JP5171047B2

JP5171047B2 - 燃料電池装置

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Description

本発明は、複数の発電セルに燃料ガスを分配供給する燃料電池装置、詳しくは発電セルの燃料拡散空間に堆積した不必要な気体、および、液体を発電セルから効率的に追い出す構造に関する。

燃料電池は、体積当たり重量当たりで取り出し可能な電力量が従来の二次電池に比較して格段に大きく、燃料を供給すれば電池本体は繰り返し使用できる。従って、据え置き型の発電設備に止まらず、デジタルカメラ、携帯電話、ノートパソコンと言った携帯用電子機器の電源として期待されている。

携帯用の電源としては、小型軽量なものが適しているため、高分子電解質膜を使用して大気中の酸素と水素ガスとを反応させるエアブリージング型の燃料電池装置が提案されている。エアブリージング型の燃料電池装置は、発電セルが、高分子電解質膜の両面に触媒層を配置し、燃料供給側の触媒層に重ねて燃料拡散層を配置し、酸素供給側の触媒層に重ねて酸素拡散層を配置している。そして、一般的には、発電セルに燃料ガスを常時フローさせて再循環させる再循環機構を持たない形態で設計される。つまり、燃料タンクや燃料改質装置から供給した水素ガスを密封された燃料拡散空間に送り込んで高分子電解質膜で消費し尽くす、いわゆるデッドエンド型である。

しかし、デッドエンド型の燃料供給を行うと、密封された燃料拡散空間に、水蒸気、窒素ガス、炭酸ガス等の不純物ガスが次第に増えてくる。そして、燃料拡散空間に滞留した不純物ガスは、水素ガスの分圧を低下させて、高分子電解質膜への水素供給の障害となる。

特許文献１には、デッドエンド型の燃料供給を行うエアブリージング型の燃料電池装置が示される。ここでは、積み重ねたセル積層体の中で最も燃料供給側から遠い発電セルに不純物ガスの吸収体を配置して、密封された水素ガス供給空間の不純物ガスを除去している。

特許文献２には、水素ガスをフローさせて再循環させる形式の燃料電池装置が示される。ここでは、水素ガスが発電セルの燃料空間をフローすることによって燃料空間から不純物ガスが追い出される。そして、燃料空間に残った不純物ガスは新たに供給された水素ガスで希釈されるので、燃料空間に不純物ガスが滞留／蓄積して濃度を高める心配が無い。

特許文献３には、高分子電解質膜として、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜を用いた発電セルを多数積み重ねて直列に接続した燃料電池装置が示される。ここでは、酸素拡散層の厚みを異ならせて、高分子電解質膜面への酸素供給のばらつきを減らしている。

米国特許ＵＳＰ６４２３４３７号公報特開平０３−２０５７６３号公報特開平０６−２６７５６４号公報

特許文献１に示される受動的な不純物ガスの除去方法では、密封された燃料空間の中に不純物ガスを蓄積するので、除去できる不純物ガスの総量が限定される。また、燃料電池に負荷を接続したまま燃料供給せずに放置した場合、燃料空間の水素ガスが消費し尽くされて燃料拡散層が完全に不純物ガスで満たされる可能性があるが、このような過剰な不純物ガスを完全に除去することも困難である。

特許文献２に示される能動的な不純物ガスの除去方法では、ひとまず発電セルでの滞留／蓄積は回避できるが、不純物ガスの除去設備を水素ガスの循環系に設けないと、循環系の不純物ガスを根本的に除去することはできない。また、水素ガスの循環系を設けること自体が、燃料電池装置の小型化、軽量化、低コスト化を妨げるので、携帯用電子機器の電源には不向きである。

そこで、発電セルを組み立てた際に水素供給系の大気を水素ガスに置換するためのパージ機構を用いて、必要となった時点で自動的または手動により、発電セルに滞留／蓄積した不純物ガスを追い出すことが提案された。しかし、工場とは異なって、家庭等では小容量の燃料タンクや低圧力の改質装置を利用する他なく、十分な水素ガスの圧力や流量を確保できない。従って、従来の高圧大量の水素ガスを前提としたパージ機構では、十分なパージ効果を達成できない。

本発明は、デッドエンド型の燃料電池において、水素を安定して供給すると共に、低い圧力の少量の水素ガスでも発電セルに滞留／蓄積した不純物ガスを効率的に追い出すことが可能な燃料電池装置を提供することを目的としている。また、同じ構成を用いて、複数の発電セルに対する燃料供給のばらつきを低減させたフロー型の燃料電池装置を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池装置は、供給口と、供給側主流路と、排出側主流路と、複数の支流路と、排出口とを少なくとも有し、前記供給側主流路が供給口と接続しており、前記複数の支流路がそれぞれ前記供給側主流路および前記排出側主流路と接続しており、前記複数の支流路がそれぞれ少なくとも一つの発電セルを有し、前記排出側主流路が排出口と接続し、前記供給側主流路を流れる燃料ガスの向きと前記排出側主流路を流れる前記燃料ガスの向きが反対方向であるものである。そして、前記複数の支流路が少なくとも第１の支流路と第２の支流路とを有し、すべての前記支流路について、前記供給口から前記供給側主流路と前記第１の支流路との合流点までの流路抵抗と、前記第１の支流路と前記供給側主流路との合流点から前記第１の支流路と前記排出側主流路との合流点までの流路抵抗とを合わせた流路抵抗の大きさが、前記供給口から前記第１の支流路とは異なる前記第２の支流路と前記供給側主流路の合流点までの流路抵抗と、前記第２の支流路と前記供給側主流路との合流点から前記第２の支流路と前記排出側主流路との合流点までの流路抵抗と、前記第２の支流路と前記排出側主流路との合流点から前記第１の支流路と前記排出側主流路との合流点までの流路抵抗とを合わせた流路抵抗の大きさよりも小さく、かつ、ｎ番目の支流路と前記供給側主流路との合流点から前記ｎ番目の支流路と前記排出側主流路との合流点までの流路抵抗をＲ _ｎ３とし、ｍ番目の支流路と前記供給側主流路との合流点から前記ｍ番目の支流路と前記排出側主流路との合流点までの流路抵抗をＲ _ｍ３とし、ｎ＜ｍとして、
Ｒ _ｎ３＞Ｒ _ｍ３である。

本発明の燃料電池装置では、前記第１の支流路の流路抵抗は、前記供給口から前記供給側主流路と前記第１の支流路との合流点までの流路抵抗と、前記第１の支流路と前記排出側主流路との合流点から前記排出口までの流路抵抗のいずれよりも大きいことが好ましい。

本発明の燃料電池装置では、前記燃料電池装置がＮ個の前記支流路を有し、前記供給口に近い側から数えて（ｋ−１）番目の支流路と前記供給側主流路との合流点からｋ番目の支流路と前記供給側主流路との合流点までの流路抵抗をＲ_ｋ１とし、ｎ番目の支流路と前記供給側主流路との合流点から前記ｎ番目の支流路と前記排出側主流路との合流点までの流路抵抗をＲ_ｎ３とし、２＜ｎ＜ｍ＜Ｎとするとき、

であることが好ましい。

本発明の燃料電池装置では、第１の支流路と排出側主流路との合流点において、供給口から前記第１の支流路と供給側主流路との合流点までの流路抵抗と、前記第１の支流路と前記供給側主流路との合流点から前記第1の支流路と前記排出側主流路との合流点までの流路抵抗を合わせた流路抵抗が、前記供給口から前記第１の支流路と前記排出側主流路との合流点まで第１の支流路以外の支流路を通った場合の流路抵抗よりも小さくなっている。

したがって、まず、デッドエンド状態での発電中には、供給側主流路における支流路の分岐点では、燃料ガスが別の支流路へ流れることなく、その支流路の発電セルへ流れ込む。また、排出側主流路との合流点では、他の支流路を通った燃料ガスのほうが流路抵抗による圧力低下が大きいので、その支流路へ逆流しにくい。

