(57)【要約】【課題】動作温度範囲内での通常運転時にも、積層方向の両端部に配置された端部単位セルの発電性能を簡単な構成で向上させ、単位セル全体において優れた発電性能を得られる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】一組の電極４８、５０各々の電極触媒層５２、５８とガス拡散層５４、６０との間に、多孔質層５６、６２が介在する電解質膜・電極構造体３４を有する単位セル１２が複数個積層された燃料電池スタック１０であって、積層方向の両端部に配置される端部単位セル１２ａは、他の単位セル１２ｂに比して、ガス拡散層５４、６０と多孔質層５６、６２との重畳体６４、６８の透水圧が小さいこと及び水蒸気排出速度が大きいことの少なくとも一方の特性を示す。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持するように積層した電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されるセパレータとを有する単位セルを複数個積層して構成される燃料電池スタックであって、
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、ガス拡散層とを有し、
前記アノード電極又は前記カソード電極の少なくとも一方は、前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に介在する多孔質層をさらに有し、
前記複数個の単位セルのうち、積層方向の両端部に配置される端部単位セルは、他の単位セルに比して、前記多孔質層と前記ガス拡散層とを重畳した重畳体の透水圧が小さいことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部単位セルの前記重畳体の透水圧が１０．０〜３０．０ｋＰａであり、前記他の単位セルの前記重畳体の透水圧が３０．０〜１２０．０ｋＰａであることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持するように積層した電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されるセパレータとを有する単位セルを複数個積層して構成される燃料電池スタックであって、
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、ガス拡散層とを有し、
前記アノード電極又は前記カソード電極の少なくとも一方は、前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に介在する多孔質層をさらに有し、
前記複数個の単位セルのうち、積層方向の両端部に配置される端部単位セルは、他の単位セルに比して、前記多孔質層と前記ガス拡散層とを重畳した重畳体の水蒸気排出速度が大きいことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部単位セルの前記重畳体の水蒸気排出速度が１８．０〜２０．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎであり、前記他の単位セルの前記重畳体の水蒸気排出速度が１５．０〜１８．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎであることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持するように積層した電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されるセパレータとを有する単位セルを複数個積層して構成される燃料電池スタックであって、
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、ガス拡散層とを有し、
前記アノード電極又は前記カソード電極の少なくとも一方は、前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に介在する多孔質層をさらに有し、
前記複数個の単位セルのうち、積層方向の両端部に配置される端部単位セルは、他の単位セルに比して、前記多孔質層と前記ガス拡散層とを重畳した重畳体の透水圧が小さく且つ水蒸気排出速度が大きいことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部単位セルの前記重畳体の透水圧が１０．０〜３０．０ｋＰａ及び水蒸気排出速度が１８．０〜２０．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎであり、前記他の単位セルの前記重畳体の透水圧が３０．０〜１２０．０ｋＰａ及び水蒸気排出速度が１５．０〜１８．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎであることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部単位セルは、前記他の単位セルに比して、前記電解質膜・電極構造体の積層方向に対する電気抵抗が小さいことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部単位セルの前記重畳体を積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧したときの該重畳体の貫通抵抗が４．０〜５．０ｍΩ・ｃｍ2であり、前記他の単位セルの前記重畳体を積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧したときの該重畳体の貫通抵抗が５．０〜７．０ｍΩ・ｃｍ2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】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ、電極触媒層及びガス拡散層を有する電極を備え、且つ前記電極中の少なくとも一方には、電極触媒層とガス拡散層の間に多孔質層が介在する電解質膜・電極構造体を有する単位セルを複数積層して構成される燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種の燃料電池が開発されており、例えば、約７０〜１００℃で動作する固体高分子型燃料電池を車載等の用途で使用することが知られている。この固体高分子型燃料電池は、通常、所望の発電力を得るために、単位セルを所定数だけ積層し、この積層方向両端にエンドプレートが設けられた状態で燃料電池スタックとして使用される。
【０００３】
このような燃料電池スタックの積層方向の両端部に配置される端部単位セルでは、エンドプレート等を介して、燃料電池スタックの外部へ放熱が生じる分、該積層方向の中央部に配置される他の単位セルに比して温度が低下し易く、十分な発電性能が得られない懸念がある。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックを停止状態から始動する場合、例えば、発電反応による自己加熱で暖気を行って、燃料電池スタックの温度を上記の動作温度まで上昇させることが知られている。しかしながら、上記の通り端部単位セルは外部への放熱量が多いため、他の単位セルに比して温度が上昇するまでに要する時間が長い。これによって、例えば、端部単位セル内において、発電反応によって生じる生成水等の蒸気圧が十分に上がらない状態が続くと、反応ガス流路を形成する細孔内に水が滞留してフラッディングが生じ易くなる。その結果、発電反応が阻害されてしまい、燃料電池スタックを良好に始動させることが困難になる懸念がある。特に、燃料電池スタックを車載で用いる場合、氷点下の寒冷環境で起動されることが想定されるが、この場合、端部単位セル内の滞留水が凍結してしまい、燃料電池スタックの始動が一層困難になる懸念がある。
