(57)【要約】      （修正有）【課題】長期間にわたって発電運転を行なっても、周囲環境からの不活性ガス成分のスタック内での蓄積を大きく抑制できるクローズ系の固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】拡散侵入防止手段を、内部に水１を入れた容器１０１内にスタック１１０を配設することにより、スタック１１０の隣り合うセパレータのガス流通部の間とスタック１１０の周辺雰囲気である空気との間を水１で仕切るようにした、固体高分子形燃料電池１００とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極及び酸化極で固体高分子電解質を挟んだセルと、燃料ガス流通部及び酸化ガス流通部を形成されたセパレータとを交互に複数積層したスタックを備えた固体高分子形燃料電池において、
前記スタックの隣り合う前記セパレータの前記ガス流通部の間と当該スタックの周辺雰囲気との間を、液体、水素ガス、酸素ガスのうちの少なくとも一つからなる拡散侵入防止剤又は真空雰囲気又は板材で仕切る拡散侵入防止手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記拡散侵入防止手段が、前記スタックの隣り合う前記セパレータの前記ガス流通部の間と当該スタックの周辺雰囲気との間を仕切るように当該セパレータの面側の周縁に沿って設けられて内部を前記拡散侵入防止剤又は真空雰囲気とした仕切室を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記拡散侵入防止手段が、前記スタックの隣り合う前記セパレータの前記ガス流通部の間と当該スタックの周辺雰囲気との間を仕切るように当該セパレータの当該ガス流通部の面側の周縁に沿って設けられて内部を前記拡散侵入防止剤又は真空雰囲気とした仕切室を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記拡散侵入防止手段が、前記仕切室内に前記拡散侵入防止剤を流通させる仕切室用拡散侵入防止剤流通手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項５】
請求項２又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記拡散侵入防止手段が、前記仕切室内を真空とするように当該仕切室内を排気する仕切室用排気手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記拡散侵入防止手段が、前記スタックを内部に配設されて当該内部を前記拡散侵入防止剤環境又は真空雰囲気とした容器を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記拡散侵入防止手段が、前記容器内に前記拡散侵入防止剤を流通させる容器用拡散侵入防止剤流通手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項８】
請求項６に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記拡散侵入防止手段が、前記容器内を真空とするように当該容器内を排気する容器用排気手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記拡散侵入防止剤が、水、不凍液、シリコンオイルのうちの少なくとも一つからなる
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１０】
請求項９に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記拡散侵入防止手段が、前記液体中の金属イオンを除去する金属イオン除去手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記拡散侵入防止手段が、前記拡散侵入防止剤を温度調整する拡散侵入防止剤温調手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１２】
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記拡散侵入防止手段が、前記スタックの前記セルと前記セパレータとの積層方向と直交する方向に位置する周面を塞ぐように設けられた金属又はセラミックスからなる板材を備えてなるものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１３】
請求項１２に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記拡散侵入防止手段が、前記スタックの前記セルと前記セパレータとの積層方向と直交する方向に位置する周面と前記板材との間の隙間を閉塞する充填材を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、供給された燃料ガス及び酸化ガスをすべて消費することにより、系外へガスを排出しなくても済むようにしたクローズ系の固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、導電性及びガス透過性を有する燃料極及び酸化極でプロトン伝導性を有する固体高分子電解質を挟んだセルと導電性を有すると共に燃料ガス流通部及び酸化ガス流通部を形成されたセパレータとを交互に複数積層したスタックを備え、水素ガスを含有する燃料ガスが当該スタックの上記セパレータの燃料ガス流通部内を流通すると共に、酸素ガスを含有する酸化ガスが当該スタックの上記セパレータの酸化ガス流通部内を流通すると、上記燃料ガス中の水素ガスと上記酸化ガス中の酸素ガスとが上記セルで電気化学的に反応して、水を発生させると共に、電力を発生させることができるようになっている。
