(57)【要約】【課題】膜電極接合体を備える燃料電池において、膜電極接合体における温度分布の均一化を図る。【解決手段】燃料電池１００は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を冷却する冷却水を流すための冷却水流路３２が内部に形成された集電部材３０とを備えている。そして、膜電極接合体１０は、集電部材３０の一部を挟んで冷却水流路３２とほぼ対向し、冷却水によって冷却されやすい第１の領域と、第１の領域以外の領域であって、第１の領域よりも、冷却水によって冷却されにくい第２の領域とを含んでいる。そして、第２の領域に配置されるアノード側触媒層１４ａ１，１４ａ３、および、カソード側触媒層１４ｃ１，１４ｃ３の触媒担持量は、第１の領域に配置されるアノード側触媒層１４ａ２、および、カソード側触媒層１４ｃ２の触媒担持量よりも少なく設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面に、それぞれ、触媒電極を接合してなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体で発電された電力を集電する集電部材であって、前記膜電極接合体を冷却する冷却水を流すための冷却水流路が内部に形成された集電部材と、を備え、
前記膜電極接合体は、
前記集電部材の一部を挟んで前記冷却水流路とほぼ対向し、前記冷却水によって冷却されやすい第１の領域と、
前記第１の領域以外の領域であって、前記第１の領域よりも、前記冷却水によって冷却されにくい第２の領域と、を含み、
前記第２の領域に配置される触媒電極は、前記第１の領域に配置される触媒電極よりも、単位面積当たりの発電量が小さくなるように形成されている、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第２の領域に配置される触媒電極と、前記第１の領域に配置される触媒電極とにおいて、前記触媒電極に含まれる触媒の単位面積当たりの担持量、前記触媒の比表面積、前記触媒の種類、前記触媒電極の厚さのうちの少なくとも１つが異なる、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記膜電極接合体において、前記冷却水路の出口側に対応する領域に配置される触媒電極は、前記冷却水流路の入口側に対応する領域に配置される触媒電極よりも、単位面積当たりの発電量が小さくなるように形成されている、燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記冷却水路の出口側に対応する領域に配置される触媒電極と、前記冷却水流路の入口側に対応する領域に配置される触媒電極とにおいて、前記触媒電極に含まれる触媒の単位面積当たりの担持量、前記触媒の比表面積、前記触媒の種類、前記触媒電極の厚さのうちの少なくとも１つが異なる、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、概ね、電解質膜（例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜）の両面に、それぞれ、触媒電極（アノード、および、カソード）を接合してなる膜電極接合体を、セパレータ（集電部材）によって挟持することによって構成される。
【０００３】
このような燃料電池では、発電時に、上記電気化学反応によって、膜電極接合体が発熱するため、セパレータ内には、膜電極接合体を冷却する冷却水を流すための冷却水流路が形成される。また、近年では、燃料電池において、膜電極接合体の温度分布を均一化する技術も提案されている（例えば、下記特許文献１〜３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５１３４６６号公報
【特許文献２】特開２００５−１９０６８４号公報
【特許文献３】特開２００５−２８５６９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、セパレータには、上述した冷却水流路以外に、アノードに供給すべき燃料ガスを流すための燃料ガス流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路も形成されるため、その構造上、冷却水流路を形成可能な位置には制約があり、膜電極接合体の全面を十分に冷却することができない場合がある。この場合、膜電極接合体において、冷却水によって十分に冷却されにくい領域では、膜電極接合体の温度が局所的に上昇することになる。そして、膜電極接合体の温度の局所的な上昇は、膜電極接合体の局所的な劣化を招く。
【０００６】
