JP2003100319A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フラッディング現象やドライング現象に適切
に対処できる。 【解決手段】 酸化ガスに関して、ＭＥＡ３４の含水率
が低下する傾向にあるときには、パスカット部３５に配
設された吸水性樹脂が収縮しているためパスカット部３
５のガス流れが許容され、単セル２０内を通過する酸化
ガスの流速、流量が部分的に低下する。したがって、酸
化ガスによってＭＥＡ３４から持ち出される水分が抑制
され、過剰な含水率の低下を自発的に抑制することがで
きる。一方、ＭＥＡ３４の含水率が上昇する傾向にある
ときには、パスカット部３５に配設された吸水性樹脂が
膨潤しているためパスカット部３５のガス流れが阻害さ
れ、単セル２０内を通過する酸化ガスの流速、流量が増
大する。したがって、酸化ガスによってＭＥＡ３４から
持ち出される水分が増加し、ガス流れの抵抗となる凝縮
水が発生するのを自発的に防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一対のガス拡散電
極で電解質膜を挟み込んだ膜電極接合体を備えた燃料電
池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃料電池としては、膜電極接合体
（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍ
ｂｌｙ、以下ＭＥＡという）を２つのセパレータで挟み
込んで構成された単セルを複数積層したものが知られて
いる。ＭＥＡは、両面に白金が塗布された電解質膜と、
この電解質膜を挟み込むガス拡散電極とから構成されて
いる。２つのセパレータのうち、一方のガス拡散電極
（アノード）に面するセパレータには、燃料ガスとして
の水素ガスを単セル内に行き渡らせるための燃料ガス通
路が形成され、もう一方のガス拡散電極（カソード）に
面するセパレータには、酸化ガスとしてのエアを単セル
内に行き渡らせるための酸化ガス通路が形成されてい
る。この単セルで進行する電気化学反応は下記数１式の
通りである。数１における（１）式はアノード側におけ
る反応を、（２）式はカソード側における反応を、
（３）式は電池全体の反応を示す。

【０００３】

【数１】Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１） （１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（２） Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（３）

【０００４】この電解質膜は通常湿潤状態で良好なプロ
トン導電性電解質として機能するため、燃料ガスや酸化
ガスを予め加湿したうえで供給することにより電解質膜
の湿潤状態を維持しているが、種々の理由によりドライ
ング現象やフラッディング現象が発生することがある。
例えばフラッディング現象が発生すると、ガス通路に水
が凝縮してガス流れの抵抗になり、ガス拡散電極に対し
て十分なガスを供給できなくなることがある。この点に
鑑み、特開２００１−１３５３２４号公報では、ガス通
路にバイパス通路を設け、通常時にはバネの弾性力によ
りそのバイパス通路を閉鎖する可動薄板を設けた燃料電
池が開示されている。これによれば、ガス通路の入口側
と出口側とでガスに差圧が発生し、その差圧がバネの設
定値よりも大きくなると、可動薄板が動いてバイパス通
路が開くため、ガス通路に閉塞箇所が発生したとして
も、バイパス通路を介してガス通路全域にわたってガス
が流通することになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単にガ
ス通路の差圧でバイパス通路の開閉を切り替えるだけで
は電気化学反応に対して最適とは言い難い。例えば、フ
ラッディング現象が発生してからガス通路の入口側と出
口側とでバネの設定値より大きな差圧が発生するまでに
はある程度の時間がかかるため、迅速に対処できない。
また、ドライング現象が発生したときには、電解質膜の
含水率が低下するが、前述のように電解質膜は通常湿潤
状態で良好なプロトン伝導性を有するものであるため、
含水率が低下して湿潤状態が確保できなくなると良好な
プロトン伝導性が維持できくなる。このため、電流密度
を大きくしても電気化学反応が十分に進行せず、起電力
が低下するという不具合が発生するが、このようなドラ
イング現象が発生したときには前記公報では対処できな
い。

