JP4950505B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、発電セルを積み重ねて直列に接続した燃料電池スタック、詳しくは一部の発電セルが温度上昇しても、積み重ねた全体としての出力電流を大きく確保できる燃料電池スタックの構造に関する。

燃料電池装置は、体積あたり、重量あたりの発生可能なエネルギー量が従来の二次電池に比べて格段に大きく、燃料を再充填すれば装置自体は繰り返し使用できる。従って、長時間連続使用が可能な携帯電子機器の電源装置として、デジタルカメラ、携帯電話、ノート型パソコン等への応用が期待されている。

特許文献１には、水素ガスと大気中の酸素とを反応させるエアブリージング型の燃料電池スタックが示される。ここでは、発電セルの電解質層として固体高分子電解質膜を採用し、燃料供給層、酸化剤拡散層として、それぞれ多孔性の燃料流路板、酸素流路板（酸素供給層）を採用している。固体高分子電解質膜の両面には触媒層が配置され、一方の触媒層に重ねて水素ガスを触媒層の全面に拡散させる燃料流路板、他方の触媒層に重ねて大気中の酸素を触媒層の全面に拡散させる酸素流路板がそれぞれ配置される。

燃料流路板を通じて触媒層に供給された水素ガスは、触媒反応によってプロトン化されて固体高分子電解質膜に侵入する。一方、酸素流路板を通じて反対側の触媒層に供給された酸素は、固体高分子電解質膜を通過したプロトンと触媒反応によって化合して水分子を生成する。発電セルは、通常、１段当たりの起電力が１Ｖ以下なので、エアブリージング型の燃料電池装置は、発電セルを積み重ねて直列接続した燃料電池スタックとして組み立てられている。

米国特許ＵＳＰ５１４４８６号明細書

エアブリージング型の燃料電池スタックを構成する場合、発電セルの側面側に開口を設けて大気中の酸素を取り入れる（図１参照）。開口に面した酸素供給層の側面側から酸素を取り入れて酸素供給層の片方の底面を通じて電解質層の面に拡散させる。そして、電解質層の面（触媒層）で生成された水分子は、専ら水蒸気として、酸素と逆の経路、つまり、電解質層の面から開口へ逆方向に拡散して大気中へ流れ出す。

特許文献１に示されるように、等しく構成された発電セルを積み重ねた燃料電池スタックでは、積み重ねた中段の発電セルが両端の発電セルに比較して発電効率が低下する傾向がある。中段に配置されて放熱の悪い発電セルは、両端に配置されて放熱の良い発電セルに比較して酸素供給層の温度が高くなる。

温度が高い酸素供給層では、温度が低い酸素供給層に比較して水蒸気分圧が高くなって、その分、酸素供給層内の酸素分圧が低下する。温度上昇によって酸素分圧が低下した中段の発電セルでは、酸素分圧が高いままの両端の発電セルに比較して、電解質層への酸素供給に支障を生じて起電力が低下する。従って、温度が高くなる中段の発電セルで酸素供給に支障が生じないように、両端の発電セルに余裕を残した低い出力電流で燃料電池スタックを運転しなくてはならない。温度差に起因して発電効率が低下した中段の発電セルが、燃料電池スタック全体としての出力電流を限界付けてしまう。

また、複数の発電セルを積み重ねた燃料電池スタックでは、隣接する発電セルが排出する水蒸気の影響で、開口に隣接する空間の水蒸気濃度が、燃料電池スタック両端の発電セルよりも高くなる。これによっても、開口を通じた水蒸気の排出効率が低下して、中段の発電セルは酸素供給に支障を生じ易い。搭載する機器側の都合で、燃料電池スタックの全側面を開口にできない場合（図１参照）、水蒸気の排出効率は一段と低下して、酸素供給に支障を生じ易くなる。

ところで、中段の発電セルの温度を低く保持する方法としては、空冷ファン等を配置して、中段の発電セルを強制冷却する方法が考えられる。しかし、強制冷却に係る機構を備えると、部品点数が増して燃料電池装置の外観が大型化し、燃料タンクの配置スペースが少なくなる。

また、燃料電池スタックの出力電流をごく低いレベルに保って運転する方法も考えられる。しかし、出力電流を抑制した設計を行うと、発電セルが本来出力可能な電流範囲を十分に活用できず、電流を確保するために発電セルの面積を増やす結果となる。すると、燃料電池装置の外観が大型化して、燃料タンクの配置スペースが少なくなる。そして、言うまでも無く、いずれの方法を採用しても、燃料電池の出力当たりのコストが著しく上昇してしまう。

