(57)【要約】 【課題】空気極から流出する水の量の低減と、空気供給路における結露の防止を両立した、直接型燃料電池の提供。【解決手段】電解質膜と燃料極と空気極とを具備する膜電極複合体、前記燃料極に燃料を供給する燃料極流路、および前記空気極に空気を供給する空気極流路、前記空気極流路空気を導入する第一の空気導入口、前記空気極からの排気ガスを排出するガス排出口、前記ガス排出口に連通し、前記空気極を経由することなく前記排気ガスと合流し、燃料電池外に排出される空気を導入する第二の空気導入口とを具備する燃料電池。ここで前記空気極で発電時に発生する水のすべてを水蒸気としたときに、前記第一の空気導入口から導入される第一の空気供給量に対する前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧を超え、かつ前記第一の空気供給量と前記第二の空気導入口から供給される第二の空気供給量との総和に対する、前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧以下となるように制御される。【選択図】図１
2010225536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜を挟持する燃料極と空気極とを具備する膜電極複合体と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料極流路と、
前記空気極に空気を供給する空気極流路と、
前記空気極流路に外部からの空気を導入する第一の空気導入口と、
前記空気極における発電反応後の排気ガスを前記空気極流路から排出するガス排出口と、
前記ガス排出口に連通し、前記空気極を経由することなく前記排気ガスと合流し、燃料電池外に排出される空気を導入する第二の空気導入口と
を具備し、
前記空気極で発電時に空気極で発生する水のすべてを水蒸気としたときに、前記第一の空気導入口から導入される第一の空気供給量に対する前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧を超え、かつ前記第一の空気供給量と前記第二の空気導入口から供給される第二の空気供給量との総和に対する、前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧以下となるように制御されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池が複数積層されたスタック構造を有し、前記空気極流路が複数の前記空気極に空気を供給するパラレル流路と、前記第一の空気導入口から導入された空気を前記パラレル流路へ供給する第一のマニフォールドを具備している、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第一のマニフォールドの流路断面積がマニフォールドの下流側ほど小さくなっている、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記パラレル流路の上流、もしくは、パラレル流路途中の、発電反応により生成する水が水蒸気として飽和する部分より上流側に流体抵抗が設けられた、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記空気供給路の表面の少なくとも一部が親水化されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記空気極流路の表面の少なくとも一部が撥水化されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記空気極流路の表面の少なくとも一部に空気極流路におけるガスの流れ方向に平行な向きに形成された溝が形成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記第一の空気供給量と、前記第二の空気供給量との比が４：１〜１：３である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
電解質膜と、前記電解質膜を挟持する燃料極と空気極とを具備する膜電極複合体と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料極流路と、
前記空気極に第１の空気を供給する空気極流路と、
前記空気極流路の一端にある第１の空気導入口を介して前記空気極流路に連通している第１のマニフォールドと、
前記空気極流路の他端にあるガス排出口を介して前記空気極流路に連通している第２のマニフォールドと、
前記第２のマニフォールドに前記空気極に供給される空気とは異なる第２の空気を供給する第２のマニフォールドの空気導入口と、
