燃料電池
【課題】燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流となる固体高分子型燃料電池において、ドライアップを抑制する。
【解決手段】燃料電池１００において、カソード側触媒層１４は、酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の第１の領域（領域Ｒａ；高触媒密度触媒層１４ａ）における単位面積当たりの触媒の重量が、第１の領域以外の第２の領域（領域Ｒｂ；低触媒密度触媒層１４ｂ）における単位面積当たりの触媒の重量よりも多くなるように形成されている。
【解決手段】燃料電池１００において、カソード側触媒層１４は、酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の第１の領域（領域Ｒａ；高触媒密度触媒層１４ａ）における単位面積当たりの触媒の重量が、第１の領域以外の第２の領域（領域Ｒｂ；低触媒密度触媒層１４ｂ）における単位面積当たりの触媒の重量よりも多くなるように形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、詳しくは、固体高分子型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。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、この固体高分子型燃料電池では、所望の発電性能を得るために、電解質膜を適正な湿潤状態に維持し、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保つ必要がある。
【０００３】
ところで、従来、固体高分子型燃料電池について、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとが対向流となるように、燃料ガス流路、および、酸化剤ガス流路を備える構成が知られている（例えば、下記特許文献１，２参照）。そして、燃料電池において、燃料ガスと酸化剤ガスとを対向流とすることによって、発電によって生成された生成水を、電解質膜を介して、アノードとカソードとの間で内部循環させ、加湿器を用いることなく、電解質膜の加湿（自己加湿）を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１８６６７１号公報
【特許文献２】特開２０１０−０９７７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流となる燃料電池では、酸化剤ガスの流れ方向についての上流部、すなわち、燃料ガスの流れ方向についての下流部において、電解質膜が比較的乾燥しやすく、ドライアップ（電解質膜の乾燥による発電性能の低下）が生じやすくなることが知られている（例えば、上記特許文献２参照）。そして、従来技術では、ドライアップ、特に、燃料電池の高温運転時のドライアップについて、改善の余地があった。
【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、燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流となる固体高分子型燃料電池において、ドライアップ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】
【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なされたものであり、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、
固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード側触媒層と、カソード側触媒層とを接合してなる膜電極接合体と、
前記アノード側触媒層の表面に沿って、第１の方向に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、
前記カソード側触媒層の表面に沿って、前記第１の方向と対向する第２の方向に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、
を備え、
前記カソード側触媒層は、前記酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の第１の領域における単位面積当たりの触媒の重量が、前記第１の領域以外の第２の領域における単位面積当たりの触媒の平均重量よりも多くなるように形成されている、
燃料電池。
【０００９】
ここで、「触媒の重量」、「触媒の平均重量」は、設計値であり、製造誤差を含む。
【００１０】
適用例１の燃料電池では、カソード側触媒層を上記構成とすることによって、上記第１の領域における単位面積当たりの発電量を、上記第２の領域における単位面積当たりの発電量よりも増大させ、発電（カソード反応）による生成水の生成量を増大させることができる。したがって、この第１の領域で生成された生成水によって、電解質膜が比較的乾燥しやすい酸化剤ガスの流れ方向についての上流部の乾燥を抑制し、ドライアップを抑制することができる。
【００１１】
さらに、本適用例の燃料電池によれば、カソード側触媒層全体における触媒の総重量を増量することなく、発電性能を向上させることができる。
【００１２】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記第１の領域は、前記酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の２５（％）以下の範囲の領域である、
燃料電池。
【００１３】
ここで、「酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の２５（％）」とは、「酸化剤ガスの導入口から排出口までの距離の２５（％）」を意味している。
【００１４】
適用例２の燃料電池によって、第１の領域で生成された生成水によって、電解質膜が比較的乾燥しやすい酸化剤ガスの流れ方向についての上流部の乾燥を効果的に抑制し、ドライアップを効果的に抑制することができる。
【００１５】
［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池であって、
前記カソード側触媒層は、
前記第１の領域の全面に設けられ、単位面積当たりの触媒の重量が、前記カソード側触媒層全体における単位面積当たりの触媒の重量の平均値よりも高い高触媒密度触媒層と、
前記第２の領域の全面に設けられ、単位面積当たりの触媒の重量が、前記カソード側触媒層全体における単位面積当たりの触媒の重量の平均値よりも低い低触媒密度触媒層と、
を備える燃料電池。
【００１６】
［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第１の領域における単位面積当たりの触媒の重量は、前記第２の領域における単位面積当たりの触媒の重量の１．５倍以上である、
燃料電池。
【００１７】
［適用例５］
適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第２の領域における単位面積当たりの触媒の重量は、前記カソード側触媒層全体における単位面積当たりの触媒の重量の０．８３倍以下である、
燃料電池。
【００１８】
