JP2008117547A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】第一のセルと、前記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を備えることにより、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。
【解決手段】第一のセル４１と、電極面積の異なる一対の電極２３、２４を備えた第二のセル４２と、複数の第一のセル４１と少なくとも一つの第二のセル４２を積層して構成されるスタック６を備え、温度を上昇あるいは降下させたいセルの位置に第二のセル４２を配置することにより、相対的に第二のセル４２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６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。
【選択図】図１

Description

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。

従来の一般的な燃料電池の積層されたスタックの両端のセルは、中央側のセルに比べて外気と接触する面積が大きく、さらに両端のセルは、金属などの熱伝導性の高い端板に覆われているので、中央側のセルよりも放熱が大きい。温度が低下した両端のセルは結露によるフラッディング（水詰まり）などの発電特性を劣化させる。したがって、外気によりセル温度が冷却され、燃料電池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。

一般的には、図１２に示すように、外気により燃料電池が冷却されないよう燃料電池の周囲に断熱材を配置して、燃料電池を所定の温度に保持していた（例えば、特許文献１参照）。

また、積層したスタックの両端に空気層や真空層からなる断熱層を有する端板を配置して、積層方向の伝熱を分断することにより温度分布を均一化する方法が開示されている（特許文献２参照）。

また、積層したスタックの両端にセパレータ板よりも熱伝導率の低いセラミック被膜を表面に形成した端板を配置して、セラミック被膜の断熱効果により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）。

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４参照）。

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５参照）。
特開昭６１−１６６４７２号公報 特開平７−３２６３７９号公報 特開２００５−２３５５５０号公報 特開２００５−５０７４号公報 特開平８−１１１２３１号公報

しかしながら、前記従来の断熱材あるいは断熱層を設ける方法だけでは温度分布は十分に改善されず、熱伝導性の高い金属製などの端板からの放熱による両端セルの温度低下が問題となっていた。

特に、発電と停止を繰り返すような場合、熱容量の大きな端板の温度を速やかに所定の温度に制御することは困難であり、発電開始時あるいは発電停止時におけるスタックの積層方向における温度分布が問題となっていた。

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。

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、前記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を備えることにより、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。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、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からなる第一のセルと、前記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、複数の第一のセルと少なくとも一つの第二のセルを積層して構成されるスタックを備え、温度を上昇あるいは降下させたいセルの位置に第二のセルを配置するものである。

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。

したがって、例えば、スタックの両端など冷却されやすい位置のセル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、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。

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。

第１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からなる第一のセルと、前記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、複数の第一のセルと少なくとも一つの第二のセルを積層して構成されるスタックを備え、温度を上昇あるいは降下させたいセルの位置に第一のセルと電極面積の異なる第二のセルを配置することにより、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。

第２の発明は、第１の発明において、スタックは、複数の第一のセルを積層し、前記積層した第一のセルの両端に、前記第一のセルよりも電極面積の小さい第二のセルをそれぞれ積層して構成することにより、冷却されやすいスタックの両端のセルに第一のセルより
も電極面積の小さい第二のセルを配置すれば、電流密度が高い第二のセルの温度が上昇するため、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。

第３の発明は、第２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。

第４の発明は、第１〜３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からな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。

第５の発明は、第１〜３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からな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。

第６の発明は、第１〜３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からな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。

第７の発明は、第１〜３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からな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。

第８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からなるセルを複数積層して構成されるスタックを備え、中央のセルから両端のセルに向けてそれぞれのセルの一対の電極の電極面積を段階的に小さくして積層することにより、冷却されやすいスタックの両端のセルに向けて電極面積を段階的に小さくしたセルを配置すれば、電極面積の小さいセルの電流密度が相対的に増加し、両端にいくほどセルの温度が上昇するため、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。

第９の発明は、第８の発明において、中央のセルから両端のセルに向けてそれぞれのセルの一対のセパレータ板の面積を段階的に小さくして積層し、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。

第１０の発明は、第８または９の発明において、中央のセルから両端のセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路長を段階的に短くし、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。

第１１の発明は、第８または９の発明において、中央のセルから両端のセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路幅を段階的に大きくし、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。

第１２の発明は、第８または９の発明において、中央のセルから両端のセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路深さを段階的に大きくし、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。

第１３の発明は、第８または９の発明において、中央のセルから両端のセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路本数を段階的に多くし、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。

第１４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からなるセルを複数積層して構成されるスタックと、前記スタックを冷却する冷却水を供給排出する冷却水流路を備え、前記スタックに対して前記冷却水流路の出口側に配置されるセルから入口側に配置されるセルに向けてそれぞれのセルの一対の電極の電極面積を段階的に小さくして積層することにより、スタックの冷却水流路の出口側から冷却されやすい入口側のセルに向けて電極面積を段階的に小さくしたセルを配置すれば、電極面積の小さいセルの電流密度が相対的に増加し、冷却水流路の入口側にいくほどセルの温度が上昇するため、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。

