(57)【要約】【課題】各セルの電圧を均一で高出力にすると共に、経時的な低下を抑制して、高効率なセルスタック構造の燃料電池を提供すること。【解決手段】電解質膜を挟んで負極と正極が対向して配置されてなるセル１が複数個積層されたセルスタック３を備える。このセルスタック３は、その中心部に各セル１と略直交する方向に形成された中心孔部３ａと、この中心孔部３ａ内に区画形成された燃料流通路４とを備える。この燃料流通路４は、長手方向所定ピッチで形成され、中心孔部３ａを介して燃料を各セル１に供給するための複数の燃料供給孔４ｂを備える。【選択図】  図１
2004185906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで負極と正極が対向して配置されてなるセルが複数個積層されたセルスタックを備えた燃料電池において、
前記セルスタックが、その中心部に各セルと略直交する方向に形成された中心孔部と、この中心孔部内に区画形成された燃料流通路とを備え、さらに、この燃料流通路が、長手方向所定ピッチで形成され前記中心孔部を介して燃料を各セルの負極に供給するための複数の燃料供給孔を備えてなることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
燃料流通路が、１本のパイプ体からなり、複数の燃料供給孔が、前記パイプ体の周囲壁に形成された径方向に開口する複数の孔部からなる請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
複数の孔部が、パイプ体の周囲壁に円周方向に所定角度間隔で順にシフトして形成されてなる請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
複数の孔部の孔径は、燃料流通路の上流側から下流側に向かうに伴って大きく設定された請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項５】
燃料流通路が、上流側端部の位置を一致させた長さの異なる複数本のパイプ体を備えてなり、複数の燃料供給孔が、各パイプ体の下流側の端部開口からなる請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
長さの異なる複数本のパイプ体は、長いもの程その燃料供給孔の孔径が大きく設定された請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
電解質膜を挟んで負極と正極が対向して配置されてなるセルが複数個積層されたセルスタックを備えた燃料電池において、
前記セルスタックが、その中心部に形成された燃料流通経路と、前記燃料流通経路内の水分を凝縮させる凝縮部とを備えてなることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
凝縮部が、セルスタックの外面の一部を構成する放熱面部と、前記放熱面部の近傍位置における燃料流通経路の一部に設けられ、放熱面部にて熱を奪われて凝縮した燃料中の液体成分を溜める窪み部とを備えてなる請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
凝縮部が、セルスタックにおける燃料流通方向の略中央部に配置された請求項７又は８に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、さらに詳しくは、セルが複数個積層されたセルスタック構造のスタック燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の燃料電池としては、図１０に示すように、電解質膜を挟んで負極と正極が対向して配置されてなる円盤状のセル１００がセパレータ１０２を介して複数個積層されたセルスタック１０３を備えたスタック燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このスタック燃料電池は、前記セルスタック１０３と、セルスタック１０３の中央孔部に挿設されるスタック棒１０４と、スタック棒１０４の両端に設けられてセルスタック１０３を挟持する締付具１０５、１０６と、セルスタック１０３とスタック棒１０４との間に形成された燃料流通路１０７と、燃料流通路１０７と連通してセルスタック１０３の一端側及び他端側に設けられた燃料取入れ口１０８及び燃料排気口１０９とを備える。この燃料電池では、燃料取入れ口１０８に燃料ガスである水素を供給することにより、燃料流通路１０７を上流側から下流側へ水素が流通するに際して各セル１００の負極に水素が供給（吸収）され、一方セルスタック１０３の外周からは大気中の酸素が各セル１００の正極に供給（吸収）され、負極では触媒の作用により水素がプロトンと電子に分解し、プロトンは電解質膜を通って正極へ移動し、電子は図示しない外部回路を通って正極へ移動することにより発電し、かつ正極にて酸素とプロトンと電子が反応して水を生成する（２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ）。
