(57)【要約】  【課題】  発電効率に優れ、かつ寿命の長い燃料電池スタックを提供すること。  【解決手段】  本発明の燃料電池スタックによれば、一組の電池集合体に含まれる各単位電池セルにおけるアノード内におけるガス雰囲気の温度が、カソード内のガス雰囲気の温度より高くなるように構成されているので、アノードに結露が生じ難い。その結果として、発電効率の突然の低下を防止できると共に、単位電池セルの破損が生じ難く、寿命を向上させることができる。また、アノードの結露防止のために燃料ガスのパージを特に行う必要もないので、燃料ガスの浪費が抑制され、経済的であると共に、ユーザが抱く安全性のイメージを向上できる。  【選択図】    図１
2006331686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、その高分子電解質膜の片面に隣接してその内部に燃料ガスが流入されるアノードと、前記高分子電解質膜における前記アノードとは反対側の面に隣接してその内部に酸化剤ガスが流入されるカソードとから構成される単位電池セルの複数個を電気的に接続して一組の電池集合体とし、その電池集合体における各単位電池セルにおける前記アノード及び前記カソードにそれぞれ前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給して起電力を得る燃料電池スタックにおいて、
前記単位電池セルにおける前記アノード内におけるガス雰囲気の温度が、前記カソード内のガス雰囲気の温度より高いことを特徴とする燃料電池集合体。
【請求項２】
前記電池集合体の二組を、各電池集合体におけるアノード側の端面を対向させて配置することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記電池集合体におけるアノード側の端部を加熱するアノード側加熱手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記単位電池セルのアノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
その燃料ガス供給路における、前記電池集合体への流入側を加熱する燃料ガス供給路加熱手段とを備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記単位電池セルのアノードに、前記燃料ガスを、互いに対向する方向から流入する少なくとも２つの燃料ガス供給路を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のい燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電効率に優れた燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」と称する）の片面に、燃料ガス拡散層と触媒層とから構成されるアノードを配設し、他方の面に、酸化剤ガス拡散層と触媒層とから構成されるカソードを配設して構成される単位燃料電池セル（以下、単に「単位電池セル」と称する）を、導電性セパレータによって挟持して構成されるものである。
【０００３】
この固体高分子電解質型燃料電池は、燃料ガスとして、少なくとも水素ガスを含むガスを用い、酸化剤ガスとして、空気などの少なくとも酸素ガスを含むガスを使用し、水素と酸素との酸化還元反応により生じる起電力を利用して直流の電気エネルギーを取り出すものである。
【０００４】
具体的には、固体高分子電解質型燃料電池では、アノードに供給された燃料ガス中の水素ガスがガス拡散層において拡散して触媒層においてプロトン化され、生じたプロトンが適度に加湿された電解質膜を介してカソード側へ移動すると共に、その間に生じた電子が外部回路を介してカソード側へ移動する。
【０００５】
カソード側へ移動したプロトンは、カソードの触媒層において、そのカソードに供給された酸化剤ガス中の酸素ガスと、外部回路を介してアノード側からカソード側へ流れてきた電子と反応し、水を生成する。固体高分子電解質型燃料電池では、そのように水素と酸素とから水が生成される酸化還元反応の際に生じる起電力を利用して直流の電気エネルギーを取り出す。
【０００６】
ここで、単位電池セル及び導電性セパレータの一組から構成される固体高分子電解質型燃料電池の起電力は実用的レベルではないので、一般的には、固体高分子電解質型燃料電池は、十分な起電力を得るために、単位電池セル及び導電性セパレータの複数組をそれぞれ電気的に接続して組み合わせた燃料電池スタックとして用いられている。
【０００７】
この燃料電池スタックの形態としては、単位電池セルにおけるカソード側の端面とアノード側の端面とを隣接させて積層し、導電性セパレータを介して直列に接続させた積層型燃料電池スタックや、単位電池セルを平面状に並べた上で各単位電池セルを配線などによって直列又は並列に接続させた平面型燃料電池スタックなどの形態がある。
【０００８】
