(57)【要約】【課題】燃料電池における水素極の構成を改良することにより、水素極はもとより空気極側の反応層を含めて膜電極接合体の過乾燥や、フラッディングの発生を抑制する。【解決手段】燃料電池１の水素極１０において反応層１１と拡散層１６との間にキャップ層１３が介在され、該キャップ層１３は導電性で細孔を有する基材と電解質とを備え、触媒金属微粒子を備えず、反応層１１より高い撥水性である。この撥水性を制御する指標としてEW（スルホン酸基１モル当たりの乾燥重量）がある。【選択図】  図１
2011228248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の水素極において反応層と拡散層との間にキャップ層が介在され、該キャップ層は導電性で細孔を有する基材と電解質とを備え、触媒金属微粒子を備えず、前記反応層より高い撥水性である、ことを特徴とする燃料電池の水素極構造。
【請求項２】
前記キャップ層の基材はカーボンブラック粒子からなり、その平均細孔径が前記反応層の触媒担体であるカーボンブラック粒子のそれより小さい、ことを特徴とする請求項１に記載の水素極構造。
【請求項３】
前記キャップ層は前記反応層より薄い、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水素極構造。
【請求項４】
前記キャップ層の基材はカーボンブラック粒子からなり、該キャップ層のカーボン担持量は０．２ｍｇ/ｃｍ２未満であり、該キャップ層の電解質のＥＷ（スルホン酸基１モル当たりの乾燥重量）は前記反応層の電解質のＥＷより大きい、ことを特徴とする請求項１に記載の水素極構造。
【請求項５】
前記反応層は前記キャップ層の電解質と同じＥＷを有する電解質を含む第１の層と、前記キャップ層の電解質より小さいＥＷを有する電解質を含む第２の層とからなる、ことを特徴とする請求項４に記載の水素極構造。
【請求項６】
空気極と請求項１〜５のいずれかに記載の前記水素極構造を備える水素極とで固体電解質膜を挟持する、ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用反応層に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池装置において従来では空気供給系に加湿器を配置し、プロセス空気の湿度を制御することにより、固体電解質膜及び反応層（以下、「膜電極接合体」ということがある）の水分状態を調整していた。しかしながら、昨今の燃料電池に要求される高効率化の観点から、燃料電池装置から加湿器等の補機が除去される傾向にある。その場合、燃料電池の運転環境に応じて膜電極接合体の水分状態を常に適正に維持できないおそれがある。
例えば、燃料電池を低加湿環境で運転すると、膜電極接合体は乾燥状態となってそのプロトン伝導性が低下し、充分な発電特性を発揮できなくなる。他方、燃料電池を高加湿環境で運転すると、いわゆるフラッディングが発生し発電特性の低下をきたす。
【０００３】
これらの現象を回避するため、反応層を二層構造とし、固体電解質膜側の第１の層を高保湿化し、他方、拡散層側の第２の層を低保湿化（高排水、高透気化）することが提案されている（特許文献１参照）。
これにより、低加湿環境化においても第1の層は湿潤状態に保たれ、高加湿環境下に滞留した水分が第２の層から効率よく排出される。
本願発明に関連する技術を紹介する文献として特許文献２及び特許文献３を参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１９２９５０号公報
【特許文献２】特開２００７−２６７１９号公報
【特許文献３】特開２００７−１２３２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来は、もっぱら空気極側の反応層に着目してその改良がなされ、固体電解質膜が介在されているものの、水に関しては連通状態である水素極側についての検討は手薄であった。
本発明者らは水素極の構成を改良することにより、空気極側の反応層を含めて過乾燥や、フラッディングの発生を抑制できるのではないかと考え、この発明に想到した。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
即ち、この発明の第１の局面は次のように規定される。
燃料電池の水素極において反応層と拡散層との間にキャップ層が介在され、該キャップ層は導電性で細孔を有する基材と電解質とを備え、触媒金属微粒子を備えず、前記反応層より高い撥水性である、ことを特徴とする燃料電池の水素極構造。
