(57)【要約】      （修正有）【課題】発電休止中においても高分子電解質膜の湿潤状態を維持し、長期間の休止後でも優れた発電特性を維持できる燃料電池を提供する。【解決手段】固体高分子型燃料電池は、アノード６ａと、カソード３ａと、アノードとカソードとの間に配置された高分子電解質膜９ａとを備えるセル２ａを少なくとも１つ含むスタック１ａ、および、内部に高分子電解質膜９ａを湿潤可能な液体を収容し、かつ前記液体を高分子電解質膜に供給するリザーバー１５ａを備える。スタック１ａの、少なくとも一部の端面に、高分子電解質膜の少なくとも端面が露出し、リザーバー１５ａは開口部１５ｂを有し、開口部１５ｂが高分子電解質膜が露出した端面に接するように配置されており、リザーバー内の液体が開口部を通して、高分子電解質膜に供給される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（i）アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された高分子電解質膜とを備えるセルを少なくとも１つ含むスタック、および
（ii）内部に前記高分子電解質膜を湿潤可能な液体を収容し、かつ前記液体を前記高分子電解質膜に供給するリザーバー
を備え、
前記スタックの少なくとも一部の端面から、前記高分子電解質膜の少なくとも端面が露出しており、
前記リザーバーは開口部を有し、前記開口部が、前記高分子電解質膜が露出した端面に対向するように配置されており、
前記リザーバー内の前記液体が、前記開口部を通して、前記高分子電解質膜に供給される、固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記液体が、水またはメタノール水溶液を含む、請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記高分子電解質膜が、前記スタックの少なくとも一部の端面から突出する突出部を有し、
前記高分子電解質膜の突出部が、前記開口部から、前記リザーバーの内部に挿入されている、請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記リザーバーが、前記リザーバーの内部に、前記液体を保持するための保持体を含み、
前記保持体から、前記液体が、前記開口部を通して、前記高分子電解質膜に供給される、請求項１〜３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記リザーバーが、前記スタックに脱着可能に設けられている、請求項４記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記リザーバーの内部に前記液体を流すための流路管をさらに含む、請求項１〜３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記燃料電池が、メタノール水溶液またはメタノールを燃料として用い、
前記流路管を流れる前記液体が、前記燃料を含む、請求項６記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記燃料電池が、前記スタックの水冷却装置をさらに備え、
前記流路管を流れる前記液体が、前記水冷却装置で用いられる冷却水を含む、請求項６記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記燃料電池が、燃料として水素ガスを用い、
前記燃料電池が、前記アノードに供給される水素ガスおよび前記カソードに供給される酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿するための加湿器を有し、
前記流路管を流れる前記液体が、前記加湿器で用いられる水を含む、請求項６記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
前記流路管を流れる前記液体が、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方から排出された水を含む、請求項６記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】
前記リザーバーが、前記液体を保持するための保持体を備え、かつ前記保持体の断面積が、前記リザーバーの内部の断面積よりも小さく、
前記保持体から、前記液体が、前記開口部を通して、前記高分子電解質膜に供給される、請求項６〜１０のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１２】
前記リザーバーが、前記開口部とは異なる穴部を備え、前記穴部を通して、外部から前記液体を注入できる、請求項１〜１１のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池に関し、特に、長期間の休止中においても高分子電解質膜の湿潤状態を維持できる構造とした燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用電源、電気自動車用電源、携帯電話やノートブック型パーソナルコンピュータなどモバイル機器用電源として、高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池の開発が進められている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池（以下単に「燃料電池」とする）は、膜電極接合体（以下「ＭＥＡ」とする）と一対のセパレーターとを備えるセルを少なくとも１つ含むスタックを有する。ＭＥＡは、高分子電解質膜、アノードおよびカソードを含む。アノードおよびカソードは、それぞれ、触媒層とガス拡散層とを含み、アノードは、高分子電解質膜の厚み方向における一方の面に接合され、カソードは高分子電解質の他方の面に接合される。一対のセパレーターは、ＭＥＡを厚み方向の両面から挟持するように設けられる。燃料電池では、アノードに、水素、メタノールなどの燃料を供給し、カソードに空気などの酸化剤を供給することにより、発電が行われる。なお、燃料としてメタノールを直接アノードへ供給する燃料電池は、直接メタノール型燃料電池と呼ばれる。
【０００４】
従来の燃料電池には、いくつかの課題が存在している。
その１つは、長期間の休止による高分子電解質膜の乾燥が要因の出力低下である。高分子電解質膜は、充分に湿潤した状態においてのみ良好なプロトン伝導性を示す。このため、燃料電池の良好な発電特性を維持するためには、高分子電解質膜を常に湿潤した状態にしておく必要がある。
【０００５】
燃料電池の発電中には、高分子電解質膜を湿潤させるために、スタックの外部から水がセルに供給される。燃料として水素ガスなどの気体を用い、酸化剤として空気が用いられる場合には、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、セルに供給される前に加湿器によって加湿される。また、燃料としてメタノール水溶液などの液体を用いる場合には、燃料によって高分子電解質膜を湿潤させることができる。さらには、燃料電池の発電中には、カソードにおいて水が生成する。生成した水によって高分子電解質膜を湿潤させることができる。
【０００６】
一方、燃料電池が休止中の時には、一般的に、上記のようなスタック外部からの水の供給は行われず、さらにカソードにおいて水も生成されない。高分子電解質膜は、発電停止の時点でスタック内部に残留した水で湿潤しているだけである。
