JP4729866B2

JP4729866B2 - 燃料電池

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Publication number: JP4729866B2
Application number: JP2004141367A
Authority: JP
Inventors: 治通中西; 圭一中田; 宣之小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: JP2005322591A

Description

本発明は、燃料電池に係り、特に、固体高分子形燃料電池（PEFC）や直接メタノール形燃料電池などの高分子電解質膜を備えた燃料電池に関する。

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギー供給源として注目されている。例えば高分子電解質膜を備えた燃料電池などでは一般に、高分子電解質であるイオン交換樹脂膜がアノード極とカソード極の両電極間に狭持され、さらに各電極との間に燃料を挿通する燃料流路（アノード側）と酸化剤ガスを挿通する酸化剤ガス流路（カソード側）とを形成するセパレータを設けて構成されている。

そして、燃料電池を発電運転させる場合、アノード側、カソード側にそれぞれ必要に応じて加湿された燃料、酸化剤ガスが供給されると、電気化学反応（電池反応）を起こさせて電気を取出すと共に、カソード側の酸化剤ガス流路には発電に伴なって水が生成される。

ところが、発電効率を良好にかつ安定的に保持するには、膜電極接合体に付与する締付け圧を均一化して接触抵抗を下げるだけでなく、膜電極接合体の場所により様々に変化する内部湿度や温度、飽和に達して凝結する条件等を全体として均一に保持することが重要となる。

しかし、燃料電池の規模が大きくなるにつれ、特に電池内部のあらゆる場所において内部湿度や温度、飽和に達して凝結する条件等を均一に保持することは難しい。例えば、低電流密度（例えば開回路（ＯＣ；open circuit）の状態）で発電運転させた場合は、高分子電解質膜の湿度条件が低下するために発電効率が悪くなりやすく、高電流密度で発電運転させた場合には、カソード側において大量に生成された生成水の影響で水滴が流路に滞留することにより高分子電解質膜へのガス供給を阻害する、いわゆるフラッディングを招きやすく、やはり発電効率は低下してしまう。

特に、湿度条件のコントロールは発電効率を向上し保持する点で重要であるが、上記のように電池内部での湿度条件の変化は、運転条件（電流密度の高低や連続運転等）や環境条件など様々な影響を受けるために多様であり、しかも構造由来の湿度分布などの影響で膜電極接合体の場所によっても異なり、電池内部でも部位（領域）により大きく変化する。したがって、電池内部での電池反応が不均一であると、燃料電池全体での発電性能は低下する。

上記に関連して、導電性材料と保水性樹脂から形成され、複数の貫通孔を有する保水層を備えた固体高分子型燃料電池がある（例えば、特許文献１参照）。しかし、カソード側で生成される生成水の排出機能が不充分であり、フラッディングの発生のおそれまで解消することはできず、発電性能を確保し得ない。

また、電池内部の湿度条件を温度条件からコントロールする方法も考えられるが、燃料電池の出力に相応した最適制御を行なうことまでは不可能である。
特開２００３−６８３３０号公報

従来から、燃料電池の発電性能の向上に関する技術については種々提案がなされているものの、燃料電池の内部で様々に変化する湿度条件や飽和に達して凝結する条件等を燃料電池全体において均一化することは困難であり、ある一つの湿度条件下で発電運転が最適化されているに過ぎず、その条件から外れた湿度条件では所望の発電性能を保持できない。したがって、運転条件や環境条件等ごとに、あるいは燃料電池の内部、特に膜電極接合体の各領域ごとに異なる湿度条件の均一化を図ることが課題であった。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、運転条件（電流密度の高低や連続運転等）や環境条件（温度等）等に相応し、燃料電池の内部において所定の領域単位で部分的に湿度条件や飽和に達して凝結する条件、生成水の排水性を制御することが可能で、高い発電効率で安定的に発電運転することができる燃料電池を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜及び該高分子電解質膜を狭持する電極対を含む膜電極接合体と、複数のリブを有し、電極対の各電極との間に流路を形成するセパレータと、リブとリブとの間（凹部）に流路における電極面に沿って設けられ、開口部を有し、電圧印加により前記開口部が拡縮する高分子膜であって流路と膜電極接合体との間の物質透過を可変にする透過可変部材とで構成したものである。

