JP2009238611A - Ｍｅａ部材、燃料電池セル及び高分子電解質形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＥＦＣの構成要素に新たに特別な装置を付加することなく、ＭＥＡが必要とする水分を効果的に供給する。
【解決手段】ＭＥＡ５と、高分子電解質膜２の周縁部を保持することによって枠内にＭＥＡ５が配設された板状の枠体６とを有するＭＥＡ部材７と、ＭＥＡ部材７の両面に積層されＭＥＡ５と当接する領域に反応ガス流路が設けられた一対のセパレータ８，９とを、ＰＥＦＣを構成する燃料電池セル１０に備える。枠体６は、燃料ガス供給マニホールド孔１１、酸化剤ガス供給マニホールド孔１３、冷却水供給マニホールド孔１５、燃料ガス排出マニホールド孔１２、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４、及び冷却水排出マニホールド孔、及び、高分子電解質膜２に接触し且つ冷却水供給マニホールド孔１５及び冷却水排出マニホールド孔１６のうち少なくとも一方の孔壁の少なくとも一部を形成している吸水性及び離水性の透水部材４０を有している。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＭＥＡ（膜−電極接合体）と枠から成るＭＥＡ部材、及びこのＭＥＡ部材を備えている燃料電池セル並びに高分子電解質形燃料電池において、ＭＥＡの適当な含水状態を維持するための技術に関する。

近年、クリーンなエネルギー源として注目されている燃料電池の一形態として、高分子電解質形燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）」とする）が知られている。ＰＥＦＣは、イオン導電性を有する固体高分子膜を電解質としている。このような高分子電解質膜として、例えば、スルホン酸基をもつポリスチレン系の陽イオン交換膜、フルオロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフルオライドとの混合物質から成る電解質膜、又は、パーフルオロカーボンスルホン酸膜等が使用される。この高分子電解質膜を、触媒層とガス拡散層とから成るアノードとカソードで挟み込んだものが、膜−電極接合体（以下、「ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）」とする）である。ＭＥＡを、燃料ガス流路が形成されたアノード側セパレータと、酸化剤ガス流路が形成されたカソード側セパレータとで挟み込んだものが、セルである。そして、このセルを複数個積層して直列接続し高電圧を得られるようにしたものが、セルスタックである。

上記構成のＰＥＦＣでは、燃料ガス流路を通じてアノードに水素を含む燃料を、酸化剤ガス流路を通じて酸素を含む酸化剤をカソードに流すと、アノードとカソードの触媒層において反応して、電気と熱とを発生させる。

高分子電解質膜は水素イオン伝導性を示し、アノードで生成したプロトンをカソードへと移動させるプロトン交換膜として機能する。しかし、高分子電解質膜を乾燥状態で使用すると、プロトン伝導の比抵抗が著しく増加するとともに、化学耐久性が大きく低下するという課題があった。

このような課題を解決するために、例えば、特許文献１又は特許文献２に示されるように、高分子電解質膜の含水状態を維持するための技術が提案されている。

特許文献１では、ＭＥＡへの燃料供給路及び酸化剤供給路の少なくとも一方側に微小粒子化した霧を添加する反応ガスの加湿装置を設け、ＭＥＡに加湿した反応ガスを供給することにより、高分子電解質膜の含水率を高める技術が示されている。また、特許文献２では、高分子電解質膜の周縁部を延長して当該延長部分を水分透過膜として利用し、前記水分透過膜の一面側に接触するセパレータに反応ガスの加湿通路を形成するとともに、前記水分透過膜の他面側に接触するセパレータに水補給通路を形成することにより、水補給通路から水分透過膜を通じた水分で加湿通路を通過する反応ガスを加湿し、高分子電解質膜の含水率を高める技術が示されている。
特開平５−５４９００号公報 特開平６−６８８９６号公報

しかし、上記特許文献１に記載の技術では、新たに反応ガスを加湿する加湿装置を別途設けなければならず、コストアップに繋がるとともに、燃料電池全体が大型化・複雑化するという欠点がある。

