(57)【要約】【課題】燃料及び酸化剤の透過の抑制、電解質の長寿命化に有利であり、更にシール性を高めるのに有利な燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池は、プロトン伝導体４で形成された電解質と電解質の一方の側に設けられた燃料電極３と電解質の他方の側に設けられた酸化剤電極１とを有するＭＥＡ９と、ＭＥＡ９の燃料電極３に燃料を供給する燃料流路１１を形成する燃料配流板１２と、ＭＥＡ９の酸化剤電極１に酸化剤を供給する酸化剤流路１５を形成する酸化剤配流板１６とをもつ。ＭＥＡ９のプロトン伝導体４で形成された電解質の内部に少なくとも一つの内部電極２が設けられている。酸化剤配流板１６を介して酸化剤電極１と内部電極２とを電気的に接続する導電路８が設けられている。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導体で形成された電解質と該電解質の一方の側に設けられた燃料電極と該電解質の他方の側に設けられた酸化剤電極とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料電極に燃料を供給する燃料流路を形成する燃料配流板と、
前記膜電極接合体の前記酸化剤電極に酸化剤を供給する酸化剤流路を形成すると共に導電性を有する材料を含む酸化剤配流板とをもつ燃料電池において、
前記膜電極接合体の前記電解質の内部に少なくとも一つの内部電極が設けられており、更に、
前記酸化剤配流板を介して前記酸化剤電極と前記内部電極とが電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、前記酸化剤配流板を介して前記酸化剤電極と前記内部電極とを電気的に接続する導電路が前記膜電極接合体に設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記導電路は前記酸化剤電極と前記内部電極とを電気的に短絡させていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、前記導電路は前記酸化剤電極と前記内部電極との間に抵抗負荷を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、前記導電路または前記内部電極は、前記酸化剤配流板に対面する第１対面部を有しており、且つ、前記酸化剤配流板は、前記導電路または前記内部電極の前記第１対面部に対面する第２対面部を有しており、前記第１対面部と前記第２対面部とを互いに電気的に接触させていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項において、前記プロトン伝導体で形成された電解質は、前記燃料電極側の第１プロトン伝導体と前記酸化剤電極側の第２プロトン伝導体とで前記内部電極を挟むことにより形成されており、
前記第１プロトン伝導体は前記第２プロトン伝導体の外縁よりも外側に延設されている延設部分を有しており、前記第１プロトン伝導体の前記延設部分は前記導電路または前記内部電極の前記第１対面部に直接的または間接的に接触していることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項において、前記燃料配流板と前記酸化剤配流板との間には、前記導電路のうち前記酸化剤配流板に対向する部分と前記酸化剤配流板との密着性を向上させる密着促進部材が設けられてい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、プロトン伝導体を電解質とする燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、自動車や家庭用の電源として、広範な普及が期待されている。電解質の種類に応じて各種の燃料電池が研究されている。
【０００３】
プロトン伝導体を電解質とする燃料電池では、燃料電極に供給された水素やメタノール等の燃料が燃料電極（アノード）で酸化され、プロトンと電子とが生成される。プロトンは電解質であるプロトン伝導体を伝導して対極の酸化剤電極（カソード）に到達して、酸化剤電極に供給された酸素と燃料電極から外部負荷を通って供給される電子と反応して水を生成する。この際、燃料電極と酸化剤電極の間には、使用する燃料と酸素の反応で水が生成する際の自由エネルギー変化に相当する電圧が発生し、これが、電気エネルギーとして外部に取り出される。
【０００４】
プロトン伝導体で形成されている電解質では、理想的にはプロトンのみを透過して、燃料や酸化剤を透過しない方が好ましい。しかしながら現在使用されている電解質では燃料や酸化剤の透過を完全に阻止することができない。燃料や酸化剤の透過は、電解質の膜の耐久性の更なる長寿命化の妨げとなる。
【０００５】
特許文献１には、膜の内部に触媒層を形成した高分子固体電解質型の燃料電池が開示されている。この触媒層は燃料電極及び酸化剤電極に対して電気的に絶縁されている。特許文献１によれば、燃料電極から膜に透過した水素、酸化剤電極から膜に透過した酸素が触媒層で互いに反応して水を生成し、これによりガス透過が低減されると記載されている。