【０００３】
このような固体高分子形燃料電池においては、例えば、燃料ガスとして水素ガスそのものをスタックへ供給すると共に、酸化ガスとして酸素ガスそのものをスタックへ供給して、当該スタックで上記ガスを前記電気化学反応ですべて消費させるようにすることにより、系外へガスを排出しなくても済むようにしたクローズ系のものが知られている（例えば、下記特許文献１，２等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１４７１７８号公報
【特許文献２】特開２００８−１４７１７９号公報
【特許文献３】特開２００９−００９７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述したような従来のクローズ系の固体高分子形燃料電池においては、前記スタックの隣り合う前記セパレータ間や当該セパレータと前記セルとの間をシールする高分子材料からなるシール材中を周囲環境の雰囲気（例えば、空気）が僅かずつ徐々に拡散侵入していくため、長期間にわたって発電運転を行なっていると（例えば、数百時間）、当該スタックの燃料ガス流通部内や酸化ガス流通部内に前記雰囲気中の不活性ガス成分（例えば、窒素ガス）が次第に蓄積して、当該ガス流通部内を流通する水素ガスや酸素ガスの濃度が低下してしまい、発電性能が低下してしまう場合があった。
【０００６】
このようなことから、本発明は、長期間にわたって発電運転を行なっても、周囲環境の雰囲気からの不活性ガス成分のスタック内での蓄積を大きく抑制することができるクローズ系の固体高分子形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】
【０００７】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、燃料極及び酸化極で固体高分子電解質を挟んだセルと、燃料ガス流通部及び酸化ガス流通部を形成されたセパレータとを交互に複数積層したスタックを備えた固体高分子形燃料電池において、前記スタックの隣り合う前記セパレータの前記ガス流通部の間と当該スタックの周辺雰囲気との間を、液体、水素ガス、酸素ガスのうちの少なくとも一つからなる拡散侵入防止剤又は真空雰囲気で仕切る拡散侵入防止手段を備えていることを特徴とする。
【０００８】
第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第一番目の発明において、前記拡散侵入防止手段が、前記スタックの隣り合う前記セパレータの前記ガス流通部の間と当該スタックの周辺雰囲気との間を仕切るように当該セパレータの面側の周縁に沿って設けられて内部を前記拡散侵入防止剤又は真空雰囲気とした仕切室を備えていることを特徴とする。
【０００９】
第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第一番目の発明において、前記拡散侵入防止手段が、前記スタックの隣り合う前記セパレータの前記ガス流通部の間と当該スタックの周辺雰囲気との間を仕切るように当該セパレータの当該ガス流通部の面側の周縁に沿って設けられて内部を前記拡散侵入防止剤又は真空雰囲気とした仕切室を備えていることを特徴とする。
【００１０】
第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第二番目又は第三番目の発明において、前記拡散侵入防止手段が、前記仕切室内に前記拡散侵入防止剤を流通させる仕切室用拡散侵入防止剤流通手段を備えていることを特徴とする。
【００１１】
第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第二番目又は第三番目の発明において、前記拡散侵入防止手段が、前記仕切室内を真空とするように当該仕切室内を排気する仕切室用排気手段を備えていることを特徴とする。
【００１２】
第六番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記拡散侵入防止手段が、前記スタックを内部に配設されて当該内部を前記拡散侵入防止剤環境又は真空雰囲気とした容器を備えていることを特徴とする。
【００１３】
第七番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第六番目の発明において、前記拡散侵入防止手段が、前記容器内に前記拡散侵入防止剤を流通させる容器用拡散侵入防止剤流通手段を備えていることを特徴とする。
【００１４】
第八番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第六番目の発明において、前記拡散侵入防止手段が、前記容器内を真空とするように当該容器内を排気する容器用排気手段を備えていることを特徴とする。
【００１５】
第九番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第一番目から第八番目の発明のいずれかにおいて、前記拡散侵入防止剤が、水、不凍液、シリコンオイルのうちの少なくとも一つからなることを特徴とする。
【００１６】
第十番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第九番目の発明において、前記拡散侵入防止手段が、前記液体中の金属イオンを除去する金属イオン除去手段を備えていることを特徴とする。
【００１７】
