JPH0992308A

JPH0992308A - 固体高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JPH0992308A
Application number: JP7241162A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Urabe; 恭一卜部
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1995-09-20
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】反応ガス用の加湿部を一体に内蔵する固体高分
子電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】この発明になる固体高分子電解質型燃料電
池が備える単位燃料電池（単電池）２は、従来例に対し
て、セパレータとしてセパレータ２１，２２を用いると
共に、透湿性を有する膜である水透過膜２３を備えるよ
うにしている。セパレータ２１は、従来例に対して側面
８１ｂ側に燃料ガス用の加湿部が備えられている。すな
わち、セパレータ２１は側面８１ｂ側に、凹状の溝２１
１Ａと水透過膜２３を装着するための周縁部２１４が備
えられている。そうして、溝２１１Ａ中を通流する燃料
ガスは、隣接する単電池２などが持つ熱交換部である溝
８２１Ｂ中を通流する熱媒（水）によって、水透過膜２
３を介して加湿されるのである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、固体高分子電解
質型燃料電池に係わり、固体高分子電解質型燃料電池に
供給される反応ガスを加湿するための加湿部を、単位燃
料電池内に一体に内蔵するように改良されたその構造に
関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は水素と酸素とを利用して直流
電力を発生する一種の発電装置であり、他のエネルギー
機関と比較して電気エネルギーへの変換効率が高く、し
かも炭酸ガスや窒素酸化物等の大気汚染物質の排出量が
少ないことから、いわゆるクリーン・エネルギー源とし
て期待されている。この燃料電池としては、使用される
電解質の種類により、固体高分子電解質型，りん酸型，
溶融炭酸塩型，固体酸化物型などの各種の燃料電池がす
でに知られている。これ等の内、固体高分子電解質型燃
料電池は、分子中にプロトン（水素イオン）交換基を有
する高分子樹脂膜（以降、固体高分子電解質膜または単
にＰＥ膜と略称することがある。）を飽和に含水させる
と、プロトン導電性電解質として機能して低い電気抵抗
率を持つようになることを利用した燃料電池である。固
体高分子電解質膜（ＰＥ膜）としては、パ−フルオロス
ルホン酸樹脂膜（例えば、米国のデュポン社製、商品名
ナフィオン膜）を代表とするフッ素系イオン交換樹脂膜
が現時点では著名であるが、この他に炭化水素系イオン
交換樹脂膜、複合樹脂膜等が用いられている。これ等の
ＰＥ膜はいずれも、飽和に含水されることによりプロト
ン導電性電解質として機能する膜であり、常温で２０
〔Ω・ｃｍ〕以下の電気抵抗率を示す。この種の装置と
して同じ出願人より出願された固体高分子電解質型燃料
電池が、特開平６−９６７７７号公報により公知となっ
ている。以下に、この特開平６−９６７７７号公報によ
り公知となっている固体高分子電解質型燃料電池の内容
を基にして、従来例の固体高分子電解質型燃料電池につ
いて説明する。

【０００３】まず、従来例の固体高分子電解質型燃料電
池が備える単位燃料電池を、図１４〜図１７を用いて説
明する。ここで、図１４は、従来例の固体高分子電解質
型燃料電池が備える単位燃料電池の要部を展開した状態
で模式的に示したその横断面図である。図１５，図１
６，図１７は、図１４中に示したセパレータの図１４に
おけるそれぞれＰ矢，Ｑ矢，Ｒ矢方向から見た図であ
る。図１４〜図１７において、８は、燃料電池セル７
と、その両主面のそれぞれに対向させて配置されたセパ
レータ８１，８２などで構成された単位燃料電池（以
降、単電池と略称することがある。）である。燃料電池
セル７（以降、単にセルと略称することがある。）は、
いずれもシート状の固体高分子電解質膜７Ｃと、固体高
分子電解質膜７Ｃの両主面のそれぞれに接着された燃料
電極膜（アノード極でもある。）７Ａ、酸化剤電極膜
（カソード極でもある。）７Ｂとで構成されている。こ
のセル７は、燃料電極膜７Ａに後記する燃料ガス９７
の、また、酸化剤電極膜７Ｂに後記する酸化剤ガス９８
の供給をそれぞれ受けて、後記する電気化学反応によっ
て直流電力を発生する。固体高分子電解質膜７Ｃには、
前記のＰＥ膜が用いられており、燃料電極膜７Ａの外側
面が，燃料電池セル７の一方の主面７ａであり、酸化剤
電極膜７Ｂの外側面が，燃料電池セル７の他方の主面７
ｂである。

【０００４】燃料電極膜７Ａ，酸化剤電極膜７Ｂ（以
降、共に単に電極膜と略称することがある。）は共に、
触媒活物質を含む触媒層と電極基材を備えて構成され、
触媒層側でＰＥ膜７Ｃの両主面にホットプレスにより密
着させるのが一般である。電極基材は、触媒層を支持す
ると共に反応ガス（以降、燃料ガスと酸化剤ガスを総称
してこのように言うことが有る。）の供給・排出を行
い、しかも集電体としての機能も有する多孔質のシート
（使用材料としては、例えば、カーボンペーパーが用い
られる。）である。電極膜７Ａ，７Ｂのそれぞれに反応
ガスが供給されると、両電極膜７Ａ，７Ｂに備えられた
触媒層とＰＥ膜７Ｃとの界面に、気相（反応ガス）・液
相（ＰＥ膜）・固相（両電極膜が持つ触媒）の三相界面
が形成され、電気化学反応を生じさせることで直流電力
を発生させている。なお、触媒層は多くの場合に、微小
な粒子状の白金触媒とはっ水性を有するフッ素樹脂とか
ら形成され、しかも層内に多数の細孔が形成されるよう
にすることで、反応ガスの三相界面までの効率的な拡散
を実現すると共に、十分広い面積の三相界面が形成され
るように構成されている。この三相界面では次記する電
気化学反応が生じる。

【０００５】まず、燃料電極膜７Ａ側では「１式」によ
る電気化学反応が起こる。

【０００６】

【化１】Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ………………（１）また、酸化剤電極膜７Ｂ側では「２式」による電気化学
反応が起こる。

