(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極触媒層が設けられた膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面及び他方の面のそれぞれに設けられた第１及び第２撥水層と、前記第１及び前記第２撥水層を介して前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、前記膜電極接合体の外周を覆って配置され、前記一対のセパレータに挟持された絶縁部材と、をそれぞれ含む複数の単セルと、
前記複数の単セルを挟持する一対のエンドプレートと、
前記一対のエンドプレートの一方と前記複数の単セルの前記一対のセパレータ及び前記絶縁部材とを貫通して設けられ、前記膜電極接合体から排出されたガスを前記燃料電池の外部に排出するガス排出マニホールドと、を備え、
前記ガス排出マニホールドは、前記燃料電池が車両に搭載される状態において前記膜電極接合体の下方に液水が溜まる貯水部を有し、
前記複数の単セルの前記電解質膜は、前記貯水部に延びて挿入されていて、
前記一対のエンドプレートのいずれか一方は、前記貯水部に溜まった液水を前記燃料電池の外部に排出可能な排水流路を有することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に触媒電極層が配置された膜電極接合体を備える。膜電極接合体では電気化学反応が進行し、水が生成されることから、燃料電池内には水が存在する。燃料電池を長時間運転すると、吸入する空気に含まれる陽イオン不純物が燃料電池内の水に混入したり、電解質膜及び触媒電極層を構成する材料に含まれる陽イオン不純物が燃料電池内の水に溶出したりする。これにより、発電性能の低下が生じてしまう。そこで、燃料電池を高負荷で運転することで、陽イオン不純物を低減させて発電性能を回復させることが知られている（例えば、特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−８５９５９号公報
【特許文献２】特開２００１−８５０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池を高負荷で運転して発電性能を回復させる方法によれば、燃料電池を高負荷で運転することで大量の生成水が発生するため、この生成水と共に陽イオン不純物を外部に排出することで陽イオン不純物を低減させることができる。しかしながら、膜電極接合体内の水分量を適正に保つために膜電極接合体の側面に撥水層が設けられる場合があり、この場合、膜電極接合体内の生成水は撥水層に遮断されるため、液水の状態では外部に排出され難い。また、大量に生成水が発生することで生成水の一部が外部に排水されたとしても、陽イオン不純物の拡散速度は遅いため、新たに発生した生成水に陽イオン不純物は移動し難く、その結果、生成水と共に排出される陽イオン不純物の量は少ない。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、多量の陽イオン不純物を外部に排出することが可能な燃料電池及び燃料電池システム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】
本発明は、燃料電池であって、電解質膜の両面に電極触媒層が設けられた膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面及び他方の面のそれぞれに設けられた第１及び第２撥水層と、前記第１及び前記第２撥水層を介して前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、前記膜電極接合体の外周を覆って配置され、前記一対のセパレータに挟持された絶縁部材と、をそれぞれ含む複数の単セルと、前記複数の単セルを挟持する一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの一方と前記複数の単セルの前記一対のセパレータ及び前記絶縁部材とを貫通して設けられ、前記膜電極接合体から排出されたガスを前記燃料電池の外部に排出するガス排出マニホールドと、を備え、前記ガス排出マニホールドは、前記燃料電池が車両に搭載される状態において前記膜電極接合体の下方に液水が溜まる貯水部を有し、前記複数の単セルの前記電解質膜は、前記貯水部に延びて挿入されていて、前記一対のエンドプレートのいずれか一方は、前記貯水部に溜まった液水を前記燃料電池の外部に排出可能な排水流路を有することを特徴とする燃料電池である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、多量の陽イオン不純物を外部に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セルの構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）はアノード側セパレータの斜視図、図２（ｂ）は絶縁部材の斜視図、図２（ｃ）はカソード側セパレータの斜視図である。
