JPH0935737A

JPH0935737A - 固体高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JPH0935737A
Application number: JP7181240A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kabasawa; 明裕樺澤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1995-07-18
Filing date: 1995-07-18
Publication date: 1997-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】単位燃料電池の積層方向における温度分布の均
一化が容易な固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【構成】固体高分子電解質型燃料電池（スタック）１
は、従来例が持つ集電板，電気絶縁板，加圧板に替え、
集電板５１，５１、加湿器２Ａ，２Ｂと加圧板５３，５
４を用いている。各集電板５１、加圧板５３，５４は、
単電池８の積層体に形成された入口側の通流路部９０
Ａ，出口側の通流路部９０Ｂに連通する貫通穴を備えて
いる。それぞれの加圧板５３，５４が備えるこれ等の貫
通穴に装着された配管接続体９９１からスタック１に熱
媒９９が供給される。加湿器２Ａは３個の単位加湿体６
を、また加湿器２Ｂは２個の単位加湿体６を積層して構
成され、加湿器２Ａが持つ溝６３１には酸化剤ガス９８
が、加湿器２Ｂが持つ溝６３１には燃料ガスが、両加湿
器２Ａ，２Ｂが持つ溝６４１には通流路部９０Ｂから流
出された熱媒９９が、それぞれ通流される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、固体高分子電解質型
燃料電池に係わり、単位燃料電池が持つ燃料電池セルの
温度の，単位燃料電池の積層方向における温度分布の均
一化が容易となるように改良されたその構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は水素と酸素とを利用して直流
電力を発生する一種の発電装置であり、すでによく知ら
れているとおり、他のエネルギー機関と比較して、電気
エネルギーへの変換効率が高く，しかも，炭酸ガスや窒
素酸化物等の大気汚染物質の排出量が少ないことから、
いわゆるクリーン・エネルギー源として期待されてい
る。この燃料電池としては、使用される電解質の種類に
より、固体高分子電解質型，りん酸型，溶融炭酸塩型，
固体酸化物型などの各種の燃料電池が知られている。

【０００３】これ等の燃料電池の内、固体高分子電解質
型燃料電池は、分子中にプロトン（水素イオン）交換基
を有する高分子樹脂膜を飽和に含水させると、低い電気
抵抗率を示してプロトン導電性電解質として機能するこ
とを利用した燃料電池である。分子中にプロトン交換基
を有する高分子樹脂膜（以降、固体高分子電解質膜また
は単にＰＥ膜と略称することがある。）としては、パ−
フルオロスルホン酸樹脂膜（例えば、米国のデュポン社
製、商品名ナフィオン膜）を代表とするフッ素系イオン
交換樹脂膜が現時点では著名であるが、この他に、炭化
水素系イオン交換樹脂膜、複合樹脂膜等が用いられてい
る。これ等の固体高分子電解質膜（ＰＥ膜）は、飽和に
含水されることにより、常温で２０〔Ω・ｃｍ〕以下の
電気抵抗率を示し、いずれも、プロトン導電性電解質と
して機能する膜である。

【０００４】まず、従来例の固体高分子電解質型燃料電
池が備える単位燃料電池を、図９を用いて説明する。こ
こで、図９は、従来例の固体高分子電解質型燃料電池が
備える単位燃料電池の要部を展開した状態で模式的に示
したその上部側から見た断面図である。図９において、
８は、燃料電池セル７と、その両主面のそれぞれに対向
させて配置されたセパレータ８１，８２などで構成され
た単位燃料電池（以降、単電池と略称することがあ
る。）である。燃料電池セル７は、シート状の固体高分
子電解質膜７Ｃと、シート状の燃料電極膜（アノード極
でもある。）７Ａと、シート状の酸化剤電極膜（カソー
ド極でもある。）７Ｂとで構成されている。この燃料電
池セル７は、燃料電極膜７Ａに後記する燃料ガス９７
の、また、酸化剤電極膜７Ｂに後記する酸化剤ガス９８
の供給をそれぞれ受けて、後記する電気化学反応によっ
て直流電力を発生する。固体高分子電解質膜７Ｃには、
前記のＰＥ膜が用いられている。このＰＥ膜７Ｃは、
０．１〔ｍｍ〕程度の厚さ寸法と、電極膜７Ａ，７Ｂの
面方向の外形寸法よりも大きい面方向の外形寸法とを持
つものであり、従って、電極膜７Ａ，７Ｂの周辺部に
は、ＰＥ膜７Ｃの端部との間にＰＥ膜７Ｃの露出面が存
在することになる。燃料電極膜７Ａの外側面が，燃料電
池セル７の一方の側面７ａであり、酸化剤電極膜７Ｂの
外側面が，燃料電池セル７の他方の側面７ｂである。

【０００５】燃料電極膜７Ａおよび酸化剤電極膜７Ｂは
共に、触媒活物質を含む触媒層と電極基材とを備えて構
成されており、前記の触媒層側でＰＥ膜７Ｃの両主面に
ホットプレスにより密着させるのが一般である。電極基
材は、触媒層を支持すると共に反応ガス（以降、燃料ガ
スと酸化剤ガスを総称してこのように言うことが有
る。）の供給および排出を行い、しかも、集電体として
の機能も有する多孔質のシート（使用材料としては、例
えば、カーボンペーパーが用いられる。）である。

【０００６】燃料電極膜７Ａ，酸化剤電極膜７Ｂに反応
ガスが供給されると、それぞれの電極膜７Ａ，７Ｂに備
えられた触媒層と、ＰＥ膜７Ｃとの界面に、気相（燃料
ガスまたは酸化剤ガス）・液相（固体高分子電解質）・
固相（燃料電極膜，酸化剤電極膜が持つ触媒）の三相界
面が形成され、電気化学反応を生じさせることで直流電
力を発生させている。なお、触媒層は多くの場合に、微
小な粒子状の白金触媒とはっ水性を有するフッ素樹脂と
から形成されており、しかも層内に多数の細孔が形成さ
れるようにすることで、反応ガスの三相界面までの効率
的な拡散を維持すると共に、十分広い面積の三相界面が
形成されるように構成されている。

【０００７】この三相界面では、次記する電気化学反応
が生じる。まず、燃料電極膜７Ａ側では（１）式による
電気化学反応が起こる。

【０００８】

【化１】

【０００９】また、酸化剤電極膜７Ｂ側では（２）式に
よる電気化学反応が起こる。

【００１０】

【化２】

【００１１】すなわち、これらの電気化学反応の結果、
燃料電極膜７Ａで生成されたＨ⁺イオン（プロトン）
は、ＰＥ膜７Ｃ中を酸化剤電極膜７Ｂに向かって移動
し、また、電子（ｅ^-）は、固体高分子電解質型燃料電
池の図示しない負荷を通って酸化剤電極膜７Ｂに移動す
る。一方、酸化剤電極膜７Ｂでは、酸化剤ガス９８中に
含有される酸素と、ＰＥ膜７Ｃ中を燃料電極膜７Ａから
移動してきたＨ⁺イオンと、図示しない負荷装置を通っ
て移動してきた電子とが反応し、Ｈ₂ Ｏ（水蒸気）が生
成される。かくして、固体高分子電解質型燃料電池は、
水素と酸素とを得て直流電力を発生し、そうして、副生
成物としてＨ₂ Ｏ（水蒸気）を生成している。

【００１２】前記の機能を備える燃料電池セル７の厚さ
寸法は、多くの場合に１〔ｍｍ〕前後程度あるいはそれ
以下であり、燃料電池セル７においてＰＥ膜７Ｃは、燃
料ガス９７と酸化剤ガス９８との混合を防止するため
の、シール用膜の役目も兼ねていることになる。また、
セパレータ８１とセパレータ８２とは、燃料電池セル７
への反応ガスの供給と、余剰となった反応ガスの燃料電
池セル７からの排出、燃料電池セル７で発生された直流
電力の燃料電池セル７からの取り出し、直流電力の発生
に関連して燃料電池セル７で発生する熱を燃料電池セル
７から除去する役目などを担うものである。セパレータ
８１は、その側面８１ａを燃料電池セル７の側面７ａに
密接させて、また、セパレータ８２は、その側面８２ａ
を燃料電池セル７の側面７ｂに密接させて、それぞれ燃
料電池セル７を挟むようにして配設されている。セパレ
ータ８１，８２は共に、ガスを透過せず，かつ、良好な
熱伝導性と良好な電気伝導性を備え、しかも、生成水を
汚損させることの無い材料（例えば、炭素系の材料，金
属材料が使用されている。）を用いて製作されている。

