JP4627426B2

JP4627426B2 - 燃料電池

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Publication number: JP4627426B2
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Current assignee: Honda Motor Co Ltd
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Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2011-02-09
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Description

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。

図１０は従来の燃料電池の要部を説明する図である。
燃料電池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。

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（Ｈ_２）を接触させるとともに、カソード層１０２内の触媒に酸素（Ｏ_２）を接触させて電流を発生させるものである。

図１１は従来の燃料電池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（図１０参照）は、カソード層１０２と同様に、触媒層および下地層（図示せず）からなる。
アノード層１０３（図１０参照）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１０参照）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。

よって、水素イオン（Ｈ^＋）と酸素（Ｏ_２）とが反応して、生成水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。水素イオン（Ｈ^＋）と酸素（Ｏ_２）との反応は、触媒層１０２ａにおいて進行する。
生成した生成水（Ｈ_２Ｏ）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（Ｈ_２Ｏ）は、カソード層１０２内を矢印Ｂの如く流れる。

ここで、燃料電池のなかには、発電効率を高めるために、触媒層１０２ａにおける電解質の割合を、カソード拡散層１０４に向けて減少させたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９―１８０７３０号公報（図３）

この燃料電池によれば、触媒層における電解質の分布を変化させることで良好に発電させることが可能になる。
しかし、燃料電池によれば、電解質膜内の生成水が下方に流れるため、電解質膜の下部に生成水が溜まってしまう虞がある。
電解質膜の下部に生成水が溜まることで、膜抵抗が部分的に増加し、そのことが燃料電池の発電効率を高める妨げになっていた。

一方、燃料電池によれば、水素イオンが電解質膜内を通過する際に、電解質膜内の水分、特に電解質膜のアノード側の水分が水素イオンとともにカソード層側に移動してしまう。
このように、電解質膜のアノード側の水分が水素イオンとともにカソード層側に移動することで、電解質膜のアノード側の水分が不足する虞がある。
電解質膜のアノード側の水分が不足することで、電解質膜内を水素イオンが円滑に通過し難くなり、そのことが燃料電池の発電効率を高める妨げになっていた。

本発明は、電解質膜内の水分を好適に確保することで、発電効率に優れた燃料電池を提供することを課題とする。

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、かつ電解質膜のアノード側に、アノード触媒層、アノード下地層、アノード拡散層を積層し、前記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の各積層面を重力の作用する方向に沿わせて配置する燃料電池の膜電極接合体において、前記電解質膜に保水剤を含み、保水剤の割合を、重力が作用する方向に向けて漸次減少させたことを特徴とする。

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、電解質膜内に、ある程度蓄える必要がある。このため、電解質膜内に保水剤を含有させている。
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、電解質膜内の生成水の一部が、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。

そこで、請求項１において、電解質膜内の保水剤の割合を、重力が作用する方向に向けて漸次減少させた。
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、電解質膜の外側に良好に逃がすことができる。

請求項２は、保水剤の割合を、アノード触媒層側からカソード触媒層側に向けて漸次減少させ、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減少させたことを特徴とする。

ここで、アノード触媒層から電解質膜内に進入した水素イオン（Ｈ^＋）が、電解質膜内からカソード触媒層に進入する際に、電解質膜内の水分が水素イオン（Ｈ^＋）とともにカソード触媒層側に向けて移動する。
このため、電解質膜内の水分がアノード触媒層側で減る虞があり、さらに電解質膜内の水分がカソード触媒層側で増える虞がある。

そこで、請求項２において、保水剤の割合を、アノード触媒層側からカソード触媒層側に向けて漸次減少させた。
よって、電解質膜内のアノード触媒層側の部位において、保水性を高めることができ、電解質膜内のカソード触媒層側の部位において、保水性をある程度抑えることができる。

電解質膜内のアノード触媒層側の部位において、保水性を高めることで、アノード触媒層側の部位に好適に水分を保つことができる。
加えて、電解質膜内のカソード触媒層側の部位において、保水性をある程度抑えることで、カソード触媒層側の部位から水分を好適に外側に逃がすことができる。