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、膜電極接合体を備える燃料電池において、膜電極接合体における温度分布の均一化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］燃料電池であって、電解質膜の両面に、それぞれ、触媒電極を接合してなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体で発電された電力を集電する集電部材であって、前記膜電極接合体を冷却する冷却水を流すための冷却水流路が内部に形成された集電部材と、を備え、前記膜電極接合体は、前記集電部材の一部を挟んで前記冷却水流路とほぼ対向し、前記冷却水によって冷却されやすい第１の領域と、前記第１の領域以外の領域であって、前記第１の領域よりも、前記冷却水によって冷却されにくい第２の領域と、を含み、前記第２の領域に配置される触媒電極は、前記第１の領域に配置される触媒電極よりも、単位面積当たりの発電量が小さくなるように形成されている、燃料電池。
【０００９】
適用例１の燃料電池は、先に説明したように、集電部材における冷却水流路の形成位置についての制約に起因して、冷却水流路内を流れる冷却水によって、膜電極接合体の全面を十分に冷却できない構造を有している。このため、膜電極接合体は、集電部材の一部を挟んで冷却水流路とほぼ対向し、冷却水によって冷却されやすい第１の領域と、第１の領域以外の領域であって、第１の領域よりも冷却水によって冷却されにくい第２の領域とを含んでいる。したがって、膜電極接合体における上記第２の領域は、上記第１の領域と比較して、発電時に、温度が上昇しやすい。なお、上記第１の領域と第２の領域とは、明確に区分されるものではなく、これらの境界は、冷却水流路内を流れる冷却水による冷却のされやすさに基づいて、任意に設定可能である。
【００１０】
適用例１の燃料電池では、膜電極接合体における第２の領域に配置される触媒電極が、第１の領域に配置される触媒電極よりも、単位面積当たりの発電量が小さくなるように形成される。換言すれば、膜電極接合体における第２の領域に配置される触媒電極が、第１の領域に配置される触媒電極よりも、単位面積当たりの発熱量が小さくなるように形成される。こうすることによって、集電部材における冷却水流路の形成位置についての制約に起因した、膜電極接合体における局所的な温度上昇を抑制し、膜電極接合体における温度分布の均一化を図ることができる。この結果、膜電極接合体の局所的な劣化を抑制することができる。
【００１１】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、前記第２の領域に配置される触媒電極と、前記第１の領域に配置される触媒電極とにおいて、前記触媒電極に含まれる触媒の単位面積当たりの担持量、前記触媒の比表面積、前記触媒の種類、前記触媒電極の厚さのうちの少なくとも１つが異なる、燃料電池。
【００１２】
上記触媒電極において、触媒電極に含まれる触媒の単位面積当たりの担持量（触媒担持密度）、触媒電極に含まれる触媒の比表面積、触媒電極に含まれる触媒の種類、触媒電極の厚さを変えることによって、触媒電極における単位面積当たりの発電量を変化させることができる。例えば、触媒電極に含まれる触媒の単位面積当たりの担持量（触媒担持密度）を比較的少なくすれば、膜電極接合体における単位面積当たりの発電量を比較的小さくすることができる。また、触媒電極に含まれる触媒の比表面積を比較的小さくすれば、膜電極接合体における単位面積当たりの発電量を比較的小さくすることができる。また、触媒電極に含まれる触媒の種類を触媒能が比較的小さいものとすれば、膜電極接合体における単位面積当たりの発電量を比較的小さくすることができる。また、触媒電極の厚さを比較的薄くすれば、膜電極接合体における単位面積当たりの発電量を小さくすることができる。
【００１３】
適用例２の燃料電池では、膜電極接合体における第２の領域に配置される触媒電極と、第１の領域に配置される触媒電極とにおいて、触媒電極に含まれる触媒の単位面積当たりの担持量（触媒担持密度）、触媒電極に含まれる触媒の比表面積、触媒電極に含まれる触媒の種類、触媒電極の厚さのうちの少なくとも１つが異なるようにすることによって、上記第２の領域に配置される触媒電極における単位面積当たりの発電量を、上記第１の領域に配置される触媒電極における単位面積当たりの発電量よりも小さくなるようにすることができる。
【００１４】
［適用例３］適用例１または２記載の燃料電池であって、前記膜電極接合体において、前記冷却水路の出口側に対応する領域に配置される触媒電極は、前記冷却水流路の入口側に対応する領域に配置される触媒電極よりも、単位面積当たりの発電量が小さくなるように形成されている、燃料電池。
【００１５】
