JP2004103455A

JP2004103455A - 固体高分子型燃料電池およびその運転方法

Info

Publication number: JP2004103455A
Application number: JP2002265256A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Aoki; 青木　克徳
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】バイポーラプレートの厚み方向での水の移動量を増加可能とする。
【解決手段】反応ガスを供給するガス流路１１と加湿用の水流路１０を対向する面に備えたバイポーラプレート６に、ガス流路１１と水流路１０とを連結させて貫通孔１３を設け、貫通孔１３に親水性部材を含浸させて貫通孔１３内を水バッファー層とした。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から外部加湿器によらず燃料電池スタック内で固体高分子膜を加湿する内部加湿式の固体高分子型燃料電池が知られており、反応生成水を酸化ガス流路内で自己循環させて自己加湿するもの（特許文献１参照）や多孔質（ポーラス）バイポーラプレートのポーラス孔の毛細管現象を利用して加湿するものが提案されている。
【０００３】
上記前者は反応生成水を酸化ガス流路内で自己循環させて自己加湿するものであり、後者は、多孔質バイポーラプレートの微細なポーラス孔の毛細管現象により、固体高分子膜の過剰領域の水は背面側の内部加湿用水流路側へ移動させ、逆に、固体高分子膜の水不足領域には背面側の内部加湿用の水流路から水を供給するものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−４２８４４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記前者の従来例では、生成水が生じないアノード側には適用できないものであり、上記後者の従来例では、アノード側およびカソード側を問わず適用できるものの、ポーラスバイポーラプレートの厚み方向での水の移動が微速であり、加湿に必要な水の移動量が十分に得られないものであった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、バイポーラプレートの厚み方向での水の移動量を増加可能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、反応ガスを供給するガス流路と加湿用の水流路を対向する面に備えたバイポーラプレートに、ガス流路と水流路とを連通させて貫通孔を設け、貫通孔に親水性部材を含浸させて貫通孔内を水バッファー層とした。
【０００８】
また、板圧方向に水を透過可能に形成し、反応ガスを供給するガス流路と加湿用の水流路を対向する面に備えたバイポーラプレートに、バイポーラプレートから絶縁してガス流路の底部と水流路とに相対して位置する一対の微小電極を設け、前記一対の電極に外部から電圧を印加可能とした。
【０００９】
【発明の効果】
したがって、本発明では、バイポーラプレートのガス流路と水流路とを貫通孔により連通させ、貫通孔に親水性部材を含浸させて貫通孔内を水バッファー層とするため、バイポーラプレート厚み方向の水移動量を増加させることができ、内部加湿能力が増大し、優れた内部加湿型の固体高分子型燃料電池を得ることができる。
【００１０】