また、上記特許文献２に記載の技術においては、高分子電解質膜のような透水性膜の水蒸気透過能力では、電池反応に必要な湿度まで高分子電解質膜を加湿する反応ガスを得るためには膜の面積が大きくなることから、セルスタックを構成する部材が大型化することが予想される。さらに、高分子電解質膜は高価であることから、その使用量が増えるとコストアップに繋がる。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、ＰＥＦＣの構成要素に新たに特別な装置を付加することなく、ＭＥＡが必要とする水分を効果的に供給できる手法を案出し、もってコンパクト且つコスト競争力に優れた高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係るＭＥＡ部材は、高分子電解質膜及び該高分子電解質膜の両面に周縁部を除いて積層された一対の電極を有するＭＥＡと、前記高分子電解質膜の周縁部を保持することによって枠内に前記ＭＥＡが配設された板状の枠体とを備え、前記ＭＥＡと当接する領域に反応ガス流路が設けられた一対のセパレータに挟まれて燃料電池に組み込まれるＭＥＡ部材であって、前記枠体は、燃料ガス供給マニホールド孔、酸化剤ガス供給マニホールド孔、冷却水供給マニホールド孔、燃料ガス排出マニホールド孔、酸化剤ガス排出マニホールド孔、及び冷却水排出マニホールド孔の各孔と、前記高分子電解質膜に接触し且つ前記冷却水供給マニホールド孔及び前記冷却水排出マニホールド孔のうち少なくとも一方の孔壁の少なくとも一部を形成している透水部材とを有しているものである。

また、本発明に係るＭＥＡ部材は、前記透水部材が、吸水性及び離水性を有しているものである。

前記透水部材が接触している前記高分子電解質膜の周縁部は、前記電極における前記反応ガス流路の上流側に対応する部分に近接していることが好ましい。

また、前記透水部材により孔壁の少なくとも一部が形成されている前記冷却水供給マニホールド孔又は前記冷却水排出マニホールド孔は、前記燃料ガス供給マニホールド孔又は前記酸化剤ガス供給マニホールド孔と前記枠体の周方向において隣接していることが好ましい。

さらに、本発明に係るＭＥＡ部材は、前記透水部材が、前記電極と接触しているものである。

また、本発明に係るＭＥＡ部材は、前記透水部材の前記セパレータと対峙する面を被覆し前記透水部材中の水を封止するシール部材を更に備えているものである。

本発明に係る燃料電池セルは、高分子電解質膜及び該高分子電解質膜の両面に周縁部を除いて積層された一対の電極を有するＭＥＡ、及び前記高分子電解質膜の周縁部を保持することによって枠内に前記ＭＥＡが配設された板状の枠体を有するＭＥＡ部材と、前記ＭＥＡ部材を挟み込むように該ＭＥＡ部材の両面に積層され前記ＭＥＡと当接する領域に反応ガス流路が設けられた一対のセパレータと、を備え、前記枠体は、燃料ガス供給マニホールド孔、酸化剤ガス供給マニホールド孔、冷却水供給マニホールド孔、燃料ガス排出マニホールド孔、酸化剤ガス排出マニホールド孔、及び冷却水排出マニホールド孔の各孔と、前記高分子電解質膜に接触し且つ前記冷却水供給マニホールド孔及び前記冷却水排出マニホールド孔のうち少なくとも一方の孔壁の少なくとも一部を形成している透水部材とを有しているものである。

また、本発明に係る燃料電池セルは、前記透水部材が、吸水性及び離水性を有しているものである。

前記透水部材が接触している前記高分子電解質膜の周縁部は、前記電極における前記反応ガス流路の上流側に対応する部分に近接していることが好ましい。

また、前記透水部材により孔壁の少なくとも一部が形成されている前記冷却水供給マニホールド孔又は前記冷却水排出マニホールド孔は、前記燃料ガス供給マニホールド孔又は前記酸化剤ガス供給マニホールド孔と前記枠体の周方向において隣接していることが好ましい。

さらに、本発明に係る燃料電池セルは、前記透水部材が、前記電極と接触しているものである。

また、本発明に係る燃料電池セルは、前記透水部材の前記セパレータと対峙する面を被覆し前記透水部材中の水を封止するシール部材を更に備えているものである。

そして、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、前記燃料電池セルを備えているものである。

本発明は、以下に示すような効果を奏する。

本発明によれば、燃料電池の運転時に、冷却水供給マニホールド又は冷却水排出マニホールドを流れる冷却水が透水部材を介して高分子電解質膜に至る。このように、高分子電解質膜に水分が直接供給されることにより当該高分子電解質膜が加湿され、適度な含水状態が維持されるので、高分子電解質膜の能力や耐久性の低下が抑止される。さらに、高分子電解質膜を加湿するために、燃料電池に新たに特別な装置を付加する必要がないので、コンパクト且つコスト競争力に優れた高分子電解質形燃料電池を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。

