(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却機構を複数のセル毎に設けた構成において良好な発電性能が得られる燃料電池セルスタックを提供する。【解決手段】燃料電池セルスタック１は、第１、第２高分子電解質膜４ａ、４ｂ、ならびに第１、第２カソード５ｂ、５ｄ及び第１、第２アノード５ａ、５ｃを含む燃料電池単セルと、燃料電池単セルにおける発電反応熱を取り去るための第１、第２冷却流路１０ａ、１０ｂと、を備え、隣り合うセルブロック間には第１、第２冷却流路１０ａ、１０ｂが設けられ、１つのセルブロックを形成する第１、第２カソード５ｂ、５ｄと第１、第２アノード５ａ、５ｃとは互いに熱伝導度が異なり、１つのセルブロックにおける熱伝導度が小さい電極層５が配置された一方の端部側に設けられている第1冷却機構の冷却能力が、熱伝導度が大きい電極層５が配置された他方の端部側に設けられている第２冷却機構よりも冷却能力より大きい。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜ならびに該高分子電解質膜の両面に形成されたカソード電極層及びアノード電極層を含む燃料電池セルと、
前記燃料電池セルにおいて前記アノード電極層に供給された反応ガスである燃料ガスと前記カソード電極層に供給された反応ガスである酸化剤ガスとによる発電反応で生じた熱を取り去るための冷却機構と、を備え、
複数の前記燃料電池セルが前記高分子電解質膜の厚み方向に順に積層され、セルブロックを形成しており、
隣り合う２つの前記セルブロック間には前記冷却機構がそれぞれ設けられ、
１つのセルブロックを構成するカソード電極層と前記アノード電極層とは互いに熱伝導度が異なっており、
前記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い、燃料電池セルスタック。
【請求項２】
前記第１冷却機構および第２冷却機構は、熱媒体が流れる熱媒体流路をそれぞれ備えており、
前記第１冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体に対する流体抵抗が、前記第２冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体に対する流体抵抗よりも小さい、請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項３】
前記第１冷却機構が備える熱媒体流路の流路断面積が、前記第２冷却機構が備える熱媒体流路の流路断面積よりも大きい、請求項２に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項４】
前記第１冷却機構が備える熱媒体流路の流路長が、前記第２冷却機構が備える熱媒体流路の流路長よりも短い、請求項２に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項５】
前記第１冷却機構および前記第２冷却機構それぞれが備える熱媒体流路の延伸形状において、前記第１冷却機構の熱媒体流路の有する屈曲数が、前記第２冷却機構の熱媒体流路の有する屈曲数よりも少ない、請求項２に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項６】
前記１つのセルブロックの一方の端部に配置された熱伝導度が小さい電極層に、一方の主面が接触して配置され、当該主面に一方の反応ガスが流れる反応ガス流路が形成された小熱伝導度側セパレータと、
前記１つのセルブロックの他方の端部に配置された熱伝導度が大きい電極層に、一方の主面が接触して配置され、当該主面に他方の反応ガスが流れる反応ガス流路が形成された大熱伝導度側セパレータと、をさらに備え、
前記第１冷却機構が、前記小熱伝導度側セパレータの他方の主面の側に形成された第１熱媒体流路を有し、
前記第２冷却機構が、前記大熱伝導度側セパレータの他方の主面の側に形成された第２熱媒体流路を有しており、
前記小熱伝導度側セパレータの前記一方の主面の前記反応ガス流路以外の部分と前記熱伝導度が小さい電極層との接触面積が、前記大熱伝導度側セパレータの前記一方の主面の前記反応ガス流路の流路以外の部分と前記熱伝導度が大きい電極層との接触面積よりも大きい、請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項７】
高分子電解質膜および該高分子電解質膜の両面に形成されたカソード電極層及びアノード電極層を含む燃料電池セルと、前記燃料電池セルにおいて前記アノード電極層に供給された反応ガスである燃料ガスと前記カソード電極層に供給された反応ガスである酸化剤ガスとによる発電反応で生じた熱を取り去るための冷却機構とを有し、複数の前記燃料電池セルが前記高分子電解質膜の厚み方向に順に積層されセルブロックを形成しており、隣り合う２つの前記セルブロック間には前記冷却機構がそれぞれ設けられ、１つのセルブロックを構成するカソード電極層と前記アノード電極層とは互いに熱伝導度が異なっており、前記冷却機構が前記１つのセルブロックにおいて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た第１冷却機構と、該セルブロックにおいて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た第２冷却機構とを含んでいる燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルにおいて発電反応で生じた熱を取り去るために利用する熱媒体を、前記第１冷却機構および第２冷却機構に対して供給する熱媒体供給機構と、を備え、
前記熱媒体供給機構が前記第１冷却機構に熱媒体を供給するために加える圧力よりも前記第２冷却機構に熱媒体を供給するために加える圧力の方が大きい、燃料電池発電装置。
【請求項８】
高分子電解質膜および該高分子電解質膜の両面に形成されたカソード電極層及びアノード電極層を含む燃料電池セルと、前記燃料電池セルにおいて前記アノード電極層に供給された反応ガスである燃料ガスと前記カソード電極層に供給された反応ガスである酸化剤ガスとによる発電反応で生じた熱を取り去るための冷却機構とを有し、複数の前記燃料電池セルが前記高分子電解質膜の厚み方向に順に積層されセルブロックを形成しており、隣り合う２つの前記セルブロック間には前記冷却機構がそれぞれ設けられ、１つのセルブロックを構成するカソード電極層と前記アノード電極層とは互いに熱伝導度が異なっており、前記冷却機構が前記１つのセルブロックにおいて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た第１冷却機構と、該セルブロックにおいて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た第２冷却機構とを含んでいる燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルにおいて発電反応で生じた熱を取り去るために利用する熱媒体を、前記第１冷却機構および第２冷却機構に対して供給する熱媒体供給機構と、を備え、
前記第１冷却機構および第２冷却機構は、熱媒体が流れる熱媒体流路をそれぞれ備えており、
前記第１冷却機構の熱媒体流路を流れる熱媒体が、前記第２冷却機構の熱媒体流路を流れる熱媒体よりも熱容量が大きい、燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルスタックおよび該燃料電池セルスタックを備えた燃料電池発電装置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を浴びている。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１４に示すように構成されている。図１４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。図１４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（燃料電池セル）１００は、膜電極接合体１１０（ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assembly）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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
ガス拡散層１１４は、炭素繊維からなる基材１１５と、カーボンと撥水材とからなるコーティング層（撥水カーボン層）１１６とで構成されており、高分子電解質膜１１１の側からコーティング層（撥水カーボン層）１１６、基材１１５の順に配置される。
【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単セル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】
また燃料電池単セル１００は、図１４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。なお、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、特許文献１では冷却流路溝１２３を複数の燃料電池単セル１００・・・毎に設ける技術が開示されている。冷却流路溝１２３を複数の燃料電池単セル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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−８７３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１に示す従来のスタックのように冷却流路溝１２３を複数の燃料電池単セル１００・・・毎に設けた構成を用いると、冷却流路溝１２３と燃料電池単セル１００との位置関係によって、燃料電池単セル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単セル１００間に温度ばらつきが生じ、性能ばらつきが生じやすいという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のある態様に係る燃料電池セルスタックは、上記した課題を解決するために、高分子電解質膜ならびに該高分子電解質膜の両面に形成されたカソード電極層及びアノード電極層を含む燃料電池セルと、前記燃料電池セルにおいて前記アノード電極層に供給された反応ガスである燃料ガスと前記カソード電極層に供給された反応ガスである酸化剤ガスとによる発電反応で生じた熱を取り去るための冷却機構と、を備え、複数の前記燃料電池セルが前記高分子電解質膜の厚み方向に順に積層され、セルブロックを形成しており、隣り合う２つの前記セルブロック間には前記冷却機構がそれぞれ設けられ、１つのセルブロックを構成するカソード電極層と前記アノード電極層とは互いに熱伝導度が異なっており、前記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されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は以上に説明した構成を有することで、冷却機構を複数の燃料電池単セル毎に設ける構成において良好な発電性能が得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る知見を実証するための燃料電池単セルの発電性能に関する実験結果の一例を示す表である。
