JP5714462B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられた電解質膜・電極構造体が、一対のセパレータ間に挟持されるとともに、前記電解質膜・電極構造体と各セパレータとの間には、それぞれ電極反応面の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（ガス拡散層）からなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを構成している。通常、燃料電池は、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード電極及びカソード電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路）が形成されている。

この種の燃料電池に使用される固体高分子電解質膜は、イオン透過性を確保するために、所望の湿潤状態に維持する必要がある。このため、通常、燃料電池に供給される燃料ガスや酸化剤ガスを、予め加湿することにより、固体高分子電解質膜に水分を供給する処理が行われている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、図１０に示すように、セパレータ１を備えている。セパレータ１には、蛇行する酸化剤ガス流路２が形成されており、前記酸化剤ガス流路２は、下部側に入口マニホールド３が連通する一方、上部側に出口マニホールド４が連通している。

出口マニホールド４には、酸化剤ガス流路２から前記出口マニホールド４に排出された生成水を貯留する水貯留部４ａが設けられている。この水貯留部４ａの下部には、加湿用水流路５が連接されるとともに、前記水流路５は、入口マニホールド３まで延設されている。

セパレータ１は、多孔質材で構成されており、水流路５を流れる生成水は、前記セパレータ１の細孔内部に浸透して酸化剤ガス流路２に移動し、前記酸化剤ガス流路２を流通する酸化剤ガスを加湿することができる、としている。

特開２００４−２２７８９３号公報

ところで、固体高分子電解質膜では、例えば、燃料電池システムを停止している際に、燃料電池の外部からシール等を通って進入した酸素と、前記燃料電池の内部に蓄積されていた水素とが、前記固体高分子電解質膜上で反応する場合がある。このため、固体高分子電解質膜の触媒端部では、酸素と水素との反応により、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）が発生し易い（Ｈ_２＋Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ_２）。この過酸化水素は、電極中のカーボン担体や白金（Ｐｔ）上で分解し、例えば、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）が発生する。これにより、固体高分子電解質膜及び電極を劣化させるという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、電解質膜を所望の湿潤状態に維持するとともに、前記電解質膜等の劣化を有効に抑制することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられた電解質膜・電極構造体が、一対のセパレータ間に挟持されるとともに、前記電解質膜・電極構造体と各セパレータとの間には、それぞれ電極反応面の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、少なくとも一方のセパレータには、反応ガス流路との間で流体の通過が規制され、一方の反応ガス流路の外周のみに水を供給するための、加湿及び洗浄用水通路が形成されている。加湿及び洗浄用水通路は、電極の電極触媒層の外縁に沿った位置であり、前記電極触媒層及び電極の外縁の少なくとも一部と重なる位置に設けられている。

また、この燃料電池では、セパレータには、電解質膜・電極構造体との積層方向に貫通し、加湿及び洗浄用水通路の入口側に連通する水入口連通孔と、前記積層方向に貫通し、前記加湿及び洗浄用水通路の出口側に連通する水出口連通孔とが形成されることが好ましい。

本発明によれば、反応ガス流路とは個別に形成された加湿及び洗浄用水通路に水が流通されるため、電解質膜の電極触媒層外周に沿って前記水が供給され、前記電解質膜の含水量を良好に確保することができる。

しかも、水は、反応ガス流路に透過することがなく、加湿及び洗浄用水通路に沿って流通されるため、電極の電極触媒層端部等に滞留し易く、固体高分子電解質膜及び電極を劣化させる反応生成物は、前記水により迅速且つ確実に排出される。従って、反応生成物の滞留時間が一挙に短縮され、電解質膜等の劣化を有効に抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成するアノード側セパレータの一部斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池の一部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面説明図である。 電極面方向が水平方向に一致するカソード側セパレータの水通路の説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池システムを構成するセパレータの説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２を挟んでアノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６とが、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に積層される。複数の燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。なお、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２とアノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６とが、矢印Ｃ方向（例えば、鉛直方向）に積層されるとともに、複数の燃料電池１０が矢印Ｃ方向に積層されてもよい。

燃料電池１０は、横長形状を有し、矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２０ａが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に上下に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが、矢印Ｃ方向に上下に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｃ方向の一端縁部（上端縁部）には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂが設けられる。

アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６としては、例えば、カーボンセパレータが使用される。アノード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス出口連通孔２０ｂとに連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）２４が設けられる。燃料ガス流路２４は、複数の燃料ガス流路溝２４ａを有するとともに、前記燃料ガス流路溝２４ａは、矢印Ｂ方向に延在する。

