JP5172495B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、導入ガスの加湿が効果的に行える燃料電池に関する。

周知の通り、燃料電池は、燃料改質装置により改質、生成された水素と酸素の結合エネルギを直接電気エネルギに変換するもので、発電が化学反応である電池反応によるものであるために発電効率が高く、汚染物質の排出及び騒音が少ない環境性に優れており、業務用、自動車用あるいは一般家庭用など、幅広い用途がある。

このような燃料電池には、例えば固体高分子形燃料電池があり、これは、固体高分子電解質膜の両面に触媒層、その外側にガス拡散層を備える燃料極及び酸化剤極の各膜電極接合体を設け、さらに膜電極接合体を設けたその両外側を燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成されたセパレータで挟んだ構造を有しており、触媒層は、白金や白金合金のような金属触媒を担持した炭素担体と固体高分子電解質との複合体から構成されている。そして、燃料電池は、一般に、前述のような構造の単位電池を多数積層してなる積層体のスタックから構成されている。

こうした燃料電池では、固体高分子電解質膜は平衡する水蒸気圧により膜の含水率が変化し、電解質膜の抵抗が変化する特性があり、電解質膜の抵抗を小さくして作動効率を高め十分な発電性能を得るためには、固体高分子電解質膜に水分を加える、つまり加湿し、湿潤状態とすることが必要になる。この固体高分子電解質膜の加湿には、導入ガスである燃料ガスや酸化剤ガスに予め水蒸気を添加する外部加湿方式と、セパレータを介して水を直接添加する内部加湿方式がある。

なお、従来の固体高分子電解質膜を加湿する技術としては、凹凸部を形成して通路を設けた多孔性のアノードプレートの基部内に、通路を流通するガス状のアノード活性物質の圧力に近い圧力で水を導入することにより行うもの（例えば、特許文献１参照。）や、反応ガス流路が形成されたセパレータの電解質層側に気孔率が大きい領域、電解質層から離れた側に気孔率が小さい領域を備える構造として、気孔率が小さい領域に水を含浸させることにより行うもの（例えば、特許文献２参照。）がある。

一方、従来の燃料電池については、例えば図２７及び図２８に示すように、単位電池１００が固体高分子電解質膜１０１の両面にそれぞれ燃料極触媒層１０２ａ、燃料ガス拡散層１０３ａの燃料極側膜電極接合体１０４ａと、酸化剤極触媒層１０２ｂ、酸化剤ガス拡散層１０３ｂの酸化剤極側膜電極接合体１０４ｂとを備えている。さらに、各ガスのガス拡散層である燃料ガス拡散層１０３ａ及び酸化剤ガス拡散層１０３ｂのそれぞれの外側には、燃料ガス流路１０５ａを有する第１のプレート１０６ａと、酸化剤ガス流路１０５ｂ、冷却水流路１０５ｃを有する第２のプレート１０６ｂで形成された多孔質材料でなる加湿機能を有するセパレータ１０６が、導入した燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれを対応する各膜電極接合体１０４ａ，１０４ｂに供給可能であるよう配置されている。

また、燃料ガス拡散層１０３ａ及び酸化剤ガス拡散層１０３ｂのガス拡散層は、周縁部に全周にわたり所定幅寸法Ａで設けられたガス不透過部１０７が形成されており、ガス不透過部１０７の内方側にガスが透過する反応部１０８が設けられている。そして、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの導入ガスは、例えば燃料ガスについてみると、流れ方向を矢印Ｐで示す燃料ガスは、ガス導入部分１０９の所定幅Ａのガス不透過部１０７を横断するようにして反応部１０８に導入され、反応部１０８で電池反応による発電を行った後、排出部から単位電池１００外に排出される。

また、こうした構成のものでは、導入ガスは、ガス導入部分１０９の幅寸法Ａのガス不透過部１０７においては燃料ガス拡散層１０３ａからの水の蒸発がないために加湿されないが、セパレータ１０６からの加湿により相対湿度が上昇することになる。

一方、加湿距離Ｌに対するセパレータ１０６及び電極である各膜電極接合体１０４ａ，１０４ｂから導入ガスへの蒸発量Ｖ、導入ガスの相対湿度Ｈの関係をみると、図２９に示すようになる。なお、図２９中の１点鎖線ａはセパレータ１０６からの蒸発量曲線、破線ｂは電極からの蒸発量曲線、実線ｈは導入ガスの相対湿度曲線である。また、固体高分子電解質膜１０１を加湿するためには、導入ガスの相対湿度はある決まった相対湿度α％以上である必要があり、そのαの値は、基本的には燃料電池の条件（電流密度、運転温度、電池材料の物性値など）によって決まる。

こうしたことからガス不透過部１０７では、その加湿距離である幅寸法Ａが十分大きく取れる場合には、セパレータ１０６からの加湿で反応部１０８に到達した時点での導入ガスの相対湿度を、ある決まった相対湿度α％を超えたものにすることはできる。しかし、ガス不透過部１０７の幅寸法Ａが大きいことは反応面積効率（反応面積÷全面積）が減少し、コスト低減や高性能化にとってマイナスとなる。

また逆にガス不透過部１０７の幅寸法Ａが小さく、相対湿度がα％となる幅寸法Ａ^′より小さい場合は、加湿距離が短くて導入ガスが反応部１０８に到達した時点での相対湿度がα％より小さくなり、反応部１０８に到達した導入ガスの相対湿度がα％に達する点まで、セパレータ１０６だけでなく電極からも水分が蒸発するため、固体高分子電解質膜１０１の乾燥、劣化を招きクロストークを生じることになってしまう。
特公平７−０９５４４７号公報 特開２００５−１４２０１５号公報

上記のような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところは電池反応が行なわれる反応部の面積が十分に確保できるよう単位電池における反応面積効率の低下を抑制しながら、燃料ガス、酸化剤ガスの導入ガスの十分な加湿を行うことができる燃料電池を提供することにある。

本発明の燃料電池は、燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドを介して燃料ガスと酸化剤ガスを、複数の単位電池を積層した積層体の各単位電池にそれぞれ導入するように構成した燃料電池であって、
前記単位電池のそれぞれが、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両面を挟み配置した燃料極触媒層及び酸化剤極触媒層と、前記燃料極触媒層及び前記酸化剤極触媒層の外側に対応配置した燃料ガス拡散層及び酸化剤ガス拡散層と、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層の周縁部の全周に設けられたガス不透過部と、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層の外側にそれぞれ配置した多孔質材料で形成されたセパレータと、前記セパレータの両面に形成された前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層に供給する前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのガス流路及び該セパレータ内に形成された冷却水流路とを備えてなり、
かつ、前記燃料ガス拡散層の燃料ガス導入部分、または前記酸化剤ガス拡散層の酸化剤ガス導入部分の少なくとも一方のガス導入部分におけるガス不透過部の幅が、前記ガス導入部分以外のガス不透過部の幅より広いことを特徴とする。

また、燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドを介して燃料ガスと酸化剤ガスを、複数の単位電池を積層した積層体の各単位電池にそれぞれ導入するように構成した燃料電池であって、
前記単位電池のそれぞれが、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両面を挟み配置した燃料極触媒層及び酸化剤極触媒層と、前記燃料極触媒層及び前記酸化剤極触媒層の外側に対応配置した燃料ガス拡散層及び酸化剤ガス拡散層と、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層の周縁部の全周に設けられたガス不透過部と、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層の外側にそれぞれ配置した多孔質材料で形成されたセパレータと、前記セパレータの両面に形成された前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層に供給する前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのガス流路及び該セパレータ内に形成された冷却水流路とを備えてなり、
かつ、前記セパレータが、燃料ガス導入部分、または酸化剤ガス導入部分の少なくとも一方のガス導入部分に、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層のガス不透過部位置より外方に延出する延出部を有していることを特徴とする。

