(57)【要約】【課題】燃料電池において、発電体の表面を流れるガスの流量分布の均一化を図る。【解決手段】燃料電池スタックに用いられるセパレータ４２は、膜電極接合体の上辺に沿ってｘ方向に水素を流すための第１のガス流路４２４ｉｐと、膜電極接合体の下辺に沿ってｘ方向にアノードオフガスを流すための第２のガス流路４２４ｏｐと、第１のガス流路４２４ｉｐから第２のガス流路４２４ｏｐに水素およびアノードオフガスを−ｙ方向に流すための第３のガス流路４２４とを備える。なお、第１のガス流路４２４ｉｐの最下流部、および、第２のガス流路４２４ｏｐの最上流部は閉塞されている。第３のガス流路４２４は、上流領域流路４２４ｕと、中流領域流路４２４ｍと、下流領域流路４２４ｌとを有し、これらは、中流領域流路４２４ｍの圧力損失が、上流領域流路４２４ｕの圧力損失、および、下流領域流路４２４ｌの圧力損失よりも小さくなるように形成されている。【選択図】図３
2011192525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
略矩形形状を有する発電体と、
前記発電体における第１の辺に沿って設けられた第１のガス流路であって、前記発電体に供給すべき供給ガスを、前記第１のガス流路内において、第１の方向に流すための前記第１のガス流路と、
前記発電体における前記第１の辺に対向する第２の辺に沿って設けられた第２のガス流路であって、前記発電体から排出された排出ガスを、前記第２のガス流路内において、前記第１の方向に流すための前記第２のガス流路と、
前記発電体の表面に沿って設けられた第３のガス流路であって、前記供給ガスおよび前記排出ガスを、前記第１のガス流路から前記第２のガス流路に、前記第１の方向に対して略垂直方向に流すための第３のガス流路と、
を備え、
前記第１のガス流路は、前記供給ガスの流れ方向についての最下流部が閉塞されており、
前記第２のガス流路は、前記排出ガスの流れ方向についての最上流部が閉塞されており、
前記第３のガス流路は、
前記第１のガス流路における前記供給ガスの流れ方向についての上流部から前記第２のガス流路における前記排出ガスの流れ方向についての上流部に、前記供給ガスおよび前記排出ガスが流れる上流領域流路と、
前記第１のガス流路における前記供給ガスの流れ方向についての中流部から前記第２のガス流路における前記排出ガスの流れ方向についての中流部に、前記供給ガスおよび前記排出ガスが流れる中流領域流路と、
前記第１のガス流路における前記供給ガスの流れ方向についての下流部から前記第２のガス流路における前記排出ガスの流れ方向についての下流部に、前記供給ガスおよび前記排出ガスが流れる下流領域流路と、
を有し、
前記上流領域流路、前記中流領域流路、および、前記下流領域流路は、
前記中流領域流路の圧力損失が、前記上流領域流路の圧力損失、および、前記下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるように形成されている、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第３のガス流路は、複数の溝および複数のリブを有する部材によって形成されており、
前記中流領域流路における前記溝の断面積は、前記上流領域流路における前記溝の断面積、および、前記下流領域流路における前記溝の断面積よりも大きい、
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記溝および前記リブの断面形状は、それぞれ、略矩形形状を有しており、
前記中流領域流路における前記溝の深さは、前記上流領域流路における前記溝の深さ、および、前記下流領域流路における前記溝の深さとほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記溝の幅は、前記上流領域流路における前記溝の幅、および、前記下流領域流路における前記溝の幅よりも広い、
燃料電池。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記溝および前記リブの断面形状は、それぞれ、略矩形形状を有しており、
前記中流領域流路における前記溝の幅は、前記上流領域流路における前記溝の幅、および、前記下流領域流路における前記溝の幅とほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記溝の深さは、前記上流領域流路における前記溝の深さ、および、前記下流領域流路における前記溝の深さよりも深い、
燃料電池。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記発電体は、少なくとも前記第３のガス流路が設けられる側の面に、ガス拡散層を備えており、
前記第３のガス流路は、
前記第１のガス流路から櫛歯状に分岐して設けられ、前記第１のガス流路から流入した前記供給ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流すための複数のガス流入流路と、
前記第２のガス流路から櫛歯状に分岐して設けられるとともに、前記複数のガス流入流路と略平行に、かつ、所定の間隔を隔てて交互に設けられ、前記複数のガス流入流路から前記ガス拡散層を透過したガスを受け取って、前記ガス拡散層の表面に沿って流すとともに、前記第２のガス流路に流出させるための複数のガス流出流路と、
を備えており、
前記ガス拡散層は、前記中流領域流路に対向する部位の圧力損失が、前記上流領域流路に対向する部位の圧力損失、および、前記下流領域流路に対向する部位の圧力損失よりも小さくなるように形成されている、
燃料電池。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第３のガス流路は、多孔体からなり、
前記上流領域流路と、前記中流領域流路と、前記下流領域流路とにおいて、前記多孔体の厚さと、気孔率と、細孔径分布とのうちの少なくとも１つを変更することによって、前記中流領域流路の圧力損失が、前記上流領域流路の圧力損失、および、前記下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるように形成されている、
燃料電池。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池であって、
前記中流領域流路における前記多孔体の気孔率は、前記上流領域流路における前記多孔体の気孔率、および、前記下流領域流路における前記多孔体の気孔率とほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記多孔体の細孔径分布は、前記上流領域流路における前記多孔体の細孔径分布、および、前記下流領域流路における前記多孔体の細孔径分布とほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記多孔体の厚さは、前記上流領域流路における前記多孔体の厚さ、および、前記下流領域流路における前記多孔体の厚さよりも厚い、
燃料電池。
【請求項８】
請求項６記載の燃料電池であって、
前記中流領域流路における前記多孔体の厚さは、前記上流領域流路における前記多孔体の厚さ、および、前記下流領域流路における前記多孔体の厚さとほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記多孔体の細孔径分布は、前記上流領域流路における前記多孔体の細孔径分布、および、前記下流領域流路における前記多孔体の細孔径分布とほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記多孔体の気孔率は、前記上流領域流路における前記多孔体の気孔率、および、前記下流領域流路における前記多孔体の気孔率よりも高い、
燃料電池。
【請求項９】
請求項６記載の燃料電池であって、
前記中流領域流路における前記多孔体の厚さは、前記上流領域流路における前記多孔体の厚さ、および、前記下流領域流路における前記多孔体の厚さとほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記多孔体の気孔率は、前記上流領域流路における前記多孔体の気孔率、および、前記下流領域流路における前記多孔体の気孔率とほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記多孔体の細孔径分布は、前記上流領域流路における前記多孔体の細孔径分布、および、前記下流領域流路における前記多孔体の細孔径分布よりも大きい、
燃料電池。
【請求項１０】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第３のガス流路は、エキスパンドメタルからなり、
前記上流領域流路と、前記中流領域流路と、前記下流領域流路とにおいて、前記エキスパンドメタルの厚さと、前記エキスパンドメタルを構成する金属板の厚さと、単位面積当たりのターン数とのうちの少なくとも１つを変更することによって、前記中流領域流路の圧力損失が、前記上流領域流路の圧力損失、および、前記下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるように形成されている、
燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池であって、
前記中流領域流路における前記金属板の厚さは、前記上流領域流路における前記金属板の厚さ、および、前記下流領域流路における前記金属板の厚さとほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記ターン数は、前記上流領域流路における前記ターン数、および、前記下流領域流路におけるターン数とほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さは、前記上流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さ、および、前記下流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さよりも厚い、
燃料電池。
【請求項１２】
請求項１０記載の燃料電池であって、
前記中流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さは、前記上流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さ、および、前記下流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さとほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記ターン数は、前記上流領域流路における前記ターン数、および、前記下流領域流路におけるターン数とほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記金属板の厚さは、前記上流領域流路における前記金属板の厚さ、および、前記下流領域流路における前記金属板の厚さよりも薄い、
燃料電池。
【請求項１３】
請求項１０記載の燃料電池であって、
前記中流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さは、前記上流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さ、および、前記下流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さとほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記金属板の厚さは、前記上流領域流路における前記金属板の厚さ、および、前記下流領域流路における前記金属板の厚さとほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記ターン数は、前記上流領域流路における前記ターン数、および、前記下流領域流路における前記ターン数よりも少ない、
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】
燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、概ね、電解質膜（例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜）の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体（発電体）を、セパレータによって挟持することによって構成される。この膜電極接合体は、一般に、略矩形形状を有する。
【０００３】