上記冷却水流路内を流れる冷却水は、膜電極接合体を冷却するときに、膜電極接合体から発せられる反応熱を吸収しつつ流れるので、冷却水の流れ方向の上流側から下流側に掛けて、その温度が上昇していく。このため、冷却水の温度上昇に伴って、つまり、冷却水の入口側から出口側に掛けて、膜電極接合体の冷却効果が低下していく。したがって、膜電極接合体において、冷却水流路の出口側に対応する領域は、冷却水流路の入口側に対応する領域よりも温度が上昇する傾向にある。
【００１６】
適用例３の燃料電池では、膜電極接合体において、上記冷却水路の出口側に対応する領域に配置される触媒電極が、冷却水流路の入口側に対応する領域に配置される触媒電極よりも、単位面積当たりの発電量が小さくなるように形成される。換言すれば、膜電極接合体において、上記冷却水路の出口側に対応する領域に配置される触媒電極が、冷却水流路の入口側に対応する領域に配置される触媒電極よりも、単位面積当たりの発熱量が小さくなるように形成される。こうすることによって、冷却水流路内を流れる冷却水の温度が、冷却水の流れ方向の上流側から下流側に掛けて上昇しても、膜電極接合体における冷却水の出口側に対応する領域における局所的な温度上昇を抑制し、膜電極接合体における温度分布の均一化を図ることができる。この結果、さらに、膜電極接合体の局所的な劣化を抑制することができる。
【００１７】
［適用例４］適用例３記載の燃料電池であって、前記冷却水路の出口側に対応する領域に配置される触媒電極と、前記冷却水流路の入口側に対応する領域に配置される触媒電極とにおいて、前記触媒電極に含まれる触媒の単位面積当たりの担持量、前記触媒の比表面積、前記触媒の種類、前記触媒電極の厚さのうちの少なくとも１つが異なる、燃料電池。
【００１８】
適用例４では、先に説明した適用例２と同様に、容易に、上記冷却水の出口側に対応する領域に配置される触媒電極における単位面積当たりの発電量を、上記冷却水の入口側に対応する領域に配置される触媒電極における単位面積当たりの発電量よりも小さくなるようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。ここでは、燃料電池１００の断面図を示した。
【００２０】
図示するように、本実施例の燃料電池１００は、膜電極接合体１０のアノード側、および、カソード側に、それぞれ、アノード側金属多孔体２０ａ、および、カソード側金属多孔体２０ｃを積層し、これらを一対の集電部材３０によって挟持することによって構成されている。
【００２１】
膜電極接合体１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１２の一方の面に、アノードとして、アノード側触媒層１４ａと、アノード側ガス拡散層１６ａとを、この順に備えている。また、膜電極接合体１０は、電解質膜１２の他方の面に、カソードとして、カソード側触媒層１４ｃと、カソード側ガス拡散層１６ｃとを、この順に備えている。アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃは、それぞれ、本発明における触媒電極に相当する。
【００２２】
本実施例の膜電極接合体１０では、電解質膜１２として、例えば、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いている。電解質膜１２として、他の材料からなる電解質膜を用いるようにしてもよい。また、膜電極接合体１０では、アノード側ガス拡散層１６ａ、および、カソード側ガス拡散層１６ｃとして、カーボンクロスを用いるものとした。なお、カーボンクロスの代わりに、例えば、カーボンペーパ等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。
【００２３】
アノード側金属多孔体２０ａは、膜電極接合体１０のアノードに供給すべき燃料ガス（例えば、水素）が流れる流路を構成している。また、カソード側金属多孔体２０ｃは、膜電極接合体１０のカソードに供給すべき酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）が流れる流路を構成している。そして、燃料電池１００の外部から供給された水素は、アノード側金属多孔体２０ａ内を拡散しつつ流れ、アノード側ガス拡散層１６ａ、および、アノード側触媒層１４ａに供給される。本実施例では、水素は、アノード側金属多孔体２０ａ内を、図の上から下に流れるものとした。また、燃料電池１００の外部から供給された空気は、カソード側金属多孔体２０ｃ内を拡散しつつ流れ、カソード側ガス拡散層１６ｃ、および、カソード側触媒層１４ｃに供給される。本実施例では、空気は、カソード側金属多孔体２０ｃ内を、下から上に流れるものとした。なお、アノード側金属多孔体２０ａ、および、カソード側金属多孔体２０ｃの代わりに、例えば、エキスパンドメタル等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。
