JP2008010302A

JP2008010302A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2008010302A
Application number: JP2006179466A
Authority: JP
Inventors: Naoya Ogawa; 直也小川
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2008-01-17

Abstract

【課題】各単位セルの燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するための流路が水滴によって塞がれるおそれがなく、各単位セルの起電力が均一であり、安定した起電力特性の燃料電池を提供する。
【解決手段】複数の単位セル２を備えた燃料電池１であって、単位セル２は、電解質膜５をアノード６とカソード７とで挟み込んで構成される膜電極アセンブリと、この膜電極アセンブリのアノード６側に配設されてアノード６に燃料ガスを供給する燃料ガス流路１１と、この膜電極アセンブリのカソード７側に配設されてカソード７に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを備え、少なくとも二以上の単位セル２の燃料ガス流路１１又は酸化剤ガス流路が直列に繋がれた構成を有することを特徴とする燃料電池。
【選択図】図２ａ

Description

この発明は、複数の単位セルを備えた燃料電池に関する。

従来、複数の単位セルを備えた燃料電池においては、通常高分子電解質膜などの電解質膜をアノードとカソードとで挟み込んで膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）とし、この膜電極アセンブリの両側にこれに燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するための流路となる溝が形成された導電性のセパレータをそれぞれ配置することで、１個の単位セルが構成されており、その単位セルが複数個積層されて、燃料電池が構成されている（例えば、特許文献１、２）。

図６は、従来の燃料電池の、セパレータの積層構造を示す斜視図であり（電解質膜、アノード、カソード等は省略されており、酸化剤ガス流路等は見えていない。）、図７は、この燃料電池１の要部分解斜視図である。図７に示した燃料電池１は、ｎ＋１個のセパレータ４（Ｓ_１、Ｓ_２、・・・、Ｓ_ｋ−１、Ｓ_ｋ、・・・、Ｓ_ｎ、Ｓ_ｎ＋１（ｎ及びｋは、２≦ｋ≦ｎの関係を満たす整数である。））によって、ｎ個の単位セル２が積層されて構成されており、単位セル２は、電解質膜５をアノード６とカソード７とで挟み込んで構成される膜電極アセンブリと、この膜電極アセンブリのアノード６側に配設されてアノード６に燃料ガスを供給する燃料ガス流路１１と、この膜電極アセンブリのカソード７側に配設されてカソード７に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを備えている。

図７に示すように、各セパレータ４には、第１貫通孔１５、第２貫通孔１６、第３貫通孔１７、第４貫通孔１８が形成されている。燃料電池１は、各セパレータ４の各第１貫通孔１５が連通し、各セパレータ４の各第２貫通孔１６が連通し、各セパレータ４の各第３貫通孔１７が連通し、各セパレータ４の各第４貫通孔１８が連通するように、複数の単位セル２がこれらのセパレータ４により挟持され積層されて構成されている。

そして、この燃料電池において、これらのセパレータ４のアノード側の面４ａには、蛇行する溝によって第１貫通孔１５から第２貫通孔１６に連通する燃料ガス流路１１が形成されており、第１貫通孔１５から燃料ガスが燃料ガス流路１１を第２貫通孔１６に向かって流れ、この流れの途中において、燃料ガスが膜電極アセンブリ側に浸透してゆき、反応に供されるようになっている。また、図７では見えていないが、セパレータ４のカソード側の面４ｂには、蛇行する溝によって第３貫通孔１７から第４貫通孔１８に連通する酸化剤ガス流路１３が形成されており、第３貫通孔１７から酸化剤ガスが酸化剤ガス流路１３を第４貫通孔１８に向かって流れ、この流れの途中において、酸化剤ガスが膜電極アセンブリ側に浸透してゆき、反応に供されるようになっている。

このように、従来の積層型の燃料電池において、アノード６に燃料ガスを供給するための各単位セル中の燃料ガス流路１１は、それぞれが並列に繋がれた構成になっており、カソード７に酸化剤ガスを供給するための各単位セル中の酸化剤ガス流路１３も、それぞれが並列に繋がれた構成になっている。
特開２００３−３１７７４５号公報特開２００５−４４７７４号公報

ところで、例えば、燃料ガスとして水素ガスを用いる直接型の燃料電池の電極反応は、燃料が酸化されるアノード反応と、水素イオン及び酸素の還元によるカソード反応に大別され、それらの反応式は、次の通りである。
（アノード反応）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（カソード反応）（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→ Ｈ_２Ｏ
（総括反応）Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２→ Ｈ_２Ｏ

また、燃料ガスとしてメタノールガスを用いる直接型の燃料電池の電極反応の反応式は、次の通りである。
（アノード反応）ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻
（カソード反応）（２／３）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→ ３Ｈ_２Ｏ
（総括反応）ＣＨ_３ＯＨ（ガス）＋（２／３）Ｏ_２ → ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ

更に、燃料ガスとしてジメチルエーテルガスを用いる直接型の燃料電池の電極反応の反応式は、次の通りである。
（アノード反応）ＣＨ_３ＯＣＨ_３＋３Ｈ_２Ｏ→２ＣＯ_２＋１２Ｈ^＋＋１２ｅ⁻
（カソード反応）３Ｏ_２＋１２Ｈ^＋＋１２ｅ⁻→ ６Ｈ_２Ｏ
（総括反応）ＣＨ_３ＯＣＨ_３（ガス）＋３Ｏ_２ → ２ＣＯ_２＋３Ｈ_２Ｏ

