(57)【要約】【課題】電解質膜と、電解質膜の両面に電極を形成した膜−電極接合体を有する燃料電池セルを積層した燃料電池スタックにおいて、積層個所により、１つの燃料電池セルの両極間に温度差が生じても、温度差に基づいて一方の極側から他方の極側へ水が移動するのを抑制すること。【解決手段】燃料電池スタック１，２は、水を透過し難くするために厚みのある電解質膜を有する膜−電極接合体を備える燃料電池セル、または、膜−電極接合体の両電極間の保水性を異ならせて、両電極間の水の濃度差を少なくした燃料電池セルを含む。これらの燃料電池セルは、例えば、燃料電池セル１０Ａ〜１０Ｄの位置において用いられる。これらの燃料電池セルは、スタック１，２の端部側の電極の方が、中央部側の電極よりも温度が高くなっても、水の移動を抑制することができる。【選択図】図１
2008021533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、電解質膜の両面に電極を形成した膜−電極接合体を有する燃料電池セルを積層した燃料電池スタックにおいて、
一方の電極から他方の電極への水の移動のし易さが異なる燃料電池セルを含む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、
前記燃料電池セルは、膜−電極接合体の両電極間の保水性が異なることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池セルの電極は、触媒と、電解質とを含み、
一方の電極が他方の電極よりも、単位体積あたりの電解質量が多いことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池セルの電極は、触媒と、電解質とを含み、
一方の電極が他方の電極よりも、触媒の親水性が高いことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池セルの電極は、触媒と、電解質とを含み、
一方の電極が他方の電極よりも、電解質の保水性が高いことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
燃料電池スタックの端部側に配置する燃料電池セルは、中央部側に配置する燃料電池セルよりも、水を透過し難い電解質膜を含む膜−電極接合体を有す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、電解質膜の両面に電極を形成した膜−電極接合体を有する燃料電池セルを積層した燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜の両面に電極を形成した膜−電極接合体を有する燃料電池が知られている。この種の燃料電池として、一方の電極と電解質膜との間に保水層を備えるものがある（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池は、保水層によって水分を蓄えることができる。保水層に蓄えられた水分を電解質膜に与えることによって、電解質膜の乾燥を防止している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１９２８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池（セル）を積層した燃料電池スタックは、積層場所によって温度条件が異なる場合がある。例えば、燃料電池スタックの端部は、金属製の集電板、エンドプレート等の良熱伝導性の部材が配置しているため、燃料電池スタックの中央部分よりも放熱し易く、温度が低くなり易い。また、１つの燃料電池セルにおいても、スタックの端部側の燃料電池セルの方が、スタックの中央部分の燃料電池セルよりも、同様の理由により、温度が低くなり易く、両電極間に温度差が生じる場合がある。１つの燃料電池（セル）において温度差が生じると、両電極における飽和水蒸気圧に差が生じ、飽和水蒸気圧の高い一方の電極側から、低い他方の電極側へ水が移動しやすくなり、片方の電極側に水が溜まり易くなる場合がある。水が偏って一方の電極側に溜まると、発電に必要なガスの供給が妨げられ、燃料電池の出力が低下する等の問題が生じる。