【００１３】セパレータ８１，８２には、燃料電池セル
７に反応ガスの供給，排出を行うための手段として、そ
れぞれガス通流用の溝が備えられている。すなわち、セ
パレータ８１は、燃料電池セル７の側面７ａに接する側
面８１ａ側に、燃料ガス９７を通流させると共に，未消
費の水素を含む余剰となった燃料ガス９７を排出するた
めの間隔を設けて設けられた凹状の溝（ガス通流用の
溝）８１１Ａと、この溝８１１Ａ間に介在する凸状の隔
壁８１２Ａとが、互いに交互に形成されている。セパレ
ータ８２は、燃料電池セル７の側面７ｂに接する側面８
２ａ側に、酸化剤ガス９８を通流させると共に，未消費
の酸素を含む余剰となった酸化剤ガス９８を排出するた
めの間隔を設けて設けられた凹状の溝（ガス通流用の
溝）８２１Ａと、この溝８２１Ａ間に介在する凸状の隔
壁８２２Ａとが、互いに交互に形成されている。なお、
凸状の隔壁８１２Ａ，８２２Ａの頂部は、それぞれ、セ
パレータ８１，８２のそれぞれの側面８１ａ，８２ａと
同一面になるように形成されている。

【００１４】セパレータ８１，８２には、燃料電池セル
７で発生した熱を燃料電池セル７から除去するための熱
交換体として、熱媒９９を通流させる溝が備えられてい
る。すなわち、セパレータ８２には、その側面８２ｂ側
に熱媒９９を通流させる凹状の溝（熱媒通流用の溝）８
２１Ｂが形成され、セパレータ８１にも、その側面８１
ｂ側に熱媒９９を通流させる凹状の溝（熱媒通流用の
溝）８１１Ｂが形成されている。

【００１５】さらに、７３は、前記したガス通流路中を
通流する反応ガスが、ガス通流路外に漏れ出るのを防止
する役目を負う弾性材製のガスシール体（例えば、Ｏリ
ングである。）である。ガスシール体７３は、それぞれ
のセパレータ８１，８２の周縁部に形成された凹形状の
溝８１９，８２９内に収納されて装着されている。ま
た、セパレータ８１の側面８１ｂ，セパレータ８２の側
面８２ｂには、溝８１１Ｂ，８２１Ｂを取り巻いて、凹
形状の溝８１８Ｂ，８２８Ｂがそれぞれ形成されてい
る。これ等の凹形状の溝は、熱媒９９が漏れ出るのを防
止するための、弾性材製のシール体（例えば、Ｏリング
である。）を収納するためのものである。

【００１６】ところで公知のごとく、１個の燃料電池セ
ル７が発生する電圧は、１〔Ｖ〕程度以下と低い値であ
る。このため、前記の構成を持つ単電池８は、その複数
個（数十個から数百個であることが多い。）を、燃料電
池セル７の発生電圧が互いに直列接続されるように積層
した単電池の積層体として構成し、電圧を高めて実用に
供されるのが一般である。次に、この単電池の積層体で
ある固体高分子電解質型燃料電池の従来例について説明
する。

【００１７】図１０は、従来の一例の固体高分子電解質
型燃料電池を模式的に示した要部の構成図で，（ａ）は
その側面図であり、（ｂ）はその上面図であり、図１１
は、図１０におけるＱ部の詳細断面図である。図１２
は、図１０，図１１に示した固体高分子電解質型燃料電
池における熱媒の通流経路を説明する説明図である。な
お、図１０，図１１中には、図９で付した符号について
は、代表的な符号のみを記した。なおまた、図１２中に
は、図９〜図１１で付した符号については、代表的な符
号のみを記した。

【００１８】図１０〜図１２において、９は、複数（図
１０では、単電池８の個数が８個である場合を例示し
た。）の単電池８を積層して構成された、単電池８の積
層体を主体とした固体高分子電解質型燃料電池（以降、
スタックと略称することがある。）である。スタック９
は、単電池８の積層体の両端部に、単電池８で発生した
直流電力をスタック９から取り出すための，銅材等の導
電材製の集電板９１，９１と、単電池８，集電板９１を
構造体から電気的に絶縁するための電気絶縁材製の電気
絶縁板９２，９２と、両電気絶縁板９２の両外側面側に
配設される鉄材等の金属製の加圧板９３，９４とを順次
積層して構成されている。そうして、加圧板９３，９４
にそれぞれの外側面側から複数の締付けボルト９５によ
り適度の加圧力を与えるようにしている。

【００１９】図１１において、８２５Ａは、溝８２１Ａ
に連通している酸化剤ガス９８が通流される通流路であ
り、溝８２７Ａは、通流路８２５Ａの側面８２ｂへの開
口部を取り巻いて、酸化剤ガス９８がこの部位からガス
通流路外に漏れ出るのを防止する役目を負う弾性材製の
ガスシール体（例えば、Ｏリングである。）９８２を収
納するための凹形状の溝である。集電板９１，電気絶縁
板９２，加圧板９３には、図１１中に示されているよう
に、通流路８２５Ａと合致される部位に、貫通穴９１
１，９２１，および管用めねじ付きの貫通穴９３１がそ
れぞれ形成されている。また、集電板９１，電気絶縁板
９２，加圧板９３にはその図示を省略したが、溝８１１
Ａに連通している通流路８２５Ａと同様の，燃料ガス９
７の通流路と合致される部位に、貫通穴９１１，９２１
と同様の貫通穴，および管用めねじ付きの貫通穴９３１
と同様の貫通穴９３２がそれぞれ形成されている。さら
に、加圧板９４にも、貫通穴９３１，９３２と同様の貫
通穴９４１，９４２がそれぞれ形成されており、加圧板
９４と隣接されている電気絶縁板９２，集電板９１に
も、貫通穴９４１，９４２と合致される部位に、貫通穴
９２１，９１１と同様の貫通穴がそれぞれ形成されてい
る。

【００２０】これ等により、複数の単電池８を積層する
際に、全部の単電池８がそれぞれに持つ溝８１１Ａは、
燃料ガス９７用のガス通流路に関して互いに連通される
ことになる。このことは、酸化剤ガス９８用の溝８２１
Ａに関しても同様である。そうして、加圧板９４のスタ
ック９の外側面となる側面の貫通穴９４１には、燃料ガ
ス９７が供給され、貫通穴９４２からは、余剰分の酸化
剤ガス９８が排出される。また、加圧板９３のスタック
９の外側面となる側面の貫通穴９３１には、酸化剤ガス
９８が供給され、貫通穴９３２からは、余剰分の燃料ガ
ス９７が排出される。そうして、集電板９１の一方の側
面の貫通穴９１１の開口部、および、電気絶縁板９２が
持つ貫通穴９２１の一方の側面側の開口部には、それぞ
れの貫通穴を取り巻いて、凹形状の溝９１２，９２２が
形成されている。そうして、それぞれの溝８２７Ａ，９
１２，９２２には、シール体９８２が装着されている
（図１１を参照）。

【００２１】また、スタック９においては、複数の単電
池８を積層する際に、全部の単電池８がそれぞれに持つ
溝８１１Ｂ，８２１Ｂは、熱媒９９の通流に関して互い
に並列となるようにして、その熱媒９９の流入部同志お
よび流出部同志が、互いに連通されて接続される。した
がって、全部の単電池８がそれぞれに持つ溝８１１Ｂ，
８２１Ｂの熱媒９９の流入部は、熱媒９９の通流路に関
して連続させて接続されて、熱媒９９の入口側の通流路
部９０Ａを形成している。また同様に、全部の溝８１１
Ｂ，８２１Ｂの熱媒９９の流出部は、熱媒９９の通流路
に関して連続させて接続されて、熱媒９９の出口側の通
流路部９０Ｂを形成している。加圧板９４と加圧板９４
に隣接している電気絶縁板９２，集電板９１とには、通
流路部９０Ａに連通している明示しない貫通穴が形成さ
れている。また、加圧板９３と加圧板９３に隣接してい
る電気絶縁板９２，集電板９１とには、通流路部９０Ｂ
に連通している明示しない貫通穴が形成されている。こ
れ等の貫通穴の内、加圧板９３，９４に形成された貫通
穴には、熱媒９９用の配管接続体９９１がそれぞれ装着
されている。

