(57)【要約】【課題】この発明は、フラッディングが起きやすくなることを避けつつ、触媒担持密度の傾斜がある電極触媒層を備えた燃料電池または燃料電池スタックを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池２は、領域Ａに電極触媒層３０を備え、領域Ａ以外の領域に電極触媒層３４を備える。電極触媒層３０は、電解質膜２０に近いほど触媒担持密度が高い。電極触媒層３４は、層内で触媒担持密度が均一である。領域Ａは、カソードガス入口４の付近かつ冷媒出口７の付近の領域である。【選択図】図１
2010244754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の表面に設けられたカソード電極触媒層と、を備え、
前記電解質膜上の前記カソード電極触媒層面内に、発電中の温度が相対的に高い高温領域と、発電中の温度が相対的に低い低温領域と、を有し、
前記高温領域の前記カソード電極触媒層が、前記電解質膜に近い側に、前記電解質膜から遠い側よりも触媒密度が高い部分を有し、
前記低温領域の前記カソード電極触媒層が、触媒密度が略均一の層、または、前記高温領域の前記カソード電極触媒層と比べて触媒密度の高低の差が小さい層であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質膜と、前記電解質膜の表面に設けられたカソード電極触媒層と、を備え、
前記電解質膜上の前記カソード電極触媒層面内に、発電中の温度が相対的に高い高温領域と、発電中の温度が相対的に低い低温領域と、を有し、
前記高温領域の前記カソード電極触媒層のみが、前記電解質膜の表面側の触媒密度が前記電解質膜から遠い側の触媒密度よりも高い層であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池が、カソード側のガス入口を有し、
前記高温領域が、前記ガス入口付近の領域を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料電池が、入口と出口を備える冷媒流路を有し、
前記高温領域が、前記冷媒流路の前記出口付近の領域を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記高温領域の前記カソード電極触媒層において前記電解質膜に近い側と前記電解質膜から遠い側とを合わせた場合における前記カソード電極触媒層の単位面積当たりの触媒量と、前記低温領域の前記カソード電極触媒層の単位面積当たりの触媒量とが、実質的に同じであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
電解質膜および前記電解質膜に設けられたカソード電極触媒層を備えた膜電極接合体を、複数個有する燃料電池スタックであって、
前記複数の膜電極接合体は、前記燃料電池スタックの端側に位置する端側膜電極接合体と、前記端側膜電極接合体よりも前記燃料電池スタックの中央側に位置する内側膜電極接合体と、を含み、
前記内側膜電極接合体の前記カソード電極触媒層面内の一部または全部が、前記電解質膜に近い側の触媒密度が前記電解質膜から遠い側の触媒密度よりも高く、
前記端側膜電極接合体は、前記カソード電極触媒層の触媒密度が略均一、または、前記端側膜電極接合体の前記カソード電極触媒層と比べて触媒密度の高低の差が小さいことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
電解質膜および前記電解質膜に備えられたカソード電極触媒層を備えた膜電極接合体を、複数個有する燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックは、発電中に相対的に温度が高い高温部位と、発電中に相対的に温度が低い低温部位と、を有し、
前記高温部位に位置する前記カソード電極触媒層は、前記電解質膜に近い側の触媒密度が前記電解質膜から遠い側の触媒密度よりも高く、