【０００５】
ところで、燃料電池スタック中のすべてのセルが、一律に、一方の電極側から他方の電極側へ水の移動のし易さが同じであると、積層個所によって燃料電池セル内に温度差が生じた場合、その燃料電池セルの膜−電極接合体は、特に、温度差に基づく水の移動に対応していないため、水が電解質膜中を移動して、一方の電極側から他方の電極側へ偏って排出されてしまう場合がある。
【０００６】
また上記特許文献１のように、膜−電極接合体の一方の電極に保水層を備える燃料電池セルにおいて、保水層を備える電極側の温度が、他方の電極側の温度よりも低くなった場合、他方の電極側から電解質膜を通って保水層を備える電極側へ水が移動することがある。その場合、保水層が移動してきた水を保持することによって、ある程度、電極の外側へ水が偏って滲出することが抑制される。しかし、燃料電池スタック中のすべてのセルが、一律に、一方の電極側から他方の電極側へ向けて水の移動のし易さが同じであるため、例えば、セルの積層個所によって燃料電池セル内に大きな温度差が生じた場合、そのセルは、特にその大きな温度差に基づく水の移動に対応していないため、水が電解質膜中を移動して、一方の電極側から他方の電極側へ偏って排出されてしまう場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態に係る燃料電池スタックは、電解質膜と、電解質膜の両面に電極を形成した膜−電極接合体を有する燃料電池セルを積層した燃料電池スタックにおいて、一方の電極から他方の電極への水の移動のし易さが異なる燃料電池セルを含むことを特徴とする。
【０００８】
上記燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池セルは、膜−電極接合体の両電極間の保水性が異なることを特徴とする。
【０００９】
上記燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池セルの電極は、触媒と、電解質とを含み、一方の電極が他方の電極よりも、単位体積あたりの電解質量が多いことを特徴とする。
【００１０】
上記燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池セルの電極は、触媒と、電解質とを含み、一方の電極が他方の電極よりも、触媒の親水性が高いことを特徴とする。
【００１１】
上記燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池セルの電極は、触媒と、電解質とを含み、一方の電極が他方の電極よりも、電解質の保水性が高いことを特徴とする。
【００１２】
上記燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックの端部側に配置する燃料電池セルは、中央部側に配置する燃料電池セルよりも、水を透過し難い電解質膜を含む膜−電極接合体を有することを特徴とする。
【００１３】
また本実施形態に係る燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面上に配置し、水素ガスが供給されるアノード極と、電解質膜の他方の面上に配置し、酸素ガスが供給されるカソード極とを有する膜−電極接合体を備え、前記アノード極は、ガス透過性および水透過性を有するアノード側拡散層と、アノード側拡散層と電解質膜との間に配置し、供給された水素の電気化学反応を触媒する触媒と電解質とを含むアノード側触媒層とを有し、前記カソード極は、ガス透過性および水透過性を有するカソード側拡散層と、カソード側拡散層と電解質膜との間に配置し、供給された酸素の電気化学反応を触媒する触媒と電解質とを含み、電気化学反応により水を生成するカソード側触媒層とを有する燃料電池において、アノード側触媒層に含まれる触媒に、ヒドロキシル基を導入して、アノード側触媒層の保水性を高めることを特徴とする。
【００１４】
