(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子により形成された電解質膜を二つの電極で挟持する固体高分子型燃料電池であって、
前記電解質膜の一方側の電極に水素を含有する水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給手段と、
前記電解質膜の他方側の電極に前記水素含有ガスの供給圧より高い圧力で酸素を含有する酸素含有ガスを供給し、その圧力差で前記電解質膜の他方側の電極側で生じる生成水を前記電解質膜の一方側の電極側に排除すると共に、前記電解質膜の一方側の電極側で必要な水を補うように、前記圧力差が、前記生成水の生成の程度と前記電解質膜の透水性と前記電解質膜の強度とに基いて設定される酸素含有ガス供給手段と、
を備える固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記電解質膜の内部に埋め込まれる補強手段、または前記電解質膜の前記一方側電極の側の表面に配置される補強手段、または前記電解質膜の前記他方側電極の側の表面に配置される補強手段の少なくとも１つであって、棒状部材または短繊維部材を含んで該電解質膜の強度を補強する補強手段を備える請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記補強手段は、前記水素含有ガスと前記酸素含有ガスとの圧力差に応じて前記電解質膜の各部の補強の程度を変えて補強する手段である請求項２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記水素含有ガス供給手段は、燃料電池に供給される前記水素含有ガスの圧力を調整する水素供給圧調整弁と、その排ガスの排圧を調整する水素排ガス調整弁と、前記水素含有ガスの流路とを含み、これらの調整弁の調整によって、前記電解質膜の一方側の電極に供給される前記水素含有ガスの供給圧を設定する手段であり、
前記酸素含有ガス供給手段は、燃料電池に供給される前記酸素含有ガスの圧力を調整する酸素供給圧調整弁と、その排ガスの排圧を調整する酸素排ガス調整弁と、前記酸素含有ガスの流路とを含み、これらの調整弁の調整によって、前記電解質膜の他方側の電極に供給される前記酸素含有ガスの供給圧を設定する手段であって、前記電解質膜の各部における前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスとの圧力差の偏差が小さくなるよう前記他方側の電極に前記酸素含有ガスを供給する手段である請求項１ないし３のいずれか１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記水素含有ガス供給手段は、燃料電池に供給される前記水素含有ガスの圧力を調整する水素供給圧調整弁と、その排ガスの排圧を調整する水素排ガス調整弁と、前記水素含有ガスの流路とを含み、これらの調整弁の調整によって、前記電解質膜の一方側の電極に供給される前記水素含有ガスの供給圧を設定する手段であり、
前記酸素含有ガス供給手段は、燃料電池に供給される前記酸素含有ガスの圧力を調整する酸素供給圧調整弁と、その排ガスの排圧を調整する酸素排ガス調整弁と、前記酸素含有ガスの流路とを含み、これらの調整弁の調整によって、前記電解質膜の他方側の電極に供給される前記酸素含有ガスの供給圧を設定する手段であって、前記電解質膜の各部における前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスとの圧力差の偏差が大きくなるよう前記他方側の電極に前記酸素含有ガスを供給する手段である請求項１ないし３のいずれか１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記酸素含有ガス供給手段は、前記水素含有ガスの上流側における前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスとの圧力差が大きくなるよう前記他方側の電極に前記酸素含有ガスを供給する手段である請求項５記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記酸素含有ガス供給手段は、前記水素含有ガスの下流側における前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスとの圧力差が大きくなるよう前記他方側の電極に前記酸素含有ガスを供給する手段である請求項５記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし３のいずれか１に記載の固体高分子型燃料電池であって、
前記水素含有ガス供給手段は、前記水素含有ガスが前記一方側の電極の表面を全体として所定方向に流れるよう該水素含有ガスを供給する手段であり、
前記酸素含有ガス供給手段は、前記酸素含有ガスが前記他方側の電極の表面を全体として前記所定方向に対して所定の角度をもった方向に流れるよう該酸素含有ガスを供給する手段である固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記所定の角度をもった方向は、前記所定方向と略同一の方向である請求項８記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
