(57)【要約】【目的】  高い電池性能を有し且つ低価格化が可能な固体高分子形燃料電池や、その作動方法を提供する。【解決手段】  セパレータ２８は、金属単板から構成されるとともに塑性加工により成形された燃料ガス流路１８および酸化剤ガス流路２６が表面および裏面に設けられる。金属板１枚構成のセパレータはその両側の燃料電極層３８および酸化剤電極層４０は比較的軟質であってそれらとの間の電気的接触は寸法公差が大きくても十分に可能であるので、セパレータ２８は桁違いに安価となって低コストの固体高分子形燃料電池１６が得られる。また、前記燃料電極層３８および酸化剤電極層４０には水管理層７６および７８、および／または、水管理機能を持たせたガス拡散層４６および４８が含まれる結果、電解質層３６における水分が保持されるので、サーペンタイン構造としなくても高い電池性能が得られる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子製の電解質膜が燃料電極層と酸化剤電極層との間に介在させられた単電池をセパレータを介して複数個積層した固体高分子形燃料電池であって、
前記セパレータのうち少なくとも前記燃料電極層と酸化剤電極層の反応部分に接触する電極接触部は、金属板から構成されるとともに塑性加工により成形された燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を表面および裏面に有し、且つ、前記燃料電極層および／または酸化剤電極層は水分を保持するための水管理層および／またはガス拡散層を含むことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータの電極接触部は、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路に交差する１断面内において、その燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とを構成するように波形形状にプレス成形されたものである請求項１の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路は、前記セパレータの電極接触部のほぼ全域において直線状に設けられている請求項１または２の固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
前記水管理層および／または前記ガス拡散層は、前記酸化剤ガスの流通方向に沿って、その構成材料の種類、平均気孔径、厚み、撥水性又は親水性材料の含有率或いは比表面積の少なくとも１つが連続的或いはステップ的に変化させられたものである請求項１乃至３のいずれかの固体高分子形燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータの少なくとも電極接触部は、少なくともその基体がステンレス鋼、ニッケル含有合金、クロム含有合金、アルニミウム、アルニミウム含有合金、銅、銅含有合金、チタン、チタン含有合金の少なくとも１種から構成されたものである請求項１乃至４のいずれかの固体高分子形燃料電池。
【請求項６】
前記セパレータの少なくとも電極接触部は、金、カーボン、酸化チタン、酸化ニッケルの少なくとも１つを含有するコーティングが表面に施されたものである請求項１乃至５のいずれかの固体高分子形燃料電池。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかの固体高分子形燃料電池と、
前記燃料ガス流路内の燃料ガスおよび／または前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように、該燃料ガス流路内に供給される燃料ガスおよび／または前記酸化剤ガス流路内に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿装置、および／または該燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの相対湿度を制御する湿度制御装置と
を、含むことを特徴とする固体高分子形燃料電池装置。
【請求項８】
固体高分子製の電解質膜が燃料電極層と酸化剤電極層との間に介在させられた単電池を、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を表面および裏面に有するように金属板から塑性加工により成形されたセパレータを介して複数個積層した固体高分子形燃料電池の作動方法であって、
前記燃料ガス流路内の燃料ガスおよび／または前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように、その燃料ガス流路内に供給される燃料ガスおよび／または酸化剤ガス流路内に供給される酸化剤ガスの相対湿度を制御することを特徴とする固体高分子形燃料電池の作動方法。
【請求項９】
前記固体高分子形燃料電池のセパレータは前記燃料電極層と酸化剤電極層の反応部分に接触する電極接触部を備え、
少なくともその電極接触部は、１枚構成の金属板から構成されるとともに塑性加工により成形された燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を表面および裏面に有し、
前記燃料電極層および酸化剤電極層は、水分を保持するための水管理層および／またはガス拡散層を含むことを特徴とする請求項８の固体高分子形燃料電池の作動方法。
【請求項１０】
前記セパレータの電極接触部は、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路に交差する１断面内において、その燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とを構成するように波形形状にプレス成形されたものである請求項８または９の固体高分子形燃料電池の作動方法。
【請求項１１】
前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とは、前記セパレータの電極接触部のほぼ全域において直線状に設けられている請求項８乃至１０のいずれかの固体高分子形燃料電池の作動方法。
【請求項１２】
前記水管理層および／またはガス拡散層は、前記酸化剤ガスの流通方向に沿って、その構成材料の種類、平均気孔径、厚み、撥水性又は親水性材料の含有率或いは比表面積の少なくとも１つが連続的或いはステップ的に変化させられたものである請求項９乃至１１のいずれかの固体高分子形燃料電池の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池の構造および作動方法の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気などの酸素を含む酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスの持つ化学的エネルギを電気的エネルギに変換する装置である。燃料電池には、電解質の相違によって複数種類のタイプがあるが、近年、比較的低温で作動し、且つ高出力の得られる固体高分子形燃料電池が注目されている。
【０００３】