【特許文献１】特開平６−１０３９９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら上記した特許文献１によれば、燃料電極から膜に透過した水素、酸化剤電極から膜に透過した酸素が化学量論比的に２対１であるときにのみなりたち、それ以外の場合には、透過量が多い側のガスは完全には消費されず、そのまま対極側に透過してしまう。このため電解質の膜の耐久性の更なる長寿命化には、改善の余地がある。
【０００７】
更に我々の研究によれば、水素と酸素とが白金触媒上で化学的に反応するときにおいて、白金触媒の電位があるレベルよりも低いときには、ラジカルが発生するおそれがあり、このため電解質の膜の耐久性の更なる長寿命化を図るためには、更なる改善の余地がある。
【０００８】
本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、燃料及び酸化剤の透過の抑制、電解質の長寿命化に有利であり、更にシール性を高めるのに有利な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明者は燃料電池について研究を進めている。そして、本発明者は、燃料電池の電解質の内部に内部電極を設け、この内部電極の電極電位を制御すれば、電解質内の燃料の移動、酸化剤の移動を制御することができ、ひいては燃料の透過、酸化剤の透過を抑制できることを知見し、試験で確認した。
【００１０】
更に、本発明者は、内部電極と酸化剤電極とを短絡的に導通または抵抗負荷を介して導通させることにより、内部電位の静止電位よりも高い電位を内部電極に与えることができ、外部電源等を用いることなく、燃料ガスや酸化剤ガスを内部電極で酸化あるいは還元することにより、対極への燃料の透過、対極への酸化剤の透過を抑え、電解質の膜の劣化を抑える技術を開発した。
【００１１】
更に本発明者は、導電性を有する酸化剤配流板を介して酸化剤電極と内部電極とを電気的に接続することにすれば、簡単な構造で、酸化剤電極と内部電極とを電気的に接続できることを知見した。本発明は上記した知見に基づいてなされたものである。
【００１２】
（２）本発明に係る燃料電池は、プロトン伝導体で形成された電解質と該電解質の一方の側に設けられた燃料電極と該電解質の他方の側に設けられた酸化剤電極とを有する膜電極接合体と、
膜電極接合体の燃料電極に燃料を供給する燃料流路を形成する燃料配流板と、
膜電極接合体の酸化剤電極に酸化剤を供給する酸化剤流路を形成すると共に導電性を有する材料を含む酸化剤配流板とをもつ燃料電池において、
膜電極接合体の電解質の内部に少なくとも一つの内部電極が設けられており、更に、
酸化剤配流板を介して酸化剤電極と内部電極とが電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の燃料電池によれば、電解質の内部に設けた内部電極に構成上の特徴を持つ。この内部電極と酸化剤電極とを電気的に接続する導電路を設けることにより、電解質内の燃料の移動を制御することができる。更に、酸化剤の移動の制御と、電解質内部でのラジカルの生成が抑制され、電解質の長寿命化が図られる。
【００１４】
つまり、電解質の内部に内部電極を設け、その内部電極の電極電位を、燃料を酸化あるいは酸化剤を還元できる電位とすることで、内部電極に酸化電流あるいは還元電流を流すことができ、電解質を透過する燃料等を酸化等により分解する。その結果、燃料等の対極側への透過を抑制することができる。更に、燃料と酸化剤との混合反応を抑制することができる。
【００１５】
上記したように導電性をもつ酸化剤配流板を介して酸化剤電極と内部電極とを電気的に接続することにすれば、簡単な構造で、酸化剤電極と内部電極とを電気的に短絡的に接続できる。内部電極の電極電位は、電解質内を透過する燃料の混合によって、酸化剤電極の電極電位より低い。このため酸化剤電極と内部電極とを短絡することにより、内部電極の静止電位よりも高い電位を、内部電極に加えることができる。これにより燃料の対極側への透過、酸化剤の対極側への透過を抑制することができる。
【００１６】
本発明に係る燃料電池の好ましい形態によれば、内部電極と燃料電極とは電気的に絶縁されている構成、内部電極と燃料配流板とは電気的に絶縁されている構成を採用することができる。
【００１７】
また本発明に係る燃料電池の好ましい形態によれば、導電性を有する酸化剤配流板を介して酸化剤電極と内部電極とが電気的に接続する導電路が膜電極接合体に設けられている構成を採用することができる。
【００１８】
導電路としては、酸化剤電極と内部電極とを電気的に短絡させている構成を採用することができる。この場合、簡単な構造で、酸化剤電極と内部電極とを電気的に接続でき、内部電極の静止電位よりも高い電位を内部電極に加えるのに有利である。導電路としては導電性を有するものであれば良く、その材質、構造を問わない。導電路を構成する材料としては、導電性、耐食性を有するものが好ましく、導電性、耐食性を有する炭素材料、金属材料を例示することができる。金属材料としては、白金、ルテニウム、金、ロジウム、これらの合金、場合によってはチタン、チタン合金、高合金鋼等を例示できる。導電路の構造としては、箔、フィルム、薄膜、メッシュ、繊維、ワイヤ等を例示でき、要するに導電性を有すれば良い。導電路が箔やフィルムで形成される場合には、導電路は一枚の箔やフィルムで形成しても良いし、あるいは、複数枚の箔やフィルムを厚み方向に積層させることにしても良い。