本明細書中において、リブは、セパレータの少なくとも一方の側に形成された凹凸状面（以下、リブ面ともいう）において凸状に突出した凸部であり、リブとリブとの間の凹部は一般にリブ（凸部）先端が膜電極接合体（特に電極、すなわち触媒層及び拡散層が積層されてなる電極の拡散層の表面）と当接した状態で、燃料を給排する燃料流路又は酸化剤ガスを給排する酸化剤ガス流路を構成する。

また、膜電極接合体は、高分子電解質膜とこれを狭持する一対の電極対とで構成することができ、電極対の各電極は一般に、高分子電解質膜側から順に触媒層と拡散層とを積層して構成される。

本発明においては、セパレータのリブ面のリブとリブとの間となる凹部において、燃料電池を構成したときに凹部の開口する面を閉塞する膜電極接合体の外壁面、すなわち電極面（具体的には拡散層の表面）の上に該凹部に沿って、流路と膜電極接合体との間に仕切り（隔壁）を設けるように透過可変部材を配設することで、流路内に露出する膜電極接合体の露出面積を時間的にあるいは部分的に変化させることができるので、流路と膜電極接合体の電極との間の物質移動量、すなわち流路内雰囲気中の燃料成分（水素ガス等）や水分の膜電極接合体（特に電極）への供給量、及び膜電極接合体の電極で生成された生成水の流路側への排出量を所望の程度に制御することができる。

透過可変部材は、拡縮可能な開口部を有する形態が望ましい。拡縮可能な開口部を有する透過可変部材を流路の電極面（具体的には拡散層の表面）の上に凹部に沿って設けることで、流路内に露出する膜電極接合体の露出面積を局部的に変化させ得るので、開度可変なバルブのように機能して、流路と膜電極接合体の電極との間の物質透過量、すなわち上記同様に、流路内雰囲気中の燃料成分（水素ガス等）や水分の膜電極接合体（特に電極）への供給量、及び膜電極接合体の電極で生成された生成水の流路側への排出量を所望の程度に制御することができる。

そのため、例えば、ＯＣ時などの低電流密度で発電運転させる場合など、高分子電解質膜の湿度条件が低下しやすい場合又は部位においては、透過可変部材の開口部を縮小して保水状態が形成されるようにし、高電流密度で発電運転させる場合など、カソード側に大量に生成水が生成されるような場合又は部位については、透過可変部材の開口部を拡大して排水性を高めるようにすることができる。このように、流路及び膜電極接合体間の物質透過の程度を、所望により選択した場所、領域について局所的に、あるいは燃料電池の出力等の諸条件に応じ、適宜制御が可能であり、高分子電解質膜の低湿化に伴う発電性能の低下やフラッディングの発生を抑止し、あらゆる運転条件下において安定的に発電効率を向上させ得る。

透過可変部材は、膜電極接合体を構成する電極の流路内に露出する露出面の少なくとも一部に設けて構成することができる。流路内に露出する電極表面に設けることで、簡易な構成にできると共に、膜電極接合体と流路との間の物質透過制御が直接的に行なわれ、接合体内部の湿度条件、水分量等のコントロールが容易である。

この透過可変部材は、開口部を有し、電圧印加による開口部の拡大もしくは縮少が可能な高分子膜で構成する。これは、いわゆるエレクトロアクティブ高分子（人工筋肉）と呼ばれるもので、米国特許第６，５８３，５３３号明細書に詳細な記載がある。このエレクトロアクティブ高分子は、例えば膜面に開口部を設けこの膜を電極間に配置して電圧印加したときに、印加電圧を変化させることによって、電圧に応じた開口部の拡縮が行なえる。開口部を有する膜ごと、あるいは単一又は複数の開口部ごとに電圧変化が可能なように電極を配し構成することで、所望の位置の開口部の開口面積を選択的に変化させることができる。したがって、開口部が設けられた高分子膜を流路内に露出する電極表面に設けることで、流路内に露出する膜電極接合体の露出面積（拡散層の表面積）を部分的に変化させ得るので、所望により選択した場所、領域について局所的に、あるいは燃料電池の出力等の諸条件に応じ、流路内雰囲気中の燃料成分（水素ガス等）や水分の膜電極接合体（特に電極）への供給量、及び膜電極接合体の電極で生成された生成水の流路側への排出量を制御することができる。