前記所定の角度をもった方向は、前記所定方向と略逆方向である請求項８記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】
前記所定の角度をもった方向は、前記所定方向に対して略直交する方向である請求項８記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関し、詳しくは、固体高分子により形成された電解質膜を二つの電極で挟持する固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池では、水素を含有する水素含有ガスと酸素を含有する酸素含有ガスとの供給を受けて、次式（１）および式（２）に示す電極反応により化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。この電極反応が連続的に円滑に行なわれるためには、アノードでは水素が触媒に連続的に供給されると共に生成するプロトンを水和物として速やかに電解質膜中をカソード側に移動させる必要があり、カソードでは酸素が触媒に連続的に供給されるためにこれを阻害する生成水を連続的に排除する必要がある。
【０００３】
アノード反応  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                   （１）
カソード反応  ２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ  （２）
【０００４】
こうしたカソードで生成する水を排除する固体高分子型燃料電池としては、アノードの水素含有ガス中の水蒸気圧を飽和水蒸気圧より低く維持するものが提案されている（例えば、特許第２７０３８２４号など）。この固体高分子型燃料電池では、アノードの水素含有ガス中の水蒸気圧を飽和水蒸気圧より低く維持することにより、酸素含有ガスが供給されるカソードで電気化学反応により生じる生成水を、その濃度勾配によって電解質膜を通過させてカソード側から排除すると共に、アノード側で必要な水の一部を供給することができるとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした固体高分子型燃料電池では、カソードでの生成水を十分に排除することができない場合がある。アノード側の水素含有ガス中の水蒸気圧を低くして濃度勾配を生じさせても、濃度勾配に基づく電解質膜における水の移動速度は、カソードで生じる水のすべてを連続的に排除できるほど速くないから、カソードに水が滞ってしまい、水が滞ることによる弊害、即ちカソードにおける酸素の連続的な触媒への供給の阻害を生じてしまう。
【０００６】
本発明の固体高分子型燃料電池は、カソードで生じる水を連続的に排除することを目的の一つとする。また、本発明の固体高分子型燃料電池は、アノードで必要な水の少なくとも一部をカソードで生成する水で補うことを目的の一つとする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の固体高分子型燃料電池は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００８】
本発明の固体高分子型燃料電池は、固体高分子により形成された電解質膜を二つの電極で挟持する固体高分子型燃料電池であって、前記電解質膜の一方側の電極に水素を含有する水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給手段と、前記電解質膜の他方側の電極に前記水素含有ガスの供給圧より高い圧力で酸素を含有する酸素含有ガスを供給し、その圧力差で前記電解質膜の他方側の電極側で生じる生成水を前記電解質膜の一方側の電極側に排除すると共に、前記電解質膜の一方側の電極側で必要な水を補うように、前記圧力差が、前記生成水の生成の程度と前記電解質膜の透水性と前記電解質膜の強度とに基いて設定される酸素含有ガス供給手段と、を備えることを要旨とする。
【０００９】
この本発明の固体高分子型燃料電池では、電解質膜の一方側の電極（アノード）に供給される水素を含有する水素含有ガスの供給圧より高い圧力で電解質膜の他方側の電極（カソード）に酸素を含有する酸素含有ガスを供給することにより、電解質膜のカソード側で生じる生成水を圧力差をもってアノード側に排除すると共に、アノード側で必要な水を補うのである。この結果、カソードにおける酸素の触媒への連続的な供給を確保することができると共に電解質膜における連続的なプロトンの速やかな移動を確保することができ、高性能な燃料電池とすることができる。
【００１０】
こうした本発明の固体高分子型燃料電池において、前記電解質膜の内部に埋め込まれる補強手段、または前記電解質膜の前記一方側電極の側の表面に配置される補強手段、または前記電解質膜の前記他方側電極の側の表面に配置される補強手段の少なくとも１つであって、棒状部材または短繊維部材を含んで該電解質膜の強度を補強する補強手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、圧力差により生じる電解質膜への負担を軽減することができ、電解質膜の破損を防止することができる。この態様の本発明の固体高分子型燃料電池において、前記補強手段は、前記水素含有ガスと前記酸素含有ガスとの圧力差に応じて前記電解質膜の各部の補強の程度を変えて補強する手段であるものとすることもできる。こうすれば、必要な部位に必要な補強を行なうことができる。