しかしながら、上記従来の燃料電池の場合には、次のような問題点を有していた。
上記の反応式からも理解されるように、燃料電池においては、カソード反応でいずれも水が生成する。また、良好な燃料電池性能を維持するために電解質膜やカソードを保湿する必要があり、通常、酸化剤ガスは湿度１００％近くまで加湿されて、水蒸気との混合ガスとして供給される。更に、酸化剤ガスと電極とが効率的かつ均一に接触するように、その溝の幅は相当狭く、その深さは相当浅く設計されており、その結果、水蒸気が結露して流路を塞ぎやすい構造になっている。従来の構造の燃料電池では、カソードに酸化剤ガスを供給するための各単位セル中の酸化剤ガスの流路はそれぞれが並列に繋がれた構成になっており、圧力損失が小さいので、結露した水を押し出すことが難しい。その結露した水によって流路が塞がれた単位セルでは、酸化剤ガスの供給が滞ってその起電力が低下し、各単位セルの起電力に大きなばらつきが生じていた。

また、メタノールやジメチルエーテルを燃料ガスとする燃料電池では、上記の反応式からも理解されるように、燃料ガスと共に水を供給する必要がある。また、良好な燃料電池性能を維持するために電解質膜やカソードを保湿する必要があり、通常、燃料ガスは湿度１００％近くまで加湿されて、水蒸気との混合ガスとして供給される。更に、燃料ガス及び水蒸気と電極とが効率的かつ均一に接触するように、その溝の幅は相当狭く、その深さは相当浅く設計されており、その結果、水蒸気が凝集して流路を塞ぎやすい構造になっている。従来の構造の燃料電池では、アノードに燃料ガスを供給するための各単位セル中の燃料ガスの流路はそれぞれが並列に繋がれた構成になっており、圧力損失が小さいので、結露した水を押し出すことが難しい。したがって、その結露した水によって流路が塞がれた単位セルでは、燃料ガス及び水の供給が滞ってその起電力が低下し、各単位セルの起電力に大きなばらつきが生じていた。逆に、結露した水を押し出そうとすると、燃料ガス流れすぎてしまって、燃料の利用効率が低下してしまう。

そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、各単位セルの燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するための流路が水滴によって塞がれるおそれがなく、各単位セルの起電力が均一であり、安定した起電力特性の燃料電池を提供することにある。

本発明者等は、鋭意検討の結果、この問題を防ぐためには、複数の単位セルの燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するための流路を、直列に繋がれた構成とすることにより、その燃料電池は、各単位セルの起電力が均一であり、安定した起電力特性が得られることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、複数の単位セルを備えた燃料電池であって、
前記単位セルは、電解質膜をアノードとカソードとで挟み込んで構成される膜電極アセンブリと、この膜電極アセンブリのアノード側に配設されて該アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、この膜電極アセンブリのカソード側に配設されて該カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを備え、
少なくとも二以上の前記単位セルの燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路が直列に繋がれた構成を有することを特徴とする燃料電池である。

請求項２に記載の燃料電池は、各単位セルは第一の燃料ガス流路と第二の燃料ガス流路とを備え、少なくとも二以上の前記単位セルの第一の燃料ガス流路が直列に繋がれて第一の燃料ガス経路が形成され、かつ、その第一の燃料ガス経路の向きとは逆の向きに、当該二以上の単位セルの第二の燃料ガス流路が直列に繋がれて第二の燃料ガス経路が形成されていることを特徴とする。
本明細書において、「燃料ガス流路」とは、アノードに燃料ガスを供給するための単位セル中の燃料ガスの流路を云い、「燃料ガス経路」とは、少なくとも二以上の単位セルの燃料ガス流路が直列に繋がれて形成される燃料ガスの経路を云う。
また、「燃料ガス経路の向き」とは、燃料ガス経路に沿って燃料ガスが供給されるときの各単位セルの順番の向きを云い、「第一の燃料ガス経路の向きとは逆の向きに、当該二以上の単位セルの第二の燃料ガス流路が直列に繋がれて第二の燃料ガス経路が形成されている」とは、第一の燃料ガス経路の向きと第二の燃料ガス経路の向きとが、互いに逆の向きであって、第一の燃料ガス経路及び第二の燃料ガス経路によって、当該二以上の単位セルに対して、互いに逆の順番に、両方の側から燃料ガスが供給されるように構成されていることを意味する。

請求項３に記載の燃料電池は、前記燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路が、少なくとも二以上の前記単位セルの間を折り返して直列に繋がれていることを特徴とする。
請求項４に記載の燃料電池は、直列に繋がれた前記燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路は、その流路長が上流側の単位セルでより短く、下流側の単位セルでより長いことを特徴とする。
請求項５に記載の燃料電池は、少なくとも二以上の前記単位セルの燃料ガス流路が直列に繋がれて燃料ガス経路が形成され、かつ、その燃料ガス経路の向きとは逆の向きに、当該二以上の単位セルの酸化剤ガス流路が直列に繋がれていることを特徴とする。
本明細書において、「酸化剤ガス流路」とは、カソードに酸化剤ガスを供給するための単位セル中の酸化剤ガスの流路を云い、「酸化剤ガス経路」とは、少なくとも二以上の単位セルの酸化剤ガス流路が直列に繋がれて形成される酸化剤ガスの経路を云う。
また、「酸化剤ガス経路の向き」とは、酸化剤ガス経路に沿って酸化剤ガスが供給されるときの各単位セルの順番の向きを云い、「燃料ガス経路の向きとは逆の向きに、当該二以上の単位セルの酸化剤ガス流路が直列に繋がれている」とは、燃料ガス経路の向きと酸化剤ガス経路の向きとが、互いに逆の向きとなるよう、燃料ガス経路及び酸化剤ガス経路が構成されて、燃料ガス経路及び酸化剤ガス経路によって、当該二以上の単位セルに対して、互いに逆の順番に、両方の側から燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されるように構成されていることを意味する。

