(57)【要約】【課題】触媒金属の溶解に対する耐久性を向上した燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜２と、電解質膜２の両主面に設けた酸化剤触媒層３と燃料触媒層４と、を備える。酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が他の領域より高くなる領域Ａにおいて、酸化剤触媒層３の有する触媒金属１６を多くする。または、領域Ａにおいて、触媒金属１６の反応有効表面積を増大させる。領域Ａを、電流密度が比較的小さい領域、電解質膜２の含水量が比較的大きい領域、反応ガスの湿度が比較的大きい領域、酸化剤ガス流路８の下流領域に重なる領域、温度が比較的低い領域、冷却水入口マニホールド１７の近傍に重なる領域、電流取出し部２３から離れた領域の少なくとも何れかとする。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の両主面に設けた酸化剤極と燃料極と、を備え、
前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜に対する電位が他の領域より高くなる領域で、前記酸化剤極の有する触媒金属を他の領域より多くしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記酸化剤極は、担体に前記触媒金属を担持させた触媒粒子を有し、
前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜に対する電位が他の領域より高くなる領域で、前記酸化剤極の有する触媒粒子を他の領域より多くした請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記酸化剤極は、担体に前記触媒金属を担持させた触媒粒子を有し、
前記酸化剤極の前記固体高分子電解質に対する電位が他の領域より高くなる領域で、前記担体に対する前記触媒金属の重量割合を他の領域より大きくした請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の両主面に設けた酸化剤極と燃料極と、を備え、
前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜に対する電位が他の領域より高くなる領域で、前記酸化剤極の有する触媒金属の比表面積を他の領域より大きくしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記触媒金属の粒径を小さくすることにより前記触媒金属の比表面積を大きくする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜に対する電位が他の領域より高くなる領域を、電流密度が小さい領域とする請求項１または４に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜に対する電位が他の領域より高くなる領域を、前記固体高分子電解質膜の含水率が高い領域とする請求項１または４に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜に対する電位が他の領域より高くなる領域を、前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスまたは前記燃料極に供給される燃料ガスのうち少なくとも一方の湿度が高い領域とする請求項１または４に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記酸化剤極に沿って酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路を備え、
前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜に対する電位が他の領域より高くなる領域を、前記酸化剤ガス流路下流領域と重なる領域とする請求項１または４に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜に対する電位が他の領域より高くなる領域を、温度が低い領域とする請求項１または４に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記固体高分子電解質膜面に平行な面に沿って冷媒を流通する冷媒流路を備え、
前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜に対する電位が他の領域より高くなる領域を、前記冷媒流路入口近傍領域に重なる領域とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記酸化剤極側から電流を取出す電流取出し部を備え、
