JP6529330B2

JP6529330B2 - 固体高分子形燃料電池

Info

Publication number: JP6529330B2
Application number: JP2015095689A
Authority: JP
Inventors: 洋文谷川; 隆治鶴田
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2035-05-08
Also published as: JP2015232999A

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に関する。

燃料電池は、排出物が水のみであることなどから、クリーンなエネルギーシステムとして注目されている。燃料電池の一つである固体高分子形燃料電池は、低温動作が可能であり、携帯機器、燃料電池自動車等への応用が期待されている。

固体高分子形燃料電池は、通常、複数の単セルが積層されてなるスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜、電解質膜の両面に積層された一対の触媒層及び一対のガス拡散層を有する膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、このＭＥＡを挟んで配置された一対のセパレータとで主に構成される。ＭＥＡと各セパレータとの間には、燃料ガス（一般的に水素）の流路と酸化ガス（一般的に空気）の流路とがそれぞれ形成されている。

固体高分子形燃料電池においては、以下の反応が生じる。アノード（燃料極）側では、水素分子が水素イオンと電子に分離する。この水素イオンは電解質膜中をカソード（空気極）側に移動する。カソード側では、酸素分子と水素イオンと電子とから水が生成される。このように、電解質膜中を水素イオンが移動するため、電解質膜を適度に湿らせておく必要がある。従来、この電解質膜の保湿のための加湿器が固体高分子形燃料電池には備えられるが、小型化等のためには、加湿器を必要としない燃料電池が望まれている。一方、カソード側では、水が生成され、この水が溜まるとガス流路が詰まって酸素の供給が阻害され、出力の低下が生じる。従って、生成した水を排出させる構造が求められる。このように、固体高分子形燃料電池においては、電解質膜の保湿と、生成した水の排水といった、単セル内部の水分の適切な制御が必要とされる。

このような中、カソード側で生成された水を電解質膜の保湿に利用する技術が提案されている（特許文献１、２参照）。特許文献１の燃料電池は、可動性のリブによりガス流路を変更させるものであるが、実用化のためにはリブを動かす方法にかかる検討が必要とされる。特許文献２の燃料電池は、スタックを回転させる構造であるため、実際の使用においては、回転するスタック全体を覆うフレームやカバー等が必要となると考えられる。また、特許文献２の燃料電池においては、酸化ガスの流路が外周部を入口とし中心軸近傍を出口とする構造に限定される。

特許第５２３４４６１号公報特開２００８−３４２８１号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、単セル内の適切な水分制御を行うことができる固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る固体高分子形燃料電池は、１又は複数の単セルを備え、該単セルが、膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」ともいう。）と、前記膜電極接合体の一方の面側に配設された板状のアノード側セパレータと、前記膜電極接合体の他方の面側に配設された板状のカソード側セパレータとを備え、前記膜電極接合体と前記アノード側セパレータとの間には燃料ガスが流通し、前記膜電極接合体と前記カソード側セパレータとの間には酸化ガスが流通する固体高分子形燃料電池において、前記単セルは、前記カソード側セパレータと前記膜電極接合体との間に配設される吸水性板材をさらに備え、前記吸水性板材における、流通する前記酸化ガスの上流側に位置する部位と、下流側に位置する部位とが、入れ替わり可能に構成されている。すなわち、流通する酸化ガスに対する吸水性板材中の２つの部位の位置が、上流側と下流側とで入れ替わることができるような構造となっている。なお、吸水性板材は、少なくとも上流側に位置する部位と下流側に位置する部位とが吸水性を有していればよく、吸水性板材全体が一の吸水性材料から一体的に形成されていてもよい。また、上流側に位置する部位と下流側に位置する部位とが分離して存在していてもよい。各部位の外縁は明確に定まっている必要はなく、上流側と下流側とにそれぞれ吸水を行うことができる、大きさを問わない部位が存在すればよい。