【図３】図３は、図１のＡ−Ａ間の断面図である。
【図４】図４は、実施例１に係る燃料電池の構成を示す図である。
【図５】図５は、比較例に係る燃料電池において、燃料電池内の液水に含まれる陽イオン不純物が燃料電池の外部に排出され難いことのメカニズムを説明する図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、比較例に係る燃料電池において、燃料電池を高負荷で運転することで陽イオン不純物が燃料電池の外部に排出されるメカニズムを説明する図である。
【図７】図７（ａ）から図７（ｃ）は、実施例１の燃料電池の効果を説明する図である。
【図８】図８は、貯水部の貯水量に対し、膜電極接合体及び貯水部で最終的に平衡状態となる陽イオン不純物の量を示す図である。
【図９】図９（ａ）は、実施例２に係る燃料電池の構成を示す図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。
【図１０】図１０は、実施例３に係る燃料電池の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
実施例１に係る燃料電池は、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１は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セル１００の構成を示す図である。なお、図１では、燃料電池が車両に搭載される状態での重力方向を紙面の下側方向として図示している（図３、図４、図９、及び図１０においても同じ）。図１のように、単セル１００は、電解質膜１２の両面に触媒電極層であるアノード触媒層１４ａとカソード触媒層１４ｃとが形成された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０を備える。アノード触媒層１４ａとカソード触媒層１４ｃとは長さが異なっており、アノード触媒層１４ａの下端はカソード触媒層１４ｃの下端よりも下側に位置している。なお、カソード触媒層１４ｃの下端がアノード触媒層１４ａの下端よりも下側に位置してもよいし、それぞれの下端が揃っていてもよい。
【００１１】
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する触媒（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。
【００１２】
ＭＥＡ１０の両側には、ＭＥＡ１０内に含まれる水分を適正量に保つための一対の撥水層（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。ＭＥＡ１０、一対の撥水層、及び一対のガス拡散層を総称して膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）３０と称す。アノード側撥水層１６ａ及びアノードガス拡散層１８ａは、その下端がアノード触媒層１４ａの下端と略揃う位置に設けられている。カソード側撥水層１６ｃ及びカソードガス拡散層１８ｃは、その下端がカソード触媒層１４ｃの下端と略揃う位置に設けられている。なお、触媒層、撥水層、及びガス拡散層の下端が揃っていない場合でもよい。
【００１３】
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、膜電極接合体１０内に含まれる水分を適正量に保つことができる。
【００１４】
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、水素が流通可能なアノードガス流路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、空気が流通可能なカソードガス流路２２ｃを形成する。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は、冷媒が流通可能な冷媒流路２４ａ、２４ｃを形成する。アノード側セパレータ２０ａの下方側面にはガスケット２６が設けられている。なお、実施例１ではアノードとカソードに拡散層を備える構成としたが、これに限定されない。一方又は両方の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撥水層を介して直接触媒層にガスが供給される。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る。
