CN100386909C - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池，其中将正极层13和负极层14分别设置在电解质膜12的前面和后面，并且其中使氢与负极层中的催化剂接触，使氧与正极层中的催化剂接触。正极层包括以下成分：电解质、碳(36、37)、负载在碳上的催化剂38、成孔材料和疏水性树脂。在正极层邻近电解质膜的区域34(氧和氢离子间的反应易于进行的区域)，使电解质/碳的重量比较高且使所负载的催化剂的量较大。在产物水趋于滞留的区域，成孔材料的量和疏水性树脂的量增大。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种具有设置在电解质膜的前面和后面的正极层和负极层的燃料电池，该燃料电池通过使氢气与负极层中的催化剂接触并使氧气与正极层中的催化剂接触来产生电能。
背景技术
这种燃料电池如图15、图16和图17所示。
参照图15，现有技术中的燃料电池100由以下部分组成：电解质膜101、设置在该电解质膜101的前面和后面的正极层102和负极层103、设置在正极层102上的正极扩散层104、设置在负极层103上的负极扩散层105、设置在正极扩散层104外表面上的氧气通道106、设置在负极扩散层105外表面上的氢气通道(未示出)。
氧气从氧气通道106的供给侧106a流至排出侧106b。
氧气流入氧气通道106和氢气流入氢气通道的结果是，使氢气(H2)与负极层103中的催化剂接触并使氧气(O2)与正极层102中的催化剂接触，并且产生电流。
在图16中，如箭头所示，在负极层103(参见图15)的反应中所产生的氢离子(H+)经电解质膜101流到正极层102。
将氧气通过氧气通道106(参见图15)供给至正极层102，结果，氧气经正极层102流向电解质膜101。
因此，氢离子(H+)和氧气(O2)反应并生成产物水(H2O)。氢离子(H+)和氧气(O2)之间的反应特别是在正极层102中与电解质膜101的界面108相接近的区域进行，即图中虚线阴影所示的“完全催化反应区域”102a。
在所生成的产物水(H2O)中，一些产物水返回至电解质膜101中并使电解质膜101保持湿润，从而提高发电效率。
在剩余的产物水(H2O)中，一些水如箭头a所示，由正极层102内侧排到正极扩散层104，其余的产物水(H2O)如箭头b所示，在其自身重力作用下经正极层102的内部而下降。因此，存在产物水(H2O)在正极层102底部102b累积的趋势，而这会阻碍燃料电池发电效率的提高。
在图17中，如箭头所示，氧气由氧气通道106的供给侧106a流到排出侧106b。
在从正极层102流到正极扩散层104的产物水(H2O)中，一些产物水蒸发并发散至氧气通道中，并被携带在氧气通道106中的氧气中。
氧气容易滞留在氧气通道106的弯曲部106c，且在氧气通道106的排出侧106b中，即在正极层102底侧102b中的氧气流趋于减少。
因此，在氧气通道106的流出侧106b中，已散发到氧气通道中的产物水不能有效地排出，产物水趋向于累积在流出侧106b处，这构成了提高燃料电池发电效率的障碍。
例如JP-A-8-088008中提出了一种燃料电池，其中考虑到氢离子(H+)与氧气(O2)间的反应特别是在如图16所示的“完全催化反应区域”102a中进行的事实，使正极层中的电解质量在电解质膜侧较大。
在该燃料电池中，大量的电解质被包含在正极层102中邻近其与电解质膜101相接触的界面108的区域，从而可以提高氢离子(H+)在正极层102与电解质膜101间的界面108处的传导性。
例如在JP-A-2002-298859中，公开了这样一种燃料电池，其中考虑到产物水的滞留阻碍了发电效率的提高，将产物水(H2O)有效地从正极层102中排出。
在该燃料电池中，除底部102b外，在正极层102的表面中包含疏水性树脂，以便使产物水容易从底部102b流出，并且能防止产物水累积在该底部102b中。
另外，例如在JP-A-2002-042823中，公开了一种燃料电池，其中为了通过保持电解质膜101湿润来提高发电效率，使电解质膜101中保持良好的水含量。
在该燃料电池中，在氧气通道106的供给侧106a抑制产物水的排出，并在氧气通道106的流出侧106b促进产物水的排出，从而可以良好地保持电解质膜中的水含量。
这里，为了进一步扩展燃料电池在工业领域中的用途，在提高燃料电池性能的同时，降低燃料电池的成本也很重要。
然而，如JP-A-8-088008中所述的燃料电池，仅通过在与电解质膜的界面的邻近区域包含大量电解质的措施，难以进一步提高燃料电池的性能并降低其成本。
并且，如JP-A-2002-298859中所述的燃料电池，仅通过在除底部以外的正极层表面中包含疏水性树脂的措施，难以进一步提高燃料电池的性能并降低其成本。
而且，如JP-A-2002-042823中所述的燃料电池，仅通过抑制产物水从氧气通道的供给侧排出并促进产物水从氧气通道的排出侧排出的措施，难以进一步提高燃料电池的性能并降低其成本。
因此，期待一种具有优异的发电效率并且可以控制其成本的燃料电池。
发明内容
在为提高燃料电池发电效率所进行的实验中，本发明人发现在正极层中，存在氧气容易传入的区域和氧气不易被传入的区域。发明人还发现，存在氢离子(H+)和氧气(O2)之间容易发生反应的部位，和反应缓慢的部位。而且，他们还发现存在产物水趋于存留的部位。
当对此进行更详细的研究时发现，发电反应和产物水的滞留从正极层的电解质膜侧向正极扩散层逐渐变化，而且从氧气通道的供给侧向排出侧也逐渐变化。并且还发现，当正极层以垂直配置使用时，发电反应和产物水的滞留从正极层的上侧向下侧逐渐变化。
从上述观点来看，期望可以通过以下方式来解决所述问题，即从电解质膜侧向正极扩散层逐渐改变正极层，即电解质、催化剂和成孔材料等的组成；从垂直方向的顶部向底部逐渐改变其组成；从氧气通道的供给侧向排出侧逐渐改变其组成。
因此，本发明提供一种燃料电池，其特征在于，该燃料电池具有：电解质膜；在垂直方向上设置在所述电解质膜的前面和后面的正极层和负极层；设置在所述正极层上的正极扩散层；设置在所述负极层上的负极扩散层；提供在所述正极层外表面上的氧气通道；和提供在所述负极层外表面上的氢气通道，所述正极层包括电解质、碳、负载在碳上的催化剂、成孔材料和疏水性树脂，并且，电解质/碳的重量比、所负载的催化剂量、成孔材料的量和疏水性树脂的量，从电解质膜侧向正极扩散层逐渐变化，从垂直方向上的顶部向底部逐渐变化，并从氧气通道的供给侧向排出侧逐渐变化。
因此，在本发明中，电解质/碳的重量比、催化剂的负载量(是指负载在碳上的催化剂量)、成孔材料的量和疏水性树脂的量从正极层的电解质膜侧向正极扩散层逐渐变化。并且，电解质/碳的重量比、催化剂的负载量、成孔材料的量和疏水性树脂的量从正极层的垂直方向上的顶部向底部逐渐变化。并且，电解质/碳的重量比、催化剂的负载量、成孔材料的量和疏水性树脂的量还从氧气通道的供给侧向排出侧逐渐变化。