本発明に係る固体高分子形燃料電池には、ＭＥＡとカソード側セパレータとの間（酸化ガスが流通する空間、カソード側流路）に、吸水性板材が配設されている。この酸化ガスが流通する空間の、特に下流側（出口側）には、生成した水が溜まるが、下流側に位置する吸水性板材の部位がこの水を吸収する。この部位がある程度水を吸収した後、この部位を上流側（入口側）に移動させると、吸水されていた水が気化（放散）し、排出又はＭＥＡの加湿が行われる。なお、下流側にあった部位が上流側に移動したときは、上流側にあった部位が下流側に移動しているので、下流側での吸水及び上流側での気化は連続的に行われる。従って、本発明に係る固体高分子形燃料電池によれば、吸水性板材によって、カソード側流路の下流側で生成した水を吸収することで流路が詰まることを抑制し、かつ上流側で水を放散させることでＭＥＡの加湿を行うことができる。すなわち、単セル内の適切な水分制御を行うことができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池において、前記吸水性板材が前記膜電極接合体に垂直な回転軸を中心に回転することが好ましい。このように、吸水性板材が回転する構成とすることで、２つの部位の配置換えを効率的に行うことなどができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池において、前記吸水性板材が半回転毎に間欠的に回転することが好ましい。このようにすることで、出力自体やその安定性等が高まる。この理由は、例えば、カソード側流路にある程度の水が溜まる結果、加湿がされやすくなることなどが挙げられる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池において、複数の前記単セルが積層されたスタック構造を有し、複数の前記吸水性板材が前記回転軸で連結されていることが好ましい。このような構成とすることで、複数の単セルの水分制御を同時に効率的に行うことができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池において、前記単セルに設けられ、前記吸水性板材を内側に収めるカバー体と、外部から供給された前記酸化ガスを前記カバー体内に吐き出し可能なガス吐出部Ａ、Ｂを有するガス中継機構とをさらに備え、前記ガス中継機構は、前記酸化ガスを前記ガス吐出部Ａ、Ｂから交互に吐き出して、前記カバー体内の前記酸化ガスの流れを間欠的に切り替えることが好ましい。このようにすることで、吸水性板材の配置を変える機構を省略することができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池において、前記ガス中継機構は、前記ガス吐出部Ａ、Ｂのいずれか一方から前記酸化ガスを吐き出す際、前記カバー体内を流通した前記酸化ガスを、前記ガス吐出部Ａ、Ｂのいずれか他方から得て外部に送り出すのが好ましい。このようにすることで、酸化ガスを排出する機構を、ガス中継機構とは別に設ける必要がなく、設計の簡素化を図ることができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池において、前記吸水性板材が一の吸水性材料から一体的に形成されていることが好ましい。前記一の吸水性材料は多孔質性無機材料であることが好ましい。多孔質性無機材料は、水の吸収及び放散能に優れ、また、強度、耐久性等にも優れる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池において、前記多孔質性無機材料が珪藻土であることが好ましい。珪藻土は、高い吸水性及び水放散性を有し、多孔質性無機材料として好適である。

本発明に係る固体高分子形燃料電池は、単セル内の適切な水分制御を行うことができる。本発明に係る固体高分子形燃料電池は、加湿器を用いることなくＭＥＡの加湿を行うことができるため、さらなる小型化が可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の断面図である。（ａ）は図１のＡ−Ａ矢視断面図であり、（ｂ）は（ａ）の吸水性板材を１８０°回転させた状態の断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の吸水性板材の断面図である。（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、本発明の第３の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の説明図である。実施例２の測定結果を示すグラフである。実施例３の測定結果を示すグラフである。実施例４の測定結果を示すグラフである。

続いて、添付した図面を参照しながら本発明を具体化した実施の形態について説明する。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池１０は、複数の単セル１１が積層されたスタック構造を有する。

単セル１１は、多層構造体であり、ＭＥＡ（膜電極接合体）１２、一対の集電板１３、アノード側セパレータ１４、カソード側セパレータ１５及び吸水性板材１６を主に備えている。

ＭＥＡ１２は、電解質膜１７と、電解質膜１７の両面に積層された一対の触媒層１８、１９と、触媒層１８、１９にそれぞれ積層されたガス拡散層１８ａ、１９ａを有する方形の薄膜である。電解質膜１７は、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂等の固体高分子電解質から形成されている。触媒層１８、１９は、白金等の触媒を含む触媒膜である。このような膜は、触媒金属を担持させたカーボン粉末と高分子電解質とを含むペーストを、電解質膜１７上に塗布することなどにより形成することができる。ガス拡散層１８ａ、１９ａとしては、カーボンペーパや、カーボンクロスを採用可能である。

