(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に形成されたアノード電極触媒層と、
電気化学反応が生じる反応部と、前記電気化学反応により生成された生成水を前記反応部から吸収する吸水部とを有し、前記電解質膜の他方の面に形成されたカソード電極触媒層と、
前記アノード電極触媒層および前記カソード電極触媒層上に配置され、前記燃料電池の発電に利用される反応ガスを拡散するアノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層と、を備え、
前記カソード電極触媒層には、前記反応部と前記吸水部とが、前記電解質膜上に交互に配置されている膜電極接合体。  
【請求項２】
請求項１記載の膜電極接合体であって、
前記カソード電極触媒層は、更に、前記反応部と前記カソード側ガス拡散層との間に疎水部を備える、膜電極接合体。
【請求項３】
請求項２記載の膜電極接合体であって、
前記カソード側ガス拡散層は、親水性である、膜電極接合体。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の膜電極接合体であって、
前記吸水部は、親水性である、膜電極接合体。
【請求項５】
請求項４記載の膜電極接合体であって、
前記吸水部は、第１の孔径を有する多孔質状に形成されており、
前記反応部は、前記第１の孔径より大きい第２の孔径を有する多孔質状に形成されている、膜電極接合体。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の膜電極接合体であって、更に、
前記吸水部と前記電解質膜との間に配置され、前記電解質膜よりプロトン伝導性が低い中間部を備える膜電極接合体。
【請求項７】
請求項６記載の膜電極接合体であって、
前記中間部は、水の通過を抑制する、膜電極接合体。
【請求項８】
請求項１または請求項２記載の膜電極接合体であって、
前記吸水部は、疎水性であり、第１の孔径を有する多孔質状に形成されており、
前記反応部は、前記第１の孔径よりも小さい第２の孔径を有する多孔質状に形成されている、膜電極接合体。
【請求項９】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に形成されたアノード電極触媒層と、
電気化学反応が生じる反応部と、前記電気化学反応により生成された生成水を前記反応部から吸収する吸水部とを有し、前記電解質膜の他方の面に形成されたカソード電極触媒層と、
前記アノード電極触媒層および前記カソード電極触媒層上に配置され、前記燃料電池の発電に利用される反応ガスを拡散するアノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層と、
前記アノード側ガス拡散層および前記カソード側ガス拡散層の外側に配置された一対のセパレータと、を備え、
前記カソード電極触媒層には、前記反応部と前記吸水部とが、前記電解質膜上に交互に配置されている燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体を用いた燃料電池に関し、より具体的には、燃料電池の排水構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
個体高分子型の燃料電池において、カソード電極触媒層における電気化学反応による生成水のカソード電極触媒層における滞留により、濃度過電圧が生じ、燃料電池の電圧が低下することがある。そのため、例えば、カソード電極触媒層とガス拡散層との間に親水性多孔質層を設けて、カソード電極触媒層における生成水のカソード電極触媒層からの排出性能を向上しているものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２５２９６６号公報
【特許文献２】特開２００５−２１６７５０号公報
【特許文献３】特開２００３−１９７２０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の技術では、親水性多孔質層から反応ガス系の外部へ排水されない。そのため、燃料電池の長期に亘る稼働により、親水性多孔質層に生成水が滞留して生成水の排水性が低下し、ガス拡散層からカソード電極触媒層への反応ガスの供給が阻害される虞がある。カソード電極触媒層における生成水の排水性の低下は燃料電池の出力性能の低下を招くという問題がある。