【０００５】
そこで、氷点下等の低温領域で燃料電池スタックを始動する際に、端部単位セルに生じるフラッディングを抑制すること、すなわち、燃料電池スタックの低温始動性を高めることを目的として、例えば、特許文献１には、他の単位セルに比して、端部単位セルの発熱量を大きくした燃料電池スタックが提案されている。また、特許文献２には、他の単位セルに比して、端部単位セルの吸水容量を大きくした燃料電池スタックを備える燃料電池システムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１９６２２０号公報
【特許文献２】特表２００６−５２６２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載の燃料電池スタックは、上記の通り、低温始動性を高めることを目的としたものであり、燃料電池スタックが動作温度に達した後の通常運転時に、端部単位セルの発電性能を向上させることを考慮したものではない。この燃料電池スタックでは、発電を行う限り、常に、端部単位セルの発熱量が大きくなる。このため、通常運転時においては、端部単位セルが過剰に高温になり、電解質膜が乾燥することで発電性能が低下してしまう懸念がある。従って、通常運転時には、端部単位セルを他のセルに比して余分に冷却する必要が生じ、冷却が不十分であった場合は、端部単位セルの発電性能、ひいては燃料電池スタック全体の発電性能が低下してしまうという問題があった。
【０００８】
一方で、特許文献２の燃料電池システムは、通常運転時においても、端部単位セルのフラッディング等により発電性能が低下することを抑制するべく、燃料電池スタックの温度等に応じて、反応ガスの湿度を調整して供給する制御装置を備えている。しかしながら、この燃料電池システムでは、燃料電池スタックに加えて、マイクロコンピュータ等の制御装置が必要になることから、構成が複雑になるという問題があった。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、動作温度範囲内での通常運転時にも、積層方向の両端部に配置された端部単位セルの発電性能を簡単な構成で向上させることができ、その結果、単位セル全体において優れた発電性能を示す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】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持するように積層した電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されるセパレータとを有する単位セルを複数個積層して構成される燃料電池スタックであって、
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、ガス拡散層とを有し、
前記アノード電極又は前記カソード電極の少なくとも一方は、前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に介在する多孔質層をさらに有し、
前記複数個の単位セルのうち、積層方向の両端部に配置される端部単位セルは、他の単位セルに比して、前記多孔質層と前記ガス拡散層とが重畳された重畳体の透水圧が小さいことを特徴とする。
【００１１】
上記の燃料電池スタックでは、前記端部単位セルの前記重畳体の透水圧が１０．０〜３０．０ｋＰａであり、前記他の単位セルの前記重畳体の透水圧が３０．０〜１２０．０ｋＰａであることが好ましい。
【００１２】
また、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持するように積層した電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されるセパレータとを有する単位セルを複数個積層して構成される燃料電池スタックであって、
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、ガス拡散層とを有し、
前記アノード電極又は前記カソード電極の少なくとも一方は、前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に介在する多孔質層をさらに有し、
前記複数個の単位セルのうち、積層方向の両端部に配置される端部単位セルは、他の単位セルに比して、前記多孔質層と前記ガス拡散層とが重畳された重畳体の水蒸気排出速度が大きいことを特徴とする。
【００１３】
上記の燃料電池スタックでは、前記端部単位セルの前記重畳体の水蒸気排出速度が１８．０〜２０．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎであり、前記他の単位セルの前記重畳体の水蒸気排出速度が１５．０〜１８．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎであることが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持するように積層した電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されるセパレータとを有する単位セルを複数個積層して構成される燃料電池スタックであって、
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、ガス拡散層とを有し、
前記アノード電極又は前記カソード電極の少なくとも一方は、前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に介在する多孔質層をさらに有し、
前記複数個の単位セルのうち、積層方向の両端部に配置される端部単位セルは、他の単位セルに比して、前記多孔質層と前記ガス拡散層とが重畳された重畳体の透水圧が小さく且つ水蒸気排出速度が大きいことを特徴とする。
【００１５】
上記の燃料電池スタックにおいて、前記端部単位セルの前記重畳体の透水圧が１０．０〜３０．０ｋＰａ及び水蒸気排出速度が１８．０〜２０．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎであり、前記他の単位セルの前記重畳体の透水圧が３０．０〜１２０．０ｋＰａ及び水蒸気排出速度が１５．０〜１８．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎであることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る燃料電池スタックでは、燃料電池スタックを構成する単位セルそれぞれの電極触媒層とガス拡散層との間に多孔質層を介在させ、この多孔質層とガス拡散層とを重畳した重畳体の透水圧及び水蒸気排出速度の少なくとも一方について、上記の通り、端部単位セルと、他の単位セルとが、互いに異なる特性を示すように設定されている。これによって、端部単位セル及び他の単位セルの両者について発電性能を向上させることができ、特に、他のセルに比して、外部への放熱量が多く温度が低下し易い端部単位セルについて、顕著に発電性能を向上させることができる。
【００１７】