【００１９】
また本発明に係る燃料電池によれば、導電路は酸化剤電極と内部電極との間に抵抗負荷を有する構成を採用することもできる。例えば、抵抗負荷は、酸化剤電極のうち導電路に対面する領域に抵抗負荷を配置することにより形成できる。この場合、簡単な構造で、酸化剤電極と内部電極とを電気的に接続でき、内部電極の静止電位よりも高い電位を内部電極に加えるのに有利である。
【００２０】
また本発明に係る燃料電池の好ましい形態によれば、導電路または内部電極は酸化剤電極に対面する第１対面部を有しており、且つ、酸化剤配流板は導電路または内部電極の第１対面部に対面する第２対面部を有しており、第１対面部と第２対面部とを互いに電気的に接触させている構成を採用することができる。この場合、導電路または内部電極の第１対面部と酸化剤配流板の第２対面部とが互いに電気的に接触するので、酸化剤配流板と内部電極との導通性を良好に確保することができる。
【００２１】
本発明に係る燃料電池の好ましい形態によれば、プロトン伝導体で形成された電解質は、燃料電極側の第１プロトン伝導体と酸化剤電極側の第２プロトン伝導体とで内部電極を挟持することにより形成されている構成を採用することができる。この場合、第１プロトン伝導体は第２プロトン伝導体の外縁よりも外側に延設されている延設部分を有していることが好ましい。そして、第１プロトン伝導体の延設部分は、導電路に直接的または間接的に接触していることが好ましい。また、導電路または内部電極の第１対面部は、酸化剤電極側の第２プロトン伝導体の外縁よりも外方に延設されていることが好ましい。
【００２２】
本発明に係る燃料電池の好ましい形態によれば、燃料配流板と酸化剤配流板との間には、導電路のうち酸化剤配流板に対向する部分と酸化剤配流板との密着性を向上させる密着促進部材が設けられている。これにより導電路と酸化剤配流板との密着性、ひいては電気的接触性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る燃料電池によれば、導電性をもつ酸化剤配流板を介して酸化剤電極と内部電極とを電気的に接続することにしている。このため、簡単な構造で、酸化剤電極と内部電極とを電気的に接続でき、内部電極の静止電位よりも高い電位を内部電極に加えることができる。これにより燃料の対極側への透過、酸化剤の対極側への透過を抑制することができる。
【００２４】
このため当該透過により引き起こされる燃料電池の出力低下を抑制することができる。更に、電解質の内部に設けた内部電極の電極電位を制御することにより、燃焼等による電池の損傷、ラジカルの発生による電解質等といった燃料電池構成材料の化学的劣化を抑制することができる。
【００２５】
更に本発明に係る燃料電池によれば、導電性を有する酸化剤配流板を介して酸化剤電極と内部電極とが電気的に接続されているため、酸化剤電極と内部電極導線とを繋ぐ導線を酸化剤配流板の外側に取り出す構造を採用せずとも良い。従って、燃料電池におけるシール性を向上させるのに有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（１）前提形態
先ず、内部電極搭載型の燃料電池について説明する。以下の説明に用いる図においては、対応する構成要素について共通する符号を付けている。
【００２７】
図１は、形態１に係る内部電極搭載型の燃料電池の概念を示す。形態１に係る燃料電池７は、プロトン伝導体４で形成された電解質と、電解質の厚み方向の一方の側に設けられた燃料電極３と、電解質の厚み方向の他方の側に設けられた酸化剤電極１とを有する。プロトン伝導体４は固体高分子型とすることができる。更に、図１に示すように、プロトン伝導体４で形成された電解質の内部には、中間電極として機能できる内部電極２が設けられている。内部電極２は層状とされている。内部電極２はプロトン伝導性、電子伝導性、触媒活性を有する。従って、内部電極２は、プロトン伝導体と、カーボン材料等の電子伝導体と、白金等の触媒とを主要成分とすることが好ましい。
【００２８】
なお、以下の説明は、燃料電池７に外部負荷６を接続しない開回路状態を仮定しているが、外部負荷６を接続した閉回路状態にも、燃料電極３と酸化剤電極１の分極を考慮することにより適用することができる。
【００２９】
まず、内部電極２に電流が流れない場合について考える。この場合、内部電極２の電極電位（静止電位）は、プロトン伝導体４を透過して内部電極２に到達する燃料の濃度および酸化剤の濃度に依存する。
【００３０】
水素、酸素をそれぞれ燃料、酸化剤とする燃料電池においては、水素の透過が酸素の透過よりも大きい場合、内部電極２の静止電位は燃料電極の電極電位に近づくが、燃料電極３の電極電位より正の値である。逆に酸素の透過が水素の透過よりも大きい場合、内部電極２の静止電位は酸化剤電極１の電極電位に近づくが、酸化剤電極１の電極電位より負の値である。どちらの場合になるかは、基本的には、水素、酸素に対するプロトン伝導体４の透過係数およびガス圧力により決定される。
