(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜の一方側にカソード触媒層、他方側にアノード触媒層が配されているセルを、前記アノード触媒層に対向して燃料が流通する燃料流路が形成された第１プレートと、前記カソード触媒層に対向して酸化剤が流通する酸化剤流路及びリブが形成された第２プレートとで挟持して構成された燃料電池であって、
前記カソード触媒層と第２プレートとの間にガス拡散層が介挿され、
前記カソード触媒層は、
前記酸化剤流路と対向する全ての領域で、前記リブと対向する領域と比べて保水性が高くなるよう構成され、触媒が担持されたカーボン粉末にイオン交換体が添加された混合物からなり、前記酸化剤流路と対向する領域に用いられるカーボン粉末の比表面積は、前記リブと対向する領域に用いられるカーボン粉末の比表面積より大きいことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
固体高分子膜の一方側にカソード触媒層、他方側にアノード触媒層が配されているセルを、前記アノード触媒層に対向して燃料が流通する燃料流路が形成された第１プレートと、前記カソード触媒層に対向して酸化剤が流通する酸化剤流路及びリブが形成された第２プレートとで挟持して構成された燃料電池であって、
前記カソード触媒層と第２プレートとの間にガス拡散層が介挿され、
前記カソード触媒層は、
前記酸化剤流路と対向する全ての領域で、前記リブと対向する領域と比べて保水性が高くなるよう構成され、触媒が担持されたカーボン粉末にイオン交換体が添加された混合物からなり、前記酸化剤流路と対向する領域では、前記リブと対向する領域と比べてイオン交換体の添加量が大きいことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
固体高分子膜の一方側にカソード触媒層、他方側にアノード触媒層が配されているセルを、前記アノード触媒層に対向して燃料が流通する燃料流路が形成された第１プレートと、前記カソード触媒層に対向して酸化剤が流通する酸化剤流路及びリブが形成された第２プレートとで挟持して構成された燃料電池であって、
前記カソード触媒層と第２プレートとの間には、
ガス拡散層と、当該ガス拡散層よりカソード触媒層側に位置するイオン交換体を含有する中間保水層とが介挿され、
当該中間保水層は、前記酸化剤流路と対向する全ての領域で、前記リブと対向する領域と比べて保水性が高くなるよう調整されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
前記中間保水層は、
酸化剤の入口側端部から出口側に向かう一定の領域に設けられていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記一定の領域の面積は、
前記ガス拡散層における酸化剤の入口側端部から出口側端部までの全領域の面積に対して１０％以上９０％以下であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記中間保水層において、
前記酸化剤流路と対向する領域には、前記リブと対向する領域と比べて多くのイオン交換体が含まれていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか記載の燃料電池。
【請求項７】
前記中間保水層において、
前記リブと対向する領域に含まれているイオン交換体よりも、前記酸化剤流路と対向する領域に含まれているイオン交換体の方が、イオン交換容量が大きいことを特徴とする請求項３〜５のいずれか記載の燃料電池。
【請求項８】
前記イオン交換体は、
パーフルオロスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールスルホン酸、ポリエーテルケトンスルホン酸から選択されたものであることを特徴とする請求項３〜７の何れか記載の燃料電池。
【請求項９】
前記酸化剤流路と対向する領域において、
前記中間保水層中に含まれるイオン交換体の量は、０．０２〜０．１２ｍｇ／ｃｍ2の範囲内であることを特徴とする請求項３〜８の何れか記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜に固体高分子膜を用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この燃料電池としてはリン酸型、炭酸溶融塩型など電解質の種類によって様々なものがあるが、近年では、陽イオン交換型の固体高分子膜（proton  exchange  membrane）を電解質膜とし、比較的運転温度が低温で且つ高性能で発電することができる燃料電池が積極的に開発されている。
【０００３】
このタイプの燃料電池は、固体高分子膜の一方の面にカソード、他方の面にアノードを配してなるセルを、ガス流路及び当該流路間にリブが形成された一対のプレートで挟持した基本構造を持ち、実用的な燃料電池においては、このようなセルユニットが多数積層されて高出力が得られるようになっている。
そして、カソード及びアノードの各々は一般的に、固体高分子膜上に形成された電極触媒層とその上を覆って設けられたガス拡散層とから構成されており、このガス拡散層は、電極触媒層とガス流路との間に介在することによって、流路を流通するガスを電極触媒層に行き渡らせると共に、電極触媒層とプレートのリブとの間で導電性を確保する働きをなす。
【０００４】
また、固体高分子膜や電極触媒層は、乾燥状態ではイオン伝導性が低いので、一般的には燃料ガスや酸化剤ガスを加湿してから燃料電池に供給することによって、固体高分子膜を湿潤させながら運転する方法がとられているが、近年、燃料電池システムのコンパクト化が要求されるのに伴って、酸化剤ガスとして空気を無加湿で供給するタイプも出てきている。
【０００５】
ところで、このタイプの燃料電池を高性能で発電するためには、固体高分子膜や電極触媒層を全体的に均一に湿潤させることが望ましい。それは、固体高分子膜や電極触媒層の湿潤度が領域毎にばらついて湿潤不足もしくは湿潤過剰となる領域が生じると、湿潤不足の領域ではイオン導電性が悪くなり、湿潤過剰の領域では電極触媒層におけるガス拡散性が悪くなるため、優れた発電性能が得られないからである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際には、酸化剤ガスの導入口付近（空気入口側）の領域においては、出口側領域と比べて酸化剤ガス中に水分が蒸発しやすいので、固体高分子膜や電極触媒層が湿潤不足となりやすい傾向がある。
また、酸化剤ガス流路に対向する領域では、リブに対向する領域と比べて酸化剤ガス中に水分が蒸発しやすいため、固体高分子膜や電極触媒層が湿潤不足となりやすい傾向もある。
【０００７】
このため、無加湿の酸化剤ガス（空気）を供給して発電する燃料電池の場合には、固体高分子膜及び電極触媒層の湿潤性は不均一となりやすい。
このような問題に対して、例えば、特開平１１−１５４５２３号公報には、カソードのガス拡散層および／またはアノードのガス拡散層のガス供給口側に近い部分が、ガス排出口側に近い部分よりも、ガス透過度が小さくなるように構成した固体高分子電解質型燃料電池の単セルが提案されている。
【０００８】