すなわち、端部単位セルは、その他の単位セルに比して水や水蒸気を排出し易い。このため、他の単位セルより低温となってもフラッディングが生じ難い。従って、端部単位セルの温度が低下しても、該端部単位セルの電解質膜を湿潤状態に維持しつつ、余剰の水を排出してフラッディングを抑制することができる。これにより、電解質膜に良好なプロトン伝導性を発現させることができるとともに、反応ガスの拡散性を向上させて発電反応を促し、端部単位セルの発電性能を向上させることができる。ひいては、この端部単位セルを含む燃料電池スタック全体の発電性能を高めることができる。
【００１８】
ここで、端部単位セルとは、燃料電池スタックの積層方向における両側最端（最端部）に配設される２個の単位セルに限定されるものではない。端部単位セルは、燃料電池スタックの両端部にそれぞれ配設される数個（２〜５個）ずつの単位セルの全て又は該単位セルから選択した１個ないし複数個から構成されてもよい。すなわち、端部単位セルは、最端部に配設される２個の単位セルを含まずに構成されてもよく、この場合、最端部に配設される２個の単位セルは、燃料電池スタックの中央部に配置される単位セル（他の単位セル）と同様の特性を有していてもよい。
【００１９】
また、この燃料電池スタックでは、重畳体の透水圧及び水蒸気排出速度をそれぞれ上記の値とすることで、端部単位セル及び他の単位セルのそれぞれにおいて、アノード電極及びカソード電極間の保水性及び排水性の均衡を一層適切に図ることができ、より良好な発電性能を得ることができる。
【００２０】
上記の燃料電池スタックにおいて、前記端部単位セルは、前記他の単位セルに比して、前記電解質膜・電極構造体の積層方向に対する電気抵抗が小さいことが好ましい。一層好ましくは、前記端部単位セルの前記重畳体を積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧したときの該重畳体の貫通抵抗が４．０〜５．０ｍΩ・ｃｍ2であり、前記他の単位セルの前記重畳体を積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧したときの該重畳体の貫通抵抗が５．０〜７．０ｍΩ・ｃｍ2である。
【００２１】
この場合、端部単位セル及び他の単位セルそれぞれについて、アノード電極及びカソード電極間の保水性及び排水性の均衡を一層適切に図ることができるため、より良好な発電性能を有する燃料電池スタックを得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、端部単位セルの重畳体について、他の単位セルに比して透水圧を小さくすること、及び水蒸気排出速度を大きくすることの少なくとも一方の調整を行うことによって、温度が低下し易い端部単位セルについても、電解質膜を湿潤状態に維持しつつ、余剰水を効率的に排出して反応ガスを良好に拡散させることができる。これによって、通常運転時においても、簡単な構成で端部単位セルの発電性能を向上させること、及び燃料電池スタック全体の発電性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。
【図２】図１に示す燃料電池スタックの要部概略縦断面図である。
【図３】測定試料用の単位セルＡ１、Ａ２、Ｂ１〜Ｂ４について、多孔質層の作製条件と、重畳体の物性値とを示す図表である。
【図４】重畳体の水蒸気排出速度を測定する装置の概略構成図である。
【図５】実施例１〜５及び比較例１〜５の燃料電池スタックについて、全体の平均電圧、中央部単位セルと端部単位セルとの平均電圧差を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る燃料電池スタックにつき好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
図１は、燃料電池スタック１０の斜視説明図であり、図２は、燃料電池スタック１０の要部概略縦断面図である。
【００２６】
燃料電池スタック１０は、複数個の単位セル１２が矢印Ａ方向に積層されるとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート１４、１４及び絶縁プレート１６、１６を介装してエンドプレート１８、１８が配置される（図２参照）。
【００２７】
また、図１に示すように、燃料電池スタック１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸素含有ガス等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２０、純水やエチレングリコール等の冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２、水素含有ガス等の燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４が設けられる。
【００２８】
また、燃料電池スタック１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２６、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２８が設けられる。
【００２９】
エンドプレート１８、１８は、例えば、複数のタイロッド３２により積層方向に締め付けられる。なお、タイロッド３２の先端側に配置されるエンドプレート１８には、タイロッド３２の雄ねじと螺合するねじ孔（図示せず）が形成されている。あるいは、エンドプレート１８に、前記ねじ孔に代えて貫通孔を形成し、タイロッド３２の先端にナット（図示せず）を螺合してもよい。
【００３０】
また、エンドプレート１８、１８間にプレート（図示せず）を介装して前記エンドプレート１８、１８間の距離を調整することにより、締め付け荷重を付与してもよい。さらに、エンドプレート１８と絶縁プレート１６との間に、皿ばね（図示せず）を介装して荷重を加えてもよい。
【００３１】
図２に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体３４と、アノード側セパレータ３６と、カソード側セパレータ３８とが、例えば、立位姿勢で積層されて構成される。なお、アノード側セパレータ３６及びカソード側セパレータ３８としては、例えば、カーボンセパレータが使用されるが、これに代えて金属セパレータを用いてもよい。
【００３２】
アノード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３４に臨む面には、燃料ガス入口連通孔２６と、燃料ガス出口連通孔２４とに連通する燃料ガス流路４０が、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在して設けられる。
【００３３】
同様に、カソード側セパレータ３８の電解質膜・電極構造体３４に臨む面には、酸化剤ガス入口連通孔２０と、酸化剤ガス出口連通孔３０とに連通する酸化剤ガス流路４２が水平方向に延在して設けられる。
【００３４】
単位セル１２を複数個積層した際にアノード側セパレータ３６とカソード側セパレータ３８とが互いに対向する面同士の間には、冷却媒体入口連通孔２２と、冷却媒体出口連通孔２８とに連通する冷却媒体流路４４が一体的に形成されている。
【００３５】
電解質膜・電極構造体３４は、固体高分子膜からなる電解質膜４６と、該電解質膜４６を挟持するアノード電極４８及びカソード電極５０とを備える。電解質膜４６の外形寸法（表面積）は、アノード電極４８及びカソード電極５０の外形寸法よりも大きく設定される。これによって、アノード電極４８及びカソード電極５０の一方の電極に供給された反応ガスが電解質膜４６を通過して他方の電極に移動することや、電解質膜・電極構造体３４からその外部へ反応ガスが漏れること（アウトリーク）を防止できる。
【００３６】