また、本発明では、板圧方向に水を透過可能なバイポーラプレートから絶縁してガス流路の底部と水流路とに相対した位置に配置して外部から電圧を印加可能な一対の微小電極を設けたため、この一対の微小電極に電圧を印加することにより生ずる電気浸透効果により、ガス流路側から水流路側へ、あるいは、水流路側からガス流路側へ水を移動せしめることにより、バイポーラプレート厚み方向の水の移動量を増大することが可能となり、内部加湿能力が増大し優れた内部加湿型の固体高分子型燃料電池を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムを各実施形態に基づいて説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、本発明を適用した固体高分子型燃料電池の一例を示し、燃料電池の単セルの断面図である。
【００１３】
図１において、固体高分子型燃料電池１の単セルは、固体高分子膜３の両面にガス拡散電極４を接合した膜電解質接合体２と、膜電解質接合体２の周囲に配置したガスケットシール５と、膜電極接合体２およびガスケットシール５を両側から挟んで配置した空気極バイポーラプレート６および水素極バイポーラプレート７と、空気極バイポーラプレート６の背面に配置されて内部加湿用兼冷却用の水流路１０を形成するソリッドプレート８とから構成している。
【００１４】
前記空気極バイポーラプレート６、水素極バイポーラプレート７、および、ソリッドプレート８は、何れも導電性を有する素材、例えば、カーボンにより形成する。空気極バイポーラプレート６および水素極バイポーラプレート８は、何れもガス若しくは液体が流通可能な多孔質（ポーラス）に形成し、ソリッドプレート８はガスや液体が透過しないよう形成している。
【００１５】
前記空気極バイポーラプレート６および水素極バイポーラプレート７は、膜電解質接合体２に対面する側に夫々膜電解質接合体２に空気または水素を供給するためのガス流路１１、１２を形成して備える。また、空気極バイポーラプレート６は、その背面に内部加湿用兼冷却用の水流路１０のための流路溝１０Ａを形成し、流路溝１０Ａとガス流路１１とを連通させる貫通孔１３を複数備える。水流路１０は燃料電池スタック１外から供給された水をスタック１内で循環させてスタック１外へ排出する外部循環式やスタック１内でのみ循環する内部循環式のいずれの形式であってもよい。
【００１６】
前記ガス流路１１、１２は、例えば、幅１ｍｍ、深さ１ｍｍを流路断面とする流路をサーペンタイン型に配置して備える。これらのガス流路１１、１２は、図示しない入口マニホールドおよび出口マニホールドに夫々連通され、入口マニホールドから供給される空気または水素をガス流路１１、１２に沿って案内し、反応に供されなかった空気および水素は出口マニホールドから排出する。
【００１７】
前記流路溝１０Ａは、空気極バイポーラプレート６の背面にソリッドプレート８を接触させることで、内部加湿用兼冷却用の水流路１０を形成する。この水流路１０は、例えば、幅１ｍｍ、深さ１ｍｍに形成する。なお、前記流路溝１０Ａは空気極バイポーラプレート６の背面に設けることなく、ソリッドプレート８の空気極バイポーラプレート６への当接面側に形成してもよい。
【００１８】
前記貫通孔１３は、内部加湿兼冷却用の水流路１０とガス流路１１とを連通させて数百ミクロンの直径、例えば、０．３ｍｍの孔を１０個／ｍｍ^２の面密度で設け、親水性部材で処理されている。前記貫通孔１３は、機械加工やレーザ加工等により空気極バイポーラプレート６のガス流路１１の底面における任意の場所に設けることができるが、燃料電池発電中における膜面内での水過剰領域と水過不足領域が特定できる場合は、特にそのような部位に設けることが加湿水の移動には好適である。親水性部材としては、含水率の大きな高分子電解質、例えば、吸水性高分子材料が使用でき、特に固体高分子型燃料電池の膜材料であるナフィオン等を使用することができ、他には、シリカ等の無機親水性材料等も使用することができる。高分子電解質親水性部材は、空気極バイポーラプレート６に設けた貫通孔１３内へ、アルコール等の有機溶剤からの吸着含侵法で、空気極バイポーラプレート６に設けた貫通孔１３内に吸着して設けることが可能となる。即ち、親水性部材として、例えば、５ＷＴ％ナフィオン含有アルコール溶液中に空気極バイポーラプレート６を２４時間浸漬し、次いで、空気極バイポーラプレート６を約１００℃で３時間乾燥せしめて、空気極バイポーラプレート６の無数のポーラス孔および貫通孔１３の内部および表面にナフィオン膜を設ける。