第１５の発明は、第１４の発明において、スタックに対して冷却水流路の出口側に配置されるセルから入口側に配置されるセルに向けてそれぞれのセルの一対のセパレータ板の面積を段階的に小さくして積層し、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。

第１６の発明は、第１４または１５の発明において、スタックに対して冷却水流路の出口側に配置されるセルから入口側に配置されるセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路長を段階的に短くし、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。

第１７の発明は、第１４または１５の発明において、スタックに対して冷却水流路の出口側に配置されるセルから入口側に配置されるセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路幅を段階的に大きくし、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。

第１８の発明は、第１４または１５の発明において、スタックに対して冷却水流路の出口側に配置されるセルから入口側に配置されるセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路深さを段階的に大きくし、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。

第１９の発明は、第１４または１５の発明において、スタックに対して冷却水流路の出口側に配置されるセルから入口側に配置されるセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路本数を段階的に多くし、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。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第一の実施の形態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、１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からなる膜状の固体高分子電解質であり、電解質１の両面にはそれぞれの一対の電極、アノード２１およびカソード２２が電解質１の面内中央に形成されている。

アノード２１およびカソード２２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２１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。

そして、アノード２１およびカソード２２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および排出するガス流路を有する電解質１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３１および３２を用いて挟持して第一のセル４１を作製した。

そして、第一のセル４１と同様にして、第一のセル４１と同じ大きさの電解質１の両面中央にそれぞれ第一のセル４１の約半分の電極面積の一対の電極２３および２４を形成し、電解質１と概ね同じ大きさの一対のセパレータ板３３および３４で挟持した第二のセル４２を作製した。

図２（ａ）および（ｂ）に、それぞれ第一のセル４１および第二のセル４２に使用したセパレータ板３１および３３のガス流路の概略構成図を示す。燃料ガスの入口および出口にそれぞれアノ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３１および３２にはカソ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。

それぞれのセパレータ板３１〜３６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。

また、第二のセル４２のセパレータ板３３および３４のガス流路の流路長は第一のセル
４１のセパレータ板３１および３２の流路長より短くなっているが、第二のセル４２のガス流路の流路幅および流路深さを第一のセル４１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４１と同等になるように設計されている。

したがって、第一のセル４１に比べて第二のセル４２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４１より大きくするので、供給するガス流量を第一のセル４１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。

あるいは、第二のセル４２のセパレータ板３３および３４のガス流路の流路本数を第一のセル４１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。

そして、第一のセル４１を複数積層した両端に第二のセル４２をそれぞれ積層して配置し、スタック６を構成した。

また、各セル４１および４２を所定の温度に保持するため、各セルの間に燃料電池を冷却する冷却水を流す流路を有する冷却板１１を配置し、スタック６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６の積層方向に強固に締結した。また、スタック６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６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６のセル電圧を検出できる構成とした。また、スタック６の積層方向の温度分布を測定できるように各セパレータ板３１〜３４に熱電対を挿入し、各セル４１および４２の概ね中央のセル温度を測定できるようにした。

そして、スタック６のアノード側には、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。

また、スタック６のカソード側には、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。

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。

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（化１）。

水素イオンは電解質１を通ってカソード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（化２）。

全反応を（化３）に示す。

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。

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。

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。

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。

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。

全反応式を（化７）に示す。

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、アノードおよびカソード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。

このときの本発明の実施の形態のスタックおよび従来スタックのセル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（ｂ）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、冷却水入口側の端セルでセル温度は約６５℃で、中央に行くほどセル温度は徐々に上昇し、中央セルでセル温度は約６９℃であった。そして冷却水出口側の端セルでセル温度は降下して約６７℃となっていた。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。

これに対し、図３（ａ）に示すように、本発明の実施の形態のスタック６の温度分布は両端の第二のセル４２のセル温度が従来のスタックに比べて１〜２℃上昇しており、スタック全体の温度分布が従来のスタックより大幅に改善されていることが確認できた。

これは、本発明の実施の形態のスタック６において、各セルには同じ電流が流れているが、両端の第二のセル４２とそれ以外の第一のセル４１はそれぞれの電極面積が異なるために電流密度が異なっている。つまり、第二のセル４２の電極面積は第一のセル４１の約半分であるので、電流密度は約二倍になっている。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、セル温度は電流密度に依存する。したがって、第二のセル４２のセル温度は第一のセル４１のセル温度より高くなり、スタック６端部の発熱量が増加するため端部からの放熱の影響を抑制することができる。