【００１５】
ＭＥＧＡ３０の外周を覆って、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た枠状の絶縁部材４０が配置されている。絶縁部材４０は接着剤４１によって接着している。ここで、アノード側セパレータ２０ａ、カソード側セパレータ２０ｃ、及び絶縁部材４０をより詳しく説明する。図２（ａ）はアノード側セパレータ２０ａの斜視図、図２（ｂ）は絶縁部材４０の斜視図、図２（ｃ）はカソード側セパレータ２０ｃの斜視図である。
【００１６】
図２（ａ）から図２（ｃ）のように、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は水素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は空気排出マニホールドを画定する。
【００１７】
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は空気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は水素排出マニホールドを画定する。
【００１８】
孔ａ３、ｓ３、及びｃ３は、Ｌ字型形状をしていることから、空気排出マニホールドはＬ字型形状となっている。その他の孔は長方形形状をしていることから、その他のマニホールドは長方形形状をしている。また、ＭＥＧＡ３０は、絶縁部材４０の内側に配置される。言い換えると、絶縁部材４０は、ＭＥＧＡ３０の外周を覆って配置される。
【００１９】
アノード側セパレータ２０ａのＭＥＧＡ３０に対向する面には、水素供給マニホールドと水素排出マニホールドとを連通して水素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、空気供給マニホールドと空気排出マニホールドとを連通して空気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２４ａ、２４ｃが形成されている。
【００２０】
図３は、図１のＡ−Ａ間の断面図である。なお、図３では接着剤４１については図示を省略している。図１及び図３のように、アノード側セパレータ２０ａ、絶縁部材４０、及びカソード側セパレータ２０ｃにそれぞれ設けられた孔ａ３、ｓ３、及びｃ３は、ＭＥＧＡ３０の下方において、電気化学反応に伴う生成水や燃料電池が停止することで発生する結露水などの液水が溜まる貯水部３２を形成する。すなわち、孔ａ３、ｓ３、及びｃ３は空気排出マニホールドを画定することから、空気排出マニホールドはＭＥＧＡ３０の下方に液水が溜まる貯水部３２を有する。電解質膜１２の一部は、貯水部３２に延びて挿入されている。
【００２１】
孔ｓ３の上側では、電解質膜１２の両側面は絶縁部材４０で保持されている。電解質膜１２の下端部も絶縁部材４０で保持されている。このように、電解質膜１２のアノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃから延びた部分の上部と下部とが絶縁部材４０で保持されているため、隣接するセルの電解質膜１２同士が接触することが抑制される。
【００２２】
図４は、実施例１に係る燃料電池２００の構成を示す図である。なお、図４では、図の明瞭化のために、単セルの構成の一部を簡略化して図示している。図４のように、実施例１の燃料電池２００は、図１〜図３で説明した複数の単セル１００が一対のエンドプレート７０、７２によって挟持されたスタック構造をしている。エンドプレート７０、７２は、例えば金属製であるが、その他の材料からなる場合でもよい。
【００２３】
エンドプレート７２は、流路７４を備える。流路７４には、絞り部８０が設けられている。複数の単セル１００それぞれのアノード側セパレータ２０ａに設けられた孔ａ３、絶縁部材４０に設けられた孔ｓ３、及びカソード側セパレータ２０ｃに設けられた孔ｃ３は、エンドプレート７２の流路７４と連通し、これにより、ＭＥＡ１０から排出されたカソードオフガスを燃料電池２００の外部に排出する空気排出マニホールド３４が形成されている。なお、図示はしていないが、エンドプレート７２は、水素供給マニホールド、冷媒供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷媒排出マニホールド、水素排出マニホールドを画定する流路も備えている。