【０００５】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の出力性能の向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池に用いられる膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に形成されたアノード電極触媒層と、電気化学反応が生じる反応部と、電気化学反応により生成された生成水を反応部から吸収する吸水部とを有し、電解質膜の他方の面に形成されたカソード電極触媒層と、アノード電極触媒層およびカソード電極触媒層上に配置され、燃料電池の発電に利用される反応ガスを拡散するアノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層と、を備える。
【０００８】
適用例１の膜電極接合体によれば、反応部と吸水部とが電解質膜上に形成されている、反応部で生成された水は、カソード電極触媒層の面方向に移動して吸水部に吸水される。吸水された生成水は、ガス拡散層と吸水部との水蒸気圧差およびガス拡散層における反応ガスの気流の剪断力により吸水部からカソード側ガス拡散層へ移動する。従って、生成水を反応部から効率的に排出できる。よって、ガス拡散層とカソード電極触媒層との間の生成水の滞留を抑制でき、ガス拡散層からカソード電極触媒層への反応ガスの拡散効率を向上できるため、燃料電池の出力性能を向上できる。
【０００９】
適用例１の膜電極接合体において、カソード電極触媒層には、反応部と吸水部とが電解質膜上に交互に配置されている。
【００１０】
適用例１の膜電極接合体によれば、反応部で生成された生成水は、隣接する吸水部に吸水されるため、反応部から生成水を効率的に排出できる。
【００１１】
適用例１の膜電極接合体において、カソード電極触媒層は、更に、反応部とカソード側ガス拡散層との間に疎水部を備える。
【００１２】
適用例１の膜電極接合体によれば、反応部とカソード側ガス拡散層との間の生成水の移動を抑制できる。従って、カソード側ガス拡散層内を流通する生成水の反応部への移動を抑制できる。よって、カソード側ガス拡散層から反応部へ反応ガスを効率的に供給できる。
【００１３】
適用例１の膜電極接合体において、カソード側ガス拡散層は、親水性である。
【００１４】
適用例１の膜電極接合体によれば、吸水部からカソード側ガス拡散層への水の移動の促進を図ることができる。よって、生成水の排水性を向上できる。
【００１５】
適用例１の膜電極接合体において、吸水部は親水性である。
【００１６】
適用例１の膜電極接合体によれば、反応部から吸水部への生成水の移動を促進できる。よって、生成水の排水性を向上できる。
【００１７】
適用例１の膜電極接合体において、反応部は、第１の孔径を有する多孔質状に形成されており、吸水部は、第１の孔径より小さい第２の孔径を有する多孔質状に形成されている。
【００１８】
適用例１の膜電極接合体によれば、毛細管現象により反応部から吸水部へ生成水を効率的に移動させることができる。
【００１９】
適用例１の膜電極接合体において、更に、吸水部と電解質膜との間に、電解質膜よりプロトン伝導性が低い中間部を備える。
【００２０】
適用例１の膜電極接合体によれば、プロトンに伴って移動する水の吸水部への侵入を抑制できる。従って、吸水部における水の滞留を低減でき、吸水部の吸水性能低下を抑制できる。
【００２１】
適用例１の膜電極接合体において、中間部は、水の通過を抑制する。
【００２２】
適用例１によれば、電解質膜から吸水部への水の移動を抑制できる。
【００２３】
適用例１の膜電極接合体において、反応部は第１の孔径を有する多孔質状に形成されており、吸水部は、第１の孔径よりも大きい第２の孔径を有する多孔質状に形成されている。
【００２４】
適用例１の膜電極接合体によれば、吸水部の孔径は反応部の孔径よりも大きいため、反応部から吸水部へ生成水が円滑に移動できる。
