(57)【要約】【課題】薄型化および発電性能の向上が可能な燃料電池のセルスタック、およびこれを備えた燃料電池装置を提供する。【解決手段】セルスタック２０は、それぞれアノード極に重ねて設けられアノード流路板５６と、カソード極に重ねて設けられたカソード流路板５４と、を備え、アノード流路板と他の単セルのカソード流路板とが向かい合って積層された複数の単セル４０と、単セル間で、アノード流路板とカソード流路板との間に挟持され、アノード流路板とカソード流路板との間に密閉された空間部を形成する枠状のシール部材６４と、各単セルの燃料流路に接続されたアノード流入路５８ｂと、各単セルの空気流路に接続されたカソード流入路５８ａと、を備えている。アノード流路板は、アノード極に生じたガスを空間部に放出する排気孔５６ｂを有し、シール部材およびカソード流路板の少なくとも一方は、空間部内に放出されたガスをカソード流入路に導くシール破断部７３を有している。【選択図】      図３
2010199040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極、カソード極、およびこれらアノード極とカソード極との間に挟持された電解質層と、前記アノード極に燃料を供給する燃料流路を有し、前記アノード極に重ねて設けられアノード流路板と、前記カソード極に空気を供給する空気流路を有し、前記カソード極に重ねて設けられたカソード流路板と、をそれぞれ備え、前記アノード流路板と他の単セルのカソード流路板とが向かい合って積層された複数の単セルと、
単セルの前記アノード流路板と隣り合う他の単セルのカソード流路板との間に挟持され、アノード流路板と隣り合う他の単セルのカソード流路板との間に密閉された空間部を形成する枠状のシール部材と、
前記複数の単セルおよび前記シール部材を貫通して延び、各単セルの前記燃料流路に接続されたアノード流入路と、前記複数の単セルおよびシール部材を貫通して延び、各単セルの前記空気流路に接続されたカソード流入路と、を備え、
前記アノード流路板は、前記アノード極に生じたガスを前記空間部に放出する排気孔を有し、
前記シール部材および前記カソード流路板の少なくとも一方は、前記空間部内に放出されたガスを前記カソード流入路に導くシール破断部を有している燃料電池装置のセルスタック。
【請求項２】
前記シール部材は、前記カソード流入路の周囲に位置し、前記カソード流路板に気密に接触する環状シール部を有し、前記シール破壊部は、前記環状シール部に形成され、前記空間部と前記カソード流入路とを連通する切欠を有している請求項１に記載のセルスタック。
【請求項３】
前記カソード流路板は、前記カソード流入路の周囲に位置し、前記シール部材に気密に接触する環状の凸部を有し、前記シール破壊部は、前記環状の凸部に形成され、前記空間部と前記カソード流入路とを連通する切欠を有している請求項１に記載のセルスタック。
【請求項４】
前記複数の単セルおよび前記シール部材を貫通して延び、各単セルの前記燃料流路に接続されたアノード流出路と、前記複数の単セルおよびシール部材を貫通して延び、各単セルの前記空気流路に接続されたカソード流出路と、を有している請求項１に記載のセルスタック。
【請求項５】
セルスタックを有し、化学反応により発電を行う起電部と、
燃料を収容する燃料タンクと、
前記燃料タンクから前記セルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、
前記セルスタックに空気を供給する空気供給部と、を備え、
前記セルスタックは、それぞれアノード極、カソード極、およびこれらアノード極とカソード極との間に挟持された電解質層と、前記アノード極に燃料を供給する燃料流路を有し、前記アノード極に重ねて設けられアノード流路板と、前記カソード極に空気を供給する空気流路を有し、前記カソード極に重ねて設けられたカソード流路板と、をそれぞれ備え、前記アノード流路板と他の単セルのカソード流路板とが向かい合って積層された複数の単セルと、
単セルの前記アノード流路板と隣り合う他の単セルのカソード流路板との間に挟持され、アノード流路板と隣り合う他の単セルのカソード流路板との間に密閉された空間部を形成する枠状のシール部材と、