【００２４】
燃料電池１００の膜電極接合体１０では、発電時に、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって、反応熱が発生する。このため、集電部材３０内には、膜電極接合体１０を冷却する冷却水を流すための冷却水流路３２が形成されている。本実施例では、集電部材３０は、フラットな形状を有しているものとした。なお、図示は省略しているが、本実施例の燃料電池１００では、集電部材３０内に、燃料ガスを流すための燃料ガス流路や、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路も形成されている。このため、集電部材３０において冷却水流路３２を形成可能な位置には制約があり、冷却水流路３２内を流れる冷却水によって、膜電極接合体１０の全面を十分に冷却することができない。
【００２５】
つまり、図中に併せて示したように、膜電極接合体１０は、集電部材３０内に形成された冷却水流路３２とほぼ対向し、冷却水流路３２内を流れる冷却水によって冷却されやすい第１の領域と、第１の領域以外の領域であって、第１の領域よりも、冷却水流路３２内を流れる冷却水によって冷却されにくい第２の領域とを含んでいる。図示した例では、膜電極接合体１０の上下方向の中央部が、上記第１の領域となっている。また、膜電極接合体１０の上端部、および、下端部が、上記第２の領域となっている。なお、上記第１の領域と第２の領域とは、明確に区分されるものではなく、これらの境界は、冷却水流路３２内を流れる冷却水による冷却のされやすさに基づいて、任意に設定可能である。
【００２６】
そして、本実施例における膜電極接合体１０では、アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃにおいて、上記第１の領域には、それぞれ、アノード側触媒層１４ａ２、および、カソード側触媒層１４ｃ２が配置されている。また、アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃにおいて、上端部の上記第２の領域には、それぞれ、アノード側触媒層１４ａ１、および、カソード側触媒層１４ｃ１が配置されている。また、アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃにおいて、下端部の上記第２の領域には、アノード側触媒層１４ａ３、および、カソード側触媒層１４ｃ３が配置されている。そして、本実施例では、上記第１の領域に配置される触媒層と、第２の領域に配置される触媒層とにおいて、各触媒層に含まれる触媒の単位面積当たりの担持量（以下、単に触媒担持量とも言う）がそれぞれ異なっているものとした。
【００２７】
図２は、膜電極接合体１０のアノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃにおける触媒担持量の分布を示す説明図である。
【００２８】
図２（ａ）に、膜電極接合体１０のアノード側から見た膜電極接合体１０の平面図を示した。なお、この図では、理解を容易にするため、アノード側ガス拡散層１６ａの図示は省略されている。また、図２（ｂ）に、図２（ａ）のＡ−Ａ断面におけるアノード側触媒層１４ａの触媒担持量の分布を示した。また、図２（ｃ）に、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面におけるカソード側触媒層１４ｃの触媒担持量の分布を示した。
【００２９】
図２（ｂ）示したように、膜電極接合体１０のアノード側において、上記第２の領域に配置されたアノード側触媒層１４ａ１，１４ａ３の触媒担持量は、上記第１の領域に配置されたアノード側触媒層１４ａ２の触媒担持量よりも少なく設定されている。本実施例では、上記第２の領域に配置されるアノード側触媒層１４ａ１，１４ａ３の触媒担持量は同じであり、この触媒担持量は、上記第１の領域に配置されるアノード側触媒層１４ａ２の触媒担持量の１／１０であるものとした。この値は、任意に設定可能である。
【００３０】
また、図２（ｃ）に示したように、膜電極接合体１０のカソード側においても、アノード側と同様に、上記第２の領域に配置されたカソード側触媒層１４ｃ１，１４ｃ３の触媒担持量は、上記第１の領域に配置されたカソード側触媒層１４ｃ２の触媒担持量よりも少なく設定されている。本実施例では、上記第２の領域に配置されるカソード側触媒層１４ｃ１，１４ｃ３の触媒担持量は同じであり、この触媒担持量は、上記第１の領域に配置されるカソード側触媒層１４ｃ２の触媒担持量の１／１０であるものとした。この値は、任意に設定可能である。
【００３１】
