(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を拡散させる燃料拡散層と、該燃料拡散層に接合され、燃料を反応させる燃料反応層とを備えた燃料極と、酸素を拡散させる酸素拡散層と、該酸素拡散層に接合され、酸素を反応させる酸素反応層とを備えた酸素極と、前記燃料極と前記酸素極との間に設けられた電解質層とを有する燃料電池であって、
前記燃料極には水素ガスが供給され、前記酸素極には加湿された酸素ガスが供給されるよう構成されており、
前記燃料反応層は、前記燃料拡散層と前記電解質層との間に設けられており、
前記燃料拡散層は、前記電解質層側の面に設けられ、撥水性の材料を含有する燃料極内側撥水性材料含有層と、前記燃料極内側撥水性材料含有層と反対側の面に設けられ、撥水性の材料を含有する燃料極外側撥水性材料含有層とを有し、
前記酸素反応層は、前記酸素拡散層と前記電解質層との間に設けられており、
前記酸素拡散層は、前記電解質層側の面に設けられ、撥水性の材料を含有する酸素極内側撥水性材料含有層と、前記酸素極内側撥水性材料含有層と反対側の面に設けられ、撥水性の材料を含有する酸素極外側撥水性材料含有層とを有し、
前記燃料極内側撥水性材料含有層の撥水性が前記酸素極内側撥水性材料含有層の撥水性よりも高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料極内側撥水性材料含有層の撥水性材料含有量が、前記酸素極内側撥水性材料含有層の撥水性材料含有量よりも大きい請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料極内側撥水性材料含有層の撥水性材料含有量は、前記酸素極内側撥水性材料含有層の撥水性材料含有量よりも、５ｗｔ％以上大きい請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料極内側撥水性材料含有層の撥水性材料含有量は、２０〜８０ｗｔ％である請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記酸素極内側撥水性材料含有層の撥水性材料含有量は、１５〜６５ｗｔ％である請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料極内側撥水性材料含有層および前記酸素極内側撥水性材料含有層は、いずれも導電性材料を含有し、前記燃料極内側撥水性材料含有層の導電性材料は、前記酸素極内側撥水性材料含有層の導電性材料よりも撥水性が高い請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料極内側撥水性材料含有層および前記酸素極内側撥水性材料含有層は、それぞれ、粒子状の導電性材料に前記撥水性の材料を担持させたもので構成されている請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料拡散層表面の水との接触角は、前記酸素拡散層表面の水との接触角よりも、５°以上大きい請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記燃料拡散層表面の水との接触角は、１００〜１６０°である請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記酸素拡散層表面の水との接触角は、９０〜１５０°である請求項１ないし９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかに記載の燃料電池を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１０のいずれかに記載の燃料電池を収納した電池本体と、前記燃料電池の燃料極に水素ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料電池の酸素極に酸素ガスを含有する気体を供給する酸素供給手段と、前記酸素極に水を供給する水供給手段とを有することを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池および燃料電池装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、次世代のエネルギー源として、燃料電池が注目されている。この燃料電池は、二種類の電極、燃料極と酸素極とを有しており、燃料極で燃料を酸化し、酸素極で酸素を還元することにより、電気を発生させる。
このような燃料電池では、現在、電池出力の向上が大きな課題となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、電池出力の向上を図ることができる燃料電池、およびかかる燃料電池を備えた燃料電池装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記（１）〜（１２）の本発明により達成される。
【０００５】
（１）  燃料を拡散させる燃料拡散層と、該燃料拡散層に接合され、燃料を反応させる燃料反応層とを備えた燃料極と、酸素を拡散させる酸素拡散層と、該酸素拡散層に接合され、酸素を反応させる酸素反応層とを備えた酸素極と、前記燃料極と前記酸素極との間に設けられた電解質層とを有する燃料電池であって、
前記燃料極には水素ガスが供給され、前記酸素極には加湿された酸素ガスが供給されるよう構成されており、
前記燃料反応層は、前記燃料拡散層と前記電解質層との間に設けられており、
前記燃料拡散層は、前記電解質層側の面に設けられ、撥水性の材料を含有する燃料極内側撥水性材料含有層と、前記燃料極内側撥水性材料含有層と反対側の面に設けられ、撥水性の材料を含有する燃料極外側撥水性材料含有層とを有し、
前記酸素反応層は、前記酸素拡散層と前記電解質層との間に設けられており、
前記酸素拡散層は、前記電解質層側の面に設けられ、撥水性の材料を含有する酸素極内側撥水性材料含有層と、前記酸素極内側撥水性材料含有層と反対側の面に設けられ、撥水性の材料を含有する酸素極外側撥水性材料含有層とを有し、
前記燃料極内側撥水性材料含有層の撥水性が前記酸素極内側撥水性材料含有層の撥水性よりも高いことを特徴とする燃料電池。
【０００８】
（２） 前記燃料極内側撥水性材料含有層の撥水性材料含有量が、前記酸素極内側撥水性材料含有層の撥水性材料含有量よりも大きい上記（１）に記載の燃料電池。
【０００９】
（３） 前記燃料極内側撥水性材料含有層の撥水性材料含有量は、前記酸素極内側撥水性材料含有層の撥水性材料含有量よりも、５ｗｔ％以上大きい上記（２）に記載の燃料電池。
【００１０】
（４） 前記燃料極内側撥水性材料含有層の撥水性材料含有量は、２０〜８０ｗｔ％である上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の燃料電池。
【００１１】
（５） 前記酸素極内側撥水性材料含有層の撥水性材料含有量は、１５〜６５ｗｔ％である上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の燃料電池。
【００１２】
（６） 前記燃料極内側撥水性材料含有層および前記酸素極内側撥水性材料含有層は、いずれも導電性材料を含有し、前記燃料極内側撥水性材料含有層の導電性材料は、前記酸素極内側撥水性材料含有層の導電性材料よりも撥水性が高い上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の燃料電池。
【００１３】
（７） 前記燃料極内側撥水性材料含有層および前記酸素極内側撥水性材料含有層は、それぞれ、粒子状の導電性材料に前記撥水性の材料を担持させたもので構成されている上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の燃料電池。
【００１６】
（８）  前記燃料拡散層表面の水との接触角は、前記酸素拡散層表面の水との接触角よりも、５°以上大きい上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の燃料電池。
【００１７】
（９）  前記燃料拡散層表面の水との接触角は、１００〜１６０°である上記（１）ないし（８）のいずれかに記載の燃料電池。
【００１８】
（１０）  前記酸素拡散層表面の水との接触角は、９０〜１５０°である上記（１）ないし（９）のいずれかに記載の燃料電池。
【００２０】
（１１）  上記（１）ないし（１０）のいずれかに記載の燃料電池を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【００２１】