このような燃料電池では、従来、膜電極接合体における発電分布の均一化を図るために、燃料ガスや酸化剤ガスの流し方について、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１，２には、実質的に、以下に説明する第１〜３のガス流路を備える燃料電池が記載されている。第１のガス流路は、発電体における第１の辺に沿って設けられ、発電体に供給すべき供給ガスを、その内部において、第１の方向に流すためのガス流路である。この第１のガス流路において、供給ガスの流れ方向についての最下流部は、閉塞されている。また、第２のガス流路は、発電体における第１の辺に対向する第２の辺に沿って設けられ、発電体から排出された排出ガスを、その内部において、上記第１の方向に流すためのガス流路である。この第２のガス流路において、排出ガスの流れ方向についての最上流部は、閉塞されている。また、第３のガス流路は、発電体の表面に沿って設けられ、供給ガスおよび排出ガスを、第１のガス流路から第２のガス流路に、上記第１の方向に対して略垂直方向に流すためのガス流路である。なお、この燃料電池において、第３のガス流路の圧力損失は、ほぼ均一である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１８６６７１号公報
【特許文献２】特開２００９−１７６６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、本願発明者は、上記特許文献に記載された技術によっても、第３のガス流路におけるガスの流量分布に看過できない不均一が生じることを新たに見出した。このガスの流量分布の不均一は、発電体における発電分布の不均一を招き、さらには、発電体におけるガス不足が生じた領域、あるいは、発電集中が生じた領域において、発電体の劣化を招く。具体的には、第３のガス流路におけるガスの流量分布について、第３のガス流路を、以下に説明する上流領域流路と、中流領域流路と、下流領域流路とに区分して考える。なお、上流領域流路は、第１のガス流路における供給ガスの流れ方向についての上流部から第２のガス流路における排出ガスの流れ方向についての上流部に、供給ガスおよび排出ガスが流れるガス流路である。また、中流領域流路は、第１のガス流路における供給ガスの流れ方向についての中流部から第２のガス流路における排出ガスの流れ方向についての中流部に、供給ガスおよび排出ガスが流れるガス流路である。また、下流領域流路は、第１のガス流路における供給ガスの流れ方向についての下流部から第２のガス流路における排出ガスの流れ方向についての下流部に、供給ガスおよび排出ガスが流れるガス流路である。そして、この場合、中流領域流路におけるガスの流量が、上流領域流路におけるガスの流量、および、下流領域流路におけるガスの流量よりも少なくなることを、本願発明者は、シミュレーションによって見出した。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、上述した第１〜３のガス流路を備える燃料電池において、発電体の表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池であって、
略矩形形状を有する発電体と、
前記発電体における第１の辺に沿って設けられた第１のガス流路であって、前記発電体に供給すべき供給ガスを、前記第１のガス流路内において、第１の方向に流すための前記第１のガス流路と、
前記発電体における前記第１の辺に対向する第２の辺に沿って設けられた第２のガス流路であって、前記発電体から排出された排出ガスを、前記第２のガス流路内において、前記第１の方向に流すための前記第２のガス流路と、
前記発電体の表面に沿って設けられた第３のガス流路であって、前記供給ガスおよび前記排出ガスを、前記第１のガス流路から前記第２のガス流路に、前記第１の方向に対して略垂直方向に流すための第３のガス流路と、
を備え、
前記第１のガス流路は、前記供給ガスの流れ方向についての最下流部が閉塞されており、
前記第２のガス流路は、前記排出ガスの流れ方向についての最上流部が閉塞されており、
前記第３のガス流路は、
前記第１のガス流路における前記供給ガスの流れ方向についての上流部から前記第２のガス流路における前記排出ガスの流れ方向についての上流部に、前記供給ガスおよび前記排出ガスが流れる上流領域流路と、
前記第１のガス流路における前記供給ガスの流れ方向についての中流部から前記第２のガス流路における前記排出ガスの流れ方向についての中流部に、前記供給ガスおよび前記排出ガスが流れる中流領域流路と、
前記第１のガス流路における前記供給ガスの流れ方向についての下流部から前記第２のガス流路における前記排出ガスの流れ方向についての下流部に、前記供給ガスおよび前記排出ガスが流れる下流領域流路と、
を有し、
前記上流領域流路、前記中流領域流路、および、前記下流領域流路は、
前記中流領域流路の圧力損失が、前記上流領域流路の圧力損失、および、前記下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるように形成されている、
燃料電池。
【０００９】
適用例１の燃料電池では、第３のガス流路において、上流領域流路、中流領域流路、および、下流領域流路は、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるように形成されている。したがって、先に説明した、中流領域流路におけるガスの流量が、上流領域流路におけるガスの流量、および、下流領域流路におけるガスの流量よりも少なくなるという、第３のガス流路におけるガスの流量分布の不均一を抑制することができる。つまり、適用例１の燃料電池によって、発電体の表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることができる。この結果、発電体における発電分布の均一化を図ることができる。
【００１０】
なお、本適用例の燃料電池において、第１のガス流路と、第２のガス流路と、第３のガス流路とは、必ずしも明確に区分されている必要はない。すなわち、本適用例の燃料電池において、第１〜３のガス流路は、それぞれ、実質的に上述した機能を有していればよい。したがって、例えば、発電体の対角部に供給ガスの供給部と排出ガスの排出部とを設けるようにし、第１〜３のガス流路が一体的に形成されているものとしてもよい。
【００１１】
また、第３のガス流路において、上流領域流路と、中流領域流路と、下流領域流路とは、必ずしも明確に区分されている必要はない。したがって、第３のガス流路において、例えば、最上流部に配置された最上流領域流路から最中央領域に配置された最中央領域流路にかけて、また、最下流領域に配置された最下流領域流路から最中央領域流路にかけて、段階的に圧力損失が小さくなるようにしてもよいし、連続的に圧力損失が小さくなるようにしてもよい。ただし、発電体の表面を流れるガスの流量分布の均一化を図る観点から、上述した第３のガス流路についての構成は、従来とは逆のガスの流路分布の不均一、すなわち、中流領域流路におけるガスの流量が、上流領域流路におけるガスの流量、および、下流領域流路におけるガスの流量よりも多くなるというガスの流量分布の不均一が生じない範囲内でなされる。
【００１２】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記第３のガス流路は、複数の溝および複数のリブを有する部材によって形成されており、
前記中流領域流路における前記溝の断面積は、前記上流領域流路における前記溝の断面積、および、前記下流領域流路における前記溝の断面積よりも大きい、
燃料電池。
【００１３】
適用例２の燃料電池によって、第３のガス流路において、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。
【００１４】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記溝および前記リブの断面形状は、それぞれ、略矩形形状を有しており、
前記中流領域流路における前記溝の深さは、前記上流領域流路における前記溝の深さ、および、前記下流領域流路における前記溝の深さとほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記溝の幅は、前記上流領域流路における前記溝の幅、および、前記下流領域流路における前記溝の幅よりも広い、
燃料電池。
【００１５】
適用例３の燃料電池によって、中流領域流路における溝の断面積を、上流領域流路における溝の断面積、および、下流領域流路における溝の断面積よりも大きくして、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。なお、「溝の深さがほぼ同じ」とは、溝の深さが、例えば、所定値±１０（％）の範囲内にあることを意味している。
【００１６】
［適用例４］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記溝および前記リブの断面形状は、それぞれ、略矩形形状を有しており、
前記中流領域流路における前記溝の幅は、前記上流領域流路における前記溝の幅、および、前記下流領域流路における前記溝の幅とほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記溝の深さは、前記上流領域流路における前記溝の深さ、および、前記下流領域流路における前記溝の深さよりも深い、
燃料電池。
【００１７】
適用例４の燃料電池によっても、中流領域流路における溝の断面積を、上流領域流路における溝の断面積、および、下流領域流路における溝の断面積よりも大きくして、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。なお、「溝の幅がほぼ同じ」とは、溝の幅が、例えば、所定値±１０（％）の範囲内にあることを意味している。
【００１８】
［適用例５］
適用例２ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記発電体は、少なくとも前記第３のガス流路が設けられる側の面に、ガス拡散層を備えており、
前記第３のガス流路は、
前記第１のガス流路から櫛歯状に分岐して設けられ、前記第１のガス流路から流入した前記供給ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流すための複数のガス流入流路と、
前記第２のガス流路から櫛歯状に分岐して設けられるとともに、前記複数のガス流入流路と略平行に、かつ、所定の間隔を隔てて交互に設けられ、前記複数のガス流入流路から前記ガス拡散層を透過したガスを受け取って、前記ガス拡散層の表面に沿って流すとともに、前記第２のガス流路に流出させるための複数のガス流出流路と、
を備えており、
前記ガス拡散層は、前記中流領域流路に対向する部位の圧力損失が、前記上流領域流路に対向する部位の圧力損失、および、前記下流領域流路に対向する部位の圧力損失よりも小さくなるように形成されている、
燃料電池。
【００１９】
適用例５の燃料電池では、いわゆるＩＤＦＦ（InterDigitated Flow Field）と呼ばれるガス流路を備える燃料電池において、中流領域流路における上記ガス流入流路から上記ガス流出流路へのガス拡散層のパスカット透気度、すなわち、供給ガスが上記ガス流入流路からガス拡散層を通じて上記ガス流出流路に透過するときの透気度を、上流領域流路、および、下流領域流路における上記ガス流入流路から上記ガス流出流路へのガス拡散層のパスカット透気度よりも高くし、発電体の表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることができる。
【００２０】
［適用例６］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記第３のガス流路は、多孔体からなり、
前記上流領域流路と、前記中流領域流路と、前記下流領域流路とにおいて、前記多孔体の厚さと、気孔率と、細孔径分布とのうちの少なくとも１つを変更することによって、前記中流領域流路の圧力損失が、前記上流領域流路の圧力損失、および、前記下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるように形成されている、
燃料電池。
【００２１】
適用例６の燃料電池によっても、発電体の表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることができる。なお、多孔体の気孔率（多孔率、空孔率とも言う）とは、多孔体の総体積に対する気孔（空隙）の体積の割合である。また、多孔体の細孔径分布とは、多孔体中の細孔径の分布割合である。多孔体の細孔径分布は、例えば、水銀圧入法、気体吸着法、小角散乱法、毛管凝縮法等によって求めることができる。
【００２２】
［適用例７］
適用例６記載の燃料電池であって、
前記中流領域流路における前記多孔体の気孔率は、前記上流領域流路における前記多孔体の気孔率、および、前記下流領域流路における前記多孔体の気孔率とほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記多孔体の細孔径分布は、前記上流領域流路における前記多孔体の細孔径分布、および、前記下流領域流路における前記多孔体の細孔径分布とほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記多孔体の厚さは、前記上流領域流路における前記多孔体の厚さ、および、前記下流領域流路における前記多孔体の厚さよりも厚い、
燃料電池。
【００２３】