また、カソード側の生成水は、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、酸素ガス流路の供給側から排出側に向けて漸次減少させた。
これにより、酸素ガス流路の排出側において、電解質膜内の水分をカソード側に良好に導くことができる。

請求項１に係る発明では、電解質膜内の保水剤の割合を、重力が作用する方向に向けて漸次減少させることで、電解質膜内の水分を好適に保ち、発電効率を良好に確保することができるという利点がある。

請求項２に係る発明では、保水剤の割合を、アノード触媒層側からカソード触媒層側に向けて漸次減少させて、アノード触媒層側の部位に好適に水分を保ち、かつカソード触媒層側の部位から水分を好適に外側に逃がすことで、電解質膜内の水分を好適に保ち、発電効率を良好に確保することができるという利点がある。

また、請求項２に係る発明では、保水剤の割合を、酸素ガス流路の供給側から排出側に向けて漸次減少させて、酸素ガス流路の排出側の水分をカソード側に良好に導くことで、電解質膜内の水分を好適に保ち、発電効率を良好に確保することができるという利点がある。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図３は図２の３部拡大図である。
電解質膜１５は、炭化水素系固体高分子に溶媒および保水剤４８を加えたものである。
保水剤４８としては、吸水性に優れた高吸水性樹脂が用いられ、高吸水性樹脂の一例としてポリイオン性ゲルが好適である。
ポリイオン性ゲルのうち、ゲルを構成しているポリマー鎖にカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）がついているものが好ましい。

このカルボキシル基は、ｐＨが高くなると（−ＣＯＯ⁻）と、（Ｈ^＋）とに解離し、ポリマー鎖には負電荷が固定される。このため、ゲルは負電荷を持つことになり、水素イオン（Ｈ^＋）が円滑に移動することができる。
この保水剤４８を電解質膜１５内に用いることで、電解質膜１５内の所望部位に水分を確保することが可能になる。

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。

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４６…として、例えばフッ素系樹脂を備える。

導電材料４１，４５は、発電抵抗に影響を与えるものである。導電材料４１，４５が増えると発電抵抗がより緩和される。
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が増える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。

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。

酸素ガス流路２４に酸素（Ｏ_２）を供給することにより、酸素（Ｏ_２）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（Ｏ_２）が矢印ａの如くカソード触媒層１６内に進入する。

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（Ｏ_２）とが反応して、生成水が生成される。
生成した生成水は、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に流出する。

なお、アノード触媒層２１は、カソード触媒層１６と同様の成分で形成した層である。
また、アノード下地層２２は、カソード下地層１７と同様の成分で形成した層である。
さらに、アノード拡散層２３は、カソード拡散層１８と同様の成分で形成した層である。

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。
電解質膜１５のアノード側にアノード触媒層２１を備えるとともに、カソード側にカソード触媒層１６を備え、図３に示すようにカソード触媒層１６にカソード下地層１７を備え、カソード下地層１７にカソード拡散層１８を備え、カソード拡散層１８に沿って酸素ガス流路２４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。

電解質膜１５における保水剤４８（図３参照）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、アノード触媒層２１側からカソード触媒層１６側に向けて漸次減少させる。
また、保水剤４８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、すなわち電解質膜１５の鉛直方向上側１５ａから下側１５ｂに向けて漸次減少させる。
さらに、保水剤４８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に向けて漸次減少させる。

次に、電解質膜１５に含む保水剤４８（図３参照）の割合（ｗｔ％）の一例を、図４および表１に基づいて説明する。
なお、表１において、保水剤４８の割合（ｗｔ％）は、電解質膜１５内の固形分中の割合を示す。

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。

先ず、保水剤の第１成分表示部３０について説明する。
電解質膜１５内において、アノード触媒層２１側からカソード触媒層１６側に向けて水素イオン（Ｈ^＋）が移動する。
この水素イオン（Ｈ^＋）とともに生成水もアノード触媒層２１側からカソード触媒層１６側に向けて移動する。このため、電解質膜１５内において、アノード触媒層２１側の水分が減少して乾燥する傾向になる。