【０００３】
【特許文献１】
ＵＳ６，３１６，１３３Ｂ１
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１の燃料電池では、下記の▲１▼▲２▼▲３▼の問題を生じていた。
▲１▼最上流セル１００付近では新鮮な燃料（水素）が送り込まれて高起電力を得ることができるが、下流に行くにしたがって燃料供給慣性力の低下や各セル１００での燃料消費が進み、燃料圧力や燃料濃度が低下して電圧（起電力）が低下する。
▲２▼正極側で生成された水は正極から外部に放出されるが、過剰に水が生成されると、水の一部は電解質膜を満たし、余分な水は電解質膜から負極側の燃料流通路１０７内に漏れ溢れ経過とともに燃料内に水分が増加して燃料濃度を徐々に低下させ、それによって電圧が低下する。この現象は下流側のセル１００程顕著に表れる。
▲３▼時間経過とともにセルスタック１０３の中央部のセル温度が上昇し易く、セル温度の上昇によりセルスタック１０３の中央部の電圧が低下し易い。
【０００５】
以下、上記問題▲１▼▲２▼▲３▼を具体的に説明する。
例えば、２５個のセルを積層した従来のスタック燃料電池の場合、その発電性能は図１１に示すようなものとなる。同図（ａ）は経過時間とスタック電圧との関係を表し、同図（ｂ）は１時間経過後の各セル電圧を表し、同図（ｃ）は５時間経過後の各セル電圧を表している。
図１１（ａ）に示すように、このスタック燃料電池に０．０７ＭＰａで水素を供給し２００ｍＡの定電流負荷をかけた時の電圧を測定すると、スタック電圧は当初１７Ｖであったものが２００分経過後低下し始め３００分経過後には１０Ｖ迄低下した。この原因を調べる為、各セルの電圧を測定したところ、図１１（ｂ）に示すように、初期段階、即ち１時間経過後の各セル起電圧は最上流の＃２５セルでは０．７５Ｖ、最下流の＃１セルでは０．５５Ｖと下流にいくほど電圧が低下する傾向が顕著に見られた。また、図１１（ｃ）に示すように、例えば５時間経過後の各セル電圧は、初期段階に比べ最上流＃２５セルは当初電圧と変化無く０．７５Ｖを示すが、下流に行くに従い顕著に低下しセルスタック中央部の＃１３セルでは０．３５Ｖ、最下流＃１セルでは０．１５Ｖを示した。初期段階で下流セルの電圧が低下する要因は、燃料圧力差・燃料鮮度に起因する（上記▲１▼）。また、時間経過とともに下流セルの電圧が低下する要因は、前記初期段階での低下要因に加え、燃料内に漏れ溢れた水分が燃料濃度を薄め電圧が低下している。この現象は下流側セル程顕著に表れる（上記▲２▼）。また、時間の経過とともに中央部のセル電圧が低下する傾向が見られるが、この要因はセル温度の上昇が要因である（上記▲３▼）。
【０００６】
そこで、本発明の主要な目的の一つは、各セルの電圧を均一で高出力にすると共に、経時的な低下を抑制して、高効率なセルスタック構造の燃料電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かくして、本発明によれば、電解質膜を挟んで負極と正極が対向して配置されてなるセルが複数個積層されたセルスタックを備えた燃料電池において、
前記セルスタックが、その中心部に各セルと略直交する方向に形成された中心孔部と、この中心孔部内に区画形成された燃料流通路とを備え、さらに、この燃料流通路が、長手方向所定ピッチで形成され前記中心孔部を介して燃料を各セルの負極に供給するための複数の燃料供給孔を備えてなる燃料電池が提供される。
【０００８】
このように構成することによって、燃料流通方向の上流側から下流側までの各セルに対して均一に燃料圧力差が無い新鮮な燃料を供給することができる。したがって、各セルの発電が均一かつ高出力となり、その結果、全体としての発電効率が向上し、高出力の燃料電池を得ることができる。
【０００９】
本発明において、具体的に燃料流通路は、（１）１本のパイプ体からなり、複数の燃料供給孔が、パイプ体の周囲壁に形成された径方向に開口する複数の孔部からなる構成、あるいは（２）上流側端部の位置を一致させた長さの異なる複数本のパイプ体を備えてなり、複数の燃料供給孔が、各パイプ体の下流側の端部開口からなる構成を採用することができる。
【００１０】
上記構成（１）の場合、セルスタックの各セルの範囲に渡って延びる燃料流通路は、１本のパイプ体に長手方向所定ピッチで複数の孔部が設けられた構造であるため、燃料流通路を流通する燃料が複数の孔部（燃料供給孔）から各セルに圧力差無く供給され、各セルの発電が均一で高効率な状態に維持され、全体としての発電効率が向上し、高出力の燃料電池を得ることができる。また、燃料流通路の構造上及び製造上の簡略化を図ることができる。