燃料ガス流路溝２４ａの入口側には、入口バッファ部２４ｂが設けられる一方、前記燃料ガス流路溝２４ａの出口側には、出口バッファ部２４ｃが設けられる。燃料ガス入口連通孔２０ａと入口バッファ部２４ｂとの間には、入口連結流路（ブリッジ部）２６ａが形成され、燃料ガス出口連通孔２０ｂと出口バッファ部２４ｃとの間には、出口連結流路（ブリッジ部）２６ｂが形成される。

図２に示すように、カソード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）２８が設けられる。酸化剤ガス流路２８は、燃料ガス流路２４と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の酸化剤ガス流路溝２８ａを有する。

酸化剤ガス流路溝２８ａの入口側には、入口バッファ部２８ｂが設けられる一方、前記酸化剤ガス流路溝２８ａの出口側には、出口バッファ部２８ｃが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａと入口バッファ部２８ｂとの間には、入口連結流路（ブリッジ部）３０ａが形成され、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂと出口バッファ部２８ｃとの間には、出口連結流路（ブリッジ部）３０ｂが形成される。

アノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６とは、互いに対向する面１４ｂ、１６ｂに冷却媒体流路３２を一体的に形成する（図１参照）。冷却媒体流路３２は、冷却媒体を鉛直方向下方に向かって流通させる。

アノード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このアノード側セパレータ１４の外周縁部を周回して第１シール部材３４が一体的又は個別に設けられる。カソード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側セパレータ１６の外周縁部を周回して第２シール部材３６が一体的又は個別に設けられる。第１シール部材３４及び第２シール部材３６は、それぞれ平面シール部を有するとともに、凸状シール部３４ａ、３６ａが所望の部位に設けられる。

第１シール部材３４及び第２シール部材３６は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するカソード電極４０及びアノード電極４２とを備える。固体高分子電解質膜３８は、カソード電極４０及びアノード電極４２の外周端部よりも外方に突出するとともに、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ、燃料ガス入口連通孔２０ａ、燃料ガス出口連通孔２０ｂ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂが形成される。

図３に示すように、カソード電極４０及びアノード電極４２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層４０ａ、４２ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層４０ａ、４２ａの表面に一様に塗布して形成される電極触媒層４０ｂ、４２ｂとを有する。

ガス拡散層４０ａ、４２ａは、下地層４０ｃ、４２ｃを介して電極触媒層４０ｂ、４２ｂに積層される。下地層４０ｃ、４２ｃは、例えば、フッ素系樹脂とカーボン粉末からなり、ガス拡散層４０ａ、４２ａに触媒粒子がしみ出すことを阻止する。ガス拡散層４０ａ、４２ａの端部は、電極触媒層４０ｂ、４２ｂの端部よりも外方に突出するとともに、前記電極触媒層４０ｂ、４２ｂにより電極反応面が形成される。

第１の実施形態では、図１に示すように、燃料電池１０には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａの上部側近傍及び燃料ガス出口連通孔２０ｂの上部側近傍に、それぞれ水入口連通孔（イオン成分を含まない純水である水が流通することが好ましい）４４ａが矢印Ａ方向に貫通形成される。燃料電池１０には、燃料ガス入口連通孔２０ａの下部側近傍及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂの下部側近傍に、それぞれ水出口連通孔４４ｂが矢印Ａ方向に貫通形成される。

図１及び図４に示すように、アノード側セパレータ１４の面１４ａにおいて、各水入口連通孔４４ａと各水出口連通孔４４ｂとは、矢印Ｃ方向に延在する加湿及び洗浄用鉛直水通路４６ａＲ、４６ａＬにより連通する。鉛直水通路４６ａＲ、４６ａＬは、燃料ガス流路２４の矢印Ｂ方向両端位置と入口バッファ部２４ｂ及び出口バッファ部２４ｃとの境界部位に沿って設けられる。

水入口連通孔４４ａ及び水出口連通孔４４ｂは、凸状シール部３４ａにより周回されるとともに、鉛直水通路４６ａＲ、４６ａＬには、水の流通が燃料ガスの流れに干渉することがないように、蓋部材４８を設けることが好ましい。

鉛直水通路４６ａＲ、４６ａＬの上部側は、加湿及び洗浄用水平水通路４６ｂＵにより連通する一方、前記鉛直水通路４６ａＲ、４６ａＬの下部側は、加湿及び洗浄用水平水通路４６ｂＤにより連通する。水平水通路４６ｂＵ、４６ｂＤは、第１シール部材３４の内側、すなわち、燃料ガス流路２４の外周のみに、前記燃料ガス流路２４との間で燃料ガス及び水（流体）の通過（透過）が規制されるように設けられる。

