(57)【要約】【課題】アノードの材料劣化を抑制して発電性能を向上させることが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】少なくとも触媒層２ａ、３ａを備えるアノード２及びカソード３、並びに、これらの間に配設される電解質膜１、を具備するＭＥＡ５と、アノード２側に配設される第１セパレータ６と、カソード３側に配設される第２セパレータ７と、を備え、第１セパレータ６に、第１緻密部６ｂと第１多孔質部６ａとが備えられるとともに、第１多孔質部６ａの少なくとも一部がアノード２と接触し、第１多孔質部６ａに、水電解触媒４、４、…が備えられる、燃料電池１０とする。【選択図】図１
2007335112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも触媒層を備えるアノード及びカソード、並びに、これらの間に配設される電解質膜、を具備するＭＥＡと、前記アノード側に配設される第１セパレータと、前記カソード側に配設される第２セパレータと、を備え、
前記第１セパレータに、第１緻密部と第１多孔質部とが備えられるとともに、前記第１多孔質部の少なくとも一部が前記アノードと接触し、
前記第１多孔質部に、水電解触媒が備えられることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
さらに、前記第２セパレータに、第２緻密部と第２多孔質部とが備えられ、前記第２多孔質部の少なくとも一部が前記カソードと接触してい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】
前記第１多孔質部内に、第１熱媒体流路が備えられ、
前記第１熱媒体流路と前記第１多孔質部の前記アノード側端面との間に、第１水拡散手段が備え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】
前記第２多孔質部内に、第２熱媒体流路が備えられ、
前記第２熱媒体流路と前記第２多孔質部の前記カソード側端面との間に、第２水拡散手段が備えられていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１セパレータに、前記第１多孔質部へと供給されるべき水を流通させるための水用流路が備えられ、さらに、該水用流路へ水を供給すべき水供給手段が備えられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【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、アノードの材料劣化を抑制することが可能な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質と、当該電解質の両側に配置される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用され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、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、電解質膜、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノードを具備し、その理論起電力は１．２３Ｖである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層して積層体を形成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して形成されるスタック形態の燃料電池が使用されている。
【０００４】
ＰＥＦＣにおける電気発生の源となる電気化学反応は、例えば以下の工程で進行する。まず、アノードへと届けられた水素は、触媒（例えば、白金担持カーボン等）の存在下、水素イオンと電子とに分解される。
アノード側：Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−                          （式１）
そして、発生した水素イオン（以下、「プロトン」ということがある。）は、湿潤状態でイオン伝導性能を発現する電解質膜を通過して、カソードへと移動する。電解質膜はイオンのみを通過させる性質を有するため、発生した電子は電解質膜を通過することができず、外部の回路を通ってカソードへと移動する。燃料電池においては、かかる電子の移動により、電気が発生する。一方で、カソードへと届けられた酸素が、カソードへと移動してきたプロトン及び電子と反応することにより、水が生成される。
カソード側：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋ (１／２)Ｏ２ → Ｈ２Ｏ        （式２）
【０００５】
ところで、ＰＥＦＣを作動させると、セル内部は様々なガス状態となるため、アノードが高電位状態（例えば、１．５Ｖ等の電位状態。以下において同じ。）に曝される虞がある。高電位状態になると、アノードの構成材料（例えば、Ｐｔ、Ｃ等）が劣化し、ＰＥＦＣの性能が低下するため、高電位時における材料劣化を抑制することが望まれる。
【０００６】
高電位時における材料劣化等を抑制することによりＰＥＦＣの性能を向上させることを目的とした技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、水素欠乏時にアノード触媒の担体が腐食されるのを防止するため、電極触媒に水電解触媒を混合する技術が開示されており、この技術によれば、燃料電池の電池反転に対する耐性をより強力にすることができる、としている。