上記燃料電池において、アノード側触媒層の単位体積あたりの電解質量を、カソード側触媒層よりも多くして、アノード側触媒層の保水性を高めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池スタックは、積層個所によって各燃料電池セルの電極間に温度差が生じても、その温度差に基づいて一方の電極側から他方の電極側へ水が移動するのを抑制することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、燃料電池スタック１，２の概略構成図である。この燃料電池スタック１，２は、例えば、車両の駆動電力を供給するために用いられる。定置用としても用いることができる。各燃料電池スタック１，２は、燃料電池セル１０を複数個積層したものである。燃料電池スタック１，２において、各燃料電池セル１０は、電気的に直列に接続されている。各燃料電池セル１０の出力は、燃料電池スタック１，２の端部からまとめて取り出される。燃料電池スタック１の一方の端部の燃料電池セル１０Ａに、燃料電池スタック１全体としての負極が配置し、他方の端部の燃料電池セル１０Ｂに、燃料電池スタック１全体としての正極が配置する。燃料電池セル１０Ａには、負極側の集電板５０Ａが隣接しており、燃料電池セル１０Ｂには、正極側の集電板５０Ｂが隣接している。これに対し、燃料電池スタック２の一方の端部の燃料電池セル１０Ｃに、燃料電池スタック２全体としての負極が配置し、他方の端部の燃料電池セル１０Ｄに、燃料電池スタック２全体としての正極が配置する。燃料電池セル１０Ｃには、負極側の集電板５０Ｃが隣接しており、燃料電池セル１０Ｄには、正極側の集電板５０Ｄが隣接している。
【００１８】
燃料電池スタック１，２の端部は、エンドプレート６０Ａ，６０Ｂに固定されている。燃料電池スタック１の負極側の端部と、燃料電池スタック２の正極側の端部は、共に、同一のエンドプレート６０Ａに固定され、燃料電池スタック１の正極側の端部と、燃料電池スタック２の負極側の端部は、共に、同一のエンドプレート６０Ｂに固定されている。燃料電池スタック１，２は、分配器７０と接続している。この分配器７０には、水素ガス、酸化ガス（空気）、冷媒が通され、この分配器７０を利用して、燃料電池スタック１，２内部に水素ガス等が供給される。また、未消費の水素ガス等のオフガス、燃料電池スタック１，２内を循環した後の温められた冷媒等も、この分配器７０を通して燃料電池スタック１，２の外部へ排出される。
【００１９】
図２は、燃料電池セル１０の構成を示す断面図である。燃料電池セル１０は、膜−電極接合体２０と、膜−電極接合体２０を挟持する一対のセパレータ３０とを備える。燃料電池セル１０は、膜−電極接合体２０において、水素と酸素との電気化学反応を起こして発電する。膜−電極接合体２０は、膜−電極アッセンブリ（Membrane-Electrode Assembly、ＭＥＡ）とも称されるものである。膜−電極接合体２０は、イオン伝導性の電解質膜２１と、この電解質膜２１の表裏面に形成される一対の電極２２からなる。電解質膜２１は、例えば、側鎖にスルホン酸基等の電解質基を有するフッ素系高分子材料からなる。電極２２は、電解質膜２１の一方の面上に設けられ、水素ガス等の燃料ガスが反応するアノード極２２Ａと、電解質膜２１の他方の面上に設けられ、酸素ガス等の酸化ガスが反応するカソード極２２Ｂとからなる。アノード極２２Ａは、電解質膜２１上に配置するアノード側触媒層２３Ａと、この触媒層２３Ａ上に配置するアノード側拡散層２４Ａとを有する。これに対し、カソード極２２Ｂは、電解質膜２１上に配置するカソード側触媒層２３Ｂと、この触媒層２３Ｂ上に配置するカソード側拡散層２４Ｂとを有する。触媒層２３Ａ，２３Ｂは、白金、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム等の貴金属触媒を、カーボンで担持した触媒担持カーボンと、この触媒担持カーボンを電解質膜２１へ接着等する樹脂を含む。この樹脂は電解質からなり、例えば、イオン伝導性の陽イオン交換樹脂からなる。この電解質は、上記電解質膜２１と同様の材料であってもよい。拡散層２４Ａ，２４Ｂは、導電性多孔質材料からなり、導電性、ガス透過性および水透過性を有する。セパレータ３０は、膜−電極接合体２０のアノード極２２Ａ側に配置するアノード側セパレータ３０Ａと、カソード極２２Ｂ側に配置するカソード側セパレータ３０Ｂとからなる。セパレータ３０（３０Ａ，３０Ｂ）は、アルミニウム、チタン、スレンレス等の金属材料からなり、導電性を有する。またセパレータ３０（３０Ａ，３０Ｂ）は、隣接する燃料電池セル１０同士を隔てる機能を有すると共に、膜−電極接合体２０で生じた電気を集電する機能を有する。更に、アノード側セパレータ３０Ａは、アノード極２２Ａへ水素ガスを供給する為の水素ガス流路３１Ａと、冷媒を通すための冷媒流路３２Ａを有し、カソード側セパレータ３０Ｂは、カソード極２２Ｂへ酸素ガスを供給する為の酸化ガス流路３１Ｂと、冷媒を通す為の冷媒流路３２Ｂを有する。
