(57)【要約】【課題】本発明は、フラッディングおよびプロトン伝導性の低下を抑制して、優れた発電性能を有する燃料電池を提供することを主目的とするものである。【解決手段】上記目的を達成するために、本発明は、固体電解質膜と、前記固体電解質膜の両面に形成された触媒電極層と、前記触媒電極層上に形成された撥水層と、前記撥水層上に形成されたガス拡散層と、前記ガス拡散層上に形成されたセパレータとを有する燃料電池であって、前記撥水層は、ガスの入口側に親水性領域を有し、ガスの出口側に撥水性領域を有することを特徴とする燃料電池を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と、前記固体電解質膜の両面上に形成された触媒電極層と、前記触媒電極層上に形成され、前記触媒電極層と接する側に撥水層が設けられたガス拡散層と、前記ガス拡散層上に形成されたセパレータとを有する燃料電池であって、
前記撥水層は、ガスの入口側に親水性領域を有し、ガスの出口側に撥水性領域を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記親水性領域に対する水の接触角と、前記撥水性領域に対する水の接触角との差が、３°以上であ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】
前記親水性領域が、熱水処理により親水化された領域であ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】
燃料電池の運転時において、前記撥水層内で水蒸気が飽和となる飽和領域が、前記撥水性領域であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載の燃料電池。
【請求項５】
固体電解質膜と、前記固体電解質膜の両面上に形成された触媒電極層と、前記触媒電極層上に形成され、前記触媒電極層と接する側に撥水層が設けられたガス拡散層と、前記ガス拡散層上に形成されたセパレータとを有する燃料電池を製造する燃料電池の製造方法であって、
前記ガス拡散層上に前記撥水層を形成する撥水層形成工程と、
前記撥水層のガスの入口側のみに、熱水処理を施すことにより親水性領域を形成する親水性領域形成工程と
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、プロトン伝導性の低下による発電性能の低下を防ぐことが可能な燃料電池およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池と称する場合がある。）の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜の両側に触媒電極層が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。
【０００３】
このような燃料電池においては、運転時に水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）とが反応し、燃料電池内に生成水（Ｈ２Ｏ）が生じる。この生成水が触媒電極層中に残留した場合、生成水が触媒電極層のガス流路を塞ぎ、ガスの拡散が阻害されるため、燃料電池の発電効率が低下してしまう。そのため、生成水を燃料電池の外部に効率良く排出する必要があり、一般的には、触媒電極層とガス拡散層との間に撥水層が設けられる。
【０００４】
しかしながら、一般にこのような撥水層を設けた燃料電池においては、ガスの入口付近では低湿度状態、ガスの出口付近では高湿度状態となり、セルの面内で湿度分布が生じ、この低湿度状態となる部位においては、固体電解質膜や触媒電極層中の電解質に十分な水分が供給できず、プロトン伝導性が低下し、発電性能が下がるといった問題が生じていた。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１２４７６号公報
【特許文献２】特開２００６−２２８５０１号公報
【特許文献３】特開２００３−１７３７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、フラッディングおよびプロトン伝導性の低下を抑制して、優れた発電性能を有する燃料電池の提供が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の両面上に形成された触媒電極層と、上記触媒電極層上に形成され、上記触媒電極層と接する側に撥水層が設けられたガス拡散層と、上記ガス拡散層上に形成されたセパレータとを有する燃料電池であって、上記撥水層は、ガスの入口側に親水性領域を有し、ガスの出口側に撥水性領域を有することを特徴とする燃料電池を提供する。
【０００８】
本発明においては、ガスの入口側に親水性領域を有することにより、その領域に水分を保持させることができるため、固体電解質膜および触媒電極層内の電解質に十分な水分を供給することが可能となる。したがって、プロトン伝導性の低下を抑制することができ、発電性能の高い燃料電池とすることができる。
