JP2006079982A

JP2006079982A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2006079982A
Application number: JP2004264031A
Authority: JP
Inventors: Souhei Suga; 創平須賀
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】ガス流路溝空間可変部材をガス流路溝に固定できるようにする。
【解決手段】固体高分子電解質膜１５をアノード側電極１７とカソード側電極１９とで挟んで膜電極接合体２１を構成し、膜電極接合体２１を一対のセパレータ２３，２５で挟持して燃料電池を構成する。セパレータ２３，２５は、膜電極接合体２１側にガス流路溝２７，２９をそれぞれ備える。ガス流路溝２７，２９の両側壁２７ａ，２９ａに突起３１，３３を設け、この各突起３１，３３により、膜電極接合体２１側の第１空間３５，３７と、それと反対側の第２空間３９，４１とに区画する。第２空間３９，４１内に、発電時に生成される水を吸水して体積膨張する吸水性樹脂４３を収容する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成する膜電極接合体を、ガス流路溝を膜電極接合体側に備えるセパレータで挟持してなる燃料電池に関する。

燃料電池は、例えば図１９に示すように、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜１と、これを挟持するように配置したアノード側電極３およびカソード側電極５とからなる膜電極接合体７を、ガス流路溝９ａ，１１ａを膜電極接合体７側に備える一対のセパレータ９，１１で挟持している。

上記ガス流路溝９ａ，１１ａのうち、アノード側電極３に対向するガス流路溝９ａには燃料として例えば水素を高圧の水素ボンベから供給し、カソード側電極５に対向するガス流路溝１１ａには酸化剤ガスとしての空気をコンプレッサもしくはブロアを用いて大気より供給する。

アノード側電極３およびカソード側電極５には、それぞれ反応を促進するためにＰtなどの貴金属を主とした触媒層３ａ，５ａを形成しており、
アノード側電極３においては、
Ｈ₂→２Ｈ⁺ ＋２e^- ・・・・・・（１）
という反応を起し、燃料としての水素が水素イオンと電子に分離される。水素イオンは固体高分子電解質１の内部を拡散してカソード側電極５に到達し、電子は外部回路を流れ燃料電池出力として取り出される。

カソード側電極５においては、図１９のＥ−Ｅ断面図である図２０（ａ）に示すように、アノード側電極３から固体高分子電解質膜１中を拡散してきた水素イオン、アノード側電極３から外部回路を通じて移動してきた電子、および空気中の酸素が、触媒層５ａ中に形成されている三相界面上で
２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（1/2）Ｏ²→Ｈ₂Ｏ・・・・・・（２）
の反応により水が生成される。

固体高分子電解質膜１中のプロトン移動は、プロトン１分子に複数の水分子を伴うことにより良好なプロトン伝導性を発揮することは公知であり、固体高分子電解質１に良好なプロトン導電性を保つためには燃料ガス、酸化剤ガスの少なくとも一方を適度に加湿する必要がある。

しかしながら、ガス中の水分や上記（２）式で生成する水分子は、触媒層５ａ上のガス拡散層５ｂのガス透過通路を妨げる抵抗要素となり、上記（１），（２）式の反応項成分と触媒層５ａとの気固接触反応を阻害する要因となっている。また、従来セパレータ２７，２９はカーボンもしくは金属などで構成し、これらカーボンもしくは金属材を加工してガス流路溝９ａ，１１ａを形成し、かつガス流路溝９ａ，１１ａはガス流れ方向でガス流速が均一になるように加工している。

このような構成下において、供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスが発電により消費されると、図２０（ｂ）に図示すように、図中で左側のガス流路入口に対して同右側のガス流路出口方向は、相対的にガス湿分が高く、かつ図２０（ｃ）に示すようにガス流速が遅くなり、発電時に生成した水をガス流れの慣性で除去することが困難となる。

