(57)【要約】      （修正有）【課題】排水性を容易に向上させることが可能な燃料電池及び当該燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】  電解質層１及び当該電解質層１の両側に配設される触媒層２ａ、３ａを備えるＭＥＡ５と、当該ＭＥＡ５の両側に配設される拡散層２ｂ、３ｂと、当該拡散層２ｂ、３ｂの外側に配設されるセパレータ７、８と、を備える単セル１０を積層した、積層体を備える燃料電池であって、触媒層２ａ、３ａの、拡散層２ｂ、３ｂ側の面に、排水手段６、６が付与されている、燃料電池とする。【選択図】図１
2006156288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層及び該電解質層の両側に配設される触媒層を備えるＭＥＡと、該ＭＥＡの両側に配設される拡散層と、該拡散層の外側に配設されるセパレータと、を備える単セルを積層した、積層体を備える燃料電池であって、
前記触媒層の、前記拡散層側の面に、排水手段が付与されていることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記排水手段は、前記拡散層側の面の、前記単セル内にて液滴の水が滞留しやすい部位に付与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】
前記排水手段が、撥水剤であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記撥水剤が、５〜５０ｎｍの厚さで塗布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】
前記撥水剤が、フッ素系の表面処理剤であることを特徴とする、請求項３又は４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記排水手段が付与されている前記触媒層を備える前記単セルが、前記積層体の端部に備えられていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
電解質層及び該電解質層の両側に配設される触媒層を備えるＭＥＡと、該ＭＥＡの両側に配設される拡散層と、該拡散層の外側に配設されるセパレータと、を備える単セルを積層した、積層体を備える燃料電池の製造方法であって、
前記ＭＥＡを作製した後、該ＭＥＡの積層面の少なくとも一方に撥水剤を塗布する、撥水剤塗布工程を有することを特徴とする、燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び燃料電池の製造方法に関し、特に、排水性を容易に向上させることが可能な燃料電池及び当該燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質と、当該電解質の両側に配置される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、このＭＥＡの両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、低温領域での運転が可能であり、８０〜１００℃等の運転温度で使用されるのが一般的である。また、ＰＥＦＣは、３０〜４０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、電解質膜、触媒層と拡散層とを備えるカソード及びアノード、並びに、セパレータを含み、その理論起電力は１．２３Ｖである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層して積層体を構成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態の燃料電池が使用されている。
【０００４】
一方、ＰＥＦＣの電解質は、陽イオン交換樹脂膜を、カチオン導電性膜として使用するものである。この導電性膜は、分子中にプロトン（水素イオン（Ｈ＋））交換基を有しており、これを飽和状態に含水させることにより、常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示し、プロトン導電性電解質として機能している。そして、電解質膜の飽和含水量は、温度によって可逆的に変化する。すなわち、ＰＥＦＣの運転中においては、電解質膜からの蒸散を防止するために燃料ガス中および酸化ガス中に水蒸気の形で添加された加湿水と、カソード側における電気化学反応によって生成される水とによって常に飽和状態が維持される。
