(57)【要約】      （修正有）【課題】セル内の発電密度分布を均一化することで、最大電流密度を大きくすることが可能であり、かつ、従来よりも長寿命の燃料電池、及び、凍結温度からの始動が容易な燃料電池を提供する。【解決手段】電解質１と、当該電解質１の両側に配置されるカソード２及びアノード３、を備えるＭＥＡ５の両側に、セパレータを配設して構成される、第１セル１０及び第２セル２０を有する燃料電池１００であって、第１セル１０及び第２セル２０は、第１のセパレータ３０を挟んで互いに隣接するように積層されるとともに、ガスＡを供給すべき第１ガス供給路１５及びガスＢを供給すべき第２ガス供給路１６、２６を備え、ガスＡ及びガスＢの流れ方向が、第１セル１０内では同一の方向であるとともに、第２セル２０内では対向する方向である燃料電池１００とする。【選択図】図１
2005310510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、前記電解質の両側に配置されるカソード及びアノード、を備えるＭＥＡの両側に、セパレータを配設して構成される、第１セル及び第２セルを有する燃料電池であって、
前記第１セル及び前記第２セルは、第１のセパレータを挟んで互いに隣接するように積層されるとともに、ガスＡを供給すべき第１ガス供給路及びガスＢを供給すべき第２ガス供給路を備え、
前記第１セルにおける前記第１ガス供給路の下流部と前記第２セルにおける前記第１ガス供給路の上流部とは連結されているとともに、前記第１セルにおける前記第１ガス供給路の上流部と前記第２セルにおける該供給路の下流部とは、前記第１のセパレータ及び前記第１セルにおける第２ガス供給路を介して前記積層方向に隣接しており、
前記第１セル及び前記第２セルに供給される、前記ガスＡ及び前記ガスＢの流れ方向が、
前記第１セル内では同一の方向であるとともに、
前記第２セル内では対向する方向であることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記ガスＢが、前記第１セルと前記第２セルとで、独立に供給されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガスＡが酸化ガスであるとともに前記ガスＢが燃料ガスであり、
前記第１のセパレータは、少なくとも一部が多孔質部材により形成されており、前記多孔質部材に少なくとも前記第１セルにおける前記第１ガス供給路の上流部と前記第２セルにおける前記第１ガス供給路の下流部とが設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記多孔質部材に、酸化触媒が坦持されていることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記多孔質部材を乾燥させた後に始動されることを特徴とする、請求項３又は４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、燃料電池に関し、特に、燃料電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（例えば、主に水素を含有するガス）及び酸化ガス（例えば、主に酸素を含有するガス）の反応エネルギーを直接的に電気エネルギーへと変換する電池である。この燃料電池は、電解質の両側に、アノード側電極及びカソード側電極を配置して構成される接合体をセパレータによって狭持することにより構成されるセルを備えており、通常は、積層された複数のセルを有する燃料電池スタックの形態で使用される。代表的な燃料電池の一つである固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、上記接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）が、電解質膜、アノード、及びカソードから構成されており、当該接合体において水素イオンと酸素との電気化学反応を効率良く行わせるため、セパレータには多数のガス流路が形成されている。
【０００３】