【０００７】
一般的に、燃料電池を完全に密閉することは難しく、スタック内部に残留した水は、休止中に徐々に散逸していく。休止期間が短い場合には、高分子電解質膜の湿潤状態は大きな問題となるほど変化しない。しかしながら、長期間の休止の場合には、高分子電解質膜が乾燥してしまい、高分子電解質膜のプロトン伝導性が著しく低下してしまう。このような状態で発電すると、充分な出力が得られない。
【０００８】
休止中についての問題に対してではないが、高分子電解質膜を湿潤状態に保つために、これまでにも様々な技術が提案されてきている。
例えば、各セルのセパレーターの間に、親水性でかつ導電性の多孔質体の薄板からなる水透過板を設けるとともに、導電性の多孔質体からなるアノードセパレーターを用い、前記水透過板およびアノードセパレーターを介して、高分子電解質膜に水を供給する技術が提案されている（特許文献１）。
【０００９】
さらには、セパレーターおよびＭＥＡの周囲部のガスケットに多数の孔を設け、前記複数の孔を介して、冷却水の一部をＭＥＡに供給する技術が提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平６−０６８８８４号公報
【特許文献２】特開平８−１４８１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記のような従来技術では、休止中においても液体の水がＭＥＡの一部に接触しているため、高分子電解質膜の乾燥を抑制することは可能であると考えられる。しかしながら、前記従来技術では、高分子電解質膜を湿潤させる水がスタックの内部を流れるため、スタックの体積が大きく増加してしまう。具体的には、特許文献１に開示されるように、各セルの間に水透過板を含む冷却板を挿入した場合、少なくとも冷却板の厚さだけ、スタックの厚みが増加することになる。特許文献２に開示されるように、ＭＥＡの周囲部のセパレーターやガスケットに多数の孔を設けた場合、多数の孔を設けるためには、セパレーターやガスケットの面積を通常よりも大きくする必要がある。このため、スタックの面積が増加することになる。さらに、スタックの内部の構成部品に多孔質な材料または多数の孔を設けた材料を用いているため、スタックの強度が低下する。
【００１２】
モバイル機器用および電気自動車用の燃料電池はもちろんのこと、家庭用の燃料電池であっても、スタックのサイズが小さいこと、および衝撃に対する強度が高いことは、重要である。
【００１３】
上記のような課題に鑑み、本発明は、燃料電池のスタックのサイズを増加させたり強度を低下させたりすることなく、長期間の休止中においても高分子電解質膜の湿潤状態を維持できる燃料電池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】
【００１４】
本発明者らは、上記課題を解決するために、燃料電池の高分子電解質膜の湿潤方法について鋭意研究を行った。その結果、高分子電解質膜をスタックの端面に露出させ、リザーバーに収容した液体を、露出させた高分子電解質膜に接触させた構成とすることで、湿潤状態を維持できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１５】
すなわち、本発明は、
（i）アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された高分子電解質膜とを備えるセルを少なくとも１つ含むスタック、および
（ii）内部に前記高分子電解質膜を湿潤可能な液体を収容し、かつ前記液体を前記高分子電解質膜に供給するリザーバー
を備え、前記スタックの少なくとも一部の端面に、前記高分子電解質膜の少なくとも端面が露出しており、前記リザーバーは開口部を有し、前記開口部が、前記高分子電解質膜が露出した端面に接するように配置されており、前記リザーバー内の前記液体が、前記開口部を通して、前記高分子電解質膜に供給される、燃料電池に関する。前記液体は、水またはメタノール水溶液を含んでいることが好ましい。
【００１６】
前記高分子電解質膜は、前記スタックの少なくとも一部の端面から突出する突出部を有し、前記高分子電解質膜の突出部が、前記開口部から、前記リザーバーの内部に挿入されていることが好ましい。
【００１７】
前記燃料電池は、前記リザーバーの内部に前記液体を流すための流路管を含んでいてもよい。
【００１８】
前記燃料電池が、メタノール水溶液またはメタノールを燃料として用いる場合、流路管を流れる前記液体は、前記燃料を含んでもよい。
【００１９】
前記燃料電池が、前記スタックの水冷却装置をさらに備える場合、流路管を流れる前記液体は、水冷却装置で用いられる冷却水を含んでもよい。
【００２０】
前記燃料電池が、燃料として水素ガスを用い、かつ前記燃料電池が、アノードに供給される水素ガスおよびカソードに供給される酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿するための加湿器を有する場合、前記液体は、加湿器で用いられる水を含んでもよい。
【００２１】
流路管を流れる前記液体は、アノードおよびカソードの少なくとも一方から排出された水を含んでもよい。
【００２２】
上記燃料電池において、前記リザーバーは、前記液体を保持するための保持体を備えており、前記保持体から、前記液体が、リザーバーの開口部を通して、高分子電解質膜に供給されることが好ましい。
特に、前記リザーバーが流路管を備える場合、前記リザーバーは前記液体を保持するための保持体を備えており、さらに、保持体の断面積は、リザーバーの内部の断面積よりも小さく、保持体から、前記液体が、リザーバーの開口部を通して、高分子電解質膜に供給されることが好ましい。
なお、保持体の断面積およびリザーバーの内部の断面積は、前記液体の流れ方向に垂直な方向における断面積のことをいう。
【００２３】
前記リザーバーは、前記スタックに脱着可能に設けられていてもよい。さらに、前記リザーバーは、前記開口部とは異なる位置に設けられた穴部を備え、前記リザーバーに、前記穴部を通して、外部から前記液体を注入してもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、発電の休止中においても高分子電解質膜を、リザーバーに収容された高分子電解質膜を湿潤可能な液体と常に接触させることができる。前記液体は接触部分から高分子電解質膜の中央部へと浸透していき、高分子電解質全体に行き渡ることになる。これにより、高分子電解質膜は常に湿潤状態を維持することができる。リザーバーに収容された液体は長期間の休止中においても容易に散逸してしまうことはないため、長期間の休止中でも高分子電解質膜の湿潤状態を維持することができる。
【００２５】
また、本発明の燃料電池においては、スタックの内部に、高分子電解質膜を湿潤可能な液体を直接供給する機構を含まないため、スタック自体は従来どおりの必要最小限の体積に抑えることができる。さらに、セパレーターを多孔質にしたり、セパレーターなどに貫通孔を形成したりする必要がないため、スタックの強度を低下させることもない。
【００２６】
本発明において、高分子電解質膜を湿潤可能な液体を収容したリザーバーは、スタックの外周部分に設けることができる。燃料電池システムにおいて、スタックの外周部分には、一般的に、冷却などのために、ある程度の空間が設けられている。この空間にリザーバーを配置することで、スタック全体としての体積を増加させることなく、本発明の実施が可能となる。
