(57)【要約】【課題】燃料電池セルを間に挟む２つのセパレータに温度差がある場合でも、高電圧化を確保することができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】第１燃料電池セル４４の第１セパレータ５１が配置されている側の電極層である第１電極層４５のガス拡散層及び触媒層を、第１ガス拡散層４６及び第１触媒層４７と定義し、第１燃料電池セル４４の第２セパレータ７１が配置されている側の電極層である第３電極層４１のガス拡散層及び触媒層を、第３ガス拡散層４２及び第３触媒層４３と定義した場合に、第１セパレータ５１は第２セパレータ７１よりも温度が低くなるよう構成され、比較的温度が高い第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の保水性が、比較的温度が低い第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の保水性よりも高く（大きく）する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と前記高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極層とを含む燃料電池セルと、セパレータとが前記高分子電解質膜の厚み方向に交互に積層された燃料電池スタックであって、
前記一対の電極層それぞれは、前記高分子電解質膜の片面に順に積層された触媒層とガス拡散層とを含み、
第１セパレータ、第１燃料電池セル、第２セパレータ、がこの順に積層されており、
前記第１燃料電池セルの前記第１セパレータが配置されている側の電極層である第１電極層のガス拡散層及び触媒層を、第１ガス拡散層及び第１触媒層と定義し、前記第１燃料電池セルの前記第２セパレータが配置されている側の電極層である第３電極層のガス拡散層及び触媒層を、第３ガス拡散層及び第３触媒層と定義した場合に、
前記第１セパレータは前記第２セパレータよりも温度が低くなるよう構成され、
前記第３電極層の保水性が、前記第１電極層の保水性よりも大きい、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記触媒層に含まれる触媒担体に対する電解質の重量比が、前記第１触媒層よりも、前記第３触媒層の方が大きい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記触媒層に含まれる電解質の単位重量あたりのイオン交換容量が、前記第１触媒層よりも、前記第３触媒層の方が大きい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記触媒層において空隙が占める比率を示す値である多孔率が、前記第１触媒層よりも、前記第３触媒層の方が小さい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第３触媒層の撥水性は、前記第１触媒層の撥水性よりも低い、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記第３ガス拡散層の透気度が、前記第１ガス拡散層の透気度よりも小さい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記第１ガス拡散層は、その厚み方向を貫通する貫通孔が複数設けられている、請求項６に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記ガス拡散層において空隙が占める比率を示す値である多孔率が、前記第３ガス拡散層よりも前記第１ガス拡散層の方が大きい、請求項６に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記ガス拡散層に含まれる撥水材の含有率が、前記第３ガス拡散層よりも前記第１ガス拡散層の方が大きい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記第３ガス拡散層と接する面における前記第２セパレータの表面エネルギーが、前記第１ガス拡散層と接する面における前記第１セパレータの表面エネルギーよりも小さい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記第２セパレータと接する面における前記第３ガス拡散層の表面エネルギーが、前記第１セパレータと接する面における前記第１ガス拡散層の表面エネルギーよりも大きい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記第３ガス拡散層と接する面における前記第２セパレータの表面エネルギーから、前記第２セパレータと接する面における前記第３ガス拡散層の表面エネルギーを減じた値が
、
前記第１ガス拡散層と接する面における前記第１セパレータの表面エネルギーから、前記第１セパレータと接する面における前記第１ガス拡散層の表面エネルギーを減じた値よりも小さい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記第３触媒層と接する面における前記第３ガス拡散層の表面エネルギーが、前記第１触媒層と接する面における前記第１ガス拡散層の表面エネルギーよりも小さい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記第３ガス拡散層と接する面における前記第３触媒層の表面エネルギーが、前記第１ガス拡散層と接する面における前記第１触媒層の表面エネルギーよりも大きい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記第３触媒層と接する面における前記第３ガス拡散層の表面エネルギーから、前記第３ガス拡散層と接する面における前記第３触媒層の表面エネルギーを減じた値が、
前記第１触媒層と接する面における前記第１ガス拡散層の表面エネルギーから、前記第１ガス拡散層と接する面における前記第１触媒層の表面エネルギーを減じた値よりも小さい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高効率でクリーンなエネルギー源の開発が求められており、それに対する一つの候補として燃料電池が注目されている。燃料電池（例えば高分子電解質形燃料電池）は、反応ガスである水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する空気等の酸化剤ガスとを電気化学反応（発電反応）させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。
【０００３】
例えば、高分子電解質形燃料電池は、図２に示すように構成されている。図２は従来の高分子電解質形燃料電池の概略構成の一例を示す断面図である。
【０００４】
図２に示すように、高分子電解質形燃料電池の燃料電池単セル（以下、燃料電池単セルを燃料電池セルと称する）１００は、膜電極接合体（以下、膜電極接合体をMembrane-Electrode-Assemblyの略称であるＭＥＡと称する）１１０を含んでいる。そして、ＭＥＡ１１０の両面には一対の板状の導電性のセパレータ１２０が配置されている。つまり、この一対のセパレータ１２０によりＭＥＡ１１０が挟持されている。
【０００５】
ＭＥＡ１１０は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（イオン交換樹脂膜）１１１と、この高分子電解質膜１１１の両面に形成された一対の電極層１１２とを備えてなる構成である。
【０００６】
電極層１１２は、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層１１３と、導電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つガス拡散層１１４（ＧＤＬ）とを備える。触媒層１１３は、対になって高分子電解質膜１１１を挟むように配置されており、高分子電解質膜１１１が配される側とは反対側の面にガス拡散層１１４（ＧＤＬ）が形成されている。
【０００７】
高分子電解質膜１１１を挟む一対のガス拡散層１１４のうち、一方のガス拡散層１１４と当接するセパレータ１２０の主面に燃料ガスを流すための燃料ガス流路溝１２１が設けられている。また、他方のガス拡散層１１４と当接するセパレータ１２０の主面に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路溝１２２が設けられている。また、セパレータ１２０それぞれにおいて、燃料ガス流路溝１２１または酸化剤ガス流路溝１２２が設けられている主面とは反対側の面には、冷却水などが通る冷却流路溝１２３が形成されている。