ガス流路へと供給される酸化ガスは、セル内の電気化学反応が進行するにつれて、当該ガス内における酸素濃度が低下していく。電気化学反応に預かる酸素濃度と発電性能との間には相関があるため、酸化ガス流路の上流部では発電性能が高い反面、下流部では発電性能が低下する。また、酸化ガス流路の下流部では、電気化学反応により生成される水が当該流路内に滞留し、ガス拡散を阻害することにより、発電性能の一層の低下を招く。一方、セル内における発電性能が不均一である場合には、この不均一を是正すべく、セル内で電流が流れることが知られている。これにより、燃料電池外部に取り出し得る電流が減少するほか、燃料電池内の触媒層や電解質の損傷を招くため、燃料電池の耐久性を低下させることが問題となっている。したがって、発電性能の均一化を図ることで、これらの問題を解決することが望まれている。
【０００４】
これまでに、ＰＥＦＣの発電性能の均一化を図ることを目的として、いくつかの技術開発が行われてきている。例えば、特許文献１には、ＭＥＡを挟んで酸化ガスの流れ方向と燃料ガスの流れ方向とが対向したセルを積層することにより、発電性能の均一化を図る技術が開示されている。また、特許文献２には、燃料ガスと酸化ガスを対向して供給するセルを積層して、各ガスをシリーズ供給することによって上記目的の達成を図る技術が、さらに、特許文献３には、酸化ガスの流入口と流出口を隣接して配置するとともに、これらの流入口及び流出口の間に多孔質材を配置する技術が、それぞれ開示されている。加えて、特許文献４には、面内電流密度の均一化を図るために、酸化ガス入口近傍における電気化学反応の反応面積を小さくする技術が、また、さらに、特許文献５には、酸化ガス及び燃料ガスの流し方を工夫することにより、発電性能の均一化を図る技術が、それぞれ開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２６０７１０号公報
【特許文献２】特開平６−２０３８６３号公報
【特許文献３】特開２００３−１０９６２０号公報
【特許文献４】特開平６−８９７２７号公報
【特許文献５】特開平１−１１２６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示されている技術では、充分な発電性能の均一化を図ることが困難であるという問題があり、発電電流密度の分布の均一性に改善の余地があった。さらに、特許文献２〜５に開示されている技術によっても、燃料電池における発電性能の充分な均一化を図ることが困難であるという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、セル内の発電密度分布を均一化することで、従来よりも長寿命の燃料電池、及び、凍結温度からの始動が容易な燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質と、当該電解質の両側に配置されるカソード及びアノード、を備えるＭＥＡの両側に、セパレータを配設して構成される、第１セル及び第２セルを有する燃料電池であって、第１セル及び第２セルは、第１のセパレータを挟んで互いに隣接するように積層されるとともに、ガスＡを供給すべき第１ガス供給路及びガスＢを供給すべき第２ガス供給路を備え、第１セルにおける第１ガス供給路の下流部と第２セルにおける第１ガス供給路の上流部とは連結されているとともに、第１セルにおける第１ガス供給路の上流部と第２セルにおける該供給路の下流部とは、第１のセパレータ及び第１セルにおける第２ガス供給路を介して積層方向に隣接しており、第１セル及び第２セルに供給される、ガスＡ及びガスＢの流れ方向が、第１セル内では同一の方向であるとともに、第２セル内では対向する方向であることを特徴とする、燃料電池である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池であって、ガスＢが、第１セルと第２セルとで、独立に供給されることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池であって、ガスＡが酸化ガスであるとともにガスＢが燃料ガスであり、第１のセパレータは、少なくとも一部が多孔質部材により形成されており、前記多孔質部材に少なくとも前記第１セルにおける前記第１ガス供給路の上流部と前記第２セルにおける前記第１ガス供給路の下流部とが設けられていることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池であって、多孔質部材に、酸化触媒が坦持されていることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の燃料電池であって、多孔質部材を乾燥させた後に始動されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、第１セルにおける最大電流密度の部位と、第２セルにおける最小電流密度の部位とが積層されることにより、第１セル及び第２セル全体として、発電電流密度の均一化を図ることが可能な燃料電池を提供できる。