(57)【要約】【課題】燃料電池の端部ＭＥＡにおいて、カソードからアノードへのガスのリークを抑制しつつ、アノードにおいて水分解反応を促進させるための技術を提供すること。【解決手段】電解質膜をアノードとカソードとで挟持して成る膜電極接合体が、セパレータを介在して複数積層される燃料電池であって、膜電極接合体の積層方向において燃料電池の端部に位置する１つ以上の膜電極接合体から成る端部グループと、積層方向において燃料電池の中央部に位置する１つ以上の膜電極接合体から成る中部グループと、に少なくとも区分され、端部グループの膜電極接合体における電解質膜の膜厚平均値は、中部グループの膜電極接合体における電解質膜の膜厚平均値より小さく、端部グループにおいて、全ての膜電極接合体は、電解質膜として炭化水素系電解質膜を備える。【選択図】図１
2008198511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜をアノードとカソードとで挟持して成る膜電極接合体が、セパレータを介在して複数積層される燃料電池であって、
前記膜電極接合体の積層方向において前記燃料電池の端部に位置する１つ以上の前記膜電極接合体から成る端部グループと、前記積層方向において前記燃料電池の中央部に位置する１つ以上の前記膜電極接合体から成る中部グループと、に少なくとも区分され、
前記端部グループの前記膜電極接合体における前記電解質膜の膜厚平均値は、前記中部グループの前記膜電極接合体における前記電解質膜の膜厚平均値より小さく、
前記端部グループにおいて、全ての前記膜電極接合体は、
前記電解質膜として炭化水素系電解質膜を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記端部グループにおいて、前記膜電極接合体の前記電解質膜の前記膜厚平均値は、３０μｍ以下であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記端部グループにおいて、各膜電極接合体の膜厚は、均一であることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記端部グループは、
前記積層方向において、前記燃料電池のどちらか一方の最端部に位置する前記膜電極接合体を少なくとも含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記端部グループは、
前記最端部に位置する前記膜電極接合体から、前記積層方向であって前記燃料電池の内側に向かって連続する複数の前記膜電極接合体を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記端部グループは、
前記積層方向における前記燃料電池の一方の端部に位置する１つ以上の前記膜電極接合体から成る第１端部グループと、前記積層方向における前記燃料電池の他方の端部に位置する１つ以上の前記膜電極接合体とから成る第２端部グループとを含み、
前記中部グループにおける前記膜電極接合体は、
前記積層方向において、前記第１端部グループと、前記第２端部グループとの間に位置することを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池において、
前記第１端部グループ、および、前記第２端部グループは、
前記積層方向における前記燃料電池の各最端部に位置する前記膜電極接合体をそれぞれ含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池において、
前記第１端部グループ、および、前記第２端部グループは、
各最端部に位置する前記膜電極接合体から、それぞれ前記燃料電池の内側に向かって連続する複数の前記膜電極接合体から成ることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項５または請求項８に記載の燃料電池において、
前記最端部に位置する前記膜電極接合体から前記燃料電池の内側に向かって連続する複数の前記膜電極接合体の数は、５つ以下であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の燃料電池において、
前記中部グループの全ての前記膜電極接合体は、
前記電解質膜としてフッ素系電解質膜を備え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、電解質膜をカソードおよびアノードで挟持して成る膜電極接合体を積層して構成する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、膜電極接合体（以下では、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とも呼ぶ）が、セパレータを介在して、複数積層されて成るスタック構造を有している。ＭＥＡは、プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、アノードおよびカソードを接合して成る。電解質膜としては、例えば、フッ素系電解質膜（パーフルオロカーボンスルホン酸など）が用いられる。