これに対し、下記特許文献１には、図２１（ａ）に示すように、セパレータ９，１１のガス流路溝９ａ，１１ａに、吸水量に応じてガス流路断面積を変化させる高吸水性ポリマーシート１３を設けた構造が示されている。なお、図２１（ｂ）中で、実線はガス流速を、破線は流路（ガス流路溝）体積に対する部材（高吸水性ポリマーシート１３）体積の比を、それぞれ示しており、図２１の無発電時では、いずれもガス流れ方向に沿って一定となっている。

特許文献１によれば、燃料電池の発電時において、発電により生成した水を高吸水性ポリマーシート１３が吸収し、相対的に低湿度であるガス入口付近と、高湿度である出口付近で高吸水性ポリマーシート１３の含水状態が変化することにより、発電開始一定時間経過後を示す図２３（ａ），（ｂ）のように、ガス入口断面積ａとガス出口断面積ｂにおいて、ａ＞ｂの関係が成立し、発電開始初期状態を示す図２２（ａ），（ｂ）に比較して、ガス出口付近のガス流速を増加させることができ、これによりガス拡散性を向上させて水詰まりの解消に至ると説明されている。
特開平１０−１７２５８６号公報

しかしながら、高膨張物質である高吸水性ポリマーを、シート状に加工して低膨張物質であるセパレータに上に直接固定することは極めて困難である。

そこで、本発明は、ガス流路溝空間可変部材をガス流路溝に固定できるようにすることを目的としている。

本発明は、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成する膜電極接合体を、ガス流路溝を前記膜電極接合体側に備えるセパレータで挟持してなる燃料電池において、前記ガス流路溝に、このガス流路溝内の空間容積を可変とするガス流路溝空間可変部材を収容し、このガス流路溝空間可変部材を前記ガス流路溝内に保持させるガス流路溝空間可変部材保持部を備えることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、ガス流路溝空間可変部材をガス流路溝内に設置する際に、ガス流路溝空間可変部材を保持するガス流路溝空間可変部材保持部を設けたので、ガス流路溝空間可変部材をガス流路溝に固定することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す燃料電池の断面図である。この燃料電池は、前記図１９に示した従来のものと同様に、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜１５と、これを挟持するように配置したアノード側電極１７およびカソード側電極１９とからなる膜電極接合体２１を、一対のセパレータ２３，２５で挟持している。

アノード側電極１７およびカソード側電極１９は、それぞれ固体高分子電解質膜１５側に位置する触媒層１７ａ，１９ａと、セパレータ２３，２５側に位置するガス拡散層１７ｂ，１９ｂとから構成されている。

セパレータ２３，２５の材料としては電気抵抗が小さいものが適しており、本実施形態では、電気抵抗が小さく比較的加工が容易な炭素部材を用いる。また、固体高分子電解質膜１５には、パーフルオロスルホン酸の膜を用いるが、水素イオンを透過するものであれば、これに特に限定するものではない。

触媒層１７ａ，１９ａとしては、白金担持カーボンを使用する。ガス拡散層１７ｂ，１９ｂは、それぞれのガスを行き渡らせるためのものであり、多孔性の部材が適しており、本実施形態ではカーボン繊維で構成している。

各セパレータ２３および２５の膜電極接合体２１側には、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス流路溝２７および２９を形成してある。

上記した各ガス流路溝２７，２９の互いに対向する図１中で左右両側の内壁２７ａ，２９ａには、ガス流路溝空間可変部材保持部としての断面三角形状の突起３１，３３を、互いに対向するようそれぞれ一対設ける。この三角状の突起３１，３３は、図１中で紙面に直交する方向に延びるガス流路溝２７，２９に沿ってその全長にわたり設ける。

突起３１，３３を設けることによってガス流路溝２７，２９は、膜電極接合体２１側の第１空間３５，３７と、それと反対側の第２空間３９，４１とに区画する。ただし、一対の突起３１相互、および一対の突起３３相互は、いずれもその各先端相互間に隙間を形成しており、したがってこれら第１空間３５，３７と、第２空間３９，４１とは、互いにガスが連通可能な状態となっている。