本発明は、強制冷却に係る機構を備えなくても、発電セルが本来出力可能な電流範囲を十分に活用でき、小型の外観でも、大きな燃料タンクスペースを確保して、長時間にわたって高出力が得られる燃料電池スタックを提供することを目的としている。

本発明者らは、次のような知見を見出した。すなわち、酸素供給層においては、触媒層で発生した水により飽和水蒸気量となるようである。温度が高いと飽和水蒸気量は著しく増大する。この影響で温度の高い発電セルの酸素供給層では、温度が低い発電セルの酸素供給層よりも、酸素分圧が低下する。温度の高い発電セルでは、酸素分圧が低下するため、酸素拡散律速が発生しやすく発電セルの最大電流値が温度の低い燃料電池セルよりも低くなってしまう。

そこで、本発明の燃料電池スタックは、電解質層の一方の面側に酸素供給層を配置した発電セルを複数段積み重ねたものである。前記酸素供給層は、通気性を有する材料を用いて形成されて、側面側の少なくとも一部が大気に開放され、開放された前記側面側から前記電解質層側の面へ大気中の酸素を自然拡散により拡散させるとともに、前記面から前記開放された前記側面側へ水蒸気を自然拡散により拡散させ、発電中の温度が他の前記発電セルよりも高くなる前記発電セルの前記酸素供給層が前記側面側で大気に開放される面積を、前記他の発電セルの前記酸素供給層が前記側面側で大気に開放される面積よりも大きくしてある。

本発明の燃料電池スタックでは、温度上昇に伴って発電セルの発電効率が低下する原因の１つである酸素供給の不足を軽減することによって、温度上昇した発電セルの最大電流値の低下を抑制する。すなわち、発電セルが温度上昇すると、酸素供給層内の水蒸気分圧が上昇し、その分酸素分圧が下がる。これにより、大気に開放された側面側から電解質層へ拡散する酸素量が減少して最大電流値が低下する。言い換えれば、水蒸気の温度上昇によって酸素分圧が低下する分、他の温度が低い発電セルよりも最大電流値が低下してしまう。

そこで、積み重ねた中段の発電セルでは、両端側の発電セルよりも温度が高くなるので、酸素供給層が側面側で大気に開放される面積を割り増しして、温度が高くなっても十分な酸素の拡散移動が確保されるようにした。開口の外側の領域の水蒸気濃度が多少高くても開口を通じて大気中へ十分な水蒸気拡散が起こるように開口面積を割り増しした。開放される面積の割り増しは、側面側を通じた酸素の流れ込みを促すので、酸素供給層における酸素分圧の低下の影響が抑制される。温度上昇しても電解質層への酸素供給が十分に行われるので、最大電流は高く維持される。この結果、温度上昇した発電セルの最大電流の低下が抑制され、燃料電池スタック全体の最大電流値が高く維持される。これにより、低温部・高温部の発電セルが単体で出力可能な電流範囲を十分に活用した大きな電流を取り出すことができる。

以下、本発明の燃料電池スタックの実施形態である燃料電池スタック２０について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の燃料電池スタックは、以下に説明する燃料電池スタック２０の限定的な構成には限定されない。発電セルを積み重ねて側面側から大気中の酸素を取り入れる限りにおいて、燃料電池スタック２０の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実現可能である。

本発明の燃料電池スタックは、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、小型プロジェクタ、小型プリンタ、ノート型パソコン等の持ち運び可能な小型電気機器に一体に組み込んで、燃料タンクを着脱させる形式でも実施できる。水素ガスの供給は、燃料タンク２０ｂに代えて、改質装置を利用してメタノール等の液体燃料、その他の気体燃料、固体燃料から発生させてもよい。

なお、特許文献１に示される燃料電池スタックの構造、発電セルの材料と組み立て構造、動作原理、製造方法、運転条件等については、本発明の趣旨と隔たりがあるので、一部図示を省略して詳細な説明も省略する。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の燃料電池スタックの外観図、図２は燃料電池スタックの構成を示す断面図、図３は発電セルの温度分布の線図、図４は燃料電池スタック内の発電セルの最大電流の線図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池スタック２０は、組み込む小型電子機器側の収納スペースに合わせた直方体の外観に設計されている。６段の発電セル１０ａ〜１０ｆを積み重ねて燃料電池スタック２０ａが構成される。燃料電池スタック２０ａの下部に接続された燃料タンク２０ｂは、水素吸蔵合金を用いて高圧の水素ガスを蓄積する。燃料タンク２０ｂは、不図示の圧力調整機構を内蔵しており、燃料電池スタック２０ａの中心軸を貫通して配置した燃料流路１８（図２）を通じて、大気圧を少し上回る圧力に減圧された水素ガスを発電セル１０ａ〜１０ｆに供給する。