この場合、複数の孔部をパイプ体の周囲壁に円周方向に所定角度間隔で順にシフトして形成するのもよく、それによって燃料が各セルに対して部分的ではなく３６０°の範囲で吹き出すので、セルの負極に燃料が効率よく吸収され、それによってセル１個当りの発電効率が向上して燃料電池全体としてより一層発電効率を向上することができる。
さらに、複数の孔部の孔径を、燃料流通路の上流側から下流側に向かうに伴って大きく設定するのもよく、それによって各セルに供給される燃料の圧力差をより小さくすることができ、より一層発電効率を向上することができる。
【００１１】
上記構成（２）の場合、各パイプ体の上流側端部の位置を一致させた状態で、最も長いパイプ体を中心として、その周囲に他の複数本のパイプ体を配置し、これらがばらけないように保持部材にて保持した構造とすることができる。この保持部材としては、例えば、周囲壁に長手方向の複数本のスリットを有する筒体を用いることができ、この筒体に各パイプ体を上述の状態で挿入し固定する。このように構成すれば、上記構成（１）の場合に比して下流側のセルに圧力損失なく燃料を供給することができる。
またこの場合、長さの異なる複数本のパイプ体において、長いもの程その燃料供給孔の孔径を大きく設定することにより、各セルに供給される燃料の圧力差を小さくすることができ、より発電効率を向上させることができて好ましい。
【００１２】
本発明は、別の観点によれば、電解質膜を挟んで負極と正極が対向して配置されてなるセルが複数個積層されたセルスタックを備えた燃料電池において、
前記セルスタックが、その中心部に形成された燃料流通経路と、前記燃料流通経路内の液体成分を凝縮させる凝縮部とを備えてなる燃料電池が提供される。
【００１３】
このように構成することによって、発電時間の経過とともに燃料中に混入する液体成分、すなわち発電時に生成された水分を凝縮部によって凝縮させるので、水分増加による燃料濃度の低下を抑制することができ、その結果、全体としての発電効率が向上し、高出力の燃料電池を得ることができる。
【００１４】
この場合、凝縮部の構造は、セルスタックの外面の一部を構成する放熱面部と、前記放熱面部の近傍位置における燃料流通経路の一部に設けられ、放熱面部にて熱を奪われて凝縮した燃料中の液体成分（水）を溜める窪み部とを備えてなる具体例を挙げることができる。このようにすれば、セルスタックに凝縮部を簡単な構造で容易に形成することができると共に、凝縮した水を燃料流通路から除去することができる。なお、窪み部に溜まった水を外部に排出できるようにドレンを設けてもよい。
さらに、凝縮部をセルスタックにおける燃料流通方向の略中央部に配置するのもよく、これにより温度上昇し易いセルスタック中央部の熱を放熱面部にて逃がし、セルスタック中央部の温度上昇を効果的に抑制することができ、燃料電池全体としての発電効率をより一層向上することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を示す図面に基づいて本発明を詳説する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。
【００１６】
［第１の実施形態］
図１は本発明の実施の形態１の燃料電池を示し、同図（ａ）は軸心方向から見た平面図、同図（ｂ）は正面半截断面図であり、図２は同実施の形態１の燃料電池における要部の拡大半截断面図であり、図３は図２の２点鎖線枠部の拡大図であり、図４は同実施の形態１の燃料電池における燃料流通路を示し、同図（ａ）は軸心方向から見た平面図、同図（ｂ）は正面断面図であり、図５は同実施の形態１の燃料電池の発電特性を示すグラフであって、同図（ａ）は経過時間とスタック電圧の関係を示すグラフ、同図（ｂ）は１時間経過後の各セル電圧を示すグラフであり、同図（ｃ）は５時間経過後の各セル電圧を示すグラフである。なお、図１、図２及び図４において、実線矢印は燃料ガスの流れを表している。
【００１７】
この実施の形態１の燃料電池は、セパレータ２を介して複数個（この場合２５個）のセル１が積層されてなる筒状のセルスタック３と、セルスタック３の中心孔部３ａに挿設された燃料流通路４を構成する筒状のスタック棒４ａと、スタック棒４ａの一端側と他端側に設けられてセルスタック３を両側から締付けて固定する締付具５、６とを備える。
【００１８】
セル１は、全体として中心孔を有する円盤形であって、電解質膜１０と、電解質膜１０の一面に積層された負極（燃料極）１１と、電解質膜１０の他面に負極１１と対向して積層された正極（空気極）１２と、負極１１の外周部に設けられ、後述する燃料流通路４から供給されて負極の内周部から吸収された燃料ガス（水素）を外部に逃がさないようにする負極ガスケット１３と、正極１２の内周部に設けられ、燃料ガスが正極１２の内周部から吸収されないようにする正極ガスケット１４とを備えてなる。なお、正極１２の外周部は外気（空気）を取り込むことができるように開放されている。このセル１の厚みとしては約１．３ｍｍである。
