(57)【要約】【課題】この発明は、燃料電池内部の積層構造の端面とシール部材との間に生ずる隙間にガスが流れても、供給されたガスのうち発電に利用されるガスの割合が低くなるのを避けることができる燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】多孔体層１２とシール部材１４との間の隙間１６に流れるガス量Ｑ２を考慮して設計を行う。具体的には、多孔体層１２の寸法Ｈａに対する、多孔体層１２の端面からガス供給孔１８までの距離Ｈｉと他の端面からガス排出孔２０までの距離Ｈｏの和（Ｈｉ＋Ｈｏ）の割合と、燃料電池１０へ供給されるガスの総量Ｑａに対する、Ｑａから多孔体層１２の中央側を通って流れるガスの量Ｑ１を減算して得られる漏れガス量Ｑ２（＝Ｑａ−Ｑ１）の割合とを、略等しくする。【選択図】図１
2008071544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜に積層される電極触媒層と、
前記電極触媒層に積層される多孔体層と、
前記多孔体層を囲うように、その端面に沿って取り付けられるシール部材と、
前記多孔体層に積層され、前記シール部材よりも該多孔体層の中央側であって該多孔体層の第１端面側に位置するガス供給孔と、該シール部材よりも該多孔体層の中央側であって該ガス拡散層の前記第１端面の反対側の第２端面側に位置するガス排出孔とを有するセパレータと、
を有し、
前記第１端面と前記第２端面の距離に対する、該第１端面から前記ガス供給孔までの距離と該第2端面から前記ガス排出孔までの距離の和の割合と、該ガス供給孔から前記多孔体層側へ供給されるガスの総量に対する、該ガスの総量から該ガス供給孔と該ガス排出孔との間を該多孔体層の中央側を通って流れるガスの量を減算して得られる漏れガス量の割合とが、略等しいことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第２端面から前記ガス排出孔までの距離が、前記第１端面から前記ガス供給孔までの距離よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
電解質膜と、
前記電解質膜に積層される電極触媒層と、
前記電極触媒層に積層される多孔体層と、
前記多孔体層を囲うように、その端面に沿って取り付けられるシール部材と、
前記多孔体層に積層され、前記シール部材よりも該多孔体層の中央側に位置し該多孔体層の第１端面側に位置するガス供給孔と、該シール部材よりも該多孔体層の中央側であって該ガス拡散層の前記第１端面の反対側の第２端面側に位置するガス排出孔とを有するセパレータと、
を有し、
前記第２端面から前記ガス排出孔までの距離が、前記第１端面から前記ガス供給孔までの距離よりも長いことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に係り、特に燃料電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特開２００２−２３１２７４号公報に開示されているように、電解質膜、電極触媒層などを含む積層構造の端面に、シール部材を設けた燃料電池が知られている。上記従来の技術における燃料電池は、膜電極接合体（電解質膜と電極触媒層の接合体）、集電層、セパレータが順次積層され、その積層構造の端面を囲うようにシール部材が取り付けられる構成となっている。
【０００３】
セパレータにはガス供給孔およびガス排出孔が設けられており、これらの孔を介して、燃料電池へのガスの供給、および燃料電池からのガスの排出が行われる。ガス供給孔から供給されたガスは、燃料電池内部をガス排出孔側へ流れる過程で、発電反応に消費される。その後、発電に消費されなかった一部のガスは、ガス排出孔から燃料電池の外部へと排出される。このようなガス流通の過程で、燃料電池の外部にガスが漏れないように、前述したシール部材により密閉性が確保されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２３１２７４号公報
【特許文献２】特開２００４−６１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術における燃料電池においては、ガス供給孔から燃料電池へと供給されたガスのうち、一部のガスが隙間へと漏れる。漏れたガスは、隙間を通ってガス排出孔側へ流れ、ほとんど発電で消費されることなく、ガス排出孔から外部へと排出される。
【０００６】
隙間を流れるガスが多くなると、発電に消費されずに外部へと排出されるガスも多くなる。このようなガスが多いと、供給ガスのうち燃料電池で有効に利用されるガスの割合が低くなってしまう。よって、このような隙間が生じることを考慮した上で、燃料電池の設計を行うことが望ましい。
【０００７】
この発明は、上記のような思想に基づいてなされたもので、燃料電池内部の積層構造の端面とシール部材との間に生ずる隙間をガスが流れても、供給されたガスのうち発電に利用されるガスの割合が低くなるのを避けることができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜に積層される電極触媒層と、
前記電極触媒層に積層される多孔体層と、
前記多孔体層を囲うように、その端面に沿って取り付けられるシール部材と、
前記多孔体層に積層され、前記シール部材よりも該多孔体層の中央側であって該多孔体層の第１端面側に位置するガス供給孔と、該シール部材よりも該多孔体層の中央側であって該ガス拡散層の前記第１端面の反対側の第２端面側に位置するガス排出孔とを有するセパレータと、