【図２】本発明に係る知見を実証するために構成した燃料電池セルスタックの一例を示す断面図である。
【図３】本発明に係る知見における２セル構成の燃料電池セルスタックにおける各燃料電池単セルの発電電圧を示すグラフである。
【図４】本発明に係る知見を実証するためにシミュレートした結果を示すものであり、冷却流路の入口から１５ｍｍ下流までの各位置における、高分子電解質膜の温度をプロットしたグラフである。
【図５】実施形態１に係る燃料電池セルスタックの概略構成の一例を示す断面図である。
【図６】実施形態１に係る燃料電池セルスタックのセパレータに形成された冷却流路の延伸形状の一例を示す図である。
【図７】実施形態１に係る燃料電池セルスタックのセパレータに形成された冷却流路の延伸形状の一例を示す図である。
【図８】実施形態１に係る燃料電池セルスタックの概略構成の他の例を示す断面図である。
【図９】実施形態２に係る燃料電池セルスタックを備えた燃料電池発電装置の概略構成の一例を示す模式図である。
【図１０】実施形態２の変形例１に係る燃料電池発電装置の概略構成の一例を示す模式図である。
【図１１】実施形態１、２に係る燃料電池セルスタックの積層構造の一例を示す図である。
【図１２】図１１に示す燃料電池セルスタックにおいてセルブロック間に設けられたセパレータの概略構成の一例を示す図である。
【図１３】実施形態１に係る燃料電池セルスタックの積層構造の一例を示す図である。
【図１４】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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（本発明の基礎となった知見）
まず、実施の形態に係る燃料電池単セル（燃料電池セル）が複数積層された燃料電池セルスタックについて説明する前に、燃料電池単セルの電極層における多孔率と該燃料電池単セルの特性との関係について説明する。なお、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）と、この高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極層とを有するＭＥＡを含む構成を燃料電池単セルと称するものとする。
【００１８】
出願人は多孔率と燃料電池単セルの特性との関係について、以下の実験例を通して鋭意検討を行なった結果、以下の知見を得た。
【００１９】
（電極層における多孔率と燃料電池単セルの特性）
まず、低加湿条件での、燃料電池単セルの発電に関する性能（発電性能）について詳しく調べるために、以下に示す４種類の燃料電池単セル（燃料電池単セルＡからＤ）を用意し、それぞれについて発電試験を行なった。
【００２０】
具体的には燃料電池単セルＡとして、アノード側のガス拡散層およびカソード側のガス拡散層がともに多孔率が５０％である燃料電池単セルを用意した。燃料電池単セルＢとしては、アノード側のガス拡散層およびカソード側のガス拡散層がともに多孔率が７０％である燃料電池単セルを用意した。また、燃料電池単セルＣとしては、アノード側のガス拡散層の多孔率が５０％、カソード側のガス拡散層の多孔率が７０％である燃料電池単セルを用意した。また、燃料電池単セルＤとしては、アノード側のガス拡散層の多孔率が７０％、カソード側のガス拡散層の多孔率が５０％である燃料電池単セルを用意した。なお、ガス拡散層の多孔率とは、このガス拡散層において空隙が占める比率を示す値である。
【００２１】
そして、これら燃料電池単セルＡ〜Ｄについて、以下の条件下で発電試験を行い、その性能を調べた。
【００２２】
（発電試験）
発電試験の条件は、以下のとおりである。
【００２３】
アノードに供給する燃料ガスとして水素７５％、二酸化炭素２５％となるガスを用いた。また、この燃料ガスの露点温度を６０℃、燃料電池単セルにおける水素利用率を５０％とした。
【００２４】
一方、カソードに供給する酸化剤ガスとして空気を用いた。この空気は無加湿であり、燃料電池単セルにおける空気中の酸素の利用率を５５％とした。
【００２５】
そして、これらアノードに供給されるガスとカソードに供給されるガスとは並行して流れるようにして供給された（並行流）。また、燃料電池単セルの起動温度を５０℃、燃料電池単セルのセル保温温度を６５℃、運転電流密度を０．２４Ａ／ｃｍ２とした。燃料電池単セルの起動からセル保温温度までの昇温を補助するためにヒーターを用いた。
【００２６】
以上の条件下において、燃料電池単セルの温度を５０℃に保った状態から発電を開始し、この発電を継続させたまま、ヒーターの温度を６５℃まで昇温した。
【００２７】
ここで、燃料電池単セルＡ〜Ｄについて発電開始６分後と４時間後との電圧の値について調べた。この調べた結果を図１の表に示す。図１は本発明に係る知見を実証するための燃料電池単セルの発電性能に関する実験結果の一例を示す表である。
【００２８】
なお、発電開始６分後の電圧は、６５℃への昇温が十分でないため、比較的低い温度での発電性能を示す。一方、発電開始４時間後の電圧は、セルの温度が６５℃に保持され、ＭＥＡ内部の水分状態が定常状態に達したときの発電性能を示す。
【００２９】
まず、燃料電池単セルＡを見ると、６分後の電圧の方が４時間後の電圧よりも低くなった。これは、６分後においては燃料電池単セルの温度が低いため、生成水によるフラッディングによって性能が低下するのに対し、４時間後においては、燃料電池単セルの温度が十分上昇し、フラッディングが解消されることで、性能が改善されたためであると考えられる。つまり、燃料電池単セルＡは、発電開始から数分の間はフラッディングの影響を受け、発電性能が低下することが分かった。
【００３０】
また、図１の表によると燃料電池単セルＡの６分後の電圧よりも燃料電池単セルＢ〜Ｄそれぞれの６分後の電圧の方が高くなった。これは、燃料電池単セルＢ〜Ｄではアノード側のガス拡散層及びカソード側のガス拡散層のうち、少なくともいずれか一つに多孔率７０％のガス拡散層が用いられている。このため、燃料電池単セルＡと比較して生成水の排水性が改善され、フラッディングによる性能低下が抑制されたためであると考えられる。
【００３１】
さらにまた、燃料電池単セルＢの４時間後の電圧は、燃料電池単セルＡ、Ｃ、Ｄと比べて大幅に低くなった。これは、アノード側のガス拡散層およびカソード側のガス拡散層の多孔率を７０％としたため、水蒸気をＭＥＡ内部に閉じ込める効果が低下してしまったためである。このため、燃料電池単セルＢは温度が高くなると、高分子電解質膜のドライアップが発生し、発電性能が低下してしまった。つまり、燃料電池単セルＢは、発電開始から一定の時間が経過し、ＭＥＡ内部の水分状態が定常状態に達したとき、高分子電解質膜のドライアップが発生し発電性能が低下することが分かった。
【００３２】
以上より、フラッディングに対しては、多孔率の大きいガス拡散層を用いることが、ドライアップに対しては多孔率が小さいガス拡散層を用いることが有効であることを発見した。さらにまた、燃料電池単セルＣ、Ｄのように、異なる多孔率のガス拡散層（例えば、多孔率５０％のガス拡散層と多孔率７０％のガス拡散層）を組み合わせることで、フラッディングとドライアップとを同時に抑制し、発電性能の高い燃料電池を構成できることが分かった。また、ガス拡散層における多孔率の大小関係は、アノード側のガス拡散層の多孔率を大きくカソード側のガス拡散層の多孔率を小さくした場合、逆にアノード側のガス拡散層の多孔率を小さく、カソード側のガス拡散層の多孔率を大きくした場合、いずれについても良好な発電性能が得られることが分かった。
【００３３】
（２セル構成の燃料電池セルスタック）
次に、この排水性および保湿性を両立させる良好な結果が得られた燃料電池単セルを、冷却流路を複数の燃料電池単セルのセット(set)であるセルブロック毎に設けた構成に適用してみた。具体的には、図２に示すように、２つの燃料電池単セルのセットであるセルブロックごとに冷却流路が設けられている構成において以下の燃料電池単セルを採用した。図２は本発明に係る知見を実証するために構成した燃料電池セルスタックの一例を示す断面図である。なお、本明細書では２つの燃料電池単セルごとに冷却流路が設けられた燃料電池セルスタックの構成を２セル構成と称するものとする。
【００３４】
具体的には、図２に示すように、２セル構成の燃料電池セルスタックにおいて、燃料電池単セルとしてアノード側が多孔率５０％でカソード側が多孔率７０％のＭＥＡ（燃料電池単セルＣ）を採用した。また、図２では図示していないが、これらセル積層の外側を集電板および絶縁板で挟み、締結具で締結することによって燃料電池セルスタックを作製し、発電試験を行なった。発電試験は、以下の条件で行い、各燃料電池単セルの発電性能を調べた。
【００３５】
（２セル構成の燃料電池セルスタックの発電試験）
発電試験の条件は、以下のとおりである。
【００３６】
アノードに供給する燃料ガスとして水素７５％、二酸化炭素２５％となるガスを用いた。また、この燃料ガスの露点温度を６０℃、燃料電池単セルにおける水素利用率を８０％とした。
【００３７】
一方、カソードに供給する酸化剤ガスとして空気を用いた。この空気は無加湿であり、燃料電池単セルにおける空気中の酸素の利用率を４０％とした。
【００３８】
そして、これらアノードに供給されるガスとカソードに供給されるガスとは並行して流れるようにして供給された。また、燃料電池セルスタックに流入する冷却水の温度を、冷却流路の入口（最上流位置）が５７℃、冷却流路の出口（最下流位置）が７１℃となるように設定した。また、燃料電池セルスタックの運転電流密度を０．２４Ａ／ｃｍ２とした。
【００３９】
以上の条件下において、２セル構成の燃料電池セルスタックにおける各燃料電池単セルの発電電圧を調べた結果、図３に示すグラフのようになった。図３は、本発明に係る知見における２セル構成の燃料電池セルスタックにおける各燃料電池単セルの発電電圧を示すグラフである。図３では、説明の便宜上、１番目から２０番目までの燃料電池単セルの発電電圧がプロットされている。
【００４０】
図３に示すように、奇数番目に配される燃料電池単セルの電圧が大きくなり、偶数番目に配される燃料電池単セルの電圧は小さくなった。このように、燃料電池単セルＣ（アノード側が多孔率５０％でカソード側が多孔率７０％）を２セル構成に適用した場合、偶数番目に配される燃料電池単セルの電圧出力結果が良好とならなかった。
【００４１】
