(57)【要約】【課題】  高分子電解質型燃料電池の燃料ガス及び酸化剤ガスの流路への特段の断熱や保温を要さずに、燃料ガス及び酸化剤ガスが高い露点を有しながら高分子電解質膜に供給されるとともに、高分子電解質型燃料電池の出力増大時にも高分子電解質膜に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点の低下が抑制される高分子電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】  ＭＥＡ１０と、ＭＥＡ１０に近接して配設された燃料ガス全熱交換プレート５７と、ＭＥＡ１０及び燃料ガス全熱交換プレート５７の双方に近接して配設された酸化剤ガス全熱交換プレート５８とが同一平面内に構成されたＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０である。【選択図】  図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＡと、
前記ＭＥＡに近接して配設された燃料ガス全熱交換プレートと、
前記ＭＥＡ及び前記燃料ガス全熱交換プレートの双方に近接して配設された酸化剤ガス全熱交換プレートとが、同一平面内に構成されたＭＥＡ−全熱交換プレート組立体。
【請求項２】
請求項１に記載のＭＥＡ−全熱交換プレート組立体の一方の主面にアノードセパレータの内面が対向するように配設されたアノードセパレータと、
前記ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体の他方の主面にカソードセパレータの内面が対向するように配設されたカソードセパレータとを備えて構成されるセルを積層したスタックを備える高分子電解質型燃料電池であって、
前記アノードセパレータの内面には、前記燃料ガス全熱交換プレートに対向する第１の領域を蛇行し、次いで、前記第１の領域と前記ＭＥＡに対向する第２の領域とを連絡して、前記第２の領域を蛇行するように、溝からなる燃料系統ガス流路が形成され、
少なくとも前記アノードセパレータあるいは前記カソードセパレータの外面には、前記第２の領域が背後に形成された領域を前記第２の領域における前記燃料系統ガス流路の蛇行の進行方向と一致するように蛇行し、次いで、前記第１の領域及び前記酸化剤ガス全熱交換プレートに対向する第３の領域が背後に形成された領域を蛇行するように、溝からなる冷却剤流路が形成され形成された、高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体には、前記酸化剤ガス全熱交換プレートと前記ＭＥＡとの間に酸化剤ガス連通孔が形成され、
前記アノードセパレータの内面には、前記第３の領域を蛇行し、次いで、前記第３の領域と前記酸化剤ガス連通孔と連絡するように、溝からなる酸化剤ガス流路が形成され、
前記カソードセパレータの内面には、前記酸化剤ガス連通孔と前記ＭＥＡに対向する第４の領域とを連絡して、前記第４の領域を前記第２の領域における前記燃料系統ガス流路の蛇行の進行方向と一致するように蛇行し、次いで、前記第４の領域と前記酸化剤ガス全熱交換プレート及び前記燃料ガス全熱交換プレートの双方に対向する第５の領域とを連絡し、前記第５の領域を蛇行するように、溝からなる前記酸化剤ガス流路が形成された、請求項２に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記ＭＥＡと、前記燃料ガス全熱交換プレートと、前記酸化剤ガス全熱交換プレートとがインサート成形法によって一体化されて成形された、請求項１に記載のＭＥＡ−全熱交換プレート組立体。
【請求項５】
前記ＭＥＡと、
前記燃料ガス改質プレートと、
前記燃料ガス改質プレートと前記ＭＥＡとの間に、互いに近接して配設された前記燃料ガス全熱交換プレート及び前記酸化剤ガス全熱交換プレートとが、同一平面内に構成されたＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体。
【請求項６】
前記燃料ガス改質プレートは、前記高分子電解質型燃料電池に用いられる燃料ガスの触媒燃焼反応の反応熱に耐えることができる耐熱性と、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとの電気的導通を阻止できる電気絶縁性を有する燃焼プレートを有して構成され、
前記燃焼プレート表面には前記燃料ガスの触媒燃焼反応を可能とする触媒が担持された、請求項５に記載のＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体。
【請求項７】
前記燃料ガス改質プレートが中央に配設され、その両側に一対の前記燃料ガス全熱交換プレート、前記酸化剤ガス全熱交換プレート及び前記ＭＥＡが配設された、請求項５に記載のＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体。
【請求項８】
前記ＭＥＡと、前記燃料ガス全熱交換プレートと、前記酸化剤ガス全熱交換プレートと、前記燃料ガス改質プレートとがインサート成形法によって一体化されて成形された、請求項５に記載のＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体。
【請求項９】
請求項５に記載のＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体の一方の主面にアノードセパレータの内面が対向するように配設されたアノードセパレータと、
前記ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体の他方の主面にカソードセパレータの内面が対向するように配設されたカソードセパレータとを備えて構成されるセルを積層したスタックを備える高分子電解質型燃料電池であって、
前記ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体組立体には、前記燃料ガス改質プレートと前記ＭＥＡとの間に燃料系統ガス連通孔が形成され、
前記アノードセパレータの内面には、前記燃料ガス改質プレートに対向する第６の領域を蛇行し、次いで、前記第６の領域と前記燃料ガス全熱交換プレートに対向する第１の領域とを連絡し、前記第１の領域を蛇行し、次いで、第１の領域と前記ＭＥＡに対向する第２の領域とを連絡し、前記第２の領域を蛇行し、次いで、前記第２の領域と前記燃料系統ガス連通孔とを連絡するように、溝からなる燃料系統ガス流路が形成され、前記燃料系統ガス流路の前記第６の領域よりも上流において、前記燃料系統ガス流路に合流するように、溝からなる水分流路が形成され、前記第６の領域を蛇行している途中の前記燃料系統ガス流路に合流するように、溝からなる第１の空気流路が形成され、
前記カソードセパレータの内面には、前記燃料系統ガス連通孔と前記燃料ガス改質プレートに対向する第７の領域とを連絡し、前記第７の領域を蛇行するように、溝からなる燃料系統ガス流路が形成され、前記燃料系統ガス連通孔において前記燃料系統ガス流路に合流するように、溝からなる第２の空気流路が形成され、
少なくとも前記アノードセパレータあるいは前記カソードセパレータの外面には、前記第２の領域が背後に形成された領域を前記第２の領域における前記燃料系統ガス流路の蛇行の進行方向と一致するように蛇行し、次いで、前記第１の領域及び前記酸化剤ガス全熱交換プレートに対向する第３の領域と前記第６の領域との間の領域が背後に形成された領域を蛇行し、次いで、前記第１の領域及び前記第３の領域が背後に形成された領域を蛇行するように、溝からなる冷却剤流路が形成され形成された、高分子電解質型燃料電池。
【請求項１０】
前記第６の領域に流入する前記燃料系統ガス流路には、メタノールが供給される、請求項９に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１１】
少なくとも前記アノードセパレータあるいは前記カソードセパレータいずれかの外面には、前記第６の領域であって前記第１の空気流路との合流地点よりも下流側の領域が、背後に形成されている領域を蛇行するように溝からなる高温冷却剤流路が形成された、請求項９に記載の高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質型燃料電池の構造に関し、特に、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体、ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体及びそれらを用いた高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質型燃料電池の発電の基本原理は、触媒を介して燃料ガス及び酸化剤ガスからなる電池反応用ガスの成分がイオン化し、高分子電解質膜越しにイオン交換が行われることによって、いわゆる電池反応が発生するものである。このため、高分子電解質型燃料電池は高分子電解質膜に燃料ガス及び酸化剤ガスが暴露される構造を有している。
【０００３】
この電池反応に用いられる前記高分子電解質膜は、従来、フッ素系の高分子膜が最も一般的に使用されている。しかし、このフッ素系の高分子膜は、一般的には、湿潤した状態では電池反応に供される水素イオンの伝導性が高い特徴を有するものの、乾燥した状態では急激に水素イオンの伝導性が低下する。このため、高分子電解質型燃料電池では常に高分子電解質膜を適当な含水状態にすることが求められる。一般的には、加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスを高分子電解質膜に暴露することによって高分子電解質膜の乾燥を防止している。
【０００４】
燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿方法としては、燃料ガスの加湿は、加熱を調整しながら燃料ガスに水を添加する水蒸気改質法によって行われるのが通常である。一方、酸化剤ガスの加湿は、電池反応において生成される水分を含有する電池反応後の酸化剤ガスを利用するのが一般的である。具体的には、透水性及び伝熱性を有するが、ガスは透過しない性質を有する全熱交換膜が用いられる。すなわち、電池反応に供される前の酸化剤ガスと電池反応後の酸化剤ガスとを、全熱交換膜越しにそれぞれを暴露させることによって、全熱交換を行わせ、所望の加湿量を得る。この全熱交換膜として好適に用いられる膜は、電池反応にも好適に用いられる膜、すなわちフッ素系の高分子電解質膜である（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２５５８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の高分子電解質膜に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿では、高分子電解質膜に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点の維持を考慮して設計されたものではなかった。
【０００６】
他方で、本発明者は、高分子電解質膜への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給位置付近、すなわち、燃料ガス及び酸化剤ガスと最初に接触する箇所において高分子電解質膜は最も乾燥し、そのため、該箇所が経時的に損傷することを検証した。また、酸化剤ガス流路においては、電池反応によって生成される水によって酸化剤ガスが上流側から下流側に進むにつれて加湿される。また、燃料系統ガス流路においては、燃料ガスも水分も電池反応によって消費されるが、酸化剤ガス流路側で電池反応によって生成される水等余分な水分が容易に高分子電解質膜を透過してくる。これらの要因により、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路のガスは上流から下流に進むにつれて実質的に加湿されるので、下流側では損傷は発生せず、高分子電解質膜が最も乾燥している上流側で損傷が集中するものと検証した。
【０００７】
そして、本発明者は、高分子電解質型燃料電池の外部に加湿器を設け、高分子電解質膜の乾燥を防止する高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法を提案した（未公開：特願２００３−２９９８６３）。