発電時に前記空気極で発生する水のすべてを水蒸気としたときに前記第１の空気導入口から導入される第１の空気の供給量を前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧を超えるように制御すると共に、前記第１の空気と前記第２の空気の供給量との総和に対し前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧以下となるように第２の空気の供給量を制御する制御ユニットと、
を具備することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接型燃料電池に好適な燃料電池に関するものである。
【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して発電を行う直接型燃料電池は、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。このような直接型燃料電池としては、アルコール水溶液を発電部に直接供給してプロトンを取り出すと共に、発電部から排出された水等の排出物を発電部の上流側に配置された混合タンク等に循環させて再利用する循環型燃料電池システムが知られている。
【０００３】
直接メタノール供給型燃料電池（以下、ＤＭＦＣという）においては、一般的に燃料極（アノード）、空気極（カソード）及び電解質膜からなる膜電極複合体（以下、ＭＥＡという）と燃料極流路、空気極流路を備える発電セルを積層したセルスタックが発電部として機能し、発電が行われる。燃料極流路には、送液ポンプ等を介して水及びメタノールの混合溶液が送られ、燃料極において下記（１）式に示す反応が生じ、二酸化炭素が発生する。一方、空気極流路には送気ポンプ等をにより空気が送られ、空気極において下記（２）式に示す反応が生じ、水が発生する。
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−     ・・・（１）
３／２Ｏ２    ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ         ・・・（２）
【０００４】
燃料極で発生した二酸化炭素と水及び未反応のメタノールとを含む混合溶液は、一般に気液二相流となって燃料極流路から排出される。燃料極流路から排出された気液二相流は、燃料極流路の出口側に設けられた気液分離器により気体と液体に分離される。分離後の液体は、回収流路を介して混合タンク等へ循環させ、分離後の気体は、大気に放出させている。
【０００５】
一方、空気極における反応では発電反応（２）による水、膜を透過した水、膜を透過したメタノールと空気との反応による水が発生するが、この水は、空気極における反応に使われなかった空気とともに排出される。ここで空気極に供給される空気供給量が多いと、必要以上に水が空気に同伴されて排出される。このため、空気極から流出する水の量が多くなり、その水を回収するための機構が必要となり、ＤＭＦＣの小型化を困難にする。反対に空気極に供給される空気供給量が少ないと、空気極から流出する水の量が少なくなるので、前記したような問題が発生しにくい。しかし、供給される空気が少ないために、発生した水による水蒸気が飽和して、空気極流路に結露が生じることがある。その結果、結露によって空気供給路が狭くなり、その部分で圧力損失が生じて、空気供給が十分に行われず、セルの一部で発電が十分できず、セル全体、さらにはスタックでの発電特性を悪化させるという問題が生じることがある。このような問題を解決するためには、突出圧の大きい空気ポンプを用いて空気極流路入り口に絞り等の圧力損失を設け、空気極流路が結露により閉塞しても、結露した液体の水を空気圧により排出するような構成が必要となる。実際、セミパッシブ型燃料電池においては、同様の問題を解決するために、空気供給路の結露を吹き飛ばす技術も検討されている（特許文献１）。しかしながら、突出圧の大きい空気ポンプは、消費電力が大きく、騒音も大きいために、ＤＭＦＣの小型化には障害となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願２００７／００９０６１Ａ１明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、空気極から流出する水の量の低減と、空気供給路における結露の防止を両立した、直接型燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第一の実施態様による燃料電池は、
電解質膜と、前記電解質膜を挟持する燃料極と空気極とを具備する膜電極複合体と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料極流路と、
