(57)【要約】【課題】優れた始動性能及び発電性能を示す燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０は、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が複数個積層されて構成される。積層方向の少なくとも一方の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の透水圧が大きく設定される。また、端部単位セル１２ａの重畳体６４、６８の透水圧は３０．０〜１２５．０ｋＰａであり、他の単位セル１２ｂの重畳体６４、６８の透水圧は１０．０〜１２５．０ｋＰａである。【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、積層方向の少なくとも一方の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大きく、
且つ前記端部単位セルの前記重畳体の透水圧が３０．０〜１２５．０ｋＰａであり、前記他の単位セルの前記重畳体の透水圧が１０．０〜１２５．０ｋＰａであることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１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重畳体の水蒸気排出速度が小さく、
且つ前記端部単位セルの前記重畳体の水蒸気排出速度が１４．０〜１８．０ｍｇ／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１８．０〜２０．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎ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では、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、動作温度まで昇温することが行われている。しかしながら、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の放熱が起こり易いため、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上昇し難い。結局、この端部単位セルからの放熱によって、燃料電池スタック全体の温度が上昇し難くなり、暖気時間が長くなる場合がある。
【０００４】
すなわち、燃料電池スタックを始動してから良好な発電反応が得られるまでに要する時間が長くなってしまい、燃料電池スタックの始動性能が十分に得られないことが懸念される。特に、燃料電池スタックを車載等で用いる場合は、氷点下の寒冷環境で起動することが想定されるが、この場合、上記のように暖気時間が長くなると、特に昇温し難い端部単位セル内において滞留水が凍結し易く、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、例えば、特許文献１には、燃料電池スタックを始動してから動作温度に達するまでの暖気運転において、端部単位セルの温度上昇を促進することで、燃料電池スタックの低温始動性を高めることが提案されている。具体的には、この燃料電池スタックでは、他の単位セルに比して、端部単位セルの発電時の発熱量を大きくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１９６２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１記載の燃料電池スタックは、上記の通り、燃料電池スタックの端部単位セルの発熱量を増大させることのみに着目したものであり、端部単位セル以外の単位セルの発電性能を向上させることについてはなんら考慮されていない。しかしながら、端部単位セル以外の単位セルにおいて発電反応が良好に生じていなければ、発電反応による燃料電池スタックの加熱が促進されず、暖気時間を十分に短縮することが困難である。また、燃料電池スタックが動作温度に達した後の通常運転においても良好な発電性能が得られない懸念がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、端部単位セル及びその他の単位セルのそれぞれが適切な特性を備え、このために端部単位セルの昇温時間を短縮し得るとともに、その他の単位セルの発電性能を良好に向上させることが可能であり、その結果、優れた始動性能及び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】
【０００９】
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、積層方向の少なくとも一方の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大きく、
且つ前記端部単位セルの前記重畳体の透水圧が３０．０〜１２５．０ｋＰａであり、前記他の単位セルの前記重畳体の透水圧が１０．０〜１２５．０ｋＰａであることを特徴とする。
【００１０】
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各単位セル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ている。そして、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につき、端部単位セルの方を大きく設定するとともに、端部単位セル及び他の単位セルのそれぞれにおける数値範囲を上記の通りに設定している。これによって、燃料電池スタックを始動してから動作温度に達するまでの暖気運転において、端部単位セルの昇温時間を短縮することができる。また、暖気運転及びその後の通常運転において、他の単位セルの発電反応を良好に促進することができる。
【００１１】
具体的には、端部単位セルは、他の単位セルに比して透水圧が大きいことから、電解質膜に対する水や水蒸気の供給が抑制されて電解質膜が比較的乾燥した状態となる。その結果、電解質膜のプロトン伝導性が小さくなり、内部抵抗が上昇して発熱量が増大する。すなわち、暖気運転において、端部単位セルの昇温時間を短縮することができ、結局、単位セル全体の昇温時間を短縮することができる。
【００１２】
また、他の単位セルは、多孔質層を備えること、及び該多孔質層を備える重畳体の透水圧が上記のように設定されていることによって、発電時に電解質膜を湿潤状態に維持しつつ、余剰の水を効果的に排出することができる。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、及び反応ガスの拡散性を向上させることが可能となり、他の単位セルにおける発電反応を効果的に促進することができる。これによって、暖気運転における燃料電池スタックの昇温時間を短縮できるとともに、燃料電池スタックが動作温度に達した後の通常運転においても、良好な発電性能を得ることが可能である。
【００１３】
従って、この燃料電池スタックでは、始動性能及び発電性能の両者を効果的に向上させることができる。
【００１４】
ここで、燃料電池スタックを構成する単位セルの個数は、特に車載用である場合、典型的には１０個以上であり、一層好適には２０個以上である。また、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）に配設されるそれぞれ１個の単位セルに限定されるものではない。積層された単位セルの全個数の１〜２０％を端部単位セルとすることができる。例えば、積層された単位セルの個数が２０個であるとき、最端部から４個目まで（両端部で計８個）の単位セルを端部単位セルとし、残余の１２個をその他の単位セルとするようにしてもよい。勿論、両端部それぞれにおける端部単位セルの個数を１〜３個（両端部で合計２〜６個）とすることも可能である。また、端部単位セルは、燃料電池スタックの積層方向における一端部側にのみ配設されてもよい。
