(57)【要約】【課題】スタックの積層方向の温度分布を均一化して、発電特性に優れた燃料電池を提供すること。【解決手段】第一のセル４ａと、第一のセル４ａの一対の電極２１ａ、２２ａと電極面積の異なる一対の電極２１ｂ、２２ｂを備えた第二のセル４ｂと、第一のセル４ａと第二のセル４ｂを積層して構成される積層セル６と、冷却水を供給排出する冷却水流路１１と、複数の積層セル６と冷却水流路１１を交互に積層して構成されるスタックを備えることにより、冷却水流路１１の近傍など冷却されやすいセルの位置に第一のセル４ａよりも電極面積の小さい第二のセル４ｂを配置すれば、第二のセル４ｂの電流密度は第一のセル４ａより大きくなり、セル温度が高くなるので冷却水で冷却されてもセル温度を保持することができ、積層セル６の温度が均一化することができ、フラッディングなどの特性劣化が抑制される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のセルと、前記第一のセルの一対の電極に比べて電極面積の異なる一対の電極を有する第二のセルとを有し、前記第一のセルと前記第二のセルを積層して積層セルが構成されるとともに、前記積層セルを冷却する冷却水を供給排出する冷却水流路とを有し、前記積層セルと前記冷却水流路を交互に積層してスタックを構成する燃料電池。
【請求項２】
電解質と前記電解質を挟む一対の電極と前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給排出し他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とを有する第一のセルと、前記第一のセルの一対の電極に比べて電極面積の異なる一対の電極と前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給排出し他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とを有する第二のセルとを有し、前記第一のセルと前記第二のセルを積層して積層セルが構成されるとともに、前記積層セルを冷却する冷却水を供給排出する冷却水流路とを有し、前記積層セルと前記冷却水流路を交互に積層してスタックを構成する燃料電池。
【請求項３】
第二のセルの一対の電極の電極面積は第一のセルの一対の電極の電極面積よりも小さく、前記第二のセルの燃料ガスを供給排出する側のセパレータ板に前記第一のセルの酸化剤ガスを供給排出する側のセパレータ板を積層し、前記第二のセルの酸化剤ガスを供給排出する側および前記第一のセルの燃料ガスを供給排出する側のセパレータ板に冷却水を供給排出する冷却水流路を配置し、積層セルを冷却する請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
第二のセルは、第一のセルよりも面積の小さい一対のセパレータ板を備えた請求項２あるいは３に記載の燃料電池。
【請求項５】
第二のセルは、第一のセルのセパレータ板のガス流路よりも流路長の短いガス流路を有するセパレータ板を備えた請求項２〜４いずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
第二のセルは、第一のセルのセパレータ板のガス流路よりも流路幅の大きいガス流路を有するセパレータ板を備えた請求項２〜４いずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
第二のセルは、第一のセルのセパレータ板のガス流路よりも流路深さの大きいガス流路を有するセパレータ板を備えた請求項２〜４いずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
第二のセルは、第一のセルのセパレータ板のガス流路よりも流路本数の多いガス流路を有するセパレータ板を備えた請求項２〜４いずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
３つ以上のセルを積層して構成した積層セルと、前記積層セルを冷却する冷却水を供給排出する冷却水流路とを有し、前記積層セルと前記冷却水流路を交互に積層してスタックを構成し、前記積層セルの両端に位置するセルの一対の電極の電極面積を前記積層セルの両端以外に位置するセルの一対の電極の電極面積よりも小さくする燃料電池。
【請求項１０】
積層セルの両端に位置するセルは、前記積層セルの両端以外に位置するセルよりも面積の小さい一対のセパレータ板を備えた請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
積層セルの両端に位置するセルは、前記積層セルの両端以外に位置するセルのセパレータ板のガス流路よりも流路長の短いガス流路を有するセパレータ板を備えた請求項９または１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
