(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に電極が配設された膜電極接合体（２０）と、
該膜電極接合体の一面（２０１）側に配置され、該膜電極接合体へ供給される酸化剤ガスが流れ該膜電極接合体に沿って延びる酸化剤ガス流路（２２１ａ）が形成された酸化剤ガス流路部（２２１）と、
前記酸化剤ガス流路内に配置され、前記酸化剤ガス流路を第１分割流路（２２１ｂ）と第２分割流路（２２１ｃ）とに分割する流路分割機構（２４）とを備え、
前記第２分割流路は、前記膜電極接合体の厚み方向（ＤＲｔ）において該膜電極接合体と前記第１分割流路との間に位置し、
前記流路分割機構は、前記膜電極接合体の水分量が少ないほど、前記酸化剤ガス流路の流路断面積（Ａｔ）に対する前記第２分割流路の流路断面積（Ａ２）の割合である第２分割流路割合（ＲＡ２）を小さくし、
前記流路分割機構は複数設けられ、
該複数の流路分割機構は、前記酸化剤ガス流路内において、該酸化剤ガス流路が延伸する方向（ＤＲｒ）へ並んで配置されている燃料電池。
【請求項２】
前記流路分割機構は、該流路分割機構まわりを流れる酸化剤ガスの相対湿度に応じて作動し、該相対湿度が低いほど前記第２分割流路割合を小さくする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記流路分割機構は、前記膜電極接合体の温度に応じて作動し、該膜電極接合体の温度が高いほど前記第２分割流路割合を小さくする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記流路分割機構は、前記流路分割機構まわりを流れる酸化剤ガスの温度に応じて作動し、該酸化剤ガスの温度が高いほど前記第２分割流路割合を小さくする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記流路分割機構は、前記第２分割流路割合を変化させるように作動する作動部（２４２）を有し、
前記流路分割機構は、前記作動部の水分量または温度に応じて該作動部が変形する物性によって、前記膜電極接合体の水分量が少ないほど前記第２分割流路割合を小さくする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記流路分割機構は、前記酸化剤ガス流路を前記第１分割流路と前記第２分割流路とに分割する分割板（２４１）を有し、
前記作動部は、前記分割板を前記酸化剤ガス流路部に対し支持し、
前記流路分割機構は、前記作動部の伸縮に起因した前記厚み方向への前記分割板の変位によって前記第２分割流路割合を変化させる請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記酸化剤ガス流路内を流れる酸化剤ガスを、前記膜電極接合体で生じる電気化学反応に使用すると共に、前記膜電極接合体を冷却する冷却媒体としても使用する空冷式燃料電池として構成された請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池として、例えば特許文献１に記載された燃料電池が従来から知られており、その特許文献１の燃料電池は空冷式燃料電池システムを構成している。この空冷式燃料電池システムにおいて、制御装置は、温度センサによって検出される燃料電池セルの温度に基づいて温度制御処理を行う。この際、セル温度が目標温度より大きく且つ所定の閾値温度未満である場合には、制御装置は、エアインテークマニホールドに供給される空気量が増量されるようエア供給装置を制御する。また、セル温度が閾値温度以上である場合には、制御装置は、発電用空気流路部に流入する空気量が増量されることなく冷却用空気流路部に流入する空気量が増量されるように可変バルブを制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２５２９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば特許文献１に記載されたような燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を主要構成要素として含んでおり、燃料電池の発電効率はその膜電極接合体の水分量に大きく依存するということが知られている。例えば、膜電極接合体が乾きその膜電極接合体の水分量が少なくなると、膜電極接合体中のプロトン移動が阻害され、燃料電池の発電効率が大きく低下する。逆に、膜電極接合体の水分量が多すぎると、例えば酸化剤ガスが膜電極接合体に接触することが水分によって妨げられやすくなり、燃料電池の発電効率が大きく低下する。
【０００５】
このようなことから燃料電池において膜電極接合体の水分量を適正に保つことは重要であるが、特許文献１の燃料電池は、膜電極接合体の水分量を適正に保つための構成を備えていなかった。発明者らの詳細な検討の結果、以上のようなことが見出された。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、膜電極接合体の水分量を適正に保つことが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】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る燃料電池は、
電解質膜の両面に電極が配設された膜電極接合体（２０）と、
その膜電極接合体の一面（２０１）側に配置され、その膜電極接合体へ供給される酸化剤ガスが流れその膜電極接合体に沿って延びる酸化剤ガス流路（２２１ａ）が形成された酸化剤ガス流路部（２２１）と、
酸化剤ガス流路内に配置され、酸化剤ガス流路を第１分割流路（２２１ｂ）と第２分割流路（２２１ｃ）とに分割する流路分割機構（２４）とを備え、
第２分割流路は、膜電極接合体の厚み方向（ＤＲｔ）においてその膜電極接合体と第１分割流路との間に位置し、