【０００７】

【化２】（１／２）Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂ Ｏ …（２）すなわち、これらの電気化学反応の結果、電極膜７Ａで
生成されたＨ⁺イオン（プロトン）は、ＰＥ膜７Ｃ中を
電極膜７Ｂに向かって移動し、また、電子（ｅ ^-）は、
固体高分子電解質型燃料電池の図示しない負荷装置を通
って電極膜７Ｂに移動する。一方、電極膜７Ｂでは、酸
化剤ガス９８中に含有される酸素と、ＰＥ膜７Ｃ中を電
極膜７Ａから移動してきたＨ⁺イオンと、図示しない負
荷装置を通って移動してきた電子とが反応し、Ｈ₂ Ｏ
（水蒸気）が生成される。かくして固体高分子電解質型
燃料電池は、水素と酸素とを得て直流電力を発生し、そ
うして副生成物としてＨ₂ Ｏ（水蒸気）を生成すること
になる。前記の機能を備えるセル７の厚さ寸法は、多く
の場合に１〔ｍｍ〕前後程度あるいはそれ以下であり、
セル７においてＰＥ膜７Ｃは、燃料ガス９７と酸化剤ガ
ス９８との混合を防止するためのシール用膜の役目も兼
ねていることになる。

【０００８】また、セパレータ８１，８２のそれぞれ
は、セル７への反応ガスの供給と、余剰となった反応ガ
スのセル７からの排出、セル７で発生された直流電力の
セル７からの取り出し、直流電力の発生に関連してセル
７で発生する熱をセル７から除去する役目などを担って
いる。セパレータ８１，８２は、ガスを透過せず、か
つ、良好な熱伝導性・電気伝導性を備え、しかも、生成
水を汚損させることの無い材料（例えば、炭素系の材
料，金属材料が使用されている。）を用いて、直方体状
に形成されている。セパレータ８１，８２は、セル７と
対向し合う側面８１ａ，８２ａと、側面８１ａ，８２ａ
と反対側の側面８１ｂ，８２ｂを有しており、セパレー
タ８１は側面８１ａ側をセル７の主面７ａ側に、セパレ
ータ８２は側面８２ａ側をセル７の主面７ｂ側に、それ
ぞれ密接させてセル７を挟むようにして配設されてい
る。

【０００９】セパレータ８１，８２には、セル７に反応
ガスの供給，排出を行うための通流路として、セル７と
対向される側の面に沿って、それぞれのガスを通流させ
る凹状の溝が複数個備えられている。すなわち、セパレ
ータ８１の側面８１ａ側には、燃料ガス９７を通流させ
ると共に，未消費の水素を含む余剰となった燃料ガス９
７を排出するための間隔を設けて設けられた凹状の溝８
１１Ａと、この溝８１１Ａ間に介在する凸状の隔壁８１
２Ａとが、互いに交互に形成されている。セパレータ８
２の側面８２ａ側には、酸化剤ガス９８を通流させると
共に，未消費の酸素を含む余剰となった酸化剤ガス９８
を排出するための間隔を設けて設けられた凹状の溝８２
１Ａと、この溝８２１Ａ間に介在する凸状の隔壁８２２
Ａとが、互いに交互に形成されている。

【００１０】図１５中に示すように、セパレータ８１に
形成されているそれぞれの溝８１１Ａの両端部は、これ
等の溝８１１Ａが互いに並列になって、凹形の溝状に形
成されたマニホールド８１３Ａ，８１３Ａに連通されて
いる。このマニホールド８１３Ａ，８１３Ａの端部に
は、側面８１ｂに開口する１対の貫通穴８１５Ａ，８１
６Ａが形成されている。セパレータ８１において、燃料
ガス９７は貫通穴８１５Ａから流入され、貫通穴８１６
Ａから流出される。貫通穴８２７Ａ，８２８Ａは、セパ
レータ８１内における酸化剤ガス９８通流用の貫通穴で
ある。

【００１１】また、図１６中に示すように、セパレータ
８２に形成されているそれぞれの溝８２１Ａの両端部
は、これ等の溝８２１Ａが互いに並列になって、凹形の
溝状に形成されたマニホールド８２３Ａ，８２３Ａに連
通されている。このマニホールド８２３Ａ，８２３Ａの
端部には、側面８２ｂに開口する１対の貫通穴８２５
Ａ，８２６Ａが形成されている。セパレータ８２におい
て、酸化剤ガス９８は貫通穴８２５Ａから流入され、貫
通穴８２６Ａから流出される。貫通穴８１７Ａ，８１８
Ａは、セパレータ８２内における燃料ガス９７通流用の
貫通穴である。

【００１２】また、セパレータ８１，８２には、セル７
で発生した熱をセル７から除去するための熱交換部とし
て、熱媒９９を通流させる溝が備えられている。すなわ
ち、セパレータ８１には、その側面８１ｂ側に熱媒９９
を通流させる凹状の溝８１１Ｂが形成され、セパレータ
８２にも、その側面８２ｂ側に熱媒９９を通流させる凹
状の溝８２１Ｂが形成されている。セパレータ８１に形
成されている貫通穴８１５Ｂ，８１６Ｂは、溝８１１Ｂ
に連通された熱媒９９通流用の貫通穴であり、セパレー
タ８２に形成されている貫通穴８２５Ｂ，８２６Ｂは、
溝８２１Ｂに連通された熱媒９９通流用の貫通穴であ
る。セパレータ８２について図１７中に示すように、そ
れぞれの溝８２１Ｂの両端部は、それぞれ凹形の溝状に
形成されたマニホールドに連通され、その端部で、側面
８２ａに開口する貫通穴８２５Ｂ，８２６Ｂに連なって
いる。セパレータ８２においては、熱媒９９は貫通穴８
２５Ｂから流入され、貫通穴８２６Ｂから流出される。