【００１１】
また、本発明の固体高分子型燃料電池において、前記水素含有ガス供給手段は、燃料電池に供給される前記水素含有ガスの圧力を調整する水素供給圧調整弁と、その排ガスの排圧を調整する水素排ガス調整弁と、前記水素含有ガスの流路とを含み、これらの調整弁の調整によって、前記電解質膜の一方側の電極に供給される前記水素含有ガスの供給圧を設定する手段であり、前記酸素含有ガス供給手段は、燃料電池に供給される前記酸素含有ガスの圧力を調整する酸素供給圧調整弁と、その排ガスの排圧を調整する酸素排ガス調整弁と、前記酸素含有ガスの流路とを含み、これらの調整弁の調整によって、前記電解質膜の他方側の電極に供給される前記酸素含有ガスの供給圧を設定する手段であって、前記電解質膜の各部における前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスとの圧力差の偏差が小さくなるよう前記他方側の電極に前記酸素含有ガスを供給する手段であるものとすることもできる。こうすれば、電解質膜の各部における圧力差は略等しくなるから、電解質膜の部分的な耐久性の劣化を防止することができる。
【００１２】
さらに、本発明の固体高分子型燃料電池において、前記水素含有ガス供給手段は、燃料電池に供給される前記水素含有ガスの圧力を調整する水素供給圧調整弁と、その排ガスの排圧を調整する水素排ガス調整弁と、前記水素含有ガスの流路とを含み、これらの調整弁の調整によって、前記電解質膜の一方側の電極に供給される前記水素含有ガスの供給圧を設定する手段であり、前記酸素含有ガス供給手段は、燃料電池に供給される前記酸素含有ガスの圧力を調整する酸素供給圧調整弁と、その排ガスの排圧を調整する酸素排ガス調整弁と、前記酸素含有ガスの流路とを含み、これらの調整弁の調整によって、前記電解質膜の他方側の電極に供給される前記酸素含有ガスの供給圧を設定する手段であって、前記電解質膜の各部における前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスとの圧力差の偏差が大きくなるよう前記他方側の電極に前記酸素含有ガスを供給する手段であるものとすることもできる。こうすれば、電解質膜の各部における圧力差には偏差が生じるから、生成水が多く生じる部位や生成水が滞りやすい部位の圧力差を大きくなるよう調整することにより、こうした部位における生成水を速やかに排除することができると共に他の部位での電解質膜の劣化の促進を防止することができる。この圧力差の偏差が大きくなるよう酸素含有ガスを供給する態様の本発明の固体高分子型燃料電池において、前記酸素含有ガス供給手段は、前記水素含有ガスの上流側における前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスとの圧力差が大きくなるよう前記他方側の電極に前記酸素含有ガスを供給する手段であるものとすることもできる。こうすれば、水素含有ガスの上流側で生じる生成水を速やかに排除することができる。また、この圧力差の偏差が大きくなるよう酸素含有ガスを供給する態様の本発明の固体高分子型燃料電池において、前記酸素含有ガス供給手段は、前記水素含有ガスの下流側における前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスとの圧力差が大きくなるよう前記他方側の電極に前記酸素含有ガスを供給する手段であるものとしたりすることもできる。こうすれば、水素含有ガスの下流側で生じる生成水を速やかに排除することができる。
【００１４】
また、本発明の固体高分子型燃料電池において、前記水素含有ガス供給手段は、前記水素含有ガスが前記一方側の電極の表面を全体として所定方向に流れるよう該水素含有ガスを供給する手段であり、前記酸素含有ガス供給手段は、前記酸素含有ガスが前記他方側の電極の表面を全体として前記所定方向に対して所定の角度をもった方向に流れるよう該酸素含有ガスを供給する手段であるものとすることもできる。この態様の本発明の固体高分子型燃料電池において、前記所定の角度をもった方向は、前記所定方向と略同一の方向であるものとしたり、前記所定方向と略逆方向であるものとしたり、前記所定方向に対して略直交する方向であるものとしたりすることもできる。こうすれば、固体高分子型燃料電池の状態に応じてカソードでの生成水を排除することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は本発明の一実施例としての固体高分子型燃料電池１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は実施例の固体高分子型燃料電池１０の燃料電池スタック２０の一部を例示する構成図である。固体高分子型燃料電池１０は、図１に示すように、単電池２１を複数積層してなる燃料電池スタック２０を備え、この燃料電池スタック２０には酸素を含有する酸素含有ガスとしての空気がブロワ５２により供給されると共に水素を含有する水素含有ガスが図示しない水素含有ガスタンクから供給されるようになっている。