電圧印加により開口部が拡縮する高分子膜は、空気の誘電率１より高い誘電率（例えば２．５〜１０）を有し、電極間に挟んで電圧印加したときに収縮等を起こして歪みを生ずる誘電性の高分子材料、例えば、アクリル系エラストマー、シリコーン、フルオロシリコーン、ポリウレタン等の公知の高分子材料を膜状に成膜すると共に、所望位置に開口部を形成して構成することができる。

また、透過可変部材は、開口部を有し、略平行に配置された二枚の透過板を含む構造とし、二枚の透過板の少なくとも一方を平行移動させて開口部で構成される透過部を開閉するように構成することができる。二枚の透過板を所定位置に配置し、透過板の一方における開口部と他方における開口部とが重ならない位置関係としたときに閉状態を形成し、少なくとも一方あるいは両方を平行移動させたときに各透過板に設けられた開口部が互いに重なる位置関係となって開状態を形成するので、平行移動させる移動量を制御することによって、流路及び膜電極接合体間における所望位置の開口部の拡縮、すなわち開口面積を選択的に変化させることができる。この構成によっても、所望により選択した場所、領域について局所的に、あるいは燃料電池の出力等の諸条件に応じ、適宜制御が可能である点で効果的である。

本発明によれば、運転条件（電流密度の高低や連続運転等）や環境条件（温度等）等に相応し、燃料電池の内部において所定の領域単位で部分的に湿度条件や飽和に達して凝結する条件、生成水の排水性を制御することが可能で、高い発電効率で安定的に発電運転することができる燃料電池を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の燃料電池の実施形態を説明する。なお、下記の実施形態において、固体高分子形に構成された燃料電池に燃料及び酸化剤ガスとして水素ガス及び空気（エア）を用いた場合を中心に説明する。但し、本発明においてはこれら実施形態に制限されるものではない。

（第１実施形態）
本発明の燃料電池の第１実施形態を図１〜図７を参照して説明する。本実施形態は、カソードのエア流路内及びアノードの水素ガス流路内に露出する拡散層表面に複数の開口部を有する透過可変膜を設け、透過可変膜ごとに印加電圧を変化させ得るようにしたものである。

燃料電池（単セル）１０は、図１に示すように、高分子電解質であるイオン交換樹脂膜１１がアノード極１２とカソード極１３の両電極間に狭持され、さらに各電極との間に水素ガス（燃料）を通過する水素ガス流路（アノード側）１５とエア（酸化剤ガス）を通過するエア流路（カソード側）１７とが形成されるように複数のリブを設けて溝（流路）が凹設された一対のセパレータ１４及び１６を設けて構成されている。なお、一般に単セルによる起電力は比較的小さいため、通常は複数の単セルを積層して直列に接続されたスタック構造で使用される。

このように構成された燃料電池１０の概略の断面構造の一部を図２に示す。発電運転させる場合、水素ガス流路１５に水素（Ｈ₂）密度の高い水素ガスが、エア流路１７に酸素（Ｏ₂）を含む空気（Ａｉｒ）が供給され、以下に示す下記式(1)〜(3)で表される電気化学反応（電池反応）によって起電力が発生するようになっている。なお、式(1) 、式(2)は各々アノード側、カソード側での反応を示し、式(3)は燃料電池での全反応である。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …(1)
(1/2)Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …(2)
Ｈ₂＋(1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …(3)