前記低温部位に位置する前記カソード電極触媒層は、触媒密度が略均一な層、または、前記高温部位に位置する前記カソード電極触媒層と比べて触媒密度の高低の差が小さい層であることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池および燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００５−１３５７８７号公報に開示されているように、電極触媒層内において、触媒担持密度を部分的に高めた燃料電池が知られている。この従来の燃料電池は、電極触媒層表面から、電解質膜と電極触媒層の接合面にかけて、触媒担持密度が連続的あるいは段階的に高くなるように構成されている。以下、便宜上、層の厚さ方向に沿う上記のような触媒担持密度の増減を、「触媒担持密度の傾斜」とも呼称する。
【０００３】
従来、燃料電池に用いる触媒の量の低減が求められている。一般に、燃料電池の電極触媒層は、面方向及び層方向に見たときの触媒担持密度を概ね均一とする場合が多い。触媒担持密度が均一な電極触媒層において単に触媒量を減らした場合、燃料電池の電圧低下が懸念される。この点、上記従来の技術にかかる触媒担持密度の傾斜付きの電極触媒層によれば、電極触媒層表面側の触媒量を減らし、且つ、電解質膜と電極触媒層の接合面側の触媒担持密度を高く保つことができる。この構成によれば、燃料電池の電圧低下を抑制しつつ、トータルの触媒量を少なくできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１３５７８７号公報
【特許文献２】特開２００７−１２３１２２号公報
【特許文献３】特開２００８−２７７９９号公報
【特許文献４】特開２００８−１４０６０８号公報
【特許文献５】特開平５−２５１０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
触媒担持密度の傾斜有りの電極触媒層を膜電極接合体全面に形成できれば、触媒の低減量も多くなるため好ましい。同様に、触媒担持密度の傾斜がある電極触媒層を燃料電池スタックの全単位セルに適用できれば、触媒の低減量を多くでき好ましい。
【０００６】
しかしながら、本願発明者は、鋭意研究の結果、下記の課題を見出した。発電中の膜電極接合体の温度が面内均一とはならないことや、発電中に燃料電池スタック全体の温度が均一にならないことが知られている。膜電極接合体や燃料電池スタックに温度不均一がある場合、低温部位のほうが高温部位と比べてフラッディングを招き易い。また、燃料電池のカソードの電極触媒層では、発電時に水が生成する。層内で触媒量に相違がある場合には、触媒量が多い部分（言い換えれば、層内で触媒密度が高い部分）に生成水量が多く偏る。触媒担持密度の傾斜があることにより電解質膜と電極触媒層の接合面側の触媒担持密度が高い場合には、電解質膜と電極触媒層の接合面側に生成水が偏る。これらの事項を無視して、仮に、面内の高温領域と低温領域の区別なく、触媒担持密度の傾斜があるカソード電極触媒層を膜電極接合体全面に設けたとする。そうすると、膜電極接合体面内のうち、高温領域の発電に支障が無い場合であっても、低温領域でフラッディングによる発電阻害が生ずるおそれがある。同様に、触媒担持密度の傾斜があるカソード電極触媒層を燃料電池スタックの単位セルに設けた場合、スタックの低温部位の単位セルでフラッディングが起きやすくなるおそれがある。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、フラッディングが起きやすくなることを避けつつ、触媒担持密度の傾斜がある電極触媒層を備えた燃料電池または燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜と、前記電解質膜の表面に設けられたカソード電極触媒層と、を備え、
前記電解質膜上の前記カソード電極触媒層面内に、発電中の温度が相対的に高い高温領域と、発電中の温度が相対的に低い低温領域と、を有し、
前記高温領域の前記カソード電極触媒層が、前記電解質膜に近い側に、前記電解質膜から遠い側よりも触媒密度が高い部分を有し、
前記低温領域の前記カソード電極触媒層が、触媒密度が略均一の層、または、前記高温領域の前記カソード電極触媒層と比べて触媒密度の高低の差が小さい層であることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜と、前記電解質膜の表面に設けられたカソード電極触媒層と、を備え、
前記電解質膜上の前記カソード電極触媒層面内に、発電中の温度が相対的に高い高温領域と、発電中の温度が相対的に低い低温領域と、を有し、