【００２７】
なお、燃料電池システムにおいて、スタックの外周部分にまったく空間がない場合には、スタックの外周部分にリザーバーを設置することによってスタック全体の体積が増加してしまうことになる。しかしながら、この場合でも、スタックの内部に前記液体を直接供給する構造に比べて、体積の増加を小さく抑えることが可能となる。スタックにおいては、燃料および酸化剤の漏出を防止するため、ある程度の幅を持たせたシール材またはガスケットなどをＭＥＡの周囲に配置した状態で、セパレーターとＭＥＡとを強く圧力をかけて締結する必要がある。このため、スタックの内部に高分子電解質膜を湿潤可能な液体を直接供給するには、例えばシール材およびセパレーターの幅を大きくして、前記液体の供給のための孔の周囲のシール材またはセパレーター部分の幅をある程度確保する必要がある。一方、本発明の燃料電池においては、リザーバーに収容された液体の漏出を防止するためのシール幅および圧力は、スタックの内部に液体を直接供給する場合のＭＥＡとセパレーターを締結するときのシール幅および圧力の増加分に比べて格段に小さくても充分である。なお、リザーバーに収容された液体の漏出を防止するためのシール幅および圧力が小さくてよい理由としては、たとえば、（i）リザーバーは、スタックのように積層構造ではないため圧力が分散されないこと、（ii）リザーバーに液体を流すための流路管をさらに設ける場合、セル流路よりも断面積の大きい流路管を設けることができるため内圧が上昇しにくいこと、（iii）膨張収縮する高分子電解質膜を介在していないため圧力が抜けないことが挙げられる。
【００２８】
こうした効果により、本発明の燃料電池は、スタックのサイズを増加させたり強度を低下させたりすることなく、長期間の休止中においても高分子電解質膜の湿潤状態を維持することができる。さらに、本発明の燃料電池は、長期休止後でも優れた発電特性を有し、耐用期間全般にわたって、安定した電力の供給が可能になる。そのため、本発明の燃料電池は、家庭用電源、電気自動車用電源、モバイル機器用電源などとして極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す縦断面図である。
【図２】本発明の別の実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す縦断面図である。
【図３】本発明のさらに別の実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】本発明のさらに別の実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す縦断面図である。
【図５】実施例で作製した燃料電池の各構成要素の配置を模式的に示す分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の固体高分子型燃料電池は、（i）アノードと、カソードと、それらの間に配置された高分子電解質膜とを備えるセルを少なくとも１つ含むスタック、および（ii）内部に高分子電解質膜を湿潤可能な液体を収容し、かつ前記液体を高分子電解質膜に供給するリザーバーを備える。前記スタックの少なくとも一部の端面から、高分子電解質膜の少なくとも端面が露出している。前記リザーバーは開口部を有し、前記開口部が、前記スタックの高分子電解質膜が露出した端面に対向するように配置されており、前記リザーバー内の前記液体が、前記開口部を通して、高分子電解質膜に供給される。リザーバーは、スタックに装着されたときに、前記液体を収容した状態で、その内部が密閉されてもよい。あるいは、リザーバーは、その内部に前記液体を流すための流路管を含んでいてもよい。
【００３１】
本発明の燃料電池は、高分子電解質膜の端面をスタックの端面に露出させ、かつ高分子電解質膜を湿潤可能な液体（以下、湿潤用液体という）を収容するためのリザーバーを設けることに大きな特徴がある。前記以外は、従来から知られている固体高分子型燃料電池と同じ構成を採ることができる。
【００３２】
《実施の形態１》
図１に、本発明の一実施形態に係る固体高分子型燃料電池の構成を模式的に示す縦断面図を示す。本実施形態では、リザーバーが、スタックに装着されたときに、湿潤用液体を収容した状態で、その内部が密閉される場合について説明する。
【００３３】
図１の燃料電池は、スタック１ａおよびリザーバー１５ａを含む。
スタック１ａは、少なくとも１つのセル２ａを含む。複数のセル２ａが含まれる場合、複数のセル２ａは、直列に接続される。なお、図１においては、スタック１ａに含まれる１つのセル２ａの断面のみを示している。
【００３４】
セル２ａは、カソード３ａ、アノード６ａ、およびそれらの間に配置された高分子電解質膜９ａを含む膜電極接合体（ＭＥＡ）、ならびに前記ＭＡＥを挟み込むカソードセパレーター１０ａおよびアノードセパレーター１２ａを含む。ＭＥＡにおいて、カソード３ａとアノード６ａとは、高分子電解質膜９ａを介して正対するように配置されている。
【００３５】
カソード３ａは、カソード触媒層４ａとカソード拡散層５ａとを含む。カソード触媒層４ａは、高分子電解質膜９ａの厚み方向における一方の面に接触するように設けられている。カソード３ａには、酸化剤が供給される。酸化剤としては、通常は空気が用いられる。
アノード６ａは、アノード触媒層７ａとアノード拡散層８ａとを含む。アノード触媒層７ａは、高分子電解質膜９ａの厚み方向における他方の面に接触するように設けられている。アノード６ａには、燃料が供給される。燃料としては、水素、メタノール、メタノール水溶液などが用いられる。
【００３６】
カソード触媒層４ａは、たとえば、カソード触媒と、カソード触媒を担持する触媒担体と、高分子電解質を含むことができる。
カソード触媒には、酸素のような酸化剤を還元する機能を有する材料を使用することができ、たとえば、Ｐｔなどの貴金属を使用できる。Ｐｔは、たとえばＣｏ、Ａｕなどとの合金であってもよい。
触媒担体には、電子伝導性の材料を使用することができ、たとえば、炭素材料、導電性セラミックなどを使用できる。これらの中でも、導電率の高さや材料の安定性などから、炭素材料が好ましい。炭素材料としては、カーボンブラックやカーボンナノファイバーなどを使用できる。
高分子電解質には、プロトン伝導性を有する材料を使用することができ、たとえば、パーフルオロスルホン酸系高分子、炭化水素系高分子などを使用できる。
【００３７】
カソード拡散層５ａの構成材料には、燃料電池の分野で常用される材料を使用できる。前記材料としては、たとえば、カーボン不織布、カーボンペーパー、カーボンクロスなどが挙げられる。前記材料は、水の排出性を向上させるため、撥水性の材料を含んでいてもよい。撥水性の材料には、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合樹脂（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂を使用できる。
カソード拡散層５ａのカソード触媒層４ａと接する面に、撥水性の微多孔質層を設けてもよい。撥水性の微多孔質層は、たとえば、炭素材料とフッ素樹脂を含むことができる。
【００３８】
アノード触媒層７ａおよびアノード拡散層８ａの構成は、カソード触媒層４ａおよびカソード拡散層５ａの構成と同じとすることができる。なお、アノード触媒層７ａに含まれるアノード触媒には、水素ガス、メタノールなどの燃料を酸化する機能を有する材料を使用することができ、たとえば、Ｐｔ単体、ＰｔＲｕ合金などを使用できる。
