(57)【要約】【課題】アノード側流路の一の端部を閉塞させた状態で発電を行なう運転モードを有する燃料電池において、燃料ガス流れを面内で均一化させる。【解決手段】燃料電池は、電解質膜と、電解質膜上の一対の電極と、ガスセパレータと、アノード上のガス拡散層と、ガス拡散層上の第１の流路形成層と、第１の流路形成層とガスセパレータとの間の第２の流路形成層と、を備える。ガス拡散層の面方向圧損ΔＰGHと、第１の流路形成層の面方向圧損ΔＰC2Hおよび厚さ方向圧損ΔＰC2Vと、第２の流路形成層の面方向圧損ΔＰC1Hとは、以下の（１）、（２）式の関係を満たし、燃料ガスの流路の一方の端部から燃料ガスの供給を受けつつ、燃料ガス流路の他方の端部を閉塞した状態で発電を行なう。ΔＰC2H＞ΔＰGH＞ΔＰC1H             …（１）ΔＰGH≧ΔＰC2V                      …（２）【選択図】図４
2011014376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜上に形成された一対の電極と、
ガスセパレータと、
前記一対の電極の一方であるアノード上に設けられ、導電性多孔質体から成ると共に、前記アノードに供給される燃料ガスが流通可能なガス拡散層と、
前記ガス拡散層上に設けられ、前記燃料ガスが流通可能な第１の流路形成層と、
前記第１の流路形成層と前記ガスセパレータとの間に設けられ、前記燃料ガスが流通可能な第２の流路形成層と、を備え、
前記ガス拡散層内を面方向にガスが流れる際の圧損ΔＰGHと、前記第１の流路形成層を面方向にガスが流れる際の圧損ΔＰC2Hと、前記第１の流路形成層内を厚さ方向にガスが流れる際の圧損ΔＰC2Vと、前記第２の流路形成層内を面方向にガスが流れる際の圧損ΔＰC1Hとが、以下の（１）式および（２）式の関係を満たし、
前記燃料ガスの流路の一方の端部から前記燃料ガスの供給を受けつつ、前記燃料ガス流路の他方の端部を閉塞した状態で発電を行なう
燃料電池。
ΔＰC2H＞ΔＰGH＞ΔＰC1H             …（１）
ΔＰGH≧ΔＰC2V                      …（２）
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第１の流路形成層および前記第２の流路形成層は、いずれも、導電性多孔質体によって構成されており、
前記第１の流路形成層を構成する多孔質体は、前記第２の流路形成層を構成する多孔質体よりも空隙率が小さい
燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第１の流路形成層は、導電性多孔質体によって構成され、
前記ガスセパレータは、表面に、互いに平行な複数の溝を備える凹凸部が設けられており、
前記第２の流路形成層は、前記ガスセパレータと前記第２のガス流路形成層との間において、前記ガスセパレータの表面に設けられた前記凹凸部によって形成される空間によって形成されている
燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第１および第２の流路形成層は、単一の導電性多孔質体によって構成され、
前記第１の流路形成層は、前記単一の導電性多孔質体における、前記ガス拡散層と接する側の表面を含む表面近傍領域であって、該表面近傍領域に対して、前記単一の導電性多孔質体内に形成される細孔の細孔径よりも粒径の小さな複数の微粒子を埋め込んでなる領域によって構成されている
燃料電池。
【請求項５】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜上に形成された一対の電極と、
ガスセパレータと、
前記一対の電極の一方であるアノード上に設けられ、前記アノードに供給される燃料ガスが流通可能なガス拡散層と、
前記ガス拡散層上に設けられ、前記燃料ガスが流通可能な第１の流路形成層と、
前記第１の流路形成層と前記ガスセパレータとの間に設けられ、前記燃料ガスが流通可能な第２の流路形成層と、を備え、
前記ガス拡散層と前記第１の流路形成層と前記第２の流路形成層とは、いずれも、全体として均質な導電性多孔質体によって構成され、前記第１の流路形成層の空隙率が最も低く、前記第２の流路形成層の空隙率が最も高く形成されており、
前記ガス拡散層内を面方向にガスが流れる際の圧損ΔＰGHが、前記第１の流路形成層内を厚さ方向にガスが流れる際の圧損ΔＰC2V以上であり、
前記燃料ガスの流路の一方の端部から前記燃料ガスの供給を受けつつ、前記燃料ガス流路の他方の端部を閉塞した状態で発電を行なう
燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池であって、さらに、
前記燃料ガス流路の他方の端部を所定のタイミングで開閉制御する制御部を備える
燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれか記載の燃料電池であって、
前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池である
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電池性能を高めるためには、電極面全体に対して、電極活物質を含有する反応ガスを均一に供給することが重要である。電極面全体に対して反応ガスを均一に供給するための構成として、例えば、セパレータ表面において、電極に反応ガスを供給するガス流路が形成される領域に対応する領域の両端部に、ガス流路の幅方向にわたって長孔形状の貫通孔を設けると共に、セパレータ内部において、上記貫通孔と、反応ガスを給排するためのマニホールドとを連通させる受け渡し流路を設ける構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６１０４号公報