通过该方法，正极层中的成分可以对应于氧气导入的状态而逐渐变化、对应于氢离子(H+)与氧气(O2)间反应的状态而逐渐变化、以及对应于产物水的排出状态而逐渐变化。以此方式，对应于正极层中的不同部位，可以适当地包含构成正极层的成分，可以提高不同部位中的发电效率，并且可以很好地对产物水的排出进行调节。
而且，通过在对应于正极层中的不同部位中适当地包含构成正极层的成分，可以防止所含有的成分过量。通过这种方法，可以使构成正极层的成分的含量保持在所需的最小量，从而实现成本的降低。
在本发明中，优选正极层中所含有的电解质/碳的重量比、所负载的催化剂的量从电解质膜侧向正极扩散层逐渐减小，从正极层垂直方向上的顶部向底部逐渐减小，并从氧气通道的供给侧向排出侧逐渐减小，并且正极层中所包含的成孔材料的量和疏水性树脂的量从电解质膜侧向正极扩散层逐渐增大，从正极层垂直方向上的顶部向底部逐渐增大，并从氧气通道的供给侧向排出侧逐渐增大。
这里，发电反应特别是在电解质膜与正极层的边界处进行，并且反应程度从边界向正极扩散层逐渐变慢。而且，发电反应特别是在正极层的顶部进行，反应程度从顶部向底部逐渐变慢。以及，发电反应特别是在氧气通道的氧气供给侧进行，并且反应程度从供给侧向排出侧逐渐变慢。因此，在需要使电解质/碳的重量比和催化剂的负载量较大的部位，可以使这些成分的含量较大，由此提高这些部位的发电效率。而在只需要较小电解质/碳的重量比和少量的催化剂负载量的部位，可以使这些成分的含量较少，并防止所包含的这些成分过量。通过这种方法，可以使构成正极层的成分的含量保持在所需的最小量，从而实现成本的降低。
另一方面，为了确保电解质膜中的水含量，必需抑制电解质膜附近产物水的排出。但是，为了使产物水从正极层内部排出，必需在正极扩散层侧提高排水性。由于产物水趋于在正极层的底部滞留，必需从正极层的顶部向底部逐渐提高排水能力。并且由于产物水趋于在氧气通道的排出侧滞留，必需从供给侧向排出侧逐渐提高排水能力。
因此，使成孔材料的量和疏水性树脂的量从电解质膜附近向正极扩散层增加，使其从垂直方向上的顶部向底部增加，并使其从氧气通道的供给侧向排出侧增加。通过这种方法，可以使正极层的每个部位包含适量的成孔材料和疏水性树脂，由此对产物水在不同部位的排出进行适当的调节。因此，使需要大量成孔材料和疏水性树脂的部位含有大量的这些成分。并且，通过使仅需要少量成孔材料和疏水性树脂的部位含有少量的这些成分，可以防止所包含的这些成分过量。
并且，在本发明中，优选在正极层与电解质膜接触的面上，电解质/碳的重量比、所负载的催化剂的量、成孔材料的量和疏水性树脂的量是均匀的。
在电解质膜的附近，需要完全的催化反应。另外，必需确保电解质膜侧的水含量，以使催化反应完全进行。因此，在电解质膜的附近，正极层中成分含量各自都是均匀的，以便可以进行完全催化反应，而且可以确保电解质膜中的水含量。通过这种方法，充分提高了电解质膜附近的发电反应。
附图说明
图1是本发明的第一实施例的燃料电池的透视图，并详细显示了一个电池；
图2是图1所示电池的局部截面图；
图3是包含在图2所示的正极层中的成分含量的示意图；
图4A显示了在正极层的电解质膜附近的碳和所负载的催化剂的量，图4B显示了从电解质膜附近到正极扩散层的碳和所负载的催化剂的量；
图5A显示了从正极层的顶部到底部的碳和所负载的催化剂的含量，图5B显示了从氧气通道的供给侧到排出侧的碳和所负载的催化剂的含量；
图6A～图6E显示了不同组合物中电解质/碳的重量比、成孔材料的比例、成孔挥发性溶剂的比例、疏水性树脂的比例和催化剂的比例的曲线图；
图7A～图7G显示了通过分割第一实施例的正极层所获得的块中的组合物的示意图；
图8是显示了第一实施例的电解质膜、正极层和正极扩散层的简单透视图；
图9是图8沿箭头9方向的视图，是图解氧气与氢离子间的反应并产生水的示意图；
图10是图8沿箭头10方向的视图，是图解氧气与氢离子间的反应产生水的示意图；
图11A和图11B是图8沿箭头11方向的视图，是电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量，以及成孔材料的量、成孔挥发性溶剂的量和疏水性树脂的量的示意图；
图12A～图12C是本发明第二实施例的正极层的成分含量的示意图；
图13显示了制造本发明的燃料电池的正极层的涂布设备的视图；
图14A～图14D是图解用图13所示的涂布设备制造正极层的方法的示意图；
图15显示了现有技术中的燃料电池(一个电池)的透视图；
图16是图15所示的燃料电池的局部截面图，并图解了氧气与氢离子间的反应并生成水的示意图；和
图17显示了产物水沿着图15所示的氧气通道滞留的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图详细说明本发明的多个优选实施例。
图1显示了整个本发明的第一实施例的燃料电池的透视图，并显示了该燃料电池的一个电池的分解视图。图1中所示的燃料电池10由多个电池11堆叠制成。
每个电池11均具有这样的结构，其中将正极层13和负极层14分别设置在电解质膜12的前面和后面；将正极扩散层15(参见图2)设置在正极层13上；将负极扩散层16(参见图2)设置在负极层14上；通过设置在正极扩散层15的外表面上的隔板17，由正极扩散层15和隔板17形成氧气通道18(参见图2)；通过设置在负极扩散层16的外表面上的隔板19，由负极扩散层16和隔板19形成氢气通道20(参见图2)。正极层13和负极层14、正极扩散层15和负极扩散层16以及隔板17、19均垂直设置。
附图标记21、22表示密封件。通过在电解质膜12和隔板17之间插入密封件21，将电解质膜12和隔板17间的间隙密封。通过在电解质膜12和隔板19之间插入密封件22，将电解质膜12和隔板19间的间隙密封。
图2显示了图1所示的电池的局部截面图。
正极层13设置在电解质膜12的一侧，进而将正极扩散层15设置在正极层13上。隔板17设置在正极扩散层15的外表面。通过正极扩散层15和形成在隔板17上的凹槽17a构成氧气通道18。
作为将氧气供应到氧气通道18的结果，如箭头(1)所示，氧气(O2)经正极扩散层15进入到正极层13中，并由正极层13的内部进入电解质膜12。
如箭头(2)所示，在负极层14中的反应中所产生的氢离子(H+)经电解质膜12进入正极层13。
氢离子(H+)和氧气(O2)反应，并生成产物水。氢离子(H+)和氧气(O2)的反应特别是在正极层13中靠近其与电解质膜12的界面的区域进行。
在所生成的产物水中，一些产物水返回到电解质膜12。这使电解质膜12保持湿润状态。
在剩余的产物水中，一些产物水从正极层13内部流出到正极扩散层15，其余的产物水在其自身重力作用下经正极层13的内部而下降。
如图3所示，正极层13设置在电解质膜12和正极扩散层15之间。氧气通道18(参见图2)沿正极扩散层15的外表面而设置。
为了易于理解，氧气通道18将作为蛇形通道而描述。
在氧气通道18中，氧气从供给侧18a流动到排出侧18b。
