JP5100640B2 - Ｍｅａ部材、及び高分子電解質形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＡが接合されたＭＥＡ部材及びそれを用いた高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣと略称する）に関する。

ＰＥＦＣの発電の基本原理は、触媒作用によってアノードガス及びカソードガスの成分がイオン化し、高分子電解質膜越しにアノードガス及びカソードガス間でイオン交換が行われることによって、いわゆる電池反応が発生するものである。このため、ＰＥＦＣは高分子電解質膜がアノードガス及びカソードガスに暴露される構造を有している。具体的には、ＰＥＦＣの単電池（セル）は、高分子電解質膜の中央部両面に電極が形成された高分子電解質膜―電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が接合されたＭＥＡ部材が、内面にカソードガス流路溝が形成されたカソードセパレータ及び内面にアノードガス流路溝が形成されたカソードセパレータ（以下、両セパレータをまとめてセパレータと総称する）の間に挟まれて構成されている。そして、このセルが積層されたスタックによってＰＥＦＣ本体が構成されている。

この電池反応に用いられる前記高分子電解質膜は、従来、フッ素系の高分子膜が一般的に使用されている。しかし、このフッ素系の高分子膜は、一般的には、湿潤した状態では電池反応に供される水素イオンの伝導性が高い特徴を有するものの、乾燥した状態では水素イオンの伝導性が甚だしく低下する。このため、ＰＥＦＣでは常に高分子電解質膜を適当な含水状態にすることが求められる。加湿されたアノードガス及びカソードガスが高分子電解質膜に暴露されることによって高分子電解質膜の乾燥を防止する構成が一般的に実用化されている。

アノードガス及びカソードガスを加湿するために、ＰＥＦＣを用いた従来の発電システムにおいては、これらガスの供給系統に加湿装置が構成されていた。一方で、近年では、ＰＥＦＣの単電池（セル）内、あるいはセルの構成部材を用いてＰＥＦＣ本体に加湿機構を内蔵させる技術も提案されている（特許文献１乃至特許文献９参照）。ＰＥＦＣ本体が加湿機構を内蔵することによって、適切な加湿を実現することができるとともに、アノードガス及びカソードガスの供給系統の改質装置を不要とすることができ、燃料電池システムの構成をコンパクトにすることが期待されていた。

これらの文献のうち、特許文献１乃至３においては、電池反応後の余剰のカソードガス中及びアノードガス中の水分が、アノードガス及びカソードガスの加湿に利用されている。すなわち、これらの文献には、電池反応前のアノードガス及びカソードガスそれぞれと電池反応後のカソードガスとを透水性膜を隔膜として流通させる構成が開示されている。電池反応後のカソードガスは電池反応において生成される水分を含有するので、電池反応前のアノードガス及びカソードガスそれぞれと電池反応後のカソードガスとの間で熱交換及び水分の交換が行われ、電池反応前のアノードガス及びカソードガスそれぞれが加湿されるとしている。この透水性膜は、透水性及び伝熱性を有するが、ガスは透過しない性質を要し、フッ素系の高分子電解質膜が好適とされている。

また、特許文献４乃至８においては、ＰＥＦＣ本体に供給される冷却水等が、アノードガス及びカソードガスの加湿に利用されている。すなわち、特許文献４においては、電池反応前のカソードガスあるいはカソードガスと補給水とを透水性膜を隔膜として流通させる構成が開示されている。このような構成によって、電池反応前のカソードガスあるいはカソードガスそれぞれと補給水との間で熱交換及び水分の交換が行われ、電池反応前のアノードガス及びカソードガスそれぞれが加湿されるとしている。また、特許文献５乃至８においては、セパレータが水分を透過する多孔質体によって構成され、セパレータの外面からセパレータ内部に浸入してくる水分によって、アノードガス流路溝内及びカソードガス流路溝内のアノードガス及びカソードガスを加湿しようとする構成が開示されている。

特許文献９においては、隣接するセルの間に加湿室を設ける構造の燃料電池が開示されている。
特開２００２−２５５８４号公報 特開２００４−２８８５８３号公報 特開２００５−２６７９５８号公報 特開平６−６８８９６号公報 特開平６−６８８８４号公報 特開平８−２５０１３０号公報 特開平６−２３１７９３号公報 特開平６−２７５２８４号公報 特開２００１−１８５１６９号公報

しかしながら、特許文献１乃至４に開示された加湿方法には改善の余地があった。すなわち、発明者の検討によって、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にまで加湿するには、膜の面積が大きくなることから、スタックを構成する部材が大型化してしまい、燃料電池システムをコンパクトに構成するという効果が減殺されてしまうことがわかった。特に、車載用の燃料電池システムのように、燃料電池システムのダウンサイズが求められる用途においては、ＰＥＦＣ本体をより緻密かつ小型化する点、すなわちコンパクトにする点において改善の余地があった。

また、特許文献５及び６に開示された加湿方法にも改善の余地があった。すなわち、セパレータの素材が多孔質のカーボンあるいは金属であって、かつセパレータ表面の微細孔が閉塞されていないことがセパレータ体内への水分の浸入及び流路溝表面における蒸散にとって必要な条件となる。ところが、車載用のＰＥＦＣ本体のように、耐振動性及びセパレータの厚さのダウンサイズが求められる用途においては、通常の金属製セパレータが好適である。また、セパレータによっては、貴金属メッキ等の表面処理がされて、セパレータ表面の微細孔が閉塞されてしまう場合もある。したがって、いかなる材質のセパレータに対しても適用できるという汎用性の点において改善の余地があった。

特許文献９は、隣接するセルの間に加湿室を構成することによって、流路構成が複雑化すると共に、ガスＰＥＦＣ本体が大型化する。すなわち、特許文献１乃至４と同様に、ＰＥＦＣ本体のコンパクト化という点において改善の余地があった。

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り、水分を吸水し、輸送し、蒸散させることができ、かつコンパクトに構成することがきるＭＥＡ部材を提供することを目的としている。また、いかなる材質のセパレータを用いてもアノードガス及び／あるいはカソードガスを加湿及び加熱することができ、かつＰＥＦＣ本体をコンパクトに構成することができるＰＥＦＣを提供することを目的としている。

発明者は、本発明は上記事情に鑑みて、セパレータ以外のＰＥＦＣの構成要素におけるアノードガス及びカソードガスへの加湿手段を検討した結果、ＭＥＡを保持する枠体における加湿手段の構成について検討を行った。

しかし、ＭＥＡ部材の枠体は板状であって、加湿手段を構成する容積は限られる。しかも、ＭＥＡ部材の枠体は、ガスケットの機能を有する構造となっている。したがって、加湿手段は、小さな容積で構成でき、かつ枠体の撓みによっても加湿機能が遮断あるいは損傷されない構造でなければならない。

そこで、より小さな容積でより多くの水分を輸送することができ、かつ押圧されても加湿機能が維持可能な加湿手段を鋭意研究した。その結果、可撓性を有する毛管構造体を利用することによって、これらの課題が解決可能であることを見出し、本発明に想到した。

すなわち、第１の本発明のＭＥＡ部材は、ＭＥＡと、
前記ＭＥＡの周縁部に延在する高分子電解質膜を保持することによって枠内に該ＭＥＡが配設され、かつアノードガス供給マニホールド孔、カソードガス供給マニホールド孔、冷却水供給マニホールド孔、アノードガス排出マニホールド孔、カソード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が厚み方向に貫通して形成された、板状の枠体と、を有し、
前記枠体の冷却水供給マニホールド孔の孔壁及び冷却水排出マニホールド孔の孔壁のうちの少なくとも一方には水分を吸水するための吸水部が形成され、前記枠体の少なくとも一方の主面には水分を蒸散するための蒸散部が形成され、かつ、前記枠体には前記吸水部と前記蒸散部とを結んで毛管構造体が埋設されている。このように構成すると、冷却水供給マニホールド孔及び／あるいは冷却水排出マニホールド孔の水分が、毛管構造体の毛管作用によって枠体内を流通し、かつ、毛管構造体内の水分がＭＥＡの反応熱によって加熱されるので、少なくともいずれかの主面において水分を蒸散させることができる。したがって、本発明のＭＥＡ部材は、水分を吸水し、輸送し、蒸散させることができ、かつコンパクトに構成することがきる。ここで、毛管構造体は、親水性の毛管作用を奏することができ、かつ可撓性を有する部材をいう。

第２の本発明のＭＥＡ部材は、前記吸水部及び前記蒸散部は、前記毛管構造体が外部に露出して構成されているとよい。このように構成すると、より簡素な構造とすることができる。