前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜に対する電位が他の領域より高くなる領域を、前記電流取出し部から離れた領域とする請求項１または４に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。特に、固体高分子型燃料電池の電極構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池として、アノードとカソードとそれらの間に配置される高分子電解質膜と、カソードの外側に配置されカソードと接する面に入口と出口とを有するガス流路が形成されたセパレータとを備えたものが知られている。ここでは、カソードの触媒層を、単位面積あたりに含まれる白金（合金）の量及び／又はイオン交換樹脂の量が、ガス流路の入口近傍領域のほうが出口近傍領域より多い構成としている。これにより、固体高分子型燃料電池システムを高効率で運転するためにカソードに低加湿の酸化剤ガスを供給することによってカソード触媒層のガス流路入口近傍領域が乾燥雰囲気となった場合でも、高出力を維持することができる（例えば、特許文献１、参照。）。
【特許文献１】特開２００３−０１６８４４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、燃料電池においては、高温・高電位に晒されることによりPt等の触媒金属が酸化・溶解して、反応面積が低減するという問題がある。このような触媒金属の溶解が生じる位置はガス流路上流ではなく、電位分布により決定される。そのため、上記従来技術においては、触媒の溶解に対応することができず、燃料電池の耐久性が低下してしまう可能性がある。
【０００４】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、触媒金属の溶解に対する耐久性を向上した燃料電池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】
【０００５】
本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両主面に設けた酸化剤極と燃料極と、を備える。前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜に対する電位が他の領域より高くなる領域で、前記酸化剤極の有する触媒金属を他の領域より多くした。
【０００６】
または、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両主面に設けた酸化剤極と燃料極と、を備える。前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜に対する電位が他の領域より高くなる領域で、前記酸化剤極の有する触媒金属の比表面積を他の領域より大きくした。
【発明の効果】
【０００７】
このように、酸化剤極の前記固体高分子電解質膜に対する電位が他の領域より高くなる領域で、酸化剤極の有する触媒金属を多くしたり、反応有効面積を大きくする。これにより、比較的触媒金属の酸化・溶解が生じ易い領域で、触媒金属の酸化・溶解が生じた場合でも、必要な触媒の性能を維持されやすくなり、この領域の反応効率を維持することができる。その結果、燃料電池の触媒金属の溶解に対する耐久性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の実施形態について説明する。燃料電池１を複数の単位セル１ａを積層したスタックにより構成する。単位セル１ａの断面を図１に示す。
【０００９】
単位セル１ａを、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）２の両主面に配した酸化剤触媒層３、燃料触媒層４を酸化剤ガス拡散層６と燃料ガス拡散層７で狭持してなる膜電極複合体５を、さらにその外側から酸化剤ガスセパレータ１０、燃料ガスセパレータ１１で狭持することにより構成する。触媒層３、４およびガス拡散層６、７は、電解質膜２およびガスセパレータ１０、１１の積層面内部に構成され、その外周に沿って、電解質膜２とガスセパレータ１０、１１それぞれに狭持されたガスケット１３を備え、ガス漏れおよび短絡を防止する。
【００１０】
酸化剤ガス拡散層６と酸化剤ガスセパレータ１０との間には、酸化剤ガスセパレータ１０に設けた溝により構成した酸化剤ガス流路８を設ける。また、燃料ガス拡散層７と燃料ガスセパレータ１１との間には、燃料ガスセパレータ１１に設けた溝により構成した燃料ガス流路９を設ける。酸化剤ガス流路８、燃料ガス流路９内には、それぞれ酸化剤ガス、燃料ガスを互いに対向する方向に流通させるが、この限りではない。