積層セルの両端に位置するセルは、前記積層セルの両端以外に位置するセルのセパレータ
板のガス流路よりも流路幅の大きいガス流路を有するセパレータ板を備えた請求項９または１０に記載の燃料電池。
【請求項１３】
積層セルの両端に位置するセルは、前記積層セルの両端以外に位置するセルのセパレータ板のガス流路よりも流路深さの大きいガス流路を有するセパレータ板を備えた請求項９または１０に記載の燃料電池。
【請求項１４】
積層セルの両端に位置するセルは、前記積層セルの両端以外に位置するセルのセパレータ板のガス流路よりも流路本数の多いガス流路を有するセパレータ板を備えた請求項９または１０に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スタックの積層方向の温度分布を均一にし、スタックの発電特性の向上を図った燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な燃料電池のスタックは、複数のセルを積層して構成した積層セルと冷却水流路の形成された冷却板とを交互に積層してスタックを構成しているが、冷却板に近いセルは冷却水により十分冷却されるのに対し、冷却板から離れたセルでは冷却されにくく、温度が上昇してしまうため積層方向で温度分布が生じていた。スタック全体で温度を一定に保持しようとした場合、冷却板に近いセルの温度が低下して、結露などによりフラッディング（水詰まり）が発生するなどして、発電特性を劣化させる。したがって、積層したセルが均一に冷却され、スタック全体において温度分布が生じないようにする必要がある。
【０００３】
一般的には、図８に示すように、積層したセルを均一に冷却するため、積層セルの冷却板と冷却板の中間に位置する積層方向中央部のセパレータ板の厚さを、他の部分のセパレータ板の厚さよりも厚くしていた。これにより、厚くしたセパレータ板の部分で積層方向の熱伝導が抑制され、積層セル全体として積層方向の温度が均一化され、この積層セルを積層することにより、スタックの積層方向の温度分布の均一化を図っていた（特許文献１参照）。
【０００４】
また、積層したスタックの中央より冷空気（冷たい冷媒）を供給するとともに、スタックの両端部より温空気（温かい冷媒）を供給することにより、温度の高い中央のセルは冷空気により冷却され、温度の低い両端のセルは温空気により昇温されるためスタックの積層方向の温度分布を均一化する方法も開示されている（特許文献２参照）。
【０００５】
また、スタックの両端に二つの冷却水入口を備え、スタックに導入された冷却水を両端に設けられた二つの冷却水出口から排出することにより、スタック中央に流れる冷却水量を増やして冷却し、両端のセルの温度を上昇させてスタックの積層方向の温度分布を均一化する方法も開示されている（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平６−２５１７９０号公報
【特許文献２】特開２００５−５０７４号公報
【特許文献３】特開平８−１１１２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来のセパレータ板の厚みを変えて温度を均一化する方法ではスタックの構造が複雑になるだけでなく、セパレータ板の厚みの分だけ抵抗が増加するため、電圧が低下し、発電効率が低下してしまうという課題があった。
【０００７】
また、冷却水などの冷媒の流し方により温度分布を均一化させる方法では、冷媒を流す流路構成が複雑になるだけでなく、スタックの温度に対して冷却水流量が十分でない場合など、条件によっては温度分布が改善されず、積層方向における温度分布が問題となっていた。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、第一のセルと、第一のセルと電極面積の異なる一対の電極を備えた第二のセルと、第一のセルと第二のセルを積層して構成される
積層セルと、積層セルを冷却する冷却水流路を交互に積層してスタックを構成することにより、スタックの積層方向の温度分布を均一化して、発電特性に優れた燃料電池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】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために本発明は、第一のセルと、前記第一のセルの一対の電極に比べて電極面積の異なる一対の電極を有する第二のセルとを有し、前記第一のセルと前記第二のセルを積層して積層セルが構成されるとともに、前記積層セルを冷却する冷却水を供給排出する冷却水流路とを有し、前記積層セルと前記冷却水流路を交互に積層してスタックを構成する燃料電池とするものである。