を有し、
前記第１端面と前記第２端面の距離に対する、該第１端面から前記ガス供給孔までの距離と該第2端面から前記ガス排出孔までの距離の和の割合と、該ガス供給孔から前記多孔体層側へ供給されるガスの総量に対する、該ガスの総量から該ガス供給孔と該ガス排出孔との間を該多孔体層の中央側を通って流れるガスの量を減算して得られる漏れガス量の割合とが、略等しいことを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記第２端面から前記ガス排出孔までの距離が、前記第１端面から前記ガス供給孔までの距離よりも長いことを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜に積層される電極触媒層と、
前記電極触媒層に積層される多孔体層と、
前記多孔体層を囲うように、その端面に沿って取り付けられるシール部材と、
前記多孔体層に積層され、前記シール部材よりも該多孔体層の中央側に位置し該多孔体層の第１端面側に位置するガス供給孔と、該シール部材よりも該多孔体層の中央側であって該ガス拡散層の前記第１端面の反対側の第２端面側に位置するガス排出孔とを有するセパレータと、
を有し、
前記第２端面から前記ガス排出孔までの距離が、前記第１端面から前記ガス供給孔までの距離よりも長いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、シール部材と多孔体層の端面との間に隙間が生じた場合であって、供給されたガスが、多孔体層の中央側を通って流れる経路（以下、中央側経路とも称す）と、多孔体層の第1端面から隙間へ漏れこの隙間を通って流れる経路（以下、漏れ側経路とも称す）とに分かれた際、各経路を流れるガスの量を、各経路の多孔体層の割合に応じた量とすることができる。これにより、多孔体層の割合が多い経路にガス量を多く、多孔体層の割合が少ない経路にガス量を少なくするようにガスを分配でき、多孔体層全体に満遍なくガスを供給することができる。結果、多孔体層の下層に位置する電極触媒層側（発電領域）に満遍なくガスが供給され、供給されたガスを効率よく発電に利用することができる。
【００１２】
第２の発明によれば、第１端面からガス供給孔までの距離と第２端面からガス排出孔までの距離との合計を小さくすることができる。これにより、供給されたガスを効率よく発電に利用しつつ、隙間側の経路を流れるガス量を少なくすることができる。
【００１３】
第３の発明によれば、シール部材と多孔体層の端面との間に隙間が生じて、ガス供給孔から供給されたガスが多孔体側の経路と隙間側の経路とに分かれて流れた場合に、隙間側の経路を通るガス量を少なくすることができる。従って、発電に消費されずに外部へと排出される空気の量を少なくし、供給されたガスのうち発電に利用されるガスの割合が低くなるのを避けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
（実施の形態１の燃料電池の構成）
図１は、実施の形態１の燃料電池１０の構成を説明するための図であり、燃料電池１０の断面をカソード側から見た図である。燃料電池１０のカソードは、図１の紙面貫通方向に、電解質膜、電極触媒層、ガス拡散層としての多孔体層、セパレータが順次積層された構成となっている。図１は、燃料電池１０の積層構造のうちセパレータを取り外した状態を、カソード側から見た図である。
【００１５】
なお、以下の説明では、図１における紙面貫通方向を燃料電池１０の積層方向とも呼称し、図１において紙面と平行な方向を燃料電池１０の平面方向とも呼称することとする。
【００１６】
実施の形態１の燃料電池は、多孔体層１２を有している。多孔体層１２は、紙面横方向にＷａ、紙面縦方向にＨａの寸法を有する長方形の形状を有している。多孔体層１２は、所定のガス透過抵抗Ｋｐを有しており、その内部において空気を流通させることができる。
【００１７】
多孔体層１２の紙面裏面側には、電極触媒層、電解質膜（ともに図示せず）が順次備えられている。このような構成では、多孔体層１２を流通する空気が、その流通の過程で電極触媒層側へと順次流れ込み、燃料電池１０の発電に利用される。なお、燃料電池１０では、平面方向における多孔体層１２と電極触媒層の形状、面積が同一であり、発電時に消費される空気量は多孔体層１２の位置によらず略均一となっている。
【００１８】
多孔体層１２の周囲には、シール部材１４が設けられている。シール部材１４は、多孔体層１２を囲うように、その端面に沿って設けられている。シール部材１４と多孔体層１２の端面との間には、多孔体層１２の設計公差に起因して、隙間１６が生じる。
【００１９】
燃料電池１０は、多孔体層１２の紙面表面側にセパレータが配置される構成となっている。このセパレータには、複数のガス供給孔１８と、同じく複数のガス排出孔２０とが設けられている。ガス供給孔１８は多孔体層１２の紙面上方側に、ガス排出孔２０は多孔体層１２の紙面下方側に、それぞれ配列されている。
【００２０】
上述したように、図１ではセパレータを取り外した状態（セパレータを透視した状態）を示しているため、ガス供給孔１８およびガス排出孔２０は本来目視できない。しかしながら、図１では、便宜上、ガス供給孔１８およびガス排出孔２０が設けられる位置を図示して説明を行うこととする。
【００２１】
