(57)【要約】【課題】水が溜まらないように排水性を向上させた燃料電池用ガス拡散層を提供する。【解決手段】電解質膜２を挟持する複数の電極層３、４と、電極層３、４と対向し、燃料ガスまたは酸化剤ガスが拡散するガス拡散層５、６と、ガス拡散層５、６と対向し、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れる複数のガス流路７，９が形成され、ガス流路７、９の間にリブ部１１、１２を有するセパレータ８、１０と、を備えた燃料電池の単位セルにおいて、ガス拡散層５、６にリブ部１１、１２と対向する領域６ａから、ガス流路７、９と対向する領域６ｂへ水分を移動させる水分移動媒体３２を備えたものである。【選択図】図３
2007194106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟持する複数の電極層と、
該電極層と対向し、燃料ガスまたは酸化剤ガスが拡散するガス拡散層と、
該ガス拡散層と対向し、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスが流れる複数のガス流路が形成され、該ガス流路の間にリブ部を有するセパレータと、
を備えた燃料電池の単位セルにおいて、
前記ガス拡散層に前記リブ部と対向する領域から、前記ガス流路と対向する領域へ水分を移動させる水分移動媒体を備えたことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項２】
前記水分移動媒体は、少なくともその一部が前記ガス拡散層の前記リブ部と対向する領域にあり、少なくともその他の一部が前記ガス流路と対向する領域にあることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項３】
前記水分移動媒体は、その一端が前記ガス拡散層の前記リブ部と対向する領域にあり、他方の一端が前記リブ部に対向する領域と隣接した前記ガス流路と対向する領域にあることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項４】
前記水分移動媒体は、前記ガス流路と対向する領域にある一端が、前記リブ部と対向する領域にある一端よりも前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの流れの下流側となるように傾斜が付けられていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項５】
前記水分移動媒体は、前記ガス流路と対向する領域にある一端が、前記リブ部と対向する領域にある一端よりも前記セパレータ側に近づくように、前記ガス拡散層の厚さ方向について傾斜が付けられていることを特徴とする請求項３または４記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項６】
前記水分移動媒体は、親水性を持った複数の繊維状物質からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項７】
前記複数の水分移動媒体は、同一の長さを有することを特徴とする請求項６記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項８】
前記水分移動媒体は、前記リブ部に接触しないように前記ガス拡散層内部の前記セパレータ側に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項９】
前記水分移動媒体は、その表面または内部に前記水分移動媒体の長手方向に延びる溝を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項１０】
前記水分移動媒体の前記ガス拡散層における単位体積あたりの密度は、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの上流側よりも下流側において高くなっていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一つに記載の燃料電池用ガス拡散層を備え、前記水分移動媒体、前記セパレータ、前記ガス拡散層の親水性が、ガス拡散層、セパレータ、水分移動媒体の順に大きくなるように設定されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか一つに記載の燃料電池用ガス拡散層を備え、前記セパレータが金属または金属を含む物質から構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項１〜１０のいずれか一つに記載の燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池であって、
