JPH0963602A - 固体高分子電解質膜型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な構成で小型化に適し、固体高分子電解質
膜自体および電極触媒層中のイオン導電抵抗並びに該固
体高分子電解質膜型燃料電池を構成する材料間の電子導
電およびイオン導電にかかる接触抵抗も低減できる固体
高分子電解質膜型燃料電池を提供することを目的とす
る。 【解決手段】緻密質からなる第２セパレータ１８に設け
られた孔部２４に多孔質体からなる第１セパレータ１６
を嵌合し、前記第１セパレータ１６と第２セパレータ１
８との間で冷却室２５を画成する。第１セパレータ１６
は前記冷却室２５に導入された水の圧力によって固体高
分子電解質膜６０側へと押圧される。固体高分子電解質
膜６０は湿潤して内部抵抗が低減するとともに、固体高
分子電解質膜６０と第１セパレータ１６と第２セパレー
タ１８との間のイオン導電並びに電子導電にかかる接触
抵抗も低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
膜型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質膜型燃料電池は、固体
高分子電解質膜の両側に触媒を含む電極を接合して構成
されている。このような構成において、主として水素ガ
ス等からなる燃料ガスはアノード側電極に供給され、主
として酸素ガス等からなる酸化剤ガスはカソード側に供
給される。そこで、アノード側電極内の触媒が燃料ガス
中の水素ガスをイオン化し、このイオンは固体高分子電
解質膜を透過して該固体高分子電解質膜の反対側のカソ
ード側に送られる。このイオンの移動に伴って水の分子
が移送されるためにアノード側では乾燥状態が進むこと
になる。特に、電流密度が高くなるとともに発熱量が増
大することにより、固体高分子電解質膜の水分が不足し
てイオン伝導度が低下し、燃料電池の出力が低下するに
至る。この対策として、従来の燃料電池では、以下のよ
うな方法が採用されている。

【０００３】好適な一例として、燃料電池に隣接して加
湿セクションを設け、この加湿セクションによりアノー
ド側に供給される燃料ガスに加湿を行う間接的加湿方法
が提案されている。例えば、特開平６−２３１７８８号
に開示される技術的思想では、加湿器の底面に超音波振
動子を取り付け、この超音波振動子によって発生した霧
とアノード側へ供給される燃料ガスとが混合されて加湿
され、燃料電池本体へと供給されるものである。

【０００４】一方、特開平６−１２４７２２号に開示さ
れている従来技術では、電気ヒータで加温された純水中
を水素、酸素または空気が通過して、これらが加湿され
ることが示されている。

【０００５】これに対して、特開平６−２３１７９３号
では、固体高分子電解質膜に直接水分を供給して加湿す
る構造のものを採用した直接的加湿方法が開示されてい
る。この場合、固体高分子電解質膜に隣接するガスセパ
レータ要素を多孔質体で構成し且つこのガスセパレータ
要素中に冷却水供給通路を画成している。従って、該冷
却水供給通路に冷却水を供給すれば、冷却水は毛細管現
象によってガスセパレータ要素を浸透し、固体高分子電
解質膜に到達して加湿する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記の特開
平６−２３１７９３号に示される直接的加湿方法では、
ガスセパレータの酸化剤電極側から冷却水供給通路に酸
化剤ガスが混入するおそれがある。これを解決すべく、
前記特開平６−２３１７９３号の図２に示す構造を採用
して冷却水中に混入した酸化剤ガスがアノード側へと到
達することのないように構成しても、冷却水をアノード
側とカソード側に分けて供給しなければならず、構造が
複雑化し、部品点数も増加せざるを得ない。さらに、酸
化剤ガス側電極の圧力が低下すると、ガスセパレータ内
の冷却水が酸化剤ガス側へと導出されるため、酸化剤ガ
ス側電極の水は反応生成水を上回る量となり、この結
果、ガス流路が閉塞されてしまう不都合がある。

【０００７】一方、前記の間接的加湿方法に係る従来技
術では、燃料電池本体から離れた位置に加湿機構がある
ために、該燃料電池本体と加湿機構とを連結する配管内
で水分が凝縮し、所望の湿度を有する燃料ガスを燃料電
池本体に送ることが困難である。しかも、燃料電池本体
に対して加湿機構が別体であるために、全体としてコン
パクトにはならない。さらに、この種の装置では、燃料
電池本体の負荷変動に対応した水分を供給することが困
難であるとともに、加熱および保温部分が多くなるため
に、エネルギ効率が悪くなる不都合がある。

