(57)【要約】 【課題】  簡易な構造で燃料電池の電解質膜を加湿することができる技術を提供する。【解決手段】  燃料電池のＭＥＡ２３０は、電解質膜２３２と水素極２３４と酸素極２３６とを有している。さらにその外側には、セパレータがそれぞれ設けられている。各セパレータが有する溝部が、水素極２３４または酸素極２３６とともに、燃料ガス流路、酸化ガス流路を構成する。燃料ガス流路２１２のガスの流通方向Ｆａｇと、酸化ガス流路２２２の流通方向Ｆｃｇとは、逆の向きである。電解質膜２３２は、酸化ガス流路２２２下流の開口２３６ｏによって酸化ガス流路２２２に対して露出されている。酸素極２３６において反応により生成された水は、燃料ガスの流れＦｃｇによって下流に運ばれ、開口２３６ｏを通って電解質膜２３２に供給される。その結果、電解質膜２３２の保水状態が確保され、ＭＥＡ２３０の発電性能が維持される。【選択図】  図１
2006156144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に沿って設けられた第１のガス流路から酸化ガスが供給される第１の拡散層と、
表面に沿って設けられた第２のガス流路から燃料ガスが供給される第２の拡散層と、
前記第１と第２の拡散層の間に位置し、水素イオンを透過する電解質膜と、を備え、さらに、
前記第１と第２のガス流路のうち一方のガス流路の下流部分に、前記一方のガス流路内を流れるガスから水を受け取って前記電解質膜に前記水を浸透させることができる水供給部を有する、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、さらに、
前記一方のガス流路内において、前記一方のガス流路内を流れるガスの少なくとも一部を前記水供給部に向かわせる整流部を有する、燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記水供給部は、前記電解質膜の一部を含み、
前記電解質膜の前記一部は、前記一方のガス流路に対して露出されている、燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、さらに、
前記一方のガス流路内を流れるガスによって運ばれる水の少なくとも一部を、前記電解質膜の前記一部に供給する整流部を、前記一方のガス流路内に有する、燃料電池。
【請求項５】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記電解質膜の前記一部は、露出されている側とは逆の側の面において、前記第１と第２の拡散層のうち前記逆の側の拡散層と接合されている、燃料電池。
【請求項６】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記一方のガス流路において前記水供給部が設けられている部分は、前記電解質膜を挟んで、前記第１と第２のガス流路のうち他方のガス流路における上流部分と、向かい合う位置にある、燃料電池。
【請求項７】
表面に沿って設けられた第１のガス流路から酸化ガスが供給される第１の拡散層と、
表面に沿って設けられた第２のガス流路から燃料ガスが供給される第２の拡散層と、
前記第１と第２の拡散層の間に位置し、水素イオンを透過する電解質膜と、を備え、さらに、
前記第１のガス流路の下流部分に、前記第１のガス流路内を流れるガスから水を受け取って前記電解質膜に前記水を浸透させることができる第１の水供給部を有し、
前記第２のガス流路の下流部分に、前記第２のガス流路内を流れるガスから水を受け取って前記電解質膜に前記水を浸透させることができる第２の水供給部を有し、
前記第１のガス流路において前記第１の水供給部が設けられている部分は、前記電解質膜を挟んで、前記第２のガス流路における上流部分と向かい合う位置にあり、
前記第２のガス流路において前記第２の水供給部が設けられている部分は、前記電解質膜を挟んで、前記第１のガス流路における上流部分と向かい合う位置にある、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、さらに詳しくは、燃料電池のセルの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電解質膜を利用した燃料電池が電源として開発されている。燃料電池の電解質膜は、イオンを透過させるために、湿らせておくことが望ましい。たとえば、特許文献１の燃料電池は、セパレータに加湿水の流路を設け、その流路溝と電解質膜を貫通孔でつなげて電解質膜に加湿水を供給し、電解質膜を加湿している。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２８７９３４号公報
【特許文献２】特開平９−８２３４１号公報
【特許文献３】特開平２０００−３３１６９６号公報
【０００４】