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、ガスＢを第１セルと第２セルと独立に供給することで、第２セルにおける発電電流密度を上昇させることが可能になるため、スタック全体における発電容積密度を向上させ得る燃料電池を提供できる。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、セル内の電気化学反応により生成された酸化ガス中の水分が、多孔質部材を通して未反応の燃料ガスに添加・加湿されることにより、良好な発電効率を有する燃料電池を提供できる。
【００１１】
請求項４又は５に記載の発明によれば、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発生する熱を用いて、燃料電池の始動時（特に、冷間時）に、早期に暖機し得る燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の燃料電池の詳細を説明するにあたって、まず、その概要を以下に説明する。
本発明の燃料電池は、第１セル及び第２セルを積層して構成される２セルを最小単位とし、第１セルにおける最大電流密度部位と、第２セルにおける最小電流密度部位とを、セパレータを介してセルの積層方向に直列させるように配置する。このような配置とすることで、後述するように、第１セルにおける最大電流密度を低下させることが可能になるとともに、第２セルにおける最小電流密度を上昇させることが可能になる結果、当該２セル内における電流密度の均一化を図ることが可能になる。加えて、本発明の燃料電池は、かかる均一化を図るため、セル内へと供給される酸化ガス（以下において、「空気」と記述することがある。）及び燃料ガス（以下において、「水素ガス」と記述することがある。）の流れ方向、並びに、セパレータの構造を工夫することにより、上記課題の解決を図っている。
【００１３】
次に、本発明の燃料電池の詳細を、以下に説明する。
図１に、本発明の燃料電池の断面図を概略的に示す。本発明の燃料電池１００の構成単位（モジュール）は、第１セル１０及び第２セル２０からなり、これらのセルは、それぞれ、電解質膜１、カソード２、及びアノード３を有するＭＥＡ５を備えている。第１セル１０は、ＭＥＡ５、第１ガス供給路１５、及び、第２ガス供給路１６、並びに、第１のセパレータ３０、及び、セパレータ５１を備える一方、第２セル２０は、ＭＥＡ５、第１ガス供給路１５、及び、第２ガス供給路２６、並びに、第１のセパレータ３０、及びセパレータ５２を備える。本発明の燃料電池１００において、第１セル１０の第２ガス供給路１６と第２セル２０の第１ガス供給路１５との間に配置されている第１のセパレータ３０は、少なくとも供給路１６の上流部と供給路１５の下流部とに挟まれる部位が多孔質部材３５により構成されている。また、当該セパレータ３０は、多孔質部材３５以外の部位に、冷却水流路３７が設けられている。なお、便宜上、第１セル１０のセパレータ５１の下端と第２セル２０のセパレータ５２の上端とは、直線で示したが、本発明の燃料電池１００の通常使用時においては、これら２セルからなる構成単位が図１の上下方向へと積層されているものとする。また、ガス供給路１５、１６、２６内の矢印は、各供給路内におけるガスの流れ方向を示している。
【００１４】
（１）ガスの流れ方向
本発明の燃料電池１００において、空気は第１ガス供給路１５よりＭＥＡ５へと供給されるとともに、水素ガスは第２ガス供給路１６、２６よりＭＥＡ５へと供給されている。そして、本発明の燃料電池１００では、第１セル１０における第１ガス供給路１５の下流部と、第２セル２０における当該供給路１５の上流部とが接続されている。すなわち、燃料電池１００において、第１セル１０の供給路１５と第２セル２０の供給路１５とは通じている。そのため、第１セル１０における供給路１５の上流部より導入された空気は、第１セル１０における供給路１５の下流部、及び、第２セル２０における供給路１５の上流部を経て、第２セル２０における供給路１５の下流部よりセル外へと導かれる。したがって、図１に矢印として示すように、第１セル１０内における空気の流れ方向と、第２セル内における空気の流れ方向とは、逆方向になり、第１セル１０における供給路１５の上流部から第２セル２０における供給路１５の下流部へと流れるにつれて、当該空気内に含まれる酸素の濃度は徐々に低下していく。