さらに、発電状態からパージ動作に移行した場合にも、排出側主流路を通じて複数の発電セル内の水素ガスを排出させた際に、すべての支流路について、供給側主流路との分岐点の圧力＞発電セル内の圧力＞排出側主流路との合流点の圧力の関係が成立する。なお、本発明において、通常運転時の圧力とは１．１〜２気圧（絶対圧）のことである。

よって、すべての発電セルで、滞留／蓄積した不純物ガスが、円滑かつ直線的、そして同時進行的に排出側主流路へ押し出される。限られた量の低い圧力の燃料ガスでも、複数の発電セルの一部で不純物ガスを多く残してしまうことなく、排出側主流路を通じて効率的に不純物ガスを排出させることができる。不純物ガスを均等に除去することにより、複数の発電セルで均等に水素ガス分圧を確保させて、均等な発電を行わせることができる。

すなわち、それぞれの発電セルで潜在的な発電能力を十分に発揮させて、ばらつき少なく高い発電効率を達成でき、燃料電池装置の全体としての発電性能が高められて安定化される。

以下、本発明の燃料電池装置の一実施形態である燃料電池装置について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の燃料電池装置は、以下に説明する燃料電池装置の具体的な構成には限定されない。供給側主流路から分岐して複数の発電セルへ燃料ガスを供給する限りにおいて、燃料電池装置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。

なお、本発明の燃料電池装置は、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電子機器に着脱可能に装備される独立したパッケージなどとして実施できる。また、電子機器に発電部だけを一体に組み込んで、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。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の燃料電池装置の構成を説明する斜視図、図２は水素ガスの流路の模式図、図３は不純物ガスの排出が十分でない場合の説明図、図４は支流路における水滴排出の説明図である。

図１に示すように、第１実施形態の燃料電池装置１０は、複数の発電セル９を積み重ねて直列に接続したセルスタック１０Ｓを備える。発電セル９は、燃料極集電体４と酸素極集電体８とに挟み込んで積み重ねられ、圧板１１、１６を用いて全体を積み重ね方向に拘束して組み立てられている。

発電セル９は、膜電極接合体６の一方の面に燃料拡散電極５、他方の面に酸素拡散電極７を接触させている。膜電極接合体６は、高分子電解質膜の両面に触媒層を配置して構成される。燃料拡散電極５に接する触媒層では、水素ガスが触媒反応によって水素原子に分解されてイオン化し、水素イオンが高分子電解質膜に供給される。

酸素拡散電極７に接する触媒層では、触媒反応によって酸素が、発電セル９の高分子電解質膜を透過した水素イオンに化合して水分子を生成する。

膜電極接合体６の高分子電解質膜は、燃料拡散電極５側から酸素拡散電極７側へ水素イオンを移動させる。

燃料拡散電極５は、燃料極集電体４に形成された支流路３に配置されている。支流路３の外周は密封されて水素ガスが周囲へ漏れ出さないようになっている。酸素拡散電極７は、酸素極集電体８に形成された凹所に格納され、側面の一部が酸素極集電体８の開口を通じて大気に解放されている。

各段の酸素極集電体８、発電セル９（膜電極接合体６）、燃料極集電体４と圧板１１とには、平面位置を合わせた供給側主流路１の貫通孔が形成されている。セルスタック１０Ｓを貫通する方向に形成された供給側主流路１の入り口（供給口）１２には、燃料タンク１７が減圧弁１４を介して接続される。供給側主流路１には、燃料タンク１７から取り出して減圧弁１４で大気圧より少し高い圧力に調圧された水素ガスが供給され、燃料極集電体４で各段の支流路３へ分岐して燃料拡散電極５に流れ込む。

圧板１６と各段の酸素極集電体８、発電セル９（膜電極接合体６）、燃料極集電体４とには、平面位置を合わせて排出側主流路２の貫通孔が形成されている。セルスタック１０Ｓを貫通する方向に形成された排出側主流路２の出口（排出口）１３には、通常は閉止され、必要に応じて開放されるパージ弁１５が接続されている。

発電中、供給側主流路１を通じて供給された水素ガスは、発電セル９において消費される。従って、パージ弁１５が閉じられた状態では、燃料拡散電極５の空間が最も圧力が低くなっている。

排出側主流路２は、燃料極集電体４で各段の支流路３を合流させて出口１３へ案内しており、パージ弁１５を開放すると、各段の燃料拡散電極５をパージした水素ガスがパージ弁１５を通じて外気へ排出される。

燃料拡散電極５は、通気性のある発泡金属板で形成される。燃料拡散電極５が、各段の支流路３の流路抵抗を高めているので、支流路３の流路抵抗は、貫通孔である供給側主流路１や排出側主流路２に比べて格段に大きい。

燃料拡散電極５を挟んだ反対側の平面位置に供給側主流路１と排出側主流路２とが配置される。供給側主流路１から支流路３へ流れ込んだ水素ガスは、燃料拡散電極５を一方の側面から反対側の側面へ向かって拡散して燃料拡散電極５を一方向にパージする。支流路３の流路抵抗が大きいので、流路抵抗の小さな供給側主流路１からは、格差の少ない圧力で各段の支流路３に水素ガスが分岐して、各段の燃料拡散電極５を同時進行的にパージする。流路抵抗が大きい各段の支流路３は、燃料拡散電極５をパージした水素ガスを、流路抵抗の小さな排出側主流路２へ格差の少ない圧力で合流させる。

なお、パージ弁１５を開放して燃料拡散電極５のパージを行う際には、燃料電池装置１０から負荷を切り離して電流出力を停止（または減少）させた状態で行うことが望ましい。電流出力に相当する水素ガスが膜電極接合体６を通じて酸素拡散電極７側へ移動する結果、不純物ガスのパージに寄与して排出側主流路２へ合流する水素ガスが減ってしまうからである。ただし、より制御を簡便にするため、発電しながら、パージを行うことも可能である。

図２に示すように、燃料電池装置１０のセルスタック１０Ｓへ入り口１２から供給された水素ガスは、供給側主流路１から各段の支流路３（合計Ｎ本）へ分岐して、各段の発電セル９へ供給される。支流路３は、発電セル９の下流にて再び排出側主流路２へ合流して出口１３へ導かれる。

ここで、支流路３を入り口１２に近い側から１、２、３、・・・、Ｎと番号付けする。供給側主流路１における（ｎ−１）番目の支流路３への分岐点からｎ番目の支流路３への分岐点までの流路抵抗をＲ_ｎ１とする。また、排出側主流路２における（ｎ−１）番目の支流路への分岐点からｎ番目の支流路３への分岐点までの流路抵抗をＲ_ｎ２とし、ｎ番目の支流路の流路抵抗をＲ_ｎ３とする。ただし、Ｒ_１１＝０、Ｒ_１２＝０とする。

本実施形態の燃料電池は、すべての支流路について、供給口１２から供給側主流路１と第１の支流路３ａとの合流点までの流路抵抗と、前記第１の支流路３ａと前記供給側主流路１との合流点から前記第１の支流路３ａと排出側主流路２との合流点までの流路抵抗とを合わせた流路抵抗の大きさが、前記供給口１２から前記第１の支流路３ａとは異なる前記第２の支流路３ｂと前記供給側主流路１の合流点までの流路抵抗と、前記第２の支流路３ｂと前記供給側主流路１との合流点から前記第２の支流路３ｂと前記排出側主流路２との合流点までの流路抵抗と、前記第２の支流路３ｂと前記排出側主流路２との合流点から前記第１の支流路３ａと前記排出側主流路２との合流点までの流路抵抗とを合わせた流路抵抗の大きさよりも小さい。なお、第１の支流路３ａと第２の支流路３ｂは、同一でなければ、燃料電池が有する支流路のいずれであっても良い。このとき、流路抵抗Ｒ_ｎは、

と表される。なお、Ｒ_ｋ１は、供給側主流路における（ｋ−１）番目の支流路への分岐点からｋ番目の支流路への分岐点までの流路抵抗を示し、Ｒ_ｎ３は、前述したように、ｎ番目の支流路の流路抵抗を示す。

