(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックであって、
各燃料ガス流路には、燃料ガスの流動を抑制するための抵抗部が設けられており、
前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔＰｃとし、前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの圧損をΔＰ０とし、各単セル間の前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの流路抵抗最大ばらつきを（１＋ｒ）とし、最小の流路抵抗を有する前記燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をＳｔ２とした場合に、ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／（２（Ｓｔ２−１））を満たすことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックであって、
各燃料ガス流路には、燃料ガスの流動を抑制するための抵抗部が設けられており、
前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔＰｃとし、前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの圧損をΔＰ０とし、各単セル間の前記燃料ガス流路の流路抵抗最大ばらつきを（１＋ｒ）とし、最大の流路抵抗を有する単セルを除く他の単セルにおいて前記燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をＳｔ２とした場合に、ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／（２（Ｓｔ２−１））を満たすことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックであって、
各燃料ガス流路には、燃料ガスの流動を抑制するための抵抗部が設けられており、
前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔＰｃとし、前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの圧損をΔＰ０とし、各単セル間の前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの流路抵抗最大ばらつきを（１＋ｒ）とし、最小の流路抵抗を有する前記燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をＳｔ２とし、前記燃料ガス流路の入口から出口までの距離を１とした場合の前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの距離の比率をＬとした場合に、ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／｛２（Ｓｔ２−１）−ｒ（１−Ｌ）｝を満たすことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
前記燃料ガス流路は、多孔体流路であ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スタック。
【請求項５】
前記燃料電池スタックは、アノードガス循環レス型の燃料電池スタックであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックにおいて燃料ガスの流動を抑制するために前記燃料ガス流路に設けられた抵抗部の流路抵抗を設計する設計方法であって、
前記燃料電池スタックを構成する単セルの前記燃料ガス流路の圧力損失ばらつきに基づいて前記流路抵抗を設計する設計ステップを含み、
前記設計ステップは、前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔＰｃとし、前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの圧損をΔＰ０とし、各単セル間の前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの流路抵抗最大ばらつきを（１＋ｒ）とし、最小の流路抵抗を有する前記燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をＳｔ２とした場合に、ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／（２（Ｓｔ２−１））を満たすように前記流路抵抗を設計するステップであることを特徴とする設計方法。
【請求項７】
燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックにおいて燃料ガスの流動を抑制するために前記燃料ガス流路に設けられた抵抗部の流路抵抗を設計する設計方法であって、
前記燃料電池スタックを構成する単セルの前記燃料ガス流路の圧力損失ばらつきに基づいて前記流路抵抗を設計する設計ステップを含み、
前記設計ステップは、前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔＰｃとし、前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの圧損をΔＰ０とし、各単セル間の前記燃料ガス流路の流路抵抗最大ばらつきを（１＋ｒ）とし、最大の流路抵抗を有する単セルを除く他の単セルにおいて前記燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をＳｔ２とした場合に、ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／（２（Ｓｔ２−１））を満たすように前記流路抵抗を設計するステップであることを特徴とする設計方法。