【００１３】さらに、７３は、前記したガス通流路中を
通流する反応ガスが、ガス通流路外に漏れ出るのを防止
する役目を負う弾性材製のガスシール体（例えば、Ｏリ
ングである。）である。ガスシール体７３は、それぞれ
のセパレータ８１，８２の周縁部に形成された凹形状の
溝８１９，８２９内に収納されて装着されている。ま
た、熱交換部である溝８１１Ｂ，８２１Ｂを取り巻いて
形成された凹形状の溝８１８Ｂ，８２８Ｂは、熱媒９９
が漏れ出るのを防止するための、弾性材製のシール体
（例えば、Ｏリングである。）を収納するためのもので
ある。

【００１４】ところで公知のごとく、１個のセル７が発
生する電圧は、１〔Ｖ〕程度以下と低い値である。この
ため、前記の構成を持つ単電池８は、その複数個（数十
個程度あるいはそれ以上であることが多い。）を、セル
７の発生電圧が互いに直列接続されるように積層した単
電池の積層体として構成し、電圧を高めて用いられるの
が一般である。次に、この単電池の積層体である固体高
分子電解質型燃料電池の従来例について説明する。

【００１５】図１８は、従来例の固体高分子電解質型燃
料電池を模式的に示した要部の側面図であり、図１９
は、図１８に示した従来例の固体高分子電解質型燃料電
池の反応ガスの供給経路を説明する説明図である。図１
８，図１９において、図１４〜図１７に示した単電池と
同一部分には同じ符号を付しその説明を省略する。なお
図１８，図１９中には、図１４〜図１７で付した符号に
ついては、代表的な符号のみを記した。図１８，図１９
において、９は、複数（図１８では、単電池８の個数が
８個である場合を例示した。）の単電池８を積層して構
成された，単電池８の積層体を主体とする固体高分子電
解質型燃料電池（以降、スタックと略称することがあ
る。）である。

【００１６】スタック９は、単電池８の積層体の両端部
に、単電池８で発生した直流電力をスタック９から取り
出すための，銅材等の導電材製の集電板９１，９２と、
単電池８，集電板９１，９２を構造体から電気的に絶縁
するための電気絶縁材製の電気絶縁板９３，９４と、電
気絶縁板９３，９４の両外側面側に配設される鉄材等の
金属製の加圧板９５，９６とを順次積層して構成されて
いる。そうして、加圧板９５，９６にそれぞれの外側面
側から複数の締付けボルト９５９により適度の加圧力を
与えるようにしている。集電板９１，電気絶縁板９３に
は、セパレータ８１が持つ貫通穴８１５Ａ，８２８Ａ，
８１５Ｂと合致する部位に、これ等の貫通穴と同様の図
示しない貫通穴がそれぞれ形成され、また加圧板９５に
は、貫通穴８１５Ａ，８２８Ａと合致する部位に、管用
めねじ付きの貫通穴９５１，９５２が形成され、貫通穴
８１５Ｂと合致する部位に配管接続体９９１が装着され
ている。集電板９２，電気絶縁板９４には、セパレータ
８２が持つ貫通穴８１８Ａ，８２５Ａ，８２６Ｂと合致
する部位に、これ等の貫通穴と同様の図示しない貫通穴
がそれぞれ形成され、また加圧板９６には、貫通穴８１
８Ａ，８２５Ａと合致する部位に、管用めねじ付きの貫
通穴９６２，９６１が形成され、貫通穴８２６Ｂと合致
する部位に配管接続体９９１が装着されている。

【００１７】これ等により、複数の単電池８を積層する
際に、全部の単電池８がそれぞれに持つ溝８１１Ａは、
燃料ガス９７用のガス通流路に関して互いに連通される
ことになる。このことは酸化剤ガス９８用の溝８２１Ａ
に関しても同様である。そうして、加圧板９５の貫通穴
９５１には燃料ガス９７が、加圧板９６の貫通穴９６１
には酸化剤ガス９８がそれぞれ供給され、図１９中に示
したように各セパレータ内を通流し、余剰分の燃料ガス
９７は貫通穴９６２から、余剰分の酸化剤ガス９８は貫
通穴９５２からそれぞれ排出される。そうして反応ガス
は図１９中に矢印を付したごとく、ガス通流用の溝８１
１Ａ，８２１Ａ中を、その供給側を重力方向に対して上
側に、その排出側を重力方向に対して下側になるように
配置されるのが一般である。これは、セル７において
は、前記したように、発電時には副生成物として水蒸気
が生成されるが、この水蒸気のために、下流側の反応ガ
スほど多量に水蒸気が含有されることとなり、この結
果、排出端付近の反応ガスでは過飽和に相当する水蒸気
が凝縮して液体状態の水として存在することとなる可能
性が有るためである。前記の配置とすることで、凝縮し
た水は、反応ガス通流用の溝８１１Ａ，８２１Ａ中を重
力により自力で流下できるので、その除去が容易になる
のである。また単電池８がそれぞれに持つ溝８１１Ｂ，
８２１Ｂも、熱媒９９の通流路に関して互いに連通され
ることになり、熱媒９９は、加圧板９５の配管接続体９
９１からスタック９に流入され、加圧板９６の配管接続
体９９１からスタック９の外部に排出される。そうし
て、前記した諸貫通穴とセパレータ８１，８２が持つ諸
貫通穴の開口部には、それぞれの貫通穴を取り巻いて図
示を省略した凹形状の溝が形成されており、これ等の溝
にはＯリング等の図示しないシール体が装着されてい
る。

【００１８】締付けボルト９５９は、加圧板９５，９６
に跨がって装着される六角ボルト等であり、それぞれの
締付けボルト９５９は、これ等と嵌め合わされる六角ナ
ット等と、安定した加圧力を与えるための皿ばね等と協
同して、単電池８をその積層方向に加圧する。この締付
けボルト９５９が単電池８を加圧する加圧力は、セル７
の見掛けの表面積あたりで、５〔kg/cm²〕内外程度であ
るのが一般である。

