(57)【要約】【課題】  本発明は燃料電池に関し、ガス流路内の過剰な水分を確実に排水し、高い発電性能を維持できるようにする。【解決手段】  ガス流路３０，４０内を仕切板３２，４２によって膜電極接合体４側とガス流路３０，４０の底部側とに仕切り、駆動手段３４，４４によって仕切板３２，４２をガス流路３０，４０内の湿度が高いほど膜電極接合体４との距離を大きくするように移動させる。仕切板３２，４２はガス拡散層１４，２４よりも透気度の低いガス拡散板で形成する。駆動手段３４，４４には、ガス流路３０，４０内に配置されて仕切板３２，４２を支持しつつ吸水量に応じて伸縮する吸水部材を用いる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と前記電解質膜を挟んで配置された一対の電極からなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の表面に接して配置されたセパレータと、
前記セパレータの前記膜電極接合体に対向する面に形成されたガス流路と、
前記ガス流路の有効流路面積を変化させる有効流路面積可変手段とを備え、
前記有効流路面積可変手段は、前記ガス流路内の湿度が高いほど前記有効流路面積を大きくするように構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記有効流路面積可変手段は、前記ガス流路内を前記膜電極接合体側と前記ガス流路の底部側とに仕切る仕切板と、前記仕切板を前記ガス流路内の湿度が高いほど前記膜電極接合体との距離を大きくするように移動させる駆動手段とから構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記仕切板は、前記電極のガス拡散層よりも透気度の低いガス拡散板で形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記駆動手段は、前記ガス流路内に配置されて前記仕切板を支持しつつ吸水量に応じて伸縮する吸水部材であることを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体をその両側からガス流路を形成されたセパレータで挟んで構成された燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池で用いられる電解質膜（固体高分子電解質膜）は、その内部における水素イオンの移動に水分子が必要とされ、水分を含んだ状態でのみ高い水素イオン導電性を示す。このため、燃料電池の電池性能を維持するためには水分は必須となる。しかしその一方で燃料電池内に水分が過剰に存在する場合には、ガス流路が水によって閉塞されてしまい、電極への反応ガス（燃料ガス或いは酸化ガス）の流通が妨げられて燃料電池の電池性能が低下するフラッディング現象が起きてしまう。したがって、燃料電池にとっては、過剰な水分を除去して燃料電池内を適度な湿潤状態に保つことが、高い電池性能を維持する上で重要になる。
【０００３】
燃料電池内の過剰な水分を除去するための技術としては、例えば特許文献１に記載された従来技術が知られている。この従来技術では、ガス流路の壁面に吸水性ポリマーを配置し、過剰な水分を吸水性ポリマーに吸収させることでガス流路が水によって閉塞されるのを防止している。また、吸水性ポリマーは水分の吸収により膨張するが、上記の従来技術では、吸水性ポリマーの膨張を利用してガス流路の断面積を小さくし、それによりガス流速を増大させることで反応ガスの拡散性を向上させるようにしている。
【特許文献１】特開平１０−１７２５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、通常、燃料電池は単独で使用されるのではなく、一枚の燃料電池を一つのセルとして、複数のセルが一方向に積層された燃料電池スタックとして使用される。このような燃料電池スタックでは、セル毎にガス流路内の生成水や凝縮水の量に差が生じる。このため、上記の従来技術のようにガス流路に吸水性ポリマーを配置した場合、吸水性ポリマーの膨張度はセル毎に異なったものになる。
【０００５】