第３の本発明のＭＥＡ部材は、前記蒸散部は、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よりも前記ＭＥＡに近い位置に形成されているとよい。このように構成すると、より多くの水分を蒸散させることができる。

第４の本発明のＭＥＡ部材は、平行する一対の枠形のフィルム、該一対のフィルムに前記高分子電解質膜の周縁部が挟まれて該フィルムの枠内に配設されたＭＥＡ、該一対のフィルムに挟まれて配設された前記毛管構造体、ならびに、前記高分子電解質膜の周縁部及び前記毛管構造体の周囲をそれぞれ仕切り、かつ前記高分子電解質膜の周縁部、前記毛管構造体及び該一対のフィルムを一体化するようにして、該一対のフィルムの間に配設されるシール体、を有する中心部材と、
該中心部材の一方の主面のフィルムに積層して配設された、枠形のアノード側部材と、
該中心部材の他方の主面のフィルムに積層して配設された、枠形のカソード側部材と、を備えるとよい。このように構成すると、アノード側部材及びカソード側部材はそれぞれ量産が容易であり、かつ、中心部材は、所定の形状の一対のフィルムを用意した上で、いずれかのフィルム上にＭＥＡの周縁部の高分子電解質膜、シール材及び毛管構造体を配置して、これらの上に他方のフィルムを被せて、熱処理することによって製造できる。すなわち、ＭＥＡ部材の量産を容易にすることができる。

また、シール材の硬化によって、シール材、フィルム、ＭＥＡの周縁部の高分子電解質膜及び毛管構造体を一工程で一体化させることができる。つまり、中心部材の製造工程を合理化することができる。

第５の本発明のＭＥＡ部材は、前記中心部材、前記アノード側部材、及び前記カソード側部材は、それぞれ別部材であって、高分子電解質形燃料電池構成状態において、これらが積層して構成されるとよい。このように構成すると、中心部材、アノード側部材及びカソード側部材の一体化工程を省略することができるので、ＭＥＡ部材の量産性をより向上させることができる。

第６の本発明の高分子電解質形燃料電池は、請求項１に記載のＭＥＡ部材と、前記ＭＥＡ部材を挟むアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を有するセルが１以上積層されてなり、
前記アノードセパレータは、前記ＭＥＡのアノードガス供給マニホールド孔、カソードガス供給マニホールド孔、冷却水供給マニホールド孔、アノードガス排出マニホールド孔、カソード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に対応する位置に、それぞれ、アノードガス供給マニホールド孔、カソードガス供給マニホールド孔、冷却水供給マニホールド孔、アノードガス排出マニホールド孔、カソード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を有し、かつ、その内面に、該アノードガス供給マニホールド孔と該アノードガス排出マニホールド孔とを結ぶアノードガス流路溝を有しており、
前記カソードセパレータは、前記ＭＥＡのアノードガス供給マニホールド孔、カソードガス供給マニホールド孔、冷却水供給マニホールド孔、アノードガス排出マニホールド孔、カソード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に対応する位置に、それぞれ、アノードガス供給マニホールド孔、カソードガス供給マニホールド孔、冷却水供給マニホールド孔、アノードガス排出マニホールド孔、カソード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を有し、かつ、その内面に、該カソードガス供給マニホールド孔と該カソードガス排出マニホールド孔とを結ぶカソードガス流路溝を有しており、
前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝のうちの少なくとも一方が前記ＭＥＡの前記蒸散部に接するように形成されている。このように構成すると、高分子電解質形燃料電池は、いかなる材質のセパレータを用いてもアノードガス及び／あるいはカソードガスを加湿及び加熱することができ、かつ高分子電解質形燃料電池本体をコンパクトに構成することができる。

第７の本発明の高分子電解質形燃料電池は、前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータが金属製であるとよい。このように構成すると、高分子電解質形燃料電池をよりコンパクトに構成することができる。

以上のように、本発明のＭＥＡ部材は、水分を吸水し、輸送し、蒸散させることができ、かつコンパクトに構成することがきる、という効果を奏する。

また、本発明のＰＥＦＣは、いかなる材質のセパレータを用いてもアノードガス及び／あるいはカソードガスを加湿及び加熱することができ、かつ高分子電解質形燃料電池本体をコンパクトに構成することができる、という効果を奏する。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
まず、本実施形態のＰＥＦＣ本体の構成を説明する。

図１は、本発明の第１実施形態のＰＥＦＣ本体のセル及びスタックの積層構造を示す部分分解斜視図である。

図１に示すように、ＰＥＦＣ本体には、矩形平板状のセル（単電池）１０が複数積層されたスタック（スタック）９９が、直方体状を形成して構成されている。スタック９９は、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、家電製品、携帯用コンピュータ装置、携帯電話、携帯用音響機器、携帯用情報端末などの携帯電気装置等の燃料電池システムに用いられる。

なお、図示しないが、スタック９９の両端の最外層には集電板、絶縁板、エンドプレートが取り付けられ、スタック９９は両端から、ボルト孔１５、２５，３５を挿通される締結ボルト（図示せず）とナットとで締結されて構成されている。

セル１０は、ＭＥＡ部材７を一対の平板状のアノードセパレータ９Ａ及びカソードセパレータ９Ｃ（両者をセパレータと総称する）で挟んで構成されている。

平面視において、セパレータ９Ａ，９Ｃ及びＭＥＡ部材７の周縁部には、ボルト孔１５、２５，３５、アノードガス供給マニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ、カソードガス供給マニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、カソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ、冷却水供給マニホールド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、および冷却水排出マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅが、それぞれの主面を貫通するようにして穿たれている。アノードガス供給マニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、およびアノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ、は、それぞれスタック９９において連なって、アノードガス供給マニホールド９２Ｉおよびアノードガス排出マニホールド９２Ｅを形成する。また、同様にして、カソードガス供給マニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、およびカソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅは、それぞれスタック９９において連なって、カソードガス供給マニホールド９３Ｉおよびカソードガス排出マニホールド９３Ｅを形成する。さらに、同様にして、冷却水供給マニホールド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、および冷却水排出マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅは、それぞれスタック９９において連なって、冷却水供給マニホールド９４Ｉおよび冷却水排出マニホールド９４Ｅを形成する。

セパレータ９Ａ、９Ｃは、導電性材料で構成されている。セル１０組立状態時において、アノードセパレータ９Ａの内面のＭＥＡ当接領域２０はＭＥＡ５のアノード側ガス拡散層４Ａに接触し、カソードセパレータ９Ｃの内面のＭＥＡ当接領域３０はＭＥＡ５のカソード側ガス拡散層４Ｃに接触する。したがって、セパレータ９Ａ、９Ｃは導電性材料からなるので、ＭＥＡ５において発生した電気エネルギーをセパレータ９Ａ、９Ｃを経由して外部へ取り出すことができる。

また、アノードセパレータ９Ａの内面には、アノードガス供給マニホールド孔２２Ｉとアノードガス排出マニホールド孔２２Ｅとの間を結ぶようにしてアノードガス流路溝２１が形成されている。アノードガス流路溝２１は、ＭＥＡ当接領域２０の略全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。同様にして、カソードセパレータ９Ｃの内面には、カソードガス供給マニホールド孔３３Ｉとカソードガス排出マニホールド孔３３Ｅとの間を結ぶようにしてカソードガス流路溝３１が形成されている。カソードガス流路溝３１は、ＭＥＡ当接領域３０の略全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。これによって、セル１０組立状態時において、ＭＥＡ部材７とアノードセパレータ９Ａとの間には、アノードガス供給マニホールド孔２２Ｉとアノードガス排出マニホールド孔２２Ｅとを結んで延びるアノードガス流路が構成される。また、ＭＥＡ部材７とカソードセパレータ９Ｃとの間には、カソードガス供給マニホールド孔３３Ｉとカソードガス排出マニホールド孔３３Ｅとを結んで延びるカソードガス流路が構成される。さらに、アノードガス流路溝２１を流通するアノードガスはアノード側ガス拡散層４Ａに広く拡散流入し、カソードガス流路溝３１を流通するカソードガスはカソード側ガス拡散層４Ｃに広く拡散流入することができる。