【０００８】
しかしながら、本発明者の上記の提案では、燃料ガス及び酸化剤ガスが高分子電解質膜到達するまでにそれらの露点が下がってしまうので、燃料ガス及び酸化剤ガスへの流路の特段の断熱や保温を要するものであった。また、高分子電解質型燃料電池の出力増大時においては、高分子電解質膜に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点の低下が認められた。これは、燃料ガス及び酸化剤ガスの需要の増大に対し、燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿が追従できなかったり、それら流路の保温能力が追従できない、すなわち、流量の増大によって流路の温度が下がり、高分子電解質膜に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が低下してしまうもの推察された。
【０００９】
そこで、本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、燃料ガス及び酸化剤ガスの流路への特段の断熱や保温を要さずに、燃料ガス及び酸化剤ガスが高い露点を有しながら高分子電解質膜に供給されるとともに、高分子電解質型燃料電池の出力増大時にも高分子電解質膜に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点の低下が抑制されることを可能とする、高分子電解質型燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係るＭＥＡ−全熱交換プレート組立体は、ＭＥＡと、前記ＭＥＡに近接して配設された燃料ガス全熱交換プレートと、前記ＭＥＡ及び前記燃料ガス全熱交換プレートの双方に近接して配設された酸化剤ガス全熱交換プレートとが同一平面内に構成される（請求項１）。このような構成とすると、加湿及び加熱後の燃料ガス及び酸化剤ガスがＭＥＡの余熱によって保温されるようにすることが可能となるので、燃料ガス及び酸化剤ガスの流路への特段の断熱や保温を要さずに、高い露点の燃料ガス及び酸化剤ガスが高分子電解質膜に供給されることが可能となる。また、加熱源であるＭＥＡと加湿場所である燃料ガス全熱交換プレート及び酸化剤ガス全熱交換プレートとが近接しているので、高分子電解質型燃料電池の出力増大時、すなわち電池反応出力増大時にも、高分子電解質膜に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点の低下が抑制されることが可能となる。
【００１１】
また、本発明に係る高分子電解質型燃料電池は、請求項１に記載のＭＥＡ−全熱交換プレート組立体の一方の主面にアノードセパレータの内面が対向するように配設されたアノードセパレータと、前記ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体の他方の主面にカソードセパレータの内面が対向するように配設されたカソードセパレータとを備えて構成されるセルを積層したスタックを備える高分子電解質型燃料電池であって、前記アノードセパレータの内面には、前記燃料ガス全熱交換プレートに対向する第１の領域を蛇行し、次いで、前記第１の領域と前記ＭＥＡに対向する第２の領域とを連絡して、前記第２の領域を蛇行するように、溝からなる燃料系統ガス流路が形成され、少なくとも前記アノードセパレータあるいは前記カソードセパレータの外面には、前記第２の領域が背後に形成された領域を前記第２の領域における前記燃料系統ガス流路の蛇行の進行方向と一致するように蛇行し、次いで、前記第１の領域及び前記酸化剤ガス全熱交換プレートに対向する第３の領域が背後に形成された領域を蛇行するように、溝からなる冷却剤流路が形成され形成される（請求項２）。このような構成とすると、燃料ガスは、高分子電解質膜上において、最も冷却される場所に供給されてから、電池反応熱によって燃料ガスが昇温及び加湿される方向へと高分子電解質膜上を蛇行するので、燃料ガスが高い露点を維持し続けて高分子電解質膜全域にわたって曝露されることが可能となる。
【００１２】
前記ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体には、前記酸化剤ガス全熱交換プレートと前記ＭＥＡとの間に酸化剤ガス連通孔が形成され、前記アノードセパレータの内面には、前記第３の領域を蛇行し、次いで、前記第３の領域と前記酸化剤ガス連通孔と連絡するように、溝からなる酸化剤ガス流路が形成され、前記カソードセパレータの内面には、前記酸化剤ガス連通孔と前記ＭＥＡに対向する第４の領域とを連絡して、前記第４の領域を前記第２の領域における前記燃料系統ガス流路の蛇行の進行方向と一致するように蛇行し、次いで、前記第４の領域と前記酸化剤ガス全熱交換プレート及び前記燃料ガス全熱交換プレートの双方に対向する第５の領域とを連絡し、前記第５の領域を蛇行するように、溝からなる前記酸化剤ガス流路が形成される（請求項３）。このような構成とすると、酸化剤ガスは、高分子電解質膜上において、最も冷却される場所に供給されてから、電池反応熱によって燃料ガスが昇温及び加湿される方向へと高分子電解質膜上を蛇行するので、酸化剤ガスが高い露点を維持し続けて高分子電解質膜全域にわたって曝露されることが可能となる。
【００１３】
前記ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体は、前記ＭＥＡと、前記燃料ガス全熱交換プレートと、前記酸化剤ガス全熱交換プレートとがインサート成形法によって一体化されて成形されるとよい（請求項４）。このような構成とすると、前記ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体の枠体を製作する工程と、前記ＭＥＡ、前記燃料ガス全熱交換プレート及び前記酸化剤ガス全熱交換プレートを前記ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体の枠体に組み込む工程を集約することが可能となるので、前記ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体を短時間かつ低コストで製作することが可能となる。
【００１４】
本発明に係るＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体は、前記ＭＥＡと、前記燃料ガス改質プレートと、前記燃料ガス改質プレートと前記ＭＥＡとの間に、互いに近接して配設された前記燃料ガス全熱交換プレート及び前記酸化剤ガス全熱交換プレートとが、同一平面内に構成される（請求項５）。このような構成とすると、燃料ガスの改質時の発生熱を燃料ガス及び酸化剤ガスの加熱及び加湿に利用することが可能となるので、高分子電解質型燃料電池の熱利用効率の向上を図ることが可能となる。
【００１５】
前記燃料ガス改質プレートは、前記高分子電解質型燃料電池に用いられる燃料ガスの触媒燃焼反応の反応熱に耐えることができる耐熱性と、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとの電気的導通を阻止できる電気絶縁性を有する燃焼プレートを有して構成され、前記燃焼プレート表面には前記燃料ガスの触媒燃焼反応を可能とする触媒が担持されるとよい（請求項６）。このような構成とすると、燃焼プレート６２が電気絶縁性及び触媒担持の機能を兼務することができるので、燃料ガス改質プレート６１をコンパクトに構成することが可能となる。
【００１６】
前記ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体は、前記燃料ガス改質プレートが中央に配設され、その両側に一対の前記燃料ガス全熱交換プレート、前記酸化剤ガス全熱交換プレート及び前記ＭＥＡが配設されるとよい（請求項７）。このような構成とすると、燃料ガスの改質時の発生熱をより効率的に燃料ガス及び酸化剤ガスの加熱及び加湿に利用することが可能となるので、高分子電解質型燃料電池の熱利用効率の更なる向上を図ることが可能となる。
【００１７】
前記ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体は、前記ＭＥＡと、前記燃料ガス全熱交換プレートと、前記酸化剤ガス全熱交換プレートと、前記燃料ガス改質プレートとがインサート成形法によって一体化されて成形されるとよい（請求項８）。前記ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体の枠体を製作する工程と、前記ＭＥＡ、前記燃料ガス全熱交換プレート、前記酸化剤ガス全熱交換プレート及び燃料ガス改質プレートを前記ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体の枠体に組み込む工程を集約することが可能となるので、前記ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体を短時間かつ低コストで製作することが可能となる。
【００１８】
本発明に係る高分子電解質型燃料電池は、請求項５に記載のＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体の一方の主面にアノードセパレータの内面が対向するように配設されたアノードセパレータと、前記ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体の他方の主面にカソードセパレータの内面が対向するように配設されたカソードセパレータとを備えて構成されるセルを積層したスタックを備える高分子電解質型燃料電池であって、前記ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体組立体には、前記燃料ガス改質プレートと前記ＭＥＡとの間に燃料系統ガス連通孔が形成され、前記アノードセパレータの内面には、前記燃料ガス改質プレートに対向する第６の領域を蛇行し、次いで、前記第６の領域と前記燃料ガス全熱交換プレートに対向する第１の領域とを連絡し、前記第１の領域を蛇行し、次いで、第１の領域と前記ＭＥＡに対向する第２の領域とを連絡し、前記第２の領域を蛇行し、次いで、前記第２の領域と前記燃料系統ガス連通孔とを連絡するように、溝からなる燃料系統ガス流路が形成され、前記燃料系統ガス流路の前記第６の領域よりも上流において、前記燃料系統ガス流路に合流するように、溝からなる水分流路が形成され、前記第６の領域を蛇行している途中の前記燃料系統ガス流路に合流するように、溝からなる第１の空気流路が形成され、前記カソードセパレータの内面には、前記燃料系統ガス連通孔と前記燃料ガス改質プレートに対向する第７の領域とを連絡し、前記第７の領域を蛇行するように、溝からなる燃料系統ガス流路が形成され、前記燃料系統ガス連通孔において前記燃料系統ガス流路に合流するように、溝からなる第２の空気流路が形成され、少なくとも前記アノードセパレータあるいは前記カソードセパレータの外面には、前記第２の領域が背後に形成された領域を前記第２の領域における前記燃料系統ガス流路の蛇行の進行方向と一致するように蛇行し、次いで、前記第１の領域及び前記酸化剤ガス全熱交換プレートに対向する第３の領域と前記第６の領域との間の領域が背後に形成された領域を蛇行し、次いで、前記第１の領域及び前記第３の領域が背後に形成された領域を蛇行するように、溝からなる冷却剤流路が形成され形成される（請求項９）。このような構成とすると、余剰燃料ガスの燃焼熱によって、燃料ガスの改質を行うことが可能となると共に、燃料ガス改質時の発熱を、前記ＭＥＡ、前記燃料ガス全熱交換プレート及び前記酸化剤ガス全熱交換プレートの加熱に利用することが可能となるので、高分子電解質型燃料電池の熱利用効率の向上を図ることが可能となる。
【００１９】
前記第６の領域に流入する前記燃料系統ガス流路には、メタノールが供給されるとよい（請求項１０）。このような構成とすると、燃料ガス改質としては比較的低温の領域で燃料ガスの改質を行うことが可能となるので、高分子電解質型燃料電池構成部材の耐熱性条件を緩和することが可能となる。
【００２０】