【０００８】本発明は、この種の問題を解決するために
なされたものであって、簡単な構造で小型化に適し、応
答性が高く、しかも、エネルギ効率に優れるとともに固
体高分子電解質膜に均一に加湿可能とすることによって
該固体高分子電解質膜自体のイオン導電抵抗を低減せし
め、しかも集電体との間の接触抵抗も低減することがで
きる固体高分子電解質膜型燃料電池を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明は、両側面に第１と第２の電極触媒層を当
接し、若しくは一体的に形成した固体高分子電解質膜
と、前記第１の電極触媒層側に設けられた多孔質体から
形成された第１のセパレータと、前記第１のセパレータ
を変位自在または変形自在に保持し、且つ該第１のセパ
レータの一面と共に内部に冷却室を画成した緻密質から
なるとともに前記第２の電極触媒層に対向する第２のセ
パレータと、前記第１と第２のセパレータ間に設けられ
た導電性シール部材と、を有し、前記第１セパレータの
他面に燃料ガス供給通路を画成するための複数のリブを
設け、一方、前記第２セパレータの一面に酸化剤ガス供
給通路を画成するための複数のリブを設け、前記第１セ
パレータの複数のリブの先端は前記第１の電極触媒層に
当接し、前記第２セパレータの複数のリブの先端は前記
第２の電極触媒層に当接することを特徴とする。

【００１０】以上のように構成することによって、第１
セパレータの他面側の複数のリブによって画成された通
路から燃料ガスが供給され、この燃料ガスは第１の電極
触媒層から固体高分子電解質膜に到達する。一方、第２
セパレータの一面側の複数のリブによって画成された通
路から酸化剤ガスが供給され、この酸化剤ガス（空気）
は第２の電極触媒層に到達して拡散される。この間に冷
却室から供給される水は多孔質体からなる第１のセパレ
ータに到達し、前記多孔質体を膨潤させるとともにこの
第１のセパレータから浸透してアノード電極としての第
１の電極触媒層に到達し、これを湿潤する。

【００１１】この場合、第１のセパレータを構成する多
孔質体は、カーボン材、導電性多孔質焼結金属、多孔質
導電性ゴム、または多孔質導電性樹脂、およびこれらの
任意の組み合わせで構成しておけば、該第１のセパレー
タを容易に湿潤でき、アノード側の電極触媒層が必要以
上に乾燥することを阻止できる。特に、多孔質体の気孔
率が７０％以下で、気孔径が４０μｍ以下であると、湿
潤作用が一層好適に営まれる。

【００１２】さらに、本発明は、固体高分子電解質膜
と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に当接する燃料
ガス側電極と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に当
接する酸化剤ガス側電極と、前記燃料ガス側電極に近接
して配設され且つ前記固体高分子電解質膜側へと変位さ
せる第１のセパレータと、前記酸化剤ガス側電極に近接
して配設され且つ前記固体高分子電解質膜側へと変位さ
せる第２のセパレータと、を有し、前記燃料ガス側電極
は燃料ガス側電極触媒層と燃料ガス拡散層とを積層して
構成され、前記酸化剤ガス側電極は酸化剤ガス側電極触
媒と酸化剤ガス拡散層とを積層して構成されることを特
徴とする。

【００１３】このように、燃料ガス側電極を、燃料ガス
側電極触媒層と燃料ガス拡散層とを積層し、一方、固体
高分子電解質膜と分離構成しており、組み付けの際に、
この燃料ガス側電極を固体高分子電解質膜に圧接するの
で、薄膜状の該電極を製造する際に、製造工程が一層簡
素となり、容易化する。酸化剤ガス側電極においても同
様である。

【００１４】なお、燃料ガス拡散層と酸化剤ガス拡散層
とをそれぞれカーボンぺーパーで構成すれば、燃料ガス
と酸化剤ガスの拡散が円滑に行われ、且つ廉価に製造で
きる。

【００１５】本発明では、水供給方向と燃料ガス、酸化
剤ガスの供給方向とを互いに対向するようにしている。
このため、上から流れる燃料ガス、酸化剤ガスは下方へ
近づくにつれて、下から上昇する低温の水に効果的に冷
却され、これによって、第１と第２のセパレータと、燃
料ガス側電極と、酸化剤ガス側電極とを効果的に冷却で
き、燃料電池全体としての発熱を抑止することが可能と
なる。さらに温度分布も均一化できるため、良好な発電
作用が営まれる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明に係る固体高分子電解質膜
型燃料電池について好適な実施の形態を挙げ、添付の図
面を参照しながら以下詳細に説明する。

【００１７】該燃料電池スタック１０は、図１乃至図４
に示すように、基本的には発電部１２とセパレータ部１
４とから構成される。前記セパレータ部１４は、多孔質
体からなる第１のセパレータ１６と、比較的厚みがあり
且つ緻密質からなる第２のセパレータ１８とを含む。第
１セパレータ１６は、多孔質体で、例えば、気孔率が７
０％以下で気孔径が４０μｍ以下のカーボン材からな
る。図から容易に諒解される通り、矩形状の第１セパレ
ータ１６には横方向に平行に複数のリブ２０が突設さ
れ、隣接するリブ２０、２０の間に燃料ガス供給用の通
路２２が画成される。一方、第２セパレータ１８は、図
４に示すように、断面が略Ｃ字状であって、一側面側に
前記第１セパレータ１６が嵌合する孔部２４が画成さ
れ、この孔部２４は該第２セパレータ１８内に画成され
た冷却室２５と連通している。この第２セパレータ１８
の他側面側には縦方向に平行に複数のリブ２６が突設さ
れ、これによって、隣接するリブ２６、２６の間に酸化
剤ガス、例えば、空気供給用の通路２８が画成される
（図２並びに図３参照）。