上述したように、膜電極接合体１０において、上記第２の領域に配置されるアノード側触媒層１４ａ１，１４ａ３、および、カソード側触媒層１４ｃ１，１４ｃ３の触媒担持量を、上記第１の領域に配置されるアノード側触媒層１４ａ２、および、カソード側触媒層１４ｃ２の触媒担持量よりも少なくすることによって、上記第２の領域における発電量を、上記第１の領域における発電量よりも小さくすることができる。したがって、上記第２の領域における発熱量を、上記第１の領域における発熱量よりも小さくすることができる。
【００３２】
図３は、第１実施例の燃料電池１００の効果を示す説明図である。この図において、破線で示した曲線は、比較例の燃料電池における膜電極接合体（ＭＥＡ）の温度分布を示している。なお、図示、および、詳細な説明は省略するが、比較例の燃料電池は、図１に示した本実施例の燃料電池１００とほぼ同様の構造を有している。ただし、比較例の燃料電池における膜電極接合体は、本実施例の燃料電池１００における膜電極接合体１０と異なり、アノード側触媒層、および、カソード側触媒層の触媒担持量が、面内でほぼ均一である。実線で示した曲線は、本実施例の燃料電池１００における膜電極接合体１０の温度分布を示している。
【００３３】
先に説明したように、本実施例の燃料電池１００では、膜電極接合体１０において、上記第２の領域に配置されるアノード側触媒層１４ａ１，１４ａ３、および、カソード側触媒層１４ｃ１，１４ｃ３の触媒担持量を、上記第１の領域に配置されるアノード側触媒層１４ａ２、および、カソード側触媒層１４ｃ２の触媒担持量よりも少なくすることによって、上記第２の領域における発電量を、上記第１の領域における発電量よりも小さくしている。したがって、図３に示したように、本実施例の燃料電池１００では、比較例の燃料電池と比較して、膜電極接合体１０の温度分布が均一化されている。
【００３４】
以上説明したように、第１実施例の燃料電池１００では、集電部材３０における冷却水流路３２の形成位置についての制約に起因した、膜電極接合体１０における局所的な温度上昇を抑制し、膜電極接合体１０における温度分布の均一化を図ることができる。この結果、膜電極接合体１０の局所的な劣化を抑制することができる。
【００３５】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池の構成は、先に説明した第１実施例の燃料電池１００の構成とほぼ同じである（図１参照）。ただし、第２実施例の燃料電池では、膜電極接合体１０Ａの構成が、第１実施例の燃料電池１００における膜電極接合体１０の構成と異なっている。以下、膜電極接合体１０Ａの構成について説明する。
【００３６】
図４は、膜電極接合体１０Ａのアノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃにおける触媒担持量の分布を示す説明図である。
【００３７】
図４（ａ）に、膜電極接合体１０Ａのアノード側から見た膜電極接合体１０Ａの平面図を示した。なお、この図では、理解を容易にするために、アノード側ガス拡散層１６ａの図示は省略されている。また、図４（ａ）中に矢印で示したように、図の左側が、集電部材３０に形成された冷却水流路３２における冷却水の入口側であり、図の右側が、冷却水流路３２における冷却水の出口側であるものとした。また、本実施例の燃料電池における膜電極接合体１０は、上述した第１実施例の燃料電池１００と同様に、先に説明した第１の領域と第２の領域とを含んでおり、第２の領域に配置されたアノード側触媒層１４ａ１，１４ａ３、および、カソード側触媒層１４ｃ１，１４ｃ３の触媒担持量は、第１実施例における膜電極接合体１０と同様に、第１の領域に配置されたアノード側触媒層１４Ａａ２の触媒担持量よりも多く設定されている（図示省略）。また、図４（ｂ）に、図４（ａ）のＢ−Ｂ断面におけるアノード側触媒層１４Ａａ２の触媒担持量の分布を示した。また、図４（ｃ）に、図４（ａ）におけるＢ−Ｂ断面におけるカソード側触媒層１４Ａｃ２の触媒担持量の分布を示した。
【００３８】
集電部材３０内に形成された冷却水流路３２内を流れる冷却水は、膜電極接合体１０Ａを冷却するときに、膜電極接合体１０Ａから発せられる反応熱を吸収しつつ流れるので、冷却水の流れ方向の上流から下流に掛けて、その温度が上昇していく。このため、冷却水の温度上昇に伴って、つまり、膜電極接合体１０Ａにおける冷却水の入口側から出口側に掛けて、膜電極接合体１０Ａの冷却効果が低下していく。したがって、膜電極接合体１０Ａにおいて、冷却水流路３２の出口側に対応する領域（図示した領域Ｒ２）は、冷却水流路３２の入口側に対応する領域（図示した領域Ｒ１）よりも温度が上昇する傾向にある。そこで、本実施例では、膜電極接合体１０Ａに、冷却水流路３２の出口側に対応する領域（領域Ｒ２）における温度上昇を抑制する構成を適用している。
【００３９】