前記複数の単セルおよび前記シール部材を貫通して延び、各単セルの前記燃料流路に接続されたアノード流入路と、前記複数の単セルおよびシール部材を貫通して延び、各単セルの前記空気流路に接続されたカソード流入路と、を備え、
前記アノード流路板は、前記アノード極に生じたガスを前記空間部に放出する排気孔を有し、前記シール部材および前記カソード流路板の少なくとも一方は、前記空間部内に放出されたガスを前記カソード流入路に導くシール破断部を有している燃料電池装置。
【請求項６】
前記シール部材は、前記カソード流入路の周囲に位置し、前記カソード流路板に気密に接触する環状シール部を有し、前記シール破壊部は、前記環状シール部に形成され、前記空間部と前記カソード流入路とを連通する切欠を有している請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記カソード流路板は、前記カソード流入路の周囲に位置し、前記シール部材に気密に接触する環状の凸部を有し、前記シール破壊部は、前記環状の凸部に形成され、前記空間部と前記カソード流入路とを連通する切欠を有している請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記複数の単セルおよび前記シール部材を貫通して延び、各単セルの前記燃料流路に接続されたアノード流出路と、前記複数の単セルおよびシール部材を貫通して延び、各単セルの前記空気流路に接続されたカソード流出路と、を有している請求項５に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器等の電源として使用される燃料電池のセルスタックおよびこれを備えた燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ（以下、ノートＰＣと称する）、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する）は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器の電源として注目されている。
【０００３】
通常、ＤＭＦＣにおける単セルは、電解質板あるいは固体高分子電解質膜等の電解質層の両面に、触媒層とカーボンペーパで構成されたアノードとカソードとを一体化した膜・電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）を備えている。単セルのアノードに対向する主面側に燃料流路と、単セルのカソードに対応する主面側に空気流路とを備えたセパレータと、単セルと、を複数ずつ交互に積層してセルスタックを構成している。この場合、アノードとカソードとが積層された双極プレート構造とし、アノード燃料流れ場に気体透過性膜を置き、この気体透過性膜に隣接した位置に気体状流出物を放出するチャネルを設ける構造が提案されている。隣合うセパレータ間には内部破断パッキングが設けられ、燃料が酸化剤供給路あるいは電池の外部に流出ことを防止している（例えば、特許文献１）。
【０００４】
セパレータに形成された溝を通して、アノードには燃料が、カソードには酸化剤が供給される。アノードでは燃料の酸化反応が起こり、メタノールが水と反応して酸化され、二酸化炭素、プロトン、電子を生成する。プロトンは高分子電解質膜を透過しカソードに移動する。カソードでは、空気中の酸素ガスが水素イオン、電子と結合して還元され水を生成する。その過程で外部回路に電子が流れて電流を取り出す。また、アノードで燃料の反応により生じた二酸化炭素は、生成物排出流路を経てセルスタックの外部に排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平５−７２０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記セルスタックのように、双極セパレータを挟んで複数のセルを積層した場合、スタックのサイズが大きくなり、小型化が難しい。そのため、セルスタック全体が厚くなり、燃料電池全体を小型化する上で障害となる。また、アノードで生成された炭酸ガスをセルスタックの外部に排出して処理する構成とした場合、炭酸ガスを流す長い流路が必要となり、また、炭酸ガスを処理する手段が別途必要となり、装置全体の大型化を招く。
【０００７】