【０００８】
そして、上記した構成を有する燃料電池セル１００では、燃料ガス流路溝１２１及び酸化剤ガス流路溝１２２を通じて、高分子電解質膜１１１を挟む一対の電極層１１２それぞれに燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、電気化学反応が起こり、電力と熱とを発生させる。
【０００９】
また燃料電池セル１００は、図２に示すように複数個、電気的に直列に接続されて、積層体（以下、スタックと称する）として使用されるのが一般的である。尚、このときスタックは、燃料ガス及び酸化剤ガスがリークしないように、且つ接触抵抗を減らすために、ボルトなどの締結部材１３０により所定の締結圧にて加圧締結される。従って、ＭＥＡ１１０とセパレータ１２０とは所定の圧力で面接触することになる。
【００１０】
また、電気化学反応に必要なガスが外部に漏れるのを防ぐために、セパレータ１２０，
１２０の間には、触媒層１１３とガス拡散層１１４の側面を覆うようにシール材（ガスケット）１１７が配置されている。
【００１１】
このように構成される従来の高分子電解質形燃料電池のスタックにおいて、冷却流路溝１２３を複数の燃料電池セル１００・・・毎に設ける技術が特許文献１に開示されている。冷却流路溝１２３を複数の燃料電池セル１００・・・毎に設けることで、セパレータの枚数を減らすことができ、スタック積層方向の短尺化を実現するとともに、セパレータのコストを抑えることができる。
【００１２】
しかしながら、冷却流路溝１２３を複数の燃料電池セル１００・・・毎に設けた構成を用いると、冷却流路溝１２３と燃料電池セル１００との位置関係によって、燃料電池セル１００を冷却できる能力が異なってしまう。このため、スタックを構成する燃料電池セル１００間に温度ばらつきが生じ、そのため、性能ばらつきが生じやすいという課題があった。
【００１３】
そこで、冷却機構を複数の燃料電池セル毎に設ける場合に、１つのセルブロックにおける熱伝導度が小さい電極層が配置された一方の端部側に設けられている冷却機構である第１冷却機構の冷却能力が、該セルブロックにおける熱伝導度が大きい電極層が配置された他方の端部側に設けられている冷却機構である第２冷却機構の冷却能力よりも大きくなるように構成すれば、良好な発電性能を得ることができることが、特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００４−８７３１１号公報
【特許文献２】特開２０１３−１８２７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献２に開示された燃料電池スタックは、燃料電池セルを間に挟む２つのセパレータのうちの比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層において発生した生成水や凝縮水が、相対湿度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによって、比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層のドライアップが進行し、逆に、比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層において生成水や凝縮水が過剰になって、比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層に供給されたガス拡散に悪影響を与えるため、セル電圧が低下する虞れがあり、高電圧を確保することが困難であった。
【００１６】
そこで、本発明は、上記課題を解決するものであり、燃料電池セルを間に挟む２つのセパレータに温度差がある場合でも、高電圧化を確保することができる燃料電池スタックを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために本発明は、燃料電池セルを間に挟む２つのセパレータのうちの比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層の保水性を、比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層の保水性よりも大きくしたのである。
【００１８】
本発明の燃料電池スタックは、燃料電池セルを間に挟む２つのセパレータに温度差があるが、燃料電池セルを間に挟む２つのセパレータのうちの比較的温度の低い方のセパレータ側に配置された電極層において発生した過剰な生成水や凝縮水が、比較的温度の高い方
のセパレータ側に配置された電極層に電解質膜を介して拡散する。
【００１９】
そのため、比較的温度の低い方のセパレータ側に配置された電極層では、過剰であった生成水や凝縮水が減って、電極層に供給されたガス拡散がスムーズに進行する。一方、比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層では、相対湿度のより低いガスにより持ち去られて不足していた生成水や凝縮水が増えて、電極層を適度な湿度に保つことにより電極層、および電解質膜のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【００２０】
したがって、ＭＥＡ内にて発生した、比較的温度の低い方のセパレータ側に配置された電極層の過剰な生成水や凝縮水をスムーズに排水できるだけでなく、比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層のドライアップも防止することができるため、高電圧を確保可能な燃料電池スタックを提供することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の燃料電池スタックによれば、ＭＥＡ内にて発生した、比較的温度の低い方のセパレータ側に配置された電極層の過剰な生成水や凝縮水をスムーズに排水できるだけでなく、比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層のドライアップも防止することができるため、高電圧化を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の燃料電池スタックの一実施の形態の基本構成の一例を示す要部概略断面図
【図２】従来の高分子電解質形燃料電池の概略構成の一例を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の燃料電池スタックの一実施の形態について、図１を参照しながら説明する。尚、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の好適な一実施の形態としての燃料電池を構成する単セル１の概略構成を表す断面模式図である。但し構成はこれに限らない。
【００２４】
第１燃料電池セル４４の一対の電極層それぞれは、高分子電解質膜４０の片面に順に積層された触媒層とガス拡散層とを含み、同様に、第２燃料電池セル６４の一対の電極層それぞれは、高分子電解質膜６０の片面に順に積層された触媒層とガス拡散層とを含む。
【００２５】
そして、第１セパレータ５１、第１燃料電池セル４４、第２セパレータ７１、第２燃料電池セル６４が、この順に（第１セパレータ５１、第１燃料電池セル４４、第２セパレータ７１、第２燃料電池セル６４、第１セパレータ５１、第１燃料電池セル４４、第２セパレータ７１、第２燃料電池セル６４の順に）積層されている。
【００２６】
第１燃料電池セル４４の第１セパレータ５１が配置されている側の電極層である第１電極層４５のガス拡散層及び触媒層を、第１ガス拡散層４６及び第１触媒層４７と定義し、第１燃料電池セル４４の第２セパレータ７１が配置されている側の電極層である第３電極層４１のガス拡散層及び触媒層を、第３ガス拡散層４２及び第３触媒層４３と定義する。
【００２７】
また、第２燃料電池セル６４の第２セパレータ７１が配置されている側の電極層である第２電極層６５のガス拡散層及び触媒層を、第２ガス拡散層６６及び第２触媒層６７と定義し、第２燃料電池セル６４の第１セパレータ５１が配置されている側の電極層である第４電極層６１のガス拡散層及び触媒層を、第４ガス拡散層６２及び第４触媒層６３と定義
する。
【００２８】
