JP2005302709A

JP2005302709A - 高分子電解質型燃料電池

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Publication number: JP2005302709A
Application number: JP2005071255A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Takeguchi; 伸介竹口; Teruhisa Kanbara; 輝壽神原; Kazuhito Hado; 一仁羽藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】燃料電池に供給される燃料ガスや酸化剤ガスの加湿状態が変動したとしても、触媒層中の高分子電解質及び高分子電解質膜の乾燥の進行、及び、フラッディングの発生を十分に抑制することができ、アノード及びカソード並びに高分子電解質膜の劣化を抑制することができ、電池性能の低下を容易かつ確実に低減し得る高分子電解質型燃料電池の提供。
【解決手段】高分子電解質膜、高分子電解質膜を挟むアノード及びカソード、アノードに燃料ガスを供給・排出する第１のガス流路及び前記カソードに酸化剤ガスを供給・排出する第２のガス流路を有する一対のセパレータを具備する高分子電解質型燃料電池において、アノード及びカソードの互いに対向する位置にそれぞれ切欠部を設け、上記位置において高分子電解質膜が一対のセパレータで挟み、上記切欠部において高分子電解質膜をガス透過性の補強部材で支持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高分子電解質型燃料電池に関し、特に膜電極接合体とセパレータとの構造を改善することによって耐久性を向上させた高分子電解質型燃料電池に関する。

陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質膜を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて、電力と熱とを同時に発生させる。
ここで、図１１は、従来の高分子電解質型燃料電池に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。また、図１２は、図１１に示す単電池２１０に含まれる膜電極接合体（ＭＥＡ）の基本構成の一例を示す概略断面図である。
図１２に示すように、従来の高分子電解質型燃料電池のＭＥＡ２００においては、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜２０１の両面に、電極触媒（例えば白金金属）を担持した炭素粉末と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物を含んで構成された触媒層２０２ａ及び触媒層２０２ｂが形成されている。

触媒層２０２ａ及び２０２ｂの外側には、それぞれガス拡散層２０３ａ及び２０３ｂが配置されており、触媒層２０２ａとガス拡散層２０３ａとがアノード（ガス拡散電極）２０４ａを構成し、触媒層２０２ｂとガス拡散層２０３ｂとがカソード（ガス拡散電極）２０４ｂを構成している。
そして、アノード２０４ａの触媒層２０２ａでは、式（１）：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- で示される反応によってプロトンを生じ、カソード２０４ｂの触媒層２０２ｂでは、酸素とアノード２０４ａから移動してきたプロトンとが、式（２）：１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏで示される反応によって水を生成する。

図１１に示すように、図１２に示すＭＥＡ２００を用いた単電池２１０においては、アノード２０４ａ及びカソード２０４ｂに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの外部へのリーク防止や、前記２種類のガスの混合防止のため、アノード２０４ａ及びカソード２０４ｂの周囲に、高分子電解質膜２０１を挟持するようにしてガスケット２０６ａ及びガスケット２０６ｂが配置されている。
なお、ガスケット２０６ａ及び２０６ｂは、アノード２０４ａ及びカソード２０４ｂ並びに高分子電解質膜２０１と一体化してあらかじめ組み立てられ、これらを一体化して得られた構造体をＭＥＡと呼ぶこともある。

また、図１１に示すように、単電池２１０は、隣接する複数の単電池を機械的に固定しかつ電気的に接続するための、導電性を有する板状のセパレータ２０５ａ及びセパレータ２０５ｂを有する。そして、セパレータ２０５ａ及びセパレータ２０５ｂがそれぞれアノード２０４ａ及びカソード２０４ｂに接触する側の主面の部分には、それぞれアノード２０４ａ又はカソード２０４ｂに反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路２０７ａ及びガス流路２０７ｂが形成されている。
ガス流路２０７ａ及びガス流路２０７ｂは、セパレータ２０５ａ及びセパレータ２０５ｂと別に設けることもできるが、図１１に示すように、溝を設けてガス流路２０７ａ及び２０７ｂを構成するのが一般的である。

更に、発電が行われるとＭＥＡ２００は発熱するため、ＭＥＡ２００の温度を許容される動作温度に維持するために、冷却水等の冷却流体を流通させて余剰熱を取り除くことが行われる。一般的には、セパレータ２０５ａ及びセパレータ２０５ｂの少なくとも一方において、ガス流路２０７ａ及びガス流路２０７ｂが形成された面の反対側の面に、冷却水流路２０８ａ及び冷却水流路２０８ｂを設け、ここに冷却水などの冷却流体を流通させている。
そして、冷却水流路２０８ａ及び冷却水流路２０８ｂとしては、複数の直線状の溝と、隣接する直線状の溝の端を上流側から下流側へ連結するターン状の溝（カーブした形状の溝）と、からなるサーペンタイン型の冷却水流路が用いられることが多く、各溝は等間隔で形成されているのが一般的である。また、冷却水流路２０８ａ及び２０８ｂは、略平行な複数の直線状の溝によって構成されることもあるが、この場合も各溝は等間隔に形成されているのが一般的である。

ここで、高分子電解質膜２０１は、末端のスルホン酸基部分によって水素イオン交換能を発揮するが、当該水素イオン交換能の発揮のためにはある程度の水分を保持している必要があるため、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方を加湿する必要がある。ところが、加湿するガス中の水分が多くなるほどガス流路２０７ａ及びガス流路２０７ｂが閉塞されるフラッディング現象によって電池性能が低下してしまうという問題があった。
これに対し、例えば、特許文献１においては、特に燃料ガス出口近傍における水詰まりを抑制し、安定して作動する固体高分子型燃料電池を提供すること、特に、酸化剤ガスの流れ方向における温度勾配を小さくして燃料電池のセル性能及び寿命特性の向上を図ることを意図し、非電極領域を設けることが提案されている（例えば、特許文献１の図１参照）。

特許文献１に記載の固体高分子型燃料電池を図１３を用いて概略的に説明すると、燃料ガスと酸化剤ガスとを単電池２１０の面内で対向させて流し、酸化剤ガスの加湿の程度を低くして供給するガス流路構造とした単電池２１０において、水の閉塞が起こり易いアノード２０４ａ側からカソード２０４ｂ側に水の移動促進、並びにアノード２０４ａ出口部での水の閉塞回避と酸化剤ガスの加湿を意図し、図１３に示すように、高分子電解質膜２０１がセパレータ２０５ａ及びセパレータ２０５ｂと対向する面において、アノード２０４ａ及びカソード２０４ｂを備えない非電極領域２０９ａ及び非電極領域２０９ｂを設けることが提案されている。
特開2000-277128号公報

しかしながら、特に燃料電池を用いたコージェネレーションシステムなどにおいて、システム起動時や負荷変動時などに燃料ガスや酸化剤ガスの加湿状態が変動すると、まずアノード２０４ａ又はカソード２０４ｂに過加湿部分（相対湿度が１００％を超えてガスと凝縮水が混在する状態の部分）や低加湿部分（相対湿度が１００％未満となる部分）が形成される。この場合、その低加湿部分を有するアノード２０４ａ又はカソード２０４ｂが劣化したり、高分子電解質膜２０１が劣化したりし、最終的には燃料電池の性能が低下してしまう傾向にあるという問題があった。