正极层13主要包括电解质、碳、负载在碳上的催化剂、成孔材料、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂。
电解质例如为氟化合物，催化剂例如为铂。
成孔材料用于改变正极层13的孔隙率，并且通过增加成孔材料的含量，可以提高孔隙率。通过调整孔隙率，可以控制氧气的扩散和产物水的排出。该成孔材料例如为导电性针状碳纤维。成孔挥发性溶剂例如是丁醇(丁基醇)。
疏水性树脂例如是四氟乙烯。
电解质、碳和负载在碳上的催化剂可以影响发电反应，当这些物质大量存在时，发电反应增加，当它们以少量存在时，则发电反应降低。
成孔挥发性溶剂通过干燥时的蒸发来形成孔，并实现与成孔材料相同的作用。疏水性树脂提高了排出产物水的能力。
即，成孔材料、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂可以影响排出产物水的能力，当这些物质减少时，则排水能力下降，当它们增加时，则排水能力提高。
电解质/碳的重量比和负载在碳上的催化剂的量(下文中称为“所负载的催化剂的量”)如第一箭头25所示，从电解质膜12侧向正极扩散层15侧逐渐减少。
电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量如第二箭头26所示，从垂直方向上的顶部向底部逐渐减少。
以及，电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量如第三箭头27所示，从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b逐渐减少。
成孔材料的量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的量如第四箭头30所示，从电解质膜12侧向正极扩散层15侧逐渐增加。
并且，成孔材料、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的量如第五箭头31所示，从正极层13的垂直方向上的顶部13a向底部13b逐渐增加。
以及，成孔材料、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的量如第六箭头32所示，从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b逐渐增加。
另一方面，在与电解质膜12接触的面34(虚线阴影所示的区域)上，电解质/碳的重量比、所负载的催化剂量、成孔材料的量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的量是均匀的。
图4A显示了在正极层13的与电解质膜接触的面34(也可参见图3)上碳和负载在碳上的催化剂的状态，图4B显示了电解质/碳的重量比和催化剂38的负载量在正极层13中从电解质膜12侧向正极扩散层15侧逐渐减少。
在图4A中，在与电解质膜接触的面34上，即在电解质膜12的附近，需要完全催化反应。
因此，为了在正极层13中在电解质膜12的附近可以进行完全催化反应，在正极层13中大量且均匀地包含大直径碳36、小直径碳37和负载在这些碳36、37上的催化剂38。
具体地，将催化剂38以致密状态负载在大直径碳36的表面上，并且将催化剂38以致密状态负载在小直径碳37的表面上。这些碳36、37致密地包含在与电解质膜接触的面34上。
在与电解质膜接触的面34上，即在电解质膜12(参见图2和图3)的附近，为了使催化反应完全进行，必需确保电解质膜12中的水含量。因此，在与电解质膜接触的面34上，均匀地包含有少量的成孔材料、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂。通过这种方法，可以在电解质膜12的附近提高发电反应的完全率。
在图4B中，将催化剂38以致密状态负载在大直径碳36的表面，并且将催化剂38以致密状态负载在小直径碳37的表面。
将碳36、37包含在正极层13中，使得它们从电解质膜12的附近向正极扩散层15由致密状态向稀疏状态转变。就是说，在正极层13中，电解质/碳的重量比和催化剂38的负载量如第一箭头25所示，从电解质膜12的附近向正极扩散层15逐渐减少。
这里，在正极层13的电解质膜12附近，必需抑制产物水的排出能力，以确保电解质膜12中的水含量。另一方面，在正极层13的正极扩散层15附近，必需提高产物水的排出能力，并有效地排出正极层13中的产物水。因此，正极层13中所包含的成孔材料的量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的量如第四箭头30所示，从正极层13的电解质膜12侧向正极扩散层15的方向逐渐增加。
图5A和图5B显示了正极层13中所包含的成分在垂直方向上的状态。
图5A显示了电解质/碳的重量比和催化剂38的负载量从正极层13的垂直方向上的顶部13a向底部13b逐渐减少。
具体地，以致密状态负载在大直径碳36表面上的催化剂38的含量从正极层13的顶部13a向底部13b逐渐减少，以稀疏状态负载在大直径碳36表面上的催化剂38的含量从正极层13的顶部13a向底部13b逐渐增加。
因此，在正极层13中，电解质/碳的重量比和催化剂38的负载量如第二箭头26所示，从垂直方向上的顶部13a向底部13b逐渐减少。
现在，在正极层13的底部13b中，产物水在其自身重力作用下趋于累积。因此，在正极层13的底部13b，必需提高产物水的排出能力，以有效地排出产物水。所以，在正极层13中所包含的成孔材料的量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的量，从正极层13的垂直方向上的顶部13a向底部13b逐渐增加。
图5B显示了电解质/碳的重量比和催化剂38的负载量，从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b逐渐减少。
具体地，在氧气通道18的供给侧18a中包含以致密状态负载在大直径碳36表面上的催化剂38，在氧气通道18的中间部分18c中包含以稀疏状态负载在大直径碳36表面上的催化剂38，以及在氧气通道18的排出侧18b中包含未负载催化剂38的大直径碳36。也就是，在正极层13中，电解质/碳的重量比和催化剂38的负载量如第三箭头27所示(参见图3)，从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b逐渐减少。
正极层13中的一些产物水散发到氧气通道18中，并随氧气一起移动。
氧气趋向于滞留在氧气通道18的弯曲部18d处，氧气在氧气通道18的弯曲部18d中的流动趋于降低。所以，产物水趋向于累积在氧气通道18的弯曲部18d。因此，在氧气通道18的弯曲部18d中，必需提高产物水的排出能力以有效地排出产物水。因此，正极层13所包含的成孔材料的量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的量如第六箭头32所示(参见图3)，从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b逐渐增加。