一対の集電板１３は、ＭＥＡ１２を挟持するように、ＭＥＡ１２の各面にそれぞれ積層されている。集電板１３は、導電性材料から形成されており、集電板１３としては、金属メッシュ、パンチングメタル等の金属製の多孔質体を用いることができる。

アノード側セパレータ１４は、ＭＥＡ１２の一方の面側（ガス拡散層１８ａ側）に集電板１３を介して配設されている。アノード側セパレータ１４は、方形の板状であり、通気性の無い材料で形成されている。具体的には、緻密質カーボンや金属板等の導電性材料から形成されていてもよいし、樹脂、セラミックス等の非導電性材料から形成されていてもよい。アノード側セパレータ１４に導電性材料を用いる場合、集電板として機能させることもできる。燃料ガス（例えば、Ｈ_２）は、ＭＥＡ１２とアノード側セパレータ１４との間を、図１における上側の入口（図示しない）から下側の出口（図示しない）に向かって流通する。アノード側セパレータ１４の内側面（ＭＥＡ１２側面）には、燃料ガス（Ｈ_２）を全面に流通させるための溝２２が形成されている。燃料ガス（Ｈ_２）は、溝２２や多孔性の集電板１３内を流通する。

カソード側セパレータ１５は、ＭＥＡ１２の他方の面側（ガス拡散層１９ａ側）に集電板１３及び吸水性板材１６を介して配設されている。カソード側セパレータ１５は、方形の板状であり、アノード側セパレータ１４と同様、通気性の無い材料で形成されている。酸化ガス（例えば、Ｏ_２）は、ＭＥＡ１２とカソード側セパレータ１５との間を、図２（ａ）、（ｂ）における上側の入口２３から下側の出口２４に向かって流通する。なお、空気はＯ_２を含んでいることから、入口２３から空気を取り込む場合も、結局のところ、酸化ガスであるＯ_２を取り込むことになる。入口２３と出口２４は、対角位置に設けられている。但し、入口２３及び出口２４が対向する一辺それぞれ全体に設けられた構造などであってもよい。酸化ガス（Ｏ_２）は、後述する吸水性板材１６の周囲や多孔性の吸水性板材１６、集電板１３及びガス拡散層１９ａ内を流通する。なお、酸化ガスがＯ_２の場合、空気を流通させることができる。

吸水性板材１６は、カソード側セパレータ１５とＭＥＡ１２との間、より具体的にはガス拡散層１９ａ側の集電板１３とカソード側セパレータ１５との間に配設されている。吸水性板材１６は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように円板状であり、中心には回転軸２５が設けられている。回転軸２５は、ＭＥＡ１２に垂直に設けられている。回転軸２５は、図示しないモータ等の動力と連結し、これにより、吸水性板材１６は、回転軸２５を中心に回転する。なお、モータ等の動力は、間欠的又は連続的な回転の変更、回転数等の制御を行う制御装置等と連結している。また、回転軸２５は、ＭＥＡ１２等の他の構成部材を貫通するように設けられており、積層される他の単セル１１の回転軸２５と連結している。すなわち、各単セル１１の吸水性板材１６は回転軸２５で連結されている。

吸水性板材１６には２つの部位２６ａ、２６ｂが存在する。一方の部位２６ａは、図２（ａ）の状態において、酸化ガス（Ｏ_２）の流路における下流側（出口側）に位置している。他方の部位２６ｂは、図２（ａ）の状態において、酸化ガス（Ｏ_２）の流路における上流側（入口側）に位置している。２つの部位２６ａ、２６ｂは、回転軸２５を中心とした点対称の関係にある。なお、図中に二点鎖線で示した２つの部位２６ａ、２６ｂの範囲（外縁）は便宜的に設けたものであり、この部位２６ａ、２６ｂの外で吸水が起きることを妨げるものではない。また、２つの部位２６ａ、２６ｂとは、一体であるか別体であるかなどは関係なく、上流側と下流側とのそれぞれに吸水できる２つの部位（領域）があればよい。「上流側」と「下流側」とも、相対的な概念であり、入口２３及び出口２４からの距離などを定めるものではない。