また、第１セパレータ５１は第２セパレータ７１よりも温度が低くなるよう構成され、比較的温度が高い（相対的に温度が高い）第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の保水性が、比較的温度が低い（相対的に温度が低い）第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の保水性、第４電極層６１の保水性よりも高くなるような構成になっていることを特徴とする。
【００２９】
なお、第１セパレータ５１の温度が、第２セパレータ７１の温度よりも低くなるような構成であれば、どのような構成であってもよい。例えば、第１セパレータ５１が冷却機構を含み、第２セパレータ７１が冷却機構を含まない場合であってもよい。この場合、第１セパレータ５１の冷却機構に熱媒体が通流し、第１セパレータ５１を冷却するよう制御でき、第１セパレータ５１の温度は、第２セパレータ７１の温度よりも低くすることができる。
【００３０】
例えば、第１セパレータ５１と第２セパレータ７１の両方が冷却機構を含む場合に、第１セパレータ５１の温度が、第２セパレータ７１の温度よりも低くなるように制御されていてもよい。この場合は、第１セパレータ５１の第１冷却機構１０に第１熱媒体を通流させ、第２セパレータ７１の第２冷却機構１７に第２熱媒体を通流させ、第１セパレータ５１の温度が、第２セパレータ７１の温度よりも低くなるように、第１冷却機構１０及び第２冷却機構１７を設計してもよく、第１熱媒体及び第２熱媒体の流量を制御してもよい。
【００３１】
尚、ここで、「第１セパレータ５１の温度が、第２セパレータ７１の温度よりも低い」とは、例えば、第１セパレータ５１の第１冷却機構１０の第１熱媒体の入口温度が第２セパレータ７１の第２冷却機構１７の第２熱媒体の入口温度よりも低く、かつ、第１冷却機構１０の第１熱媒体の出口温度が第２冷却機構１７の第２熱媒体の出口温度よりも低い場合であってもよい。
【００３２】
また、「第１セパレータ５１の温度が、第２セパレータ７１の温度よりも低い」とは、例えば、第１冷却機構１０の第１熱媒体の平均温度が第２冷却機構１７の第２熱媒体の平均温度よりも低い場合であってもよい。
【００３３】
「第１冷却機構１０の第１熱媒体の平均温度」は、例えば、第１冷却機構１０の第１熱媒体の入口温度と出口温度の平均の温度であってもよく、第１冷却機構１０の入口からの流路の長さと出口からの流路の長さが距離的に等しくなる中間地点の温度であってもよく、第１セパレータ５１の面方向における中央部分の温度であってもよく、第１冷却機構１０の入口から出口にかけての温度分布を考慮した場合に第１冷却機構１０の入口からの温度の積分値と出口からの温度の積分値が等しくなる地点の温度であってもよい。
【００３４】
第１冷却機構１０の入口から出口にかけての温度分布は、経路中の複数の任意の地点における温度を測定することによって得ることができる。「第２冷却機構１７の第２熱媒体の平均温度」についても、「第１冷却機構１０の第１熱媒体の平均温度」と同様の方法で測定することができる。
【００３５】
本発明の実施の形態においては、第１電極層４５を燃料極に第３電極層４１を酸化剤極に設定した。つまり、第１ガス拡散層４６及び第１触媒層４７は燃料極であり、第３ガス拡散層４２及び第３触媒層４３は酸化剤極である。但し、第１電極層４５が酸化剤極で、第３電極層４１が燃料極であっても構わない。
【００３６】
また、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックにおいては、複数の燃料電池
セル毎に冷却機構を設けてもよく、アノード側、カソード側でそれぞれ冷却能力が異なるセパレータを用いてもよい。結果として、アノード側とカソード側とのセパレータ温度が異なっていればよい。
【００３７】
図１に示すように、燃料極としての第１電極層４５は、カーボン繊維の集積体で形成された燃料用ガス拡散層としての第１ガス拡散層４６と、燃料用ガス拡散層としての第１ガス拡散層４６に積層された燃料用触媒層としての第１触媒層４７とを備えている。酸化剤極としての第３電極層４１は、カーボン繊維の集積体で形成された酸化剤用ガス拡散層としての第３ガス拡散層４２と、酸化剤用ガス拡散層としての第３ガス拡散層４２に積層された酸化剤用触媒層としての第３触媒層４３とを備えている。燃料用触媒層としての第１触媒層４７および酸化剤用触媒層としての第３触媒層４３は、高分子電解質膜４０に対面する。
【００３８】
本発明により製造される燃料電池電極は、触媒担持カーボン及び含フッ素イオン交換樹脂を必須の成分として含む。触媒としては、アノード及びカソードで電極反応を促進する物質が使用されるが、白金などの白金族金属又はその合金が好ましい。触媒は金属粒子をそのまま使用してもよいが、比表面積が３００ｍ２／ｇ以上の触媒担持カーボンが好ましい。担持触媒の場合、金属の担持量は金属担持カーボン全質量に対して１０〜７０質量％であることが好ましい。
【００３９】
燃料電池電極に含まれるが含フッ素イオン交換樹脂は、導電性及びガスの透過性の点からイオン交換容量が０．６〜２．２ミリ当量／ｇであることが好ましく、特に１．１〜１．６ミリ当量／ｇのものが好ましい。
【００４０】
また、含フッ素イオン交換樹脂は、テトラフルオロエチレンに基づく重合単位と、スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルに基づく重合単位とを含む共重合体からなるものが好ましい。
【００４１】
上記スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルとしては、
ＣＦ２＝ＣＦ−（ＯＣＦ２ＣＦＸ）ｍ−Ｏｐ―（ＣＦ２）ｎ−ＳＯ３Ｈ
で表されるものが好ましい。
【００４２】
ここで、Ｘはフッ素原子（Ｆ）又はトリフルオロメチル基（ＣＦ３）であり、ｍは０〜３の整数、ｎは１〜１２の整数、ｐは０又は１である。
【００４３】
より好ましい具体例として以下の化合物が挙げられる。尚、下記の式中、ｑ、ｒは１〜８の整数、ｔは１〜３の整数である。
ＣＦ２＝ＣＦＯ（ＣＦ２）ｑＳＯ３Ｈ
ＣＦ２＝ＣＦＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）Ｏ（ＣＦ２）ｒＳＯ３Ｈ
ＣＦ２＝ＣＦ（ＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３））ｔＯ（ＣＦ２）２ＳＯ３Ｈ
燃料電池電極に含まれる触媒担持カーボンと含フッ素イオン交換樹脂とは、質量比で触媒担持カーボン：含フッ素イオン交換樹脂＝６０：４０〜７０：３０であることが電極の導電性と物質輸送の点から好ましい。尚、ここでいう触媒担持カーボンは、触媒のみの場合も含むものとする。
【００４４】
つぎに、第３ガス拡散層４２と第１ガス拡散層４６を構成するガス拡散層基材としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いることができる。
【００４５】
また、排水性を持たせるために、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをガス拡散層基材の中に分散させてもよい。また、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料でガス拡散層基材を構成してもよい。
【００４６】
本実施の形態によれば、図１に示すように、第１セパレータ５１、第１燃料電池セル４４、第２セパレータ７１が、この順に積層され単セル１を構成しているが、必要出力に応じて燃料電池セルが複数積層された燃料電池スタックが形成されてもよい。
【００４７】
第１セパレータ５１は、燃料ガスが流れると共に第１電極層４５と対面するように溝状をなす燃料流路６が形成されており、冷媒としての冷却液が流れる溝状をなす冷却液流路（第１冷却機構１０）とを表裏の関係を有する。
【００４８】
第３ガス拡散層４２と接する第２セパレータ７１は、第１燃料電池セル４４の酸化剤ガスが流れると共に第３電極層４１に対面するように溝状をなす酸化剤流路７が形成されたものとして、そして冷却液が流れる溝状をなす冷却液流路（第２冷却機構１７）とを表裏の関係で有する。尚、冷却液流路（第２冷却機構１７）は有っても無くてもよい。
【００４９】
冷却液としては、純度が高い水が採用されているが、空気等の冷却気体でも良いが、一般的には、冷却能およびコストなどを考慮して冷却水が採用される。
【００５０】