【００３１】
水素の透過が酸素の透過より大きいため、内部電極２の静止電位が燃料電極３の電極電位に近い場合、透過した酸素は、内部電極２で過剰に存在する水素と内部電極２において反応して消費される。この際、内部電極２の電極電位が低いため、内部電極２の表面でラジカルが生成するおそれがある。
【００３２】
そして、内部電極２で過剰に存在する水素は、プロトン伝導体４を透過し、対極である酸化剤電極１側に透過してしまう不具合がある。
【００３３】
また、酸素の透過が水素の透過より大きいため、内部電極２の静止電位が酸化剤電極１の電極電位に近い場合は、内部電極２を透過した水素は過剰に存在する酸素と反応して消費され、この電位ではラジカルの生成は抑制されている。しかしながら、過剰に存在する酸素は、対極である燃料電極３側へ透過し、燃料電極３の水素と反応する。この際、燃料電極３の電極電位が低いため、ラジカルが生成してしまう不具合がある。
【００３４】
ところで、水素の透過が酸素の透過より大きいため、内部電極２の静止電位が燃料電極３の電極電位に近い場合には、抵抗負荷５Ｃをもつ導電路５Ｄを内部電極２と酸化剤電極１との間を内部電極電位調整手段５として接続すると、内部電極２には酸化電流が流れ、過剰の水素は酸化される。更に、酸化剤電極１と内部電極２とが電気的に接続されているため、内部電極２の電位は、電位が高い酸化剤電極１の電極電位近くに維持され、その結果、ラジカルの生成は抑制される。そして、内部電極２で過剰に存在する水素は、内部電極２で酸化されることにより、酸化剤電極１への水素の移動は抑制される。
【００３５】
また、図２に示すように、内部電極電位調整手段５として導電路５Ｄで内部電極２と酸化剤電極１とを短絡的に接続することも考えられる。導電路５Ｄで内部電極２と酸化剤電極１とを接続することにより、内部電極２の電極電位は高くなるので、前述同様にラジカルの生成は抑制される。
【００３６】
（２）実施形態１
図３〜図５は、内部電極搭載型の燃料電池７の実施形態１を示す。図３はＭＥＡ９の平面を模式的に示す。図４は膜電極接合体（以下、ＭＥＡともいうmembrane electrode assembly）９の断面を模式的に示す。図５は燃料電池７の断面を模式的に示す。前記と共通の機能を有する部位には、共通の符号を付する。
【００３７】
図４に示すように、燃料電池７のＭＥＡ９は、プロトン伝導体４を基材とする膜状の電解質と、電解質の内部に設けられた内部電極２と、電解質の厚み方向の一方の側に設けられた燃料電極３と、電解質の厚み方向の他方の側に設けられた酸化剤電極１とを有する。内部電極２は、プロトン伝導性、電子伝導性、触媒活性を有する。、従って、内部電極２は、プロトン伝導体と、カーボン材料等の電子伝導体と、白金等の触媒とを主要成分とする。燃料電極３はガス透過性及び集電性を有する。酸化剤電極１はガス透過性及び集電性を有する。
【００３８】
図４に示すように、電解質は、燃料電極３側の第１プロトン伝導体４１と酸化剤電極１側の第２プロトン伝導体４２とで内部電極２を厚み方向において挟持することにより形成されている。
【００３９】
図３に示すように、第１プロトン伝導体４１及び第２プロトン伝導体４２のサイズは、それぞれ、燃料電極３及び酸化剤電極１のサイズよりも大きくされている。図３に示すように、第１プロトン伝導体４１の大きさは寸法Ｌ１で規定されている。第２プロトン伝導体４２の大きさは寸法Ｌ２で規定されている。寸法Ｌ１は寸法Ｌ２よりも大きくされている。従って、第１プロトン伝導体４１は、第２プロトン伝導体４２の外縁４２ｏよりも外側に延設されている延設部分４４を有する。図３において、延設部分４４はΔＬに相当する。
【００４０】
導電路８（図１，図２において導電路５Ｄに相当する）は、導電性を有する金属材料（例えば、白金、金、ロジウム、高合金鋼等）で帯状をなしており、長辺８ｋをもつ。導電路８の形態としては、例えば箔状、薄膜状、メッシュ状等を採用することができるが、その形態は特に限定されるものではなく、ワイヤ状とすることもできる。
【００４１】
導電路８は内部電極２の厚み方向の片面側に配置されている。図３及び図４に示すように、導電路８は、酸化剤電極１側の第２プロトン伝導体４２の外縁４２ｏよりも外方に延設されている。従って、導電路８は、第１プロトン伝導体４１の延設部分４４に対面する第１対面部８１を有する。第１プロトン伝導体４１の延設部分４４は、導電路８の第１対面部８１に直接的に接触している。酸化剤配流板１６は、導電路８の第１対面部８１に対面する第２対面部１６２を有する。
【００４２】
図５は燃料電池７を組み付けた状態を示す。図５に示すように、燃料電池７は、（ａ）プロトン伝導体４（４１，４２）で形成された電解質と該電解質の一方の側に設けられた燃料電極３と電解質の他方の側に設けられた酸化剤電極１とを有する膜電極接合体９と、（ｂ）膜電極接合体９の燃料電極３に燃料を供給する燃料流路１１を形成する燃料配流板１２と、（ｃ）膜電極接合体９の酸化剤電極１に酸化剤を供給する酸化剤流路１５を形成する酸化剤配流板１６とをもつ。