電解質膜４６は、例えば、陽イオン交換樹脂に属してプロトン伝導性を備えるポリマーを、フィルム状に形成したものを用いることができる。陽イオン交換樹脂としては、例えば、ポリスチレンスルホン酸等のビニル系ポリマーのスルホン化物や、パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー、パーフルオロアルキルカルボン酸ポリマー、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン等の耐熱性高分子にスルホン酸基又はリン酸基を導入したポリマーや、フェニレン連鎖からなる芳香族化合物を重合して得られる剛直ポリフェニレンを主成分として、これにスルホン酸基を導入したポリマー等が挙げられる。
【００３７】
アノード電極４８は、第１電極触媒層５２と、第１ガス拡散層５４と、第１多孔質層５６とを有している。一方、カソード電極５０は、第２電極触媒層５８と、第２ガス拡散層６０と、第２多孔質層６２とを有している。
【００３８】
第１電極触媒層５２は、触媒金属を担持した炭素粒子を含んで構成されている。炭素粒子としては、カーボンブラックを用いることができるが、この他にも、例えば、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバーやカーボンナノチューブ等の炭素化合物を採用することができる。一方、触媒金属としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属を単独で又は２種以上組み合わせて使用することができる。
【００３９】
第１電極触媒層５２は、電解質膜４６に接合して設けられ、外形寸法が該電解質膜４６に比して小さく設定される。
【００４０】
第１ガス拡散層５４は、例えば、多数の繊維状カーボンがセルロース質に含有されることで構成されたカーボンペーパを基材とする。この基材に、例えば、ＦＥＰ（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）等からなる撥水性樹脂を含有させた構成としてもよい。第１ガス拡散層５４の外形寸法は、第１電極触媒層５２に比して大きく設定される。
【００４１】
第１多孔質層５６は、電子伝導性物質と撥水性樹脂とを含む多孔質性の層であり、該電子伝導性物質に基づいて導電性を示す。この電子伝導性物質の好適な例としては、ファーネスブラック（ケチェン・ブラック・インターナショナル社製「ケチェンブラックＥＣ」及び「ケチェンブラックＥＣＰ６００ＪＤ」、Ｃａｂｏｔ社製「バルカンＸＣ−７２」、東海カーボン社製「トーカブラック」、旭カーボン社製「旭ＡＸ」等；いずれも商品名）、アセチレンブラック（電気化学工業社製「デンカブラック」等；商品名）、グラッシーカーボンの粉砕品、気相法炭素繊維（昭和電工社製「ＶＧＣＦ」及び「ＶＧＣＦ−Ｈ」等；いずれも商品名）、カーボンナノチューブ、及びこれらを黒鉛化処理した粉末を単独又は２種以上混合したものが挙げられる。
【００４２】
一方の撥水性樹脂の素材としては、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＦ（ポリフッ化ビニル）、ＥＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（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）、ＦＥＰをはじめとする結晶性フッ素樹脂や、旭硝子社製の「ルミフロン」及び「サイトップ」（いずれも商品名）等の非晶質フッ素樹脂、及びシリコーン樹脂等が例示され、これらを単独で又は２種以上組み合わせて使用することができる。
【００４３】
第１多孔質層５６の外形寸法は、第１ガス拡散層５４の外形寸法と略同等に設定され、該第１多孔質層５６と第１ガス拡散層５４とが重畳されて第１重畳体６４が構成されている。
【００４４】
この第１重畳体６４は、最大細孔径や厚み、第１多孔質層５６中の撥水性樹脂の種類や量等が適宜調整されることにより、その透水圧及び水蒸気排出速度を設定することができる。具体的な物性値については後述する。
【００４５】
第１電極触媒層５２は、上記の通り、電解質膜４６及び第１ガス拡散層５４に比して外形寸法が小さく設定されている。このため、電解質膜４６の外周縁部は、第１電極触媒層５２の外周から外部に露呈するが、この露呈部分と、第１ガス拡散層５４との間には、第１多孔質層５６が介在する。すなわち、第１多孔質層５６は、第１電極触媒層５２と第１ガス拡散層５４との間、及び電解質膜４６と第１ガス拡散層５４との間に介在する。これによって、第１ガス拡散層５４を構成する繊維が、電解質膜４６（特に電解質膜４６の外周縁部）に突き刺さることを回避できるため、電解質膜４６が物理的に変形することを抑制できる。
【００４６】
また、電解質膜４６の外周縁部のうち、さらに第１重畳体６４の外周から外部に露呈する部分のアノード側セパレータ３６に臨む側の面には、額縁形状をなす第１絶縁シート６６が当接するように設けられる。
【００４７】
第１絶縁シート６６は、ガス不透過性を有し、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）製の略平坦なフィルム等で構成される。また、第１絶縁シート６６の厚みと第１重畳体６４の厚みは略同等であるため、第１絶縁シート６６及び第１重畳体６４（第１ガス拡散層５４）の面同士が面一の状態で、アノード側セパレータ３６に当接している。
【００４８】
このように、第１絶縁シート６６を設けることによって、アノード電極４８とカソード電極５０との間で反応ガスが移動して混在してしまうことや、アウトリークが起こることを効果的に回避できる。
【００４９】
カソード電極５０における第２電極触媒層５８、第２ガス拡散層６０、第２多孔質層６２、第２重畳体６８及び第２絶縁シート７０は、上記した第１電極触媒層５２、第１ガス拡散層５４、第１多孔質層５６、第１重畳体６４及び第１絶縁シート６６と同様に構成されている。このため、カソード電極５０の構成についての詳細な説明は省略する。また、以降の説明では、第１電極触媒層５２と第２電極触媒層５８とを特に区別しないとき、これらを総称して電極触媒層ともいう。第１多孔質層５６と第２多孔質層６２とについて同様に多孔質層、第１重畳体６４と第２重畳体６８とについて同様に重畳体ともいう。
【００５０】
アノード側セパレータ３６及びカソード側セパレータ３８には、それぞれ、第１ガス拡散層５４、第２ガス拡散層６０の縁部を囲繞するようにしてシール部材７２、７２が設けられる。これらシール部材７２、７２により、アウトリークを有効に防止することができる。
【００５１】
次に、上記した電解質膜・電極構造体３４を作製する方法について説明する。電解質膜・電極構造体３４を作製するに際しては、はじめに、前述した陽イオン交換樹脂に属してプロトン伝導性を備えるポリマーから選択したポリマーを長方形のシート形状として電解質膜４６を作製する。
【００５２】
そして、この電解質膜４６の一方の面に第１電極触媒層５２を形成し、且つ他方の面に第２電極触媒層５８を形成する。具体的には、先ず、前記触媒粒子と、アイオノマー溶液とを混合することにより触媒ペーストを調製する。
【００５３】
次に、この触媒ペーストを、ＰＴＦＥ等から形成したフィルムの一方の面上に所定量塗布する。そして、前記フィルムにおける触媒ペーストを塗布した面を電解質膜４６の一方の面に対して熱圧着する。その後、フィルムを剥離すれば、触媒ペーストが電解質膜４６の一方の面に転写される。これによって、第１電極触媒層５２を形成することができる。また、電解質膜４６の他方の面に対しても同様にして前記触媒ペーストを転写することで、第２電極触媒層５８を形成することができる。
【００５４】