【０００３】
上記燃料電池において、ＭＥＡの積層方向に対する端部では、燃料電池の運転停止後の放熱量が比較的大きく、すなわち、冷却されやすい。このため、燃料電池の運転停止後、燃料電池の端部では、内部の残存水蒸気が結露しやすく、水が滞留する場合がある。このような状況で、燃料電池が氷点下にさらされると、燃料電池の端部において、燃料ガス供給マニホールドや、ＭＥＡに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路等で滞留水が凍結してしまう。この状態で、そのまま燃料電池を起動すると、燃料電池の端部に位置するＭＥＡ（以下では、端部ＭＥＡとも呼ぶ）のアノードにおいて、燃料ガスが供給不足となり、いわゆる、水素欠運転になるおそれがある。
【０００４】
端部ＭＥＡにおいて、このような水素欠運転時では、アノードで、下記の式（１）に示すような水分解反応によりプロトンを創出し、発電が進行されることとなる（下記特許文献１参照）。この水分解反応で用いられる水は、電解質膜を介してアノードに透過してくるカソード側の生成水でまかなわれる。この場合、アノード全体で、水分解反応を進行させるためには、カソード側からの生成水を、電解質膜にできるだけ拡散させつつ、透過させる必要がある。
Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２＋ｅ−＋２Ｈ＋・・・（１）
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１５８３８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、上記端部ＭＥＡにおいて、電解質膜を薄膜化することにより、カソード側からの生成水を、電解質膜全体にできるだけ拡散させる方法が考えられる。しかしながら、電解質膜として、上記フッ素系電解質膜を用いた場合には、それを薄膜化するとカソードからアノードへのガス（窒素ガス、酸化ガスなど）のリーク量が増大し、燃料電池の発電効率が低下するおそれがあった。なお、フッ素系電解質膜を用いて、それを薄膜化した場合において、アノードからカソードへのガス（燃料ガスなど）のリーク量も増大し、燃料電池の発電効率が低下するおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の端部ＭＥＡにおいて、カソードからアノードへのガスのリーク及びアノードからカソードへのガスのリークを抑制しつつ、アノードにおいて水分解反応を促進させるための技術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】
【０００８】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、
電解質膜をアノードとカソードとで挟持して成る膜電極接合体が、セパレータを介在して複数積層される燃料電池であって、
前記膜電極接合体の積層方向において前記燃料電池の端部に位置する１つ以上の前記膜電極接合体から成る端部グループと、前記積層方向において前記燃料電池の中央部に位置する１つ以上の前記膜電極接合体から成る中部グループと、に少なくとも区分され、
前記端部グループの前記膜電極接合体における前記電解質膜の膜厚平均値は、前記中部グループの前記膜電極接合体における前記電解質膜の膜厚平均値より小さく、
前記端部グループにおいて、全ての前記膜電極接合体は、
前記電解質膜として炭化水素系電解質膜を備えることを要旨とする。
【０００９】
上記構成の燃料電池によれば、燃料電池の端部に位置する膜電極接合体において、カソードからアノードへのガスのリーク及びアノードからカソードへのガスのリークを抑制しつつ、アノードにおいて水分解反応を促進させることが可能である。
【００１０】
上記燃料電池において、
前記端部グループにおいて、前記膜電極接合体の前記電解質膜の前記膜厚平均値は、３０μｍ以下であることが好ましい。
【００１１】
このようにすれば、燃料電池の端部に位置する膜電極接合体において、カソードからアノードへのガスのリーク及びアノードからカソードへのガスのリークを抑制しつつ、アノードにおいて水分解反応を促進させることが可能である。
【００１２】
上記燃料電池において、
前記端部グループにおいて、各膜電極接合体の膜厚は、均一であることが好ましい。