この技術によれば、例えば図１１に示すように、固体高分子膜４０１にカソード４１０及びアノード４２０が配されたセル４００において、カソード４１０に沿って酸化剤ガス（白矢印４３１）が流れ、アノード４２０に沿って燃料ガス（白矢印４３２）が流れることによって発電するようになっているが、上記カソード４１０において、ガス供給口側に近い領域４１１のガス拡散層が、ガス排出口側に近い領域４１２のガス拡散層よりも、ガス拡散性が小さく調整されている。
【０００９】
ガス拡散性の調整は、具体的には、ガス拡散層の厚さや気孔率を変えることによってなされている。即ち、入口部４１１では、ガス拡散層の気孔率を小さくしたり、厚さを大きくしてガス拡散性を小さくし、出口部４１２では、気孔率を大きくしたり、厚さを小さくすることによって、ガス拡散性を大きくしている。
この技術によれば、酸化剤ガス入口側における固体高分子膜４０１の乾燥を抑えて、酸化剤ガス入口側と出口側とで湿潤性を均一化することが可能と考えられるが、酸化剤ガス流路に対向する領域とリブに対向する領域とで湿潤性が不均一となる問題は残るので、燃料電池の性能を向上させるためには、この点を改良することが望まれる。
【００１０】
また、上記のようにガス拡散性を領域毎に調整する手法を用いた場合、酸化剤がカソード全体に均一的に行き渡りにくくなるので、電極反応における濃度分極が大きくなることによって出力低下する可能性もある。
本発明は、このような課題に鑑み、固体高分子膜にアノード及びカソードを配してなるセルを備えた燃料電池において、固体高分子膜及び電極触媒層の湿潤性を均一化することよって、安定して優れた特性で発電できるものを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記目的を達成するために、固体高分子膜にアノード及びカソードを配してなるセルを備えた燃料電池において、カソード触媒層を、酸化剤流路と対向する全ての領域で、リブと対向する領域と比べて保水性が高くなるように構成した。
【００１２】
ここで、「層の保水性」というのは、層の単位体積あたりに保持することのできる水分量を指すものであって、この水分量が大きいほど層の保水性が高いことになる。
このようにして、カソード触媒層の保水性を調整すれば、固体高分子膜及び電極触媒層が、酸化剤ガス流路に対向する領域においてリブに対向する領域よりも乾燥しやすいという傾向を抑え、これらをより均一的に保湿することができる。
【００１３】
【００１４】
また、湿潤性を均一化する効果を得るためには、カソード触媒層において、酸化剤の入口側端部から出口側に向かう一定割合（好ましくはカソード触媒層における酸化剤の入口側端部から出口側端部までの全領域の面積に対して１０％〜９０％の範囲の領域に上記のような保水性調整を行うことが好ましい。
【００１５】
或は、カソード触媒層に、カーボン粉末と撥水性材料とを含む混合物を充填して保水性を調整することによって行うこともできる。
例えば、酸化剤流路と対向する領域では、リブと対向する領域と比べて、保水性調整材中のカーボン粉末の保水性が高いもの（比表面積の大きいもの）を用いることによって行うこともできる。
【００１６】
また、上記のようにカソード触媒層に対する保水性を調整するために、カソード触媒層と第２プレートとの間に、第２プレート側にガス拡散層、カソード触媒層側にイオン交換体を含有する中間保水層を介挿させ、この中間保水層において、酸化剤流路と対向する全ての領域で、リブと対向する領域と比べて保水性が高くなるよう調整してもよい。
【００１７】
なお、上記のようにカソード触媒層に保水性調整を施したり、中間保水層を設けても、当該層の全体領域においてガス拡散性を確保し、電極全体に均一的に酸化剤を行き渡らせることは可能である。
よって、本発明によれば、固体高分子膜及び電極触媒層の全体領域にわたって湿潤性とガス拡散性を確保することができるので、高性能で燃料電池を発電することができる。
【００１８】
特に無加湿の酸化剤ガス（空気）をカソードに供給して発電する燃料電池の場合には、本発明を適用することによって得られる効果も大きい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
〔参考の形態１〕
まず、固体高分子型燃料電池の基本構成を説明し、次にセル構成について詳細に説明する。
＜燃料電池システム全体の構成と動作＞
図１は、本参考の形態１の固体高分子型燃料電池を構成するセルユニット１０の組立図である。
【００２０】
本図に示すように、セルユニット１０は全体として、電極／高分子膜接合体（membrane／electrode  assembly）２０を、カソード側セパレータ板６０とアノード側セパレータ板５０とで挟持して構成されている。
電極／高分子膜接合体２０は、固体高分子膜２１の片面にカソード、他面にアノードが配されて構成されている。
【００２１】
カソードは、固体高分子膜２１上に形成されたカソード触媒層２２とその上に配されたガス拡散層２４からなり、アノードは、固体高分子膜２１上に形成されたアノード触媒層２３とその上に配されたガス拡散層２５とからなる。
従って、カソード触媒層２２とカソード側セパレータ板６０の間にガス拡散層２４が、アノード触媒層２３とアノード側セパレータ板５０との間に、ガス拡散層２５が、それぞれ介挿されていることになる。
【００２２】
固体高分子膜２１は、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる薄膜状の電解質である。
カソード触媒層２２及びアノード触媒層２３は、白金系触媒を担持したカーボン粉末にイオン交換体（Nafion：Du Pont社製、以下同様）及び撥水性樹脂が添加されたものからなる膜であり、固体高分子膜２１の主面中央部にそれぞれホットプレスにより密着加工されている。白金系触媒としては、Ｐｔ触媒やＰｔ−Ｒｕ触媒が用いられる。Ｐｔ触媒は燃料ガスに純水素を用いる場合に良好な触媒作用を呈するが、燃料ガス中に一酸化炭素ＣＯが含まれると被毒し、触媒作用が低下することもあるが、Ｐｔ−Ｒｕは比較的ＣＯに被毒されにくい。
【００２３】
なお図１において、アノード触媒層２３は固体高分子膜２１の下面側にあるので破線で表示している。
ガス拡散層２４、２５は、集電体とも称され、導電性を有するガス透過性の材料から成る層であって、カーボンペーパーをはじめとする導電性多孔質材料に、ガスの拡散性を確保するため撥水性材料が添加されて形成されている。ここでは、カーボンペーパーに、撥水性材料としてふっ素樹脂を含浸したものを用いることとするが、撥水処理を施したカーボンペーパーにカーボン粒子を充填したものを用いることもできる。
【００２４】
アノード側セパレータ板５０はフェノール樹脂にカーボン粉末を混合したものを射出成形してなる部材であって、ガス拡散層２５と対向する面（図１で下面）において、図面ｙ方向に沿って燃料ガス（水素リッチな改質ガス）を流通させるチャネル５５が形成されると共に、チャネル５５どうしの間にリブ５６が形成されている。
【００２５】
カソード側セパレータ板６０はアノード側セパレータ板５０とほぼ同様の部材であり、当図からは見えないが、図面ｙ方向に沿って酸化剤ガス（空気、図中白抜き矢印Ａ）を流通させる酸化剤チャネル６５及びリブ６６（図３参照）が形成されている。
更に、固体高分子膜２１、ガスケット３０、４０、アノード側セパレータ板５０、カソード側セパレータ板６０にはその四隅に開孔部６１〜６４、４１〜４４、２１１〜２１４、３１〜３４、５１〜５４（４４、２１４、３４、５４は不図示）が設けてある。