吸水性板材１６を回転軸２５を中心に１８０°回転させると、固定されている酸化ガス（Ｏ_２）の入口２３及び出口２４に対する２つの部位（吸水部分）２６ａ、２６ｂの位置が順次入れ替わる。すなわち、単セル１１において、２つの部位（吸水部分）２６ａ、２６ｂは、酸化ガス（Ｏ_２）の上流（入口２３）側と下流（出口２４）側とで入れ替わり（配置交換）可能に構成されている。

２つの部位２６ａ、２６ｂを含む吸水性板材１６（回転軸２５部分は除いてもよい）は、一の吸水性材料から一体的に形成されている。吸水性板材１６が一種類の吸水性材料から一体的に形成されていることで、（１）１８０°毎の回転制御のずれが生じた場合であっても、下流側での吸水が不都合無く行われる。（２）単一材料で成形されていることで表面の摺動性が高まり、また、亀裂が生じにくく、良好に回転させることができる。（３）その他、吸水能が最大限に高まる、成形が容易となる、生産コストの低減にも繋がるなどといった利点がある。但し、吸水性板材１６の２つの部位２６ａ、２６ｂ以外の部分は、吸水性材料から形成されていてもよいし、吸水性を有さない材料から形成されていてもよい。吸水性板材１６としては、基板を吸水性材料で被覆した構造であってもよい。複数種の吸水性材料又は吸水性材料と非吸水性材料との混合材料から形成されていてもよい。

吸水性材料としては、珪藻土、活性炭、シリカゲル、ゼオライト、多孔質ガラス等の多孔質性無機材料、紙、ＰＶＡスポンジ等の多孔質性有機材料、その他の例えば吸水性樹脂等を挙げることができる。これらの中でも、多孔質性の無機材料が好ましく、珪藻土がより好ましい。これらの材料は、水の吸収能及び放散能に優れ、また、強度、耐久性等にも優れる。さらに、硬質な多孔質性無機材料から吸水性板材１６（回転軸２５部分は除いてもよい）を形成した場合、容易に回転させることができる。なお、珪藻土とは、藻類の一種である珪藻の殻の化石よりなる堆積物をいう。

吸水性板材１６の内側面（ＭＥＡ１２側面）には、酸化ガス（Ｏ_２）を全面に流通させるための凹部が形成されていてもよい。

カソード側の集電板１３とカソード側セパレータ１５との間の外縁には、樹脂製のフレーム２７（カバー体の一例）が配置されている。このフレーム２７は、吸水性板材１６の厚さに対応したスペーサとして機能する。集電板１３、フレーム２７及びカソード側セパレータ１５は接着剤等により、ガスシール性が確保されている。なお、他の構造部分の側面のガスシール性も、同様に、図示しないフレームや接着剤等により確保されている。フレーム２７は方形状の枠体であり、フレーム２７の対角位置に酸化ガスの入口２３及び出口２４が設けられている。各単セル１１には、並列的にポンプから各入口２３へ酸化ガス（空気等）が供給される。ＭＥＡ１２とアノード側セパレータ１４の間を流通する燃料ガス（Ｈ_２等）も同様である。

吸水性板材１６は、吸水性能を確保するためにある程度のサイズ（面積）を有することが好ましい。例えば、吸水性板材１６が吸水性材料から一体的に形成されている場合、回転軸２５方向視の面積が、フレーム２７の内のり面積の５０％以上あることが好ましい。

ついで、固体高分子形燃料電池１０の使用方法について説明する。アノード側セパレータ１４側の入口から燃料ガス（Ｈ_２）を供給し、カソード側セパレータ１５側の入口２３から酸化ガス（Ｏ_２を含む空気）を供給することで、前述の化学反応により電気が生じる。ここで、カソード側のガス流路（ＭＥＡ１２とカソード側セパレータ１５とで挟まれる領域）では、特に下流側（出口２４側）に、水Ｘが生成される。この水Ｘは、出口２４（下流）側に配置された吸水性板材１６の部位（吸水部分）２６ａにより吸収される。この部位２６ａが、ある程度水Ｘを吸収した後、吸水性板材１６を回転軸２５を中心に１８０°回転させる。これにより、部位２６ａは上流側（入口２３側）に移動する。上流側に移動した部位２６ａは、水蒸気圧が下流側より低い酸化ガスに吹き付けられる。この結果、吸水されていた水Ｘが気化（放散）し、排出又はＭＥＡ１２の加湿が行われる。なお、一方の部位（吸水部分）２６ａが上流側に移動したときは、他方の部位（吸水部分）２６ｂが下流側に移動しているので、下流側での吸水及び上流側での放散は連続的に行われる。

