JP2015153568A - 燃料電池スタック - Google Patents

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Hideo Kasahara
英男 笠原
岳太 岡西
Takehiro Okanishi
岳太 岡西
安本　栄一
Eiichi Yasumoto
栄一 安本
尾関　正高
Masataka Ozeki
正高 尾関
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Abstract

【課題】燃料電池セルを間に挟む２つのセパレータに温度差がある場合でも、良好な発電性能が得られる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】第１燃料電池セル４４の第１セパレータ５１が配置されている側の電極層である第１電極層４５のガス拡散層及び触媒層を、第１ガス拡散層４６及び第１触媒層４７と定義し、第１燃料電池セル４４の第２セパレータ７１が配置されている側の電極層である第３電極層４１のガス拡散層及び触媒層を、第３ガス拡散層４２及び第３触媒層４３と定義した場合に、第１セパレータ５１は第２セパレータ７１よりも温度が低くなるよう構成され、比較的温度が高い第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の排水性が、比較的温度が低い第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の排水性よりも高い。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。
近年、高効率でクリーン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されている。
燃料電池（例えば固体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。
例えば、高分子電解質形燃料電池は、図２に示すように構成されている。図２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２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（以下、燃料電池単セルを燃料電池セルと称する）１００は、膜電極接合体（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。つまり、この一対のセパレータ１２０によりＭＥＡ１１０が挟持されている。
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。
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。
ガス拡散層１１４は、炭素繊維からなる基材と、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）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）、基材の順に配置される。
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。
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。
そして、上記した構成を有する燃料電池セル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。
また燃料電池セル１００は、図２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。
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。
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。
一方、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が隣接する活物質の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。
一方、冷却流路溝と燃料壜電池セルとの位置関係によっては、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プロトン伝導性が悪化してしまい燃料電池の性能が低下してしまう。この電池性能低下を抑制するための技術として特許文献３の燃料電池が提案されている。
より具体的には、特許文献３には、冷却機構と隣り合う燃料壜電池セルにおいて、冷却機構が配置されている側の電極層のガス拡散層の熱伝導率が、冷却機構が配設されていない側の電極層のガス拡散層の熱伝導率よりも大きくなるように、ガス拡散層の構造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、高分子電解質膜ドライアップを抑制することが出来る。
特開２００４−８７３１１号公報 特開２００９−１６２００号公報 特開２０１３−８４４８６号公報
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を複数の燃料電池セル１００毎に設けた構成の場合、冷却流路溝１２３と燃料電池セル１００との位置関係によって、燃料電池によって、燃料電池セル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が配置されている側の燃料ガス、又は酸化剤ガスの温度が低くなりやすく、凝縮水が生成しフラッディングを生じる恐れがある。
ところで、フラッデイング現象は、セパレータ表面、セパレータとガス拡散層の界面、ガス拡散層内部、ガス拡散層表面、ガス拡散層と触媒層の界面、触媒層表面、そして触媒層内部いずれかに水が滞留することが原因で燃料及び酸化剤ガスである活物質の物質輸送が電極である触媒表面まで起こりにくくなり十分な発電反応が起こらなくなると考えられている。
特許文献２ように活物質流体流路の冷却流路の排水性を高くしたり、特許文献３のように冷却機構が配置されている側の電極層のガス拡散層の熱伝導率を大きくしたとしても、ガス拡散層の表面エネルギーが大きい場合や、触媒層の表面エネルギーが大きい場合等では、冷却機構が配置されている側の電極層で親水性になることが考えられる。よって、活物質の電極表面への輸送は起こりにくくなり、フラッデイングを抑制することは難しくなる。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。
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、燃料電池セルを間に挟む２つのセパレータに温度差がある場合でも、良好な発電性能が得られる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明は、燃料電池セルを間に挟む２つのセパレータのうちの比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層の排水性を、比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層の排水性よりも高くしたのである。
