(57)【要約】【課題】  スタック構造を有する燃料電池において、単セルにおける温度や、湿潤状態が最適でない場合でも燃料電池の発電性能の低下を抑制する。【解決手段】  燃料電池スタック１０の各単セルに形成された水素極および酸素極は、触媒層を備えている。燃料電池スタック１０の両端部に積層された端セルが備える触媒層の厚さを、中央セルよりも厚くする。端セルと中央セルとで、触媒層が担持する触媒の比表面積や、触媒の種類を変えるようにしてもよい。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の電解質膜の両面にアノードとカソードとを備える単セルを複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、
前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方は、アノード反応またはカソード反応を促進するための触媒を担持する触媒層を備え、
前記複数の単セルには、前記触媒の種類と、重量と、比表面積とのうちの少なくとも１つが、他の単セルと異なる触媒層を備える単セルが混在する、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記スタック構造の積層方向の少なくとも一方の端部に、該端部以外に積層されたいずれかの単セルが備える触媒層よりも、前記重量および比表面積の少なくとも一方が大きい触媒層を備える単セルが積層されている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記スタック構造の積層方向の両端部に、該両端部以外に積層されたいずれかの単セルが備える触媒層よりも、前記重量および比表面積の少なくとも一方が大きい触媒層を備える単セルが積層されている、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記スタック構造の積層方向の少なくとも一方の端部に、該端部以外に積層されたいずれかの単セルが備える触媒層が担持する触媒よりも、前記反応の速度が速くなる種類の触媒を担持する触媒層を備える単セルが積層されている、
燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池であって、
前記スタック構造の積層方向の両端部に、該両端部以外に積層されたいずれかの単セルが備える触媒層が担持する触媒よりも、前記反応の速度が速くなる種類の触媒を担持する触媒層を備える単セルが積層されている、
燃料電池。
【請求項６】
所定の電解質膜の両面にアノードとカソードとを備える単セルを複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、
前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方は、アノード反応またはカソード反応を促進するための触媒を担持する触媒層を備え、
前記複数の単セルのうちの少なくとも１枚の単セルが備える触媒層は、前記触媒の種類と、単位面積当たりの重量と、比表面積とのうちの少なくとも１つについて、不均一な面内分布を有する、
燃料電池。
【請求項７】
請求項１または６記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、固体高分子膜である、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スタック構造を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素イオンを透過する電解質膜を挟んで水素極と酸素極とを備え、水素極と酸素極でそれぞれ次の反応式で表される反応を生じさせることによって、起電力を発生する燃料電池が提案されている。
水素極（アノード）：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−  （アノード反応）
酸素極（カソード）：（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ  （カソード反応）
【０００３】
燃料電池は、電解質膜の種類に応じて、固体酸化物型燃料電池や、溶融炭酸塩型燃料電池や、リン酸型燃料電池や、固体高分子型燃料電池など種々の形式が提案されている。近年では、電力出力密度が高く小型化が可能である、動作温度が比較的低い、等の理由により、固体高分子型燃料電池が注目されており、種々の改良が検討されている。
【０００４】