【０００７】
また、特許文献２には、高分子固体電解質形燃料電池の燃料極において、高分子固体電解質膜に接し、燃料電池反応を進行させる少なくとも１層の反応層と、拡散層に接し、燃料極中の水を電気分解する少なくとも１層の水分解層と、からなることを特徴とする高分子固体電解質形燃料電池の燃料極に関する技術が開示されている。この技術によれば、燃料の欠乏が生じても電極特性の低下を起こし難い高分子固体電解質形燃料電池の燃料極を提供できる、としている。なお、特許文献２における「高分子固体電解質形燃料電池」は上記ＰＥＦＣに相当し、「燃料極」は上記アノードに相当する。
【特許文献１】特表２００３−５０８８７７号公報
【特許文献２】特開２００４−２２５０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に開示されているように電極触媒が備えられる層にのみ水電解触媒を混合させると、水の電気分解によって生じた酸素がアノードから排出され難いため、燃料電池の性能が低下する虞があるという問題があった。また、特許文献１及び特許文献２に開示されている技術では、セル内の水電解触媒へと供給される水が不足して、材料劣化の抑制効果が不十分になりやすいという問題もあった。
【０００９】
そこで本発明は、アノードの材料劣化を抑制して発電性能を向上させることが可能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】
【００１０】
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、少なくとも触媒層を備えるアノード及びカソード、並びに、これらの間に配設される電解質膜、を具備するＭＥＡと、アノード側に配設される第１セパレータと、カソード側に配設される第２セパレータと、を備え、第１セパレータに、第１緻密部と第１多孔質部とが備えられるとともに、第１多孔質部の少なくとも一部がアノードと接触し、第１多孔質部に、水電解触媒が備えられることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
【００１１】
ここに、第１緻密部の構成材料は、当該第１緻密部内へのガスの拡散を防止し得る高耐食性の導電性材料であれば特に限定されず、具体例としては、カーボンのほか、高耐食性金属（例えば、金、白金、ステンレス鋼、チタン合金等）等を挙げることができる。さらに、第１多孔質部の構成材料は、ガス及び水を拡散させ得る高耐食性の導電性材料であれば特に限定されず、具体例としては、ポーラスカーボンのほか、焼結金属や発泡金属等を挙げることができる。また、本発明において、第１緻密部及び第１多孔質部の形態は特に限定されず、単一材料からなる単層構造形態のほか、複数材料からなる多層構造形態とすることも可能である。さらに、本発明において、第１多孔質部とアノードとの接触形態は、第１多孔質部からアノードへとプロトンを移動させ得る形態であれば、特に限定されない。加えて、「水電解触媒」とは、水の電気分解反応が生じ得る電位環境において、上記式１、式２で表わされる電気分解反応の進行に寄与する触媒（例えば、白金等。以下、「通常触媒」という。）よりも水の電気分解反応を生じさせやすい触媒を意味する。通常触媒が白金である場合、水電解触媒の具体例としては、Ｉｒ、ＩｒＯ２等のＩｒ系材料や、ＲｕＯ２等のＲｕ系材料の他、これらの複合物等を挙げることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、さらに、第２セパレータに、第２緻密部と第２多孔質部とが備えられ、第２多孔質部の少なくとも一部がカソードと接触していることを特徴とする。
【００１３】
ここに、第２緻密部の構成材料は、当該第２緻密部内へのガスの拡散を防止し得る高耐食性の導電性材料であれば特に限定されず、具体例としては、カーボンのほか、高耐食性金属（例えば、金、白金、ステンレス鋼、チタン合金等）等を挙げることができる。さらに、第２多孔質部の構成材料は、ガス及び水を拡散させ得る高耐食性の導電性材料であれば特に限定されず、具体例としては、ポーラスカーボンのほか、焼結金属や発泡金属等を挙げることができる。また、本発明において、第２緻密部及び第２多孔質部の形態も、第１緻密部及び第１多孔質部と同様に、その形態は特に限定されず、単一材料からなる単層構造形態のほか、複数材料からなる多層構造形態とすることも可能である。さらに、本発明において、第２多孔質部とカソードとの接触形態は、第２多孔質部からカソードへと水を拡散させ得る形態であれば、特に限定されない。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、第１多孔質部内に、第１熱媒体流路が備えられ、第１熱媒体流路と第１多孔質部のアノード側端面との間に、第１水拡散手段が備えられていることを特徴とする。
【００１５】
ここに、第１熱媒体流路とは、セルを冷却又は加温すべき冷却媒体又は温熱媒体用の流路を意味し、冷却媒体の具体例としては冷水やＬＬＣ等を、温熱媒体の具体例としては温水等を挙げることができる。さらに、第１水拡散手段とは、第１熱媒体流路内を流れる熱媒体から上記水電解触媒へ水を選択的に拡散させ得る手段を意味し、その具体例としては、逆浸透膜等を挙げることができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の燃料電池において、第２多孔質部内に、第２熱媒体流路が備えられ、第２熱媒体流路と第２多孔質部のカソード側端面との間に、第２水拡散手段が備えられていることを特徴とする。