少なくとも前記アノードセパレータあるいは前記カソードセパレータいずれかの外面には、前記第６の領域であって、前記第１の空気流路との合流地点よりも下流側の領域が背後に形成されている領域を蛇行するように溝からなる高温冷却剤流路が形成されるとよい（請求項１１）。このような構成とすると、前記第６の領域であって前記第１の空気流路との合流地点よりも下流側の領域を蛇行する燃料ガスの温度を独自に調整することが可能となるので、高分子電解質型燃料電池の温度調整の自由度を向上することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、本発明は、高分子電解質型燃料電池の燃料ガス及び酸化剤ガスの流路への特段の断熱や保温を要さずに、燃料ガス及び酸化剤ガスが高い露点を有しながら高分子電解質膜に供給されるとともに、高分子電解質型燃料電池の出力増大時にも高分子電解質膜に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点の低下が抑制されるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
まず、本実施の形態にかかる高分子電解質型燃料電池の構成を説明する。
【００２４】
図１は、本実施の形態に係るスタック２００の構造を示す分解斜視図である。図１においては、説明の便宜上、スタック２００の積層構造の一部を分解して示している。
【００２５】
図１において、スタック２００はセル１００が積層されて構成されている。
【００２６】
セル１００は、図１に示すように、アノードセパレータ２１とカソードセパレータ２４とによって、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０を挟んだものである。ここで、ＭＥＡとは、公知の高分子電解質膜―電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をいう。
【００２７】
ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０、カソードセパレータ２１及びカソードセパレータ２４のそれぞれの周縁部には、図１に示すように、燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１と、燃料系統ガス排出マニフォルド孔３２と、酸化剤ガス供給マニフォルド孔３３と、酸化剤ガス排出マニフォルド孔３４と、冷却剤供給マニフォルド孔３５と、冷却剤排出マニフォルド孔３６とが、それぞれ形成されている。
【００２８】
このように構成されたセル１００が、図１に示すように、積層され、このスタック２００が集電板（図示せず）及び絶縁板（図示せず）を介して端板（図示せず）で挟まれ、締結ボルト（図示せず）で両端から締結されている。ここで、セル１００組み立て時には、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０、アノードセパレータ２１及びカソードセパレータ２４それぞれに設けられた各種マニフォルド孔３１〜３６は積層され、さらにセル１００を積層したスタック２００においては、スタック２００を積層方向に貫通する各種マニフォルドを形成することになる。
【００２９】
さらに、図１に示すように、アノードセパレータ２１あるいはカソードセパレータ２４には、溝からなる燃料系統ガス流路２２，酸化剤ガス流路２５及び冷却剤流路２３，２６（図３及び図４参照）が形成されている。
【００３０】
図２（ａ）は、本実施の形態に係るＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のIIｂ−IIｂ線断面の断面図である。
【００３１】
図２に示すように、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０は、ＭＥＡ１０と、燃料ガス全熱交換プレート５７と、酸化剤ガス全熱交換プレート５８と、一対のガスケット１３とを有して構成されている。
【００３２】
ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０には、酸化剤ガス連通孔３７が形成されている。酸化剤ガス連通孔３７は、酸化剤ガス流路２５を流通するガスがＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０を貫通してアノードセパレータ２１側とカソードセパレータ２４側とを連通できるように形成されている。
【００３３】
ＭＥＡ１０，燃料ガス全熱交換プレート５７、酸化剤ガス全熱交換プレート５８及び酸化剤ガス連通孔３７の位置関係は、酸化剤ガス全熱交換プレート５８及び燃料ガス全熱交換プレート５７は前記ＭＥＡ１０に近接し、かつ酸化剤ガス全熱交換プレート５８と前記燃料ガス全熱交換プレート５７とが近接するように配設され、酸化剤ガス連通孔３７は、酸化剤ガス全熱交換プレート５８とＭＥＡ１０との間に形成されている。これにより、ＭＥＡ１０において発生する電池反応熱を燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿及び加熱に効率よく利用できるような、燃料系統ガス流路２２、酸化剤ガス流路２５及び冷却剤流路２３，２６が形成できるようになる。ここでは、図２（ａ）において、ＭＥＡ１０の左下方に燃料ガス全熱交換プレート５７が配設され、ＭＥＡ１０の右下方に酸化剤ガス全熱交換プレート５８が配設されている。
【００３４】
ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０は、ＭＥＡ１０と、燃料ガス全熱交換プレート５７と、酸化剤ガス全熱交換プレート５８とが同一平面内に構成されている。ここでは、ＭＥＡ１０と、燃料ガス全熱交換プレート５７と、酸化剤ガス全熱交換プレート５８とがガスケット１３によって接合され、一体化して構成されている。例えば、熱接合法によって接合されている。
【００３５】
ＭＥＡ１０は、公知のものであり、一般的には、高分子電解質膜１１と、一対の触媒層１１ａと、一対のガス拡散電極１２とを有して構成されている。高分子電解質膜１１は、水素イオンを選択的に透過する機能を有している。一対の触媒層１１ａは、高分子電解質膜１１を挟むように、高分子電解質膜の両面に形成されていて、一般的には白金族金属触媒を担持したカーボン粉末が主成分となっている。一対のガス拡散電極１２は、一対の触媒層１１ａの外面に高分子電解質膜１１の周縁より内方に位置するように配設されていて、通気性と電子伝導性を併せ持つ炭素繊維で主に構成されている。
【００３６】
燃料ガス全熱交換プレート５７及び酸化剤ガス全熱交換プレート５８は、全熱交換膜５１を挟み込むようにして一対の膜保持プレート５２が配設されることによって構成されている。
【００３７】
全熱交換膜５１は、耐熱性、伝熱性及び透水性を有する素材である。例えば、高分子電解質膜１１と同じ材質が好適である。ここでは、高分子電解質膜１１と全熱交換膜５１とは共通の膜で構成されている。もちろん、別々の膜で構成しても構わない。
【００３８】
膜保持プレート５２は全熱交換膜５１が露出するような形状を有する。例えば、網目状あるいは格子状である。このような構成により、全熱交換膜５１の両面間で水分の交換が可能となる。また、全熱交換膜５１の損傷を防知することが可能となる。
【００３９】
また、燃料ガス全熱交換プレート５７は、燃料ガスへの加熱及び加湿が十分に確保できる大きさに構成されている。具体的には、燃料ガスの露点がＭＥＡ１０の発電時の温度にまで、加湿及び加熱されるような面積に構成されている。酸化剤ガス全熱交換プレート５８も同様に構成されている。
【００４０】
さらに、ＭＥＡ１０と、燃料ガス全熱交換プレート５７と、酸化剤ガス全熱交換プレートとを別個に構成することによって、強度が小さく損傷のおそれのある高分子電解質膜１１、あるいは全熱交換膜５１の面積の拡大は抑制されるので、ＭＥＡ１０、燃料ガス全熱交換プレート５７及び酸化剤ガス全熱交換プレート５８の損傷を防止することが可能となる。
【００４１】
ガスケット１３は、公知のものであり、ＭＥＡ１０、燃料ガス全熱交換プレート５７及び酸化剤ガス全熱交換プレート５８の外周を囲うようにして、高分子電解質膜１１の両面に配設され、これらを同一平面内において一体化している。かかるガスケット１３は、セル１００組立時にアノードセパレータ２１及びカソードセパレータ２４に挟圧され、アノードセパレータ２１及びカソードセパレータ２４の内面間の間隙を閉塞するので、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却剤の漏出や他の流体との混合を防止することが可能となる。
【００４２】
図３（ａ）及び（ｂ）は、本実施の形態に係るアノードセパレータ２１のＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０に対向する主面（以下、内面という）の平面図及びその他方の主面（以下、外面という）の平面図である。
【００４３】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、アノードセパレータ２１の周縁部には、燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１、酸化剤ガス供給マニフォルド孔３３、冷却剤供給マニフォルド孔３５、燃料系統ガス排出マニフォルド孔３２、酸化剤ガス排出マニフォルド孔３４及び冷却剤排出マニフォルド孔３６が形成されている。
【００４４】
そして、図３（ａ）に示すように、アノードセパレータ２１の内面には、セル１００組立時に、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０の酸化剤ガス連通孔３７に対向する位置に窪み部、すなわちアノードセパレータ酸化剤ガス連通部３８が形成されている。また、燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１と燃料系統ガス排出マニフォルド孔３２とを連絡するように溝からなる燃料系統ガス流路２２と、酸化剤ガス供給マニフォルド孔３３とアノードセパレータ酸化剤ガス連通部３８とを連絡するように溝からなる酸化剤ガス流路２５とが形成されている。
【００４５】
燃料系統ガス流路２２は、途中、第１の領域２２ｂにおいて蛇行形状を形成し、その下流側で、第２の領域２２ａにおいて蛇行形状を形成している。
【００４６】
ここで、第１の領域２２ｂは、セル１００組立時に、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０に配設された燃料ガス全熱交換プレート５７に対向する領域である。このような構成により、燃料系統ガス流路２２のガスが燃料ガス全熱交換プレート５７の主面全域にわたって暴露され、十分な加湿と加熱が可能となる。
【００４７】
第２の領域２２ａは、セル１００組立時に、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０に配設されたＭＥＡ１０に対向する領域である。このような構成により、燃料系統ガス流路２２のガスがＭＥＡ１０の主面全域にわたって暴露され、十分な電池反応が可能となる。
【００４８】
また、第１の領域２２ｂと第２の領域２２ａとを連絡する境界部流路２２ｅは、第１の領域２２ｂと第２の領域２２ａとの間を最短流路で連絡している。アノードセパレータ２１の外面の境界部流路２２ｅに対応する位置を流れるアノードセパレータ冷却剤流路２３の冷却剤は、後述するようなアノードセパレータ冷却剤流路２３の構成により、電池反応熱を吸収して加熱された状態となっている。したがって、境界部流路２２ｅが第１の領域２２ｂ以下の温度に冷却されることはなく、結露による水蒸気量の低下の恐れもない。このような構成により、境界部流路２２ｅを流れるガスの温度低下が防止されるので、第１の領域２２ｂで高い露点を有したガスを第２の領域２２ａにおいて水分飽和状態で暴露することが可能となる。
【００４９】
さらに、第２の領域２２ａでの燃料系統ガス流路２２の蛇行は、アノードセパレータ２１の外面に形成されるアノードセパレータ冷却剤流路２３と蛇行進行方向が一致するように形成されている。すなわち、第２の領域２２ａでは、燃料系統ガス流路２２は、背後に形成されたアノードセパレータ冷却剤流路２３の上流側端部に対応する位置に到達してから蛇行するように形成されている。したがって、燃料系統ガス流路２２のガスは降温する方向に導かれてから、昇温方向に蛇行させられることになる。そして、第２の領域２２ａにおいては、燃料系統ガス流路２２の下流に進むに従い、電池反応熱により雰囲気温度は上昇し、飽和水蒸気量も増大する。他方で、電池反応の生成水が酸化剤ガス流路側から高分子電解質膜１１を透過してくるので、燃料系統ガス流路２２の水蒸気量も増大する。このような構成により、第２の領域２２ａにおける燃料系統ガス流路２２内を水分飽和状態に維持することが可能となる。