（１２）  上記（１）ないし（１０）のいずれかに記載の燃料電池を収納した電池本体と、前記燃料電池の燃料極に水素ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料電池の酸素極に酸素ガスを含有する気体を供給する酸素供給手段と、前記酸素極に水を供給する水供給手段とを有することを特徴とする燃料電池装置。
【００２３】
【発明の実施の形態】
燃料電池の電池出力を向上させる上で、重要となるのは、燃料電池内の水のバランスである。前述したように、燃料電池では、燃料極で燃料を酸化し、酸素極で酸素を還元することにより、電気を発生させる。このとき、酸素極では、水が発生する。また、燃料極では、水素イオンが発生する。この水素イオンは、水分子を引きつれて酸素極に移動する。このため、発電中の燃料電池では、酸素極では水が増大し、水素極では水が減少する傾向にある。そして、酸素極で水が過多になると、酸素極内に酸素が入りにくくなり、酸素極への酸素の供給が不十分となる。また、燃料極で水が過少になると、水素イオンの発生効率が低下する。このため、燃料電池の電池出力が低下する。
【００２４】
本発明者は、燃料電池のこのような電池出力低下のメカニズムに着目した。そして、本発明者は、燃料電池内の水のバランスを上手く保ち、酸素極内でも燃料極内でも水の量を適切に保てれば、燃料電池の電池出力の低下を防止し、電池出力の向上を図れると考え、本発明を完成するに至った。
以下、本発明を添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
［１］燃料電池の概要
図１は、本発明の燃料電池の実施形態を示す模式的な縦断面図である。
【００２６】
同図に示すように、本発明の燃料電池１は、燃料反応層４１と燃料拡散層４２とを備える燃料極４と、酸素反応層５１と酸素拡散層５２とを備える酸素極５と、かかる燃料極４と酸素極５との間に設けられ、燃料反応層４１と酸素反応層５１とに接する電解質層３と、燃料極４に接する燃料極側電池枠７と、酸素極５に接する酸素極側電池枠８とを有している。また、燃料拡散層４２は、燃料拡散層核部４２１と燃料極外側撥水性材料含有層４２２と燃料極内側撥水性材料含有層４２３とを有している。さらには、酸素拡散層５２は、酸素拡散層核部５２１と酸素極外側撥水性材料含有層５２２と酸素極内側撥水性材料含有層５２３とを有している。
【００２７】
この燃料電池１では、電解質層３と、この電解質層３の一方の面に接合された燃料反応層４１と、電解質層３の他方の面に接合された酸素反応層５１とで、化学反応を起こして電気を発生させる部分である反応部２１が構成されている。また、燃料電池１では、燃料極４と、酸素極５と、かかる燃料極４と酸素極５との間に設けられた電解質層３とで、積層体２９が構成されている。
なお、本明細書では、説明の便宜上、燃料電池１において、電解質層３に相対的に近い位置を「内側」、電解質層３から相対的に遠い位置を「外側」という。
【００２８】
図１に示す燃料電池１は、水素を燃料とする燃料電池であり、燃料極４に水素を供給して水素を酸化し、酸素極５に空気を供給してかかる空気中の酸素を還元することにより、電気を発生させることができる。
【００２９】
本発明の燃料電池１では、燃料拡散層４２の撥水性を、酸素拡散層５２の撥水性よりも高くした。より具体的には、本実施形態の燃料電池１では、燃料極内側撥水性材料含有層４２３および燃料極外側撥水性材料含有層４２２の撥水性を酸素極内側撥水性材料含有層５２３および酸素極外側撥水性材料含有層５２２の撥水性よりも高くすることにより、燃料拡散層４２の撥水性を、酸素拡散層５２の撥水性よりも高くした。
【００３０】
これにより、燃料電池１では、燃料電池１内の水のバランスを、発電に適した状態に保つことができるようになる。しかも、本発明の燃料電池１のように、燃料拡散層４２および酸素拡散層５２の撥水性を調節すると、燃料反応層４１および酸素反応層５１の電気抵抗を増大させずに、燃料電池１内の水のバランスを、発電に適した状態に保つことができるようになる。
以下、燃料電池１を、各構成要素ごとに詳細に説明する。
【００３１】
［２］燃料極４
燃料極（負極；アノード）４は、外側から順に、燃料極外側撥水性材料含有層４２２と燃料拡散層核部４２１と燃料極内側撥水性材料含有層４２３とを有する燃料拡散層４２と、かかる燃料拡散層４２に接合された燃料反応層４１とで構成されている。
【００３２】
［２．１］燃料拡散層４２
燃料拡散層４２は、燃料極４に供給された水素を拡散させ、燃料反応層４１に供給される水素の供給ムラを低減する機能を有している。また、燃料拡散層４２は、燃料反応層４１で発生した電気の通り道ともなっている。さらには、この燃料拡散層４２は、後述する酸素拡散層５２とともに、燃料電池１内の水のバランスを発電に適した状態に保つ役割を担っている。
【００３３】
かかる観点から、本実施形態の燃料電池１では、燃料拡散層４２の両面に、撥水性の材料を含有する層を設けた。これにより、前述した効果がより効果的に得られるようになる。なお、本明細書では、説明の便宜上、撥水性の材料を含有する層を、通常、「撥水性材料含有層」という。
以下、燃料拡散層４２を、より具体的に説明する。
【００３４】
図１に示すように、燃料拡散層４２は、燃料拡散層４２の主要部をなす燃料拡散層核部（核層）４２１の両面に、撥水性材料含有層を、それぞれ設けた構成となっている。本明細書では、説明の便宜上、通常、燃料拡散層４２の外側に設けられた撥水性材料含有層を「燃料極外側撥水性材料含有層４２２」と、燃料拡散層４２の内側に設けられた撥水性材料含有層を「燃料極内側撥水性材料含有層４２３」という。
【００３５】
換言すれば、燃料拡散層４２は、燃料拡散層核部４２１の外側の面に燃料極外側撥水性材料含有層４２２が、燃料拡散層核部４２１の内側の面に燃料極内側撥水性材料含有層４２３が、それぞれ設けられた構成となっている。
【００３６】
［２．１．１］燃料拡散層核部４２１
燃料拡散層核部４２１は、燃料拡散層４２の主要部分をなしている。この燃料拡散層核部４２１内で、燃料極４に供給された水素は、好適に拡散される。また、燃料拡散層核部４２１は、燃料反応層４１で発生した電気の通り道ともなっている。さらには、燃料拡散層核部４２１は、燃料電池１の強度を向上させる機能を有している。
【００３７】
この燃料拡散層核部４２１は、例えば、炭素繊維織物（例えばカーボンクロス、カーボンフェルトなど）、カーボンペーパー等の多孔質炭素材料などに代表される多孔質性の導電性材料などで構成されている。これにより、燃料拡散層核部４２１は、前述した機能を好適に発揮できるようになる。
【００３８】
その中でも特に、燃料拡散層核部４２１は、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの炭素繊維織物で構成することが好ましい。炭素繊維織物は、水素の拡散性に優れている。また、炭素繊維織物は、燃料電池１の強度向上という点でも優れている。
【００３９】
この燃料拡散層核部４２１の厚さは、特に限定されないが、５０〜２０００μｍ程度とすることが好ましく、１００〜８００μｍ程度とすることがより好ましい。燃料拡散層核部４２１が薄すぎると、燃料電池１の強度が低下する場合がある。また、燃料拡散層核部４２１が薄すぎると、燃料拡散層核部４２１は、水素ガスを効率よく拡散させられなくなる場合がある。一方、燃料拡散層核部４２１が厚すぎると、燃料反応層４１への水素ガスの供給効率が低下する場合がある。
【００４０】
［２．１．２］燃料極内側撥水性材料含有層４２３
燃料極内側撥水性材料含有層４２３は、燃料極外側撥水性材料含有層４２２とともに、燃料拡散層４２の撥水性を調整する上で重要な役割を担っている。また、燃料極内側撥水性材料含有層４２３は、水素ガスおよび電気の通り道となっている。
【００４１】
このような観点から、本実施形態の燃料電池１の燃料極内側撥水性材料含有層４２３は、撥水性を有する材料（本明細書では、通常、単に「撥水性材料」という）と導電性材料とを含有している。燃料極内側撥水性材料含有層４２３が撥水性材料を含有することにより、後述する効果が好適に得られるように、燃料極内側撥水性材料含有層４２３および燃料拡散層４２の撥水性を調整することが容易となる。また、燃料極内側撥水性材料含有層４２３が導電性材料（例えば炭素粉末等の炭素材料など）を含有することにより、燃料拡散層４２は、優れた導電性が得られる。
【００４２】
このような燃料極内側撥水性材料含有層４２３は、粒子状の導電性材料（例えば炭素粉末など）に撥水性材料を担持させた構成とすることが好ましい。これにより、水素ガスが燃料極内側撥水性材料含有層４２３を好適に透過できるようになる。導電性材料が粒子状の場合、その平均粒径は、特に限定されないが、０．０１〜０．１μｍ程度とすることが好ましい。
【００４３】
燃料極内側撥水性材料含有層４２３に含有させる撥水性材料としては、例えば、フッ素樹脂（例えばポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体など）、フッ化炭素等のフッ素材料、シリコーン樹脂、ポリエチレン、ポリスチレンなどが挙げられる。