【００２５】
［適用例２］
燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されたアノード電極触媒層と、電解質膜の他方の面において、電解質膜上の一部に形成され電気化学反応が生じる反応部と、電解質膜上の残りの部分に形成され電気化学反応により生成された生成水を反応部から吸収する吸水部とから構成されるカソード電極触媒層と、アノード電極触媒層およびカソード電極触媒層の外側に配置され、燃料電池の発電に利用される反応ガスを拡散するアノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の外側に配置された一対のセパレータと、を備える。
【００２６】
適用例２の燃料電池によれば、カソード電極触媒層での生成水のカソード電極触媒層からの排水性を向上できる。従って、燃料電池の出力性能を向上できる。
【００２７】
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
Ａ．第１実施例
Ａ１．燃料電池概略構成：
図１は、第１実施例における燃料電池の単セルの概略構成を例示する断面図である。第１実施例の燃料電池の単セル１０は、膜電極接合体２０（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、膜電極接合体２０の両側に配置されたガス拡散層１２０、１２１、ガス拡散層１２０、１２１および膜電極接合体２０を狭持するカソード側セパレータ１３０およびアノード側セパレータ１４０を備える。ＭＥＡ２０は、電解質膜１００と、電解質膜１００の一方の面に形成されたカソード電極触媒層１０１と、電解質膜１００の他方の面に形成されたアノード電極触媒層１０２を備える。膜電極接合体２０と、カソード側ガス拡散層１２０、アノード側ガス拡散層１２１とから構成される部材を膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆Gas Diffusion Layer Assembly）３０と呼ぶ。
【００２９】
電解質膜１００は、例えば、ナフィオン（登録商標）により薄膜状に形成されている。カソード電極触媒層１０１は、触媒担持カーボン担体によって薄膜状に形成され電気化学反応を生じる反応セクションと、反応セクションにおける電気化学反応により生じた生成水を吸収する吸水セクションを含む。カソード電極触媒層１０１の詳細構成については後に詳述する。担持触媒には、白金粒子（Ｐｔ）を用いるが、白金の他、例えば白金合金を用いてもよい。アノード電極触媒層１０２は、カーボン担持担体により電解質膜上に薄膜状に形成されている。
【００３０】
カソード側ガス拡散層１２０およびアノード側ガス拡散層１２１は、気孔率が約２０％程度のカーボン製の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。ガス拡散層１２０，１２１は、接合によりＭＥＡ２０と一体化されている。ガス拡散層１２０，１２１は、カソード電極触媒層１０１に対して反応ガスを拡散する。カソード側ガス拡散層１２０は親水性材料により形成されていてもよい。
【００３１】
カソード側セパレータ１３０およびアノード側セパレータ１４０は、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から形成されている。カソード側セパレータ１３０には、酸化ガスを膜電極接合体２０に供給するための酸化ガス流路１３２が形成されている。アノード側セパレータ１４０には、燃料ガスを膜電極接合体２０に供給するための燃料ガス流路１４２が形成されている。
【００３２】
Ａ２．排水構造：
第１実施例の燃料電池における排水構造について、図２（ａ）および図２（ｂ）を適宜参照して説明する。図２（ａ）は、第１実施例におけるカソード電極触媒層の詳細構成を例示する断面図である。図２（ａ）は、図１における円Ｘ部分を拡大して示している。図２（ｂ）は、第１実施例における電解質膜１００の平面図である。
【００３３】
Ａ２−１．カソード電極触媒層の詳細構成：