【００１９】前述のように構成されたスタック９におい
て、セル７に使用されているＰＥ膜７Ｃは、前述したと
おりに飽和に含水させることにより良好なプロトン導電
性電解質として機能する膜であり、乾燥して含水量が低
下した場合には、その電気抵抗値が増大することでスタ
ック９の発電性能は低下する。こうしたことの発生を防
止するために、セル７に供給される反応ガスは適度の湿
度値に加湿され、しかも、後記するスタック９の運転温
度に対応させた温度に加熱されてスタック９に供給され
ている。ところで、ＰＥ膜７Ｃ部の温度，従って，単電
池８の温度は、発電運転時にセル７で生成される水分を
円滑に蒸発させるなどのために、７０〜８０〔℃〕程度
の温度で使用されるのが一般である。また、セル７で行
われる前記の「１式」，「２式」で記述した電気化学反
応は、発熱反応である。従って、セル７で「１式」，
「２式」による電気化学反応によって発電を行う際に
は、発生される直流電力値とほぼ同等値の熱が発生する
ことも避けられないものである。単電池８の温度を７０
〜８０〔℃〕程度に維持するためには、この損失による
熱をセル７から除去する必要が有る。

【００２０】始動時におけるまだ低温のスタック９を７
０〜８０〔℃〕程度の温度に加熱し、また、運転時温度
を７０〜８０〔℃〕程度の温度に維持するために発電運
転中のスタック９から発熱反応により発生した熱量を除
去するのが、市水などの水である熱媒９９の主たる役目
である。単電池８では、例えば、７０〜８０〔℃〕程度
の温度に調整された熱媒である水９９が、セパレータ８
１，８２に形成された溝８１１Ｂ，８２１Ｂ中を通流す
ることで、セル７は、その適温に維持されて運転される
のである。なおセパレータとして、一方の側面に燃料ガ
ス９７を通流させる溝８１１Ａを、また、他方の側面に
酸化剤ガス９８を通流させる溝８２１Ａを、それぞれ形
成するようにしたものも知られている。なおまた、単電
池として、熱交換部としての熱媒９９を通流させる溝が
備えられていないセパレータを用い、その替わりに、単
電池の積層体中に、熱交換部としての専用の冷却体を介
挿するようにしたスタックも知られている。この場合に
は、冷却体には適宜の配管を介して熱媒９９の供給を行
うことが一般である。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
る固体高分子電解質型燃料電池（スタック）、例えば、
前述のスタック９では、前述したところにより、供給さ
れる反応ガスは適度の湿度値に加湿されて供給される必
要があるが、このために、反応ガスの供給経路には反応
ガスの加湿用装置が備えられている。この加湿用装置と
しては、バブリング式の加湿用装置が採用されるのが一
般である。バブリング式の加湿用装置は、一定量の水を
貯留したタンクを有しており、反応ガスの加湿をこの貯
留された水中に反応ガスを吹き込む（バブリング）こと
により行うものであり、貯留水の温度値を適宜に設定す
ることにより、反応ガスの加湿度を簡便に調整すること
ができる利点を備えている。しかしバブリング式による
加湿方式を採用した固体高分子電解質型燃料電池発電装
置では、スタックの他に、一定量の水を貯留できるタン
ク，加熱用のヒータなどを必要とし、発電装置が大形化
することになっていた。小型・軽量化を意図する車載用
などの固体高分子電解質型燃料電池発電装置にあって
は、このことが大きな問題となっている。

【００２２】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、反応ガス用の加湿
部を一体に内蔵する固体高分子電解質型燃料電池を提供
することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、１）シート状の固体高分子電解質材の電解質膜と，その
両主面のそれぞれに接合された燃料電極膜および酸化剤
電極膜とを持ち，燃料ガスおよび酸化剤ガスでなる反応
ガスの供給を受けて直流電力を発生する燃料電池セル
と、燃料電池セルの両主面のそれぞれに対向させて配置
されたセパレータとを有する単位燃料電池（単電池）の
複数個を互いに積層して備え、セパレータは、燃料電池
セルと対向される側の面に燃料電池セルに供給されるそ
れぞれの反応ガスを通流させるための通流路が形成され
てなる固体高分子電解質型燃料電池（スタック）におい
て、少なくとも一方の反応ガスを加湿する加湿部を単電
池の積層部分に備えた構成すること、により達成され
る。

【００２４】そうして、反応ガスを加湿する加湿部が単
電池の積層部分に備えられることで加湿部はスタックに
内蔵されることとなり、スタック外の反応ガスの供給経
路に反応ガス用の加湿用装置を設置することが不要とな
る。また、２）前記１項に記載の手段において、加湿部は透湿性を
有する膜を用いてなり、この膜はいずれかの単位燃料電
池（単電池）が有するセパレータに装着され、少なくと
も一方の反応ガスは前記の膜の一方の側面に接触され、
前記の膜の他方の側面には加湿用の水が接触されてなる
構成とすること、により達成される。

【００２５】そうして、前記１項による作用を得るに当
たり、反応ガスは、透湿性を有する膜によって加湿用の
水から隔離されると共に、前記の膜を介して前記の水に
よって加湿されることとなる。また、３）前記２項に記載の手段において、加湿部に用いられ
る透湿性を有する膜は、シート状の固体高分子電解質材
の電解質膜と隣接する部位に、前記の電解質膜が配置さ
れている面とほぼ同等位置となる面に配置されてなる構
成とすること、により達成される。

【００２６】そうして、前記１項による作用を得るに当
たり、反応ガスは、燃料電池セルが持つ燃料電極膜およ
び／または酸化剤電極膜に供給される過程で、透湿性を
有する膜を介して加湿用の水によって加湿されることに
なるのである。また、４）前記２項に記載の手段において、加湿部に用いられ
る透湿性を有する膜は、セパレータの反応ガスを通流さ
せるための通流路が形成された側に対して反対となる側
に配置されてなる構成とすること、により達成される。

【００２７】そうして、透湿性を有する膜が設置される
スペースは、燃料電極膜および／または酸化剤電極膜と
同等の面積の範囲内に納められるので、前記１項による
作用を得るに当たり、単電池の面積を、加湿部を持たな
いものと同等程度とすることが可能となるのである。さ
らにまた、５）前記４項に記載の手段において、それぞれの単位燃
料電池（単電池）は、燃料ガスを通流させるための通流
路を有する一方のセパレータと酸化剤ガスを通流させる
ための通流路を有する他方のセパレータとでなる１対の
セパレータを備え、少なくとも他方のセパレータの全て
には，酸化剤ガスを通流させるための通流路が形成され
た側とは反対となる側に水を用いる熱交換部が形成され
てなり、透湿性を有する膜が配置されたセパレータを有
する単電池は、前記の膜の外側面が、隣接する単電池が
有するセパレータに形成された熱交換部に用いられてい
る水に接触されてなる構成とすること、により達成され
る。