【００２４】
エンドプレート７２の流路７４の断面積は、単セル１００のアノード側セパレータ２０ａに設けられた孔ａ３、絶縁部材４０に設けられた孔ｓ３、及びカソード側セパレータ２０ｃに設けられた孔ｃ３の断面積よりも小さい。これにより、ＭＥＧＡ３０の下方における空気排出マニホールド３４には、生成水や結露水などの液水３６が溜まる貯水部３２が形成される。貯水部３２は複数の単セル１００に渡って形成されることから、貯水部３２には多量の液水３６を溜めることができる。複数の単セル１００の電解質膜１２は、貯水部３２に延在していて、貯水部３２に溜まった液水３６に挿入されるようになる。
【００２５】
エンドプレート７２及び絞り部８０には、貯水部３２と流路７４とを連通する流路７６が設けられている。流路７６には、貯水部３２に溜まった液水３６が侵入する。エンドプレート７２内の流路７４の流路７６と連通する部位において断面積が狭くなる絞り部８０を備えることから、流路７４を介して外部に排出されるカソードオフの流速が上がり、貯水部３２に溜まった液水３６の量が増えると、カソードオフガスの流速によって発生する負圧によって貯水部３２から流路７６を通して液水３６が吸い出されて外部に排水される。したがって、燃料電池の発電中であっても、貯水部３２に液水３６が溜まり、カソードオフガスの流速が上がると、随時液水３６を外部に排水することが可能である。流路７６は、貯水部３２に溜まった液水３６を燃料電池２００の外部に排水可能な排水流路として機能する。なお、例えば燃料電池が停止している間は貯水部３２に液水３６が溜まった状態となり、貯水部３２に多量の液水３６を長時間溜めることができる。また、流路７６の流路７４への連通部及び絞り部８０は、エンドプレート７２内にのみ設けられている場合に限られず、エンドプレート７２の外側に設けられていてもよい。
【００２６】
ここで、実施例１の燃料電池の効果を説明するに当たり、比較例の燃料電池について説明する。比較例の燃料電池では、空気排出マニホールドは、その他のマニホールドと同様に長方形形状をし、電解質膜は、その下端がアノード触媒層の下端と略揃う位置に設けられている点で、実施例１の燃料電池と異なる。すなわち、比較例の燃料電池では、空気排出マニホールドに貯水部は形成されてなく、これに伴い、電解質膜は貯水部まで延びていない。その他の構成は、実施例１と同じである。
【００２７】
図５は、比較例に係る燃料電池において、燃料電池内の液水に含まれる陽イオン不純物が燃料電池の外部に排出され難いことのメカニズムを説明する図である。なお、図５では、カソード側を例に説明しているが、アノード側でも同様のことが生じる。図５のように、カソード触媒層１４ｃでの電気化学反応によって生成水（液水３６）が発生し、電解質膜１２及びカソード触媒層１４ｃ内には液水３６が存在する。燃料電池を長時間運転すると、吸入する空気や、電解質膜及び電極触媒層を構成する材料に含まれる陽イオン不純物４２が、プロトン４４と共に、液水３６に含まれるようになる。電解質膜１２内に陽イオン不純物４２が存在すると、発電性能の低下が生じてしまう。陽イオン不純物４２として、例えばＣａ２＋やＭｇ２＋、Ｃｏ２＋などが挙げられる。
【００２８】
液水３６内の陽イオン不純物４２は、燃料電池の運転中では、電解質膜１２の平面と交差（直交）する方向には液水３６内を電位差によって拡散し、電解質膜１２の平面方向には液水３６内を濃度差によって拡散する。燃料電池の停止中には、液水３６内の陽イオン不純物４２は、電解質膜１２の平面方向と交差（直交）する方向及び平面方向のいずれにも、液水３６内を濃度差によって拡散する。拡散量は数１で表すことができ、電解質膜１２とカソード触媒層１４ｃとで最終的な陽イオン不純物４２の比率が等しくなる。
【数１】
0006575354.tif 000002
【００２９】
カソード触媒層１４ｃの側面にカソード側撥水層１６ｃが設けられているため、カソード触媒層１４ｃから外部に液水３６が排水され難くなっている。しかしながら、液水３６の一部は、カソードオフガスに溶け込んでカソード側撥水層１６ｃを通過することで、外部に排水される。一方、陽イオン不純物４２は、カソードオフガスに溶け込むことができないため、液水３６のようにカソードオフガスに溶け込んで外部に排出されることが難しい。このようなことから、液水３６内の陽イオン不純物４２は燃料電池の外部に排出され難いことが生じている。
【００３０】
