(57)【要約】【課題】燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の両方におけるフラッディングを抑制して、燃料電池スタックにおける単セルごとの発電効率のバラつきを小さくする技術を提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池スタック１０Ａにおけるアノード側エンドプレート２２には、電気ヒーター２２２が内蔵されている。例えば、鋼等の金属からなるアノード側エンドプレート２２に溝を設け、その溝に電熱線を通して、ヒーター用電源２２４から電力を供給することにより、アノード側エンドプレート２２を加熱することができる。これにより、燃料電池スタック１０Ａの一端から他端に向かって単セル１００の温度が高くなるように、温度勾配を設けている。すなわち、全ての単セル１００において、カソード側セパレータ１１０→ＭＥＡ１０８→アノード側セパレータ１１２の順に温度が高くなるように温度勾配がついている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置されたアノードと、前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置されたカソードと、前記アノード側に配置され、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成される燃料ガス流路形成部と、前記カソード側に配置され、前記カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成される酸化剤ガス流路形成部と、を備える単電池が、複数積層され、前記アノードと前記カソードが交互に配置されている積層体を有する燃料電池であって、
前記積層体の中央部と、前記積層体の一方の端部である第１の端部と、の間に位置する複数の前記単電池のうち、少なくとも１つの特定の前記単電池は、
前記積層方向における温度勾配として、前記中央部から前記第１の端部に向かう向きに温度が高くなるような温度勾配を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
特定の前記単電池を、前記固体高分子電解質膜を境にして前記中央部寄りと第１の端部寄りに分けた場合に、前記アノードおよび前記燃料ガス流路形成部は、前記第１の端部寄りに配置され、前記カソードおよび前記酸化剤ガス流路形成部は、前記中央部寄りに配置されるとともに、
前記燃料ガスとして純水素が供給され、前記酸化剤ガスとして酸素と酸素以外の気体を含む混合ガスが供給されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池であって、
特定の前記単電池を、前記固体高分子電解質膜を境にして前記中央部寄りと前記第１の端部寄りに分けた場合に、前記アノードおよび前記燃料ガス流路形成部は、前記中央部寄りに配置され、前記カソードおよび前記酸化剤ガス流路形成部は、前記第１の端部寄りに配置されるとともに、
前記燃料ガスとして水素と水素以外の気体を含む混合ガスが供給され、前記酸化剤ガスとして純酸素が供給され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のうちの任意のひとつに記載の燃料電池において、
前記中央部と前記第１の端部との間に位置する全ての前記単電池は、
前記積層方向における温度勾配として、前記中央部から前記第１の端部に向かう向きに温度が高くなるような温度勾配を有すると共に、
前記中央部と前記積層体の他方の端部である第２の端部との間に位置する全ての前記単電池は、
前記積層方向における温度勾配として、前記第２の端部から前記中央部に向かう向きに温度が高くなるような温度勾配を有し、
前記積層体の全体として、前記積層方向において前記第２の端部から前記第１の端部に向かう向きに温度が高くなるような温度勾配を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池であって、
前記積層体の両端に配置され、前記積層体の積層状態を維持するための１対の固定部材と、
１対の前記固定部材のうち、前記第１の端部側に配置されている前記固定部材を加熱する加熱部と、
を、さらに備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置されたアノードと、前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置されたカソードと、前記アノード側に配置され、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成される燃料ガス流路形成部と、前記カソード側に配置され、前記カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成される酸化剤ガス流路形成部と、を備える単電池が、複数積層されて成る燃料電池において、
積層された複数の前記単電池のうち、隣り合う一組の前記単電池の前記燃料ガス流路形成部同士、または前記酸化剤ガス流路形成部同士が隣り合うと共に、隣り合う前記ガス流路形成部を境に、前記燃料電池の両端に向かって、アノードとカソードが交互に配置され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、
隣り合う２つの前記燃料ガス流路形成部の間、または隣り合う２つの前記酸化剤ガス流路形成部の間に、絶縁部材が配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項６または７に記載の燃料電池において、
隣り合う前記一組の単電池の前記燃料ガス流路形成部同士が隣り合う場合に、
前記燃料ガスとして純水素が供給され、前記酸化剤ガスとして酸素と酸素以外の気体を含む混合ガスが供給されることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項６または７に記載の燃料電池において、
隣り合う前記単電池の前記酸化剤ガス流路形成部同士が隣り合う場合に、
前記燃料ガスとして水素と水素以外の気体を含む混合ガスが供給され、前記酸化剤ガスとして純酸素が供給されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項６ないし９のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記単電池は、セパレータを介して積層されると共に、
前記セパレータは、
前記燃料ガス流路と連通するように形成される燃料ガス用貫通孔と、前記酸化剤ガス流路と連通するように形成される酸化剤ガス用貫通孔と、を備え、
隣り合う前記ガス流路形成部を境に、前記燃料電池の一方の端までの間に配置される前記セパレータと、前記燃料電池の他方の端までの間に配置される前記セパレータとは、
前記燃料ガス用貫通孔および前記酸化剤ガス用貫通孔の配置が、互いに鏡像の関係になるように、形成されてい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、燃料電池に関するものであり、特に、単電池を１対のセパレータで挟持した単セルを、複数積層したスタック構造を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを設け、水素を含む燃料ガスおよび酸素を含む酸化剤ガスを供給して電気化学反応により起電力を得る燃料電池において、各電極では、以下の電気化学反応がそれぞれ行われる。
アノード：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード：（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
すなわち、アノードでは水素分子を水素イオンと電子に分解する電気化学反応が行われ、カソードでは、酸素と水素イオンと電子から水を生成する電気化学反応が行われる。したがって、アノードからカソードに向かって外部回路を移動する電子により起電力が生じると共に、カソード側に水が生成される。
【０００３】
また、固体高分子電解質膜は、含水状態を適正に保持することによって、導電性を発揮するため、反応ガス（燃料ガス及び／又は酸化剤ガス）は加湿して供給され、この加湿された反応ガスによって、高分子電解質膜の水分管理を行っている。
【０００４】
ところで、燃料電池において、大きな起電力を得るために、上述したように、電解質膜の両面に電極を配置し、その両側から、反応ガス流路が形成された１対のセパレータで狭持した単セルを、複数積層した積層体を有する燃料電池スタックを構成する場合がある。
【０００５】
このような燃料電池スタックの場合、積層体の両端に１対のエンドプレートを配置し、１対のエンドプレートをテンションロッド等で締結することにより、積層状態を保持することが多い。ここで、エンドプレートは、大気に触れているため、放熱して自然に冷却される。すると、積層体の端部に位置するいくつかの単セルは、熱伝導により、冷却される。
