(57)【要約】【課題】電解質膜の湿潤状態の制御性が良い燃料電池の提供。【解決手段】湿潤の状況に応じて伸縮する特性を有する電解質膜２３の一端は、固定シール部５２で固定されており、他の一端は、伸縮可能シール部５４で伸縮可能に保持されている。酸化ガス供給孔６４の近傍の電解質膜２３上には、流路絞り機構９０が取り付けられている。電解質膜２３が湿潤状態から乾燥状態へと変化すると、流路絞り機構９０は、電解質膜２３の収縮に連動して、電解質膜２３の収縮力により、ガス拡散層３０側へ移動する。その結果、流路絞り機構９０は、酸化ガス供給孔６４の酸化ガス流路としての断面積を絞り、酸化ガスの供給量を減少させることで、発電による生成水の持ち出し量を減少させて、電解質膜２３の湿潤度を増加させる。【選択図】図２
2008293732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿潤の状況に応じて伸縮する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池であって、
前記電解質膜の少なくとも一端は、該電解質膜の湿潤の状況に応じて伸縮可能に前記燃料電池の所定の部材に保持され、
前記電解質膜の伸縮に連動して、前記電解質膜の伸縮力によって、前記燃料電池の電気化学反応に供する反応ガスの流路の所定の位置の断面積を変化させる方向に移動することで、前記反応ガスの流路を流れるガス流量を調節する流路絞り機構を備えた
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記流路絞り機構は、前記電解質膜の乾燥側で前記ガス流量を低減させる
燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記流路絞り機構は、前記電解質膜の湿潤側で前記ガス流量を増加させる
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか記載の燃料電池であって、
前記流路絞り機構は、前記反応ガスの流路において、前記電解質膜上に取り付けられた部材である
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池であって、
前記流路絞り機構は、前記電解質膜が伸縮可能に保持された前記一端側の前記反応ガスの流路に設けられ、
前記電解質膜の他の一端側は、前記燃料電池の所定の部材に固定された
燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか記載の燃料電池であって、
前記流路絞り機構は、前記電解質膜の伸縮量に対して、非線形に前記ガス流量を調節する
燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか記載の燃料電池であって、
前記反応ガスは酸化ガスである
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湿潤の状況に応じて伸縮する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池における電気化学反応は、イオン伝導性の電解質膜を介したアノード電極及びカソード電極において行われる。この電気化学反応は、例えば以下のとおりである。アノード電極では、次式（１）に示すように、燃料としての水素が水素イオンと電子に分離される。分離された水素イオンは、電解質膜の内部を通ってカソード電極に移動する。そして、カソード電極層では、次式（２）に示すように、水素イオン、電子、酸化ガスとしての酸素と反応して、水が生成される。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（１）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋1/2Ｏ２→Ｈ２Ｏ・・・（２）
【０００３】
燃料電池が固形高分子形である場合、電解質膜には、プロトン伝導性を有する固体高分子膜、例えば、パーフルオロスルホン酸系ポリマが用いられる。このような固体高分子膜は、水素イオンが水分子を伴うことによって良好なプロトン伝導性を発揮する。すなわち、固形高分子形燃料電池においては、電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。通常、固形高分子形燃料電池の電解質膜は、上式（２）の反応で生成された生成水や、燃料ガスまたは酸化ガスの加湿により、湿潤状態が保たれる。
