(57)【要約】【課題】燃料電池の電極、特に空気極の面内方向における水分含有量の均一をはかる。【解決手段】電解質膜３、触媒層３３、拡散層の表面又は拡散層内部の撥水性材料の少なくとも一つに水路３１を設け、この水路３１を介して比較的湿潤状態の部分から比較的乾燥状態の部分へ水を移動させて、面内方向の水分量の均一化を測る。水路３１は空気流れと導方向に形成することが好ましい。【選択図】図２
2010153349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、該電解質膜の表面上へ順次積層される触媒層及び拡散層を備える燃料電池であって、
前記電解質膜、前記触媒層、前記拡散層の表面又は前記拡散層内部の撥水性材料の少なくとも一つに、反応ガスの流れに沿って水路が形成される、ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記水路は空洞若しくは親水性材料からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記拡散層における前記反応ガスの流れの下流側領域のガス透過性が前記反応ガスの流れの上流側領域のガス透過性より小さい、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
空気極側の前記拡散層において、空気流れの下流側に第１のガス透過性を有する前記第１の領域が形成され、
前記空気流れの上流側に第２のガス透過性を有する前記第２の領域が形成され、
前記第１のガス透過性が前記第２のガス透過性より低い、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項５】
水素極側の前記拡散層において、第３のガス透過性を有する第３の領域及び第４のガス透過性を有する第４の領域が形成され、
前記第３のガス透過性が前記第４のガス透過性より低く、
前記第３の領域が前記第１の領域に対向して配置されている、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池
【請求項６】
前記空気流れ方向が下から上向きであり、
前記水素ガスの流れ方向が上から下向きであり、
前記第３の領域は、前記水素極側の拡散層において前記水素ガス流れの上側領域である、
前記第４の領域は、前記水素極側の拡散層において前記水素ガス流れの下側領域であり、
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池。
【請求項７】
水素ガス流れ方向が空気流れ方向と同方向であって、
前記第３の領域は、前記水素極側の拡散層において前記水素ガス流れの下流側領域であり、
前記第４の領域は、前記水素極側の拡散層において前記水素ガス流れの上流側領域である、
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、電解質の乾燥による出力低下を抑制するため、燃料ガスや酸化剤ガス（空気）を加湿して供給して発電を行う。しかし、ガスを加湿して供給するには、加湿装置が必要であり、装置が大型化するとともに、補機動力が大きくなり、燃料電池システムの効率が低下するなどの問題があり、より加湿を必要としない燃料電池電極が求められている。  
燃料電池では、発電反応に伴い水が発生するため、自己の加湿に利用することができる。
発電の際、水素極で発生したプロトンは、水を伴って電解質中を空気極へ移動するため、水素極では、含水量が低下する。
一方、空気極では、空気極触媒上でプロトンと酸素が反応して水を生成する。そのため、水素極と空気極では、電解質の含水状態に差が生じるため、発電生成水は、水素極に向かって移動（逆拡散）し、水素極での乾燥が抑制される。
しかし、供給する反応ガス（空気及び水素ガス）のガス湿度が低い場合や、燃料電池温度が高くなると、供給する反応ガスによって持去られる水量が増大するため電極の乾燥が進行し、イオン抵抗の増大、出力低下が引き起こされる。