【００１９】
貫通孔１３は、百ミクロン〜数百ミクロンと径が大きいため、水で濡らすことで水を保持して水のバッファー層を形成する。また、貫通孔１３の縁を含めて貫通孔１３には親水性部材が含浸されているため、水を貫通孔１３内に確実に保持してガスの透過を防止するガス遮断機能を発揮する他、親水性部材により水に濡れやすくしているために速やかに水を透過させることができる。なお、ポーラス孔内は水を表面張力により良好に保持してガスの透過を防止する。
【００２０】
図２は、空気極バイポーラプレート６のポーラス孔Ｐの開口端における水滴の状態（Ａ）と、貫通孔１３の開口端における水滴の状態（Ｂ）とを示すものである。
【００２１】
図２（Ａ）では、親水部材による処理がなされておらず、表面の水がポーラス孔Ｐに侵入する場合に、濡れが小さく（即ち、接触角が大きく）、ポーラス孔Ｐに浸透していけないので水移動量は小さくなることを示している。また、ポーラス孔Ｐの密度が小さい、即ち、単位体積当たりの密度が大きくない点でも水移動量が小さいものである。
【００２２】
他方、図２（Ｂ）においては、親水性部材により処理された貫通孔１３が示され、開口端の水滴が濡れて潰れ（即ち、接触角が小さい）、水が速やかに貫通孔１３に出入りし易い構成が示されている。この数百ミクロンの貫通孔１３中の水移動速度は、親水性部材が常に水で濡れていることから微速にはならず、開口端の水が、数百ミクロンの貫通孔１３に侵入していく速度で決まることとなる。この場合、水によるガスシール、即ち、ガス流路１１からガスが水流路１０にぬけてしまう可能性をなくするために、親水性部材を含侵させて封止して、水は移動できるが、ガスは透過しないようにしている。
【００２３】
以上の構成になる固体高分子型燃料電池の作用について以下に説明する。なお、空気極バイポーラプレート６は、数ミクロン程度のポーラス孔をもつ所謂ポーラスバイポーラプレートを用いるものとする。
【００２４】
膜電極複合体２の両側のガス拡散電極４には、水素極バイポーラプレート７に設けたガス通路１２を経由して水素と、酸素極バイポーラプレート６に設けたガス通路１１を経由して酸素を含む空気とを夫々供給し、内部加湿用兼冷却用の水流路１０に冷却水を供給することで、燃料電池を作動させることができる。
【００２５】
空気極側のガス拡散電極４には、電池反応により水が生成され、この水は固体高分子膜３および水素極側のガス拡散電極４を湿潤させる。固体高分子膜３では水過剰領域と水不足領域とを生じる。例えば、空気極側のガス流路１１の入口近辺における固体高分子膜３では乾き気味となるドライアウトを生じ易く、また、ガス流路１１の出口側に連なる後半部分の固体高分子膜３では湿潤が過剰となるフラッディングを生じやすい。
【００２６】
水不足領域のガス流路１１に開口する貫通孔１３からは、バッファーしている水をガス拡散電極４を経由して固体高分子膜３に供給し、貫通孔１３内には背面の水流路１０中の水が補給される。この時の水の供給および停止は、例えば、ガス拡散電極４および固体高分子膜３が乾燥気味の場合には貫通孔１３の開口端に接近し湿潤状態では離反するものを設けることにより達成することができる。即ち、ガス拡散電極４および固体高分子膜３が乾燥気味となると貫通孔１３の開口端に接近して貫通孔１３内にバッファーしている水をガス拡散電極４および固体高分子膜３に導入し、ガス拡散電極４および固体高分子膜３が湿潤状態となると離反して水の導入を止めるようにできる。この場合の水の移動速度は、貫通孔１３の内面および開口縁が親水性部材により常に水で濡れていることから水の縁の接触角が小さくなる分だけ速くできる。即ち、速やかに水不足領域を湿潤できる。