【００２６】
このうち開孔部５３、３３、２１３、４３、６３は、アノード側セパレータ板５０のチャネル５５に燃料ガスを供給するマニホールド、開孔部５１、３１、２１１、４１、６１は、燃料ガスを排出するマニホールドを形成するものである。一方、開孔部５４、３４、２１４、４４、６４は、カソード側セパレータ板６０のチャネルに酸化剤ガスを供給するマニホールド、開孔部５２、３２、２１２、４２、６２は、酸化剤ガスを排出するマニホールドを形成するものである。
【００２７】
なお、このような構成を有するセルユニット１０は、図２に示すように、実際には高電圧・高電力が取り出せるように、多数積層され、集電板７０、電気絶縁と熱絶縁を目的とする絶縁板７１ならびに荷重を加えて積層状態を保持するための締付板７２によって挟持し、ボルト７３とナット７４により締め付けられて燃料電池スタックが形成されている。なお、締め付け荷重は、皿バネ７５により加えられている。
【００２８】
このような燃料電池において、その運転時には、燃料ガス及び空気の一方または両方が、加湿されてから各チャネルに供給され、以下のように発電に用いられる。
チャネル５５に供給される燃料ガスは、ガス拡散層２５を介して、アノード触媒層２３に供給される。そして、アノード触媒層２３において燃料ガス中の水素はイオン化して電子を放出する（Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-）。このとき生成されるプロトンは、固体高分子膜２１中をカソード触媒層２２側へ移動する。なお、このプロトンの移動に伴って、アノード触媒層２３の水分もカソード側に移動する。
【００２９】
一方、空気は、ガス拡散層２４を介してカソード触媒層２２側に供給される。ガス拡散層２４において、空気中の酸素は、固体高分子膜２１中を移動して来るプロトンと結合して水を生成する（１／２Ｏ2  ＋  ２ｅ-  ＋  ２Ｈ+  →  Ｈ2Ｏ）。そして、電極／高分子膜接合体２０（特に固体高分子膜２１やカソード触媒層２２）は、上記の加湿水及び生成水によって湿潤されるが、電極／高分子膜接合体２０（特に固体高分子膜２１やカソード触媒層２２）からは酸化剤チャネル６５を流れる空気中に水分が放散される。
【００３０】
＜セル構成についての詳細説明＞
次に、電極／高分子膜接合体２０の詳細な構成並びに作用について説明する。
カソード触媒層２２とカソード側セパレータ板６０とに挟まれたガス拡散層２４において、酸化剤ガス（空気）の入口側（開孔部６４側）から一定の範囲（図中２０Ａ）では、酸化剤チャネル６５と対向する領域（チャネル対向部２４Ａ）では、リブ６６と対向する領域（リブ対向部２４Ｂ）と比べて保水性が高くなるように調整されている。
【００３１】
このガス拡散層２４における保水性の調整は、具体的には、チャネル対向部２４Ａにおける単位面積当たりの撥水性材料の含有量を、リブ対向部２４Ｂにおける単位面積当たりの撥水性材料の含有量より小さく設定することによって行う。
ここで、チャネル対向部２４Ａにおける単位面積当たりの撥水性材料の含有量Ｘａと、リブ対向部２４Ｂにおける単位面積当たりの撥水性材料の含有量Ｘｂとの比率については、Ｘａ／Ｘｂが０．２以上０．９以下となるように設定することが好ましい。その根拠については参考例１で後述する。
【００３２】
図３は、上記空気入口側の範囲２０Ａにおいて、セルユニット１０を厚み方向（図１におけるｘｚ平面）で切断した断面を摸式的に示す図である。
このようにガス拡散層２４における保水性を調整することによって、以下のような効果を奏する。
チャネル対向部２４Ａでは、空気がその表面に沿って流通するため、図３中に水分蒸発力をグラフで示しているように、リブ対向部２４Ｂと比べて水分が空気中に蒸発しやすい状態にある。特に、空気入口側の範囲２０Ａにおいては、出口側の範囲２０Ｂと比べて、酸化剤チャネル６５を流通する空気が乾燥しているので、チャネル対向部２４Ａにおける水分が蒸発しやすい傾向が大きい。なお、酸化剤チャネル６５に無加湿の空気が供給される場合にはこの傾向は特に顕著なものとなる。
【００３３】
これに対して、本セルユニット１０では、空気入口側の領域２０Ａにおいて、ガス拡散層２４は、チャネル対向部２４Ａでリブ対向部２４Ｂよりも保水性が高くなるように設定されているので、図３中に白抜き矢印に示すように、ガス拡散層２４において、リブ対向部２４Ｂからチャネル対向部２４Ａの方へ水分が移動する力が働く。これによって、リブ対向部２４Ｂからチャネル対向部２４Ａに水分が補給されることになる。
【００３４】
従って、酸化剤チャネル６５に対向する部分で固体高分子膜やカソード触媒層が乾燥しやすいという傾向は抑えられ、電極／高分子膜接合体２０における酸化剤チャネル６５に対向する部分とリブ６６と対向する部分との間で湿潤性が均一化されることになる。
ところで、一般的に酸化剤チャネル６５を流通する空気は、空気入口側の領域２０Ａを通過して出口側の範囲２０Ｂに到るときには水分含有量がかなり大きくなっているので、出口側の範囲２０Ｂでは、チャネル対向部２４Ａとリブ対向部２４Ｂとの水分蒸発力の差は小さい。従って、空気出口側の領域２０Ｂでも、空気入口側の領域Ａと同様に保水性の調整を施すと、逆に、チャネル対向部２４Ａの方がリブ対向部２４Ｂよりも湿潤となる可能性もある。
【００３５】
この点を考慮すると、湿潤性の均一化を図るために、上述のように空気入口側の領域２０Ａだけにガス拡散層２４に保水性調整を施すのが好ましいと考えられる。そして、保水性の調整を施す空気入口側の領域２０Ａの面積は、ガス拡散層２４の全体面積に対して１０％以上９０％以下の範囲内に設定することが好ましい。
【００３６】
但し、無加湿の空気を供給する場合など、酸化剤チャネル６５を流通する空気が出口付近でもかなり乾燥している場合もある。そのような場合は、ガス拡散層２４の全体面積に対して保水性の調整することが好ましいと考えられる。
なお、ガス拡散層２４において、上記のように保水性を領域ごとに調整しても、ガス拡散性はあまり影響を受けないので、ガス拡散層２４の反応領域全体においてガス拡散性の均一性を保つことが可能である。従って、安定性よく優れたセル電圧で発電することが可能となる。
【００３７】
〔参考例１〕
上記参考の形態１に基づき、以下の仕様で参考例のセル１〜５（単セル）を作製すると共に、比較例としてセル６，７を作製し、セル電圧測定試験を行った。
【００３８】
【表１】
0004233208.tif 000002
【００３９】
固体高分子膜：パーフルオロカーボンスルホン酸膜（Nafion１１２膜、１２ｃｍ×１２ｃｍ、厚さ５０μｍ）
カソード触媒層２２及びアノード触媒層２３：１０ｃｍ×１０ｃｍ、厚さ２０μｍ
ガス拡散層は、カソード側、アノード側とも、カーボンペーパーに、撥水性材料としてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含浸させて形成し、１０ｃｍ×１０ｃｍ、厚さ２００μｍとした。
【００４０】
但し、セル１〜５において、カソード側ガス拡散層の空気入口側領域（全体面積に対して５０％）において、表１に示すように、チャネル対向部２４ＡではＰＴＦＥ含有量Ｘａを（４、６、１０、１７、２５wt％とし、リブ対向部２４ＢにおけるＰＴＦＥ含有量Ｘｂ（３０wt％）と比べて小さく設定した。