請求項６に記載の燃料電池は、直列に繋がれた前記燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路は、その流路の断面積が上流側の単位セルでより小さく、下流側の単位セルでより大きいことを特徴とする。

本発明によれば、少なくとも二以上の単位セルの燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路が直列に繋がれた構成を有するので、各単位セルの燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するための流路が水滴によって塞がれるおそれがなく、各単位セルの起電力が均一であり、安定した起電力特性の燃料電池を提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本発明の技術範囲は下記の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

（実施例１）
図１は、本実施例１の燃料電池１の、セパレータの積層構造を示す斜視図である（電解質膜、アノード、カソード等は省略されている。）。図２ａは、本実施例１の燃料電池１の要部分解斜視図であり、図２ｂは、同じ実施例１の燃料電池の反対側を示す要部分解斜視図である。

燃料電池１は、ｎ＋１個のセパレータ４（Ｓ_１、Ｓ_２、・・・、Ｓ_ｋ−１、Ｓ_ｋ、・・・、Ｓ_ｎ、Ｓ_ｎ＋１（ｎ及びｋは、２≦ｋ≦ｎの関係を満たす整数である。））によって、ｎ個の単位セル２が積層されて構成されている。単位セル２は、電解質膜５をアノード６とカソード７とで挟み込んで構成される膜電極アセンブリと、この膜電極アセンブリのアノード６側に配設されてアノード６に燃料ガスを供給する燃料ガス流路１１と、この膜電極アセンブリのカソード７側に配設されてカソード７に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路１３とを備えている。
本実施例１の燃料電池１では、具体的には、単位セルの数は２０個（ｎ＝２０）であり、セパレータの数は２１個である。実施例１の燃料電池で、運転開始１時間後の各単位セルの起電力を測定した（DME、OCV評価試験）。その結果を図８に示す。このとき、燃料供給量は200ml/minであり、入口燃料ガス圧力は100ｋＰａであった。また、運転開始100時間後も、起電力の低下は観測されなかった。実施例１の燃料電池では、各単位セルの起電力が均一であり、燃料電池全体としての起電力は大きく、かつ、安定していた。
少なくとも二以上の前記単位セル２の燃料ガス流路１１又は酸化剤ガス流路が直列に繋がれた構成を有するので、各単位セルの燃料ガス流路が水滴によって塞がれるおそれがなく、各単位セルの起電力が均一であり、安定した起電力特性を得ることができる。

また、本実施例１の燃料電池１では、少なくとも二以上の前記単位セルの燃料ガス流路が直列に繋がれて燃料ガス経路が形成され、かつ、その燃料ガス経路の向きとは逆の向きに、少なくとも二以上の前記単位セルの酸化剤ガス流路が直列に繋がれている。
少なくとも二以上の単位セルの燃料ガス流路が直列に繋がれた構成を有することによって、上流側の燃料ガス流路を流れる混合ガスの燃料ガス濃度は濃く、下流側の燃料ガス流路を流れる混合ガスの燃料ガス濃度は薄くなる傾向になる。
ところが、その燃料ガス経路の向きとは逆の向きに、少なくとも二以上の前記単位セルの酸化剤ガス流路が直列に繋がれているので、上流側の燃料ガス流路を備える単位セルは下流側の酸化剤ガス流路を備え、下流側の燃料ガス流路を備える単位セルは上流側の酸化剤ガス流路を備える。下流側の酸化剤ガス流路を流れる混合ガスの酸化剤ガス濃度は薄く、上流側の酸化剤ガス流路を流れる混合ガスの酸化剤ガス濃度は濃くなる傾向になる。
したがって、燃料電池全体として、上流側の酸化剤ガス流路と下流側の酸化剤ガス流路とで燃料ガス濃度にばらつきが生じるにもかかわらず、各単位セルの起電力をより均一にすることができる。

この燃料電池１は、ジメチルエーテルを燃料ガスとしている。ジメチルエーテルは液化し易く、輸送や貯蔵の取り扱いも容易であり、かつ、比較的安全である。燃料ガスとしてメタノールを使用した場合、電解質膜を透過するクロスオーバー現象により燃料の利用効率が低下してしまうのに対して、本実施例１の燃料電池においては、燃料ガスとしてジメチルエーテルを使用することにより、簡易な燃料ガス供給装置を選択することでき、燃料ガスの取り扱いを容易にし、燃料ガスの利用効率を向上させることができる。

また、燃料電池１は、充分な発電出力を得るために、ｎ個の（ｎは２以上の整数であり、本実施例１の燃料電池においては、ｎ＝２０）単位セル２がｎ＋１個のセパレータ４により挟持されて構成されており、各セパレータ４には、アノード側の面４ａに燃料ガス流路１１が形成され、カソード側の面４ｂに酸化剤ガス流路１３が形成されている。燃料電池１において、少なくとも二以上の単位セルの燃料ガス流路が直列に繋がれて形成される燃料ガス経路の圧力損失は、水蒸気が結露した場合に、その結露水を押し出す程度の適度な大きさであることが好ましい。圧力調整のし易さの点から、３〜２０個の前記単位セルの燃料ガス流路が直列に繋がれた構成を有することが好ましい。同じく、燃料電池１において、少なくとも二以上の単位セルの酸化剤ガス流路が直列に繋がれて形成される酸化剤ガス経路の圧力損失は、水蒸気が結露した場合に、その結露水を押し出す程度の適度な大きさであることが好ましい。３〜２０個の前記単位セルの酸化剤ガス流路が直列に繋がれた構成を有することが好ましい。