如图4B、图5A和图5B所示，电解质/碳的重量比和催化剂38的负载量，从正极层13的电解质膜12侧向正极扩散层15的方向减少，从正极层13的垂直方向上的顶部13a向底部13b的方向减少，并从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b减少。
通过这种方法，在需要较大的电解质/碳的重量比和较大的催化剂38的负载量的部位，含有大量的这些成分，从而提高了所述部位的发电效率。
并且，在需要较小电解质/碳的重量比和较小催化剂38的负载量的部位，含有少量的这些成分。这样，可以防止这些成分的含量过量。通过该方法，可以使构成正极层13的成分的含量保持在所需的最小量。
另一方面，成孔材料的量和疏水性树脂的量，从正极层13的电解质膜12侧向正极扩散层15的方向增加，从正极层13的垂直方向上的顶部13a向底部13b的方向增加，并从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b增加。
即，通过使正极层13的各个部位含有合适量的成孔材料和疏水性树脂，来适当地调节产物水在各个部位的排出能力。通过该方法，可以在需要大量成孔材料和疏水性树脂的部位包含大量的这些成分，并提高这些部位的发电效率。
并且，在需要少量成孔材料和疏水性树脂的部位，通过含有少量这些成分，可以防止这些成分的含量过量。通过该方法，可以使构成正极层的成分的含量保持在所需的最小量。
实施例
现在将基于图6A～图7G对燃料电池的具体实施例进行描述。制备10种组合物A～J作为正极层的组合物。组合物A～J的详细情况如表1和图6A～图6E所示。
表1
Figure C20048000630500141
-成孔材料和疏水性树脂的比例为固体部分中的比例。
-成孔挥发性溶剂的比例为溶剂中的比例。
这里，表1中所示的成孔材料和疏水性树脂的各个比例显示了固体部分中的比例。固体部分中的比例是指，在形成电极的每单位体积的固体的总重量中，各个材料所占的重量比例。
成孔挥发性溶剂的比例显示了溶剂中的比例。溶剂中的比例是指，在形成每单位体积的电极时所使用的溶剂总重量中，成孔挥发性溶剂的重量比例。
作为组合物A的成分，电解质/碳的重量比是2.0，成孔材料的比例是5.0，成孔挥发性溶剂的比例是0，疏水性树脂的比例是0，并且所负载的催化剂的比例是49.1。
作为组合物B的成分，电解质/碳的重量比是1.8，成孔材料的比例是7.3，成孔挥发性溶剂的比例是7.5，疏水性树脂的比例是4.8，并且所负载的催化剂的比例是48.1。
作为组合物C的成分，电解质/碳的重量比是1.6，成孔材料的比例是9.5，成孔挥发性溶剂的比例是14.0，疏水性树脂的比例是9.4，并且所负载的催化剂的比例是47.2。
作为组合物D的成分，电解质/碳的重量比是1.4，成孔材料的比例是11.6，成孔挥发性溶剂的比例是19.9，疏水性树脂的比例是13.7，并且所负载的催化剂的比例是46.2。
作为组合物E的成分，电解质/碳的重量比是1.2，成孔材料的比例是13.6，成孔挥发性溶剂的比例是25.1，疏水性树脂的比例是17.9，并且所负载的催化剂的比例是45.7。
作为组合物F的成分，电解质/碳的重量比是1.0，成孔材料的比例是15.5，成孔挥发性溶剂的比例是29.8，疏水性树脂的比例是21.9，并且所负载的催化剂的比例是44.6。
作为组合物G的成分，电解质/碳的重量比是0.9，成孔材料的比例是17.3，成孔挥发性溶剂的比例是32.8，疏水性树脂的比例是23.6，并且所负载的催化剂的比例是43.1。
作为组合物H的成分，电解质/碳的重量比是0.8，成孔材料的比例是19.1，成孔挥发性溶剂的比例是35.6，疏水性树脂的比例是25.2，并且所负载的催化剂的比例是41.0。
作为组合物I的成分，电解质/碳的重量比是0.7，成孔材料的比例是20.8，成孔挥发性溶剂的比例是38.1，疏水性树脂的比例是26.7，并且所负载的催化剂的比例是38.4。
作为组合物J的成分，电解质/碳的重量比是0.6，成孔材料的比例是22.4，成孔挥发性溶剂的比例是40.6，疏水性树脂的比例是28.2，并且所负载的催化剂的比例是35.3。
图6A显示了与表1中所示的各个组合物相对应的正极层中所包含的电解质/碳的重量比。
如图6A所示，电解质/碳的重量比设定在0.6～2.0的范围内(同时参见表1)。
当电解质/碳的重量比小于0.6时，碳上电解质的覆盖不足，无法获得完全反应。另一方面，当电解质/碳的重量比超过2.0时，则电解质成分过多，阻塞了产物水的扩散通道，而且水的保持性变得太高，无法获得完全反应。由于这些原因，将正极层中电解质/碳的重量比设定在0.6～2.0的范围内。
图6B显示了与表1中所示的各个组合物相对应的正极层中所包含的成孔材料的比例。
如图6B所示，成孔材料的比例设定在5.0重量％～22.4重量％的范围内(参见表1)。
当成孔材料的比例小于5.0重量％时，氧气的扩散变得不足，难以获得完全反应。另一方面，当成孔材料的比例超过22.4重量％时，则正极层13中的粘合剂的量就不足，难以确保正极层13的强度。而且，由于正极层13中粘合剂的量不足，还会发生正极层13中的成分粘合不完全的情况。由于这些原因，将正极层中成孔材料的比例设定在5.0重量％～22.4重量％的范围。
图6C显示了与表1中所示的各个组合物相对应的正极层中所包含的成孔挥发性溶剂的比例。
如图6C所示，成孔挥发性溶剂的比例设定在0～40.6重量％的范围内(同时参见表1)。
在与电解质膜12接触的面34的附近，由于需要保水性，因此成孔挥发性溶剂的下限是0重量％。另一方面，当成孔挥发性溶剂的比例超过40.6重量％时，就像成孔材料那样，正极层13中粘合剂的含量不足，难以确保正极层13的强度。而且，由于正极层13中粘合剂的含量不足，还会发生正极层13中的成分粘合不完全的情况。因此，将成孔挥发性溶剂的比例设定在0～40.6重量％的范围内。
图6D显示了与表1中所示的各个组合物相对应的正极层中所包含的疏水性树脂的比例。
如图6D所示，疏水性树脂的比例设定在0～28.2重量％的范围内(同时参见表1)。
在与电解质膜12接触的面34的附近，由于需要保水性，因此疏水性树脂的下限是0重量％。另一方面，当疏水性树脂的比例超过40.6重量％，则存在树脂量过大的风险，阻碍了孔的形成。因此，将正极层中所包含的疏水性树脂的比例设定在0～40.6重量％的范围。
作为粘合剂功能，将电解质(离子交换树脂)和疏水性树脂的量控制在恒定量。
图6E显示了与表1中所示的各个组合物相对应的包含在正极层中的所负载的催化剂的比例。
如图6E所示，所负载的催化剂的比例为35.3重量％～49.1重量％(同时参见表1)。