流路分割機構は、膜電極接合体の水分量が少ないほど、酸化剤ガス流路の流路断面積（Ａｔ）に対する第２分割流路の流路断面積（Ａ２）の割合である第２分割流路割合（ＲＡ２）を小さくし、
流路分割機構は複数設けられ、
その複数の流路分割機構は、酸化剤ガス流路内において、その酸化剤ガス流路が延伸する方向（ＤＲｒ）へ並んで配置されている。
【０００８】
これにより、第２分割流路を流れる酸化剤ガスの流量が膜電極接合体の水分量に応じて調節される。その結果、膜電極接合体からその第２分割流路内の酸化剤ガスへ移る水分が増減され、膜電極接合体の水分量を適正に保つことができる。
【０００９】
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した括弧内の各符号は、後述する実施形態に記載の具体的内容との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示した斜視図である。
【図２】図１の燃料電池システムを拡大図示し、図１において燃料電池システムをII方向から見たII矢視拡大図である。
【図３】図２のIII部分を拡大図示したIII部詳細図である。
【図４】図３のIV−IV断面を示した断面図である。
【図５】図４に相当する断面図であって、膜電極接合体の水分量が適正量に対し多くなっている場合における酸化剤ガス流路内の空気流れおよび流路分割機構の状態を示した図である。
【図６】図４に相当する断面図であって、膜電極接合体が乾きその膜電極接合体の水分量が適正量に対し過少となっている場合における酸化剤ガス流路内の空気流れおよび流路分割機構の状態を示した図である。
【図７】第１実施形態の燃料電池において、第２分割流路の空気流量と膜電極接合体の発電効率と膜電極接合体の水分量との関係を示した図である。
【図８】図４に相当する断面図を用いて構成された図であって、酸化剤ガス流路内に直列に並んだ複数の流路分割機構の状態と酸化剤ガス流路の延伸方向における膜電極接合体の水分量分布との関係を説明するための図である。
【図９】第２実施形態において燃料電池の酸化剤ガス流路内を表した図であって、第１実施形態の図３に相当する図である。
【図１０】第１実施形態の第１の変形例において燃料電池の酸化剤ガス流路内を表した図であって、第１実施形態の図３に相当する図である。
【図１１】図１０のXI−XI断面を示した断面図である。
【図１２】第１実施形態の第２の変形例において燃料電池の酸化剤ガス流路内を表した図であって、第１実施形態の図３に相当する図である。
【図１３】第１実施形態の第３の変形例において燃料電池の酸化剤ガス流路内を表した図であって、第１実施形態の図３に相当する図である。
【図１４】第１実施形態の第４の変形例において燃料電池の酸化剤ガス流路内を表した図であって、第１実施形態の図３に相当する図である。
【図１５】第１実施形態の第５の変形例において燃料電池の酸化剤ガス流路内を表した図であって、第１実施形態の図３に相当する図である。
【図１６】第２実施形態の変形例において燃料電池の酸化剤ガス流路内を表した図であって、第１実施形態の図３に相当する図である。
【図１７】図１６のXVII−XVII断面を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１２】
（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池１２と水素インテークマニホールド１４と水素エグゾーストマニホールド１６とを備えている。燃料電池システム１０は、空気によって燃料電池１２が冷却される空冷式燃料電池システムである。なお、図１のＸ方向とＹ方向とＺ方向は互いに交差する方向（厳密に言えば、直交する方向）であり、本実施形態の燃料電池システム１０の向きを表す。
【００１３】
水素インテークマニホールド１４は、燃料電池１２に設けられた複数の水素ガス流路２２２ａ（図２参照）へ水素ガスを分配し供給する。水素エグゾーストマニホールド１６は、その複数の水素ガス流路２２２ａを通過した水素ガスを集合させ、燃料電池システム１０外へ排出する。
【００１４】
燃料電池１２は、図２に示すように、複数の膜電極接合体２０と複数のセパレータ２２と複数の流路分割機構２４とを備えている。燃料電池１２は、その膜電極接合体２０とセパレータ２２とが交互に積層されて成る燃料電池スタックとして構成されている。その膜電極接合体２０とセパレータ２２との積層方向と、膜電極接合体２０の厚み方向ＤＲｔと、セパレータ２２の厚み方向とは互いに一致しており、本実施形態では何れもＺ方向となっている。
【００１５】
なお、図２および後述の図３、９、１０、１２〜１６では、膜電極接合体２０は断面で図示されているわけではないが、膜電極接合体２０を見易く表示するために、膜電極接合体２０に後述の図４と同じハッチングが付されている。また、以下の説明では、膜電極接合体２０の厚み方向ＤＲｔをＭＥＡ厚み方向ＤＲｔとも称する。
【００１６】
膜電極接合体２０は燃料電池セルの主要部分を構成するものである。膜電極接合体２０は、電解質膜の両面に電極が配設された構成となっている。すなわち、膜電極接合体２０は、アノード電極と、カソード電極と、そのアノード電極とカソード電極との間に挟持された電解質膜とを備えている。そして、膜電極接合体２０は、アノード電極に供給される燃料ガスとしての水素ガスと、カソード電極に供給される酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応により、起電力を発生する。
【００１７】