図２（ａ）に示すように、カソード電極触媒層１０１は、燃料電池の電気化学反応を生じる反応セクション２０２と、反応セクション２０２における電気化学反応により生じた生成水を吸収する吸水セクション２０３と、が電解質膜１００上に交互に形成されて構成されている。反応セクション２０２上には、疎水セクション２０１が形成されている。電解質膜１００において、吸水セクション２０３と接する部位には、プロトン伝導性が電解質膜１００より低い水バリア層１５０が形成されている。図２（ｂ）に示すように、反応セクション２０２および疎水セクション２０１と、吸水セクション２０３とは、電解質膜１００上に交互に、換言すれば、ストライプ状に形成されている。
【００３４】
反応セクション２０２は、白金触媒担持カーボンを用いて多孔質状に形成されており、プロトン伝導性、電気伝導性を有するとともに、ガス拡散性と水拡散性を有する。反応セクション２０２の気孔の直径は、約０．０５〜１μｍである。反応セクション２０２には、アイオノマーがバインダとして用いられており、これにより反応セクション２０２はプロトン伝導性を有する。
【００３５】
吸水セクション２０３は、親水性ポリマーのアイオノマーをバインダとして用いた酸化物担持カーボンにより多孔質状に形成されている。すなわち、吸水セクション２０３は、親水性および水拡散性を有するため、隣接する反応セクション２０２において生成された生成水を吸収し、カソード側ガス拡散層１２０へ拡散する。吸水セクション２０３の気孔の直径は、約０．０１〜０．１μｍかつ反応セクション２０２の気孔の直径よりも小さいことが好ましい。
【００３６】
疎水セクション２０１は、疎水性ポリマーのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）をバインダとして用いたカーボン繊維により多孔質状に形成されている。すなわち、疎水セクション２０１は、疎水性、電気伝導性およびガス拡散性を有する。よって、疎水セクション２０１は、カソード側ガス拡散層１２０から供給される酸化ガスとアノード側ガス拡散層１２１から外部回路を介してカソード電極触媒層１０１側へ移動してくる電子を反応セクション２０２へ受け渡す。
【００３７】
Ａ２−２．生成水の排水経路：
カソード電極触媒層１０１の反応セクション２０２における電気化学反応により生成された生成水の排水について、図２（ａ）を参照して説明する。反応セクション２０２では、電解質膜１００を伝導してきたプロトン（Ｈ+）と、カソード側ガス拡散層１２０から拡散された酸化ガスとが反応し水が生成される。吸水セクション２０３は、親水性であり気孔の直径が反応セクション２０２の気孔の直径よりも小さいため、図２（ａ）の太実線が示すように、反応セクション２０２において生成された水は、毛細管現象によって反応セクション２０２から吸水セクション２０３へ移動する。なお、吸水セクション２０３は電気伝導性を有していないため、水を生成する電気化学反応が生じず、水の滞留が抑制されている。
【００３８】
吸水セクション２０３に吸収された水は、図２（ａ）において太実線で示すように、吸水セクション２０３より水蒸気圧の低いカソード側ガス拡散層１２０へ移動する。カソード側ガス拡散層１２０へ移動した水は、カソード側ガス拡散層１２０を流れる酸化ガスにより少なくとも一部は乾燥される。残りは、例えば、酸化ガスマニホールドを介して燃料電池の外部へ排出されてもよいし、また例えば、燃料電池の冷却水として用いてもよい。なお、カソード側ガス拡散層１２０は親水性であるため、吸水セクション２０３からカソード側ガス拡散層１２０への水の移動が促進され、生成水の排出効率を向上できる。
【００３９】
Ａ２−３．酸化ガスの拡散：
次に、図２（ａ）を用いて、酸化ガスの拡散について説明する。酸化ガスは、図２（ａ）において太破線で示すように、カソード側ガス拡散層１２０内を一定の方向に向かって流通しながら、疎水セクション２０１の気孔を介して反応セクション２０２へ拡散される。ここで、疎水セクション２０１は疎水性であるため、反応セクション２０２における電気化学反応により生成された水の疎水セクション２０１への移動は抑制されている。よって、反応セクション２０２とカソード側ガス拡散層１２０との間における水の滞留は抑制され、図２（ａ）において太破線で示すように、カソード側ガス拡散層１２０から反応セクション２０２への酸化ガスの供給は、疎水セクション２０１に阻害されずに行われる。なお、疎水セクション２０１は多孔質であるため、反応セクション２０２において生成される生成水のうち水蒸気は疎水セクション２０１へも拡散されるが、水蒸気による気孔の閉塞はほぼ生じない。従って、カソード側ガス拡散層１２０から反応セクション２０２への酸化ガスの拡散は阻害されず、反応セクション２０２における電気化学反応は継続的に行われる。