【０００５】
ところが、カソード側において生成される水が増加するか、あるいは燃料ガスおよび酸化ガスが消費されて残留ガス中の水蒸気が過飽和となり、水が凝結して水の供給が過剰となると、上記電解質膜や電極が水浸しとなって、いわゆる「フラッディング」状態となる。このフラッディングが発生すると、セル内のガス接触面積が減少し、更にはカソードへの酸素ガスの供給が阻害されて、ＰＥＦＣの発生電圧が低下する。かかる電圧低下は、ＰＥＦＣの効率低下に繋がるため、ＰＥＦＣの高いエネルギー変換効率を維持するためには、セル内の排水性を向上させることでフラッディングの発生を抑制することが重要である。
【０００６】
他方、電気自動車の用途に対して、燃料電池は、起動後直ちに電気エネルギーを発生すること、すなわち、良好な始動性を有することが要求される。しかし、例えば氷点下の寒冷環境では、カソード内に残存する水の凍結等が生じる結果、良好な始動性が得られ難い。かかる水の凍結は、特に、外気により冷却されやすいスタックの端部に配置された単セル（以下において、「端部セル」と記述することがある。）内で発生しやすいことが知られている。したがって、端部セルの寒冷環境下における始動性（以下において、「低温始動性」と記述する。）を向上させることで、燃料電池の効率を向上させることが望まれている。
【０００７】
セル内の排水性を向上させることを目的とした技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、電極層中におけるフッ素樹脂微粒子の混合量をガス入口側と出口側とで変化させたＰＥＦＣ、及びガス流れ方向の上流側に位置するセルと下流側に位置するセルとで上記フッ素樹脂微粒子の混合量を変化させたＰＥＦＣに関する技術が開示されている。この技術によれば、水が多く溜まる部位の撥水性を向上させることで水分の管理を容易に行うことができ、さらに、ガス流れ方向の上流側に位置するセルにおける性能の低下を抑えることができる、とされている。なお、特許文献１にかかる電極層は、本発明における触媒層と対応する概念である。また、特許文献２には、カソード電極及びアノード電極の触媒層と拡散層との間にフッ素樹脂とカーボンブラックからなる混合層を備えるＰＥＦＣに関する技術が開示されている。この技術によれば、電解質膜の部分的な乾燥や過剰な濡れによるガス拡散阻害が防止でき、電池性能の低下を防止することができる、とされている。
【特許文献１】特開平９−２８３１５３号公報
【特許文献２】特開２００１−１３５３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に開示されている技術では、電極層の面内でフッ素樹脂微粒子の混合量を変化させる必要があるが、このように面内で組成が傾斜している電極層を作製することは困難であるため、かかる技術により電極層の排水性を向上させることは困難であるという問題があった。また、特許文献２に開示されている技術によっても、燃料電池の効率を効果的に向上させることは困難であるという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、排水性を容易に向上させることが可能な燃料電池及び当該燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質層及び当該電解質層の両側に配設される触媒層を備えるＭＥＡと、ＭＥＡの両側に配設される拡散層と、拡散層の外側に配設されるセパレータと、を備える単セルを積層した、積層体を備える燃料電池であって、触媒層の、拡散層側の面に、排水手段が付与されていることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
【００１１】
ここに、本発明において、触媒層の拡散層側の面とは、ＭＥＡの少なくとも一方の積層面という意味である。なお、積層面とは、単セルの積層方向を法線方向とする面のことであり、ＭＥＡは、カソード側の積層面とアノード側の積層面とを有している。ＭＥＡの積層面に排水手段が付与されていれば、その後、排水手段が付与されたＭＥＡの積層面の両側に拡散層を配設することで、拡散層側の面に排水手段が付与された触媒層を備える燃料電池とすることが可能になる。また、排水手段とは、触媒層の拡散層側の面において液滴の水を排水し得る手段であれば特に限定されるものではなく、その具体例としては、当該面の表面に凹凸形状を形成することで排水性を向上させる手段や、当該面の表面に塗布される撥水剤等を挙げることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、排水手段は、拡散層側の面の、単セル内にて液滴の水が滞留しやすい部位に付与されていることを特徴とする。