膜電極アセンブリは、イオン導電性を有する電解質膜５をアノード６とカソード７とで挟み込んで構成されている。電解質膜５としては、例えば、パーフルオロスルホン酸、スルホン化ポリイミド、スルホン化芳香族ポリエーテルケトン、スルホン化ポリアリーレン、酸性基含有ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリフェニール、リン酸ドープ高分子材などが用いられる。

アノード６は、電気化学的反応を起こさせるための触媒層（不図示）と、多孔質カーボンペーパーなどから構成される拡散層（不図示）とを備え、触媒層は燃料ガス流路に接し、拡散層は電解質膜５に接するように構成されている。また、カソード７は、電気化学的反応を起こさせるための触媒層（不図示）と、多孔質カーボンペーパーなどから構成される拡散層（不図示）とを備え、触媒層は酸化剤ガス流路に接し、拡散層は電解質膜５に接するように構成されている。

ここで、触媒層は、あらかじめテフロン（登録商標）で撥水処理したカーボンペーパーやカーボンクロスなどからなる電極基質の片方の面に、テフロン（登録商標）により電極触媒が付着されて構成されるものである。この触媒層の厚さは、５〜２０μｍの範囲にあることが好ましい。拡散層は、その内部に浸透する燃料ガスを拡散させて触媒層全体に燃料ガス又は酸化剤ガスを行き渡らせるようにするためのものである。

セパレータ４は、カーボン（黒鉛）、チタン、ステンレスなどの金属製の板体である。本実施例１では、緻密なカーボン板を加工した導電性を有する基板からなっており、供給された燃料ガスや反応後の気体が外部に流出するのを防止するようになっている。また、セパレータ４のアノード側の面４ａには、溝が蛇行して設けられて、アノード６に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路１１が形成されており、不図示の燃料ガスボンベにより送られた燃料ガスが、加湿されて水蒸気との混合ガスとして燃料ガス流路１１を通ってアノード６の拡散層に供給されるようになっている。

さらに、各セパレータ４のカソード側の面４ｂには、溝が蛇行して設けられて、カソード７に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路１３が形成されており、不図示の酸化剤ボンベにより送られた酸化剤ガスが、加湿されて水蒸気との混合ガスとして酸化剤ガス流路１３を通ってカソード７の拡散層に供給されるようになっている。
なお、図２ａ及び図２ｂに示されたとおり、各セパレータ４（Ｓ_２、・・・、Ｓ_ｋ−１、Ｓ_ｋ、・・・、Ｓ_ｎ、）において、アノード側の面４ａに形成された燃料ガス流路１１となる溝と、その反対側のカソード側の面４ｂに形成された、酸化剤ガス流路１３となる溝は、互いに鏡面対称に形成されている。
また、一方の端に設けられるセパレータＳ_１には、カソード側の面４ｂにのみ、酸化剤ガス流路１３となる溝が形成され、他方の端に設けられるセパレータＳ_ｎ＋１では、アノード側の面４ａにのみ、燃料ガス流路１１となる溝が形成されている。

図２ａに示されるように、各セパレータ４（Ｓ_ｋ−１）の燃料ガス流路１１の、入口側又は出口側のいずれか一方（本実施例１では、出口側）には、隣のセパレータ４（Ｓ_ｋ）の出口側又は入口側のいずれか一方（本実施例１では、入口側）に連通する貫通孔１６が設けられており、これによって、各単位セルの燃料ガス流路が直列に繋がれた構成となっている。ここで、ｋは、２以上の整数である。

さらに、図２ｂに示されるように、各セパレータ４（Ｓ_ｋ）の酸化剤ガス流路１３の、入口側又は出口側のいずれか一方（本実施例１では、出口側）には、隣のセパレータ４（Ｓ_ｋ−１）の出口側又は入口側のいずれか一方（本実施例１では、入口側）に連通する貫通孔１８が設けられており、これによって、各単位セルの酸化剤ガス流路が直列に繋がれた構成となっている。

アノード６の拡散層に、燃料ガスおよび水が供給されると、その拡散層の内部に燃料ガス水とが浸透していく。これら浸透した燃料ガスおよび水は、アノード６の拡散層によって拡散されて、アノード６の触媒層に供給される。この触媒層において、ジメチルエーテルが水と反応することにより、二酸化炭素とイオン化された水素（水素イオン）と電子とが生じる（ＣＨ_３ＯＣＨ_３＋３Ｈ_２Ｏ→２ＣＯ_２＋１２Ｈ^＋＋１２ｅ⁻）。なお、余った水は電解質膜５に浸透し、これによりアノード６の拡散層、アノード６の触媒層および電解質膜５が保湿される。

アノード６の触媒層において生じた電子は、外部回路を通ってカソード７の触媒層に電流として流れる。また、アノード６の触媒層において生じた水素イオンは、電解質膜５を通ってカソード７の触媒層に移動する。なお、直列に繋がれているので、水蒸気が結露しても、速やかに、燃料ガス経路を通って二酸化炭素とともに排出される。カソード７の触媒層には、酸化剤ガス流路１３およびカソード７の拡散層を介して、酸化剤ガスが供給されており、この酸化剤ガス中の酸素と水素イオンと電子とが反応して水が生成される（３Ｏ_２＋１２Ｈ^＋＋１２ｅ⁻→ ６Ｈ_２Ｏ）。そして、外部回路に流れた電子により生じた電流が直流電流として利用される。

ここで、燃料ガス流路１１は、蛇行して形成されているため、燃料ガス及び水をアノード６の拡散層の表面に沿って蛇行させることができ、そのためアノード６の拡散層の全体に行き渡らせるように効率よくそれら燃料ガスと水を供給することができる。また、酸化剤ガス流路もまた、蛇行して形成されているため、酸化剤ガス及び水をカソード７の拡散層の表面に沿って蛇行させることができ、そのためカソード７の拡散層の全体に行き渡らせるように効率よくそれら酸化剤ガスと水を供給することができる。