しかし、そのような構成は、燃料電池の各セルに加湿水の流路を設ける必要があるため、構造が複雑となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を取り扱うためになされたものであり、簡易な構造で燃料電池の電解質膜を均質に加湿することができる技術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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池において以下の構成を採用する。すなわち、この燃料電池は、表面に沿って設けられた第１のガス流路から酸化ガスが供給される第１の拡散層と、表面に沿って設けられた第２のガス流路から燃料ガスが供給される第２の拡散層と、第１と第２の拡散層の間に位置し、水素イオンを透過する電解質膜と、を備える。そして、第１と第２のガス流路のうち一方のガス流路の下流部分に、その一方のガス流路内を流れるガスから水を受け取って電解質膜に水を浸透させることができる水供給部を有する。
【０００７】
このような態様とすれば、燃料電池内の一部において過剰となっている水をガスの流れを利用して集めて、水供給部を介して電解質膜に供給することができる。このため、簡易な構造で、燃料電池の電解質膜を均等に加湿することができる。なお、第１と第２のガス流路のうち他方のガス流路の下流部分にも、その他方のガス流路内を流れるガスから水を受け取って電解質膜に水を浸透させることができる水供給部を有する態様とすることもできる。
【０００８】
なお、水供給部は、電解質膜の一部を含むことが好ましく、電解質膜の一部は、上記の一方のガス流路に対して露出されていることがこのましい。このような態様とすれば、水供給部を構成する電解質膜の露出部分を通じて、その一方のガス流路から水の供給を受け、電解質膜の他の部分に水を分配することができる。
【０００９】
また、燃料電池は、上記一方のガス流路内を流れるガスによって運ばれる水の少なくとも一部を、電解質膜の上記一方のガス流路に対して露出されている一部に供給する整流部を、その一方のガス流路内に有することが好ましい。このような態様とすれば、効率的に、燃料電池内の過剰な水を水供給部に集めることができる。その結果、効率的に、電解質膜の他の部分に水を供給することができる。
【００１０】
なお、燃料電池は、上記一方のガス流路内において、その一方のガス流路内を流れるガスの少なくとも一部を水供給部に向かわせる整流部を有するような態様とすることができる。このような態様とすれば、その一方のガス流路内においてガスに運ばれる水が、水供給部を通過してしまう可能性を低減することができる。よって、効率的に、燃料電池内の過剰な水を水供給部に供給できる。
【００１１】
また、電解質膜の一部は、露出されている前記側とは逆の側の面において、第１と第２の拡散層のうち、その逆の側の拡散層と接合されていることが好ましい。このような態様とすれば、電解質膜が露出されている側とは逆の側の拡散層に、電解質膜から直接、水を伝えることができる。よって、電解質膜が両面においてガス流路に露出されている態様に比べて、逆の側の拡散層に効率的に水を伝えることができる。
【００１２】
なお、一方のガス流路において水供給部が設けられている部分は、電解質膜を挟んで、第１と第２のガス流路のうち他方のガス流路における上流部分と、向かい合う位置にあることが好ましい。このような態様とすれば、上記一方のガス流路の下流部分において水供給部を通じて電解質膜に水が供給され、さらに、他方の極に浸透した水を、その他方の極において、他方のガス流路内を流れるガスを使って、上流から下流に向かって効率的に浸透させ分配することができる。
【００１３】
また、燃料電池は、以下のような構成とすることもできる。すなわち、その燃料電池は、第１のガス流路の下流部分に、第１のガス流路内を流れるガスから水を受け取って電解質膜に水を浸透させることができる第１の水供給部を有し、第２のガス流路の下流部分に、第２のガス流路内を流れるガスから水を受け取って電解質膜に水を浸透させることができる第２の水供給部を有する。そして、第１のガス流路において第１の水供給部が設けられている部分は、電解質膜を挟んで、第２のガス流路における上流部分と向かい合う位置にあり、第２のガス流路において第２の水供給部が設けられている部分は、電解質膜を挟んで、第１のガス流路における上流部分と向かい合う位置にある。このような態様とすれば、二つの水供給部と、酸化ガス及び燃料ガスの流れを利用して、燃料電池内の水を、ガスの流れを利用して燃料電池全体に流通させることができる。
【００１４】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの運転方法や、燃料電池システムを備える車両、船舶、自家発電システムなどの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００１６】
Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例の燃料電池のＭＥＡ（membrance electrode assembly／膜・電極接合体）２３０の構成を示す説明図である。図１に示すように、燃料電池のＭＥＡ２３０は、電解質膜２３２と、その両側に配された水素極（陽極、アノード）２３４と、酸素極（陰極、カソード）２３６とを有している。さらに、水素極２３４と電解質膜２３２の間には、触媒層２３３が設けられる。また、酸素極２３６と電解質膜２３２の間にも、触媒層２３５が設けられる。
【００１７】
電解質膜２３２は、水素イオンと水を透過しやすい素材で設けられた長方形の膜である。電解質膜２３２は、酸素を含む酸化ガスと、水素を含む燃料ガスとをほとんど透過しない。電解質膜２３２は、たとえば、パーフルオロスルホン酸膜とすることができる。
【００１８】
水素極２３４と酸素極２３６は、厚さ約２００μｍの長方形のカーボンペーパである。これらのカーボンペーパは、それぞれ酸化ガスと、燃料ガスとを透過することができる。水素極２３４と酸素極２３６は、それぞれ、酸化ガスを触媒層２３３に伝える拡散層、燃料ガスを触媒層２３５に伝える拡散層として機能する。これらのカーボンペーパは、撥水処理されている。このため、燃料電池の運転中に、カーボンペーパ内の空隙が水で埋まってしまう可能性が低い。
【００１９】
触媒層２３３，２３５は、カーボンブラックに重量比で５０％の白金を担持させて設けられた層である。触媒層２３３，２３５によって、水素極２３４および酸素極２３６における反応が促進される。
【００２０】
酸素極２３６と触媒層２３５には、図１に示すように、その長方形の一辺に沿って幅約２ｍｍの開口２３６ｏが二つ設けられている。二つの開口２３６ｏ，２３６ｏの間隔は、約５ｍｍである。これらの開口２３６ｏ，２３６ｏの内壁面Ｒ１，Ｒ１については、酸素極２３６を構成するカーボンペーパは、撥水処理されていない。これらの開口２３６ｏ，２３６ｏを通じて、電解質膜２３２は、水素極２３４および触媒層２３５に覆われずに露出される。
【００２１】
一方、水素極２３４の側においては、電解質膜２３２を挟んで酸素極２３６の開口２３６ｏ，２３６ｏと向かい合う部分には、図１に示すように、触媒層２３３が設けられていない部分である開口２３３ｏ，２３３ｏが設けられている。なお、水素極２３４は、開口２３３ｏ，２３３ｏに相当する部分、すなわち、電解質膜２３２を挟んで酸素極２３６の開口２３６ｏ，２３６ｏと向かい合う部分にも設けられている。その結果、開口２３３ｏ，２３３ｏにおいては、電解質膜２３２は、水素極２３４と直接、接合される。
【００２２】
図２は、酸素極２３６と接合されるセパレータ２２０を、酸素極２３６と接合される側から見た平面図である。図中、ＭＥＡ２３０の電解質膜２３２が配される位置を破線で示す。セパレータ２２０は、カーボン製の長方形の板であり、中央部分に長辺に平行な複数の溝部２２１を有している。また、一つの短辺の近傍には、冷却水が流通する冷却水孔２５１、燃料ガスが流通する燃料ガス孔２５４、酸化ガスが流通する酸化ガス孔２５５が設けられている。そして、他方の短辺の近傍には、同様に、冷却水孔２５２、燃料ガス孔２５３、酸化ガス孔２５６が設けられている。
【００２３】
さらに、セパレータ２２０の外周近傍の部分は、樹脂フレーム２７２で覆われている。図２で描かれている面では、樹脂フレーム２７２は、冷却水孔２５１，２５２、燃料ガス孔２５３，２５４の周りを囲っている。その結果、セパレータ２２０が、ＭＥＡ２３０を挟んで隣のセパレータ２１０（図２において示さず）と積層されたときには、冷却水と酸化ガスは、セパレータ２２０とセパレータ２１０の間から漏れ出すことがなく、セパレータ２２０とセパレータ２１０の間を通過する。なお、冷却水孔２５１，２５２、燃料ガス孔２５３，２５４の周りには、さらにパッキンを設けることが好ましい。
【００２４】
一方、図２に示すように、樹脂フレーム２７２は、酸化ガス孔２５５，２５６と溝部２２１とをいっしょに囲うように設けられている。その結果、図２に示された面内において、酸化ガス孔２５５から供給される酸化ガスは、複数の溝部２２１を通って酸化ガス孔２５６から排出される。その間、酸化ガスは、酸素極２３６と接触して反応する。
【００２５】
各溝部２２１内には、酸化ガス孔２５６が設けられている側の近傍に、整流板２６２，２６２が設けられている。整流板２６２，２６２は、溝部２２１を塞がない程度の高さを有するステンレス合金製の板である。整流板２６２，２６２は、溝部２２１の底部において、酸化ガス孔２５５の側に傾いた姿勢で設けられている。整流板２６２，２６２は、セパレータ２２０がＭＥＡ２３０と組み合わされたとき、それぞれ開口２３６ｏ，２３６ｏとほぼ向かい合う場所に設けられている。
【００２６】