【０００６】
このように、燃料電池スタックの端部に位置するいくつかの単セルにおいて、単セルの温度が低下することにより、飽和水蒸気圧が低下する。そのため、カソードで生成した水(以下、「生成水」ともいう。)や、加湿された反応ガス中の水分（以下、「加湿水」ともいう。）の水蒸気が凝縮(液化)することがある。なお、「生成水」および「加湿水」が凝縮(液化)した状態のものを「凝縮水」という。
そうすると、反応ガス流路に凝縮水が滞留し（以下、「フラッディング」ともいう。）、反応ガスの流れが滞ることがあった。その結果、温度が低下した単セルにおける発電効率が低下することがあった。
【０００７】
そこで、従来は、エンドプレート内に燃料電池スタック内を循環した後の冷却水を流して端部に位置する単セルを温めたり（下記の特許文献１）、単セルごとに触媒の種類等を変えたり(下記の特許文献２)することにより、燃料電池スタック内の温度を均一にする技術が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−６８１４１号公報
【特許文献２】特開２００５−１４２００１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来、燃料電池において、燃料ガスとして純水素、酸化剤ガスとして空気を用いることが多い。このような場合に、上述のように、温度が低下した単セルにおいて、特に、燃料ガスが流れる燃料ガス流路においてフラッディングが生じやすい傾向があった。一方、例えば、燃料ガスとして、メタンの改質反応により生成された水素を含む改質ガスを用い、酸化剤ガスとして純酸素を用いた場合は、逆に、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路においてフラッディングが生じやすい傾向があった。
本発明は、上述の従来技術の問題点を解決し、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の両方におけるフラッディングを抑制して、燃料電池スタックにおける単セルごとの発電効率のバラつきを小さくする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】
【００１０】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置されたアノードと、前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置されたカソードと、前記アノード側に配置され、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成される燃料ガス流路形成部と、前記カソード側に配置され、前記カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成される酸化剤ガス流路形成部と、を備える単電池が、複数積層され、前記アノードと前記カソードが交互に配置されている積層体を有する燃料電池であって、
前記積層体の中央部と、前記積層体の一方の端部である第１の端部と、の間に位置する複数の前記単電池のうち、少なくとも１つの特定の前記単電池は、
前記積層方向における温度勾配として、前記中央部から前記第１の端部に向かう向きに温度が高くなるような温度勾配を有することを要旨とする。
【００１１】
なお、本発明の燃料電池において、燃料ガスとしては、例えば、純水素、改質ガス等、水素を含む種々のガスを用いることができる。ここで、メタノール、メタン、プロパン、ブタン等の燃料から水素ガスを製造することを、改質といい、それらの燃料を改質した後のガスを改質ガスという。改質ガスには、水素以外に二酸化炭素や窒素等が含まれる。一方、酸化剤ガスとしては、例えば、空気、純酸素等を含む種々のガスを用いることができる。
【００１２】
本発明の燃料電池において、例えば、第１の端部に燃料ガス流路が配置されているとすると、特定の単電池は、酸化剤ガス流路から燃料ガス流路に向かって温度が高くなるような温度勾配を有することになる。
【００１３】
従って、特定の単電池では、燃料ガス流路は温度が高く、アノード側では、飽和水蒸気圧が高くなるため、生成水および加湿水の水蒸気は、凝縮(液化)しにくい。そのため、燃料ガス流路におけるフラッディングを抑制することができる。
【００１４】
一方、酸化剤ガス流路では、燃料ガス流路に比較して温度が低いため、カソード側では飽和水蒸気圧が低くなり、生成水および加湿水の水蒸気は、凝縮(液化)しやすくなる。しかしながら、酸化剤ガスとして、運動量の大きいガスを用いれば、凝縮水を酸化剤ガスによって酸化剤ガス流路から流し出すことができるため、酸化剤ガス流路においても、フラッディングを抑制することができる。ここで、運動量とは、反応ガスとして用いる気体の分子量と流速の積であり、運動量の大きいガスを用いると、ガス流路内の凝縮水を流し出しやすいやすいと考えられる。
【００１５】
従って、フラッディングが生じやすい単電池において、上述のように温度勾配を設けることによりフラッディングを抑制することができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池において、特定の前記単電池を、前記固体高分子電解質膜を境にして前記中央部寄りと第１の端部寄りに分けた場合に、前記アノードおよび前記燃料ガス流路形成部は、前記第１の端部寄りに配置され、前記カソードおよび前記酸化剤ガス流路形成部は、前記中央部寄りに配置されるとともに、
前記燃料ガスとして純水素が供給され、前記酸化剤ガスとして酸素と酸素以外の気体を含む混合ガスが供給されるものであってもよい。
【００１７】
本発明の燃料電池では、特定の単電池において、酸化剤ガス流路から燃料ガス流路に向かって温度が高くなるように温度勾配が設けられているため、アノード側では、飽和水蒸気圧が高くなり、生成水や加湿水の水蒸気は凝縮しにくくなる。そのため、燃料ガス流路におけるフラッディングを抑制することができる。一方、カソード側では、飽和水蒸気圧が低くなるため、生成水や加湿水の水蒸気が凝縮しやすくなる。しかしながら、上述したように、酸化剤ガスとして運動量の大きい混合ガス用いると、混合ガスによって凝縮水を酸化剤ガス流路から流し出すことができるため、酸化剤ガス流路におけるフラッディングも抑制することができる。したがって、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のいずれにおいても、フラッディングを抑制することができる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池において特定の前記単電池を、前記固体高分子電解質膜を境にして前記中央部寄りと前記第１の端部寄りに分けた場合に、前記アノードおよび前記燃料ガス流路形成部は、前記中央部寄りに配置され、前記カソードおよび前記酸化剤ガス流路形成部は、前記第１の端部寄りに配置されるとともに、
前記燃料ガスとして水素と水素以外の気体を含む混合ガスが供給され、前記酸化剤ガスとして純酸素が供給されるものであってもよい。
【００１９】
本発明の燃料電池では、特定の単電池において、上記した燃料電池とは逆に、燃料ガス流路から酸化剤ガス流路に向かって温度が高くなるように温度勾配が設けられているため、カソード側では、飽和水蒸気圧が高くなり、生成水や加湿水の水蒸気は凝縮しにくくなる。そのため、酸化剤ガス流路におけるフラッディングを抑制することができる。一方、アノード側では、飽和水蒸気圧が低くなるため、生成水や加湿水の水蒸気が凝縮しやすくなる。しかしながら、燃料ガスとして運動量の大きい改質ガスを用いると、改質ガスによって凝縮水を燃料ガス流路から流し出すことができるため、燃料ガス流路においても、フラッディングを抑制することができる。したがって、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のいずれにおいても、フラッディングを抑制できる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池において、前記中央部と前記第１の端部との間に位置する全ての前記単電池は、前記積層方向における温度勾配として、前記中央部から前記第１の端部に向かう向きに温度が高くなるような温度勾配を有すると共に、前記中央部と前記積層体の他方の端部である第２の端部との間に位置する全ての前記単電池は、前記積層方向における温度勾配として、前記第２の端部から前記中央部に向かう向きに温度が高くなるような温度勾配を有し、前記積層体の全体として、前記積層方向において前記第２の端部から前記第１の端部に向かう向きに温度が高くなるような温度勾配を有するようにしてもよい。
【００２１】
例えば、本発明の燃料電池において、第１の端部に燃料ガス流路が配置され、第２の端部に酸化剤ガス流路が配置されているものとすると、積層体を構成する全ての単電池において、それぞれ、酸化剤ガス流路から燃料ガス流路に向かって温度が高くなるような温度勾配を有するとともに、積層体全体として、第２の端部から第１の端部に向かって温度が高くなるような温度勾配を有することになる。
