(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却機構を複数のセル毎に設けることにより、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と第１アノード触媒層６ａ、第１カソード触媒層６ｂとを有する一対の電極層から構成される。積層された複数の燃料電池単セルごとに冷却流路が設けられており、一対の電極層それぞれは、燃料電池単セルの積層方向に順に配置されており、第１冷却流路１０ａと隣り合う燃料電池単セルにおいて、第１冷却流路１０ａが配置されている側の第１アノードガス拡散層７ａの熱伝導率が、第１冷却流路１０ａが配置されていない側の第１カソードガス拡散層７ｂの熱伝導率よりも大きくなる。【選択図】図８
2013084486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質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含む燃料電池セルと、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設けられており、
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、
隣り合う２つの前記セルブロックにおいて、各セルブロックの中で前記冷却機構と隣り合う燃料電池セルでは、前記冷却機構が配置されている側の電極層のガス拡散層である第１ガス拡散層の熱伝導率が、冷却機構が配置されていない側の電極層のガス拡散層である第２ガス拡散層の熱伝導率よりも大きい、燃料電池セルスタック。
【請求項２】
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１ガス拡散層よりも前記第２ガス拡散層の方が大きい、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ガス拡散層の厚みは、前記第２ガス拡散層の厚みよりも小さい、請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項４】
前記第１ガス拡散層を構成する材料の熱伝導率は、前記第２ガス拡散層を構成する材料の熱伝導率よりも大きい、請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項５】
前記第１ガス拡散層及び前記第２ガス拡散層は、それぞれを構成する材料として炭素繊維を含んでおり、
前記第１ガス拡散層に含まれる炭素繊維の量が前記第２ガス拡散層に含まれる炭素繊維の量よりも多い、請求項４に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項６】
前記第１ガス拡散層及び前記第２ガス拡散層は、それぞれを構成する材料として同じ金属成分を含んでおり、
前記第１ガス拡散層に含まれる金属成分の量が前記第２ガス拡散層に含まれる金属成分の量よりも多い、請求項４に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項７】
前記第１ガス拡散層及び前記第２ガス拡散層は、それぞれを構成する材料として異なる金属成分を含んでおり、
前記第１ガス拡散層に含まれる金属成分の熱伝導率は、前記第２ガス拡散層に含まれる金属成分の熱伝導率よりも大きい、請求項４に記載の燃料電池セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セル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、水素を含有する燃料ガス（水素リッチなガス）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９に示すように構成されている。図９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９に示すように、高分子電解質形燃料電池の単電池、すなわち燃料電池単セル（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、この一対のセパレータ１２０により挟持されている。
【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、集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）とを備えてなる構成である。一対の電極層１１２それぞれの触媒層１１３は、高分子電解質膜１１１を挟持するように配置されている。また、各触媒層１１３における高分子電解質膜１１１が配される側とは反対側の面上にはガス拡散層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】
一対のセパレータ１２０において、一対のガス拡散層１１４のうちの一方のガス拡散層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がそれぞれ設けられている。
【０００８】
また、一対のセパレータ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、冷却水などが通る冷却流路溝１２３が設けられている。
【０００９】
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および酸化剤ガス流路溝１２２を通じて一対の電極層１１２にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とを発生させる。
【００１０】
また燃料電池単セル１００は、図９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、スタックという）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。
