(57)【要約】【課題】  低電流密度領域でも膜（全域）を湿潤できる燃料電池の提供。【解決手段】  （１）電解質膜、アノード、カソードを含むＭＥＡと、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路とを有する燃料電池であって、電解質膜１１と生成水の多い流路部とを吸水体３５で連通した燃料電池１０。（２）吸水体３５が電解質膜自体である。（３）生成水の多い流路部が出口側の酸化ガスマニホールドを含む。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、アノード、カソードを含むＭＥＡと、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路とを有する燃料電池であって、電解質膜と生成水の多い流路部とを吸水体で連通した燃料電池。
【請求項２】
前記吸水体が電解質膜自体である請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記生成水の多い流路部が出口側の酸化ガスマニホールドを含む請求項１または請求項２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、電解質膜の保水を良好にした燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体（ただし、積層方向は任意でよい）からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
【０００３】
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
発電反応が円滑に起こるには、電解質膜が湿潤状態にあることが必要である。
カソード側で酸化ガス出口は生成水により膜は湿潤状態になるが、酸化ガス入口側は膜は乾きやすく、電池性能および膜の耐久性が低下しやすい。膜の乾燥を抑制するには、反応ガスを加湿（水滴で供給すると拡散層は撥水処理されているため膜への浸透が悪いので、加湿の状態で供給）して供給することが有効であるが、別に加湿水を入れる加湿タンクが必要になり、車両搭載用としては適さないという問題がある。
加湿タンクをもたずに膜の乾燥を防止するには、燃料ガスと酸化ガスを互いに対向流とし、酸化ガス出口の生成水を膜を浸透させて燃料ガスの入口に移行させ、燃料ガスとともに燃料ガスの出口側に流し、燃料ガスの出口で再び膜を浸透させて酸化ガスの入口に循環させることが有効である。しかし、生成水の自己循環は、反応ガスの流量の多い高電流密度領域では多量の生成水が循環して有効であるが、反応ガスの流量の少ない低電流密度領域では生成水の循環量が少なく、低電流密度領域での膜乾燥防止には効果が少ないという問題がある。
【０００４】
特開平５−２８３０９４号公報は、燃料電池のカソード側の生成水をアノード側へ多孔質体を介して移行させることを開示している。その方法では、加湿タンクをもたずに、また低電流密度領域でも、多孔質体の表面張力により、カソードの生成水をアノードに移行させることができる。しかし、必要なのは電極の湿潤ではなく、電解質膜の湿潤であり、カソードからアノードへの生成水の移行による方法は、電解質膜の湿潤に直接寄与するものではないので、電池性能の維持および膜の耐久性の維持に果たす効果は少ない。
【特許文献１】特開平５−２８３０９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする問題点は、従来の燃料電池における、電解質膜の湿潤に伴う問題、すなわち、加湿タンクを必要とする、低電流密度領域で膜が乾燥しやすい、多孔質体の利用における膜自体の湿潤の効果が少ない、等の問題である。
【０００６】
本発明の目的は、加湿タンクを設ける必要がない（または設けても小型ですむ）、低電流密度領域でも膜（全域）を湿潤できる、膜自体の湿潤への寄与が大きい、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】
【０００７】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１）電解質膜、アノード、カソードを含むＭＥＡと、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路とを有する燃料電池であって、電解質膜と生成水の多い流路部とを吸水体で連通した燃料電池。
（２）前記吸水体が電解質膜自体である（１）記載の燃料電池。
（３）前記生成水の多い流路部が出口側の酸化ガスマニホールドを含む（１）または（２）記載の燃料電池。
【発明の効果】
【０００８】
上記（１）の燃料電池によれば、電解質膜と生成水の多い流路部とを吸水体で連通したので、生成水は流路部から吸水体を通して電解質膜に移行し電解質膜自体を直接湿潤する。したがって、膜自体の湿潤への寄与が大きい。また、生成水の利用であるため、加湿タンクを別に設ける必要がない（または設けても小型ですむ）。また、生成水の移行は水の吸水体中および膜中の浸透拡散によるため、反応ガスの流量、流速に影響されず、低電流密度領域でも膜全域を湿潤させることができる。
【０００９】
上記（２）の燃料電池によれば、吸水体が電解質膜自体であるため、吸水体の吸水作用、吸水体から膜への水分移行は円滑であり、膜の浸透拡散によって膜全域を円滑に湿潤することができる。
【００１０】
上記（３）の燃料電池によれば、生成水の多い流路部が出口側の酸化ガスマニホールドを含むので、出口側の酸化ガスマニホールド中にある多量の生成水を吸水体を通して電解質膜に導き電解質膜の全域に浸透拡散させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図６を参照して説明する。ただし、図６は比較例で、本発明に含まれない。