【００１７】
ここに、第２熱媒体流路とは、セルを冷却又は加温すべき冷却媒体又は温熱媒体用の流路を意味し、冷却媒体の具体例としては冷水やＬＬＣ等を、温熱媒体の具体例としては温水等を挙げることができる。さらに、第２水拡散手段とは、第２熱媒体流路内を流れる熱媒体から上記水電解触媒へ水を選択的に拡散させ得る手段を意味し、その具体例としては、逆浸透膜等を挙げることができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、第１セパレータに、第１多孔質部へと供給されるべき水を流通させるための水用流路が備えられ、さらに、水用流路へ水を供給すべき水供給手段が備えられることを特徴とする。
【００１９】
ここに、水用流路とは、水供給手段から第１多孔質部へと供給されるべき冷水、温水、又は水蒸気（以下、これらをまとめて単に「水」という。）を流通させるための流路であって、上記第１熱媒体流路、及び第２熱媒体流路とは異なる流路を意味する。さらに、水供給手段とは、水用流路へと水を供給し得る手段を意味する。水供給手段の具体例として、燃料電池の排気から捕集された水が水用流路へと供給される場合には、排気から水を捕集する捕集手段及び捕集された水を上記水用流路へと導く流路等を挙げることができ、上記熱媒体に加えて別途供給される熱媒体から取り出された水が上記水用流路へと供給される場合には、別途供給される熱媒体用の流路及び当該熱媒体用流路から上記水用流路へと水を拡散させる水拡散手段（例えば、逆浸透膜）等を挙げることができる。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、第１多孔質部に水電解触媒が備えられており、当該第１多孔質部にはアノードから排出される水が拡散し得るので、アノードが高電位状態に曝された時に水電解触媒上へ水を拡散させてプロトンを生成させることができる。さらに、第１多孔質部に水電解触媒が備えられるので、第１多孔質部内を拡散する反応ガスとともに、水の電気分解反応によって生じた酸素をセル外へ容易に排出することができる。したがって、本発明によれば、水素欠乏に起因してアノードが高電位状態に曝された場合であってもアノードの電位上昇を抑制して材料劣化を防止することができ、水の電気分解によって生じた酸素を容易に排出できるので、アノードの材料劣化を抑制して発電性能を向上させることが可能な燃料電池を提供できる。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、第２セパレータに第２多孔質部が備えられており、当該第２多孔質部とカソードとが接触している。そのため、アノード側の水が不足したとしても、第２セパレータに触れて結露した水等を第２多孔質部内で均一化して、アノード側へと供給することができる。したがって、本発明によれば、上記効果に加えて、さらに、第１多孔質部に備えられる水電解触媒への水の供給効率を向上させることができる。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、第１多孔質部内に第１熱媒体流路が備えられ、さらに第１水透過膜が備えられている。したがって、第１水透過膜により第１熱媒体流路内を流れる熱媒体から水を選択的に透過させて水電解触媒へと供給することができるので、アノードが高電位状態に曝された場合に第１多孔質部の水電解触媒上で電気分解される水を、容易に確保することができる。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、第２多孔質部内に第２熱媒体流路が備えられ、さらに第２水透過膜が備えられている。したがって、第２水透過膜により第２熱媒体流路内を流れる熱媒体から水を選択的に取り出して、第１多孔質部へと拡散させることができるので、アノードが高電位状態に曝された場合に水電解触媒上で電気分解される水を、容易に確保することができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、セルの外部から第１多孔質部へ水を供給することができるので、水電解触媒上で電気分解される水をより一層確実に確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
アノードへと供給される水素が不足している状態で燃料電池を作動させると、アノードが高電位状態に曝される。そして、高電位状態に曝されたアノードでは、上記式２の反応で消費されるプロトン及び電子を供給するため、以下の反応が生じる。
Ｈ２Ｏ → (１／２)Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−                    （式３）
ここで、上記式３は、水の電気分解反応であり、アノード側に水が存在する間は、当該反応によりプロトン及び電子が生成される。ところが、アノード側の水が枯渇する等の理由により、高電位状態に曝されたアノードで上記式３の反応が生じなくなると、アノードの構成材料としてカーボンが備えられる燃料電池では、以下の反応によってプロトン及び電子が生成される。
(１／２Ｃ) ＋ Ｈ２Ｏ → (１／２)ＣＯ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−    （式４）
上記式４は、カーボンの酸化反応であり、かかる反応が進むと、触媒を担持しているカーボンや拡散層に含まれるカーボン等が劣化する。したがって、アノードの材料劣化を抑制するには、上記式４の反応を抑制することが必要であり、それには、アノード側へ上記式３により分解される水を供給することが重要である。そして、上記式３の反応を生じさせるには、アノード側に水電解触媒が備えられる形態の燃料電池とすることが好ましい。