これとは別に、第１ガス拡散層５４上に第１多孔質層５６を形成して第１重畳体６４を得るとともに、第２ガス拡散層６０上に第２多孔質層６２を形成して第２重畳体６８を得る。
【００５５】
具体的には、例えば、前記電子伝導性物質と、前記撥水性樹脂とを、エタノール、プロパノール、エチレングリコール等の有機溶媒中で混合することにより多孔質層用ペーストを調製する。そして、この多孔質層用ペーストの所定量を、第１ガス拡散層５４上に塗布した後、熱処理することで第１多孔質層５６を形成する。これによって、第１重畳体６４を得ることができる。
【００５６】
同様に、前記多孔質層用ペーストの所定量を、第２ガス拡散層６０上に塗布した後、熱処理することで第２多孔質層６２を形成する。これによって、第２重畳体６８を得ることができる。なお、第１重畳体６４と第２重畳体６８とは、互いに異なるように調整された多孔質層用ペーストから形成されることで、互いに異なる特性を有していてもよい。
【００５７】
ここで、例えば、第１ガス拡散層５４及び第２ガス拡散層６０上に塗布する多孔質層用ペーストの塗布量や、該多孔質層用ペーストの有機溶媒に対する電子伝導性物質及び撥水性樹脂の濃度（固形分濃度）等を調整することにより、第１重畳体６４及び第２重畳体６８の透水圧及び水蒸気排出速度を調整することができる。さらには、第１重畳体６４及び第２重畳体６８の物性値を調整するべく、第１ガス拡散層５４及び第２ガス拡散層６０を構成する基材の物性値や、該基材に含浸させる撥水性樹脂の濃度等を調整してもよい。
【００５８】
上記の作製方法に代えて、第１多孔質層５６及び第２多孔質層６２を、シート状成形体として得るようにしてもよい。この場合、有機溶媒に対する電子伝導性物質及び撥水性樹脂の濃度（固形分濃度）が高くなるように前記多孔質層用ペーストを調製した後、溶媒を抽出して延伸処理等を行うことによって、第１多孔質層５６及び第２多孔質層６２をシート状成形体として形成する。
【００５９】
そして、シート状成形体として得られた第１多孔質層５６及び第２多孔質層６２を、第１ガス拡散層５４、第２ガス拡散層６０の各々に重畳する。この状態で、加圧及び加熱（ホットプレス）することにより、第１ガス拡散層５４と第１多孔質層５６とを熱圧着して第１重畳体６４を得ることができ、第２ガス拡散層６０と第２多孔質層６２とを熱圧着して第２重畳体６８を得ることができる。
【００６０】
以上のようにして得られた第１重畳体６４及び第２重畳体６８を、第１多孔質層５６、第２多孔質層６２の各々が第１電極触媒層５２、第２電極触媒層５８に対向するように重畳して熱圧着等により一体化する。これにより、電解質膜・電極構造体３４が得られるに至る。
【００６１】
この際、上記した通り、多孔質層が、ガス拡散層と電極触媒層の間、ガス拡散層５４と電解質膜４６との間に介在する。これによって、重畳体に熱圧着による荷重が付加されても、ガス拡散層５４の繊維が電解質膜４６に突き刺さることを回避でき、電解質膜４６が物理的に変形することを抑制できる。
【００６２】
そして、アノード側セパレータ３６とカソード側セパレータ３８で電解質膜・電極構造体３４を挟持することにより、単位セル１２が構成される。
【００６３】
従って、燃料電池スタック１０は、このように構成された単位セル１２を例えば１０個以上積層し、且つその両端部を上記の通りエンドプレート１８、１８で挟持して構成される。なお、単位セル１２を積層する個数は、燃料電池スタック１０によって所望の発電力が得られるように設定することが可能である。すなわち、燃料電池スタック１０を、例えば、燃料電池車両に搭載する場合、該車両を駆動するために必要な発電力が得られる個数の単位セル１２を積層して、燃料電池スタック１０を構成することができる。
【００６４】
ここで、図２に示すように、複数個の単位セル１２のうち、積層方向の両端部に配置される端部単位セル１２ａは、ターミナルプレート１４及び絶縁プレート１６を介して、エンドプレート１８に接触している。このため、端部単位セル１２ａは、エンドプレート１８を通じて、燃料電池スタック１０の外部へ放熱される割合が、前記積層方向の中央部に配置される他の単位セル（中央部単位セル）１２ｂに比して多く、温度が低下し易い。
【００６５】
そこで、燃料電池スタック１０では、重畳体の透水圧について、端部単位セル１２ａの値が中央部単位セル１２ｂに比して小さくなるように設定している。本実施形態では、端部単位セル１２ａの重畳体の透水圧が１０．０〜３０．０ｋＰａとなり、中央部単位セル１２ｂの重畳体の透水圧を３０．０〜１２０．０ｋＰａとなるように調整を行っている。この場合、後述するように、端部単位セル１２ａの発電性能をより良好に向上させることができる。これらの透水圧は、例えば、ＰＭＩ社（Ｐｏｒｏｕｓ  Ｍａｔｅｒｉａｌ，Ｉｎｃ）製のパームポロメータを用いて求めることができる。
【００６６】
また、この燃料電池スタック１０では、重畳体の水蒸気排出速度について、端部単位セル１２ａの値が、中央部単位セル１２ｂに比して大きくなるように設定している。本実施形態では、端部単位セル１２ａの重畳体の水蒸気排出速度が１８．０〜２０．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎとなり、中央部単位セル１２ｂの重畳体の水蒸気排出速度が１５．０〜１８．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎとなるように調整されている。この場合、後述するように、端部単位セル１２ａの発電性能をより良好に向上させることができる。これらの水蒸気排出速度は、例えば、後述する図４に示す測定装置７４を用いて求めることができる。
【００６７】
さらに、この燃料電池スタック１０では、電解質膜・電極構造体３４の積層方向に対する電気抵抗について、端部単位セル１２ａの値が、中央部単位セル１２ｂに比して小さくなるように設定している。本実施形態では、電解質膜・電極構造体３４中の重畳体について、その積層方向に対する電気抵抗に後述する接触面積を乗じて得られる貫通抵抗を以下の様に調整することで、電解質膜・電極構造体３４の積層方向に対する電気抵抗を上記のように設定している。すなわち、端部単位セル１２ａの重畳体を積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧したときの貫通抵抗が４．０〜５．０ｍΩ・ｃｍ2であり、中央部単位セル１２ｂの重畳体を同様に１５ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧したときの貫通抵抗が５．０〜７．０ｍΩ・ｃｍ2となるように調整されている。この場合、後述するように、端部単位セル１２ａの発電性能をより良好に向上させることができる。
【００６８】
貫通抵抗についても、ガス拡散層上に塗布する多孔質層用ペーストの塗布量や、該多孔質層用ペーストの有機溶媒に対する電子伝導性物質及び撥水性樹脂の濃度や種類、ガス拡散層を構成する基材の物性値や、該基材に含浸させる撥水性樹脂の濃度等を調整することにより、上記の値となるように設定することができる。貫通抵抗の求め方については、後述する。
【００６９】
なお、本実施形態では第１重畳体６４及び第２重畳体６８の両方の物性値を上記のように設定したが、第１重畳体６４及び第２重畳体６８のうち、少なくとも一方の物性値を上記のように設定してもよい。
【００７０】
以上のように、端部単位セル１２ａ及び中央部単位セル１２ｂの物性値を設定することによって、例えば、燃料電池スタック１０を始動させる際や、約７０〜１００℃で動作させる通常運転の際、端部単位セル１２ａの温度が中央部単位セル１２ｂに比して低下しても、該端部単位セル１２ａの発電性能を向上させることができる。この作用効果につき、燃料電池スタック１０の通常運転時の動作とともに、以下に説明する。
