(57)【要約】【課題】コストの上昇を抑制しながら、膜電極接合体に求められる性能を充分に発揮させることができる固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】膜電極接合体４０へ供給される反応ガスを用いて発電するセルＣを複数積層して形成されるセルスタックＣＳを備える固体高分子形燃料電池であって、セルＣは、反応ガスが流入する流入部と、発電で用いられた後の反応ガスが流出する流出部と、セルＣ内の流入部から流出部に至る間に反応ガスが流れるガス流路１３ａ，１４ａとを有し、セルＣ内でガス流路１３ａ，１４ａに面する膜電極接合体４０の低加湿適応性能は流入部の近傍の方が流出部の近傍よりも高くなるように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を燃料極及び空気極で挟んで構成される膜電極接合体を有し、当該膜電極接合体へ供給される反応ガスを用いて発電するセルを複数積層して形成されるセルスタックを備える固体高分子形燃料電池であって、
前記セルは、前記反応ガスが流入する流入部と、発電で用いられた後の前記反応ガスが流出する流出部と、前記セル内の前記流入部から前記流出部に至る間に前記反応ガスが流れるガス流路とを有し、
前記セル内で前記ガス流路に面する前記膜電極接合体の低加湿適応性能は、前記流入部の近傍の方が前記流出部の近傍よりも高くなるように構成されている固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
前記膜電極接合体は、低加湿適応性能の異なる複数個の膜電極接合体部材を組み合わせて形成されている請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
前記反応ガスは、露点が前記セルの作動温度よりも低い状態で前記流入部に流入するように構成されている請求項１又は２に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
前記反応ガスは、前記空気極に供給される酸化剤ガスである請求項１〜３の何れか一項に記載の固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜を燃料極及び空気極で挟んで構成される膜電極接合体を有し、当該膜電極接合体へ供給される反応ガスを用いて発電するセルを複数積層して形成されるセルスタックを備える固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜及びそれを両側から挟む燃料極と空気極とが湿潤することによりプロトン導電性が高められ、それによって発電が可能となる。そのため、燃料極に供給する燃料ガス及び空気極に供給する酸化剤ガスに水蒸気を混合するなど、加湿して運転させている。また、長期耐久性が求められる定置用途では、劣化抑制の観点から電池温度と、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点とがほぼ同一の飽和加湿条件での作動が一般的である。この条件では、低負荷運転時には電池温度が低下して結露水が発生し易くなるため、反応に必要なガスの流路の閉塞がその水によって引き起こされ、電池性能の低下や不安定化が生じることとなる。そのため、ガス流路内のガス流速を確保するといった余剰水分排出対策がなされてきた（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
一方、燃料ガス及び酸化剤ガスに対する加湿機能を簡略化もしくは削除することによって、コスト低減を図ることができる。そのため、飽和加湿条件でなくてもセルの劣化が抑制されるような開発が進められてきた（例えば、非特許文献１を参照）。
また、このような低加湿条件においては、発電による生成水を如何にセルの湿潤に効率よく利用できるか、即ち、膜電極接合体の、低加湿条件での使用の適応性能を表す低加湿適応性能（例えば、保水性能、低加湿条件下でのプロトン導電性能、低加湿条件下での耐劣化性能など）が高いかが発電性能を引き出す上で重要であり、セルの構成部材の最適化が進められている（例えば、非特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２４７２８９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｅｉｊｉ  Ｅｎｄｏｈ，  ＥＣＳ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，１６（２），１２２９，（２００８）
【非特許文献２】西川，中村，松山，柏，第１５回燃料電池シンポジウム講演予稿集，１２３，（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、低加湿条件に合わせた高い低加湿適応性能を有するセルの構成部材、特に固体高分子電解質膜は一般の飽和加湿条件仕様に対して高価であり、普及へ向けた低コスト化にそぐわない。