当所负载的催化剂的比例小于35.3重量％时，则催化剂的总量少于反应所需要的量，未反应的氧气就会增加。另一方面，当所负载的催化剂的比例超过49.1重量％时，则催化剂的量过大，一些催化剂没有对反应作出贡献。由于这些原因，将正极层中所负载的催化剂的比例设定在35.3重量％～49.1重量％。
图7A～图7G显示了根据第一实施例构成正极层的组合物的配置。
图7A显示了正极层13，并显示了一个实施例，其中通过从侧视面将正极层13分成3行(Y1、Y2、Y3)和5列(X1、X2、X3、X4、X5)，并且从电解质膜12侧向正极扩散层15的方向上分成3个区，Z1区、Z2区和Z3区，从而划分成45块。为了明确正极层13中的每个块，例如将阴影所示的块表示为Z3(X1-Y1)。其它块用类似方法进行表示。
图7B、图7C和图7D显示了Z1、Z2、Z3区中的组合物。A～J所示的组合物为根据表1所述的组合物。
图7B是Z1区，也就是正极层中与电解质膜接触的区域，在其从块Z1(X1-Y1)到块Z1(X5-Y3)的所有的15个块中，组合物均为表1所示的A。
在正极层中与电解质膜接触的区域，需要完全催化反应。因此，在正极层13中在电解质膜12的附近，为了使完全催化反应成为可能，如图4A所解释的那样，均匀地含有较大的电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量。
并且，在与电解质膜接触的区域，为了使催化反应充分进行，必需确保电解质膜12中的水含量。因此，在电解质膜的附近，成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量少且均匀。
图7C显示了Z2区，在Z2区里，在3个块，即块Z2(X1-Y1)、块Z2(X2-Y1)和块Z2(X3-Y1)中，组合物是B。
在三个块，即块Z2(X4-Y1)、块Z2(X5-Y1)和块Z2(X5-Y2)中，组合物是C。
在三个块，即块Z2(X2-Y2)、块Z2(X3-Y2)和块Z2(X4-Y2)中，组合物是D。
在三个块，即块Z2(X1-Y2)、块Z2(X1-Y3)和块Z2(X2-Y3)中，组合物是E。
在三个块，即块Z2(X3-Y3)、块Z2(X4-Y3)和块Z2(X5-Y3)中，组合物是F。
图7D显示了Z3区。即与正极扩散层接触的区域，在2个块，即块Z3(X1-Y1)和块Z3(X2-Y1)中，组合物是C。
在两个块，即块Z3(X3-Y1)和块Z3(X4-Y1)中，组合物是D。
在两个块，即块Z3(X5-Y1)和块Z3(X5-Y2)中，组合物是E。
在两个块，即块Z3(X3-Y2)和块Z3(X4-Y2)中，组合物是F。
在两个块，即块Z3(X1-Y2)和块Z3(X2-Y2)中，组合物是G。
在两个块，即块Z3(X1-Y3)和块Z3(X2-Y3)中，组合物是H。
在两个块，即块Z3(X3-Y3)和块Z3(X4-Y3)中，组合物是I。
在块Z3(X5-Y3)中，组合物是J。
通过这种方法，在构成正极层13的Z2区和Z3区的成分中，正极层13包含这样的电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量，使得其从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b逐渐减少。这样，在必需含有大的电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量的块中，含有大量的这些成分，在只需要少量上述成分的块中，其含量较少。
并且，在构成正极层13的Z2区和Z3区的块的成分中，成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b逐渐增加。这样，在需要含有大量的成孔材料、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的块中，含有大量的这些成分，在只需要少量上述成分的块中，其含量较小。
在构成正极层13的Z2区和Z3区的块的成分中，正极层13中含有这样的电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量，使得其从正极层13的垂直方向上的顶部13a向底部13b逐渐减少。这样，在需要含有大的电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量的块中，可以含有大量的这些成分，在只需要少量上述成分的块中，其含量较小。
并且，在构成正极层13的Z2区和Z3区的块的成分中，成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量，从正极层13的垂直方向上的顶部13a向底部13b逐渐增加。这样，在需要含有大量的成孔材料、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的块中，可以含有大量的这些成分，在只需要少量上述成分的块中，其含量较小。
图7E、图7F和图7G显示了Y1区、Y2区和Y3区的块的组合物的配置。即他们显示了从上述图7A中所见到的区域。
图7E是Y1区，即构成正极层13的顶部的区域，在电解质膜12侧的所有五个块，即块Y1(X1-Z1)～块Y1(X5-Z1)为表1所示的组合物A。
在三个块，即块Y1(X1-Z2)、块Y1(X2-Z2)和块Y1(X3-Z2)中，组合物是B。
在四个块，即块Y1(X4-Z2)、块Y1(X5-Z2)、块Y1(X1-Z3)和块Y1(X2-Z3)中，组合物是C。
在两个块，即块Y1(X3-Z3)和块Y1(X4-Z3)中，组合物是D。
块Y1(X5-Z3)中是组合物E。
图7F显示了Y2区。在Y2区中，所有的五个块，即块Y2(X1-Z1)～块Y2(X5-Z2)中都是表1所示的组合物A。
块Y2(X1-Z2)是组合物E。
三个块，即块Y2(X2-Z2)、块Y2(X3-Z2)和块Y2(X4-Z2)是组合物D。
块Y2(X5-Z2)中是组合物C。
两个块，即块Y2(X1-Z3)和块Y2(X2-Z3)是组合物G。
两个块，即块Y2(X3-Z3)和块Y2(X4-Z3)是组合物F。
块Y2(X5-Z3)是组合物E。
图7G显示了Y3区，即构成正极层13的底部的区域。在Y3区中，在电解质膜12侧的所有的五个块，即块Y3(X1-Z1)～块Y3(X5-Z1)均为表1所述的组合物A。
在两个块，即块Y3(X1-Z2)和块Y3(X2-Z2)中是组合物E。
在三个块，即块Y3(X3-Z2)、块Y3(X4-Z2)和块Y3(X5-Z2)中是组合物F。
在两个块，即块Y3(X1-Z3)和块Y1(X2-Z3)中是组合物H。
在两个块，即块Y3(X3-Z3)和块Y3(X4-Z3)中是组合物I。
块Y3(X5-Z3)是组合物J。