第十一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第一番目から第十番目の発明のいずれかにおいて、前記拡散侵入防止手段が、前記拡散侵入防止剤を温度調整する拡散侵入防止剤温調手段を備えていることを特徴とする。
【００１８】
第十二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第一番目の発明において、前記拡散侵入防止手段が、前記スタックの前記セルと前記セパレータとの積層方向と直交する方向に位置する周面を塞ぐように設けられた金属又はセラミックスからなる板材を備えてなるものであることを特徴とする。
【００１９】
第十三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第十二番目の発明において、前記拡散侵入防止手段が、前記スタックの前記セルと前記セパレータとの積層方向と直交する方向に位置する周面と前記板材との間の隙間を閉塞する充填材を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る固体高分子形燃料電池によれば、スタックの隣り合うセパレータの前記ガス流通部の間とスタックの周辺雰囲気との間を拡散侵入防止手段で仕切ることから、セパレータ間やセパレータとセルとの間をシールするシール材中を僅かずつ徐々に拡散侵入するものが、液体、水素ガス、酸素ガスのうちの少なくとも一つだけ又はまったくなくなるようになる。
【００２１】
このため、供給された燃料ガス及び酸化ガスをすべて消費することにより、系外へガスを排出しなくても済むようにしたクローズ系の固体高分子形燃料電池において、長期間にわたって発電運転を行なっても、スタックの前記ガス流通部内に窒素ガス等の不活性ガス成分が蓄積してしまうことを防止できるので、スタックの前記ガス流通部内を流通する水素ガスや酸素ガスの濃度低下を防止することができ、発電性能の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る固体高分子形燃料電池の第一番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【図２】Ａは、本発明に係る固体高分子形燃料電池の運転時間とセル電圧との関係を表すグラフ、Ｂは、従来のクローズ系の固体高分子形燃料電池の運転時間とセル電圧との関係を表すグラフである。
【図３】本発明に係る固体高分子形燃料電池の第二番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【図４】本発明に係る固体高分子形燃料電池の第三番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【図５】本発明に係る固体高分子形燃料電池の第四番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【図６】図５のスタックのセパレータの概略構成図である。
【図７】図６のVII−VII線断面矢視図である。
【図８】図６のVIII−VIII線断面矢視図である。
【図９】図６のIX−IX線断面矢視図である。
【図１０】本発明に係る固体高分子形燃料電池の第五番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【図１１】本発明に係る固体高分子形燃料電池の第六番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【図１２】本発明に係る固体高分子形燃料電池の他の実施形態のスタックのセパレータの概略構成図である。
【図１３】本発明に係る固体高分子形燃料電池のさらに他の実施形態のスタックの概略構成図である。
【図１４】図１３のスタックの内部断面の概略構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明に係る固体高分子形燃料電池の実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００２４】
［第一番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池の第一番目の実施形態を図１に基づいて説明する。
【００２５】
図１に示すように、容器１０１の内部には、スタック１１０が絶縁台１０１ａを介して載置されており、当該スタック１１０は、燃料極及び酸化極で固体高分子電解質を挟んだセルと、燃料ガス流通部及び酸化ガス流通部を形成されたセパレータとを交互に複数積層した構造となっている。また、前記容器１０１の内部には、拡散侵入防止剤としての液体である水１が入れられており、前記スタック１１０は、当該水１中に浸漬（水没）している。
【００２６】
前記容器１０１の上方は、容器用拡散侵入防止剤流通手段であるポンプ１０２の受入口側に接続している。このポンプ１０２の送出口側は、水１を貯蔵する貯蔵タンク１０３の下方側に接続している。この貯蔵タンク１０３には、当該貯蔵タンク１０３内の前記水１を温度調整する温調器１０４が設けられている。この貯蔵タンク１０３の上方側は、前記水１中の金属イオンを除去するイオン交換樹脂等を内装した金属イオン除去手段である金属イオン除去器１０５の下方側に接続している。この金属イオン除去器１０５の上方側は、前記容器１０１の下方側に接続している。
【００２７】
なお、図１中、Ｌは外部負荷である。また、図面において、スタックの燃料ガス流通ライン系統や酸化ガス流通ライン系統や温調水流通ライン系統等の記載は、従来のクローズ系の固体高分子形燃料電池と同様にして構成されるため、省略している。
【００２８】
このような本実施形態においては、前記貯蔵タンク１０３、前記温調器１０４等により、拡散侵入防止剤温調手段を構成し、当該拡散侵入防止剤温調手段、前記容器１０１、前記ポンプ１０２、前記金属イオン除去器１０５等により、拡散侵入防止手段を構成している。
