JP6673086B2

JP6673086B2 - 燃料電池

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Publication number: JP6673086B2
Application number: JP2016151556A
Authority: JP
Inventors: 慎司城森; 輝里子谷池; 雅之伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2016-08-01
Publication date: 2020-03-25
Anticipated expiration: 2036-08-01
Also published as: JP2018022570A

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池においては、電気化学反応に伴って触媒層で過酸化水素が生成され、過酸化水素からヒドロキシラジカルが生成される。このヒドロキシラジカルは、電解質膜を薄くし強度を低下させる。このため、触媒層等にヒドロキシラジカルを抑制するラジカル抑制剤を含有させた燃料電池が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−２４４７８２号公報

ラジカル抑制剤は、発電停止後に燃料電池内に残留する残水中に溶出して、電解質膜内に蓄積される。このため、電解質膜内でもヒドロキシラジカルを抑制できる。しかしながら、発電停止後での燃料電池内の残水量の分布は、均一ではない。このため、残水量が少ない部位では、ラジカル抑制剤の溶出量は少なくなり、その部位での電解質膜内での蓄積量も少なくなる。これにより、残水量が少ない部位でヒドロキシラジカルを抑制できずに、電解質膜の強度が低下する可能性がある。一方、残水量が多い部位では、ラジカル抑制剤の溶出量が多くなり、その部位での電解質膜内での蓄積量も増大する。ここで、このようなラジカル抑制剤の蓄積量が、ヒドロキシラジカルを抑制するのに必要以上にまで増大すると、電解質膜でのプロトン移動抵抗が増大して、燃料電池の発電性能が低下する可能性がある。

本発明は、残水量が少ない部位でのラジカル抑制剤の溶出量を確保しつつ、残水量が多い部位でのラジカル抑制剤の溶出量を抑制できる燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的は、電解質膜を挟む一対の電極と一対の前記電極を挟む一対のセパレータとを有したセルを備えた燃料電池において、前記一対の電極は、撥水層及びガス拡散層の少なくとも一方を含み、前記撥水層及びガス拡散層の少なくとも一方及び一対の前記セパレータ、の少なくとも一つは、ラジカル抑制剤を含有した第１部位と、ラジカル抑制剤を含有し前記第１部位よりも鉛直下方側に位置する第２部位と、を備え、前記第２部位は、前記第１部位よりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第１及び第２部位のそれぞれに同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第２部位からの方が前記第１部位からよりも少ない、燃料電池によって達成できる。

上記目的は、電解質膜を挟む一対の電極と一対の前記電極を挟む一対のセパレータとの少なくとも一つがラジカル抑制剤を含有したセルが複数積層された燃料電池において、複数の前記セルのうちの一つである第１セルと、複数の前記セルのうちの一つであり、前記第１セルよりも前記セルの積層方向で鉛直下方側に位置した第２セルと、を備え、前記第２セルは、前記第１セルよりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第１及び第２セル内に同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第２セルからの方が前記第１セルからよりも少ない、燃料電池によっても達成できる。

上記目的は、電解質膜を挟む一対の電極と一対の前記電極を挟む一対のセパレータとの少なくとも一つがラジカル抑制剤を含有したセルが複数積層された燃料電池において、複数の前記セルを貫通し、第１方向に反応ガスが流通する供給マニホールドと、複数の前記セルを貫通し、前記供給マニホールドから複数の前記セルを介して反応ガスが流入し、前記第１方向とは逆方向の第２方向に反応ガスが流通する排出マニホールドと、複数の前記セルのうちの一つである第１セルと、複数の前記セルのうちの一つであり、前記第１セルよりも前記第１方向側に位置した第２セルと、を備え、前記第２セルは、前記第１セルよりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第１及び第２セル内に同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第２セルからの方が前記第１セルからよりも少ない、燃料電池によっても達成できる。

上記目的は、電解質膜を挟む一対の電極と一対の前記電極を挟む一対のセパレータとの少なくとも一つがラジカル抑制剤を含有したセルが複数積層された燃料電池において、複数の前記セルを貫通し、第１方向に反応ガスが流通する供給マニホールドと、複数の前記セルを貫通し、前記供給マニホールドから複数の前記セルを介して反応ガスが流入し、前記第１方向に反応ガスが流通する排出マニホールドと、複数の前記セルのうちの一つであり、最も前記第１方向とは逆方向の第２方向側に位置した第１セルと、複数の前記セルのうちの一つであり、前記第１セルよりも前記第１方向側に位置した第２セルと、複数の前記セルのうちの一つであり、最も前記第１方向側に位置した第３セルと、を備え、前記第２セルは、前記第１及び第３セルのそれぞれよりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第１、第２、及び第３セル内に同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第２セルからの方が前記第１及び第３セルのそれぞれからよりも少ない、燃料電池によっても達成できる。

本発明によれば、残水量が少ない部位でのラジカル抑制剤の溶出量を確保しつつ、残水量が多い部位でのラジカル抑制剤の溶出量を抑制できる燃料電池を提供できる。

図１Ａは、燃料電池を構成するセルを示す断面図、図１Ｂは、セルを示す分解斜視図である。図２は、燃料電池の分解図である図３Ａは、電解質膜内でのＣｅ^３＋の蓄積量と、ヒドロキシラジカルによる電解質膜の分解速度と、電解質膜のプロトン移動抵抗との関係を示したグラフであり、図３Ｂは、電解質膜内でのＣｅ^３＋の蓄積量と電解質膜のプロトン移動抵抗との関係を示したグラフである。図４Ａは、燃料電池の斜視図であり、図４Ｂは、あるセルでの絶縁部材とアノード側撥水層とを示した正面図であり、図４Ｃは、アノード側撥水層でのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフである。図５Ａは、第１変形例の燃料電池の外観図であり、図５Ｂは、第１変形例での各セルのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフであり、図５Ｃは、第２変形例の燃料電池の外観図であり、図５Ｄは、第２変形例での各セルのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフである。図６Ａは、第３変形例の燃料電池の外観図であり、図６Ｂは、第３変形例の燃料電池の内部を示した断面図であり、図６Ｃは、第３変形例での各セルのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフである。図７Ａは、第４変形例の燃料電池１Ｄの外観図であり、図７Ｂは、第４変形例の燃料電池の内部を示した断面図であり、図７Ｃは、第４変形例での各セルのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフである。図８Ａ〜８Ｄは、ラジカル抑制剤が段階的に変化している場合のグラフである。図９Ａ及び図９Ｂは、第５変形例での燃料電池のセルのアノード側撥水層の単位体積当たりでのラジカル抑制剤の合計表面積の違いの説明図であり、図９Ｃは、第５変形例でのアノード側撥水層でのラジカル抑制剤の合計表面積を示したグラフである。図１０Ａは、ラジカル抑制剤であるＣｅＯ_２の結晶構造の模式図であり、図１０Ｂは、結晶性が高いラジカル抑制剤の概念図である。図１０Ｃは、結晶性が低いラジカル抑制剤の概念図であり、図１０Ｄは、第６変形例でのアノード側撥水層でのラジカル抑制剤の結晶性を示したグラフである。