反応ガスによって持去られる水量は、その湿度に依存するため、乾燥した反応ガスが供給される上流側（入口側）では電極から多くの水分が持ち出され、他方、当該持ち出された水分により湿った反応ガスが供給される下流側（出口側）では、電極から水を持ち出す量が小さい。そのため、ガス供給上流側領域では乾燥（ドライアップ）傾向、下流側領域では湿潤（フラッディング）傾向となって出力低下を招き、本来（電極全面で発電する場合）の出力特性が得られなくなる。
【０００３】
このような面内の含水量分布の抑制には、電解質膜、触媒層の面内水移動性を高める必要がある。
図１に燃料電池１の断面模式図を示す。
中央の電解質膜３の左側を水素極１０、右側を空気極２０とし、水素と空気を対向するように供給している。この燃料電池１において電解質膜３の厚さ（即ち水素極と空気極間の距離）は10〜100μm程度と小さいため、含水状態の差に伴い、水の移動（逆拡散）が積極的に起きる。
一方、ガス流れ方向に対しては、数十〜数百mmもの距離があるとともに、非常に水のパスが小さい（薄い）ため、一旦、含水量分布が発生すると、その状態を解消するのは困難である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明は上記課題を解決しようとしてなされ、その第１の局面は次のように規定される。即ち、電解質膜、該電解質膜の表面上へ順次積層される触媒層及び拡散層を備える燃料電池であって、
前記電解質膜、前記触媒層、前記拡散層の表面又は前記拡散層内部の撥水性材料の少なくとも一つに、反応ガスの流れに沿って水路が形成される、ことを特徴とする燃料電池。
燃料電池はその稼働中において反応ガス流れの下流側領域（第１の領域）において湿潤状態になりやすく、他方、その上流側領域（第２の領域）において乾燥状態となりやすい。そこで、第１の局面に規定するように、反応ガス流れに沿って水路を形成することにより、該水路を介して湿潤状態の下流側領域から乾燥状態の上流側領域へと水の移動が促進されるので、電極における水分の偏在を解消できる。
【０００５】
この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、第１の局面に記載の燃料電池において、前記水路は空洞若しくは親水性材料からなる。
水路を空洞とした場合、湿潤状態の下流側領域から乾燥状態の上流側領域への水の移動は生成水自体の水圧による。親水性材料からなる水路においては毛管力が水の移動の原動力となる。
【０００６】
この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、第１又は第２の局面に記載の燃料電池であって、
前記拡散層における前記反応ガスの流れの下流側領域のガス透過性が前記反応ガスの流れの上流側領域のガス透過性より小さい燃料電池である。
このように規定される第３の局面の燃料電池では、下流側領域に対応する部分の拡散層のガス透過性が低いので、電解質膜や反応層はその下流側領域において湿潤状態に確実に維持される。その結果、水路を介する下流側領域から上流側領域への水分移動がより確実に実行される。換言すれば、水路のパフォーマンスが向上し、含水量の偏在がより確実に解消されて、電極面内における水分の均一化がより向上する。
【０００７】
この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、第１又は第２の局面に記載の燃料電池であって、
空気極側の前記拡散層において、空気流れの下流側に第１のガス透過性を有する前記第１の領域が形成され、
前記空気流れの上流側に第２のガス透過性を有する前記第２の領域が形成され、
前記第１のガス透過性が前記第２のガス透過性より低い燃料電池である。
このように規定される第４の局面の燃料電池では、空気極側の第１の領域に対応する部分の拡散層のガス透過性が低いので、電解質膜や反応層はその第１の領域において湿潤状態に確実に維持される。その結果、水路を介する第１の領域から第２の領域への水分移動がより確実に実行される。換言すれば、空気極側の水路のパフォーマンスが向上し、空気極側の含水量の偏在がより確実に解消されて、電極面内における水分の均一化がより向上する。
【０００８】
この発明の第５の局面は次のように規定される。即ち、第４の局面に記載の燃料電池であって、