【０００４】
一方、カソード電極層において生成される生成水は、カソード電極層に滞留すると、酸素のカソード電極層への透過性が低下し、上式（２）の反応が阻害される要因となる。すなわち、カソード電極での生成水は、極力速やかに排除することが必要である。
【０００５】
以上のことから、固形高分子形燃料電池においては、電解質膜や電極層の湿潤状態を適正な範囲にコントロールすることが課題となっている。このような課題を解決する技術として、例えば、下記特許文献１の技術が知られている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−７９９８２号公報
【０００７】
特許文献１では、反応ガス流路の空間容積を可変とするガス流路溝空間可変部材、例えば、水を吸収して体積膨張する吸水性樹脂を、セパレータの凹凸により形成された反応ガス流路内に設置する燃料電池を開示している。この燃料電池の技術は、水分が過多となっている反応ガス流路内の所定の箇所において、ガス流路溝空間可変部材を膨張させて反応ガス流路面積を減少させることで、ガス流速を大きくして、ガス流れの慣性による持ち出し水分量を増加させ、電解質膜及び電極層を乾燥する方向に制御するものである。
【０００８】
しかしながら、かかる構成の燃料電池は、ガス流路溝空間可変部材が、反応ガスの湿潤状況に対して反応するので、電解質膜の湿潤状態が直接的には反応されないという問題があった。特に、燃料電池に急激な負荷変動があった場合、生成水の生成状況は大きく変化するが、その状況が反応ガスの湿潤状態に反映されるまでには、タイムラグが生じるので、その変化に対して速やかに追随できないこととなる。
【０００９】
また、かかる燃料電池は、発電体（電解質膜及び電極層）の一部分のみで局所的に著しい発電反応が行われ、多くの生成水が発生した場合であっても、ガス流路溝空間可変部材が反応ガス流路面積を減少させるので、発電体全体の平均的な状況を反映した湿潤制御ができないという問題が生じていた。例えば、反応ガスを発電体に供給する入口部分のみで局所的に著しい発電反応が行われ、多くの生成水が発生しており、発電体の全体としては、水や反応ガスが不足している場合であっても、ガス流路溝空間可変部材の膨張により反応ガス流量を減少させることとなるので、発電体全体としての発電効率が低くなることがある。
【００１０】
また、かかる燃料電池は、反応ガス流路を多孔体流路とする場合には、ガス流路溝空間可変部材を設置しにくいという問題があった。仮に設置できたとしても、当該多孔体がガス流路溝空間可変部材の膨張を拘束するため、膨張が生じにくく、効果は小さなものとなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の種々の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、電解質膜の湿潤状態の制御性が良い燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する本発明の燃料電池は、
湿潤の状況に応じて伸縮する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池であって、
前記電解質膜の少なくとも一端は、該電解質膜の湿潤の状況に応じて伸縮可能に前記燃料電池の所定の部材に保持され、
前記電解質膜の伸縮に連動して、前記電解質膜の伸縮力によって、前記燃料電池の電気化学反応に供する反応ガスの流路の所定の位置の断面積を変化させる方向に移動することで、前記反応ガスの流路を流れるガス流量を調節する流路絞り機構を備えた
ことを要旨とする。
【００１３】
かかる構成の燃料電池においては、流路絞り機構が電解質膜の伸縮に連動して、電解質膜の伸縮力によって、反応ガスの流路の所定の位置の断面積を変化させる方向に移動することで、ガス流量を調節し、反応ガスが電解質膜から持ち出す水分量を調節できる。したがって、電解質膜の伸縮作用を、そのまま電解質膜の湿潤制御動作として利用して、効率的かつ簡単に電解質膜の湿潤制御を行うことができる。また、電解質膜の全体の湿潤の状況を正確かつ速やかに反映した湿潤制御を行うことができる。