このような固体高分子形燃料電池は、電解質層として機能する固体高分子膜をその両面から燃料電極層と酸化剤電極層とで挟持した単電池を、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を表面および裏面に有するセパレータを介して、複数個積層することにより構成される。図１０は、従来から用いられている固体高分子形燃料電池の単電池１０１において、発電に直接係わる部位ＭＥＡ（Menbrane Electrode Assembly ）とセパレータとの断面図である。単電池１０１は、電解質層１０２ の両面が燃料電極層１０３と酸化剤電極層１０４で挟まれ、その両面が、燃料ガスを供給する燃料ガス流路１０５を有する燃料セパレータ１０６と酸化剤電極層１０４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路１０７を有する酸化剤セパレータ１０８とによって挟持されることにより構成されている。燃料電極層１０３および酸化剤電極層１０４は、いずれも触媒活性を有する物質を含む触媒層１０９、１１０と反応ガスの拡散を促すためのガス拡散層１１１、１１２とが積層されることにより構成されている。
【０００４】
図１０の固体高分子形燃料電池１００の電解質層１０２は、たとえばプロトン交換樹脂膜であるパーフロオロカーボンスルホン酸系樹脂が知られている。この膜は分子中に水素イオンの交換基を有し、充分に含水することによりイオン電導性の電解質として機能するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスを分離する機能をも有している。このため、高い電池性能を得るためには、電解質層１０２を飽和水蒸気圧状態或いは飽和に近い状態に含水させられることが必要である。
【０００５】
図１０の燃料ガスセパレータ１０６は、燃料ガスを燃料電極層１０３の前面に供給するための燃料ガス流路１０５を、また、酸化剤セパレータ１０８は、酸化剤ガスを酸化剤電極層１０４に供給するための酸化剤ガス流路１０７を備えている。電極反応によって酸化剤電極層１０４で生成された水の大部分は、酸化剤セパレータ１０８の酸化剤ガス流路１０７を通って単電池１０１の外部に排出される。上記両セパレータ１０６、１０８は、導電性、気密性、耐熱性、加工性、強度に優れていることが要求されるので、たとえば、耐食処理を施した金属、高密度のカーボン板、カーボンと樹脂との混合板などが用いられている。
【０００６】
図１１は、図１０の単電池１０１を複数個積層した固体高分子形燃料電池１１３を示している。通常、単電池１０１の起電力は１Ｖ以下と低いため、燃料セパレータ１０６および酸化剤セパレータ１０８とを介して、数十枚から数百枚の単電池１０１が積層されて使用される。また、発熱反応である電極反応に伴う固体高分子形燃料電池１１３の昇温を制御するため、冷却剤流路１１４を有する冷却板１１５が１枚乃至複数枚の単電池１０１毎に介挿されている。
【０００７】
図１０の単電池１０１やそれが積層された固体高分子形燃料電池１１３の発電作用は以下の通りである。すなわち、炭化水素系燃料を改質して得られた水素含有ガスや水素ガスなどの燃料ガスが前記燃料ガス流路１０５を通して燃料電極層１０３に流されるとともに、空気などの酸素を含む酸化剤ガスが酸化剤ガス流路１０７を通して酸化剤電極層１０４に供給されると、燃料電極層１０３では以下の反応式(1) で示されるアノード反応が、酸化剤電極層１０４では以下の反応式(2) で示されるカソード反応が発生する。
【０００８】
H2→2H+ ＋2e-               ・・・(1) 
2H+ ＋(1/2)O2 ＋2e- →H2O   ・・・(2) 
【０００９】
上記反応式(1) および(2) で示されるように、燃料電極層１０３において水素はプロトン（H + ）となり、水を伴って電解質層１０２中を燃料電極１０３側から酸化剤電極１０４側に移動し、酸化剤電極層１０４において酸素と反応して水が生成される。このような酸化剤電極層１０４の触媒層１１０内において電極反応によって生成された反応水が余剰の反応ガスとともに燃料ガス流路１０５および酸化剤ガス流路１０７を通して単電池１０１すなわち固体高分子形燃料電池１１３の外部へ一緒に排出されるとき、通常、図１２に示されるように、流通方向に沿って反応ガス中の相対湿度が上昇し、反応ガスには下流側ほど生成水が多量に含まれる。
【００１０】
ところで、電解質層１０２に含まれるプロトン交換樹脂膜は高い含水状態においてのみ十分な導電性を発揮できるものであるためその電解質層１０２が飽和状態に含水させられることでその電解質層１０２の比抵抗が小さくなり、プロトン導電性電解質として十分に機能できるようになる性質があるが、反応ガスの入り口側において水分が不足し易く、電解質層１０２全体として十分に機能させることができず高いセル電圧が得られない傾向にある。このため、単電池１０１の起電力を高め、発電効率を高く維持するために、たとえば図１２に示すように、反応ガスの出口付近において飽和状態を超えるまで、反応ガスを加湿して湿度を高めて供給したり、反応ガスと一緒に液相状態の水を供給したり、電池内部で反応熱によって水を蒸発させたりすることで、電解質層１０２からの水の蒸発を抑えて、その電解質膜の乾燥を防止する等の技術が従来より試みられていた。
【００１１】
しかし、上記のような加湿や水の供給等によって反応ガスの入り口付近に水分が加えられて、反応ガス流路１０５や１０７の出口付近において反応ガスが飽和状態を超えると、水分によってその酸化剤ガス流路１０７内が塞がれて酸化剤ガスの流通が妨げられて前述のカソード反応が低下して単電池１の作動が制限される不都合が発生する。これに対し、たとえば図１３に記載されているように、セパレータ１０６、１０８に形成するガス流路１０５、１０７を機械加工によりくねくねと曲成されたサーペンタイン構造としたり、ガス流路の断面を小さく流速を高め且つ流路を長くして、単電池１０１内で生成された過剰な水を外部に吹き飛ばすことにより、電池特性を安定化する提案がなされている。特許文献１、特許文献２に記載されている固体高分子形燃料電池がそれである。この固体高分子形燃料電池装置によれば、ガス流路１０５や１０７の出口付近において反応ガスが飽和状態を超える程度に加湿して反応ガスを供給するとともに、反応ガス流路１０５や１０７の断面積を小さくし且つサーペンタイン構造とすることにより酸化剤ガス流路１０７内の水が吹き飛ばされるので、高い電池特性が安定的に得られる。
【特許文献１】米国特許第４９８８５８３号
【特許文献２】米国特許第５１０８８４９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、上記従来の固体高分子形燃料電池は車載用に期待されているが、その価格は桁違いに高いものであることが実用上の制約となっている。その一因は、固体高分子形燃料電池の主要な構造部材でもあるセパレータ１０６、１０８である。従来のセパレータ１０６、１０８は、所定厚みのカーボン板材の一面にフライス加工等の機械（切削）加工により、比較的幅が狭くて全長が長いくねくねと曲成されたサーペンタイン構造の燃料ガス流路１０５或いは酸化剤ガス流路１０７を形成することにより製造されるので、工数や材料が多く必要とされるのである。
【００１３】
これに対し、ステンレス鋼のような金属板材から室温においてプレス加工により瞬時に型成形されるプレス部品で上記セパレータ１０６、１０８を構成することが考えられる。このプレス部品からセパレータ１０６、１０８が構成される場合は、工数が少なく且つ材料費が少量で済むため確かに低コストとなるけれども、機械加工に比較して流路断面積を確保しつつ流路の間隔を小さくすることが困難であり、サーペンタイン構造によって十分に長い流路を所定面積内で確保することが困難であった。