ところで、固体高分子電解質型燃料電池では、発電過程において、上記のようにカソードにおいて水が生成される。そのため、単位電池セル内における水蒸気分圧は、カソード側の方がアノード側に比べて高く、その水蒸気分圧差に起因して、カソード側から電解質膜を介してアノード側へ水分（水蒸気）が移動する。
【０００９】
その一方で、発電過程におけるアノードからカソードへのプロトン移動に伴う電気浸透現象に起因して、アノード側から電解質膜を介してカソード側へ向かう水分（水蒸気）の移動も存在する。ここで、電気浸透現象に伴うアノード側からカソード側への水分の移動量の方が、上記した水蒸気分圧差によって生じるカソード側からアノード側への水分の移動量より少ない場合には、見かけ上、水分はカソード側からアノード側へ移動することになる。
【００１０】
このようなカソード側からアノード側への水分の移動によって、アノードが結露することがある。アノードに結露が生じると、水滴がアノードの触媒層を覆い、それによって触媒層の反応面積が減少するために、結果として、発電効率が急激に低下し、時には発電不能になるという事態が生じる。
【００１１】
また、単位電池セルが直列に接続されて構成される燃料電池スタックにおいて、１の単位電池セルの発電効率が急激に低下した場合、燃料電池スタック全体から取り出される電圧（電気エネルギー）が突然低下して燃料電池スタックとしての機能が不十分となるだけでなく、発電効率の低下した単位電池セルが回路上における電気抵抗として作用した結果として、その単位電池セルの破損を招くことになる。
【００１２】
特に、積層型燃料電池スタックの場合には、その積層体の積層方向の端部より中央の方が放熱性が悪いために、積層方向の端部より中央の方が温度が高いという温度分布を生じる。そのために、積層型燃料電池スタックにおけるマイナス極側、即ち、積層された単位電池セルにおけるアノード側の端面の側から数個の単位電池セルでは、アノード側の温度がカソード側の温度より低い状況が生じる。
【００１３】
よって、積層型燃料電池スタックにおけるマイナス極側におけるいくつかの単位電池セルは、カソード側より温度の低いアノード側において先に飽和水蒸気圧に達しやすく、その結果として、アノードの結露による発電効率の急激な低下が生じやすい。実際、積層型燃料電池スタックのマイナス極側から１，２番目の単位電池セルは、他の単位電池セルに比べて破損しやすい傾向にある。
【００１４】
従来より、アノードへの結露を防止するために、例えば、特開２０００−２４３４１７号公報（特許文献１）に記載されるように、燃料ガスの流路（水素給排系）内の燃料ガスを外部へパージすることがしばしば行われる。
【００１５】
ここで、図７は、アノードの結露防止策である燃料ガスのパージを行わなかった場合における、燃料電池スタックの出力安定性を示すグラフである。図７のグラフにおける横軸は、燃料電池スタックの運転時間（単位：時間）を示し、縦軸は、出力電圧（単位：Ｖ）を示す。図７に示すように、燃料ガスのパージを行わなかった場合には、運転開始後１時間に満たないうちに電圧が急激に低下し、燃料電池スタックは発電不能状態に陥った。
【００１６】
また、コードレス機器及び家庭向けの燃料電池スタックは、自動車用途ほどの大きな起電力が要求されない上に、長時間運転及び経済性の観点から、燃料ガスの流路が排気口側においてクローズされているものがある。このように燃料ガスの流路に一方がクローズされた積層型燃料電池スタックでは、水分を含む燃料ガスが外界へ排気されないので、特に、マイナス極側の単位電池セルにおけるアノードへの結露が生じやすくなる。
【００１７】
このような燃料ガスの流路が排気口側においてクローズされている場合にも、アノードへの結露を防止するために、上記のような燃料ガスのパージが行われている。この場合には、所定期間毎に、燃料ガスの流路におけるクローズを解除することにより、燃料ガスの流路内の燃料ガスが、その燃料ガスの供給圧力によって外部へパージされる。
【特許文献１】特開２０００−２４３４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、アノードへの結露を防止するために燃料ガスのパージを行った場合は、燃料ガスの浪費量が必然的に増えるために運転時間が短縮されると共に、経済的ではないという問題点があった。長時間の運転が重要視されるコードレス機器向け燃料電池スタックの場合には、燃料ガスの浪費による運転時間の短縮は最も無視できない問題点の一つであり、ユーザの購買意欲を低下させるという問題点があった。同様に、燃費の良さが重要視される家庭向けの燃料電池スタックの場合においても、燃料ガスの浪費による不経済性は最も無視できない問題点の一つであり、その不経済性による購買意欲の低下を招くという問題点があった。
【００１９】
また、燃料ガスが水素を含むガスであるために、そのような燃料ガスがパージされることに対し、ユーザが抱く安全性のイメージを低下させるという問題点があった。特に、燃料電池スタックが家庭向けの燃料電池スタックの場合には、安全性のイメージが低下した結果として、実際には十分な安全対策がとられているのにもかかわらず、購買意欲を低下させるという問題点があった。