ガス流路の断面積は吸水性ポリマーの膨張度によって変化するため、上記のように吸水性ポリマーの膨張度にセル間でばらつきがある場合、セル間で反応ガスの流通抵抗にばらつきが生じ、湿度の高いセルほど反応ガスの流通抵抗は大きくなる。その結果、燃料電池スタックに供給された反応ガスは流通抵抗の小さい低湿度のセルに流入し、高湿度のセルには流れなくなってしまう。ガス流量の減少は当該セルにおける水の排水性を低下させ、当該セルの発電性能を低下させることになる。そして、各セルは直列に接続されていることから、一つのセルの発電性能の低下は燃料電池スタック全体の発電性能の低下につながってしまう。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガス流路内の過剰な水分を確実に排水し、高い発電性能を維持できるようにした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】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、電解質膜と前記電解質膜を挟んで配置された一対の電極からなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の表面に接して配置されたセパレータと、
前記セパレータの前記膜電極接合体に対向する面に形成されたガス流路と、
前記ガス流路の有効流路面積を変化させる有効流路面積可変手段とを備え、
前記有効流路面積可変手段は、前記ガス流路内の湿度が高いほど前記有効流路面積を大きくするように構成されていることを特徴としている。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記有効流路面積可変手段は、前記ガス流路内を前記膜電極接合体側と前記ガス流路の底部側とに仕切る仕切板と、前記仕切板を前記ガス流路内の湿度が高いほど前記膜電極接合体との距離を大きくするように移動させる駆動手段とから構成されていることを特徴としている。
【０００９】
また、第３の発明は、第２の発明において、前記仕切板は、前記電極のガス拡散層よりも透気度の低いガス拡散板で形成されていることを特徴としている。
【００１０】
また、第４の発明は、第１又は第２の発明において、前記駆動手段は、前記ガス流路内に配置されて前記仕切板を支持しつつ吸水量に応じて伸縮する吸水部材であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、ガス流路内の湿度が高いほどガス流路の有効流路面積が大きくなることで、膜電極接合体に供給される反応ガスの流量はガス流路内の湿度が高いほど大きくなる。これにより、高湿度の場合の排水性を向上させることができ、ガス流路内の過剰な水分を確実に排水して高い発電性能を維持することができる。また、逆にガス流路内の湿度が低い場合には、有効流路面積の減少によって膜電極接合体に供給される反応ガスの流量は小さくなるので、反応ガスによる膜電極接合体からの水分の持ち去りは抑制され、膜電極接合体の乾燥を防止して高い発電性能を維持することができる。
【００１２】
また、第２の発明によれば、仕切板の位置の変化によってガス流路の有効流路面積、すなわち、仕切板を境にして膜電極接合体側の流路面積を変化させることができる。また、有効流路面積が変化してもガス流路の総断面積は変化しないので、ガス流路への反応ガスの流入量を略一定に保つことができる。
【００１３】
また、第３の発明によれば、仕切板がガス拡散板で形成されることで、仕切板の位置による流通抵抗のばらつきを抑えることができる。
【００１４】
また、第４の発明によれば、吸水部材はガス流路内の湿度に応じて自動で伸縮するので、湿度に応じた仕切板の位置を容易に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施の形態としての燃料電池２の概略構成図である。燃料電池２は、一対のセパレータ１６，２６とセパレータ１６，２６間に挟まれるＭＥＡ（膜電極接合体：Membrane Electrode Assemblyの略）４とから構成されている。通常、燃料電池２は単独で使用されるのではなく、燃料電池２を一つのセルとして、複数のセルが一方向に積層された燃料電池スタックとして使用される。ここでは、簡単のために一つのセル（燃料電池２）に着目して説明するものとする。
【００１７】
ＭＥＡ４は、電解質膜６を一対の電極、すなわち、アノード１０とカソード２０とにより挟んで構成されている。アノード１０は電解質膜６の一面に配置された触媒層１２とその外側に配された拡散層１４とからなる。カソード２０は電解質膜６の他面に配置された触媒層２２とその外側に配された拡散層２４とからなる。電解質膜６は非導電性のイオン交換膜、例えば固体高分子膜であり、湿潤状態で水素イオンが膜中を移動する。触媒層１２，２２は例えば白金、カーボン、及び電解質等からなる。拡散層１４，２４はガス透過性を有し、例えばカーボンからなる。
【００１８】
セパレータ１６，２６は、ガス、水ともに不透過性で導電性を有する材質、例えば、カーボン、金属、或いは導電性樹脂で形成されたプレートである。各セパレータ１６，２６のＭＥＡ４との接触面にはガス流路３０，４０が形成されている。アノード１０と接するセパレータ１６に形成されたガス流路３０は、水素を含む燃料ガスを供給するための燃料ガス流路であり、カソード２０と接するセパレータ２６に形成されたガス流路４０は、酸素を含む酸化ガス（例えば空気）を供給するための酸化ガス流路である。
