JP5425092B2 - 燃料電池、燃料電池システム及び燃料電池の運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池、燃料電池システム及び燃料電池の運転方法に関し、特に、２つのセルスタックを有する燃料電池の構造に関する。
固体高分子形燃料電池（以下、ＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）という）は、都市ガスなどの原料ガスを改質し水素を含む燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電気と熱を同時に発生させるものである。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、電解質層及び一対のガス拡散電極から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極積層体）と、ガスケットと、導電性で板状のセパレータと、を有している。セパレータのガス拡散電極と当接する主面には、燃料ガス又は酸化剤ガス（これらを反応ガスという）を流すための溝状のガス流路が設けられていて、ガス拡散電極と当接する主面の反対側の主面には、発生した熱を回収し、セル内を冷却するための冷却媒体が通流する溝状の冷却媒体流路が設けられている。そして、周縁部にガスケットが配置されたＭＥＡが一対のセパレータで挟まれて、セルが構成されている。セルスタックは、このセルを複数積層し、積層されたセルの両端を端板で挟み、該端板とセルとを締結具により締結することにより、形成されている。
このようなＰＥＦＣを家庭用燃料電池に用いる場合には、発生した熱を回収して、家庭の給湯に利用することで、エネルギーの利用効率を高める工夫がなされている。従来、家庭用燃料電池では、給湯に用いられる温水の温度は、６０℃前後であったが、貯湯槽のコンパクト化や床暖房への適用を考えた場合、より高温の温水を利用することが求められている。このような高温の温水を発生させるためには、セルスタック出口の冷却媒体の温度を高くする必要がある。
また、ＰＥＦＣを自動車用燃料電池に用いる場合には、家庭用燃料電池と比べて、高い出力を発生する必要があるため、大量の熱が発生する。したがって、限られた搭載スペースの中でセルスタックを効率よく冷却するためには、冷却媒体と外気との温度差を大きく取る必要がある。したがって、自動車用燃料電池においても、セルスタック出口の冷却媒体の温度をできるだけ高くすることが求められている。
しかしながら、燃料電池スタック出口の冷却媒体の温度を高くするには、セルスタックの運転温度を上げる必要があるが、運転温度を上げると、ＭＥＡ周囲の相対湿度の低下により、高分子電解質膜及び触媒層中に含まれる電解質が乾燥してイオン伝導性が低下し、発電効率が低下するという問題が生じる。また、ＭＥＡ周囲の相対湿度を上げるには、反応ガスの加湿温度を高めることが有効であるが、このためには、加湿器の性能を上げる必要があり、燃料電池システムのコストアップや大型化につながるというデメリットが生じる。
このような問題に対して、複数個の単位セルにより第１セルアセンブリおよび第２セルアセンブリを構成し、該第１セルアセンブリおよび第２セルアセンブリに反応ガスおよび冷却媒体を供給および／または循環させるために、第１セルアセンブリおよび第２セルアセンブリにわたって直列的に連通する反応ガス流路および冷却媒体流路を備える、燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている燃料電池では、第１セルアセンブリを冷却した冷却媒体が第２セルアセンブリに供給されるので、基本的には、第２セルアセンブリは第１セルアセンブリに比較して高温側となり、第２セルアセンブリから排出される冷却媒体を容易に高温にすることができる。
特開２００４−３１１３５号公報
しかしながら、上記特許文献１に開示されている燃料電池であっても、高温側の第２セルアセンブリでは、反応ガスの反応によって生成される水だけでは、高分子電解質膜及び触媒層中に含まれる電解質が乾燥してイオン伝導性が低下し、発電効率が低下するという点で、未だ改善の余地があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、セルスタックから排出される冷却媒体の温度を高温にし、かつ、加湿器のコストアップや大型化することなく、高い発電効率を実現する燃料電池を提供することを目的とする。
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池は、一対の電極と、該一対の電極に挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる複数のセルブロックと、前記各セルブロックを貫通し、かつ、該各セルブロックの各セルを分流するようにして燃料ガスを流すセルブロック内部燃料ガス流路と、前記各セルブロックを貫通し、かつ、該各セルブロックの各セルを分流するようにして酸化剤ガスを流すセルブロック内部酸化剤ガス流路と、前記各セルブロックを貫通し、かつ、該各セルブロックの各セルを分流するようにして冷却媒体を流すセルブロック内部冷却媒体流路と、ある前記セルブロックのセルブロック内部冷却媒体流路と他の前記セルブロックのセルブロック内部冷却媒体流路とを直列に接続する冷却媒体接続流路と、を備え、前記触媒層は、電極触媒と該電極触媒を担持するカーボン粉末とを含む触媒担持体と、該触媒担持体に付着した電解質とを含み、前記冷却媒体接続流路の下流に位置する前記セルブロックのセルにおける前記触媒層の方が、前記冷却媒体接続流路の上流に位置する前記セルブロックのセルにおける前記触媒層よりも、前記触媒層の単位体積当たりのイオン交換基の密度、前記触媒層の前記触媒担持体の前記電極触媒の担持量、及び前記触媒層の触媒担持率からなる触媒材料組成群より選ばれる１以上の触媒材料組成が大きい。
これにより、燃料電池（最下流に位置するセルブロックのセルブロック内部冷却媒体流路）から排出される冷却媒体を容易に高温にすることができ、かつ、燃料電池全体の発電効率を高くすることができる。
また、本発明に係る燃料電池では、前記触媒層の単位体積当たりのイオン交換基の密度は、前記触媒層の前記触媒担持体の質量に対する前記電解質の質量の比及び／又は前記触媒層の前記触媒担持体の前記電解質のイオン交換容量であってもよい。
また、本発明に係る燃料電池では、前記冷却媒体接続流路の下流に位置する前記セルブロックのセルにおける前記触媒層の方が、前記冷却媒体接続流路の上流に位置する前記セルブロックのセルにおける前記触媒層よりも、前記触媒層の前記触媒担持体の質量に対する前記電解質の質量の比が大きくてもよい。
また、本発明に係る燃料電池では、前記冷却媒体接続流路の下流に位置する前記セルブロックのセルにおける前記触媒層の方が、前記冷却媒体接続流路の上流に位置する前記セルブロックのセルにおける前記触媒層よりも、前記触媒層の前記触媒担持体の前記電解質のイオン交換容量が大きくてもよい。
また、本発明に係る燃料電池では、前記冷却媒体接続流路の下流に位置する前記セルブロックのセルにおける前記触媒層の方が、前記冷却媒体接続流路の上流に位置する前記セルブロックのセルにおける前記触媒層よりも、前記触媒層の前記触媒担持体の前記電極触媒の担持量が大きくてもよい。
また、本発明に係る燃料電池では、前記各セルブロックが電気的に、互いに直列に接続されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池では、前記セルブロック内部燃料ガス流路と前記セルブロック内部酸化剤ガス流路が並行流となるように形成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池では、ある前記セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路と他の前記セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路とを直列に接続する燃料ガス接続流路と、ある前記セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路と他の前記セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路とを直列に接続する酸化剤ガス接続流路と、を備えてもよい。
また、本発明に係る燃料電池では、前記冷却媒体上流セルブロックは、前記燃料ガス接続流路及び前記酸化剤ガス接続流路の上流に位置し、前記冷却媒体下流セルブロックは、前記燃料ガス流路接続及び前記酸化剤ガス接続流路の下流に位置してもよい。
また、本発明に係る燃料電池では、ある前記セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路と他の前記セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路とを並列に接続する燃料ガス接続流路と、ある前記セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路と他の前記セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路とを並列に接続する酸化剤ガス接続流路と、を備えていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池では、ある前記セルブロックと他のセルブロックとの間には、接続プレートが設けられ、前記冷却媒体接続流路は、前記接続プレートに形成されていてもよい。
さらに、本発明に係る燃料電池では、前記セルブロックが少なくとも２つ並置されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池の温度を制御する温度制御装置と、前記燃料電池から取り出す電力を調整する電力調整装置と、前記燃料ガス供給装置、前記酸化剤ガス供給装置、前記温度制御装置、及び前記電力調整装置を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記冷却媒体下流セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路を流れる燃料ガスの相対湿度が、前記冷却媒体上流セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路を流れる燃料ガスの相対湿度より低く、かつ、前記冷却媒体下流セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの相対湿度が、前記冷却媒体上流セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの相対湿度より低い条件で、発電運転を行うように構成されている。
これにより、燃料電池（最下流に位置するセルブロックのセルブロック内部冷却媒体流路）から排出される冷却媒体を容易に高温にすることができ、かつ、燃料電池全体の発電効率を高くすることができる。
さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が、前記燃料電池に供給される冷却媒体の温度より低い条件で、発電運転を行うように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池の運転方法は、一対の電極と、該一対の電極に挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる複数のセルブロックと、前記各セルブロックを貫通し、かつ、該各セルブロックの各セルを分流するようにして燃料ガスを流すセルブロック内部燃料ガス流路と、前記各セルブロックを貫通し、かつ、該各セルブロックの各セルを分流するようにして酸化剤ガスを流すセルブロック内部酸化剤ガス流路と、前記各セルブロックを貫通し、かつ、該各セルブロックの各セルを分流するようにして冷却媒体を流すセルブロック内部冷却媒体流路と、ある前記セルブロックのセルブロック内部冷却媒体流路と他の前記セルブロックのセルブロック内部冷却媒体流路とを直列に接続する冷却媒体接続流路と、を備え、前記触媒層は、電極触媒と該電極触媒を担持するカーボン粉末とを含む触媒担持体と、該触媒担持体に付着した電解質とを含み、前記冷却媒体接続流路の下流に位置する前記セルブロック（以下、冷却媒体下流セルブロック）のセルにおける前記触媒層の方が、前記冷却媒体接続流路の上流に位置する前記セルブロック（以下、冷却媒体上流セルブロック）のセルにおける前記触媒層よりも、前記触媒層の単位体積当たりのイオン交換基の密度、前記触媒層の前記触媒担持体の前記電極触媒の担持量、及び前記触媒層の触媒担持率からなる触媒材料組成群より選ばれる１以上の触媒材料組成が大きく、前記冷却媒体下流セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路を流れる燃料ガスの相対湿度が、前記冷却媒体上流セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路を流れる燃料ガスの相対湿度より低く、かつ、前記冷却媒体下流セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの相対湿度が、前記冷却媒体上流セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの相対湿度より低い条件で、発電運転を行う。
これにより、燃料電池（最下流に位置するセルブロックのセルブロック内部冷却媒体流路）から排出される冷却媒体を容易に高温にすることができ、かつ、燃料電池全体の発電効率を高くすることができる。
さらに、本発明に係る燃料電池の運転方法では、前記燃料電池は、該燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が、該燃料電池に供給される冷却媒体の温度より低い条件で、発電運転を行ってもよい。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の燃料電池、それを備える燃料電池システム、及び燃料電池の運転方法によれば、燃料電池（最下流に位置するセルブロックの内部冷却媒体流路）から排出される冷却媒体を容易に高温にし、かつ、燃料電池全体の発電効率を高くすることが可能となる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す燃料電池の第１セルスタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。 図３は、図１に示す燃料電池の第２セルスタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。 図４は、図１に示す燃料電池の第１セルの概略構成を模式的に示す断面図である。 図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図６は、図５に示す第２セルスタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。 図７は、図５に示す燃料電池の接続プレートの概略構成を模式的に示す正面図である。 図８は、図７に示すＡ−Ａ線断面図である。 図９は、図７に示す接続プレートのプレート部材の概略構成を模式的に示す正面図である。 図１０は、図７に示す接続プレートのプレート部材の概略構成を模式的に示す正面図である。 図１１は、図７に示す接続プレートのプレート部材の概略構成を模式的に示す正面図である。 図１２は、図７に示す接続プレートのプレート部材の概略構成を模式的に示す正面図である。 図１３は、図７に示す接続プレートのプレート部材の概略構成を模式的に示す正面図である。 図１４は、図７に示す接続プレートのプレート部材の概略構成を模式的に示す正面図である。 図１５は、図７に示す接続プレートのプレート部材の概略構成を模式的に示す正面図である。 図１６は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図１７は、図１６に示す燃料電池の接続プレートの概略構成を模式的に示す正面図である。 図１８は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図１９は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図２０は、図１９に示す燃料電池の第１セルブロックの概略構成を模式的に示す斜視図である。 図２１は、図１９に示す燃料電池の第２セルブロックの概略構成を模式的に示す斜視図である。 図２２は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図２３は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