【００５０】
酸化剤ガス流路２５は、途中、第３の領域２５ｂにおいて蛇行形状を形成する。
【００５１】
第３の領域２５ｂは、セル１００組立時に、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０に配設された酸化剤ガス全熱交換プレート５８に対向する領域である。このような構成により、酸化剤ガス流路２５のガスが酸化剤ガス全熱交換プレート５８の主面全域にわたって暴露されるので、十分な加湿と加熱が行われるようにすることが可能となる。
【００５２】
また、第３の領域２５ｂとアノードセパレータ酸化剤ガス連通部３８とは、最短流路で連絡している。このような構成により、前述した境界部流路２２ｅと同様にして、酸化剤ガス流路２５を流れるガスの温度低下が防止されるので、第３の領域２５ｂで高い露点を有したガスを結露させることなくアノードセパレータ酸化剤ガス連通部３８に供給することが可能となる。
【００５３】
図３（ｂ）に示すように、アノードセパレータ２１の外面には、冷却剤供給マニフォルド孔３５と冷却剤排出マニフォルド孔３６とを連絡するように溝からなるアノードセパレータ冷却剤流路２３が形成されている。
【００５４】
アノードセパレータ冷却剤流路２３は、アノードセパレータ２１の外面を広く蛇行するように形成されている。また、その蛇行進行方向が、背後に第２の領域２２ａが形成されている領域から背後に第１の領域２２ｂ及び第３の領域２５ｂが形成されている領域を経由するように形成されている。
【００５５】
図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本実施の形態に係るカソードセパレータ２４の内面の平面図及び外面の平面図である。
【００５６】
図４（ａ），（ｂ）に示すように、カソードセパレータ２４の周縁部には、燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１、酸化剤ガス供給マニフォルド孔３３、冷却剤供給マニフォルド孔３５、燃料系統ガス排出マニフォルド孔３２、酸化剤ガス排出マニフォルド孔３４及び冷却剤排出マニフォルド孔３６が形成されている。
【００５７】
そして、図４（ａ）に示すように、カソードセパレータ２４の内面には、セル１００組立時に、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０の酸化剤ガス連通孔３７に対向する位置に窪み部、すなわちカソードセパレータ酸化剤ガス連通部３９が形成されている。また、カソードセパレータ酸化剤ガス連通部３９と酸化剤ガス排出マニフォルド孔３４とを連絡するように溝からなる酸化剤ガス流路２５が形成されている。
【００５８】
酸化剤ガス流路２５は、途中、第４の領域２５ａにおいて蛇行形状を形成し、その下流側で、第５の領域２５ｃにおいて蛇行形状を形成する。
【００５９】
第４の領域２５ａは、セル１００組立時に、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０に配設されたＭＥＡ１０に対向する領域である。このような構成により、酸化剤ガス流路２５のガスがＭＥＡ１０の主面全域にわたって暴露されるので、電池反応が十分に行われるようにすることが可能となる。
【００６０】
第５の領域２５ｃは、セル１００組立時に、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０に配設された燃料ガス全熱交換プレート５７及び酸化剤ガス全熱交換プレート５８に対向する位置に形成されている。このような構成により、電池反応によって加湿及び加熱された酸化剤ガス流路２５のガスが、燃料ガス全熱交換プレート５７及び酸化剤ガス全熱交換プレート５８の主面全域にわたって暴露されるので、十分に水分が全熱交換膜５１を透過するようにすることが可能となり、ひいては、第１の領域２２ｂの燃料系統ガス流路２２のガス及び第３の領域２５ｂの酸化剤ガス流路２５のガスの加湿と加熱が可能となる。
【００６１】
また、カソードセパレータ酸化剤ガス連通部３９と第４の領域２５ａとは、最短流路で連絡している。このような構成により、前述した境界部流路２２ｅと同様の理由により、酸化剤ガス連通孔３７を連通する酸化剤ガスの温度低下が防止されるので、酸化剤ガス流路２５において、第３の領域２５ｂで高い露点を有したガスを第４の領域２５ａにおいて水分飽和状態で暴露することが可能となる。
【００６２】
さらに、第４の領域２５ａでの酸化剤ガス流路２２は、第２の領域２２ａでの燃料系統ガス流路２２と同様に形成されている。すなわち、背後に形成されたカソードセパレータ冷却剤流路２６の上流側端部に対応する位置に到達して、そこから蛇行するように形成される。したがって、酸化剤ガス流路２２のガスは降温する方向に導かれてから、昇温方向に蛇行させられることになる。そして、第４の領域２５ａにおいては、酸化剤ガス流路２５の下流に進むに従い、電池反応熱により雰囲気温度は上昇し、飽和水蒸気量も増大する。他方で、電池反応の生成水によって、酸化剤ガス流路２２の水蒸気量も増大する。このような構成によって、第４の領域２５ａにおける酸化剤ガス流路２２内を水分飽和状態を維持することが可能となる。
【００６３】
図４（ｂ）に示すように、カソードセパレータ２４の外面には、冷却剤供給マニフォルド３５と冷却剤排出マニフォルド３６とを連絡するように溝からなるカソードセパレータ冷却剤流路２６が形成されている。
【００６４】
カソードセパレータ冷却剤流路２６は、スタック２００組立時には積層される隣のセル１００のアノードセパレータ冷却剤流路２３と重なるように形成されている。すなわち、冷却剤供給マニフォルド孔３５から背後に第４の領域２５ａが形成された領域と、背後に第５の領域２５ｃが形成された領域とを順次経由して冷却剤排出マニフォルド孔３６に連絡するように形成されている。
【００６５】
なお、本実施の形態においては、アノードセパレータ冷却剤流路２３及びカソードセパレータ冷却剤流路２６を重なるように形成しているが、いずれか一方のみを形成してもよい。アノードセパレータ２１及びカソードセパレータ２４の内面の所要の冷却が達成されれば十分だからである。
【００６６】
ここで、アノードセパレータ冷却剤流路２３及びカソードセパレータ冷却剤流路２６は、それぞれアノードセパレータ２１及びカソードセパレータ２４の外面において、ＭＥＡ１０が第２の領域２２ａと第４の領域２５ａとの間に挟まれてなる電池反応機構３００（図１参照）が背後に形成された領域を経由することになる。このような構成により、電池反応機構３００を電池反応の触媒反応に適した温度に冷却することが可能となる。例えば、高分子電解質型燃料電池において好適に用いられる白金族金属触媒の場合、６０℃乃至８０℃に冷却されることが好ましい。
【００６７】
さらに、アノードセパレータ冷却剤流路２３及びカソードセパレータ冷却剤流路２６は、背後に電池反応機構３００が形成された領域の下流側で、燃料ガス全熱交換プレート５７及び酸化剤ガス全熱交換プレート５８が第１の領域２２ｂ及び第３の領域２５ｂと第５の領域２５ｃとの間に挟まれてなる全熱交換機構４００（図１参照）が背後に形成された領域を経由することになる。このような構成により、電池反応機構３００が背後に形成された領域において昇温した冷却剤を全熱交換機構４００の加熱に利用することが可能となる。また、ＭＥＡ１０と近接して、酸化剤ガス全熱交換プレート５８及び燃料ガス全熱交換プレート５７が配設されているので、電池反応機構３００が背後に形成された領域のすぐ下流側で、全熱交換機構４００が背後に形成された領域を流通するようにアノードセパレータ冷却剤流路２３及びカソードセパレータ冷却剤流路２６を形成することが可能となる。
【００６８】
そして、アノードセパレータ冷却剤流路２３及びカソードセパレータ冷却剤流路２６を流れる冷却剤への電池反応熱の蓄積によって、電池反応機構３００の背後を流れる冷却剤は、上流の方が最も温度が低く、電池反応熱の影響を受ける下流に進むに従って温度が高くなるという温度勾配が生じる。そして、最も昇温した冷却剤は、アノードセパレータ冷却剤流路２３及びカソードセパレータ冷却剤流路２６に従って、全熱交換機構４００が背後に形成された領域を流れるので、最も昇温した冷却剤によって全熱交換機構４００を加熱することが可能となる。
【００６９】
また、カソードセパレータ２４の外面には、カソードセパレータ冷却剤流路２６、冷却剤供給マニフォルド孔３５及び冷却剤排出マニフォルド孔３６を一体化した周囲と、その他の各種のマニフォルド孔（３１〜３４）それぞれの周囲とには、溝が形成され、弾性体１６が嵌挿されている。このような構成により、スタック２００組立時において、隣接するセル１００のアノードセパレータ２１の外面との間をシールすることが可能となる。弾性体１６には、高分子電解質型燃料電池に一般に用いられている公知のスクイーズパッキンを用いることができる。
【００７０】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池の動作を説明する。
【００７１】
図１において、ＭＥＡ１０は、触媒層１１ａが電池反応をおこす温度に暖機されている。かかる暖機は、一般的にはスタック２００に供給される冷却剤温度を調整したり、スタック２００に組み込んだ電気ヒータを利用したりして、スタック２００自体を加熱することによって行われる。
【００７２】
燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１が形成するマニフォルドには、燃料ガスが供給される。燃料系統ガス排出マニフォルド孔３２が形成するマニフォルドには、燃料系統ガス流路２２を経由したガスが排出される。酸化剤ガス供給マニフォルド孔３３が形成するマニフォルドには、酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガス排出マニフォルド孔３４が形成するマニフォルドには、酸化剤ガス流路２５を経由したガスが排出される。冷却剤供給マニフォルド孔３５が形成するマニフォルドには、冷却剤が供給される。冷却剤排出マニフォルド孔３６が形成するマニフォルドには、セルを流通した後の冷却剤が排出される。
【００７３】
燃料ガスは、アノードセパレータ２１の燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１から燃料系統ガス流路２２に供給され、第１の領域２２ｂにおいて、燃料ガス全熱交換プレート５７によって加熱及び加湿され、第２の領域２２ａに至る。
【００７４】
酸化剤ガスは、アノードセパレータ２１の酸化剤ガス供給マニフォルド孔３３から酸化剤ガス流路２５に供給され、第３の領域２５ｂにおいて、酸化剤ガス全熱交換プレート５８によって加熱及び加湿され、アノードセパレータ酸化剤ガス連通部３８から、酸化剤ガス連通孔３７を経て、カソードセパレータ酸化剤ガス連通部３９より第４の領域２５ａに至る。
【００７５】
ここで、ＭＥＡ１０には、第２の領域２２ａからは燃料ガス、第４の領域２５ａからは酸化剤ガスが暴露され、電池反応が発生する。この電池反応により発生する熱は、アノードセパレータ冷却剤流路２３及びカソードセパレータ冷却剤流路２６を流れる冷却剤に蓄積される。したがって、電池反応機構３００は、その背後を流れるアノードセパレータ冷却剤流路２３及びカソードセパレータ冷却剤流路２６の下流になるほど温度は高くなる。
【００７６】
第４の領域２５ａにおいて電池反応に供された酸化剤ガスは、電池反応熱により加熱され、電池反応による生成水により加湿される。
【００７７】
加熱及び加湿された酸化剤ガスは、第４の領域２５ａから第５の領域２５ｃに至り、第５の領域２５ｃにおいて、燃料ガス全熱交換プレート５７及び酸化剤ガス全熱交換プレート５８を介して、第１の領域２２ｂの燃料ガス流路２２を流れるガス及び第３の領域２５ｂの酸化剤ガス流路２５を流れるガスを加湿及び加熱して、酸化剤ガス排出マニフォルド孔３４に至る。
【００７８】