【００１９】
燃料ガス流路３０には、燃料ガス流路３０内を拡散層１４側の第１空間３０ａと燃料ガス流路３０の底部側の第２空間３０ｂとに仕切る仕切板３２が配置されている。仕切板３２はガス透過性を有するガス拡散板で形成されており、その透気度はアノード電極１０の拡散層１４よりも低く設定されている。仕切板３２は燃料ガス流路３０の深さ方向に変位可能に配置され、アクチュエータ３４によって位置決めされている。
【００２０】
アクチュエータ３４は、図２に示すように仕切板３２の長手方向（燃料ガス流路３０の流れ方向）に複数配置され、その一方の端部を仕切板３２に埋め込まれ、他方の端部をアノード電極１０の拡散層１４に埋め込まれている。アクチュエータ３４は吸水性ポリマーでできた柱状の吸水部材であり、図３に示すように水分の吸収度に応じて一軸方向にのみ伸縮するように構成されている。アクチュエータ３４が伸縮することで仕切板３２の燃料ガス流路３０内での位置が変化する。
【００２１】
同様に、酸化ガス流路４０には、酸化ガス流路４０内を拡散層２４側の第１空間４０ａと酸化ガス流路４０の底部側の第２空間４０ｂとに仕切る仕切板４２が配置されている。仕切板４２はガス透過性を有するガス拡散板で形成されており、その透気度はカソード電極２０の拡散層２４よりも低く設定されている。仕切板４２は酸化ガス流路４０の深さ方向に変位可能に配置され、アクチュエータ４４によって位置決めされている。
【００２２】
アクチュエータ４４は、仕切板４２の長手方向（酸化ガス流路４０の流れ方向）に複数配置され、その一方の端部を仕切板４２に埋め込まれ、他方の端部をカソード電極２０の拡散層２４に埋め込まれている。アクチュエータ４４は吸水性ポリマーでできた柱状の吸水部材であり、水分の吸収度に応じて一軸方向にのみ伸縮するように構成されている。アクチュエータ４４が伸縮することで仕切板４２の酸化ガス流路４０内での位置が変化する。
【００２３】
次に、以上のように構成された燃料電池２の動作、特に反応ガスの相対湿度に応じた動作について説明する。
【００２４】
（１）反応ガスの相対湿度が高い場合
図４は酸化ガスの相対湿度が高い場合の動作について示す図である。酸化ガスの相対湿度は、例えばカソード２０での化学反応による生成水の量が増えることによって上昇する。酸化ガスの相対湿度が上昇すると酸化ガス流路４０内に配置されたアクチュエータ４４は水分を吸収して軸方向に伸張する。その結果、図４に示すように仕切板４２が酸化ガス流路４０の底部側に移動し、酸化ガス流路４０の拡散層２４側の第１空間４０ａが拡大する。仕切板４２はガス透過性を有するものの、その透気度は拡散層２４よりも低く設定されているので、酸化ガス流路４０の底部側の第２空間４０ｂを流れる酸化ガスはカソード２０に供給され難く、実質的には、酸化ガス流路４０を流れる酸化ガスのうち第１空間４０ａを流れる酸化ガスがカソード２０に供給されることになる。要するに、酸化ガス流路４０の流路面積のうち第１空間４０ａの流路面積が、酸化ガス流路４０の実質的な有効流路面積となる。酸化ガスの相対湿度の上昇時には、上記のように第１空間４０ａが拡大することで、酸化ガス流路４０の有効流路面積は拡大し、カソード２０への酸化ガスの供給流量は上昇する。つまり、見かけの透気度は上昇することになる。
【００２５】
なお、図４では、アクチュエータ３４が最長まで伸張したときに仕切板３２が酸化ガス流路４０の底部に密着するような設定になっている。これによれば、第１空間４０ａの流路面積は最大になり、見かけの透気度を最大にすることができる。
【００２６】
一方、燃料ガスの相対湿度が高い場合には、燃料ガス流路３０内に配置されたアクチュエータ３４が水分を吸収して軸方向に伸張することで、仕切板３２は燃料ガス流路３０の底部側に移動し、燃料ガス流路３０の拡散層１４側の第１空間３０ａが拡大する。酸化ガス流路４０の場合と同様、この第１空間３０ａの流路面積が、燃料ガス流路３０の実質的な有効流路面積となる。燃料ガスの相対湿度の上昇時には、上記のように第１空間３０ａが拡大することで、燃料ガス流路３０の有効流路面積は拡大し、アノード１０への燃料ガスの供給流量は上昇する。つまり、見かけの透気度は上昇することになる。なお、燃料ガスの相対湿度は、例えばカソード２０側から電解質膜６を透過してくる水の量が増えたり、予め燃料ガスに含まれている加湿用水蒸気の量が増えたりすることによって上昇する。
【００２７】
（２）反応ガスの相対湿度が低い場合
図５は酸化ガスの相対湿度が低い場合の動作について示す図である。酸化ガスの相対湿度が低下すると酸化ガス流路４０内に配置されたアクチュエータ４４は水分を奪われて軸方向に収縮する。その結果、図５に示すように仕切板４２が拡散層２４側に移動し、酸化ガス流路４０の拡散層２４側の第１空間４０ａは縮小する。これにより、酸化ガス流路４０の有効流路面積は縮小し、カソード２０への酸化ガスの供給流量は減少する。つまり、見かけの透気度は低下することになる。