カソード極１３は、図３に示すように、イオン交換樹脂膜１１側から順に触媒層２０と拡散層２１とが積層された構成となっており、アノード極１２はカソード極１３と同様に構成されている。図３は、燃料電池１０のカソード側の断面構造の概略を一部拡大して示すものである。

カソード極１３を構成する拡散層２１には、触媒層２０と接触しない側において、エア流路１７内に露出する表面に（セパレータのリブ部には設けない）エア流路１７に沿って複数の透過可変膜２５が規則的に配列して設けられている。アノード極１２が設けられたアノード側においても同様である。以下、カソード側を例に説明する。

透過可変膜２５は、図４に示すように、所定のサイズ（例えば、長さＢ＝１ｍｍ、幅Ｃ＝１ｍｍ、厚みＤ＝１００μｍ）の矩形の小片に成形されたものであり、金電極２７，２７’の間に狭装して、路幅Ａのエア流路１７に露出する同幅の拡散層２１の表面に長さＢの間隔をおいてストライプ状に規則的に配列されており、２枚の金電極の間に電圧を印加したときのクーロン力によって駆動できるようになっている。なお、透過可変膜２５が配列されていない領域は、拡散層２１の表面がエア流路内に露出した状態にある。

透過可変膜２５は、所望の粘度に溶解、希釈することで塗布液状に調製された高分子溶液を、例えばスピンコート法によりあらかじめ所望の基板上に塗布して膜形成し、溶媒を蒸発させて成膜した後、これを所定のサイズのパターンに成形し、拡散層２１の所望位置にストライプ状に配列することによって設けることができる。高分子溶液の塗布は、スピンコート法以外に、ディップコート法、キャスト法、スプレー法等の公知のコーティング法を適宜選択して行なうことができる。特にスピンコート法は、膜の均一化、薄膜化の点で好ましい。

透過可変膜の厚みは、流路内のガスや水等の通過を損なわない範囲で選択することができ、駆動電圧の低減の点で薄膜であるのが望ましく、１０〜１００μｍの範囲が望ましい。

透過可変膜の形状は、透過可変膜を設ける領域の面積等を考慮して適宜選択することが可能であり、図４に示すように長さＢ×幅Ｃの矩形状の小片に成形する以外に、幅Ｃを図４の路幅Ａとした長尺形状や、長さ３Ｂ×幅３Ｃ等のより大きい矩形状などに成形するようにしてもよい。また、透過可変膜は、ストライプ状に配列するほか、エア流路１７内に露出する拡散層２１表面の全体に配列してもよいし、所定サイズの矩形片を海島構造状にランダムに設けてもよいし、あるいはエア流路の出口近傍などの水分の多い領域やアノード側の水素ガス流路の入口近傍などの低湿条件になりやすい領域に選択的に設けるようにしてもよい。

透過可変膜２５の個々の膜面には、図５−(ａ)に示すように、膜を貫通する円形の開口部２６が複数配列して設けられており、開口部２６を介してエア流路１７と拡散層２１、すなわち膜電極接合体１８との間で物質移動が可能なようになっている。なお、開口部の形状は、円形以外に楕円形や矩形状などの任意の形状とすることができる。

また、透過可変膜２５は、その表裏の膜面が金電極２７，２７’によって狭装されており、金電極２７及び２７’は、開口部２６が被覆されないように開口部２６の周囲をやや残して全面に設けられ、金電極間に電圧印加できるようになっている。金電極２７及び２７’は、制御部（ＥＣＵ）３０と電気的に接続されており（図３〜４参照）、個々の透過可変膜２５ごとに所望の電圧を印加し、透過可変膜２５ごとに開口部２６を図５−(ａ)中の破線部Ｐに示すように拡縮することによって、図５−(ａ)に示す開口状態と図５−(ｂ)に示す閉口状態との間で、開口面積の大きさ、すなわち物質透過量をコントロールできるようになっている。