前記高温領域の前記カソード電極触媒層のみが、前記電解質膜の表面側の触媒密度が前記電解質膜から遠い側の触媒密度よりも高い層であることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記燃料電池が、カソード側のガス入口を有し、
前記高温領域が、前記ガス入口付近の領域を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、前記１乃至３のいずれか１つの発明において、
前記燃料電池が、入口と出口を備える冷媒流路を有し、
前記高温領域が、前記冷媒流路の前記出口付近の領域を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、前記１乃至４のいずれか１つの発明において、
前記高温領域の前記カソード電極触媒層において前記電解質膜に近い側と前記電解質膜から遠い側とを合わせた場合における前記カソード電極触媒層の単位面積当たりの触媒量と、前記低温領域の前記カソード電極触媒層の単位面積当たりの触媒量とが、実質的に同じであることを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、上記の目的を達成するため、
電解質膜および前記電解質膜に設けられたカソード電極触媒層を備えた膜電極接合体を、複数個有する燃料電池スタックであって、
前記複数の膜電極接合体は、前記燃料電池スタックの端側に位置する端側膜電極接合体と、前記端側膜電極接合体よりも前記燃料電池スタックの中央側に位置する内側膜電極接合体と、を含み、
前記内側膜電極接合体の前記カソード電極触媒層面内の一部または全部が、前記電解質膜に近い側の触媒密度が前記電解質膜から遠い側の触媒密度よりも高く、
前記端側膜電極接合体は、前記カソード電極触媒層の触媒密度が略均一、または、前記端側膜電極接合体の前記カソード電極触媒層と比べて触媒密度の高低の差が小さいことを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、上記の目的を達成するため、
電解質膜および前記電解質膜に備えられたカソード電極触媒層を備えた膜電極接合体を、複数個有する燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックは、発電中に相対的に温度が高い高温部位と、発電中に相対的に温度が低い低温部位と、を有し、
前記高温部位に位置する前記カソード電極触媒層は、前記電解質膜に近い側の触媒密度が前記電解質膜から遠い側の触媒密度よりも高く、
前記低温部位に位置する前記カソード電極触媒層は、触媒密度が略均一な層、または、前記高温部位に位置する前記カソード電極触媒層と比べて触媒密度の高低の差が小さい層であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、高温領域のカソード電極触媒層において、燃料電池の電圧低下を抑制しつつ触媒量を少なくすることができる。また、低温領域のカソード電極触媒層は、高温領域のカソード電極触媒層に比して、電解質膜側への生成水量の偏りが抑制されている。これにより、低温領域のフラッディングが起きやすくなることを避けつつ、触媒量を低減することができる。
【００１６】
第２の発明によれば、電解質膜側に向かって触媒密度が増加する構成を、高温領域のカソード電極触媒層のみに使用することができる。これにより、フラッディングが起きやすくなることを避けつつ、触媒量を低減することができる。
【００１７】
第３の発明によれば、発電中に高温になりやすい部位であるカソード側のガス入口付近に、電解質膜側に向かって触媒密度が増加するカソード電極触媒層を設けることができる。
【００１８】
第４の発明によれば、発電中に高温になりやすい部位である冷媒流路出口付近に、電解質膜側に向かって触媒密度が増加するカソード電極触媒層を設けることができる。
【００１９】
第５の発明によれば、単位面積当たりの触媒量がカソード電極触媒層面内で均一である燃料電池において、フラッディング抑制効果と触媒量削減効果とを両立するように触媒を分布させることができる。
【００２０】
第６の発明によれば、発電中に高温な内側膜電極接合体が、電解質膜側に向かって触媒密度が増加するカソード電極触媒層を有する。また、発電中に低温な端側膜電極接合体は、内側膜電極接合体に比して、電解質膜側への生成水量の偏りが抑制されている。これにより、スタック内のフラッディングが起きやすくなることを避けつつ、触媒量を低減することができる。