本発明は、上述の燃料電池の発明としての構成の他、燃料電池に用いられる膜電極接合体の発明、燃料電池の製造方法、燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法の発明として構成することもできる。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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】比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００における各種分布を示す説明図である。
【図３】比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００におけるセル電圧のセル温度依存性を示す説明図である。
【図４】本発明の第２実施例としての燃料電池１００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図５】比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける各種分布を示す説明図である。
【図６】比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおけるセル電圧のセル温度依存性を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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：
Ａ１．燃料電池の構成：
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。図１（ａ）に、燃料電池１００の断面構造を模式的に示した。また、図１（ｂ）に、後述するカソード側触媒層１４の概略平面図を示した。
【００２１】
図１（ａ）に示したように、燃料電池１００は、膜電極接合体１０のカソード側の表面、および、アノード側の表面に、それぞれ、カソード側ガス拡散層２０、および、アノード側ガス拡散層３０を接合し、これらを、カソード側セパレータ５０、および、アノード側セパレータ７０で挟持することによって構成されている。
【００２２】
膜電極接合体１０は、固体高分子からなり、プロトン伝導性を有する電解質膜１２の両面に、それぞれ、カソード側触媒層１４と、アノード側触媒層１６とを接合することによって構成されている。カソード側触媒層１４、および、アノード側触媒層１６は、それぞれ、例えば、アイオノマ（例えば、ナフィオン（登録商標））と、触媒（例えば、白金）を担持した担体（例えば、カーボンブラック）と、分散媒（例えば、エタノール）とを所定の割合で混合したペーストを、電解質膜１２の表面に塗工して乾燥させることによって形成される。
【００２３】
なお、本実施例では、電解質膜１２として、ナフィオン（登録商標）を用いるものとした。電解質膜１２として、プロトン伝導性を有する他の固体高分子膜を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、カソード側ガス拡散層２０、および、アノード側ガス拡散層３０として、カーボンクロスを用いるものとした。カソード側ガス拡散層２０、および、アノード側ガス拡散層３０として、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。また、カソード側セパレータ５０、および、アノード側セパレータ７０としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
【００２４】
カソード側ガス拡散層２０とカソード側セパレータ５０との間には、酸化剤ガス流路４０が形成されている。本実施例では、酸化剤ガス流路４０は、カソード側セパレータ５０におけるカソード側ガス拡散層２０と当接する側の表面に溝およびリブ（符号省略）を設けることによって形成されている。また、アノード側ガス拡散層３０とアノード側セパレータ７０との間には、燃料ガス流路６０が形成されている。本実施例では、燃料ガス流路６０は、アノード側セパレータ７０におけるアノード側ガス拡散層３０と当接する側の表面に溝およびリブ（符号省略）を設けることによって形成されている。なお、燃料電池１００において、酸化剤ガス流路４０、および、燃料ガス流路６０は、酸化剤ガスと燃料ガスとが対向流となるように形成されている。
【００２５】
また、図１（ｂ）に示したように、カソード側触媒層１４は、酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の１０（％）の領域Ｒａにおける単位面積当たりの触媒の重量（以下、「触媒目付け量」とも言う）が、領域Ｒａ以外の領域Ｒｂにおける単位面積当たりの触媒の重量よりも多くなるように形成されている。すなわち、カソード側触媒層１４は、領域Ｒａの全面に設けられ、触媒目付け量がカソード側触媒層１４全体における触媒目付け量の平均値（以下、「平均目付け量」とも言う）よりも高い高触媒密度触媒層１４ａと、領域Ｒｂの全面に設けられ、触媒目付け量が平均目付け量よりも低い低触媒密度触媒層１４ｂと、を備えている。領域Ｒａは、課題を解決するための手段における第１の領域に相当する。また、領域Ｒｂは、課題を解決するための手段における第２の領域に相応する。
【００２６】
本実施例では、高触媒密度触媒層１４ａにおける触媒目付け量は、高触媒密度触媒層１４ａの全体（厚さ方向、面方向）において均一であり、０．２５（ｍｇ／ｃｍ２）とした。また、低触媒密度触媒層１４ｂにおける触媒目付け量は、低触媒密度触媒層１４ｂの全体において均一であり、０．０８３（ｍｇ／ｃｍ２）とした。この場合、カソード側触媒層１４全体における触媒目付け量の平均値は、約０．１（ｍｇ／ｃｍ２）である。そして、高触媒密度触媒層１４ａにおける触媒目付け量は、低触媒密度触媒層１４ｂにおける触媒目付け量の約３倍であり、また、平均目付け量の約２．５倍である。
【００２７】
Ａ２．実施例の効果：
本実施例の燃料電池１００と比較例の燃料電池とを比較することによって、本実施例の燃料電池１００の効果について説明する。なお、図示は省略するが、比較例の燃料電池の構成は、カソード側触媒層の構成を除き、図１に示した本実施例の燃料電池１００の構成と同じである。そして、比較例の燃料電池では、カソード側触媒層の触媒目付け量が全体（厚さ方向、面方向）において均一であり、０．１（ｍｇ／ｃｍ２）である。したがって、比較例の燃料電池のカソード側触媒層全体における触媒の総重量は、本実施例の燃料電池１００のカソード側触媒層１４全体における触媒の総重量とほぼ等しい。
【００２８】
図２は、比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００における各種分布を示す説明図である。図２（ａ）に、比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００における燃料ガス、および、酸化剤ガスの流れ方向についての電流密度分布を示した。また、図２（ｂ）に、比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００における酸化剤ガス流路４０における酸化剤ガスの流れ方向についての湿度分布を示した。また、図２（ｃ）に、比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００における燃料ガス流路６０における燃料ガスの流れ方向についての湿度分布を示した。また、図２（ｄ）に、比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００における燃料ガス、および、酸化剤ガスの流れ方向についてのセル抵抗分布を示した。なお、図示した各分布は、それぞれ、セル温度が９０（℃）であるときの分布を示している。また、図３は、比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００におけるセル電圧のセル温度依存性を示す説明図である。