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【００１２】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は任意である。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２を有する電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５を有する電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側に、それぞれ、ガスを拡散する拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１３】
セパレータ１８は、カーボン、または金属、または金属と樹脂、または導電性を付与された樹脂、の何れか、またはその組み合わせ、からなる。
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８のガス流路２７、２８と反対側の面には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成される。冷媒流路はセル毎に、または複数のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられる。ガス流路２７には燃料ガス（水素）が流れ、ガス流路２８には酸化ガス（酸素含有ガス、通常は空気）が流れる。望ましくは、燃料ガスの流れと酸化ガスの流れが膜１１を隔てて対向流となるように、ガス流路２７、２８が形成される。
【００１４】
セパレータ１８には、燃料ガスマニホールド３０（入口側３０ａ、出口側３０ｂ）、酸化ガスマニホールド３１（入口側３１ａ、出口側３１ｂ）、冷媒マニホールド２９（入口側２９ａ、出口側２９ｂ）が形成され、それぞれ、セパレータ１８をセル積層方向に貫通している。
セル１９においてセパレータ１８間、および電解質膜１１とセパレータ１８との間は、接着材兼シール材３２によりシールされている。また、セル１９間はゴムガスケット３３によりシールされている。ただし、ゴムガスケット３３は接着材兼シール材３２であってもよい。３４はマニホールド出入り口部に設けられるシーリングプレートである。
【００１５】
燃料ガスは燃料ガスマニホールド３０（入口側３０ａ）からセルの燃料ガス流路２７に流入し、発電で消費され、残りがセルの燃料ガス流路２７から燃料ガスマニホールド３０（出口側３０ｂ）に流出する。酸化ガスは酸化ガスマニホールド３１（入口側３１ａ）からセルの酸化ガス流路２８に流入し、酸素の一部が発電で消費され、残りがセルの酸化ガス流路２８から酸化ガスマニホールド３１（出口側３１ｂ）に流出する。
酸化ガス流路２８の下流部および出口側酸化ガスマニホールド３１ｂは、生成水が多く、湿潤過多の状態になりやすく、その近傍の膜１１は十分に湿潤されている。
反応ガス（燃料ガスおよび／または酸化ガス）は加湿されないで供給される（ただし、加湿されて供給されてもよい）。加湿されないで供給された場合、酸化ガス流路２８の上流部および入口側酸化ガスマニホールド３１ａは乾いた状態になりやすく、その近傍の膜１１は乾燥しやすい。とくに、乾燥した空気が多量に供給される高電流密度領域では、膜１１が乾燥しやすい。
【００１６】
膜１１が乾燥すると、その部分でプロトンが膜１１中を移行しにくくなり発電性能が低下し、耐久性も低下するので、本発明では、つぎの膜乾燥防止対策がとられている。
電解質膜１１、アノード１４、カソード１７を含むＭＥＡと、アノード１４に燃料ガスを供給する燃料ガス流路２７と、カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路２８とを有する燃料電池１０において、電解質膜１１と生成水の多い流路部とが、吸水体３５で連通されている。
【００１７】
吸水体３５は、吸水するとともに吸った水をそれ自体の中において移行させる。
吸水体３５は、たとえば、電解質膜自体である。すなわち、電解質膜１１の一部を、１本以上、所定幅で所定長、帯状に、伸ばし、その伸ばした部分（耳部）１１ａを吸水体３５として使用する。
ただし、吸水体３５は、電解質膜以外の材料であってもよいし、電解質膜１１と一体に形成されていなくてもよい。たとえば、吸水体３５は、スポンジであってもよいし、あるいは多孔に形成された樹脂、布、紙、金属（焼結金属や金網を潰したもの）等であってもよい。
【００１８】
吸水体３５の一部が晒される、生成水の多い流路部は、たとえば、出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂを含む。また、生成水の多い流路部は、出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂのみであってもよいし、あるいは出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂとそれに接続する酸化ガス流路２８のガス出口部であってもよい。
また、吸水体３５の一部が晒される、生成水の多い流路部を、生成水以外の、水の多い流路部、たとえば、冷媒マニホールド２９などに置換してもよい。冷媒マニホールド２９の場合は、冷却水を補給する必要がある。
【００１９】
生成水の多い流路部が、出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂとそれに接続する酸化ガス流路２８のガス出口部である場合は、図１に示すように、電解質膜１１の一部の伸ばした部分１１ａを接着材兼シール材３２を挿通させて出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂ中に臨ませ、出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂ中で曲げ、酸化ガス流路２８のガス出口部に進入させる構造とする。出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂから酸化ガス流路２８のガス出口部に進入する部位において、電解質膜１１の一部の伸ばした部分１１ａがセパレータ１８の凸部やリブと干渉する場合は、セパレータ１８の凸部やリブにトンネルを形成しておき、そこを、電解質膜１１の一部の伸ばした部分１１ａを通すようにする。このようにすることによって、吸水体３５である電解質膜１１の一部の伸ばした部分１１ａは、酸化ガス流路２８のガス出口部の水を吸水するとともに、出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂ中を流れる水を吸水して、吸水体３５中を通して、電解質膜１１全域に浸透拡散させ、電解質膜１１の最も乾きやすい部分である、入口側の酸化ガスマニホールド３１ａ近傍の電解質膜部分をも湿潤させる。