【００２１】
第７の発明によれば、発電中に高温な部位のカソード電極触媒層は、電解質膜側に向かって触媒密度が増加する構成を有する。また、発電中に低温な部位のカソード電極触媒層は、高温部位のカソード電極触媒層に比して、電解質膜側への生成水量の偏りが抑制されている。これにより、スタック内のフラッディングが起きやすくなることを避けつつ、触媒量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の構成を模式的に示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の電極触媒層の構成を模式的に示す部分拡大断面図である。
【図３】実施の形態１に関して本願発明者が行った実験の結果を説明するための図である。
【図４】実施の形態１に関して本願発明者が行った実験の結果を説明するための図である。
【図５】実施の形態１に関して本願発明者が行った実験の結果を説明するための図である。
【図６】実施の形態１の変形例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかる燃料電池スタックの構成を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
実施の形態１． 
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池２の構成を模式的に示す平面図である。複数枚の燃料電池２が図１の紙面奥行方向に積層されることにより１つの燃料電池スタックが構成される。すなわち、燃料電池２は、燃料電池スタックを構成する単位となるセル（いわゆる単位セル）である。燃料電池２を用いた燃料電池スタックは、例えば燃料電池車両に用いることができる。燃料電池２は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜２０（以下、単に「電解質膜２０」とも称す）を備える。電解質膜２０の表面には、電極触媒層３０、３４が形成されている。電極触媒層３０、３４は、白金が担持されたカーボン粒子を含有する。電極触媒層３０、３４は、カソードの電極触媒層である。尚、本実施形態では詳しく述べないが、電極触媒層３０，３４には、さらに、カーボンシート等からなるガス拡散層や、溝付セパレータ、多孔質体層等が重ねられる。この点については新規な事項ではないので、説明は省略する。
【００２４】
図１の紙面において破線で区画した矩形領域は、電極触媒層３０または３４が設けられた領域である。このうち、燃料電池２における紙面右側の三角形の領域Ａには、電極触媒層３０が備えられる。矩形領域のうち領域Ａ以外の領域は、電極触媒層３４が設けられる。燃料電池２は、カソードガス入口４、カソードガス出口５、冷媒入口６、冷媒出口７を備える。領域Ａは、電解質膜２０面内のうち、カソードガス入口４に近くかつ冷媒出口７に近い領域が三角形に区画されたものである。
【００２５】
図２は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池２の電極触媒層の構成を模式的に示す部分拡大断面図である。図２（ａ）は、電極触媒層３０と電解質膜２０の界面近傍を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、電極触媒層３０では、電解質膜２０に近づくにつれてカーボン粒子２２の１個当たりに対する白金粒子２４の量が増加している。カーボン粒子１個当たりに対する触媒粒子の重量比は、「触媒担持密度」あるいは単に「担持密度」とも呼称される。電極触媒層３０は、電解質膜２０に近づくにつれ担持密度が増加する構成を備えている。なお、以下、便宜上、層の厚さ方向に沿う触媒担持密度の増加や減少を、「触媒担持密度の傾斜」とも呼称する。一方、図２（ｂ）は、電極触媒層３４と電解質膜２０の界面近傍を示す断面図である。図２（ｂ）に示すように、電極触媒層３４は、カーボン粒子２２の１個当たりに対する白金粒子２４の量が、電解質膜２０との距離によらずほぼ均一である。
【００２６】