【０００６】本発明は、このような課題に鑑みなされた
ものであり、フラッディング現象やドライング現象に適
切に対処できる燃料電池を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
述の目的を達成するため、本発明は、一対のガス拡散電
極で電解質膜を挟み込んだ膜電極接合体を備えた燃料電
池であって、前記一対のガス拡散電極の一方に酸化ガス
を供給する酸化ガス通路と、前記一対のガス拡散電極の
他方に燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、前記膜電極
接合体の含水状態に応じて前記酸化ガス通路および前記
燃料ガス通路の少なくとも一方のガス通路の道筋を変化
させるガス通路可変手段とを備えたことを特徴とする。

【０００８】この燃料電池によれば、ガス通路可変手段
が膜電極接合体の含水状態に応じて酸化ガス通路および
燃料ガス通路の少なくとも一方のガス通路の道筋を変化
させるため、ガス通路の入口側と出口側との差圧に応じ
てガス通路の道筋を変化させる場合に比べて、フラッデ
ィング現象やドライング現象に適切に対処できる。

【０００９】本発明の燃料電池において、前記ガス通路
可変手段は、前記膜電極接合体の含水状態に応じて自ら
変形することにより前記ガス通路の道筋を変化させる部
材であってもよい。こうすれば、ガス通路の道筋を変化
させるためにセンサやアクチュエータ等を利用する場合
に比べて、構成が簡略化できる。

【００１０】本発明の燃料電池において、前記ガス通路
可変手段は、前記膜電極接合体のうち前記ガス通路を短
絡可能な位置に配置され、前記膜電極接合体の含水状態
が低水分状態のときには前記ガス通路の短絡を許容し、
前記膜電極接合体の含水状態が高水分状態のときには前
記ガス通路の短絡を阻害してもよい。こうすれば、膜電
極接合体の含水状態が低水分状態のときにはガス通路が
短絡されてパスカット流れが発生することによりガス通
路内のガスの流速や流量が低下するため、ガスによる水
分の持ち出しが抑制され、ドライング現象の発生を未然
に防止したりあるいは発生したドライング現象を迅速に
解消したりできる。また、膜電極接合体の含水状態が高
水分状態のときにはガス通路の短絡が阻害されてパスカ
ット流れが発生し難くなることによりガス通路内のガス
の流速や流量が増大するため、ガスによる水分の持ち出
しが促進され、フラッディング現象の発生を未然に防止
したりあるいは発生したフラッディング現象を迅速に解
消したりできる。

【００１１】本発明の燃料電池において、前記ガス通路
可変手段は、前記膜電極接合体のうち前記ガス通路を短
絡可能な位置に配置された吸水性樹脂であってもよい。
こうすれば、吸水性樹脂は膜電極接合体が低水分状態の
ときには収縮してパスカット流れを許容してガス通路内
のガスの流速や流量を低下させ、膜電極接合体が高水分
状態のときには膨潤してパスカット流れを阻害してガス
通路内のガスの流速や流量を増大させるため、ドライン
グ現象やフラッディング現象に適切に対処できる。

【００１２】本発明の燃料電池において 前記ガス通路
可変手段は、前記ガス通路を形成する隔壁のうち前記ガ
ス通路を短絡可能な位置に配置され、前記膜電極接合体
の含水状態が低水分状態のときには前記ガス通路を許容
し、前記膜電極接合体の含水状態が高水分状態のときに
は前記ガス通路の短絡を阻害してもよい。こうすれば、
膜電極接合体の含水状態が低水分状態のときにはガス通
路が短絡されてパスカット流れが発生することによりガ
ス通路内のガスの流速や流量が低下するため、ガスによ
る水分の持ち出しが抑制され、ドライング現象の発生を
未然に防止したりあるいは発生したドライング現象を迅
速に解消したりできる。また、膜電極接合体の含水状態
が高水分状態のときにはガス通路の短絡が阻害されてパ
スカット流れが発生し難くなることによりガス通路内の
ガスの流速や流量が増大するため、ガスによる水分の持
ち出しが促進され、フラッディング現象の発生を未然に
防止したりあるいは発生したフラッディング現象を迅速
に解消したりできる。

【００１３】本発明の燃料電池において、前記ガス通路
可変手段は、前記ガス通路を形成する隔壁のうち該ガス
通路を短絡可能な位置に配置された吸水性樹脂であって
もよい。こうすれば、吸水性樹脂は膜電極接合体が低水
分状態のときには収縮してパスカット流れを許容してガ
ス通路内のガスの流速や流量を低下させ、膜電極接合体
が高水分状態のときには膨潤してパスカット流れを阻害
してガス通路内のガスの流速や流量を増大させるため、
ドライング現象やフラッディング現象に適切に対処でき
る。