カソード側ガス拡散層の空気出口側領域では、ＰＴＦＥ含有量は一律に３０wt％に設定した。
【００４１】
アノード側ガス拡散層のＰＴＦＥ含有量は、いずれも全体領域で一律に３０wt％に設定した。
比較例のセル６，７では、カソード側ガス拡散層のチャネル対向部２４Ａにおけるフッ素樹脂含有量を３０、４０wt％の各値に設定した以外は、上記セル１〜５と同様に作製した。
【００４２】
以下に各セルの具体的な作製方法を示す。
カソード側ガス拡散層：カーボンペーパー（厚み２００μｍ）を用意し、このカーボンペーパーをＰＴＦＥ分散溶液に浸漬して、３８０℃で１時間焼成した。この時点でのＰＴＦＥ含有量は全体領域で一律的に所定の値（セル１では４wt％、セル２では６wt％、セル３では１０wt％、セル４では１７wt％、セル５では２５wt％）となるように調整した。
【００４３】
そして、空気入口側領域のチャネル対向部２４Ａに相当する領域にだけマスキングシートを置いて、その上からＰＴＦＥ分散溶液をスプレー塗布した後、再度３８０℃で１時間焼成した。
このとき、空気入口側領域のチャネル対向部２４Ａ以外の領域でＰＴＦＥ含有量が３０wt％となるように、ＰＴＦＥ分散溶液塗布量を調整した。
【００４４】
このようにして、セル１〜５用のカソード側ガス拡散層を作製した。
セル６用のカソード側ガス拡散層は、カーボンペーパーをＰＴＦＥ分散溶液に浸漬した後に３８０℃で１時間焼成することによって作製した。
セル７用のカソード側ガス拡散層は、セル６用のカソード側ガス拡散層と同じものに、更に、空気入口側領域のチャネル対向部２４Ａに相当する部分だけを開口したマスキングシートを置いて、その上からＰＴＦＥ分散溶液をスプレー塗布した後、再度３８０℃で１時間焼成した。
【００４５】
このとき、ＰＴＦＥ分散溶液塗布量は、空気入口側領域のチャネル対向部におけるＰＴＦＥ含有量が４０wt％となるように調整した。
以下の工程は、セル１〜７において共通である。
アノード側のガス拡散層：カーボンペーパー（厚み２００μｍ）を用意し、ＰＴＦＥ分散溶液に浸漬した後、３８０℃で１時間焼成した。これにより、ＰＴＦＥ含有量が３０wt％のアノード側のガス拡散層を作製した。
【００４６】
カソード触媒層およびアノード触媒層の形成：Ｐｔ担持カーボン粉末、Nafion溶液、ＰＴＦＥ分散溶液を、Ｐｔ担持カーボン粉末とNafionとＰＴＦＥの重量比が１００：２０：１０となる割合で混合してスラリーを作製した。このスラリーを、前記各ガス拡散層に厚さ２０μｍで塗布することによって、カソード触媒層およびアノード触媒層を形成した。
【００４７】
上記のように触媒層を形成したガス拡散層（アノード及びカソード）を、固体高分子膜を介挿して重ね、１５０℃−６０ｓｅｃの条件でホットプレスすることによってセル１〜７を作製した。
（セル電圧測定試験）
このように作製した参考例及び比較例の各セル１〜７を、以下の条件で運転し、セル電圧（電圧が安定したときの値）を測定した。
【００４８】
電流密度：０.５Ａ/ｃｍ2
セル内運転温度：８０℃
燃料ガス：純水素
酸化剤ガス：空気
燃料ガス利用率：７０％
酸化剤ガス利用率：４０％
図４は、各セルのセル電圧測定値を示すものであって、空気入口側領域におけるリブ対向部２４ＢのＰＴＦＥ含有量Ｘｂに対するチャネル対向部２４ＡにおけるＰＴＦＥ含有量Ｘａの比率（Ｘａ／Ｘｂ）と、セル電圧（ｍＶ）との関係を示す特性図である。
【００４９】
考察：
図４では、セル２〜５は、セル６，７と比べて、高いセル電圧が得られており、比率（Ｘａ／Ｘｂ）を０．２〜０．８の範囲に設定するのが好ましいことがわかる。
これは、セル２〜５では、カソード側ガス拡散層において、比率（Ｘａ／Ｘｂ）を０．２〜０．８の範囲に設定しているので、チャネル対向部２４Ａの保水性がリブ対向部２４Ｂの保水性と比べて適度に大きくなっており、それによって、チャネル対向部２４Ａとリブ対向部２４Ｂとで固体高分子膜及び電極層の湿潤が均一化されているのに対して、セル６，７においては、このような湿潤性均一化の作用がないためと考えられる。
【００５０】
なお、セル２〜５と比べてセル１では、セル電圧がかなり低い。これは、セル１では、空気入口側領域におけるチャネル対向部２４Ａのフッ素樹脂含有量がかなり少ないので、この部分に水が滞留してガス拡散性が極端に損なわれたためと考えられる。
また、別の実験によって、保水性を調整する範囲について調べたところ、カソード側のガス拡散層の空気入口側端部から出口側にかけて１０wt％未満であると十分な撥水性が得られず、逆に９０wt％を超えるとガス拡散性が極端に失われる影響があることが明らかになっている。
【００５１】
このことから、カソード側のガス拡散層の空気入口側におけるフッ素樹脂含有量は１０〜９０wt％の範囲が望ましいと考えられる。
〔参考の形態２〕
図５は、本参考形態にかかるセルユニットを、空気入口側の範囲において、厚み方向に切断した断面を摸式的に示す図である。
【００５２】
本参考形態のセルユニット１１０は、電極／高分子膜接合体１２０におけるカソード側ガス拡散層１２４の構成が上記実施形態１のカソード側ガス拡散層２４と異なっている以外は、参考の形態１の図１に示すセルユニット１０と同様の構成である。
本参考形態のカソード側ガス拡散層１２４においては、カーボンペーパーをはじめとする導電性多孔質材料に、ガスの拡散性を確保するため撥水性材料が添加されたものを用いている点は上記ガス拡散層２４と同様であるが、カソード触媒層２２と対向する側には、カーボン粒子に撥水性材料が混合添加された混合物が塗布されることによって、保水性調整層１２５が形成されている。
【００５３】
この保水性調整層１２５は、カーボン粒子が混合されているため保水性に優れており、カソード触媒層２２に隣接してこの保水性調整層１２５が存在するため、固体高分子膜２１及びカソード触媒層２２は安定して湿潤状態に保たれることになる。
本参考形態では、空気入口側の領域２０Ａにおいて、この保水性調整層１２５に保水性調整を施している。即ち、空気入口側の領域２０Ａにおいて、酸化剤チャネル６５と対向する部分（チャネル対向部１２５Ａ）では、リブ６６と対向する部分（リブ対向部１２５Ｂ）と比べて保水性が高くなるように調整している。
【００５４】
このような保水性調整層１２５における保水性の調整は、具体的には、チャネル対向部１２５Ａには比表面積が大きいカーボン粒子を用い、リブ対向部１２５Ｂには比表面積が小さいカーボン粒子を用いることによってなされている。
一般的に、比表面積が大きいカーボン粒子ほどその保水性（一定重量のカーボン粉末に含ませることができる水の量）が高いので、上記のように保水性調整層１２５に用いるカーボン材料の比表面積を規定することによって、チャネル対向部１２５Ａではリブ対向部１２５Ｂと比べてより保水性を高くすることができる。
【００５５】
このように保水性が調整された保水性調整層１２５をカソード側ガス拡散層１２４が備えることによって、上記参考の形態１で説明したのと同様の効果を奏する。即ち、酸化剤チャネル６５に対向する部分とリブ６６に対向する部分とで、固体高分子膜及び触媒層の湿潤度を均一化することができる。
なお、保水性調整層１２５におけるカーボン材料の比表面積を変えても、ガス透過性はあまり影響されないので、保水性調整層１２５における反応領域全体でガス透過性の均一性を保つことは可能である。
【００５６】
〔参考例２〕