例えば特開２００１−８５０３７号公報などによれば、燃料電池を高負荷で運転することで、陽イオン不純物を外部に排出するようにしている。このことについて図６（ａ）及び図６（ｂ）を用いて説明する。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、比較例に係る燃料電池において、燃料電池を高負荷で運転することで陽イオン不純物が燃料電池の外部に排出されるメカニズムを説明する図である。
【００３１】
図６（ａ）のように、高負荷で燃料電池を運転することで多量の生成水（液水３６）が発生するため、カソードオフガスに溶け込んで排出可能な量を超えた液水３６によって、カソード触媒層１４ｃ中の液水３６の圧力が上昇する。その結果、液水３６がカソード触媒層１４ｃから押し出されてカソード側撥水層１６ｃを通過してカソードガス流路２２ｃに排水されることが生じる。この液水３６の排水と共に、液水３６中の陽イオン不純物４２が排出される。
【００３２】
しかしながら、カソード側撥水層１６ｃを通過してカソードガス流路２２ｃに排水される液水３６の量はあまり多くない。また、陽イオン不純物４２は液水３６内を濃度拡散で拡散するため移動速度が遅く、上記の数１の状態になるまでは長い時間を要する。すなわち、陽イオン不純物４２は、燃料電池を高負荷で運転することで発生した液水３６に短時間で移動することができない。このため、燃料電池を高負荷で運転することで液水３６と共に排出される陽イオン不純物４２は、高負荷での運転前からカソード触媒層１４ｃ内のカソード側撥水層１６ｃ近傍に存在していた液水３６に拡散していた陽イオン不純物４２だけであり、図６（ｂ）のように、電解質膜１２の液水３６内に含まれる陽イオン不純物４２は排出され難い。したがって、多量の陽イオン不純物４２を外部に排出することが難しい。
【００３３】
図７（ａ）から図７（ｃ）は、実施例１の燃料電池の効果を説明する図である。実施例１では、図４で説明したように、貯水部３２には多量の液水３６が長時間溜まり、電解質膜１２の一部は貯水部３２に延びていることで液水３６に挿入される。このため、図７（ａ）から図７（ｃ）のように、電解質膜１２の液水３６内に含まれる多量の陽イオン不純物４２が貯水部３２に溜まった液水３６に拡散して、貯水部３２の液水３６内の陽イオン不純物４２の濃度が高くなる。したがって、貯水部３２から空気排出マニホールド３４を介して外部に排水される液水３６には多量の陽イオン不純物４２が含まれるようになり、多量の陽イオン不純物４２を外部に排出することができる。なお、図７（ａ）から図７（ｃ）での陽イオン不純物４２の拡散は、濃度拡散が支配的であり電位差による拡散はほとんど考慮しなくてよい。
【００３４】
以上のように、実施例１によれば、図４のように、空気排出マニホールド３４は、ＭＥＡ１０の下方に液水３６が溜まる貯水部３２を有する。複数の単セル１００の電解質膜１２は、貯水部３２に延びて挿入されている。このため、図７（ａ）から図７（ｃ）で説明したように、電解質膜１２の液水３６内に含まれる多量の陽イオン不純物４２が貯水部３２の液水３６に拡散することができ、貯水部３２の液水３６内の陽イオン不純物４２の濃度が高くなる。実施例１の燃料電池２００は、エンドプレート７２に貯水部３２に溜まった液水３６を外部に排水可能な流路７６を備えていることから、貯水部３２の陽イオン不純物４２を高濃度で含む液水３６を外部に排水することができる。これにより、多量の陽イオン不純物４２を外部に排出することができ、その結果、発電性能を良好に回復させることができる。また、貯水部３２は発電部の外側にあるため、発電性能の低下を抑制しつつ、多量の陽イオン不純物４２を外部に排出して発電性能を回復させることができる。
【００３５】
また、実施例１において、貯水部３２の容積は、ＭＥＡ１０の最大含水量の２０％以上であることが好ましい。このことを、図８を用いて説明する。図８は、貯水部３２の貯水量に対し、ＭＥＡ１０及び貯水部３２で最終的に平衡状態となる陽イオン不純物４２の量を示す図である。なお、図８では、一定の走行距離（例えば１０００ｋｍ）あたりに混入する陽イオン不純物４２の量を１とした場合を示している。図８の横軸は、ＭＥＡ１０の最大含水量に対する貯水部３２の貯水量の割合（貯水量／膜電極接合体の最大含水量）である。縦軸は、貯水部３２に溜まった液水３６を繰り返し排水することでＭＥＡ１０及び貯水部３２で最終的に平衡状態となる陽イオン不純物４２の量である。
【００３６】