また、本発明においては、ガスの出口側に撥水性領域を有することにより、生成水を効率よく燃料電池の外部に排出することができる。したがって、フラッディングを防止することができ、発電性能の優れた燃料電池とすることができる。
【０００９】
上記発明においては、上記親水性領域に対する水の接触角と、上記撥水性領域に対する水の接触角との差が、３°以上であることが好ましい。これにより、親水性領域および撥水性領域のそれぞれの領域において、本発明における効果を十分に発揮させることができるからである。
【００１０】
また、上記発明においては、上記親水性領域が、熱水処理により親水化された領域であることが好ましい。熱水処理は、部分的に施すことが可能な処理であるため、ガスの入口側のみを親水化することができるからである。
【００１１】
さらに、上記発明においては、燃料電池の運転時において、上記撥水層内で水蒸気が飽和となる飽和領域が、上記撥水性領域であることが好ましい。これにより、生成水の排水を効果的に行うことができるからである。
【００１２】
また、本発明は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の両面上に形成された触媒電極層と、上記触媒電極層上に形成され、上記触媒電極層と接する側に撥水層が設けられたガス拡散層と、上記ガス拡散層上に形成されたセパレータとを有する燃料電池を製造する燃料電池の製造方法であって、上記ガス拡散層上に上記撥水層を形成する撥水層形成工程と、上記撥水層のガスの入口側のみに、熱水処理を施すことにより親水性領域を形成する親水性領域形成工程とを有することを特徴とする燃料電池の製造方法を提供する。
【００１３】
本発明によれば、上記親水性領域形成工程を行うことにより、プロトン伝導性を低下させることなく、かつフラッディングの起こり難い、発電性能の高い燃料電池を製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、フラッディングおよびプロトン伝導性の低下を防ぐことができ、発電性能に優れた燃料電池とすることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、燃料電池およびその製造方法に関するものである。以下、これらについて説明する。
【００１６】
Ａ．燃料電池
まず、本発明の燃料電池について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の燃料電池における撥水層の一例を示す平面図である。本発明の燃料電池は、例えば図１に示すように、ガスの入口１０側に親水性領域ａを有し、ガスの出口１１側に撥水性領域ｂを有する撥水層３を有することを特徴としている。ここで、ガスの入口側とは、ガスの通流方向１２の上流側のことをいい、またガスの出口側とは、ガスの通流方向１２の下流側のことをいう。
【００１７】
通常、カソード側に酸化剤ガスを供給すると、アノード側より固体電解質膜を経由して移動してきたプロトンとの間で、酸素還元反応が起こり、生成水ができる。そのため、燃料電池の運転時には、カソードのガスの入口側付近では湿度が低く、ガスの出口側付近では湿度が高いといった湿度分布がセルの面内で生じており、この低湿度部分の影響により、固体電解質膜や触媒電極層中の電解質に水分が行き届かない部分が生じるといった問題を有していた。
【００１８】
本発明においては、撥水層のガスの入口側に親水性領域を有することにより、ガスの入口側の部位が水分を保有することができるため、その部分に対応する固体電解質膜および触媒電極層内の電解質に十分な水分を供給することが可能となる。したがって、プロトン伝導性の低下を抑制することができ、発電性能の高い燃料電池とすることができる。
【００１９】
また、上述したような理由により、カソード側では湿度分布が生じるが、アノード側においても、カソード側で発生した生成水が固体電解質膜から浸透してくるため、カソード側と同様の湿度分布が生じる。したがって、アノード側の撥水層のガスの入口側に親水性領域を有することにより、プロトン伝導性の低下を抑制することができる。
【００２０】
また、本発明においては、撥水層のガスの出口側に撥水性領域を有することにより、カソードの酸素還元反応により発生する生成水により高湿度となった部位を撥水性領域とすることができるため、生成水を効率よく燃料電池の外部に排出することができる。したがって、フラッディングを防止することができ、発電性能の優れた燃料電池とすることができる。
以下、本発明の燃料電池について、各構成ごとに詳しく説明する。
【００２１】
１．撥水層
まず、本発明における撥水層について説明する。本発明における撥水層は、後述するガス拡散層の触媒電極層と接する側に設けられ、ガスの入口側に親水性領域を有し、ガスの出口側に撥水性領域を有するものである。