アノード側セパレータ１４は、緻密質なカーボンセパレータで構成されており、多孔質材のような流体の透過が惹起することがない。水平水通路４６ｂＵ、４６ｂＤは、電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード電極４２の電極触媒層４２ｂの外周に沿って水を供給する（図３参照）。

図２に示すように、カソード側セパレータ１６の面１６ａにおいて、各水入口連通孔４４ａと各水出口連通孔４４ｂとは、矢印Ｃ方向に延在する加湿及び洗浄用鉛直水通路５０ａＲ、５０ａＬにより連通する。鉛直水通路５０ａＲ、５０ａＬは、酸化剤ガス流路２８の矢印Ｂ方向両端位置と入口バッファ部２８ｂ及び出口バッファ部２８ｃとの境界部位に沿って設けられる。

水入口連通孔４４ａ及び水出口連通孔４４ｂは、凸状シール部３６ａにより周回されるとともに、鉛直水通路５０ａＲ、５０ａＬには、水の流通が燃料ガスの流れに干渉することがないように、蓋部材５２を設けることが好ましい。

鉛直水通路５０ａＲ、５０ａＬの上部側は、加湿及び洗浄用水平水通路５０ｂＵにより連通する一方、前記鉛直水通路５０ａＲ、５０ａＬの下部側は、加湿及び洗浄用水平水通路５０ｂＤにより連通する。水平水通路５０ｂＵ、５０ｂＤは、第２シール部材３６の内側、すなわち、酸化剤ガス流路２８の外周のみに、前記酸化剤ガス流路２８との間で酸化剤ガス及び水（流体）の通過が規制されるように設けられる。

カソード側セパレータ１６は、緻密質なカーボンセパレータで構成されており、多孔質材のような流体の透過が惹起することがない。水平水通路５０ｂＵ、５０ｂＤは、電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード電極４０の電極触媒層４０ｂの外周に沿って水を供給する。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａからカソード側セパレータ１６の酸化剤ガス流路２８に導入される。酸化剤ガス流路２８では、酸化剤ガスが入口連結流路３０ａから入口バッファ部２８ｂに導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝２８ａに分散される。さらに、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝２８ａを介して電解質膜・電極構造体１２のカソード電極４０に沿って移動する。

一方、燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２０ａからアノード側セパレータ１４の燃料ガス流路２４に導入される。この燃料ガス流路２４では、燃料ガスが入口連結流路２６ａから入口バッファ部２４ｂに導入された後、複数の燃料ガス流路溝２４ａに分散される。このため、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝２４ａを介して電解質膜・電極構造体１２のアノード電極４２に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層４０ｂ、４２ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、図２に示すように、出口バッファ部２８ｃから出口連結流路３０ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに排出される。同様に、アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、図１に示すように、出口バッファ部２４ｃから出口連結流路２６ｂを介して燃料ガス出口連通孔２０ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６間に形成された冷却媒体流路３２に導入される（図１参照）。この冷却媒体流路３２では、冷却媒体が重力方向（矢印Ｃ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池１０には、一対の水入口連通孔４４ａが形成されており、前記水入口連通孔４４ａには、矢印Ａ方向に沿って水が供給されている。この水は、例えば、アノード側セパレータ１４の面１４ａに設けられた鉛直水通路４６ａＲ、４６ａＬに沿って鉛直方向に流通するとともに、水平水通路４６ｂＵ、４６ｂＤに供給されて水平方向に流通している。

その際、水平水通路４６ｂＵ、４６ｂＤは、燃料ガス流路２４とは個別に形成されている。このため、固体高分子電解質膜３８の電極触媒層４２ｂの外周に沿って燃料ガス流路２４と交差する方向に水が供給され、前記固体高分子電解質膜３８の含水量を良好に確保することができる。

しかも、水は、燃料ガス流路２４に透過することがなく、水平水通路４６ｂＵ、４６ｂＤに沿って流通されている。従って、アノード電極４２の電極触媒層４２ｂの端部等に滞留し易い反応生成物、例えば、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）やヒドロキシラジカル（・ＯＨ）は、前記水により迅速且つ確実に排出される。これにより、反応生成物の滞留時間が一挙に短縮され、固体高分子電解質膜３８や電極触媒層４２ｂ等の劣化を有効に抑制することが可能になるという効果が得られる。

