JP5188027B2 - 燃料電池、および燃料電池の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、気体燃料が供給される燃料供給空間を連通させた複数の発電セルを備えた燃料電池、詳しくは、窒素ガス等の不純物ガスを燃料供給空間から効率的に除去する構造に関する。

電解質層の片面側に配置されて気体燃料が供給される燃料供給空間を直列に接続した燃料電池が実用化されている。また、相互に並列接続された燃料供給空間の数を下流側へ向かって次第に減少させて直列に接続するカスケード方式で複数の燃料供給空間を配置した燃料電池が実用化されている。カスケード方式によれば、電解質層を通じた気体燃料の消費による下流側での流量減少を補って、最上流から最下流まで、燃料供給空間における安定した気体燃料の供給流量を確保できる。

電解質層として高分子電解質膜を用い、高分子電解質膜の片側を大気に連通させて、気体燃料の電気化学反応に伴って大気中の酸素を消費させる燃料電池が実用化されている。高分子電解質膜は完全な気密膜ではないので、高分子電解質膜を挟んで燃料供給空間と大気連通空間とが配置されると、大気連通空間から燃料供給空間へ大気中の窒素が濃度拡散する。燃料供給空間に侵入した窒素は、燃料供給空間における気体燃料の分圧を低下させて発電効率を低下させるので、定期的にパージを行って、燃料供給空間の窒素を含む不純物ガスを追い出すことが望ましい。

特許文献１には、カスケード方式の接続による別の効果に着目して効率的に燃料供給空間のパージを行わせるデッドエンド型の燃料電池が示される。カスケード方式に燃料供給空間を接続することにより、最も下流側の燃料供給空間へ不純物ガスが優先的に蓄積される。そして、蓄積した不純物ガスの影響によって最も下流側の燃料供給空間の出力が所定のしきい値を割り込むと、最も下流側の燃料供給空間の下流側に配置された開閉弁が開かれる。このパージを行うことにより、最も下流側の燃料供給空間に蓄積された不純物ガスが大気中に排出される。

特表２００４−５３６４３８号公報

特許文献１に示される燃料電池では、不純物ガスが濃縮されているとは言っても、最も下流側の燃料供給空間に残った相当量の水素ガスも大気中に排出される。従って、燃料電池を搭載する機器側には、燃料気体の排出を前提とした設計を行う必要がある。

また、パージが必要になる程に出力が低下した燃料電池から、開閉弁を開状態に保持するための電力を追加的に取り出すと、その間、燃料電池を搭載した機器の動作に支障をきたす場合がある。あるいはパージ動作中の燃料圧力の低下により、一時的に出力が低下することがある。

また、最も下流側の発電セルの出力が蓄積した不純物ガスによって低下すると、複数の発電セルを直列に接続した燃料電池全体の出力が、最も下流の発電セルの出力低下に影響されて低下してしまう。最も下流の発電セルの出力は、不純物ガスの分圧上昇に伴って比較的短期間で低下を始めるため、燃料電池全体の出力を高く維持しようとすると、かなり頻繁にパージを行う必要がある。頻繁にパージを行うと大気中に排出される無駄な気体燃料の消費が増えて、燃料タンクの気体燃料が長持ちしない。

本発明は、燃料供給空間に蓄積した不純物ガスによって最も下流の発電セルの出力が影響されにくい燃料電池を提供することを目的としている。本発明は、特許文献１に示される燃料電池よりもパージの頻度が少なくて済む燃料電池を提供することを目的としている。さらに、本発明は、パージを行わなくても運転が可能なデッドエンド型の燃料電池を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池は、固体電解質層の一方の面側に配置されて気体燃料が供給される燃料供給空間を一つもしくは複数有する燃料電池において、前記固体電解質層を通じた発電に伴って前記燃料供給空間に形成される気体燃料の流れの下流側で前記燃料供給空間に接続流路を介して接続されたバッファ空間を有し、前記バッファ空間は、前記燃料供給空間の外側に配置されて、前記燃料供給空間で発電に伴って前記下流側に濃縮される不純物ガスを蓄積するための空間であって、前記バッファ空間の前記不純物ガスの流れと垂直な断面積は、前記接続流路における前記不純物ガスの流れと垂直な断面積よりも大きいものであることを特徴とする。

別の発明の燃料電池は、後述するシリアルパターンやカスケードパターンのように、固体電解質層の一方の面側に配置されて気体燃料が供給される複数の燃料供給空間を直列に接続して配置したものである。すなわち、固体電解質層の一方の面側に配置されて気体燃料が供給される複数の燃料供給空間を直列に接続して配置した燃料電池において、前記固体電解質層を通じた発電に伴って前記複数の燃料供給空間に形成される気体燃料の流れの下流側で前記複数の燃料供給空間に接続流路を介して接続されたバッファ空間を有し、前記バッファ空間は、前記燃料供給空間の外側に配置されて、前記複数の燃料供給空間で発電に伴って前記下流側に濃縮される不純物ガスを蓄積するための空間であって、前記バッファ空間の前記不純物ガスの流れと垂直な断面積は、前記接続流路における前記不純物ガスの流れと垂直な断面積よりも大きいことを特徴とする。

本発明の燃料電池は、発電中の燃料供給空間における不純物ガスの濃縮効果を利用して、バッファ空間に燃料供給空間の上流側〜中流側よりも高い濃度で不純物ガスを蓄積する。気体燃料の流れが不純物ガスを燃料供給空間の下流側へ吹き寄せるので、燃料供給空間には、上流側から下流側へ向かって高まる不純物ガスの濃度勾配が形成される。燃料供給空間の下流側に接続されたバッファ空間には、この濃度勾配における最も高い濃度で不純物ガスが蓄積される。

これにより、発電に関与する燃料供給空間に不純物ガスを直接蓄積する特許文献１の燃料電池に比較して、燃料供給空間における不純物ガス濃度の高まりを遅らせることができる。バッファ空間の容積に拡散される分、燃料供給空間における不純物ガスの濃度が低く保たれ、その分、気体燃料の分圧が高く維持される。

従って、特許文献１の燃料電池に比較して、燃料供給空間に蓄積した不純物ガスによって発電出力が影響されにくい。燃料供給空間に蓄積した不純物ガスが発電出力に影響し始めるまでの時間が長くなるので、特許文献１の燃料電池に比較してパージの頻度が少なくて済む。パージの頻度が少なければ、パージによって無駄に消費される気体燃料が減るので、気体燃料の利用効率が高まって燃料タンクが長持ちする。

別の発明の燃料電池は、直列に接続した燃料供給空間における不純物ガスの濃縮効果を利用して、最も下流側の燃料供給空間に上流側の燃料供給空間よりも高い濃度で不純物ガスを蓄積する。そして、最も下流の燃料供給空間では、発電中の燃料供給空間における不純物ガスの濃縮効果を利用して、バッファ空間に最も下流の燃料供給空間の上流側〜中流側よりも高い濃度で不純物ガスを蓄積する。