また、上記した突起３１，３３は、セパレータ２３，２５と同材料で構成しつつ、セパレータ２３，２５とは別体とし、この別体の突起３１，３３を、例えば導電性接着剤などを使用してセパレータ２３，２５に接着固定する。

そして、各ガス流路溝２７，２９の第２空間３９，４１には、ガス流路溝空間可変部材としての球状の吸水性樹脂４３を収容する。すなわち、この吸水性樹脂４３は、突起３１，３３によって各ガス流路溝２７，２９に固定保持されることになる。

図２は、図１の吸水性樹脂４３を収納した第２空間３９周辺の拡大図、図３は、図１の拡大したＡ−Ａ断面図であり、吸水性樹脂４３は、ガス流路溝２７，２９の延長方向に沿って互いにほぼ接触した状態で複数収納してある。

上記した構成の燃料電池は、燃料として例えば水素をアノード側のガス流路溝２７に、酸化剤ガスとしての空気をカソード側のガス流路溝２９にそれぞれ供給して発電する。そして、この発電時に生成される水や、膜電極接合体２１に供給されるガス中の水分の一部は、各ガス流路溝２７，２９の第２空間３９，４１内に収容した吸水性樹脂４３が吸収する。

このとき、前述したようにガス流路入口に対してガス流路出口方向は相対的にガス湿分が高いので、ガス流路出口側の吸水性樹脂４３が、ガス流路入口側の吸水性樹脂４３よりも吸水量が多くなって体積膨脹量も多くなる。この結果、ガス流路出口側のガス流路溝２７，２９では、流路断面積がガス流路入口側の流路断面積より小さくなって、ガス流速もガス流路入口側に比べて速くなり、上記生成された水を、前記した特許文献１に記載の発明のようにガス流れの慣性で除去でき、ガス拡散性が向上してガス流路溝２７，２９における水詰まりを回避することができる。

このように、吸水性樹脂４３は、膜電極接合体２１に供給されるガス中の水分および、発電によって生成する水分に起因するガスもしくは膜電極接合体２１の含水状態に応じて自ら変形することにより、ガス流路溝２７，２９内の空間容積を変化させ、かつ膜電極接合体２１周囲の水分の増大に応じてガス流路溝２７，２９の流路断面積を減少させる部材であるので、燃料電池の運転条件や発電時に生成される水分に適宜応答してガス流路溝２７，２９におけるガス流速を変化させることが可能になる。

この際、本実施形態においては、一対の突起３１，３３の内側の第２空間３９，４１内に吸水性樹脂４３を収納し、この突起３１，３３によって吸水性樹脂４３を保持するようにすることで、吸水性樹脂４３のセパレータ２３，２５への固定を実現している。

上記したように吸水性樹脂４３は、第２空間３９，４１内にて突起３１，３３により保持しているので、吸水によって膨脹して最大体積状態となっても、突起３１，３３によってガス拡散層１７ｂ，１９ｂへの移動を阻止し、ガス拡散層１７ｂ，１９ｂに隣接する第１空間３５，３７が塞がれることはない。

すなわち、吸水性樹脂４３は、最大体積状態となっても、ガス流路溝２７，２９内にて所定のガス流通空間を維持することができ、膜電極接合体２１へのガス拡散の阻害を防止して、発電性能を所望に維持することができる。

また、吸水前の状態の最小体積時での吸水性樹脂４３は、図３に示すように、隣接するもの同士が互いにほぼ接触しているので、ガスの流れが生じている状態においても、吸水性樹脂４３のガス流路出口側への移動も防止し、吸水性樹脂４３の吸水機能を確保することができる。