また、第１セパレータ５１の冷却液流路（第１冷却機構１０）と第２セパレータ７１の冷却液流路（第２冷却機構１７）が形成された面と表裏の関係で有されている燃料流路６と酸化剤流路７は、第１セパレータ５１と第２セパレータ７１における第３電極層４１と対向する面に酸化剤流路７を形成し、第１セパレータ５１と第２セパレータ７１における第１電極層４５と対向する面に燃料流路６を形成したが、その逆にしてもよい。
【００５１】
セパレータによって温度が異なる燃料電池セルで構成されている場合、特に本実施の形態のように、温度のより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１と、温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１と、で構成されている為、第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５において発生した過剰な生成水や凝縮水が、第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１に高分子電解質膜４０を介して拡散することによって、過剰な生成水や凝縮水をスムーズに排出することができる。
【００５２】
従って、温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５における過剰な生成水や凝縮水が減少することにより、第１電極層４５に供給されたガス拡散がスムーズに進行し、高電圧を確保することができる。
【００５３】
さらに、本実施の形態のように、温度がより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の保水性が、温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の保水性より高い構成を有しているため、温度の高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１において発生した生成水や凝縮水、また第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５から高分子電解質膜４０を介して拡散してきた過剰な生成水や凝縮水が、相対湿度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによる第３電極層４１のドライアップを防止し、第３電極層４１を適度な湿度に保つことにより第３電極層４１、および高分子電解質膜４０のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【００５４】
尚、第３電極層４１が酸化剤極で第１電極層４５が燃料極の場合で説明したが、第３電極層４１が燃料極で第１電極層４５が酸化剤極であってもよい。
（実施例１）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の保水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の保水性よりも大きくするための手段の一例を具体的に説明する。
【００５５】
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５６】
本実施例では、第１セパレータ５１の冷却液流路（第１冷却機構１０）と第２セパレータ７１の冷却液流路（第２冷却機構１７）との差によって第１セパレータ５１よりも温度が高く酸化剤極となる第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の第３触媒層４３に含まれる触媒担体に対するイオン交換樹脂（電解質）の重量比を、第２セパレータ７１よりも温度が低く燃料極となる第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の第１触媒層４７に含まれる触媒担体に対するイオン交換樹脂（電解質）の重量比よりも大きく（高く）している。
【００５７】
すなわち、本実施例では、触媒層に含まれる触媒担体に対する電解質の重量比が、第１触媒層４７よりも、第３触媒層４３の方が大きいのである。
【００５８】
第３触媒層４３に含まれる触媒担体に対するイオン交換樹脂の重量比を第１触媒層４７に含まれる触媒担体に対するイオン交換樹脂の重量比よりも大きく（高く）することにより、第３電極層４１の保水性が第１電極層４５の保水性よりも上がる。
【００５９】
その結果、温度がより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１において発生した生成水や凝縮水、また温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５から高分子電解質膜４０を介して拡散してきた過剰な生成水や凝縮水が、相対湿度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによる第３電極層４１のドライアップを防止し、かつ、第３電極層４１は、より温度の高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置されているため、第３電極層４１を適度な湿度に保つことにより第３電極層４１、および高分子電解質膜４０のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【００６０】
尚、第３電極層４１が酸化剤極で第１電極層４５が燃料極の場合で説明したが、第３電極層４１が燃料極で第１電極層４５が酸化剤極であってもよい。
（実施例２）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の保水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の保水性よりも大きくするための手段の一例を具体的に説明する。
【００６１】
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
本実施例では、第１セパレータ５１の冷却液流路（第１冷却機構１０）と第２セパレータ７１の冷却液流路（第２冷却機構１７）との差によって第１セパレータ５１よりも温度が高く酸化剤極となる第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の第３触
媒層４３に含まれるイオン交換樹脂（電解質）の単位重量あたりのイオン交換容量を、第２セパレータ７１よりも温度が低く燃料極となる第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の第１触媒層４７に含まれるイオン交換樹脂（電解質）の単位重量あたりのイオン交換容量よりも大きくしている。
【００６３】
すなわち、本実施例では、触媒層に含まれる電解質の単位重量あたりのイオン交換容量が、第１触媒層４７よりも、第３触媒層４３の方が大きいのである。
【００６４】
第３触媒層４３に含まれるイオン交換樹脂の単位重量あたりのイオン交換容量を第１触媒層４７に含まれるイオン交換樹脂の単位重量あたりのイオン交換容量よりも大きくすることにより、第３電極層４１の保水性が第１電極層４５の保水性よりも上がる。
【００６５】
その結果、温度がより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１において発生した生成水や凝縮水、また温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５から高分子電解質膜４０を介して拡散してきた過剰な生成水や凝縮水が、相対湿度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによる第３電極層４１のドライアップを防止し、かつ、第３電極層４１は、より温度の高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置されているため、第３電極層４１を適度な湿度に保つことにより第３電極層４１、および高分子電解質膜４０のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【００６６】
尚、第３電極層４１が酸化剤極で第１電極層４５が燃料極の場合で説明したが、第３電極層４１が燃料極で第１電極層４５が酸化剤極であってもよい。