また、燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドを介して燃料ガスと酸化剤ガスを、複数の単位電池を積層した積層体の各単位電池にそれぞれ導入するように構成した燃料電池であって、
前記単位電池のそれぞれが、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両面を挟み配置した燃料極触媒層及び酸化剤極触媒層と、前記燃料極触媒層及び前記酸化剤極触媒層の外側に対応配置した燃料ガス拡散層及び酸化剤ガス拡散層と、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層の周縁部の全周に設けられたガス不透過部と、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層の外側にそれぞれ配置した多孔質材料で形成されたセパレータと、前記セパレータの両面に形成された前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層に供給する前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのガス流路及び該セパレータ内に形成された冷却水流路とを備えてなり、
かつ、前記燃料ガス拡散層の燃料ガス導入部分、または前記酸化剤ガス拡散層の酸化剤ガス導入部分の少なくとも一方のガス導入部分におけるガス不透過部の幅が、前記ガス導入部分以外のガス不透過部の幅より広く、
かつ、前記セパレータが、燃料ガス導入部分、または酸化剤ガス導入部分の少なくとも一方のガス導入部分に、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層のガス不透過部位置より外方に外方に延出する延出部を有していることを特徴とする。

本発明によれば、単位電池での電池反応が行なわれる反応部の反応面積効率の低下を抑制でき、反応部の面積を十分に確保することができると共に、燃料ガス、酸化剤ガスの導入ガスの十分な加湿を行うことができる等の効果を奏する。

以下本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

先ず第１の実施形態の燃料電池を図１乃至図５により説明する。図１は概略構成を示す横断面図であり、図２は燃料ガス拡散層の平面図であり、図３は単位電池の燃料ガス導入部分の縦断面図であり、図４は単位電池の燃料ガス導入部分以外の部分の縦断面図であり、図５は単位電池の燃料ガスの加湿距離と蒸発量、相対湿度の関係を示す図である。

図１乃至図４において、燃料電池１は、方形状の単位電池２を多数積層して形成された積層体のスタック３と、このスタック３の各側面部に設けられた導入ガスである燃料ガスや酸化剤ガスの各ガス供給マニホールド４ａ，５ａ、各ガス排出マニホールド４ｂ，５ｂ及び燃料ガスリターンホールド４ｃと、冷却水供給マニホールド６ａ及び冷却水排出マニホールド６ｂを備えて構成されている。そして、各ガス供給マニホールド４ａ，５ａ、各ガス排出マニホールド４ｂ，５ｂ及び燃料ガスリターンホールド４ｃと、冷却水供給マニホールド６ａ及び冷却水排出マニホールド６ｂには、それぞれ単位電池２のセパレータ７に形成された燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９、冷却水流路１０の対応する端部が開口している。

これにより、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド４ａに外部から導入され、対応する燃料ガス流路８を点線矢印Ｐで示すように流通し、燃料ガスリターンホールド４ｃで折り返し、流れ方向を逆方向として別の燃料ガス流路８を燃料ガス排出マニホールド４ｂへと流れ、集められて外部に排出される。また酸化剤ガスは、同じく酸化剤ガス供給マニホールド５ａに外部から導入され、対応する酸化剤ガス流路９を破線矢印Ｑで示すように流通し、酸化剤ガス排出マニホールド５ｂへと流れ、集められて外部に排出される。そして、各導入ガスが対応する各ガス流路８，９を流通する間に発電が行なわれる。さらに、冷却水供給マニホールド６ａに外部から導入された冷却水は、冷却水流路１０を実線矢印Ｓで示すように冷却水排出マニホールド６ｂへと流通する間に熱交換を行い、単位電池２の発電による発生熱を除去した後、外部に排出される。

また、単位電池２は、方形状の固体高分子電解質膜１１の片面側に、固体高分子電解質膜１１と略同じ外形形状の燃料極触媒層１２ａと燃料ガスのガス拡散層の燃料ガス拡散層１３ａとでなる燃料極側膜電極接合体１４ａを、燃料極触媒層１２ａを固体高分子電解質膜１１側として設け、他面側に、同じく、固体高分子電解質膜１１と略同じ外形形状の酸化剤極触媒層１２ｂと酸化剤ガスのガス拡散層の酸化剤ガス拡散層１３ｂとでなる酸化剤極側膜電極接合体１４ｂを、酸化剤極触媒層１２ｂを固体高分子電解質膜１１側として設けて構成されている。各膜電極接合体１４ａ，１４ｂを形成する燃料極触媒層１２ａと酸化剤極触媒層１２は、例えば白金や白金合金のような金属触媒を担持した炭素担体と固体高分子電解質との複合体から構成されている。

さらに、燃料極側膜電極接合体１４ａの外側には、固体高分子電解質膜１１と略同じ外形形状のセパレータ７が燃料ガス流路８を有する面を燃料ガス拡散層１３ａ側とするようにして配置され、また酸化剤極側膜電極接合体１４ｂの外側には、別のセパレータ７が酸化剤ガス流路９を有する面を酸化剤ガス拡散層１３ｂ側とするようにして配置されている。

セパレータ７は、片面に燃料ガス流路８が削設され、他面が平坦面となっている第１のプレート７ａと、片面に酸化剤ガス流路９が削設され、他面に冷却水流路１０が削設された第２のプレート７ｂとを他面同士を張り合わせるようにして形成されており、これによって、セパレータ７は両面にそれぞれ燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９とが設けられ、内部に冷却水流路１０が設けられた構造となる。さらに第２のプレート７ｂには、その片面の酸化剤ガス流路９と平行な端縁部位に、積層に際し端部シール部材を挿着する段部７ｃが形成されている。

またセパレータ７を形成する第１のプレート７ａと第２のプレート７ｂは、それぞれ１０重量％以下の熱硬化性樹脂を接着、結着剤とし、９０重量％以上の炭素質あるいは黒鉛質粉体の混合、混練した材料を、内部離型剤等の成形補助剤を用いて熱間加圧成形によって形成されており、導電性を有する多孔質のプレートとなっている。そして、このように形成されているセパレータ７は、冷却水流路１０に冷却水を流す等することで加湿機能を有するものとなり、さらにセパレータ７は、単位電池を積層した時、締付けを行っても形状を保持できるよう所定の機械的強度を有し、また同一セパレータ７を流れる燃料ガスと酸化剤ガスの混合を防止するようガス遮断機能を有するものとなっている。

また、燃料ガス拡散層１３ａ及び酸化剤ガス拡散層１３ｂのガス拡散層は、周縁部に全周にわたりガス不透過部１５が形成されており、ガス不透過部１５の内方側にはガスが透過可能な反応部１６が形成されている。そして、燃料ガス拡散層１３ａは、燃料ガス供給マニホールド４ａから燃料ガスがセパレータ７の燃料ガス流路８に導入される燃料ガス導入部分１７のガス不透過部１５ａが幅Ａ_０となっており、燃料ガス導入部分１７以外のガス不透過部１５ｂについては、その幅がＡ_０よりも狭いＡとなっている。

すなわち、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド４ａからセパレータ７に導入される時、燃料ガス導入部分１７の幅の広いガス不透過部１５ａを横断することになる。そして、燃料極側膜電極接合体１４ａからの水分の蒸発がガス不透過部１５ではないため、幅Ａ_０のガス不透過部１５ａを横断する間、燃料ガスは、燃料極側膜電極接合体１４ａからは加湿されず、燃料極側膜電極接合体１４ａと略同形状のセパレータ７のガス不透過部１５ａに対応する周縁部分からのみ、相対湿度がα％以上となるまで加湿される。その際の幅Ａ_０は燃料ガスの加湿距離で、燃料ガス導入部分１７以外のガス不透過部１５ｂの幅Ａよりも長いものとなっている。

これにより燃料ガスは、ガス拡散層の燃料ガス導入部分１７のガス不透過部１５ａを横断し、反応部１６に到達した時点で、その相対湿度が、横軸に加湿距離Ｌ、縦軸にセパレータ７及び電極である燃料極側膜電極接合体１４ａから導入ガスである燃料ガスへの蒸発量Ｖ、導入ガスの燃料ガスの相対湿度Ｈをとって示す図５のように、燃料電池１の電流密度、運転温度、電池材料の物性値などの条件で決まる固体高分子電解質膜１１の乾燥、劣化を招かない所定のα％以上となる。なお、図５中の１点鎖線ａはセパレータ７からの蒸発量曲線、破線ｂは燃料極側膜電極接合体１４ａからの蒸発量曲線、実線ｈは燃料ガスの相対湿度曲線である。

また、燃料ガスの導入による燃料極側膜電極接合体１４ａからの水分蒸発が防止、抑制され、固体高分子電解質膜１１の乾燥等を招かないから、その結果、長時間の発電を行った後でも固体高分子電解質膜１１が損傷したり、クロストークを生じたりすることがなくなり、従来に比べ２倍以上の耐久性を得ることができる。