【００１１】
燃料電池１を積層方向に貫通する図示しない酸化剤ガスマニホールドを通って、それぞれの酸化剤ガス流路８に酸化剤ガスが分配される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路８から酸化剤ガス拡散層６を介して酸化剤触媒層３に到達する。また、燃料電池１を積層方向に貫通する燃料ガスマニホールドを通ってそれぞれの燃料ガス流路９に燃料ガスが分配される。燃料ガスは、燃料ガス流路９から燃料ガス拡散層７を介して燃料触媒層４に到達し、以下のような電気化学反応を生じることにより発電を行う。
【００１２】
燃料極 ：  ２Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ−（0V  vsSHE）  （SHE：標準水素電極電位）
酸化剤極      ：  Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ−→２Ｈ2Ｏ（1.23V  vsSHE）
燃料電池１では、燃料極に比べて酸化剤極の方が高電位となる。
【００１３】
このような電気化学反応を促進するために、酸化剤触媒層３に触媒金属を担持させる。図２に示すように、担体１５に触媒金属１６を担持させてなる触媒粒子１４を電解質膜２に塗布することにより酸化剤触媒層３を構成する。担体１５としてはカーボンブラックを、触媒金属１６としては白金（Pt）粒子を用いる。ただし、この限りではない。また、燃料触媒層４も同様に構成する。
【００１４】
さらに、図１に示すように、酸化剤ガスセパレータ１０の酸化剤ガス流路８を形成した面の裏面には、冷却水を流通する冷却水流路１２を設ける。燃料電池１を積層方向に貫通する冷却水入口マニホールド１７を通って分配された冷却水を、積層面に沿って構成した冷却水流路１２に流通させることにより、燃料電池１の温度調整を行う。発電に伴う熱を吸収することにより高温となった冷却水は、燃料電池１を積層方向に貫通する冷却水出口マニホールド１８を通って回収される。
【００１５】
このような燃料電池１が高電位の状態に晒されると、以下のような触媒金属１６の酸化反応が生じる。
【００１６】
Pt  →  Pt2+  ＋  ２e-  （1.19V  vsSHE）
Ptは、上記の通り標準状態では約1.2Vで酸化反応が始まる。一般には高電位な方が酸化反応を生じ易いが、その周辺環境に応じては1.2Vよりも低電位においても酸化反応が発生する。Ptが酸化することにより溶解が生じて触媒の表面積が低減し、触媒としての機能が低下してしまう。その結果、燃料電池１の発電効率が低下してしまう。
【００１７】
そこで、酸化剤触媒層３を図３に示すように構成する。図３に、単位セル１ａの概略断面を示す。
【００１８】
酸化剤触媒層３の積層面内の、電解質膜２に対する電位が他の領域に比較して高くなる領域Ａにおいて、触媒金属１６担持量を他の領域より多くする。これにより、酸化・溶解が生じ易い領域Ａで触媒金属１６の一部が酸化・溶解して電解質中に流れ込んでも、酸化剤触媒層３に触媒金属１６は十分残っているので、必要とされる触媒としての機能を果たすことができる。その結果、電解質膜２に対して高電位となる領域Ａにおける寿命を向上し、耐久性に優れた燃料電池１を提供することができる。
【００１９】
ここで、燃料電池１の酸化剤触媒層３において触媒金属１６の酸化・溶解を決定する電位要素は、酸化剤触媒層３の電位と電解質膜２の電位との差となる。電解質膜２の電位は、プロトン濃度に応じて変化する。以下に、代表的な式を表す。
【００２０】
電解質電位＝ａ*ｌｎ[Ｈ+]  （vsSHE）
ａ：温度により決定される定数（例えば、２５℃において０．０５９）
但しｌｎ：loge自然対数とする。
【００２１】
電解質中のプロトン濃度[Ｈ+]が大きいほど電解質電位は高く（プラス側）なるので、相対的に電解質膜２に対する酸化剤触媒層３の電位は小さくなる。反対に、電解質中のプロトン濃度[Ｈ+]が小さいほど電解質電位は低く(マイナス側)なるので、相対的に電解質膜２に対する酸化剤触媒層３の電位は高くなる。
【００２２】
また、電流密度が小さい領域においては生じている発電反応が少なく、プロトン濃度[Ｈ+]が小さくなるので、電解質膜２に対する酸化剤触媒層３の電位が高くなる。さらに、電解質膜２の含水量が大きい領域においては、プロトン濃度[Ｈ+]が小さくなるので、電解質膜２に対する酸化剤触媒層３の電位が高くなる。つまり、含水量が多く電流密度が小さい領域では、電解質膜２の電位が低くなり、電解質膜２に対する酸化剤触媒層３の電位が高くなるので、触媒金属１６の酸化反応が生じ易くなる。
【００２３】