また、図２は、図１のスタックのセル間の積層構造を示す分解斜視図である。図２に示すように、アノードセパレータ９Ａの外面には、冷却水供給マニホールド孔２４Ｉと冷却水排出マニホールド孔２４Ｅとの間を結ぶようにして冷却水流路溝２６が形成されている。冷却水流路溝２６は、ＭＥＡ当接領域２０の背部を全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。同様にして、カソードセパレータ９Ｃの外面には、冷却水供給マニホールド孔３４Ｉと冷却水排出マニホールド孔３４Ｅとの間を結ぶようにして冷却水流路溝３６が形成されている。冷却水流路溝３６は、ＭＥＡ当接領域３０の背部を全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。また、スタック９９においては、冷却水流路溝２６と冷却水流路溝３６とが接合するように形成されている。すなわち、セル１０積層状態時において冷却水流路溝２６，３６は一体化し、積層されたセル１０同士の積層面間には冷却水供給マニホールド孔２４Ｉ、３４Ｉと冷却水排出マニホールド孔２４Ｅ，３４Ｅとを結んで延びる冷却水流路が構成される。

次に、ＭＥＡ部材７を説明する。

図３は、図１のＭＥＡ部材のカソードセパレータ側平面図であり、図４は、図１のＭＥＡ部材のアノードセパレータ側平面図である。

図３及び図４に示すように、ＭＥＡ部材７は、平面視において中心部のＭＥＡ５と周縁部の枠体６とを有して構成されていて、ボルト孔及びマニホールド孔は枠体６を貫通するようにして形成されている。

ここで、枠体６は、少なくとも表面には弾性体を有する。したがって、アノードセパレータ９Ａ及びカソードセパレータ９Ｃとの間に配設されるＭＥＡ部材７において、枠体６はガスケットの機能を発揮する。

ＭＥＡ部材７のカソードセパレータ側の面にはカソードガス供給マニホールド孔１３ＩとＭＥＡ５との間の領域に蒸散部７Ｃが形成されていて、毛管構造体５１が外部に露出している。これによって、カソードセパレータ９Ｃのカソードガス流路溝３１はカソードガス供給マニホールド孔３３ＩからＭＥＡ当接領域３０に延びるので、セル１０組立状態時において、この区間のカソードガス流路溝３１がカソード側毛蒸散部７Ｃに当接する。

同様にして、図４に示すように、ＭＥＡ部材７のアノードセパレータ側の面にはアノードガス供給マニホールド孔１２ＩとＭＥＡ５との間の領域に蒸散部７Ａが形成されていて、毛管構造体５１が外部に露出している。これによって、アノードセパレータ９Ａのアノードガス流路溝２１はアノードガス供給マニホールド孔２２ＩからＭＥＡ当接領域２０に延びるので、セル１０組立状態時において、この区間のアノードガス流路溝２１がアノード側蒸散部７Ａに当接する。

図５は図３のＡ−Ａ線におけるセル組立状態時の断面図である。図６は図３のＢ−Ｂ線におけるセル組立状態時の断面図である。図７は図３のＣ−Ｃ線におけるセル組立状態時の断面図である。図８は図４のＤ−Ｄ線におけるセル組立状態時の断面図である。

図５乃至図８に示すように、ＭＥＡ５は、高分子電解質膜１とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されている。具体的には、ＭＥＡ５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からなる高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１の周縁部より内側の部分の両面に形成された一対の電極層を有して構成されている。電極層は、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一対のアノード側触媒層２Ａ及びカソード側触媒層２Ｃと、この一対の触媒層２Ａ，２Ｃの外面に配設された一対のアノード側ガス拡散層４Ａ及びカソード側ガス拡散層４Ｃとを備えて構成されている。ここで、ガス拡散層４Ａ，４Ｃは、通気性と電子伝導性を併せ持つように多孔質構造を有している。すなわち、カソード側触媒層２Ｃおよびカソード側ガス拡散層４Ｃがカソード電極を構成し、アノード側触媒層２Ａおよびアノード側ガス拡散層４Ａがアノード電極を構成している。

ここで、高分子電解質膜１には、パーフルオロスルホン酸からなる膜が好適である。例えば、DuPont社製Nafion（登録商標）膜が例示される。そして、ＭＥＡ５は、一般的には、高分子電解質膜上に触媒層２Ａ、２Ｃ及びガス拡散層４Ａ，４Ｃを順次塗布、転写等の方法により形成して製造される。あるいは、このようにして製造されたＭＥＡ５の市販品を利用することもできる。

次に、本発明の要部であるＭＥＡ部材７の枠体６の構造を説明する。

図５乃至図８に示すように、枠体６には毛管構造体５１が埋設されている。具体的には、毛管構造体５１は、ＭＥＡ部材７の平面方向（主面に平行な方向）においてシール材（シール体）５３によって仕切られ、ＭＥＡ部材７の厚み方向において、板状のカソード側部材６Ｃ及びカソード側フィルム５２Ｃ、ならびにアノード側部材６Ａ及びアノード側フィルム５２Ａによって被覆されている。

毛管構造体５１は、親水性の毛管作用を奏することができ、かつ可撓性を有する部材をいう。一般的には植物繊維、金属繊維、カーボン繊維あるいは合成繊維を有する部材であって、紐あるいは不織布の形態で構成されている。また、毛管構造体５１は、高分子電解質膜１と同等程度の厚みである。毛管構造体５１には、数μｍ程度の極めて細い繊維を用いている。これによって、毛管構造体５１の厚みを高分子電解質膜１と同等程度、すなわち数十μｍ程度、にまで薄く加工することができる。

そして、図５に示すように、カソード側部材６Ｃ及びカソード側フィルム５２Ｃに形成された孔４５Ｃの底には毛管構造体５１が露出して蒸散部７Ｃが構成されている。そして、ＭＥＡ部材７の蒸散部７Ｃにはカソードセパレータ９Ｃのカソードガス流路溝３１が当接している。

図６及び図７に示すように、毛管構造体５１は冷却水供給マニホールド孔１４Ｉの孔壁（吸水部）及び冷却水排出マニホールド孔１４Ｅの孔壁（吸水部）において外部に露出している。すなわち、冷却水供給マニホールド孔１４Ｉ及び冷却水排出マニホールド孔１４Ｅに吸水部が形成されている。

図８に示すように、アノード側部材６Ａ及びアノード側フィルム５２Ａに形成された孔４５Ａの底には、毛管構造体５１が露出して蒸散部７Ａが構成されている。そして、蒸散部７Ａにはアノードセパレータ９Ａのアノードガス流路溝２１が当接している。

したがって、ガスケット６内に埋設された毛管構造体５１は、吸水部（冷却水供給マニホールド孔１４Ｉ及び冷却水排出マニホールド孔１４Ｅ）から吸水した水分を毛管作用によって蒸散部７Ａ，７Ｃまで輸送し、ＭＥＡ５の反応熱によって、蒸散部７Ａ、７Ｃにおいてアノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１内に水分を蒸散させることができる。

以下、本実施形態のＭＥＡ部材７の枠体６の構造を詳述する。

図９は、図１のＭＥＡ部材の積層構造を示す分解斜視図である。

図９に示すように、枠体６は、シール材５３、毛管構造体５１、フィルム５２Ａ，５２Ｃ、アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃを有して構成されている。

以下、ＭＥＡ部材７の枠体６の構造をアノード側部材６Ａ、中心部材６Ｂ及びカソード側部材６Ｃの３つの部材に分けて説明する。

まず、中心部材６Ｂの構造を説明する。説明の便宜上、図１０乃至図１３の４つの分解図に分けて説明する。

図１０は、図９のＭＥＡ部材のアノード側フィルムの平面図である。

図１０に示すように、アノード側フィルム５２Ａは、枠形であって、矩形の外形を有し、中央に開口部６Ｗが形成されている。

開口部６Ｗは、ＭＥＡ５が露出でき、かつＭＥＡ５を配置した際に、ＭＥＡ５の周縁部に延伸する高分子電解質膜１が開口部６Ｗの周縁全周にわたってフィルム５２Ａに重なるような枠形に形成されている。なお、後述するカソード側フィルム５２Ｃ、アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃも、開口部６Ｗを有する枠形に形成されている。

また、開口部６Ｗの周囲にボルト孔１５、２５，３５及び各種マニホールド孔１２Ｉ，１２Ｅ，１３Ｉ，１３Ｅ，１４Ｉ，１４Ｅが厚さ方向に貫通して形成されている。そして、アノードガス供給マニホールド孔１２Ｉと開口部６Ｗとの間の領域にアノード側の孔４５Ａが形成されている。