上記参考の形態２に基づき、カソード側ガス拡散層以外は上記参考例１と同様の仕様で、参考例のセル８〜１０を作製すると共に、比較例としてセル１１，１２を作製し、セル電圧測定試験を行った。
【００５７】
【表２】
0004233208.tif 000003
【００５８】
セル８〜１０のカソード側ガス拡散層は、カーボンペーパーに、撥水性材料としてＰＴＦＥを含浸させて形成し（ＰＴＦＥ含有量は一律的に３０wt％）、１０ｃｍ×１０ｃｍ、厚さ２００μｍとしたものの表面に、カーボン粉末とＰＴＦＥからなる混合物が塗布されて保水性調整層が形成された構成であるが、当該保水性調整層の空気入口側領域（全体面積に対して５０％）において、表２に示す通り、チャネル対向部１２５Ａには、リブ対向部１２５Ｂと比べて、比表面積の大きいカーボン粉末を用いて保水性を高くした。
【００５９】
なお、保水性調整層を形成する混合物中のＰＴＦＥ含有量は３０wt％で共通に設定した。
また、表２に示すように、比較例のセル１１では、保水性調整層において、チャネル対向部１２５Ａとリブ対向部１２５Ｂとに用いるカーボン粉末の比表面積を同等に設定し、比較例のセル１２では、保水性調整層１２５において、チャネル対向部１２５Ａでは、リブ対向部１２５Ｂと比べて用いるカーボン粉末の比表面積を小さく設定することによって保水性を低くした。そして、それ以外は、上記セル８〜１０と同様に作製した。
【００６０】
以下に各セルの具体的な作製方法を示す。
カソード側ガス拡散層：カーボンペーパー（厚み２００μｍ）を用意し、このカーボンペーパーをＰＴＦＥ分散溶液に浸漬して、３８０℃で１時間焼成した。この時点でのＰＴＦＥ含有量は全体領域で一律に３０wt％となるよう調整した。
比表面積２５４ｍ2／ｇのカーボン粉末とＰＴＦＥ分散溶液とを混合して混合物スラリ（固形分中のＰＴＦＥ含有量は３０wt％）を作製した。そして、空気入口側領域におけるチャネル対向部１２５Ａに相当する領域にだけマスキングシートを置いて、その上から、この混合分散液を塗布した。
【００６１】
次に、比表面積が１２７０、８００、３４３、２５４、５６ｍ2／ｇの各値を有するカーボン粉末とＰＴＦＥ分散溶液とを混合した混合物スラリ（固形分中のＰＴＦＥ含有量は３０wt％）を作製した。そして、空気入口側領域におけるチャネル対向部１２５Ａに相当する領域だけを開口したマスキングシートを置いて、その上から、この各混合物スラリを塗布した後、３８０℃で１時間焼成した。
【００６２】
このようにして、セル８〜１２用のカソード側ガス拡散層を作製した。そして、作製したカソード側ガス拡散層を用いて、上記参考例１と同様にしてセル８〜１２を作製した。
（セル電圧測定試験）
このように作製した実施例及び比較例の各セルについて、上記参考例１におけるセル電圧測定試験と同じ条件でセル電圧を測定した。
【００６３】
図６は、各セルのセル電圧測定値を示すものであって、空気入口側領域において、リブ対向部１２５Ｂに用いたカーボン粉末の比表面積Ｙｂに対するチャネル対向部１２５Ａに用いたカーボン粉末の比表面積Ｙａの比率（Ｙａ／Ｙｂ）と、セル電圧（ｍＶ）との関係を示す特性図である。
考察：
図６から、セル８〜１０は、セル１１，１２と比べて、高いセル電圧が得られていることがわかる。
【００６４】
これは、セル８〜１０では、保水性調整層１２５の空気入口側領域において、上記比表面積の比率Ｙａ／Ｙｂを１．３５〜５の範囲に設定することによって、チャネル対向部１２５Ａの保水性がリブ対向部１２５Ｂの保水性に対して適度に大きくなっており、それによって、セル８〜１０においては、チャネル対向部１２５Ａとリブ対向部１２５Ｂとで固体高分子膜及び電極層の湿潤が均一化されているのに対して、セル１１，１２においては、このような湿潤性均一化の作用がないためと考えられる。
【００６５】
〔参考の形態３〕
本参考形態のセルユニットは、実施の形態２のセルユニット１１０と同様の構成であるが、保水性調整層１２５における保水性の調整方法が異なっている。  即ち、上記実施の形態２では、保水性調整層１２５におけるチャネル対向部１２４Ａとリブ対向部１２５Ｂとの保水性を調整するのに、チャネル対向部１２５Ａとリブ対向部１２５Ｂとで用いるカーボン粉末の比表面積を調整することによって行ったが、本参考形態では、カーボン粉末に対する撥水性材料の添加量を、チャネル対向部１２５Ａではリブ対向部１２５Ｂよりも少なく設定することによって行う。
【００６６】
これによっても、上記参考の形態１で説明したのと同様、酸化剤チャネル６５と対向する部分で固体高分子膜やカソード触媒層が乾燥しやすいという傾向が抑えられ、電極／高分子膜接合体１２０における酸化剤チャネル６５に対向する部分とリブ６６と対向する部分との間で湿潤性が均一化されることになる。
〔参考例３〕
上記参考の形態３に基づき、カソード側ガス拡散層１２４以外は上記参考例１と同様の仕様で、参考例のセル１３〜１７を作製すると共に、比較例としてセル１８，１９を作製し、セル電圧測定試験を行った。
【００６７】
【表３】
0004233208.tif 000004
【００６８】
セル１３〜１７のカソード側ガス拡散層は、カーボンペーパーに、撥水性材料としてのＰＴＦＥを含浸させて形成し（ＰＴＦＥ含有量は一律的に３０wt％）、１０ｃｍ×１０ｃｍ、厚さ２００μｍとしたものの表面に、カーボン粉末とＰＴＦＥ樹脂からなる混合物が塗布されて保水性調整層が形成された構成であるが、当該保水性調整層の空気入口側領域（全体面積に対して５０％
）において、表３に示すように、チャネル対向部１２５Ａではリブ対向部１２５Ｂと比べてＰＴＦＥ樹脂の含有量を小さく設定して保水性を高くした。
【００６９】
また、表３に示すように、比較例のセル１８では、保水性調整層１２５において、チャネル対向部１２５Ａとリブ対向部１２５ＢとでＰＴＦＥ含有量を同等に設定し、比較例のセル１９では、保水性調整層１２５において、チャネル対向部１２５Ａでは、リブ対向部１２５Ｂと比べてＰＴＦＥ含有量を大きく設定することによって、保水性を低く設定した。そして、それ以外は、上記セル１３〜１７と同様に作製した。
【００７０】
以下に各セルの具体的な作製方法を示す。
カソード側ガス拡散層：カーボンペーパー（厚み２００μｍ）を用意し、このカーボンペーパーをＰＴＦＥ分散溶液に浸漬して、３８０℃で１時間焼成した。この時点でのＰＴＦＥ含有量は全体領域で一律的に３０wt％となるよう調整した。
比表面積２５４ｍ2／ｇのカーボン粉末とＰＴＦＥ分散溶液とを混合して混合物スラリ（固形分中のＰＴＦＥ含有量は３０wt％）を作製した。そして、空気入口側領域におけるチャネル対向部１２５Ａに相当する領域にだけマスキングシートを置いて、その上から、この混合分散液を塗布した。
【００７１】
次に、比表面積２５４ｍ2／ｇのカーボン粉末とＰＴＦＥ分散溶液とを混合し、固形分中のＰＴＦＥ含有量を４、６、１０、１７、２５、３０、４０wt％の各値に設定した混合物スラリを作製した。そして、空気入口側領域におけるチャネル対向部１２５Ａに相当する部分だけを開口したマスキングシートを置いて、その上から、上記各混合物スラリをそれぞれ塗布した後、３８０℃で１時間焼成した。
【００７２】
このようにして、セル１３〜１９用のカソード側ガス拡散層を作製した。そして、作製したカソード側ガス拡散層を用いて、上記参考例１と同様にしてセル１３〜１９を作製した。
（セル電圧測定試験）
このように作製した参考例及び比較例の各セルについて、上記参考例１におけるセル電圧測定試験と同じ条件でセル電圧を測定した。
