(57)【要約】【課題】液体燃料の利用効率の低下を抑制し、小型化が可能な燃料電池スタックを提供する。【解決手段】  複数の単セル１００を直列に積層した燃料電池スタックであって、各単セル１００が、電解質膜２、電解質膜２の上に設けられたアノード電極４、電解質膜２の下に設けられたカソード電極６を有する膜電極複合体８と、アノード電極４の上面に下面を接する疎液性の分離膜１０と、分離膜１０の上面に下面を接し、下面に分離膜１０に液体燃料を供給するアノード流路１４、アノード電極４での液体燃料の反応により生成される生成ガスを排出する気体流路１８を設けたアノード板１２と、カソード電極６の下面に上面を接し、上面にカソード電極６に酸化剤を供給するカソード流路２２、カソード流路２２から下面に伸びる貫通孔２４を設けたカソード板２０とを備える。貫通孔２４が、隣接する単セルの気体流路に接続される。【選択図】図５
2010225453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルを直列に積層した燃料電池スタックであって、前記複数の単セルのそれぞれが、
電解質膜、前記電解質膜の上に設けられたアノード電極、前記電解質膜の下に設けられたカソード電極を有する膜電極複合体と、
前記アノード電極の上面に下面を接する疎液性の分離膜と、
前記分離膜の上面に下面を接し、該下面に前記分離膜に前記液体燃料を供給するアノード流路を設け、前記アノード電極での前記液体燃料の反応により生成される生成ガスを排出する気体流路を設けたアノード板と、
前記カソード電極の下面に上面を接し、該上面に前記カソード電極に酸化剤を供給するカソード流路を設けたカソード板とを備え、
前記カソード板は、前記カソード流路から前記カソード板の下面に伸びる貫通孔を有し、前記単セルを直列に積層した時に前記貫通孔が他の単セルの気体流路に連通されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記貫通孔の少なくとも一部が、前記アノード電極及び前記カソード電極が互いに対向する領域の外側にあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記気体流路が、前記分離膜に接する前記アノード板の下面に貫通した気体排出孔に連通するように前記アノード板の上面に設けられた溝であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記カソード流路の底面に前記液体燃料の揮発性有機化合物の蒸気を除去する触媒層を更に有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接型燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
アルコール等の液体燃料を直接発電部に供給する直接型燃料電池は、気化器や改質器等の補器が不要なため、携帯機器の小型電源等への利用が期待されている。例えば、直接メタノール供給型燃料電池（ＤＭＦＣ）スタックは、アノード及びカソードを有する単セルを複数個積層した構造を有する。ＤＭＦＣスタック内では、アノード側に液体燃料として希釈したメタノールを供給し、カソード側に空気を供給することにより化学反応を生じさせて発電を行っている。アノード側からは未反応のメタノール及び反応生成ガスである二酸化炭素（ＣＯ2）を、カソード側からは水をそれぞれ排出させる必要がある。
【０００３】
アノード側から未反応のメタノール及びＣＯ2を排出するために、アノード側のアノード板に設けられたアノード流路においてメタノール及びＣＯ2を混合し、気液二相流としてアノード出口から排出させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。提案された方法では、アノードの出口側に接続された流路に気液分離器等を接続して、排出された気液二相流を気体と液体に分離する。分離された未反応のメタノールは、アノードへ循環させて再利用される。また、分離された気体は、大気に放出させている。
【０００４】
しかしながら、アノード流路内とアノード出口側に接続された流路に気液二相流を流通させることにより、アノード流路の圧力損失が大きくなる場合がある。また、気液分離器を配置することによってアノード循環部が大きくなるため、小型化が困難になる場合がある。
【０００５】