そして、このセル１を、一対のセパレータ２、２にて挟持することにより、燃料電池セルの一単位、すなわち単セルＳが形成される。このセパレータ２は、セル１と同様の中心孔を有し、導電材料からなる厚み約
０．３ｍｍの円盤であり、燃料電池の発電に際しての熱放散と集電の機能を兼ね備えている。
【００１９】
負極１１は、電解質膜１０側から順に触媒層１１ａ、ガス透過層１１ｂが積層された構造である。
一方、正極１２も、負極１１と同様に、電解質膜１０側から順に触媒層１２ａ、ガス透過層１２ｂが積層された構造である。
【００２０】
次に、単セルＳを構成する各部の材料について説明する。
電解質膜１０は、イオン導電性を有する固体高分子膜であればよく、たとえば含フッ素高分子を骨格とするスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、ホスホン基などの基を有する樹脂を挙げることができる。
電解質膜１０の厚みは、抵抗として大きく影響を及ぼすため、電池性能向上のためにはより薄いものが求められ、膜厚としては５〜５０μｍが好適であり、１０〜３０μｍのものがさらに好適である。
【００２１】
負極１１及び正極１２の触媒層１１ａ、１２ａとしては、触媒粒子とイオン導電性樹脂を含むものであればよい。一般的に、触媒層は触媒粒子を担持した導電剤からなる。触媒粒子としては水素の酸化反応あるいは酸素の還元反応に触媒作用を有するものであればよく、白金その他の貴金属のほか、鉄、クロム、ニッケルなどでもよい。また、それらの合金でもよい。導電剤としては炭素系粒子、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、活性炭などが好適であり、特に微粉末状粒子が好適に用いられる。
具体的には、表面積２０ｍ２／ｇ以上のカーボンブラック粒子に、貴金属粒子、特に白金または白金と他の金属との合金を担持したものを代表的な触媒の例として挙げることができる。
また、触媒層１１ａ、１２ａの中に含まれる触媒量は０．０１〜１．０ｍｇ／ｃｍ２、好ましくは０．１〜０．５ｍｇ／ｃｍ２である。触媒層１１ａ、１２ａの組成、製法は公知のものでよく、特に限定されない。
【００２２】
負極１１及び正極１２のガス透過層１１ｂ、１２ｂとしては、通気性及び電子伝導性を有する材料であればよく、公知のものを使用できる。
【００２３】
負極ガスケット１３及び正極ガスケット１４としては、水素ガスと空気を分離できる材料であればよく、公知の材料、たとえば、天然ゴム、合成ゴムでよく、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）などが好適に使用できる。この場合、負極ガスケット１３の厚さは負極１１用のガス透過層１１ｂの厚さよりも厚くし、正極ガスケット１４の厚さは正極１２用のガス透過層１２ｂの厚さよりも厚くするのが、シール性を確保するためには好ましい。
【００２４】
セパレータ２としては、ガスを透過することなく水素ガスと空気とを分離でき、導電性を有する材料であればよく、公知のものを使用できる。例えば、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタンなどが挙げられる。なお、セルスタック３の両端側のセパレータ２、２には、起電力を取り出すための端子２ａがそれぞれ設けられている。
【００２５】
次に、この燃料電池の燃料供給構造を構成する各部材について説明する。
図１に示すように、一対の締付具５、６はそれぞれ軸心に貫通孔を有する構造であって、その貫通孔は、内端側から順にセルスタック３の中心孔部３ａの内径と略等しい内径の大径部と、スタック棒４ａの外径と略等しい内径の中径部と、スタック棒４ａの内径と略等しい内径の小径部とからなる。そして、締付具５の貫通孔の小径部の開口部が燃料取入れ口５ａとされ、締付具６の貫通孔の小径部の開口部が燃料排出口６ａとされ、燃料排出口６ａには開閉弁６ｂが設けられている。
【００２６】
図１、図２及び図４に示すように、スタック棒４ａは、内径約１．５ｍｍ、外径４ｍｍ、長さ６０ｍｍのステンレス製パイプ体であり、内部の孔が燃料流通路４とされている。このスタック棒４ａは、セルスタック３に挿入され、その両端が、セルスタック３を挟持する一対の締付具５、６の貫通孔の小径部に挿入され固定されることによって、セルスタック３の内周面との間に円筒状空間を持って中心孔部３ａ内に配置される。
【００２７】
このスタック棒４ａには、セルスタック３の内周面に対向する範囲に、中心孔部３ａを介して燃料ガスを各セル１の負極１１に供給するための燃料供給孔４ｂ、すなわちスタック棒４ａの周囲壁に形成された径方向に開口する孔部が、長手方向所定ピッチＰで、かつ円周方向に所定角度間隔θで順にシフトして複数個形成されている。