【００２９】
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池１００においては、従来のクローズ系の固体高分子形燃料電池の場合（例えば、前記特許文献１，２等参照）と同様に、燃料ガスとして水素ガスそのものを上記スタック１１０の前記セパレータの前記燃料ガス流通部に流通させると共に、酸化ガスとして酸素ガスそのものを上記スタック１１０の前記セパレータの前記酸化ガス流通部に流通させると、上記水素ガスと上記酸素ガスとが前記セルで電気化学的に反応して、水が発生すると共に、電力が発生して、外部負荷Ｌへ給電することができる。
【００３０】
このとき、前記スタック１１０は、前記容器１０１内の水１中に浸漬（水没）して、周囲環境が水１となっている、すなわち、隣り合う前記セパレータの前記ガス流通部の間と周辺雰囲気である空気との間が前記水１で仕切られていることから、当該セパレータ間や当該セパレータと前記セルとの間をシールする高分子材料からなるシール材中を僅かずつ徐々に拡散侵入するものが水１だけとなる。このスタック１１０内に拡散侵入した水１は、上記電気化学反応に伴って発生した水と共に水素ガスや酸素ガスから気液分離器等によって容易に分離回収される。
【００３１】
このため、供給された水素ガス及び酸素ガスをすべて消費することにより、系外へガスを排出しなくても済むようにしたクローズ系で長期間にわたって発電運転を行なっても（例えば、数百時間）、前記スタック１１０の前記燃料ガス流通部内や前記酸化ガス流通部内に窒素ガス等の不活性ガス成分が蓄積してしまうようなことはない。
【００３２】
したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池１００によれば、前記スタック１１０の前記燃料ガス流通部内を流通する水素ガスや前記酸化ガス流通部内を流通する酸素ガスの濃度低下を防止することができ、発電性能の低下を防止することができる。
【００３３】
また、上記発電運転と併せて、前記ポンプ１０２を作動させると、前記容器１０１内の水１は、前記貯蔵タンク１０３を経由し、前記金属イオン除去器１０５内を流通して金属イオンを除去された後、上記容器１０１内に再び供給されることにより、循環流通する。
【００３４】
このため、前記容器１０１内の水１は、導電率が非常に低くなっていると共に、常に流動しているので、前記スタック１１０の腐食を大幅に抑制することができる。
【００３５】
また、前記温調器１０４を作動させると、前記容器１０１内の水１は、前記貯蔵タンク１０３内で所定の温度に調整されてから上記容器１０１内に再び供給されることにより、循環流通するので、前記スタック１０１の周囲が所定の温度（運転温度）に維持されるようになる。
【００３６】
このため、前記スタック１１０は、温度調整を内部だけでなく外部からも行われるようになるので、運転温度を維持することが容易にでき、運転効率の低下を効率よく抑えることができる。
【００３７】
ここで、本発明に係る固体高分子形燃料電池の効果を確認するために行った試験の結果を図２に示す。従来のクローズ系の固体高分子形燃料電池においては、図２Ｂに示すように、長期間にわたって発電運転を行なうと、セル電圧が次第に低下してしまうものの、本発明に係る固体高分子形燃料電池においては、図２Ａに示すように、長期間にわたって発電運転を行なっても、セル電圧の低下がほとんど生じず、優れた効果を発現できることが確認された。
【００３８】
［第二番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池の第二番目の実施形態を図３に基づいて説明する。なお、前述した実施形態と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を図面に付すことにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００３９】
図３に示すように、スタック１１０が内部に絶縁台１０１ａを介して載置される容器２０１は、密閉型となっている。この容器２０１の内部は、拡散侵入防止剤としての水素ガス２が充填されている。
【００４０】
前記容器２０１の上方は、容器用拡散侵入防止剤流通手段であるポンプ２０２の受入口側に接続している。このポンプ２０２の送出口側は、水素ガス２を貯蔵する密閉型の貯蔵タンク２０３の下方側に接続している。この貯蔵タンク２０３には、当該貯蔵タンク２０３内の前記水素ガス２を温度調整する温調器１０４が設けられている。この貯蔵タンク２０３の上方側は、前記容器２０１の下方側に接続している。
【００４１】
つまり、前述した第一番目の実施形態では、液体である水１を拡散侵入防止剤として利用するようにしたが、本実施形態では、水素ガス２を拡散侵入防止剤として利用するようにしたのである。
【００４２】
このような本実施形態においては、前記貯蔵タンク２０３、前記温調器１０４等により、拡散侵入防止剤温調手段を構成し、当該拡散侵入防止剤温調手段、前記容器２０１、前記ポンプ２０２等により、拡散侵入防止手段を構成している。
【００４３】
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池２００においては、前述した実施形態の固体高分子形燃料電池１００の場合と同様に運転することにより、前記スタック１１０の前記セルで電気化学反応を生じ、水が発生すると共に、電力が発生して、外部負荷Ｌへ給電することができる。
【００４４】