さらに、燃料ガス拡散層１３ａの周縁部に全周にわたり形成されるガス不透過部１５の幅寸法が、燃料ガス導入部分１７のみ、燃料ガスを所要とする相対湿度α％まで加湿するために必要なＡ_０の幅とし、それ以外の部分の幅をＡ_０よりも狭い幅のＡであればいいことから、単位電池２における反応部１６の面積の減少が最小限にとどめられ、反応面積効率については、著しく低下させることなく、反応部１６の面積を十分に確保することができる。

次に、第２の実施形態の燃料電池を図６乃至図８により説明する。図６は酸化剤ガス拡散層の平面図であり、図７は単位電池の酸化剤ガス導入部分の縦断面図であり、図８は単位電池の酸化剤ガス導入部分以外の部分の縦断面図である。なお、本実施形態は第１の実施形態とガス拡散層の構成のみが異なるため、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図６乃至図８において、多数積層することによって、第１の実施形態と同様の燃料電池を構成する単位電池２２は、方形状の固体高分子電解質膜１１の片面側に、固体高分子電解質膜１１と略同じ外形形状の燃料極触媒層１２ａと燃料ガスのガス拡散層の燃料ガス拡散層２３ａとでなる燃料極側膜電極接合体２４ａを、燃料極触媒層１２ａを固体高分子電解質膜１１側として設け、他面側に、固体高分子電解質膜１１と略同じ外形形状の酸化剤極触媒層１２ｂと酸化剤ガスのガス拡散層の酸化剤ガス拡散層２３ｂとでなる酸化剤極側膜電極接合体２４ｂを、酸化剤極触媒層１２ｂを固体高分子電解質膜１１側として設けて構成されている。

さらに、燃料極側膜電極接合体２４ａの外側には、セパレータ７が燃料ガス流路８を有する面を燃料ガス拡散層２３ａ側とするようにして配置され、また酸化剤極側膜電極接合体２４ｂの外側には、別のセパレータ７が酸化剤ガス流路９を有する面を酸化剤ガス拡散層２３ｂ側とするようにして配置されている。

また、燃料ガス拡散層２３ａ及び酸化剤ガス拡散層２３ｂのガス拡散層は、周縁部に全周にわたりガス不透過部２５が形成されており、ガス不透過部２５の内方側にはガスが透過可能な反応部１６が形成されている。そして、酸化剤ガス拡散層２３ｂは、酸化剤ガス供給マニホールド５ａから酸化剤ガスがセパレータ７の酸化剤ガス流路９に導入される酸化剤ガス導入部分２７のガス不透過部２５ａが幅Ａ_０となっており、酸化剤ガス導入部分２７以外のガス不透過部２５ｂについては、その幅がＡ_０よりも狭いＡとなっている。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド５ａからセパレータ７に導入される時、酸化剤ガス導入部分２７の幅の広いガス不透過部２５ａを横断することになる。そして、酸化剤極側膜電極接合体１４ｂからの水分の蒸発がガス不透過部１５ではないため、幅Ａ_０のガス不透過部２５ａを横断する間に、酸化剤ガスは、酸化剤極側膜電極接合体１４ｂからは加湿されず、酸化剤極側膜電極接合体１４ｂと略同形状のセパレータ７のガス不透過部２５ａに対応する周縁部分からのみ相対湿度がα％以上となるまで加湿される。その際の加湿距離は幅Ａ_０となり、酸化剤ガス導入部分２７以外のガス不透過部２５ｂの幅Ａよりも長いものとなっている。

これにより酸化剤ガスは、第１の実施形態における燃料ガスと同様に、ガス拡散層２３の酸化剤ガス導入部分２７のガス不透過部２５ａを横断し、反応部１６に到達した時点で、その相対湿度が、燃料電池の電流密度、運転温度、電池材料の物性値などの条件で決まる固体高分子電解質膜１１の乾燥、劣化を招かない所定のα％以上となる。また、酸化剤ガスの導入による酸化剤極側膜電極接合体１４ｂからの水分蒸発が防止、抑制され、固体高分子電解質膜１１の乾燥等を招かないから、その結果、長時間の発電を行った後でも固体高分子電解質膜１１が損傷したり、クロスリークを生じたりすることがなくなり、固体高分子電解質膜１１の耐久性を向上させることができる。

さらに、ガス拡散層２３の周縁部に全周にわたり形成されるガス不透過部２５の幅寸法が、酸化剤ガス導入部分２７のみ、酸化剤ガスを所要とする相対湿度α％まで加湿するために必要なＡ_０の幅とし、それ以外の部分の幅をＡ_０よりも狭い幅のＡとしているので、単位電池２２における反応部１６の面積の減少が最小限にとどめられ、反応面積効率の著しく低下させることもなく、反応部１６の面積を十分に確保することができる。

次に、第３の実施形態の燃料電池を図９乃至図１１により説明する。図９はガス拡散層の平面図であり、図１０は単位電池の燃料ガス導入部分の縦断面図であり、図１１は単位電池の酸化剤ガス導入部分の縦断面図である。なお、本実施形態は上記の実施形態とガス拡散層の構成のみが異なるため、上記の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、上記の実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図９乃至図１１において、多数積層することによって、上記の実施形態と同様の燃料電池を構成する単位電池３２は、方形状の固体高分子電解質膜１１の片面側に、固体高分子電解質膜１１と略同じ外形形状の燃料極触媒層１２ａと燃料ガス拡散層であるガス拡散層３３とでなる燃料極側膜電極接合体３４ａを、燃料極触媒層１２ａを固体高分子電解質膜１１側として設け、他面側に、固体高分子電解質膜１１と略同じ外形形状の酸化剤極触媒層１２ｂと、酸化剤ガス拡散層であるガス拡散層３３とでなる酸化剤極側膜電極接合体３４ｂを、酸化剤極触媒層１２ｂを固体高分子電解質膜１１側として設けて構成されている。

さらに、燃料極側膜電極接合体３４ａの外側には、セパレータ７が燃料ガス流路８を有する面をガス拡散層３３側とするようにして配置され、また酸化剤極側膜電極接合体３４ｂの外側には、別のセパレータ７が酸化剤ガス流路９を有する面をガス拡散層３３側とするようにして配置されている。

また、燃料ガス拡散層及び酸化剤ガス拡散層のガス拡散層３３は、周縁部に全周にわたりガス不透過部３５が形成されており、ガス不透過部３５の内方側にはガスが透過可能な反応部１６が形成されている。そして、ガス拡散層３３は、それぞれ燃料ガス供給マニホールド４ａから燃料ガスがセパレータ７の燃料ガス流路８に導入される燃料ガス導入部分１７と、酸化剤ガス供給マニホールド５ａから酸化剤ガスがセパレータ７の酸化剤ガス流路９に導入される酸化剤ガス導入部分２７のガス不透過部３５ａとが、幅Ａ_０となっており、燃料ガス導入部分１７及び酸化剤ガス導入部分２７の両ガス導入部分以外のガス不透過部３５ｂについては、その幅がＡ_０よりも狭いＡとなっている。

このため、燃料ガスと酸化剤ガスは、各ガス供給マニホールド４ａ，５ａからセパレータ７に導入される時、それぞれ燃料ガス導入部分１７と酸化剤ガス導入部分２７の幅の広いガス不透過部３５ａを横断することになる。そして、各膜電極接合体３４ａ，３４ｂからの水分の蒸発がガス不透過部３５ではないため、幅Ａ_０のガス不透過部３５ａを横断する間に、燃料ガスと酸化剤ガスは、対応する各膜電極接合体３４ａ，３４ｂからは加湿されず、両膜電極接合体３４ａ，３４ｂと略同形状のセパレータ７のガス不透過部３５ａに対応する周縁部分からのみ相対湿度がα％以上となるまで加湿される。その際の加湿距離は共に幅Ａ_０となり、燃料ガス導入部分１７及び酸化剤ガス導入部分２７の両ガス導入部分以外のガス不透過部３５ｂの幅Ａよりも長いものとなっている。