【００２８】そうして、前記１項による作用を得るに当
たり、前記の膜が熱交換部用の水のシール体を兼用する
ことになり、熱交換部のシール構造と加湿部の構造とが
単純化され、スタックの単電池積層方向の長さ寸法を、
加湿部を持たないものと同等程度とすることが可能とな
るのである。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明におい
て、図１８〜図１９に示した従来例の固体高分子電解質
型燃料電池（スタック）、図１４〜図１７に示した従来
例のスタックに用いられた単位燃料電池（単電池）と同
一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。ま
た、以下の説明に用いる図中には、図１４〜図１９で付
した符号については、代表的な符号のみを記すことがあ
る。

【００３０】実施例１；図８は、請求項１〜３に対応す
るこの発明の一実施例による固体高分子電解質型燃料電
池が備える単位燃料電池の要部を模式的に示したその縦
断面図であり、図９は、図８におけるＡ−Ａ断面図であ
る。図１０は、図８中に示したセパレータの前記図１５
の場合と同一方向から見た図であり、図１１は、図８中
に示したセパレータの前記図１６の場合と同一方向から
見た図である。図１２は、図８に示した単位燃料電池を
用いた固体高分子電解質型燃料電池を模式的に示した要
部の側面図であり、図１３は、図１２に示したこの発明
による固体高分子電解質型燃料電池の反応ガスと熱媒の
供給経路を説明する説明図である。なお、図１２，図１
３中には、図８〜図１１で付した符号については、代表
的な符号のみを記した。図８〜図１３において、４は、
図１４〜図１７に示した従来例によるスタック９が備え
る単電池８に対して、燃料電池セル（セル）７、セパレ
ータ８１，８２などに替えて、セル５、セパレータ４
１，４２などを用いるようにした単電池である。セル５
は、セル７に対して、固体高分子電解質膜（ＰＥ膜）７
Ｃに替えて、ＰＥ膜５Ｃを用いるようにしており、この
事例の場合には、ＰＥ膜５ＣはＰＥ膜７Ｃの２倍程度の
面積を有している。セル５では、燃料電極膜７Ａの外側
面が，燃料電池セル５の一方の主面５ａであり、酸化剤
電極膜７Ｂの外側面が，燃料電池セル５の他方の主面５
ｂである。

【００３１】セパレータ４１は、セパレータ８１に対し
て、溝８１１Ａに替えて、燃料ガス９７の通流方向に沿
う長さが溝８１１Ａよりも長い溝４１１Ａを用いてお
り、これに伴って、隔壁８１２Ａ，溝８１９も隔壁４１
２Ａ，溝４１９を用いている。セパレータ４２は、セパ
レータ８２に対して、酸化剤ガス９８用の溝８２１Ａ
と，例えば市水である熱媒９９用の溝８２１Ｂとが共
に、図１１に示すごとく、セル５の主面５ｂと対向する
側面４２ａ側に形成されていることが異なっている。セ
パレータ４２では、酸化剤ガス９８用の貫通穴８２５Ａ
の形成位置をセパレータ８２の場合とは多少異ならせて
いるが、これは、熱交換部である溝８２１Ｂの形成部と
溝８２１Ａの形成部との間隔を短くするためのものであ
る。またこれに伴い、貫通穴８２５Ａと直接連なるマニ
ホールドには、マニホールド８２３Ａに替えてマニホー
ルド４２３Ａが用いられているが、これ等のことはこの
発明にとって本質的なものではない。

【００３２】そうして単電池４は、従来例の単電池８の
場合と同様に、セパレータ４１はその側面４１ａ側をセ
ル５の主面５ａ側に、セパレータ４２はその側面４２ａ
側をセル５の主面５ｂ側にして、セル５を挟むようにし
て配設されている。単電池４では、図８中に明示したよ
うに、セパレータ４１，４２とを、電極膜７Ａ，７Ｂの
形成部と対向する部位に、溝８２１Ａと溝４１１Ａとを
共に位置させるようにして組み合わされている。そうし
て、電極膜７Ａ，７Ｂが存在していない部分のＰＥ膜５
Ｃの主要部は、溝８２１Ｂと溝４１１Ａとに対向させて
いる。なお単電池４では、熱媒９９漏出防止用のガスシ
ール体としてガスシール体７３を、燃料ガス９７漏出防
止用のガスシール体として、ガスシール体７３と同様の
断面構造を持つガスシール体４９を使用している。

【００３３】また、図１２，図１３において、３は、図
１８，図１９に示した従来例によるスタック９に対し
て、単電池８、集電板９１，９２、電気絶縁板９３，９
４、加圧板９５，９６に替えて、それぞれ、スタック３
に用いられるセパレータであるセパレータ４１，４２に
対応する形状，貫通穴位置（図１２を参照。）などを持
つ、集電板３１，３２、電気絶縁板３３，３４、加圧板
３５，３６と、前述した単電池４を用いるようにしてい
る。

【００３４】実施例１では前述の構成としたので、図
８，図１３中に明示したように、個々の単電池４内にお
いて、燃料ガス９７は電極膜７Ａに到達する前に、ＰＥ
膜５Ｃを介して溝８２１Ｂ，したがって，熱媒である水
９９と対向する部位を通流することになる。ところで、
ＰＥ膜は、プロトン導電性電解質として機能する前記し
た性質と共に、すでに良く知られているごとく、膜を通
して水を移動できる性質も有している。このため、溝８
２１Ｂと対向する部位のＰＥ膜５Ｃは水９９によって湿
潤にされることになり、燃料ガス９７は湿潤にされたＰ
Ｅ膜５Ｃに沿って通流する間に水９９によって加湿され
る。すなわち実施例１では、溝８２１Ｂと対向する部位
のＰＥ膜５Ｃが、燃料ガス９７を加湿するための加湿部
の主要部分であり、水９９が燃料ガス９７を加湿するた
めの加湿用の水であることになる。また、燃料ガス９７
は、ＰＥ膜５Ｃによって水９９とは直接に接触しないよ
うに隔離されていることになり、加湿用の水９９が電極
膜７Ａに侵入することは有り得ないのである。なお、燃
料ガス９７の加湿度は、従来例の場合と同様に、水９９
の温度値を変更することで調整することが可能である。