【００１６】
空気の供給管５３には、燃料電池スタック２０に供給される空気の圧力を調節する供給圧調圧弁５４が取り付けられており、燃料電池スタック２０からの空気の排ガス管５８には排圧を調節するための排圧調圧弁５９が取り付けられている。水素含有ガスの供給管６３にも、燃料電池スタック２０に供給される水素含有ガスの圧力を調節する供給圧調圧弁６４が取り付けられており、その排ガス管６８にも排圧を調節するための排圧調圧弁６９が取り付けられている。なお、燃料電池スタック２０には、各単電池２１における発電に伴う発熱を冷却するために冷却媒体としての水が供給されるようになっている。
【００１７】
燃料電池スタック２０は、図２に示すように、単電池２１を複数積層して構成されており、単電池２１は、フッ素系樹脂などの高分子材料、例えばＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ  １１２により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜２２と、白金または白金と他の金属からなる合金を担持するカーボン粒子を電解質膜２２の両表面にスクリーン印刷などにより形成したカソード２６およびアノード２８と、電解質膜２２のカソード２６側に配置され酸素を含有する酸素含有ガス（実施例では、空気を使用）の流路としての酸素含有ガス流路３４を形成すると共に冷却媒体（実施例では、水を使用）の流路としての冷却媒体流路３８を形成する酸素含有ガス側セパレータ３０と、電解質膜２２のアノード２８側に配置され水素を含有する水素含有ガスの流路としての水素含有ガス流路４４を形成する水素含有ガス側セパレータ４０とにより構成されている。
【００１８】
図３は、電解質膜２２の面方向の断面を例示する断面図である。図示するように、電解質膜２２の内部には、電解質膜２２の強度を補強する補強部材２４が埋め込まれている。この補強部材２４は、電解質膜２２の電解質としての機能すなわちプロトン導電性機能を損なわない材料、例えばポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂などの材料により形成されており、図３に示すように、一方向に偏るようにアンバランスに配置されている。なお、この補強部材２４の配置については後述する。
【００１９】
図４は、酸素含有ガス側セパレータ３０の酸素含有ガス流路３４が形成される側を例示する平面図である。酸素含有ガス側セパレータ３０は、カーボンを圧縮して緻密化しガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されており、図示するように、酸素含有ガスとしての空気の供給口３１と、空気の排出口３５と、供給口３１と排出口３５とを３列のつづら折り状の溝で連絡するための溝を形成するリブ３２とが形成されている。この３列のつづら折り状の溝は、リブ３２が電解質膜２２に当接することにより前述の酸素含有ガス流路３４を形成する。供給口３１は、図１に示す空気の供給管５３に接続されており、供給圧力が調節された空気が供給されるようになっている。また、排出口３５は、空気の排ガス管５８に接続されており、排圧が調節された排ガスが排出されるようになっている。図示しないが、酸素含有ガス側セパレータ３０の裏面も、表示面と略同様な構成となっており、燃料電池スタック２０に供給される冷却媒体としての水の供給口や排出口、冷却媒体流路３８を形成するためのリブ３６が形成されている。
【００２０】
水素含有ガス側セパレータ４０も酸素含有ガス側セパレータ３０と同一の材料により形成されており、図４に示す酸素含有ガス側セパレータ３０の表示面と同一の形状に形成されている。水素含有ガス側セパレータ４０の裏面は、何も形成されておらず、平坦になっている。水素含有ガス側セパレータ４０に形成された供給口４１は、水素含有ガスの供給管６３に接続されており、供給圧力が調節された水素含有ガスが供給されるようになっており、排出口４５は、水素含有ガスの排ガス管６８に接続されており、排圧が調節された排ガスが排出されるようになっている。
【００２１】
図５は、酸素含有ガス側セパレータ３０や水素含有ガス側セパレータ４０へ空気や水素含有ガスを供給する際の供給の様子を模式的に例示する説明図である。図示するように、実施例の燃料電池スタック２０では、酸素含有ガス側セパレータ３０と水素含有ガス側セパレータ４０は、その供給口３１と供給口４１および排出口３５と排出口４５がそれぞれ整合し、酸素含有ガス流路３４と水素含有ガス流路４４とが電解質膜２２を挟んで同方向に迂流して供給口３１や供給口４１から排出口３５や排出口４５に至るように配置されている。
【００２２】
図６は、実施例の固体高分子型燃料電池１０が運転状態にあるときの酸素含有ガス流路３４や水素含有ガス流路４４における空気や水素含有ガスの圧力の変化の様子を例示する説明図である。実施例の燃料電池スタック２０では、酸素含有ガス流路３４に流れる空気の圧力が電解質膜２２を挟んで水素含有ガス流路４４に流れる水素含有ガスの圧力より高くなるように、そして、その圧力差が空気や水素含有ガスの供給口３１，４１から排出口３５，４５に向けて小さくなるように供給圧調圧弁５４や排圧調圧弁５９および供給圧調圧弁６４や排圧調圧弁６９が調節されている。このように空気と水素含有ガスとに圧力差を設けるのは、電解質膜２２のカソード２６側表面に上述した式（２）の反応により生じる生成水を電解質膜２２中を通ってアノード２８側に排除するためである。また、供給口３１，４１近傍における圧力差を排出口３５，４５近傍における圧力差より大きくしているのは、供給口３１，４１近傍の水素濃度の高い部位における上述の式（１）および式（２）の反応が活発に行なわれ、これにより生じる多くの生成水をアノード２８側に排除するためである。なお、この圧力差の程度は、水の生成の程度や電解質膜２２の透水性の程度，電解質膜２２の強度などにより設計される。