【００２２】
すなわち、全ての単電池において、アノード側では温度が高いため飽和水蒸気圧が高く、生成水や加湿水の水蒸気は凝縮しにくくなる。そのため、燃料ガス流路におけるフラッディングを抑制することができる。一方、カソード側では、温度が低いため飽和水蒸気圧が低く、生成水や加湿水の水蒸気は凝縮しやすい。ここで、酸化剤ガスとして運動量の大きいガスを用いると、上述したとおり、酸化剤ガスによって、凝縮水を酸化剤ガス流路から流し出すことができるため、酸化剤ガス流路におけるフラッディングも抑制することができる。
したがって、全ての単電池において、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路、両方におけるフラッディングを抑制することができる。
【００２３】
また、上記した燃料電池において、前記積層体の両端に配置され、前記積層体の積層状態を維持するための１対の固定部材と、１対の前記固定部材のうち、前記第１の端部側に配置されている前記固定部材を加熱する加熱部と、を、さらに備えるようにしてもよい。
【００２４】
なお、本発明の燃料電池において、加熱部としては、例えば、電気ヒーター、燃焼ヒーター等を含む種々の加熱手段を用いることができる。また、例えば、排出された冷却媒体、反応後の酸化剤ガス、反応後の燃料ガス等を、固定部材を加熱するための加熱媒体として利用し、固定部材内に加熱媒体を流すことによって、固定部材を加熱することも可能である。このような場合、固定部材内に形成された加熱媒体を流すための加熱媒体流路、および加熱媒体が、加熱部に相当する。
【００２５】
本発明の燃料電池では、第１の端部側に配置されている固定部材のみを加熱している。すなわち、第２の端部側に配置されている固定部材は、大気に接しているため、放熱して冷却される。そのため、第１の端部側に配置される固定部材付近に位置するいくつかの単電池は、温度が高くなり、第２の端部側に配置される固定部材付近に位置するいくつかの単電池は、放熱により温度が低くなる。したがって、積層体の第２の端部から第１の端部に向かって温度が高くなるような温度勾配を形成することができる。
したがって、上記した燃料電池と同様に、全ての単電池において、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路、両方におけるフラッディングを抑制することができる。
【００２６】
また、本発明の燃料電池は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置されたアノードと、前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置されたカソードと、前記アノード側に配置され、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成される燃料ガス流路形成部と、前記カソード側に配置され、前記カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成される酸化剤ガス流路形成部と、を備える単電池が、複数積層されて成る燃料電池において、積層された複数の前記単電池のうち、隣り合う一組の前記単電池の前記燃料ガス流路形成部同士、または前記酸化剤ガス流路形成部同士が隣り合うと共に、隣り合う前記ガス流路形成部を境に、前記燃料電池の両端に向かって、アノードとカソードが交互に配置されることを要旨とする。
【００２７】
燃料電池の運転時、それぞれの単電池は、自己発熱により温度が高くなる。しかしながら、両端部に位置するいくつかの単電池は、大気への放熱により温度が低くなる。したがって、本発明の燃料電池では、積層方向の両端部から中央部に向かって温度が高くなるような温度分布となる。
ここで、例えば、燃料電池の中央に配置される一組の単電池において、その燃料ガス流路同士が隣り合うように配置されているものとすると、本発明の燃料電池において、積層方向の最端部に位置する２枚の反応ガス流路は共に、酸化剤ガス流路となる。すなわち、本発明の燃料電池は、一端から中央まではカソード、アノードの順に積層され、中央から他端まではアノード、カソードの順に積層されていることになる。
【００２８】
したがって、本発明の燃料電池における全ての単電池の温度分布を見ると、それぞれ、酸化剤ガス流路から燃料ガス流路に向かって温度が高くなるような温度勾配を有する。すなわち、アノード側においては、飽和水蒸気圧が高くなるため、生成水や加湿水の水蒸気が凝縮しにくくなり、燃料ガス流路におけるフラッディングを抑制することができる。一方、カソード側においては、飽和水蒸気圧が低くなるため、生成水や加湿水の水蒸気が凝縮しやすくなる。このような場合に、酸化剤ガスとして運動量の大きいガスを用いるものとすると、酸化剤ガスによって、酸化剤ガス流路内の凝縮水を押し出すことができる。したがって、全ての単電池において、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路、両方におけるフラッディングを抑制することができる。
【００２９】
逆に、例えば、燃料電池の中央に配置される一組の単電池において、その酸化剤ガス流路同士が隣り合うように配置されている場合は、燃料ガスとして、運動量の大きいガスを用いることによって、全ての単電池において、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路、両方におけるフラッディングを抑制することができる。
【００３０】
すなわち、本発明の燃料電池によれば、電気ヒーター等の加熱手段を用いなくても、燃料電池の積層方向に温度勾配を設けることができる。したがって、加熱手段を設けることなく、全ての単電池において、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路、両方におけるフラッディングを抑制することができる。
【００３１】
また、上記した燃料電池において、隣り合う２つの前記燃料ガス流路形成部の間、または隣り合う２つの前記酸化剤ガス流路形成部の間に、絶縁部材が配置されるようにしてもよい。
【００３２】
このようにすると、絶縁部材を境に、２つの燃料電池が電気的に直列に接続されるような配置にすることができるため、出力電圧を大きくすることができる。
【００３３】
また、上記した燃料電池において隣り合う前記単電池の前記燃料ガス流路形成部同士が隣り合う場合に、前記燃料ガスとして純水素が供給され、前記酸化剤ガスとして酸素と酸素以外の気体を含む混合ガスが供給されるものであってもよい。
【００３４】
本発明の燃料電池では、例えば、燃料電池の中央部に配置される一組の単電池の燃料ガス流路同士が隣り合うように配置されているとすると、積層方向の両端に酸化剤ガス流路が配置され、一端から中央まではカソード、アノードの順に電極が交互になるように積層され、中央から他端まではアノード、カソードの順に電極が交互になるように積層されている。そして、単電池それぞれの温度分布を見ると、上述したように、酸化剤ガス流路から燃料ガス流路に向かって温度が高くなっている。そのため、全ての単電池において、アノード側では、飽和水蒸気圧が高くなるため、生成水や加湿水の水蒸気が凝縮しにくくなり、一方、カソード側においては、飽和水蒸気圧が低くなるため、生成水や加湿水の水蒸気が凝縮しやすくなる。しかしながら、上述したように、酸化剤ガスとして運動量の大きい混合ガスを用いるため、凝縮水を酸化剤ガス流路から流しだすことができる。したがって、本発明の燃料電池によれば、上記した燃料電池と同様に、加熱手段を用いずに、全ての単電池において、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路、両方におけるフラッディングを抑制することができる。
【００３５】
また、本発明の燃料電池は、隣り合う前記単電池の前記酸化剤ガス流路形成部同士が隣り合う場合に、前記燃料ガスとして水素と水素以外の気体を含む混合ガスが供給され、前記酸化剤ガスとして純酸素が供給されるものであってもよい。
【００３６】
本発明の燃料電池では、単電池における温度分布を見ると、上記した燃料電池とは逆に、燃料ガス流路から酸化剤ガス流路に向かって温度が高くなっている。そのため、全ての単電池において、カソード側では、飽和水蒸気圧が高くなるため、生成水や加湿水の水蒸気が凝縮しにくく、一方、アノード側では、飽和水蒸気圧が低くなるため、生成水や加湿水の水蒸気が凝縮しやすくなる。しかしながら、上述したように、燃料ガスとして運動量が大きい混合ガスを用いる場合は、燃料ガス流路内の凝縮水を、燃料ガスによって流しだすことができる。したがって、本発明の燃料電池によれば、上記した燃料電池と同様に、加熱手段を用いずに、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路、両方におけるフラッディングを抑制することができる。
【００３７】