【００１８】さらに、前記第２セパレータ１８について
説明すると、図１乃至図３から諒解される通り、該第２
セパレータ１８の左枠１８ａには直方体状の貫通孔３４
が画成され、また、右枠１８ｂには別の貫通孔３６が画
成されている。前記左枠１８ａには貫通孔３４から孔部
２４に連通する複数の細孔３８が画成され、一方、右枠
１８ｂには貫通孔３６から前記孔部２４に連通する複数
の細孔４０が画成されている（図１参照）。従って、前
記第２セパレータ１８の孔部２４に第１セパレータ１６
が嵌合すると、該第１セパレータ１６の通路２２を介し
て細孔３８と細孔４０とが相互に連通するに至る。な
お、図４から容易に諒解される通り、第１セパレータ１
６が第２セパレータ１８の孔部２４に嵌合するとき、前
記第１セパレータ１６と第２セパレータ１８との間に導
電性ゴム、または導電性樹脂の如きシール部材３０が係
着される。

【００１９】一方、該第２セパレータ１８の上枠１８ｃ
には直方体状の貫通孔４２が画成され、また、下枠１８
ｄには別の貫通孔４４が画成されている。前記上枠１８
ｃには貫通孔４２から通路２８に連通する複数の細孔４
６が画成され、一方、下枠１８ｄには貫通孔４４から前
記通路２８に連通する複数の細孔４８が画成されてい
る。従って、複数の細孔４６と細孔４８とは通路２８を
介して互いに連通状態にある。

【００２０】第２セパレータ１８の上枠１８ｃと左枠１
８ａとによって形成される隅角部には連通孔５０が、ま
た、下枠１８ｄと右枠１８ｂとによって形成される隅角
部には連通孔５２が画成されている。該連通孔５０と５
２とは第１セパレータ１６が第２セパレータ１８の孔部
２４に嵌合することによって画成される冷却室２５に斜
め方向から連通している（図４参照）。

【００２１】次に、発電部１２について説明する。発電
部１２は固体高分子電解質膜６０とその両面に設けられ
た第１の電極触媒層６２ａと第２の電極触媒層６２ｂを
備えている。前記第１と第２の電極触媒層６２ａ、６２
ｂの大きさは孔部２４を画成する第２セパレータ１８の
内側端縁と略同じ大きさである。

【００２２】図５はガスケット６６の構造を示す。な
お、ガスケット６８は、実質的にガスケット６６と同じ
形状である。そこで、前記ガスケット６６、６８は、図
８に示すように、第２セパレータ１８と固体高分子電解
質膜６０との間で挟持される。前記ガスケット６６、６
８には、後述するように、燃料ガスおよび酸化剤ガスが
燃料電池スタック１０として積層された複数の第１セパ
レータ１６、第２セパレータ１８の間で通流可能なよう
に、貫通孔７０、７２、７４、７６、連通孔７８、８０
および大孔８２が画成されている。従って、発電部１２
とセパレータ部１４とが組み込まれた時、第２セパレー
タ１８の貫通孔３４とガスケット６６、６８の貫通孔７
０とが連通し、貫通孔３６と貫通孔７２とが連通し、貫
通孔４２と貫通孔７４とが連通し、さらに貫通孔４４と
貫通孔７６とが連通する。大孔８２には第１セパレータ
１６の複数のリブ２０が入り込む。

【００２３】以上のように構成される発電部１２とセパ
レータ部１４とは、次のように組み合わされる。すなわ
ち、第２セパレータ１８の孔部２４に第１セパレータ１
６が嵌合し、シール部材３０は第１セパレータ１６と第
２セパレータ１８とをシールし且つ電気的に接続する。
ガスケット６６が第１セパレータ１６側にあって第２セ
パレータ１８に接合し、ガスケット６８は第２セパレー
タ１８のリブ２６側の面に接合する。ガスケット６６と
ガスケット６８の間に発電部１２が介装される。なお、
その積層固定に際しては、図６に示すように、第２セパ
レータ１８の貫通孔３４、３６、４２、４４および連通
孔５０、５２に連通する管継手７９、８１、８４、８
６、連通孔５０、５２に連通する管継手８８、９０を有
するエンドプレート９２、および管継手が形成されてい
ないエンドプレート９４をその両端に配設し、締付ボル
ト９６ａ〜９６ｄでその四隅を強くかつ均等に締め付け
ることにより構成される。

【００２４】エンドプレート９４の詳細を図７に示す。
このエンドプレート９４はエンドプレート９２と実質的
に同一の大きさを有する平坦な板体からなる。当該エン
ドプレート９４には四隅に前記締付ボルト９６ａ〜９６
ｄの一端部が挿入される締付用孔部１１２ａ〜１１２ｄ
が画成されている。

