の電極構造体。
【請求項２】
前記親水性バッファー層が、
前記触媒層と前記撥水層の間に、カーボンを基本材料として形成されていることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池用の電極構造体。
【請求項３】
前記親水性バッファー層が、
前記触媒層と前記電解質膜の間に、カーボンとイオン導電性ポリマーを基本材料として形成されていることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池用の電極構造体。
【請求項４】
前記親水性バッファー層が、第１の親水性バッファー層と第２の親水性バッファー層からなり、
第１の親水性バッファー層が前記触媒層と前記撥水層の間にカーボンを基本材料として形成されており、かつ、第２の親水性バッファー層が前記触媒層と前記電解質膜の間にカーボンとイオン導電性ポリマーを基本材料として形成されていることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池用の電極構造体。
【請求項５】
前記低毛管圧勾配が、２×１０−３ｋＰａ〜２ｋＰａの範囲にあることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池用の電極構造体。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の前記電極構造体を含む固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用、特に、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、以下、「ＰＥＦＣ」と略す）用の電極構造体に関する。さらに詳細には同電極構造体に生成される水を制御可能な親水性バッファー層に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の内、ＰＥＦＣは、自動車用、家庭用、又は携帯機器用分野といったような分野において実用化が進んでおり、その発電性能を向上させることが急務とされている。ＰＥＦＣの発電性能は、Ｉ−Ｖ特性で良否が分かるが、Ｉ−Ｖ特性を良好にするには、とりわけＰＥＦＣのカソード側で起こるフラッディング現象を抑制することが必要である。加えて、ＰＥＦＣの電解質膜や触媒層が乾く場合にも、Ｉ−Ｖ特性が劣化するため、ドライアップ現象を抑制することも必要である。
【０００３】
以下、図１１、図１２を参照しながら上記の内容をさらに説明しつつ、従来技術の課題について言及する。
図１１は、ＰＥＦＣのカソード側の半セル構造体（電極構造体）１０の断面図である。図１１に示されるように、半セル構造体１０のカソード側には、電解質膜１の上に、触媒層２、撥水層３を含み、さらに、拡散層４、セパレーター５を、順に含んでいる（参照符号５Ｈは、酸素ガス又は空気のガス流路である）。なお、アノード側の半セル構造体は図示しないが、電解質膜１の反対側に上記各層を同様にして形成し、カソード側の半セル構造体１０と合わせて固体高分子型燃料電池用の電極構造体を成している。
【０００４】
触媒層２では、アノード側から電解質膜１中を通りカソード側に移動するプロトンＨ＋と、カソード側に供給される空気又は酸素ガスと、触媒層２に含まれる白金、白金−ルテニウム合金等の触媒とが三相界面反応し、カソード側で水が生成される。生成された水は、さらに、撥水層３、拡散層４、及び流路５へと、順次移動し、図１２に灰色で示した断面略対称のサングラス状部で示される浸水状態が形成される。この浸水状態がさらに進むと、サングラス状部の間が繋がるようになっていくように水がさらに蓄積していき、結果的に、触媒層２が水を収容しきれなくなり、フラッディング現象が起こる。
【０００５】
一方、電解質膜２又は触媒層２を膨潤するのに必要な水６が乾いてしまうこともある。この場合には、イオン導電性ポリマーが乾燥し、ＰＥＦＣ１０の発電性能を低下させるドライアップ現象が起こる。