【００４０】
Ａ２−４．水バリア層の機能：
次に、水バリア層１５０の機能について、図２（ｂ）を参照して説明する。水バリア層１５０は、電解質膜１００上の、吸水セクション２０３との接触部位に形成されている。水バリア層１５０は、特許請求の範囲の「中間部」に当たる。水バリア層１５０の材料は、プロトンの透過を抑制可能な材料を任意に利用可能である。第１実施例では、電解質膜１００上の、吸水セクション２０３との接触部位への電子線照射により、係る接触部位の表面の組成が破壊されている。この結果、係る接触部位のプロトン透過性が低減される。このような構成を備えることにより、水バリア層１５０は、アノード電極触媒層１０２側からカソード電極触媒層１０１側へのプロトンの移動に伴う電解質膜１００中の水分の移動を抑制する。この結果、電解質膜１００から吸水セクション２０３への水の侵入が抑制され、吸水セクション２０３における水の滞留が抑制される。従って、吸水セクション２０３の排水性能の低下を抑制できる。
【００４１】
Ａ３．ＭＥＧＡの製造工程：
図３は、実施例における膜電極接合体の製造工程を例示するフローチャートである。第１工程では、電解質膜１００状に水バリア層１５０を形成する（ステップＳ１０）。具体的には、基板ホルダーに電解質膜１００を固定し、電解質膜の一方の面に開口率約３０％のストライプ状メタルマスク（ライン幅約１００μｍ、開口率約約４０％）を密着させて電子線を照射する。電子線は、電解質膜１００の深部にまで損傷が及ぶことを防止するために、例えば、加速電圧１００ＫＶ以下で照射することが好ましい。
【００４２】
第２工程では、電解質膜１００上に吸水セクション２０３を形成する（ステップＳ１２）。具体的には、シリカ微粒子（Cataloid-SI50、触媒化成工業製）とアイオノマー溶液（DE1020、デュポン社製）とを混合・分散させて得たインクを、スプレー装置により、ステップＳ１０において配置されたメタルマスク上から、吸水セクション２０３が水バリア層１５０とほぼ同面積となるように水バリア層１５０上に塗布する。なお、インク組成はシリカ微粒子とアイオノマーとの乾燥重量比が３となるように調整されている。吸水セクション２０３の厚みは、約３０μｍである。
【００４３】
第３工程では、電解質膜１００上に反応セクション２０２を形成する（ステップＳ１４）。具体的には、カーボン担持体に白金粒子を約５０重量％担持させて製造した白金担持カーボンとアイオノマー（デュポン社製）とを混合・分散させて触媒インクを作製する。電解質膜１００上に、第１、２工程において用いたメタルマスクのストライプパターンが反転形成されているメタルマスクを電解質膜１００に密着させ、作製した触媒インクをメタルマスク上から電解質膜１００に塗布し乾燥させる。第１実施例では、白金担持カーボンとアイオノマーとの乾燥重量比が１：１となるようにインクの組成が調整されている。
【００４４】
第４工程では、反応セクション２０２上に疎水セクション２０１を形成する（ステップＳ１６）。具体的には、カーボン粒子（ケッチェンブラックＥＣ、ケッチェンブラックインターナショナル製）とＰＶｄＦ（Ｋｙｎａｒ、アルケマ社製）とをN-メチル-2-ピロリドン（ＮＭＰ）に混合・分散させてインク作製する。作製したインクをスプレー装置により、第３工程で加工した電解質膜１００に、第３工程で用いたメタルマスク上から塗布する。こうすることにより、反応セクション２０２の直上に疎水セクション２０１が形成される。第１実施例では、カーボン粒子とＰＶｄＦの乾燥重量比が１：１となるようにインク組成が調整されている。第２工程から第４工程により、カソード電極触媒層１０１が形成される。
【００４５】
