(57)【要約】      （修正有）【課題】  発電の際に生成した生成水を効率よく排水することができる燃料電池の膜電極接合体を提供する。【解決手段】  燃料電池の膜電極接合体は、電解質膜のカソード側に、カソード触媒層１６、カソード下地層１７、カソード拡散層１８を積層し、カソード拡散層１８の外側に酸素ガス流路２４を設け、各々の層および電解質膜を重力の作用する方向に向けて配置するものである。この燃料電池の膜電極接合体は、カソード下地層１７に導電材料および撥水材料を含み、撥水材料の割合を、重力が作用する方向に向けて漸次増加させたものである。【選択図】      図４
2006107752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜のカソード側に、カソード触媒層、カソード下地層、カソード拡散層を積層し、カソード拡散層の外側に酸素ガス流路を設け、各々の層および電解質膜を重力の作用する方向に向けて配置する燃料電池の膜電極接合体において、
前記カソード下地層に導電材料および撥水材料を含み、撥水材料の割合を、重力が作用する方向に向けて漸次増加させたことを特徴とする燃料電池の膜電極接合体。
【請求項２】
前記撥水材料の割合を、前記カソード触媒層側からカソード拡散層側に向けて増加させ、および／または前記酸素ガス流路の供給側から排出側に向けて漸次増加させたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノード側に水素ガスを供給し、カソード側に酸素ガスを供給して発電する燃料電池の膜電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１２は従来の燃料電池の膜電極接合体の要部を説明する図である。
燃料電池の膜電極接合体１００を構成する電解質膜１０１の表裏面に、カソード・アノード層１０２，１０３を積層し、カソード層１０２にカソード拡散層１０４を積層するとともに、アノード層１０３にアノード拡散層１０５を積層し、カソード拡散層１０４の外側に酸素ガス流路１０６を設けるとともに、アノード拡散層１０５の外側に水素ガス流路（図示せず）を設ける。
酸素ガス流路１０６の供給側１０６ａから排出側１０６ｂに向けて酸素ガスが流れる。
【０００３】
酸素ガス流路１０６に酸素ガスを流すとともに、水素ガス流路に水素ガスを流すことで、アノード層１０３内の触媒に水素（Ｈ２）を接触させるとともに、カソード層１０２内の触媒に酸素（Ｏ２）を接触させて電流を発生させるものである。
【０００４】
図１３は従来の燃料電池の膜電極接合体の要部を示す断面図である。
カソード層１０２は、触媒層１０２ａおよび下地層１０２ｂからなり、アノード層１０３は、触媒層１０３ａおよび下地層１０３ｂからなる。
アノード層１０３（図１２参照）内の反応で生成した水素イオン（Ｈ＋）が電解質膜１０１を透過しカソード層１０２側に矢印のように流れる。
一方、カソード層１０２内に酸素ガス流路１０６（図１２参照）から酸素ガスを供給することで、酸素ガスはカソード層１０２内から電解質膜１０１に向けて流れる。
【０００５】
よって、水素イオン（Ｈ＋）と酸素（Ｏ２）とが反応して、生成水（Ｈ２Ｏ）が生成される。水素イオン（Ｈ＋）と酸素（Ｏ２）との反応は、触媒層１０２ａにおいて進行する。
生成した生成水（Ｈ２Ｏ）のうち、一部の生成水を電解質膜１０１側に戻す。電解質膜１０１を湿潤状態に保つことにより、発電効率を高めるためである。
残りの生成水（Ｈ２Ｏ）のうち、一部は下地層１０２ｂを経てカソード拡散層１０４に矢印Ａの如く排出し、その他の生成水（Ｈ２Ｏ）は、カソード層１０２内を矢印Ｂの如く自重で下降する。
このため、カソード層１０２の下側１０２ｃに生成水（Ｈ２Ｏ）が溜まる傾向にあり、そのことが燃料電池の膜電極接合体の発電効率を高める妨げになっていた。
【０００６】
図１４は従来の燃料電池の膜電極接合体の要部を示す側面図である。
酸素ガス流路１０６に矢印の如く供給側１０６ａから排出側１０６ｂに向けて酸素ガスを流す。
一方、カソード層１０２からカソード拡散層１０４まで流出した生成水（Ｈ２Ｏ）のうち、一部の生成水が蒸発して酸素ガス流路中に蒸散し、酸素ガス流路１０６内の酸素ガスで運ばれる。
【０００７】
ここで、酸素ガス流路１０６の屈曲部１０６ｃ，１０６ｃで酸素ガスが滞留しやすくなり、酸素ガス流路１０６の排出側１０６ｂ、すなわちカソード層１０２の下側１０２ｃにおいて、酸素ガスの流量が減少する傾向がある。
このため、酸素ガス流路１０６の排出側１０６ｂでは、酸素ガス流路中に蒸散した生成水を効率よく排出し難く、排出側１０６ｂに生成水が溜まりやすく、そのことが燃料電池の膜電極接合体の発電効率を高める妨げになっていた。
【０００８】
燃料電池の膜電極接合体の発電効率を高めるために、触媒層１０２ａにおける電解質の分布を変化させて、カソード拡散層１０４に近づくにしたがって電解質の割合を減少させた燃料電池の膜電極接合体が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平９―１８０７３０号公報（図３）
【０００９】
この燃料電池の膜電極接合体によれば、触媒層における電解質の分布を変化させることで発電効率を高めることが可能になる。
しかし、特許文献１の燃料電池の膜電極接合体でも、生成水を効率よく排出させるという対策は施されていない。
このため、発電の際に生成された生成水が、燃料電池の膜電極接合体の内部に溜まってしまう虞がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、発電の際に生成した生成水を効率よく排水することができる燃料電池の膜電極接合体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】