このとき、前記スタック１１０は、水素ガス２を充填された前記容器２０１内に載置されている、すなわち、隣り合う前記セパレータの前記ガス流通部の間と周辺雰囲気である空気との間が上記水素ガス２で仕切られていることから、当該セパレータ間や当該セパレータと前記セルとの間をシールする高分子材料からなるシール材中を僅かずつ徐々に拡散侵入するものが水素ガス２だけとなる。
【００４５】
このスタック１１０内に拡散侵入した水素ガス２は、燃料ガス流通部内では、当該燃料ガス流通部内を流通する水素ガスと共に前記セルで発電運転に使用され、酸化ガス流通部内では、当該酸化ガス流通部内を流通する酸素ガスと直接的に反応して水となり、前記電気化学反応に伴って発生した水と共に酸素ガスから気液分離器等によって容易に分離回収される。
【００４６】
このため、前述した実施形態の場合と同様に、クローズ系で長期間にわたって発電運転を行なっても（例えば、数百時間）、前記スタック１１０の前記燃料ガス流通部内や前記酸化ガス流通部内に窒素ガス等の不活性ガス成分が蓄積してしまうようなことはない。
【００４７】
したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池２００によれば、前述した実施形態の固体高分子形燃料電池１００の場合と同様に、前記スタック１１０の前記燃料ガス流通部内を流通する水素ガスや前記酸化ガス流通部内を流通する酸素ガスの濃度低下を防止することができ、発電性能の低下を防止することができる。
【００４８】
また、上記発電運転と併せて、前記ポンプ２０２を作動させると共に前記温調器１０４を作動させると、前記容器２０１内の水素ガス２は、前記貯蔵タンク１０３内で所定の温度に調整されてから上記容器１０１内に再び供給されることにより、循環流通するので、前記スタック１０１の周囲が所定の温度（運転温度）に維持されるようになる。
【００４９】
このため、前記スタック１１０は、前述した実施形態の固体高分子形燃料電池１００の場合と同様に、温度調整を内部だけでなく外部からも行われるようになるので、運転温度を維持することが容易にでき、運転効率の低下を効率よく抑えることができる。
【００５０】
［第三番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池の第三番目の実施形態を図４に基づいて説明する。なお、前述した実施形態と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を図面に付すことにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００５１】
図４に示すように、スタック１１０が内部に絶縁台１０１ａを介して載置される容器３０１は、気密型となっている。この容器３０１には、容器用排気手段である排気ポンプ３０２が接続されている。
【００５２】
つまり、前述した第一，二番目の実施形態では、容器１０１，２０１内に水１や水素ガス２の拡散侵入防止剤を入れるようにしたが、本実施形態では、容器３０１内を排気して真空にするようにしたのである。
【００５３】
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池３００においては、前述した実施形態の固体高分子形燃料電池１００，２００の場合と同様に運転することにより、前記スタック１１０の前記セルで電気化学反応を生じ、水が発生すると共に、電力が発生して、外部負荷Ｌへ給電することができる。
【００５４】
この発電運転と併せて、前記排気ポンプ３０２を作動させると、前記容器３０１は、内部が排気されて真空となる。このため、前記スタック１１０は、隣り合う前記セパレータの前記ガス流通部の間と周辺雰囲気である空気との間が真空雰囲気で仕切られるようになることから、前記セパレータ間や当該セパレータと前記セルとの間をシールする高分子材料からなるシール材中を僅かずつ徐々に拡散侵入するものがなくなるようになる。
【００５５】
このため、前述した実施形態の場合と同様に、クローズ系で長期間にわたって発電運転を行なっても（例えば、数百時間）、前記スタック１１０の前記燃料ガス流通部内や前記酸化ガス流通部内に窒素ガス等の不活性ガス成分が蓄積してしまうようなことはない。
【００５６】
したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池３００によれば、前述した実施形態の固体高分子形燃料電池１００，２００の場合と同様に、前記スタック１１０の前記燃料ガス流通部内流通する水素ガスや前記酸化ガス流通部内を流通する酸素ガスの濃度低下を防止することができ、発電性能の低下を防止することができる。
【００５７】
［第四番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池の第四番目の実施形態を図５〜９に基づいて説明する。なお、前述した実施形態と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を図面に付すことにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００５８】
図５に示すスタック４１０は、燃料極及び酸化極で固体高分子電解質を挟んだセルと、燃料ガス流通部及び酸化ガス流通部を形成されたセパレータとを交互に複数積層した構造となっており、当該セパレータは、図６〜９に示すような構造をなしている。
【００５９】
前記セパレータ４１１は、図６〜９に示すように、セルに燃料ガスを供給する燃料ガス流通路４１２ａと、セルに酸化ガスを供給する酸化ガス流通路４１３ａと、温調水を流通させる温調水流通路４１４ａと、燃料ガス流通路４１２ａに燃料ガスを分配供給する燃料ガス供給マニホールド４１２ｂと、酸化ガス流通路４１３ａに酸化ガスを分配供給する酸化ガス供給マニホールド４１３ｂと、温調水流通路４１４ａに温調水を分配供給する温調水供給マニホールド４１４ｂと、燃料ガス流通路４１２ａから燃料ガスを回収する燃料ガス回収マニホールド４１２ｃと、酸化ガス流通路４１３ａから酸化ガスを回収する酸化ガス回収マニホールド４１３ｃと、温調水流通路４１４ａから温調水を回収する温調水回収マニホールド４１４ｃとを備えている。