【００２３】
前述した電解質膜２２内部の補強部材２４は、酸素含有ガス流路３４に供給される空気と水素含有ガス流路４４に供給される水素含有ガスとに設けられた圧力差に対して電解質膜２２を補強するために設けられるものである。図３に示す補強部材２４の配置は、圧力差が大きいところで補強力が大きくなるよう補強部材２４が密に配置されているのである。
【００２４】
以上説明した実施例の固体高分子型燃料電池１０によれば、電解質膜２２に供給する酸素含有ガスとしての空気の供給圧を電解質膜２２に供給する水素含有ガスの供給圧より高くすることにより、カソード２６で生成する水を電解質膜２２を通ってアノード２８側に排除することができる。このアノード２８側への水の移動は、アノード２８で生成されるプロトンの電解質膜２２の移動に用いられる水を補うことにもなる。したがって、カソード２６では生成水を排除することにより空気中の酸素を触媒へ連続的に供給することができ、アノード２８では生成したプロトンを速やかに電解質膜２２中をカソード２６側に移動させることにより水素のプロトン化を連続的に行なうことができる。
【００２５】
また、実施例の固体高分子型燃料電池１０によれば、電解質膜２２を補強する補強部材２４を備えるから、電解質膜２２の強度を増すことができ、電解質膜２２の破損や劣化の促進を防止することができる。しかも、補強部材２４は空気と水素含有ガスの圧力差に応じて配置されるから、電解質膜２２全体を均等にすることができる。
【００２６】
さらに、実施例の固体高分子型燃料電池１０によれば、空気と水素含有ガスの圧力差が空気や水素含有ガスの供給口３１，４１から排出口３５，４５に向けて小さくなるように調節したから、供給口３１，４１近傍の水素濃度の高い部位に生じる多くの生成水をアノード２８側に効率的に排除することができる。
【００２７】
実施例の固体高分子型燃料電池１０では、図６に示すように、供給口３１，４１近傍における空気と水素含有ガスとの圧力差が排出口３５，４５近傍に比べて大きくなるように調節したが、空気と水素含有ガスとの圧力差が供給口３１，４１から排出口３５，４５に向けてほぼ均等になるように調節してもよい。こうすれば、電解質膜２２全体が均等な圧力差になるから、カソード２６で生じる水を電解質膜２２全体で均等に排除することができる。電解質膜２２の部分的な劣化や破損を防止することができる。この際には、電解質膜２２に埋め込まれる補強部材２４は、電解質膜２２全体に均等になるように配置される。この変形例は、実施例の固体高分子型燃料電池１０の空気の供給管５３に取り付けられた供給圧調圧弁５４や排ガス管５８に取り付けられた排圧調圧弁５９、あるいは水素含有ガスの供給管６３に取り付けられた供給圧調圧弁６４や排ガス管６８に取り付けられた排圧調圧弁６９を調節するだけで構成できるから、固体高分子型燃料電池１０の運転状態に応じて、これらの調圧弁５４，５９，６４，６９を調節することにより、供給口３１，４１近傍における空気と水素含有ガスとの圧力差が排出口３５，４５近傍に比べて大きくなる状態と、空気と水素含有ガスとの圧力差が供給口３１，４１から排出口３５，４５に向けてほぼ均等になる状態とを切り換えるものとしてもよい。
【００２８】
また、実施例の燃料電池スタック２０では、酸素含有ガス側セパレータ３０と水素含有ガス側セパレータ４０とを、その供給口３１と供給口４１および排出口３５と排出口４５がそれぞれ整合し、酸素含有ガス流路３４と水素含有ガス流路４４とが電解質膜２２を挟んで同方向に迂流して供給口３１や供給口４１から排出口３５や排出口４５に至るように配置したが、酸素含有ガス側セパレータ３０と水素含有ガス側セパレータ４０とを、供給口３１と排出口４５が整合し、排出口３５と供給口４１とが整合し、そして酸素含有ガス流路３４と水素含有ガス流路４４とが電解質膜２２を挟んで逆方向に迂流して供給口３１や供給口４１から排出口３５や排出口４５に至るように配置してもよい。この配置とした際の酸素含有ガス側セパレータ３０と水素含有ガス側セパレータ４０の模式図を図７に示し、この配置での運転状態の酸素含有ガス流路３４や水素含有ガス流路４４における空気や水素含有ガスの圧力の変化の様子の一例を図８に示す。この場合、空気と水素含有ガスは逆方向に流れるから、図８に示すように、空気の供給口３１近傍の圧力差が大きく、水素含有ガスの供給口４１近傍の圧力差が小さくなる。こうすれば、水素含有ガスの排出口４５近傍に生じる生成水を効率的に排除することができる。
【００２９】