また、燃料電池には、電解質膜の両面にガス拡散性を有するアノードとカソードとを形成した単セルを、セパレータを介して複数積層させたスタック構造を有するものがある。このスタック構造を有する燃料電池（以下、燃料電池スタックと呼ぶ）では、積層方向の両端部に位置する単セルは、放熱によって中央部に位置する単セルよりも温度が低くなる傾向がある。このため、燃料電池スタックの両端部の単セルでは、蒸気圧が低下し、上述した反応によって生成された生成水が滞留しやすくなる傾向がある。
【０００５】
固体高分子型燃料電池では、電解質膜における水素イオンの導伝性を確保したり、触媒層とガス拡散層とを積層して構成されるガス拡散電極におけるガス拡散性を確保したりするために、単セルにおける水の管理が重要である。例えば、電解質膜中の含水量が低下すると、水素イオンの導伝性が低下するため、燃料電池の発電性能が低下する。また、ガス拡散電極に生成水が滞留すると、いわゆるフラッディングが発生し、ガス拡散性が低下するため、燃料電池の発電性能が低下する。したがって、固体高分子型燃料電池について、従来、単セルにおける水の管理に関連した種々の技術が提案されている（特許文献１，２参照）。
【０００６】
例えば、特許文献１では、燃料電池スタックの両端部において、酸化剤ガスの流量を大きくし、中央部において、酸化剤ガスの流量を小さくすることによって、複数の電解質膜の含水量を均一化する技術が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２では、燃料電池スタックの両端部に位置する単セルのカソードガス拡散層の撥水性を他の部分に位置する単セルよりも低くしたり、両端部に位置する単セルのカソードガス拡散層のガス透過度を他の部分に位置する単セルよりも高くしたりすることなどによって、カソード触媒層中の過剰な水の滞留を抑制する技術が開示されている。
【０００８】
これらの技術は、いずれも単セルの湿潤状態を管理することによって、燃料電池の発電性能の低下の抑制を図っている。
【０００９】
【特許文献１】特開平９−９２３２２号公報
【特許文献２】特開２００１−３５７８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、酸化剤ガスの流量の制御が複雑になるという問題があった。また上記特許文献２に記載された技術では、撥水性や、ガス透過度を考慮したガス拡散層の製造工程が複雑になるという問題があった。
【００１１】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、スタック構造を有する燃料電池において、単セルにおける温度や、湿潤状態が最適でない場合でも燃料電池の発電性能の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の第１の燃料電池は、
所定の電解質膜の両面にアノードとカソードとを備える単セルを複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、
前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方は、アノード反応またはカソード反応を促進するための触媒を担持する触媒層を備え、
前記複数の単セルには、前記触媒の種類と、重量と、比表面積とのうちの少なくとも１つが、他の単セルと異なる触媒層を備える単セルが混在することを要旨とする。
【００１３】
ここで、「触媒の種類が異なる」とは、触媒となる単一元素の種類が異なることや、合金の種類が異なることや、合金に含まれる元素の組成比が異なることや、触媒を担持する担体が異なることを意味している。また、「触媒の重量が異なる」とは、例えば、触媒層内に粒径が等しい触媒が同じ密度で担持されている場合に、触媒層の厚さが異なることなどを意味する。比表面積とは、単位重量当たりの面積である。
【００１４】
通常、燃料電池スタックは、その構造に起因して、大気や冷却水などへの放熱により、運転時に所定の温度分布が生じる。また、温度分布に応じて電解質膜の湿潤状態にも分布が生じる。したがって、単セルごとの発電性能にも温度分布や、電解質膜の含水量の分布に対応した分布が生じる。
【００１５】
また、触媒層が担持する触媒の種類や、重量や、比表面積が異なると、アノード反応およびカソード反応の反応速度が異なる。この意味で、触媒の種類や、重量、比表面積によって定まる触媒の性能を触媒能と呼ぶ。
【００１６】