【０００７】
また、セルへの反応ガスの流入部の近傍（即ち、上流側）の膜電極接合体は、そこでの発電反応により水は生成されるものの、流入してくる反応ガスによって乾燥し易い。これに対して、セルからの反応ガスの流出部の近傍（即ち、下流側）の膜電極接合体は、発電反応による生成水がその反応ガスの流れによって運ばれてくるため、上流側に比べて水が多く存在することになる。そのため、膜電極接合体が、上述したような乾燥し易い上流側の条件に合わせて高い低加湿適応性能（例えば、水を留め易いという高い保水性能）を有するように構成されていると、下流側では湿潤が過剰になり、滞留する水によって反応に必要なガスの流路閉塞が引き起こされる可能性もある。逆に、膜電極接合体が、上述したような水が多く存在することになる下流側の条件に合わせて低い保水性能（即ち、水が排出され易いという性能）を有するように構成されていると、上流側では湿潤が不足し、膜電極接合体のプロトン導電性が十分に確保できないという問題が発生する。
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コストの上昇を抑制しながら、膜電極接合体に求められる性能を充分に発揮させることができる固体高分子形燃料電池を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る固体高分子形燃料電池の特徴構成は、固体高分子電解質膜を燃料極及び空気極で挟んで構成される膜電極接合体を有し、当該膜電極接合体へ供給される反応ガスを用いて発電するセルを複数積層して形成されるセルスタックを備える固体高分子形燃料電池であって、
前記セルは、前記反応ガスが流入する流入部と、発電で用いられた後の前記反応ガスが流出する流出部と、前記セル内の前記流入部から前記流出部に至る間に前記反応ガスが流れるガス流路とを有し、
前記セル内で前記ガス流路に面する前記膜電極接合体の低加湿適応性能は、前記流入部の近傍の方が前記流出部の近傍よりも高くなるように構成されている点にある。この低加湿適応性能は、膜電極接合体の低加湿条件での使用の適応性能を表す特性であり、例えば保水性能、及び、低加湿条件下でのプロトン導電性能、及び、低加湿条件下での耐劣化性能の内の少なくとも一つである。
【００１０】
上記特徴構成によれば、セル内でガス流路に面する膜電極接合体の低加湿適応性能は、流入部の近傍の方が流出部の近傍よりも高くなるように構成されている。つまり、反応ガスの流入部の近傍の膜電極接合体は、存在する水が相対的に少ない低加湿条件に合わせて相対的に高い低加湿適応性能（即ち、高い保水性能（水を留め易い性能）、低加湿条件下での高いプロトン導電性能、低加湿条件下での高い耐劣化性能の内の少なくとも一つ）を有するように構成されている。これに対して、反応ガスの流出部の近傍の膜電極接合体は、存在する水が相対的に多い条件下にあるため、上記低加湿適応性能が高くなくても（即ち、保水性能が低くても）、そのプロトン導電性を十分に確保できることを期待できる。また、保水性能が低ければ、反応ガスの流路が水によって閉塞されるといった問題も発生し難くなる。その結果、膜電極接合体の全体にわたって、求められる性能を充分に発揮させることができる。
また、本特徴構成では、膜電極接合体の全体を低加湿条件に合わせた高い低加湿適応性能を有するようには構成しないので、膜電極接合体が非常に高価になることもない。
従って、コストの上昇を抑制しながら、膜電極接合体に求められる性能を充分に発揮させることができる固体高分子形燃料電池を提供できる。
【００１１】
本発明に係る固体高分子形燃料電池の別の特徴構成は、前記膜電極接合体は、低加湿適応性能の異なる複数個の膜電極接合体部材を組み合わせて形成されている点にある。
【００１２】
上記特徴構成によれば、低加湿適応性能の異なる複数個の膜電極接合体部材を組み合わせることで、セル内でガス流路に面する膜電極接合体の低加湿適応性能が、反応ガスの流入部の近傍の方が反応ガスの流出部の近傍よりも高くなるような構成を得ることができる。
【００１３】
本発明に係る固体高分子形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記反応ガスは、露点が前記セルの作動温度よりも低い状態で前記流入部に流入するように構成されている点にある。
【００１４】
反応ガスの露点がセルの作動温度以上となる飽和加湿条件で固体高分子形燃料電池を運転させようとすると、即ち、反応ガスに多量の水を含ませようとすると、例えば反応ガスや水の温度を昇温する必要があるなど、多くのエネルギーが必要となる。
ところが本特徴構成によれば、反応ガスを、その露点がセルの作動温度よりも低い状態で流入部に流入させるという低加湿条件で固体高分子形燃料電池が運転される。つまり、反応ガスの加湿に必要なエネルギーを相対的に小さくできる。