通常、発電中、燃料拡散電極５への水素供給は供給側主流路１から支流路３へと行われるのが好ましい。しかし、供給側主流路１に比べて、排出側主流路２の流路抵抗が極端に小さいと、他の支流路および排出側主流路を通った水素が燃料拡散電極５に供給される割合が多くなる。他の発電セル９を通った水素ガスは、発電に伴う不純物を多く含んでいる場合も多く、発電にばらつきが生じる原因となる。

もし、このように流路設計を行わずに、その支流路３を通るよりも小さな流路抵抗Ｒ_ｎの別の支流路３が存在する場合には、発電中、あるいは、発電を行いながら、パージをする場合で、パージ流量が発電により消費される水素量に比べて少ないと、図３に示すように、別の発電セル９を通過した水素ガスが排出側主流路２との合流点側から回りこんで燃料拡散電極５に供給される割合が多くなる。

また、発電を停止してパージを行う場合にも、発電中に発生した逆の流れに逆らう形でパージを行わなければならない。このような状態は、水素ガスの循環が不安定になり、好ましくない。ただし、極端に流路抵抗Ｒ_ｎを他の経路に比べて小さくすると、流れに偏りが生じてしまうため、Ｒ_ｎを小さくしすぎないことも重要である。

流路抵抗Ｒ_ｎの設計の方法には、支流路３の幅や長さ、供給側主流路１の断面形状の設計の他、支流路３（特に排出側主流路３側）に絞り構造を挿入することにより可能である。また、多孔質部材などの抵抗物を挿入したりする方法もある。また、支流路３の表面粗さを変えたり、濡れ性を変えたりすることも有効である。

第１実施形態の燃料電池装置１０では、それぞれの支流路３において、入り口１２から支流路３の入り口（分岐点）までの流路抵抗と支流路３の流路抵抗Ｒ_ｎ３との和が、他のあらゆる支流路３における供給側主流路１との分岐点から入り口１２までの流路抵抗よりも大きくなるように流路を設計してある。すなわち、支流路の総数をＮとして、２＜ｎ＜ｍ＜Ｎとするとき、以下のように設計してある。

なお、前述したように、Ｒ_ｋ１は、供給側主流路における（ｋ−１）番目の支流路への分岐点からｋ番目の支流路への分岐点までの流路抵抗を示す。また、Ｒ_ｎ３は、ｎ番目の支流路の流路抵抗を示す。

この様に流路抵抗を設定することで、入り口１２から供給側主流路１と支流路３の分岐点までの距離が発電セルによって異なる場合でも、格差の少ない圧力で各支流路に水素ガスを分岐供給することができる。これにより、発電性能のばらつきを低減するとともに、パージ時のガスの流れの偏りを緩和することができる。

また、特定の支流路３で供給側主流路１との分岐点から入り口１２までの流路抵抗が、別の支流路３を通じた入り口１２から排出側主流路２との合流点までの流路抵抗よりも小さいと、その特定の支流路３への水素ガスの流入が妨げられて、別の支流路３を通じた水素ガスがその特定の支流路３の合流点側から流れ込む可能性がある。つまり、特定の支流路３では、図３のように水素ガスが逆流する可能性がある。

このような２つの設計を組み合わせることにより、水素ガスの整流構造はさらに効果的になり、逆流が無く、また、各発電セル９に均一に水素ガスを供給できる。

第１実施形態の燃料電池装置１０では、いずれの支流路３においても、その流路抵抗Ｒ_ｎ３は、供給側主流路１の流路抵抗よりも、また、排出側主流路２の流路抵抗よりも十分に大きい。入り口１２から支流路３との分岐点までの供給側主流路１の流路抵抗と、出口１３から支流路３との合流点までの排出側主流路２の流路抵抗のいずれよりも大きくなるように、支流路３の流路抵抗Ｒ_ｎ３を設計してある。すなわち、支流路の総数をＮとして、２＜ｎ＜ｍ＜Ｎとするとき、以下のように設計してある。

なお、Ｒ_ｋ１およびＲ_ｎ３に関しては、前述した通りであり、Ｒ_ｋ２は、排出側主流路における（ｋ−１）番目の支流路への分岐点からｋ番目の支流路への分岐点までの流路抵抗を示す。

これにより、図４に示すように、フラッディングなどにより、支流路３に水滴が生じた際に、水滴の前後で出口側の圧力が低くなるような差圧が生じやすくなり、この差圧を駆動力とすることで、水滴を排出側主流路２へ効率よく排出できる。

また、発電中においては、燃料拡散電極５よりも下流側では、発電セル９内で水素ガスが消費されているため、燃料拡散電極５よりも上流側よりも水素ガスの流量が少ない。そのため、流路抵抗を、水素ガスの消費量を加味して、さらに排出側主流路２の流路抵抗を大きく見積もることが好ましい。

第１実施形態の燃料電池装置１０では、入り口１２から通常と同じ条件で（図１の燃料タンク１７から）水素ガスを供給した際に、発電セル９内の圧力がそれぞれの合流点の圧力より高くなるように、入り口１２から合流点までのそれぞれの支流路３を通じた流路抵抗が設定されている。言い換えれば、低い圧力の少量の水素ガス供給でも、すべての支流路３において、供給側主流路１の圧力＞発電セル９の入り口側の圧力＞発電セル９の出口側の圧力＞合流点の手前位置の圧力＞排出側主流路２の圧力の関係が成立する。これにより、すべての発電セル９で、滞留／蓄積した不純物ガスが、円滑かつ直線的、そして同時進行的に排出側主流路２へ押し出される。

第１実施形態は、水素ガスの再循環機構を持たないいわゆるデッドエンド型の燃料電池装置であって、発電セル９で滞留／蓄積した不純物ガスを除去する際にパージ弁１５が開放される。

従って、通常の発電状態では、パージ弁１５が閉じられており、発電部分である膜電極接合体９に接する燃料拡散電極５の空間が最も圧力が低くなる。そして、各段の発電セル９で最も低い圧力となった発電セル９には、他の発電セル９から排出側主流路２を通じて合流点側から水素ガスが逆流する可能性がある。しかし、上記のように最適化された流路抵抗の設計によって、発電セル９間の圧力差は、専ら供給側主流路１を通じた水素ガスの移動によって埋め合わせられることとなり、合流点側からの逆流は効果的に低減される。

また、パージ動作に関しては、パージのための出口１３を流路出口として考えれば良く、上記のような流路抵抗の設計によって、パージをより効率よく、また、不純物ガスや水滴が流路内の一部に溜まってしまうのを防ぐことができる。

特に、発電セル９下流側の支流路３に絞り構造を組み込むことで、排出側主流路２を通じて合流点側から水素ガスが逆流する現象を効果的に防止できる。このため、パージ時の供給水素圧力が外気に比べてそれほど高くない場合でも、パージの際に外気が逆拡散により混入することも効果的に防止できる。

尚、デッドエンドではなく、水素を微量にフローさせた状態での発電においても、本実施形態の流路構成の条件が適用可能である。

＜第２実施形態＞
図５は第２実施形態の燃料電池装置における水素ガスの流路の模式図、図６は不純物ガスの排出が十分でない場合の説明図である。第２実施形態の燃料電池装置２０は第１実施形態における出口１３を入り口１２と同じ側（下方）に変更した以外は、第１実施形態と同様に構成されている。従って、図１、図２と共通な構成には共通の符号を付して詳細な説明は省略する。

第２実施形態の燃料電池装置２０は、図１に示す圧板１１に排出側主流路２の貫通孔を形成して図５に示す出口１３Ａとし、圧板１１の排出側主流路２（出口１３Ａ）にパージ弁１５を接続してある。これにより、圧板１６から上方へ突出する構造が無くなって、燃料電池装置２０の小型化に有利となる。