ここで、フィルム５２Ａには、防水性があり、セル１０の発熱温度以上の耐熱性があり、水、アノードガス及びカソードガスに対して物性が安定である材質が好適である。例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等、いわゆるエンジニアリング用プラスチックフィルムが好適である。フィルム５２Ａは、触媒層２Ａと同程度の厚みを有している（図５乃至図８参照）。

図１１は、図１０のアノード側フィルムにシール材が塗布された状態を示す平面図である。

図１１に示すように、シール材５３が、フィルム５２Ａ上にスクリーン印刷によって高分子電解質膜１とほぼ同等の厚みに塗布されている（図５乃至８参照）。

シール材５３は、ＭＥＡ周縁部配設領域６１及び毛管構造体配設領域６２を除いて、フィルム５２Ａ全面に配設されている。すなわち、シール材５３は、高分子電解質膜１の周縁部及び毛管構造体５１の周囲をそれぞれ仕切り、かつ高分子電解質膜１の周縁部、毛管構造体５１及び一対のフィルム５２Ａ、５２Ｃを一体化するようにして、一対のフィルム５２Ａ、５２Ｃの間に配設されている。さらに、ここでは、一対のフィルム５２Ａ、５２Ｃの間の空間を埋めるようにして配設されている。すなわち、ボルト孔１５及びアノードガス供給マニホールド孔１２Ｉ，アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ，カソードガス供給マニホールド孔１３Ｉ及びカソードガス排出マニホールド孔の周囲を包囲して配設されている。シール材５３が配設されていない凹部にＭＥＡ周縁部配設領域６１及び毛管構造体配設領域６２が形成されている。

ここでは、シール材５３はフィルム５２Ａ上に塗布されることによって、配設されている。

ＭＥＡ周縁部配設領域６１は、平面視において開口部６Ｗの周囲において、ＭＥＡ５周縁部に延伸している高分子電解質膜１を収容可能なように形成されている。また、高分子電解質膜１は、中心部材６Ｂの両面を仕切るように配設されるので、ＭＥＡ周縁部配設領域６１は、開口部６Ｗの外周に沿って環状に形成されている。したがって、ＭＥＡ周縁部領域６１は、ＭＥＡ５周囲に延伸している高分子電解質膜１の形状及び開口部６Ｗの形状に応じて決定される。

次に、毛管構造体配設領域６２は、ＭＥＡ周縁部配設領域６１との間がシール材５３によって仕切られて形成されている。ここでは、ＭＥＡ周縁部配設領域６１の外周に沿ってシール材５３が環状に塗布されている。そして、この環状のシール材の外周に沿って毛管構造体配設領域６２が環状に形成されている。これによって、毛管構造体５１の水分がＭＥＡ５内部に漏出することを防止することができる。

また、毛管構造体配設領域６２は、冷却水供給マニホールド孔１４Ｉ及び冷却水排出マニホールド孔１４Ｅ双方をそれぞれ包囲して形成されている。これによって、冷却水供給マニホールド孔１４Ｉ及び冷却水排出マニホールド孔１４Ｅの孔壁に吸水部を形成することができる。

なお、吸水部は冷却水供給マニホールド孔１４Ｉ及び冷却水排出マニホールド孔１４Ｅのうちの少なくとも一方に形成されていればよい。したがって、毛管構造体配設領域６２は、冷却水供給マニホールド孔１４Ｉ及び冷却水排出マニホールド孔１４Ｅのうちの少なくとも一方に面して形成されていればよい。

さらに、毛管構造体配設領域６２は、フィルム５２Ａの孔４５Ａを領域内に含んで形成されている。これによって、孔４５Ａの位置において毛管構造体５１が露出して蒸散部７Ａを形成することができる。

シール材５３には、防水性があり、セル１０の発熱温度以上の耐熱性があり、水、アノードガス及びカソードガスに対して化学的安定な材質が好適である。例えば、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）等のエラストマーが好適である。

図１２は、図１１のアノード側フィルムにシール材、ＭＥＡ及び毛管構造体が配設された状態を示す平面図である。

図１２に示すように、フィルム５２Ａ上のＭＥＡ周縁部配設領域６１及び毛管構造体配設領域６２にはそれぞれＭＥＡ５及び毛管構造体５１が配設されている。

ＭＥＡ５は、開口部６Ｗに電極層４Ａ、４Ｃが位置して、高分子電解質膜１の周縁部がＭＥＡ周縁部配設領域６１に収容されて配置される。

毛管構造体５１は、毛管構造体配設領域６２に収容されて配設される。ここで、フィルム５２Ａのアノード側の孔４５Ａにおいて毛管構造体５１が露出する。

図１３は、図９のＭＥＡ部材の中心部材のカソードセパレータ側を示す平面図である。

図１３に示すように、カソード側フィルム５２Ｃが、シール材５３、ＭＥＡ５の周縁部及び毛管構造体５１を覆うようにして、中心部材６Ｂに配置されている。そして、カソード側フィルム５２Ｃが配置された中心部材６Ｂは熱処理されて、内部のシール材５３が硬化されている。熱処理によってシール材５３は、フィルム５２Ａ、５２Ｃ、ＭＥＡ５の周縁部の高分子電解質膜１及び毛管構造体５１それぞれと接合しながら硬化するので、中心部材６Ｂは一体化されている。

ここで、カソード側フィルム５２Ｃは、枠形であって、矩形の外形を有し、中央に開口部６Ｗが形成されている。また、開口部６Ｗの周縁部にボルト孔１５、２５，３５及び各種マニホールド孔１２Ｉ，１２Ｅ，１３Ｉ，１３Ｅ，１４Ｉ，１４Ｅが厚さ方向に貫通して形成されている。

また、フィルム５２Ｃには、カソード側の孔４５Ｃが毛管構造体５１に接する位置に形成されている。これによって、孔４５Ｃの位置において毛管構造体５１が露出して蒸散部７Ｃを形成することができる。具体的には、カソードガス供給マニホールド孔１３Ｉと開口部６Ｗとの間の領域において、カソード側の孔４５Ｃが形成されている。

ここで、カソード側フィルム５２Ｃに好適なフィルムは、アノード側フィルム５２に好適なフィルムと同様である。また、フィルム５２Ｃは、触媒層２Ｃと同程度の厚みを有している
以上のように、中心部材６Ｂは、平行する一対の枠形のフィルム５２Ａ、５２Ｃ、を有する。そして、一対のフィルム５２Ａ、５２Ｃに高分子電解質膜１の周縁部が挟まれてフィルム５２Ａ、５２Ｃの枠内にＭＥＡ５が配設されている。また、一対のフィルム５２Ａ、５２Ｃには毛管構造体５１が挟まれている。さらに、高分子電解質膜１の周縁部及び毛管構造体５１の周囲をそれぞれ仕切り、かつ高分子電解質膜１の周縁部、毛管構造体５１及び一対のフィルム５２Ａ、５２Ｃを一体化するようにして、シール材５３が一対のフィルム５２Ａ、５２Ｃの間に配設されている。

次に、アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃには、それぞれ平板状の弾性体であって、セル１０の発熱温度以上の耐熱性を有する材質が好適である。これによって、ＰＥＦＣ本体の締結荷重において良好なシール性を確保することができる。

なお、アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃには水及びアノードガスに対して化学的安定な材質が好適である。具体的には、フッ素ゴム、熱可塑性弾性物質がアノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃの材質として好適である。熱可塑性弾性物質としては、ポリオレフィン系熱可塑性弾性物質であるサントプレン8101-55（Advanced Elasotomer System社製）を例示することができる。

アノード側部材６Ａは、アノード側フィルム５２Ａと同じ平面形状を有している。すなわち、図１０に示されるように、中央に開口部６Ｗが形成され、開口部６Ｗの周囲にボルト孔１５、２５，３５及び各種マニホールド孔１２Ｉ，１２Ｅ，１３Ｉ，１３Ｅ，１４Ｉ，１４Ｅが厚さ方向に貫通して形成されている。そして、フィルム５２Ａの孔４５Ａと連通する位置に、アノード側部材６Ａにも孔４５Ａが形成されている。

同様に、カソード側部材６Ｃは、カソード側フィルム５２Ｃと同じ平面形状を有している。すなわち、図１３に示されるように、中央に開口部６Ｗが形成され、開口部６Ｗの周囲にボルト孔１５、２５，３５及び各種マニホールド孔１２Ｉ，１２Ｅ，１３Ｉ，１３Ｅ，１４Ｉ，１４Ｅが厚さ方向に貫通して形成されている。そして、フィルム５２Ｃの孔４５Ｃと連通する位置に、カソード側部材６Ｃにも孔４５Ｃが形成されている。