（実施の形態１）
［燃料電池の構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。なお、図１において、燃料電池の上下方向を図における上下方向として表し、一部を省略している。
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池１００は、１以上の第１セル５１が積層された第１セルブロック１０１と、１以上の第２セル５２が積層された第２セルブロック１０２と、を備えており、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２の２つのセルブロックが並置されている。第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２の両端には、それぞれ、第１及び第２集電板６１ａ、６１ｂと、第１及び第２絶縁板６２ａ、６２ｂと、第１及び第２端板６３ａ、６３ｂと、が配置されている。そして、電気配線１０６が、第１セルブロック１０１の第１集電板６１ａと、第２セルブロック１０２の第２集電板６１ｂと、を直列に接続するように配設されていて、これにより、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２が電気的に直列に接続される。
第１セルブロック１０１の第２集電板６１ｂと第２セルブロック１０２の第１集電板６１ａには、それぞれ、端子６４、６４が設けられており、該端子６４、６４には、電気配線（図示せず）の一端が接続されていて、その他端は、インバータ（図１には図示せず）に接続されている。これにより、燃料電池１００で発生した直流電流は、インバータに出力されて、インバータで交流電流に変換して、電力負荷に電力が供給される。
また、燃料電池１００は、冷却媒体接続流路１０３、燃料ガス接続流路１０４、及び酸化剤ガス接続流路１０５を備えていて、冷却媒体接続流路１０３、燃料ガス接続流路１０４、及び酸化剤ガス接続流路１０５は、それぞれ、第１セルブロック１０１のセルブロック内部冷却媒体流路１５１Ａ、セルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａ、及びセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａと、第２セルブロック１０２のセルブロック内部冷却媒体流路１５１Ｂ、セルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂ、及びセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂとを、それぞれ直列に接続している。
ここで、第１セルブロック１０１のセルブロック内部冷却媒体流路１５１Ａは、第１セルブロック１０１を貫通し、かつ、該第１セルブロック１０１の各第１セル５１を分流するようにして冷却媒体を流す流路であり、冷却媒体供給マニホールド１２５Ａと、全第１セル５１の冷却媒体流路１０と、冷却媒体排出マニホールド１２６Ａと、を含む。また、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａは、第１セルブロック１０１を貫通し、かつ、該第１セルブロック１０１の各第１セル５１を分流するようにして燃料ガスを流す流路であり、燃料ガス供給マニホールド１２１Ａと、全第１セル５１の燃料ガス流路８と、燃料ガス排出マニホールド１２２Ａと、を含む。さらに、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａは、第１セルブロック１０１を貫通し、かつ、該第１セルブロック１０１の各第１セル５１を分流するようにして酸化剤ガスを流す流路であり、酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ａと、全第１セル５１の酸化剤ガス流路９と、酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ａと、を含む。
一方、第２セルブロック１０２のセルブロック内部冷却媒体流路１５１Ｂは、第２セルブロック１０２を貫通し、かつ、該第２セルブロック１０２の各第２セル５２を分流するようにして冷却媒体を流す流路であり、冷却媒体供給マニホールド１２５Ｂと、全第２セル５２の冷却媒体流路１０と、冷却媒体排出マニホールド１２６Ｂと、を含む。また、第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂは、第２セルブロック１０２を貫通し、かつ、該第２セルブロック１０２の各第２セル５２を分流するようにして燃料ガスを流す流路であり、燃料ガス供給マニホールド１２１Ｂと、全第２セル５２の燃料ガス流路８と、燃料ガス排出マニホールド１２２Ｂと、を含む。さらに、第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂは、第２セルブロック１０２を貫通し、かつ、該第２セルブロック１０２の各第２セル５２を分流するようにして酸化剤ガスを流す流路であり、酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ｂと、全第２セル５２の酸化剤ガス流路９と、酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ｂと、を含む。
なお、本実施の形態１においては、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａと第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂとを直列に接続する構成としたが、これに限定されず、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａと第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂとを並列に接続する構成としてもよい。また、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａと第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂとを直列に接続する構成としたが、これに限定されず、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａと第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂとを並列に接続する構成としてもよい。ここで、本発明において、２つの流路が直列に接続されるとは、一方の流路の下流端（出口）と他方の流路の上流端（入口）とが接続されることをいう。また、本発明において、２つの流路が並列に接続されるとは、一方の流路の上流端（入口）と他方の流路の上流端（入口）とが接続されることをいう。
次に、第１セルブロック１０１の構成について、図１及び図２を参照しながら、さらに詳細に説明する。図２は、図１に示す燃料電池１００の第１セルブロック１０１の概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、図２においては、第１セルブロック１０１における上下方向を図における上下方向として表している。
図１及び図２に示すように、第１セルブロック１０１は、板状の全体形状を有する第１セル５１がその厚み方向に積層されてなり、第１セルブロック１０１の両端には、第１及び第２集電板６１ａ、６１ｂと、第１及び第２絶縁板６２ａ、６２ｂと、第１及び第２端板６３ａ、６３ｂと、第１セルブロック１０１を第１セル５１の積層方向において締結する締結具（図示せず）と、が配置されている。具体的には、第１及び第２集電板６１ａ、６１ｂが、それぞれ、第１セルブロック１０１の両端と接触するように配置され、第１端板６３ａ及び第２端板６３ｂが、第１セルブロック１０１の最も外方に位置するように配置されている。また、第１及び第２絶縁板６２ａ、６２ｂは、それぞれ、第１及び第２集電板６１ａ、６１ｂと、第１及び第２端板６３ａ、６３ｂと、の間に位置するように配置されている。なお、板状の第１セル５１は、鉛直面に平行に延在しており、第１セル５１の積層方向は水平方向となっている。
第１セルブロック１０１における一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部には、該第１セルブロック１０１の第１セル５１の積層方向に貫通するように、冷却媒体供給マニホールド１２５Ａが設けられている。冷却媒体供給マニホールド１２５Ａの一端は、第１集電板６１ａ、第１絶縁板６２ａ、及び第１端板６３ａに形成された貫通孔１４５に連通し、該貫通孔１４５には、冷却媒体供給経路１３５（正確には、冷却媒体供給経路１３５を構成する配管）が接続されている。一方、冷却媒体供給マニホールド１２５Ａの他端は、第２集電板６１ｂにより閉鎖されている。
また、冷却媒体供給マニホールド１２５Ａの下部には、酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ａが、第１セルブロック１０１の第１セル５１の積層方向に貫通するように設けられている。酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ａの一端は、第１集電板６１ａ、第１絶縁板６２ａ、及び第１端板６３ａに形成された貫通孔１４３に連通し、該貫通孔１４３には、酸化剤ガス供給経路１３３（正確には、酸化剤ガス供給経路１３３を構成する配管）が接続されている。一方、酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ａの他端は、第２集電板６１ｂにより閉鎖されている。
さらに、冷却媒体供給マニホールド１２５Ａの上部の内側には、燃料ガス供給マニホールド１２１Ａが、第１セルブロック１０１の第１セル５１の積層方向に貫通するように設けられている。燃料ガス供給マニホールド１２１Ａの一端は、第１集電板６１ａ、第１絶縁板６２ａ、及び第１端板６３ａに形成された貫通孔１４１に連通し、該貫通孔１４１には、燃料ガス供給経路１３１（正確には、燃料ガス供給経路１３１を構成する配管）が接続されている。一方、燃料ガス供給マニホールド１２１Ａの他端は、第２集電板６１ｂにより閉鎖されている。
また、第１セルブロック１０１における他方の側部（図面右側の側部：以下、第２の側部という）の下部には、該第１セルブロック１０１の第１セル５１の積層方向に貫通するように、冷却媒体排出マニホールド１２６Ａが設けられている。冷却媒体排出マニホールド１２６Ａの一端（出口）は、第２集電板６１ｂ、第２絶縁板６２ｂ、及び第２端板６３ｂに形成された貫通孔１４６に連通し、該貫通孔１４６には、冷却媒体接続流路１０３（正確には、冷却媒体接続流路１０３を構成する配管）が接続されている。一方、冷却媒体排出マニホールド１２６Ａの他端は、第１集電板６１ａにより閉鎖されている。
また、冷却媒体排出マニホールド１２６Ａの上部には、酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ａが、第１セルブロック１０１の第１セル５１の積層方向に貫通するように設けられている。酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ａの一端（出口）は、第２集電板６１ｂ、第２絶縁板６２ｂ、及び第２端板６３ｂに形成された貫通孔１４６に連通し、該貫通孔１４６には、酸化剤ガス接続流路１０５（正確には、酸化剤ガス接続流路１０５を構成する配管）が接続されている。一方、酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ａの他端は、第１集電板６１ａにより閉鎖されている。
さらに、冷却媒体排出マニホールド１２６Ａの下部の内側には、燃料ガス排出マニホールド１２２Ａが、第１セルブロック１０１の第１セル５１の積層方向に貫通するように設けられている。燃料ガス排出マニホールド１２２Ａの一端（出口）は、第２集電板６１ｂ、第２絶縁板６２ｂ、及び第２端板６３ｂに形成された貫通孔１４２に連通し、該貫通孔１４２には、燃料ガス接続流路１０４（正確には、燃料ガス接続流路１０４を構成する配管）が接続されている。一方、燃料ガス排出マニホールド１２２Ａの他端は、第１集電板６１ａにより閉鎖されている。
次に、第２セルブロック１０２の構成について、図１及び図３を参照しながら詳細に説明する。なお、第２セルブロック１０２は、第１セルブロック１０１と基本的構成は同じであるため、相違点のみを説明する。
図３は、図１に示す燃料電池１００の第２セルブロック１０２の概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、図３においては、第２セルブロック１０２における上下方向を図における上下方向として表している。
図１及び図３に示すように、第２セルブロック１０２の燃料ガス供給マニホールド１２１Ｂの一端は、第１集電板６１ａに閉鎖されており、その他端（入口）は、第２集電板６１ｂ、第２絶縁板６２ｂ、及び第２端板６３ｂに形成された貫通孔１４１に連通し、該貫通孔１４１には、燃料ガス接続流路１０４（正確には、燃料ガス接続流路１０４を構成する配管）が接続されている。また、第２セルブロック１０２の燃料ガス排出マニホールド１２２Ｂの一端は、第１集電板６１ａ、第１絶縁板６２ａ、及び第１端板６３ａに形成された貫通孔１４２に連通し、該貫通孔１４２には、燃料ガス排出経路１３２（正確には、燃料ガス排出経路１３２を構成する配管）が接続されている。一方、第２セルブロック１０２の燃料ガス排出マニホールド１２２Ｂの他端は、第２集電板６１ｂにより閉鎖されている。