そこで、ＤＭＦＣ等の直接型燃料電池スタックを小型化する手法として、アノード板に燃料供給用のアノード流路に加えて気体排出用の気体流路を併設し、アノード電極の拡散層に隣接させて配置した疎液性多孔質膜に気体流路を接続する構造が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。疎液性多孔質膜の疎液性を利用して、燃料が気体流路に混入するのを防止することができる。また、疎液性多孔質膜を介して気体流路にＣＯ2を選択的に回収させることができる。よって、起電部内部において燃料と反応生成ガスとの気液分離が容易に実現でき、小型化が実現できるとともに、アノード側の圧力損失を小さくできる。
【０００６】
しかしながら、起電部での発電を停止した場合に、ＣＯ2の生成が停止されるため気体流路とアノードの内圧が下がる。そのため、気体流路中に残存するＣＯ2が、起電部側に逆流する場合がある。発電停止時に気体流路内や出口端に液滴が付着していた場合には、液滴が気体流路を塞ぎながら疎水性多孔質膜に向かって流入する。その結果、疎水性多孔質膜に液体が侵入する。特に、複数の単セルを縦方向にスタックしたバイポーラ構造では、燃料電池スタック中央部の単セルに液体の侵入が集中する現象が見られる。疎液性多孔質膜に液体が侵入すると、液体燃料が液体のまま疎液性多孔質膜を介して気体流路内に漏出する。このように、疎液性多孔質膜での気液分離が困難となり、液体燃料の利用効率が低下するので望ましくない。
【０００７】
また、ＣＯ2を効率よく回収させるため、電解質膜を共通にしてアノードとカソードが互いに隣接するように複数の単セルを平面的に配置し、隣接するアノードとカソードの間に設けた気体流路をカソード流路に接続する平面スタック構造が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。しかし、提案された平面スタック構造では、カソード流路の圧力損失が大きいため、カソード流路への空気の供給には、空気ポンプが必要となる。そのため、空気ポンプによる騒音が発生し、消費電力が増大する。また、空気ポンプの付加により小型化が困難で、携帯機器への適用は望ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６９２４０５５号明細書
【特許文献２】特開２００８−２７０１４６号公報
【特許文献３】特開２００７−１９４１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、液体燃料の利用効率の低下を抑制することができ、小型化が可能な燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の態様によれば、複数の単セルを積層した燃料電池スタックであって、複数の単セルのそれぞれが、電解質膜、電解質膜の上に設けられたアノード電極、電解質膜の下に設けられたカソード電極を有する膜電極複合体と、アノード電極の上面に下面を接する疎液性の分離膜と、分離膜の上面に下面を接し、下面に分離膜に液体燃料を供給するアノード流路を設け、アノード電極での液体燃料の反応により生成される生成ガスを排出する気体流路を設けたアノード板と、カソード電極の下面に上面を接し、上面にカソード電極に酸化剤を供給するカソード流路を設けたカソード板とを備え、カソード板は、カソード流路から下面に伸びる貫通孔を有し、単セルを直列に積層した時に貫通孔が他の単セルの気体流路に連通される燃料電池スタックが提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、液体燃料の利用効率の低下を抑制することができ、小型化が可能な燃料電池スタックを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池単セルの一例を示す概略図である。
【図２】図１に示した燃料電池単セルのＡ−Ａ断面を示す概略図である。
【図３】図１に示した燃料電池単セルのアノード板を示す概略図である。
【図４】図１に示した燃料電池単セルのカソード板を示す概略図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックの一例を示す断面概略図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックの発電中のガスの流れの一例を示す断面概略図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックの発電停止後のガスの流れの一例を示す断面概略図である。
【図８】比較例による燃料電池単セルを示す断面概略図である。
【図９】比較例による燃料電池スタックの発電中のガスの流れを示す概略図である。