これにより燃料ガスと酸化剤ガスは、ガス拡散層３３の各ガス導入部分１７，２７のガス不透過部３５ａを横断し、反応部１６に到達した時点で、その相対湿度が、燃料電池の電流密度、運転温度、電池材料の物性値などの条件で決まる固体高分子電解質膜１１の乾燥、劣化を招かない所定のα％以上となる。また、燃料ガス、酸化剤ガスの導入ガスの導入による各膜電極接合体３４ａ，３４ｂからの水分蒸発が防止、抑制され、固体高分子電解質膜１１の乾燥等を招かないから、その結果、長時間の発電を行った後でも固体高分子電解質膜１１が損傷したり、クロスリークを生じたりすることがなくなり、固体高分子電解質膜１１の耐久性を向上させることができる。

さらに、ガス拡散層３３の周縁部に全周にわたり形成されるガス不透過部３５の幅寸法が、各ガス導入部分１７，２７のガス不透過部３５ａだけ、燃料ガスと酸化剤ガスを所要とする相対湿度α％以上まで加湿するために必要なＡ_０の幅とし、それ以外のガス不透過部３５ｂの幅をＡ_０よりも狭い幅のＡとしているので、単位電池３２における反応部１６の面積の減少が最小限にとどめられ、反応面積効率の著しく低下させることもなく、反応部１６の面積を十分に確保することができる。

なお、ガス拡散層３３のガス不透過部３５について、燃料ガスと酸化剤ガスの各ガス導入部分１７，２７のガス不透過部３５ａ幅寸法を共にＡ_０としたが、各ガスの条件によって、各ガスをそれぞれ相対湿度α％以上まで加湿できると共に、各ガス導入部分１７，２７以外の部分の幅よりも広い、異なる幅寸法としてもよい。

次に、第４の実施形態の燃料電池を図１２乃至図１４により説明する。図１２は単位電池の横断面図であり、図１３は単位電池の燃料ガス導入部分の縦断面図であり、図１４は単位電池の燃料ガス導入部分以外の部分の縦断面図である。なお、本実施形態は主に上記の各実施形態とセパレータの構成のみが異なるため、各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図１２乃至図１４において、多数積層することによって、上記の各実施形態と同様の燃料電池を構成する単位電池４２は、方形状の固体高分子電解質膜１１の片面側に、固体高分子電解質膜１１と略同じ外形形状の燃料極触媒層１２ａと燃料ガス拡散層であるガス拡散層４３とでなる燃料極側膜電極接合体４４ａを、燃料極触媒層１２ａを固体高分子電解質膜１１側として設け、他面側に、固体高分子電解質膜１１と略同じ外形形状の酸化剤極触媒層１２ｂと酸化剤ガス拡散層であるガス拡散層４３とでなる酸化剤極側膜電極接合体４４ｂを、酸化剤極触媒層１２ｂを固体高分子電解質膜１１側として設けて構成されている。

さらに、燃料極側膜電極接合体４４ａの外側には、第１の実施形態のセパレータ７と外形形状が異なる以外は同仕様に構成されたセパレータ４７が、燃料ガス流路８を有する面を燃料ガス拡散層のガス拡散層４３側とするようにして配置され、また酸化剤極側膜電極接合体４４ｂの外側には、別のセパレータ４７が酸化剤ガス流路９を有する面を酸化剤ガス拡散層のガス拡散層４３側とするようにして配置されている。

セパレータ４７は、片面に燃料ガス流路８が削設され、他面が平坦面となっている第１のプレート４７ａと、片面に酸化剤ガス流路９が削設され、他面に冷却水流路１０が削設された第２のプレート４７ｂとを他面同士を張り合わせるようにして形成されており、第２のプレート４７ｂには、その片面に積層に際し端部シール部材を挿着する溝４７ｃが、各流路８，９，１０より外側に、酸化剤ガス流路９と平行に形成されている。さらに、第１のプレート４７ａと第２のプレート４７ｂは、燃料ガス導入部分１７にのみ、外方に寸法Ｂだけ延出する延出部４７ｄを備えている以外、外形を固体高分子電解質膜１１と略同じくする略方形状のものとなっている。

また、燃料ガス拡散層及び酸化剤ガス拡散層のガス拡散層４３は、それぞれ周縁部に全周にわたり幅Ａのガス不透過部４５が形成されており、ガス不透過部４５の内方側にはガスが透過可能な反応部１６が形成されている。

このため、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド４ａからセパレータ４７に導入される時、それぞれ燃料ガス導入部分１７のセパレータ４７に設けられた延出寸法Ｂの延出部４７ｄにより上下両方から挟まれた空間部と、幅Ａのガス不透過部４５とを横断することになる。そして、両部を横断する間に、燃料ガスは、燃料極側膜電極接合体４４ａからは水分の蒸発がないために加湿されず、セパレータ４７からのみ相対湿度がα％以上となるまで加湿される。

これにより燃料ガスは、燃料ガス導入部分１７のセパレータ４７の延出部４７ｄによる空間部と、燃料ガス拡散層であるガス拡散層４３のガス不透過部４５を横断し、反応部１６に到達した時点で、その相対湿度が、燃料電池の電流密度、運転温度、電池材料の物性値などの条件で決まる固体高分子電解質膜１１の乾燥、劣化を招かない所定のα％以上となる。

また、燃料ガスの導入による燃料極側膜電極接合体４４ａからの水分蒸発が防止、抑制され、固体高分子電解質膜１１の乾燥等を招かないから、その結果、長時間の発電を行った後でも固体高分子電解質膜１１が損傷したり、クロスリークを生じたりすることがなくなり、固体高分子電解質膜１１の耐久性を向上させることができる。さらに、ガス拡散層４３の周縁部に形成されるガス不透過部４５の幅寸法が全周にわたって幅Ａであるので、単位電池４２における反応部１６の面積を十分に確保することができる。

次に、第５の実施形態の燃料電池を図１５乃至図１７により説明する。図１５は単位電池の横断面図であり、図１６は単位電池の酸化剤ガス導入部分の縦断面図であり、図１７は単位電池の酸化剤ガス導入部分以外の部分の縦断面図である。なお、本実施形態は主に上記の各実施形態とセパレータの構成のみが異なるため、各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図１５乃至図１７において、多数積層することによって、上記の各実施形態と同様の燃料電池を構成する単位電池５２は、方形状の固体高分子電解質膜１１の片面側に、燃料極触媒層１２ａと燃料ガス拡散層であるガス拡散層４３とでなる燃料極側膜電極接合体４４ａを、燃料極触媒層１２ａを固体高分子電解質膜１１側として設け、他面側に、酸化剤極触媒層１２ｂと酸化剤ガス拡散層であるガス拡散層４３とでなる酸化剤極側膜電極接合体４４ｂを、酸化剤極触媒層１２ｂを固体高分子電解質膜１１側として設けて構成されている。

さらに、燃料極側膜電極接合体４４ａの外側には、第１の実施形態のセパレータ７と外形形状が異なる以外は同仕様に構成されたセパレータ５７が、燃料ガス流路８を有する面を燃料ガス拡散層のガス拡散層４３側とするようにして配置され、また酸化剤極側膜電極接合体４４ｂの外側には、別のセパレータ５７が酸化剤ガス流路９を有する面を酸化剤ガス拡散層のガス拡散層４３側とするようにして配置されている。

セパレータ５７は、片面に燃料ガス流路８が削設され、他面が平坦面となっている第１のプレート５７ａと、片面に酸化剤ガス流路９が削設され、他面に冷却水流路１０が削設された第２のプレート５７ｂとを他面同士を張り合わせるようにして形成されており、第２のプレート５７ｂには、その片面に積層に際し端部シール部材を挿着する溝（図示せず）が、各流路８，９，１０より外側に、酸化剤ガス流路９と平行に形成されている。さらに、第１のプレート５７ａと第２のプレート５７ｂは、酸化剤ガス導入部分２７にのみ、外方に寸法Ｂだけ延出する延出部５７ｄを備えている以外、外形を固体高分子電解質膜１１と略同じくする略方形状のものとなっている。

また、燃料ガス拡散層及び酸化剤ガス拡散層のガス拡散層４３は、それぞれ周縁部に全周にわたり幅Ａのガス不透過部４５が形成されており、ガス不透過部４５の内方側にはガスが透過可能な反応部１６が形成されている。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド５ａからセパレータ５７に導入される時、それぞれ酸化剤ガス導入部分２７のセパレータ５７に設けられた延出寸法Ｂの延出部５７ｄにより上下両方から挟まれた空間部と、幅Ａのガス不透過部４５とを横断することになる。そして、両部を横断する間に、酸化剤ガスは、酸化剤極側膜電極接合体４４ｂからは水分の蒸発がないために加湿されず、セパレータ５７からのみ相対湿度がα％以上となるまで加湿される。