【００１４】
また、かかる構成の燃料電池において、流路絞り機構は、電解質膜の乾燥側でガス流量を低減させるものとしてもよい。このような構成とすれば、電解質膜が過度に乾燥した際に、反応ガスが電解質膜から持ち出す水分量を低減させ、その結果、適正な湿潤状態に戻すことができる。
【００１５】
また、かかる構成の燃料電池において、流路絞り機構は、電解質膜の湿潤側でガス流量を増加させるものとしてもよい。このような構成とすれば、電解質膜が過度に湿潤した際に、反応ガスが電解質膜から持ち出す水分量を増加させ、その結果、適正な湿潤状態に戻すことができる。
【００１６】
また、かかる構成の燃料電池において、流路絞り機構は、反応ガスの流路において、電解質膜上に取り付けられた部材としてもよい。このような構成とすれば、流路絞り機構は、電解質膜の伸縮に対して、効率的に連動するので、効率的な湿潤制御を行うことができる。
【００１７】
また、かかる構成の燃料電池において、流路絞り機構は、電解質膜が伸縮可能に保持された一端側の前記反応ガスの流路に設けられ、電解質膜の他の一端側は、燃料電池の所定の部材に固定されたものとしてもよい。このような構成とすれば、電解質膜の一端側は伸縮可能に保持され、他の一端側は固定されるので、両端を伸縮可能に保持された場合と比べて、一端側における電解質膜の伸縮量が大きくなる。したがって、一端側の前記反応ガスの流路に設けられた流路絞り機構が大きく移動するので、効率的に電解質膜の湿潤制御を行うことができる。
【００１８】
また、かかる構成の燃料電池において、流路絞り機構は、電解質膜の伸縮量に対して、非線形に前記ガス流量を調節するものとしてもよい。このような構成とすれば、電解質膜の伸縮量が所定の範囲を超えたとき、すなわち、電解質膜の湿潤状況が所定の範囲を超えたときに、制御量を大きくするなど、湿潤の状況に応じて、効果的に電解質膜の湿潤制御を行うことができる。
【００１９】
また、かかる構成の燃料電池において、反応ガスは酸化ガスとしてもよい。このような構成とすれば、燃料電池の電気化学反応に伴い生成水が発生するカソード電極側に供給される酸化ガスの流量を調整するので、効率的に電解質膜の湿潤制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
Ａ．実施例：
本発明の実施例について説明する。
Ａ−１．燃料電池１０の概略構成：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池１０の概略構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池１０は、固形高分子形の燃料電池であり、電解質膜・電極接合体２０、ガス拡散層３０、セパレータ４０が交互に積層され、その積層体の両端から図示しないターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持されて形成される。本実施例においては、電解質膜・電極接合体２０が複数積層される構成としているが、勿論、単一の電解質膜・電極接合体２０で構成されるものとしてもよい。
【００２１】
電解質膜・電極接合体２０は、燃料電池の電気化学反応が行われる部位であり、アノード電極層２２、電解質膜２３、カソード電極層２４により構成される。電解質膜２３は、固体高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例においては、パーフルオロスルホン酸を用いた。この電解質膜２３は、水を含むと膨潤するために、十分な湿潤状態と乾燥状態とを比べると、例えば１０〜１５％程度伸縮する特性を有している。なお、電解質膜２３には、ここでは図示しない流路絞り機構９０が設けられているが、その詳細は図２〜図４を用いて後述する。
【００２２】
アノード電極層２２及びカソード電極層２４は、導電性を有する担体上に触媒を担持させることによって形成される。本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜２３を構成する電解質と同一材質の電解質とを用いて電極ペーストを作製し、この電極ペーストを、電解質膜２３に塗布し、乾燥・固着させたものを用いた。
【００２３】