このような問題に対し、例えば、先に述べた特許文献１に記載の技術を用い、例えば酸化剤ガスの加湿量が低下した場合に、酸化剤ガス入口側で高分子電解質膜１の非電極領域２０９ａ及び非電極領域２０９ｂを介して燃料ガスの側から酸化剤ガスの側に水分が補給されることを期待できる可能性もあると考えられる。
しかしながら、特許文献１に記載の技術の場合、酸化剤ガスの加湿の程度を低くして供給する運転条件（加湿条件）のため、上述のアノード２０４ａ又はカソード２０４ｂの劣化、高分子電解質膜２０１の劣化を十分に防止することがきわめて困難である。また、特許文献１に記載の技術の場合、露点を電池温度以上とする運転条件としても、燃料ガスと酸化剤ガスとを単電池２１０の面内で対向させて流す構成のため、単電池２１０の入口付近において反応ガスは過飽和状態となり、水分が凝縮してミストが単電池２１０のガス流路内に供給されることになり、ミストに起因するフラッディング現象が発生し易くなるという問題が生じる。また、この場合、燃料ガスと酸化剤ガスとを単電池２１０の面内で対向させて流す構成のため、燃料ガス及び酸化剤ガスの何れかが重力方向に逆らって供給される構成となる。そのため燃料ガス及び酸化剤ガスの何れかに含まれるミストを重力方向に逆らって燃料電池に供給するための余剰のエネルギーが必要となり、ガス流路２０７ａ及びガス流路２０７ｂにおける圧力損失が増大してしまうという問題を生じる。更にこの場合、フラッディングが起こり易くなって、電池性能（例えば電池電圧）が不安定に変動したり低下したりして要求される定格特性を維持することが困難となる（信頼性も低下する）。

更に、上記特許文献１に記載の燃料電池の非電極領域２０９ａ及び非電極領域２０９ｂにおいては、通常２０〜２００μｍの膜厚を有する薄い高分子電解質膜２０１がむき出しにされかつ支持されていないため、高分子電解質膜２０１の損傷や劣化が生じたり、高分子電解質膜２０１の両側を流れる燃料ガスと酸化剤ガスとが反応せずに混じり合うクロスリークを生じたりしてしまい、燃料電池の性能を低下させてしまうという問題がある。
これに加え、上記特許文献１においては、燃料ガスと酸化剤ガスとを互いに対向させて流す対向流を採用していることから、高分子電解質膜２０１にかかるストレスが増大して損傷したり、クロスリークを生じたりする可能性が高いという問題もあった。

そこで、本発明は、燃料電池に供給される燃料ガスや酸化剤ガスの加湿状態が変動したとしても、触媒層中の高分子電解質及び高分子電解質膜の乾燥の進行、及び、フラッディングの発生を十分に抑制することができ、アノード及びカソード並びに高分子電解質膜の劣化を抑制することができ、電池性能の低下を容易かつ確実に低減し得る高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。

本発明者らは、燃料電池の電池効率を十分に高く保ちつつ耐久性も十分に保つためには、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを十分に加湿する先に述べた過加湿の条件での作動が有効であるとの観点から、上述の課題を解決すべく鋭意検討した結果、過加湿の条件でもガス流路中の水分（特に液体）を容易に排出可能であり、かつ、両電極の触媒層及び高分子電解質膜中の水分量を十分に保持してこれらの乾燥の進行を十分に防止可能な以下の構成とすることが上述の目的を達成する上で極めて有効であることを見出し本発明に到達した。
即ち、本発明は、上記課題を解決すべく、
触媒層を含むアノード及び触媒層を含むカソードと、アノードとカソードとの間に配置されており、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、を含む膜電極接合体と、
膜電極接合体を挟持するように配置されており、アノードの側の主面にアノードに燃料ガスを供給・排出するための燃料ガス入口及び燃料ガス出口を有する第１のガス流路が形成され、かつ、カソードの側の主面にカソードに酸化剤ガスを供給・排出するための酸化剤ガス入口及び酸化剤ガス出口を有する第２のガス流路の形成された一対の導電性を有するセパレータと、
を少なくとも具備する単電池を含んでおり、
単電池が、一対のセパレータのアノード側及びカソード側のうちのいずれか一方の主面の法線方向が重力方向と交わるように配置されており、
一対のセパレータにおいて、燃料ガス入口と酸化剤ガス入口とが近傍の位置に形成されており、第１のガス流路は、該第１のガス流路中を燃料ガスが全体として重力に逆らう方向に流れずに重力に従う方向に流れるように形成されており、かつ、第２のガス流路は、該第２のガス流路中を酸化剤ガスが全体として重力に逆らう方向に流れずに重力に従う方向に流れるように形成されており、
膜電極接合体の高分子電解質膜のアノード側の主面には、触媒層の形成されていない第１の切欠部が形成されており、膜電極接合体の高分子電解質膜のカソード側の主面には、触媒層の形成されていない第２の切欠部が形成されており、かつ、第１の切欠部及び第２の切欠部は、高分子電解質膜のアノード側及びカソード側のうちのいずれか一方の主面の略法線方向からみた場合に、互いの少なくとも一部が重なり合うような位置に形成されており、
高分子電解質膜の第１の切欠部には、ガス透過性を有する第１の補強部材が配置されており、
高分子電解質膜の第２の切欠部には、ガス透過性を有する第２の補強部材が配置されており、
第１の切欠部及び第２の切欠部において、高分子電解質膜が第１の補強部材及び第２の補強部材により挟持されようにして支持されていること、
を特徴とする高分子電解質型燃料電池を提供する。

上記のような構成により、本発明の高分子電解質型燃料電池は、燃料電池に供給される燃料ガスや酸化剤ガスの加湿状態が変動したとしても、燃料ガスの水分と酸化剤ガスの水分とが高分子電解質膜を介してその濃度勾配をドライビングフォース（駆動源）として互いに行き来きさせることができる。そのため、加湿状態を良好な状態（触媒層中の高分子電解質及び高分子電解質膜中の良好なイオン伝導が確保できる状態）に保つとともに、この加湿状態のバランス、即ち供給される反応ガスの加湿バランスを保持することができる。更には、酸化剤ガスの入口及び還元剤ガスの入口の位置関係と、酸化剤ガスの流れ方向と還元剤ガスの流れ方向との関係を上記のようにすること（特許文献１に記載の酸化剤ガスの流れ方向と還元剤ガスの流れ方向との関係とは逆の関係にすること）により、触媒層中の高分子電解質及び高分子電解質膜の乾燥の進行、及び、フラッディングの発生を十分に回避することができる。その結果、アノード及びカソード並びに高分子電解質膜の損傷及び劣化を十分に抑制してクロスリークを抑制し、電池性能の低下を容易かつ確実に低減し得る高分子電解質型燃料電池を提供することができる。

本発明の高分子電解質型燃料電池によれば、燃料電池に供給される燃料ガスや酸化剤ガスの加湿状態が変動したとしても、触媒層中の高分子電解質及び高分子電解質膜の乾燥の進行、及び、フラッディングの発生を十分に抑制することができ、アノード及びカソード並びに高分子電解質膜の劣化を抑制することができ、電池性能の低下を容易かつ確実に低減することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態の高分子電解質型燃料電池に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。また、図２は、図１に示す単電池１１に含まれる膜電極接合体（ＭＥＡ）の基本構成の一例を示す概略断面図である。更に、図３は、図２に示すＭＥＡ１０の概略斜視図である。また、図４は、本実施形態の燃料電池に備えられるセパレータ５ａの第１のガス流路７ａ側の要部拡大正面図である。更に、図５は、本実施形態の燃料電池に備えられるセパレータ５ｂの第２のガス流路７ｂ側の要部拡大正面図である。
図２に示すように、本実施形態の高分子電解質型燃料電池のＭＥＡ１０においては、陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１の両面に、電極触媒（例えば白金金属）を担持した導電性炭素粒子で構成された触媒体と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物で構成された触媒層（第１の触媒層及び第２の触媒層）２ａ及び２ｂが形成されている。

