(57)【要約】【課題】  発電性能低下を抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池（１００）は、アノード、電解質およびカソードを含む発電部（２４）と、発電部のアノード側およびカソード側の少なくとも一方に設けられた多孔体流路（５０，６０）と、多孔体流路の発電部と反対側に設けられたセパレータ（１０）とを備え、多孔体流路は、多孔体流路の平均気孔率よりも高い気孔率を有する高気孔率部位（５１，６１）と平均気孔率よりも低い気孔率を有する低気孔率部位とを備え、高気孔率部位は、低気孔率部位を介してガス排出側マニホールド（４１ｂ，４２ｂ）と連通している。【選択図】        図３
2008047299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード、電解質およびカソードを含む発電部と、
前記発電部のアノード側およびカソード側の少なくとも一方に設けられた多孔体流路と、
前記多孔体流路の前記発電部と反対側に設けられたセパレータとを備え、
前記多孔体流路は、前記多孔体流路の平均気孔率よりも高い気孔率を有する高気孔率部位と、前記平均気孔率よりも低い気孔率を有する低気孔率部位と、を備え、
前記高気孔率部位は、前記低気孔率部位を介してガス排出側マニホールドと連通していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記高気孔率部位は、ガス供給側からガス排出側に伸びていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記高気孔率部位は、ガス供給側マニホールドと接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記多孔体流路は、前記高気孔率部位を複数備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記複数の高気孔率部位の長さは、互いに異なっていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノードから排出されるガスの流動を停止させる流動停止手段をさらに備え、
前記多孔体流路は、少なくとも前記発電部のアノード側に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記アノードに供給されるガスの圧損よりも大きくなるように前記アノードから排出されるガスの圧損を調整する圧損調整手段をさらに備え、
前記多孔体流路は、少なくとも前記発電部のアノード側に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記高気孔率部位は、空間であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記セパレータは、平板形状を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池。
【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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
例えば、膜−電極接合体の両面に、ガス流路および集電体として機能する多孔性導電集電極を配置した技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、膜−電極接合体への電流分散等を行うことができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３４９５０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、多孔性導電集電極内の一部が液水によって閉塞された場合に、反応ガスが電極に供給されない領域が発生するおそれがある。この場合、発電性能低下を招くおそれがある。
【０００６】
本発明は、発電性能低下を抑制す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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、アノード、電解質およびカソードを含む発電部と、発電部のアノード側およびカソード側の少なくとも一方に設けられた多孔体流路と、多孔体流路の発電部と反対側に設けられたセパレータとを備え、多孔体流路は、多孔体流路の平均気孔率よりも高い気孔率を有する高気孔率部位と平均気孔率よりも低い気孔率を有する低気孔率部位とを備え、高気孔率部位は、低気孔率部位を介してガス排出側マニホールドと連通していることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池においては、高気孔率部位においては反応ガスの流動を妨げる抵抗が小さいことから、反応ガスは高気孔率部位を流動しやすい。したがって、反応ガスは、高気孔率部位を介して多孔体流路の全体にわたって拡散しやすくなる。また、発電生成水の滞留を抑制することができる。以上のことから、発電効率低下を抑制することができる。