気体燃料の流れが不純物ガスを下流側へ吹き寄せるので、最も下流側の燃料供給空間には、上流側から下流側へ向かって高まる不純物ガスの濃度勾配が形成される。燃料供給空間の下流側に接続されたバッファ空間には、この濃度勾配における最も高い濃度で不純物ガスが蓄積される。

これにより、最も下流側の燃料供給空間に不純物ガスを直接蓄積する特許文献１の燃料電池に比較して、最も下流側の燃料供給空間における不純物ガス濃度の高まりを遅らせることができる。バッファ空間の容積に拡散される分、最も下流側の燃料供給空間における不純物ガスの濃度が低く保たれ、その分、気体燃料の分圧が高く維持される。

従って、特許文献１の燃料電池に比較して、燃料供給空間に蓄積した不純物ガスによって最も下流の発電セルの出力が影響されにくい。燃料供給空間に蓄積した不純物ガスが最も下流の発電セルの出力に影響し始めるまでの時間が長くなるので、特許文献１の燃料電池に比較してパージの頻度が少なくて済む。

別の発明の燃料電池は、特許文献１の燃料電池では発電セルの発電性能が失われるような高濃度の不純物ガスをバッファ空間に蓄積するので、バッファ空間をパージした際に外部へ排出される気体燃料が少なくて済む。これにより、パージの頻度が少ないことと相乗して、パージによって無駄に消費される気体燃料が減るので、気体燃料の利用効率が高まって燃料タンクが長持ちする。

以下、本発明の燃料電池の一実施形態である燃料電池について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の燃料電池は、以下に説明する各実施形態の限定的な構成には限定されない。発電セルの燃料供給空間に気体燃料を供給して発電が行われる限りにおいて、各実施形態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。

本実施形態では、燃料タンクに貯蔵した水素ガスを用いて発電を行うが、水素原子を含むメタノール等の液体燃料を燃料タンクに貯蔵して、刻々必要なだけ水素ガスに改質反応させて発電セルの燃料供給空間に供給してもよい。

本実施形態の燃料電池は、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燃料電池として実施できる。また、電子機器に燃料電池の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。

なお、特許文献１に示される燃料電池の構造、運転方法、触媒層、高分子電解質膜、膜電極接合体等については、繰り返しの煩雑を回避すべく一部図示を省略し、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の斜視図、図２は燃料電池スタックの断面図、図３はセパレータの説明図、図４はバッファ空間の説明図である。図５は燃料流路体積、バッファ流路体積、初期燃料流路内圧力、燃料供給圧力を異ならせた燃料電池スタックの特性一覧表である。図２は、図１中Ａ−Ａ’の断面を示す。

図１に示すように、燃料電池２０は、燃料電池スタック２０Ａと燃料タンク２０Ｂとを着脱自在に接続して組み立てられる。燃料電池スタック２０Ａは、一組のエンドプレート２１、２２の間に、複数の発電セル２３を積層している。燃料タンク２０Ｂは、水素ガスを充填され、必要な圧力に調圧された水素ガスを燃料電池スタック２０Ａに供給する。

エンドプレート２１には、燃料タンク２０Ｂを接続して燃料電池スタック２０Ａに水素ガスを供給する燃料流路入り口２４が設けられる。膜電極接合体（ＭＥＡ）２５は、高分子電解質膜の上下両面に白金微粒子を担持させた触媒層を形成してあり、図中上面の触媒層が酸化剤極、下面の触媒層が燃料極となっている。複数の膜電極接合体２５は、セパレータ２６を介して積層される。

図２に示すように、膜電極接合体２５とセパレータ２６との間には、ガス拡散層２３Ａ、２３Ｂが配置される。ガス拡散層２３Ａ、２３Ｂは、カーボンクロスのような反応物を透過する導電性を有するシート材料である。

大気中の酸素は、セパレータ２６に設けられた酸化剤流路３１を介して、紙面垂直方向より各段の発電セル２３に進入し、ガス拡散層２３Ａを通じて膜電極接合体２５の上面全体に拡散供給される。

水素ガスは、燃料流路入り口２４を通じて図中左の供給側主流路４４へ供給され、供給側主流路４４から分岐して各段の燃料流路３２に分配供給される。供給側主流路４４は、セパレータ２６に設けられた貫通口を重ね合わせて形成される。各段の燃料流路３２は、下流側（図中右側）で排出側主流路４５に合流し、排出側主流路４５は、バッファ流路板２７に設けられたバッファ流路４２に接続されている。バッファ流路４２の下流側には、燃料流路出口４３が設けられているが、第１実施形態では、不図示のストップバルブを用いて燃料流路出口４３を塞いだ状態で燃料電池スタック２０Ａを使用する。すなわち、燃料電池スタック２０Ａは、パージバルブを設置していないデッドエンド型の燃料電池スタックである。

図３に示すように、セパレータ２６の表面（図中下側）には、平行な溝状の酸化剤流路３１が形成されている。図２に示すように、酸化剤流路３１は、ガス拡散層２３Ａを介して、膜電極接合体２５の酸化剤極に大気中の酸素を供給する。

図３に示すように、セパレータ２６の裏面（図中上側）には、つづら折り状の燃料流路３２が形成されている。図２に示すように、燃料流路３２は、ガス拡散層２３Ｂを介して、膜電極接合体２５の燃料極に水素ガスを供給する。

図３に示すように、セパレータ２６の端部には、図２の燃料流路入り口２４から供給される水素ガスを各段の発電セル２３に導くための貫通口３３が設けられる。

図４に示すように、バッファ流路板２７には、発電セル２３（図２）によって吹き寄せられた不純物ガスを蓄積するつづら折り状のバッファ流路４２が形成されている。バッファ流路４２がつづら折り状なので、バッファ流路４２に蓄積された不純物ガスが発電セル２３へ拡散しにくい。また、燃料流路出口４３に接続された不図示のストップバルブを開いてパージを行う際には、バッファ流路４２に沿って不純物ガスが押し出されるので、後から供給される新しい水素ガスと不純物ガスとが混合しにくい。

図２に示すように、燃料流路体積Ｖ１は、燃料流路入り口２４から排出側主流路４５までの容積、すなわち、各段の燃料流路３２の合計容積に、供給側主流路４４の容積とを加算した容積である。バッファ流路体積Ｖ２は、バッファ流路４２の容積である。

なお、排出側主流路４５のバッファ流路４２に近い部分にも、運転中、バッファ流路体積Ｖ２並みの濃度で不純物ガスが蓄積される。しかし、この部分は単なる接続流路であって、本発明のバッファ空間ではない。また、図３に示されるように、排出側主流路４５を構成する貫通孔３３の容積自体も小さい。

燃料電池搭載機器５０の停止時、燃料流路３２は、窒素などの不活性ガスで置換、あるいは大気に開放された状態で保管される。すなわち、燃料電池スタック２０Ａが発電開始する以前には、燃料流路３２は、初期圧力Ｐ１の不活性ガスで充填された状態である。