そこで、フラッディング現象、ドライアップ現象を抑制すべく、近年のＰＥＦＣでは、特許文献１に示されているように、低加湿条件下、カソード触媒層２に含まれるポリマーを適度に湿らせる一方、高加湿条件下、カソード触媒層２に接する撥水層３の撥水性を強くし、水が拡散層４へ急激に移動しないようなバッファー的な機能を有する層（以下、バッファー層という）を含む構造が採用されつつある（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１６４０５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、好適に両現象が抑制されていないのが実情である。それは、例えば、図１３の解析結果が示すように、撥水層４０μｍを形成したものが、Ｉ−Ｖ特性が一番優れており、撥水性を良好になるように設定した、撥水層２００μｍのものがＩ−Ｖ特性が一番悪くなっており、弱い撥水性の層がむしろ、撥水性が強い２００μｍのものよりＩ−Ｖ特性が向上している。この結果から分かるように、フラッディング現象を防止すべく、余剰な
水を排出側に移動させるように、バッファー層をより撥水性となるように変更しても、むしろＩ−Ｖ特性を劣化させる結果を招き、バッファー層形成が技術的に難しいことが分かる。
以下、さらに、図１１、１２を参照して、従来技術の課題について説明を続ける。
触媒層２において生成する水の量は、ＰＥＦＣ１０内の電流密度に比例し、電流密度が高くなるほど、多くの水が生成する。
一方、触媒層２は微細な多孔構造を有するため、毛管圧により、生成した水６は触媒層２から撥水層３を経由して拡散層３に移動する。
しかし、触媒層２の厚さは、一般に１０μｍ程度と薄いため、触媒層２に含まれる孔容積の総量が小さく、そのため、触媒層２の孔に水を十分収容できず、触媒層２でフラッディング現象が発生し易い。また、触媒層２の孔内の水が、毛管圧により触媒層２から撥水層３に移動する移動速度が遅い場合にも、カソード触媒層２の孔内の水６を排出しきれず、カソード触媒層２においてフラッディング現象が発生する。
【０００７】
上記の各現象が起こる要因を鑑みると、高加湿条件下において、水６を好適に排出させる一方、低加湿条件下において、電解質膜１や触媒層２の樹脂（アイオノマー）の保湿のために、水６を好適に供給させる手段が、ＰＥＦＣの電極構造体に、特に触媒層２に関連して形成することが要請される。
上記の特許文献１では、ガス拡散層を二重構造にしてその中に親水性の水溜め用の中間層を配置する構造を示しているが、上述したようにフラッディング現象の発端となる触媒層に存在する水に直接対策を施していない上に、どのような特性または物性の層構造が好適であるかについて明示していない。
したがって、特許文献１で示された電極構造体によっては、安定した性能を発揮する固体高分子型燃料電池用の電極構造体を製造するための具体性に欠ける。
【０００８】
そこで、本発明は、斯かる実情に鑑み、ＰＥＦＣのカソード側においてフラッディング及びドライアップの両現象を抑制（防止）可能な電極構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、鋭意検討の結果、上記の課題を解決するために、低毛管圧勾配で水を吸収する親水性バッファー層が、カソード触媒層に隣接して形成されることを特徴とする固体高分子型燃料電池用の電極構造体を見出した。より具体的には、本発明者は、固体高分子型燃料電池用の電極構造体の、カソード触媒層と撥水層との間、カソード触媒層と電解質膜との間、又は、カソード触媒層と撥水層との間及びカソード触媒層と電解質膜との間の両方に、低毛管圧勾配で吸水可能な親水性バッファー層を配置した電極構造を見出し、さらに、この親水性バッファー層が所定範囲の値の低毛管圧勾配を有するものとし、フラッディング及び／又はドライアップの両現象が抑制されることを見出した。
本発明に係る固体高分子型燃料電池用の電極構造体の各種態様、それらの作用、効果については、以下の（発明の態様）において詳しく説明する。
【００１０】
（発明の態様）
以下、発明の態様を示し、それらについて説明する。（１）ないし（６）の項の各々が、請求項１ないし請求項６の各々に相当する。
【００１１】
（１）  電解質膜、触媒層、及び撥水層を、この順に含む燃料電池用の電極構造体であって、低毛管圧勾配で水を吸収する親水性バッファー層が、前記触媒層に隣接して形成されていることを特徴とする燃料電池用の電極構造体。
【００１２】
本項によれば、低毛管圧勾配で水を吸収する親水性バッファー層を触媒層に隣接して形
成しているため、前述したようにフラッディング現象の発端となる触媒層において収容しきれない水を、すぐに親水性バッファー層で、吸収、収容することができ、もって、同現象を抑制することができる。
【００１３】