【特許文献２】特開２００７−１９４０７４号公報
【特許文献３】特開２００７−２６５８２４号公報
【特許文献４】特開２００８−１４０７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ガス流路の幅方向にわたって設けた長孔形状の貫通孔を介してガス流路に対して反応ガスを給排する場合であっても、ガス流路面全体におけるガス流れを充分に均一化できない場合があった。ガス流れが充分に均一化されず、電極に供給されるガス量にばらつきがあると、電極面において部分的に反応ガスが不足する領域が生じ、電池性能が低下する可能性がある。そのため、更なるガス流れの均一化が求められていた。このようなガス流路面内におけるガス流れの不均一は、燃料ガス（水素ガス）が供給されるアノード側流路の一方の端部から燃料ガスの供給を行ないつつ、アノード側流路の他方の端部を閉塞した状態で発電を行なう運転モードを有する燃料電池のように、燃料ガスの流れが比較的少ない燃料電池においても同様に生じる問題であった。特に、アノード側流路の上記他方の端部を閉塞した状態で発電を行なう際には、電極面上において、燃料ガスの供給口から離れた領域ほどガス流量が少なくなるため、このようにガス流量が少なくなる領域においては、ガス流れの不均一に起因するガス不足がさらに生じやすくなるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、アノード側流路の一方の端部から燃料ガスの供給を行ないつつ、他方の端部を閉塞した状態で発電を行なう運転モードを有する燃料電池において、燃料ガスの流路内における燃料ガス流れを面内で均一化させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜上に形成された一対の電極と、
ガスセパレータと、
前記一対の電極の一方であるアノード上に設けられ、導電性多孔質体から成ると共に、前記アノードに供給される燃料ガスが流通可能なガス拡散層と、
前記ガス拡散層上に設けられ、前記燃料ガスが流通可能な第１の流路形成層と、
前記第１の流路形成層と前記ガスセパレータとの間に設けられ、前記燃料ガスが流通可能な第２の流路形成層と、を備え、
前記ガス拡散層内を面方向にガスが流れる際の圧損ΔＰGHと、前記第１の流路形成層を面方向にガスが流れる際の圧損ΔＰC2Hと、前記第１の流路形成層内を厚さ方向にガスが流れる際の圧損ΔＰC2Vと、前記第２の流路形成層内を面方向にガスが流れる際の圧損ΔＰC1Hとが、以下の（１）式および（２）式の関係を満たし、
前記燃料ガスの流路の一方の端部から前記燃料ガスの供給を受けつつ、前記燃料ガス流路の他方の端部を閉塞した状態で発電を行なう
燃料電池。
ΔＰC2H＞ΔＰGH＞ΔＰC1H             …（１）
ΔＰGH≧ΔＰC2V                      …（２）
【０００８】
適用例１に記載の燃料電池によれば、第１ないし第２の流路形成層に係る圧損において（１）式および（２）式の関係が成り立つため、アノードに対して、面内で均一に燃料ガスを供給することが可能になる。そのため、アノードにおける部分的に燃料ガスが不足した領域の発生を抑制し、ガス不足に起因する燃料電池の性能低下を抑えることができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、前記第１の流路形成層および前記第２の流路形成層は、いずれも、導電性多孔質体によって構成されており、前記第１の流路形成層を構成する多孔質体は、前記第２の流路形成層を構成する多孔質体よりも空隙率が小さい燃料電池。適用例２に記載の燃料電池によれば、ガス拡散層上において、圧損が異なる２枚の多孔質体を重ね合わせて配置するという極めて簡素な構成によって第１および第２の流路形成層を形成することができる。そのため、構造の複雑化を抑えつつ、アノードに供給される燃料ガス流れを面内で均一化させるという既述した効果を得ることができる。
【００１０】
［適用例３］
適用例１記載の燃料電池であって、前記第１の流路形成層は、導電性多孔質体によって構成され、前記ガスセパレータは、表面に、互いに平行な複数の溝を備える凹凸部が設けられており、前記第２の流路形成層は、前記ガスセパレータと前記第２のガス流路形成層との間において、前記ガスセパレータの表面に設けられた前記凹凸部によって形成される空間によって形成されている燃料電池。適用例３に記載の燃料電池によれば、ガスセパレータ表面に設けた複数の溝を備える凹凸部が形成する空間によって、面方向の圧損ΔＰC1Hが小さい第２のガス流路形成層を、容易に形成することができる。
【００１１】
［適用例４］
適用例１記載の燃料電池であって、前記第２および第２の流路形成層は、単一の導電性多孔質体によって構成され、前記第１の流路形成層は、前記単一の導電性多孔質体における、前記ガス拡散層と接する側の表面を含む表面近傍領域であって、該表面近傍領域に対して、前記単一の導電性多孔質体内に形成される細孔の細孔径よりも粒径の小さな複数の微粒子を埋め込んでなる領域によって構成されている燃料電池。適用例４に記載の燃料電池によれば、単一の導電性多孔質体の表面近傍領域に複数の微粒子を埋め込むことにより、面方向の圧損が互いに異なる第１および第２の流路形成層を、容易に形成することができる。