水素極側の前記拡散層において、第３のガス透過性を有する第３の領域及び第４のガス透過性を有する第４の領域が形成され、
前記第３のガス透過性が前記第４のガス透過性より低く、
前記第３の領域が前記第１の領域に対向して配置されている燃料電池である。
このように規定される第５の局面の燃料電池では、空気極側の第１の領域に対向する水素極側の領域（第３の領域）のガス透過性を小さくしたので、当該第３の領域からの水分の蒸発が抑制される。これにより、空気極側の第１の領域から水素極側の第３の領域への水分移動が抑制される。よって、第１の領域の湿潤状態がより確実に維持される。
【０００９】
この発明の第６の局面は次のように規定される。即ち、第４又は第５の局面に規定の燃料電池において、
前記空気流れ方向が下から上向きであり、
前記水素ガスの流れ方向が上から下向きであり、
前記第３の領域は、前記水素極側の拡散層において前記水素ガス流れの上流側領域である。
前記第４の領域は、前記水素極側の拡散層において前記水素ガス流れの下流側領域である。
このように規定される第６の局面の燃料電池では、第４及び第５の局面の作用に加えて、空気流れ方向が下から上向きであるため、湿潤状態の第１の領域が電極において上側に、乾燥状態の第２の領域が電極において下側に位置することとなる。よって、第１の領域から第２の領域への水分移動に重力も作用し、水路を介しての水分移動がより促進される。水素極側においては、水素ガス流れの上流側において拡散層のガス透過性を小さくし、その上流側において拡散層のガス透過性を大きくしているので、乾燥傾向にある下流側における水分の蒸発を抑制し、湿潤傾向にある上流側において水分の蒸発を促進できる。よって、水素極面における水分の均一化がより向上する。
【００１０】
この発明の第７の局面は次のように規定される。即ち、第４又は第５の局面に記載の燃料電池において、
水素ガス流れ方向が空気流れ方向と同方向であって、
前記第３の領域は、前記水素極側の拡散層において前記水素ガス流れの下流側領域であり、
前記第４の領域は、前記水素極側の拡散層において前記水素ガス流れの上流側領域である。
第９の局面で説明したとおり、水素極においては水素ガス流れの上流側拡散層のガス透過性を小さくし、その下流側拡散層のガス透過性を大きくすることが、水分を均一化する見地から好ましい。
これに対し、第７の局面では、水素ガス流れ方向と空気流れ方向とが同一の場合は、空気極側における第１の領域の湿潤状態を維持することを重視し、当該第１の領域に対向する水素極の拡散層のガス透過性をあえて小さくする。これにより、空気極側における第１の領域の湿潤状態が確実に維持される。
一般的に、燃料電池では水素極側に比べて空気極側の方において水分の偏在が生じやすいので、第７の局面に規定の構成を採用することにより、燃料電池全体としてみたとき、水分がより均一に分布することとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は燃料電池の基本構成を示す模式図である。
【図２】図２は実施例１の燃料電池の構成を示し、図２（Ａ）は正面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】図３は他の実施例の燃料電池の構成を示す模式図である。
【図４】図４は他の実施例の燃料電池の構成を示す模式図である。
【図５】図５は他の実施例の燃料電池の構成を示す模式図である。
【図６】図６は他の実施例の燃料電池の電解質膜の構成を示す斜視図である。
【図７】図７は実施例２の燃料電池の構成を示す模式断面図である。
【図８】図８は実施例３の燃料電池の構成を示す模式断面図である。
【図９】図９は実施例４の燃料電池の構成を示す模式断面図である。
【図１０】図１０は実施例５の燃料電池の構成を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１の構成において、電解質膜３はナフィオン（登録商標、Nafion（Dupont社製））からなる高分子電解質膜である。膜厚は約５０μｍである。水素極１０及び空気極２０の各触媒層１１、２１は白金担持カーボンからなる。膜厚は約２０μｍである。拡散層１３、２３はマイクロ孔を有するカーボン織物、カーボン紙又はカーボン不織布等の表面又は内部にPTFEやカーボン粉末等からなる撥水性材料を含ませて構成されており、ガスは透過可能であるが水等の液体の透過を制限する。この拡散層１３、２３の膜厚は約３００μｍである。