これにより、比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層の層内の水の流れる抵抗を下げたり、層内の含水率を減らすことができる。そして、比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層は、比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層よりも凝縮水が生成しにくくなることから、比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層には水が蓄積しにくい状態が形成される。
一方、比較的温度の低い方のセパレータに形成されている燃料流路においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、比較的温度の高い方のセパレータの酸化剤流路よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水の生成が起こり易く、比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層には水が蓄積しやすい状態が形成される。
上述状態によると、比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層から比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層のガス拡散層にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜内を通して水の流れが生じることで比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層での水の滞留が抑えられることから、比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層でのフラッデイングが発生しにくくなる。
この結果、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
本発明によれば、燃料電池セルを間に挟む２つのセパレータのうちの比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層の排水性を、比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層の排水性よりも高くしたことにより、比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層から比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層のガス拡散層にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜内を通して水の流れが生じることで比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層での水の滞留が抑えられることから、比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層でのフラッデイン
グが発生しにくくなる。
この結果、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献でき、良好な発電性能が得られるという効果を奏する。
また、本発明の燃料電池セルをスタック化することで、少ない冷却能力機構でも安定な出力が確保可能なため、スタックの小型化、低コスト化を実現可能にすることが出来る。
本発明の燃料電池スタックの一実施の形態の基本構成の一例を示す要部概略断面図 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
以下、本発明の燃料電池スタックの一実施の形態について、図１を参照しながら説明する。尚、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の好適な一実施の形態としての燃料電池を構成する単セル１の概略構成を表す断面模式図である。但し構成はこれに限らない。
第１燃料電池セル４４の一対の電極層それぞれは、高分子電解質膜４０の片面に順に積層された触媒層とガス拡散層とを含み、同様に、第２燃料電池セル６４の一対の電極層それぞれは、高分子電解質膜６０の片面に順に積層された触媒層とガス拡散層とを含む。
そして、第１セパレータ５１、第１燃料電池セル４４、第２セパレータ７１、第２燃料電池セル６４が、この順に（第１セパレータ５１、第１燃料電池セル４４、第２セパレータ７１、第２燃料電池セル６４、第１セパレータ５１、第１燃料電池セル４４、第２セパレータ７１、第２燃料電池セル６４の順に）積層されている。
第１燃料電池セル４４の第１セパレータ５１が配置されている側の電極層である第１電極層４５のガス拡散層及び触媒層を、第１ガス拡散層４６及び第１触媒層４７と定義し、第１燃料電池セル４４の第２セパレータ７１が配置されている側の電極層である第３電極層４１のガス拡散層及び触媒層を、第３ガス拡散層４２及び第３触媒層４３と定義する。
また、第２燃料電池セル６４の第２セパレータ７１が配置されている側の電極層である第２電極層６５のガス拡散層及び触媒層を、第２ガス拡散層６６及び第２触媒層６７と定義し、第２燃料電池セル６４の第１セパレータ５１が配置されている側の電極層である第４電極層６１のガス拡散層及び触媒層を、第４ガス拡散層６２及び第４触媒層６３と定義する。
また、第１セパレータ５１は第２セパレータ７１よりも温度が低くなるよう構成され、比較的温度が高い（相対的に温度が高い）第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の排水性が、比較的温度が低い（相対的に温度が低い）第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の排水性、第４電極層６１の排水性よりも高くなるような構成になっていることを特徴とする。
なお、第１セパレータ５１の温度が、第２セパレータ７１の温度よりも低くなるような構成であれば、どのような構成であってもよい。例えば、第１セパレータ５１が冷却機構
を含み、第２セパレータ７１が冷却機構を含まない場合であってもよい。この場合、第１セパレータ５１の冷却機構に熱媒体が通流し、第１セパレータ５１を冷却するよう制御でき、第１セパレータ５１の温度は、第２セパレータ７１の温度よりも低くすることができる。
例えば、第１セパレータ５１と第２セパレータ７１の両方が冷却機構を含む場合に、第１セパレータ５１の温度が、第２セパレータ７１の温度よりも低くなるように制御されていてもよい。この場合は、第１セパレータ５１の第１冷却機構１０に第１熱媒体を通流させ、第２セパレータ７１の第２冷却機構に第２熱媒体を通流させ、第１セパレータ５１の温度が、第２セパレータ７１の温度よりも低くなるように、第１冷却機構１０及び第２冷却機構を設計してもよく、第１熱媒体及び第２熱媒体の流量を制御してもよい。
なお、ここで、「第１セパレータ５１の温度が、第２セパレータ７１の温度よりも低い」とは、例えば、第１セパレータ５１の第１冷却機構１０の第１熱媒体の入口温度が第２セパレータ７１の第２冷却機構の第２熱媒体の入口温度よりも低く、かつ、第１冷却機構１０の第１熱媒体の出口温度が第２冷却機構の第２熱媒体の出口温度よりも低い場合であってもよい。
また、「第１セパレータ５１の温度が、第２セパレータ７１の温度よりも低い」とは、例えば、第１冷却機構１０の第１熱媒体の平均温度が第２冷却機構の第２熱媒体の平均温度よりも低い場合であってもよい。