【００４３】
燃料配流板１２は燃料を燃料電極３に供給するものであり、燃料用のガスセパレータとも呼ばれるものであり、導電性を有する材料を基材として形成されており、例えば炭素系材料、金属材料で形成されている。酸化剤配流板１６は酸化剤を酸化剤電極１に供給するものであり、酸化剤用のガスセパレータとも呼ばれるものであり、導電性を有する材料を基材として形成されており、例えば炭素系材料、金属材料で形成されている。このように燃料電池７が組み付けられた状態では、図略の締結要素により、燃料配流板１２及び酸化剤配流板１６は矢印Ｆ方向に挟持されている。
【００４４】
図５に示すように、燃料電池７が組み付けられた状態では、導電路８の第１対面部８１と、酸化剤配流板１６の外縁部である第２対面部１６２とは、互いに重なりあって電気的に接触している。この結果、導電路８によって、酸化剤配流板１６の第２対面部１６２と内部電極２とが電気的に接続されている。従って、上記した導電路８は、基本的には、内部電極２の電極電位を酸化剤電極１と等しい（実質的に等しい）電位とする内部電極電位調整手段５（図1,図２参照）として機能することができる。
【００４５】
本実施例によれば、図５に示すように、燃料配流板１２の外縁部には第３対面部１２３が形成されている。第３対面部１２３は、酸化剤配流板１６の外縁部である第２対面部１６２に対向する。図５に示すように、燃料配流板１２の外縁部である第３対面部１２３と、酸化剤配流板１６の外縁部である第２対面部１６２との間には、密着促進部材１２４が設けられている。
【００４６】
密着促進部材１２４は、導電路８の第１対面部８１に対向しつつ、ＭＥＡ９の外縁を覆うように環状に設けられている。密着促進部材１２４は所要の弾性力を有しており、その弾性力により、導電路８の第１対面部８１と酸化剤配流板１６の第２対面部１６２との間の密着性が高められている。この結果、導電路８の第１対面部８１と酸化剤配流板１６の第２対面部１６２との間の接触抵抗が低下していると共に、ＭＥＡ９のガスシール性が向上している。従って、密着促進部材１２４はシール部材としても機能できる。密着促進部材１２４を形成する材料としては、所要の弾性力を有するものが好ましい。更に、電気絶縁性を有する材料が好ましい。更には耐酸性、耐熱性を有する材料が好ましい。従って、密着促進部材１２４を形成する材料としては、フッ素ゴム系、場合によってはシリコンゴム系等を例示できる。
【００４７】
ここで、密着促進部材１２４は電気絶縁性を有するため、導電路８は燃料配流板１２とは電気的に絶縁されている。従って、内部電極２は燃料配流板１２及び燃料電極３に対して電気的に絶縁されている。更に第１プロトン伝導体４１も電気絶縁性を有するため、内部電極２は燃料配流板１２及び燃料電極３に対する絶縁性が高められている。
【００４８】
本実施形態によれば、図４に示すように、第１プロトン伝導体４１は、第２プロトン伝導体４２の外縁４２ｏよりも外側に延設されている膜状の延設部分４４を有する。この延設部分４４は、導電路８に直接的に接触している。このため、弾性を有する高分子材料で形成されている第１プロトン伝導体４１の延設部分４４は、導電路８の第１対面部８１を酸化剤電極１の第２対面部１６２に密接させるのに有利となる。
【００４９】
また図４に示すように、導電路８の第１対面部８１は、酸化剤電極１側の第２プロトン伝導体４２の外縁４２ｏよりも外方に延設されている。このため第２プロトン伝導体４２の外縁４２ｏに妨げられることなく、図５に示すように、導電路８の第１対面部８１は酸化剤電極１側の第２対面部１６２に接触することができる。この結果、導電路８の第１対面部８１と酸化剤電極１側の第２対面部１６２との電気的導通性が良好に確保される。
【００５０】
更に、図５に示すように、ＭＥＡ９の燃料電極３の外側には、環状のシール部材１３０が配置されている。シール部材１３０は、燃料に対するシール性を高める。シール部材１３０としては、シール性を確保すべく所要の弾性力を有するものが好ましい。更に、耐酸性、耐熱性を有する材料が好ましい。従って、密着促進部材１２４を形成する材料としては、フッ素ゴム系、場合によってはシリコンゴム系等を例示できる。
【００５１】
なお、燃料電池７は複数積層されているものであるが、図５は原理図であるため、１個のみ図示して模式化している。
【００５２】
発電するときには、燃料を燃料配流板１２の燃料流路１１を介して燃料電極３に供給すると共に、酸化剤を酸化剤配流板１６の酸化剤流路１５を介して酸化剤電極１に供給する。これにより発電反応が行われる。燃料としては、一般的には水素ガスまたは水素含有ガス（改質ガスを含む）を例示できる。酸化剤としては、空気等の酸素含有ガス、酸素ガスを例示できる。発電中においては酸化剤電極１の電極電位は、燃料電極３の電極電位よりも高くなる。
【００５３】
上記したように本実施形態によれば、酸化剤電極１と内部電極２とを電気的に短絡接続する導電路８が設けられている。この結果、燃料電池７の運転中において、内部電極２の電極電位は基本的には酸化剤電極１の電極電位とほぼ同じになり、高くなるので、ラジカルの生成が抑制され、プロトン伝導膜４（４１，４２）からなる電解質の長寿命化を図るのに有利である。