また、セル内部に存在する水の量を相対的に少なくすることができるので、反応ガスの流路が水で閉塞されるといった問題の発生を抑制できる。
【００１５】
本発明に係る固体高分子形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記反応ガスは、前記空気極に供給される酸化剤ガスである点にある。
【００１６】
酸化剤ガスが供給される空気極では発電反応によって水が生成されるため、燃料極側に比べて、存在する水が相対的に多い条件下にある。そのため、セルへの反応ガスの流入部の近傍の膜電極接合体が、流入してくる反応ガスによって乾燥し易いという問題は燃料極側及び空気極側で共通するが、セルからの反応ガスの流出部の近傍で水が多く存在するという現象は、燃料極側よりも空気極側の方が顕著になる。
本特徴構成では、空気極に供給される酸化剤ガスのガス流路に面する膜電極接合体の低加湿適応性能を、流入部の近傍の方が流出部の近傍よりも高くなるように構成するので、空気極側で顕著になる、セルからの反応ガスの流出部の近傍で水が多く存在するという現象に対して、より良く対処できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】セルスタックの構成を説明する模式図である。
【図３】セルの分解斜視図である。
【図４】膜電極接合体の断面構造を示す図である。
【図５】セルの分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して第１実施形態の固体高分子形燃料電池の構成について説明する。図１は、燃料電池システムの構成を説明する図であり、図２は、セルスタックＣＳの構成を説明する模式図であり、図３は、セルの分解斜視図である。図示するように、この燃料電池システムは、発電ユニットＵ１と貯湯ユニットＵ２とを備える。尚、本願で示す図面では、本発明の理解を容易にするために、各部材の位置関係や大きさなどを本来の位置関係や大きさなどとは異なるように描いている箇所もある。
【００１９】
発電ユニットＵ１は、熱と電気とを併せて発生する熱電併給装置としての固体高分子形燃料電池を有する。固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜１０を燃料極１１及び空気極１２で挟んで構成される膜電極接合体４０と、膜電極接合体４０の燃料極１１側に設けられ、燃料ガス流路１３ａを通してその燃料極１１に燃料ガスを導入する燃料極セパレータ１３と、膜電極接合体４０の空気極１２側に設けられ、酸化剤ガス流路１４ａを通してその空気極１２に酸化剤ガスを導入する空気極セパレータ１４とを有するセルＣを複数積層して形成されるセルスタックＣＳとを備える。また、燃料電池システムは、自身の運転を制御する運転制御手段３６を備える。
【００２０】
本実施形態では、固体高分子形燃料電池には、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気（酸素）とが供給される。
燃料ガスとしての水素は、発電ユニットＵ１が備える改質器８が、炭化水素を含む原燃料を改質することで生成される。図１に示した例では、メタン（ＣＨ4）を主成分とする原燃料ガス（都市ガス等）が、原燃料ガス供給路６を介して改質器８に供給されて改質され、その結果として得られる水素を主成分とする燃料ガスが、燃料ガス供給路７を介してセルＣに供給される。また、セルＣには、酸化剤ガスとしての空気も、酸化剤ガス供給路１を介して供給される。
【００２１】
燃料ガス供給路７の途中には燃料極側加湿器４が設けられ、セルＣへ供給される燃料ガスの加湿が行われる。また、酸化剤ガス供給路１の途中には空気極側加湿器２が設けられ、セルＣへ供給される酸化剤ガスの加湿が行われる。燃料極側加湿器４及び空気極側加湿器２については既存の様々な加湿器を利用できる。燃料極側加湿器４及び空気極側加湿器２の動作は運転制御手段３６が制御する。具体的には、運転制御手段３６が燃料極側加湿器４及び空気極側加湿器２の加湿部分での温度を制御することで、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を調節する。一例を挙げると、運転制御手段３６が燃料極側加湿器４の加湿部分での温度を高くすると、燃料ガスに含まれる水分量を増加させる（即ち、燃料ガスの露点を高くする）ことができる。本実施形態では、運転制御手段３６は、反応ガスとしての燃料ガス及び酸化剤ガスを、それらの露点がセルＣの作動温度（例えば、７０℃）よりも低い状態で後述する流入部１３ａ１，１４ａ１に流入させるように加湿器２，４の動作を制御する。
【００２２】