図４は、上記図１に示した第１の実施形態の変形例で、図１における一対の突起３１，３３に代えて、ガス流路溝２７，２９における図４中で左右両側壁２７ａ，２９ａのうち図４中で右側の各側壁２７ａ，２９ａに板状突起４５，４７を設けている。この板状突起４５，４７は、第１の実施形態における三角形状の突起３１，３３と同様に、導電性接着剤などによって側壁２７ａ，２９ａに接着固定する。

上記した板状突起４５，４７は、ガス流路溝２７，２９の図４中で上下方向ほぼ中央位置にあり、その先端と対向する反対側の側壁２７ａ，２７ｂとの間に隙間４９，５１を形成している。これにより、ガス流路溝２７，２９は、膜電極接合体２１側の第１空間５３，５５と、これと反対側の第２空間５７，５９との二つの空間に仕切られる。そして、膜電極接合体２１と反対側の第２空間５７，５９に、第１の実施形態と同様の吸水性樹脂４３を収容する。なお、隙間４９，５１の間隔は、吸水性樹脂４３の直径寸法より小さく、したがって吸水性樹脂４３の第１空間５３，５５への移動を防止している。

図４に示した燃料電池においても、吸水性性樹脂４３は、前記図３に示したように、ガス流路溝２７，２９の延長方向に沿って互いにほぼ接触した状態で複数収納する。図５は、吸水性樹脂４３を収納した第２空間５７周辺の拡大図である。

上記図４に示した燃料電池においても、図１に示した第１の実施形態の燃料電池と同様の効果を得ることができる。

図６は、上記図１に示した第１の実施形態の他の変形例で、図１における一対の突起３１に代えて、ガス流路溝２７，２９の底部に板状突起６１，６３を設けている。この板状突起６１，６３は、第１の実施形態における三角形状の突起３１，３３と同様に、導電性接着剤などによってガス流路溝２７，２９の底部に接着固定する。

上記した板状突起６１，６３は、ガス流路溝２７，２９の図４中で左右ほぼ中央位置にあり、その先端と対向する膜電極接合体２１との間に隙間６５，６７を形成している。これにより、ガス流路溝２７，２９は、図６中で左側の第１空間６９，７１と、同右側の第２空間７３，７５との二つの空間に仕切られる。そして、右側の第２空間７３，７５に、第１の実施形態と同様の吸水性樹脂４３を収容する。なお、隙間６５，６７の間隔は、吸水性樹脂４３の直径寸法より小さく、したがって吸水性樹脂４３の第１空間６９，７１への移動を防止している。図７は、吸水性樹脂４３を収納した第２空間７３周辺の拡大図である。

なお、図６に示した板状突起６１，６３は、第１の実施形態における三角形状の突起３１，３３と同様に、導電性接着剤などによってガス流路溝２７，２９の底部に固定してもよいが、セパレータ２７，２９の製造時に一体成形することもできる。

上記図６に示した燃料電池においても、吸水性樹脂４３は、第２空間７３，７５内にて板状突起６１，６３により保持しているので、吸水によって膨脹して最大体積状態となっても、板状突起６１，６３によって第１空間６９，７１への移動を阻止し、ガス拡散層１７ｂ，１９ｂに隣接する第１空間６９，７１が塞がれることはなく、発電性能を維持することができるなど、図１に示した第１の実施形態の燃料電池と同様の効果を得ることができる。

図８は、本発明の第２の実施形態を示す燃料電池の断面図である。この実施形態は、図１における一対の突起３１，３３に代えて仕切り板７７，７９を設けている。この仕切り板７７，７９は、ガス流路溝２７，２９を、膜電極接合体２１側の第１空間８１，８３と、これと反対側の第２空間８５，８７との二つの空間に仕切っている。そして、膜電極接合体２１と反対側の第２空間８５，８７に、第１の実施形態と同様の吸水性樹脂４３を収容する。