【００２０】
ここで、燃料電池セル１０の発電原理を説明する。燃料電池セル１０には、外部より発電に必要な水素ガスおよび空気が供給される。図１において示されるように、燃料電池スタック１，２と接続する分配器７０を通して外部から各燃料電池セル１０に水素ガスおよび空気が供給される。燃料電池セル１０へ供給された水素ガスは、アノード側セパレータ３０Ａの水素ガス流路３１Ａ内を通され、アノード極２２Ａの表面に沿って流される。この際、水素ガスは、アノード極２２Ａの拡散層２４Ａ内に入り、内部で拡散しつつ、触媒層２３Ａへ至る。水素ガスは、触媒層２３Ａにおいて、以下の（１）式で示される化学反応に供される。この反応において、水素からプロトンおよび電子が生成する。
【００２１】
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−    ・・・（１）
【００２２】
アノード極２２Ａの触媒層２３Ａにおいて生成したプロトンは、触媒層２３Ａから電解質膜２１へ移動し、更に、カソード極２２Ｂへ向けて電解質膜２１中を移動する。この際、プロトンは、水分子を伴って移動する。電解質膜２１中を移動したプロトンは、カソード極２２Ｂへ到達する。一方、生成した電子は、アノード極２２Ａの触媒層２３Ａから拡散層２４Ａへ移動し、更に、アノード側セパレータ３０Ａへ移動し、集電される。なお集電された電子は、隣接する燃料電池セル１０のカソード側セパレータへ移動する。
【００２３】
これに対し、燃料電池セル１０内に供給された空気は、カソード側セパレータ３０Ｂの酸化ガス流路３１Ｂ内を通され、膜−電極接合体２０のカソード極２２Ｂの表面に沿って流される。この際、空気中に含まれる酸素ガスは、カソード極２２Ｂの拡散層２４Ｂ内に入り、内部で拡散しつつ、触媒層２３Ｂへ至る。酸素は、触媒層２３Ｂにおいて、以下の（２）式で示される化学反応に供される。この反応において、酸素と、アノード極２２Ａから移動してきたプロトンとが反応して水が生成する。なおこの反応において用いられる電子は、隣接する他の燃料電池セルのアノード側セパレータからカソード側セパレータを通り、更に、カソード極２２Ｂの触媒層２３Ｂへ供給されたものである。
【００２４】
(1/2)Ｏ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ    ・・・（２）
【００２５】
燃料電池スタック１，２の各燃料電池セル１０において、上記（１）および（２）式の化学反応が膜−電極接合体２０において連続的に進行することによって、電子の流れが生じ、電気が発生する。なお発電の際、膜−電極接合体２０のカソード極２２Ｂの触媒層２３Ｂで生成した水は、主として、拡散層２４Ｂ内を通過し、カソード極２２Ｂの表面から滲出して、カソード側セパレータ３０Ｂの酸化ガス流路３１Ｂ内に入る。酸化ガス流路３１Ｂ内に入った水は、液体のまま空気（オフガス）の流れに押されて、酸化ガス流路３１Ｂ内から燃料電池セル１０の外部へ排出されるか、あるいは気体（水蒸気）となり、オフガス中に取り込まれてオフガスと共に酸化ガス流路３１Ｂ内を通って燃料電池セル１０の外部へ排出される。
【００２６】
ところで、燃料電池セル１０は、発電時、発熱を伴うものである。そのため、発電時の燃料電池スタック１，２は、発電停止時よりも温まった状態になる。図１において示される燃料電池スタック１，２は、発電時、外部環境の影響等により燃料電池セル１０によって温度が異なる場合がある。
【００２７】