【００１０】
本発明の構成によれば、発電下において、第一および第二のセルを積層したスタックには所定の電流が流れると、第一のセルと電極面積の異なる第二のセルには単位面積当たりに流れる電流（電流密度）が第一のセルと異なった状態となる。電流密度に応じて第一および第二のセルのセル温度はそれぞれ決定されるので、第二のセルの電極面積を第一のセルよりも小さくすれば、電流密度が相対的に高くなり、第二のセルのセル温度は第一のセルよりも高くすることができる。逆に、第二のセルの電極面積を第一のセルよりも大きくすれば、電流密度は相対的に低くなり、第二のセルのセル温度は第一のセルよりも低くすることができる。
【００１１】
したがって、例えば、冷却水流路の近傍など冷却されやすいセルの位置に第一のセルよりも電極面積の小さい第二のセルを配置すれば、第二のセルの電流密度は第一のセルより大きくなり、セル温度が高くなるので冷却水で冷却されてもセル温度を保持することができ、積層セルの温度が均一化することができる。そして、均一化した積層セルを積層したスタックも積層方向の温度分布を均一化することができ、フラッディングなどの特性劣化が抑制され、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明の燃料電池によれば、スタックの積層方向の温度分布が均一化されるので、発電特性に優れた燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明は、第一のセルと、前記第一のセルの一対の電極に比べて電極面積の異なる一対の電極を有する第二のセルとを有し、前記第一のセルと前記第二のセルを積層して積層セルが構成されるとともに、前記積層セルを冷却する冷却水を供給排出する冷却水流路とを有し、前記積層セルと前記冷却水流路を交互に積層してスタックを構成する燃料電池とすることにより、相対的に第二のセルのセル温度を上昇あるいは降下させることができ、スタック全体として積層方向の温度分布を均一化することができ、フラッディングなどの特性劣化が抑制され、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００１４】
第２の発明は、電解質と前記電解質を挟む一対の電極と前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給排出し他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とを有する第一のセルと、前記第一のセルの一対の電極に比べて電極面積の異なる一対の電極と前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給排出し他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とを有する第二のセルとを有し、前記第一のセルと前記第二のセルを積層して積層セルが構成されるとともに、前記積層セルを冷却する冷却水を供給排出する冷却水流路とを有し、前記積層セルと前記冷却水流路を交互に積層してスタックを構成する燃料電池とすることにより、相対的に第二のセルのセル温度を上昇あるいは降下させることができ、スタック全体として積層方向の温度分布を均一化することができ、フラッデ
ィングなどの特性劣化が抑制され、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００１５】
第３の発明は、第２の発明において、第二のセルの一対の電極の電極面積は第一のセルの一対の電極の電極面積よりも小さく、前記第二のセルの燃料ガスを供給排出する側のセパレータ板に前記第一のセルの酸化剤ガスを供給排出する側のセパレータ板を積層し、前記第二のセルの酸化剤ガスを供給排出する側および前記第一のセルの燃料ガスを供給排出する側のセパレータ板に冷却水を供給排出する冷却水流路を配置し、積層セルを冷却することにより、二セル一積層セルの構成において、発熱反応のため各セルにおける主な熱発生源となる酸化剤ガスを供給排出する側のセパレータ板を、冷却水で冷却される第二のセルでは相対的に電極面積を小さくして電流密度を上げて温度を上昇させ、一方、酸化剤ガスを供給排出する側のセパレータ板が冷却水で冷却されない第一のセルでは相対的に一対の電極の電極面積を大きくして電流密度を下げて温度を降下させ、積層セル全体の温度の均一化を図ることができ、フラッディングなどの特性劣化が抑制され、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００１６】