そこで、アノード触媒層２１に水素ガスを供給する際に、水素ガスの湿度を３０〜１００％にすることで、アノード触媒層２１側の乾燥を防ぐようにしているが、水素ガスに湿度を持たせても、アノード触媒層２１側の乾燥を効果的に防ぐことは難しい。
このように、アノード触媒層２１側の水分が減少して乾燥すると、膜抵抗が増加し、発電性能が低下する虞がある。よって、アノード触媒層２１側の含水率を確保して、発電性を良好に保つ必要がある。

そこで、電解質膜１５内において、アノード触媒層２１側の部位、すなわち第１成分表示部３０のエリア３０ａにおいて、保水性を高めるために、保水剤４８（図３参照）の割合を１４．９〜２０ｗｔ％と大きくした。

一方、水素イオン（Ｈ^＋）とともに水分もアノード触媒層２１側からカソード触媒層１６側に向けて移動することで、カソード触媒層１６側の水分が増えることが考えられる。
このため、カソード触媒層１６側の保水性を抑えて、カソード触媒層１６に向けて生成水を効率よく導く必要がある。
そこで、保水剤４８（図３参照）の割合を、アノード触媒層２１側からカソード触媒層１６側に向けて漸次減少させた。

具体的には、第１成分表示部３０のエリア３０ｂにおいて、保水剤４８の割合を５．９〜１４．９ｗｔ％とし、エリア３０ａの割合より小さくした。
さらに、第１成分表示部３０のエリア３０ｃにおいて、保水剤４８の割合を０〜５．９ｗｔ％とし、エリア３０ｂの割合より小さくした。

次に、保水剤の第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。

よって、電解質膜１５において、生成水が上側１５ａから下側１５ｂの方向に移動するので、上側１５ａ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、保水剤４８（図３参照）の割合を１１．４〜２０ｗｔ％と大きくした。

一方、電解質膜１５の下側１５ｂには、生成水が溜まりやすい。よって、電解質膜１５の下側１５ｂ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、保水剤４８（図３参照）の割合を、電解質膜１５の上側１５ａから下側１５ｂに向けて漸次減少させた。

具体的には、第２成分表示部３１のエリア３１ｂにおいて、保水剤４８の割合を９．８〜１１．４ｗｔ％とし、エリア３１ａの割合より小さくした。
さらに、第２成分表示部３１のエリア３１ｃにおいて、保水剤４８の割合を０〜９．８ｗｔ％とし、エリア３１ｂの割合より小さくした。

次いで、保水剤の第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。

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、保水剤４８（図３参照）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。

具体的には、第３成分表示部３２のエリア３２ａにおいて、保水剤４８の割合を１１．４〜２０ｗｔ％と大きくした。
さらに、第３成分表示部３２のエリア３２ｂにおいて、保水剤４８の割合を９．８〜１１．４ｗｔ％とし、エリア３２ａの割合より小さくした。
加えて、第３成分表示部３２のエリア３２ｃにおいて、保水剤４８の割合を０〜９．８ｗｔ％とし、エリア３２ｂの割合より小さくした。

次に、電解質膜１５を備えた燃料電池の膜電極接合体１２の作用を図５〜図６に基づいて説明する。
図５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（Ｏ_２）が矢印ｃの如く進入する。
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ｄの如く進入する。
よって、水素イオン（Ｈ^＋）と酸素（Ｏ_２）とが反応して、生成水が生成される。

ここで、電解質膜１５内において、水素イオン（Ｈ^＋）とともに生成水も矢印ｄの如く移動することで、アノード触媒層２１側の水分が減る虞がある。
そこで、電解質膜１５内のアノード触媒層２１側の部位、すなわち第１成分表示部３０のエリア３０ａにおいて、保水性を高めるために、保水剤４８（図３参照）の割合を１４．９〜２０ｗｔ％と大きくして、保水性を高めた。
よって、アノード触媒層２１側の部位（エリア３０ａ）において、水分を好適に確保して、発電性をより一層良好に保つことができる。