なお、吸水性板材１６は、常時、連続的に回転させておくこともできるが、間欠的に回転させることが好ましい。この間欠的な回転は、例えば４分の１回転毎、半回転毎等で行うことができるが、半回転毎に行うことが好ましい。すなわち、図２（ａ）と図２（ｂ）の状態を一定時間保って繰り返し移動させることが好ましい。この際、同一方向に回転し続ける必要は無く、往復運動でもよい。このような間欠的な回転を行い、下流側に部位２６ａ（２６ｂ）をある程度の時間止めておくことで、発電効率等が高まる。これは、以下の理由によると考えられる。下流側に一方の部位２６ａ（２６ｂ）をある程度以上止めておくと、出口２４付近に水滴が発生する。この水滴は、物理的にガス流路の出口側の一部を妨げる。このため、生成した水蒸気がそのまま出口２４から流れ出ずに、吸水性板材１６に吸収されやすくなる。この結果、ＭＥＡ１２の加湿がより効果的に行われることなどが考えられる。なお、下流側に部位２６ａ（２６ｂ）を止めておく時間が長すぎると、ガス流路が発生した水滴により完全に詰まるため、適当なタイミングで回転を行う。吸水性板材１６の回転（配置交換）の制御は、観測される出力値や、温度などをパラメータに行うことができる。例えば、出力が一定値より下がると、１８０°の回転を行うように制御することができる。

このように、固体高分子形燃料電池１０によれば、吸水性板材１６によって、カソード側流路の下流側で生成した水Ｘを吸収することで流路が詰まることを抑制し、かつ上流側で水Ｘを放散させることでＭＥＡ１２の加湿を行うことができる。すなわち、単セル１１内の適切な水分制御を行うことができる。

本発明は前記した第１の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。例えば、図３に、本発明の第２の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の吸水性板材３０を示す。吸水性板材３０は、２つの部位（吸水部分）３１ａ、３１ｂとからなる。各部位３１ａ、３１ｂは、吸水性材料から形成された方形の板状体である。一方の部位（吸水部分）３１ａは、酸化ガスの流路の上流（入口２３）側に配置され、他方の部位（吸水部分）３１ｂは、酸化ガスの流路の下流（出口２４）側に配置されている。また、２つの部位３１ａ、３１ｂは、その位置が入れ替わるように構成されている。この配置交換は、図３に示されるような直線的な運動等で行われてもよい。このように、回転以外の運動で、２つの部位３１ａ、３１ｂの配置を変えることもできる。

また、第１、第２の実施の形態においては、吸水性板材の配置を変えることによって、吸水性板材における、流通する酸化ガスの上流側に位置する部位と、下流側に位置する部位を入れ替えたが、これに限定されず、吸水性板材を固定することもできる。以下、吸水性板材を固定する本発明の第３の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池について説明する。第３の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、単セル４０に、吸水性板材４１を内側に収めるフレーム４２（カバー体の一例）が設けられ、フレーム４２には、酸化ガスをフレーム４２内に送るガス中継機構４３が連結されている。１つのガス中継機構４３を複数の単セル４０に連結して、複数の単セル４０が１つのガス中継機構４３を共有するようにしてもよいし、単セル４０ごとにガス中継機構４３を設けるようにしてもよい。

ガス中継機構４３は、外部から酸化ガス（本実施の形態ではＯ_２）が流入するガス取得部４４、フレーム４２内の空間に連通したガス出入部４５、４６（ガス吐出部Ａ、Ｂ）、及び、外部に酸化ガスを吐き出すガス排出部４７を有している。ガス取得部４４は、ガス出入部４５、４６に、それぞれ管４８、４９を介して接続され、ガス排出部４７は、ガス出入部４５、４６に、それぞれ管５０、５１を介して接続されている。