「第１冷却機構１０の第１熱媒体の平均温度」は、例えば、第１冷却機構１０の第１熱媒体の入口温度と出口温度の平均の温度であってもよく、第１冷却機構１０の入口からの流路の長さと出口からの流路の長さが距離的に等しくなる中間地点の温度であってもよく、第１セパレータ５１の面方向における中央部分の温度であってもよく、第１冷却機構１０の入口から出口にかけての温度分布を考慮した場合に第１冷却機構１０の入口からの温度の積分値と出口からの温度の積分値が等しくなる地点の温度であってもよい。
第１冷却機構１０の入口から出口にかけての温度分布は、経路中の複数の任意の地点における温度を測定することによって得ることができる。「第２冷却機構の第２熱媒体の平均温度」についても、「第１冷却機構１０の第１熱媒体の平均温度」と同様の方法で測定することができる。
本発明の実施の形態においては、第１電極層４５を燃料極に第３電極層４１を酸化剤極に設定した。よって、第１ガス拡散層４６及び第１触媒層４７は燃料極であり、第３ガス拡散層４２及び第３触媒層４３は酸化剤極である。但し、第１電極層４５が酸化剤極で、第３電極層４１が燃料極であっても構わない。
図１に示すように、燃料極としての第１電極層４５は、カーボン繊維の集積体で形成された燃料用ガス拡散層としての第１ガス拡散層４６と、燃料用ガス拡散層としての第１ガス拡散層４６に積層された燃料用触媒層としての第１触媒層４７とを備えている。酸化剤極としての第３電極層４１は、カーボン繊維の集積体で形成された酸化剤用ガス拡散層としての第３ガス拡散層４２と、酸化剤用ガス拡散層としての第３ガス拡散層４２に積層された酸化剤用触媒層としての第３触媒層４３とを備えている。燃料用触媒層としての第１触媒層４７および酸化剤用触媒層としての第３触媒層４３は、高分子電解質膜４０に対面する。
本発明により製造される燃料電池電極は、触媒担持カーボン及び含フッ素イオン交換樹脂を必須の成分として含む。触媒としては、アノード及びカソードで電極反応を促進する
物質が使用されるが、白金などの白金族金属又はその合金が好ましい。触媒は金属粒子をそのまま使用してもよいが、比表面積が３００ｍ２／ｇ以上の触媒担持カーボンが好ましい。
高分子電解質膜に含まれる含フッ素イオン交換樹脂は、導電性及びガスの透過性の点からイオン交換容量が０．６〜２．２ミリ当量／ｇであることが好ましく、特に１．１〜１．６ミリ当量／ｇのものが好ましい。
また、含フッ素イオン交換樹脂は、テトラフルオロエチレンに基づく重合単位と、スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルに基づく重合単位とを含む共重合体からなるものが好ましい。
上記スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルとしては、
ＣＦ２＝ＣＦ−（ＯＣＦ２ＣＦＸ）ｍ−Ｏｐ―（ＣＦ２）ｎ−ＳＯ３Ｈ
で表されるものが好ましい。
ここで、Ｘはフッ素原子（Ｆ）又はトリフルオロメチル基（ＣＦ３）であり、ｍは０〜３の整数、ｎは１〜１２の整数、ｐは０又は１である。
より好ましい具体例として以下の化合物が挙げられる。なお、下記の式中、ｑ、ｒは１〜８の整数、ｔは１〜３の整数である。
ＣＦ２＝ＣＦＯ（ＣＦ２）ｑＳＯ３Ｈ
ＣＦ２＝ＣＦＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）Ｏ（ＣＦ２）ｒＳＯ３Ｈ
ＣＦ２＝ＣＦ（ＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３））ｔＯ（ＣＦ２）２ＳＯ３Ｈ
燃料電池電極に含まれる触媒担持カーボンと含フッ素イオン交換樹脂とは、質量比で触媒担持カーボン：含フッ素イオン交換樹脂＝６０：４０〜７０：３０であることが電極の導電性と物質輸送の点から好ましい。なお、ここでいう触媒担持カーボンは、触媒のみの場合も含むものとする。
つぎに、第３ガス拡散層４２と第１ガス拡散層４６を構成するガス拡散層基材としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いることができる。
また、排水性を持たせるために、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをガス拡散層基材の中に分散させてもよい。また、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料でガス拡散層基材を構成してもよい。
本実施の形態によれば、図１に示すように、第１セパレータ５１、第１燃料電池セル４４、第２セパレータ７１、及び第２燃料電池セル６４、がこの順に積層されているが、第１燃料電池セル４４と第２セパレータ７１の間に燃料電池セルと、第３ガス拡散層４２と接するセパレータがあっても無くてもよい。なお、燃料電池スタックの要求出力に応じて燃料電池セルの積層数が設定される。
第１セパレータ５１は、第１電極層４５の第１ガス拡散層４６と接する面に第１燃料電池セル４４の燃料ガスが流れる溝状をなす燃料流路６が形成されており、第４電極層６１の第４ガス拡散層６２と接する面に第２燃料電池セル６４の酸化剤ガスが流れる溝状をなす酸化剤流路７が形成されている。そして、第１セパレータ５１の内部に冷媒としての冷却液が流れる溝状をなす冷却液流路（第１冷却機構１０）が形成されている。
なお、第１セパレータ５１は、一方の面に燃料ガスが流れる溝状が形成され他方の面に冷却液が流れる溝状が形成されたものと、一方の面に酸化剤ガスが流れる溝状が形成され他方の面に冷却液が流れる溝状が形成されたものとを、冷却液が流れる溝状同士が冷却液流路（第１冷却機構１０）を形成するように組み合わせることによって構成することができる。
第２セパレータ７１は、第３電極層４１の第３ガス拡散層４２と接する面に第１燃料電池セル４４の酸化剤ガスが流れる溝状をなす酸化剤流路７が形成されており、第２電極層６５の第２ガス拡散層６６と接する面に第２燃料電池セル６４の燃料ガスが流れる燃料流路６が形成されている。冷却液流路（第２冷却機構）は第２セパレータ７１の内部に有っても無くてもよい。
冷却液としては、純度が高い水が採用されているが、空気等の冷却気体でも良いが、一般的には、冷却能およびコストなどを考慮して冷却水が採用される。
冷却機能が複数の燃料電池セル毎に設けられている場合、特に本実施の形態のように冷却能力をもつ第１セパレータ５１に形成されている燃料流路６においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、第１セパレータ５１よりも冷却能力が低い、または冷却能力をもたない第３ガス拡散層４２と接する第２セパレータ７１に接する第３電極層４１よりも、第１電極層４５のほうが燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して液相になりやすい。故に、第３電極層４１よりも冷却能力が高い第１セパレータ５１に接する第１電極層４５で、フラッデイングが発生するおそれがある。
これに対して第３ガス拡散層４２と接する第２セパレータ７１は、第１セパレータ５１よりも冷却能力が低く温度が高いため、第２セパレータ７１を流れる燃料ガスは、凝縮水の生成が抑えられる。従って、酸化剤ガスに含まれている水蒸気が液相の水ではなく、水蒸気として存在し易い。
上述した事情を考慮すると、燃料電池スタックにおけるフラッディングを抑制するため、本実施の形態によれば、次の方策が採用されている。即ち、排水能力において、第３電極層４１の排水性が、第１電極層４５の排水性よりも高くなるように設定されている。