本発明では、燃料電池スタックの温度分布や、電解質膜の含水量の分布に起因する発電性能の低下を補償するように、担持する触媒の種類と、重量と、比表面積とのうちの少なくとも１つが異なる触媒層を備える単セルを混在させて積層することができる。つまり、温度が低下しやすい部位や、フラッディングが発生しやすい部位や、乾燥しやすい部位に積層される単セルの触媒層の触媒能が、他の単セルの触媒層よりも高くなるようにすることができる。
【００１７】
こうすることによって、スタック構造を有する燃料電池において、発電性能が低下しやすい部位における上記各反応の反応場を十分に確保することができる。したがって、単セルにおける温度や、湿潤状態が最適でない場合の燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。
【００１８】
触媒能は、必ずしも燃料電池の発電性能の低下を完全に補償できなくてもよい。ただし、上記発電性能の低下を十分に補償できるように触媒能を変化させることにより、単セルごとの発電性能の均一化を図ることができる。
【００１９】
上記燃料電池において、例えば、
前記スタック構造の積層方向の少なくとも一方の端部に、該端部以外に積層されたいずれかの単セルが備える触媒層よりも、前記重量および比表面積の少なくとも一方が大きい触媒層を備える単セルが積層されているようにすることができる。
【００２０】
燃料電池スタックは、積層方向の端部において、単セルの温度が低下しやすく、この単セルにおいてフラッディングも発生しやすい。このため、端部の単セルにおいて、発電性能が低下しやすい。
【００２１】
本発明によって、温度低下や、フラッディングが生じやすい端部の単セルの発電性能の低下を抑制することができる。端部の単セルは、１枚であってもよいし、複数枚であってもよい。端部の単セルを複数枚とする場合、触媒層が担持する触媒の重量および比表面積の少なくとも一方を、温度分布に応じて段階的、あるいは、連続的に変化させるようにしてもよい。
【００２２】
なお、上記燃料電池において、
前記スタック構造の積層方向の両端部に、該両端部以外に積層されたいずれかの単セルが備える触媒層よりも、前記重量および比表面積の少なくとも一方が大きい触媒層を備える単セルが積層されているようにすることが好ましい。
【００２３】
こうすることによって、燃料電池の発電性能の低下を、さらに抑制することができる。
【００２４】
また、本発明の第１の燃料電池において、
前記スタック構造の積層方向の少なくとも一方の端部に、該端部以外に積層されたいずれかの単セルが備える触媒層が担持する触媒よりも、前記反応の速度が速くなる種類の触媒を担持する触媒層を備える単セルが積層されているようにしてもよい。
【００２５】
こうすることによっても、温度低下や、フラッディングが生じやすい端部の単セルの発電性能の低下を抑制することができる。
【００２６】
なお、上記燃料電池において、
前記スタック構造の積層方向の両端部に、該両端部以外に積層されたいずれかの単セルが備える触媒層が担持する触媒よりも、前記反応の速度が速くなる種類の触媒を担持する触媒層を備える単セルが積層されているようにすることが好ましい。
【００２７】
こうすることによって、燃料電池の発電性能の低下を、さらに抑制することができる。
【００２８】
本発明の第２の燃料電池は、
所定の電解質膜の両面にアノードとカソードとを備える単セルを複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、
前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方は、アノード反応またはカソード反応を促進するための触媒を担持する触媒層を備え、
前記複数の単セルのうちの少なくとも１枚の単セルが備える触媒層は、前記触媒の種類と、単位面積当たりの重量と、比表面積とのうちの少なくとも１つについて、不均一な面内分布を有することを要旨とする。
【００２９】
先に説明した温度分布や、電解質膜の含水量の分布は、１つの単セル内においても生じ得る。したがって、発電性能にも温度分布や、電解質膜の含水量の分布に対応した面内分布が生じ得る。
【００３０】
本発明では、単セル内の温度分布や、電解質膜の含水量の分布に起因する発電性能の面内分布を補償するように、触媒層が担持する触媒の種類や、重量や、比表面積が不均一な領域を設ける。つまり、温度が低下しやすい領域や、フラッディングが発生しやすい領域や、乾燥しやすい領域の触媒層の触媒能を、他の領域の触媒層よりも高いものとする。例えば、通常、単セルの中央部よりも周辺部の方が、温度が低下しやすいので、単セルの周辺部を中央部よりも触媒能が高くなるようにすることができる。
【００３１】