このように規定されるこの発明の第１の局面の水素極構造によれば、反応層と拡散層との間にキャップ層があるので、燃料電池を低加湿環境で運転するときには、当該キャップ層により反応層から拡散層への水抜けが防止される。他方、高加湿環境においては、多量に滞留する反応層の水がキャップ層を通して一旦拡散層側へ抜けると、キャップ層の撥水性により逆流することが防止される。換言すれば、当該逆流防止効果により、反応層に接するキャップ層の面は湿潤状態になり難く（常にサラサラの状態が維持され）、反応層に滞留する水を効率良く拡散層側へ移動させる。これにより、反応層に滞留する水分が効率良く除去されてフラッディングの発生防止に寄与できる。
【０００７】
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の局面に規定の水素極構造において、前記キャップ層の基材はカーボンブラック粒子からなり、その平均細孔径が前記反応層の触媒担体であるカーボンブラック粒子のそれより小さい。
このように規定される第２の局面の水素極構造によれば、キャップ層と反応層がカーボンブラック粒子を含むので両者のなじみが好適となる。また、キャップ層のカーボンブラック粒子の平均細孔径を小さくすることにより、反応層の水が蒸発することを防止でき、低加湿時における反応層の過乾燥防止に役立つ。
【０００８】
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の局面に規定の水素極構造において、前記キャップ層は前記反応層より薄い。
キャップ層を厚くするほど、電子抵抗が大きくなる。
【０００９】
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の局面の水素極構造において、前記キャップ層の基材はカーボンブラック粒子からなり、該キャップ層のカーボン担持量は０．２ｍｇ/ｃｍ２未満であり、該キャップ層の電解質のＥＷ（スルホン酸基１モル当たりの乾燥重量）は前記反応層の電解質のＥＷより大きい。
このように規定される水素極構造を備えた燃料電池によれば、低加湿環境においても充分な出力が確保され、また高加湿環境においてもその出力が安定する。
なお、反応層を複数の層から構成し、一部の層の電解質のＥＷをキャップ層の電解質のＥＷより小さくすることもできる。なお、他の層の電解質のＥＷもキャップ層のそれと同等若しくはそれ以下とする。複数の層を用いる場合、小さいＥＷの電解質を備える層は固体電解質膜側に配置することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は本発明の一実施の形態を示す燃料電池の断面図である。
【図２】図２は細孔の径Ｄと吸水性若しくは排水性（圧力Ｐ）との関係を示す概念図である。
【図３】図３は実施例２と比較例３の燃料電池の出力特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この発明の実施形態の燃料電池１を図１に示す。
この燃料電池１は固体電解質膜２を水素極１０と空気極２０とで挟んだ構成である。
固体電解質膜２にはプロトン導電性の高分子材料、例えばナフィオン（デュポン社商標名、以下同じ）等のフッ素系ポリマーを用いることができる。
【００１２】
水素極１０は反応層１１、キャップ層１３及び拡散層１６を備え、固体電解質膜２へ反応層１１、拡散層１６の順に積層される。反応層１１はカーボンブラック粒子等の導電性の担体に白金等の触媒金属粒子を担持し、電解質でコーティングしたものである。拡散層１６はカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の導電性がありかつガス拡散性能を有する材料から形成される。反応層１１の担体として酸化スズやチタン酸化物を用いることもできる。
キャップ層１３は導電性かつ多孔質の微粒子からなる基材を電解質で被覆した構成をとる。かかる基材としてカーボンブラック粒子を用いることができる。その他、酸化スズやチタン酸化物の使用も可能である。水を円滑に移動させる見地から、キャップ層の基材の材料を反応層の担体の材料と同一若しくは同種とすることが好ましい。
電解質はプロトンの移動を許容するものであれば任意に選択可能である。
【００１３】
このキャップ層１３の撥水性を高める方策として、（１）電解質の親水基を基材と結合させその疎水基を表出させること及び／又は（２）細孔径を小さくすること、が挙げられる。