〔実施の形態１〕
本発明の実施の形態１に係る枠付き膜−電極接合体、燃料電池セル、及び高分子電解質形燃料電池について説明する。以下、膜−電極接合体を「ＭＥＡ」と、枠付き膜−電極接合体を「ＭＥＡ部材」と、高分子電解質形燃料電池を「ＰＥＦＣ」と記載する。

［ＰＥＦＣの構成］
まず、本実施の形態１に係るＰＥＦＣの構成を説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池のセルスタックの構成を示す分解図、図２はセルスタックのセパレータ間に設けられた冷却水供給流路を示す図、図３は高分子電解質形燃料電池のセルスタックの構成を示す図、図４はＭＥＡ部材の構成を示す図、図５は図４におけるＶ−Ｖ矢視断面図、図６はセルの断面図である。

図１〜３に示すように、ＰＥＦＣのセルスタック９９は、複数の積層されたセル１０，１０，，，と、積層されたセル１０，１０，，，を挟み込む一対の集電板８１，８１と、セル１０と外部とを電気的に絶縁する一対の絶縁板８２，８２と、ボルト及びナット（いずれも図示せず）を用いてセル１０を積層した状態に締結する一対の端板８３，８３とを備えている。セル１枚あたりの電圧は通常０．７５Ｖ程度と低いために、ＰＥＦＣではセル１０を直列に複数個積層してセルスタック９９を構成して、高電圧を取り出せるようにしている。集電板８１，８１には、それぞれ電気出力端子８１ａ，８１ｃが設けられ、電気出力端子８１ａ，８１ｃを通じてＰＥＦＣから外部へ電流が取り出される。このようなＰＥＦＣは、家庭用コージェネレーションシステム、自動車、自動二輪車、家電製品、携帯電気装置（携帯用コンピュータ装置、携帯電話、携帯用音響機器、携帯用情報端末装置など）の燃料電池システムに用いられる。

セル１０は、ＭＥＡ部材７と、ＭＥＡ部材７を挟み込むようにその両面に積層された一対のセパレータ（アノード側セパレータ９とカソード側セパレータ８）とを備えている。

図５にも示すように、ＭＥＡ部材７は、高分子電解質膜２及び高分子電解質膜２の両面に周縁部を除いて積層された一対の電極３，４を有するＭＥＡ５と、高分子電解質膜２の周縁部を保持することによって枠内にＭＥＡ５が配設された板状の枠体６とを備えている。アノード３とカソード４とで成る一対の電極３，４は、各々に触媒層３ａ，４ａとガス拡散層３ｂ，４ｂとを有している。ＭＥＡ部材７の構成については、後ほど詳述する。

ＭＥＡ部材７の枠体６、アノード側セパレータ９、及びカソード側セパレータ８には、ボルト孔１７，２７，３７、燃料ガス供給マニホールド孔１１，２１，３１、燃料ガス排出マニホールド孔１２，２２，３２、酸化剤ガス供給マニホールド孔１３，２３，３３、酸化剤ガス排出マニホールド孔１４，２４，３４、冷却水供給マニホールド孔１５，２５，３５、及び冷却水排出マニホールド孔１６，２６，３６が、それぞれの主面を貫通するように設けられている。燃料ガス供給マニホールド孔１１，２１，３１と燃料ガス排出マニホールド孔１２，２２，３２は、セルスタック９９において連なって、燃料ガス供給マニホールド９１と燃料ガス排出マニホールド９２を形成している。酸化剤ガス供給マニホールド孔１３，２３，３３と酸化剤ガス排出マニホールド孔１４，２４，３４は、セルスタック９９において連なって、酸化剤ガス供給マニホールド９３と酸化剤ガス排出マニホールド９４を形成している。冷却水供給マニホールド孔１５，２５，３５と冷却水排出マニホールド孔１６，２６，３６は、セルスタック９９において連なって、冷却水供給マニホールド９５と冷却水排出マニホールド９６を形成している。