第５工程では、ＭＥＧＡを形成する（ステップＳ１８）。具体的には、電解質膜１００の、疎水セクション２０１，反応セクション２０２、吸水セクション２０３が形成されている面とは逆側の面全体に、反応セクション２０２を構成する触媒インクを塗布してアノード電極触媒層１０２を形成し、カソード側ガス拡散層１２０およびアノード側ガス拡散層１２１をカソード電極触媒層１０１およびアノード電極触媒層１０２の外側に配置して、熱圧着する。このようにして、ＭＥＧＡ３０が形成される。
【００４６】
Ａ４．性能評価：
図４は、第１実施例におけるＭＥＧＡ３０の性能評価を示すグラフである。性能評価グラフ３００は、膜電極ガス拡散層接合体を用いた燃料電池について、電流を０Ａ／ｃｍ２から徐々に上げた際の出力電圧（Ｖ）を示しており、曲線３１０は、第１実施例におけるＭＥＧＡ３０の出力電圧を表し、曲線３２０は、電解質膜１００の両面に電極触媒層が形成され、電極触媒層の両側にガス拡散層が形成された一般的な膜電極ガス拡散接合体（以降、第１実施例では比較例と呼ぶ）の出力電圧を表している。性能評価グラフ３００において、横軸は電流Ｉを表し、縦軸は燃料電池の出力電圧Ｖを表す。性能評価グラフ３００は、燃料電池について、アノード電極触媒層には、１．５気圧、温度８０℃、露点８０℃の燃料ガスを供給し、カソード電極触媒層には、１．５気圧、温度８０℃、露点７５℃の空気を供給して、カソード電極触媒層１０１が動作するために十分な加湿状態とされた試験条件での試験結果を示している。
【００４７】
比較例では、曲線３２０が示すように、電流が約１．０（Ａ／ｃｍ２）以上となると、出力電圧の急激な低下が観測された。すなわち、比較例では、カソード電極触媒層での発電反応による生成水がカソード電極触媒層１０１とカソード側ガス拡散層１２０との間に蓄積され、酸化ガスの拡散が阻害されていることが認められる。
【００４８】
一方、第１実施例のＭＥＧＡ３０では、曲線３１０が示すように、電流が２．０（Ａ／ｃｍ２）まで出力電圧の急激な低下は観測されなかった。すなわち、ＭＥＧＡ３０では、カソード電極触媒層１０１での発電反応により生成水が、吸水セクション２０３およびカソード側ガス拡散層１２０を介して円滑に排水され、酸化ガスの拡散が効率的に行われていることが認められる。
【００４９】
また、上記試験条件で、電流を１．０（Ａ／ｃｍ２）に固定して出力の時間推移を観測した結果、比較例では所定時間経過後に出力電圧の急激な低下が観測されたが、第１実施例のＭＥＧＡ３０では比較例と同じ時間稼働させても、ほぼ出力低下は観測されなかった。
【００５０】
以上説明した第１実施例のＭＥＧＡによれば、反応セクションと吸水セクションとを電解質膜上に別々に形成しているため、反応セクションで生成された水は、カソード電極触媒層の面方向に移動して吸水セクションに吸水され、カソード側ガス拡散層の気流の剪断力やカソード側ガス拡散層と吸水セクションとの水蒸気圧差によりカソード側ガス拡散層側へ排出される。従って、生成水の排水性を向上でき、ガス拡散層とカソード電極触媒層との間の生成水の滞留を抑制できる。よって、燃料電池の出力性能を向上できる。
【００５１】
また、第１実施例のＭＥＧＡによれば、反応セクションと吸水セクションとが交互にストライプ状に形成されているため、反応セクションにおける生成水は、両隣の吸水セクションに分散して吸収される。よって、反応セクションからの排水効率を向上できる。
【００５２】
また、第１実施例のＭＥＧＡによれば、水バリア層を備えることにより、電解質膜と吸水セクションとの接触部位のプロトン伝導性を低減できる。従って、電解質膜中からカソード電極触媒層１０１へ移動するプロトンに伴って移動する水（随伴水）の、吸水セクションへの侵入を抑制できる。よって、反応セクション以外からの吸水セクションへの水流入を抑制でき、排水性能を向上できる。
【００５３】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例では、反応セクション２０２の気孔の直径が吸水セクション２０３の気孔の直径よりも小さく形成されている膜電極ガス拡散層接合体を用いた燃料電池について説明する。なお、第２実施例において、第１実施例と同一の符号を有する各養成要件は、第１実施例の各構成要件と同一の構造、機能を有する。
【００５４】