第２の領域２２ａにおいて電池反応に供された燃料系統ガス流路２２のガスは、燃料系統ガス排出マニフォルド孔３２に至る。
【００７９】
冷却剤は、図３及び図４において、冷却剤供給マニフォルド孔３５から、アノードセパレータ冷却剤流路２３あるいはカソードセパレータ冷却剤流路２６に供給され、電池反応機構３００が背後に形成された領域を蛇行し、次いで、全熱交換機構４００が背後に形成された領域を蛇行して、冷却剤排出マニフォルド孔３６に至る。ここで、冷却剤は、電池反応機構３００が背後に形成された領域では電池反応熱を吸収し、全熱交換機構４００が背後に形成された領域では蓄積した電池反応熱によって全熱交換機構４００を加熱することとなる。
【００８０】
なお、第１の領域２２ｂ及び第３の領域２５ｂにおいて、燃料ガスおよび酸化剤ガスに加湿可能な水蒸気量の上限は、それぞれの領域の温度における飽和水蒸気量となることから、これら領域の温度をより一層高くすれば、より高い露点のガスを第２領域２２ａ及び第４領域２５ａに供給することが可能となる。このため、例えば、アノードセパレータ冷却剤流路２３及びカソードセパレータ冷却剤流路２６を流通する冷却剤の流量を絞ると、電池反応機構３００が背後に形成された領域を流れる冷却剤の昇温幅は大きくなるので、全熱交換機構４００が背後に形成された領域に達する冷却剤の温度はより一層高くなり、第１の領域２２ｂ及び第３の領域２５ｂをより一層加熱するように調整することができる。
【００８１】
［実施例１］
高分子電解質膜１１及び全熱交換膜５１には、Ｄｕｐｏｎｔ社のＮａｐｈｉｏｎ１１７（５０μｍ厚）を用いた。
【００８２】
ガス拡散電極１２には、撥水層形成済みの、ジャパンゴアテックス社製のカーベルＣＬを用いた。
【００８３】
ガスケット１３には、ＥＰＤＭ／ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）／フッ素ゴムの三層構造を持つ面状ガスケット材（２２０μｍ厚）を用いた。ＭＥＡ１０が配設される領域（１２５ｍｍ×１２５ｍｍ）、燃料ガス全熱交換プレート５７が配設される領域（６０ｍｍ×１５ｍｍ）、酸化剤ガス全熱交換プレート５８が配設される領域（６０ｍｍ×９５ｍｍ）の３つの開口部は打ち抜いて製作した。
【００８４】
膜保持プレート５２は、ＳＵＳ３１６を格子状にエッチング加工して製作した（０．２ｍｍ厚）。
【００８５】
ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０は以下のようにして製作した。
【００８６】
まず、比表面積８００ｍ2／ｇ、ＤＢＰ吸油量３６０ｍｌ／１００ｇのケッチェンブラックＥＣ（ケッチェンブラック・インターナショナル社製ファーネスブラック）に、白金を重量比１：１の割合で担持させて触媒粉末を製作し、この触媒粉末１０ｇに、水３５ｇおよび水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液（旭硝子株式会社製、９％ＦＳＳ）５９ｇを混合し、超音波攪拌機を用いて分散させて、触媒層インクを製作した。この触媒インクを、ポリプロピレンフィルム（東レ株式会社製トレファン５０−２５００）に塗工し、乾燥してシート状の触媒を形成した。得られたシート状の触媒を１２０ｍｍ×１２０ｍｍの矩形状に２枚切り抜いた。
【００８７】
高分子電解質膜１１（全熱交換膜５１と兼用）の両面に、この一対の矩形状の触媒を重なるように位置決めし、温度１３５℃、圧力３．２ＭＰａの条件で転写して、高分子電解質膜１１の両面に厚み１０μｍの触媒層１１ａを形成した。
【００８８】
次に、高分子電解質膜１１の両面に、一対のガスケット１３が、ガスケット１３のＥＰＤＭ側の面が高分子電解質膜１１側に対向するようにして、かつ、ＭＥＡ１０が配設されるガスケット１３の開口部の中央に一対の触媒層１１ａが露出するようにして配設され、さらに、露出した一対の触媒層１１ａを覆い隠すように、一対のガス拡散電極１２（１２２．５ｍｍ×１２２．５ｍｍ）を配置して、これらを一括して熱圧着（１３０℃、１．５ＭＰａの条件）をした。これにより、燃料ガス全熱交換プレート５７及び酸化剤ガス全熱交換プレート５８が配設されるガスケット１３の開口部には、高分子電解質膜１１が全熱交換膜５１として露出した。なお、ガスケット１３の周縁部からはみ出す高分子電解質膜は切除した。
【００８９】
全熱交換膜５１を挟むようにして、一対の膜保持プレート５２を嵌め込んで、燃料ガス全熱交換プレート５７及び酸化剤ガス全熱交換プレート５８を製作した。
酸化剤ガス連通孔３７、各種マニフォルド３１〜３６は、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０を打ち抜いて形成した。
【００９０】
アノードセパレータ２１及びカソードセパレータ２４は、グラッシーカーボン（東海カーボン製）を切削加工して製作した。
【００９１】
スタック２００は、セル１００を６６段積層して集電板、絶縁板を介して端板で締結して組み立てた。
【００９２】
燃料ガスは、都市ガスを水蒸気改質して製造した。含まれる水素含有率は８０％であり、また露点は６３℃であった。
【００９３】
酸化剤ガスは、空気を用いた。常温の空気をブロアによってスタック２００に供給した。
【００９４】
本実施例の運転条件は、空気利用率４０％、燃料利用率７５％とした。
【００９５】
ＭＥＡ１０の暖機は、スタック２００に供給される冷却剤温度を７０℃として行った。
【００９６】
スタック２００に供給される冷却剤流量は、スタック２００から排出される冷却剤温度が７７℃となるように調整した。
【００９７】
上記スタック２００の運転に必要なガス量は、負荷電流密度０．１Ａ／平方センチあたり、燃料ガス１０．７リットル／分、酸化剤ガス５０リットル／分であった。
【００９８】
本実施例の運転は、負荷電流密度を０．１Ａ刻みで３分ごとに０．１Ａから０．７Ａまで上昇させ、その後同じインターバルで０．１Ａまで絞る負荷変動運転を行った（図５参照）。
【００９９】
スタック２００のセル１００の一部において、第１の領域２２ｂと第２の領域２２ａとの間、及び第３の領域２５ｂと第４の領域２５ａとの間において、それぞれ流路を分岐してサンプリングを行うことができるようにアノードセパレータ２１及びカソードセパレータ２４とを加工しておき、第２の領域２２ａ手前の燃料系統ガス流路２２及び第４の領域２５ａ手前の酸化剤ガス流路２５を流れるガスの露点を計測することが出来るようにした。
【０１００】
また、比較例１として、高分子電解質型燃料電池とは別個に設けられる加湿器を用いた従来の高分子電解質型燃料電池システムを用いた。加湿器は、全熱交換の構造及び面積とも実施例１と等価であるが、断熱のみを施し、追加的な熱補給は行わず、また高分子電解質型燃料電池との配管（配管長３０センチ）も注意深く断熱は施したが、同じく追加的な熱補給は行わなかった。
【０１０１】
酸化剤ガス流路２５においてサンプリングされた酸化剤ガスの露点挙動について、図５の結果を得た（燃料ガス流路２２の燃料ガスの露点挙動については、燃料ガスの改質器の負荷変動に対する応答挙動による影響があることから割愛した）。
【０１０２】
図中実線で示すように本実施例は、図中破線で示す比較例１に比して２℃ほど高い露点を示し、酸化剤ガスの露点温度は冷却剤温度７０℃を越えていることが確認された。これは本実施例の方が、比較例に比べ、全熱交換における加湿量が豊富なことと、全熱交換後の配管あるいは流路における結露によって失われる水分が少ないことを反映したものと考えられた。
【０１０３】
また、負荷増大局面では、露点の低下が認められた。これは負荷増大に比例して即座に需要が増える水蒸気量に対して、全熱交換の加湿能力及び配管あるいは流路における保温能力が追従しきれないでいたものと考えられた。ただし、比較例に対して本実施例は露点低下の度合いが小さかった。これは負荷増大に伴う発熱が応答性よく全熱交換の加熱に反映されていた結果と解された。なお、負荷減少局面で露点が安定していたのは、負荷減少に伴い電池反応による発生熱量が減少しても、全熱交換の加湿能力及び配管あるいは流路における保温能力は十分確保されたものと考えられた。
【０１０４】
（変形例１）
実施の形態１において、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０は、ガスケット１３の換わりに枠体１４と弾性体１６とによって構成することができる。
【０１０５】
図６（ａ）は、本変形例にかかるＭＥＡ−全熱交換プレート接合体２０の平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のVIｂ−VIｂ線断面の断面図である。
【０１０６】
図６に示すように、ＭＥＡ−全熱交換プレート接合体２０は、ＭＥＡ１０と、燃料ガス全熱交換プレート５７と、酸化剤ガス全熱交換プレート５８と、枠体１４と、弾性体１６とを有する。
【０１０７】
枠体１４は、機械的に強固な材料で構成されている。ＭＥＡ１０と、燃料ガス全熱交換プレート５７と、酸化剤ガス全熱交換プレート５８の外周を囲うようにして、これらを同一平面内で一体化している。例えば、枠体１４の素材に樹脂を用いて、ＭＥＡ１０と、燃料ガス全熱交換プレート５７と、酸化剤ガス全熱交換プレート５８とをインサート成形法によって樹脂モールドすることができる。ここでインサート成形法とは、成形する部材とは別の部材を、成形する部材と接合するように挿入して配設しておいて、成形加工を行う方法をいう（未公開：特願２００３−０９９０３１参照）。
【０１０８】
枠体１４の両面には、ＭＥＡ１０、燃料ガス全熱交換プレート５７、酸化剤ガス全熱交換プレート５８、各種マニフォルド孔３１〜３６及び酸化剤ガス連通孔３７の周囲を包囲するように溝１５が形成されている。
【０１０９】
弾性体１６は、溝１５に嵌合することによって位置決めされ、嵌挿されている。ここで、弾性体１６には、高分子電解質型燃料電池に一般に用いられている公知のスクイーズパッキンを用いることができる。また、嵌挿による方法以外に、二色成形法によって、枠体１４に接合するようにして形成することもできる。ここで、二色成形法とは、２種類以上の異なる部材を、互いに接合するように配設しておいて、成形加工を行う方法であって、成形加工時に、互いの部材が融着するようにして成形が行われる方法をいう。（未公開：特願２００３−０９９０３１参照）
インサート成形法及び二色成形法による製法を説明する。
【０１１０】
まず、高分子電解質膜１１と、燃料ガス全熱交換プレート５７と、酸化剤ガス全熱交換プレート５８とが枠体１４の樹脂素材と接合するようにして所定の位置に配設され、これらを一括して樹脂モールドし、樹脂製の枠体１４が形成される（インサート成形法）。
【０１１１】
次に、枠体１４に形成された溝１５に対して二色成形法により弾性体１６を形成する。
【０１１２】
最後に、高分子電解質膜１１の両面に一対の触媒層１１ａと、一対のガス拡散電極１２とが形成される。
【０１１３】
この方法によって、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０は、一括して接合でき、精度よく、かつ簡便に製作される。
【０１１４】
［実施例２］
実施例1におけるＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０をインサート成形法および二色成形法によって一括して組み立てた。
【０１１５】
ＭＥＡ１０、燃料ガス全熱交換プレート５７及び酸化剤ガス全熱交換プレート５８の平面サイズは実施例１と同一とした。
【０１１６】
まず、実施例1同様に高分子電解質膜１１の両面に触媒層１１ａを形成した後、触媒層１１ａの外縁部より５ｍｍ程度外側において触媒層１１ａが形成された高分子電解質膜１１を切り抜いた。
【０１１７】
燃料ガス全熱交換プレート５７及び酸化剤ガス全熱交換プレート５８は、平面サイズを除いて同一構造であり、以下のようにして製作した。まず、実施例１同様にＳＵＳ３１６を格子状にエッチング加工して膜保持プレート５２を製作し、この一対の膜保持プレート５２で全熱交換膜５１（Ｄｕｐｏｎｔ社製Ｎａｐｈｉｏｎ１１７）を挟み、１００℃、１．５ＭＰａの条件で熱圧着を行った後、膜保持プレート５２の外縁部の５ｍｍ程度外側において膜保持プレート５２を有する全熱交換膜５１を切り抜いた。
【０１１８】
次に、枠体１４は、前述の触媒層１１ａが形成された高分子電解質膜１１、燃料ガス全熱交換プレート５７及び酸化剤ガス全熱交換プレート５８の外周部にグラスファイバー添加ポリプロピレン（出光石油化学株式会社製  Ｒ２５０Ｇ）をモールドして製作した。肉厚は１．２ｍｍとした。