図１において、燃料電池スタック１は、その端部の燃料電池セル１０Ａ，１０Ｂが、それぞれ集電板５０Ａ，５０Ｂと接触している。更に、集電板５０Ａ，５０Ｂは、それぞれエンドプレート６０Ａ，６０Ｂと接触している。これらの集電板５０Ａ，５０Ｂおよびエンドプレート６０Ａ，６０Ｂは、金属等の放熱し易い材料からなる。そのため、これらと接触している燃料電池セル１０Ａ，１０Ｂ等の端部の燃料電池セル１０は、中央部の燃料電池セル１０と比べて熱が奪われやすく、温度が低下しやすい。燃料電池スタック２における燃料電池セル１０Ｃ，１０Ｄ等の端部の燃料電池セルも、同様に、熱が奪われやすく、温度が低下しやすい。
【００２８】
また、１つの燃料電池セル１０においても、場所によって温度が異なる場合がある。例えば、上記燃料電池セル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃおよび１０Ｄにおいては、放熱しやすい集電板５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃおよび５０Ｄと接する側が、その反対側よりも温度が低くなりやすい。つまり、燃料電池スタック１，２の端部側に配置する電極２２の温度が、中央部側に配置する電極２２の温度よりも低くなりやすい。
【００２９】
図３は、図１において示される燃料電池スタック２の発電時の各燃料電池セル１０の温度を示すグラフである。このグラフにおいて示されるように、発電時、燃料電池スタック２の中央部側よりも、両端側の燃料電池セル１０Ｃ，１０Ｄの方が温度が低くなる傾向がわかる。また、各燃料電池セル１０のアノード極２２Ａとカソード極２２Ｂとの間の温度差においても、端側の燃料電池セル１０程、アノード極２２Ａとカソード極２２Ｂとの間の温度差が大きくなる傾向がある。なお、図３において各燃料電池セル１０のアノード極側を符号ａ、カソード極側を符号ｃで示した。また、燃料電池スタック２の中央部の燃料電池セル１０におけるアノード極側およびカソード極側の温度差は殆ど無く、かつ、燃料電池セル１０同士の温度差も殆ど見られなかったので、図３では、中央部の燃料電池セル１０のデータ（温度）の表示は省略した。
【００３０】
上記のように、発電時、アノード極２２Ａとカソード極２２Ｂとの間に温度差が生じると、温度の高い方の電極から、低い方の電極へ向かって、水の移動が生じる。例えば、燃料電池スタック２の最も端部に位置する燃料電池セル１０Ｃでは、発電時、アノード極２２Ａ側の温度（Ｔａ）が、カソード極２２Ｂ側の温度（Ｔｃ）よりも低くなり、アノード極２２Ａ側の飽和水蒸気圧（Ｐａ）が、カソード極２２Ｂ側の飽和水蒸気圧（Ｐｃ）よりも低くなる。この場合、飽和水蒸気圧差に基づいて、カソード極２２Ｂの触媒層２３Ｂで生成した水の一部が、アノード極２２Ａ側へ向けて電解質膜２１中を移動する現象が生じる。電解質膜２１中を移動し、アノード極２２Ａへ至った水は、触媒層２３Ａおよび拡散層２４Ａを通って、アノード極２２Ａの表面から滲出する。アノード極２２Ａの表面から滲出した水は、液体、あるいは水蒸気としてアノード側セパレータ３０Ａの水素ガス流路３１Ａを通って燃料電池セル１０の外部へ排出される。なお、アノード側セパレータ３０Ａの水素ガス流路３１Ａ内を流れる水素ガス（オフガス）の流量は、一般的に、カソード側セパレータ３０Ｂの酸化ガス流路３１Ｂ内を流れる空気（オフガス）の流量よりも少ない。そのため、アノード極２２Ａ側の方が、カソード極２２Ｂ側よりも水を押し出す力（排水性能）が弱い。何故ならば、供給された水素ガスの大部分は、アノード極２２Ａで消費されるため、オフガスとして排出される水素ガス量が少なくなり、ガス圧が小さくなるからである。これに対し、カソード極２２Ｂへは酸素ガス以外に窒素ガス等を含んだ空気が供給されるため、カソード極２２Ｂ側のオフガスは未消費の酸素ガス以外に、窒素ガス等を含んでいるため、ある程度のガス圧が保たれる。
【００３１】