セパレータ２２は、例えば、ガスが透過しない導電性を有する基材で構成されている。セパレータ２２は、図２および図３に示すように、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路２２１ａが複数形成された酸化剤ガス流路部２２１と、水素ガスが流れる水素ガス流路２２２ａが複数形成された水素ガス流路部２２２とを含んで構成されている。その酸化剤ガス流路部２２１と水素ガス流路部２２２は、ＭＥＡ厚み方向ＤＲｔに並んで配置され、互いに一体構成となっている。
【００１８】
上述したようにセパレータ２２と膜電極接合体２０は交互に積層されているので、１つのセパレータ２２に着目すれば、セパレータ２２は、膜電極接合体２０の相互間に挟まれている。すなわち、セパレータ２２の酸化剤ガス流路部２２１は、セパレータ２２を挟む一方の膜電極接合体２０のカソード電極側である一面２０１側に配置され、その膜電極接合体２０の一面２０１に接触している。逆に、水素ガス流路部２２２は、セパレータ２２を挟む他方の膜電極接合体２０のアノード電極側である他面２０２側に配置され、その膜電極接合体２０の他面２０２に接触している。
【００１９】
複数の酸化剤ガス流路２２１ａはそれぞれ、図２〜４に示すように、膜電極接合体２０に沿ってＹ方向へ延びるように形成されている。すなわち、その酸化剤ガス流路２２１ａが延伸する延伸方向ＤＲｒはＹ方向に一致している。そして、複数の酸化剤ガス流路２２１ａはＸ方向に並んで配置されている。
【００２０】
また、酸化剤ガス流路部２２１では酸化剤ガス流路２２１ａはそれぞれ溝形状を成しており、その溝形状は膜電極接合体２０の一面２０１によって蓋をされている。すなわち、その酸化剤ガス流路２２１ａは膜電極接合体２０の一面２０１に接している。
【００２１】
燃料電池システム１０は、不図示のエアインテークマニホールドとエアエグゾーストマニホールドとを有し、燃料電池システム１０へ供給される酸化剤ガスとしての空気はエアインテークマニホールドから複数の酸化剤ガス流路２２１ａのそれぞれへ分配される。一方、複数の酸化剤ガス流路２２１ａのそれぞれを通過した空気はエアエグゾーストマニホールドに集合し、そのエアエグゾーストマニホールドから燃料電池システム１０外へ排出される。なお、燃料電池システム１０への空気の供給方法は、燃料電池システム１０が車両に搭載されるものであれば、車両走行風などを直接取り込む供給方法であってもよい。また、ファンやブロワなどの空気供給装置によって空気が燃料電池システム１０へ供給されても良い。
【００２２】
セパレータ２２の酸化剤ガス流路２２１ａ内を流れる酸化剤ガスとしての空気は、膜電極接合体２０で生じる電気化学反応に使用されると共に、膜電極接合体２０を冷却する冷却媒体としても使用される。すなわち、本実施形態の燃料電池１２は、専ら空気により冷却される空冷式燃料電池として構成されており、その酸化剤ガス流路２２１ａ内を流れる空気は冷却用で且つ発電用の空気である。
【００２３】
なお、燃料電池１２の発電中には膜電極接合体２０が発熱する。その膜電極接合体２０の熱は、酸化剤ガス流路２２１ａ内を流れる空気へ直接放熱されるものと、セパレータ２２を介してその空気へ放熱されるものとに分かれる。
【００２４】
図２に示すように、セパレータ２２の複数の水素ガス流路２２２ａはそれぞれ、膜電極接合体２０に沿ってＸ方向へ延びるように形成されている。そして、複数の水素ガス流路２２２ａはＹ方向に並んで配置されている。
【００２５】
また、水素ガス流路部２２２では水素ガス流路２２２ａはそれぞれ溝形状を成しており、その溝形状は膜電極接合体２０の他面２０２によって蓋をされている。すなわち、その水素ガス流路２２２ａは膜電極接合体２０の他面２０２に接している。
【００２６】
燃料電池システム１０へ供給される水素ガスは水素インテークマニホールド１４から複数の水素ガス流路２２２ａのそれぞれへ分配される。その水素ガスは、水素インテークマニホールド１４側から水素エグゾーストマニホールド１６側へと矢印ＦＬｈのように水素ガス流路２２２ａ内を流れる。複数の水素ガス流路２２２ａのそれぞれを通過した水素ガスは水素エグゾーストマニホールド１６に集合し、その水素エグゾーストマニホールド１６から燃料電池システム１０外へ排出される。
【００２７】
図２〜４に示すように、各酸化剤ガス流路２２１ａ内にはそれぞれ、複数の流路分割機構２４が配置されている。この流路分割機構２４は、酸化剤ガス流路２２１ａを第１分割流路２２１ｂと第２分割流路２２１ｃとに分割している。その第２分割流路２２１ｃは、ＭＥＡ厚み方向ＤＲｔにおいて膜電極接合体２０と第１分割流路２２１ｂとの間に位置している。要するに、流路分割機構２４は、酸化剤ガス流路２２１ａをそのＭＥＡ厚み方向ＤＲｔに分けている。そして、第２分割流路２２１ｃは、第１分割流路２２１ｂと並列に設けられている。
【００２８】
具体的には、流路分割機構２４は、平板状の分割板２４１と２つの作動部２４２とを有している。その分割板２４１は、酸化剤ガス流路２２１ａをＭＥＡ厚み方向ＤＲｔに２分割するように仕切る仕切板である。すなわち、酸化剤ガス流路２２１ａは、この分割板２４１によって第１分割流路２２１ｂと第２分割流路２２１ｃとに分割されている。
【００２９】
そのため、酸化剤ガス流路２２１ａへ流入する空気は第１分割流路２２１ｂと第２分割流路２２１ｃとに分かれ、第１分割流路２２１ｂには図４の矢印Ｆ１ａのように空気が流入する。その第１分割流路２２１ｂ内を流れる空気は、セパレータ２２から吸熱する冷却用空気としての役割を担う。
【００３０】
一方、第２分割流路２２１ｃには図４の矢印Ｆ２ａのように空気が流入する。その第２分割流路２２１ｃ内を流れる空気は、セパレータ２２と膜電極接合体２０とのそれぞれから吸熱する冷却用空気としての役割を担うと共に、膜電極接合体２０での発電反応のための反応ガスとしての役割も担う。
【００３１】
図３および図４に示すように、流路分割機構２４の作動部２４２は、流路分割機構２４のうち作動源となっている部位であり、分割板２４１を酸化剤ガス流路部２２１に対し支持している。要するに、作動部２４２は、分割板２４１をセパレータ２２に対し支持するブリッジ部となっている。