次に、この２セル構成において、奇数番目に配置される燃料電池単セルと偶数番目に配置される燃料電池単セルとについて、高分子電解質膜の温度を調べた。発電状態における高分子電解質膜の温度を直接計測することは難しいため、前記構成における燃料電池の発電状態を、計算機シミュレーションを用いて模擬し、高分子電解質膜の温度を算出した。その結果は、図４に示すグラフのようになった。図４は、本発明に係る知見を実証するためにシミュレートした結果を示すものであり、冷却流路の入口から１５ｍｍ下流までの各位置における、高分子電解質膜の温度をプロットしたグラフである。
【００４２】
図４に示すグラフにおいて、冷却流路入口からの距離が同じである、奇数番目のセル(奇数セル)と偶数番目のセル（偶数セル）とで高分子電解質膜の温度を比較した。この場合、常に奇数セルの方が、偶数セルよりも温度が低くなることが分かった。
【００４３】
以上の実験結果より以下のことが言える。すなわち、図３の実験結果から、燃料電池単セルＣを２セル構成に適用した場合、冷却流路がアノード側に形成されている燃料電池単セル（奇数セル）の方が、冷却流路がカソード側に形成されている燃料電池単セル（偶数セル）よりも電圧出力結果が良好となることが分かった。また、図４の実験結果から、奇数セルの方が偶数セルよりも温度が低くなることが分かった。すなわち、奇数セルと偶数セルとにおいて温度のばらつきが生じ、それに対応するように電圧出力結果にもばらつきが生じていることが分かった。
【００４４】
次に、電極層の多孔率と燃料電池単セル（特には高分子電解質膜）の温度との関係について考察する。
【００４５】
まず、燃料電池単セルの電極層（ガス拡散層）での熱伝導率は以下の数式（１）により求めることができる。
【００４６】
熱伝導率＝（気相部の熱伝導率）×（多孔率÷１００）＋（固相部の熱伝導率）×（１−多孔率÷１００）                                                ・・・（１）
ここで、酸素の熱伝導率を０．０２４６（W/m-k）、窒素の熱伝導率を０．０２４２（W/m-k）、ガス拡散層の熱伝導率を１．１９（W/m-k）とすると、空気雰囲気で多孔率７０％の電極層の熱伝導率は数式（１）に当てはめて計算すると以下の数式（２）に示す結果となる。
【００４７】
（0.0242×0.8＋0.0246×0.2）×0.7＋1.19×0.3＝0.374（W/m-k）    ・・・（２）
一方、空気雰囲気で多孔率５０％の電極層の熱伝導率は数式（１）に当てはめて計算すると以下の数式（３）に示す結果となる。
【００４８】
（0.0242×0.8＋0.0246×0.2）×0.5＋1.19×0.5＝0.607（W/m-k）    ・・・（３）
すなわち、多孔率が５０％の電極層の方が、多孔率が７０％の電極層よりも熱伝導度が１．６倍大きくなる。したがって、多孔率が小さい電極層の方が多孔率が大きい電極層よりも熱伝導度が大きくなり、冷却流路による冷却効率が高くなることが分かる。
【００４９】
上記した知見に基づき、本発明では以下に示す態様を提供する。
【００５０】
本発明に係る第１の態様によれば、燃料電池セルスタックは、高分子電解質膜ならびに該高分子電解質膜の両面に形成されたカソード電極層及びアノード電極層を含む燃料電池セルと、前記燃料電池セルにおいて前記アノード電極層に供給された反応ガスである燃料ガスと前記カソード電極層に供給された反応ガスである酸化剤ガスとによる発電反応で生じた熱を取り去るための冷却機構と、を備え、複数の前記燃料電池セルが前記高分子電解質膜の厚み方向に順に積層され、セルブロックを形成しており、隣り合う２つの前記セルブロック間には前記冷却機構がそれぞれ設けられ、１つのセルブロックを形成するカソード電極層と前記アノード電極層とは互いに熱伝導度が異なっており、前記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されている。
【００５１】
なお、「冷却能力」とは、発電反応で生じた熱を取り去る能力を意味する。
【００５２】
ここで、複数の燃料電池セルを積層して形成されたセルブロックごとに冷却機構を設けた構成において、各燃料電池セルが備える電極層の熱伝導度が異なる場合、セルブロックを構成する燃料電池セル間に温度ばらつきが生じる。
【００５３】
本発明に係る第１の態様では、１つのセルブロックにおいて、熱伝導度が大きい電極層が配置された一方の端部側の第１冷却機構よりも、該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他方の端部側の第２冷却機構の方が、冷却能力が大きくなるように構成されている。
【００５４】
このため、燃料電池セル間で生じる温度ばらつきを抑制することができる。そして、温度ばらつきを抑制することができるため、性能のばらつきも抑制され、結果的には燃料電池セルスタックの発電性能を向上させることができる。
【００５５】
よって、燃料電池セルスタックは、冷却機構を複数の燃料電池単セル毎に設ける構成において良好な発電性能が得られるという効果を奏する。
【００５６】
本発明に係る第２の態様によれば、燃料電池セルスタックは、前記第１冷却機構および第２冷却機構は、熱媒体が流れる熱媒体流路をそれぞれ備えており、前記第１冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体に対する流体抵抗が、前記第２冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体に対する流体抵抗よりも小さくなるように構成されている。
【００５７】
上記した構成によると、前記第１冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体に対する流体抵抗の方が、前記第２冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体に対する流体抵抗よりも小さくなる。このため、第１冷却機構の方が第２冷却機構よりも単位時間あたりに熱媒体流路を流れる熱媒体の流量が大きくなり冷却能力が高くなる。したがって、燃料電池セル間で生じる温度ばらつきを抑制することができる。
【００５８】
本発明に係る第３の態様によれば、燃料電池セルスタックは、前記第１冷却機構が備える熱媒体流路の流路断面積が、前記第２冷却機構が備える熱媒体流路の流路断面積よりも大きくなるように構成されている。
【００５９】
上記した構成によると、前記第１冷却機構が備える熱媒体流路の流路断面積が、前記第２冷却機構が備える熱媒体流路の流路断面積よりも大きくなる。このため、前記第１冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体に対する流体抵抗の方が、前記第２冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体に対する流体抵抗よりも小さくなる。したがって、第１冷却機構の方が第２冷却機構よりも単位時間あたりに熱媒体流路を流れる熱媒体の流量が大きくなり冷却能力が高くなる。このため、燃料電池セル間で生じる温度ばらつきを抑制することができる。
【００６０】
本発明に係る第４の態様によれば、燃料電池セルスタックは、前記第１冷却機構が備える熱媒体流路の流路長が、前記第２冷却機構が備える熱媒体流路の流路長よりも短くなるように構成されている。
【００６１】
上記した構成によると、前記第１冷却機構が備える熱媒体流路の流路長の方が、前記第２冷却機構が備える熱媒体流路の流路長よりも短い。このため、前記第１冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体に対する流体抵抗の方が、前記第２冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体に対する流体抵抗よりも小さくなる。したがって、第１冷却機構の方が第２冷却機構よりも単位時間あたりに熱媒体流路を流れる熱媒体の流量が大きくなり冷却能力が高くなる。このため、燃料電池セル間で生じる温度ばらつきを抑制することができる。
【００６２】
本発明に係る第５の態様によれば、燃料電池セルスタックは、前記第１冷却機構および前記第２冷却機構それぞれが備える熱媒体流路の延伸形状において、前記第１冷却機構の熱媒体流路の有する屈曲数が、前記第２冷却機構の熱媒体流路の有する屈曲数よりも少なくなるように構成されている。
【００６３】
上記した構成によると、第１冷却機構および第２冷却機構それぞれが備える熱媒体流路の延伸形状において、前記第１冷却機構の熱媒体流路の有する屈曲数の方が、前記第２冷却機構の熱媒体流路の有する屈曲数よりも少ない。このため、前記第１冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体に対する流体抵抗の方が、前記第２冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体に対する流体抵抗よりも小さくなる。したがって、第１冷却機構の方が第２冷却機構よりも単位時間あたりに熱媒体流路を流れる熱媒体の流量が大きくなり冷却能力が高くなる。このため、燃料電池セル間で生じる温度ばらつきを抑制することができる。
【００６４】
本発明に係る第６の態様によれば、燃料電池セルスタックは、前記１つのセルブロックの一方の端部に配置された熱伝導度が小さい電極層に、一方の主面が接触して配置され、当該主面に一方の反応ガスが流れる反応ガス流路が形成された小熱伝導度側セパレータと、前記１つのセルブロックの他方の端部に配置された熱伝導度が大きい電極層に、一方の主面が接触して配置され、当該主面に他方の反応ガスが流れる反応ガス流路が形成された大熱伝導度側セパレータと、をさらに備え、前記第１冷却機構が、前記小熱伝導度側セパレータの他方の主面の側に形成された第１熱媒体流路を有し、前記第２冷却機構が、前記大熱伝導度側セパレータの他方の主面の側に形成された第２熱媒体流路を有しており、前記小熱伝導度側セパレータの前記一方の主面の前記反応ガス流路以外の部分と前記熱伝導度が小さい電極層との接触面積が、前記大熱伝導度側セパレータの前記一方の主面の前記反応ガス流路の流路以外の部分と前記熱伝導度が大きい電極層との接触面積よりも大きい。
【００６５】
ここでセパレータは、一般的に良好な熱伝導性を有するものである。
【００６６】
上記した構成によると、小熱伝導度側セパレータおよび大熱伝導度側セパレータは、電極層に接する側の主面に反応ガス流路がそれぞれ形成されている。また、小熱伝導度側セパレータの一方の主面の反応ガス流路以外の部分と熱伝導度が小さい電極層との接触面積が、大熱伝導度側セパレータの一方の主面の反応ガス流路の流路以外の部分と熱伝導度が大きい電極層との接触面積よりも大きい。
【００６７】
このため、第１冷却機構が形成されている小熱伝導度側セパレータと該小熱伝導度側セパレータと接触する燃料電池セルとの接触面積の方が、第２冷却機構が形成されている大熱伝導度側セパレータと該大熱伝導度側セパレータと接触する燃料電池セルとの接触面積よりも大きくなる。
【００６８】
ここで、接触面積のより大きい第１冷却機構の方が、接触面積がより小さい第２冷却機構よりも熱媒体流路を流れる熱媒体と燃料電池セルとの熱交換を効率的に行なうことができる。