【００１３】
このようにすれば、端部グループにおいて、電解質膜の膜抵抗のバラツキを抑制することが可能であり、従って、端部グループの膜電極接合体間の抵抗のばらつきを抑制することが可能である。
【００１４】
上記燃料電池において、
前記端部グループは、
前記積層方向において、前記燃料電池のどちらか一方の最端部に位置する前記膜電極接合体を少なくとも含むことが好ましい。
【００１５】
このようにすれば、水素欠運転時において、より効果的に燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００１６】
上記燃料電池において、
前記端部グループは、
前記最端部に位置する前記膜電極接合体から、前記積層方向であって前記燃料電池の内側に向かって連続する複数の前記膜電極接合体を含むことが好ましい。
【００１７】
このようにすれば、水素欠運転時であっても、最端部に位置する膜電極接合体から燃料電池の内側に向かって連続する膜電極接合体において、カソードからアノードへのガスリーク及びアノードからカソードへのガスのリークを抑制しつつ、アノードで水分解反応を促進することが可能となる。その結果、水素欠運転時であっても、それら膜電極接合体において、発電を実行することができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００１８】
上記燃料電池において、
前記端部グループは、
前記積層方向における前記燃料電池の一方の端部に位置する１つ以上の前記膜電極接合体から成る第１端部グループと、前記積層方向における前記燃料電池の他方の端部に位置する１つ以上の前記膜電極接合体とから成る第２端部グループとを含み、
前記中部グループにおける前記膜電極接合体は、
前記積層方向において、前記第１端部グループと、前記第２端部グループとの間に位置することが好ましい。
【００１９】
このようにすれば、水素欠運転時において、より効果的に燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００２０】
上記燃料電池において、
前記第１端部グループ、および、前記第２端部グループは、
前記積層方向における前記燃料電池の各最端部に位置する前記膜電極接合体をそれぞれ含むことが好ましい。
【００２１】
このようにすれば、水素欠運転時であっても、より効果的に燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００２２】
上記燃料電池において、
前記第１端部グループ、および、前記第２端部グループは、
各最端部に位置する前記膜電極接合体から、それぞれ前記燃料電池の内側に向かって連続する複数の前記膜電極接合体から成ることが好ましい。
【００２３】
このようにすれば、各最端部に位置する膜電極接合体から燃料電池の内側に向かって連続する膜電極接合体において、それぞれ、カソードからアノードへのガスリーク及びアノードからカソードへのガスのリークを抑制しつつ、アノードで水分解反応を促進することが可能となる。その結果、水素欠運転時であっても、それら膜電極接合体において、発電を実行することができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００２４】
上記燃料電池において、
前記最端部に位置する前記膜電極接合体から前記燃料電池の内側に向かって連続する複数の前記膜電極接合体の数は、５つ以下であることが好ましい。
【００２５】
このようにすれば、燃料電池全体の発電効率を向上させることが可能となる。
【００２６】
上記燃料電池において、
前記中部グループの全ての前記膜電極接合体は、
前記電解質膜としてフッ素系電解質膜を備えることが好ましい。
【００２７】
このようにすれば、中部グループの膜電極接合体において、発電性能を向上させることができ、その結果、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００２８】
なお、本発明は、上記した燃料電池に限られず、膜電極接合体など他の装置発明の態様で実現することも可能である。また、燃料電池の製造方法や膜電極接合体の製造方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例である燃料電池１００の概略外観構成を示す斜視図である。この燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池として形成され、燃料ガスとしての水素と、酸化ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。燃料電池１００は、発電体ユニット１０を複数積層したスタック構造を有している。これら発電体ユニット１０の積層数は、燃料電池１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。これらについては後述する。なお、発電体ユニット１０を積層する方向を積層方向とも呼ぶ。