ガス拡散層３０は、電解質膜・電極接合体２０での電気化学反応に供される反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）の流路になると共に、集電を行なうものである。ガス拡散層３０は、一般的に、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンナノチューブなどによって形成することができる。本実施例においては、カーボンクロスを用いた。
【００２４】
また、上述の電解質膜・電極接合体２０及びガス拡散層３０の外周部には、ガス拡散層３０によって形成される反応ガスの流路のシール性を確保するためにシール部５０が設けられている。このシール部５０は、シール部５０の一端を構成する固定シール部５２と、その他の部分を構成する伸縮可能シール部５４とからなる。本実施例においては、シール部５０の一端のみを固定シール部５２としたが、シール部５０の少なくとも一端が伸縮可能シール部５４である構成であればよい。この固定シール部５２及び伸縮可能シール部５４の詳細については、図２を用いて後述する。なお、シール部５０には、図示するとおり、いくつかの貫通孔が設けられている。当該貫通孔は、セパレータ４０にも同様に設けられており、セパレータ４０の説明と共に後述する。
【００２５】
セパレータ４０は、反応ガスの流路となるガス拡散層３０の壁面を成す部位である。本実施例においては、ステンレス鋼を用いたが、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボンなどであってもよい。本実施例のセパレータ４０は、カソード電極層２４側のガス拡散層３０と接触するカソード側セパレータ４１と、アノード電極層２２側のガス拡散層３０と接触するアノード側セパレータ４３と、これらの間に配される中間セパレータ４２とが一体となった３層セパレータとして構成される。
【００２６】
このセパレータ４０と、上述のシール部５０には、その外周部にいくつかの貫通孔が設けられている。これらの貫通孔が連通することで、図示するように、酸化ガスの流路としての酸化ガス供給マニホールド６２及び酸化ガス排出マニホールド６８、燃料ガスの流路としての燃料ガス供給マニホールド７２及び燃料ガス排出マニホールド７８、冷却水の流路としての冷却水供給マニホールド８２及び冷却水排出マニホールド８８が形成されている。
【００２７】
また、カソード側セパレータ４１は、酸化ガスの流路を形成する酸化ガス供給孔６４、酸化ガス排出孔６６を備えている。同様に、アノード側セパレータ４３は、燃料ガスの流路を形成する燃料ガス供給孔７４、燃料ガス排出孔７６を備えている。中間セパレータ４２は、酸化ガス供給マニホールド６２または酸化ガス排出マニホールド６８と一体化され、酸化ガスの流路を形成する酸化ガス供給流路６３及び酸化ガス排出流路６７、燃料ガス供給マニホールド７２または燃料ガス排出マニホールド７８と一体化され、燃料ガスの流路を形成する燃料ガス供給流路７３及び酸化ガス排出流路７７、冷却水の流路を形成する冷却水流路８４を備えている。
【００２８】
なお、本実施例においては、セパレータ４０に３層セパレータを用いたが、これに限られるものではない。例えば、２層からなるセパレータや、表面に凹凸を有するセパレータなど、種々のセパレータを用いることができる。また、本実施例においては、酸化ガス供給孔６４、酸化ガス排出孔６６、燃料ガス供給孔７４及び燃料ガス排出孔７６は、それぞれ電解質膜・電極接合体２０の寸法に対応した一つの孔として形成されているが、小さな孔の集合体として構成してもよい。勿論、マニホールドの配置や設置数も適宜設定すればよい。
【００２９】
次に、図２を用いて、シール部５０の詳細と反応ガス等の流れについて説明する。図２（ａ）は、図１に示した燃料電池１０のＡ−Ａ断面である。シール部５０を構成する固定シール部５２は、燃料電池１０を積層方向に締結する際に生じる凸部の面圧を利用してシールを行うシール部材であり、図示するように、電解質膜・電極接合体２０の端部と接着剤により一体化されている。この固定シール部５２には、変形しにくく、硬度が比較的高い部材、例えばブチルゴムやフッ素系樹脂が用いられる。本実施例においてはブチルゴムを用いた。電解質膜２３は、このような硬度が比較的高い固定シール部５２と一体化されることで、湿潤状態が変化しても伸縮できない状態で固定シール部５２に固定されている。
【００３０】