燃料電池スタック２０Ａを起動する時には、燃料電池スタック２０Ａの燃料流路入り口２４に、図１に示す燃料タンク２０Ｂから水素ガスが供給される。供給される水素ガスの圧力Ｐ２は、燃料タンク２０Ａ側で調整可能である。燃料流路入り口２４と燃料タンク２０Ｂとは、カプラ或いはバルブ等を介して接続される。水素ガスの供給は、燃料タンク２０Ｂと燃料流路入り口２４とをカプラ等で接続、あるいは燃料流路入り口２４に設けたバルブを開くことによって開始される。

第１実施形態における燃料電池スタック２０Ａは、燃料流路体積をＶ１、バッファ流路体積をＶ２、初期燃料流路内圧力をＰ１、燃料供給圧力をＰ２とした。このとき、Ｐ１／Ｐ２＜Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２）の関係となるように、バッファ流路体積Ｖ２と燃料供給圧力Ｐ２とを設定してある。

図５に示すように、燃料流路体積Ｖ１、バッファ流路体積Ｖ２、初期燃料流路内圧力Ｐ１、燃料供給圧力Ｐ２の組み合わせを異ならせると、燃料電池スタック２０Ａの特性が変化する。ここで、燃料供給前の燃料流路３２内は、大気圧の窒素ガスで充填した状態とした。よって、初期燃料流路内圧力は１００ｋＰａ（正確には１０１．３ｋＰａ）相当である。燃料は純粋な水素ガスを用い、燃料供給圧力は、レギュレータにより任意に設定可能である。燃料流路入り口２４には、メスのカプラを設け、燃料タンク２０Ｂの出口に設けられたオスのカプラと接続することによって水素ガスが供給される。

バッファ流路板２７は、比較のため３種類を用意した。一つは、バッファ流路４２の形成されていない物とし、他の二つは、バッファ流路４２を形成して、溝深さの違いによりバッファ流路体積Ｖ２を０．８ｍｌおよび１．６ｍｌに設定した。燃料流路体積Ｖ１は、燃料電池スタック２０Ａの組み立て後に実測した値である。具体的には、燃料流路入り口２４から窒素ガスを導入し、導入窒素量と圧力上昇量との関係から求めた。

燃料電池スタック２０Ａの特性は、燃料電池スタック２０Ａと燃料タンク２０Ｂとのカプラ同士を接続した後、一定のスイープ速度で、取り出し電流値を最小−最大に変化させる電流スイープ法により測定した。図５の一覧表に示される電流値は、燃料電池スタック２０Ａ内の発電セル２３あたりの平均出力電圧が０．７Ｖに低下した時の電流値である。

サンプルＮｏ．１〜３では、バッファ流路板２７のバッファ流路体積Ｖ２を種々変更して行った実験である。燃料流路３２の下流に設けられたバッファ流路４２の体積が大きいほど、燃料電池スタック２０Ａの特性が向上していることが分かる。特に、Ｐ１／Ｐ２＜Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２）の関係を満たす、サンプルＮｏ．３において著しい特性の向上が見られる。

サンプルＮｏ．４〜６では、同一の燃料電池スタック２０Ａを用い、燃料供給圧力Ｐ２を種々変更して行った実験である。燃料供給圧力Ｐ２が高いほど、燃料電池スタック２０Ａの特性が向上していることが分かる。特に、Ｐ１／Ｐ２＜Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２）の関係を満たす、サンプルＮｏ．６において著しい特性の向上が見られる。

このように、第１実施形態の燃料電池２０では、大気圧の不活性ガスで満たされた燃料電池スタック２０Ａをパージすることなく起動して発電開始できる。大気圧の２倍の燃料供給圧力Ｐ２を用いることにより、燃料電池スタック２０Ａ内の不活性ガスを６７％のバッファ流路体積Ｖ２へ押し込んで、すべての燃料流路３２で十分な水素ガスの分圧を確保できる。大気圧の５倍の燃料供給圧力Ｐ２を用いることにより、２５％のバッファ流路体積Ｖ２へ押し込んで、すべての燃料流路３２で十分な水素ガスの分圧を確保できる。

従って、燃料電池スタック２０Ａを大気圧の不活性ガスを満たした湿潤状態で保存でき、起動時に燃料流路３２内の不純物ガスの悪影響が抑制可能となる。このためパージ動作を行う事無く燃料電池２０が起動でき、パージ動作に伴う無駄な燃料消費も無くせ、燃料タンク２０Ｂ内の水素ガスの有効利用が可能となる。これにより、同体積の燃料タンク２０Ｂにより多くの発電が行えるため、より高いエネルギー容量を持つ燃料電池２０が提供可能となる。

＜第１実施形態の変形例＞
図６はシリアル流パターンの燃料電池スタックの構成の説明図、図７はカスケード流パターンの燃料電池スタックの構成の説明図、図８はバッファ空間を外付けする変形例の説明図である。図６〜図８において、図２の燃料電池スタック２０Ａと共通する（機能的に同等な）構成には共通の符号を付して詳細な説明を省略する。

第１実施形態の燃料電池スタック２０Ａは、図２に示すように燃料流路３２が並列同方向のパラレル流パターンである。しかし、図６に示される燃料流路３２が直列接続されたシリアル流パターンの燃料電池スタック２０Ｃでも、第１実施形態と同様にバッファ流路４２を設けて、バッファ流路体積Ｖ２に応じた高い燃料供給圧力Ｐ２を用いることで第１実施形態と同じ効果を実現できる。

また、図７に示される燃料流路３２がカスケード接続されたカスケード流パターンの燃料電池スタック２０Ｄでも、第１実施形態と同様にバッファ流路４２を設けて、バッファ流路体積Ｖ２に応じた高い燃料供給圧力Ｐ２を用いることで第１実施形態と同じ効果を実現できる。

すなわち、燃料入り口２４から燃料電池スタック２０Ｃ、２０Ｄ最下流に位置する燃料流路３２を含む領域の体積が燃料流路体積Ｖ１、それよりも下流部分の体積がバッファ流路体積Ｖ２である。パラレル流パターンの燃料電池スタック２０Ａにおいては、最下流に位置する発電セル２３を複数有することになる。

さらに、第１実施形態では、燃料電池スタック２０Ａに重ねたバッファ流路板２７の表面を掘り下げてバッファ流路４２を形成した。しかし、図８で模式的に示すように、燃料電池スタック２０Ｅの下流側にバッファ空間４２Ｂを外付け接続して設けることも可能である。バッファ空間４２Ｂには、内圧に応じて伸縮する蛇腹空間４２Ｃを設けてもよい。

また、第１実施形態のような複数の発電セル２３を積み重ねた形態ではなく、単独の発電セルの燃料流路３２Ｂの下流側にバッファ空間４２Ｂを接続してもよい。

＜第２実施形態＞
図９は第２実施形態の燃料電池の構成の説明図である。図９に示すように、第２実施形態の燃料電池１２０は、バッファ空間１４２を形成した共通のバッファ基板１４０上に複数の発電セル１２９を平面的に配列している。複数の発電セル１２９は、共通の燃料極集電体１２４と酸素極集電体１２８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１２９は、高分子電解質膜の両面に触媒層を形成した膜電極接合体１２６の下面にガス拡散層１２５、上面にガス拡散層１２７を接触させている。