【００１４】本発明の燃料電池において、前記膜電極接
合体の含水状態は、前記電解質膜の含水状態としてもよ
い。特に含水状態によって特性が変化する電解質膜を用
いる場合には、電解質膜の含水状態に応じてガス通路の
道筋を変化させることにより特性の変動を抑制できるた
め好ましい。

【００１５】本発明の燃料電池において、前記膜電極接
合体を挟み込む一対のセパレータを備え、前記酸化ガス
通路および前記燃料ガス通路は前記セパレータに設けら
れた溝であってもよい。こうすれば、一般に知られてい
る燃料電池の単セル構造に本発明を適用することができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】［第１実施形態］図１は、本実施
形態の燃料電池の概略構成を表す説明図、図２は、燃料
電池の基本単位である単セルの構成を表す断面図、図３
は、同じく単セルの構成を表す分解斜視図（図３（ｂ）
は図３（ａ）のＡ視図）である。

【００１７】燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池で
あって、基本単位である単セル２０を複数スタックし、
その両端に集電板１１，１２、絶縁板１３，１４、エン
ドプレート１５，１６を順次配置したものである。集電
板１１，１２は緻密質カーボンや銅板などガス不透過な
導電性部材によって形成され、絶縁板１３，１４はゴム
や樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エンドプレー
ト１５，１６は剛性を備えた鋼等の金属によって形成さ
れている。また、集電板１１，１２にはそれぞれ出力端
子１１ａ、１２ａが設けられており、燃料電池１０で生
じた起電力を出力可能となっている。なお、図示しない
保持機構により、エンドプレート１５，１６は複数の単
セル２０を積層方向に加圧した状態で保持している。

【００１８】単セル２０は、図２に示すように、電解質
膜３１、アノード３２、カソード３３、セパレータ３０
によって構成されている。

【００１９】電解質膜３１は、固体高分子材料、例えば
フッ素系樹脂により形成されたプロトン導電性のイオン
交換膜（デュポン社製のナフィオン膜など）であり、湿
潤状態で良好な電気伝導性を示す。この電解質膜３１の
両面には、触媒電極３２ａ，３３ａが形成されている。
触媒電極３２ａ，３３ａを形成する方法の一例として
は、白金または白金と他の金属からなる合金を担持した
カーボン粉を作成し、このカーボン粉を適当な有機溶剤
に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、
電解質膜上にスクリーン印刷する方法が挙げられる。

【００２０】アノード３２およびカソード３３は、共に
炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形
成されたガス拡散電極である。なお、カーボンクロスの
ほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーまたはカーボ
ンフェルトによって形成してもよく、十分なガス拡散性
および導電性を有していればよい。アノード３２と電解
質膜３１およびカソード３３と電解質膜３１とは、熱圧
着により一体化されて膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ
Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下ＭＥＡ
と略す）３４を形成している。

【００２１】セパレータ３０は、ガス不透過の導電性部
材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした成形
カーボンにより形成されている。セパレータ３０は、図
３に示すように、一辺に沿って酸化ガス供給口４１およ
び酸化ガス排出口４２を構成する２つの孔部が設けら
れ、この辺に対向する辺に沿って燃料ガス供給口４６お
よび燃料ガス排出口４７を構成する２つの孔部が設けら
れている。セパレータ３０の片方の面には、酸化ガス供
給口４１から端を発して屈曲しながら酸化ガス排出口４
２に至る凹溝４３が設けられ、セパレータ３０のもう片
方の面には、燃料ガス供給口４６から端を発して屈曲し
ながら燃料ガス排出口４７に至る凹溝４８が設けられて
いる。前者の凹溝４３は、セパレータ３０とＭＥＡ３４
のカソード３３とが密着されることにより酸化ガス通路
４４を形成し、後者の凹溝４８はセパレータ３０とＭＥ
Ａ３４のアノード３２とが密着されることにより燃料ガ
ス通路４９を形成する。なお、セパレータ３０，３０間
には図２に示すようにシール部材３９，３９が配置され
ており、このシール部材３９，３９は電解質膜３１を挟
み込み燃料ガスや酸化ガスのリークを防止したり、セパ
レータ３０，３０間において両ガスの混合を防止したり
する役割を果たす。