【００１４】
（１）電解質相の親水基を基材と結合させその疎水基を表出させること
電解質相の表面が疎水性になることによりキャップ層の撥水性が向上する。
電解質相の表面を疎水性にするには次の方策がある。
（１−１）  反応層１１の担体に比べてキャップ層１３の基材の比表面積を大きくする。
基材としてのカーボンブラック粒子の表面には親水基が存在し、この親水基が電解質の親水基と電子親和力で結合する。その結果、基材を覆う電解質の表面側には疎水基が表出する。このとき、基材の比表面積が大きいと、電解質においてより多くの親水基が基材に結合し、表出する疎水基の割合が多くなる。よって、基材と電解質とからなるキャップ層の撥水性が向上する。
（１−２）  反応層１１に比べてキャップ層１３の電解質比率（電解質／（基材＋電解質）を小さくする。
電解質比率を小さくすることにより、電解質の多くの親水基が基材に結合し表出する疎水基の割合が多くなる。
（１−３）  反応層１１の電解質に比べてキャップ層１３の電解質のＥＷ（スルホン酸基１モル当たりの乾燥重量）を大きくする。
ＥＷが大きくなると電解質のスルホン酸基（親水基）の密度が小さくなる。大きなＥＷの電解質（スルホン酸基密度の小さな電解質）を用いることにより電解質相の表面には疎水基が多く存在することとなる。
【００１５】
（２）基材における細孔の径Ｄと吸水性若しくは排水性（圧力Ｐ）との関係を図２及び式１に示す。
Ｐ＝−４σcosθ／Ｄ      式１
式１より接触角θが９０°以上（排水性）の場合は細孔径Ｄが小さいほど排水圧力Ｐが大きくなる（勿論接触角θが９０°未満は論外である。細孔が吸水して閉塞されると酸素の供給障害となる）。よって、反応層１１の担体に比べてキャップ層１３の基材の細孔径を小さくすることが好ましい。
【００１６】
低加湿環境おいて、高性能を得るためには、拡散層１６を流通するガスによる水の持去りを抑制して、反応層１１を湿潤状態に保つことが重要である。そこで反応層１１と拡散層１６との間に触媒を含まずかつ撥水性の高いキャップ層１３を設けて、反応層１１と拡散層１６との間を物理的に隔てる構造とすると、反応層１１に含まれる水分は、撥水性を有するキャップ層１３ではじかれるので拡散層１６側へ拡散し難くなる。換言すれば、撥水性のキャップ層１３が反応層１１と拡散層１６との間の水の連通を遮断する。よって反応層１１の湿潤状態が維持され、低湿度環境でも高性能を発揮する。特にキャップ層１３の基材の平均細孔径を小さくした場合、反応層１１からの水分蒸発を抑制可能となり、反応層１１のドライアップをより効果的に抑制できる。
【００１７】
高加湿環境において、燃料電池の性能阻害要因として生成水の過剰（フラッディング）がある。フラッディングが発生すると、その水は電解質膜２を透過して水素極１０側まで浸透してくる。従って、水素極１０側においてこの過剰な水を効率良く除去できれば、フラッディング予防の一助となる。
ここに、生成水が反応層１１において過剰になると、反応層１１に圧力（水圧）が発生し、キャップ層１３が高撥水性であっても、反応層１１の水はこれをなんなく透過する。一方、透過した生成水の逆流防止がキャップ層１３の撥水性により担保されるので、キャップ層１３を透過した水は拡散層１６を介して効率良く除去されることとなる。よって、反応層１１に過剰な水が滞留することを防止できる。
以上の作用を確保する見地から、キャップ層１３は０．１〜１０μｍ程度の厚さを備えることが好ましい。キャップ層１３には触媒を担持させないが、製造工程において反応層１１から触媒が拡散することがあり、このような意図しない触媒が存在する場合もキャップ層の定義に含まれるものとする。
また、図１の例では、キャップ層１３を反応層１１の全面に積層したが、反応層１１の一部（好ましくは乾燥しやすい部分）のみに積層してもよい。
【００１８】
空気極２０は反応層２１及び拡散層２６を備える。拡散層２６の基本構造は、水素極１０のそれと同じである。
この発明では、空気極２０の反応層２１を、図１に示すように、固体電解質膜２側から、第１の層２２、中間層２３及び第２の層２４を順に積層する構成とした。
第１の層２２と第２の層２４にはともに担体に触媒金属粒子が担持されている。中間層２３には何ら触媒金属粒子が担持されていない。
第１の層２２及び第２の層２４に担持される触媒金属粒子には白金、白金−コバルト合金等の汎用的なものを採用することができる。第１の層２２に担持される金属触媒粒子と第２の層２４に担持される金属触媒粒子とは同じものでも、異なるものでもよい。