【００３９】
高分子電解質膜９ａとしては、湿潤した状態でプロトン伝導性を示す材料を用いることができる。前記材料としては、燃料電池の分野で常用される材料を用いることができ、たとえば、パーフルオロスルホン酸系高分子膜、炭化水素系高分子膜などが挙げられる。また、市販の燃料電池用高分子電解質膜を用いても良い。市販品としては、たとえば、ナフィオン（登録商標、デュポン（株）製）、フレミオン（登録商標、旭硝子（株）製）などが挙げられる。
【００４０】
カソードセパレーター１０ａは、カソード３ａの高分子電解質膜９ａと接する面とは反対側の面に接するように配置され、アノードセパレーター１２ａは、アノード６ａの高分子電解質膜９ａに接する面とは反対側の面に接するように配置されている。
さらに、カソード３ａの周囲の高分子電解質膜９ａの位置には、カソードガスケット１４ａが配置され、アノード６ａの周囲の高分子電解質膜９ａの位置には、アノードガスケット１４ｂが配置されている。カソードガスケット１４ａは、酸化剤が外部に漏れることを防止し、アノードガスケット１４ｂは、燃料が外部に漏れることを防止する。
【００４１】
カソードセパレーター１０ａのカソード３ａに接する面には、酸化剤流路１１ａが形成されており、アノードセパレーター１２ａのアノード６ａに接する面には燃料流路１３ａが形成されている。酸化剤のカソード３ａへの供給および燃料のアノード６ａへの供給は、酸化剤供給器（図示せず）および燃料供給器（図示せず）を用いることができる。空気供給器としては、ブロワ、ファン、空気ポンプなどを用いることができる。燃料供給器としては、レギュレーター、液体ポンプなどを用いることができる。
なお、スタック１ａが複数のセル２ａを含み、かつセル２ａに燃料および酸化剤を供給するために空気供給器および燃料供給を用いる場合、複数のセル２ａは、その厚み方向に積層される。
【００４２】
セパレーターの構成材料には、電子伝導性と強度を有する材料を使用することができ、中でも、安定性などから、炭素材料が好ましい。
【００４３】
また、酸化剤および燃料をセルに供給するために酸化剤供給器および燃料供給器を用いない場合、セパレーターの代わりに、スリット入り集電板を用いてもよい。カソードに接するカソード集電板の面には空気用スリットが形成されており、酸化剤である空気がカソードに供給される。アノードに接するアノード集電板の面には燃料用スリットが形成されており、燃料は、別に設けられた燃料タンクから燃料用スリットを通ってアノードへ供給される。このように、スリット入り集電板を用いることにより、酸化剤供給器および燃料供給器を用いることなく、酸化剤および燃料をＭＥＡの全面に供給することができる。
なお、スタックが複数のセルを含み、セパレーターの代わりにスリット入り集電板を用いる場合、各セルは、高分子電解質膜の平面上に整列したスタック構成となる。つまり、複数のセルは、スリット入り集電板同士が重ならないように、セルの厚さ方向に垂直な方向に整列される。
【００４４】
本発明において、スタック１ａの端面１ｂには、高分子電解質膜が露出している。一方、従来の一般的なスタックにおいて、高分子電解質膜の端面は、外部に露出していない。従来の一般的なスタックの構成を、以下に説明する。一般的に、カソードの面積とアノードの面積は等しく、カソードとアノードとは、高分子電解質膜を介して正対するように配置されている。高分子電解質膜は、カソードおよびアノードよりも面積が大きい。このため、ＭＥＡにおいて、高分子電解質膜の周縁部は、カソードおよびアノードの外周から突出している。一方で、ＭＥＡに積層されるセパレーターは、一般的に、高分子電解質膜よりも面積が大きい。さらに、カソードガスケットおよびアノードガスケットが、高分子電解質膜の突出している部分を充分に覆い隠すように設けられている。こうした積層構造のため、高分子電解質膜はガスケットによってスタックの内部に収容されており、よって、高分子電解質の端面は、スタックの端面に露出することはない。
【００４５】
上記のように、本発明で用いられているスタック１ａにおいては、従来の一般的な積層構造とは異なり、高分子電解質膜９ａの面積は、カソードセパレーター１０ａまたはアノードセパレーター１２ａの面積、あるいはガスケット１４ａまたは１４ｂの外周の形状から得られる面積のうちの大きい方の面積に等しいか、より大きい。このため、スタック１ａの少なくとも一部の端面１ｂに、高分子電解質膜９ａを露出させることができる。
さらに、上記の一般的な積層構造の他にも、高分子電解質膜９ａが面内方向とは異なる方向に折れ曲がっており、たとえばスタック１ａの積層方向と同じ方向の端面から高分子電解質膜９ａが露出している構成としてもよい。
なお、図１では、横断面が矩形のセルを作製し、前記セルの互いに対向する一組の端面に高分子電解質膜を露出させ、前記一組の端面の各々に、リザーバーを設けた場合を示している。このような構成により効率的に、高分子電解質膜を湿潤させることができる。
【００４６】
さらに、本発明の燃料電池では、高分子電解質膜９ａを湿潤可能な液体（湿潤用液体）１６ａを収容したリザーバー１５ａが、高分子電解質膜９ａが露出したスタック１ａの端面に接するように設けられている。リザーバー１５ａは、リザーバー１５ａの所定の位置に開口部１５ｂを有しており、この開口部１５ｂが、スタック１ａの高分子電解質膜９ａの露出している端面に対向している。開口部１５ｂは、リザーバー１５ａが、スタック１ａに装着されたときに、湿潤用液体１６ａを収容した状態で、その内部を密閉できるリザーバー１５ａの位置に設けられる。リザーバー１５ａに収容された湿潤用液体１６ａは、開口部１５ｂを介して、高分子電解質膜９ａに供給される。
なお、図１では、スタック１ａの積層方向に垂直な方向の端面に、高分子電解質膜９ａの厚さ方向に垂直な方向の端面が露出している。さらに、スタック１ａを積層方向から見たときの外周の形状は矩形であり、２つのリザーバー１５ａが、互い対向する、スタック１ａの厚さ方向に垂直な方向における端面に沿って設けられている。
【００４７】
湿潤用液体１６ａを収容したリザーバー１５ａを設けることにより、長期間の休止中でも、高分子電解質膜９ａの湿潤状態を維持することができる。つまり、リザーバー１５ａを設けることにより、発電の休止中においても、高分子電解質膜９ａと、リザーバー１５ａに収容された湿潤用液体１６ａと常に接触させることができる。湿潤用液体１６ａは、高分子電解質膜９ａの湿潤用液体１６ａと接触部分から高分子電解質膜９ａの中央部へと浸透していき、高分子電解質９ａ全体に行き渡る。これにより、高分子電解質膜９ａは常に湿潤状態を維持することができる。さらに、リザーバーに収容された湿潤用液体１６ａは、長期間の休止中においても容易に散逸してしまうことがないため、長期間の休止中でも、高分子電解質膜９ａの湿潤状態を維持することができる。
【００４８】
また、本発明の燃料電池においては、スタック１ａの内部に、湿潤用液体１６ａを直接供給する構造ではないため、スタック１ａ自体は従来どおりの必要最小限の体積に抑えることができる。さらに、セパレーター１０ａ、１２ａを多孔質にしたり、セパレーター１０ａ、１２ａなどに貫通孔を形成したりする必要がないため、スタック１ａの強度を低下させることもない。
【００４９】