これに対し、水素ガスは、第１セル１０内の供給路１６、及び、第２セル２０内の供給路２６へと並列に供給されている。そのため、本発明の燃料電池１００では、第１セル１０内では、空気と水素ガスとの流れ方向が同一方向であるのに対し、第２セル２０内では、これらのガスの流れ方向が対向する方向となる。
【００１５】
このような形態でガスを供給することにより、本発明の燃料電池１００では、第１セル１０内における電流密度が最大となる発電部（以下において、「最大発電部」と記述する。）と、第２セル２０内における電流密度が最小となる発電部（以下において、「最小発電部」と記述する。）とが、セルの積層方向に直列に配置される。一方で、セルの面内で発電量に分布がある場合には、面内にその電圧を緩和するための電流が流れる。したがって、かかる配置形態とすることにより、本発明の燃料電池１００では、セパレータ３０を貫通して、最大発電部から最小発電部へと電圧を緩和するための電流が流れ、その結果として、最大発電部の発電量が従来よりも抑えられる。なお、セパレータ３０を貫通して電流が流れる際、一部の電流は、最小発電部以外の部位へと流れるが、その割合は少ないため、電流はほとんどまっすぐに、最大発電部から最小発電部へと流れる。
最大発電部の発電量が抑えられることで、当該部位において消費される空気内の酸素量が減少する。そして、空気内の酸素が、従来よりも供給路１５の中流部及び下流部へと供給されやすくなり、中流部及び下流部における発電性能を向上させることが可能になる。その結果、本発明の燃料電池１００では、電流密度の均一化を図ることが可能になる（図３参照）。なお、上流部における発電量を抑えると中下流部における発電性能が向上する関係は、上流部が例えば膜の乾燥により発電性能が低下した場合でも同様に生じることが、確認されている（図４参照）。
【００１６】
図２に、空気流路位置と電流密度との関係を概略的に示す。図２において、縦軸は電流密度（Ａ／ｍｍ２）、横軸は空気流路に沿った位置を示している。
図中のＡ（実線）は、グラフにおける横軸半分の長さの空気流路を備えるセルにおける、典型的な発電分布を示している。空気流路内の各部位における電流密度は、このように、一般的には空気流路の上流から下流にかけて、単調に減少する分布を示す。また、図中のＢ（実線）は、グラフにおける横軸の長さ（上記Ａにおける空気流路の２倍の長さ）の空気流路を備えるセルに、上記Ａの２倍の量のガスを供給した場合における、発電分布を示している。この分布は、上記Ａのセルを直列に２セル繋いだ場合に相当する。さらに、図中のＣ（点線）は、上記Ｂにおける下流側半分の特性を、中央にて半分に折って示した特性である。一方、図中のＤ（一点鎖線）は、本発明の燃料電池における、発電特性を示している。上述のように、本発明の燃料電池では、最大発電部の発電量が従来よりも抑えられる反面、最小発電部の発電量が従来よりも増加すると考えられるため、図２における上記Ｂの上流側半分と、上記Ｃとの中間の値を示す。
【００１７】
図３に、空気の入口が互い違いになるように２つのセルを積層させた場合における電流密度の概念図を示す。図３における第２セルの上記概念図は、第１セルにおける空気流路の上流及び下流を逆にした場合における電流密度と空気流路位置との関係を示している。これに対し、第１セルの上記概念図には、第１セル単独の場合の発電分布（実線）、第２セル単独の場合の発電分布（点線）、及び、第１セル及び第２セルを積層した場合における発電分布（一点鎖線）をあわせて示している。図３に一点鎖線で示すように、発電量の異なる部位を重ねて配置することで、発電量の異なる部位における発電性能が影響し合い、２セル全体の電流密度分布がより均一になる（一点鎖線）。なお、図３における第１セル及び第２セルの双方において、縦軸は電流密度（Ａ／ｍｍ２）を、横軸は空気流路に沿った位置をそれぞれ示している。
【００１８】