適用例７の燃料電池によって、中流領域流路における実質的な流路断面積を、上流領域流路における実質的な流路断面積、および、下流領域流路における実質的な流路断面積よりも大きくし、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。なお、「多孔体の気孔率がほぼ同じ」とは、多孔体の気孔率が、例えば、所定値±１０（％）の範囲内にあることを意味している。また、「多孔体の細孔径分布がほぼ同じ」とは、多孔体の細孔径分布のプロファイルが、例えば、所定のプロファイル±１０（％）の範囲内にあることを意味している。
【００２４】
［適用例８］
適用例６記載の燃料電池であって、
前記中流領域流路における前記多孔体の厚さは、前記上流領域流路における前記多孔体の厚さ、および、前記下流領域流路における前記多孔体の厚さとほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記多孔体の細孔径分布は、前記上流領域流路における前記多孔体の細孔径分布、および、前記下流領域流路における前記多孔体の細孔径分布とほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記多孔体の気孔率は、前記上流領域流路における前記多孔体の気孔率、および、前記下流領域流路における前記多孔体の気孔率よりも高い、
燃料電池。
【００２５】
適用例８の燃料電池によって、中流領域流路における実質的な流路断面積を、上流領域流路における実質的な流路断面積、および、下流領域流路における実質的な流路断面積よりも大きくし、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。なお、「多孔体の厚さがほぼ同じ」とは、多孔体の厚さが、例えば、所定値±１０（％）の範囲内にあることを意味している。
【００２６】
［適用例９］
適用例６記載の燃料電池であって、
前記中流領域流路における前記多孔体の厚さは、前記上流領域流路における前記多孔体の厚さ、および、前記下流領域流路における前記多孔体の厚さとほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記多孔体の気孔率は、前記上流領域流路における前記多孔体の気孔率、および、前記下流領域流路における前記多孔体の気孔率とほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記多孔体の細孔径分布は、前記上流領域流路における前記多孔体の細孔径分布、および、前記下流領域流路における前記多孔体の細孔径分布よりも大きい、
燃料電池。
【００２７】
適用例９の燃料電池によっても、中流領域流路における実質的な流路断面積を、上流領域流路における実質的な流路断面積、および、下流領域流路における実質的な流路断面積よりも大きくし、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。なお、本明細書中において、「細孔径分布が大きい」とは、細孔径分布において、最大ピークを有する細孔径の値が、他の細孔径分布における最大ピークを有する細孔径の値よりも大きいことを意味している。
【００２８】
［適用例１０］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記第３のガス流路は、エキスパンドメタルからなり、
前記上流領域流路と、前記中流領域流路と、前記下流領域流路とにおいて、前記エキスパンドメタルの厚さと、前記エキスパンドメタルを構成する金属板の厚さと、単位面積当たりのターン数とのうちの少なくとも１つを変更することによって、前記中流領域流路の圧力損失が、前記上流領域流路の圧力損失、および、前記下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるように形成されている、
燃料電池。
【００２９】
適用例１０の燃料電池によっても、発電体の表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることができる。なお、ここで、エキスパンドメタルとは、金属薄板に対して、例えば、剪断プレス加工を施したり、金属薄板に千鳥状に複数の切れ込みを形成して所定方向に引張応力を加えたりすることによって、複数の貫通孔が階段状に形成された部材である。そして、エキスパンドメタルの厚さとは、上述したエキスパンドメタルを一対の平板によって挟んだときの平板間の距離を意味している。また、エキスパンドメタルのターン数とは、エキスパンドメタルを構成する金属板に形成される開口部の数を意味している。そして、エキスパンドメタルにおける単位面積当たりのターン数とは、エキスパンドメタルを上述した厚さ方向から見たときの単位面積当たりの開口部の数を意味している。エキスパンドメタルにおける単位面積当たりのターン数が少ないほど、ガスの流れを妨げる障壁が少なくなるので、流路抵抗が低くなる。
【００３０】
［適用例１１］
適用例１０記載の燃料電池であって、
前記中流領域流路における前記金属板の厚さは、前記上流領域流路における前記金属板の厚さ、および、前記下流領域流路における前記金属板の厚さとほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記ターン数は、前記上流領域流路における前記ターン数、および、前記下流領域流路におけるターン数とほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さは、前記上流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さ、および、前記下流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さよりも厚い、
燃料電池。
【００３１】
適用例１１の燃料電池によって、中流領域流路における流路断面積を、上流領域流路における流路断面積、および、下流領域流路における流路断面積よりも大きくし、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。なお、「金属板の厚さがほぼ同じ」とは、金属板の厚さが、例えば、所定値±１０（％）の範囲内にあることを意味している。また、「ターン数がほぼ同じ」とは、ターン数が、例えば、所定値±１０（％）の範囲内にあることを意味している。
【００３２】
［適用例１２］
適用例１０記載の燃料電池であって、
前記中流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さは、前記上流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さ、および、前記下流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さとほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記ターン数は、前記上流領域流路における前記ターン数、および、前記下流領域流路におけるターン数とほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記金属板の厚さは、前記上流領域流路における前記金属板の厚さ、および、前記下流領域流路における前記金属板の厚さよりも薄い、
燃料電池。
【００３３】
適用例１２の燃料電池によって、中流領域流路における実質的な流路断面積を、上流領域流路における実質的な流路断面積、および、下流領域流路における実質的な流路断面積よりも大きくし、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。なお、「エキスパンドメタルの厚さがほぼ同じ」とは、エキスパンドメタルの厚さが、例えば、所定値±１０（％）の範囲内にあることを意味している。
【００３４】
［適用例１３］
適用例１０記載の燃料電池であって、
前記中流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さは、前記上流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さ、および、前記下流領域流路における前記エキスパンドメタルの厚さとほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記金属板の厚さは、前記上流領域流路における前記金属板の厚さ、および、前記下流領域流路における前記金属板の厚さとほぼ同じであり、
前記中流領域流路における前記ターン数は、前記上流領域流路における前記ターン数、および、前記下流領域流路における前記ターン数よりも少ない、
燃料電池。
【００３５】
適用例１３の燃料電池によって、中流領域流路における流路抵抗を、上流領域流路における流路抵抗、および、下流領域流路における流路抵抗よりも低くし、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。
【００３６】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。
【図２】シールガスケット一体型ＭＥＡ４１の概略構造を示す説明図である。
【図３】第１実施例におけるセパレータ４２を示す説明図である。
【図４】比較例の燃料電池スタックにおけるＭＥＡ４１１のアノード表面を流れる水素の流速分布および圧力分布を示す説明図である。
【図５】第２実施例におけるセパレータ４２Ａを示す説明図である。
【図６】第３実施例におけるセパレータ４２Ｂを示す説明図である。
【図７】セパレータ４２ＢがＭＥＡ４１１におけるアノード側ガス拡散層４１１ｄに当接されているとき様子を示す断面図である。
【図８】第４実施例におけるセパレータ４２Ｃを示す説明図である。
【図９】セパレータ４２ＣがＭＥＡ４１１におけるアノード側ガス拡散層４１１ｄに当接されているときの様子を示す断面図である。
【図１０】第５実施例におけるセパレータ４２Ｄを示す説明図である。
【図１１】第５実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ４２Ｄとアノード側ガス拡散層４１１ｄとの間に第３のガス流路を構成する金属多孔体４３が挟まれている様子を示す断面図である。
【図１２】第６実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ４２Ｄとアノード側ガス拡散層４１１ｄとの間に第３のガス流路を構成する金属多孔体４３が挟まれている様子を示す断面図である。
【図１３】第７実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ４２Ｅとアノード側ガス拡散層４１１ｄとの間に第３のガス流路を構成する金属多孔体４３が挟まれている様子を示す断面図である。
【図１４】エキスパンドメタル４４の概略構造を示す説明図である。
【図１５】第８実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ４２Ｄとアノード側ガス拡散層４１１ｄとの間に第３のガス流路を構成するエキスパンドメタル４４が挟まれている様子を示す断面図である。
【図１６】第９実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ４２Ｄとアノード側ガス拡散層４１１ｄとの間に第３のガス流路を構成するエキスパンドメタル４４が挟まれている様子を示す断面図である。
【図１７】第１０実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ４２Ｅとアノード側ガス拡散層４１１ｄとの間に第３のガス流路を構成するエキスパンドメタル４４が挟まれている様子を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。また、セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、燃料電池スタック１００における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００３９】
燃料電池スタック１００は、図示するように、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の燃料電池モジュール４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。本実施例では、これらは、それぞれ略矩形形状を有している。そして、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各膜電極接合体に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各膜電極接合体のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。
【００４０】