さらには、湿潤用液体１６ａを収容したリザーバー１５ａは、スタック１ａの外周部分に設けることができる。燃料電池において、スタックの外周部分には、一般的に、冷却などのために、ある程度の空間が設けられている。本発明において、リザーバー１５ａは、この空間に配置することができるため、スタック１ａ全体としての体積を増加させることがない。あるいは、リザーバー１５ａを設けることによりスタック１ａの体積が増加したとしても、その体積の増加は、それほど大きくない。このため、リザーバー１５ａを設けたとしても、燃料電池自体のサイズを増加させることは、ほとんどない。
【００５０】
スタック１ａが複数のセル２ａを含む場合には、リザーバー１５ａは、セル２ａごとに設けてよい。または、開口部が複数のセル２ａにまたがる１つのリザーバー１５ａを用いることにより、１つのリザーバー１５ａで、複数のセル２ａに含まれる高分子電解質膜９ａを湿潤させてもよい。
【００５１】
リザーバー１５ａを形成するための材質としては、燃料電池の運転状態において大きく腐食されない材料を特に限定することなく用いることができる。前記材料は、水、メタノール、水素、空気、１００℃程度の温度などにある程度の耐性を備えていればよい。前記材料としては、一般的なプラスチック材料、カーボン材料などを好適に用いることができる。
なお、開口部１５ｂが複数のセル２ａにまたがる１つのリザーバー１５ａを設ける場合には、リザーバー１５ａの構成材料として絶縁性の材料を用いるか、リザーバー１５ａとスタック１ａとの界面に絶縁性のガスケットなどを挿入する必要がある。
【００５２】
湿潤用液体１６ａとしては、発電特性を低下させない液体であれば、特に限定されない。このような湿潤用液体１６ａとしては、水またはメタノール水溶液を含む液体が好ましい。
【００５３】
本発明において、高分子電解質膜９ａの少なくとも端面が、スタック１ａの端面から露出していればよい。つまり、高分子電解質膜９ａの端面が、スタック１ａの端面に露出していてもよいし、図２に示すように、高分子電解質膜２９ａの端部２９ｂが、スタック２１ａの端面２１ｂから突出していてもよい。本発明においては、高分子電解質膜とリザーバー内の湿潤用液体との接触面積を考慮すると、後者がさらに好ましい。つまり、高分子電解質膜２９ａの端部２９ｂが、スタック２１ｂの端面から突出して、リザーバー１５ａの開口部１５ｂからリザーバー１５ａの内部に挿入されていることが特に好ましい。図２は、本発明の別の実施形態に係る燃料電池を模式的に示す縦断面図を示す。なお、図２において、図１と同じ構成要素には、同じ番号を付している。
【００５４】
図２の燃料電池２０に含まれるセル２２ａにおいては、高分子電解質膜２９ａの端部２９ｂが、スタック２１ａの積層方向に垂直な方向における端面２１ｂより突出している。高分子電解質膜２９ａの突出した端部２９ｂは、リザーバー１５ａの開口部１５ｂから、リザーバー１５ａの内部に挿入されている。このように、高分子電解質膜２９ａの端部２９ｂをリザーバー１５ａの内部に侵入させることにより、高分子電解質膜２９ａと湿潤用液体１６ａとの接触面積をさらに増加させることができる。よって、高分子電解質膜２９ａに吸収される湿潤用液体１６ａをさらに増加させることができ、その結果、湿潤用液体１６ａが高分子電解質膜２９ａの内部まで浸透しやすくなる。
【００５５】
高分子電解質膜２９ａの端部２９ｂのスタック２１ａの端面２１ｂからの突出長さＨは、十分な効果が得られるため、１ｍｍ以下であればよい。なお、突出長さＨが１ｍｍより長くなったとしても、得られる効果はそれほど増加しない。
【００５６】
この場合にも、スタック２１ａが複数のセル２２ａを含む場合には、リザーバー１５ａは、セル２２ａごとに設けてよい。または、開口部１５ｂが複数のセル２２ａにまたがる１つのリザーバー１５ａを用いることにより、１つのリザーバー１５ａで、複数のセル２２ａに含まれる高分子電解質膜２９ａを湿潤させてもよい。
さらには、高分子電解質膜２９ａの端部２９ｂが、スタック２１ａの端面２１ｂの複数の位置から突出している場合、リザーバー１５ａは、前記複数の位置のそれぞれにリザーバー１５ａを設けてもよいし、開口部が前記複数の位置にまたがるリザーバー１５ａを用いてもよい。
【００５７】
スタック１ａまたは２１ａに装着された場合に、湿潤用液体１６ａを収容した内部が密閉されるリザーバー１５ａは、その内部に、湿潤用液体１６ａを保持する保持体（図示せず）を収容しており、前記保持体から、リザーバー１５ａの開口部１５ｂを通して、湿潤用液体１６ａが、高分子電解質膜９ａまたは２９ａに供給されることが好ましい。リザーバー１５ａの内部が、湿潤用液体１６ａで完全に満たされた状態でない場合、湿潤用液体１６ａは、重力方向に引き下げられた状態となる。高分子電解質膜９ａの端面または高分子電解質２９ａの端部２９ｂが、湿潤用液体１６ａの液面よりも上方に位置する場合、高分子電解質膜９ａまたは２９ａは、リザーバー１５ａ内部の湿潤用液体１６ａの蒸気でのみ湿潤されることとなる。一方で、リザーバー１５ａが、その内部に湿潤用液体１６ａを保持する保持体を備え、前記保持体が高分子電解質膜９ａまたは２９ａと接することにより、重力方向に関わらず、高分子電解質膜９ａまたは２９ａと湿潤用液体１６ａとを接触させることができる。
なお、リザーバー１５ａ内部を占める保持体の容積は、保持体と高分子電解質膜９ａまたは２９ａとが接触していれば、リザーバー１５ａの内部の容積よりも小さくてもよいし、同じであってもよい。
【００５８】
保持体は、効率的に湿潤用液体１６ａを保持するために、多孔質で親水性であることが好ましい。保持体としては、スポンジ状の材料、フェルト状の材料、布状の材料などが好ましい。保持体を形成する材質としては、リザーバー１５ａを構成する材質と同じ材質を用いてもよいし、あるいはセルロース、ポリエステル、ポリウレタン、ポリビニルアルコールなどを用いてもよい。
【００５９】
リザーバー１５ａは、スタック１ａに脱着可能に装着されていてもよい。これにより、メンテナンス、湿潤用液体１６ａの補充、交換などのために、リザーバー１５ａを燃料電池から取り外すことができる。
【００６０】
《実施の形態２》
本実施形態においては、リザーバーが、その内部に、高分子電解質膜を湿潤可能な液体を流すための流路管を含む場合について示す。
図３に、本実施形態に係る燃料電池を模式的に示すブロック図を示す。なお、図３において、図１と同じ構成要素には、同じ番号を付している。
【００６１】
図３の燃料電池３０は、リザーバー３５ａ内に、高分子電解質膜を湿潤可能な液体（湿潤用液体）を流すための流路管３５ｃを含む。この場合、燃料電池３０は、湿潤用液体を流路管３５ｃへと流出するための流出部位３５ｄと、湿潤用液体がリザーバーから流路管３５ｃを通して流入するための流入部位３５ｅとをさらに含む。
流路管３５ｃを形成する材質としては、リザーバー３５ａを構成する材質と同じ材質を用いてもよいし、あるいは燃料電池の分野で常用される配管用の材質などを用いてもよい。
【００６２】
本発明の燃料電池が、メタノール水溶液またはメタノールを燃料として用いる場合、リザーバー３５ａおよび流路管３５ｃを流れる湿潤用液体は、前記燃料を含んでいてもよい。たとえば、燃料であるメタノール水溶液を、流路管３５ｃからリザーバー１５ａへと流入させたのち、前記メタノール水溶液を、再び燃料タンクへと流出させるか、スタック１ａのアノードへと流出させればよい。
【００６３】
本発明の燃料電池が、スタック１ａを冷却するための水冷却装置をさらに備える場合、リザーバー３５ａおよび流路管３５ｃを流れる湿潤用液体は、水冷却装置で用いられる冷却水を含んでいてもよい。たとえば、水冷却装置に流路管３５ｃを接続し、冷却水を、流路管３５ｃからリザーバー３５ａへと流入させたのち、前記冷却水を、再び水冷却装置へと流出させてもよい。