一方、伸縮可能シール部５４は、セパレータ４０との接合面の接合力を利用してシールを行うシール部材であり、図示するように、電解質膜２３の端部と一体化されている。本実施例においては、カソード側セパレータ４１と伸縮可能シール部５４、伸縮可能シール部５４と電解質膜２３とは、いずれも接着剤により接合するものとしたが、これに限るものではない。十分な接合度が得られるのであれば、ホットプレス法など、他の方法であってもよい。この伸縮可能シール部５４には、硬度が比較的低い部材、例えば、エチレンプロピレンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴムなどが用いられる。本実施例においては、フッ素ゴムを用いた。電解質膜２３は、このような硬度が比較的低い伸縮可能シール部５４と一体化されることで、湿潤状態の変化に伴って伸縮可能な状態で伸縮可能シール部５４に保持されている。
【００３１】
また、上述の酸化ガス供給孔６４の近傍において、伸縮可能シール部５４とガス拡散層３０との間には、空隙部分が存在する。この空隙部分では、電解質膜２３上に流路絞り機構９０が取り付けられている。この流路絞り機構９０は、電解質膜２３の湿潤状態を制御するための絞り機構であり、その機能については、図３を用いて後述する。
【００３２】
かかる燃料電池１０においては、酸化ガス供給マニホールド６２に供給された酸化ガス（ここでは空気）は、セパレータ４０に形成された酸化ガス供給流路６３及び酸化ガス供給孔６４を経てガス拡散層３０に供給され、カソード電極層２４での燃料電池反応に供される。そして、その排ガス（カソード排ガス）は、ガス拡散層３０から、セパレータ４０に形成された酸化ガス排出孔６６及び酸化ガス排出流路６７を通って、酸化ガス排出マニホールド６８へと排出される。また、詳細な説明は省略するが、燃料ガスについても、図１に示した燃料ガス供給マニホールド７２から燃料ガス供給流路７３、燃料ガス供給孔７４、ガス拡散層３０、燃料ガス排出孔７６、酸化ガス排出流路７７を経て、燃料ガス排出マニホールド７８に排出される。冷却水についても、冷却水供給マニホールド８２から冷却水流路８４を流れ、冷却水排出マニホールド８８に排出される。
【００３３】
図２（ｂ）は、図１に示した燃料電池１０のＢ−Ｂ断面である。図示するように、電解質膜２３は、その両端において、図２（ａ）に示した電解質膜２３の一端と同様に、伸縮可能シール部５４と一体化され、湿潤状態の変化に伴って伸縮可能な状態で伸縮可能シール部５４に保持されている。この断面においては、図２（ａ）で示したような、伸縮可能シール部５４とガス拡散層３０との間の空隙部分は存在せず、ガス拡散層３０、アノード電極層２２及びカソード電極層２４が伸縮可能シール部５４と接触する状態となっている。
【００３４】
Ａ−２．流路絞り機構９０の詳細：
次に、流路絞り機構９０の詳細について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、図２（ａ）に示したＡ−Ａ断面について、流路絞り機構９０周辺を拡大して示す説明図である。流路絞り機構９０は、酸化ガス供給孔６４の近傍に設けられた伸縮可能シール部５４とガス拡散層３０との間の空隙部分において、電解質膜２３上に接合して設けられた三角柱形状の絞り機構である。本実施例においては、流路絞り機構９０にシリコンゴムを用い、電解質膜２３と流路絞り機構９０とをホットプレス処理により接合したが、材質は、これに限らず、種々のものが利用可能である。例えば、種々の絶縁部材であってもよい。接合方法についても、接着剤接合など他の方法であってもよい。
【００３５】
上述したように、電解質膜２３は、湿潤状態により伸縮する特性を有している。図３（ａ）においては、電解質膜２３は、十分に湿潤した状態であり、膨潤により最も伸びた状態となっている。流路絞り機構９０は、この電解質膜２３の状態において、酸化ガス供給孔６４の高さＤ１に影響を与えない位置に設置される。この位置は、図３（ａ）の酸化ガス供給孔６４を図中の右側面から視れば、図３（ｂ）に示すように、流路絞り機構９０が見えない位置である。本実施例においては、流路絞り機構９０の下部（ガス拡散層３０側）の面が酸化ガス供給孔６４の高さＤ１と同じ高さとなるようにした。
【００３６】