【００２９】
図２（ａ）に示したように、第１実施例の燃料電池１００では、酸化剤ガスの流れ方向についての中流領域および下流領域においては、カソード側触媒層１４（低触媒密度触媒層１４ｂ）における触媒目付け量が比較例の燃料電池よりも少ないため、電流密度、すなわち、単位面積当たりの発電量が比較例の燃料電池よりも低下した。一方、酸化剤ガスの流れ方向についての上流領域においては、カソード側触媒層１４（高触媒密度触媒層１４ａ）における触媒目付け量が比較例の燃料電池よりも多いため、電流密度、すなわち、単位面積当たりの発電量が比較例の燃料電池よりも増大した。これにより、酸化剤ガスの流れ方向についての上流領域において、生成水の生成量が増大し、図２（ｂ）に示したように、酸化剤ガス流路４０における相対湿度がほぼ全領域に亘って比較例の燃料電池よりも増大した。また、図２（ｃ）に示したように、燃料ガス流路６０における相対湿度も全領域に亘って、特に、燃料ガスの流れ方向についての下流部（酸化剤ガスの流れ方向についての上流部）において、比較例の燃料電池よりも増大した。そして、図２（ｄ）に示したように、全領域において、セル抵抗が比較例の燃料電池よりも低下した。この結果、図３に示したように、少なくともセル温度が７０〜９０（℃）の範囲内で、セル電圧が比較例の燃料電池よりも増大した。つまり、第１実施例の燃料電池１００では、カソード側触媒層１４全体における触媒の総重量が比較例の燃料電池とほぼ等しいにも関らず、発電性能が比較例の燃料電池よりも向上した。
【００３０】
以上説明した第１実施例の燃料電池１００によれば、領域Ｒａ（高触媒密度触媒層１４ａ）における単位面積当たりの発電量を、領域Ｒｂ（低触媒密度触媒層１４ｂ）における単位面積当たりの発電量よりも増大させ、発電（カソード反応）による生成水の生成量を増大させることができる。したがって、この領域Ｒａで生成された生成水によって、電解質膜１２が比較的乾燥しやすい酸化剤ガスの流れ方向についての上流部の乾燥を抑制し、ドライアップを抑制することができる。
【００３１】
さらに、カソード側触媒層１４に使用する触媒の総重量を所定量に規定した場合、カソード側触媒層１４の全面において単位面積当たりの触媒の重量を均一とするよりも、本実施例の構成とすることによって、燃料電池の発電性能が向上することが見出された（図３参照）。つまり、本実施例の燃料電池１００によれば、カソード側触媒層１４全体における触媒の総重量を増量することなく、発電性能を向上させることができる。
【００３２】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池の構成：
図４は、本発明の第２実施例としての燃料電池１００Ａの概略構成を示す説明図である。図４（ａ）に、燃料電池１００Ａの断面構造を模式的に示した。また、図４（ｂ）に、後述するカソード側触媒層１４Ａの概略平面図を示した。
【００３３】
図４（ａ）に示したように、燃料電池１００Ａは、第１実施例の燃料電池１００と同様に、膜電極接合体１０Ａのカソード側の表面、および、アノード側の表面に、それぞれ、カソード側ガス拡散層２０、および、アノード側ガス拡散層３０を接合し、これらを、カソード側セパレータ５０、および、アノード側セパレータ７０で挟持することによって構成されている。なお、膜電極接合体１０Ａは、第１実施例の膜電極接合体１０におけるカソード側触媒層１４の代わりに、カソード側触媒層１４Ａを備えることを除き、膜電極接合体１０と同じである。
【００３４】
また、図４（ｂ）に示したように、カソード側触媒層１４Ａは、酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の２５（％）の領域ＲＡａにおける触媒目付け量が、領域ＲＡａ以外の領域ＲＡｂにおける単位面積当たりの触媒目付け量よりも多くなるように形成されている。すなわち、カソード側触媒層１４Ａは、領域ＲＡａの全面に設けられ、触媒目付け量がカソード側触媒層１４Ａ全体における触媒目付け量の平均値（以下、「平均目付け量」とも言う）よりも高い高触媒密度触媒層１４Ａａと、領域Ｒｂの全面に設けられ、触媒目付け量が平均目付け量よりも低い低触媒密度触媒層１４Ａｂと、を備えている。領域ＲＡａは、課題を解決するための手段における第１の領域に相当する。また、領域ＲＡｂは、課題を解決するための手段における第２の領域に相応する。
【００３５】
本実施例では、高触媒密度触媒層１４Ａａにおける触媒目付け量は、高触媒密度触媒層１４Ａａの全体（厚さ方向、面方向）において均一であり、０．１５（ｍｇ／ｃｍ２）とした。また、低触媒密度触媒層１４Ａｂにおける触媒目付け量は、低触媒密度触媒層１４Ａｂの全体において均一であり、０．０８３（ｍｇ／ｃｍ２）とした。この場合、カソード側触媒層１４Ａ全体における触媒目付け量の平均値は、約０．１（ｍｇ／ｃｍ２）である。そして、高触媒密度触媒層１４Ａａにおける触媒目付け量は、低触媒密度触媒層１４Ａｂにおける触媒目付け量の約１．８倍であり、また、平均目付け量の約１．５倍である。
【００３６】
Ｂ２．実施例の効果：
本実施例の燃料電池１００Ａと比較例の燃料電池とを比較することによって、本実施例の燃料電池１００Ａの効果について説明する。なお、この比較例の燃料電池は、先に第１実施例で説明した比較例の燃料電池と同じである。
【００３７】
図５は、比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける各種分布を示す説明図である。図５（ａ）に、比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける燃料ガス、および、酸化剤ガスの流れ方向についての電流密度分布を示した。また、図５（ｂ）に、比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける酸化剤ガス流路４０における酸化剤ガスの流れ方向についての湿度分布を示した。また、図５（ｃ）に、比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける燃料ガス流路６０における燃料ガスの流れ方向についての湿度分布を示した。また、図５（ｄ）に、比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける燃料ガス、および、酸化剤ガスの流れ方向についてのセル抵抗分布を示した。なお、図示した各分布は、それぞれ、セル温度が９０（℃）であるときの分布を示している。また、図６は、比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおけるセル電圧のセル温度依存性を示す説明図である。
【００３８】