アノード側セパレータ９の、ＭＥＡ５のアノード３のガス拡散層３ｂに接触する面には、燃料ガス供給マニホールド孔２１と燃料ガス排出マニホールド孔１２との間を結ぶようにして、燃料ガス流路溝２８が設けられている。燃料ガス流路溝２８は、アノード側セパレータ９のＭＥＡ５が当接する略全面にわたってサーペンタイン状に形成されている。この燃料ガス流路溝２８によって、セル１０のＭＥＡ部材７とアノード側セパレータ９との間には、燃料ガス供給マニホールド孔２１と燃料ガス排出マニホールド孔２２とを結ぶ燃料ガス流路９８が形成されている。

一方、カソード側セパレータ８の、ＭＥＡ５のカソード４のガス拡散層４ｂに接触する面には、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３と酸化剤ガス排出マニホールド孔３４との間を結ぶようにして、酸化剤ガス流路溝３８が設けられている。酸化剤ガス流路溝３８は、カソード側セパレータ８のＭＥＡ５が当接する略全面にわたってサーペンタイン状に形成されている。この酸化剤ガス流路溝３８によって、セル１０のＭＥＡ部材７とカソード側セパレータ８との間には、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３と酸化剤ガス排出マニホールド孔３４とを結ぶ酸化剤ガス流路９７が形成されている。

また、図２に示すように、アノード側セパレータ９のカソード側セパレータ８と接触する面には、冷却水供給マニホールド孔２５と冷却水排出マニホールド孔２６との間を結ぶようにして、サーペンタイン状に形成された冷却水流路溝２９が設けられている。また、カソード側セパレータ８のアノード側セパレータ９と接触する面には、冷却水供給マニホールド孔３５と冷却水排出マニホールド孔３６との間を結ぶようにして、サーペンタイン状に形成された冷却水流路溝３９が設けられている。これらの冷却水流路溝２９，３９は、セルスタック９９において接合するように配置されており、セルスタック９９においてセル１０，１０同士の積層面間には冷却水供給マニホールド孔２５，３５と冷却水排出マニホールド孔２６，３６とを結ぶ冷却水流路が形成されている。

［ＭＥＡ部材７の構成］
ここで、ＭＥＡ部材７の構成について、図４、図５及び図６を用いて詳細に説明する。

まず、ＭＥＡ部材７の中心部を構成するＭＥＡ５の構成について説明する。ＭＥＡ５は、高分子電解質膜２と、高分子電解質膜２の一方の主面に積層されたアノード３と、他方の主面に積層されたカソード４とで構成されている。本実施の形態においては、高分子電解質膜２は略四辺形であり、アノード３及びカソード４の各電極３，４も略四辺形あって、高分子電解質膜２は四辺の周縁部を残して一対の電極３，４で覆われている。

高分子電解質膜２は、水素イオンを選択的に透過すると考えられているイオン交換膜である。高分子電解質膜２には、ＮＡＦＩＯＮ（ＮＡＦＩＯＮはイー アイ デュポン ドゥ ヌムール アンド カンパニーの登録商標）に例示されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が好適である。また、アノード３とカソード４は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層３ａ，４ａと、この触媒層３ａ，４ａに接触して配置された通気性と電子伝導性を併せ持つガス拡散層３ｂ，４ｂとを、それぞれに備えている。このような構成を有するＭＥＡ５は、一般的には、高分子電解質膜２上に、触媒層３ａ，４ａを塗布又は転写等の方法で形成し、その上にガス拡散層３ｂ，４ｂを圧着する方法、あるいは、ガス拡散層３ｂ，４ｂ上に、触媒層３ａ，４ａを塗布又は転写等の方法で形成し、高分子電解質膜２上に圧着する方法により製造される。

次に、枠体６の構造について説明する。枠体６は、セパレータ８，９間でＭＥＡ５を封止するガスケットシールとしての機能と、ＭＥＡ５の取扱性を良好とする保持部材としての機能とを有している。さらに、枠体６は、後述する透水部材４０を備えて、ＭＥＡ５に水分を供給する機能を有している。