ここで、電解質膜２３の状態が、上述した湿潤状態から乾燥状態へと変化すると、電解質膜２３は収縮する。その結果、図３（ｃ）に示すように、電解質膜２３上に接合された流路絞り機構９０は、電解質膜２３の収縮に連動して、電解質膜２３の収縮力により、ガス拡散層３０側へ移動することとなる。これにより、酸化ガス供給孔６４の酸化ガス流路としての高さは、高さＤ１から高さＤ２に絞られる。この状態を図中の右側面から視れば、図３（ｄ）に示すように、酸化ガス供給孔６４の酸化ガス流路としての断面積を絞った状態である。
【００３７】
このように、流路絞り機構９０が、酸化ガス供給孔６４の酸化ガス流路としての断面積を小さく変化させる方向に移動すると、酸化ガス流路における圧損が増加して、酸化ガスの供給量が減少する。その結果、カソード電極層２４側のガス拡散層３０に供給された酸化ガスが、カソード電極層２４で生成される生成水を持ち出す量が減少し、電解質膜２３の湿潤度を増加させることができる。
【００３８】
なお、酸化ガスの供給量が減少することで、電解質膜・電極接合体２０における発電反応が低減することも考えられるが、酸化ガスの余剰供給量の範囲で供給量を減少させるので、発電反応への影響は、電解質膜２３の湿潤度の回復と比して小さなものとなる。
【００３９】
上述のとおり、流路絞り機構９０の動作により酸化ガスの供給量が減少し、再度、電解質膜２３の状態が乾燥した状態から湿潤状態へと変化すると、電解質膜２３が伸びることにより、流路絞り機構９０は、図３（ｃ）に示した位置から図３（ａ）に示した位置の方向に戻ることとなる。
【００４０】
なお、本実施例においては、流路絞り機構９０は、三角柱形状としたが、このような態様に限られるものではなく、酸化ガス供給孔６４の酸化ガス流路としての断面積を、電解質膜２３の伸縮に応じて線形に変化させられるものであればよい。ただし、電解質膜２３が乾燥して最も収縮した状態から、湿潤して伸びた状態に戻る際に、流路絞り機構９０の先端部がカソード側セパレータ４１と干渉しないような形状とすることが望ましい。例えば、本実施例で採用した三角柱の形状（図４（ａ）参照）の他に、流路絞り機構９０に傾斜を持たせた形状（図４（ｂ）参照）や、流路絞り機構９０の先端部に丸みを持たせた形状（図４（ｃ）参照）であってもよい。あるいは、電解質膜２３が膨潤しても流路絞り機構９０とカソード側セパレータ４１とが干渉しない程度に十分なクリアランスを確保することであってもよい（図４（ｄ）参照）。
【００４１】
かかる構成の燃料電池１０は、湿潤の状況に応じて伸縮する特性を有する電解質膜２３を、必要以上に固定せずに、伸縮可能な状態で保持する。これにより、電解質膜２３上に設けられた流路絞り機構９０が、電解質膜２３の伸縮に連動して、電解質膜２３の伸縮力によって移動し、酸化ガス供給孔６４の酸化ガス流路としての断面積を変化させることで、酸化ガスのガス流量を調節する。これにより、酸化ガスが電解質膜・電極接合体２０から持ち出す水分量を調節して、電解質膜の湿潤制御を行う。
【００４２】
したがって、電解質膜２３の伸縮作用を、そのまま電解質膜の湿潤制御動作として利用するので、効率的かつ簡単に電解質膜の湿潤制御を行うことができる。また、電解質膜２３の全体の湿潤の状況を正確かつ速やかに反映して、電解質膜２３の湿潤制御を行うことができる。
【００４３】
また、かかる燃料電池１０において、流路絞り機構９０は、電解質膜２３の一端側を伸縮可能に保持する伸縮可能シール部５４の近傍に設けられ、電解質膜２３の他の一端側は固定シール部５２によって、固定されている。したがって、電解質膜２３の両端を伸縮可能に保持された場合と比べて、一端側における電解質膜２３の伸縮量が大きくなる。すなわち、電解質膜２３上に設けられた流路絞り機構９０の移動量が大きくなるので、効率的に電解質膜の湿潤制御を行うことができる。
【００４４】
なお、本実施例においては、伸縮可能シール部５４は、電解質膜２３が伸縮可能となるように硬度が比較的低い部材を用いたが、単一材料に限るものではなく、複数の材料から構成してもよい。例えば、電解質膜２３と一体化される周辺部のみ硬度の低い材質を用い、その他の部分には硬度の高い材質を用いてもよい。このようにすれば、電解質膜２３の伸縮による酸化ガス供給マニホールド６２の変形など、不要な変形を抑制することができる。また、このような場合、硬度の高い材質で構成される部分については、固定シール部５２と同様のシール方法としてもよい。
【００４５】
Ｂ．変形例：