図６に示すように、セルスタック２０Ｓに対する水素ガスの入り口１２とパージのための出口１３Ａとは、燃料電池装置２０の同一の側に配置されている。これにより、供給側主流路１における水素ガスの流れ方向と、排出側主流路２における水素ガスの流れ方向とは反対方向である。

第２実施形態の燃料電池装置２０でも、第１実施形態と同様に、供給側主流路１と排出側主流路２と各段の支流路３との流路抵抗が次のように設計されている。
（１）それぞれの支流路３において、入り口１２から排出側主流路２との合流点までの流路抵抗Ｒ_ｎがその支流路３を通った場合に最も小さい。
（２）それぞれの支流路３において、入り口１２から支流路３の入り口（分岐点）までの流路抵抗と支流路３の流路抵抗Ｒ_ｎ３との和が、他のあらゆる支流路３における供給側主流路１との分岐点から入り口１２までの流路抵抗よりも大きい。
（３）それぞれの支流路３において、支流路３の流路抵抗Ｒ_ｎ３は、入り口１２から支流路３への分岐点までの供給側主流路１の流路抵抗と、出口１３Ａから支流路３の合流点までの排出側主流路２の流路抵抗のいずれよりも十分に大きい。
（４）燃料タンク１７から水素ガスを供給してパージ弁１５を開放した際に、すべての発電セル９内の圧力がそれぞれの支流路３の合流点の圧力より高くなるように、支流路３を通じた入り口１２から出口１３Ａまでの流路抵抗を定めた。

出口１３Ａを図５に示すようにセルスタック２０Ｓに対して入り口１２の対角にない位置に配置した場合、図６に示すように、入り口１２近くの発電セル９を中心に水素ガスが供給される。その結果、入り口１２から遠い発電セル９には、水素ガスが供給されにくくなって、図６に示すように不均一に発電セル９がパージされる可能性が高まる。

そこで、入り口１２に近い支流路ほど、流路抵抗を大きくすることで、不均一を緩和することができる。すなわち、Ｒ_ｎ３＞Ｒ_ｍ３（ｎ＜ｍ）となるようにする。特に、Ｒ_ｎ３＋Ｒ_ｎ１＋Ｒ_ｎ２がＲ_{（ｎ−１）３}とほぼ等しくなるようにすると、より均一にすることができる。

さらに、（１）〜（４）の設計を行うことで、デッドエンド発電時に排出側主流路２を通じて合流点側から水素ガスが逆流する現象を効果的に低減でき、また、発電セル９に均等な水素ガス流量を確保して均等なパージを行うことができる。

＜第３実施形態＞
図７は第３実施形態の燃料電池装置の構成を説明する斜視図、図８は水素ガスの流路の模式図、図９は不純物ガスの排出が十分でない場合の説明図である。第３実施形態の燃料電池装置３０は、本発明の構造を平面配列型燃料電池に適用している。

図７に示すように、平面的に配列された複数の発電セル２９は、共通の燃料極集電体２４と酸素極集電体２８とによって並列に接続されて並列に電力を取り出される。発電セル２９は、膜電極接合体２６の一方の面に燃料拡散電極２５、他方の面に酸素拡散電極２７を接触させている。膜電極接合体２６は、高分子電解質膜の両面に触媒層を配置して構成される。

燃料拡散電極２５、酸素拡散電極２７は、それぞれ燃料極スペーサ３７、酸素極スペーサ３８の独立した開口に収められている。燃料極スペーサ３７、酸素極スペーサ３８は、発電セル２９とともに、燃料極集電体２４と酸素極集電体２８との間隔に挟み込んで組み立てられる。

燃料極集電体２４、酸素極集電体２８は、導電性の多孔性材料を発電セル２９ごとに独立して配置しており、隣接する発電セル２９間で水素ガス、酸素がそれぞれ拡散しないようにしてある。発電セル２９への水素ガスの供給は、燃料極集電体２４の下面に配置された流路基板３６を通じて行われる。燃料極集電体２４および燃料極スペーサ３７の仕切り枠と、膜電極接合体２６と、流路基板３６とで囲まれた空間は、燃料拡散電極２５を収納して外気から密封された燃料空間となっている。

酸素拡散電極２７は、酸素極スペーサ３８の仕切り枠に格納されて酸素極集電体２８を通じて表面が大気に解放されている。第３実施形態の燃料電池装置は、発電セル２９を平面的に配列しているので、第１実施形態の積み重ねた形式に比較して、酸素の取り入れ面積、水蒸気の排出面積を広く確保できる。

流路基板３６には、それぞれ２つずつの発電セル２９へ水素ガスを導く複数の支流路２３が形成されている。燃料極集電体２４に接する部分の支流路２３は、浅く形成して流路抵抗を高め、水素ガスが燃料極集電体２４へ拡散することなく素通りしないようにしてある。

流路基板３６上で、複数の支流路２３は、供給側主流路２１と排出側主流路２２とに両端を接続されている。第１実施形態と同様に、供給側主流路２１の入り口３２は、減圧弁１４を介して燃料タンク１７に接続され、排出側主流路２２の出口３３はパージ弁１５に接続される。

供給側主流路２１には、燃料タンク１７から取り出して減圧弁１４で大気圧より少しだけ高い圧力に調圧された水素ガスが供給され、支流路３へ分岐して燃料極集電体２４から燃料拡散電極２５へ流れ込む。

燃料拡散電極２５に接する膜電極接合体２６の触媒層では、水素ガスが触媒反応によって水素原子に分解されてイオン化し、水素イオンが高分子電解質膜に供給される。酸素拡散電極２７に接する膜電極接合体２６の触媒層では、触媒反応によって酸素が高分子電解質膜から拾い上げた水素イオンに化合して水分子を生成する。膜電極接合体２６の高分子電解質膜は、燃料拡散電極２５側から酸素拡散電極２７側へ水素イオンを移動させる。発電中、供給された水素は、発電セル２９において消費される。従って、パージ弁１５が閉じられた状態では、燃料拡散電極２５の空間が最も圧力が低くなっている。

パージ弁１５は、通常は閉止され、必要に応じて開放される。排出側主流路２２は、複数の支流路２３を合流させて出口３３へ案内しており、パージ弁１５を開放すると、燃料拡散電極２５をパージした水素ガスがパージ弁１５を通じて外気へ排出される。

図８に示すように、燃料電池装置３０へ入り口３２から供給された水素ガスは、供給側主流路２１を通り、発電セル２９へ支流路２３に分岐しながら供給される。発電セル２９からの支流路２３は排出側主流路２２で再び合流し、排出側主流路２２を通って、出口３３へと導かれる。

ここで、支流路２３を入り口３２に近い側から１、２、３、・・・、Ｎと番号付けする。そして、供給側主流路２１における（ｎ−１）番目の支流路２３への分岐からｎ番目の支流路２３への分岐までの流路抵抗をＲ_ｎ１とする。また、排出側主流路２２における（ｎ−１）番目の支流路２３への分岐からｎ番目の支流路２３への分岐までの流路抵抗をＲ_ｎ２とし、ｎ番目の支流路の流路抵抗をＲ_ｎ３とする。ただし、Ｒ_１１＝０、Ｒ_１２＝０とする。

第３実施形態の燃料電池装置３０では、それぞれの支流路２３において、入り口３２から前記供給側主流路２１と第１の支流路２３ａとの合流点までの流路抵抗と、前記第１の支流路２３ａと前記供給側主流路２１との合流点から前記第１の支流路２３ａと前記排出側主流路２２との合流点までの流路抵抗とを合わせた流路抵抗の大きさが、前記入り口３２から前記第１の支流路２３ａとは異なる前記第２の支流路２３ｂと前記供給側主流路２１の合流点までの流路抵抗と、前記第２の支流路２３ｂと前記供給側主流路２１との合流点から前記第２の支流路２３ｂと前記排出側主流路２２との合流点までの流路抵抗と、前記第２の支流路２３ｂと前記排出側主流路２２との合流点から前記第１の支流路２３ａと前記排出側主流路２２との合流点までの流路抵抗とを合わせた流路抵抗の大きさよりも小さい。なお、第１の支流路２３ａと第２の支流路２３ｂは、同一でなければ、燃料電池が有する支流路のいずれであっても良い。このとき、流路抵抗Ｒ_ｎは、