【００１１】
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。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。
【００１２】
このように構成されるスタックにおいて、特許文献１には冷却流路溝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。このようにすることで、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。
【００１３】
しかしながら、特許文献１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・・・毎に設けた構成の場合、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る。このため、スタックにおける燃料電池単セル１００間に温度ばらつきが生じやすいという課題があった。特に冷却流路溝１２３が、燃料ガス流路溝１２１、または、酸化剤ガス流路溝１２２と隣接している場合、そこを流れる燃料ガス、または、酸化剤ガスの温度が低くなりやすく、フラッディングを生じるおそれがある。
【００１４】
そこで、冷却流路溝１２３が隣接する位置での上述したフラッディングを抑制するための技術として特許文献２の燃料電池が提案されている。より具体的には、特許文献２には、冷却流路溝１２３と隣接する、活物質流体流路の排水能力が、冷却流路溝１２３と隣接しない、活物質流体流路の排水能力よりも高くなるように、流路特性を変化させる技術が開示されている。このようにすることで、冷却流路溝１２３が隣接する活物質流体流路内におけるフラッディングを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−８７３１１号公報
【特許文献２】特開２００９−１６２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、燃料電池に供給する燃料ガスまたは酸化剤ガスなどのガスに含まれる水分量が少ない条件（以下、低加湿条件）で燃料電池を稼動させた場合、上記のフラッディングに加えて、以下の現象により燃料電池の性能が低下するという問題がある。すなわち、燃料電池セルスタックにおけるガスの供給路の上流部で、高分子電解質膜の水分が蒸発してしまうドライアップである。
【００１７】
上述のように、冷却流路溝を複数のセル毎に設けた構成においては、冷却流路溝と燃料電池単セル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る。したがって、冷却されにくいセルは温度が高くなり、ドライアップによる性能低下が顕著になるという問題が生じる。よって、低加湿条件で燃料電池を稼動させた場合、上述した構成に特許文献２に開示された技術を適用して、フラッディングについては抑制できたとしても上記したドライアップを抑制することができない。このため、燃料電池は十分な発電性能を得ることができない。
【００１８】
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、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燃料電池セルスタック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】
【００１９】
本発明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含む燃料電池セルと、冷却機構と、を備え、前記燃料電池セルは前記高分子電解質膜の厚み方向に積層されており、順に積層された複数の燃料電池セルのセットであるセルブロックと前記厚み方向で隣り合う位置に前記冷却機構が設けられており、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、前記セルブロックにおける前記冷却機構と隣り合う燃料電池セルにおいて、前記冷却機構が配置されている側の電極層のガス拡散層である第１ガス拡散層の熱伝導率が、冷却機構が配置されていない側の電極層のガス拡散層である第２ガス拡散層の熱伝導率よりも大きい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は以上に説明したように構成され、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】
【００２１】
【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】本発明に係る知見を実証するためにシミュレートした冷却流路の最上流位置から高分子電解質膜までの距離と、この高分子電解質膜の温度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る知見を実証するためにシミュレートした冷却流路の最上流位置から高分子電解質膜までの距離と、この高分子電解質膜の温度との関係を示すグラフである。
【図７】本発明に係る知見を実証するためにシミュレートした冷却流路の最上流位置から高分子電解質膜までの距離と、この高分子電解質膜の温度との関係を示すグラフである。
【図８】本実施の形態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９】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】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。また、本実施形態では、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）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を備えた構成を燃料電池単セルと称するものとして説明する。