そして、図示するように、エンドプレート１０ａの下側長辺の内側には、下側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する３つの空気供給口１２ｉ１，１２ｉ２，１２ｉ３が隣接して形成されている。また、エンドプレート１０ａの上側長辺の内側には、上側長辺に沿って、カソードオフガス排出マニホールドを構成する３つのカソードオフガス排出口１２ｏ１，１２ｏ２，１２ｏ３が隣接して形成されている。また、エンドプレート１０ａの左側短辺の内側には、水素供給マニホールドを構成する水素供給口１４ｉ、および、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給口１６ｉが、上下に互いに隣接して形成されている。また、エンドプレート１０ａの右側短辺には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出口１６ｏ、および、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出口１４ｏが、上下に互いに隣接して形成されている。
【００４１】
水素供給口１４ｉには、図示しない水素タンクから、燃料ガスとしての水素が供給され、燃料電池スタック１００のアノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出口１４ｏから排出される。また、各空気供給口１２ｉ１，１２ｉ２，１２ｉ３には、図示しないエアコンプレッサによって圧縮された酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が供給され、燃料電池スタック１００のカソードから排出されるカソードオフガスは、各カソードオフガス排出口１２ｏ１，１２ｏ２，１２ｏ３から排出される。また、冷却水供給口１６ｉには、図示しないラジエータによって冷却され、ポンプによって加圧された冷却水が供給され、燃料電池スタック１００の内部を流れて、冷却水排出口１６ｏから排出されて循環する。
【００４２】
燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体、および、シールガスケットを一体的に備えるユニットと、セパレータとによって構成されている。この燃料電池モジュール４０については、後述する。
【００４３】
エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するために、鋼等の金属によって形成されている。また、絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。また、集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ出力端子３２ａ，３２ｂが設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００４４】
Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
燃料電池スタック１００を構成する各燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の周囲にシールガスケットを配置したユニット（以下、シールガスケット一体型ＭＥＡと呼ぶ）を、後述するセパレータ４２によって挟持することによって構成されている。そして、本実施例において、膜電極接合体は、電解質膜の一方の面に、カソードとして、触媒層（触媒電極）が接合され、他方の面にアノードとして、触媒層（触媒電極）が接合されたものである。なお、本実施例の膜電極接合体において、アノード側の触媒層の表面、および、カソード側の触媒層の表面には、導電性、および、ガス拡散性を有し、アノード側の触媒層、および、カソード側の触媒層に、それぞれ供給すべき水素、および、空気を流すためのガス拡散層（アノード側ガス拡散層、および、カソード側ガス拡散層）もそれぞれ接合されている。このガス拡散層としては、例えば、カーボンクロスや、カーボンペーパ等を適用可能である。これは、後述する他の実施例においても同様である。以下、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１、セパレータ４２について説明する。
【００４５】
Ａ２．１．シールガスケット一体型ＭＥＡ：
図２は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１の概略構造を示す説明図である。シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のカソード側から見た平面図を示した。図示するように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１は、略矩形形状を有しており、略矩形形状を有するＭＥＡ４１１の周囲に、例えば、シリコーンゴムからなるシールガスケット４１０を一体形成したものである。
【００４６】
そして、シールガスケット４１０の下側長辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、空気供給マニホールドを構成する３つの空気供給用貫通孔４１２ｉ１，４１２ｉ２，４１２ｉ３が、シールガスケット４１０の下側長辺に沿って隣接して形成されている。シールガスケット４１０における空気供給用貫通孔４１２ｉ１，４１２ｉ２，４１２ｉ３の形成位置は、エンドプレート１０ａに形成された空気供給口１２ｉ１，１２ｉ２，１２ｉ３の形成位置とそれぞれ対応している。
【００４７】
また、シールガスケット４１０の上側長辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、カソードオフガス排出マニホールドを構成する３つのカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏ１，４１２ｏ２，４１２ｏ３が、シールガスケット４１０の上側長辺に沿って隣接して形成されている。シールガスケット４１０におけるカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏ１，４１２ｏ２，４１２ｏ３の形成位置は、エンドプレート１０ａに形成されたカソードオフガス排出口１２ｏ１，１２ｏ２，１２ｏ３の形成位置とそれぞれ対応している。
【００４８】
また、シールガスケット４１０の左側短辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４１４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４１６ｉとが、上下に配置して形成されている。シールガスケット４１０における水素供給用貫通孔４１４ｉ、および、冷却水供給用貫通孔４１６ｉの形成位置は、それぞれエンドプレート１０ａに形成された水素供給口１４ｉ、および、冷却水供給口１６ｉの形成位置と対応している。
【００４９】
また、シールガスケット４１０の右側短辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４１６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４１４ｏとが、上下に配置して形成されている。シールガスケット４１０における冷却水排出用貫通孔４１６ｏ、および、アノードオフガス排出用貫通孔４１４ｏの形成位置は、それぞれエンドプレート１０ａに形成された冷却水排出口１６ｏ、および、アノードオフガス排出口１４ｏの形成位置と対応している。
【００５０】
Ａ２．２．セパレータ：
図３は、第１実施例におけるセパレータ４２を示す説明図である。図３（ａ）に、ＭＥＡ４１１のアノードと当接する側から見たときのセパレータ４２の平面図を示した。図中の破線で囲った矩形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を示している。なお、本実施例では、セパレータ４２として、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１と同一の略矩形形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。セパレータ４２として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。これは、後述する他の実施例においても同様である。
【００５１】
図示するように、セパレータ４２には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ｉ１，４２２ｉ２，４２２ｉ３と、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏ１，４２２ｏ２，４２２ｏ３と、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【００５２】
そして、セパレータ４２の表面には、ＭＥＡ４１１の上側長辺領域に対向する位置に、ＭＥＡ４１１の上側長辺に沿って設けられるとともに、ＭＥＡ４１１の上側長辺の略全長に亘って設けられ、ＭＥＡ４１１のアノードに供給すべき水素を、水素供給用貫通孔４２４ｉから図示したｘ方向に流すための溝状の第１のガス流路４２４ｉｐが形成されている。なお、第１のガス流路４２４ｉｐにおける水素の流れ方向についての最下流部は、閉塞されている。
【００５３】
また、セパレータ４２の表面には、ＭＥＡ４１１の下側長辺領域に対向する位置に、ＭＥＡ４１１の下側長辺に沿って設けられるとともに、ＭＥＡ４１１の下側長辺の略全長に亘って設けられ、ＭＥＡ４１１のアノードから排出されたアノードオフガスを、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏに、図示したｘ方向に流すための溝状の第２のガス流路４２４ｏｐが形成されている。なお、第２のガス流路４２４ｏｐにおけるアノードオフガスの流れ方向についての最上流部は、閉塞されている。
【００５４】
また、セパレータ４２の表面には、ＭＥＡ４１１のアノードと対向する領域に、ＭＥＡ４１１の表面に沿って、第１のガス流路４２４ｉｐから第２のガス流路４２４ｏｐに、水素およびアノードオフガスが、図示した−ｙ方向に流れるように、第３のガス流路４２４（符号の図示省略）が形成されている。なお、図示するように、この第３のガス流路４２４は、ｙ方向に平行に設けられた複数の溝部４２４ｄおよび複数のリブ部４２４ｒによって構成されている。
【００５５】
そして、第３のガス流路４２４は、上流領域流路４２４ｕと、中流領域流路４２４ｍと、下流領域流路４２４ｌと、を有している。上流領域流路４２４ｕは、第１のガス流路４２４ｉｐにおける水素の流れ方向についての上流部（図示した上流領域）から第２のガス流路４２４ｏｐにおけるアノードオフガスの流れ方向についての上流部（図示した上流領域）に、水素およびアノードオフガスが流れるガス流路である。また、中流領域流路４２４ｍは、第１のガス流路４２４ｉｐにおける水素の流れ方向についての中流部（図示した中流領域）から第２のガス流路４２４ｏｐにおけるアノードオフガスの流れ方向についての中流部（図示した中流領域）に、水素およびアノードオフガスが流れるガス流路である。また、下流領域流路４２４ｌは、第１のガス流路４２４ｉｐにおける水素の流れ方向についての下流部（図示した下流領域）から第２のガス流路４２４ｏｐにおけるアノードオフガスの流れ方向についての下流部（図示した下流領域）に、水素およびアノードオフガスが流れるガス流路である。
【００５６】
図３（ｂ）に、上流領域流路４２４ｕを水素の流れ方向から見たときの断面図を示した。また、図３（ｃ）に、中流領域流路４２４ｍを水素の流れ方向から見たときの断面図を示した。また、図３（ｄ）に、下流領域流路４２４ｌを水素の流れ方向から見たときの断面図を示した。図３（ｂ）〜（ｄ）に示したように、本実施例では、上流領域流路４２４ｕ、中流領域流路４２４ｍ、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄおよび各リブ部４２４ｒの断面形状は、それぞれ、矩形形状を有しているものとした。
【００５７】
そして、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの深さｄと、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄの深さｄと、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの深さｄとは、同じである（ｄ＝ｄ１）。また、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの幅ｗと下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの幅ｗとは同じであり（ｗ＝ｗ１）、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄの幅ｗ（＝ｗ２）は、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの幅ｗ、および、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの幅ｗよりも広い（ｗ２＞ｗ１）。つまり、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄの断面積（流路断面積）は、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの断面積（流路断面積）、および、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの断面積（流路断面積）よりも大きい。