第３電極層４１の排水性を第１電極層４５よりも高くすることにより、第３電極層４１の層内の水の流れる抵抗を下げたり、層内の含水率を減らすことができる。そして、第３ガス拡散層４２と接する第２セパレータ７１の温度は第１セパレータ５１よりも高いため第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも凝縮水が生成しにくくなることから、第３電極層４１には水が蓄積しにくい状態が形成される。
一方、温度が低くなる第１セパレータ５１に形成されている燃料流路６においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、第１セパレータよりも温度が高い第２セパレータ７１の酸化剤流路７よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水の生成が起こりや易く、第１電極層４５には水が蓄積しやすい状態が形成される。
上述状態によると、第１電極層４５から第３ガス拡散層４２にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜４０内を通して水の流れが生じることで水の第１電極層４５での滞留が抑えられることから、第１電極層４５でのフラッデイングが発生しにくくなる。この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
但し、第３ガス拡散層４２，第１ガス拡散層４６は、それぞれ燃料極であっても酸化剤極であってもよい。
（実施例１）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の排水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の排水性よりも大きくするための手段の一例（実施例１）を具体的に説明する。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本実施例では、第１燃料電池セル４４の第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の触媒層が酸化剤極である第３触媒層４３は、第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の触媒層が燃料極である第１触媒層４７よりも触媒担体に対する電解質の重量比が小さくなるように設定されている。
これはイオン交換樹脂の重量比を下げることにより、第３触媒層４３の保水性が第１触媒層４７よりも下がり層内の水の流れる抵抗が下がるためである。
そして、第３ガス拡散層４２と接するセパレータ６１、または第２セパレータ７１の温度は第１セパレータ５１よりも高いため第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも凝縮水が生成しにくくなることから、第３電極層４１には水が蓄積しにくい状態が形成される。
一方、温度が低くなる第１セパレータ５１に形成されている燃料流路６においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、第１セパレータよりも温度が高い第２セパレータ７１の酸化剤流路７よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水の生成が起こりや易く、第１電極層４５には水が蓄積しやすい状態が形成される。
前述状態によると、第１電極層４５から第３ガス拡散層４２にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜４０内を通して水の流れが生じることで水の第１電極層４５での滞留が抑えられることから、第１電極層４５でのフラッデイングが発生しにくくなる。
この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
但し、第３ガス拡散層４２，第１ガス拡散層４６は、それぞれ燃料極であっても酸化剤極であってもよい。
（実施例２）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の排水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の排水性よりも大きくするための手段の一例（実施例２）を具体的に説明する。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本実施例では、第１燃料電池セル４４の第３ガス拡散層４２と接するセパレータ６１、または第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の触媒層が酸化剤極であ
る第３触媒層４３は、第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の触媒層が燃料極である第１触媒層４７よりもイオン交換容量が小さくなるように設定されている。
これはイオン交換容量を下げることにより、触媒層の保水性が下がり層内の水の流れる抵抗が下がるためである。
そして、第２セパレータ７１の温度は第１セパレータ５１よりも高いため第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも凝縮水が生成しにくくなることから、第３電極層４１には水が蓄積しにくい状態が形成される。
一方、温度が低くなる第１セパレータ５１に形成されている燃料流路６においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、第１セパレータよりも温度が高い第２セパレータ７１の酸化剤流路７よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水の生成が起こりや易く、第１電極層４５には水が蓄積しやすい状態が形成される。
前述状態によると、第１電極層４５から第３ガス拡散層４２にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜４０内を通して水の流れが生じることで水の第１電極層４５での滞留が抑えられることから、第１電極層４５でのフラッデイングが発生しにくくなる。
この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
但し、第３ガス拡散層４２，第１ガス拡散層４６は、それぞれ燃料極であっても酸化剤極であってもよい。
（実施例３）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の排水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の排水性よりも大きくするための手段の一例（実施例３）を具体的に説明する。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本実施例では、第１燃料電池セル４４の第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の触媒層が酸化剤極である第３触媒層４３は、第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の触媒層が燃料極である第１触媒層４７よりも多孔率が大きくなるように設定されている。