【０００９】
高気孔率部位は、ガス供給側からガス排出側に伸びていてもよい。ここで、発電生成水は、一般的に下流側において滞留しやすくなる。したがって、下流側においては反応ガスが拡散しにくくなる。しかしながら、本構成によれば、発電生成水が多孔体流路の下流側に滞留している場合においても、多孔体流路の下流側へのガス拡散が促進される。したがって、発電効率低下をより効果的に抑制することができる。
【００１０】
高気孔率部位は、ガス供給側マニホールドと接続されていてもよい。この場合、反応ガスは、高気孔率部位を介して拡散しやすくなる。また、多孔体流路は、高気孔率部位を複数備えていてもよい。この場合、ガス拡散性が向上する。また、複数の高気孔率部位の長さは、互いに異なっていてもよい。この場合、発電部全体にわたって反応ガスを供給しやすくなる。
【００１１】
アノードから排出されるガスの流動を停止させる流動停止手段をさらに備え、多孔体流路は、少なくとも発電部のアノード側に設けられていてもよい。この場合、アノード排出ガスの流動が停止することによって、水素の消費効率を向上させることができる。また、アノード排出ガスの流動が停止されても、多孔体流路における燃料ガスの拡散性を向上させることができる。それにより、アノード排出ガスの流動が停止された場合の発電可能時間を長くすることができる。したがって、水素の消費効率を向上させることができる。
【００１２】
アノードに供給されるガスの圧損よりも大きくなるようにアノードから排出されるガスの圧損を調整する圧損調整手段をさらに備え、多孔体流路は、少なくとも発電部のアノード側に設けられていてもよい。この場合、アノード排出ガスの流動が抑制されても、多孔体流路における燃料ガスの拡散性を向上させることができる。それにより、アノード排出ガスの流動が抑制された場合の発電可能時間を長くすることができる。したがって、水素の消費効率を向上させることができる。なお、高気孔率部位は、空間であってもよい。この場合、高気効率部位の形成が容易である。また、セパレータは、平板形状を有していてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発電性能低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の概略図である。図１に示すように、燃料電池１００は、一面に多孔体流路５０が配置されかつ他面に多孔体流路６０が配置されたシールガスケット一体型膜−電極接合体（以下、シールガスケット一体型ＭＥＡと称する）２０がセパレータ１０を介して複数積層された構造を有する。セパレータ１０は、平板形状を有し、カソード対向プレート１１とアノード対向プレート１３とによって、中間プレート１２が挟持された構造を有する。セパレータ１０を構成するこれら３枚のプレートは、ホットプレス等によって接合されている。
【００１６】
多孔体流路５０，６０は、多孔質状の導電性材料からなる。多孔体流路５０，６０としては、多孔質状のステンレス等の発泡焼結金属等を用いることができる。多孔体流路５０，６０の平均気孔率は、例えば、７０％〜８５％程度である。多孔体流路５０，６０における平均気孔径は、例えば、５０μｍ〜１５０μｍ程度である。多孔体流路５０，６０の厚さは、例えば、０．６ｍｍ程度である。多孔体流路５０は酸化剤ガスの流路として機能し、多孔体流路６０は、燃料ガスの流路として機能する。多孔体流路５０，６０は、集電体としても機能する。多孔体流路５０には、複数の切欠き５１が形成されている。多孔体流路６０には、複数の切欠き６１が形成されている。切欠き５１，６１の詳細については後述する。
【００１７】
シールガスケット一体型ＭＥＡ２０は、膜−電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）２１およびガスケットシール部２２を備える。ＭＥＡ２１は、プロトン導電性を備える電解質膜の両面に触媒層が形成された発電部２４、発電部２４の一面側に形成されたガス拡散層２３および発電部２４の他面側に形成されたガス拡散層２５を備える。
【００１８】
ガス拡散層２３，２５は、多孔質状の導電性材料からなり、例えば、カーボンペーパ等からなる。ガス拡散層２３は、多孔体流路５０を流動する酸化剤ガスを発電部２４側に拡散させる機能を有する。ガス拡散層２５は、多孔体流路６０を流動する燃料ガスを発電部２４側に拡散させる機能を有する。したがって、ガス拡散層２３，２５の機能と多孔体流路５０，６０の機能とは異なっている。また、本実施例においては、ＭＥＡ２１の一面側がカソードとして機能し、ＭＥＡ２１の他面側がアノードとして機能する。
【００１９】
図２は、セパレータ１０およびシールガスケット一体型ＭＥＡ２０の詳細について説明するための図である。図２（ａ）はカソード対向プレート１１の模式的平面図であり、図２（ｂ）はアノード対向プレート１３の模式的平面図であり、図２（ｃ）は中間プレート１２の模式的平面図であり、図２（ｄ）はシールガスケット一体型ＭＥＡ２０の模式的平面図である。