個々のガス供給孔１８は、多孔体層１２の紙面上方側に、Ｗｉの間隔を置いて設けられている（図１における、導入部間隔Ｗｉ）。そして、それぞれのガス供給孔１８は、一律に、多孔体層１２の端面からＨｉの距離を置いて設けられている。同様に、個々のガス排出孔２０は、多孔体層１２の紙面下方側に、Ｗｏの間隔を置いて設けられている（図１における、導出部間隔Ｗｏ）。そして、それぞれのガス排出孔２０は、一律に、多孔体層１２の端面からＨｏの距離を置いて設けられる。
【００２２】
なお、図１では、燃料電池１０のカソード側の構成を示した。一方、燃料電池１０は、図１の紙面裏面側に、図示しないアノード側の構成を有している。実施の形態１では、上記説明したカソード側の構成がアノード側の構成にも同様に適用されているものとし、その説明を省略する。
【００２３】
（実施の形態１の冷却系の構成）
図２は、実施の形態１の燃料電池１０における、冷却系の構造の一例を説明するための図である。具体的には、図１に示した燃料電池１０に積層される冷却水プレート３０の構成を示している。冷却水プレート３０は、図１の燃料電池１０の紙面表面側に積層される。図２では、多孔体層１２に対応する位置（破線）、およびシール部材１４に対応する位置（点線）を、それぞれ示している。
【００２４】
冷却水プレート３０には、冷却水マニホールド３２が設けられている。冷却水プレート３０の中央側には、紙面を横切るように、冷却水マニホールド３２に連通する冷却水流路３４が設けられている。冷却水流路３４は、ガス供給孔１８の列とガス排出孔２０の列との間の領域に形成されている。そして、冷却水流路３４は、隣接するガス供給孔１８の間、および隣接するガス排出孔２０の間に入り込むように形成されている。このような形状によれば、燃料電池１０の冷却面積をできるだけ大きく取ることができ、高い冷却能力を発揮することができる。
【００２５】
また、冷却水プレート３０は、ガスマニホールド４０、４２を有している。ガスマニホールド４０はガス供給孔１８に、ガスマニホールド４２はガス排出孔２０に、それぞれ連通している。
【００２６】
［実施の形態１の燃料電池の動作］
以下、図１を用いて、実施の形態１の動作について説明する。上記の構成における燃料電池１０では、発電を行う際、ガス供給孔１８から多孔体層１２側へ空気が供給される。多孔体層１２へと供給された空気のうち、一部の空気は多孔体層１２の中央側を流れ（図１の実線矢印）、残部の空気は多孔体層１２の端面から隙間１６へと漏れて隙間１６内を流れる（図１の点線矢印）。以下の説明では、多孔体層１２の中央側の経路を、「中央側経路」とも呼称する。また、隙間１６へと漏れて空気が流れる側の経路を、「漏れ側経路」とも呼称することとする。
【００２７】
（中央側経路の空気の流れ）
中央側経路を流れる空気（実線矢印）は、多孔体層１２を紙面下方に流通しながら、電極触媒層側へと流れ込む。そして、図示しないアノード側の水素と共に、電解質膜、電極触媒層を介した電気化学反応によって発電が行われる。このような流通の過程で、電極触媒層側へと流れずに発電に消費されなかった空気は、紙面下方側へと流れ、ガス排出孔２０から燃料電池１０の外部へと排出される。
【００２８】
（漏れ側経路の空気の流れ）
一方、漏れ側経路を流れる空気（点線矢印）は、先ず、多孔体層１２内を紙面上方に向かって流れ、隙間１６へと漏れる。そして、隙間１６内を多孔体層１２の外周に沿って流れ、紙面下方側へと到達する。隙間１６を空気が流れる際には、隙間１６の大きさに応じた抵抗（流路抵抗）が生ずる。実施の形態１では、隙間１６における流通抵抗係数をＫｃとする。
【００２９】
その後、隙間１６内を流れた空気は、多孔体層１２の紙面下方側端面から再び多孔体層１２に流れ込む。そして、多孔体層１２に再度流れ込んだ空気は、多孔体層１２内を通ってガス排出孔２０へ至り、中央側経路の空気と同様に、ガス排出孔２０から燃料電池１０の外部へと排出される。
【００３０】
漏れ側経路を流れる空気は、ガス供給孔１８から多孔体層１２の紙面上方側端面まで流れる過程、および、多孔体層１２の紙面下方側端面からガス排出孔２０まで流れる過程において、それぞれ多孔体層１２内部を流れる。そして、多孔体層１２内部を流れる際には、前述した中央側経路の空気と同様に、その一部が電極触媒層へと流れ込み、当該位置で発電反応に寄与する。
【００３１】
なお、上述したように、実施の形態１では、多孔体層１２と電極触媒層とが同じ大きさだけ形成されている。従って、図１においては、隙間１６の位置には電極触媒層が設けられておらず、隙間１６内を流れている間、空気は発電に消費されない。
【００３２】
以上のように、ガス供給孔１０から供給された空気が、中央側経路と漏れ側経路とをそれぞれ流れる。そして、各経路を流れる過程で、空気が発電に消費されることとなる。
【００３３】
［実施の形態１の特徴］
燃料電池１０内において、空気が発電に消費されるのは、空気が多孔体層１２内を流れている間である。従って、多孔体層１２を通過する割合が多い経路においては、多くの空気が発電に消費されることとなる。
【００３４】
中央側経路と漏れ側経路とでは、それぞれ多孔体層１２を流れる割合が異なっている。よって、それぞれの経路では、発電に消費される空気の量も異なる。具体的には、燃料電池１０では、中央側経路は多孔体層１２を通る割合が多いため、より多くの空気が発電に消費されることとなる。逆に、漏れ側経路では、多孔体層１２を通る割合が少なく、発電に消費される空気量も少なくなる傾向にある。
【００３５】