金電極２７，２７’は、透過可変膜に設ける必要があることから、膜の収縮や歪みを阻害したり剥離することのないように、柔軟（コンプライアント）な形態にて形成されている。コンプライアントな金電極は、例えば、開口部が最大に開口した状態の透過可変膜の表面にフォトリソグラフィによって金の膜構造（上記のような面状のほか、例えば線状、ジグザグ線状）を作ることによって形成することができる。金電極以外に、透過可変膜を構成する高分子材料や他のエレクトロアクティブ高分子にカーボン粒子や金属粒子等の導電性粒子を混合したものを電極用材料として用いることができ、コンプライアント性及び透過可変膜との密着の点で有用である。

また、図２及び図３に示すように、エア流路１７の流路内には、流路内の湿度条件を検出するための湿度センサ２２が取り付けられており、カソード側の拡散層２１の近傍にはさらに燃料電池１０のセル温度ｔを検出するための温度センサ２３が取り付けられている。また、アノード側の水素ガス流路１５の流路内にも同様に、流路内の湿度条件を検出するための湿度センサ２４が取り付けられている（図２参照）。湿度センサ２２，２４及び温度センサ２３は、各々制御部３０と電気的に接続されて、所定の監視間隔をおいて流路内の湿度条件及びセル温度ｔを検出可能なようになっている。

イオン交換樹脂膜１１は、イオン導電性を有する高分子電解質で構成することができ、一般にパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。本実施形態では、ナフィオン膜（デュポン社製）で構成してある。この膜は、通常イオン導電性を高める点から湿潤状態とされ、水素ガスが供給されて得たアノード側の水素イオンは該膜を良好にイオン伝導してカソード側に移動することができる。この湿潤状態は、上記のように透過可変膜によって保持、コントロールすることができる。また、場合により、燃料である水素ガスやカソード側の酸素を含む空気に加水（加湿）するようにすることもできる。

アノード極及びカソード極を構成する触媒層２０は、電気化学反応を担うものであり、イオン交換樹脂膜１１の表面に、触媒としての白金又は白金と他の金属とからなる合金を塗布してなるものである。塗布は、白金または白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、これに電解質溶液（例えば、Aldrich Chemical社、Nafion Solution）を適量添加してペースト化し、高分子電解質膜上にスクリーン印刷する方法などによって行なえる。また、前記カーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートとし、このシートを高分子電解質膜上にプレスする構成によることもできる。あるいは、白金または白金と他の金属とからなる合金を、高分子電解質膜ではなく、高分子電解質膜と対向する側の拡散層の表面に塗布するようにしてもよい。

また、アノード極及びカソード極を構成する拡散層２１は、集電体として機能するものであり、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ている。なお、拡散層は、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やカーボンフェルトなどで構成した形態も好適である。

セパレータ１４，１６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緻密質カーボンによって構成することができる。このセパレータは、単セルを複数積層してスタック構造をなすときには一つのセパレータが二つの膜電極接合体１８の間で共有され、一般にセパレータの両側の面において流路が形成される。

燃料電池１０での通常の発電運転において、水素ガス流路１５に水素ガスが供給され、エア流路１７にエアが供給されると、図２に示すように、アノード側では、水素（Ｈ₂）は透過可変膜２５の開口部２６（図３〜図５参照）を通過しアノード極１２で水素イオンＨ⁺となってイオン交換樹脂膜１１の内部をカソード側に向かって移動し、放出された電子ｅ^-はアノード極及びカソード極を繋ぐ外部回路１９を通じてカソード側に流れる。また、カソード側では、エア中の酸素Ｏ₂がカソード側に設けられた透過可変膜２５の開口部２６を通過してカソード極１３に達し、アノード側からのＨ⁺及び電子ｅ^-と反応して、水（Ｈ₂Ｏ）が生成される。この水はエア流路１７を通って外部に排出される。

次に、上記した通常の発電運転中における制御部３０による制御ルーチンについて、特に発電運転中の透過可変膜２５の開閉制御を行なう制御ルーチンを中心に図６及び図７を参照して説明する。なお、既述のように、湿度センサ２２、温度センサ２３、及び透過可変膜に設けられた金電極２７，２７’は制御部３０と電気的に接続されて、動作タイミングが制御可能なようになっている。この制御部３０は、透過可変膜２５の開閉制御以外に、燃料電池１０と接続された負荷の大きさに応じて水素ガスおよびエアの量を調節することにより出力を制御する燃料電池の通常の発電運転制御をも担うものである。