【００２０】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、燃料ガスの浪費を抑制し、安全性の点においてユーザに与える不安を軽減した上で、発電効率に優れ、かつ寿命の長い燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池スタックは、高分子電解質膜と、その高分子電解質膜の片面に隣接してその内部に燃料ガスが流入されるアノードと、前記高分子電解質膜における前記アノードとは反対側の面に隣接してその内部に酸化剤ガスが流入されるカソードとから構成される単位電池セルの複数個を電気的に接続して一組の電池集合体とし、その電池集合体における各単位電池セルにおける前記アノード及び前記カソードにそれぞれ前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給して起電力を得るものであって、前記単位電池セルにおける前記アノード内におけるガス雰囲気の温度が、前記カソード内のガス雰囲気の温度より高くなるように構成されている。これにより、燃料電池内の水蒸気分圧はカソードの水蒸気分圧で律されるが、アノード温度がカソード温度よりも高いために、アノードは飽和蒸気圧に達しない。よって、アノードの触媒表面に結露が生じ難くなる。
【００２２】
請求項２記載の燃料電池スタックは、請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記電池集合体の二組を、各電池集合体におけるアノード側の端面を対向させて配置して構成されるものである。これにより、各電池集合体において結露の生じやすいアノード側の端面を燃料電池スタックにおける内側に配置することができる。その結果として、二組の電池集合体の組み合わせによって構成される燃料電池スタックにおける温度分布を、各電池集合体を構成する各単位電池セルのアノード内のガス雰囲気の温度がカソード内のガス雰囲気の温度より高くなるように維持できる。よって、アノードの触媒表面に結露が生じ難くなる。
【００２３】
請求項３記載の燃料電池スタックは、請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記電池集合体におけるアノード側の端部を加熱するアノード側加熱手段を備えている。これにより、燃料電池スタックを構成する電池集合体における各単位電池セルにおいて、アノード内のガス雰囲気の温度をカソード内のガス雰囲気の温度より高くすることができ、アノードの触媒表面に結露が生じ難くなる。
【００２４】
請求項４記載の燃料電池スタックは、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池スタックにおいて、前記単位電池セルのアノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、その燃料ガス供給路における、前記電池集合体への流入側を加熱する燃料ガス供給路加熱手段とを備えている。これにより、燃料ガスは、燃料ガス供給路加熱手段によって加熱されてから各単位電池セルのアノードに供給されるので、各単位電池セルにおけるアノード内のガス雰囲気の温度を効率よく上げることが可能となる。その結果、アノード内のガス雰囲気の温度をカソード内のガス雰囲気の温度より高くすることができるので、アノードの触媒表面に結露が生じ難くなる。
【００２５】
請求項５記載の燃料電池スタックは、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池スタックにおいて、前記単位電池セルのアノードに、前記燃料ガスを、互いに対向する方向から流入する少なくとも２つの燃料ガス供給路を備えている。
【００２６】
一般に、燃料電池スタックでは、各単位電池セルに燃料ガスを供給する共通の流路が設けられ、この流路から各単位電池セルのアノード側流路に燃料ガスが導入されている。アノード側流路に供給された燃料ガスは、アノードの燃料ガス拡散層と触媒層を通じて発電に寄与する。一方、発電に寄与しない未反応ガスもあり、アノード側流路から排出用の共通通路に排出されるように流路が形成されている。しかしながら、運転状態によっては、この排出用の共通通路を通じて、燃料ガス圧の低いある特定の単位電池セルに、未反応ガスが集中するという現象が起こる。未反応ガスは水分を含んでおり、これが特定の単位電池セルのアノードに集中すると、結露の危険性を増大させることになる。
【００２７】