図１Ａは、燃料電池を構成するセルを示す断面図、図１Ｂは、セルを示す分解斜視図である。燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池であり、例えば燃料電池自動車や電気自動車などに搭載される。図１Ａのように、セル１０は、電解質膜１２の一方の面にアノード触媒層１４ａが形成され、他方の面にカソード触媒層１４ｃが形成されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）１１を備える。

電解質膜１２は、フッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、電気化学反応を進行させる触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃのカーボン粒子は、電子伝導性を有する。

ＭＥＡ１１の両側には、一対の撥水層（アノード側撥水層１６ａとカソード側撥水層１６ｃ）と、一対のガス拡散層（アノードガス拡散層１８ａとカソードガス拡散層１８ｃ）と、が配置されている。一対の撥水層は、ＭＥＡ１１内に含まれる水分を適正量に保つために設けられている。ＭＥＡ１１、一対の撥水層、及び一対のガス拡散層を総称してＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）３０と称す。

アノード側撥水層１６ａ、カソード側撥水層１６ｃ、アノードガス拡散層１８ａ、及びカソードガス拡散層１８ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。アノード側撥水層１６ａ及びカソード側撥水層１６ｃは、アノードガス拡散層１８ａ及びカソードガス拡散層１８ｃと比べて、多孔質カーボン製部材の細孔が小さい。例えば、アノード側撥水層１６ａ及びカソード側撥水層１６ｃの細孔の大きさは直径０．１μｍ〜１μｍ程度であり、アノードガス拡散層１８ａ及びカソードガス拡散層１８ｃの細孔の大きさは直径１０μｍ〜１００μｍ程度である。このように、アノード側撥水層１６ａ及びカソード側撥水層１６ｃの細孔が小さいことから、アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃから液水が流出することを抑制でき、ＭＥＡ１１内に含まれる水分を適正量に保つことができる。

以上のように、アノード触媒層１４ａ、アノード側撥水層１６ａ、及びアノードガス拡散層１７ａは、アノード側の電極に相当し、カソード触媒層１４ｃ、カソード側撥水層１６ｃ、及びカソードガス拡散層１７ｃは、カソード側の電極に相当し、これらは電解質膜１２を挟む一対の電極の一例である。

ＭＥＧＡ３０の両側には、ＭＥＧＡ３０を挟持する一対のセパレータ（アノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｃ）が配置されている。アノード側セパレータ２０ａ及びカソード側セパレータ２０ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ２０ａ及びカソード側セパレータ２０ｃは、表面にガスが流通するガス流路を形成するための凹凸を有する。アノード側セパレータ２０ａは、アノードガス拡散層１８ａとの間にアノードガス流路２２ａを形成する。カソード側セパレータ２０ｃは、カソードガス拡散層１８ｃとの間にカソードガス流路２２ｃを形成する。燃料電池の発電中においては、アノードガス流路２２ａを燃料ガスが流通し、カソードガス流路２２ｃを酸化剤ガスが流通する。なお、アノードとカソードの両方にガス拡散層を備える構成を例に示したが、これに限定されない。アノードとカソードの一方又は両方にガス拡散層を備えない構成であってもよい。この場合には、アノードガス流路又はカソードガス流路から直接撥水層を介して触媒層にガスが供給される。ガス拡散層を備えない構成においては、撥水層は撥水、ガス透過、及び導電の各機能を有するシート部材が使用されてもよい。

図１Ｂのように、ＭＥＧＡ３０は、例えば樹脂（エポキシ樹脂やフェノール樹脂など）からなる絶縁部材４０の内側に配置されている。言い換えると、ＭＥＧＡ３０の外周を覆って、枠状の絶縁部材４０が配置されている。絶縁部材４０は、アノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｃとによって挟持されている。

アノード側セパレータ２０ａ及びカソード側セパレータ２０ｃには、それぞれ孔ａ１〜ａ３及び孔ｃ１〜ｃ３が設けられている。絶縁部材４０にも同様に、孔ｓ１〜ｓ３が設けられている。孔ａ１〜ａ３、孔ｓ１〜ｓ３、及び孔ｃ１〜ｃ３は、それぞれ連通し、孔ａ１、ｓ１、及びｃ１は酸化剤ガス供給マニホールドを、孔ａ２、ｓ２、及びｃ２は冷媒供給マニホールドを、孔ａ３、ｓ３、及びｃ３は燃料ガス排出マニホールドを画定する。

また、アノード側セパレータ２０ａ及びカソード側セパレータ２０ｃには、それぞれ孔ａ４〜ａ６及び孔ｃ４〜ｃ６が設けられている。絶縁部材４０にも同様に、孔ｓ４〜ｓ６が設けられている。孔ａ４〜ａ６、ｓ４〜ｓ６、及びｃ４〜ｃ６は、それぞれ連通し、孔ａ４、ｓ４、及びｃ４は燃料ガス供給マニホールドを、孔ａ５、ｓ５、及びｃ５は冷媒排出マニホールドを、孔ａ６、ｓ６、及びｃ６は酸化剤ガス排出マニホールドを画定する。

アノード側セパレータ２０ａのＭＥＧＡ３０に対向する面には、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドとを連通し、発電中において燃料ガスが流れるアノードガス流路２２ａが形成されている。カソード側セパレータ２０ｃのＭＥＧＡ３０に対向する面には、酸化剤ガス供給マニホールドと酸化剤ガス排出マニホールドとを連通し、発電中において酸化剤ガスが流れるカソードガス流路２２ｃが形成されている。アノード側セパレータ２０ａのアノードガス流路２２ａが形成された面とは反対側の面、及び、カソード側セパレータ２０ｃのカソードガス流路２２ｃが形成された面とは反対側の面には、冷媒供給マニホールドと冷媒排出マニホールドとを連通し、冷媒が流れる冷媒流路２４が形成されている。

図２は、燃料電池１の分解図である。なお、図２では、図の明瞭化のために、セル１０を簡略化して図示している。まず、燃料電池について説明する。図２のように、燃料電池１は、複数のセル１０と、一対のターミナルプレート５０、５２と、一対の絶縁プレート６０、６２と、一対のエンドプレート７０、７２と、を備える。燃料電池１は、複数のセル１０が一対のターミナルプレート５０、５２と一対の絶縁プレート６０、６２と一対のエンドプレート７０、７２とで挟持されたスタック構造をしている。ターミナルプレート５０、５２は、金属製であり、複数のセル１０からの電圧及び電流を取り出すために用いられる。エンドプレート７０、７２は、複数のセル１０とターミナルプレート５０、５２と絶縁プレート６０、６２とを締結するために用いられる。