加えて、燃焼器９には、セルＣでの発電反応に用いられた後の燃料ガス（以下、「排燃料ガス」と記載することもある）が排燃料ガス路５を介して供給され、且つ、空気（酸素）が酸化剤ガス供給路１ａを介して供給される。そして、燃焼器９で排燃料ガスが燃焼され、その燃焼熱が改質器８に伝達されることで、改質器８での改質反応が促進される。そして、燃焼器９から排出される排ガスと、セルＣでの発電反応に用いられた後の空気とは、排ガス路３を介して発電ユニットＵ１の外部へと排出される。尚、図１では、排燃料ガスと空気とが予め混合された上で燃焼器９に供給される状態（排燃料ガス路５が酸化剤ガス供給路１ａに連結された状態）を示しているが、排燃料ガスと空気とを別々に燃焼器９へ供給してもよい。
【００２３】
セルＣでは、燃料極セパレータ１３が膜電極接合体４０の燃料極１１側に設けられ、空気極セパレータ１４が膜電極接合体４０の空気極１２側に設けられる。そして、燃料極セパレータ１３に形成される燃料ガス流路１３ａを通して燃料極１１に燃料ガスが導入され、空気極セパレータ１４に形成される酸化剤ガス流路１４ａを通して空気極１２に酸化剤ガスが導入される。図１に示した例では、一つのセルＣは、一方の面に燃料ガスが流通する燃料ガス流路１３ａとなる燃料ガス用溝が形成される燃料極セパレータ１３と、一方の面に酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路１４ａとなる酸化剤ガス用溝が形成され且つ他方の面に冷却水が流通する冷却水用溝が形成される空気極セパレータ１４と、膜電極接合体４０とを用いて構成される。そして、一つのセルＣにおいて、燃料ガス用溝が形成されている燃料極セパレータ１３の一方の面を膜電極接合体４０の燃料極１１に相対させることで燃料ガスを燃料極１１に導入し、及び、酸化剤ガス用溝が形成されている空気極セパレータ１４の一方の面を膜電極接合体４０の空気極１２に相対させることで酸化剤ガスを空気極１２に導入するように構成される。セルスタックＣＳにおいて、一方のセルＣの冷却水用溝が形成されている空気極セパレータ１４の他方の面を、他方のセルＣの燃料ガス用溝が形成されていない燃料極セパレータ１３の他方の面に相対させるようにして複数のセルＣが順に積層される。
【００２４】
セルＣは、図２に示すＹ軸方向に順に積層される。そして、セルスタックＣＳは、セルＣの積層方向に沿った上流側から下流側に向かって延びる（即ち、Ｙ軸方向に沿って延びる）、セルスタックＣＳへ供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給マニホールド部１５と、セルスタックＣＳへ供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給マニホールド部１７と、セルスタックＣＳから排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出マニホールド部１６と、セルスタックＣＳから排出される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出マニホールド部１８とを備える。燃料ガス供給マニホールド部１５には燃料ガス供給路７が接続され、それにより燃料ガスがセルスタックＣＳへ供給される。酸化剤ガス供給マニホールド部１７には酸化剤ガス供給路１が接続され、それにより酸化剤ガスがセルスタックＣＳへ供給される。燃料ガス排出マニホールド部１６には排燃料ガス路５が接続され、それにより、セルＣでの発電反応に用いられた後の燃料ガス（排燃料ガス）がセルスタックＣＳから排出される。酸化剤ガス排出マニホールド部１８には排ガス路３が接続され、セルＣでの発電反応に用いられた後の酸化剤ガスがセルスタックＣＳから排出される。
【００２５】
各セルＣの内部において、燃料ガス流路１３ａは、燃料ガス供給マニホールド部１５と燃料ガス排出マニホールド部１６との間を接続し、酸化剤ガス流路１４ａは、酸化剤ガス供給マニホールド部１７と酸化剤ガス排出マニホールド部１８との間を接続する。そして、燃料ガス供給マニホールド部１５では、燃料ガスが、上流側から下流側へ向かって流れながら燃料ガス流路１３ａへ流入し、酸化剤ガス供給マニホールド部１７では、酸化剤ガスが、上流側から下流側へ向かって流れながら酸化剤ガス流路１４ａへ流入する。図２に示す例では、図面の簡略化のため、セルＣにおいて、燃料ガス流路１３ａがＸ軸方向に沿って直線形状に形成され、酸化剤ガス流路１４ａがＺ軸方向に沿って直線形状に形成されているような模式図を描いているが、セルＣの内部での燃料ガス流路１３ａの形状及び酸化剤ガス流路１４ａの形状は自在に設計できる。例えば、一つのセルＣにおいて、燃料ガスが、Ｘ−Ｚ平面内で蛇行しながら、全体としてＸ軸の正の方向に向かって流れるように、燃料ガス流路１３ａを形成することができる。また、一つのセルＣにおいて、酸化剤ガスが、Ｘ−Ｚ平面内で蛇行しながら、全体としてＺ軸の正の方向に向かって流れるように、酸化剤ガス流路１４ａを形成することができる。また、図２に示す例では、冷却水についての説明は省略している。
【００２６】