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、薄型化および発電性能の向上が可能な燃料電池のセルスタック、およびこれを備えた燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の態様に係る燃料電池装置のセルスタックは、それぞれアノード極、カソード極、およびこれらアノード極とカソード極との間に挟持された電解質層と、前記アノード極に燃料を供給する燃料流路を有し、前記アノード極に重ねて設けられアノード流路板と、前記カソード極に空気を供給する空気流路を有し、前記カソード極に重ねて設けられたカソード流路板と、を備え、前記アノード流路板と他の単セルのカソード流路板とが向かい合って積層された複数の単セルと、  
単セルの前記アノード流路板と隣り合う他の単セルのカソード流路板との間に挟持され、アノード流路板と隣り合う他の単セルのカソード流路板との間に密閉された空間部を形成する枠状のシール部材と、  
前記複数の単セルおよび前記シール部材を貫通して延び、各単セルの前記燃料流路に接続されたアノード流入路と、前記複数の単セルおよびシール部材を貫通して延び、各単セルの前記空気流路に接続されたカソード流入路と、を備え、  
前記アノード流路板は、前記アノード極に生じたガスを前記空間部に放出する排気孔を有し、前記シール部材および前記カソード流路板の少なくとも一方は、前記空間部内に放出されたガスを前記カソード流入路に導くシール破断部を有している。
【０００９】
この発明の他の態様に係る燃料電池装置は、前記セルスタックを有し、化学反応により発電を行う起電部と、燃料を収容する燃料タンクと、前記燃料タンクから前記セルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、前記セルスタックに空気を供給する空気供給部と、を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
以上構成によれば、薄型化および発電性能の向上が可能な燃料電池のセルスタック、およびこれを備えた燃料電池装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池装置の構成を概略的に示すブロック図。
【図２】図２は、前記燃料電池装置のセルスタックを示す斜視図。
【図３】図３は、前記セルスタックを分解して示す分解斜視図。
【図４】図４は、前記セルスタックの単セルを分解して示す分解斜視図。
【図５】図５は、図３の線Ａ−Ａに沿った前記単セルの断面図。
【図６】図６は、前記セルスタックにおけるシール部材を示す平面図。
【図７】図７は、発電反応を模式的に示す、図２の線Ｂ−Ｂに沿った前記セルスタックの断面図。
【図８】図８は、前記シール部材の一部を拡大して示す斜視図。
【図９】図９は、この発明の他の実施形態に係るセルスタックの要部を示す分解斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る燃料電池装置について詳細に説明する。  
図１は第１の実施形態に係る燃料電池装置の構成を概略的に示している。図１に示すように、燃料電池装置１０は、メタノールを液体燃料とするＤＭＦＣとして構成されている。燃料電池装置１０は、起電部を構成するセルスタック２０、燃料タンク１２、およびセルスタック２０に燃料および空気を供給する循環系２４、燃料電池装置全体の動作を制御する電池制御部５１を備えている。
【００１３】
燃料タンク１２は密閉構造を有し、燃料電池装置１０に対して脱着自在な燃料カートリッジとして形成されている。燃料タンク１２には、液体燃料として高濃度のメタノールが収容されている。燃料を消費した際、燃料タンク１２を容易に交換又は補充可能となっている。
【００１４】
循環系２４は、燃料タンク１２から供給された燃料を、セルスタック２０を通して循環させるアノード流路３２、およびセルスタック２０を通して空気を含む気体を流すカソード流路３４、アノード流路内およびカソード流路内に設けられた複数の補機を有している。アノード流路３２およびカソード流路３４は、それぞれ配管等によって形成されている。
【００１５】