【００２７】
また、水過剰領域のガス流路１１に開口する貫通孔１３には、ガス流路１１に溢れた水が開口から貫通孔１３に導入され、次いで貫通孔１３内の水は水流路１０中に排出される。詳しくは、貫通孔１３の開口近くまで達した水は貫通孔１３の開口にある水と合体し、開口縁の親水性部材によりその接触角が小さくされることによって貫通孔１３内に引き込んで水を導入する。その導入速度は接触角を小さくするほど速くなる。即ち、速やかに水過剰領域の水を導入して湿潤状態を適正とする。
【００２８】
なお、貫通孔１３の背面同士を連結する水流路１０は０．１ｍｍ〜１ｍｍ相当の深さと幅で形成しているために水の横方向への移動速度は速い。
【００２９】
従って、セル発電時に生ずる高分子膜での水過剰領域と水不足領域との間において水を移動させることにより上記水のアンバランスを解消することができる。
【００３０】
なお、空気極バイポーラプレート６のポーラス孔および裏面の流路溝１０Ａのみにより水のアンバランスを解消する場合には、ポーラス体の厚み方向を横切る方向に対してはポーラス孔の径が数ミクロンであり、しかも、ポーラス孔は単位面積あたりの密度が大きくないため、充分な水の移動量が得られない。
【００３１】
なお、ポーラス孔径が数ミクロンのバイポーラプレートでは、ポーラス孔における表面張力によりガスの機密性も保持できることから、ポーラス孔表面のみに親水性部材を設け、ポーラス孔全体を必ずしも封止する必要はない。
【００３２】
また、空気極バイポーラプレート６および水素極バイポーラプレート７は、カーボン多孔質材料からなるポーラスバイポーラプレートに代えて、ポーラスバイポーラプレートのポーラス孔を樹脂封止したバイポーラプレートや金属材料からなるバイポーラプレートにより形成するとガスの透過を防止できる。
【００３３】
図３は上記した固体高分子型燃料電池を、大気圧下温度６０℃で無加湿の水素および空気を供給して運転し、電流―電圧曲線を測定したグラフである。図中実線は本実施形態の燃料電池の特性を示し、破線は比較例の燃料電池の特性を示す。比較例は、空気極カーボンプレートにガス流路とその裏面の内部加湿循環用の水流路とを連通させる貫通孔を設けていないものである。
【００３４】
図３から明らかなように、空気極バイポーラプレート６において、貫通孔１３に水バッファー層として親水性部材を設けることにより、バイポーラプレート厚み方向の水移動速度を速めることが可能となり、よって内部加湿能力が増大し、優れたセル性能を得ることができる。
【００３５】
また、本実施形態の変形例として、バイポーラプレートとしてカーボン多孔質材料からなるポーラスバイポーラプレートを樹脂封止してバイポーラプレートとし、ガス流路１１の底面と内部加湿循環用の水流路溝１０Ａの底面とを下記に記載する貫通孔１３により連通させた。
【００３６】
即ち、貫通孔１３を、直径０．３ｍｍから直径０．１ｍｍの孔に変更して面密度を１０個／ｍｍ^２から２０個／ｍｍ^２に変更して設けたものである。それ以外の構成は、図１と同一であり、同一条件で電流―電圧特性を評価した。この結果は、図１の実施形態のバイポーラプレートを用いた場合とほぼ同様な結果が得られた。
【００３７】
このバイポーラプレートは、バイポーラプレートのポーラス孔を樹脂封止したバイポーラプレート、または、金属材料からなるバイポーラプレートも使用でき、ガス遮断のために設ける貫通孔１３の径を図１のバイポーラプレートに設ける貫通孔１３に比較してやや小さくして、親水性材料で貫通孔１３内に形成する水バッファー層によるガス遮断機能を向上できる。
【００３８】
図４は、図１における空気極バイポーラプレート６と同様に、水素極側バイポーラプレート７においても、ガス流路１２の底面とその裏面に設けた内部加湿循環用の水流路１４の底面を通ずるように貫通孔１３Ａを設け、ナフィオンを含侵させて、自己加湿型燃料電池単セル１を構成したものである。図１と同条件で、電流―電圧曲線を測定した。本実施形態の空気極のみに貫通穴１３を設けた場合と同様に良好な性能を得ることができた。