【００６９】
したがって、第１冷却機構の方が第２冷却機構よりも冷却能力が高くなり、その結果、燃料電池セル間で生じる温度ばらつきを抑制することができる。
【００７０】
本発明に係る第７の態様によれば、燃料電池発電装置は、高分子電解質膜および該高分子電解質膜の両面に形成されたカソード電極層及びアノード電極層を含む燃料電池セルと、前記燃料電池セルにおいて前記アノード電極層に供給された反応ガスである燃料ガスと前記カソード電極層に供給された反応ガスである酸化剤ガスとによる発電反応で生じた熱を取り去るための冷却機構とを有し、複数の前記燃料電池セルが前記高分子電解質膜の厚み方向に順に積層されセルブロックを形成しており、隣り合う２つの前記セルブロック間には前記冷却機構がそれぞれ設けられ、１つのセルブロックを構成するカソード電極層と前記アノード電極層とは互いに熱伝導度が異なっており、前記冷却機構が前記１つのセルブロックにおいて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た第１冷却機構と、該セルブロックにおいて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た第２冷却機構とを含んでいる燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルにおいて発電反応で生じた熱を取り去るために利用する熱媒体を、前記第１冷却機構および第２冷却機構に対して供給する熱媒体供給機構と、を備え、前記熱媒体供給機構が前記第１冷却機構に熱媒体を供給するために加える圧力よりも前記第２冷却機構に熱媒体を供給するために加える圧力の方が大きくなるように構成されている。
【００７１】
上記した構成によると燃料電池発電装置は、第１冷却機構に対して供給する熱媒体の方が、第２冷却機構に対して供給する熱媒体よりも大きな圧力をかけることができる。このため、第１冷却機構の方が第２冷却機構よりも単位時間あたりに熱媒体流路を流れる熱媒体の流量が大きくなり冷却能力が高くなる。したがって、燃料電池セル間で生じる温度ばらつきを抑制することができる。
【００７２】
よって、燃料電池発電装置では、冷却機構を複数の燃料電池単セル毎に設ける構成を有する燃料電池セルスタックにおいて良好な発電性能が得られるという効果を奏する。
【００７３】
本発明に係る第８の態様によれば、燃料電池発電装置は、高分子電解質膜および該高分子電解質膜の両面に形成されたカソード電極層及びアノード電極層を含む燃料電池セルと、前記燃料電池セルにおいて前記アノード電極層に供給された反応ガスである燃料ガスと前記カソード電極層に供給された反応ガスである酸化剤ガスとによる発電反応で生じた熱を取り去るための冷却機構とを有し、複数の前記燃料電池セルが前記高分子電解質膜の厚み方向に順に積層されセルブロックを形成しており、隣り合う２つの前記セルブロック間には前記冷却機構がそれぞれ設けられ、１つのセルブロックを構成するカソード電極層と前記アノード電極層とは互いに熱伝導度が異なっており、前記冷却機構が前記１つのセルブロックにおいて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た第１冷却機構と、該セルブロックにおいて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た第２冷却機構とを含んでいる燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルにおいて発電反応で生じた熱を取り去るために利用する熱媒体を、前記第１冷却機構および第２冷却機構に対して供給する熱媒体供給機構と、を備え、前記第１冷却機構および第２冷却機構は、熱媒体が流れる熱媒体流路をそれぞれ備えており、前記第１冷却機構の熱媒体流路を流れる熱媒体が、前記第２冷却機構の熱媒体流路を流れる熱媒体よりも熱容量が大きくなるように構成されている。
【００７４】
上記した構成によると、前記第１冷却機構の熱媒体流路を流れる熱媒体の方が、前記第２冷却機構の熱媒体流路を流れる熱媒体よりも熱容量が大きいため、第１冷却機構の方が第２冷却機構よりも冷却能力が高くなる。このため、燃料電池セル間で生じる温度ばらつきを抑制することができる。
【００７５】
よって、燃料電池発電装置では、冷却機構を複数の燃料電池単セル毎に設ける構成を有する燃料電池セルスタックにおいて良好な発電性能が得られるという効果を奏する。
【００７６】
（実施形態１）
また上記した知見に基づき、多孔率が異なる一対の電極層を含む燃料電池単セルから構成され、かつ冷却流路を複数組みの燃料電池単セル毎に設けた燃料電池セルスタックの実施形態として以下の燃料電池セルスタック１を提案する。以下、図５に基づき実施形態１に係る燃料電池セルスタック１の構成について説明する。図５は、本実施の形態に係る燃料電池セルスタック１の概略構成の一例を示す断面図である。
【００７７】
なお、便宜上、燃料電池セルスタック１は、２つのＭＥＡ（第１ＭＥＡ２ａおよび第２ＭＥＡ２ｂ）と、これら２つのＭＥＡを挟む５つのセパレータ（第１セパレータ３ａ〜第５セパレータ３ｅ）とから構成されるものとして簡略化して説明する。また、第１ＭＥＡ２ａおよび第２ＭＥＡ２ｂは、上述した燃料電池単セルＣと同様の構成を備えるものとして説明する。なお、第１ＭＥＡ２ａおよび第２ＭＥＡ２ｂ、第１セパレータ３ａ〜第５セパレータ３ｅそれぞれを区別して説明する必要がない場合は、単にＭＥＡ２、セパレータ３のように称する。同様に、後述する第１高分子電解質膜４ａ、第２高分子電解質膜４ｂについても高分子電解質膜４と称する。
【００７８】
（燃料電池セルスタックの構成）
図５に示すように本実施の形態に係る燃料電池セルスタック１は、ＭＥＡ２の高分子電解質膜４の厚み方向（積層方向）に、図５における上から第４セパレータ３ｄ、第２セパレータ３ｂ、第１ＭＥＡ２ａ、第１セパレータ３ａ、第２ＭＥＡ２ｂ、第３セパレータ３ｃ、および第５セパレータ３ｅの順に積層されている。ここで、第１ＭＥＡ２ａ及び第２ＭＥＡ２ｂがそれぞれ燃料電池単セルを構成している。そして、これら２つの燃料電池単セルは、第１セパレータ３ａを挟むようにして配置され、燃料電池単セルのセットであるセルブロックを構成している。
【００７９】
なお、本実施形態では、第１ＭＥＡ２ａおよび第２ＭＥＡ２ｂの電極層５はともに、図５において上から第１カソード５ｂ、第１アノード５ａ、および第２カソード５ｄ、第２アノード５ｃの順に配されている。そして、これら電極層５はセパレータを介して電気的に直列に接続されて、スタックとして使用される。なお、第１アノード５ａと第１カソード５ｂ、あるいは第２アノード５ｃと第２カソード５ｄを特に区別して説明する必要がない場合、単に電極層５と称する。
【００８０】
また、燃料電池セルスタック１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（不図示）により所定の締結圧にて加圧締結されている。従って、ＭＥＡ２とセパレータ３とは所定の圧力で面接触することになる。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、異なるセパレータ間で、触媒層６とガス拡散層７との側面を覆うようにシール材（不図示）が配置されている。
【００８１】
（ＭＥＡの構成）
第１ＭＥＡ２ａおよび第２ＭＥＡ２ｂはともに同様の構成を有するため、以下では代表して第１ＭＥＡ２ａの構成を説明する。
【００８２】
第１ＭＥＡ２ａは、水素イオンを選択的に輸送する高分子膜である第１高分子電解質膜４ａと、この第１高分子電解質膜４ａの両面に形成された一対の電極層５（第１アノード５ａと第１カソード５ｂ）とを備えている。
【００８３】
電極層５のうち、第１アノード５ａは、例えば、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする第１アノード触媒層６ａ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である第１アノードガス拡散層７ａとを備える。また、第１カソード５ｂは、例えば、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする第１カソード触媒層６ｂ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である第１カソードガス拡散層７ｂとを備える。
【００８４】
第１アノードガス拡散層７ａは第１アノード側カーボンシート８ａと第１アノード側カーボン層９ａとを備えてなる構成である。一方、第１カソードガス拡散層７ｂは第１カソード側カーボンシート８ｂと第１カソード側カーボン層９ｂとを備えてなる構成である。
【００８５】
第１高分子電解質膜４ａの両面を挟むように、第１カソード５ｂの第１カソード触媒層６ｂと第１アノード５ａの第１アノード触媒層６ａとが配されている。そして、第１カソード触媒層６ｂにおける第１高分子電解質膜４ａが配される側とは反対側の面に第１カソードガス拡散層７ｂが、第１アノード触媒層６ａにおける第１高分子電解質膜４ａが配される側とは反対側の面に第１アノードガス拡散層７ａがそれぞれ形成されている。
【００８６】
本実施形態では、第１ＭＥＡ２ａの第１アノードガス拡散層７ａの熱伝導率は、第１カソードガス拡散層７ｂの熱伝導率よりも大きくなっている。つまり、第１アノードガス拡散層７ａの多孔率が５０％であり、第１カソードガス拡散層７ｂの多孔率が７０％となっている。
【００８７】
なお、これ以降、第１アノード触媒層６ａと第１カソード触媒層６ｂとを特に区別して説明する必要がない場合、単に触媒層６と称する。さらに、第１アノードガス拡散層７ａと第１カソードガス拡散層７ｂとを特に区別して説明する必要がない場合、単にガス拡散層７と称する。
【００８８】
（触媒層）
次に第１ＭＥＡ２ａの電極層５が備える触媒層６について説明する。
【００８９】
触媒層６は、好ましくは、水素または酸素の酸化還元反応に対する触媒を含む層である。触媒層６は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応に対する触媒能を有するものであれば特に限定されない。
【００９０】
また、触媒層６は、例えば白金族金属触媒を担持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料とを主成分とした多孔質な部材から構成される。触媒層６に用いるプロトン導電性高分子材料は、高分子電解質膜４と同じ種類であっても、異なる種類であってもよい。
【００９１】
（ガス拡散層の構成）
次に第１ＭＥＡ２ａの電極層５が備えるガス拡散層７について説明する。
【００９２】
ガス拡散層７は、好ましくは、導電性を有する多孔質の部材である。ガス拡散層７は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。
【００９３】
例えば、ガス拡散層７は、炭素繊維を基材として用いたタイプであっても良いし、カーボンの微粉末をバインダーとともに混練してシート化したタイプのものや、金属の微粉末を焼結したタイプのものであっても良い。