白金担持カーボンをペースト状にして拡散層１３、２３の一面に塗布して触媒層１１、２１とし、この触媒層１１、２１の間に電解質膜３を介在させて、加熱圧着により図１に示す構成が得られる。
【実施例１】
【００１３】
空気極２０側に形成される水路３１の例を図２に示す。図２（Ａ）は実施例の燃料電池３０を空気極３５側から見た正面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）におけるＢ−Ｂ線で示される部分の一部拡大断面図である。なお、図２において図１と同一の作用を奏する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図２の例では、触媒層３３に空洞の水路３１が形成されている。この水路３１は空気流れに沿うように、図２（Ａ）において上下方向に（矩形に形成された拡散層２３の短辺に平行に）形成される。
水路３１の幅及びピッチは任意に設計可能であるが、この実施例では触媒層２１の膜厚と同一の幅を有し、そのピッチは幅の約５倍とした。
【００１４】
この水路３１は次のようにして形成することができる。
触媒層３３の作成に際し、予め拡散層２３の表面へ複数の銅線（その直径が触媒層３３の膜厚（２０μｍ）にほぼ等しい）をマスクとして、等ピッチでかつ拡散層２３の短辺に平行に配設する。その後、白金担持カーボンのペーストを拡散層２３の当該表面へ塗布し、電解質膜３へホットプレスする。そして、マスクとして利用した銅線を酸洗浄等の方法で除去する。
【００１５】
水路３１の部分が溝となるように白金担持カーボンのペーストを拡散層２３の表面へ印刷してもよい。印刷の方式としてインクジェットを利用することができる。
銅線の代わりにシリカやチタニア等の親水性かつポーラスな線材を用いれば、その除去が不要となる。
【００１６】
図２の燃料電池３０によれば、上縁領域（空気流れの下流側領域）では空気が比較的湿潤状態にあるので、拡散層２３を通しての水分の持ち去りが生じがたい。したがって、この上縁部分おいて電解質膜３及び触媒層３３で保持できない生成水は水路３１へしみだして、下縁領域（空気流れの上流側領域）へ押し流される。この実施例では水路３１が上下方向に形成されているので、重力の作用も相俟って、上縁領域の生成水は水路３１を介して下縁領域に移動する。この下縁領域では乾燥した空気による水分の持ち出し量が大きいので、電解質膜３及び触媒層３３も乾燥状態にある。かかる乾燥領域に水路３１を介して移動した水が供給される。
図２の例では水素ガスの流れ方向と空気の流れ方向とが相対しており、かつ空気は下から上へ流している。各々２つのガスの流通方向は任意に設定できる。
【００１７】
図３に他の実施例の燃料電池４０の断面図を示す。なお、前の実施例と同一の作用を奏する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この燃料電池４０では空気極４５側の拡散層４３の表面に溝が彫られて水路４１となる。この水路４１も図２の水路３１と同じ設計思想で形成されている。即ち、空気流れに沿って平行にかつ等ピッチで形成されている。水路４１の断面形状は任意に設計可能である。この実施例では正方形断面（２０μｍ×２０μｍ）としたが、三角断面その他の断面形状を採用可能である。
【００１８】
この燃料電池４０は次のようにして形成される。
拡散層４３の表面に水路４１となる溝をエッチング若しくはダイシングにより形成する。その後、水路４１を塞がないように白金担持カーボンのペーストを拡散層４３の表面へ積層し、電解質膜３へホットプレスにより接合する。
図３に示す燃料電池によれば、図２の例と同様な作用を奏し、比較的湿潤状態にある空気流れの下流側領域の生成水を比較的乾燥状態にある空気流れの上流側領域に供給し、これを湿潤させる。