図８のように、（貯水量／膜電極接合体の最大含水量）が１である場合は、一定の走行距離あたりに混入される陽イオン不純物４２の量程度に、ＭＥＡ１０に蓄積される陽イオン不純物４２の量が抑えられる。（貯水量／膜電極接合体の最大含水量）が１より大きくなっても、ＭＥＡ１０に蓄積される陽イオン不純物４２の量はあまり少なくならない。一方、（貯水量／膜電極接合体の最大含水量）が０．２よりも小さい場合には、ＭＥＡ１０に蓄積される陽イオン不純物４２の量が急激に多くなる。
【００３７】
以上のことから、ＭＥＡ１０に蓄積される陽イオン不純物４２の量を少なくする点から、貯水部３２の容積は、ＭＥＡ１０の最大含水量の２０％以上であることが好ましい。貯水部３２の容積は、ＭＥＡ１０の最大含水量の５０％以上であることがより好ましく、８０％以上であることがさらに好ましい。一方、貯水部３２の容積が、ＭＥＡ１０の最大含水量の１００％よりも大きくなっても、ＭＥＡ１０に蓄積される陽イオン不純物４２の量はほとんど変わらない。貯水部３２の容積が大きくなる程、燃料電池は大型化する恐れがあることから、貯水部３２の容積は、ＭＥＡ１０の最大含水量の２００％以下であることが好ましく、１６０％以下である場合がより好ましく、１４０％以下である場合がさらに好ましい。
【００３８】
なお、ＭＥＡ１０中の含水量は、ＭＥＡ１０に含まれる電解質膜の含水量とカソード触媒層１４ｃの空隙中の含水量によってほぼ決まる。電解質膜の最大含水量は、電解質膜の構造で１つに決まる値であり、下記の数２によって求めることができる。
【数２】
0006575354.tif 000003
λは、電解質膜に含まれるＳＯ３−の含水係数である。Ｖｍｅｍ、ρｍｅｍ、ＥＷｍｅｍは、電解質膜１２の体積、密度、ＥＷ（Equivalent Weight）値である。Ｖｉｏｎ、ＡＮ、ρｉｏｎ、ＡＮ、ＥＷｉｏｎ、ＡＮは、アノード触媒層１４ａに含まれるアイオノマーの体積、密度、ＥＷ値である。Ｖｉｏｎ、ＣＡ、ρｉｏｎ、ＣＡ、ＥＷｉｏｎ、ＣＡは、カソード触媒層１４ｃに含まれるアイオノマーの体積、密度、ＥＷ値である。ＶＷは、含水の体積である。ρＷ、ＭＷは、水の密度、モル重量である。
【００３９】
カソード触媒層１４ｃの空隙は、カソード触媒層１４ｃの構造で１つに決まる値であり、下記の数３によって求めることができる。空隙中に水が含まれることから、空隙の体積を求めることで含水量を求めることができる。空隙の体積は、カソード触媒層１４ｃの体積（面積と厚さ）と空隙率とから算出することができる。空隙率は、カソード触媒層１４ｃの体積からカソード触媒層１４ｃに含まれる材料（カーボン担体、アイオノマー、触媒）の体積を引いた値の空隙がカソード触媒層１４ｃの体積に占める割合である。
【数３】
0006575354.tif 000004
εは、空隙率であり、ＳＣＬは、カソード触媒層１４ｃの体積である。ｍＣ、ρＣは、カソード触媒層１４ｃに含まれるカーボン担体の質量、密度である。ｍｉｏｎ、ρｉｏｎは、カソード触媒層１４ｃに含まれるアイオノマーの質量、密度である。ｍｐｔ、ρｐｔは、カソード触媒層１４ｃに含まれる触媒の質量、密度である。
【００４０】
例えば、以下の代表的な物性を用いて１ｃｍ２あたりの最大含水量を求めると、１．０８ｍｇ／ｃｍ２となる。
λ：１４
Ｖｍｅｍ：０．００１ｃｍ３
ρｍｅｍ：２ｇ／ｍ３
ＥＷｍｅｍ：１０００ｇ／ｍｏｌ
Ｖｉｏｎ、ＡＮ：７．５×１０−５ｃｍ３
ρｉｏｎ、ＡＮ：２ｇ／ｃｍ３
ＥＷｉｏｎ、ＡＮ：１０００ｇ／ｍｏｌ
Ｖｉｏｎ、ＣＡ：１．５×１０−４ｃｍ３
ρｉｏｎ、ＣＡ：２ｇ／ｃｍ３
ＥＷｉｏｎ、ＣＡ：１０００ｇ／ｍｏｌ
ＶＷ：算出値
ρＷ：１ｇ／ｃｍ３
ＭＷ：１８ｇ／ｍｏｌ
ε：０．４５
ＳＣＬ：０．００１ｃｍ３
発電面積が２００ｃｍ２の単セルでは、１枚当たりの最大含水量は０．２１６ｇとなる。この場合、単セル１枚あたりの貯水部３２の容積は、最大含水量の２０％以上となる、０．０４３ｃｃ以上であることが好ましい。
【実施例２】
【００４１】
図９（ａ）は、実施例２に係る燃料電池３００の構成を示す図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図９（ａ）及び図９（ｂ）のように、実施例２の燃料電池３００では、アノード側セパレータ２０ａ、絶縁部材４０、及びカソード側セパレータ２０ｃにそれぞれ設けられた孔ａ３、ｓ３、及びｃ３は、ＭＥＧＡ３０の下方にＭＥＧＡ３０全体に渡って設けられている。すなわち、空気排出マニホールドは、ＭＥＧＡ３０の下方にＭＥＧＡ３０全体に渡って設けられていて、ＭＥＧＡ３０の下方全体に貯水部３２を有する。電解質膜１２は、複数個所において、貯水部３２に延びて挿入されている。その他の構成は、実施例１と同じであるため、説明を省略する。
【００４２】