燃料電池の停止時に燃料電池内部の温度と外気温度から前記ガス拡散層の降下温度を推定する温度推定手段と、
前記ガス拡散層の露点を計測または算出する露点算出手段と、
前記温度推定手段によって推定された前記ガス拡散層の降下温度が、前記ガス拡散層の露点以下になった時に、前記ガス流路にガスを流すパージ手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
前記パージ手段は、前記ガス流路に流すガスの流量および時間の少なくとも一方を燃料電池の総稼動時間に従って変化させることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用ガス拡散層および燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は電解質膜を燃料極と酸化剤極によって挟み、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電を行う。例えば自動車用途においては電解質膜として、一般的には水素イオン導電性を有する高分子固体電解質膜を利用する場合が多い。また、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を燃料電池に供給すると、以下のような反応が起こる。
【０００３】
燃料極：２Ｈ2 → ４Ｈ+ ＋ ４ｅ-    ・・・式（１）
酸化剤極：Ｏ2 ＋ ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ    ・・・式（２）
したがって燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しないといった利点がある。
【０００４】
しかし、プロトンの移動媒体として高分子固体電解質膜を利用する場合、高分子固体電解質膜の含水量が少ないと電解質膜での抵抗が大きくなり、発電性能が大きく低下する。
【０００５】
このため、一般的には燃料電池外部に燃料ガスや酸化剤ガスの反応ガスを加湿する加湿器を設け、加湿した反応ガスを燃料電池に供給している。また燃料電池の発電時には、上述のように酸化剤極側で反応生成水が発生する。これらの水分は、燃料電池の単位セル内におけるガスの流れが十分でない場合や、生成水が多く発生する高出力発電時にガス拡散層内部に溜まり、フラッディングと呼ばれる現象を引き起こす。これは、ガス拡散層内部に溜まった水分によって燃料ガスおよび酸化剤ガスの拡散が抑制され、発電性能が低下するというものである。
【０００６】
このような問題点を解決するため従来の燃料電池では、ガス拡散層のガス流路と対向する部分の親水性を高くし、この部分に水分を集めることによりガス拡散層内部の水分を均一にして、ガス拡散層の一部に水が溜まるのを防止するようにしていた（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００２−１２４２７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記の燃料電池では（例えば、特許文献１参照）、ガス拡散層のガス流路と対向する部分の親水性を高くして、この部分に水分を集めるようにしているものの、積極的に水分の移動を促しているものではないため、ガス拡散層に水が溜まるのを十分に防止することができないことがあった。
【０００８】
また、ガス拡散層を含むＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ、膜・電極結合体）にある水分、特に触媒層と接している水分の酸性度は高く、この水分に金属製のセパレータが長時間晒されるとセパレータが腐食してしまうという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、ガス拡散層に水が溜まらないように排水性を向上させ、金属製のセパレータを用いた場合でもセパレータの腐食を防止することのできる燃料電池用ガス拡散層および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】
【００１０】