【００２２】そうして、配管接続体９９１を介してスタ
ック９に供給される熱媒９９は、図１２中に代表的な部
位について点線で示したように、まず、通流路部９０Ａ
にその加圧板９４側の端部から流入し、通流路部９０Ａ
から複数の単電池８に分流される。分流された熱媒９９
は、続いて各単電池８が持つ溝８１１Ｂ，８２１Ｂ内を
通流して単電池８との間で熱交換を行った上で、通流路
部９０Ｂにおいて順次合流し、その加圧板９３側の端部
から流出し、配管接続体９９１を介してスタック９の外
部に排出されることになる。

【００２３】なお、スタック９として示した事例の場合
には、各単電池８がそれぞれ２個持つ溝８１１Ｂ，８２
１Ｂ毎に、通流路部９０Ａおよび通流路部９０Ｂが形成
されるように構成している。このために、加圧板９３と
加圧板９４とには、それぞれ２個の配管接続体９９１が
装着されているのである。なお、それぞれ複数ある溝８
１１Ｂ，８２１Ｂに対して、入口側通流路部，出口側通
流路部を、スタック９の内部で各１個に集約させて形成
できることは勿論のことであって、この場合には、加圧
板９３，９４には、それぞれ１個の配管接続体９９１が
装着されればよいことになる。

【００２４】締付けボルト９５は、加圧板９３，９４に
跨がって装着される六角ボルト等であり、それぞれの締
付けボルト９５は、これ等と嵌め合わされる六角ナット
等と、安定した加圧力を与えるための皿ばね等と協同し
て、単電池８をその積層方向に加圧する。この締付けボ
ルト９５が単電池８を加圧する加圧力は、燃料電池セル
７の見掛けの表面積あたりで、５〔kg/cm²〕内外程度で
あるのが一般である。

【００２５】前述のように構成されたスタック９におい
て、燃料電池セル７に供給される反応ガスは、それぞれ
のセパレータ８１，８２に形成されたガス通流用の溝８
１１Ａ，８２１Ａ中を、図１０（ａ）中に矢印で示した
ごとく、その供給側を重力方向に関して上側に、その排
出側を重力方向に関して下側になるように配置されるの
が一般である。これは、燃料電池セル７においては、前
記したように、発電時の副生成物として水蒸気が生成さ
れるが、この水蒸気のために、下流側の反応ガスほど多
量に水蒸気が含有されることとなり、この結果、排出端
付近の反応ガスでは過飽和に相当する水蒸気が凝縮して
液体状態の水として存在することとなる可能性が有るた
めである。反応ガスの供給側を重力方向に関して上側
に，反応ガスの排出側を重力方向に関して下側になるよ
うに配置することで、凝縮した水は、反応ガス通流用の
溝８１１Ａ，８２１Ａ中を重力により自力で流下できる
ので、それぞれの単電池８からの凝縮した水の除去が容
易になるのである。

【００２６】そうして、燃料電池セル７に使用されてい
るＰＥ膜７Ｃは、前述したとおりに飽和に含水させるこ
とにより良好なプロトン導電性電解質として機能する膜
であり、乾燥して含水量が低下した場合には、その電気
抵抗値が増大することでスタック９の発電性能は低下す
る。こうしたことの発生を防止するために、反応ガス
は、適度の湿度値に加湿され、しかも７０〜８０〔℃〕
程度の温度に加熱されてスタック９に供給されている。

【００２７】ところで、ＰＥ膜７Ｃ部の温度，従って，
単電池８の温度は、発電時に燃料電池セル７で生成され
る水分を円滑に蒸発させるなどのために、７０〜８０
〔℃〕程度の温度で使用されるのが一般である。また、
燃料電池セル７で行われる前記の（１）式，（２）式で
記述した電気化学反応は、発熱反応である。従って、燃
料電池セル７で（１）式，（２）式による電気化学反応
によって発電を行う際には、発生される直流電力値とほ
ぼ同等値の熱が発生することも避けられないものであ
る。単電池８の温度を７０〜８０〔℃〕程度に維持する
ためには、この損失による熱を燃料電池セル７から除去
する必要が有る。

【００２８】始動時におけるまだ低温のスタック９を７
０〜８０〔℃〕程度の温度に加熱したり、また、運転時
温度を７０〜８０〔℃〕程度の温度に維持するために，
発電運転中のスタック９から発熱反応による発生した熱
量を除去するのが、例えば、市水である熱媒９９の主た
る役目である。単電池８では、この７０〜８０〔℃〕程
度の温度に調整された熱媒９９が、セパレータ８１，８
２に形成された溝８１１Ｂ，８２１Ｂ中を通流すること
で、燃料電池セル７は、その適温に維持されて運転され
るのである。この熱媒９９は、この事例の場合には、加
圧板９４に装着された配管接続体９９１からスタック９
に流入し、加圧板９３に装着された配管接続体９９１か
らスタック９の外部に流出されている。

【００２９】なおセパレータとして、一方の側面に燃料
ガス９７を通流させる溝８１１Ａを、また、他方の側面
に酸化剤ガス９８を通流させる溝８２１Ａを、それぞれ
形成するようにしたものも知られている。さらにまた、
単電池として、熱交換体としての熱媒９９を通流させる
溝が備えられていないセパレータを用い、その替わり
に、単電池の積層体中に、熱交換体としての専用の冷却
体を介挿するようにしたスタックも知られている。この
場合には、冷却体には適宜の配管を介して熱媒９９の供
給を行うことが一般である。

【００３０】次に、前記のスタック９を用いた燃料電池
発電装置について、スタック９に供給される反応ガスの
供給経路を主体に、図１３を用いて説明する。ここで図
１３は、従来例の固体高分子電解質型燃料電池を用いた
燃料電池発電装置の固体高分子電解質型燃料電池に対す
る反応ガスの供給経路を説明する説明図である。図１３
において、図１０〜図１２に示した従来例による固体高
分子電解質型燃料電池（スタック）と同一部分には同じ
符号を付し、その説明を省略する。なお、図１３中に
は、図１０〜図１２で付した符号については、代表的な
符号のみを記した。

【００３１】図１３において、７Ｄは、スタック９と、
燃料ガス９７用の加湿器７１，除滴器７２，凝縮器７３
と、酸化剤ガス９８用の加湿器７４，除滴器７５，凝縮
器７６とを備えた燃料電池発電装置である。加湿器７
１，７４は、それぞれの反応ガスの供給を受けてこれ等
の反応ガスを加湿する公知の装置であり、例えば、水を
貯留した容器を有しており、供給された反応ガスを管路
を介してこの水中に吐出させ、いわゆるバブリングを行
うことで加湿するのである。除滴器７２，７５は、加湿
器７１，７４で加湿されることなどでそれぞれの反応ガ
スに含まれた水蒸気が、凝縮されることで生成された水
滴を除去する公知の装置である。除滴器７２，７５は、
例えば、除去された水滴を貯留する容器と、容器の側壁
に装着され，それぞれの反応ガスが流入される流入管
と、容器の側壁に装着され，それぞれの反応ガスが流出
される流出管とを有している。この事例の除滴器７２，
７５の容器は、流出管を流入管よりも高い位置に装着し
ており、これによって流入管から容器に流入してきた反
応ガスをまず容器の側壁に衝突させ、衝突させることで
水滴を側壁に付着させて反応ガスから除去するようにし
ている。

【００３２】スタック９から排出された燃料ガス９７
ａ，酸化剤ガス９８ａ中には、前述したところにより、
電気化学反応により生成されるなどした水蒸気と、この
水蒸気が凝縮されることで生成された水とが含まれてい
る。凝縮器７３，７６は、反応ガス９７ａ，９８ａ中の
水蒸気を凝縮することでその量を低減することと、この
反応ガス中の水の除去とを行う公知の装置である。凝縮
器７３，７６は、例えば、前記の水を貯留する容器と、
この容器の側壁に、それぞれの反応ガス９７ａ，９８ａ
が流入される流入管と、それぞれの反応ガス９７ａ，９
８ａが流出される流出管と、水冷管とを有している。こ
の事例の場合には、まず、流入管内を通流してきて容器
内に吐出された反応ガス９７ａ，９８ａは、水冷管によ
って冷却される。この反応ガスに含まれる水蒸気は、反
応ガスの温度の低下度に応じた量が凝縮される。この凝
縮によって生成された水と、反応ガスにもともと含まれ
ていた水とは、反応ガスから除去されて容器内に貯留さ
れる。前記の除滴器７２，７５と凝縮器７３，７６とに
は、容器内に貯留された水を排出するための、ドレイン
弁を含む排水管路が備えられている。