【請求項８】
燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックにおいて燃料ガスの流動を抑制するために前記燃料ガス流路に設けられた抵抗部の流路抵抗を設計する設計方法であって、
前記燃料電池スタックを構成する単セルの前記燃料ガス流路の圧力損失ばらつきに基づいて前記流路抵抗を設計する設計ステップを含み、
前記設計ステップは、前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔＰｃとし、前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの圧損をΔＰ０とし、各単セル間の前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの流路抵抗最大ばらつきを（１＋ｒ）とし、最小の流路抵抗を有する前記燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をＳｔ２とし、前記燃料ガス流路の入口から出口までの距離を１とした場合の前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの距離の比率をＬとした場合に、ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／｛２（Ｓｔ２−１）−ｒ（１−Ｌ）｝を満たすように前記流路抵抗を設計するステップであることを特徴とする設計方法。
【請求項９】
前記燃料ガス流路は、多孔体流路であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の設計方法。
【請求項１０】
前記燃料電池スタックは、アノードガス循環レス型の燃料電池スタックであることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックおよび設計方法に関する。
【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】
この燃料電池においては、アノードに燃料ガスが供給されカソードにエアが供給されることによって、発電が行われる。燃料ガス中の水素は、アノードにおいて消費される。この燃料電池において、アノードからの水素の排出量を抑制するために、単セルの燃料ガス流路の排出口に、単セルに供給された燃料ガスに対して０．０２〜４体積％のガスを排出する排出制御機構を設ける技術が開示されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−６６７８４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の技術を用いた燃料電池スタックにおいては、単セル間の圧力損失ばらつきにより、単セルから排出された不純ガスが他の単セルに逆流するおそれがある。
【０００６】
本発明は、燃料ガス流路への不純ガスの逆流を抑制することができる燃料電池スタックおよび設計方法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スタックは、燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックであって、各燃料ガス流路には、燃料ガスの流動を抑制するための抵抗部が設けられており、燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔＰｃとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔＰ０とし、各単セル間の燃料ガス流路の入口から抵抗部までの流路抵抗最大ばらつきを（１＋ｒ）とし、最小の流路抵抗を有する燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をＳｔ２とした場合に、ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／（２（Ｓｔ２−１））を満たすことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池スタックにおいては、各単セル間における燃料オフガスの逆流を抑制することができる。この場合、カソードから透過してきたＮ２ガス等の不純ガスの燃料ガス流路への逆流が抑制される。その結果、本発明に係る燃料電池スタックの出力低下、触媒の劣化等を抑制することができる。
【０００９】
本発明に係る他の燃料電池スタックは、燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックであって、各燃料ガス流路には燃料ガスの流動を抑制するための抵抗部が設けられており、燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔＰｃとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔＰ０とし、各単セル間の燃料ガス流路の流路抵抗最大ばらつきを（１＋ｒ）とし、最大の流路抵抗を有する単セルを除く他の単セルにおいて燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をＳｔ２とした場合に、ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／（２（Ｓｔ２−１））を満たすことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る他の燃料電池スタックにおいては、各単セル間における燃料オフガスの逆流を抑制することができる。この場合、カソードから透過してきたＮ２ガス等の不純ガスの燃料ガス流路への逆流が抑制される。その結果、本発明に係る燃料電池スタックの出力低下、触媒の劣化等を抑制することができる。
【００１１】