本発明のいくつかの変形例について説明する。
Ｂ−１．変形例１：
本実施例においては、電解質膜２３の湿潤状況の変化に伴う伸縮状況を直接的に反映した湿潤制御を行うために、流路絞り機構９０を電解質膜２３上に接合して設けたが、このような態様に限るものではない。電解質膜２３の伸縮に連動して、電解質膜２３の伸縮力によって移動できる部材に取り付ければよい。例えば、図５（ａ）に示すように、流路絞り機構９０を伸縮可能シール部５４に取り付けてもよい。なお、図５（ａ）において、電解質膜２３は、十分に湿潤し、膨潤により最も伸びた状態である。
【００４６】
このような態様とすれば、電解質膜２３の状態が湿潤状態から乾燥へと変化すると、電解質膜２３は収縮する。その結果、伸縮可能シール部５４は電解質膜２３の収縮方向に引っ張られるので、伸縮可能シール部５４上に取り付けられた流路絞り機構９０も電解質膜２３の収縮方向に引っ張られることとなる。したがって、図５（ｂ）に示すように、酸化ガス供給孔６４の酸化ガス流路としての高さは、高さＤ１から高さＤ３に絞られ、酸化ガス供給孔６４の酸化ガス流路としての断面積を絞ることができる。すなわち、電解質膜２３の湿潤度を増加させることができる。
【００４７】
Ｂ−２．変形例２：
本実施例においては、流路絞り機構９０を酸化ガス供給孔６４の近傍、すなわち、酸化ガスのガス拡散層３０への入口側に設けたが、このような態様に限るものではなく、酸化ガスのガス拡散層３０からの出口側に設けてもよい。
【００４８】
その際、電解質膜２３は、少なくともその一端が、電解質膜２３の湿潤状況に応じて伸縮可能となるようにシール部５０に保持されていればよいが、流路絞り機構９０が効率的に電解質膜２３と連動して移動するためには、流路絞り機構９０の設置側（酸化ガスの出口側）の電解質膜２３を保持するシール部５０を伸縮可能シール部５４で構成し、反対側（酸化ガスの入口側）の電解質膜２３を保持するシール部５０を固定シール部５２で構成することが望ましい。
【００４９】
あるいは、流路絞り機構９０を入口側と出口側の両方に設けてもよい。その際には、入口側、出口側共に、電解質膜２３を保持するシール部５０を伸縮可能シール部５４で構成してもよい。
【００５０】
Ｂ−３．変形例３：
本実施例においては、流路絞り機構９０は酸化ガスの流路内に設けるものとした。これは、電解質膜２３の湿潤状況を制御する上で、電解質膜・電極接合体２０での発電によりカソード電極層２４側で水が生成されるために、カソード電極層２４側を流れる反応ガスの流量を調節して、酸化ガスの持ち出し水分量を調節することが、アノード電極層２２側で同一の調節を行うよりも効果的であることによる。しかし、流路絞り機構９０の設置箇所は、このような態様に限られるものではない。燃料ガスの流路、例えば、図２（ａ）に示した燃料ガス供給孔７４の近傍において、電解質膜２３上に取り付けてもよい。勿論、酸化ガス流路、燃料ガス流路の両方に取り付ける構成としてもよい。
【００５１】
Ｂ−４．変形例４：
本実施例においては、図３に示したように、電解質膜２３の伸縮による流路絞り機構９０の移動により、酸化ガス流路としての酸化ガス供給孔６４の断面積を線形に変化させるものとしたが、このような態様に限られるものではない。流路絞り機構９０の位置を工夫することによって、酸化ガス供給孔６４の断面積を非線形に変化させるものとしてもよい。例えば、図６に示すように、流路絞り機構９０を酸化ガス供給孔６４の流路断面よりも上部（伸縮可能シール部５４側）に取り付けることとしてもよい。このようにすれば、流路絞り機構９０の下部が電解質膜２３の収縮により位置Ｐ１から位置Ｐ２まで移動する間は、酸化ガス供給孔６４の断面に全く影響を与えないが、位置Ｐ２から位置Ｐ３に移動する間は、酸化ガス供給孔６４の断面積を線形に変化させる。したがって、電解質膜２３が所定の状態以上に乾燥して収縮したときのみ、電解質膜２３の湿潤制御を行うことが可能となる。
【００５２】
あるいは、流路絞り機構９０の形状を工夫することによって、酸化ガス供給孔６４の断面積を非線形に変化させるものとしてもよい。例えば、図７（ｂ）に示すように、酸化ガス供給孔６４の正面から見て、流路絞り機構９０を、酸化ガス供給孔６４の断面を形成するいずれかの辺に対して非平行かつ非垂直な辺を有する形状としてもよい。このようにすれば、流路絞り機構９０は、位置Ｐ４から位置Ｐ５の間の部位においては、酸化ガス供給孔６４の断面積を非線形かつ緩やかに変化させる。それに比して、位置Ｐ５から位置Ｐ６の部位においては、線形かつ急速に酸化ガス供給孔６４の断面積を変化させる。