【００１４】
また、一般に空気を酸化剤ガスとして用いる場合には、酸化材ガス流量が燃料ガス流量よりも格段に多く、前記サーペンタイン構造の流量に適合できるように、前記セパレータ１０６、１０８のガス流路１０５、１０７は相互に異なった形状とする必要があるので、セパレータ１０６、１０８は、それぞれ溝形状が相互に異なるプレス部品で構成されて重ねた状態で組み込まれる。しかし、セパレータ１０６、１０８は、たとえば図１４に示すように溝の半ピッチ分をモデル化した有限要素法を用いた解析結果（図１５）に示されるように、固体高分子形燃料電池の組立て状態の締結力Ｐでは金属セパレータそのものの圧縮変形が極めて小さいために相互に電気的接触を確保するためには、１μｍ程度の寸法公差でプレス成形することが必要であるため、コスト高となる欠点があった。
【００１５】
このように、固体高分子形燃料電池１１３の高性能化には、燃料ガス流路１０５、酸化剤ガス流路１０７をサーペンタイン構造とすることが有効であるが、機械加工によれば製造価格が上がり、逆に、セパレータ１０６、１０８をそれぞれ別の薄い金属板からサーペンタイン構造に塑性加工した部品とすると、燃料ガスセパレータ１０６、酸化剤ガスセパレータ１０８との電気的接触性を確保することが難しく、固体高分子形燃料電池１１３の高性能化、低価格化が阻まれるといった問題があった。
【００１６】
本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、高い電池性能を有し且つ低価格化が可能な固体高分子形燃料電池、固体高分子形燃料電池装置、および固体高分子形燃料電池の作動方法を提供することにある。
【００１７】
本発明者は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、金属板１枚構成のセパレータと単電池とを交互に複数個積層した構造の固体高分子形燃料電池を着想した。すなわち、表面および裏面に燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を塑性加工により成形した金属板１枚構成のセパレータを介して複数個の単電池を積層することにより固体高分子形燃料電池を構成し、水分を保持するための水管理層を単電池の電解質層を挟む燃料電極層および酸化剤電極層に設けると、高い電池性能を有し且つ低価格化とが両立できることを見出した。また、表面および裏面に燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を塑性加工により成形した金属板１枚構成のセパレータを介して複数個の単電池を積層することにより固体高分子形燃料電池を構成し、酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるようにその酸化剤ガス流路内に供給される酸化剤ガスの相対湿度を制御してその固体高分子形燃料電池を作動させると、高い電池性能を有し且つ低価格化とが両立できることを見出した。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
すなわち、請求項１に係る発明の固体高分子形燃料電池の要旨とするところは、固体高分子製の電解質膜が燃料電極層と酸化剤電極層との間に介在させられた単電池をセパレータを介して複数個積層した固体高分子形燃料電池であって、(a) 前記セパレータのうち少なくとも前記燃料電極層と酸化剤電極層の反応部分に接触する電極接触部は、金属板から構成されるとともに塑性加工により成形された燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を表面および裏面に有し、且つ、(b) 前記燃料電極層および酸化剤電極層は水分を保持するための水管理層および／またはガス拡散層を含むことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項２に係る発明の要旨とするところは、前記セパレータの電極接触部は、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路に交差する１断面内において、その燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とを構成するように波形形状にプレス成形されたものである。
【００２０】
また、請求項３に係る発明の要旨とするところは、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路は、前記セパレータの電極接触部のほぼ全域において直線状に設けられていることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項４に係る発明の要旨とするところは、前記水管理層および／または前記ガス拡散層は、前記酸化剤ガスの流通方向に沿って、その構成材料の種類、平均気孔径、厚み、撥水性又は親水性材料の含有率或いは比表面積の少なくとも１つが連続的或いはステップ的に変化させられたものであることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項５に係る発明の要旨とするところは、前記セパレータの少なくとも電極接触部は、少なくともその基体がステンレス鋼、ニッケル含有合金、クロム含有合金、アルニミウム、アルニミウム含有合金、銅、銅含有合金、チタン、チタン含有合金のいずれかから構成されることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項６に係る発明の要旨とするところは、前記セパレータの少なくとも電極接触部は、金、カーボン、酸化チタン、酸化ニッケルの少なくとも１つを含有するコーティングが表面に施されたものであることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項７に係る発明の固体高分子形燃料電池装置の要旨とするところは、(a) 前記請求項１乃至６のいずれかの固体高分子形燃料電池と、(b) 前記燃料ガス流路内の燃料ガスおよび／または前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように、その燃料ガス流路内に供給される燃料ガスおよび／または酸化剤ガス流路内に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿装置、および／またはその燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの相対湿度を制御する湿度制御装置とを、含むことを特徴とする。
【００２５】
また、請求項８に係る方法発明の要旨とするところは、固体高分子製の電解質膜が燃料電極層と酸化剤電極層との間に介在させられた単電池を、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を表面および裏面に有するように金属板から塑性加工により成形されたセパレータを介して複数個積層した固体高分子形燃料電池の作動方法であって、前記燃料ガス流路内の燃料ガスおよび／または前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように、その燃料ガス流路内に供給される燃料ガスおよび／または酸化剤ガス流路内に供給される酸化剤ガスの相対湿度を制御することを特徴とする。