図４に、電流負荷（供給ガス）量を一定にした場合における、空気流路位置と電流密度との関係を概略的に示す。図４において、縦軸は電流密度（Ａ／ｍｍ２）、横軸は空気流路に沿った位置を示している。
図中のＡ（実線）は、空気流路上流側に位置するＭＥＡ内の膜が乾燥している場合における、空気流路位置と電流密度との関係を示している。これに対し、図中のＢ（一点鎖線）は、空気流路上流側に位置するＭＥＡ内の膜が乾燥していない場合における、空気流路位置と電流密度との関係を示している。
図４におけるＡでは、空気流路上流側に位置する膜が乾燥しているので、当該部位における空気内の酸素消費が抑えられる。その結果、上流部以外の中下流側へと酸素が届きやすくなり、図４のＡは、Ｂよりも中下流側における発電性能が向上する。
【００１９】
図５に、一般的な燃料電池における電流密度と電圧との関係（Ｉ−Ｖ特性）を概略的に示す。図５において、縦軸は電圧（Ｖ）、横軸は電流密度（Ａ／ｍｍ２）である。
図５に示すように、一般に、空気流路の上流部におけるＩ−Ｖ特性（Ａ）と、空気流路の下流部におけるＩ−Ｖ特性（Ｂ）とは、異なっており、燃料電池全体のＩ−Ｖ特性（Ｃ）は、これら２つの特性を有する電池（Ａ及びＢ）を並列に接続させた並列電池としての特性を示す。そして、燃料電池の使用時における最大負荷電流は、図中Ｃの電圧値が下がり過ぎない値（図中  ｄ（Ｖ））として決定される。
このように、燃料電池全体としては平均して図のＣの特性を示すため、空気流路の上流部において図のＡの特性にて作動するということは、すなわち、当該部位における電流負荷が他の部位のそれと比べて多いことを示している。したがって、他よりも電流負荷が多い空気流路の上流部では、触媒層や電解質膜が劣化しやすく、これらの耐久性という観点からは、他の部位よりも部分的に劣る。燃料電池の耐久性は、最も劣化しやすい部位の寿命をその判断基準の１つとするため、耐久性の向上を図るためには、最も劣化しやすい部位の寿命を延ばすことが好ましい。そこで、本発明では、セル内における発電量を均一にすることで、触媒層や電解質膜等の部分的な劣化を抑制する。
【００２０】
図６に、発電分布が比較的均一な本発明にかかる燃料電池における電流密度と電圧との関係（Ｉ−Ｖ特性）と、従来技術による一般的な燃料電池におけるＩ−Ｖ特性とを、あわせて示す。図６において、縦軸は電圧（Ｖ）、横軸は電流密度（Ａ／ｍｍ２）である。また、図６において、実線は発電分布が比較的均一な本発明の燃料電池（以下において、「均一電池」と記述する。）におけるＩ−Ｖ特性を、点線は従来技術による一般的な燃料電池（以下において、「不均一電池」と記述する。）におけるＩ−Ｖ特性を、それぞれ示している。
均一電池及び不均一電池における最大負荷電流を与える電圧値（ｄ（Ｖ））を一定とした場合における、
均一電池の空気流路上流部（図中Ａ’）における電流密度を      ａ’（Ａ／ｍｍ２）
不均一電池の空気流路上流部（図中Ａ）における電流密度を      ａ  （Ａ／ｍｍ２）
均一電池の空気流路下流部（図中Ｂ’）における電流密度を      ｂ’（Ａ／ｍｍ２）
不均一電池の空気流路下流部（図中Ｂ）における電流密度を      ｂ  （Ａ／ｍｍ２）
均一電池と不均一電池のセル全体（図中Ｃ’）における電流密度をｃ’（Ａ／ｍｍ２）
とするとき、これらの値は、それぞれ、
ａ’＜ａ
ｂ＜ｂ’
の関係を満たす。すなわち、均一電池における最大電流密度ａ’は、不均一電池における最大電流密度ａよりも小さいため、触媒層や電解質膜等の部分的な劣化を抑制することができ、燃料電池の長寿命化を図ることが可能になる。一方で、ガスの供給量を増やすことで、均一電池における最大電流密度ａ’は、ａと同じにすることができる。
均一電池における最大電流密度ａ’をａと同じにした場合の、不均一電池のセル全体（図中の一点鎖線Ｃ）における電流密度を        ｃ  （Ａ／ｍｍ２）
とするとき、
ｃ’＜ｃ
の関係が成り立つ。従って、最大電流密度ａ＝（ａ’）が燃料電池の寿命に問題ないレベルであるならば、より多くのガスを供給することで、セル全体の電流密度をｃに向上させることが可能である。すなわち、均一電池は、より多くのガスを供給して、不均一電池より大きな電流密度を同じ寿命レベルで実現できることから、不均一電池よりも単位体積あたりの発電量が大きい燃料電池であるということができる。ここで、本発明の燃料電池１００は、従来の燃料電池よりも発電分布が均一な燃料電池であることから、本発明の燃料電池１００は、単位体積あたりの発電量が大きい燃料電池であるといえる。