【００１２】
［適用例５］
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜上に形成された一対の電極と、
ガスセパレータと、
前記一対の電極の一方であるアノード上に設けられ、前記アノードに供給される燃料ガスが流通可能なガス拡散層と、
前記ガス拡散層上に設けられ、前記燃料ガスが流通可能な第１の流路形成層と、
前記第１の流路形成層と前記ガスセパレータとの間に設けられ、前記燃料ガスが流通可能な第２の流路形成層と、を備え、
前記ガス拡散層と前記第１の流路形成層と前記第２の流路形成層とは、いずれも、全体として均質な導電性多孔質体によって構成され、前記第１の流路形成層の空隙率が最も低く、前記第２の流路形成層の空隙率が最も高く形成されており、
前記ガス拡散層内を面方向にガスが流れる際の圧損ΔＰGHが、前記第１の流路形成層内を厚さ方向にガスが流れる際の圧損ΔＰC2V以上であり、
前記燃料ガスの流路の一方の端部から前記燃料ガスの供給を受けつつ、前記燃料ガス流路の他方の端部を閉塞した状態で発電を行なう
燃料電池。
【００１３】
適用例５に記載の燃料電池によれば、アノードに対して、面内で均一に燃料ガスを供給することが可能になる。そのため、アノードにおける部分的に燃料ガスが不足した領域の発生を抑制し、ガス不足に起因する燃料電池の性能低下を抑えることができる。
【００１４】
［適用例６］
適用例１ないし５いずれか記載の燃料電池であって、さらに、前記燃料ガス流路の他方の端部を所定のタイミングで開閉制御する制御部を備える燃料電池。適用例６に記載の燃料電池によれば、燃料ガス流路の他方の端部を閉状態にして発電を行なうときに、アノードに対して、面内で均一に燃料ガスを供給することが可能になる。
【００１５】
［適用例７］
適用例１ないし６いずれか記載の燃料電池であって、前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池である燃料電池。適用例７に記載の燃料電池によれば、電解質膜を介してカソード側からアノード側へと窒素や水蒸気等の不純物が透過する場合であっても、アノードに対して均一に燃料ガスを供給することができることにより上記不純物の滞留が抑制され、ガス不足に起因する電池性能の低下を抑制する効果を、顕著に得ることができる。
【００１６】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の製造方法や、燃料電池および燃料電池に反応ガスを供給する装置を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。
【図２】単セル５０の概略構成を表わす断面模式図である。
【図３】ガスセパレータ４６，４７の構成の概略を模式的に表わす平面図である。
【図４】単セル内燃料ガス流路３１およびその近傍を拡大して示す断面模式図である。
【図５】圧損を求める際のガスの流れ方向を示す説明図である。
【図６】単セル内燃料ガス流路３１内のガス流れを模式的に表わす説明図である。
【図７】単セル１５０の概略構成を表わす断面模式図である。
【図８】単セル２５０の概略構成を表わす断面模式図である。
【図９】多孔質体２４４の様子を拡大して示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
Ａ．システムの全体構成：
図１は、本実施例の燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム１０は、発電の本体である燃料電池２０と、水素供給部２２と、ブロワ２４と、冷媒給排部８０と、を備えている。
【００１９】
燃料電池２０は、単セルを複数積層したスタック構造を有している。本実施例の燃料電池２０は、固体高分子型燃料電池である。各単セル内には、アノードに供給するための燃料ガスの流路である単セル内燃料ガス流路３１と、カソードに供給するための酸化ガスの流路である単セル内酸化ガス流路３３とが形成されている。さらに、燃料電池２０には、燃料電池２０内を単セルの積層方向に貫通する流路として、各々の単セル内燃料ガス流路３１に連通する流路である燃料ガス供給マニホールドおよび燃料ガス排出マニホールドが形成されている。さらに、燃料電池２０には、燃料電池２０内を単セルの積層方向に貫通する流路として、各々の単セル内酸化ガス流路３３に連通する流路である酸化ガス供給マニホールドおよび酸化ガス排出マニホールドが形成されている。本実施例の燃料電池２０は、単セル内燃料ガス流路３１を形成する多孔質層の構成に特徴があるが、燃料電池２０の詳しい構成については、後述する。
【００２０】
水素供給部２２は、燃料ガスとして燃料電池２０に供給する水素を貯蔵している。水素供給部２２としては、例えば、水素ガスを圧縮して貯蔵する水素ボンベや、水素吸蔵合金を備える水素タンクを用いることができる。ブロワ２４は、酸化ガスとして燃料電池２０に空気を供給するための装置である。
【００２１】
水素供給部２２と燃料電池２０とは、燃料ガス供給路３０によって接続されている。燃料ガス供給路３０には、圧力調整弁３５が設けられている。圧力調整弁３５は、圧力調整弁３５よりも下流側における燃料ガス供給路３０内の圧力が所定の圧力となるように、圧力調整を行なう。また、燃料ガス供給路３０において、圧力調整弁３５と燃料電池２０との間には、圧力センサ３６が設けられている。燃料ガス供給路３０は、燃料電池２０内に形成される既述した燃料ガス供給マニホールドの端部に接続されている。なお、燃料電池２０内に形成される既述した燃料ガス排出マニホールドの端部には、パージ弁３７が設けられている。パージ弁３７は、燃料電池２０の発電時には、後述するパージ処理時を除いて閉状態となっている。