また、中央側経路と漏れ側経路とでは、その流通抵抗も異なっている。具体的には、燃料電池１０においては、多孔体層１２の割合が多い中央側経路の流路抵抗が相対的に高くなる。そして、多孔体層１２の割合が少なく、抵抗の少ない隙間１６を通る漏れ側経路の流路抵抗が、相対的に低くなる。このため、それぞれの経路の流通抵抗に応じて、中央側経路を流れる空気量と漏れ側経路を流れる空気量（以下、「漏れ量」とも呼称する）が相違している。
【００３６】
上記のような空気消費量と空気流量の関係に起因して、空気消費量が少ない漏れ側経路に対して、多くの空気が流れる場合が生ずる。このような場合には、漏れ側経路を流れる空気のうち、多孔体層１２を流れる過程で一部の空気が発電に消費されるものの、多くの空気がガス排出孔２０から外部へと排出されてしまう。その結果、発電に消費されずに外部へと排出される空気量が多くなり、供給した空気の利用効率が低下してしまう。
【００３７】
これを避けるために、例えば、漏れ側経路における多孔体層１２の割合を多くして漏れ側経路の流路抵抗を上げ、中央側経路に対して多くの空気を流す方法も考えられる。しかしながら、このようにした場合には、漏れ量が抑えられると同時に、漏れ側経路に属する多孔体層１２の割合も増加する。その結果、多孔体層１２全体のうち空気供給が適当になされない領域が大きくなり、発電領域を有効に利用することができなくなってしまう（結果的に、発電面積をロスしてしまう）。
【００３８】
そこで、上述のような事態に対処するために、実施の形態１の燃料電池１０は、供給された空気が、それぞれの経路に対して好適な割合に分配されるように構成されている。すなわち、それぞれの経路の空気流量が、それぞれの経路の空気消費量に応じた値となるように構成されている。具体的には、実施の形態１では、ガス供給孔１８とガス排出孔２０の位置を以下のようにして定めることにより、各経路の空気流量を好適な割合に調節している。
【００３９】
先ず、Ｗｉ、Ｗｏを所定の値に決定した後、ガス供給孔１８、ガス排出孔２０を、それぞれ、多孔体層１２の端面からＨｉ、Ｈｏの距離に配列する。このような状態で、ＨｉとＨｏを変化させると、多孔体層１２全体のうち、中央側経路に含まれる多孔体層１２の割合と、漏れ側経路に含まれる多孔体層１２の割合とが変化する。
【００４０】
それぞれの経路に含まれる多孔体層１２の割合に応じて、それぞれの経路で消費されうる空気量が変化する。また、Ｈｉ、Ｈｏをそれぞれ変化させることにより、ガス供給孔１８、ガス排出孔２０から多孔体層１２の端面までの距離がそれぞれ変化する。これにより、漏れ側経路における空気の流通抵抗、および中央側経路の流通抵抗が変化する。その結果、それぞれの経路に流れる空気量も変化する。
【００４１】
このように、Ｈｉ、Ｈｏを変化させることにより、各経路の多孔体層１２の割合が変化すると同時に、各経路の空気消費量と、各経路を流れる空気量とがそれぞれ変化する。これらの値の変化についての傾向を把握し、空気消費量が多い経路に相対的に多くの空気が流れ、空気消費量が少ない経路に相対的に少量の空気が流れるように、Ｈｉ、Ｈｏを選択する。その結果、中央側経路と漏れ側経路とによらず、多孔体層１２全体にバランス良く空気を流通させることができる。
【００４２】
これにより、燃料電池１０では、ガス供給孔１８から燃料電池１０内部に供給した空気が、燃料電池１０内の発電領域（多孔体層１２下方の電極触媒層領域）へと万遍なく供給される。従って、発電領域全体で有効に空気が消費され（発電に利用され）、燃料電池１０に供給した空気を効率よく利用することができる。
【００４３】
［実施の形態１の具体的な設計手法］
以下、実施の形態１の燃料電池１０における、具体的な設計手法を説明する。実施の形態１では、次に述べるように、「Ｈｉ、Ｈｏと漏れ率の関係」、「Ｗｉ、Ｗｏと漏れ率の関係」を考慮しつつ、「ガス流量の割合に応じた好適な孔位置の決定」を行うこととする。
【００４４】
「Ｈｉ、Ｈｏと漏れ率の関係」
燃料電池１０では、発電を行う際、カソードの電極触媒層で水の生成を伴う。生成した水は、カソード内を流れる空気によって外力を受け、空気の流れる方向へと搬送される。発電時、空気は、多孔体層１２内部を、ガス供給孔１８からガス排出孔２０へ向かって流れている。そのため、多孔体層１２のガス排出孔２０側には、多くの水（主に液水）が存在することとなる。
【００４５】
液水が多いと、この水が障害物となって流路が狭くなる。これにより、多孔体層１２内におけるガス流路面積が低下し、当該部分を流れる空気の流速が増大する。その結果、ガス排出孔２０側では、多孔体層１２の実質的な透過抵抗が増大することとなる。
【００４６】
図３は、上述の現象を考慮してシミュレーション（ＣＦＤ解析）により求めた、燃料電池１０における、ＨｉおよびＨｏの変化に応じた漏れ率（燃料電池１０に供給された空気量のうち、漏れ側経路を流れる空気量の割合）の変化を示す図である。図３は、所定のＨｉ、Ｈｏを基準（基準点）として、当該基準値からＨｉを変化させた際の漏れ率の変化（点線）と、Ｈｏを変化させた際の漏れ率の変化（実線）とをそれぞれ示している。
【００４７】
Ｈｉに応じた漏れ率（点線）とＨｏに応じた漏れ率（実線）とを比較した場合、Ｈｉ，Ｈｏそれぞれの増加に伴い漏れ側経路の流路抵抗が増加するため、漏れ率はどちらも減少傾向にある。しかしながら、その減少度合いは同じではなく、Ｈｏを大きくする方がより顕著に漏れ率が減少している。これは、上述したように、ガス排出孔２０側の実質的な透過抵抗が大きくなっていることに起因している。
【００４８】
