(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの発電性能を向上させると共に小型化を図る。【解決手段】燃料ガスや酸化ガスの供給口から遠い末端近傍に通常の単セル２０に比して圧損失の小さな単セル２０ｂを数個積層して燃料電池スタック１２を構成する。末端近傍における単セル２０ｂにも他の単セル２０と同様のあるいはそれ以上のガス供給量とすることができるから、この末端近傍に生じ得る生成水の排水性の低下やこれに伴うガス流路の閉塞などの不都合を抑制することができ、燃料電池スタック１２全体としての性能を向上させることができる。また、末端部にガスをバイパスさせるプレートなどを用いないから燃料電池スタック１２の小型化を図ることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特性の異なる複数種類の単電池を複数積層してなる燃料電池スタックを備える燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池スタックは、同一種類の単電池を連続して複数積層した複数種類の電池ブロックが形成されるよう構成されてなる請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池スタックは、前記複数種類の単電池の一つとして通常の単電池に比して電池内を流れるガス圧の損失が小さい特性を有する小圧損型単電池を用いて積層されてなる請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料電池スタックは、前記小圧損型単電池が端部近傍に配置されるよう積層されてなる請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料電池スタックは、前記小圧損型単電池がガスの供給端から遠い端部近傍に配置されて積層されてなる請求項３記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池スタックは、前記小圧損型単電池がガスの供給不足が生じやすい部位に積層されてなる請求項３ないし５いずれか記載の燃料電池。
【請求項７】
前記小圧損型単電池は、前記通常の単電池に比してガスの流路の断面積が大きくなるよう形成されてなる請求項３ないし６いずれか記載の燃料電池。
【請求項８】
前記小圧損型単電池は、前記通常の単電池に比してガスの流路の長さが短くなるよう形成されてなる請求項３ないし７いずれか記載の燃料電池。
【請求項９】
前記燃料電池スタックは、前記複数種類の単電池の一つとして通常の単電池に比して水分過剰に対して良好な特性を有する対水分良好型単電池を用いて積層されてなる請求項１ないし８いずれか記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記燃料電池スタックは、前記対水分良好型単電池が水分過剰が生じやすい部位に配置されて積層されてなる請求項９記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記単電池は、固体高分子により形成された電解質膜を備える請求項１ないし１０いずれか記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池としては、燃料電池スタックの端部に供給されたガスを供給流路から排出流路にバイパスさせるバイパスプレートを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池では、燃料電池スタックは、一端から供給されたガスが、スタックの積層方向に沿って形成された供給流路を通って各単電池に供給され、同じくスタックの積層方向に沿って形成された排出流路を通ってガスを供給した端部から排出されるよう構成されている。そして、スタックの他端近傍に溜まり得る水を排水してその部位の単電池を良好に機能させるために他端にバイパスプレートを配置している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２３６９７５号公報（図１、図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池では、燃料電池スタックの端部にバイパスプレートを配置する必要から、燃料電池スタックの体格が大きくなり、燃料電池スタックをより小型化することができない。また、バイパスプレートに流れるガスは発電に寄与しないため、発電効率を低下させてしまう。さらに、単電池を積層してなる燃料電池スタックを備える燃料電池では、スタック内のすべての単電池を同一の運転条件で運転することは困難であるため、若干の運転条件の相違を考慮する必要もある。
【０００５】
本発明の燃料電池は、燃料電池スタックの発電性能を向上させることを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池は、燃料電池スタックの小型化を図ることを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の燃料電池は、