第４の発明は、第２あるいは第３の発明において、第二のセルは、第一のセルよりも面積の小さい一対のセパレータ板を備え、電極面積に応じた大きさのセパレータ板を用いるので、セパレータ板材料の使用量を削減することができ、経済的であるだけでなく、セパレータ板の熱容量が減るので、起動停止など温度変化がある場合でも、速やかにスタックの温度を均一化することができ、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００１７】
第５の発明は、第２〜４のいずれかの発明において、第二のセルは、第一のセルのセパレータ板のガス流路よりも流路長の短いガス流路を有するセパレータ板を備え、第一のセルよりも小さい電極面積に合わせたガス流路を設計するので、ガスの回り込みを防ぎ、電極面積を有効に使用することができ、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００１８】
第６の発明は、第２〜４のいずれかの発明において、第二のセルは、第一のセルのセパレータ板のガス流路よりも流路幅の大きいガス流路を有するセパレータ板を備え、流路長が短くなっても、流路幅を大きくするので、供給するガス流量を第一のセルと等しくして、ガス利用率を一定にすることができ、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００１９】
第７の発明は、第２〜４のいずれかの発明において、第二のセルは、第一のセルのセパレータ板のガス流路よりも流路深さの大きいガス流路を有するセパレータ板を備え、流路長が短くなっても、流路深さを大きくするので、供給するガス流量を第一のセルと等しくして、ガス利用率を一定にすることができ、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００２０】
第８の発明は、第２〜４のいずれかの発明において、第二のセルは、第一のセルのセパレータ板のガス流路よりも流路本数の多いガス流路を有するセパレータ板を備え、流路長が短くなっても、流路本数を多くするので、供給するガス流量を第一のセルと等しくして、ガス利用率を一定にすることができ、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００２１】
第９の発明は、３つ以上のセルを積層して構成した積層セルと、前記積層セルを冷却する冷却水を供給排出する冷却水流路とを有し、前記積層セルと前記冷却水流路を交互に積層してスタックを構成し、前記積層セルの両端に位置するセルの一対の電極の電極面積を前記積層セルの両端以外に位置するセルの一対の電極の電極面積よりも小さくする燃料電池とすることにより、積層セルの両端のセルの温度を上昇させて、積層セル全体の温度の均一化を図ることができ、温度が均一化した積層セルを積層したスタックの積層方向における温度分布も均一化することができ、フラッディングなどの特性劣化が抑制され、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００２２】
第１０の発明は、第９の発明において、積層セルの両端に位置するセルは、前記積層セルの両端以外に位置するセルよりも面積の小さい一対のセパレータ板を用いるので、セパレータ板材料の使用量を削減することができ、経済的であるだけでなく、セパレータ板の熱容量が減るので、起動停止など温度変化がある場合でも、速やかにスタックの温度を均一化することができ、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００２３】
第１１の発明は、第９または１０の発明において、積層セルの両端に位置するセルは、前記積層セルの両端以外に位置するセルのセパレータ板のガス流路よりも流路長の短いガス流路を有するセパレータ板を備えているので、各セルの電極面積に合わせたガス流路を設計するので、各セルにおけるガスの回り込みを防ぎ、それぞれの電極面積を有効に使用することができ、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００２４】
第１２の発明は、第９または１０の発明において、積層セルの両端に位置するセルは、前記積層セルの両端以外に位置するセルのセパレータ板のガス流路よりも流路幅の大きいガス流路を有するセパレータ板を備えているので、各セルの流路長が短くなっても、それぞれの流路幅を大きくするので、供給するガス流量を全セル等しくして、ガス利用率を一定にすることができ、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００２５】
第１３の発明は、第９または１０の発明において、積層セルの両端に位置するセルは、前記積層セルの両端以外に位置するセルのセパレータ板のガス流路よりも流路深さの大きいガス流路を有するセパレータ板を備えているので、各セルの流路長が短くなっても、それぞれの流路深さを大きくするので、供給するガス流量を全セル等しくして、ガス利用率を一定にすることができ、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００２６】