【００３０】
本実施例の燃料電池１００では、積層される発電体ユニット１０は、発電体ユニット１０ａと、発電体ユニット１０ｂとの２種類に分けられる。積層方向において、燃料電池１００の各最端部に位置する発電体ユニットを、以下では、最端ユニットとも呼ぶ。最端ユニットから連続する５つの発電体ユニットは、発電体ユニット１０ｂである。その他の発電体ユニットは、発電体ユニット１０ａである。すなわち、発電体ユニット１０ｂは、積層方向において、燃料電池１００の端部に位置し、発電体ユニット１０ａは、積層方向において、燃料電池１００の中部に位置している。図１に示すように、燃料電池１００の中部に位置する発電体ユニット１０ａの集合体を、中部グループＧａと呼び、燃料電池１００の両端部において、発電体ユニット１０ｂの集合体を、それぞれ端部グループＧｂ１，Ｇｂ２と呼ぶ（図１クロスハッチ参照）。なお、発電体ユニット１０ａ、および、発電体ユニット１０ｂについての詳細な構成は後述する。
【００３１】
図１に示すように、燃料電池１００は、一端からカソード側エンドプレート１５０、絶縁板１３０、集電板１１０、発電体ユニット１０、集電板１２０、絶縁板１４０、アノード側エンドプレート１６０の順に積層されて構成される。ここで、エンドプレート１５０、１６０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。また、集電板１１０、１２０は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。絶縁板１３０、１４０は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板１１０、１２０には、それぞれ出力端子１１０Ａ、１２０Ａが設けられており、燃料電池１００で発電した電力を出力可能となっている。なお、燃料電池１００は、図示を省略したが、テンションプレート等により、積層方向に所定の押圧力がかかった状態で締結されて保持されている。
【００３２】
Ａ２．発電体ユニット１０ａの構成：
図２は、中部グループＧａに属する発電体ユニット１０ａの概略構成を表わす断面模式図である。この発電体ユニット１０ａは、図２に示すように、ＭＥＡ２４ａと、ＭＥＡ２４ａの外側に形成される第１ガス拡散層３１，３２と、第１ガス拡散層３１，３２の外側に形成される第２ガス拡散層３３，３４と、第２ガス拡散層３３，３４の外側に形成されるセパレータ３５，３６と、を備えている。ＭＥＡ２４ｂは、電解質膜２１ａと、電解質膜２１ａの両面に形成される触媒電極層（カソード２２およびアノード２３）とから成る。
【００３３】
電解質膜２１ａは、固体高分子材料であるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。このフッ素系樹脂としては、例えば、パーフルオロスルホン酸（ナフィオン（登録商標）など）などが好ましい。電解質膜２１ａの膜厚は、それぞれほぼ均一であり約５０μｍである。従って、中部グループＧａにおける各発電体ユニット１０ａの電解質膜２１ａの膜厚平均値は、約５０μｍである。なお、この電解質膜２１ａの膜厚は、燃料電池１００の具体的な設計等によって決定されるが、窒素などのガスがリークしにくい範囲である３０〜１２０μｍの範囲であることが好ましく、さらに、４０〜１１０μｍの範囲であることが好ましく、特に、５０〜１００μｍの範囲であることが好ましい。
【００３４】
第１触媒電極層２２、および、第２触媒電極層２３は、触媒金属である白金（Ｐｔ）を担持したカーボン（以下では、白金担持カーボンとも呼ぶ）と、電解質とから構成される。
【００３５】
第１ガス拡散層３１，３２は、導電性を有するカーボン製の多孔質部材であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。また、第２ガス拡散層３３，３４は、導電性を有し、第１ガス拡散層３１，３２よりも比較的大きな細孔からなる多孔質部材であり、例えば、カーボンペーパ等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって形成することができる。
【００３６】