図２においては示していないが、水素極２３４側に接合されるセパレータ２１０は、中央部分に、セパレータ２２０の溝部２２１と同様の溝部２１１を有している。そして、セパレータ２１０は、ＭＥＡ２３０の水素極２３４と接合される側の外周部分に、やはり樹脂フレームを有している。ただし、セパレータ２１０においては、冷却水孔２５１，２５２、燃料ガス孔２５３，２５４、酸化ガス孔２５５，２５６のうち、燃料ガス孔２５３，２５４が溝部２１１と流通するように溝部２１１とともに樹脂フレームによって囲われている。そして、冷却水孔２５１，２５２と酸化ガス孔２５５，２５６は、それぞれ独立して樹脂フレームによって囲われている。また、セパレータ２１０の溝部２１１には、整流板は設けられていない。他の点は、セパレータ２１０の構成は、セパレータ２２０の構成と同じである。
【００２７】
図３は、第１実施例の燃料電池のセル２００の断面図である。図３においては、各構成の厚みは拡大されて表示されており、実際の寸法を反映するものではない。第１実施例の燃料電池のセル２００は、ＭＥＡ２３０を、酸素極２３６側のセパレータ２２０と、水素極２３４側のセパレータ２１０とで挟んで構成される。図３において矢印Ｆｃｇで示すように、酸化ガスは、酸化ガス孔２５５から供給され、溝部２２１を通って、酸化ガス孔２５６から排出される。これら、酸化ガス孔２５５、溝部２２１、酸化ガス孔２５６が、広義の酸化ガス流路２２２を構成する。なお、本明細書では、狭義には、セパレータ２２０の溝部２２１で構成されるガス流路のみを酸化ガス流路２２２と呼ぶ。
【００２８】
狭義の酸化ガス流路２２２の下流部には、開口２３６ｏ，２３６ｏが設けられている。なお、本明細書において、ガス流路の「下流部分」または「下流部」とは、ガス流路（たとえば、セパレータ２２０の溝部２２１で構成される狭義の酸化ガス流路２２２）の全流路のうち、下流側半分の範囲に含まれるいずれかの部分を指す。第１実施例では、開口２３６ｏ，２３６ｏは、具体的には、狭義の酸化ガス流路２２２の範囲のうち、下流の端から１／５以内の範囲内に設けられているものとする。
【００２９】
酸化ガス流路２２２の下流部に設けられた構成、すなわち、開口２３６ｏ，２３６ｏ、および電解質膜２３２のうち表面が酸化ガス流路２２２に露出されている部分２３２ｅを、まとめて「水供給部２０２」と呼ぶ。この水供給部２０２の各構成は、狭義の酸化ガス流路２２２のうち、下流の端から１／３以内の範囲内に設けることが好ましく、下流の端から１／４以内の範囲内に設けることがさらに好ましい。
【００３０】
一方、燃料ガスは、図３において示されていない燃料ガス孔２５３（図２参照）から供給され、図３において矢印Ｆａｇで示すように溝部２１１を通って、図３において示されていない燃料ガス孔２５４から排出される。すなわち、ＭＥＡ２３０を挟んで、燃料ガスと酸化ガスは逆向きに流れる（図１参照）。燃料ガス孔２５３、溝部２１１、燃料ガス孔２５４が、広義の燃料ガス流路２１２を構成する。なお、本明細書では、狭義には、溝部２１１で構成されるガス流路のみを燃料ガス流路２１２と呼ぶ。
【００３１】
なお、図３においては示されていないが、図３のセル２００は複数積層され、セル２００、数個に対して１個の割合で冷却水用セパレータが積層される。冷却水は、その冷却水用セパレータに設けられた冷却水路を流通する。冷却水用セパレータの冷却水路は、積層時に、セパレータ２２０の溝部２２１、およびセパレータ２１０の溝部２１１と平行となるように設けられる。燃料電池の運転時における冷却水路内の冷却水の流通の向きは、溝部２２１内における酸化ガスの流通の向き（図３のＦｃｇ参照）と同じである。
【００３２】
燃料電池の発電時には、酸素極２３６側においては、電解質膜２３２を透過してきた水素イオンと、酸化ガス流路２２２から供給される酸化ガス中の酸素と、図示しない配線によって水素極２３４側から供給される電子と、の反応により、水が生成される。生成された水は、撥水処理された酸素極２３６上に、水滴Ｗｄとして付着する。この水滴Ｗｄは、酸化ガス流路２２２内の酸化ガスの流れＦｃｇによって、下流側に送られる。
【００３３】
なお、酸素極２３６において水が生成されるため、酸化ガスは、狭義の酸化ガス流路２２２内を流通する間に次第により多くの水を含む。このため、狭義の酸化ガス流路２２２の上流側においては、酸化ガスが含んでいる水の量は比較的少ない。酸化ガス流路２２２の上流側においては、下流側に比べて電解質膜２３２が乾燥しやすいといえる。一方、前述の冷却水用セパレータ内において冷却水が冷却水路内を流通する向きは、狭義の酸化ガス流路２２２内の酸化ガスの流通の向き（図３のＦｃｇ参照）と同じである。このため、酸化ガス流路２２２の上流側の温度は、下流側に比べて低い。このため、酸化ガス流路２２２の上流側においては、酸化ガスが含んでいる水の量は比較的少ないが、そのために電解質膜２３２が乾燥してしまう可能性は少ない。
【００３４】
図３において矢印Ｆｃｇで示すように、酸化ガス流路２２２内の酸化ガスの流れＦｃｇは、開口２３６ｏとほぼ向かい合う位置にある整流板２６２によっていったん曲げられ、開口２３６ｏに向かう。その際、酸化ガスによって運ばれていた水滴Ｗｄは、撥水処理されていない開口２３６ｏの内壁面Ｒ１に付着し、また、露出されている電解質膜２３２ｅに付着する。そして、それらの水は、電解質膜２３２に供給される。整流板２６２，２６２によって、そのような酸化ガスの流れの流れの屈曲および開口２３６ｏ，２３６ｏへの水の供給が行われた後、酸化ガスは、矢印Ｆｃｇで示すように、酸化ガス孔２５６からセル２００外へ排出される。