【００２６】
本発明は、かかる観点からなされたものであり、その要旨は、アノードが高電位状態に曝された時に、アノード側に備えられる水電解触媒上で水の電気分解反応を積極的に進行させ、材料劣化を抑制して発電性能を向上させることが可能な、燃料電池を提供することにある。
【００２７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、以下の図では、特に断らない限り、反応ガス等のシール性を確保するために備えられるシール手段の記載を省略するが、本発明の燃料電池のシール性は、所定のシール手段（例えば、セパレータに備えられる緻密部や、ＭＥＡ並びにアノード触媒層及びカソード触媒層の端部等に配設されるフッ素ゴム製のガスケット等）によって確保されているものとする。
【００２８】
１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられる単セル（以下、単に「燃料電池」という。）の一部構成例を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が、セルの積層方向である。
【００２９】
図示のように、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池１０は、電解質膜１と、その両側に配設されるアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層３ａとを備えるＭＥＡ５と、ＭＥＡ５の両側に配設されるアノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂと、アノード拡散層２ｂの外側へ配設される第１セパレータ６と、カソード拡散層３ｂの外側へ配設される第２セパレータ７と、を備えている。アノード２には、アノード触媒層２ａ及びアノード拡散層２ｂが、カソード３には、カソード触媒層３ａ及びカソード拡散層３ｂが、それぞれ備えられている。さらに、第１セパレータ６には、ポーラスカーボンからなる第１多孔質部６ａと緻密カーボンからなる第１緻密部６ｂと、が備えられ、アノード拡散層２ｂ側に備えられる第１多孔質部６ａにはＩｒ等からなる水電解触媒４、４、…が備えられるとともに、第１反応ガス流路８ａ、８ａ、…が形成され、第１緻密部６ｂには第１熱媒体流路９ａ、９ａ、…が形成されている。また、緻密カーボンからなる第２セパレータ７には、第２熱媒体流路９ｂ、９ｂ、…が形成されるとともに、カソード拡散層３ｂ側の面に第２反応ガス流路８ｂ、８ｂ、…が形成されている。そして、上記形態の燃料電池１０は、第１反応ガス流路８ａ、８ａ、…に加湿された水素含有ガス（以下、「水素」という。）が、第２反応ガス流路８ｂ、８ｂ、…に加湿された酸素含有ガス（以下、「空気」という。）が、それぞれ供給されるとともに、第１熱媒体流路９ａ、９ａ、…及び第２熱媒体流路９ｂ、９ｂ、…にＬＬＣ等の熱媒体が流通した状態で、作動される。
【００３０】
第１反応ガス流路８ａ、８ａ、…を経て供給された水素は、カーボンペーパー等からなるアノード拡散層２ｂを経て、通常触媒（例えば、白金担持カーボン。以下において同じ。）及び電解質成分（例えば、Ｎａｆｉｏｎ等。Ｎａｆｉｏｎは米国デュポン社の登録商標。以下において同じ。）を備えるアノード触媒層２ａに達し、通常触媒上でプロトンと電子とに分解される（上記式１）。このようにして生成されたプロトンは、電解質成分を備える電解質膜１を通過して、通常触媒及び電解質成分を備えるカソード触媒層３ａへと達する。これに対し、電子は電解質膜１を通過できないので、外部回路を経由してカソード触媒層３ａへと達する。他方、第２反応ガス流路８ｂ、８ｂ、…を経て供給された空気は、カーボンペーパー等からなるカソード拡散層３ｂを経て、カソード触媒層３ａへと達する。そして、カソード触媒層３ａに備えられる通常触媒上で、酸素と、アノード触媒層２ａから移動してきたプロトン及び電子とが反応することにより、水が生成される（上記式２）。アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層３ａへ十分な量の反応ガスが供給されている間は、上記式１及び式２の反応により水が生成され、電気エネルギーを取り出すことができる。
【００３１】
ところで、ＰＥＦＣは通常、多数のセルが積層されたスタック形態で使用され、当該スタック形態のＰＥＦＣから電気エネルギーが取り出される。そのため、水素が十分に供給されない等の理由によりスタックに備えられる一部のセルが発電不能の状態に陥っても、その他のセルが通常に作動していれば、スタックから電気エネルギーを取り出すことができる。このように、発電不能セルを備えるスタックから電気エネルギーを取り出すと、当該発電不能セルでは、アノードが高電位状態に曝され、上記式３及び式４の反応が生じる。そして、アノード側の水が枯渇すると、上記式４の反応が進行し、アノードの材料が劣化する。
【００３２】
一方で、第１反応ガス流路８ａ、８ａ、…には加湿された水素が供給されるとともに、燃料電池の作動時には上記式２により水が生成される。ここで、燃料電池１０の通常作動時には、第１反応ガス流路８ａ、８ａ、…に十分な量の水素が供給されるので、アノード２に存在する余剰水は、第１反応ガス流路８ａ、８ａ、…内を流れる水素とともに、セル外へ排出することができる。しかし、アノード２への水素の供給が途絶える（以下、「水素欠状態になる」という。）と、水の排出効率が低下するため、第１多孔質部６ａには水が滞留するものと考えられる。
【００３３】