ここで、高分子電解質膜１としては、従来公知のものを用いることができ、例えば−ＣＦ₂−で構成された主鎖及びスルホン酸基（−ＳＯ₃Ｈ）を末端の官能基として含む側鎖とを有するパーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜を用いることができる。例えば、Nafion（米国Du Pont社製）、Flemion（旭硝子（株）製）及びAciplex（旭化成（株）製）等の商品名で販売されている高分子電解質膜を使用することができる。
なお、高分子電解質膜１の膜厚は、一般的に２０〜２００μｍである。

また、触媒層２ａ及び触媒層２ｂは、貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とによって形成される。この触媒層２ａ及び２ｂの形成には、貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、上記高分子電解質と、分散媒と、を少なくとも含む触媒層形成用インクを用いる。
高分子電解質としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、及びスルホンイミド基を有するものなどが好ましく挙げられる。水素イオン伝導性の観点から、スルホン酸基を有するものが特に好ましい。

スルホン酸基を有する高分子電解質としては、イオン交換容量が０．５〜１．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂であるものことが好ましい。高分子電解質のイオン交換容量が０．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂以上であると、得られた触媒層の抵抗値が発電時に上昇するおそれがないため好ましく、イオン交換容量が１．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂以下であると、得られた触媒層の含水率が増大せず、膨潤しにくくなり、細孔が閉塞するおそれがないため好ましい。イオン交換容量は０．８〜１．２ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂が特に好ましい。

高分子電解質としては、ＣＦ₂＝ＣＦ−(ＯＣＦ₂ＣＦＸ)_m−Ｏ_p−(ＣＦ₂)_n−ＳＯ₃Ｈで表されるパーフルオロビニル化合物（ｍは０〜３の整数を示し、ｎは１〜１２の整数を示し、ｐは０又は１を示し、Ｘはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。）に基づく重合単位と、テトラフルオロエチレンに基づく重合単位とを含む共重合体であることが好ましい。
上記フルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式（１）〜（３）で表される化合物が挙げられる。ただし、下記式中、ｑは１〜８の整数、ｒは１〜８の整数、ｔは１〜３の整数を示す。
ＣＦ₂＝ＣＦＯ（ＣＦ₂）_q−ＳＯ₃Ｈ・・・（１）
ＣＦ₂＝ＣＦＯＣＦ₂ＣＦ（ＣＦ₃）Ｏ（ＣＦ₂）_r−ＳＯ₃Ｈ・・・（２）
ＣＦ₂＝ＣＦ（ＯＣＦ₂ＣＦ（ＣＦ₃））_tＯ（ＣＦ₂）₂−ＳＯ₃Ｈ・・・（３）
また、高分子電解質膜１の構成材料として、上述した高分子電解質を用いてもよい。

本発明において使用される電極触媒は、導電性炭素粒子（粉末）に担持されて用いられ、金属粒子からなる。当該金属粒子としては、特に限定されず種々の金属を使用することができる。例えば、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛及びスズよりなる群から選択される１種以上のものが好ましい。
なかでも、貴金属や白金及び白金との合金が好ましく、白金とルテニウムの合金が、アノードにおいては触媒の活性が安定することから特に好ましい。

導電性炭素粒子は比表面積が５０〜１５００ｍ²／ｇであることが好ましい。比表面積５０ｍ²／ｇ以上であると、電極触媒の担持率を上げることが比較的容易であり、得られた触媒層の出力特性が低下するおそれがないことから好ましく、比表面積が１５００ｍ²／ｇ以下であると、細孔が微細すぎずに高分子電解質による被覆が容易となり、得られた触媒層の出力特性が低下するおそれがないことから好ましい。比表面積は２００〜９００ｍ²／ｇが特に好ましい。
更に、電極触媒の粒子は平均粒径１〜３０ｎｍであることがより好ましい。平均粒径１ｎｍ以上の電極触媒は工業的に調製が容易であるため好ましく、また、３０ｎｍ以下であると、電極触媒質量あたりの活性が低くならず、燃料電池のコストアップを抑制することができ好ましい。

本発明において、触媒層形成用インクを調製するために用いる分散媒としては、高分子電解質を溶解又は分散可能（高分子電解質が一部溶解した分散状態も含む）であるアルコールを含む液体を用いることが好ましい。
分散媒は、水、メタノール、プロパノール、ｎ−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール及びｔｅｒｔ―ブチルアルコールのうちの少なくとも１種を含んでいることが好ましい。これらの水及びアルコールは単独でも使用してもよく、２種以上混合してもよい。アルコールは、分子内にＯＨ基を１つ有する直鎖のものが特に好ましく、エタノールが特に好ましい。このアルコールには、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのエーテル結合を有するものも含まれる。

また、触媒層形成用インクは、固形分濃度０．１〜２０質量％であることが好ましい。固形分濃度が０．１質量％以上であると、触媒層形成用インクの噴霧又は塗布により触媒層を作製するにあたり、何回も繰り返し噴霧又は塗布しなくても所定の厚さの触媒層を得ることができ生産効率が低下しない。また、固形分濃度が２０質量％以下であると、混合液の粘度が高くなり過ぎず、得られる触媒層が不均一となるおそれがない。
なかでも、固形分濃度で１〜１０質量％であることが特に好ましい。

本発明において、触媒層形成用インクは、従来公知の方法に基づいて調製することができる。具体的には、ホモジナイザ、ホモミキサ等の撹拌機を使用したり、高速回転ジェット流方式を使用するなどの高速回転を使用する方法、高圧乳化装置などの高圧をかけて狭い部分から分散液を押出すことで分散液にせん断力を付与する方法などが挙げられる。
本発明の触媒層形成用インクを用いて触媒層を形成する際には、従来公知の方法を用いればよい。即ち、高分子電解質膜１又はガス拡散層３ａ及び３ｂ上に直接触媒層２ａ及び２ｂを形成してもよく、他の支持体シート上に触媒層２ａ及び２ｂを形成し、これらを高分子電解質膜１又はガス拡散層３ａ及び３ｂ上に転写してもよい。

次に、触媒層２ａ及び２ｂの外側には、それぞれガス拡散層（第１のガス拡散層及び第２のガス拡散層）３ａ及び３ｂが配置されており、触媒層２ａとガス拡散層３ａとがアノード（ガス拡散電極）４ａを構成し、触媒層２ｂとガス拡散層３ｂとがカソード（ガス拡散電極）４ｂを構成している。
ガス拡散層３ａ及び３ｂは、ガス透過性及び導電性を有するカーボンペーパやカーボンフェルト等の従来公知の多孔質基材を用いて構成することができ、当該多孔質基材には従来公知の方法によって撥水処理を施してもよい。また、当該多孔質基材の面のうち、触媒層２ａ又は２ｂ側の面には従来公知の撥水性導電層を設けてもよい。
ＭＥＡ１０は、上記のような高分子電解質膜１、触媒層２ａ及び２ｂ、並びにガス拡散層３ａ及び３ｂを用い、後述の実施例で示すように第１の切欠部及び第２の切欠部を設けるとともに第１の補強部材及び第２の補強部材を設置する以外は、従来公知の方法（例えばホットプレス等）によって作製することができる。

図１に示すように、図２に示すＭＥＡ１０を用いた単電池１１は、アノード４ａ及びカソード４ｂに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの外部へのリーク防止や、前記２種類のガスの混合防止のため、アノード４ａ及びカソード４ｂの周囲に、高分子電解質膜１を挟持するようにしてガスケット６ａ及びガスケット６ｂが配置された構成を有している。
また、単電池１１は、隣接する単電池を機械的に固定しかつ電気的に接続するための、一対の導電性を有する板状のセパレータ５ａ及びセパレータ５ｂを有する。セパレータ５ａ及びセパレータ５ｂは、ＭＥＡ１０を挟持するように配置されている。
セパレータ５ａがアノード４ａに接触する側の主面の部分には、アノード４ａに燃料ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るための溝で構成されたガス流路７ａが形成されている。また、セパレータ５ｂがカソード４ｂに接触する側の主面の部分には、カソード４ｂに酸化剤ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るための溝で構成されたガス流路７ｂが形成されている。