【００６４】
本発明の燃料電池が、燃料として水素ガスを用い、アノードに供給する水素ガスおよびカソードに供給する空気の少なくとも一方を加湿するための加湿器を有する場合、リザーバー３５ａおよび流路管３５ｃを流れる湿潤用液体は、加湿器で用いられる水を含んでいてもよい。
加湿器で用いられる水を液体のまま用いる場合には、加湿器における収容された水の液面より低い箇所に流路管３５ｃを接続し、流路管３５ｃからリザーバー３５ａへと流入させたのち、前記水を再び加湿器へと流出させればよい。
加湿器に収容された水をガスの状態でリザーバー３５ａに供給する場合には、加湿器における収容された水の液面より高い箇所に流路管３５ｃを接続し、流路管３５ｃからリザーバー３５ａへと流入させたのち、前記ガス状の水を再び加湿器へと流出させるか、または前記ガス状の水をスタック１ａのカソードまたはアノードへと流出させればよい。
【００６５】
リザーバー３５ａおよび流路管３５ｃを流れる湿潤用液体は、カソードおよびアノードの少なくとも一方から排出された水を含んでいてもよい。この場合、前記排出された水の一部を、リザーバーに流入させてもよい。燃料電池は、発電によって水を生成するため、スタック１ａからは、発電によって生じた水が排出されることになる。スタック１ａに含まれる少なくとも１つのセルの、カソードおよびアノードの少なくとも一方の排出口に流路管３５ｃを接続して、生成された水を、流路管３５ｃからリザーバー３５ａへと流入させる。この後、前記水は、最終的に燃料電池の外部へと排出すればよい。
【００６６】
上記のような構成により、湿潤用液体を、流路管３５ｃからリザーバー３５ａへと流入させる場合、燃料電池の休止中は、湿潤用液体の供給も停止されることになる。この休止中においても、効率的に高分子電解質膜の湿潤状態を維持するために、本実施形態の燃料電池において、リザーバーは、湿潤用液体を保持するための保持体を備え、かつ保持体の断面積が、リザーバーの内部の断面積よりも小さく、かつ保持体から、湿潤用液体が、リザーバーの開口部を通して、高分子電解質膜に供給されることがさらに好ましい。このことを、図４を参照しながら説明する。図４は、本発明のさらに別の実施形態に係る燃料電池を模式的に示す縦断面を示す。図４において、図１および図３と同じ構成要素には、同じ番号を付している。
【００６７】
図４の燃料電池４０において、リザーバー３５ａの内部には、湿潤用液体１６ａを保持するための保持体４７ａが収容されている。保持体４７ａは、リザーバー３５ａの開口部３５ｂを通して、スタック１ａの高分子電解質膜９ａが露出した端面に接している。つまり、湿潤用液体１６ａを保持した保持体４７ａが、高分子電解質膜９ａに接している。このため、発電の休止中においても、湿潤用液体１６ａが保持体４７ａに保持されるため、湿潤用液体１６ａを、高分子電解質膜９ａに供給することが可能となる。
さらに、保持体４７ａの断面積が、リザーバー３５ａの内部の断面積よりも小さい。このため、保持体４７ａは、リザーバー３５ａおよび流路管３５ｃを流れる湿潤用液体１６ａの流れを阻害することもない。ここで、保持体４７ａの断面積およびリザーバー３５ａの内部の断面積は、湿潤用液体１６ａの流れ方向に垂直な方向の断面積のことをいう。
なお、図４において、湿潤用液体１６ａが、リザーバー３５ａの内部の保持体４７ａで占められていない容積の約半分程度を占めている場合を示している。
【００６８】
実施の形態１と同様に、保持体４７ａは、多孔質で親水性であることが好ましく、スポンジ状の材料、フェルト状の材料、布状の材料などであることが好ましい。保持体４７ａを形成する材質も、実施の形態１の場合と同じである。
【００６９】
本実施形態において、水タンクおよびポンプ等を用意しておき、発電休止中に、水タンク内の水を、ポンプを用いて、流路管３５ｃを通して、リザーバー３５ａに流入させ、この後、前記水を、流路管３５ｃを通して、水タンクに流出させてもよい。ポンプの作動の制御は、たとえば、燃料電池に制御部を設けておき、前記制御部により、発電の休止時に自動で行われるようにしてもよい。
【００７０】
なお、本実施形態においても、流路管３５ｃが接続されていることを除いて、実施の形態１と同様に、開口部３５ｂは、リザーバー３５ａがスタック１ａに装着されたときに、湿潤用液体１６ａを内部に収容した状態で、その内部を密閉できるリザーバー３５ａの位置に設けられる。
【００７１】
さらに、本実施形態においても、実施の形態１の図２に示されるように、高分子電解質膜の端部が、スタックの端面から、突出していてもよい。高分子電解質膜の端部の突出長さは、１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００７２】
実施の形態１および２において、リザーバーは、高分子電解質膜との接触のために設けられている開口部とは異なる位置に設けられた穴部（図示せず）を備えていてもよい。この穴部を通して、リザーバー内に、湿潤用液体を注入することができる。
本発明の燃料電池においては、長期間の休止中でも、リザーバーに収容された湿潤用液体が容易に散逸してしまうことはないが、リザーバーの内部を完全に密閉することも困難である。このため、湿潤用液体は、リザーバーから、わずかながらも散逸していく可能性がある。そこで、リザーバーに、開口部とは異なる位置に穴部を設けて、前記穴部から湿潤用液体を補充することにより、本発明の効果をさらに向上することができる。
なお、穴部は、湿潤用液体の注入を行うとき以外は、栓などで閉じた状態にされる。
【００７３】
本発明の燃料電池では、上記のように、高分子電解質膜のスタック端面から露出した部分に、湿潤用液体を接触させて、高分子電解質膜を湿潤している。湿潤用液体が高分子電解質膜の中央部まで速やかに浸透していくためには、高分子電解質膜のカソードおよびアノードの端部からスタックの端面までの部分の幅は短いことが好ましい。さらには、前記高分子電解質膜の突出している部分に、ガスケットからかかる圧力も小さい方が好ましい。前記ガスケットは、スタック内部の酸化剤および燃料が外部へ漏出しないために必要な部材であるが、リザーバーも含めてこの機能を有するように構成すると、ガスケットの幅を、一般的な燃料電池よりも小さくすることが可能となる。同様に、締結のための圧力も、一般的な燃料電池より小さくすることが可能となり、その結果、締結のための部材の体積を小さくすることも可能となる。
【００７４】
さらに、本発明の燃料電池は、メタノール水溶液またはメタノールを燃料として用いる直接メタノール型燃料電池であることがより好ましい。直接メタノール型燃料電池では、水素ガスを燃料として用いる燃料電池よりも、燃料の漏出を抑制するために必要なガスケットの幅および締結の圧力を小さくすることができる。このため、高分子電解質膜の端面に接触している湿潤用液体が、高分子電解質膜の中央部まで浸透しやすくなる。これらを考慮して、高分子電解質膜のカソードおよびアノードの端部からスタックの端面までの部分の幅、つまりガスケットのセルの積層方向に垂直な方向における幅Ｌ（図１参照）は、０．５〜５ｍｍであることが好ましく、１〜２ｍｍであることがさらに好ましい。
【００７５】