図示のように、本発明の燃料電池１０には、第１多孔質部６ａに水電解触媒４、４、…が備えられている。そのため、燃料電池１０によれば、アノード２が水素欠状態となり、アノード２が高電位状態に曝されても、第１多孔質部６ａに滞留している水を水電解触媒４、４、…上で反応させて、プロトン及び電子を生成することができる。したがって、燃料電池１０によれば、上記式３の反応を進行させることで上記式４の反応の進行を抑制し、アノード２の材料劣化を抑制することができる。
【００３４】
２．第２実施形態
図２は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が、セルの積層方向である。図２において、図１に示す部材・物質と同様の構成を採るものには、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００３５】
図２に示すように、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池２０は、ＭＥＡ５と、ＭＥＡ５の両側に配設されるアノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂと、アノード拡散層２ｂの外側へ配設される第１セパレータ２６と、カソード拡散層３ｂの外側へ配設される第２セパレータ７と、を備えている。第１セパレータ２６には、発泡金属からなる第１多孔質部２６ａと緻密カーボンからなる第１緻密部６ｂと、が備えられており、アノード拡散層２ｂ側に備えられる第１多孔質部２６ａにはＩｒ等からなる水電解触媒４、４、…が備えられ、第１緻密部６ｂには第１熱媒体流路９ａ、９ａ、…が形成されている。なお、燃料電池２０では、図示されていない反応ガス供給手段を介して、第１多孔質部２６ａへ水素が供給される。
【００３６】
本発明の燃料電池２０の通常作動時には、第１多孔質部２６ａに十分な量の水素が供給されるので、燃料電池２０内の水は、当該水素とともにセル外へ排出することができる。しかし、アノード２が水素欠状態になると、第１多孔質部２６ａへと供給される水素量が低下するため、第１多孔質部２６ａには水が滞留するものと考えられる。
【００３７】
図２に示すように、本発明の燃料電池２０には、第１多孔質部２６ａに水電解触媒４、４、…が備えられている。そのため、燃料電池２０によれば、アノード２が水素欠状態となり、アノード２が高電位状態に曝されても、第１多孔質部２６ａに滞留している水を水電解触媒４、４、…上で反応させて、プロトン及び電子を生成することができる。したがって、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池２０であっても、アノード２の材料劣化を抑制することができる。
【００３８】
３．第３実施形態
図３は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が、セルの積層方向である。図３において、図１に示す部材・物質と同様の構成を採るものには、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００３９】
図３に示すように、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池３０は、ＭＥＡ５と、ＭＥＡ５の両側に配設されるアノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂと、アノード拡散層２ｂの外側へ配設される第１セパレータ６と、カソード拡散層３ｂの外側へ配設される第２セパレータ３７と、を備えている。第１セパレータ６には、第１多孔質部６ａ及び第１緻密部６ｂが備えられ、アノード拡散層２ｂ側に備えられる第１多孔質部６ａにはＩｒ等からなる水電解触媒４、４、…が備えられている。一方、第２セパレータ７には、ポーラスカーボンからなる第２多孔質部７ａ及び緻密カーボンからなる第２緻密部７ｂが備えられ、カソード拡散層３ｂ側に配置される第２多孔質部７ａに第２反応ガス流路８ｂ、８ｂ、…が、第２緻密部７ｂに第２熱媒体流路９ｂ、９ｂ、…が、それぞれ形成されている。
【００４０】
燃料電池の通常作動時には、第２熱媒体流路９ｂ、９ｂ、…内を流れる熱媒体等により燃料電池３０が冷却されているので、上記式２によって生成された水は、セパレータ３７と触れることにより結露して液滴の水になりやすい。ここで、図示のように、燃料電池３０は、第２セパレータ３７に第２多孔質部７ａが備えられているので、上記液滴の水が第２多孔質部７ａに留まりやすい。そのため、アノード２が水素欠状態になった時に上記式３により水が消費されて水が枯渇しそうになっても、第２多孔質部７ａに存在する水を第１多孔質部６ａへと拡散させることができるので、水電解触媒４、４、…上で上記式３の反応を継続させることができる。したがって、燃料電池３０によれば、水の電気分解反応で消費される水を容易に確保することで、アノード２の材料劣化を抑制することができる。
【００４１】
４．第４実施形態
図４は、第４実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が、セルの積層方向である。図４において、図１に示す部材・物質と同様の構成を採るものには、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４２】