上述した冷却水はセルＣを冷却する役割を担うと共に、セルＣから排熱を回収する役割も担っている。本実施形態では、冷却水は、冷却水循環路１９を流れている。冷却水循環路１９の途中には、上述したセルスタックＣＳ内の冷却水流路２０と、冷却水用熱交換器２１と、冷却水用ポンプ２２とが設けられており、冷却水用ポンプ２２によって付勢された冷却水がセルスタックＣＳ（冷却水流路２０）と冷却水用熱交換器２１とを順に流れながら循環するように構成されている。また、冷却水用熱交換器２１には、貯湯ユニットＵ２が備える貯湯タンク２５に貯えられている湯水が排熱回収路２３を介して流入する。その結果、冷却水用熱交換器２１では、冷却水循環路１９を流れる冷却水と排熱回収路２３を流れる湯水との間で熱交換が行われる。排熱回収路２３での湯水の流量は、排熱回収路２３の途中に設けられている排熱回収用ポンプ２４の出力を制御することで調節される。冷却水用ポンプ２２及び排熱回収用ポンプ２４の動作は運転制御手段３６が制御する。
【００２７】
貯湯ユニットＵ２に設けられる貯湯タンク２５では、上部に相対的に高温の湯水が貯えられ、下部に相対的に低温の湯水が貯えられる。具体的には、排熱回収路２３は、貯湯タンク２５の下部と貯湯タンク２５の上部とを接続するように設けられ、その間に上記冷却水用熱交換器２１が設けられる。その結果、貯湯タンク２５の下部に貯留されている相対的に低温の湯水が、排熱回収路２３を通って冷却水用熱交換器２１に至って昇温され、その昇温された相対的に高温の湯水が貯湯タンク２５の上部に帰還して流入する。
【００２８】
貯湯タンク２５の上部には給湯路２７が接続され、台所や風呂などの給湯用途に湯水が供給される。また、貯湯タンク２５の下部には給水路２６が接続され、貯湯タンク２５への湯水の補充が行われる。
【００２９】
次にセルの構造について説明する。
図３は、一つのセルＣの分解斜視図である。図示するように、セルＣは、膜電極接合体４０が燃料極セパレータ１３及び空気極セパレータ１４によってその両側から挟まれた構造となっている。膜電極接合体４０の周囲にはガスケット（シール部材の一例）４１が設けられ、膜電極接合体４０とガスケット４１とが組み合わされて一枚の部材となって、燃料極セパレータ１３及び空気極セパレータ１４によってその両側から挟まれている。ガスケット４１は中央部に開口部分が設けられた環状に形成され、その開口部分に膜電極接合体４０が嵌め込まれている。尚、図３では、冷却水の流路についての説明は省略している。
【００３０】
また、図３に示すように、セルＣには燃料ガス供給マニホールド部１５と燃料ガス排出マニホールド部１６と酸化剤ガス供給マニホールド部１７と酸化剤ガス排出マニホールド部１８とが形成されている。このうち、燃料ガス供給マニホールド部１５と燃料ガス排出マニホールド部１６は燃料極セパレータ１３に形成される燃料ガス流路１３ａと接続され、酸化剤ガス供給マニホールド部１７と酸化剤ガス排出マニホールド部１８とは空気極セパレータ１４に形成される酸化剤ガス流路１４ａと接続される。そして、燃料ガス流路１３ａを流れる燃料ガスは膜電極接合体４０の一方側（燃料極１１側）の面から直接接触し、酸化剤ガス流路１４ａを流れる酸化剤ガスは膜電極接合体４０の他方側（空気極１２側）の面から直接接触する。このように、セルＣは、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）が流入する流入部１３ａ１，１４ａ１と、発電で用いられた後の反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）が流出する流出部１３ａ２，１４ａ２と、セルＣ内の流入部１３ａ１，１４ａ１から流出部１３ａ２，１４ａ２に至る間に反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）が流れるガス流路１３ａ，１４ａとを有する。
【００３１】
次に、膜電極接合体４０の構造について説明する。図１に示したように、膜電極接合体４０は、固体高分子電解質膜１０を燃料極１１及び空気極１２で挟んで構成される。
図４は、膜電極接合体４０の断面構造を示す図である。図４に示すように、燃料極１１は、固体高分子電解質膜１０の側に設けられる燃料極側触媒層１１ｂと、燃料極セパレータ１３の側に設けられる燃料極側ガス拡散層１１ａとで構成される。同様に、空気極１２は、固体高分子電解質膜１０の側に設けられる空気極側触媒層１２ｂと、空気極セパレータ１４の側に設けられる空気極側ガス拡散層１２ａとで構成される。
【００３２】
