(57)【要約】【課題】  耐圧性が高く、燃料ガスを高圧で供給できる、エネルギー損失の少ない燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質１４の片側に燃料ガス流通層１１と酸化ガスと燃料ガスが流通する反応ガス流通層１２を設け、電解質の反対側の面に支持盤１５を設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質からなるイオン伝導面の一方の面に燃料ガスの流通域と酸化ガスの流通域とを有する燃料電池セルを形成すると共に、前記イオン伝導面の他方の面に支持盤を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガス流通域とイオン伝導面との間にアノードとなる水素透過膜を介在させ、
前記酸化ガス流通域とイオン伝導面との間に導電性カソードを介在させた請求項1記載の燃料電池。
【請求項３】
前記反応ガス流通域とイオン伝導面との間にガス拡散制御層を設けたことを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス拡散制御層は、燃料ガス流通域との間にアノードとなる水素透過膜を設けるとともに、酸化ガス流通域との間にカソードとなる導電性カソードを設けてなる請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス拡散制御層の内部に、燃料ガス流と酸化ガス流のガス拡散および混合を防止する部位を設けた請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料ガス流と酸化ガス流のガス拡散と混合を防止する部位を、イオン伝導性を有する固体により形成した請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
電解質からなるイオン伝導面の一方の面に燃料ガスの流通域と酸化ガスの流通域とを形成すると共に、他方の面に支持盤を設けた燃料電池において、
前記燃料ガス流通域に供給する燃料ガスの圧力を、酸化ガス流通域に供給する酸化ガスの圧力よりも高圧にして運転することを特徴とする燃料電池の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関するものであり、燃料ガス流通域と酸化ガス流通域を電解質の片側のみに設けた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型の燃料電池は100度以下の比較的低い温度で動作するので、常温から容易に起動することができ、起動や停止が頻繁に行われる自動車のエンジンなどに適している。固体高分子型燃料電池の内部は、電解質膜を燃料ガス側のアノード極と酸化ガス側のカソード極に挟まれている。
【０００３】
しかしながらこのような従来の電解質膜を両電極で挟む設計の燃料電池では、反応ガスが流れるプレート上での熱分布や水分濃度の勾配の為に反応ガス流路の設計を慎重にすべきであること、流路の温度調整上、燃料ガスと酸化ガスの流路の組み合わせに配慮すべきであることなど、燃料電池セルを設計する上でいくつかの制限があった。
【０００４】
これに対して、燃料ガス流通路が形成されたセパレータと酸化ガス流通路が形成されたセパレータとで電解質膜を挟持された燃料電池において、少なくとも一方の前記セパレータの同一面内に燃料ガス流通路と酸化ガス流通路の両方が構成されるように、セパレータの電解質膜に接する側の同一面に、燃料ガス流通路と酸化ガス流通路を形成することを可能にして、流通路設計の自由度を増大させたものが、特許文献１に開示されている。
【０００５】
また、非特許文献１には、水素透過性金属の基材の上にプロトン伝導性電解質をコートするという構成をとることにより、強度を金属基材に担わせ、プロトン伝導性電解質を可能な限り薄膜化したものが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２０８９０９号公報