図６は、発電運転制御時に一定間隔での電圧監視のもとにカソード側における透過可変膜の開閉制御を行なう制御ルーチンを示すものである。本ルーチンが実行されると、ステップ１００において、エア流路１７の流路内に取り付けられた湿度センサ２２により流路内の湿度ｈ^cが取り込まれ、次のステップ１２０において、温度センサ２３によりセル温度ｔが取り込まれる。

次に、ステップ１４０において、取り込まれた湿度ｈ^cの湿度条件がセル温度ｔのときに露点Ｔに達するか否かが判断され、露点Ｔに達していると判断されたときには、エア流路１７内に水分が多く存在しフラッディングの発生のおそれがあるので、ステップ１６０において透過可変膜２５の開口部２６の開度を１００％（全開）にし、露点Ｔに達しないと判断されたときには、逆に低湿条件に移行して乾燥気味になるおそれがあるので、ステップ１８０において開口部２６の開度を８０％に縮小するように制御する。その後、ステップ２００において、発電運転の停止要求があるか否かが判断され、未だ停止要求はないと判断されたときには、ステップ１００に戻って同様の制御が繰り返され、停止要求があると判断されたときには、そのまま本ルーチンを終了する。

次に、アノード側の制御ルーチンについて図７を参照して説明する。図７は、発電運転制御時に一定間隔での電圧監視のもとにアノード側の透過可変膜の開閉制御を行なう制御ルーチンを示すものである。

本ルーチンが実行されると、ステップ３００において、水素ガス流路１５の流路内に取り付けられた湿度センサ２４により流路内の湿度ｈ^aが取り込まれる。次に、ステップ３２０において、取り込まれた湿度ｈ^aが所定値Ｈ以下であるか否かが判断され、湿度ｈ^aが所定値Ｈ以下であると判断されたときには、イオン交換樹脂膜の保湿状態を保つ必要があるので、ステップ３４０において透過可変膜２５の開口部２６の開度を８０％に縮小し、湿度ｈ^aが所定値Ｈを超えていると判断されたときには、低湿条件になることで発電効率が低下することがないので、ステップ３６０において開口部２６の開度を１００％（全開）にするように制御する。その後、ステップ３８０において、発電運転の停止要求があるか否かが判断され、停止要求は未だないと判断されたときには、ステップ３００に戻って同様の制御を繰り返し、停止要求があると判断されたときには、そのまま本ルーチンを終了する。

上記のように制御した結果について、図１３及び図１４を参照して説明する。図１３は、電流密度と電圧との関係を制御なしの場合と比較した関係図であり、ＯＣ時などの低密度域から高密度域に至るいずれの電流密度においても、図中の破線(2)、(3)の場合のような電圧低下が抑えられ高い発電電圧が得られていた。また、図１４は、電流密度と抵抗との関係を制御なしの場合と比較した関係図であり、抵抗値の増加は乾燥条件に移行していることを意味するものであるが、いずれの電流密度域においても湿度条件が保持されており、発電効率は良好であった。

上記においては、カソード側及びアノード側の透過可変膜の開度を８０％に一段階縮めるような制御を行なっているが、８０％以下（例えば５０％）に更に縮めるように制御してもよい。また、１００％（全開）の状態から略閉口状態（例えば開度２０％）までの開度を、露点Ｔとの差や湿度条件等を基準に多段階に変化させて拡縮するように制御することもできる。

上記のように、燃料電池の内部において部分的に湿度条件や飽和に達して凝結する条件、生成水の排水性を制御することが可能であり、高い発電効率で安定的に発電運転することができる。