こうすることによって、スタック構造を有する燃料電池において、各単セルの発電性能が低下しやすい領域における上記各反応の反応場を十分に確保することができる。したがって、単セルにおける温度や、湿潤状態が最適でない場合の燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。
【００３２】
なお、上述した本発明の第１および第２の燃料電池において、
前記電解質膜は、固体高分子膜であるものとすることができる。
【００３３】
固体高分子型燃料電池は、他の形式の燃料電池と比較して、低温で作動するため、温度分布が単セルの発電性能、さらに、燃料電池の発電性能に与える影響が大きい。また、先に説明したように、固体高分子型燃料電池は、電解質膜の含水量の管理が重要である。したがって、本発明の燃料電池を固体高分子型燃料電池に適用することによって、温度低下や、フラッディングや、乾燥による発電性能の低下を抑制することができるので、特に効果が高い。
【００３４】
本発明の第１および第２の燃料電池を組み合わせて構成することようにしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池スタックの構成：
Ｂ．第１実施例：
Ｂ１．電極構成：
Ｂ２．効果：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．変形例：
【００３６】
Ａ．燃料電池スタックの構成：
図１は、本実施例の燃料電池スタック１０の外観を示す斜視図である。燃料電池スタック１０は、図示する通り、単セル１００を所定数積層して形成される。単セル１００の積層数は、燃料電池スタック１０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。１つの単セル１００は、１Ｖ程度の起電圧を生じる。各単セル１００は、それぞれ固体高分子型燃料電池として形成されている。単セル１００は、セパレータで酸素極、電解質膜、水素極をこの順序に挟んだ構造をなしている。燃料電池スタック１０では、隣接する単セル１００のセパレータは、それぞれ共有されている。単セル１００の詳細構造については後述する。
【００３７】
燃料電池スタック１０は、一端からエンドプレート１２、絶縁板１６、集電板１８、複数の単セル１００、集電板２０、絶縁板２２、エンドプレート１４の順に積層されて構成される。エンドプレート１２、１４は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。集電板１８、２０は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。絶縁板１６、２２は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板１８、２０には、それぞれ出力端子１９、２１が設けられており、燃料電池スタック１０で発電した電力を出力可能となっている。
【００３８】
一方のエンドプレート１４には、燃料ガス供給口３５や、燃料ガス排出口３６や、酸化ガス供給口３３や、酸化ガス排出口３４や、冷却水供給口３１や、冷却水排出口３２が設けられている。燃料ガス供給口３５から燃料電池スタック１０に供給された燃料ガスは、エンドプレート１２に向かって流れながら各単セル１００に分配される。各単セル１００に配分された燃料ガスは、図中の上方から下方に単セル１００内の流路を流れた後、エンドプレート１４側に流れ、燃料ガス排出口３６から排出される。酸化ガスも同様に、酸化ガス供給口３３から供給された後、エンドプレート１２に向かって流れながら各単セル１００に分配され、各単セル１００内の流路を流れた後、酸化ガス排出口３４から排出される。燃料電池スタック１０は、このようなガスの流れを実現できるよう内部で各単セル１００のガス流路が形成されている。
【００３９】
燃料電池スタック１０の各単セル１００を構成する電解質膜は、セパレータと接する周辺領域がシールされている。このシールは、単セル１００内部から燃料ガスおよび酸化ガスが漏れ出し、両者が混合するのを防止する役割を果たす。燃料電池スタック１０は、図示を省略したが、ボルトとナットで積層方向に所定の押圧力がかかった状態で締結されて保持される。押圧力を伴って積層状態を保持するためには、必ずしもボルトとナットを用いる必要はなく、例えばスタック収納ケースを用いるものとしてもよい。
【００４０】