枠体６は板状であって面の略中央部に略矩形の開口６０を有する枠であり、開口６０内（枠内）にＭＥＡ５が配設される。枠体６の少なくともセパレータ８，９と接触する面は、後述する透水部材４０が設けられている部分を除いて、弾性を有する材料で構成されている。よって、ＭＥＡ部材７がセパレータ８，９の間で加圧され枠体６が弾性変形することにより、枠体６は、セパレータ８，９とＭＥＡ５との間で反応ガス及び冷却水を互いに及び外部に対して封止するガスケットシールとして機能する。

なお、本実施の形態に係る枠体６は、酸化剤ガス、燃料ガス、及び水に対して化学的に安定し、且つ、セル１０の発熱温度を上回る耐熱性と、ガスケットとして機能するために適度な弾性とを有する材料で構成されている。このような材料として、例えば、フッ素ゴムや、ＳＡＮＴＯＰＲＥＮＥ樹脂（ＳＡＮＴＯＰＲＥＮＥはアドバンスド エラストマー システムズ リミテツド パートナーシツプの登録商標）などの熱可塑性弾性物質を挙げることができる。

枠体６は、アノード側セパレータ９に当接する第一面材６ａと、カソード側セパレータ８に当接する第二面材６ｂとの、厚み方向に二分割構造とされている。そして、第一面材６ａと第二面材６ｂとが、高分子電解質膜２の電極３，４で覆われていない周縁部を挟み込んで接合されることにより、枠体６の開口６０に電極３，４が露出した状態で該枠体６にＭＥＡ５が保持される。

枠体６の一部は、他の部分と異なる材質で成る透水部材４０で構成されている。透水部材４０は、高分子電解質膜２に接触し、且つ、枠体６の冷却水供給マニホールド孔１５及び前記冷却水排出マニホールド孔１６のうち少なくともいずれか一方の孔壁の少なくとも一部を形成している。このように構成される透水部材４０は、燃料電池の発電時において、高分子電解質膜２と、冷却水供給マニホールド９５又は冷却水排出マニホールド９６を流れる冷却水との両方に接触することとなる。

透水部材４０は、吸水性及び離水性を有し、さらに、その表面は親水性を有している。透水部材４０の表面が親水性を有することにより、吸水した透水部材４０の内部空間は水で塞がれてガスは透過することができない。透水部材４０は、例えば、親水性表面を有する植物繊維、金属繊維、カーボン繊維、或いは合成繊維で成る織布又は不職布で構成することができる。このような透水部材４０の構成材料の一例として、ランシールＦ（ランシールは東洋紡績株式会社の登録商標）で成る不職布を挙げることができる。また、透水部材４０は、例えば、プラスチック焼結多孔質体、セラミック焼結多孔質体、又は合成樹脂スポンジ等の連続気孔を有する多孔質体で構成することができる。

また、透水部材４０により孔壁の少なくとも一部が形成されている冷却水供給マニホールド孔１５又は冷却水排出マニホールド孔１６は、枠体６に設けられた燃料ガス供給マニホールド孔１１又は酸化剤ガス供給マニホールド孔１３と、枠体６の周方向において隣接していることがよい。つまり、透水部材４０は、枠体６において冷却水供給マニホールド孔１５及び冷却水排出マニホールド孔１６の双方又は一方の孔壁を形成するように設けることができるが、これらのうちいずれか一方を選択するにあたって、燃料ガス供給マニホールド孔１１又は酸化剤ガス供給マニホールド孔１３と枠体６の周方向において隣接している一方が選ばれる。

本実施の形態においては、枠体６の周方向において酸化剤ガス供給マニホールド孔１３と冷却水排出マニホールド孔１６との間には燃料ガス排出マニホールド孔１２が存在しているので、酸化剤ガス供給マニホールド孔１３と冷却水排出マニホールド孔１６とは、枠体６の周方向において隣接（以下、単に「隣接」という）していない。同様に、冷却水排出マニホールド孔１６と燃料ガス供給マニホールド孔１１も隣接していない。これに対し、酸化剤ガス供給マニホールド孔１３と冷却水供給マニホールド孔１５とは隣接し、燃料ガス供給マニホールド孔１１と冷却水供給マニホールド孔１５も隣接している。よって、本実施の形態に係る透水部材４０は、枠体６において冷却水供給マニホールド孔１５の孔壁の一部を形成するように設けられている。