そこで、電流密度の比較的小さい領域を領域Ａとして、他の領域に比較して多くの触媒金属１６を担持する。また、運転時に電解質膜２の含水量が比較的多くなると思われる領域を領域Ａとして、他の領域に比較して多くの触媒金属１６を担持する。つまり、酸化剤触媒層２の電解質膜２に対する電位が高い領域を、電流密度の比較的小さい領域および含水量が比較的多くなる領域とする。
【００２４】
さらに、含水量が多く、電流密度が低い領域を、具体的には酸化剤ガス流路８の下流領域に重なる領域とする。酸化剤ガス流路８の下流領域における酸化剤ガスは、上流領域で生じた発電反応に伴って生じた生成水を含んでおり、また上流領域における反応で消費された分だけ全空気量が低減している。そのため、下流領域においては、生成水や凝縮水の水排出性が低下している。その結果、電解質膜２の含水量は、酸化剤ガス下流領域に重なる領域で他の領域に比べて多くなる。また、電流密度分布は酸化剤ガス濃度が高い酸化剤ガス流路８の上流領域の方が大きくなり、下流にいくにつれて小さくなる。そこで、電解質膜２の含水量が多く、電流密度が小さい領域Ａを、酸化剤ガス流路８の下流領域に重なる領域とする。
【００２５】
また、領域Ａにおいて、触媒金属１６をその他の領域よりも多く含有するようにするために、領域Ａに塗布する触媒粒子１４の量を増大する。例えば、触媒粒子１４は酸化剤触媒層３内で同じ仕様のものを用いる。酸化剤触媒層３の領域Ａにおける単位面積当たりの触媒粒子１４担持量を０．６mg/cm2とするのに対し、その他の領域の触媒粒子１４担持量を０．４mg/cm2とする。触媒粒子１４の担持量を多くした領域Ａが全体に示す割合は少ないが、該割合を５０％以上と支配的にしてもよい。重量管理等の手法を用いて担体１５に触媒金属１６を担持させた触媒粒子１４の量を増大することで、触媒金属１６の担持量を増大させる。ここでは、電解質膜２を非常に薄いものとているため、電解質膜２の厚さ方向の変化による触媒粒子１４の担持量への影響は小さいものとし、担持量を単位面積当たりで示す。
【００２６】
なお、電解質膜２の含水量が多い領域を、酸化剤ガス、燃料ガスのうち少なくとも一方の湿度が高い領域としてもよい。酸化剤ガス、燃料ガスの湿度が高い領域は、排水性が比較的悪くなるので、電解質膜２の含水量が大きくなる。さらには、このような領域ではフラッディングが生じ易く、燃料ガスの供給不足が生じる可能性があり、カーボン腐食、ひいてはPt溶解が生じる可能性もある。そこで、この領域を領域Ａとして触媒金属１６を増大することにより、触媒金属１６が溶解することによる燃料電池１の電圧低下を抑制する。
【００２７】
さらに、ガス拡散層６、７の含水量に応じて設定してもよい。ガス拡散層６、７の含水量が多い領域においては、フラッディングが生じることにより、反応ガスの供給が妨げられるため、電流密度が低下する。
【００２８】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００２９】
電解質膜２と、電解質膜２の両主面に設けた酸化剤触媒層３と燃料触媒層４と、を備える。酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が他の領域より高くなる領域Ａで、酸化剤触媒層３の有する触媒金属１６をその他の領域より多くした。このように触媒金属１６の溶解が生じ易い領域Ａについて、触媒金属１６を多く担持させることにより、触媒金属１６の溶解により燃料電池１の電圧が低下するのを抑制し、耐久性を向上することができる。
【００３０】
また、酸化剤触媒層３は、担体１５に触媒金属１６を担持させた触媒粒子１４を有し、酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が他の領域より高くなる領域Ａで、酸化剤触媒層３の有する触媒粒子１４を多くする。これにより、容易に触媒金属１６を増大することができ、電解質膜２に対して高電位の領域における寿命が向上し、耐久性に優れた燃料電池１を提供することができる。
【００３１】
酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が他の領域より高くなる領域Ａを、電流密度が小さい領域とする。このように、電解質膜２の電位が低くなる電流密度が小さい領域では、酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が相対的に高くなり、触媒金属１６の溶解が生じ易いが、触媒金属１６を多く有することで、これによる電圧低下を抑制し、耐久性を向上することができる。
【００３２】