【００２６】
また、請求項９に係る方法発明の要旨とするところは、(a) 前記固体高分子形燃料電池のセパレータは前記燃料電極層と酸化剤電極層の反応部分に接触する電極接触部を備え、(b) 少なくともその電極接触部は、１枚構成の金属板から構成されるとともに塑性加工により成形された燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を表面および裏面に有し、(c) 前記燃料電極層および酸化剤電極層は、水分を保持するための水管理層および／またはガス拡散層を含むことを特徴とする。
【００２７】
また、請求項１０に係る方法発明の要旨とするところは、前記セパレータの電極接触部は、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路に交差する１断面内において、その燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とを構成するように波形形状にプレス成形されたものであることを特徴とする。
【００２８】
また、請求項１１に係る方法発明の要旨とするところは、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とは、前記セパレータの電極接触部のほぼ全域において直線状に設けられていることを特徴とする。
【００２９】
また、請求項１２に係る方法発明の要旨とするところは、前記水管理層および／またはガス拡散層は、前記酸化剤ガスの流通方向に沿って、その構成材料の種類、平均気孔径、厚み、撥水性又は親水性材料の含有率或いは比表面積の少なくとも１つが連続的或いはステップ的に変化させられたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
請求項１に係る発明の固体高分子形燃料電池では、前記セパレータのうち少なくとも前記燃料電極層と酸化剤電極層の反応部分に接触する電極接触部には、金属板から構成されるとともに塑性加工により成形された燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が表面および裏面に設けられることから、単電池を実質的に金属板１枚構成のセパレータを介して複数個積層することにより固体高分子形燃料電池が構成されると同時に、金属板１枚構成のセパレータはその両側の燃料電極層および酸化剤電極層は比較的軟質であってそれらとの間の電気的接触は寸法公差が大きくても十分に可能であるので、セパレータは桁違いに安価となって低コストの固体高分子形燃料電池が得られる。また、前記燃料電極層および／または酸化剤電極層には水分を保持するための水管理層および／またはガス拡散層が含まれる結果、電解質層における水分が保持されるので、水で酸化剤ガス流路内が閉塞されないようにガス流路内での相対湿度を低くしても高い電池性能が得られる。さらに、切削により流路を形成するカーボン製の従来のセパレータに比較して上記塑性加工されたセパレータは数分の１程度に小さい厚み寸法となり、それが多数積層された固体高分子形燃料電池が大幅に小型となる利点がある。
【００３１】
また、請求項２に係る発明においては、前記セパレータの電極接触部は、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路に交差する１断面内において、その燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とを構成するように波形形状にプレス成形されていることから、溝深さの数分の１程度の厚みの金属板材を用いてセパレータが構成されるので、高い材料効率が得られ、低コストとなる。
【００３２】
また、請求項３に係る発明においては、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路は、前記セパレータの電極接触部のほぼ全域において直線状に設けられていることから、セパレータの表面と裏面とにガス流路を成形することが容易になり、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路とするための別々の溝形状のサーペンタイン構造に敢えてしないので、１枚構成の金属板からセパレータが構成される利点がある。
【００３３】
また、請求項４に係る発明においては、前記水管理層および／または前記ガス拡散層は、前記酸化剤ガスの流通方向に沿って、その構成材料の種類、平均気孔径、厚み、撥水性又は親水性材料の含有率或いは比表面積の少なくとも１つが連続的或いはステップ的に変化させられたものであることから、水管理層および／またはガス拡散層による水を保持する機能が酸化剤ガスの流通方向に沿ってたとえば酸化剤ガス流路の出口側に比較して入口側ほど高められるので、酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの相対湿度が低くても、酸化剤ガスの流通方向の全体において電解質層における水分が保持されて、高い電池性能が得られる。
【００３４】
また、請求項５に係る発明においては、前記セパレータの少なくとも電極接触部は、少なくともその基体がステンレス鋼、ニッケル含有合金、クロム含有合金、アルニミウム、アルニミウム含有合金、銅、銅含有合金、チタン、チタン含有合金のいずれかから構成されているので、好適な導電性、気密性、耐熱性、加工性、強度が得られる。
【００３５】
また、請求項６に係る発明においては、前記セパレータの少なくとも電極接触部は、金、カーボン、酸化チタン、酸化ニッケルの少なくとも１つを含有するコーティングが表面に施されたものであることから、セパレータ表面の耐食性が高められ、好適な電気的接触が得られる。
【００３６】
また、請求項７に係る発明の固体高分子形燃料電池装置においては、前記固体高分子形燃料電池の燃料ガス流路内の燃料ガスおよび／または酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように、その燃料ガス流路内に供給される燃料ガスおよび／または酸化剤ガス流路内に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿装置、および／またはその燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの相対湿度を制御する湿度制御装置とが設けられている。この結果、上記固体高分子形燃料電池は前述のように、セパレータは実質的に金属板１枚構成であってその両側の燃料電極層および酸化剤電極層は比較的軟質であってそれらとの間の電気的接触は寸法公差が大きくても十分に可能であるので、セパレータは桁違いに安価となって低コストの固体高分子形燃料電池が得られる。また、それに加えて、燃料電極層および／または酸化剤電極層は水分を保持するための水管理層および／またはガス拡散層により電解質層の水分が保持され、且つ燃料ガス流路内の燃料ガスおよび／または酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように制御されて酸化剤ガス流路内の水による閉塞が解消されるので、高い電池性能が得られる。また、ガス流路をサーペンタイン構造としガス流速を高くして水を吹き飛ばす必要もなくなるので、直線状で比較的流速が遅いガス流路の金属板材構造のセパレータであっても、高い電池性能が得られるとともに、セパレータのプレス公差の問題が解消され、低コスト化が可能となる。すなわち、高い電池性能と低価格化とが両立できる。