前記空気極に空気を供給する空気極流路と、
前記空気極流路に外部からの空気を導入する第一の空気導入口と、
前記空気極における発電反応後の排気ガスを前記空気極流路から排出するガス排出口と、
前記ガス排出口に連通し、前記空気極を経由することなく前記排気ガスと合流し、燃料電池外に排出される空気を導入する第二の空気導入口と
を具備し、
前記空気極で発電時に空気極で発生する水のすべてを水蒸気としたときに、前記第一の空気導入口から導入される第一の空気供給量に対する前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧を超え、かつ前記第一の空気供給量と前記第二の空気導入口から供給される第二の空気供給量との総和に対する、前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧以下となるように制御されることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の第二の実施態様による燃料電池は、
電解質膜と、前記電解質膜を挟持する燃料極と空気極とを具備する膜電極複合体と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料極流路と、
前記空気極に第１の空気を供給する空気極流路と、
前記空気極流路の一端にある第１の空気導入口を介して前記空気極流路に連通している第１のマニフォールドと、
前記空気極流路の他端にあるガス排出口を介して前記空気極流路に連通している第２のマニフォールドと、
前記第２のマニフォールドに前記空気極に供給される空気とは異なる第２の空気を供給する第２のマニフォールドの空気導入口と、
発電時に前記空気極で発生する水のすべてを水蒸気としたときに前記第１の空気導入口から導入される第１の空気の供給量を前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧を超えるように制御すると共に、前記第１の空気と前記第２の空気の供給量との総和に対し前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧以下となるように第２の空気の供給量を制御する制御ユニットと、
を具備することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、直接型燃料電池において、空気極から流出する水の量を低減させることと、空気供給路における水の結露の防止とを両立することができる。この結果、良好な発電効率を維持したまま、空気供給路での圧力損失を小さくすることが可能となり、燃料電池の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施態様である燃料電池の概念断面図。
【図２】本発明における空気極近傍領域における結露防止を説明するための概念図。
【図３】本発明の一実施態様である燃料電池の概念断面図。
【図４】本発明における制御装置の構造を示す概念図。
【図５】本発明の一実施態様であるセルスタック構造を有する燃料電池の概念断面図。
【図６】本発明の一実施態様であるセルスタック構造を有する燃料電池の概念断面図。
【図７】本発明の一実施態様であるセルスタック構造を有する燃料電池の概念断面図。
【図８】本発明の一実施態様であるセルスタック構造を有する燃料電池を説明するための斜視図。
【図９】本発明の実施例１における燃料電池の概念断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１３】
本発明の一実施態様である燃料電池の概念断面図は図１に示す通りである。図１には単一のセルが示されている。
【００１４】
発電反応の中心となる膜電極複合体ＭＥＡは、電解質膜１０１の両側に形成された燃料極１０２と空気極１０３からなる。一般に、燃料極１０２は、燃料極触媒層および燃料極ガス拡散層からなり、空気極１０３は空気極触媒層および空気拡散層からなる。図１においては、単一のセルの構造が示されているが、電池に含まれるセルの数は特に限定されず、少なくとも１個のセルがあればよい。ただし、一般には要求される起電力の大きさや発電の安定性の観点から複数のセルが積層された構造とされる。
【００１５】
本発明の一実施態様において用いられるセルは、一般に知られている任意の構造のものを用いることができる。また、用いられる材質も特に限定されない。
【００１６】