【００２０】
カソード対向プレート１１は矩形の金属製のプレートである。この金属製プレートとしては、チタン、チタン合金、ステンレス等の表面に腐食防止のためのメッキ処理が施されたものを用いることができる。カソード対向プレート１１は、例えば、０．１５ｍｍ程度の厚さを有する。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、カソード対向プレート１１においてＭＥＡ２１と対向する部分（以下、発電領域Ｘと称する）は平面である。カソード対向プレート１１の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｂが形成されている。また、カソード対向プレート１１には、複数の酸化剤ガス供給孔４４ａおよび複数の酸化剤ガス排出孔４４ｂが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各孔は、カソード対向プレート１１を厚さ方向に貫通している。
【００２２】
アノード対向プレート１３は、カソード対向プレート１１と略同形状の矩形の金属製のプレートであり、カソード対向プレート１１と同様の材料から構成される。アノード対向プレート１３は、例えば、０．１５ｍｍの厚さを有する。図２（ｂ）に示すように、アノード対向プレート１３における発電領域Ｘは平面である。
【００２３】
カソード対向プレート１１と同様に、アノード対向プレート１３の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｂが形成されている。また、アノード対向プレート１３には、複数の燃料ガス供給孔４５ａおよび複数の燃料ガス排出孔４５ｂが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各孔は、アノード対向プレート１３を厚さ方向に貫通している。
【００２４】
中間プレート１２は、カソード対向プレート１１と同形状の矩形の金属製プレートであり、カソード対向プレート１１と同様の材料から構成される。中間プレート１２は、例えば、０．３５ｍｍの厚さを有する。
【００２５】
カソード対向プレート１１と同様に、中間プレート１２の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａおよび酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂが形成されている。また、中間プレート１２には、一端が燃料ガス供給マニホールド４１ａに連通し、他端が燃料ガス供給孔４５ａに連通する複数の燃料ガス供給流路４６ａが形成されている。同様に、中間プレート１２には、一端が燃料ガス排出マニホールド４１ｂに連通し、他端が燃料ガス排出孔４５ｂに連通する複数の燃料ガス排出流路４６ｂが形成されている。
【００２６】
さらに、中間プレート１２には、一端が酸化剤ガス供給マニホールド４２ａに連通し、他端が酸化剤ガス供給孔４４ａに連通する複数の燃料ガス供給流路４６ａが形成されている。同様に、中間プレート１２には、一端が酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂに連通し、他端が酸化剤ガス排出孔４４ｂに連通する複数の酸化剤ガス排出流路４７ｂが形成されている。また、中間プレート１２には、一端が冷却媒体供給マニホールド４３ａに連通し、他端が冷却媒体排出マニホールド４３ｂに連通する複数の冷却媒体流路４８が形成されている。上記各流路は、中間プレート１２を厚さ方向に貫通している。
【００２７】
図２（ｄ）に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０は、ＭＥＡ２１の外周縁部にガスケットシール部２２が接合された構造を有する。ガスケットシール部２２は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料から構成される。ガスケットシール部２２は、金型のキャビティにＭＥＡ２１の外周端部を臨ませて、上記樹脂材料を射出成形することによって作製される。この方法によれば、ＭＥＡ２１とガスケットシール部２２とが隙間なく接合される。それにより、冷却媒体、酸化剤ガスおよび燃料ガスの接合部からの漏出を防止することができる。
【００２８】
カソード対向プレート１１と同様に、ガスケットシール部２２には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｂが形成されている。ガスケットシール部２２は、上面および下面に当接する２枚のセパレータ１０をシールしている。また、ガスケットシール部２２は、ＭＥＡ２１の外周と各マニホールドの外周との間をシールしている。
【００２９】