【００１１】
請求項１に係る発明は、電解質膜のカソード側に、カソード触媒層、カソード下地層、カソード拡散層を積層し、カソード拡散層の外側に酸素ガス流路を設け、各々の層および電解質膜を重力の作用する方向に向けて配置する燃料電池の膜電極接合体において、前記カソード下地層に導電材料および撥水材料を含み、撥水材料の割合を、重力が作用する方向に向けて漸次増加させたことを特徴とする。
【００１２】
ここで、燃料電池の発電性を確保するために、発電の際に生じた生成水を、カソード触媒層側からカソード拡散層側に導き、カソード拡散層の外側に排水する必要がある。よって、カソード触媒層側からカソード拡散層側に生成水を効率よく導くために、カソード下地層に撥水材料を含ませている。
【００１３】
ところで、燃料電池を使用する際には、通常、電解質膜、カソード触媒層、カソード下地層およびカソード拡散層が鉛直方向、すなわち重力の作用する方向に向けて燃料電池を配置する。
これにより、生成水をカソード触媒層側からカソード拡散層側に導く際に、生成水の一部が、重力の影響を受けて、重力の作用する方向に移動する。よって、重力の作用する方向の側に生成水が溜まりやすくなる。
【００１４】
そこで、請求項１において、カソード下地層に含む撥水材料の割合を、重力が作用する方向に向けて漸次増加させた。
よって、生成水の一部が、重力の影響を受けて、重力の作用する方向に移動しても、移動した生成水を、撥水材料で良好にカソード拡散層側に導くことができる。
【００１５】
請求項２は、撥水材料の割合を、カソード触媒層側からカソード拡散層側に向けて増加させ、および／または酸素ガス流路の供給側から排出側に向けて漸次増加させたことを特徴とする。
【００１６】
ここで、電解膜質の含水率を確保して発電性を保つために、下地層のうち、カソード触媒層に接触する面の近傍において、生成水の排水性を抑える必要がある。
一方、カソード拡散層側では生成水の排水性を高くしてカソード下地層内の生成水をカソード拡散層に効率よく導く必要がある。
そこで、請求項２において、撥水材料の割合を、カソード触媒層側からカソード拡散層側に向けて漸次増加させた。
これにより、電解膜質の含水率を確保し、かつカソード下地層の生成水をカソード拡散層側に良好に導くことができる。
【００１７】
また、カソード下地層内の生成水は、酸素ガス流路中に一部が蒸散し、酸素ガスと共に移動する。この酸素ガスは、酸素ガス流路の排出側において流量が減少することが考えられる。このため、酸素ガス流路の排出側に生成水が溜まりやすい。
そこで、請求項２において、撥水材料の割合を、酸素ガス流路の供給側から排出側に向けて漸次増加させた。
これにより、酸素ガス流路の排出側において、カソード下地層の生成水をカソード拡散層側に良好に導くことができる。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に係る発明では、カソード下地層に含む撥水材料の割合を、重力が作用する方向に向けて漸次増加させることで、重力の作用する方向に移動した生成水を、撥水材料でカソード拡散層側に良好に導いて、発電の際に生成した生成水を効率よく排水することができるという利点がある。
【００１９】
請求項２に係る発明では、撥水材料の割合を、カソード触媒層側からカソード拡散層側に向けて増加させ、および／または酸素ガス流路の供給側から排出側に向けて漸次増加させることで、カソード下地層の生成水をカソード拡散層側に良好に導いて、カソード下地層からカソード拡散層側に向けて効率よく生成水を導くことができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る膜電極接合体（第１実施の形態）を備えた燃料電池を示す斜視図であり、セルを分解して示したものである。
燃料電池１０は、複数個のセル１１・・・を積み重ねて構成したものである。セル１１は、膜電極接合体１２の両側にセパレータ１３，１４を設けたものである。
膜電極接合体１２は、電解質膜１５のカソード側を、電解質膜１５に積層したカソード触媒層１６、この触媒層１６に積層したカソード下地層１７、この下地層１７に積層したカソード拡散層１８で形成し、電解質膜１５のアノード側を、電解質膜１５に積層したアノード触媒層２１、この触媒層２１に積層したアノード下地層２２、この下地層２２に積層したアノード拡散層２３で形成したものである。
【００２１】
さらに、セル１１は、カソード拡散層１８の外側にセパレータ１３を設けることでカソード拡散層１８とセパレータ１３とで酸素ガス流路２４（図２参照）を形成し、アノード拡散層２３の外側にセパレータ１４を設けることでアノード拡散層２３とセパレータ１４とで水素ガス流路２５（図２参照）を形成したものである。
【００２２】
燃料電池１０を使用する際には、電解質膜１５、カソード・アノード側の触媒層１６，２１、カソード・アノード側の下地層１７，２２およびカソード・アノード側の拡散層１８，２３が重力の作用する方向を向くように、一例として鉛直方向を向くように燃料電池１０を配置する。
【００２３】
なお、２６，２７はシールである。シール２６を、電解質膜１５とセパレータ１３との間に介在させることで、電解質膜１５とセパレータ１３との間をシールする。
シール２７を、電解質膜１５とセパレータ１４との間に介在させることで、電解質膜１５とセパレータ１４との間をシールする。
【００２４】
図２は本発明に係る燃料電池の膜電極接合体（第１実施の形態）の断面図である。