電極触媒層３０、３４を作製する際には、領域Ａ内部と領域Ａ外部とを択一的にマスクして、スプレー法、転写法、ダイコート法などの従来の触媒層塗布方法をそれぞれ用いればよい。電極触媒層３０は、担持密度の異なる白金担持カーボン粒子を、多層（２層以上）に塗布することにより形成できる。また、実施の形態１では、電極触媒層３０、３４の厚さが同じとなるように、電極触媒層３４の触媒担持密度を調節するものとする。仮に電極触媒層３０、３４の厚さが異なるとすると、電極触媒層３０、３４とこれらの層に更に積層される他の部材（ガス拡散層等）との間に隙間が生じるおそれがあるからである。また、実施の形態１では、燃料電池を平面視した場合において電極触媒層の単位面積当たりに含まれる触媒量（「目付け」とも呼称されることがあり、単位は例えば［ｇ／ｃｍ２］）が、電極触媒層３０、３４で同じであるものとする。
【００２７】
［実施の形態１の作用効果］
以下、実施の形態１の燃料電池２の構成により生ずる作用効果を説明する。燃料電池２では、冷却水の流れの最下流である冷媒出口７の近傍や、酸素分圧が高く発電反応が活発なカソードガス入口４の近傍は、相対的に温度が高い。このような温度不均一がある場合、低温部位のほうが高温部位と比べてフラッディングを招き易い。また、燃料電池のカソードの電極触媒層では、発電時に水が生成する。層内で触媒量に相違がある場合には、触媒量が多い部分（言い換えれば、層内で触媒密度が高い部分）に生成水量が多く偏る。仮にこれらの事項を無視して、面内の高温領域と低温領域の区別なく、触媒担持密度の傾斜があるカソード電極触媒層を膜電極接合体全面に設けたとする。そうすると、高温領域の発電に支障が無い場合でも、低温領域の発電がフラッディングにより阻害されるおそれがある。
【００２８】
そこで、実施の形態１では、燃料電池２において、領域Ａに電極触媒層３０を設け、且つ、領域Ａ以外の領域には電極触媒層３４を設けている。触媒担持密度の傾斜付きの電極触媒層３０によれば、電極触媒層３０表面側の触媒量（白金量）を減らし、且つ、電解質膜２０と電極触媒層３０の接合面側の触媒担持密度を高く保つことができる。この構成によれば、発電の集中する電解質膜２０の側の触媒サイトが増加し、プロトン移動距離が短くなる。その結果、トータルの白金量が同じであっても、触媒担持密度が均一である場合に比して、触媒担持密度に傾斜を付けたほうがセル電圧を高くできる。このように、電極触媒層３０では、燃料電池２の電圧低下を抑制しつつ白金量を少なくすることができる。また、領域Ａは冷媒出口７の近傍かつカソードガス入口４の近傍の領域であるため、領域Ａは発電中に比較的温度が高い。よって、電極触媒層３０で生成水の偏りが生じたとしても、フラッディングを招くおそれが小さい。
【００２９】
一方、領域Ａ以外の領域に設けられた電極触媒層３４は、触媒担持密度の傾斜を持たない構成つまり触媒担持密度が層の位置によらずほぼ均一な構成である。領域Ａの外の領域は、領域Ａに比して温度が低い。そこで、実施の形態１では、フラッディングが起きやすくなることを避けるべく、相対的に低温な領域には触媒担持密度の傾斜を設けないこととした。電極触媒層３４は、層内の触媒量が位置に寄らずほぼ均一、すなわち、層内の触媒密度が一定である。これにより、電極触媒層３４においては、電解質膜２０側に生成水が偏ることを避けることができる。結果、電極触媒層３４において、フラッディングによる発電阻害を避けることができる。
【００３０】
以上説明したように、実施の形態１によれば、低温領域のフラッディングが起きやすくなることを避けつつ、触媒量を低減することができる。なお、プロトン移動過電圧は温度依存性を有している。プロトン移動過電圧は、高温なほど増加する傾向がある。これに起因して、高温領域では大きな電圧低下ひいては出力低下が懸念される。この点、実施の形態１によれば、領域Ａの電極触媒層３０が触媒担持密度の傾斜を有している。従って、高温領域の過電圧増大による電圧低下を抑制することができる。
【００３１】
［実施の形態１の実験結果］
以下、図３乃至５を用いて、実施の形態１に関して本願発明者が行った実験の結果を説明する。図３は、実験のサンプルを示す断面図である。図３（ａ）は触媒担持密度に傾斜を設けたサンプル（以下、「実施例サンプル」）であり、低担持密度の層（１０％、０．０２ｍｇ／ｃｍ２）と、高担持密度の層（３０％、０．０８ｍｇ／ｃｍ２）とが電解質膜上に形成されている。図３（ｂ）は、触媒担持密度が一定（２０％、０．１ｍｇ／ｃｍ２）のサンプル（以下、「比較例サンプル」）である。但し、これらのサンプルは、燃料電池２とは異なり、電解質膜の面内で単一の構成の電極触媒層を備える。つまり、図３（ａ）のサンプルは、電解質膜の面内の全部に、図３（ａ）の電極触媒層の構成を備える。図３（ｂ）のサンプルは、電解質膜の面内の全部に図３（ｂ）の電極触媒層の構成を備える。