【００２１】
図７に、本発明の燃料電池１００に空気、水素、及び、水を供給するためのマニホールドにおける、各流体の入口、出口等の配置例を示す。図７において、水素ガス入口８１から導入される水素ガスは、燃料電池１００内の各セルの第２ガス流路１６、２６に相当する流路へと一方向に供給され、余った水素は、水素ガス出口８２から燃料電池外へと導かれる。これに対し、空気入口８３から導入される空気は、電池１００内における第１セル１０に相当するセルの第１ガス流路１５へと供給された後、空気偏向口８４においてその方向を変え、引き続き、電池１００内における第２セル２０の第１ガス流路１５に相当する流路へと供給された後、空気出口８５から燃料電池外へと導かれる。他方、燃料電池内のセパレータを冷却する水は、水入口８６から電池１００内の各セパレータへと供給された後、水偏向口８７においてその方向を変え、引き続き、電池１００内における第１のセパレータ３０に相当するセパレータの冷却水流路３７に相当する流路へと供給された後、水出口８８から燃料電池外へと導かれる。
本発明の燃料電池において、マニホールドと各流路（空気流路、水素ガス流路、及び、冷却水流路）とは、マニホールドに形成された連通溝を介して接続される。また、本発明の燃料電池におけるマニホールドの配置形態を図７に示す形態とする場合、マニホールドにおける偏向口は、燃料電池において上記２セルにより構成される全ての構成単位において共有される。
また、本発明の燃料電池１００において使用されるマニホールド、及び、電池１００に供給される各流体の供給形態は、上記形態に限定されるものではなく、各流体の供給形態を別の形態とする場合には、その形態に応じてマニホールドの形態を適宜変更することができる。
別の方法としては、ターンする流体が、２セル１モジュールの隣のセルにのみ流れるように構成してもよい。この場合、マニホールドは全部貫通ではなく１セル飛ばしに閉じたマニホールドを挟む構成となる。つまり、偏向口（空気と水のマニホールドでＵターンする部分）は、２セル１モジュールにのみ連通しており、隣のモジュールとは独立していてもよい。
【００２２】
（２）多孔質部
図８に、図１における多孔質部３５、及びその周囲を拡大して示す。なお、図８の燃料電池１００において、図１と同じ構成部材については、図１と同一の参照符号を付して、それらの説明を省略することがある。
本発明の燃料電池１００は、第１セル１０と第２セル２０とが第１のセパレータ３０を挟んで積層されており、当該セパレータ３０は、第１セル１０における第２ガス供給路１６と第２セル２０における第１ガス供給路１５との間の部位が、多孔質部３５により構成されている。上述のように、図８において、多孔質部３５の下方に位置している第１セル１０内の第１ガス供給路１５は、当該供給路１５の上流部であるとともに、図８において多孔質部３５の上方に位置している第２セル２０内の第１ガス供給路１５は、当該供給路１５の下流部である。そのため、上述のように、多孔質部３５は、第１セル１０における最大発電部と第２セル２０における最小発電部との間に配置されている。なお、セパレータ３０における多孔質部３５と非多孔質部との境界は、ガスパッキンによりシールされている。
【００２３】
通常の燃料電池の使用時において、電気化学反応により生成された水は、冷却されているセパレータに触れることにより結露して水滴となる。当該水滴は、空気流路内を流れる空気により当該流路の下流部へと運ばれるため、燃料電池における空気流路の最下流部は、水が滞留し易い。滞留した水は、空気流路内におけるガス拡散を阻害し、燃料電池の発電性能を低下させる。したがって、燃料電池の発電性能を向上させるためには、当該滞留水を除去することが好ましい。そこで、本発明では、空気が流れる第１ガス流路１５の下流部と接しているセパレータ部位を多孔質部材により構成することで、滞留水を除去しやすい燃料電池としている。
【００２４】