ところで、図２を用いて述べたように、燃料電池１０は、冷却プレート３０を用いて冷却される。冷却プレート３０の冷却水流路３４は、ガス供給孔１８の位置Ｈｉと、ガス排出孔２０の位置Ｈｏとにより、形成される領域が変化する。具体的には、｛Ｈａ−（Ｈｉ＋Ｈｏ）｝の値に応じて冷却水流路３４の形成領域が変化することとなり、ＨｉとＨｏが大きいほど、冷却水流路３４の形成領域が小さくなる。
【００４９】
冷却能力の観点からは、冷却水流路３４をできるだけ広い領域に形成することが望ましい。そこで、実施の形態１では、Ｈｉ，Ｈｏの値を定める際、図３で説明した傾向を考慮して、実質的な流路抵抗が大きいガス排出孔２０側の寸法、即ちＨｏの値をなるべく大きくする。
【００５０】
このようにすることで、漏れ側経路の流路抵抗を所定の値としうるＨｉ、Ｈｏを定める際に、Ｈｉ＋Ｈｏの値をより小さな値にすることができる。これにより、ガス供給孔１８とガス排出孔２０のそれぞれを、できるだけ多孔体層１２の端面側（すなわち、燃料電池１０の端側）に配置することができる。その結果、冷却水流路３４の領域を大きく取ることが容易となる。
【００５１】
「Ｗｉ、Ｗｏと漏れ率の関係」
燃料電池１０では、ガス供給孔１８およびガス排出孔２０を、それぞれ、ＷｉおよびＷｏの間隔を置いて配置している。ＷｉおよびＷｏは、その間隔を大きくするほど、一つの孔に流れが集中することとなり、当該孔の周辺の多孔体層１２におけるみかけの流通抵抗が増大する。
【００５２】
図４は、導入部間隔Ｗｉ（および導出部間隔Ｗｏ）を変化させた際の、漏れ率の変化を示す図である。図３と同様に、燃料電池１０において、所定の基準値からＷｉを変化させた場合の漏れ率の変化を、シミュレーション（ＣＦＤ解析）により求めたものである。Ｗｉの値を大きくするほど、漏れ率が低下することがわかる。実施の形態１では、このような導入部間隔（および導出部間隔）と漏れ率の関係も考慮して、ガス供給孔１８およびガス排出孔２０の位置を定めることとする。
【００５３】
「ガス流量の割合に応じた好適な孔位置の決定」
実施の形態１では、上述した「Ｈｉ、Ｈｏと漏れ率の関係」および「Ｗｉ、Ｗｏと漏れ率の関係」を考慮しつつ、各経路にそれぞれ好適な量の空気が流れるように、ガス供給孔１８およびガス排出孔２０の位置を定める。具体的には、以下に述べるように、実際の漏れ率の算出、理想漏れ率の算出、理想漏れ率を実現するＨｉ、Ｈｏの特定、の順に、Ｈｉ、Ｈｏを適当な値に定める。
【００５４】
実施の形態１では、先ず、上述した「Ｗｉ、Ｗｏと漏れ率の関係」を考慮してＷｉ、Ｗｏを決定し、その後、Ｈｉ、Ｈｏの決定を行うこととする。具体的には、実施の形態１では、図１に示したように、ガス供給孔１８およびガス排出孔２０を、略均等のＷｉ、Ｗｏをおいてそれぞれ６箇ずつ設けることとする。
【００５５】
また、多孔体層１２の透過抵抗係数Ｋｃ、隙間１６の流路抵抗係数Ｋｃは、それぞれ予め実験或いは計算などにより把握しておくこととする。同様に、上述の「Ｈｉ、Ｈｏと漏れ率の関係」で述べた、ガス排出孔２０近傍における多孔体層１２の透過抵抗の増加係数Ｃｏについても、予め算定しておくこととする。以下、Ｋｐ、Ｋｃ、Ｃｏ、Ｗｉ、Ｗｏを所定値に定めた状態を前提として、説明を行う。
【００５６】
（実際の漏れ率の算出）
以下の説明では、中央側経路を流れる空気量をＱ１、漏れ側経路を流れる空気量（以下、「漏れ量」とも呼称する）をＱ２、燃料電池１０に供給する総空気量をＱａとし、実際の漏れ率（以下、単に「漏れ率」とも呼称する）を下記の関係式で定義する。
実際の漏れ率  ＝  漏れ量／総空気量  
＝｛Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）｝＝  Ｑ２／Ｑａ
【００５７】
なお、実施の形態１では、供給される総空気量Ｑａを一定とし、Ｑ１＋Ｑ２＝Ｑａ（一定）の関係が成立するものとする。この条件に基づき、各経路において生ずる圧力損失に関する連立方程式を立て、所定のＨｉ、Ｈｏに対する実際の漏れ率の値を算出する。
【００５８】
中央側経路を流れる空気は、多孔体層１２内を流れる過程で、透過抵抗係数Ｋｐ、空気の流通距離（ガス供給孔１８とガス排出孔２０との距離、すなわち、Ｈａ−（Ｈｉ＋Ｈｏ））、および当該経路を流れる空気量Ｑ１に応じて、所定の圧力損失を受ける。実施の形態１では、この圧力損失をΔＰ１とする（図１参照）。
【００５９】
漏れ側経路を流れる空気は、ガス供給孔１８とガス排出孔２０の位置（Ｈｉ、Ｈｏ）、および隙間１６の流路抵抗などに応じた圧力損失を受ける。具体的には、ガス供給孔１８から隙間１６までに空気が受ける圧力損失をΔＰｉ、隙間１６を流れる空気が受ける圧力損失をΔＰ２、隙間１６からガス排出孔２０までに空気が受ける圧力損失をΔＰｏとし、漏れ側経路の空気は、これらの合計（ΔＰｉ＋ΔＰ２＋ΔＰｏ）の圧力損失を受ける（図１参照）。
【００６０】
ΔＰｉは主にＨｉに応じて、ΔＰ２は主にＫｃ、Ｗａ，Ｈａに応じて、ΔＰｏは主にＨｏに応じて、それぞれ変化する。また、ΔＰｉ、ΔＰ２、ΔＰｏは、それぞれの位置を流れる空気量Ｑ２によっても変化する。なお、ΔＰｏを算定する際には、上記「Ｈｉ、Ｈｏと漏れ率の関係」で述べた、透過抵抗増大係数Ｃｏも考慮する。
【００６１】
以上の関係を、
［ΔＰ１］＝Ｆ１｛Ｋｐ，Ｑ１，Ｈａ−（Ｈｉ＋Ｈｏ），Ｗｉ，Ｗａ｝
［ΔＰｉ］＝Ｆｉ｛Ｋｐ，Ｑ２，Ｈｉ，Ｗｉ，Ｗａ｝
［ΔＰ２］＝Ｆ２｛Ｋｃ，Ｑ２，Ｈａ，Ｗａ｝
［ΔＰｏ］＝Ｆｏ｛Ｃｏ，Ｋｐ，Ｑ２，Ｈｏ，Ｗｏ，Ｗａ｝
とおくと、
ΔＰ１＝ΔＰｉ＋ΔＰ２＋ΔＰｏ
となり、
Ｑ１＋Ｑ２＝Ｑａ  （Ｑａ＝一定）