ターミナルプレート５０、絶縁プレート６０、及びエンドプレート７０には、それぞれ孔ｔ１〜ｔ６、孔ｉ１〜ｉ６、及び孔ｅ１〜ｅ６が設けられている。孔ｔ１、ｉ１、及びｅ１は酸化剤ガス供給マニホールドを、孔ｔ２、ｉ２、及びｅ２は冷媒供給マニホールドを、孔ｔ３、ｉ３、及びｅ３は燃料ガス排出マニホールドを画定する。孔ｔ４、ｉ４、及びｅ４は燃料ガス供給マニホールドを、孔ｔ５、ｉ５、及びｅ５は冷媒排出マニホールドを、孔ｔ６、ｉ６、及びｅ６は酸化剤ガス排出マニホールドを画定する。一方、ターミナルプレート５２、絶縁プレート６２、及びエンドプレート７２には、孔は設けられていない。これにより、孔ｅ４から導入された燃料ガスは、複数のセル１０それぞれのアノードガス流路２２ａを流れた後、孔ｅ３から排出される。孔ｅ２から導入された冷媒は、複数のセル１００それぞれの冷媒流路２４を流れた後、孔ｅ５から排出される。孔ｅ１から導入された酸化剤ガスは、複数のセル１０それぞれのカソードガス流路２２ｃを流れた後、孔ｅ６から排出される。

尚、複数のセル１０は、ターミナルプレート５０側からターミナルプレート５２側へ順にｎ枚積層されている。本明細書では、各セルをターミナルプレート５０側から順にセル１０−１、１０−２…１０−ｎ−１、１０−ｎとして表記する。また、本明細書ではセルの総称としてセル１０と表記する。

次に、ラジカル抑制剤について説明する。アノード側撥水層１６ａ及びカソード側撥水層１６ｃには、ヒドロキシラジカルの生成を抑制するラジカル抑制剤が含有されている。本実施例においてラジカル抑制剤は、セリウム含有酸化物であり、具体的にはＣｅＯ_２である。ＣｅＯ_２によりラジカルの生成が抑制される原理は以下のとおりである。燃料電池１の発電時には、燃料電池１に供給される酸化剤ガス中の酸素の一部が、電解質膜１２を透過して、アノード触媒層１４ａへと達する場合がある。この酸素がアノード触媒層１４ａにおいて還元されると過酸化水素が生成され、当該過酸化水素に起因してヒドロキシラジカルが生成される。ヒドロキシラジカルは、電解質膜１２を分解して強度を低下させる。ここで、アノード側撥水層１６ａ及びカソード側撥水層１６ｃに含有されているラジカル抑制剤であるＣｅＯ_２は、燃料電池１内の水分中にＣｅ^３＋として溶出され、以下の式（１）の反応によりヒドロキシラジカルが消費される。これによりヒドロキシラジカルが抑制される。
・ＯＨ＋Ｃｅ^３＋＋Ｈ^＋→Ｃｅ^４＋＋Ｈ_２Ｏ・・・（１）

しかしながら、溶出したＣｅ^３＋は、燃料電池１の使用時間と共に徐々に電解質膜１２内に蓄積される。このためヒドロキシラジカルを抑制する必要量以上のＣｅ^３＋が電解質膜１２に蓄積されると、Ｃｅ^３＋は陽イオン不純物として電解質膜１２のプロトン移動抵抗を増大させる。

図３Ａは、電解質膜１２内でのＣｅ^３＋の蓄積量と、ヒドロキシラジカルによる電解質膜１２の分解速度と、電解質膜１２のプロトン移動抵抗との関係を示したグラフである。電解質膜１２内でのＣｅ^３＋の蓄積量が少なすぎると、ヒドロキシラジカルによる電解質膜１２の分解速度が増大するが、電解質膜１２内でのＣｅ^３＋の蓄積量が多すぎるとプロトン移動抵抗が増大する。図３Ｂは、電解質膜１２内でのＣｅ^３＋の蓄積量と電解質膜１２のプロトン移動抵抗との関係を示したグラフであり、それぞれ相対湿度が３０及び８０パーセントの場合でのＣｅ^３＋の蓄積量とプロトン移動抵抗との関係を示している。Ｃｅ^３＋の蓄積量が多い場合には、相対湿度が低くなるにつれてプロトン移動抵抗が顕著に増大する。このため、Ｃｅ^３＋の蓄積量が適量よりも多い場合には、低湿潤状態で燃料電池１の発電性能が大きく低下する。

ここで、燃料電池１が採用される発電システムにおいては、一般的に燃料電池１の発電停止後に、掃気ガスを燃料電池１に供給して燃料電池１内の残水を外部に排出する掃気制御が実行される。しかしながら、掃気制御の実行後であっても、燃料電池１内に残水が部分的に残留する場合があり、発電停止後での燃料電池１内の残水量の分布は、均一ではない。このため、残水量が少ない部位では、発電停止中での残水中へのＣｅ^３＋の溶出量は少ないため、電解質膜１２内でのＣｅ^３＋の蓄積量を部分的に確保できずに、ヒドロキシラジカルを十分に抑制できずに電解質膜１２の強度が低下する可能性がある。一方、残水量が多い部位では、発電停止中での残水中にＣｅ^３＋が溶出して、電解質膜１２内のＣｅ^３＋の蓄積量が部分的に増大して、部分的にプロトン移動抵抗が増大する可能性がある。これにより、燃料電池１の発電性能が低下する可能性がある。

図４Ａは、燃料電池１の斜視図である。本実施例での燃料電池１は、セル１０の積層方向が水平方向と略並行となり、各セル１０での酸化剤ガスの流通方向が水平方向と略平行となる姿勢で使用される。図４Ｂは、あるセル１０での絶縁部材４０とアノード側撥水層１６ａとを示した正面図である。アノード側撥水層１６ａには上部１６１ａ及び下部１６２ａを有している。下部１６２ａは、上部１６１ａよりも鉛直下方側に位置している。このため、発電停止後であって掃気制御実行後での燃料電池１内の残水は、重力の作用によって、下部１６２ａ周辺の方が上部１６１ａ周辺よりも多く存在する。また、上部１６１ａ及び下部１６２ａを含むアノード側撥水層１６ａには、ラジカル抑制剤が含有されている。従って、上部１６１ａは、ラジカル抑制剤を含有した第１部位の一例であり、下部１６２ａは、ラジカル抑制剤を含有し上部１６１ａよりも鉛直下方側に位置する第２部位の一例である。

図４Ｃは、アノード側撥水層１６ａでのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフである。縦軸は、鉛直方向でのアノード側撥水層１６ａの位置を示し、横軸はラジカル抑制剤の濃度を示している。ラジカル抑制剤の濃度は、アノード側撥水層１６ａの鉛直上方側から鉛直下方側につれて、低くなっている。尚、カソード側撥水層１６ｃでのラジカル抑制剤の濃度も同様である。従って、ラジカル抑制剤の濃度は、下部１６２ａの方が上部１６１ａよりも低い。このように、周辺に残水量が多く存在する下部１６２ａでのラジカル抑制剤の濃度が低いため、単位体積当たりの水への下部１６２ａからのＣｅ^３＋の単位時間当たりの溶出量を抑制できる。これにより、電解質膜１２内の一部分でのＣｅ^３＋の蓄積量の増大が抑制され、燃料電池１の発電性能の低下が抑制される。