図２は、単セル１００の構造を示す斜視図である。単セル１００は、固体高分子型燃料電池として構成されている。単セル１００は、電解質膜１３２を水素極１３４と、酸素極１３６とで挟み込み、さらにその両側をセパレータ１１０、１２０で挟んだ構造を有している。図示の都合上、酸素極１３６は、電解質膜１３２に隠れた位置に存在する。水素極１３４、および、酸素極１３６は、後述するように、触媒層とガス拡散層とを積層させたガス拡散電極である。セパレータ１１０、１２０は、水素極１３４、酸素極１３６と対向する面に複数の凹凸状のリブが形成されている。セパレータ１１０、１２０が、水素極１３４、酸素極１３６を両側から挟み込むことによって、水素極１３４との間に燃料ガス流路１１２、酸素極１３６との間に酸化ガス流路１２２が形成される。
【００４１】
セパレータ１１０、１２０は、両面にリブが形成されており、片面は水素極１３４との間で燃料ガス流路１１２を形成し、他面は隣接する単セル１００が備える酸素極１３６との間で酸化ガス流路１２２を形成する。このように、セパレータ１１０、１２０は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接するセル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役割を果たしている。
【００４２】
電解質膜１３２は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜１３２としては、例えばナフィオン膜（デュポン社製）などを適用することができる。
【００４３】
電解質膜１３２の表面には、触媒としての白金を塗布することにより、触媒層が形成されている。本実施例では、触媒としての白金を担持したカーボン粉を有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化した上で、電解質膜１３２上にスクリーン印刷する方法で触媒を塗布した。この触媒層の形成方法は、他にも種々の方法を適用でき、例えば、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、電解質膜１３２上にプレスするものとしてもよい。また、触媒には白金と他の金属からなる合金を用いることもできる。
【００４４】
水素極１３４、および、酸素極１３６のガス拡散層は、炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。ガス拡散層を炭素繊維からなるカーボンペーパ、または、カーボンフエルトにより形成するものとしてもよい。また、上述の触媒は、ガス拡散層と電解質膜１３２との間に介在しておればよいため、電解質膜１３２側に触媒を塗布する方法に代えて、ガス拡散層の電解質膜１３２と接する側に、触媒を塗布するものとしてもよい。
【００４５】
セパレータ１１０、１２０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ１１０、１２０は、その両面に、平行に配置された複数のリブが形成されている。リブは、必ずしも両面で平行に形成する必要はなく、面毎に直交するなど種々の角度で形成することができる。また、リブは、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成可能な形状であれば、必ずしも平行な溝状である必要はない。
【００４６】
なお、本実施例の燃料電池スタック１０では、単セル１００の積層方向の端部（エンドプレート１２、１４の近傍）に積層されたセパレータ１１０、１２０のリブは、燃料ガスおよび酸化ガスの流路１１２、１２２の断面積が、他の部位に積層されたセパレータ１１０、１２０よりも大きくなるように形成されている（図示省略）。これは、以下の理由による。すなわち、燃料電池スタック１０は、運転時に、単セル１００の積層方向の中央部で温度が高く、端部で温度が低いという温度分布を有している。端部の単セル１００は、大気への放熱により温度が低下しやすいからである。端部の単セル１００では、温度低下に伴う蒸気圧の低下によって、生成水が滞留し易くなる。したがって、ガス流路の断面積を大きくして圧損を低減し、各ガスが各流路を流れやすくすることによって、過剰な生成水を除去するのである。
【００４７】
セパレータ１１０、１２０には、その周辺部の２カ所に、円形断面の冷却水孔１５１、１５２が形成されている。この冷却水孔１５１、１５２は、単セル１００を積層した際に、燃料電池スタック１０を積層方向に貫通する冷却水路を形成する。
【００４８】