【００３９】
本実施形態においては、下記に記載する効果を奏することができる。
【００４０】
（ア）バイポーラプレート６、７のガス流路１１、１２と水流路１０、１４とを貫通孔１３、１３Ａにより連通させ、貫通孔１３、１３Ａに親水性部材を含浸させて貫通孔１３、１３Ａ内を水バッファー層とするため、バイポーラプレート６、７の厚み方向の水移動量を増加させることができ、内部加湿能力が増大し、優れた内部加湿型の固体高分子型燃料電池を得ることができる。
【００４１】
（イ）さらに、親水性部材を吸水性高分子材料で形成するため、バイポーラプレート６、７に設けた貫通孔１３、１３Ａ内へ、アルコール等の有機溶剤からの吸着含侵法で貫通孔１３、１３Ａ内に吸着して設けることが可能となる。
【００４２】
（ウ）本実施形態の変形例においては、カーボン多孔質材料からなるポーラスバイポーラプレートに加えて、ポーラスバイポーラプレートのポーラス孔を樹脂封止したバイポーラプレート、または、金属材料からなるバイポーラプレートも使用でき、ガス遮断のために設ける貫通孔１３、１３Ａの径をポーラスバイポーラプレートに設ける貫通孔１３、１３Ａに比較してやや小さくして、親水性材料で貫通孔１３、１３Ａ内に形成する水バッファー層によるガス遮断機能を向上できる。
【００４３】
（エ）また、図４に示す固体高分子型燃料電池１においては、空気極およびまたは燃料極のバイポーラプレート６、７が、ガス流路１１、１２と水流路１０、１４とを連結させて親水性部材を含浸させた貫通孔１３、１３Ａを備えるよう構成している。内部加湿機能を実現するためには、空気極で生成する水を内部循環させるために、特に空気極バイポーラプレート６に上記貫通孔１３を設けることが好適である。当然のことながら、燃料極バイポーラプレート７にも上記貫通孔１３Ａを設けると、例えば、水蒸気を含有する改質燃料あるいは水蒸気を含有しない高圧純水素等の燃料に応じて燃料極側の加湿の必要度合いに応じて、燃料極バイポーラプレート７に対して適用すればよい。
【００４４】
（第２実施形態）
図５は、本発明を適用した固体高分子型燃料電池の第２実施形態を示す、固体高分子型燃料電池の単セルの断面図である。本実施形態においては、電気浸透効果によりガス流路と水流路との水の流通を制御するようにしたものである。なお、図１と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００４５】
図５において、多孔質の空気極バイポーラプレート６のガス流路１１および水流路１０には、相対する一対の線状の微小電極１５Ａ、１５Ｂを設けている。微小電極１５Ａ、１５Ｂは、ガス流路１１および水流路１０の各流路形状および流路寸法に合わせて任意に選ぶことが可能であり、線状、板状、微小球状等があるが、典型的な流路溝幅の大きさが１ｍｍ程度であり、また、バイポーラプレート内部に挿入できうる形状として、径が０．５ｍｍ以下の極細線状が好ましく、また電極材料としては白金または金等の貴金属を使用することができる。具体的には、空気極バイポーラプレート６の外辺の一部を削り、絶縁材料１６Ａ，１６Ｂをおよび微小電極１５Ａ、１５Ｂを挿入し、微小電極１５Ａ、１５Ｂの先端がガス流路１１および水流路１０内に位置させて配置し、微小電極１５Ａ、１５Ｂの端子に外部電源１７を接続し、電圧が印加できるようにする。なお、ガス流路１１の底面および水流路１０の底面に相対して一対の電極１５Ａ、１５Ｂを設ける場合、空気極バイポーラプレート６外辺から細孔を設け、外周を絶縁被覆し、先端部の流路内の水に触れる部分は被覆しない微小電極を所望の位置に挿入してもよい。
【００４６】