この請求項５記載の燃料電池スタックによれば、各単位電池セルに含まれる１のアノードに対し、少なくとも２つの燃料ガス供給路から、互いに対向する方向で燃料ガスが流入される。よって、水分を多く含んだ未反応ガスが他の単位電池セルに流れ込むことを抑制し、その結果として、アノードの触媒表面が結露で覆されることを抑制できる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の燃料電池スタックによれば、アノードの触媒表面が結露で覆われる現象が生じ難くなるため、発電効率の突然の低下を防止し、単位電池セルの寿命が向上するという効果がある。また、アノードの結露防止のために燃料ガスをパージする回数やパージ量を低減でき、場合によっては全く必要としないので、経済的であると共に、機器の運転時間をより長くすることが可能となるという効果もある。さらに、パージに対してユーザが抱く安全性のイメージを向上できるという効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の好ましい実施例について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施例における燃料電池スタック１を説明するための図であり、図１（ａ）は、本発明における第１実施例の燃料電池スタック１の模式図であり、図１（ｂ）は、燃料電池スタック１における温度分布を示すグラフである。なお、図１（ｂ）において、縦軸は、温度を示し、一方で、横軸は、図１（ａ）に示す燃料電池スタック１における紙面左右方向の位置を示す。
【００３０】
図１（ａ）に示すように、第１実施例の燃料電池スタック１は、積層型燃料電池スタックであり、８枚の単位電池セル２０がそれぞれ積層されて構成された二組の電池集合体２と、燃料電池スタック１における電圧取り出し端子であるマイナス極５０及びプラス極６０と、単位電池セル２０のそれぞれに燃料ガスとして水素ガスを供給する水素ガス供給路３０と、単位電池セル２０からそれぞれ排気された燃料ガス（排気燃料ガス）を流通する水素ガス排気路３１と、単位電池セル２０のそれぞれに酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給路４０と、単位電池セル２０からそれぞれ排気された酸化剤ガスを流通する空気排気路４１とを備えている。
【００３１】
また、燃料電池スタック１は、図１（ａ）に示すように、水素ガス排気路３１は終端３１ａにおいて閉鎖（クローズ）されており、水素ガス供給路３０から供給された水素ガスを無駄なく使用できるように構成されている。なお、燃料電池スタック１には、ガスパッキンなど他の構成要素を有するが、それらは周知の構成であると共に、本発明の要旨ではないので図示及び説明を省略する。
【００３２】
図１（ａ）において、一部の単位電池セル２０は、単位電池セルＸとして、その内部を模式的に図示している。単位電池セルＸ、即ち、単位電池セル２０は、イオン交換膜（例えば、デュポン社製のナフィオン（登録商標）などのフッ素系膜）によって構成される厚さ約６０μｍ以下の電解質膜２２と、燃料ガス拡散層２６と触媒層２４とから構成され電解質膜２２の片面側に隣接して配設されるアノード２１と、酸化剤ガス拡散層２７と触媒層２５とから構成され電解質膜２２における他方の面側に配設されるカソード２３とを備えている。アノード２１には、水素ガス供給路３０から水素ガス３０ａが供給され、カソード２３には空気供給路４０から空気４０ａが供給される。
【００３３】
単位電池セル２０（単位電池セルＸ）は、上記したとおり、アノード２１に供給された水素ガスと、カソード２３に供給された空気中の酸素との酸化還元反応に伴って起電力を得るものである。
【００３４】
ここで、本発明の燃料電池スタック１で使用される電解質膜２２について詳述する。一般的に、燃料電池に用いる電解質膜は、膜の含水率が高いほど膜のオーム損が低減されて発電効率が高くなる。また、周囲雰囲気の相対湿度が高いほど、膜の含水率は高くなる。しかしながら、発電に伴う電気浸透現象によりアノード２１からカソード２３へ多くの水分が移動するために、アノード２１の相対湿度は低下し、電解質膜２２のアノード寄りの含水率は著しく低下する。よって、一般的には、燃料ガスを外部にて充分に加湿して燃料電池スタックへ供給するシステムが多く見受けられる。
【００３５】
ところが、本発明の燃料電池スタック１のように、燃料ガス（水素ガス３０ａ）を外部で充分に加湿することなく供給する場合には、カソード２３で生成した水分を積極的にアノード２１へ移動させ、電解質膜２２のアノード寄りの含水率を高めることが求められる。そのためには、水蒸気分圧差によるカソード２３からアノード２１への水分移動をより速めるために、電解質膜の厚さを可能な限り薄くすることが有効であり、これによって、効率の高い発電が可能となる。
【００３６】
また、水蒸気分圧差による水分移動が速いために、より高電流密度で発電しても電解質膜２２の著しい乾燥が起きない。従って、単位体積あたりの出力を高めることができ、さらなる小型化が可能となる。
【００３７】
これらの効果を可能にするためには、電解質膜２２の膜厚は、少なくとも６０μｍ以下の厚さであることが望ましい。さらには、電解質膜２２の膜厚を約１５〜３０μｍとすることにより、より高い効果が得られることが分かったので、電解質膜２２の膜厚は、約１５〜３０μｍの厚さであることがより望ましい。
【００３８】