ガス拡散層１２５、１２７は、それぞれ燃料極スペーサ１３７、酸素極スペーサ１３８の独立した開口に収められている。燃料極スペーサ１３７、酸素極スペーサ１３８は、発電セル１２９とともに、燃料極集電体１２４と酸素極集電体１２８との間隔に挟み込んで組み立てられる。

燃料極集電体１２４、酸素極集電体１２８は、導電性の多孔性材料を発電セル１２９ごとに独立して配置している。発電セル１２９への水素ガスの供給は、燃料極集電体１２４の下面に配置された流路基板１３６を通じて行われる。燃料極集電体１２４および燃料極スペーサ１３７の仕切り枠と、膜電極接続体１２６と、流路基板１３６とで囲まれた空間は、ガス拡散層１２５を収納して外気から密封された燃料空間となっている。

ガス拡散層１２７は、酸素極スペーサ１３８の仕切り枠に格納されて酸素極集電体１２８を通じて表面が大気に解放されている。発電セル１２９を平面的に配列しているので、発電セルを積み重ねる形式に比較して、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１３６には、流体入り口１２４から供給された水素ガスをそれぞれ２つずつの発電セル１２９へ導く複数の支流路１２３が形成されている。支流路１２３は、燃料極集電体１２４に接する部分で流路抵抗を高めることにより、水素ガスの素通りを回避している。

流路基板１３６の下にバッファ基板１４０が配置される。バッファ基板１４０にはバッファ空間１４２の凹所が形成され、バッファ空間１４２の上面は、流路基板１３６により密封されている。流路基板１３６上で合流した複数の支流路１２３は、貫通孔１４１を通じてバッファ空間１４２に連通し、バッファ空間１４２の貫通孔１４１とは反対側に、流体出口１４３が形成されている。

流体出口１４３には、第１実施形態と同様に、不図示のストップバルブが接続され、第２実施形態の燃料電池１２０は、第１実施形態の燃料電池スタック２０Ａと同様にストップバルブを閉じて運転されるデッドエンド型である。

支流路１２３を含む燃料供給空間の体積をＶ１、バッファ空間１４２の体積をＶ２、燃料供給空間の初期圧力をＰ１、燃料供給圧力をＰ２とした。このとき、Ｐ１／Ｐ２＜Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２）の関係となるように、バッファ空間の体積Ｖ２と燃料供給圧力Ｐ２とを設定してある。

燃料電池１２０は、支流路１２３を含む燃料供給空間に大気圧の不活性ガスを充填した状態で保管される。そして、発電開始に際しては、第１実施形態と同様に、流体入り口１２４から大気圧よりも高い燃料供給圧力で水素ガスを供給して、支流路１２３を含む燃料供給空間の不活性ガスをバッファ空間１４２に移動させる。

ガス拡散層１２５に接する膜電極接合体１２６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。ガス拡散層１２７に接する膜電極接合体１２６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１２６の高分子電解質膜は、ガス拡散層１２５側からガス拡散層１２７側へ水素イオンを移動させる。

＜第３実施形態＞
図１０は第３実施形態の燃料電池の構成の説明図、図１１はバッファ流路の有無による水素ガス排出量の比較の説明図、図１２は膜電極接合体の窒素漏れ量と出力電流の関係を示す線図である。燃料電池スタック２０Ｇは、発電セルがカスケード方式に接続される以外は第１実施形態の燃料電池スタック２０Ｇと同様に構成されるので、図２と共通する部材には共通の符号を付して詳細な説明は省略する。

第３実施形態の燃料電池スタック２０Ｇは、図１に示す燃料タンク２０Ｂと接続されて燃料電池を構成する。図１０に示すように、バッファ流路４２の下流側に形成された燃料流路出口４３にはパージバルブ４７が接続されている。パージバルブ４７は、通常は閉じた状態であるが、所定のタイミングで開かれてバッファ流路４２に濃縮蓄積された不純物ガスを大気中に排出する。パージバルブ４７は、燃料電池搭載機器５０の不図示の電気回路により制御されて開閉動作する。

燃料電池スタック２０Ｇで使用する水素ガスの供給方法は、オンサイトでの燃料製造・貯蔵した燃料の供給など適宜選択可能である。第３実施形態では、水素吸蔵合金を有する燃料タンク２０Ｂを用いる。燃料タンク２０Ｂより放出された水素ガスは、内蔵されたレギュレータによって所望の圧力に調整した後に燃料電池スタック２０Ｇに供給される。燃料電池スタック２０Ｇに供給される燃料供給圧力は、燃料流路３２のコンダクタンス、膜電極接合体２５で用いる高分子電解質膜の厚み等によって選択される。燃料タンク２０Ｂには、約５リットルの水素が充填され、レギュレータによって２００ｋＰａ（２気圧）に減圧して燃料電池スタック２０Ｇに供給する。

燃料電池スタックは、カスケード流パターンの燃料流路３２構成を有する。すなわち、燃料入り口２４より導入された水素ガスは、複数（Ｎ−１個）の発電セル２３に並列に供給される。Ｎ−１個の発電セル２３の下流では、燃料流路３２が排出側主流路４５に合流され、合流した水素ガスが最下流の発電セル４１に供給される。ここで、Ｎは燃料電池スタック２０Ｇ内の発電セル２３、４１の数である。第３実施形態では、Ｎ＝１２（一部は図示略）の燃料電池スタック２０Ｇを構成する。このとき、燃料電池スタック２０Ｇ内の膜電極接合体２５の総面積は約３０ｃｍ^２である。

発電セル４１の燃料流路３２の下流には、バッファ流路４２が設けられる。バッファ流路４２のさらに下流には、パージバルブ４７が設置される。すなわち、第３実施形態においても、デッドエンド型の運転となる。デッドエンド型の燃料電池スタック２０Ｇは、燃料循環用の配管やポンプが不要となるので、燃料電池２０の小型化に適した構成である。また、水素ガスを循環させないフロー型の燃料電池に比べて、垂れ流す水素ガスが無い分、燃料の有効利用に好適であると考えられる。

以上の燃料流路３２の構成によって、不純物ガスは、バッファ流路４２に濃縮されて蓄積される。発電セル２３に形成された水素ガスの流れによって、発電セル２３の燃料流路３２における不純物ガス濃度は下流側ほど高くなる。発電セル２３で不純物ガス濃度が高められた水素ガスは、供給側主流路４５を通じて最下段の発電セル４１に流れ込む。

発電セル４１でも不純物ガス濃度は下流側ほど高くなる。発電セル４１の出口の不純物ガス濃度とバランスするバッファ流路４２には、供給側主流路４５よりも一段と高濃度の不純物ガスが蓄積される。バッファ流路４２の不純物ガスは、濃度差に駆動されて燃料流路３２を上流側へ拡散しようとする。しかし、燃料流路３２を下流側へ向かって流れる水素ガスが拡散を妨げて、不純物ガスを下流側へ吹き寄せて、バッファ流路４２における不純物ガスの高濃度を保持させる。