更に、図１、図４及び図５に示すように、本実施形態の高分子電解質燃料電池の場合、単電池１１が、（Ｉ）一対のセパレータ５ａ及びセパレータ５ｂのアノード４ａ側及びカソード４ｂ側のうちのいずれか一方の主面の法線方向（Ｄ２又はＤ３）が重力方向Ｄ１と交わるように配置されている。特に、本実施形態の高分子電解質燃料電池の場合、単電池１１が、（Ｖ）上記法線方向（Ｄ２又はＤ３）が重力方向Ｄ１と略垂直に交わるように配置されている。
また、図１、図４及び図５に示すように、本実施形態の高分子電解質燃料電池の場合、（ＩＩ）一対のセパレータ５ａ及びセパレータ５ｂにおいて、燃料ガス入口孔（燃料ガス入口）２２と酸化剤ガス入口孔（酸化剤ガス入口）２５とが近傍の位置に形成されている。更に、（ＩＩＩ）第１のガス流路７ａは、該第１のガス流路７ａ中を燃料ガスが全体として重力に逆らう方向に流れずに重力に従う方向に流れるように形成されている。また、（ＩＶ）第２のガス流路７ｂは、該第２のガス流路７ｂ中を酸化剤ガスが全体として重力に逆らう方向に流れずに重力に従う方向に流れるように形成されている。

ここで、本発明において、「燃料ガス」には水素ガスなどの還元剤のほかに加湿用の水蒸気などの水分、窒素及び希ガスなどの電極反応に関与しない反応性の低いガス成分が含まれていてもよい。「酸化剤ガス」には酸素ガスなどの酸化剤のほかに加湿用の水蒸気などの水分、窒素及び希ガスなどの電極反応に関与しない反応性の低いガス成分が含まれていてもよい。
また、「燃料ガスが全体として重力に逆らう方向に流れずに重力に従う方向に流れる」状態とは、燃料ガスを微視的に見た場合に、燃料ガスを構成するガスの分子が熱運動などにより重力に逆らう方向に移動する場合があっても、燃料ガスを巨視的に見た場合（燃料ガス全体として見た場合）に重力に逆らう方向に流れずに重力に従う方向に流れる状態をいう。
更に、「酸化剤ガスが全体として重力に逆らう方向に流れずに重力に従う方向に流れる」状態とは、酸化剤ガスを微視的に見た場合に、酸化剤ガスを構成するガスの分子が熱運動などにより重力に逆らう方向に移動する場合があっても、酸化剤ガスを巨視的に見た場合（酸化剤ガス全体として見た場合）に重力に逆らう方向に流れずに重力に従う方向に流れる状態をいう。

上記（Ｉ）〜（ＩＶ）の構成を採用することにより、高分子電解質型燃料電池の電池性能や耐久性を高く維持するために反応ガスの加湿露点を高くして過飽和状態（ガスと凝縮水が混在する状態）のガスが燃料電池に供給され、さらに反応によって生成水が発生し、ガス流路中の水分量が多くなったとしても、図４に示される第１のガス流路７ａ、図５に示される第２のガス流路７ｂではそれぞれ反応ガス（反応ガス中の凝縮水）が重力に逆らわずに重力に従ってスムーズに燃料ガス出口孔２４（燃料ガス出口）及び酸化剤ガス出口孔２６（酸化剤ガス出口）まで導かれる。そのために、ガス流路の途中でのフラッディングの発生を十分に回避することができる。更に、上記（Ｖ）の構成を採用することにより、重力をドライビングフォースとする燃料ガス出口孔２４及び酸化剤ガス出口孔２６への凝縮水の移動をよりスムーズにすることができるため、上記の効果をより確実に得ることができる。またこの（Ｖ）の構成を採用する場合には、本発明の高分子電解質型燃料電池を地面などの設置面に配置し易くなる。更にこの効果は、図４及び図５に示すように、（Ｉ）〜（Ｖ）の構成に加えて、（ＶＩ）燃料ガス出口孔２４と酸化剤ガス出口孔２６とが近傍の位置に形成されている構成を採用することにより、重力をドライビングフォースとする燃料ガス出口孔２４及び酸化剤ガス出口孔２６への凝縮水の移動を更によりスムーズにすることができるため、更により確実に得ることができる。

図４及び図５に示すように、この（Ｉ）〜（ＶＩ）の構成｛ただし、（Ｖ）は必須ではなく好ましい構成｝を採用することにより、第１のガス流路７ａにおける燃料ガスの重力方向Ｄ１に従う概略的な流れの方向Ｄ４（重力方向Ｄ１に略平行であって、燃料ガスが位置エネルギーの高い側にある燃料ガス入口孔２２から位置エネルギーの低い側にある燃料ガス出口孔２４に向けて概略的に流れる方向）と、第２のガス流路７ｂにおける酸化剤ガスの重力方向Ｄ１に従う概略的な流れの方向Ｄ５（重力方向Ｄ１に略平行であって、酸化剤ガスが位置エネルギーの高い側にある酸化剤ガス入口孔２５から位置エネルギーの低い側にある燃料ガス出口孔２６に向けて概略的に流れる方向）とが略平行となる。このような（Ｉ）〜（ＶＩ）の構成｛ただし、（Ｖ）は必須ではなく好ましい構成｝の条件を満たす第１のガス流路７ａ（アノードのガス流路）と第２のガス流路７ｂ（カソードのガス流路）とを、本発明では「並行流」の構成を有する第１のガス流路７ａ（アノードのガス流路）と第２のガス流路７ｂ（カソードのガス流路）という。

さらに、上記（Ｉ）〜（ＩＶ）の構成、好ましくは（Ｉ）〜（Ｖ）の構成、更に好ましくは（Ｉ）〜（ＶＩ）の構成を採用することにより、アノードとカソードとの電極間での反応ガス間の差圧がアノード及びカソードのどの領域においても最小とすることができる。そのため、ＭＥＡ１０に与える力学的（機械的）ストレスを十分に低減することができる。また、仮にＭＥＡ１０にピンホールができたとしても上述の反応ガス間の差圧が小さくなるためクロスリーク量を十分に抑えることができる。

更に、発電が行われるとＭＥＡ１０は発熱することから、ＭＥＡ１０の温度を許容される動作温度に維持するために、セパレータ５ａ及びセパレータ５ｂは、ガス流路７ａ及び７ｂが形成された面の反対側の面に、溝で構成された冷却水流路８ａ及び８ｂが設けられた構成を有しており、ここに冷却水等の冷却流体を流通させる。

ここで、本実施形態の高分子電解質型燃料電池は、図１に示すように、ＭＥＡ１０の高分子電解質膜１のアノード４ａ側の主面には、アノード４ａの形成されていない（触媒層２ａの形成されていない）第１の切欠部９ａが形成されている。また、ＭＥＡ１０の高分子電解質膜１のカソード４ｂ側の主面には、カソード４ｂの形成されていない（触媒層２ｂの形成されていない）第２の切欠部９ｂが形成されている。
更に、第１の切欠部９ａ及び第２の切欠部９ｂは、高分子電解質膜１のアノード４ａ側及びカソード４ｂ側のうちのいずれか一方の主面の略法線方向からみた場合に、互いの少なくとも一部が重なり合うような位置に形成されている。