さらに、保水剤４８の割合を、第１成分表示部３０のエリア３０ｂにおいて５．９〜１４．９ｗｔ％、エリア３０ｃにおいて０〜５．９ｗｔ％とした。すなわち、保水剤４８の割合を、カソード触媒層１６に向けて漸次減少させた。
電解質膜１５内の生成水を、カソード触媒層１６に向けてｅの如く効率よく逃がすことができる。
これにより、エリア３０ｂおよびエリア３０ｃの部位においても、好適な量の生成水を確保することができる。

図６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。
電解質膜１５内の生成水は、カソード触媒層１６に矢印ｅの如く流出し、生成水の一部がカソード触媒層１６内を矢印ｆの如く下降する。
よって、電解質膜１５の上側１５ａ近傍の部位、すなわち、第２成分表示部３１のエリア３１ａにおいて、保水剤４８（図３参照）の割合を１１．４〜２０ｗｔ％と大きくすることで、上側１５ａ近傍の部位に生成水を溜めるようにした。
これにより、上側１５ａ近傍（エリア３１ａ）の部位において、好適な量の生成水を確保することができる。

一方、生成水が矢印ｆの如く流れることで、電解質膜１５の下側１５ｂに近づくにしたがって生成水の量が増す傾向にある。
このため、保水剤４８（図３参照）の割合を、第２成分表示部３１のエリア３１ｂにおいて９．８〜１１．４ｗｔ％、エリア３１ｃにおいて０〜９．８ｗｔ％とした。すなわち、保水剤４８の割合を、下側１７ｂに向けて漸次減少させた。

よって、電解質膜１５の下側１５ｂに到達した生成水を、下側１５ｂからカソード下地層１７（図２参照）側に効率よく流出させることができる。
これにより、エリア３１ｂおよびエリア３１ｃの部位においても、好適な量の生成水を確保することができる。

図７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。
カソード側の生成水の一部は、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、保水剤４８（図３参照）の割合を１１．４〜２０ｗｔ％と大きくした。よって、酸素ガス流路２４の供給側２４ａ近傍の部位、すなわち、第３成分表示部３２のエリア３２ａに生成水を溜めるようにした。
これにより、酸素ガス流路２４の供給側２４ａ近傍の部位（エリア３２ａ）において、好適な量の生成水を確保することができる。

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、保水剤４８（図３参照）の割合を、第３成分表示部３２のエリア３２ｂにおいて９．８〜１１．４ｗｔ％、エリア３２ｃにおいて０〜９．８ｗｔ％とした。すなわち、保水剤４８の割合を、酸素ガス流路２４の排出側２４ｂ側に向けて漸次減少させた。

よって、酸素ガス流路２４の排出側２４ｂにおいて生成水の保水性を抑えて、生成水を効率よく排水することができる。
これにより、エリア３２ｂおよびエリア３２ｃの部位において、好適な量の生成水を確保することができる。
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。

第２実施の形態
以下、第２実施の形態の膜電極接合体１２を図８〜図９および表２に基づいて説明する。
なお、表２において、保水剤４８（図３参照）の割合（ｗｔ％）は、電解質膜１５内の固形分中の割合を示す。

図８（ａ）〜（ｄ）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）の電解質膜に含む保水剤の割合を示す第１説明図である。
（ａ）において、電解質膜１５を側面視で３行（Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３）、３列（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）に仕き切るとともに、アノード触媒層２１側からカソード触媒層１６側に向けて、Ｚ１領域、Ｚ２領域、Ｚ３領域の３領域に仕き切った状態を示す。これにより、電解質膜１５を２７個の部位に仕き切る。
なお、電解質膜１５の各部位の区別するために、例えば「／／／」で示した部位を、（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ３）とし、その他の部位も同様に表示する。

（ｂ）において、Ｚ１領域は、アノード触媒層２１に接触する領域である。Ｚ１領域の水分を好適に確保するために、Ｚ１領域の保水剤４８（図３参照）の割合を大きくする。
具体的には、Ｚ１領域全体、すなわち部位（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）〜部位（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ１）の３の部位で、成分をＡとした。