【００２３】
（電極層の多孔率について）
まず、本実施の形態に係る燃料電池単セルが複数積層された燃料電池セルスタック１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。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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
（発電試験）
発電試験の条件は、以下のとおりである。
【００２８】
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は５０％とした。
【００２９】
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は５５％であった。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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している。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している。
【００３４】
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ていることがわかる。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。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。
【００３５】
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ている。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およ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。
【００３６】
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ている。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からである。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。
【００３７】
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、多孔率５０％のガス拡散層と多孔率７０％のガス拡散層と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わかった。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。
【００３８】
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使って、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隣り合うセルブロックの間に設けた構成に適用してみた。具体的には、図２に示すように冷却流路が設けられる間隔が、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となっている（すなわち奇数番目の燃料電池単セルのアノード側に冷却流路が、偶数番目の燃料電池単セルのカソード側に冷却流路が設けられる）構成において以下の燃料電池単セルを採用した。なお、以下では、２つの燃料電池単セルごとに１つの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。また、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。
【００３９】
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アノード側を多孔率５０％とし、カソード側を多孔率７０％とした第１ＭＥＡ（燃料電池単セルＣ）を１番目から３番目の燃料電池単セルとして採用した。また、４番目から６番目までの燃料電池単セルには、アノード側を多孔率５０％、カソード側を多孔率７０％とした第２ＭＥＡ（燃料電池単セルＤ）を採用した。また、図２では図示していないが、これら６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が作製される。
【００４０】
上記のようにして作製した燃料電池セルスタックについて、以下の条件で発電試験を行い、各燃料電池単セルの発電性能を調べた。
【００４１】
（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。
【００４２】
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は、８０％とした。
【００４３】
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は４０％とした。
【００４４】
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、燃料電池セルスタックに流入する冷却水の温度は、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。
【００４５】
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、各燃料電池単セル（１番目から３番目までの第１ＭＥＡ、４番目から６番目までの第２ＭＥＡ）の発電電圧がプロットされている。