【００１５】
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、前記重畳体の水蒸気排出速度が小さく、
且つ前記端部単位セルの前記重畳体の水蒸気排出速度が１４．０〜１８．０ｍｇ／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１８．０〜２０．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎであることが好ましい。この場合、端部単位セルの昇温時間の短縮と、他の単位セルの発電反応の促進とを一層効果的に図ることができ、燃料電池スタックの始動性能及び発電性能の両方をより効果的に向上させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、多孔質層とガス拡散層とを重畳した重畳体の透水圧について、端部単位セル及び他の単位セルのそれぞれの値を適切に設定することで、暖気運転における端部単位セルの昇温時間を短縮することができるとともに、他の単位セルの発電性能を良好に向上させることができる。その結果、優れた始動性能及び発電性能を示す燃料電池スタックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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】図１に示す燃料電池スタックの端部単位セルと中央部単位セルとを切り換えて負荷に接続する制御システムの概略構成を示す説明図である。
【図４】測定試料用の単位セルＡ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３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５】重畳体の水蒸気排出速度を測定する測定装置の概略構成図である。
【図６】実施例１〜４及び比較例１〜４の燃料電池スタックについて、中央部単位セルの平均電圧と、端部単位セルの昇温所要時間とを示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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）。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
第１電極触媒層５２は、触媒金属を担持した炭素粒子（触媒粒子）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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
この第１重畳体６４は、最大細孔径や厚み、第１多孔質層５６中の電子伝導性物質及び撥水性樹脂の種類や重量比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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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ガス拡散層５４と第２ガス拡散層６０とについて同様にガス拡散層、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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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等の物性値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の上記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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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２０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。
【００５８】
基本的に以上のように構成される燃料電池スタック１０を停止状態から始動させる場合、先ず、発電反応による自己加熱を利用して、該燃料電池スタック１０を動作温度（約７０〜１００℃）まで昇温する暖気運転を行う。燃料電池スタック１０が動作温度に達した後は、発電反応によって電力を得る通常運転を行う。
【００５９】
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に比して多い。暖気運転において、端部単位セル１２ａの放熱量が多く昇温し難いと、結局、燃料電池スタック１０全体の昇温時間が長引いてしまう。従って、良好な始動性能を得るためには、暖気運転の際に、端部単位セル１２ａの昇温時間を短縮するとともに、中央部単位セル１２ｂの発電反応を促進する必要がある。
【００６０】
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の値を、中央部単位セル１２ｂの値に比して大きくなるように設定している。具体的には、端部単位セル１２ａの重畳体の透水圧が３０．０〜１２５．０ｋＰａとなり、中央部単位セル１２ｂの重畳体の透水圧が１０．０〜１２５．０ｋＰａとなるように調整を行っている。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。端部単位セル１２ａの重畳体の透水圧が１２５．０ｋＰａであるときには、中央部単位セル１２ｂの重畳体の透水圧が１２５．０ｋＰａ未満であることはいうまでもない。
【００６１】
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の値を、中央部単位セル１２ｂの値に比して小さくなるように設定している。具体的には、端部単位セル１２ａの重畳体の水蒸気排出速度が１４．０〜１８．０ｍｇ／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１８．０〜２０．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎとなるように調整を行っている。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８２を用いて求めることができる。
【００６２】
中央部単位セル１２ｂの水蒸気排出速度が１８．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎであるときには、端部単位セル１２ａの水蒸気排出速度が１８．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎ未満であることが好ましい。
【００６３】
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。
【００６４】