と表される。なお、前述したように、Ｒ_ｋ１は、供給側主流路における（ｋ−１）番目の支流路への分岐点からｋ番目の支流路への分岐点までの流路抵抗を示し、Ｒ_ｎ３は、ｎ番目の支流路の流路抵抗を示す。

通常、発電中、燃料拡散電極２５への水素供給は供給側主流路２１から支流路２3へと行われるのが好ましいが、供給側主流路２１に比べて、排出側主流路２２の流路抵抗が極端に小さいと、他の支流路を迂回して、排出側主流路を通じて水素が供給される割合が多くなる。他の発電セル２９を迂回した水素ガスは、発電に伴う不純物を多く含んでいる場合も多く、発電にばらつきが生じる原因となる。

もし、このように流路設計を行わずに、その支流路２３を通るよりも小さな流路抵抗Ｒ_ｎの別の支流路２３が存在する場合には、発電中、あるいは、発電を行いながら、パージをする場合で、パージ流量が発電により消費される水素量に比べて少ないと、図９に示すように、別の支流路２３を迂回した水素ガスが排出側主流路２２との合流点側から回りこんで燃料拡散電極２５に供給される割合が多くなる。

また、パージを発電を停止して行う場合にも、発電中に発生した逆の流れに逆らう形でパージを行わなければならない。このような状態は、水素ガスの循環が不安定になり、好ましくない。ただし、極端に流路抵抗Ｒ_ｎを他の経路に比べて小さくすると、流れに偏りが生じてしまうため、Ｒ_ｎを小さくしすぎないことも重要である。

流路抵抗Ｒ_ｎ３の設計の方法には、支流路２３の幅や長さ、供給側主流路２１の断面形状の設計の他、支流路２３（特に排出側主流路２２側）に絞り構造を挿入することにより可能である。また、多孔質部材などの抵抗物を挿入したりする方法もある。また、支流路２３の表面粗さを変えたり、濡れ性を変えたりすることも有効である。

第３実施形態の燃料電池装置３０では、それぞれの支流路２３において、入り口３２から支流路２３の分岐点までの流路抵抗と支流路２３の流路抵抗Ｒ_ｎ３との和が、他のあらゆる支流路２３における供給側主流路２１との分岐点から入り口３２までの流路抵抗よりも大きくなるように流路を設計してある。すなわち、支流路の総数をＮとして、２＜ｎ＜ｍ＜Ｎとするとき、以下のように設計してある。

この様に流路抵抗を設定することで、入り口１２から供給側主流路２１と支流路２３の分岐点までの距離が発電セルによって異なる場合でも、格差の少ない圧力で各支流路に水素ガスを分岐供給することができる。これにより、発電性能のばらつきを低減するとともに、パージ時のガスの流れの偏りを緩和することができる。

また、特定の支流路２３で供給側主流路２１との分岐点から入り口３２までの流路抵抗が、別の支流路２３を通じた入り口３２から排出側主流路２２との合流点までの流路抵抗よりも小さいと、その特定の支流路２３への水素ガスの流入が妨げられて、別の支流路２３を通じた水素ガスがその特定の支流路２３の合流点側から流れ込む可能性がある。つまり、特定の支流路２３では、図９のように水素ガスが逆流する可能性がある。

このような２つの設計を組み合わせることにより、水素ガスの整流構造はさらに効果的になり、逆流が無く、また、複数の発電セル２９に均一に水素ガスを供給できる。

第３実施形態の燃料電池装置３０では、いずれの支流路２３においても、その流路抵抗Ｒ_ｎ３は、供給側主流路２１の流路抵抗よりも、また、排出側主流路２２の流路抵抗よりも十分に大きい。入り口３２から支流路２３との分岐点までの供給側主流路２１の流路抵抗と、出口３３から支流路２３との合流点までの排出側主流路２２の流路抵抗のいずれよりも大きくなるように、支流路３の流路抵抗Ｒ_ｎ３を設計してある。すなわち、支流路の総数をＮとして、２＜ｎ＜ｍ＜Ｎとするとき、以下のように設計してある。

これにより、図４に示すように、フラッディングなどにより、支流路２３に水滴が生じた際に、水滴の前後で出口側の圧力が低くなるような差圧が生じやすくなり、この差圧を駆動力とすることで、水滴を排出側主流路２２へ効率よく排出できる。

また、発電中においては、支流路２３が排出側主流路２２に合流する手前の部分では、発電セル２９内で水素ガスが消費されているため、燃料拡散電極２５の上流側に位置する部分よりも水素ガスの流量が少ない。そのため、流路抵抗を、水素ガスの消費量を加味して、さらに排出側主流路２２の流路抵抗を大きく見積もることが好ましい。

第３実施形態の燃料電池装置３０では、燃料タンク１７から水素ガスを供給した際に、発電セル２９内の圧力がそれぞれの合流点の圧力より高くなるように、入り口３２から合流点までのそれぞれの支流路２３を通じた流路抵抗が設定されている。これにより、すべての発電セル２９で、滞留／蓄積した不純物ガスが、円滑かつ直線的、そして同時進行的に排出側主流路２２へ押し出される。

第３実施形態の燃料電池装置３０は、通常はパージ弁１５を閉じて燃料タンク１７から水素ガスを供給するデッドエンド型の燃料電池である。従って、発電時には、発電部分、すなわち、燃料極拡散電極２５が最も負圧になり、供給側主流路２１側と、および排出側主流路２２側との両方向から支流路２３に水素ガスが流入する可能性がある。

しかし、上記のような流路抵抗の設計によって、専ら供給側主流路２１側から発電セル２９に水素ガスを取り込むことができ、排出側主流路２２側からの逆流を低減することができる。また、パージ動作に関しては、パージのための出口３３を流路出口として考えれば良く、上記の流路抵抗の設計によって、パージをより効率よく、また、不純物ガスや水滴が流路内の一部に溜まってしまうのを防ぐことができる。特に、支流路２３の排出側主流路２２との合流点付近に絞り構造を組み込むことで、パージ時の供給水素圧力が外気に比べてそれほど高くない場合でも、パージの際に外気が逆拡散により発電セル２９へ混入するのを防ぐことができる。

＜第４実施形態＞
図１０は第４実施形態の燃料電池装置における水素ガスの流路の模式図、図１１は不純物ガスの排出が十分でない場合の説明図である。第４実施形態の燃料電池装置４０は第３実施形態における出口３３を入り口３２と同じ側に変更した以外は、第３実施形態と同様に構成されている。従って、図７、図８と共通な構成には共通の符号を付して詳細な説明は省略する。

第４実施形態の燃料電池装置４０は、図１０に示すように、排出側主流路２２の出口３３Ａを入り口３２と同じ側に設けて、図７に示すようにパージ弁１５を接続してある。これにより、パージ弁１５を開放した際の供給側主流路２１における水素ガスの流れ方向と、排出側主流路２２における水素ガスの流れ方向とは逆である。

第４実施形態の燃料電池装置４０でも、第３実施形態と同様に、供給側主流路２１と排出側主流路２２と各段の支流路２３との流路抵抗が次のように設計されている。
（１）それぞれの支流路２３において、入り口３２から排出側主流路２２との合流点までの流路抵抗Ｒ_ｎがその支流路２３を通った場合に最も小さい。
（２）それぞれの支流路２３において、入り口３２から支流路２３の分岐点までの流路抵抗と支流路２３の流路抵抗Ｒ_ｎ３との和が、他のあらゆる支流路２３における供給側主流路２１との分岐点から入り口３２までの流路抵抗よりも大きい。
（３）それぞれの支流路２３において、支流路２３の流路抵抗Ｒ_ｎ３は、入り口３２から支流路２３への分岐点までの供給側主流路２１の流路抵抗と、出口３３Ａから支流路２３の合流点までの排出側主流路２２の流路抵抗のいずれよりも十分に大きい。
（４）燃料タンク１７から水素ガスを供給してパージ弁１５を開放した際に、すべての発電セル２９内の圧力がそれぞれの支流路２３の合流点の圧力より高くなるように、支流路２３を通じた入り口３２から出口３３Ａまでの流路抵抗を定めた。