セパレータ１１０、１２０の各辺付近には、それぞれの辺に沿う細長い形状の燃料ガス孔１５３、１５４、および、酸化ガス孔１５５、１５６が形成されている。燃料ガス孔１５３、１５４、および、酸化ガス孔１５５、１５６は、単セル１００を積層することによって燃料電池スタック１０を形成した際に、燃料電池スタック１０を積層方向に貫通する燃料ガス流路１１２、および、酸化ガス流路１２２を形成する。本実施例では、図２の上方の辺に沿って燃料ガス供給路、下方の辺に沿って燃料ガス排出路が形成される。また、左側の辺に沿って酸化ガス供給路、右側の辺に沿って酸化ガス排出路が形成される。
【００４９】
燃料電池スタック１０の燃料ガス供給口３５は、燃料ガス供給路につながっている。また、燃料ガス排出口３６は、燃料ガス排出路につながっている。燃料ガス供給口３５から供給された燃料ガスは、燃料ガス供給路を通じて各単セル１００の燃料ガス流路１１２に流れ込む。そして、水素極１３４で所定の反応に供された後、燃料ガス排出路から燃料ガス排出口３６に流出する。酸化ガスも同様の経路で流れる。
【００５０】
燃料電池スタック１０の酸化ガス供給口３３は、酸化ガス供給路につながっている。また、酸化ガス排出口３４は、酸化ガス排出路につながっている。酸化ガス供給口３３から供給された酸化ガスは、酸化ガス供給路を通じて各単セル１００の酸化ガス流路１２２に流れ込む。そして、酸素極１３６で所定の反応に供された後、酸化ガス排出路から酸化ガス排出口３４に流出する。
【００５１】
本実施例の燃料電池スタック１０では、５つの単セル１００ごとに１枚の割合で、冷却セパレータ１４０が設けられている。冷却セパレータ１４０は、単セル１００を冷却する冷却水路を形成するためのセパレータである。冷却セパレータ１４０には、冷却水孔を連絡する葛折状の冷却水溝１４２が形成されている。セパレータ１１０、１２０のうち冷却セパレータ１４０と対向する面は、リブのないフラットな面となっており、冷却セパレータ１４０に設けられた溝は、セパレータ１１０、１２０との間で冷却水路を形成する。なお、セパレータ１１０、１２０、および、冷却セパレータ１４０は、緻密質カーボンの他、導電性を有する種々の材料によって形成することができる。例えば、剛性および伝熱性を重視して、銅合金やアルミニウム合金などの金属で形成してもよい。また、冷却セパレータ１４０を設ける割合は、燃料電池スタック１０の要求出力に応じた単セル１００の発熱量、冷却水の温度および流量などの条件に応じて冷却に適した範囲で設定することができる。
【００５２】
Ｂ．第１実施例：
Ｂ１．電極構成：
図３は、第１実施例における単セル１００の電極構成を示す説明図である。図３（ａ）は、燃料電池スタック１０の中央部に積層された単セル（以下、中央セルと呼ぶ）の電極構成を示す断面図である。図３（ｂ）は、燃料電池スタック１０の端部に積層された単セル（以下、端セルと呼ぶ）の電極構成を示す断面図である。
【００５３】
図３（ａ）に示すように、中央セルでは、電解質膜１３２の一方の面に触媒層１３４ａとガス拡散層１３４ｂとを、この順序で積層することにより、水素極１３４が形成されている。また、電解質膜１３２のもう一方の面に触媒層１３６ａとガス拡散層１３６ｂとを、この順序で積層することにより、酸素極１３６が形成されている。
【００５４】
一方、端セルでは、図３（ｂ）に示すように、電解質膜１３２の一方の面に触媒層１３４ｃとガス拡散層１３４ｄとを、この順序で形成することにより、水素極１３４が形成されている。また、電解質膜１３２のもう一方の面に触媒層１３６ｃとガス拡散層１３６ｄとを、この順序で形成することにより、酸素極１３６が形成されている。
【００５５】
中央セルと端セルとでは、ガス拡散層の撥水性が異なる。そして、端セルのガス拡散層１３４ｄ、１３６ｄの撥水性は、それぞれ中央セルのガス拡散層１３４ｂ、１３６ｂの撥水性よりも低くしている。こうすることによって、生成水がガス拡散層表面に透過し易くすることができるので、ガスとともに排出され易くなる。したがって、ガス拡散層１３４ｄ、１３６ｄのガス透過性を良好に維持することができる。
【００５６】
また、中央セルおよび端セルの触媒層が担持する触媒の種類および比表面積は同じである。したがって、中央セルおよび端セルの触媒層の単位体積当たりの触媒能は同じである。
【００５７】
中央セルと端セルとでは、触媒層の厚さが異なる。そして、端セルの触媒層１３４ｃ、１３６ｃの厚さは、それぞれ中央セルの触媒層１３４ａ、１３６ａの厚さよりも厚く設定している。したがって、端セルの触媒層１３４ｃ、１３６ｃの触媒能は、中央セルの触媒層１３４ａ、１３６ａの触媒能よりも高い。本実施例では、端セルの触媒層１３４ｃ、１３６ｃの厚さは、それぞれ中央セルの触媒層１３４ａ、１３６ａの厚さの２倍であるものとした。なお、本実施例では、中央セルの触媒層１３４ａの厚さと、触媒層１３６ａの厚さ、あるいは、端セルの触媒層１３４ｃの厚さと、触媒層１３６ｃの厚さとは、それぞれ等しいものとしたが、任意に設定可能である。