微小電極１５Ａ、１５Ｂ自体とバイポーラプレート６間の電気的な接触を防いで電圧が液水に印加され、導電性のバイポーラプレート６に微小電極１５Ａ、１５Ｂからの電流が流れないように絶縁をとる手段としては、上述したように、微小電極１５Ａ、１５Ｂ表面を絶縁性セラミックス等の多孔質絶縁材料で被覆すればよいが、微小電極１５Ａ、１５Ｂ用細孔を設ける個所のバイポーラプレート６を切り出してその部分に絶縁材料１６Ａ，１６Ｂを埋め込む等の手段を講じてもよい。この場合の絶縁部材の大きさは微小なため、バイポーラプレート６の導電性には影響を与えない。
【００４７】
微小電極１５Ａ、１５Ｂは所望の数、位置が選べるが、熱測定や分割電極等の手段により、高分子電解質膜面の水分布があらかじめ得られている場合は、特に水過剰領域や水不足領域に前記微小電極１５Ａ、１５Ｂを設けることが効果的である。
【００４８】
以上の構成になる固体高分子型燃料電池の作用について以下に説明する。
【００４９】
この固体高分子型燃料電池１においては、一対の微小電極１５Ａ、１５Ｂに外部電源１７を接続すれば、燃料電池１の発電運転の如何に係わらず、電極１５Ａ、１５Ｂ間に電圧を印加し、バイポーラプレート６の裏表間で電気浸透効果により水の移動を促進することが可能になる。
【００５０】
前記電気浸透効果は、ガラス等の多孔質体材料の両側に水を満たした状態で多孔質体固体層と水の接触界面に電圧を加えると、多孔質体表面に対して水の相対的な移動が起こる効果であり、一般に水溶液層が負極電極側に引かれることが知られている。
【００５１】
本実施形態は、上記移動効果を、燃料電池内部の水管理、特に、一方の面にはガス流路１１をもう一方の面には加湿用の水流路１０を設けた内部加湿型の固体高分子型燃料電池１におけるポーラスなバイポーラプレート６に適用を図ったものである。
【００５２】
印加する電圧値は、相対する電極１５Ａ、１５Ｂ間に存在するポーラスバイポーラプレート６の厚みにも依存するが、電場強度として約１万Ｖ／ｍ程度になるような値であれば効果があり、通常のバイポーラプレート６底部の厚み０．５ｍｍ程度に対しては、数Ｖ程度の電圧を与えればよい。
【００５３】
図６は、上記構成の自己加湿型の固体高分子型燃料電池１の単セルに、大気圧下温度６０℃で無加湿の水素および空気を供給し、電流密度０．５Ａ／ｃｍ^２で発電を行い、１０秒間に１秒間の割合で微小電極１５Ａ、１５Ｂに１Ｖの電圧を加えた場合（本発明例）と微小電極１５Ａ、１５Ｂに電圧を印加しない場合（比較例）との電圧の時間変化を測定した測定結果を示す。図６において、比較例においては徐々に電圧が低下するのに対し、本発明例では定期的に微小電極１５Ａ、１５Ｂ間に電圧を印加することにより生ずる電気浸透効果によりガス流路１１側から水流路１０側に水を定期的に移動せしめて初期の電圧を維持でき、内部加湿運転を良好に行えることが解かる。
【００５４】
図７は、上記構成の自己加湿型の固体高分子型燃料電池１の単セルに、大気圧下温度６０℃で無加湿の水素および空気を供給し、電流密度０．７Ａ／ｃｍ^２で発電を行い、セル電圧が０．５Ｖ以下に低下した場合に約１秒間微小電極１５Ａ、１５Ｂに１Ｖの電圧を加えた場合の電圧の時間変化を示したものである。
【００５５】
図７から明らかなように、セル電圧の低下時に電気浸透効果によるポーラスバイポーラプレート６内の水移動を促進させることにより、セル性能を回復させることが可能であることが解かる。
【００５６】