【００１９】
図４に他の実施例の燃料電池５０の断面図を示す。なお、前の実施例と作用を奏する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この燃料電池５０では拡散層５３と触媒層５２の界面に親水繊維の束が介在され水路５１を構成する。親水繊維として例えば活性炭繊維を用いることができる。この水路５１も図２の水路３１と同じ設計思想で形成されている。即ち、空気流れに沿って平行にかつ等ピッチで形成されている。水路５１の断面形状は任意に設計可能である。この実施例では円形断面（直径２０μｍ）としたが、四角形その他の断面形状を採用可能である。
【００２０】
この燃料電池５０は次のようにして形成される。
拡散層５３の表面に水路５１となる親水繊維の束を埋設する。例えば、拡散層５３の表面へエッチング若しくはダイシングにより溝を形成してその溝に親水繊維の束を埋め込む。その後、水路５１を塞がないように白金担持カーボンのペーストを拡散層５３の表面へ積層し、電解質膜３へホットプレスにより接合する。
図４に示す燃料電池によれば、図３の例と同様な作用を奏し、比較的湿潤状態にある空気流れの下流側領域の生成水を比較的乾燥状態にある空気流れの上流側領域に供給し、これを湿潤させる。この例では、水の移動は親水繊維の専ら毛管力による。
【００２１】
図５に他の実施例の燃料電池６０の断面図を示す。なお、前の実施例と同一の
用を奏する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この燃料電池６０では拡散層６３と触媒層６２の界面に親水材が介在され水路６１を構成する。親水材としてシリカやチタニアなどのポーラスな金属酸化物を挙げることができる。この水路６１も図４の水路５１と同じ設計思想で形成されている。即ち、空気流れに沿って平行にかつ等ピッチで形成されている。水路６１の断面形状は任意に設計可能である。この実施例では正方形断面（２０μｍ×２０μｍ）としたが、三角断面その他の断面形状を採用可能である。
【００２２】
この燃料電池６０は次のようにして形成される。
拡散層６３の表面に水路６１となる親水材を埋設する。例えば、拡散層６３の表面へエッチング若しくはダイシングにより溝を形成してその溝に線状の親水材を埋め込む。その後、水路６１を塞がないように白金担持カーボンのペーストを拡散層６３の表面へ積層し、電解質膜３へホットプレスにより接合する。
図５に示す燃料電池によれば、図４の例と同様な作用を奏し、比較的湿潤状態にある空気流れの下流側領域の生成水を比較的乾燥状態にある空気流れの上流側領域に供給し、これを湿潤させる。
【００２３】
図６に他の実施例の燃料電池の電解質膜７３の斜視図を示す。
この実施例では、電解質膜７３に複数の貫通孔が平行に形成されて水路７１をなす。この水路７１も図２の水路３１と同じ設計思想で形成されている。即ち、空気流れに沿って平行にかつ等ピッチで形成されている。水路７１の断面形状は任意に設計可能である。この実施例では円形断面（直径２０μｍ）としたが、四角形その他の断面形状を採用可能である。
かかる電解質膜７３は次のようにして形成される。
直径２０μｍの銅線を中子として電解質膜７３をキャスト成形し、銅線を酸洗浄にて除去する。
ポーラスシリカ等の親水材料の線材を中子として使用すれば、その除去工程は不要となる。
かかる電解質膜７３に対して図１に示した空気極２０の構造を適用することができる。更には、図２に示した空気極３５の構造、図３に示した空気極４５の構造、図４に示した空気極５５の構造、図５に示した空気極６５の構造を適用することができる。これらの構造を適用することにより、水路が多層に形成されて水の移動効率が向上する。
【００２４】
以上に説明した例では水路が電解質膜、触媒層、触媒層と拡散層との界面において一方の端面（上縁端面）から他方の端面（下縁端面）まで連続して形成されている。電解質膜や触媒層の形成材料は水を透過させるので、これらに形成する水路は非連続的としてもよい。
上記の例では全ての水路を空洞にする場合（図２、図３及び図６参照）と、全ての水路を親水材料で形成する場合（図４及び図５参照）の例が示されているが、一つの燃料電池において空洞の水路と親水材料の水路とを混在させられる。