これは第１触媒層４７よりも多孔率を大きくした第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも層内の水の流れる抵抗が下がるからである。
そして、第２セパレータ７１の温度は第１セパレータ５１よりも高いため、第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも凝縮水が生成しにくくなることから、第３電極層４１には水が蓄積しにくい状態が形成される。
一方、温度が低くなる第１セパレータ５１に形成されている燃料流路６においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、第１セパレータよりも温度が高い第２セパレータ７１の酸化剤流路７よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水の生成
が起こりや易く、第１電極層４５には水が蓄積しやすい状態が形成される。
前述状態によると、第１電極層４５から第３ガス拡散層４２にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜４０内を通して水の流れが生じることで水の第１電極層４５での滞留が抑えられることから、第１電極層４５でのフラッデイングが発生しにくくなる。
この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
但し、第３ガス拡散層４２，第１ガス拡散層４６は、それぞれ燃料極であっても酸化剤極であってもよい。
（実施例４）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の排水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の排水性よりも大きくするための手段の一例（実施例４）を具体的に説明する。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本実施例では、第１燃料電池セル４４の第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１の触媒層が酸化剤極である第３触媒層４３は、第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５の触媒層が燃料極である第１触媒層４７よりも撥水性を高くした設定にされている。
これは第１触媒層４７よりも撥水性を高くした第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも層内の水の流れる抵抗が下がるからである。
そして、第３ガス拡散層４２と接する第２セパレータ７１の温度は第１セパレータ５１よりも高いため第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも凝縮水が生成しにくくなることから、第３電極層４１には水が蓄積しにくい状態が形成される。
一方、温度が低くなる第１セパレータ５１に形成されている燃料流路６においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、第１セパレータよりも温度が高い第２セパレータ７１の酸化剤流路７よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水の生成が起こりや易く、第１電極層４５には水が蓄積しやすい状態が形成される。
前述状態によると、第１電極層４５から第３ガス拡散層４２にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜４０内を通して水の流れが生じることで水の第１電極層４５での滞留が抑えられることから、第１電極層４５でのフラッデイングが発生しにくくなる。
この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
但し、第３ガス拡散層４２，第１ガス拡散層４６は、それぞれ燃料極であっても酸化剤極であってもよい。
（実施例５）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレー
タ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の排水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の排水性よりも大きくするための手段の一例（実施例５）を具体的に説明する。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本実施例では、第１燃料電池セル４４の第２セパレータ７１が配置されている側の第３電極層４１のガス拡散層が酸化剤極である第３ガス拡散層４２は、第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５のガス拡散層が燃料極である第１ガス拡散層４６よりも厚みが小さくなるように設定されている。
これは、第１ガス拡散層４６よりもガス拡散層の厚みが小さい第３ガス拡散層４２は、第１ガス拡散層４６よりも層内の水の流れる抵抗が下がるためである。
そして、第３ガス拡散層４２と接する第２セパレータ７１の温度は第１セパレータ５１よりも高いため第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも凝縮水が生成しにくくなることから、第３電極層４１には水が蓄積しにくい状態が形成される。
一方、温度が低くなる第１セパレータ５１に形成されている燃料流路６においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、第１セパレータよりも温度が高い第２セパレータ７１の酸化剤流路７よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水の生成が起こりや易く、第１電極層４５には水が蓄積しやすい状態が形成される。
前述状態によると、第１電極層４５から第３ガス拡散層４２にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜４０内を通して水の流れが生じることで水の第１電極層４５での滞留が抑えられることから、第１電極層４５でのフラッデイングが発生しにくくなる。
この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
但し、第３ガス拡散層４２，第１ガス拡散層４６は、それぞれ燃料極であっても酸化剤極であってもよい。
（実施例６）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の排水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の排水性よりも大きくするための手段の一例（実施例６）を具体的に説明する。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本実施例では、第１セパレータ５１が配置されている側の第１電極層４５のガス拡散層が燃料極である第１ガス拡散層４６の撥水剤の含有率が小さくなるように設定されている。
これは、第３ガス拡散層４２よりも撥水剤の含有率が小さい第１ガス拡散層４６は、第３ガス拡散層４２よりも層内の含水率が高くなるからである。
そして、第３ガス拡散層４２と接するセパレータ６１、または第２セパレータ７１の温度は第１セパレータ５１よりも高いため第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも凝縮水が生成しにくくなることから、第３電極層４１には水が蓄積しにくい状態が形成される。