【００３７】
また、請求項８に係る方法発明においては、固体高分子製の電解質膜が燃料電極層と酸化剤電極層との間に介在させられた単電池を、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を表面および裏面に有する金属板から塑性加工により成形されたセパレータを介して複数個積層した固体高分子形燃料電池の作動方法であって、前記燃料ガス流路内の燃料ガスおよび／または前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように、その燃料ガス流路内に供給される燃料ガスおよび／または酸化剤ガス流路内に供給される酸化剤ガスの相対湿度が制御される。この結果、セパレータは実質的に金属板１枚構成であってその両側の燃料電極層および酸化剤電極層は比較的軟質であってそれらとの間の電気的接触は寸法公差が大きくても十分に可能であるので、セパレータは桁違いに安価となって低コストの固体高分子形燃料電池が得られるとともに、それに加えて、燃料ガス流路内の燃料ガスおよび／または酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように制御されて酸化剤ガス流路内の水による閉塞が解消されるので、高い電池性能が得られる。すなわち、高い電池性能を有し且つ低価格化とが両立できる。
【００３８】
また、請求項９に係る方法発明においては、(a) 前記固体高分子形燃料電池のセパレータは前記燃料電極層と酸化剤電極層の反応部分に接触する電極接触部を備え、(b) その電極接触部は、１枚構成の金属板から構成されるとともに塑性加工により成形された燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を表面および裏面に有し、(c) 前記燃料電極層および酸化剤電極層は、水分を保持するための水管理層および／またはガス拡散層を含むことから、酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの相対湿度に拘わらず電解質層の水分が高く保持されるので、一層高い電池性能が得られる。
【００３９】
また、請求項１０に係る方法発明においては、前記セパレータの電極接触部は、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路に交差する１断面内において、その燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とを構成するように波形形状にプレス成形されていることから、溝深さの数分の１程度の厚みの金属板材を用いてセパレータが構成されるので、高い材料効率が得られ、低コストとなる。
【００４０】
また、請求項１１に係る方法発明においては、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路は、前記セパレータの電極接触部のほぼ全域において直線状に設けられていることから、サーペンタイン構造と比較して水がガス流路を閉塞することが極めて少なくなって、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路とするための別々の溝形状のサーペンタイン構造に敢えてしなくてもよいので、少なくともその電極接触部は１枚構成の金属板からセパレータが構成される利点がある。
【００４１】
また、請求項１２に係る方法発明においては、前記水管理層および／または前記ガス拡散層は、前記酸化剤ガスの流通方向に沿って、その構成材料の種類、平均気孔径、厚み、撥水性又は親水性材料の含有率或いは比表面積の少なくとも１つが連続的或いはステップ的に変化させられたものであることから、水管理層および／またはガス拡散層による水を保持する機能が酸化剤ガスの流通方向に沿ってたとえば酸化剤ガス流路の出口側に比較して入口側ほど高められるので、酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの相対湿度が低くても、酸化剤ガスの流通方向の全体において電解質層における水分が保持されて、高い電池性能が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
ここで、前記燃料ガスとしては、水素、或いは水素を含むガスが用いられる。前記酸化剤ガスとしては、酸素、或いは酸素を含むガスたとえば空気が用いられる。これら燃料ガスおよび酸化剤ガスが反応ガスと称される。
【００４３】
前記電解質層としては、耐食性、耐熱性、耐久性に優れた物質であって、たとえば分子中に水素イオンの交換基を有し、飽和状態に含水させられることにより高いイオン伝導性を有するとともに、燃料ガスおよび酸化剤ガスを分離する機能を有する物質が用いられる。たとえば、樹脂骨格にスルホン基を複合化させたパーフルオロカーボン系固体電解質、側鎖としてスルホン基を導入させた炭化水素系固体電解質などが用いられる。
【００４４】
前記燃料ガス電極層および酸化剤ガス電極層は、好適には、触媒活性を有する物質を含む触媒層と、反応ガスの拡散を促すためのガス拡散層とが積層されることにより構成されるが、導電性およびガス透過性を有する他の層がさらに加えられてもよい。上記ガス拡散層は、たとえばカーボン繊維を含む布或いは多孔質の板状とされ、集電体としての機能や触媒層を支持する機能を備えている。上記触媒層は、前記アノード反応およびカソード反応をそれぞれの促進させる活性な表面サイトを有する導電性物質から構成され、たとえば含浸法、コロイド法、イオン法などにより粒径数ｎｍの白金或いは白金合金が均一に分散された比表面積の高いカーボン担体（炭素粉末）や、カーボンナノチューブ、カーボンナノホールといった微細構造を有する炭素担体材料、酸素活性を有する大環状有機化合物、ペロブスカイト等の金属酸化物や硫化物を用いたものなどが用いられる。
【００４５】
前記水管理層は、前記電解質層の含水を可及的に飽和状態に近づけるための材料および構造を有し、前記燃料ガス電極層および酸化剤ガス電極層のいずれか一方または両方に含まれる。また、水管理層は、それらの電極層において、たとえば触媒層とガス拡散層と間に明確な層として設けられるか、或いは触媒層内或いはガス拡散層内に明確な境界なく設けられる。水管理層は、たとえばガスを透過させつつ水分の蒸散を抑制するための拡散層よりも小さく細かな気孔を有する多孔材料、金属酸化物、表面を浸水処理した無機物等の親水性材料、フッ素樹脂、フッ化カーボン、カーボンおよび撥水処理したカーボンなどの撥水材料などから構成される。
【００４６】
上記水管理層および／または上記ガス拡散層は、好適には、前記電解質層の含水を全体的にできるだけ飽和状態に近づけるために、たとえば、燃料ガス流路および／または酸化剤ガス流路の入口付近では積極的に水分を保持するが燃料ガス流路および／または酸化剤ガス流路の出口付近では相対的に水分の保持を低下させるように、前記燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの流通方向に沿って、その構成材料の種類、平均気孔径、厚み、撥水性又は親水性材料の含有率或いは比表面積の少なくとも１つが連続的すなわち直線的或いは曲線的に変化させられるか或いは複数段階でステップ的に変化させられる。