も含めた連立方程式から、所定のＨｉ、Ｈｏに対するＱ１とＱ２とを求めることができる（Ｆ１、Ｆｉ、Ｆ２、Ｆｏはそれぞれの位置の圧力損失を求めるための関数とし、前述したようにＫｐ、Ｋｃ、Ｃｏ、Ｗｉ、Ｗａ、Ｈａ、Ｑａは既知の値である）。このようにして得られたＱ１、Ｑ２を用いて、所定のＨｉ、Ｈｏにおける実際の漏れ率（Ｑ２／Ｑａ）を算出することができる。
【００６２】
図５に、上述した手法に基づいて得られた、漏れ率とＨｉ、Ｈｏの関係を示す。図５は、Ｈｉ＝２、５、１０［％］（各数値はＨａに対するＨｉの割合、すなわちＨｉ／Ｈａを示しており、以下、適宜、単位［％］を省略する）のそれぞれに対して、Ｈｏを５、１０、１５［％］（各数値はＨａに対するＨｏの割合、すなわちＨｏ／Ｈａを示しており、以下、適宜、単位［％］を省略する）と変化させた際の漏れ率の変化を示している。Ｈｉ、Ｈｏの増加に伴って、漏れ率が減少していることが読み取れる。
【００６３】
（理想漏れ率の算出）
次に、所定のＨｉ、Ｈｏに対して、燃料電池１０に供給する総空気量のうち、漏れ側経路に供給（分配）する空気量の理想値について検討する。具体的には、所定のＨｉ、Ｈｏに対して、総空気量のうち何％の空気が漏れ側経路に流れるのが望ましいかを求める。
【００６４】
燃料電池１０に供給された空気がバランスよく各経路に分配されている状態とは、漏れ側経路を流れる空気量と中央側経路を流れる空気量との比率が、漏れ側経路の空気消費量と中央側経路の空気消費量との比率に一致している状態である。これはすなわち、燃料電池１０全体の空気消費量に対する漏れ側経路の空気消費量の割合と、燃料電池１０へ供給される総空気量に対する漏れ側経路を流れる空気量の割合（すなわち漏れ率）とが、一致している状態である。このような状態の漏れ率を理想漏れ率とすると、次の関係式が成立することとなる。
理想漏れ率  ＝  （漏れ側経路空気消費量／全空気消費量）
【００６５】
燃料電池１０では、発電時における空気消費量が多孔体層１２全体で均一となっている。このため、漏れ側経路に含まれる多孔体層１２の面積比に応じて、漏れ側経路の空気消費量も変化する。これに従って、実施の形態１では、先ず、多孔体層１２の総面積と漏れ側経路の多孔体層１２の面積を、Ｗａ、Ｈａ、Ｈｉ＋Ｈｏ、Ｗａに基づいて求める（図１参照）。
【００６６】
その結果、次の関係式が成立することとなる。
（漏れ側経路の多孔体層１２の面積／多孔体層１２の総面積）
＝  ｛（Ｈｉ＋Ｈｏ）／Ｈａ｝
【００６７】
空気消費量は多孔体層１２の面積に対応するので、下記の関係式が成立する。
（漏れ側経路空気消費量／全空気消費量）  ＝  ｛（Ｈｉ＋Ｈｏ）／Ｈａ｝
【００６８】
以上により、下記の関係式を得ることができる。
理想漏れ率  ＝  ｛（Ｈｉ＋Ｈｏ）／Ｈａ｝
【００６９】
図５に、上述した手法に基づいて得られた、理想漏れ率｛（Ｈｉ＋Ｈｏ）／Ｈａ｝とＨｉ、Ｈｏの関係を点線で示す。図５に示した点線は、Ｈａ＝１００［％］（固定値）とし、Ｈｉ＝２、５、１０［％］のそれぞれに対して、Ｈｏを変化させた際の理想漏れ率｛（Ｈｉ＋Ｈｏ）／Ｈａ｝の変化を示している。Ｈｉ、Ｈａが増加した場合には、漏れ側経路の空気消費量が増加するため、図５に示すように理想漏れ率も増加する。
【００７０】
（理想漏れ率を実現するＨｉ、Ｈｏの特定）
上記それぞれ算出された、実際の漏れ率Ｑ２／Ｑａと、理想漏れ率｛（Ｈｉ＋Ｈｏ）／Ｈａ｝とが一致する状態が、空気が理想的に分配されている状態となる。すなわち、下記の関係式を満たすようにＨｉ、Ｈｏの値を定めることとすれば、漏れ側経路に対して好適な量の空気を流すことができる。
Ｑ２／Ｑａ  ＝  ｛（Ｈｉ＋Ｈｏ）／Ｈａ｝
【００７１】
実施の形態１では、図５を用いることにより、以下に述べる考察に基づき、Ｈｉ、Ｈｏの好適な値を特定することとする。
【００７２】
例えば、Ｈｉ＝５、Ｈｏ＝５とした場合には、実際の漏れ率（実線）と理想の漏れ率（点線）との間に１０％程度の開きがある。Ｈｉ＝５として、Ｈｏ＝１０とした場合にも、５％程度の開きがある。これらの場合には、実際に漏れ側経路に流れている空気量が、当該経路に供給することが望ましい空気量を上回っていると判断することができる。この差が大きくなると、漏れ側の流路（Ｑ２側）を通って消費されることなく外部へと排出される空気量が増加し、供給した空気のうち発電に消費されない空気の割合が多くなる。
【００７３】
一方、Ｈｉ＝５、Ｈｏ＝１５とした場合には、実際に漏れ側経路に流れている空気量は、当該経路に供給するのが望ましい空気量を５％程度下回っている。この差が大きくなると、漏れ側発電領域が、発電に有効に利用されなくなる。
【００７４】
結局、図５において、実際の漏れ率のラインと、漏れ率の理想ラインとが交差する位置におけるＨｉとＨｏの値が、最も望ましい値となる。例えば、Ｈｉ＝５とした場合の漏れ率の理想ラインと、Ｈｉ＝５の場合の実際の漏れ率のラインとが交差する点ＨＢでは、Ｈｏが約１０となる。従って、Ｈｉ＝５、Ｈｏ＝１０とすることにより、実際の漏れ率Ｑ２／Ｑａが理想の漏れ率｛（Ｈｉ＋Ｈｏ）／Ｈａ｝に一致する状態を実現することができる。
【００７５】
ところで、図５に示すように、実際の漏れ率と理想漏れ率とが一致するようなＨｉ、Ｈｏの組み合わせは複数存在する。例えば、図５では、ＨＡ（Ｈｉ＝１０、Ｈｏ＝７）、ＨＢ（Ｈｉ＝５、Ｈｏ＝１０．５）、ＨＣ（Ｈｉ＝２、Ｈｏ＝１３．４）が示されている。これらの点は、それぞれ理想漏れ率を実現しうるＨｉ、Ｈｏの組み合わせであるものの、ＨｉとＨｏの合計値が相違している。具体的には、ＨｉとＨｏの合計が、ＨＡ、ＨＢ、ＨＣの順に小さくなっている。
【００７６】