【００２２】
ブロワ２４と燃料電池２０とは、酸化ガス供給路３２によって接続されている。酸化ガス供給路３２は、燃料電池２０内に形成される既述した酸化ガス供給マニホールドの端部に接続されている。また、燃料電池２０内に形成された既述した酸化ガス排出マニホールドの端部は、酸化ガス排出路３４に接続されている。燃料電池２０の発電時には、ブロワ２４によって空気の供給が継続して行なわれ、電気化学反応に供された残りのカソード排ガスは、酸化ガス排出路３４から排出される。
【００２３】
冷媒給排部８０は、冷却水などの冷媒が流れる冷媒循環路８３と、ラジエータ８１と、冷媒循環路８３内で冷媒を循環させるポンプ８２と、を備えている。燃料電池２０の内部には、冷媒が流れる冷媒流路が形成されており、この冷媒流路とラジエータ８１とが、冷媒循環路８３によって接続されている。燃料電池２０では、発電に伴って熱が生じるが、燃料電池２０の内部とラジエータ８１との間で冷媒を循環させることにより、燃料電池２０の内部温度を所定範囲に維持している。
【００２４】
燃料電池２０は、燃料ガス排出マニホールドの端部に既述したパージ弁３７を有しており、燃料ガスが供給されるアノード側流路の一方の端部を閉塞した状態で発電を行なう運転モードを有する燃料電池（以下、アノードデッドエンド型燃料電池と呼ぶ）である。燃料電池２０の発電時には、圧力調整弁３５によって、圧力調整弁３５よりも下流側の燃料ガスの水素圧が所定値に保たれるように、水素供給状態が調節される。すなわち、燃料電池２０の発電中には、発電により消費された水素に見合う量の水素が圧力調整弁３５を介して燃料電池２０側へと供給され続け、各単セル内燃料ガス流路３１内の水素圧は、所定の圧力に維持される。
【００２５】
上記のように燃料電池２０で発電が行なわれる際には、各単セル内において、酸化ガス（空気）中の窒素や、発電に伴ってカソードで生じる水に起因する水蒸気が、カソード側からアノード側へと電解質膜を透過するため、燃料電池２０内の燃料ガス流路における燃料ガス（水素ガス）中の窒素濃度および水蒸気濃度が次第に上昇する。このような燃料ガス中の窒素濃度および水蒸気濃度の上昇は、電気化学反応の効率低下につながる可能性がある。そのため、本実施例の燃料電池システム１０では、燃料ガス流路内の窒素濃度および／または水蒸気濃度の上昇に対応した所定のタイミングで短時間パージ弁３７を開状態とするパージ処理を行ない、燃料ガス流路内における窒素濃度や水蒸気濃度を許容範囲内に抑制している。パージ弁の開弁制御は、例えば、一定時間ごと、あるいは、一定量の発電を行なうごとに行なうことができる。なお、燃料ガス流路内における水蒸気濃度や窒素濃度を許容範囲内に抑えることが可能であれば、上記したパージ弁３７およびパージ処理を不要としても良い。
【００２６】
Ｂ．燃料電池の構成：
図２は、本実施例の燃料電池２０を構成する単セル５０の概略構成を表わす断面模式図である。単セル５０は、ＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）４０と、ガス拡散層４１，４２と、多孔質体によって構成される第１のガス流路形成層４３，第２のガス流路形成層４４，第３のガス流路形成層４５と、ガスセパレータ４６，４７と、を順次積層することによって形成される。
【００２７】
ＭＥＡ４０は、電解質膜と、電解質膜の両面に形成された触媒電極（アノードおよびカソード）とを備えている。本実施例の燃料電池２０は固体高分子型燃料電池であり、電解質膜は、高分子電解質材料、例えばパーフルオロスルホン酸を備えるフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜によって形成することができる。触媒電極は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。具体的には、触媒電極は、例えば、上記した触媒を導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させて成る触媒担持粒子を用いて形成することができる。ガス拡散層４１，４２は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。ガス拡散層４１は、アノード上に配置されており、ガス拡散層４２は、カソード上に配置されている。
【００２８】
ガス流路形成層４３〜４５は、導電性及びガス透過性を有する板状の多孔質体によって構成されている。ここで、第１のガス流路形成層４３は、アノード側のガス拡散層４１上に面全体で接触するように配置されている。また、第２のガス流路形成層４４は、第１のガス流路形成層４３とガスセパレータ４６との間に、両者と面全体で接触するように配置されている。また、第３のガス流路形成層４５は、カソード側のガス拡散層４２上に面全体で接触するように配置されている。これらのガス流路形成層４３〜４５の内部に形成される空間は、電気化学反応に供されるガスの流路を形成する。すなわち、ガス流路形成層４３，４４は、ガス拡散層４１と共に、燃料ガスが流れる単セル内燃料ガス流路３１を形成し、ガス流路形成層４５は、ガス拡散層４２と共に、酸化ガスが流れる単セル内酸化ガス流路３３を形成する。