電解質膜１５のカソード側に、カソード触媒層１６、カソード下地層１７、カソード拡散層１８を順次積層し、電解質膜１５のアノード側に、アノード触媒層２１、アノード下地層２２、アノード拡散層２３を順次積層する。
【００２５】
カソード拡散層１８の外側にセパレータ１３を設けることでカソード拡散層１８とセパレータ１３とで酸素ガス流路２４を形成する。
アノード拡散層２３の外側にセパレータ１４を設けることでアノード拡散層２３とセパレータ１４とで水素ガス流路２５を形成する。
【００２６】
図３は図２の３部拡大図である。
カソード触媒層１６は、導電材料４１…として、例えば大径の粒状カーボンを備え、導電材料４１…の周囲に触媒４２…を胆持したものである。
【００２７】
カソード下地層１７は、吸水性、接着性を備えた第１層４３と、撥水性を備えた第２層４４とからなる。
第１層４３は、導電材料４５…として、例えば小径の粒状カーボンを備え、さらに吸水材を添加したものである。吸水材が接着剤の働きをするため、カソード触媒層１６に対するカソード下地層１７の接着力を確保できる。
第２層４４は、導電材料４１…として、例えば小径の粒状カーボンを備え、撥水材料（フッ素系樹脂）４６…として、例えばテトラフルオロエチレンを備える。
【００２８】
導電材料４１，４５は、発電反応に影響を与えるものである。導電材料４１，４５が増すと発電反応が高くなり、導電材料４１，４５が減ると発電反応が低くなる。
撥水材料４６は、生成水の排水性に影響を与えるものである。撥水材料４６が増すと撥水性が高くなり、撥水材料４６が減ると撥水性が低くなる。
【００２９】
カソード拡散層１８は、一例として、針状炭素繊維４７…で形成した多孔質の導電性カーボンペーパに撥水性処理を施したものである。
カソード拡散層１８の外側にセパレータ１３を設けることでカソード拡散層１８とセパレータ１３の溝１３ａ・・・とで酸素ガス流路２４…を形成する。
【００３０】
酸素ガス流路２４に酸素（Ｏ２）を供給することにより、酸素（Ｏ２）がカソード拡散層１８を経て矢印ａの如くカソード下地層１７内に進入する。
カソード下地層１７内の酸素（Ｏ２）が矢印ａの如くカソード触媒層１６内に進入し、カソード触媒層１６内の酸素（Ｏ２）が矢印ａの如く電解質膜１５内に入り込む。
【００３１】
一方、アノード触媒層２１内の反応で生成した水素イオン（Ｈ＋）が電解質膜１５を透過して、カソード触媒層１６側に矢印ｂの如く進入する。
よって、カソード触媒層１６内で、水素イオン（Ｈ＋）と酸素（Ｏ２）とが反応して、生成水が生成される。
【００３２】
生成した生成水のうち、一部の生成水は電解質膜１５側に戻される。電解質膜１５を湿潤状態に保つためである。
残りの生成水のうち、一部はカソード触媒層１６内からカソード下地層１７を経てカソード拡散層１８に流出し、その他の生成水は、カソード触媒層１６およびカソード下地層１７内を自重で下降する。
【００３３】
図４は第１実施の形態のカソード下地層を構成する成分割合を示す説明図である。
カソード触媒層１６とカソード拡散層１８との間にカソード下地層１７を備え、カソード拡散層１８に沿って酸素ガス流路２４（図３も参照）を設ける。
酸素ガス流路２４は、理解を容易にするために、便宜上、蛇行させたものとして説明する。この酸素ガス流路２４には、供給側２４ａから排出側２４ｂに向けて酸素ガスが流れる。
【００３４】
カソード下地層１７（具体的には、第２層４４）は、前述したように、導電材料４１…および撥水材料４５…を含んでいる。
導電材料４１…として、一例として、粒状カーボンなどが該当する。撥水材料４５…としては、フッ素系樹脂が該当する。
以下、第１実施の形態においては、理解を容易にするために、第２層４４をカソード下地層１７として説明する。
【００３５】
カソード下地層１７における撥水材料の重量割合（以下、「割合」という）を、第１成分表示部３０で示すように、カソード触媒層１６側からカソード拡散層１８側に向けて漸次増加させる。
また、撥水材料の割合を、第２成分表示部３１で示すように、重力が作用する方向に向けて、すなわちカソード下地層１７の鉛直方向上側１７ａから下側１７ｂに向けて漸次増加させる。
さらに、撥水材料の割合を、第３成分表示部３２で示すように、酸素ガス流路２４の供給側２４ａから排出側２４ｂに向けて漸次増加させる。
【００３６】
一方、カソード下地層１７における導電材料の割合を、第４成分表示部３３で示すように、カソード触媒層１６側からカソード拡散層１８側に向けて漸次減少させる。
また、導電材料の割合を、第５成分表示部３４で示すように、重力が作用する方向に向けて、カソード下地層１７の鉛直方向上側１７ａから下側１７ｂに向けて漸次減少させる。
さらに、導電材料の割合を、第６成分表示部３５で示すように酸素ガス流路２４の供給側２４ａから排出側２４ｂに向けて漸次減少させる。
【００３７】
次に、カソード下地層１７に含む撥水材料４６および導電材料４５の割合（ｗｔ％）の一例を、図５および表１に基づいて説明する。
なお、表１において、撥水材料４６および導電材料４５の割合（ｗｔ％）は、カソード下地層１７内の固形分中の割合を示す。
【００３８】
【表１】
2006107752.tif 000003
【００３９】
図５（ａ），（ｂ）は第１実施の形態のカソード下地層に含む撥水材料および導電材料の割合を示す説明図である。
（ａ）は、撥水材料４６の第１、第２成分表示部３０，３１、および導電材料４５の第４、第５成分表示部３３，３４を示す。（ｂ）は、撥水材料４６の第３成分表示部３２、および導電材料４５の第６成分表示部３５を示す。
【００４０】