この場合、燃料供給孔４ｂの上記長手方向（燃料流通方向）のピッチＰは、燃料供給孔４ｂの孔径Ｄにもよるが、各セル１のピッチＰ１×１０以下が好ましく、ピッチＰ１の数倍もしくはピッチＰ１と同じに設定するのがより好ましい。また、燃料供給孔４ｂを上記円周方向に配置する数としては、多い程よく、かつ等角度間隔θが好ましいが、燃料供給孔４ｂの孔径Ｄによって制限されるため、例えば、１２０°の等角度間隔θで３個、９０°の等角度間隔θで４個、６０°の等角度間隔θで６個、３０°の等角度間隔θで１２個等を挙げることができる。実施の形態１の場合、各セル１のピッチＰ１は約１．６ｍｍであり、燃料供給孔４ｂは、長手方向に等ピッチＰ≒ピッチＰ１×３．６（約３．６セルに１箇所）で８箇所、円周方向に９０°の等角度間隔θで４箇所の合計３２個が設けられている。
【００２８】
さらに、スタック棒４ａの各燃料供給孔４ｂの孔径Ｄは、燃料取入れ口５ａから燃料排出口６ａまでの圧力損失を考慮して、燃料流通路４の上流側から下流側に向かうに伴って大きく設定されている。具体的には、最上流セル１近辺の燃料供給孔４ｂはφ０．８ｍｍと細くし、それ以降序々に太くして中央部セル１近辺の燃料供給孔４ｂでφ１．２ｍｍ、最下流セル１近辺の燃料供給孔４ｂはφ１．５ｍｍに設定されている。
【００２９】
次に、この燃料電池の作用について説明する。
燃料電池の燃料取入れ口５ａに燃料ガスである水素が供給されると、水素はスタック棒４ａ内の燃料流通路４を流通し、上流側から下流側までの全ての燃料供給孔４ｂから水素が中心孔部３ａを介して各セル１に供給される。この際、スタック棒４ａに長手方向及び円周方向に複数個の燃料供給孔４ｂを設け、さらに下流側に向かうにつれて徐々に燃料供給孔４ｂの孔径を大きく設定したことによって、上流側から下流側までの各セル１の負極１１に均一で圧力差無く新鮮な水素が供給される。一方、正極１２には、外気（空気）中の酸素が自然対流により供給される。各セル１における発電作用は、負極１１に吸収された水素が、触媒層１１ａの触媒作用によりプロトンと電子に分解され、プロトンは電解質膜１０を通過して正極１２の触媒層１２ａへ移動し、電子は図示しない外部回路を通って正極へ移動することにより発電し、かつ正極にて酸素とプロトンと電子が反応して水を生成する（２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ）。
以下、この実施の形態１の燃料電池にて上述の如く発電した際に得られたデータを、図５に基づいて説明する。
【００３０】
図５は本発明の実施の形態１の燃料電池の発電性能を示すグラフであって、同図（ａ）は経過時間とスタック電圧との関係を表し、同図（ｂ）は１時間経過後の各セル電圧を表し、同図（ｃ）は５時間経過後の各セル電圧を表している。
【００３１】
燃料電池に０．０７ＭＰａで水素を供給し、２００ｍＡの定電流負荷をかけたところ、図５（ａ）に示すように、スタック起電圧は初期段階で１９Ｖを示し、従来型燃料電池（図１１（ａ）参照）の初期段階１７Ｖに比べ大幅に改善できた。その改善効果を調べるため、各セルの電圧を測定したところ、図５（ｂ）に示すように、初期段階、即ち１時間経過後の各セル電圧を確認したところ、最上流から最下流までの全てのセル１が０．７５Ｖを示し、燃料の流れに関係無く均一で高効率な状態に維持されていた。このことは、従来型燃料電池の場合（図１１（ｂ）参照）、最上流セル＃２５が０．７５Ｖ、最下流セル＃１が０．５５Ｖであったことと比較すれば大幅に改善されていることが分かる。つまり、本発明では、初期段階での発電性能が大幅に向上し、高出力の燃料電池が得られる。これは、スタック棒４ａに長手方向及び円周方向に複数個の燃料供給孔４ｂを設け、さらに下流側に向かうにつれて徐々に燃料供給孔４ｂの孔径を大きく設定したことによって、燃料供給構造が改善され、上流側から下流側の各セル１に均一で圧力差無く新鮮な水素が供給されたことによる効果である。
【００３２】
また、本発明の燃料電池において、図５（ａ）に示すように、長時間使用では、例えば３００分経過後には１４Ｖまで低下したが、従来型燃料電池（図１１（ａ）参照）の場合は３００分経過後に１０Ｖまで低下していることと比較すれば、大幅に改善している。
その改善効果を確認するため、各セルの電圧を測定したところ、図５（ｃ）に示すように、最上流セル＃２５は０．７５Ｖ、中央部セル＃１３は０．５２Ｖ、最下流セル＃１は０．４５Ｖであった。このことは、従来型燃料電池の場合（図１１（ｃ）参照）、最上流セル＃２５は０．７５Ｖ、中央部セルは０．３２Ｖ、最下流セル＃１は０．１５Ｖであることと比較すれば、大幅に改善していることが分かる。
【００３３】
しかしながら、長時間使用時の各セルの発電性能には改善の余地が残ることも確認できた。