本実施形態では、膜電極接合体４０は、図３に記載したような反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流入部１３ａ１，１４ａ１の側から流出部１３ａ２，１４ａ２の側に向かって順に並ぶ第１領域４０ａと第２領域４０ｂとを有する。セルＣ内でガス流路１３ａ，１４ａに面する膜電極接合体４０の低加湿適応性能は、流入部１３ａ１，１４ａ１の近傍にある第１領域４０ａの方が、流出部１３ａ２，１４ａ２の近傍にある第２領域４０ｂよりも高くなるように構成されている。つまり、膜電極接合体４０の第１領域４０ａの低加湿適応性能は、膜電極接合体４０の第２領域４０ｂの低加湿適応性能よりも高い。この低加湿適応性能は、膜電極接合体４０の低加湿条件での使用の適応性能を表す特性であり、保水性能、及び、低加湿条件下でのプロトン導電性能、及び、低加湿条件下での耐劣化性能の内の少なくとも一つである。
【００３３】
このような膜電極接合体４０の低加湿適応性能の違いは、膜電極接合体４０を構成する、固体高分子電解質膜１０、触媒層１１ｂ，１２ｂ、ガス拡散層１１ａ，１２ａのうちの少なくとも何れか一つの特性の違いによって生み出すことができる。燃料極側触媒層１１ｂ及び空気極側触媒層１２ｂの低加湿適応性能を高めるためには、水分が流出し難い水管理層などを塗布してその保水性能を高めるという構成を採用することができる。燃料極側ガス拡散層１１ａ及び空気極側ガス拡散層１２ａの低加湿適応性能を高めるためは、例えばガス拡散層の材料となる多孔質カーボン材のポアサイズを小さくして、或いは、撥水処理（テフロン（登録商標）によるコーティングなど）の度合を低くする（撥水性を低くする）ことでその保水性能を高めるという構成を採用することができる。固体高分子電解質膜１０の低加湿適応性能を高めるためには、低湿度でのプロトン導電性が高い原料を用いることで低加湿条件下でのそのプロトン導電性能を高くするという構成を採用することや、低加湿条件下で発生し易い劣化現象を抑制する添加剤を加えることでその低加湿条件下での耐劣化性能を高くするという構成を採用することができる。
【００３４】
例えば、第１領域４０ａに対応する部分の固体高分子電解質膜１０と、第２領域４０ｂに対応する部分の固体高分子電解質膜１０とを、互いに上述したような低加湿適応性能の異なる材料で形成する。これに対して、触媒層１１ｂ，１２ｂ並びにガス拡散層１１ａ，１２ａのそれぞれは、膜電極接合体４０の全体にわたって低加湿適応性能に違いのない材料で形成する。このように構成することで、第１領域４０ａに対応する部分と第２領域４０ｂに対応する部分とで低加湿適応性能に差異を設けることができる。
【００３５】
或いは、第１領域４０ａに対応する部分の触媒層１１ｂ，１２ｂと、第２領域４０ｂに対応する部分の触媒層１１ｂ，１２ｂとを、互いに上述したような低加湿適応性能の異なる材料で形成する。これに対して、固体高分子電解質膜１０並びにガス拡散層１１ａ，１２ａのそれぞれは、膜電極接合体４０の全体にわたって低加湿適応性能に違いのない材料で形成する。このように構成することで、第１領域４０ａに対応する部分と第２領域４０ｂに対応する部分とで低加湿適応性能に差異を設けることができる。
【００３６】
また或いは、第１領域４０ａに対応する部分のガス拡散層１１ａ，１２ａと、第２領域４０ｂに対応する部分のガス拡散層１１ａ，１２ａとを、互いに上述したような低加湿適応性能の異なる材料で形成する。これに対して、固体高分子電解質膜１０並びに触媒層１１ｂ，１２ｂのそれぞれは、膜電極接合体４０の全体にわたって低加湿適応性能に違いのない材料で形成する。このように構成することで、第１領域４０ａに対応する部分と第２領域４０ｂに対応する部分とで低加湿適応性能に差異を設けることができる。
【００３７】
以上のように、セルＣ内で燃料ガス流路１３ａ及び酸化剤ガス流路１４ａに面する膜電極接合体４０の低加湿適応性能は、膜電極接合体４０を構成する、固体高分子電解質膜１０、触媒層１１ｂ，１２ｂ、ガス拡散層１１ａ，１２ａのうちの少なくとも何れか一つの特性を異ならせることで、流入部１３ａ１，１４ａ１の近傍の方が流出部１３ａ２，１４ａ２の近傍よりも高くなるように構成される。つまり、反応ガスの流入部１３ａ１，１４ａ１の近傍の膜電極接合体４０は、存在する水が相対的に少ない低加湿条件に合わせて相対的に高い低加湿適応性能（即ち、高い保水性能（水を留め易い性能）、低加湿条件下での高いプロトン導電性能、低加湿条件下での高い耐劣化性能の内の少なくとも一つ）を有するように構成されている。これに対して、反応ガスの流出部１３ａ２，１４ａ２の近傍の膜電極接合体４０は、存在する水が相対的に多い条件下にあるため、上記低加湿適応性能が高くなくても（即ち、保水性能が低くても）、そのプロトン導電性を十分に確保できることを期待できる。また、保水性能が低ければ、反応ガスの流路が水によって閉塞されるといった問題も発生し難くなる。
その結果、膜電極接合体４０の全体にわたって、求められる性能を充分に発揮させることができる。加えて、膜電極接合体４０の全体を低加湿条件に合わせた高い低加湿適応性能を有するようには構成しないので、膜電極接合体４０が非常に高価になることもない。
【００３８】