【００３５】スタック３では、ＰＥ膜５Ｃを介して水９
９によって加湿された燃料ガス９７が燃料電極膜７Ａに
供給されるので、電極膜７Ａ，７Ｂの形成部のＰＥ膜５
Ｃは、燃料ガス９７から水分が供給されることになる。
そうして、電極膜７Ａ，７Ｂの形成部のＰＥ膜５Ｃを加
湿するに当たって、スタック３に対する反応ガスの供給
経路には、反応ガス用の加湿用装置を設置することが不
要となる。また実施例１では、スタックに供給される反
応ガスの内、燃料ガス９７のみを加湿するようにした事
例を示すものであるが、このような構成としても、スタ
ック３では電極膜７Ａ，７Ｂの形成部のＰＥ膜５Ｃは、
常に適正な含水状態に保たれることが確認されている。
このことは、スタック３の発電運転時においては、酸化
剤電極膜７Ｂでは、前記の「２式」で述べたごとく、副
生成物として水蒸気が生成されるので、酸化剤ガス９８
をあえて加湿する必要が無かったものと考えられる。

【００３６】実施例１における今までの説明では、単電
池４は、セパレータ４２に対向させて、溝８２１Ａの形
成部分と溝８２１Ｂの形成部分の両者を一体に覆うこと
ができる面積を持つＰＥ膜５Ｃを備えるとしてきたが、
これに限定されるものではなく、例えば、このＰＥ膜
は、溝８２１Ａの形成部分と溝８２１Ｂの形成部分との
それぞれを、別個のＰＥ膜で覆うようにしてもよいもの
である。

【００３７】実施例２；図１は、請求項１，２，４，５
に対応するこの発明の一実施例による固体高分子電解質
型燃料電池が備える単位燃料電池の要部を模式的に示し
たその横断面図であり、図２は、図１中に示したセパレ
ータの図１におけるＳ矢方向から見た図である。図３，
図４，図５は、図１中に示したセパレータのそれぞれ前
記の図１５，図１７，図１６の場合と同一方向から見た
図である。図６は、図１に示した単位燃料電池を用いた
固体高分子電解質型燃料電池を模式的に示した要部の側
面図であり、図７は、図６に示したこの発明による固体
高分子電解質型燃料電池の反応ガスと熱媒の供給経路を
説明する説明図である。なお、図６，図７中には、図１
〜図５で付した符号については、代表的な符号のみを記
した。図１〜図７において、２は、図１４〜図１７に示
した従来例によるスタック９が備える単電池８に対し
て、セパレータ８１，８２に替えて、セパレータ２１，
２２を用いると共に、透湿性を有する膜である水透過膜
２３を備えるようにした単電池である。セパレータ２１
は、従来例のセパレータ８１に対して、側面８１ａ側に
形成される燃料ガス９７の供給部に関しては溝８１１Ａ
に連通される貫通穴などが変更され、側面８１ｂ側に関
しては、熱交換部である溝８１１Ｂなどに替えて、燃料
ガス９７用の加湿部が備えられている。すなわち、セパ
レータ２１では、溝８１１Ａに連通される貫通穴とし
て、従来例のセパレータ８１における貫通穴８１６Ａ
が、貫通穴２１５Ａとその符号が変更され、この貫通穴
２１５Ａと対になる貫通穴２１６Ａの形成位置が、従来
例のセパレータ８１における貫通穴８１５Ａとは異なっ
た位置とされている（図３参照。）。これに関連して、
貫通穴２１６Ａに隣接されるマニホールド２１７Ａの形
状が、従来例のセパレータ８１におけるマニホールド８
１３Ａから見直されている。また、セパレータ２１が備
える燃料ガス９７用の加湿部の、燃料ガス９７用の通流
部は図２中に示したごとくに、燃料ガス９７を通流させ
るための通流路である凹状の溝２１１Ａの複数個が、こ
の溝２１１Ａ間に介在する凸状の隔壁２１２Ａと共に、
互いに交互に形成されている。

【００３８】溝２１１Ａの両端部は、これ等の溝２１１
Ａが互いに並列になって、凹形の溝状に形成されたマニ
ホールド２１３Ａ，２１３Ａに連通され、このマニホー
ルド２１３Ａ，２１３Ａの端部には、側面８１ａに開口
する１対の貫通穴８１５Ａ，２１５Ａが形成されてい
る。溝２１１Ａ，マニホールド２１３Ａ，貫通穴８１５
Ａ，２１５Ａなどからなる燃料ガス９７の通流部を巡っ
て、凹形状の溝２１９が形成されている。セパレータ８
１において、燃料ガス９７は貫通穴８１５Ａから流入さ
れ、加湿された燃料ガス９７は貫通穴２１５Ａから流出
されることになる。ここで、溝２１１Ａ，隔壁２１２
Ａ，マニホールド２１３Ａ，溝２１９は、従来例のセパ
レータ８１が備える、溝８１１Ａ，隔壁８１２Ａ，マニ
ホールド８１３Ａ，溝８１９と同形に形成されている。
セパレータ２１の側面８１ｂ側には、周縁部２１４が額
縁形をした堰堤状に形成されている。セパレータ２２
は、従来例のセパレータ８２に対して、貫通穴８１８Ａ
が削除され、それに替えて貫通穴２２６Ａが追加して形
成されていることのみが異なっている。