特性の異なる複数種類の単電池を複数積層してなる燃料電池スタックを備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の燃料電池では、特性の異なる複数種類の単電池を用いて燃料電池スタックを積層するから、スタックの積層位置の運転条件に応じた特性の単電池を配置して燃料電池スタックを積層することができる。この結果、燃料電池スタックの発電性能を向上させることができる。また、上述した従来例のようなバイパスプレートについては積層しないから、燃料電池スタックの小型化を図ることができると共に発電に寄与しないガス流を抑止することができる。なお、本発明の燃料電池は、固体高分子により形成された電解質膜を備える単電池を積層してなる固体高分子型の燃料電池とすることもできる。
【０００９】
こうした本発明の燃料電池において、前記燃料電池スタックは、同一種類の単電池を連続して複数積層した複数種類の電池ブロックが形成されるよう構成されてなるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池スタックの部分毎に特性の異なる単電池によるブロックとすることができる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池において、前記燃料電池スタックは、前記複数種類の単電池の一つとして通常の単電池に比して電池内を流れるガス圧の損失が小さい特性を有する小圧損型単電池を用いて積層されてなるものとすることもできる。
こうすれば、燃料電池スタックにおいてガス圧の損失が比較的問題となりやすい部位に小圧損型単電池を配置することにより、燃料電池スタックの発電性能を向上させることができる。
【００１１】
この小圧損型単電池を用いる態様の本発明の燃料電池において、前記燃料電池スタックは、前記小圧損型単電池が端部近傍に配置されるよう積層されてなるものとすることもできるし、更に、前記小圧損型単電池がガスの供給端から遠い端部に配置されて積層されてなるものとすることもできる。こうすれば、スタックの端部近傍におけるガスの供給を良好にすることができると共に端部近傍に溜まり得る水の排水性を向上させることができる。この結果、燃料電池スタックの発電性能を向上させることができる。
【００１２】
また、小圧損型単電池を用いる態様の本発明の燃料電池において、前記燃料電池スタックは、前記小圧損型単電池がガスの供給不足が生じやすい部位に積層されてなるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池スタックにおけるガスの供給不足がが比較的生じやすい部位の単電池へのガスの供給性を向上させることができるから、燃料電池スタック全体としての発電性能も向上させることができる。
【００１３】
さらに、小圧損型単電池を用いる態様の本発明の燃料電池において、前記小圧損型単電池は、前記通常の単電池に比してガスの流路の断面積が大きくなるよう形成されてなるものとすることもできるし、前記通常の単電池に比してガスの流路の長さが短くなるよう形成されてなるものとすることもできる。
【００１４】
本発明の燃料電池において、前記燃料電池スタックは、前記複数種類の単電池の一つとして通常の単電池に比して水分過剰に対して良好な特性を有する対水分良好型単電池を用いて積層されてなるものとすることもできる。この場合、燃料電池スタックは、前記対水分良好型単電池が水分過剰が生じやすい部位に配置されて積層されてなるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池スタックにおける水分過剰が比較的生じやすい部位の単電池の発電性能を向上させるから、燃料電池スタック全体としての発電性能も向上させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は実施例の燃料電池１０の構成の概略を示す説明図であり、図２は燃料電池の基本単位である単セル２０，２０ｂの構成を模式的に示す模式図であり、図３は同じく単セル２０，２０ｂの構成の概略を示す分解斜視図（図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ視図）である。実施例の燃料電池１０は、図１に示すように、例えば固体高分子型燃料電池として機能する基本単位である単セル２０を複数積層すると共にその図１中右端近傍に単セル２０に比してセルに流れるガスの圧損失が小さくなるように設計された単セル２０ｂを数個積層して燃料電池スタック１２を構築し、その両端に図示しない集電板や絶縁板を配置すると共に更にその両端にエンドプレート１５，１６を配置して構成されている。実施例の燃料電池１０は、図１にガスの流れとして示した矢印に示すように、図中左側から水素を含有する燃料ガスや酸素を含有する酸化ガスが流入して単セル２０，２０ｂに供給され、単セル２０，２０ｂからの排ガスも図中左側から排出されるようになっている。したがって、圧損失の小さな単セル２０ｂは、ガスの供給口から遠い端部近傍に配置されることになる。
【００１６】