【００７３】
図７は、各セルのセル電圧測定値を示すものであって、保水性調整層１２５の空気入口側領域において、リブ対向部１２５に含まれるＰＴＦＥ含有率Ｚｂに対するチャネル対向部１２５Ｂに含まれるＰＴＦＥ含有率Ｚａの比率（Ｚａ／Ｚｂ）と、セル電圧（ｍＶ）との関係を示す特性図である。
考察：
図７から、セル１４〜１７は、セル１８，１９と比べて、高いセル電圧が得られており、保水性調整層１２５において、チャネル対向部１２５Ａにおけるフッ素樹脂含有量をリブ対向部１２５Ｂにおけるフッ素樹脂含有量に対して０．２〜０．８の範囲内に設定することが好ましいことがわかる。
【００７４】
これは、セル１４〜１７では、保水性調整層１２５の空気入口側領域において、チャネル対向部１２５ＡにおけるＰＴＦＥ含有量をリブ対向部１２５ＢにおけるＰＴＦＥ含有量に対して０．２〜０．８の範囲内に設定することによって、チャネル対向部１２５Ａの保水性がリブ対向部１２５Ｂの保水性に対して適度に大きくなっており、それによって、チャネル対向部１２５Ａとリブ対向部１２５Ｂとで固体高分子膜及び電極層の湿潤が均一化されているのに対して、セル１８，１９においては、このような湿潤性均一化の作用がないためと考えられる。
【００７５】
なお、セル１４〜１７と比べてセル１３では、セル電圧がかなり低い。これは、セル１３では、空気入口側領域におけるチャネル対向部１２５Ａで保水性調整層中のＰＴＦＥ樹脂含有量がかなり少ないので、この部分に水が滞留してガス拡散性が極端に損なわれたためと考えられる。
〔実施の形態４〕
図８は、本実施形態にかかるセルユニットを、空気入口側の範囲において、厚み方向に切断した断面を摸式的に示す図である。
【００７６】
本実施形態のセルユニット２１０は、参考の形態１の図１に示すセルユニット１０と同様の構成であるが、電極／高分子膜接合体２２０において、カソード側ガス拡散層２４とカソード触媒層２２との間に、イオン交換体からなる中間保水層２６が設けられており、この中間保水層２６において、チャネル対向部及びリブ対向部の保水性が調整されている点が異なっている。
【００７７】
本実施形態のカソード側ガス拡散層２４は、カーボンペーパーをはじめとする導電性多孔質材料に、ガスの拡散性を確保するため全体に均一的に撥水性材料が添加されたものを用いる。
そして、このカソード側ガス拡散層２４におけるカソード触媒層２２側の表面上で、空気入口側の領域２０Ａには、イオン交換樹脂が塗布されることによって中間保水層２６が積層されている。
【００７８】
この中間保水層２６は、イオン交換樹脂で形成されているため保水性に優れており、カソード触媒層２２に隣接してこの中間保水層２６が存在するため、固体高分子膜２１及びカソード触媒層２２は安定して湿潤状態に保たれることになる。
また、酸化剤チャネル６５と対向する部分（チャネル対向部２６Ａ）では、リブ６６と対向する部分（リブ対向部２６Ｂ）と比べて保水性が高くなるように調整している。
【００７９】
このような中間保水層２６における保水性の調整は、具体的には、チャネル対向部２６Ａにおいてはイオン交換樹脂の塗布量を大きくし、リブ対向部２６Ｂにおいてはイオン交換樹脂の塗布量を小さくする（もしくは、リブ対向部２６Ｂにはイオン交換樹脂を塗布しない。）ことによってなすことができる。
或は、チャネル対向部２６Ａにおいては、イオン交換容量が大きいイオン交換樹脂を用い、リブ対向部２６Ｂにおいてはイオン交換容量が小さいイオン交換樹脂を用いることによってもなすことができる。
【００８０】
上記のようにカソード触媒層２２とカソード側ガス拡散層２４との間に、保水性が調整された中間保水層２６を設けることによって、上記参考の形態１で説明したのと同様の効果を奏する。即ち、酸化剤チャネル６５に対向する部分とリブ６６に対向する部分とで、固体高分子膜２１及びカソード触媒層２２の湿潤度を均一化することができる。
【００８１】
なお、中間保水層２６を設ける空気入口側の領域２０Ａの面積については、参考の形態１で説明したのと同様の理由で、ガス拡散層２４の全体面積に対して１０％以上９０％以下の範囲内に設定することが好ましい。
〔実施例４〕
上記参考の形態２に基づき、カソード側ガス拡散層の表面上にイオン交換樹脂を塗布して中間保水層を形成すること以外は上記参考例１と同様の仕様で、実施例のセル２０，２１を作製し、セル電圧測定試験を行った。
【００８２】
セル２０，２１のカソード側ガス拡散層は、カーボンペーパーに、撥水性材料としてＰＴＦＥを含浸させ、３８０℃で１時間焼成することによって形成し（ＰＴＦＥ含有量は一律的に３０wt％）、１０ｃｍ×１０ｃｍ、厚さ２００μｍとした。
セル２０においては、このカソード側ガス拡散層の表面に、空気入口側領域（全体面積に対して５０％）において、チャネル対向部２６Ａに相当する部分だけを開口したマスキングシートを置いて、その上から、イオン交換容量１．０ｍｅｑ．／ｇのイオン交換樹脂（アルコール溶液）を塗布し、８０℃で２０分間乾燥させてアルコールを除去した。この時、チャネル対向部２６Ａにおけるイオン交換樹脂の塗布量は０．０６ｍｇ／ｃｍ2とした。
【００８３】
これによってカソード側ガス拡散層の上に形成される中間保水層２６は、チャネル対向部２６Ａにだけイオン交換樹脂が塗布され、リブ対向部２６Ｂにはイオン交換樹脂が塗布されていない。従って、この中間保水層２６において、チャネル対向部２６Ａではリブ対向部２６Ｂよりも保水性が高くなる。
セル２１においては、先ず、上記セル２０と同様にして、カソード側ガス拡散層の表面の空気入口側領域（全体面積に対して５０％）において、チャネル対向部２６Ａに相当する部分に、イオン交換容量１．０ｍｅｑ．／ｇのイオン交換樹脂を塗布量０．０６ｍｇ／ｃｍ2で塗布した。次に、カソード側ガス拡散層の表面の空気入口側領域（全体面積に対して５０％）において、リブ対向部２６Ｂに相当する部分だけ開口したマスキングシートを置いて、その上から、イオン交換容量０．９１ｍｅｑ．／ｇのイオン交換樹脂（アルコール溶液）を塗布し、８０℃で２０分間乾燥させてアルコールを除去した。リブ対向部２６Ｂにおけるイオン交換樹脂の塗布量も０．０６ｍｇ／ｃｍ2とした。
【００８４】
これによってカソード側ガス拡散層の上に形成される中間保水層２６は、チャネル対向部２６Ａにイオン交換容量の比較的大きいイオン交換樹脂が塗布され、リブ対向部２６Ｂにはイオン交換容量の比較的小さいイオン交換樹脂が塗布されている。従って、この中間保水層２６において、チャネル対向部２６Ａではリブ対向部２６Ｂよりも保水性が高くなる。
【００８５】
（比較例）
また、比較例として、カソード側ガス拡散層の表面の空気入口側領域（全体面積に対して５０％）において、イオン交換容量１．０ｍｅｑ．／ｇのイオン交換樹脂を均一的に塗布して中間保水層を形成し、それ以外は、上記セル２０，２１と同様にしてセル２２〜２９を作製した。
【００８６】
ここで、セル２２〜２９におけるイオン交換樹脂の塗布量は、表４に示す値に設定した。
【００８７】
【表４】
0004233208.tif 000005
【００８８】
なお、セル３０は、イオン交換樹脂を塗布しない（中間保水層を形成しない）以外は、上記セル２０，２１と同様にして作製したものである。
（セル電圧測定試験）
このように作製した実施例及び比較例の各セルについて、次の条件でセル電圧を測定した。
【００８９】
電流密度：０.５Ａ/ｃｍ2
セル内運転温度：８０℃
燃料ガス：純水素
酸化剤ガス：空気