たとえば、図１〜４に示されるスタックにおいて、最外部のセパレーターの外側には、集電板、絶縁板、端板およびヒーターなどがさらに積層されていてもよい。また、セパレーターの代わりにスリット入り集電板を備える燃料電池においては、スリット入り集電板の外側には、集電体のスリットが塞がれないように、スリット入り絶縁板、端板およびヒーターなどがさらに積層されていてもよい。
【実施例】
【００７６】
以下に、本発明を、実施例を参照して具体的に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【００７７】
（実施例１）
［触媒層の作製］
カソード触媒として、触媒担体であるカーボンブラック（商品名：ケッチェンブラックＥＣＰ、ケッチェンブラックインターナショナル社製）に担持させたＰｔ触媒を用いた。Ｐｔ触媒とカーボンブラックとの合計重量に占めるＰｔ触媒の重量の割合は、５０重量％とした。
カソード触媒をイソプロパノール水溶液に分散させた液６ｍｌと、高分子電解質の分散液（商品名：ナフィオン（登録商標）５重量％溶液、アルドリッチジャパン（株）製）５ｍｌとを混合し、触媒インクを調製した。このとき、触媒担体の重量に対する高分子電解質の重量の比は０．２とした。この触媒インクを、ドクターブレードを用いて、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート上に塗布し、乾燥させて、略矩形のカソード触媒層を作製した。
【００７８】
カソード触媒に代えてアノード触媒を用いたこと以外は、上記と同様にして、略矩形のアノード触媒層を作製した。なお、アノード触媒としては、触媒担体であるケッチェンブラック（ＥＣＰ）に担持させたＰｔＲｕ触媒（原子比Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を用いた。ＰｔＲｕ触媒とケッチェンブラックとの合計重量に占めるＰｔＲｕ触媒の重量の割合は、５０重量％とした。
【００７９】
［拡散層の作製］
アセチレンブラック（商品名：デンカブラック、電気化学工業（株）製）と、ＰＴＦＥ分散液（試薬、固形分６０重量％、アルドリッチジャパン（株）製）とを、イオン交換水に分散混合し、拡散層インクを調製した。このインクを、カーボンペーパー（商品名：ＡｖＣａｒｂ（登録商標）１０７１ＨＣＢ、バラードマテリアルプロダクツ社製）の片面に塗布し、乾燥させて、カソード拡散層を作製した。
【００８０】
カーボンペーパーを東レ（株）製の商品名：ＴＧＰ−Ｈ−０９０に変更したこと以外は、上記と同様にして、アノード拡散層を作製した。
【００８１】
［ＭＥＡの作製］
略矩形の高分子電解質膜（商品名：ナフィオン（登録商標）１１２、デュポン（株）製）の一方の面に上記で得られたカソード触媒層を積層し、他方の面に上記で得られたアノード触媒層を積層した。得られた積層体をホットプレスし、ＰＴＦＥシートを引き剥がすことで、カソード触媒層およびアノード触媒層を高分子電解質膜へ転写した。このとき、カソード触媒層とアノード触媒層とは、高分子電解質膜を介して正対するように配置した。
【００８２】
次に、カソード触媒層の上に、上記で得られたカソード拡散層を積層し、アノード触媒層の上に上記で得られたアノード拡散層を積層し、ホットプレスにより、カソード触媒層にカソード拡散層を接合し、アノード触媒層にアノード拡散層を接合した。こうして、膜電極接合体（ＭＥＡ）を得た。
【００８３】
得られたＭＥＡにおいては、図５に示されるように、高分子電解質膜５１の横方向において、高分子電解質膜５１の外縁の位置を電極５２の外縁の位置よりも、長さＡだけ外側にした。高分子電解質膜５１の縦方向において、高分子電解質膜５１の外縁の位置を、電極５２の外縁の位置よりも、長さＢだけ外側にした。本実施例では、長さＡおよび長さＢはそれぞれ２ｍｍとした。
なお、図５は、実施例で作製した燃料電池の各構成要素の配置を模式的に示す分解図である。図５において、セルに含まれる各構成要素の積層方向に垂直な方向から、一方のセパレーターおよびガスケットを除いた状態で、作製したセルが模式的に示されており、電極５２は、アノードまたはカソードの一方を示しており、他方は図示していない。
【００８４】
［セルの作製］
ＭＥＡの両面の、高分子電解質膜のカソードおよびアノードよりも突出している部分にゴム製ガスケット５３を積層した。このとき、高分子電解質膜５１の横方向において、ガスケット５３の外縁の位置を、電極５２の外縁の位置から長さＣだけ外側にした。高分子電解質膜５１の縦方向において、ガスケット５３の外縁の位置を、電極５２の外縁の位置から長さＤだけ外側にした。本実施例では、長さＣは４ｍｍとし、長さＤは２ｍｍとした。
【００８５】
次に、両面にガスケット５３が配置されたＭＥＡに、一対の黒鉛製セパレーターを、ＭＥＡが前記セパレーターで挟み込まれるようにして積層した。セパレーターの面積は、ガスケットの外周の形状から得られる面積と等しくなるようにした。つまり、セパレーターの外周の形状と、ガスケット５３の外周の形状と同じにした。
次いで、得られた積層層を、集電板、ラバーヒーター、絶縁板および端板でこの順番に挟み込むようにして積層したのち、金属製のボルトとナットで端板を締結し、セルを作製した。
こうして、作製したセルの、積層方向に対して垂直方向に位置する一対の側面に、高分子電解質膜の端面を露出させた。
【００８６】
次に、得られたセルに、リザーバーを取り付けた。ポリカーボネート樹脂製のバスタブ型のリザーバーを用いた。２つのリザーバーを、それぞれ、セルの高分子電解質膜の端面が露出している２つの側面に装着した。具体的には、前記側面において、ＭＥＡを挟み込む２つのセパレーターに、リザーバーの上部および下部を小型ビスで固定することにより、セルに、リザーバーを取り付けた。なお、リザーバーとセパレーターとの間にはゴム製ガスケットを配置しておいた。また、リザーバーには、あらかじめイオン交換水を満たしておいた。
こうして、リザーバー内の湿潤用液体が、高分子電解質膜の露出部に接するようにした。
【００８７】
リザーバーが設けられたセルに、空気ポンプからの配管を装着し、燃料ポンプからの配管を装着することにより、本発明の燃料電池を作製した。燃料として１ｍｏｌ／Ｌメタノール水溶液を用いた。セルの発電の制御装置として、また、セルで発電した電力を消費するための外部負荷として、電子負荷装置を用いた。
【００８８】
［評価試験］
長期間休止した後における発電特性を評価するために、上記にようにして得られた直接メタノール型燃料電池を、次のような試験に供した。
電子負荷装置により１５０ｍＡ／ｃｍ2の定電流で１０分間の連続発電を行った。このとき、セル温度は６０℃に保ち、空気の利用率は５０％、燃料の利用率は７０％とした。この後、空気と燃料の供給およびヒーターによる加熱を停止し、この状態で、３０日間、発電を休止した。３０日の発電休止後、休止前と同様の条件で１０分間の連続発電を行った。
休止前発電の平均電圧（初期電圧）に対する休止後の発電の平均電圧の比率を百分率値で算出することで、発電特性を評価した。結果を表１に示す。表１において、得られた値は、電圧維持率として示している。
【００８９】
（実施例２）
高分子電解質膜５１の縦方向において、長さＢを３ｍｍとした。つまり、高分子電解質膜５１の端部を、セルの積層方向に垂直な方向における、所定の一対の側面から１ｍｍずつ突出させた。こうして、高分子電解質膜の端部が、リザーバーの内部まで挿入された構造とした。前記以外は、実施例１と同様にして、燃料電池を作製した。作製した燃料電池について、実施例１と同様にして評価試験を行った。結果を表１に示す。
【００９０】
（実施例３）