【００９４】
炭素繊維を基材として用いたタイプのものとしては、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等が挙げられる。
【００９５】
炭素微粉末としては、グラファイト、カーボンブラック、活性炭、炭素繊維粉末などが挙げられる。前記カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカンなどが挙げられる。また、前記炭素繊維微粉末としては、気相成長法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、ミルドファイバー、カットファイバー、チョップファイバーなどが挙げられる。これらのうち、いずれか一種類を用いても良いし、複数混合したものを用いても良い。カーボンブラックと炭素繊維を混合することが、コスト、電気伝導性、強度の観点から好ましい。さらに、カーボンブラックとしては、アセチレンブラックを用いることが、不純物含有量が少なく、電気伝導性が高いという観点から好ましい。
【００９６】
バインダーとしては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、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）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、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）などが挙げられる。これらの中でもバインダーとしてＰＴＦＥが使用されることが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から好ましい。ＰＴＦＥの原料形態としては、ディスパージョン、粉末状などがあげられる。それらの中でもＰＴＦＥの原料形態としてディスパージョンが採用されることが、作業性の観点から好ましい。
【００９７】
金属微粉末としては、遷移金属微粉末、および、遷移金属合金微粉末が挙げられる。中でも、電気伝導性および耐酸性を有し、比較的安価である、チタン、ニッケル、ステンレス等を用いることが好ましい。
【００９８】
（セパレータの構成）
セパレータ３は、燃料電池単セル間に配置して、酸化剤（空気）および燃料ガスを遮断する役割を果たす板状の部品である。各燃料電池単セルをシールする機能のほかに、酸化剤および燃料ガスが流れる流路を作り込んでそれぞれを送り込む機能も有する。セパレータ３は、熱伝導性および導電性を兼ね備えている。
【００９９】
セパレータ３には、酸化剤（空気）と燃料ガスとを分離して燃料電池単セルに供給できるように、酸化剤ガス流路１１と燃料ガス流路１２とが形成される。また、２セルごとに配置されたセパレータ３には、燃料電池単セルにおいて生じる反応熱を取り去る（除去する）ための冷却水（熱媒体）を流通させる冷却流路（熱媒体流路）１０も形成される。また、冷却水は、ここでは特に図示しないが燃料電池セルスタック１の外部に設けられているポンプから冷却流路１０に送出されるようになっている。ポンプから第１冷却流路（熱媒体流路）１０ａおよび第２冷却流路（熱媒体流路）１０ｂそれぞれに冷却水が同一の流路管を通って送出される。
【０１００】
また、本実施形態では、セルブロックの両端に配置され、当該セルブロックを挟むセパレータ３（第２セパレータ３ｂ〜第５セパレータ３ｅ）は、例えば、２枚のセパレータ３が背中合わせに配置されてなる構成であり、この背中合わせに配置された２枚のセパレータの表裏３面を用いて、上述した酸化剤ガス流路１１、燃料ガス流路１２、および冷却流路１０が形成されている。一方、第１ＭＥＡ２ａと第２ＭＥＡ２ｂとの間に配置されるセパレータ３（第１セパレータ３ａ）については、その表裏２面を用いて酸化剤ガス流路１１および燃料ガス流路１２のみが形成されている。このように、本実施の形態に係る燃料電池セルスタック１は、２セル（第１ＭＥＡ２ａ及び第２ＭＥＡ２ｂ）ごとに冷却流路１０が形成されている。
【０１０１】
より具体的には、図５に示すように、第１ＭＥＡ２ａと第２ＭＥＡ２ｂとの間に配置される第１セパレータ３ａは、第２ＭＥＡ２ｂと接する側の面に第１酸化剤ガス流路１１ａが、その反対面で第１ＭＥＡ２ａと接する側の面に第１燃料ガス流路１２ａがそれぞれ形成されている。
【０１０２】
背中合わせに配置された第２セパレータ３ｂおよび第４セパレータ３ｄは、第１ＭＥＡ２ａを挟んで第１セパレータ３ａと対向する位置に配置されている。そして、第２セパレータ３ｂにおいて第１ＭＥＡ２ａと接する側の面に第２酸化剤ガス流路１１ｂが形成されている。さらにまた、第４セパレータ３ｄにおいて第２セパレータ３ｂと接する側の面に、第１冷却機構として機能する第１冷却流路１０ａが形成されている。
【０１０３】
一方、背中合わせに配置された第３セパレータ３ｃおよび第５セパレータ３ｅは、第２ＭＥＡ２ｂを挟んで第１セパレータ３ａと対向する位置に配置されている。そして、第３セパレータ３ｃにおいて第２ＭＥＡ２ｂと接する側の面に第２燃料ガス流路１２ｂが形成されている。また、第５セパレータ３ｅにおいて第３セパレータ３ｃと接する側の面に第２冷却流路１０ｂが形成されている。
【０１０４】
実施形態１では、第２冷却流路１０ｂの流路断面積よりも、第１冷却流路１０ａの流路断面積の方が大きくなっている。すなわち、実施形態１では、セルブロックの熱伝導度が小さいガス拡散層７が配置された一方の端部側にある第１冷却機構としての冷却流路１０aの方が、セルブロックの熱伝導度が大きいガス拡散層７が配置された他方の端部側にある第２冷却機構としての冷却流路１０bよりも流路断面積が大きくなるように形成されている。換言すると、冷却効率が悪いガス拡散層７側の方に、冷却効率が良いガス拡散層７側に配された第２冷却機構としての冷却流路１０bよりも冷却能力が高い第１冷却機構としての冷却流路１０aを配することで、燃料電池セルスタック１における燃料電池単セルの温度のばらつきを抑制するように構成されている。
【０１０５】
次に、上記した構成を有する燃料電池セルスタック１の作製例について説明する。
【０１０６】
（膜−触媒層接合体の作製）
まず、第１ＭＥＡ２ａの構成要素である膜−触媒層接合体の作成方法について説明する。
【０１０７】
ケッチェンブラック（導電性カーボンブラック）に白金コバルト合金を担持した触媒（田中貴金属、３６Ｅ５２）と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質溶液（旭硝子、Ｆｌｅｍｉｏｎ）とを、エタノールと水との混合分散媒（質量比１：１）に分散させてカソード触媒層形成用インクを調製する。このとき、カーボン粉末の質量ＷＣａｔ−Ｃに対する高分子電解質の質量ＷＰの比（ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃ）が１．０となるように、高分子電解質溶液の質量が調整されている。
【０１０８】
次に、得られたカソード触媒層形成用インクを用い、第１高分子電解質膜４ａ（ジャパンゴアテックス、ＧＳIII）の一方の面に、スプレー法によって塗布し、白金担持量が０．３ｍｇ／ｃｍ２で寸法が６０ｍｍ×６０ｍｍの第１カソード触媒層６ｂを形成する。
【０１０９】
また、ケッチェンブラックに白金ルテニウム合金を担持した触媒（田中貴金属、６１Ｅ５４）と、高分子電解質溶液（旭硝子（株）製のＦｌｅｍｉｏｎ）を、エタノールと水との混合分散媒（質量比１：１）に分散させてアノード触媒層形成用インクを調製する。このとき、カーボン粉末の質量ＷＣａｔ−Ｃに対する高分子電解質の質量ＷＰの比（ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃ）が０．８となるように、高分子電解質溶液の質量を調整する。
【０１１０】
次に、得られたアノード触媒層形成用インクを、第１高分子電解質膜４ａの第１カソード触媒層６ｂが形成された面とは反対側の面（第１高分子電解質膜４ａの他方の面）に、スプレー法によって塗布し、白金担持量が０．１ｍｇ／ｃｍ２で寸法が６０ｍｍ×６０ｍｍの第１アノード触媒層６ａを形成した。以上のようにして膜−触媒層接合体を作製する。
【０１１１】
（ガス拡散層の作製）
次に、第１アノード触媒層６ａの、第１高分子電解質膜４ａが配される側の面とは反対側の面に形成される第１アノードガス拡散層７ａ、ならびに第１カソード触媒層６ｂの第１高分子電解質膜４ａが配される側の面とは反対側の面に形成される第１カソードガス拡散層７ｂの作製方法について説明する。
【０１１２】
（カーボンシートの作製）
まず第１アノードガス拡散層７ａにおける第１アノード側カーボンシート８ａの作製方法について説明する。
【０１１３】
まず、アセチレンブラック（電気化学工業、デンカブラック（登録商標））５０ｇと、グラファイト（和光純薬工業）８０ｇと、ＶＧＣＦ（登録商標）（vapor grown carbon fibe；昭和電工、繊維径０．１５μｍ、繊維長１５μｍ）３ｇと、界面活性剤（トライトンＸ）４ｇと、水２００ｇとを、ミキサーに投入し、混練する。続いて、ミキサーにＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene））ディスパージョン（旭硝子、ＡＤ９１１、固形分比６０重量％）２５ｇを投入し、さらに５分間攪拌して混練物を得る。
【０１１４】
得られた混練物をミキサーの中から２０ｇ取り出し、延伸ロール機（ギャップ６００μｍ）にて、厚み６００μｍのシート状混練物とする。この後、シート状混練物を焼成炉にて３００℃で２時間熱処理し、混練物中の界面活性剤と水を除去する。
【０１１５】
界面活性剤と水を除去したシート状混練物を焼成炉から取り出し、再び延伸ロール機（ギャップ４００μｍ）にて圧延して厚さ調整及び厚さバラツキの低減を行ったのち、６ｃｍ角に裁断する。このようにして、厚さ４００μｍのゴム状の第１アノード側カーボンシート８ａを作製することができる。
【０１１６】
なお、第１アノード側カーボンシート８ａの重量と体積、および用いた材料の密度からこの第１アノード側カーボンシート８ａの多孔率を計算すると約５０％となる。
【０１１７】
また上述したように第１アノードガス拡散層７ａと第１カソードガス拡散層７ｂとにおいて熱伝導率が異なる。このため、上述した第１アノードガス拡散層７ａの作製方法に対して第１カソードガス拡散層７ｂの作製方法は以下の点で異なる。
【０１１８】
すなわち、アセチレンブラック（電気化学工業、デンカブラック（登録商標））１１５ｇと、グラファイト（和光純薬工業）１５ｇと、ＶＧＣＦ（登録商標）（vapor grown carbon fibe；昭和電工、繊維径０．１５μｍ、繊維長１５μｍ）３ｇと、界面活性剤（トライトンＸ）４ｇと、水２００ｇとを、ミキサーに投入する点で相違する。つまり、投入するアセチレンブラックとグラファイトとの分量がそれぞれ異なる。それ以降は第１アノードガス拡散層７ａの第１アノード側カーボンシート８ａと同様にして、第１カソードガス拡散層７ｂの第１カソード側カーボンシート８ｂを作製する。