（第２実施形態）
本発明の燃料電池の第２実施形態を図８を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態の透過可変膜に設けられた開口部の形状を矩形状に構成したものである。なお、発電のための燃料及び酸化剤ガスは第１実施形態で使用したものを用いることができ、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態におけるカソード側の拡散層２１には、触媒層２０と接触しない側において、エア流路１７内に露出する表面に（セパレータのリブ部には設けない）エア流路１７に沿って複数の透過可変膜３０が、図３及び図４に示すように規則的に配列して設けられている。アノード側においても同様である。

この透過可変膜３０の個々の膜面には、図８−(ａ)に示すように、膜を貫通する矩形の開口部３１が４つ設けられており、開口部３１を介してエア流路１７と拡散層２１、すなわち膜電極接合体１８との間で物質移動が可能なようになっている。

また、透過可変膜３０は、既述の第１実施形態と同様に、その膜面の表裏が電圧を印加するための金電極３２及び不図示の金電極３２’（透過可変膜３０と拡散層２１との間に設けられた金電極）によって狭装されており、金電極は開口部３１が被覆されないように開口部３１の周囲をやや残して全面に設けられ、金電極間に電圧印加できるようになっている。金電極３２及び３２’はいずれも、制御部（ＥＣＵ）３０と電気的に接続されており、個々の透過可変膜３０に所望の電圧を印加して図中の矢印方向に拡縮させることによって、図８−(ａ)に示す開口状態と図８−(ｂ)に示す閉口状態との間で、開口面積の大きさ、すなわち物質透過量をコントロールできるようになっている。

本実施形態によっても、燃料電池の内部において部分的に湿度条件や飽和に達して凝結する条件、生成水の排水性を制御することが可能であり、高い発電効率で安定的に発電運転することができる。

（参考形態）
燃料電池の参考形態を図９〜図１０を参照して説明する。本参考形態は、第１実施形態の透過可変膜をシャッター構造を有する透過可変器に代えて構成したものである。なお、発電のための燃料及び酸化剤ガスは第１実施形態で使用したものを用いることができ、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

本参考形態の膜電極接合体１８のカソード側に設けられた拡散層２１には、触媒層２０と接触しない側において、エア流路１７内に露出する表面の全体に（セパレータのリブ部には設けない）エア流路１７に沿って単一の長尺状の透過可変器４０を設けて構成されている。アノード側も同様に構成されている。

透過可変器４０は、図９に示すように、拡散層２１のエア流路１７内に露出する表面を移動しないように固定配置され、矩形状に開口された窓部４６を有する支持基材４１と、支持基材４１を挟むようにして配置され、支持基材４１の表面に平行に移動可能な二枚の透過可変板４２，４３とで構成されている。

透過可変板４２，４３には各々、板を貫通する円形（直径１０〜１０００ｍｍ）の開口部４４，４５が複数規則的に配列して設けられており、透過可変板４２及び４３を所定位置に配置した場合には、開口部４４と開口部４５とが重ならず、所定位置から透過可変板４２及び４３の少なくとも一方を平行移動させた場合に、開口部４４と開口部４５とが徐々に重なって透過口が形成され、窓部４６を介して物質透過が可能となる、いわゆるシャッター構造に構成されている。開口部４４と開口部４５とが重ならない状態では透過口は形成されず、透過可変器４０を介した物質透過は不可能となる。

透過可変板４２，４３は、ステンレスやチタン、ガラス状金属など、電池内部で耐腐食性の金属材料を用いて構成することができる。また、開口部４４及び４５は、同一の形状及び開口面積で構成される以外に、互いに異なる形状、開口面積に構成することもできる。

透過可変板４２，４３の移動は、例えば、燃料電池からの電力供給により駆動するモータの駆動力を、例えば露点との差や湿度条件等を基準に制御部３０で制御しつつ透過可変板に伝達して行なうようにすることができる。

また、透過可変板４２，４３を移動させる場合、図１０に示すように、透過可変板４２及び４３のいずれか一方を矢印方向Ｅ又はＦに平行移動させる態様でもよいし、透過可変板４２及び４３の両方を互いに逆方向（一方を矢印方向Ｅとし、他方を矢印方向Ｆとする）に平行移動させるようにした態様であってもよい。