図１に示す状態で、燃料電池スタック２０の正面側と背面側に、発電セル１０ａ〜１０ｆへ大気中の酸素を取り入れる開口部１９ａ〜１９ｆが配置されている。図１中の破線で切断した燃料電池スタック２０ａの断面が図２に示される。

図２に示すように、燃料電池スタック２０ａの発電セル１０ａ〜１０ｆは、酸素流路板１４の厚みが異なる以外は同一の部材を用いて構成される。ここでは、重複を避けるために、発電セル１０ｃで代表して説明するが、他の発電セル１０ａ、１０ｂ、１０ｄ〜１０ｆも同様である。

発電セル１０ｃの厚み方向の中心に配置された電解質電極接合体１１は、高分子電解質膜の両面に多孔質の触媒電極を形成してある。電解質電極接合体１１は、水素供給側の触媒電極で水素ガスをイオン化し、高分子電解質膜を通じて水素イオンを移動させ、酸素供給側の触媒電極で酸素と水素イオンとを化合して水分子を生成する。

電解質電極接合体１１の水素供給側の面には燃料極１２ａ、酸素供給側の面には酸化剤極１２ｂがそれぞれ重ねられる。燃料極１２ａ、酸化剤極１２ｂは、カーボンクロス等の導電性のある多孔質なシート材料で構成され、それぞれ水素ガス、酸素を電解質電極接合体１１の全面に均等に拡散して供給させる。

燃料極１２ａは、燃料流路板１３よりも微小な開口を有して、絞り抵抗を形成し、膜電極接合体１１の全面の圧力を均等にする。酸化剤極１２ｂは、酸素流路板１４よりも微小な開口を有して、膜電極接合体１１の全面に酸素を均等に供給し、大気中の浮遊粒子を膜電極接合体１１へ到達させない。

燃料極１２ａの全面に接触させて燃料流路板１３が重ねられる。燃料流路板１３は、燃料電池スタック２０ａ中心の燃料流路１８を通じて供給される水素ガスを、燃料極１２ａの全面に拡散させる。燃料流路板１３の外周には、シール部材１５が設けられて、水素ガスが大気中へ放出されるのを防止している。

酸化剤極１２ｂの全面に接触させて酸素流路板１４ｃが重ねられる。酸素流路板１４ｃは、開口部１９ｃから取り入れた大気中の酸素を、酸化剤極１２ｂの全面に拡散させる。また、電解質電極接合体１１で発生した水蒸気は、酸化剤極１２ｂを通じて酸素流路板１４ｃに流れ込み、開口部１９ｃのある側面側へ向かって拡散し、開口部１９ｃを通じて大気中へ排出される。

燃料流路板１３と酸素流路板１４とは、導電性の多孔質材料で形成される。第１実施形態では、多孔質ニッケル金属板を使用した。水素ガスが一方向に流れるだけの燃料流路板１３に比べて、酸素と水蒸気とを自然拡散に頼って双方向に移動させる酸素流路板１４は厚く設計されている。燃料流路板１３の厚さ０．５ｍｍに対して、酸素流路板１４の厚さは２ｍｍ以上ある。同じ理由で、燃料流路板１３の気孔率は約７０％、酸素流路板１４の気孔率は約９０％とした。

燃料流路１８を囲んでシール部材１６が配置されて、燃料流路１８の水素ガスが酸素流路板１４へ漏れ出すのを防止している。また、隣接する発電セル１９ｄの酸素流路板１４と燃料流路１８との間にはセパレータ板１７が配置されて、相互の気体移動を防止している。

セパレータ１７と電解質電極接合体１１とで積み重ね方向に仕切られた酸素流路板１４の側面（および酸化剤極１２ｂの側面）が発電セル１０ｃに酸素を取り入れて水蒸気を排出する開口部１９ｃとなっている。

燃料流路１８を通じて発電セル１０ｃの燃料流路板１３に流れ込む水素ガスは、燃料流路板１３を通じて燃料極１２ａの全面に拡散され、燃料極１２ａを通じて電解質電極接合体１１に供給される。電解質電極接合体１１の触媒層では、水素ガスが水素原子に分解され、水素イオンとなって高分子電解質膜に流れ込む。

一方、電解質電極接合体１１の反対側の面では、開口部１９ｃを通じて取り入れられた酸素が酸素流路板１４を通じて酸化剤極１２ｂの全面に拡散し、酸化剤極１２ｂを通じて電解質電極接合体１１に達する。電解質電極接合体１１の触媒層では、酸素が水素イオンと化合して水分子を生成する。