また、上記した燃料電池において、前記単電池は、セパレータを介して積層されると共に、前記セパレータは、前記燃料ガス流路と連通するように形成される燃料ガス用貫通孔と、前記酸化剤ガス流路と連通するように形成される酸化剤ガス用貫通孔と、を備え、隣り合う前記ガス流路形成部を境に、前記燃料電池の一方の端までの間に配置される前記セパレータと、前記燃料電池の他方の端までの間に配置される前記セパレータとは、前記燃料ガス用貫通孔および前記酸化剤ガス用貫通孔の配置が、互いに鏡像の関係になるように、形成されるようにしてもよい。
【００３８】
このようにすると、燃料電池を構成した際に、隣り合う前記ガス流路形成部を境に、燃料電池の一方の端までの間に配置されるセパレータに形成される燃料ガス用貫通孔と、燃料電池の他方の端までの間に配置されるセパレータに形成される燃料ガス用貫通孔が連なって、燃料電池を積層方向に沿って貫通する燃料ガスマニホールドが形成される。また、隣り合う前記ガス流路形成部を境に、燃料電池の一方の端までの間に配置されるセパレータに形成される酸化剤ガス用貫通孔と、燃料電池の他方の端までの間に配置されるセパレータに形成される酸化剤ガス用貫通孔が連なって、燃料電池を積層方向に沿って貫通する酸化剤ガスマニホールドが形成される。
【００３９】
したがって、燃料電池の片方の端部側からのみ、反応ガスを供給すれば、供給されたガスは、燃料電池を積層方向に沿って流れるため、燃料電池内の全ての単電池に、反応ガスがそれぞれ供給される。そのため、例えば、水素ボンベ等の燃料ガス供給源を二つ用意したり、燃料電池の両側から燃料ガスを供給するために配管をしたりすることなく、簡単な構成で、本発明の燃料電池を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．第３の実施例：
Ｄ．変形例：
【００４１】
Ａ．第１の実施例
Ａ１．燃料電池スタック１０Ａの構成：
まず、本発明の第１の実施例としての燃料電池スタック１０Ａについて、図に基づいて説明する。図１は、本実施例の燃料電池スタック１０Ａの外観を示す斜視図である。この燃料電池スタック１０Ａは、燃料ガスとしての純水素と、酸化剤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。燃料電池スタック１０Ａは、図示する通り、単セル１００を所定数積層して形成される。単セル１００の積層数は、燃料電池スタック１０Ａに要求される出力に応じて任意に設定可能である。各単セル１００は、それぞれ固体高分子型燃料電池として形成されている。単セル１００は、１対のセパレータでカソード、電解質膜、アノードをこの順序に挟んだ構造をなしている。単セル１００の詳細構造については後述する。
【００４２】
図１に示すように、燃料電池スタック１０Ａは、一端からカソード側エンドプレート１２、絶縁板１４、集電板１６、複数の単セル１００、集電板１８、絶縁板２０、アノード側エンドプレート２２の順に積層されて構成される。ここで、エンドプレート１２、２２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１６、１８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１４、２０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１６、１８には、それぞれ出力端子１６ｏ、１８ｏが設けられており、燃料電池スタック１０Ａで発電した電力を出力可能となっている。なお、燃料電池スタック１０Ａ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。なお、図１において、集電板１６、１８の間に配置される複数の単セル１００のうち、一部について、符号を記載している。
【００４３】
そして、図２は燃料電池スタック１０Ａの概略構成を示す説明図である。図２に示すように、アノード側エンドプレート２２には、電気ヒーター２２２が内蔵されている。例えば、鋼等の金属からなるアノード側エンドプレート２２に溝を設け、その溝に電熱線を通して、ヒーター用電源２２４から電力を供給することにより、アノード側エンドプレート２２を加熱することができる。なお、本実施例において、燃料電池スタック１０Ａの運転時、集電板１８、絶縁板２０を介してアノード側エンドプレート２２に接する単セル１００（図２におけるＢに位置する単セル）の温度が、積層方向中央に位置する単セル１００の温度よりも、約５℃高くなるように、電気ヒーター２２２は制御されている。本実施例におけるカソード側エンドプレート１２、およびアノード側エンドプレート２２が、請求項における固定部材に、電気ヒーター２２２が、請求項における加熱部に相当する。
【００４４】
ここで、反応ガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)の流れについて、簡単に説明する。
図２に示すように、燃料ガスとしての純水素は、水素タンク３００から配管３２０を介して、燃料電池スタック１０Ａに供給される。配管３２０の一端は、カソード側エンドプレート１２に形成された燃料ガス供給口１２２(図１)に接続され、供給された純水素は、水素供給マニホールド(図示しない)を通って、各単セル１００内の燃料ガス流路１２２ｐに分配され、各単セル１００のアノードに供給される。以上のように、燃料ガスとしての純水素が、アノードに供給されると、アノードでは、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-という電極反応が起こる。
そして、アノードに供給されたが電極反応に使用されなかった残りの水素は、水素排出マニホールド(図示しない)を通って、燃料電池スタック１０Ａから排出される。燃料電池スタック１０Ａから排出された水素は、カソード側エンドプレート１２に形成された燃料ガス排出口１２４(図１)に接続された配管３４０を介して配管３２０に戻され、再び燃料電池スタック１０Ａに循環される。なお、配管３２０には、シャットバルブ（図示しない）や調圧バルブ（図示しない）が設けられており、水素の供給量を調整している。また、配管３４０には、循環ポンプ（図示しない）が設けられ、燃料ガスを循環させている。
【００４５】
一方、酸化剤ガスとしての空気は、エアポンプ４００から配管４２０を介して、燃料電池スタック１０Ａに供給される。配管４２０の一端は、カソード側エンドプレート１２に形成された酸化剤ガス供給口１２６(図１)に接続され、供給された空気は、空気供給マニホールド(図示しない)を通って、各単セル１００の酸化剤ガス流路１２６ｐに分配され、各単セル１００のカソードに供給される。以上のように、酸化剤ガスとしての空気が、カソードに供給されると、カソードでは、２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏという電極反応が起こる。すなわち、カソードでは、電極反応によって水が生成される。
そして、カソードに供給されたが電極反応に使用されなかった残りの空気は、空気排出マニホールド(図示しない)を通って、燃料電池スタック１０Ａから排出される。排出された空気は、カソード側エンドプレート１２に形成された酸化剤ガス排出口１２８(図１)に接続された配管４４０を介して大気中に放出される。
【００４６】
また、燃料電池スタック１０Ａの運転時、各単セル１００において、上記の電気化学反応が起こる際に熱が発生し、各単セル１００は自己発熱により温度が上昇する。ここで、カソード側エンドプレート１２は、大気に触れているため、放熱して温度が低下する。そのため、カソード側エンドプレート付近に位置するいくつかの単セル１００も、熱伝導により放熱し、温度が低くなる。一方、アノード側エンドプレート２２は、電気ヒーター２２２により加熱されているため、温度が上昇する。そのため、アノード側エンドプレート付近に位置するいくつかの単セル１００も、熱伝導により吸熱し、温度が高くなる。従って、燃料電池スタック１０Ａは、積層方向に、カソード側エンドプレート１２からアノード側エンドプレート２２に向かって温度が高くなるような温度分布になる。なお、この効果については、後ほど詳しく説明する。
【００４７】
図３は、単セル１００の構造を示す分解斜視図である。単セル１００は、固体高分子型燃料電池として構成されている。単セル１００は、電解質膜１０２の両面に、カソード１０４と、アノード１０６とをそれぞれ配置したＭＥＡ１０８（Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）をカソード側セパレータ１１０、アノード側セパレータ１１２で挟んだ構造を有している。図示の都合上、アノード１０６は、電解質膜１０２に隠れた位置に存在する。カソード１０４、および、アノード１０６は、触媒層とガス拡散層とを積層させたガス拡散電極である。カソード側セパレータ１１０には、カソード１０４と対向する面に複数の凹凸状の酸化剤ガス流路１２６ｐが形成されている。同様に、アノード側セパレータ１１２には、アノード１０６と対向する面に複数の凹凸状の燃料ガス流路１２２ｐが形成されている。セパレータ１１０、１１２は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接するセル間で燃料ガスと酸化剤ガスの流れを分離する役割を果たしている。電解質膜１０２は、固体高分子材料、例えば、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り、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例におけるアノード側セパレータ１１２が、請求項における燃料ガス流路形成部、カソード側セパレータ１１０が、請求項における酸化剤ガス流路形成部に相当する。