【００２９】
このようなガス流路形成層４３〜４５は、例えばチタンなどの金属から成る多孔質体によって形成することができる。金属多孔質体としては、例えば、発泡金属焼結体や、球状または繊維状の微小な金属を焼結させた焼結体、あるいは、ラスメタル（エキスパンドメタル）やパンチングメタルを用いることができる。本実施例の燃料電池２０では、第１のガス流路形成層４３と第２のガス流路形成層４４とでは、空隙率を異ならせることによって、多孔質体内をガスが流れる際の圧損を異ならせている。本実施例の燃料電池は、ガス拡散層４１とガス流路形成層４３，４４における圧損の関係に特徴があり、これらの詳しい構成については後に詳しく説明する。
【００３０】
また、ＭＥＡ４０、ガス拡散層４１，４２、およびガス流路形成層４３〜４５の外周部には、図示しないシール部が設けられている。このようなシール部によって、単セル５０内のガス流路のシール性が確保される。
【００３１】
ガスセパレータ４６，４７は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。ガスセパレータ４６，４７は、ガス流路形成層４４あるいは４５と接するように配置されて、ＭＥＡ４０との間に、既述した単セル内燃料ガス流路３１あるいは単セル内酸化ガス流路３３を形成する。
【００３２】
図３（Ａ）は、アノード側に配置されるガスセパレータ４６における第２のガス流路形成層４４と接する面の様子を表わしており、図３（Ｂ）は、カソード側に配置されるガスセパレータ４７におけるガス流路形成層４５と接する面の様子を表わしている。ガスセパレータ４６，４７は、その外周部にガスセパレータ４６，４７を貫通する６つの孔部を備えている。これらの６つの孔部は、燃料電池２０の内部で互いに重なり合って、燃料電池内部を積層方向に貫通して流体を導くマニホールドを形成する。長方形状に形成された本実施例のガスセパレータ４６，４７では、一辺に沿って孔部６０，６１，６２が形成されており、この一辺に対向する辺に沿って孔部６３，６４，６５が形成されている。
【００３３】
ガスセパレータ４６，４７が備える孔部６０は、燃料ガスを各単セル内燃料ガス流路３１に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図３中、Ｈ2 inと表わす）、孔部６５は、各単セル内燃料ガス流路３１から排出される燃料ガスが集合可能な燃料ガス排出マニホールドを形成する（図３中、Ｈ2 outと表わす）。また、孔部６２は、酸化ガスを各単セル内酸化ガス流路３３に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図３中、Ｏ2 inと表わす）、孔部６３は、各単セル内酸化ガス流路３３から排出されて集合した酸化ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図３中、Ｏ2 outと表わす）。さらに、孔部６１は、燃料電池２０に対して供給された冷媒を燃料電池２０内で分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図３中、CLT inと表わす）、孔部６４は、燃料電池２０内を流れて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図３中、CLT outと表わす）。
【００３４】
図３（Ａ）では、ガスセパレータ４６上にガス流路形成層４３，４４を配置した様子を示している。図３に示すように、ガスセパレータ４６の表面には、ガス流路形成層４３，４４が丁度嵌り込むと共に、ガス流路形成層４３，４４と孔部６０，６５とを連通させる凹部６６が設けられている。図３（Ａ）に示すように、凹部６６には、配置されたガス流路形成層４３，４４における孔部６０寄りの辺に沿って、互いに離間して設けられた複数の突起部６９が設けられた分配領域６７が形成されており、配置されたガス流路形成層４３，４４における孔部６５寄りの辺に沿って、同様の分配領域６８が形成されている。孔部６０が形成する燃料ガス供給マニホールドから、ガス流路形成層４３，４４が形成する単セル内燃料ガス流路３１へと燃料ガスが供給される際には、燃料ガスは、ガス流路形成層４３，４４内へと流入するのに先立って、上記分配領域６７が形成する空間内に広がる。ガスセパレータ４７においても同様に、ガス流路形成層４５が丁度嵌り込むと共に、ガス流路形成層４５と孔部６２，６３とを連通させる凹部７０が設けられている。
【００３５】
なお、ガスセパレータ４６，４７の裏面には、孔部６１が形成する冷媒供給マニホールドおよび孔部６４が形成する冷媒排出マニホールドと連通する冷媒流路を形成するための所定形状の凹部が形成されている。
【００３６】
Ｃ．単セル内燃料ガス流路の構成およびガス流れ：