単セル２０，２０ｂは、図２に示すように、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導電性のイオン交換膜（例えば、デュポン社製のナフィオン膜など）に白金または白金と他の金属からなる合金などの触媒電極３２ａ，３３ａが塗布された電解質膜３１と、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されて電解質膜３１の両側に配置されたガス拡散電極としてのアノード３２およびカソード３３と、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成形カーボンなど）により形成され単セル２０，２０ｂの隔壁をなすと共にアノード３２およびカソード３３に水素を含有する燃料ガスや酸素を含有する酸化ガスを供給する燃料ガス通路４９および酸化ガス通路４４を形成するセパレータ３０とによって構成されている。なお、アノード３２と電解質膜３１およびカソード３３と電解質膜３１とは、熱圧着により一体化されて膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下ＭＥＡと略す）３４を形成している。
【００１７】
セパレータ３０，３０ｂには、図３に示すように、一辺に沿って酸化ガス供給口４１および酸化ガス排出口４２を構成する２つの孔部が設けられ、この辺に対向する辺に沿って燃料ガス供給口４６および燃料ガス排出口４７を構成する２つの孔部が設けられている。セパレータ３０の片方の面には、酸化ガス供給口４１から端を発して屈曲しながら酸化ガス排出口４２に至る凹溝４３が設けられ、セパレータ３０のもう片方の面には、燃料ガス供給口４６から端を発して屈曲しながら燃料ガス排出口４７に至る凹溝４８が設けられている。前者の凹溝４３は、セパレータ３０とＭＥＡ３４のカソード３３とが密着されることにより酸化ガス通路４４を形成し、後者の凹溝４８はセパレータ３０とＭＥＡ３４のアノード３２とが密着されることにより燃料ガス通路４９を形成する。酸化ガス通路４４および燃料ガス通路４９を形成する凹溝４３および凹溝４８には、矩形形状の複数のリブ３５，３６が全面に分散配置するよう形成されており、リブ３５，３６の頂部でアノード３２およびカソード３３に面圧を加えることができるようになっている。なお、セパレータ３０，３０ｂ間には図２に示すようにシール部材３９が配置されており、このシール部材３９は、電解質膜３１を挟み込み燃料ガスや酸化ガスのリークを防止したり、セパレータ３０，３０間において両ガスの混合を防止したりする役割を果たす。
【００１８】
圧損失の小さな単セル２０ｂのセパレータ３０ｂは、通常の単セル２０のセパレータ３０に比して凹溝４３および凹溝４８に形成されるリブ３５，３６が若干小さく形成されている。即ちリブ３５，３６の断面積が小さく形成されており、リブ３５，３６間のピッチが大きくなるよう形成されている。このようにリブ３５，３６を形成することにより、実施例の単セル２０ｂでは、酸化ガス通路４４および燃料ガス通路４９における実質的なガスの流路空間を大きくして単セル２０に比して圧損失が小さくなるようにしている。
【００１９】
図１中左端に配置されたセパレータ３０ａは、通常の単セル２０を構成するセパレータ３０の片面だけが形成されて構成されており、図１中右端に配置されたセパレータ３０ｃは、圧損失の小さな単セル２０ｂを構成するセパレータ３０ｂの片面だけが形成されている。したがって、左端のセパレータ３０ａとセパレータ３０とにより通常の単セル２０を構成し、右端のセパレータ３０ｃとセパレータ３０ｂとにより圧損失が小さな単セル２０ｂを構成する。
【００２０】
次に、こうして構成された実施例の燃料電池１０の発電している際の様子、特に燃料ガスや酸化ガスが各単セル２０，２０ｂに供給される様子について説明する。図４は、実施例の燃料電池１０と比較例の燃料電池に燃料ガスや酸化ガスを供給したときの単セルの位置と各単セルに供給されるガス供給量との関係を例示する説明図である。ここで、比較例の燃料電池としては、圧損失の小さな単セル２０ｂを用いずに通常の単セル２０だけを積層して燃料電池スタックを構成したものである。実施例の燃料電池１０では、図示するように、燃料ガスや酸化ガスの供給口から遠い末端近傍に位置する単セル２０ｂへのガス供給量は、通常の単セル２０を積層した比較例の燃料電池に比して多い。一般に燃料電池スタックの端部は、外気の影響もあって運転温度も低くなりがちであるから、燃料ガスや酸化ガスの供給量が少なくなると、発電に伴って生成される水の排出を効率よく行なうことができなくなり、水が溜まりやすくなる。水が溜まると、ガス流路を閉塞するなどして燃料ガスや酸化ガスの供給不足を発生させ電圧を低下させる。実施例の燃料電池１０では、燃料ガスや酸化ガスの供給口から遠い燃料電池スタック１２の末端近傍に位置する単セル２０ｂにも十分なガスを供給することができるから、こうしたガス供給不足による電圧低下などが生じ難くなる。
【００２１】
以上説明した実施例の燃料電池１０によれば、燃料ガスや酸化ガスの供給口から遠い末端近傍に通常の単セル２０に比して圧損失の小さな単セル２０ｂを積層して燃料電池スタック１２を構成したから、末端近傍における単セル２０ｂにも他の単セル２０と同様のあるいはそれ以上のガス供給量とすることができる。この結果、この末端近傍に生じ得る生成水の排水性の低下やこれに伴うガス流路の閉塞などの不都合を抑制することができ、燃料電池スタック１２全体としての性能を向上させることができる。また、実施例の燃料電池１０によれば、従来技術の欄で説明した従来例の燃料電池のように燃料電池スタックの端部に配置されて燃料ガスや酸化ガスをバイパスするバイパスプレートについては積層しないから、こうしたバイパスプレートを用いるものに比して燃料電池スタック１２の小型化を図ることができる。