【００５８】
こうすることによって、中流領域流路４２４ｍの圧力損失を、上流領域流路４２４ｕの圧力損失、および、下流領域流路４２４ｌの圧力損失よりも小さくすることができる。なお、図示は省略しているが、本実施例では、複数のリブ部４２４ｒの幅は、すべて同じであるものとした。複数のリブ部４２４ｒの幅の一部が異なるものとしてもよい。
【００５９】
Ａ３．効果：
以下、第１実施例のセパレータ４２において、中流領域流路４２４ｍの圧力損失を、上流領域流路４２４ｕの圧力損失、および、下流領域流路４２４ｌの圧力損失よりも小さくすることによる効果について、比較例の燃料電池スタックと対比して説明する。
【００６０】
図４は、比較例の燃料電池スタックにおけるＭＥＡ４１１のアノード表面を流れる水素の流速分布および圧力分布を示す説明図である。なお、図示は省略するが、比較例の燃料電池スタックと燃料電池スタック１００とは、セパレータ４２における第３のガス流路４２４の構成が異なっており、これ以外の構成は同じである。具体的には、比較例の燃料電池スタックは、第３のガス流路４２４を構成するリブ部４２４ｒの幅がすべて同じであり、第３のガス流路４２４における上流領域流路４２４ｕ、中流領域流路４２４ｍ、下流領域流路４２４ｌの圧力損失がすべて等しい点が、第１実施例の燃料電池スタック１００と異なっている。
【００６１】
図４（ａ）に、ＭＥＡ４１１のアノード表面における水素およびアノードオフガスの流れを模式的に示した。Ｖｉ（ｘ）は、第１のガス流路４２４ｉｐ内の面内位置ｘにおける水素の流速である。また、Ｐｉ（ｘ）は、第１のガス流路４２４ｉｐ内の面内位置ｘにおける水素の圧力である。また、Ｖｏ（ｘ）は、第２のガス流路４２４ｏｐ内の面内位置ｘにおけるアノードオフガスの流速である。また、Ｐｏ（ｘ）は、第２のガス流路４２４ｏｐ内の面内位置ｘにおけるアノードオフガスの圧力である。
【００６２】
図４（ｂ）に、第１のガス流路４２４ｉｐ内の面内位置ｘにおける水素の流速Ｖｉ（ｘ）の分布、および、第２のガス流路４２４ｏｐ内の面内位置ｘにおけるアノードオフガスの流速Ｖｏ（ｘ）の分布を示した。図４（ａ）にも示したように、第１のガス流路４２４ｉｐにおける水素の流れ方向についての最下流部は、閉塞されているため、図４（ｂ）に示すように、Ｖｉ（ｘ）は、水素の流れ方向についての最上流端部から最下流端部にかけて減少し、最下流端部において０（ゼロ）となる。また、第２のガス流路４２４ｏｐにおけるアノードオフガスの流れ方向についての最上流部は、閉塞されているため、Ｖｏ（ｘ）は、アノードオフガスの流れ方向についての最上流端部において０（ゼロ）となり、この最上流端部から最下流端部にかけて増加する。
【００６３】
また、図４（ｃ）に、第１のガス流路４２４ｉｐ内の面内位置ｘにおける水素の圧力Ｐｉ（ｘ）の分布、および、第２のガス流路４２４ｏｐ内の面内位置ｘにおけるアノードオフガスの圧力Ｐｏ（ｘ）の分布を示した。そして、第３のガス流路４２４において、水素およびアノードオフガスは、Ｐｉ（ｘ）とＰｏ（ｘ）との圧力差によって流れ、また、比較例の燃料電池スタックでは、上流領域流路４２４ｕ、中流領域流路４２４ｍ、下流領域流路４２４ｌの圧力損失が等しいので、第３のガス流路４２４における水素およびアノードオフガスの流速は、Ｐｉ（ｘ）−Ｐｏ（ｘ）に比例する。したがって、第１のガス流路４２４ｉｐから第２のガス流路４２４ｏｐへの水素およびアノードオフガスの面内流速分布は、図４（ｄ）に示したようになる。すなわち、中流領域流路４２４ｍにおける水素およびアノードオフガスの流速が、上流領域流路４２４ｕにおける水素およびアノードオフガスの流速、および、下流領域流路４２４ｌにおける水素およびアノードオフガスの流速よりも少なくなる。換言すれば、図４（ａ）中に縦方向に複数の長短矢印で示したように、中流領域流路４２４ｍにおける水素およびアノードオフガスの流量が、上流領域流路４２４ｕにおける水素およびアノードオフガスの流量、および、下流領域流路４２４ｌにおける水素およびアノードオフガスの流量よりも少なくなる。このため、ＭＥＡ４１１の面内において、発電分布の不均一を招き、さらには、ＭＥＡ４１１のアノードにおける水素不足が生じた領域、あるいは、発電集中が生じた領域において、ＭＥＡ４１１の劣化を招く。
【００６４】
これに対して、第１実施例の燃料電池スタック１００では、第３のガス流路４２４において、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄの断面積を、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの断面積、および、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの断面積よりも大きくしている。そして、これによって、中流領域流路４２４ｍの圧力損失を、上流領域流路４２４ｕの圧力損失、および、下流領域流路４２４ｌの圧力損失よりも小さくしている。
【００６５】
したがって、先に説明した、中流領域流路４２４ｍにおける水素およびアノードオフガスの流量が、上流領域流路４２４ｕにおける水素およびアノードオフガスの流量、および、下流領域流路４２４ｌにおける水素およびアノードオフガスの流量よりも少なくなるという、第３のガス流路４２４におけるガスの流量分布の不均一を抑制することができる。つまり、第１実施例の燃料電池スタック１００によって、ＭＥＡ４１１のアノード表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることができる。この結果、ＭＥＡ４１１における発電分布の均一化を図ることができる。
【００６６】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池スタック（図示省略）の構成は、第１実施例の燃料電池スタック１００におけるセパレータ４２の代わりに、セパレータ４２Ａを備えること以外は、第１実施例の燃料電池スタック１００の構成と同じである。以下、第２実施例におけるセパレータ４２Ａについて説明する。
【００６７】
図５は、第２実施例におけるセパレータ４２Ａを示す説明図である。図５（ａ）に、ＭＥＡ４１１のアノードと当接する側から見たときのセパレータ４２Ａの平面図を示した。図中の破線で囲った矩形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を示している。なお、セパレータ４２Ａの外形形状、および、セパレータ４２Ａに形成された各貫通孔の位置および形状は、第１実施例におけるセパレータ４２と同じである。
【００６８】
そして、セパレータ４２Ａの表面には、第１実施例におけるセパレータ４２と同様に、第１のガス流路４２４ｉｐと、第２のガス流路４２４ｏｐと、第３のガス流路４２４（符号の図示省略）とが形成されている。ただし、第２実施例におけるセパレータ４２Ａでは、第３のガス流路４２４において、中流領域流路４２４ｍの断面形状が、第１実施例におけるセパレータ４２と異なっている。
【００６９】
図５（ｂ）に、上流領域流路４２４ｕを水素の流れ方向から見たときの断面図を示した。また、図５（ｃ）に、中流領域流路４２４ｍを水素の流れ方向から見たときの断面図を示した。また、図５（ｄ）に、下流領域流路４２４ｌを水素の流れ方向から見たときの断面図を示した。図５（ｂ）〜（ｄ）に示したように、本実施例では、上流領域流路４２４ｕ、中流領域流路４２４ｍ、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄおよび各リブ部４２４ｒの断面形状は、それぞれ、矩形形状を有しているものとした。
【００７０】
そして、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの幅ｗと、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄの幅ｗと、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの幅ｗとは、同じである（ｗ＝ｗ１）。また、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの深さｄと下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの深さｄとは同じであり（ｄ＝ｄ１）、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄの深さｄｗ（＝ｄ２）は、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの深さ、および、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの深さｄよりも深い（ｄ２＞ｄ１）。つまり、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄの断面積（流路断面積）は、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの断面積（流路断面積）、および、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの断面積（流路断面積）よりも大きい。
【００７１】
こうすることによって、中流領域流路４２４ｍの圧力損失を、上流領域流路４２４ｕの圧力損失、および、下流領域流路４２４ｌの圧力損失よりも小さくすることができる。なお、図示は省略しているが、本実施例においても、第１実施例と同様に、複数のリブ部４２４ｒの幅は、すべて同じであるものとした。複数のリブ部４２４ｒの幅の一部が異なるものとしてもよい。
【００７２】
以上説明した第２実施例の燃料電池スタックにおいても、先に説明した第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、第３のガス流路４２４において、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄの断面積を、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの断面積、および、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの断面積よりも大きくしている。これによって、中流領域流路４２４ｍの圧力損失を、上流領域流路４２４ｕの圧力損失、および、下流領域流路４２４ｌの圧力損失よりも小さくしている。したがって、第２実施例の燃料電池スタックによっても、第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、ＭＥＡ４１１のアノード表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることができる。この結果、ＭＥＡ４１１における発電分布の均一化を図ることができる。
【００７３】
Ｃ．第３実施例：
第３実施例の燃料電池スタック（図示省略）の構成は、第１実施例の燃料電池スタック１００におけるセパレータ４２の代わりに、セパレータ４２Ｂを備えること、および、ＭＥＡ４１１のアノードに接合されるアノード側ガス拡散層が異なること以外は、第１実施例の燃料電池スタック１００の構成と同じである。以下、第３実施例におけるセパレータ４２Ｂ、および、アノード側ガス拡散層について説明する。
【００７４】
図６は、第３実施例におけるセパレータ４２Ｂを示す説明図である。図６（ａ）に、ＭＥＡ４１１のアノードと当接する側から見たときのセパレータ４２Ｂの平面図を示した。図中の破線で囲った矩形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を示している。なお、セパレータ４２Ｂの外形形状、および、セパレータ４２Ｂに形成された各貫通孔の位置および形状は、第１，２実施例におけるセパレータ４２，４２Ａと同じである。
【００７５】
そして、セパレータ４２Ｂの表面には、第１実施例におけるセパレータ４２と同様に、第１のガス流路４２４ｉｐと、第２のガス流路４２４ｏｐとが形成されている。なお、第３実施例におけるセパレータ４２Ｂでは、第３のガス流路４２４（符号の図示省略）が、第１実施例におけるセパレータ４２と異なっており、第３のガス流路４２４は、いわゆるＩＤＦＦ（InterDigitated Flow Field）と呼ばれるガス流路である。すなわち、第３実施例におけるセパレータ４２Ｂでは、第３のガス流路４２４は、第１のガス流路４２４ｉｐに櫛歯状に設けられた複数のガス流入流路と、第２のガス流路４２４ｏｐに櫛歯状に設けられた複数のガス流出流路と、を備えている。複数のガス流入流路は、それぞれ、溝部４２４ｄｉとリブ部４２４ｒとによって構成されており、第１のガス流路４２４ｉｐから流入した水素を、ＭＥＡ４１１におけるアノード側ガス拡散層の表面に流すためのガス流路である（図７の破線矢印参照）。また、複数のガス流出流路は、溝部４２４ｄｏとリブ部４２４ｒとによって構成されており、複数のガス流入流路からＭＥＡ４１１におけるアノード側ガス拡散層を透過した水素およびアノードオフガスを受け取って、アノード側ガス拡散層の表面に沿って流すとともに、第２のガス流路４２４ｏｐに流出させるためのガス流路である（図７の破線矢印参照）。なお、セパレータ４２Ｂにおいて、複数のガス流入流路と、複数のガス流出流路とは、それぞれ、平行に、かつ、所定の間隔（リブ部４２４ｒの幅）を隔てて交互に設けられている。また、第３実施例におけるセパレータ４２Ｂも、第１実施例におけるセパレータ４２と同様に、中流領域流路４２４ｍの幅が、上流領域流路４２４ｕの幅と、および、下流領域流路４２４ｌの幅と異なっている。