【００２２】
本発明における「ガスの入口側」および「ガスの出口側」は、燃料電池のセル内を通流するガスの通流方向に応じて異なるものである。したがって、例えば図１に示すように、ガスの通流方向１２が、ガスの入口１０からガスの出口１１まで一続きの蛇行状である場合、それぞれ親水性領域ａおよび撥水性領域ｂは図に示すような部位に設定される。
また、例えば図２に示すように、ガスの通流方向１２がガスの入口１０からガスの出口１１方向へ向かって放射線状である場合や、例えば図３に示すように、ガスの通流方向１２がガスの入口１０からガスの出口１１まで一直線の場合や、例えば図４に示すように、拡散層が対角線上で区切られているため、ガスの入口１０からガスの出口１１までのガスの通流が２領域に分割されている場合においても、それぞれ親水性領域ａおよび撥水性領域ｂは図に示すような部位に設定される。
【００２３】
また本発明においては、上記撥水層のガスの出口側に撥水性領域を有するものであるが、上記撥水性領域とする部位が、燃料電池の運転時において、上記撥水層内で水蒸気が飽和となる飽和領域であることが好ましい。通常、燃料電池の運転時においては、撥水層のガスの出口側に水蒸気が飽和となる飽和領域が存在し、この飽和領域の影響によりフラッディングが発生しやすい。本発明においては、この飽和領域を撥水性領域とすることにより、フラッディングを効果的に防止することが可能となるからである。なお、このような撥水層内で水蒸気が飽和となる領域は、例えば一般に燃料電池の開発時に行われる燃料電池の運転時における湿度分布シミュレーションの結果から求めることが可能である。
【００２４】
さらに、上記親水性領域は、ガスの入口からガスの通流方向へ段階的に親水度を低下させてもよく、また連続的に親水度を低下させてもよいが、本発明においては、製造容易性の観点から、特に段階的に親水度を低下させることが好ましく、中でも２または３段階程度に親水度を低下させることが好ましい。
【００２５】
また、上記親水性領域の好ましい範囲は、燃料電池の運転条件に応じて異なるものではあるが、例えば、一般的な気候において良好な発電性能を発揮させる運転条件下の場合、上記親水性領域は全体の１／３程度とされることが好ましい。
【００２６】
また、上記親水性領域の親水度は、その領域に対する水の接触角を用いて表すことができる。本発明においては、上記親水性領域に対する水の接触角と上記撥水性領域に対する水の接触角との差が、３°以上であることが好ましく、中でも４°以上、特に４°〜８°の範囲内であることが好ましい。これにより、親水性領域および撥水性領域のそれぞれにおいて、本発明における効果を十分に発揮させることができるため、発電性能の高い燃料電池とすることができるからである。なお、ここでいう接触角差は、上記親水性領域内において、ガスの入口からガスの通流方向へ段階的に親水度を低下させる場合、最も親水度の高い領域と撥水性領域との接触角差のこととする。
【００２７】
上記親水性領域に対する水の接触角として、具体的には１３５°〜１４２°の範囲内程度、中でも１３７°〜１４１°の範囲内であることが好ましい。親水性領域において、十分なプロトン伝導性を維持するのに必要な水分量を保有させることができるからである。
【００２８】
なお、上記接触角は、撥水層表面に水滴を３μｌ滴下し、接触角測定器を用いてθ／２法により静的接触角を測定することにより、得られた値である。
【００２９】
本発明において、上記撥水層表面を親水化する方法としては、例えば熱水処理、ＵＶ照射処理、プラズマ照射処理等の方法を挙げることができるが、中でも熱水処理により方法を用いることが好ましい。効率よく、簡便に親水化を行うことができるからである。
【００３０】
上記熱水処理を行うことにより親水度が向上する理由は、以下に示す２つのメカニズムによるものと推測される。まず、第１のメカニズムとしては、撥水層に対して熱水処理を行うことにより、撥水層に含まれるカーボン等の表面自由エネルギーが増大するため、親水度が向上するというものである。また、第２のメカニズムとしては、撥水層に熱水処理を施すことにより、カーボンは表面に空隙を含む微細な構造を有しているため、このカーボンの空隙に水が浸入しやすくなり、空隙の表面割合が減少し、親水度が高くなるというものである。なお、この第２のメカニズムは、第１のメカニズムにより促進されるものとも考えられる。
【００３１】
また、上記熱水処理の具体的な方法としては、例えば撥水層を熱水に浸漬する方法や、撥水層の表面に熱水をミスト状またはシャワー状にして吹き付ける方法、撥水層の表面に水蒸気を当てる方法等が挙げられるが、本発明においては、熱水に浸漬する方法が好ましい。最も効率良く、簡便に処理を行うことが可能であるからである。
【００３２】