燃料極１０２には、それに接した燃料極流路１０４から燃料、例えばメタノールと水との混合溶液が供給される。図１において、燃料極流路１０４は、ハウジング１０４Ａに覆われており、セルが積層された場合には、後述する空気極流路１１０から、燃料極流路１０４および燃料極１０２がハウジング１０４Ａにより隔離されている。この図１に示された実施態様では、燃料極流路１０４に断面に対して垂直方向に燃料が流れている。
【００１７】
一方、空気極１０３には、それに接した空気極流路１１０から空気（酸素）が供給される。空気極流路１１０は、第一の空気導入口１０６から、ガス排出口１０８に至る経路である。図１に示された実施態様においては、第一の空気導入口１０６から空気極流路１１０に導入された空気は、前記したような反応に付されて発電がおこなわれる。反応等により発生した水は、未反応の空気とともに空気極から排出され、ガス排出口１０８からセル外に排出される。ここで、空気の流れは、第一の空気導入口の上流またはガス排出口の下流に設置されたファンやポンプなど（図示せず）により制御される。この空気および排出ガスの流れは、図１中に実線矢印で示される通りである。
【００１８】
ここで、本発明の一実施態様による燃料電池は、さらに、第二の空気導入口１０７を具備している。この第二の空気導入口１０７は、ガス排出口１０８に連通している。すなわち、空気導入口１０７から燃料電池に供給された空気は、発電反応そのものに寄与する空気を供給するものではない。この第二の空気導入口１０７から導入された空気は、空気極流路１１０から排出される発電反応後の、水を含んだ排出ガスと合流し、図１中に破線矢印で示される通りに流れ、途中で実線で示される、反応後の排出ガスと合流して電池外に排出される。
【００１９】
本発明においては、この第二の空気導入口から空気を導入することにより、第一の空気導入口から導入する空気の量を低減させることを可能にした。そして、第一の空気導入口から導入する空気の量を低減させることにより、第一の空気導入口から導入する空気の相対湿度を増加させて膜を透過する水の量を低下させ、そのことにより、第一の空気導入口から導入される空気に同伴される水の量を低減させ、かつ空気極流路および空気極流路下流での結露を抑制することができる。これは以下のような理由によるものと考えられる。
【００２０】
図２は、空気極１０３と空気極流路１１０、及び空気極流路１１０の空気極１０３と反対側の壁面２０１とによって形成される領域における空気の流れと、発電反応により発生する水蒸気または水との関係を示す模式図である。
【００２１】
まず、第一の空気導入口からの空気供給量ｆ１が、発電により生じる水、クロスオーバーしてメタノールが酸化して生じる水、および透過による水のすべて、すなわち発電時に空気極で発生する水のすべてが蒸発しても、飽和水蒸気圧を越えない程度に過剰である場合（図２（ａ））を考える。この場合、空気の供給量が豊富であるので、空気極１０３で発生した水は水蒸気となり、空気とともにその領域から排出される。しかし、このとき空気の供給量が豊富であるために、その領域の水蒸気圧が下がり、発生した水が必要以上に蒸発するために、空気に同伴されて流出する水の量が多くなる。
【００２２】
反対に、第一の空気導入口からの空気供給量ｆ１が発電により生じる水、クロスオーバーしてメタノールが酸化して生じる水、および透過による水がすべて蒸発すると、飽和水蒸気圧を越えてしまう程度に少ない場合には、この領域における蒸気圧が高くなるため、空気極から蒸発する水の量が少なくなり、空気極流路の空気に同伴される水は小さくなる。しかし、水蒸気圧が飽和水蒸気圧以上になる場合、この領域に結露が生じる（図２（ｂ））。空気極流路に結露が生じると、空気の供給が阻害される。そして、後述するようにセルが積層され、パラレル流路構成となるスタック構造を有する場合には、結露の生じた流路の圧力損失が増加し、その流路には空気が流れ難くなり、他の流路にのみ空気が流れてしまう。空気流量が低下すると、さらに結露が生じやすくなり、流路を閉塞させる。この結果、有効に動作しないセルがあるために発電特性が悪化する。
【００２３】
これらに対して、本発明の実施態様では、空気極流路１１０から出る空気流には、第２の空気導入口から導入された空気流が合流する（図２（ｃ））。このとき、第一の空気導入口からの空気供給量ｆ１が、空気極流路１１０において水蒸気圧が飽和水蒸気圧を超える程度に少ない場合であっても、第二の空気導入口から供給される空気供給量ｆ２を、ｆ１とｆ２の和が、空気極で発電時に生成する水の量に対して飽和水蒸気以下となるようにすることにより、この領域で結露を生じさせずに、電池外に排出させることが可能である。
このとき、第二の空気導入口から供給される空気供給量ｆ２により、ガス排出口１０８における水蒸気濃度が低下する。これにより、空気供給量ｆ１のみではガス排出口１０８の近傍で結露が生じてしまうが、第二の空気導入口から供給される空気により空気極流路１１０内の水蒸気のガス排出口１０８方向への拡散が促進され、飽和蒸気圧に達することを免れ、空気供給路内に結露を生じさせることなく、積層した各燃料電池をも安定して発電させることが可能となる。