【００３２】
詳細には、作動部２４２は、膜電極接合体２０の一面２０１と分割板２４１との間に配設されており、膜電極接合体２０を介し間接的に、分割板２４１をセパレータ２２に対して支持している。作動部２４２は分割板２４１と接着接合されていてもよいし、されていなくてもよい。これと同様に、作動部２４２は膜電極接合体２０と接着接合されていてもよいし、されていなくてもよい。例えば、作動部２４２が膜電極接合体２０の一面２０１上に置かれ、その作動部２４２上に分割板２４１が置かれているだけであってもよい。
【００３３】
また、図４に示すように、複数の流路分割機構２４は、酸化剤ガス流路２２１ａ内において、酸化剤ガス流路２２１ａの延伸方向ＤＲｒへ並んで配置されている。これにより、複数の流路分割機構２４が有する分割板２４１は、酸化剤ガス流路２２１ａ内において直列に並ぶように配置されている。例えばその分割板２４１は酸化剤ガス流路２２１ａの全長にわたって並んでおり、酸化剤ガス流路２２１ａはその全長にわたって第１分割流路２２１ｂと第２分割流路２２１ｃとに分割されている。但し、その複数の分割板２４１の相互間には延伸方向ＤＲｒの微小な隙間が形成され、複数の流路分割機構２４は相互に干渉しないように配置されている。
【００３４】
このように構成された流路分割機構２４は、図３および図４に示すように、作動部の伸縮に起因したＭＥＡ厚み方向ＤＲｔへの分割板２４１の変位によって第２分割流路割合ＲＡ２を変化させる。なお、その第２分割流路割合ＲＡ２とは、酸化剤ガス流路２２１ａの流路断面積Ａｔに対する第２分割流路２２１ｃの流路断面積Ａ２の割合であり、第２分割流路割合ＲＡ２は、「ＲＡ２＝Ａ２／Ａｔ」という式によって算出される。そして、酸化剤ガス流路２２１ａの流路断面積Ａｔは第１分割流路２２１ｂの流路断面積Ａ１と第２分割流路２２１ｃの流路断面積Ａ２とを合算したものである（Ａｔ＝Ａ１＋Ａ２）。また、それらの流路断面積Ａｔ、Ａ１、Ａ２は何れも、酸化剤ガス流路２２１ａの延伸方向ＤＲｒに直交する流路断面の面積である。
【００３５】
要するに、流路分割機構２４のうち作動部２４２は、その第２分割流路割合ＲＡ２を変化させるように作動する。詳細には、作動部２４２は、ナイロン６またはナイロン６６などの水分を吸収すると大きく膨張し水分を放出すると収縮する材質から成る水膨張収縮材を含んで構成されている。すなわち、作動部２４２は、その作動部２４２の水分量（すなわち、作動部２４２の単位体積当たりに含有される水分量）に応じて伸縮変形する物性を備えている。本実施形態では、作動部２４２の全体が上記水膨張収縮材で構成されている。
【００３６】
例えば、流路分割機構２４の作動部２４２は水分を吸収すると体積膨張するので、図３中の矢印ＡＲｕのように分割板２４１を膜電極接合体２０から遠ざける側へＭＥＡ厚み方向ＤＲｔに変位させる。逆に、作動部２４２は水分を放出すると体積収縮するので、図３中の矢印ＡＲｄのように分割板２４１を膜電極接合体２０に近付ける側へＭＥＡ厚み方向ＤＲｔに変位させる。なお、作動部２４２は、上記のように作動部２４２が含有する水分量に応じて膨張収縮する膨張収縮材から成るが、例えば作動部２４２が等方的に膨張してもその膨張量は約１０％程度であるので、作動部２４２が酸化剤ガス流路２２１ａを閉塞することはない。
【００３７】
また、酸化剤ガス流路２２１ａ内には上述のように複数の流路分割機構２４が相互に干渉しないように配置されている。そのため、流路分割機構２４毎の作動部２４２の水分吸収状態に応じて、それぞれの作動部２４２は、流路分割機構２４毎に各々独立して分割板２４１を変位させることができる。
【００３８】
ここで、流路分割機構２４の作動部２４２は、酸化剤ガス流路２２１ａ内の酸化剤ガスに晒されている。従って、その流路分割機構２４は、酸化剤ガス流路２２１ａ内において流路分割機構２４まわりを流れる酸化剤ガスの相対湿度（言い換えれば、酸化剤ガスの水分量）に応じて作動する。
【００３９】
詳細に言えば作動部２４２は第２分割流路２２１ｃ内に配置されているので、流路分割機構２４は、特に第２分割流路２２１ｃ内を流れる酸化剤ガスの相対湿度に応じて作動する。具体的には、作動部２４２はその酸化剤ガスの相対湿度が低いほど乾いて収縮するので、流路分割機構２４は、その相対湿度が低いほど第２分割流路割合ＲＡ２を小さくする。
【００４０】
更に言えば、その流路分割機構２４は、作動部２４２の水分量に応じて作動部２４２が変形する物性によって、膜電極接合体２０の水分量が少ないほど第２分割流路割合ＲＡ２を小さくすると言える。なぜなら、酸化剤ガス流路２２１ａ内を流れる酸化剤ガスの相対湿度と膜電極接合体２０の水分量とは互いに相関しているからである。すなわち、その酸化剤ガスの相対湿度と膜電極接合体２０の水分量とは互いに、それらのうちの一方が大きくなるほど他方も大きくなる関係にあるからである。
【００４１】
なお、膜電極接合体２０の水分量とは、具体的に言えば、水分の気液を問わず膜電極接合体２０の単位体積当たりに含有される水分量である。また、作動部２４２は膜電極接合体２０の一面２０１に接触しているので、膜電極接合体２０から直接水分を吸収することもでき、膜電極接合体２０の水分量に直接的にも反応して膨張収縮する。
【００４２】
次に、流路分割機構２４の作動と膜電極接合体２０の水分量との関係について説明する。例えば膜電極接合体２０の水分量が過剰で且つ第２分割流路２２１ｃ内を流れる空気の水分量である相対湿度がその膜電極接合体２０の水分量に応じて高い場合には、図５に示す流路分割機構２４の作動部２４２は膨張する。そして、その作動部２４２は、その作動部２４２の膨張により、分割板２４１を膜電極接合体２０から遠ざける側へＭＥＡ厚み方向ＤＲｔに変位させる。その結果、酸化剤ガス流路２２１ａを流れる空気のうち第２分割流路２２１ｃを流れる空気が占める空気量の割合が増加する。