つまり、発電時は上述したように２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏの反応により正極１２にて水を生成する（図２、図３参照）。生成した水は電解質膜１０に膨潤されプロトン伝導性を良好に維持する。しかし、高出力で長時間発電した場合等、過剰に水が生成された場合、一部は正極１２から外部に放出されるが、一部は電解質膜１０を満たし、余分な水が電解質膜１０から漏れ溢れ、負極１１側の燃料内に漏れ溢れ、燃料内に漏れ溢れた水分は時間と共に増加して燃料濃度を徐々に低下させる。その傾向は燃料の下流側で顕著に表れ、下流側セル１の起電力を低下させる原因になっている。
また、燃料電池はセル１での反応熱及び電気的接触抵抗等で温度上昇する。従って、セル１が複数個積層されたセルスタック３においては、セルスタック３の中央部温度が最も高くなり、その温度上昇により起電力低下を招いている。
以下、これら実施の形態１の課題を改善した実施の形態２を説明する。
【００３４】
［実施の形態２］
図６は本発明の実施の形態２の燃料電池を示す正面半截断面図であり、図７は本発明の実施の形態２の燃料電池の発電性能を示すグラフであって、同図（ａ）は経過時間とスタック電圧との関係を表し、同図（ｂ）は１時間経過後の各セル電圧を表し、同図（ｃ）は５時間経過後の各セル電圧を表している。なお、図６において、実施の形態１と同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３５】
この実施の形態２の燃料電池において、実施の形態１と異なる点は、セルスタック３の燃料流通方向の略中央部に、燃料流通路４内の水分を凝縮させる凝縮部７を設けた構成としたことであり、その他の構成は同様である。
【００３６】
この凝縮部７は、セルスタック３の外面の一部を構成する放熱面部７ａと、放熱面部７ａの近傍位置における燃料流通経路４ａの一部に設けられ、放熱面部７ａにて熱を奪われて凝縮した燃料中の水を溜める窪み部７ｂとを備えてなる。さらに詳しく説明すると、凝縮部７は、熱放散性に優れた金属材料（例えばステンレス鋼等）からなる円筒体を軸心方向に押し潰したような形状のフィンであって、その内周面側と外周面側に相互に隣接する内側凹周溝と外側凹周溝を有している。この凝縮部７において、内側凹周溝及び外側凹周溝は径方向に細長い断面矩形状にそれぞれ形成されており、内側凹周溝（窪み部７ｂ）側の端部は内方へ突出する内フランジ部として構成され、外側凹周溝側の端部は外方へ突出する外フランジ部として構成されている。凝縮部７を構成するフィンは、その内径はセルスタック３の中心孔部３ａの内径と略等しく設定され、その外径はセルスタック３の外径よりも小さく設定されている。
【００３７】
この凝縮部７は、セルスタック３の略中央部における１対のセパレータ２、２に、上記フィンの内フランジ部と外フランジ部を面接触させた状態で連結することによりセルスタック３に取付けられている。この凝縮部７の取付状態において、凝縮部７の外面は、セルスタック３の外面の一部であって外気と接する放熱面部７ａを構成し、一方凝縮部７の内部は、セルスタック３の中心孔部３ａと連通してその一部を構成している。
なお、凝縮部７は、ファンでのセルスタック３の冷却も考えられるが、動力源が必要となり、燃料電池全体が大型化し、かつコストアップとなる等の問題があるため好ましくない。
【００３８】
この実施の形態２の燃料電池によれば、凝縮部７の外面（放熱面部７ａ）は外気との接触面積を確保されているので、発電時において、凝縮部７の内面温度はその上流側及び下流側の内面温度よりも約０．２℃から２℃低い温度となっている。その結果、セルスタック３の中心孔部３ａ内の燃料中に漏れ溢れた水分は凝縮部７内で凝縮し、その凝縮した水分が窪み部７ｂ内に溜まる。従って、セルスタック３の中心孔部３内の燃料濃度の低下が抑制され、各セル１に新鮮で高濃度の燃料ガスが供給され、各セル１の起電力低下を防止して発電がさらに高効率で均一となり、全体としての発電効率をより一層向上することができる。
また、セルスタック３の温度が最も高くなる中央部に凝縮部７を設けることにより、長時間使用しても上流側から下流側の各セル１の温度上昇の均一化を図ることができ、その結果各セル１の発電が均一で高効率となり、全体としての発電効率がさらに向上し、高出力の燃料電池を得ることができる。
また、セルスタック３内に凝縮部７を設けた構造において、その凝縮部７は、熱放散性及び電気導電体で形成し集電のためのセパレータ２の機能を兼ねる冷却セパレーターとして構成されるため、上述のようにファンによる冷却構造によらない小型化燃料電池の実現に大きく寄与することができる。
【００３９】
以下、この実施の形態２の燃料電池を、実施の形態１の場合と同条件にて発電した際に得られたデータを、図７に基づいて説明する。
燃料電池に０．０７ＭＰａで水素を供給し、２００ｍＡの定電流負荷を掛けたところ、図７（ａ）に示すように、スタック起電圧は初期段階から３００分経過後まで１９Ｖで一定であり、実施の形態１よりも改善されていた（図５（ａ）参照）。