【００２４】
ここで第一の空気導入口から導入される空気供給量をｆ１、第二の空気導入口から導入される空気供給量をｆ２とする。また、空気極で消費される酸素の流量をｆＯ２、空気極に生成する水蒸気の流量をｆＨ２Ｏとする。空気極で消費される酸素の流量は、発電により消費される酸素量と、クロスオーバーした燃料の酸化に使われる酸素量とにより決まる流量である。また、空気極に生成する水蒸気の流量は、発電により生成する水の量と、クロスオーバーした燃料が酸化する際に生成する水の量と、膜を移動する水の量とによって決まる流量である。空気極流路の圧力をＰ、空気極流路における飽和水蒸気圧をＰＨ２Ｏとする。空気極出口において水蒸気分圧Ｐｓが飽和水蒸気圧を越えなければ、空気極流路では結露が生じない。また、第一の空気導入口から導入される空気供給量ｆ１が小さく、空気極流路において結露が生じる条件下でも、第二の空気導入口から空気極の下流に導入された空気により結露した水が再度気化し、空気極流路が液滴で塞がれ難くなる。また、第二の空気導入口からガス排出口１０８の間にも結露が生じにくくなり、空気の流通を円滑に行わせることが可能になる。
【００２５】
空気極流路において結露が生じる第一の空気導入口からの空気供給量ｆ１は、
【数１】
2010225536.tif 000003
となる。また、空気極流路において結露を生じさせない第二の空気導入口からの空気供給量ｆ２は、
【数２】
2010225536.tif 000004
である。
【００２６】
本発明において、第一および第二の空気導入口からの空気供給量ｆ１およびｆ２は、電池の大きさや用いられている部材などにより適当に調整されるので、特に限定されない。しかしながら、ｆ１およびｆ２の比が４：１〜１：３であるときに本願発明の効果が顕著に表れるので好ましい。このような第一および第二の空気導入口からの空気供給量の比率の調整は、それぞれの導入口へ空気を導入するファンまたはポンプにより制御したり、第一および第二の空気導入口の開口部面積比を調整することなどにより行うことができる。
【００２７】
このような制御装置を含む、本発明による一実施態様は図３に示すものである。この図に示された例では、第一の空気導入口１０６から導入される空気量を調整するファン３０２と第二の空気導入口から導入される空気量を調整するファン３０３を備えている。また、制御装置３０１は、これらのファン３０２および３０３と、回路３０４および３０５を介して連結されていると同時に、セルとも回路３０６を介して連結されている。そして、制御装置３０１は、セルの発電量に合わせてファン３０２および３０３による空気導入量を制御し、空気極流路における水の結露が起きないように制御をすることができる。
【００２８】
制御装置の概念図は、図４に示す通りである。この制御装置は、セルの発電量を信号入力部４０２で受信し、それに応じて、過去の運転データなどを格納したデータベース部４０３やデータ格納部４０５に記録された情報をもとに、演算処理部４０４でファン３０２および３０３の運転条件を算出し、信号出力部４０１から各ファンに条件を発信する。ここで、信号入力部４０２は、環境温度や湿度、燃料電池の温度などを受信し、演算処理部はそれを反映したファンの運転条件を算出するようにすることもできる。このような場合には、温度センサーや湿度センサーなどが設けられていてもよい。
【００２９】
なお、ここでは第一の空気導入口および第二の空気導入口にファンを設置する例を示したが、ガス排出口の下流側に排気ファンを設けて、それを制御装置で制御することもできる。また、排気ファンおよび二つの空気導入口に設けられたファンのうち、ひとつを除外しても、ほかの二つにより空気流量の制御が可能であるので、ファンはいずれか２つだけであってもよい。さらには、ファンのほかポンプなどの別の空気量制御装置を用いることもできる。
【００３０】
以上のように、本発明の一実施態様である燃料電池は、空気極の下流側に、発電反応に直接寄与しない空気を導入して、空気極から排出されるガスとともに燃料電池外に排出させることにより、空気極流路での蒸気圧を下げて結露を防ぐものである。したがって、第二の空気導入口から導入される気体は、第一の空気導入口から導入される空気と同じである必要はない。すなわち、酸素を含む必要がなく、例えば窒素などであってもよい。さらには、空気極における蒸気圧をより効果的に下げ、結露防止の効果を高めるためには、乾燥した気体を用いることが好ましい。
【００３１】
本発明の実施態様による燃料電池は、上記のような構造を有することを特徴とするが、さらに、一般的によく知られている各種の構造または部材を組み合わせることができる。