【００５４】
更に本実施形態によれば、導電性を有する酸化剤配流板１６を介して酸化剤電極１と内部電極２とが電気的に接続されているため、酸化剤電極１と内部電極２とを繋ぐ導線を酸化剤配流板１６の外側に取り出す構造を採用せずとも良い。故に、燃料電池７におけるシール性を向上させるのに有利である。
【００５５】
（３）実施形態２
図６は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。共通の機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として説明する。本実施形態によれば、図６に示すように、導電路８は酸化剤電極１と内部電極２との間に抵抗負荷５Ｃを有する。従って本実施形態は図１に示す形態に相当する。
【００５６】
具体的には、酸化剤電極１のうち、導電路８の第１対面部８１に対面する第２対面部１６２に、固有抵抗が高い材料で形成された抵抗負荷５Ｃが配置されている。図６に示すように、この導電路８は、抵抗負荷５Ｃを介して酸化剤電極１と内部電極２とを電気的に接続している。
【００５７】
本実施形態においても、導電性を有する酸化剤配流板１６を介して酸化剤電極１と内部電極２とが電気的に接続されているため、実施形態１と同様に、酸化剤電極１と内部電極２とを繋ぐ導線を酸化剤配流板１６の外側に取り出す構造を採用せずとも良い。故に、燃料電池７におけるシール性を向上させるのに有利である。
【００５８】
（４）実施形態３
図７及び図８は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。共通の機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として説明する。図７に示すように、本実施形態によれば、内部電極２は、プロトン伝導性、電子伝導性、触媒活性を有する。従って内部電極２は、プロトン伝導体と、カーボン材料等の電子伝導体と、白金等の触媒とを主要成分とする。内部電極２は、第１プロトン伝導膜４１と共に外方に延設されており、従って、酸化剤配流板１６の第２対面部１６２に対面する第１対面部２１を有する。
【００５９】
燃料電池７を組み付けた状態では、図８に示すように、内部電極２の導電性をもつ第１対面部２１は、酸化剤配流板１６の外縁部である第２対面部１６２に電気的に接触する。従って、内部電極２の導電性をもつ第１対面部２１は、酸化剤配流板１６と内部電極２とを電気的に接続する導電路として機能することができる。換言すると、内部電極２の第１対面部２１により、酸化剤配流板１６の第２対面部１６２と内部電極２の第１対面部２１とが電気的に接続されている。
【００６０】
このように本実施形態においても、導電性を有する酸化剤配流板１６を介して酸化剤電極１と内部電極２とが電気的に接続されているため、基本的には、内部電極２の電位は、酸化剤電極１と同じ電位となる。また、前述したように、酸化剤配流板１６を介して酸化剤電極１と内部電極２とが電気的に接続されているため、酸化剤電極１と内部電極２とを繋ぐ導線を酸化剤配流板１６の外側に取り出す構造を採用せずとも良い。故に、燃料電池７におけるシール性を向上させるのに有利である。
【００６１】
（適用例）
図９は適用形態を示す。この適用形態は、図５に示す実施形態１と基本的には同様の構造とされている。この適用形態によれば、燃料通路１３は、燃料を燃料電池７の燃料電極３に供給する往路１３ａと、発電後の燃料オフガスを燃料電池７から排出する復路１３ｂとで形成されている。酸化剤通路１７は、酸化剤を燃料電池７の酸化剤電極１に供給する往路１７ａと、発電後の酸化剤オフガスを燃料電池７から排出する復路１７ｂとで形成されている。
【００６２】
カーボンまたは耐食性が良好な金属で形成された燃料配流板１２の燃料入口１２ｉは、燃料通路１３の往路１３ａに設けられた第１入口バルブ２１０を介して燃料供給源２３０に接続されている。燃料供給源２３０としては、燃料を収容する燃料容器、あるいは、改質ガスを生成する改質器を例示することができる。燃料配流板１２の燃料出口１２ｏは燃料通路１３の復路１３ｂ、第１出口バルブ２２０に接続されている。また、カーボンまたは耐食性が良好な金属で形成された酸化剤配流板１６の酸化剤入口１６ｉは、第２入口バルブ２５０を介して酸化剤供給源２７０に接続されている。酸化剤供給源２７０としては、例えば、ファン、ブロア、コンプレッサなどの送風手段を例示できる。酸化剤配流板１６の酸化剤出口１６ｏは酸化剤通路１７の復路１７ｂ、第２出口バルブ２６０に接続されている。制御装置３０は、第１入口バルブ２１０及び第１出口バルブ２２０の開閉、第２入口バルブ２５０及び第２出口バルブ２６０の開閉を制御する。
【００６３】
燃料電池７を運転するときには、第１入口バルブ２１０を開放することにより、燃料供給源２３０から燃料を、燃料通路１３の往路１３ａを経て燃料配流板１２の燃料流路１１を介して燃料電池７の燃料電極３に供給する。この場合、第１出口バルブ２２０は開放されている。更に、第２入口バルブ２５０及び第２出口バルブ２６０を開放した状態で酸化剤供給源２７０を作動させることにより、酸化剤を酸化剤通路１７の往路１７ａから酸化剤配流板１６の酸化剤流路１５を介して燃料電池７の酸化剤極１に供給する。