なお、触媒金属粒子を担持する担体には一般的なカーボンブラック粒子を採用することができるが、酸化スズ、チタン酸化物等を使用することも可能である。
【００１９】
中間層２３は触媒を持たないものの、第１の層２２及び第２の層２４の触媒金属粒子の活性を確保するため、導電性、プロトン移動性及び酸素の拡散性が要求される。そのため、中間層２３は導電性かつ多孔質の微粒子からなる基材と電解質とを混練りした構成をとる。かかる基材として既述した触媒金属粒子の担体（カーボンブラック粒子等）を用いることができる。水を円滑に移動させる見地から、中間層の基材の材料を第１及び第２の層の担体の材料と同一若しくは同種とすることが好ましい。
電解質はプロトンの移動を許容するものであれば任意に選択可能である。
【００２０】
中間層２３の撥水性を高める方策として、既述の（１）電解質の親水基を基材と結合させその疎水基を表出させること及び／又は（２）細孔径を小さくすること、が挙げられる。
【００２１】
また、中間層２３は第１及び第２の層２２，２４に比べてその膜厚が薄く形成されている。撥水性を有する中間層２３を薄くするのは高加湿環境下においてこの中間層２３が生成水の移動の過剰な抵抗とならないようにするためである。
【００２２】
低加湿環境おいて、高性能を得るためには、拡散層を流通するガスによる生成水の持去りを抑制して、固体電解質膜、及び、発電に寄与する固体電解質膜近傍の反応層を、湿潤状態に保つことが重要である。そこで、固体電解質膜に近い第１の層２２とガス流路に近い第２の層２４との間に、触媒を含まずかつ撥水性の高い中間層２３を設けて、第１の２２層と第２の層２４の間を物理的に隔てる構造とすると、第１の層２２の生成水は、撥水性を有する中間層２３ではじかれるので第２の層２４へ拡散し難くなる。換言すれば、撥水性の中間層２３が第１の層２２と第２の層２４との間の水の連通を遮断するので、第２の層２４の乾燥は進むがその影響が第１の層２２に及ばない。よって電解質膜２と第１の層２２の湿潤状態が維持され、低湿度環境でも高性能を発揮する。特に中間層２３の基材の細孔を小さくした場合、第１の層２２側からの水分蒸発を抑制可能となり、第１の層２２が過乾燥することをより効果的に抑制できる。
【００２３】
他方、高加湿環境において高性能を得るためには、生成水による細孔の閉塞を防止して、反応層全体で発電させることが重要となる。第１の層２２での生成水が過剰となると、第１の層２２において圧力（水圧）がかかり、中間層２３が高撥水性であっても、加圧された生成水はこれをなんなく透過する。一方、透過した生成水の逆流防止が中間層２３の撥水性により担保されるので、結果として、中間層２３を透過した水は第２の層２４を介して効率良く除去されることとなる。よって、第１の層２２におけるフラッディングの発生を防止できる。
以上の作用を確保する見地から、中間層２３は０．１〜１０μｍ程度の厚さを備えることが好ましい。中間層２３には触媒を担持させないが、製造工程において第1の層２２や第２の層２４から触媒が拡散することがあり、このような意図しない触媒が存在する場合も中間層の定義に含まれるものとする。
【００２４】
第１の層２２は第２の層２４に比べて保湿性が高く設定されている。
各層の保湿性の制御は、基材、電解質及び触媒の各特性を制御することにより行える。
例えば、カーボンブラック粒子からなる基材の空隙率を高くすることにより保湿性が小さくなる。同様に、担体の撥水性を高めることにより保湿性が小さくなる。
電解質の配合割合を多くすることにより保湿性は高くなる。なお、電解質のＥＷ（スルホン酸基１モル当たりの乾燥重量）を高くすることにより保湿性が低下する。
また、触媒金属の担持密度を高くする事によって、反応層が薄くなり、生成水の発生密度が高まり、乾燥を防止することもできる。
更には親水性の触媒を採用することにより保湿性を高く維持できる。親水性の触媒としてＰｔＣｏ触媒を挙げることができる。また、ＰｔＣｏ触媒を含めて汎用的な触媒を酸処理することにより、その親水性を向上可能である。
上記を考慮して、即ち、基材、電解質、触媒担持密度及び触媒の少なくとも１つの特性を変えることにより、第１の層２２の保湿性を第２の層２４の保湿性より高くすることができる。
【００２５】
上記において、中間層２３の撥水性を第１の層２２及び／又は第２の層２４と同程度としてもよい。かかる中間層２３により、中間層２３のないものに比べて、第１の層２２と第２の層２４との水遮断効果が得られるからである。その場合、保湿性を第１の層２２＜中間層２３＜第２の層２４とすることが好ましい。