第３実施形態では、バッファ流路４２の体積を０．６ｍｌとした。また、比較のため、バッファ流路４２を設けない同構成の燃料電池スタック（比較例）も準備した。

次に、不純物ガスの進入レート（時間当たり漏れ量）について説明する。第３実施形態は、酸化剤極が大気に開放された大気開放型の燃料電池２０である。このため、燃料流路３２に進入する不純物ガスの主成分は、空気中に含まれる窒素ガスである。燃料電池２０では、燃料流路３２に進入する窒素ガスは、主に膜電極接合体２５を介して酸化剤極より進入することが確認されている。

図１２に、第３実施形態で用いる膜電極接合体２５における窒素ガス進入レートの測定結果の一例を示す。横軸は発電させた出力電流密度、縦軸は膜電極接合体２５の単位面積あたり窒素ガス進入レートを示す。発電時の出力電流密度が高いと、膜電極接合体２５を通じた窒素ガスの進入レートも増大する。窒素ガスの進入レートは、膜電極接合体２５が設置された環境雰囲気によっても異なり、例えば、発電を行っていない時でも、１桁ほど異なる（図中（ａ））。そのため、窒素ガスの進入レートは、燃料電池２０の使用環境・動作電流において把握することが好ましい。

第３実施形態においては、燃料電池搭載機器５０の要望により、動作電流密度２００ｍＡ／ｃｍ^２での使用を想定する。図１２から膜電極接合体２５の単位面積あたり窒素ガス進入レートは、１．７×１０^−５ｍｌ／ｓｅｃ・ｃｍ^２（１×１０^−３ｓｃｃｍ／ｃｍ^２）。膜電極接合体２５の総面積３０ｃｍ^２から、燃料流路３２への窒素ガス進入レートｖは、５×１０^−４ｍｌ／ｓｅｃ・ｃｍ^２（０．０３ｓｃｃｍ）である。

構成の異なる燃料電池においては、進入する不純物ガス、或いは進入の主なる部位が異なる場合も考えられる。しかし、燃料流路３２への不純物ガスの進入レートは、使用環境・動作条件・燃料電池構成に応じて異なるものの、計測或いは予測可能である。

第３実施形態の燃料電池スタック２０Ｇは、バッファ流路体積をＶ、窒素ガス進入レートをｖ、パージ間隔をＴ、燃料供給圧力をＰ２、大気圧をＰ０とした時、Ｔ×ｖ×（Ｐ０／Ｐ２）＜Ｖという制御を燃料電池搭載機器５０が行う。

第３実施形態は、燃料流路３２の下流にバッファ流路４２を設けることによって、燃料電池２０の動作時におけるパージ動作の間隔Ｔを任意に設定可能とする。図１１に示すように、上記演算式を第３実施形態の寸法構成に適応すると、パージ間隔Ｔは、４４分以内と算出される。一方、バッファ流路４２を設けない比較例の燃料電池では、３．４分と算出される。

パージ動作は、燃料流路３２内から不純物ガスを除去すると同時に、いくらかの水素ガスを大気中に排出する。このため、頻繁なパージ動作を必要とする比較例の燃料電池では、燃料の有効利用が困難となる。

パージバルブ４７の開閉動作は、例えば燃料電池スタック２０Ｇの燃料流路３２の構成・パージバルブ４７の構成等によって決定される。第３実施形態においてパージ動作時は、パージバルブ４７を０．１秒間開いた後に閉じる動作を１秒間隔で３回行う。この一連のパージ動作で、パージバルブ４７を通じて大気中に放出される水素ガスの体積はほぼ１０ｍｌである。

図１１に示すように、第３実施形態では、このようなパージ動作を３０分間隔で行う。これにより、燃料電池２０から安定した出力が得られる。一つの燃料タンク２０Ｂにより、燃料電池２０は２時間程度の連続使用が可能である。この間に計４回のパージ動作を行い、このパージ動作によって４０ｍｌ程度の水素が消費される。

一方、バッファ流路４２を設けていない燃料電池では、３分に１回のパージ動作が必要である。これは、最も下流側の発電セル４１の燃料流路３２の体積が０．５ｍｌ程度であり、窒素ガスの蓄積による燃料電池スタック２０Ｇ特性への影響が第３実施形態に比べて大きいためである。これにより、第３実施形態と同様な出力状態による２時間の運転では、４０回のパージ動作が行われ、水素ガスの大気中への排出量は４００ｍｌとなる。実際には、水素ガスの無駄な消費によって、１つの燃料タンク２０Ｂにより、燃料電池２０は１．８時間程度しか連続使用が可能でない。

最下段の発電セル４１の出力低下を抑制するために、さらに頻繁に５０回のパージ動作を行うと、パージ動作によって約５００ｍｌの水素ガスが無駄に消費される。このように、第３実施形態の燃料電池スタック２０Ｇでは、燃料電池２０の動作時における燃料流路３２内の不純物ガスの悪影響が抑制可能となる。このため、パージ動作の頻度を低減でき、パージ動作に伴う水素ガスの消費が抑制できるので、燃料の有効利用が可能となる。これにより、同体積の燃料タンク２０Ｂを用いてより長時間の発電が行えるため、より高いエネルギー容量を持つ燃料電池２０が提供可能となる。

第３実施形態によれば、バッファ流路４２を燃料電池スタック２０Ｇの燃料流路３２下流に設けることにより、次のような効果が得られる。すなわち、燃料流路３２内に存在しうる不純物ガスが燃料電池スタック２０Ｇの発電に与える悪影響を抑制可能となる。これにより、燃料電池２０動作時の、パージ動作を不要にする、あるいはパージ頻度を低減できる。

このため、パージ動作毎に不純物ガスと同時に大気中へ放出される水素ガスを減少できる。さらに、パージ動作を行う際にパージバルブ４７等で消費される電力も抑制できる。これらの結果、燃料を効率よく利用可能となり、エネルギー容量の大きい燃料電池２０が提供可能となる。

なお、第３実施形態では、燃料電池スタック２０Ｇの燃料流路３１がカスケード型に接続される例を示した。しかし、図２に示されるパラレル型の接続パターンや図６に示されるシリアル型の接続パターンでも、パージバルブ４７を接続して燃料電池搭載機器５０によってパージ動作を行わせる実施形態が可能である。

また、図８に示す燃料電池スタック２０Ｅの下流側にバッファ空間４２Ｂを外付けする実施形態においても、バッファ空間４２Ｂの下流側にパージバルブ４７を接続する実施形態が可能である。

＜開発の経緯＞
燃料電池は、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。

電解質層として固体高分子電解質膜を採用した固体高分子型燃料電池は、常温に近い温度で使用でき、また電解質層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。固体高分子型燃料電池の発電セルは、触媒層をもつ燃料極と酸化剤極によって、高分子電解質膜が挟持された膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有している。