図１０に示すように、出口３３Ａを入り口３２の対角にない位置に配置した場合、図１１に示すように、入り口３２近くの発電セル２９を中心に水素ガスが供給される。その結果、入り口３２から遠い発電セル２９には、水素ガスが供給されにくくなって、図１１に示すように、不均一に発電セル９がパージされる可能性が高まる。

そこで、入り口３２に近い支流路ほど、流路抵抗を大きくすることで、不均一を緩和することができる。すなわち、Ｒ_ｎ３＞Ｒ_ｍ３（ｎ＜ｍ）となるようにする。特に、Ｒ_ｎ３＋Ｒ_ｎ１＋Ｒ_ｎ２がＲ_{（ｎ−１）３}とほぼ等しくなるようにすると、より均一にすることができる。

さらに、（１）〜（４）の設計を行うことで、デッドエンド発電時に排出側主流路２２を通じて合流点側から水素ガスが逆流する現象を効果的に低減でき、また、発電セル２９に均等な水素ガス流量を確保して均等なパージを行うことができる。

＜第５実施形態＞
第１実施形態〜第４実施形態の燃料電池装置は、いずれも発電中に出口から水素ガスが流れ出さないデッドエンド型の燃料電池装置である。そして、入り口から水素ガスを供給して出口から水素ガスを流れ出させた際に、排出側主流路からの逆流を避けて並列な支流路の発電セルに均等に水素ガスを供給して均等に排出させるものである。

従って、第１実施形態〜第４実施形態の燃料電池装置は、出口から水素ガスを常時流れ出させて発電を行うフロー型としても、そのまま利用できる。この場合、パージ弁１５は取り除かれて、排出された水素ガスを利用する管路が接続される。

つまり、本発明は、デッドエンド型の燃料供給を行う燃料電池装置のみならず、フロー型の燃料供給を行う燃料電池装置にも利用可能であって、発電セルへの燃料ガスの供給に関して同様な効果を奏する。

フロー型としての１つの形態は、燃料電池装置の出口からオーバーフローさせた水素ガスを入り口へ還流させて燃料電池装置に再循環させる発電システムである。この場合、出口から入り口へ水素ガスを導く再循環経路には、水素ガスを循環（加圧）させるポンプ、排出された水素ガスから不純物ガスを除去する不純物ガス除去装置、消費された分の水素ガスを補充する水素ガス供給装置が配置される。

フロー型としての別の形態は、第１実施形態〜第４実施形態の燃料電池装置の出口にデッドエンド型としての第１実施形態〜第４実施形態の燃料電池装置を接続する発電システムである。すなわち、パージ弁１５を持たない第１実施形態〜第４実施形態の燃料電池装置を水素ガスの供給に関して２段以上直列に接続して、パージ弁１５を取り付けた最終段の燃料電池装置をデッドエンド型として運転させる。

さらに、本発明は、エアブリージング型の燃料電池装置の燃料供給系のみならず、密封された酸素供給空間に酸素を供給する燃料電池装置にも応用可能である。酸素供給に係る供給側主流路と排出側主流路を形成して、供給側主流路と排出側主流路とを連絡する複数の並列な支流路に発電セルを１つ以上配置する酸素供給系として応用すれば、発電セルへの酸素の供給に関して同様な効果を奏する。

＜実施例１＞
本発明の第１実施形態をより具体化した実施例を説明する。本実施例の燃料電池装置の概要を図１に示す。本実施例において、供給側主流路１の直径は４ｍｍ、排出側主流路２の直径は３ｍｍとなっている。また、発電セル９の触媒部分のサイズは１０ｍｍ×３０ｍｍで、これに接する支流路３のサイズは、１０ｍｍ×３０ｍｍ、深さ０．３ｍｍとなっている。また、燃料極集電体４の厚さは１ｍｍであり、酸素極集電体８の厚さは２ｍｍで、単位発電セルあたりの厚さは、合計３ｍｍとなっている。本燃料電池は、１０層の発電セル９を有しているため、供給側主流路１、および、排出側主流路２の厚さは、約３０ｍｍとなっている。

流路中の流れが層流である場合、流路抵抗は、管路の長さに比例し、断面積に反比例する。従って、抵抗係数ａを（管路長さ）÷（管路断面積）と定義すると、流路抵抗Ｒ=ａ×Ｃ（ただし、Ｃは定数）と表せる。供給側主流路１、排出側主流路２、支流路３の流路サイズにあわせて、各流路におけるａを計算することにより、流路抵抗は、それぞれ、

となる。ここで、Ｒ_ｋ３はｋによらず一定である。また、10層なので、Ｎ＝１０となる。すなわち、上記構成は、第１実施形態で述べた流路抵抗の最適な各条件（数４、数５）を満たしていることがわかる。

１Ａの発電において、水素は標準状態で約７ｍｌ／ｍｉｎ消費される。燃料電池の定常発電における電流密度を２００ｍＡ／ｃｍ^２とすると、単位発電セルあたり４．２ｍｌ／ｍｉｎの水素を消費する。また、燃料電池全体では、４２ｍｌ／ｍｉｎの水素を消費する。

一方、燃料電池内の流路の全容積は１．５ｍｌ程度である。パージにおいて、流路全体のガスを５秒間で追い出すとすると、パージに必要な流量は１８ｍｌ／ｍｉｎとなる。また、供給される水素の圧力は、１．１気圧〜２気圧（絶対圧）である。

上記のような流路構成とすることで、発電中に水素が排出側主流路２から迂回して発電セル９に供給されたり、発電中にパージを行ったりしても、逆流の影響なく、効率的なパージを行うことができる。

さらに、図１に示されているように、支流路３の入り口、あるいは、出口などに絞りを設けたり、燃料拡散電極５を挿入したりすることで、さらに支流路３の流路抵抗を高めることができる。

＜実施例２＞
本発明の第２実施形態をより具体化した実施例を説明する。本実施例の燃料電池装置の概要を図５に示す。支流路３の厚さを除く、その他の構成は、実施例１と同様である。ここで、本実施例では、支流路３の厚さは入り口１２から遠くなるほど、深くなっている。具体的には、入り口１２に最も近い支流路３の厚さを０．２ｍｍとし、隣あう支流路の厚さをおよそ０．０２ｍｍ〜０．０７ｍｍの範囲で順に厚くしていく。

以上のようにすることで、第２実施形態で説明した関係を満たす構成とすることができる。また、別な手段としては、支流路３の厚さを０．３ｍｍで一定とし、支流路中に絞りを設けたり、流路抵抗となる部材（多孔質体など）を挿入したりすることによっても実現することができる。例えば絞りを設ける場合には、絞りの幅を１ｍｍから８ｍｍまで、入り口１２から遠くなるほど、順次広くしていけばよい。

＜比較例の燃料電池装置＞
固体高分子形燃料電池は、運転温度が比較的低いこと、電解質が高分子膜であるため、扱いやすいことなどの理由から、車載用や家庭用の発電装置として、広く研究開発が行なわれている。固体高分子形燃料電池は、電解質として高分子電解質膜を用い、高分子電解質膜の両側に触媒電極層を備えた膜電極接合体を使用する。膜電極接合体の一方の触媒電極層に燃料（水素ガスなど）を、他方の触媒電極層に酸化剤（空気など）を供給することで発電が行なわれる。その際、生成物として水が発生する。燃料極での反応式は、以下のようになる。

一方、酸化剤極での反応式は、以下のようになる。

従って、燃料電池を安定して発電させるためには、燃料、および、酸化剤を効率よく供給するとともに、生成した水を排出することが重要である。特に、水が排出できずに流路を塞いでしまう現象は、フラッディングと呼ばれ、ガス拡散を阻害し、燃料電池の出力を低下させる要因となっている。