【０１１９】
枠体１４の両面の溝１５の形状は、幅２．０ｍｍ、深さ０．３ｍｍとした。
【０１２０】
弾性体１６は、ポリオレフィン系エラストマー、具体的には、サントプレーンジャパン株式会社製サントプレーン８１０１−５５を用いて成形した。弾性体１６は、枠体１４の表面より０．６ｍｍ突出するように成形した。
【０１２１】
その後、実施例1同様に一対の触媒層１１ａを覆い隠すように一対のガス拡散電極１２を配置及び転写して製作し、ＭＥＡ１０を完成させ、ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０を製作した。
【０１２２】
実施例２についても実施例1同様の評価を行い、実施例1同様の好ましい結果を得た。
【０１２３】
（実施の形態２）
図７は、本実施の形態に係るスタック２１０の構造を示す分解斜視図である。図７においては、説明の便宜上、スタック２１０の積層構造の一部を分解して示している。
【０１２４】
ここで、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池のセル１１０は、実施の形態１における構成に加えて、燃料ガス前駆体を水蒸気改質反応によって燃料ガスに改質する燃料ガス改質機構５００を有している。つまり、本実施の形態は、スタック２１０の燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１の積層から形成される燃料系統ガス供給マニフォルドには、燃料ガスに換えて燃料ガス前駆体が流通する点と、燃料系統ガス流路２２に関与して構成の変更や新たな構成の追加がある点とを除いては、実施の形態１と同様である。したがって、本実施の形態では、実施の形態１との相違部分を説明する。
【０１２５】
まず、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池の構成を説明する。
【０１２６】
図７において、セル１１０は、アノードセパレータ６４とカソードセパレータ６５とによって、ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体６０を挟んだものである。
【０１２７】
ここで、ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体６０、アノードセパレータ６４及びカソードセパレータ６５には、それぞれ実施の形態１のＭＥＡ−全熱交換プレート組立体２０、アノードセパレータ２１及びカソードセパレータ２４に追加して、燃焼用空気供給マニフォルド孔７１、燃料ガス改質添加水供給マニフォルド孔７４，選択酸化用空気供給マニフォルド孔７５、高温冷却剤供給マニフォルド孔７６及び高温冷却剤排出マニフォルド孔７７が形成されている。そして、スタック２００と同様にして、セル１１０組立時には、これらは積層し、さらにセル１１０を積層したスタック２１０においては、スタック２１０を積層方向に貫通するマニフォルドをそれぞれ形成することになる。
【０１２８】
図８（ａ）は、本実施の形態に係るＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体６０の平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のVIIIｂ−VIIIｂ線断面の断面図である。
【０１２９】
ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体６０は、ＭＥＡ１０と、燃料ガス全熱交換プレート５７と、酸化剤ガス全熱交換プレート５８と、燃料ガス改質プレート６１とを、同一平面上に一体化して構成されている。かかる一体化には、例えば、実施の形態１と同様にガスケットによって一体化することもできる。ここでは、樹脂モールドした樹脂製の枠体６７によって、一体化して構成されている。
【０１３０】
ここで、燃料ガス改質プレート６１は、ＭＥＡ１０から可能な限り離れた位置に配設されている。ここでは、燃料ガス全熱交換プレート５７及び酸化剤ガス全熱交換プレート５８を挟んでＭＥＡ１０と反対側に、燃料ガス改質プレート６１が配設されている。すなわち、図８（ａ）において下方側にＭＥＡ−全熱交換プレート２０が延伸されて配設されている。このような配設により、燃料ガス改質プレート６１の発熱によるＭＥＡ１０の熱的損傷を極力回避することが可能となる。
【０１３１】
また、ＭＥＡ１０と燃料ガス改質プレート６１との間には、燃料系統ガス連通孔７８が形成されている。燃料系統ガス連通孔７８は、燃料系統ガス流路６６を流通するガスがＭＥＡ−全熱交換プレート組立体−燃料ガス改質プレート組立体６０を貫通してアノードセパレータ６４側とカソードセパレータ６５側とを連通できるように形成されている。
【０１３２】
そして、燃料ガス改質添加水供給マニフォルド孔７４，選択酸化用空気供給マニフォルド孔７５、高温冷却剤供給マニフォルド孔７６，高温冷却剤排出マニフォルド孔７７、燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１及び燃料系統ガス排出マニフォルド孔３２は、燃料ガス改質プレート６１近傍に形成されている。燃焼用空気供給マニフォルド孔７１は燃料系統ガス連通孔７８の近傍に形成されている。
【０１３３】
燃料ガス改質プレート６１は、触媒燃焼反応に耐えうる耐熱性を有する素材であって、かつ、熱を対面側に伝達する伝熱性に優れた素材で構成する。また、アノードセパレータ６４とカソードセパレータ６５との間には電位を発生させるので、燃料ガス改質プレート６１は、アノードセパレータ６４とカソードセパレータ６５とを電気的に導通させないように構成されている。そして、燃料ガス改質プレート６１の表面には、燃料系統ガスの触媒燃焼反応を可能とする触媒を配設している。
【０１３４】
ここでは、燃料ガス改質プレート６１は、燃焼プレート６２と、一対の保護プレート６３とを有して構成されている。燃焼プレート６２にはセラミッククロス、セラミックプレートなどを用いている。また、燃焼プレート６２主面の表面は触媒を担持している。このような構成とすると、燃焼プレート６２が電気絶縁性及び触媒担持の機能を兼務することができるので、燃料ガス改質プレート６１をコンパクトに構成することが可能となる。ここで、触媒は、一方の主面において燃料系統ガス流路２５のガスと空気との混合気を燃焼反応させるとともに、他方の主面において燃料ガス前駆体の水蒸気改質反応を進行させる触媒とする。例えば、白金族金属触媒とすることができる。燃料ガス前駆体がメタノールである場合には、白金族金属触媒を用いて、１００℃乃至３００℃の温度範囲で水蒸気改質反応を進行させることが可能となる。
【０１３５】
一対の保護プレート６３は、燃焼プレート６２を挟むように、燃焼プレート６２の両面に形成されている。
【０１３６】
枠体６７は、ＭＥＡ１０、燃料ガス全熱交換プレート５７、酸化剤ガス全熱交換プレート５８及び燃料ガス改質プレート６１の外周を囲うようにして、これらを同一平面内で一体化している。ここで、枠体６７は、機械的に強固な材料であって、かつ燃料ガス改質機構５００の温度に耐える耐熱性を有する材料によって構成されている。例えば、燃料ガス前駆体がメタノールである場合には、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＥＫ(ポリエーテルケトン)等の樹脂材料はこの条件を満たしており好適である。
【０１３７】
図９（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本実施の形態に係るアノードセパレータ６４のＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体６０に対向する主面（以下、内面という）の平面図及びその他方の主面（以下、外面という）の平面図である。
【０１３８】
図９（ａ），（ｂ）に示すように、アノードセパレータ６４には、セル１１０組立時にＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体６０に形成された各種のマニフォルド孔に積層するように各種のマニフォルド孔（図中、３１〜３６，７１，７４〜７７）が形成されている。
【０１３９】
そして、図９（ａ）に示すように、アノードセパレータ６４の内面は、実施の形態１に比較して、燃料系統ガス流路２２が燃料系統ガス流路６６に変更されている。実施の形態１のアノードセパレータ２１に追加するようにして、溝からなる燃料ガス改質添加水流路９０と，溝からなる選択酸化用空気流路（第１の空気流路）９１と、窪みからなるアノードセパレータ燃料系統ガス連通部７９とが形成されている。
【０１４０】
ここで、アノードセパレータ燃料系統ガス連通部７９は、セル１１０組立時に、ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質機構組立体６０の燃料系統ガス連通孔７８に対向する位置に形成されている。
【０１４１】
燃料系統ガス流路６６は、燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１とアノードセパレータ燃料系統ガス連通部７９とを連絡するように形成され、途中、第６の領域２２ｆにおいて蛇行形状を形成し、その下流側で、第１の領域２２ｂにおいて蛇行形状を形成する。第６の領域２２ｆは、セル１１０組立時に、ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体６０に配設された燃料ガス改質プレート６１に対向する領域である。このような流路構成により、燃料系統ガス流路６６のガスが燃料ガス改質プレート６１の主面全域にわたって暴露されるので、燃料ガスの改質反応には十分な加熱が可能となる。
【０１４２】
燃料ガス改質添加水流路９０は、燃料ガス改質添加水供給マニフォルド孔７４から分枝して、燃料系統ガス流路の第６の領域２２ｆよりも上流、例えば、図では添加水合流部９０ａにおいて、燃料系統ガス流路６６に連絡するように形成されている。
【０１４３】
また、第６の領域２２ｆは、燃料系統ガス流路６６内のガスが改質反応及びシフト反応をおこす温度に加熱される改質反応領域２２ｇと、改質反応領域２２ｇの下流側であり、燃料系統ガス流路２２内のガスが選択酸化反応をおこす温度に調整される選択酸化領域２２ｈとに区分される。
【０１４４】
選択酸化用空気流路９１は、選択酸化用空気供給マニフォルド孔７５から分枝して、改質反応領域２２ｇと選択酸化領域２２ｈとの間、図では選択酸化用空気合流部９１ａにおいて燃料系統ガス流路６６に連絡するように形成されている。
【０１４５】
また、燃料系統ガス流路６６、燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１、燃料ガス改質添加水供給マニフォルド孔７４、選択酸化用空気供給マニフォルド孔７５、アノードセパレータ燃料系統ガス連通部７９、燃料ガス改質添加水流路９０及び選択酸化用空気流路９１を一体化した周囲と、酸化剤ガス供給マニフォルド孔３３、酸化剤ガス流路２５及びアノードセパレータ酸化剤ガス連通部３８を一体化した周囲と、その他の各種のマニフォルド孔（３２、３４〜３６，７１，７６，７７）それぞれの周囲とには、溝からなるアノードセパレータ内面シール溝４１が形成されている。アノードセパレータ内面シール溝４１には、耐熱性に優れた弾性体４４が嵌挿されている。弾性体４４によって、セル１１０組立時において、対向するＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体６０との間をシールすることが可能となる。
【０１４６】
弾性体４４は、耐熱性を有する材質が用いられる。例えば、Ｄｕｐｏｎｔ  Ｄｏｗ  Ｅｌａｓｔｏｍａｒｓ社製カルレッツからなるスクイーズパッキンが好適である。また、弾性体４４は、嵌挿による方法以外に、二色成形法によってアノードセパレータ６４に接合して形成することもできる。
【０１４７】
図９（ｂ）に示すように、アノードセパレータ６４の外面には、冷却剤流路２３に加えて、溝からなるアノードセパレータ高温冷却剤流路９３が、高温冷却剤供給マニフォルド孔７６から分岐し、選択酸化領域２２ｈが背後に形成されている領域を蛇行して、高温冷却剤排出マニフォルド孔７７に連絡するように形成されている。この高温冷却剤により選択酸化領域２２ｈの燃料系統ガス流路２２内のガスを、選択酸化反応をおこす温度に調整することが可能となる。