先ず、（ａ）において、撥水材料４６の第１成分表示部３０について説明する。
カソード触媒層１６に接触する面３７の近傍において、生成水の排水性を抑えてカソード触媒層１６側の含水率をある程度確保することが好ましい。
カソード触媒層１６側の含水率をある程度確保することで、電解膜質の含水率を確保し、発電性を良好に保つ必要がある。
そこで、カソード触媒層１６に接触する面３７の近傍、すなわち第１成分表示部３０のエリア３０ａにおいて、撥水材料４６の割合を２７〜４９ｗｔ％と小さくした。
【００４１】
一方、カソード拡散層１８側では生成水の排水性を高くしてカソード下地層１７内の生成水を効率よく排水する必要がある。
そこで、撥水材料４６の割合を、カソード触媒層１６側からカソード拡散層１８側に向けて漸次増加させた。
【００４２】
具体的には、第１成分表示部３０のエリア３０ｂにおいて、撥水材料４６の割合を４９〜７３ｗｔ％とし、エリア３０ａの割合より大きくした。
さらに、第１成分表示部３０のエリア３０ｃにおいて、撥水材料４６の割合を７３〜８５ｗｔ％とし、エリア３０ｂの割合より大きくした。
【００４３】
次に、（ａ）において、導電材料４５の第４成分表示部３３について説明する。
カソード下地層１７において、カソード触媒層１６に接触する面３７の近傍では触媒反応を高く保つことが好ましい。
よって、カソード触媒層１６に接触する面３７の近傍、すなわち第４成分表示部３３のエリア３３ａにおいて、導電材料４５の割合を５１〜７３ｗｔ％と大きくした。
【００４４】
一方、カソード触媒層１６からカソード拡散層１８に向かうにしたがって漸次抑えられる。
導電材料４５の割合を、カソード触媒層１６側からカソード拡散層１８側に向けて漸次減少させた。
【００４５】
具体的には、第４成分表示部３３のエリア３３ｂにおいて、導電材料４５の割合を２７〜５１ｗｔ％とし、エリア３３ａの割合より小さくした。
さらに、第４成分表示部３３のエリア３３ｃにおいて、導電材料４５の割合を１５〜２７ｗｔ％とし、エリア３３ｂの割合より小さくした。
【００４６】
次いで、（ａ）において、撥水材料４６の第２成分表示部３１について説明する。
図１に示すように燃料電池１０を使用する際には、通常、電解質膜１５、カソード・アノード側の触媒層１６，２１、カソード・アノード側の下地層１７，２２およびカソード・アノード側の拡散層１８，２３が重力の作用する方向を向くように、一例として鉛直方向を向くように燃料電池１０を配置する。
【００４７】
よって、カソード下地層１７において、生成水が重力（すなわち、自重）により上側１７ａから下側１７ｂの方向に移動するので、上側１７ａには生成水が溜まりにくい。
よって、第２成分表示部３１のエリア３１ａにおいて、撥水材料４６の割合を２７〜５６ｗｔ％と小さくした。
【００４８】
一方、カソード下地層１７の下側１７ｂには、生成水が自重により溜まりやすい。よって、カソード下地層１７の下側１７ｂにおいて生成水の排水性を高くし、生成水を効率よく排水する必要がある。
そこで、撥水材料４６の割合を、カソード下地層１７の上側１７ａから下側１７ｂに向けて漸次増加させた。
【００４９】
具体的には、第２成分表示部３１のエリア３１ｂにおいて、撥水材料４６の割合を５６〜６３ｗｔ％とし、エリア３１ａの割合より大きくした。
さらに、第２成分表示部３１のエリア３１ｃにおいて、撥水材料４６の割合を６３〜８５ｗｔ％とし、エリア３１ｂの割合より大きくした。
【００５０】
続いて、（ａ）において、導電材料４５の第５成分表示部３５について説明する。
カソード下地層１７において、上側１７ａから下側１７ｂに向けて、導電材料４５の割合を漸次減少させた。
具体的には、第５成分表示部３４のエリア３４ａにおいて、導電材料４５の割合を４４〜７３ｗｔ％と大きくした。
さらに、第５成分表示部３４のエリア３４ｂにおいて、導電材料４５の割合を３７〜４４ｗｔ％とし、エリア３４ａの割合より小さくした。
加えて、第５成分表示部３４のエリア３４ｃにおいて、導電材料４５の割合を１５〜３７ｗｔ％とし、エリア３４ｂの割合より小さくした。
【００５１】
次に、（ｂ）において、撥水材料４６の第３成分表示部３２について説明する。
カソード側の生成水の一部は、酸素ガス流路２４（図４参照）中に蒸散し、酸素ガスと共に移動する。
この酸素ガスは、酸素ガス流路２４の屈曲部２４ｃ，２４ｃ（図４参照）で酸素ガスが滞留しやすく、酸素ガス流路２４の排出側２４ｂ（図４参照）において酸素ガスの流量が減少しやすい。
よって、酸素ガス流路２４の排出側２４ｂに生成水が溜まりやすい。
【００５２】
このため、酸素ガス流路２４の排出側２４ｂにおいて生成水の排水性を高くし、生成水を効率よく排水する必要がある。
そこで、撥水材料４６の割合を、酸素ガス流路２４の供給側２４ａから排出側２４ｂに向けて漸次増加させた。
【００５３】
具体的には、第３成分表示部３２のエリア３２ａにおいて、撥水材料４６の割合を２７〜５６ｗｔ％と小さくした。
さらに、第３成分表示部３２のエリア３２ｂにおいて、撥水材料４６の割合を５６〜６３ｗｔ％とし、エリア３２ａの割合より大きくした。
加えて、第３成分表示部３２のエリア３２ｃにおいて、撥水材料４６の割合を６３〜８５ｗｔ％とし、エリア３２ｂの割合より大きくした。
【００５４】
次いで、（ｂ）において、導電材料４５の第６成分表示部３５について説明する。
酸素ガス流路２４（図３参照）の供給側２４ａは、カソード下地層１７の上側１７ａに位置し、排出側２４ｂは下側１７ｂに位置する。
よって、カソード拡散層１８を経てカソード下地層１７内に進入する酸素（Ｏ２）量は、カソード下地層１７の上側１７ａから下側１７ｂに向けて漸次減少する。
【００５５】