上記の「Ｈｉ、Ｈｏと漏れ率の関係」で述べたように、Ｈｉ＋Ｈｏが大きくなると、冷却水流路３４の面積が減少する。そこで、実施の形態１では、これらの３点のうちＨｉ＋Ｈｏの値が最も小さくなる点ＨＣの組み合わせ（Ｈｉ＝２、Ｈｏ＝１３．４）を適用することとする。これにより、冷却プレート３０の冷却水流路３４の面積を大きくすることができ、燃料電池１０の冷却を効果的に行うことができる。
【００７７】
以上説明した手法によれば、中央側経路と漏れ側経路とに対し好適な量の空気を流通させ、多孔体層１２全体にバランス良く空気を流通させることができる。これにより、燃料電池１０では、ガス供給孔１８から燃料電池１０内部に供給した空気が、燃料電池１０内の発電領域（多孔体層１２下方の電極触媒層領域）へと万遍なく供給される。従って、発電領域全体で有効に空気が消費され（発電に利用され）、燃料電池１０に供給した空気を効率よく利用することができる。
【００７８】
尚、上述した実施の形態１では、燃料電池１０が有する図示しない電解質膜および電極触媒層が、前記第１の発明における「電解質層」および「電極触媒層」に、多孔体層１２が、前記第１の発明における「多孔体層」に、それぞれ相当している。また、図示しないセパレータが、前記第１の発明における「セパレータ」に、ガス供給孔１８が前記第１の発明における「ガス供給孔」に、ガス排出孔２０が前記第１の発明における「ガス排出孔」に、それぞれ相当している。
【００７９】
また、上述した実施の形態１では、図１の多孔体層１２における寸法Ｈａが、前記第１の発明における「第１端面と第２端面の距離」に、Ｈｉが前記第１の発明における「第１端面からガス供給孔までの距離」に、Ｈｏが前記第１の発明における「第２端面からガス排出孔までの距離」に、それぞれ相当している。
【００８０】
また、上述した実施の形態１では、燃料電池１０に供給される空気の総量Ｑａが、前記第１の発明における「該ガス供給孔から前記多孔体層側へ供給されるガスの総量」に、漏れ側経路を流れる空気量（漏れ量）Ｑ２が、前記第１の発明における「該ガスの総量から該ガス供給孔と該ガス排出孔との間を該多孔体層の中央側を通って流れるガスの量を減算して得られる漏れガス量」に、それぞれ相当している。
【００８１】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、上述した「Ｈｉ、Ｈｏと漏れ率の関係」に基づき、Ｈｉ＜Ｈｏの関係を満たすようにＨｉ、Ｈｏを定めた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、必ずしもＨｉ＜Ｈｏの関係を満たさなくともよい。冷却水流路や燃料電池の構造などを総合的に考慮して、実際の漏れ率が理想漏れ率と一致するようにＨｉとＨｏを適宜定めることとすればよい。
【００８２】
（第２変形例）
実施の形態１では、実際の漏れ率と理想漏れ率とが完全に一致するように、Ｈｉ、Ｈｏを定めた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。実際の漏れ率を理想漏れ率に完全に一致させなくとも、燃料電池１０に供給した空気の消費率（すなわち、供給した空気のうち発電に消費されずに外部に排出されるガスの割合）が許容範囲内となるように、適宜、Ｈｉ、Ｈｏを定めることができる。
【００８３】
具体的には、例えば、供給した空気のうち１０％〜５０％程度の空気が発電に消費されずに外部に排出されるような状態を許容しうる場合には、本発明の思想を用いて、実際の漏れ率と理想漏れ率との差が１０％〜５０％の範囲内に収まるように、適宜、Ｗｉ、Ｗｏ、Ｈｉ、Ｈｏを定めることとすればよい。
【００８４】
（第３変形例）
実施の形態１の燃料電池１０は、複数のガス供給孔１８、複数のガス排出孔２０を有している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。本発明の思想によれば、ガス供給孔１８およびガス排出孔２０の数、形状に応じて、ＨｉおよびＨｏの値を適宜調整することができる。
【００８５】
具体的には、例えば、図６に示すように、ガス供給孔５８とガス排出孔６０をそれぞれ一つずつ設ける構成とすることができる。なお、図６に示した変形例においても、実施の形態１と同様に、Ｈｉ＜Ｈｏの関係が成立するように、ガス供給孔５８とガス排出孔６０の位置を定めている。
【００８６】
（その他の変形例）
実施の形態１では、Ｗｉ、Ｗｏの値を予め定めて固定値としたうえで、Ｈｉ、Ｈｏを調整することとした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。必要に応じて、Ｗｉ、Ｗｏの値も適宜調整しながら、漏れ率の調整を行うことができる。
【００８７】
また、実施の形態１では、燃料電池１０のカソードの構成について説明し、アノードにも同様の構成があるものとした。しかしながら、本発明はこれに限られず、必要に応じ、アノードとカソードの一方の構造に対してのみ、本発明を適用することとしてもよい。また、実施の形態１のようにアノードとカソードの双方に本発明の思想を適用する場合にも、必ずしもガス供給孔とガス排出孔の位置を電解質膜を介して対称に配置する必要はなく、アノードとカソードについてそれぞれ独立にＷｉ、Ｗｏ、Ｈｉ、Ｈｏの値を定めることができる。
【００８８】
また、実施の形態１の燃料電池１０は、電解質膜、電極触媒層、多孔体層、セパレータの積層構造を有している。しかしながら、本発明における燃料電池の構造はこれに限られるものではない。例えば、電極触媒層と多孔体層との間に他のガス拡散層を有するような構造であっても、本発明の思想を適用することが可能である。