さらに、透水部材４０が接触している高分子電解質膜２の周縁部は、ＭＥＡ部材７がセパレータ８，９に挟まれたときに形成される反応ガス流路（燃料ガス流路９８，酸化剤ガス流路９７）の上流側に近接していることがよい。ここで「上流側」とは、流路の上流側の半分をいう。従って、ＭＥＡ部材７は各製品によって冷却水供給マニホールド孔１５又は冷却水排出マニホールド孔１６の配置や、反応ガス流路の形状が異なることから、これらに応じて枠体６に設ける透水部材４０を設計することが望ましい。

本実施の形態においては、図１及び図４に示すように、ＭＥＡ部材７の枠体６のうち、冷却水供給マニホールド孔１５が設けられている辺を第一辺とすると、ＭＥＡ部材７とアノード側セパレータ９との間に形成されている燃料ガス流路９８の最上流部は、燃料ガス供給マニホールド孔１１，２１から、前記第一辺と略平行に伸び且つ前記第一辺と近接している。また、ＭＥＡ部材７とカソード側セパレータ８との間に形成されている酸化剤ガス流路９７の最上流部は、酸化剤ガス供給マニホールド孔１３，３３から、前記第一辺と略平行に伸び且つ前記第一辺と近接している。

そこで、本実施の形態に係る透水部材４０は、枠体６のうち、冷却水供給マニホールド孔１５から該冷却水供給マニホールド孔１５が設けられている辺（前記第一辺）の開口縁６１全域までにわたる範囲を構成している。このように構成された透水部材４０は、該透水部材４０により形成されている開口縁６１で、反応ガス流路（燃料ガス流路９８，酸化剤ガス流路９７）の上流側に近接する高分子電解質膜２の周縁部に接触している。なお、本実施の形態に係るＭＥＡ部材７では、図７に示すように、透水部材４０で冷却水供給マニホールド孔１５の孔壁の全部を形成したり、図８に示すように、透水部材４０で冷却水供給マニホールド孔１５が設けられている辺（前記第一辺）の開口縁６１の一部を形成したり、或いは、開口縁６１に達しないが高分子電解質膜２と接触するように形成したりしてもかまわない。

枠体６と同様に透水部材４０も、枠体６の第一面材６ａに設けられる第一部材４０ａと、同じく第二面材６ｂに設けられる第二部材４０ｂとの、分割構成とされている。枠体６の第一面材６ａと第二面材６ｂのそれぞれに透水部材４０の第一部材４０ａと第二部材４０ｂを組み付けてから、第一面材６ａと第二面材６ｂとの間にＭＥＡ５を介挿し、第一面材６ａと第二面材６ｂとを接合して、ＭＥＡ部材７を製造することができる。また、図９に示すように、枠体６の第一面材６ａと第二面材６ｂとの間にＭＥＡ５を介挿し、第一面材６ａと第二面材６ｂとを接合してから、これに透水部材４０の第一部材４０ａと第二部材４０ｂを組み付ける順序でも、ＭＥＡ部材７を製造することができる。

［透水部材４０の作用］
ここで、透水部材４０の作用について説明する。発電時のＰＥＦＣのセルスタック９９には、冷却水供給マニホールド９５、セル１０，１０間に設けられた冷却水流路溝２９，３９、及び冷却水排出マニホールド９６に冷却水が導通されている。ＭＥＡ部材７の枠体６に設けられた透水部材４０は、冷却水供給マニホールド孔１５又は冷却水排出マニホールド孔１６の孔壁で冷却水と接触して吸水し、高分子電解質膜２の周縁部に対して離水する。すなわち、透水部材４０にしみ込んだ冷却水が、高分子電解質膜２に直接に供給されるのである。

上述の通り、高分子電解質膜２に直接水分が供給されるので、高分子電解質膜２を効果的に加湿して、適当な含水状態を維持することができる。これにより、高分子電解質膜２の乾燥に起因するＭＥＡ５の性能や耐久性の低下を抑止することができる。

また、発電時の高分子電解質膜２では、反応ガス流路の上流側に当たる部分が特に乾燥しやすいが、高分子電解質膜２の反応ガス流路の上流側近傍の周縁部から水分が供給されることで効率的に高分子電解質膜２を加湿することができる。