高分子電解質膜を用いて水素ガスを反応させる発電セル１段の出力電圧は最大でも１Ｖ程度である。従って、所望の電圧を得るため、膜電極接合体とセパレータとを交互に積層して複数の発電セルを電気的に直列に接続した燃料電池スタックが形成される。

セパレータは、燃料電池セルを電気的に直列に接続するための導電性を有するとともに、酸化剤と燃料とを分離するシール性を有する。セパレータの酸化剤極側には酸化剤を供給する酸化剤流路が、燃料極側には燃料を供給する燃料流路が設けられる。

燃料流路には例えば燃料タンクより水素が燃料として供給され、酸化剤流路には例えば空気中の酸素が酸化剤として供給され発電を行う。このような燃料電池は、燃料がデッドエンド型で供給されることがある。デッドエンド型の燃料電池においても、起動時や動作中に燃料流路内の不純物ガスを燃料流路より除去するためのパージバルブが設置される。これは、燃料に含まれる不純物ガス、あるいは外部から混入する不純物ガスを除去するためである。

特許文献１には、デッドエンド型の燃料電池装置のパージ方法が提案されている。図１３に従来の燃料電池の構成を示す。図１３に示すように、燃料は、燃料電池スタック１００にカスケード流パターンで導入される。図中矢印は、燃料電池スタック１００内における燃料の流れる方向を示す。第１セット１０１、第２セット１０２内の各発電セルを流れ出た燃料は、最終セット１０３へ導かれる。最終セット１０３は、パージセル部分１０４、パージセル部分の下流には不図示のパージバルブを備える。

燃料電池スタック１００がカスケード流パターンで設計されるため、燃料電池動作中にパージセル１０３部分に、窒素などの不純物ガスがたまりやすい。このため、不純物ガスの蓄積は、パージセル部分１０４の発電セルの性能と第１セット１０１部分の発電セルの性能とを比較することによって検知される。不純物ガスの蓄積を検知した時、パージバルブは電力消費を伴って開かれ、パージセル部分１０４に蓄積した不純物ガスを放出する。

しかし、従来の燃料電池では、高いエネルギー容量を持つ燃料電池を実現する上で、次のような課題があった。すなわち、パージ動作による不純物ガスの排出とともに、燃料が大気中に排出されてしまう。また、パージ動作毎にパージバルブ駆動のための電力が消費されてしまう。このため、燃料の有効利用が十分できず、燃料タンクの燃料の量に比較して十分なエネルギー量が燃料電池装置より得られない。

第３実施形態の燃料電池スタック２０Ｇは、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的は、高いエネルギー容量をもつ燃料電池２０を提供することである。

＜発明との比較＞
第３実施形態の燃料電池スタック２０Ｇは、膜電極接合体２５の一方の面側に配置されて気体燃料が供給される燃料流路３２を配置している。燃料流路３２の下流側に、燃料流路３２で発電に伴って濃縮された不純物ガスが蓄積されるバッファ流路４２を接続している。バッファ流路４２は、排出側主流路４５（図２）やパージバルブ４７（図１０）の接続管路のような従来の燃料流路３２における付属物としての空間とは異なる特別な空間である。バッファ流路４２は、燃料電池２０を小型化して部品点数を削減する方向とは逆行する付属的な寸法、占有空間、厚み、部品として、燃料流路３２の外側に配置されて、燃料流路３２に一端を接続して他端が閉じられている。

燃料電池２０は、発電中の燃料流路３２における不純物ガスの濃縮効果を利用して、バッファ流路４２に燃料流路３２の上流側〜中流側よりも高い濃度で不純物ガスを蓄積する。気体燃料の流れが不純物ガスを燃料流路３２の下流側へ吹き寄せるので、燃料流路３２には、上流側から下流側へ向かって高まる不純物ガスの濃度勾配が形成される。燃料流路３２の下流側に接続されたバッファ流路４２には、この濃度勾配における最も高い濃度で不純物ガスが蓄積される。これにより、発電に関与する燃料流路３２に不純物ガスを直接蓄積する特許文献１の燃料電池に比較して、燃料流路３２における不純物ガス濃度の高まりを遅らせることができる。バッファ流路４２の容積に拡散される分、燃料流路３２における不純物ガスの濃度が低く保たれ、その分、気体燃料の分圧が高く維持される。

従って、特許文献１の燃料電池に比較して、燃料流路３２に蓄積した不純物ガスによって発電出力が影響されにくい。燃料流路３２に蓄積した不純物ガスが発電出力に影響し始めるまでの時間が長くなるので、特許文献１の燃料電池に比較してパージの頻度が少なくて済む。パージの頻度が少なければ、パージによって無駄に消費される気体燃料が減るので、気体燃料の利用効率が高まって燃料タンクが長持ちする。

第３実施形態の燃料電池スタック２０Ｇは、膜電極接合体２５の一方の面側に配置されて気体燃料が供給される複数の燃料流路３２を直列に接続して配置している。燃料供給における最も下流側に位置する燃料流路３２の下流側に、燃料流路３２で発電に伴って濃縮された不純物ガスが蓄積されるバッファ流路４２を接続している。バッファ流路４２は、燃料流路３２の外側に配置されて、燃料流路３２に一端を接続して他端が閉じられている。

燃料電池スタック２０Ｇは、直列に接続した燃料流路３２における不純物ガスの濃縮効果を利用して、最も下流側の燃料流路３２に上流側の燃料流路３２よりも高い濃度で不純物ガスを蓄積する。そして、最も下流の燃料流路３２では、発電中の燃料流路３２における不純物ガスの濃縮効果を利用して、バッファ流路４２に最も下流の燃料流路３２の上流側〜中流側よりも高い濃度で不純物ガスを蓄積する。

気体燃料の流れが不純物ガスを下流側へ吹き寄せるので、最も下流側の燃料流路３２には、上流側から下流側へ向かって高まる不純物ガスの濃度勾配が形成される。燃料流路３２の下流側に接続されたバッファ流路４２には、この濃度勾配における最も高い濃度で不純物ガスが蓄積される。これにより、最も下流側の燃料流路３２に不純物ガスを直接蓄積する特許文献１の燃料電池に比較して、最も下流側の燃料流路３２における不純物ガス濃度の高まりを遅らせることができる。バッファ流路４２の容積に拡散される分、最も下流側の燃料流路３２における不純物ガスの濃度が低く保たれ、その分、気体燃料の分圧が高く維持される。

従って、特許文献１の燃料電池に比較して、燃料流路３２に蓄積した不純物ガスによって最も下流の発電セルの出力が影響されにくい。燃料流路３２に蓄積した不純物ガスが最も下流の発電セルの出力に影響し始めるまでの時間が長くなるので、特許文献１の燃料電池に比較してパージの頻度が少なくて済む。パージの頻度が少なければ、パージによって無駄に消費される気体燃料が減るので、気体燃料の利用効率が高まって燃料タンクが長持ちする。