【図１０】比較例による燃料電池スタックの発電停止後のガスの流れを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１４】
また、本明細書において「上」、「下」、「上面」、「下面」等は単なる説明の便宜上の定義であり、定義を変えれば現実の配置関係としては、「上」と「下」とが逆でもよく、「上」と「下」とが同一水平面上に並んでもよく、斜め方向の関係でも構わない。
【００１５】
本発明の実施の形態に係る燃料電池単セル１００は、図１及び図２に示すように、膜電極複合体（ＭＥＡ）８、分離膜１０、アノード板１２、カソード板２０、及びガスケット２６、２８等を備える。ＭＥＡ８は、電解質膜２、電解質膜２の上に設けられたアノード電極４、電解質膜２の下に設けられたカソード電極６を有する。分離膜１０は疎液性を有し、アノード電極４の上面に下面を接して配置される。アノード板１２は、分離膜１０の上面に接して配置される。カソード板２０は、カソード電極６の下面に上面を接して配置される。ガスケット２６は、電解質膜２とアノード板１２の間で分離膜１０及びアノード電極４を内側に囲むように配置される。ガスケット２８は、電解質膜２とカソード板２０の間でカソード電極６を内側に囲むように配置される。
【００１６】
ＭＥＡ８の電解質膜２として、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）とペルフルオロビニルエーテルスルフォン酸とのコポリマー、例えば、ナフィオン（商標）等のプロトン導伝性の固体高分子膜が用いられる。アノード電極４は、白金ルテニウム（ＰｔＲｕ）等の触媒粒子を有するアノード触媒層、疎液処理したカーボン膜等の多孔質層、及び疎液性の多孔質のカーボン紙等のガス拡散層等を含む。カソード電極６は、白金（Ｐｔ）等の触媒粒子を有するカソード触媒層、疎液処理したカーボン膜等の多孔質層、及び多孔質のカーボン紙等のガス拡散層等を含む。
【００１７】
分離膜１０として、疎液処理されたカーボン繊維からなるカーボン紙、疎液処理された焼結金属材料、及び疎液処理された導電性多孔体等の、平均孔径が数μｍ以下の細孔を有する疎液性導電材料が用いられる。分離膜１０の平均厚さは、例えば約１００μｍ〜約５００μｍである。なお、「疎液性」とは、液体と親和性が無く反撥する性質である。例えば、液体が水であれば、水との接触角が９０°よりも大きい性質を意味する。
【００１８】
アノード板１２及びカソード板２０として、カーボン、及び金属板等の導電材料が用いられる。ガスケット２６、２８として、ポリフェニールサルファイド（ＰＰＳ）及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の絶縁体材料が用いられる。
【００１９】
ガスケット２６、２８として、発電時に生成される二酸化炭素（ＣＯ2）ガスの透過性が低い絶縁材料が好適である。例えば、ＣＯ2ガスの透過性が低いゴム材料として、エチレンプロピレンゴム（ＥＤＰＭ）、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ウレタンゴム等がある。これらのゴム材料は、例えばシリコンゴムに比べてＣＯ2ガスの透過性が著しく低い。特に、ＥＤＰＭゴムは、高温・高圧条件にも耐性を有する材料であるため好適である。また、ＥＤＰＭゴムの他にも、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）等も、高温・高圧耐性を有し、ＣＯ2を透過しにくい性質を持つことから、ガスケット２６、２８の材料として、好適に用いることができる。
【００２０】
図３は、分離膜１０に接する下面側から見たアノード板１２の平面図である。アノード板１２は、図１〜図３に示すように、アノード流路１４及び気体流路１８を有する。アノード流路１４は、アノード板１２の下面に形成されたサーペンタイン形状の溝である。気体流路１８は、アノード板１２の上面に形成されたＴ字状の溝である。なお、アノード流路１４及び気体流路１８は、上記の形状に限定されない。例えば、アノード流路１４として、互いに平行な複数の流路を有するパラレル流路を用いてもよい。
【００２１】
アノード流路１４は、分離膜１０に接する領域に配置される。アノード流路１４の一端には、接続孔３２を介して接続された燃料供給口３４が設けられる。アノード流路１４の他端には、接続孔３６を介して接続された燃料排出口３８が設けられる。気体流路１８は、一端部が分離膜１０に接する領域から外側に伸びるように配置される。気体流路１８は、アノード板１２の下面に貫通した複数の気体排出孔１６に連通する。複数の気体排出孔１６のそれぞれにおいて、分離膜１０の表面の一部が露出するように配置される。なお、気体排出孔１６は、１個であってもよい。