これにより酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入部分２７のセパレータ５７の延出部５７ｄによる空間部と、酸化剤ガス拡散層であるガス拡散層４３のガス不透過部４５を横断し、反応部１６に到達した時点で、その相対湿度が、燃料電池の電流密度、運転温度、電池材料の物性値などの条件で決まる固体高分子電解質膜１１の乾燥、劣化を招かない所定のα％以上となる。

また、酸化剤ガスの導入による酸化剤極側膜電極接合体４４ｂからの水分蒸発が防止、抑制され、固体高分子電解質膜１１の乾燥等を招かないから、その結果、長時間の発電を行った後でも固体高分子電解質膜１１が損傷したり、クロスリークを生じたりすることがなくなり、固体高分子電解質膜１１の耐久性を向上させることができる。さらに、ガス拡散層４３の周縁部に形成されるガス不透過部４５の幅寸法が全周にわたって幅Ａであるので、単位電池５２における反応部１６の面積を十分に確保することができる。

次に、第６の実施形態の燃料電池を図１８により説明する。図１８は単位電池の横断面図である。なお、本実施形態は主に上記の各実施形態とセパレータの構成のみが異なるため、各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図１８において、多数積層することによって、上記の各実施形態と同様の燃料電池を構成する単位電池６２は、方形状の固体高分子電解質膜１１の片面側に、燃料極触媒層１２ａと燃料ガス拡散層４３ａとでなる燃料極側膜電極接合体４４ａを、燃料極触媒層１２ａを固体高分子電解質膜１１側として設け、他面側に、酸化剤極触媒層１２ｂと酸化剤ガス拡散層４３ｂとでなる酸化剤極側膜電極接合体４４ｂを、酸化剤極触媒層１２ｂを固体高分子電解質膜１１側として設けて構成されている。

さらに、燃料極側膜電極接合体４４ａの外側には、第１の実施形態のセパレータ７と外形形状が異なる以外は同仕様に構成されたセパレータ６７が、燃料ガス流路８を有する面を燃料ガス拡散層のガス拡散層４３側とするようにして配置され、また酸化剤極側膜電極接合体４４ｂの外側には、別のセパレータ６７が酸化剤ガス流路９を有する面を酸化剤ガス拡散層のガス拡散層４３側とするようにして配置されている。

セパレータ６７は、片面に燃料ガス流路８が削設され、他面が平坦面となっている第１のプレート６７ａと、片面に酸化剤ガス流路９が削設され、他面に冷却水流路１０が削設された第２のプレート６７ｂとを他面同士を張り合わせるようにして形成されており、第２のプレート６７ｂには、その片面に積層に際し端部シール部材を挿着する溝が、各流路８，９，１０より外側に、酸化剤ガス流路９と平行に形成されている。さらに、第１のプレート６７ａと第２のプレート６７ｂは、燃料ガス導入部分１７と酸化剤ガス導入部分２７にのみ、外方に寸法Ｂだけそれぞれ延出する延出部４７ｄ，５７ｄを備えている以外、外形を固体高分子電解質膜１１と略同じくする略方形状のものとなっている。

また、燃料ガス拡散層及び酸化剤ガス拡散層のガス拡散層４３は、それぞれ周縁部に全周にわたり幅Ａのガス不透過部４５が形成されており、ガス不透過部４５の内方側にはガスが透過可能な反応部１６が形成されている。

このため、燃料ガスと酸化剤ガスは、それぞれ各ガス供給マニホールド４ａ，５ａからセパレータ６７に導入される時、それぞれ各ガス導入部分１７，２７のセパレータ６７に設けられた延出寸法Ｂの延出部４７ｄ，５７ｄにより上下両方から挟まれた空間部と、幅Ａのガス不透過部４５とを横断することになる。そして、両部を横断する間に、燃料ガスと酸化剤ガスは、各膜電極接合体４４ａ，４４ｂからは水分の蒸発がないために加湿されず、セパレータ６７からのみ相対湿度がα％以上となるまで加湿される。

これにより燃料ガスと酸化剤ガスは、各ガス導入部分１７，２７のセパレータ６７の延出部４７ｄ，５７ｄによる空間部と、ガス拡散層４３のガス不透過部４５を横断し、反応部１６に到達した時点で、その相対湿度が、燃料電池の電流密度、運転温度、電池材料の物性値などの条件で決まる固体高分子電解質膜１１の乾燥、劣化を招かない所定のα％以上となる。

また、燃料ガス、酸化剤ガスの導入による各膜電極接合体４４ａ，４４ｂからの水分蒸発が防止、抑制され、固体高分子電解質膜１１の乾燥等を招かないから、その結果、長時間の発電を行った後でも固体高分子電解質膜１１が損傷したり、クロスリークを生じたりすることがなくなり、固体高分子電解質膜１１の耐久性を向上させることができる。さらに、ガス拡散層４３の周縁部に形成されるガス不透過部４５の幅寸法が全周にわたって幅Ａであるので、単位電池６２における反応部１６の面積を十分に確保することができる。

なお、セパレータ６７の各ガス導入部分１７，２７に延出する延出部４７ｄ，５７ｄの延出寸法を共にＢとしたが、各ガスの条件によって、各ガスをそれぞれ相対湿度α％以上まで加湿できる異なる突出寸法としてもよい。

次に、第７の実施形態の燃料電池を図１９により説明する。図１９は単位電池の横断面図である。なお、本実施形態は上記の各実施形態と主にガス拡散層とセパレータの構成のみが異なるため、上記の各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図１９において、多数積層することによって、第１の実施形態と同様の燃料電池を構成する単位電池７２は、固体高分子電解質膜１１の片面側に、燃料極触媒層１２ａと燃料ガス拡散層１３ａとでなる燃料極側膜電極接合体１４ａを、燃料極触媒層１２ａを固体高分子電解質膜１１側として設け、他面側に、酸化剤極触媒層１２ｂと酸化剤ガス拡散層１３ｂとでなる酸化剤極側膜電極接合体１４ｂを、酸化剤極触媒層１２ｂを固体高分子電解質膜１１側として設けて構成されている。

さらに、燃料極側膜電極接合体１４ａの外側には、第１のプレート４７ａと第２のプレート４７ｂとを張り合わせて形成した燃料ガス導入部分１７にのみ外方に寸法Ｂだけ延出する延出部４７ｄを備えるセパレータ４７が、燃料ガス流路８を有する面を燃料ガス拡散層１３ａ側とするようにして配置されている。また酸化剤極側膜電極接合体１４ｂの外側には、別のセパレータ４７が酸化剤ガス流路９を有する面を酸化剤ガス拡散層１３ｂとするようにして配置されている。

また、燃料ガス拡散層１３ａ及び酸化剤ガス拡散層１３ｂは、周縁部に全周にわたりガス不透過部１５が形成されており、ガス不透過部１５の内方側には反応部１６が形成されている。そして、燃料ガス拡散層１３ａのガス不透過部１５は、燃料ガス導入部分１７のガス不透過部１５ａが、幅Ａ_０となっており、燃料ガス導入部分１７以外のガス不透過部１５ｂについては、その幅がＡ_０よりも狭いＡとなっている。

このため、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド４ａからセパレータ４７に導入される時、燃料ガス導入部分１７のセパレータ４７に設けられた延出寸法Ｂの延出部４７ｄにより上下両方から挟まれた空間部と、幅Ａ_０のガス不透過部１５ａとを横断することになる。そして、両部を横断する間に、燃料ガスは、燃料極側膜電極接合体１４ａからは水分の蒸発がないために加湿されず、セパレータ４７からのみ相対湿度がα％以上となるまで加湿される。

これにより燃料ガスは、燃料ガス導入部分１７のセパレータ４７の延出部４７ｄによる空間部と、燃料ガス拡散層１３ａのガス不透過部１５ａを横断し、反応部１６に到達した時点で、その相対湿度が、燃料電池の電流密度、運転温度、電池材料の物性値などの条件で決まる固体高分子電解質膜１１の乾燥、劣化を招かない所定のα％以上となる。