【００２５】このように構成される燃料電池スタック１
０は、図８に示すように、前記管継手９０に、冷媒であ
る、例えば、水を供給する回路が外部に設けられてい
る。すなわち、巡回する水が貯蔵されるタンク１２０、
冷媒を所定の圧力まで昇圧させる昇圧ポンプ１２２、さ
らにイオン交換樹脂１２４が管路１２６を介して、燃料
電池スタック１０のエンドプレート９２の管継手９０に
連通されている。一方、前記エンドプレート９２の管継
手８８は、管路１２８を介して背圧弁１３０、タンク１
２０に連通されている。

【００２６】次に、本発明に係る固体高分子電解質膜型
燃料電池の作用について説明する。燃料電池スタック１
０の作動時には、図６に示すように、燃料ガスが図示し
ない燃料ガス供給源からエンドプレート９２の管継手８
１、ガスケット６６（６８）の貫通孔７２、第２セパレ
ータ１８の貫通孔３６、細孔４０を介して第１セパレー
タ１６の通路２２に供給され、酸化剤ガスが図示しない
酸化剤ガス供給源からエンドプレート９２の管継手８
４、ガスケット６６（６８）の通路７４、第２セパレー
タ１８、貫通孔４２、細孔４６を介して通路２８に供給
される。

【００２７】これと同時に、冷却水としての水がエンド
プレート９２の管継手９０から連通孔５２に達し、冷却
室２５に至り、当該冷却室２５の内圧を上昇させる。こ
の際、前記水の圧力（ＰＨ₂ Ｏ）は燃料ガスの圧力（Ｐ
Ｈ₂ ）よりも高く設定されているため、前記水が水透過
性である薄板状の多孔質カーボンから形成された第１セ
パレータ１６に浸透し、これを電極触媒層６２ａ側に変
位、若しくは変形させるとともに、遂には該第１セパレ
ータ１６に画成された通路２２を流れている燃料ガスを
加湿する。加湿された前記燃料ガスは、電極触媒層６２
ａに到達して、固体高分子電解質膜６０を加湿する。従
って、前記変位作用または変形作用によって第１セパレ
ータ１６のリブ２０は電極触媒層６２ａに均等に圧接
し、ひいては第２セパレータ１８に対し、固体高分子電
解質膜６０を押圧することになる。しかも、前記固体高
分子電解質膜６０が適度な湿度に維持され、イオン導電
抵抗、接触抵抗が増加することはない。一方、通路２２
に供給された燃料ガスの中、未反応の燃料ガスはエンド
プレート９４の直前の第２セパレータ１８の貫通孔３４
に至り、ガスケット６６の貫通孔７０等を通過して管継
手７９から排出される。酸化剤ガスも同様に、その一部
が第２セパレータ１８の貫通孔４４に至り、管継手８６
から排出される。

【００２８】さらに、燃料電池スタック１０の作動が終
わり昇圧ポンプ１２２が停止され、背圧弁１３０の絞り
も開成されると、前記冷却室２５の水が第２セパレータ
１８の連通孔５０を経て、エンドプレート９２の管継手
８８から外部に排出され、当該冷却室２５の内圧が低下
する。従って、第１セパレータ１６側への面圧力も低下
し、組み立て時の圧力に戻る。

【００２９】このように、本実施の形態に係る固体高分
子電解質膜型燃料電池によれば、第１セパレータ１６と
第２セパレータ１８とによって画成された冷却室２５に
導入される水を水透過性の多孔質体である第１セパレー
タ１６を介して発電部１２に供給し、さらに水圧により
第１セパレータ１６の変位作用または変形作用下に固体
高分子電解質膜６０に対する押圧力を増大するとともに
電極触媒層６２ａが適当な湿度に保たれ、イオン導電抵
抗および接触抵抗を増加させることがない。しかも、セ
パレータ部１４に設けられた冷却室２５に供給される水
を直接多孔質カーボンからなる第１セパレータ１６を介
して供給するので、新たな加湿手段を設ける必要がな
い。

【００３０】また、第１と第２のセパレータ１６、１８
によって画成される冷却室２５から水が供給されるた
め、電極触媒層６２ａに均等に水分が供給される。

【００３１】さらに、前記発電部１２の乾燥状態に応じ
て水の供給量を増減させるが、その際、各燃料電池スタ
ック１０の冷却室２５から直接水分を供給しているた
め、応答性が高い。

【００３２】さらにまた、燃料ガスである水素ガス（Ｐ
Ｈ₂ ）および酸化剤ガスである酸素ガス（ＰＯ₂ ）より
も水の圧力（ＰＨ₂ Ｏ）を高く設定しており、しかも、
第２セパレータ１８を緻密質で構成しているため、第１
セパレータ１６の通路２２に水が浸入するだけで、燃料
ガスと酸化剤ガスが前記冷却室２５で混合することを確
実に阻止でき、安全性が確保される。