【００２２】ＭＥＡ３４を構成するアノード３２および
カソード３３のうち、酸化ガス通路４４を短絡可能な酸
化ガス通路パスカット部３５および燃料ガス通路４９を
短絡可能な燃料ガス通路パスカット部３６には、ＭＥＡ
３４が低水分状態のときに収縮してこれらのパスカット
部３５，３６のガス透過性を確保し、ＭＥＡ３４が高水
分状態のときに膨潤してこれらのパスカット部３５，３
６のガス透過性を阻害する吸水性樹脂が配設されてい
る。このような吸水性樹脂としては、一般に知られてい
るものが使用可能であり、例えばデンプン系吸水性樹
脂、カルボキシメチルセルロース系吸水性樹脂、ポリア
クリル酸系吸水性樹脂、ポバール系吸水性樹脂などが挙
げられる。このような吸水性樹脂をパスカット部３５，
３６に配設する方法としては種々考えられるが、一例と
しては、アノード３２およびカソード３３のうちパスカ
ット部３５，３６に相当する箇所に凹部を形成してお
き、吸水性樹脂を混ぜ込んだ粗い目のカーボン多孔体
（例えばカーボンクロスなど）をその凹部に合致する形
状に成形し、それを凹部にはめ込む方法などが挙げられ
る。

【００２３】次に、以上のような構成を備えた燃料電池
１０の動作について説明する。酸化ガスは、酸化ガス供
給口４１から単セル２０内に設けられた酸化ガス通路４
４を経て酸化ガス排出口４２へと流れていく。このと
き、単セル２０内に導入された酸化ガスは、ＭＥＡ３４
のカソード３３の触媒電極３３ａに拡散して電気化学反
応に供され、電気化学反応に関与しなかった残りの酸化
ガスは、酸化ガス排出口４２から排出され、最終的に燃
料電池１０の外部へと排出される。また、燃料ガスは、
燃料ガス供給口４６から単セル２０内に設けられた燃料
ガス通路４９を経て燃料ガス排出口４７へと流れてい
く。このとき、単セル２０内に導入された燃料ガスは、
ＭＥＡ３４のアノード３２の触媒電極３２ａに拡散して
電気化学反応に供され、電気化学反応に関与しなかった
残りの燃料ガスは、燃料ガス排出口４７から排出され、
最終的に燃料電池１０の外部へと排出される。

【００２４】ここで、酸化ガスに関して、ＭＥＡ３４の
カソード３３における生成水の発生が少ないとき、ある
いは、供給される酸化ガスの加湿量が不足していると
き、あるいは、生成水に対する酸化ガスの供給量が多い
とき、あるいは、燃料電池１０の運転温度が高いときに
は、酸化ガスによってＭＥＡ３４から持ち出される水分
が生成水の発生量よりも多くなる傾向にあるため、ＭＥ
Ａ３４の含水率特に電解質膜３１の含水率は低下する傾
向にある。図４はＭＥＡ３４の含水率が低下したときの
酸化ガス流れの説明図であり、円内は部分拡大断面図で
ある。このとき、ＭＥＡ３４のうち酸化ガス通路パスカ
ット部３５に配設された吸水性樹脂は、低水分状態のた
めに収縮しているので、この酸化ガス通路パスカット部
３５をガスが流通するのを許容する。このため、酸化ガ
スの一部は、酸化ガス供給口４１から酸化ガス通路パス
カット部３５，３５を通って酸化ガス排出口４２から排
出されることになり、このパスカット流れによって単セ
ル２０内を通過する酸化ガスの流速、流量が部分的に低
下する。したがって、酸化ガスによってＭＥＡ３４から
持ち出される水分が抑制され、過剰な含水率の低下を自
発的に抑制することができる。

