(57)【要約】【課題】簡単な構成で小型化に適し、燃料電池全体として低価格および組み立ての容易化を達成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。【解決手段】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。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　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。
【請求項２】
　請求項１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。
【請求項３】
　請求項１又は２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。
【請求項４】
　請求項１乃至３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。
【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。
【請求項６】
　請求項１乃至５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。
【請求項７】
　請求項１乃至６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。
【請求項８】
　請求項１乃至７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、又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。
【請求項９】
　請求項８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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、固体高分子電解質膜型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
　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、特許文献１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、特許文献２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、酸素又は空気が通過して、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、特許文献２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】
【特許文献１】特開平６−２３１７８８号公報（図１）
【特許文献２】特開平６−１２４７２２号公報（図８）
【特許文献３】特開平６−２３１７９３号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
　ところで、前記の特許文献３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、前記特許文献３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。
【０００８】
　一方、前記の特許文献１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。
【０００９】
　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、燃料電池全体として低価格および組み立ての容易化を達成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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
　前記の課題を解決するために、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。
【００１１】
　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で積層し、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。
【００１２】
　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。
【００１３】
　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。
【発明の効果】
【００１４】
　本発明によれば、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。
【００１５】
　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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
　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】
　本発明に関連する燃料電池スタック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１４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７０％以下で気孔径が４０μｍ以下のカーボン材からなる。図１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１６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、又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１８ｄには別の貫通孔４４が画成されている。前記上枠１８ｃには貫通孔４２から通路２８に連通する複数の細孔４６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１８ａ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５２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電極触媒層６２ａと第２電極触媒層６２ｂを備えている。前記第１及び第２電極触媒層６２ａ、６２ｂ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、６８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７０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１６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、８６、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でその四隅を強く且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〜９６ｄ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１０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１２０に連通されている。
【００２６】
　次に、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１０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８１、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８４、ガスケット６６（６８）の貫通孔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（ＰＨ２ ）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、これを第１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、第１電極触媒層６２ａに到達して、固体高分子電解質膜６０を加湿する。従って、変位作用又は変形作用によって第１セパレータ１６のリブ２０は第１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、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の変位作用又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第１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及び第２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、第１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（ＰＨ２ ）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、本発明の実施の形態を示す。前記の関連の形態では、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、図９に示すように、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、なお且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２１４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１０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、炭素又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２２０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２２４ａ、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２２２とは、セパレータ２１８に対して、例えば、導電性ゴム又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２２２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布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、互いに平行に且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２６８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且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、導電性ゴム又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１１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と酸化剤ガス案内部材２６２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、前記関連する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且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３０８ａ、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１２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２６２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２２２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、３０６ｂ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４０２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。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に関連す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】前記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】前記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】前記固体高分子電解質膜型燃料電池の分解図である。
【図５】前記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】前記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】前記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】前記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】本発明のさらに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】
【００５６】
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、２５４、２５６、２５８…セパレータ
【図１】
2004047485.tif 000003
【図２】
2004047485.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】
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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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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年10月17日(2003.10.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　固体高分子電解質膜と、
　該固体高分子電解質膜から分離構成され且つ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、
　該固体高分子電解質膜から分離構成され且つ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、
　前記固体高分子電解質膜、前記燃料ガス側電極及び前記酸化剤ガス側電極を設ける発電部に重ね合わされるセパレータと、
　を備え、
　前記燃料ガス側電極及び前記酸化剤ガス側電極は、それぞれ電極触媒層と拡散層とを積層して構成されるとともに、
　前記セパレータは、枠部材内に摺動自在に配設される少なくとも１つのスライド部材と、
　前記スライド部材間又は該スライド部材と前記枠部材との間に形成される水案内流路と、
　を有し、前記水案内流路に供給される水の圧力によって前記スライド部材を移動させ、該スライド部材に当接する前記燃料ガス側電極又は前記酸化剤ガス側電極を、前記発電部の固体高分子電解質膜に圧接させることを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
　前記の課題を解決するために、本発明は、固体高分子電解質膜と、
　該固体高分子電解質膜から分離構成され且つ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、
　該固体高分子電解質膜から分離構成され且つ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、
　前記固体高分子電解質膜、前記燃料ガス側電極及び前記酸化剤ガス側電極を設ける発電部に重ね合わされるセパレータと、
　を備え、
　前記燃料ガス側電極及び前記酸化剤ガス側電極は、それぞれ電極触媒層と拡散層とを積層して構成されるとともに、
　前記セパレータは、枠部材内に摺動自在に配設される少なくとも１つのスライド部材と、
　前記スライド部材間又は該スライド部材と前記枠部材との間に形成される水案内流路と、
　を有し、前記水案内流路に供給される水の圧力によって前記スライド部材を移動させ、該スライド部材に当接する前記燃料ガス側電極又は前記酸化剤ガス側電極を、前記発電部の固体高分子電解質膜に圧接させることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】