また、第２セルブロック１０２の酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ｂの一端は、第１集電板６１ａに閉鎖されており、その他端（入口）は、第２集電板６１ｂ、第２絶縁板６２ｂ、及び第２端板６３ｂに形成された貫通孔１４３に連通し、該貫通孔１４３には、酸化剤ガス接続流路１０５（正確には、酸化剤ガス接続流路１０５を構成する配管）が接続されている。また、第２セルブロック１０２の酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ｂの一端は、第１集電板６１ａ、第１絶縁板６２ａ、及び第１端板６３ａに形成された貫通孔１４４に連通し、該貫通孔１４４には、酸化剤ガス排出経路１３４（正確には、酸化剤ガス排出経路１３４を構成する配管）が接続されている。一方、第２セルブロック１０２の酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ｂの他端は、第２集電板６１ｂにより閉鎖されている。
さらに、第２セルブロック１０２の冷却媒体供給マニホールド１２５Ｂの一端は、第１集電板６１ａに閉鎖されており、その他端（入口）は、第２集電板６１ｂ、第２絶縁板６２ｂ、及び第２端板６３ｂに形成された貫通孔１４５に連通し、該貫通孔１４５には、冷却媒体接続流路１０３（正確には、冷却媒体接続流路１０３を構成する配管）が接続されている。また、第２セルブロック１０２の冷却媒体排出マニホールド１２６Ｂの一端は、第１集電板６１ａ、第１絶縁板６２ａ、及び第１端板６３ａに形成された貫通孔１４６に連通し、該貫通孔１４６には、冷却媒体排出経路１３６（正確には、冷却媒体排出経路１３６を構成する配管）が接続されている。一方、第２セルブロック１０２の冷却媒体排出マニホールド１２６Ｂの他端は、第２集電板６１ｂにより閉鎖されている。
これにより、第１セルブロック１０１を通流した燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ、燃料ガス接続流路１０４及び酸化剤ガス接続流路１０５を通流して、第２セルブロック１０２に供給される。
また、第１セルブロック１０１に供給された冷却媒体は、冷却媒体接続流路１０３を通流して、第２セルブロック１０２に供給される。すなわち、第１セルブロック１０１が、冷却媒体接続流路１０３の上流側に位置して、冷却媒体上流セルブロックを構成し、第２セルブロック１０２が、冷却媒体接続流路１０３の下流側に位置して、冷却媒体下流セルブロックを構成する。
第１セルブロック１０１内を通流する冷却媒体は、第１セルブロック１０１の各第１セル５１で燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により生成された熱を回収して加熱されるため、第２セルブロック１０２の方が、第１セルブロック１０１よりも温度が高くなる。このため、第２セルブロック１０２から排出される冷却媒体を容易に高温にすることができる。なお、本実施においては、第１セルブロック１０１よりも第２セルブロック１０２の方が、その内部が高温となるため、第２セルブロック１０２の方が、第１セルブロック１０１よりも相対湿度が低くなる。
次に、第１セルブロック１０１を構成する第１セル５１及び第２セルブロック１０２を構成する第２セル５２の構成について、図４を参照しながら詳細に説明する。なお、第１セル５１と第２セル５２は、基本的構成は同じであるため、第２セル５２については、第１セル５１との相違点のみを説明する。
図４は、図１に示す燃料電池１００の第１セル５１の概略構成を模式的に示す断面図である。
図４に示すように、第１セル５１は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体（電解質層−電極接合体））５と、ガスケット７と、アノードセパレータ６ａと、カソードセパレータ６ｂと、を備えている。
まず、ＭＥＡ５について説明する。
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（電解質層）１と、アノード電極４ａと、カソード電極４ｂと、を有している。高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード電極４ａとカソード電極４ｂがそれぞれ設けられている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔等の各マニホールド孔（図示せず）が厚み方向に貫通するように設けられている。
アノード電極４ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボン（触媒担持体）と触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層２ａと、アノード触媒層２ａの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３ａと、を有している。同様に、カソード電極４ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボン（触媒担持体）と触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層２ｂと、カソード触媒層２ｂの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３ｂと、を有している。
次に、ＭＥＡ５の各要素について説明する。
高分子電解質膜１は、プロトン伝導性を有している。高分子電解質膜１としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、及びスルホンイミド基を有するものが好ましい。また、プロトン伝導性の観点から、高分子電解質膜１は、スルホン酸基を有するものがより好ましい。
高分子電解質膜１を構成するスルホン酸基を有する樹脂としては、イオン交換容量が０．５〜２．０ｍｅｑ／ｇの乾燥樹脂であることが好ましい。高分子電解質膜１を構成する乾燥樹脂のイオン交換容量が０．５ｍｅｑ／ｇ以上であると、発電時における高分子電解質膜１の抵抗値の上昇を充分に低減することができるので好ましく、また、乾燥樹脂のイオン交換容量が２．０ｍｅｑ／ｇ以下であると、高分子電解質膜の含水率が増大せず、膨潤しにくくなり、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂ中の細孔が閉塞するおそれがないため好ましい。
高分子電解質としては、ＣＦ２＝ＣＦ−(ＯＣＦ２ＣＦＸ)ｍ−Ｏｐ−(ＣＦ2)ｎ−ＳＯ３Ｈで表されるパーフルオロビニル化合物（ｍは０〜３の整数を示し、ｎは１〜１２の整数を示し、ｐは０又は１を示し、Ｘはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。）に基づく重合単位と、テトラフルオロエチレンに基づく重合単位と、を含む共重合体であることが好ましい。
上記フルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式（１）〜（３）で表される化合物が挙げられる。ただし、下記式中、ｑは１〜８の整数、ｒは１〜８の整数、ｔは１〜３の整数を示す。
ＣＦ２＝ＣＦＯ（ＣＦ２）ｑ−ＳＯ３Ｈ ・・・（１）
ＣＦ２＝ＣＦＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）Ｏ（ＣＦ２）r−ＳＯ３Ｈ ・・・（２）
ＣＦ２＝ＣＦ（ＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３））ｔＯ（ＣＦ２）２−ＳＯ３Ｈ ・・・（３）
アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂは、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の燃料電池におけるガス拡散電極の触媒層と同様の構成を有していてもよく、例えば、電極触媒を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質にポリテトラフルオロエチレン等の撥水材料を更に含むような構成であってもよい。また、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの構成は、同一であってもよく、異なっていてもよい。
なお、触媒担体として用いるカーボン粉末は、比表面積が５０〜２０００ｍ２／ｇの範囲のものであることが好ましい。カーボン粉末の比表面積が５０ｍ２／ｇ以上であると、電極触媒を高分散に担持することが容易であると同時に、相対湿度が低い場合においても、水分を保持できる空間が多くなり、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの乾燥を防ぐことができるため、好ましい。また、カーボン粉末の比表面積が２０００ｍ２／ｇ以下であると、カーボン粉末の耐酸化性を確保することが容易になり、高い電位にさらされた場合にもカーボン粉末の腐食を防ぐことができるため好ましい。
また、電極触媒としては、金属粒子を用いることができる。当該金属粒子としては、特に限定されず種々の金属を使用することができるが、電極反応活性の観点から、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛及びスズからなる金属群より選択される少なくとも１以上の金属であることが好ましい。なかでも、白金、又は白金と上記金属群より選択される少なくとも１以上の金属との合金が好ましく、白金とルテニウムの合金が、アノード触媒層２ａにおいて触媒の活性が安定することから特に好ましい。
また、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂに用いる触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持率は、１０ｗｔ％〜９０ｗｔ％の範囲であることが好ましい。触媒担持率が１０ｗｔ％以上であると、所定の電極触媒量に対するアノード触媒層２ａ及び／又はカソード触媒層２ｂの厚みを薄くすることができ、アノード触媒層２ａ及び／又はカソード触媒層２ｂ内のイオン導電性、ガス拡散性、及び水排出性を高めることができるため、好ましい。また、触媒担持率が９０ｗｔ％以下であると、電極触媒を高分散に担持することが容易となり、高い発電効率を得られるため、好ましい。
また、第１セルブロック１０１は、相対湿度が高いため、高い発電効率を得るには、電極触媒を高分散に担持することが有効であり、一方、第２セルブロック１０２は、相対湿度が低いため、高い発電効率を得るには、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂ内のイオン伝導性を高めることが有効である。このため、燃料電池１００全体として、コストを抑え、かつ、発電効率を上げる観点から、第２セル５２のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの少なくとも一方に用いる触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持率は、第１セル５１のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂに用いる触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持率よりも大きくなるように構成されている。
また、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂに用いる触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持量は、０．０１ｍｇ／ｃｍ２〜１０ｍｇ／ｃｍ２の範囲であることが好ましい。電極触媒の担持量が０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上であると、電気化学反応の反応過電圧を低減することができるため、好ましい。また、電極触媒の担持量が１０ｍｇ／ｃｍ２以下であると、電極触媒にかかるコストを抑えることができるため、好ましい。
また、第１セルブロック１０１は、相対湿度が高いため、電極触媒の量が少ない場合であっても高い発電効率が得られ、一方、第２セルブロック１０２は、相対湿度が低いため、電極触媒の量が発電効率に大きく影響し、反応過電圧の低減効果は、アノード触媒層２ａ及び／又はカソード触媒層２ｂの相対湿度が低い場合において、顕著に現れる。このため、燃料電池１００全体として、コストを抑え、かつ、発電効率を上げる観点から、第２セル５２のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの少なくとも一方に用いる触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持量は、第１セル５１のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂに用いる触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持量よりも大きくなるように構成されている。
また、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂに用いる高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜１を構成する材料と同種のものを使用してもよく、また、異なる種類のものを使用してもよい。イオン交換容量については、０．５〜２．０ｍｅｑ／ｇの乾燥樹脂であることが好ましい。高分子電解質を構成する乾燥樹脂（高分子電解質）のイオン交換容量が０．５ｍｅｑ／ｇ以上であると、触媒層内のイオン伝導性を高めることができると同時に、相対湿度が低い場合においても、含水率が高くなり、触媒層の乾燥を防ぐことができるため、好ましい。また、乾燥樹脂のイオン交換容量が２．０ｍｅｑ／ｇ以下であると、高分子電解質の含水による膨潤を抑えることができ、触媒層内の細孔を閉塞し、ガス拡散を阻害するおそれがないため好ましい。
また、第１セルブロック１０１は、相対湿度が高く、高分子電解質の膨潤や生成水によって触媒層内の細孔が閉塞しやすく、一方、第２セルブロック１０２は、相対湿度が低く、触媒層が乾燥し、触媒層内のイオン伝導性が低下しやすくなる。このため、燃料電池１００全体として、コストを抑え、かつ、発電効率を上げる観点から、第２セル５２のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの少なくとも一方に用いる高分子電解質のイオン交換容量は、第１セル５１のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂに用いる高分子電解質のイオン交換容量よりも大きくなるように構成されている。
すなわち、第２セル５２のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの少なくとも一方の触媒層の単位堆積当たりのイオン交換基の密度が、第１セル５１のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの少なくとも一方の触媒層の単位堆積当たりのイオン交換基の密度よりも大きくなるように構成されている。