図５（ａ）に示したように、第２実施例の燃料電池１００Ａでは、酸化剤ガスの流れ方向についての中流領域および下流領域においては、カソード側触媒層１４Ａ（低触媒密度触媒層１４Ａｂ）における触媒目付け量が比較例の燃料電池よりも少ないため、電流密度、すなわち、単位面積当たりの発電量が比較例の燃料電池よりも低下した。一方、酸化剤ガスの流れ方向についての上流領域においては、カソード側触媒層１４Ａ（高触媒密度触媒層１４Ａａ）における触媒目付け量が比較例の燃料電池よりも多いため、電流密度、すなわち、単位面積当たりの発電量が比較例の燃料電池よりも増大した。これにより、酸化剤ガスの流れ方向についての上流領域において、生成水の生成量が増大し、図５（ｂ）に示したように、酸化剤ガス流路４０における相対湿度がほぼ全領域に亘って比較例の燃料電池よりも増大した。また、図５（ｃ）に示したように、燃料ガス流路６０における相対湿度もほぼ全領域に亘って比較例の燃料電池よりも増大した。そして、図５（ｄ）に示したように、全領域において、セル抵抗が比較例の燃料電池よりも低下した。この結果、図６に示したように、少なくともセル温度が７０〜９０（℃）の範囲内で、セル電圧が比較例の燃料電池よりも増大した。つまり、第２実施例の燃料電池１００Ａにおいても、第１実施例の燃料電池１００と同様に、カソード側触媒層１４Ａ全体における触媒の総重量が比較例の燃料電池とほぼ等しいにも関らず、発電性能が比較例の燃料電池よりも向上した。
【００３９】
以上説明した第２実施例の燃料電池１００Ａによっても、第１実施例の燃料電池１００と同様に、領域ＲＡａ（高触媒密度触媒層１４Ａａ）における単位面積当たりの発電量を、領域ＲＡｂ（低触媒密度触媒層１４Ａｂ）における単位面積当たりの発電量よりも増大させ、発電（カソード反応）による生成水の生成量を増大させることができる。したがって、この領域ＲＡａで生成された生成水によって、電解質膜１２が比較的乾燥しやすい酸化剤ガスの流れ方向についての上流部の乾燥を抑制し、ドライアップを抑制することができる。また、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００４０】
なお、図５と図２との比較から分かるように、第２実施例の燃料電池１００Ａと第１実施例の燃料電池１００とでは、第１実施例の燃料電池１００の方が、ドライアップを抑制する効果が高い。また、図６と図３との比較から分かるように、第２実施例の燃料電池１００Ａと第１実施例の燃料電池１００とでは、第１実施例の燃料電池１００の方が、発電性能を向上させる効果が高い。これらのことから、カソード側触媒層に使用する触媒の総重量を所定量に規定する場合、高触媒密度触媒層を形成する領域を、酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の比較的狭い範囲の領域に限定するとともに、高触媒密度触媒層における触媒目付け量を多くすることが好ましいことが分かる。
【００４１】
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。
【００４２】
Ｃ１．変形例１：
例えば、上記第１実施例の燃料電池１００では、カソード側触媒層１４は、酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の１０（％）の領域Ｒａ（高触媒密度触媒層１４ａ）における触媒目付け量が、領域Ｒａ以外の領域Ｒｂ（低触媒密度触媒層１４ｂ）における触媒目付け量よりも多くなるように形成されているものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流となる固体高分子型燃料電池において、カソード側触媒層が、酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の第１の領域における触媒目付け量が、第１の領域以外の第２の領域における触媒目付け量よりも多くなるように形成されていればよい。
【００４３】
Ｃ２．変形例２：
例えば、上記第１実施例の燃料電池１００では、領域Ｒａ（高触媒密度触媒層１４ａ）、および、領域Ｒｂ（低触媒密度触媒層１４ｂ）において、それぞれ、触媒目付け量が均一であるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、高触媒密度触媒層１４ａ、および、低触媒密度触媒層１４ｂの面内において、それぞれ、触媒目付け量が連続的あるいは段階的に変化するようにしてもよい。
【００４４】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、カソード側セパレータ５０における、カソード側ガス拡散層２０と当接する側の表面に設けられた溝およびリブによって、酸化剤ガス流路４０を形成するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、カソード側セパレータ５０の代わりに、カソード側ガス拡散層２０と当接する側の表面が平らなセパレータを用い、このセパレータとカソード側ガス拡散層２０との間に金属多孔体やエキスパンドメタル等の導電性およびガス透過性を有する部材を挟むことによって、酸化剤ガス流路を形成するようにしてもよい。このことは、アノード側セパレータ７０、および、燃料ガス流路６０についても同様である。
【符号の説明】
【００４５】
１０，１０Ａ…膜電極接合体
１２…電解質膜
１４，１４Ａ…カソード側触媒層
１４ａ，１４Ａａ…高触媒密度触媒層
１４ｂ，１４Ａｂ…低触媒密度触媒層
１６…アノード側触媒層
２０…カソード側ガス拡散層
３０…アノード側ガス拡散層
４０…酸化剤ガス流路
５０…カソード側セパレータ
６０…燃料ガス流路
７０…アノード側セパレータ
１００，１００Ａ…燃料電池
Ｒａ，ＲＡａ…領域（第１の領域）
Ｒｂ，ＲＡｂ…領域（第２の領域）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、詳しくは、固体高分子型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。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、この固体高分子型燃料電池では、所望の発電性能を得るために、電解質膜を適正な湿潤状態に維持し、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保つ必要がある。
【０００３】
ところで、従来、固体高分子型燃料電池について、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとが対向流となるように、燃料ガス流路、および、酸化剤ガス流路を備える構成が知られている（例えば、下記特許文献１，２参照）。そして、燃料電池において、燃料ガスと酸化剤ガスとを対向流とすることによって、発電によって生成された生成水を、電解質膜を介して、アノードとカソードとの間で内部循環させ、加湿器を用いることなく、電解質膜の加湿（自己加湿）を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１８６６７１号公報
【特許文献２】特開２０１０−０９７７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流となる燃料電池では、酸化剤ガスの流れ方向についての上流部、すなわち、燃料ガスの流れ方向についての下流部において、電解質膜が比較的乾燥しやすく、ドライアップ（電解質膜の乾燥による発電性能の低下）が生じやすくなることが知られている（例えば、上記特許文献２参照）。そして、従来技術では、ドライアップ、特に、燃料電池の高温運転時のドライアップについて、改善の余地があった。