（実施例３）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の保水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の保水性よりも大きくするための手段の一例を具体的に説明する。
【００６７】
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６８】
本実施例では、第１セパレータ５１の冷却液流路（第１冷却機構１０）と第２セパレータ７１の冷却液流路（第２冷却機構１７）との差によって第１セパレータ５１よりも温度が高く酸化剤極となる第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の第３触媒層４３において空隙が占める比率を示す値である多孔率を、第２セパレータ７１よりも温度が低く燃料極となる第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の第１触媒層４７において空隙が占める比率を示す値である多孔率よりも小さくしている。
【００６９】
すなわち、本実施例では、触媒層において空隙が占める比率を示す値である多孔率が、第１触媒層４７よりも、第３触媒層４３の方が小さいのである。
【００７０】
第３触媒層４３の多孔率を、第１触媒層４７の多孔率よりも小さくすることにより、第３電極層４１の保水性が第１電極層４５の保水性よりも上がる。
【００７１】
その結果、温度がより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１において発生した生成水や凝縮水、また温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５から高分子電解質膜４０を介して拡散してきた過剰な生成水や凝縮水が、相対湿
度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによる第３電極層４１のドライアップを防止し、かつ、第３電極層４１は、より温度の高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置されているため、第３電極層４１を適度な湿度に保つことにより第３電極層４１、および高分子電解質膜４０のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【００７２】
尚、第３電極層４１が酸化剤極で第１電極層４５が燃料極の場合で説明したが、第３電極層４１が燃料極で第１電極層４５が酸化剤極であってもよい。
【００７３】
尚、触媒層の多孔率は、触媒層構成材料種（触媒担持カーボン、イオン交換樹脂など）の最適化、触媒層インクの分散処理方法の最適化、触媒層構成材料への造孔材添加の有無、形成された触媒層への熱プレス処理条件の調整など、公知の方法を用いて制御することができる。
（実施例４）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の保水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の保水性よりも大きくするための手段の一例を具体的に説明する。
【００７４】
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００７５】
本実施例では、第１セパレータ５１の冷却液流路（第１冷却機構１０）と第２セパレータ７１の冷却液流路（第２冷却機構１７）との差によって第１セパレータ５１よりも温度が高く酸化剤極となる第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の第３触媒層４３の撥水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低く燃料極となる第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の第１触媒層４７の撥水性よりも低くしている。
【００７６】
すなわち、本実施例では、第３触媒層４３の撥水性を、第１触媒層４７の撥水性よりも低くする（第３触媒層４３の親水性を、第１触媒層４７の親水性よりも高くする）ことにより、第３電極層４１の保水性が第１電極層４５の保水性よりも上がる。
【００７７】
その結果、温度がより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１において発生した生成水や凝縮水、また温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５から高分子電解質膜４０を介して拡散してきた過剰な生成水や凝縮水が、相対湿度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによる第３電極層４１のドライアップを防止し、かつ、第３電極層４１は、より温度の高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置されているため、第３電極層４１を適度な湿度に保つことにより第３電極層４１、および高分子電解質膜４０のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【００７８】
尚、第３電極層４１が酸化剤極で第１電極層４５が燃料極の場合で説明したが、第３電極層４１が燃料極で第１電極層４５が酸化剤極であってもよい。
【００７９】
尚、触媒層の撥水性は、触媒層構成材料種（触媒担持カーボン、イオン交換樹脂など）の最適化、触媒層構成材料への撥水材（ポリテトラフルオロエチレンなど）添加の有無、など、公知の方法を用いて制御することができる。
（実施例５）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の保水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の保水性よりも大きくするための手段の一例を具体的に説明する。
【００８０】
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００８１】
本実施例では、第１セパレータ５１の冷却液流路（第１冷却機構１０）と第２セパレータ７１の冷却液流路（第２冷却機構１７）との差によって第１セパレータ５１よりも温度が高く酸化剤極となる第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の第３ガス拡散層４２の透気度を、第２セパレータ７１よりも温度が低く燃料極となる第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の第１ガス拡散層４６の透気度よりも低く（小さく）している。
【００８２】
すなわち、本実施例では、第３ガス拡散層４２の透気度を、第１ガス拡散層４６の透気度よりも低く（小さく）することにより、第３電極層４１の保水性が第１電極層４５の保水性よりも上がる。
【００８３】
その結果、温度がより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１において発生した生成水や凝縮水、また温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５から高分子電解質膜４０を介して拡散してきた過剰な生成水や凝縮水が、相対湿度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによる第３電極層４１のドライアップを防止し、かつ、第３電極層４１は、より温度の高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置されているため、第３電極層４１を適度な湿度に保つことにより第３電極層４１、および高分子電解質膜４０のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【００８４】
尚、第３電極層４１が酸化剤極で第１電極層４５が燃料極の場合で説明したが、第３電極層４１が燃料極で第１電極層４５が酸化剤極であってもよい。
【００８５】
尚、ガス拡散層の透気度は、ガス拡散層を構成するカーボン材料の密度や粒径、繊維径を最適化する、第１ガス拡散層４６の厚み方向への複数の貫通孔を設けるなど、公知の方法を用いて制御することができる。
【００８６】
また、ガス拡散層の透気度は、例えば、ＪＩＳ−Ｐ８１７７：２００９に基づいたガーレー試験機法により透気抵抗度を求めるなど、公知の手法を用いて確認することができる。