【００５８】
Ｂ２．効果：
図４は、第１実施例の効果を示す説明図である。図４（ａ）は、燃料電池スタック１０を側面（単セル１００の積層方向と直交する方向）から見た様子を模式的に示している。ここでは、単セル１００の積層方向の両端から、それぞれ４枚の単セル１００を端セルとした。図４（ｂ）は、各触媒層の厚さの積層方向の分布を示している。図４（ｃ）は、セル電圧の積層方向の分布を示している。図４（ｂ）、（ｃ）に、本実施例における各分布を、それぞれ実線で示した。また、これと併せて、従来の燃料電池スタックにおける各分布を、それぞれ破線で示した。従来の燃料電池スタックとは、図４（ｂ）から分かるように、各触媒層の厚さが全て同じである単セルを複数積層させたものである。
【００５９】
図４（ｃ）に示したように、従来の燃料電池スタックでは、単セルの積層方向の中央部で温度が高く、端部で温度が低いという温度分布に伴い、端セルのセル電圧が低下していた。これに対して、本実施例の燃料電池スタック１０では、全ての単セル１００でほぼ同一のセル電圧が得られた。
【００６０】
なお、本実施例では、図４（ｂ）に示したように、４枚の端セルの触媒層の厚さを同一としたが、図中に変形例として一点鎖線で示したように、触媒層の厚さを温度分布に応じて段階的に変化させてもよい。
【００６１】
以上説明した第１実施例の燃料電池スタック１０によれば、端セルの触媒層の厚さを中央セルの触媒層の厚さよりも厚くしているので、端セルにおける反応の場を増加させ、触媒層全体としての触媒能を高めることができる。したがって、端セルの温度低下や、フラッディングによる燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制することができる。
【００６２】
Ｃ．第２実施例：
第１実施例では、中央セルと端セルとで、触媒層の厚さを変えた。第２実施例では、中央セルと端セルとで、触媒層が担持する触媒の比表面積を変える。
【００６３】
図５は、第２実施例における単セル１００の電極構成を示す説明図である。第２実施例では、中央セルの触媒層１３４ａ、１３６ａの厚さと、端セルの触媒層１３４ｅ、１３６ｅの厚さとが同じである。そして、端セルの触媒層１３４ｅ、１３６ｅが担持する触媒の比表面積が、中央セルの触媒層１３４ａ、１３６ａが担持する触媒の比表面積よりも大きく設定されている。これ以外は、第１実施例と同じである。
【００６４】
以上説明した第２実施例の燃料電池によれば、端セルの触媒層が担持する触媒の比表面積を、中央セルの触媒層が担持する触媒の比表面積よりも大きくしているので、端セルにおける反応の場を増加させることができる。したがって、端セルの温度低下や、フラッディングによる燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制することができる。
【００６５】
Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００６６】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、単セル１００の積層方向の温度分布に応じて、端セルの触媒層の厚さや、触媒層が担持する触媒の比表面積を、中央セルよりも大きくしたが、これに限られない。中央セルと端セルとで、触媒層が担持する触媒の種類を変えてもよい。すなわち、温度が低下しやすい端セルに、中央セルよりも触媒能の高い触媒を用いるようにしてもよい。
【００６７】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、単セル１００の積層方向の温度分布に応じて、端セルの触媒層の厚さや、触媒層が担持する触媒の比表面積を、中央セルよりも大きくした。変形例１では、各単セル１００において、温度の面内分布に応じて触媒層の厚さを変える。
【００６８】
図６は、変形例１における単セル１００の電極構成の一例を示す説明図である。図の上段には、酸素極１３６側から見た単セル１００の様子を示した。なお、図示の便宜上、セパレータ１１０や、ガス拡散層１３６ｂは省略して示した。図の下段には、図の上段のＡ−Ａ断面における温度分布（面内分布）を示した。
【００６９】
図の上段において、ハッチングを付した中央部の領域Ｍは、比較的温度の高い領域に対応する。クロスハッチングを付した周辺部の領域Ｎは、比較的温度の低い領域に対応する。そして、触媒層の厚さは、面内で不均一であり、領域Ｎの触媒層の厚さは、領域Ｍの触媒層の厚さよりも厚い。水素極１３４側も同様である。
【００７０】