第１４の発明は、第９または１０の発明において、積層セルの両端に位置するセルは、前記積層セルの両端以外に位置するセルのセパレータ板のガス流路よりも流路本数の多いガス流路を有するセパレータ板を備えているので、各セルの流路長が短くなっても、それぞれの流路本数を多くするので、供給するガス流量を全セル等しくして、ガス利用率を一定にすることができ、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００２７】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池の概略構成図を示すものである。図１において、１ａは水素イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマーからなる膜状の固体高分子電解質であり、電解質１ａの両面にはそれぞれの一対の電極、アノード２１ａおよびカソード２２ａが電解質１ａの面内中央に形成されている。
【００２９】
アノード２１ａおよびカソード２２ａは、多孔質カーボンに白金などの貴金属を担持した触媒および水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなる触媒層と、触媒層の上に積層した通気性および電子伝導性を有するガス拡散層からなる。アノード２１ａには、耐ＣＯ性を有する白金−ルテニウムなどの合金触媒を用いた。また、ガス拡散層には撥水処理を施したカーボンペーパーあるいはカーボンクロスを用いた。
【００３０】
そして、アノード２１ａおよびカソード２２ａの周囲にガスの混合やリークを防止する一対のガスケットをそれぞれ配置し、さらに、アノード２１ａおよびカソード２２ａにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する電解質１ａと概ね同じ大きさのカーボン製の導電性の一対のセパレータ板３１ａおよび３２ａを用いて挟持して第一のセル４ａを作製した。
【００３１】
そして、第一のセル４ａと同様にして、第一のセル４ａと同じ大きさの電解質１ｂの両面中央にそれぞれ第一のセル４ａの一対の電極２１ａおよび２１ｂの約半分の電極面積の一対の電極２１ｂおよび２２ｂを形成し、電解質１ｂと概ね同じ大きさの一対のセパレータ板３１ｂおよび３２ｂで挟持した第二のセル４ｂを作製した。
【００３２】
図２（ａ）および（ｂ）に、それぞれ第一のセル４ａおよび第二のセル４ｂに使用したセパレータ板３２ａおよび３２ｂのガス流路の概略構成図を示す。酸化剤ガスの入口および出口にそれぞれカソード側ガスマニホールドが形成され、入口から出口に向けてガス流路が形成されている。また、セパレータ板３１ａおよび３１ｂにはアノード側ガスマニホールドおよび冷却水用マニホールドが形成されている。
【００３３】
それぞれのセパレータ板３１、３２のガス流路はサーペンタイン型流路であり、それぞれの電極面積に応じた流路長となっている。この構成によれば、ガスの回り込みを防ぎ、電極面積を有効に使用することができ、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００３４】
また、第二のセル４ｂのセパレータ板３１ｂおよび３２ｂのガス流路の流路長は第一のセル４ａのセパレータ板３１ａおよび３２ａの流路長より短くなっているが、第二のセル４ｂのガス流路の流路幅および流路深さを第一のセル４ａの流路幅および流路深さより大きくして、ガス流路全体の流路体積は第一のセル４ａと同等になるように設計されている。
【００３５】
したがって、第一のセル４ａに比べて第二のセル４ｂの流路長が短くても、流路幅あるいは流路深さを第一のセル４ａより大きくするので、供給するガス流量を第一のセル４ａと等しくして、ガス利用率を一定にすることができ、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００３６】
あるいは、第二のセル４ｂのセパレータ板３１ｂおよび３２ｂのガス流路の流路本数を第一のセル４ａより多くすることにより、ガス流路全体の流路体積が同等となるようにしても同様の効果が得られる。
【００３７】
そして、第二のセル４ｂの燃料ガスを供給排出する側のセパレータ板３１ｂに前記第一のセル４ａの酸化剤ガスを供給排出する側のセパレータ板３２ａを積層し、積層セル６を構成した。
【００３８】
なお、積層セル６は一体化した構成としてもよいし、第一のセル４ａと第二のセル４ｂがそれぞれ単独にあるものを積層したものでもよい。
【００３９】