【００４６】
図３に示すように、１番目から３番目までの燃料電池単セル（第１ＭＥＡ）については、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。一方、４番目から６番目までの燃料電池単セルについては、奇数番目に配される燃料電池単セルの電圧が小さくなり、偶数番目に配される燃料電池単セルの電圧が大きくなった。
【００４７】
このように、第１ＭＥＡ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。逆に、第２ＭＥＡを２セル構成に適用した場合、奇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。
【００４８】
次に、第１ＭＥＡを２セル構成に適用した場合、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。
【００４９】
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、奇数番目のセルと偶数番目のセルで高分子電解質膜の温度を比較した。この場合、常に奇数番目のセルの方が、偶数番目のセルよりも温度が低くなることが分かった。
【００５０】
逆に、第２ＭＥＡを上記した２セル構成に適用した場合について、上記と同様の方法で高分子電解質膜の温度を算出した。その結果は、図５に示すグラフのようになった。
【００５１】
図５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、奇数番目のセルと偶数番目のセルで高分子電解質膜の温度を比較した。この場合、常に偶数番目に配置される燃料電池単セルの方が、奇数番目に配置される燃料電池単セルよりも温度が低いことが分かった。
【００５２】
さらに、上記した２セル構成において、奇数番目に第１ＭＥＡを、偶数番目に第２ＭＥＡを配置するように構成し、上記と同様の方法で高分子電解質膜の温度を算出した。その結果は、図６に示すグラフのようになった。
【００５３】
図６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、奇数番目のセルと偶数番目のセルで高分子電解質膜の温度を比較した。この場合、奇数番目に配置される燃料電池単セルも、偶数番目に配置されるも共に同じような低い温度となっていることが分かる。つまり、燃料電池セルスタックにおいて各燃料電池単セルが効率よく冷却されていることが分かる。
【００５４】
逆に、上記した２セル構成において、奇数番目に第２ＭＥＡを、偶数番目に第１ＭＥＡを配置するように構成し、上記と同様の方法で高分子電解質膜の温度を算出した。その結果は、図７に示すグラフのようになった。
【００５５】
図７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、奇数番目のセルと偶数番目のセルで高分子電解質膜の温度を比較した。この場合、奇数番目に配置される燃料電池単セルも、偶数番目に配置されるも共に同じような高い温度となっていることが分かる。
【００５６】
以上の実験結果より以下のことが言える。すなわち、図４、図５それぞれの実験結果から、燃料電池単セルの温度（高分子電解質膜）の温度が低くなればなるほど、燃料電池単セルの出力電圧が大きくなることが分かった。
【００５７】
また、図６の結果から、冷却流路に近いほうの電極層の多孔率が小さくなるように、奇数番目に第１ＭＥＡを偶数番目に第２ＭＥＡを配置した構成のとき、各燃料電池単セルの温度が低くなることが分かった。逆に図７の結果から、冷却流路と隣り合う電極層の多孔率の方が大きくなるように、奇数番目に第２ＭＥＡを偶数番目に第１ＭＥＡを配置した構成のとき、各燃料電池単セルの温度が高くなることが分かった。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
（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。
【００６２】
（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１．６倍熱伝導率が大きくなる。そして、図６および図７の結果から冷却流路に最も近い電極層の多孔率を他方の多孔率よりも小さく（５０％）としたとき燃料電池単セルにおける冷却効率が大きくなることが分かった。また、冷却効率を向上させることでセルの温度を低下させ、高分子電解質膜のドライアップを抑制することができるため、燃料電池単セルの発電性能が向上することが分かった。
【００６３】
以上の知見より、２セル構成の燃料電池セルスタックにおいて、冷却流路と隣り合う電極層の多孔率が小さくなるように第１ＭＥＡおよび第２ＭＥＡを交互に配する構成とする。この構成により、アノード側、カソード側いずれを冷却する場合においても効率よく燃料電池単セルを冷却することができることが分かった。
【００６４】
上記した知見に基づき、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８に基づき本実施の形態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８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。
【００６５】
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を挟持する３つのセパレータ（第１セパレータ３ａ、第２セパレータ３ｂ、および第３セパレータ３ｃ）から構成されるものとして簡略化して説明する。なお、第１ＭＥＡ２ａおよび第２ＭＥＡ２ｂ、第１セパレータ３ａ、第２セパレータ３ｂ、および第３セパレータ３ｃ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。
【００６６】