本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、電解質膜を挟持する複数の電極層と、電極層と対向し、燃料ガスまたは酸化剤ガスが拡散するガス拡散層と、ガス拡散層と対向し、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れる複数のガス流路が形成され、ガス流路の間にリブ部を有するセパレータと、を備えた燃料電池の単位セルにおいて、ガス拡散層にリブ部と対向する領域から、ガス流路と対向する領域へ水分を移動させる水分移動媒体を備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、ガス拡散層のリブ部と対向する領域から、ガス流路と対向する領域へ水分を移動させる水分移動媒体を備えているため、水の溜まりやすいリブ部と対向する領域からガス流路と対向する領域に水を積極的に移動させて、蒸発させることができる。このため、ガス拡散層に水が溜まるのを防止することができ、フラッディングを防止することが可能となる。また、ガス拡散層に酸性度の高い水が溜まるのを防止することができるため、金属性のセパレータを用いた場合でもセパレータが腐食するのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の構成を図１を用いて説明する。図１は燃料電池の単位セル１の概略を示す部分断面図である。燃料電池は単位セル１を例えば１００から２００枚積層して構成する。
【００１３】
単位セル１は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）２と、電解質膜２を挟持するアノード触媒層（電極層）３とカソード触媒層（電極層）４と、アノード触媒層３の外側に設けたアノードガス拡散層５と、カソード触媒層４の外側に設けたカソードガス拡散層６とを備える。また、アノードガス拡散層５の外側に設けられ、複数の水素流路（ガス流路）７を有するアノードセパレータ８と、カソードガス拡散層６の外側に設けられ、複数の空気流路（ガス流路）９を有するカソードセパレータ１０を備える。さらにアノードセパレータ８、カソードセパレータ１０には、水素流路７、空気流路９の間にリブ部１１、リブ部１２が設けられている。このリブ部１１、リブ部１２により、水素流路７、空気流路９がそれぞれ複数のガス流路に仕切られている。例えば複数の空気流路９は、後述する空気導入マニホールド２０側から空気排出マニホールド２１側に延び、互いに並列な状態で区画形成されている（図２参照）。
【００１４】
本発明では、電解質膜２とアノード触媒層３とカソード触媒層４とアノードガス拡散層５とカソードガス拡散層６が、膜電極複合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１３を構成しているものとする。また単位セル１は、冷却用の冷却水が流れる冷却水流路（図１において図示せず）を備えている。
【００１５】
アノード触媒層３、カソード触媒層４は、例えば白金などの触媒をカーボンブラック等に担持させて構成する。アノードガス拡散層５、カソードガス拡散層６は、導電性の多孔質材料からなり、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスによって構成する。また本発明では、アノードセパレータ８、カソードセパレータ１０を貴金属メッキした金属から構成するものとするが、アノードセパレータ８、カソードセパレータ１０をカーボン等で構成するようにしてもよい。
【００１６】
カソードセパレータ１０について図２を用いて説明する。図２は単位セル１を構成する電解質膜２側から見たカソードセパレータ１０の正面図である。図２ではカソード触媒層４、カソードガス拡散層６を配置し、発電を行う領域（反応面）を斜線部２８で示している。なおカソードセパレータ１０は、例えばステンレスなどを基板として、基板上に貴金属めっき処理を施した金属セパレータである。またアノードセパレータ８も、カソードセパレータ１０とほぼ同様の構成であるとする。
【００１７】
カソードセパレータ１０は、ＭＥＡ１３と対峙する面に空気（酸化剤ガス）が流れる空気流路９を備え、空気流路９に空気を供給する空気導入マニホールド２０と、単位セル１における発電反応に使用されなかった空気を空気流路９から排出する空気排出マニホールド２１を備える。空気流路９と空気導入マニホールド２０はディフューザー２２によって連結し、空気流路９と空気排出マニホールド２１はディフューザー２３によって連結する。
【００１８】
また、カソードセパレータ１０は、アノードセパレータ８に設けた水素流路７に水素（燃料ガス）を導入する水素導入マニホールド２４と、単位セル１における発電反応に使用されなかった水素を水素流路７から排出する水素排出マニホールド２５と、を備える。さらに、冷却水流路に冷却水を導入するための冷却水導入マニホールド２６と、冷却水流路から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールド２７と、を備える。
【００１９】
次に、図３を用いて本発明の第１実施形態に係る燃料電池用ガス拡散層について説明する。図３は、図１に示す単位セル１のカソード触媒層４、カソードガス拡散層６およびカソードセパレータ１０の部分を示す断面図である。なお図３では、燃料電池用ガス拡散層としてカソードガス拡散層６を示しているが、例えばアノードガス拡散層５においても同様の構成を採用することができる。