通过这种方法，在构成Y1区～Y3区的块中的成分中，正极层13中包含这样的电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量，使得其从电解质膜12向正极扩散层15逐渐减少。这样，在需要含有大的电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量的块中，可以含有大量的这些成分，在只需要少量上述成分的块中，其含量较小。
并且，在构成Y1区～Y3区的块的成分中，正极层13中含有这样的成孔材料的量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的量，使得其从电解质膜12侧向正极扩散层15逐渐增加。这样，在需要含有大量的成孔材料、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的块中，可以含有大量的这些成分，在只需要少量上述成分的块中，其含量较小。
下面，将基于图8～图11B，对具有如图7A～图7G所示的正极层13的燃料电池10的操作进行说明。
图8显示了第一实施例的燃料电池10，该燃料电池具有设置在电解质膜12上的正极层13和设置在正极层13上的正极扩散层15。
图9是图8所示的燃料电池从箭头9的方向上观察的示意图，显示了氧气与氢离子的反应。
如图9所示，氧气(O2)如箭头(3)所示经正极扩散层15进入正极层13，进入的氧气(O2)从正极层13的内部进入到电解质膜12中。
同时，在负极层14(参见图2)的反应中所产生的氢离子(H+)如箭头(4)所示穿过电解质膜12进入到正极层13中。从而，氢离子(H+)与氧气(O2)反应并生成产物水。
氢离子(H+)与氧气(O2)间的反应特别是在正极层13中与电解质膜12接触的面34上(虚线阴影所示的区域)进行。
所以，在正极层13中与电解质膜12接触的面34上，电解质/碳的重量比较大，并且所负载的催化剂的含量较大，并且他们都是均匀包含。这样，在与电解质膜12接触的面34上，可以充分地促进电极反应。
并且，在与电解质膜12接触的面34上，成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量小且均匀，由此抑制了与电解质膜12接触的面34的排水能力。
因此，当氢离子(H+)与氧气(O2)反应并且所生成的产物水如箭头(5)所示进入正极层13时，一些产物水如箭头(6)所示向电解质膜12返回。
通过这种方法，可以使电解质膜12保持合适的湿润状态，并进一步促进氢离子(H+)与氧气(O2)间的反应。
氢离子(H+)与氧气(O2)间的反应在从电解质膜12侧到正极扩散层15的方向上逐渐受到抑制。因此，与氢离子(H+)和氧气(O2)间的反应状态相对应，电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量如第一箭头25所示，从电解质膜12侧向正极扩散层15的方向上逐渐减少。这样，可以减少电解质、碳和负载催化剂的量，而不会对氢离子(H+)与氧气(O2)间的反应造成不利的影响。
而且，为了让产物水如箭头(7)所示向正极扩散层15排出，必需使正极扩散层15的排水能力从电解质膜12侧向正极扩散层15逐渐提高。所以，与排水能力相对应，如第四箭头30所示，正极层13中的成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量，从正极层13的电解质膜12侧向正极扩散层15的方向逐渐增加。这样，总体上可以减小成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量，而不会对产物水的排出能力带来不利的影响。
图10是图8所示的燃料电池10从箭头10的方向上观察的示意图，并且显示了氧气与氢离子的反应和产物水的排出状态。
如图3所示，氧气通道18的供给侧18a位于正极层13的顶部13a，而排出侧18b位于底部13b。因此，如箭头(3)所示经正极扩散层15进入到正极层13中的氧气(O2)量，从正极层13的垂直方向上的顶部13a向底部13b的方向逐渐减少。结果，氢离子(H+)与氧气(O2)间的反应从正极层13的垂直方向上的顶部13a向底部13b的方向逐渐受到抑制。
因此，与氢离子(H+)和氧气(O2)间的反应状态相对应，电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量如第二箭头26所示，从正极层13的垂直方向上的顶部13a向底部13b的方向逐渐减少。这样，可以减少电解质、碳和所负载的催化剂的含量，而不会对氢离子(H+)与氧气(O2)间的反应带来不利影响。
并且，正极层13中的产物水如箭头(8)所示流出至正极扩散层15，其它产物水在自身重力作用下如箭头(9)所示穿过正极层13的内部下降。因此，必需使下降的产物水如箭头所示从正极层13的底部13b流出到正极扩散层15中。从而为了使产物水有效地向正极扩散层15排出，必需从顶部13a到底部13b逐渐增加正极层13的排水能力。
因此，与排水能力相对应，如第五箭头31所示，正极层13中的成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量，在从顶部13a到底部13b的方向上逐渐增加。这样，可以从总体上减少成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量，而不会对产物水的排出能力产生不利影响。
图11A和图11B是图8中从箭头11的方向观察的示意图，图11A显示了电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量，图11B显示了成孔材料的量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的量。
如图11A所示，氧气从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b流动。在氧气通道18中流动的氧气趋向于在弯曲部18d滞留，并向氧气通道18的排出侧18b的方向趋于逐渐减小。因此，经正极扩散层15进入正极层13(参见图10)的氧气量，从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b逐渐减少。结果，氢离子(H+)与氧气(O2)间的反应从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b逐渐受到抑制。
因此，与氢离子(H+)和氧气(O2)间的反应状态相对应，电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量如第三箭头27所示，从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b逐渐减少。这样，可以总体上减少电解质、碳和所负载的催化剂的量，而不会对氢离子(H+)和氧气(O2)间的反应产生不利影响。