これにより、水素イオン（Ｈ＋）と酸素（Ｏ２）との反応は、カソード触媒層１６の上側から下側に向けて漸次抑えられる。
そこで、水素イオン（Ｈ＋）と酸素（Ｏ２）との反応状態に対応させて、カソード下地層１７において、導電材料４５の割合を、酸素ガス流路２４の供給側２４ａから排出側２４ｂに向けて漸次減少させた。
【００５６】
具体的には、第６成分表示部３５のエリア３５ａにおいて、導電材料４５の割合を４４〜７３ｗｔ％と大きくした。
さらに、第６成分表示部３５のエリア３５ｂにおいて、導電材料４５の割合を３７〜４４ｗｔ％とし、エリア３５ａの割合より小さくした。
加えて、第６成分表示部３５のエリア３５ｃにおいて、導電材料４５の割合を１５〜３７ｗｔ％としてエリア３５ｂの割合より小さくした。
【００５７】
次に、カソード下地層１７を備えた燃料電池の膜電極接合体１２の作用を図６〜図８に基づいて説明する。
図６は第１実施の形態の第１成分表示部に関する作用を説明する図である。
カソード拡散層１８およびカソード下地層１７を経てカソード触媒層１６内に酸素（Ｏ２）が矢印ｃの如く進入し、進入した酸素（Ｏ２）はカソード触媒層１６内から電解質膜１５に入り込む。
一方、アノード触媒層２１（図２参照）内の反応で生成した水素イオン（Ｈ＋）が電解質膜１５を透過して、カソード触媒層１６側に矢印ｄの如く進入する。
よって、水素イオン（Ｈ＋）と酸素（Ｏ２）とが反応して、生成水が生成される。
【００５８】
ここで、第１成分表示部３０のエリア３０ａにおいて、撥水材料４６の割合を２７〜４９ｗｔ％と小さくして、排水性を抑えた。
よって、水素イオン（Ｈ＋）と酸素（Ｏ２）とが反応して、生成された生成水が矢印ｅの如くカソード下地層１７内に進入する際に、一部の生成水をカソード触媒層１６を介して電解質膜１４側に矢印ｆの如く戻す。
これにより、電解質膜１５を好適な湿潤状態に保ち、水素イオン（Ｈ＋）と酸素（Ｏ２）との反応をより一層促進させることができる。
【００５９】
さらに、撥水材料４６の割合を、第１成分表示部３０のエリア３０ｂにおいて４９〜７３ｗｔ％、エリア３０ｃにおいて７３〜８５ｗｔ％とした。すなわち、撥水材料４６の割合を、カソード拡散層１８側に向けて漸次増加させた。
カソード下地層１７内に進入した生成水を、カソード拡散層１８側に向けてｇの如く効率よく逃がすことができる。
【００６０】
図７は第１実施の形態の第２成分表示部に関する作用を説明する図である。
カソード下地層１７内の生成水は、カソード拡散層１８に矢印ｇの如く流出し、その他の生成水は自重でカソード下地層１７内を矢印ｈの如く下降する。
よって、カソード下地層１７の上側１７ａ近傍において、カソード拡散層１８側への生成水の流出量は比較的少量である。このため、第２成分表示部３１のエリア３１ａにおいて、撥水材料４６の割合を２７〜５６ｗｔ％と小さくしても、上側１７ａに生成水を溜めることなく、カソード拡散層１８に排出することができる。
【００６１】
一方、生成水が矢印ｈの如く下降することで、カソード下地層１７の下側１７ｂに近づくにしたがって生成水の量が増す傾向にある。
よって、撥水材料４６の割合を、第２成分表示部３１のエリア３１ｂにおいて５６〜６３ｗｔ％、エリア３１ｃにおいて６３〜８５ｗｔ％とした。すなわち、撥水材料４６の割合を、下側１７ｂに向けて漸次増加させた。
これにより、カソード下地層１７の下側１７ｂに到達した生成水を、下側１７ｂからカソード拡散層１８に矢印ｉの如く効率よく流出させることができる。
【００６２】
図８は第１実施の形態の第３成分表示部に関する作用を説明する図である。
カソード下地層１７内の生成水の一部は、酸素ガス流路２４中に蒸散し、酸素ガスと共に移動する。
ここで、酸素ガス流路２４の供給側２４ａにおいて、酸素ガスは比較的円滑に流れる。よって、酸素ガス流路２４の供給側２４ａにおいては、生成水を排出側２４ｂに向けて導くことができる。
このため、第３成分表示部３２のエリア３２ａにおいて、撥水材料４６の割合を２７〜５６ｗｔ％と小さくしても、酸素ガス流路２４の供給側２４ａに生成水を溜めることなく、カソード拡散層１８に排出することができる。
【００６３】
一方、酸素ガスは、酸素ガス流路２４の屈曲部２４ｃで酸素ガスが滞留しやすく、酸素ガス流路２４の排出側２４ｂにおいて酸素ガスの流量が減少しやすい。よって、酸素ガス流路２４の排出側２４ｂに生成水が溜まりやすい。
そこで、撥水材料４６の割合を、第３成分表示部３２のエリア３２ｂにおいて５６〜６３ｗｔ％、エリア３２ｃにおいて６３〜８５ｗｔ％とした。すなわち、撥水材料４６の割合を、酸素ガス流路２４の排出側２４ｂ側に向けて漸次増加させた。
これにより、酸素ガス流路２４の排出側２４ｂにおいて生成水の排水性を高くし、生成水を効率よく排水することができる。
次に、第１実施の形態を具現化する一例を第２実施の形態で説明する。
【００６４】
第２実施の形態
ところで、第１実施の形態の膜電極接合体１２では、カソード下地層１７のうちの、第２層４４（図３参照）をカソード下地層１７として説明したが、第２実施の形態の膜電極接合体１２では第１層４３（図３参照）を含んだものとして説明する。
以下、第２実施の形態の膜電極接合体１２を図９〜図１１および表２に基づいて説明する。
なお、表２において、吸水材料、導電材料４５および撥水材料４６の割合（ｗｔ％）は、カソード下地層１７内の固形分中の割合を示す。
【００６５】
【表２】
2006107752.tif 000004
【００６６】
図９は本発明に係る燃料電池の膜電極接合体（第２実施の形態）のカソード下地層を複数の部位に区別した状態を示す斜視図である。