【０１１９】
なお、第１カソード側カーボンシート８ｂの重量と体積、および用いた材料の密度からこの第１カソード側カーボンシート８ｂの多孔率を計算すると約７０％となる。
【０１２０】
（カーボン層の作製）
次に、第１アノードガス拡散層７ａにおける第１アノード側カーボン層９ａ、あるいは、第１カソードガス拡散層７ｂにおける第１カソード側カーボン層９ｂの作製方法について説明する。
【０１２１】
水１５１ｇと、界面活性剤（トライトンＸ）１ｇを容器に投入し、自公転攪拌脱泡器にて界面活性剤の分散処理を行う。続いて、アセチレンブラック（電気化学工業、デンカブラック（登録商標））１０ｇと、ＰＴＦＥディスパージョン（旭硝子、ＡＤ９１１、固形分比６０重量％）５．５ｇとを容器に投入し、自公転攪拌脱泡器にてアセチレンブラックとＰＴＦＥの分散処理を行う。さらに、フィルター（ＳＵＳ製、２００ｍｅｓｈ）を用いて粗大粒子を取り除いた後、自公転攪拌脱泡器を用いて脱泡処理を行うことで、分散液を得ることができる。
【０１２２】
得られた分散液を、ホットプレート上に置かれた第１アノード側カーボンシート８ａ、および第１カソード側カーボンシート８ｂそれぞれの一方の面に、スプレー法によって塗布する。そして、ホットプレート（摂氏６０度）により分散液のほぼ全量を乾燥により除去することで、分散液層を作製する。より具体的には、乾燥後の分散液層の重量が２．０ｍｇ／ｃｍ２となるように調整する。この後、分散液層が形成された第１アノード側カーボンシート８ａ、および第１カソード側カーボンシート８ｂを、焼成炉にて摂氏２４０度で２時間熱処理し、分散液層中の界面活性剤の除去を行う。以上のようにして、第１アノード側カーボンシート８ａおよび第１カソード側カーボンシート８ｂ上に、第１アノード側カーボン層９ａおよび第１カソード側カーボン層９ｂをそれぞれ作製することができる。
【０１２３】
（ＭＥＡの作製）
次に、第１ＭＥＡ２ａの作製方法について以下に説明する。
【０１２４】
まず、上述の「膜−触媒層接合体の作製」にて述べたようにして作製した膜−触媒層接合体と、上述の「ガス拡散層の作製」にて述べたようにして作製したガス拡散層７（第１アノードガス拡散層７ａ、第１カソードガス拡散層７ｂ）とを用意する。そして、第１アノードガス拡散層７ａが第１アノード触媒層６ａに、第１カソードガス拡散層７ｂが第１カソード触媒層６ｂに接するように、膜―触媒層接合体をこれら２枚のこれらガス拡散層７によって挟持し、第１ＭＥＡ２ａを作製する。
【０１２５】
（燃料電池セルスタックの作製）
次に本実施の形態に係る燃料電池セルスタック１の作製方法について説明する。
【０１２６】
上記したように作製された第１ＭＥＡ２ａおよび第２ＭＥＡ２ｂに加えて、第１セパレータ３ａ〜第５セパレータ３ｅを用意する。
【０１２７】
各セパレータ３の流路の周辺部にシール材（不図示）を配置する。そして厚み方向に、上から順に第４セパレータ３ｄ、第２セパレータ３ｂ、第１ＭＥＡ２ａ、第１セパレータ３ａ、第２ＭＥＡ２ｂ、第３セパレータ３ｃ、第５セパレータ３ｅの順となるように積層される。これらの積層構造を繰り返して、複数セル分（例えば、６セル分）を積層する。そして積層したその外側（積層方向における両端部）に集電板および絶縁板を配置し、これら集電板および絶縁板により積層されたセルを挟み、締結具で締結する。これにより、本実施の形態に係る燃料電池セルスタック１を作製することができる。なお、本実施の形態に係る燃料電池セルスタック１の積層構造、より具体的には、図５に示す、２つの燃料電池単セルからなるセルブロックを複数積層して構成した燃料電池セルスタック１の積層構造の詳細については後述する。
【０１２８】
以上の作製方法によって作製された燃料電池セルスタック１では、上述したように多孔率が小さいアノードガス拡散層を介して第２ＭＥＡ２ｂと近接する第２冷却流路１０ｂよりも、多孔率が大きいカソードガス拡散層を介して第１ＭＥＡ２ａと近接する第１冷却流路１０ａの方が、流路断面積が大きくなっている。つまり、第１冷却流路１０ａの方が第２冷却流路１０ｂよりも流路内を流れる冷却水が受ける流体抵抗が小さくなり、単位時間あたりの流量を増すことができる。それゆえ、第１冷却流路１０ａの方が燃料電池単セルから単位時間あたりに外部に流出させる熱量を大きくすることができ、冷却能力を高くすることができる。
【０１２９】
このように２セル構成において、熱伝導性がより低い電極層５を介してＭＥＡ２と近接する冷却流路１０を、熱伝導性がより高い電極層５を介してＭＥＡ２と近接する冷却流路１０よりも冷却能力が高い流路とすることで、第１ＭＥＡ２ａと第２ＭＥＡ２ｂとの間で生じる温度ばらつきを抑制することができる。そして、温度ばらつきを抑制することができるため、性能のばらつきも抑制され、結果的には燃料電池セルスタック１の発電性能を向上させることができる。
【０１３０】
なお、上記では第１冷却流路１０ａと第２冷却流路１０ｂとにおいて、流路断面積を変えることで単位時間あたりに流れる冷却水の流量を変え、両者の間の冷却能力を変える構成であった。しかしながら、冷却能力を変える構成はこれに限定されるものではなく、以下の変形例１〜３を提案することができる。
【０１３１】
（変形例１）
変形例１に係る燃料電池セルスタック１は、図５に示す燃料電池セルスタック１の構成と比較して、第１冷却流路１０ａと第２冷却流路１０ｂとの流路断面積が同じとなる点で異なる。また、第２ＭＥＡ２ｂと近接する第２冷却流路１０ｂの流路長さを、第１ＭＥＡ２ａと近接する第１冷却流路１０ａの流路長さよりも長くなるように構成している点でも異なる。
【０１３２】
この変形例１に係る構成の場合、冷却流路１０の流路長さが長くなればなるほど、冷却水が受ける流体抵抗が大きくなり、結果として単位時間あたりに流れる冷却水の流量が小さくなる。このため、第２冷却流路１０ｂよりも、第１冷却流路１０ａの方が、冷却能力が大きくなるようにすることができる。
【０１３３】
なお、実施形態１（変形例１）に係るセルブロックを複数、積層して構成した燃料電池セルスタック１の積層構造については、後述する例に倣って、適宜作製することができる。すなわち、セパレータ３の一方の面に流路長さの長い冷却流路１０を形成し、他方の面に流路長さの短い冷却流路１０を形成することで、構成することができる。
【０１３４】
(変形例２)
変形例２に係る燃料電池セルスタック１は、図５に示す燃料電池セルスタック１の構成と比較して、第１冷却流路１０ａと第２冷却流路１０ｂとの流路断面積が同じとなる点で異なる。また、セパレータ３に形成される第１冷却流路１０ａの延伸形状と第２冷却流路１０ｂの延伸形状が違う点でも異なっている。
【０１３５】
すなわち、変形例２に係る燃料電池セルスタック１では、図６および図７に示すように、第２冷却流路１０ｂの延伸形状を第１冷却流路１０ａの延伸形状よりも屈曲数がよりも大きくなる形状とすることで、冷却能力を変える構成とする。図６および図７は実施形態１に係る燃料電池セルスタック１のセパレータ３に形成された冷却流路１０の延伸形状の一例を示す図である。
【０１３６】
すなわち、図６に示す例では第２冷却流路１０ｂの延伸形状を示しており、その形状は、第３セパレータ３ｃの上方側端部に形成された冷却水入口である入口マニホールド１３からからその対向する他端（下方側端部）に形成された冷却水出口である出口マニホールド１４に向かって左右対称に凹凸を形成するように屈曲しながら延びる、いわゆるサーペンタイ形状となっている。
【０１３７】
一方、図７に示す例では第１冷却流路１０ａの延伸形状を示しており、その形状は、第４セパレータ３ｄの上方側端部に形成された入口マニホールド１３からその対向する他端（下方側端部）に形成された出口マニホールド１４に向かって直線状に延びる形状とする。
【０１３８】
すなわち、図６に示す第２冷却流路１０ｂの方が図７に示す第１冷却流路１０ａよりも屈曲数が多い形状となっている。
【０１３９】
ところで、冷却流路１０の屈曲数が多くなればなるほど、冷却水が受ける流体抵抗が大きくなり、結果として単位時間当たりに流れる冷却水の流量が小さくなる。したがって、上記したように延伸形状における屈曲数を異ならせることで、第１冷却流路１０ａの方が第２冷却流路１０ｂよりも冷却能力が高くなるように構成することができる。
【０１４０】
なお、実施形態１（変形例２）に係るセルブロックを複数、積層して構成した燃料電池セルスタック１の積層構造については、後述する例に倣って、適宜作製することができる。すなわち、セパレータ３の一方の面に屈曲数の多い冷却流路１０を形成し、他方の面に屈曲数の少ない冷却流路１０を形成することで、構成することができる。
【０１４１】
また、上記では冷却流路１０の流路断面積、流路長、あるいは屈曲数など流路自体の形状を異ならせることで、冷却流路１０を流れる冷却水の流体抵抗を変化させ、結果として冷却能力を変化させていた。しかしながら、このような冷却水の流体抵抗を変化させることで冷却能力を変化させる構成に限定されるものではない。
【０１４２】
以下、「変形例３」として、冷却水の流体抵抗を変化させる代わりに、冷却流路１０を流れる冷却水とＭＥＡ２との間における熱伝導度（熱抵抗）を変えることで、冷却機構による冷却能力を異ならせる構成について説明する。
【０１４３】
（変形例３）
「変形例３」に係る燃料電池セルスタック１は、図８に示すように、セパレータ３において酸化剤ガス流路１１および燃料ガス流路１２の流路表面積を変えることで、セパレータ３とＭＥＡ２との接触面積を変えるように構成する。図８は、実施形態１に係る燃料電池セルスタック１の概略構成の他の例を示す断面図である。
【０１４４】
より具体的には、図８に示す燃料電池セルスタック１は、図５に示した燃料電池セルスタック１と比較して、以下の点で異なる。
【０１４５】
すなわち、変形例３に係る燃料電池セルスタック１では、第１冷却流路１０ａおよび第２冷却流路１０ｂの断面形状が同じ断面形状となる点で図５に示した燃料電池セルスタック１と異なる。逆に、図８に示す変形例３に係る燃料電池セルスタック１は、燃料ガス流路１２の流路表面積と酸化剤ガス流路１１の流路表面積とが違う点でも図５に示した燃料電池セルスタック１とは異なる。
【０１４６】
このため、第１冷却流路１０ａが形成されている側にある第２セパレータ３ｂ（小熱伝導度側セパレータ）と第１ＭＥＡ２ａとの接触面積が、第２冷却流路１０ｂが形成されている側にある第３セパレータ３ｃ（大熱伝導度側セパレータ）と第２ＭＥＡ２ｂとの接触面積よりも大きくなる。
【０１４７】
ここで、ＭＥＡ２とセパレータ３との接触面積が大きいということは、このセパレータ３に形成された流路による空隙の表面積が小さいということである。空隙部分は、セパレータ３の部分よりも熱伝導度が小さいため、空隙部分の表面積を小さくするということは結果として、冷却流路１０の熱媒体とＭＥＡ２との間における熱伝導度を高めることになる。つまり、セパレータ３とＭＥＡ２との接触面積を変えることで冷却流路１０の熱媒体とＭＥＡ２との間における熱伝導度(熱抵抗)を変えることができる。
【０１４８】