本実施例の燃料電池スタック１を構成する二組の電池集合体２は、それぞれの組において、１の単位電池セル２０（単位電池セルＸ）におけるアノード２１側の導電性セパレータ（非図示）と、別の単位電池セル２０（単位電池セルＸ）のカソード２３側の導電性セパレータ（非図示）とを隣接されて積層され、８枚の単位電池セル２０が直列に接続されたものである。
【００３９】
本実施例の燃料電池スタック１は、二組の電池集合体２におけるマイナス極５０側、即ち、電池集合体２を構成する単位電池セル２０のアノード２１側が対向するように配置されている。即ち、図１（ａ）に示すように、紙面左側の電池集合体２におけるマイナス極５０側である右端の単位電池セル２０のアノード２１側の端面と、紙面右側の電池集合体２におけるマイナス極５０側である左端の単位電池セル２０のアノード２１側の端面とが対向するように配置されている。
【００４０】
なお、本実施例の燃料電池スタック１は、二組の電池集合体２においてアノード２１側の端面が互いに対向されて配置された結果として、二組の電池集合体２が並列に接続されて１本のマイナス極５０と２本のプラス極６０とから電圧が取り出されることになる。
【００４１】
積層型の燃料電池スタック１の温度分布は、積層方向（紙面左右方向）の端部と中央との放熱性に差があるために、中央付近が最も温度が高く、積層方向の端部の温度が最も低い。本実施例の燃料電池スタック１もまた、図１（ｂ）に示すように、温度分布は、中央に位置するマイナス極５０付近において最も高く、両端に位置する２つのプラス極６０に向かって低下している。
【００４２】
よって、図１（ｂ）から明らかなように、燃料電池スタック１における全ての単位電池セル２０（単位電子セルＸ）において、アノード２１内のガス（水素ガス３０ａ）雰囲気の温度が、カソード２３内のガス（空気４０ａ）雰囲気の温度よりも高くなる。
【００４３】
即ち、本実施例の燃料電池スタック１は、２組の電池集合体２が、それぞれのマイナス極５０側の端面（アノード２１側の端面）が対向するように配置された結果として、全ての単位電池セル２０（単位電池セルＸ）におけるアノード２１内のガス（水素ガス３０ａ）雰囲気の温度を、カソード２３内のガス（空気４０ａ）雰囲気の温度よりも高くすることができるのである。
【００４４】
アノード２１内のガス雰囲気の温度を、カソード２３内のガス雰囲気の温度よりも高くすることによって、アノード２１における結露の発生を防止できる。その結果、燃料電池スタック１における発電効率の突然の低下を防止でき、安定した電気エネルギーを提供することができる。また、発電効率の低下に伴う単位電池セル２０の電気抵抗化が抑制され、単位電池セル２０の破損を防止できるので、燃料電池スタック１の寿命を向上することができる。
【００４５】
なお、アノード２１のガス雰囲気の温度と、カソード２３のガス雰囲気の温度との温度差は、１℃以上であることが好ましく、２℃以上であれば温度制御がより容易となるのでより好ましい。この温度差を少なくとも１℃以上とすることによって、アノード２１における結露の発生を有効に防止することができるのである。
【００４６】
また、アノード２１のガス雰囲気の温度と、カソード２３のガス雰囲気の温度との温度差は、５℃以下であることが好ましい。アノード２１のガス雰囲気の温度と、カソード２３のガス雰囲気の温度との温度差が高すぎる場合には、電解質膜２２が過渡的に乾燥し易く、電解質膜２２の乾燥は発電不能の原因となる。よって、この温度差を５℃以下とすることによって、電解質膜２２の乾燥を確実に防止し、結果として、アノード２１の結露の防止による発電効率の向上及び破損の防止をより有効に実現することができるのである。
【００４７】
図２は、上記構成を有する第１実施例の燃料電池スタック１において、水素パージを行わなかった場合における出力安定性を示すグラフである。図２のグラフにおける横軸は、燃料電池スタック１の運転時間（単位：時間）を示し、縦軸は、出力電圧（単位：Ｖ）を示す。
【００４８】
図２に示すように、この第１実施例の燃料電池スタック１は、低負荷運転及び高負荷運転のいずれにおいても、少なくとも２４時間に渡って、急激な発電効率の低下や発電不能状態に陥ることはなかった。
【００４９】
以上説明したように、本実施例の燃料電池スタック１は、二組の電池集合体におけるそれぞれのアノード２１側の端面を対向させて配置して構成されるものであるので、各電池集合体において結露の生じやすいアノード２１側の端面を燃料電池スタック１における内側を向くように配置することができる。
【００５０】
その結果として、その二組の電池集合体２の組み合わせによって構成される燃料電池スタック１における温度分布を、各電池集合体２を構成する各単位電池セル２０のアノード２１内の水素ガス３０ａの温度（ガス雰囲気の温度）がカソード２３内の空気４０ａの温度（ガス雰囲気の温度）より高くなるようにすることができるのである。
【００５１】