【非特許文献１】第１１回燃料電池シンポジウム予稿集（７３ページ）、平成16年5月18日、燃料電池開発情報センター発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし上記の従来技術では燃料ガス流通路と酸化ガス流通路を電解質の同一面側に設けているが、反対側の面にも酸化ガス流通路が存在するので、耐圧性能が充分ではなく、燃料ガス流通域と酸化ガス流通域の圧力を同じレベルに保つ必要があるので、水素タンクからの水素を減圧して燃料電池に供給する必要があり、それだけエネルギー損失が生じる。
【０００７】
また、プロトン伝導性電解質により、生成されたプロトンがカソードで反応するため、電極触媒金属の容量を削減できることや、電解質膜での強度設計が可能になるなどの効果はあるが、電解質膜の両側にアノード域とカソード域が存在するために、セル内のそれ以外のプレートの強度確保が難しいという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料ガス領域と酸化ガス領域を電解質膜の片側にのみに設け、電解質膜の片面で燃料ガス流通域と酸化ガス流通域の両方の反応を可能にし、この燃料電池のセル内の電解質以外での耐圧設計を施すことで、燃料ガス流通路の圧力を酸化ガス流路の圧力よりも高い状態で運転することが出来る燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は燃料電池において、電解質からなるイオン伝導面の一方の面のみに燃料ガスの流通域と酸化ガスの流通域を形成し、もう一方の面に支持盤のみを設ける。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池によると燃料ガス流通域と酸化ガス流通域を、電解質からなるイオン伝導面の一方の面のみに設け、他方の面には支持盤のみを設ける構造としたので、電解質を支持盤で支えることで、耐圧設計が可能な燃料電池を提供できる。
【００１１】
支持盤の働きによって、燃料ガス流通域側の圧力を上げることが可能になる。このため、従来低圧にして燃料電池に供給していた燃料ガスを、高圧のまま燃料ガス流通域に送り込むことができるので、燃料ガス供給過程でのエネルギーロスを抑えることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の第１実施形態について図１〜図１０を用いて説明する。
【００１３】
図１は１２個の燃料電池単位セルを積層したものであって、燃料電池単位セル６と燃料電池単位セル７の内部構造の各々の層に関して、各々の層が離された状態で図示されている。
【００１４】
電解質１４の片側にガス拡散制御層１３と反応ガス流通層１２と燃料ガス流通層１１を積層し、電解質１４のもう一方の側に支持盤１５のみを設ける。上記の構成で本発明の燃料電池９３の単位セルを構成し、この単位セルを１２個積層してエンドプレート１６で両側から挟むことによって、本発明の燃料電池の基本構成とする。
【００１５】
次に本発明の燃料電池単位セル内の各々の層の要素について説明する。
【００１６】
本発明の燃料ガス流通層１１と反応ガス流通層１２と支持盤１５はSUS（ステンレス）材料から形成され、ガス拡散制御層１３には無機酸化物ポーラス体と室温溶融塩である電解質液を含浸して得た複合要素を用いている。上記の構成で電解質１４はエチルメチルイミダゾリウム・BF４を有している。本実施形態では電解質１４の電解質液に室温溶融塩（イオン液体）を用いたが他の電解質液を用いても構わない。
前記それぞれの要素を構成する材料は、後に説明する機能を維持する限りこれに限定されない。
【００１７】
次に本発明の燃料電池単位セル内の各々の層について図２〜７を用いて説明する。
【００１８】