【００１３】
ここに、単セル内にて液滴の水が滞留しやすい部位の具体例としては、当該単セルが積層体の中央に配置される場合には、カソードに供給される反応ガスの出口や当該反応ガスの下流部（例えば、反応ガス流路の後半等）等を挙げることができ、さらに、セパレータにサーペンタイン形状の反応ガス流路が形成されている場合には、当該流路の曲部等を挙げることができる。他方、単セルが積層体の端部（例えば、両端）に配置される場合には、上記拡散層側の面の全面を挙げることができる。すなわち、本発明において排水手段が備えられ得る部位の具体例としては、これらの部位と対向する、触媒層の拡散層側の部位等を挙げることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、排水手段が、撥水剤であることを特徴とする。
【００１５】
ここに、本発明において、撥水剤は、気体を透過させる一方で液滴の水を透過させない性質（以下において、「撥水性」と記述する。）を備えていれば、特に限定されるものではない。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池において、撥水剤が、５〜５０ｎｍの厚さで塗布されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の燃料電池において、撥水剤が、フッ素系の表面処理剤であることを特徴とする。
【００１８】
ここに、本発明において、フッ素系の表面処理剤は、撥水性を有していれば特に限定されるものではないが、触媒層の表面に５〜５０ｎｍの厚さで塗布可能であることが好ましく、当該表面処理剤の具体例としては、フッ素系撥水剤等を挙げることができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池において、排水手段が付与されている触媒層を備える単セルが、積層体の端部に備えられていることを特徴とする。
【００２０】
ここに、積層体の端部とは、定常状態における燃料電池の性能を重視するという観点からは、積層体の両端に配置されている２セルを基本とする一方、当該両端の２セルのみでは燃料電池の低温始動性の向上が不十分である場合には、積層体の両端から順にセル数を増加させた両端の複数セルとすることもできる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、電解質層及び当該電解質層の両側に配設される触媒層を備えるＭＥＡと、ＭＥＡの両側に配設される拡散層と、拡散層の外側に配設されるセパレータと、を備える単セルを積層した、積層体を備える燃料電池の製造方法であって、ＭＥＡを作製した後、ＭＥＡの積層面の少なくとも一方に撥水剤を塗布する、撥水剤塗布工程を有することを特徴とする、燃料電池の製造方法により、上記課題を解決する。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１に記載の発明によれば、触媒層の拡散層側の面に排水手段が付与されている。かかる面に排水手段が付与されていれば、拡散層側から触媒層の内部へ浸入しようとする液滴の水の移動を防止することが可能になり、当該液滴の水を単セル外へ容易に排出することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、排水性を容易に向上させることが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば、触媒層の拡散層側の面において液滴の水が滞留しやすい部位に排水手段が付与されているので、液滴の水を単セル外へと効果的に排出することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、効果的に排水性を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００２４】