また、上部１６１ａ周辺では残水量が少ないため、ラジカル抑制剤の濃度は、上部１６１ａの方が下部１６２ａよりも高くなっている。このため、単位体積当たりの水への上部１６１ａからのＣｅ^３＋の溶出量を確保して、アノード触媒層１４ａを介して上部１６１ａと対向する電解質膜１２でのＣｅ^３＋の蓄積量を確保できる。これにより、ヒドロキシラジカルを抑制でき、電解質膜１２の強度の低下が抑制される。以上のように、電解質膜１２の強度の低下を抑制しつつ燃料電池１の発電性能の低下も抑制される。

尚、上部１６１ａ及び下部１６２ａに同一条件下で水を分布させた場合には、下部１６２ａのほうがラジカル抑制剤の濃度は低いため、単位体積当たりの水へのＣｅ^３＋の単位時間当たりでの溶出量は、下部１６２ａからの方が上部１６１ａからよりも少ない。同一条件下で水を分布させた場合とは、上部１６１ａ及び下部１６２ａに対して同一の姿勢で、水を同一の密度で均一に一定期間にわたって分布させた場合である。例えば、単体のセル１０を水平状態にしてアノードガス流路２２ａ内に十分な水を供給した場合や、ＭＥＡ１１やアノードガス拡散層１８ａに接合する前の状態のアノード側撥水層１６ａ上に水を均一に分布させた場合、又は、単体のセル１０や単体のアノード側撥水層１６ａを水中に沈ませた場合である。

尚、他のセルのアノード側撥水層１６ａ及びカソード側撥水層１６ｃにも同様な濃度分布でラジカル抑制剤が含有されているが、これに限定されない。燃料電池１のうち、少なくとも１枚のセル１０のアノード側撥水層１６ａ及びカソード側撥水層１６ｃの少なくとも一方の濃度が、鉛直下方側の方が鉛直上方側よりも低ければよく、このセル１０のアノード側撥水層１６ａ及びカソード側撥水層１６ｃの他方、及び他のセル１０のアノード側撥水層１６ａ及びカソード側撥水層１６ｃのラジカル抑制剤の濃度は、部位によらずに均一であってもよい。例えば、複数のセルのうち、比較的残水に晒されやすいセルが特定されている場合には、そのセルのアノード側撥水層１６ａ及びカソード側撥水層１６ｃの少なくとも一方のラジカル抑制剤の濃度を、鉛直下方側の方が鉛直上方側よりも低くしてもよい。これにより、濃度分布に偏りをもたせたセルの枚数を削減でき、製造コストを抑制できる。また、図４Ｃでは、ラジカル抑制剤の濃度は直線で表されているが、これに限定されず、鉛直上方側から下方側に従って濃度が低くなっていくのであれば、曲線で表されてもよい。尚、上記実施例の燃料電池１をセル１０の積層方向が水平方向に略平行にしつつ、孔ｅ１〜ｅ３が孔ｅ４〜ｅ６よりも鉛直下方側又は上方側に位置する姿勢で使用する場合には、その姿勢でのアノード側撥水層１６ａの鉛直下方側の部位が鉛直上方側の部位よりもラジカル抑制剤の濃度が低ければよい。

次に、燃料電池の複数の変形例について説明する。尚、以下で説明する複数の変形例について、上記実施例と同一及び類似の構成については、それぞれ同一及び類似の符号を付することにより重複する説明を省略する。図５Ａは、第１変形例の燃料電池１Ａの外観図である。燃料電池１Ａは、複数のセル１０ａの積層方向が鉛直方向と略平行となる姿勢で使用される。具体的には、ターミナルプレート５０ａ、絶縁プレート６０ａ、及びエンドプレート７０ａが鉛直下方側に位置し、ターミナルプレート５２ａ、絶縁プレート６２ａ、及びエンドプレート７２ａが鉛直上方側に位置する。上述した場合と同様に、セル１０ａのそれぞれのアノード側撥水層及びカソード側撥水層にはラジカル抑制剤が含有されているが、以下の変形例では、説明の便宜上、各セルのアノード側撥水層でのラジカル抑制剤の濃度とカソード側撥水層のラジカル抑制剤の濃度との平均値を、各セル１０ａでのラジカル抑制剤の濃度と説明する。複数のセル１０ａには、鉛直方向で最も上方側及び最も下方側にそれぞれ配置されたセル１０ａ−ｎ及び１０ａ―１を含む。発電停止後であって掃気制御実行後の燃料電池１Ａ内の残水量は、重力の作用によって、セル１０ａ―１周辺の方がセル１０ａ―ｎ周辺よりも多い。セル１０ａ―ｎは、複数のセル１０ａのうちの一つである第１セルの一例である。セル１０ａ―１は、セル１０ａ―ｎよりもセル１０ａの積層方向で鉛直下方側に位置し、複数のセル１０ａのうちの一つである第２セルの一例である。

図５Ｂは、第１変形例での各セル１０ａのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフである。縦軸は、積層方向での各セル１０ａの位置を示し、横軸はラジカル抑制剤の濃度を示している。第１変形例では、積層方向で鉛直上方側から下方側に従って、各セル１０のラジカル抑制剤の濃度が低くなっている。従って、セル１０ａ―１の方がセル１０ａ―ｎよりもラジカル抑制剤の濃度が低くなっている。このように、周辺に残水量が多く存在するセル１０ａ―１のラジカル抑制剤の濃度が低いため、単位体積当たりの水へのセル１０ａ―１からのＣｅ^３＋の単位時間当たりの溶出量を抑制できる。また、周辺に残水量が少ないセル１０ａ―ｎのラジカル抑制剤の濃度が高いため、単位体積当たりの水へのセル１０ａ―ｎからのＣｅ^３＋の単位時間当たりの溶出量を確保できる。これにより電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池１Ａの発電性能の低下も抑制される。

尚、セル１０ａ―１及び１０ａ―ｎ内に同一条件下で水を分布させた場合には、セル１０ａ―１のほうがラジカル抑制剤の濃度は低いため、単位体積当たりの水へのＣｅ^３＋の単位時間当たりでの溶出量は、セル１０ａ―１からの方がセル１０ａ―ｎからよりも少ない。第１変形例において同一条件下で水を分布させた場合とは、同一の姿勢でセル１０ａ―１及び１０ａ―ｎ内に水を同一の密度で均一に、一定期間にわたって分布させた場合である。例えば単体のセル１０ａ―１と単体のセル１０ａ―ｎを同一姿勢でそれぞれのアノード流路及びカソード流路の少なくとも一方に十分に水を供給した場合や、単体のセル１０ａ―１と単体のセル１０ａ―ｎを水中に沈めた場合などである。