図４（ｂ）に示したように、本実施例では、膜電極接合体１０Ａのアノード側において、冷却水の入口側に対応する領域Ｒ１に配置されたアノード側触媒層１４Ａａ２の触媒担持量は、一定であるものとした。そして、冷却水の出口側に対応する領域Ｒ２に配置されたアノード側触媒層１４Ａａ２の触媒担持量を段階的に減少させるようにした。本実施例では、領域Ｒ２に配置されたアノード側触媒層１４Ａａ２の触媒担持量を、領域Ｒ１に配置されたアノード側触媒層１４Ａａ２の触媒量の１／４まで減少させるものとした。この値は、任意に設定可能である。
【００４０】
また、図４（ｃ）に示したように、膜電極接合体１０のカソード側においても、領域Ｒ１に配置されたアノード側触媒層１４Ａａ２の触媒担持量は、一定であるものとし、領域Ｒ２に配置されたアノード側触媒層１４Ａａ２の触媒担持量を段階的に減少させるようにした。そして、カソード側においても、領域Ｒ２に配置されたカソード側触媒層１４Ａｃ２の触媒担持量を、領域Ｒ１に配置されたカソード側触媒層１４Ａｃ２の触媒量の１／４まで減少させるものとした。この値は、任意に設定可能である。
【００４１】
上述したように、膜電極接合体１０Ａにおいて、領域Ｒ２に配置されるアノード側触媒層１４Ａａ２、および、カソード側触媒層１４Ａｃ２の触媒担持量を、領域Ｒ１に配置されるアノード側触媒層１４Ａａ２、および、カソード側触媒層１４Ａｃ２の触媒担持量よりも少なくすることによって、領域Ｒ２における発電量を、領域Ｒ１における発電量よりも小さくすることができる。したがって、領域Ｒ２における発熱量を、領域Ｒ１における発熱量よりも小さくすることができる。
【００４２】
図５は、第２実施例の燃料電池の効果を示す説明図である。この図において、破線で示した曲線は、先に説明した第１実施例の燃料電池１００における膜電極接合体１０の温度分布を示している。また、実線で示した曲線は、本実施例の燃料電池における膜電極接合体１０Ａの温度分布を示している。
【００４３】
先に説明したように、本実施例の燃料電池１００では、膜電極接合体１０Ａにおいて、領域Ｒ２に配置されるアノード側触媒層１４Ａａ２、および、カソード側触媒層１４Ａｃ２の触媒担持量を、領域Ｒ１に配置されるアノード側触媒層１４Ａａ２、および、カソード側触媒層１４Ａｃ２の触媒担持量よりも少なくすることによって、領域Ｒ２における発電量を、領域Ｒ１における発電量よりも小さくしている。したがって、図５に示したように、冷却水流路３２内を流れる冷却水の温度が、冷却水の流れ方向の上流側から下流側に掛けて上昇して、膜電極接合体１０Ａの冷却効果が低下しても、本実施例の燃料電池では、第１実施例の燃料電池１００と比較して、膜電極接合体１０Ａの温度分布が均一化されている。
【００４４】
以上説明したように、第２実施例の燃料電池では、冷却水流路３２内を流れる冷却水の温度が、冷却水の流れ方向の上流側から下流側に掛けて上昇しても、膜電極接合体１０Ａにおける冷却水の出口側に対応する領域Ｒ２における局所的な温度上昇を抑制し、膜電極接合体１０Ａにおける温度分布の均一化を図ることができる。この結果、膜電極接合体１０Ａの局所的な劣化を、第１実施例の燃料電池１００よりも、さらに抑制することができる。
【００４５】
Ｃ．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、以下のような変形が可能である。
【００４６】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例では、図２に示したように、膜電極接合体１０において、アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃの触媒担持量を、上記第１の領域と第２の領域とで、ステップ状に変化させるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、上記第２の領域におけるアノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃの触媒担持を、段階的に変化させるようにしてもよいし、連続的に変化させるようにしてもよい。
【００４７】
また、上記第２実施例では、図４に示したように、膜電極接合体１０Ａにおいて、アノード側触媒層１４Ａａ２、および、カソード側触媒層１４Ａｃ２の触媒担持量を、上記領域Ｒ２において、段階的に変化させるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、上記領域Ｒ２におけるアノード側触媒層１４Ａａ２、および、カソード側触媒層１４Ａｃ２の触媒担持量を、ステップ状に変化させるものとしてもよいし、連続的に変化させるものとしてもよい。
【００４８】
Ｃ２．変形例２：