（比較例）
図６、図７に示す構造の燃料電池であって、燃料ガスとしてジメチルエーテル（ＤＭＥ）を用い、実施例１の燃料電池と、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の断面形状が矩形で等しく、幅と深さも等しく、それぞれの流路の長さが等しく、同じ数の単位セルを積層した従来例の燃料電池を準備した。
本比較例の燃料電池で、運転開始１時間後の各単位セルの起電力を測定した（DME、OCV評価試験）。その結果を図９に示す。このとき、燃料供給量は200ml/minであり、入口燃料ガス圧力は50ｋＰａであった。

本比較例の燃料電池では、各単位セルの起電力にばらつきが大きく、凝縮して生成した水滴によって流路が塞がれたと思われる単位セルの起電力が低下していた。その単位セルが大きな電気抵抗となって、燃料電池全体としての起電力が損なわれ、また、不安定な起電力の原因になっていると考えられる。

（実施例２）
図３は、本実施例２の燃料電池の、燃料ガス流路１１、１２が形成されたセパレータの積層構造を示したものである（電解質膜、アノード、カソード等は省略されており、酸化剤ガス流路等は見えていない。）。
本実施例２の燃料電池と上記実施例１の燃料電池とは基本的構成は同一であるが、本実施例２における燃料電池は、各単位セルは第一の燃料ガス流路１１と第二の燃料ガス流路１２を備え、少なくとも二以上の前記単位セルの第一の燃料ガス流路１１が直列に繋がれて第一の燃料ガス経路が形成され、かつ、その第一の燃料ガス経路の向きとは逆の向きに、当該二以上の単位セルの第二の燃料ガス流路１２が直列に繋がれて第二の燃料ガス経路が形成されている。この燃料電池は、ｎ＋１個の（ｎは２以上の整数であり、本実施例２の燃料電池においては、ｎ＝１０）セパレータと、ｎ個の単位セルとを備え、これらのセパレータ（Ｓ_１〜Ｓ_ｎ＋１）のうち、セパレータ（Ｓ_２〜Ｓ_ｎ＋１）のアノード側の面４ａには、それぞれ第一の燃料ガス流路１１及び第二の燃料ガス流路１２の複数の燃料ガス流路が形成されており、ｋ−１番目のセパレータＳ_ｋ−１の第一の燃料ガス流路１１の出口が次のｋ番目のセパレータＳ_ｋの第一の燃料ガス流路１１の入口に連通し、ｋ番目のセパレータＳ_ｋの第一の燃料ガス流路１１の出口が次のｋ＋１番目のセパレータＳ_ｋ＋１の第一の燃料ガス流路１１の入口に連通し、同様にして、ｎ番目のセパレータＳ_ｎの第一の燃料ガス流路１１の出口がｎ＋１番目のセパレータＳ_ｎ＋１の第一の燃料ガス流路１１の入口に連通している。そして、２番目のセパレータＳ_２の第一の燃料ガス流路１１の入口に燃料ガス及び水蒸気が混合された供給ガスを供給することにより、これらのセパレータ（Ｓ_２〜Ｓ_ｎ＋１）のアノード側の面４ａのおよそ半分の面に燃料ガスと水が供給されて反応に供され、アノード反応により発生した二酸化炭素はｎ＋１番目のセパレータＳ_ｎ＋１の第一の燃料ガス流路１１の出口から排出されるようになっている。

更に、ｎ＋１番目のセパレータＳ_ｎ＋１の第二の燃料ガス流路１２の出口がｎ番目のセパレータＳ_ｎの第二の燃料ガス流路１２の入口に連通し、同様にして、ｋ＋１番目のセパレータＳ_Ｋ＋１の第二の燃料ガス流路１２の出口がｋ番目のセパレータＳ_ｋの第二の燃料ガス流路１２の入口に連通し、ｋ番目のセパレータＳ_ｋの第二の燃料ガス流路１２の出口がｋ−１番目のセパレータＳ_ｋ−１の第二の燃料ガス流路１２の入口に連通している。２番目のセパレータＳ_２まで同様である。そして、ｎ＋１番目のセパレータＳ_ｎ＋１の第二の燃料ガス流路１１の入口に燃料ガス及び水蒸気が混合された供給ガスを供給することにより、これらのセパレータ（Ｓ_２〜Ｓ_ｎ＋１）のアノード側の面４ａの残りの面を含めた全体に燃料ガスと水が供給されて反応に供され、アノード反応により発生した二酸化炭素は２番目のセパレータＳ_２の第二の燃料ガス流路１２の出口側から排出されるようになっている。

少なくとも二以上の単位セルの燃料ガス流路が直列に繋がれた構成を有することによって、上流側の燃料ガス流路を流れる混合ガスの燃料ガス濃度は濃く、下流側の燃料ガス流路を流れる混合ガスの燃料ガス濃度は薄くなる傾向になる。ところが、本実施例２の燃料電池においては、このように、第一の燃料ガス経路の向きとは逆の向きに、第二の燃料ガス流路が直列に繋がれて第二の燃料ガス経路が形成されているので、各単位セルの、燃料ガス流路の平均燃料ガス濃度が全体として略均一になり、その結果、各単位セルの起電力はより均一になる。そして、上記実施例１と同様の効果を奏することによって、供給ガスが安定して流れ、流路が水滴によって塞がれるおそれがなく、安定した起電力特性の燃料電池を提供することができる。