「変形例３」では、第１ＭＥＡ２ａと接する第２セパレータ３ｂに形成された第２酸化剤ガス流路１１ｂの表面積よりも、第２ＭＥＡ２ｂと接する第３セパレータ３ｃに形成された第２燃料ガス流路１２ｂの表面積の方が大きくなっている。このため、第２ＭＥＡ２ｂと第２冷却流路１０ｂとの間における第３セパレータ３ｃの熱伝導度よりも、第１ＭＥＡ２ａと第１冷却流路１０ａとの間における第２セパレータ３ｂの熱伝導度の方が大きくなる。したがって、第１冷却流路１０ａ側の方が第２冷却流路１０ｂ側よりも冷却能力を高めることができる。
【０１４９】
なお、実施形態１（変形例３）に係るセルブロックを複数、積層して構成した燃料電池セルスタック１の積層構造については、後述する例に倣って、適宜作製することができる。すなわち、一方のセルブロックと接するセパレータ３に表面積の小さい空隙部分となる反応ガス流路（酸化剤ガス流路１１）が形成されている。逆に、他方のセルブロックと接するセパレータ３には表面積が大きい空隙部分となる反応ガス流路（燃料ガス流路１２）が形成されている。そして、このように形成された２枚のセパレータを間に挟み込んでセルブロックを積層して構成することができる。この構成についての詳細は、後述する。
【０１５０】
以上のように、燃料電池セルスタック１は、第１、第２高分子電解質膜４ａ、４ｂそれぞれの両面に形成された熱伝導度が異なる一対の第１アノード５ａ，第１カソード５ｂ、第２アノード５ｃ，第２カソード５ｄを含む燃料電池単セルと、燃料電池単セルにおいて生じる反応熱を取り去るための冷却流路１０とを備えている。そして、複数の燃料電池単セルが第１、第２高分子電解質膜４ａ、４ｂの厚み方向に積層されセルブロックを形成している。このセルブロックの、第１、第２高分子電解質膜４ａ、４ｂの厚み方向における両端部には第１冷却流路１０ａ、第２冷却流路１０ｂがそれぞれ設けられており、セルブロックにおける熱伝導度が大きい電極層５側に配置されている第１冷却流路１０ａよりも、セルブロックにおける熱伝導度が小さい電極層５側に配置されている第２冷却流路１０ｂの方が、冷却能力が大きくなっている。
【０１５１】
また、実施形態１に係る燃料電池セルスタック１では、その冷却機構としてセパレータ３（第２セパレータ３ｂ、第４セパレータ３ｄ、および第３セパレータ３ｃ、第５セパレータ３ｅ）に冷却流路１０（第１冷却流路１０ａ、第２冷却流路１０ｂ）が形成され、該冷却流路１０を流れる冷却水により冷却がなされる構成であった。また、例えば第１セパレータ３ａには、第１酸化剤ガス流路１１ａが、その面の反対面で第１燃料ガス流路１２ａがそれぞれ形成される構成であった。
【０１５２】
すなわち、実施形態１では、セパレータ３に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水用の各マニホールド孔を設けて積層した際に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各供給マニホールドが形成されるように構成した内部マニホールド方式のものを例示して説明した。
【０１５３】
しかしながら、燃料電池セルスタック１の側面に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各供給マニホールドを設けた、所謂、外部マニホールド方式のものにも、同様に適用でき、同様の効果を得ることができる。
【０１５４】
また、セパレータ３は、薄い板を折り曲げて冷却流路１０を形成したものであってもよい。またセパレータ３の呼び名は、様々であり、例えばフローフィールドプレート（双極板）などであってもよい。
【０１５５】
実施形態１では、燃料電池セルスタック１の構成を工夫することで、多孔度が大きい電極層５側に配された冷却流路１０と多孔度が小さい電極層５側に配された冷却流路１０との冷却能力を異ならせていた。
【０１５６】
しかしながら、燃料電池セルスタック１の構成を工夫するのではなく、この燃料電池セルスタック１を備えた燃料電池発電装置の構成を工夫することで、多孔度が大きい電極層５側に配された冷却流路１０と多孔度が小さい電極層５側に配された冷却流路１０との冷却能力を異ならせた構成としてもよい。
【０１５７】
以下、実施形態２として、燃料電池発電装置の構成を工夫することで、多孔度が大きい電極層５側に配された冷却流路１０と多孔度が小さい電極層５側に配された冷却流路１０との冷却能力を異ならせる構成について説明する。
【０１５８】
（実施形態２）
次に、実施形態２について図９を参照して説明する。図９は、実施形態２に係る燃料電池発電装置の概略構成の一例を示す模式図である。なお、図９に示す燃料電池発電装置では、燃料電池セルスタック１に冷却水を供給する方法を説明するために、冷却流路１０に冷却水を供給する構成のみを示しており、燃料ガスおよび酸化剤ガスなどの供給経路、ならびに改質器等の他の構成要素については省略している。
【０１５９】
また、燃料電池発電装置が備える燃料電池セルスタック１は、実施形態１に係る燃料電池セルスタック１（図５に示す燃料電池セルスタック１）の構成と比較して、第１冷却流路１０ａと第２冷却流路１０ｂとの流路断面積が同じとなる点で異なる以外は同様な構成を有している。ただし、図９に示すように、燃料電池セルスタック１を備えた燃料電池発電装置の構成が以下の点で異なる。
【０１６０】
すなわち、実施形態２に係る燃料電池発電装置は、図５に示す燃料電池セルスタック１を備えた燃料電池発電装置とは、燃料電池セルスタック１の外部にポンプ（熱媒体供給機構）１５を備えている点では同様である。ただし、燃料電池セルスタック１における第１冷却流路１０ａおよび第２冷却流路１０ｂに対して、２つのポンプ１５からそれぞれ別系統で冷却水が送出（供給）されるように構成されている点で異なる。
【０１６１】
より具体的には、図９に示すように、実施形態２に係る燃料電池発電装置は、燃料電池セルスタック１と、第１ポンプ１５ａと、第２ポンプ１５ｂを備えている。第１ポンプ１５ａから供給された冷却水が燃料電池セルスタック１の第１冷却流路１０ａを流通し、この第１ポンプに戻ってくるように、第１系統経路１６ａを循環する。一方、第２ポンプ１５ｂから供給された冷却水が燃料電池セルスタック１の第２冷却流路１０ｂを流通し、この第２ポンプに戻ってくるように、第２系統経路１６ｂを循環する。
【０１６２】
また、燃料電池セルスタック１は、第１入口マニホールド１３ａ、第２入口マニホールド１３ｂ、第１出口マニホール１４ａ、及び第２出口マニホールド１４ｂを備えている。第１ポンプ１５ａから入口マニホールド１に供給された冷却水は、第１冷却流路１０ａ（図９では不図示）に供給され、第２ポンプ１５ｂから第２入口マニホールド１３ｂに供給された冷却水は、第２冷却流路１０ｂ（図９では不図示）に供給される。
【０１６３】
そして、第１冷却流路１０ａに供給された冷却水、及び第２冷却流路１０ｂに供給された冷却水は、それぞれ、第１出口マニホールド１４ａ、及び第２出口マニホールド１４ｂを介して燃料電池セルスタック１外に排出される。そして、燃料電池セルスタック１外に排出された冷却水は、第１出口マニホールド１４ａから第１系統経路１６ａを通じて第１ポンプ１５ａへ、第２出口マニホールド１４ｂから第２系統経路１６ｂを通じて第２ポンプ１５ｂへと向かう。
【０１６４】
ここで、実施形態２に係る燃料電池発電装置では、第２ポンプ１５ｂから第２冷却流路１０ｂに送出する冷却水に加える圧力よりも、第１ポンプ１５ａから第１冷却流路１０ａに送出する冷却水に加える圧力の方が大きくなるように設定されている。このように構成することで第２冷却流路１０ｂよりも第１冷却流路１０ａを流れる冷却水の単位時間あたりの流量を大きくすることができる。よって、第１冷却流路１０ａの方が第２冷却流路１０ｂよりも冷却能力が高くなるように構成することができる。
【０１６５】
なお、上述した実施形態２に係る燃料電池発電装置では、２台の第１ポンプ１５ａおよび第２ポンプ１５ｂを備え、それぞれから供給する冷却水に加える圧力をそれぞれ異ならせる構成であった。しかしながら、この構成に限定されるものではない。
【０１６６】
以下に図１０を参照して実施形態２係る変形例１を説明する。
【０１６７】
（変形例１）
図１０は、実施形態２の変形例１に係る燃料電池発電装置の概略構成の一例を示す模式図である。なお、図１０に示す燃料電池発電装置では、図９と同様に、燃料電池セルスタック１に冷却水を供給する方法を説明するために、冷却流路１０に冷却水を供給する構成のみを示しており、燃料ガスおよび酸化剤ガスなどの供給経路、ならびに改質器等の他の構成要素については省略している。
【０１６８】
実施形態２の「変形例１」に係る燃料電池発電装置は、実施形態２として上記した燃料電池発電装置と比較して、備えるポンプが１台であり、供給される冷却水が流通する系統経路１６が１つである点で異なる。また、系統経路１６の一部が分岐しており、一方の分岐経路に絞り機構１８が備えられている点でも異なる。
【０１６９】
より具体的には、実施形態２の「変形例１」に係る燃料電池発電装置は、図１０に示すように、ポンプ１５から燃料電池セルスタック１の入口マニホールド１３に至るまでの系統経路１６が第１分岐経路１７ａと第２分岐経路１７ｂとに分岐している。そして、第２分岐経路１７ｂに絞り機構１８が備えられている。なお、絞り機構１８としてオリフィスが例示される。
【０１７０】
また、燃料電池セルスタック１は、２つの入口マニホールド（第１入口マニホールド１３ａ、第２入口マニホールド１３ｂ）と、１つの出口マニホールド１４とを備えている。そして、第１入口マニホールド１３ａに供給された冷却水は、第１冷却水流路１０ａ（図１０では不図示）に供給され、一方、第２入口マニホールド２に供給された冷却水は、第２冷却水流路１０ｂ（図１０では不図示）に供給される。第１冷却水流路１０ａ、及び第２冷却水流路１０ｂそれぞれに供給された冷却水は、出口マニホールド１４を介して燃料電池セルスタック１外に排出される。そして、燃料電池セルスタック１外に排出された冷却水は系統経路１６を通じてポンプ１５に供給される。
【０１７１】
このような構成において、第２分岐経路１７ｂに備えられた絞り機構１８を調整することにより、第１入口マニホールド１３ａに送出される冷却水の水圧が、第２入口マニホールド２に送出される冷却水の水圧よりも大きくなるように構成することができる。
【０１７２】
なお、上述した実施形態２の「変形例１」では、入口マニホールド１３を２つ備えるとともに出口マニホールド１４を１つ備え、入口マニホールド１３の一方とポンプ１５との間に絞り機構１８を設ける形態を示した。しかしながら、この形態に限定されるものではない。例えば、出口マニホールド１４を２つ備えるとともに、入口マニホールド１３を１つ備え、出口マニホールド１４の一方とポンプ１５との間に絞り機構１８を設ける構成としても良い。
【０１７３】
上述した実施形態２およびその「変形例１」では、第１冷却流路１０ａを流通させる冷却水と第２冷却流路１０ｂを流通させる冷却水とにおいて、冷却水に加える圧力を異ならせることで冷却能力を異ならせる構成について説明した。
【０１７４】
以下では、実施形態２に係る燃料電池発電装置の構成を利用して第１冷却流路１０ａと第２冷却流路１０ｂとの冷却能力を異ならせる他の実施例を、実施形態２の「変形例２」として説明する。
【０１７５】
（変形例２）