Ｂ１．カソード電極触媒層の詳細構成：
図５は、第２実施例におけるＭＥＧＡについて説明する断面図である。第２実施例のＭＥＧＡ３０ａのカソード電極触媒層１０１ａは、燃料電池の電気化学反応を生じる反応セクション２０２ａと、反応セクション２０２ａにおける電気化学反応により生じた生成水を吸収する吸水セクション２０３ａと、が電解質膜１００上に交互に形成されている。反応セクション２０２ａ上には、疎水セクション２０１が形成されている。電解質膜１００において、吸水セクション２０３ａと接する部位には、プロトン伝導性が電解質膜１００より低い水バリア層１５０が形成されている。反応セクション２０２ａおよび疎水セクション２０１と、吸水セクション２０３ａとは、電解質膜１００上に交互に、換言すれば、ストライプ状に形成されている。
【００５５】
反応セクション２０２ａは、疎水性材料により多孔質状に形成されている。吸水セクション２０３ａは、第１実施例における吸水セクション２０３と同一材料に形成されている。ただし、第２実施例では、吸水セクション２０３ａの気孔の直径は、反応セクション２０２ａの気孔の直径よりも大きく形成されている。
【００５６】
第２実施例のＭＥＧＡによれば、反応セクションが疎水性材料で形成されているとともに、吸水セクションの気孔の直径が反応セクションの気孔の直径よりも大きく形成されているため、反応セクションにおいて生成された生成水の吸水セクションへの移動が円滑に行われる。
【００５７】
Ｃ．変形例：
（１）上述の第１実施例および第２実施例では、反応セクションと吸水セクションとはストライプ状に配置されているが、例えば、反応セクションと吸水セクションとは、格子状やドット状、あるいはランダムに形成されていてもよい。反応セクションと吸水セクションとが電解質膜上に重ならないように別々に配置されていればよい。
【００５８】
（２）上述の第１実施例および第２実施例では、水バリア層は、電解質膜への電子線照射により、電解質膜の一部として形成されているが、例えば、電解質膜と吸水セクションとの間に、水の透過を抑制・防止する部材の配置により水バリア層を形成してもよい。
【００５９】
（３）上述の第１実施例および第２実施例では、疎水セクション２０１、反応セクション２０２，吸水セクション２０３および水バリア層１５０は、電解質膜１００上に形成されているが、例えば、カソード側ガス拡散層１２０上に形成し、疎水セクション２０１、反応セクション２０２，吸水セクション２０３および水バリア層１５０が形成されたカソード側ガス拡散層１２０を電解質膜１００と接合してもよい。
【００６０】
（４）上述の第１実施例では、疎水セクション２０１，反応セクション２０２，吸水セクション２０３は、メタルマスクを密着させた電解質膜１００上へのインクの塗布により形成されているが、例えば、フォトリソグラフィ技術やインクジェット技術を用いて形成されてもよい。
【００６１】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】第１実施例における燃料電池の単セルの概略構成を例示する断面図。
【図２】第１実施例におけるカソード電極触媒層および水バリア層の構成を例示する断面図。
【図３】第１実施例における膜電極接合体の製造工程を例示するフローチャート。
【図４】第１実施例におけるＭＥＧＡの性能評価を示すグラフ。
【図５】第２実施例におけるＭＥＧＡについて説明する断面図。
【符号の説明】
【００６３】
１０…単セル
２０…膜電極接合体
３０…ＭＥＧＡ
１００…電解質膜
１０１…カソード電極触媒層
１０１ａ…カソード電極触媒層
１０２…アノード電極触媒層
１２０…カソード側ガス拡散層
１２１…アノード側ガス拡散層
１３０…カソード側セパレータ
１４０…アノード側セパレータ
１３２…酸化ガス流路
１４２…燃料ガス流路
１５０…水バリア層
２０１…疎水セクション
２０２、２０２ａ…反応セクション
２０３、２０３ａ…吸水セクション
３００…性能評価グラフ
３１０、３２０…曲線
【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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