【００２０】
図６は、比較例（従来例）を示す。比較例では、電解質膜１１には、一部の伸ばし部分１１ａは無く、また、電解質膜１１は、酸化ガスマニホールド３１ｂの手前で、接着材兼シール材３２中で止まっており、酸化ガスマニホールド３１ｂ中に臨んでいない。
【００２１】
図５は、本発明の場合と、比較例の場合における、燃料電池の出力電圧と燃料電池の電流密度との関係の傾向を示している。従来に比べて、本発明の膜はみだし構造（膜１１の耳部１１ａを生成水の多い流路部分にはみ出させた構造）では、低および中電流密度領域における出力電圧が増加している。
低電流密度域では、従来は、燃料ガスと酸化ガスとを対向流としても、低電流密度域でガス流速が低下して生成水が自己循環しにくくなるので、電解質膜の全域が乾きやすく、出力電圧の低下が生じていた。それに対し、本発明では、低電流密度域でガス流速が低下しても、それと無関係に生成水は吸水体３５で吸水され、電解質膜１１に水分移行し、電解質膜１１に到ると電解質膜１１中を浸透拡散して、膜１１全域が湿潤される。その結果、本発明では、従来に比べて、低電流密度領域における出力電圧が増加する。
高電流密度域では、従来も、本発明の場合でも、生成水の生成量が多く、燃料ガスと酸化ガスとを対向流として酸化ガス下流部の生成水を自己循環させることにより、膜１１の「ほぼ」全域を湿潤できる。「ほぼ」全域である理由は、従来は、燃料ガスと酸化ガスとを対向流としても、なお酸化ガス流路入口部は若干乾き気味になるからである。それに対して、本発明では、電解質膜１１の浸透拡散により、従来の酸化ガス流路入口部の若干乾き気味現象も改善される。
また、電解質膜１１の湿潤は、電解質膜１１の耐久性をも、当然に向上させる。
【００２２】
つぎに、本発明の作用、効果を説明する。
【００２３】
本発明の燃料電池１０では、電解質膜１１と生成水の多い流路部とを吸水体３５で連通したので、生成水は、生成水の多い流路部から吸水体を通して電解質膜１１に移行し、さらに電解質膜１１中を浸透拡散し、電解質膜１１自体を、直接かつ効果的に、湿潤する。  
【００２４】
生成水を利用して膜１１を湿潤する方式であるため、加湿タンクを別に設ける必要がない（設けても小型ですむ）。また、吸水体３５中の生成水の移行は水の吸水体中の浸透拡散によるため、水分移行が反応ガスの流量、流速に影響されず（反応ガスの流速が「０」である場合においても水分移行は進行する）、低電流密度領域でも膜１１が乾燥しない（またはしにくい）。
吸水体３５中を通しての水分移行であるため、反応ガスの加湿の場合や電極間の水分移行のような間接的な膜の湿潤ではなく、直接的で効率のよい膜１１の湿潤となる。
従来の、反応ガスを介しての湿潤の場合は、反応ガスの流れの中の水分は、撥水処理を施した拡散層によって遮られて膜湿潤への寄与が少ない。また、従来の、電極間の水分移行の場合は、水分移行体と電極との間の水分移行、および電極と膜全体との間の水分移行を円滑にするための対策が必要になるという問題が生じる。本発明では、これらの問題が生じない。
【００２５】
吸水体３５が電解質膜自体（膜自体に形成された耳部１１ａ）である場合は、吸水体３５の吸水作用、および吸水体３５から膜１１本体への水分移動が円滑であり、膜１１の全域を、円滑にかつ効果的に湿潤することができる。
【００２６】
吸水体３５の一部が晒される、生成水の多い流路部が、出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂを含む場合は、生成水を多量に吸水体３５を通して電解質膜１１に導き、電解質膜１１中を電解質膜１１全域に浸透拡散させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の燃料電池の、吸水体とその近傍の、断面図（図２のＡ−Ａ断面図）である。
【図２】本発明の燃料電池のセル面の正面図である。
【図３】本発明の燃料電池の全体側面図である。
【図４】本発明の燃料電池の一部の断面図（図２のＢ−Ｂ断面図）である。
【図５】本発明の燃料電池と、比較例の燃料電池の、出力電圧／電流密度のグラフである。
【図６】従来の燃料電池の、図１と同じ部分に対応する部分の、断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１１ａ  電解質膜を一部伸ばした部分（「耳部」ともいう）
１２、１５  触媒層
１３、１６  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  セル
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド
２９ａ  入口側冷媒マニホールド
２９ｂ  出口側冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３０ａ  入口側燃料ガスマニホールド
３０ｂ  出口側燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３１ａ  入口側酸化ガスマニホールド
３１ｂ  出口側酸化ガスマニホールド
３２  接着材兼シール材
３３  ゴムガスケット
３４  シーリングプレート
３５  吸水体
【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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