図４に示すように、第４実施形態にかかる本発明の燃料電池４０は、ＭＥＡ５と、ＭＥＡ５の両側に配設されるアノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂと、アノード拡散層２ｂの外側へ配設される第１セパレータ４６と、カソード拡散層３ｂの外側へ配設される第２セパレータ７と、を備えている。第１セパレータ４６は、第１多孔質部６ａ、４６ａ及び第１緻密部６ｂ、６ｂを具備し、第１多孔質部４６ａに形成された第１熱媒体流路９ａ、９ａ、…と、アノード拡散層２ｂ側の第１多孔質部６ａに形成された第１反応ガス流路８ａ、８ａ、…との間に、逆浸透膜等からなる第１水拡散手段４１が備えられ、第１多孔質部６ａに水電解触媒４、４、…が備えられている。加えて、導電性を有する第１水拡散手段４１とする観点から、当該第１水拡散手段４１には、炭素繊維等の導電性ファイバー（図４では不図示）が備えられている。
【００４３】
燃料電池４０の作動時には、第１熱媒体流路９ａ、９ａ、…内に熱媒体が流されている。そして、第１熱媒体流路９ａ、９ａ、…は第１多孔質部４６ａに、第１反応ガス流路８ａ、８ａ、…は第１多孔質部６ａに、それぞれ形成され、これらの流路の間には第１水拡散手段４１が備えられている。そのため、燃料電池４０の作動中に、第１多孔質部６ａに備えられる水の量が減少した場合には、第１水拡散手段４１によって、第１熱媒体流路９ａ、９ａ、…内を流れる熱媒体から水のみを選択的に透過させることで、水電解触媒４、４、…上に水を供給することができる。したがって、燃料電池４０によっても、アノード２が高電位状態に曝された時に水の電気分解反応で消費される水を容易に確保することができるので、アノード２の材料劣化を抑制することができる。
【００４４】
第４実施形態に関する上記説明では、炭素繊維等の導電性ファイバーが備えられる形態の第１水拡散手段４１について記述したが、本発明にかかる第１水拡散手段は、第１熱媒体流路９ａ、９ａ、…と第１反応ガス流路８ａ、８ａ、…との間に、導電性を有し水を拡散可能な形態で配置されていれば、その形態は特に限定されるものではない。
【００４５】
図５は、本発明にかかる第１水拡散手段の形態例を示す概略図である。図５（ａ）は、炭素等の高耐食性導電体４１ａに形成された孔に逆浸透膜４１ｂを充填することにより構成される形態の第１水拡散手段４１ｘを、図５（ｂ）は、逆浸透膜４１ｃに炭素繊維等の導電性ファイバー４１ｄを分散させることにより構成される形態の第１水拡散手段４１を、図５（ｃ）は、一対の第１多孔質部６ｘ、６ｙの間に逆浸透膜４１ｅを配置し、一方の第１多孔質膜６ｘを他方の第１多孔質部６ｙの方へと貫通させることにより導電性を付与した形態の第１水拡散手段４１ｙを、それぞれ示している。このように、水拡散性能及び導電性を有する形態で第１水拡散手段が配置されていれば、上記効果を奏し得る形態の燃料電池を提供できる。
【００４６】
５．第５実施形態
図６は、第５実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が、セルの積層方向である。図６において、図１、図２、図４に示す部材・物質と同様の構成を採るものには、これらの図で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４７】
図６に示すように、第５実施形態にかかる本発明の燃料電池５０は、ＭＥＡ５と、ＭＥＡ５の両側に配設されるアノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂと、アノード拡散層２ｂの外側へ配設される第１セパレータ５６と、カソード拡散層３ｂの外側へ配設される第２セパレータ７と、を備えている。第１セパレータ５６は、第１多孔質部２６ａ、４６ａ及び第１緻密部６ｂ、６ｂを具備し、第１多孔質部２６ａと第１多孔質部４６ａとの間に、逆浸透膜等からなる第１水拡散手段４１が備えられ、第１多孔質部２６ａに水電解触媒４、４、…が備えられている。  
【００４８】
燃料電池５０の作動時には、第１多孔質部４６ａに形成された第１熱媒体流路９ａ、９ａ、…に熱媒体が流される。そのため、燃料電池５０の作動中に、第１多孔質部２６ａに備えられる水の量が減少した場合には、第１水拡散手段４１によって、第１熱媒体流路９ａ、９ａ、…内を流れる熱媒体から水のみを選択的に透過させることで、水電解触媒４、４、…上に水を供給することができる。したがって、燃料電池５０によっても、アノード２が高電位状態に曝された時に水電解触媒４、４、…上へ容易に水を供給できるので、アノード２の材料劣化を抑制することができる。
【００４９】
６．第６実施形態
図７は、第６実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が、セルの積層方向である。図７において、図２、図３に示す部材・物質と同様の構成を採るものには、これらの図で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００５０】
図７に示すように、第６実施形態にかかる本発明の燃料電池６０は、ＭＥＡ５と、ＭＥＡ５の両側に配設されるアノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂと、アノード拡散層２ｂの外側へ配設される第１セパレータ２６と、カソード拡散層３ｂの外側へ配設される第２セパレータ６７と、を備えている。第２セパレータ６７は、第２多孔質部７ａ、７ａ及び第２緻密部７ｂ、７ｂを具備し、第２熱媒体流路９ｂ、９ｂ、…と第２反応ガス流路８ｂ、８ｂ、…との間に、逆浸透膜等からなる第２水拡散手段６１が備えられている。加えて、導電性を有する第２水拡散手段６１とする観点から、当該第２水拡散手段６１には、炭素繊維等の導電性ファイバーが備えられている。
【００５１】