発電セル１０ｃから電流を取り出さない場合には、電解質電極接合体１１の両面に開回路電圧が発生して、水分子の生成が停止する。しかし、発電セル１０ｃから電流を取り出すと、電流値に応じた分子数の水分子が生成され続けるとともに、各種の分極が発生して起電力を押し下げる。分極電圧×電流は、熱となって発電セル１０ｃを加温する。加温された発電セル１０ｃは温度上昇して、酸素流路板１４内の水蒸気の分圧が高まり、酸素流路板１４の酸素分圧を低下させる。

このとき、積み重ね方向の中央に位置する発電セル１０ｃ、１０ｄは、放熱が悪い分、両端に位置する発電セル１０ａ、１０ｆに比べて温度が高めとなる。温度が高い発電セル１０ｃ、１０ｄは、温度の低い発電セル１０ａ、１０ｆに比べて酸素分圧が低い。

燃料電池スタック２０を発電させた時の、発電セル１０ａ〜１０ｆの温度分布を図３に示す。燃料電池スタック２０ａの中央に位置する発電セル１０ｃ、１０ｄの温度は、燃料電池スタック２０ａの両端に位置する発電セル１０ａ、１０ｆよりも高くなる。その温度は、発電セル１０ｃ、１０ｄでは７０℃近くに達し、発電セル１０ａ、１０ｆでは３０℃程度の場合がある。

そこで、燃料電池スタック２０では、図２に示すように、運転中の発電セル１０ａ〜１０ｆの温度に応じて酸素流路板１４ａ〜１４ｆの厚みを設定してある。すなわち、積み重ね方向の中央に位置する発電セル１０ｃ、１０ｄの酸素流路板１４ｃ、１４ｄは厚く、両端に位置する発電セル１０ａ、１０ｆの酸素流路板１４ａ、１４ｆは薄い。中間に挟まれた発電セル１０ｂ、１０ｅの酸素流路板１４ｂ、１４ｅは、中間的な厚さである。

また、積み重ね方向の中央に位置する発電セル１０ｃ、１０ｄの開口部１９ｃ、１９ｄは広く、両端に位置する発電セル１０ａ、１０ｆの開口部１９ａ、１９ｆは狭い。中間に挟まれた発電セル１０ｂ、１０ｅの開口部１９ｂ、１９ｅは、中間的な広さである。何故なら、ごく薄い酸化剤極１２ｂを無視すれば、酸素流路板１４ａ〜１４ｆの厚さがそのまま開口部１９ａ〜１９ｆの高さとなっているからである。

つまり、開口部１９ｃ、１９ｄが広くて酸素流路板１４ｃ、１４ｄが厚い発電セル１０ｃ、１０ｄでは、酸素流路板１４ｃ、１４ｄにおける大気との拡散性能が高い。開口部１９ａ、１９ｆが狭くて酸素流路板１４ａ、１４ｆが薄い発電セル１０ｃ、１０ｄでは、酸素流路板１４ａ、１４ｆにおける大気との拡散性能が低い。開口部１９ｂ、１９ｅが中間的で酸素流路板１４ｂ、１４ｅが中間的な発電セル１０ｂ、１０ｅでは、酸素流路板１４ｂ、１４ｅにおける大気との拡散性能も中間的である。

これにより、発電セル１０ａ、１０ｆに比べて温度が高い発電セル１０ｃ、１０ｄでも、酸素流路板１４ｃ、１４ｄにおける酸素の供給量が十分に確保されて、高い電流出力電流を維持した運転が可能となる。そして、図４に実線（ａ）として示すように、温度が高い発電セル１０ｃ、１０ｄでも、最大電流値が両端の発電セル１０ａ、１０ｆ並みに確保される結果、次に述べる比較例の燃料電池スタックの場合（ｂ）よりも高い電流値を確保できる。

第１実施形態の燃料電池スタック２０では、運転中に高温となることが予想される発電セルについて酸素流路板を厚くすることにより空気中酸素の取り入れを促進し、比較的低温と予想される発電セルでは酸素流路板を薄くした。従って、燃料電池スタック２０ａの放熱条件、発熱分布（燃料供給や高分子電解質の湿潤度にも影響される）の違いで燃料電池スタック２０ａの中央を外れた発電セルが高温になる場合には、その温度分布の予想に基づいて酸素流路板の厚みを設定すればよい。