一方、温度が低くなる第１セパレータ５１に形成されている燃料流路６においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、第１セパレータよりも温度が高い第２セパレータ７１の酸化剤流路７よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水の生成が起こりや易く、第１電極層４５には水が蓄積しやすい状態が形成される。
前述状態によると、第１電極層４５から第３ガス拡散層４２にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜４０内を通して水の流れが生じることで水の第１電極層４５での滞留が抑えられることから、第１電極層４５でのフラッデイングが発生しにくくなる。
この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
但し、第３ガス拡散層４２，第１ガス拡散層４６は、それぞれ燃料極であっても酸化剤極であってもよい。
（実施例７）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の排水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の排水性よりも大きくするための手段の一例（実施例７）を具体的に説明する。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本実施例では、第３ガス拡散層４２と接するセパレータ６１、または第２セパレータ７１が、第１ガス拡散層４６と接する面における第１セパレータ５１よりも表面エネルギーが大きくなるように設定されている。
これは、表面エネルギーが高い第３ガス拡散層４２は、第１ガス拡散層４６よりも親水性が高く水を引き寄せやすい。また、第２セパレータ７１の温度は第１セパレータ５１よりも高いため、第３電極層４１は、第１電極層４５よりも凝縮水が生成しにくくなるからである。
そして、第３ガス拡散層４２と接する第２セパレータ７１の温度は第１セパレータ５１よりも高いため第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも凝縮水が生成しにくくなることから、第３電極層４１には水が蓄積しにくい状態が形成される。
一方、温度が低くなる第１セパレータ５１に形成されている燃料流路６においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、第１セパレータよりも冷却能力をもたない第２セパレータ７１の酸化剤流路７よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水の生成が起こりや易く、第１電極層４５には水が蓄積しやすい状態が形成される。
前述状態によると、第１電極層４５から第３ガス拡散層４２にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜４０内を通して水の流れが生じることで水の第１電極層４５での滞留が抑えられることから、第１電極層４５でのフラッデイングが発生しにくくなる。
この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
但し、第３ガス拡散層４２，第１ガス拡散層４６は、それぞれ燃料極であっても酸化剤極であってもよい。
（実施例８）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の排水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の排水性よりも大きくするための手段の一例（実施例８）を具体的に説明する。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本実施例では、第３ガス拡散層４２と接する第２セパレータ７１と接する面における第３ガス拡散層４２の表面エネルギーが、第１セパレータ５１と接する面における第１ガス拡散層４６の表面エネルギーよりも小さくなるように設定されている。
これは、第３ガス拡散層４２は、第１ガス拡散層４６よりも表面エネルギーを大きくすることによって親水性が高まり水を引き寄せやすくなるからである。
そして、第３ガス拡散層４２と接する第２セパレータ７１の温度は第１セパレータ５１よりも高いため第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも凝縮水が生成しにくくなることから、第３電極層４１には水が蓄積しにくい状態が形成される。
一方、温度が低くなる第１セパレータ５１に形成されている燃料流路６においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、第１セパレータよりも温度が高い第２セパレータ７１の酸化剤流路７よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水の生成が起こりや易く、第１電極層４５には水が蓄積しやすい状態が形成される。
前述状態によると、第１電極層４５から第３ガス拡散層４２にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜４０内を通して水の流れが生じることで水の第１電極層４５での滞留が抑えられることから、第１電極層４５でのフラッデイングが発生しにくくなる。
この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
但し、第３ガス拡散層４２，第１ガス拡散層４６は、それぞれ燃料極であっても酸化剤極であってもよい。
（実施例９）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の排水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の排水性よりも大きくするための手段の一例（実施例９）を具体的に説明する。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本実施例では、第２セパレータ７１の表面エネルギーから、第３ガス拡散層４２と接するセパレータ６１、または第２セパレータ７１に接する面における第３ガス拡散層４２の表面エネルギーを減じた値が、第１ガス拡散層４６と接する面における第１セパレータ５１の表面エネルギーから、第１セパレータ５１と接する面における第１ガス拡散層４６の表面エネルギーを減じた値よりも大きくなるように設定している。
これは、第３ガス拡散層４２と接するセパレータ６１、または第２セパレータ７１の表面エネルギーから、第２セパレータ７１に接する面における第３ガス拡散層４２の表面エネルギーを減じた値、即ち第３ガス拡散層４２と接するセパレータ６１、または第２セパレータ７１と第３ガス拡散層４２の界面で形成される表面エネルギーを、第１ガス拡散層４６と接する面における第１セパレータ５１の表面エネルギーから、第１セパレータ５１と接する面における第１ガス拡散層４６の表面エネルギーを減じた値、即ち第１セパレータ５１と第１ガス拡散層４６の界面で形成される表面エネルギーよりも大きくすることによって、第３ガス拡散層４２と接するセパレータ６１、または第２セパレータ７１と第３ガス拡散層４２の界面は、第１セパレータ５１と第１ガス拡散層４６の界面よりも親水性が高まり水を引き寄せやすくなるからである。