燃料電池６０の作動時には、第２熱媒体流路９ｂ、９ｂ、…内に熱媒体が流されている。そして、第２多孔質部７ａに第２熱媒体流路９ｂ、９ｂ、…が形成されており、第２多孔質部７ａはカソード拡散層３ｂと接している。そのため、燃料電池６０によれば、第２水拡散手段６１によって、第２熱媒体流路９ｂ、９ｂ、…内を流れる熱媒体から水のみを選択的に透過させ、第２多孔質部７ａ、カソード拡散層３ｂ、ＭＥＡ５、及び、アノード拡散層２ｂを経由して第１多孔質部２６ａの水電解触媒４、４、…上に水を供給することができる。したがって、燃料電池６０によれば、アノード２が高電位状態に曝された時に水の電気分解反応が生じて第１多孔質部２６ａに備えられる水の量が減少しても、第２熱媒体流路９ｂ、９ｂ、…内を流れる熱媒体から選択的に透過させた水を水電解触媒４、４、…上に拡散させることができるので、アノード２の材料劣化を抑制することができる。
【００５２】
第６実施形態に関する上記説明では、炭素繊維等の導電性ファイバーが備えられる形態の第２水拡散手段６１について記述したが、本発明にかかる第２水拡散手段は、第２熱媒体流路９ｂ、９ｂ、…と第２反応ガス流路８ｂ、８ｂ、…との間に、導電性を有し水を拡散可能な形態で配置されていれば、その形態は特に限定されず、図５に例示した第１水拡散手段と同様の形態を採ることができる。
【００５３】
７．第７実施形態
図８は、第７実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が、セルの積層方向である。図８において、図６、図７に示す部材・物質と同様の構成を採るものには、これらの図で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００５４】
図８に示すように、第７実施形態にかかる本発明の燃料電池７０は、ＭＥＡ５と、ＭＥＡ５の両側に配設されるアノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂと、アノード拡散層２ｂの外側へ配設される第１セパレータ５６と、カソード拡散層３ｂの外側へ配設される第２セパレータ６７と、を備えている。すなわち、燃料電池７０は、第１多孔質部４６ａに第１熱媒体流路９ａ、９ａ、…が、第２多孔質部７ａに第２熱媒体流路９ｂ、９ｂ、…がそれぞれ形成されるとともに、第１セパレータ５６に第１水拡散手段４１が、第２セパレータ６７に第２水拡散手段６１が、それぞれ備えられている。そのため、燃料電池７０によれば、第１熱媒体流路９ａ、９ａ、…内を流れる熱媒体、及び、第２熱媒体流路９ｂ、９ｂ、…内を流れる熱媒体から選択的に透過させた水を、第１多孔質部２６ａに備えられる水電解触媒４、４、…上へ供給することができるので、アノード２が高電位状態に曝された場合であっても、上記式３の反応を生じさせることにより、アノード２の材料劣化を抑制することができる。
【００５５】
８．第８実施形態
図９は、第８実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が、セルの積層方向である。図９において、図１に示す部材・物質と同様の構成を採るものには、図１で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００５６】
図９に示すように、第８実施形態にかかる本発明の燃料電池８０は、ＭＥＡ５と、ＭＥＡ５の両側に配設されるアノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂと、アノード拡散層２ｂの外側へ配設される第１セパレータ８６と、カソード拡散層３ｂの外側へ配設される第２セパレータ７と、を備えている。そして、第１反応ガス流路８ａ、８ａ、…、及び第２反応ガス流路８ｂ、８ｂ、…から供給される反応ガスのシール性は、フッ素ゴム製のガスケット等からなるシール手段８５と、第１セパレータ８６及び第２セパレータ７と、によって確保されている。本実施形態にかかる第１セパレータ８６は、第１多孔質部６ａ及び第１緻密部６ｂを備えるとともに、第１多孔質部６ａに備えられる水電解触媒４、４、…へ水を供給可能な形態で形成された水用流路８１を備え、セルの端部に配置される水供給手段８４には、水用流路８１へ水分を供給するために導入されたＬＬＣ等の熱媒体が流れる熱媒体流路８２と、逆浸透膜等からなる水拡散手段８３と、が備えられている。このような形態の燃料電池８０によれば、水拡散手段８３により熱媒体流路８２から水用流路８１へと拡散した水を、水電解触媒４、４、…へ供給することができる。すなわち、燃料電池８０によれば、熱媒体流路８２内を流れる熱媒体の量を調整することで、水電解触媒４、４、…へ過不足なく水を供給できるので、アノード２が高電位状態に曝されても、上記式３の反応を継続させることで、アノード２の材料劣化を抑制することができる。
【００５７】
さらに、燃料電池８０によれば、ＭＥＡ５を所定の温度範囲（例えば、７０〜９０℃等）に維持するために第１熱媒体流路９ａ、９ａ、…、及び、第２熱媒体流路９ｂ、９ｂ、…へ導入される熱媒体に加え、さらに、水電解触媒４、４、…へ供給される水を確保するための熱媒体が熱媒体流路８２に導入されている。そのため、第１熱媒体流路９ａ、９ａ、…、及び、第２熱媒体流路９ｂ、９ｂ、…内を流れる熱媒体の役割を、温度制御に集中させることができるので、温度制御の精度を向上させつつアノード２の材料劣化を抑制することが可能な、燃料電池８０とすることができる。
【００５８】
第８実施形態に関する上記説明では、熱媒体流路８２に導入される熱媒体から抽出した水を水電解触媒４、４、…へと拡散させ得る水供給手段８４が備えられる形態について記述したが、本発明にかかる水供給手段は、当該形態に限定されない。本発明にかかる水供給手段が採り得る他の形態例としては、