また、カソード側セパレータ１６の面１６ａでも同様に、鉛直水通路５０ａＲ、５０ａＬに沿って水が鉛直方向に流通するとともに、水平水通路５０ｂＵ、５０ｂＤに供給されて水平方向に流通している。このため、カソード電極４０の電極触媒層４０ｂの端部等に滞留し易い反応生成物は、前記水により迅速且つ確実に排出され、固体高分子電解質膜３８等の劣化を有効に抑制することが可能になるという効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６に水通路を形成しているが、これに限定されるものではなく、前記アノード側セパレータ１４のみ、又は、前記カソード側セパレータ１６のみに水通路を設けてもよい。また、以下に説明する第２以降の実施形態においても、同様である。

図５に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０は、電解質膜・電極構造体６２を挟んでアノード側セパレータ６４とカソード側セパレータ６６とが、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に積層される。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

図５及び図６に示すように、電解質膜・電極構造体６２は、固体高分子電解質膜３８を挟持するカソード電極４０及びアノード電極４２とを備えるとともに、前記アノード電極４２は、前記固体高分子電解質膜３８及び前記カソード電極４０よりも小さな表面積を有する。カソード電極４０の電極触媒層４０ｂとアノード電極４２の電極触媒層４２ｂとは、積層方向にオフセットして、具体的には、前記電極触媒層４０ｂは、前記電極触媒層４２ｂよりも大きな表面積に設定される。なお、カソード電極４０がアノード電極４２よりも小さな表面積を有していてもよい。

燃料電池６０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料電池６０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料電池６０には、それぞれ一対の水入口連通孔４４ａ及び水出口連通孔４４ｂが矢印Ａ方向に貫通形成される。

アノード側セパレータ６４には、燃料ガス入口連通孔２０ａを燃料ガス流路２４に連通する複数の供給孔部６８と、前記燃料ガス流路２４を燃料ガス出口連通孔２０ｂに連通する複数の排出孔部７０とが形成される。

アノード側セパレータ６４には、第１シール部材７２が設けられるとともに、カソード側セパレータ６６には、第２シール部材７４が設けられる。第１シール部材７２は、図６に示すように、電解質膜・電極構造体６２の外部に露呈する固体高分子電解質膜３８に当接する第１凸状シール７２ａと、カソード側セパレータ６６の第２シール部材７４に当接する第２凸状シール７２ｂとを有する。第２シール部材７４は、平面形状のシールを構成する。なお、第２凸状シール７２ｂに代えて、第２シール部材７４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。

アノード側セパレータ６４の面６４ａには、各水入口連通孔４４ａと各水出口連通孔４４ｂとに連通する鉛直水通路４６ａＲ、４６ａＬと、前記鉛直水通路４６ａＲ、４６ａＬに連通する水平水通路４６ｂＵ、４６ｂＤとが形成される。

カソード側セパレータ６６の面６６ａには、各水入口連通孔４４ａと各水出口連通孔４４ｂとに連通する鉛直水通路５０ａＲ、５０ａＬと、前記鉛直水通路５０ａＲ、５０ａＬに連通する水平水通路５０ｂＵ、５０ｂＤとが形成される。

このように構成される第２の実施形態では、固体高分子電解質膜３８の含水量が確保されるとともに、反応生成物の滞留時間が一挙に短縮され、前記固体高分子電解質膜３８等の劣化を有効に抑制することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側セパレータ８０の正面説明図である。なお、第３の実施形態では、カソード側セパレータ８０のみについて説明するが、アノード側セパレータも同様に構成される。また、カソード側セパレータ８０又はアノード側セパレータのいずれか一方のみに水通路を設けてもよい。

カソード側セパレータ８０には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び燃料ガス入口連通孔２０ａに近接して上下に一対の水入口連通孔４４ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに近接して上下に一対の水出口連通孔４４ｂが形成される。

上下の水入口連通孔４４ａ、４４ａには、矢印Ｃ方向に延在する短尺な加湿及び洗浄用鉛直水通路８２ａＵ、８２ａＤの一端が連通する一方、前記鉛直水通路８２ａＵ、８２ａＤの他端が加湿及び洗浄用水平水通路８４Ｕ、８４Ｄの一端に連通する。水平水通路８４Ｕ、８４Ｄは、酸化剤ガス流路２８の上下両側に沿って矢印Ｂ方向に延在し、それぞれの他端が短尺な加湿及び洗浄用鉛直水通路８２ｂＵ、８２ｂＤの一端に連通する。鉛直水通路８２ｂＵ、８２ｂＤの他端は、それぞれ水出口連通孔４４ｂに連通する。鉛直水通路８２ａＵ、８２ａＤ、８２ｂＵ及び８２ｂＤには、蓋部材８６が配設される。