また、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の露点がセルＣの作動温度以上となる飽和加湿条件で固体高分子形燃料電池を運転させようとすると、即ち、燃料極側加湿器４及び空気極側加湿器２を用いて燃料ガス及び酸化剤ガスに多量の水を含ませようとすると、例えば反応ガスや水の温度を昇温する必要があるなど、多くのエネルギーが必要となる。ところが本実施形態では、運転制御手段３６は、反応ガスとしての燃料ガス及び酸化剤ガスの露点がセルＣの作動温度（例えば、７０℃）よりも低い状態で流入部１３ａ１，１４ａ１に流入するように加湿器２，４の動作を制御している。その結果、反応ガスの加湿に必要なエネルギーを相対的に小さくできる。また、セルＣ内部に存在する水の量を相対的に少なくすることができるので、膜電極接合体４０の内部での反応ガスの流路が水で閉塞されるといった問題の発生を抑制できる。
【００３９】
＜第２実施形態＞
第２実施形態の固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体４０が複数個に分割されている点で上記実施形態と異なっている。以下に第２実施形態の固体高分子形燃料電池の構成について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００４０】
図５は、セルの分解斜視図である。図示するように、セルＣは、膜電極接合体４０が燃料極セパレータ１３及び空気極セパレータ１４によってその両側から挟まれた構造となっている。詳細には、膜電極接合体４０の周囲にはガスケット（シール部材の一例）４１が設けられ、膜電極接合体４０とガスケット４１とが一枚の部材となって、燃料極セパレータ１３及び空気極セパレータ１４によってその両側から挟まれている。ガスケット４１は中央部に２つの開口部分が設けられた「８」の字形に形成され、それぞれの開口部分に膜電極接合体４０（第１膜電極接合体部材４０Ａ，第２膜電極接合体部材４０Ｂ）が嵌め込まれている。尚、図５では、冷却水の流路についての説明は省略している。
【００４１】
本実施形態では、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流入部１３ａ１，１４ａ１の側から流出部１３ａ２，１４ａ２の側に向かって第１膜電極接合体部材４０Ａと第２膜電極接合体部材４０Ｂとが順に並ぶ。つまり、第１膜電極接合体部材４０Ａの方が反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流入部１３ａ１，１４ａ１に近い位置にあり、第２膜電極接合体部材４０Ｂの方が反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流出部１３ａ２，１４ａ２に近い位置にある。そして、セルＣ内でガス流路１３ａ，１４ａに面する膜電極接合体４０の低加湿適応性能は、流入部１３ａ１，１４ａ１の近傍にある第１膜電極接合体部材４０Ａの方が、流出部１３ａ２，１４ａ２の近傍にある第２膜電極接合体部材４０Ｂよりも高くなるように構成されている。つまり、膜電極接合体４０の第１膜電極接合体部材４０Ａの低加湿適応性能は、第２膜電極接合体部材４０Ｂの低加湿適応性能よりも高い。
【００４２】
このような低加湿適応性能の違いは、第１実施形態と同様に、第１膜電極接合体部材４０Ａ及び第２膜電極接合体部材４０Ｂのそれぞれを構成する、固体高分子電解質膜１０、触媒層１１ｂ，１２ｂ、ガス拡散層１１ａ，１２ａのうちの少なくとも何れか一つの特性の違いによって生み出すことができる。つまり、膜電極接合体４０は、低加湿適応性能の異なる複数個の膜電極接合体部材４０Ａ，４０Ｂを組み合わせて形成され、これにより、セルＣ内でガス流路１３ａ，１４ａに面する膜電極接合体４０の低加湿適応性能が、反応ガスの流入部１３ａ１，１４ａ１の近傍の方が反応ガスの流出部１３ａ２，１４ａ２の近傍よりも高くなるような構成を得ることができる。
【００４３】
＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態において、燃料電池システムの構成は適宜変更可能である。
例えば、図１に示した発電ユニットＵ１に変成器や一酸化炭素除去器などを追加で設けてもよい。即ち、図１に示した例では、改質器８で生成された改質ガス（水素を主成分とするガス）が固体高分子形燃料電池のセルＣに供給される例を示したが、変成器を用いてその改質ガス中に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成し、更に一酸化炭素除去器を用いてその変成処理を施した後の改質ガスに残存している一酸化炭素を除去した上でセルＣに供給するような変更を行ってもよい。
他にも、図１等に示した各ガスの流路の構成、冷却水の流路の構成、湯水の流路の構成なども適宜変更可能である。
【００４４】
＜２＞