【００３３】また、燃料電池発電装置７では、反応ガス
９７ａ，９８ａを含む反応ガスを通流させる配管として
は、例えば、ステンレス鋼材製の金属管が用いられるの
が一般である。そうして、この金属管を用いた燃料ガス
９７，酸化剤ガス９８を通流させる配管の外面には、燃
料ガス９７，酸化剤ガス９８の温度の低下を防止するた
め、図示しない断熱層の形成、または、この断熱層に加
えて、リボン状ヒータなどの図示しない電気発熱体の層
の形成が施されるのが一般である。これによって、燃料
ガス９７，酸化剤ガス９８の温度が低下されることで、
スタック９に供給される反応ガス内に水滴が含まれるこ
とがないように配慮されている。

【００３４】次に、異なる固体高分子電解質型燃料電池
の従来例について説明する。図１４は、異なる従来例の
固体高分子電解質型燃料電池を模式的に示した要部の構
成図で，（ａ）はその側面図であり、（ｂ）はその上面
図である。図１５は、図１４に示した固体高分子電解質
型燃料電池における熱媒の通流経路を説明する説明図で
あり、図１６は、図１４中に示した加湿器が有する単位
加湿体の要部を展開した状態で模式的に示した縦断面図
である。図１４〜図１６において、図９〜図１２に示し
た従来例による固体高分子電解質型燃料電池と同一部分
には同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、図１
４中には、図９〜図１２で付した符号については、代表
的な符号のみを記した。なおまた、図１５中には、図９
〜図１２，図１４で付した符号については、代表的な符
号のみを記した。

【００３５】図１４〜図１６において、９Ａは、図１０
〜図１２に示した従来例によるスタック９に対して、加
圧板９３側の電気絶縁板９２の使用を止め、その部位に
加湿器６Ａを追加して備えるようにした固体高分子電解
質型燃料電池（スタック）である。加湿器６Ａは、複数
個（図１４では、単位加湿体６の個数が５個である場合
を例示した。）の単位加湿体６を積層して構成されてお
り、加圧板９３と集電板９１との間に図示のように介挿
されて、スタック９Ａに組み込まれている。

【００３６】ただし、スタック９Ａが持つ加圧板９３，
９４においては、図１４中に示したごとくに、形成され
ている前記の管用めねじ付きの貫通穴９３１，貫通穴９
３２，貫通穴９４１，および貫通穴９４２の位置と，こ
れ等に通流される反応ガスとが、図１０〜図１２に示し
たスタック９の場合と一部異なっている。すなわち、ス
タック９Ａの場合には、加圧板９３では、貫通穴９３１
は、上下方向の位置をスタック９の場合における位置に
対して対称となる位置に、かつ、貫通穴９３２は、水平
方向の位置をスタック９の場合における位置に対して対
称となる位置に、それぞれ形成されている。また、加圧
板９４では、貫通穴９４１は、上下方向の位置をスタッ
ク９の場合における位置に対して対称となる位置に、か
つ、貫通穴９４２は、水平方向の位置をスタック９の場
合における位置に対して対称となる位置に、それぞれ形
成されている。そうして、燃料ガス９７は、貫通穴９３
２から流入し、貫通穴９４１から流出するようにしてい
る。

【００３７】加湿器６Ａが備えるそれぞれの単位加湿体
６は、シート状の水透過膜６１と、水透過膜６１を両面
から挟持する支持板６２，６２と、支持板６２，６２の
外側面側のそれぞれに配置されるセパレータ６３，６４
と、ガスシール体６５，６５とを備えている。水透過膜
６１には、固体高分子電解質膜７Ｃにも用いられてい
る，分子中にプロトン交換基を有する高分子樹脂膜（固
体高分子電解質膜）が使用されている。固体高分子電解
質膜には、プロトン導電性電解質として機能する前記し
た性質と共に、水を膜を通して移動できる性質も有して
いる。単位加湿体６は、固体高分子電解質膜が持つこの
性質を利用するものである。

【００３８】支持板６２には、反応ガスおよび水が容易
に通過できるように多孔質のシート材が用いられてお
り、このシート材には、例えば、電極膜７Ａ，７Ｂの電
極基材としても用いられているカーボンペーパーが用い
られている。そうして、それぞれの支持板６２は、水透
過膜６１の面方向の外形寸法よりも小さい面方向の外形
寸法を持つものであり、両支持板６２の周辺部には、水
透過膜６１の端部との間に水透過膜６１の露出面が存在
することになる。この部位の構成は、燃料電池セル７に
おける、ＰＥ膜７Ｃに対する、燃料電極膜７Ａ，酸化剤
電極膜７Ｂが持つ構成と同等である。

【００３９】セパレータ６３，６４には、適宜の電気絶
縁材，金属材などを用いることが可能であるが、この事
例では、耐熱性の硬質塩化ビニル樹脂材が用いられてい
る。セパレータ６３，６４が電気絶縁材である硬質塩化
ビニル樹脂材製であることにより、単位加湿体６が装着
されている部位では、電気絶縁板９２を不要とすること
ができるのである。セパレータ６３の支持板６２と対向
する側面には、燃料ガス９７または酸化剤ガス９８を通
流させる凹形状の溝６３１が形成されており、セパレー
タ６４の支持板６２と対向する側面には、熱媒９９また
は水を通流させる凹形状の溝６４１が形成されている。
セパレータ６３，６４の周縁部には、溝６３１，６４１
をを取り巻いて、凹形状の溝６３２，６４２が形成され
ている。溝６３２，６４２には、溝６３１，６４１中を
通流する反応ガスや熱媒９９などが、その通流路の外に
漏れ出るのを防止する役目を負う弾性材製のガスシール
体（例えば、Ｏリングである。）６５が装着される。

【００４０】セパレータ６３では、溝６３１のそれぞれ
の両端部は、反応ガスの通流路に関して並列に接続され
たうえで、反応ガスの入口部，出口部となる図示しない
貫通穴が形成されている。セパレータ６３には、前記の
両貫通穴とは対称となる部位に、溝６３１には連通して
いない図示しない貫通穴が形成されている。さらに、セ
パレータ６３には、セパレータ６４に形成された後記す
る溝６４１と連通している貫通穴と対向する部位に、図
示しない貫通穴が形成されている。また、セパレータ６
４では、溝６４１のそれぞれの両端部は、熱媒９９など
の通流路に関して適宜に並列に接続されるなどされたう
えで、熱媒９９などの入口部，出口部となる図示しない
貫通穴が形成されている。また、セパレータ６４には、
セパレータ６３に形成された溝６３１と連通している前
記の貫通穴、および、溝６３１とは連通していない前記
の貫通穴のそれぞれと対向する部位に、図示しない貫通
穴がそれぞれ形成されている。

【００４１】そうして、この事例の場合には、単位加湿
体６の外形寸法は、燃料電池セル７の外形寸法と同一に
設定されている。また、単位加湿体６に形成された前記
の貫通穴は、加圧板９３，９４に形成された前記の貫通
穴９３１，９３２，９４１，９４２および配管接続体９
９１装着用の図示しない貫通穴のそれぞれと合致する位
置に形成されている。

【００４２】前記の構成を持つ単位加湿体６は、セパレ
ータ６３，６４に形成されている前記の貫通穴を適宜に
合致させて、スタック９Ａに組み込まれている。５個備
えられた単位加湿体６の内の２個については、溝６３１
と連通している貫通穴の内の一方の貫通穴は、加圧板９
３に形成された貫通穴９３２に連通されるように組み込
まれる。また、残りの３個の単位加湿体６については、
溝６３１と連通している貫通穴の内の一方の貫通穴は、
加圧板９３に形成された貫通穴９３１に連通されるよう
に組み込まれる。

【００４３】そうして、各単位加湿体６が持つセパレー
タ６４の溝６４１には、単電池８の積層体中を通流した
熱媒９９が通流する。ここでスタック９Ａに供給された
熱媒９９のスタック９Ａ内の通流経路の概要を、図１５
を用いて説明する。スタック９Ａに供給された熱媒９９
は、図１５中に代表的な部位について点線で示したよう
に、まず、通流路部９０Ａに加圧板９４側の端部から流
入し、複数の単電池８との間で熱交換を行った上で通流
路部９０Ｂの加圧板９３側の端部から流出し、続いて加
湿器６が持つ溝６４１に通流されるのである。そうし
て、単位加湿体６が持つセパレータ６３の溝６３１に
は、２個の単位加湿体６に関しては燃料ガス９７が、３
個の単位加湿体６に関しては酸化剤ガス９８が通流して
いる。溝６３１に通流しているこれ等の反応ガスは、水
透過膜６１を介して移動してくる熱媒９９（例えば市水
である。）によって加湿されるのである。