【００４４】
その中でも特に、燃料極内側撥水性材料含有層４２３に用いる撥水性材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等のフッ素樹脂が好ましい。これにより、燃料極内側撥水性材料含有層４２３は、比較的低い撥水性材料の含有量で比較的高い撥水性が得られるようになる。このため、燃料極内側撥水性材料含有層４２３に導電性材料を比較的多く含有させることができるようになり、燃料拡散層４２の導電性を向上させやすくなる。特に、燃料極内側撥水性材料含有層４２３に用いる撥水性材料にポリテトラフルオロエチレンを用いると、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の水素ガス透過性が向上する。
【００４５】
このような燃料極内側撥水性材料含有層４２３の厚さは、特に限定されないが、２〜１００μｍ程度とすることが好ましく、５〜５０μｍ程度とすることがより好ましい。これにより、燃料極内側撥水性材料含有層４２３は、前述した機能、効果を、より好適に発揮できるようになる。
【００４６】
［２．１．３］燃料極外側撥水性材料含有層４２２
前述したように、燃料極外側撥水性材料含有層４２２は、燃料極内側撥水性材料含有層４２３とともに、燃料拡散層４２の撥水性を調整する上で重要な役割を担っている。また、燃料極外側撥水性材料含有層４２２は、水素ガスおよび電気の通り道となっている。
【００４７】
この燃料極外側撥水性材料含有層４２２に用いられる材料、厚さ等、燃料極外側撥水性材料含有層４２２の好ましい条件については、燃料極内側撥水性材料含有層４２３で述べたことと同様のことが言えるので、説明を省略する。
【００４８】
本実施形態の燃料電池１では、以上述べた燃料極外側撥水性材料含有層４２２、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の撥水性が、後述する酸素拡散層５２の撥水性材料含有層よりも高い。これに関する事項については、酸素極５を説明した後、詳しく述べる。
【００４９】
［２．２］燃料反応層４１
燃料反応層４１は、水素の酸化を促進する触媒を含有しており、燃料である水素を酸化することができる。
【００５０】
この燃料反応層４１は、水素の酸化を促進する触媒と、必要に応じて、触媒を担持する担体と、イオン交換樹脂とを含有している。
【００５１】
この触媒には、例えば、白金族金属（白金（Pt）、ルテニウム（Ru）、ロジウム（Rh）、パラジウム（Pd）、オスミウム（Os）、イリジウム（Ir）など）、金（Au）などの遷移金属、これらの金属の合金、これらの金属と他の金属との合金などが用いられる。
【００５２】
その中でも特に、燃料反応層４１の触媒には、白金または白金合金を用いることが好ましい。白金および白金合金は、水素の酸化促進作用に優れている。したがって、燃料極４の触媒に白金または白金合金を用いると、燃料電池１は、燃料極４で水素を効率よく酸化できるようになり、電池出力が向上する。
【００５３】
このような触媒は、粒子（微粒子）状とすることが好ましい。これにより、触媒の比表面積が増大し、水素の酸化効率が向上する。
この場合、触媒粒子の平均粒径は、特に限定されないが、１〜１０００nm程度とすることが好ましい。また、触媒粒子の比表面積は、５〜３００m2/g程度とすることが好ましい。これにより、水素の酸化効率がより向上する。
【００５４】
触媒を粒子状とする場合には、かかる触媒は、担体に担持するとよい。これにより、燃料反応層４１は、触媒を好適に保持できるようになる。
このような触媒の担体には、例えば、炭素粉末等の炭素材料などを用いることができる。炭素材料は、担体の担持力に優れている。また、触媒を炭素材料に担持させると、燃料反応層４１の導電性が向上し、燃料電池１の内部抵抗が低下する。このため、燃料電池１の電池出力が向上する。
触媒の担体に炭素粉末等の粒子状の担体を用いる場合、その平均粒径は、特に限定されないが、０．０１〜１μｍ程度とすることが好ましい。これにより、担体は、触媒が優れた触媒活性を発揮できるように、触媒を担持できる。
【００５５】
燃料反応層４１は、イオン交換樹脂を含有することが好ましい。これにより、燃料反応層４１で生じた水素イオンは、電解質層３内に円滑に移動できるようになる。このため、燃料電池１は、電気をより効率よく発生させることができるようになる。
このようなイオン交換樹脂には、後述する電解質層３の説明で挙げるものと同様のものを用いることができる。
【００５６】
このような燃料反応層４１は、触媒の種類、副材（担体、イオン交換樹脂）の有無、種類等によっても若干異なるが、触媒を、１〜８０wt％程度含有することが好ましく、１０〜５０wt％程度含有することがより好ましい。触媒含有量が少なすぎると、燃料反応層４１は水素を十分に酸化できず、電池出力が低下する場合がある。
【００５７】
また、燃料反応層４１に触媒を担持する担体を含有させる場合、燃料反応層４１は、触媒の種類、含有量等によっても若干異なるが、担体を、５〜６０wt％程度含有することが好ましく、１０〜４０wt％程度含有することがより好ましい。これにより、担体は、触媒をより好適に担持できるようになる。しかも、燃料反応層４１の導電性が向上する場合が多い。
【００５８】
また、燃料反応層４１にイオン交換樹脂を含有させる場合、燃料反応層４１は、触媒の種類、含有量等によっても若干異なるが、イオン交換樹脂を、５〜６０wt％程度含有することが好ましく、１０〜４０wt％程度含有することがより好ましい。これにより、水素イオンが電解質層３内に、より円滑に移動できるようになる。
【００５９】
このような燃料反応層４１の厚さは、燃料反応層４１を構成する材料によっても若干異なるが、１〜１００μｍ程度とすることが好ましく、１〜５０μｍ程度とすることがより好ましい。燃料反応層４１を厚くしすぎると、水素、水素イオン等が燃料反応層４１内を移動しにくくなる場合がある。
【００６０】
［３］電解質層３
電解質層３は、電解質を有しており、水素イオンの移動媒体としての機能を有している。
【００６１】
この電解質層３は、例えば、ナフィオン（登録商標）等のイオン交換樹脂（固体電解質）、硫酸等の電解質溶液を保水性材料（例えば織布、不織布、紙など）に担持（含浸）させたものなどで構成することができる。
本発明の燃料電池１では、電解質層３をイオン交換樹脂で構成すると、燃料電池の電池出力が特に向上する。
【００６２】
この電解質層３の厚さは、特に限定されないが、１〜１０００μｍ程度とすることが好ましく、１０〜１００μｍ程度とすることがより好ましい。電解質層３を厚くしすぎると、電解質層３内を水素イオンが移動しにくくなり、電池出力の低下を引き起こす場合がある。一方、電解質層３を薄くしすぎると、酸素極への水素の透過が著しくなり、出力電圧の低下を引き起こす場合がある。また、積層体２９の機械的強度が相対的に低下し、燃料電池１を車等に搭載した場合、震動条件によっては、電解質層３が断裂する可能性もある。
【００６３】
［４］酸素極５
酸素極（正極；カソード）５は、外側から順に、酸素極外側撥水性材料含有層５２２と酸素拡散層核部５２１と酸素極内側撥水性材料含有層５２３とを有する酸素拡散層５２と、かかる酸素拡散層５２に接合された酸素反応層５１とで構成されている。
【００６４】
［４．１］酸素拡散層５２
酸素拡散層５２は、酸素極５に供給された酸素を拡散させ、酸素反応層５１に供給される酸素の供給ムラを低減する機能を有している。また、酸素拡散層５２は、酸素反応層５１への電気の通り道ともなっている。さらには、この酸素拡散層５２は、燃料拡散層４２とともに、燃料電池１内の水のバランスを発電に適した状態に保つ役割を担っている。
【００６５】
かかる観点から、本実施形態の燃料電池１では、酸素拡散層５２の両面に、撥水性材料含有層を設けた。これにより、前述した効果がより効果的に得られるようになる。
以下、酸素拡散層５２を、より具体的に説明する。
【００６６】
図１に示すように、酸素拡散層５２は、酸素拡散層５２の主要部をなす酸素拡散層核部（核層）５２１の両面に、撥水性材料含有層を、それぞれ設けた構成となっている。本明細書では、説明の便宜上、通常、酸素拡散層５２の外側に設けられた撥水性材料含有層を「酸素極外側撥水性材料含有層５２２」と、酸素拡散層５２の内側に設けられた撥水性材料含有層を「酸素極内側撥水性材料含有層５２３」という。
【００６７】
換言すれば、酸素拡散層５２は、酸素拡散層核部５２１の外側の面に酸素極外側撥水性材料含有層５２２が、酸素拡散層核部５２１の内側の面に酸素極内側撥水性材料含有層５２３が、それぞれ設けられた構成となっている。
【００６８】
［４．１．１］酸素拡散層核部５２１