セパレータ３５，３６は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ３５，３６の表面には、発電体ユニット１０ａに供給された燃料ガスあるいは酸化ガスの流路を形成するための凹凸形状が形成されている。すなわち、カソード２２側において、第２ガス拡散層３３とセパレータ３５との間には、カソード２２で電気化学反応に供される酸化ガスが通過するユニット内酸化ガス流路３７が形成されている。また、アノード２３側の第２ガス拡散層３４とセパレータ３６との間には、アノード２３で電気化学反応に供される燃料ガスが通過するユニット内燃料ガス流路３８が形成されている。なお、図２のセパレータ３５，３６は、平行な複数の溝からなる凹凸形状を有しているが、異なる形状としても良く、セパレータ３５，３６とＭＥＡ２４ａとの間に、ガスの流路を形成するための空間を形成可能であればよい。
【００３７】
燃料電池１００の外周部には、ユニット内酸化ガス流路３７およびユニット内燃料ガス流路３８におけるガスシール性を確保するためのシール部材（図示しない）が配設されている。また、本実施例の燃料電池１００は、発電体ユニット１０ａまたは発電体ユニット１０ｂを複数積層したスタック構造を有しているが、このスタック構造の外周部には、発電体ユニットの積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のガスマニホールドのうちの酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各発電体ユニット１０（発電体ユニット１０ａまたは発電体ユニット１０ｂ）に分配され、第２ガス拡散層３３、第１ガス拡散層３１を拡散しＭＥＡ２４ａ（または後述のＭＥＡ２４ｂ）にて電気化学反応に供されつつ、各ユニット内酸化ガス流路３７内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。同様に、燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各発電体ユニット１０に分配され、第２ガス拡散層３４、第１ガス拡散層３２を拡散しＭＥＡ２４ａ（または後述のＭＥＡ２４ｂ）にて電気化学反応に供されつつ、各ユニット内燃料ガス流路３８内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。なお、燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。また、燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。なお、以下では、中部グループＧａに属するＭＥＡ２４ａを中部ＭＥＡ２４ａとも呼ぶ。
【００３８】
Ａ３．発電体ユニット１０ｂの構成：
図３は、端部グループＧｂ１または端部グループＧｂ２に属する発電体ユニット１０ｂの概略構成を表わす断面模式図である。この発電体ユニット１０ｂは、図３に示すように、ＭＥＡ２４ｂと、ＭＥＡ２４ｂの外側に形成される第１ガス拡散層３１，３２と、第１ガス拡散層３１，３２の外側に形成される第２ガス拡散層３３，３４と、第２ガス拡散層３３，３４の外側に形成されるセパレータ３５，３６と、を備えている。発電体ユニット１０ｂは、発電体ユニット１０ａ（図２参照）と基本的に同様の構造となっており、その部分については、同様の符号を用い、説明は省略する。
【００３９】
発電体ユニット１０ｂは、ＭＥＡ２４ｂにおいて、発電体ユニット１０ａの電解質膜２１ａとは異なる電解質膜２１ｂを備えている。
【００４０】
電解質膜２１ｂは、固体高分子材料である炭化水素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。この炭化水素系樹脂としては、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂や、ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）樹脂などを用いることが好ましい。電解質膜２１ｂの膜厚は、電解質膜２１ａよりも薄く、また、ほぼ均一であり約２０μｍである。従って、端部グループＧｂ１および端部グループＧｂ２において、各発電体ユニット１０ｂの電解質膜２１ｂの膜厚平均値は、約２０μｍである。なお、電解質膜２１ｂの膜厚は、燃料電池１００の具体的な設計等によって決定されるが、１５〜４５μｍの範囲であることが好ましく、特に、１５〜３０μｍの範囲であることが好ましい。以下では、端部グループＧｂ１および端部グループＧｂ２に属するＭＥＡ２４ｂを端部ＭＥＡ２４ｂとも呼ぶ。
【００４１】
ところで、フッ素系樹脂は、一般的に、炭化水素系樹脂と比べて、窒素などのガスを通しやすい。従って、燃料電池１００の両端部に配置される端部ＭＥＡ２４ｂにおいて、電解質膜２１ｂを、膜厚約２０μｍのフッ素系樹脂で構成することとすると、カソード２２からアノード２３へのガス（窒素ガス、水素ガス、酸素ガス等）のリークが増大して、その端部ＭＥＡ２４ｂを備える発電体ユニット１０ｂの発電効率が低下するおそれがある。そして、その結果、燃料電池１００の発電効率が低下するおそれがある。