【００３９】そうして単電池２は、セパレータ２１をそ
の側面８１ａ側をセル７の主面７ａ側にし、セパレータ
２２をその側面８２ａ側をセル７の主面７ｂ側にしてセ
ル７を挟むようにして配設すると共に、この発明による
特徴的な構成として、水透過膜２３が周縁部２１４に嵌
め込まれて装着されている。この水透過膜２３の装着部
においては、燃料ガス９７は、溝２１９に装着されたガ
スシール体７３によってシールされている。ところで水
透過膜２３は、ＰＥ膜製であって、ＰＥ膜が持っている
膜を通して水を移動できる性質を利用したものである。
また、図６，図７において、１は、図１８，図１９に示
した従来例によるスタック９に対して、単電池８に替え
て、単電池２を用いると共に、端部に位置する単電池２
のセパレータ２１と集電板９１との間に介挿された，セ
パレータ１１を用いるようにしたスタックである。セパ
レータ１１は、セパレータ２１，２２と同等の材料を用
いて構成され、面積方向の寸法，形状はセパレータ２２
と同一にされ、かつ、セパレータ２１と対向する側面側
に、重複を避けるためにその図示は省略するが、セパレ
ータ２２が持つ熱交換部と同一構成の熱交換部が形成さ
れている。そうして、セパレータ１１が持つ熱交換部に
も、熱媒である水９９が通流される。

【００４０】実施例２では前述の構成としたので、図７
中にも示したように、燃料ガス９７は、貫通穴８１５Ａ
から個々の単電池２のセパレータ２１に流入し、セパレ
ータ２１内を，貫通穴８１５Ａ→溝２１１Ａ→貫通穴２
１５Ａ→溝８１１Ａ→貫通穴２１６Ａの経路で通流す
る。この間、溝２１１Ａ中を通流している際に、水透過
膜２３を介して、隣接している単電池２が有するセパレ
ータ２２、または、セパレータ１１が持つ熱交換部内を
通流する熱媒である水９９によって加湿される。すなわ
ち実施例２では、溝２１１Ａと対向する部位の水透過膜
２３が、燃料ガス９７を加湿するための加湿部の主要部
分であり、水９９が燃料ガス９７を加湿するための加湿
用の水であることになる。また、燃料ガス９７は、水透
過膜２３によって水９９とは直接に接触しないように隔
離されていることになり、加湿用の水９９が電極膜７Ａ
に侵入することは有り得ないのである。

【００４１】スタック１では、水透過膜２３を介して水
９９によって加湿された燃料ガス９７が燃料電極膜７Ａ
に供給されるので、ＰＥ膜７Ｃには、燃料ガス９７から
水分が供給されることになる。そうして、スタック１に
対する反応ガスの供給経路に反応ガス用の加湿用装置の
設置が不要であること、および、燃料ガス９７のみの加
湿でＰＥ膜７Ｃを適正な含水状態に保持できることが確
認されていることは、スタック３の場合と同様である。
そうしてスタック１では、第１に、加湿部をセパレータ
２１の側面８１ｂ側に配置することで、セパレータ２
１，２２の面積を、従来例のセパレータ８１，８２と同
等寸法に納めることが可能であること．第２に、水透過
膜２３が熱交換部用の水９９のシール体を兼用すること
によって熱交換部のシール構造が単純化され、スタック
１の単電池積層方向の長さ寸法を、加湿部を持たないも
のと同等程度とすることが可能となること．第３に、水
透過膜２３に与える水を、熱交換部用の水９９と共用で
きることでスタック１に供給される水源の数を低減する
ことが可能となること．などの特長を有している。

【００４２】ところで単電池２では、水透過膜２３をセ
パレータ２１に形成された周縁部２１４に嵌め込むこと
で装着しているが、これは電極膜７Ａ，７Ｂが装着され
ていない部位のＰＥ膜７Ｃは、プロトンが供給されない
ことで電気絶縁性を示すことに対処するためである。セ
パレータ２１に周縁部２１４が形成されて、水透過膜２
３が装着された単電池２には、水透過膜２３によって覆
われない、したがって露出している側面８１ｂが得られ
る。この露出部が隣接する単電池２が持つセパレータ２
２の側面８２ｂなどと直接接触し合うことで、スタック
１は、集電板９１と集電板９２間の電気的な導通を確保
することができているのである。

【００４３】実施例２における今までの説明では、セパ
レータ２１には周縁部２１４が形成されるとしてきた
が、これに限定されるものではなく、周縁部２１４に替
えて、例えば、セパレータ２１，２２，１１に電気接続
部を形成し、互いに隣接する単電池２のそれぞれが備え
る前記セパレータの相互間を、適宜の電気接続体を用い
て前記の電気接続部によって接続し合ってもよいもので
ある。

【００４４】実施例１，２における今までの説明では、
スタックに供給される反応ガスの内、燃料ガス９７のみ
を加湿するとしてきたが、これに限定されるものではな
く、必要である場合には、酸化剤ガス９８も加湿しても
よいことは、勿論のことである。また、実施例１，２に
おける今までの説明では、燃料ガス９７と酸化剤ガス９
８とは互いに異なる加圧板からスタックに供給されると
してきたが、これに限定されるものではなく、例えば、
両ガスを同一の加圧板からスタックに供給するようにし
ても何等差し支えは無いものである。また、実施例１，
２における今までの説明では、加湿部は、スタックが備
える全ての単電池に備えるとしてきたが、これに限定さ
れるものではなく、例えば、反応ガスの下流部に位置す
る単電池には、加湿部の設置が不要である場合も有りえ
るものである。また、実施例１，２における今までの説
明では、加湿部に用いられる透湿性を有する膜はＰＥ膜
であるとしてきたが、これに限定されるものではなく、
例えば、セロハン，ポリエステル樹脂，ポリアミド樹脂
などの、透湿性を有する膜であれば適宜の膜であっても
よいものである。なお、これ等の透湿性を有する膜もプ
ロトンが供給されない場合のＰＥ膜と同様に、電気絶縁
性を持つ材料である。さらにまた、実施例１，２におけ
る今までの説明では、加湿部に用いられる透湿性を有す
る膜は、単体で使用されるとしてきたが、これに限定さ
れるものではなく、例えば、その両側面または片側面に
多孔質のシート材を用いた支持板を介在させてもよいも
のである。この支持板に用いられる多孔質のシート材と
しては、電極膜７Ａ，７Ｂなどの電極基材として用いら
れているカーボンペーパーなどが使用可能である。