続いて、燃料電池１００の動作の概要について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが燃料ガス供給マニホールド４１ａに供給される。この燃料ガスは、燃料ガス供給流路４６ａを介して多孔体流路６０に供給される。多孔体流路６０に供給された燃料ガスは、多孔体流路６０を流動しつつ、ＭＥＡ２１のアノード側のガス拡散層２５に供給される。ガス拡散層２５に供給された燃料ガスは、ガス拡散層２５を拡散して発電部２４のアノード側の触媒層に到達する。燃料ガス中の水素は、発電部２４の触媒層においてプロトンに変換される。変換されたプロトンは発電部２４の電解質膜を伝導し、カソード側の触媒層に到達する。
【００３０】
一方、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａには酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路４７ａを介して多孔体流路５０に供給される。多孔体流路５０に供給された酸化剤ガスは、多孔体流路５０を流動しつつ、ＭＥＡ２１のカソード側のガス拡散層２３に供給される。ガス拡散層２３に供給された酸化剤ガスは、ガス拡散層２３を拡散して発電部２４のカソード側の触媒層に到達する。その後、酸化剤ガス中の酸素とカソード側の触媒層に到達したプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、多孔体流路５０，６０およびセパレータ１０を介して回収される。
【００３１】
冷却媒体供給マニホールド４３ａには冷却水等の冷却媒体が供給される。この冷却媒体は、冷却媒体流路４８を流動して燃料電池１００を冷却する。それにより、燃料電池１００の温度を適切な温度に調整することができる。なお、冷却媒体流路４８を流動した冷却媒体は、冷却媒体排出マニホールド４３ｂを介して外部に排出される。また、発電に用いられなかった燃料ガスは、燃料ガス排出流路４６ｂおよび燃料ガス排出マニホールド４１ｂを介して外部に排出される。さらに、発電に用いられなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路４７ｂおよび酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂを介して外部に排出される。
【００３２】
続いて、多孔体流路５０，６０の詳細について説明する。図３は、多孔体流路６０の詳細を説明するための図である。図３（ａ）は多孔体流路５０のセパレータ１０との境界側を示す図であり、図３（ｂ）は多孔体流路６０のセパレータ１０との境界側を示す図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、多孔体流路５０，６０は、発電部２４と略同形状を有する。多孔体流路５０，６０は、例えば、８５ｍｍ×２７８ｍｍの大きさを有する。
【００３３】
図３（ａ）に示すように、多孔体流路５０のセパレータ１０側には、複数の切欠き５１が形成されている。各切欠き５１は、酸化剤ガス供給孔４４ａから酸化剤ガス排出孔４４ｂの方向に伸びるように形成されている。切欠き５１は、例えば、互いに数ｍｍ〜数ｃｍ程度の間隔を空けて形成されている。各切欠き５１の幅は、例えば、１ｍｍ〜４ｍｍ程度である。切欠き５１は、酸化剤ガス供給孔４４ａを介して酸化剤ガス供給マニホールド４２ａと直接に接続されていてもよいが、酸化剤ガス排出孔４４ｂとは多孔体流路５０を構成する多孔質導電体を間に介して通じている。
【００３４】
切欠き５１においてはガスの流動を妨げる抵抗が小さいことから、酸化剤ガスは切欠き５１を流動しやすい。したがって、酸化剤ガスは、切欠き５１を介して多孔体流路５０の全体にわたって拡散する。ここで、発電生成水は、一般的に下流側において滞留しやすくなる。したがって、下流側においてはガスが拡散しにくくなる。しかしながら、本構成によれば、発電生成水が多孔体流路５０の下流側に滞留している場合においても、多孔体流路５０の下流側へのガス拡散が促進される。
【００３５】
この場合、ＭＥＡ２１における発電分布を均一化することができる。また、過渡応答性が向上する。すなわち、酸化剤ガスの供給量が変動した場合に、ＭＥＡ２１における発電量が酸化剤ガスの供給量に見合った発電量に到達するまでの時間が短縮化される。酸化剤ガスをＭＥＡ２１の全体に供給しやすいからである。さらに、排水性が向上する。すなわち、発電に伴って生成された水を切欠き５１を介して排出しやすくなる。それにより、発電生成水の滞留を抑制することができる。
【００３６】
また、図３（ｂ）に示すように、多孔体流路６０のセパレータ１０側には、複数の切欠き６１が形成されている。各切欠き６１は、燃料ガス供給孔４５ａから燃料ガス排出孔４５ｂの方向に伸びるように形成されている。各切欠き６１の幅は、例えば、１ｍｍ〜４ｍｍ程度である。切欠き６１は、燃料ガス供給孔４５ａを介して燃料ガス供給マニホールド４１ａと直接に接続されていてもよいが、燃料ガス排出孔４５ｂとは多孔体流路６０を構成する多孔質導電体を間に介して通じている。