更には、中間層２３を更に三層構造として、その中心となる層の吸水性（保湿性）を高めてもよい。これにより、中間層２３による第１の層２２と第２の層２４との間の水遮断効果が向上し、特に低加湿環境下において第１の層２２が第２の層２４へ拡散することを効率的に防止できる。
第１の例では、中間層２３を第１の層２２と第２の層２４の界面の全面に形成したが、当該界面へ部分的に形成するものとしてもよい。
【００２６】
以下、この発明の実施例について説明する。
（実施例１）
実施例の水素極１０側の反応層１１は次の様にして形成される。
先ずは、反応層１１及びキャップ層１３のペーストを準備する。
反応層１１のペーストは、担体としてケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ（ケッチェン・ブラック・インターナショナル（株）の商標名、以下同じ）にＰｔを触媒として６０ｗ％担持させた触媒を用いる。電解質にはナフィオンの５ｗ％溶液を用い、カーボン担体と電解質との重量比は１：１とした。
キャップ層１３のペーストは、基材としてカーボンブラック粒子を用い、これをナフィオンの５％溶液に分散させる。基材と電解質との重量比は１：１とした。
キャップ層１３の基材は反応層１１の担体に比べてその細孔の平均開口径（平均細孔径）が小さい。この点からキャップ層１３は反応層１１に比べて高い撥水性を備える。更には、このキャップ層１３は反応層１１に比べて比表面積が大きく、他方、カーボンブラック粒子と電解質との配合比が両者において同一に維持されているので、この点からもキャップ層１３は反応層１１に比べて高い撥水性を備える。
【００２７】
空気極２０側の反応層２１は次の様にして形成される。
第１の層２２のペーストは、担体としてケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ（ケッチェン・ブラック・インターナショナル（株）の商標名、以下同じ）にＰｔＣｏ合金を触媒として５０ｗ％担持させた触媒を用いる。なお、ＰｔとＣｏはモル比で１：３としている。電解質にはナフィオンの５ｗ％溶液を用い、カーボン担体と電解質との重量比は１：１とした。
中間層２３のペーストは、基材としてカーボンブラック粒子を用い、これをナフィオンの５％溶液に分散させる。基材と電解質との重量比は１：１とした。
第２の層２４のペーストはケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤにＰｔ触媒を６０ｗ％担持させた触媒を用いる。なお、電解質にはナフィオンの５ｗ％溶液を用い、カーボン担体と電解質との重量比は１：０．８とした。
上記において、第１の層２２と第２の層２４とを比べると、第１の層２２の触媒は第２の層２４の触媒より保湿性が高い。また、基材に対する電解質の配合割合は第１の層２２が第２の層２４より大きい。
【００２８】
中間層２３の担体は第１及び第２の層２２，２４の担体に比べてその細孔の平均開口径が小さい。この点から中間層２３は第１及び第２の層２２，２４に比べて高い撥水性を備える。更には、この中間層２３は第１及び第２の層２２、２４に比べて比表面積が大きく、他方、担体と電解質との配合比が第１及び第２の層２２，２４並びに中間層２３において同一に維持されているので、この点からも中間層２３は第１及び第２の層２２，２４に比べて高い撥水性を備える。
【００２９】
第２の層２４のペーストから順に拡散層２６の表面へ積層し、かつ乾燥して図１に示す反応層２１を構成する。
水素極１０側においても同様にして拡散層１６の表面へ反応層１１を積層する。
水素極１０と空気極２０の各反応層１１、２１を電解質膜２へ貼り合わせて、図１の燃料電池１を構成する。
【００３０】
各層の保湿性の制御には担体の空隙率を調整することが適している。
空隙率を高くしその保湿性を小さくするには、ペーストを水又はアルコールで薄めて拡散層へ塗布すること、電解質/担体の比率を小さくすること等が挙げられる。
【００３１】
（実施例２）
比較的に大きなＥＷ（スルホン酸基１モル当たりの乾燥重量）を有する第１の電解質としてＤＥ２０２１（デュポン社製）の２０％溶液を準備する。
比較的に小さいＥＷを有する第２の電解質としてＤＥ２０２０（デュポン社製）の２０％溶液を準備する。