フレーム４２は、方形の枠体であり、フレーム４２の対角位置に酸化ガスの出入口４２ａ、４２ｂが形成されている。ガス出入部４５、４６は、出入口４２ａ、４２ｂにそれぞれ連結されている。
吸水性板材４１は、出入口４２ａに対向する（即ち、出入口４２ａに近い）部位４１ａ及び出入口４２ｂに対向する（即ち、出入口４２ｂに近い）部位４１ｂを有している。吸水性板材を、吸水性材料と非吸水性材料によって形成し、非吸水性材料に金属メッシュやパンチングメタル等を採用して、吸水性板材に集電機能を具備させてもよく、その場合、吸水性板材とは別に、集電板を設ける必要はない。

ガス中継機構４３は、さらに、酸化ガスが流れる経路を替える三方弁５２〜５５を備えている。三方弁５２は、ガス取得部４４に連結され、外部からガス取得部４４に供給された酸化ガスの送り先を管４８、４９の一方から他方に切り替えることができる。三方弁５３は、ガス出入部４５に連結され、ガス出入部４５を管４８に連通した状態とガス出入部４５を管５０に連通した状態とを切り替え可能である。三方弁５４は、ガス出入部４６に連結され、ガス出入部４６を管５１に接続した状態とガス出入部４６を管４９に接続した状態とを切り替えることができる。三方弁５５は、ガス排出部４７に連結され、ガス排出部４７の接続元を、管５０、５１の一方から他方に切り替えることができる。

本実施の形態では、三方弁５２〜５５は電磁弁であり、図示しない外部の制御手段からガス中継機構４３に対し、間欠的に、三方弁５２〜５５の状態を切り替えるための第１、第２の指令信号が交互に送られる。
ガス中継機構４３は、第１の指令信号が送られることによって、図４（ａ）に示すように、外部からガス取得部４４に送られた酸化ガスを、三方弁５２、管４８、三方弁５３及びガス出入部４５を経由して、ガス出入部４５からフレーム４２内に吐き出すようにすると共に、フレーム４２内を流通した酸化ガスを、ガス出入部４６から得て、三方弁５４、管５１及び三方弁５５を経由して、ガス排出部４７から外部に送り出すようにする。

この状態においては、酸化ガスが、出入口４２ａからフレーム４２内に流入し、出入口４２ａから出入口４２ｂに向かって流れて、出入口４２ｂからフレーム４２外へ出ることとなる。従って、吸水性板材４１は、部位４１ａが、フレーム４２内を流通する酸化ガスの上流側に位置し、部位４１ｂが、フレーム４２内を流通する酸化ガスの下流側に位置することとなる。そのため、吸水性板材４１においては、主として部位４１ｂに新たに水Ｘが生じることとなり、部位４１ａに存在していた水Ｘは、出入口４２ａからフレーム４２内への酸化ガスの流入によって、蒸発し、出入口４２ｂからガス中継機構４３に送られ、外部に排出される。なお、蒸発した水Ｘを、外部へ排出する代わりに、ＭＥＡの加湿に用いるようにしてもよい。

そして、ガス中継機構４３は、第２の指令信号が送られることによって、図４（ｂ）に示すように、外部からガス取得部４４に送られた酸化ガスを、三方弁５２、管４９、三方弁５４及びガス出入部４６を経由して、ガス出入部４６からフレーム４２内に吐き出すようにすると共に、フレーム４２内を流通した酸化ガスを、ガス出入部４５から得て、三方弁５３、管５０及び三方弁５５を経由して、ガス排出部４７から外部に送り出す状態となる。

この状態においては、酸化ガスが、出入口４２ｂからフレーム４２内に流入し、出入口４２ｂから出入口４２ａに向かって流通して、出入口４２ａからフレーム４２外へ出ることとなる。従って、吸水性板材４１は、部位４１ｂが、フレーム４２内を流通する酸化ガスの上流側に位置し、部位４１ａが、フレーム４２内を流通する酸化ガスの下流側に位置することとなる。そのため、吸水性板材４１においては、主として部位４１ａに新たに水Ｘが生じることとなり、部位４１ｂに存在していた水Ｘは、出入口４２ｂからフレーム４２内への酸化ガスの流入によって、蒸発し、出入口４２ａからガス中継機構４３に送られ、外部に排出される。なお、蒸発した水Ｘを、外部へ排出する代わりに、ＭＥＡの加湿に用いるようにしてもよい。