燃料ガス利用率：７０％
酸化剤ガス利用率：４０％
ガス加湿温度：燃料側は８０℃、酸化剤側は無加湿
その結果、実施例のセル２０ではセル電圧測定値が６３２ｍＶ、セル２１ではセル電圧測定値が６４３ｍＶであった。
【００９０】
比較例のセル２５ではセル電圧測定値が６３４ｍＶであった。
図９は、比較例の各セルのセル電圧測定値を示すものである。
考察：
図９から、イオン交換樹脂の塗布量が０．０２〜０．１２mg／cm2であるセル２３〜２８は、イオン交換樹脂の塗布量が０．０１mg／cm2以下であるセル２２、３０あるいはイオン交換樹脂の塗布量が０．１５mg／cm2であるセル２９と比べて高いセル電圧が得られていることがわかる。
【００９１】
これは、酸化剤側を無加湿で運転した場合、中間保水層がないと電極／高分子膜接合体から水分がたくさん蒸発することによって高いセル電圧を得にくいのに対して、適度な保水力を持つ中間保水層を設けると水分の蒸発が抑えられるためセル電圧が得られることを示している。
また、中間保水層のイオン交換樹脂の塗布量が大きすぎても高いセル電圧が得られにくいことも示しているが、これは、イオン交換樹脂自体は非導電性なので、イオン交換樹脂の塗布量が大きすぎると、カソード触媒層とガス拡散層との間の電気抵抗が大きくなるためと考えられる。
【００９２】
次に、実施例のセル２０と比較例のセル２５とを比べると、セル２０のイオン交換樹脂の総塗布量はセル２５の半分程度であるが、同等のセル電圧が得られている。また、実施例のセル２０と比較例のセル２３やセル２４と比べると、イオン交換樹脂の総塗布量は同等であるが、セル２０の方がセル２３やセル２４よりも高いセル電圧が得られている。
【００９３】
これは、実施例のセル２４では、空気入口側領域において、中間保水層のチャネル対向部の保水性がリブ対向部の保水性に対して適度に大きくなっており、それによって、チャネル対向部とリブ対向部とで固体高分子膜及び電極層の湿潤が均一化されているのに対して、比較例のセルにおいては、このような湿潤性均一化の作用がないためと考えられる。
【００９４】
〔実施の形態５〕
図１０は、本実施形態にかかるセルユニットを、空気入口側の範囲において、厚み方向に切断した断面を摸式的に示す図である。
本実施形態のセルユニット３１０では、電極／高分子膜接合体２２０におけるカソード側ガス拡散層３２４には保水性の調整を施さず、カソード触媒層３２２に保水性の調整を施している以外は、参考の形態１の図１に示すセルユニット１０と同様の構成である。
【００９５】
本実施形態のカソード触媒層３２２は、上記カソード触媒層２２と同様に白金系触媒担持カーボンによって形成されているが、酸化剤チャネル６５と対向するチャネル対向部３２２Ａでは、リブ６６と対向するリブ対向部３２２Ｂと比べて保水性を高く設定している。
このカソード触媒層３２２における保水性の調整は、具体的には、チャネル対向部３２２Ａには触媒担持体として比表面積が大きいカーボン粒子（保水性の大きいカーボン粒子）を用い、リブ対向部３２２Ｂには比表面積が小さいカーボン粒子（保水性の小さいカーボン粒子）を用いることによってなされている。
【００９６】
そして、このように保水性が調整されたカソード触媒層３２２を備えることによっても、上記参考の形態１で説明したのと同様の効果を奏する。
即ち、酸化剤チャネル６５に対向する部分とリブ６６に対向する部分とで、固体高分子膜及び触媒層の湿潤度を均一化することができる。
〔実施例５〕
上記実施の形態５に基づき、カソード触媒層３２２及びカソード側ガス拡散層３２４以外は上記参考例１と同様の仕様で、実施例５のセルを作製した。
【００９７】
本実施例のカソード側ガス拡散層３２４は、カーボンペーパーに、撥水性材料としてのＰＴＦＥを含浸させて形成し（ＰＴＦＥ含有量は均一的に３０wt％）、１０ｃｍ×１０ｃｍ、厚さ２００μｍとしたものを用いた。
またカソード触媒層３２２は、何れの領域でも、Ｐｔ担持カーボン粉末とNafionとＰＴＦＥの重量比は１００：２０：１０で共通であるが、チャネル対向部３２２Ａに担持体として用いられているカーボン粉末は比表面積が８００ｍ2／ｇであるのに対して、リブ対向部３２２Ｂに担持体として用いられているカーボン粉末は比表面積が２５４ｍ2／ｇである。
【００９８】
以下にセルの具体的な作製方法を示す。
比表面積２５４ｍ2／ｇのカーボン粉末に白金担持させてＰｔ担持カーボン粉末を作製し、このＰｔ担持カーボン粉末とNafion溶液とＰＴＦＥとを、Ｐｔ担持カーボン粉末とNafionとＰＴＦＥの重量比が１００：２０：１０となるように混合し、混合スラリＡを作製した。
【００９９】
また、比表面積８００ｍ2／ｇのカーボン粉末に白金担持させてＰｔ担持カーボン粉末を作製し、このＰｔ担持カーボン粉末とNafion溶液とＰＴＦＥとを、Ｐｔ担持カーボン粉末とNafionとＰＴＦＥの重量比が１００：２０：１０となるように混合し、混合スラリＢを作製した。
そして、撥水性材料を含浸させたカーボンペーパー（カソード側ガス拡散層）に対して、空気入口側領域におけるチャネル対向部３２２Ａに相当する領域だけ開口したマスキングシートを置いて、その上から、混合スラリＢを塗布した。
【０１００】
次に、空気入口側領域におけるリブ対向部３２２Ｂに相当する部分だけを開口したマスキングシートを置いて、その上から、混合物スラリＡを塗布することによって、カソード触媒層３２２を形成した。
そして、このように作製したカソード側ガス拡散層にカソード触媒層を形成したものを用いて、上記参考例１と同様にしてセルを作製した。
【０１０１】
このように作製した実施例のセルと、カソード触媒層のチャネル対向部３２２Ａとリブ対向部３２２Ｂとで用いるカーボン比表面積の調整を施していない比較例セルとを、上記参考例１と同様にしてセル電圧測定試験を行ったところ、実施例セルの方が高いセル電圧が得られた。
〔実施の形態６〕
本実施形態のセルユニットは、実施の形態５のセルユニット３１０と同様の構成であるが、カソード触媒層３２２における保水性の調整方法が異なっている。
【０１０２】
即ち、上記実施の形態５では、カソード触媒層３２２におけるチャネル対向部３２２Ａとリブ対向部３２２Ｂとの保水性を調整をするのに、チャネル対向部３２２Ａとリブ対向部３２２Ｂとで担持体として用いるカーボン材料の比表面積を調整することによって行ったが、本実施形態では、カソード触媒層３２２に添加するイオン交換体の添加量を、チャネル対向部３２２Ａではリブ対向部３２２Ｂよりも大きくすることによって行う。
【０１０３】
これによっても、酸化剤チャネル６５が対向する部分で固体高分子膜やカソード触媒層が乾燥しやすいという傾向が抑えられ、電極／高分子膜接合体３２０における酸化剤チャネル６５に対向する部分とリブ６６と対向する部分との間で湿潤性が均一化されることになる。
〔実施例６〕
上記実施の形態６に基づき、カソード触媒層３２２以外は上記実施例５と同様の仕様でセルを作製した。
【０１０４】
本実施例のカソード触媒層３２２は、何れの領域でも、担持体として用いられているカーボン粉末の比表面積は２５４ｍ2／ｇと共通であるが、チャネル対向部３２２Ａにおいては、Ｐｔ担持カーボン粉末とNafionとＰＴＦＥの重量比が１００：４０：１０であるのに対して、リブ対向部３２２Ｂでは、Ｐｔ担持カーボン粉末とNafionとＰＴＦＥの重量比が１００：２０：１０である。
【０１０５】
以下にセルの具体的な作製方法を示す。