【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、燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流となる固体高分子型燃料電池において、ドライアップ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】
【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なされたものであり、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、
固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード側触媒層と、カソード側触媒層とを接合してなる膜電極接合体と、
前記アノード側触媒層の表面に沿って、第１の方向に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、
前記カソード側触媒層の表面に沿って、前記第１の方向と対向する第２の方向に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、
を備え、
前記カソード側触媒層は、前記酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の第１の領域における単位面積当たりの触媒の重量が、前記第１の領域以外の第２の領域における単位面積当たりの触媒の平均重量よりも多くなるように形成されている、
燃料電池。
【０００９】
ここで、「触媒の重量」、「触媒の平均重量」は、設計値であり、製造誤差を含む。
【００１０】
適用例１の燃料電池では、カソード側触媒層を上記構成とすることによって、上記第１の領域における単位面積当たりの発電量を、上記第２の領域における単位面積当たりの発電量よりも増大させ、発電（カソード反応）による生成水の生成量を増大させることができる。したがって、この第１の領域で生成された生成水によって、電解質膜が比較的乾燥しやすい酸化剤ガスの流れ方向についての上流部の乾燥を抑制し、ドライアップを抑制することができる。
【００１１】
さらに、本適用例の燃料電池によれば、カソード側触媒層全体における触媒の総重量を増量することなく、発電性能を向上させることができる。
【００１２】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記第１の領域は、前記酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の２５（％）以下の範囲の領域である、
燃料電池。
【００１３】
ここで、「酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の２５（％）」とは、「酸化剤ガスの導入口から排出口までの距離の２５（％）」を意味している。
【００１４】
適用例２の燃料電池によって、第１の領域で生成された生成水によって、電解質膜が比較的乾燥しやすい酸化剤ガスの流れ方向についての上流部の乾燥を効果的に抑制し、ドライアップを効果的に抑制することができる。
【００１５】
［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池であって、
前記カソード側触媒層は、
前記第１の領域の全面に設けられ、単位面積当たりの触媒の重量が、前記カソード側触媒層全体における単位面積当たりの触媒の重量の平均値よりも高い高触媒密度触媒層と、
前記第２の領域の全面に設けられ、単位面積当たりの触媒の重量が、前記カソード側触媒層全体における単位面積当たりの触媒の重量の平均値よりも低い低触媒密度触媒層と、
を備える燃料電池。
【００１６】
［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第１の領域における単位面積当たりの触媒の重量は、前記第２の領域における単位面積当たりの触媒の重量の１．５倍以上である、
燃料電池。
【００１７】
［適用例５］
適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第２の領域における単位面積当たりの触媒の重量は、前記カソード側触媒層全体における単位面積当たりの触媒の重量の０．８３倍以下である、
燃料電池。
【００１８】
本発明は、上述の燃料電池の発明としての構成の他、燃料電池に用いられる膜電極接合体の発明、燃料電池の製造方法、燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法の発明として構成することもできる。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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】比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００における各種分布を示す説明図である。
【図３】比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００におけるセル電圧のセル温度依存性を示す説明図である。
【図４】本発明の第２実施例としての燃料電池１００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図５】比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける各種分布を示す説明図である。
【図６】比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおけるセル電圧のセル温度依存性を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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：
Ａ１．燃料電池の構成：
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。図１（ａ）に、燃料電池１００の断面構造を模式的に示した。また、図１（ｂ）に、後述するカソード側触媒層１４の概略平面図を示した。
【００２１】
図１（ａ）に示したように、燃料電池１００は、膜電極接合体１０のカソード側の表面、および、アノード側の表面に、それぞれ、カソード側ガス拡散層２０、および、アノード側ガス拡散層３０を接合し、これらを、カソード側セパレータ５０、および、アノード側セパレータ７０で挟持することによって構成されている。
【００２２】
膜電極接合体１０は、固体高分子からなり、プロトン伝導性を有する電解質膜１２の両面に、それぞれ、カソード側触媒層１４と、アノード側触媒層１６とを接合することによって構成されている。カソード側触媒層１４、および、アノード側触媒層１６は、それぞれ、例えば、アイオノマ（例えば、ナフィオン（登録商標））と、触媒（例えば、白金）を担持した担体（例えば、カーボンブラック）と、分散媒（例えば、エタノール）とを所定の割合で混合したペーストを、電解質膜１２の表面に塗工して乾燥させることによって形成される。
【００２３】