（実施例６）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の保水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の保水性よりも大きくするための手段の一例を具体的に説明する。
【００８７】
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００８８】
本実施例では、第１セパレータ５１の冷却液流路（第１冷却機構１０）と第２セパレータ７１の冷却液流路（第２冷却機構１７）との差によって第１セパレータ５１よりも温度
が高く酸化剤極となる第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の第３ガス拡散層４２において空隙が占める比率を示す値である多孔率を、第２セパレータ７１よりも温度が低く燃料極となる第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の第１ガス拡散層４６において空隙が占める比率を示す値である多孔率よりも小さくしている。
【００８９】
すなわち、本実施例では、ガス拡散層において空隙が占める比率を示す値である多孔率が、第１ガス拡散層４６よりも、第３ガス拡散層４２の方が小さいのである。
【００９０】
すなわち、本実施例では、第３ガス拡散層４２の多孔率を、第１ガス拡散層４６の多孔率よりも小さくすることにより、第３電極層４１の保水性が第１電極層４５の保水性よりも上がる。
【００９１】
その結果、温度がより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１において発生した生成水や凝縮水、また温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５から高分子電解質膜４０を介して拡散してきた過剰な生成水や凝縮水が、相対湿度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによる第３電極層４１のドライアップを防止し、かつ、第３電極層４１は、より温度の高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置されているため、第３電極層４１を適度な湿度に保つことにより第３電極層４１、および高分子電解質膜４０のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【００９２】
尚、第３電極層４１が酸化剤極で第１電極層４５が燃料極の場合で説明したが、第３電極層４１が燃料極で第１電極層４５が酸化剤極であってもよい。
【００９３】
尚、ガス拡散層の多孔率は、ガス拡散層を構成するカーボン材料の密度や粒径、繊維径を最適化するなど、公知の方法を用いて制御することができる。
【００９４】
また、ガス拡散層の多孔率を確認する方法としては、例えば、水銀圧入法による細孔体積の算出や、走査型電子顕微鏡を用いた断面観察など、公知の手法を用いて確認することができる。
（実施例７）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の保水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の保水性よりも大きくするための手段の一例を具体的に説明する。
【００９５】
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００９６】
本実施例では、第１セパレータ５１の冷却液流路（第１冷却機構１０）と第２セパレータ７１の冷却液流路（第２冷却機構１７）との差によって第１セパレータ５１よりも温度が高く酸化剤極となる第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の第３ガス拡散層４２に含まれる撥水材の含有率を、第２セパレータ７１よりも温度が低く燃料極となる第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の第１ガス拡散層４６に含まれる撥水材の含有率よりも小さくしている。
【００９７】
すなわち、本実施例では、ガス拡散層に含まれる撥水材の含有率が、第１ガス拡散層４６よりも第３ガス拡散層４２の方が小さい（第３ガス拡散層４２よりも第１ガス拡散層４
６の方が大きい）のである。
【００９８】
すなわち、本実施例では、第３ガス拡散層４２に含まれる撥水材の含有率を、第１ガス拡散層４６に含まれる撥水材の含有率よりも小さくすること、すなわち、第３ガス拡散層４２の親水性を、第１ガス拡散層４６の親水性よりも高めることにより、第３電極層４１の保水性が第１電極層４５の保水性よりも上がる。
【００９９】
その結果、温度がより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１において発生した生成水や凝縮水、また温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５から高分子電解質膜４０を介して拡散してきた過剰な生成水や凝縮水が、相対湿度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによる第３電極層４１のドライアップを防止し、かつ、第３電極層４１は、より温度の高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置されているため、第３電極層４１を適度な湿度に保つことにより第３電極層４１、および高分子電解質膜４０のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【０１００】
尚、第３電極層４１が酸化剤極で第１電極層４５が燃料極の場合で説明したが、第３電極層４１が燃料極で第１電極層４５が酸化剤極であってもよい。
（実施例８）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の保水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の保水性よりも大きくするための手段の一例を具体的に説明する。
【０１０１】
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【０１０２】
本実施例では、第１セパレータ５１の冷却液流路（第１冷却機構１０）と第２セパレータ７１の冷却液流路（第２冷却機構１７）との差によって第１セパレータ５１よりも温度が高く酸化剤極となる第２セパレータ７１と第３ガス拡散層４２とが接する面における第３ガス拡散層４２の表面エネルギーが、第２セパレータ７１よりも温度が低く燃料極となる第１セパレータ５１と第１ガス拡散層４６とが接する面における第１ガス拡散層４６の表面エネルギーよりも、大きくしている。
【０１０３】
すなわち、本実施例では、第２セパレータ７１と第３ガス拡散層４２とが接する面における第３ガス拡散層４２の表面エネルギーを、第１セパレータ５１と第１ガス拡散層４６とが接する面における第１ガス拡散層４６の表面エネルギーよりも大きくする、すなわち第３ガス拡散層４２表面の親水性を第１ガス拡散層４６表面の親水性よりも高めることにより、第３電極層４１の保水性が第１電極層４５の保水性よりも上がる。
【０１０４】
その結果、温度がより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１において発生した生成水や凝縮水、また温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５から高分子電解質膜４０を介して拡散してきた過剰な生成水や凝縮水が、相対湿度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによる第３電極層４１のドライアップを防止し、かつ、第３電極層４１は、より温度の高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置されているため、第３電極層４１を適度な湿度に保つことにより第３電極層４１、および高分子電解質膜４０のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【０１０５】
尚、ガス拡散層の表面エネルギーは、ガス拡散層を構成する材料種（カーボン材料、撥水性高分子など）の最適化、ガス拡散層へのコロナ処理やプラズマ処理など、公知の方法を用いて制御することができる。