【００２０】
図３に示すカソードガス拡散層６には、その内部に水分移動媒体３２が複数配置されている。この水分移動媒体３２は、例えばポリビニルアルコール等の親水性を持った繊維状物質からなり、カソードガス拡散層６のリブ部１２に対向する領域６ａからカソードガス拡散層６の空気流路９に対向する領域６ｂに水分を移動させる機能を有している。また水分移動媒体３２は、カソードガス拡散層６のリブ部１２に対向する領域６ａから空気流路９に対向する領域６ｂに効果的に水分を移動させるために、その一部がカソードガス拡散層６のリブ部１２に対向する領域６ａにあり、その他の一部が空気流路９に対向する領域６ｂにある。さらに図３に示すカソードガス拡散層６では、水分移動媒体３２の一端がリブ部１２に対向する領域６ａにあり、他方の一端がこのリブ部１２に対向する領域６ａに隣接する空気流路９に対向する領域６ｂに来るようになっている。これにより、水の溜まりやすいリブ部１２と対向する領域６ａから空気流路９と対向する領域６ｂに水を効果的に移動させて、蒸発させることができる。なお水分移動媒体３２は、リブ部１２をほぼ完全に覆うようにし、一方の端部が空気流路９上に来るようにするのが望ましい。
【００２１】
また図３に示すカソードガス拡散層６では、リブ部１２と水分移動媒体３２が接触しないように、水分移動媒体３２をカソードガス拡散層６のカソードセパレータ１０側からｈだけ入ったところに配置している。これにより、リブ部１２と水分移動媒体３２との間に撥水性の強い部分ができるため、リブ部１２が酸性度の高い水分に長時間晒されてカソードセパレータ１０が腐食するのを防止することができる。なお、水分を効果的に移動させるためには、ｈをなるべく小さくするのが望ましい。例えば、カソードセパレータ１０の厚さが３００μｍであった場合には、ｈは５０μｍ以下にするとよい。
【００２２】
ここで、図４を用いて図３に示す燃料電池用ガス拡散層の変形例について説明する。図４は、図１に示す単位セル１のカソード触媒層４、カソードガス拡散層６およびカソードセパレータ１０の部分を示す断面図である。なお、以下に示す点を除いて図４に示すカソードガス拡散層６の構成は、図３に示すカソードガス拡散層６の構成と同様である。
【００２３】
図４に示すカソードガス拡散層６の内部には、図３に示すカソードガス拡散層６と同様に複数の水分移動媒体３２が配置されている。しかし、図４に示すカソードガス拡散層６の内部に配置された水分移動媒体３２は、空気流路９と対向する領域６ｂにある一端がリブ部１２と対向する領域６ａにある一端よりもカソードセパレータ１０側に近づくようにカソードガス拡散層６の厚さ方向について傾斜が付けられている。これにより、水分移動媒体３２の傾斜に沿って水分が移動するため、より効果的に水分を空気流路９と対向する領域６ｂ側へ移動させることができる。なお、空気流路９と対向する領域６ｂにある一端は、カソードガス拡散層６の表面に出ても構わないが、リブ部１２と対向する領域６ａにある一端はリブ部１２に接触しないようにするのが望ましい。
【００２４】
次に、図５を用いて図３に示す燃料電池用ガス拡散層の別の変形例について説明する。図５は、単位セル１を構成する電解質膜２側から見たカソードセパレータ１０の正面図である。図５ではカソード触媒層４、カソードガス拡散層６を配置し、発電を行う領域（反応面）を斜線部２８で示している。また空気の流れを矢印で示している。なお、以下に示す点を除いて図５に示すカソードガス拡散層６の構成は、図３に示すカソードガス拡散層６の構成と同様である。
【００２５】
図５に示すカソードガス拡散層６の内部には、図３に示すカソードガス拡散層６と同様に複数の水分移動媒体３２が配置されている。しかし、図５に示すカソードガス拡散層６の内部に配置された水分移動媒体３２は、空気流路９と対向する領域６ｂにある一端がリブ部１２と対向する領域６ａにある一端よりも空気の流れの下流側となるように傾斜が付けられている。これにより、空気の流れで水分の移動が促進されるため、より効果的に水分を空気流路９と対向する領域６ｂ側へ移動させることができる。なお図５に示すカソードガス拡散層６では、複数の水分移動媒体３２の長さが同一となっている。これは水分移動媒体３２の配置を、水分移動媒体３２の一端がリブ部１２に対向する領域６ａに来るようにし、他方の一端をこのリブ部１２に対向する領域６ａに隣接する空気流路９に対向する領域６ｂに来やすくするためである。またカソードガス拡散層６における水分移動媒体３２の単位体積あたりの密度は、空気の流れの上流側の領域Ｗ１よりも下流側の領域Ｗ２において高くなっている。このように下流側の領域Ｗ２に水分移動媒体３２を多く配置することで、空気の勢いの弱い場所におけるフラッディングの発生を効果的に防止することができ、金属製セパレータの腐食を防止することが可能となる。
【００２６】