熱水に浸漬する方法を用いる場合、熱水の温度としては、３０℃〜９５℃の範囲内とすることが好ましく、中でも４０℃〜９０℃の範囲内、特に５０℃〜８０℃の範囲内とすることが好ましい。熱水の温度が高すぎると、撥水層表面の親水度が急激に変化するため、親水性コントロールが困難となる可能性があるからである。また、熱水の温度が低すぎると、撥水層表面の親水度の変化が遅いため、所望の親水度とするのに時間を要する場合があるからである。
【００３３】
また、熱水に浸漬する場合の浸漬時間としては、熱水の温度によって異なるものであるが、例えば１０時間〜１００時間の範囲内程度、中でも２０時間〜８０時間の範囲内とすることが好ましい。
【００３４】
また、本発明に用いられる撥水層の形成材料は、通常、導電性材料と撥水性を有する撥水性材料とを主成分としたものが使用される。
【００３５】
上記導電性材料は、撥水層に導電性を付与するものである。上記導電性材料としては、導電性を有し、上述した親水化する方法によってカーボン表面が親水化されるものであれば特に限定されるものではないが、例えばカーボン粒子やカーボン繊維等を挙げることができる。
【００３６】
上記カーボン粒子として、具体的には、オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等を挙げることができる。中でも、本発明においては、オイルファーネスブラック、アセチレンブラックが好ましい。導電性を付与する効果に優れているからである。また、カーボン粒子の一次粒径としては、特に限定されるものではないが、１μｍ以下であることが好ましい。
【００３７】
上記カーボン繊維として、具体的には、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ：登録商標）、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維等を挙げることができる。中でも、本発明においては、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）が好ましい。
【００３８】
上記撥水性材料としては、撥水性を有し、燃料電池の運転により生じる生成水を燃料電池外部に排出することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、フッ素系樹脂等を挙げることができる。このようなフッ素系樹脂として、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、パーフルオロエチレン−プロペン共重合体（ＦＥＰ）、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、フルオロオレフィン−炭化水素系共重合体、フルオロアクリレート共重合体、フルオロエポキシ化合物等を挙げることができる。中でも本発明においては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオリドが好ましく、特にポリテトラフルオロエチレンが好ましい。撥水性に優れた撥水層を得ることができるからである。
【００３９】
このような撥水層の膜厚としては、撥水層としての機能を発揮できる厚みであれば特に限定されるものではなく、通常１０μｍ〜２００μｍの範囲内、中でも２０μｍ〜１５０μｍの範囲内であることが好ましい。
【００４０】
上記撥水層の形成方法としては、例えば後述するガス拡散層上に、上述した撥水層の形成材料を含有する撥水層形成用塗工液を塗布し、乾燥させる方法を用いることができる。
【００４１】
２．その他
本発明の燃料電池の構成において、上述した撥水層以外の構成に関しては、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池の構成と同様のものを用いることができる。本発明の燃料電池の構成としては、例えば図５に示すように、固体電解質膜１と、上記固体電解質膜１の両面に形成された触媒電極層２と、上記触媒電極層２上に形成され、上記触媒電極層２と接する側に撥水層３が設けられたガス拡散層４と、上記ガス拡散層４上に形成されたセパレータ５とを有する燃料電池であって、上記撥水層３は、ガスの入口側に親水性領域ａを有し、ガスの出口側に撥水性領域ｂを有している。一般的に、水素等の燃料ガスが供給されるガス拡散層４、撥水層３および触媒電極層２をアノード、空気等の酸化剤ガスが供給されるガス拡散層４、撥水層３および触媒電極層２をカソードという。
【００４２】
本発明に用いられるセパレータとしては、水素ガス（燃料ガス）をアノードへ、空気（酸化剤ガス）をカソードへ供給することが可能なものであれば特に限定されるものではなく、上記水素ガスおよび空気が通流するガス流路が設けられたものであってもよく、上記ガス流路が設けられていないものであってもよい。
【００４３】
上記ガス流路が設けられたセパレータとしては、例えば蛇行状の溝流路や直線状の溝流路等が挙げられる。セパレータに蛇行状の溝流路が設けられている場合、例えば図１に示すようにガスが通流し、またセパレータに直線状の溝流路が設けられている場合、例えば図３に示すようにガスが通流することとなる。