【００４３】
そうなると、膜電極接合体２０に接しつつ流れる第２分割流路２２１ｃ内の空気へ膜電極接合体２０の水分が多く持ち去られ、膜電極接合体２０が含有する水分は過剰な水分量から適正な水分量になる。
【００４４】
逆に、膜電極接合体２０の水分量が過少で且つ第２分割流路２２１ｃ内を流れる空気の相対湿度がその膜電極接合体２０の水分量に応じて低い場合には、図６に示すように、流路分割機構２４の作動部２４２は、その作動部２４２から水分を放出し収縮する。そして、その作動部２４２は、その作動部２４２の収縮により、分割板２４１を膜電極接合体２０に近付ける側へＭＥＡ厚み方向ＤＲｔに変位させる。その結果、酸化剤ガス流路２２１ａを流れる空気のうち第２分割流路２２１ｃを流れる空気が占める空気量の割合が減少する。
【００４５】
そうなると、膜電極接合体２０から第２分割流路２２１ｃ内の空気へ持ち去れる膜電極接合体２０の水分量が減り、膜電極接合体２０の発電反応により水分は生成されるので、膜電極接合体２０が含有する水分は過少な水分量から適正な水分量になる。
【００４６】
例えば第２分割流路２２１ｃの空気流量と膜電極接合体２０の発電効率と膜電極接合体２０の水分量との関係は図７のようになっている。この図７から判るように、膜電極接合体２０が含有する水分が過少な水分量から適正な水分量へと矢印ＡＲ１のように変化するに従って、膜電極接合体２０の発電効率は向上する。
【００４７】
次に、膜電極接合体２０の水分量が酸化剤ガス流路２２１ａの空気流れ上流側から下流側にわたって変化している場合における流路分割機構２４の作動について説明する。第２分割流路２２１ｃ内の空気は流れながら、膜電極接合体２０の発電反応により生成された水分を受け取るので、一般的に、膜電極接合体２０のうち、酸化剤ガス流路２２１ａの空気流れ上流端に隣接する部位は、酸化剤ガス流路２２１ａの空気流れ下流端に隣接する部位と比較して乾燥しやすい傾向にある。
【００４８】
そのため、例えば図８（ａ）に示すように、膜電極接合体２０の水分量が、酸化剤ガス流路２２１ａの延伸方向ＤＲｒにおいて酸化剤ガス流路２２１ａの空気流れ上流端に近いほど少なくなっている場合が想定される。すなわち、図８（ａ）は、膜電極接合体２０のうち部分的に膜電極接合体２０の水分量が適正量に対して過少になっている部位が存在する状況、要するに、酸化剤ガス流路２２１ａの空気流れ上流端の付近で膜電極接合体２０の水分量が不適となっている状況を示している。
【００４９】
図８（ａ）（ｂ）では、膜電極接合体２０の水分量はＭＥＡ水分量と略して表示されている。また、図８（ａ）（ｂ）のＷｍは、膜電極接合体２０が効率良く発電する上で適正とされる膜電極接合体２０の適正水分量を表している。また、図８（ａ）に記載の流れ方向とは酸化剤ガス流路２２１ａ内の空気流れの方向であり、その流れ方向は酸化剤ガス流路２２１ａの延伸方向ＤＲｒと同じである。
【００５０】
図８（ａ）（ｂ）に示すように、酸化剤ガス流路２２１ａ内で複数の流路分割機構２４は酸化剤ガス流路２２１ａの延伸方向ＤＲｒに沿って並んでいるので、その流路分割機構２４の作動部２４２は、各々の流路分割機構２４の配置箇所毎の膜電極接合体２０の水分量およびその周囲空気の相対湿度に応じて膨張または収縮を行う。すなわち、酸化剤ガス流路２２１ａの延伸方向ＤＲｒにおける膜電極接合体２０の水分量の分布に応じて、ＭＥＡ厚み方向ＤＲｔにおける流路分割機構２４の分割板２４１の位置が定まる。
【００５１】
従って、上記のように膜電極接合体２０の水分量が、酸化剤ガス流路２２１ａの延伸方向ＤＲｒにおいて酸化剤ガス流路２２１ａの空気流れ上流端に近いほど少なくなっている場合には、流路分割機構２４毎の分割板２４１の位置は作動部２４２によって図８（ｂ）のように制御される。すなわち、流路分割機構２４毎の分割板２４１は、酸化剤ガス流路２２１ａの空気流れ上流端に近いものほど膜電極接合体２０へ接近するように位置決めされる。
【００５２】
これにより、酸化剤ガス流路２２１ａを流れる空気のうち膜電極接合体２０に直接当たる空気の流量すなわち第２分割流路２２１ｃを流れる空気の流量が流路分割機構２４毎に調整される。従って、膜電極接合体２０の水分量は、酸化剤ガス流路２２１ａの延伸方向ＤＲｒにおけるその水分量の分布において、適正水分量に対し部分的に過少であれば、その部分においてだけ矢印ＡＲ２のように引き上げられる。その結果、その膜電極接合体２０の水分量の分布の全体にわたって、膜電極接合体２０の水分量を適正水分量に調節することが可能である。
【００５３】
上述したように、本実施形態によれば、流路分割機構２４は、膜電極接合体２０の水分量が少ないほど、酸化剤ガス流路２２１ａの流路断面積Ａｔに対する第２分割流路２２１ｃの流路断面積Ａ２の割合である第２分割流路割合ＲＡ２を小さくする。従って、第２分割流路２２１ｃを流れる酸化剤ガス（具体的には、空気）の流量が膜電極接合体２０の水分量に応じて調節される。その結果、膜電極接合体２０からその第２分割流路２２１ｃ内の酸化剤ガスへ移る水分が増減され、膜電極接合体２０の水分量を適正に保つことができる。
【００５４】
例えば、これにより、膜電極接合体２０の発電効率を高く維持することが容易になる。
【００５５】
また、本実施形態によれば、流路分割機構２４は、その流路分割機構２４まわりを流れる酸化剤ガスの相対湿度に応じて作動する。言い換えれば、流路分割機構２４の作動部２４２は、その酸化剤ガスの相対湿度を検知する検知部とても機能し、その検知した物理量である相対湿度に基づいて作動する。そして、流路分割機構２４は、その酸化剤ガスの相対湿度が低いほど第２分割流路割合ＲＡ２を小さくする。これにより、流路分割機構２４は、膜電極接合体２０の水分量に相関する物理量であるその酸化剤ガスの相対湿度を利用して、膜電極接合体２０の水分量が少ないほど第２分割流路割合ＲＡ２を小さくする。従って、膜電極接合体２０の水分量を直接検出することを必要とはせず、酸化剤ガス流路２２１ａ内で流路分割機構２４を配置する自由度を高めることが可能である。