そして、第３ガス拡散層４２と接するセパレータ６１、または第２セパレータ７１の温度は第１セパレータ５１よりも高いため第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも凝縮水が生成しにくくなることから、第３電極層４１には水が蓄積しにくい状態が形成される。
一方、温度が低くなる第１セパレータ５１に形成されている燃料流路６においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、第１セパレータよりも温度が高い第２セパレータ７１の酸化剤流路７よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水の生成が起こりや易く、第１電極層４５には水が蓄積しやすい状態が形成される。
前述状態によると、第１電極層４５から第３ガス拡散層４２にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜４０内を通して水の流れが生じることで水の第１電極層４５での滞留が抑えられることから、第１電極層４５でのフラッデイングが発生しにくくなる。
この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
但し、第３ガス拡散層４２，第１ガス拡散層４６は、それぞれ燃料極であっても酸化剤極であってもよい。
（実施例１０）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の排水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の排水性よりも大きくするための手段の一例（実施例１０）を具体的に説明する。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本実施例では、第３触媒層４３と接する面における第３ガス拡散層４２の表面エネルギーが、第１触媒層４７と接する面における第１ガス拡散層４６の表面エネルギーよりも大きくなるように設定している。
これは、第３触媒層４３と接する面における第３ガス拡散層４２は、第１触媒層４７と
接する面における第１ガス拡散層４６の表面エネルギーよりも大きくすることによって親水性が高まり水を引き寄せやすいからである。
そして、第３ガス拡散層４２と接するセパレータ６１、または第２セパレータ７１の温度は第１セパレータ５１よりも高いため第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも凝縮水が生成しにくくなることから、第３電極層４１には水が蓄積しにくい状態が形成される。
一方、温度が低くなる第１セパレータ５１に形成されている燃料流路６においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、第１セパレータよりも温度が高い第２セパレータ７１の酸化剤流路７よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水の生成が起こりや易く、第１電極層４５には水が蓄積しやすい状態が形成される。
前述状態によると、第１電極層４５から第３ガス拡散層４２にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜４０内を通して水の流れが生じることで水の第１電極層４５での滞留が抑えられることから、第１電極層４５でのフラッデイングが発生しにくくなる。
この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
但し、第３ガス拡散層４２，第１ガス拡散層４６は、それぞれ燃料極であっても酸化剤極であってもよい。
（実施例１１）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の排水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の排水性よりも大きくするための手段の一例（実施例１１）を具体的に説明する。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本実施例では、第３ガス拡散層４２と接する面における第３触媒層４３が、第１ガス拡散層４６と接する面における第１触媒層４７よりも表面エネルギーよりも小さくなるように設定されている。
これは、第３ガス拡散層４２と接する面における第３触媒層４３の表面エネルギーが、第１ガス拡散層４６と接する面における第１触媒層４７よりも表面エネルギーよりも小さくすることによって第１ガス拡散層４６と第１触媒層界面と比べ、第３ガス拡散層４２と第３触媒層４３界面は水が滞留しにくくなるからである。
そして、第３ガス拡散層４２と接するセパレータ６１、または第２セパレータ７１の温度は第１セパレータ５１よりも高いため第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも凝縮水が生成しにくくなることから、第３電極層４１には水が蓄積しにくい状態が形成される。
一方、温度が低くなる第１セパレータ５１に形成されている燃料流路６においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、第１セパレータよりも温度が高い第２セパレータ７１の酸化剤流路７よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水の生成が起こりや易く、第１電極層４５には水が蓄積しやすい状態が形成される。
前述状態によると、第１電極層４５から第３ガス拡散層４２にかけて水の勾配が起こり
、高分子電解質膜４０内を通して水の流れが生じることで水の第１電極層４５での滞留が抑えられることから、第１電極層４５でのフラッデイングが発生しにくくなる。
この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
但し、第３ガス拡散層４２，第１ガス拡散層４６は、それぞれ燃料極であっても酸化剤極であってもよい。
（実施例１２）
以下、図１を参照しながら、実施の形態１の燃料電池スタックにおける、第１セパレータ５１よりも温度が高い第２セパレータ７１側に配置された第３電極層４１の排水性を、第２セパレータ７１よりも温度が低い第１セパレータ５１側に配置された第１電極層４５の排水性よりも大きくするための手段の一例（実施例１２）を具体的に説明する。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本実施例では、第３触媒層４３と接する面における第３ガス拡散層４２の表面エネルギーから、第３ガス拡散層４２と接する面における第３触媒層４３の表面エネルギーを減じた値が、第１触媒層４７と接する面における第１ガス拡散層４６の表面エネルギーから、第１ガス拡散層４６と接する面における第１触媒層４７の表面エネルギーを減じた値よりも大きくなるように設定している。
これは第３触媒層４３と接する面における第３ガス拡散層４２の表面エネルギーから、第３ガス拡散層４２と接する面における第３触媒層４３の表面エネルギーを減じた値、即ち第３触媒層４３と第３ガス拡散層４２の界面で形成される表面エネルギーを、第１ガス拡散層４６と接する面における第１触媒層４７の表面エネルギーを減じた値、即ち第１触媒層４７と第１ガス拡散層４６の界面で形成される表面エネルギーよりも大きくすることによって、第３触媒層４３と第３ガス拡散層４２の界面は、第１触媒層４７と第１ガス拡散層４６の界面よりも親水性が高まり水を引き寄せやすくなるからである。