【００４４】スタック９Ａは、前述の構成を備えてお
り、反応ガスの加湿に供される加湿器６Ａがスタック９
Ａに内蔵されているので、前述のスタック９を用いた燃
料電池発電装置７Ｄでは必要であった，加湿器とスタッ
クとの間を接続するための配管が不要になる。これと共
に、加湿器によって加湿された反応ガスに含まれている
水蒸気が、反応ガスがスタックに流入される前に凝縮さ
れるということも発生しない。このために、スタック９
Ａを用いる燃料電池発電装置では、スタック９を用いて
いる燃料電池発電装置７Ｄにおいて必要としていた除滴
器７２，７５が不要になるなど、反応ガスのスタック９
Ａに対する供給系統の構成を、燃料電池発電装置７Ｄの
場合よりも簡単化することができるという特長を持つの
である。

【００４５】なお、単電池の積層体中に専用の冷却体を
介挿するようにしたスタック内に加湿器６Ａを備える場
合には、専用の冷却体中を通流することで昇温された熱
媒９９を、加湿器６Ａに供給するようにしている。

【００４６】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
る固体高分子電解質型燃料電池（スタック）において
は、例えば、前述のスタック９では、燃料電池セル７等
がセパレータ等を介して熱媒９９により冷却され、スタ
ックの運転にとって適温に保持されることで、直流発電
の機能を十分に発揮し、また、前述のスタック９Ａで
は、スタック９の前記の動作に加えて、反応ガスの供給
系統の構成を簡単化することができている。しかしなが
ら、なお次記する問題が残存している。すなわち、
（１）従来技術によるスタック９，９Ａにおいては、そ
れぞれの単電池８が持つ燃料電池セル７の温度の、単電
池８の積層方向の分布が、積層方向の中央部で高く、か
つ、積層方向の両端部で低いという事実が有る。単電池
積層方向における温度分布が一様ではないことで高い温
度となった燃料電池セル７では、燃料電池セル７に使用
されているＰＥ膜７Ｃは水の蒸発が促進されるために乾
燥する。他方、単電池積層方向における温度分布が一様
ではないことで低い温度となった燃料電池セル７におい
ては、燃料電極７Ａ，酸化剤電極７Ｂからの水の蒸発量
が低減されることで、その表面に水分が凝結する度合い
が高くなる。

【００４７】乾燥したＰＥ膜７Ｃは、前述したＰＥ膜が
持つ特有の性質によりその電気抵抗率値が増大する。Ｐ
Ｅ膜の電気抵抗率値が増大すると、その結果、ＰＥ膜の
電気抵抗値が増大するので、燃料電池セル７におけるジ
ュール損失が増大し、その発電効率は低下することにな
る。また、表面が水で覆われた燃料電極７Ａ，酸化剤電
極７Ｂでは、この水が電極７Ａ，７Ｂ中に含浸されて反
応ガスの電極７Ａ，７Ｂ中における拡散を阻害すること
で、その発電性能が低下することになるのである。

【００４８】これ等のスタックの性能の低下をもたらす
単電池の積層方向における温度分布の不均一性の原因
は、第１には、スタック９，９Ａ等における単電池の積
層方向の両端部には、熱の良導体である金属製の集電板
９１，加圧板９３，９４が装着されていることにある。
これ等の熱良導体の存在は、この部位からの熱放散量を
増大させることになるので、スタック９，９Ａの両端部
の燃料電池セル７の温度が低下するのである。また、原
因の第２は、加圧板９４と加圧板９４に隣接する集電板
９１を貫通して通流する熱媒９９の温度と、加圧板９３
と加圧板９３に隣接する集電板９１を貫通して通流する
熱媒９９の温度とが異なることにある。すなわち、加圧
板９４等を貫通して通流する熱媒９９は、単電池８の積
層体から熱を除去する前の、まだ昇温していない熱媒９
９であるので、加圧板９４等の温度は、加圧板９３等の
温度よりも低温となるのである。また、（２）従来技術
によるスタック９Ａにおいては、加圧板９３側に加湿器
６Ａが装着されており、スタック９Ａの発電運転中に
は、この加湿器６Ａが備える単位加湿体６には、単電池
８の積層体中を通流して昇温した熱媒９９が通流する。
このために、前記の積層体の加圧板９３側の端部は、そ
の熱伝導条件に関しては、加湿器６Ａによって外部から
ほぼ遮断されることとなり、その温度値は、単電池８の
積層方向の中央部の温度値に対してほとんど低下されな
いことになるのである。このことは、加圧板９３側の積
層体の端部の温度と、加圧板９４側の積層体の端部の温
度との差異が、前記（１）項による原因による場合より
も増大することであり、この結果、後記する図４中に点
線で例示したような温度分布になってしまうのである。
このような温度分布のために、前記（１）項で述べたと
同様に、スタック９Ａの発電性能が低下することになる
のである。

【００４９】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、単位燃料電池の積
層方向における温度分布の均一化が容易な、固体高分子
電解質型燃料電池を提供することにある。

【００５０】

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、１）複数個の単位燃料電池と，単位燃料電池で発生した
熱を除去する熱媒が通流される熱交換体の複数個とが積
層された積層体と、この積層体の両端末部に配置され，
それぞれの単位燃料電池をその積層方向に加圧する加圧
力を与える加圧板とを備え、単位燃料電池は、シート状
の固体高分子電解質材の電解質膜と，その両主面のそれ
ぞれに接合された燃料電極膜および酸化剤電極膜とを持
ち，燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて直流電力
を発生する燃料電池セルと、燃料電池セルの両主面のそ
れぞれに対向させて配置されて，燃料電池セルと対向さ
れる側の面に燃料電池セルに供給される燃料ガスまたは
酸化剤ガスを通流させるための溝が形成されているセパ
レータとを有し、熱交換体は、熱媒が通流される通流路
と、この通流路に関する熱媒の入口部・出口部とを有す
る、固体高分子電解質型燃料電池において、複数個備え
られた熱交換体が有する入口部・出口部は、それぞれの
熱交換体が有する前記の通流路が熱媒の通流に関して並
列となるように互いに連通させて接続されて，それぞれ
入口側の通流路部と出口側の通流路部とを形成してな
り、熱媒は、前記の入口側の通流路部の両端部のそれぞ
れから流入され、また、前記の出口側の通流路部の両端
部のそれぞれから流出されてなる構成とすること、また
は、２）複数個の単位燃料電池と，単位燃料電池で発生した
熱を除去する熱媒が通流される熱交換体の複数個とが積
層された積層体と、この積層体の両端末部に配置され，
それぞれの単位燃料電池をその積層方向に加圧する加圧
力を与える加圧板とを備え、単位燃料電池は、シート状
の固体高分子電解質材の電解質膜と，その両主面のそれ
ぞれに接合された燃料電極膜および酸化剤電極膜とを持
ち，燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて直流電力
を発生する燃料電池セルと、燃料電池セルの両主面のそ
れぞれに対向させて配置されて，燃料電池セルと対向さ
れる側の面に燃料電池セルに供給される燃料ガスまたは
酸化剤ガスを通流させるための溝が形成されているセパ
レータとを有し、熱交換体は、熱媒が通流される通流路
と、通流路に関する熱媒の入口部・出口部とを有する、
固体高分子電解質型燃料電池において、積層体と加圧板
との間のそれぞれに介挿され，加熱された水を用いて燃
料ガス，酸化剤ガスを加湿する加湿器を備える構成とす
ること、または、３）前記２項に記載の手段において、複数個備えられた
熱交換体が有する入口部・出口部は、それぞれの熱交換
体が有する前記の通流路が熱媒の通流に関して並列とな
るように互いに連通させて接続されて，それぞれ入口側
の通流路部と出口側の通流路部とを形成してなり、熱媒
は前記の入口側の通流路部の両端部のそれぞれから流入
され、また、前記の出口側の通流路部の両端部のそれぞ
れから流出されてなり、それぞれの加湿器に供給される
加熱された水には、前記の出口側の通流路部の両端部か
ら流出された熱媒がそれぞれに用いられてなる構成とす
ること、さらにまたは、４）前記２項に記載の手段において、それぞれの加湿器
に供給される加熱された水は、固体高分子電解質型燃料
電池の外部から供給される、加熱された加湿用の水であ
る構成とすること、により達成される。