図４は、本実施例の燃料電池２０が備える単セル５０における単セル内燃料ガス流路３１およびその近傍を拡大して示す断面模式図である。単セル内燃料ガス流路３１は、既述したように、ガス拡散層４１と、ガス流路形成層４３，４４とによって形成されている。ここで、ガス拡散層４１の面方向の圧損をΔＰGH、厚さ方向の圧損をΔＰGV、第１のガス流路形成層４３の面方向の圧損をΔＰC2H、厚さ方向の圧損をΔＰC2V、第２のガス流路形成層４４の面方向の圧損をΔＰC1H、厚さ方向の圧損をΔＰC1Vとする。本実施例の燃料電池では、ガス拡散層４１と、ガス流路形成層４３，４４との間で、以下に（１）式および（２）式として示す関係が成立している。なお、多孔質体の面方向の圧損とは、四角形状の多孔質体に対して、その一辺を成す壁面から、上記一辺に対向する辺を成す壁面側へと多孔質体内にガスを流す際の圧損をいう。図５（Ａ）に、多孔質体における面方向の圧損ΔＰHを求める際のガスの流れ方向を示す。また、多孔質体の厚さ方向の圧損とは、多孔質体に対して、その一方の面から他方の面側へとガスを流す際の圧損をいう。図５（Ｂ）に、多孔質体における厚さ方向の圧損ΔＰVを求める際のガスの流れ方向を示す。本実施例の燃料電池に係る説明においては、ガス拡散層４１およびガス流路形成層４３，４４を構成する各々の多孔質体に対して同じ流量のガスを所定の方向に流したときの圧損に基づいて、各々の多孔質体間で圧損の大小関係を規定している。
【００３７】
ΔＰC2H＞ΔＰGH＞ΔＰC1H             …（１）
ΔＰGH≧ΔＰC2V                      …（２）
【００３８】
（１）式に示すように、第１のガス流路形成層４３の面方向の圧損ΔＰC2Hが第２のガス流路形成層４４の面方向の圧損ΔＰC1Hよりも高いため、燃料ガス供給マニホールドから単セル内燃料ガス流路３１へと供給された燃料ガスは、第２のガス流路形成層４４から第１のガス流路形成層４３へと流入して第１のガス流路形成層４３内で面方向に広がるのではなく、第２のガス流路形成層４４内を面方向に広がりやすくなる。図６は、単セル内燃料ガス流路３１内をガスが流れる様子を模式的に表わす説明図である。図６では、第２のガス流路形成層４４内を面方向に燃料ガスが広がる経路を経路Ａと示し、第２のガス流路形成層４４から第１のガス流路形成層４３へと流入した燃料ガスが第１のガス流路形成層４３内で面方向に広がる経路を経路Ｂとして示している。また、（１）式に示すように、ガス拡散層４１の面方向の圧損ΔＰGHが、第２のガス流路形成層４４の面方向の圧損ΔＰC1Hよりも高いため、単セル内燃料ガス流路３１へと供給された燃料ガスは、第２のガス流路形成層４４から第１のガス流路形成層４３を経由してガス拡散層４１内に流入してガス拡散層４１内で面方向に広がるのではなく、第２のガス流路形成層４４内を面方向に広がりやすくなる。図６では、さらに、第２のガス流路形成層４４から第１のガス流路形成層４３を経由してガス拡散層４１内に流入した燃料ガスがガス拡散層４１内で面方向に広がる経路を経路Ｃとして示している。このように、燃料ガスは、ガス拡散層４１や第１の流路形成層４３において面方向に広がるよりも、第２の流路形成層４４において面方向に広がりやすいため、単セル内燃料ガス流路３１に流入した燃料ガスは、まず、第２の流路形成層４４内で均一に広がろうとする。
【００３９】
また、本実施例の燃料電池では、（１）式に示すように、第１のガス流路形成層４３における面方向の圧損ΔＰC2Hが大きいため、上記のように第２のガス流路形成層４４内を面方向に均一に広がった後に第１の流路形成層４３内に流入する燃料ガスは、面方向に流れることが抑えられつつ、厚さ方向に流れる。さらに、本実施例の燃料電池では、（２）式に示すように、ガス拡散層４１の面方向の圧損ΔＰGHが、第１のガス流路形成層４３の厚さ方向の圧損ΔＰC2V以上となっている。そのため、第１のガス流路形成層４３内を厚さ方向に進んだ燃料ガスが引き続きガス拡散層４１内を流れる際には、ガス拡散層４１の面方向に流れることが充分に抑制されて、ガス拡散層４１内を厚さ方向に流れる。以上より、各々の多孔質体の圧損に関して（１）および（２）式の関係が成り立つ本実施例の燃料電池２０の単セル内燃料ガス流路３１では、供給された燃料ガスは、一旦はＭＥＡ４０から離れた第２のガス流路形成層４４内で面方向に均一に広がる。そしてその後に燃料ガスは、面内で均一に広がった状態で、面方向への流れが抑制されつつ、第１のガス流路形成層４３およびガス拡散層４１内を真っ直ぐに厚さ方向に流れて、電極（アノード）に供給されるように導かれる。
【００４０】
以上のように構成された本実施例の燃料電池２０によれば、単セル内燃料ガス流路３１を構成する各多孔質体の圧損に関して（１）式および（２）式の関係が成り立つように構成されているため、ガス拡散層４１およびアノードに対して、面内で均一に燃料ガスを供給することが可能になる。そのため、アノードにおける部分的に燃料ガスが不足した領域の発生を抑制し、ガス不足に起因する燃料電池の性能低下を抑えることができる。また、本実施例によれば、ガス拡散層４１上において、圧損が異なる２枚の多孔質体であるガス流路形成層４３，４４を重ね合わせて配置するという極めて簡素な構成によって上記効果を実現している。そのため、構造の複雑化を抑えつつ、アノードに供給する燃料ガス流れを面内で均一化するという上記効果を得ることができる。
【００４１】
ここで、燃料ガスの供給を受けつつ燃料ガス排出マニホールドの一の端部を閉塞させた状態で発電を行なう運転モードを有するアノードデッドエンド型燃料電池では、単セル内燃料ガス流路において上流側から燃料ガスが供給される際には、単セル内燃料ガス流路の下流側ほど、発電によって水素が消費されるために燃料ガスの流量が少なくなる。そのため、ガス流量の少ない単セル内燃料ガス流路の下流側ほど、電極面上におけるガス流れの不均一に起因するガス不足が生じやすくなり、電池性能の低下を引き起こしやすくなる。これに対して、本実施例の燃料電池２０では、アノードに対する燃料ガスの供給が、アノード面全体で均一化されているため、アノードデッドエンド型燃料電池であっても、アノードにおける局所的なガス不足がアノード面全体で抑制されて、電池性能の低下を抑えることができる。