上記のように、端部単位セル１２ａ及び中央部単位セル１２ｂの物性値をそれぞれ設定することによって、暖気運転における端部単位セル１２ａの発熱量を適切に増大させて、昇温を促すことができる。さらに、暖気運転及び通常運転において、中央部単位セル１２ｂの発電反応を良好に促進させることが可能になる。すなわち、燃料電池スタック１０の始動性能及び発電性能のそれぞれを好適に向上させることができる。以下、この作用効果につき、図１〜図３を参照しつつ、燃料電池スタック１０の動作とともに説明する。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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負荷７６（図３参照）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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。このため、端部単位セル１２ａでは、電解質膜４６に水蒸気等が供給され難くなり、該電解質膜４６が比較的乾燥状態となる結果、該電解質膜４６のプロトン伝導性が若干低下する。これに伴って、内部抵抗が上昇することによって、燃料電池スタック１０の発電時における発熱量が多くなる。
【００７４】
一方で、中央部単位セル１２ｂでは、アノード電極４８においては燃料ガスに含まれる水蒸気、カソード電極５０においては生成水が、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。従って、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発電反応を促すことができる。
【００７５】
本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、上記のように発電を行うものであるが、始動性能及び発電性能を一層向上させるため、図３に示す制御システム７４の制御の下で発電を行ってもよい。すなわち、制御システム７４によって、端部単位セル１２ａが所定の温度に昇温するまでと、該端部単位セル１２ａが所定の温度に達した後とで、電流を取り出す単位セル１２が切り換えられることが好ましい。
【００７６】
具体的には、燃料電池スタック１０には、端部単位セル１２ａを含む全ての単位セル１２から電流を取り出すための端子７５ａと、端部単位セル１２ａを除いた単位セル１２から電流を取り出すための端子７５ｂとが、積層方向の両端側にそれぞれ設けられている。
【００７７】
制御システム７４は、端子７５ａ、７５ｂのいずれか一方を選択して、負荷７６と接続する切換スイッチ７８と、端部単位セル１２ａの温度を検出する温度センサ８０と、不図示の制御ユニットとを備えている。
【００７８】
制御ユニットは、温度センサ８０による検出温度が例えば５０℃未満である場合、図３に示すように、端子７５ａと負荷７６とが接続されるように切換スイッチ７８を制御する。一方で、温度センサ８０による検出温度が例えば５０℃以上となったときには、図３中に波線で示すように、端子７５ｂと負荷７６とが接続されるように切換スイッチ７８を制御する。
【００７９】
従って、燃料電池スタック１０を停止状態から始動する場合、端部単位セル１２ａの温度が５０℃になるまでは、中央部単位セル１２ｂと、該中央部単位セル１２ｂに比して発熱量が多い端部単位セル１２ａとの両方において発電反応を生じさせる。これによって、効果的に燃料電池スタック１０を昇温することができる。すなわち、暖気運転における燃料電池スタック１０の昇温時間を短縮することができ、始動性能を良好に向上させることができる。
【００８０】
そして、端部単位セル１２ａの温度が５０℃に達した後は、端部単位セル１２ａに比して発電性能が高い中央部単位セル１２ｂから電流を取り出す。これによって、通常運転時の発電性能をより効果的に向上させることができる。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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）に配設されるそれぞれ１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。端部単位セルの個数は、燃料電池スタックを構成する単位セルの全個数の１〜２０％の間で任意に設定することが可能である。この場合において、両端部それぞれでの端部セル同士が隣接している（集中配置されている）ことが好ましい。また、端部単位セル１２ａは、燃料電池スタック１０の積層方向における一端部側にのみ配設されてもよい。
【実施例１】
【００８４】
測定試料用の単位セルとして、単位セルＡ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３をそれぞれ図４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。
【００８５】
［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。
【００８６】
（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２０ｇ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。
【００８７】
（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７．４μｍ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。
【００８８】
（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。
【００８９】
（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、カソード電極の第１電極触媒層を電解質膜の一方の面に転写するためのシートを作製した。
【００９０】
（６）  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０．１ｍｇ／ｃｍ2となるように塗布した以外、前記（５）と同様にして、アノード電極の第２電極触媒層を電解質膜の他方の面に転写するためのシートを作製した。
【００９１】
（７）  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一方の面に、前記（５）で作製したシートの触媒ペースト塗布側を、且つ前記電解質膜の他方の面に、前記（６）で作製したシートの触媒ペースト塗布側をそれぞれ熱圧着させた後、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に第１電極触媒層を、他方の面に第２電極触媒層をそれぞれ形成した。
【００９２】
（８）  前記（７）で作製した電解質膜に形成された各電極触媒層に、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】
（９）  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２２．３μｍ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Ａ３］
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５５．２μｍ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Ａ３を得た。
【００９６】
［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。
【００９７】
［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。
【００９８】
［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Ｂ３を得た。
【００９９】