このような構成により、蒸散部７Ａは、アノード側部材６Ａ及びアノード側フィルム５２Ａを連通して形成されているアノード側の孔４５Ａの底部において毛管構造体５１が外部に露出して構成されている。同様にして、蒸散部７Ｃは、カソード側部材６Ｃ及びカソード側フィルム５２Ｃを連通して形成されているカソード側の孔４５Ｃの底部において毛管構造体５１が外部に露出して構成されている。

ここで、蒸散部７Ａ、７Ｃは、冷却水供給マニホールド孔１４Ｉ及び冷却水排出マニホールド孔１４ＥよりもＭＥＡ周縁部配設領域６１に接近して形成されている。このような構造によって、蒸散部７Ａ、７Ｃの水分は、ＭＥＡ５の反応熱によって、より加熱されるので、より多くの水分を蒸散させることができる。ここでは、蒸散部７Ａ、７Ｃは、アノードガス供給マニホールド孔１２Ｉと開口部６Ｗとの間の領域、及び、カソードガス供給マニホールド孔１３Ｉと開口部６Ｗとの間の領域に形成されている。

なお、アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃの外部面はそれぞれアノードセパレータ９Ａ及びカソードセパレータ９Ｃの内面と密着できるように構成されている。すなわち、ここでは、アノードセパレータ９Ａ及びカソードセパレータ９Ｃの内面は平面状であるので、アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃの外面はそれぞれＭＥＡ５のガス拡散層４Ａ、４Ｃと同一平面上に位置するように形成されている。具体的には、アノード側部材６Ａはアノード側ガス拡散層４Ａと、カソード側部材６Ｃはカソード側ガス拡散層４Ｃと、それぞれ同等の厚さとなるように構成されている。あるいは、セパレータ９Ａ、９ＣのＭＥＡ当接領域２０，３０がセパレータ９Ａ、９Ｃの内面より一段高く形成されている場合には、アノード側部材６Ａは、ＭＥＡ当接領域２０の段差の分だけアノード側ガス拡散層４Ａよりも厚く、カソード側部材６ＣはＭＥＡ当接領域３０の段差の分だけカソード側ガス拡散層４Ｃよりも厚く、構成されていればよい。これによって、セル１０組立状態時においてガス拡散層４Ａ、４Ｃと、アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃとは、等しくセパレータ９Ａ、９Ｃに当接して押圧されるので、アノードガス、カソードガスあるいは冷却水の外部あるいは流路外への漏出を抑制することができる。

このようなＭＥＡ部材７の構造によって、アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃはそれぞれ量産することができ、かつ、中心部材６Ｂは、所定の形状の一対のフィルム５２Ａ、５２Ｃを用意した上で、いずれかのフィルム５２Ａ、５２Ｃ上にＭＥＡ５の周縁部の高分子電解質膜１、シール材５３及び毛管構造体５１を配置して、これらの上に他方のフィルム５２Ａ，５２Ｃを被せて、熱処理することによって製造できる。すなわち、ＭＥＡ部材７の量産を容易にすることができる。

また、中心部材６Ｂは、図１０乃至図１３の工程に基づいて製作することができる。したがって、シール材を硬化させることによって、一工程で中心部材６Ｂの構成要素を一体化させることができるので、中心部材６Ｂの製造工程を合理化することができる。

さらに、ＭＥＡ部材７は、アノード側部材６Ａ、中心部材６Ｂ及びカソード側部材６Ｃの３つの部材をそれぞれ別部材として構成されている。すなわち、セル１０の組立時にこれらが積層かつ密着されてＭＥＡ部材７として一体化される。具体的には、セル１０組立状態時において、アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃが中心部材６Ｂのフィルム５２Ａ，５２Ｃにそれぞれ積層して配設される。したがって、これら部材６Ｂ、６Ａ、６Ｃをそれぞれ別部材とすることによって、中心部材６Ｂ、アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃの一体化工程を省略することができるので、ＭＥＡ部材の量産性をより向上させることができる。

次に、以上のように構成されたスタック９９の運転動作を図１を参照しながら説明する。

まず、アノードガス供給マニホールド９２Ｉにはアノードガスが、カソードガス供給マニホールド９３Ｉにはカソードガスが、それぞれ供給される。

アノードガスは各アノードガス供給マニホールド孔２２Ｉからアノード流路溝２１へとそれぞれ分岐して流通する。同様にして、カソードガスは各カソードガス供給マニホールド孔３３Ｉからカソード流路溝３１へとそれぞれ分岐して流通する。それぞれのガスはそれぞれの供給マニホールド９２Ｉ、９３Ｉにおいて、ＰＥＦＣの電池反応熱によって予熱される。

また、冷却水は各冷却水供給マニホールド孔２４Ｉ，３４Ｉから冷却水流路溝２６へとそれぞれ分岐して流通する。

また、冷却水の一部は、冷却水供給マニホールド孔１４Ｉあるいは冷却水排出マニホールド孔１４Ｅの孔壁において毛管構造体５１に浸入する。そして、毛管構造体５１を伝って蒸散部７Ａ、７Ｃに到達する。

ここで、セル１０の発電運転時には、ＭＥＡ５における電池反応の反応熱が、高分子電解質膜１、シール材５３、フィルム５２Ａ、５２Ｃ、アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃのうちの少なくとも一つの部材を経由して毛管構造体５１に伝熱されるので、毛管構造体５１に浸入した水分が加熱される。さらに、蒸散部７Ａ、７Ｃは冷却水供給マニホールド孔１４Ｉ及び冷却水排出マニホールド孔１４ＥよりもＭＥＡ５に接近した位置に構成されているので、蒸散部７Ａ、７Ｃにおいてより多くの水分を蒸散させることができる。

そして、アノードガス流路溝２１内のアノードガスは、アノードガス供給マニホールド孔２２ＩからＭＥＡ当接領域２０に至るまでの区間のアノードガス流路溝２１において、蒸散部７Ａから蒸散してくる水分によって加湿及び加熱される。同様にして、カソードガス流路溝３１内のアノードガスも、カソードガス供給マニホールド孔３３ＩからＭＥＡ当接領域３０に至るまでの区間のカソードガス流路溝３１において、蒸散部７Ｃから蒸散してくる水分によって加湿及び加熱される。

アノードガスがＭＥＡ当接領域２０のアノード流路溝２１に到達すると、アノード側ガス拡散層４Ａがアノードガスに曝露される。アノードガスは、アノード側ガス拡散層４Ａ内に拡散しながら透過し、アノード側触媒層２Ａに到達する（図８参照）。同様にして、カソードガスがＭＥＡ当接領域３０のカソード流路溝３１に到達すると、カソード側ガス拡散層４Ｃがカソードガスに曝露される。カソードガスは、カソード側ガス拡散層４Ｃ内に拡散しながら透過し、カソード側触媒層２Ｃに到達する（図５参照）。

ここで、アノードセパレータ９Ａ、カソードセパレータ９Ｃ、集電板（図示せず）及び外部の電気回路（図示せず）を経由してアノード側触媒層２Ａとカソード側触媒層２Ｃとの電気的な接続回路が構成されると、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応が進行して、カソード側電極およびカソードガス流路溝３１において水が生成されるとともに、熱と電気とが生じる。

そして、余剰のアノードガスはアノード流路溝２１に接続されているアノードガス排出マニホールド孔２２Ｅに排出されて、アノードガス排出マニホールド９２Ｅから外部へと排出される。同様にして、余剰のカソードガスはそれぞれのカソード流路溝３１に接続されているカソードガス排出マニホールド孔３３Ｅに排出されて、カソードガス排出マニホールド９３Ｅから外部へと排出される。さらに冷却水は、冷却水流路溝２６，３６に接続されている冷却水排出マニホールド孔２４Ｅ、３４Ｅに排出されて、冷却水排出マニホールド孔９４Ｅから外部へと排出される。

（第２実施形態）
第２実施形態のＭＥＡ部材は、カソード側フィルム５２Ｃ及びカソード側部材６Ｃの孔４５Ｃを省略する点以外は第１実施形態のＭＥＡ部材７と同じ構造である（図９参照）。

すなわち、第２実施形態のＭＥＡ部材には、カソードセパレータ９Ｃ側の蒸散部７Ｃが形成されず、アノードセパレータ９Ａ側の蒸散部７Ａが形成されている。したがって、セル１０において冷却水は、カソードガスの加湿及び加熱に用いられない構造となり、アノードセパレータ９Ａ側の蒸散部７Ａによって、アノードガス流路溝２１のアノードガスの加湿及び加熱に用いられる構造となる。