図２はセルスタック２０の積層構造を示し、図３はセルスタック２０を分解して示す斜視図、図４はセルスタックを構成する単セルを分解して示す斜視図、図５は図３の線Ａ−Ａに沿った単セルの断面図、図６は、セルスタックのシール部材を示す平面図、図７は、セルスタック２０を破断して模式的に示す図２の線Ｂ−Ｂに沿った断面図、図８は、シール部材の一部を拡大して示す斜視図である。
【００１６】
図２および図３に示すように、セルスタック２０は、複数、例えば、１１個の単セル４０と、シール部材６４とを交互に積層して構成されている。積層方向の両端には、エンドプレート４３が積層され、これらエンドプレート同士をねじ止め等によって互いに締結することにより、これらエンドプレート４３間に、複数の単セル４０およびシール部材６４が積層状態で保持されている。
【００１７】
図３ないし図５に示すように、単セル４０は、それぞれ触媒層とカーボンペーパで構成されたほぼ矩形板状のカソード極（空気極）４２およびアノード極（燃料極）４４、これらカソード極、アノード極間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜４６とを一体化した膜・電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）５０を備えている。また、ＭＥＡ５０は、アノード極４４の外面上に重ねて設けられた矩形状の気液分離膜４８を一体に備えている。高分子電解質膜４６は、カソード極４２およびアノード極４４よりも大きな面積に形成され、その周縁部は、アノード極およびカソード極の周縁部から外側に突出している。高分子電解質膜４６の周縁部両面には、それぞれ矩形枠状のガスケット５２ａ、５２ｂが熱溶着シート５３により貼付されている。
【００１８】
単セル４０は、それぞれ細長い矩形の金属板により形成されたカソード流路板５４およびアノード流路板５６を有している。これらのカソード流路板５４およびアノード流路板５６は例えばＳＵＳにより形成されている。カソード流路板５４はカソード極４２に重ねて積層され、アノード流路板５６はアノード極４４、ここでは、気液分離膜４８に重ねて積層されている。これにより、ＭＥＡ５０は、カソード流路板５４とアノード流路板５６との間に挟持されている。なお、ＭＥＡ５０、ガスケット５２ａ、５２ｂ、カソード流路板５４、およびアノード流路板５６は、熱溶着シート５３、５５を間に挟んで、熱溶着（加熱および加圧する）することにより、互いに接合されている。
【００１９】
カソード流路板５４、アノード流路板５６、およびガスケット５２ａ、５２ｂの長手方向の一端部には、空気および燃料がそれぞれ通るカソード流入路５８ａ、アノード流入路５８ｂがそれぞれ形成され、長手方向他端には、カソード側およびアノード側の反応生成物がそれぞれ排出されるカソード流出路６０ａ、アノード流出路６０ｂが形成されている。カソード流入路５８ａ、アノード流入路５８ｂ、カソード流出路６０ａ、アノード流出路６０ｂは、それぞれセルスタック２０の積層方向に沿って、単セル４０およびシール部材６４を貫通して延びている。
【００２０】
カソード流路板５４において、カソード極４２と対向する側の壁面には、カソード極４２に空気を供給する溝状の空気流路５４ａが形成されている。この空気流路５４ａは、カソード流入路５８ａからカソード流出路６０ａまで蛇腹状に延びている。
【００２１】
アノード流路板５６において、アノード極４４と対向する側の壁面には、アノード極４４に燃料を供給する溝状の燃料流路５６ａが形成されている。この燃料流路５６ａは、アノード流入路５８ｂからアノード流出路６０ｂまで蛇腹状に延びている。アノード流路板５６は、気液分離膜４８で分離された気体、ここでは、水蒸気を含む二酸化炭を単セル４０の外部に放出する複数の排気孔５６ｂを有している。排気孔５６ｂは、それぞれアノード流路板５６に貫通形成され、燃料流路５６ａに沿って並んで設けられている。各排気孔５６ｂは、気液分離膜４８と対向している。
【００２２】
図２、図３、および図７に示すように、上記のように構成された複数の単セル４０は、直列的に並んで積層されている。すなわち、複数の単セル４０は、１つの単セル４０のカソード流路板５４と、隣り合う他の単セル４０のアノード流路板５６とが向かい合うように、積層されている。そして、カソード流路板５４の空気流路５４ａを形成している凸部、およびアノード流路板５６の燃料流路５６ａを形成している凸部は、互いに接触し電気的に導通している。