第３実施形態の燃料電池スタック２０Ｇでは、バッファ流路４２の容量は、接続された燃料流路３２の出口からバッファ流路４２の入り口までの容積よりも大きく、バッファ流路４２における不純物ガスの流れと垂直な断面積は、燃料流路３２にバッファ流路４２を接続する流路の断面積よりも大きい。従って、パージバルブ４７と燃料流路４２とを単に接続するだけの管路に比較して、より多くの不純物ガスをその拡大された容積によって安定して保持できる。また、入り口のくびれの下流側に不純物ガスを効率的に閉じ込めて上流側への漏れ出しが抑制される。なお、燃料流路３２やバッファ流路４２には、発泡材料や綿状材料を絞り抵抗として充填してもよいが、その場合、それぞれの流路の断面積は発泡材料や綿状材料の断面積である。

第３実施形態の燃料電池スタック２０Ｇでは、図３に示すように、バッファ流路４２を接続した燃料流路３２は、燃料供給側からバッファ流路４２との接続側に至る流路構造によって構成される。そして、図１０に示すように、別の発電セル２３の燃料流路３２に対して並列接続されていない。従って、第３実施形態では、発電セル４１を通じた不純物ガスの上流側へ向かう逆拡散が抑制されて、並列接続されている場合よりも高い濃度で不純物ガスをバッファ流路４２に蓄積できる。

第３実施形態の燃料電池スタック２０Ｇでは、バッファ流路４２の不純物ガスを追い出す際に開かれるパージバルブ４７を、燃料流路３２との接続側の反対側でバッファ流路４２に接続している。

第３実施形態の燃料電池スタック２０Ｇでは、図４に示すように、バッファ流路４２に接続された燃料流路３２に対する接続位置からパージバルブ４７までの直線距離よりも長い流路構造によって、バッファ流路４２を構成している。従って、パージバルブ４７を開いた際には、バッファ流路４２に沿って不純物ガスが押し出され、押し出す水素ガスと不純物ガスとの混合が抑制される。

第３実施形態の燃料電池スタック２０Ｇでは、相互に並列接続された燃料流路３２の数を下流側へ向かって次第に減少させて直列に接続するカスケード方式で複数の燃料流路３２が配置されている。従って、上流側から下流側まで気体燃料の流量のばらつきを抑制して直列接続の段ごとに不純物ガスを段階的に濃縮することにより、最下流の燃料流路３２に不純物ガスを効率的に濃縮できる。

第３実施形態の燃料電池スタック２０Ｇでは、複数の燃料流路３２が平面を揃えて積み重ねられ、バッファ流路４２は、燃料流路３２に平面を揃えて積み重ねたバッファ流路板２７に形成された凹所である。

第２実施形態の燃料電池１２０は、複数のガス拡散層１２５が共通のバッファ基板１４０上の異なる位置に配置され、バッファ流路１４２は、共通のバッファ基板１４０に形成された凹所である。

第１実施形態の燃料電池２０では、燃料流路３２の合計容積をＶ１、バッファ流路４２の容積をＶ２、燃料供給前における燃料流路３２の圧力をＰ１、燃料供給時の圧力をＰ２としたとき、Ｐ１／Ｐ２＜Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２）である。

図８に示す燃料電池スタック２０Ｅのバッファ空間４２Ｂは、内圧に応じて容積を膨張／収縮させてバッファ空間４２Ｂの内圧変化を緩和する蛇腹空間４２Ｃを有する。

第１実施形態の燃料電池２０は、不活性ガスが充填された燃料流路３２に対して発電開始前の燃料流路３２の圧力よりも高い燃料供給圧力で燃料流路３２に気体燃料を供給して、パージ動作を伴うことなく燃料流路３２の不活性ガスをバッファ流路４２に移動させる燃料タンク２０Ｂを備えている。

第２実施形態の燃料電池スタック２０Ｇには、予め定めた時間間隔ごとにパージバルブ４７を開いてバッファ流路４２の不純物ガスを排出させる燃料電池搭載機器５０を備えてある。パージ動作の時間間隔をＴ、複数の燃料流路３２を連通させた合計容積に対する窒素ガスの時間当たり漏れ量をｖ、バッファ流路４２の容積をＶ２、燃料供給圧力をＰ２、大気圧をＰ０としたとき、Ｔ＜（Ｖ２×Ｐ２）／（ｖ×Ｐ０）である。

第１実施形態の運転方法では、燃料流路３２に加湿した不活性ガスを満たして燃料電池スタック２０Ａが保管される。発電開始に際しては、燃料供給前における燃料流路３２の圧力Ｐ１よりも高い燃料供給圧力Ｐ２で燃料流路３２に気体燃料を供給して、燃料流路３２の不活性ガスをバッファ流路４２に移動させる。

第３実施形態の運転方法では、複数の燃料流路３２を連通させた合計容積に対する窒素ガスの時間当たり漏れ量をｖ、バッファ流路４２の容積をＶ２、パージバルブ４７を開く時間間隔をＴ、燃料供給圧力をＰ２、大気圧をＰ０としたとき、Ｔ＜（Ｖ×Ｐ２）／（ｖ×Ｐ０）と定めた時間間隔Ｔごとにパージバルブ４７を開いてバッファ流路４２の不純物ガスを排出させる。

第３実施形態では、膜電極接合体２５の一方の面側に配置されて気体燃料が供給される燃料流路３２と、膜電極接合体２５の他方の面側に配置されて酸化剤が供給される酸化剤流路３１とを備える。膜電極接合体２５を介して燃料流路３２と酸化剤流路３１とが対峙する発電領域にて気体燃料と酸化剤とを反応させて発電を行う。

気体燃料の供給における発電領域の最も下流側に、発電に伴って濃縮される燃料流路３２の不純物ガスを蓄積するバッファ流路４２を設けている。バッファ流路４２における燃料流路３２から最も離れた位置から、燃料流路３２の容積よりも少ない体積分の気体を追い出すことにより、発電領域の発電性能を回復させる。

第１実施形態の燃料電池の斜視図である。 燃料電池スタックの断面図である。 セパレータの説明図である。 バッファ空間の説明図である。 燃料流路体積、バッファ流路体積、初期燃料流路内圧力、燃料供給圧力を異ならせた燃料電池スタックの特性一覧表である。 シリアル流パターンの燃料電池スタックの構成の説明図である。 カスケード流パターンの燃料電池スタックの構成の説明図である。 バッファ空間を外付けする変形例の説明図である。 第２実施形態の燃料電池の構成の説明図である。 第３実施形態の燃料電池の構成の説明図である。 バッファ流路の有無による水素ガス排出量の比較の説明図である。 膜電極接合体の窒素漏れ量と出力電流の関係を示す線図である。 特許文献１に示される燃料電池の燃料流路の構成の説明図である。