【００６４】
上記したように燃料を燃料電池７の燃料電極３に供給すると共に酸化剤を燃料電池７の酸化剤電極１に供給することにより、燃料電池７で発電反応が生成され、発電が行われる。発電後の燃料オフガスは、燃料通路１３の復路１３ｂ、開放状態の第１出口バルブ２２０を経て排出される。発電後の酸化剤オフガスは、酸化剤通路１７の復路１７ｂ、開放状態の第２出口バルブ２６０を経て排出される。また燃料電池７の運転を停止するときには、制御装置３０の指令により第１入口バルブ２１０及び第１出口バルブ２２０を閉鎖する。
【００６５】
上記した説明から理解できるように、プロトン伝導体４を基材とする電解質の内部に内部電極２を設け、導電路８により酸化剤配流板１６を介して内部電極２と酸化剤電極１とを電気的に接続している。このため、燃料電池７の運転中においても、運転を停止しているときにおいても、電解質を介しての燃料の対極側への透過を抑制することができる。また、電解質を介しての酸化剤の対極側への透過を抑制することができる。
【００６６】
このように燃料電池７を運転しているときはもちろんのこと、燃料電池７の運転を停止しているときにおいても、燃料の対極側への透過を抑制することができる。このため燃料電池７の運転を停止しているとき、燃料電池７の燃料電極３から全部の燃料を排出することなく、燃料電極３に燃料を残留させたままとすることができる。従って、窒素ガス等のパージガスを燃料電極３に封入するパージ処理の廃止または簡略化を図ることができる。この結果、運転を停止していた燃料電池７を再起動させて運転を再開するとき、燃料電池７の燃料電極３に残留している燃料を使用することができる。従って、燃料電池７の再起動時にパージガスを燃料電極３から排出させる操作を廃止または簡略化でき、燃料電池７の発電の立ち上がりを早めることができる。
【実施例】
【００６７】
本発明の実施例１を具体的に説明する。本実施例は図３〜図５に示す燃料電池７に相当するものである。まず、白金担持カーボン触媒（白金担持量４０ｗｔ％）と、高分子電解質膜液（旭化成（株）, Aciplex ５ｗｔ％溶液）と、イソプロピルアルコールと、水とを混合した混合物を超音波ホモジナイザーで攪拌し、白金触媒ペースト溶液を調製した。白金担持カーボン触媒は、カーボン粒子の表面に触媒としての白金を担持させたものである。
【００６８】
更に、乾操したフッ素系の高分子固体電解質膜（プロトン伝導膜,約２００ミリメートル×１９０ミリメートル）の片面に、この触媒ペースト溶液の所定量をスプレーガンで吹き付けて塗布し、風乾した。その後、この膜を８０℃でさらに真空乾燥した。この膜を２枚用意した。
【００６９】
次に、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）で撥水化処理されたカーボン粒子を均一に分散させた溶液を用い、この溶液中に、カーボンペーパ（厚み１８０μｍ,２２０ｃｍ2）を浸漬させ、その後、そのカーボンペーパを風乾した。その後、そのカーボンペーパを３９０℃以上の温度で焼成した。これにより撥水化処理したカーボンペーパを作製した。
【００７０】
先の方法と同様に調製した白金触媒ペースト溶液を用い、撥水化処理したカーボンペーパ上にアプリケータ（クリアランス３００μｍ）を用いて白金触媒ペースト溶液を塗布した。その後、カーボンペーパを８０℃で真空乾燥して白金触媒電極（酸化剤電極１及び燃料電極３に相当）を作製した。
【００７１】
そして、触媒ペーストを塗布した２枚の高分子固体電解質膜を用い、触媒ペースト（内部電極２に相当）を塗布した面を内側にして、２枚の高分子固体電解質膜（プロトン伝導膜４１，４２に相当）を積層させた。この場合、導電性をもつ集電体として白金箔（導電路８に相当する,厚み２０μｍ、２×２００ミリメートル）３本を、２枚の高分子固体電解質膜（プロトン伝導膜４１，４２に相当）で挟み込み、積層体を形成した。
【００７２】
そして、その積層体を、白金触媒電極（酸化剤電極１及び燃料電極３に相当）の外側から、１６０℃,８０ｋｇｆ／ｃｍ2の加圧条件で、ホットプレスにより加圧した。これにより実施例に係るＭＥＡ９を作製した。この場合、導電路８に相当する白金箔（集電体）の一部は、これが酸化剤配流板１６の第２対面部１６２に直接接触できるように、第２プロトン伝導膜４２の外縁４２ｏから外方に露出させておく。これを導電路８の第１対面部８１とする（図４参照）。
【００７３】
一方、カーボン材料で形成されている酸化剤配流板１６の一部である第２対面部１６２の表面を、導電路８の第１対面部８１に良好に密接できるように一部加工しておく。これにより、酸化剤配流板１６と燃料配流板とでＭＥＡ９を挟んで良好に締結することができる。この結果、内部電極２と酸化剤電極１との間の電気的導通が取れる構造となる。このようにして実施例に係る燃料電池７を形成した。
【００７４】
比較例として、内部電極２及び導電路８を有しない点を除いて、基本的には実施例と同一条件でＭＥＡ、ひいては燃料電池を作製した。そして、上記したようにして作製した実施例に係る燃料電池と、比較例に係る燃料電池について、サイクル耐久試験を行い、燃料電池の性能を評価した。