（第３実施形態）
第３実施形態のＭＥＡ部材は、アノード側フィルム５２Ａ及びアノード側部材６Ａの孔４５Ａを省略する点以外は第１実施形態のＭＥＡ部材７と同じ構造である（図９参照）。

すなわち、第３実施形態のＭＥＡ部材には、アノードセパレータ９Ａ側の蒸散部７Ａが形成されず、カソードセパレータ９Ｃ側の蒸散部７Ｃが形成されている。したがって、セル１０において冷却水は、アノードガスの加湿及び加熱に用いられない構造となり、カソードセパレータ９Ｃ側の蒸散部７Ｃによって、カソードガス流路溝３１のカソードガスの加湿及び加熱に用いられる構造となる。

ここで、本発明のＭＥＡ部材は、毛管構造体５１が、冷却水供給マニホールド孔１４Ｉの孔壁及び冷却水排出マニホールド孔１４Ｅの孔壁のうちの少なくとも一方において吸水部が形成され、ＭＥＡ部材の少なくとも一方の主面において蒸散部が形成され、かつ吸水部及び蒸散部を結ぶようにして埋設されていればよい。例えば、本実施形態のＭＥＡ部材７は、下記の変形例１のような構造とすることができる。

［変形例１］
図１４は、変形例１のＭＥＡ部材における、図３のＡ−Ａ線におけるセル組立状態時の断面図である。

変形例１は、ＭＥＡ部材７の枠体６の構造が変形されている。つまり、中心部材６Ｂのシール材５３及びフィルム５２Ａ、５２Ｃが省略され、アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃによって、毛管構造体５１が挟まれている構造である。

ここで、アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃは、ＭＥＡ５の周縁部に延伸している高分子電解質膜１を挟み、アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃ同士も接合して構成されている。したがって、ＭＥＡ部材７は一体構造となっている。

アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃには、サントプレン8101-55（Advanced Elasotomer System社製）のような熱可塑性弾性物質が用いられる。

図１４に示すように、アノード側部材６Ａの内面側の平面形状は、毛管構造体配設領域６２とＭＥＡ周縁部配設領域６１とが、それぞれ、それらの厚みの程度、あるいは、その半分程度窪んで形成されている。

カソード側部材６Ｃの内面側の平面形状は、毛管構造体配設領域６２に収容される毛管構造体５１と、ＭＥＡ周縁部配設領域６１に配設される高分子電解質膜１の周縁部を挟んで、アノード側部材６Ａと接合するように構成されている。

変形例１のＭＥＡ部材は以下のような方法によって製造することができる。

第１の工程では、上下分割の金型（図示せず）を用いた射出成形によって、アノード側部材６Ａが製作される。上側の金型には、毛管構造体配設領域６２とＭＥＡ周縁部配設領域６１とが凸部となって形成されている。これによって、アノード側部材６Ａの内面側の平面形状は、図１４に示されるように、毛管構造体配設領域６２とＭＥＡ周縁部配設領域６１とが、それぞれ、それらの厚みの程度、あるいは、その半分程度窪んで形成される。

そして、第２の工程では、上側の金型が取り外されて、アノード側部材６ＡのＭＥＡ周縁部配設領域６１に高分子電解質膜１の周縁部が配設され、アノード側部材６Ａの毛管構造体配設領域６２に毛管構造体５１が配設される。

そして、第３の工程では、カソード側部材６Ｃの形状が形成されている金型（図示せず）がアノード側部材６Ａの上側に接合され、射出成形によって、カソード側部材６Ｃが製作される。この際、射出成形時の熱と圧力とによって、カソード側部材６Ｃは、アノード側部材６Ａ、毛管構造体５１及び高分子電解質膜１と熱圧着される。すなわち、ＭＥＡ部材７が一体化して製作される。

なお、蒸散部７Ａ、７Ｃ、を除いて毛管構造体５１の両主面にフィルムが接合されていると好適である。すなわち、アノード側部材６Ａあるいはカソード側部材６Ｃの射出成形時における毛管構造体５１内への熱可塑性弾性物質の浸入を防止することができるので、毛管構造体５１内への熱可塑性弾性物質の部分的な浸入による毛管構造体５１の吸水能力の低下を防止することができる。

これら一連の工程は、スライド金型または回転金型を用いることにより、一つの成形機内で第１工程乃至第３工程を連続して行うことが可能である。これによって、工程がさらに簡素化され、ＭＥＡ１の量産性をさらに向上させることができる。

最後に、開口部６Ｗ内の高分子電解質膜１に触媒層２Ａ，２Ｃ及びガス拡散層４Ａ、４Ｃが形成されて、ＭＥＡ５が作製される。

（第４実施形態）
第４実施形態は、第１実施形態のＭＥＡ部材７の平面形状のみが異なる実施形態である。したがって、その他の構成は、実施の形態１と同様なので、ＭＥＡ部材７の平面形状における第１実施形態との相違点のみを説明する。

図１５は、第４実施形態の中心部材のアノードセパレータ側平面図である。図１６は、図１５の中心部材のカソードセパレータ側平面図である。図１７は、第４実施形態のアノードセパレータの内面を示す平面図である。図１８は、第４実施形態のカソードセパレータの内面を示す平面図である。図１５乃至図１８において、図１乃至図９と同一又は相当する構造には同一の符号を付する。

図１５乃至図１８に示すように、アノードガス供給マニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ、カソードガス供給マニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、カソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ、冷却水供給マニホールド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、および冷却水排出マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅが開口部６Ｗの側方両脇に配設されている。ここで、アノードガスとカソードガスとはＭＥＡ５を隔膜にして対向して流れるように構成されている。つまり、アノードガス供給マニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉとカソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅとが開口部６Ｗの一方の側方に位置し、アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅとカソードガス供給マニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉとが、開口部６Ｗの他方の側方に位置するように構成されている。

図１５及び図１６に示すように、ＭＥＡ部材７の中心部材６Ｂにおいて、毛管構造体５１はこれらマニホールド孔と開口部６Ｗとの間に配設されている。そして、図１５及び図１７に示すように、アノード側の蒸散部７Ａはアノードガス供給マニホールド孔１２ＩとＭＥＡ５との間において、アノードガスセパレータ９Ａのアノードガス流路溝２１が当接する領域に形成されている。同様にして、図１６及び図１８に示すように、カソード側の蒸散部７Ｃはカソードガス供給マニホールド孔１３ＩとＭＥＡ５との間において、カソードガスセパレータ９Ｃのカソードガス流路溝３１が当接する領域に形成されている。

そして、図１７及び図１８に示すように、アノードセパレータ９Ａ及びカソードセパレータ９Ｃにおいて、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１は、それぞれアノードガス供給マニホールド２２Ｉ及びカソードガス供給マニホールド３３ＩからＭＥＡ当接領域２０，３０に至るまでの区間において格子状に流路溝が形成され、かつ、当該区間は平面視においてＭＥＡ当接領域２０，３０の側端に向かって拡幅するような扇形の形状に形成されている。ＭＥＡ当接領域２０，３０においてはＭＥＡ当接領域２０、３０の側端同士を結ぶように複数本の流路溝が平行して形成されている。ＭＥＡ当接領域２０，３０からアノードガス排出マニホールド２２Ｅ及びカソードガス排出マニホールド３３Ｅに至るまでの区間においては、格子状に流路溝が形成され、かつ、当該区間は平面視においてアノードガス排出マニホールド２２Ｅ及びカソードガス排出マニホールド３３Ｅに向かって縮小するような扇形の形状に形成されている。

これによって、セル１０組立状態時には、アノードガス供給マニホールド２２Ｉ及びカソードガス供給マニホールド３３ＩからＭＥＡ当接領域２０，３０に至るまでの区間のアノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１それぞれに蒸散部７Ａ、７Ｃが当接することとなる。そして、第１実施形態と同様に、アノードガス及びカソードガスへの加湿及び加熱を行うことができる。