カソード下地層１７を側面視で３行（Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３）、３列（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）に仕き切るとともに、カソード触媒層１６側からカソード拡散層１８側に向けて、Ｚ１領域、Ｚ２領域、Ｚ３領域、Ｚ４領域の４領域に仕き切った状態を示す。これにより、カソード下地層１７を３６個の部位に仕き切る。
【００６７】
以下、図１０において、Ｚ１領域、Ｚ２領域、Ｚ３領域、Ｚ４領域の成分について説明する。
Ｚ１領域は、第１層４３（図３参照）に相当し、Ｚ２領域、Ｚ３領域およびＺ４領域は、第２層４４（図３参照）に相当する。
なお、カソード下地層１７の各部位の区別するために、例えば「／／／」で示した部位を、（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ４）とし、その他の部位も同様に表示する。
【００６８】
図１０（ａ）〜（ｄ）は第２実施の形態のカソード下地層に含む撥水材料および導電材料の割合を示す第１説明図である。なお、各々の部位に示したＡ〜Ｌの成分は、表２に示す成分である。
（ａ）は、Ｚ１領域であり、Ｚ１領域は、カソード触媒層１６に接触する領域である。カソード触媒層１６に対するＺ１領域の接着力を確保するために、Ｚ１領域に吸水材料を添加する。吸水材料が、接着剤の働きをするからである。
吸水材料としては、一例として、接着性に優れたナフィオン（デュポン社の登録商標）などが該当する。
【００６９】
さらに、カソード触媒層１６内において、生成水が重力方向（下方向）に移動して、カソード触媒層１６の下側に生成水が増加する傾向にある。そこで、カソード触媒層１６の上側から下側に向けて吸水材料を漸次増加することで、Ｚ１領域の下側の吸水性を向上させることにした。
【００７０】
加えて、吸収材料の増加に伴って、カソード下地層１７の上側１７ａから下側１７ｂへ向けて導電性造孔剤の割合を漸次増加させた。これにより、カソード下地層１７からカソード触媒層１６へ酸素（Ｏ２）が進入する際の、酸素（Ｏ２）の拡散性を確保することができる。
導電性造孔剤としては、一例として、導電性を備えた針状炭素繊維などが該当する。
【００７１】
具体的には、部位（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、部位（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ１）および部位（Ｘ３，Ｙ１，Ｚ１）の３の部位で、成分をＡとした。
部位（Ｘ１，Ｙ２，Ｚ１）、部位（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ１）および部位（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ１）の３の部位で、成分をｂとした。
部位（Ｘ１，Ｙ３，Ｚ１）、部位（Ｘ２，Ｙ３，Ｚ１）および部位（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ１）の３の部位で、成分をｃとした。
【００７２】
（ｂ）は、Ｚ２領域であり、部位（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ２）、部位（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ２）、部位（Ｘ３，Ｙ１，Ｚ２）、部位（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ２）および部位（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）の５の部位で、成分をＤとした。
部位（Ｘ１，Ｙ２，Ｚ２）、部位（Ｘ１，Ｙ３，Ｚ２）、部位（Ｘ２，Ｙ３，Ｚ２）および部位（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ２）の４の部位で、成分をＥとした。
【００７３】
（ｃ）は、Ｚ３領域であり、部位（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ３）の１つの部位で、成分をＥとした。
部位（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ３）、部位（Ｘ３，Ｙ１，Ｚ３）および部位（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ３）の３の部位で、成分をＦとした。
部位（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ３）、部位（Ｘ１，Ｙ２，Ｚ３）および部位（Ｘ１，Ｙ３，Ｚ３）の３の部位で、成分をＧとした。
部位（Ｘ２，Ｙ３，Ｚ３）および部位（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３）の２の部位で、成分をＨとした。
【００７４】
（ｄ）は、Ｚ４領域、すなわちカソード拡散層１８に接触する領域であり、部位（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ４）の１の部位で、成分をＨとした。
部位（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ４）および部位（Ｘ３，Ｙ１，Ｚ４）の２の部位で、成分をＩとした。