一方、発電特性見ると両端の温度が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両端のセルで電圧が不安定になる特性が見られた。これは両端のセルで加湿された燃料ガスあるいは酸化剤ガスが端部からの放熱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。

これに対して、本発明の実施の形態のスタック６は、ガスの利用率が低下しても、両端の第二のセル４２の電流密度が大きくなっているにも関わらず、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。これは端部からの放熱の影響が緩和されるため、端部における結露が防止され、フラッディングが発生しないからと推測できる。

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。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第二の実施の形態の燃料電池の概略構成図である。第一の実施の形態と異なる点は、第二のセル４２は、第一のセル４１よりも面積の小さい一対のセパレータ板３３および３４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。

上記構成の燃料電池について第一の実施の形態と同様にして特性を調べたところ、第一の実施の形態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。

したがって、本発明の第二の実施の形態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。

（実施の形態３）
図５は、本発明の第三の実施の形態の燃料電池の概略構成図である。第一の実施の形態と異なる点は、中央のセル４１から両端のセル４２に向けてそれぞれのセル４１〜４３の一対の電極２１〜２６の電極面積を段階的に小さくして積層した点である。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。

上記構成の燃料電池について第一の実施の形態と同様にして特性を調べたところ、図６に示したように、スタック６の温度分布は冷却水入口側の端セルでセル温度は約６７℃で中央に行くほどセル温度は上昇し、中央セルでセル温度は約６８℃、冷却水出口側の端セルで６９℃となっていた。第一の実施の形態のスタックは両端セルで電流密度が上昇し、温度が上がり、従来のスタックと比べて温度分布は改善されているものの、両端セルのすぐ内側でやや放熱が大きく温度が０．５〜１℃程度降下していた。これに対し、本発明の第三の実施の形態のスタックでは中央から両端に向けて段階的に電極面積を小さくし、両端に行くほど電流密度が上昇し、放熱による温度降下を抑制しているので、スタック６の積層方向における温度分布をより改善することができる。

また、本発明の実施の形態のスタック６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。

したがって、本発明の第三の実施の形態の燃料電池によれば、電極面積の小さいセルの電流密度が相対的に増加し、両端にいくほどセルの温度が上昇するため、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。

（実施の形態４）
図７は、本発明の第四の実施の形態の燃料電池の概略構成図である。第三の実施の形態と異なる点は、中央のセルから両端のセルに向けてそれぞれのセルの一対のセパレータ板の面積を段階的に小さくして積層した点である。それ以外は第三の実施の形態と同じであり、詳細な説明は省略する。

図８（ａ）〜（ｃ）に、それぞれ中央のセル、中央と端の間のセルおよび端セルに使用したセパレータ３１、３５および３３の概略構成図を示す。図８に示すように、それぞれのセルの電極面積に応じてサーペンタイン型流路を形成し、それぞれのガス流路の流路体
積は等しくなるように、流路長、流路幅、流路深さおよび流路本数が設計されている。また、セパレータ板３１〜３６の大きさも各セルの電極面積に応じてセパレータ板３１〜３６の面積は最適な大きさに設計されている。

上記構成の燃料電池について第三の実施の形態と同様にして特性を調べたところ、第三の実施の形態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。

したがって、本発明の第四の実施の形態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。

（実施の形態５）
図９は、本発明の第五の実施の形態の燃料電池の概略構成図である。第三の実施の形態と異なる点は、中央のセルから両端のセルに向けてそれぞれのセルの一対の電極の電極面積を段階的に小さくするとともに、スタックに対して前記冷却水流路の出口側に配置されるセルから入口側に配置されるセルに向けてそれぞれのセルの一対の電極の電極面積を段階的に小さくして積層した点である。それ以外は第三の実施の形態と同じであり、詳細な説明は省略する。

上記構成の燃料電池について第一の実施の形態と同様にして特性を調べたところ、図１０に示したように、スタック６の温度分布は冷却水入口側から出口側にかけてほぼ６９℃であった。第三の実施の形態のスタックは従来のスタックと比べて温度分布は改善されているものの、冷却水入口から出口にかけて約２℃の温度差が発生していた。これに対し、本発明の第五の実施の形態のスタックでは、両端に行くほど電極面積を小さくするとともに、冷却水温度の比較的高い冷却水入口から冷却水温度の低い冷却水出口に向けても電極面積を小さくして設計しているので、冷却水入口側ほど電流密度が上昇し、冷却水入口から出口にかけてセル温度がほぼ均一となることが判った。

また、本発明の実施の形態のスタック６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。

したがって、本発明の第五の実施の形態の燃料電池によれば、電極面積の小さいセルの電流密度が相対的に増加し、冷却水入口側いくほどセルの温度が上昇するため、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。