本発明に係る他の燃料電池スタックは、燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックであって、各燃料ガス流路には燃料ガスの流動を抑制するための抵抗部が設けられており、燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔＰｃとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔＰ０とし、各単セル間の燃料ガス流路の入口から抵抗部までの流路抵抗最大ばらつきを（１＋ｒ）とし、最小の流路抵抗を有する燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をＳｔ２とし、燃料ガス流路の入口から出口までの距離を１とした場合の燃料ガス流路の入口から抵抗部までの距離の比率をＬとした場合に、ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／｛２（Ｓｔ２−１）−ｒ（１−Ｌ）｝を満たすことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る他の燃料電池スタックにおいては、各単セル間における燃料オフガスの逆流を抑制することができる。この場合、カソードから透過してきたＮ２ガス等の不純ガスの燃料ガス流路への逆流が抑制される。その結果、本発明に係る燃料電池スタックの出力低下、触媒の劣化等を抑制することができる。
【００１５】
本発明に係る設計方法は、燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックにおいて燃料ガスの流動を抑制するために燃料ガス流路に設けられた抵抗部の流路抵抗を設計する設計方法であって、燃料電池スタックを構成する単セルの燃料ガス流路の圧力損失ばらつきに基づいて流路抵抗を設計する設計ステップを含み、設計ステップは、燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔＰｃとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔＰ０とし、各単セル間の燃料ガス流路の入口から抵抗部までの流路抵抗最大ばらつきを（１＋ｒ）とし、最小の流路抵抗を有する燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をＳｔ２とした場合に、ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／（２（Ｓｔ２−１））を満たすように流路抵抗を設計するステップであることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る他の設計方法は、燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックにおいて燃料ガスの流動を抑制するために燃料ガス流路に設けられた抵抗部の流路抵抗を設計する設計方法であって、燃料電池スタックを構成する単セルの燃料ガス流路の圧力損失ばらつきに基づいて流路抵抗を設計する設計ステップを含み、設計ステップは、燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔＰｃとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔＰ０とし、各単セル間の燃料ガス流路の流路抵抗最大ばらつきを（１＋ｒ）とし、最大の流路抵抗を有する単セルを除く他の単セルにおいて燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をＳｔ２とした場合に、ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／（２（Ｓｔ２−１））を満たすように流路抵抗を設計するステップであることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る他の設計方法は、燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックにおいて燃料ガスの流動を抑制するために燃料ガス流路に設けられた抵抗部の流路抵抗を設計する設計方法であって、燃料電池スタックを構成する単セルの燃料ガス流路の圧力損失ばらつきに基づいて流路抵抗を設計する設計ステップを含み、設計ステップは、燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔＰｃとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔＰ０とし、各単セル間の燃料ガス流路の入口から抵抗部までの流路抵抗最大ばらつきを（１＋ｒ）とし、最小の流路抵抗を有する燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をＳｔ２とし、燃料ガス流路の入口から出口までの距離を１とした場合の燃料ガス流路の入口から抵抗部までの距離の比率をＬとした場合に、ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／｛２（Ｓｔ２−１）−ｒ（１−Ｌ）｝を満たすように流路抵抗を設計するステップであることを特徴とする。
【００１８】
燃料ガス流路は、多孔体流路であってもよい。また、燃料電池スタックは、アノードガス循環レス型の燃料電池スタックであってもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料ガス流路への不純ガスの逆流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】
【００２０】
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】
【００２１】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池スタック１００の概略を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池スタック１００は、積層体１１０がエンドプレート１２０ａとエンドプレート１２０ｂとによって挟持された構造を有する。積層体１１０は、複数の単セル１３０が積層された構造を有する。また、燃料電池スタック１００には、後述する燃料ガス排出マニホールド４１ｂに接続される排気バルブ１４０が設けられている。