請求項３に記載の発明によれば、触媒層の拡散層側の面に撥水剤を塗布することで、当該触媒層の排水性を向上させる。すなわち、かかる形態とすることで、簡易な方法により排水性を向上させ得る燃料電池用触媒層を提供することが可能になる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、触媒層の拡散層側の面に５〜５０ｎｍの厚みで撥水剤が塗布されている。５０ｎｍ以下の厚みで撥水剤が塗布されていれば、発電性能を維持することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、発電性能を維持しつつ、排水性を効果的に向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、撥水剤はフッ素系の表面処理剤である。特にフッ素系撥水剤等を用いれば、触媒層の拡散層側の面に、例えば５〜５０ｎｍの均一な厚みを有する撥水剤層を形成することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、排水性を向上させることが可能な燃料電池を容易に提供することが可能になる。
【００２７】
請求項６に記載の発明によれば、良好な排水性を有する単セルが、積層体の端部に備えられている。ここに、端部セルは、外気に触れやすいため、外気によって冷却されて液滴の水が生成されやすく、フラッディング状態になりやすい。他方、端部セルは生成水が滞留しやすいため、例えば、運転後の燃料電池が氷点下環境に置かれると、端部セル内の滞留水が凍結しやすく、低温始動性の低下を招く。したがって、請求項６に記載の発明により、端部セルの排水性を向上させれば、フラッディングの発生を抑制することが可能であるとともに低温始動性を向上させることが可能な、燃料電池を提供することが可能になる。
【００２８】
請求項７に記載の発明によれば、ＭＥＡの作製後に、ＭＥＡの積層面の少なくとも一方の面に撥水剤が塗布される。ここに、ＭＥＡは電解質層の両側に触媒層が配設されて構成されるため、ＭＥＡの積層面は触媒層の面に相当し、ＭＥＡの両側には拡散層が配設される。そのため、かかる形態の製造方法とすれば、触媒層の拡散層側の面に撥水剤が塗布されている燃料電池を製造することが可能になる。したがって、請求項７に記載の発明によれば、排水性を向上させることが可能な燃料電池の製造方法を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池についてさらに具体的に説明する。
【００３０】
図１は、本発明にかかる燃料電池を構成する単セルの形態例を概略的に示す断面図である。図１において、図の左右方向が単セルの積層方向である。
図示のように、第１実施形態にかかる本発明の単セル１０は、電解質膜１、並びに、当該電解質膜１の両側に配設されるアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層３ａを備えるＭＥＡ５、を備え、ＭＥＡ５の両側には、アノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂが配設されている。当該拡散層２ｂ、３ｂの外側には、さらに、アノードセパレータ７及びカソードセパレータ８が配設され、セパレータ７及び８の拡散層２ｂ、３ｂ側の面には、それぞれ反応ガス供給路７ａ、７ａ、…、及び８ａ、８ａ、…が形成される一方、これらの反対側の面には、冷却水流路７ｂ、７ｂ、…、及び８ｂ、８ｂ、…が形成されている。図示の単セル１０において、アノード２は、アノード触媒層２ａ及びアノード拡散層２ｂを備える一方、カソード３は、カソード触媒層３ａ及びカソード拡散層３ｂを備えている。そして、アノードセパレータ７の反応ガス流路７ａ、７ａ、…には、マニホールド（不図示）を介して水素含有ガス（以下において、「水素」と記述することがある。）が、カソードセパレータ８の反応ガス流路８ａ、８ａ、…には、マニホールド（不図示）を介して酸素含有ガス（以下において、「酸素」と記述することがある。）が、それぞれ供給されている。ここに、本実施形態にかかる単セル１０では、カソード触媒層３ａのカソード拡散層３ｂ側の面、及び、アノード触媒層２ａのアノード拡散層２ｂ側の面（以下において、これらの面をあわせて「第１の面」と記述することがある。）に、フッ素系撥水剤（Ｎｏｖｅｃ（Ｎｏｖｅｃは米国スリーエム社の登録商標））を備える撥水剤層６、６が形成されている。このような構成とすることで、本発明にかかる単セル１０では、ＭＥＡ５の両面（拡散層２ｂ、３ｂ側の面）の排水性を向上させている。
【００３１】