酸素拡散層核部５２１は、酸素拡散層５２の主要部分をなしている。この酸素拡散層核部５２１内で、酸素極５に供給された酸素は、好適に拡散される。また、酸素拡散層核部５２１は、酸素反応層５１への電気の通り道ともなっている。さらには、酸素拡散層核部５２１は、燃料電池１の強度を向上させる機能を有している。
【００６９】
この酸素拡散層核部５２１に用いられる材料、厚さ等、酸素拡散層核部５２１の好ましい条件については、燃料拡散層核部４２１で述べたことと同様のことが言えるので、説明を省略する。
【００７０】
［４．１．２］酸素極内側撥水性材料含有層５２３
酸素極内側撥水性材料含有層５２３は、酸素極外側撥水性材料含有層５２２とともに、酸素拡散層５２の撥水性を調整する上で重要な役割を担っている。また、酸素極内側撥水性材料含有層５２３は、酸素ガスおよび電気の通り道となっている。
【００７１】
この酸素極内側撥水性材料含有層５２３に用いられる材料、厚さ等、後述する事項以外の好ましい条件については、燃料極内側撥水性材料含有層４２３で述べたことと同様のことが言えるので、説明を省略する。
【００７２】
［４．１．３］酸素極外側撥水性材料含有層５２２
前述したように、酸素極外側撥水性材料含有層５２２は、酸素極内側撥水性材料含有層５２３とともに、酸素拡散層５２の撥水性を調整する上で重要な役割を担っている。また、酸素極外側撥水性材料含有層５２２は、酸素ガスおよび電気の通り道となっている。
【００７３】
この酸素極外側撥水性材料含有層５２２に用いられる材料、厚さ等、酸素極外側撥水性材料含有層５２２の好ましい条件については、酸素極内側撥水性材料含有層５２３で述べたことと同様のことが言えるので、説明を省略する。
【００７４】
前述したように、本実施形態の燃料電池１では、酸素極外側撥水性材料含有層５２２、酸素極内側撥水性材料含有層５２３の撥水性よりも、燃料極外側撥水性材料含有層４２２、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の撥水性の方が、高い。これに関する事項については、酸素反応層５１を説明した後、詳しく述べる。
【００７５】
［４．２］酸素反応層５１
酸素反応層５１は、酸素の還元を促進する触媒を含有しており、酸素を還元することができる。
【００７６】
この酸素反応層５１は、酸素の還元を促進する触媒と、必要に応じて、触媒を担持する担体と、イオン交換樹脂とを含有している。
【００７７】
この触媒には、例えば、白金族金属（白金（Pt）、ルテニウム（Ru）、ロジウム（Rh）、パラジウム（Pd）、オスミウム（Os）、イリジウム（Ir）など）、金（Au）などの遷移金属、これらの金属の合金、これらの金属と他の金属との合金などが用いられる。
【００７８】
その中でも特に、酸素反応層５１の触媒には、白金または白金合金を用いることが好ましい。白金および白金合金は、酸素の還元促進作用に優れている。したがって、酸素極５の触媒に白金または白金合金を用いると、燃料電池１は、酸素極５で酸素を効率よく還元できるようになり、電池出力が向上する。
【００７９】
このような触媒は、粒子（微粒子）状とすることが好ましい。これにより、触媒の比表面積が増大し、酸素の還元効率がより向上する。この場合の酸素反応層５１の触媒の好ましい条件（平均粒径、比表面積等）については、燃料反応層４１の説明で述べたのと同様のことが言える。
【００８０】
触媒を粒子状とする場合には、かかる触媒は、担体に担持するとよい。これにより、酸素反応層５１は、触媒を好適に保持できるようになる。この担体については、燃料反応層４１の説明で述べたことと同様のことが言える。
【００８１】
また、酸素反応層５１は、イオン交換樹脂を含有することが好ましい。これにより、電解質層３から移動してきた水素イオンが、酸素反応層５１内に円滑に移動できるようになる。このため、燃料電池１は、電気をより効率よく発生させることができるようになる。このイオン交換樹脂については、燃料反応層４１の説明で述べたことと同様のことが言える。
【００８２】
酸素反応層５１が含有する触媒、担体、イオン交換樹脂の含有量、酸素反応層５１の厚さ等、酸素反応層５１の好ましい条件については、燃料反応層４１で述べたことと同様のことが言えるので、説明を省略する。
【００８３】
［４．３］燃料拡散層４２の撥水性と酸素拡散層５２の撥水性の相違
［４．３．１］
燃料電池１は、燃料反応層４１で水素を酸化し、酸素反応層５１で酸素を還元することにより、電気を発生させる。このとき、酸素反応層５１では、水が発生する。また、燃料反応層４１では、水素イオンが発生する。この水素イオンは、水分子を引きつれて、電解質層３を通り、酸素反応層５１内に移動する。
【００８４】
このため、燃料電池１は、作動中、燃料反応層４１では水が減少し、酸素反応層５１では水が増大する傾向にある。ところが、酸素反応層５１で水が過多になると、酸素は、酸素拡散層５２から酸素反応層５１内に移動しにくくなる。すなわち、酸素反応層５１で水が過多になると、酸素反応層５１に酸素が供給されにくくなる。また、燃料反応層４１で水が過少になると、水素イオンの発生効率が低下する。
【００８５】
したがって、効率よく電気を発生させるためには、燃料電池１では、酸素反応層５１中の水の量が過度に増大するのを防止し、燃料反応層４１中の水の量が過度に減少するのを防止する必要がある。
【００８６】
そこで、本発明の燃料電池１では、燃料拡散層４２の撥水性を、酸素拡散層５２の撥水性よりも高くした。
【００８７】
燃料拡散層４２の撥水性を酸素拡散層５２の撥水性よりも高くすると、すなわち、酸素拡散層５２の撥水性を燃料拡散層４２の撥水性よりも低くすると、酸素反応層５１中の水は、酸素拡散層５２を通って、酸素極５の外に効率よく排出されるようになる。また、燃料反応層４１中の水は、燃料拡散層４２内に進入しにくく、さらには、燃料拡散層４２内を通り抜けにくくなる。このため、燃料反応層４１内では、水が留まりやすくなる。
【００８８】
したがって、本発明の燃料電池１では、酸素反応層５１中の水の量が過度に増大することが防止され、しかも、燃料反応層４１中の水の量が過度に減少することが防止されるようになる。このため、本発明の燃料電池１では、燃料反応層４１および酸素反応層５１で反応が効率よく進むようになり、電池出力が向上する。
【００８９】
しかも、燃料拡散層４２および酸素拡散層５２の撥水性を調整すると、燃料反応層４１および酸素反応層５１の撥水性をあまり調整しなくても、燃料電池１内の水のバランスを好適に保つことができるようになる。
【００９０】
通常、燃料反応層および酸素反応層は、イオン交換樹脂を含有していることが多い。したがって、燃料反応層および酸素反応層の撥水性を調整しようとして、例えば、これらの層に撥水性材料を含有させると、燃料反応層および酸素反応層の導電性はさらに低下してしまう。このため、燃料電池の内部抵抗が増大し、高い電池出力を得にくくなる。
【００９１】
これに対して、燃料拡散層および酸素拡散層には、通常、燃料反応層および酸素反応層に配合するような導電性を低下させる物質を、含有させる必要がない。したがって、例えば、燃料拡散層および酸素拡散層の撥水性を調整すべく、燃料拡散層および酸素拡散層に撥水性材料を含有させても、燃料拡散層および酸素拡散層の電気抵抗が大幅に増大することが、防止される。
【００９２】
つまり、本発明の燃料電池１のように、燃料拡散層４２の撥水性を酸素拡散層５２の撥水性よりも高くすると、燃料電池１の内部抵抗を大幅に増大させずに、燃料電池１内の水のバランスを、発電に適した状態に保つことができるようになる。なお、このような説明は、本発明において燃料反応層４１と酸素反応層５１との撥水性に差を設けることを、排除するものではない。
【００９３】
［４．３．２］燃料拡散層４２の撥水性材料含有層と酸素拡散層５２の撥水性材料含有層との相違
この項では、話が煩雑になるのを防止し、説明を分かりやすくするため、燃料極外側撥水性材料含有層４２２を燃料極内側撥水性材料含有層４２３に含めて、また、酸素極外側撥水性材料含有層５２２を酸素極内側撥水性材料含有層５２３に含めて説明する。
【００９４】
燃料拡散層４２の撥水性と酸素拡散層５２の撥水性の相違は、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の撥水性と、酸素極内側撥水性材料含有層５２３の撥水性に差を持たせることにより、実現するとよい。
【００９５】
これにより、燃料拡散層４２および酸素拡散層５２の撥水性を調整することが容易となる。しかも、電気をより円滑かつ効率よく発生できるように、燃料電池１内部の水のバランスを調整することが、極めて容易となる。加えて、燃料拡散層４２および酸素拡散層５２全体の電気抵抗が増大することも、好適に抑制できるようになる。
【００９６】