図５Ｃは、第２変形例の燃料電池１Ｂの外観図である。燃料電池１Ｂは、複数のセル１０ｂの積層方向が鉛直方向及び水平方向に対して斜めとなる姿勢で使用される。この場合においても、ターミナルプレート５０ｂ、絶縁プレート６０ｂ、及びエンドプレート７０ｂが鉛直下方側に位置し、ターミナルプレート５２ｂ、絶縁プレート６２ｂ、及びエンドプレート７２ｂが鉛直上方側に位置する。複数のセル１０ｂに含まれるセル１０ｂ−ｎ及び１０ｂ―１は、最も上方側及び最も下方側に配置されている。このように斜めに燃料電池１Ｂが配置されている場合であっても、発電停止後での燃料電池１Ｂ内の残水量は、重力の作用によって、セル１０ｂ―１周辺の方がセル１０ｂ―ｎ周辺よりも多くなる。セル１０ｂ―ｎは、複数のセル１０ｂのうちの一つである第１セルの一例である。セル１０ｂ―１は、セル１０ｂ―ｎよりもセル１０ｂの積層方向で鉛直下方側に位置し、複数のセル１０ｂのうちの一つである第２セルの一例である。

図５Ｄは、第２変形例での各セル１０ｂのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフである。縦軸は、積層方向での各セル１０ｂの位置を示し、横軸はラジカル抑制剤の濃度を示している。第１変形例と同様に、積層方向で上方側から下方側に低くなっていく。このため、単位体積当たりの水へのセル１０ｂ―１からのＣｅ^３＋の単位時間当たりの溶出量を抑制でき、単位体積当たりの水へのセル１０ｂ―ｎからのＣｅ^３＋の単位時間当たりの溶出量を確保できる。これにより電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池１Ｂの発電性能の低下も抑制される。

この場合も、セル１０ｂ―１及び１０ｂ―ｎ内に同一条件下で水を分布させた場合には、セル１０ｂ―１のほうがラジカル抑制剤の濃度は低いため、単位体積当たりの水へのＣｅ^３＋の単位時間当たりでの溶出量は、セル１０ｂ―１からの方がセル１０ｂ―ｎからよりも少ない。第２変形例において同一条件下で水を分布させた場合とは、第１変形例と同様である。

図６Ａは、第３変形例の燃料電池１Ｃの外観図である。燃料電池１Ｃは、上述した実施例の燃料電池１と同様の姿勢で使用される。図６Ｂは、第３変形例の燃料電池１Ｃの内部を示した断面図である。図６Ｂには、上述した酸化剤ガス供給マニホールドＳ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳ６を示し、掃気制御中に各セル１０ｃを介して酸化剤ガス供給マニホールドＳ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳ６内を流通する掃気ガスの流れを矢印で示している。発電中においては、掃気ガスではなく酸化剤ガスが、図６Ｂに示した掃気ガスの流れと同じ態様で酸化剤ガス供給マニホールドＳ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳ６内を流通する。酸化剤ガス供給マニホールドＳ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳ６には、それぞれ反対方向にガスが流れる。酸化剤ガス供給マニホールドＳ１は、複数のセル１０ｃを貫通し、第１方向に酸化剤ガスが流通する供給マニホールドの一例である。酸化剤ガス排出マニホールドＳ６は、複数のセル１０ｃを貫通し、酸化剤ガス供給マニホールドＳ１から複数のセル１０ｃを介して酸化剤ガスが流入し、第１方向とは逆方向の第２方向に反応ガスが流通する排出マニホールドの一例である。

各セル１０ｃを通過する掃気ガスの流量は、酸化剤ガス供給マニホールドＳ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳ６のそれぞれの入口及び出口に近いセル１０ｃ―１で最も多く、酸化剤ガス供給マニホールドＳ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳ６のそれぞれの入口及び出口から最も離れたセル１０ｃ−ｎで最も少ない。これは、酸化剤ガス供給マニホールドＳ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳ６のそれぞれの入口及び出口から離れるほど掃気ガスの圧損が増大するからと考えられる。このため発電停止後では、セル１０ｃ−ｎ周辺での方がセル１０ｃ−１周辺よりも残水量が多い。セル１０ｃ−１は、複数のセル１０ｃのうちの一つである第１セルの一例である。セル１０ｃ−ｎは、複数のセル１０ｃのうちの一であり、セル１０ｃ−１よりも第１方向側に位置した第２セルの一例である。

図６Ｃは、第３変形例での各セル１０ｃのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフである。縦軸は、積層方向での各セル１０ｃの位置を示し、横軸はラジカル抑制剤の濃度を示している。セル１０ｃ−１からセル１０ｃ−ｎの順にラジカル抑制剤の濃度は低くなっている。即ち、酸化剤ガス供給マニホールドＳ１の入口及び酸化剤ガス排出マニホールドＳ６の出口から離れている側のセル１０のラジカル抑制剤の濃度が低くなっている。このため、単位体積当たりの水へのセル１０ｃ―ｎからのＣｅ^３＋の単位時間当たりの溶出量を抑制でき、単位体積当たりの水へのセル１０ｃ―１からのＣｅ^３＋の単位時間当たりの溶出量を確保できる。これにより電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池１Ｃの発電性能の低下も抑制される。

この場合も、セル１０ｃ―１及び１０ｃ―ｎ内に同一条件下で水を分布させた場合には、セル１０ｃ―ｎのほうがラジカル抑制剤の濃度は低いため、単位体積当たりの水へのＣｅ^３＋の単位時間当たりでの溶出量は、セル１０ｃ―ｎからの方がセル１０ｃ―１からよりも少ない。第３変形例において同一条件下で水を分布させた場合とは、第１変形例と同様である。

尚、第３変形例において、掃気ガスが酸化剤ガス供給マニホールドＳ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳ６を流れる場合での残水量が多い部位について説明したが、掃気ガスが燃料ガス供給マニホールドを画定する孔ｅ４から供給されて燃料ガス排出マニホールドを画定する孔ｅ３から排出される場合においても、残水量が多い部位は同じである。掃気ガスが酸化剤ガス供給マニホールドＳ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳ６に流れる場合と、燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドに流れる場合とで、流通方向が逆向きになっているだけだからである。従って、第３変形例において、燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドに掃気ガスを流してもよく、この場合、燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドはそれぞれ上述した供給マニホールド及び排出マニホールドの一例でもある。

尚、第３変形例においても、上述した実施例のように、各セル１０ｃのアノード側撥水層及びカソード側撥水層の少なくとも一方が、鉛直下方側の部位が鉛直上方側よりもラジカル抑制剤の濃度が低くてもよい。このように、第３変形例において各セル１０ｃの面方向でラジカル抑制剤の濃度に差が設けられている場合には、各セル１０ｃでのラジカル抑制剤の濃度の平均値が、図６Ｃに示すようにセル１０ｃ−１からセル１０ｃ−ｎの順に低くなっていればよい。