并且，正极层13中的一些产物水(参见图10)发散到氧气通道18中，并随氧气一起移动。
另一方面，氧气趋于滞留在氧气通道18的弯曲部18d，并且在氧气通道18的排出侧18b的氧气流趋于减少，产物水趋于累积在氧气通道18的排出侧18b。因此，在氧气通道18的排出侧18b，必需提高产物水的排出能力，并有效地排出产物水。
因此，如图11B所示，正极层13中的成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量如第六箭头32所示，从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b逐渐增加。这样，可以减少成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量，而总体上不会对产物水的排出能力产生不利影响。
正如参考图9～图11B所作的解释，在需要大的电解质/碳的重量比和催化剂38的负载量(参见图4A到图5B)的部位，可以含有大量的这些成分，并且可以提高所述部位的发电效率。
并且，在正极层13中只需要小的电解质/碳的重量比和催化剂38的负载量的部位，可以含有少量的这些成分，从而可以防止这些成分的含量过量。
通过该方法，可以使构成正极层13的成分保持在所需的最小量。
另一方面，在需要大量成孔材料和疏水性树脂的部位，可以包含大量的这些成分，以提高正极层中各个部位的排水能力。
并且，在正极层13中只需要少量的成孔材料和疏水性树脂的部位，通过含有少量的这些成分，可以防止这些成分的含量过量。
通过该方法，可以使构成正极层13的成分的含量保持在所需的最小值。
下面将基于图12A～图12C对根据第二实施例的燃料电池进行说明。在对第二实施例的说明中，与第一实施例相同的部位采用相同的附图标记，并且不再进行说明。
图12A显示了正极层13中与电解质膜接触的面34(也可参见图3)上碳和负载在碳上的催化剂的状态。
在与电解质膜接触的面34上，即电解质膜12附近的正极层中，需要完全催化反应。
因此，为了使正极层13的电解质膜12附近可以进行完全催化反应，在正极层13的电解质膜12附近均匀地含有大量的大直径碳36和负载在其上的催化剂38。具体地，催化剂38以致密状态负载在大直径碳36的表面，并且该大直径碳36致密地包含在与电解质膜接触的面34中。
与电解质膜接触的面34中的成孔材料含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量，用与第一实施例中相同的方式进行调节。
图12B显示了正极层13中电解质/碳的重量比和催化剂38的负载量从电解质膜12附近向正极扩散层15的方向逐渐减少。具体地，在正极层13中，电解质/碳的重量比和负载在大直径碳36表面上的催化剂38如第一箭头25所示，从电解质膜12附近向正极扩散层15的方向逐渐减少。
成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量，在从正极层13的电解质膜12侧到正极扩散层15的方向上用与第一实施例相同的方式进行调节。
图12C显示了电解质/碳的重量比和催化剂38的负载量从正极层13的垂直方向上的顶部13a向底部13b逐渐减少。
具体地，负载在大直径碳36上的催化剂38从正极层13的垂直方向上的顶部13a向底部13b逐渐减少。这样，在正极层13中，电解质/碳的重量比和催化剂38的负载量如第二箭头26所示，从垂直方向上的顶部13a向底部13b逐渐减少。
成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量，从正极层13的垂直方向上的顶部13a到底部13b，用与第一实施例相同的方式进行调节。
下面，将基于图13和图14A～图14D说明本发明的燃料电池的制备方法。这里，为了便于理解，省略了对成孔挥发性溶剂的描述；但是，可以假设用与成孔材料相同的方式施加成孔挥发性溶剂。
图13显示了施加燃料电池正极层的涂布装置。
该涂布装置50具有承载部件51，从承载部件51的末端51a依次承载有电极浆料涂布器52、电解质涂布器57、成孔材料涂布器58和疏水性树脂涂布器59。
电极浆料涂布器52由第一电极浆料涂布器53、第二电极浆料涂布器54和第三电极浆料涂布器55构成。
第一电极浆料涂布器53在罐61中装有包含大量催化剂的第一电极浆料。当罐61中的压电泵(piezo pump)62运行时，将第一电极浆料通过喷嘴63沿箭头方向以滴状喷出。
第二电极浆料涂布器54在罐65中装有包含中等量催化剂的第二电极浆料。当罐65中的压电泵66运行时，将第二电极浆料通过喷嘴67沿箭头方向以滴状喷出。
第三电极浆料涂布器55在罐68中装有包含少量催化剂的第三电极浆料。当罐68中的压电泵69运行时，将第三电极浆料通过喷嘴71沿箭头方向以滴状喷出。
电解质涂布器57在罐72中装有电解质浆料。当罐72中的压电泵73运行时，将电解质浆料通过喷嘴74沿箭头方向以滴状喷出。
成孔材料涂布器58在罐76中装有成孔材料浆料。当罐76中的压电泵77运行时，将成孔材料浆料通过喷嘴78沿箭头方向以滴状喷出。
疏水性树脂涂布器59在罐81中装有疏水性树脂浆料。当罐81中的压电泵82运行时，将疏水性树脂浆料通过喷嘴83沿箭头方向以滴状喷出。
当用该涂布装置50，通过涂布器53、54、55、57、58和59中所使用的各个压电泵62、66、69、73、77和82，将浆料从喷嘴63、67、71、74、78、83以滴状喷出时，可以将它们以颗粒形式施加，而无需分散。
压电泵62、66、69、73、77和82是采用压电设备作为泵驱动源的泵。
通过以移动方式设置的涂布装置50和连续移动的承载部件51，涂布装置50可以沿着正极扩散层15移动，以进行连续涂布。
图14A～图14D显示了根据本发明制备燃料电池的步骤。
在图14A中，放置正极扩散层15，将涂布装置50放置在正极扩散层15的上方，涂布装置50从待机位置P沿箭头A方向移动。
随着涂布装置50的移动，第三电极浆料涂布器55中的压电泵69运行，将罐68中的第三电极浆料如箭头所示从喷嘴71中以滴状喷出。结果，将在其表面上以稀疏状态负载催化剂38的大直径碳36施加到正极扩散层15上。
同时，成孔材料涂布器58的压电泵77运行，将罐76中的成孔材料浆料如箭头所示从喷嘴78中以滴状大量喷出。并且，疏水性树脂涂布器59的压电泵82运行，将罐81中的疏水性树脂浆料如箭头所示从喷嘴83以滴状大量喷出。
通过该方法，将在其表面上以稀疏状态负载催化剂38的大直径碳36、成孔材料和疏水性树脂分别大量地施加至正极扩散层15。
用涂布装置50完成第一次涂布后，涂布装置50暂时返回至待机位置P。
下面，如图14B所示，涂布装置50从待机位置P沿箭头B移动。
随着涂布装置50的移动，第二电极浆料涂布器54的压电泵66运行，将罐65中的第二电极浆料如箭头所示按中等量，即比第一电极浆料大的量从喷嘴67以滴状喷出。通过该方法，将在其表面上以中等密度负载催化剂38的大直径碳36以中等的量，即比第一电极浆料大的量施加至在其表面上以稀疏状态负载催化剂38的大直径碳36上。