【００２２】
実施例の燃料電池１０では、燃料ガスや酸化ガスの供給口から遠い末端近傍に通常の単セル２０に比して圧損失の小さな単セル２０ｂを積層して燃料電池スタック１２を構成したが、燃料ガスや酸化ガスの供給口が形成された端部近傍にも圧損失の小さな単セル２０ｂを積層して燃料電池スタックを構成するものとしてもよい。こうすれば、燃料ガスや酸化ガスの供給口近傍が外気の影響により運転温度が若干低くなっても十分なガスの供給量を得ることにより、温度低下の影響を抑制することができる。例えば、図５に例示する燃料電池スタックを２個備える変形例の燃料電池１１０のように、一方のスタックには燃料ガスや酸化ガスの供給口から遠い末端近傍に圧損失の小さな単セル２０ｂを積層し、他方のスタックには燃料ガスや酸化ガスの供給口が形成された端部近傍にも圧損失の小さな単セル２０ｂを積層するものとしてもよい。なお、燃料電池が備える燃料電池スタックの個数は幾つであっても構わない。
【００２３】
また、実施例の燃料電池１０では、燃料ガスや酸化ガスの供給口から遠い末端近傍に通常の単セル２０に比して圧損失の小さな単セル２０ｂを積層して燃料電池スタック１２を構成したが、端部近傍に限られず、燃料ガスや酸化ガスの供給不足が生じやすい部位に圧損失の小さな単セル２０ｂを積層するものとしてもよい。こうすれば、ガスの供給不足が生じやすい部位における単セルへのガスの供給性を向上させることができ、燃料電池スタック全体としての発電性能を向上させることができる。なお、燃料電池スタックにおけるガスの供給不足が生じやすい部位は、酸化ガス供給口４１や酸化ガス排出口４２，燃料ガス供給口４６、燃料ガス排出口４７などの形状やエンドプレート１５への燃料ガスや酸化ガスの供給手法などにより異なる部位となるが、燃料電池スタック毎に実験などにより求めることができる。
【００２４】
実施例の燃料電池１０では、圧損失の小さな単セル２０ｂを、通常の単セル２０のセパレータ３０に比して凹溝４３および凹溝４８のリブ３５，３６が若干小さく形成されたセパレータ３０ｂを用いて構成するものとしたが、単セル２０に比して圧損失が小さくなればよいから、例えば、リブ３５，３６については同一形状であるが凹溝４３や凹溝４８を若干深く形成したセパレータを用いて単セル２０ｂを構成するものとしたり、酸化ガス供給口４１から酸化ガス排出口４２への凹溝４３や燃料ガス供給口４６から燃料ガス排出口４７への凹溝４８をセパレータ３０に比してその長さが短くなるよう形成したセパレータを用いて単セル２０ｂを構成するものとしてもよい。
【００２５】
実施例の燃料電池１０では、通常の単セル２０と単セル２０に比して圧損失の小さな単セル２０ｂを積層して燃料電池スタック１２を構成するものとしたが、単セル２０に比して排水性の高い特性を有する単セル２０ｃを積層端部や水溜性が高い部位に積層して燃料電池スタックを構成するものとしてもよい。こうすれば、燃料電池スタックの局部的に生じ得る過剰水（フラッディング）の影響を抑制することができるから燃料電池スタック全体の性能を向上させることができる。ここで、排水性の高い特性を有する単セル２０ｃとしては、例えばセパレータ３０の凹溝４３や凹溝４８の表面を撥水処理や親水処理を施すものなどを挙げることができる。なお、燃料電池スタックにおける水溜性が高い部位は、燃料電池スタック毎に実験などにより求めておくことができる。このように、特性の異なる複数種類の単セルを準備し、燃料電池スタックの各部位に応じた特性の単セルを用いて燃料電池スタックを構成することにより、燃料電池スタック全体の性能を向上させることができる。
【００２６】
実施例の燃料電池１０では、特性の異なる単セルを用いて燃料電池スタックを積層する本発明を固体高分子型の燃料電池に適用したが、燃料電池としては固体高分子型に限られず、如何なる燃料電池に適用するものとしてもよい。
【００２７】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の燃料電池１０の構成の概略を示す説明図である。
【図２】単セル２０，２０ｂの構成を模式的に示す模式図である。
【図３】単セル２０，２０ｂの構成の概略を示す分解斜視図である。
【図４】実施例の燃料電池１０と比較例の燃料電池に燃料ガスや酸化ガスを供給したときの単セルの位置と各単セルに供給されるガス供給量との関係を例示する説明図である。
【図５】２個の燃料電池スタックを備える変形例の燃料電池１１０の構成の概略を示す説明図である。
【符号の説明】
１０  燃料電池、１２  燃料電池スタック、１５，１６  エンドプレート、２０，２０ｂ，２０ｃ  単セル、３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ  セパレータ、３１  電解質膜、３２  アノード、３２ａ，３３ａ  触媒電極、３３  カソード、３４  膜電極接合体（ＭＥＡ）、３５，３６  リブ、４１  酸化ガス供給口、４２  酸化ガス排出口、４３  凹溝、４４  酸化ガス通路、４６  燃料ガス供給口、４７  燃料ガス排出口、４８  凹溝、４９  燃料ガス通路。
【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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