【００４５】

【発明の効果】この発明においては、前記の課題を解決
するための手段の項で述べた構成とすることにより、次
記する効果を奏する。スタックに供給される反応ガスを加湿する例えば透湿
性を有する膜を用いた加湿部を単電池の積層部分に備え
る構成とすることにより、スタックの外部に反応ガスを
加湿する加湿装置を設置することが不要となるので、固
体高分子電解質型燃料電池装置を用いた発電装置を小型
化することが可能となる。また、加湿部に用いられる透湿性を有する膜を、セパレータ
の反応ガスを通流させるための溝が形成された側に対し
て反対となる側に配置する構成とすることにより、セパ
レータの面積が、加湿部を持たない場合と同等に納める
こおとが可能となることで、前記項による効果を得な
がら、スタックの面積を加湿部を持たない場合と同等に
小型化することが可能となる。

【００４６】それぞれの単電池は１対のセパレータを
備え、少なくとも片側のセパレータの全てに酸化剤ガス
を通流させるための溝が形成された側とは反対となる側
に水を用いる熱交換部を形成し、かつ、透湿性を有する
膜の外側面を隣接する単電池などが持つ熱交換部に用い
られる水に接触させる構成とすることにより、透湿性を
有する膜に水を与えるための構成が単純化されること
で、前記項，項による効果を得ながら、スタックの
長さ寸法を、加湿部を持たないものと同等程度とするこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１，２，４，５に対応するこの発明の一
実施例による固体高分子電解質型燃料電池が備える単位
燃料電池の要部を模式的に示したその横断面図

【図２】図１中に示したセパレータの図１におけるＳ矢
方向から見た図

【図３】図１中に示したセパレータの後記の図１５の場
合と同一方向から見た図

【図４】図１中に示したセパレータの後記の図１７の場
合と同一方向から見た図

【図５】図１中に示したセパレータの後記の図１６の場
合と同一方向から見た図

【図６】図１に示した単位燃料電池を用いた固体高分子
電解質型燃料電池を模式的に示した要部の側面図

【図７】図６に示したこの発明による固体高分子電解質
型燃料電池の反応ガスと熱媒の供給経路を説明する説明
図

【図８】請求項１〜３に対応するこの発明の一実施例に
よる固体高分子電解質型燃料電池が備える単位燃料電池
の要部を模式的に示したその縦断面図

【図９】図８におけるＡ−Ａ断面図

【図１０】図８中に示したセパレータの後記の図１５の
場合と同一方向から見た図

【図１１】図８中に示したセパレータの後記の図１６の
場合と同一方向から見た図

【図１２】図８に示した単位燃料電池を用いた固体高分
子電解質型燃料電池を模式的に示した要部の側面図

【図１３】図１０に示したこの発明による固体高分子電
解質型燃料電池の反応ガスと熱媒の供給経路を説明する
説明図

【図１４】従来例の固体高分子電解質型燃料電池が備え
る単位燃料電池の要部を展開した状態で模式的に示した
その横断面図

【図１５】図１４中に示したセパレータの図１４におけ
るＰ矢方向から見た図

【図１６】図１４中に示したセパレータの図１４におけ
るＱ矢方向から見た図

【図１７】図１４中に示したセパレータの図１４におけ
るＲ矢方向から見た図

【図１８】従来例の固体高分子電解質型燃料電池を模式
的に示した要部の側面図

【図１９】図１８に示した従来例の固体高分子電解質型
燃料電池の反応ガスの供給経路を説明する説明図

【符号の説明】

２単位燃料電池（単電池）２１セパレータ２１１Ａ溝２１４周縁部２２セパレータ２３水透過膜８１ｂ側面８２１Ｂ溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シート状の固体高分子電解質材の電解質膜
と，その両主面のそれぞれに接合された燃料電極膜およ
び酸化剤電極膜とを持ち，燃料ガスおよび酸化剤ガスで
なる反応ガスの供給を受けて直流電力を発生する燃料電
池セルと、燃料電池セルの両主面のそれぞれに対向させ
て配置されたセパレータとを有する単位燃料電池の複数
個を互いに積層して備え、セパレータは、燃料電池セル
と対向される側の面に燃料電池セルに供給されるそれぞ
れの反応ガスを通流させるための通流路が形成されてな
る固体高分子電解質型燃料電池において、少なくとも一方の反応ガスを加湿する加湿部を単位燃料
電池の積層部分に備えたことを特徴とする固体高分子電
解質型燃料電池。
【請求項２】請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料
電池において、加湿部は透湿性を有する膜を用いてなり、この膜はいず
れかの単位燃料電池が有するセパレータに装着され、少
なくとも一方の反応ガスは前記の膜の一方の側面に接触
され、前記の膜の他方の側面には加湿用の水が接触され
てなることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】請求項２に記載の固体高分子電解質型燃料
電池において、加湿部に用いられる透湿性を有する膜は、シート状の固
体高分子電解質材の電解質膜と隣接する部位に、前記の
電解質膜が配置されている面とほぼ同等位置となる面に
配置されてなることを特徴とする固体高分子電解質型燃
料電池。
【請求項４】請求項２に記載の固体高分子電解質型燃料
電池において、加湿部に用いられる透湿性を有する膜は、セパレータの
反応ガスを通流させるための通流路が形成された側に対
して反対となる側に配置されてなることを特徴とする固
体高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】請求項４に記載の固体高分子電解質型燃料
電池において、それぞれの単位燃料電池は、燃料ガスを通流させるため
の通流路を有する一方のセパレータと酸化剤ガスを通流
させるための通流路を有する他方のセパレータとでなる
１対のセパレータを備え、少なくとも他方のセパレータ
の全てには，酸化剤ガスを通流させるための通流路が形
成された側とは反対となる側に水を用いる熱交換部が形
成されてなり、透湿性を有する膜が配置されたセパレー
タを有する単位燃料電池は、前記の膜の外側面が、隣接
する単位燃料電池が有するセパレータに形成された熱交
換部に用いられている水に接触されてなることを特徴と
する固体高分子電解質型燃料電池。