この改善効果を調べるため、各セル１の電圧を測定したところ、図７（ｂ）に示すように、初期段階、即ち１時間経過後の各セル電圧は最上流から最下流までの全てのセル１が０．７５Ｖを示し、均一で高効率な状態に維持されていた。
そして、図７（ｃ）に示すように、５時間経過後の各セル電圧を測定した結果、最上流から最下流までの全てのセル１が０．７５Ｖを示し、初期段階から低下しておらず、発電効率が大幅に改善されていた。これは、燃料内に漏れ溢れた水分を凝縮し分離する機能及びセル温度を低下させる機能を有する凝縮部７の効果である。
【００４０】
［実施の形態３］
図８は本発明の実施の形態３の燃料電池における燃料流通路を示す軸心方向から見た要部拡大断面図であり、図９は同実施の形態３における燃料流通路の構成を説明する説明図であって、複数本のパイプ体を展開した状態を表している。図９において、実線矢印は燃料ガスの流れを表している。なお、この実施の形態３は、上記実施の形態１、２とは燃料流通路の構成が異なるのみであり、その他の構成は同様であり同様の構成部分の図面は省略している。
【００４１】
この実施の形態３の燃料電池は、その燃料流通路４０が、長さの異なる８本のパイプ体４１と、各パイプ体４１を保持する保持部材としての筒形スタック棒４２とから構成され、各パイプ体４１の下流側の端部開口が燃料供給孔４１ａとされている。この場合、各パイプ体４１の上流側端部の位置を一致させた状態で、最も長いパイプ体４１を中心として、その周囲に長いもの順あるいはランダムに残り７本のパイプ体４１を配置し、これらをスタック棒４２に挿入して各パイプ体４１の上流側端部をスタック棒４２の上流側端部に固定する。このスタック棒４２は、直径約４ｍｍのステンレスパイプであり、その周囲壁に長手方向の複数本のスリット４２ａを有している。スリット４２ａは、長さの異なる各パイプ体４１の燃料供給孔４１ａから吹き出す燃料ガスを各セルに圧力損失なく供給できるように、大きい開口を確保されている。この場合、スリット４２ａは円周方向に９０°の等角度間隔で４本形成されている。また、８本のパイプ体４１は、最上流の燃料供給孔４１ａから最下流の燃料供給孔４１ａまでの間隔は約４０ｍｍで、その間にほぼ等間隔に６箇所の燃料供給孔４１ａが配置される長さに設定されている。つまり、燃料供給孔４１ａは、約３．６セルに１箇所の割合で配置されている。
さらに、長さの異なる８本のパイプ体４１は、各パイプ体４１内での圧力損失を考慮して、長いもの程その燃料供給孔４１ａの孔径が大きく設定されいる。具体的には、最上流に位置する燃料供給孔４１ａはφ０．８ｍｍと細くし、それ以降徐々に太くして中央部の燃料供給孔４１ａはφ１．２ｍｍ、最下流の燃料供給孔４１ａはφ１．５ｍｍに設定している。これによって各セル１に供給される燃料の圧力差を小さくすることができる。
【００４２】
このように筒形スタック棒４２内に複数本のパイプ体４１を挿入し保持して構成した燃料流通路４０は、上記実施の形態１、２（図１、図６参照）と同様にしてセルスタック３の中心孔部３ａに挿入され、その両端に一対の締付具５、６が取付けられることによってセルスタック３が挟持される。
【００４３】
この実施の形態３によれば、燃料流通路４０に燃料ガスである水素が供給されると、水素は各パイプ体４１内を流通し、各パイプ体４１の燃料供給孔４１ａから吹き出した水素はスタック棒４２の各スリット４２ａを通過して各セル１に供給される。この際、長さの異なるパイプ体４１を燃料流通路４０に用いたことにより、上流側から下流側までの各セルに圧力損失無く水素を供給でき、さらに各燃料供給孔４１ａの孔径を下流側に向かうにつれて徐々に大きく設定したことによって各セルにより均一で圧力差の無い新鮮な水素を供給することができる。すなわち、各セルは均一で高効率な発電が可能となり、全体としての発電効率が向上する。したがって、この実施の形態３の燃料流通路４０を実施の形態１（図１参照）に適用した場合には、図５に示す発電性能とほぼ同じ発電性能が得られ、また実施の形態３の燃料流通路４０を実施の形態２（図６参照）に適用した場合には、図７に示す発電性能とほぼ同じ発電性能が得られる。
【００４４】
［実施の形態４］
実施の形態４の燃料電池（図示省略）は、燃料流通路を従来構造（図１０参照）のままとし、セルスタックの略中央部に上記実施の形態２で説明した凝縮部を設けた構成である。
この実施の形態４によれば、長時間使用しても電圧の低下が少なく、その結果実施の形態２程は改善されないものの従来の燃料電池に比べると顕著に改善することが確認でき、全体としての発電効率が向上し高出力の燃料電池を得ることができる。
【００４５】
具体的には、２５個のセルを積層した従来技術の燃料電池（図１０参照）に本発明の凝縮部を加味して実施の形態４を構成し、０．０７ＭＰａで水素を供給し２００ｍＡの定電流負荷をかけた時の電圧を測定したところ、スタック電圧は初期段階で１８Ｖであった。これは、従来性能（図１１（ａ）参照）の初期段階１７Ｖに比べ大幅に改善している。