よって、アノード２１に発生する結露を防止でき、発電効率の突然の低下を防止できると共に、単位電池セル２０の破損が生じ難くなり、寿命を向上させることができる。また、図２から明らかなように、アノード２１の結露防止のために従来行われていた燃料ガスのパージ回数やパージ量を低減できる、場合によっては全く必要としないので、燃料ガスとしての水素ガス３０ａの浪費が抑制され、経済的であるだけでなく、ユーザが抱く安全性のイメージを向上させることもできる。
【００５２】
次に、図３を参照して、本発明における第２実施例について説明する。図３（ａ）は、本発明の第２実施例における燃料電池スタック１の模式図である。
【００５３】
上記した第１実施例の燃料電池スタック１は、二組の電池集合体２におけるそれぞれのアノード２１側の端面を対向させて配置して構成させることによって、各単位電池セル２０のアノード２１内のガス雰囲気の温度を、カソード２３内のガス雰囲気の温度より高くなるようにした。
【００５４】
この第２実施例の燃料電池スタック１では、図３（ａ）に示すように、一組の電池集合体２と、電圧取り出し端子であるマイナス極５０及びプラス極６０とから主に構成されるものである。なお、この第２実施例の燃料電池スタック１を説明する上で、上記の第１実施例の燃料電池スタック１と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００５５】
図３（ａ）に示すように、第２実施例の燃料電池スタック１におけるマイナス極５０には、電池集合体２におけるアノード２１側の端部を加熱するためのヒータ７０がマイナス極５０側に設けられている。なお、このヒータ７０としては、種々の形態のヒータを使用できるが、燃料電池スタック１の小型化及び製造コストの観点から、フィルムヒータ（例えば、シリコンヒータ）などの薄型で安価なヒータが好ましい。
【００５６】
図３（ｂ）は、第２実施例の燃料電池スタック１における温度分布を示すグラフである。なお、図３（ｂ）において、縦軸は、温度を示し、一方で、横軸は、図３（ａ）に示す第２実施例の燃料電池スタック１における紙面左右方向の位置を示す。
【００５７】
この図３（ｂ）における実線が、本実施例における燃料電池スタック１の温度分布を示すものであり、比較として、ヒータ７０の設けられていない従来の燃料電池スタックにおけるマイナス極５０側の温度分布を点線で示す。
【００５８】
図３（ｂ）から明らかなように、ヒータ７０をマイナス極５０に取り付けることによって、従来の燃料電池スタックにおいて中央付近より温度が低く、アノードへの結露の原因であったマイナス側５０の温度分布が、各単位電池セル２０において、アノード２１内の水素ガス３０ａの温度（ガス雰囲気の温度）がカソード２３内の空気４０ａの温度（ガス雰囲気の温度）より高くなった。
【００５９】
従って、第２実施例の燃料電池スタック１によれば、マイナス極５０側にヒータ７０を設けることによって、燃料電池スタック１における電池集合体２を構成する各単位電池セル２０のアノード２１側の端部を加熱し、それによって、アノード２１内のガス雰囲気の温度がカソード２３内のガス雰囲気の温度より高くなるようにすることができる。
【００６０】
よって、アノード２１に発生する結露を防止でき、発電効率の突然の低下を防止できると共に、単位電池セル２０の破損が生じ難くなり、寿命を向上させることができる。その結果として、アノード２１の結露防止のために従来行われていた燃料ガスのパージ回数やパージ量を低減できる、場合によっては全く必要としないので、燃料ガスとしての水素ガス３０ａの浪費が抑制され、経済的であるだけでなく、ユーザが抱く安全性のイメージを向上させることもできる。
【００６１】
次に、図４を参照して、本発明の第３実施例について説明する。図４は、本発明の第３実施例における燃料電池スタック１の模式図である。なお、この第３実施例の燃料電池スタック１を説明する上で、上記の第１実施例の燃料電池スタック１と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００６２】
上記した第２実施例の燃料電池スタック１は、マイナス極５０側を加熱するためのヒータ７０を設けることによって、単位電池セル２０のアノード２１内のガス雰囲気の温度を、カソード２３内のガス雰囲気の温度より高くなるようにするようにした。この第３実施例の燃料電池スタック１では、図４に示すように、ヒータ７０に換えて、水素ガス供給路３０における電池集合体２への流入側にヒータ８０を設ける。
【００６３】
水素ガス供給路３０における電池集合体２への流入側にヒータ８０を設けた結果として、ヒータ８０によって加熱された水素ガス３０ａが各アノード２１へ流入し、各アノード２１の温度を効果的に上げることができる。
【００６４】
このようにヒータ８０が設置された第３実施例の燃料電池スタック１は、図３（ｂ）と同様の温度分布を示す。即ち、燃料電池スタック１における電池集合体２を構成する各単位電池セル２０のアノード２１内のガス雰囲気の温度がカソード２３内のガス雰囲気の温度より高くなるようにすることができる。
【００６５】