（燃料電池セルスタックの構成）
図８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４ａ，４ｂその厚み方向（積層方向）に第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セルを構成している。また、これら２つの燃料電池セル（２ａ，２ｂ）は、順に積層された複数（ここでは２つ）の燃料電池セルのセットであるセルブロックを構成している。また、順に積層された複数の燃料電池セルは、他の物（例えば、本実施の形態における第１セパレータ３ａ）を挟むようにして順に積層されていてもよい。
【００６７】
（第１ＭＥＡの構成）
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、第１カソード５ｂ）とを備えている。なお、第１アノード５ａ、第１カソード５ｂ、さらには後述する第２ＭＥＡ２ｂの第２アノード５ｃ、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。
【００６８】
一対の電極層５のうち第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、集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。
【００６９】
また、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、集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。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。
【００７０】
第１高分子電解質膜４ａの両面を挟持するように、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。なお、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。
【００７１】
（第２ＭＥＡの構成）
第２ＭＥＡ２ｂは、第１ＭＥＡ２ａと同様な構成を有するが、第２ＭＥＡ２ｂの第２アノードガス拡散層７ｃの熱伝導率が、第２カソードガス拡散層７ｄの熱伝導率よりも小さい点で、第１ＭＥＡ２ａと異なっている。つまり、第２カソードガス拡散層７ｄの多孔率が５０％であり、第２アノードガス拡散層７ｃの多孔率が７０％となっている。これら以外は、第２ＭＥＡ２ｂの構成は第１ＭＥＡ２ａの構成と同様であるため説明は省略する。
【００７２】
なお、第１高分子電解質膜４ａ，第２高分子電解質膜４ｂを特に区別して説明する必要がないときは単に高分子電解質膜４と称する。また、第１アノードガス拡散層７ａ，第１カソードガス拡散層７ｂ，第２アノードガス拡散層７ｃ，第２カソードガス拡散層７ｄそれぞれを特に区別して説明する必要がないときは単にガス拡散層７と称し、第１アノード触媒層６ａ，第１カソード触媒層６ｂ，第２アノード触媒層６ｃ，第２カソード触媒層６ｄを特に区別して説明する必要が無い場合は単に触媒層６と称する。
【００７３】
（触媒層）
次にＭＥＡ２の電極層５が備える触媒層６について説明する。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
（ガス拡散層の構成）
次にＭＥＡ２の電極層５が備えるガス拡散層７について説明する。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
ガス拡散層７は、カソード側及びアノード側において同じガス拡散層７を用いても、異なるガス拡散層７を用いてもよい。
【００８４】
（セパレータの構成）
第１セパレータ３ａは、第１ＭＥＡ２ａと第２ＭＥＡ２ｂとの間に配置されており、第１ＭＥＡ２ａと接する側の面に第１酸化剤ガス流路１１ａが、その面の反対面で第２ＭＥＡ２ｂ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。
【００８５】
第２セパレータ３ｂ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燃料ガス流路１２ｂが形成され、その第２燃料ガス流路１２ｂが形成された面とは反対側の面に第１冷却流路１０ａが形成されている。
【００８６】
第３セパレータ３ｃ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酸化剤ガス流路１１ｂが形成され、その第２酸化剤ガス流路１１ｂが形成された面とは反対側の面に第２冷却流路１０ｂが形成されている。
【００８７】
上記した第１セパレータ３ａ、第２セパレータ３ｂ、および第３セパレータ３ｃそれぞれは、熱伝導性および導電性を兼ね備えている。
【００８８】
また、第１冷却流路１０ａ，第２冷却流路１０ｂ、第１酸化剤ガス流路１１ａ，第２酸化剤ガス流路１１ｂ、第１燃料ガス流路１２ａ，第２燃料ガス流路１２ｂそれぞれについて特に区別して説明する必要がないときは、単に冷却流路１０、酸化剤ガス流路１１、燃料ガス流路１２と称する。
【００８９】
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。なお、第１ＭＥＡ２ａと第２ＭＥＡ２ｂとでは、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との熱伝導率の大小関係と、第２アノードガス拡散層７ｃと第２カソードガス拡散層７ｄとの熱伝導率の大小関係とが異なる点を除き、構成は同様である。このため、以下では、第１ＭＥＡ２ａを例に挙げて作製例を説明する。
【００９０】
（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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