本実施例２の燃料電池においては、第一の燃料ガス経路の向きとは逆の向きに、第二の燃料ガス流路が直列に繋がれているが、この構成に代えて、又は、この構成に加えて、各単位セルは第一の酸化剤ガス流路と第二の酸化剤ガス流路を備え、少なくとも二以上の前記単位セルの第一の酸化剤ガス流路が直列に繋がれて第一の酸化剤ガス経路が形成され、かつ、その第一の酸化剤ガス経路の向きとは逆の向きに、当該二以上の単位セルの第二の酸化剤ガス流路が直列に繋がれて第二の酸化剤ガス経路が形成されていることも好ましい。

少なくとも二以上の単位セルの酸化剤ガス流路が直列に繋がれた構成を有することによって、上流側の酸化剤ガス流路を流れる混合ガスの酸化剤ガス濃度は濃く、下流側の酸化剤ガス流路を流れる混合ガスの酸化剤ガス濃度は薄くなる傾向になる。ところが、このように、第一の酸化剤ガス経路の向きとは逆の向きに、当該二以上の単位セルの第二の酸化剤ガス流路が直列に繋がれて第二の酸化剤ガス経路が形成されているので、各単位セルの、酸化剤ガス流路の平均酸化剤ガス濃度が全体として略均一になり、その結果、各単位セルの起電力はより均一になる。

（実施例３）
図４は、本実施例３の燃料電池の、燃料ガス流路１１、１２が形成されたセパレータの積層構造を示したものである（電解質膜、アノード、カソード等は省略されており、酸化剤ガス流路等は見えていない。）。
本実施例３の燃料電池と上記実施例１の燃料電池とは基本的構成は同一であるが、本実施例３における燃料電池は、各単位セルの燃料ガス流路が、これらの単位セルの間を折り返して直列に繋がれている。この燃料電池は、ｎ＋１個の（ｎは２以上の整数であり、本実施例３の燃料電池においては、ｎ＝１０）セパレータと、ｎ個の単位セルとを備え、これらのセパレータ（Ｓ_１〜Ｓ_ｎ＋１）のうち、セパレータ（Ｓ_２〜Ｓ_ｎ＋１）のアノード側の面４ａには、それぞれ第一の燃料ガス流路１１及び第二の燃料ガス流路１２の複数の燃料ガス流路が形成されており、ｋ−１番目のセパレータＳ_ｋ−１の第一の燃料ガス流路１１の出口が次のｋ番目のセパレータＳ_ｋの第一の燃料ガス流路１１の入口に連通し、ｋ番目のセパレータＳ_ｋの第一の燃料ガス流路１１の出口が次のｋ＋１番目のセパレータＳ_ｋ＋１の第一の燃料ガス流路１１の入口に連通し、同様にして、ｎ番目のセパレータＳ_ｎの第一の燃料ガス流路１１の出口がｎ＋１番目のセパレータＳ_ｎ＋１の第一の燃料ガス流路１１の入口に連通し、ｎ＋１番目のセパレータＳ_ｎ＋１の第一の燃料ガス流路１１の出口がｎ＋１番目のセパレータＳ_ｎ＋１の第二の燃料ガス流路１２の入口に連通し、ｎ＋１番目のセパレータＳ_ｎ＋１の第二の燃料ガス流路１２の出口がｎ番目のセパレータＳ_ｎの第二の燃料ガス流路１２の入口に連通し、更に、ｋ＋１番目のセパレータＳ_Ｋ＋１の第二の燃料ガス流路１２の出口がｋ番目のセパレータＳ_ｋの第二の燃料ガス流路１２の入口に連通し、ｋ番目のセパレータＳ_ｋの第二の燃料ガス流路１２の出口がｋ−１番目のセパレータＳ_ｋ−１の第二の燃料ガス流路１２の入口に連通している。そして、２番目のセパレータＳ_２の第一の燃料ガス流路１１の入口に燃料ガス及び水蒸気が混合された供給ガスを供給することにより、これらのセパレータ（Ｓ_２〜Ｓ_ｎ＋１）のアノード側の面４ａの全体に燃料ガスと水が供給されて、反応に供するように構成されている。アノード反応により発生した二酸化炭素は２番目のセパレータＳ_２の第二の燃料ガス流路１２の出口側から排出される。

少なくとも二以上の単位セルの燃料ガス流路が直列に繋がれた構成を有することによって、上流側の燃料ガス流路を流れる混合ガスの燃料ガス濃度は濃く、下流側の燃料ガス流路を流れる混合ガスの燃料ガス濃度は薄くなる傾向になる。ところが、本実施例３の燃料電池においては、このように、各単位セルの燃料ガス流路が、これらの単位セルの間を折り返して直列に繋がれているので、各単位セルの、燃料ガス流路の平均燃料ガス濃度が全体として略均一になり、その結果、各単位セルの起電力はより均一になる。そして、上記実施例１と同様の効果を奏することによって、供給ガスが安定して流れ、流路が水滴によって塞がれるおそれがなく、安定した起電力特性の燃料電池を提供することができる。

本実施例３の燃料電池においては、燃料ガス流路が、少なくとも二以上の単位セルの間を折り返して直列に繋がれているが、この構成に代えて、又は、この構成に加えて、酸化剤流路が、少なくとも二以上の単位セルの間を折り返して直列に繋がれていることも好ましい。

少なくとも二以上の単位セルの酸化剤ガス流路が直列に繋がれた構成を有することによって、上流側の酸化剤ガス流路を流れる混合ガスの酸化剤ガス濃度は濃く、下流側の酸化剤ガス流路を流れる混合ガスの酸化剤ガス濃度は薄くなる傾向になる。ところが、このように、各単位セルの酸化剤ガス流路が、これらの単位セルの間を折り返して直列に繋がれているので、各単位セルの、酸化剤ガス流路の平均酸化剤ガス濃度が全体として略均一になり、その結果、各単位セルの起電力はより均一になる。