図２と図３はそれぞれ前記燃料ガス流通層１１と反応ガス流通層１２の構造を示している。図２は燃料ガス流通層１１を反応ガス流通層１２の側から見た図である。燃料ガス流通層１１には、各単位セルの各々の層を連通して形成された燃料ガスマニフォールド２２が設けられている。この燃料ガスマニフォールド２２から供給された燃料ガスが、燃料ガス流通層１１に設けられた凹部２３に流通された後、この凹部２３から反応ガス流通層１２の燃料ガス流通路３３に、燃料ガスが導入される。燃料ガス流通層１１の凹部２３には多数の凸部２４aが備えられている。この凸部２４aは円柱形をして、燃料ガスマニフォールド２２から供給された燃料ガスが、燃料ガス流通層１１の内部をくまなく行き渡るように配置されており、前記の作用を期待できる構成であれば、凸部２４aは図２の形状に限定されない。また、凸部２４aは、燃料ガスが流通する燃料ガス流通層１１の凹部２３が、燃料電池運転中に熱変化や製造時の加圧荷重による変形が起きるのを防止する支柱の構成になっている。凸部２４ｂは凹部２３と燃料ガスマニフォールドを外側から囲むように、また、酸化ガスマニフォールド２１から燃料ガスマニフォールド２２と凹部２３を隔てるように、図２のように構成されている。
【００１９】
燃料ガス流通層１１には、燃料電池９３外部から供給される酸化ガスが流通する酸化ガスマニフォールド２１も形成されているが、図２に示すように燃料ガスが流通する燃料ガスマニフォールド２２と凹部２３が、凸部２４ｂによって酸化ガスマニフォールド２１と隔離されているため、燃料ガスと酸化ガスが燃料ガス流通層１１で混合することはない。
【００２０】
図３は反応ガス流通層１２を燃料ガス流通層１１側から見た図である。反応ガス流通層１２には、燃料ガス流通層１１から供給される燃料ガスが流通する燃料ガス流通路３３が設けられている。燃料ガスマニフォールド２２と酸化ガスマニフォールド２１は反応ガス流通層１２を貫通している。
【００２１】
図４は図３の反応ガス流通層１２を反対側から見た図で、反応ガス流通層１２をガス拡散制御層１３側から見た図である。反応ガス流通層１２の凹部４３は酸化ガスマニフォールド２１と接続されるので、酸化ガスマニフォールド２１から供給された酸化ガスは凹部４３に供給される。燃料ガス流通層１１から供給される燃料ガスが流通するように、反応ガス流通層１２には複数からなる長孔の燃料ガス流通路３３が構成されている。全ての燃料ガス流通路３３は並列に構成され、各々の燃料ガス流通路３３の周囲は反応ガス流通層１２の凸部４４aによって囲まれている。凸条部４４aによって燃料ガス流通路３３と酸化ガスが流通する凹部４３が隔てられているので、反応ガス流通層１２において、燃料ガスと酸化ガスが混合することはない。また、反応ガス流通層１２の凹部４３を囲むように凸部４４ｂが形成されている。
【００２２】
図５はガス拡散制御層１３を反応ガス流通層１２から見た図である。ガス拡散制御層１３には水素透過膜５３と、導電性カソード７１とガス拡散防止層６１が設けられている。水素透過膜５３は反応ガス流通層１２の各々の燃料ガス流通路３３と直列に向かい合うように構成されている。
【００２３】
ガス拡散防止層６１は、水素透過膜５３の境界に沿って備えられ、導電性カソード７１と水素透過膜５３を分離している。
【００２４】
拡散制御層１３に燃料ガスマニフォールド２２と酸化ガスマニフォールド２１が図５に示すように設けられている。
【００２５】
図６と図７は、図５のA-A´切断面の図５の上部から見た断面図である。図６と図７の上面が反応ガス流通層１２と接している。
【００２６】
図６に示されるように、ガス拡散防止層６１は水素透過膜５３と隣接しており、導電性カソード７１は水素透過膜５３と分離された状態でガス拡散防止層６１と隣接している。
【００２７】
水素透過膜５３で生成されたプロトンがガス拡散制御層１３を流通できるように、ガス拡散制御層１３は穴あき構造になっている。ガス拡散防止層６１はイオン導電性を有する材料で構成されているが、固体化してイオン伝導性を非常に低くしてある。本実施形態では多孔質材５４部分に含浸されている室温溶融塩（例えばエチルメチルイミダゾリウム・BF４）の必要部分にゲル化を生じさせるゲル化材（高分子エタノール溶媒溶液）を塗布して、ガス拡散防止能力を有する固体部分であるガス拡散防止層６１を形成している。他の形成の例としては、モノマーを多孔体に含浸された電解液の一部に含ませた後、ポリマー化する方法や、ガス拡散を防止したい部分の多孔材５４を除去し、後に固体酸を充填する方法などがある。導電性カソード７１は酸化ガスが接するガス拡散制御層１３の多孔質材５４に、電極触媒をインク状にした溶媒を塗布され、電極触媒の作用を持つ。