上記実施例５で説明したのと同様の混合スラリＡを作製した。
また、比表面積２５４ｍ2／ｇのカーボン粉末に白金担持させてＰｔ担持カーボン粉末を作製し、このＰｔ担持カーボン粉末とNafion溶液とＰＴＦＥとを、Ｐｔ担持カーボン粉末とNafionとＰＴＦＥの重量比が１００：４０：１０となるように混合し、混合スラリＣを作製した。
【０１０６】
そして、撥水性材料を含浸させたカーボンペーパー（カソード側ガス拡散層）に対して、空気入口側領域におけるチャネル対向部３２２Ａに相当する領域だけを開口したマスキングシートを置いて、その上から、混合スラリＣを塗布した。
次に、空気入口側領域におけるリブ対向部３２２Ｂに相当する部分だけを開口したマスキングシートを置いて、その上から、混合物スラリＡを塗布することによって、カソード触媒層３２２を形成した。
【０１０７】
そして、このように作製したカソード側ガス拡散層にカソード触媒層を形成したものを用いて、上記実施例１と同様にしてセルを作製した。
このように作製した実施例のセルと、カソード触媒層のチャネル対向部３２２Ａとリブ対向部３２２ＢとでNafion量の調整を施していない比較例のセルとを、上記参考例１と同様にしてセル電圧測定試験を行ったところ、実施例のセルの方が高いセル電圧が得られた。
【０１０８】
〔変形例など〕
＊上記参考の形態２，３では、保水性調整層１２５を、カソード側ガス拡散層１２４のカソード触媒層２２と対向する側にのみ設けた例を示したが、保水性調整層１２５を設ける位置はこれに限らず、ガス流路側に設けても、或いはガス拡散層の厚み方向全域に設けてもよい。
＊参考の形態１と同様、参考及び実施の形態２〜６においても、湿潤性を均一化する効果を得るためには、カソード側ガス拡散層或はカソード触媒層、もしくは中間保水層において、酸化剤の入口側端部から出口側に向かう一定割合（好ましくはカソード側ガス拡散層或はカソード触媒層における酸化剤の入口側端部から出口側端部までの全領域の面積に対して１０％〜９０％の領域）に対して、チャネル対向部とリブ対向部との間で上記のように保水性調整を行うことが好ましい。
＊上記各参考及び実施の形態においては、カソード側ガス拡散層やカソード触媒層において、酸化剤ガス入口側の端部から一定範囲の領域において保水性の調整を施す例を示したが、このように保水性の調整を施す範囲は、酸化剤ガス入口側に寄っていれば、酸化剤ガス入口側端部から少し離れたところに施しても、同様の効果を奏する。
＊上記参考及び実施の形態１〜６に示したカソード側ガス拡散層或はカソード触媒層に対する保水性調整方法は、その２つ以上を組み合わせて用いることも可能である。
＊参考の形態２においては、カソード側ガス拡散層だけに、カーボン粉末と撥水性材料を混合した混合物からなる保水性調整層を形成する例を示したが、アノード側ガス拡散層にもカーボン粉末と撥水性材料を混合した混合物からなる保水性調整層を形成してもよく、固体高分子膜に対するより高い保湿効果が期待できる。
＊上記各参考及び実施の形態では、酸化剤ガスと燃料ガスの流れが平行なセルユニットに基づいて説明したが、セルユニットの構成はこれに限定されず、例えばカソード側とアノード側の各セパレータ板のチャネルが直交する構成のセルユニットであってもよい。
＊上記参考及び実施の形態で説明したチャネル対向部とリブ対向部との間における保水性の調整に加えて更に、空気入口側領域２０Ａおいて、空気出口側領域２０Ｂと比べてガス拡散層の撥水性が高くなるよう、撥水性材料の含有量を調整することも可能である。
【０１０９】
このような空気入口側領域及び出口側領域の調整を組み合わせれば、空気入口側領域２０Ａで、空気出口側領域２０Ｂと比べて水分蒸発が抑制されるので、空気入口側と出口側との間における固体高分子膜及び触媒層の湿潤性も均一化できる。
＊上記参考及び実施の形態においては、燃料ガスを用いて発電する一般的な固体高分子型燃料電池を例にとって説明したが、本発明は、燃料ガスの代りにメタノールをアノード側に直接供給しながら発電するＤＭＦＣに適用することも可能である。
【０１１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、固体高分子膜にアノード及びカソードを配してなるセルを備えた燃料電池において、カソード触媒層を、酸化剤流路と対向する全ての領域で、リブと対向する領域と比べて保水性が高くなるように構成することによって、或は、カソード側ガス拡散層とカソード触媒層との間にイオン交換体を含有する中間保水層を介挿させ、その中間保水層において、酸化剤流路と対向する全ての領域で、リブと対向する領域と比べて保水性が高くなるよう調整することによって、固体高分子膜及び電極触媒層を、酸化剤ガス流路に対向する領域とリブに対向する領域とで均一的に保湿することを可能とした。
以上説明したように、本発明は、固体高分子膜にアノード及びカソードを配してなるセル
【０１１１】
このような発明によれば、固体高分子膜及び電極触媒層の全体領域にわたって湿潤性とガス拡散性を確保することができるので、高性能で燃料電池を発電することができる。
特に無加湿の空気をカソードに供給して発電する燃料電池の場合には、本発明を適用することによって得られる効果も大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１にかかる固体高分子型燃料電池を構成するセルユニットの組立図である。
【図２】  実施の形態にかかる燃料電池スタックの構成を示す図である。
【図３】  実施の形態１にかかるセルユニットの構成を示す断面摸式図である。
【図４】  実施例１にかかる各セルのセル電圧測定値を示す特性図である。
【図５】  実施の形態２にかかるセルユニットの構成を示す断面摸式図である。
【図６】  実施例２にかかる各セルのセル電圧測定値を示す特性図である。
【図７】  実施例３にかかる各セルのセル電圧測定値を示す特性図である。
【図８】  実施の形態４にかかるセルユニットの構成を示す断面摸式図である。
【図９】  実施例４の比較例にかかる各セルのセル電圧測定値を示す特性図である。
【図１０】  実施の形態５にかかる燃料電池のセルユニット構成を示す断面摸式図である。
【図１１】  従来技術にかかる燃料電池の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０    セルユニット
２０    電極／高分子膜接合体
２１    固体高分子膜
２２    カソード触媒層
２３    アノード触媒層
２４    カソード側ガス拡散層
２４Ａ  チャネル対向部
２４Ｂ  リブ対向部
２５    アノード側ガス拡散層
２６    中間保水層
２６Ａ  チャネル対向部
２６Ｂ  リブ対向部
３０    ガスケット
５０    アノード側セパレータ板
５５    燃料ガスチャネル
５６    リブ
６０    カソード側セパレータ板
６５    酸化剤チャネル
６６    リブ
１２５    保水性調整層
１２５Ａ  チャネル対向部
１２５Ｂ  リブ対向部
３２２    カソード触媒層
３２２Ａ  チャネル対向部
３２２Ｂ  リブ対向部
３２４    カソード側ガス拡散層
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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