（実施例４）
図５は、本実施例４の燃料電池の、燃料ガス流路１１、１２が形成されたセパレータの積層構造を示したものである（電解質膜、アノード、カソード等は省略されており、酸化剤ガス流路等は見えていない。）。
本実施例４の燃料電池と上記実施例３の燃料電池とは基本的構成は同一であるが、本実施例４における燃料電池は、各単位セルの燃料ガス流路が、これらの単位セルの間を折り返して直列に繋がれているとともに、直列に繋がれた前記燃料ガス流路の流路長が上流側の単位セルでより短く、下流側の単位セルでより長く構成されている。

すなわち、セパレータ（Ｓ_２〜Ｓ_ｎ＋１）のアノード側の面４ａに形成された第一の燃料ガス流路１１において、最も上流側の単位セルを構成するセパレータＳ_２の第一の燃料ガス流路１１の流路長が最も短く、下流側の単位セルを構成するセパレータの第一の燃料ガス流路１１の流路長は徐々に長く、最も下流側の単位セルを構成するセパレータＳ_ｎ＋１の第一の燃料ガス流路１１の流路長が最も長く構成されている。
更に、セパレータ（Ｓ_２〜Ｓ_ｎ＋１）のアノード側の面４ａに形成された第二の燃料ガス流路１２において、最も上流側の単位セルを構成するセパレータＳ_ｎ＋１の第二の燃料ガス流路１２の流路長が最も短く、下流側の単位セルを構成するセパレータの第二の燃料ガス流路１２の流路長は徐々に長く、最も下流側の単位セルを構成するセパレータＳ_１の第二の燃料ガス流路１２の流路長が最も長く構成されている。

このように、本実施例４の燃料電池では、各単位セルの燃料ガス流路が、これらの単位セルの間を折り返して直列に繋がれているとともに、直列に繋がれた前記燃料ガス流路は、燃料ガスの濃度が高い上流側の燃料ガス流路の流路長が短く、燃料ガスの濃度が低い下流側の燃料ガス流路の流路長が長く構成されているので、上記実施例３と同様の効果を奏することができるだけでなく、各単位セルのアノードの全体に、比較的均一に起電力を発生させることができる。

本実施例４の燃料電池においては、直列に繋がれた燃料ガス流路の流路長が上流側の単位セルでより短く、下流側の単位セルでより長く構成されているが、この構成に代えて、又は、この構成に加えて、直列に繋がれた酸化剤ガス流路の流路長が上流側の単位セルでより短く、下流側の単位セルでより長く構成されていることも好ましい。

少なくとも二以上の単位セルの酸化剤ガス流路が直列に繋がれた構成を有することによって、上流側の酸化剤ガス流路を流れる混合ガスの酸化剤ガス濃度は濃く、下流側の酸化剤ガス流路を流れる混合ガスの酸化剤ガス濃度は薄くなる傾向になる。ところが、このように、直列に繋がれた酸化剤ガス流路の流路長が上流側の単位セルでより短く、下流側の単位セルでより長く構成されているので、各単位セルの、各単位セルの起電力はより均一になる。

（実施例５）
本実施例５の燃料電池と上記実施例１の燃料電池とは基本的構成は同一であるが、本実施例５における燃料電池においては、直列に繋がれた燃料ガス流路の断面積が上流側の単位セルでより小さく、下流側の単位セルでより大きく形成されている。燃料ガス流路の断面積は、セパレータ４のアノード側の面の溝の深さと幅によって調整することができる。

少なくとも二以上の単位セルの燃料ガス流路が直列に繋がれた構成を有することによって、上流側の燃料ガス流路を流れる混合ガスの燃料ガス濃度は濃く、下流側の燃料ガス流路を流れる混合ガスの燃料ガス濃度は薄くなる傾向になる。

ところが、本実施例５における燃料電池では、このように、直列に繋がれた燃料ガス流路の断面積が上流側の単位セルでより小さく、下流側の単位セルでより大きいので、上流側の単位セルで、燃料ガス流路を流れる混合ガスの流速は速く、下流側の単位セルで、燃料ガス流路を流れる混合ガスの流速は遅い。すなわち、上流側の単位セルでは、燃料ガス流路を流れる混合ガスの燃料ガス濃度は濃く、流速は速い。また、下流側の単位セルで、燃料ガス流路を流れる混合ガスの燃料ガス濃度は薄く、流速は遅い。その結果、本実施例５における燃料電池は、上流側の燃料ガス流路と下流側の燃料ガス流路とで燃料ガス濃度にばらつきが生じるにもかかわらず、上記実施例１と同様の効果を奏することができるだけでなく、燃料電池全体として、各単位セルの起電力が均一であり、安定した起電力特性の燃料電池を提供することができる。また、下流側の単位セルで燃料ガス流路の断面積をより大きく形成することは、各単位セルの燃料ガス流路の圧力損失を低減するためにも好ましい。

本実施例５の燃料電池においては、直列に繋がれた燃料ガス流路の断面積が上流側の単位セルでより小さく、下流側の単位セルでより大きく形成されているが、この構成に代えて、又は、この構成に加えて、直列に繋がれた酸化剤ガス流路の断面積が上流側の単位セルでより小さく、下流側の単位セルでより大きく形成することも好ましい。

少なくとも二以上の単位セルの酸化剤ガス流路が直列に繋がれた構成を有することによって、上流側の酸化剤ガス流路を流れる混合ガスの酸化剤ガス濃度は濃く、下流側の酸化剤ガス流路を流れる混合ガスの酸化剤ガス濃度は薄くなる傾向になる。