また、酸素流路板内の酸素の拡散供給を容易にする方法は、酸素流路板の厚みのみならず、開口部の面積、酸素流路板の拡散抵抗、燃料電池スタック２０ａを収納する容器や機器側の収納スペースの設計によっても実現可能である。

＜比較例の燃料電池スタック＞
図５は比較例の燃料電池スタックにおける燃料電池スタックの構成を示す断面図である。図６は酸素流路板の厚さが同じ発電セルを異なる温度で発電させた際の電流電圧特性、図７は酸素流路内の酸素分圧と最大電流値（起電圧０．４Ｖにおける電流）との関係を示す線図である。比較例の燃料電池スタック２０ｅは、第１実施形態における中間の発電セル１０ｃと同一に形成された発電セル１０を単純に６段積み重ねたものである。従って、図２と共通する構成部材には共通の符号を付して詳細な説明を省略する。また、酸素流路板１４ｃ、開口部１９ｃは、全段共通なので、酸素流路板１４、開口部１９として示す。

燃料電池スタック２０ｅは、同一仕様の発電セル１０を６段積み重ねて構成され、酸素流路板１４の厚さと開口部１９の高さが全段共通である。燃料電池スタック２０ｅの全長Ｌは第１実施形態の燃料電池スタック２０ａ（図２）と同じである。

酸素流路板１４の厚さを揃えた比較例の燃料電池スタックにおいて、図３に示すような温度分布が発生した場合、発電セル１０間で最大電流値にバラツキが発生する。すなわち、燃料電池スタック２０ｅの中央に配置された温度の高い発電セル１０における最大電流値が、燃料電池スタック２０ｅの両端に配置された温度の低い発電セル１０よりも低くなる。

酸素流路板１４の厚さが同じ発電セル１０を異なる温度で発電させた際の電流電圧特性を図６に示す。図６中の数字は、発電時の温度である。このように温度が高いと最大電流値が低下する。これは、発電中に酸化剤極１２ｂで発生する水により、酸素流路板１４内の水分量が飽和水蒸気圧に達し、酸素流路板１４内の酸素分圧が低下するためであると考えられる。

各温度における飽和水蒸気圧から推測される酸素流路内の酸素分圧と測定される最大電流値（起電圧０．４Ｖにおける電流）との関係を図７に示す。図７に示すように、酸素分圧が低下すると、最大電流値は低下してしまう。言い換えれば、酸素流路板１４内の酸素分圧が低下すると、同じ電流値を得た際の起電力が低下してしまう。

比較例の燃料電池スタックは、エアブリージング型であって、大気中の酸素の酸素流路板１４を通じた自然拡散に頼って発電を行うので、酸素の供給機構が不要である。酸素の供給機構が無い分、小型に形成でき、部品点数や運転に伴う消費電力も少なくて済む。しかし、自然拡散に頼って酸素を供給するので、酸素流路板１４の厚さのみでなく、酸素流路板１４内の酸素分圧によっても、最大電流値が制限される。このため、より高温となる積み重ね方向の中央付近の発電セル１０では、酸素流路板１４内の水蒸気圧が燃料電池スタック２０ｅの両端の発電セルより上昇し、酸素分圧が低くなる。この結果、燃料電池スタック２０ｅの中段の発電セル１０の最大電流値は、燃料電池スタック２０ｅの両端の発電セル１０よりも低くなる。

このように燃料電池スタック２０ｅ内の発電セル１０間で最大電流値にばらつきが発生すると、燃料電池スタック２０ｅの出力電流は、最大電流値の小さな中段の発電セル１０に制限され、燃料電池スタックの出力密度を低下せしめる。

発電セル１０の酸素流路板１４の厚さがすべて同じ比較例の燃料電池スタック２０ｅにおける各発電セル１０の最大電流値を図４に破線（ｂ）で示す。発電中の温度が高くなる中段の発電セル１０では、温度実線（ａ）で示した第１実施形態の燃料電池スタック２０ｅの発電セル１０ｃ、１０ｄに比較して、最大電流値が３０％以上低下している。

従って、第１実施形態の燃料電池スタック２０は、比較例の燃料電池スタックに比較して、燃料電池スタック２０ａ内の発電セル１０ａ〜１０ｅにおける最大電流値のばらつきを減らし得る。従って、発電セル１０ａ〜１０ｅの持つ潜在的な発電能力を十分に引き出すことができ、５０％近い電流値の引き上げが実現される。

温度の高くなる中段の発電セル１０ｃ、１０ｄの酸素流路板１４ｃ、１４ｄを厚くすることによって、酸素分圧の低下に伴う最大電流の低下が低減される。一方、温度の比較的低い両端の発電セル１０ａ、１０ｆの酸素流路板１４を薄くすることによって、両端の発電セル１０ａ、１０ｆの最大電流値が低下されたためである。