【００２２】
アノード流路１４には、燃料タンク（図示省略）から燃料ポンプ６０により燃料供給口３４を介して、液体燃料が供給される。液体燃料として、例えば、主成分のメタノール（ＣＨ3ＯＨ）を水（Ｈ２Ｏ）で希釈したメタノール水溶液が用いられる。液体燃料は、アノード流路１４を上流側から下流側に向かって蛇行して流れ、燃料排出口３８を介して循環システム（図示省略）に還流して、燃料タンクに戻される。気体流路１８には、アノード電極４でのアノード反応により生成される生成ガス、例えばＣＯ2ガスが、気体排出孔１６を介して排出される。
【００２３】
図４は、カソード電極６に接する上面からみたカソード板２０の平面図である。カソード板２０は、図２及び図４に示すように、カソード流路２２及びカソード流路２２からカソード板２０の下面に伸びる貫通孔２４を有する。カソード流路２２の一部は、カソード板２０中央部から対向する両端部に向かって伸びる互いに平行な複数の溝からなるパラレル流路である。なお、カソード流路２２の形状は限定されず、例えば、サーペンタイン形状であってもよい。
【００２４】
貫通孔２４の近傍の領域のカソード流路２２の底面には、触媒層３０が設けられる。触媒層３０は、未反応のメタノール等の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を除去するフィルタとして作用する。触媒層３０として、例えば白金等を含む金属触媒が用いられる。また、図１に示したように、貫通孔２４がアノード板１２へ投影される位置は、分離膜１０の外側の気体流路１８の一端部である。
【００２５】
カソード電極６の下面の一部が、カソード流路２２に露出する。カソード流路２２には、送風ファン６２により空気が供給される。空気中の酸素（Ｏ2）が酸化剤として作用する。カソード電極６でのカソード反応により生成される水が、カソード流路２２を介して外部に排出される。
【００２６】
実施の形態に係る単セル１００では、アノード流路１４及び気体流路１８は、それぞれアノード板１２の下面及び上面に溝状に形成される。また、カソード流路２２も、カソード板２０の上面に溝状に形成される。更に、触媒層３０は、溝状のカソード流路２２の底面に形成される。したがって、単セル１００を高精度で容易に加工して作製できる。また、ＶＯＣの除去フィルタとして、触媒層３０をカソード板２０に形成しているので、単セル１００を小型化することが可能である。
【００２７】
（燃料電池スタック）
実施の形態に係る燃料電池スタックは、図５に示すように、直列に積層された複数の単セル１００ａ、１００ｂ、１００ｃを備える。単セル１００ａのアノード板１２の上面が、隣接する他の単セル１００ｂのカソード板２０の下面に接する。単セル１００ｂのアノード板１２の上面が、隣接する単セル１００ｃのカソード板２０の下面に接する。単セル１００ｃのアノード板１２の上面が、単独のカソード板２０Ａの下面に接する。押さえ板５０が、単セル１００ａの下面に設けられる。また、押さえ板５２が単独のカソード板２０の上面に設けられる。なお、単独のカソード板２０Ａは、単セル１００ａ、１００ｂ、１００ｃのカソード板２０と同一の構造を有する。なお、図５において、便宜上、燃料ポンプ６０、送風ファン６２等は省略している。
【００２８】
単セル１００ａのアノード板１２の気体流路１８が、隣接する単セル１００ｂのカソード板２０の貫通孔２４に接続される。同様に、単セル１００ｂ、１００ｃのアノード板１２の気体流路１８が、それぞれ隣接する単セル１００ｃのカソード板２０及び単独のカソード板２０Ａの貫通孔２４に接続される。
【００２９】
燃料電池スタックの各単セル１００ａ、１００ｂ、１００ｃには、図１に示した燃料ポンプ６０により液体燃料としてメタノール水溶液が供給される。また、各単セル１００ａ、１００ｂ、１００ｃには、図１に示した送風ファン６２により酸化剤としての酸素を含む空気が供給される。なお、燃料ポンプ６０及び送風ファン６２は、１個でも、複数でもよい。
【００３０】
燃料電池スタックの各単セル１００ａ、１００ｂ、１００ｃに液体燃料及び空気が供給されると、各単セル１００ａ、１００ｂ、１００ｃのＭＥＡ８において発電が起こる。以下においては、図６に示した単セル１００ａ、１００ｂを用いて実施の形態を説明する。
【００３１】
メタノールと水が分離膜１０を透過してアノード電極４に供給される。分離膜１０を透過したメタノールと水は、アノード電極４の触媒層により、次式のように反応する。
【００３２】