【００２２】
続いて、単セル１３０の詳細について説明する。図２は、単セル１３０の模式的断面図である。図２においては、複数の単セル１３０が積層されている場合が示されている。図２に示すように、単セル１３０は、シールガスケット一体型ＭＥＡ（膜電極接合体）２０が２枚のセパレータ１０によって挟持された構造を有する。セパレータ１０は、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。
【００２３】
シールガスケット一体型ＭＥＡ２０は、ＭＥＡ２１およびシールガスケット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およびガス拡散層が順に形成された構造を有する。触媒層は、触媒を担持する導電性材料からなり、例えば白金担持カーボン等からなる。ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性材料からなり、例えばカーボンクロス、カーボンペーパ等からなる。本実施例においては、ＭＥＡ２１の上面側がアノードとして機能し、ＭＥＡ２１の下面側がカソードとして機能する。
【００２４】
ＭＥＡ２１の上には、多孔体流路２３が配置されている。ＭＥＡ２１の下には、多孔体流路２４が配置されている。多孔体流路２３，２４は、ガス拡散層よりも硬い導電性材料からなり、チタン等からなる発泡金属、金属メッシュ、ラスメタル等の金属多孔体からなる。多孔体流路２３，２４は、セパレータ１０のディンプルの有無にかかわらず、厚みが略一定になるような強度を有していることが好ましい。この場合、ディンプルの有無にかかわらず、気孔率がほとんど変化しない。また、ディンプルの有無にかかわらず、拡散層に対する面圧を面内略一定にすることができる。したがって、拡散層における局所的圧縮を低減することができるため、排水性が向上する。
【００２５】
図３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３（ａ）はカソード対向プレート１１の模式的平面図であり、図３（ｂ）はアノード対向プレート１３の模式的平面図であり、図３（ｃ）は中間プレート１２の模式的平面図であり、図３（ｄ）はシールガスケット一体型ＭＥＡ２０の模式的平面図である。
【００２６】
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。
【００２７】
図３（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。
【００２８】
図３（ｂ）に示すように、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における発電領域Ｘは平面である。
【００２９】
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、燃料ガス供給用のコモンレール４５ａおよび燃料ガス排出用のコモンレール４５ｂが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各コモンレールは、アノード対向プレート１３を厚さ方向に貫通している。
【００３０】
図３（ｃ）に示すように、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。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。
【００３１】
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、他端がコモンレール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、他端がコモンレール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。
【００３２】
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。
【００３３】
図３（ｄ）に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０は、ＭＥＡ２１の外周縁部にシールガスケット２２が接合された構造を有する。シールガスケット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。シールガスケット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とシールガスケット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。
【００３４】
カソード対向プレート１１と同様に、シールガスケット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。シールガスケット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、シールガスケット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。
【００３５】
続いて、燃料電池スタック１００の発電時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およびコモンレール４５ａを介して、多孔体流路２３に供給される。その後、燃料ガスは、多孔体流路２３を流動しつつ、ＭＥＡ２１のアノード側ガス拡散層に供給される。燃料ガス中の水素は、ＭＥＡ２１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ＭＥＡ２１の電解質膜を伝導し、カソード側の触媒層に到達する。
【００３６】