また、燃料ガスの導入による燃料極側膜電極接合体１４ａからの水分蒸発が防止、抑制され、固体高分子電解質膜１１の乾燥等を招かないから、その結果、長時間の発電を行った後でも固体高分子電解質膜１１が損傷したり、クロスリークを生じたりすることがなくなり、固体高分子電解質膜１１の耐久性を向上させることができる。さらに、燃料ガス拡散層１３ａの周縁部に全周にわたるガス不透過部１５が、燃料ガス導入部分１７のガス不透過部１５ａのみ、燃料ガスを所要とする相対湿度α％まで加湿するために必要なＡ_０の幅で、それ以外の部分の幅がＡ_０よりも狭い幅のＡであればいいことから、単位電池７２における反応部１６の面積の減少が最小限にとどめられ、反応面積効率については、著しく低下させることなく、反応部１６の面積を十分に確保することができる。

次に、第８の実施形態の燃料電池を図２０により説明する。図２０は単位電池の横断面図である。なお、本実施形態は上記の各実施形態と主にガス拡散層とセパレータの構成のみが異なるため、上記の各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図２０において、多数積層することによって、第１の実施形態と同様の燃料電池を構成する単位電池８２は、固体高分子電解質膜１１の片面側に、燃料極触媒層１２ａと燃料ガス拡散層２３ａとでなる燃料極側膜電極接合体２４ａを、燃料極触媒層１２ａを固体高分子電解質膜１１側として設け、他面側に、酸化剤極触媒層１２ｂと酸化剤ガス拡散層２３ｂとでなる酸化剤極側膜電極接合体２４ｂを、酸化剤極触媒層１２ｂを固体高分子電解質膜１１側として設けて構成されている。

さらに、燃料極側膜電極接合体２４ａの外側には、第１のプレート５７ａと第２のプレート５７ｂとを張り合わせて形成した酸化剤ガス導入部分２７にのみ外方に寸法Ｂだけ延出する延出部５７ｄを備えるセパレータ５７が、燃料ガス流路８を有する面を燃料ガス拡散層２３ａ側とするようにして配置されている。また酸化剤極側膜電極接合体２４ｂの外側には、別のセパレータ５７が酸化剤ガス流路９を有する面を酸化剤ガス拡散層２３ｂ側とするようにして配置されている。

また、燃料ガス拡散層２３ａ及び酸化剤ガス拡散層２３ｂは、周縁部に全周にわたりガス不透過部２５が形成されており、ガス不透過部２５の内方側には反応部１６が形成されている。そして、酸化剤ガス拡散層２３ｂのガス不透過部２５は、酸化剤ガス導入部分２７のガス不透過部２５ａが、幅Ａ_０となっており、酸化剤ガス導入部分２７以外のガス不透過部２５ｂは、その幅がＡ_０よりも狭いＡとなっている。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド５ａからセパレータ５７に導入される時、酸化剤ガス導入部分２７のセパレータ５７に設けられた延出寸法Ｂの延出部５７ｄにより上下両方から挟まれた空間部と、幅Ａ_０のガス不透過部２５ａとを横断することになる。そして、両部を横断する間に、酸化剤ガスは、酸化剤極側膜電極接合体２４ｂからは水分の蒸発がないために加湿されず、セパレータ５７からのみ相対湿度がα％以上となるまで加湿される。

これにより酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入部分２７のセパレータ５７の延出部５７ｄによる空間部と、酸化剤ガス拡散層２３ｂのガス不透過部２５ａを横断し、反応部１６に到達した時点で、その相対湿度が、燃料電池の電流密度、運転温度、電池材料の物性値などの条件で決まる固体高分子電解質膜１１の乾燥、劣化を招かない所定のα％以上となる。

また、酸化剤ガスの導入による酸化剤極側膜電極接合体２４ｂからの水分蒸発が防止、抑制され、固体高分子電解質膜１１の乾燥等を招かないから、その結果、長時間の発電を行った後でも固体高分子電解質膜１１が損傷したり、クロスリークを生じたりすることがなくなり、固体高分子電解質膜１１の耐久性を向上させることができる。さらに、酸化剤ガス拡散層２３ｂの周縁部に全周にわたるガス不透過部２５が、酸化剤ガス導入部分２７のガス不透過部２５ａのみ、酸化剤ガスを所要とする相対湿度α％まで加湿するために必要なＡ_０の幅であって、それ以外の部分の幅がＡ_０よりも狭い幅のＡであればいいことから、単位電池８２における反応部１６の面積の減少が最小限にとどめられ、反応面積効率については、著しく低下させることなく、反応部１６の面積を十分に確保することができる。

次に、第９の実施形態の燃料電池を図２１により説明する。図２１は単位電池の横断面図である。なお、本実施形態は上記の各実施形態と主にガス拡散層とセパレータの構成のみが異なるため、上記の各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図２１において、多数積層することによって、第１の実施形態と同様の燃料電池を構成する単位電池９２は、固体高分子電解質膜１１の片面側に、燃料極触媒層１２ａと燃料ガス拡散層３３ａとでなる燃料極側膜電極接合体３４ａを、燃料極触媒層１２ａを固体高分子電解質膜１１側として設け、他面側に、酸化剤極触媒層１２ｂと酸化剤ガス拡散層３３ｂとでなる酸化剤極側膜電極接合体３４ｂを、酸化剤極触媒層１２ｂを固体高分子電解質膜１１側として設けて構成されている。

さらに、燃料極側膜電極接合体３４ａの外側には、第１のプレート６７ａと第２のプレート６７ｂとを張り合わせて形成した燃料ガス導入部分１７と酸化剤ガス導入部分２７にのみ、外方に寸法Ｂだけそれぞれ延出する延出部４７ｄ，５７ｄを備えるセパレータ６７が、燃料ガス流路８を有する面を燃料ガス拡散層３３ａ側とするようにして配置されている。また酸化剤極側膜電極接合体２４ｂの外側には、別のセパレータ６７が酸化剤ガス流路９を有する面を酸化剤ガス拡散層３３ｂ側とするようにして配置されている。

また、燃料ガス拡散層３３ａ及び酸化剤ガス拡散層３３ｂは、周縁部に全周にわたりガス不透過部３５が形成されており、ガス不透過部３５の内方側には反応部１６が形成されている。そして、燃料ガス拡散層３３ａと酸化剤ガス拡散層３３ｂのガス不透過部３５は、燃料ガス導入部分１７と酸化剤ガス導入部分２７のガス不透過部３５ａが、幅Ａ_０となっており、これらのガス導入部分１７，２７以外のガス不透過部３５ｂは、その幅がＡ_０よりも狭いＡとなっている。

このため、燃料ガスと酸化剤ガスは、各ガス供給マニホールド４ａ，５ａからセパレータ６７に導入される時、セパレータ６７に設けられた各ガス導入部分１７，２７の延出寸法Ｂの延出部４７ｄ，５７ｄにより上下両方から挟まれた空間部と、幅Ａ_０のガス不透過部３５ａとを横断することになる。そして、両部を横断する間に、燃料ガスと酸化剤ガスは、各膜電極接合体３４ａ，３４ｂからは水分の蒸発がないために加湿されず、セパレータ６７からのみ相対湿度がα％以上となるまで加湿される。

これにより燃料ガスと酸化剤ガスは、各ガス導入部分１７，２７のセパレータ６７の延出部５７ｄによる空間部と、燃料ガス拡散層３３ａと酸化剤ガス拡散層３３ｂのガス不透過部３５ａを横断し、応部１６に到達した時点で、その相対湿度が、燃料電池の電流密度、運転温度、電池材料の物性値などの条件で決まる固体高分子電解質膜１１の乾燥、劣化を招かない所定のα％以上となる。

また、燃料ガス及び酸化剤ガスの導入による燃料極側膜電極接合体３４ａ及び酸化剤極側膜電極接合体３４ｂからの水分蒸発が防止、抑制され、固体高分子電解質膜１１の乾燥等を招かないから、その結果、長時間の発電を行った後でも固体高分子電解質膜１１が損傷したり、クロスリークを生じたりすることがなくなり、固体高分子電解質膜１１の耐久性を向上させることができる。さらに、燃料ガス拡散層３３ａと酸化剤ガス拡散層３３ｂの周縁部に全周にわたるガス不透過部３５が、燃料ガス導入部分１７と酸化剤ガス導入部分２７のガス不透過部３５ａのみ、燃料ガスと酸化剤ガスを所要とする相対湿度α％まで加湿するために必要なＡ_０の幅であって、それ以外の部分の幅がＡ_０よりも狭い幅のＡであればいいことから、単位電池９２における反応部１６の面積の減少が最小限にとどめられ、反応面積効率については、著しく低下させることなく、反応部１６の面積を十分に確保することができる。