【００３３】次に、本発明の別の実施の形態を示す。前
記の実施の形態では、発電部１２には固体高分子電解質
膜６０を挟んで第１電極触媒層６２ａと第２電極触媒層
６２ｂが一体的に設けられていた。そして、多孔質体、
すなわち、カーボン材からなる第１セパレータ１６が第
１電極触媒層６２ａに当接する構造を採用している。し
かしながら、この新たな実施の形態では、寧ろ、固体高
分子電解質膜と分離されて燃料ガス側電極が用意され、
一方、固体高分子電解質膜の反対側に酸化剤側電極が配
置される。

【００３４】すなわち、固体高分子電解質膜２００は、
燃料ガス側電極２０２と分離構成されており、また、同
様に、酸化剤ガス側電極２０４とも分離構成されてい
る。燃料ガス側電極２０２は、電極触媒層２０６とカー
ボンペーパーからなるガス拡散層２０８とから構成され
ており、両者は予め一体的に形成される。一方、酸化剤
ガス側電極２０４は、電極触媒層２１０とカーボンペー
パーからなるガス拡散層２１２とから構成され、これら
の酸化剤ガス側電極触媒層２１０とガス拡散層２１２と
は、燃料ガス側電極２０２と同様に、予め一体的に構成
されている。従って、一般的に極めて薄い膜からなる電
極触媒層とガス拡散層とを予め一体化しておくことによ
り、固体高分子電解質膜６０に第１電極触媒層６２ａ、
第２電極触媒層６２ｂを設けるよりもその製造がし易
く、なおかつ維持管理もし易いという利点がある。この
場合、前記構成に代えて、固体高分子電解質膜２００、
燃料ガス側電極２０２、酸化剤ガス側電極２０４をそれ
ぞれ分離して用意し、燃料電池を全体として組み立てる
前に、これら固体高分子電解質膜２００、燃料ガス側電
極２０２、酸化剤ガス側電極２０４をホットプレス等に
より、一体的に組み付けて発電部を形成しておくことも
できる。

【００３５】このように構成される発電部を、主として
セパレータとガスケット等を用いて燃料電池として組み
立てる構造を図１０に示す。

【００３６】先ず、固体高分子電解質膜２００の周縁部
に一方の端面が当接するように、燃料ガス側電極２０２
側にガスケット２１４を配設する。このガスケット２１
４には、前記燃料ガス側電極２０２を若干の隙間をもっ
て嵌合するための孔部２１６が形成されている。前記ガ
スケット２１４の他方の端面は、図において、断面逆コ
字状のセパレータ２１８の端面に当接する。セパレータ
２１８は、炭素またはステンレススチール等の緻密質か
らなり、その内部に多孔質からなる燃料ガス案内部材２
２０と水案内部材２２２とを含む。セパレータ２１８
は、その内部に水案内流路２２４ａ、２２４ｂを有す
る。一方、燃料ガス案内部材２２０には、燃料ガスを通
過させるための複数のガス案内流路２２６が設けられ、
且つ水案内部材２２２にも同様に、水案内流路２２４
ａ、２２４ｂの一方から他方へと水を流下させるための
水案内流路２２８が設けられている。

【００３７】燃料ガス案内部材２２０と水案内部材２２
２とは、セパレータ２１８に対して、例えば、導電性ゴ
ムまたは導電性樹脂のような導電性材質２２９で接合さ
れている。従って、水案内流路２２８から案内される水
がガス案内流路２２６に直接流入することが阻止され
る。

【００３８】なお、この場合、水案内流路２２８は下か
ら上へと、一方、ガス案内流路２２６に導入される燃料
ガスは上から下へと互いに対向するように流すことが好
ましい。燃料ガスが上から下へと流れる際、多孔質から
なる燃料ガス案内部材２２０に浸透する水案内部材２２
２からの水で該燃料ガスは発電時には徐々に加湿され
る。この加湿された燃料ガスを下から上へと上昇する低
温の水で冷却することにより発電部の温度分付を均一に
することが可能となる。

【００３９】セパレータ２１８の、ガスケット２１４と
は反対側の面に絶縁部材２３０が介装され、この絶縁部
材２３０はエンドプレート２４０に接する。エンドプレ
ート２４０には、前記の実施の形態と同様の形状の燃料
ガス供給・排出口、冷却水導入・導出口および酸化剤ガ
ス入出口（図示せず）が設けられる。

【００４０】燃料ガス側電極２０２と反対側に、前記ガ
スケット２１４と略同様の形状のガスケット２５０が設
けられる。このガスケット２５０は、ガスケット２１４
と同様に、若干の隙間をもって酸化剤ガス側電極触媒層
２１０とガス拡散層２１２とが一体化された酸化剤ガス
側電極２０４を受容する。従って、ガスケット２５０に
はガスケット２１４の孔部２１６と同様に、大きく開口
された孔部２５２が設けられている。