【００４２】
一方、本実施例の燃料電池１００では、各端部ＭＥＡ２４ｂにおいて、炭化水素系樹脂から成る電解質膜２１ｂを用いている。このようにすれば、各端部ＭＥＡ２４ｂにおいて、電解質膜２１ｂの膜厚を、電解質膜２１ａより薄い２０μｍとしても、カソード２２からアノード２３へガスがリークすることを抑制することができ、燃料電池１００の発電効率の低下を抑制することができる。
【００４３】
また、燃料電池１００の積層方向に対して端部に位置する発電体ユニット１０では、他の発電体ユニット１０と比較して、燃料電池１００の運転停止後の放熱量が最も大きく、冷却されやすい。そして、この状態で、燃料電池１００を氷点下で起動すると、水素欠運転に陥る蓋然性が高い。
【００４４】
一方、本実施例の燃料電池１００では、各端部ＭＥＡ２４ｂにおいて、電解質膜２１ｂの膜厚は、それぞれ、各中部ＭＥＡ２４ａの電解質膜２１ａの膜厚（約５０μｍ）より薄い約２０μｍとしている。このようにすれば、各端部ＭＥＡ２４ｂにおいて、水素欠運転に陥ったとしても、カソード２２で生成された生成水を、電解質膜２１ｂに拡散させつつアノード２３へ透過させることができ、その結果、アノード２３において水分解反応を促進することができる。その結果、燃料電池１００を氷点下で起動した場合であっても、燃料電池１００の発電効率の低下を抑制することができる。
【００４５】
さらに、本実施例の燃料電池１００によれば、中部グループＧａの中部ＭＥＡ２４ａでは、電解質膜２１ｂより厚い電解質膜２１ａを用いている。このようにすれば、中部ＭＥＡ２４ａにおいて、カソード２２からアノード２３へガスがリーク及びアノード２３からカソード２２へのガスのリークすることを抑制することができ、その結果、燃料電池１００の発電効率の低下を抑制することができる。また、中部ＭＥＡ２４ａの耐久性を向上させることができ、その結果、燃料電池１００の耐久性を向上させることができる。また、中部ＭＥＡ２４ａでは、フッ素系樹脂の電解質膜２１ａを用いている。このようにすれば、中部ＭＥＡ２４ａにおいて、発電性能を向上させることができ、その結果、燃料電池１００の発電性能を向上させることができる。
【００４６】
本実施例の燃料電池１００では、端部グループＧｂ１および端部グループＧｂ２に、最端ユニットを含んでおり、すなわち、最端部ユニットの電解質膜を電解質膜２１ｂで構成するようにしている。このようにすれば、燃料電池１００の発電性能をより向上させることができる。
【００４７】
本実施例の燃料電池１００によれば、端部グループＧｂ１，Ｇｂ２において、各発電体ユニット１０ａの電解質膜２１ｂは、膜厚がほぼ均一なものを用いている。このようにすれば、各発電体ユニット１０ａにおいて、電解質膜２１ｂの膜抵抗のばらつきを抑制することが可能であり、従って、各発電体ユニット１０ａ間の抵抗のばらつきを抑制することが可能である。
【００４８】
なお、端部グループＧｂ１または端部グループＧｂ２は、それぞれ請求項における第１端部グループまたは第２端部グループ、若しくは、端部グループに該当し、中部グループＧａは、請求項における中部グループに該当し、電解質膜２１ｂは、請求項における炭化水素系電解質膜に該当し、電解質膜２１ａは、請求項におけるフッ素系電解質膜に該当する。
【００４９】
Ａ４．実験結果：
図４は、炭化水素系電解質膜である電解質膜２１ｂを用いた発電体ユニットの実験結果を表わす図である。詳しくは、上述のように、電解質膜２１ｂを用いた発電体ユニットにおいて、電解質膜２１ｂの膜厚を４５μｍ、３０μｍ、および、１５μｍとした実験結果を示す。なお、この場合、発電体ユニットにおいて、電解質膜２１ｂの膜厚のみを変更しており、その他の部位に関しては同様である。また、図４に示す実験結果は、一つの発電体ユニットに対する結果である。
【００５０】
実験に伴う発電の際には、水素欠運転を想定して、アノード側のガスとして、燃料ガスの代わりに窒素ガス（Ｎ２）を用い、カソード側のガスとして、空気（酸化ガス）を用いた。このとき、発電体ユニットの温度は、実際に水素欠運転が実行されると考えられる温度として−３０（℃）に設定し、窒素ガスおよび酸化ガスは、それぞれ、乾燥状態として実験を行なった。また、発電の負荷は、０．１（Ａ／ｃｍ2）とした。そして、電解質膜２１ｂの膜厚を代えた各発電体ユニットの各ＭＥＡ間の電圧（Ｖ）を、一定間隔（ｓ）ごとに測定した。
【００５１】