（ｃ）において、Ｚ２領域は、生成水が重力方向（下方向）に移動して、電解質膜１５の下側に生成水が増加する傾向にある。そこで、電解質膜１５の上側から下側に向けて保水剤４８（図３参照）を漸次減少することで、Ｚ２領域の水分を好適な量だけ確保することにした。
加えて、Ｚ２領域は、酸素ガス流路２４の供給側２４ａにおいて、生成水を排出側２４ｂに向けて効率よく導く傾向にある。
そこで、酸素ガス流路２４の供給側２４ａから排出側２４ｂに向けて、保水剤４８を漸次減少することで、Ｚ２領域の水分をより一層好適な量だけ確保することにした。

具体的には、Ｚ２領域は、部位（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ２）、部位（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ２）、部位（Ｘ３，Ｙ１，Ｚ２）、および部位（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ２）の４の部位で、成分をＢとした。
部位（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、部位（Ｘ１，Ｙ２，Ｚ２）、部位（Ｘ１，Ｙ３，Ｚ２）および部位（Ｘ２，Ｙ３，Ｚ２）の４の部位で、成分をＣとした。
部位（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ２）の１の部位で、成分をＤとした。

（ｄ）において、生成水が重力方向（下方向）に移動して、電解質膜１５の下側に生成水が増加する傾向にある。そこで、電解質膜１５の上側から下側に向けて保水剤４８（図３参照）を漸次減少することで、Ｚ３領域の水分を好適な量だけ確保することにした。
加えて、Ｚ３領域は、酸素ガス流路２４の供給側２４ａにおいて、生成水を排出側２４ｂに向けて効率よく導く傾向にある。
そこで、酸素ガス流路２４の供給側２４ａから排出側２４ｂに向けて、保水剤４８を漸次減少することで、Ｚ３領域の水分をより一層好適な量だけ確保することにした。

具体的には、Ｚ３領域は、部位（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ３）および部位（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ３）の２つの部位で、成分をＤとした。
部位（Ｘ３，Ｙ１，Ｚ３）および部位（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ３）の２の部位で、成分をＥとした。
部位（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ３）および部位（Ｘ１，Ｙ２，Ｚ３）の２の部位で、成分をＦとした。
部位（Ｘ１，Ｙ３，Ｚ３）および部位（Ｘ２，Ｙ３，Ｚ３）の２の部位で、成分をＧとした。
部位（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３）の１の部位で、成分をＨとした。

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９（ａ）〜（ｃ）で説明する。
図９（ａ）〜（ｃ）は第２実施の形態の電解質膜に含む保水剤の割合を示す第２説明図である。
（ａ）において、Ｙ１領域は、すなわち電解質膜１５の上部となる領域である。Ｙ１領域のうち、Ｚ１領域は、アノード触媒層２１に接触する領域である。Ｚ１領域の水分を好適に確保するために、Ｚ１領域の保水剤４８（図３参照）の割合を大きくすることにした。
また、Ｙ１領域のうち、Ｚ２領域およびＺ３領域は、カソード触媒層１６に向けて生成水を効率よく移動させることが好ましい。
そこで、保水剤４８の割合をカソード触媒層１６に向けて漸次減少することにした。
これにより、Ｙ１領域の水分を好適な量だけ確保することにした。

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Ｂとした。

部位（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ３）および部位（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ３）の２の部位で、成分をＤとした。
部位（Ｘ３，Ｙ１，Ｚ３）の１の部位で、成分をＥとした。

（ｂ）において、Ｙ２領域は、すなわち電解質膜１５の中央部となる領域である。Ｙ２領域のうち、Ｚ１領域は、アノード触媒層２１に接触する領域である。Ｚ１領域の水分を好適に確保するために、Ｚ１領域の保水剤４８（図３参照）の割合を大きくすることにした。
また、Ｙ２領域のうち、Ｚ２領域およびＺ３領域は、カソード触媒層１６に向けて生成水を効率よく移動させることが好ましい。
そこで、保水剤４８の割合をカソード触媒層１６に向けて漸次減少することにした。
これにより、Ｙ２領域の水分を好適な量だけ確保することにした。