【００３２】
例えば、本発明による燃料電池は、燃料電池の発電部が複数のセルが積層されたスタック構造とすることができる。このような本発明による燃料電池の概念図は、図５に示す通りである。燃料電池がこのような構造を有する場合、空気極流路は空気極に空気を供給する複数の流路、いわゆるパラレル流路となる。このように複数の空気極流路が存在する場合、それに応じて第一の空気導入口も複数存在する。ここで、この複数の空気極流路に空気を供給する場合、一般には第一のマニフォールド５０１が設けられる。すなわち、第一のマニフォールドの導入口５０２から導入された空気が、マニフォールド５０１により各空気極流路に分配される。このとき、各空気極流路ごとに空気の導入量を制御するのは煩雑であり、燃料電池全体としても小型化が困難となるので、各空気極流路に導入する空気の総量ｆ１ｔｏｔａｌ、すなわちマニフォールドの導入口５０２から導入される空気量を制御することが好ましい。
【００３３】
一方、複数の空気極流路が存在する場合、それに応じてガス排出口および第二の空気導入口も複数存在することになる。このときにも、ガス排出口側に第二のマニフォールド５０３を設けることができる。この第二のマニフォールド５０３は、第二のマニフォールドの導入口５０４から空気を取り込み、複数の空気極流路から排出される、水などの反応生成物を含むガスと合流させ、第二のマニフォールドの排出口５０５から電池外に排出するものである。ここでも、各空気極流路ごとに空気の導入量を制御するのは煩雑であり、燃料電池全体としても小型化が困難となるので、各空気極流路に導入する空気の総量ｆ２ｔｏｔａｌ、すなわちマニフォールドの導入口５０４から導入される空気量を制御することが好ましい。
このようにパラレル流路へ空気を供給する第一のマニフォールドがある場合、図６に示される様にマニフォールド５０１の流路断面積が下流側ほど小さくなるようにすることが好ましい。このような構造を採用することにより、パラレル流路に均一に空気を供給することが可能となり、燃料電池の発電特性も安定となる。
【００３４】
また、それとは別に、パラレル流路に流体抵抗７０１を設けて、パラレル流路に均一に空気を供給できるようにすることもできる（図７）。図７に示された例は、第一のマニフォールドの導入口５０２からの距離に応じて、流体抵抗７０１の大きさを変化させて、各空気極流路に導入される空気量を均一にしようとするものである。流体抵抗としては、絞り、多孔体等を用いることができる。本発明においては、パラレル流路における結露を防止することを目的としているが、仮に結露が生じると、流体抵抗部が閉塞してしまう可能性がある。このためパラレル流路の上流、もしくは、パラレル流路が飽和蒸気となる部分より上流側に、流体抵抗を設けることにより、流体抵抗部に結露が生じ難くなり、パラレル流路に均一に空気を供給することができる。
【００３５】
また、図８は、本発明による別の実施態様の燃料電池の斜視図である。この例では、セルスタック内におけるセルの向きが、図５に示したものと異なっている。図８（ａ）はセルのスタックを表すものである。図にはセルが一つだけ示されており、ほかのセルは省略されている。燃料極流路１０４はセルスタックの水平方向に貫通しており、例えば図面の右側から燃料が導入され、左側から残余の燃料と反応により生成した二酸化炭素ガスが排出される。
【００３６】
一方、空気極流路１０５は、空気極１０３に積層されたハウジング１０５Ａによって形成されており、セルスタック平面に対して垂直方向に貫通している。そして、このセルスタックの上面および下面には、さらにハウジング８０１および８０２が積層され、ハウジングに設けられた溝が複数の空気極流路を連結するマニフォールドを構成する（図８（ｂ））。ここで、空気が流通する経路のみを図示すると図８（ｃ）の通りである。図８（ｃ）の垂直方向の流路が空気極流路であり、上側および下側の水平方向の流路が、第一および第二のマニフォールドとなる。
【００３７】
また、このほか、結露による空気供給が損なわれることを防ぐために、種々の改良を組み合わせることができる。例えば、空気供給路の少なくとも一部、特に空気極流路の空気極に対向する面の表面を親水化することができる。このように処理することにより、空気極流路の蒸気圧が飽和蒸気圧以上となり、万が一結露が生じた場合であっても、空気極流路表面で水が広がり、ガス排出口まで液体の水が移動して気化され、空気極流路が液滴で塞がれることを防ぐことができる。
【００３８】