上記の例では水路は直線状であり、その径（断面の形状）もその軸方向全域で同じものとしている。水路を曲線状もしくは分岐させること、その径に変化を持たせること可能である。
さらにまた、上記の例では空気極に形成された水路を例に採りあげて説明してきたが、水路を水素極へ形成すること、並びに水素極及び空気極のそれぞれへ水路を形成することも許容される。
【実施例２】
【００２５】
図７は、実施例２の燃料電池８０の模式断面図を示す。図７において図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この燃料電池８０では、空気極１４５が触媒層２１及び拡散層１４３を備え、触媒層２１と拡散層１４３との間に水路４１を備える。この例では、水路の構成として図３に示すもの（水路４１）を採用したが、図２、図４、図５及び図６に示す構成の水路の採用を妨げるものではない。
この燃料電池８０では拡散層１４３が第１の拡散層８３１と第２の拡散層８３２を備える。第２の拡散層８３２は水素極１０側の拡散層１３と同じガス透過性を有し、第１の拡散層８３１は第２の拡散層８３２より低いガス透過性を有する。
第１の拡散層８３１は空気極１４５において空気流れ方向に下流側半分の領域を占め、第２の拡散層８３２は空気極１４５において空気流れ方向に上流側半分の領域を占める。
【００２６】
このように構成された燃料電池８０によれば、湿潤傾向にある空気流れ下流側に配置される第１の拡散層８３１のガス透過性を小さくしたので、この部分の湿潤状態が維持される。その結果、当該湿潤領域の水分の水圧が上昇し、水路４１を介する乾燥領域（第２の拡散層８３２）側への水の移動が促進される。
第１の拡散層８３１と第２の拡散層８３２は、マイクロ孔を有するカーボン織物、カーボン紙又はカーボン不織布等の基材へ撥水性材料（ＰＴＦＥやカーボン粉末等）を担持させたものであり、この撥水性材料の担持量を制御することにより、ガス拡散性を調整可能である。また、プレス等により基材の密度を調整することによりガス透過性を調整することもできる。
水路４１の製造方法は図３の例で説明したとおりである。
【実施例３】
【００２７】
図８は、実施例３の燃料電池９０を示す。図８において図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この燃料電池９０では、水素極１１０が触媒層１１及び拡散層１１３を備え、触媒層１１と拡散層１１３との間に水路４６を備える。この例では、水路４６の構成として図３に示すもの（水路４１）に対応した構成を採用したが、図２、図４、図５及び図６に示す構成の水路の採用を妨げるものではない。
この燃料電池９０では拡散層１１３が第１の拡散層９３１と第２の拡散層９３２を備える。第２の拡散層９３２は空気極２０側の拡散層２３と同じガス拡散層を有し、第１の拡散層９３１は第２の拡散層９３２より低いガス透過性を有する。
第１の拡散層９３１は水素極１１０において水素ガス流れ方向に下流半分の領域を占め、第２の拡散層９３２は水素局１１０において水素ガス流れ方向に上流側半分の領域を占める。
【００２８】
このように構成された燃料電池９０によれば、湿潤傾向にある水素流れ下流側に配置される第１の拡散層９３１のガス拡散層を小さくしたので、この部分の湿潤状態が維持される。その結果、当該湿潤領域の水分の水圧が上昇し、水路４６を介する乾燥領域（第２の拡散層９３２）側への水の移動が促進される。
第１の拡散層９３１と第２の拡散層９３２は、マイクロ孔を有するカーボン織物、カーボン紙又はカーボン不織布等の基材へ撥水性材料（ＰＴＦＥやカーボン粉末等）を担持させたものであり、この撥水性材料の担持量を制御することにより、ガス拡散性を調整可能である。また、プレス等により基材の密度を調整することによりガス透過性を調整することもできる。
【実施例４】
【００２９】