多孔質部３５を最大発電部と最小発電部との間に配置させることにより、本発明の燃料電池１００では、最小発電部近傍において滞留している水を、多孔質部３５を介して最大発電部の方へと移動させることが可能になる。図８に示すように、多孔質部３５は、第１ガス流路１５の下流部と、第１セルにおける第２ガス流路１６の上流部との間に配置されているため、多孔質部３５を通過した上記水は、第１セル１０における第２ガス流路１６の上流部へと移動し、第２ガス流路１６へと供給される水素ガスを加湿する。第１セル１０内の水素ガスが加湿されることにより、当該セル１０のＭＥＡ５において、水素ガス上流部の電解質膜１における乾燥を防止することができ、第１セル１０における発電能力の低下を抑制することが可能になる。
【００２５】
このように、燃料電池の通常使用時には、電気化学反応により水が生成されるため、第２セル２０にて生成された水は、多孔質部３５を介して第１セル１０へと運ばれる。一方で、燃料電池が低温環境に置かれた場合に、当該電池内に残存する水の凍結を防止することを目的として、通常、燃料電池は、その使用停止前に、セル内が充分に乾燥される。そのため、本発明の燃料電池１００の始動時には、多孔質部３５は乾燥している。
【００２６】
図８に示すように、多孔質部３５は、第２セル２０における第１ガス流路１５と第１セル１０における第２ガス流路１６との間に配置されている。そのため、燃料電池１００の始動時には、流路１５、１６と多孔質部３５との間の差圧やガス濃度差に起因して、当該多孔質部３５の両側に配置されている流路１５及び１６から、当該多孔質部３５内部へとガスが透過する。ここで、流路１５には空気が、流路１６には水素ガスが供給されている。そこで本発明では多孔質部３５に酸化触媒を担持することで、酸化触媒にて透過してきた空気と酸素とを触媒燃焼させる。かかる形態とすれば、燃料電池の始動時において、触媒燃焼により生じた燃焼熱により当該電池内の少なくとも一部を暖機させることが可能になる。なお、燃料電池の始動時において、多孔質部３５を透過燃焼するガス量を調整するために、空気及び／又は水素ガスの供給圧及び／又は排圧を制御することで、始動時における発熱量を制御することが可能である。
【００２７】
燃料電池の通常使用時には、上述の通り、カソード側で水が生成され、この水が多孔質部３５へと浸透する。そのため、電池の通常使用時には、ガスの透過は極端に低下し、上記燃焼反応は終了する。したがって、セパレータ３０の一部を多孔質部３５としても、通常運転時には当該多孔質部内におけるガス透過は困難であることから、ガス透過に起因した発電性能の低下は、生じない。
【００２８】
本発明において使用される多孔質部３５は、燃料電池の始動時にはガスを、又、燃料電池の通常使用時には水を、それぞれ透過させ得るものであれば、その材質は特に限定されない。また、当該多孔質部３５に坦持される酸化触媒は、通常の酸化触媒であれば特に限定されるものではなく、具体的には白金等を挙げることができる。加えて、セパレータ３０における多孔質部３５と非多孔質部との境界におけるパッキンは、ガスパッキンに限定されるものではなく、冷却水流路３７内の水が多孔質部３５へと浸透することを防止し得るものであれば、好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【図２】空気流路位置と電流密度との関係を概略的に示す図である。
【図３】空気流路位置と電流密度との関係を概略的に示す図である。
【図４】空気流路位置と電流密度との関係を概略的に示す図である。
【図５】燃料電池における電流密度と電圧との関係を概略的に示す図である。
【図６】燃料電池における電流密度と電圧との関係を概略的に示す図である。
【図７】マニホールドを概略的に示す図である。
【図８】本発明の燃料電池における多孔質部とその周辺とを拡大して示す概略図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  電解質
２  カソード
３  アノード
５  ＭＥＡ
１０  第１セル
１５  第１ガス供給路
１６、２６  第２ガス供給路
２０  第２セル
３０  第１のセパレータ
３５  多孔質部
１００  燃料電池
【図１】
2005310510.tif 000003
【図２】
2005310510.tif 000004
【図３】
2005310510.tif 000005
【図４】
2005310510.tif 000006
【図５】
2005310510.tif 000007
【図６】
2005310510.tif 000008
【図７】
2005310510.tif 000009
【図８】
2005310510.tif 000010