【００４８】
また、セパレータ１１０、１１２の各辺付近には、それぞれの辺に沿う細長い形状の水素供給用貫通孔１２２ｈ、水素排出用貫通孔１２４ｈ、および、空気供給用貫通孔１２６ｈ、空気排出用貫通孔１２８ｈが形成されている。水素供給用貫通孔１２２ｈ、水素排出用貫通孔１２４ｈ、および、空気供給用貫通孔１２６ｈ、空気排出用貫通孔１２８ｈは、単セル１００を積層することによって燃料電池スタック１０Ａを形成した際に、燃料電池スタック１０Ａを積層方向に貫通する水素供給マニホールド、水素排出マニホールド、空気供給マニホールド、および空気排出マニホールド(図示しない)を形成する。
【００４９】
Ａ２．効果：
図４は、本実施例における燃料電池スタック１０Ａの積層方向の温度分布を示している。併せて、従来の燃料電池スタックの積層方向の温度分布を破線で示している。従来の燃料電池スタックとは、エンドプレートに加熱手段を有さないものであり、アノード側エンドプレート２２以外は、燃料電池スタック１０Ａと同一の構成のものである。
【００５０】
従来の燃料電池スタックにおいて、積層体の両端に配置されたエンドプレートは、大気と接触して放熱し、温度が下がる。そのため、エンドプレート付近に位置するいくつかの単セルは、熱伝導により放熱し、積層方向中央付近に位置する単セルに比べて温度が低くなるため、図４に破線で示すような温度分布になっていた。
すなわち、燃料電池スタックの積層方向の中央に位置する単セルと、アノード側エンドプレートとの間に位置する複数の単セル（図４における１０Ａ１）は、図４に破線で示すように、中央からアノード側エンドプレートに接する単セル（図４におけるＢの位置）に向かって温度が低くなっていた。特に、アノード側エンドプレート付近に位置するいくつかの単セルにおいて、温度の低下が著しかった。
このため、燃料電池スタックの積層方向の中央に位置する単セルと、アノード側エンドプレートとの間に位置する複数の単セル（図４における１０Ａ１）において、それぞれの単セルについて見ると、カソード側セパレータ→ＭＥＡ→アノード側セパレータの順に温度が低くなっていた。特に、アノード側エンドプレート付近に位置するいくつかの単セルにおいて、その温度勾配が大きくなっていた。
【００５１】
ところで、燃料電池において、カソードでは、前述したとおり、電極反応により水が生成される（２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ）。カソードで生成された生成水は、吸水性の高い固体高分子材料から成る電解質膜１０２に吸収され、カソード側からアノード側にも移動する。ここで、上記したように、アノード側エンドプレート付近に位置するいくつかの単セルにおいて、それぞれ、アノード側セパレータはカソード側セパレータより温度が低く、アノード側では飽和水蒸気圧が低いため、移動した生成水の水蒸気は凝縮（液化）しやすかった。
ここで、燃料ガスとして純水素を使用し、酸化剤ガスとして空気を使用する場合は、空気は酸素以外に窒素等を多量に含むため、純水素(燃料ガス)に比べて空気（酸化剤ガス）を大量に流す必要があった。すなわち、純水素（燃料ガス）の流量は、空気（酸化剤ガス）に比べて少なく、純水素の流速は空気に比べて小さかった。また、純水素は空気に比べ、分子量が小さい。そのため、純水素(燃料ガス)の運動量(流速と分子量の積)は、空気(酸化剤ガス)の運動量に比べて小さい。ここで、燃料ガスと酸化剤ガスの運動量が異なる場合、運動量の大きいガスの方が、反応ガス流路内の凝縮水を押し出しやすいと考えられる。そのため、アノード側で生成水の水蒸気が凝縮（液化）すると、その凝縮水を、運動量の小さい純水素によって押し出すことができない場合があった。
【００５２】
上述したように、アノード側エンドプレート付近に位置するいくつかの単セルにおいて、カソード側セパレータ→ＭＥＡ→アノード側セパレータの順に温度が低くなっていると、アノード側における飽和水蒸気圧が低いため、水蒸気が凝縮(液化)しやすく、かつ、アノード側セパレータに形成されている燃料ガス流路内を流通する純水素（燃料ガス）は、運動量が小さく、凝縮水を押し出しにくいため、凝縮水が燃料ガス流路内に滞留することがあった。したがって、アノード側エンドプレート付近に位置するいくつかの単セルにおいて、燃料ガスの流れが悪くなり、その結果、発電効率が悪くなることがあった。
【００５３】
しかしながら、本実施例の燃料電池スタック１０Ａは、アノード側エンドプレート２２を電気ヒーター２２２によって加熱することにより、図４に実線で示すように、燃料電池スタック１０Ａの一端から他端に向かって（位置ＡからＢに向かって）単セル１００の温度が高くなるように、燃料電池スタック１０Ａの積層方向に温度勾配を設けている。すなわち、全ての単セル１００において、カソード側セパレータ１１０→ＭＥＡ１０８→アノード側セパレータ１１２の順に温度が高くなるように温度勾配がついている。したがって、カソード１０４で生成された生成水が電解質膜１０２を通して、アノード側に移動しても、アノード側セパレータ１１２はカソード側セパレータ１１０より高温で、飽和水蒸気圧が高いため、生成水の水蒸気は、燃料ガス流路１２２ｐ内で凝縮（液化）しにくい。そのため、燃料ガス流路１２２ｐにおいてフラッディングが生じるのを抑制することができる。一方、カソード側セパレータ１１０はアノード側セパレータ１１２より低温であり、飽和水蒸気圧が低いため、カソード側セパレータ１１０に形成された酸化剤ガス流路１２６ｐにおいて、生成水の水蒸気は、凝縮（液化）しやすい。しかしながら、上述したとおり、燃料ガスとして純水素を使用し、酸化剤ガスとして空気を使用する場合は、空気(酸化剤ガス)は純水素（燃料ガス）に比べて運動量が大きいため、凝縮水は空気の流れによって酸化剤ガス流路１２６ｐから押し出される。したがって、燃料電池スタック１０Ａによれば、燃料電池スタック１０Ａの積層方向に温度勾配を設けることにより、全ての単セル１００においてフラッディングを抑制することができ、結果として、均一な発電を得ることができる。
【００５４】
Ｂ．第２の実施例：
Ｂ１．燃料電池スタックの構成
次に、本発明の第２の実施例としての燃料電池スタック１０Ｂについて、図に基づいて説明する。図５は、本実施例の燃料電池スタック１０Ｂの外観を示す斜視図である。
【００５５】
図５に示すように、燃料電池スタック１０Ｂは、第１の実施例における単セル１００と同一の構成を有する単セル１００を複数積層して、その両端に集電板１６、１８を配置して成る積層体１０Ｂ１、１０Ｂ２を、並べて配置して１つの燃料電池スタックを形成したものである。単セル１００を複数積層すると、積層方向の一端にカソード側セパレータ、他端にアノード側セパレータが位置する。そして、積層体１０Ｂ１および１０Ｂ２において、カソード側セパレータが配置された端部には、カソード側集電板１６が配置され、アノード側セパレータが配置された端部には、アノード側集電板１８が配置されている。そして、それぞれの集電板１６、１８には、それぞれ出力端子１６ｏ１、１６ｏ２、１８ｏ１、１８ｏ２が設けられており、積層体１０Ｂ１、１０Ｂ２で発電した電力を出力可能となっている。そして、２つの積層体１０Ｂ１、１０Ｂ２は、それぞれのアノード側集電板１８が互いに対向するように、絶縁板６０を介して配置されている。そして、それらの両側から、絶縁板１４を介してエンドプレート１２、１２Ｂで挟持されている。なお、燃料電池スタック１０Ｂ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、積層状態が保持されている。図５において、斜線ハッチングが付されている１組の単セル１００が、請求項における、隣り合う一組の単電池に相当する。
【００５６】
また、本実施例における単セル１００の構成は、第１の実施例における燃料電池スタック１０Ａにおける単セル１００の構成と同一であるため、説明を省略する。
【００５７】
第１の実施例において述べたように、セパレータ１１０、１１２の各辺付近には、それぞれの辺に沿う細長い形状の水素供給用貫通孔１２２ｈ、水素排出用貫通孔１２４ｈ、および、空気供給用貫通孔１２６ｈ、空気排出用貫通孔１２８ｈが形成されている。積層体１０Ｂ１と、積層体１０Ｂ２とが、それぞれのアノード側集電板１８が互いに対向するように配置されると、水素供給用貫通孔１２２ｈは、単セル１００の積層方向に沿って、繋がるように連続して配置される。すなわち、セパレータ１１０、１１２に形成される水素供給用貫通孔１２２ｈによって、燃料電池スタック１０Ｂを積層方向に貫通する水素供給マニホールドが形成される(図示しない。)。同様に、セパレータ１１０、１１２に形成される水素排出用貫通孔１２４ｈによって、燃料電池スタック１０Ｂを積層方向に貫通する水素排出マニホールドが形成される(図示しない。)。