また、酸化剤触媒層３の電位が他の領域より高くなる領域Ａを、電解質膜２の含水率が高い領域とする。このように、電解質膜２の電位が低くなる含水量の多い領域では、酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が相対的に高くなり、触媒金属１６の溶解が生じ易いが、触媒金属１６を多く有することで、これによる電圧低下を抑制し、耐久性を向上することができる。
【００３３】
さらに、酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が他の領域より高くなる領域Ａを、酸化剤極に供給される酸化剤ガスまたは燃料極に供給される燃料ガスのうち少なくとも一方の湿度が高い領域とする。酸化剤ガスおよび燃料ガスの湿度が高くなる領域は、比較的排水性が悪く、電解質膜２の含水量が他の領域に比較して大きくなり易い。そのため、酸化剤ガスおよび燃料ガスのうち少なくとも一方の湿度が高い領域では触媒金属１６の溶解が生じ易いが、触媒金属１６を多く担持させることにより、燃料電池１の耐久性を向上することができる。
【００３４】
酸化剤触媒層３に沿って酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路８を備え、酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が他の領域より高くなる領域Ａを、酸化剤ガス流路８下流領域に重なる領域とする。このように、比較的電流密度が小さく、含水量が多い酸化剤ガス流路８下流領域に重なる領域では、他の領域に比較して酸化剤触媒層３が電解質膜２に対して高電位になりやすく、触媒金属１６の溶解が生じ易い。そこで、触媒金属１６を増大することにより、触媒金属１６の溶解により燃料電池１の電圧が低下するのを抑制することができ、耐久性を向上することができる。
【００３５】
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３６】
電解質膜２に対して酸化剤極３の電位が比較的高い領域Ａにおいて、触媒金属１６の比表面積が大きくなるように構成する。図２（ａ）に一般的な触媒粒子１４ａの概略を示す。触媒粒子１４ａは、担体１５ａの上に触媒金属１６ａを担持することにより生成される。これに対し本実施形態では、領域Ａにおいて、図２（ｂ）に示すように触媒金属１６ｂを小径化することにより、電気化学反応を生じる有効表面積を大きくする。
【００３７】
このように小径化した触媒金属１６ｂを担持した触媒粒子１４ｂを、領域Ａに連続的、もしくは不連続的に使用する。または、領域Ａとその他の領域で、比較的粒径の大きい触媒金属１６ａと粒径の小さい触媒金属１６ｂとの混合割合を変化させてもよい。つまり、領域Ａにおいて、比較的粒径の小さい触媒金属１６ｂの割合が増大するように構成してもよい。
【００３８】
なお、領域Ａは、第１の実施形態と同様に、低電流密度領域、かつ、通常運転時の電解質膜２の含水量が大きい領域とする。または、酸化剤ガス、燃料ガスの湿度が高い領域とする。ここでは、酸化剤ガス流路８の下流領域に重なる領域を領域Ａとする。
【００３９】
このように、燃料電池１の運転中に酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が高くなる領域Ａの比表面積を大きくすることにより、高電位状態において生じる触媒金属１６の溶解に伴って、電気化学反応の有効表面積が減少し、発電効率が低下を抑制する。その結果、燃料電池１の耐久性を向上することができる。
【００４０】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００４１】
電解質膜２と、電解質膜２の両主面に設けた酸化剤触媒層３と燃料触媒層４と、を備える。酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が他の領域より高くなる領域Ａで、酸化剤触媒層３の有する触媒金属１６の比表面積を他の領域より大きくする。これにより、触媒金属１６の溶解が生じても、必要な反応を生じる有効表面積を長時間維持することができるので、燃料電池１の電圧低下を抑制し、耐久性を向上することができる。
【００４２】
ここでは、触媒金属１６の粒径を小さくすることにより触媒金属１６の比表面積を大きくする。このように、触媒金属１６の粒径を小さくすると、質量当たりの表面積を増大することができる。単位時間当たりの触媒金属１６の溶解量が等しいとき、同触媒金属担持量においても、反応に有効な表面積を長時間確保することができる。
【００４３】