上記した仕切り板７７，７９は、ガス透過性を有する部材で構成し、ガス流路溝２７，２９内の図８中で左右の両側壁２７ａ，２９ａに、両端を第１の実施形態における突起３１，３３と同様に導電性接着剤で接合するか、あるいは寸法公差的にすきまばめ寸法にあらかじめ加工した仕切り板７７，７９を、ガス流路溝２７，２９に嵌め込む機械的な接合方法を適用してもよい。

図９は、上記図８に示した第２の実施形態の変形例で、ガス透過性を有する部材で構成した仕切り板８９，９１を、図８中で上下方向に延長する構造として、一方の端部をガス流路溝２７，２９の底部に導電性接着剤により固定し、他方の端部を膜電極接合体２１に接触させて、ガス流路溝２７，２９を、図８中で左側の第１空間９３，９５と同右側の第２空間９７，９９との二つの空間に仕切っている。そして、右側の第２空間９７，９９に、第１の実施形態と同様の吸水性樹脂４３を収容する。

上記図８に示した第２の実施形態および図９に示した図８の変形例においても、第２空間８５，８７および第２空間９７，９９にそれぞれ収容した吸水性樹脂４３は、第１空間８１，８３および第１空間９３，９５への移動が阻止されるなど、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１０（ａ），（ｂ）は、図８および図９に示したガス透過性を有する部材で構成した仕切り板７７，７９および仕切り板８９，９１に代わる、板状に成形した炭素材料に穴あけ加工を施した仕切り板１０１，１０３を示す。

図１０（ａ）の仕切り板１０１は丸孔１０１ａを、図１０（ｂ）の仕切り板１０３は矩形孔１０３ａを、それぞれ複数加工し、これにより図８に示す第１空間８１，８３と第２空間８５，８７との間のガスの流通を可能としている。これら丸孔１０１ａの直径および矩形孔１０３ａの短辺長さは、吸水性樹脂４３の直径より小さく形成し、これにより、図８および図９における第２空間８１，８３および第２空間９３，９５への吸水性樹脂４３の移動を阻止することができる。

図１０（ｃ）は、上記した図１０（ａ），（ｂ）の仕切り板１０１，１０３に代えて、ガス透過性を有する炭素繊維の布を仕切り板１０５として使用するものである。

上記した図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）の各仕切り板１０１，１０３，１０５は、ガス流路溝２７，２９の内壁に導電性接着剤によって固定する。このような仕切り板１０１，１０３，１０５を備えた第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１１（ａ）は、本発明の第３の実施形態を示すもので、吸水性樹脂４３を、ガス流路溝空間可変部材保持部を構成する円筒形状の容器１０７内に複数収容している。容器１０７は、ガス透過性を有する炭素繊維により構成する。容器１０７内に収容する複数の吸水性樹脂４３は、第１の実施形態と同様に、吸水前の状態の最小体積時にて隣接するもの同士が互いにほぼ接触した状態とする。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＢ矢視図である。

図１２は、セパレータ２５（２３）の平面図で、サーペンタイン（蛇行）形状のガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）に、吸水性樹脂４３を収容した円筒状の容器１０７を、ガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）に沿って、ガス入口マニホールド孔１０９付近からガス出口マニホールド孔１１１付近まで連続して配置する。容器１０７内の通路断面積は、ガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）の通路断面積のほぼ半分程度とし、ガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）におけるガスの流通を確保する。

上記したガス入口，出口マニホールド孔１０９，１１１は、前記図１に示す膜電極接合体２１とセパレータ２３，２５との積層方向に貫通してガス流路溝２９Ａに連通するガス入口，出口マニホールドを構成するための、セパレータ２５に設けた孔である。

この場合の容器１０７は、ガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）が屈曲形状を呈しているので、その屈曲部１０８にてセパレータ２５（２３）に保持可能であるが、必要に応じて接着剤で接着固定してもよい。