【００３２】
図４は、サンプルへの供給ガスを加湿した条件での、各サンプルのセル電圧（Ｖ）と冷却水出口温度（℃）との関係を示す。図５は、サンプルへの供給ガスを加湿していない条件（ドライの水素、空気を供給する、両極無加湿条件）での、各サンプルのセル電圧（Ｖ）と冷却水出口温度（℃）との関係を示す。実線がセル電圧を示し、破線は面積抵抗を示す。図４に示した生成水が多量に存在する加湿条件下では、実施例サンプルは、高温においてのみ比較例サンプルよりもセル電圧が高い。一方、両極無加湿条件では、測定温度のほぼ全域で、実施例サンプルのほうがセル電圧が高い。
【００３３】
ところで、図４における冷却水出口温度が低い側（具体的には８０℃以下）のセル電圧を比べると、実施例サンプルのセル電圧が比較例サンプルよりも低い。既述したように、実施例サンプルは、高温領域、低温領域の区別無く全面に触媒担持密度の傾斜が付いている。本願発明者の知見によれば、この領域で実施例サンプルのセル電圧が劣る理由は、実施例サンプル面内の低温領域でのフラッディングによる発電阻害が原因だと考えられる。この点、実施の形態１の燃料電池２によれば、電極触媒層３４には触媒担持密度の傾斜が付いていない。従って、低温領域でのフラッディングによる発電阻害が、抑制されている。
【００３４】
なお、フラッディングが起こり易い条件としては、例えば、セル温度が５０℃〜６０℃など比較的低温域での発電や、燃料電池への供給ガス流量が少ない低発電中が考えられる。本実施形態の構成をこれらの運転域で使用される燃料電池に使用することにより、高いフラッディング抑制効果が期待できる。
【００３５】
尚、上述した実施の形態１では、電解質膜２０が、前記第１の発明における「電解質膜」に、電極触媒層３０および３４が、前記第１の発明における「カソード電極触媒層」に、領域Ａが、前記第１の発明における「高温領域」に、領域Ａ以外の領域が、前記第１の発明における「低温領域」に、電極触媒層３０が、前記第１の発明における「前記高温領域の前記カソード電極触媒層」に、電極触媒層３４が、前記第１の発明における「前記低温領域の前記カソード電極触媒層」に、それぞれ相当している。
【００３６】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、領域Ａ以外の領域の電極触媒層（つまり電極触媒層３４）を、触媒担持密度が均一（すなわち触媒密度が均一な層）とした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。既述したように、触媒担持密度に傾斜を設けると生成水量が偏ってしまうことが、低温領域のカソード電極触媒層でフラッディングが起きやすくなる要因である。そこで、本変形例では、領域Ａ以外の領域の電極触媒層（つまり電極触媒層３４）にも触媒担持密度の傾斜を付けるものの、電極触媒層３０に比して触媒担持密度の高低の差を小さくする。言い換えれば、触媒担持密度の傾斜が緩やかな構成、触媒担持密度の増加割合が緩やかな構成にする。具体的には、例えば、電極触媒層３０が、実施例サンプルのように１０％の低担持密度層と３０％の高担持密度層とを有する２層構造とする。この場合には、領域Ａ以外の領域の電極触媒層は、例えば１５％と２５％の２層構造としてもよい。
【００３７】
（第２変形例）
図６は、電極触媒層３０の変形例を示す図である。図６（ａ）に示すように、電解質膜２０上に、担持密度７０％の電極触媒層１３０と、担持密度５０％の電極触媒層１３２とを順次重ねた２層構造を使用できる。また、図６（ｂ）に示すように、電解質膜２０上に、担持密度７０％の電極触媒層１４０と、担持密度５０％の電極触媒層１４２と、担持密度３０％の電極触媒層１４４と、担持密度１０％の電極触媒層１４６と、を順次重ねた４層構造を、カソード電極触媒層として使用できる。なお、必ずしも、電極触媒層の表面側部分（電極触媒層のうち電解質膜から最も遠い部位）の担持密度が最も低くなくとも良い。仮に、電極触媒層１４６と電極触媒層１４４の位置関係が上下逆だとしても、触媒担持密度の傾斜構造によるセル電圧向上効果は得られると考えられる。
【００３８】
（第３変形例）