【００６０】
そして、前記セパレータ４１１の一方面及び他方面の周縁側には、当該周縁に沿って仕切溝４１５ａがそれぞれ形成されている。さらに、上記セパレータ４１１には、前記仕切溝４１５ａに拡散侵入防止剤としての液体である前記水１を供給する拡散侵入防止剤供給路４１５ｂと、前記仕切溝４１５ａからの前記水１を回収する拡散侵入防止剤回収路４１５ｃとがそれぞれ形成されている。
【００６１】
また、前記セパレータ４１１の前記流通路４１２ａ，４１３ａ及び前記マニホールド４１２ｂ〜４１４ｂ，４１２ｃ〜４１４ｃの、当該セパレータ４１１の両面側の周縁部分には、高分子材料等からなるシール材４２１がそれぞれ設けられている。そして、前記セパレータ４１１の前記仕切溝４１５ａの、当該セパレータ４１１の両面側の周縁部分にも、高分子材料等からなるシール材４２２がそれぞれ設けられている。
【００６２】
このような上記セパレータ４１１と前記セルとを交互に複数積層した前記スタック４１０は、当該セパレータ４１１の前記拡散侵入防止剤回収路４１５ｃが、図５に示すように、仕切溝用拡散侵入防止剤流通手段となる前記ポンプ１０２の受入口側に接続している。このポンプ１０２の送出口側は、前記温調器１０４を有する前記貯蔵タンク１０３に接続している。この貯蔵タンク１０３は、前記金属イオン除去器１０５に接続している。この金属イオン除去器１０５の上方は、前記スタック４１０の前記セパレータ４１１の前記拡散侵入防止剤供給路４１５ｂに接続している。
【００６３】
なお、本実施形態においては、前記燃料ガス流通路４１２ａ，前記燃料ガス供給マニホールド４１２ｂ，前記燃料ガス回収マニホールド４１２ｃ等により、燃料ガス流通部が構成され、前記酸化ガス流通路４１３ａ，前記酸化ガス供給マニホールド４１３ｂ，前記酸化ガス回収マニホールド４１３ｃ等により、酸化ガス流通部が構成され、前記温調水流通路４１４ａ，前記温調水供給マニホールド４１４ｂ，前記温調水回収マニホールド４１４ｃ等により、温調水流通部が構成され、前記仕切溝４１５ａ，前記シール材４２２等により、仕切室を構成している。
【００６４】
つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池１００においては、内部に水１を循環流通させるようにした容器１０１内にスタック１１０を配設することにより、当該スタック１１０の隣り合う前記セパレータの前記ガス流通部の間と当該スタック１１０の周辺雰囲気である空気との間を水１で仕切るようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池４００においては、スタック４１０の隣り合うセパレータ４１１の前記ガス流通部４１２ａ〜４１２ｃ，４１３ａ〜４１３ｃの間と当該スタック４１０の周辺雰囲気である空気との間を仕切るように当該セパレータの面側の周縁に沿って設けられた前記仕切溝４１５及び前記シール材４２２の内側に水１を循環流通させることにより、当該スタック４１０の隣り合うセパレータ４１１の前記ガス流通部４１２ａ〜４１２ｃ，４１３ａ〜４１３ｃの間と当該スタック４１０の周辺雰囲気である空気との間を水１で仕切るようにしたのである。
【００６５】
したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池４００によれば、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池１００の場合と同様な効果を得ることができる。
【００６６】
［第五番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池の第五番目の実施形態を図１０に基づいて説明する。なお、前述した実施形態と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を図面に付すことにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００６７】
図１０に示すように、前記スタック４１０の前記セパレータ４１１の前記拡散侵入防止剤回収路４１５ｃは、仕切溝用拡散侵入防止剤流通手段となる前記ポンプ２０２の受入口側に接続している。このポンプ２０２の送出口側は、水素ガス２を貯蔵する密閉型の貯蔵タンク２０３の下方側に接続している。この貯蔵タンク２０３には、当該貯蔵タンク２０３内の前記水素ガス２を温度調整する温調器１０４が設けられている。この貯蔵タンク２０３の上方側は、前記スタック４１０の前記セパレータ４１１の前記拡散侵入防止剤供給路４１５ｂに接続している。
【００６８】
つまり、前述した第四番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池２００においては、液体である水１を拡散侵入防止剤として利用するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池５００においては、水素ガス２を拡散侵入防止剤として利用するようにした、言い換えれば、前述した第二番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池２００においては、内部に水素ガス２を循環流通させるようにした容器２０１内にスタック１１０を配設することにより、当該スタック１１０の隣り合う前記セパレータの前記ガス流通部の間と当該スタック１１０の周辺雰囲気である空気との間を水素ガス２で仕切るようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池５００においては、前記スタック４１０の前記仕切溝４１５ａの内部に水素ガス２を循環流通させることにより、当該スタック４１０の隣り合うセパレータ４１１の前記ガス流通部４１２ａ〜４１２ｃ，４１３ａ〜４１３ｃの間と当該スタック４１０の周辺雰囲気である空気との間を水素ガス２で仕切るようにしたのである。