「電解質膜、触媒層、及び撥水層を、この順に含む燃料電池用の電極構造体」は、本項の対象となる、カソード側の燃料電池用の電極構造体を指す。さらに、撥水層の外側に、ガス拡散層、ガス流路を含むセパレーターを、この順に形成し、燃料電池のカソード側の電極構造体を成す。この「燃料電池」は、典型的には、固体分子型燃料電池を指すが、これに限られるものではない（以下同様）。
【００１４】
次に、「低毛管圧勾配で水を吸収する親水性バッファー層」について、指標「毛管圧勾配」と親水性、撥水性との関係に言及しながら、図１０を参照して説明する。
図１０の曲線Ｉ、ＩＩは、それぞれ、親水性材料、撥水性材料が示す毛管圧特性のグラフである。
曲線Ｉによれば、親水性材料は、飽和度が小さい領域（水収容可能体積に対し水が少ない場合）では、毛管圧特性曲線の勾配が小さく（毛管圧勾配１）、飽和度が大きい領域では、毛管圧特性曲線の勾配が大きい（毛管圧勾配２）傾向を示す。一方、曲線ＩＩによれば、撥水性材料は、飽和度が小さい領域、即ちグラフの原点から毛管圧特性曲線がすぐ立ち上がり、その勾配が大きい（毛管圧勾配１´）一方、飽和度が大きい領域では、曲線Ｉの場合と、顕著な勾配差がなくなる。これは、吸水の初期は、親水性材料は濡れ性が高く最先の水頭部が凹状態となり水が上昇しづらいが、撥水性材料は、濡れ性が低く水頭部が凸状態となり水が上昇し易い傾向が顕著に出易いためである。
【００１５】
このようにして、発明者は、材料が親水性であるか撥水性であるか判定し易い毛管圧特性のグラフのうち、原点付近の毛管圧勾配を、親水性バッファー層のための指標とした。すなわち、低毛管圧勾配を、親水性バッファー層の製造時、品質管理時等に好適な指標として採用し、触媒層に隣接して燃料電池内の水を好適に制御する層として「低毛管圧勾配で水を吸収する親水性バッファー層」を適用することとした。
【００１６】
なお、本項において、親水性バッファー層が、カソード触媒層のポア内に収容された水を毛管圧で吸うためには、カソード触媒層の毛管圧勾配よりも、親水性バッファー層の毛管圧勾配が小さい又は同等であることが好ましい。親水性バッファー層の毛管圧勾配が小さいと、親水性バッファー層に水が溜まり易くなり、親水性バッファー層で水が保持され、カソード触媒層における水の詰まりを防止し、もって、フラッディング現象を抑制することができるためである。
【００１７】
親水性バッファー層は、一定範囲の毛管圧勾配を有する層であるため、多くの細孔を含む多孔層であることが好ましい。また、同層が燃料電池の電極の一部を成す以上、イオン導電性、必要に応じてプロトン伝導性を要するものであることが好ましい。したがって、例えば、カーボン、ナフィオン（デュポン社の商品名）を水、アルコール類に懸濁、分散し、さらに造孔剤を加えるようにして、イオン導電性、プロトン導電性を有する低毛管圧勾配で水を吸収する親水性バッファー層を作製する。
【００１８】
（２）  前記親水性バッファー層が、前記触媒層と前記撥水層の間に、カーボンを基本材料として形成されていることを特徴とする（１）に記載された燃料電池用の電極構造体。
【００１９】
本項は、（１）項において、親水性バッファー層の形成箇所と、その基本材料を例示したものである。イオン導電性のあるカーボンを基本材料とするが、（１）で説明した他の材料と適宜組み合わせて使用することが望ましい。より具体的には、本項では、親水性バッファー層の形成箇所を、触媒層と撥水層の間とし、かつ、その基本材料をカーボンとし
、（１）項をさらに明確にした。ただし、カーボンを基本材料とするが、他の必要な材料と適宜組み合わせて使用することが望ましい。
【００２０】
本項によれば、低毛管圧勾配の親水性バッファー層を、触媒層と撥水層の間に形成するため、触媒層のポア内を閉塞している余剰な水を親水性バッファー層が吸い取り、フラッディング現象を抑制できる。触媒層は１０μｍと薄く、触媒層のポアに蓄積可能な水の容量が小さいことから、このようにして、触媒層とは別に水を蓄えるための層を１層設けることにより、触媒層のポアが水で詰まることがなくなるためである。
【００２１】
高加湿条件下では、低毛管圧勾配の親水性バッファー層に吸われた水は、毛管圧により、さらに外側にある撥水層、拡散層側に順に移動するため、毛管圧勾配の親水性バッファー層が閉塞されることはなく、触媒層ばかりでなく低毛管圧勾配の親水性バッファー層もフラッディング現象が起こることがない。よって、図９に示されるように、従来の親水性バッファー層がない燃料電池に比べ、高電流密度まで高電圧を維持することができ、Ｉ−Ｖ特性を向上させることができる。
【００２２】