【００４７】
また、前記セパレータは、比較的薄い実質的に１枚の金属板から構成され、前記電解質層とそれを挟むように積層された燃料ガス電極層および酸化剤ガス電極層とを支持するものである。この金属板は、複数の薄い金属板がラミネートされたものであってもよい。セパレータのそれら電極層と接触する部分である電極接触部には、塑性加工により燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が表面および裏面に成形される。上記燃料電極層および酸化剤電極層がカソード反応およびアノード反応に局部的に関与するように構成されている場合は、セパレータの電極接触部のうちの少なくともその反応部分に接触する部分に、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が形成される。
【００４８】
上記セパレータは、その電極接触部が、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路に交差する１断面内において、その燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とを構成するように波形形状にプレス成形され、金属板厚の数倍以上の深さの互いに隣接する溝によって燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが構成されている。これらの燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路は、セパレータの電極接触部の主要域または全域において直線状に設けられている。
【００４９】
前記セパレータの全体またはその電極接触部は、それ自体に高い導電性を備えるために、好適には、少なくともその基体が高導電性の金属、たとえばステンレス鋼、ニッケル含有合金、クロム含有合金、アルニミウム、アルニミウム含有合金、銅、銅含有合金、チタン、チタン含有合金の少なくとも１種から構成される。
【００５０】
前記セパレータの電極接触部は、その表面の耐食性を高めるための導電性耐食層、たとえば金、カーボン、酸化チタン、酸化ニッケルの少なくとも１つを含有するコーティングが表面に施されたものである。
【００５１】
前記湿度制御装置は、前記燃料ガス流路内の燃料ガスおよび前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの少なくとも一方のガスの相対湿度が１００％以下となるように、そのガス流路内に供給されるガスの相対湿度を制御するものであればよい。
【実施例】
【００５２】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において、図は簡略化されており、それら各部の寸法等は必ずしも正確に描かれていない。
【００５３】
図１は、固体高分子形燃料電池装置１０の構成の要部を説明する図である。図１において、水素ガスが貯留された水素貯留装置１２からは、減圧および流量調節装置１４を介して固体高分子形燃料電池１６の燃料ガス流路１８に水素ガスが燃料ガスとして供給される。また、空気を圧送する空気ポンプ２０からは、減圧および流量調節装置２２および調湿装置２４を介して空気が酸化剤ガスとして燃料電池１６の酸化剤ガス流路２６に供給される。固体高分子形燃料電池１６から放出される余剰の水素は水素回収循環装置２７により回収されて再循環させられる。また、固体高分子形燃料電池１６から放出される余剰の空気は、湿度センサ３０によって湿度が検出された後に大気へ放出される。湿度センサ３０は、酸化剤ガス流路２６の出口における酸素の相対湿度（％）を検出している。
【００５４】
湿度制御装置３２は、湿度センサ３０によって検出された湿度に基づいて、酸化剤ガス流路２６内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように、たとえば酸化剤ガス流路２６の出口の相対湿度が１００％付近となるように調湿装置２４を制御する。
【００５５】
上記固体高分子形燃料電池１６は、たとえば数十個乃至数百個程度の複数のセパレータ２８および単電池３４が積層され且つ所定の締結力で厚み方向に押圧されることによって構成されており、図２はそれらセパレータ２８および単電池３４の要部を模式的に示す断面図である。図２に示すように、単電池３４は、前述の従来技術に説明したものと同様の構成であり、固体高分子製の電解質膜３６が燃料電極層３８と酸化剤電極層４０との間に介在させられた状態で積層されることにより構成されている。電解質膜３６は、たとえばプロトン交換膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸系樹脂（米国デュポン社製ナフィオン膜（商品名））が用いられる。上記燃料電極層３８と酸化剤電極層４０は、前記(1) 式のアノード反応および前記(2) 式のカソード反応を促進するための触媒活性を有する燃料ガス触媒層４２および酸化剤ガス触媒層４４と、反応ガスの拡散を促進するための燃料ガス拡散層４６および酸化剤ガス拡散層４８とから構成されている。
【００５６】
上記燃料ガス触媒層４２および酸化剤ガス触媒層４４は、カーボン粉末に担持させた白金触媒、白金を含む白金系合金触媒、その他の金属を含む合金触媒を備えている。また、上記燃料ガス拡散層４６および酸化剤ガス拡散層４８は、炭素繊維から成るカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの高導電性の基材とし、それに親水処理を施したり或いは撥水処理を施したりすることにより構成されている。これにより、燃料ガス拡散層４６および酸化剤ガス拡散層４８は、触媒層４２および４４を支持する機能と、反応ガスを均一に拡散させる機能と、集電体としての機能とを備えている。このように構成された燃料電極層３８と酸化剤電極層４０とに電解質膜３６が挟持されることにより構成された単電池３４は、その両面から一対のセパレータ２８によって支持されている。
【００５７】
前記セパレータ２８は、たとえば０．１ｍｍ前後の厚みを有する実質的に１枚の金属板材たとえばステンレス鋼板がプレス加工によって断面波形に成形され、０．５ｍｍ程度の厚みとされたものである。この波形断面に成形されたセパレータ２８の表面（一面）および裏面（他面）には、直線状の燃料ガス流路１８および酸化剤ガス流路２６を構成する互いに平行な直線状の溝が、セパレータ２８の電極接触部の全域にわたって形成されている。
【００５８】
図３は、湿度制御装置３２によって、酸化剤ガス流路２６の入り口部から出口部までの全域にわたって１点鎖線に示す飽和蒸気圧を超えないように運転される本実施例の特徴を示している。
【００５９】
本実施例によれば、セパレータ２８のうち燃料電極層３８と酸化剤電極層４０の反応部分に接触する電極接触部には、金属板から構成されるとともに塑性加工により成形された燃料ガス流路１８および酸化剤ガス流路２６が表面および裏面に設けられることから、実質的に金属板１枚構成のセパレータを介して複数個の単電池３４を積層することにより固体高分子形燃料電池１６が構成されると同時に、金属板１枚構成のセパレータはその両側の燃料電極層３８および酸化剤電極層４０は比較的軟質であってそれらとの間の電気的接触は寸法公差が大きくても十分に可能であるので、セパレータ２８は桁違いに安価となって低コストの固体高分子形燃料電池１６が得られる。さらに、切削により流路を形成するカーボン製の従来のセパレータに比較して上記塑性加工されたセパレータ２８は数分の１程度に小さい厚み寸法となり、それが多数積層された固体高分子形燃料電池１６が大幅に小型となる利点がある。