【００４１】このガスケット２５０の一方の端面に当接
し、前記酸化剤ガス側電極２０４の一部を受容するセパ
レータ２５４が設けられる。このセパレータ２５４は、
大きく酸化剤ガス側セパレータ２５６と、燃料ガス側セ
パレータ２５８とに分かれる。酸化剤ガス側セパレータ
２５６と燃料ガス側セパレータ２５８との間にＯリング
２６０が設けられ、両セパレータ２５６、２５８を相互
に液密に遮断する。

【００４２】酸化剤ガス側セパレータ２５６に酸化剤ガ
ス案内部材２６２が設けられる。この酸化剤ガス案内部
材２６２には、酸化剤ガスを案内するための酸化剤ガス
案内流路２６４が、複数本、互いに平行にかつ垂直方向
に延在している。一方、燃料ガス側セパレータ２５８に
は、セパレータ２１８と同様に、垂直方向に延在する複
数のガス案内流路２６６を設けた燃料ガス案内部材２６
８が設けられている。そして、前記酸化剤ガス側セパレ
ータ２５６と燃料ガス側セパレータ２５８との間に垂直
方向にかつ複数の水案内流路２７０を設けた水案内部材
２７２が設けられる。実際、水案内部材２７２は垂直方
向に２分割構成されている。この場合、酸化剤ガス側セ
パレータ２５６と燃料ガス側セパレータ２５８と酸化剤
ガス案内部材２６２と燃料ガス案内部材２６８および水
案内部材２７２とは、特に導電性の部材で接合されてい
る。この接合に際しては、好ましくは、導電性ゴムまた
は導電性樹脂からなる導電性材料２７３が用いられる。

【００４３】このように、固体高分子電解質膜２００と
燃料ガス側電極２０２と酸化剤ガス側電極２０４とセパ
レータ２１８、セパレータ２５４等が積層されて、図１
１に示す固体高分子電解質膜型燃料電池が構成される。
この実施の形態では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび水の
流路についての詳細な説明は省略するが、当業者である
ならば容易に諒解されよう。

【００４４】以上のように構成される固体高分子電解質
膜型燃料電池の作用について説明すれば、ガス案内流路
２２６から燃料ガスが垂直方向下方向に向かって流さ
れ、一方、水案内部材２２２の水案内流路２２８から垂
直方向上方に向かって水が供給される。同様に、酸化剤
ガス側セパレータ２５６において、酸化剤ガス案内部材
２６２の酸化剤ガス案内流路２６４には上方から酸化剤
ガスが供給され、これに対向して垂直方向下方から上方
へ向けて水案内流路２７０から水が供給される。従っ
て、燃料ガス案内部材２２０と酸化材ガス案内部材２６
２とは、互いに湿潤されるに至る。

【００４５】そこで、ガス案内流路２２６から投入され
る燃料ガスは、燃料ガス側電極２０２をその圧力で押圧
して固体高分子電解質膜２００にそれ自体を圧接する。
同様に、当該固体高分子電解質膜２００の他方の面に酸
化剤ガス案内流路２６４に導入された酸化剤ガスが満た
されて、前記酸化剤ガス側電極２０４を固体高分子電解
質膜２００に対して圧接する。

【００４６】ここで、前記実施の形態と同様の発電作用
が営まれることになる。

【００４７】以上のように、この実施の形態によれば、
固体高分子電解質膜２００と燃料ガス側電極２０２およ
び酸化剤ガス側電極２０４とを分離構成しているため
に、その製造に際して極めて容易にかつ大量に製造する
ことができる。従って、燃料電池全体としての低価格化
の達成、およびその組み立てが一層容易化するとともに
維持管理もし易い。

【００４８】図１２に本発明のまた別の実施の形態を示
す。この実施の形態では、特に、前記水案内部材２７２
のように溝状の水案内流路２７０を設けてはいない。寧
ろ、直方体状あるいは矩形体状の枠体３００で構成し、
その中央部部分が大きく開口した広容積の空間３０２と
し、全体として水案内部材３０４を構成している。そし
て、枠体３００の両側面は多孔質カーボン等の多孔質部
材からなる面圧発生板３０６ａ、３０６ｂで閉塞されて
いる。なお、その際、導電性ゴムあるいは導電性樹脂３
０８ａ、３０８ｂで酸化剤ガス案内部材２６２と燃料ガ
ス案内部材２６８の境界部分をシールしておく。

【００４９】このような構成において、図に直交する方
向にあって下から上へと水を流せば、空間３０２に水が
満たされることにより、面圧発生板３０６ａ、３０６ｂ
が互いに離間する方向へと撓み、酸化剤ガス案内部材２
６２と燃料ガス案内部材２６８とを押圧し且つこれらに
適度の水分を供給して加湿する。他の燃料ガス案内部材
２６８と酸化剤ガス案内部材２６２側の水案内部材２２
２等も同様に、面圧発生板３０６ａ、３０６ｂを用いる
ことにより該水案内部材２２２等の構成を簡略化できる
ことはいうまでもない。