図示の単セル１０において、アノード側の反応ガス流路７ａ、７ａ、…から供給される水素は、アノード拡散層２ｂを介してアノード触媒層２ａへと達し、当該触媒層２ａ内の触媒上にて水素から電子と水素イオンとが生成される。そして、上記アノード触媒層２ａにて発生した水素イオンは、電解質膜１を通ってカソード触媒層３ａへと到達する。一方、カソード側の反応ガス流路８ａ、８ａ、…から供給される酸素は、カソード拡散層３ｂを介してカソード触媒層３ａへと供給され、当該触媒層３ａの触媒上において、水素イオン、酸素、及び電子が反応する（以下において、「電気化学反応」と記述することがある。）ことにより水（水蒸気）が生成される。このようにして生成された水蒸気の一部は、反応ガス流路８ａ、８ａ、…内を流れるガスにより外部へと排出される一方、残りの一部は、流路８ｂ、８ｂ、…内を流れる冷却水により冷却されているセパレータ８に触れることにより、結露して液滴の水となる。かかる水の一部は、上記水蒸気と同様に、流路８ａ、８ａ、…内を流れるガスにより外部へと排出され得る。そのため、例えば、流路８ａ、８ａ、…の下流部や当該流路８ａ、８ａ、…の出口では液滴の水が特に滞留しやすく、さらに、流路がいわゆるサーペンタイン形状に形成されている場合には、反応ガスによって液滴の水が押し出され難い当該流路の曲部（図２（Ｃ）参照）にも水が滞留しやすい。このようにして生成された液滴の水の滞留が触媒層３ａ、２ａにまで及び、触媒層３ａ、２ａがフラッディング状態になると、電気化学反応に寄与すべき触媒が当該水中に浸漬され、単セル１０の発電効率低下を招く。そこで、本発明では、上記第１の面に上記撥水剤層６、６を形成することにより、拡散層３ｂ、２ｂから触媒層３ａ、２ａへ向かう液滴の水の移動を防止し、発電効率の低下を防止し得る単セル１０としている。
【００３２】
ここで、拡散層３ｂ、２ｂから触媒層３ａ、２ａへと向かう液滴の水の移動を防止することを目的として拡散層３ｂ、２ｂと触媒層３ａ、２ａとの界面に撥水剤層を形成する場合、形式的には、拡散層３ｂ、２ｂの触媒層３ａ、２ａ側の面（以下において、「第２の面」と記述することがある。）に撥水剤層を形成することも考えられる。しかし、微視的に見れば、拡散層３ｂ、２ｂ、及び触媒層３ａ、２ａの表面には凹凸が存在するので、第２の面に撥水剤層が形成されると、第１の面と第２の面との間に存在する液滴の水の移動が撥水剤層によって阻害される。そのため、かかる構成とすると、液滴の水が反応ガス流路内を流れるガスによって持ち去られ難い。第１の面と第２の面との間に存在する液滴の水がガスによって持ち去られずに残存すると、当該水は触媒層内に留まりやすくなるため、触媒層がフラッディング状態になりやすい。そこで、本発明では、上記第１の面に撥水剤層を形成し、第１の面と第２の面との間に存在する液滴の水が反応ガス流路内のガスによって持ち去られやすい形態の単セル１０としている。
【００３３】
本発明において、撥水剤層が形成される部位は、上記第１の面であれば特に限定されるものではなく、例えば、単セル１０が積層体の端部以外（例えば、積層体の中央）に配置される場合には、反応ガス流路の出口と対向すべき部位や、反応ガス流路の下流部と対向すべき部位等を挙げることができ、反応ガス流路がサーペンタイン形状（図２（Ｃ）参照）に形成されている場合には、さらに、当該反応ガス流路の曲部と対向すべき部位等を挙げることができる。他方、後述するように、積層体の端部に配置される単セル１０の場合には、上記第１の面の全面等に形成することができる。これらの部位に撥水剤層が形成されていれば、例えば、液滴の水が滞留しやすい部位と滞留し難い部位とで、触媒層の組成を変えたり触媒層に塗布する撥水剤の組成を変えたりする従来手法よりも簡易な方法によって、効果的に排水性を向上させ得る単セルとすることが可能になる。
【００３４】
図２に、反応ガス流路の出口、反応ガス流路の下流部、及び、サーペンタイン形状に形成された反応ガス流路の曲部を概略的に示す。これらの反応ガス流路は、セパレータの拡散層側の面に形成されている。なお、図２は、セパレータを拡散層側から示す概略図であり、紙面に垂直な方向が積層方向である。図２において、直線の矢印は、反応ガスの進行方向を示している。
【００３５】
図２（Ａ）は、反応ガス流路の出口を破線で囲んで示す概略図、図２（Ｂ）は、反応ガス流路の下流部を破線で囲んで示す概略図、図２（Ｃ）は、サーペンタイン形状に形成された反応ガス流路の曲部を破線で囲んで示す概略図である。図２（Ａ）及び（Ｂ）において破線で囲んだ部位は、電気化学反応により生成され移動してきた水が集まるため液滴の水が滞留しやすく、一方、図２（Ｃ）において破線で囲んだ部位は、液滴の水が反応ガス流路を流れるガスにより押し出され難いため液滴の水が滞留しやすい。したがって、これらの部位と対向する上記第１の面の部位に撥水剤層が形成されていれば、滞留しやすい液滴の水を効果的に単セル外へと排出することが可能になる。