【００３５】
第１実施例においては、酸素極２３６と触媒層２３５の開口２３６ｏ，２３６ｏは、酸素極２３６に沿って設けられた狭義の酸化ガス流路２２２の下流部分に設けられている。このため、酸素極２３６の様々な部分で生成された水は、効率的に開口２３６ｏ，２３６ｏに集められ、電解質膜２３２に運ばれる。
【００３６】
整流板２６２は、セパレータ２２０の素材であるカーボンに比べて比熱が大きいステンレス合金で設けられている。このため、セル２００の温度が急速に上昇しても、整流板２６２の温度は、セパレータ２２０に比べて上昇するのが遅い。よって、セパレータ２２０や酸素極２３６の温度上昇によって熱せられ、酸化ガス流路２２２内で水蒸気となった水が、酸化ガスによって運ばれて、比較的低温の整流板２６２に接触すると、整流板２６２によって冷却され液化する。そして、液化した水は、整流板２６２に沿って流れる酸化ガスによって開口２３６ｏに飛ばされて、電解質膜２３２に供給される。
【００３７】
電解質膜２３２に供給された水は、電解質膜２３２において拡散される。また、電解質膜２３２に供給された水の一部は、水素極２３４に伝えられる。そして、その水は、燃料ガス流路２１２内の燃料ガスの流れＦａｇによって、撥水処理された水素極２３４表面を水滴Ｗｄの形で、または水蒸気として、狭義の燃料ガス流路２１２の下流側に送られる。
【００３８】
開口２３６ｏが設けられているのは、酸素極２３６に沿った狭義の酸化ガス流路２２２の下流部分である。一方、酸化ガス流路２２２内のガスの流れの向きと、水素極２３４に沿った狭義の燃料ガス流路２１２内のガスの流れの向きとは、逆である。すなわち、水素極２３４側においては、開口２３６ｏが設けられている位置は、燃料ガスの流れの上流部に当たる。このため、開口２３６ｏを介して水素極２３４側に浸透した水は、燃料ガス流路２１２内の燃料ガスの流れＦａｇによって、水素極２３４側において、効率的に全体に行き渡る。なお、本明細書において、ガス流路の「上流部分」または「上流部」とは、ガス流路（たとえば、セパレータ２１０の溝部２１１で構成される狭義の燃料ガス流路２２２）の全流路のうち、上流側半分の範囲に含まれるいずれかの部分を指す。
【００３９】
また、第１実施例においては、開口２３６ｏと整流板２６２は２組設けられている。このため、それらが一組だけ設けられている態様に比べて、より多くの水を水素極側２３４に送ることができる。
【００４０】
また、電解質膜２３２を挟んで開口２３６ｏ，２３６ｏの逆側の部分には、触媒層２３３が設けられていない開口２３３ｏ，２３３ｏが設けられている。このため、電解質膜２３２にに浸透した水の一部は、触媒層２３３に阻まれることなく、効率的に水素極２３４に伝わる。
【００４１】
さらに、電解質膜２３２の開口２３６ｏ，２３６ｏの逆側の部分は、燃料ガス流路２１２に対して露出されておらず、水素極２３４と接合され、水素極２３４で覆われている。このため、電解質膜が露出されている側とは逆の側の拡散層（水素極２３４）に、電解質膜２３２から直接、水を伝えることができる。よって、水素極２３４に効率的に水を伝えることができる。また、燃料電池の運転中に、水素極２３４側と酸素極２３６側で圧力差が生じた場合にも、電解質膜２３２が両面において露出されている態様に比べて、電解質膜２３２が破壊されてしまう可能性が低い。
【００４２】
図４は、燃料電池のセルの性能試験の結果を示すグラフである。横軸は電流密度であり、縦軸は電圧である。図中、Ｅ１は、燃料ガス、酸化ガスに加湿を行わずに、本実施例の燃料電池のセル２００の試験を行った結果を示すグラフである。そして、Ｅ２は、燃料ガス、酸化ガスに加湿を行って、過剰となった水は除去しつつ、本実施例の燃料電池のセル２００の試験を行った結果を示すグラフである。一方、Ｃ１は、燃料ガス、酸化ガスに加湿を行わずに、比較例のセルの試験を行った結果を示すグラフである。そして、Ｅ２は、燃料ガス、酸化ガスに加湿を行って、過剰な水を除去しつつ、比較例のセルの試験を行った結果を示すグラフである。
【００４３】
比較例の燃料電池のセルは、水供給部２０２の各構成を有していない（図３参照）。すなわち、比較例の燃料電池のセルは、酸素極２３６、触媒層２３５に、開口２３６ｏ，２３６ｏを有していない。また、セパレータ２２０には、整流板２６２，２６２が設けられていない。そして、触媒層２３３は、開口２３３ｏ，２３３ｏを有していない。さらに、酸素極２３６を構成するカーボンペーパは、全体が撥水処理されている。比較例のセルの他の点は、第１実施例のセル２００の構成と同じである。
【００４４】