【００５１】

【作用】この発明においては、固体高分子電解質型燃料
電池において、（１）複数個備えられた熱交換体が有する入口部・出口
部は、それぞれの熱交換体が有する前記の通流路が熱媒
の通流に関して並列となるように互いに連通させて接続
されて，それぞれ入口側の通流路部と出口側の通流路部
とを形成してなり、熱媒を、前記の入口側の通流路部の
両端部のそれぞれから流入し、また、前記の出口側の通
流路部の両端部のそれぞれから流出してなる構成とする
ことにより、単電池の積層体の両端部に配置される加圧
板等を貫通して通流する熱媒の温度条件は、それぞれの
端部で同等になし得ることになる。これによって、熱媒
は、単電池の積層体の端部を、同等条件で加熱すること
が可能となる。

【００５２】（２）積層体と加圧板との間のそれぞれに
介挿され，加熱された水を用いて燃料ガス，酸化剤ガス
を加湿する加湿器を備え、複数個備えられた熱交換体が
有する入口部・出口部は、それぞれの熱交換体が有する
前記の通流路が熱媒の通流に関して並列となるように互
いに連通させて接続されて，それぞれ入口側の通流路部
と出口側の通流路部とを形成してなり、熱媒は、前記の
入口側の通流路部の両端部のそれぞれから流入され、ま
た、前記の出口側の通流路部の両端部のそれぞれから流
出されてなり、それぞれの前記の加湿器に供給される加
熱された水には、例えば、前記の出口側の通流路部の両
端部から流出された熱媒がそれぞれに用いられてなる構
成とすることにより、単電池の積層体の両端部のそれぞ
れに介挿された加湿器には、単電池の積層体中を通流す
ることで昇温した熱媒が、同等の条件で供給されること
になる。これにより、それぞれの加湿器の温度は同等値
になる。このことによって、単電池の積層体の両端部は
共に、その熱伝導条件に関してはそれぞれの加湿器によ
って、外部からほぼ遮断されることとなる。

【００５３】（３）前記の（２）項において、それぞれ
の前記の加湿器に供給される加熱された水は、固体高分
子電解質型燃料電池の外部から供給される、加熱された
加湿用の水である構成とすることにより、それぞれの加
湿器の温度は加湿用の水の温度とほほ同等値になる。こ
のことによって、単電池の積層体の両端部は共に、その
熱伝導条件に関してはそれぞれの加湿器によって、外部
からほぼ遮断されることとなる。また、これと共に、加
湿用の水の温度値を制御することで、反応ガスの加湿度
を人為的に最適値に設定することが可能となる。

【００５４】

【実施例】以下この発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。実施例１；図５は、請求項１に対応するこの発明の一実
施例による固体高分子電解質型燃料電池を模式的に示し
た要部の構成図で，（ａ）はその側面図であり、（ｂ）
はその上面図である。図６は、図５に示した固体高分子
電解質型燃料電池における熱媒の通流経路を説明する説
明図である。図５，図６において、図９〜図１２に示し
た従来例による固体高分子電解質型燃料電池と同一部分
には同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、図５
中には、図９〜図１２で付した符号については、代表的
な符号のみを記した。なおまた、図６中には、図５，図
９〜図１２で付した符号については、代表的な符号のみ
を記した。

【００５５】図５，図６において、５は、図９〜図１２
に示した従来例による固体高分子電解質型燃料電池９に
対して、各集電板９１、各電気絶縁板９２および加圧板
９３，９４に替えて、それぞれ、集電板５１，５１、電
気絶縁板５２，５２および加圧板５３，５４を用いるよ
うにした固体高分子電解質型燃料電池（スタック）であ
る。各集電板５１、各電気絶縁板５２および加圧板５
３，５４のそれぞれには、単電池８の積層体に形成され
ている入口側の通流路部９０Ａに連通する明示しない貫
通穴と、単電池８の積層体に形成されている出口側の通
流路部９０Ｂに連通する明示しない貫通穴とが、それぞ
れに形成されている。すなわち、加圧板５３，５４につ
いて説明すれば、反応ガス用の貫通穴９３１，９３２，
９４１および９４２は、前述の従来例によるスタック９
が持つ加圧板９３，９４に形成された反応ガス用の貫通
穴９３１，９３２，９４１および９４２と同等の位置に
形成されている。ただし、加圧板５３，５４に形成され
る熱媒９９用の貫通穴の個数は、この事例の場合には、
スタック９が持つ加圧板９３，９４の場合の２倍にな
る。加圧板５３，５４に形成されたこれ等の熱媒９９用
の貫通穴には、熱媒９９用の配管接続体９９１がそれぞ
れ装着されている。これ等の配管接続体９９１の内の通
流路部９０Ａに連通されたそれぞれの配管接続体９９１
から、スタック５に熱媒９９が流入され、この熱媒９９
は、加圧板５３，５４に装着され，しかも，通流路部９
０Ｂに連通されたそれぞれの配管接続体９９１から、ス
タック５の外部に流出されることになる。

【００５６】図５，図６に示す実施例では前述の構成と
したので、スタック５の内部を通流する熱媒９９は、図
６中に代表的な部位について点線で示したように、ま
ず、通流路部９０Ａにその両端部のそれぞれから流入
し、複数の単電池８がそれぞれに持つ溝８１１Ｂ，８２
１Ｂに分流される。各単電池８との間で熱交換を行った
上で、溝８１１Ｂ，８２１Ｂから排出された熱媒９９
は、通流路部９０Ｂの両端部のそれぞれから流出する。
熱媒９９はスタック５内を前記のごとくに通流されるの
で、加圧板５３，５４等を貫通して通流する熱媒９９の
温度条件は、スタック５のそれぞれの端部で同等になし
得ることになる。これによって、熱媒９９は、スタック
５の端部である、各集電板５１、各電気絶縁板５２およ
び加圧板５３，５４を、ほぼ均等に加熱することができ
ることになるのである。この結果、それぞれの単電池８
が持つ燃料電池セル７の温度の、単電池８の積層方向の
分布の均一化を図ることができるのである。

【００５７】また、スタック５が持つ前述の構成では、
通流路部９０Ａ，通流路部９０Ｂに対する、熱媒９９の
流入部，流出部における熱媒９９の流量，したがって，
その流速は、従来例のスタック９，９Ａの場合に対する
１／２になることによって、通流路部９０Ａ内および通
流路部９０Ｂ内を通流する熱媒９９の圧力降下値が低減
され、両通流路部９０Ａ，９０Ｂ内の熱媒９９の圧力値
を、それそれの通流路部内でほぼ同一値になし得る。こ
れにより、熱媒９９は、各単電池８がそれぞれに持つ溝
８１１Ｂ，８２１Ｂ中をほぼ均等に通流することができ
ることとなり、各単電池８との間で行う熱交換をほぼ同
一条件とすることができる。また、この構成では、通流
路部９０Ａ，９０Ｂ内の熱媒９９の流速値を従来例のス
タック９，９Ａの場合と同等値に設定すれば、通流路部
９０Ａ，９０Ｂの通流面積値を、従来例のスタック９，
９Ａの場合に対する１／２にすることができ、各単電池
８の面積，したがって，スタック５の外形を小形化する
ことができることとなる。

【００５８】実施例２；図１は、請求項２，３に対応す
るこの発明の一実施例による固体高分子電解質型燃料電
池を模式的に示した要部の側面図であり、図２は、図１
に示した固体高分子電解質型燃料電池を模式的に示した
要部の上面図である。図３は、図１，図２に示した固体
高分子電解質型燃料電池における熱媒の通流経路を説明
する説明図である。図１〜図３において、図５，図６に
示した請求項１に対応するこの発明の一実施例による固
体高分子電解質型燃料電池、および、図９〜図１２，図
１４〜図１６に示した従来例による固体高分子電解質型
燃料電池と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省
略する。なお、図１，図２中には、図５，図９〜図１
２，図１４〜図１６で付した符号については、代表的な
符号のみを記した。なおまた、図３中には、図１，図
２，図５，図９〜図１２，図１４〜図１６で付した符号
については、代表的な符号のみを記した。

【００５９】図１〜図３において、１は、図５，図６に
示したこの発明による固体高分子電解質型燃料電池５に
対して、各電気絶縁板５２の使用を止め、その部位に加
湿器２Ａと加湿器２Ｂとを追加して備えるようにした固
体高分子電解質型燃料電池（スタック）である。ただ
し、スタック１が持つ加圧板５３，５４においては、図
１中に示したごとくに、形成されている前記の管用めね
じ付きの貫通穴９３１，貫通穴９３２，貫通穴９４１，
および貫通穴９４２の位置と，これ等に通流される反応
ガスとが、図５，図６に示したスタック５の場合と一部
異なっている。すなわち、スタック１が備える加圧板５
３，５４の場合には、貫通穴９３１，９３２，９４１お
よび９４２が形成される位置は、前述の従来例によるス
タック９Ａが持つ加圧板９３，９４に形成された反応ガ
ス用の貫通穴９３１，９３２，９４１および９４２と同
等の位置に形成されている。