また、反対に、空気極流路の少なくとも一部を撥水化することもできる。このような処理が有効となるのは、空気極流路の幅が空気極流路壁面に結露により生じた水滴が落下可能な程度に広い場合である。空気極流路の蒸気圧が飽和蒸気圧以上となり、結露が生じた場合に、液滴は空気極流路の壁面に付着するが、ある程度の大きさになると、自重により落下しやすくなり、または空気流によって移動しやすくなる。そして、落下または移動により液滴がガス排出口まで移動すると、その部分では第二の空気供給により蒸気圧が低くなっているため、液滴は再度気化される。このことにより空気極流路が液滴で塞がれることを防ぐことができる。
【００３９】
また、空気極流路の表面の少なくとも一部にウイックを形成することもできる。このウイックは、空気極流路におけるガスの流れ方向に平行な向きに形成された溝構造である。このウィックは好ましくは空気極流路から、ガス排出口まで続く溝構造として形成される。このウイックにより、空気極流路の蒸気圧が飽和蒸気以上となり、結露が生じても、壁面に付着した液体は蒸気圧が低いガス排出口まで移動し、そこで気化される。したがって、このウイックにより、空気極流路が液滴で塞がれることが防がれる。このような場合、ウイックは親水性であることが好ましい。
【００４０】
これらの構造、あるいは燃料電池の分野で知られたその他の構造は、目的が相反するものでない限り、任意に組み合わせて用いることができる。
本発明を例を用いて説明すると以下の通りである。
【実施例１】
【００４１】
本発明の一実施態様による燃料電池の斜視断面図は図９に示す通りである。
【００４２】
図に示された例では、セル９０１が積層されスタックが構成され、単セルの間に空気極流路が形成されている。ファン３０３により空気が吸引され、流体抵抗７０１により、ｆ１およびｆ２の流量が調整される。スタック温度は一般に６０〜６５℃に制御され、電流密度は１５０〜２００ｍＡ／ｃｍ２で動作させることができる。ｆ１およびｆ２の流量は、一般にストイキオ（発電反応に必要な供給量に対する比率）１．５〜２程度に保たれる。図９の例ではセル上部のマニフォールドは入り口部の高さは３ｍｍであり、端部の高さは１ｍｍになっており、各空気極流路に均一に空気を供給する。
【００４３】
スタック温度６０℃、空気流量がストイキオ２の場合、空気極流路内で飽和蒸気圧になる量の水が空気極で発生する。ストイキオ２．５では空気極流路内は飽和水蒸気以下となる。そのため、ｆ１としてストイキオ２、ｆ２としてストイキオ２の条件で空気を流すことにより、下部マニフォールド出口でも結露を生じない。ｆ２として結露の生じないストイキオ０．５から、下部マニフォールドの水蒸気濃度をより低下させ、圧力損失もそれほど増大しないストイキオ３程度の範囲で流量を設定することが可能である。
【００４４】
ｆ２がゼロの場合、空気極流路の一部に結露が観測され、燃料電池の出力が低下した。セル下部のマニフォールドの高さは３ｍｍであり、ｆ２をストイキオ２程度になるように空気を流すことにより、安定して発電可能になった。
【００４５】
第一のマニフォールドから各空気極流路に配分される空気流量にアンバランスが生じることがあり、第二の空気導入口から空気を供給しても、第一のマニフォールドからの空気流量が少なくなった空気極流路に結露が生じる場合がある。その場合でも、空気極流路板の表面は、ＳｉＯ２系の親水化剤を塗布しておくことにより、結露が生じ難くなった。また、空気極流路の表面にテフロン（登録商標）系の撥水材を塗布しておいた場合、空気極流路幅が狭い場合には、球状の液滴が生じても液滴が移動しにくく、発電特性が悪化したが、流路幅を１ｍｍ以上と大きくすることにより、結露により生じた液滴は落下し、良好な発電特性が得られた。また、空気極流路表面に、空気の流通方向と同じ向きに幅０．２ｍｍ、深さ０．２ｍｍのウイックを形成することにより、結露する場合の液体の水が空気極流路下流まで移動し、良好な発電性能が得られた。
【００４６】
スタック温度が６０〜６５℃程度の場合、導入される空気の室温での相対湿度が１００％の場合であっても、燃料電池内でスタック温度である６０〜６５℃に加熱されると相対湿度は飽和水蒸気よりも低くなる。したがって燃料電池の周囲温度が３５℃、相対湿度１００％の場合でも、ｆ１としてストイキオ２、ｆ２としてストイキオ１であれば、空気極流路内の結露防止が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０１  電解質膜
１０２  燃料極
１０３  空気極
１０４  燃料供給路
１０６  第一の空気導入口
１０７  第二の空気導入口
１０８  ガス排出口
１１０  空気極流路
３０１  制御装置
５０１  第一のマニフォールド
５０３  第二のマニフォールド
７０１  流体抵抗
９０１  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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