本参考形態によっても、燃料電池の内部において部分的に湿度条件や飽和に達して凝結する条件、生成水の排水性を制御することが可能であり、高い発電効率で安定的に発電運転することができる。

次に、透過可変部材の他の例について説明する。他の例は上記した各実施形態に適用することができる。
図１１は、本発明に係る透過可変部材の他の例を示すものであり、多孔質シート（透過可変部材）５０は、エア流路１７の側壁に配設され、多孔質シート５０の一端に張架して設けられた不図示のワイヤーで他端を回転軸に上下に移動させて、カソード極１３の流路内に露出する露出面に配置される。ワイヤーを緩めることで、自重でエア流路１７の側壁に倒れるようにすることができる。多孔質シートは、金属、セラミック、プラスチック等が使用でき、このシートの配設の有無によって簡易に、流路と膜電極接合体との間の物質透過を可変にできる。

図１２もまた、本発明に係る透過可変部材の他の例を示すものであり、多孔質シート（透過可変部材）６０は、セパレータ１６と拡散層２１との間に設けられた間隙６１に配設され、例えば露点との差や湿度条件等を基準に制御部３０でモータ駆動等を制御して矢印方向に往復移動される。この多孔質シートの配設の有無によって簡易に、流路と膜電極接合体との間の物質透過を可変にできる。

上記の実施形態では、燃料電池として固体高分子形燃料電池を中心に説明したが、水素ガスに代えメタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池（DMFC）についても同様に適用することができ、DMFCでは水素ガス流路（燃料流路）にメタノールが供給される。

また、本発明の燃料電池は、電気自動車等の車両や船舶、航空機等への電力供給源として好適に適用することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池を示す概略図である。図１の燃料電池の概略断面図である。本発明の第１実施形態に係る燃料電池のカソード側の一部を拡大して示すの概略断面図である。本発明の第１実施形態に係る透過可変膜の配列構造を示す概略図である。（ａ）は第１実施形態に係る透過可変膜の非電圧印加時における開口状態を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の透過可変膜の電圧印加時における閉口状態を示す図である。本発明の第１実施形態に係る燃料電池のカソード側における透過可変膜の制御ルーチンを示す流れ図である。本発明の第１実施形態に係る燃料電池のアノード側における透過可変膜の制御ルーチンを示す流れ図である。（ａ）は第２実施形態に係る透過可変膜の非電圧印加時における開口状態を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の透過可変膜の電圧印加時における閉口状態を示す図である。参考形態に係る透過可変器を示す概略構成図である。図９の透過可変器を構成する透過可変板の動作及び位置関係を説明するための図である。透過可変部材の他の例を示す概略断面図である。透過可変部材の他の例を示す概略断面図である。第１実施形態の発電運転時における電流密度と電圧との関係を示す関係図である。第１実施形態の発電運転時における電流密度と抵抗との関係を示す関係図である。

符号の説明

１１…イオン交換樹脂膜（高分子電解質膜）
１２…アノード極
１３…カソード極
１４，１６…セパレータ
１５…水素ガス流路
１７…エア流路
１８…膜電極接合体
２５，３０…透過可変膜
２６，３１…拡縮する開口部
４０…透過可変器
４４，４５…開口部

Claims

高分子電解質膜及び該高分子電解質膜を狭持する電極対を含む膜電極接合体と、
複数のリブを有し、前記電極対の各電極との間に流路を形成するセパレータと、
前記リブとリブとの間に前記流路における電極面に沿って設けられ、開口部を有し、電圧印加により前記開口部が拡縮する高分子膜であって前記流路と前記膜電極接合体との間の物質透過を可変にする透過可変部材と、
を備えた燃料電池。
前記透過可変部材は、前記電極の前記流路内に露出する露出面の少なくとも一部に設けられた請求項１に記載の燃料電池。
開口部を有し、前記透過可変部材の開口部が被覆されないように透過可変部材である前記高分子膜を挟んで配置された電極対を更に備えた請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。