（実施の形態６）
図１１は、本発明の第六の実施の形態の燃料電池の概略構成図である。第五の実施の形態と異なる点は、スタック６に対して冷却水流路の出口側に配置されるセルから入口側に配置されるセルに向けてそれぞれのセルの一対のセパレータ板の面積を段階的に小さくして積層した点である。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。

上記構成の燃料電池について第五の実施の形態と同様にして特性を調べたところ、第五の実施の形態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。

したがって、本発明の第六の実施の形態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。

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に有用である。

本発明の第一の実施の形態の燃料電池の概略構成図 （ａ）同装置の第一のセルのセパレータ板の概略構成図（ｂ）同装置の第二のセルのセパレータ板の概略構成図 （ａ）同装置のスタック積層方向の温度分布特性図（ｂ）従来の燃料電池のスタック積層方向の温度分布特性図 本発明の第二の実施の形態の燃料電池の概略構成図 本発明の第三の実施の形態の燃料電池の概略構成図 同装置のスタック積層方向の温度分布特性図 本発明の第四の実施の形態の燃料電池の概略構成図 （ａ）同装置の中央のセルのセパレータ板の概略構成図（ｂ）同装置の中央と端の間のセルのセパレータ板の概略構成図（ｃ）同装置の端のセルのセパレータ板の概略構成図 本発明の第五の実施の形態の燃料電池の概略構成図 同装置のスタック積層方向の温度分布特性図 本発明の第六の実施の形態の燃料電池の概略構成図 従来の燃料電池の概略構成図

符号の説明

１ 電解質
６ スタック
１１ 冷却水流路
２１、２３、２５ 電極（アノード）
２２、２４、２６ 電極（カソード）
３１〜３６ セパレータ板
４１ 第一のセル
４２ 第二のセル

Claims (19)

1. 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、前記第一のセルにおける一対の電極に比べて電極面積の異なる一対の電極を備えた第二のセルとを備え、複数の第一のセルと少なくとも一つの第二のセルを積層して構成されるスタックを備えた燃料電池。
2. スタックは、複数の第一のセルを積層し、前記積層した第一のセルの両端に、前記第一のセルよりも電極面積の小さい第二のセルをそれぞれ積層して構成される請求項１に記載の燃料電池。
3. 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に記載の燃料電池。
4. 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からなるセパレータ板を備えた請求項１〜３いずれか１項に記載の燃料電池。
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幅の大きいガス流路からなるセパレータ板を備えた請求項１〜３いずれか１項に記載の燃料電池。
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深さの大きいガス流路からなるセパレータ板を備えた請求項１〜３いずれか１項に記載の燃料電池。
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本数の多いガス流路からなるセパレータ板を備えた請求項１〜３いずれか１項に記載の燃料電池。
8. 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からなるセルを複数積層して構成されるスタックを備え、中央のセルから両端のセルに向けてそれぞれのセルの一対の電極の電極面積を段階的に小さくして積層する燃料電池。
9. 中央のセルから両端のセルに向けてそれぞれのセルの一対のセパレータ板の面積を段階的に小さくして積層する請求項８に記載の燃料電池。
10. 中央のセルから両端のセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路長を段階的に短くする請求項８または９に記載の燃料電池。
11. 中央のセルから両端のセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路幅を段階的に大きくする請求項８または９に記載の燃料電池。
12. 中央のセルから両端のセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路深さを段階的に大きくする請求項８または９に記載の燃料電池。
13. 中央のセルから両端のセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路本数を段階的に多くする請求項８または９に記載の燃料電池。
14. 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からなるセルを複数積層して構成されるスタックと、前記スタックを冷却する冷却水を供給排出する冷却水流路を備え、前記スタックに対して前記冷却水流路の出口側に配置されるセルから入口側に配置されるセルに向けてそれぞれのセルの一対の電極の電極面積を段階的に小さくして積層する燃料電池。
15. スタックに対して冷却水流路の出口側に配置されるセルから入口側に配置されるセルに向けてそれぞれのセルの一対のセパレータ板の面積を段階的に小さくして積層する請求項１４に記載の燃料電池。
16. スタックに対して冷却水流路の出口側に配置されるセルから入口側に配置されるセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路長を段階的に短くする請求項１４または１５に記載の燃料電池。
17. スタックに対して冷却水流路の出口側に配置されるセルから入口側に配置されるセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路幅を段階的に大きくする請求項１４または１５に記載の燃料電池。
18. スタックに対して冷却水流路の出口側に配置されるセルから入口側に配置されるセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路深さを段階的に大きくする請求項１４または１５に記載の燃料電池。
19. スタックに対して冷却水流路の出口側に配置されるセルから入口側に配置されるセルに向けてそれぞれのセルのセパレータ板のガス流路の流路本数を段階的に多くする請求項１４または１５に記載の燃料電池。