そして、高分子電解質膜１の第１の切欠部９ａには、ガス透過性を有する第１の補強部材１２ａが配置されている。また、高分子電解質膜１の第２の切欠部９ｂには、ガス透過性を有する第２の補強部材１２ｂが配置されている。更に、第１の切欠部９ａ及び第２の切欠部９ｂにおいて、高分子電解質膜１が第１の補強部材１２ａ及び第２の補強部材１２ｂにより挟持されようにして支持されている。
より詳しくは、図１〜３に示すように、本実施形態の高分子電解質型燃料電池のアノード４ａ及びカソード４ｂは、図１〜図３における左側部分において第１の切欠部９ａ及び第２の切欠部９ｂを有し、それぞれガス拡散層３ａ及びガス拡散層３ｂの一部が延びて第１の切欠部９ａ及び第２の切欠部９ｂにおいて第１の補強部材１２ａ及び第２の補強部材１２ｂを形成している。

したがって、本実施形態の単電池１１は、セパレータ５ａ及び５ｂによってＭＥＡ１０を挟持すると、アノード４ａ側のセパレータ５ａにおいては、図４に示す破線で囲まれたハッチング部分Ｙａにアノード４ａが位置し、カソード４ｂ側のセパレータ５ｂにおいては図８に示す破線で囲まれたハッチング部分Ｙｂにカソード４ｂが位置するように構成されている。
そして、図４及び５における部分Ｓａ及びＳｂ（即ち、第１のガス流路７ａ及び第２のガス流路７ｂの上流部分）には、それぞれ第１の補強部材１２ａ及び第２の補強部材１２ｂが位置し、高分子電解質膜１がこれら第１の補強部材１２ａ及び第２の補強部材１２ｂに支持されてセパレータ５ａ及び５ｂに挟持されている。
このように高分子電解質１の第１の切欠部９ａ及び第２の切欠部９ｂはむき出しにされるのではなく第１の補強部材１２ａ及び第２の補強部材１２ｂに支持されてセパレータ５ａ及び５ｂに挟持されているため、先に述べた特許文献１における問題の発生を十分に抑制することができる。

第１の補強部材１２ａ及び第２の補強部材１２ｂの厚みは、例えば触媒層２ａ及び２ｂほど薄くなくてもよいが、高分子電解質膜１の損傷を抑制することができるように、ＭＥＡ１０をセパレータ５ａ及び５ｂで挟持した際に高分子電解質膜１を支持しつつも完全には圧力がかからないように設計された構成を有している。
また、本実施形態においては、ガス拡散層３ａ及びガス拡散層３ｂの一部で第１の補強部材１２ａ及び第２の補強部材１２ｂを構成しているため、ガス拡散層３ａ及びガス拡散層３ｂを構成する先に述べた多孔質基材（例えばカーボンペーパやカーボンフェルト）が本来的に有する表面の凹凸状部分を利用して（即ち、当該凹凸状部分の厚みを考慮して）、第１の補強部材１２ａ及び第２の補強部材１２ｂの厚みを調整することができる。
例えば、ガス拡散層３ａ及び３ｂを構成する多孔質基材がその表面に顕著な凹凸状部分を有する場合は、アノード４ａ及びカソード４ｂ内におけるガス拡散層３ａ及び３ｂの部分の厚みと、第１の補強部材１２ａ及び第２の補強部材１２ｂを構成するガス拡散層３ａ及び３ｂの部分（延長部分）の厚みとを、ほぼ同一とすることもできる。

以上の構成により、本実施形態の高分子電解質型燃料電池は、燃料電池に供給される燃料ガスや酸化剤ガスの加湿状態が変動したとしても、燃料ガスの水分と酸化剤ガスの水分とが高分子電解質膜１を介してその濃度勾配をドライビングフォース（駆動源）として互いに行き来きさせることができる。そのため、アノード４ａ側とカソード４ｂ側における加湿状態を良好な状態（触媒層中の高分子電解質及び高分子電解質膜中の良好なイオン伝導が確保できる状態）に保つとともに、この加湿状態のバランス、即ち供給される反応ガスの加湿バランスを保持することができる。更には、先に述べた（Ｉ）〜（ＩＶ）の構成｛好ましくは（Ｉ）〜（Ｖ）の構成、更に好ましくは（Ｉ）〜（ＶＩ）の構成｝により、触媒層中の高分子電解質及び高分子電解質膜の乾燥の進行、及び、フラッディングの発生を十分に回避することができる。その結果、アノード４ａ及びカソード４ｂ並びに高分子電解質膜１の損傷及び劣化を十分に抑制し、単電池（高分子電解質型燃料電池）１１の電池性能の低下を容易かつ確実に低減することができる。

ここで、図４及び５において、第１の補強部材１２ａが位置する第１の切欠部の部分Ｓａの面積及び第２の補強部材１２ｂが位置する第２の切欠部の部分Ｓｂの面積について説明する。
本実施形態においては、図４に示すセパレータ５ａの第１のガス流路７ａの全面積を、図４において破線で示される部分（即ち、Ｓａで表される部分とＹａで表される部分の合計）で表されると仮定した場合に、第１のガス流路７ａの総面積に対する第１の切欠部（本実施形態においては第１の補強部材１２ａ）の面積の割合Ｒａが、５〜５０％であるのが好ましい。
同様に、図５に示すセパレータ５ｂの第２のガス流路７ｂの全面積を、図５において破線で示される部分（即ち、Ｓｂで表される部分とＹｂで表される部分の合計）で表されると仮定した場合に、第２のガス流路７ｂの総面積に対する第２の切欠部（本実施形態においては第２の補強部材１２ｂ）の面積の割合Ｒｂが、５〜５０％であるのが好ましい。

上記の範囲にすることによって、燃料ガスの水分と酸化剤ガスの水分の交換能を充分に発揮することができる。加湿バランスを確保しフラッディングを回避するためには最大５０％で充分であり、５０％以下であると余剰なＳａ及びＳｂ部分を生み出すことにならず好ましい。
また、本実施形態においては、アノード４ａ及びカソード４ｂが、互いに対向する位置に切欠部（第１の切欠部９ａ及び第２の切欠部９ｂ）を有するため、上記Ｒａ及びＲｂの値は略一致しているのが好ましい。

上記のように、本実施形態の単電池１１は、第１のガス流路７ａ及び第２のガス流路７ｂの上流部分において、高分子電解質膜１に露出する部分（即ち、第１の切欠部及び第２の切欠部）を形成するとともに、当該露出部分にガス透過性を有する第１の補強部材１２ａ及び第２の補強部材１２ｂを介在させ、高分子電解質膜１を第１の補強部材１２ａ及び第２の補強部材１２ｂで支持した構成を有している。
これにより、供給される燃料ガスや酸化剤ガスの加湿状態が変動したとしても、第１の補強部材１２ａ及び第２の補強部材１２ｂの部分において燃料ガスの水分と酸化剤ガスの水分とが平衡状態になり、アノード４ａ側とカソード４ｂ側の加湿状態をできる限り一定に保つことができる。そして、アノード４ａ及びカソード４ｂの加湿状態を略均一にすることができ、高分子電解質膜１の損傷及び劣化並びに電池性能の低下を抑制することができる。

なお、図４は、アノード４ａに燃料ガスを供給・排出するための第１のガス流路７ａを有するセパレータ５ａの概略平面図である。このセパレータ５ａには、燃料ガス入口孔２２、燃料ガス出口孔２４、及びこれらを繋ぐ第１のガス流路７ａが設けられている。
ガス流路７ａの形状としては、特に制限はないが、本実施形態においては、複数の直線状の溝と、隣接する直線状の溝の端を上流側から下流側へ連結するターン状の溝と、からなるサーペンタイン型のガス流路で構成されている。また。各溝は等間隔で形成された構成を有している。