【００６０】
また、本実施例によれば、セパレータ２８の電極接触部は、燃料ガス流路１８および酸化剤ガス流路２６に交差する１断面内において、その燃料ガス流路１８と酸化剤ガス流路２６とを構成するように波形形状にプレス成形されていることから、溝深さの数分の１程度の厚みの金属板材を用いてセパレータ２８が構成されるので、高い材料効率が得られ、低コストとなる。
【００６１】
また、本実施例においては、燃料ガス流路１８および酸化剤ガス流路２６は、セパレータ２８の電極接触部のほぼ全域において直線状に設けられていることから、サーペンタイン構造と比較して水がガス流路を閉塞することが極めて少なくなって、燃料ガス流路１８および酸化剤ガス流路２６とするための別々の溝形状のサーペンタイン構造に敢えてしなくてもよいので、少なくともその電極接触部は１枚構成の金属板からセパレータ２８が構成される利点がある。
【００６２】
また、本実施例においては、セパレータ２８の少なくとも電極接触部は、少なくともその基体がステンレス鋼等により構成されているので、好適な導電性、気密性、耐熱性、加工性、強度が得られる。
【００６３】
また、本実施例においては、セパレータ２８の少なくとも電極接触部は、金、カーボン、酸化チタン、酸化ニッケルの少なくとも１つを含有するコーティングが表面に施されたものであることから、セパレータ表面の耐食性が高められ、好適な電気的接触が得られる。
【００６４】
また、本実施例の固体高分子形燃料電池装置１０においては、上記固体高分子形燃料電池１６では、前述のように、セパレータ２８が実質的に金属板１枚構成であってその両側の燃料電極層３８および酸化剤電極層４０は比較的軟質であってそれらとの間の電気的接触は寸法公差が大きくても十分に可能であるので、セパレータ２８は桁違いに安価となって低コストの固体高分子形燃料電池１６が得られるとともに、固体高分子形燃料電池１６の酸化剤ガス流路２６内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように、その酸化剤ガス流路２６内に供給される酸化剤ガスの相対湿度を制御する湿度制御装置３２とが設けられ、且つ酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように制御されて酸化剤ガス流路２６内の水による閉塞が解消されるので、高い電池性能が得られる。また、ガス流路をサーペンタイン構造としガス流速を高くして水を吹き飛ばす必要もなくなるので、直線状で比較的流速が遅いガス流路の金属板材構造のセパレータであっても、高い電池性能が得られるとともに、セパレータのプレス公差の問題が解消され、低コスト化が可能となる。すなわち、高い電池性能と低価格化とが両立できる。
【００６５】
また、本実施例においては、固体高分子製の電解質層３６が燃料電極層３８と酸化剤電極層４０との間に介在させられた単電池３４を、燃料ガス流路１８および酸化剤ガス流路２６を表面および裏面に有する金属板から塑性加工により成形されたセパレータ２８を介して複数個積層した固体高分子形燃料電池１６の作動方法であって、酸化剤ガス流路１８内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように、その酸化剤ガス流路１８内に供給される酸化剤ガスの相対湿度が制御されることから、セパレータ２８は実質的に金属板１枚構成であってその両側の燃料電極層３８および酸化剤電極層４０は比較的軟質であってそれらとの間の電気的接触は寸法公差が大きくても十分に可能であるので、セパレータ２８は桁違いに安価となって低コストの固体高分子形燃料電池が得られるとともに、それに加えて、酸化剤ガス流路２６内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように制御されて酸化剤ガス流路２６内の水による閉塞が解消されるので、高い電池性能が得られる。すなわち、高い電池性能を有し且つ低価格化とが両立できる。
【００６６】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説明において前述の実施例と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６７】
図４は、燃料ガス流路１８も、上記実施例と同様の構成により、その全域にわたって飽和蒸気圧を超えないように運転する湿度制御装置５２を備えた実施例を示している。すなわち、湿度制御装置５２は、湿度センサ５０によって検出された湿度に基づいて、燃料ガス流路１８内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように、たとえば燃料ガス流路１８の出口の相対湿度が１００％付近となるように調湿装置５４を制御する。本実施例によれば、燃料ガス流路１８の出口付近の相対湿度が１００％付近となるように制御されるので、一層、燃料電池１６の出力特性が安定する。本実施例によれば、燃料ガス流路１８および酸化剤ガス流路２６内のガスの相対湿度が１００％以下となるように制御されるので、固体高分子形燃料電池１６の一層安定した性能が得られる。
【００６８】
図５は、前記セパレータ２８のうちの一例であって全体的な構成例を説明する正面図である。図５のセパレータ２８は、全体として矩形板状を成し、前述のようにプレス加工によって断面波状に成形されることにより両面に燃料ガス流路１８および酸化剤ガス流路２６が設けられた金属板６０と、その金属板６０よりも十分に大きい厚みを備えてその金属板６０の外周部に固着された一定の厚みのガスシール部６２とを有している。上記のガスシール部６２はシリコンゴム、フッ素樹脂等の比較的硬質の合成樹脂から構成され、インサート成形などにより一体的に金属板６０の外周部に固着されている。
【００６９】
上記のセパレータ２８には、燃料ガス流路１８の一部を構成する一対の貫通孔６４および６６と、酸化剤ガス流路２６の一部を構成する一対の貫通孔６８および７０とが設けられている。図５のセパレータ２８では、その表面において複数本が互いに平行に形成された燃料ガス流路１８が設けられており、その燃料ガス流路１８の上に、単電池３４が位置させられている。セパレータ２８の一面上においてこの単電池３４が位置させられてそれと接触する面積が、前記電極接触部に対応している。この図５に示されるセパレータ２８表面では、多数のセパレータ２８が積層された状態において、その燃料ガス流路１８の一部を構成する一対の貫通孔６４および６６が解放され、上記燃料ガス流路１８に燃料ガスが流されるようになっているが、酸化剤ガス流路２６の一部を構成する一対の貫通孔６８および７０はその上に載置される他のガスシール部６２によって閉じられている。
【００７０】
図６は、図１或いは図４の固体高分子形燃料電池１６の単電池３４において、燃料電極層３８の燃料ガス触媒層４２と燃料ガス拡散層４６との間、および酸化剤電極層４０の酸化剤ガス触媒層４４と酸化剤ガス拡散層４８と間に、燃料ガス側水管理層７６および酸化剤ガス側水管理層７８がそれぞれ介挿されている実施例を示す断面図である。この水管理層７６および７８は、電解質層３６内の水分を飽和状態近くに可及的に保持するためのものであり、導電性を有し且つ水分保持機能を有する材料、たとえば燃料ガス拡散層４６および酸化剤ガス拡散層４８よりも、緻密で気孔が小さくなるように構成された炭素繊維から成るカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト、それに親水処理を施したり或いは撥水処理を施して水分保持機能が高められた材料が用いられる。