【０１０６】
また、ガス拡散層の表面エネルギーを確認する方法としては、公知の濡れ性測定技術を用いて評価することができる。より具体的には、例えば、濡れ性評価装置（DropMaster100、協和界面科学株式会社製）を用いて評価することができる。
【０１０７】
以下、具体的な測定例を交えながら説明する。例えば、ガス拡散層を短辺が３ｃｍで長辺が５ｃｍの長方形に切り出し、蒸留水の入ったビーカーにガス拡散層を浸漬させた状態で、真空容器に１時間放置し、ガス拡散層内に水を十分含浸させた後に、８０℃にて４時間乾燥させ、種々のサンプル間の濡れ状態を一定にした。
【０１０８】
次に、乾燥したガス拡散層を一辺が１ｃｍの正方形に切り出し、濡れ性評価装置の測定ステージにセットし、マイクロシリンジを用いて濡れ張力試験用混合液（濡れ張力２２．６ｍＮ／ｍ、和光純薬工業株式会社）を表面に４μＬ（４ｍｍ３）滴下した。
【０１０９】
さらに、滴下３分後に濡れ張力試験用混合液の接触角を測定した。材料の持つ表面エネルギーよりも低い表面エネルギーの試薬を垂らすと濡れて接触角＝０°となり、材料の表面エネルギーよりも高い表面張力の試薬を垂らすと、濡れにくくなり接触角が増大する。従って、試薬の濡れ張力を順番に上げて、その試薬での接触角を測定していき、その接触角が５°以下となるその境界の濡れ試薬の濡れ張力の値をその材料のもつ表面エネルギーとした。
【０１１０】
尚、第３電極層４１が酸化剤極で第１電極層４５が燃料極の場合で説明したが、第３電極層４１が燃料極で第１電極層４５が酸化剤極であってもよい。
（実施例９）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の保水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の保水性よりも大きくするための手段の一例を具体的に説明する。
【０１１１】
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【０１１２】
本実施例では、第１セパレータ５１の冷却液流路（第１冷却機構１０）と第２セパレータ７１の冷却液流路（第２冷却機構１７）との差によって第１セパレータ５１よりも温度が高く酸化剤極となる第２セパレータ７１と第３ガス拡散層４２とが接する面における第２セパレータ７１の表面エネルギーが、第２セパレータ７１よりも温度が低く燃料極となる第１セパレータ５１と第１ガス拡散層４６とが接する面における第１セパレータ５１の表面エネルギーよりも、大きくしている。
【０１１３】
すなわち、本実施例では、第２セパレータ７１と第３ガス拡散層４２とが接する面における第２セパレータ７１の表面エネルギーを、第１セパレータ５１と第１ガス拡散層４６とが接する面における第１セパレータ５１の表面エネルギーよりも大きくする、すなわち第２セパレータ７１表面の撥水性を第１セパレータ５１表面の撥水性よりも高めることにより、接している第３ガス拡散層４２、および第３電極層４１全体の親水性を高めることにより、第３電極層４１の保水性が第１電極層４５の保水性よりも上がる。
【０１１４】
その結果、温度がより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１において発生した生成水や凝縮水、また温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５から高分子電解質膜４０を介して拡散してきた過剰な生成水や凝縮水が、相対湿度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによる第３電極層４１のドライアップを防止し、かつ、第３電極層４１は、より温度の高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置されているため、第３電極層４１を適度な湿度に保つことにより第３電極層４１、および高分子電解質膜４０のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【０１１５】
尚、第３電極層４１が酸化剤極で第１電極層４５が燃料極の場合で説明したが、第３電極層４１が燃料極で第１電極層４５が酸化剤極であってもよい。
【０１１６】
尚、セパレータの表面エネルギーは、セパレータを構成する材料種（カーボン材料、高分子など）の最適化、セパレータへのコロナ処理やプラズマ処理など、公知の方法を用いて制御することができる。
【０１１７】
また、セパレータの表面エネルギーを確認する方法としては、実施例８に記載された、公知の手法などを用いて確認することができる。
（実施例１０）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の保水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の保水性よりも大きくするための手段の一例を具体的に説明する。
【０１１８】
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【０１１９】
本実施例では、第１セパレータ５１の冷却液流路（第１冷却機構１０）と第２セパレータ７１の冷却液流路（第２冷却機構１７）との差によって第１セパレータ５１よりも温度が高く酸化剤極となる第２セパレータ７１と第３ガス拡散層４２とが接する面における第２セパレータ７１の表面エネルギーから第２セパレータ７１と第３ガス拡散層４２とが接する面における第３ガス拡散層４２の表面エネルギーを減じた値が、第２セパレータ７１よりも温度が低く燃料極となる第１セパレータ５１と第１ガス拡散層４６とが接する面における第１セパレータ５１の表面エネルギーから第１セパレータ５１と第１ガス拡散層４６とが接する面における第１ガス拡散層４６の表面エネルギーを減じた値よりも、小さくしている。
【０１２０】
これにより、第１セパレータ５１と第１ガス拡散層４６とが接する面における第１ガス拡散層４６に比べて、第２セパレータ７１と第３ガス拡散層４２とが接する面における第３ガス拡散層４２の親水性が高くなり、ひいては第３電極層４１の保水性が第１電極層４５の保水性よりも上がる。
【０１２１】
その結果、温度がより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１において発生した生成水や凝縮水、また温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５から高分子電解質膜４０を介して拡散してきた過剰な生成水や凝縮水が、相対湿度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによる第３電極層４１のドライアップを防止し、かつ、第３電極層４１は、より温度の高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置されているため、第３電極層４１を適度な湿度に保つ
ことにより第３電極層４１、および高分子電解質膜４０のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【０１２２】
尚、セパレータ、及びガス拡散層の表面エネルギーを確認する方法としては、実施例８に記載された、公知の手法などを用いて確認することができる。
【０１２３】
また、第３電極層４１が酸化剤極で第１電極層４５が燃料極の場合で説明したが、第３電極層４１が燃料極で第１電極層４５が酸化剤極であってもよい。
（実施例１１）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の保水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の保水性よりも大きくするための手段の一例を具体的に説明する。
【０１２４】
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【０１２５】
本実施例では、第１セパレータ５１の冷却液流路（第１冷却機構１０）と第２セパレータ７１の冷却液流路（第２冷却機構１７）との差によって第１セパレータ５１よりも温度が高く酸化剤極となる第３ガス拡散層４２と第３触媒層４３とが接する面における第３ガス拡散層４２の表面エネルギーが、第２セパレータ７１よりも温度が低く燃料極となる第１ガス拡散層４６と第１触媒層４７とが接する面における第１ガス拡散層４６の表面エネルギーよりも、小さくしている。