【００６９】
したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池５００によれば、前述した第二番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池２００の場合と同様な効果を得ることができる。
【００７０】
［第六番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池の第六番目の実施形態を図１１に基づいて説明する。なお、前述した実施形態と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を図面に付すことにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００７１】
この容器３０１には、前記スタック４１０の前記セパレータ４１１の前記拡散侵入防止剤回収路４１５ｃには、仕切溝用排気手段である排気ポンプ３０２が接続されている。当該スタック４１０の当該セパレータ４１１の前記拡散侵入防止剤供給路４１５ｂは、閉塞されている。
【００７２】
つまり、前述した第四，五番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池４００，５００においては、前記スタック４１０の前記仕切溝４１５ａ内に水１や水素ガス２の拡散侵入防止剤を入れるようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池６００においては、前記スタック４１０の前記仕切溝４１５ａ内を排気して真空にするようにした、言い換えれば、前述した第三番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池３００においては、内部を排気する容器２０１内にスタック１１０を配設することにより、当該スタック１１０の隣り合う前記セパレータの前記ガス流通部の間と当該スタック１１０の周辺雰囲気である空気との間を真空にして仕切るようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池６００においては、前記スタック４１０の前記仕切溝４１５ａの内部を排気することにより、当該スタック４１０の隣り合うセパレータ４１１の前記ガス流通部４１２ａ〜４１２ｃ，４１３ａ〜４１３ｃの間と当該スタック４１０の周辺雰囲気である空気との間を真空にして仕切るようにしたのである。
【００７３】
したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池５００によれば、前述した第三番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池３００の場合と同様な効果を得ることができる。
【００７４】
［他の実施形態］
なお、前述した第一，四番目の実施形態においては、水１中の金属イオンを前記金属イオン除去器１０５で除去するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記スタック１１０，４１０や前記容器１０１，２０１の材質等の各種条件によっては、前記金属イオン除去器１０５を省略することも可能である。
【００７５】
また、前述した第一，四番目の実施形態においては、拡散侵入防止剤である液体として水１を適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、拡散侵入防止剤である液体として不凍液（水とエチレングリコール等とを混合した低凝固点及び高沸点の液体）やシリコンオイルを適用することも可能である。このような不凍液やシリコンオイルを拡散侵入防止剤として適用すると、低温時における拡散侵入防止剤の凝固を防止することができると共に、絶縁性を高めることができるので、好ましい。
【００７６】
また、前述した第二，五番目の実施形態においては、拡散侵入防止剤として水素ガス２を適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、拡散侵入防止剤として酸素ガスを適用することも可能である。
【００７７】
また、前述した第一，二，四，五番目の実施形態においては、前記拡散侵入防止剤を前記温調器１０４で所定の温度（運転温度）に温度調整するようにしたが、他の実施形態として、例えば、運転温度や周囲温度等の各種条件によっては、前記温調器１０４を省略することも可能である。
【００７８】
また、前述した第一，二，四，五番目の実施形態においては、前記貯蔵タンク１０３，２０３内の前記拡散侵入防止剤を前記ポンプ１０２，２０２で前記容器１０１内や前記スタック４１０の前記セパレータ４１１の前記仕切溝４１５ａ内等に循環流通させるようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記ポンプ１０２，２０２や前記貯蔵タンク１０３，２０３等を省略して、前記拡散侵入防止剤を前記容器１０１内や前記スタック４１０の前記セパレータ４１１の前記仕切溝４１５ａ内等で流動させることなく入れたままの状態とすることも可能である。
【００７９】