また、酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が他の領域より高くなる領域Ａを、電流密度が小さい領域、電解質膜２の含水率が高い領域、酸化剤ガスまたは燃料ガスのうち少なくとも一方の湿度が高い領域の少なくともいずれかとする。ここでは、酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が他の領域より高くなる領域Ａを、酸化剤ガス流路８下流領域と重なる領域とする。このような領域の触媒金属１６の比表面積を増大することにより、触媒金属１６の溶解が生じ易い領域について、必要な反応有効面積を確保することができるので、燃料電池１の電圧低下を抑制し、耐久性を向上することができる。
【００４４】
次に、第３の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４５】
第１の実施形態と同様に、電解質膜２に対する酸化剤触媒層３の電位が、他の領域に比較して高くなる領域Ａにおいて、触媒金属１６を増量する。但し、本実施形態では、領域Ａの含有する触媒粒子１４の量を増大する替わりに、領域Ａに用いる触媒粒子１４を構成する担体１５それぞれが担持する触媒金属１６の量を増大させる。
【００４６】
例えば触媒金属１６として白金を用い、領域Ａにおいては、担体１５に対する白金重量割合を５０wt％の触媒粒子１４ｃを使用し、その他の領域においては、白金重量割合を４０wt％の触媒粒子１４ｄを使用する。または、担体１５に対する白金重量割合が５０wt％の触媒粒子１４ｃと４０wt％の触媒粒子１４ｄとを混合して使用し、領域Ａにおいて、白金重量割合の大きい５０wt％の触媒粒子１４ｃの混合割合を増大させてもよい。なお、白金重量割合はこれに限らない。
【００４７】
領域Ａは、第１の実施形態と同様に、低電流密度領域、かつ、通常運転時の電解質膜２の含水量が大きい領域とする。ここでは、酸化剤ガス流路８の下流領域を領域Ａとする。
【００４８】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００４９】
酸化剤触媒層３は、担体１５に触媒金属１６を担持させた触媒粒子１４を有し、酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が他の領域より高くなる領域Ａで、担体１５に対する触媒金属１６の重量割合を増大させる。これにより、領域Ａに他の領域に比較して多くの触媒金属１６を担持させることができるため、第１の実施形態と同様に、領域Ａの寿命が向上し耐久性に優れた燃料電池１を提供することができる。
【００５０】
次に、第４の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５１】
図４に、膜電極複合体５を、酸化剤触媒層３側から見た平面図を示す。また図５（ａ）に、酸化剤ガスセパレータ１０を、酸化剤ガス流路８を形成した側の面から見た平面図を、図５（ｂ）にその裏面の平面図を示す。
【００５２】
電解質膜２面内に、触媒粒子１４を塗布することにより酸化剤触媒層３を形成する。電解質膜２の酸化剤触媒層３が形成された領域の外側に、燃料電池１を積層方向に貫通し、各冷却水流路１２に冷却水を分配・回収する冷却水入口マニホールド１７、冷却水出口マニホールド１８を備える。冷却水入口マニホールド１７から各酸化剤ガスセパレータ１０に分配された冷却水は、冷却水流路１２を流通し、冷却水出口マニホールド１８を通って回収される。同様に、各酸化剤ガス流路８に酸化剤ガスを分配・回収する酸化剤ガス入口マニホールド１９、酸化剤ガス出口マニホールド２０を備える。酸化剤ガス入口マニホールド１９から酸化剤ガスセパレータ１０に分配された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路８を流通し、酸化剤ガス出口マニホールド２０を通って回収される。同様に、各燃料ガス流路９に燃料ガスを分配・回収する燃料ガス入口マニホールド２１、燃料ガス出口マニホールド２２を備える。燃料ガス入口マニホールド２１から燃料ガスセパレータ１１に分配された燃料ガスは、燃料ガス流路９を流通し、燃料ガス出口マニホールド２２を通って回収される。
【００５３】
ここでは、図５（ａ）に示すように酸化剤ガス流路８を複数の並列した蛇行形状の溝により構成する。一方、図５（ｂ）に示すように、冷却水流路１２を、複数の並列した直線形状の溝により構成する。ただし、酸化剤ガス流路８、冷却水流路１２の形状はこれに限るわけではない。
【００５４】
冷却水入口マニホールド１７近傍に、酸化剤ガス流路８の下流領域を構成する。また、冷却水流路１２の上流領域と酸化剤ガス流路８の下流領域が重なるように構成する。さらに、酸化剤ガス出口マニホールド２０を、冷却水入口マニホールド１７近傍に構成する。
【００５５】