（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。
【００９６】
（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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
（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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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層９ａおよび第１カソード側カーボン層９ｂを作製することができる。
【０１０７】
（ＭＥＡの作製）
次に、第１ＭＥＡ２ａの作製方法について以下に説明する。
【０１０８】
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。
【０１０９】
なお、第２ＭＥＡ２ｂは、上述したように第１ＭＥＡ２ａとは、第２アノードガス拡散層７ｃ、第２カソードガス拡散層７ｄそれぞれの熱伝導率が第１アノードガス拡散層７ａ第１カソードガス拡散層７ｂそれぞれの熱伝同率と逆になるが、それ以外は同様の構成である。このため、第２ＭＥＡ２ｂの作製においては、上述した第１アノードガス拡散層７ａの作製方法によって第２カソードガス拡散層７ｄを作製し、第１カソードガス拡散層７ｂの作製方法によって第２アノードガス拡散層７ｃを作製する。
【０１１０】
（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。
【０１１１】
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２セパレータ３ｂ、第３セパレータ３ｃを用意する。
【０１１２】
第１セパレータ３ａは、その一面に第１燃料ガス流路１２ａを、その反対面に第１酸化剤ガス流路１１ａを形成している。また第２セパレータ３ｂは、その一面に第２燃料ガス流路１２ｂを、その反対面に第１冷却流路１０ａを形成している。さらまた第３セパレータ３ｃは、その一面に第２酸化剤ガス流路１１ｂを、その反対面に第２冷却流路１０ｂを形成している。
【０１１３】
各セパレータ（第１セパレータ３ａ〜第３セパレータ３ｃ）の流体流路の周辺部にガスケット（不図示）を配置する。そして、第１燃料ガス流路１２ａ，第２燃料ガス流路１２ｂが第１アノード５ａ，第２アノード５ｃ側で、第１酸化剤ガス流路１１ａ、第２酸化剤ガス流路１１ｂが第１カソード５ｂ，第２カソード５ｄ側で接するように、厚み方向に第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の順で積層する。これらの積層構造を繰り返して、例えば、６セル分を積層する。そして６セル分を積層したその外側（積層方向における両端部）の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。
【０１１４】
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、一対の電極層５のうち冷却流路１０に近いほうの電極層５のガス拡散層７の多孔率の方が、遠いほうの電極層５のガス拡散層７の多孔率よりも小さくなっている。
【０１１５】
より具体的には、第１ＭＥＡ２ａにおいて、第２セパレータ３ｂに形成された第１冷却流路１０ａに近い側の電極層５、すなわち第１アノードガス拡散層７ａの多孔率が５０％である。これに対して、第１冷却流路１０ａに遠い側の電極層５、第１カソードガス拡散層７ｂの多孔率が７０％である。
【０１１６】
また、第２ＭＥＡ２ｂにおいて、第３セパレータ３ｃに形成された第２冷却流路１０ｂに近い側の電極層５、すなわち第２カソードガス拡散層７ｄの多孔率が５０％である。これに対して、第２冷却流路１０ｂに遠い側の電極層５、すなわち第２アノードガス拡散層７ｃの多孔率が７０％である。
【０１１７】
このように２セル構成において、冷却流路１０に近い側の電極層５のガス拡散層７の熱伝導性が高くなるように（多孔率５０％）に配置することで、上記した知見にて述べたように、冷却効率を高め、高分子電解質膜４のドライアップを抑制することができる。このため、２セル構成において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。
【０１１８】
なお、上記では一対のガス拡散層７において、各ガス拡散層７の多孔率を異ならせることで熱伝導率が異なるガス拡散層７の組を実現していた。しかしながら、熱伝導率を異ならせる条件はガス拡散層７における多孔率に限定されるものではない。例えば、一対のガス拡散層７において一方のガス拡散層７の厚みを他方のガス拡散層７の厚みより厚くなるように形成してもよい。
【０１１９】
さらには、ガス拡散層７を構成する材料自体の熱伝導率を変えるように形成してもよい。材料自体の熱伝導率を変えるために、例えば、一対のガス拡散層７において一方のガス拡散層７に含まれる炭素繊維の量を他方のガス拡散層７に含まれる炭素繊維の量よりも大きくする（または小さくする）ことで熱伝導率を変えることができる。あるいは、ガス拡散層７を構成する炭素繊維の量と、炭素繊維よりも熱伝導率の高い金属成分の量との比率を変えてもよい。さらには、一対のガス拡散層７において、一方のガス拡散層７に含まれる金属成分の量を他方のガス拡散層７に含まれる金属成分の量よりも大きくする（または小さくする）ことで熱伝導率を変えることができる。あるいは、一対のガス拡散層７において、一方のガス拡散層７に含まれる金属成分の方が他方のガス拡散層に含まれる金属成分よりも熱伝導率が大きい（または小さい）材料を採用することで熱伝導率を変えることもできる。
【０１２０】