さらに、高分子電解質膜２を加湿するために、ＰＥＦＣに新たに特別な装置（例えば、加湿装置等）を付加する必要がないので、コンパクト且つコスト競争力に優れたＰＥＦＣを提供することができる。

〔実施の形態２〕
続いて、本発明の実施の形態２に係る枠付き膜−電極接合体、燃料電池セル、及び高分子電解質形燃料電池について説明する。図１０は本発明の実施の形態２に係るＭＥＡ部材の構成を示す図、図１１は図１０におけるＸＩ−ＸＩ矢視断面図である。

図１０及び図１１に示すように、実施の形態２に係る枠付き膜−電極接合体、燃料電池セル、及び高分子電解質形燃料電池は、実施の形態１に係る枠付き膜−電極接合体、燃料電池セル、及び高分子電解質形燃料電池において、ＭＥＡ部材７に設けられた透水部材４０が、高分子電解質膜２だけでなく電極３，４にも接触するように構成されているものである。

このように、透水部材４０が、高分子電解質膜２だけでなく電極３，４にも接触しているので、セルスタック９９を流れる冷却水を、透水部材４０を介して高分子電解質膜２及び電極３，４に供給することができる。よって、より効果的にＭＥＡ５を加湿することができる。

〔実施の形態３〕
続いて、本発明の実施の形態３に係る枠付き膜−電極接合体、燃料電池セル、及び高分子電解質形燃料電池について説明する。図１２は本発明の実施の形態３に係るセルの断面図である。

図１２に示すように、実施の形態３に係る枠付き膜−電極接合体、燃料電池セル、及び高分子電解質形燃料電池は、実施の形態１に係る枠付き膜−電極接合体、燃料電池セル、及び高分子電解質形燃料電池において、ＭＥＡ部材７に設けられた透水部材４０とセパレータ８，９との間に介在するシール部材４４，４４を設けたものである。このシール部材４４は、例えば、フッ素ゴム等の耐熱樹脂で構成されており、透水部材４０のうち、セパレータ８，９と対峙する面を被覆するように設けられている。

このように、透水部材４０とセパレータ８，９との間に介在するシール部材を設けることにより、セル１０において、シール部材４４，４４は透水部材４０とセパレータ８，９との間でガスケットシールとして機能し、透水部材４０とセパレータ８，９との間に水密性を備えることができる。よって、透水部材４０とセパレータ８，９との間からの冷却水の漏洩を防止することができる。

本発明は、家庭用コージェネレーションシステム、自動車、自動二輪車、家電製品、携帯電気装置（携帯用コンピュータ装置、携帯電話、携帯用音響機器、携帯用情報端末装置など）の燃料電池システムに用いられる、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）に、有用である。

本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池のセルスタックの構成を示す分解図である。 セルスタックのセパレータ間に設けられた冷却水供給流路を示す図である。 高分子電解質形燃料電池のセルスタックの構成を示す図である。 ＭＥＡ部材の構成を示す図である。 図４におけるＶ−Ｖ矢視断面図である。 セルの断面図である。 別形態の透水部材を備えたＭＥＡ部材の構成を示す図である。 別形態の透水部材を備えたＭＥＡ部材の構成を示す図である。 ＭＥＡ部材の透水部材の組み付け方法を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係るＭＥＡ部材の構成を示す図である。 図１０におけるＸＩ−ＸＩ矢視断面図である。 本発明の実施の形態３に係るセルの断面図である。

符号の説明

２ 高分子電解質膜
３ アノード
４ カソード
５ ＭＥＡ（膜−電極接合体）
６ 枠体
７ ＭＥＡ部材（枠付き膜−電極接合体）
８ カソード側セパレータ
９ アノード側セパレータ
１０ セル
１１ 燃料ガス供給マニホールド孔
１２ 燃料ガス排出マニホールド孔
１３ 酸化剤ガス供給マニホールド孔
１４ 酸化剤ガス排出マニホールド孔
１５ 冷却水供給マニホールド孔
１６ 冷却水排出マニホールド孔
２１ 燃料ガス供給マニホールド孔
２２ 燃料ガス排出マニホールド孔
２３ 酸化剤ガス供給マニホールド孔
２４ 酸化剤ガス排出マニホールド孔
２５ 冷却水供給マニホールド孔
２６ 冷却水排出マニホールド孔
２８ 燃料ガス流路溝
３１ 燃料ガス供給マニホールド孔
３２ 燃料ガス排出マニホールド孔
３３ 酸化剤ガス供給マニホールド孔
３４ 酸化剤ガス排出マニホールド孔
３５ 冷却水供給マニホールド孔
３６ 冷却水排出マニホールド孔
３８ 酸化剤ガス流路溝
４０ 透水部材
４４ シール部材