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２４に供給される。その後、酸化剤ガスは、多孔体流路２４を流動しつつ、ＭＥＡ２１のカソード側ガス拡散層に供給される。ＭＥＡ２１のカソード側触媒層においては、酸化剤ガス中の酸素と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、セパレータ１０を介して回収される。
【００３７】
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スタック１００を冷却する。それにより、燃料電池スタック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。
【００３８】
発電に用いられなかった燃料ガスは、コモンレール４５ｂ、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に流動する。図１の排気バルブ１４０は、燃料電池スタック１００の発電時には閉に制御されている。この場合、燃料ガスは外部に排出されず、循環して燃料電池スタック１００に再度供給されることもない。それにより、燃料ガスに含まれる水素を効率よく消費することができる。ただし、カソード側からアノード側に窒素等の不純ガスが透過してくることがある。アノード側においてこのような不純ガス濃度が高くなった場合には、排気バルブ１４０は開に制御される。それにより、アノード側に滞留する不純ガスをパージすることができる。このように、本実施例に係る燃料電池スタック１００は、アノードガス循環レス型である。
【００３９】
続いて、コモンレール４５ａ，４５ｂと多孔体流路２３との関係について説明する。図４（ａ）は、コモンレール４５ａ，４５ｂと多孔体流路２３との関係を示す模式図である。多孔体流路２３は、図３で示した発電領域Ｘに設けられている。コモンレール４５ａの一端は、多孔体流路２３の所定の角部の位置に位置している。この一端がコモンレール４５ａにおける燃料ガス入口として機能する。コモンレール４５ａは、入口から多孔体流路２３の長辺方向に伸びている。コモンレール４５ａは空間であることから、コモンレール４５ａの流路抵抗は、多孔体流路２３の流路抵抗よりも小さくなっている。
【００４０】
また、コモンレール４５ｂは、多孔体流路２３におけるコモンレール４５ａの対辺に対応する位置に、多孔体流路２３の長辺方向に伸びるように形成されている。コモンレール４５ｂの他端には、抵抗部２５が接続されている。抵抗部２５は、燃料ガス排出マニホールド４１ｂに連通している。抵抗部２５は、多孔体、樹脂等からなり、多孔体流路２３よりも高い流路抵抗を有している。なお、抵抗部２５は、絞りであってもよい。
【００４１】
以上のことから、コモンレール４５ａ入口からコモンレール４５ａに流入した燃料ガスは、多孔体流路２３を流動し、コモンレール４５ｂによって回収され、燃料ガス排出マニホールド４１ｂから排出される。
【００４２】
図４（ｂ）は、発電時における、コモンレール４５ａから燃料ガス排出マニホールド４１ｂまでの流路位置における流路抵抗、燃料ガス圧力および燃料ガス流量を示す図である。図４（ｂ）に示すように、発電に伴って水素が消費されることから、燃料ガス流量はコモンレール４５ａから燃料ガス排出マニホールド４１ｂに向かってほぼ線形に減少する。一方、流路抵抗は、多孔体流路２３においては略一定値となり、抵抗部２５において急激に大きくなる。したがって、燃料ガス圧力は、多孔体流路２３においては漸減し、抵抗部２５において急減する。以上のことから、抵抗部２５を配置することによって、多孔体流路２３における燃料ガスの流動が抑制されることになる。
【００４３】
ここで、非発電時において多孔体流路２３にストイキ比１の純Ｈ２ガスを流した場合のセル圧損をΔＰｃとする。なお、セル圧損とは、各セルに備わる燃料ガスの流路のガス圧損のことをいう。また、ストイキ比とは、目的とする電流密度を実現するために必要な水素ガス量に対する供給水素ガス量の比のことをいう。したがって、ストイキ比が１である場合、目的とする電流密度が実現されていれば、全ての水素が発電に消費される。
【００４４】
コモンレール４５ａ入口における燃料ガス圧力をＰｉｎとし燃料ガス排出マニホールド４１ｂにおける燃料ガス圧力をＰｏｕｔとした場合、ΔＰｃは、下記式（１）のように表される。
ΔＰｃ  ＝  Ｐｉｎ  −  Ｐｏｕｔ  （１）
【００４５】
また、抵抗部２５の上流端における燃料ガスの圧力をＰ２とし、コモンレール４５ａ入口から抵抗部２５の上流端までのセル圧損をΔＰ０とした場合、ΔＰ０は、下記式（２）のように表される。
ΔＰ０  ＝  Ｐｉｎ  −  Ｐ２  （２）
【００４６】
この場合、ストイキ比がＳｔで発電中のセル圧損ΔＰ（Ｓｔ）は、下記式（３）で表される。
ΔＰ（Ｓｔ）  ＝  （Ｓｔ−１）×ΔＰｃ＋ΔＰ０／２  （３）
【００４７】
ここで、図５に示すように、単セル１３０が２枚積みになっている場合を考える。単セル１３０ｂの燃料ガス流路の流路抵抗に対する単セル１３０ａの燃料ガス流路の流路抵抗の比をＲｋ＝（１＋ｒ）とする。すなわち、単セル１３０ｂの流路抵抗は、単セル１３０ａの流路抵抗に比較して小さくなっているとする。また、単セル１３０ａにおけるストイキ比を１とし、単セル１３０ｂにおけるストイキ比をＳｔ２とする。
【００４８】
この場合、ΔＰ（Ｓｔ２）＝Ｒｋ×ΔＰ（１）となるので、下記式（４）〜（６）が導かれる。
（Ｓｔ２−１）×ΔＰｃ＋ΔＰ０／２＝（１＋ｒ）×ΔＰ０／２  （４）
２（Ｓｔ２−１）×ΔＰｃ／ΔＰ０＋１＝１＋ｒ  （５）
ΔＰｃ／ΔＰ０＝ｒ／（２（Ｓｔ２−１））  （６）
【００４９】
なお、各単セル１３０の平均ストイキ比ＳｔをＳＴ２以下にしたい場合には、下記式（７）を満たす必要がある。
ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／（２（Ｓｔ２−１））  （７）
【００５０】
本実施例においては、多孔体流路２３において、上記式（７）を満たすように抵抗部２５の流路抵抗が設定されている。この場合、燃料ガス排出マニホールド４１ｂから単セル１３０ｂへの燃料オフガスの逆流を抑制することができる。それにより、カソードから透過してきたＮ２ガス等の単セル１３０への流入が抑制される。その結果、燃料電池スタック１００の出力低下、触媒の劣化等を抑制することができる。