上記の単位セルＡ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３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］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４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５に示す測定装置８２を用いて求めた。測定装置８２は、乾性空気を供給する空気供給部８４と、測定試料８６を収容する試料収容容器８８と、該試料収容容器８８に純水を供給する水供給部９０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８４は、空気を貯蔵するボンベ９２と、該ボンベ９２から試料収容容器８８にわたって設けられた供給配管９４とを有する。この供給配管９４にはレギュレータ９６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）９８とが介装される。
【０１０３】
試料収容容器８８は、収容槽１００と、該収容槽１００の開口上端を閉塞する蓋部材１０２とを有し、この中の収容槽１００の底部に給水孔１０４が形成される。前記水供給部９０は、この給水孔１０４を介して試料収容容器８８内に水を供給する。
【０１０４】
収容槽１００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１０６、不織布１０８、測定試料８６がこの順で積層される。
【０１０５】
パンチングメタル１０６には、複数の貫通孔１１０が形成されている。また、パンチングメタル１０６上には、不織布１０８を介して測定試料８６が載置されている。この測定試料８６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１０２は、収容槽１００の開口上端を覆うとともに、測定試料８６に接する面に流路部１１２が形成されている。流路部１１２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９４、及び排出管１１４に連通するようにして設けられる。また、蓋部材１０２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９０は、水を貯留し且つ収容槽１００の給水孔１０４と給水管１１６を介して接続されるタンク１１８と、タンク１１８内の水位を検出する水位センサ１２０と、水位センサ１２０の検出結果に基づいて、タンク１１８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１１８内に水を供給するポンプ１２２とを備えている。
【０１０８】
上記のように構成された測定装置８２では、先ず、ボンベ９２に貯蔵された空気が供給配管９４を介して供給される。空気は、レギュレータ９６を経由することで圧力調整された後、ＭＦＣ９８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８８の流路部１１２内に供給される。
【０１０９】
このように、流路部１１２に７０℃の空気が供給されるとともに、蓋部材１０２の温度が７０℃に維持されているため、収容槽１００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１０６の貫通孔１１０を介して上昇し、不織布１０８によって拡散された後、測定試料８６の一方の面に供給される。
【０１１０】
水蒸気は、さらに、測定試料８６を膜厚方向に沿って透過し、測定試料８６の他方の面から排出された後、流路部１１２に到達する。流路部１１２に到達した水蒸気は、空気供給部８４から供給された空気とともに、排出管１１４から試料収容容器８８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８６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１１８から給水管１１６及び給水孔１０４を介して、収容槽１００内に供給される。この供給に対応し、タンク１１８内の水位が、測定試料８６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１１８内の水位が、水位センサ１２０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１２２が付勢される。これによりタンク１１８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８６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１１８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８６の水蒸気排出速度が算出される。
【０１１３】
上記のように作製した単位セルＡ１〜Ａ３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〜Ｂ３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１〜４の燃料電池スタックを作製した。また、単位セルＡ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３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１〜４の燃料電池スタックを作製した。
【０１１４】
すなわち、実施例１〜４の燃料電池スタックでは、端部単位セルの重畳体の透水圧が中央部単位セルに比して大きく、且つ端部単位セルの重畳体の水蒸気排出速度が中央部単位セルに比して小さくなるように構成されている。また、比較例１〜４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６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１〜４及び比較例１〜４の燃料電池スタックを得た。
【０１１５】
これらの実施例１〜４及び比較例１〜４について、端部単位セルが−１０℃から０℃まで上昇する昇温所要時間（ｓ）と、始動してから１００ｓ後の中央部単位セルの平均電圧（ｍＶ）とをそれぞれ求め、図６に示した。
【０１１６】
図６に示す測定結果を求めた際の燃料電池スタックの運転条件としては、始動開始温度；−１０℃、出力電流密度；０．５Ａ／ｃｍ2、ガス利用率；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；１００ｋＰａＧとした。
【０１１７】
図４及び図６から、実施例１〜４では、比較例１〜４に比して端部単位セルの昇温所要時間が短く、中央部単位セルの平均電圧が大きいことが分かる。実施例１〜４は、端部単位セルの重畳体の透水圧が３０．０〜１２５．０ｋＰａ、水蒸気排出速度が１４．０〜１８．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎの範囲内であり、中央部単位セルの重畳体の透水圧が１０．０〜１２５．０ｋＰａ、水蒸気排出速度が１８．０〜２０．０ｍｇ／ｃｍ2・ｍｉｎの範囲内である。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、水蒸気排出速度を上記の範囲に設定することによって、端部単位セルの昇温時間を短縮することができるとともに、中央部単位セルの平均電圧を大きくすることができた。すなわち、燃料電池スタックの始動性能及び発電性能を良好に向上させることができた。
【符号の説明】
【０１１８】
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…制御システム                  ８２…測定装置
【図１】
2014186905.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2014186905.tif 000006
【図５】
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【図６】
2014186905.tif 000008