【００７６】
図６（ｂ）に、上流領域流路４２４ｕを水素の流れ方向から見たときの断面図を示した。また、図６（ｃ）に、中流領域流路４２４ｍを水素の流れ方向から見たときの断面図を示した。また、図６（ｄ）に、下流領域流路４２４ｌを水素の流れ方向から見たときの断面図を示した。図６（ｂ）〜（ｄ）に示したように、本実施例では、上流領域流路４２４ｕ、中流領域流路４２４ｍ、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏおよび各リブ部４２４ｒの断面形状は、それぞれ、矩形形状を有しているものとした。
【００７７】
そして、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの深さｄと、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの深さｄと、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの深さｄとは、同じである（ｄ＝ｄ１）。また、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの幅ｗと下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの幅ｗとは同じであり（ｗ＝ｗ１）、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの幅ｗ（＝ｗ２）は、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの幅ｗ、および、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの幅ｗよりも広い（ｗ２＞ｗ１）。つまり、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの断面積（流路断面積）は、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの断面積（流路断面積）、および、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの断面積（流路断面積）よりも大きい。
【００７８】
こうすることによって、中流領域流路４２４ｍの圧力損失を、上流領域流路４２４ｕの圧力損失、および、下流領域流路４２４ｌの圧力損失よりも小さくすることができる。なお、図示は省略しているが、本実施例においても、複数のリブ部４２４ｒの幅は、すべて同じであるものとした。複数のリブ部４２４ｒの幅の一部が異なるものとしてもよい。
【００７９】
図７は、セパレータ４２ＢがＭＥＡ４１１におけるアノード側ガス拡散層４１１ｄに当接されているとき様子を示す断面図である。第３実施例の燃料電池スタックでは、図示するように、ＭＥＡ４１１におけるアノード側ガス拡散層４１１ｄが、先に説明した上流領域と、中流領域と、下流領域とで異なっている。具体的には、第３実施例の燃料電池スタックでは、ＭＥＡ４１１において、中流領域に設けられたアノード側ガス拡散層４１１ｄｍとして、上流領域に設けられたアノード側ガス拡散層４１１ｄｕ、および、下流領域に設けられたアノード側ガス拡散層４１１ｄｌよりも、目が粗く、ガスの透過率が高い部材を用いている。第３実施例の燃料電池スタックでは、アノード側ガス拡散層４１１ｄも、第３のガス流路４２４の一部として機能する。したがって、アノード側ガス拡散層４１１ｄを上述した構成にすることによって、第３のガス流路４２４において、中流領域流路４２４ｍにおけるアノード側ガス拡散層４１１ｄｍのパスカット透気度を、上流領域流路４２４ｕにおけるアノード側ガス拡散層４１１ｄｕのパスカット透気度、および、下流領域流路４２４ｌにおけるアノード側ガス拡散層４１１ｄｌのパスカット透気度よりも高くすることができる。そして、より効果的に、中流領域流路４２４ｍの圧力損失が、上流領域流路４２４ｕの圧力損失、および、下流領域流路４２４ｌの圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。
【００８０】
以上説明した第３実施例の燃料電池スタックによっても、ＭＥＡ４１１のアノード表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることができる。この結果、ＭＥＡ４１１における発電分布の均一化を図ることができる。
【００８１】
Ｄ．第４実施例：
第４実施例の燃料電池スタック（図示省略）の構成は、第３実施例の燃料電池スタック１００におけるセパレータ４２Ｂの代わりに、セパレータ４２Ｃを備えること以外は、第３実施例の燃料電池スタックの構成と同じである。以下、第４実施例におけるセパレータ４２Ｃ、および、アノード側ガス拡散層について説明する。
【００８２】
図８は、第４実施例におけるセパレータ４２Ｃを示す説明図である。図８（ａ）に、ＭＥＡ４１１のアノードと当接する側から見たときのセパレータ４２Ｃの平面図を示した。図中の破線で囲った矩形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を示している。なお、セパレータ４２Ｃの外形形状、および、セパレータ４２Ｃに形成された各貫通孔の位置および形状は、第１〜３実施例におけるセパレータ４２，４２Ａ，４２Ｂと同じである。
【００８３】
そして、セパレータ４２Ｃの表面には、第３実施例におけるセパレータ４２Ｂと同様に、第１のガス流路４２４ｉｐと、第２のガス流路４２４ｏｐと、第３のガス流路４２４（符号の図示省略）とが形成されている。なお、第４実施例におけるセパレータ４２Ｃにおいても、第３実施例におけるセパレータ４２Ｂと同様に、第３のガス流路４２４は、いわゆるＩＤＦＦ（InterDigitated Flow Field）と呼ばれるガス流路である。そして、第４実施例におけるセパレータ４２Ｃでは、第２実施例におけるセパレータ４２Ａと同様に、中流領域流路４２４ｍの深さが、上流領域流路４２４ｕの深さ、および、下流領域流路４２４ｌの深さと異なっている。
【００８４】
図８（ｂ）に、上流領域流路４２４ｕを水素の流れ方向から見たときの断面図を示した。また、図８（ｃ）に、中流領域流路４２４ｍを水素の流れ方向から見たときの断面図を示した。また、図８（ｄ）に、下流領域流路４２４ｌを水素の流れ方向から見たときの断面図を示した。図８（ｂ）〜（ｄ）に示したように、本実施例では、上流領域流路４２４ｕ、中流領域流路４２４ｍ、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏおよび各リブ部４２４ｒの断面形状は、それぞれ、矩形形状を有しているものとした。
【００８５】
そして、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの幅ｗと、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの幅ｗと、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの幅ｗとは、同じである（ｗ＝ｗ１）。また、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの深さｄと下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの深さｄとは同じであり（ｄ＝ｄ１）、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの深さｄｗ（＝ｄ２）は、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの深さ、および、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの深さｄよりも深い（ｄ２＞ｄ１）。つまり、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの断面積（流路断面積）は、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの断面積（流路断面積）、および、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄｉ，４２４ｄｏの断面積（流路断面積）よりも大きい。
【００８６】
こうすることによって、中流領域流路４２４ｍの圧力損失を、上流領域流路４２４ｕの圧力損失、および、下流領域流路４２４ｌの圧力損失よりも小さくすることができる。なお、図示は省略しているが、本実施例においても、複数のリブ部４２４ｒの幅は、すべて同じであるものとした。複数のリブ部４２４ｒの幅の一部が異なるものとしてもよい。
【００８７】
図９は、セパレータ４２ＣがＭＥＡ４１１におけるアノード側ガス拡散層４１１ｄに当接されているときの様子を示す断面図である。第４実施例の燃料電池スタックにおいても、第３実施例の燃料電池スタックと同様に、ＭＥＡ４１１におけるアノード側ガス拡散層４１１ｄが、先に説明した上流領域と、中流領域と、下流領域とで異なっている。すなわち、第４実施例の燃料電池スタックにおいても、ＭＥＡ４１１において、中流領域に設けられたアノード側ガス拡散層４１１ｄｍとして、上流領域に設けられたアノード側ガス拡散層４１１ｄｕ、および、下流領域に設けられたアノード側ガス拡散層４１１ｄｌよりも、目が粗く、ガスの透過率が高い部材を用いている。こうすることによって、第３実施例の燃料電池スタックと同様に、第３のガス流路４２４において、中流領域流路４２４ｍにおけるアノード側ガス拡散層４１１ｄｍのパスカット透気度を、上流領域流路４２４ｕにおけるアノード側ガス拡散層４１１ｄｕのパスカット透気度、および、下流領域流路４２４ｌにおけるアノード側ガス拡散層４１１ｄｌのパスカット透気度よりも高くすることができる。そして、より効果的に、中流領域流路４２４ｍの圧力損失が、上流領域流路４２４ｕの圧力損失、および、下流領域流路４２４ｌの圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。
【００８８】
以上説明した第４実施例の燃料電池スタックによっても、先に説明した第３実施例の燃料電池スタックと同様に、ＭＥＡ４１１のアノード表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることができる。この結果、ＭＥＡ４１１における発電分布の均一化を図ることができる。
【００８９】
Ｅ．第５実施例：
第５実施例の燃料電池スタック（図示省略）は、第１実施例の燃料電池スタック１００におけるセパレータ４２の代わりに、セパレータ４２Ｄを備える。また、第５実施例の燃料電池スタックは、ＭＥＡ４１１におけるアノードとセパレータ４２Ｄとの間に、導電性およびガス拡散性を有する金属多孔体（例えば、発泡金属焼結体）が備えられる。この金属多孔体は、［課題を解決するための手段］における第３のガス流路を構成する。これら以外は、第１実施例の燃料電池スタック１００の構成と同じである。
【００９０】
図１０は、第５実施例におけるセパレータ４２Ｄを示す説明図である。ＭＥＡ４１１のアノードと当接する側から見たときのセパレータ４２Ｄの平面図を示した。図中の破線で囲った矩形の領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を示している。なお、セパレータ４２Ｄの外形形状、および、セパレータ４２Ｄに形成された各貫通孔の位置および形状は、第１実施例におけるセパレータ４２と同じである。
【００９１】
そして、セパレータ４２Ｄの表面には、第１実施例におけるセパレータ４２と同様に、第１のガス流路４２４ｉｐと、第２のガス流路４２４ｏｐとが形成されている。ただし、第５実施例におけるセパレータ４２Ｄは、第１実施例におけるセパレータ４２とは異なり、第３のガス流路４２４（溝部４２４ｄ、および、リブ部４２４ｒ）は形成されていない。
【００９２】
図１１は、第５実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ４２Ｄとアノード側ガス拡散層４１１ｄとの間に、第３のガス流路を構成する金属多孔体４３が挟まれている様子を示す断面図である。第３のガス流路を水素の流れ方向から見たときの様子を示した。
【００９３】