なお、本実施例では、電解質膜１２として、ナフィオン（登録商標）を用いるものとした。電解質膜１２として、プロトン伝導性を有する他の固体高分子膜を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、カソード側ガス拡散層２０、および、アノード側ガス拡散層３０として、カーボンクロスを用いるものとした。カソード側ガス拡散層２０、および、アノード側ガス拡散層３０として、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。また、カソード側セパレータ５０、および、アノード側セパレータ７０としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
【００２４】
カソード側ガス拡散層２０とカソード側セパレータ５０との間には、酸化剤ガス流路４０が形成されている。本実施例では、酸化剤ガス流路４０は、カソード側セパレータ５０におけるカソード側ガス拡散層２０と当接する側の表面に溝およびリブ（符号省略）を設けることによって形成されている。また、アノード側ガス拡散層３０とアノード側セパレータ７０との間には、燃料ガス流路６０が形成されている。本実施例では、燃料ガス流路６０は、アノード側セパレータ７０におけるアノード側ガス拡散層３０と当接する側の表面に溝およびリブ（符号省略）を設けることによって形成されている。なお、燃料電池１００において、酸化剤ガス流路４０、および、燃料ガス流路６０は、酸化剤ガスと燃料ガスとが対向流となるように形成されている。
【００２５】
また、図１（ｂ）に示したように、カソード側触媒層１４は、酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の１０（％）の領域Ｒａにおける単位面積当たりの触媒の重量（以下、「触媒目付け量」とも言う）が、領域Ｒａ以外の領域Ｒｂにおける単位面積当たりの触媒の重量よりも多くなるように形成されている。すなわち、カソード側触媒層１４は、領域Ｒａの全面に設けられ、触媒目付け量がカソード側触媒層１４全体における触媒目付け量の平均値（以下、「平均目付け量」とも言う）よりも高い高触媒密度触媒層１４ａと、領域Ｒｂの全面に設けられ、触媒目付け量が平均目付け量よりも低い低触媒密度触媒層１４ｂと、を備えている。領域Ｒａは、課題を解決するための手段における第１の領域に相当する。また、領域Ｒｂは、課題を解決するための手段における第２の領域に相応する。
【００２６】
本実施例では、高触媒密度触媒層１４ａにおける触媒目付け量は、高触媒密度触媒層１４ａの全体（厚さ方向、面方向）において均一であり、０．２５（ｍｇ／ｃｍ２）とした。また、低触媒密度触媒層１４ｂにおける触媒目付け量は、低触媒密度触媒層１４ｂの全体において均一であり、０．０８３（ｍｇ／ｃｍ２）とした。この場合、カソード側触媒層１４全体における触媒目付け量の平均値は、約０．１（ｍｇ／ｃｍ２）である。そして、高触媒密度触媒層１４ａにおける触媒目付け量は、低触媒密度触媒層１４ｂにおける触媒目付け量の約３倍であり、また、平均目付け量の約２．５倍である。
【００２７】
Ａ２．実施例の効果：
本実施例の燃料電池１００と比較例の燃料電池とを比較することによって、本実施例の燃料電池１００の効果について説明する。なお、図示は省略するが、比較例の燃料電池の構成は、カソード側触媒層の構成を除き、図１に示した本実施例の燃料電池１００の構成と同じである。そして、比較例の燃料電池では、カソード側触媒層の触媒目付け量が全体（厚さ方向、面方向）において均一であり、０．１（ｍｇ／ｃｍ２）である。したがって、比較例の燃料電池のカソード側触媒層全体における触媒の総重量は、本実施例の燃料電池１００のカソード側触媒層１４全体における触媒の総重量とほぼ等しい。
【００２８】
図２は、比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００における各種分布を示す説明図である。図２（ａ）に、比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００における燃料ガス、および、酸化剤ガスの流れ方向についての電流密度分布を示した。また、図２（ｂ）に、比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００における酸化剤ガス流路４０における酸化剤ガスの流れ方向についての湿度分布を示した。また、図２（ｃ）に、比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００における燃料ガス流路６０における燃料ガスの流れ方向についての湿度分布を示した。また、図２（ｄ）に、比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００における燃料ガス、および、酸化剤ガスの流れ方向についてのセル抵抗分布を示した。なお、図示した各分布は、それぞれ、セル温度が９０（℃）であるときの分布を示している。また、図３は、比較例の燃料電池、および、第１実施例の燃料電池１００におけるセル電圧のセル温度依存性を示す説明図である。
【００２９】
図２（ａ）に示したように、第１実施例の燃料電池１００では、酸化剤ガスの流れ方向についての中流領域および下流領域においては、カソード側触媒層１４（低触媒密度触媒層１４ｂ）における触媒目付け量が比較例の燃料電池よりも少ないため、電流密度、すなわち、単位面積当たりの発電量が比較例の燃料電池よりも低下した。一方、酸化剤ガスの流れ方向についての上流領域においては、カソード側触媒層１４（高触媒密度触媒層１４ａ）における触媒目付け量が比較例の燃料電池よりも多いため、電流密度、すなわち、単位面積当たりの発電量が比較例の燃料電池よりも増大した。これにより、酸化剤ガスの流れ方向についての上流領域において、生成水の生成量が増大し、図２（ｂ）に示したように、酸化剤ガス流路４０における相対湿度がほぼ全領域に亘って比較例の燃料電池よりも増大した。また、図２（ｃ）に示したように、燃料ガス流路６０における相対湿度も全領域に亘って、特に、燃料ガスの流れ方向についての下流部（酸化剤ガスの流れ方向についての上流部）において、比較例の燃料電池よりも増大した。そして、図２（ｄ）に示したように、全領域において、セル抵抗が比較例の燃料電池よりも低下した。この結果、図３に示したように、少なくともセル温度が７０〜９０（℃）の範囲内で、セル電圧が比較例の燃料電池よりも増大した。つまり、第１実施例の燃料電池１００では、カソード側触媒層１４全体における触媒の総重量が比較例の燃料電池とほぼ等しいにも関らず、発電性能が比較例の燃料電池よりも向上した。
【００３０】
以上説明した第１実施例の燃料電池１００によれば、領域Ｒａ（高触媒密度触媒層１４ａ）における単位面積当たりの発電量を、領域Ｒｂ（低触媒密度触媒層１４ｂ）における単位面積当たりの発電量よりも増大させ、発電（カソード反応）による生成水の生成量を増大させることができる。したがって、この領域Ｒａで生成された生成水によって、電解質膜１２が比較的乾燥しやすい酸化剤ガスの流れ方向についての上流部の乾燥を抑制し、ドライアップを抑制することができる。
【００３１】
さらに、カソード側触媒層１４に使用する触媒の総重量を所定量に規定した場合、カソード側触媒層１４の全面において単位面積当たりの触媒の重量を均一とするよりも、本実施例の構成とすることによって、燃料電池の発電性能が向上することが見出された（図３参照）。つまり、本実施例の燃料電池１００によれば、カソード側触媒層１４全体における触媒の総重量を増量することなく、発電性能を向上させることができる。
【００３２】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池の構成：