一組の膜電極接合体の理論電圧は１．２３Ｖ程度で、通常の運転状態においては、０．７Ｖ程度で使用されることが多い。そのため、より高い電圧が必要な場合や、高出力密度が必要な場合には、複数の発電セルを積み重ね、各発電セルを電気的に直列に接続する場合が多い。このような積層構造は、セルスタックと呼ばれ、通常、セルスタック内では、酸化剤流路と燃料流路は、セパレータと呼ばれる部材によって、隔離されている。

従来、燃料極および酸化剤極においては、発電セルへのガス供給を効率良く行うため、様々なパターンの配流板が工夫されてきた。特に複数の発電セルを積み重ねて用いる場合には、高集積化を目的として、流路の幅は狭く設計されており、配流板の設計にはより工夫が必要であった。配流版はセパレータを兼ねる場合が多い。また、各発電セルの出力を直列に接続する働きも兼ねる場合があり、この場合は、バイポーラプレートと呼ばれる。特開平０３−２０５７６３号公報に示される配流版は、配流板中に複数の流路を並列に設けたことを特徴としている。

また、酸化剤極での生成水や移動水の排出、酸化剤中の酸素の拡散の改善のため、特開平０６−２６７５６４号公報では、燃料極に燃料配流板を、酸化剤極に酸化剤配流板をそれぞれ具備している。酸化剤配流板の酸化剤流路の深さ、あるいは幅の少なくともいずれかを酸化剤の上流流路域から下流流路域に沿って徐々に小さくしてある。

一方、小型の電気機器を持ち運んで使用するためには、種々の一次電池、二次電池が使用されてきた。しかし、最近の小型電気機器の高性能化に伴い、消費電力が大きくなり、一次電池では、小型軽量で、十分なエネルギーを供給できなくなっている。

一方、二次電池においては、繰り返し充電して使用できるという利点はあるものの、一回の充電で使用できるエネルギーは一次電池よりも少ない。そして、二次電池の充電の為には、別の電源が必要である上、充電には通常数十分から数時間かかり、いつでもどこでもすぐに使用できる様にするということは困難である。

今後、電気機器のますますの小型、軽量化が進み、ワイヤレスのネットワーク環境が整うことにより、機器を持ち運んで使用する傾向が高まる中で、従来の一次電池、二次電池では機器の駆動に十分なエネルギーを供給することは困難である。

このような問題の解決策として、小型の燃料電池が注目されている。燃料電池は従来、大型の発電機、自動車用の駆動源として開発が進められてきた。これは、燃料電池が、従来の発電システムに比べて、発電効率が高く、しかも廃棄物がクリーンであることが主な理由である。一方、燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来の電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。さらに、燃料のみを交換すれば連続して使用が可能であるため、他の二次電池の様に充電に時間がかかることもない。

燃料電池には、様々な方式のものが発明されているが、小型電気機器、とりわけ持ち運びして使用する機器に対しては、固体高分子形燃料電池が適している。これは、常温に近い温度で使用でき、また、電解質が液体ではなく固体であるので、安全に持ち運べるという利点を有しているためである。

小型電気機器用の燃料電池の燃料としては、従来メタノールが検討されてきた。これは、メタノールが保存しやすく、また入手しやすい燃料であることが主な理由である。また、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが効果的である。水素を蓄える方法としては、気体のままタンクに貯蔵したり、水素吸蔵合金などの吸蔵材料を充填したタンクを使用したりすることができる。

小型電気機器向け燃料電池において、複数の発電セルを用いる場合には、従来の積層方式の他に、発電セルを同一平面上に配列し、立体配線技術を用いて、直列に接続する平面配列型方式もよく用いられる。これは、小型燃料電池ではシステム全体の小型化のため、酸化剤として空気を用い、自然拡散によって取り入れることが多く、平面配列方式の方が、より効率よく空気を取り入れられるという利点を有しているためである。

また、大型の燃料電池システムにおいては、燃料は発電で消費される以上の量を供給、循環させている場合が多いのに対し、小型電気器向け燃料電池では、燃料流路をデッドエンドにして、消費される量のみを補充する方式を用いる場合が多い。

ただし、この場合には、燃料流路中に水蒸気や窒素などの不純物が蓄積され、時間とともに発電特性が低下する問題が指摘されている。そのため、流路中にパージバルブを設けて、定期的にパージ動作を行っていた。米国特許ＵＳＰ６４２３４３７号公報においては、デッドエンド型の小型燃料電池において、アクティブなパージバルブを使用せずに、パッシブな機構で燃料流路のパージを行うことによって、発電特性の低下を防ぐ技術が示される。

しかし、従来の技術においては、燃料極や酸化剤極の配流板に関しては様々な工夫がなされているものの、極室までの流路抵抗、極室からの流路抵抗、極室での流路抵抗の関係について配慮されたものはなかった。そのため、より小さなシステムにおいては、ガスの逆流や、発電セル間の流量の偏りが発生してしまう恐れがあった。また、生成した水が流路を塞いだ場合に、水を排出するための力を効率的に水滴に発生させることができない場合があった。また、平面配列型の燃料電池スタックや、デッドエンド型燃料電池においては、流路抵抗の配慮はほとんどなされていなかった。

これに対して、第１実施形態１〜第４実施形態の燃料電池装置は、
（１）それぞれの支流路において、入り口から排出側主流路との合流点までの流路抵抗がその支流路を通った場合に最も小さい。
（２）それぞれの支流路において、入り口から支流路の分岐点までの流路抵抗と支流路の流路抵抗との和が、他のあらゆる支流路における供給側主流路との分岐点から入り口までの流路抵抗よりも大きい。
（３）それぞれの支流路において、支流路の流路抵抗は、入り口から支流路への分岐点までの供給側主流路の流路抵抗と、出口から支流路の合流点までの排出側主流路の流路抵抗のいずれよりも十分に大きい。

これらの関係により、燃料、および、酸化剤の流れを入り口から出口へスムーズに導くことができる。さらに、水によって流路が塞がれた場合に、排除しやすいという効果がある。これにより、燃料電池の発電の安定性を向上することができる。

例えば、第１実施形態の第燃料電池装置１０は、入り口１２から導いた燃料ガスを別々の位置で枝分かれさせて並列な複数の支流路３に導く供給側主流路１を備え、それぞれの支流路３が少なくとも１つの発電セル９を含む。そして、複数の支流路３の出口側に対して別々の位置で合流して、発電セル９内の燃料ガスを出口１３へ導く排出側主流路２を備える。すべての支流路３について、供給側主流路１と排出側主流路２と複数の支流路３とにおける流路抵抗が次のように設定されている。入り口１２から排出側主流路２に対する１つの支流路３の合流点までの流路抵抗は、前記１つの支流路３を通った場合に他のいずれの支流路３を迂回した場合の流路抵抗よりも小さくなる。

さらに、燃料電池装置１０では、すべての支流路３と排出側主流路２との合流点において、その支流路３を通った場合の流路抵抗が、他のどの支流路３を迂回した場合の流路抵抗よりも小さくなっている。

具体的には、燃料拡散電極５を配置した支流路３の流路抵抗をほぼ同一に揃えるとともに、排出側主流路２を供給側主流路１よりも細くして、供給側主流路１を長く経由する迂回路ほど流路抵抗が高くなるようにしている。

従って、供給側主流路１における支流路３の分岐点では、燃料ガスが別の支流路３へ迂回することなく、その支流路３の発電セル９へ流れ込む。また、発電中、水素が発電セル９で消費されている状況においても、排出側主流路２との合流点では、他の支流路３を迂回した燃料ガスのほうが流路抵抗による圧力低下が大きいので、その支流路３へ逆流しにくい。