第５実施例の燃料電池スタックでは、図示するように、金属多孔体４３が、先に説明した上流領域流路と、中流領域流路と、下流領域流路とで異なっている。具体的には、第５実施例の燃料電池スタックでは、中流領域流路を構成する金属多孔体４３ｍの気孔率が、上流領域流路を構成する金属多孔体４３ｕの気孔率、および、下流領域流路を構成する金属多孔体４３ｌの気孔率よりも高い。また、本実施例では、各金属多孔体４３ｕ，４３ｍ，４３ｌの厚さ、および、細孔径分布は、それぞれ同じであるものとした。なお、金属多孔体の気孔率とは、金属多孔体の総体積に対する気孔（空隙）の体積の割合である。また、金属多孔体の細孔径分布とは、金属多孔体中の細孔径の分布割合である。金属多孔体４３を、上述した構成とすることによって、第３のガス流路において、中流領域流路における実質的な流路断面積を、上流領域流路における実質的な流路断面積、および、下流領域流路における実質的な流路断面積よりも大きくし、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。
【００９４】
以上説明した第５実施例の燃料電池スタックによっても、ＭＥＡ４１１のアノード表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることができる。この結果、ＭＥＡ４１１における発電分布の均一化を図ることができる。
【００９５】
Ｆ．第６実施例：
第６実施例の燃料電池スタック（図示省略）の構成は、ＭＥＡ４１１におけるアノードとセパレータ４２Ｄとの間に配置される金属多孔体４３が異なること以外は、上述した第５実施例の燃料電池スタックの構成と同じである。
【００９６】
図１２は、第６実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ４２Ｄとアノード側ガス拡散層４１１ｄとの間に、第３のガス流路を構成する金属多孔体４３が挟まれている様子を示す断面図である。第３のガス流路を水素の流れ方向（図示したｙ方向）から見たときの様子を示した。
【００９７】
第６実施例の燃料電池スタックにおいても、第５実施例の燃料電池スタックと同様に、金属多孔体４３が、先に説明した上流領域流路と、中流領域流路と、下流領域流路とで異なっている。具体的には、第６実施例の燃料電池スタックでは、中流領域流路を構成する金属多孔体４３ｍの細孔径分布が、上流領域流路を構成する金属多孔体４３ｕの細孔径分布、および、下流領域流路を構成する金属多孔体４３ｌの細孔径分布よりも大きい。なお、本実施例では、各金属多孔体４３ｕ，４３ｍ，４３ｌの厚さ、および、気孔率は、それぞれ同じであるものとした。こうすることによっても、第３のガス流路において、中流領域流路における実質的な流路断面積を、上流領域流路における実質的な流路断面積、および、下流領域流路における実質的な流路断面積よりも大きくし、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。
【００９８】
以上説明した第６実施例の燃料電池スタックによっても、先に説明した第５実施例の燃料電池スタックと同様に、ＭＥＡ４１１のアノード表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることができる。この結果、ＭＥＡ４１１における発電分布の均一化を図ることができる。
【００９９】
Ｇ．第７実施例：
第７実施例の燃料電池スタック（図示省略）の構成は、第５，６実施例の燃料電池スタックにおけるセパレータ４２Ｄの代わりに、セパレータ４２Ｅを備えること、および、ＭＥＡ４１１におけるアノードとセパレータ４２Ｅとの間に配置される金属多孔体４３が異なること以外は、第５，６実施例の燃料電池スタックの構成と同じである。
【０１００】
図１３は、第７実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ４２Ｅとアノード側ガス拡散層４１１ｄとの間に、第３のガス流路を構成する金属多孔体４３が挟まれている様子を示す断面図である。第３のガス流路を水素の流れ方向（図示したｙ方向）から見たときの様子を示した。
【０１０１】
第７実施例の燃料電池スタックにおいても、第５，６実施例の燃料電池スタックと同様に、金属多孔体４３が、先に説明した上流領域流路と、中流領域流路と、下流領域流路とで異なっている。具体的には、第７実施例の燃料電池スタックでは、図示するように、中流領域流路を構成する金属多孔体４３ｍの厚さが、上流領域流路を構成する金属多孔体４３ｕの厚さ、および、下流領域流路を構成する金属多孔体４３ｌの厚さよりも厚い。そして、図から分かるように、セパレータ４２Ｅの金属多孔体４３と当接する側の表面には、各金属多孔体４３ｕ，４３ｍ，４３ｌの厚さに対応した凹凸が設けられている。なお、本実施例では、各金属多孔体４３ｕ，４３ｍ，４３ｌの気孔率、および、細孔径分布は、それぞれ同じであるものとした。こうすることによっても、第３のガス流路において、中流領域流路における実質的な流路断面積を、上流領域流路における実質的な流路断面積、および、下流領域流路における実質的な流路断面積よりも大きくし、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。
【０１０２】
以上説明した第７実施例の燃料電池スタックによっても、先に説明した第５，６実施例の燃料電池スタックと同様に、ＭＥＡ４１１のアノード表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることができる。この結果、ＭＥＡ４１１における発電分布の均一化を図ることができる。
【０１０３】
Ｈ．第８実施例：
第８実施例の燃料電池スタック（図示省略）の構成は、第５実施例の燃料電池スタックにおいて、ＭＥＡ４１１におけるアノードとセパレータ４２Ｄとの間に、第３のガス流路を構成する部材として、金属多孔体４３の代わりに、エキスパンドメタルが配置されること以外は、上述した第５実施例の燃料電池スタックの構成と同じである。
【０１０４】
図１４は、エキスパンドメタル４４の概略構造を示す説明図である。図１４（ａ）に、エキスパンドメタル４４の斜視図を示した。また、図１４（ｂ）に、エキスパンドメタル４４の側面図を示した。
【０１０５】
図１４（ａ）に示したように、本実施例におけるエキスパンドメタル４４では、複数の六角形の貫通孔が千鳥状、かつ、階段状に形成されている。このようなエキスパンドメタル４４は、例えば、厚さｔの金属薄板に、千鳥状に配置された切れ目を形成しつつ、金属薄板の厚さ方向に対して略垂直方向に、上記切れ目を広げるように引き伸ばして網目を形成することによって作製される。なお、後述するエキスパンドメタル４４の厚さＴｅｍとは、図１４（ｂ）に示したように、エキスパンドメタル４４を、上記貫通孔における各六角形の１辺を構成するエッジ部分が、それぞれ、平板の表面と接触するように、一対の平板によって挟んだときの平板間の距離を意味している。また、後述するエキスパンドメタル４４のターン数とは、エキスパンドメタル４４を構成する金属薄板に形成される開口部（貫通孔）の数を意味している。そして、エキスパンドメタル４４における単位面積当たりのターン数とは、エキスパンドメタル４４を上述した厚さ方向から見たときの単位面積当たりの開口部（貫通孔）の数を意味している。
【０１０６】
図１５は、第８実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ４２Ｄとアノード側ガス拡散層４１１ｄとの間に、第３のガス流路を構成するエキスパンドメタル４４が挟まれている様子を示す断面図である。図１５（ａ）に、第３のガス流路を水素の流れ方向（図示したｙ方向）から見たときの断面図を示した。また、図１５（ｂ）に、第３のガス流路における上流領域流路、中流領域流路、下流領域流路を水素の流れ方向に対して垂直な方向（図示したｘ方向）から見たときの断面図を示した。
【０１０７】
第８実施例の燃料電池スタックでは、エキスパンドメタル４４が、先に説明した上流領域流路と、中流領域流路と、下流領域流路とで異なっている。具体的には、第８実施例の燃料電池スタックでは、図１５（ｂ）に示したように、中流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｍの板厚ｔ（＝ｔ１）が、上流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｕの板厚ｔ（＝ｔ２）、および、下流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｌの板厚ｔ（＝ｔ２）よりも薄い（ｔ１＜ｔ２）。なお、本実施例では、各エキスパンドメタル４４ｕ，４４ｍ，４４ｌの厚さＴｅｍ、および、単位面積当たりのターン数は、それぞれ同じであるものとした。こうすることによっても、第３のガス流路において、中流領域流路における実質的な流路断面積を、上流領域流路における実質的な流路断面積、および、下流領域流路における実質的な流路断面積よりも大きくし、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。
【０１０８】
以上説明した第８実施例の燃料電池スタックによっても、ＭＥＡ４１１のアノード表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることができる。この結果、ＭＥＡ４１１における発電分布の均一化を図ることができる。
【０１０９】
Ｉ．第９実施例：
第９実施例の燃料電池スタック（図示省略）の構成は、ＭＥＡ４１１におけるアノードとセパレータ４２Ｄとの間に配置されるエキスパンドメタル４４が異なること以外は、上述した第８実施例の燃料電池スタックの構成と同じである。
【０１１０】
図１６は、第９実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ４２Ｄとアノード側ガス拡散層４１１ｄとの間に、第３のガス流路を構成するエキスパンドメタル４４が挟まれている様子を示す断面図である。第３のガス流路を水素の流れ方向（図示したｙ方向）から見たときの断面図を示した。
【０１１１】
第９実施例の燃料電池スタックにおいても、エキスパンドメタル４４が、先に説明した上流領域流路と、中流領域流路と、下流領域流路とで異なっている。具体的には、第９実施例の燃料電池スタックでは、中流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｍの単位面積当たりのターン数が、上流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｕの単位面積当たりのターン数、および、下流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｌの単位面積当たりのターン数よりも少ない。なお、本実施例では、各エキスパンドメタル４４ｕ，４４ｍ，４４ｌの板厚ｔ、および、厚さＴｅｍは、それぞれ同じであるものとした。こうすることによって、第３のガス流路において、中流領域流路における流路抵抗を、上流領域流路における流路抵抗、および、下流領域流路における流路抵抗よりも低くし、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。
【０１１２】
以上説明した第９実施例の燃料電池スタックによっても、先に説明した第８実施例の燃料電池スタックと同様に、ＭＥＡ４１１のアノード表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることができる。この結果、ＭＥＡ４１１における発電分布の均一化を図ることができる。
【０１１３】
Ｊ．第１０実施例：
第１０実施例の燃料電池スタック（図示省略）の構成は、第８，９実施例の燃料電池スタックにおけるセパレータ４２Ｄの代わりに、セパレータ４２Ｅを備えること、および、ＭＥＡ４１１におけるアノードとセパレータ４２Ｅとの間に配置されるエキスパンドメタル４４が異なること以外は、第８，９実施例の燃料電池スタックの構成と同じである。
【０１１４】
図１７は、第１０実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ４２Ｅとアノード側ガス拡散層４１１ｄとの間に、第３のガス流路を構成するエキスパンドメタル４４が挟まれている様子を示す断面図である。第３のガス流路を水素の流れ方向（図示したｙ方向）から見たときの断面図を示した。
【０１１５】
第１０実施例の燃料電池スタックにおいても、エキスパンドメタル４４が、先に説明した上流領域流路と、中流領域流路と、下流領域流路とで異なっている。具体的には、第１０実施例の燃料電池スタックでは、中流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｍの厚さＴｅｍ（＝Ｔｅｍ１）が、上流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｕの厚さＴｅｍ（＝Ｔｅｍ２）、および、下流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｌの厚さＴｅｍ（＝Ｔｅｍ２）よりも厚い（Ｔｅｍ１＞Ｔｅｍ２）。なお、本実施例では、各エキスパンドメタル４４ｕ，４４ｍ，４４ｌの板厚ｔ、および、単位面積当たりのターン数は、それぞれ同じであるものとした。こうすることによって、第３のガス流路において、中流領域流路における実質的な流路断面積を、上流領域流路における実質的な流路断面積、および、下流領域流路における実質的な流路断面積よりも大きくし、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすることができる。