【００４４】
また、ガス流路が設けられていないセパレータとしては、例えばアノード側のガス拡散層に水素ガスを供給する水素ガス入口およびアノード側のガス拡散層から水素の排ガスを排出する水素ガス出口と、カソード側のガス拡散層に空気を供給する空気ガス入口およびカソード側のガス拡散層から空気の排ガスを排出する空気ガス出口とを備えた平板状のものを挙げることができる。このようなガス流路が設けられていないセパレータを用いる場合、後述するガス拡散層として多孔体構造のものを用いることにより、例えば図２や図４に示すように、ガスは拡散して流れる。なお、上記水素ガス入口、水素ガス出口、空気ガス入口および空気ガス出口の形成位置、形成数、形状等は、ガスの通流方向に応じて適宜選択される。
【００４５】
また、本発明に用いられるセパレータの材質としては、通常の燃料電池に用いられているものを用いることができる。具体的には、カーボンタイプのもの、金属タイプのもの等を用いることができる。
【００４６】
本発明に用いられるガス拡散層としては、通常の燃料電池に用いられているものを用いることができる。具体的には、カーボン繊維から成るカーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔体が好適に用いられる。
【００４７】
ここで、ガス拡散層は、例えば図１、図２および図３に示すようにガスが全面に通流するような全面が多孔体のものであってもよく、また例えば図４に示すようにガスが通流する領域が分割されるように、仕切りが設けられた多孔体のものであってもよい。
【００４８】
本発明に用いられる触媒電極層は、燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができ、特に限定されるものではない。具体的には、パーフルオロスルホン酸系ポリマー（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）等のプロトン伝導材、カーボンブラック等の導電性材料、および上記導電性材料に担持された白金等の触媒を含むものである。
【００４９】
本発明に用いられる固体電解質膜は、プロトン伝導性に優れ且つ電流を流さない材料からなるものであれば特に限定されるものではない。現在汎用されている材料としてはパーフルオロスルホン酸系ポリマー（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）等のフッ素系樹脂や、プロトン伝導基を有するポリイミド等の炭化水素系樹脂等を挙げることができる。
【００５０】
Ｂ．燃料電池の製造方法
本発明の燃料電池の製造方法は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の両面上に形成された触媒電極層と、上記触媒電極層上に形成され、上記触媒電極層と接する側に撥水層が設けられたガス拡散層と、上記ガス拡散層上に形成されたセパレータとを有する燃料電池を製造する燃料電池の製造方法であって、上記ガス拡散層上に上記撥水層を形成する撥水層形成工程と、上記撥水層のガスの入口側のみに、熱水処理を施すことにより親水性領域を形成する親水性領域形成工程とを有することを特徴とする方法である。
【００５１】
本発明においては、上記親水性領域形成工程を行うことにより、ガスの入口側の部位に保湿性を持たせることができるため、その部分に対応する固体電解質膜および触媒電極層内の電解質に十分な水分を供給することが可能となる。したがって、プロトン伝導性の低下を防ぐことが可能な、発電性能の高い燃料電池を製造することができる。
【００５２】
また、本発明においては、撥水層のガスの入口側のみに親水性領域を形成するため、燃料電池の運転時に高加湿となりやすいガスの出口側は撥水性を保持させることができる。したがって、フラッディングを起こり難くすることが可能な、発電性能の高い燃料電池を製造することができる。
以下、本発明の燃料電池の製造方法における各工程について説明する。
【００５３】
１．撥水層形成工程
本発明に用いられる撥水層形成工程は、ガス拡散層の触媒電極層と接する側に撥水層を形成する工程である。本発明において、撥水層を形成する方法としては、例えばガス拡散層上に、導電性材料と撥水性を有する撥水性材料とを主成分とした撥水層形成用塗工液を塗布し、乾燥させる方法等を用いることができる。
【００５４】
なお、撥水層の形成に用いられる導電性材料および撥水性材料に関しては、上述した「Ａ．燃料電池」の撥水層の項で説明したものと同様とすることができるので、ここでの説明は省略する。
【００５５】
２．親水性領域形成工程
本発明に用いられる親水性領域形成工程は、上記撥水層形成工程後に、撥水層のガスの入口側のみに、熱水処理を施すことにより親水性領域を形成する工程である。
【００５６】
本発明に用いられる熱水処理の方法は、上述した「Ａ．燃料電池」の撥水層の項で説明した親水処理と同様の方法を用いることができるので、ここでの説明は省略する。