【００２３】
隣り合う単セル４０のカソード流路板５４とアノード流路板５６との間に、矩形状の開口６４ａを中央部に有する細長い矩形枠状のシール部材６４が挟まれている。シール部材６４は、弾性を有する材料、例えば、ゴムで形成され、カソード流路板５４とアノード流路板５６の周縁部に密着するような硬度および寸法に形成されている。
【００２４】
図３、図４、および図７に示すように、シール部材６４は、シール部材６４の長手方向の一端部には、空気および燃料がそれぞれ通るカソード流入路５８ａ、アノード流入路５８ｂがそれぞれ形成され、長手方向他端には、カソード側およびアノード側の反応生成物がそれぞれ排出されるカソード流出路６０ａ、アノード流出路６０ｂが形成されている。
【００２５】
シール部材６４は、左右両面の周縁に沿って延びる細長い周縁シール６４ｂ、カソード流入路５８ａの周囲に突設された環状シール部６６ａ、アノード流入路５８ｂの周囲に突設された環状シール部６６ｂ、カソード流出路６０ａの周囲に突設された環状シール部６８ａ、アノード流出路６０ｂの周囲に突設された環状シール部６８ｂを一体に有している。
【００２６】
カソード流路板５４とアノード流路板５６との間に挟持されたシール部材６４は、周縁シール６４ｂがカソード流路板５４およびアノード流路板５６の周縁部に気密に接触することにより、カソード流路板５４とアノード流路板５６との間に、密閉された空間部７０を形成している。環状シール部６６ａは、カソード流路板５４およびアノード流路板５６に気密に接触し、カソード流入路５８ａを気密に覆っている。環状シール部６６ｂは、カソード流路板５４およびアノード流路板５６に気密に接触し、アノード流入路５８ｂを気密に覆っている。環状シール部６８ａは、カソード流路板５４およびアノード流路板５６に気密に接触し、カソード流出路６０ａを気密に覆っている。環状シール部６８ｂは、カソード流路板５４およびアノード流路板５６に気密に接触し、アノード流出路６０ｂを気密に覆っている。
【００２７】
図３、図６、および図８に示すように、シール部材６４の環状シール部の内、カソード流入路５８ａの周囲に設けられた環状シール部６６ａは、その一部を切欠くことにより、あるいは溝を形成することにより、形成されたシール破断部７３を有している。シール部材６４によってカソード流路板５４とアノード流路板５６との間に形成された密閉空間部７０は、このシール破断部７３を通して、カソード流入路５８ａに連通している。
【００２８】
アノード流路板５６の排気孔５６ｂから密閉空間部７０に排気された二酸化炭素は、シール部材６４の環状シール部６６ａに形成されたシール破断部７３を通り、カソード流入路５８ａに送られ、カソード流入路５８ａを流れる空気と混ざった後、隣の下流側の単セル４０に供給される。
【００２９】
図２、図３および図７に示すように、エンドプレート４３間に、交互に積層された複数の単セル４０およびシール部材６４において、複数の単セル４０のカソード流入路５８ａおよびアノード流入路５８ｂと、シール部材６４のカソード流入路５８ａおよびアノード流入路５８ｂとは、それぞれ互いに連通している。同様に、複数の単セル４０のカソード流出路６０ａおよびアノード流出路６０ｂと、シール部材６４のカソード流出路６０ａおよびアノード流出路６０ｂとは、それぞれ互いに連通している。
【００３０】
図２に示すように、積層方向一端側に位置した単セル４０のカソード流路板５４には、電力を取り出すための陰極端子７１が設けられ、積層方向他端側に位置した単セル４０のアノード流路板５６には電力を取り出すための陽極端子７２が設けられている。
【００３１】
図１および図２に示すように、セルスタック２０のカソード流入路５８ａおよびカソード流出路６０ａは、循環系２４のカソード流路３４に接続されている。セルスタック２０のアノード流入路５８ｂおよびアノード流出路６０ｂは、循環系２４のアノード流路３２に接続されている。
【００３２】
図１に示すように、カソード流路３４の上流端３４ａおよび下流端３４ｂは、それぞれ大気に連通している。カソード流路３４は、セルスタック２０のカソード流入路５８ａおよびカソード流出路６０ａに接続されている。カソード流路３４に設けられる補機は、セルスタック２０の上流側でカソード流路３４に接続された送気ポンプ３８を含んでいる。送気ポンプ３８はセルスタック３０のカソード極４２に空気を供給する空気供給部を構成している。