さらに、触媒（以下、適宜その代表例の「白金」とする）をその表面積分を十分に有効活用することができ、高い発電性能を発揮させることができる。白金が常に水没すると、白金の耐久性が悪くなるが、低毛管圧勾配の親水性バッファー層を１層設けることで、触媒層の余剰な水が引かれ、もって、白金が常に水没することを防止でき、触媒層の耐久性を向上させることができる。
【００２３】
さらにまた、低加湿条件下では、親水性バッファー層は水溜めとして機能し、触媒層が乾いていたら、親水性バッファー層に溜められている水を、触媒層へ供給することもでき、触媒層が適度な水分を保つことが可能であり、ドライアップ現象を防止することができる。
【００２４】
（３）  前記親水性バッファー層が、前記触媒層と前記電解質膜の間に、カーボンとイオン導電性ポリマーを基本材料として形成されていることを特徴とする（１）に記載された燃料電池用の電極構造体。
【００２５】
本項は、上記親水性バッファー層の形成箇所を、前記触媒層と前記電解質膜の間とし、かつ、その基本材料を、カーボンに加えイオン導電性ポリマーとし、（１）項をさらに例示したものである。ただし、カーボンとイオン導電性ポリマーを基本材料とするが、上述した他の材料と適宜組み合わせて使用することが望ましい。（２）項と異なり、本項で、基本材料にイオン導電性ポリマー加えた主な理由は、アノード側から電解質膜を通ってカソード側に移動してくるプロトンや、水が生成され、燃料電池が発電するときに必要な電子の移動を遮ることなく、その移動を促進、補助するためである。さらに、プロトン伝導性材料もまた、本項の親水性バッファー層の基本材料とするようにしてもよい。より具体的には、本項の親水性バッファー層のナフィオンに代表されるプロトン伝導性樹脂（ポリマー）の体積比率を、親水性バッファー層のない従来電極構造の体積比率よりも１．５倍から２倍程度とすることが好ましい。従来の電極構造における触媒層中に含有させるプロトン伝導性ポリマーの体積比率（例えば０．３８程度）では、従来以上の発電性能の向上は困難であるためである。
【００２６】
本項によれば、発電時に触媒層で生成された水は、触媒層内の電解質ポリマーを湿らせ、次の段階として触媒層のポア内の空間を閉塞していく。このようにして、低毛管圧勾配の親水性バッファー層を設けることにより、余剰な水である触媒層のポア内を閉塞している水を吸い取り、フラッディング現象を抑制可能とする。
【００２７】
特に、本項によれば、低毛管圧勾配の親水性バッファー層に移動した水は、毛管圧により触媒層側と、逆拡散により電解質膜側（アノード触媒側）の両方に移動することができ、もって、触媒層を中心としたフラッディング現象と電解質膜を中心としたドライアップ現象の両方を抑制することができる。白金（触媒）に対する作用、効果は、（２）と同様であるため、その説明を省略する。
【００２８】
（４）  前記親水性バッファー層が、第１の親水性バッファー層と第２の親水性バッファー層からなり、第１の親水性バッファー層が前記触媒層と前記撥水層の間にカーボンを基本材料として形成されており、かつ、第２の親水性バッファー層が前記触媒層と前記電解質膜の間にカーボンとイオン導電性ポリマーを基本材料として形成されていることを特徴とする（１）に記載された燃料電池用の電極構造体。
【００２９】
本項は、（１）項において、上記親水性バッファー層の形成箇所と、その基本材料を例示したものであり、（２）項と（３）項の親水性バッファー層を、それぞれ第１の親水性バッファー層、第２の親水性バッファー層として、併せ持つようにした態様である。
したがって、本項による作用、効果は、基本的には、（２）項と（３）項の両態様のものと同様であるのでその記載について省略するが、本項の特記事項について、以下述べる。
【００３０】
各親水性バッファー層の膜厚に関し、第１の親水性バッファー層も第２の親水性バッファー層も、５μｍから１０μｍとするのが好ましく、さらに、第２の親水性バッファー層を、第１の親水性バッファー層よりも薄く形成することがより好ましい。これは、第２の親水性バッファー層を厚くしすぎると、電解質膜の水が吸われすぎて好ましくなく、水の排出側により近い第１の親水性バッファー層をより厚くして、第１の親水性バッファー層に余剰な水を吸わせるようにした方が好ましいためである。
【００３１】