また、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂに用いる高分子電解質の量は、アノード触媒層２ａ又はカソード触媒層２ｂに含まれる触媒担持カーボンの質量ＷＣａｔ−Ｃに対する高分子電解質の質量ＷＰの比（ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃ）が、０．３〜３．０となるように調整することが、好ましい。ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃが０．３以上であると、触媒層内にイオン伝導経路が有効に形成され、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂ内のイオン伝導性が高まるため、好ましい。また、ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃが３．０以下であると、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂ内にガス拡散経路が有効に形成され、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂ内のガス拡散性が高まるため、好ましい。
また、第１セルブロック１０１は、相対湿度が高いため、高分子電解質の膨潤や生成水によって、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂ内のガス拡散性が低下しやすくなり、一方、第２セルブロック１０２は、相対湿度が低いため、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂが乾燥し、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂ内のイオン伝導性が低下しやすくなる。このため、燃料電池１００全体として、コストを抑え、かつ、発電効率を上げる観点から、第２セル５２のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの少なくとも一方に用いる触媒担持カーボンの質量ＷＣａｔ−Ｃに対する高分子電解質の質量ＷＰの比（ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃ）は、第１セル５１のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂに用いる触媒担持カーボンの質量ＷＣａｔ−Ｃに対する高分子電解質の質量ＷＰの比（ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃ）よりも大きくなるように構成されている。
すなわち、第２セル５２のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの少なくとも一方の触媒層の単位堆積当たりのイオン交換基の密度が、第１セル５１のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの少なくとも一方の触媒層の単位堆積当たりのイオン交換基の密度よりも大きくなるように構成されている。
アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂとしては、例えば、ガス透過性を持たせるために、高表面積のカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパー又はカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いてもよい。また、充分な排水性を得る観点から、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをアノードガス拡散層３ａ又はカソードガス拡散層３ｂの中に分散させてもよい。さらに、充分な電子伝導性を得る観点から、カーボン繊維、金属繊維又はカーボン微粉末などの電子伝導性材料でアノードガス拡散層３ａ又はカソードガス拡散層３ｂを構成してもよい。
また、アノードガス拡散層３ａとアノード触媒層２ａとの間、及び、カソードガス拡散層３ｂとカソード触媒層２ｂとの間には、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けてもよい。これにより、ＭＥＡ５における水管理（ＭＥＡ５の良好な特性維持に必要な水の保持、及び、不必要な水の迅速な排水）をより容易に、かつ、より確実に行うことができる。
次に、第１セル５１の他の要素について説明する。
ＭＥＡ５のアノード電極４ａ及びカソード電極４ｂ（正確には、アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂ）の周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池１００内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット７の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる酸化剤ガス排出マニホールド孔等のマニホールド孔（図示せず）が設けられている。
また、ＭＥＡ５とガスケット７を挟むように、導電性のアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の第１セル５１をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ６ａ、６ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
アノードセパレータ６ａのアノード電極４ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路８が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。同様に、カソードセパレータ６ｂのカソード電極４ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路９が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。なお、本実施の形態１においては、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９は、いわゆる対向流となるように設けられている。ここで、対向流とは、第１セル５１（又は第２セル５２）の厚み方向から見て、一部に酸化剤ガスと燃料ガスが並走するように流れる部分を有するが、巨視的に（全体として）酸化剤ガスと燃料ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が互いに反対になるように構成されていることをいう。
これにより、アノード電極４ａ及びカソード電極４ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の冷却媒体を冷却媒体流路１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。
［燃料電池の運転方法及びその作用効果］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池１００の運転方法及びその作用効果について説明する。
上述したように、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、第１セルブロック１０１のセルブロック内部冷却媒体流路１５１Ａと、第２セルブロック１０２のセルブロック内部冷却媒体流路１５１Ｂと、を冷却媒体接続流路１０３が直列に接続している。そして、燃料電池１００には、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体が供給される。ここで、本実施の形態１においては、燃料電池１００に供給される冷却媒体の温度よりも、その露点温度が低い燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池１００に供給される。なお、燃料電池１００に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点温度は、燃料電池１００に供給される冷却媒体の温度よりも高くてもよい。
このため、第１セルブロック１０１に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールド１２５Ａを通流する間に、各第１セル５１の冷却媒体流路１０に、それぞれ、分流して供給される。冷却媒体流路１０に供給された冷却媒体は、冷却媒体流路１０を通流する間に、第１セル５１のＭＥＡ５内で燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により生成された熱を回収して加熱される。加熱された冷却媒体は、第１セルブロック１０１の冷却媒体排出マニホールド１２６Ａに合流して、冷却媒体排出マニホールド１２６Ａ内を通流して、冷却媒体接続流路１０３に供給される。そして、冷却媒体接続流路１０３に供給された冷却媒体は、冷却媒体接続流路１０３を通流して、第２セルブロック１０２に供給される。これにより、第２セルブロック１０２の方が、第１セルブロック１０１よりも内部温度を高くすることができる。また、第１セルブロック１０１内を通流して加熱された冷却媒体が、第２セルブロック１０２内を通流する間に、第２セル５２のＭＥＡ５内で燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により生成された熱を回収して、さらに加熱されるため、第２セルブロック１０２の冷却媒体排出マニホールド１２６Ｂから排出される冷却媒体をより高温にすることができる。
また、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａと第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂを燃料ガス接続流路１０４が直列に接続し、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａと第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂを酸化剤ガス接続流路１０５が直列に接続している。
このため、第１セルブロック１０１に供給された燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ、燃料ガス供給マニホールド１２１Ａ及び酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ａを通流する間に、各第１セル５１の燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９に、それぞれ、分流して供給される。燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９に供給された燃料ガス及び酸化剤ガスは、第１セル５１のＭＥＡ５内で反応して、水が生成される。そして、この生成された水によって、燃料ガス及び酸化剤ガスが加湿され、加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ、燃料ガス排出マニホールド１２２Ａ及び酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ａを通流して、燃料ガス接続流路１０４及び酸化剤ガス接続流路１０５に供給される。燃料ガス接続流路１０４及び酸化剤ガス接続流路１０５に供給された燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ、燃料ガス接続流路１０４及び酸化剤ガス接続流路１０５を通流して、第２セルブロック１０２に供給される。これにより、第２セルブロック１０２の第２セル５２における高分子電解質膜１の乾燥をより抑制することができる。
ところで、第２セルブロック１０２には、加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されるが、上述したように、第２セルブロック１０２は、第１セルブロック１０１よりも内部が高温であるため（例えば、第１セルブロック１０１が６５℃で、第２セルブロック１０２が８０℃）、第２セルブロック１０２の方が、第１セルブロック１０１よりも相対湿度が低くなる。すなわち、第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂを通流する燃料ガスの相対湿度の方が、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａを通流する燃料ガスの相対湿度よりも低く、かつ、第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂを通流する酸化剤ガスの相対湿度の方が、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａを通流する酸化剤ガスの相対湿度よりも低い条件で発電運転を行うことができる。
そして、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、第２セル５２のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの少なくとも一方に用いる触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持率、触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持量、高分子電解質のイオン交換容量、及び触媒担持カーボンの質量ＷＣａｔ−Ｃに対する高分子電解質の質量ＷＰの比（ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃ）は、第１セル５１のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂに用いる触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持率、触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持量、高分子電解質のイオン交換容量、及び触媒担持カーボンの質量ＷＣａｔ−Ｃに対する高分子電解質の質量ＷＰの比（ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃ）よりも大きくなるように構成されている。
このため、本実施の形態１に係る燃料電池１００の第１セルブロック１０１では、低温で、相対湿度が高い状態であっても、高分子電解質の膨潤や生成水による触媒層内の細孔の閉塞や高分子電解質の膨潤や生成水によるアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂ内のガス拡散性が低下を抑制することができ、これにより、発電効率を高くすることができる。また、第２セルブロック１０２では、高温で、相対湿度が低い状態であっても、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの乾燥を抑制し、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂ内のイオン伝導性が低下を抑制することができ、これにより、発電効率を高くすることができる。
したがって、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、燃料電池１００の第２セルブロック１０２から排出される冷却媒体の温度を高温にし、かつ、加湿器のコストアップや大型化することなく、高い発電効率を実現することができる。