【００２８】
導電性カソード７１及びガス拡散防止層６１はガス拡散制御層１３の多孔質材５４を基材としてその一部に形成されている。
【００２９】
このガス拡散防止層６１は水素透過膜５３で生成されたプロトンの流通を妨害せずに導電性カソード７１に供給するように、また酸化ガスと燃料ガスの混合、拡散を防止するために、ガス拡散制御層１３の内部に設けられているので、ガス拡散防止層６１の厚さはガス拡散制御層１３の厚さと同等以下で、導電性カソード７１の厚さよりも厚ければ問題ない。水素透過膜５３はPd薄膜とした。
【００３０】
図８は、図５のA-A´で燃料電池９３の単位セルを切断したときの断面図である。
【００３１】
図８に図示したように、燃料ガスが流通する燃料ガス流通路３３とガス拡散制御層１３の水素透過膜５３が接している。また、酸化ガスが流通する凹部４３がガス拡散制御層１３の導電性カソード７１と接している。図８からも分かるように、水素透過膜５３はガス拡散制御層１３の外部に構成され、導電性カソード７１とガス拡散防止層６１はガス拡散制御層１３の内部に構成されている。
【００３２】
燃料ガスが流れる方向を矢印８９で、酸化ガスが流れる方向を矢印８８で表示する。図８の矢印８８から、反応ガス流通層１２の凹部４３からの酸化ガスがガス拡散制御層１３で導電性カソード７１と接しているのが理解できる。
【００３３】
水素透過膜５３のガス拡散制御層１３側で水素からプロトンが生成される。本発明では、アノード域であるプロトンを燃料ガスから取り出す水素透過膜５３と、カソード域である酸化ガスとプロトンと電子が反応する導電性カソード７１を電解質１４の片側のみに設ける構成になっている。従来電解質１４の両側で行われていた化学反応を、本発明では電解質１４の片側のみで行うことが可能になっている。
【００３４】
図８で反応ガス流通層１２から供給された水素は水素透過膜５３でプロトンと電子に分解して、生成した電子は図示しない集電部分を経由して、外部負荷へ供給される。一方、反応ガス流通層１２から流通された酸素は導電性カソード７１で外部回路を経由してきた電子および電解質１４を経由してきたプロトンと反応する。
【００３５】
従来電極触媒で生成していたプロトンを水素透過膜５３によって取り出している。導電性カソード７１での、電子とプロトンと酸素の反応は、水素からプロトンを生成させる反応よりも遅い反応であるため、この導電性カソード７１の領域を広くとり、厚みを持たせることが必要である。ガス拡散防止層６１はイオン導電性材料で形成されているものの、固体化されていてイオン移動度が非常に低いため、導電性カソード７１付近でプロトンが酸素と反応して水を生成してしまうのを防いでいる。
【００３６】
ここで上記した単位セルを積層し構成された燃料電池９３の燃料電池システムについて、図９と図１０をもちいて説明する。
【００３７】
燃料電池９３に供給する水素は、水素タンク９１から圧力調整弁９２によって調整されて燃料電池９３に送り込まれる。燃料電池９３は外部から酸化ガスとして空気を取り入れる回路を有し、その回路に空気供給用のブロワー９４を設けている。燃料電池９３は駆動インバータ９６に強電ライン９５を介して接続されている。
【００３８】
前記燃料電池９３に対し、水素タンク９１から水素を、外部から空気を供給する。水素タンクはたとえば３．５MPaまで加圧されていて、経路に設置された圧力調整弁９２により、任意に圧力を調整できる。
【００３９】
図９には前記燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。ステップS１で運転者からの指令に基づいた負荷（要求出力）を判断する。ステップS２で負荷に応じて燃料ガスの目標供給圧力を与えるように予めマップとして記憶されているテーブルを検索し、ステップS３で前記目標供給圧力となるように、圧力調整弁９２の開度を制御する。この手順を繰り返し実行することにより、時々刻々と変動する要求出力に対して適切な供給ガス圧力を制御する。