よって、この第３実施例の燃料電池スタック１もまた、アノード２１に発生する結露を防止でき、発電効率の突然の低下を防止できると共に、単位電池セル２０の破損が生じ難くなり、寿命を向上させることができる。その結果として、アノード２１の結露防止のために従来行われていた燃料ガスのパージ回数やパージ量を低減できる、場合によっては全く必要としないので、燃料ガスとしての水素ガス３０ａの浪費が抑制され、経済的であるだけでなく、ユーザが抱く安全性のイメージを向上させることもできる。
【００６６】
なお、ヒータ８０としては、種々の形態のヒータを使用できるが、水素ガス供給路３０の周囲を取り囲むように装着できるフィルムヒータ（例えば、シリコンヒータ）などの可撓性のあるヒータが好ましい。ヒータ８０が水素ガス供給路３０の周囲を取り囲むように装着されることによって、水素ガス３０ａを均一に加熱することができるので、アノード２１内のガス雰囲気の温度を、カソード２３内のガス雰囲気の温度より確実に高くすることができる。
【００６７】
次に、図５を参照して、本発明の第４実施例について説明する。図５は、本発明の第４実施例における燃料電池スタック１の模式図である。なお、この第４実施例の燃料電池スタック１を説明する上で、上記の第１実施例の燃料電池スタック１と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００６８】
上記した第１実施例の燃料電池スタック１は、各単位電池セル２０のアノード２１に、１系統の水素ガス供給路３０から水素ガス３０ａが供給されるように構成したが、この第４実施例では、第１の水素ガス供給路３０における水素ガス３０ａの流入方向に対向する方向から水素ガス９０ａを流入するための別系統の第２の水素ガス供給路９０を更に設け、２系統の水素ガス供給路３０，９０からアノード２１に水素ガス３０ａ，９０ａを供給する。
【００６９】
第２の水素ガス供給路９０には、燃料である水素ガス９０を供給したり遮断したりする開閉バルブ１１０が設けられている。さらに、この開閉バルブ１１０に対して燃料電池スタック１の側に、燃料ガス供給路９０から分岐し、開閉バルブ１１１を介した排気用の経路９１が設けられている。
【００７０】
通常運転時は、第２の水素ガス供給路９０の開閉バルブ１１０を開き、排気用の開閉バルブ１１１を閉じたまま運転される。また、水素ガス供給路３０の水素ガス３０ａ及び水素ガス供給路９０の水素ガス９０ａのガス圧は等しく、これらの水素ガス３０ａ，９０ａは、各単位電池セル２０のアノード２１に対してそれぞれ対向する流入方向から供給される。水素ガス３０ａ，９０ａの流れは、共通の流路である水素ガス供給路３０，９０からアノードに向かって流れる流れであり、アノード２１付近で水分を多く含んだ未反応ガスが、共通の流路を通じて他の特定の単位電池セル２０に集中することを防止できる。
【００７１】
また、第１の水素ガス供給路３０から水素ガス３０ａが供給された状態で、第２の水素ガス供給路９０の開閉バルブ１１０を閉じ、さらに排気用の開閉バルブ１１１を開くことにより、第１の水素ガス供給路３０からの水素ガス３０ａの流入によって、単位電池セル２０内の水分や不純物を含んだ水素ガスを燃料電池スタック１外へ放出（パージ）することができる。
【００７２】
次に、図６を参照して、本発明の第５実施例について説明する。図６は、本発明の第５実施例における燃料電池スタックである燃料スタック１００の模式図である。なお、この第５実施例の燃料電池スタック１００を説明する上で、上記の第１実施例の燃料電池スタック１と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００７３】
上記した第１から第４実施例では、積層型燃料電池スタック１について説明したが、この第５実施例では、単位電池セル２０が平面上に配置された平面型燃料電池スタック１００について説明する。
【００７４】
図６に示すように、第５実施例の燃料電池スタック１００は、３枚の単位電池セル２０がそれぞれ平面上に配置されて構成された二組の電池集合体２と、単位電池セル２０のそれぞれに燃料ガスとして水素ガスを供給する水素ガス供給路３０と、単位電池セル２０のそれぞれに酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給路４０とを備えている。
【００７５】
なお、図６において、図面の複雑化を防ぐために詳細な構成は省略したが、この第５実施例の燃料電池スタック１００は、水素ガス供給路３０から供給された水素ガス３０ａが外界に排気されないように、水素ガス３０ａの流路が非図示の終端においてクローズされており、供給された水素ガス３０ａを無駄なく使用できるように構成されている。
【００７６】
電池集合体２において、各単位電池セル２０は非図示の配線によって直列に接続されている。そして、各単位電池セル２０に、水素ガス供給路３０及び空気供給路４０からそれぞれ供給される水素ガス３０ａ及び空気４０ａとによって生じる酸化還元反応によって得られた起電力は、非図示のプラス極及びマイナス極から取り出される燃料電池スタック１００における電圧取り出し端子であるマイナス極及びプラス極（いずれも非図示）から取り出される。