ＣＨ3ＯＨ ＋ Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2  ＋  ６Ｈ+  ＋  ６ｅ- （１）
発生した水素イオンは、カソード電極６側へ電解質膜２を透過する。電子は、アノード板１２とカソード板２０を結ぶ外部回路（図示省略）を通ってカソード電極６に移動する。カソード流路２２によりカソード電極６に供給された空気中の酸素が、カソード電極６の触媒層により、水素イオンと以下のように反応する。
【００３３】
（３／２）Ｏ2  ＋  ６Ｈ+  ＋  ６ｅ-  →  ３Ｈ2Ｏ    （２）
反応式（１）に示したアノード反応の生成ガスであるＣＯ2は、アノード電極４から細孔を有する分離膜１０中に拡散していく。アノード流路１４内は液体燃料で満たされている。燃料は燃料ポンプ６０で加圧されているため、アノード流路１４は気体流路１８よりも圧力が高い。そのため、生成したＣＯ2はアノード流路１４の方よりも分離膜１０内を拡散する。分離膜１０中に拡散したＣＯ2は、アノード流路１４と分離膜１０との界面に達した場合でも、液体中に侵入して気泡を形成するよりも、分離膜１０内を拡散するほうが容易である。その結果、図６の矢印で示すように、大部分のＣＯ2は、分離膜１０中を優先的に拡散して、気体排出孔１６を介して気体流路１８に排出される。気体流路１８に排出されたＣＯ2は、単セル１００ｂの貫通孔２４を通ってカソード流路２２に流れ込み、図１に示した送風ファン６２により空気と混合されて大気中に放出される。
【００３４】
なお、排出されるＣＯ2には、水蒸気と共に未反応のメタノール等のＶＯＣが含まれる。ＶＯＣは、例えば白金等を含む触媒層３０により除去される。また、燃料電池スタックを備える機器の空気排出口に排ガス処理フィルタ等を設置してもよい。
【００３５】
このように、実施の形態に係る燃料電池スタックにおいては、分離膜１０が気液分離を行うので、アノード流路１４を通って排出されるメタノール水溶液の気液分離は不要となる。その結果、燃料電池の小型化が可能となる。更に、アノード流路１４にＣＯ2が混入することによる気泡の発生が抑制されるので、アノード流路１４の圧力損失を低減することができる。その結果、小型で低消費電力の燃料ポンプを使用することができ、効率化を図ることが可能となる。また、分離膜１０を配置することにより、ＭＥＡ８を任意の方向に傾けたとしてもＣＯ2と燃料とを容易に気液分離できる。
【００３６】
なお、貫通孔２４は、カソード板２０端部に配置するのが望ましい。排出されるＣＯ2中には、微量のメタノール蒸気に加えて水蒸気が含まれる。ＣＯ2排出がない場合と比較して、カソード電極６の水蒸気がより凝縮しやすくなる。例えば、貫通孔２４をカソード板２０の中央部に配置すると、発電出力が低下する恐れがある。したがって、水蒸気の凝縮を防止するため、貫通孔２４をカソード板２０の中央部より端部側、特にＭＥＡ８の直下より外側の位置が望ましい。
【００３７】
例えば、単セル１００ａにおいて、発電時には、ＣＯ2の排出経路となるアノード電極４、分離膜１０、気体排出孔１６、気体流路１８、及び貫通孔２４においてＣＯ2ガスが特に高濃度となり、空気中のＯ2ガスや窒素（Ｎ2）ガスはほぼゼロとなる。例えば、大気中のＣＯ2ガス濃度は、約０．０４％と低濃度で、Ｏ2ガスは約２２％、Ｎ2ガスは約７８％存在する。このように、単セル１００ａ内外では、それぞれの気体に関し、濃度差がある。そのため、単セル１００ａの内部から外部へ、電解質膜２を介してのＣＯ2ガスの濃度拡散が生じる。同様に、単セル１００ａの外部から内部へ、電解質膜２を介してのＯ2ガスやＮ2ガスの濃度拡散が生じる。
【００３８】
電解質膜２のＣＯ2ガス透過性は、電解質膜２のＮ2ガスやＯ2ガスの透過性の約２０倍である。また、単セル１００ａ内外のＣＯ2ガス濃度差は、おおむねＮ2ガスと同等の濃度差である。したがって、ＣＯ2ガス濃度拡散量は、Ｏ2ガスやＮ2ガスの濃度拡散量より多くなる。その結果、電解質膜２を介してＣＯ2ガスが単セル１００ａの外へ継続的に排出され続けることになる。例えば、単セル１００ａの発電時にアノード電極４からＣＯ2が約２．８ｃｃｍ発生する場合は、電解質膜２を通して約０．０５ｃｃｍのガスが単セル１００ａの外部に透過する。なお、「ｃｃｍ」は、２５℃１気圧に換算した時の流量ｍＬ／分を表す。
【００３９】
液体燃料の供給を停止して発電を停止させると、アノード電極４からのＣＯ2発生が止まる。ＣＯ2の排出経路であったアノード電極４、分離膜１０、気体排出孔１６、気体流路１８、及び貫通孔２４の内圧が下がる。その結果、図７に示すように、発電時には分離膜１０からカソード流路２２へ向かっていたガスの流れ方向が、発電停止時にはその逆になる。単セル１００ａの外部から、残留したＣＯ2と共に空気が逆流してくる。