【００７１】
燃料電池スタック１０を発電させるに際しては、酸化剤ガス入口連通孔２０に酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２６に燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２に冷却媒体が供給される。
【００７２】
冷却媒体入口連通孔２２に供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ３６及びカソード側セパレータ３８間に形成された冷却媒体流路４４に導入される。この冷却媒体流路４４では、冷却媒体が重力方向（図１中矢印Ｃ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３４の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔２８に排出される。
【００７３】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０からカソード側セパレータ３８の酸化剤ガス流路４２に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に流通し、電解質膜・電極構造体３４のカソード電極５０に沿って移動する。
【００７４】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２６からアノード側セパレータ３６の燃料ガス流路４０に導入される。この燃料ガス流路４０では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体３４のアノード電極４８に沿って移動する。
【００７５】
従って、電解質膜・電極構造体３４では、アノード電極４８に供給されて第１ガス拡散層５４、第１多孔質層５６を通過した燃料ガスと、カソード電極５０に供給されて第２ガス拡散層６０、第２多孔質層６２を通過した酸化剤ガスとが、第１電極触媒層５２及び第２電極触媒層５８内で電気化学反応（電極反応）によりそれぞれ消費され、発電が行われる。
【００７６】
一層詳細には、燃料ガス流路４０を介して、アノード電極４８に供給された燃料ガスが第１ガス拡散層５４及び第１多孔質層５６を通過した後、該燃料ガス中の水素ガスが第１電極触媒層５２で電離し、プロトン（Ｈ+）と電子が生成される。電子は、燃料電池スタック１０に電気的に接続された外部負荷（図示せず）を付勢するための電気エネルギとして取り出され、一方、プロトンは、電解質膜・電極構造体３４を構成する電解質膜４６を介してカソード電極５０に到達する。なお、プロトンは、電解質膜４６に含まれる水を伴って、アノード電極４８側からカソード電極５０側へ移動する。
【００７７】
カソード電極５０の第２電極触媒層５８では、前記プロトンと、外部負荷を付勢した後に該カソード電極５０に到達した電子と、該カソード電極５０に供給されて第２ガス拡散層６０及び第２多孔質層６２を通過した酸化剤ガス中の酸素ガスとが結合する。この結果、水が生成される。以下、この水を生成水ともいう。
【００７８】
電解質膜・電極構造体３４においては、上記したように電解質膜４６と第１ガス拡散層５４との間に第１多孔質層５６が介在して第１重畳体６４を形成し、且つ電解質膜４６と第２ガス拡散層６０との間に第２多孔質層６２が介在して第２重畳体６８を形成している。第１多孔質層５６及び第２多孔質層６２の存在により、上記の電極反応の最中、アノード電極４８及びカソード電極５０における保水性と排水性との均衡を適切に図ることができる。
【００７９】
すなわち、本実施形態では、端部単位セル１２ａ、中央部単位セル１２ｂにおける重畳体の透水圧及び水蒸気排出速度の値を上記の通り設定しているため、端部単位セル１２ａの方が水蒸気を容易に排出する。このため、フラッディングが生じ難い。しかも、この場合、アノード電極４８では燃料ガスに含まれる水蒸気、カソード電極５０では生成水が、第１多孔質層５６又は第２多孔質層６２を過剰に透過することや、過剰に堰止されることが回避されるからである。
【００８０】
従って、通常運転時の燃料電池スタック１０において、温度が低下し易い端部単位セル１２ａ及び温度が低下し難い中央部単位セル１２ｂの両者ともに、電解質膜４６を湿潤状態に保つための保水性が十分となり、なお且つ反応ガスを迅速に拡散させるための排水性も十分となる。このため、電解質膜４６においてプロトン伝導が容易に進行するとともに、アノード電極４８及びカソード電極５０においてフラッディングが生じることが回避されて反応ガスが容易に拡散する。すなわち、電解質膜４６に良好なプロトン伝導性を発現させることができるとともに、反応ガスの拡散性を向上させて電極反応を促すことができる。
【００８１】
これによって、端部単位セル１２ａ及び中央部単位セル１２ｂそれぞれの発電電圧を大きくすることができる。特に、燃料電池スタック１０の通常運転時に、中央部単位セル１２ｂに比して温度が低下し易いため、発電性能が低下し易い端部単位セル１２ａについても、この燃料電池スタック１０では、発電性能を低下させることなく、向上させることができる。その結果、燃料電池スタック１０の端子間電圧が大きくなり、換言すれば、発電性能を向上させることができる。この効果は、端部単位セル１２ａ及び中央部単位セル１２ｂの重畳体の透水圧、水蒸気排出速度及び貫通抵抗がそれぞれ上記の数値範囲内にあるときに一層顕著である。
【００８２】
なお、本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００８３】
例えば、上記の実施形態では、第１多孔質層５６及び第２多孔質層６２を有する電解質膜・電極構造体３４を例示しているが、第１多孔質層５６及び第２多孔質層６２の双方を設ける必要は特になく、いずれか一方のみを設けるようにしてもよい。特に、電極反応によって水が生成するカソード電極５０側の第２多孔質層６２を設けることが好ましい。
【００８４】
また、上記の実施形態では、端部単位セル１２ａが燃料電池スタック１０の積層方向における両側最端（最端部）に配設される２個の単位セル１２から構成されることとしたが、特にこれに限定されるものではない。端部単位セルは、燃料電池スタック１０の両端部にそれぞれ配設される数個（２〜５個）ずつの単位セル１２の全て又は該単位セル１２から選択した１個ないし複数個から構成されてもよい。すなわち、端部単位セルは、最端部に配設される２個の単位セル（端部単位セル１２ａ）を含まずに構成されてもよい。
【実施例】
【００８５】
測定試料用の単位セルとして、単位セルＡ１、Ａ２、Ｂ１〜Ｂ４をそれぞれ図３に示す多孔質層の作製条件に基づき、以下の通り作製した。
【００８６】
［単位セルＡ１］
（１）  ガス拡散層は、嵩密度が０．３１ｇ／ｍ2、厚さが１９０μｍのカーボンペーパに、三井・デュポンフロロケミカル社製の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（ＦＥＰ）の分散液「ＦＥＰ  １２０−ＪＲＢ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ」（商品名）を含浸させ、１２０℃で３０分間乾燥させることで、撥水処理を行った。この際、カーボンペーパは、該カーボンペーパに対するＦＥＰの乾燥重量が、２．４重量％となるように分散液に含浸させた。
【００８７】
（２）  多孔質層用ペーストは、昭和電工社製の気相成長カーボン「ＶＧＣＦ」（商品名）を１２ｇと、三井・デュポンフロロケミカル社製のＦＥＰ分散液（固形分濃度５４％）「ＦＥＰ１２０ＪＲＢ」（商品名）を１２ｇと、エチレングリコールを２００ｇとをボールミルで撹拌して混合することにより調製した。すなわち、電子伝導性物質（Ｃ）に対する撥水性樹脂（Ｆ）の重量比（Ｃ／Ｆ比）を１．０とした。