実施の形態１では、カソードガス入口４に近くかつ冷媒出口７に近い領域を三角形に区画して得た領域Ａを、燃料電池２内の高温領域つまり触媒担持密度傾斜を設けるべき領域とした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。カソードガス入口４近傍と、冷媒出口７近傍のいずれか一方に、電極触媒層３０を設けることができる。また、図１における領域Ａの三角形底辺を可能な限り紙面左まで延長して、破線の矩形領域の半分に電極触媒層３０を設けてもよい。また、領域Ａの外形を三角形以外にしてもよい。
【００３９】
（第４変形例）
実施の形態１では、燃料電池２の面内において、高温領域と低温領域の２つのみに領域を区分した。しかしながら、本発明はこれに限られない。高温領域と低温領域の間に、１以上の中間的な温度領域を設けても良い。この場合には、例えば、触媒担持密度の高低の差を高温領域側ほど大きくするように（つまり、触媒担持密度の傾斜を高温領域側ほど急にするように）、各領域内の触媒担持密度を決定することができる。
【００４０】
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
図７は、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池スタック２１０の構成を模式的に示す斜視図である。燃料電池スタック２１０は、積層された複数の単位セルを備える。各単位セルは、電解質膜、電極触媒層、ガス拡散層、セパレータを備える。図７に示すように、実施の形態２の燃料電池スタック２１０は、スタックの両端に位置する単位セル２０４と、燃料電池スタック２１０の内側に位置する単位セル２０２とを備えている。実施の形態２では、単位セル２０４のカソード電極触媒層を、実施の形態１にかかる電極触媒層３４と同じ構成にする。そして、単位セル２０２のカソード電極触媒層を、実施の形態１にかかる電極触媒層３０と同じ構成にする。
【００４１】
［実施の形態２の作用効果］
燃料電池スタックも、発電中に温度の不均一が存在する。例えば、スタックエンドプレートを介した放熱や、スタック内の冷却液の流れの影響があるからである。具体的には、実施の形態２の場合には、燃料電池スタック２１０の端にある単位セル２０４は、燃料電池スタック２１０の中央にある単位セル２０２よりも、発電中の温度が低くなりやすい。そこで、実施の形態２では、単位セル２０２には触媒担持密度の傾斜がある電極触媒層３０を設け、且つ、単位セル２０４には触媒担持密度が層内で均一な電極触媒層３４を設けることとした。これにより、燃料電池スタック２１０内の温度差に合わせて、触媒担持密度の傾斜の有無を使い分けることができる。その結果、実施の形態２においても、実施の形態１と同様の効果、すなわちフラッディングが起きやすくなることを避けつつ触媒量を低減する効果が得られる。
【００４２】
［実施の形態２の変形例］
実施の形態２では、燃料電池スタック２１０の両端にある２つの単位セル２０４が、ともに、電極触媒層３０を有する。しかしながら、本発明はこれに限られるものはない。２つの単位セル２０４のうち、片方のみが電極触媒層３０を有してもよい。なお、図６を用いて述べた電極触媒層３０の変形例は、実施の形態２においても同様に用いることができる。
【００４３】
なお、実施の形態２の燃料電池スタック２１０の構成と、実施の形態１の燃料電池２の構成またはその変形例とを、組み合わせてもよい。つまり、燃料電池スタックの端側の単位セルの構成を、実施の形態１にかかる燃料電池２の構成（面内に部分的に電極触媒層３０を有する構成）にしてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
２  燃料電池
４  カソードガス入口
５  カソードガス出口
６  冷媒入口
７  冷媒出口
２０  電解質膜
２２  カーボン粒子
２４  白金粒子
３０、３４、１３０、１３２、１４０、１４２、１４４、１４６  電極触媒層
２１０  燃料電池スタック
２０２、２０４  単位セル
【図１】
2010244754.tif 000003
【図２】
2010244754.tif 000004
【図３】
2010244754.tif 000005
【図４】
2010244754.tif 000006
【図５】
2010244754.tif 000007
【図６】
2010244754.tif 000008
【図７】
2010244754.tif 000009