【００４０】
ここで、図８に示すように、比較例として、カソード板２０ａに貫通孔を設けず、気体流路１８ａがアノード板１２ａの側面に開口された単セル２００を用いる。図９に示すように、比較例による燃料電池スタックは、積層された単セル２００ａ、２００ｂ、２００ｃを備える。各単セル２００ａ、２００ｂ、２００ｃの気体流路１８ａを通って排出されるＣＯ2は、集合配管７０に集めて排出される。集合配管７０は、燃料電池スタックの外側に配置されることから、別途加熱手段を設けない限り、発電時には燃料電池スタック内より温度が低くなる。排出されたＣＯ2に含まれる水蒸気が集合配管７０内壁で凝縮して液滴が生ずる。
【００４１】
比較例による燃料電池スタックでは、図１０に示すように、発電停止時には、空気が集合配管７０を通って、各単セル１００ａ、１００ｂ、１００ｃの気体流路１８ａに逆流してくる。この時、集合配管７０の内壁に付着している液滴８０も、ＣＯ2の流れに伴い、分離膜１０に向かって流れる。液滴８０がＣＯ2の流れを妨げないほど動きやすい場合は、そのまま分離膜１０まで達するため、分離膜１０を濡らす場合がある。特に、液滴８０は燃料電池スタックの積層方向の中央部に位置する単セル２００ｂに多く集まる。これは、燃料電池スタックの積層方向の中央部に位置する単セル２００ｂでは端部の単セルよりも温度がより高くなり、濃度拡散量が増加するため、発電停止時のガスの逆流が単セル２００ｂで一番大きく生じるためである。その結果、単セル２００ｂの気体流路１８ａでは、液滴８０が集まって大きな液滴８２が気体排出孔１６を通って分離膜１０に流れ込む。
【００４２】
単セル２００ｂにおいて、流れ込んだ液滴８２が分離膜１０に侵入する。アノード流路１４と気体排出孔１６との間の分離膜１０が液体で占められると、液体燃料が液体のまま、アノード流路１４から気体排出孔１６まで分離膜１０中を通って容易に流れる状態となる。そのため、単セル２００ｂ内部では、液体燃料とガスの気液分離が維持できなくなる。この状態は、再び単セル２００ｂを発電状態にしてＣＯ2ガスを発生させるか、分離膜１０を加熱して分離膜１０内の液体を蒸発させて、分離膜１０の大部分をガスで満たさないと解消されない。
【００４３】
一方、実施の形態においては、図７に示したように、発電停止時には、燃料電池スタックの各単セル１００ａ、１００ｂ、１００ｃごとに残留ＣＯ2と空気の逆流が起きる。したがって、カソード流路２２等に液滴が付着しても、燃料電池スタックの積層方向の中央部に位置する単セル１００ｂに液滴が集中することはない。また、カソード流路２２には発電時には図１に示した送風ファン６２により、常に空気が送り込まれているため、液滴の発生自体が殆ど生じない。このように、実施の形態では、分離膜１０における気液分離が良好に維持され、液体燃料の利用効率の低下を抑制することができる。また、外部に気液分離構造を設ける必要が無く、燃料電池スタックを小型化できる。
【００４４】
なお、図９に示した気体排出を集合させる構造に対して、カソード板を介さずにアノード板から直接気体排気する構造が考えられる。しかし、その場合、微量のメタノール蒸気を含むＣＯ2をそのまま燃料電池スタック外部に排出することとなり採用できない。実施の形態に係る燃料電池スタックのカソード流路２２と同様のメタノール蒸気除去フィルタを別途設けることも考えられるが、燃料電池スタックの構造が複雑化するため好ましくない。
【００４５】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４６】
本発明の実施の形態においては、液体燃料としてメタノール水溶液を用いているが、液体燃料として、アルコール、炭化水素、エーテル等の水溶液を用いてもよい。
【００４７】
このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００４８】
２…電解質膜
４…アノード電極
６…カソード電極
８…膜電極複合体（ＭＥＡ）
１０…分離膜
１２…アノード板
１４…アノード流路
１６…気体排出孔
１８…気体流路
２０…カソード板
２２…カソード流路
２４…貫通孔
２６、２８…ガスケット
３０…触媒層
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ…単セル
【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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