このように構成した際に、電解質膜２に対して比較的電位が高くなる領域Ａを、酸化剤触媒層３の温度が低い領域とする。温度が低い領域では、生成水や凝縮水の排出が悪化したり、あるいは、凝縮水の発生が増す。その結果、温度が低い領域における電解質膜２の含水量が多くなるので、電解質中のプロトン濃度[Ｈ+]が小さくなり、電解質電位が小さくなるので、酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が高くなる。酸化剤触媒層３の温度が低い領域を、冷却水入口マニホールド１７近傍に重なる領域とする。ここでは、領域Ａを冷却水流路１２の上流領域に重なる領域とする。
【００５６】
なお、領域Ａにおいては、第１の実施形態と同様に触媒粒子１４を増大することにより触媒金属１６を増大させてもよいし、第３の実施形態と同様にそれぞれの担体１５が担持する触媒金属１６の量を増大させてもよい。または、第２の実施形態と同様に、触媒金属１６の粒径を比較的小さくすることにより比表面積を増大させてもよい。
【００５７】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１〜３の実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００５８】
酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が他の領域より高くなる領域Ａを、温度が低い領域とする。温度が低い領域では凝縮水が生じ易く、電解質膜２の含水量が多くなり易いため、相対的に酸化剤触媒層３の電位が高くなり、触媒金属１６の溶解が生じ易くなる。このような領域を領域Ａとして触媒金属１６の担持量、または比表面積を増大することで、電解質膜２に対して高電位となる領域の寿命を向上し、耐久性に優れた燃料電池１を提供することができる。
【００５９】
電解質膜２面に平行な面に沿って冷却水を流通する冷却水流路１２を備え、酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が他の領域より高くなる領域Ａを、冷却水流路１２の入口近傍領域に重なる領域とする。このように、比較的低温の冷却水によって冷却され、低温となりやすい領域を領域Ａとすることにより、触媒金属１６の溶解が生じやすい領域の寿命を向上し、耐久性に優れた燃料電池１を提供することができる。
【００６０】
次に、第５の実施形態について説明する。図６に、膜電極複合体５の断面図を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６１】
電解質膜２の両側に酸化剤触媒層３、燃料触媒層４を、さらにその外側には酸化剤ガス拡散層６、燃料ガス拡散層７を備えることにより膜電極複合体５を構成する。酸化剤ガス拡散層６、燃料ガス拡散層７に沿って、それぞれ酸化剤ガス流路８、燃料ガス流路９を構成する。酸化剤ガス、燃料ガスの流れは互いに対向するように構成する。酸化剤ガスに関しては、ガス入口から出口に至る途中で、未反応の酸化剤ガスが混入されるように構成する。
【００６２】
このような燃料電池１において、酸化剤触媒層３の電解質膜２に対して比較的電位が高くなる領域Ａを、電流密度が小さく、とりわけ、運転時に電解質膜２の含水量が比較的多くなると思われる領域とする。ここで、酸化剤ガスの流れにおける未反応の酸化剤ガス合流直前においては、比較的酸化剤ガス量が少ないため排水性が低下し、また反応率が低下する。そこで、酸化剤ガスの流れにおける未反応の酸化剤ガス合流直前の領域を領域Ａとする。また、第１の実施形態と同様に、最下流に位置する領域を領域Ａとする。
【００６３】
なお、領域Ａにおいては、第１の実施形態と同様に触媒粒子１４を増大することにより触媒金属１６を増大させてもよいし、第３の実施形態と同様にそれぞれの担体１５が担持する触媒金属１６の量を増大させてもよい。または、第２の実施形態と同様に、触媒金属１６の粒径を比較的小さくすることにより比表面積を増大させてもよい。
【００６４】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１〜３の実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００６５】
酸化剤触媒層３の電位が他の領域より高くなる領域Ａを、未反応の酸化剤ガス合流部の直前領域とする。未反応ガス合流部の直前は、比較的酸化剤ガス量が小さいため反応量が低減し、電流密度が小さくなる。また、流通する酸化剤ガス量が少ないため排水性が低下し易いく、凝縮水が生じ易いため電解質膜２の含水量が増大しやすい。その結果、電解質膜２の電位が比較的小さくなりやすく、ひいては酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が高くなりやすい領域を領域Ａとすることができる。
【００６６】
次に、第６の実施形態について説明する。図７に、単位セル１ａの概略断面図を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６７】