しかしながら、前述した第一，二，四，五番目の実施形態のように、前記拡散侵入防止剤を循環流通させるようにすると、当該拡散侵入防止剤の温度を均一にすることが容易にできると共に、滞留に伴う前記容器１０１の腐食等を抑えることができるので、非常に好ましい。
【００８０】
また、前述した第四〜六番目の実施形態においては、図６等に示したように、前記セパレータ４１１の面側の周縁に沿って仕切溝４１５ａ及びシール材４２２を設けることにより、隣り合う上記セパレータ４１１の前記ガス流通部４１２ａ〜４１２ｃ，４１３ａ〜４１３ｃの間と前記スタック４１０の周辺雰囲気である空気との間を拡散侵入防止剤又は真空雰囲気で仕切ることができるようにしたが、他の実施形態として、例えば、図１２に示すように、セパレータ７１１の前記ガス流通部４１２ａ〜４１２ｃ，４１３ａ〜４１３ｃの面側の周縁に沿って仕切溝７１５ａ及びシール材７２２を設けることにより、隣り合うセパレータ７１１の前記ガス流通部４１２ａ〜４１２ｃ，４１３ａ〜４１３ｃの間とスタックの周辺雰囲気との間を拡散侵入防止剤又は真空雰囲気で仕切ることができるようにすることも可能である。なお、図１２中、７１５ｂは拡散侵入防止剤供給路、７１５ｃは拡散侵入防止剤回収路である。
【００８１】
また、前述した第四〜六番目の実施形態等においては、前記セパレータ４１１，７１１に仕切溝４１５ａ，７１５ａ及びシール材４２２，７２２等を設けて仕切室を構成するようにしたが、他の実施形態として、例えば、上記仕切溝４１５ａ，７１５ａを省略してシール材４２２，７２２のみで仕切室を構成することも可能である。しかしながら、前述した第四〜六番目の実施形態等のように、仕切溝４１５ａ，７１５ａも設けて仕切室を構成するようにすると、当該仕切室内の圧損を小さくして流体を流通させやすくすることができるので好ましい。
【００８２】
さらに、他の実施形態として、例えば、図１３，１４に示すように、スタック１１０のセル１１２とセパレータ１１１との積層方向（図１３，１４中、矢印方向）と直交する方向に位置する周面を塞ぐように金属（例えば、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼等）やセラミックス等の不活性ガスの拡散係数の小さい材料からなる板材８０１を当該スタック１１０の当該周面（四面）に取り付けると共に、当該スタック１１０の当該セル１１２と当該セパレータ１１１との積層方向と直交する方向に位置する周面と当該板材８０１との間の隙間を閉塞するように当該隙間にシリコーンゴム等の充填材８０２を充填することにより、当該スタック１１０の隣り合う当該セパレータ１１１のガス流通部１１１ａの間Ｃと当該スタック１１０の周辺雰囲気との間を当該板材８０１で仕切るようにした拡散侵入防止手段を備えた固体高分子形燃料電池８００とすることも可能である。
【００８３】
このような固体高分子形燃料電池８００においては、前述した第一〜三番目の実施形態の場合よりも小型化を図ることができると共に、前述した第四〜六番目の実施形態の場合よりも簡単な構造とすることができる。なお、図１４中、１１２ａは燃料極、１１２ｂは酸化極、１１２ｃは固体高分子電解質、１２１はシール材である。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明に係る固体高分子形燃料電池は、供給された燃料ガス及び酸化ガスをすべて消費することにより、系外へガスを排出しなくても済むようにしたクローズ系において、長期間にわたって発電運転を行なっても、スタックの前記ガス流通部内に窒素ガス等の不活性ガス成分が蓄積してしまうことを防止して、スタックの前記ガス流通部内を流通する水素ガスや酸素ガスの濃度低下を防止することができ、発電性能の低下を防止することができることから、産業上、極めて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１  水
２  水素ガス
１００  固体高分子形燃料電池
１０１  容器
１０１ａ  絶縁台
１０２  ポンプ
１０３  貯蔵タンク
１０４  温調器
１０５  金属イオン除去器
１１０  スタック
１１１  セパレータ
１１１ａ  ガス流通部
１１２  セル
１１２ａ  燃料極
１１２ｂ  酸化極
１１２ｃ  固体高分子電解質
１２１  シール材
２００  固体高分子形燃料電池
２０１  容器
２０２  ポンプ
２０３  貯蔵タンク
３００  固体高分子形燃料電池
３０１  容器
３０２  排気ポンプ
４００，５００，６００，８００  固体高分子形燃料電池
４１０  スタック
４１１，７１１  セパレータ
４１２ａ  燃料ガス流通路
４１２ｂ  燃料ガス供給マニホールド
４１２ｃ  燃料ガス回収マニホールド
４１３ａ  酸化ガス流通路
４１３ｂ  酸化ガス供給マニホールド
４１３ｃ  酸化ガス回収マニホールド
４１４ａ  温調水流通路
４１４ｂ  温調水供給マニホールド
４１４ｃ  温調水回収マニホールド
４１５ａ，７１５ａ  仕切溝
４１５ｂ，７１５ｂ  拡散侵入防止剤供給路
４１５ｃ，７１５ｃ  拡散侵入防止剤回収路
４２１，４２２，７２２  シール材
８０１  板材
８０２  充填材
【図１】
2011138665.tif 000003
【図２】
2011138665.tif 000004
【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】
2011138665.tif 000009
【図８】
2011138665.tif 000010
【図９】
2011138665.tif 000011
【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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