【００８８】
（３）  前記（１）で作製したガス拡散層上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストをインクとして、多孔質層の厚みが２２．３μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。そして、３８０℃で３０分間の熱処理を行うことによって多孔質層を形成し、重畳体を得た。
【００８９】
（４）  触媒ペーストは、デュポン社製のイオン伝導性ポリマー溶液「ＤＥ２０２０ＣＳ」（商品名）に対し、ＢＡＳＦ社製の白金触媒「ＬＳＡ」（商品名）の重量比が０．１となるように添加し、さらに、ボールミルで撹拌して混合することにより調製した。
【００９０】
（５）  ＰＴＦＥシート上に、前記（４）で調製した触媒ペーストを白金の重量が０．４ｍｇ／ｃｍ2となるように塗布した後、１２０℃で６０分間の熱処理を行うことにより、電極触媒層を電解質膜の一方の面及び他方の面に転写するためのシートを作製した。
【００９１】
（６）  前記（５）で作製したシートの触媒ペースト塗布側を、厚さ２４μｍ、イオン交換容量１．０５ｍｅｑ／ｇとしたフッ素系の電解質膜の面に熱圧着させた後、ＰＴＦＥシートを剥離した。すなわち、デカール法により、電解質膜の一方の面及び他方の面に電極触媒層をそれぞれ形成した。
【００９２】
（７）  前記（６）で作製した電解質膜に形成された電極触媒層に、前記（３）で作製したガス拡散層上の多孔質層を１２０℃で面圧１５ｋｇｆ／ｃｍ2の条件で熱圧着させた。以上の方法で、アノード電極及びカソード電極のそれぞれを同様に作製して、電解質膜・電極構造体を得た。
【００９３】
（８）  前記（７）で作製した電解質膜・電極構造体をセパレータで挟持して、単位セルＡ１を作製した。
【００９４】
［単位セルＡ２］
前記（３）の工程に代えて、前記（１）で作製したガス拡散層上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストをインクとして、多孔質層の厚みが５２．２μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。それ以外は単位セルＡ１と同様にして、単位セルＡ２を得た。
【００９５】
［単位セルＢ１］
前記（３）の工程に代えて、前記（１）で作製したガス拡散層上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストを、厚みが１４．３μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。それ以外は単位セルＡ１と同様にして、単位セルＢ１を得た。
【００９６】
［単位セルＢ２］
前記（３）の工程に代えて、前記（１）で作製したガス拡散層上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストを、厚みが３１．４μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。それ以外は単位セルＡ１と同様にして、単位セルＢ２を得た。
【００９７】
［単位セルＢ３］
前記（３）の工程に代えて、前記（１）で作製したガス拡散層上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストを、厚みが４０．９μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。それ以外は単位セルＡ１と同様にして、単位セルＢ３を得た。
【００９８】
［単位セルＢ４］
前記（３）の工程に代えて、前記（１）で作製したガス拡散層上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストを、厚みが４８．２μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。それ以外は単位セルＡ１と同様にして、単位セルＢ４を得た。
【００９９】
上記の単位セルＡ１、Ａ２、Ｂ１〜Ｂ４について、アノード電極及びカソード電極のいずれか一方の重畳体の透水圧［ｋＰａ］及び水蒸気排出速度［ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎ］と、１５ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧したときの重畳体の貫通抵抗［ｍΩ・ｃｍ2］とをそれぞれ求めた。その結果を上記の多孔質層の作製条件とともに図３に示す。
【０１００】
重畳体の透水圧の測定は、ＰＭＩ社（Ｐｏｒｏｕｓ  Ｍａｔｅｒｉａｌ，Ｉｎｃ）製のパームポロメータを用いて行った。具体的には、先ず、重畳体を直径１インチの円形状に打ち抜いて測定試料を作製する。この測定試料の多孔質層上に、純水を滴下することによって水膜を形成し、パームポロメータにより、この水膜に対して徐々に空気圧を付加する。そして、純水が測定試料を透過し始めるのに必要な最低圧力を測定することで、重畳体の透水圧が算出される。
【０１０１】
重畳体の水蒸気排出速度は、図４に示す測定装置７４を用いて求めた。測定装置７４は、乾性空気を供給する空気供給部７６と、測定試料７８を収容する試料収容容器８０と、該試料収容容器８０に純水を供給する水供給部８２とから構成される。なお、以下の説明では、乾性空気を空気ともいい、純水を水ともいう。
【０１０２】
空気供給部７６は、空気を貯蔵するボンベ８４と、該ボンベ８４から試料収容容器８０にわたって設けられた供給配管８６とを有する。この供給配管８６にはレギュレータ８８と、空気の質量流量を調整するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）９０とが介装される。
【０１０３】
試料収容容器８０は、収容槽９２と、該収容槽９２の開口上端を閉塞する蓋部材９４とを有し、この中の収容槽９２の底部に給水孔９６が形成される。前記水供給部８２は、この給水孔９６を介して試料収容容器８０内に水を供給する。
【０１０４】
収容槽９２には貯留水Ｗが貯留されるとともに、該貯留水Ｗの上方にパンチングメタル９８、不織布１００、測定試料７８がこの順で積層される。
【０１０５】
パンチングメタル９８には、複数の貫通孔１０２が形成されている。また、パンチングメタル９８上には、不織布１００を介して測定試料７８が載置されている。この測定試料７８は、重畳体を、１辺が４．２ｃｍの正方形状に打ち抜いて作製されたものである。
【０１０６】
蓋部材９４は、収容槽９２の開口上端を覆うとともに、測定試料７８に接する面に流路部１０４が形成されている。流路部１０４は、上記の燃料電池スタック１０を構成するアノード側セパレータ３６に形成された燃料ガス流路４０、又はカソード側セパレータ３８に形成された酸化剤ガス流路４２を模したものであり、供給配管８６、及び排出管１０６に連通するようにして設けられる。また、蓋部材９４は、不図示のヒータ等によって加熱され、温度が７０℃に維持されている。
【０１０７】
水供給部８２は、水を貯留し且つ収容槽９２の給水孔９６と給水管１０８を介して接続されるタンク１１０と、タンク１１０内の水位を検出する水位センサ１１２と、水位センサ１１２の検出結果に基づいて、タンク１１０内の水位を一定に保つべく不図示の純水供給源からタンク１１０内に水を供給するポンプ１１４とを備えている。
【０１０８】