例えば、燃料電池１では、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の撥水性材料含有量を、酸素極内側撥水性材料含有層５２３の撥水性材料含有量よりも高くすることにより、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の撥水性を、酸素極内側撥水性材料含有層５２３の撥水性よりも高くできる。
【００９７】
このように撥水性を調整すると、燃料電池１内部の水のバランスがより発電に適したものとなるように、燃料極内側撥水性材料含有層４２３および酸素極内側撥水性材料含有層５２３の撥水性を調整することが、容易となる。
【００９８】
このようにして撥水性を調整する場合、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の撥水性材料含有量を、酸素極内側撥水性材料含有層５２３の撥水性材料含有量よりも、５wt％以上高くすることが好ましく、１０wt％以上高くすることがより好ましく、１２．５wt％以上高くすることがさらに好ましい。これにより、酸素反応層５１中の水の量が過度に増大することがより好適に防止され、また、燃料反応層４１中の水の量が過度に減少することもより好適に防止されるようになる。
【００９９】
このような燃料電池１では、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の撥水性材料含有量は、２０〜８０wt％程度とすることが好ましく、３０〜７０wt％程度とすることがより好ましく、４５〜６５wt％程度とすることがさらに好ましい。これにより、燃料反応層４１は、水素イオンが効率よく発生できるような水の量を、より好適に保持できるようになる。
【０１００】
また、酸素極内側撥水性材料含有層５２３の撥水性材料含有量は、１５〜６５wt％程度とすることが好ましく、２５〜５５wt％程度とすることがより好ましく、３０〜５０wt％程度とすることがさらに好ましい。これにより、酸素反応層５１は、余分な水をより好適に排出することができるようになる。
【０１０１】
このような燃料電池１では、例えば、燃料極内側撥水性材料含有層４２３が含有する導電性材料の撥水性を、酸素極内側撥水性材料含有層５２３が含有する導電性材料の撥水性よりも高くすることにより、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の撥水性を、酸素極内側撥水性材料含有層５２３の撥水性よりも高くすることもできる。
【０１０２】
このように撥水性を調整すると、燃料極内側撥水性材料含有層４２３および酸素極内側撥水性材料含有層５２３の電気抵抗の増大を極めて好適に抑制しつつ、燃料極内側撥水性材料含有層４２３および酸素極内側撥水性材料含有層５２３の撥水性を調整することができるようになる。
【０１０３】
なお、導電性材料の撥水性の高低は、例えば、導電性材料が含有する親水基の量、導電性材料が含有する疎水基の量などを指標とすることができる。
【０１０４】
このような燃料電池１では、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の厚さを酸素極内側撥水性材料含有層５２３の厚さよりも厚くすることが好ましい。これにより、燃料極４では、水が燃料反応層４１内により好適に留まるようになり、酸素極５では、水が好適に酸素反応層５１から排出されるようになる。
【０１０５】
特に、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の厚さを酸素極内側撥水性材料含有層５２３の厚さよりも５μｍ以上厚くすると、このような効果がより効果的に得られるようになる。
なお、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の厚さおよび酸素極内側撥水性材料含有層５２３の厚さは、同じにしてもよい。また、燃料極内側撥水性材料含有層４２３を酸素極内側撥水性材料含有層５２３よりも薄くしてもよい。
【０１０６】
このような燃料電池１では、燃料極内側撥水性材料含有層４２３および酸素極内側撥水性材料含有層５２３が多孔質の場合、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の空孔率を酸素極内側撥水性材料含有層５２３の空孔率よりも低くすることが好ましい。これにより、燃料極４では、水が燃料反応層４１内により好適に留まるようになり、酸素極５では、不要な水が好適に酸素反応層５１から排出されるようになる。
【０１０７】
この場合、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の空孔率を酸素極内側撥水性材料含有層５２３の空孔率よりも５％以上低くすると、このような効果がより効果的に得られるようになる。
なお、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の空孔率と酸素極内側撥水性材料含有層５２３の空孔率は、同じものとしてもよい。また、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の空孔率を酸素極内側撥水性材料含有層５２３の空孔率よりも高くしてもよい。
【０１０８】
燃料極内側撥水性材料含有層４２３が多孔質の場合、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の空孔率は、特に限定されないが、２０〜７０％程度とすることが好ましく、３５〜５５％程度とすることがより好ましい。また、酸素極内側撥水性材料含有層５２３が多孔質の場合、酸素極内側撥水性材料含有層５２３の空孔率は、特に限定されないが、３０〜８０％程度とすることが好ましく、４５〜６５％程度とすることがより好ましい。これにより、前述した効果がより好適に得られるようになる。
【０１０９】
燃料極内側撥水性材料含有層４２３を多孔質にすると、水素が燃料極内側撥水性材料含有層４２３を透過しやすくなるという利点が得られる。また、酸素極内側撥水性材料含有層５２３を多孔質にすると、酸素が酸素極内側撥水性材料含有層５２３を透過しやすくなるという利点が得られる。
なお、燃料極内側撥水性材料含有層４２３および酸素極内側撥水性材料含有層５２３の空孔率は、上記以外の値であってもよいことは言うまでもない。
【０１１０】
このような燃料電池１では、燃料拡散層４２表面の水との接触角は、酸素拡散層５２表面の水との接触角よりも、５°以上大きいことが好ましく、１０°以上大きいことがより好ましい。これにより、燃料電池１は、前述した効果をさらに効果的に得ることができるようになる。
【０１１１】
また、このような燃料電池１では、燃料拡散層４２表面の水との接触角は、１００〜１６０°程度であることが好ましく、１３０〜１５０°程度であることがより好ましい。これにより、燃料拡散層４２は、水をより好適に燃料反応層４１内に押し留めることができるようになる。
【０１１２】
さらには、このような燃料電池１では、酸素拡散層５２表面の水との接触角は、９０〜１５０°程度であることが好ましく、１１０〜１３０°程度であることがより好ましい。これにより、酸素拡散層５２は、水をより好適に排出することができるようになる。
【０１１３】
なお、燃料拡散層４２では、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の撥水性は、燃料極外側撥水性材料含有層４２２の撥水性と、等しいものとすることもできるし、異なるものとすることもできる。また、酸素拡散層５２では、酸素極内側撥水性材料含有層５２３の撥水性は、酸素極外側撥水性材料含有層５２２の撥水性と、等しいものとすることもできるし、異なるものとすることもできる。
燃料極外側撥水性材料含有層４２２の撥水性をＦ２、燃料極内側撥水性材料含有層４２３の撥水性をＦ３、酸素極外側撥水性材料含有層５２２の撥水性をＯ２、燃料極内側撥水性材料含有層５２３の撥水性をＯ３とした場合、これら４層の撥水性の関係は、例えば、次のように調整することができる。Ｆ２＝Ｆ３＞Ｏ３＝Ｏ２、Ｆ２≧Ｆ３＞Ｏ３＞Ｏ２、Ｆ３＞Ｆ２＞Ｏ３≧Ｏ２、Ｆ２≧Ｆ３＞Ｏ２＞Ｏ３、Ｆ３＞Ｆ２＞Ｏ２＞Ｏ３。なお、これら４層の撥水性の関係は、これ以外のものとしてもよい。
【０１１４】
図１に示す燃料電池１のように、燃料拡散層４２が複数の撥水性材料含有層を有している場合、燃料拡散層４２の「撥水性材料含有層の撥水性」は、各撥水性材料含有層の撥水性の平均を指標とすることができる。また、図１に示す燃料電池１のように、酸素拡散層５２が複数の撥水性材料含有層を有している場合、酸素拡散層５２の「撥水性材料含有層の撥水性」は、各撥水性材料含有層の撥水性の平均を指標とすることができる。
なお、燃料拡散層核部４２１の撥水性と酸素拡散層核部５２１の撥水性とに差を設けることにより、燃料拡散層４２の撥水性を酸素拡散層５２の撥水性よりも高くしてもよい。