上記第２実施例では、上記領域Ｒ１に配置されるアノード側触媒層１４Ａａ２、および、カソード側触媒層１４Ａｃ２の触媒担持量は、一定であるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、アノード側触媒層１４Ａａ２、および、カソード側触媒層１４Ａｃ２の触媒担持量を、冷却水の入口側から出口側に掛けて、連続的に減少させるようにしてもよいし、段階的に減少させるようにしてもよい。
【００４９】
Ｃ３．変形例３：
上記第２実施例では、上記第２の領域に配置されるアノード側触媒層１４ａ１，１４ａ３、および、カソード側触媒層１４ｃ１，１４ｃ３の触媒担持量は、一定であるものとしたが、本発明は、これに限られない。上記第１の領域に配置されるアノード側触媒層１４Ａａ２、および、カソード側触媒層１４Ａｃ２と同様に、上記第２の領域に配置されるアノード側触媒層１４ａ１，１４ａ３、および、カソード側触媒層１４ｃ１，１４ｃ２の触媒担持量も、冷却水の入口側から出口側に掛けて減少させるようにしてもよい。
【００５０】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃに含まれる触媒の単位面積当たりの担持量を、面内で変化させることによって、膜電極接合体１０，１０Ａの面内における発電量を変化させるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃに含まれる触媒の比表面積を変化させたり、触媒の種類を変えたり、厚さを変化させることによって、膜電極接合体１０，１０Ａの面内における発電量を変化させるようにしてもよい。また、これらを組み合わせて適用するようにしてもよい。
【００５１】
なお、アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃに含まれる触媒の比表面積を部分的に比較的小さくすれば、その領域において、膜電極接合体１０，１０Ａにおける単位面積当たりの発電量を比較的小さくすることができる。また、アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃに含まれる触媒の種類を部分的に触媒能が比較的小さいものとすれば、その領域において、膜電極接合体１０，１０Ａにおける単位面積当たりの発電量を比較的小さくすることができる。また、アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃの厚さを部分的に比較的薄くすれば、その領域において、膜電極接合体１０，１０Ａにおける単位面積当たりの発電量を小さくすることができる。
【００５２】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、膜電極接合体１０，１０Ａの上下方向の中央部を、上記第１の領域とし、膜電極接合体１０の上端部、および、下端部を、上記第２の領域としたが、本発明は、これに限られない。上記第１の領域、および、第２の領域は、集電部材３０内における冷却水流路３２の形成位置に応じて、適宜、変更され得る。
【００５３】
Ｃ６．変形例６：
上記実施例では、膜電極接合体１０，１０Ａは、アノード側ガス拡散層１６ａ、および、カソード側ガス拡散層１６ｃを備えるものとしたが、これらのうちの少なくとも一方を省略するようにしてもよい。
【００５４】
Ｃ７．変形例７：
上記実施例では、集電部材３０は、フラットな形状を有するものとしたが、集電部材３０の膜電極接合体１０，１０Ａと対向する面に、リブ、および、溝を設け、燃料ガス流路や、酸化剤ガス流路とするようにしてもよい。この場合、アノード側金属多孔体２０ａや、カソード側金属多孔体２０ｃを省略するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】膜電極接合体１０のアノード側触媒層１４ａおよびカソード側触媒層１４ｃにおける触媒担持量の分布を示す説明図である。
【図３】第１実施例の燃料電池１００の効果を示す説明図である。
【図４】膜電極接合体１０Ａのアノード側触媒層１４ａおよびカソード側触媒層１４ｃにおける触媒担持量の分布を示す説明図である。
【図５】第２実施例の燃料電池の効果を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１００…燃料電池
１０，１０Ａ…膜電極接合体
１２…電解質膜
１４ａ，１４ａ１，１４ａ２，１４ａ３，１４Ａａ２…アノード側触媒層
１４ｃ，１４ｃ１，１４ｃ２，１４ｃ３、１４Ａｃ２…カソード側触媒層
１６ａ…アノード側ガス拡散層
１６ｃ…カソード側ガス拡散層
２０ａ…アノード側金属多孔体
２０ｃ…カソード側金属多孔体
３０…集電部材
３２…冷却水流路
【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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