このように構成される第３の実施形態では、各水入口連通孔４４ａから鉛直水通路８２ａＵ、８２ａＤに供給された水は、水平水通路８４Ｕ、８４Ｄに沿って酸化剤ガス流路２８の上下両側を矢印Ｂ方向に流通した後、鉛直水通路８２ｂＵ、８２ｂＤから各水出口連通孔４４ｂに排出されている。従って、水は、水平水通路８４Ｕ、８４Ｄに沿って矢印Ｂ方向に確実且つ円滑に流通することができる。

このため、固体高分子電解質膜３８の含水量が確保されるとともに、反応ガスの流れ方向両端の前記固体高分子電解質膜３８と電極触媒層とにおいて反応生成物の滞留時間が一挙に短縮され、前記固体高分子電解質膜３８等の劣化を有効に抑制することが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するカソード側セパレータ９０の正面説明図である。

カソード側セパレータ９０には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａの上部側近傍及び燃料ガス出口連通孔２０ｂの上部側近傍に、それぞれ水入口連通孔４４ａが矢印Ａ方向に貫通形成される。カソード側セパレータ９０の下部側には、矢印Ｂ方向中央部位に単一の水出口連通孔４４ｂが矢印Ａ方向に貫通形成される。

水平水通路５０ｂＤと水出口連通孔４４ｂとは、短尺な加湿及び洗浄用鉛直水通路９２により連通するとともに、前記鉛直水通路９２には、蓋部材９４が配設される。

これにより、第４の実施形態では、各水入口連通孔４４ａから鉛直水通路５０ａＲ、５０ａＬに供給された水は、水平水通路５０ｂＵに沿って酸化剤ガス流路２８の上側を矢印Ｂ方向に流通するとともに、水平水通路５０ｂＤに沿って前記酸化剤ガス流路２８の下側を矢印Ｂに円滑に流通することができる。

従って、固体高分子電解質膜３８の含水量が確保されるとともに、反応生成物の滞留時間が一挙に短縮され、前記固体高分子電解質膜３８等の劣化を有効に抑制することが可能になる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、上記第１〜第４の実施形態では、電極面方向を鉛直方向に一致させて水平方向に積層しているが、前記電極面方向を水平方向に一致させて鉛直方向に積層してもよい。その際、例えば、第１の実施形態において、図９に示すように、アノード側セパレータ１４をカソード側セパレータ１６に対して重力方向下方に配置した場合、前記アノード側セパレータ１４に谷部を設けて鉛直水通路４６ａＲを形成してもよい。この鉛直水通路４６ａＲでは、水が谷部を流通するため、この水が燃料ガスによって飛散することがなく、蓋部材を不要にすることができる。

１０、６０…燃料電池 １２、６２…電解質膜・電極構造体
１４、６４…アノード側セパレータ
１６、６６、８０、９０…カソード側セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 １８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２０ａ…燃料ガス入口連通孔 ２０ｂ…燃料ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔 ２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４…燃料ガス流路 ２８…酸化剤ガス流路
３２…冷却媒体流路 ３８…固体高分子電解質膜
４０…カソード電極 ４０ｂ、４２ｂ…電極触媒層
４２…アノード電極 ４４ａ…水入口連通孔
４４ｂ…水出口連通孔
４６ａＬ、４６ａＲ、５０ａＬ、５０ａＲ、８２ａＤ、８２ａＵ、８２ｂＤ、８２ｂＵ…鉛直水通路
４６ｂＤ、４６ｂＵ、５０ｂＤ、５０ｂＵ、８４Ｄ、８４Ｕ…水平水通路

Claims (2)

1. 電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられた電解質膜・電極構造体が、一対のセパレータ間に挟持されるとともに、前記電解質膜・電極構造体と各セパレータとの間には、それぞれ電極反応面の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
   少なくとも一方のセパレータには、前記反応ガス流路との間で流体の通過が規制され、一方の反応ガス流路の外周のみに水を供給するための、加湿及び洗浄用水通路が形成され、
   前記加湿及び洗浄用水通路は、前記電極の電極触媒層の外縁に沿った位置であり、前記電極触媒層及び前記電極の外縁の少なくとも一部と重なる位置に設けられることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータには、前記電解質膜・電極構造体との積層方向に貫通し、前記加湿及び洗浄用水通路の入口側に連通する水入口連通孔と、
   前記積層方向に貫通し、前記加湿及び洗浄用水通路の出口側に連通する水出口連通孔と、
   が形成されることを特徴とする燃料電池。

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