【０１１５】
［５］電池枠
燃料電池１では、以上述べた積層体２９を挟むように２個の電池枠（セパレータ）が設けられている。具体的には、燃料極４には燃料極側電池枠７が、また、酸素極５には酸素極側電池枠８が、それぞれ当接しており、これらの電池枠が、積層体２９を支持している。
【０１１６】
燃料極側電池枠７は、例えば、板に横断面形状が四角形の溝が複数平行に形成されたような形状をなしている。図１に示す燃料電池１は、かかる溝７２が形成された面が燃料極４側に位置するように、燃料極側電池枠７を設けている。燃料電池１では、かかる溝７２により、水素の流路７１が形成されている。この流路７１を通って、水素が、燃料極４に供給される。
【０１１７】
このような燃料極側電池枠７では、溝７２が形成された面の溝７２が形成されていない部分が、燃料極４（より具体的には燃料極外側撥水性材料含有層４２２）に当接している。また、燃料極側電池枠７は、例えばカーボン含有樹脂等の導体で構成されている。したがって、燃料極側電池枠７は、負極側端子として機能することができる。このため、燃料電池１では、配線１０１を燃料極側電池枠７に接続すれば、配線１０１が燃料極４に導通するようになる。
【０１１８】
酸素極側電池枠８は、燃料極側電池枠７と同様の形状をなしている。燃料電池１では、酸素極側電池枠８に形成された溝８２により、空気の流路８１が形成されている。この流路８１を通って、空気が、酸素極５に供給される。また、酸素極側電池枠８では、溝８２が形成された面の溝８２が形成されていない部分が、酸素極５（より具体的には酸素極外側撥水性材料含有層５２２）に当接している。また、このような酸素極側電池枠８は、例えば燃料極側電池枠７と同様の材料で構成されている。したがって、酸素極側電池枠８は、正極側端子として機能することができる。このため、燃料電池１では、配線１０２を酸素極側電池枠８に接続すれば、配線１０２が酸素極５に導通するようになる。
【０１１９】
図１に示す燃料電池１では、溝７２と溝８２とがほぼ直交するように、燃料極側電池枠７および酸素極側電池枠８が、設置されている。このため、図１に示す燃料電池１では、流路７１と流路８１とは、ほぼ直交するような位置関係にある。これにより、水素および空気を供給する部材の構成を、簡易なものとすることができる。なお、図１では、流路７１は、紙面に対して垂直方向に伸びており、流路８１は、図１中上下方向に伸びている。
なお、溝７２と溝８２とは、直交していなくてもよい。
【０１２０】
このような電池枠を積層体２９に取りつけると、燃料電池１の組み立て、配線、燃料、空気の供給が容易となる。
なお、電池枠は設けなくてもよい。
【０１２１】
［６］燃料電池１の作用
以下、燃料電池１の作用を説明する。なお、以下の説明は、説明を分かりやすくするため、モデル的な説明としている。
【０１２２】
まず、燃料極側電池枠７に配線１０１の一端を、また、酸素極側電池枠８に配線１０２の一端を接続する。さらには、配線１０１および１０２の他端を負荷１０９に接続する。
【０１２３】
次に、流路７１に水素ガスを、流路８１に空気を、それぞれ送る。また、流路８１に液体の水（冷媒）を送る。このとき、図１では、水素ガスは紙面の垂直方向に流れ、空気および水は、図中上下方向に流れる。この場合、水の供給量は、特に限定されないが、０．１〜１．０mg/cm2・sec程度とすることが好ましい。
なお、水素ガスは、加圧して供給することが好ましい。これにより、水素ガスの利用効率が向上する。この場合、水素ガスの供給圧力は、０．５〜１kgf/cm2程度とすることが好ましい。なお、水素ガスは、加圧して供給しなくてもよい。
【０１２４】
流路７１に水素ガスを送ると、燃料極４の表面に、水素が供給される。この水素は、燃料極外側撥水性材料含有層４２２から燃料拡散層４２内に入る。そして、この水素は、燃料拡散層４２内で拡散しつつ、燃料拡散層４２内（燃料極外側撥水性材料含有層４２２、燃料拡散層核部４２１および燃料極内側撥水性材料含有層４２３）を通り、燃料反応層４１内に到達する。
【０１２５】
また、流路８１に空気を送ると、酸素極５の表面に、酸素が供給される。この酸素は、酸素極外側撥水性材料含有層５２２から酸素拡散層５２内に入る。そして、この酸素は、酸素拡散層５２内で拡散しつつ、酸素拡散層５２内（酸素極外側撥水性材料含有層５２２、酸素拡散層核部５２１および酸素極内側撥水性材料含有層５２３）を通り、酸素反応層５１内に到達する。
【０１２６】
なお、流路８１に液体の水を送ると、酸素極５の表面に水は到達するが、かかる水が酸素極５内に進入することは、基本的に、防止される。これは、流路８１を流れる水は、水分子が大きな集合体を形成したものとなっているので（いわゆる大きなクラスターを形成しているので）、撥水性を有する酸素極外側撥水性材料含有層５２２を水が透過することは、極めて困難だからである。
【０１２７】
本発明の燃料電池１では、水が供給される側の電極（酸素極５）の表面に撥水性材料含有層（酸素極外側撥水性材料含有層５２２）が設けられている。このため、燃料電池１では、酸素極５の表面に水が大量に付着しにくい。したがって、本発明の燃料電池１では、酸素極５内に酸素が入りやすい。
【０１２８】
燃料反応層４１内に水素（Ｈ2）が供給されると、燃料反応層４１では、触媒の働きにより、下記の反応が起こる。
Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                        （ｉ）
このとき、燃料反応層４１で生成された電子（ｅ-）は、燃料反応層４１から、燃料拡散層４２、燃料極側電池枠７、配線１０１、負荷１０９、配線１０２、酸素極側電池枠８、および酸素拡散層５２を通り、酸素反応層５１内に移動する。その際に、電子は、負荷１０９で仕事を行う。
また、燃料反応層４１で生成された水素イオン（Ｈ+）は、燃料反応層４１から、電解質層３を通り、酸素反応層５１内に移動する。
【０１２９】
そして、酸素反応層５１では、流路８１から供給された酸素（Ｏ2）と、配線を通ってきた電子と、電解質層３を移動してきた水素イオンとで、下記の反応が、触媒の働きにより起こる。
（１／２）Ｏ2  ＋  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ     （ii）
このとき、生成した水（Ｈ2Ｏ）の多くは、酸素反応層５１内と酸素拡散層５２内の水圧差、毛細管現象などにより、酸素反応層５１から酸素拡散層５２を通り、酸素極５の表面（酸素極外側撥水性材料含有層５２２の表面）に排出される。この場合、酸素拡散層５２を通る水分子は、集合体を形成していない、あるいは、集合体を形成していてもその大きさが小さいので、酸素極内側撥水性材料含有層５２３および酸素極外側撥水性材料含有層５２２を、好適に透過できる。
【０１３０】
話を少し前に戻すが、上記式（ｉ）により燃料反応層４１で生成された水素イオンは、燃料反応層４１から、電解質層３を通り、酸素拡散層５１内に移動する。このとき、水素イオンは、水分子を伴って移動する。このため、燃料反応層４１では、水の量が減る傾向を示す。しかし、燃料反応層４１内の水の量がある程度少なくなると、酸素反応層５１と燃料反応層４１との間の水の濃度差により、酸素反応層５１から燃料反応層４１内に、水が移動するようになる。しかも、本発明の燃料電池１では、燃料反応層４１内の水は、燃料拡散層４２内に拡散しにくい。したがって、燃料反応層４１では、水の量が大幅に減少することが防止される。
【０１３１】
このような作用が働くので、燃料電池１では、酸素反応層５１では水の量が過多になりにくく、燃料反応層４１では水の量が過少になりにくい。このため、燃料電池１は、効率よく電気を発生させることができ、高い電池出力が得られる。
【０１３２】
なお、上記式（ｉ）および（ii）で示す反応が起きることにより、反応部２１、さらには積層体２９は発熱するが、積層体２９は、流路８１に供給される水により、効率よく冷却される。
【０１３３】
以上述べた説明では、水を酸素極５側に供給したが、水は、燃料極４側に供給してもよい。また、燃料電池１に水を供給しなくてもよい。
以上述べた説明では、酸素極５に空気を供給したが、酸素極５には、酸素分子を含有している気体であれば、純酸素ガス等、空気以外の気体を供給してもよい。
【０１３４】
［７］燃料電池１の製造方法
以上述べた燃料電池１の積層体２９は、例えば、電解質層３を用意し、かかる電解質層３の一方の面に燃料極４を積層し、また、他方の面に酸素極５を積層することにより、製造することができる。
【０１３５】
［７．１］燃料極４の作製
以下、燃料極４の製造方法の一例を説明する。
まず、燃料拡散層核部４２１を用意する。
【０１３６】