【００２５】なお、酸化ガス通路パスカット部３５，３
５を酸化ガス供給口４１と酸化ガス排出口４２とを結ん
だ線上又はその線の近傍に設けてもよいが、その場合に
は酸化ガスの一部が酸化ガス供給口４１から酸化ガス排
出口４２にそのまま排出されることから電気化学反応に
ほとんど寄与せずに排出されるガス量が必要以上に多く
なるおそれがあるため、図４に示した位置に酸化ガス通
路パスカット部３５，３５を設けることが好ましい。

【００２６】一方、ＭＥＡ３４のカソード３３における
生成水の発生が多いとき、あるいは、供給される酸化ガ
スの加湿量が過剰なとき、あるいは、生成水に対する酸
化ガスの供給量が少ないとき、あるいは、燃料電池１０
の運転温度が低いときには、酸化ガスによってＭＥＡ３
４から持ち出される水分が生成水の発生量よりも少なく
なる傾向にあるため、ＭＥＡの３４含水率特に電解質膜
３１の含水率は増大する傾向にある。図５はＭＥＡ３４
の含水率が上昇したときの酸化ガス流れの説明図であ
り、円内は部分拡大断面図である。このとき、ＭＥＡ３
４のうち酸化ガス通路パスカット部３５に配設された吸
水性樹脂は、高水分状態のために膨潤しているので、こ
の酸化ガス通路パスカット部３５をガスが流通するのを
阻害する。このため、酸化ガスのほとんどが、酸化ガス
供給口４１から酸化ガス通路パスカット部３５を通るこ
となく単セル２０内の酸化ガス通路４４を経て酸化ガス
排出口４２から排出されることになり、単セル２０内を
通過する酸化ガスの流速、流量が増大する。したがっ
て、酸化ガスによってＭＥＡ３４から持ち出される水分
が増加し、ガス流れの抵抗となる凝縮水が発生するのを
自発的に防止することができる。

【００２７】また、燃料ガスに関しても、酸化ガスと同
様である。すなわち、ＭＥＡ３４の含水率が低下する傾
向にあるときには、燃料ガス通路パスカット部３６に配
設された吸水性樹脂が収縮しているため、この燃料ガス
通路パスカット部３６のガス流れが許容され、燃料ガス
の一部は、燃料ガス供給口４６から燃料ガス通路パスカ
ット部３６，３６を通って燃料ガス排出口４７から排出
されることになり、このパスカット流れによって単セル
２０内を通過する燃料ガスの流速、流量が部分的に低下
する。したがって、燃料ガスによってＭＥＡ３４から持
ち出される水分が抑制され、過剰な含水率の低下を自発
的に抑制することができる。

【００２８】なお、燃料ガス通路パスカット部３６，３
６を燃料ガス供給口４６と燃料ガス排出口４７とを結ん
だ線上又はその線の近傍に設けてもよいが、酸化ガスの
場合と同様の理由により、酸化ガス通路パスカット部３
５，３５と同様の位置に燃料ガス通路パスカット部３
６，３６を設けることが好ましい。

【００２９】一方、ＭＥＡ３４の含水率が上昇する傾向
にあるときには、燃料ガス通路パスカット部３６に配設
された吸水性樹脂が膨潤しているため、燃料ガス通路パ
スカット部３６のガス流れが阻害され、燃料ガスのほと
んどが、燃料ガス供給口４６から燃料ガス通路パスカッ
ト部３６を通ることなく単セル２０内の燃料ガス通路４
９を経て燃料ガス排出口４７から排出されることにな
り、単セル２０内を通過する燃料ガスの流速、流量が増
大する。したがって、燃料ガスによってＭＥＡ３４から
持ち出される水分が増加し、ガス流れの抵抗となる凝縮
水が発生するのを自発的に防止することができる。

【００３０】次に、本実施形態の燃料電池を構成する単
セルと従来の燃料電池を構成する単セルとの放電性能を
比較したときの結果について図６に基づいて説明する。
従来の単セルでは、本実施形態の酸化ガス通路パスカッ
ト部３５や燃料ガス通路パスカット部３６が設けられて
いない。このため、ドライング現象が発生したときには
電解質膜の含水率が低下するため、所定のプロトン伝導
度が確保できなくなり、電流密度を大きくしても電気化
学反応が十分に進行せず、出力電圧が低下するという不
具合が発生した。また、フラッディング現象が発生した
ときにはガス通路に水が凝縮してガス流れの抵抗になる
ため、電極に対するガスの供給量が不足気味になり、電
流密度を大きくしても電気化学反応が十分に進行せず、
出力電圧が低下するという不具合が発生した。これに対
して、本実施形態の単セル２０ではこのような不具合が
効果的に抑制された。