燃料として水素ガスを用いた。空気ポンプからの配管および燃料レギュレーターからの配管にそれぞれ加湿器を挿入した。前記以外は、実施例２と同様にして燃料電池を作製した。発電中、加湿器の温度は６０℃に保った。なお、発電休止中、加湿器は停止した。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして評価試験を行った。結果を表１に示す。
【００９１】
（実施例４）
燃料ポンプとリザーバーとを接続する第１流路管、およびリザーバーとアノード入口とを接続する第２流路管を設け、燃料を、アノードに供給する前に、リザーバーの内部に流した。前記以外は、実施例２と同様にして燃料電池を作製した。第１流路管および第２流路管には、シリコーンチューブを用いた。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして評価試験を行った。結果を表１に示す。
【００９２】
（実施例５）
セルの冷却のためのラジエター、冷却水循環ポンプ、および冷却水循環のための配管を設け、さらに、冷却水の循環経路にリザーバーが位置するように流路管を接続した。前記以外は、実施例２と同様にして燃料電池を作製した。流路管および冷却水循環のための配管には、シリコーンチューブを用いた。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして評価試験を行った。結果を表１に示す。
【００９３】
（実施例６）
加湿器の下部とリザーバーを接続する流路管を設け、加湿器の水がリザーバーの内部を流れるようにしたこと以外は、実施例３と同様にして燃料電池を作製した。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして評価試験を行った。結果を表１に示す。
【００９４】
（実施例７）
リザーバーの内部に、保持体を挿入し、さらに、空気加湿器の上部とリザーバーを接続する第１流路管を設け、リザーバーとカソード入口を接続する第２流路管を設けた。前記以外は、実施例３と同様にして燃料電池を作製した。保持体としては、フェルト状の多孔質体（商品名：ハトシートＣＣＶ、王子キノクロス社製）を用いた。また、保持体は、リザーバー内に、高分子電解質膜と接触するように配置し、さらに保持体の断面積はリザーバーの断面積の半分とした。ここで、リザーバーの内部の断面積および保持体の断面積とは、湿潤用液体の流れ方向に対して垂直な方向における断面積のことである。なお、このことは、以下の実施例でも同じである。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして評価試験を行った。結果を表１に示す。
【００９５】
（実施例８）
リザーバーの内部に保持体を挿入し、かつカソード出口およびアノード出口から排出される液の排出経路に流路管を接続して、前記流出経路に流れる液の少なくとも一部をリザーバーに流入させた。前記以外は、実施例２と同様にして燃料電池を作製した。本実施例においても、保持体としては、フェルト状の多孔質体（商品名：ハトシートＣＣＶ、王子キノクロス社製）を用いた。また、保持体は、リザーバー内に、高分子電解質膜と接触するように配置し、さらに保持体の断面積はリザーバーの内部の断面積の半分とした。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして評価試験を行った。結果を表１に示す。
【００９６】
（実施例９）
リザーバーの内部に保持体としてポリウレタン製の多孔質体を挿入し、かつ前記保持体を高分子電解質膜と接触するように配置したこと以外は、実施例２と同様にして燃料電池を作製した。保持体の断面積はリザーバーの断面積の半分とした。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして評価試験を行った。結果を表１に示す。
【００９７】
（比較例１）
高分子電解質膜５１の横方向における電極５２の外縁の位置からガスケット５３およびセパレーターの外縁の位置までの長さＣを４ｍｍとし、高分子電解質膜５１の横縦方向における電極５２の外縁の位置からガスケット５３およびセパレーターの外縁の位置までの長さＤを４ｍｍとした。つまり、セルの積層方向に垂直な方向におけるいずれの側面からも高分子電解質膜を露出させなかった。さらにリザーバーを設けなかった。前記以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして評価試験を行った。結果を表１に示す。
【００９８】
（比較例２）
燃料として水素を用い、空気ポンプおよび燃料レギュレーターからの配管にそれぞれ加湿器を挿入したこと以外は、比較例１と同様にして燃料電池を作製した。発電中、加湿器の温度は６０℃に保った。発電休止中、加湿器は停止した。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして評価試験を行った。結果を表１に示す。
【００９９】
なお、表１には、高分子電解質が露出しているか、突出しているか、あるいは露出していないかについても示している。さらに、表１には、流路管の有無、保持体の有無、湿潤用液体の種類、および初期電圧についても示している。
【０１００】
【表１】
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【０１０１】
高分子電解質膜をスタックの端面から露出させ、かつ高分子電解質にリザーバーに収容された湿潤用液体を接触させた実施例１〜９は、いずれも、長期間の休止の後でも良好な発電特性を示している。これは、長期間の休止中も、高分子電解質膜の湿潤状態を維持することができているためであると考えられる。さらに、燃料の種類、ならびにリザーバーの内部に収容される湿潤用液体の種類、湿潤液体のリザーバーへの流入方法などによらず、いずれも同様の効果が得られている。
【０１０２】
これに対して、高分子電解質膜をスタックの端面から露出していない比較例１〜２の燃料電池は、いずれも、長期間の休止の後に、発電特性が大幅に低下している。
【０１０３】
以上の結果から、本発明によって、長期間の休止後でも良好な発電特性を維持することのできる燃料電池が得られることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明の燃料電池は、長期間の休止後でも優れた発電特性を維持できるため、例えば、家庭用電源、自動車用電源、モバイル機器用電源などとして極めて好適に用いることができる。
【符号の説明】
【０１０５】
１ａ、２１ａ  スタック
１ｂ、２１ｂ  スタックの端面
２ａ、２２ａ  セル
３ａ  カソード
４ａ  カソード触媒層
５ａ  カソード拡散層
６ａ  アノード
７ａ  アノード触媒層
８ａ  アノード拡散層
９ａ、２９ａ  高分子電解質膜
２９ｂ  突出した端部
１０ａ  カソードセパレーター
１１ａ  空気流路
１２ａ  アノードセパレーター
１３ａ  燃料流路
１４ａ  カソードガスケット
１４ｂ  アノードガスケット
１５ａ、３５ａ  リザーバー
１５ｂ  開口部
１６ａ  湿潤用液体
３５ｃ  流路管
３５ｄ  流入部位
３５ｅ  流出部位
４７ａ  保持体
５１  高分子電解質膜
５２  電極
５３  ガスケット
【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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