以上、第１乃至第４実施形態において示したように、本発明のＭＥＡ部材７は、枠体６の冷却水供給マニホールド孔１４Ｉの孔壁及び冷却水排出マニホールド孔１４Ｅの孔壁のうちの少なくとも一方には、水分を吸水する吸水部が形成され、かつ、枠体６のカソードセパレータ９Ｃ側の面及びアノードセパレータ９Ａ側の面のうちの少なくとも一方において水分を蒸散する蒸散部７Ａ、７Ｃが形成され、かつ、枠体６の体内には吸水部１４Ｉ，１４Ｅと蒸散部７Ａ，７Ｃとを結ぶ毛管構造体５１が埋設されている。このような構成により、冷却水供給マニホールド孔１４Ｉ及び／あるいは冷却水排出マニホールド孔１４Ｅの水分が、毛管構造体５１の毛管作用によって枠体６内を流通し、かつ、毛管構造体５１内の水分がＭＥＡ５の反応熱によって加熱されるので、アノードセパレータ９Ａ側の面及び／あるいはカソードセパレータ９Ｃ側の面において水分が蒸散する。したがって、ＭＥＡ部材７は水分を吸水し、輸送し、蒸散させることができる。

また、蒸散部７Ａ、７Ｃは従来のＭＥＡ部材の枠体の面部の拡大を要さずに確保することができるので、ＭＥＡ部材７をコンパクトに構成することができる。

さらに、ＭＥＡ部材７は、金属製等セパレータの材質に限らず広く種々の材質のセパレータに対しても適用できる。したがって、本発明のＰＥＦＣは、いかなる材質のセパレータを用いてもアノードガス及び／あるいはカソードガスを加湿及び加熱することができ、かつＰＥＦＣ本体をコンパクトに構成することができる。

特に、金属製のセパレータは、他の材質のセパレータに比べ、厚さを薄くすることができるので、セパレータ９Ａ、９Ｃを金属製にすることによって、ＰＥＦＣ本体をよりコンパクトに構成することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態は一例であり、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、第１実施形態においては、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１に応じて、ＭＥＡ部材７の蒸散部２１，３１の位置を決めているが、蒸散部２１，３１を決めてから、蒸散部２１，３１の位置に応じてアノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１が蒸散部７Ａ、７Ｃに当接する領域を経由するようにして形成することもできる。

また、ＭＥＡ部材７の吸水部あるいは蒸散部は毛管構造体５１を露出させずに構成することもできる。例えば、蒸散部７Ａ、７Ｃ、冷却水供給マニホールド孔１４Ｉの孔壁、あるいは冷却水排出マニホールド孔１４Ｅの孔壁において、毛管構造体５１の表面が透水性物質、例えば多孔質物質によって被覆されて構成することもできる。あるいは蒸散部７Ａ、７Ｃを構成する孔４５Ａ、４５Ｃに透水性物質を嵌め込んで構成することもできる。

ここで、第１乃至第３実施形態のＭＥＡ部材を用いて構成されたスタック９９を用いた本発明のＰＥＦＣの実施例と従来のＭＥＡ部材を用いて構成された比較例とを説明する。

［実施例１］
第１実施形態のＭＥＡ部材７を以下のように作製した。

ＭＥＡ５には、ジャパンゴアテックス社製「ＰＲＩＭＥＡ（登録商標）５５６１」を用いた。触媒層２Ａ，２Ｃ及びガス拡散層４Ａ、４Ｃからなる電極の平面面積はそれぞれ、５００ｃｍ２とした。

アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃには、フッ素ゴムのシート材を用いた。そして、孔４５Ａ、４５Ｃ、開口部６Ｗ、及び各種マニホールド孔４２Ｉ，４２Ｅ，４３Ｉ，４３Ｅ，４４Ｉ，４４Ｅの形成は打ち抜き加工によって形成した。

フィルム５２Ａ、５２Ｃには、厚み１０μｍのＰＥＮ製フィルム（帝人DuPont社製Ｔｅｏｎｅｘ（登録商標）Ｑ５１）を用いた。

シール材５３には、粘度が適切に調整され、溶媒希釈されたＥＰＤＭを用いた。ＭＥＡ部材７を１５０℃で熱処理してＥＰＤＭを硬化させた。

毛管構造体５１は、直径３μｍのポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維からなる、厚み３０μの不織布（日本Ｖｉｌｅｎｅ社製 試作品）を所定の形状に切断して製作した。

このＭＥＡ部材７と、セパレータ９Ａ、９Ｃとを用いてスタック９９を組み立てて、発電運転を行った。

セパレータ９Ａ，９Ｃは、ＰＥＦＣ用耐食高電気伝導ステンレス板（住友金属社製試作品）をプレス加工により製作した。

スタック９９にはセル１０を４００段積層させた。

スタック９９に、アノードガスとして乾燥した水素ガスを１，０００リットル／分、カソードガスとして乾燥空気を５，０００リットル／分の流量を予熱せずにそれぞれ大気温度で供給した。また、冷却水は７０℃の温度で１８９リットル／分の流量で供給した。そして、セル当たりの電圧０．６５Ｖ、電流密度０．８Ａ／ｃｍ２として発電運転をさせた。すなわち、スタック９９を（０．６５×４００）×（０．８×５００）＝１０４，０００Ｗの電気出力で発電運転させた。

その結果、スタック９９から排出される冷却水の温度は７３．２℃であった。

また、５０００時間にわたり発電運転を継続したところ、スタック９９の出力電圧の降下率は１０００時間当たり１．５ｍＶであった。加湿不足によると思われる発電能力の劣化は認められなかった。

［実施例２］
カソード側の蒸散部７Ｃが形成されていない点を除いて実施例１と同様の構造のＭＥＡ部材、すなわち第２実施形態のＭＥＡ部材を作製した。そして、このＭＥＡ部材を用いて実施例１と同じセパレータ９Ａ、９Ｃを用いてスタックを組み立てて、実施例１と同様の発電運転を行った。ただし、実施例２のＭＥＡ部材にはカソードガスへの加湿及び加熱の機能がないので、カソードガスの空気を露点７２℃に加湿及び加熱して供給した。

その結果、スタック９９から排出される冷却水の温度は７８．９℃であった。

［実施例３］
アノード側の蒸散部７Ａが形成されていない点を除いて実施例１と同様の構造のＭＥＡ部材、すなわち第３実施形態のＭＥＡ部材を作製した。そして、このＭＥＡ部材を用いて実施例１と同じセパレータ９Ａ、９Ｃを用いてスタックを組み立てて、実施例１と同様の発電運転を行った。ただし、実施例３のＭＥＡ部材にはアノードガスへの加湿及び加熱の機能がないので、アノードガスの水素ガスを露点７２℃に加湿及び加熱して供給した。

その結果、スタック９９から排出される冷却水の温度は７４．２℃であった。

［比較例］
アノード側部材６Ａ及びカソード側部材６Ｃの蒸散部７Ａ、７Ｃが形成されていない点、及びウィク５１を埋設せずにシール材５３のみをフィルム５２Ａ、５２Ｃの間に配設した点、以外は実施例１と同様の構造のＭＥＡ部材、すなわち従来と同様の構成のＭＥＡ部材を作製した。そして、このＭＥＡ部材を用いて実施例１と同じセパレータ９Ａ、９Ｃを用いてスタックを組み立てて、実施例１と同様の発電運転を行った。ただし、比較例のＭＥＡ部材にはアノードガス及びカソードガスへの加湿及び加熱の機能がないので、アノードガスの水素ガス及びカソードガスの空気をそれぞれ露点７２℃に加湿及び加熱して供給した。

その結果、スタックから排出される冷却水の温度は８０℃であった。

実施例２及び比較例の結果から、アノードガスの加湿状況を検証することができる。すなわち、実施例２の排出冷却水温度と比較例の排出冷却水温度との温度差ΔＴ２＝８０−７８．９＝１．１℃は、アノードガスの加湿に用いられた水の気化熱に寄って生じている。つまり、水の潜熱は、２，２５７ｋＪ／ｋｇであるから、アノードガス中に気化した水分量は、４．１９Ｊ×１８９ｋｇ／ｍｉｎ．×１．１℃／２，２５７＝０．３８６ｋｇ／ｍｉｎ．となる。この水分量の水蒸気の大気圧下の体積は、３８６ｇ×２２．４×１０-3／１８ｇ＝０．４８０ｍ３となる。したがって、アノードガス流量が１ｍ３／ｍｉｎ．であるので、アノードガス中の水蒸気分圧は、１．０１３×１０５×０．４８０／（０．４８０＋１）＝３．２９×１０４Ｐａとなる。この水蒸気分圧と公知の水蒸気分圧表とを照合することによって、アノードガスの露点が約７１℃となっているものと推察された。これより、本発明の第２実施形態によって、アノードガスへの概ね好ましい加湿能力を達成できることがわかった。