図９は実施例４の燃料電池１００の模式断面図であって、その構成は図７において水素極の拡散層に変更を加えたものである。即ち、この燃料電池１００は、水素極１１１において水素ガス流れの上流側に第３の拡散層９３１と、水素ガス流れの下流側に第４の拡散層９３２とを更に備える。尚、図９において先の図と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この燃料電池１００では、水素極１１１側の水素ガス流れが図の上から下方向であり、空気極１４５側の空気流れが図の下から上方向である。
第３の拡散層９３１は第１の拡散層８３１と同じガス透過性を有し、第４の拡散層９３２は第２の拡散層８３２と同じガス透過性を有しており、第１の拡散層８３１は第２の拡散層８３２より低いガス透過性を有する。
【００３０】
このように構成された燃料電池１００によれば、第１の拡散層８３１に対向した第３の拡散層９３１のガス透過性を小さくしたので、第１の拡散層８３１に対応する領域の湿潤状態が確実に維持される。その結果、当該湿潤領域の水分の水圧が上昇し、水路４１を介する乾燥領域（第２の拡散層８３２）側への水の移動が促進される。
水素極１１においても乾燥傾向にあるガス流れの上流側領域において拡散層９３１のガス透過性を小さくしたので、この部分での水持ちが向上する。
【実施例５】
【００３１】
図１０は、実施例５の燃料電池２００の模式断面図であって、その構成は図９の水素極の第３の拡散層９３１、第４の拡散層９３２の位置を変換したものである。即ち、燃料電池２００は、水素ガス流れの上流側に第４の拡散層９３２、水素ガス流れの下流側に第３の拡散層９３１を備える。尚、図１０において先の図と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この燃料電池２００では、水素極２１１側の水素ガス流れと空気極１４５側の空気流れは、共に図の上から下方向である。
【００３２】
空気極１４５側における第１の領域の８３１湿潤状態を維持することを重視し、第１の拡散層８３１に対向する水素極２１１の部分のガス透過性を小さくした（第３の領域９３２）。これにより、第１の拡散層８３１から第３の拡散層９３１への水分の移動が抑制される。その結果、当該湿潤領域の水分の水圧が上昇し、水路４１を介する乾燥領域（第２の拡散層８３２）側への水の移動が促進される。一般的に、燃料電池では水素極側に比べて空気極側において水分の偏在が生じやすい。したがって、燃料電池全体として見たとき、水分がより均一に分布することとなる。
【００３３】
上記の実施例において、第１及び第２の拡散層のガス流れ方向に占める割合は１：１としているが、それらの拡散層のガス流れ方向に占める割合は任意に設計可能である。また、第１と第２の拡散層との間に第３の拡散層を存在させてもよい。この第３の拡散層のガス透過性は第１の拡散層のそれより小さく、第２の拡散層のそれより大きい。
拡散層は、その厚さ方向に多層構造にすることができ、その場合は水路側の層においてガス透過性に変化を与える。
さらに、燃料電池を正面から捉えたとき（図２（Ａ）参照）、空気極１４５の第１の拡散層と第２の拡散層が空気流れ方向に占める割合を、拡散層の中央部と端部において異ならせてもよい。例えば、中央部においては第１の拡散層の占める割合を小さくして、端部においては第１の拡散層の占める割合を大きくする。
【００３４】
この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【符号の説明】
【００３５】
１，３０，４０，５０，６０，８０，９０，１００，２００  燃料電池
２０，３５，４５，５５，６５，１４５  空気極
２１，３３，５２，６２  空気極触媒層
２３，４３，５３，６３，１４３  空気極拡散層
８３１  空気極低透過性拡散層
８３２  空気極高透過性拡散層
１０，１１０，１１１，２１１  水素極
１１  水素極触媒層
１３，１１３，１１４，２１４  水素極拡散層
９３１  水素極低透過性拡散層
９３２  水素極高透過性拡散層
３１，４１，４６，５１，６１，７１  水路
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図６】
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