同时，电解质涂布器57的压电泵73运行，将罐72中的电解质浆料如箭头所示从喷嘴74以滴状喷出。并且，成孔材料涂布器58的压电泵77运行，将罐76中的成孔材料浆料按比第一次的成孔材料浆料小的量、如箭头所示从喷嘴78以滴状喷出。以及，疏水性树脂涂布器59的压电泵82运行，将罐81中的疏水性树脂浆料按比图14A所述的第一次疏水性树脂浆料少的量，如箭头所示从喷嘴83以滴状喷出。
结果，将以稀疏状态负载催化剂38的大直径碳36用以中等密度在其表面上负载催化剂38的大直径碳36以及少量成孔材料和疏水性树脂进行涂布。
用涂布装置50完成第二次涂布后，涂布装置50再次返回至待机位置P。
并且，如图14C所示，涂布装置50从待机位置P如箭头C所示移动。
随着涂布装置50的移动，第一电极浆料涂布器53的压电泵62运行，将罐61中的第一电极浆料如箭头所示以较大的量，即比第二电极浆料大的量从喷嘴63以滴状喷出。
结果，将在其表面上以致密状态负载催化剂38的大直径碳36，以比第二电极浆料大的量施加至在其表面上以中等密度负载催化剂38的大直径碳36上。
同时，电解质涂布器57的压电泵73运行，将罐72中的电解质浆料以比第一次的电解质浆料更大的量，如箭头所示从喷嘴74以滴状喷出。
通过该方法，可以使正极层13中所包含的电解质/碳的重量比和催化剂38的负载量处于这样的状态，即它们如图12B所示从电解质膜12侧向正极扩散层15的方向逐渐减少。
并且，可以使正极层13中所包含的成孔材料的量和疏水性树脂的量，从电解质膜12侧向正极扩散层15的方向逐渐增大。
最后，如图14D所示，涂布机90如箭头D所示，在通过配置多个在其表面上以致密状态负载有催化剂38的大直径碳36而形成的顶面84上移动。用该涂布机90，将用于制备电解质膜(离子交换膜)12的糊膏施加在以致密状态负载有催化剂38的大直径碳36的顶面84上，以形成电解质膜12。
具体地，将涂布机90的刮刀91以距碳36的顶面84预定距离平行地配置在顶面84的上方。随着刮刀91如箭头D所示沿顶面84移动，用该刮刀91将电解质膜12的糊膏涂敷至恒定厚度并形成电解质膜12。
在图14A～图14D所示的步骤中，描述了这样的例子，其中，从正极层13的电解质膜12侧到正极扩散层15的方向上，正极层13中的电解质/碳的重量比和催化剂38的负载量逐渐减少，且正极层13中的成孔材料的含量和疏水性树脂的含量逐渐增加；但是，通过在该涂布过程中使用掩模，可以如图7A到图7B所示，涂布在多个块(如45个)中各自均具有不同成分的正极层13。
通过在涂布装置50中使用压电泵62、66、69、73、77和82，可以从喷嘴中以颗粒形式释放所述浆料，而无需对其进行分散。因此，当将正极层13如图7A～图7G所示划分为多个块时，通过提供与这些块对应的涂布部位，可以任意决定正极层13中各个块的成分，而不需要掩模。
并且，由于涂布装置50对每个成分均提供了罐，并用压电泵62、66、69、73、77和82来实施涂布，因此构成正极层13的多个块中的成可以连续改变，而不是阶梯式的改变。
通过用该涂布装置50来进行图14A～图14D中所示的涂布步骤，可以在正极层13的成分中，如图3所示，使电解质/碳的重量比和碳上所负载的催化剂的量(所负载的催化剂的量)如第一箭头25所示从电解质膜12侧向正极扩散层15的方向逐渐减少。
并且，它可以使电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量如第二箭头26所示，从正极层13的垂直方向上的顶部13a向底部13b逐渐减少。
并且，它可以使电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量如第三箭头27所示，从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b逐渐减少。
以及，它可以使成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量如第四箭头30所示，从电解质膜12侧向正极扩散层15的方向逐渐增加。
并且，它可以使成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量如第五箭头31所示，从正极层13的垂直方向上的顶部13a向底部13b逐渐增加。
以及，它可以使成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量如第六箭头32所示，从氧气通道18的供给侧18a向排出侧18b逐渐增加。
此外，它可以使电解质/碳的重量比、所负载的催化剂的量、成孔材料的含量、成孔挥发性溶剂和疏水性树脂的含量在与电解质膜12接触的面34(虚线阴影所示区域)是均匀的。
尽管在前述的实施例中描述了在涂布装置50中使用了压电泵62、66、69、73、77和82的例子，但是也可以采用常规的喷墨器作为涂布装置50。由于喷墨器可以减小施加面积，因此它们可以顺利地将浆料施加至正极层13的多个块上。
并且，尽管前述实施例中描述了这样的例子，其中涂布装置50的浆料涂布器53、54、55、57、58和59各自设置有喷嘴63、67、71、74、78和83，并且浆料从各个喷嘴以滴状单独喷出，但作为另一个例子，也可以将喷嘴63、67、71、74、78和83相互连接，并将浆料在已连接的喷嘴中混合，然后以混合状态以滴状喷出。
工业实用性
由于该燃料电池提高了在正极层的电解质膜附近的发电效率，并且使氧气与氢离子反应所生成的产物水可以有效地排出，并且还成本低廉，因此作为用于多个工业领域和家庭中的燃料电池是有用的。

Claims (2)

1.一种燃料电池，该燃料电池包括：
电解质膜；
分别垂直设置在所述电解质膜的前面和后面的正极层和负极层；
设置在所述正极层上的正极扩散层；
设置在所述负极层上的负极扩散层；
提供在所述正极层的外表面上的氧气通道；和
提供在所述负极层的外表面上的氢气通道，
所述正极层包括电解质、碳、负载在所述碳上的催化剂、成孔材料和疏水性树脂，
其特征在于，在所述正极层中所包含的电解质/碳的重量比和所负载的催化剂的量，从所述电解质膜侧向所述正极扩散层的方向减少，从所述正极层的垂直方向上的顶部向底部的方向减少，并从所述氧气通道的供给侧向排出侧减少，以及
所述正极层中所包含的成孔材料的量和疏水性树脂的量，从所述电解质膜侧向所述正极扩散层的方向增加，从所述正极层的垂直方向上的顶部向底部的方向增加，和从所述氧气通道的供给侧向排出侧增加。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其中在所述正极层中与所述电解质膜接触的面上，电解质/碳的重量比、所负载的催化剂的量、成孔材料的含量和疏水性树脂的含量是均匀的。
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