なお、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、第２セル５２のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの少なくとも一方に用いる触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持率、触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持量、高分子電解質のイオン交換容量、及び触媒担持カーボンの質量ＷＣａｔ−Ｃに対する高分子電解質の質量ＷＰの比（ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃ）は、第１セル５１のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂに用いる触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持率、触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持量、高分子電解質のイオン交換容量、及び触媒担持カーボンの質量ＷＣａｔ−Ｃに対する高分子電解質の質量ＷＰの比（ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃ）よりも大きくなるように構成したが、これに限定されず、第２セル５２の触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持率、触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持量、高分子電解質のイオン交換容量、及び触媒担持カーボンの質量ＷＣａｔ−Ｃに対する高分子電解質の質量ＷＰの比（ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃ）の少なくとも１つが、第１セル５１のアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂに用いる触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持率、触媒担持カーボンに対する電極触媒の担持量、高分子電解質のイオン交換容量、及び触媒担持カーボンの質量ＷＣａｔ−Ｃに対する高分子電解質の質量ＷＰの比（ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃ）よりも大きくなるように構成されれば、上記作用効果を奏する。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。なお、図５において、燃料電池の上下方向を図における上下方向として表し、一部を省略している。
図５に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、第２セルブロック１０２の燃料ガス供給マニホールド１２１Ｂ等の各マニホールドの配置が異なり、また、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２の端部を接続するように、接続プレート１１１が配設され、該接続プレート１１１内に冷却媒体接続流路１０３、燃料ガス接続流路１０４、及び酸化剤ガス接続流路１０５が設けられている点と、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２の間に、断熱部材１１２が設けられている点が異なる。以下、これらの相違点について説明する。
まず、第２セルブロック１０２の燃料ガス供給マニホールド１２１Ｂ等の各マニホールドの配置について、図５及び図６を参照しながら説明する。
図６は、図５に示す第２セルブロック１０２の概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、図６において、第２セルブロック１０２における上下方向を、図における上下方向として表している。
図６に示すように、第２セルブロック１０２の第１の側部の上部には、冷却媒体供給マニホールド１２５Ｂが、第２セルブロック１０２の第２セル５２の積層方向に貫通するように設けられており、その下部には、燃料ガス供給マニホールド１２１Ｂが、第２セルブロック１０２の第２セル５２の積層方向に貫通するように設けられている。また、冷却媒体供給マニホールド１２５Ｂの上部の内側には、酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ｂが、第２セルブロック１０２の第２セル５２の積層方向に貫通するように設けられている。
また、第２セルブロック１０２の第２の側部の下部には、冷却媒体排出マニホールド１２６Ｂが、第２セルブロック１０２の第２セル５２の積層方向に貫通するように設けられており、その上部には、燃料ガス排出マニホールド１２２Ｂが、第２セルブロック１０２の第２セル５２の積層方向に貫通するように設けられている。また、冷却媒体排出マニホールド１２６Ｂの下部の内側には、酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ｂが、第２セルブロック１０２の第２セル５２の積層方向に貫通するように設けられている。
そして、このように構成された第２セルブロック１０２と第１セルブロック１０１の間には、断熱部材１１２が設けられている。断熱部材１１２は、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２との間で熱交換が生じるのを抑制することができれば、どのような部材でもよく、例えば、セラミック、気泡を含む樹脂系の断熱材、真空断熱材等で構成されていてもよい。また、例えば、セラミック、気泡を含む樹脂系の断熱材、真空断熱材等を樹脂プレートで挟んだ部材で構成されていてもよい。これにより、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２との間で熱交換が生じるのを抑制されるので、第２セルブロック１０２から排出される冷却媒体を高温に保つことができる。なお、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２との間で熱交換が生じるのを抑制することができれば、例えば、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２との間の距離が大きいような場合には、断熱部材１１２を設けなくてもよい。
また、第１セルブロック１０１の第２端板６３ｂの主面と、第２セルブロック１０２の第２端板６３ｂの主面と、に接触するように、接続プレート１１１が配設されている。ここで、接続プレート１１１の構成について、図５、図７及び図８を参照しながら説明する。
図７は、図５に示す燃料電池１００の接続プレート１１１の概略構成を模式的に示す正面図であり、図８は、図７に示すＡ−Ａ線断面図である。なお、図７及び図８において、接続プレート１１１における上下方向を、図における上下方向として表している。
図５、図７及び図８に示すように、接続プレート１１１は、プレート部材１１１ａ〜１１１ｇで構成されており、接続プレート１１１の第２端板６３ｂと接触する主面（以下、内面という）には、第１セルブロック１０１の貫通孔１４４（第１セルブロック１０１の酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ａ）と連通するように、凹部１０５ａが形成されており、また、第２セルブロック１０２の貫通孔１４３（第２セルブロック１０２の酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ｂ）と連通するように、凹部１０５ｂが形成されている。そして、接続プレート１１１の内部には、凹部１０５ａと凹部１０５ｂとを連通するように、トンネル状の流路１０５ｃが形成されている。これら凹部１０５ａ、流路１０５ｃ、及び凹部１０５ｂにより、酸化剤ガス接続流路１０５が構成されている。
また、接続プレート１１１の内面には、第１セルブロック１０１の貫通孔１４６（第１セルブロック１０１の冷却媒体排出マニホールド１２６Ａ）と連通するように、凹部１０３ａが形成されており、また、第２セルブロック１０２の貫通孔１４５（第２セルブロック１０２の冷却媒体供給マニホールド１２５Ｂ）と連通するように、凹部１０３ｂが形成されている。そして、接続プレート１１１の内部には、凹部１０３ａと凹部１０３ｂとを連通するように、トンネル状の流路１０３ｃが形成されている。これら凹部１０３ａ、流路１０３ｃ、及び凹部１０３ｂにより、冷却媒体接続流路１０３が構成されている。
さらに、接続プレート１１１の内面には、第１セルブロック１０１の貫通孔１４２（第１セルブロック１０１の燃料ガス排出マニホールド１２２Ａ）と連通するように、凹部１０４ａが形成されており、また、第２セルブロック１０２の貫通孔１４１（第２セルブロック１０２の燃料ガス供給マニホールド１２１Ｂ）と連通するように、凹部１０４ｂが形成されている。そして、接続プレート１１１の内部には、凹部１０４ａと凹部１０４ｂとを連通するように、トンネル状の流路１０４ｃが形成されている。これら凹部１０４ａ、流路１０４ｃ、及び凹部１０４ｂにより、燃料ガス接続流路１０４が構成されている。
接続プレート１１１は、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２との間で熱交換が生じるのを抑制することができれば（すなわち、断熱性が高い材料であれば）、どのような部材でもよく、例えば、セラミック、気泡を含む樹脂系の断熱材、真空断熱材等で構成されていてもよい。また、例えば、セラミック、気泡を含む樹脂系の断熱材、真空断熱材等を樹脂プレートで挟んだ部材で構成されていてもよい。
次に、接続プレート１１１の作製方法について、図７乃至図１５を参照しながら説明する。図９乃至図１５は、それぞれ、図７に示す接続プレート１１１のプレート部材１１１ａ〜１１１ｇの概略構成を模式的に示す正面図である。
まず、図９乃至図１５に示すように、プレート部材１１１ａ〜１１１ｇの主面に、凹部１０３ａ、１０３ｂ、１０４ａ、１０４ｂ、１０５ａ、及び１０５ｂと流路１０３ｃ、１０４ｃ、及び１０５ｃを構成する貫通孔及び／又は厚み方向に貫通する溝をそれぞれ形成する。
ついで、プレート部材１１１ａ〜１１１ｇを、適宜な方法で接着して、接続プレート１１１を作製する。
なお、本実施の形態においては、プレート部材１１１ａ〜１１１ｇを接着して接続プレート１１１を作製したが、これに限定されず、例えば、接続プレート１１１を樹脂で構成する場合に、中空成形法により作製してもよい。
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池１００についても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態３）
図１６は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。図１７は、図１６に示す燃料電池の接続プレートの概略構成を模式的に示す正面図である。なお、図１６において、燃料電池における上下方向を図における上下方向として表している。また、図１７において、接続プレートにおける上下方向を図における上下方向として表し、各流路を見やすくするために、各流路をずらして表している。
図１６に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池１００は、実施の形態２に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２が、同じように構成されていて、第１セル５１（又は第２セル５２）の積層方向から見て、接続プレート１１１を挟んで互いに重なり合うように配置されている点が異なり、第１セルブロック１０１の第２端板６３ｂと第２セルブロック１０２の第１端板６３ａが省略されている点が異なる。また、第１セルブロック１０１の第１集電板６１ａ及び第１絶縁板６２ａと、第２セルブロック１０２の第１集電板６１ａ及び第１絶縁板６２ａが、同じように構成されていて、第１セルブロック１０１の第２集電板６１ｂ及び第２絶縁板６２ｂと、第２セルブロック１０２の第２集電板６１ｂ及び第２絶縁板６２ｂが、同じように構成されている点が、実施の形態２に係る燃料電池１００と異なる。また、第１セルブロック１０１の第２集電板６１ｂ及び第２絶縁板６２ｂが、第１セル５１（又は第２セル５２）の積層方向から見て、接続プレート１１１を挟んで互いに対向するように配置されていて、電気配線１０６が、第１セルブロック１０１の第２集電板６１ｂと、第２セルブロック１０２の第１集電板６１ａと、を接続している点が、実施の形態２に係る燃料電池１００と異なる。さらに、接続プレート１１１に設けられた冷却媒体接続流路１０３、燃料ガス接続流路１０４、及び酸化剤ガス接続流路１０５の構成が、実施の形態２に係る燃料電池１００と異なる。
具体的には、第１セルブロック１０１（第２セルブロック１０２）の第１集電板６１ａ及び第１絶縁板６２ａのそれぞれの主面には、第１セルブロック１０１の燃料ガス供給マニホールド１２１Ａと連通するように（第２セルブロック１０２の燃料ガス供給マニホールド１２１Ｂと連通するように）、貫通孔１４１が設けられており、第１セルブロック１０１の酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ａと連通するように（第２セルブロック１０２の酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ｂと連通するように）、貫通孔１４３が設けられている。また、第１セルブロック１０１の冷却媒体供給マニホールド１２５Ａと連通するように（第２セルブロック１０２の冷却媒体供給マニホールド１２５Ｂと連通するように）、貫通孔１４５が設けられている。
また、第１セルブロック１０１（第２セルブロック１０２）の第２集電板６１ｂ及び第２絶縁板６２ｂのそれぞれの主面には、第１セルブロック１０１の燃料ガス排出マニホールド１２２Ａと連通するように（第２セルブロック１０２の燃料ガス排出マニホールド１２２Ｂと連通するように）、貫通孔１４２が設けられており、第１セルブロック１０１の酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ａと連通するように（第２セルブロック１０２の酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ｂと連通するように）、貫通孔１４４が設けられている。また、第１セルブロック１０１の冷却媒体排出マニホールド１２６Ａと連通するように（第２セルブロック１０２の冷却媒体排出マニホールド１２６Ｂと連通するように）、貫通孔１４６が設けられている。
そして、図１６及び図１７に示すように、接続プレート１１１の一方の主面（第１セルブロック１０１の第２絶縁板６２ｂと接触する主面）には、第１セルブロック１０１の貫通孔１４２（燃料ガス排出マニホールド１２２Ａ）と連通するように、第１セルブロック１０１の貫通孔１４４（第１セルブロック１０１の酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ａ）と連通するように、凹部１０５ａが形成されており、また、接続プレート１１１の他方の主面（第２セルブロック１０２の第１絶縁板６２ａと接触する主面）には、第２セルブロック１０２の貫通孔１４３（第２セルブロック１０２の酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ｂ）と連通するように、凹部１０５ｂが形成されている。そして、接続プレート１１１の内部には、凹部１０５ａと凹部１０５ｂとを連通するように、トンネル状の流路１０５ｃが形成されている。これら凹部１０５ａ、流路１０５ｃ、及び凹部１０５ｂにより、酸化剤ガス接続流路１０５が構成されている。