ところが、直列に繋がれた酸化剤ガス流路の断面積が上流側の単位セルでより小さく、下流側の単位セルでより大きいので、上流側の単位セルで、酸化剤ガス流路を流れる混合ガスの流速は速く、下流側の単位セルで、酸化剤ガス流路を流れる混合ガスの流速は遅い。すなわち、上流側の単位セルでは、酸化剤ガス流路を流れる混合ガスの酸化剤ガス濃度は濃く、流速は速い。また、下流側の単位セルで、酸化剤ガス流路を流れる混合ガスの酸化剤ガス濃度は薄く、流速は遅い。その結果、上流側の酸化剤ガス流路と下流側の酸化剤ガス流路とで酸化剤ガス濃度にばらつきが生じるにもかかわらず、上記実施例１と同様の効果を奏することができるだけでなく、燃料電池全体として、各単位セルの起電力が均一であり、安定した起電力特性の燃料電池を提供することができる。また、下流側の単位セルで酸化剤ガス流路の断面積をより大きく形成することは、各単位セルの酸化剤ガス流路の圧力損失を低減するためにも好ましい。

なお、上記実施例１から実施例５においては、燃料ガスをジメチルエーテルとしたが、これに限ることはなく、水素やメタノールなどであってもよい。但し、ジメチルエーテルとした方がメタノールに対してメリットがあるのは上述した通りである。また、燃料ガス流路１１、１２及び酸化剤ガス流路１３を蛇行させるものとしたが、これに限ることはなく、直線状にしたりその形は適宜変更してもよい。但し、蛇行させた方が利用効率が良くなる点で好ましいのは上述した通りである。

また、上記実施例１から実施例５においては、各単位セルの燃料ガス流路が直列に繋がれて、１本の燃料ガス経路が形成される構成となっているが、直列に繋がれる各単位セルの燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路の個数は、圧力調整のし易さの点から、３〜２０個が好ましい。燃料電池の出力を大きくするためには、単に直列に接続する燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路の個数を多くするだけでは、圧力損失が大きくなって効果が薄い。そこで、このようにして各単位セルの燃料ガス流路が直列に繋がれて形成された燃料ガス経路、又は、各単位セルの酸化剤ガス流路が直列に繋がれて形成された酸化剤ガス経路を更に並列に繋いで、ひとつの燃料電池を形成する構成を採用することもできる。

また、燃料ガスを加湿する装置や酸化剤ガスを加湿する装置としては既知の装置を適宜使用することができ、これらには圧力調整手段を備えることが好ましい。燃料ガスと水、又は、酸化剤ガスと水をそれぞれ適切な圧力、流量にて供給することができる。圧力調整手段としては、例えば、差圧調整弁などの圧力調整用の弁を用いることができる。

本発明に係る燃料電池の、燃料ガス流路１１又は酸化剤ガス流路１３が形成されたセパレータの積層構造を示す斜視図である。本発明に係る実施例１の燃料電池の要部分解斜視図である。同じ実施例１の燃料電池の反対側を示す要部分解斜視図である。本発明に係る実施例２の燃料電池の、燃料ガス流路１１、１２が形成されたセパレータの積層構造を示す斜視図である。本発明に係る実施例３の燃料電池の、燃料ガス流路１１、１２が形成されたセパレータの積層構造を示す斜視図である。本発明に係る実施例４の燃料電池の、燃料ガス流路１１、１２が形成されたセパレータの積層構造を示す斜視図である。従来例の燃料電池の、燃料ガス流路１１又は酸化剤ガス流路１３が形成されたセパレータの積層構造を示す斜視図である。従来例の燃料電池の要部分解斜視図である。実施例１の燃料電池の、各単位セルの起電力の測定結果である。比較例の燃料電池の、各単位セルの起電力の測定結果である。

符号の説明

１、１０：燃料電池
２：単位セル
４、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_ｋ−１、Ｓ_ｋ、Ｓ_ｎ−１、Ｓ_ｎ、Ｓ_ｎ＋１：セパレータ
４ａ：アノード側の面
４ｂ：カソード側の面
５：電解質膜
６：アノード
７：カソード
１１：燃料ガス流路（第一の燃料ガス流路）
１２：燃料ガス流路（第二の燃料ガス流路）
１３：酸化剤ガス流路
１５：第１貫通孔
１６：貫通孔（第２貫通孔）
１７：第３貫通孔
１８：貫通孔（第４貫通孔）

Claims

複数の単位セルを備えた燃料電池であって、
前記単位セルは、電解質膜をアノードとカソードとで挟み込んで構成される膜電極アセンブリと、この膜電極アセンブリのアノード側に配設されて該アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、この膜電極アセンブリのカソード側に配設されて該カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを備え、
少なくとも二以上の前記単位セルの燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路が直列に繋がれた構成を有することを特徴とする燃料電池。
各単位セルは第一の燃料ガス流路と第二の燃料ガス流路とを備え、少なくとも二以上の前記単位セルの第一の燃料ガス流路が直列に繋がれて第一の燃料ガス経路が形成され、かつ、その第一の燃料ガス経路の向きとは逆の向きに、当該二以上の単位セルの第二の燃料ガス流路が直列に繋がれて第二の燃料ガス経路が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路が、少なくとも二以上の前記単位セルの間を折り返して直列に繋がれていることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池。
直列に繋がれた前記燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路は、その流路長が上流側の単位セルでより短く、下流側の単位セルでより長いことを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
少なくとも二以上の前記単位セルの燃料ガス流路が直列に繋がれて燃料ガス経路が形成され、かつ、その燃料ガス経路の向きとは逆の向きに、当該二以上の単位セルの酸化剤ガス流路が直列に繋がれていることを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
直列に繋がれた前記燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路は、その流路の断面積が上流側の単位セルでより小さく、下流側の単位セルでより大きいことを特徴とする、請求項１〜５のうちいずれかに記載の燃料電池。