具体的には、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Ａとした。
部位（Ｘ１，Ｙ２，Ｚ２）および部位（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）の２の部位で、成分をＣとした。

部位（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ２）の１の部位で、成分をＢとした。
部位（Ｘ１，Ｙ２，Ｚ３）および部位（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ３）の２の部位で、成分をＦとした。
部位（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ３）の１の部位で、成分をＥとした。

（ｃ）において、Ｙ３領域は、すなわち電解質膜１５の下部となる領域である。Ｙ３領域のうち、Ｚ１領域は、アノード触媒層２１に接触する領域である。Ｚ１領域の水分を好適に確保するために、Ｚ１領域の保水剤４８（図３参照）の割合を大きくすることにした。
また、Ｙ３領域のうち、Ｚ２領域およびＺ３領域は、カソード触媒層１６に向けて生成水を効率よく移動させることが好ましい。
そこで、保水剤４８の割合をカソード触媒層１６に向けて漸次減少することにした。
これにより、Ｙ３領域の水分を好適な量だけ確保することにした。

具体的には、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Ａとした。
部位（Ｘ１，Ｙ３，Ｚ２）および部位（Ｘ２，Ｙ３，Ｚ２）の２の部位で、成分を全てＣとした。

部位（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ２）の１の部位で、成分をＤとした。
部位（Ｘ１，Ｙ３，Ｚ３）および部位（Ｘ２，Ｙ３，Ｚ３）の２の部位で、成分をＧとした。
部位（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３）の１の部位で、成分をＨとした。

以上説明した第２実施の形態のように、電解質膜１５内の保水剤４８（図３参照）を分布させることにより、第１実施の形態と同様に、保水剤４８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、電解質膜１５の上側１５ａから下側１５ｂへ向けて漸次減少させ、アノード触媒層２１側からカソード触媒層１６側に向けて漸次減少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。

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。

また、前記実施の形態では、保水剤４８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、電解質膜１５の上側１５ａから下側１５ｂへ向けて漸次減少させ、アノード触媒層２１側からカソード触媒層１６側に向けて漸次減少させるという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、保水剤４８を、電解質膜１５の上側１５ａから下側１５ｂへ向けて、すなわち重力の作用する方向に向けて漸次減少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。

さらに、保水剤４８を、電解質膜１５の上側１５ａから下側１５ｂへ向けて、すなわち重力の作用する方向に向けて漸次減少させ、かつアノード触媒層２１側からカソード触媒層１６側に向けて漸次減少させるという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。

また、保水剤４８を、電解質膜１５の上側１５ａから下側１５ｂへ向けて、すなわち重力の作用する方向に向けて漸次減少させ、かつ酸素ガス流路２４の供給側２４ａから排出側２４ｂに向けて漸次減少させるという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。

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。

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。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２の３部拡大図である。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。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。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。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。本発明に係る燃料電池の膜電極接合体（第２実施の形態）の電解質膜に含む保水剤の割合を示す第１説明図である。第２実施の形態の電解質膜に含む保水剤の割合を示す第２説明図である。従来の燃料電池の要部を説明する図である。従来の燃料電池の要部を示す断面図である。

符号の説明

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、２１…アノード触媒層、２２…アノード下地層、２３…アノード拡散層、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、４８…保水剤。

Claims

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、かつ電解質膜のアノード側に、アノード触媒層、アノード下地層、アノード拡散層を積層し、前記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の各積層面を重力の作用する方向に沿わせて配置する燃料電池の膜電極接合体において、
前記電解質膜に保水剤を含み、保水剤の割合を、重力が作用する方向に向けて漸次減少させたことを特徴とする燃料電池の膜電極接合体。
前記保水剤の割合を、前記アノード触媒層側からカソード触媒層側に向けて漸次減少させ、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減少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。