第１実施形態の燃料電池スタック２０によれば、燃料電池スタック２０ａの全長が比較例と同じであるにも関わらず、燃料電池スタック２０ａの最大電流値（図４中Ａに相当）が比較例の燃料電池スタック２０ｅの最大電流値（図４中Ｂに相当）より大きい。従って、体積あたりの出力密度の高い燃料電池スタック２０が得られる。

第１実施形態の燃料電池スタック２０によれば、燃料電池スタック２０ａ内の発電セル１０ａ〜１０ｆ間での最大電流値のバラツキを抑制し、体積あたり出力密度の高いエアブリージング燃料電池スタックを提供可能である。従って、小型電気機器用の電源等に利用することができる。

＜発明の詳細な背景＞
燃料電池スタックは、体積あたりの供給可能なエネルギー量が従来の電池に比べて、数倍から十倍近くになる可能性があり、さらに燃料を充填することにより、携帯電話、ノートＰＣ等小型電気機器の長時間連続使用が可能となるため期待されている。

比較的大きな定置型発電機や自動車等移動体用の燃料電池スタックは、例えば冷却機構、加湿・水管理の機構、反応物の加圧機構などを組み合わせて構成される。一方小型電気機器用の燃料電池スタックにおいては、コストや体積の制約により、冷却・加湿・加圧などが不要な、より単純な構成で必要な出力を得る事が好ましい。

エアブリージング燃料電池は、酸化剤ガスとして空気中の酸素を拡散により供給し、流路に酸素を供給する機構を不要としたものである。特許文献１は、エアブリージング燃料電池に関するものである。

図８は特許文献１に示される発電セルの断面図、図９はエアブリージング燃料電池の発電セルの電流電圧特性の一例を示す線図、図１０はエアブリージング燃料電池の発電セルにおける酸素流路板の厚さと起電力の関係の線図である。

図８に示すように、発電セル１００は、電解質電極接合体１０１の対向する面にグラファイトクロスなどの多孔質な燃料極１０２ａと酸化剤極１０２ｂとを配置している。燃料極１０２ａには、燃料極１０２ａに燃料を供給する燃料流路板１０３が接しており、酸化剤極１０２ｂには、酸化剤極１０２ｂに酸素を供給する酸素流路板１０４が接している。燃料流路板１０３の外周にはシール部材１０５が設けられて、燃料が周囲に放出されるのを防止している。酸素流路板１０４の内周にはシール部材１０６が設けられて、内側を流れる燃料から大気を分離している。燃料流路板１０３、酸素流路板１０４は、多孔質な電子伝導性の材料が用いられる。

燃料は、シール部材１０６の内側を通って、燃料流路板１０３の内周より電解質電極接合体１０１の表面に沿って供給される。電解質電極接合体１０１の対向する面では、酸素流路板１０４の外周より酸素が拡散され供給される。発電セル１００は、不浸透性で電気伝導性のセパレータ板１０７を介して複数積層可能である。

このように拡散によって酸素を供給するため、反応を制限することになるが、同時に発電セル１００の過剰な温度上昇を抑制することが可能となる。さらに、酸素流路板１０４は水の外部への拡散を防止するため、電解質電極接合体１０１の高分子電解質膜の乾燥を防止することができる。このように、酸素を供給する加圧機構、冷却や加湿のための手段を省略可能なため、エアブリージング型の燃料電池は小型電気機器用の燃料電池スタックに適した構成とされている。

図９にエアブリージング型の発電セル１００の電流電圧特性の一例を示す。各曲線は酸素流路板１０４の厚さが異なるときの特性である。図中の数字は酸素流路板１０４の厚さである。このように、低電流域ではいずれの特性も同等であるが、図８に示すように、酸素流路板１０４が厚いほど最大電流が増大する。このため、酸素流路板１０４が厚いほど高い出力が得られる。

しかし、酸素流路板１０４を一律に厚くすると、すべての発電セル１００の体積が増大して、複数段を積み重ねた際の全長が著しく長くなって、酸素流路板１０４が厚いほど出力密度が高いとは限らない。このため、用途・構成に適した酸素流路板１０４の厚みが適宜選択される。

発電セル１００を積み重ねて燃料電池スタックを構成する場合、発電セル１００とセパレータ板１０７とを交互に複数積層して構成される。そのため、発電動作中の燃料電池スタック内の温度は、発電セル１００の積み重ね方向に温度分布を持つ（図３参照）。すなわち、燃料電池スタックの中央側で高温となり、両端でより低温となる。