【００５８】
一方、図５に、破線で示すように、積層体１０Ｂ１の空気供給用貫通孔１２６ｈと、積層体１０Ｂ２の空気排出用貫通孔１２８ｈとが、単セル１００の積層方向に沿って、繋がるように配置される。また、積層体１０Ｂ１の空気排出用貫通孔１２８ｈと、積層体１０Ｂ２の空気供給用貫通孔１２６ｈとが、単セル１００の積層方向に沿って、繋がるように配置される。本実施例において、空気供給用貫通孔１２６ｈと、空気排出用貫通孔１２８ｈとは、開口部の形状が同一であり、また、各セパレータの中心線に対して対称の位置に形成されているため、上記したように、空気供給用貫通孔１２６ｈと空気排出用貫通孔１２８ｈとが繋がるように配置されても、燃料電池スタック１０Ｂを貫通する貫通孔が形成され、それぞれ、空気供給用マニホールド、空気排出用マニホールドとして機能することができる。エンドプレート１２に形成されている燃料ガス供給口１２２から空気を供給すれば、空気は、積層体１０Ｂ１の空気供給用貫通孔１２６ｈおよび積層体１０Ｂ２の酸化剤ガス排出口１２８を通って、各単セル１００に分配され、積層体１０Ｂ１の積層体１０Ｂ２の空気供給用貫通孔１２６ｈと、空気排出用貫通孔１２８ｈとを通って、燃料電池スタック１０Ｂ外へ、排出される。なお、本実施例におけるカソード側セパレータ１１０が、請求項におけるセパレータおよび酸化剤ガス流路形成部に、アノード側セパレータ１１２が、請求項におけるセパレータおよび燃料ガス流路形成部に、それぞれ相当する。
【００５９】
図６は燃料電池スタック１０Ｂの概略構成を示す説明図である。本実施例において、第１の実施例と同様に、燃料ガスとして純水素、酸化剤ガスとして空気が、燃料電池スタック１０Ｂに供給されている。
【００６０】
ここで、反応ガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)の流れについて、簡単に説明する。
図６に示すように、燃料ガスとしての純水素は、水素タンク３００から配管３２０を介して、燃料電池スタック１０Ｂに供給される。配管３２０の一端は、エンドプレート１２に形成された燃料ガス供給口１２２(図５)に接続され、供給された純水素は、燃料電池スタック１０Ｂを積層方向に貫通する水素供給マニホールド(図示しない)を通って、各単セル１００内の燃料ガス流路１２２ｐに分配され、各単セル１００のアノードに供給される。以上のように、燃料ガスとしての純水素が、アノードに供給されると、アノードでは、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-という電極反応が起こる。
【００６１】
そして、アノードに供給されたが上記の電極反応に使用されなかった残りの水素は、水素排出マニホールド(図示しない)を通って、排出される。燃料電池スタック１０Ｂから排出された水素は、エンドプレート１２に形成された燃料ガス排出口１２４(図５)に接続された配管３４０を介して配管３２０に戻され、再び燃料電池スタック１０Ｂに循環される。なお、配管３２０には、第１の実施例と同様に、シャットバルブ等が設けられ、純水素の供給量が調整されており、配管３４０には、循環ポンプが設けられ、燃料ガスを循環させている(図示しない)。
【００６２】
一方、酸化剤ガスとしての空気は、エアポンプ４００から配管４２０を介して、燃料電池スタック１０Ｂに供給される。配管４２０の一端は、エンドプレート１２に形成された酸化剤ガス供給口１２６(図５)に接続され、供給された空気は、空気供給マニホールド(積層体１０Ｂ１の空気供給用貫通孔１２６ｈと、積層体１０Ｂ２の空気排出用貫通孔１２８ｈとで構成される。)を通って、各単セル１００の酸化剤ガス流路１２６ｐに分配され、各単セル１００のカソードに供給される。以上のように、酸化剤ガスとしての空気が、カソードに供給されると、カソードでは、２Ｈ+＋（１／２）Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏという電極反応が起こる。すなわち、カソードでは、電極反応によって水が生成される。
そして、カソードに供給されたが、上記の電極反応に使用されなかった残りの空気は、空気排出マニホールド(積層体１０Ｂ１の空気排出用貫通孔１２８ｈと、積層体１０Ｂ２の空気供給用貫通孔１２６ｈとで構成される)を通って、燃料電池スタック１０Ｂから排出される。排出された空気は、エンドプレート１２に形成された酸化剤ガス排出口１２８(図５)に接続された配管４４０を介して大気中に放出される。
【００６３】
また、燃料電池スタック１０Ｂの運転時、各単セル１００において、上記の電気化学反応が起こる際に熱が発生し、各単セル１００は自己発熱により温度が上昇する。ここで、エンドプレート１２、１２Ｂは、大気に触れているため、放熱して温度が低下する。そのため、エンドプレート１２、１２Ｂの付近に位置する単セル１００も熱伝導により放熱し、温度が低下する。一方、互いに対向する２枚のアノード側集電板１８は、絶縁板６０を介して接している。すなわち、２枚のアノード側集電板１８は、大気に触れないため、エンドプレート１２、１２Ｂに比べると、あまり放熱しない。また、絶縁板６０は、電気伝導性を有しないが、熱伝導性を有するものを用いている。そのため、２枚のアノード側集電板１８および絶縁板６０は、アノード側集電板１８に接する単セル１００の熱を吸収して、温度が上昇する。従って、燃料電池スタック１０Ｂは、両端（図６におけるＡ、Ｃ）から積層方向の中央（図６におけるＢ）に向かって温度が高くなるような温度分布になる。
【００６４】
Ｂ２．実施例の効果：
図７は、本実施例における燃料電池スタック１０Ｂの積層方向の温度分布を示している。本実施例の燃料電池スタック１０Ｂでは、積層体１０Ｂ１、１０Ｂ２それぞれの積層体の端部に配置されたアノード側集電板１８が互いに対向するように配置されている。そのため、上述したように、アノード側集電板１８は、あまり放熱しない。一方、エンドプレート１２、１２Ｂは大気に触れて放熱する。そのため、燃料電池スタック１０Ｂの積層方向において、両端（図６におけるＡ、Ｃ）から積層方向の中央（図６におけるＢ）に向かって温度が高くなるような温度分布になっている(図７)。すなわち、全ての単セル１００において、カソード側セパレータ１１０→ＭＥＡ１０８→アノード側セパレータ１１２の順に温度が高くなるように温度勾配がついている。
【００６５】
したがって、第１の実施例と同様に、電極反応によりカソードで生成された生成水は、電解質膜に吸収されてアノード側に移動しても、アノード側セパレータ１１２に形成された燃料ガス流路１２２ｐ内では、飽和水蒸気圧が高いため、生成水の水蒸気は凝縮（液化）しにくい。そのため、燃料ガス流路１２２ｐにおいてフラッディングを抑制することができる。一方、カソード側セパレータ１１０に形成された酸化剤ガス流路１２６ｐ内では、飽和水蒸気圧が低いため水蒸気は凝縮(液化)しやすいが、凝縮水は、運動量の大きい空気によって酸化剤ガス流路１２６ｐから押し出される。したがって、燃料電池スタック１０Ｂによれば、全ての単セル１００においてフラッディングを抑制することができ、結果として、均一な発電を得ることができる。
【００６６】
さらに、燃料電池スタック１０Ｂは、同一の構成を有する積層体１０Ｂ１、１０Ｂ２を用意して、それらのアノード側集電板１８が隣り合うように配置することにより燃料電池スタックの積層方向に温度勾配を設けている。そのため、第１の実施例のように、電気ヒーターを用いてアノード側エンドプレート２２を加熱する必要がなく、簡単にフラッディングを解消することができる。
【００６７】
また、燃料電池スタック１０Ｂにおいて、積層体１０Ｂ１、１０Ｂ２を、絶縁板６０を介して配置している。そして、図５に示す出力端子１６ｏ１と、出力端子１８ｏ２とを電気的に接続し、出力端子１８ｏ１と、出力端子１６ｏ２とから出力を得ることにより、積層体１０Ｂ１と１０Ｂ２とが、電気的に直列に配置されるため、高電圧の出力を得ることができる。例えば、積層体１０Ｂ１、１０Ｂ２がそれぞれ出力１００Ｖの燃料電池スタックである場合、燃料電池スタック１０Ｂからは、２００Ｖの出力を得ることができる。
【００６８】
Ｃ．第３の実施例：
Ｃ１．燃料電池スタックの構成
本発明の第３の実施例としての燃料電池スタックについて、図に基づいて説明する。図８は、本実施例の燃料電池スタック１０Ｃの外観を示す斜視図である。
【００６９】
図８に示すように、燃料電池スタック１０Ｃは、後述する単セル１００Ｃ１を複数積層して、その両端に集電板１６、１８を配置して成る積層体１０Ｃ１、後述する単セル１００Ｃ２を複数積層して、その両端に集電板１６、１８を配置して成る積層体１０Ｃ２を、アノード側集電板１８が絶縁板６０を介して隣り合うように配置して１つの燃料電池スタックを形成したものである。そして、それらの両側から、絶縁板１４を介してエンドプレート１２、１２Ｂで挟持されている。エンドプレート１２、１２Ｂ、絶縁板１４、集電板１６、１８は、第２の実施例と同様の部品であるため、詳しい説明を省略する。