ＥＷが大きくなるほど疎水性が高くなり、ＥＷが小さくなるほど親水性（保水性）が向上することは既述の通りである。
この実施例では、キャップ層１３の基材としてカーボンブラック粒子を用い、これを２０％の第１の電解質溶液に分散させてキャップ層用ペーストとした。基材と電解質との重量比は１：１とした。
反応層１１は、担体としてケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ（ケッチェン・ブラック・インターナショナル（株）の商標名、以下同じ）にＰｔを触媒として６０ｗ％担持させた触媒を用いる。０．１ｍｇ/ｃｍ２の白金触媒微粒子とともに、ＥＷの小さい第２の電解質溶液（２０％）に分散させて反応層用ペーストとした。
拡散層１６に、既述のキャップ層用ペーストと反応層用ペーストとを順次積層し、これを固体電解質膜２へ接合する。
空気極の構成は第１の実施例と同一の構成である。
【００３２】
（実施例３）
この実施例では、第２実施例の反応層を２層構造としたものである。
即ち、第１の電解質の２０％溶液へカーボンブラック粒子及び０．０５ｍｇ/ｃｍ２の白金触媒微粒子を分散させた第１の反応層用ペーストと、第２の電解質の２０％溶液へカーボンブラック粒子及び０．０５ｍｇ/ｃｍ２の白金触媒微粒子を分散させた第２の反応層用ペーストを準備し、拡散層の表面にキャップ層用ペースト、第１の反応層用ペースト及び第２の反応層用ペースを順に積層し、それを固体電解質膜へ接合した。
【００３３】
（比較例１）
この比較例１は、実施例において反応層にキャップ層と同じ第１の電解質（高いＥＷ）を使用したものである。
(比較例２)
この比較例２は比較例１において、キャップ層におけるカーボン担持量を増大させたものである。比較例２のキャップ層のカーボン担持量は０．２ｍｇ/ｃｍ２である。
（比較例３）
この比較例３は実施例３においてキャップ層を省略したものである。
（比較例４）
この比較例４は実施例３においてキャップ層のカーボン担持量を増大させたものである。
（比較例５）
この比較例５は実施例２においてキャップ層を省略したものである。
（比較例６）
この比較例６は実施例２においてキャップ層のカーボン担持量を増大させたものである。
【００３４】
実施例１及び２及び比較例１〜６を表１にまとめた。
【表１】
2011228248.tif 000003
【００３５】
上記の各実施例及び比較例の燃料電池へ無加湿状態で水素と空気を供給し、１．６Ａ/ｃｍ２の定電流で発電させたときの電圧と発電可能温度を表２に示す。
【表２】
2011228248.tif 000004
【００３６】
実施例２と比較例３の燃料電池へ加湿状態で水素と空気を供給し、１．６Ａ/ｃｍ２の定電流で発電させたときの電圧の時間変化を図３に示す。
なお、加湿条件は、水素側及び空気側ともに、加湿バブラ温度６０℃で１００ｋＰａであった。
【００３７】
表２の結果から、キャップ層のカーボン担持量が０．２ｍｇ/ｃｍ２以上になると、乾燥運転条件下において、充分な電圧を得られないことがわかる。このようにキャップ層においてカーボンブラックの配合量が多くなると、キャップ層の排水機能が強くなりすぎて、たとえ反応層に低ＥＷ（即ち保水性の高い）電解質を用いたとしても、反応層に保持されるべき水分がキャップ層に吸い取られてさらに拡散層へ放出され、その結果反応層の水分が不足してしまうためと考えられる。
また、図３の結果から、キャップ層の電解質に比べて反応層の電解質のＥＷを小さくすると、高加湿環境下においても出力電圧が安定することが確認できた。
実施例２はＥＷによりキャップ層と反応層の保水性（疎水性）を制御しているが、既述のように、基材の比表面積、電解質比率、基材の細孔径制御によっても同様な効果を得ることが可能である。
【００３８】
本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例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本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００３９】
１  燃料電池
２  固体電解質膜
１０  水素極
１１  反応層
１３  キャップ層
１６  拡散層
２０  空気極
２１  反応層
２２  第１の層
２３  中間層
２４  第２の層
【図１】
2011228248.tif 000005
【図３】
2011228248.tif 000006
【図２】
2011228248.tif 000007