【００４０】
本発明の第１実施形態の作用について説明する。
【００４１】
本発明の燃料電池９３に供給される燃料ガスは、燃料電池単位セルの外部から図２の燃料ガスマニフォールド２２に供給され、燃料ガス流通層１１の凹部２３に運び込まれる。燃料ガス流通層１１に備えられている酸化ガスマニフォールド２１には外部から供給された酸素を含む酸化ガスが流通している。燃料ガス流通層１１には燃料ガスと酸化ガスが流通していることになるが、図２の燃料ガス流通層１１の凸部２４aの構成によって、酸化ガスと燃料ガスが燃料ガス流通層１１で混合することはない。凸部２４aは燃料ガス流通層１１の凹部２３の形状を保つための支柱の働きを担っている。また、この凸部２４aによって、運転中の熱変化や製造時の加圧過重による燃料ガス流通層１１の凹部２３の変形も防いでいる。凸部２４ｂによって燃料ガス流通層１１で燃料ガスと酸化ガスが混合することはない。
【００４２】
酸化ガス流通層１２の燃料ガス流通路３３を燃料ガス流通層１１から供給された燃料ガスが通過する。燃料ガス流通層１１に供給された燃料ガスの一部が、反応ガス流通層１２の燃料ガスマニフォールド２２へ流通される。外部から供給された酸化ガスは酸化ガスマニフォールド２１から、酸化ガス流通層１２の凹部４３に供給される。反応ガス流通層１２には燃料ガスと酸化ガスが流通しているが、凸部４４aの作用によって、上記の２つの反応ガスが混合することはない。
【００４３】
ガス拡散制御層１３の水素透過膜５３には反応ガス流通層１２の燃料ガス流通路３３から流通してくる燃料ガスと接する。導電性カソード７１には反応ガス流通層１２の凹部４３から供給された酸化ガスが接する。一部の燃料ガスはガス拡散制御層１３の燃料ガスマニフォールド２２を通過して、外部に放出される。同様に、一部の酸化ガスはガス拡散制御層１３の酸化ガスマニフォールド２１を通過して外部に放出される。
【００４４】
燃料ガス流通層１１から供給された燃料ガスは直接水素透過膜５３に供給される。反応ガス流通層１２から供給された酸化ガスが導電性カソード７１に直接供給される。
【００４５】
ガス拡散防止層６１は、互いに接した流路から供給される燃料ガスと酸化ガスが、流路付近に設置される電極触媒で電気化学反応を起こす前に燃焼反応することを防ぐ役割を担っている。
【００４６】
水素透過膜５３で生成されたプロトンは電解質１４に到達してプロトン伝導という作用で電解質１４内を拡散し、ガス拡散制御層１３の導電性カソード７１に送り込まれる。この導電性カソード７１では、プロトンと酸化ガスと外部を流通してきた電子と反応するので、導電性カソード７１は燃料電池９３の電極触媒の同じ作用をする。
【００４７】
ガス拡散制御層１３の外部に設けた水素透過膜５３と燃料ガス流通路３３が接しているので、燃料ガスが水素透過膜５３に直接接し、水素透過膜５３の反対の面、つまりガス拡散制御層１３内でプロトンを取り出せる。なお、水素透過膜５３を透過するプロトン量は式（１）の関係に従っている。
Q=A/σ＊S（Pr0.5−Ph0.5）  …  （１）
ここでQ：プロトン透過度（mol/second）
A：透過係数（mol/second/m/√Pa）
σ：膜厚（μm）
S：膜面積（m2）
Pr：燃料系側水素分圧（Pa）
Ph：透過側水素（Pa）
ここで燃料系側水素分圧を増加した場合、プロトン透過速度の向上が可能である事を理解できる。また膜圧を低く設定し膜面積を広く取った場合に多くのプロトンを生成できるので、図７にあるように、厚みを抑えた状態で、水素透過膜５３はガス拡散制御層１３の外側に備えられている。
【００４８】
本発明では供給された水素を水素透過膜５３で溶解拡散させ、水素透過膜５３の外側にプロトンを生成させている。
【００４９】
ガス拡散制御層１３は多孔材５４で構成されていて穴あき構造であることから、供給された燃料ガスと酸化ガスが層内で混合することはない。
【００５０】
水素透過膜５３で生成されたプロトンと外部を循環して来た電子と酸素の反応の場として、導電性カソード７１がガス拡散制御層１３内に構成されている。