【００６０】スタック１が備えるそれぞれの加湿器２
Ａ，２Ｂは、複数個（図１〜図３中では、加湿器２Ａは
単位加湿体６の個数が３個であり、加湿器２Ｂは、単位
加湿体６の個数が２個である場合を例示した。）の単位
加湿体６を積層して構成されている。これ等の内、加湿
器２Ａは、加圧板５３と集電板５１との間に、加湿器２
Ｂは、加圧板５４と集電板５１との間に、図示のように
介挿されて、スタック１に組み込まれている。その際、
加湿器２Ａの溝６３１と連通している貫通穴の内の一方
の貫通穴は、加圧板５３に形成された貫通穴９３１に連
通されるように組み込まれ、加湿器２Ｂの溝６３１と連
通している貫通穴の内の一方の貫通穴は、加圧板５４に
形成された貫通穴９４１に連通されるように組み込まれ
る。また、両加湿器２Ａ，２Ｂが備える単位加湿体６が
持つセパレータ６４の溝６４１には、単電池８の積層体
中を通流し通流路部９０Ｂの両端部のそれぞれから流出
した熱媒９９が、それぞれに通流されるように組み込ま
れる。

【００６１】図１〜図３に示す実施例では前述の構成と
したので、スタック１に供給される燃料ガス９７と酸化
剤ガス９８とは、それぞれ加湿器２Ｂ，加湿器２Ａ内を
通流したうえで、単電池８内に流入することとなる。ま
た、スタック１に供給される熱媒９９は、図３中に代表
的な部位について点線で示したように、まず、通流路部
９０Ａにその両端部から流入し、複数の単電池８との間
で熱交換を行った上で、通流路部９０Ｂの両端部から流
出し、加湿器２Ａと加湿器２Ｂとに供給される。熱媒９
９は、スタック１内を前記のごとくに通流されるので、
加湿器２Ａと加湿器２Ｂとのそれぞれに通流する熱媒９
９の温度条件はほぼ同等であり、両加湿器２Ａ，２Ｂを
ほぼ同一の温度に、しかも、スタック１が備えた単電池
８の温度とほぼ同等の温度に加熱することができるので
ある。

【００６２】このことによって、スタック１が備える単
電池８の積層体の両端部は、その熱伝導条件に関しては
それぞれの加湿器２Ａ，２Ｂによって、外部からほぼ遮
断されることとなり、この結果、それぞれの単電池８が
持つ燃料電池セル７の温度の単電池８の積層方向の分布
を、図４に例示したように均一化を図ることができるの
である。ここで図４は、実施例２によるこの発明になる
固体高分子電解質型燃料電池の単位燃料電池積層方向に
おける、各単位燃料電池が持つ燃料電池セルの面積方向
における中心部の温度分布の測定例を、従来例の場合と
比較して示すグラフである。図４において、実線は、ス
タック１の場合を示し、点線は、従来例のスタック９Ａ
の場合を示している。図４によれば、スタックの中央部
と端部との間の温度差値は、スタック９Ａの場合には５
〔℃〕程度であるが、スタック１の場合には０．５
〔℃〕程度以下に改善されている。前記のことから、ス
タック１では、それぞれの単電池８が持つ燃料電池セル
７の温度の単電池８の積層方向の分布を、均一化できて
いることが明らかである。

【００６３】なお、スタック１の場合でも、スタック５
の場合と同様に、熱媒９９は、通流路部９０Ａおよび通
流路部９０Ｂそれぞれの両端部から流入・流出するの
で、その外形を小形化することが可能である。実施例２
における今までの説明では、スタック１が備える単電池
８は、熱媒９９を通流させる溝８１１Ｂ，８２１Ｂが備
えられているセパレータ８１，８２を有しているとして
きたが、これに限定されるものではなく、例えば、燃料
電池セル７の冷却用として、熱媒９９を通流させる専用
の冷却体を用いるようにしてもよく、この場合には、専
用の冷却体中を通流することで昇温された熱媒９９を、
加湿器２Ａ，２Ｂに供給するようにすればよい。

【００６４】実施例３；図７は、請求項２，４に対応す
るこの発明の一実施例による固体高分子電解質型燃料電
池を模式的に示した要部の構成図で，（ａ）はその側面
図であり、（ｂ）はその上面図である。図８は、図７に
示した固体高分子電解質型燃料電池における熱媒の通流
経路を説明する説明図である。図７，図８において、図
５，図６に示した請求項１に対応するこの発明の一実施
例による固体高分子電解質型燃料電池、図１〜図３に示
した請求項２，３に対応するこの発明の一実施例による
固体高分子電解質型燃料電池、および、図９〜図１２，
図１４〜図１６に示した従来例による固体高分子電解質
型燃料電池と同一部分には同じ符号を付し、その説明を
省略する。なお、図７中には、図１，図２，図５，図９
〜図１２，図１４〜図１６で付した符号については、代
表的な符号のみを記した。なおまた、図８中には、図
１，図２，図５，図７，図９〜図１２，図１４〜図１６
で付した符号については、代表的な符号のみを記した。

【００６５】図７，図８において、３は、図１〜図３に
示したこの発明による固体高分子電解質型燃料電池１に
対して、加圧板５３，５４に替えて加圧板３３，３４を
用いるようにした固体高分子電解質型燃料電池（スタッ
ク）である。加圧板３３，３４には、前述のスタック１
が備た加圧板５３，５４に形成されている諸貫通穴（燃
料ガス９７，酸化剤ガス９８，熱媒９９用の貫通穴であ
る。）に加えて、加湿水４用の図示しない貫通穴がそれ
ぞれ形成されている。この貫通穴は、加湿水４用の流入
用と流出用の少なくとも１対分が形成されており、この
貫通穴には、加湿水４用の配管接続体４１がそれぞれ装
着される。

【００６６】そうして、加湿器２Ａ，２Ｂは、それぞれ
の加湿器２Ａ，２Ｂが備える単位加湿体６が持つセパレ
ータ６４の溝６４１には、スタック３の外部から供給さ
れた加湿水４がそれぞれに通流されるようにしてスタッ
ク３に組み込まれている。また、単電池８の積層体中を
通流し通流路部９０Ｂの両端部のそれぞれから流出した
熱媒９９は、加湿器２Ａ，２Ｂが持つセパレータ６４の
溝６４１内を通流することなく、配管接続体９９１から
スタック３の外部に排出される。ここで加湿水４は、例
えば市水であり、その温度を、通流路部９０Ｂから流出
する熱媒９９が持つ温度と同程度レベルの温度範囲で、
しかも、反応ガスに含ませるべき水蒸気量に対応させた
温度値に設定されてスタック３に供給される。加湿器２
Ａ，２Ｂ中を通流する反応ガスは、加湿水４の温度の影
響を受けてその温度値が変化し、そのことによって反応
ガスの飽和水蒸気量値が変化する。そうして、反応ガス
は、このように変化した飽和水蒸気量値に対応させて、
水透過膜６１を介して移動してくる加湿水４によって加
湿されることになり、反応ガスに含有される水蒸気量値
が調整されるのである。

【００６７】図７，図８に示す実施例では前述の構成と
したので、スタック３に供給される燃料ガス９７と酸化
剤ガス９８とは、それぞれ加湿器２Ｂ，加湿器２Ａ内を
通流したうえで、加湿水４によって加湿されて単電池８
内に流入することとなる。その際に、この実施例３によ
る特徴的な構成として加湿水４の温度が可変であるの
で、反応ガスは、加湿水４の温度値を調整することで、
スタック３の運転にとって最適な加湿度とされる。この
加湿水４は、図８中に代表的な部位について点線で示し
たように、加湿水４の流入用の配管接続体４１から、そ
れぞれの加湿器２Ｂ，加湿器２Ａに流入し、セパレータ
６４の溝６４１内を通流する。そうして、セパレータ６
３の溝６３１内を通流している反応ガスを加湿後、加湿
水４の流出用の配管接続体４１から、スタック３の外部
に排出される。また、熱媒９９は、複数の単電池８との
間で熱交換を行った後、通流路部９０Ｂの両端部から流
出し、そのまま配管接続体９９１からスタック３の外部
に排出される。