なお、上記の各実施形態においては、スタック３の側面に燃料ガスと酸化剤ガスの各ガス供給マニホールド４ａ，５ａ等を設けた、所謂、外部マニホールド方式のものを例示して説明したが、セパレータに各マニホールド部を設けて積層した際に各ガス供給マニホールドが形成されるように構成した内部マニホールド方式のものにも、同様に適用でき、同様の効果を得ることができる。

因みに、第１の実施形態に対応する内部マニホールド方式のものを、第１０の実施形態として、図２２、図２３を参照して説明する。図２２は単位電池の横断面図であり、図２３は単位電池の燃料ガス導入部分の縦断面図である。なお、上記の各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図２２及び図２３において、多数積層することによって、上記各実施形態のものと同様に動作する内部マニホールド方式の燃料電池を構成する単位電池２′は、方形状の固体高分子電解質膜１１の片面側に、固体高分子電解質膜１１と略同じ外形形状の燃料極触媒層１２ａと燃料ガス拡散層１３ａとでなる燃料極側膜電極接合体１４ａを、燃料極触媒層１２ａを固体高分子電解質膜１１側として設け、他面側に、固体高分子電解質膜１１と略同じ外形形状の酸化剤極触媒層１２ｂと酸化剤ガス拡散層１３ｂとでなる酸化剤極側膜電極接合体１４ｂを、酸化剤極触媒層１２ｂを固体高分子電解質膜１１側として設けて構成されている。

さらに、燃料極側膜電極接合体１４ａの外側には、第１の実施形態のセパレータ７と外形形状が異なる以外は同仕様に構成された方形状のセパレータ７′が、燃料ガス流路８を有する面を燃料ガス拡散層１３ａ側とするようにして配置され、また酸化剤極側膜電極接合体１４ｂの外側には、別のセパレータ７′が酸化剤ガス流路９を有する面を酸化剤ガス拡散層１３ｂ側とするようにして配置されている。

セパレータ７′は、片面の中央部に燃料ガス流路８が削設され、他面が平坦面となっている第１のプレート７′ａと、片面の中央部に酸化剤ガス流路９が削設され、他面の中央部分に冷却水流路１０が削設された第２のプレート７′ｂとを他面同士を張り合わせるようにして形成されている。これによって、セパレータ７′は両面にそれぞれ燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９とが設けられ、内部に冷却水流路１０が設けられた構造となる。

また、第１のプレート７′ａ、第２のプレート７′ｂの辺部分には、辺縁に沿って導入ガスの燃料ガスや酸化剤ガスの各ガス供給マニホールド４ａ，５ａ、各ガス排出マニホールド４ｂ，５ｂ及び燃料ガスリターンホールド４ｃと、冷却水供給マニホールド６ａ及び冷却水排出マニホールド６ｂが形成されており、それぞれに対応する流路８，９，１０の端部が開口している。さらに、第２のプレート７′ｂには、積層に際し端部シール部材を挿着する挿着部７′ｃが端縁部位に形成されている。

また、燃料ガス拡散層１３ａ及び酸化剤ガス拡散層１３ｂは、全周に形成されたガス不透過部１５の燃料ガス導入部分１７のガス不透過部１５ａが幅Ａ_０となっており、燃料ガス導入部分１７以外のガス不透過部１５ｂについては、その幅がＡ_０よりも狭いＡとなっている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド４ａから燃料ガス流路８に導入される時、燃料ガス導入部分１７以外のガス不透過部１５ｂの幅Ａよりも幅広の幅Ａ_０のガス不透過部１５ａを横断することになり、燃料極側膜電極接合体１４ａからは加湿されず、セパレータ７のガス不透過部１５ａに対応する周縁部分からのみ、相対湿度がα％以上となるまで加湿される。

これにより燃料ガスは、ガス不透過部４５の内方側のガスが透過可能な反応部１６に到達した時点で、その相対湿度が、燃料電池の電流密度、運転温度、電池材料の物性値などの条件で決まる固体高分子電解質膜１１の乾燥、劣化を招かない所定のα％以上となる。その結果、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第４の実施形態に対応する内部マニホールド方式のものを、第１１の実施形態として、図２４、図２５を参照して説明する。図２４は単位電池の横断面図であり、図２５は単位電池の燃料ガス導入部分の縦断面図である。なお、上記の各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図２４及び図２５において、多数積層することによって、上記各実施形態のものと同様に動作する内部マニホールド方式の燃料電池を構成する単位電池４２′は、方形状の固体高分子電解質膜１１の片面側に、固体高分子電解質膜１１と略同じ外形形状の燃料極触媒層１２ａと燃料ガス拡散層であるガス拡散層４３とでなる燃料極側膜電極接合体４４ａを、燃料極触媒層１２ａを固体高分子電解質膜１１側として設け、他面側に、固体高分子電解質膜１１と略同じ外形形状の酸化剤極触媒層１２ｂと酸化剤ガス拡散層であるガス拡散層４３とでなる酸化剤極側膜電極接合体４４ｂを、酸化剤極触媒層１２ｂを固体高分子電解質膜１１側として設けて構成されている。

さらに、燃料極側膜電極接合体４４ａの外側には、第４の実施形態のセパレータ７と外形形状が異なる以外は同仕様に構成された方形状のセパレータ４７′が、燃料ガス流路８を有する面を燃料ガス拡散層のガス拡散層４３側とするようにして配置され、また酸化剤極側膜電極接合体４４ｂの外側には、別のセパレータ４７′が酸化剤ガス流路９を有する面を酸化剤ガス拡散層のガス拡散層４３側とするようにして配置されている。

セパレータ４７′は、片面の中央部に燃料ガス流路８が削設され、他面が平坦面となっている第１のプレート４７′ａと、片面の中央部に酸化剤ガス流路９が削設され、他面の中央部分に冷却水流路１０が削設された第２のプレート４７′ｂとを他面同士を張り合わせるようにして形成されている。これによって、セパレータ４７′は両面にそれぞれ燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９とが設けられ、内部に冷却水流路１０が設けられた構造となる。

また、第１のプレート４７′ａ、第２のプレート４７′ｂの辺部分には、辺縁に沿って導入ガスの燃料ガスや酸化剤ガスの各ガス供給マニホールド４ａ，５ａ、各ガス排出マニホールド４ｂ，５ｂ及び燃料ガスリターンホールド４ｃと、冷却水供給マニホールド６ａ及び冷却水排出マニホールド６ｂが形成されており、さらに第１のプレート４７′ａと第２のプレート４７′ｂには、燃料ガス導入部分１７にのみ、中央部から燃料ガスガス供給マニホールド４ａ内方向に向け寸法Ｂだけ延出する延出部４７′ｄが備えられている。そして、各マニホールド４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ、燃料ガスリターンホールド４ｃには、それぞれに対応する各流路８，９，１０の端部が開口している。また第２のプレート４７′ｂには、積層に際し端部シール部材を挿着する挿着部４７′ｃが端縁部位に形成されている。

また、燃料ガス拡散層及び酸化剤ガス拡散層のガス拡散層４３は、それぞれ周縁部に全周にわたり幅Ａのガス不透過部４５が形成されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド４ａから燃料ガス流路８に導入される時、燃料ガス導入部分１７に設けられた延出寸法Ｂの延出部４７′ｄにより上下両方から挟まれた空間部と、幅Ａのガス不透過部４５とを横断することになる。そして、両部を横断する間に、燃料ガスは、燃料極側膜電極接合体４４ａからは水分の蒸発がないために加湿されず、セパレータ４７′からのみ相対湿度がα％以上となるまで加湿される。

これにより燃料ガスは、ガス不透過部４５の内方側のガスが透過可能な反応部１６に到達した時点で、その相対湿度が、燃料電池の電流密度、運転温度、電池材料の物性値などの条件で決まる固体高分子電解質膜１１の乾燥、劣化を招かない所定のα％以上となる。その結果、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第７の実施形態に対応する内部マニホールド方式のものを、第１２の実施形態として、図２６を参照して説明する。図２６は単位電池の横断面図である。なお、上記の各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図２６において、多数積層することによって、上記各実施形態のものと同様に動作する内部マニホールド方式の燃料電池を構成する単位電池７２′は、方形状の固体高分子電解質膜１１の片面側に、燃料極触媒層１２ａと燃料ガス拡散層１３ａとでなる燃料極側膜電極接合体１４ａを、燃料極触媒層１２ａを固体高分子電解質膜１１側として設け、他面側に、酸化剤極触媒層１２ｂと酸化剤ガス拡散層１３ｂとでなる酸化剤極側膜電極接合体１４ｂを、酸化剤極触媒層１２ｂを固体高分子電解質膜１１側として設けて構成されている。