第１、第２の指令信号は間欠的に発信されることから、ガス中継機構４３は、酸化ガスをガス出入部４５、４６から交互に吐き出して、フレーム４２内を流通する酸化ガスの上流側と下流側を間欠的に切り替える。これに伴い、吸水性板材４１の部位４１ａ、４１ｂそれぞれに含有されていた水Ｘは、交互に蒸発し、外部に排出される。

本実施の形態においては、ガス中継機構４３が、ガス出入部４５、４６のいずれか一方から酸化ガスを吐き出す際、フレーム４２内を流通した酸化ガスを、ガス出入部４５、４６のいずれか他方から得て外部に送り出すので、フレーム４２内の酸化ガスを外部に送り出す機構を、ガス中継機構４３とは別に設ける必要はない。なお、フレーム４２内の酸化ガスを外部に送り出す機構を、別途設けてもよいのは言うまでもない。

また、吸水性板材を多孔質性の導電性材料から形成してもよい。この場合、吸水性板材が集電板の機能を兼ね備えることができ、カソード側の集電板を省略することができる。このような材料としては、活性炭、その他多孔質金属等を挙げることができる。

固体高分子形燃料電池は、複数の単セルを積層させたスタック構造以外に、例えば単セル単体で構成されるようなものであってもよいし、各単セルの配置方向も特に限定されない。すなわち、単セルは、一般的に各膜が垂直な向きに配置されるが、これに限定されるものではなく、水平、垂直、その他いずれの方向に配置されていてもよい。

吸水性板材の形状としても、円形や方形に限定されるものではない。例えば、吸水性板材が回転軸を中心に回転する場合、回転軸方向視で切り欠きが形成された形状（例えば、星型、Ｘ型等）とすることができる。この場合、切り欠きがガス流路となり、酸化ガスの均一的な拡散性を高めることができる。但し、吸水性板材の回転軸方向視の形状は点対称形状であることが好ましい。点対称形状である場合、１８０°回転させた場合の形状が変わらないため、吸水及び放散の性能が均一化される。吸水性板材を固定する場合も、円形、方形、それ以外の形状とすることができる。

以下、実施例を挙げて、本発明の内容をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
いずれも多孔質性の材料である珪藻土、紙及びＰＶＡスポンジの乾燥速度及び吸水性の実験を行った。乾燥速度は、室温２５℃の環境下、４０℃のヒータの上に試料をおいた。十分に時間をおいた後、試料に０．０５ｍｌの水を落とし、乾燥の様子を熱画像装置で観察した。潜熱による温度変化から、乾燥までの時間を推定した。吸水性は、同体積の帯状の試料に０．０５ｍｌの水を吸わせ、その吸い上げ高さを測定した。乾燥速度及び吸水性の結果を表１に示す。

表１で示されるように、珪藻土は乾燥速度が速い、すなわち水を放散させる性能に優れ、かつ吸水性にも優れていることがわかる。

次に、以下の実施例２、３で使用する実験装置として、正方形状のＭＥＡを一対の正方形状のパンチングメタル（集電板）、一対の正方形枠状スペーサ（カバー材）及び一対の正方形状のセパレータで順次挟持した。カソード側のセパレータの内側に、枠状スペーサの厚みに対応した円形の吸水性板材を配置した単セル（固体高分子形燃料電池）を組み立てた。吸水性板材は珪藻土で一体的に形成した。吸水性板材の中心には回転軸を設け、カソード側のセパレータの中心部分に孔を形成し、回転軸を貫通させた。単セルは、カソード側を上向きにして水平に配置した。燃料ガス（水素）及び酸化ガス（空気）の各入口出口は、各セパレータの対角位置に設けた。環境温度２２℃、加湿を行わず、水素を０．１Ｌ／ｍｉｎ、空気を０．２Ｌ／ｍｉｎで供給して発電実験を行った。

＜実施例２＞
電流密度（１２５ｍＡ／ｃｍ^２）の低電流密度での発電を行った。吸水性板材を回転させなかった場合と、回転させた場合との結果（出力値の経時変化）を図５に示す。回転は１０分毎に１８０°回転させることにより行った。無回転の場合は、１５０分後あたりで出力が大きく変動しているが、これはプラッギングの発生によるものと考えられる。一方、回転させた場合は、プラッギングが生じず、出力の低下が抑えられ、出力が安定していることがわかる。