また、接続プレート１１１の一方の主面には、第１セルブロック１０１の貫通孔１４６（第１セルブロック１０１の冷却媒体排出マニホールド１２６Ａ）と連通するように、凹部１０３ａが形成されており、また、接続プレート１１１の他方の主面には、第２セルブロック１０２の貫通孔１４５（第２セルブロック１０２の冷却媒体供給マニホールド１２５Ｂ）と連通するように、凹部１０３ｂが形成されている。そして、接続プレート１１１の内部には、凹部１０３ａと凹部１０３ｂとを連通するように、トンネル状の流路１０３ｃが形成されている。これら凹部１０３ａ、流路１０３ｃ、及び凹部１０３ｂにより、冷却媒体接続流路１０３が構成されている。
さらに、接続プレート１１１の一方の主面には、第１セルブロック１０１の貫通孔１４２（第１セルブロック１０１の燃料ガス排出マニホールド１２２Ａ）と連通するように、凹部１０４ａが形成されており、また、接続プレート１１１の他方の主面には、第２セルブロック１０２の貫通孔１４１（第２セルブロック１０２の燃料ガス供給マニホールド１２１Ｂ）と連通するように、凹部１０４ｂが形成されている。そして、接続プレート１１１の内部には、凹部１０４ａと凹部１０４ｂとを連通するように、トンネル状の流路１０４ｃが形成されている。これら凹部１０４ａ、流路１０４ｃ、及び凹部１０４ｂにより、燃料ガス接続流路１０４が構成されている。
なお、接続プレート１１１は、ここでは、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２との間で熱交換が生じるのを抑制することができるように構成されているが、これに限定されず、接続プレート１１１と第１セルブロック１０１又は第２セルブロック１０２との間に断熱効果の高い材料で構成された断熱部材を配置する構成としてもよい。また、接続プレート１１１が、絶縁性を有する場合には、第１セルブロック１０１の第２絶縁板６２ｂ及び／又は第２セルブロック１０２の第１絶縁板６２ａを省略してもよい。
このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池１００においても、実施の形態２に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態４）
図１８は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。
図１８に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａと第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂが並列に接続されている点と、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａと第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂが並列に接続されている点が異なる。
具体的には、燃料ガス接続流路１０４の上流端が、燃料ガス供給経路１３１の途中に接続されていて、燃料ガス接続流路１０４の下流端が、第２セルブロック１０２の貫通孔１４１を介して、セルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂの上流端と接続されている。また、燃料ガス供給経路１３１は、第１セルブロック１０１の貫通孔１４１を介して、セルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａの上流端と接続されている。
同様に、酸化剤ガス接続流路１０５の上流端が、酸化剤ガス供給経路１３３の途中に接続されていて、酸化剤ガス接続流路１０５の下流端が、第２セルブロック１０２の貫通孔１４３を介して、セルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂの上流端と接続されている。また、酸化剤ガス供給経路１３３は、第１セルブロック１０１の貫通孔１４３を介して、セルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａの上流端と接続されている。
これにより、燃料ガス供給経路１３１を通流する燃料ガスは、その一部が燃料ガス接続流路１０４に分流されて、燃料ガスが、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａと第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂのそれぞれに供給される。また、酸化剤ガス供給経路１３３を通流する酸化剤ガスは、その一部が酸化剤ガス接続流路１０５に分流されて、酸化剤ガスが、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａと第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂのそれぞれに供給される。
また、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａの下流端には、貫通孔１４２を介して、燃料ガス排出経路１３２が接続されていて、セルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａの下流端には、貫通孔１４４を介して、酸化剤ガス排出経路１３４が接続されている。同様に、第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂの下流端には、貫通孔１４２を介して、燃料ガス排出経路１３２が接続されていて、セルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂの下流端には、貫通孔１４４を介して、酸化剤ガス排出経路１３４が接続されている。これにより、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａ及び第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂで使用されなかった燃料ガスは、それぞれ、第１セルブロック１０１の燃料ガス排出経路１３２及び第２セルブロック１０２の燃料ガス排出経路１３２に排出される。また、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａ及び第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂで使用されなかった酸化剤ガスは、それぞれ、第１セルブロック１０１の酸化剤ガス排出経路１３４及び第２セルブロック１０２の酸化剤ガス排出経路１３４に排出される。
このように構成された本実施の形態４に係る燃料電池１００では、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様に、第１セルブロック１０１のセルブロック内部冷却媒体流路１５１Ａと、第２セルブロック１０２のセルブロック内部冷却媒体流路１５１Ｂと、を冷却媒体接続流路１０３が直列に接続している。このため、第２セルブロック１０２内の温度を、第１セルブロック１０１内の温度よりも高くすることができ、第２セルブロック１０２から排出される冷却媒体をより高温にすることができる。
また、本実施の形態４に係る燃料電池１００では、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａと第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂを燃料ガス接続流路１０４が並列に接続し、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａと第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂを酸化剤ガス接続流路１０５が並列に接続している。
このため、第１セルブロック１０１に供給される燃料ガスに含まれる水分量（加湿量）と第２セルブロック１０２に供給される燃料ガスに含まれる水分量（加湿量）は同じとなり、また、第１セルブロック１０１に供給される酸化剤ガスに含まれる水分量（加湿量）と第２セルブロック１０２に供給される酸化剤ガスに含まれる水分量（加湿量）は同じとなる。
しかしながら、上述したように、第２セルブロック１０２の内部の方が、第１セルブロック１０１の内部よりも高温であるため、第２セルブロック１０２に供給された燃料ガス及び酸化剤ガスの方が、第１セルブロック１０１に供給された燃料ガス及び酸化剤ガスよりも相対湿度が低くなる。
そして、本実施の形態４に係る燃料電池１００では、第１セル５１及び第２セル５２が、実施の形態１に係る燃料電池１００の第１セル５１及び第２セル５２と同様に構成されている。したがって、本実施の形態４に係る燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態５）
図１９は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。図２０は、図１９に示す燃料電池の第１セルブロックの概略構成を模式的に示す斜視図である。図２１は、図１９に示す燃料電池の第２セルブロックの概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、図２０においては、第１セルブロックにおける上下方向を図における上下方向として表し、図２１においては、第２セルブロックにおける上下方向を図における上下方向として表している。
図１９乃至図２１に示すように、本発明の実施の形態５に係る燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２ともに、反応ガスの流れがいわゆる並行流となるように構成されている点が異なる。ここで、並行流とは、第１セル５１（又は第２セル５２）の厚み方向から見て、一部に酸化剤ガスと燃料ガスが反対に流れる部分を有するが、巨視的に（全体として）酸化剤ガスと燃料ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が一致するように構成されていることをいう。
具体的には、図１９及び図２０に示すように、第１セルブロック１０１における第１の側部の上部には、酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ａが設けられていて、第１セルブロック１０１における第１の側の下部には、冷却媒体排出マニホールド１２６Ａが設けられている。また、酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ａの内側には、冷却媒体供給マニホールド１２５Ａが設けられていて、冷却媒体排出マニホールド１２６Ａの内側には、燃料ガス排出マニホールド１２２Ａが設けられている。
また、第１セルブロック１０１における第２の側部の上部には、燃料ガス供給マニホールド１２１Ａが設けられていて、第１セルブロック１０１における第２側部の下部には、酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ａが設けられている。
そして、第１集電板６１ａ、第１絶縁板６２ａ、及び第１端板６３ａには、冷却媒体排出マニホールド１２６Ａと連通する貫通孔１４６が設けられている。また、第２集電板６１ｂ、第２絶縁板６２ｂ、及び第２端板６３ｂには、冷却媒体供給マニホールド１２５Ａと連通する貫通孔１４５が設けられている。なお、本実施の形態５においては、貫通孔１４６を第１集電板６１ａ、第１絶縁板６２ａ、及び第１端板６３ａに設け、貫通孔１４５を第２集電板６１ｂ、第２絶縁板６２ｂ、及び第２端板６３ｂに設ける構成としたが、これに限定されず、実施の形態１と同様に、貫通孔１４５を第１集電板６１ａ、第１絶縁板６２ａ、及び第１端板６３ａに設け、貫通孔１４６を第２集電板６１ｂ、第２絶縁板６２ｂ、及び第２端板６３ｂに設ける構成としてもよい。
また、図１９及び図２１に示すように、第２セルブロック１０２における第１の側部の上部には、酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ｂが設けられていて、第２セルブロック１０２における第１の側の下部には、冷却媒体排出マニホールド１２６Ｂが設けられている。また、酸化剤ガス供給マニホールド１２３Ｂの内側には、冷却媒体供給マニホールド１２５Ｂが設けられていて、冷却媒体排出マニホールド１２６Ｂの内側には、燃料ガス排出マニホールド１２２Ｂが設けられている。
また、第２セルブロック１０２における第２の側部の上部には、燃料ガス供給マニホールド１２１Ｂが設けられていて、第２セルブロック１０２における第２側部の下部には、酸化剤ガス排出マニホールド１２４Ｂが設けられている。
そして、第１集電板６１ａ、第１絶縁板６２ａ、及び第１端板６３ａには、冷却媒体供給マニホールド１２５Ｂと連通する貫通孔１４５が設けられている。また、第２集電板６１ｂ、第２絶縁板６２ｂ、及び第２端板６３ｂには、冷却媒体排出マニホールド１２６Ｂと連通する貫通孔１４６が設けられている。なお、本実施の形態５においては、貫通孔１４５を第１集電板６１ａ、第１絶縁板６２ａ、及び第１端板６３ａに設け、貫通孔１４５を第２集電板６１ｂ、第２絶縁板６２ｂ、及び第２端板６３ｂに設ける構成としたが、これに限定されず、実施の形態１と同様に、貫通孔１４６を第１集電板６１ａ、第１絶縁板６２ａ、及び第１端板６３ａに設け、貫通孔１４５を第２集電板６１ｂ、第２絶縁板６２ｂ、及び第２端板６３ｂに設ける構成としてもよい。
このように構成された本実施の形態５に係る燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態６）
図２２は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。
図２２に示すように、本発明の実施の形態６に係る燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２とを電気的に直列に接続しないように構成されている点が異なる。すなわち、本実施の形態６に係る燃料電池１００では、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２と別々に電力を取り出すように構成されている点が異なる。
具体的には、電気配線１０６により、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２とを電気的に直列に接続しないように構成されている。また、これに伴い、第１セルブロック１０１の第１集電板６１ａと第２セルブロック１０２の第２集電板６１ｂのそれぞれに、端子６４が設けられている。そして、第１セルブロック１０１の端子６４、６４には、電気配線（図示せず）の一端が接続されていて、その他端は、インバータ（図６では図示せず）に接続されている。また、同様に、第２セルブロック１０２の端子６４、６４には、電気配線（図示せず）の一端が接続されていて、その他端は、インバータ（図６では図示せず）に接続されている。