図７Ａは、第４変形例の燃料電池１Ｄの外観図である。燃料電池１Ｄは、燃料電池１及び１Ｃと同様の姿勢で使用される。但し、燃料電池１Ｄでは、エンドプレート７０ｄに孔ｅ１〜ｅ３は設けられているが、孔ｅ４〜ｅ６は設けられていない。孔ｅ４〜ｅ６に相当する孔は、エンドプレート７２ｄに設けられている。即ち、酸化剤ガスはエンドプレート７０ｄの孔ｅ１から、冷媒は孔ｅ２から、絶縁プレート６０ｄ、ターミナルプレート５０ｄ、セル１０ｄ、ターミナルプレート５２ｄ、絶縁プレート６２ｄ、エンドプレート７２ｄの順に流れる。燃料ガスは、エンドプレート７２ｄ、絶縁プレート６２ｄ、セル１０ｄ、ターミナルプレート５０ｄ、絶縁プレート６０ｄの順に流れエンドプレート７０ｄの孔ｅ１から排出される。

図７Ｂは、第４変形例の燃料電池１Ｄの内部を示した断面図である。図７Ｂには、酸化剤ガス供給マニホールドＳｄ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳｄ６を示し、掃気制御中に各セル１０ｄを介して酸化剤ガス供給マニホールドＳｄ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳｄ６内を流通する掃気ガスの流れを矢印で示している。発電中においては、掃気ガスではなく酸化剤ガスが、図７Ｂに示した掃気ガスの流れと同じ態様で酸化剤ガス供給マニホールドＳｄ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳｄ６内を流通する。酸化剤ガス供給マニホールドＳｄ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳｄ６には、それぞれ同一方向にガスが流れる。酸化剤ガス供給マニホールドＳｄ１は、複数のセル１０ｄを貫通し、第１方向に反応ガスが流通する供給マニホールドの一例である。酸化剤ガス排出マニホールドＳｄ６は、複数のセル１０ｄを貫通し、酸化剤ガス供給マニホールドＳｄ１から複数のセル１０ｄを介して酸化剤ガスが流入し、第１方向に反応ガスが流通する排出マニホールドの一例である。

セル１０ｄ―１は、酸化剤ガス排出マニホールドＳｄ６の出口から最も離れているが酸化剤ガス供給マニホールドＳｄ１の入口には最も近い。また、セル１０ｄ−ｎは、酸化剤ガス供給マニホールドＳｄ１の入口から最も離れているが酸化剤ガス排出マニホールドＳｄ６の出口には最も近い。これに対して、セル１０ｄ−１とセル１０ｄ−ｎとの間の中間位置に配置されたセル１０ｄ−ｍは、酸化剤ガス供給マニホールドＳｄ１の入口及び酸化剤ガス排出マニホールドＳｄ６の出口の双方から離れている。このため、掃気完了後には、セル１０ｄ−ｍ周辺の方がセル１０ｄ−１及び１０ｄ−ｎのそれぞれの周辺での残水量よりも多い。セル１０ｄ−１は、複数のセル１０ｄのうちの一つであり、最も第１方向とは逆方向の第２方向側に位置した第１セルの一例である。セル１０ｄ−ｍは、複数のセル１０ｄのうちの一つであり、セル１０ｄ−１よりも第１方向側に位置した第２セルの一例である。セル１０ｄ−ｎは、複数のセル１０ｄのうちの一のセルであり、最も第１方向側に位置した第３セルの一例である。

図７Ｃは、第４変形例での各セル１０ｄのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフである。縦軸は、積層方向での各セル１０ｄの位置を示し、横軸はラジカル抑制剤の濃度を示している。図７Ａにおいて、積層方向の手前側から積層方向の中間の位置まで、即ち、セル１０ｄ−１からセル１０ｄ−ｍの順にラジカル抑制剤の濃度は低くなっている。また、図７Ａにおいて、積層方向の中間の位置から奥側に、即ちセル１０ｄ−ｍからセル１０ｄ−ｎの順にラジカル抑制剤の濃度は高くなっている。このため、セル１０ｄ−ｍはセル１０ｄ−１及び１０ｄ−ｎのそれぞれよりもラジカル抑制剤の濃度は低い。このため、単位体積当たりの水へのセル１０ｄ―ｍからのＣｅ^３＋の単位時間当たりの溶出量を抑制でき、単位体積当たりの水へのセル１０ｄ―１及び１０ｄ−ｎのそれぞれからのＣｅ^３＋の単位時間当たりの溶出量を確保できる。これにより電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池１Ｄの発電性能の低下も抑制される。

この場合も、セル１０ｄ―１、１０ｄ−ｍ、及び１０ｄ―ｎ内に同一条件下で水を分布させた場合には、セル１０ｄ―ｍのほうがラジカル抑制剤の濃度は低いため、単位体積当たりの水へのＣｅ^３＋の単位時間当たりでの溶出量は、セル１０ｄ―ｍからの方がセル１０ｄ―１及び１０ｄ−ｎのそれぞれからよりも少ない。第３変形例において同一条件下で水を分布させた場合とは、第１変形例と同様である。

尚、第４変形例において、複数のセル１０ｄのうち最もラジカル抑制剤の濃度が低いセルは、セル１０ｄ−１からセル１０ｄ−ｎまで間の中間位置に配置されたセル１０ｄ−ｍに限定されない。セル１０ｄ−１からセル１０ｄ−ｎまでの間に配置されたセルで濃度が最も低ければよい。

第４変形例において、掃気ガスが酸化剤ガス供給マニホールドＳｄ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳｄ６を流れる場合での残水量が多い部位について説明したが、掃気ガスが燃料ガス供給マニホールドを画定する孔から供給されて燃料ガス排出マニホールドを画定する孔ｅ３から排出される場合においても、残水量が多い部位は同じである。掃気ガスが酸化剤ガス供給マニホールドＳｄ１及び酸化剤ガス排出マニホールドＳｄ６に流れる場合と、燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドに流れる場合とで、流通方向が逆向きになっているだけだからである。従って、第４変形例において、燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドに掃気ガスを流してもよく、この場合、燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドはそれぞれ上述した供給マニホールド及び排出マニホールドの一例でもある。

上記実施例及び変形例において、ラジカル抑制剤の濃度が連続的に変化している場合を例に説明したがこれに限定されず、段階的に変化してもよい。図８Ａ〜８Ｄは、ラジカル抑制剤が段階的に変化している場合のグラフである。例えば、上記実施例においては、ラジカル抑制剤の濃度は、図８Ａに示すように上方側から下方側に段階的に低下してもよい。このようにラジカル抑制剤の濃度が段階的に変化する場合には、連続的に変化する場合よりも、アノード側撥水層１６ａの製造が容易となり、製造コストを抑制できる。また、第１変形例においては、図８Ｂに示すように、ラジカル抑制剤の濃度をセル１０ａ―ｎからセル１０ａ―１の順に段階的に低下してもよい。第２変形例においても、図８Ｂと同様にラジカル抑制剤の濃度がセル１０ｂ−ｎからセル１０ｂ−１の順に段階的に低下してもよい。第３変形例においても、図８Ｃに示すように、セル１０ｃ―１からセル１０ｃ−ｎの順にラジカル抑制剤の濃度が段階的に低下してもよい。第４変形例においても、図８Ｄに示すように、セル１０ｄ−１からセル１０ｄ−ｍの順にラジカル抑制剤の濃度が段階的に低下し、セル１０ｄ−ｍからセル１０ｄ−ｎの順にラジカル抑制剤の濃度が段階的に増加してもよい。このように、ラジカル抑制部材の濃度が段階的に変化している場合には、ラジカル抑制剤の濃度が同じである複数のセルを用いて燃料電池を製造できるため、製造コストを抑制できる。