上記のように構成された測定装置７４では、先ず、ボンベ８４に貯蔵された空気が供給配管８６を介して供給される。空気は、レギュレータ８８を経由することで圧力調整された後、ＭＦＣ９０によって５Ｌ／ｍｉｎの流量に調整され、さらに、不図示のヒータ等によって温度が７０℃に調整された後、試料収容容器８０の流路部１０４内に供給される。
【０１０９】
このように、流路部１０４に７０℃の空気が供給されるとともに、蓋部材９４の温度が７０℃に維持されているため、収容槽９２内の貯留水Ｗに熱が伝達される。その結果、貯留水Ｗが蒸発し、水蒸気が発生する。発生した水蒸気は、パンチングメタル９８の貫通孔１０２を介して上昇し、不織布１００によって拡散された後、測定試料７８の一方の面に供給される。
【０１１０】
水蒸気は、さらに、測定試料７８を膜厚方向に沿って透過し、測定試料７８の他方の面から排出された後、流路部１０４に到達する。流路部１０４に到達した水蒸気は、空気供給部７６から供給された空気とともに、排出管１０６から試料収容容器８０の外部へ排出される。
【０１１１】
この際、貯留水Ｗが水蒸気として測定試料７８の細孔内を透過して外部へと排出されるごとに、水蒸気として失われた分と同量の水が、タンク１１０から給水管１０８及び給水孔９６を介して、収容槽９２内に供給される。この供給に対応し、タンク１１０内の水位が、測定試料７８から水蒸気が排出される速度に応じて降下する。
【０１１２】
タンク１１０内の水位が、水位センサ１１２に予め設定された所定の閾値を下回ると、シーケンス制御が機能し、ポンプ１１４が付勢される。これによりタンク１１０内に新たな水が供給される。この際の水の供給量は、測定試料７８の水蒸気排出量に応じた量である。従って、前記供給量と、空気の供給を開始してからタンク１１０への水の供給が開始されるまでの時間とに基づき、測定試料７８の水蒸気排出速度が算出される。
【０１１３】
重畳体の貫通抵抗の測定は、四端子法による。具体的には、重畳体を、その積層方向両側から金板で挟み、１５ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧する。この状態で、重畳体に１．５Ａ／ｃｍ2相当の電流が流れるように、金板同士の間に貫通方向（積層方向）の定電流を流して、電圧を測定することで抵抗Ｒを求める。この抵抗Ｒに金板と重畳体との接触面積を乗じることで、重畳体の貫通抵抗が算出される。
【０１１４】
上記のように作製した単位セルＡ１、Ａ２からいずれか一種類を端部単位セルとして選択し、且つ単位セルＢ１〜Ｂ４からいずれか一種類を中央部単位セルとして選択する。そして、中央部単位セルとして選択した単位セル８個の両端部に端部単位セルとして選択した単位セルを積層して、すなわち、端部単位セル２個と、中央部単位セル８個との計１０個を積層して、実施例１〜５の燃料電池スタックを作製した。また、単位セルＡ１、Ａ２、Ｂ１〜Ｂ４からいずれか一種類を選択し、この選択した単位セル１０個を積層して、比較例１〜５の燃料電池スタックを作製した。
【０１１５】
すなわち、実施例１〜５の燃料電池スタックでは、端部単位セルと中央部単位セルとが異なる単位セルから構成され、比較例１〜５の燃料電池スタックでは、端部単位セルと中央部単位セルとが同様の単位セルから構成されている。具体的には、図５に示すように、端部単位セル及び中央部単位セルをそれぞれ選択することで、実施例１〜５及び比較例１〜５の燃料電池スタックを得た。
【０１１６】
これらの実施例１〜５及び比較例１〜５について、積層した計１０個の単位セルの平均電圧（燃料電池スタックの平均電圧）と、８個の中央部単位セルの平均電圧から２個の端部単位セルの平均電圧を引いた値（平均電圧差）とをそれぞれ求め、図５に示した。
【０１１７】
図５に示す燃料電池スタックの平均電圧及び平均電圧差は、７０℃における燃料電池スタックの通常運転時の測定結果から求めた値である。なお、その他の運転条件としては、出力電流密度を０．５Ａ／ｃｍ2、燃料ガス及び酸化剤ガスの相対湿度（ＲＨ）を１００％、ガス利用率を燃料ガス７０％及び酸化剤ガス５０％、燃料ガス及び酸化剤ガスのガス圧を１００ｋＰａＧとした。
【０１１８】
図４及び図５から、実施例１〜５では、比較例１〜５に比して燃料電池スタックの平均電圧が大きく、平均電圧差が比較的小さいことが分かる。ここで、実施例１〜５は、中央部単位セルに比して、端部単位セルの重畳体の透水圧が小さく水蒸気排出速度が大きく、貫通抵抗（電解質膜・電極構造体の積層方向の電気抵抗）が小さい。一方、比較例１〜５では、中央部単位セル及び端部単位セルの重畳体の上記の特性が互いに同様である。
【０１１９】
すなわち、中央部単位セル及び端部単位セルそれぞれの重畳体の透水圧、水蒸気排出速度及び貫通抵抗を実施例１〜５のように設定することによって、通常運転時の燃料電池スタックにおいて、特に端部単位セルの発電性能を向上させて、燃料電池スタック全体の発電性能を向上させることができた。
【０１２０】
さらに、実施例１〜４では、実施例５及び比較例１〜５に比して、燃料電池スタックの平均電圧が一層大きく、且つ平均電圧差が一層小さい。従って、中央部単位セル及び端部単位セルそれぞれの重畳体の透水圧、水蒸気排出速度及び貫通抵抗を実施例１〜４のように設定することによって、燃料電池スタックの平均電圧、特に端部単位セルの平均電圧を一層高められることが分かる。
【０１２１】
すなわち、端部単位セルの重畳体の透水圧を１０．０〜３０．０ｋＰａ及び水蒸気排出速度を１８．０〜２０．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎとし、中央部単位セルの重畳体の透水圧を３０．０〜１２０．０ｋＰａ及び水蒸気排出速度を１５．０〜１８．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎとし、且つ端部単位セルの重畳体の貫通抵抗を４．０〜５．０ｍΩ・ｃｍ2とし、中央部単位セルの重畳体の貫通抵抗を５．０〜７．０ｍΩ・ｃｍ2とすることで、通常運転時の燃料電池スタックの端部単位セルの発電性能を一層向上させることができ、結果として、燃料電池スタック全体の発電性能を一層向上させることができた。
【符号の説明】
【０１２２】
１０…燃料電池スタック              １２…単位セル
１２ａ…端部単位セル                １２ｂ…中央部単位セル
１４…ターミナルプレート            １６…絶縁プレート
１８…エンドプレート                ２０…酸化剤ガス入口連通孔
２２…冷却媒体入口連通孔            ２４…燃料ガス出口連通孔
２６…燃料ガス入口連通孔            ２８…冷却媒体出口連通孔
３０…酸化剤ガス出口連通孔          ３２…タイロッド
３４…電解質膜・電極構造体          ３６…アノード側セパレータ
３８…カソード側セパレータ          ４０…燃料ガス流路
４２…酸化剤ガス流路                ４４…冷却媒体流路
４６…電解質膜                      ４８…アノード電極
５０…カソード電極                  ５２…第１電極触媒層
５４…第１ガス拡散層                ５６…第１多孔質層
５８…第２電極触媒層                ６０…第２ガス拡散層
６２…第２多孔質層                  ６４…第１重畳体
６６…第１絶縁シート                ６８…第２重畳体
７０…第２絶縁シート                ７２…シール部材
７４…測定装置
【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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