符号の説明

２０ 燃料電池
２０Ａ 燃料電池スタック
２０Ｂ 燃料タンク
２１、２２ エンドプレート
２３、４１ 発電セル
２３Ａ、２３Ｂ ガス拡散層
２４ 燃料流路入り口
２５ 固体電解質層（膜電極接合体）
２６ セパレータ
２７ 板状部材（バッファ流路板）
３１ 酸化剤供給空間（酸化剤流路）
３２ 燃料供給空間（燃料流路）
３３ 貫通口
４２、４２Ｂ、４２Ｃ バッファ空間（バッファ流路、バッファ空間、蛇腹空間）
４３ 燃料流路出口
４７ 開閉弁（パージバルブ）
５０ 制御手段（燃料電池搭載機器）

Claims (16)

1. 固体電解質層の一方の面側に配置されて気体燃料が供給される燃料供給空間を一つもしくは複数有する燃料電池において、
   前記固体電解質層を通じた発電に伴って前記燃料供給空間に形成される気体燃料の流れの下流側で前記燃料供給空間に接続流路を介して接続されたバッファ空間を有し、
   前記バッファ空間は、前記燃料供給空間の外側に配置されて、前記燃料供給空間で発電に伴って前記下流側に濃縮される不純物ガスを蓄積するための空間であって、
   前記バッファ空間の前記不純物ガスの流れと垂直な断面積は、前記接続流路における前記不純物ガスの流れと垂直な断面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池。
2. 固体電解質層の一方の面側に配置されて気体燃料が供給される複数の燃料供給空間を直列に接続して配置した燃料電池において、
   前記固体電解質層を通じた発電に伴って前記複数の燃料供給空間に形成される気体燃料の流れの下流側で前記複数の燃料供給空間に接続流路を介して接続されたバッファ空間を有し、
   前記バッファ空間は、前記燃料供給空間の外側に配置されて、前記複数の燃料供給空間で発電に伴って前記下流側に濃縮される不純物ガスを蓄積するための空間であって、
   前記バッファ空間の前記不純物ガスの流れと垂直な断面積は、前記接続流路における前記不純物ガスの流れと垂直な断面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池。
3. 前記バッファ空間の容量は、前記バッファ空間に前記接続流路を介して接続された前記燃料供給空間の出口から前記バッファ空間の入り口までの容積よりも大きいことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
4. 前記バッファ空間に前記接続流路を介して接続された前記燃料供給空間は、燃料供給側から前記接続流路との接続側に至る流路構造によって構成されるとともに、別の前記燃料供給空間に対して並列接続されていないことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の燃料電池。
5. 前記バッファ空間の前記不純物ガスを追い出す際に開かれる開閉弁を、前記燃料供給空間と前記接続流路を介して接続される反対側で前記バッファ空間に接続したことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の燃料電池。
6. 前記接続流路に対する接続位置から前記開閉弁までの直線距離よりも長い流路構造によって、前記バッファ空間を構成したことを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
7. 前記燃料供給空間を複数有し、前記バッファ空間に前記接続流路を介して接続された前記燃料供給空間を最も下流側に配置して、相互に並列接続された前記燃料供給空間の数を下流側へ向かって次第に減少させて直列に接続するカスケード方式で複数の前記燃料供給空間が配置されていることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の燃料電池。
8. 前記燃料供給空間を複数有し、当該複数の前記燃料供給空間が平面を揃えて積み重ねられ、前記バッファ空間は、前記燃料供給空間に平面を揃えて積み重ねた板状部材に形成された凹所であることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の燃料電池。
9. 前記燃料供給空間を複数有し、当該複数の前記燃料供給空間が共通の基板部材上の異なる平面位置に配置され、前記バッファ空間は、前記共通の基板部材に形成された凹所であることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の燃料電池。
10. 前記燃料供給空間を複数有し、当該複数の前記燃料供給空間の合計容積をＶ１、前記バッファ空間の容積をＶ２、燃料供給前における前記燃料供給空間の圧力をＰ１、燃料供給時の圧力をＰ２としたとき、Ｐ１／Ｐ２＜Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２）であることを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項記載の燃料電池。
11. 前記バッファ空間は、内圧に応じて容積を膨張／収縮させて前記バッファ空間の内圧変化を緩和する膨張部材を有することを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項記載の燃料電池。
12. 不活性ガスもしくは大気が充填された前記燃料供給空間に対して発電開始前の前記燃料供給空間の圧力よりも高い燃料供給圧力で前記燃料供給空間に気体燃料を供給して、パージ動作を伴うことなく前記燃料供給空間の不活性ガスを前記バッファ空間に移動させる燃料タンクを備えたことを特徴とする請求項１０または１１記載の燃料電池。
13. 請求項５または６記載の燃料電池を搭載した燃料電池装置において、
    予め定めた時間間隔ごとに前記開閉弁を開いて前記バッファ空間の前記不純物ガスを排出させる制御手段を備え、
    前記時間間隔をＴ、複数の前記燃料供給空間を連通させた合計容積に対する窒素ガスの時間当たり漏れ量をｖ、前記バッファ空間の容積をＶ２、燃料供給圧力をＰ２、大気圧をＰ０としたとき、Ｔ＜（Ｖ２×Ｐ２）／（ｖ×Ｐ０）であることを特徴とする燃料電池装置。
14. 請求項１０または１１記載の燃料電池を用いる燃料電池の運転方法において、
    前記燃料供給空間に不活性ガスもしくは大気を満たして保管し、
    発電開始に際しては、燃料供給前における前記燃料供給空間の圧力よりも高い燃料供給圧力で前記燃料供給空間に気体燃料を供給して、前記燃料供給空間の不活性ガスを前記バッファ空間に移動させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
15. 請求項５または６記載の燃料電池を用いる燃料電池の運転方法において、
    複数の前記燃料供給空間を連通させた合計容積に対する窒素ガスの時間当たり漏れ量をｖ、前記バッファ空間の容積をＶ２、前記開閉弁を開く時間間隔をＴ、燃料供給圧力をＰ２、大気圧をＰ０としたとき、Ｔ＜（Ｖ２×Ｐ２）／（ｖ×Ｐ０）と定めた時間間隔Ｔごとに前記開閉弁を開いて前記バッファ空間の前記不純物ガスを排出させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
16. 固体電解質層の一方の面側に配置されて気体燃料が供給される燃料供給空間と、
    前記固体電解質層の他方の面側に配置されて酸化剤が供給される酸化剤供給空間と、を備え、
    前記固体電解質層を介して前記燃料供給空間と前記酸化剤供給空間とが対峙する発電領域にて気体燃料と酸化剤とを反応させて発電を行う燃料電池の運転方法において、
    気体燃料の供給における前記発電領域の最も下流側に、前記発電に伴って濃縮される前記燃料供給空間の不純物ガスを蓄積するバッファ空間を、前記バッファ空間の前記不純物ガスの流れと垂直な断面積よりも小さな断面積の接続流路を介して設け、
    前記バッファ空間における前記燃料供給空間から最も離れた位置から、前記燃料供給空間の容積よりも少ない体積分の気体を追い出すことにより、前記発電領域の発電性能を回復させることを特徴とする燃料電池の運転方法。

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