図４のＥ２およびＣ２で示されているように、ガスの加湿および過剰な水の除去を行って発電を行った場合は、第１実施例のセル２００は、比較例のセルに対してわずかに発電性能が低い。これは、第１実施例のセル２００は、開口２３６ｏ，２３６ｏ等を設けたために、触媒層２３３，２３５および酸素極２３６の面積が比較例に比べて小さくなったためであると考えられる。
【００４５】
しかし、供給するガスを解してセルに加湿を行うことなく発電を行った場合は（図４中のＥ１およびＣ１参照）、第１実施例のセル２００は、電流密度のすべての領域について、比較例のセルに対して十分高い発電性能を実現している。これは、比較例のセルにおいて、水が局所的に集中したため、（ｉ）酸素極２３６および水素極２３４の一部に水が集中して、その部分においてガスの流通が妨げられ、発電が妨げられた、（ｉｉ）電解質膜２３２の一部が乾燥して、水素イオンの透過が妨げられ、発電が妨げられた、ためであると考えられる。第１実施例のセル２００においては、水供給部２０２を設けたことにより、反応によって生成された水がセル２００全体に行き渡り、高い発電性能が維持されたものと考えられる。
【００４６】
酸化ガスおよび燃料ガスの加湿、およびセル内の過剰な水の除去には、エネルギーを必要とする。このため、燃料電池の運転の際にそのようなガスの加湿、および水の除去をおこなうと、燃料電池の効率が低下する。しかし、第１実施例の燃料電池によれば、簡易な構造によって、外部からの加湿を行わない状態で、燃料電池の電解質膜を加湿し、高い性能を実現することができる。すなわち、第１実施例の燃料電池によれば、発電効率の高い燃料電池を実現することができる。
【００４７】
Ｂ．第２実施例：
図５は、第２実施例の燃料電池のセル２００ａの断面図である。第２実施例の燃料電池のセル２００ａにおいては、水供給部２０４，２０６が、酸化ガス流路２２２の下流部と、燃料ガス流路２１２の下流部との両方に設けられている。そして、水供給部２０４，２０６の構造は、第１実施例の水供給部２０２とは異なっている。また、水供給部２０４，２０６に水を供給するための整流部２６４，２６６の構造も、第１実施例の整流板２６２とは異なっている。他の点は、第２実施例の燃料電池のセル２００と同じである。
【００４８】
水供給部２０４は、酸素極２３６ａの酸化ガス流路２２２の下流にあたる部分に、開口２３６ｏを一つだけ有している。開口２３６ｏの構成は、第１実施例の開口２３６ｏと同じである。狭義の燃料ガス流路２２２の下流の端から１／６以内の範囲に設けられている。また、開口２３６ｏの内壁面Ｒ３については、酸素極２３６ａを構成するカーボンペーパは、撥水処理されていない。また、水供給部２０４は、電解質膜２３２のうち表面が酸化ガス流路２１２に露出されている部分２３２ｅ１を有する。さらに、水素極２３４の側においては、電解質膜２３２を挟んで酸素極２３６の開口２３６ｏと向かい合う部分には、第１実施例と同様に、触媒層２３３の開口２３３ｏが設けられている。開口２３３ｏにおいては、撥水処理された水素極２３４ａが、直接、電解質膜２３２と接合されている。
【００４９】
第２実施例においては、セパレータ２２０ａの酸化ガス流路２２２の下流にあたる部分に、整流部２６４が設けられている。整流部２６４は、セパレータ２２０ａの溝部２２１の底部において、ほぼ垂直な姿勢で設けられており、溝部２２１を塞ぐステンレス合金製の板である。整流部２６４には、微小な貫通孔２６４ｏが複数設けられている。酸化ガスは、その貫通孔２６４ｏを通ることが可能である。
【００５０】
水供給部２０６は、水素極２３４ａの燃料ガス流路２１２の下流部分に、開口２３４ｏを有している。具体的には、開口２３４ｏは、狭義の燃料ガス流路２１２の下流の端から１／６以内の範囲に設けられている。開口２３４ｏの構成は、開口２３６ｏと同じである。また、開口２３４ｏの内壁面Ｒ４については、水素極２３４ａを構成するカーボンペーパは、撥水処理されていない。また、水供給部２０６は、電解質膜２３２のうち表面が燃料ガス流路２１２に露出されている部分２３２ｅ２を有する。
【００５１】
酸素極２３６ａの側においては、電解質膜２３２を挟んで開口２３４ｏと向かい合う部分には、触媒層２３５ａが設けられていない部分である開口２３５ｏが設けられている。そして、開口２３５ｏにおいては、撥水処理された酸素極２３６ａが、直接、電解質膜２３２と接合されている。
【００５２】
セパレータ２１０ａの燃料ガス流路２１２の下流にあたる部分には、整流部２６６が設けられている。整流部２６６の構成は、セパレータ２２０ａの整流部２６４の構成と同じである。
【００５３】
第２実施例においては、図５に示すように、水供給部２０４は、狭義の酸化ガス流路２２２の下流部分に設けられている。そして、水供給部２０６は、狭義の燃料ガス流路２１２の下流部分に設けられている。酸化ガス流路２２２内において水供給部２０４が設けられている部分は、電解質膜２３２を挟んで、燃料ガス流路２１２における上流部分と向かい合う位置にある。そして、燃料ガス流路２１２内において水供給部２０６が設けられている部分は、電解質膜２３２を挟んで、酸化ガス流路２２２における上流部分と向かい合う位置にある。