また、第３及び第４変形例において、単一のセルのアノード側撥水層の鉛直下方側の部位が鉛直上方側のアノード側撥水層の上部よりもラジカル抑制剤の濃度が低くてもよく、単一のセルのカソード側撥水層の鉛直下方側の部位が鉛直上方側のカソード側撥水層の上部よりもラジカル抑制剤の濃度が低くてもよい。

次に、ラジカル抑制剤の濃度の代わりに、ラジカル抑制剤の合計表面積の違いに基づいて、電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池の発電性能の低下も抑制された第５変形例について説明する。第５変形例の燃料電池は、図４Ａに示した実施例と同じ態様で使用される。図９Ａ及び図９Ｂは、第５変形例での燃料電池のセルのアノード側撥水層１６ａｅの単位体積当たりでのラジカル抑制剤の合計表面積の違いの説明図である。第５変形例では、上部１６１ａｅ及び下部１６２ａｅのそれぞれでの単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の質量は同じである。このため、ラジカル抑制剤の濃度は上部１６１ａｅ及び下部１６２ａｅで同じである。しかしながら、ラジカル抑制剤の粒子の粒径は、下部１６２ａｅでの粒子Ｐ２の方が上部１６１ａｅの粒子Ｐ１よりも大きく、単位体積中でのラジカル抑制剤の粒子の数は、下部１６２ａｅの方が上部１６１ａｅよりも少ない。このため、上部１６１ａｅの方が下部１６２ａｅよりもラジカル抑制剤の粒子が微細であり、アノード側撥水層１６ａｅの単位体積当たりでのラジカル抑制剤の合計表面積は、下部１６２ａｅの方が上部１６１ａｅよりも小さい。ここで、粒径が小さい粒子の方が、水に晒される表面積が小さいため、粒径が大きい粒子と比較して、単位体積当たりの水へのＣｅ^３＋の溶出量は少ない。従って、上部１６１ａｅ及び下部１６２ａｅのそれぞれに同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、下部１６２ａｅからの方が上部１６１ａｅからよりも少ない。カソード側撥水層１６ｃについても同様である。図９Ｃは、第５変形例でのアノード側撥水層１６ａｅでのラジカル抑制剤の合計表面積を示したグラフである。縦軸は、鉛直方向でのアノード側撥水層１６ａｅの位置を示し、横軸はラジカル抑制剤の合計表面積を示している。これにより第５変形例においても、電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池の発電性能の低下も抑制される。

尚、第５変形例において、上部１６１ａｅ及び下部１６２ａｅでのラジカル抑制剤の濃度は略一定であるが、これに限定されない。即ち、下部１６２ａｅの方が上部１６１ａｅよりもラジカル抑制剤の濃度が低くてもよい。

また、下部１６２ａｅの方が上部１６１ａｅよりもラジカル抑制剤の濃度が高くてもよいが、この場合、下部１６２ａｅの方が上部１６１ａｅよりも単位体積当たりでのラジカル抑制剤の合計表面積が小さく、かつ濃度の差よりも合計表面積の差の方がＣｅ^３＋の溶出量に対して支配的であればよい。即ち、この場合も、上部１６１ａｅ及び下部１６２ａｅに同一条件下で水を分布させた場合には、単位体積当たりの水へのＣｅ^３＋の単位時間当たりでの溶出量は、下部１６２ａｅからの方が上部１６１ａｅからよりも少なくなればよい。カソード側撥水層１６ｃについても同様である。

尚、第１〜第４変形例においても、第５変形例と同様に、ラジカル抑制剤の濃度の代わりにラジカル抑制剤の合計表面積が違っていてもよい。尚、例えば第１変形例において、ラジカル抑制剤の濃度の代わりに、ラジカル抑制剤の合計表面積が違っている場合には、単一のセル１０ａ中のラジカル抑制剤の合計表面積をセル１０ａの合計体積で除算した値を、セル１０ａの単位体積当たりのラジカル抑制剤の合計表面積とする。第２〜第４変形例の場合も同様である。

次に、ラジカル抑制剤の濃度の代わりに、ラジカル抑制剤の結晶性の違いに基づいて、電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池の発電性能の低下も抑制された第６変形例について説明する。第６変形例の燃料電池は、図４Ａに示した実施例と同じ態様で使用される。ここで結晶性が高いとは、結晶度が高いことと略同義である。結晶度とは、結晶部分と非結晶部分からなる高分子化合物における、結晶部分が全体に占める重量比である。図１０Ａは、ラジカル抑制剤であるＣｅＯ_２の結晶構造の模式図である。図１０Ｂは、結晶性が高いラジカル抑制剤の概念図である。図１０Ｃは、結晶性が低いラジカル抑制剤の概念図である。結晶性が高い場合には、分子が格子配列されるのに対して、結晶性が低い場合には、分子がランダムに配列される。このため、単位体積当たりの水へのＣｅ^３＋の単位時間当たりの溶出量は、結晶性が低い方が高い場合よりも多い。

図１０Ｄは、第６変形例でのアノード側撥水層でのラジカル抑制剤の結晶性を示したグラフである。縦軸は、鉛直方向でのアノード側撥水層の位置を示し、横軸はラジカル抑制剤の結晶性を示している。尚、第６変形例の燃料電池のセルのアノード側撥水層及びカソード側撥水層では、上述したラジカル抑制剤の濃度及び合計表面積は一定である。このように、第６変形例の燃料電池のセルのアノード側撥水層は、鉛直下方側の下部の方が上部よりもラジカル抑制剤の結晶性が高い。このため、アノード側撥水層の下部からのラジカル抑制剤の溶出量を抑制しつつ、アノード側撥水層の上部からのラジカル抑制剤の溶出量を確保されている。これにより第６変形例においても、電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池１Ａの発電性能の低下も抑制される。尚、カソード側撥水層のラジカル抑制剤の結晶性も同様である。また、アノード側撥水層の上部及び下部のそれぞれに同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、下部からの方が上部からよりも少ない。

尚、第６変形例において、アノード側撥水層の部位によらずにラジカル抑制剤の濃度は略一定であり、その部位の単位体積当たりのラジカル抑制剤の合計表面積も略一定であるが、これに限定されない。即ち、第６変形例においても、アノード側撥水層の少なくとも一方の下部の方が上部よりも、ラジカル抑制剤の濃度が低くてもよいし、単位体積当たりのラジカル抑制剤の合計表面積が小さくてもよい。カソード側撥水層についても同様である。