【００５６】
また、本実施形態によれば、流路分割機構２４は、第２分割流路割合ＲＡ２を変化させるように作動する作動部２４２を有している。そして、流路分割機構２４は、その作動部２４２の水分量に応じてその作動部２４２が変形する物性によって、膜電極接合体２０の水分量が少ないほど第２分割流路割合ＲＡ２を小さくする。従って、作動部２４２の物性を利用して流路分割機構２４を簡潔な構成にすることができる。
【００５７】
また、本実施形態によれば、流路分割機構２４は、酸化剤ガス流路２２１ａを第１分割流路２２１ｂと第２分割流路２２１ｃとに分割する分割板２４１を有している。そして、流路分割機構２４の作動部２４２は、分割板２４１を酸化剤ガス流路部２２１に対し支持する。そして、流路分割機構２４は、作動部２４２の伸縮に起因したＭＥＡ厚み方向ＤＲｔへの分割板２４１の変位によって第２分割流路割合ＲＡ２を変化させる。従って、作動部２４２の伸縮を利用して簡潔な構成で第２分割流路割合ＲＡ２を変化させることが可能である。
【００５８】
また、本実施形態によれば、酸化剤ガス流路２２１ａ内を流れる酸化剤ガスを、膜電極接合体２０で生じる電気化学反応に使用すると共に、膜電極接合体２０を冷却する冷却媒体としても使用する空冷式燃料電池として、燃料電池１２は構成されている。従って、膜電極接合体２０の水分量を適正に保つことが可能な構成を空冷式燃料電池に適用することができる。
【００５９】
また、本実施形態によれば、図８（ａ）（ｂ）に示すように、複数の流路分割機構２４は、酸化剤ガス流路２２１ａ内において、その酸化剤ガス流路２２１ａの延伸方向ＤＲｒへ並んで配置されている。従って、その延伸方向ＤＲｒにおける酸化剤ガス流路２２１ａの中で部分的に第２分割流路割合ＲＡ２を増減することが可能である。そのため、その延伸方向ＤＲｒにおける膜電極接合体２０の水分量分布の全体にわたって、膜電極接合体２０の水分量を適正な量に調節することが可能である。
【００６０】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第１実施形態と異なる点を主として説明する。また、前述の第１実施形態と同一または均等な部分については省略または簡略化して説明する。
【００６１】
本実施形態でも、第１実施形態と同様に、酸化剤ガス流路２２１ａ内に配置された流路分割機構２４は、膜電極接合体２０の水分量が少ないほど第２分割流路割合ＲＡ２を小さくする作動をする。この作動は、流路分割機構２４の作動部２４２が膜電極接合体２０の水分量に直接的に反応して為されてもよいし、その膜電極接合体２０の水分量に相関する物理量に反応して為されてもよい。言い換えれば、作動部２４２は、膜電極接合体２０の水分量を検知しなくてもその水分量に相関する物理量を検知すればよい。
【００６２】
その膜電極接合体２０の水分量に相関する物理量とは、例えば流路分割機構２４の作動部２４２まわりを流れる酸化剤ガスの相対湿度、膜電極接合体２０の温度、および、流路分割機構２４の作動部２４２まわりを流れる酸化剤ガスの温度などである。
【００６３】
本実施形態では、図９に示す流路分割機構２４の作動部２４２は、その作動部２４２の温度に応じて伸縮変形する物性を備えている。詳細には、作動部２４２は、その作動部２４２の温度が高くなるほどＭＥＡ厚み方向ＤＲｔに伸びる物性を備えている。例えば、作動部２４２の構成材料として形状記憶合金等などの温度伸縮材を採用することで、作動部２４２は、その作動部２４２の温度に応じて伸縮変形する物性を備えることができる。本実施形態では、作動部２４２全体がその形状記憶合金で構成されている。
【００６４】
また、図９に示すように、本実施形態の流路分割機構２４は、第１実施形態の流路分割機構２４と比較して、酸化剤ガス流路２２１ａ内においてＭＥＡ厚み方向ＤＲｔに反転して配置されている。本実施形態は、主としてこれらの点において第１実施形態と異なっている。なお、図９において、作動部２４２のうち形状記憶合金で構成される箇所は縦線ハッチングで示され、後述の図１６、１７でも同様に表示されている。本実施形態では作動部２４２の全体が、温度に応じて伸縮する形状記憶合金で構成される箇所となっている。
【００６５】
具体的には、酸化剤ガス流路部２２１は、膜電極接合体２０の一面２０１とＭＥＡ厚み方向ＤＲｔに対向し酸化剤ガス流路２２１ａに面する対向内壁面２２１ｄを有している。そして、本実施形態の流路分割機構２４の作動部２４２は、その対向内壁面２２１ｄと分割板２４１との間に配設されている。例えばその作動部２４２は、その対向内壁面２２１ｄと分割板２４１との各々に対し接着などで接合されている。
【００６６】
このように構成された流路分割機構２４は、作動部２４２の温度に応じて伸縮変形する上記物性によって、膜電極接合体２０の水分量が少ないほど第２分割流路割合ＲＡ２を小さくする。
【００６７】
そして、図９に示すように、作動部２４２は酸化剤ガス流路２２１ａ内の酸化剤ガスに晒されている。そのため、流路分割機構２４は、その流路分割機構２４まわりを流れる酸化剤ガスの温度に応じて作動し、その酸化剤ガスの温度が高いほど第２分割流路割合ＲＡ２を小さくする。
【００６８】
また、流路分割機構２４の作動部２４２は、セパレータ２２を介して膜電極接合体２０からの熱が伝わるように配置されている。そのため、流路分割機構２４は、膜電極接合体２０の温度に応じた作動も行う。つまり、流路分割機構２４は、その膜電極接合体２０の温度が高いほど第２分割流路割合ＲＡ２を小さくする作動も行う。なお、酸化剤ガス流路２２１ａ内の酸化剤ガスの温度および膜電極接合体２０の温度は互いに同じように変化するので、その両方の温度が流路分割機構２４の作動に影響することに対し問題は生じない。
【００６９】