次に、燃料拡散層核部４２１の両面に、燃料極外側撥水性材料含有層４２２および燃料極内側撥水性材料含有層４２３を、それぞれ形成し、燃料拡散層４２を得る。撥水性材料含有層は、例えば、燃料拡散層核部４２１上に撥水性材料含有層の構成材料を塗布、乾燥し、加熱・加圧することにより、形成することができる。この場合、加熱温度は、特に限定されないが、３３０〜４００℃程度とすることが好ましい。また、加圧圧力は、特に限定されないが、２０〜１００kg/cm2程度とすることが好ましい。
【０１３７】
次に、燃料極内側撥水性材料含有層４２３上に、燃料反応層４１を形成し、燃料極４を得る。燃料反応層４１は、例えば、燃料極内側撥水性材料含有層４２３上に燃料反応層４１の構成材料を塗布、乾燥することにより、形成することができる。
【０１３８】
［７．２］酸素極５の作製
酸素極５は、燃料極４の作製方法と同様の方法で、作製することができる。
【０１３９】
［７．３］積層体２９の製造
積層体２９は、電解質層３の一方の面に、燃料反応層４１が電解質層３に接するように、燃料極４を積層し、また、電解質層３の他方の面に、酸素反応層５１が電解質層３に接するように、酸素極５を積層することにより、製造することができる。
【０１４０】
例えば、各層が以上述べた配置となるように、燃料極４、電解質層３、および酸素極５を重ね、この重ねた物を加熱・加圧することにより、燃料極４と電解質層３と酸素極５とを積層することができる。
この場合、加熱温度は、特に限定されないが、１２０〜１８０℃程度とすることが好ましい。また、加圧圧力は、特に限定されないが、２０〜１００kg/cm2程度とすることが好ましい。
【０１４１】
［７．４］
その後、燃料極４および酸素極５（積層体２９）を燃料極側電池枠７および酸素極側電池枠８で挟持することにより、図１に示すような燃料電池１が得られる。
【０１４２】
以上、本発明の燃料電池を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
例えば、燃料拡散層では、燃料拡散層の片面だけに撥水性材料含有層を設けてもよい。また、例えば、酸素拡散層では、酸素拡散層の片面だけに撥水性材料含有層を設けてもよい。さらには、例えば、撥水性材料含有層は、設けなくてもよい。
上記実施形態では、燃料に水素を用いたが、燃料には、例えば、メタノール、ヒドラジンなどを用いてもよい。
【０１４３】
［８］燃料電池装置
以下、燃料電池１を用いた燃料電池装置について説明する。
図２は、本発明の燃料電池装置の実施形態を示す回路図である。
同図に示す燃料電池装置９は、前述した燃料電池１を備えている。燃料電池装置９は、かかる燃料電池１に燃料および酸素を供給して、発電を行うことができる。以下、燃料電池装置９を具体的に説明する。
【０１４４】
図２に示すように、燃料電池装置９は、燃料電池１を収納した電池本体９１と、燃料電池１の燃料極４に水素（燃料）を供給する燃料供給手段９２と、燃料電池１の酸素極５に空気（酸素ガスを含有する気体）を供給する酸素供給手段９３と、酸素極５に水を供給する水供給手段９４と、酸素極５に供給する空気と水とを混合する気液混合手段（気液供給手段）９５と、燃料電池１に供給した水を再生する再生手段９６と、燃料極４に供給した水素を排気する燃料排気手段９７と、燃料電池１の電池出力を検知、表示する出力計９８とを有している。
電池本体９１は、燃料電池１を、１個または複数個収納している。
【０１４５】
燃料供給手段（燃料供給ライン）９２は、水素を貯留する燃料源９２１と、一端が燃料電池１の流路７１に接続され、他端が燃料源９２１に接続された配管９２２と、配管９２２上に設置されたバルブ９２３とを有している。燃料源９２１は、例えばボンベよりなる。
【０１４６】
酸素供給手段（酸素供給ライン）９３は、一端が気液混合手段９５に接続され、他端が空気中に開放したた配管９３１を有している。
【０１４７】
水供給手段（水供給ライン）９４は、水を貯留するタンク９４１と、一端が気液混合手段９５に接続され、他端がタンク９４１に接続された配管９４２と、配管９４２上に設置されたポンプ９４３と、ポンプ９４３の下流側の配管９４２上に設置された水圧センサー９４４と、配管９４２から分岐し、一端がポンプ９４３の下流側に接続され、他端がポンプ９４３の上流側に接続されたバイパスライン９４５と、バイパスライン９４５上に設置されたバルブ９４６と、タンク９４１に接続、設置された水位検知手段９４７とを有している。水位検知手段９４７は、タンク９４１内に貯留された水の水位を検知し、監視する機能を有しており、タンク９４１内に貯留された水の水位を検知する水位センサー９４８と、水位センサー９４８に接続されたアラーム９４９とを有している。
【０１４８】
気液混合手段９５は、配管９４２の一端が接続されたノズル９５１と、燃料電池１の流路８１に連通する空間（気液供給室）９５２とを有している。なお、酸素供給手段９３の配管９３１は、空間９５２に連通している。
【０１４９】
再生手段（再生ライン）９６は、流路８１を通過した水を集めるマニホールド（下部マニホールド）９６６と、流路８１を通過した水と空気とを分離する再生器（空気中の水分を凝縮させる凝縮器）９６２と、一端がマニホールド９６６に接続され、他端が再生器９６２に接続された配管９６１と、一端が再生器９６２に接続され、他端が空気中に開放した排気ライン９６３と、排気ライン９６３上に設置されたバルブ９６４と、一端が再生器９６２に接続され、他端がタンク９４１に接続された配管９６５とを有している。
【０１５０】
燃料排気手段（燃料排気ライン）９７は、一端が流路７１に接続され、他端が空間９５２に連通した配管９７１と、配管９７１上に設置されたバルブ９７２とを有している。
【０１５１】
燃料電池装置９のこのような構成は、前述した燃料電池１を作動させるのに、最適である。
【０１５２】
なお、燃料供給手段の燃料源は、例えば、水素吸蔵合金等を備えるボンベで構成することもできる。この場合、燃料電池装置の構成を、燃料供給手段の燃料源と再生手段の再生器とを一体とした構成にするとよい。これにより、流路８１から排出された空気（水を含有する空気）で燃料源の水素吸蔵合金を加温できるようになる。そして、燃料源に水素吸蔵合金を備える燃料電池装置において流路８１から排出された空気で燃料源の水素吸蔵合金を加温できるようにすると、水素が、水素吸蔵合金から燃料電池１に、より円滑に供給されるようになる。しかもこれにより、流路８１から排出された空気が冷却され、流路８１を通過した水と空気とを、より効率よく分離できるようになる。
なお、燃料供給手段は、例えば、燃料源にメタノールを貯留し、かかるメタノールを分解して水素を発生させ、かかる水素を燃料極に供給するような構成にしてもよい。
【０１５３】
［９］燃料電池装置９の作用
以下、燃料電池装置９の作用を説明する。
【０１５４】
まず、ポンプ９４３を作動させる。また、バルブ９２３を所定の開度で開く。さらには、バルブ９６４を所定の開度で開く。
【０１５５】
バルブ９２３を所定の角度で開くと、燃料源９２１から水素が、配管９２２を通って、流路７１に供給される。
【０１５６】
ポンプ９４３を作動させると、タンク９４１内の水が配管９４２を通って、ノズル９５１に供給される。このとき、水の供給圧力が水圧センサー９４４で検知される。水の供給圧力が高い場合は、操作者は、ポンプ９４３のパワーをダウンさせて、水の供給圧力を調整することができる。また、操作者は、バルブ９４６を所定の開度で開き、バイパスライン９４５と配管９５１との間で水を一部循環させることにより、水の供給圧力を調整することもできる。
【０１５７】
ノズル９５１に供給された水は、ノズル９５１から空間９５２内に噴霧され、霧状（粒子状）となる。
配管９３１からは、空間９５２内に、空気が供給される。
【０１５８】
そして、空間９５２内で、ノズル９５１から噴霧された水と、配管９３１から供給された空気とが、混合される。これら混合された水および空気は、流路８１に供給される。
【０１５９】
そして、電池本体９１内では、燃料電池１が、燃料供給手段９２により供給された水素と、酸素供給手段９３により供給された空気とから、電気を発生させる。
このときの電池出力の状態は、出力計９８に表示される。
燃料電池１は、水供給手段９４から供給された水により、効率よく冷却される。
【０１６０】
燃料電池１（流路８１）を通過した水および空気は、マニホールド９６６で集められる。
かかる水および空気は、配管９６１を通り、再生器９６２内に流入する。
再生器９６２内では、水と空気が分離される。
【０１６１】
また、再生器９６２内では、燃料電池１から排出された空気に含まれる水素が、除去される。
そして、水素が除去された空気は、排気ライン９６３から排出される。
【０１６２】
再生器９６２内の水は、配管９６５を通り、タンク９４１内に、再流入する。これにより、燃料電池１に供給した水は再利用されることとなり、水の有効利用が図られる。しかも、燃料電池装置９をこのような構成にすると、発電により酸素反応層５１で生成され、酸素極５から排出された水も、冷却水として、有効利用できる。