＜実施例３＞
電流密度（２１２．５ｍＡ／ｃｍ^２）の高電流密度での発電を行った。吸水性板材を回転させなかった場合と、回転させた場合との結果（出力値の経時変化）を図６に示す。回転させた場合もさせなかった場合も、時間と共に出力は低下するが、回転させたほうが出力値が高いことがわかる。また、回転させることにより温度上昇が抑えられている。これは、余剰水を入口側で蒸発させることで、加湿が行われ、ドライアウトが抑制されたことによると考えられる。

＜実施例４＞
次に、実施例２、３で用いた実験装置に対し、吸水性板材を固定し、ガス中継機構を追加した実験装置を使用して、発電の出力を計測する実験を行った（実施例４）。実施例４においては、吸水性板材が収容された枠状スペーサ（カバー体）内を流通する酸化ガスの上流側と下流側を１０分毎に切り替えた。環境温度、水素供給量、空気供給量等は、実施例２、３の条件と同じである。
電流密度（１２５ｍＡ／ｃｍ^２）の低電流密度における発電の出力値を、図７に示す。図７に示すグラフから、発電中にプラッギングが生じず、発電は、出力低下が抑制された安定的なものであったことがわかる。

１０：固体高分子形燃料電池、１１：単セル、１２：ＭＥＡ（膜電極接合体）、１３：集電板、１４：アノード側セパレータ、１５：カソード側セパレータ、１６：吸水性板材、１７：電解質膜、１８：触媒層、１８ａ：ガス拡散層、１９：触媒層、１９ａ：ガス拡散層、２２：溝、２３：入口、２４：出口、２５：回転軸、２６ａ、２６ｂ：部位、２７：フレーム、３０：吸水性板材、３１ａ、３１ｂ：部位、４０：単セル、４１：吸水性板材、４１ａ、４１ｂ：部位、４２：フレーム、４２ａ、４２ｂ：出入口、４３：ガス中継機構、４４：ガス取得部、４５、４６：ガス出入部、４７：ガス排出部、４８〜５１：管、５２〜５５：三方弁、Ｘ：水

Claims

１又は複数の単セルを備え、
該単セルが、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の一方の面側に配設された板状のアノード側セパレータと、
前記膜電極接合体の他方の面側に配設された板状のカソード側セパレータとを備え、
前記膜電極接合体と前記アノード側セパレータとの間には燃料ガスが流通し、前記膜電極接合体と前記カソード側セパレータとの間には酸化ガスが流通する固体高分子形燃料電池において、
前記単セルは、前記カソード側セパレータと前記膜電極接合体との間に配設される吸水性板材をさらに備え、
前記吸水性板材における、流通する前記酸化ガスの上流側に位置する部位と、下流側に位置する部位とが、入れ替わり可能に構成されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項１記載の固体高分子形燃料電池において、前記吸水性板材が前記膜電極接合体に垂直な回転軸を中心に回転することを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項２記載の固体高分子形燃料電池において、前記吸水性板材が半回転毎に間欠的に回転することを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項２又は３記載の固体高分子形燃料電池において、複数の前記単セルが積層されたスタック構造を有し、複数の前記吸水性板材が前記回転軸で連結されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項１記載の固体高分子形燃料電池において、前記単セルに設けられ、前記吸水性板材を内側に収めるカバー体と、外部から供給された前記酸化ガスを前記カバー体内に吐き出し可能なガス吐出部Ａ、Ｂを有するガス中継機構とをさらに備え、前記ガス中継機構は、前記酸化ガスを前記ガス吐出部Ａ、Ｂから交互に吐き出して、前記カバー体内を流通する前記酸化ガスの上流側と下流側を間欠的に切り替えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項５記載の固体高分子形燃料電池において、前記ガス中継機構は、前記ガス吐出部Ａ、Ｂのいずれか一方から前記酸化ガスを吐き出す際、前記カバー体内を流通した前記酸化ガスを、前記ガス吐出部Ａ、Ｂのいずれか他方から得て外部に送り出すことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池において、前記吸水性板材が一の吸水性材料から一体的に形成されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項７記載の固体高分子形燃料電池において、前記一の吸水性材料が多孔質性無機材料であることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項８記載の固体高分子形燃料電池において、前記多孔質性無機材料が珪藻土であることを特徴とする固体高分子形燃料電池。