図８は、本実施形態の応用例を示し、ガス流路１１と水流路１０との対応する部分毎に対となる微少電極１５Ａ、１５Ｂ〜１５Ｅ、１５Ｆを夫々配置し、電解質膜の湿潤状態に応じて一対となったいずれか一方を負極電極とし他方を正極電極として作動させるようにしたものである。従って、燃料電池１の運転時に、電解質膜が乾き気味（ドライアウト）となる領域においてはガス流路１１側の微小電極１５Ａ若しくは１５Ｅを負極電極にして水流路１０の水をガス流路１１側へ供給するようにし、電解質膜が過湿気味（フラッディング）となる領域においては水流路１０側の微小電極１５Ｂ若しくは１５Ｆを負極電極にしてガス流路１１の水を水流路１０側へ排出するようにする。即ち、電解質膜の湿潤状態に応じて一対となっている微小電極１５Ａ、１５Ｂ〜１５Ｅ、１５Ｆへ加える電圧印加方向を決定するようにする。なお、一対の微小電極１５Ａ、１５Ｂ〜１５Ｅ、１５Ｆの複数組を同時に作動させると干渉が生ずる場合には、作動時間を各々ずらせる等の時分割作動を行わせればよい。
【００５７】
なお、上記実施形態においては、バイポーラプレート６として多孔質のポーラスバイポーラプレートを用いるものについて説明しているが、図示しないが、ポーラスバイポーラプレートのポーラス孔を樹脂封止し、第１実施形態と同様の貫通孔を形成し、貫通孔内に吸水性高分子材料ナフィオンやシリカ等の無機親水性材料等の多孔質材料を挿入してバイポーラプレート６として使用することが可能である。
【００５８】
また、本実施形態は燃料電池１が発電していない状態でももちろん使用することができる。例えば、そのような場合として燃料電池１の停止時のポーラスバイポーラプレート６からの水ぬきプロセスや、フラッディングによるセル電圧低下により緊急停止した場合の水つまり状態を素早く緩和させるプロセス等に利用できる。
【００５９】
本実施形態においては、以下に記載した効果を奏することができる。
【００６０】
（オ）板圧方向に水を透過可能なバイポーラプレート６から絶縁した状態でガス流路１１の底部と水流路１０とに相対した位置に配置して外部から電圧を印加可能な一対の微小電極１５Ａ、１５Ｂを設けたため、この一対の微小電極１５Ａ、１５Ｂに電圧を印加することにより生ずる電気浸透効果により、ガス流路１１側から水流路１０側へ、あるいは、水流路１０側からガス流路１１側へ水を移動せしめることにより、バイポーラプレート６の厚み方向の水の移動量を増大することが可能となり、内部加湿能力が増大し優れた内部加湿型の固体高分子型燃料電池１を得ることができる。
【００６１】
（カ）バイポーラプレート６としては、いわゆるポーラスバイポーラプレートを用いることができる他に、ポーラスバイポーラプレートのポーラス孔を樹脂封止したバイポーラプレートが使用することが可能であり、後者の場合にはバイポーラプレート６に貫通孔１３を設け、その内部に吸水性高分子材料のナフィオンや、シリカ等の無機親水性材料等の多孔質材料を挿入して設ければよい。
【００６２】
（キ）図８においては、一対の微小電極１５Ａ、１５Ｂ〜１５Ｅ、１５Ｆへの印加電圧の極性は、反転可能に外部電源１７に接続されているため、燃料電池１の運転時において、フラッディングが起こっている場合には、ガス流路１１側からバイポーラ裏面の水流路１０へ水を移動することができ、また該電極１５Ａ、１５Ｂ〜１５Ｅ、１５Ｆへの印加電圧の極性を必要に応じた微小電極において反転させれば、同じ電極構成のまま、水の動きを反転させることも可能になり、同一領域でのフラッディングおよびドライアウトにそれぞれ対応して使用することができる。
【００６３】
（ク）図７においては、一対の微小電極１５Ａ、１５Ｂへの電圧の印加を燃料電池運転中にセル電圧が所定の電圧以下になるとき実行するため、例えば、水のフラッディングによるセル電圧の低下と合わせて採用することができる。即ち、フラッディングによる一定値電圧以下のセル電圧低下を検出した場合当該セルのバイポーラプレート６に設けた微小電極１５Ａ、１５Ｂで、加湿用の水流路１０が負側となるように電圧を印加することにより、ガス流路１１にある過剰の水を水流路１０側に移動せしめ、フラッディングを解消することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す固体高分子型燃料電池の断面図。
【図２】バイポーラプレートのポーラス孔の開口端における水滴の状態（Ａ）と貫通孔の開口端における水滴の状態（Ｂ）とを示す断面図。