図４は、本発明の第２実施例としての燃料電池１００Ａの概略構成を示す説明図である。図４（ａ）に、燃料電池１００Ａの断面構造を模式的に示した。また、図４（ｂ）に、後述するカソード側触媒層１４Ａの概略平面図を示した。
【００３３】
図４（ａ）に示したように、燃料電池１００Ａは、第１実施例の燃料電池１００と同様に、膜電極接合体１０Ａのカソード側の表面、および、アノード側の表面に、それぞれ、カソード側ガス拡散層２０、および、アノード側ガス拡散層３０を接合し、これらを、カソード側セパレータ５０、および、アノード側セパレータ７０で挟持することによって構成されている。なお、膜電極接合体１０Ａは、第１実施例の膜電極接合体１０におけるカソード側触媒層１４の代わりに、カソード側触媒層１４Ａを備えることを除き、膜電極接合体１０と同じである。
【００３４】
また、図４（ｂ）に示したように、カソード側触媒層１４Ａは、酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の２５（％）の領域ＲＡａにおける触媒目付け量が、領域ＲＡａ以外の領域ＲＡｂにおける単位面積当たりの触媒目付け量よりも多くなるように形成されている。すなわち、カソード側触媒層１４Ａは、領域ＲＡａの全面に設けられ、触媒目付け量がカソード側触媒層１４Ａ全体における触媒目付け量の平均値（以下、「平均目付け量」とも言う）よりも高い高触媒密度触媒層１４Ａａと、領域Ｒｂの全面に設けられ、触媒目付け量が平均目付け量よりも低い低触媒密度触媒層１４Ａｂと、を備えている。領域ＲＡａは、課題を解決するための手段における第１の領域に相当する。また、領域ＲＡｂは、課題を解決するための手段における第２の領域に相応する。
【００３５】
本実施例では、高触媒密度触媒層１４Ａａにおける触媒目付け量は、高触媒密度触媒層１４Ａａの全体（厚さ方向、面方向）において均一であり、０．１５（ｍｇ／ｃｍ２）とした。また、低触媒密度触媒層１４Ａｂにおける触媒目付け量は、低触媒密度触媒層１４Ａｂの全体において均一であり、０．０８３（ｍｇ／ｃｍ２）とした。この場合、カソード側触媒層１４Ａ全体における触媒目付け量の平均値は、約０．１（ｍｇ／ｃｍ２）である。そして、高触媒密度触媒層１４Ａａにおける触媒目付け量は、低触媒密度触媒層１４Ａｂにおける触媒目付け量の約１．８倍であり、また、平均目付け量の約１．５倍である。
【００３６】
Ｂ２．実施例の効果：
本実施例の燃料電池１００Ａと比較例の燃料電池とを比較することによって、本実施例の燃料電池１００Ａの効果について説明する。なお、この比較例の燃料電池は、先に第１実施例で説明した比較例の燃料電池と同じである。
【００３７】
図５は、比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける各種分布を示す説明図である。図５（ａ）に、比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける燃料ガス、および、酸化剤ガスの流れ方向についての電流密度分布を示した。また、図５（ｂ）に、比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける酸化剤ガス流路４０における酸化剤ガスの流れ方向についての湿度分布を示した。また、図５（ｃ）に、比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける燃料ガス流路６０における燃料ガスの流れ方向についての湿度分布を示した。また、図５（ｄ）に、比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける燃料ガス、および、酸化剤ガスの流れ方向についてのセル抵抗分布を示した。なお、図示した各分布は、それぞれ、セル温度が９０（℃）であるときの分布を示している。また、図６は、比較例の燃料電池、および、第２実施例の燃料電池１００Ａにおけるセル電圧のセル温度依存性を示す説明図である。
【００３８】
図５（ａ）に示したように、第２実施例の燃料電池１００Ａでは、酸化剤ガスの流れ方向についての中流領域および下流領域においては、カソード側触媒層１４Ａ（低触媒密度触媒層１４Ａｂ）における触媒目付け量が比較例の燃料電池よりも少ないため、電流密度、すなわち、単位面積当たりの発電量が比較例の燃料電池よりも低下した。一方、酸化剤ガスの流れ方向についての上流領域においては、カソード側触媒層１４Ａ（高触媒密度触媒層１４Ａａ）における触媒目付け量が比較例の燃料電池よりも多いため、電流密度、すなわち、単位面積当たりの発電量が比較例の燃料電池よりも増大した。これにより、酸化剤ガスの流れ方向についての上流領域において、生成水の生成量が増大し、図５（ｂ）に示したように、酸化剤ガス流路４０における相対湿度がほぼ全領域に亘って比較例の燃料電池よりも増大した。また、図５（ｃ）に示したように、燃料ガス流路６０における相対湿度もほぼ全領域に亘って比較例の燃料電池よりも増大した。そして、図５（ｄ）に示したように、全領域において、セル抵抗が比較例の燃料電池よりも低下した。この結果、図６に示したように、少なくともセル温度が７０〜９０（℃）の範囲内で、セル電圧が比較例の燃料電池よりも増大した。つまり、第２実施例の燃料電池１００Ａにおいても、第１実施例の燃料電池１００と同様に、カソード側触媒層１４Ａ全体における触媒の総重量が比較例の燃料電池とほぼ等しいにも関らず、発電性能が比較例の燃料電池よりも向上した。
【００３９】
以上説明した第２実施例の燃料電池１００Ａによっても、第１実施例の燃料電池１００と同様に、領域ＲＡａ（高触媒密度触媒層１４Ａａ）における単位面積当たりの発電量を、領域ＲＡｂ（低触媒密度触媒層１４Ａｂ）における単位面積当たりの発電量よりも増大させ、発電（カソード反応）による生成水の生成量を増大させることができる。したがって、この領域ＲＡａで生成された生成水によって、電解質膜１２が比較的乾燥しやすい酸化剤ガスの流れ方向についての上流部の乾燥を抑制し、ドライアップを抑制することができる。また、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００４０】
なお、図５と図２との比較から分かるように、第２実施例の燃料電池１００Ａと第１実施例の燃料電池１００とでは、第１実施例の燃料電池１００の方が、ドライアップを抑制する効果が高い。また、図６と図３との比較から分かるように、第２実施例の燃料電池１００Ａと第１実施例の燃料電池１００とでは、第１実施例の燃料電池１００の方が、発電性能を向上させる効果が高い。これらのことから、カソード側触媒層に使用する触媒の総重量を所定量に規定する場合、高触媒密度触媒層を形成する領域を、酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の比較的狭い範囲の領域に限定するとともに、高触媒密度触媒層における触媒目付け量を多くすることが好ましいことが分かる。
【００４１】
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。
【００４２】
Ｃ１．変形例１：
例えば、上記第１実施例の燃料電池１００では、カソード側触媒層１４は、酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の１０（％）の領域Ｒａ（高触媒密度触媒層１４ａ）における触媒目付け量が、領域Ｒａ以外の領域Ｒｂ（低触媒密度触媒層１４ｂ）における触媒目付け量よりも多くなるように形成されているものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流となる固体高分子型燃料電池において、カソード側触媒層が、酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の第１の領域における触媒目付け量が、第１の領域以外の第２の領域における触媒目付け量よりも多くなるように形成されていればよい。