【００４２】
特に、本実施例の燃料電池２０のように、固体高分子型の燃料電池では、電解質膜を介して単セル内酸化ガス流路から単セル内燃料ガス流路へと、水蒸気や空気中の窒素等の不純物の流入が起こる。このような不純物は、単セル内燃料ガス流路において、特にガス流れが少ない部位に滞留しやすい。単セル内燃料ガス流路において局所的に不純物が滞留すると、そのような領域では燃料ガスが供給され難くなり、ガス不足がさらに進行して、燃料電池の更なる性能低下を引き起こす可能性がある。本実施例の燃料電池２０では、多孔質体における圧損を所定の関係とすることによってガス流れを面内で均一化しているため、相対的にガス流れの少ない部位の発生を抑制することができ、その結果、水蒸気や窒素などの不純物の局所的な滞留を抑制することができる。これにより、局所的なガス不足に起因する電池性能の低下を抑えることができる。
【００４３】
なお、各々の多孔質体において同じ流量のガスを所定の方向に流したときの圧損の間で（１）式および（２）式の関係を成り立たせるには、例えばガス流路形成層４３，４４を発泡金属焼結体によって形成する場合には、用いる発泡剤の割合を高めることによって、第２のガス流路形成層４４の空隙率を第１のガス流路形成層４３の空隙率よりも高めればよい。このようなガス流路形成層４３，４４は、内部で均一に細孔が形成された多孔質体によって構成することが望ましく、均質な多孔質体を用いることで、単セル内燃料ガス流路３１に供給された燃料ガスを、第２のガス流路形成層４４内において充分に均一に面内で広げることが可能になる。
【００４４】
また、本実施例では、ガスセパレータ４６において、ガス流路形成層４３，４４におけるマニホールド孔６０近傍の辺に沿った領域に分配領域６７を形成し、第２のガス流路形成層４４における上記辺全体に対して、より均等に燃料ガスを流入可能としているが、分配領域６７は設けないこととしても良い。燃料ガス流路の一の端部を閉塞したアノードデッドエンド型燃料電池では、第２のガス流路形成層４４が充分に均質な多孔質体によって形成されていれば、分配領域６７を設けない場合であっても、面全体に充分に均一に燃料ガスを行き渡らせることが可能になる。
【００４５】
上記のように細孔を均一に形成した多孔質体によってガス流路形成層４３，４４を構成する場合には、ガス流路形成層４３，４４では、一般には面方向の流路長の方が厚さ方向の流路長よりも遥かに長いため、各々のガス流路形成層では、面方向の圧損の方が厚さ方向の圧損よりも遥かに大きくなる。そのため、ガス拡散層４１における面方向の圧損よりも面方向の圧損が大きい第１のガス流路形成層４３を設ける際には、その第１のガス流路形成層４３の厚さ方向の圧損を、ガス拡散層４１の面方向の圧損よりも小さくすることは、容易に実現可能となる。第１のガス流路形成層４３の空隙率を小さくして第１のガス流路形成層４３におけるガス流れに対する抵抗を大きくするほど、第１のガス流路形成層４３の厚さ方向の圧損は大きくなるが、そのような場合であっても、第１のガス流路形成層４３の厚さを充分に薄くすることによって、（２）式の関係を成立させることができる。なお、第１のガス流路形成層４３においては、全体に均一に細孔を形成しても良いが、細孔の形状を面方向と厚さ方向とで偏向させても良い。例えば、第１のガス流路形成層４３内に形成される細孔の形状を、厚さ方向を長手方向とする細孔が３次元的に連通する形状とする場合には、第１のガス流路形成層４３における厚さ方向の圧損を抑えつつ、面方向の圧損をより大きくすることが可能になる。
【００４６】
ここで、ガス拡散層４１および流路形成層４３，４４を、全体として略均一な分散状態で３次元的に細孔が形成された発泡金属等の多孔質体によって構成する場合には、本実施例の燃料電池は、以下のように規定することもできる。すなわち、ガス拡散層４１、流路形成層４３，４４を構成する多孔質体の空隙率を比較すると、第１の流路形成層４３を構成する多孔質体の空隙率が最も低く、第２の流路形成層４４を構成する多孔質体の空隙率が最も高い。そして、ガス拡散層４１の面方向の圧損ΔＰGHは、第１の流路形成層４３の厚さ方向の圧損ΔＰC2V以上である、と規定することができる。
【００４７】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４８】
Ｄ１．変形例１：
実施例では、単セル内燃料ガス流路３１を構成するガス流路形成層４３，４４共に、多孔質体によって形成したが、異なる構成としても良い。例えば、第２のガス流路形成層４４を形成するための多孔質体を設けることなく、アノード側のガスセパレータの表面に設けた凹凸部と第１のガス流路形成層４３との間に形成される空間によって、第２のガス流路形成層４４を形成しても良い。図７は、このような変形例１の燃料電池を構成する単セル１５０の概略構成を表わす断面模式図である。図７では、実施例と共通する部分には同じ参照番号を付しており、共通する部分については詳しい説明を省略する。
【００４９】