その改善効果を調べるため、各セルの電圧を測定したところ、初期段階、即ち１時間経過後の各セル電圧を確認したところ、最上流セルで０．７５Ｖ、最下流セルで０．５８Ｖと燃料の流れに伴い低下するものの、従来性能（図１１（ｂ）参照）では最上流セル＃２５が０．７５Ｖ、最下流セル＃１が０．５５Ｖであるのに比して若干高効率な状態に維持されていることが確認できた。
【００４６】
また、実施の形態４における長時間使用時の性能は、時間経過に殆ど影響を受けず、例えば３００分経過後もほぼ初期の電圧１８Ｖを維持することができ、従来性能（図１１（ａ）参照）では１０Ｖ迄低下していることに比べれば大幅に改善している。
その改善効果を確認するため、各セルの電圧を測定したところ、最上流セル＃２５では０．７５Ｖ、中央部セル＃１３は０．６７Ｖ、最下流セル＃１では０．５８Ｖと初期段階から殆ど低下せず、従来性能（図１１（ｂ）参照）では最上流セル＃２５が０．７５Ｖ、中央部セルが０．３２Ｖ、最下流セル＃１が０．１５Ｖであるのに比して大幅に改善されていることが確認できた。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、セルスタック内の燃料流通路を流通する燃料が、燃料流通路に長手方向所定ピッチで設けられた複数の燃料供給孔から各セルに圧力差無く供給されるので、各セルの発電が均一で高効率な状態に維持され、全体としての発電効率が向上し、高出力の燃料電池を得ることができる。つまり、従来では、初期段階から下流側のセルほど燃料圧力差及び燃料鮮度によって電圧が低下していたが、本発明ではこの問題が解消される。
【００４８】
また、本発明によれば、セルスタックの一部に設けられた凝縮部によって燃料流通路内に溢れ出た水分を凝縮し、かつセルスタックを冷却してセル温度上昇を抑制するので、燃料流通路内における水分増加による燃料濃度の低下を抑制すると共に、セル温度上昇による電圧低下を抑制し、全体としての発電効率が向上し、高出力の燃料電池を得ることができる。つまり、従来では、初期段階での上記電圧低下要因に加え、時間経過とともに燃料内に漏れ溢れた水分が燃料濃度を薄め、下流側セルほど電圧が低下したり、時間の経過とともに中央部のセル温度の上昇によってセル電圧が低下する傾向が見られたが、本発明ではこれらの問題が解消される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池を示し、同図（ａ）は軸心方向から見た平面図、同図（ｂ）は正面半截断面図である。
【図２】同実施の形態１の燃料電池における要部の拡大半截断面図である。
【図３】図２の２点鎖線枠部の拡大図である。
【図４】同実施の形態１の燃料電池における燃料流通路を示し、同図（ａ）は軸心方向から見た平面図、同図（ｂ）は正面断面図である。
【図５】同実施の形態１の燃料電池の発電特性を示すグラフであって、同図（ａ）は経過時間とスタック電圧の関係を示すグラフ、同図（ｂ）は１時間経過後の各セル電圧を示すグラフであり、同図（ｃ）は５時間経過後の各セル電圧を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態２の燃料電池を示す正面半截断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２の燃料電池の発電性能を示すグラフであって、同図（ａ）は経過時間とスタック電圧との関係を表し、同図（ｂ）は１時間経過後の各セル電圧を表し、同図（ｃ）は５時間経過後の各セル電圧を表している。
【図８】本発明の実施の形態３の燃料電池における燃料流通路を示す軸心方向から見た要部拡大断面図である。
【図９】同実施の形態３における燃料流通路の構成を説明する説明図であって、複数本のパイプ体を展開した状態を表している。
【図１０】従来の燃料電池を示す正面断面図である。
【図１１】従来の燃料電池の発電性能を示すグラフであって、同図（ａ）は経過時間とスタック電圧との関係を表し、同図（ｂ）は１時間経過後の各セル電圧を表し、同図（ｃ）は５時間経過後の各セル電圧を表している。
【符号の説明】
１  セル
３  セルスタック
３ａ  中心孔部
４、４０  燃料流通路
４ｂ、４１ａ  燃料供給孔
７  凝縮部
７ａ  放熱面部
７ｂ  窪み部
１０  電解質膜
１１  負極
１２  正極
４１  パイプ体
Ｐ  所定ピッチ
θ  所定角度間隔
【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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【図１０】
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【図１１】
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