【００４３】
Ｃ２．変形例２：
例えば、上記第１実施例の燃料電池１００では、領域Ｒａ（高触媒密度触媒層１４ａ）、および、領域Ｒｂ（低触媒密度触媒層１４ｂ）において、それぞれ、触媒目付け量が均一であるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、高触媒密度触媒層１４ａ、および、低触媒密度触媒層１４ｂの面内において、それぞれ、触媒目付け量が連続的あるいは段階的に変化するようにしてもよい。
【００４４】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、カソード側セパレータ５０における、カソード側ガス拡散層２０と当接する側の表面に設けられた溝およびリブによって、酸化剤ガス流路４０を形成するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、カソード側セパレータ５０の代わりに、カソード側ガス拡散層２０と当接する側の表面が平らなセパレータを用い、このセパレータとカソード側ガス拡散層２０との間に金属多孔体やエキスパンドメタル等の導電性およびガス透過性を有する部材を挟むことによって、酸化剤ガス流路を形成するようにしてもよい。このことは、アノード側セパレータ７０、および、燃料ガス流路６０についても同様である。
【符号の説明】
【００４５】
１０，１０Ａ…膜電極接合体
１２…電解質膜
１４，１４Ａ…カソード側触媒層
１４ａ，１４Ａａ…高触媒密度触媒層
１４ｂ，１４Ａｂ…低触媒密度触媒層
１６…アノード側触媒層
２０…カソード側ガス拡散層
３０…アノード側ガス拡散層
４０…酸化剤ガス流路
５０…カソード側セパレータ
６０…燃料ガス流路
７０…アノード側セパレータ
１００，１００Ａ…燃料電池
Ｒａ，ＲＡａ…領域（第１の領域）
Ｒｂ，ＲＡｂ…領域（第２の領域）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード側触媒層と、カソード側触媒層とを接合してなる膜電極接合体と、
前記アノード側触媒層の表面に沿って、第１の方向に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、
前記カソード側触媒層の表面に沿って、前記第１の方向と対向する第２の方向に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、
を備え、
前記カソード側触媒層は、前記酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の第１の領域における単位面積当たりの触媒の重量が、前記第１の領域以外の第２の領域における単位面積当たりの触媒の平均重量よりも多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１の領域は、前記酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の２５（％）以下の範囲の領域である、
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、
前記カソード側触媒層は、
前記第１の領域の全面に設けられ、単位面積当たりの触媒の重量が、前記カソード側触媒層全体における単位面積当たりの触媒の重量の平均値よりも高い高触媒密度触媒層と、
前記第２の領域の全面に設けられ、単位面積当たりの触媒の重量が、前記カソード側触媒層全体における単位面積当たりの触媒の重量の平均値よりも低い低触媒密度触媒層と、
を備える燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第１の領域における単位面積当たりの触媒の重量は、前記第２の領域における単位面積当たりの触媒の重量の１．５倍以上である、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第２の領域における単位面積当たりの触媒の重量は、前記カソード側触媒層全体における単位面積当たりの触媒の重量の０．８３倍以下である、
燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、
固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード側触媒層と、カソード側触媒層とを接合してなる膜電極接合体と、
前記アノード側触媒層の表面に沿って、第１の方向に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、
前記カソード側触媒層の表面に沿って、前記第１の方向と対向する第２の方向に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、
を備え、
前記カソード側触媒層は、前記酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の第１の領域における単位面積当たりの触媒の重量が、前記第１の領域以外の第２の領域における単位面積当たりの触媒の平均重量よりも多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１の領域は、前記酸化剤ガスの流れ方向についての上流側の２５（％）以下の範囲の領域である、
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、
前記カソード側触媒層は、
前記第１の領域の全面に設けられ、単位面積当たりの触媒の重量が、前記カソード側触媒層全体における単位面積当たりの触媒の重量の平均値よりも高い高触媒密度触媒層と、
前記第２の領域の全面に設けられ、単位面積当たりの触媒の重量が、前記カソード側触媒層全体における単位面積当たりの触媒の重量の平均値よりも低い低触媒密度触媒層と、
を備える燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第１の領域における単位面積当たりの触媒の重量は、前記第２の領域における単位面積当たりの触媒の重量の１．５倍以上である、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第２の領域における単位面積当たりの触媒の重量は、前記カソード側触媒層全体における単位面積当たりの触媒の重量の０．８３倍以下である、
燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１８６１０５（Ｐ２０１２−１８６１０５Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４９８９５（Ｐ２０１１−４９８９５）
【出願日】平成２３年３月８日（２０１１．３．８）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月８日（２０１１．３．８）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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