図４に示すように、電解質膜２１ｂの膜厚が４５μｍとした発電体ユニットでは、ほとんど起電力が生じていない。これは、カソード２２側で生成された生成水を、電解質膜２１ｂに拡散させつつアノード２３へ透過させることがあまりできず、その結果、アノード２３において水分解反応を促進することができなかったためと考えられる。一方、図４に示すように、電解質膜２１ｂの膜厚が３０μｍとした発電体ユニットでは、５００秒程度、膜厚が１５μｍとした発電体ユニットでは、３０００秒以上の間高い起電力が生じていることがわかる。これは、これは、カソード２２側で生成された生成水を、電解質膜２１ｂに拡散させつつアノード２３へ透過させることができ、その結果、アノード２３において水分解反応を促進することができたためと考えられる。
【００５２】
Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００５３】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池１００では、中部グループＧａの発電体ユニット１０ａは、フッ素系樹脂の電解質膜２１ａを備えるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。中部グループＧａの発電体ユニット１０ａは、電解質膜２１ａとして炭化水素系電解質膜を備えるようにしてもよい。しかし、この場合、電解質膜２１ａの膜厚は、発電体ユニット１０ｂの電解質膜２１ｂの膜厚よりも厚く形成する。このようにすれば、この中部ＭＥＡ２４ａにおいて、カソード２２からアノード２３へガスがリークすることを抑制することができると共に、この電解質膜２１ａの耐久性を向上させることができる。
【００５４】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池１００では、端部グループＧｂ１および端部グループＧｂ２は、それぞれ５つの発電体ユニット１０ｂから形成されているが、本発明は、これに限られるものではなく、それぞれ、１〜４つ、または、６以上の発電体ユニット１０ｂから形成されていてもよい。これは、例えば、燃料電池１００の具体的な設計によって決定するようにすればよい。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏することは可能である。
【００５５】
また、端部グループＧｂ１または端部グループＧｂ２は、積層方向において、最端部ユニットを含んでいるが、本発明は、これに限られるものではなく、端部グループＧｂ１、端部グループＧｂ２のどちらか一方、または、両方が、必ずしも、最端部ユニットを含まなくてもよい。
【００５６】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例の燃料電池１００では、各発電体ユニット１０ａにおいて、端部ＭＥＡ２４ｂの電解質膜２１ｂの膜厚は、ほぼ均一としているが、本発明は、これに限られるものではない。上記燃料電池１００は、端部グループＧｂ１，Ｇｂ２において、各端部ＭＥＡ２４ｂの電解質膜２１ｂの膜厚平均値が、中部グループＧａにおける各中部ＭＥＡ２４ａの電解質膜２１ａの膜厚平均値より小さければよく、各端部ＭＥＡ２４ｂの電解質膜２１ｂの膜厚は、均等であることに限定されない。この場合、端部グループＧｂ１，Ｇｂ２において、水素欠運転時に、大部分の各端部ＭＥＡ２４ｂで、カソード２２で生成された生成水を、電解質膜２１ｂに拡散させつつアノード２３へ透過させることができ、その結果、アノード２３において水分解反応を促進することができる。
【００５７】
なお、各端部ＭＥＡ２４ｂの電解質膜２１ｂの膜厚を均等としない場合において、各端部ＭＥＡ２４ｂのうちの電解質膜２１ｂの膜厚の最大値が、各中部ＭＥＡ２４ａのうちの電解質膜２１ａの膜厚の最小値を上まわらないことがより好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池１００の概略外観構成を示す斜視図である。
【図２】中部グループＧａに属する発電体ユニット１０ａの概略構成を表わす断面模式図である。
【図３】端部グループＧｂ１または端部グループＧｂ２に属する発電体ユニット１０ｂの概略構成を表わす断面模式図である。
【図４】炭化水素系電解質膜である電解質膜２１ｂを用いた発電体ユニットの実験結果を表わす図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０，１０ａ，１０ｂ...発電体ユニット
２１ａ，２１ｂ...電解質膜
２２...カソード
２３...アノード
２４ａ，２４ｂ...ＭＥＡ
３７...ユニット内酸化ガス流路
３８...ユニット内燃料ガス流路
１００...燃料電池
Ｇａ...中部グループ
Ｇｂ１，Ｇｂ２...端部グループ
【図１】
2008198511.tif 000003
【図２】
2008198511.tif 000004
【図３】
2008198511.tif 000005
【図４】
2008198511.tif 000006