【００３６】
図３は、本発明にかかる単セルを備える積層体、を備える燃料電池の形態例を概略的に示す外観図である。図３において、図の左右方向が単セルの積層方向であり、図３にかかる燃料電池は上記単セル１０を備えている。なお、以下の説明では、積層方向を法線方向とする面を積層面と記述する。
【００３７】
一般に、燃料電池単セルの起電力のみでは、電気自動車等の動力源として不十分である。そのため、通常は、図３に示すように、スタック形態の燃料電池１００が使用されている。図示の燃料電池１００は、単セル１０、１０、…を直列に積層して構成される積層体５０と、当該積層体５０の両側に配設される集電板６０、６０及び電気絶縁板７０、７０を備え、外気に触れやすい端部セル１０Ａ、１０Ａは、中央部セル１０Ｂ、１０Ｂ、…よりも放熱しやすい。したがって、特に、端部セル１０Ａ、１０Ａでは、反応ガス中の水分が凝集して液滴の水が生成されやすいほか、電気化学反応によって生成された水蒸気も凝集しやすいため、積層面全面に亘って液滴の水が生成されやすく、フラッディング状態になりやすい。そこで、本発明にかかる単セルが積層体の端部に配置される場合には、上記第１の面の全面に亘って撥水剤層を形成することが好ましい。かかる構成とすることで、端部セル１０Ａ、１０Ａの排水性を向上させることが可能になり、端部セル１０Ａ、１０Ａにおけるフラッディングの発生を抑制することが可能になる。また、このようにして、良好な排水性を有する端部セル１０Ａ、１０Ａとすれば、運転停止時に端部セル１０Ａ、１０Ａ内に残存している液滴の水を低減することが可能になる。そのため、運転停止状態の燃料電池が氷点下の寒冷環境に置かれた場合であっても、端部セル１０Ａ、１０Ａで生じやすい水の凍結を抑制することが可能になり、燃料電池の低温始動性を向上することが可能になる。したがって、本発明にかかる単セルを積層体の端部に配置すれば、フラッディングの発生を抑制することが可能であるとともに低温始動性を向上することが可能な、燃料電池１００を提供することが可能になる。
【００３８】
上記説明では、便宜上、積層体の両端１セルずつの２セルに、本発明にかかる単セルが配置される形態について記述したが、積層体の端部は、両端１セルずつの計２セルが含まれていれば、当該形態に限定されるものではなく、燃料電池が使用される環境に応じて、例えば、両端から数セル（例えば、３セル程度）の幅があっても良い。かかる構成とすることで、例えば、マイナス２０℃以下等の極低温環境にて燃料電池が使用され、端部の数セルずつが放熱しやすい場合等であっても、端部セルの排水性を効果的に向上させることが可能になるため、フラッディングの発生を抑制可能であるとともに低温始動性を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００３９】
また、上記形態で形成される撥水剤層の厚みは、単セルの排水性を向上させ得る厚みであれば、特に限定されるものではないが、均一な塗布を可能とする観点から、５ｎｍ以上の厚みとすることが好ましく、発電性能の低下を抑制するという観点から、５０ｎｍ以下の厚みとすることが好ましい。さらに、上記第１の面に形成される撥水剤層は、撥水剤層が形成される全ての部位において同じ厚みを有する形態に限定されるものではない。排水性の向上効果や発電性能等を総合的に勘案して、形成部位毎や同一形成領域内において厚みに差が設けられていても良い。
【００４０】
加えて、上記説明では、便宜上、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層３ａの第１の面に撥水剤層が形成されている形態の単セルについて記述したが、本発明にかかる単セルは、当該形態に限定されるものではなく、電気化学反応によって水蒸気が生成されるカソード触媒層３ａの上記第１の面にのみ撥水剤層が形成されている形態であっても良い。他方、上記スタック形態にかかる燃料電池に関する説明では、端部セル１０Ａ、１０Ａにのみ本発明にかかる単セルが配置される形態について記述したが、スタック形態の燃料電池で本発明にかかる単セルが配置され得る部位は端部に限定されるものではない。積層体の中央部の一部及び端部に配置されていても良く、積層体を構成する全ての単セルを本発明にかかる単セルとしても良い。
【００４１】
また、本発明において、撥水剤層を形成する方法は、上記効果を奏するような形態で上記第１の面に撥水剤層を形成し得る形態であれば、特に限定されるものではなく、その具体例としては、浸漬、スピンコート、又はスプレー塗布等の方法を挙げることができる。