実施形態２の「変形例２」に係る燃料電池発電装置は、実施形態２として説明した燃料電池発電装置と同様に、２つのポンプ１５、２つの系統経路１６を備え、燃料電池セルスタック１には２つの入口マニホールド１３と２つの出口マニホールド１４とが設けられた構成となっている。
【０１７６】
ただし、実施形態２で説明した燃料電池発電装置では、第１ポンプ１５ａから供給する冷却水に加える圧力を第２ポンプ１５ｂから供給する冷却水に加える圧力よりも大きくする構成であった。これに対して、実施形態２の「変形例２」に係る燃料電池発電装置は、第１ポンプ１５ａおよび第２ポンプ１５ｂから送出する熱媒体それぞれに加える圧力は同じである。また、実施形態２に係る燃料電池発電装置は、第１系統経路１６ａおよび第２系統経路１６ｂを流通する熱媒体は、ともに冷却水であったが、実施形態２の「変形例２」に係る燃料電池発電装置は、第２系統経路１６ｂを循環し、第２冷却流路１０ｂを流れる熱媒体よりも、第１系統経路１６ａを循環し、第１冷却流路１０ａを流れる熱媒体の方が、熱容量が大きくなっている点で異なる。
【０１７７】
すなわち、実施形態２に係る燃料電池発電装置が備える燃料電池セルスタック１では、第１冷却流路１０ａおよび第２冷却流路１０ｂを流れる熱媒体として冷却水を利用していた。しかしながら、実施形態２の「変形例２」に係る燃料電池発電装置が備える燃料電池セルスタック１では、第１冷却流路１０ａを流れる熱媒体の方が、第２冷却流路１０ｂを流れる熱媒体よりも熱容量が大きい物質を採用することで、第１冷却流路１０ａの冷却能力を第２冷却流路１０ｂの冷却能力よりも大きくなるように構成する。
【０１７８】
例えば、第１冷却流路１０ａを流れる熱媒体として冷却水を採用し、第２冷却流路１０ｂを流れる熱媒体として、冷却水よりも熱容量が小さい物質を採用することで、第１冷却流路１０ａの冷却能力を第２冷却流路１０ｂの冷却能力よりも大きくなるようにすることができる。なお、熱媒体として採用可能な、冷却水よりも熱容量が小さい物質としては、例えば、エチレングリコール、シリコーンオイル等が挙げられる。また、これら熱媒体の熱容量は、熱容量が大きい順に、冷却水、エチレングリコール、シリコーンオイルとなる。そこで、第１冷却流路１０ａを流れる熱媒体として、エチレングリコールを、第２冷却流路１０ｂを流れる熱媒体としてシリコーンオイルを採用し、熱容量を異ならせる構成としてもよい。
【０１７９】
（燃料電池セルスタックの積層構造）
以下に、複数のセルブロックが積層された燃料電池セルスタック１の積層構造についてより詳細に説明する。ここでは図５に示すセルブロックを複数、積層させて燃料電池セルスタック１を構成した場合を例に挙げて説明する。
【０１８０】
複数のセルブロックを積層し、燃料電池セルスタック１を構成する場合、燃料電池セルスタック１は図１１に示す構成となる。すなわち、図１１および図１２に示すように、隣接するセルブロック間に配置されるセパレータは、３枚のセパレータ３が配置された構成とする。つまり、図５に示す燃料電池セルスタック１の端部にて、背中合せに配置されている２枚のセパレータ３に、隣接するセルブロック用の反応ガス流路（酸化剤ガス流路１１または燃料ガス流路１２）が形成されたセパレータ３をさらに加える。また、冷却流路１０が形成されているセパレータ３には、表裏両面に冷却能力が異なるセパレータ３が形成される。
【０１８１】
より具体的には、図１１において、第１セルブロックと第２セルブロックとの間には、第２セパレータ３ｂ、第４セパレータ３ｄ、および第６セパレータ３ｆの３枚のセパレータが配置される。そして、第１セルブロックの第１カソード５ｂと接する第２セパレータ３ｂには、図１２に示すように第２酸化剤ガス流路１１ｂが形成される。第２セパレータ３ｂと隣接して配置される第４セパレータ３ｄには、第２セパレータ３ｂと接する側の面に、冷却能力が大きい（流路断面積が大きい）第１冷却流路１０ａが、その面とは反対側となる面には冷却能力が小さい（流路断面積が小さい）第２冷却流路１０ｂが形成される。さらに、第４セパレータ３ｄと隣接して配置される第６セパレータ３ｆは、第２セルブロックのアノードと接するようになっており、このアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路（第２燃料ガス流路１２ｂ）が形成されている。
【０１８２】
なお、図１１は、実施形態１に係る燃料電池セルスタック１の積層構造の一例を示す図である。また、図１２は、図１１に示す燃料電池セルスタック１においてセルブロック間に設けられたセパレータ３の概略構成の一例を示す図である。
【０１８３】
以上のように、複数のセルブロックを積層して構成された燃料電池セルスタック１では、第２冷却流路１０ｂは、カソード側の面に冷却能力の大きい冷却流路１０ａが、アノード側の面に冷却能力が小さい冷却流路１０ｂが形成される。そして、この第２冷却流路１０ｂを真ん中にして、挟みこむように、第２酸化剤ガス流路が形成された第２セパレータ３ｂと第２燃料ガス流路１２が形成された第６セパレータ３ｆとがそれぞれ配置された構成とする。
【０１８４】
なお、複数のセルブロックが積層された燃料電池セルスタック１の積層構造は上記した構成に限定されるものではない。
【０１８５】
例えば、図１３に示すように、隣接するセルブロック間に配されるセパレータを３枚のセパレータ３から構成せずに、図５に示す燃料電池セルスタック１の構成と同様に、２枚のセパレータ３から構成されるようにする。そして、２枚のセパレータ３のうち、第１セルブロックと接する側のセパレータ(第２セパレータ３ｂ)において、この第１セルブロックのカソード（第１カソード５ｂ）と接する側の面に、カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路１１が形成される。一方、２枚のセパレータのうち、第２セルブロックと接する側のセパレータ(第４セパレータ３ｄ)において、この第２セルブロックのアノード(第２アノード５ｃ)と接する側の面に、アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路１２が形成する。
【０１８６】
さらにまた、２枚のセパレータ３の間に、両セパレータ３を跨ぐように冷却流路１０が形成される。なお、冷却流路１０は、両セパレータ３を跨ぐように形成されるのではなく、いずれか一方のセパレータ３にだけ形成されていてもよい。
【０１８７】
すなわち、２枚のセパレータ３において冷却流路１０が形成される位置は、酸化剤ガス流路１１および燃料ガス流路１２の形成に邪魔にならない位置であれば任意に選択できる。
【０１８８】
このように形成されたセパレータ３を異なるセルブロック間に配置するようにして、複数のセルブロックを積層していき、燃料電池セルスタック１を構成する。
【０１８９】
ただし、第１セルブロックでは、第２アノード５ｃ、第１アノード５ａの多孔度が５０％であり、第２カソード５ｄ、第１カソード５ｂの多孔度が７０％となっている。これに対して、第１セルブロックに隣接する第２セルブロックでは第２アノード５ｃ、第１アノード５ａの多孔度が７０％であり、第２カソード５ｄ、第１カソード５ｂの多孔度が５０％となっている（燃料電池単セルD）。すなわち、第１セルブロックと第２セルブロックとではアノードの多孔度とカソードの多孔度との関係が反対となっている。これは、冷却能力の異なる冷却流路１０の配置が、第１セルブロックで見た場合と第２セルブロックで見た場合とでは逆転するからである。
【０１９０】
なお、発明の基礎となった知見で述べたように、第１、第２アノード５ａ、５ｃと第１、第２カソード５ｂ、５ｄとは同一セルブロックにおいて一方が他方よりも多孔度が大きくなっていればよい。つまり、第１、第２アノード５ａ、５ｃよりも第１、第２カソード５ｂ、５ｄの方が、多孔度が大きくなってもよいし、その逆であっても燃料電池セルスタック１における発電効率には影響がない。
【０１９１】
また、実施形態１の「変形例３」に係る構成（図８参照）の場合は、上記した積層構造と同様に隣接するセルブロックの間に配されるセパレータは、２枚のセパレータ３で構成する。そして、第２セルブロックと接する第４セパレータ３ｄに、この第２セルブロックのアノード(第２アノード５ｃ)に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路（第２燃料ガス流路１２ｂ）を形成する。
【０１９２】
なお、第４セパレータ３ｄに形成される燃料ガス流路（第２燃料ガス流路１２ｂ）は、第４セパレータ３ｄと背中合わせで配され第１セルブロックと隣接する第２セパレータ３ｂに形成された酸化剤ガス流路（第２酸化剤ガス流路１１ｂ）よりも電極層５との接触面積が大きくなるように形成されている。
【０１９３】
この実施形態１の「変形例３」に係る構成の場合では、上述したように、第１セルブロックと第２セルブロックとにおいて、アノードの多孔度とカソードの多孔度との関係を反対とする必要なはい。
【０１９４】
なお、上記では、２つの燃料電池単セルごとに１つの冷却流路１０が設けられた燃料電池セルスタック１の構成（２セル構成）を例に挙げて説明したが、この構成に限定されるものではない。例えば、３つの燃料電池単セルごと、４つの燃料電池単セルごとなど３以上の燃料電池単セルごとに冷却流路１０が設けられた構成であってもよい。
【０１９５】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１９６】
本発明の燃料電池セルスタックは、冷却機構を複数の燃料電池単セル毎に設け、コストダウンと短尺化を図った燃料電池セルスタックに好適に利用される。
【符号の説明】
【０１９７】
１      燃料電池セルスタック
２      ＭＥＡ
３      セパレータ
３ａ    第１セパレータ
３ｂ    第２セパレータ
３ｃ    第３セパレータ
３ｄ    第４セパレータ
３ｅ    第５セパレータ
４      高分子電解質膜
４ａ    第１高分子電解質膜
４ｂ    第２高分子電解質膜
５      電極層
５ａ    第１アノード
５ｂ    第１カソード
５ｃ    第２アノード
５ｄ    第２カソード
６      触媒層
６ａ    第１アノード触媒層
６ｂ    第１カソード触媒層
７      ガス拡散層
７ａ    第１アノードガス拡散層
７ｂ    第１カソードガス拡散層
８ａ    第１アノード側カーボンシート
８ｂ    第１カソード側カーボンシート
９ａ    第１アノード側カーボン層
９ｂ    第１カソード側カーボン層
１０    冷却流路
１０ａ  第１冷却流路
１０ｂ  第２冷却流路
１１    酸化剤ガス流路
１１ａ  第１酸化剤ガス流路
１１ｂ  第２酸化剤ガス流路
１２    燃料ガス流路
１２ａ  第１燃料ガス流路
１２ｂ  第２燃料ガス流路
１３ａ  冷却水入口
１３ｂ  冷却水入口
１４ａ  冷却水出口
１４ｂ  冷却水出口
１５    ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図４】
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