また、同様にして、実施例３及び比較例の結果から、カソードガスの加湿状況を検証することができる。すなわち、実施例３の排出冷却水温度と比較例の排出冷却水温度との温度差ΔＴ３＝８０−７４．２＝５．８℃から、カソードガス中に気化した水分量は４．１９Ｊ×１８９ｋｇ／ｍｉｎ．×５．８／２，２５７＝２．０４ｋｇ／ｍｉｎ．となる。この水分量の水蒸気の大気圧下の体積は、２，０４０ｇ×２２．４×１０-3／１８ｇ＝２．５４ｍ３となる。したがって、カソードガス流量が５ｍ３／ｍｉｎ．であるので、カソードガス中の水蒸気分圧は、１．０１３×１０５×２．５４／（２．５４＋５）＝３．４１×１０４Ｐａとなる。この水蒸気分圧と公知の水蒸気分圧表とを照合することによって、アノードガスの露点が約７２℃となっておるものと推察された。これより、本発明の第３実施形態によって、カソードガスへの概ね好ましい加湿能力を達成できることがわかった。

さらに、実施例１の排出冷却水温度と比較例の排出冷却水温度との温度差ΔＴ１＝８０−７３．２＝６．８℃であり、ΔＴ１≒ΔＴ２＋ΔＴ３の関係となった。すなわち、概ね、実施例２及び実施例３の加湿能力が達成されているものと推察された。

本発明のＭＥＡ部材は、水分を吸水し、輸送し、蒸散させることができ、かつコンパクトに構成することがきる、ＭＥＡ部材として有用である。

また、本発明のＰＥＦＣは、いかなる材質のセパレータを用いてもアノードガス及び／あるいはカソードガスを加湿及び加熱することができ、かつ高分子電解質形燃料電池本体をコンパクトに構成することができる、ＰＥＦＣとして有用である。

図１は、本発明の第１実施形態のＰＥＦＣ本体のセル及びスタックの積層構造を示す部分分解斜視図である。 図２は、図１のスタックのセル間の積層構造を示す分解斜視図である。 図３は、図１のＭＥＡ部材のカソードセパレータ側平面図である。 図４は、図１のＭＥＡ部材のアノードセパレータ側平面図である。 図５は、図３のＡ−Ａ線におけるセル組立状態時の断面図である。 図６は、図３のＢ−Ｂ線におけるセル組立状態時の断面図である。 図７は、図３のＣ−Ｃ線におけるセル組立状態時の断面図である。 図８は、図４のＤ−Ｄ線におけるセル組立状態時の断面図である。 図９は、図１のＭＥＡ部材の積層構造を示す分解斜視図である。 図１０は、図９のＭＥＡ部材のアノード側フィルムの平面図である。 図１１は、図１０のアノード側フィルムにシール材が塗布された状態を示す平面図である。 図１２は、図１１のアノード側フィルムにシール材、ＭＥＡ及び毛管構造体が配設された状態を示す平面図である。 図１３は、図９のＭＥＡ部材の中心部材のカソードセパレータ側を示す平面図である。 図１４は、変形例１のＭＥＡ部材における、図３のＡ−Ａ線におけるセル組立状態時の断面図である。 図１５は、第４実施形態の中心部材のアノードセパレータ側平面図である。 図１６は、図１５の中心部材のカソードセパレータ側平面図である。 図１７は、第４実施形態のアノードセパレータの内面を示す平面図である。 図１８は、第４実施形態のカソードセパレータの内面を示す平面図である。

符号の説明

１ 高分子電解質膜
２Ａ アノード側触媒層
２Ｃ カソード側触媒層
４Ａ アノード側ガス拡散層
４Ｃ カソード側ガス拡散層
５ 膜−電極接合体（ＭＥＡ）
６ 枠体
６Ａ アノード側部材
６Ｂ 中心部材
６Ｃ カソード側部材
７ ＭＥＡ部材
７Ａ、７Ｃ 蒸散部
９Ａ アノードセパレータ
９Ｃ カソードセパレータ
１０ セル
１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ アノードガス供給マニホールド孔
１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ アノードガス排出マニホールド孔
１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ カソードガス供給マニホールド孔
１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ カソードガス排出マニホールド孔
１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ 冷却水供給マニホールド孔
１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅ 冷却水排出マニホールド孔
１５，２５，３５ ボルト孔
２０、３０ ＭＥＡ当接領域
２１ アノードガス流路溝
２６、３６ 冷却水流路溝
３１ カソードガス流路溝
４５Ａ、４５Ｃ 孔
５１ 毛管構造体
５２Ａ，５２Ｃ フィルム
５３ シール材
６１ ＭＥＡ周縁部配設領域
６２ 毛管構造体配設領域
９２Ｉ アノードガス供給マニホールド
９２Ｅ アノードガス排出マニホールド
９３Ｉ カソードガス供給マニホールド
９３Ｅ カソードガス排出マニホールド
９４Ｉ 冷却水供給マニホールド
９４Ｅ 冷却水排出マニホールド
９９ スタック

Claims (7)

1. ＭＥＡと、
   前記ＭＥＡの周縁部に延在する高分子電解質膜を保持することによって枠内に該ＭＥＡが配設され、かつアノードガス供給マニホールド孔、カソードガス供給マニホールド孔、冷却水供給マニホールド孔、アノードガス排出マニホールド孔、カソード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が厚み方向に貫通して形成された、板状の枠体と、を有し、
   前記枠体の冷却水供給マニホールド孔の孔壁及び冷却水排出マニホールド孔の孔壁のうちの少なくとも一方には水分を吸水するための吸水部が形成され、前記枠体の少なくとも一方の主面には水分を蒸散するための蒸散部が形成され、かつ、前記枠体には前記吸水部と前記蒸散部とを結んで毛管構造体が埋設されている、ＭＥＡ部材。
2. 前記吸水部及び前記蒸散部は、前記毛管構造体が外部に露出して構成されている、請求項１に記載のＭＥＡ部材。
3. 前記蒸散部は、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よりも前記ＭＥＡに近い位置に形成されている、請求項１に記載のＭＥＡ部材。
4. 平行する一対の枠形のフィルム、該一対のフィルムに前記高分子電解質膜の周縁部が挟まれて該フィルムの枠内に配設されたＭＥＡ、該一対のフィルムに挟まれて配設された前記毛管構造体、ならびに、前記高分子電解質膜の周縁部及び前記毛管構造体の周囲をそれぞれ仕切り、かつ前記高分子電解質膜の周縁部、前記毛管構造体及び該一対のフィルムを一体化するようにして、該一対のフィルムの間に配設されるシール体、を有する中心部材と、
   該中心部材の一方の主面のフィルムに積層して配設された、枠形のアノード側部材と、
   該中心部材の他方の主面のフィルムに積層して配設された、枠形のカソード側部材と、を備える、請求項２に記載のＭＥＡ部材。
5. 前記中心部材、前記アノード側部材、及び前記カソード側部材は、それぞれ別部材であって、高分子電解質形燃料電池構成状態において、これらが積層して構成される、請求項３に記載のＭＥＡ部材。
6. 請求項１に記載のＭＥＡ部材と、前記ＭＥＡ部材を挟むアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を有するセルが１以上積層されてなり、
   前記アノードセパレータは、前記ＭＥＡのアノードガス供給マニホールド孔、カソードガス供給マニホールド孔、冷却水供給マニホールド孔、アノードガス排出マニホールド孔、カソード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に対応する位置に、それぞれ、アノードガス供給マニホールド孔、カソードガス供給マニホールド孔、冷却水供給マニホールド孔、アノードガス排出マニホールド孔、カソード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を有し、かつ、その内面に、該アノードガス供給マニホールド孔と該アノードガス排出マニホールド孔とを結ぶアノードガス流路溝を有しており、
   前記カソードセパレータは、前記ＭＥＡのアノードガス供給マニホールド孔、カソードガス供給マニホールド孔、冷却水供給マニホールド孔、アノードガス排出マニホールド孔、カソード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に対応する位置に、それぞれ、アノードガス供給マニホールド孔、カソードガス供給マニホールド孔、冷却水供給マニホールド孔、アノードガス排出マニホールド孔、カソード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を有し、かつ、その内面に、該カソードガス供給マニホールド孔と該カソードガス排出マニホールド孔とを結ぶカソードガス流路溝を有しており、
   前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝のうちの少なくとも一方が前記ＭＥＡの前記蒸散部に接するように形成されている、高分子電解質形燃料電池。
7. 前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータが金属製である、請求項５に記載の高分子電解質形燃料電池。

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