【図３】図１における固体高分子型燃料電池および比較例の燃料電池の特性曲線を示すグラフ。
【図４】図１の変形例を示す固体高分子型燃料電池の断面図。
【図５】本発明の第２実施形態を示す固体高分子型燃料電池の断面図。
【図６】第２実施形態の固体高分子型燃料電池および比較例の電圧の時間変化を示したグラフ。
【図７】第２実施形態の固体高分子型燃料電池の電圧の時間的変化を示したグラフ。
【図８】第２実施形態の固体高分子型燃料電池の応用例を示す断面図。
【符号の説明】
１　固体高分子型燃料電池
２　膜電解質接合体
３　固体高分子膜
４　ガス拡散電極
５　ガスケットシール
６　空気極バイポーラプレート
７　水素極バイポーラプレート
８　ソリッドプレート
１０　内部加湿用兼冷却用の水流路
１１、１２　ガス流路
１３、１３Ａ　貫通孔
１５Ａ、１５Ｂ〜１５Ｅ、１５Ｆ　微小電極
１７　外部電源

Claims

一方の面には膜電極接合体に反応ガスを供給するガス流路を有し且つ他方の面には加湿用の水流路を有するバイポーラプレートを備えた固体高分子型燃料電池において、
前記ガス流路と水流路とを連通させて貫通孔を設け、
前記貫通孔に親水性部材を含浸させて貫通孔内を水バッファー層とすること特徴とする固体高分子型燃料電池。
前記バイポーラプレートは、カーボン多孔質材料からなるポーラスバイポーラプレート、ポーラスバイポーラプレートのポーラス孔を樹脂封止したバイポーラプレート、または、金属材料からなるバイポーラプレートのうちのいずれか一つ以上から構成することを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
前記バイポーラプレートは、空気極または燃料極のバイポーラプレートであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
前記親水性部材は、吸水性高分子材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
一方の面には膜電極接合体に反応ガスを供給するガス流路を有し且つ他方の面には加湿用の水流路を有するバイポーラプレートを備えた内部加湿型の固体高分子型燃料電池において、
前記バイポーラプレートを板圧方向に水を透過可能に形成し、
前記バイポーラプレートから絶縁してガス流路の底部と水流路とに相対して位置する一対の微小電極を設け、
前記一対の電極に外部から電圧を印加可能としたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
前記バイポーラプレートは、多孔質材料からなるポーラスバイポーラプレートであることを特徴とする請求項５に記載の固体高分子型燃料電池。
一方の面には膜電極接合体に反応ガスを供給するガス流路を有し且つ他方の面には加湿用の水流路を有するバイポーラプレートを備えた固体高分子型燃料電池であって、
前記バイポーラプレートを板圧方向に水を透過可能に形成する一方、前記バイポーラプレートから絶縁してガス流路の底部と水流路とに相対して位置させて外部から電圧を印加可能な一対の微小電極を設け、
前記一対の微小電極間に電圧を印加することにより生ずる電気浸透効果により、ガス流路側から水流路側へあるいは水流路側からガス流路側へ水を移動せしめることを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
前記一対の微小電極への印加電圧の極性は、反転可能に外部電源に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の固体高分子型燃料電池の運転方法。
前記一対の微小電極への電圧の印加は、燃料電池運転中にセル電圧が所定の電圧以下となった場合に実行することを特徴とする請求項７に記載の固体高分子型燃料電池の運転方法。