さらに、積層セル６を冷却して所定の温度に保持するために、第二のセル４ｂの酸化剤ガスを供給排出する側のセパレータ板３２ｂおよび第一のセル４ａの燃料ガスを供給排出する側のセパレータ板３１ａに冷却水を供給排出する冷却水流路１１を配置した。
【００４０】
そして、複数の積層セル６と冷却水流路１１を交互に積層し、スタックを構成し、スタックの両端には集電板と、絶縁板および大きな荷重に耐えられる強度の高い金属からなる端板５を配置し、締結ロッドを用いてスタックの積層方向に強固に締結した。また、スタックからの放熱を防止し、スタックの温度を安定して保持するためスタックの周囲には断熱材を配置した。そして、集電板に負荷および電圧検出部を接続し、一定電流を流したときのスタックのセル電圧を検出できる構成とした。また、スタックの積層方向の温度分布を測定できるように各セルの酸化剤ガスを供給排出する側のセパレータ板３２に熱電対を挿入し、各セル４の概ね中央のセル温度を測定できるようにした。
【００４１】
そして、スタックのアノード２１側には、メタンなどの原料ガスから水素を生成する燃料処理部７を接続し、少なくとも水素を含む燃料ガスを供給できるようにした。
【００４２】
また、スタックのカソード２２側には、大気から酸素を取り込む酸化剤ガス供給部８を接続し、大気中の不純物を除去する不純物除去部９と、酸化剤ガスを加湿する加湿部１０を介して、大気から不純物が取り除かれて加湿された酸化剤ガスを供給できるようにした。
【００４３】
酸化剤ガスとは、少なくとも酸素を含む（あるいは酸素を供給することのできる）ガスの総称であり、大気（空気）はその一例である。
【００４４】
上記構成の本発明の燃料電池の動作について説明する。アノード２１およびカソード２２にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して負荷を接続すると、アノード２１に供給された燃料ガス中に含まれる水素はアノード２１と電解質１の界面で電子を放って水素イオンとなる、この反応式は（化１）のようになる。
【００４５】
【化１】
2008204833.tif 000003
【００４６】
水素イオンは電解質１を通ってそれぞれカソード２２へと移動し、カソード２２と電解質１の界面で電子を受け取り、カソード２２に供給された酸化剤ガス中に含まれる酸素と反応し、水を生成する。この反応式は（化２）のようになる。
【００４７】
【化２】
2008204833.tif 000004
【００４８】
全反応を（化３）に示す。
【００４９】
【化３】
2008204833.tif 000005
【００５０】
このとき負荷を流れる電子の流れを直流の電気エネルギーとして利用することができる。また、一連の反応は発熱反応であるため、反応熱を熱エネルギーとして利用することができる。
【００５１】
次に、燃料処理部７の構成および動作について説明する。燃料処理部７は、付臭剤などに含まれる硫黄化合物を吸着除去する脱硫部７１と、メタンなどの炭化水素を含む原料ガスを改質する改質部７２と、改質反応で発生する一酸化炭素（ＣＯ）を変成するＣＯ変成部７３と、さらにＣＯを酸化除去するＣＯ除去部７４で構成される。
【００５２】
原料ガスは、はじめに脱硫部７１で脱硫され、その後、改質部７２で改質されて水素を含む燃料ガスとなる。原料ガスにメタンを用いた場合、改質部７２では、水蒸気を伴って（化４）で示した反応が起こり、燃料ガスである水素とともに約１０％のＣＯを発生する。
【００５３】
【化４】
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【００５４】
燃料電池の動作温度域においてアノード２１に含まれる白金はわずかなＣＯでも被毒しその触媒活性が低下するため、改質部７２で発生したＣＯは（化５）で示すようにＣＯ変成部７３で二酸化炭素に変成され、その濃度を約５０００ｐｐｍまで減少させられる。後流のＣＯ除去部７４ではＣＯだけでなく、燃料ガスの水素まで酸化されてしまうので、ＣＯ変成部７３においてできるだけＣＯ濃度を低下させる必要がある。
【００５５】
【化５】
2008204833.tif 000007
【００５６】
さらに残ったＣＯは（化６）で示すようにＣＯ除去部７４で空気中に含まれる酸素と反応して酸化され、その濃度はアノード２１の触媒活性の劣化を抑制できる約１０ｐｐｍ以下までに減少させられる。
【００５７】
【化６】
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【００５８】
全反応式を（化７）に示す。
【００５９】
【化７】
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【００６０】