実施例２によれば、貯水部３２が単セル１００のＭＥＧＡ３０の下方全体に設けられているため、貯水部３２に溜まる液水３６の量を増大させることができる。これにより、貯水部３２の液水３６により多くの陽イオン不純物４２を含ませることができ、電解質膜１２中の陽イオン不純物４２の量を低減させることができる。また、電解質膜１２の複数個所が貯水部３２に延びて挿入されているため、電解質膜１２と貯水部３２の液水３６との接触面積が増え、電解質膜１２から貯水部３２の液水３６への陽イオン不純物４２の拡散を促進させることができる。また、電解質膜１２の複数個所が貯水部３２の液水３６と接触する場合、電解質膜１２は貯水部３２の液水３６に散らばって接触するようになるため、この点においても、電解質膜１２から貯水部３２の液水３６への陽イオン不純物４２の拡散を促進させることができる。
【実施例３】
【００４３】
図１０は、実施例３に係る燃料電池４００の構成を示す図である。図１０のように、実施例３の燃料電池４００では、エンドプレート７２の流路７４に絞り部８０は設けられていない。エンドプレート７２に貯水部３２と燃料電池４００の外部とを連通する流路７８が設けられている、流路７８は、貯水部３２に溜まった液水３６を燃料電池４００の外部に排水可能な排水流路として機能する。燃料電池４００の外部には、流路７８に接続する流路にバルブ８２が設置されていて、バルブ８２の開閉によって、貯水部３２の液水３６の外部への排水、非排水を切り替えることができる。バルブ８２は、制御装置からの指示に基づいて自動開閉する電子制御バルブ（例えば電磁弁）であってもよいし、手動によって開閉する手動バルブ（例えば手動コック）であってもよい。その他の構成は、実施例１と同じであるため、説明を省略する。
【００４４】
実施例３によれば、例えば所定走行距離や所定走行時間、所定発電時間毎に制御装置からの指示によってバルブ８２が開くことで、貯水部３２の液水３６を外部に排水させて、陽イオン不純物４２を外部に排出することができる。また、例えば定期点検などの際に手動でバルブ８２を開くことで、貯水部３２の液水３６を外部に排水させてもよい。
【００４５】
なお、実施例３では、流路７８は、空気排出マニホールド３４が形成されたエンドプレート７２に設けられている場合を例に示したが、空気排出マニホールド３４が形成されていないエンドプレート７０に設けられている場合でもよい。
【００４６】
なお、実施例１から実施例３においては、複数の単セル１００の全ての電解質膜１２が貯水部３２に延びて挿入されていることが好ましいが、一部の単セル１００の電解質膜１２が貯水部３２に延びていない場合でもよい。
【００４７】
なお、実施例１から実施例３では、空気排出マニホールド３４に貯水部３２が形成される場合を例に示したが、水素排出マニホールドに貯水部が形成される場合でもよい。しかしながら、カソード側は生成水が多く発生するため、貯水部３２は空気排出マニホールド３４に形成されることが好ましい。
【００４８】
なお、実施例１から実施例３では、貯水部３２には生成水や結露水などが溜まる場合を例に示したが、例えば定期点検などの際に外部から貯水部３２に液水３６を供給して溜めてもよい。
【００４９】
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。
【符号の説明】
【００５０】
１０  膜電極接合体
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
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
２２ａ  アノードガス流路
２２ｃ  カソードガス流路
３０  膜電極ガス拡散層接合体
３２  貯水部
３４  空気排出マニホールド
３６  液水
４０  絶縁部材
４１  接着剤
４２  陽イオン不純物
４４  プロトン
７０、７２  エンドプレート
７４〜７８  流路
８０  絞り部
ａ１〜ａ６、ｓ１〜ｓ６、ｃ１〜ｃ６  孔
１００  単セル
２００〜４００  燃料電池
【図１】
0006575354.tif 000005
【図２】
0006575354.tif 000006
【図３】
0006575354.tif 000007
【図４】
0006575354.tif 000008
【図５】
0006575354.tif 000009
【図６】
0006575354.tif 000010
【図７】
0006575354.tif 000011
【図８】
0006575354.tif 000012
【図９】
0006575354.tif 000013
【図１０】
0006575354.tif 000014