また、本実施の形態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（第２セパレータ３ｂ、第３セパレータ３ｃ）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。
【０１２１】
すなわち、本実施形態では、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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
あるいは、本実施形態の構成において、セパレータ３を多孔状の導電材にて形成し、冷却流体の冷却流路１０を通流する圧力が、燃料ガス流路１２を通流する燃料ガスの圧力よりも高くなるようにしてもよい。そして、冷却水の一部を電極面側にセパレータ３を透過させて、高分子電解質膜４を湿らせる、所謂、内部加湿型に構成してもよい。
【０１２４】
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。
【０１２５】
また、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。
【０１２６】
（効果）
以上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、以下の構成を有するものともいえる。
【０１２７】
すなわち、本実施の形態に係る燃料電池セルスタック１は、高分子電解質膜４と、この高分子電解質膜４の両面に形成された一対の電極層５（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）とを含む燃料電池単セルと、冷却流路１０（第１冷却流路１０ａ、第２冷却流路１０ｂ、冷却機構）と、を備えている。燃料電池単セルが高分子電解質膜４の厚み方向に積層されセルブロックを形成している。そして、隣り合う２つのセルブロック間には冷却流路１０が設けられている。また、一対の電極層５それぞれは、高分子電解質膜４の片面に順に積層された触媒層６（第１アノード触媒層６ａ，第１カソード触媒層６ｂ，あるいは第２アノード触媒層６ｃ，第２カソード触媒層６ｄ）とガス拡散層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，あるいは第２アノードガス拡散層７ｃ，第２カソードガス拡散層７ｄ）とを含む。
【０１２８】
そして、隣り合う２つのセルブロックにおいて、各セルブロックの中で冷却流路１０と隣り合う燃料電池単セルでは、冷却流路１０が配置されている側の電極層５のガス拡散層である第１アノードガス拡散層７ａまたは第２カソードガス拡散層７ｄの熱伝導率が、冷却流路１０が配置されていない側の電極層のガス拡散層である第１カソードガス拡散層７ｂまたは第２アノードガス拡散層７ｃ）の熱伝導率よりも大きくなるように構成されている。
【０１２９】
ところで、第１ガス拡散層と第２ガス拡散層との位置関係は、燃料電池単セルと隣り合う冷却流路１０までの距離が前者の方が後者よりも近くなる。
【０１３０】
上記構成によると、第１ガス拡散層の方が、第２ガス拡散層よりも熱伝導率が大きい。すなわち、熱伝導率が異なるガス拡散層７を有する燃料電池単セルにおいて、冷却流路１０までの距離が近いほうに熱伝導率が大きいガス拡散層（第１ガス拡散層）が配置されることとなる。
【０１３１】
このため、燃料電池セルスタック１では、冷却流路１０を複数組みの燃料電池単セル毎に設けた構成において、この冷却流路１０によって効率的に燃料電池単セル、特に、高分子電解質膜４を冷却することができる。また、高分子電解質膜４を効率的に冷却することができるため、燃料電池単セルにおいて高分子電解質膜４のドライアップが生じるのを抑制することができる。
【０１３２】
よって、燃料電子セルスタック１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。
【０１３３】
また、本実施の形態に係る燃料電池セルスタック１は、ガス拡散層７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ガス拡散層よりも第２ガス拡散層の方が大きくなるように構成されていてもよい。
【０１３４】
ここで、多孔率が小さいガス拡散層の方が、多孔率が大きいガス拡散層よりも熱伝導率が大きくなる。
【０１３５】
上記構成によると、第１ガス拡散層よりも第２ガス拡散層の方が、多孔率が大きくなる。換言すると、第１ガス拡散層よりも第２ガス拡散層の方が、熱伝導率が小さくなる。よって、冷却流路１０までの距離が近いほうに熱伝導率が大きいガス拡散層７（第１ガス拡散層）が配置されることとなる。
【０１３６】
このため、燃料電池セルスタック１では、冷却流路１０を複数の燃料電池単セル毎（セルブロック毎）に設けた構成において、この冷却流路１０によって効率的に燃料電池単セル、特に、高分子電解質膜４を冷却することができる。また、高分子電解質膜４を効率的に冷却することができるため、燃料電池単セルにおいて高分子電解質膜４のドライアップが生じるのを抑制することができる。
【０１３７】
さらに、燃料電池セルスタック１では、一対の電極層５の各ガス拡散層７（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、または第２アノードガス拡散層７ｃと第２カソードガス拡散層７ｄ）において、それぞれの多孔率が異なっている。このため、それぞれの多孔率を適切に設定することで適切な燃料電池単セルの保湿性および排水性を実現することもできる。
【０１３８】
また、燃料電池セルスタック１では、第１ガス拡散層の厚みは、第２ガス拡散層の厚みよりも小さくなるように構成されていてもよい。ここで、ガス拡散層の厚みが小さい方が、熱伝導率が大きくなる。
【０１３９】
上記構成によると第１ガス拡散層の方が第２ガス拡散層の厚みよりも小さくなる。換言すると、第１ガス拡散層の方が第２ガス拡散層よりも熱伝導率が大きくなる。よって、冷却流路１０までの距離が近いほうに熱伝導率が大きいガス拡散層（第１ガス拡散層）が配置されることとなる。