本実施形態では、前述の第１実施形態と共通の構成から奏される効果を第１実施形態と同様に得ることができる。
【００７０】
また、本実施形態によれば、流路分割機構２４は、膜電極接合体２０の温度に応じて作動し、その膜電極接合体２０の温度が高いほど第２分割流路割合ＲＡ２を小さくする。これにより、流路分割機構２４は、膜電極接合体２０の温度を利用して、膜電極接合体２０の水分量が少ないほど第２分割流路割合ＲＡ２を小さくする。従って、膜電極接合体２０の水分量を直接検出することを必要とはせず、酸化剤ガス流路２２１ａ内で流路分割機構２４を配置する自由度を高めることが可能である。
【００７１】
また、本実施形態によれば、流路分割機構２４は、流路分割機構２４まわりを流れる酸化剤ガスの温度に応じて作動し、その酸化剤ガスの温度が高いほど第２分割流路割合ＲＡ２を小さくする。これにより、流路分割機構２４は、流路分割機構２４まわりを流れる酸化剤ガスの温度を利用して、膜電極接合体２０の水分量が少ないほど第２分割流路割合ＲＡ２を小さくする。従って、膜電極接合体２０の水分量を直接検出することを必要とはせず、酸化剤ガス流路２２１ａ内で流路分割機構２４を配置する自由度を高めることが可能である。なお、作動部２４２の温度に対応する酸化剤ガス流路２２１ａ内の酸化剤ガスの温度または膜電極接合体２０の温度が高いほど膜電極接合体２０は乾くので、その膜電極接合体２０の水分量は少なくなる。
【００７２】
（他の実施形態）
（１）上述の第１実施形態では、作動部２４２の材質としてナイロン６またはナイロン６６などが例示されているが、作動部２４２の材質は、それ以外のポリアミド樹脂または他の合成樹脂であってもよいし、樹脂以外のものであってもよい。
【００７３】
（２）上述の第１実施形態において、流路分割機構２４の作動部２４２の例えば全体が、ナイロン６またはナイロン６６などの材質から成る水膨張収縮材で構成されているが、これは一例である。例えば図１０および図１１に示すように、流路分割機構２４の作動部２４２のうちの一部分が水膨張収縮材で構成されているだけであっても差し支えない。なお、図１０および図１１において、作動部２４２のうち水膨張収縮材で構成される箇所は縦線ハッチングで示され、後述の図１２〜１５でも同様に表示されている。
【００７４】
（３）上述の第１実施形態では、図３に示すように、流路分割機構２４の作動部２４２は、セパレータ２２に対し直接には接触していないが、これは一例である。例えば図１２に示すように、作動部２４２は、その一部分においてセパレータ２２と膜電極接合体２０とに直接に接触していても差し支えない。図１２の例では、セパレータ２２の酸化剤ガス流路部２２１と膜電極接合体２０とによって一対の溝が形成され、その一対の溝へ２つの作動部２４２がそれぞれ嵌め入れられている。
【００７５】
また、図１２に示される作動部２４２では、ＭＥＡ厚み方向ＤＲｔの膜電極接合体２０側の端部が膜電極接合体２０の一面２０１に沿った向きに拡幅している。そのため、第１実施形態と比較して、図１２では膜電極接合体２０に対する作動部２４２の接触面積が拡大している。従って、膜電極接合体２０の水分量の変化に対し応答性良く作動部２４２を膨張収縮させることが可能である。
【００７６】
また、図１２とは別の例として図１３に示すように、作動部２４２は、膜電極接合体２０に対し離れて配置され、作動部２４２の一部分においてセパレータ２２に直接に接触していても差し支えない。図１３の例では、セパレータ２２の酸化剤ガス流路部２２１のうち膜電極接合体２０から離れた位置に一対の溝が形成され、その一対の溝へ２つの作動部２４２がそれぞれ嵌め入れられている。
【００７７】
（４）上述の第１実施形態では、図３に示すように、流路分割機構２４の分割板２４１は平板状であるが、その分割板２４１の形状に限定はない。例えば図１４に示すように、分割板２４１は湾曲していても差し支えない。図１４の例では、分割板２４１は、ＭＥＡ厚み方向ＤＲｔの膜電極接合体２０側へ膨らむように湾曲している。
【００７８】
また、図３の作動部２４２は全体が水膨張収縮材で構成されているが、例えば、作動部２４２を水膨張収縮材で構成せずに、例えば作動部２４２の、分割板２４１と接触する側に溝を形成し、この溝内に水膨張収縮材を嵌合し、この水膨張収縮材の非膨張時には水膨張収縮材と溝の底部との間に隙間を形成してもよい。そして、水膨張収縮材が膨張し、溝との隙間を埋めて更に膨張すると、分割板２４１を図３の矢印ＡＲｕ方向へ押し上げるように構成してもよい。この場合の例では、湿度が所定値以下の場合には第２分流流路２２１ｃの割合は一定であるが、湿度が所定値を超えると分割板２４１が図３の矢印ＡＲｕ方向へ押し上げられて第２分流流路２２１ｃの割合が変化するという作用を果たす。
【００７９】
（５）上述の第１実施形態では、図３に示すように、作動部２４２は、ＭＥＡ厚み方向ＤＲｔにおいて膜電極接合体２０と分割板２４１との間に配置されているが、作動部２４２と分割板２４１との相互配置関係がこれに限定されるわけではない。例えば図１５に示すように、作動部２４２は、分割板２４１から連続的に延設されるように形成され、作動部２４２と分割板２４１とが一体構造になっていても差し支えない。
【００８０】
図１５の例では、分割板２４１の両端それぞれに一対の作動部２４２が接続され、その分割板２４１と一対の作動部２４２とが１枚の板状物を構成している。そして、その板状物の両端はそれぞれ、セパレータ２２の酸化剤ガス流路部２２１に形成された一対の溝へ嵌め入れられ、これにより、その板状物はセパレータ２２に対し保持されている。更に、その板状物は、作動部２４２が乾燥して最も収縮した状態でも、破線Ｓ０で示すように、ＭＥＡ厚み方向ＤＲｔの膜電極接合体２０側とは反対側へ膨らむように湾曲した形状を維持している。図１５では、作動部２４２が乾燥して最も収縮した状態における上記板状物の外形が破線Ｓ０で示され、作動部２４２が或る程度水分を吸収して膨張した状態における上記板状物の外形が実線で示されている。