ドライアップ現象を抑制し易くするためには、水をアノード側に逆拡散させ易くするように、第１の親水性バッファー層の毛管圧勾配を、第２の親水性バッファー層の毛管圧勾配よりも大きくすることが好ましく、一方、カソード側の水の流路への移動、排出をし易くするためには、逆に、第１の親水性バッファー層の毛管圧勾配を、第２の親水性バッファー層の毛管圧勾配よりも小さくするようにすることが好ましい。
【００３２】
また、（２）項と同様に、本項の第２の親水性バッファー層のプロトン伝導性樹脂（ポリマー）の体積比率を、親水性バッファー層のない従来電極構造の体積比率よりも１．５倍から２倍程度とすることが好ましい。従来の電極構造における触媒層中に含有させるプロトン伝導性ポリマーの体積比率（例えば０．３８程度）では、従来以上の発電性能の向上は困難であるためである。同時に、プロトン伝導性ポリマーのねじれ係数を１．３程度に押さえることが好ましい。そのために、第２の親水性バッファー層でのプロトン伝導性ポリマーは、例えば円柱形状のものを多数配置するようにすることが望ましい。
【００３３】
（５）  前記低毛管圧勾配が、２×１０−３ｋＰａ〜２ｋＰａの範囲にあることを特徴とする（１）から（４）のいずれか１項に記載の燃料電池用の電極構造体。
【００３４】
本項は、親水性バッファー層の低毛管圧勾配の好適範囲を定めたものである。２×１０−３ｋＰａから２ｋＰａの範囲の理由は、２×１０−３ｋＰａよりも小さいと、ＰＥＦＣの電流密度が実用レベル以下まで低下するため好ましくなく、一方、２ｋＰａより大きいと、親水性バッファー層を設けないときと同等の電流密度となり、親水性バッファー層を設ける意義がなくなるとの理由による。
【００３５】
燃料電池の発電性能を好適にする低毛管圧勾配に関し、上記の２×１０−３〜２ｋＰａ
の範囲が好適であるが、さらに、燃料電池の発電性能を安定にするには、５×１０−３ｋＰａ〜０．５ｋＰａの範囲が好ましい（後述の実施例、比較例の欄の記載参照）。
【００３６】
親水性バッファー層の低毛管圧勾配は、上記の範囲に限定されるものではなく、外界温度によって水温が変わると毛管現象の挙動が変わる。より具体的には、外界温度が低いと下限側に変動する傾向があり、外界温度が高いと上限側に寄る傾向があり、おおよそ２×１０−４ｋＰａ〜２０ｋＰａの範囲（最大変動幅）で変動すると考えられる。
【００３７】
（６）  （１）から（５）のいずれか１項に記載の前記電極構造体を含む固体高分子型燃料電池。
（１）から（５）の電極構造体は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に適用することができる。ただし、ＰＥＦＣに限定するものではなく、同様の構造を採用する燃料電池すべてに適用可能である。例えばダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）に適用可能である。
【発明の効果】
【００３８】
本発明に係る燃料電池用の電極構造体によれば、燃料電池のカソード側におけるフラッディング現象を抑制することができる。また、同電極構造体によれば、電解質膜やその他の層が乾燥しその機能を損ないそうなときに、これらに水分を与えドライアップ現象を抑制することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら説明する。
図１、図２、図３は、発明を実施する形態の一例であって、図中、同一の符号を付した部分は同一物を表わし、親水性バッファー層以外の基本的な構成は図
１１に示す従来のものと同様である。
【００４０】
第１実施形態：図１は、本発明に係る燃料電池の電極構造体のカソード側の、第１実施形態の断面図を示す。
図１に示されるように、第１実施形態の燃料電池の電極構造体３０では、図１１に示された従来の電極構造体１０と同様の基本構成を含むが、さらに触媒層２と撥水層３との間に、親水性バッファー層７が形成されている。
【００４１】
親水性バッファー層７は、低毛管圧勾配で水を吸収するものであり、多孔質材料からなる層である。多孔質材料は、水及び液体燃料に溶解しなければ特に限定されないが、カーボンを基本材料とし、水、メタノール、エタノール等のアルコール類（以下、単に「アルコール」という）、造孔剤、ナフィオンに代表されるプロトン伝導性ポリマーからなる溶液（以下、適宜、単に「ナフィオン溶液」という）その他の必要な添加剤を混練し、適宜造孔剤を除去しつつ親水性バッファー層６用の材料を作製する。そして、常法により電解質膜１に塗布して、他の層と共に加圧、加熱し、多孔性の親水性バッファー層６を含むようにする。
【００４２】