【０１４０】
このため、燃料電池セルスタック１では、冷却流路１０を複数の燃料電池単セル毎（セルブロック毎）に設けた構成において、この冷却流路１０によって効率的に燃料電池単セル、特に、高分子電解質膜４を冷却することができる。また、高分子電解質膜４を効率的に冷却することができるため、燃料電池単セルにおいて高分子電解質膜４のドライアップが生じるのを抑制することができる。
【０１４１】
また、燃料電池セルスタック１は、以上のように、第１ガス拡散層を構成する材料の熱伝導率は、第２ガス拡散層を構成する材料の熱伝導率よりも大きくなるように構成されてもよい。
【０１４２】
上記構成によると第１ガス拡散層を構成する材料の方が第２ガス拡散層を構成する材料よりも熱伝導率が大きくなる。よって、冷却流路１０までの距離が近いほうに熱伝導率が大きいガス拡散層（第１ガス拡散層）が配置されることとなる。
【０１４３】
このため、燃料電池セルスタック１では、冷却流路１０を複数の燃料電池単セル毎（セルブロック毎）に設けた構成において、この冷却流路１０によって効率的に燃料電池単セル、特に、高分子電解質膜４を冷却することができる。また、高分子電解質膜４を効率的に冷却することができるため、燃料電池単セルにおいて高分子電解質膜４のドライアップが生じるのを抑制することができる。
【０１４４】
また、燃料電池セルスタック１は、以上のように、第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層は、それぞれを構成する材料として炭素繊維を含んでおり、第１ガス拡散層に含まれる炭素繊維の量が第２ガス拡散層に含まれる炭素繊維の量よりも多くなるように構成されていてもよい。
【０１４５】
上記構成によると、第１ガス拡散層の方が第２ガス拡散層よりも含まれる炭素繊維の量が多くなる。換言すると第１ガス拡散層の方が第２ガス拡散層よりも熱伝導率が大きくなる。よって、冷却流路１０までの距離が近いほうに熱伝導率が大きいガス拡散層（第１ガス拡散層）が配置されることとなる。
【０１４６】
このため、燃料電池セルスタック１では、冷却流路１０を複数の燃料電池単セル毎（セルブロック毎）に設けた構成において、この冷却流路１０によって効率的に燃料電池単セル、特に、高分子電解質膜４を冷却することができる。また、高分子電解質膜４を効率的に冷却することができるため、燃料電池単セルにおいて高分子電解質膜４のドライアップが生じるのを抑制することができる。
【０１４７】
また、燃料電池セルスタック１は、以上のように、第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層は、それぞれを構成する材料として同じ金属成分を含んでおり、第１ガス拡散層に含まれる金属成分の量が第２ガス拡散層に含まれる金属成分の量よりも多くなるように構成されていてもよい。
【０１４８】
上記構成によると熱伝導率が高い金属成分の量が第２ガス拡散層よりも第１ガス拡散層の方が多くなる。換言すると第１ガス拡散層の方が第２ガス拡散層よりも熱伝導率が大きくなる。よって、冷却流路１０までの距離が近いほうに熱伝導率が大きいガス拡散層（第１ガス拡散層）が配置されることとなる。
【０１４９】
このため、燃料電池セルスタック１では、冷却流路１０を複数の燃料電池単セル毎（セルブロック毎）に設けた構成において、この冷却流路１０によって効率的に燃料電池単セル、特に、高分子電解質膜４を冷却することができる。また、高分子電解質膜４を効率的に冷却することができるため、燃料電池単セルにおいて高分子電解質膜４のドライアップが生じるのを抑制することができる。
【０１５０】
また、燃料電池セルスタック１は、第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層は、それぞれを構成する材料として異なる金属成分を含んでおり、第１ガス拡散層に含まれる金属成分の熱伝導率は、第２ガス拡散層に含まれる金属成分の熱伝導率よりも大きくなるように構成されていてもよい。
【０１５１】
上記構成によると第２ガス拡散層よりも第１ガス拡散層の方が、熱伝導率が高い金属成分を含む。換言すると第１ガス拡散層の方が第２ガス拡散層よりも熱伝導率が大きくなる。よって、冷却流路１０までの距離が近いほうに熱伝導率が大きいガス拡散層（第１ガス拡散層）が配置されることとなる。
【０１５２】
このため、燃料電池セルスタック１では、冷却流路１０を複数の燃料電池単セル毎（セルブロック毎）に設けた構成において、この冷却流路１０によって効率的に燃料電池単セル、特に、高分子電解質膜４を冷却することができる。また、高分子電解質膜４を効率的に冷却することができるため、燃料電池単セルにおいて高分子電解質膜４のドライアップが生じるのを抑制することができる。
【０１５３】
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】
【０１５４】
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】
【０１５５】
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
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
６ｃ    第２アノード触媒層
６ｄ    第２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
７ｃ    第２アノードガス拡散層
７ｄ    第２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
【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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