エアブリージング型の燃料電池において、このような温度分布が発生した場合、発電セル間で最大電流値にバラツキが発生することがある。すなわち、中央側の温度の高い発電セル１００における最大電流値が、両端の温度の低い発電セル１００よりも低くなる。

このため、比較例の燃料電池で説明したように、燃料電池スタックの最大電流値が中央部の発電セル１００によって制限され、発電セル１００単体の出力特性から期待される出力密度よりも燃料電池スタックにおいて出力密度が低下してしまう。

第１実施形態の燃料電池スタック２０は、このような課題を鑑みてなされたものであって、その目的は、体積あたり出力密度の高いエアブリージング型の燃料電池スタックを提供することである。

＜発明との対応＞
燃料電池スタック２０は、電解質電極接合体１１の一方の面側に酸素流路板１４ａ〜１４ｆを配置した発電セル１０ａ〜１０ｆを複数段積み重ねている。酸素流路板１４ａ〜１４ｆは、側面側の少なくとも一部が大気に開放され、開放された前記側面側から電解質電極接合体１１側の面へ大気中の酸素を拡散させるとともに、前記面から前記開放された前記側面側へ水蒸気を拡散させる。そして、発電中の温度が他の発電セル１０ａ〜１０ｆよりも高くなる発電セル１０ｃ、１０ｄの酸素流路板１４ａ〜１４ｆが前記側面側で大気に開放される面積を、他の発電セル１０ａ、１０ｆの酸素流路板１４ａ、１４ｆが前記側面側で大気に開放される面積よりも大きくした。

燃料電池スタック２０では、温度上昇に伴って発電セル１０ｃ、１０ｄの最大電流値が低下する原因の１つである酸素供給の分極を軽減することによって、温度上昇した発電セル１０ｃ、１０ｄの最大電流値の低下を抑制する。すなわち、直列に接続された発電セル１０ａ〜１０ｆにおいて、発電セル１０ｃ、１０ｄが温度上昇すると、酸素流路板１４ｃ、１４ｄ内の水蒸気分圧が上昇し、その分酸素分圧が下がる。これにより、大気に開放された側面側から電解質電極接合体１１へ拡散する酸素量が減少して最大電流値が低下する。

そこで、中段の発電セル１０ｃ、１０ｄでは、両端の発電セル１０ａ、１０ｆよりも温度が高くなるので、酸素流路板１４ｃ、１４ｄが側面側で大気に開放される面積を割り増しして、温度が高くなっても酸素の供給に支障をきたさないようにしている。これにより、発電セル１０ｃ、１０ｄが単体で出力可能な電流範囲を十分に活用した大きな電流を取り出すことができる。

燃料電池スタック２０は、電解質電極接合体１１の一方の面側に酸素流路板１４ａ〜１４ｆを配置した発電セル１０ａ〜１０ｆを三段以上積み重ねている。酸素流路板１４ａ〜１４ｆは、側面側の少なくとも一部が大気に開放され、開放された前記側面側から電解質電極接合体１１側の面へ大気中の酸素を拡散させるとともに、前記面から前記開放された前記側面側へ水蒸気を拡散させる。そして、積み重ねた中段の発電セル１０ｃ、１０ｄの酸素流路板１４ｃ、１４ｄを、両端側の発電セル１０ａ、１０ｆの酸素流路板１４ａ、１４ｆよりも厚くした。

燃料電池スタック２０は、電解質電極接合体１１の一方の面側に酸素流路板１４ａ〜１４ｆを配置した発電セル１０ａ〜１０ｆを複数段積み重ねている。酸素流路板１４ａ〜１４ｆは、側面側の少なくとも一部が大気に開放され、開放された前記側面側から前記電解質電極接合体１１側の面へ大気中の酸素を拡散させるとともに、前記面から前記開放された前記側面側へ水蒸気を拡散させる。そして、運転中の水蒸気分圧が他の発電セル１０ａ、１０ｆよりも高くなる発電セル１０ｃ、１０ｄの酸素流路板１４ｃ、１４ｄにおける大気への拡散性能を、他の発電セル１０ａ、１０ｆの酸素流路板１４ａ、１４ｆにおける大気への拡散性能よりも高くした。

燃料電池スタック２０は、電解質電極接合体１１の他方の面側に配置され、水素ガスを拡散して電解質電極接合体１１に供給する燃料流路板１３と、隣接する酸素流路板１４ａ〜１４ｆと燃料流路板１３との間に配置されて気体の相互移動を妨げるセパレータ板１７とを発電セル１０ａ〜１０ｆが有する。そして、電解質電極接合体１１は、高分子電解質膜の両面に多孔性の触媒電極を形成した電解質電極接合体である。