カーボン、水、アルコール、造孔剤、及びナフィオン溶液の重量比は、１：（４〜１０）：（４〜１０）：（０．５〜５）：（０．１〜３）とすることが好ましい。また、形成された親水性バッファー層６の膜厚は、１０μｍ〜２０μｍとすることが好ましい。１０μｍより薄いと、余剰な水を吸う容積が不足しフラッディング現象を抑制できず一方、２０μｍより厚いと、生成した水を吸いすぎて、水が一定量必要な電解質膜、触媒層が乾燥し、ドライアップ現象を抑制できないからである。
【００４３】
親水性バッファー層６に関し、毛管圧勾配は、２×１０−３ｋＰａ〜２ｋＰａが好まし
く、５×１０−３ｋＰａ〜０．５ｋＰａがさらに好ましい。低加湿条件では、毛管圧勾配が低すぎると、触媒層２から水を吸い取りすぎて、触媒層２が乾き電極構造体３０を含む発電性能が低下し、高加湿条件では、同様に毛管圧勾配が低すぎると、親水性バッファー層８で水が閉塞され、触媒層２にガスが供給されなくなり同発電性能が低下する。よって、低加湿条件でも高加湿条件でも、親水性寄りの傾向を示しながら、ある程度の毛管圧勾配が必要であるため、上記範囲が好適な範囲となる。
【００４４】
図２、図３は、低毛管圧勾配範囲において、低加湿条件を、ストイキ：５．５／９、圧力：０．１ＭＰａ、セル温度：７０℃、バブラー温度：４５℃／５５℃と設定し、かつ、高加湿条件を、ストイキ、圧力、セル温度を低加湿条件と同様とし、バブラー温度：７０℃／７０℃）と設定し解析した結果について、横軸を毛管圧勾配（ｋＰａ）、縦軸を電流密度（Ａ／ｃｍ２）にとったグラフである（なお、これらの条件は、自動車に当該電極構造を含む燃料電池を搭載したときの一般的な使用温度の例である）。
【００４５】
図２、図３に引かれている一点鎖線は、それぞれ従来の電極構造を含む燃料電池の発電性能を示す電流密度の高さを指す。そして、楕円で囲まれた領域は、本実施形態の電極構造３０を含む燃料電池が、この高さ以上の電流密度を持つ範囲（従来に比べ性能向上が可能な領域）を指す。両図によれば、その領域に相当する毛管圧勾配の５×１０−３ｋＰａ〜０．５ｋＰａが最適範囲であることが分かる。
【００４６】
図４は、第１実施形態における電極構造４０内の水の分布状態を示す。図１２に示された従来の電極構造１０内の水の分布状態と比較して、触媒層２に水が詰まることがなく、親水性バッファー層６が十分水を吸い込み、もってフラッディング現象を抑制できることが分かる。
第１実施形態の電極構造３０が他の実施形態に比べて最も従来の電極構造１０に近似しており、水の分布状態を比較し易い。よって、第１実施形態のみ当該分布状態の図を示した。他の実施形態２及び３については相当の図を省略したが、同様に親水性バッファー層の吸水により水の好適な分布に寄与し、フラッディング現象及び／又はドライアップ現象を抑制することができることは言うまでもない。
【００４７】
第２実施形態：
図５は、本発明に係る燃料電池の電極構造体のカソード側の、第２実施形態の断面図を示す。
図５に示されるように、第２実施形態の燃料電池の電極構造体４０では、同様にして、図１１の従来の電極構造体１０と同様の基本構成を含むが、電解質膜１と触媒層２の間に、親水性バッファー層８が形成されている。
親水性バッファー層８は、第１実施形態と同様にして作製されるが、カーボン、水、アルコール、造孔剤、及びナフィオン溶液の重量比に関し、１：（４〜１０）：（４〜１０）：（０．５〜５）：（１．２〜１２）とすることが好ましい。すなわち、親水性バッファー層８が電解質膜１に隣接しているため、第１実施形態と異なる点は、ナフィオン溶液を比較的多く含むようにすることである。理想的には、親水性バッファー層８の吸水以外の物性は、電解質膜１と同様のものとすべきであるためであり、そのために、親水性バッファー層８が、アノード側から電解質膜を通ってカソード側に移動してくるプロトンを遮りがちとならないように、ナフィオン成分をより多くする。
【００４８】
形成された親水性バッファー層８の膜厚及び毛管圧勾配についての内容は、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００４９】
第３実施形態：
図６は、本発明に係る燃料電池の電極構造体のカソード側の、第３実施形態の断面図を
示す。図６に示されるように、第３実施形態の燃料電池の電極構造体５０では、同様にして、図１１の従来の電極構造体１０と同様の基本構成を含むが、触媒層２と撥水層３の間に第１の親水性バッファー層７が形成され、かつ、電解質膜１と触媒層２の間に、第２の親水性バッファー層８が形成されている。すなわち、電極構造体５０は、第１の実施形態と第２の実施形態の電極構造３０、４０に含まれる第１及び第２の親水性バッファー層を同時に併せ持つものである。したがって、両実施形態の親水性バッファー層６、８の両方の作用・効果を有する。