ここで、図３、図４および図５に示すカソードガス拡散層６に用いられる水分移動媒体３２について説明する。図６は、種々の水分移動媒体３２の例を示す模式図である。
【００２７】
上述のように水分移動媒体３２として、親水性を持った繊維状の物質を用いることができるが、水分移動媒体３２自体は必ずしも電気伝導性を持つ必要はなく、燃料電池内部の環境に耐えうるものであればいずれの材料を用いても構わない。なお、水分移動媒体３２の表面または内部に水分移動媒体３２の長手方向に延びる微小な溝を設けると、毛細管現象によって水の移動を促進することができる。例えば、図６（Ａ）に示す水分移動媒体３２は、カーボン繊維のような繊維状の物質であり、その表面に溝４１が設けられている。なお、溝４１は複数設けるようにしてもよい。また図６（Ｂ）に示す水分移動媒体３２は、繊維状の物質が複数束ねられたものであり、繊維状の物質同士が結合している部分が溝４２となっている。さらに図６（Ｃ）に示す水分移動媒体３２は、中空部４３を有する繊維状の物質であり、中空部４３が溝として機能する。図６（Ｄ）に示す水分移動媒体３２は、板状の物質であり、その表面に溝４４が形成されている。また図６（Ｅ）に示す水分移動媒体３２は、螺旋状の３次元構造を有した物質である。もちろん、図６（Ａ）から図６（Ｄ）のようなものが３次元構造を有する水分移動媒体３２を用いることもできる。
【００２８】
これらの水分移動媒体３２は、例えば親水性樹脂そのものや、何らかの基材表面に親水性樹脂を含むコーティングを施したもの、若しくは酸化チタン等の各種酸化金属そのものやこれらの酸化金属をコーティングした繊維状物質から構成することができる。さらにカソードガス拡散層６を構成するカーボン繊維の表面に親水性を示す官能基を付加して構成することもできる。
【００２９】
またカソードガス拡散層６の内部に水分移動媒体３２を配置するには、カソードガス拡散層６を構成するカーボンペーパーの作成時に水分移動媒体３２を混入してカーボンペーパー内部に拡散させることもできるが、カソードガス拡散層６内の特定のカーボン繊維にレーザーを照射し、表面を酸化させて親水性を持たせることもできる。さらにカソードガス拡散層６を焼成後に親水性のある前駆体を混入させて、カソードガス拡散層６を再度焼成する方法もある。また図４に示すカソードガス拡散層６のように水分移動媒体３２に傾斜を持たせて配置する場合には、例えば縫い糸状の親水性材料をカーボンペーパーに斜め向きに貫通させ一端を切断した後、親水性材料を一方の側（カソードセパレータ１０側）に引っ張り、もう一つの端部を切断するようにすればよい。しかし、このように水分移動媒体３２に傾斜を持たせて配置するのが難しい場合には、図６（Ｅ）に示すようなそれ自体が傾斜を持つ水分移動媒体３２をカソードガス拡散層６に配置するようにすればよい。
【００３０】
なお、図３、図４および図５に示す燃料電池の単位セル１において、水分移動媒体３２、カソードセパレータ１０、カソードガス拡散層６の親水性を、カソードガス拡散層６≦カソードセパレータ１０≦水分移動媒体３２となるように設定するのが望ましい。このように設定することで、水分の移動が最もスムーズとなり、フラッディングの発生や金属セパレータの腐食を効果的に防止することができる。
【００３１】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００３２】
図７は、本発明の第１実施形態に係るカソードガス拡散層６を用いた燃料電池と、従来の一般的な燃料電池のＩ−Ｖ特性（電流−電圧特性）を比較した図である。なお図７において、ａは本発明の第１実施形態に係るカソードガス拡散層６を用いた燃料電池のＩ−Ｖ特性を示し、ｂは従来の一般的な燃料電池のＩ−Ｖ特性を示している。また、本発明の第１実施形態に係るカソードガス拡散層６を用いた燃料電池では、アノードガス拡散層５にも水分移動媒体３２を配置している。
【００３３】
図７に示すように、従来の水分移動媒体３２を用いていない燃料電池では、発電量が大きいところで急激な電圧の低下が見られる。これは、ガス拡散層に溜まった水分により反応ガスの拡散性が低下したことによるものである。一方、本発明の第１実施形態に係るカソードガス拡散層６を用いた燃料電池では、発電量が大きい領域においても大きな電圧の低下は見られない。これは、水分移動媒体３２のところで水分が切れて、カソードガス拡散層６（およびアノードガス拡散層５）の排水性が向上したためである。
【００３４】
本発明の第１実施形態に係る燃料電池用ガス拡散層では、カソードガス拡散層６のリブ部１２と対向する領域６ａから、空気流路９と対向する領域６ｂへ水分を移動させる水分移動媒体３２を備えているため、水の溜まりやすいリブ部１２と対向する領域６ａから空気流路９と対向する領域６ｂに水を積極的に移動させて、蒸発させることができる。このため、カソードガス拡散層６に水が溜まるのを防止することができ、フラッディングを防止することが可能となる。また、カソードガス拡散層６に酸性度の高い水が溜まるのを防止することができるため、金属性のセパレータを用いた場合でもカソードセパレータ１０が腐食するのを防止することができる。