【００７５】
サイクル耐久試験では、無負荷運転３分間−負荷運転（０．１アンペア／ｃｍ2,１分間）を１サイクルとし、このサイクルを多数回繰り返した。燃料電池の運転条件は、酸化剤電極１及び燃料電極３の電極面積を２２０ｃｍ2とし、２気圧の水素／空気（利用率：８０％、／４０％,加湿量：０．２ｍｏｌ／０．１５ｍｏｌ）で行った。この試験では、水素と空気は、それぞれ、８０℃に保温し、注水ポンプを用いて所定量の水をガス流中に注入することによって加湿した。
【００７６】
図１０はサイクル耐久試験の試験結果を示す。図１０において、プロット1７０は、実施例に係る燃料電池を示す。プロット１８０は、比較例に係る燃料電池を示す。各々、無負荷状態モードの最終的な回復電圧〈ＯＣＶ）をプロットした。図１０に示すように、比較例の燃料電池では、サイクル運転が継続されるにつれて、開回路電圧が次第に低下している。これに対して、実施例に係る燃料電池では、サイクル運転が継続されたとしても、開回路電圧は実質的に低下しなかった。
【００７７】
更に、実施例に係る燃料電池のサイクル運転時間とクロスリークガス量の関係とをガスクロマトグラフィによって測定した。比較例に係る燃料電池についても同様測定した。条件はサイクル耐久試験の場合に準じて行った。この場合、２気圧の水素／窒素ガスを用いた。水素と空気はそれぞれ８０℃に保温したガスパブラーを通して加湿した。この場合、窒素ガス中にリークしてくる水素ガス量をリークガス量として測定した。その結果によれば、比較例に係る燃料電池では、リークガス量が試験前では約２００００ｐｐｍであり、１００時間運転時では約２５０００ｐｐｍにまでリークガス量が増加した。最終的に約４００時間運転（実験終了時）時では、リークガス量が約１０００００ｐｐｍに増加していた。このように比較例に係る燃料電池では、リークガス量が多かった。これは比較例に係る燃料電池では、ＭＥＡの膜に劣化が生じたことを示すと推察される。
【００７８】
これに対し、実施例に係る燃料電池では、リークガス量は1００時間運転時と約４００時間（実験終了時）とにおいても変化は見らず、リークガス量は２００００ｐｐｍのままであった。これは、実施例に係る燃料電池では、ＭＥＡ９の膜の劣化が抑制されていることを示すものと推察される。
【００７９】
上記の結果は、酸化剤電極１と内部電極２との導通を取ることによって、酸化剤電極１の電極電位が高くなるため、発電中において、内部電極２の電極電位を高めに維持することができ、透過ガスの対極側への到達の防止、及びガス混合反応によるラジカルの発生が抑制された結果によるものと推察される。
【００８０】
（その他）
図３に示す実施形態によれば、導電路８は帯状に延設されているが、これに限らず、十文字形状に延設されていても良いし、あるいは、放射形状に延設されていても良いし、あるいは、面的に延設されていても良く、要するに酸化剤電極１と内部電極２との電気的導通性が得られれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は例えば車両用、定置用、携帯用等の燃料電池発電システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】前提形態１に係る燃料電池の要部断面とその使用状態を示す模式図である。
【図２】前提形態２に係る燃料電池の要部断面とその使用状態を示す模式図である。
【図３】実施形態１に係り、内部電極を搭載するＭＥＡを模式的に示す平面図である。
【図４】実施形態１に係り、内部電極を搭載するＭＥＡを模式的に示す断面図である。
【図５】実施形態１に係り、内部電極を搭載するＭＥＡを有する燃料電池を模式的に示す断面図である。
【図６】実施形態２に係り、内部電極を搭載するＭＥＡを有する燃料電池を模式的に示す断面図である。
【図７】実施形態３に係り、内部電極を搭載するＭＥＡを模式的に示す断面図である。
【図８】実施形態３に係り、内部電極を搭載するＭＥＡを有する燃料電池を模式的に示す断面図である。
【図９】適用形態を模式的に示す構成図である。
【図１０】実施例に係る燃料電池と比較例に係る燃料電池についてサイクル耐久試験を行った試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８３】
図中、１は酸化剤電極、２は内部電極、３は燃料電極、４はプロトン伝導体（電解質膜）、４１は第１プロトン伝導体（電解質膜）、４２は第２プロトン伝導体（電解質膜）、５は内部電極電位調整手段、７は燃料電池、８は導電路、８１は第１対面部、９はＭＥＡ、１２は燃料配流板、１２３は第３対面部、１６は酸化剤配流板、１６２は第２対面部を示す。
【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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【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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