また、図５は、カソード４ｂに酸化剤ガスを供給・排出するための第２のガス流路７ｂを有するセパレータ５ｂの概略平面図である。このセパレータ５ｂには、酸化剤ガス入口孔２５、酸化剤ガス出口孔２６、及びこれらを繋ぐ第２のガス流路７ｂが設けられている。
第２のガス流路７ｂの形状としても、特に制限はないが、本実施形態においては、複数の直線状の溝と、隣接する直線状の溝の端を上流側から下流側へ連結するターン状の溝と、からなるサーペンタイン形のガス流路で構成されている。また。各溝は等間隔で形成された構成を有している。

また、先に述べたように、発電が行われるとＭＥＡ１０が発熱することから、ＭＥＡ１０の温度を許容される動作温度に維持するために、セパレータ５ａ及びセパレータ５ｂは、ガス流路７ａ及び７ｂが形成された面の反対側の面に冷却水流路８ａ及び８ｂが設けられた構成を有しており、冷却水流路８ａ及び８ｂに冷却水等の冷却流体を流通させる構成を有している。
したがって、セパレータ５ａ及び５ｂは、冷却水入口孔２１及び冷却水出口孔２３を有しており、図４に示すセパレータ５ａの背面及び図５に示すセパレータ５ｂの背面には、それぞれ冷却水入口孔２１と冷却水出口孔２３とを繋ぐ溝で構成された冷却水流路８ａ及び８ｂが設けられた構成を有している。

冷却水流路８ａ及び８ｂの形状としては、特に制限はないが、本実施形態においては、例えば複数の直線状の溝と、隣接する直線状の溝の端を上流側から下流側へ連結するターン状の溝と、からなるサーペンタイン型の冷却水流路を用いればよい。各溝は等間隔で形成すればよい。
したがって、例えば図４に示すセパレータ５ａの背面は、図５に示すセパレータ５ｂの表面と同じ構造を有していてもよく、逆に、図５に示すセパレータ５ｂの背面は、図４に示すセパレータ５ａの表面と同じ構造を有していてもよい。かかる設計は本発明の効果を損なわない範囲で常法にしたがって行うことができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の高分子電解質型燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の高分子電解質型燃料電池は、図１に示した第一実施形態の高分子電解質型燃料電池に搭載される単電池１１におけるＭＥＡ１０を異なる構成に代えたものであり、ＭＥＡ以外の構成は第一実施形態の高分子電解質型燃料電池と同様である。
以下、第二実施形態の単電池１１に備えられるＭＥＡ３０（本発明のＭＥＡの第二実施形態）について説明する。

図６は、本実施形態の単電池１１に搭載されるＭＥＡ３０の概略斜視図である。図６に示すように、本実施形態のＭＥＡ３０においては、アノード３４ａ及び３４ｂは、ぞれぞれ図６における中央部分（即ち、図７及び８に示す第１のガス流路７ａ及び第２のガス流路７ｂの中流部分）において第１の切欠部及び第２の切欠部を有する。
そして、それぞれガス拡散層３３ａ及び３３ｂの一部が延びて、当該第１の切欠部及び第２の切欠部において第１の補強部材４２ａ及び第２の補強部材４２ｂを形成している。

ここで、図７は本実施形態においてアノード４ａに燃料ガスを供給・排出するための第１のガス流路７ａを有するセパレータ５ａの概略平面図であり、図８はカソード４ｂに酸化剤ガスを供給・排出するための第２のガス流路７ｂを有するセパレータ５ｂの概略平面図であり、それぞれ上記第一実施形態における図４及び５に対応している。
本実施形態の単電池１１においてセパレータ５ａ及び５ｂによってＭＥＡ３０を挟持すると、アノード３４ａ側のセパレータ５ａにおいては、図７に示す破線で囲まれた２つのハッチング部分Ｚａにアノード３４ａが位置し、カソード３４ｂ側のセパレータ５ｂにおいては、図８に示す破線で囲まれた２つのハッチング部分Ｚｂにカソード３４ｂが位置する。

そして、図７及び８における部分Ｓａ及びＳｂ（即ち、第１のガス流路７ａ及び第２のガス流路７ｂの中流部分）には、それぞれ第１の補強部材４２ａ及び第２の補強部材４２ｂが位置し、高分子電解質膜１がこれら第１の補強部材４２ａ及び第２の補強部材４２ｂに支持されてセパレータ５ａ及び５ｂに挟持されている。
上記のように、本実施形態の単電池１１は、第１のガス流路７ａ及び第２のガス流路７ｂの中流部分において、高分子電解質膜１に露出する部分（即ち、第１の切欠部及び第２の切欠部）を形成するとともに、当該露出部分にガス透過性を有する第１の補強部材４２ａ及び第２の補強部材４２ｂを介在させて高分子電解質膜１をセパレータ５ａ及び５ｂで支持された構成を有している。

以上の構成により、本実施形態の高分子電解質型燃料電池は、燃料電池に供給される燃料ガスや酸化剤ガスの加湿状態が変動したとしても、燃料ガスの水分と酸化剤ガスの水分とが高分子電解質膜３１を介してその濃度勾配をドライビングフォース（駆動源）として互いに行き来きさせることができる。そのため、アノード３４ａ側とカソード３４ｂ側における加湿状態を良好な状態（触媒層中の高分子電解質及び高分子電解質膜中の良好なイオン伝導が確保できる状態）に保つとともに、この加湿状態のバランス、即ち供給される反応ガスの加湿バランスを保持することができる。更には、上記第一実施形態と同様に、先に述べた（Ｉ）〜（ＩＶ）の構成｛好ましくは（Ｉ）〜（Ｖ）の構成、更に好ましくは（Ｉ）〜（ＶＩ）の構成｝により、触媒層中の高分子電解質及び高分子電解質膜の乾燥の進行、及び、フラッディングの発生を十分に回避することができる。その結果、アノード３４ａ及びカソード３４ｂ並びに高分子電解質膜３１の損傷及び劣化を十分に抑制し、単電池（高分子電解質型燃料電池）１１の電池性能の低下を容易かつ確実に低減することができる。

また、供給される燃料ガスや酸化剤ガスの加湿状態が変動したとしても、第１の補強部材４２ａ及び第２の補強部材４２ｂの部分において燃料ガスの水分と酸化剤ガスの水分とが平衡状態になり、アノード３４ａ側とカソード３４ｂ側の加湿状態をできる限り一定に保つことができる。
そして、アノード３４ａ及びカソード３４ｂの加湿状態を略均一にすることができ、高分子電解質膜１の損傷及び劣化並びに電池性能の低下を抑制することができる。

また、本実施形態において第１の補強部材４２ａ及び第２の補強部材４２ｂを高分子電解質膜１の中央（中流部分）に設けると、上流部分で生成される水やガスの消費によるアノード３４ａとカソード４２ｂの水分バランスを均一化させることができるとともに、カソード３４ｂ側が生成水によって過加湿状態になった場合には、アノード３４ａ側に水を移動させてフラッディングをより確実に防止することができる。
そして、アノード３４ａとカソード３４ｂの加湿状態を略均一にすることができ、これによって高分子電解質膜１の損傷及び劣化並びに電池性能の低下を十分に抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述の各実施形態においては、アノード及びカソードの上流部分に第１の切欠部及び第２の切欠部を設け、第１の切欠部及び第２の切欠部の部分において、ガス拡散層及びを延長して第１の補強部材及び第２の補強部材を形成する構成について説明したが、第１の補強部材及び第２の補強部材としては、例えば金属製のメッシュ、樹脂製のメッシュ等のガス透過性を有する補強部材を用いることもできる。