【００５１】
導電性カソード７１は反応ガス流通層１２から供給された酸化ガスと接していて、この反応場でのプロトンと酸素の反応が進むに従ってプロトンの消費量も増加する。つまり、導電性カソード７１の酸素とプロトンと電子の反応量が上がると、使用されるプロトンの消費量も増加する。つまり水素の圧力はカソード域である導電性カソード７１の反応を介して関係していると言える。
【００５２】
本発明では高圧の水素を燃料ガスとして用いるため多くのプロトンが発生する。このプロトンと電子の反応を加速させるために、図８のように導電性カソード７１を広く幅を持たせるように備えている。
【００５３】
導電性カソード７１の構造は、ガス拡散制御層１３と反応ガス流通層１２の境界で三面界面の機能を持たせ、カソード反応場の表面積を広くとるという意図もある。図７のように導電性カソード７１に厚みを持たせて、酸化ガスとプロトンと電子の反応を促進させている。
【００５４】
水素と酸素を支持盤１５に支持された電解質１４に対して同じ側に流すことによって水素と酸素の圧力が異なっても、また水素の圧力が酸素の圧力より高くても電解質１４は支持盤１５側に押さえつけられて戯れることなく構成できる。
【００５５】
圧力調整弁９２と、この圧力調整弁９２の制御システムによって、運転者の要求に基づいた圧力の水素を燃料電池９３に供給できる。本発明の第１の実施形態では、上記した内部構造を有する燃料電池９３には水素を高圧でも供給できるので、圧力調整弁９２によって、水素圧の高圧と低圧の圧力差を持たせて、燃料電池９３に供給できる。
【００５６】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００５７】
本発明では電解質１４の片側に燃料ガスが流通する燃料ガス流通層１１と酸化ガスと燃料ガスが流通する反応ガス流通層１２とを構成し、電解質１４の反対の面には支持盤１５のみを隣接させている。支持盤１５は電解質１４に作用する圧力を支持する働きがある。よって実質的に強度設計が困難な電解質膜を使用しても、燃料電池単位セル内の耐圧設計が可能になる。
【００５８】
燃料ガス流通層１１の圧力が、酸化ガス流通路を含む反応ガス流通層１２より高くても、電解質層１４を支持盤１５によって支持することで高耐圧性が確保される。
【００５９】
この構造により、燃料電池セルの耐圧性能を充分に高められるので、燃料ガス流通域の圧力を従来よりも高くすることが可能になる。つまり、燃料ガスと酸化ガスを、支持盤１５に支えられた電解質１４に同方向から送り込むことで、燃料ガスである水素を高圧のまま供給できるので、低圧にして水素を供給していた従来のシステムと比較して、エネルギーロスを大幅に短縮した燃料電池９３を提供することができる。
【００６０】
上記の構造によって、水素の圧力のみを高く設定できるので、式（１）より、本発明では多くのプロトンを取り出すことが可能である。従来の電極触媒でプロトンを生成する手法よりも水素透過膜５３でプロトンを生成させることで、より多くのエネルギーを生産することが可能となる。
【００６１】
常圧付近で進行するアノード触媒反応（プロトン生成反応）に必要な触媒貴金属量と比較して、燃料ガスの圧力エネルギーを有効に利用する透過膜の場合、必要な貴金属量が少ないという利点もある。
【００６２】
従来減圧して利用していた水素を、高圧のまま燃料ガス流通層１１に供給することが可能なので、燃料電池のエネルギーを有効に使う燃料電池の提供が可能である。また、ガス拡散制御層１３の外側で燃料ガス流通路３３に接するように構成された水素透過膜５３の作用により、水素の圧力を上げると生成されるプロトン量は増加するので、水素を高圧で提供できる本発明の燃料電池では、効率のよいエネルギーの供給が可能である。
【００６３】
また、本発明では燃料ガスを、図９にある圧力調整弁９２を用いて燃料電池９３に供給する。圧力調整弁９２で水素の圧力を換えて燃料電池に供給するので、水素を高圧で供給できる本発明の燃料電池９３では最高出力/最低出力の比を大きく取れるシステムを得ることが出来る。
【００６４】