【００７０】
Ｃ２．単セルの構成：
図９は、積層体１０Ｃ１を構成する単セル１００Ｃ１の構造を示す説明図である。図９に示すように、単セル１００Ｃ１は、第２の実施例と同様に、固体高分子型燃料電池として構成されている。単セル１００Ｃ１は、電解質膜１０２の両面に、カソード１０４と、アノード１０６とをそれぞれ配置したＭＥＡ１０８を、カソード側セパレータ１１０Ｃ１、アノード側セパレータ１１２Ｃ１で挟んだ構造を有している。セパレータ１１０Ｃ１、１１２Ｃ１は、外形が略長方形の、平板状を成す。
【００７１】
カソード側セパレータ１１０Ｃ１の４隅には、水素供給用貫通孔１２２ｈ１、水素排出用貫通孔１２４ｈ１、空気供給用貫通孔１２６ｈ１、空気排出用貫通孔１２８ｈ１が、それぞれ、形成されている。水素供給用貫通孔１２２ｈ１と、水素排出用貫通孔１２４ｈ１とが、対角に配置され、空気供給用貫通孔１２６ｈ１と、空気排出用貫通孔１２８ｈ１とが、対角に配置されている。
【００７２】
カソード側セパレータ１１０Ｃ１の、カソード１０４と対向する対向面には、酸化剤ガス流路１２６ｐ１が形成されている。酸化剤ガス流路１２６ｐ１は、空気供給用貫通孔１２６ｈ１から導入された空気を、カソードに拡散して供給するために、対向面内を蛇行して、空気排出用貫通孔１２８ｈ１に案内するように、空気供給用貫通孔１２６ｈ１と、空気排出用貫通孔１２８ｈ１とを繋いでいる。
【００７３】
同様に、アノード側セパレータ１１２Ｃ１の隅にも、水素供給用貫通孔１２２ｈ１、水素排出用貫通孔１２４ｈ１、空気供給用貫通孔１２６ｈ１、空気排出用貫通孔１２８ｈ１が、それぞれ、形成されている。そして、アノード１０６と対向する対向面には、燃料ガス流路１２２ｐが形成されている。燃料ガス流路１２２ｐ１は、酸化剤ガス流路１２６ｐ１と同様に、水素供給用貫通孔１２２ｈ１から導入された水素を、アノードに拡散して供給するために、対向面内を蛇行して、水素排出用貫通孔１２４ｈ１に案内するように、水素供給用貫通孔１２２ｈ１と、水素排出用貫通孔１２４ｈ１とを繋いでいる。
【００７４】
図１０は、積層体１０Ｃ２を構成する単セル１００Ｃ２の構造を示す説明図である。図１０に示すように、単セル１００Ｃ２も、単セル１００Ｃ１と同様に、電解質膜１０２の両面に、カソード１０４と、アノード１０６とをそれぞれ配置したＭＥＡ１０８を、カソード側セパレータ１１０Ｃ２、アノード側セパレータ１１２Ｃ２で挟んだ構造を有している。セパレータ１１０Ｃ２、１１２Ｃ２は、外形が略長方形の、平板状を成す。
【００７５】
アノード側セパレータ１１２Ｃ２の４隅には、水素供給用貫通孔１２２ｈ２、水素排出用貫通孔１２４ｈ２、空気供給用貫通孔１２６ｈ２、空気排出用貫通孔１２８ｈ２が、それぞれ、形成されている。そして、アノード１０６と対向する対向面には、燃料ガス流路１２２ｐ１と同様に、対向面内を蛇行して、水素供給用貫通孔１２２ｈ１と、水素排出用貫通孔１２４ｈ１とを繋ぐ、燃料ガス流路１２２ｐ２が形成されている。
【００７６】
図１１は、アノード側セパレータ１１２Ｃ１、アノード側セパレータ１１２Ｃ２のアノードと対向する対向面（燃料ガス流路１２２ｐ１、１２２ｐ２が形成されている面）を示す説明図である。図１１に示すように、アノード側セパレータ１１２Ｃ２は、アノード側セパレータ１１２Ｃ１の鏡像(図１１の鏡面に対して対称な像)になるように形成されている。
【００７７】
カソード側セパレータ１１０Ｃ２の４隅にも、水素供給用貫通孔１２２ｈ２、水素排出用貫通孔１２４ｈ２、空気供給用貫通孔１２６ｈ２、空気排出用貫通孔１２８ｈ２が、それぞれ、形成されている。そして、カソード１０４と対向する対向面には、燃料ガス流路１２２ｐ２と同様に、対向面内を蛇行して、水素供給用貫通孔１２２ｈ１と、水素排出用貫通孔１２４ｈ１とを繋ぐ酸化剤ガス流路１２６ｐ２が形成されている。カソード側セパレータ１１０Ｃ２も、カソード側セパレータ１１０Ｃ２と鏡像になるように形成されている。
【００７８】
図１２は、隣り合うアノード側セパレータ１１２Ｃ１、アノード側セパレータ１１２Ｃ２を示す説明図である。図８に斜線ハッチングを付して示した、一組の隣り合う単セル１００Ｃ１、単セル１００Ｃ２の、隣り合うアノード側セパレータ１１２Ｃ１、アノード側セパレータ１１２Ｃ２を抜き出して、示している。上記したように、アノード側セパレータ１１２Ｃ１と、アノード側セパレータ１１２Ｃ２とは、互いに鏡像になるように形成されている。
【００７９】
そのため、積層体１０Ｃ１と、積層体１０Ｃ２の、アノード側集電板１８が隣り合うように、積層体１０Ｃ１と、積層体１０Ｃ２とが配置されると、図１２に示すように、アノード側セパレータ１１２Ｃ１の水素供給用貫通孔１２２ｈ１と、アノード側セパレータ１１２Ｃ２の水素供給用貫通孔１２２ｈ２とが、繋がるように配置される。また、アノード側セパレータ１１２Ｃ１の水素排出用貫通孔１２４ｈ１と、アノード側セパレータ１１２Ｃ２の水素排出用貫通孔１２４ｈ２とが繋がるように配置される。図８に破線で示すように、積層体１０Ｃ１、積層体１０Ｃ２それぞれにおいて、水素供給用貫通孔１２２ｈ１が繋がるように配置され、水素供給用貫通孔１２２ｈ２が繋がるように配置されているため、積層体１０Ｃ１の水素供給用貫通孔１２２ｈ１、積層体１０Ｃ２の水素供給用貫通孔１２２ｈ２によって、燃料電池スタック１０Ｃを積層方向に沿って貫通する水素供給用マニホールドが形成される。同様に、積層体１０Ｃ１の水素排出用貫通孔１２４ｈ１、積層体１０Ｃ２の水素排出用貫通孔１２４ｈ２によって、燃料電池スタック１０Ｃを積層方向に沿って貫通する水素排出用マニホールドが形成される(図１２に水素の流れを、一点鎖線で示す)。
【００８０】
同様に、図８に破線で示すように、積層体１０Ｃ１の空気供給用貫通孔１２６ｈ１、積層体１０Ｃ２の空気供給用貫通孔１２６ｈ２によって、燃料電池スタック１０Ｃを積層方向に沿って貫通する空気供給用マニホールドが形成され、積層体１０Ｃ１の空気排出用貫通孔１２８ｈ１、積層体１０Ｃ２の空気排出用貫通孔１２８ｈ２によって、燃料電池スタック１０Ｃを積層方向に沿って貫通する空気排出用マニホールドが形成される。なお、アノード側集電板１８および絶縁板６０にも、アノード側セパレータ１１２Ｃ１と同様に、４隅に、水素供給用貫通孔、水素排出用貫通孔、空気供給用貫通孔、および空気排出用貫通孔が、それぞれ、形成されている。
【００８１】
Ｃ３．実施例の効果：
本実施例における燃料電池スタック１０Ｃでは、積層体１０Ｃ１、１０Ｃ２それぞれのアノード側集電板１８が隣り合うように配置されている。そのため、第２の実施例と同様に、燃料電池スタック１０Ｃの積層方向において、両端から積層方向の中央に向かって温度が高くなるような温度分布になる。したがって、第２の実施例と同様に、全ての単セル１００Ｃ１、単セル１００Ｃ２において、フラッディングを抑制する効果を得ることができる。
【００８２】
図１３は、本実施例のセパレータの形状の効果を説明するための比較例を示す説明図である。比較例の隣り合うアノード側セパレータ１１２Ｃ１‘とアノード側セパレータ１１２Ｃ２’とを示している。比較例の燃料電池スタックは、第３の実施例の燃料電池スタックにおいて、積層体１０Ｃ２に用いられるセパレータを変更したものである。積層体１０Ｃ２に用いられるカソード側セパレータ１１０Ｃ２’は、カソード側セパレータ１１０Ｃ１と同じ形状に、アノード側セパレータ１１２Ｃ２’はアノード側セパレータ１１２Ｃ１と同じ形状に形成されている。
【００８３】
上記したように、積層体１０Ｃ１において、水素供給用貫通孔１２２ｈ１は、繋がるように配置されており、同様に、積層体１０Ｃ２’においても、水素供給用貫通孔１２２ｈ２’は、繋がるように配置されている。しかしながら、図１３に示すように、アノード側セパレータ１１２Ｃ１の水素供給用貫通孔１２２ｈ１と、アノード側セパレータ１１２Ｃ２’の水素供給用貫通孔１２２ｈ２とは、繋がらない。そのため、燃料電池スタック１０Ｃを積層方向に貫通する水素供給マニホールドが形成されない。同様に、水素排出マニホールド、空気供給マニホールド、空気排出マニホールドも、燃料電池スタック１０Ｃを積層方向に貫通するようには形成されない。
【００８４】
したがって、このような場合には、例えば、図１３に示すように、積層体１０Ｃ１には、エンドプレート１２側から、水素および酸素を給排し、積層体１０Ｃ２にはエンドプレート１２Ｂ側から水素および酸素を給排する。
【００８５】
本実施例では、上記したように、単セル１００Ｃ１に用いられるアノード側セパレータ１１２Ｃ１と、単セル１００Ｃ２に用いられるアノード側セパレータ１１２Ｃ２とが、互いに鏡像になるように形成されている。また、単セル１００Ｃ１に用いられるカソード側セパレータ１１０Ｃ１と、単セル１００Ｃ２に用いられるカソード側セパレータ１１０Ｃ２とも、互いに鏡像になるように形成されている。したがって、燃料電池スタック１０Ｃを構成した場合に、燃料電池スタック１０Ｃを積層方向に貫通する反応ガス給排用マニホールドがそれぞれ形成される。したがって、第２の実施例と同様に、エンドプレート１２側からのみ、水素および空気を給排すれば、燃料電池スタック１０Ｃを構成する単セル１００Ｃ１、１００Ｃ２に、水素および空気を供給することができるため、構成を簡単にすることができる。