以下、更に、本実施形態に係る燃料電池スタック１，２に用いられる燃料電池セル１００，１０２，１０３，１０４および１０５を詳細に説明する。なお、これらの燃料電池セル１００等は、発電時、アノード極２２Ａおよびカソード極２２Ｂの間に、温度差が生じた場合に、その温度差に基づいて、アノード極２２Ａおよびカソード極２２Ｂ間に生じる好ましくない水の移動を抑制するものである。かつ、燃料電池スタック１，２の積層個所において生じる各燃料電池スタックの電極間の温度差の程度に応じて、膜−電極接合体２０の水保持能力（保水性）、電解質膜２１の水の通しやすさ（水透過性）が適宜、設定されるものである。燃料電池セル１００，１０２，１０３，１０４は、アノード極２２Ａ側の温度がカソード極２２Ｂ側の温度よりも低くなる場合に、温度の高いカソード極２２Ｂ側から、温度の低いアノード極２２Ａ側へ向けて、水が移動するのを抑制するものである。燃料電池セル１０５は、反対に、カソード極２２Ｂ側の温度がアノード極２２Ｂ側の温度よりも低くなる場合に、温度の高いアノード極２２Ａ側から、温度の低いカソード極２２Ｂ側へ向けて、水が移動するのを抑制するものである。
【００３２】
図４には、燃料電池セル１００の構成を示す断面図が示されている。この燃料電池セル１００の基本的な構成は、図２において示される燃料電池セル１０と同様であるが、アノード極２２Ａの触媒層１２３Ａの水保持能力が、カソード極２２Ｂの触媒層２３Ｂの水保持能力よりも高く設定されている点で異なる。触媒層１２３Ａの水保持能力を高める方法としては、例えば、白金、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム等の貴金属触媒に、ヒドロキシル基等の親水性官能基を導入する方法がある。他の方法としては、触媒層１２３Ａに含まれる電解質の親水性を高める方法がある。例えば、電解質が側鎖にスルホン酸基等の電解質基を有するフッ素系高分子材料（樹脂）からなる場合、電解質基の導入率を高くして、電解質の親水性を高くする。また更に、他の方法としては、触媒層１２３Ａ中の単位体積あたりの電解質量を、触媒層２３Ｂより多くして親水性を高める方法がある。
【００３３】
この燃料電池セル１００は、例えば、図１において示される燃料電池スタック１の燃料電池セル１０Ａの位置、燃料電池スタック２の燃料電池セル１０Ｃの位置において用いることが好ましい。これらの位置では、発電時、燃料電池セル１００のアノード極２２Ａ側の温度がカソード極２２Ｂ側の温度よりも低くなり、カソード極２２Ｂで生成した水がアノード極２２Ａ側へ移動する場合がある。しかし、燃料電池セル１００は、アノード極２２Ａの触媒層１２３Ａの水保持能力が高いため、カソード極２２Ｂから電解質膜２１内を通って移動してきた水を、アノード２２Ａ極の触媒層１２３Ａ内に留めることができる。すると、カソード極２２Ｂと、アノード極２２Ａとの間の水の濃度の差（濃度勾配）が小さくなる。両電極間の水の濃度勾配が小さくなると、カソード極２２Ｂからアノード極２２Ａへの水の移動が抑制される。ひいては、アノード側セパレータ３０Ａの水素ガス流路３１Ａ内に水が溜まるのを抑制することができる。
【００３４】
なお燃料電池セル１００は、親水性の高いアノード側触媒層１２３Ａを有するものであるが、他の実施形態においては、アノード側拡散層２４Ａの親水性を高めることにより、アノード極２２Ａの保水性を高めてもよい。
【００３５】
図５には、燃料電池セル１０２の構成を示す断面図が示されている。この燃料電池セル１０２の基本的な構成は、図２において示される燃料電池セル１０と同様であるが、膜−電極接合体２０の電解質膜２２１の厚みが、図２において示される電解質膜２１の厚みよりも大きく設定されている点で異なる。電解質膜２２１は、電解質膜２１よりも厚みがある分、一方の電極側から他方の電極側へ透過する水蒸気の量を少なくすることができる。
【００３６】
この燃料電池セル１０２は、例えば、図１において示される燃料電池スタック１の燃料電池セル１０Ａの位置，燃料電池スタック２の燃料電池セル１０Ｃの位置において用いられることが好ましい。これらの位置では、発電時、燃料電池セルのアノード極２２Ａ側の温度がカソード極２２Ｂ側の温度よりも低くなり、カソード極２２Ｂで生成した水がアノード極２２Ａ側へ移動する場合がある。しかし、燃料電池セル１０２は、厚みのある電解質膜２２１を備えるため、カソード極２２Ｂからアノード極２２Ａへ向かう水（水蒸気）の移動を抑制することができる。ひいては、アノード側セパレータ３０Ａの水素ガス流路３１Ａ内に水が溜まるのを抑制することができる。
【００３７】