このように構成された本実施の形態６に係る燃料電池１００では、第１セルブロック１０１から取り出す電力と第２セルブロック１０２から取り出す電力を異なるようにすることができる。これにより、第１セルブロック１０１の燃料ガス利用率及び酸化剤ガス利用率と、第２セルブロック１０２の燃料ガス利用率及び酸化剤ガス利用率と、を変えることができる。このため、第１セルブロック１０１の燃料ガス利用率及び酸化剤ガス利用率と、第２セルブロック１０２の燃料ガス利用率及び酸化剤ガス利用率と、を調整することにより、第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂを通流する燃料ガスの相対湿度の方が、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａを通流する燃料ガスの相対湿度よりも低く、かつ、第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂを通流する酸化剤ガスの相対湿度の方が、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａを通流する酸化剤ガスの相対湿度よりも低い条件で発電運転を行うことができる。
そして、本実施の形態６に係る燃料電池１００は、第１セル５１及び第２セル５２が、実施の形態１に係る燃料電池１００の第１セル５１及び第２セル５２と同様に構成されている。したがって、本実施の形態６に係る燃料電池１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態７）
［燃料電池システムの構成］
図２３は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図２３に示すように、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システム７００は、実施の形態１に係る燃料電池１００、燃料ガス供給装置２００、酸化剤ガス供給装置３００、冷却媒体供給装置（温度制御装置）４００、電力調整装置５００、及び制御装置６００を備えていて、制御装置６００は、第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂを流れる燃料ガスの相対湿度が、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａを流れる燃料ガスの相対湿度より低く、かつ、第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂを流れる酸化剤ガスの相対湿度が、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａを流れる酸化剤ガスの相対湿度より低い条件で、発電を行うように構成されている。また、制御装置６００は、燃料電池１００に供給される燃料ガスの露点及び酸化剤ガスの露点が、燃料電池１００に供給される冷却媒体の温度よりも低い条件で発電運転条件を行うように構成されていてもよい。
燃料ガス供給装置２００には、燃料ガス供給経路１３１を介して、燃料電池１００（正確には、第１セルブロック１０１）が接続されている。また、燃料ガス供給装置２００は、例えば、水素生成装置、水素ボンベ、又は水素吸蔵合金等と、加湿器と、流量調整器と、を有している（いずれも図示せず）。水素生成装置は、原料ガス（例えば、メタンガスやプロパンガス等）と水から燃料ガス（水素ガス）を生成する。また、加湿器は、水素生成装置等からの燃料ガスを加湿することができれば、どのような態様のものであってもよく、例えば、冷却媒体が水である場合、冷却媒体と全熱交換する全熱交換器であってもよく、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして燃料ガスを加湿する、いわゆる加湿器であってもよい。流量調整器は、例えば、流量調整可能なポンプやポンプと流量調整弁で構成されていてもよい。
また、酸化剤ガス供給装置３００には、酸化剤ガス供給経路１３３を介して、燃料電池１００（正確には、第１セルブロック１０１）が接続されている。また、酸化剤ガス供給器１０５は、例えば、ファンやブロワ等のファン類と、加湿器と、流量調整器と、を有している（いずれも図示せず）。加湿器は、ファン類から供給される酸化剤ガスを加湿することができれば、どのような態様のものであってもよく、例えば、冷却媒体が水である場合、冷却媒体と全熱交換する全熱交換器であってもよく、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして酸化剤ガスを加湿する、いわゆる加湿器であってもよい。流量調整器は、例えば、流量調整可能なポンプやポンプと流量調整弁で構成されていてもよい。
これにより、適宜加湿された燃料ガスが、燃料ガス供給装置２００から燃料ガス供給経路１３１を通流して、燃料電池１００（正確には、第１セルブロック１０１）に供給され、適宜加湿された酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給装置３００から酸化剤ガス供給経路１３３を通流して、燃料電池１００（正確には、第１セルブロック１０１）に供給される。
第１セルブロック１０１に供給された燃料ガスは、セルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａを通流して、燃料ガス接続流路１０４から第２セルブロック１０２に供給される。また、第２セルブロック１０２に供給された酸化剤ガスは、セルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａを通流して、酸化剤ガス接続流路１０５から第２セルブロックに供給される。
そして、第２セルブロック１０２に供給された燃料ガスは、セルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂを通流する。第１セルブロック１０１及び第２セルブロック１０２で使用されなかった燃料ガスは、燃料ガス排出経路１３２に排出される。また、第２セルブロック１０２に供給された酸化剤ガスは、セルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂを通流する。第１セルブロック１０１及び第２セルブロック１０２で使用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路１３４に排出される。なお、未使用の燃料ガスは、例えば、未使用の酸化剤ガスで充分に希釈してから大気中に排出してもよく、燃料ガス供給装置２００が、水素生成装置で構成されている場合には、該水素生成装置の燃焼器（図示せず）に供給されてもよい。
冷却媒体供給装置４００には、冷却媒体供給経路１３５を介して、燃料電池１００（正確には、第１セルブロック１０１）が接続されている。また、冷却媒体供給装置４００は、例えば、外部から供給された冷却媒体を貯えるタンクと、冷却媒体温度調整器と、ポンプと、流量調整弁を有している。冷却媒体温度調整器としては、例えば、燃料ガスや酸化剤ガス等と熱交換する熱交換器や冷却媒体を加熱するヒータ等の加熱器や冷却媒体を冷却する冷却器が挙げられる。また、冷却媒体としては、例えば、水やエチレングリコール等の不凍液が挙げられる。なお、本実施の形態７においては、冷却媒体供給装置４００は、タンクと、ポンプと、流量調整弁で構成したが、これに限定されず、ポンプが流量調整可能である場合、流量調整弁を有しない構成としてもよい。
これにより、適宜の温度に調整された冷却媒体が、冷却媒体供給装置４００から冷却媒体供給経路１３５を通流して第１セルブロック１０１に供給される。第１セルブロック１０１に供給された冷却媒体は、セルブロック内部冷却媒体流路１５１Ａを通流して、冷却媒体接続流路１０３から第２セルブロック１０２に供給される。第２セルブロック１０２に供給された冷却媒体は、セルブロック内部冷却媒体流路１５１Ｂを通流して、冷却媒体排出経路１３６から冷却媒体供給装置４００に供給され、冷却媒体供給装置４００で適宜な温度に調整される。このようにして、燃料電池１００の温度を冷却媒体供給装置４００によって調整される。なお、本実施の形態７においては、冷却媒体が、冷却媒体供給装置４００と燃料電池１００とを循環するように構成したが、これに限定されず、冷却媒体が、冷却媒体排出経路１３６から燃料電池システム７００外に排出するように構成してもよい。
また、燃料電池１００（正確には、第１セルブロック１０１の端子６４とダイセルブロック１０２の端子６４（図１参照））には、電気配線１６１を介して、電力調整装置５００が接続されている。電力調整装置５００は、例えば、燃料電池１００で発電された直流電力を直流電圧に変換するコンバータと、コンバータから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータを有している。そして、電力調整装置５００は、制御装置６００の制御により、燃料電池１００から取り出す電力を調整している。
また、制御装置６００は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、燃料電池システム７００の各機器を制御することにより、燃料電池システム７００の発電運転等の各制御を行うように構成されている。そして、制御装置６００は、例えば、ＣＰＵ、半導体メモリから構成された内部メモリ、通信部、及びカレンダー機能を有する時計部（いずれも図示せず）を有している。ここで、本発明において、制御装置は、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して燃料電池システム７００の制御を実行する制御装置群をも意味する。このため、制御装置６００は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置され、それらが協働して燃料電池システム７００を制御するように構成されていてもよい。
［燃料電池システムの動作（運転方法）］
次に、本実施の形態７に係る燃料電池システム７００の発電運転方法について説明する。なお、以下の諸動作は、制御装置６００が燃料電池システム７００を制御することにより遂行される。
まず、燃料ガス供給装置２００から燃料電池１００（正確には、第１セルブロック１０１）に燃料ガスが供給され、酸化剤ガス供給装置３００から（正確には、第１セルブロック１０１）に酸化剤ガスが供給される。また、冷却媒体供給装置４００から、燃料電池１００（正確には、第１セルブロック１０１）に冷却媒体が供給される。なお、このとき、制御装置６００は、燃料電池１００に供給される燃料ガスの露点及び酸化剤ガスの露点が、燃料電池１００に供給される冷却媒体の温度よりも低くなるように、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体の流量を制御してもよい。
第１セルブロック１０１に供給された燃料ガス及び酸化剤ガスは、第１セル５１のＭＥＡ５内で反応して、水及び熱が生成される。そして、この生成された水によって、燃料ガス及び酸化剤ガスが加湿され、加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ、燃料ガス接続流路１０４及び酸化剤ガス接続流路１０５から第２セルブロック１０２に供給される。また、生成された熱は、第１セルブロック１０１に供給された冷却媒体が回収して、熱を回収した冷却媒体は、冷却媒体接続経路１０３から第２セルブロック１０２に供給される。
第２セルブロック１０２供給された燃料ガス及び酸化剤ガスは、第２セル５２のＭＥＡ５内で反応して、水及び熱が生成される。そして、この生成された水によって、燃料ガス及び酸化剤ガスが加湿され、加湿された未使用の燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ、燃料ガス排出経路１３３及び酸化剤ガス排出経路１３５に排出される。また、生成された熱は、第２セルブロック１０２に供給された冷却媒体が回収して、熱を回収した冷却媒体は、冷却媒体排出経路１３６から冷却媒体供給装置４００に供給される。
これにより、第２セルブロック１０２の第２セル５２における高分子電解質膜１の乾燥をより抑制することができる。また、第２セルブロック１０２の方が、第１セルブロック１０１よりも内部温度を高くすることができる。また、第１セルブロック１０１内を通流して加熱された冷却媒体が、第２セルブロック１０２内を通流する間に、第２セル５２のＭＥＡ５内で燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により生成された熱を回収して、さらに加熱されるため、第２セルブロック１０２のセルブロック内部冷却媒体流路１５３Ｂ（正確には、冷却媒体排出マニホールド１２６Ｂ）から排出される冷却媒体をより高温にすることができる。さらに、第２セルブロック１０２は、第１セルブロック１０１よりも内部が高温であるため（例えば、第１セルブロック１０１が６５℃で、第２セルブロック１０２が８０℃）、第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂを流れる燃料ガスの相対湿度が、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａを流れる燃料ガスの相対湿度より低く、かつ、第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂを流れる酸化剤ガスの相対湿度が、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａを流れる酸化剤ガスの相対湿度より低くすることができる。
そして、燃料電池１００で発電された電力は、電力調整装置５００によって、外部の電力負荷に供給される。なお、燃料電池１００から取り出す電力量は、制御装置６００の制御により、電力調整装置５００が調整する。
このように、本実施の形態７に係る燃料電池システム７００では、第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂを流れる燃料ガスの相対湿度が、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａを流れる燃料ガスの相対湿度より低く、かつ、第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂを流れる酸化剤ガスの相対湿度が、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａを流れる酸化剤ガスの相対湿度より低い条件で、発電を行うことができる。
また、本実施の形態７に係る燃料電池システム７００では、実施の形態１に係る燃料電池１００を備えるため、上記実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。
なお、上記実施の形態７に係る燃料電池システム７００では、実施の形態１に係る燃料電池１００を備える構成としてが、これに限定されず、上記実施の形態２〜６に係る燃料電池１００のいずれかの燃料電池１００を備える構成としてもよい。