【００８６】
Ｄ．変形例：
（１）上記した実施例において、燃料ガスとして純水素、酸化剤ガスとして空気を用いるものを示したが、本発明は、これに限定されない。例えば、燃料ガスとして、アルコールや炭化水素の改質反応によって得られる改質ガスを用いることも可能である。この場合、改質ガスには、窒素や二酸化炭素等の水素以外の気体が含まれる。また、酸化剤ガスとして、純酸素を用いることも可能である。
【００８７】
例えば、燃料ガスとして改質ガス、酸化剤ガスとして純酸素を用いる場合、改質ガスは窒素や二酸化炭素等の水素以外の気体を含むため、水素と酸素を効率よく反応させるためには、純酸素に対して改質ガスを大量に流す必要がある。すなわち、流速を大きくする。そのため、燃料ガス流路１２２ｐにおいて、生成水等が凝縮しても、改質ガスは純酸素に対して運動量が大きいため、燃料ガス流路１２２ｐから押し出すことができる。
【００８８】
したがって、燃料ガスとして改質ガス、酸化剤ガスとして純酸素を用いる場合は、上記した実施例の場合とは反対に、単セル１００において、アノード側セパレータ１１２→ＭＥＡ１０８→カソード側セパレータ１１０の順に、温度が高くなるように温度勾配を設けるようにする。そのため、第１の実施例のような構成の場合は、電気ヒーター２２２を、カソード側エンドプレートに内蔵するようにし、また、第２の実施例のような構成の場合は、積層体１０Ｂ１、１０Ｂ２のカソード側集電板１６が互いに対向するように配置するようにする。
【００８９】
このような構成にすると、カソード側セパレータ１１０に形成された酸化剤ガス流路１２６ｐの飽和水蒸気圧は高くなるため、カソード１０４の電極反応により生成される生成水の水蒸気は凝縮（液化）しにくくなる。一方、アノード側セパレータ１１２に形成された燃料ガス流路１２２ｐの飽和水蒸気圧は低くなるため、電解質膜１０２に吸収されアノード側に移動してきた生成水は、凝縮（液化）しやすくなる。しかしながら、上述したように、改質ガスは純酸素に対して運動量が大きいため、凝縮水は改質ガスによって燃料ガス流路１２２ｐから押し出される。  したがって、燃料電池スタックにおける全ての単セルにおいて、フラッディングを抑制することができ、結果として、均一な発電を得ることができる。
【００９０】
（２）上記した第１の実施例において、アノード側エンドプレート２２を加熱する手段として、電気ヒーター２２２を用いるものを示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃焼ヒーターを用いたり、アノード側エンドプレート２２を加熱可能な加熱媒体をアノード側エンドプレート２２内に流すようにしてもよい。ここで、加熱媒体としては、例えば、燃料電池スタックから排出された冷却水、反応後の酸化剤ガス、反応後の燃料ガス等を用いることができる。燃料電池スタックから排出された冷却水は、燃料電池スタック内を循環して、単セルの熱を吸収し高温になっており、反応後の酸化剤ガスおよび燃料ガスは、電極反応による発熱により高温になっているため、アノード側エンドプレートを加熱するための加熱媒体となりうるからである。
【００９１】
（３）上記した第２、第３の実施例において、隣り合う２枚のアノード側集電板１８は、絶縁板６０を介して配置されていたが、絶縁板６０はなくてもよい。すなわち、隣り合う２枚のアノード側集電板１８が、接触するように配置されてもよい。このようにすると、積層体１０Ｂ１、１０Ｂ２（積層体１０Ｃ１、１０Ｃ２）が並列に接続された状態になる。さらに、積層体１０Ｂ１、１０Ｂ２(積層体１０Ｃ１、１０Ｃ２)で、１枚の集電板を共有してもよい。この場合も、上記と同様に、積層体１０Ｂ１、１０Ｂ２が並列に接続された状態になる。
【００９２】
（４）上記した第２の実施例において、積層体１０Ｂ１と積層体１０Ｂ２とは、単セル１００の積層数が等しいものを示したが、各積層体の単セル１００の積層数は、同じでなくても良い。図４の従来例として示すように、燃料電池スタックの端部付近の単セルでは、エンドプレートからの放熱の影響を受けるため、温度低下が著しい。したがって、積層体１０Ｂ２は、放熱の影響を受ける枚数以上は積層されていることが好ましい。例えば、単セルを１００枚積層して成る、従来の燃料電池スタックにおいて、端部よりの１０枚の単セルの温度低下が著しいものとすると、９０枚の単セル１００を積層して成る積層体１０Ｂ１と、１０枚の単セル１００を積層して成る積層体１０Ｂ２とを、用いて、燃料電池スタック１０Ｂを構成してもよい。このようにしても、積層体１０Ｂ２において、単セル内において、カソード１０４→電解質膜１０２→アノード１０６の順に、温度が高くなるような温度勾配ができるため、上記したように、フラッディングを抑制することができる。
【００９３】
（５）上記した実施例において、溝状の反応ガス流路が形成されたセパレータを示したが、セパレータおよび反応ガス流路形成部の形状は、上記した実施例の形状に限定されない。例えば、互いに連通する複数の孔が形成されている多孔体を反応ガス流路形成部に、マニホールドを構成する貫通孔とマニホールドと反応ガス流路形成部との間で反応ガスを給排するための反応ガス給排路が形成されたセパレータを、それぞれ用いてもよい。このようにしても、上記した実施例と同様の効果を得ることができる。
【００９４】
（６）上記した第１の実施例において、アノード側エンドプレート２２に電気ヒーター２２２を設けて、燃料電池スタック１０Ａのカソード側エンドプレート１２からアノード側エンドプレート２２に向かって、温度が高くなるように、燃料電池スタック１０Ａの全体に温度勾配を設けているが、特定の単セルにおいて、カソード側セパレータ１１０→ＭＥＡ１０８→アノード側セパレータ１１２の順に温度が高くなるように温度勾配を設けるようにしてもよい。例えば、特定の単セルにおいて、フラッディングが生じている場合には、その単セルにおいて、カソード側セパレータ１１０→ＭＥＡ１０８→アノード側セパレータ１１２の順に温度が高くなるように温度勾配を設ければ、その単セルにおけるフラッディングを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】第１の実施例の燃料電池スタック１０Ａの外観を示す斜視図である。
【図２】第１の実施例の燃料電池スタック１０Ａの概略構成を示す説明図である。
【図３】単セル１００の構造を示す分解斜視図である。
【図４】第１の実施例における燃料電池スタック１０Ａの積層方向の温度分布を示している。
【図５】第２実施例の燃料電池スタック１０Ｂの外観を示す斜視図である。
【図６】第２の実施例の燃料電池スタック１０Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図７】第２の実施例における燃料電池スタック１０Ｂの積層方向の温度分布を示している。
【図８】第３の実施例の燃料電池スタック１０Ｃの外観を示す斜視図である。
【図９】積層体１０Ｃ１を構成する単セル１００Ｃ１の構造を示す説明図である。
【図１０】積層体１０Ｃ２を構成する単セル１００Ｃ２の構造を示す説明図である。
【図１１】アノード側セパレータ１１２Ｃ１、アノード側セパレータ１１２Ｃ２のアノードと対抗する面を示す説明図である。
【図１２】隣り合うアノード側セパレータ１１２Ｃ１、アノード側セパレータ１１２Ｃ２を示す説明図である。
【図１３】第３実施例のセパレータの形状の効果を説明するための比較例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…燃料電池スタック
１０Ｂ１、１０Ｂ２、１０Ｃ１、１０Ｃ２…積層体
１２、１２Ｂ…エンドプレート
１４…絶縁板
１６…カソード側集電板
１６ｏ、１６ｏ１、１６ｏ２…出力端子
１８…アノード側集電板
１８ｏ、１８ｏ１、１８ｏ２…出力端子
２０…絶縁板
２２…アノード側エンドプレート
６０…絶縁板
１００…単セル
１０２…電解質膜
１０４…カソード
１０６…アノード
１１０…カソード側セパレータ
１１２…アノード側セパレータ
１２２…燃料ガス供給口
１２２ｈ…水素供給用貫通孔
１２２ｐ…燃料ガス流路
１２４…燃料ガス排出口
１２４ｈ…水素排出用貫通孔
１２６…酸化剤ガス供給口
１２６ｈ…空気供給用貫通孔
１２６ｐ…酸化剤ガス流路
１２８…酸化剤ガス排出口
１２８ｈ…空気排出用貫通孔
２２２…電気ヒーター
２２４…ヒーター用電源
３００…水素タンク
３２０、３４０、４２０、４４０…配管
４００…エアポンプ
【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】
2008034381.tif 000011
【図１０】
2008034381.tif 000012
【図１１】
2008034381.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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