図１の燃料ガス流通層１１の凸部２４aの構成によって、凹部２３の形状が燃料電池９３の運転中に熱変化や製造時の加圧過重による変化を防止できる。
【００６５】
反応ガス流通層１２の凸部４４aにより、反応ガス流通層１２に供給される燃料ガスと酸化ガスが混合することなく、ガス拡散制御層１３まで運ばれる。
【００６６】
ガス拡散制御層においては、水素透過膜５３と導電性カソード７１がそれぞれ、反応ガス流通層１２の燃料ガスが流通する燃料ガス流通路３３と酸化ガスが流通する凹部４３に、直立に向かい合って接している。このため、燃料ガスと酸化ガスがそれぞれガス拡散制御層１３に設置された水素透過膜５３と導電性カソード７１へ直接流通する。ここでガス拡散制御層１３内のガス拡散防止層６１は、水素透過膜５３で生成されたプロトンと導電性カソード７１に供給される酸化ガスが流路付近で電気化学反応を起こす前に、燃焼反応することを防いでいる。
【００６７】
導電性カソード７１によってイオン伝導パスを広く取ることが可能であるので、カソード域での反応を早めることができる。ここで、導電性カソード７１の反応が早まるとともに水素透過膜５３でのプロトン生成の速度も上がることと、本発明の第１実施形態では高圧の水素を燃料電池９３に供給することから、導電性カソード７１に厚みを持たせる構造によって発電効率のよい燃料電池９３を提供できる。
【００６８】
本発明の第１実施形態では電極触媒を使用しないで、従来のアノード域とカソード域の反応を起こしている。よって常圧付近で進行するアノード触媒反応に必要な触媒金属量と比較して、燃料ガスの圧力エネルギーを有効に利用する水素透過膜５３の場合、必要な貴金属量が少ないという利点もある。
【００６９】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれていることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池の単位セルの概要図である。
【図２】本発明の第１実施形態のセパレータの概略図である。
【図３】本発明の第１実施形態のセパレータの概略図である。
【図４】本発明の第１実施形態のセパレータの概略図である。
【図５】本発明の第１実施形態のセパレータの概略図である。
【図６】本発明の第１実施形態のセパレータのA-A´切断の断面から見た概略図である。
【図７】本発明の第１実施形態のセパレータのA-A´切断の断面から見たが概略図の拡大したものである。
【図８】本発明の第１実施形態の燃料電池の単位セルのA-A´切断の断面からみた概略図である。
【図９】本発明の第２実施形態の燃料電池のシステムを示すブロック図である。
【図１０】本発明の第１実施形態の制御システムを示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００７１】
１１      燃料ガス流通層
１２      反応ガス流通層
１３      ガス拡散制御層
１４      電解質層
１５      支持盤
１６      エンドプレート
２１      酸化ガスマニフォールド
２２      燃料ガスマニフォールド
２３      凹部（燃料ガス流通層内）
２４a     凸部（燃料ガス流通層内）
２４b     凸部（燃料ガス流通層内）
３３      燃料ガス流通路
４３      凹部（反応ガス流通層内）
４４a     凸部（反応ガス流通層内）
４４b     凸部（反応ガス流通層内）
５３      水素透過膜
５４      多孔材
６１      ガス拡散防止層
７１      導電性カソード
８８      酸化ガス流路
８９      水素ガス流路
９１      水素タンク
９２      圧力調整弁
９３      燃料電池
９４      ブロワー
９５      強電ライン
９６      駆動モータインバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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