【００３１】以上詳述した本実施形態の燃料電池１０に
よれば、パスカット部３５，３６に配設された吸水性樹
脂（ガス通路可変手段）がＭＥＡ３４の含水状態、特に
電解質膜３１の含水状態に応じて酸化ガス通路４４およ
び燃料ガス通路４９の道筋を変化させるため、ガス通路
入口側とガス通路出口側との差圧に応じて道筋を変化さ
せる場合に比べて、フラッディング現象やドライング現
象に適切に対処できる。具体的には、ＭＥＡ３４の含水
状態が低水分状態のときにはパスカット流れが発生する
ことにより単セル２０内を流れるガスの流速や流量が部
分的に低下するため、ガスによる水分の持ち出しが抑制
され、ドライング現象の発生を未然に防止したりあるい
は発生したドライング現象を迅速に解消したりできる。
また、ＭＥＡ３４の含水状態が高水分状態のときにはパ
スカット流れが発生し難くなることにより単セル２０内
を流れるガスの流速や流量が増大するため、ガスによる
水分の持ち出しが促進され、フラッディング現象の発生
を未然に防止したりあるいは発生したフラッディング現
象を迅速に解消したりできる。また、パスカット部３
５，３６に配設された吸水性樹脂は、ＭＥＡ３４の含水
状態に応じて自ら変形することにより各ガス通路４４，
４９の道筋を変化させるため、センサやアクチュエータ
等を利用する場合に比べて、構成が簡略化できる。

【００３２】［第２実施形態］第１実施形態ではＭＥＡ
３４にパスカット部３５，３６を設けたのに対して、本
実施形態ではＭＥＡ３４にパスカット部３５，３６を設
けずセパレータ３０にパスカット部を設けた点が相違
し、その他は同様の構成である。このため、第１実施形
態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を
省略する。図７はＭＥＡの含水率が低下したときの酸化
ガス流れの説明図、図８はＭＥＡの含水率が上昇したと
きの酸化ガス流れの説明図である。

【００３３】セパレータ３０は、第１実施形態と同様の
材質、形状であるが、酸化ガス通路４４を形成する隔壁
９０のうち酸化ガス通路４４を短絡可能な箇所には、酸
化ガス通路パスカット部９５が設けられている。この酸
化ガス通路パスカット部９５には、第１実施形態と同様
の吸水性樹脂が配設されている。このような吸水性樹脂
を配設する方法としては種々考えられるが、一例として
は、隔壁９０のうち酸化ガス通路パスカット部９５に相
当する箇所に凹部を形成しておき、吸水性樹脂を混ぜ込
んだ粗い目のガス透過性のカーボン多孔体（例えばカー
ボンクロスなど）をその凹部に合致する形状に成形し、
それを凹部にはめ込む方法などが挙げられる。なお、燃
料ガス通路４９の隔壁をなす隔壁についても、図示しな
いが、同様にして燃料ガス通路パスカット部が設けられ
ている。

【００３４】次に、以上のような構成を備えた燃料電池
１０の動作について説明する。酸化ガスおよび燃料ガス
は、第１実施形態と同様にして電気化学反応に供され
る。ここで、酸化ガスに関して、ＭＥＡ３４の含水率が
低下する傾向にあるときには、図７に示すように、酸化
ガス通路パスカット部９５に配設された吸水性樹脂が収
縮しているため、この酸化ガス通路パスカット部９５の
ガス流れが許容され、酸化ガスの一部は、酸化ガス供給
口４１から酸化ガス通路パスカット部９５を通って酸化
ガス排出口４２から排出されることになり、このパスカ
ット流れによって単セル２０内を通過する酸化ガスの流
速、流量が部分的に低下する。したがって、酸化ガスに
よってＭＥＡ３４から持ち出される水分が抑制され、過
剰な含水率の低下を自発的に抑制することができる。一
方、ＭＥＡ３４の含水率が上昇する傾向にあるときに
は、図８に示すように、酸化ガス通路パスカット部９５
に配設された吸水性樹脂が膨潤しているため、この酸化
ガス通路パスカット部９５のガス流れが阻害され、酸化
ガスのほとんどが、酸化ガス供給口４１から酸化ガス通
路パスカット部９５を通ることなく単セル２０内の酸化
ガス通路４４を経て酸化ガス排出口４２から排出される
ことになり、単セル２０内を通過する酸化ガスの流速、
流量が増大する。したがって、酸化ガスによってＭＥＡ
３４から持ち出される水分が増加し、ガス流れの抵抗と
なる凝縮水が発生するのを自発的に防止することができ
る。