（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態について図８、図９および図１０を用いて説明する。なお本発明の第２実施形態に係る燃料電池は、燃料電池が停止した後の単位セル内のパージ（水分、反応ガス等の排出）方法に特徴があり、燃料電池（単位セル）としては、第１実施形態で説明した図３、図４および図５に示すものと同様のものを使用している。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００３５】
燃料電池を停止すると燃料電池内部の温度が徐々に低下するが、この温度が露点以下になると凝縮水が発生する。この凝縮水がガス拡散層内部で発生すると、上述したようにセパレータが酸性度の高い水分に晒されることになり、セパレータが金属製である場合には腐食してしまうという問題点がある。このため、ガス拡散層内部で発生する凝縮水を排出することが必要となる。
【００３６】
図８は、燃料電池の単位セルにおける各箇所の温度変化を示した図である。図８（ａ）は単位セルの概略断面図であり、図８（ｂ）は単位セルの各箇所に対応した温度を示すグラフである。また、図８（ｂ）のｃは発電中の単位セル内部の温度を示し、図８（ｂ）のｄは燃料電池が停止して一定時間経過後の単位セル内の温度を示している。
【００３７】
図８（ｂ）に示すように、燃料電池が停止した後の単位セル内部の温度低下は、中心側（電解質膜側）が最も遅く、外側（両セパレータ側）に向かって加速度的に大きくなっている。従って、セパレータや外壁の温度ではなく、ガス拡散層内部の温度が露点以下になって凝縮水が発生した時に水分を排出しなければ、上記の効果が得られないことになる。
【００３８】
このような点を鑑みて、本発明の第２実施形態に係る燃料電池では以下のようにパージを行っている。図９は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池のシステム構成を示す概略図である。本発明の第２実施形態に係る燃料電池５０は、複数の単位セル１と制御部５１とパージ手段５２を備える。また制御部５１は、少なくとも温度推定手段５３と露点算出手段５４を有する。
【００３９】
図１０は、制御部５１等によって実行される燃料電池５０のパージの手順を示したフローチャートである。まず、運転手等から燃料電池５０の停止指示が出されると燃料電池５０が停止し（Ｓ１）、反応ガス（水素、空気等）の供給が停止される。次に燃料電池５０のパージ手段５２が燃料電池５０内のパージを行う（Ｓ２）。このパージは、ガス拡散層内部に残った水素等の気体や水分を排出するために通常行われるものであり、両方のガス拡散層に窒素等の不活性ガスを流すことなどにより行われる。ステップ２のパージが終了すると、燃料電池５０のガス出入り口のバルブが閉められる（Ｓ３）。
【００４０】
そして、温度検出手段（図示せず）は外気温度Ｔoutとステップ２のパージ後の燃料電池内の温度Ｔsを計測する（Ｓ４）。このとき外気温度Ｔoutを計測する場所は、マニホールド（第１実施形態参照）やガス拡散層のガス流路内で構わないが、温度推定手段５３が、燃料電池５０内の温度Ｔsおよび外気温度Ｔoutから、経過時間に従ったガス拡散層の降下温度を推定するようになっている。その後、露点算出手段５４が、アノードガス拡散層の露点Ｔdaおよびカソードガス拡散層の露点Ｔdcを計測または算出する（Ｓ５）。露点Ｔdaおよび露点Ｔdcは直接計測することも可能であるが、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層の湿度を計測し、その結果とＴsとの関係から算出することもできる。また露点Ｔdaおよび露点Ｔdcは、アノード触媒層およびカソード触媒層の露点を計測して補正を行うことにより算出してもよい。
【００４１】
次に、制御部５１の演算手段（図示せず）は燃料電池５０内の温度Ｔsが、露点Ｔdaまたは露点Ｔdc以下となるまでの時間ｔcalを算出する（Ｓ６）。なおここで用いられる燃料電池５０内の温度Ｔsは、温度推定手段５３によって推定（補正）されたガス拡散層の降下温度である。
【００４２】
それから、演算手段はステップ２のパージからの経過時間ｔが、ｔcalよりも大きくなったかどうかを判断する（Ｓ７）。そしてｔ≧ｔcalとなった場合は、パージ手段５２がステップ２と同様のパージを行う（Ｓ８）。なお、露点Ｔdaおよび露点Ｔdcが外気温度Ｔoutよりも高い場合は、ステップ３で閉めたバルブを開放することにより温度差による外気の出入りが期待できる。これによりガス拡散層のガス流路に空気が流れ、凝縮水が移動するが、凝縮水をより完全に排出するにはステップ２と同様のパージを行うのが望ましい。このステップ８のパージによって、ガス拡散層に発生した凝縮水を排出することができる。ステップ８のパージが終了すると、一連の処理が終了する（Ｓ９）。