酸素含有ガス側セパレータ３０や水素含有ガス側セパレータ４０の配置方法としては、図９に例示する変形例のように、供給口３１と供給口４１および排出口３５と排出口４５とがそれぞれ整合しないようにすると共に全体として空気も水素含有ガスも図中左側から右側へ流れるように酸素含有ガス側セパレータ３０と水素含有ガス側セパレータ４０を配置したり、図１０に例示する変形例のように、図９に例示した水素含有ガス側セパレータ４０の供給口４１と排出口４５を入れ替えて配置するものとしてもよい。図９に例示する変形例では、概ね図５に例示する実施例と同様な流れの方向となるから、図６に例示する圧力変化に近いものとなり、図１０に例示する変形例では、概ね図７に例示する変形例と同様な流れの方向となるから、図８に例示する圧力変化に近いものとなる。こうした図９に例示する変形例では実施例と同様な効果を奏し、図１０に例示する変形例では図７に例示する変形例と同様な効果を奏するのは言うまでもない。
【００３０】
この他、酸素含有ガス流路３４と水素含有ガス流路４４とが直交するよう酸素含有ガス側セパレータ３０と水素含有ガス側セパレータ４０とを配置してもよい。図１１は、酸素含有ガス流路３４と水素含有ガス流路４４とが直交するよう酸素含有ガス側セパレータ３０と水素含有ガス側セパレータ４０とを配置する配置方法を模式的に示す説明図である。図１１（ａ）は酸素含有ガス側セパレータ３０の配置であり、図１１（ｂ）ないし（ｅ）は図１１（ａ）の酸素含有ガス側セパレータ３０に対する水素含有ガス側セパレータ４０の配置の４つのパターンである。なお、図１１では酸素含有ガス側セパレータ３０を基準に水素含有ガス側セパレータ４０のパターンを変えて示したが、水素含有ガス側セパレータ４０を基準にして酸素含有ガス側セパレータ３０のパターンを変えて示しても同一であることは勿論である。図示のいずれのパターンでも、酸素含有ガス側セパレータ３０の排出口３５近傍における空気の圧力が水素含有ガス側セパレータ４０の供給口４１近傍の水素含有ガスの圧力より高くなるよう調節することにより、いずれの部位においても空気の圧力の方が水素含有ガスの圧力より大きくすることができるから、カソード２６で生成する水をアノード２８側に排除することができる。
【００３１】
実施例の固体高分子型燃料電池１０では、空気や水素含有ガスが迂流して流れるよう形成された酸素含有ガス流路３４や水素含有ガス流路４４を形成する酸素含有ガス側セパレータ３０や水素含有ガス側セパレータ４０を用いたが、空気や水素含有ガスが一側面から対向する側面に向かって直線的に流れるよう形成された酸素含有ガス流路や水素含有ガス流路を形成する酸素含有ガス側セパレータや水素含有ガス側セパレータを用いるものとしてもよい。このような酸素含有ガス側セパレータの一例を図１２に示す。この変形例の酸素含有ガス側セパレータ３０Ｂは、縁を除いて全体が一段掘り下げた状態に形成されており、この掘り下げた部位の前面に断面が円形や矩形の複数の凸部３２Ｂが形成されている。酸素含有ガス側セパレータ３０Ｂでは、この凸部３２Ｂが電解質膜２２に当接することにより掘り下げられた部位が空気の流路３４Ｂになる。また、酸素含有ガス側セパレータ３０Ｂの図中左縁近傍には４つの空気の供給口３１Ｂが形成されており、図中右縁近傍には４つの排出口３５Ｂが形成されている。水素含有ガス側セパレータ４０Ｂとして図１２に例示する酸素含有ガス側セパレータ３０Ｂと同一形状のものを用いれば、酸素含有ガス側セパレータ３０Ｂと水素含有ガス側セパレータ４０Ｂとの配置のパターンは図１３に示す通りとなる。図１３では、図１３（ａ）の酸素含有ガス側セパレータ３０Ｂを基準に水素含有ガス側セパレータ４０のパターンを図１３（ｂ）ないし（ｄ）として示している。このいずれのパターンでも、酸素含有ガス側セパレータ３０Ｂの排出口３５Ｂ近傍における空気の圧力が水素含有ガス側セパレータ４０Ｂの供給口４１Ｂ近傍の水素含有ガスの圧力より高くなるよう調節することにより、いずれの部位においても空気の圧力の方が水素含有ガスの圧力より大きくすることができるから、カソード２６で生成する水をアノード２８側に排除することができる。これらのパターンのうち図１３（ｂ）のパターンを選択すれば、空気と水素含有ガスが平行して同方向に流れるから、流路における圧力の変化は、程度の差はあるもののその形としては図６に例示する実施例と同様な圧力変化を示す。一方、図１３（ｃ）のパターンを選択すれば、空気と水素含有ガスが平行して逆方向に流れるから、流路における圧力の変化は、同様に程度の差はあるもののその形としては図８に例示する変形例と同様な圧力変化を示す。
【００３２】
この他、空気と水素含有ガスの流し方としては、図４に例示する酸素含有ガス側セパレータ３０と図１２に例示する酸素含有ガス側セパレータ３０Ｂと同一の水素含有ガス側セパレータ４０Ｂとを用いて図１４に模式的に示すパターンとしたり、逆に図４に例示する酸素含有ガス側セパレータ３０と同一の水素含有ガス側セパレータ４０と図１２に例示する酸素含有ガス側セパレータ３０Ｂとを用いて図１５に模式的に示すパターンとすることもできる。図１４および図１５に例示するいずれのパターンでも、酸素含有ガス側セパレータ３０，３０Ｂの排出口３５，３５Ｂ近傍における空気の圧力が水素含有ガス側セパレータ４０Ｂ，４０の供給口４１Ｂ，４１近傍の水素含有ガスの圧力より高くなるよう調節することにより、いずれの部位においても空気の圧力の方が水素含有ガスの圧力より大きくすることができるから、カソード２６で生成する水をアノード２８側に排除することができる。
【００３３】