こうすることによっても、温度低下やフラッディングによる燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制することができる。
【００７１】
なお、変形例１では、領域Ｎと領域Ｍとで、触媒層の厚さを変えるものとしたが、触媒層が担持する触媒の比表面積や、触媒の種類を変えるようにしてもよい。また、変形例１では、温度分布に応じて、２種類の領域を設けたが、３種類以上の領域を設けるようにしてもよい。
【００７２】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、水素極１３４と、酸素極１３６との両方に本発明を適用した例を示したが、いずれか一方に適用するようにしてもよい。ただし、少なくとも酸素極１３６に適用することが好ましい。一般に、水素極でのアノード反応よりも酸素極でのカソード反応の方が、反応速度が遅いからである。
【００７３】
Ｄ４．変形例４：
上記第１実施例では、単セル１００の両端の端セルに本発明を適用したが、いずれか一方の端セルに適用するようにしてもよい。
【００７４】
また、触媒能の異なる触媒層を備える単セル１００を混在させて積層するようにしてもよい。例えば、上記実施例の燃料電池スタック１０では、冷却セパレータ１４０が設けられているから、これに隣接する単セル１００は、温度が低下しやすい。したがって、冷却セパレータ１４０に隣接する単セル１００の触媒層の厚さを厚くしたり、触媒層が担持する触媒の比表面積を増加させたり、触媒の種類を触媒能の高いものにしたりしてもよい。
【００７５】
また、高温になり乾燥しやすい単セルに触媒能の高い触媒層を用いるようにしてもよい。こうすることによって、電解質膜の乾燥による燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制することができる。
【００７６】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例および変形例１では、温度分布に応じて、触媒能に関連するパラメータ、すなわち、触媒層の厚さや、触媒層が担持する触媒の比表面積や、触媒の種類を、それぞれ独立に変える場合について説明したが、これらを組み合わせて変えるようにしてもよい。
【００７７】
Ｄ６．変形例６：
上記実施例では、本発明の燃料電池を固体高分子型燃料電池に適用したが、スタック構造を有する他の形式の燃料電池にも適用可能である。
【００７８】
Ｄ７．変形例７：
上記実施例および変形例では、温度が低下しやすい単セル、フラッディングが発生しやすい単セルに、触媒能が高い触媒層を適用した例を示したが、これに限られない。本発明は、一般に、燃料電池スタックにおいて、単セルにおける温度や、湿潤状態が最適でない場合でも燃料電池の発電性能の低下を抑制するものであるから、乾燥しやすい単セルに触媒能が高い触媒層を適用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】燃料電池スタック１０の外観を表わす斜視図である。
【図２】単セル１００の構造を示す斜視図である。
【図３】第１実施例における電極構成を示す説明図である。
【図４】燃料電池スタック１０の積層方向の分布を示す説明図である。
【図５】第２実施例における電極構成を示す説明図である。
【図６】変形例１における単セル１００の電極構成の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０...燃料電池スタック
１２、１４...エンドプレート
１６、２２...絶縁板
１８、２０...集電板
１９、２１...出力端子
３１...冷却水供給口
３２...冷却水排出口
３３...酸化ガス供給口
３４...酸化ガス排出口
３５...燃料ガス供給口
３６...燃料ガス排出口
１００...単セル
１１０、１２０...セパレータ
１１２...燃料ガス流路
１２２...酸化ガス流路
１３２...電解質膜
１３４...水素極
１３４ａ、１３４ｃ、１３４ｅ...触媒層
１３４ｂ、１３４ｄ...ガス拡散層
１３６...酸素極
１３６ａ、１３６ｃ、１３６ｅ...触媒層
１３６ｂ、１３６ｄ...ガス拡散層
１４０...冷却セパレータ
１４２...冷却水溝
１５１、１５２...冷却水孔
１５３、１５４...燃料ガス孔
１５５、１５６...酸化ガス孔
【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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