上記構成の本発明の実施の形態の燃料電池の発電特性を調べるため、約６０℃の冷却水をスタックの冷却水入口より供給し、アノード２１およびカソード２２にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し、スタックに負荷を繋いで約４０Ａ流れるように発電を行なった。また、従来構成のスタックと比較するため、全てのセルの電極面積が同じスタックを作製し、同様に発電を行なった。いずれのスタックも冷却水出口における冷却水温度は約７０℃であった。
【００６１】
このときの従来スタックおよび本発明の実施の形態のスタックの各セル４の位置を表すセル番号とセル温度の関係（スタックの積層方向における温度分布）についてそれぞれ図３（ａ）および（ｂ）に示す。図３（ａ）に示すように、全てのセルの電極面積が同じ従来のスタックの温度分布は、スタックの両端のセル４で最も低く、中央寄りのセル４で温度が上昇していた。さらに、酸化剤ガスを供給排出する側のセパレータ板３２に冷却水を流す冷却水流路１１がない偶数番号セルのセル温度が冷却水流路１１のある奇数番号セルのセル温度に比べて高くなっていることが判った。セル温度は両端で約６５℃、奇数番号セルで約６７℃、偶数番号セルで約６９℃であった。
【００６２】
両端部でセル温度が低くなっているのはスタックの端部からの放熱が大きいためと考えられる。
【００６３】
これに対し、図３（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態のスタックの温度分布は、
両端でやや温度が下がっているものの、奇数番号セル（第一のセル）４ａと偶数番号セル（第二のセル）４ｂの温度差が減少し、スタック全体の温度分布が均一化されていることがわかった。
【００６４】
本発明の実施の形態のスタックの偶数番号セル（第二のセル）４ｂは、主な熱発生源となる酸化剤ガスを供給排出する側のセパレータ板３２ｂを、冷却水で冷却されているが、第一のセル４ａと比べて電極面積を小さくして電流密度を上げて温度を１〜２℃上昇させているため、積層セル６、さらにスタック全体の温度の均一化され、従来のスタックの温度分布より大幅に改善されていることが確認できた。
【００６５】
第二のセル４ｂのセル温度が上昇するのは、スタックの各セルにはそれぞれ同じ電流が流れているが、電極面積が第一のセル４ａの約半分になっている第二のセル４ａの電流密度は約二倍になっており、燃料電池は電流密度が上昇すると抵抗分極などが増大し、発熱量が大きくなるため、第二のセル４ｂのセル温度は第一のセル４ａのセル温度より高くなるからである。
【００６６】
一方、それぞれの発電特性見てみると、奇数番号セルのセル温度が偶数番号セルに比べて降下している従来のスタックでは、ガスの利用率が低下すると奇数番号セルで電圧が低く、挙動も不安定になる特性が見られた。これは奇数番号セルで加湿された燃料ガスあるいは酸化剤ガスが冷却水により冷やされ結露するため、結露水がガス拡散層やセパレータ板のガス流路を塞ぎ、発電に必要な燃料ガスあるいは酸化剤ガスの供給や生成水の排出を妨害するために発生するフラッディングが原因であると考えられる。
【００６７】
これに対して、本発明の実施の形態のスタックは、ガスの利用率が低下しても、全セルにおいて、従来のスタックで見られたようなフラッディングなどは観測されず、安定した発電特性を示していた。これはスタックの積層方向における温度分布が均一化され温度による影響が緩和されるため、結露現象が防止され、フラッディングが発生しないからと推測できる。
【００６８】
したがって、本発明の実施の形態の燃料電池によれば、スタック全体として積層方向の温度分布を均一化することができ、フラッディングが抑制され発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００６９】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２の燃料電池の概略構成図である。実施の形態１と異なる点は、図５の（ａ）および（ｂ）に示したように、第二のセル４ｂは、第一のセル４ａに用いられる一対のセパレータ板３１ａおよび３２ａよりも面積の小さい一対のセパレータ板３１ｂおよび３２ｂを備えた点である。それ以外は第一の実施の形態と同じであり、詳細な説明は省略する。
【００７０】
上記構成の燃料電池について実施の形態１と同様にして特性を調べたところ、実施の形態１の燃料電池とほぼ同等の温度分布を示していることが判り、発電特性も安定していることが確認できた。
【００７１】