【００５４】
このような態様としても、図５において矢印Ｆｃｇで示すように、酸化ガスは、酸化ガス孔２５５から供給され、溝部２２１を通って、酸化ガス孔２５６から排出される。そして、酸化ガスの流れＦｃｇは、整流部２６４によって一部が流通を妨げられ、開口２３６ｏに向かう。その際、酸化ガスによって運ばれていた水滴Ｗｄは、撥水処理されていない開口２３６ｏの内壁面Ｒ３に付着し、また、酸化ガス流路２２２に対して露出されている電解質膜２３２ｅに付着する。そして、その水は、電解質膜２３２、および水素極２３４に供給される。水が水蒸気として燃料ガス流路２１２内を運ばれた場合には、その一部が整流部２６４によって冷却され、液化されて、第１実施例と同様に電解質膜２３２に供給される。
【００５５】
水素極２３４に供給された水は、撥水処理された水素極２３４表面に水滴Ｗｄの形で付着する。この水滴Ｗｄは、燃料ガス流路２１２内の燃料ガスの流れＦａｇによって、撥水処理された水素極２３４表面を、狭義の燃料ガス流路２１２の下流側に送られる。また、一部の水は、水蒸気として、燃料ガスの流れＦａｇによって、狭義の燃料ガス流路２１２の下流側に送られる。
【００５６】
一方、燃料ガス流路２１２の下流側においては、燃料ガスの流れＦａｇは、整流部２６６によって一部が妨げられる。そして、水供給部２０４の場合と同様に、燃料ガスによって運ばれていた水滴Ｗｄは、撥水処理されていない開口２３４ｏの内壁面Ｒ４に付着し、燃料ガス流路２１２に対して露出されている電解質膜２３２に供給される。そして、その水は、電解質膜２３２、および酸素極２３６に供給される。
【００５７】
第２実施例においては、燃料ガス流路２１２の下流側にも水供給部２０６が設けられている。このため、燃料ガス流路２１２において下流側に集められた水は、効率的に酸素極２３６の酸化ガス流路２２２上流側に伝えられる。よって、セル２００ａ内において、水が局所的に集中することがなく、循環されることとなり、電解質膜２３２は均等に保湿される。
【００５８】
また、第２実施例の燃料電池においては、冷却水が酸化ガス流路２２２内の酸化ガスの流通方向と同じ向きに流通することから、酸化ガス流路２２２の上流側（すなわち、燃料ガス流路２１２の下流側）は、酸化ガス流路２２２の下流側（すなわち、燃料ガス流路２１２の上流側）にくらべて、温度が低くなる。よって、燃料ガス流路２１２の下流部においては、より水蒸気が液化しやすくなり、水素極２３４を構成するカーボンペーパーが液体の水で目詰まりしやすくなる。その結果、燃料ガスの流通が妨げられ、発電が阻害されてしまう可能性がある。しかし、第２実施例の燃料電池においては、液化した水は効率的に酸素極２３６側に送られる。このため、水素極２３４を構成するカーボンペーパーが液体の水で目詰まりし、発電が阻害される可能性が低い。
【００５９】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６０】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例では、水供給部を構成する開口２３６ｏ，２３６ｏは、狭義の酸化ガス流路２２２が設けられている範囲のうち、下流の端から１／５以内の範囲内に設けられていた。しかし、水供給部を構成する開口は、他の場所に設けることもできる。たとえば、狭義の酸化ガス流路２２２のうち、下流の端から１／３以内の範囲内に設けることができる。しかし、下流の端から１／４以内の範囲内に設けることが好ましく、下流の端から１／５以内の範囲内に設けることが好ましい。第２実施例における水素極２３４側の開口２３４ｏについても同様である。
【００６１】
また、第１実施例においては、開口２３６ｏは二つ設けられ、第２実施例では、開口２３６ｏ，２３４ｏは一つずつ設けられていた。しかし、これらの各極に設けられる開口は、１個または２個に限られず、３個や４個など、３個以上としてもよい。開口の数を増やすことで、より効率的に水を相手極側に伝えることができる。そして、それらの開口の合計の面積に等しい一つの開口を設ける場合に比べて、開口によって電解質膜が損傷する可能性を小さくすることができる。
【００６２】
上記実施例においては、開口２３６ｏの幅は２ｍｍであった。しかし、開口の幅は２ｍｍ未満または２ｍｍより大きい寸法など、他の寸法とすることもできる。ただし、開口の幅は０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００６３】
上記実施例においては、水供給部の一部を構成する電解質膜は、一方の面がガス流路に対して露出され、他方の面が拡散層としてのカーボンペーパ２３４，２３６に覆われていた。しかし、水供給部の一部を構成する電解質膜は、酸素極と水素極の両面において、ガス流路に対して露出されていてもよい。また、水供給部の一部を構成する電解質膜は、酸素極と水素極の両面において、拡散層または他の水を透過する構造に覆われていてもよい。すなわち、水供給部は、ガス流路の下流において、水を受け取って電解質膜に水を浸透させることができるように構成されていればよい。ただし、水供給部の一部を構成する電解質膜は、一方が、水を透過することができる他の構成で支持されていることが好ましい。