１）燃料電池の作動中に上記式２によって生成された水を捕集する捕集手段と、当該捕集された水を上記水用流路へと導く流路と、を備える形態、及び、
２）燃料電池の排気（例えば、アノード側の排気等）から水を捕集する捕集手段と、当該捕集された水を上記水用流路へと導く流路と、を備える形態、
等を挙げることができる。上記１）又は２）の形態であれば、熱媒体を別途導入することなく、燃料電池内に存在する水を、水電解触媒へ供給することができるので好ましい。
【００５９】
また、本発明に関する上記説明では、熱媒体としてＬＬＣが導入される形態を例示したが、本発明の燃料電池は、冷水や温水等、他の熱媒体を用いることも可能である。
【００６０】
さらに、上記説明では、ポーラスカーボンからなる第１多孔質部６ａ、第２多孔質部７ａが備えられる形態の燃料電池１０、３０、４０、６０、７０、８０を例示したが、第１多孔質部及び第２多孔質部は当該形態に限定されない。第１多孔質部及び第２多孔質部は、高耐食性及び導電性を有する多孔質材料であれば、他の材料を用いることができ、当該材料の具体例としては、金、白金、ステンレス鋼、又は、チタン合金等からなる焼結金属や発泡金属等を挙げることができる。
【００６１】
加えて、上記説明では、ポーラスカーボンからなる第１多孔質部６ａを例示し、他の物質が備えられない形態について記述したが、本発明では、多孔質材料以外の物質が備えられる形態の第１多孔質部としても良い。当該他の物質の具体例としては、プロトン伝導性能を有する物質（例えば、硫酸ポリアニリン材等）等を挙げることができる。プロトン伝導性能を有する物質及び多孔質材料を備える形態の第１多孔質部とすれば、水電解触媒上で生成されたプロトンが拡散する際の抵抗を低減できる反面、プロトン伝導性能を有する物質が備えられる第１多孔質部とすると、水素の拡散効率が低減する虞がある。そのため、燃料電池に求められる性能を総合的に勘案した上で、第１多孔質部の形態を適宜決定することが好ましい。
【００６２】
さらにまた、上記説明では、緻密カーボンからなる第１緻密部６ｂ、第２緻密部７ｂが備えられる形態の燃料電池１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０を例示したが、第１緻密部及び第２緻密部は当該形態に限定されない。第１緻密部及び第２緻密部は、緻密部内へのガスの拡散を防止し得る高耐食性の導電性材料であれば特に限定されず、当該材料の他の具体例としては、金、白金、ステンレス鋼、チタン合金等を挙げることができる。
【００６３】
なお、上記説明では、通常触媒及び電解質成分を備える形態のアノード触媒層２ａを例示したが、本発明の燃料電池では、通常触媒及び電解質成分と水電解触媒とを具備する形態のアノード触媒層としても良い。このような形態であれば、水の電気分解反応の発生頻度を向上させることができ、また、第１セパレータに第１多孔質部が備えられるので、水の電気分解反応で生じる酸素を容易に排出することができる。したがって、かかる形態であっても、アノードが高電位状態に曝された時の材料劣化を容易に抑制して発電性能を向上させることが可能な燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】第１実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図である。
【図２】第２実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図である。
【図３】第３実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図である。
【図４】第４実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図である。
【図５】第１水拡散手段の配置形態例を示す概略図である。
【図６】第５実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図である。
【図７】第６実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図である。
【図８】第７実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図である。
【図９】第８実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  電解質膜
２  アノード
２ａ  アノード触媒層
２ｂ  アノード拡散層
３  カソード
３ａ  カソード触媒層
３ｂ  カソード拡散層
４  水電解触媒
５  ＭＥＡ
６、２６、４６、５６、８６  第１セパレータ
６ａ、２６ａ、４６ａ  第１多孔質部
６ｂ  第１緻密部
７、３７、６７  第２セパレータ
７ａ  第２多孔質部
７ｂ  第２緻密部
８ａ  第１反応ガス流路
８ｂ  第２反応ガス流路
９ａ  第１熱媒体流路
９ｂ  第２熱媒体流路
１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０  燃料電池
４１  第１水拡散手段
６１  第２水拡散手段
８１  水用流路
８２  熱媒体流路
８３  水拡散手段
８４  水供給手段
８５  シール手段
【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】
2007335112.tif 000009
【図８】
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【図９】
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