したがって、本発明の実施の形態２の燃料電池によれば、電極面積に応じた大きさのセパレータ板３１ｂおよび３２ｂを用いるので、セパレータ板材料の使用量を削減することができ、経済的であるだけでなく、セパレータ板３１ｂおよび３２ｂの熱容量が減るので、起動停止など温度変化がある場合でも、速やかにスタックの温度を均一化することができ、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００７２】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３の燃料電池の概略構成図である。実施の形態１と異なる点は、３セル以上の複数のセル４を積層して積層セル６を形成し、冷却水を供給排出する冷却水流路１１と交互に積層してスタックを構成した点である。図６においては３セルを積層して積層セル６を形成している形態を示す。それ以外は実施の形態１と同じであり、詳細な説明は省略する。
【００７３】
上記構成の燃料電池について実施の形態１と同様にして特性を調べたところ、スタックの積層方向における温度分布が均一になっていることが確認できた。また、本発明の実施の形態のスタックは、ガスの利用率が低下しても、従来のスタックで見られたようなフラッディングなどは観測されず、安定した発電特性を示していた。
【００７４】
したがって、本発明の実施の形態３の燃料電池によれば、積層セル６の両端に位置するセル４ｂの一対の電極２１ｂおよび２２ｂの電極面積を積層セル６の中央に位置するセル４ａの一対の電極２１ａおよび２２ａの電極面積より小さくすることにより、積層セル６の両端のセル４ｂの温度が上昇し、積層セル６全体の温度を均一化することができる。そして、温度が均一化した積層セル６を積層することにより、スタックの積層方向における温度分布も均一化されるので、フラッディングなどの特性劣化が抑制され、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。なお、積層セル６は一体化した構成としてもよいし、それぞれのセルが単独にあるものを積層したものでもよい。
【００７５】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４の燃料電池の概略構成図である。実施の形態３と異なる点は、積層セルの両端に位置するセルは、前記積層セルの両端以外に位置するセルよりも面積の小さい一対のセパレータ板を備えた点である。図７においては３セルを積層して積層セル６を形成している形態を示す。それ以外は実施の形態３と同じであり、詳細な説明は省略する。
【００７６】
上記構成の燃料電池について実施の形態３と同様にして特性を調べたところ、実施の形態３の燃料電池とほぼ同等の温度分布を示していることが判り、発電特性も安定していることが確認できた。
【００７７】
したがって、本発明の実施の形態４の燃料電池によれば、電極面積に応じた大きさのセパレータ板を用いるので、セパレータ板材料の使用量を削減することができ、経済的であるだけでなく、セパレータ板の熱容量が減るので、起動停止など温度変化がある場合でも、速やかにスタックの温度を均一化することができ、発電特性に優れた燃料電池を得ることができる。なお、積層セル６は一体化した構成としてもよいし、それぞれのセルが単独にあるものを積層したものでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の燃料電池は、スタックの積層方向における温度分布の均一化による発電特性の向上という効果を有し、高分子型固体電解質膜を用いた燃料電池、燃料電池デバイスに有用である。また、温度変化に富んだ屋外に設置される定置用燃料電池コジェネレーションシステムや燃料電池自動車にも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池の概略構成図
【図２】（ａ）同燃料電池の第一のセルのセパレータ板の概略構成図（ｂ）同燃料電池の第二のセルのセパレータ板の概略構成図
【図３】（ａ）従来の燃料電池のスタック積層方向の温度分布特性図（ｂ）本発明の実施の形態１における燃料電池のスタック積層方向の温度分布特性図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池の概略構成図
【図５】（ａ）同燃料電池の積層セルの両端以外のセルのセパレータ板の概略構成図（ｂ）同燃料電池の両端のセルのセパレータ板の概略構成図
【図６】本発明の実施の形態３の燃料電池の概略構成図
【図７】本発明の実施の形態４の燃料電池の概略構成図
【図８】従来の燃料電池の概略構成図
【符号の説明】
【００８０】
１  電解質  
２１ａ、２１ｂ  電極（アノード）
２２ａ、２２ｂ  電極（カソード）
３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ  セパレータ板
４ａ  第一のセル
４ｂ  第二のセル
６  積層セル
１１  冷却水流路
【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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