【００６８】これにより、加湿器２Ａと加湿器２Ｂと
は、それぞれに通流する加湿水４の温度値に従う同等値
の温度に加熱されることとなる。この温度値は、燃料電
池セル７の温度とさして変わらない値であるので、単電
池８の積層体の両端部は共に、その熱伝導条件に関して
はそれぞれの加湿器２Ａ，２Ｂによって、外部からほぼ
遮断されることとなる。そうして、スタック３では、加
湿水４の温度値を適宜に制御することによって、反応ガ
スの加湿度を人為的に最適値に設定することができるの
である。この結果、この実施例３では、燃料電池セル７
の温度の単電池８の積層方向の分布の均一化に関して、
実施例２の場合とほぼ同等の作用・効果を得ながら、燃
料電池セル７の加湿状態を最適化することによって、ス
タック３の発電特性の一層の向上を図ることができるの
である。

【００６９】実施例２，３における今までの説明では、
スタック１，３では、加湿器２Ａ，２Ｂの両側に位置す
る集電板と加圧板との間には、電気絶縁板は介挿されて
いないとしてきたが、これに限定されるものではなく、
例えば、加湿器を構成する単位加湿体が備えるセパレー
タが金属製である場合などでは、電気絶縁板の介挿が必
要となるものである。

【００７０】

【発明の効果】この発明においては、前記の課題を解決
するための手段の項で述べた構成とすることにより、次
記する効果を奏する。単位燃料電池の積層体の両端部の温度を積層体の積層
方向の中央部の温度に近い値に保持することができて、
積層体の積層方向における温度分布の均一化を図ること
が可能となり、固体高分子電解質型燃料電池の発電性能
を改善することが可能となる。またこれと共に、燃料電
池セルの面積を低減することも可能となり、固体高分子
電解質型燃料電池の小形化が可能となる。また、前記の課題を解決するための手段の項の（２），
（３）項による構成とすることにより、単位燃料電池の
積層体の両端部の温度を、積層体の積層方向の中央部の
温度とほとんど一致したレベルに保持することができ
て、積層体の積層方向における温度分布の均一度の向上
を図ることが可能となる。この結果、固体高分子電解質
型燃料電池の発電性能の向上を図ることが可能となる。

【００７１】前記の課題を解決するための手段の項の
（２），（４）項による構成とすることにより、前記の
項による効果に加えて、単位燃料電池が有する燃料電
池セルの加湿度を最適値に設定することが可能となる。
この結果、固体高分子電解質型燃料電池の発電性能の一
層の向上を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項２，３に対応するこの発明の一実施例に
よる固体高分子電解質型燃料電池を模式的に示した要部
の側面図

【図２】図１に示した固体高分子電解質型燃料電池を模
式的に示した要部の上面図

【図３】図１，図２に示した固体高分子電解質型燃料電
池における熱媒の通流経路を説明する説明図

【図４】実施例２によるこの発明になる固体高分子電解
質型燃料電池の単位燃料電池積層方向における、各単位
燃料電池が持つ燃料電池セルの面積方向における中心部
の温度分布の測定例を、従来例の場合と比較して示すグ
ラフ

【図５】請求項１に対応するこの発明の一実施例による
固体高分子電解質型燃料電池を模式的に示した要部の構
成図で，（ａ）はその側面図、（ｂ）はその上面図

【図６】図５に示した固体高分子電解質型燃料電池にお
ける熱媒の通流経路を説明する説明図

【図７】請求項２，４に対応するこの発明の一実施例に
よる固体高分子電解質型燃料電池を模式的に示した要部
の構成図で，（ａ）はその側面図、（ｂ）はその上面図

【図８】図７に示した固体高分子電解質型燃料電池にお
ける熱媒の通流経路を説明する説明図

【図９】従来例の固体高分子電解質型燃料電池が備える
単位燃料電池の要部を展開した状態で模式的に示したそ
の上部側から見た断面図

【図１０】従来の一例の固体高分子電解質型燃料電池を
模式的に示した要部の構成図で，（ａ）はその側面図、
（ｂ）はその上面図

【図１１】図１０におけるＱ部の詳細断面図

【図１２】図１０，図１１に示した固体高分子電解質型
燃料電池における熱媒の通流経路を説明する説明図

【図１３】従来例の固体高分子電解質型燃料電池を用い
た燃料電池発電装置の固体高分子電解質型燃料電池に対
する反応ガスの供給経路を説明する説明図

【図１４】異なる従来例の固体高分子電解質型燃料電池
を模式的に示した要部の構成図で，（ａ）はその側面
図、（ｂ）はその上面図

【図１５】図１４に示した固体高分子電解質型燃料電池
における熱媒の通流経路を説明する説明図

【図１６】図１４中に示した加湿器が有する単位加湿体
の要部を展開した状態で模式的に示した縦断面図

【符号の説明】１固体高分子電解質型燃料電池（スタック）２Ａ加湿器２Ｂ加湿器５１集電板５３加圧板５４加圧板６単位加湿体６３１溝６４１溝９０Ａ通流路部９０Ｂ通流路部９８酸化剤ガス９９熱媒９９１配管接続体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の単位燃料電池と，単位燃料電池で
発生した熱を除去する熱媒が通流される熱交換体の複数
個とが積層された積層体と、この積層体の両端末部に配
置され，それぞれの単位燃料電池をその積層方向に加圧
する加圧力を与える加圧板とを備え、単位燃料電池は、シート状の固体高分子電解質材の電解
質膜と，その両主面のそれぞれに接合された燃料電極膜
および酸化剤電極膜とを持ち，燃料ガスおよび酸化剤ガ
スの供給を受けて直流電力を発生する燃料電池セルと、
燃料電池セルの両主面のそれぞれに対向させて配置され
て，燃料電池セルと対向される側の面に燃料電池セルに
供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスを通流させるため
の溝が形成されているセパレータとを有し、熱交換体は、熱媒が通流される通流路と、この通流路に
関する熱媒の入口部・出口部とを有する、固体高分子電
解質型燃料電池において、複数個備えられた熱交換体が有する入口部・出口部は、
それぞれの熱交換体が有する前記の通流路が熱媒の通流
に関して並列となるように互いに連通させて接続され
て，それぞれ入口側の通流路部と出口側の通流路部とを
形成してなり、熱媒は、前記の入口側の通流路部の両端
部のそれぞれから流入され、また、前記の出口側の通流
路部の両端部のそれぞれから流出されてなることを特徴
とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】複数個の単位燃料電池と，単位燃料電池で
発生した熱を除去する熱媒が通流される熱交換体の複数
個とが積層された積層体と、この積層体の両端末部に配
置され，それぞれの単位燃料電池をその積層方向に加圧
する加圧力を与える加圧板とを備え、単位燃料電池は、シート状の固体高分子電解質材の電解
質膜と，その両主面のそれぞれに接合された燃料電極膜
および酸化剤電極膜とを持ち，燃料ガスおよび酸化剤ガ
スの供給を受けて直流電力を発生する燃料電池セルと、
燃料電池セルの両主面のそれぞれに対向させて配置され
て，燃料電池セルと対向される側の面に燃料電池セルに
供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスを通流させるため
の溝が形成されているセパレータとを有し、熱交換体は、熱媒が通流される通流路と、通流路に関す
る熱媒の入口部・出口部とを有する、固体高分子電解質
型燃料電池において、積層体と加圧板との間のそれぞれに介挿され，加熱され
た水を用いて燃料ガス，酸化剤ガスを加湿する加湿器を
備えることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】請求項２に記載の固体高分子電解質型燃料
電池において、複数個備えられた熱交換体が有する入口部・出口部は、
それぞれの熱交換体が有する前記の通流路が熱媒の通流
に関して並列となるように互いに連通させて接続され
て，それぞれ入口側の通流路部と出口側の通流路部とを
形成してなり、熱媒は前記の入口側の通流路部の両端部
のそれぞれから流入され、また、前記の出口側の通流路
部の両端部のそれぞれから流出されてなり、それぞれの
加湿器に供給される加熱された水には、前記の出口側の
通流路部の両端部から流出された熱媒がそれぞれに用い
られてなることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
池。
【請求項４】請求項２に記載の固体高分子電解質型燃料
電池において、それぞれの加湿器に供給される加熱された水は、固体高
分子電解質型燃料電池の外部から供給される、加熱され
た加湿用の水であることを特徴とする固体高分子電解質
型燃料電池。