【００７１】
上記水管理層７６および７８、および／または、上記ガス拡散層４６および４８は、反応ガスの流通方向に沿って、その構成材料の種類、平均気孔径、厚み、撥水性又は親水性材料の含有率或いは比表面積の少なくとも１つが連続的或いはステップ的に変化させられている。たとえば、水分保持機能がガス流路の出口側に比較して入口側ほど高められている。図７の破線は、反応ガスの流通方向に沿って水分保持機能が変化させられていない場合、２点鎖線は、３つの領域毎に水分保持機能がステップ的に変化させられている場合の電解質層３６内の水分を示している。
【００７２】
本実施例によれば、セパレータ２８のうち燃料電極層３８と酸化剤電極層４０の反応部分に接触する電極接触部には、金属板から構成されるとともに塑性加工により成形された燃料ガス流路１８および酸化剤ガス流路２６が表面および裏面に設けられることから、実質的に金属板１枚構成のセパレータを介して複数個の単電池３４を積層することにより固体高分子形燃料電池１６が構成されると同時に、金属板１枚構成のセパレータはその両側の燃料電極層３８および酸化剤電極層４０は比較的軟質であってそれらとの間の電気的接触は寸法公差が大きくても十分に可能であるので、セパレータ２８は桁違いに安価となって低コストの固体高分子形燃料電池１６が得られる。また、前記燃料電極層３８および酸化剤電極層４０には水分を保持するための水管理層７６および７８、および／または、上記ガス拡散層４６および４８が含まれる結果、電解質層３６における水分が保持されるので、水で酸化剤ガス流路内が閉塞されないようにガス流路内での相対湿度を低くしても高い電池性能が得られる。さらに、切削により流路を形成するカーボン製の従来のセパレータに比較して上記塑性加工されたセパレータ２８は数分の１程度に小さい厚み寸法となり、それが多数積層された固体高分子形燃料電池１６が大幅に小型となる利点がある。
【００７３】
また、本実施例の水管理層７６および７８、および／または、上記ガス拡散層４６および４８を有する単電池３４が適用された固体高分子形燃料電池装置１０においては、上記固体高分子形燃料電池１６は、セパレータ２８は実質的に金属板１枚構成であってその両側の燃料電極層３８および酸化剤電極層４０は比較的軟質であってそれらとの間の電気的接触は寸法公差が大きくても十分に可能であるので、セパレータ２８は桁違いに安価となって低コストの固体高分子形燃料電池１６が得られるとともに、固体高分子形燃料電池１６の酸化剤ガス流路２６内の酸化剤ガスの相対湿度が１００％以下となるように、その酸化剤ガス流路２６内に供給される酸化剤ガスの相対湿度を制御する湿度制御装置３２とが設けられ、それに加えて、燃料電極層３８および酸化剤電極層３０は水分を保持するための水管理層７６および７８、および／または、上記ガス拡散層４６および４８により電解質層３６の水分が保持され、且つ燃料ガス流路１８や酸化剤ガス流路２６内のガスの相対湿度が１００％以下となるように制御されてガス流路１８、２６内の水による閉塞が解消されるので、高い電池性能が得られる。すなわち、高い電池性能を有し且つ低価格化とが両立できる。
【００７４】
また、本実施例においては、水管理層７６および７８、および／または、上記ガス拡散層４６および４８は、酸化剤ガスの流通方向に沿って、その構成材料の種類、平均気孔径、厚み、撥水性又は親水性材料の含有率或いは比表面積の少なくとも１つが連続的或いはステップ的に変化させられたものであることから、水管理層７６および７８、および／または、上記ガス拡散層４６および４８による水を保持する機能が酸化剤ガスの流通方向に沿ってたとえば燃料ガス流路１８や酸化剤ガス流路２６の出口側に比較して入口側ほど高められるので、燃料ガス流路１８や酸化剤ガス流路２６内のガスの相対湿度が低くても、ガスの流通方向の全体において電解質層３６における水分が保持されて、高い電池性能が得られる。
【００７５】
図８は、上記図６および図７の固体高分子形燃料１６の効果を検証するための発電実験に用いられたカーボン製セパレータ８０を示す図である。このセパレータ８０には、前記セパレータ２８の燃料ガス流路１８や酸化剤ガス流路２６と同様の寸法である互いに平行な直線状の複数本の８２が形成されている。このセパレータ８０を介して単電池３４を積層して構成した燃料電池を作動させたときの特性を図９に示す。図９は、サーペンタイン構造の燃料電池と同様の、単電池３４の出力特性を示している。
【００７６】
なお、前述の実施例の調湿装置２４、５４に替えて或いは加えて、燃料ガス流路１８や酸化剤ガス流路２６内のガスの相対湿度が１００％以下となるように作動させられる加湿装置或いは減湿装置が設けられていてもよい。
【００７７】
その他、例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の１実施例の固体高分子形燃料電池装置の構成の要部を説明するブロック図である。
【図２】図１の固体高分子形燃料電池の要部の構成を説明する断面図である。
【図３】図２の固体高分子形燃料電池の酸化剤ガス流路内における酸化剤ガスの相対湿度分布を示す図である。
【図４】本発明の他の実施例の固体高分子形燃料電池装置の構成の要部を説明するブロック図であって、図１に相当する図である。
【図５】本発明の他の実施例の固体高分子形燃料電池に用いられるセパレータの全体形状を示す正面図である。
【図６】本発明の他の実施例の固体高分子形燃料電池の要部の構成を説明する断面図であって、図２に相当する図である。
【図７】図６の固体高分子形燃料電池の酸化剤ガス流路内における酸化剤ガスの相対湿度分布を示す図であって、図３に相当する図である。
【図８】上記図６および図７の固体高分子形燃料の効果を検証するための発電実験に用いられたカーボン製セパレータを示す正面図である。
【図９】図８のセパレータを介して単電池を積層して構成した燃料電池を作動させたときの出力特性を示す図である。
【図１０】従来の固体高分子形燃料電池の要部の構成を説明する断面図である。
【図１１】従来の他の固体高分子形燃料電池の要部の構成を説明する断面図である。
【図１２】従来の固体高分子形燃料電池の酸化剤ガス流路内における酸化剤ガスの相対湿度分布を示す図である。
【図１３】従来の他の固体高分子形燃料電池におけるセパレータのサーペンタイン構造を説明する図である。
【図１４】金属板材から波形断面に成形されたセパレータの圧縮面圧に対する変位を有限要素法を用いて解析したときの境界条件を示す図である。
【図１５】図１４に示す解析の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０：固体高分子形燃料電池装置
１８：燃料ガス流路
２６：酸化剤ガス流路
２８：セパレータ
３２：湿度制御装置
３６：電解質膜
３８：燃料電極層
４０：酸化剤電極層
７６：水管理層
７８：水管理層
【図１】
2006172949.tif 000003
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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