図６には、燃料電池セル１０３の構成を示す断面図が示されている。この燃料電池セル１０３の基本的な構成は、図２において示される燃料電池セル１０と同様である。この燃料電池セル１０３は、アノード極２２Ａにおいて、拡散層２４Ａと触媒層２３Ａとの間に、水を保持するための保水層２５Ａを有する。この保水層２５Ａは、例えば、イオン導電性ポリマーに造孔材を添加して形成することができる。イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリフルオロエチレン等のポリマー（電解質膜２１と同様の材料）を用いることができる。造孔材としては、カーボンブラック粉末と結晶性炭素繊維との混合物を用いることができる。保水層２５Ａは導電性（電子導電性）を有している。なお保水層２５Ａの構成は、これに限られるものでは無い。
【００３８】
この燃料電池セル１０３は、例えば、図１において示される燃料電池スタック１の燃料電池セル１０Ａの位置，燃料電池スタック２の燃料電池セル１０Ｃの位置において用いられることが好ましい。これらの位置では、発電時、燃料電池セルのアノード極２２Ａ側の温度がカソード極２２Ｂ側の温度よりも低くなり、カソード極２２Ｂで生成した水がアノード極２２Ａ側へ移動する場合がある。しかし、燃料電池セル１０３は、アノード極２２Ａに保水層２５Ａを備えるため、カソード極２２Ｂから電解質膜２１内を通って移動してきた水を、主として、アノード極２２Ａの保水層２５Ａ内に留めることができる。すると、カソード極２２Ｂと、アノード極２２Ａとの間の水の濃度の差（濃度勾配）が小さくなる。両電極間の水の濃度勾配が小さくなると、カソード極２２Ｂからアノード極２２Ａへの水の移動が抑制される。ひいては、アノード側セパレータ３０Ａの水素ガス流路３１Ａ内に水が溜まるのを抑制することができる。なお変形例として、燃料電池セル１０３は、カソード極２２Ｂ側の保水性を高めたい場合、カソード極２２Ｂの触媒層２３Ｂと拡散層２４Ｂとの間に、保水層を形成してもよい。
【００３９】
図７には、燃料電池セル１０４の構成を示す断面図が示されている。この燃料電池セル１０４の基本的な構成は、図２において示される燃料電池セル１０と同様であるが、膜−電極接合体２０の電解質膜３２１の水透過性が、図２において示される電解質膜２１よりも低く設定されている点で異なる。この電解質膜３２１は、例えば、炭化水素系のイオン導電性膜からなり、単位体積あたりの水透過量が、燃料電池１０の電解質膜２１の単位体積あたりの水透過量よりも少ない。
【００４０】
この燃料電池セル１０４は、例えば、図１において示される燃料電池スタック１の燃料電池セル１０Ａの位置、燃料電池スタック２の燃料電池セル１０Ｃの位置において用いられることが好ましい。これらの位置では、発電時、燃料電池セルのアノード極２２Ａ側の温度がカソード極２２Ｂ側の温度よりも低くなり、カソード極２２Ｂで生成した水がアノード極２２Ａ側へ移動する場合がある。しかし、係る燃料電池セル１０４は、電解質膜３２１の水透過性が低いため、カソード極２２Ｂからアノード極２２Ａへ向けて水（水蒸気）が移動し難くなる。水が移動し難くなると、その結果として、アノード極２２Ａの表面から水が滲出するのが抑制される。
【００４１】
図８には、燃料電池セル１０５の構成を示す断面図が示されている。この燃料電池セル１０５の基本的な構成は、図２において示される燃料電池セル１０と同様であるが、カソード極２２Ｂの触媒層１２３Ｂの水保持能力が、アノード極２２Ａの触媒層２３Ａの水保持能力よりも高く設定されている点で異なる。触媒層１２３Ｂの水保持能力を高める方法としては、例えば、白金、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム等の貴金属触媒に、ヒドロキシル基等の親水性官能基を導入する方法がある。
【００４２】
この燃料電池セル１０５は、例えば、図１において示される燃料電池スタック１の燃料電池セル１０Ｂの位置、燃料電池スタック２の燃料電池セル１０Ｄの位置において用いられることが好ましい。これらの位置では、発電時、燃料電池セルのカソード極２２Ｂ側の温度がアノード極２２Ａ側の温度よりも低くなる場合がある。この場合、例えば、温度の高いアノード極２２Ａ側に大量の水が存在し、このアノード極２２Ａ側から、温度の低いカソード極２２Ｂ側へ向けて水（水蒸気）が移動しようとしても、両電極間の水の濃度勾配が小さくなっているので、アノード極２２Ａからカソード極２２Ｂへの水の移動が抑制される。