特に、上記実施の形態６に係る燃料電池１００を有する構成とした場合、制御装置６００の制御により、電力調整装置５００は、第１セルブロック１０１から取り出す電力と第２セルブロック１０２から取り出す電力を異なるようにすることができる。これにより、第１セルブロック１０１の燃料ガス利用率及び酸化剤ガス利用率と、第２セルブロック１０２の燃料ガス利用率及び酸化剤ガス利用率と、を変えることができる。このため、第１セルブロック１０１の燃料ガス利用率及び酸化剤ガス利用率と、第２セルブロック１０２の燃料ガス利用率及び酸化剤ガス利用率と、を調整することにより、第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂを通流する燃料ガスの相対湿度の方が、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａを通流する燃料ガスの相対湿度よりも低く、かつ、第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂを通流する酸化剤ガスの相対湿度の方が、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａを通流する酸化剤ガスの相対湿度よりも低い条件で発電運転を行うことができる。
なお、上記実施の形態１〜４、６に係る燃料電池１００においては、第１セルブロック１０１及び第２セルブロック１０２ともに、反応ガスの流れがいわゆる対向流となるように構成されているが、これに限定されず、第１セルブロック１０１及び第２セルブロック１０２ともにいわゆる並行流となるように構成してもよく、また、第１セルブロック１０１を対向流とし、第２セルブロック１０２を並行流となるように構成してもよく、さらに、第１セルブロック１０１を並行流とし、第２セルブロック１０２を対向流となるように構成してもよい。
また、上記実施の形態５に係る燃料電池１００においては、第１セルブロック１０１及び第２セルブロック１０２ともに、反応ガスの流れがいわゆる並行流となるように構成したが、これに限定されず、第１セルブロック１０１を対向流とし、第２セルブロック１０２を並行流となるように構成してもよく、さらに、第１セルブロック１０１を並行流とし、第２セルブロック１０２を対向流となるように構成してもよい。
また、上記実施形態１〜３、５、及び６に係る燃料電池１００においては、第１セルブロック１０１のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ａと第２セルブロック１０２のセルブロック内部燃料ガス流路１５２Ｂが直列に接続されているが、上記の実施形態４と同様に、これらが並列に接続されていてもよい。また、同様に、実施形態１〜３、５、及び６に係る燃料電池１００においては、第１セルブロック１０１のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ａと第２セルブロック１０２のセルブロック内部酸化剤ガス流路１５３Ｂが直列に接続されているが、上記の実施形態４と同様に、これらが並列に接続されていてもよい。
また、上記実施の形態１〜６に係る燃料電池１００においては、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２を上下方向に並ぶように配置したが、これに限定されず、第１セルブロック１０１と第２セルブロック１０２を水平方向に並ぶように配置してもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
本発明の燃料電池では、燃料電池から排出される冷却媒体の温度を高温にし、かつ、加湿器のコストアップや大型化することなく、高い発電効率を実現することができるので、燃料電池の分野において有用である。
１ 高分子電解質膜
２ａ アノード触媒層
２ｂ カソード触媒層
３ａ アノードガス拡散層
３ｂ カソードガス拡散層
４ａ アノード
４ｂ カソード
５ （Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極積層体）
６ａ アノードセパレータ
６ｂ カソードセパレータ
７ ガスケット
８ 燃料ガス流路
９ 酸化剤ガス流路
１０ 冷却媒体流路
５１ 第１セル
５２ 第２セル
６１ａ 第１集電板
６１ｂ 第２集電板
６２ａ 第１絶縁板
６２ｂ 第２絶縁板
６３ａ 第１端板
６３ｂ 第２端板
６４ 端子
１０１ 第１セルスタック
１０２ 第２セルスタック
１０３ 冷却媒体接続流路
１０３ａ 凹部
１０３ｂ 凹部
１０３ｃ 流路
１０４ 燃料ガス接続流路
１０４ａ 凹部
１０４ｂ 凹部
１０４ｃ 流路
１０５ 酸化剤ガス接続流路
１０５ａ 凹部
１０５ｂ 凹部
１０５ｃ 流路
１０６ 電気配線
１１１ 接続プレート
１１１ａ プレート部材
１１１ｂ プレート部材
１１１ｃ プレート部材
１１１ｄ プレート部材
１１１ｅ プレート部材
１１１ｆ プレート部材
１１１ｇ プレート部材
１１２ 断熱部材
１２１Ａ 燃料ガス供給マニホールド
１２２Ａ 燃料ガス排出マニホールド
１２３Ａ 酸化剤ガス供給マニホールド
１２４Ａ 酸化剤ガス排出マニホールド
１２５Ａ 冷却媒体供給マニホールド
１２６Ａ 冷却媒体排出マニホールド
１２１Ｂ 燃料ガス供給マニホールド
１２２Ｂ 燃料ガス排出マニホールド
１２３Ｂ 酸化剤ガス供給マニホールド
１２４Ｂ 酸化剤ガス排出マニホールド
１２５Ｂ 冷却媒体供給マニホールド
１２６Ｂ 冷却媒体排出マニホールド
１３１ 燃料ガス供給経路
１３２ 燃料ガス排出経路
１３３ 酸化剤ガス供給経路
１３４ 酸化剤ガス排出経路
１３５ 冷却媒体供給経路
１３６ 冷却媒体排出経路
１４１ 貫通孔
１４２ 貫通孔
１４３ 貫通孔
１４４ 貫通孔
１４５ 貫通孔
１４６ 貫通孔
１５１Ａ セルブロック内部冷却媒体流路
１５２Ａ セルブロック内部燃料ガス流路
１５３Ａ セルブロック内部酸化剤ガス流路
１５１Ｂ セルブロック内部冷却媒体流路
１５２Ｂ セルブロック内部燃料ガス流路
１５３Ｂ セルブロック内部酸化剤ガス流路
１６１ 電気配線
２００ 燃料ガス供給装置
３００ 酸化剤ガス供給装置
４００ 冷却媒体供給装置（温度制御装置）
５００ 電力調整装置
６００ 制御装置
７００ 燃料電池システム

Claims (15)

  1. 一対の電極と、該一対の電極に挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる複数のセルブロックと、前記各セルブロックを貫通し、かつ、該各セルブロックの各セルを分流するようにして燃料ガスを流すセルブロック内部燃料ガス流路と、前記各セルブロックを貫通し、かつ、該各セルブロックの各セルを分流するようにして酸化剤ガスを流すセルブロック内部酸化剤ガス流路と、前記各セルブロックを貫通し、かつ、該各セルブロックの各セルを分流するようにして冷却媒体を流すセルブロック内部冷却媒体流路と、ある前記セルブロックのセルブロック内部冷却媒体流路と他の前記セルブロックのセルブロック内部冷却媒体流路とを直列に接続する冷却媒体接続流路と、を備え、前記電極を構成する触媒層は、電極触媒と該電極触媒を担持するカーボン粉末とを含む触媒担持体と、該触媒担持体に付着した電解質とを含み、前記冷却媒体接続流路の下流に位置する前記セルブロック（以下、冷却媒体下流セルブロック）のセルにおける前記触媒層の方が、前記冷却媒体接続流路の上流に位置する前記セルブロック（以下、冷却媒体上流セルブロック）のセルにおける前記触媒層よりも、前記触媒層の単位体積当たりのイオン交換基の密度、前記触媒層の前記触媒担持体の前記電極触媒の担持量、及び前記触媒層の触媒担持率が大きいからなる触媒材料組成群より選ばれる１以上の触媒材料組成、燃料電池と、
    前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
    前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
    前記燃料電池の温度を制御する温度制御装置と、
    前記燃料電池から取り出す電力を調整する電力調整装置と、
    前記燃料ガス供給装置、前記酸化剤ガス供給装置、前記温度制御装置、及び前記電力調整装置を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記冷却媒体下流セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路を流れる燃料ガスの相対湿度が、前記冷却媒体上流セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路を流れる燃料ガスの相対湿度より低く、かつ、前記冷却媒体下流セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの相対湿度が、前記冷却媒体上流セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの相対湿度より低い条件で、発電運転を行うように構成されている、燃料電池システム。
  2. 前記触媒層の単位体積当たりのイオン交換基の密度は、前記触媒層の前記触媒担持体の質量に対する前記電解質の質量の比及び／又は前記触媒層の前記触媒担持体の前記電解質のイオン交換容量である、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記冷却媒体下流セルブロックのセルにおける前記触媒層の方が、前記冷却媒体上流セルブロックのセルにおける前記触媒層よりも、前記触媒層の前記触媒担持体の質量に対する前記電解質の質量の比が大きい、請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記冷却媒体下流セルブロックのセルにおける前記触媒層の方が、前記冷却媒体上流セルブロックのセルにおける前記触媒層よりも、前記触媒層の前記触媒担持体の前記電解質のイオン交換容量が大きい、請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 前記冷却媒体下流セルブロックのセルにおける前記触媒層の方が、前記冷却媒体上流セルブロックのセルにおける前記触媒層よりも、前記触媒層の前記触媒担持体の前記電極触媒の担持量が大きい、請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 前記各セルブロックが電気的に、互いに直列に接続されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  7. 前記セルブロック内部燃料ガス流路と前記セルブロック内部酸化剤ガス流路が並行流となるように形成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  8. ある前記セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路と他の前記セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路とを直列に接続する燃料ガス接続流路と、
    ある前記セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路と他の前記セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路とを直列に接続する酸化剤ガス接続流路と、を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  9. 前記冷却媒体上流セルブロックは、前記燃料ガス接続流路及び前記酸化剤ガス接続流路の上流に位置し、
    前記冷却媒体下流セルブロックは、前記燃料ガス流路接続及び前記酸化剤ガス接続流路の下流に位置する、請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. ある前記セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路と他の前記セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路とを並列に接続する燃料ガス接続流路と、
    ある前記セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路と他の前記セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路とを並列に接続する酸化剤ガス接続流路と、を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  11. ある前記セルブロックと他のセルブロックとの間には、接続プレートが設けられ、
    前記冷却媒体接続流路は、前記接続プレートに形成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  12. 前記セルブロックが少なくとも２つ並置されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記制御装置は、前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が、前記燃料電池に供給される冷却媒体の温度より低い条件で、発電運転を行うように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  14. 一対の電極と、該一対の電極に挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる複数のセルブロックと、
    前記各セルブロックを貫通し、かつ、該各セルブロックの各セルを分流するようにして燃料ガスを流すセルブロック内部燃料ガス流路と、
    前記各セルブロックを貫通し、かつ、該各セルブロックの各セルを分流するようにして酸化剤ガスを流すセルブロック内部酸化剤ガス流路と、
    前記各セルブロックを貫通し、かつ、該各セルブロックの各セルを分流するようにして冷却媒体を流すセルブロック内部冷却媒体流路と、
    ある前記セルブロックのセルブロック内部冷却媒体流路と他の前記セルブロックのセルブロック内部冷却媒体流路とを直列に接続する冷却媒体接続流路と、を備え、
    前記電極を構成する触媒層は、電極触媒と該電極触媒を担持するカーボン粉末とを含む触媒担持体と、該触媒担持体に付着した電解質とを含み、
    前記冷却媒体接続流路の下流に位置する前記セルブロック（以下、冷却媒体下流セルブロック）のセルにおける前記触媒層の方が、前記冷却媒体接続流路の上流に位置する前記セルブロック（以下、冷却媒体上流セルブロック）のセルにおける前記触媒層よりも、前記触媒層の単位体積当たりのイオン交換基の密度、前記触媒層の前記触媒担持体の前記電極触媒の担持量、及び前記触媒層の触媒担持率からなる触媒材料組成群より選ばれる１以上の触媒材料組成が大きく、
    前記冷却媒体下流セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路を流れる燃料ガスの相対湿度が、前記冷却媒体上流セルブロックのセルブロック内部燃料ガス流路を流れる燃料ガスの相対湿度より低く、かつ、前記冷却媒体下流セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの相対湿度が、前記冷却媒体上流セルブロックのセルブロック内部酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの相対湿度より低い条件で、発電運転を行う、燃料電池の運転方法。
  15. 前記燃料電池は、該燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が、該燃料電池に供給される冷却媒体の温度より低い条件で、発電運転を行う、請求項１４に記載の燃料電池の運転方法。
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