【００４２】
さらに、本発明において、上記第１の面に撥水剤層が形成される場合、当該撥水剤は、気体を透過可能であるとともに液滴の水を透過させない性質を備え、上記厚みにて塗布され得る形態を備えていれば、特に限定されるものではない。本発明にて使用可能な撥水剤の具体例としては、フッ素系撥水剤等を挙げることができ、当該フッ素系撥水剤の具体例としては、上記Ｎｏｖｅｃのほか、ＦＳ−７０１０（株式会社フロロテクノロジー製）、又は、サイトップ（サイトップは旭硝子株式会社の登録商標）等を挙げることができる。
【００４３】
なお、上記説明では、便宜上、上記第１の面に排水手段としての撥水剤層が形成されている形態について説明したが、本発明にかかる上記第１の面に付与され得る排水手段は、撥水剤層に限定されるものではなく、当該第１の面の排水性を向上させ得る手段であれば、他の手段が付与されていても良い。当該他の手段の具体例としては、上記第１の面の表面に微細な（ｎｍオーダ）凹凸を形成することで撥水性を付与し、当該第１の面における液滴の水を排水する手段等を挙げることができる。
【００４４】
上記説明では、便宜上、セパレータに反応ガス流路が形成されている形態の単セルを備える燃料電池について説明したが、本発明を適用し得る燃料電池の形態は、当該形態に限定されるものではない。セパレータに反応ガス流路が形成されておらず、めっき法や発泡法等により製造されるステンレス鋼、チタン又はニッケル等の発泡金属、あるいは焼結金属等の多孔体により形成される拡散層に反応ガスが供給される形態の単セルを備える燃料電池であっても、本発明を好適に適用することが可能である。
【実施例】
【００４５】
カソード触媒層及びアノード触媒層における上記第１の面の全面に、浸漬により排水手段としての撥水剤（住友スリーエム社製のＮｏｖｅｃ）層を形成させた触媒層、を備える単セル（実施例）と、拡散層側の面に排水手段が付与されていない触媒層を備える単セル（比較例）とを用い、セル電圧と電流密度との関係を調査した。調査結果を図４に示す。図４において、実線は実施例の結果を、破線は比較例の結果を、それぞれ示している。なお、図４の縦軸はセル電圧（Ｖ）、横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ２）である。
【００４６】
一般に、電流密度を高くすると、電気化学反応が盛んに起こり、多くの水蒸気が生成される。そのため、電流密度を高くすればするほど、液滴の水が生じやすくなり、フラッディング状態が発生しやすい。セル内の排水が滞ってフラッディング状態が発生すると、反応ガスの拡散が阻害されるとともに電気化学反応に寄与し得る触媒が減少することから、起電力（セル電圧）が低下する。そのため、セル電圧の値はフラッディング状態の発生の有無、及び単セルにおける排水性の指標となる。
【００４７】
図４に示すように、実施例にかかるセルは、比較例にかかるセルよりもセル電圧の低下が抑制され、比較例にかかるセルよりも高電流密度下で安定して発電することが可能であった。これは、触媒層の第１の面に撥水剤を塗布することで、実施例にかかるセルの排水性が向上し、フラッディング状態の発生が抑制されたためであると考えられる。すなわち、本調査から、触媒層の拡散層側の面に排水手段を付与することで、燃料電池の排水性を向上させ得ることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明にかかる燃料電池を構成する単セルの形態例を概略的に示す断面図である。
【図２】反応ガス流路の出口、下流部、及び曲部の形態例を示す概略図である。
【図３】本発明にかかる単セルを備える積層体、を備える燃料電池の形態例を概略的に示す外観図である。
【図４】セル電圧と電流密度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  電解質膜
２  アノード
２ａ  アノード触媒層
２ｂ  アノード拡散層
３  カソード
３ａ  カソード触媒層
３ｂ  カソード拡散層
５  ＭＥＡ
６  排水手段（撥水剤層）
７  アノードセパレータ
８  カソードセパレータ
１０  単セル
１０Ａ  端部セル（積層体の端部）
１０Ｂ  中央部セル
５０  積層体
１００  燃料電池
【図１】
2006156288.tif 000003
【図２】
2006156288.tif 000004
【図３】
2006156288.tif 000005
【図４】
2006156288.tif 000006