【００５３】
このように２段階の制御を行うことにより、電解質膜２３の湿潤状態が所定の範囲にあるときには緩やかなフィードバック制御を行い、所定の範囲を外れたときには、発電性能回復のために急速な制御を行うことが可能となる。勿論、流路絞り機構９０が移動する全ての過程において、酸化ガス供給孔６４の断面積を非線形に変化させるものであってもよい。
【００５４】
あるいは、酸化ガス供給孔６４の断面形状を工夫することによって、酸化ガス供給孔６４の断面積を非線形に変化させるものとしてもよい。例えば、図８（ｂ）に示すように、酸化ガス供給孔６４の正面から見て、酸化ガス供給孔６４の断面を、流路絞り機構９０の下部を形成する辺と非平行かつ非垂直な辺を有する形状としてもよい。このようにすれば、流路絞り機構９０の下部が位置Ｐ７から位置Ｐ８まで移動する間は、非線形かつ緩やかに酸化ガス供給孔６４の断面積を変化させる。それに比して、位置Ｐ８から位置Ｐ９まで移動する間は、線形かつ急速に酸化ガス供給孔６４の断面積を変化させる。
【００５５】
あるいは、酸化ガス供給孔６４を曲線で構成するものとしてもよい。例えば、図８（ｄ）に示すように、酸化ガス供給孔６４を複数の円形の孔から構成で構成するものであってもよい。以上のように、酸化ガス流路としての酸化ガス供給孔６４の断面積を非線形に変化させて、酸化ガスの流量を非線形に変化させることにより、例えば、電解質膜２３の湿潤状況が所定の範囲を超えたときに、制御量を大きくしたり、電解質膜２３の乾燥が著しくなる程に、制御量を大きくしたりするなど、電解質膜２３の湿潤状態を考慮した効果的な湿潤制御が可能となる。
【００５６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした形態に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明の燃料電池は、実施の形態に示した固形高分子形燃料電池に限るものではない。湿潤の状況に応じて伸縮する特性を有する電解質膜を備えた種々の燃料電池に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】シール部５０の詳細と反応ガス等の流れを示す説明図である。
【図３】流路絞り機構９０の詳細を示す説明図である。
【図４】流路絞り機構９０の形状のバリエーションを例示する説明図である。
【図５】変形例としての流路絞り機構９０を示す説明図である。
【図６】変形例としての流路絞り機構９０を示す説明図である。
【図７】変形例としての流路絞り機構９０を示す説明図である。
【図８】変形例としての流路絞り機構９０を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０...燃料電池
２０...電解質膜・電極接合体
２２...アノード電極層
２３...電解質膜
２４...カソード電極層
３０...ガス拡散層
４０...セパレータ
４１...カソード側セパレータ
４２...中間セパレータ
４３...アノード側セパレータ
５０...シール部
５２...固定シール部
５４...伸縮可能シール部
６２...酸化ガス供給マニホールド
６３...酸化ガス供給流路
６４...酸化ガス供給孔
６６...酸化ガス排出孔
６７...酸化ガス排出流路
６８...酸化ガス排出マニホールド
７２...燃料ガス供給マニホールド
７３...燃料ガス供給流路
７４...燃料ガス供給孔
７６...燃料ガス排出孔
７７...酸化ガス排出流路
７８...燃料ガス排出マニホールド
８２...冷却水供給マニホールド
８４...冷却水流路
８８...冷却水排出マニホールド
９０...流路絞り機構
【図１】
2008293732.tif 000003
【図２】
2008293732.tif 000004
【図３】
2008293732.tif 000005
【図４】
2008293732.tif 000006
【図５】
2008293732.tif 000007
【図６】
2008293732.tif 000008
【図７】
2008293732.tif 000009
【図８】
2008293732.tif 000010