【００３３】
アノード流路３２は、セルスタック２０のアノード流入路５８ｂおよびアノード流出路６０ｂに接続され閉ループを形成している。アノード流路３２に設けられた補機は、燃料タンク１２の燃料供給口に配管接続された燃料ポンプ１４、燃料ポンプ１４の出力部に配管を介して接続された混合タンク１６、混合タンク１６の出力部とセルスタック２０の流入側との間に接続された送液ポンプ１７を備えている。混合タンク１６は、燃料タンク１２と共に、この発明における燃料タンクの一部を構成している。
【００３４】
送液ポンプ１７の出力部はアノード流路３２を介してセルスタック２０のアノード流入路５８ｂに接続される。燃料ポンプ１４および送液ポンプ１７はセルスタック２０に燃料を供給する燃料供給部を構成している。セルスタック２０のアノード流出路６０ｂの出力側は、アノード流路３２を介して混合タンク１６の入力部に接続されている。
【００３５】
電池制御部５１は、セルスタック２０の陰極端子７１および陽極端子７２に接続され、セルスタック２０で発生した電力を取り出し電子機器５５に供給するとともに、セルスタック２０の各単セル４０の電圧測定、セルスタックから引き出す電流制御を行う。
【００３６】
上記構成の燃料電池装置１０を電子機器５５の電源として用いる場合、まず、メタノールを収容した燃料タンク１２を装着し、燃料電池装置１０の循環系２４に接続する。この状態で、燃料電池装置１０の発電を開始する。この場合、電池制御部５１の制御の下、燃料ポンプ１４、送液ポンプ１７および送気ポンプ３８を作動させる。燃料ポンプ１４により、アノード流路３２を通して燃料タンク１２から混合タンク１６に高濃度のメタノールが供給され、混合タンクで水と混合されて所定濃度に希釈される。混合タンク１６内で希釈されたメタノール水溶液は、送液ポンプ１７によりアノード流路３２からセルスタック２０内のアノード流入路５８ｂに送られる。更に、メタノール水溶液は、各アノード流路板５６の燃料流路５６ａを通り、単セル４０のアノード極４４に供給される。その後、未反応のメタノール水溶液は、セルスタック２０のアノード流出路６０ｂに送られ、更に、アノード流路３２を通って混合タンク１６へ戻される。
【００３７】
一方、送気ポンプ３８により、カソード流路３４の上流端３４ａからカソード流路３４内に大気、つまり、空気が吸い込まれる。この空気は図示しない吸気フィルタを通過した後、カソード流路３４を通してセルスタック２０のカソード流入路５８ａに供給され、更に、各カソード流路板５４の空気流路５４ａを通って各単セル４０のカソード極４２へ供給される。カソード極４２で反応して湿気を含んだ空気は、セルスタック２０のカソード流出路６０ａへ送られ、更に、カソード流路３４を通って外部に排気される。
【００３８】
セルスタック２０の各単セル４０において、図７に示すように、アノード側では燃料流路５６ａを通して燃料（メタノール水溶液）がアノード極４４のアノード触媒に供給され、化学反応が起き、二酸化炭素（ＣＯ2）が放出されるとともに、ｅ-(電子)が発生し、燃料流路５６ａを形成するアノード流路板５６を導電する。この際、Ｈ＋も発生し、それが高分子電解質膜４６を通り、カソード極４２側へ供給される。一方、カソード側ではカソード流路板５４を導電したe-と高分子電解質膜４６を通り抜けたＨ＋と、空気流路５４ａより供給される空気中の酸素とがカソード極４２上で化学反応し、水を形成する。この過程で、アノード極４４とカソード極４２との間、すなわち、アノード流路板５６とカソード流路板５４との間に電子が流れて電流を取り出すことができる。
【００３９】
一連の反応の中で、アノード極４４で発生した二酸化炭素は、気液分離膜４８により、ＭＥＡ５０内で、気体(二酸化炭素、水蒸気)と液体(未反応の燃料)とに分離され、二酸化炭素はアノード流路板５６の排気孔５６ｂを通り、密閉空間部７０に放出される。密閉空間部７０に排気された二酸化炭素は、シール部材６４の環状シール部６６ａに形成されたシール破断部７３を通り、カソード流入路５８ａに送られ、カソード流入路５８ａを流れる空気と混ざった後、隣の下流側の単セル４０に供給される。そして、空気と混ざった二酸化炭素は、単セル４０のカソード極４２に供給され、カソード触媒により燃焼処理される。