【００６４】
上記実施例においては、開口２３６ｏ，２３４ｏの内壁面は、撥水処理がされていなかった。しかし、開口２３６ｏ，２３４ｏの内壁面が撥水処理されていても、開口２３６ｏ，２３４ｏを通じて、所定量の水が反対側の極に伝達される。ただし、開口２３６ｏ，２３４ｏの内壁部分が、撥水処理されていないことがより好ましい。
【００６５】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例においては、燃料ガスによって運ばれる水滴を電解質膜に供給する整流板２６２、整流部２６４，２６６は、ステンレス合金で設けられていた。しかし、整流部２６２は、ステンレス合金に限らず、他の素材で設けることもできる。ただし、セパレータ２２０よりも比熱が大きい素材で設けることが好ましい。
【００６６】
また、上記第１実施例においては、整流部は、上流側に傾くように配された板状の構成であった。また、第２実施例においては、整流部は、貫通孔を有する板状の構成であった。しかし、整流部は他の態様とすることもできる。すなわち、整流部は、ガス流路内を流れるガスの少なくとも一部を水供給部に向かわせることができる構造であればよく、たとえば、溝部に設けられた凸部とすることができる。
【００６７】
そして、上記各実施例では、整流部は、セパレータに設けられていたが、整流部は、酸素極または水素極に設けることもできる。たとえば、電解質膜が露出している穴の上流側または下流側に設けられた凸部とすることができる。
【００６８】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例においては、水を受け取って電解質膜に浸透させる水供給部は、ガス流路に対して露出された電解質膜を備えていた。しかし、水供給部は、そのような態様に限られず、他の態様とすることもできる。すなわち、水供給部は、水を浸透することができる樹脂など、他の素材で構成することができる。ただし、水供給部は、燃料ガスおよび酸化ガスを透過しない素材を使用して、酸素極と水素極との間で燃料ガスと酸化ガスが流通しないように構成することが好ましい。
【００６９】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池は、狭義の酸化ガス流路２２２、および狭義の燃料ガス流路２１２が、水平面に対して垂直となるように配置し、水平方向に複数のセルを積層する態様とすることができる。そのような態様とすれば、各セルの運転条件をより均等に近づけることができる。すなわち、鉛直方向にセルを積層した場合には、重力によって、上方のセルと下方のセルとの間に、運転条件の差が生じる可能性がある。しかし、各セルを水平面に対して垂直に配し、複数のセルを水平方向に積層すれば、そのような可能性が少ない。
【００７０】
一方、燃料電池のセルを、狭義の酸化ガス流路２２２、および狭義の燃料ガス流路２１２が水平となるように、または斜めになるように配する場合には、酸素極が上側になり、水素極が下側となるように配することが好ましい。酸素極においては、発電時に水が生成される。よって、そのような態様とすれば、重力を利用して、酸素極で生成された水を、水供給部から下方の水素極に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】ＭＥＡ（膜・電極接合体）２３０の構成を示す説明図。
【図２】セパレータ２２０を、酸素極２３６と接合される側から見た平面図。
【図３】燃料電池のセル２００の断面図。
【図４】燃料電池の性能試験の結果を示すグラフ。
【図５】第２実施例の燃料電池のセル２００の断面図。
【符号の説明】
【００７２】
２００，２００ａ…セル
２０２，２０４，２０６…水供給部
２１０，２１０ａ，２２０，２２０ａ…セパレータ
２１１，２２１…溝部
２１２…燃料ガス流路
２２２…酸化ガス流路
２３０…ＭＥＡ（membrance electrode assembly／膜・電極接合体）
２３２…電解質膜
２３３，２３３ａ，２３５…触媒層
２３３ｏ…開口
２３４，２３４ａ…水素極
２３４ｏ…開口
２３５，２３５ａ…触媒層
２３６，２３６ａ…酸素極
２３６ｏ…開口
２５１，２５２…冷却水孔
２５３，２５４…燃料ガス孔
２５５，２５６…酸化ガス孔
２６２…整流板
２６４，２６６…整流部
２６４ｏ…貫通孔
２７２…樹脂フレーム
Ｆａｇ…燃料ガスの流れを示す矢印
Ｆｃｇ…酸化ガスの流れを示す矢印
Ｒ１，Ｒ３，Ｒ４…開口の内壁面
Ｗｄ…水滴
【図１】
2006156144.tif 000003
【図２】
2006156144.tif 000004
【図３】
2006156144.tif 000005
【図４】
2006156144.tif 000006
【図５】
2006156144.tif 000007