【００３７】
このような構成により、燃料ガスは切欠き６１を介して多孔体流路６０の全体にわたって拡散する。それにより、燃料ガスの拡散性が向上する。この場合、ＭＥＡ２１における発電分布を均一化することができる。また、過渡応答性が向上する。すなわち、燃料ガスの供給量が変動した場合に、ＭＥＡ２１における発電量が燃料ガスの供給量に見合った発電量に到達するまでの時間が短縮化される。さらに、発電生成水がアノード側に逆拡散した場合の排水性が向上する。
【００３８】
なお、切欠き５１の長さは、互いに異なっていることが好ましい。酸化剤ガスが多孔体流路５０全体に拡散しやすくなるからである。同様に、切欠き６１の長さが互いに異なっていることによって、燃料ガスは多孔体流路６０全体に拡散しやすくなる。
【００３９】
図４は、切欠き６１の形状の例について示す図である。なお、下記の構成は、切欠き５１に適用することができる。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、切欠き６１は、断面矩形状であってもよい。図４（ａ）に示すように、切欠き６１は、セパレータ１０と多孔体流路６０を構成する導電性材料との間に形成された凹部であってもよい。図４（ｂ）に示すように、切欠き６１は、ＭＥＡ２１と多孔体流路６０を構成する導電性材料との間に形成された凹部であってもよい。
【００４０】
また、図４（ｃ）および図４（ｄ）に示すように、切欠き６１は、断面三角形状であってもよい。この場合、切欠き６１は、セパレータ１０と多孔体流路６０を構成する導電性材料との間に形成されている場合には、セパレータ１０に対して開く形状を有していることが好ましい。また、切欠き６１は、ＭＥＡ２１と多孔体流路６０を構成する導電性材料との間に形成されている場合には、ＭＥＡ２１に対して開く形状を有していることが好ましい。多孔体流路６０に切欠き６１を形成しやすくなるからである。
【００４１】
また、図４（ｅ）に示すように、切欠き６１の代わりに、多孔体流路６０をガスの流動方向に分断する溝６２が設けられていてもよい。さらに、図４（ｆ）に示すように、切欠き６１の代わりに、多孔体流路６０の内部をガスの流動方向に貫通する貫通孔６３が設けられていてもよい。なお、溝６２および貫通孔６３は、燃料ガス供給孔４５ａと直接に通じていてもよいが、燃料ガス排出孔４５ｂとは、多孔体流路６０を構成する多孔質導電体を間に介して通じている。
【００４２】
また、図５に示すように、切欠き５１のような空間の代わりに、多孔体流路５０の平均気孔率よりも低い気孔率を有する低気孔率部５４が設けられていてもよい。この場合においても、低気孔率部５４を介したガス拡散を促進することができるとともに、発電生成水の排出性を向上させることができる。多孔体流路６０においても、切欠き６１の代わりに、多孔体流路６０の平均気孔率よりも低い気孔率を有する低気孔率部が設けられていてもよい。
【００４３】
なお、多孔体流路５０，６０のいずれかに上記のような切欠き、溝または貫通孔が設けられていれば、本発明の効果が得られる。また、発電生成水の滞留が多孔体流路におけるガス拡散を阻害する燃料電池であれば、どのようなものに対しても本発明は効果を奏する。上記のような切欠き、溝および貫通孔は、研磨、エッチング等によって形成することができる。
【００４４】
本実施例においては、多孔体流路５０，６０を構成する導電性材料が低気孔率部位に相当し、切欠き５１，６１、溝６２または貫通孔６３が高気孔率部位に相当し、燃料ガス排出マニホールド４１ｂまたは酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂがガス排出側マニホールドに相当し、燃料ガス供給マニホールド４１ａまたは酸化剤ガス供給マニホールド４２ａがガス供給側マニホールドに相当する。
【実施例２】
【００４５】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池２００について説明する。図６は、燃料電池２００を備えた燃料電池システム３００の全体構成を示す模式図である。図６に示すように、燃料電池システム３００は、燃料電池２００、酸化剤ガス供給手段１１０、燃料ガス供給手段１２０、電圧検出手段１３０および制御部１５０を備える。燃料電池２００は、実施例１に係る燃料電池１００にバルブ１４０が付加された構造を有する。
【００４６】
酸化剤ガス供給手段１１０は、酸素を含むガスを燃料電池２００の酸化剤ガス供給マニホールド４２ａに供給するための装置である。酸化剤ガス供給手段１１０としては、例えば、エアポンプ等を用いることができる。燃料ガス供給手段１２０は、水素を含むガスを燃料電池２００の燃料ガス供給マニホールド４１ａに供給するための装置である。燃料ガス供給手段１２０としては、液体水素タンク、改質器等を用いることができる。
【００４７】
電圧検出手段１３０は、燃料電池２００の発電電圧を検出する電圧計等からなる。バルブ１４０は、燃料電池２００から排出された燃料ガスの流動を制御するためのバルブであり、燃料電池２００の燃料ガス排出マニホールド４１ｂに接続されている。制御部１５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。