【０１６３】
このような燃料電池装置９では、タンク９４１内に貯留された水の水位は、水位センサー９４８により、検知されている。そして、タンク９４１内の水位が所定値以上となった場合には、アラーム９４９は、警告を発する。このため、燃料電池装置９は、より安全、安心に電気を発生させることができる。
【０１６４】
発電を終了させる場合は、ポンプ９４３の作動を停止させ、バルブ９２３およびバルブ９６４を閉じる。これにより、燃料電池装置９の稼動が停止する。その後、バルブ９７２を開き、流路７１内の加圧を解除してもよい。これにより、燃料電池装置９の安全性がさらに高まる。
【０１６５】
このように、燃料電池１の酸素極５側に水を供給する構成にすると、燃料電池装置９の構成が簡易なものとなる。しかも、燃料電池装置９の取扱い性、安全性が、向上する。
【０１６６】
以上述べた燃料電池装置９は、前述した燃料電池１を備えているので、効率よく電気を発生させることができ、高い出力が得られる。
【０１６７】
【実施例】
本明細書における「wt％」とは、質量％を意味する。
【０１６８】
（実施例１）
下記に示す構成の燃料電池を作製した。この燃料電池では、燃料拡散層の撥水性が酸素拡散層の撥水性よりも高い。
【０１６９】
＜燃料電池の構成＞
＜＜燃料極の構成＞＞
0004470271.tif 000002
＜＜電解質層の構成＞＞
0004470271.tif 000003
＜＜酸素極の構成＞＞
0004470271.tif 000004
以上。
【０１７０】
次のようにして、燃料極を作製した。まず、炭素粉末とポリテトラフルオロエチレンとを上記組成比で、酢酸エチル（分散媒、以下同じ）に混合、分散させた。次に、カーボンクロス（燃料拡散層核部）の両面に、この混合分散液を、塗布し、乾燥した。次に、このカーボンクロスを３６０℃、６０kg/cm2の条件で、ホットプレスした。これにより、上記厚さの燃料拡散層を得た。次に、燃料拡散層の一方の面に（一方の撥水性材料含有層上に）、白金触媒と炭素粉末とナフィオンとを上記組成比で混合、分散させた分散媒を、塗布し、乾燥した。これにより、燃料拡散層上に上記厚さの燃料反応層を形成した。すなわち、上記構成の燃料極を得た。
同様にして、上記構成の酸素極を得た。
【０１７１】
次に、‘燃料拡散層／燃料反応層／電解質層／酸素反応層／酸素拡散層’の順に各層が位置するように、燃料極と電解質層と酸素極とを重ねた。次いで、この重ねた物を、１３０℃、４０kg/cm2の条件で、ホットプレスした。これにより、積層体（実質的な燃料電池）を得た。
【０１７２】
得られた燃料拡散層では、燃料拡散層表面の水との接触角（両面の平均）は、１５０°であった。また、燃料極内側撥水性材料含有層の空孔率は、４５％であった。燃料極外側撥水性材料含有層の空孔率は、４５％であった。
また、得られた酸素拡散層では、酸素拡散層表面の水との接触角（両面の平均）は、１５０°であった。また、酸素極内側撥水性材料含有層の空孔率は、５５％であった。酸素極外側撥水性材料含有層の空孔率は、５５％であった。
【０１７３】
（実施例２）
下記に示した以外は実施例１と同様の燃料電池を、前記と同様にして、作製した。この燃料電池では、燃料拡散層の撥水性が酸素拡散層の撥水性よりも高い。
【０１７４】
＜＜燃料極の構成＞＞
0004470271.tif 000005
＜＜酸素極の構成＞＞
0004470271.tif 000006
以上。
【０１７５】
補足すると、本実施例では、燃料極内側撥水性材料含有層および燃料極外側撥水性材料含有層の炭素粉末（電気化学工業社製「デンカブラック」）には、酸素極内側撥水性材料含有層および酸素極外側撥水性材料含有層の炭素粉末（キャボット社製「Vulcan ＸＣ−７２」）よりも、撥水性の高いものを用いた。
【０１７６】
得られた燃料拡散層では、燃料拡散層表面の水との接触角（両面の平均）は、１５０°であった。また、燃料極内側撥水性材料含有層の空孔率は、４５％であった。燃料極外側撥水性材料含有層の空孔率は、４５％であった。
また、得られた酸素拡散層では、酸素拡散層表面の水との接触角（両面の平均）は、１３０°であった。また、酸素極内側撥水性材料含有層の空孔率は、５５％であった。酸素極外側撥水性材料含有層の空孔率は、５５％であった。
【０１７７】
（比較例）
下記に示した以外は実施例１と同様の燃料電池を、前記と同様にして、作製した。この燃料電池では、燃料拡散層の撥水性および酸素拡散層の撥水性は、等しい。
【０１７８】
＜＜燃料極の構成＞＞
0004470271.tif 000007
＜＜酸素極の構成＞＞
0004470271.tif 000008
以上。
【０１７９】
（評価）
各実施例および比較例で得られた積層体に電池枠（燃料極側電池枠および酸素極側電池枠）を取り付け、燃料電池を、各々組み立てた。
【０１８０】
次に、この燃料電池を２個並列に電池本体内に収納した。次に、この電池本体を、図２に示すような燃料電池装置に取りつけた。すなわち、各実施例（または比較例）で得られた燃料電池を備えた燃料電池装置を得た。
次に、水素ガス供給圧力０．９kgf/cm2、酸素極への水供給量０．６６mg/cm2・secの条件で、燃料電池装置を作動させ、電気を発生させた。
【０１８１】
そして、各実施例および比較例で得られた燃料電池の電流密度−電圧特性を、測定した。
その結果を、図３に示す。
【０１８２】
同図に示すように、燃料電池の通常の動作電圧範囲内では、本実施例の燃料電池の電流密度は、比較例の燃料電池の電流密度よりも、高かった。
以上の結果から、本実施例の燃料電池は、高い電池出力が得られることが確認された。
【０１８３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、燃料電池の電池出力を向上させることができる。
したがって、本発明によれば、高い電池出力が得られる燃料電池、および燃料電池装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の実施形態を示す模式的な縦断面図である。
【図２】本発明の燃料電池装置の実施形態を示す回路図である。
【図３】実施例における燃料電池の電流密度−電圧特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１                燃料電池
２１            反応部
２９            積層体
３              電解質層
４              燃料極
４１          燃料反応層
４２          燃料拡散層
４２１      燃料拡散層核部
４２２      燃料極外側撥水性材料含有層
４２３      燃料極内側撥水性材料含有層
５              酸素極
５１          酸素反応層
５２          酸素拡散層
５２１      酸素拡散層核部
５２２      酸素極外側撥水性材料含有層
５２３      酸素極内側撥水性材料含有層
７              燃料極側電池枠
７１          流路
７２          溝
８              酸素極側電池枠
８１          流路
８２          溝
９                燃料電池装置
９１            電池本体
９２            燃料供給手段
９２１        燃料源
９２２        配管
９２３        バルブ
９３            酸素供給手段
９３１        配管
９４            水供給手段
９４１        タンク
９４２        配管
９４３        ポンプ
９４４        水圧センサー
９４５        バイパスライン
９４６        バルブ
９４７          水位検知手段
９４８        水位センサー
９４９        アラーム
９５            気液混合手段
９５１        ノズル
９５２        空間
９６            再生手段
９６１        配管
９６２        再生器
９６３        排気ライン
９６４        バルブ
９６５        配管
９６６        マニホールド
９７            燃料排気手段
９７１        配管
９７２        バルブ
９８            出力計
１０１、１０２    配線
１０９            負荷
【図１】
0004470271.tif 000009
【図２】
0004470271.tif 000010
【図３】
0004470271.tif 000011