燃料電池スタック２０は、発電セル１０ａ〜１０ｆは、平面形状を揃えて積み重ねられ、電解質電極接合体１１とセパレータ板１７とに挟まれた酸素流路板１４ａ〜１４ｆの側面が大気に開放されている。

第１実施形態の燃料電池スタックの外観図である。 燃料電池スタックの構成を示す断面図である。 発電セルの温度分布の線図である。 燃料電池スタックの出力電流の線図である。 比較例の燃料電池スタックにおける燃料電池スタックの構成を示す断面図である。 酸素流路板の厚さが同じ発電セルを異なる温度で発電させた際の電流電圧特性の線図である。 酸素流路内の酸素分圧と最大電流値との関係を示す線図である。 特許文献１に示される発電セルの断面図である。 エアブリージング燃料電池の発電セルの電流電圧特性の一例を示す線図である。 エアブリージング燃料電池の発電セルにおける酸素流路板の厚さと起電力の関係の線図である。

符号の説明

１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ 発電セル
１１ 電解質層（電解質電極接合体）
１２ａ 燃料極
１２ｂ 酸化剤極
１３ 燃料供給層（燃料流路板）
１４ 酸素供給層（酸素流路板）
１５、１６ シール部材
１７ 遮断層（セパレータ板）
１８ 燃料流路
１９ 開放された側面側（開口部）
２０ 燃料電池スタック
２０ａ 燃料電池スタック
２０ｂ 燃料タンク

Claims (7)

1. 電解質層の一方の面側に酸素供給層を配置した発電セルを複数段積み重ねた燃料電池スタックにおいて、
   前記酸素供給層は、通気性を有する材料を用いて形成されて、側面側の少なくとも一部が大気に開放され、開放された前記側面側から前記電解質層側の面へ大気中の酸素を自然拡散により拡散させるとともに、前記面から前記開放された前記側面側へ水蒸気を自然拡散により拡散させ、
   発電中の温度が他の前記発電セルよりも高くなる前記発電セルの前記酸素供給層が前記側面側で大気に開放される面積を、前記他の発電セルの前記酸素供給層が前記側面側で大気に開放される面積よりも大きくしたことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 電解質層の一方の面側に酸素供給層を配置した発電セルを三段以上積み重ねた燃料電池スタックにおいて、
   前記酸素供給層は、通気性を有する材料を用いて形成されて、側面側の少なくとも一部が大気に開放され、開放された前記側面側から前記電解質層側の面へ大気中の酸素を自然拡散により拡散させるとともに、前記面から前記開放された前記側面側へ水蒸気を自然拡散により拡散させ、
   積み重ねた中段の前記発電セルの前記酸素供給層を、両端側の前記発電セルの前記酸素供給層よりも厚くしたことを特徴とする燃料電池スタック。
3. 電解質層の一方の面側に酸素供給層を配置した発電セルを複数段積み重ねた燃料電池スタックにおいて、
   前記酸素供給層は、通気性を有する材料を用いて形成されて、側面側の少なくとも一部が大気に開放され、開放された前記側面側から前記電解質層側の面へ大気中の酸素を自然拡散により拡散させるとともに、前記面から前記開放された前記側面側へ水蒸気を自然拡散により拡散させ、
   運転中の水蒸気分圧が他の前記発電セルよりも高くなる前記発電セルの前記酸素供給層における大気との拡散性能を、前記他の発電セルの前記酸素供給層における大気との拡散性能よりも高くしたことを特徴とする燃料電池スタック。
4. 前記発電セルはセパレータと電解質電極接合体とを有し、
   前記酸素供給層は、前記電解質接合体の酸化剤極側の表面と前記セパレータとの間を隙間なく満たして配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
5. 複数段の前記発電セルが電気的に直列に接続され、通常運転時の出力状態で中央の前記発電セルの温度は両端の前記発電セルの温度よりも高いことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記電解質層の他方の面側に配置され、水素ガスを拡散して前記電解質層に供給する燃料供給層と、
   隣接する前記酸素供給層と前記燃料供給層との間に配置されて気体の相互移動を妨げる遮断層と、を前記発電セルが有し、
   前記電解質層は、高分子電解質膜の両面に多孔性の触媒電極を形成した電解質電極接合体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
7. 前記発電セルは、平面形状を揃えて積み重ねられ、
   前記電解質層と前記遮断層とに挟まれた前記酸素供給層の側面が大気に開放されていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池スタック。

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