【００８１】
（６）上述の第２実施形態において、流路分割機構２４の作動部２４２の例えば全体が、温度に応じて伸縮する形状記憶合金で構成されているが、これは一例である。例えば図１６および図１７に示すように、流路分割機構２４の作動部２４２のうちの一部分が上記形状記憶合金で構成されているだけであっても差し支えない。
【００８２】
（７）上述の第２実施形態において、流路分割機構２４の作動部２４２は、図９に示すように酸化剤ガス流路部２２１の対向内壁面２２１ｄと分割板２４１との間に配設されているが、これは一例である。例えば図３に示すように、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、作動部２４２は、膜電極接合体２０の一面２０１と分割板２４１との間に配設されていても差し支えない。但し、そのようにした場合には、作動部２４２は、その作動部２４２の温度が高くなるほどＭＥＡ厚み方向ＤＲｔに縮む物性を備えている必要がある。そのような物性も、作動部２４２の構成材料として例えば形状記憶合金を採用することで実現することが可能である。
【００８３】
（８）上述の各実施形態では、膜電極接合体２０の水分量に相関する物理量に反応して伸縮する作動部２４２の物性により、第２分割流路割合ＲＡ２は調節されるが、これは一例である。例えば、膜電極接合体２０の水分量またはその水分量に相関する物理量がセンサによって検出され、流路分割機構２４の作動部２４２は、そのセンサの検出値に基づいた電気的な制御により伸縮させられてもよい。
【００８４】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記の他の実施形態を含む各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。
【００８５】
また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。
【００８６】
また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。
【００８７】
（まとめ）
上記各実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、流路分割機構は、膜電極接合体の水分量が少ないほど、酸化剤ガス流路の流路断面積に対する第２分割流路の流路断面積の割合である第２分割流路割合を小さくする。
【００８８】
また、第２の観点によれば、流路分割機構は、その流路分割機構まわりを流れる酸化剤ガスの相対湿度に応じて作動し、その相対湿度が低いほど第２分割流路割合を小さくする。従って、膜電極接合体の水分量を直接検出することを必要とはせず、酸化剤ガス流路内で流路分割機構を配置する自由度を高めることが可能である。
【００８９】
また、第３の観点によれば、流路分割機構は、膜電極接合体の温度に応じて作動し、その膜電極接合体の温度が高いほど第２分割流路割合を小さくする。従って、膜電極接合体の水分量を直接検出することを必要とはせず、酸化剤ガス流路内で流路分割機構を配置する自由度を高めることが可能である。
【００９０】
また、第４の観点によれば、流路分割機構は、流路分割機構まわりを流れる酸化剤ガスの温度に応じて作動し、その酸化剤ガスの温度が高いほど第２分割流路割合を小さくする。従って、膜電極接合体の水分量を直接検出することを必要とはせず、酸化剤ガス流路内で流路分割機構を配置する自由度を高めることが可能である。
【００９１】
また、第５の観点によれば、流路分割機構は、第２分割流路割合を変化させるように作動する作動部を有する。そして、流路分割機構は、その作動部の水分量または温度に応じてその作動部が変形する物性によって、膜電極接合体の水分量が少ないほど第２分割流路割合を小さくする。従って、作動部の物性を利用して流路分割機構を簡潔な構成にすることができる。
【００９２】
また、第６の観点によれば、流路分割機構は、酸化剤ガス流路を第１分割流路と第２分割流路とに分割する分割板を有し、作動部は、分割板を酸化剤ガス流路部に対し支持する。そして、流路分割機構は、作動部の伸縮に起因した厚み方向への分割板の変位によって第２分割流路割合を変化させる。従って、作動部の伸縮を利用して簡潔な構成で第２分割流路割合を変化させることが可能である。
【００９３】
また、第７の観点によれば、酸化剤ガス流路内を流れる酸化剤ガスを、膜電極接合体で生じる電気化学反応に使用すると共に、膜電極接合体を冷却する冷却媒体としても使用する空冷式燃料電池として、燃料電池は構成されている。従って、膜電極接合体の水分量を適正に保つことが可能な構成を空冷式燃料電池に適用することができる。
【００９４】
また、第８の観点によれば、複数の流路分割機構は、酸化剤ガス流路内において、その酸化剤ガス流路が延伸する方向へ並んで配置されている。従って、その延伸する方向における酸化剤ガス流路の中で部分的に第２分割流路割合を増減することが可能である。そのため、その延伸する方向における膜電極接合体の水分量分布の全体にわたって、膜電極接合体の水分量を適正な量に調節することが可能である。
【符号の説明】
【００９５】
１２        燃料電池
２０        膜電極接合体
２４        複数の流路分割機構
２０１      膜電極接合体の一面
２２１      酸化剤ガス流路部
２２１ａ    酸化剤ガス流路
２２１ｂ    第１分割流路
２２１ｃ    第２分割流路
ＤＲｔ      ＭＥＡ厚み方向（膜電極接合体の厚み方向）
【図１】
0006658274.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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