実施例の固体高分子型燃料電池１０では、太さが均一の棒状の補強部材２４を用いて電解質膜２２を補強するものとしたが、図１６に例示する変形例の電解質膜２２Ｃに示すように補強部材２４Ｃを径の変化する棒材を用いるものとしてもよい。この場合、空気と水素含有ガスとの圧力差が大きい部位の径が大きくなるように補強部材２４Ｃを配置するのは言うまでもない。また、図１７の変形例の電解質膜２２Ｄに示すように、補間するように補強部材２４Ｄを配置するものとしてもよい。
【００３４】
実施例の固体高分子型燃料電池１０では、補強部材２４を電解質膜２２に埋め込むものとしたが、図１８の変形例の電解質膜２２Ｅや図１９の変形例の電解質膜２２Ｆのように補強部材２４Ｅや補強部材２４Ｆを電解質膜２２Ｅ，２２Ｆに埋め込まず、その表面に配置するものとしてもよい。図１８に例示するように補強部材２４Ｅをアノード２８側に配置する場合には補強部材２４Ｅを引っ張り強度に有利な材料により形成し、図１９に例示するように補強部材２４Ｆをカソード２６側に配置する場合には補強部材２４Ｆを圧縮強度に有利な材料により形成すればよい。
【００３５】
実施例の固体高分子型燃料電池１０では、補強部材２４として棒材を用いたが、図２０の変形例の電解質膜２２Ｇに埋め込まれる補強部材２４Ｇのように短繊維を用いるものとしてもよい。この場合、短繊維は空気と水素含有ガスとの圧力差に応じて埋め込む量を調節すればよい。
【００３６】
実施例の固体高分子型燃料電池１０では、燃料電池スタック２０に一方向から空気と水素含有ガスとを供給するよう構成しているが、図２１の変形例の燃料電池スタック２０Ｈを例示する模式図に示すように、各単電池に交互に図中上からと図中下からとから酸素と水素含有ガスとを供給するものとしてもよい。なお、図２１では、電解質膜２２や酸素含有ガス側セパレータ３０，水素含有ガス側セパレータ４０を模式的に示している。電解質膜２２の厚みが上下で異なるのは、補強部材２４の配置によるものであり、図２１では電解質膜２２を厚い部分が図中上となるものと図中下となるものとを交互に配置して積層している。こうすることにより、変形例の燃料電池スタック２０Ｈを矩形形状に保つことができる。
【００３７】
実施例の固体高分子型燃料電池１０では、図５に例示するように、酸素含有ガス側セパレータ３０と水素含有ガス側セパレータ４０とを、その供給口３１と供給口４１および排出口３５と排出口４５がそれぞれ整合し、酸素含有ガス流路３４と水素含有ガス流路４４とが電解質膜２２を挟んで同方向に迂流して供給口３１や供給口４１から排出口３５や排出口４５に至るように配置し、供給口３１，４１近傍における空気と水素含有ガスとの圧力差が排出口３５，４５近傍に比べて大きくなるようにしたり、あるいは変形例で示したように空気と水素含有ガスとの圧力差が供給口３１，４１から排出口３５，４５に向けてほぼ均等になるようにしたが、この酸素含有ガス側セパレータ３０と水素含有ガス側セパレータ４０との配置と、図７に例示する酸素含有ガス側セパレータ３０と水素含有ガス側セパレータ４０との配置、即ち、供給口３１と排出口４５とが整合し、排出口３５と供給口４１とが整合し、そして酸素含有ガス流路３４と水素含有ガス流路４４とが電解質膜２２を挟んで逆方向に迂流して供給口３１や供給口４１から排出口３５や排出口４５に至る配置とを切り換えて用いるものとしてもよい。この場合、図２２の変形例の固体高分子型燃料電池１０Ｊに例示するように、空気を供給口３１から供給する配管と排出口３５から供給する配管とを切り換えることができるよう構成すればよい。変形例の固体高分子型燃料電池１０Ｊでは、供給管５３は、三方弁５５，第１供給管５６ａ，三方弁５７ａを介して燃料電池スタック２０Ｊの水素含有ガスの供給管６３側に接続されると共に、三方弁５５，第２供給管５６ｂ，三方弁５７ｂを介して燃料電池スタック２０Ｊの水素含有ガスの排ガス管６８側に接続されている。また、三方弁５７ａ，５７ｂには、排ガス管５８ａ，５８ｂが取り付けられており、排ガス管５８ａ，５８ｂには排圧調圧弁５９ａ，５９ｂが取り付けられている。
【００３８】
したがって、供給管５３と第１供給管５６ａとが連通するよう三方弁５５を操作し、排ガス管５８ｂと第１供給管５６ａとが連通しないよう三方弁５７ａを操作すると共に第２供給管５６ｂと排ガス管５８ａとが連通しないよう三方弁５７ｂを操作すれば、空気は、供給管５３から第１供給管５６ａを通って燃料電池スタック２０Ｊに供給され、排ガス管５８ａから排出されるから、図５に例示するパターンとなる。一方、供給管５３と第２供給管５６ｂとが連通するよう三方弁５５を操作し、排ガス管５８ａと第２供給管５６ｂとが連通しないよう三方弁５７ｂを操作すると共に第１供給管５６ａと排ガス管５８ｂとが連通しないよう三方弁５７ａを操作すれば、空気は、供給管５３から第２供給管５６ｂを通って燃料電池スタック２０Ｊに供給され、排ガス管５８ｂから排出されるから、図７に例示するパターンとなる。以上説明したように、この変形例の固体高分子型燃料電池１０Ｊでは、図５に例示するパターンと図７に例示するパターンとを切り換えることができる。上記のように、図５のパターンは、図６に示される圧力の変化の様子となり、図７のパターンは、図８に示される圧力の変化の様子となり、この２つの圧力の変化の様子の間では、空気と水素含有ガスとの圧力差の偏差の状態が異なる。