Claims (13)

1. 高分子電解質膜及び該高分子電解質膜の両面に周縁部を除いて積層された一対の電極を有するＭＥＡと、前記高分子電解質膜の周縁部を保持することによって枠内に前記ＭＥＡが配設された板状の枠体とを備え、前記ＭＥＡと当接する領域に反応ガス流路が設けられた一対のセパレータに挟まれて燃料電池に組み込まれるＭＥＡ部材であって、
   前記枠体は、燃料ガス供給マニホールド孔、酸化剤ガス供給マニホールド孔、冷却水供給マニホールド孔、燃料ガス排出マニホールド孔、酸化剤ガス排出マニホールド孔、及び冷却水排出マニホールド孔の各孔と、前記高分子電解質膜に接触し且つ前記冷却水供給マニホールド孔及び前記冷却水排出マニホールド孔のうち少なくとも一方の孔壁の少なくとも一部を形成している透水部材とを有している、
   ＭＥＡ部材。
2. 前記透水部材は、吸水性及び離水性を有している、
   請求項１に記載のＭＥＡ部材。
3. 前記透水部材が接触している前記高分子電解質膜の周縁部は、前記電極における前記反応ガス流路の上流側に対応する部分に近接している、
   請求項１又は請求項２に記載のＭＥＡ部材。
4. 前記透水部材により孔壁の少なくとも一部が形成されている前記冷却水供給マニホールド孔又は前記冷却水排出マニホールド孔は、前記燃料ガス供給マニホールド孔又は前記酸化剤ガス供給マニホールド孔と前記枠体の周方向において隣接している、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のＭＥＡ部材。
5. 前記透水部材は、前記電極と接触している、
   請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のＭＥＡ部材。
6. 前記透水部材の前記セパレータと対峙する面を被覆し前記透水部材中の水を封止するシール部材を更に備えている、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のＭＥＡ部材。
7. 高分子電解質膜及び該高分子電解質膜の両面に周縁部を除いて積層された一対の電極を有するＭＥＡ、及び前記高分子電解質膜の周縁部を保持することによって枠内に前記ＭＥＡが配設された板状の枠体を有するＭＥＡ部材と、前記ＭＥＡ部材を挟み込むように該ＭＥＡ部材の両面に積層され前記ＭＥＡと当接する領域に反応ガス流路が設けられた一対のセパレータと、を備え、
   前記枠体は、燃料ガス供給マニホールド孔、酸化剤ガス供給マニホールド孔、冷却水供給マニホールド孔、燃料ガス排出マニホールド孔、酸化剤ガス排出マニホールド孔、及び冷却水排出マニホールド孔の各孔と、前記高分子電解質膜に接触し且つ前記冷却水供給マニホールド孔及び前記冷却水排出マニホールド孔のうち少なくとも一方の孔壁の少なくとも一部を形成している透水部材とを有している、
   燃料電池セル。
8. 前記透水部材は、吸水性及び離水性を有している、
   請求項７に記載の燃料電池セル。
9. 前記透水部材が接触している前記高分子電解質膜の周縁部は、前記電極における前記反応ガス流路の上流側に対応する部分に近接している、
   請求項７又は請求項８に記載の燃料電池セル。
10. 前記透水部材により孔壁の少なくとも一部が形成されている前記冷却水供給マニホールド孔又は前記冷却水排出マニホールド孔は、前記燃料ガス供給マニホールド孔又は前記酸化剤ガス供給マニホールド孔と前記枠体の周方向において隣接している、
    請求項７〜請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
11. 前記透水部材は、前記電極と接触している、
    請求項７〜請求項１０のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
12. 前記透水部材の前記セパレータと対峙する面を被覆し前記透水部材中の水を封止するシール部材を更に備えている、
    請求項７〜請求項１１のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
13. 請求項７〜請求項１２のいずれか一項に記載の燃料電池セルを備えている、高分子電解質形燃料電池。

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