図７に示す単セル１５０では、ＭＥＡ４０の一方の面上に、実施例と同様にガス拡散層４１および第１のガス流路形成層４３が配置されているが、第２のガス流路形成層４４を形成するための多孔質体を配置することなく、ガスセパレータ１４６を積層している。ガスセパレータ１４６は、その表面に、複数の互いに平行な溝状の凹凸部を有しており、この複数の溝状の凹凸部と第１のガス流路形成層４３との間に形成される空間によって、第２のガス流路形成層４４を形成している。単セル１５０においては、ガスセパレータ１４６に形成された複数の溝の各々が形成する流路に対して、ガス供給マニホールドから一様に燃料ガスが供給されるように、上記各々の溝と、燃料ガス供給マニホールドを形成するマニホールド孔６０とを連通させれば良い。このように各々の溝が形成する流路に対して燃料ガスを一様に供給することにより、第２のガス流路形成層４４における面方向の圧損（マニホールド孔６０側からマニホールド孔６５側へと第２のガス流路形成層４４内を燃料ガスが流れる際の圧損）は、極めて小さくなる。このような燃料電池において、ガス拡散層４１およびガス流路形成層４３，４４の面方向の圧損、すなわち、マニホールド孔６０からマニホールド孔６５へと燃料ガスが流れる向き（溝流路に平行な向き）の圧損が、既述した（１）式および（２）式を満たす場合には、実施例と同様の効果を奏することができる。
【００５０】
なお、図７では、単セル内酸化ガス流路３３の構成は実施例と同様としたが、カソード側のガスセパレータにも、アノード側のガスセパレータ１４６と同様に複数の溝状の凹凸部を設けることとしても良い。この場合には、カソード側のガスセパレータにおける上記凹凸部を形成した表面は、ガス拡散層４２と直接接するように配置すればよい。
【００５１】
Ｄ２．変形例２：
実施例では、ガス流路形成層４３，４４を、別体で用意した空隙率の異なる２つの多孔質体によって形成したが、異なる構成としても良い。例えば、ガス流路形成層４３，４４全体を単一の多孔質体によって形成することとして、多孔質体におけるガス拡散層４１と接する表面を含む表面近傍領域に対して複数の微粒子を埋め込んで、微粒子を埋め込んだ領域を第１のガス流路形成層４３としても良い。図８は、変形例２の燃料電池を構成する単セル２５０の概略構成を表わす断面模式図である。図８では、実施例と共通する部分には同じ参照番号を付しており、共通する部分については詳しい説明を省略する。
【００５２】
図８に示す単セル２５０では、ガス拡散層４１とガスセパレータ４６との間に、単一の多孔質体である多孔質体２４４が配置されている。この多孔質体２４４におけるガス拡散層４１側の表面近傍の領域には、多数の微粒子２４３が埋め込まれている。図９は、一方の表面に微粒子２４３が埋め込まれた多孔質体２４４の様子を拡大して示す模式図である。多孔質体２４４の表面に埋め込む微粒子２４３は、例えば、カーボン粒子を用いることができる。微粒子２４３は、多孔質体２４４内に形成される細孔の細孔径よりも小さく、燃料電池内で充分に安定な材料によって構成されていればよいが、導電性を有する材料によって構成するならば、微粒子２４３の埋め込みに起因する燃料電池の内部抵抗の上昇を抑制することができる。多孔質体２４４の表面近傍領域に対する微粒子２４３の埋め込みは、例えば、微粒子２４３を含有する微粒子含有インクを作製して、この微粒子含有インクを、多孔質体２４４の表面に、スプレー法等によって塗布することにより行なえばよい。上記微粒子含有インクは、バインダとしての樹脂をさらに含有していても良い。
【００５３】
このような微粒子２４３の埋め込みにより、多孔質体２４４におけるガス拡散層４１側の表面近傍領域では、細孔径が実質的に小さくなり、残余の領域に比べて空隙率が低くなる。これにより、多孔質体２４４における微粒子２４３が埋め込まれた領域では、面方向および厚さ方向の流路抵抗が増加し、面方向および厚さ方向の圧損が高まる。変形例２の燃料電池では、多孔質体２４４における微粒子２４３が埋め込まれた領域が、面方向の圧損が比較的大きい第１のガス流路形成層４３となり、埋め込まれていない残余の領域が、面方向の圧損が比較的小さい第２のガス流路形成層４４となる。ガス拡散層４１と、上記ガス流路形成層４３，４４における圧損が、既述した（１）式および（２）式を満たす場合には、実施例と同様の効果を奏することができる。
【００５４】
Ｄ３．変形例３：
実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池においても、本発明を同様に適用することができる。例えば、固体酸化物型の燃料電池において本願構成を適用することとしても良い。いずれの種類の燃料電池を用いる場合であっても、アノード側流路の一の端部を閉塞しつつアノード側流路に対して燃料ガスを供給して発電を行なわせる運転モードを有する燃料電池であれば、本発明を適用することにより、単セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れを面内で均一化して、実施例と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２２…水素供給部
２４…ブロワ
３０…燃料ガス供給路
３１…単セル内燃料ガス流路
３２…酸化ガス供給路
３３…単セル内酸化ガス流路
３４…酸化ガス排出路
３５…圧力調整弁
３６…圧力センサ
３７…パージ弁
４０…ＭＥＡ
４１，４２…ガス拡散層
４３…第１のガス流路形成層
４４…第２のガス流路形成層
４５…第３のガス流路形成層
４６，４７，１４６…ガスセパレータ
５０，１５０，２５０…単セル
６０〜６５…孔部
６６…凹部
６７，６８…分配領域
６９…突起部
７０…凹部
８０…冷媒給排部
８１…ラジエータ
８２…ポンプ
８３…冷媒循環路
２４３…微粒子
２４４…多孔質体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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