【００５１】
なお、上記式（７）は、２枚以上の単セルが積層されている場合にも適用することができる。この場合、各単セル間の燃料ガス流路の流路抵抗最大ばらつきを（１＋ｒ）とすれば、式（７）を用いて抵抗部２５の流路抵抗を設定することができる。ここで、流路抵抗最大ばらつきとは、各セルの平均流路抵抗との流路抵抗差が最も大きい流路抵抗の平均流路抵抗に対する比をいう。
【００５２】
また、平均ストイキ比ＳｔとＳｔ２との関係は、積層単セル数をｎとすると、下記式（８）で表される。
Ｓｔ２＝（Ｓｔ−１）×ｎ／（ｎ−１）＋１  （８）
【００５３】
なお、Ｓｔ＜１．０２程度の微小排出の場合、式（３）に示すように、発電時の圧損はΔＰｃよりもかなり小さくなる。しかしながら、起動時または発電停止の際のパージ時には、ΔＰｃの流路抵抗が流動ガスにかかることになる。したがって、パージ時の圧力差ΔＰｍａｘ（約１００ｋＰａ）において、燃料電池スタック１００のガス流路総容積ＱＶ（例えば、約５リットル）をΔＴ（例えば、約１秒）でエアで置換できるようにΔＰｃに上限を設けるとすると、下記式（９）が導かれる。
ΔＰｃ（流量ＱＶ／ΔＴ、エア）  ＜  ΔＰｍａｘ  （９）
【００５４】
なお、３枚以上の単セルを積層した燃料電池スタックにおいては、全セルの平均ストイキ比をＳｔ２としてもよい。
【００５５】
（抵抗部の位置の他の例）
図４においては、抵抗部２５が多孔体流路２３の外部に設けられていたが、多孔体流路２３内に設けられていてもよい。図６（ａ）〜図６（ｆ）は、多孔体流路２３の他の例を示す模式図である。図６（ａ）、図６（ｃ）および図６（ｅ）は、それぞれ、多孔体流路２３の他の例の模式的平面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図６（ｄ）は、図６（ｃ）のＢ−Ｂ線断面図である。図６（ｆ）は、図６（ｅ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【００５６】
図６（ａ）および図６（ｂ）においては、コモンレール４５ｂの上流端部を囲むように抵抗部２５が配置されている。また、図６（ｃ）および図６（ｄ）においては、コモンレール４５ｂの上流端に抵抗部２５が接続されている。また、図６（ｅ）および図６（ｆ）においては、抵抗部２５は、多孔体流路２３においてコモンレール４５ｂよりも上流側に配置されている。図６（ａ）〜図６（ｆ）の場合、抵抗部２５は、多孔体流路２３に樹脂等を注入することによって形成可能である。
【００５７】
ΔＰ０が、抵抗部２５を注入する前の非発電時において多孔体流路２３にストイキ比１の純Ｈ２ガスを流した場合のセル圧損であるとすると、ストイキ比がＳｔで発電中のセル圧損ΔＰ（Ｓｔ）は、下記式（１０）で表される。
ΔＰ（Ｓｔ）  ＝  （Ｓｔ−１）×ΔＰｃ  ＋  ΔＰ０／２  ＋  ΔＰｃ（１−Ｌ）／２  （１０）
【００５８】
なお、式（１０）において、Ｌは、コモンレール４５ａ入口から燃料ガス排出マニホールド４１ｂまでの距離を１とした場合の、コモンレール４５ａ入口から抵抗部２５の上流端までの距離の比率を示す。
【００５９】
この場合、ΔＰ（Ｓｔ２）＝Ｒｋ×ΔＰ（１）とするためには、下記式（１１）を満たす必要がある。
ΔＰｃ／ΔＰ０＝ｒ／｛２（Ｓｔ２−１）−ｒ（１−Ｌ）｝  （１１）
【００６０】
また、各単セル１３０の平均ストイキ比ＳｔをＳＴ２以下にした場合には、下記式（１２）を満たす必要がある。
ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／｛２（Ｓｔ２−１）−ｒ（１−Ｌ）｝  （１２）
【００６１】
しかしながら、実用的な範囲（Ｌ＞０．９５、ｒ＜０．１）においては、ｒ／｛２（Ｓｔ２−１）−ｒ（１−Ｌ）｝とｒ／（２（Ｓｔ２−１））との比はほぼ１になるので、Ｌの値に関係なく、下記式（１３）を満たせばよいことになる。なお、下記式（１３）は、上記式（７）と同じである。
ΔＰｃ／ΔＰ０≧ｒ／（２（Ｓｔ２−１））  （１３）
【００６２】
なお、本実施例においては、セパレータ１０としてフラットセパレータを用いたが、それに限られない。例えば、プレスセパレータをセパレータ１０として用いてもよい。ここで、プレスセパレータとは、略一定の厚みを有し、一方の面における凸部が他方の面における凹部に対応し、一方の面における凹部が他方の面における凸部に対応する板状部材のことをいう。フラットセパレータは、例えば、ステンレス、チタンなどの略フラットな金属プレートをプレス型で押圧することによって形成することができる。また、フラットセパレータは、カーボン等の導電性粒子と樹脂等のバインダとからなる導電性材料をプレスすることによって形成してもよい。
【００６３】
本実施例においては、コモンレール４５ａの入口が燃料ガス流路の入口に相当し、燃料ガス排出マニホールド４１ｂが燃料ガス流路の出口に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池スタックの概略を示す模式図である。
【図２】単セルの模式的断面図である。
【図３】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４】コモンレールと多孔体流路との関係を示す図である。
【図５】２枚積みの単セルを示す図である。
【図６】多孔体流路の他の例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  セパレータ
２０  シールガスケット一体型ＭＥＡ
２１  ＭＥＡ
２２  シールガスケット
２３，２４  多孔体流路
２５  抵抗部
４１ｂ  燃料ガス排出マニホールド
４５ａ，４５ｂ  コモンレール
１００  燃料電池スタック
１３０  単セル
【図１】
0005163142.tif 000002
【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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