さらに、燃料極側膜電極接合体１４ａの外側には、方形状の第１のプレート４７′ａと第２のプレート４７′ｂとを張り合わせるようにして形成したセパレータ４７′が、燃料ガス流路８を有する面を燃料ガス拡散層１３ａ側とするようにして配置され、また酸化剤極側膜電極接合体１４ｂの外側には、別のセパレータ４７′が酸化剤ガス流路９を有する面を酸化剤ガス拡散層１３ｂ側とするようにして配置されている。なお、配置する際、第１のプレート４７′ａと第２のプレート４７′ｂの燃料ガス導入部分１７にのみ備えられた延出寸法Ｂの延出部４７′ｄが、燃料ガスガス供給マニホールド４ａの内方向に向けて延出するよう配置される。

また、燃料ガス拡散層１３ａ及び酸化剤ガス拡散層１３ｂは、ガス不透過部１５の燃料ガス導入部分１７のガス不透過部１５ａが幅Ａ_０となっており、セパレータ４７′は、燃料ガス導入部分１７に延出寸法Ｂの延出部４７′ｄが設けられている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド４ａから燃料ガス流路８に導入される時、燃料ガス導入部分１７に設けられた延出寸法Ｂの延出部４７′ｄにより上下両方から挟まれた空間部と、幅Ａ_０のガス不透過部１５ａを横断することになる。そして、両部を横断する間に、燃料ガスは、燃料極側膜電極接合体１４ａからは水分の蒸発がないために加湿されず、セパレータ４７′からのみ相対湿度がα％以上となるまで加湿される。

これにより燃料ガスは、ガス不透過部４５の内方側のガスが透過可能な反応部１６に到達した時点で、その相対湿度が、燃料電池の電流密度、運転温度、電池材料の物性値などの条件で決まる固体高分子電解質膜１１の乾燥、劣化を招かない所定のα％以上となる。その結果、第７の実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態の概略構成を示す横断面図である。 本発明の第１の実施形態における燃料ガス拡散層の平面図である。 本発明の第１の実施形態における単位電池の燃料ガス導入部分の縦断面図である。 本発明の第１の実施形態における単位電池の燃料ガス導入部分以外の部分の縦断面図である。 本発明の第１の実施形態における単位電池の燃料ガスの加湿距離と蒸発量、相対湿度の関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態における酸化剤ガス拡散層の平面図である。 本発明の第２の実施形態における単位電池の酸化剤ガス導入部分の縦断面図である。 本発明の第２の実施形態における単位電池の酸化剤ガス導入部分以外の部分の縦断面図である。 本発明の第３の実施形態におけるガス拡散層の平面図である。 本発明の第３の実施形態における単位電池の燃料ガス導入部分の縦断面図である。 本発明の第３の実施形態における単位電池の酸化剤ガス導入部分の縦断面図である。 本発明の第４の実施形態における単位電池の横断面図である。 本発明の第４の実施形態における単位電池の燃料ガス導入部分の縦断面図である。 本発明の第４の実施形態における単位電池の燃料ガス導入部分以外の部分の縦断面図である。 本発明の第５の実施形態における単位電池の横断面図である。 本発明の第５の実施形態における単位電池の酸化剤ガス導入部分の縦断面図である。 本発明の第５の実施形態における単位電池の酸化剤ガス導入部分以外の部分の縦断面図である。 本発明の第６の実施形態における単位電池の横断面図である。 本発明の第７の実施形態における単位電池の横断面図である。 本発明の第８の実施形態における単位電池の横断面図である。 本発明の第９の実施形態における単位電池の横断面図である。 本発明の第１０の実施形態における単位電池の横断面図である。 本発明の第１０の実施形態における単位電池の燃料ガス導入部分の縦断面図である。 本発明の第１１の実施形態における単位電池の横断面図である。 本発明の第１１の実施形態における単位電池の燃料ガス導入部分の縦断面図である。 本発明の第１２の実施形態における単位電池の横断面図である。 従来の単位電池を示す断面図である。 従来のガス拡散層を示す平面図である。 従来技術における単位電池の導入ガスの加湿距離と蒸発量、相対湿度の関係を示す図である。

符号の説明

２…単位電池
４ａ…燃料ガス供給マニホールド
５ａ…酸化剤ガス供給マニホールド
７…セパレータ
８…燃料ガス流路
９…酸化剤ガス流路
１０…冷却水流路
１１…固体高分子電解質膜
１２ａ…燃料極触媒層
１２ｂ…酸化剤極触媒層
１３ａ…燃料ガス拡散層
１３ｂ…酸化剤ガス拡散層
１５，１５ａ，１５ｂ…ガス不透過部
１７…燃料ガス導入部分

Claims (3)

1. 燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドを介して燃料ガスと酸化剤ガスを、複数の単位電池を積層した積層体の各単位電池にそれぞれ導入するように構成した燃料電池であって、
   前記単位電池のそれぞれが、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両面を挟み配置した燃料極触媒層及び酸化剤極触媒層と、前記燃料極触媒層及び前記酸化剤極触媒層の外側に対応配置した燃料ガス拡散層及び酸化剤ガス拡散層と、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層の周縁部の全周に設けられたガス不透過部と、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層の外側にそれぞれ配置した多孔質材料で形成されたセパレータと、前記セパレータの両面に形成された前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層に供給する前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのガス流路及び該セパレータ内に形成された冷却水流路とを備えてなり、
   かつ、前記燃料ガス拡散層の燃料ガス導入部分、または前記酸化剤ガス拡散層の酸化剤ガス導入部分の少なくとも一方のガス導入部分におけるガス不透過部の幅が、前記ガス導入部分以外のガス不透過部の幅より広いことを特徴とする燃料電池。
2. 燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドを介して燃料ガスと酸化剤ガスを、複数の単位電池を積層した積層体の各単位電池にそれぞれ導入するように構成した燃料電池であって、
   前記単位電池のそれぞれが、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両面を挟み配置した燃料極触媒層及び酸化剤極触媒層と、前記燃料極触媒層及び前記酸化剤極触媒層の外側に対応配置した燃料ガス拡散層及び酸化剤ガス拡散層と、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層の周縁部の全周に設けられたガス不透過部と、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層の外側にそれぞれ配置した多孔質材料で形成されたセパレータと、前記セパレータの両面に形成された前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層に供給する前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのガス流路及び該セパレータ内に形成された冷却水流路とを備えてなり、
   かつ、前記セパレータが、燃料ガス導入部分、または酸化剤ガス導入部分の少なくとも一方のガス導入部分に、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層のガス不透過部位置より外方に延出する延出部を有していることを特徴とする燃料電池。
3. 燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドを介して燃料ガスと酸化剤ガスを、複数の単位電池を積層した積層体の各単位電池にそれぞれ導入するように構成した燃料電池であって、
   前記単位電池のそれぞれが、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両面を挟み配置した燃料極触媒層及び酸化剤極触媒層と、前記燃料極触媒層及び前記酸化剤極触媒層の外側に対応配置した燃料ガス拡散層及び酸化剤ガス拡散層と、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層の周縁部の全周に設けられたガス不透過部と、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層の外側にそれぞれ配置した多孔質材料で形成されたセパレータと、前記セパレータの両面に形成された前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層に供給する前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのガス流路及び該セパレータ内に形成された冷却水流路とを備えてなり、
   かつ、前記燃料ガス拡散層の燃料ガス導入部分、または前記酸化剤ガス拡散層の酸化剤ガス導入部分の少なくとも一方のガス導入部分におけるガス不透過部の幅が、前記ガス導入部分以外のガス不透過部の幅より広く、
   かつ、前記セパレータが、燃料ガス導入部分、または酸化剤ガス導入部分の少なくとも一方のガス導入部分に、前記燃料ガス拡散層及び前記酸化剤ガス拡散層のガス不透過部位置より外方に延出する延出部を有していることを特徴とする燃料電池。

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