【００５０】図１３は本発明のさらにまた別の実施の形
態を示す。この実施の形態では、図１２に示す面圧発生
板３０６ａと酸化剤ガス案内部材２６２とを一体化した
酸化剤ガス案内押圧板３５０ａと、面圧発生板３０６ｂ
と燃料ガス案内部材２６８とを一体化した燃料ガス案内
押圧板３５０ｂとから構成される。酸化剤ガス案内押圧
板３５０ａと燃料ガス案内押圧板２５０ｂの周囲には導
電性ゴムあるいは導電性樹脂３５２ａ、３５２ｂが埋設
されている。

【００５１】このように構成すれば、図１２の実施の形
態の如く、別異の独立した面圧発生板３０６ａ、３０６
ｂを設ける必要がないので、部品点数を減少させること
ができ、且つ組み付けも容易化する。

【００５２】図１４および図１５は本発明のまた別の実
施の形態を示す。この実施の形態では図１２の実施の形
態と異なり、面圧発生板４００の略中央部に水導出口４
０２を画成し、燃料ガス案内部材４０４に設けられた小
孔４０６にこの水導出口４０２が連通している。燃料ガ
ス案内部材４０４の平坦な面４０８は発電部のカーボン
ペーパーからなるガス拡散層に均等に当接するが、その
当接面には、図１５に示すように、放射状の溝４１０が
複数個刻設されている。前記燃料ガス案内部材４０４の
周囲は緻密質の部材４１２で構成されている。

【００５３】このような構成によれば、発電部に対して
直接水を供給することができ、電池としての迅速な立ち
上がりと十分な水分の供給が達成される。

【００５４】図１６は図１２の変形例である。酸化剤ガ
ス案内部材２６２と燃料ガス案内部材２６８の外側にシ
ール部材４５０、４５２を配置している。

【００５５】

【発明の効果】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料
電池によれば、以下の効果が得られる。

【００５６】すなわち、冷却室を構成する第１のセパレ
ータが水透過性の材料、好適には多孔質カーボンから形
成されているため、前記冷却室に供給される水が多孔質
カーボンで構成された該第１のセパレータから電極を介
して固体高分子電解質膜に均一に水分が供給されるとと
もに、該供給される水圧によって起こる変位作用または
変形作用によって押圧力が増加する。このように冷却用
の水を用いて該固体高分子電解質膜を加湿するため、特
に加湿用の機構を設ける必要がなく、全体にコンパクト
にまとめることができるとともに、前記冷却室は、各単
位電池に設けられているため、各単位電池の固体高分子
電解質膜を均等に加湿することができる。従って、固体
高分子電解質膜中の電気抵抗を均等な押圧力と相俟って
低減することができるばかりか、イオン導電および電子
導電に係る接触抵抗も低く抑制することが可能となり、
エネルギ効率もよい。

【００５７】しかも、固体高分子電解質膜と、燃料ガス
側電極と、酸化剤ガス側電極とを分離構成し、電極自体
を電極触媒層と、ガス拡散層とによって分離構成してい
る。従って、発電部の製造が容易化し、製品を低価格で
提供できるとともに、維持管理がし易いという特有の効
果が得られる。

【００５８】さらに、本発明では、ガス拡散層として薄
いカーボンペーパーを用いることにより、ガスの透過性
が向上し、この結果、発電性能が一層向上するという利
点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池の
要部分解斜視図である。

【図２】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池の
第２セパレータの斜視図である。

【図３】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池の
第２セパレータの要部破断斜視図である。

【図４】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池の
分解図である。

【図５】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池を
構成するガスケットの斜視図である。

【図６】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池の
スタック状態説明図である。

【図７】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池を
構成するエンドプレートの斜視図である。

【図８】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池の
冷却水供給回路の説明図である。

【図９】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池の
別の実施の形態における固体高分子電解質膜と、燃料ガ
ス側電極と酸化剤ガス側電極とが分離構成された状態を
示す横断面図である。

【図１０】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池
の図９に示す別の実施の形態における発電部をセパレー
タとガスケット等と一体的に組み立てる構造の一部省略
分解横断面図である。