【００４３】
なおステップ８のパージにおいて、ガス流路に流すガスの流量および時間の少なくとも一方を燃料電池５０の総稼動時間に従って変化させることができる。ここでいう燃料電池５０の総稼動時間とは、燃料電池５０が製造されてからそれまでに使用された時間を合計したものである。これは、燃料電池５０の総稼動時間が長いほど電解質膜の劣化が進み、これに従ってスルホン酸等の酸性度を高める官能基が凝縮水中に多く溶出するためである。このため、燃料電池５０の総稼動時間が長いほど、ガス流路に流すガスの流量および時間の少なくとも一方を多くするのが望ましい。
【００４４】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００４５】
本発明の第２実施形態に係る燃料電池５０では、ガス拡散層内で凝縮水が発生するときにパージを行うため、ガス拡散層に酸性度の高い水が溜まるのを防止することができる。このため、燃料電池５０の停止中にセパレータが酸性度の高い水に長時間晒されることがなく、金属製のセパレータを用いた場合でもセパレータが腐食するのを防止することができる。また、パージの際に流すガスの流量および時間の少なくとも一方を燃料電池５０の総稼動時間に従って変化させることにより、さらに効果的にセパレータの腐食を防止することができる。
【００４６】
なお本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
燃料電池の起動、停止が多く行われる燃料電池車両に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】燃料電池の単位セルの概略を示す部分断面図である。
【図２】単位セルを構成する電解質膜側から見たカソードセパレータの正面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るカソードガス拡散層を示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るカソードガス拡散層の変形例を示す断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るカソードガス拡散層の別の変形例を示す断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態に用いられる種々の水分移動媒体の例を示す模式図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係るカソードガス拡散層を用いた燃料電池と、従来の一般的な燃料電池のＩ−Ｖ特性を比較した図である。
【図８】燃料電池の単位セルにおける各箇所の温度変化を示した図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る燃料電池のシステム構成を示す概略図である。
【図１０】制御部等によって実行される燃料電池のパージの手順を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００４９】
１      単位セル
２      電解質膜
３      アノード触媒層
４      カソード触媒層
５      アノードガス拡散層
６      カソードガス拡散層
６ａ    リブ部に対向する領域
６ｂ    空気流路に対向する領域
７      水素流路
８      アノードセパレータ
９      空気流路
１０    カソードセパレータ
１１、１２    リブ部
１３    膜電極複合体（ＭＥＡ）
２０    空気導入マニホールド
２１    空気排出マニホールド
２２、２３    ディフューザー
２４    水素導入マニホールド
２５    水素排出マニホールド
２６    冷却水導入マニホールド
２７    冷却水排出マニホールド
３２    水分移動媒体
４１、４２，４４    溝
４３    中空部
５０    燃料電池
５１    制御部
５２    パージ手段
５３    温度推定手段
５４    露点算出手段。
【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【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７】
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【図８】
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