この実施形態においては、吸水性樹脂４３は、吸水して体積膨脹しても、容器１０７内に留まるので、ガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）におけるガスの流通空間を確保することができる、また、容器１０を、屈曲部１０８によって保持するとともに、ガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）の全長にわたり設けることで、ガスの流れが生じている状態においても、吸水性樹脂４３のガス流路出口側への移動を防止できるなど、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１３（ａ）は、本発明の第４の実施形態を示すもので、図１２のＣ−Ｃ断面に相当する、固体高分子電解質膜１５およびカソード側電極１９を含む断面図である。この実施形態は、前記図１２に示したガス入口，出口マニホールド孔１０９，１１１近傍のガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）に、ガス流路溝空間可変部材保持部としての保持板１１３を、導電性接着剤により固定またはセパレータ２３（２５）に一体化して設置している。

上記した保持板１１３は、ここでは前記図１０（ｃ）に示した炭素繊維の布からなる仕切り板１０５と同様としているが、図１０（ａ），（ｂ）に示したような、丸孔や矩形孔を備えたものであってもよい。

図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図で、ガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）には、前記図１１に示した容器１０７と同様で容器１０７より短尺の容器１１５を、ガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）に沿って複数配置する。容器１１５内には複数の吸水性樹脂４３を収容し、各容器１１５相互間には、前記した保持板１１３と同様の仕切り板１１７を設置する。

なお、容器１１５を使用せず、複数の吸水性樹脂４３を単独でガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）に配置してもよい。

この実施形態においては、ガス入口，出口マニホールド孔１０９，１１１近傍のガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）に、保持板１１３を設置したので、吸水性樹脂４３を収容した容器１１５または、吸水性樹脂４３が、ガス入口，出口マニホールド孔１０９，１１１に移動することがなく、吸水性樹脂４３の保持を確実行うことができる。

図１４（ａ），（ｂ）は、図１３（ａ），（ｂ）の変形例で、図１３の保持板１１３および仕切り板１１７に代えて、棒状の突起１１９および１２１をそれぞれ設けている。各突起１１９，１２１は、その基端部をガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）の底部に導電性接着剤によって接着固定するか、あるいはセパレータ２５（２３）に一体化する。

各突起１１９，１２１の先端部とガス拡散層１９ｂ（１７ｂ）との間には隙間１２３，１２５をそれぞれ形成し、この各隙間１２３，１２５は、容器１２５または吸水性樹脂４３がガス入口，出口マニホールド孔１０９，１１１に流出しないような寸法とする。

図１５（ａ），（ｂ）は、図１３（ａ），（ｂ）の他の変形例で、これは、前記図４に示した板状突起４７（４５）と同様の、ガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）内の側壁から突出する板状突起１２７に加え、板状突起１２７とガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）の底部との間の第２空間１２９を、ガス入口，出口マニホールド孔１０９，１１１近傍のガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）にて覆うように、図１３（ａ）に示したものと同様の保持板１３１を設置している。保持板１３１で覆った第２空間１２９内に、吸水性樹脂４３を複数収容する。吸水性樹脂４３に代えて、図１３のように、吸水性樹脂４３を収容した容器１１５を収容してもよい。

この例では、吸水性樹脂４３または吸水性樹脂４３を収容する容器１１５の、ガス拡散層１９ｂ（１７ｂ）への移動を板状突起４７（４５）によって防止するとともに、ガス入口，出口マニホールド孔１０９，１１１への流出を保持板１３１によって防止できる。

図１６（ａ），（ｂ）は、図１３（ａ），（ｂ）のさらに他の変形例で、これは、上記した図１５（ａ），（ｂ）の板状突起１２７に加え、ガス入口，出口マニホールド孔１０９，１１１近傍のガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）に、棒状の突起１３１を設置している。

この例においても、図１５の例と同様に、吸水性樹脂４３または吸水性樹脂４３を収容する容器１１５の、ガス拡散層１９ｂ（１７ｂ）への移動を防止するとともに、ガス入口，出口マニホールド孔１０９，１１１への流出を防止できる。