【００４３】
図９は、燃料電池スタック３の概略構成図である。燃料電池スタック３は、一方の端部に燃料電池セル１０５を配置し、他方の端部に燃料電池セル１００を配置する。その他は、図２において示される燃料電池セル１０からなる。燃料電池セル１０は負極側の集電板５０に隣接し、燃料電池セル１０５は正極側の集電板５０と隣接する。この燃料電池スタック３の一方の端部の燃料電池セル１００は、アノード極２２Ａがカソード極２２Ｂよりも保水性が高くなっている。他方の端部の燃料電池セル１０５は、反対に、カソード極２２Ｂがアノード極２２Ａよりも保水性が高くなっている。この構成によれば、端部の燃料電池セル１００，１０５において、両極間に温度差が生じても、温度の高い方の電極から低い方の電極へ、温度差に基づく水の移動を抑制することができる。
【００４４】
本実施形態に係る燃料電池スタックは、燃料電池セル１０と共に、電極間の保水性が異なる燃料電池セル（例えば、燃料電池セル１００，１０３，１０５）、一方の電極から他方の電極への水の移動のし易さ（水透過性）が燃料電池セル１０よりも、低い燃料電池セル（例えば、燃料電池セル１０２，１０４）を備えるものである。これらの燃料電池セルの選択、組合せは、スタックの積層個所により１つの燃料電池セルにおいて生じる温度差の程度を考慮して、適宜行われるものである。
【００４５】
電極間の保水性が異なる燃料電池セル（例えば、燃料電池セル１００，１０３，１０５）において、１つの燃料電池スタック中に、電極間の保水性の程度が異なる燃料電池セルが含まれてもよい。例えば、最も端部に位置する燃料電池セルの電極間の保水性の程度の差を最も大きく設定し、それよりも中央側の燃料電池セルの電極間の保水性の程度の差は、漸次、小さく設定してもよい。また、一方の電極から他方の電極への水の移動のし易さ（水透過性）が燃料電池セル１０よりも、低い燃料電池セル（例えば、燃料電池セル１０２，１０４）においても同様、最も端部に位置する燃料電池セルの一方の電極から他方の電極への水の移動のし易さ（水透過性）が最も低く、それよりも中央側の燃料電池セルにおいては、漸次、水が移動し易くなるように設定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】燃料電池スタック１，２の概略構成図である。
【図２】燃料電池セル１０の構成を示す断面図である。
【図３】燃料電池スタックの発電時の各燃料電池セルの温度を示すグラフである。
【図４】燃料電池セル１００の構成を示す断面図である。
【図５】燃料電池セル１０２の構成を示す断面図である。
【図６】燃料電池セル１０３の構成を示す断面図である。
【図７】燃料電池セル１０４の構成を示す断面図である。
【図８】燃料電池セル１０５の構成を示す断面図である。
【図９】燃料電池スタック３の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４７】
１，２，３  燃料電池スタック、１０，１００，１０２，１０３，１０４，１０５  燃料電池セル、２０  膜−電極接合体、２１  電解質膜、２２  電極、２２Ａ  アノード極、２２Ｂ  カソード極、２３Ａ  アノード側触媒層、２３Ｂ  カソード側触媒層、２４Ａ  アノード側拡散層、２４Ｂ  カソード側拡散層、２５Ａ  保水層、３０  セパレータ、３０Ａ  アノード側セパレータ、３０Ｂ  カソード側セパレータ、３１Ａ  水素ガス流路、３１Ｂ  酸化ガス流路、３２Ａ  冷媒流路、３２Ｂ  冷媒流路、５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ  集電板、６０Ａ，６０Ｂ  エンドプレート、７０  分配器、１２３Ａ  アノード側触媒層、１２３Ｂ  カソード側触媒層、２２１  電解質膜、３２１  電解質膜。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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