【００４０】
セルスタック２０で発生した電力は、電池制御部５１によりセルスタック２０から引き出され電子機器５５に供給される。
【００４１】
以上のように構成された燃料電池装置によれば、セルスタック２０において、アノード・カソード一体型セルを最小単位とし、スタック化することができる。そのため、従来のような双極プレートを用いるスタックに比べ、スタックサイズを小さくすることができる。
【００４２】
単セル４０間に設けられたシール部材６４により密閉空間部７０を形成し、アノード極側に生じた二酸化炭素ガスをこの密閉空間を通して直ぐにカソード流入路に合流させ、空気とともに上流側の単セルに送ることにより、単セルのカソード極により二酸化炭素ガスを燃焼処理することができる。そのため、アノード側で生成された二酸化炭素ガスをセルスタックの外部に排出して処理する必要がなく、二酸化炭酸ガスを流す長い流路あるいは二酸化炭酸ガスを処理する別途手段が不要となり、セルスタックおよび装置全体の小型化および薄型化を図ることが可能となる。同時に、放出された二酸化炭素ガスを高温の単セル間の密閉空間部７０を通すことにより、二酸化炭素ガス中に含まれる蒸気の結露を防止することができる。これにより、単セル４０間の電気抵抗を低減することができるとともに、カソードに供給される空気中に含まれる水分を低減し、発電効率の向上を図ることが可能となる。
【００４３】
以上のことから、本実施形態によれば、小型、薄型化および発電性能の向上が可能な燃料電池のセルスタック、およびこれを備えた燃料電池装置を提供することができる。
【００４４】
上述した実施形態において、単セル間の密閉空間部とカソード流入路とを連通するシール破断部は、シール部材の環状シール部に設けられているが、これに限らず、単セルのカソード流路板側に設けてもよい。
【００４５】
図９に示すように、この発明の第２の実施形態に係る燃料電池装置のセルスタック２０によれば、単セル４０を構成するカソード流路板５４は、カソード流入路５８ａの周囲に位置し、シール部材６４の環状シール部６６ａに気密に接触する環状の凸部７６ａを有している。この環状の凸部の一部に、密閉空間部７０とカソード流入路５８ａとを連通する切欠が形成され、この切欠により、シール破断部７４が形成されている。
【００４６】
第２の実施形態において、セルスタック２０および燃料電池装置の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。そして、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４７】
この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００４８】
例えば、セルスタックにおいて、積層する単セルの数は、１１個に限らず、必要に応じて増減可能である。各構成要素の形状、材質等は、上述した実施形態に限定されることなく、適宜選択可能である。燃料電池装置は、送気ポンプを省略し、空気の拡散、対流によりセルスタックに空気を供給する構成としてもよい。この発明に係る燃料電池装置は、パーソナルコンピュータ、モバイル機器、携帯端末等の種々の電子機器およびその他の機器の電源にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１０…燃料電池装置、１２…燃料タンク、１４…燃料ポンプ、１６…混合タンク、  
１７…送液ポンプ、２０…セルスタック、２４…循環系、３２…アノード流路、
３４…カソード流路、４０…単セル、４２…カソード極、４３…エンドプレート、
４４…アノード極、４６…高分子電解質膜、４８…気液分離膜、５０…ＭＥＡ、
５１…電池制御部、５４…カソード流路板、５４ａ…空気流路、
５６…アノード流路板、５６ａ…燃料流路、５６ｂ…排気孔、
５８ａ…カソード流入路、５８ｂ…カソード流出路、６４…シール部材、
６６ａ、６６ｂ、６８ａ、６８ｂ…環状シール部、７０…空間部、
７３、７４…シール破断部、７６ａ…凸部
【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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