言い換えれば、排出主流路２を通じて複数の発電セル９内の水素ガスを排出させた際に、すべての支流路３について、供給側主流路１との分岐点の圧力＞発電セル９内の圧力＞排出側主流路２との合流点の圧力の関係が成立する。

従って、すべての発電セル９で、滞留／蓄積した不純物ガスが、円滑かつ直線的、そして同時進行的に排出側主流路２へ押し出される。限られた量の低い圧力の燃料ガスでも、複数の発電セル９の一部で不純物ガスを多く残してしまうことなく、排出側主流路２を通じて効率的に不純物ガスを排出させることができる。不純物ガスを均等に除去することにより、複数の発電セル９で均等に水素ガス分圧を確保させて、均等な発電を行わせることができる。

従って、それぞれの発電セル９で潜在的な発電能力を十分に発揮させて、ばらつき少なく高い発電効率を達成でき、燃料電池装置１０の全体としての発電性能が高められて安定化される。

燃料電池装置１０は、入り口１２から導いた燃料ガスを別々の位置で枝分かれさせて並列な複数の支流路３に導く供給側主流路１を備え、それぞれの支流路３が少なくとも１つの発電セル９を含む。複数の支流路３の出口に対して別々の位置で合流して、発電セル９内の燃料ガスを出口１３へ導く排出側主流路２を備える。入り口１２に近い側の支流路３を通じた入り口１２から排出側主流路２との合流点までの流路抵抗が、入り口１２から遠い側の支流路３における入り口１２から供給側主流路１との分岐点までの流路抵抗よりも大きく設定されている。

従って、入り口１２から遠い支流路３へ向かうべき燃料ガスが入り口１２に近い支流路３へ流れ込まない。入り口１２から遠い発電セル９内の圧力が排出側主流路２内の圧力を下回らない。入り口１２から遠い発電セル９でも入り口に近い発電セル９並みに燃料ガスを確保して、すべての発電セル９で、滞留／蓄積した不純物ガスが、円滑かつ直線的、そして同時進行的に排出側主流路２へ押し出される。限られた量の低い圧力の燃料ガスでも、複数の発電セル９の一部で不純物ガスを多く残してしまうことなく、排出側主流路２を通じて効率的に不純物ガスを排出させることができる。不純物ガスを均等に除去することにより、複数の発電セル９で均等に水素ガス分圧を確保させて、均等な発電を行わせることができる。

燃料電池装置１０は、すべての支流路３について、その流路抵抗は、入り口１２から供給側主流路１との分岐点までの流路抵抗と、排出側主流路２との合流点から出口１３までの流路抵抗のいずれよりも大きい。

燃料電池装置１０は、通常運転時の圧力で入り口１２から燃料ガスを供給して出口１３から排出させた際に、すべての支流路３について、発電セル９内の圧力が排出側主流路２との合流点の圧力より高くなるように、入り口１２から合流点までのそれぞれの支流路３を通じた流路抵抗を設定してある。

燃料電池装置１０は、供給側主流路１と排出側主流路２とで燃料ガスの流れが反対となるように入り口１２と出口１３とを配置し、支流路３における発電セル９よりも下流側の流路抵抗が、入り口１２から遠い支流路３ほど低く設定されている。

燃料電池装置１０は、大気に前記排出側主流路２を開放可能なパージ弁１５弁が出口１３に接続され、水素ガスを供給側主流路１に供給して発電セル９を作動させる燃料タンク１７が入り口１２に接続されている。

燃料電池装置１０は、膜電極接合体６の一方の面側に配置され、支流路３を通じて供給された燃料ガスを前記一方の面側に拡散させつつ支流路３の出口側へ導く燃料拡散電極５と、膜電極接合体６の他方の面側に配置され、大気中の酸素を前記他方の面側に拡散させる酸素拡散電極７とを備える。

燃料電池装置１０は、複数の発電セル９を積み重ねて直列に接続したセルスタック１０Ｓを備え、酸素拡散電極７は、その側面の少なくとも一部がセルスタック１０Ｓの側面で大気に開放される。そして、供給側主流路１と排出側主流路２とは、発電セル９の外側の同一平面位置に形成された発電セル９ごとの貫通孔を連通させて構成される。

燃料電池装置３０には、複数の発電セル２９が共通の流路基板３６上に平面的に並べて配置され、酸素拡散電極２７は、膜電極接合体２６と反対側の面の少なくとも一部を大気に開放して配置される。そして、供給側主流路２１と前記排出側主流路２２とは、流路基板３６に配置されている。

第１実施形態の燃料電池装置の構成を説明する斜視図である。水素ガスの流路の模式図である。不純物ガスの排出が十分でない場合の説明図である。支流路における水滴排出の説明図である。第２実施形態の燃料電池装置における水素ガスの流路の模式図である。不純物ガスの排出が十分でない場合の説明図である。第３実施形態の燃料電池装置の構成を説明する斜視図である。水素ガスの流路の模式図である。不純物ガスの排出が十分でない場合の説明図である。第４実施形態の燃料電池装置における水素ガスの流路の模式図である。不純物ガスの排出が十分でない場合の説明図である。

符号の説明

１、２１供給側主流路
２、２２排出側主流路
３、２３支流路
３ａ、２３ａ第１の支流路
３ｂ、２３ｂ第２の支流路
４、２４燃料極集電体
５、２５燃料拡散電極
６、２６膜電極接合体
７、２７酸素拡散電極
８、２８酸素極集電体
９、２９発電セル
１０、２０、３０、４０燃料電池装置
１２、３２供給口（入り口）
１３、３３排出口（出口）
１４減圧弁
１５排出弁（パージ弁）
１７燃料供給手段（燃料タンク）
３１基板
３６流路基板

Claims

供給口と、供給側主流路と、排出側主流路と、複数の支流路と、排出口とを少なくとも有し、
前記供給側主流路が供給口と接続しており、
前記複数の支流路がそれぞれ前記供給側主流路および前記排出側主流路と接続しており、
前記複数の支流路がそれぞれ少なくとも一つの発電セルを有し、
前記排出側主流路が排出口と接続し、前記供給側主流路を流れる燃料ガスの向きと前記排出側主流路を流れる前記燃料ガスの向きが反対方向である燃料電池装置において、
前記複数の支流路が少なくとも第１の支流路と第２の支流路とを有し、
すべての前記支流路について、前記供給口から前記供給側主流路と前記第１の支流路との合流点までの流路抵抗と、前記第１の支流路と前記供給側主流路との合流点から前記第１の支流路と前記排出側主流路との合流点までの流路抵抗とを合わせた流路抵抗の大きさが、前記供給口から前記第１の支流路とは異なる前記第２の支流路と前記供給側主流路の合流点までの流路抵抗と、前記第２の支流路と前記供給側主流路との合流点から前記第２の支流路と前記排出側主流路との合流点までの流路抵抗と、前記第２の支流路と前記排出側主流路との合流点から前記第１の支流路と前記排出側主流路との合流点までの流路抵抗とを合わせた流路抵抗の大きさよりも小さく、かつ、
ｎ番目の支流路と前記供給側主流路との合流点から前記ｎ番目の支流路と前記排出側主流路との合流点までの流路抵抗をＲ _ｎ３とし、ｍ番目の支流路と前記供給側主流路との合流点から前記ｍ番目の支流路と前記排出側主流路との合流点までの流路抵抗をＲ _ｍ３とし、ｎ＜ｍとして、
Ｒ _ｎ３＞Ｒ _ｍ３
であることを特徴とする燃料電池装置。
前記第１の支流路の流路抵抗は、前記供給口から前記供給側主流路と前記第１の支流路との合流点までの流路抵抗と、前記第１の支流路と前記排出側主流路との合流点から前記排出口までの流路抵抗のいずれよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
前記燃料電池装置がＮ個の前記支流路を有し、前記供給口に近い側から数えて（ｋ−１）番目の支流路と前記供給側主流路との合流点からｋ番目の支流路と前記供給側主流路との合流点までの流路抵抗をＲ_ｋ１とし、２＜ｎ＜ｍ＜Ｎとして、

であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。