また、第６変形例において、アノード側撥水層の下部の方が上部よりも、ラジカル抑制剤の濃度が高くてもよいし、アノード側撥水層の単位体積当たりのラジカル抑制剤の合計表面積が大きくてもよいが、この場合、下部の方が上部よりも結晶性が高く、かつ濃度の差や合計表面積の差よりも結晶性の差の方がＣｅ^３＋の溶出量に対して支配的であればよい。即ち、この場合も、上部及び下部に同一の密度で水を均一に分布させた場合には、単位体積当たりの水へのＣｅ^３＋の単位時間当たりでの溶出量は、下部からの方が上部からよりも少なくなればよい。カソード側撥水層についても同様である。

尚、第１〜第４変形例においても、第６変形例と同様に、ラジカル抑制剤の濃度の代わりに、ラジカル抑制剤の結晶性が相違していてもよい。

以上のように、上記実施例及び第１〜第６変形例において、残水量が多い部位で単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量を抑制し、残水量が少ない部位で単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量を確保することにより、電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池の発電性能の低下を抑制できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上記実施例及び変形例の燃料電池は、発電停止後に掃気制御が実行されるものに限定されない。掃気制御が実行されることにより、燃料電池内の残水量を減少させることができるが、掃気制御を実行しない場合であっても発電停止後に燃料電池内での残水量が多い部位と少ない部位とに変わりはないからである。例えば、上記実施例や第１及び第２変形例においては、重力の作用により残水量が多い部位が発生し、第３及び第４変形例においては、掃気ガスと同じ経路を流れる酸化剤ガスの流通により残水量が多い部位が発生するからである。

上記実施例及び変形例では、ラジカル抑制剤は、アノード側撥水層１６ａ及びカソード側撥水層１６ｃに含有されているがこれに限定されず、アノード触媒層１４ａ、カソード触媒層１４ｃ、アノード側撥水層１６ａ、カソード側撥水層１６ｃ、アノードガス拡散層１７ａ、カソードガス拡散層１７ｃ、アノード側セパレータ２０ａ、及びカソード側セパレータ２０ｃの少なくとも一つに含有されていればよい。

ここで、アノード側セパレータ２０ａにラジカル抑制剤が含有されている場合とは、アノード側セパレータ２０ａの基体のＭＥＧＡ３０に対向する面の表面に、ラジカル抑制剤を含有した層が形成されている場合である。ラジカル抑制剤を含有した層は、例えば、アノード側セパレータ２０ａの基体のＭＥＧＡ３０に対向する面を、ラジカル抑制剤を含有したペーストによりコーティングすることにより形成できる。アノード側セパレータ２０ａの基体のＭＥＧＡ３０に対向する面全体にこのようなペーストをコーティングする場合には、アノード側セパレータ２０ａとＭＥＧＡ３０との導電性を確保するために、ペーストにカーボン等の導電性粒子を更に含有させることが好ましい。また、ペーストに導電性粒子を含有させない場合には、ＭＥＧＡ３０と接しないアノード側セパレータ２０ａのアノードガス流路２２ａの底部のみにペーストをコーティングすることが好ましい。カソード側セパレータ２０ｃについても同様である。

また、ラジカル抑制剤は、金属単体及び／又は当該金属元素を含む金属化合物であれば特に限定されない。ラジカル抑制剤のＣｅ以外の具体例としては、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｒｂ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｏｓ等からなる単体及び／又は上記元素を含む化合物である。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄセル
１０ａ―ｎ、１０ｂ−ｎ、１０ｃ−１、１０ｄ−１セル（第１セル）
１０ａ―１、１０ｂ−１、１０ｃ−ｎ、１０ｄ−ｍセル（第２セル）
１０ｄ−ｎセル（第３セル）
１１ＭＥＡ
１２電解質膜
１４ａアノード触媒層
１４ｃカソード触媒層
１６ａアノード側撥水層
１６１ａ上部（第１部位）
１６２ａ下部（第２部位）
１６ｃカソード側撥水層
１８ａアノードガス拡散層
１８ｃカソードガス拡散層
２０ａアノード側セパレータ
２０ｃカソード側セパレータ
２０燃料電池

Claims

電解質膜を挟む一対の電極と一対の前記電極を挟む一対のセパレータとを有したセルを備えた燃料電池において、
前記一対の電極は、撥水層及びガス拡散層の少なくとも一方を含み、
前記撥水層及びガス拡散層の少なくとも一方及び一対の前記セパレータ、の少なくとも一つは、ラジカル抑制剤を含有した第１部位と、ラジカル抑制剤を含有し前記第１部位よりも鉛直下方側に位置する第２部位と、を備え、
前記第２部位は、前記第１部位よりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第１及び第２部位のそれぞれに同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第２部位からの方が前記第１部位からよりも少ない、燃料電池。
電解質膜を挟む一対の電極と一対の前記電極を挟む一対のセパレータとの少なくとも一つがラジカル抑制剤を含有したセルが複数積層された燃料電池において、
複数の前記セルのうちの一つである第１セルと、
複数の前記セルのうちの一つであり、前記第１セルよりも前記セルの積層方向で鉛直下方側に位置した第２セルと、を備え、
前記第２セルは、前記第１セルよりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第１及び第２セル内に同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第２セルからの方が前記第１セルからよりも少ない、燃料電池。
電解質膜を挟む一対の電極と一対の前記電極を挟む一対のセパレータとの少なくとも一つがラジカル抑制剤を含有したセルが複数積層された燃料電池において、
複数の前記セルを貫通し、第１方向に反応ガスが流通する供給マニホールドと、
複数の前記セルを貫通し、前記供給マニホールドから複数の前記セルを介して反応ガスが流入し、前記第１方向とは逆方向の第２方向に反応ガスが流通する排出マニホールドと、
複数の前記セルのうちの一つである第１セルと、
複数の前記セルのうちの一つであり、前記第１セルよりも前記第１方向側に位置した第２セルと、を備え、
前記第２セルは、前記第１セルよりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第１及び第２セル内に同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第２セルからの方が前記第１セルからよりも少ない、燃料電池。
電解質膜を挟む一対の電極と一対の前記電極を挟む一対のセパレータとの少なくとも一つがラジカル抑制剤を含有したセルが複数積層された燃料電池において、
複数の前記セルを貫通し、第１方向に反応ガスが流通する供給マニホールドと、
複数の前記セルを貫通し、前記供給マニホールドから複数の前記セルを介して反応ガスが流入し、前記第１方向に反応ガスが流通する排出マニホールドと、
複数の前記セルのうちの一つであり、最も前記第１方向とは逆方向の第２方向側に位置した第１セルと、
複数の前記セルのうちの一つであり、前記第１セルよりも前記第１方向側に位置した第２セルと、
複数の前記セルのうちの一つであり、最も前記第１方向側に位置した第３セルと、を備え、
前記第２セルは、前記第１及び第３セルのそれぞれよりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第１、第２、及び第３セル内に同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第２セルからの方が前記第１及び第３セルのそれぞれからよりも少ない、燃料電池。