図１７は、本発明の第５の実施形態を示すセパレータ２５（２３）の平面図である。ここでのセパレータ２５（２３）は、図１２と同様に、サーペンタイン（蛇行）形状のガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）を備え、このガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）の屈曲部１０８に、前記図１１に示した容器１０７と同様で容器１０７より短尺の容器１３７を配置する。容器１３７内には複数の吸水性樹脂４３を収容する。

第５の実施形態によれば、ガス流路溝２９Ａ（２７Ａ）の屈曲部１０８にて吸水性樹脂４３を収容する容器１３７を保持可能であり、したがって、この屈曲部１３７が、ガス流路溝空間可変部材である吸水性樹脂４３を保持するガス流路溝空間可変部材保持部を構成している。

図１８は、本発明の第６の実施形態を示す燃料電池の動作を示すフローチャートである。

まず、本燃料電池の発電開始後（ステップＳ１０１）、発電停止時の保管状態を、除湿状態とするかどうかを判断する（ステップＳ１０２）。ここで、保管時、燃料電池内の膜電極接合体２１を除湿して乾燥状態に保ちたいときは、一定時間ドライガスで燃料電池内をパージした後（ステップＳ１０３）、燃料電池の発電を停止させる（ステップ１０６）。

一方、保管時、燃料電池内の膜電極接合体２１を除湿せず保湿する場合には、保管湿度を設定するかどうかの判断を行い（ステップＳ１０４）、保管湿度を設定しない場合はそのまま燃料電池の発電を停止させる（ステップ１０６）。これにより、吸水性樹脂４３は、燃料電池の停止時に、吸水した水分を放出して膜電極接合体２１を加湿でき、膜電極接合体２１の乾燥を防ぐことができる。

逆に、所定の湿度で保管する場合は、設定保管湿度の加湿（ウェット）ガスにて一定時間燃料電池内をパージするか、もしくは、燃料電池湿度の現在値が設定保管湿度より高い場合には、設定湿度に到達するまで、一定時間ドライガスにてパージ操作を実施した後（ステップ１０５）、燃料電池の発電を停止させる（ステップＳ１０６）。

この場合には、吸水性樹脂４３の含水状態を、ドライガスあるいは加湿（ウェット）ガスの供給によって変化させることができ、含水状態変化後の吸水性樹脂４３は、燃料電池の停止時に外部とバルブ手段などで遮断状態にあるときは、ガス流路溝２７，２９内を、長時間一定湿度に保つことができる。

本発明の第１の実施形態を示す燃料電池の断面図である。図１の吸水性樹脂を収納した第２空間周辺の拡大図である。図１の拡大したＡ−Ａ断面図である。第１の実施形態の変形例を示す燃料電池の断面図である。図４の吸水性樹脂を収納した第２空間周辺の拡大図である。第１の実施形態の他の変形例を示す燃料電池の断面図である。図６の吸水性樹脂を収納した第２空間周辺の拡大図である。本発明の第２の実施形態を示す燃料電池の断面図である。第２の実施形態の変形例を示す燃料電池の断面図である。図８および図９の仕切り板に代わる、穴あけ加工を施した仕切り板の平面図である。（ａ）は本発明の第３の実施形態を示す、吸水性樹脂を収容する容器の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ矢視図である。図１１の容器を設置するセパレータの平面図である。（ａ）は、本発明の第４の実施形態を示すもので、図１２のＣ−Ｃ断面に相当する、固体電解質膜およびカソード側電極を含む断面図、（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。図１３の変形例を示す断面図である。図１３の他の変形例を示す断面図である。図１３のさらに他の変形例を示す断面図である。本発明の第５の実施形態を示すセパレータの平面図である。本発明の第６の実施形態を示す燃料電池の動作を示すフローチャートである。一般的な燃料電池を示す断面図である。（ａ）は図１９のＥ−Ｅ線に沿う断面図、（ｂ）は（ａ）におけるガス流れ方向に対応する相対湿度特性図、（ｃ）は（ａ）におけるガス流れ方向に対応するガス流速特性図である。（ａ）は無発電時での従来の燃料電池を示す、図２０（ａ）に対応する断面図、（ｂ）は無発電時でのガス流れ方向に対応するガス流速および、高吸水性ポリマーシートの体積に対する流路体積の比を示す特性図である。（ａ）は発電開始初期状態での従来の燃料電池を示す、図２０（ａ）に対応する断面図、（ｂ）は発電開始初期状態でのガス流れ方向に対応するガス流速および、高吸水性ポリマーシートの体積に対する流路体積の比を示す特性図である。（ａ）は発電開始一定時間経過後での従来の燃料電池を示す、図２０（ａ）に対応する断面図、（ｂ）は発電開始一定時間経過後でのガス流れ方向に対応するガス流速および、高吸水性ポリマーシートの体積に対する流路体積の比を示す特性図である。