【００８９】
実施の形態２．
実施の形態２では、上述した実施の形態１と同様の構造を有する燃料電池に対し、以下に述べる思想に基づいてＨｉおよびＨｏの値を定めることとする。従って、実施の形態２の燃料電池の構成については、その図示および説明を省略する。
【００９０】
［実施の形態２の特徴］
実施の形態１の手法に基づいてＨｉ、Ｈｏを定める場合には、ＨｉとＨｏの合計値がある程度大きくなる（例えば、Ｈｉ＋Ｈｏ＝１５程度）。実施の形態１で述べたように、ＨｉとＨｏの値は、冷却水流路３４の面積に影響を与える。従って、冷却水流路の構造によっては、ＨｉとＨｏの合計値を所定の値以上大きくすることができない場合がある。
【００９１】
このような制限によって、ＨｉとＨｏの合計値を理想漏れ率の条件よりも小さくせざるを得ない場合には、実際の漏れ率が理想漏れ率を上回る状態が生じうる。この場合には、漏れ側経路に流れている空気量が、当該経路に供給されることが望ましい空気量を上回ることになる（必要以上の空気が流れている状態となる）。このような余剰分の空気が多くなると、発電に消費されずに外部へと排出される空気量が多くなる。
【００９２】
ところで、実施の形態１で述べたように、Ｈｉを増加する場合よりもＨｏを増加する場合のほうが、漏れ側経路の流路抵抗の増加率が高い。よって、ＨｉとＨｏの合計が同じ場合には、Ｈｉに比してＨｏの割合を大きく取ったほうが、漏れ側経路の流路抵抗が大きくなる。漏れ側経路の流路抵抗が相対的に高ければ、当該経路を流れる空気量が少なくなり、上述したような余剰分の空気も相対的に少なくなる。
【００９３】
そこで、実施の形態２では、これを利用して、上述したＨｉとＨｏの合計値に制限がある状況に対処するために、ＨｉとＨｏの値を定める際にＨｏの割合を大きく取ることとする。具体的には、冷却水流路の面積や燃料電池の構造に基づいて望ましいＨｉ＋Ｈｏの値を求めた後、Ｈｉ＜Ｈｏの条件に基づいてＨｉとＨｏの値をそれぞれ決定する。
【００９４】
このようにすることで、ＨｉとＨｏの合計値が大きくなることを避けつつ、漏れ側経路の流路抵抗を大きくすることができる。その結果、漏れ側経路の空気流量が減少し、漏れ側経路の空気流量の余剰分を少なくできる。従って、発電に消費されずに外部へと排出される空気量（すなわち漏れ量Ｑ２）を、できるだけ小さくすることができる。
【００９５】
［実施の形態２の効果］
以下、図７を用いて、実施の形態２の効果について説明する。図７は、実施の形態１の図５を流用した図である。図７において、実際の漏れ率を示すライン（実線、一点鎖線）と理想漏れ率を示すライン（点線）は図５中のものとそれぞれ同一である。
【００９６】
図７において、ＨＤは、Ｈｉ＝２、Ｈｏ＝５とした場合、ＨＥは、Ｈｉ＝５、Ｈｏ＝２とした場合における、理想漏れ率の値に対応する点である。点ＨＤの条件では、理想漏れ率が７％、実際の漏れ率が１７％となっており、実際の漏れ率が理想漏れ率よりも１０％程度高くなっている。また、点ＨＥの条件では、理想漏れ率が７％、実際の漏れ率が２０％となっており、実際の漏れ率が理想漏れ率よりも１３％程度高くなっている。従って、ＨＤの条件のほうが、実際の漏れ率と理想漏れ率との差が小さく、より好ましい条件となる。
【００９７】
このように、ＨｉとＨｏの合計が等しい場合であっても、Ｈｏの割合を大きく（Ｈｉ＜Ｈｏの条件を満たすように）ＨｉとＨｏの値を定めることにより、実際の漏れ率と理想漏れ率との差を小さくすることができる。従って、ＨｉとＨｏの合計値に制限があり実際の漏れ率と理想漏れ率にある程度の差が生じる状況下にあっても、この差をできるだけ小さくすることができ、供給されたガスのうち発電に利用されるガスの割合が低くなるのを避けることができる。
【００９８】
［実施の形態２の変形例］
実施の形態２についても、図６に示した実施の形態１の第３変形例のように、ガス供給孔とガス排出孔をそれぞれ一つずつ設ける構成とすることができる。また、実施の形態２の思想を、実施の形態１と同様に、燃料電池のアノード側に対して適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池の構成を説明するための図である。
【図２】実施の形態１の燃料電池に取り付けられる冷却プレートの構成を説明するための図である。
【図３】実施の形態１におけるガス供給孔、ガス排出孔の位置と、漏れ率との関係を説明するための図である。
【図４】実施の形態１におけるガス供給孔、ガス排出孔の位置と、漏れ率との関係を説明するための図である。
【図５】実施の形態１における漏れ率の関係を説明するための図である。
【図６】実施の形態１の変形例を説明するための図である。
【図７】実施の形態２の効果を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１００】
燃料電池        １０
多孔体層        １２
シール部材      １４
隙間            １６
ガス供給孔      １８
ガス排出孔      ２０
冷却プレート    ３０
冷却水流路      ３４
【図１】
2008071544.tif 000003
【図２】
2008071544.tif 000004
【図３】
2008071544.tif 000005
【図４】
2008071544.tif 000006
【図５】
2008071544.tif 000007
【図６】
2008071544.tif 000008
【図７】
2008071544.tif 000009