【００５０】
図７及び図８は、実施形態３に係る、低毛管圧勾配範囲における、低加湿条件及び高加湿条件を第１実施形態と同様にして設定し解析した結果をまとめた同様のグラフである。
図７及び図８にも、図２、図３と同様の従来の電極構造１３を含む燃料電池の発電能を示す一点鎖線が引かれており、同様の楕円に囲まれた領域が示されている。これらのグラフから第３実施形態においても、毛管圧勾配が、５×１０−３ｋＰａ〜０．５ｋＰａが最適範囲であることを示している。さらに、実施形態１に係る図２、図３と、実施形態３に係る図７、図８とを比較すると、第３実施形態の電極構造５０を含む燃料電池の方が、第１実施形態の電極構造３０を含む燃料電池よりも当該最適範囲において、発電能が向上することが分かる。これは第３実施形態の方が第１実施形態よりも、親水性バッファー層が多いため、よりフラッディング現象及び／又はドライアップ現象を抑制できるためと考えられる。
【００５１】
尚、本発明の燃料電池用の電極構造体は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、本発明によれば、大きな面寸法の単位セルをスタックして構成されるＰＥＦＣのスタック方向と垂直な方向において、ある箇所では低加湿雰囲気に、ある箇所では高加湿雰囲気となるようといったように、単位セル内で雰囲気にばらつきが生じるときに、それに起因する局所的なフラッディングをも抑制することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は、第１実施形態に係る燃料電池の電極構造の断面図（カソード側）である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る同電極構造の低加湿条件下の特性を、従来のものと比較しながら示したグラフである。
【図３】図３は、第１実施形態に係る燃料電池の高加湿条件下の特性を、従来のものと比較しながら示したグラフである。
【図４】図４は、第１実施形態に係る燃料電池の電極構造における水の浸水状態を概略的に示す断面図である。
【図５】図５は、第２実施形態に係わる燃料電池の電極構造の断面図（カソード側）である。
【図６】図６は、第３実施形態に係わる燃料電池の電極構造の断面図（カソード側）である。
【図７】図７は、第３実施形態に係る同電極構造の低加湿条件下の特性を、従来のものと比較しながら示したグラフである。
【図８】図８は、第３実施形態に係る同電極構造の高加湿条件下の特性を、従来のものと比較しながら示したグラフである。
【図９】図９は、第１実施形態に係る電極構造を含む燃料電池のＩ−Ｖ特性と、従来の電極構造を含む燃料電池のＩ−Ｖ特性を比較したグラフである。
【図１０】図１０は、低毛管圧領域における、親水性材料、撥水性材料の毛管圧特性、毛管圧勾配を説明するためのグラフである。
【図１１】図１１は、従来の電極構造（カソード側）の断面図である。
【図１２】図１２は、従来の電極構造における水の浸水状態を概略的に示す断面図である。
【図１３】図１３は、撥水性の違いによるI−Ｖ特性の比較を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５３】
１：電解質膜、２：触媒層、３：撥水層、７：親水性バッファー層、３０：燃料電池用の電極構造体
【図２】
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【図３】
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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１３】
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【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１１】
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【図１２】
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