【００３５】また、燃料ガスに関しても、酸化ガスと同
様、ＭＥＡ３４の含水率が低下する傾向にあるときに
は、パスカット流れが許容され、単セル２０内を通過す
る燃料ガスの流速、流量が部分的に低下し、燃料ガスに
よってＭＥＡ３４から持ち出される水分が抑制されるた
め、過剰な含水率の低下を自発的に抑制することができ
る。一方、ＭＥＡ３４の含水率が上昇する傾向にあると
きには、パスカット流れが阻害され、単セル２０内を通
過する燃料ガスの流速、流量が増加するため、燃料ガス
によってＭＥＡ３４から持ち出される水分が増加し、ガ
ス流れの抵抗となる凝縮水が発生するのを自発的に防止
できる。

【００３６】以上詳述した本実施形態の燃料電池によれ
ば、第１実施形態と同様、酸化ガス通路パスカット部９
５に配設された吸水性樹脂（ガス通路可変手段）がＭＥ
Ａ３４の含水状態、特に電解質膜３１の含水状態に応じ
て酸化ガス通路４４の道筋を変化させるため、ガス通路
入口側とガス通路出口側との差圧に応じて道筋を変化さ
せる場合に比べて、フラッディング現象やドライング現
象に適切に対処できる。また、酸化ガス通路パスカット
部９５に配設された吸水性樹脂は、ＭＥＡ３４の含水状
態に応じて自ら変形することにより酸化ガス通路４４の
道筋を変化させるため、センサやアクチュエータ等を利
用する場合に比べて、構成が簡略化できる。これらの点
は、燃料ガス通路４９についても同様である。

【００３７】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明はこれらに何等限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形
態で実施し得ることは勿論である。

【００３８】例えば、上記実施形態では、パスカット流
れを許容又は阻害するための部材として吸水性樹脂を使
用したが、ＭＥＡ３４の含水率が低いときにパスカット
流れを許容しＭＥＡ３４の含水率が高いときにパスカッ
ト流れを阻害する機能を持つものであれば、特にこれに
限定されず、どのような部材を用いてもよい。

【００３９】また、上記実施形態では、酸化ガス通路４
４や燃料ガス通路４９のパターンは、略「Ｍ」字状（Ｍ
を横向きにしたようなパターン）に形成したが、特にど
のような形状であってもよく、例えば図９に示すように
略「Ｓ」字状に形成してもよい。すなわち、反応ガス
（酸化ガスおよび燃料ガスの総称）につき、ガス供給口
８１からガス排出口８２まで略「Ｓ」字状の反応ガス通
路８３が形成され、ガス供給口８１の近傍に反応ガス通
路８３を短絡可能なパスカット部８４が設けられていて
もよい。この場合、パスカット部８４には吸水性樹脂が
配設されており、ＭＥＡの含水率が低下する傾向にある
ときには、パスカット部８４の吸水性樹脂が収縮してパ
スカット流れが許容され（図９（ａ）参照）、単セル内
を通過するガスの流速、流量が部分的に低下し、反応ガ
スによってＭＥＡから持ち出される水分が抑制されるた
め、過剰な含水率の低下を自発的に抑制することができ
る。一方、ＭＥＡの含水率が上昇する傾向にあるときに
は、パスカット部８４の吸水性樹脂が膨潤してパスカッ
ト流れが阻害され（図９（ｂ）参照）、単セル内を通過
する反応ガスの流速、流量が増加するため、反応ガスに
よってＭＥＡから持ち出される水分が増加し、ガス流れ
の抵抗となる凝縮水が発生するのを自発的に防止でき
る。