【０１４８】
また、アノードセパレータ冷却剤流路６８は、第２の領域２２ａが背後に形成されている領域を蛇行した後、第１の領域２２ｂ及び第３の領域２５ｂと第６の領域２２ｆとの間の領域が背後に形成されている領域を蛇行してから、第１の領域２２ｂ及び第３の領域２５ｂが背後に形成されている領域を蛇行するように形成されている。このような流路構成により、冷却剤は燃料ガス改質機構５００で発生する余熱を吸収した後、全熱交換機構４００の加熱に利用することが可能となる。
【０１４９】
図１０（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本実施の形態に係るカソードセパレータ６５の内面の平面図及び外面の平面図である。
【０１５０】
図１０（ａ），（ｂ）に示すように、カソードセパレータ６５には、セル１１０組立時にＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体６０に形成された各種のマニフォルド孔に積層するように各種のマニフォルド孔（図中、３１〜３６，７１，７４〜７７）が形成されている。
【０１５１】
そして、図１０（ａ）に示すように、カソードセパレータ６５の内面は、実施の形態１に追加するようにして、溝からなる燃焼用空気流路（第１の空気流路）９５と、窪みからなるカソードセパレータ燃料系統ガス連通部８０と、溝からなる燃料系統ガス流路６６とが形成されている。
【０１５２】
ここで、カソードセパレータ燃料系統ガス連通部８０は、セル１１０組立時に、ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質機構組立体６０の燃料系統ガス連通孔７８に対向する位置に形成されている。
【０１５３】
燃焼用空気流路（第２の空気流路）９５は、燃焼用空気供給マニフォルド孔７１とカソードセパレータ燃料系統ガス連通部８０とを連絡するように形成されている。
【０１５４】
燃料系統ガス流路６６は、カソードセパレータ燃料系統ガス連通部８０と燃料系統ガス排出マニフォルド孔３２とを連絡するように形成され、途中、カソードセパレータ燃料系統ガス連通部８０にて燃焼用空気流路９５と合流し、第７の領域２２ｉにおいて蛇行形状を形成する。第７の領域２２ｉは、セル１１０組立時に、ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体６０に配設された燃料ガス改質プレート６１に対向する領域である。このような構成により、燃料系統ガス流路６６のガスが燃料ガス改質プレート６１の主面全域にわたって暴露されるので、十分な触媒燃焼反応が可能となる。
【０１５５】
また、燃料系統ガス流路６６、燃料系統ガス排出マニフォルド孔３２、燃焼用空気供給マニフォルド孔７１、カソードセパレータ燃料系統ガス連通部８０、及び燃焼用空気流路９５を一体化した周囲と、酸化剤ガス排出マニフォルド孔３４、酸化剤ガス流路２５及びカソードセパレータ酸化剤ガス連通部３９を一体化した周囲と、その他の各種のマニフォルド孔（３２、３４〜３６，７１，７６，７７）それぞれの周囲とには、アノードセパレータ６４の内面と同様にして、溝からなるカソードセパレータ内面シール溝４２が形成され、耐熱性に優れた弾性体４４が嵌挿されている。
【０１５６】
図１０（ｂ）に示すように、カソードセパレータ６５の外面には、スタック２１０組立時には積層される隣のセル１１０のアノードセパレータ冷却剤流路６８及びアノードセパレータ高温冷却剤流路９３と重なるようにカソードセパレータ冷却剤流路６９及びカソードセパレータ高温冷却剤流路９４が形成されている。
【０１５７】
なお、本実施の形態においては、アノードセパレータ冷却剤流路６８及びカソードセパレータ冷却剤流路６９を重なるように形成しているが、いずれか一方のみを形成してもよい。アノードセパレータ６４及びカソードセパレータ６５の内面の所要の冷却が達成されれば十分だからである。
【０１５８】
また、カソードセパレータ６５の外面は、カソードセパレータ冷却剤流路６９、冷却剤供給マニフォルド孔３５及び冷却剤排出マニフォルド孔３６を一体化した周囲と、カソードセパレータ高温冷却剤流路９４、高温冷却剤供給マニフォルド孔７６及び高温冷却剤排出マニフォルド孔７７を一体化した周囲と、その他の各種のマニフォルド孔（３１〜３４、７１，７４，７５）それぞれの周囲とには、アノードセパレータ６４の内面と同様に、溝からなるカソードセパレータ外面シール溝４３が形成され、耐熱性に優れた弾性体４４が嵌挿されている。このような構成により、スタック２１０組立時において、隣接するセル１１０のアノードセパレータ６４の外面との間をシールすることが可能となる。
【０１５９】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池の動作を説明する。
【０１６０】
燃料ガス改質添加水供給マニフォルド孔７４が形成するマニフォルドには水又は／及び水蒸気が流通する。
【０１６１】
燃焼用空気供給マニフォルド孔７１及び選択酸化用空気供給マニフォルド孔７５が形成するマニフォルドには空気が流通する。
【０１６２】
高温冷却剤供給マニフォルド孔７６及び高温冷却剤排出マニフォルド孔７７には水よりも高い温度での冷却に適した高温冷却剤が流通する。高温冷却剤としては、例えばシリコーンオイルが好適である。
【０１６３】
燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１が形成するマニフォルドには、燃料ガス前駆体が流通する。ここで、燃料ガス前駆体には、水蒸気改質反応の反応温度が比較的低い流体が望ましい。例えば、水蒸気改質反応温度が３００℃以下であるメタノールがよい。このような流体を用いることにより、ＭＥＡ１０と同一セル１１０内に設けられている燃料ガス改質機構５００の余熱によって、ＭＥＡ１０などのセル１１０の構成部材の熱的損傷を軽微にすることが可能となる。
【０１６４】
図９（ａ）において、アノードセパレータ６４の燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１から燃料系統ガス流路６６に供給された燃料ガス前駆体は、添加水合流部９０ａにおいて燃料ガス改質添加水流路９０より供給される水分を添加され、改質反応領域２２ｇに至る。改質反応領域２２ｇにおいては、後述するような触媒燃焼反応によって燃料ガス改質プレート６１の触媒反応が活性化する温度に加熱される。これによって、改質反応領域２２ｇを流れる燃料ガス前駆体は改質反応及びシフト反応をおこし、数千ｐｐｍ程度の濃度の一酸化炭素を含有する水素及び二酸化炭素の混合気に改質される。ここで、改質反応領域２２ｇの温度は、燃料ガス前駆体をメタノールとし、燃料ガス改質プレート６１の触媒に白金族金属触媒を用いた場合は、２５０℃に近いと好適である。
【０１６５】
この混合気は、選択酸化用空気合流部９１ａにおいて空気を添加され、選択酸化領域２２ｈに至る。選択酸化領域２２ｈにおいては、燃料ガス改質プレート６１の触媒が、一酸化炭素を選択的に酸化し二酸化炭素とする反応、いわゆる選択酸化反応をおこす温度に調整される。かかる温度の調整は、後述するような触媒燃焼反応による燃料ガス改質プレート６１の加熱が選択酸化領域２２ｈが背後に形成されている領域を蛇行するように形成されているアノードセパレータ高温冷却剤流路９３及びカソードセパレータ高温冷却剤流路９４を流れる高温冷却剤の温度及び流量によって調整されることによって行われる。これによって、選択酸化領域２２ｈを流れる混合気は選択酸化反応をおこし、一酸化炭素濃度が数十ｐｐｍの濃度まで低減され、水素と二酸化炭素からなる燃料ガスに改質される。ここで、選択酸化領域２２ｈの温度は、燃料ガス前駆体をメタノールとし、燃料ガス改質プレート６１の触媒に白金族金属触媒を用いた場合は、１５０℃に近いと好適である。
【０１６６】
燃料ガスは、選択酸化領域２２ｈから、第１の領域２２ｂ及び第２の領域２２ａを経由して、アノードセパレータ燃料系統ガス連通部７９に至る。第１の領域及び第２の領域における動作は、実施の形態１と同様である。
【０１６７】
図１０（ａ）において、アノードセパレータ燃料系統ガス連通部７９のガスは、燃料系統ガス連通孔７８を経て、カソードセパレータ燃料系統ガス連通部８０に至り、燃焼用空気流路９５の空気と合流し、燃料系統ガス流路６６を通って、第７の領域２２ｉに至る。第７の領域２２ｉにおいては、燃料ガス改質プレート６１の触媒によって、触媒燃焼反応がおこり、燃料改質プレート６１を加熱する。触媒燃焼反応後のガスは、燃料系統ガス流路６６を通って、燃料系統ガス排出マニフォルド３２に至る。
【０１６８】
酸化剤ガス流路２５については、実施の形態１と同様である。
【０１６９】
［実施例３］
ＭＥＡ１０、燃料ガス全熱交換プレート５７及び酸化剤ガス全熱交換プレート５８は、実施例２と同じものを用いた。
【０１７０】
燃焼プレート６２は、セラミッククロスを用いた。セラミッククロスは、住友スリーエム社製ネクステル（厚さ０．３ｍｍ）を用いた。
【０１７１】
燃料ガス改質プレート６１は、以下のようにして製作した。まず、白金とシリカの質量比が２：１００になるようにシリカゾル水溶液に白金を混和して、ジニトロジアミン白金水溶液を作り、これを３０倍に水で希釈した触媒スラリー液を用意した。シリカゾル水溶液には、日産化学工業株式会社製スノーテックス（シリカ２０Ｗｔ／ＶＯＬ）を用いた。この触媒スラリー液にセラミッククロスを浸漬させた。この浸漬後のセラミッククロスを５００℃の雰囲気で５時間、空気中で焼成した。これにより、目付け量０．３ｍｇ／ｃｍ2となる白金族金属触媒が担持されたセラミッククロスを得た。この白金族金属触媒担持セラミッククロスを１２０ｍｍ×８０ｍｍのサイズに切断して、同サイズで格子状にエッチング加工された一対の金属板を両面から重ね合わせ、金属板の端部とセラミッククロスとをロウ付けして仮止めし、燃料ガス改質プレート６１を得た。金属板には、厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ４１０Ｓを用いた。
【０１７２】
ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体６０は、ＭＥＡ１０、燃料ガス全熱交換プレート５７、酸化剤ガス全熱交換プレート５８及び燃料ガス改質プレート６２の外周部にグラスファイバー添加ポリエーテルエーテルケトン（住友化学  ビクトレックス）をモールドして形成した。
【０１７３】
枠体１４は肉厚１．２ｍｍとした。
【０１７４】
弾性体４４には、Ｄｕｐｏｎｔ  Ｄｏｗ  Ｅｌａｓｔｏｍａｒｓ社製カルレッツを用いた。
【０１７５】
アノードセパレータ６４及びカソードセパレータ６５には、熱間プレス成形カーボンセパレータを用いた。熱間プレス成形カーボンセパレータは、一般的には熱硬化性樹脂とカーボンとを主成分としており、３００℃までの温度域での使用には支障はない。具体的には、カーボン粉とポリイミド樹脂からなる熱間成形セパレータ（Ｄｕｐｏｎｔ社製  試作品）を用いた。
【０１７６】
スタック２１０は、セル１１０を６６段積層した。
【０１７７】
このスタックを以下の方法で運転した。
【０１７８】
燃料ガス前駆体はメタノールとした。
【０１７９】
燃料ガス前駆体は、スタック２１０の外部において、冷却剤排出マニフォルド孔３６から形成されるマニフォルドから排出される冷却剤と熱交換させることによって、気化させた後、燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１によって形成されるマニフォルドに流通させた。気化後の燃料ガス前駆体の供給経路は適切に断熱をした。
【０１８０】
高温冷却剤にはシリコーンオイルを用い、選択酸化領域２２ｈが１７５℃になるよう、高温冷却剤の温度及び流量を調整した。
【０１８１】
燃料ガス改質添加水は、スタック２１０の外部において、高温冷却剤排出マニフォルド孔７７から形成されるマニフォルドから排出される高温冷却剤と熱交換させることによって、気化させた後、燃料ガス改質添加水供給マニフォルド孔７４から形成されるマニフォルドに流通させた。ここで、燃料ガス改質添加水流路９０の流通水量は、量論計算上燃料ガス改質反応に必要な量の２．７倍となるようにした。
【０１８２】