【０１１６】
以上説明した第１０実施例の燃料電池スタックによっても、先に説明した第８，９実施例の燃料電池スタックと同様に、ＭＥＡ４１１のアノード表面を流れるガスの流量分布の均一化を図ることができる。この結果、ＭＥＡ４１１における発電分布の均一化を図ることができる。
【０１１７】
Ｋ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【０１１８】
Ｋ１．変形例１：
上記第１実施例では、図３に示したように、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの深さｄと、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄの深さｄと、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの深さｄとが同じであり（ｄ＝ｄ１）、また、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの幅ｗと下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの幅ｗとが同じであり（ｗ＝ｗ１）、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄの幅ｗ（＝ｗ２）が、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの幅ｗ、および、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの幅ｗよりも広い（ｗ２＞ｗ１）ものとしたが、本発明は、これに限られない。
【０１１９】
また、上記第２実施例では、図５に示したように、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの幅ｗと、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄの幅ｗと、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの幅ｗとが同じであり（ｗ＝ｗ１）、また、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの深さｄと下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの深さｄとが同じであり（ｄ＝ｄ１）、中流領域流路４２４ｍにおける各溝部４２４ｄの深さｄｗ（＝ｄ２）が、上流領域流路４２４ｕにおける各溝部４２４ｄの深さ、および、下流領域流路４２４ｌにおける各溝部４２４ｄの深さｄよりも深い（ｄ２＞ｄ１）ものとしたが、本発明は、これに限られない。
【０１２０】
第３のガス流路において、中流領域流路における溝部４２４ｄの断面積（流路断面積）が、上流領域流路における溝部４２４ｄの断面積（流路断面積）、および、下流領域流路における溝部４２４ｄの断面積（流路断面積）よりも大きくなるようにすればよい。このことは、第３，４実施例における溝部４２４ｄｉについても同様である。
【０１２１】
Ｋ２．変形例２：
上記第１〜４実施例では、第３のガス流路を構成する溝部４２４ｄ，４２４ｄｉ、および、リブ部４２４ｒの断面形状は、それぞれ、矩形形状を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。これらの断面形状を、例えば、台形形状等、他の形状としてもよい。
【０１２２】
Ｋ３．変形例３：
上記第５実施例では、中流領域流路を構成する金属多孔体４３ｍの気孔率が、上流領域流路を構成する金属多孔体４３ｕの気孔率、および、下流領域流路を構成する金属多孔体４３ｌの気孔率よりも高く、各金属多孔体４３ｕ，４３ｍ，４３ｌの厚さ、および、細孔径分布は、それぞれ同じであるものとしたが、本発明は、これに限られない。
【０１２３】
また、上記第６実施例では、中流領域流路を構成する金属多孔体４３ｍの細孔径分布が、上流領域流路を構成する金属多孔体４３ｕの細孔径分布、および、下流領域流路を構成する金属多孔体４３ｌの細孔径分布よりも大きく、各金属多孔体４３ｕ，４３ｍ，４３ｌの厚さ、および、気孔率は、それぞれ同じであるものとしたが、本発明は、これに限られない。
【０１２４】
また、上記第７実施例では、中流領域流路を構成する金属多孔体４３ｍの厚さが、上流領域流路を構成する金属多孔体４３ｕの厚さ、および、下流領域流路を構成する金属多孔体４３ｌの厚さよりも厚く、各金属多孔体４３ｕ，４３ｍ，４３ｌの気孔率、および、細孔径分布は、それぞれ同じであるものとしたが、本発明は、これに限られない。
【０１２５】
上流領域流路を構成する金属多孔体４３ｕと、中流領域流路を構成する金属多孔体４３ｍと、下流領域流路を構成する金属多孔体４３ｌとにおいて、金属多孔体の厚さと、気孔率と、細孔径分布とのうちの少なくとも１つを変更することによって、中流領域流路における流路断面積を、上流領域流路における流路断面積、および、下流領域流路における流路断面積よりも大きくし、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすればよい。
【０１２６】
Ｋ４．変形例４：
上記第８実施例では、図１５に示したように、中流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｍの板厚ｔ（＝ｔ１）が、上流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｕの板厚ｔ（＝ｔ２）、および、下流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｌの板厚ｔ（＝ｔ２）よりも薄く（ｔ１＜ｔ２）、各エキスパンドメタル４４ｕ，４４ｍ，４４ｌの厚さＴｅｍ、および、単位面積当たりのターン数は、それぞれ同じであるものとしたが、本発明は、これに限られない。
【０１２７】
また、上記第９実施例では、図１６に示したように、中流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｍの単位面積当たりのターン数が、上流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｕの単位面積当たりのターン数、および、下流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｌの単位面積当たりのターン数よりも少なく、各エキスパンドメタル４４ｕ，４４ｍ，４４ｌの板厚ｔ、および、厚さＴｅｍは、それぞれ同じであるものとしたが、本発明は、これに限られない。
【０１２８】
また、上記第１０実施例では、図１７に示したように、中流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｍの厚さＴｅｍ（＝Ｔｅｍ１）が、上流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｕの厚さＴｅｍ（＝Ｔｅｍ２）、および、下流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｌの厚さＴｅｍ（＝Ｔｅｍ２）よりも厚く（Ｔｅｍ１＞Ｔｅｍ２）、各エキスパンドメタル４４ｕ，４４ｍ，４４ｌの板厚ｔ、および、単位面積当たりのターン数は、それぞれ同じであるものとしたが、本発明は、これに限られない。
【０１２９】
上流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｕと、中流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｍと、下流領域流路を構成するエキスパンドメタル４４ｌとにおいて、エキスパンドメタルの厚さと、エキスパンドメタルを構成する金属板の厚さと、単位面積当たりのターン数とのうちの少なくとも１つを変更することによって、中流領域流路の圧力損失が、上流領域流路の圧力損失、および、下流領域流路の圧力損失よりも小さくなるようにすればよい。
【０１３０】
Ｋ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池スタックにおいて、第１のガス流路と、第２のガス流路と、第３のガス流路とは、必ずしも明確に区分されている必要はない。すなわち、上記実施例の燃料電池スタックにおいて、第１〜３のガス流路は、それぞれ、実質的に先に説明した機能を有していればよい。したがって、例えば、ＭＥＡ４１１の対角部に水素の供給部とアノードオフガスの排出部とを設けるようにし、第１〜３のガス流路が一体的に形成されているものとしてもよい。
【０１３１】
Ｋ６．変形例６：
上記実施例の燃料電池スタックにおいて、第３のガス流路において、上流領域流路と、中流領域流路と、下流領域流路とは、必ずしも明確に区分されている必要はない。したがって、第３のガス流路において、例えば、最上流部に配置された最上流領域流路から最中央領域に配置された最中央領域流路にかけて、また、最下流領域に配置された最下流領域流路から最中央領域流路にかけて、段階的に圧力損失が小さくなるようにしてもよいし、連続的に圧力損失が小さくなるようにしてもよい。ただし、ＭＥＡ４１１の表面を流れるガスの流量分布の均一化を図る観点から、上述した第３のガス流路についての構成は、中流領域流路におけるガスの流量が、上流領域流路におけるガスの流量、および、下流領域流路におけるガスの流量よりも多くなるという、従来とは逆のガスの流量分布の不均一が生じない範囲内でなされる。
【０１３２】
Ｋ７．変形例７：
上記実施例の燃料電池スタックでは、本発明の燃料電池における第１〜３のガス流路の構成を、ＭＥＡ４１１のアノード側に適用した場合について説明したが、アノード側、および、カソード側の少なくとも一方に適用するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１００…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
１２ｉ１，１２ｉ２，１２ｉ３…空気供給口
１２ｏ１，１２ｏ２，１２ｏ３…カソードオフガス排出口
１４ｉ…水素供給口
１４ｏ…アノードオフガス排出口
１６ｉ…冷却水供給口
１６ｏ…冷却水排出口
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
３２ａ，３２ｂ…出力端子
４０…燃料電池モジュール
４１…シールガスケット一体型ＭＥＡ
４１０…シールガスケット
４１１…ＭＥＡ
４１１ｄ（４１１ｄｕ，４１１ｄｍ，４１１ｄｌ）…アノード側ガス拡散層
４１２ｉ１，４１２ｉ２，４１２ｉ３…空気供給用貫通孔
４１２ｏ１，４１２ｏ２，４１２ｏ３…カソードオフガス排出用貫通孔
４１４ｉ…水素供給用貫通孔
４１４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４１６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４１６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ…セパレータ
４２２ｉ１，４２２ｉ２，４２２ｉ３…空気供給用貫通孔
４２２ｏ１，４２２ｏ２，４２２ｏ３…カソードオフガス排出用貫通孔
４２４ｉ…水素供給用貫通孔
４２４ｉｐ…第１のガス流路
４２４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４２４ｏｐ…第２のガス流路
４２４…第３のガス流路
４２４ｕ…上流領域流路
４２４ｍ…中流領域流路
４２４ｌ…下流領域流路
４２４ｄ，４２４ｄｉ，４２４ｄｏ…溝部
４２４ｒ…リブ部
４２６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４３（４３ｕ，４３ｍ，４３ｌ）…金属多孔体
４４（４４ｕ，４４ｍ，４４ｌ）…エキスパンドメタル
【図１】
2011192525.tif 000003
【図２】
2011192525.tif 000004
【図３】
2011192525.tif 000005
【図４】
2011192525.tif 000006
【図５】
2011192525.tif 000007
【図６】
2011192525.tif 000008
【図７】
2011192525.tif 000009
【図８】
2011192525.tif 000010
【図９】
2011192525.tif 000011
【図１０】
2011192525.tif 000012
【図１１】
2011192525.tif 000013
【図１２】
2011192525.tif 000014
【図１３】
2011192525.tif 000015
【図１４】
2011192525.tif 000016
【図１５】
2011192525.tif 000017
【図１６】
2011192525.tif 000018
【図１７】
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