そして、第３ガス拡散層４２と接するセパレータ６１、または第２セパレータ７１の温度は第１セパレータ５１よりも高いため第３触媒層４３は、第１触媒層４７よりも凝縮水が生成しにくくなることから、第３電極層４１には水が蓄積しにくい状態が形成される。
一方、温度が低くなる第１セパレータ５１に形成されている燃料流路６においては、そこを流れる燃料ガスの温度は低くなり易いため、第１セパレータよりも温度が高い第２セパレータ７１の酸化剤流路７よりも、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水の生成が起こりや易く、第１電極層４５には水が蓄積しやすい状態が形成される。
上述状態によると、第１電極層４５から第３ガス拡散層４２にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜４０内を通して水の流れが生じることで水の第１電極層４５での滞留が抑えられることから、第１電極層４５でのフラッデイングが発生しにくくなる。
この結果、燃料電池スタックを構成するセルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献できる。
但し、第３ガス拡散層４２，第１ガス拡散層４６は、それぞれ燃料極であっても酸化剤極であってもよい。
以上のように、本発明の燃料電池スタックは、比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層から比較的温度の高い方のセパレータが配置された側の電極層のガス拡散層にかけて水の勾配が起こり、高分子電解質膜内を通して水の流れが生じることで比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層での水の滞留が抑えられることから、比較的温度の低い方のセパレータが配置された側の電極層でのフラッデイングが発生しにくくなり、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルにおける発電が安定し、燃料電池スタックの発電出力を高くするのに貢献でき、良好な発電性能が得られるので、コストダウンと短尺化を図った燃料電池スタックに好適に利用される。
６ 燃料流路
７ 酸化剤流路
１０ 第１冷却機構（冷却液流路）
４０ 高分子電解質膜
４１ 第３電極層
４２ 第３ガス拡散層
４３ 第３触媒層
４４ 第１燃料電池セル
４５ 第１電極層
４６ 第１ガス拡散層
４７ 第１触媒層
５１ 第１セパレータ
７１ 第２セパレータ

Claims (13)

  1. 高分子電解質膜と前記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、セパレータとが前記高分子電解質膜の厚み方向に交互に積層された燃料電池スタックであって、
    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、
    第１セパレータ、第１燃料電池セル、第２セパレータ、がこの順に積層されており、
    前記第１燃料電池セルの前記第１セパレータが配置されている側の電極層である第１電極層のガス拡散層及び触媒層を、第１ガス拡散層及び第１触媒層と定義し、前記第１燃料電池セルの前記第２セパレータが配置されている側の電極層である第３電極層のガス拡散層及び触媒層を、第３ガス拡散層及び第３触媒層と定義した場合に、
    前記第１セパレータは前記第２セパレータよりも温度が低くなるよう構成され、
    前記第３電極層の排水性が、前記第１電極層の排水性よりも高い、燃料電池スタック。
  2. 前記触媒層に含まれる触媒担体に対する電解質の重量比が、前記第１触媒層よりも、前記第３触媒層の方が小さい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  3. 前記触媒層に含まれる電解質の単位重量あたりのイオン交換容量が、前記第１触媒層よりも、前記第３触媒層の方が大きい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  4. 前記触媒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触媒層よりも、前記第３触媒層の方が大きい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  5. 前記第３触媒層の撥水性は、前記第１触媒層の撥水性よりも高い、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  6. 前記第３ガス拡散層の厚みは、前記第１ガス拡散層の厚みよりも小さい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  7. 前記ガス拡散層に含まれる撥水材の含有率が、前記第３ガス拡散層よりも前記第１ガス拡散層の方が小さい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  8. 前記第３ガス拡散層と接する面における前記第２セパレータの表面エネルギーが、前記第１ガス拡散層と接する面における前記第１セパレータの表面エネルギーよりも大きい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  9. 前記第２セパレータと接する面における前記第３ガス拡散層の表面エネルギーが、前記第１セパレータと接する面における前記第１ガス拡散層の表面エネルギーよりも小さい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  10. 前記第３ガス拡散層と接する面における前記第２セパレータの表面エネルギーから、前記第２セパレータと接する面における前記第３ガス拡散層の表面エネルギーを減じた値が、
    前記第１ガス拡散層と接する面における前記第１セパレータの表面エネルギーから、前記第１セパレータと接する面における前記第１ガス拡散層の表面エネルギーを減じた値よりも大きい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  11. 前記第３触媒層と接する面における前記第３ガス拡散層の表面エネルギーが、前記第１触媒層と接する面における前記第１ガス拡散層の表面エネルギーよりも大きい、請求項１
    に記載の燃料電池スタック。
  12. 前記第３ガス拡散層と接する面における前記第３触媒層の表面エネルギーが、前記第１ガス拡散層と接する面における前記第１触媒層の表面エネルギーよりも小さい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  13. 前記第３触媒層と接する面における前記第３ガス拡散層の表面エネルギーから、前記第３ガス拡散層と接する面における前記第３触媒層の表面エネルギーを減じた値が、
    前記第１触媒層と接する面における前記第１ガス拡散層の表面エネルギーから、前記第１ガス拡散層と接する面における前記第１触媒層の表面エネルギーを減じた値よりも大きい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
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