【００７７】
図６に示すように、２組の電池集合体２は、それぞれ、アノード２１側が対向するように配置されている。よって、燃料電池スタック１００における放熱性が悪く、温度が最も高くなる紙面上下方向の中心側に各単位電池セル２０のアノード２１側が配置されるので、全ての単位電池セル２０におけるアノード２１内のガス（水素ガス３０ａ）雰囲気の温度を、カソード２３内のガス（空気４０ａ）雰囲気の温度よりも高くすることができる。
【００７８】
よって、アノード２１に発生する結露を防止でき、発電効率の突然の低下を防止できると共に、単位電池セル２０の破損が生じ難くなり、寿命を向上させることができる。その結果として、アノード２１の結露防止のために従来行われていた燃料ガスのパージ回数やパージ量を低減できる、場合によっては全く必要としないので、燃料ガスとしての水素ガス３０ａの浪費が抑制され、経済的であるだけでなく、ユーザが抱く安全性のイメージを向上させることもできる。
【００７９】
以上、実施例に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能であることは容易に推察できるものである。
【００８０】
例えば、上記実施例では、各単位電池セル２０に供給された水素ガス３０ａ，９０ａが外界へ排気されないように水素ガス３０ａ，９０ａの流路の終端（終端３１ａ）が閉鎖されている燃料電池スタック１，１００を例示して説明したが、水素ガス３０ａが外界へ排気される構成の燃料電池スタックであってもよい。
【００８１】
また、上記第１実施例の燃料電池スタック１は、二組の電池集合体２における互いに対向されたアノード２１側の端面されて配置された結果として、二組の電池集合体２が並列に接続されて１本のマイナス極５０と２本のプラス極６０とから電圧が取り出されるものとして説明したが、二組の電池集合体２のそれぞれのアノード２１側の端面から独立して２本のマイナス極を互いに絶縁された状態で隣接して設け、２本のプラス極６０と直列接続して電圧を取り出すように構成してもよい。
【００８２】
また、上記第４実施例の燃料電池スタック１は、２系統の水素ガス供給路３０，９０を設けることによって、１のアノード２１に２経路から対向する方向で流入される水素ガス３０ａ,９０ａが供給できるように構成した。このことは、燃料の水素ガス貯蔵体が必ずしも２つ必要であることを意味するものではなく、例えば、１つの水素ガス貯蔵体から分岐して２系統の水素ガス供給路３０，９０となるように構成してもよい。
【００８３】
また、本発明は、各単位電池セル２０におけるアノード２１内におけるガス雰囲気の温度が、カソード２３内のガス雰囲気の温度より高くすることによって達成されるので、上記実施例において例示した水素ガス３０ａ及び空気４０ａは、これらに限定されるものではなく、従来より燃料ガス及び酸化剤ガスとして使用される種々のガスを使用可能であることは容易に推察可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施例における燃料電池スタックの模式図であり、（ｂ）は、第１実施例の燃料電池スタックにおける温度分布を示すグラフである。
【図２】第１実施例の燃料電池スタックにおいて、水素パージを行わなかった場合における出力安定性を示すグラフである。
【図３】（ａ）は、本発明の第２実施例における燃料電池スタックの模式図であり、（ｂ）は、第２実施例の燃料電池スタックにおける温度分布を示すグラフである。
【図４】本発明の第３実施例における燃料電池スタックの模式図である。
【図５】本発明の第４実施例における燃料電池スタックの模式図である。
【図６】本発明の第５実施例における燃料電池スタックの模式図である。
【図７】アノードの結露防止策である燃料ガスのパージを行わなかった場合における、燃料電池スタックの出力安定性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８５】
１，１００                燃料電池スタック
２                        電池集合体
２０                      単位電池セル
２１                      アノード
２２                      電解質膜（高分子電解質膜）
２３                      カソード
３０，９０                水素ガス供給路（燃料ガス供給路）
３０ａ，９０ａ            水素ガス（燃料ガス）
４０ａ                    空気（酸化剤ガス）
７０                      ヒータ（アノード側加熱手段）
８０                      ヒータ（燃料ガス供給路加熱手段）
【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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