燃焼用空気流路９５の空気流量は、カソードセパレータ燃料系統ガス連通部８０に到達する燃料系統ガス流路２２のガス流量の７倍とした。
【０１８３】
なお、本実施例では、燃料系統ガスの流量を一定とした場合には、電池負荷を増大させたときには、電池反応が活性化し、燃料利用率（以下、Ｕｆという）は上がり、第７の領域２２ｉに供給される燃料系統ガス流路のガス中の燃料ガス成分は減少する。このため、燃料ガス改質機構５００において燃料ガスの水蒸気改質反応温度の維持に必要な触媒燃焼反応が得られなくなる。従って、Ｕｆには、燃料ガスの供給不足が発生する臨界Ｕｆが存在することになる。本実施例における臨界Ｕｆは７２％であった。
【０１８４】
また、本実施例における燃料ガス改質機構５００の熱効率は以下の通りと計算された。なお、本実施例における水蒸気改質反応温度は最高２５０℃であることから、反応熱及び潜熱に対して顕熱の影響は軽微であるから、顕熱は無視した。
【０１８５】
水素の燃焼生成熱は、下記（１）式のとおり、２８５．８４ｋｊ／ｍｏｌとなる。
Ｈ2（ｇ）＋１／２Ｏ2（ｇ）→Ｈ2Ｏ（ｇ）  ΔＨ＝−２８５．８４ｋｊ／ｍｏｌ（発
熱）・・・（１）
水の蒸発熱は、下記（２）式のとおり、４４ｋｊ／ｍｏｌとなる。
Ｈ2Ｏ（ｌ）→Ｈ2Ｏ（ｇ）    ΔＨ＝４４ｋｊ／ｍｏｌ（吸熱）・・・（２）
メタノールの改質反応熱は、下記（３）式のとおり、４９．５ｋｊ／ｍｏｌとなる。
【０１８６】
ＣＨ3ＯＨ（ｇ）＋Ｈ2Ｏ（ｇ）→３Ｈ2（ｇ）＋ＣＯ2（ｇ） ΔH  ＝−４９．５
ｋｊ／ｍｏｌ（吸熱）・・・（３）
本実施例では、第７の領域２２ｉにおけるガスの触媒燃焼反応熱は、改質反応領域２２ｇ及び選択酸化領域２２ｈにおける水蒸気改質反応に必要な熱であるとともに、燃料ガス前駆体の水蒸気改質反応燃料ガス改質添加水を気化させた高温冷却剤の加熱に必要な熱でもある。ここで、メタノール（１ｍｏｌ）の改質と燃料ガス改質添加水（２．７ｍｏｌ）の気化とに必要な熱量は、（２）式及び（３）式より、下記（４）式のとおり、１６８．３ｋｊとなる。
【０１８７】
４９．５ｋｊ／ｍｏｌ＋４４×２．７＝１６８．３ｋｊ・・・（４）
（４）式では、３ｍｏｌの水素が製造されることから、1モルの水素を製造するに必要な熱量は、１６８．３／３＝５６．１ｋｊ／ｍｏｌとなる。
【０１８８】
他方、本実施例での臨界燃料利用率は７２％であったことから、理論的には、1モルの水素の７２％を電池反応で消費し、残り２８％を第７の領域２２ｉでの触媒燃焼反応に利用することができることになる。この熱量は、（１）式より、２８５×０．２８＝７９．８ｋｊとなる。
【０１８９】
従って、単純計算の熱効率は、５６．１／７９．８＝０．７０３。約７０％の熱効率と計算された。ここで約３０％の熱損失の大部分は燃料ガス改質機構５００の放熱によって失われた部分と推定される。
【０１９０】
実施例１と同様の運転を本実施例についても行い、酸化剤ガスの露点挙動を図５に示す。実施例１と同様に比較例に比して良好な結果を得た。
【０１９１】
（実施の形態３）
図１１は、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池のセル１２０の積層構造を示す斜視図である。図１２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本実施の形態に係るアノードセパレータ９７のＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体９６に対向する主面（以下、内面という）の平面図及びその他方の主面（以下、外面という）の平面図である。また、図１３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本実施の形態に係るカソードセパレータ９８のＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体６０に対向する主面（以下、内面という）の平面図及びその他方の主面（以下、外面という）の平面図である。
【０１９２】
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池は、実施の形態２で用いたセル１１０一対を、燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１及び高温冷却剤排出マニフォルド孔７７を共有化し、その両側に対向するように配設して構成されている。換言すれば、一対のセル１１０を、ＭＥＡ１０が両端に位置するようにして、突き合わせて構成される高分子電解質型燃料電池である。このような構成により、温度の高い一対の燃料ガス改質機構５００がセル１００の中心部に位置し、その両側に一対の全熱交換機構４００、さらに全熱交換機構４００の外側に電池反応機構３００が形成されるので、燃料ガス改質機構５００の余熱をより効率的に全熱交換機構４００における加熱及び加湿に用いることが可能となる。
【０１９３】
本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池の構成は、実施の形態２に係る高分子電解質型燃料電池の構成を２つ並列に配設したものであるので、説明を省略する。
【０１９４】
本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池の動作は、実施の形態２と同様であるので説明を省略する。
【０１９５】
［実施例4］
一対の実施例３におけるセル１１０が燃料系統ガス供給マニフォルド孔３１及び高温冷却剤排出マニフォルド孔７７を共有化し、その両側に対向するように配設してセル１２０を構成した。
【０１９６】
また、運転条件も実施例３と同様として、運転試験を行い、臨界熱利用効率を測定したところ、７６％であった。また、燃料ガス改質機構５００の熱効率は理論上の計算でも８２％となり、実施例３に比してなお好ましい結果を得た。
【産業上の利用可能性】
【０１９７】
本発明に係る高分子電解質型燃料電池は、燃料ガス及び酸化剤ガスの流路への特段の断熱や保温を要さずに、燃料ガス及び酸化剤ガスが高い露点を有しながら高分子電解質膜に供給されるとともに、高分子電解質型燃料電池の出力増大時にも高分子電解質膜に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点の低下が抑制されることを可能とする高分子電解質型燃料電池として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１９８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るスタックの構造を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るＭＥＡ−全熱交換プレート組立体の平面図及びIIｂ−IIｂ線断面の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るアノードセパレータのＭＥＡ−全熱交換プレート組立体に対向する主面の平面図とその他方の主面の平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るカソードセパレータのＭＥＡ−全熱交換プレート組立体に対向する主面の平面図とその他方の主面の平面図である。
【図５】本発明の実施例１に係る酸化剤ガス流路の酸化剤ガスの露点挙動特性図である。
【図６】本発明の変形例１に係るＭＥＡ−全熱交換プレート組立体の平面図及びVIｂ−VIｂ線断面の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係るスタックの構造を示す分解斜視図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係るＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体６０の平面図及びVIIIｂ−VIIIｂ線断面の断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係るアノードセパレータのＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体に対向する主面の平面図とその他方の主面の平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係るカソードセパレータのＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体に対向する主面の平面図とその他方の主面の平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係るセルの積層構造を示す斜視図である。
【図１２】本発明の実施の形態３に係るアノードセパレータのＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体に対向する主面の平面図とその他方の主面の平面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係るカソードセパレータのＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体に対向する主面の平面図とその他方の主面の平面図である。
【符号の説明】
【０１９９】
１０  ＭＥＡ
１１  高分子電解質膜
１１ａ  触媒層
１２  ガス拡散層
１３  ガスケット
１４  枠体
１５  溝
１６  弾性体
２０  ＭＥＡ−全熱交換プレート組立体
２１  アノードセパレータ
２２  燃料系統ガス流路
２２ａ  第２の領域
２２ｂ  第１の領域
２２ｅ  境界部流路
２２ｆ  第６の領域
２２ｇ  改質反応領域
２２ｈ  選択酸化領域
２２ｉ  第７の領域
２３  アノードセパレータ冷却剤流路
２４  カソードセパレータ
２５  酸化剤ガス流路
２５ａ  第４の領域
２５ｂ  第３の領域
２５ｃ  第５の領域
２６  カソードセパレータ冷却剤流路
３１  燃料系統ガス供給マニフォルド孔
３２  燃料系統ガス排出マニフォルド孔
３３  酸化剤ガス供給マニフォルド孔
３４  酸化剤ガス排出マニフォルド孔
３５  冷却剤供給マニフォルド孔
３６  冷却剤排出マニフォルド孔
３７  酸化剤ガス連通孔
３８  アノードセパレータ酸化剤ガス連通部
３９  カソードセパレータ酸化剤ガス連通部
４１  アノードセパレータ内面シール溝
４２  カソードセパレータ内面シール溝
４３  カソードセパレータ外面シール溝
４４  弾性体
５１  全熱交換膜
５２  膜保持プレート
５７  燃料ガス全熱交換プレート
５８  酸化剤ガス全熱交換プレート
６０  ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体
６１  燃料ガス改質プレート
６２  燃焼プレート
６３  保護プレート
６４  アノードセパレータ
６５  カソードセパレータ
６６  燃料系統ガス流路
６７  枠体
６８  アノードセパレータ冷却剤流路
６９  カソードセパレータ冷却剤流路
７１  燃焼用空気供給マニフォルド孔
７４  燃料ガス改質添加水供給マニフォルド孔
７５  選択酸化用空気供給マニフォルド孔
７６  高温冷却剤供給マニフォルド孔
７７  高温冷却剤排出マニフォルド孔
７８  燃料系統ガス連通孔
７９  アノードセパレータ燃料系統ガス連通部
８０  カソードセパレータ燃料系統ガス連通部
９０  燃料ガス改質添加水流路
９０ａ  添加水合流部
９１  選択酸化用空気流路（第１の空気流路）
９１ａ  選択酸化用空気合流部
９３  アノードセパレータ高温冷却剤流路
９４  カソードセパレータ高温冷却剤流路
９５  燃焼用空気流路（第２の空気流路）
９６  ＭＥＡ−全熱交換プレート−燃料ガス改質プレート組立体
９７  アノードセパレータ
９８  カソードセパレータ
１００  セル
１１０  セル
１２０  セル
２００  スタック
２１０  スタック
２２０  スタック
３００  電池反応機構
４００  全熱交換機構
５００  燃料ガス改質機構
【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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