単位セル１ａからの電流の取出し部２３を備える。電流取出し部２３は、例えば、リード線２４とリード線２４に接続された負荷２５から構成する。ここでは、リード線２４を酸化剤ガスセパレータ１０、燃料ガスセパレータ１１の端部に接続し、燃料ガスセパレータ１１側から電子を取出すことにより電流を取出す。
【００６８】
電子は、燃料極側から電流取出し部２３を介して酸化剤極側に移動する。このとき、電子は酸化剤極内を積層面に沿って移動するため、酸化剤極内には電子の流れと反対向きの電流が発生する。つまり、酸化剤極内に積層面に沿って電位差が生じる。酸化剤極内で、電流取出し部２３が離れるほど電解質膜２に対する酸化剤極の電位が高くなる。
【００６９】
酸化剤極の電流取出し部２３から遠い領域では、酸化剤ガスセパレータ１０内の電子移動抵抗により、電子の供給が他の領域より遅くなるため、電気化学反応も遅くなる。その結果、この領域のプロトン濃度[Ｈ+]が小さくなるので電解質膜２の電位が低下し、相対的に他の領域に比較して酸化剤触媒層３が電解質膜２に対して高電位となる。
【００７０】
そこで、本実施形態では、電流取出し部２３から離れた領域を領域Ａとする。
【００７１】
なお、領域Ａにおいては、第１の実施形態と同様に触媒粒子１４を増大することにより触媒金属１６を増大させてもよいし、第３の実施形態と同様にそれぞれの担体１５が担持する触媒金属１６の量を増大させてもよい。または、第２の実施形態と同様に、触媒金属１６の粒径を比較的小さくすることにより比表面積を増大させてもよい。
【００７２】
また、図７は、電流取出し部２３からの距離に応じて面内の触媒金属担持量、または比表面積に分布をつけた一例であり、電流取出し部２３が面内で複数存在する場合は、それらの位置に従って分布を変更する。また、複数の単位セル１ａを積層して燃料電池１を構成している場合には、単位セル１ａを直列に接続し、その端部より電流を取出すが、このときには、少なくとも電流取出し部２３に近い積層方向端部近傍に配置された単位セル１ａに関して本実施形態を適用すればよい。
【００７３】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１〜３の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７４】
酸化剤触媒層３側から電流を取出す電流取出し部２３を備え、酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位が他の領域より高くなる領域Ａを、電流取出し部２３から離れた領域とする。このような領域Ａで触媒金属１６の担持量を増大、または比表面積を増大することにより、触媒金属１６の溶解による電圧低下を抑制し、燃料電池１の耐久性を向上することができる。
【００７５】
なお、上記実施形態では、燃料電池１を複数の単位セル１ａを積層してなるスタックより構成したが、この限りではなく、一つの単位セル１ａより構成してもよい。また、領域Ａにおいて、触媒金属１６の担持量、または反応有効表面積を一様に増大しているが、この限りではなく、酸化剤触媒層３の電解質膜２に対する電位等に応じて増大量を変化させてもよい。
【００７６】
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、固体高分子型燃料電池に適用することができる。特に、固体高分子型燃料電池の酸化剤極に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池の単位セルの断面図である。
【図２】第２の実施形態に用いる触媒粒子の概略図である。
【図３】第１の実施形態に用いる酸化剤触媒層の構成を示す概略図である。
【図４】第４の実施形態に用いる膜電極複合体の平面図である。
【図５】第４の実施形態に用いる酸化剤ガスセパレータの平面図である。
【図６】第５の実施形態に用いる酸化剤触媒層の構成を示す概略図である。
【図７】第６の実施形態に用いる酸化剤触媒層の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００７９】
１    燃料電池
２    電解質膜（固体高分子電解質膜）
３    酸化剤触媒層（酸化剤極）
４    燃料触媒層（燃料極）
８    酸化剤ガス流路
１２  冷却水通路
１４  触媒粒子
１５  担体
１６  触媒金属
１７  冷却水入口マニホールド
２３  電流取出し部
【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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