【００２８】
なお、図５では、アクチュエータ４４が最短まで収縮したときに仕切板４２が拡散層２４に密着するような設定になっている。これによれば、第１空間４０ａの流路面積は最小になり、見かけの透気度を最小にすることができる。
【００２９】
一方、燃料ガスの相対湿度が低い場合には、上記と同様、燃料ガス流路３０内に配置されたアクチュエータ３４が水分を奪われて軸方向に収縮することで、仕切板３２は拡散層１４側に移動し、燃料ガス流路３０の拡散層１４側の第１空間３０ａが縮小する。これにより、燃料ガス流路３０の有効流路面積は縮小し、アノード１０の燃料ガスの供給流量は減少する。つまり、見かけの透気度は低下することになる。
【００３０】
以上のように、本実施の形態の燃料電池２は、反応ガスの相対湿度に応じて各ガス流路３０，４０の見かけの透気度を自動制御することができる。まず、反応ガスの相対湿度が上昇したときには、アクチュエータ３４，４４の伸張により仕切板３２，４２がガス流路３０，４０の底部側へ移動することでガス流路３０，４０の有効流路面積は大きくなり、見かけの透気度は上昇する。これにより、高湿度の場合の排水性を向上させることができ、ガス流路３０，４０内の過剰な水分を確実に排水して高い発電性能を維持することが可能になる。
【００３１】
逆に反応ガスの相対湿度が低下したときには、アクチュエータ３４，４４の収縮により仕切板３２，４２が拡散層１４，２４側へ移動することでス流路３０，４０の有効流路面積は小さくなり、見かけの透気度は低下する。これにより、反応ガスによるＭＥＡ４からの水分の持ち去りは抑制され、ＭＥＡ４の乾燥を防止して高い発電性能を維持することが可能になる。
【００３２】
なお、本実施の形態の燃料電池２では、仕切板３２，４２の位置の変化によってガス流路３０，４０の有効流路面積は変化するが、ガス流路３０，４０の総断面積は変化しないので、ガス流路３０，４０への反応ガスの流入量は略一定に保つことができる。さらに、仕切板３２，４２はガス透過性を有するガス拡散板で形成されているので、仕切板３２，４２の位置による流通抵抗のばらつきも抑えることができる。したがって、燃料電池２が燃料電池スタックとして使用される場合には、セル毎にガス流路内の生成水や凝縮水の量に差がある場合でもセル間の流通抵抗のばらつきは少なく、特定のセルの発電性能がガス流量の減少によって低下してしまうことはない。
【００３３】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００３４】
上述の実施の形態では、燃料ガス流路３０と酸化ガス流路４０の双方にアクチュエータ３４，４４及び仕切板３２，４２を配置しているが、その配置はこれに限定されるものではない。燃料ガス流路３０と酸化ガス流路４０とを比較した場合、カソード２０で水が生成される分、酸化ガス流路４０のほうが排出すべき水の量は多い。したがって、酸化ガス流路４０にのみにアクチュエータ４４及び仕切板４２を配置するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態としての燃料電池の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態としての燃料電池を構成する仕切板の取り付け構造を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態としての燃料電池を構成するアクチュエータを拡大して示す図である。
【図４】本発明の実施の形態としての燃料電池の反応ガスの相対湿度が高い場合の動作について示す図である。
【図５】本発明の実施の形態としての燃料電池の反応ガスの相対湿度が低い場合の動作について示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
２  燃料電池
４  ＭＥＡ
６  電解質膜
１０  アノード
１２  アノード触媒層
１４  アノード拡散層
１６  セパレータ
２０  カソード
２２  カソード触媒層
２４  カソード拡散層
２６  セパレータ
３０  燃料ガス流路
３２  仕切板（ガス拡散板）
３４  アクチュエータ（吸水性ポリマー）
４０  酸化ガス流路
４２  仕切板（ガス拡散板）
４４  アクチュエータ（吸水性ポリマー）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005302472.tif 000006
【図５】
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