【００４８】
続いて、燃料電池システム３００の動作について説明する。酸化剤ガス供給手段１１０は、制御部１５０の指示に従って、必要量の酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールド４２ａに供給する。燃料ガス供給手段１２０は、制御部１５０の指示に従って、必要量の燃料ガスを燃料ガス供給マニホールド４１ａに供給する。電圧検出手段１３０は、燃料電池２００の発電電圧を検出し、その検出結果を制御部１５０に与える。バルブ１４０は、制御部１５０の指示に従って、燃料電池２００からの燃料ガスの排出量を制御する。制御部１５０は、電圧検出手段１３０の検出結果に従って、酸化剤ガス供給手段１１０、燃料ガス供給手段１２０およびバルブ１４０を制御する。
【００４９】
バルブ１４０が閉の状態にある場合、燃料ガスの流動流路は、デッドエンドの状態になる。この場合、水素の未消費を抑制することができる。したがって、燃料ガス中の水素を発電に効率よく用いることができる。また、水素を外部に排出する必要がなくなる。しかしながら、バルブ１４０が継続して閉の状態にある場合、カソード側から拡散してくる窒素がアノード側に滞留し、また、発電生成水がアノード側に滞留することがある。それにより、燃料電池２００の発電電圧が低下することがある。
【００５０】
そこで、制御部１５０は、電圧検出手段の検出結果に基づいて、燃料電池２００の発電電圧が酸化剤ガスの供給量および燃料ガスの供給量に見合う電圧に達していない場合には、開の状態になるようにバルブ１４０を制御する。それにより、窒素ガスおよび発電生成水を排出させることができる。その結果、燃料電池２００の発電効率低下を抑制することができる。
【００５１】
本実施例においては、燃料電池２００の多孔体流路６０に実施例１で説明したような切欠き、溝または貫通孔が設けられている。この場合、燃料ガス流路がデッドエンドの状態にある場合において、燃料ガスの拡散性を向上させることができる。それにより、デッドエンドの状態における発電可能時間を長くすることができる。したがって、水素の消費効率を向上させることができる。また、バルブ１４０が開の状態になった場合における、窒素ガスおよび発電生成水の排出効率が向上する。
【００５２】
なお、燃料電池２００の燃料ガス流路が常にデッドエンドの状態にあってもよい。すなわち、バルブ１４０が常に閉の状態にあってもよく、バルブ１４０の代わりに燃料ガス排出マニホールド４１ｂを閉塞する部材が設けられていてもよい。この場合においても、多孔体流路６０に切欠き、溝または貫通孔が設けられていれば、燃料ガスの拡散性を向上させることができるからである。
【００５３】
また、燃料電池２００は、燃料ガス供給マニホールド４１ａに供給される燃料ガスの圧損よりも燃料ガス排出マニホールド４１ｂから排出される燃料ガスの圧損の方が高くなるデッドエンド構造を有していてもよい。すなわち、燃料電池２００は、排出される燃料ガスの流動断面積がバルブ１４０によって小さくなるデッドエンド構造を有していてもよい。また、燃料電池２００は、燃料ガスの供給側の流動断面積よりも燃料ガスの排出側の流動断面積が小さくなる構造を有していてもよい。
【００５４】
上記のように、本実施例においては、デッドエンド構造は、燃料ガスの出口側が常に閉塞された構造、燃料ガスの出口が閉状態または開状態のいずれかを選択することができる構造、ならびに、燃料ガスの入口側の圧損よりも燃料ガスの出口側の圧損が大きくなる構造を含む。
【００５５】
本実施例においては、バルブ１４０が流動停止手段または圧損調整手段に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池の概略図である。
【図２】セパレータおよびシールガスケット一体型ＭＥＡの詳細について説明するための図である。
【図３】多孔体流路の詳細を説明するための図である。
【図４】切欠きの形状の例について示す図である。
【図５】多孔体流路の他の例を示す図である。
【図６】第２実施例に係る燃料電池を備えた燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０  セパレータ
２０  シールガスケット一体型ＭＥＡ
２１  ＭＥＡ
４１ａ  燃料ガス供給マニホールド
４１ｂ  燃料ガス排出マニホールド
４２ａ  酸化剤ガス排出マニホールド
４２ｂ  酸化剤ガス排出マニホールド
５０，６０  多孔体流路
５１，６１  切欠き
５４  低気孔率部
６２  溝
６３  貫通孔
１００，２００  燃料電池
１４０  バルブ
３００  燃料電池システム
【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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