部位（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ４）および部位（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ４）の２の部位で、成分をＪとした。
【００７５】
部位（Ｘ１，Ｙ２，Ｚ４）および部位（Ｘ１，Ｙ３，Ｚ４）の２の部位で、成分をＫとした。
部位（Ｘ２，Ｙ３，Ｚ４）および部位（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ４）の２の部位で、成分をＬとした。
【００７６】
これにより、Ｚ２領域、Ｚ３領域およびＺ４領域を構成する各部位の撥水材料を、酸素ガス流路２４の供給側２４ａから排出側２４ｂに向けて漸次増加するように含ませた。
よって、撥水材料を多量に必要とする部位には多量含ませ、少量しか必要としない部位には少量含ませることができる。
【００７７】
さらに、Ｚ２領域、Ｚ３領域およびＺ４領域を構成する各部位の撥水材料を、カソード下地層１７の上側１７ａから下側１７ｂへ向けて漸次増加するように含ませた。
よって、撥水材料を多量に必要とする部位には多量含ませ、少量しか必要としない部位には少量含ませることができる。
次に、図９に示すカソード下地層１７のＹ１領域、Ｙ２領域、Ｙ３領域の成分を図１１（ａ）〜（ｃ）で説明する。
【００７８】
図１１（ａ）〜（ｃ）は第２実施の形態のカソード下地層に含む撥水材料および導電材料の割合を示す第２説明図である。
（ａ）は、Ｙ１領域、すなわちカソード下地層１７の上部となる領域であり、カソード触媒層１６側の部位（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、部位（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ１）および部位（Ｘ３，Ｙ１，Ｚ１）の３の部位で、成分を全てＡとした。
部位（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ２）、部位（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ２）および部位（Ｘ３，Ｙ１，Ｚ２）の３の部位で、成分をＤとした。
【００７９】
部位（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ３）の１の部位で、成分をＥとした。
部位（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ３）および部位（Ｘ３，Ｙ１，Ｚ３）の２の部位で、成分をＦとした。
部位（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ４）の１の部位で、成分をＨとした。
部位（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ４）および部位（Ｘ３，Ｙ１，Ｚ４）の２の部位で、成分をＩとした。
【００８０】
（ｂ）は、Ｙ２領域、すなわちカソード下地層１７の中央部となる領域であり、カソード触媒層１６側の部位（Ｘ１，Ｙ２，Ｚ１）、部位（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ１）および部位（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ１）の３の部位で、成分を全てＢとした。
部位（Ｘ１，Ｙ２，Ｚ２）の１の部位で、成分をＥとした。
部位（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）および部位（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ２）の２の部位で、成分をＤとした。
【００８１】
部位（Ｘ１，Ｙ２，Ｚ３）および部位（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ３）の２の部位で、成分をＧとした。
部位（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ３）の１の部位で、成分をＦとした。
部位（Ｘ１，Ｙ２，Ｚ４）の１の部位で、成分をＫとした。
部位（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ４）および部位（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ４）の２の部位で、成分をＪとした。
【００８２】
（ｃ）は、Ｙ３領域、すなわちカソード下地層１７の下部となる領域であり、カソード触媒層１６側の部位（Ｘ１，Ｙ３，Ｚ１）、部位（Ｘ２，Ｙ３，Ｚ１）および部位（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ１）の３の部位で、成分を全てＣとした。
部位（Ｘ１，Ｙ３，Ｚ２）、部位（Ｘ２，Ｙ３，Ｚ２）および部位（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ２）の３の部位で、成分を全てＥとした。
【００８３】
部位（Ｘ１，Ｙ３，Ｚ３）の１の部位で、成分をＧとした。
部位（Ｘ２，Ｙ３，Ｚ３）および部位（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３）の２の部位で、成分をＨとした。
部位（Ｘ１，Ｙ３，Ｚ４）の１の部位で、成分をＫとした。