符号の説明

１５固体高分子電解質膜
１７アノード側電極
１９カソード側電極
２１膜電極接合体
２３，２５セパレータ
２７，２９ガス流路溝
３１，３３三角形状の突起（ガス流路溝空間可変部材保持部）
４３吸水性樹脂（ガス流路溝空間可変部材）
４５，４７，６１，６３，１２７板状突起（ガス流路溝空間可変部材保持部）
７７，７９，８９，９１，１０１，１０３，１０５，１１７仕切り板（ガス流路溝空間可変部材保持部）
１０７，１１５，１３７容器（ガス流路溝空間可変部材保持部）
１０８屈曲部
１０９ガス入口マニホールド孔
１１１ガス出口マニホールド孔
１１３，１３１保持板（ガス流路溝空間可変部材保持部）
１１９，１２１，１３３棒状の突起（ガス流路溝空間可変部材保持部）

Claims

電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成する膜電極接合体を、ガス流路溝を前記膜電極接合体側に備えるセパレータで挟持してなる燃料電池において、前記ガス流路溝に、このガス流路溝内の空間容積を可変とするガス流路溝空間可変部材を収容し、このガス流路溝空間可変部材を前記ガス流路溝内に保持させるガス流路溝空間可変部材保持部を備えることを特徴とする燃料電池。
前記ガス流路溝空間可変部材は、前記ガス流路溝内にて所定のガス流通空間を維持することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記ガス流路溝空間可変部材保持部は、前記ガス流路溝の内壁から突出する突起であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
前記ガス流路溝空間可変部材保持部は、前記ガス流路溝内の空間を仕切るガス透過性を有する仕切り板であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
前記ガス流路溝空間可変部材保持部は、ガス透過性を有して前記ガス流路溝空間可変部材を収容する容器であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
前記ガス流路溝空間可変部材を前記ガス流路溝の屈曲部に配置し、この屈曲部が、前記ガス流路溝空間可変部材保持部を構成することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
前記ガス流路溝空間可変部材は、前記膜電極接合体周囲の含水状態に応じて自ら変形して、前記ガス流路溝内の空間容積を可変とすることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記ガス流路溝空間可変部材は、前記膜電極接合体周囲の水分の増大に応じて前記ガス流路溝の流路断面積を減少させることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
前記ガス流路溝空間可変部材は、吸水性樹脂であることを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池。
前記膜電極接合体と前記セパレータとの積層方向に貫通して前記ガス流路溝に連通するマニホールドを設け、このマニホールド近傍の前記ガス流路溝に、前記ガス流路溝空間可変部材保持部を設けたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記吸水性樹脂は、燃料電池の停止時に、吸水した水分を放出して前記膜電極接合体を加湿することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
前記ガス流路溝に所定湿度のガスを供給することで、前記吸水性樹脂の含水状態を変化させることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。