そこで、例えば、固体高分子型燃料電池の運転状態に応じ、カソードにおいて生成水が多く生じる部位や生成水が滞りやすい部位における生成水を速やかに排除するような圧力偏差を有するパターンを選択することで、固体高分子型燃料電池１０Ｊの運転状態をより適切なものとすることができる。なお、変形例の固体高分子型燃料電池１０Ｊでは、図４に例示する酸素含有ガス側セパレータ３０や水素含有ガス側セパレータ４０を用いたが、図１２に例示する酸素含有ガス側セパレータ３０Ｂや水素含有ガス側セパレータ４０Ｂを用いるものとしてもよく、あるいは酸素含有ガス側セパレータ３０と水素含有ガス側セパレータ４０Ｂを用いたり、酸素含有ガス側セパレータ３０Ｂと水素含有ガス側セパレータ４０を用いるものとしてもよい。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例としての固体高分子型燃料電池１０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】  実施例の固体高分子型燃料電池１０の燃料電池スタック２０の一部を例示する構成図である。
【図３】  電解質膜２２の面方向の断面を例示する断面図である。
【図４】  酸素含有ガス側セパレータ３０の酸素含有ガス流路３４が形成される面を例示する平面図である。
【図５】  酸素含有ガス側セパレータ３０や水素含有ガス側セパレータ４０へ空気や水素含有ガスを供給する際の供給の様子を模式的に例示する説明図である。
【図６】  実施例の固体高分子型燃料電池１０が運転状態にあるときの酸素含有ガス流路３４や水素含有ガス流路４４における空気や水素含有ガスの圧力の変化の様子を例示する説明図である。
【図７】  変形例における酸素含有ガス側セパレータ３０や水素含有ガス側セパレータ４０へ空気や水素含有ガスを供給する際の供給の様子を模式的に示す説明図である。
【図８】  変形例における運転状態の酸素含有ガス流路３４や水素含有ガス流路４４の空気や水素含有ガスの圧力の変化の様子を例示する説明図である。
【図９】  変形例における酸素含有ガス側セパレータ３０や水素含有ガス側セパレータ４０へ空気や水素含有ガスを供給する際の供給の様子を模式的に示す説明図である。
【図１０】  変形例における酸素含有ガス側セパレータ３０や水素含有ガス側セパレータ４０へ空気や水素含有ガスを供給する際の供給の様子を模式的に示す説明図である。
【図１１】  酸素含有ガス流路３４と水素含有ガス流路４４とが直交するよう酸素含有ガス側セパレータ３０と水素含有ガス側セパレータ４０とを配置する配置方法を模式的に示す説明図である。
【図１２】  変形例の酸素含有ガス側セパレータ３０Ｂを例示する説明図である。
【図１３】  変形例の酸素含有ガス側セパレータ３０Ｂと水素含有ガス側セパレータ４０Ｂを用いた際の配置のパターンを模式的に例示する説明図である。
【図１４】  実施例の酸素含有ガス側セパレータ３０と変形例の水素含有ガス側セパレータ４０Ｂとを用いた際の配置のパターンを模式的に例示する説明図である。
【図１５】  変形例の酸素含有ガス側セパレータ３０Ｂと実施例の水素含有ガス側セパレータ４０とを用いた際の配置のパターンを模式的に例示する説明図である。
【図１６】  変形例の補強部材２４Ｃの配置を例示する説明図である。
【図１７】  変形例の補強部材２４Ｄの配置を例示する説明図である。
【図１８】  変形例の補強部材２４Ｅの配置を例示する説明図である。
【図１９】  変形例の補強部材２４Ｆの配置を例示する説明図である。
【図２０】  変形例の補強部材２４Ｇを用いる電解質膜２２Ｇを例示する説明図である。
【図２１】  変形例の燃料電池スタック２０Ｈを模式的に示す説明図である。
【図２２】  変形例の固体高分子型燃料電池１０Ｊの構成の概略を示す構成図である。
【符号の説明】
１０，１０Ｊ  固体高分子型燃料電池、２０，２０Ｈ，２０Ｊ  燃料電池スタック、２１  単電池、２２，２２Ｃ，２２Ｄ，２２Ｅ，２２Ｆ，２２Ｇ  電解質膜、２４，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅ，２４Ｆ，２４Ｇ  補強部材、２６  カソード、２８  アノード、３０，３０Ｂ  酸素含有ガス側セパレータ、３１，３１Ｂ供給口、３２  リブ、３２Ｂ  凸部、３４，３４Ｂ  酸素含有ガス流路、３５，３５Ｂ  排出口、３６  リブ、３８  冷却媒体流路、４０，４０Ｂ  水素含有ガス側セパレータ、４１，４１Ｂ  供給口、４２  リブ、４４  水素含有ガス流路、４５，４５Ｂ  排出口、５２  ブロワ、５３  供給管、５４  供給圧調圧弁、５５  三方弁、５６ａ  第１供給管、５６ｂ  第２供給管、５７ａ，５７ｂ  三方弁、５８，５８ａ，５８ｂ  排ガス管、５９，５９ａ，５９ｂ  排圧調圧弁、６３  供給管、６４  供給圧調圧弁、６８  排ガス管、６９  排圧調圧弁。
【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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【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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