【図１１】図１０に示す発電部等をエンドプレートによ
って挟持して燃料電池を構成した状態の一部省略横断面
図である。

【図１２】本発明のまた別の実施の形態に係る面圧発生
板を用いた固体高分子電解質膜型燃料電池の一部省略縦
断面図である。

【図１３】本発明のさらにまた別の実施の形態に係る面
圧発生板とガス案内部材とが兼用され、しかもその周囲
に導電性部材が配設された一部省略縦断面図である。

【図１４】本発明のまた別の実施の形態に係る固体高分
子電解質膜の概略縦断面図である。

【図１５】図１４のＸＶ−ＸＶ線に沿う矢視図である。

【図１６】本発明のまたさらに別の実施の形態に係る固
体高分子電解質膜の概略縦断面図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池スタック １６…第１…セパ
レータ １８…第２セパレータ ２０、２６…リブ ３０…シール部材 ６０…固体高分子
電解質膜 ６２ａ…第１電極触媒層 ６２ｂ…第２電極
触媒層 ６６、６８…ガスケット ２００…固体高分
子電解質膜 ２０２…燃料ガス側電極 ２０４…酸化剤ガ
ス側電極 ２１８、２５６、２５８…セパレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 晃生 埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社本 田技術研究所内 (72)発明者 田中 一郎 埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社本 田技術研究所内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両側面に第１と第２の電極触媒層を当接
   し、若しくは一体的に形成した固体高分子電解質膜と、 前記第１の電極触媒層側に設けられた多孔質体から形成
   された第１のセパレータと、 前記第１のセパレータを変位自在または変形自在に保持
   し、且つ該第１のセパレータの一面と共に内部に冷却室
   を画成した緻密質からなるとともに前記第２の電極触媒
   層に対向する第２のセパレータと、 前記第１と第２のセパレータ間に設けられた導電性シー
   ル部材と、 を有し、前記第１セパレータの他面に燃料ガス供給通路
   を画成するための複数のリブを設け、一方、前記第２セ
   パレータの一面に酸化剤ガス供給通路を画成するための
   複数のリブを設け、前記第１セパレータの複数のリブの
   先端は前記第１の電極触媒層に当接し、前記第２セパレ
   ータの複数のリブの先端は前記第２の電極触媒層に当接
   することを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
2. 【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、前記第
   １のセパレータを構成する多孔質体は、カーボン材、導
   電性多孔質焼結金属、多孔質導電性ゴム、または多孔質
   導電性樹脂、およびこれらの任意の組み合わせからなる
   ことを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
3. 【請求項３】請求項２記載の燃料電池において、前記第
   １のセパレータを構成する多孔質体は気孔率が７０％以
   下で気孔径が４０μｍ以下であることを特徴とする固体
   高分子電解質膜型燃料電池。
4. 【請求項４】固体高分子電解質膜と、 前記固体高分子電解質膜の一方の面に当接する燃料ガス
   側電極と、 前記固体高分子電解質膜の他方の面に当接する酸化剤ガ
   ス側電極と、 前記燃料ガス側電極に近接して配設され且つ前記固体高
   分子電解質膜側へと変位させる第１のセパレータと、 前記酸化剤ガス側電極に近接して配設され且つ前記固体
   高分子電解質膜側へと変位させる第２のセパレータと、 を有し、前記燃料ガス側電極は燃料ガス側電極触媒層と
   燃料ガス拡散層とを積層して構成され、前記酸化剤ガス
   側電極は酸化剤ガス側電極触媒と酸化剤ガス拡散層とを
   積層して構成されることを特徴とする固体高分子電解質
   膜型燃料電池。
5. 【請求項５】請求項４記載の燃料電池において、前記燃
   料ガス側電極を構成する燃料ガス拡散層はカーボンペー
   パーからなることを特徴とする固体高分子電解質膜型燃
   料電池。
6. 【請求項６】請求項４または５記載の燃料電池におい
   て、前記酸化剤ガス側電極を構成する酸化剤ガス拡散層
   はカーボンペーパーからなることを特徴とする固体高分
   子電解質膜型燃料電池。
7. 【請求項７】請求項４乃至６のいずれか１項に記載の燃
   料電池において、前記第１のセパレータはその内部に垂
   直方向にそれぞれ延在する燃料ガス供給流路と、水供給
   流路とを有し、前記燃料ガス側電極を構成する燃料ガス
   拡散層は前記燃料ガス供給流路に面していることを特徴
   とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
8. 【請求項８】請求項７記載の燃料電池において、前記燃
   料ガス供給流路を流れる燃料ガスと、水供給流路を流れ
   る水とは互いに垂直方向で且つ反対方向に流れることを
   特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
9. 【請求項９】請求項４乃至８のいずれか１項に記載の燃
   料電池において、前記第２のセパレータはその内部に垂
   直方向にそれぞれ延在する酸化剤ガス供給流路と、水供
   給流路とを有し、前記酸化剤ガス側電極を構成する酸化
   剤ガス拡散層は前記酸化剤ガス供給流路に面しているこ
   とを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
10. 【請求項１０】請求項４乃至９のいずれか１項に記載の
    燃料電池において、前記酸化剤ガス供給流路を流れる酸
    化剤ガスと、水供給流路を流れる水とは互いに垂直方向
    で且つ反対方向に流れることを特徴とする固体高分子電
    解質膜型燃料電池。
11. 【請求項１１】請求項４乃至１０のいずれか１項に記載
    の燃料電池において、前記第１と第２のセパレータと
    は、それぞれカーボン材、導電性多孔質焼結金属、多孔
    質導電性ゴム、または多孔質導電性樹脂およびこれらの
    任意の組み合わせからなることを特徴とする固体高分子
    電解質膜型燃料電池。
12. 【請求項１２】請求項１１記載の燃料電池において、前
    記第１のセパレータを構成する多孔質体は気孔率が７０
    ％以下で気孔径が４０μｍ以下であることを特徴とする
    固体高分子電解質膜型燃料電池。