【００４０】更に、上記実施形態では、酸化ガス通路４
４および燃料ガス通路４９の両方につきＭＥＡ３４の含
水状態に応じて道筋が変化するように構成したが、いず
れか一方の通路につきＭＥＡ３４の含水状態に応じて道
筋が変化するように構成してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の燃料電池の概略構成を表す説明
図である。

【図２】燃料電池の基本単位である単セルの構成を表す
断面図である。

【図３】単セルの構成を表す分解斜視図である。

【図４】第１実施形態のＭＥＡの含水率低下時の酸化ガ
ス流れを表す説明図である。

【図５】第１実施形態のＭＥＡの含水率上昇時の酸化ガ
ス流れを表す説明図である。

【図６】第１実施形態の燃料電池を構成する単セルと従
来の燃料電池を構成する単セルとの放電性能を比較した
ときのグラフである。

【図７】第２実施形態のＭＥＡの含水率低下時の酸化ガ
ス流れを表す説明図である。

【図８】第２実施形態のＭＥＡの含水率上昇時の酸化ガ
ス流れを表す説明図である。

【図９】他の実施形態のＭＥＡのガス流れを表す説明図
である。

【符号の説明】

１０…燃料電池、２０…単セル、３０…セパレータ、３
１…電解質膜、３２…アノード、３２ａ…触媒電極、３
３…カソード、３３ａ…触媒電極、３５…酸化ガス通路
パスカット部、３６…燃料ガス通路パスカット部、３９
…シール部材、４１…酸化ガス供給口、４２…酸化ガス
排出口、４３…凹溝、４４…酸化ガス通路、４６…燃料
ガス供給口、４７…燃料ガス排出口、４８…凹溝、４９
…燃料ガス通路。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対のガス拡散電極で電解質膜を挟み込
   んだ膜電極接合体を備えた燃料電池であって、 前記一対のガス拡散電極の一方に酸化ガスを供給する酸
   化ガス通路と、 前記一対のガス拡散電極の他方に燃料ガスを供給する燃
   料ガス通路と、 前記膜電極接合体の含水状態に応じて前記酸化ガス通路
   および前記燃料ガス通路の少なくとも一方のガス通路の
   道筋を変化させるガス通路可変手段とを備えたことを特
   徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】 前記ガス通路可変手段は、前記膜電極接
   合体の含水状態に応じて自ら変形することにより前記ガ
   ス通路の道筋を変化させる部材である請求項１記載の燃
   料電池。
3. 【請求項３】 前記ガス通路可変手段は、前記膜電極接
   合体のうち前記ガス通路を短絡可能な位置に配置され、
   前記膜電極接合体の含水状態が低水分状態のときには前
   記ガス通路の短絡を許容し、前記膜電極接合体の含水状
   態が高水分状態のときには前記ガス通路の短絡を阻害す
   る請求項１又は２記載の燃料電池。
4. 【請求項４】 前記ガス通路可変手段は、前記膜電極接
   合体のうち前記ガス通路を短絡可能な位置に配置された
   吸水性樹脂である請求項１〜３のいずれかに記載の燃料
   電池。
5. 【請求項５】 前記ガス通路可変手段は、前記ガス通路
   を形成する隔壁のうち前記ガス通路を短絡可能な位置に
   配置され、前記膜電極接合体の含水状態が低水分状態の
   ときには前記ガス通路を許容し、前記膜電極接合体の含
   水状態が高水分状態のときには前記ガス通路の短絡を阻
   害する請求項１又は２記載の燃料電池。
6. 【請求項６】 前記ガス通路可変手段は、前記ガス通路
   を形成する隔壁のうち該ガス通路を短絡可能な位置に配
   置された吸水性樹脂である請求項１，２又は５記載の燃
   料電池。
7. 【請求項７】 前記膜電極接合体の含水状態は、前記電
   解質膜の含水状態である請求項１〜６のいずれかに記載
   の燃料電池。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかの燃料電池であ
   って、 前記膜電極接合体を挟み込む一対のセパレータを備え、 前記酸化ガス通路および前記燃料ガス通路は前記セパレ
   ータに設けられた溝である燃料電池。