部位（Ｘ２，Ｙ３，Ｚ４）および部位（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ４）の２の部位で、成分をＬとした。
【００８４】
これにより、Ｙ１領域、Ｙ２領域およびＹ３領域を構成する各部位の撥水材料を、カソード触媒層１６側からカソード拡散層１８側に向けて漸次増加するように含ませた。
よって、撥水材料を多量に必要とする部位には多量含ませ、少量しか必要としない部位には少量含ませることができる。
【００８５】
以上説明した第２実施の形態のように、カソード下地層１７内の撥水材料を分布させることにより、第１実施の形態と同様に、撥水材料を、酸素ガス流路２４の供給側２４ａから排出側２４ｂに向けて漸次増加させ、カソード下地層１７の上側１７ａから下側１７ｂへ向けて漸次増加させ、カソード触媒層１６側からカソード拡散層１８側に向けて漸次増加させることができる。
よって、第２実施の形態の膜電極接合体１２によれば、第１実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８６】
なお、前記実施の形態では、電解質膜１５、カソード・アノード側の触媒層１６，２１、カソード・アノード側の下地層１７，２２およびカソード・アノード側の拡散層１８，２３が重力の作用する方向を向く方向として、これらの層が鉛直方向を向くように燃料電池１０を配置した例について説明したが、それぞれの層の向きは鉛直方向に限らない。要は、各々の層を、重力の作用する方向を向くように配置すればよい。
【００８７】
また、前記実施の形態では、撥水材料４６を、酸素ガス流路２４の供給側２４ａから排出側２４ｂに向けて漸次増加させ、さらに、カソード下地層１７の上側１７ａから下側１７ｂへ向けて漸次増加させ、加えて、カソード触媒層１６側からカソード拡散層１８側に向けて漸次増加させるという３つ内容を組み合わせた例について説明したが、これに限らないで、撥水材料４６を、カソード下地層１７の上側１７ａから下側１７ｂへ向けて、すなわち重力の作用する方向に向けて漸次増加させるだけの内容のみを採用しても同様の効果を得ることができる。
【００８８】
さらに、撥水材料４６を、カソード下地層１７の上側１７ａから下側１７ｂへ向けて、すなわち重力の作用する方向に向けて漸次増加させ、かつカソード触媒層１６側からカソード拡散層１８側に向けて漸次増加させるという２つの内容を組み合せでも同様の効果を得ることができる。
【００８９】
また、撥水材料４６を、カソード下地層１７の上側１７ａから下側１７ｂへ向けて、すなわち重力の作用する方向に向けて漸次増加させ、かつ酸素ガス流路２４の供給側２４ａから排出側２４ｂに向けて漸次増加させるという２つの内容を組み合せでも同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の膜電極接合体は、アノード側に水素ガスを供給するとともに、カソード側に酸素ガスを供給して発電させる燃料電池への適用に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明に係る膜電極接合体（第１実施の形態）を備えた燃料電池を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の膜電極接合体（第１実施の形態）の断面図である。
【図３】図２の３部拡大図である。
【図４】第１実施の形態のカソード下地層を構成する成分割合を示す説明図である。
【図５】第１実施の形態のカソード下地層に含む撥水材料および導電材料の割合を示す説明図である。
【図６】第１実施の形態の第１成分表示部に関する作用を説明する図である。
【図７】第１実施の形態の第２成分表示部に関する作用を説明する図である。
【図８】第１実施の形態の第３成分表示部に関する作用を説明する図である。
【図９】本発明に係る燃料電池の膜電極接合体（第２実施の形態）のカソード下地層を複数の部位に区別した状態を示す斜視図である。
【図１０】第２実施の形態のカソード下地層に含む撥水材料および導電材料の割合を示す第１説明図である。
【図１１】第２実施の形態のカソード下地層に含む撥水材料および導電材料の割合を示す第２説明図である。
【図１２】従来の燃料電池の膜電極接合体の要部を説明する図である。
【図１３】従来の燃料電池の膜電極接合体の要部を示す断面図である。
【図１４】従来の燃料電池の膜電極接合体の要部を示す側面図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０…燃料電池、１２…燃料電池の膜電極接合体、１５…電解質膜、１６…カソード触媒層、１７…カソード下地層、１８…カソード拡散層、４５…導電材料、４６…撥水材料、２４…酸素ガス流路、２４ａ…酸素ガス流路の供給側、２４ｂ…酸素ガス流路の排出側。
【図１】
2006107752.tif 000005
【図２】
2006107752.tif 000006
【図３】
2006107752.tif 000007
【図４】
2006107752.tif 000008
【図５】
2006107752.tif 000009
【図６】
2006107752.tif 000010
【図７】
2006107752.tif 000011
【図８】
2006107752.tif 000012
【図９】
2006107752.tif 000013
【図１０】
2006107752.tif 000014
【図１１】
2006107752.tif 000015
【図１２】
2006107752.tif 000016
【図１３】
2006107752.tif 000017
【図１４】
2006107752.tif 000018