また、本発明の高分子電解質型燃料電池は、上記補強部材が、上記切欠部において高分子電解質膜とセパレータとの間に介在することによって、上記高分子電解質膜を支持している構成を有していればよく、補強部材の寸法や形状については、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設計することができる。
例えば、上記補強部材は上記切欠部の全体を埋めていてもよいが、上記切欠部の一部に設けられていてもよい。この場合、第１の補強部材及び第２の補強部材は、それぞれ少なくとも１点（好ましくは複数点）において高分子電解質膜１を支持していればよい。更にこの場合、第１の補強部材及び第２の補強部材は、セパレータの内面（主面）からのびる柱状の部材（セパレータと同じ構成材料からなる部材であって、セパレータに一体化されている部材）であってもよい。この柱状の部材の場合にはセパレータと同じ構成材料からなるため柱状の部材自体にはガス透過性はないが、切欠部とセパレータとの間に形成される空間のうちの柱状の部材が存在する部分以外の空間（柱状の部材が複数存在する場合には、各柱状の部材間の空間も含む）がガス透過可能な空間となる。

更に、上述の各実施形態においては、第１のガス流路７ａ及び第２のガス流路７ｂ並びに冷却水流路８ａ及び８ｂの形状はサーペンタイン形である場合について説明したが、本発明の効果を損なわない範囲であれば種々の形状を採用することができる。
第１のガス流路７ａ及び第２のガス流路７ｂ並びに冷却水流路８ａ及び８ｂを構成する各溝の間隔等についても、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設計することができる。例えば、上記溝は等間隔で形成することができる。

更にまた、上述の各実施形態においては、高分子電解質型燃料電池として単電池について説明したが、単電池を複数個（例えば１０〜２００個）積層して積層体を構成し、当該積層体を集電板及び絶縁板を介して一対のエンドプレートで挟み、上記積層体、集電板、絶縁板及びエンドプレートを締結用のボルト及びナットで固定して使用することもできる。
また、上述の各実施形態においては、アノード側のセパレータとカソード側のセパレータの両方に冷却水流路を設けたが、いずれか一方のセパレータに冷却水流路を設けてもよく、更に上述のように積層体として使用する場合には、冷却水流路を有しないアノード側セパレータ及びカソード側セパレータを含む単電池を使用することもできる。

また、例えば、各単電池間に冷却水流路を設けず、例えば単電池２個毎に冷却水流路を設けてもよい。そのような場合、一方の面に燃料ガス用のガス流路を有し、他方の面に酸化剤ガス用のガス流路を有する、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板とを兼ねる単一のセパレータを使用することも可能である。
更に、上述の各実施形態において、ガス拡散電極は、ガス拡散層と触媒層との間に別の層を配置する構成（例えば、撥水性及び電子伝導性を有しておりガス拡散層と触媒層との密着性を向上させるための別の層を配置する構成）を有していてもよい。
また、上述の各実施形態においては、ガス拡散層を有する構成のガス拡散電極を備える高分子電解質型燃料電池について説明したが、本発明の高分子電解質型燃料電池に搭載されるガス拡散電極はこれに限定されるものではなく、本発明の効果を得られる場合には、ガス拡散電極を備えない構成のガス拡散電極（例えば、触媒層からなるガス拡散電極）であってもよい。

以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。
《実施例１》
本実施例においては、本発明の第一実施形態の高分子電解質型燃料電池、即ち図１に示す構造を有する高分子電解質型燃料電池（単電池）を作製した。
まず、導電性炭素粒子であるアセチレンブラック（電気化学工業（株）製のデンカブラック、粒径３５ｎｍ）を、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製のＤ１）と混合し、乾燥重量としてＰＴＦＥを２０質量％含む撥水処理用インクを調製した。

上記撥水処理用インクを、ガス拡散層を構成する多孔質基材であるカーボンペーパ（東レ（株）製のＴＧＰＨ０６０Ｈ）の上に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用いて３００℃で熱処理し、ガス拡散層（約２００μｍ）を形成した。
ついで、導電性炭素粒子であるケッチェンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル（株）製のKetjen Black EC、粒径３０ｎｍ）上に白金金属粒子を担持させて得られた触媒体（Ｐｔ：５０質量％）６６質量部を、水素イオン伝導性を有する結着剤であるパーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー（米国Aldrich社製の５質量％Nafion分散液）３３質量部（高分子乾燥質量）と混合し、得られた混合物を成形して触媒層（厚み１０〜２０μｍ）を形成した。

上記のガス拡散層と触媒層とを用い、図１〜３に示す構成を有するＭＥＡ１０を作製した。なお、上記のガス拡散層は、図１に示す第１の切欠部９ａ及び第２の切欠部９ｂにおいて第１の補強部材１２ａ及び第２の補強部材１２ｂを構成するような形状に切断した。
上記のようにして作製したガス拡散層及び触媒層を用い、高分子電解質膜１（米国Du Pont社製のNafion112膜）の両面に、触媒層２ａ及びガス拡散層３ａからなるアノード４ａ、触媒層２ｂ及びガス拡散層３ｂからなるカソード４ｂ、並びにガス拡散層３ａの一部で構成された第１の補強部材１２ａ及びガス拡散層３ｂの一部で構成された第２の補強部材１２ｂを接合し、ＭＥＡ１０を作製した。

上記のようにして作製したＭＥＡ１０の高分子電解質膜１の外周部に、図４及び５に示すセパレータ５ａ及び５ｂにおいて破線で示す部分に位置するように、ゴム製の板状ガスケットを接合し、後述するセパレータ５ａ及び５ｂの燃料ガス入口孔２２、燃料ガス出口孔２４、酸化剤ガス入口孔２５、酸化剤ガス出口孔２６、冷却水入口孔２１及び冷却水出口孔２３に対応する孔を形成した。
セパレータ５ａ及び５ｂは、２０ｃｍ×３２ｃｍ×１．３ｍｍの外寸を有しかつ深さ０．５ｍｍの溝で構成されたガス流路７ａ及び７ｂを有するフェノール樹脂を含浸させた黒鉛板に、燃料ガス入口孔２２、燃料ガス出口孔２４、酸化剤ガス入口孔２５、酸化剤ガス出口孔２６、冷却水入口孔２１及び冷却水出口孔２３を形成して得られた、図４及び５に示す構成を有するセパレータを用いた。また、セパレータ５ａ及び５ｂの背面には、ガス流路７ａ及び７ｂと同様の形状を有する冷却水流路を設けた。
そして、ＭＥＡ１０をセパレータ５ａ及び５ｂで挟持して固定し、本発明の第一実施形態の高分子電解質型燃料電池（燃料電池１）を作製した。

《実施例２》
本実施例においては、図６に示す構造を有するＭＥＡ３０を用いた以外は、実施例１と同様にして、本発明の第二実施形態の高分子電解質型燃料電池（単電池）を作製した。
実施例１と同様にして作製したガス拡散層を、図６に示す第１の補強部材４２ａ及び第２の補強部材４２ｂを含むガス拡散層３３ａの形状を有するように切断した。このようにして作製したガス拡散層と、上記触媒層とを用い、高分子電解質膜１（米国Du Pont社製のNafion112膜）の両面に、触媒層３２ａ及びガス拡散層３３ａからなるアノード３４ａ、触媒層３２ｂ及びガス拡散層３３ｂからなるカソード３４ｂ、並びにガス拡散層３３ａの一部で構成された第１の補強部材４２ａ及びガス拡散層３３ｂの一部で構成された第２の補強部材４２ｂを接合し、ＭＥＡ３０を作製した。
そして、ＭＥＡ３０をセパレータ５ａ及び５ｂで挟持して固定し、本発明の第二実施形態の高分子電解質型燃料電池（燃料電池２）を作製した。

《比較例》
第１の切欠部９ａ及び第２の切欠部９ｂを設けず、第１のガス流路７ａ及び第２のガス流路７ｂの全面をそれぞれ覆うアノード及びカソードを設けた以外は、実施例１と同様にして高分子電解質型燃料電池（燃料電池３）を作製した。