上記実施形態において、膜電極接合体４０の両面側ではなく、酸化剤ガスが流れる側の膜電極接合体４０の低加湿適応性能のみを、上述したように流入部１４ａ１の近傍の方が流出部１４ａ２の近傍よりも高くなるように異ならせることでもよい。酸化剤ガスが供給される空気極１２では発電反応によって水が生成されるため、燃料極１１側に比べて、存在する水が相対的に多い条件下にある。そのため、セルＣへの反応ガスの流入部１３ａ１，１４ａ１の近傍の膜電極接合体４０が、流入してくる反応ガスによって乾燥し易いという問題は燃料極１１側及び空気極１２側で共通するが、セルからの反応ガスの流出部１３ａ２，１４ａ２の近傍で水が多く存在するという現象は、燃料極１１側よりも空気極１２側の方が顕著になる。このような場合において、空気極１２に供給される酸化剤ガスのガス流路１４ａに面する膜電極接合体４０の低加湿適応性能を、流入部１４ａ１の近傍の方が流出部１４ａ２の近傍よりも高くなるように構成すると、空気極１２側で顕著になる、セルＣからの酸化剤ガスの流出部１４ａ２の近傍で水が多く存在するという現象に対して、より良く対処できる。
【００４５】
或いは、燃料ガスが流れる側の膜電極接合体４０の低加湿適応性能のみを、上述したように流入部１３ａ１の近傍の方が流出部１３ａ２の近傍よりも高くなるように異ならせてもよい。この場合、流入部１３ａ１の近傍に位置する燃料ガスが流れる側の膜電極接合体４０は、存在する水が相対的に少なくても、低加湿適応性能が相対的に高く発揮されることで、求められる性能を充分に発揮することができる。
また、例えば上記低加湿適応性能が保水性能である場合、燃料ガスが流れる側の流出部１３ａ２の近傍の膜電極接合体４０の保水性能は、燃料ガスが流れる側の流入部１３ａ１の近傍の膜電極接合体４０の保水性能よりも低くなる(即ち、水が排出され易くなる)。加えて、膜電極接合体４０を間に挟んで対向する位置にある、燃料ガスの流入部１３ａ１の近傍と酸化剤ガスの流入部１４ａ１の近傍との比較では、燃料ガスが流れる側の流入部１３ａ１の近傍の膜電極接合体４０の保水性能は、酸化剤ガスが流れる側の流入部１４ａ１の近傍の膜電極接合体４０の保水性能よりも高くなる(即ち、水が排出され難くなる)。その結果、空気極１２側で生成された水が、固体高分子電解質膜１０を経由して燃料極１１側へ拡散する量が抑えられ、その水は、空気極１２側に留まるようになる。従って、燃料極１１側に比べ供給するガス量が相対的に多い空気極１２側の酸化剤ガスの流入部１４ａ１の近傍における膜電極接合体４０の乾燥を抑制できる。
【００４６】
＜３＞
第１実施形態で説明した膜電極接合体４０の第１領域４０ａの面積（即ち、「燃料極セパレータ１３及び空気極セパレータ１４に相対する面積」。以下、同様。）と第２領域４０ｂの面積は互いに同じでなくてもよく、並びに、第２実施形態で説明した第１膜電極接合体部材４０Ａの面積及び第２膜電極接合体部材４０Ｂの面積は互いに同じでなくてもよい。
また、膜電極接合体４０の低加湿適応性能を、第１領域４０ａ及び第２領域４０ｂ、或いは、第１膜電極接合体部材４０Ａ及び第２膜電極接合体部材４０Ｂというように２つに区分けして異ならせるのではなく、３つ以上に区分けして互いに異ならせてもよい。更に、上述するように、膜電極接合体４０の低加湿適応性能を、流入部１３ａ１，１４ａ１の近傍の方が流出部１３ａ２，１４ａ２の近傍よりも高くなるように段階的に変化させて異ならせるのではなく、連続的に変化させて異ならせてもよい。
【００４７】
＜４＞
図３及び図５に例示したセルＣでは、膜電極接合体４０に対する燃料ガスの流れる向きと酸化剤ガスの流れる向きとが同じ向き（並行流）である場合にしているが、膜電極接合体４０に対する燃料ガスの流れる向きと酸化剤ガスの流れる向きとを、逆の向き（対向流）に改変してもよく、或いは、交差（例えば９０度の角度での交差など）するように改変してもよい。このような改変を行った場合、セルＣ内でガス流路としての酸化剤ガス流路１４ａに面する膜電極接合体４０の低加湿適応性能を、流入部１４ａ１の近傍の方が流出部１４ａ２の近傍よりも高くなるように構成することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、コストの上昇を抑制しながら、膜電極接合体に求められる性能を充分に発揮させることができる固体高分子形燃料電池に利用できる。
【符号の説明】
【００４９】
１０  固体高分子電解質膜
１１  燃料極
１２  空気極
１３ａ  燃料ガス流路
１３ａ１  流入部
１３ａ２  流出部
１４ａ  酸化剤ガス流路
１４ａ１  流入部
１４ａ２  流出部
４０  膜電極接合体
４０Ａ，４０Ｂ  膜電極接合体部材
４１  ガスケット
Ｃ  セル
ＣＳ  セルスタック
【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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