【０１２６】
すなわち、本実施例では、第３ガス拡散層４２の表面エネルギーをより小さくする、すなわち第３ガス拡散層４２表面の撥水性を高めることにより、接している第３触媒層４３、および第３電極層４１全体の親水性を高めることにより、第３電極層４１の保水性が第１電極層４５の保水性よりも上がる。
【０１２７】
その結果、温度がより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１において発生した生成水や凝縮水、また温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５から高分子電解質膜４０を介して拡散してきた過剰な生成水や凝縮水が、相対湿度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによる第３電極層４１のドライアップを防止し、かつ、第３電極層４１は、より温度の高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置されているため、第３電極層４１を適度な湿度に保つことにより第３電極層４１、および高分子電解質膜４０のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【０１２８】
尚、第３電極層４１が酸化剤極で第１電極層４５が燃料極の場合で説明したが、第３電極層４１が燃料極で第１電極層４５が酸化剤極であってもよい。
【０１２９】
また、ガス拡散層の表面エネルギーを確認する方法としては、実施例８に記載された、公知の手法などを用いて確認することができる。
（実施例１２）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の保水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の保水性よりも大きくするための手段の一例を具体的に説明する。
【０１３０】
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【０１３１】
本実施例では、第１セパレータ５１の冷却液流路（第１冷却機構１０）と第２セパレータ７１の冷却液流路（第２冷却機構１７）との差によって第１セパレータ５１よりも温度が高く酸化剤極となる第３ガス拡散層４２と第３触媒層４３とが接する面における第３触媒層４３の表面エネルギーが、第２セパレータ７１よりも温度が低く燃料極となる第１ガス拡散層４６と第１触媒層４７とが接する面における第１触媒層４７の表面エネルギーよりも、大きくしている。
【０１３２】
すなわち、本実施例では、酸化剤極となる第３ガス拡散層４２と第３触媒層４３とが接する面における第３触媒層４３の表面エネルギーが、燃料極となる第１ガス拡散層４６と第１触媒層４７とが接する面における第１触媒層４７の表面エネルギーよりも大きくする、すなわち第３触媒層４３表面の親水性を第１触媒層４７表面の親水性より高めることにより、第３電極層４１の保水性が第１電極層４５の保水性よりも上がる。
【０１３３】
その結果、温度がより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１において発生した生成水や凝縮水、また温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５から高分子電解質膜４０を介して拡散してきた過剰な生成水や凝縮水が、相対湿度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによる第３電極層４１のドライアップを防止し、かつ、第３電極層４１は、より温度の高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置されているため、第３電極層４１を適度な湿度に保つことにより第３電極層４１、および高分子電解質膜４０のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【０１３４】
尚、第３電極層４１が酸化剤極で第１電極層４５が燃料極の場合で説明したが、第３電極層４１が燃料極で第１電極層４５が酸化剤極であってもよい。
【０１３５】
また、触媒層の表面エネルギーは、触媒層を構成する材料種（触媒担持カーボン、イオン交換樹脂など）の最適化、触媒層へのコロナ処理やプラズマ処理など、公知の方法を用いて制御することができる。
【０１３６】
また、ガス拡散層、および触媒層の表面エネルギーを確認する方法としては、実施例８に記載された、公知の手法などを用いて確認することができる。
（実施例１３）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の保水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の保水性よりも大きくするための手段の一例を具体的に説明する。
【０１３７】
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【０１３８】
本実施例では、第１セパレータ５１の冷却液流路（第１冷却機構１０）と第２セパレータ７１の冷却液流路（第２冷却機構１７）との差によって第１セパレータ５１よりも温度が高く酸化剤極となる第３ガス拡散層４２と第３触媒層４３とが接する面における第３ガス拡散層４２の表面エネルギーから第３ガス拡散層４２と第３触媒層４３とが接する面における第３触媒層４３の表面エネルギーを減じた値が、第２セパレータ７１よりも温度が低く燃料極となる第１ガス拡散層４６と第１触媒層４７とが接する面における第１ガス拡
散層４６の表面エネルギーから第１ガス拡散層４６と第１触媒層４７とが接する面における第１触媒層４７の表面エネルギーを減じた値よりも、小さくしている。
【０１３９】
これにより、第１ガス拡散層４６と第１触媒層４７とが接する面における第１触媒層４７に比べて、第３ガス拡散層４２と第３触媒層４３とが接する面における第３触媒層４３の親水性が高くなり、ひいては第３電極層４１の保水性が第１電極層４５の保水性よりも上がる。
【０１４０】
その結果、温度がより高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１において発生した生成水や凝縮水、また温度がより低い（比較的温度の低い、相対的に温度が低い）第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５から高分子電解質膜４０を介して拡散してきた過剰な生成水や凝縮水が、相対湿度のより低いガスにより過剰に持ち去られることによる第３電極層４１のドライアップを防止し、かつ、第３電極層４１は、より温度の高い（比較的温度の高い、相対的に温度が高い）第２セパレータ７１側に配置されているため、第３電極層４１を適度な湿度に保つことにより第３電極層４１、および高分子電解質膜４０のプロトン導電性の低下を防ぎ、高電圧を確保することができる。
【０１４１】
尚、第３電極層４１が酸化剤極で第１電極層４５が燃料極の場合で説明したが、第３電極層４１が燃料極で第１電極層４５が酸化剤極であってもよい。
【０１４２】
また、ガス拡散層、および触媒層の表面エネルギーを確認する方法としては、実施例８に記載された、公知の手法などを用いて確認することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
以上のように、本発明は、ＭＥＡ内にて発生した、比較的温度の低い方のセパレータ側に配置された電極層の過剰な生成水や凝縮水をスムーズに排水できるだけでなく、比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層のドライアップも防止することができ、その結果、高電圧化を確保できるので、燃料電池セル冷却機構を複数の燃料電池セル毎に設け、コストダウンと短尺化を図った燃料電池スタックに好適に利用される。
【符号の説明】
【０１４４】
６  燃料流路
７  酸化剤流路
１０  第１冷却機構（冷却液流路）
１７  第２冷却機構（冷却液流路）
４０  高分子電解質膜
４１  第３電極層
４２  第３ガス拡散層
４３  第３触媒層
４４  第１燃料電池セル
４５  第１電極層
４６  第１ガス拡散層
４７  第１触媒層
５１  第１セパレータ
７１  第２セパレータ
【図１】
2015135788.tif 000003
【図２】
2015135788.tif 000004