［評価試験１］
上記のようにして作製した燃料電池１〜３を用い、運転試験を行った。
燃料ガス入口孔２２から第１のガス流路２８に燃料ガスとして水素ガスを加湿して供給した。この際、水素ガスの露点が７０℃になるように加湿した。また、酸化剤ガス入口孔２５から第２のガス流路２９には酸化剤ガスとして空気を加湿して供給した。空気は、露点が４０℃、４５℃、５０℃、５５℃、６０℃、６５℃、７０℃、７５℃、８０℃、８５℃又は９０℃になるように加湿した。なお、燃料電池全体の温度は７０℃とし、燃料利用率７０％、酸素利用率４０％と一定にした。

以上のような条件で燃料電池１及び３の電池電圧（Ｖ）を測定し、結果を図９においてそれぞれｐ及びｑで示した。縦軸は電池電圧（Ｖ）を示し、横軸は酸化剤ガスの露点（℃）を示す。
図９に示すように、ガス流路の上流部分に切欠部を設けた本発明の燃料電池１においては、燃料ガスと酸化剤ガスの加湿の程度が異なっていたとしても、水分バランスの効果により、電池性能の差が抑制されていることがわかる。

［評価試験２］
また、ガス流路の中流部分に切欠部を設けた本発明の燃料電池２と、切欠部のない比較用の燃料電池３とを、空気の露点を８５℃とした以外は上記と同じ条件にて連続して運転した。この結果を図１０に示した。
燃料電池２は安定した電池性能を発揮したが、燃料電池３ではフラッディングが生じて電圧が不安定となった。これは、燃料電池３においては、カソード側にフラッディングが発生して電池性能が不安定になっているのに対し、燃料電池２では、アノード側に水が移動することによってフラッディングが抑制されているためである。

以上のように、本発明によれば、供給される燃料ガスや酸化剤ガスの加湿状態が変動したとしても、アノード側とカソード側における加湿状態のバランス、即ち供給される反応ガスの加湿バランスを保持することができるとともにフラッディングを回避することができ、アノード及びカソード並びに高分子電解質膜の劣化を十分に抑制してクロスリークを抑制し、電池性能の低下を容易かつ確実に抑制し得る高分子電解質型燃料電池を提供することができる。したがって、本発明の高分子電解質型燃料電池は、自動車用の燃料電池やコージェネレーションシステム用の燃料電池として好適である。

本発明の第一実施形態の高分子電解質型燃料電池に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。図１に示す単電池１１に含まれる膜電極接合体（ＭＥＡ）の基本構成の一例を示す概略断面図である。図２に示すＭＥＡ１０の概略斜視図である。第一実施形態の燃料電池に備えられるセパレータ５ａの第１のガス流路８ａ側の要部拡大正面図である。第一実施形態の燃料電池に備えられるセパレータ５ｂの第２のガス流路８ｂ側の要部拡大正面図である。第二実施形態の燃料電池に搭載されるＭＥＡ３０の概略斜視図である。第二実施形態の燃料電池に備えられるセパレータ５ａの第１のガス流路８ａ側の要部拡大正面図である。第二実施形態の燃料電池に備えられるセパレータ５ｂの第２のガス流路８ｂ側の要部拡大正面図である。本発明の実施例の燃料電池１及び比較例の燃料電池３の電池電圧（Ｖ）を示すグラフである。本発明の実施例の燃料電池２及び比較例の燃料電池３の電池電圧（Ｖ）を示す図である。従来の高分子電解質型燃料電池に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。図１１に示す単電池２１０に含まれる膜電極接合体（ＭＥＡ）の基本構成の一例を示す概略断面図である。従来の高分子電解質型燃料電池に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。

符号の説明

１・・・高分子電解質膜、２ａ，２ｂ・・・触媒層、３ａ，３ｂ・・・ガス拡散層、４ａ・・・アノード、４ｂ・・・カソード、５ａ・・・アノード側のセパレータ、５ｂ・・・カソード側のセパレータ、６ａ，６ｂ・・・ガスケット、７ａ・・・第１のガス流路、７ｂ・・・第２のガス流路、８ａ，８ｂ・・・冷却水流路、９ａ・・・第１の切欠部、９ｂ・・・第２の切欠部、１０・・・ＭＥＡ、１１・・・単電池、１２ａ・・・第１の補強部材、１２ｂ・・・第２の補強部材、２１・・・冷却水入口孔、２２・・・燃料ガス入口孔、２３・・・冷却水出口孔、２４・・・燃料ガス出口孔、２５・・・酸化剤ガス入口孔、２６・・・酸化剤ガス出口孔、Ｄ１・・・重力方向

Claims

触媒層を含むアノード及び触媒層を含むカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置されており、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、を含む膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持するように配置されており、前記アノードの側の主面に前記アノードに燃料ガスを供給・排出するための燃料ガス入口及び燃料ガス出口を有する第１のガス流路が形成され、かつ、前記カソードの側の主面に前記カソードに酸化剤ガスを供給・排出するための酸化剤ガス入口及び酸化剤ガス出口を有する第２のガス流路の形成された一対の導電性を有するセパレータと、
を少なくとも具備する単電池を含んでおり、
前記単電池が、前記一対のセパレータの前記アノード側及び前記カソード側のうちのいずれか一方の前記主面の法線方向が重力方向と交わるように配置されており、
前記一対のセパレータにおいて、前記燃料ガス入口と前記酸化剤ガス入口とが近傍の位置に形成されており、前記第１のガス流路は、該第１のガス流路中を前記燃料ガスが全体として重力に逆らう方向に流れずに重力に従う方向に流れるように形成されており、かつ、前記第２のガス流路は、該第２のガス流路中を前記酸化剤ガスが全体として重力に逆らう方向に流れずに重力に従う方向に流れるように形成されており、
前記膜電極接合体の前記高分子電解質膜の前記アノード側の主面には、前記触媒層の形成されていない第１の切欠部が形成されており、前記膜電極接合体の前記高分子電解質膜の前記カソード側の主面には、前記触媒層の形成されていない第２の切欠部が形成されており、かつ、前記第１の切欠部及び前記第２の切欠部は、前記高分子電解質膜の前記アノード側及び前記カソード側のうちのいずれか一方の前記主面の略法線方向からみた場合に、互いの少なくとも一部が重なり合うような位置に形成されており、
前記高分子電解質膜の前記第１の切欠部には、ガス透過性を有する第１の補強部材が配置されており、
前記高分子電解質膜の前記第２の切欠部には、ガス透過性を有する第２の補強部材が配置されており、
前記第１の切欠部及び前記第２の切欠部において、前記高分子電解質膜が前記第１の補強部材及び前記第２の補強部材により挟持されようにして支持されていること、
を特徴とする高分子電解質型燃料電池。
前記単電池が、前記一対のセパレータの前記アノード側及び前記カソード側のうちのいずれか一方の前記主面の法線方向が重力方向と略垂直に交わるように配置されていること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記位置が、前記第１の流路及び前記第２の流路の上流部分であり、
前記第１のガス流路と前記第２のガス流路とが並行するように設置されていること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記位置が、前記第１の流路及び前記第２の流路の中流部分であり、
前記第１のガス流路と前記第２のガス流路とが並行するように設置されていること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記アノード及び前記カソードがそれぞれ前記触媒層の外側に配置されるガス拡散層を有しており、
前記第１の補強部材及び前記第２の補強部材が前記ガス拡散層の一部で構成されていること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記第１のガス流路及び前記第２のガス流路それぞれの総面積に対する前記第１の切欠部及び前記第２の切欠部の面積の割合が５〜５０％であること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。