【００５７】
３．その他の工程
本発明の燃料電池の製造方法は、上記撥水層形成工程および上記親水性領域形成工程以外にも、一般に燃料電池の製造方法において必要とされる他の工程を有していてもよい。このような他の工程としては、例えば固体電解質膜の両面に触媒電極層を形成する触媒電極層形成工程や、触媒電極層と撥水層とを接合させる接合工程、ガス拡散層の外側の表面にセパレータを形成するセパレータ形成工程等が挙げられる。このような各工程については、一般に燃料電池の製造において行われる工程と同様とすることができるので、ここでの説明は省略する。
【００５８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００５９】
以下に実施例および比較例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。
【００６０】
[実施例１]
（触媒電極層の形成）
Nafion（商品名、デュポン社製）、白金担持カーボンおよび水とエタノールとの混合溶媒からなる触媒電極層形成用塗工液をポリテトラフルオロエチレンシート上に塗布し、乾燥させたものをNafion（商品名、デュポン社製）からなる固体電解質膜上に転写し、固体電解質膜上に触媒電極層を形成した。
【００６１】
（撥水層の形成）
ポリテトラフルオロエチレン、アセチレンブラック（ＢＭＡＢ）および純水を混合させてなる撥水層形成用塗工液をカーボンペーパーからなるガス拡散層上に塗布し、乾燥させて、撥水層を形成した。
【００６２】
（撥水層の熱水処理）
５００ｍｌビーカーに水４００ｍｌ入れ、水が６０℃になるまで加熱した。その中に、撥水層付きガス拡散層のガスの入口側約１／３の領域（図１で示されるａの領域と同領域）を、所定の時間浸漬させた。
その後、熱水処理を行った撥水層表面に水滴を３μｌ滴下し、接触角測定器を用いてθ／２法により静的接触角を測定した。その結果を図６に示す。なお、接触角の測定結果は、熱水処理時間０時間、１５時間、２５時間、４５時間、７５時間の順に、１４４．５°、１４２．１°１４０．０°１３９．７°１３９．３°であった。
【００６３】
（触媒電極層および撥水層の接合）
続いて、カソード側の触媒電極層と、熱水処理を４５時間行った撥水層付きガス拡散層の撥水層とを３ＭＰａ、１２０℃の条件で熱圧着させた。一方、アノード側の触媒電極層と、熱水処理を行わなかった撥水層付きガス拡散層とを３ＭＰａ、１２０℃の条件で熱圧着させた。
【００６４】
（セパレータの形成）
上記両ガス拡散層の外側に、ガス流路（サーペンタインカウンターフロー）が表面に形成されたセパレータを密着して積層することにより、燃料電池の単位セルを得た。なお、カソード側においては、上記熱水処理により親水化された領域がガスの入口側にくるように、セパレータを設置した。
【００６５】
[比較例１]
アノード側およびカソード側の両触媒電極層に、熱水処理を行わなかった撥水層を熱圧着させたこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池の単位セルを得た。
【００６６】
[評価]
実施例１および比較例１の単位セルを用いてＩＶ性能の測定を行った。その結果を図７に示す。なお、測定条件は、以下に示す通りとした。
・電極面積：１３ｃｍ２
・セパレータ流路（ガス流路）：サーペンタインカウンターフロー
・背圧（ゲージ圧）：１００ｋＰａ／１００ｋＰａ
・加湿露点：４５℃／５５℃
・アノード流量：Ｈ２  ０．２７２Ｌ／ｍｉｎ
・カソード流量：Ａｉｒ  ０．８６６Ｌ／ｍｉｎ
図７より、親水性領域を形成しなかった撥水層（熱水処理未処理の撥水層）を有する燃料電池セル（比較例１）と比べて、親水性領域を形成した撥水層（熱水処理済みの撥水層）を有する燃料電池セル（実施例１）の方がＩＶ性能の向上が見られることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明に用いられる撥水層の一例を示す平面図である。
【図２】本発明に用いられる撥水層の他の例を示す平面図である。
【図３】本発明に用いられる撥水層の他の例を示す平面図である。
【図４】本発明に用いられる撥水層の他の例を示す平面図である。
【図５】本発明の燃料電池の最小単位である単位セルの構造の一例を示す概略断面図である。
【図６】熱水処理時間と接触角との関係を示すグラフである。
【図７】ＩＶ性能測定の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６８】
１…固体電解質膜
２…触媒電極層
３…撥水層
４…ガス拡散層
５…セパレータ
１０…ガスの入口
１１…ガスの出口
ａ…親水性領域
ｂ…撥水性領域
【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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