(57)【要約】【課題】燃料電池内部の水分によって反応ガスの流れが阻害される可能性を低減できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池のアノード側に、第１の多孔質流路層３１と、複数の貫通孔を有するシャワー板３２とを積層したアノード用ガス流路部材３０Ａを配置する。シャワー板３２は、アノード電極層１２ａ側に配置されるが、アノード電極層１２ａとの接触面側に撥水層３４が設けられている。この撥水層３４によって、カソード側からアノード側へと移動する水分が、アノード用ガス流路部材３０Ａの内部に侵入することを抑制することができ、反応ガスの流れが水分によって阻害される可能性を低減できる。【選択図】図２
2009026526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを供給して行なう運転の態様として、該供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード側で消費する態様を含む燃料電池であって、
アノードとカソードとで電解質膜が挟持された発電体を備え、
前記発電体は、前記発電体の発電領域に含まれる水分が、前記カソード側から前記アノード側へと移動するより、前記アノード側から前記カソード側へと移動する方が容易となるように構成されている、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記発電体のアノード側とカソード側とで撥水性及び／又は親水性の高低差を有することによって、前記発電体の発電領域に含まれる水分が、前記カソード側から前記アノード側へと移動するより、前記アノード側から前記カソード側へと移動する方が容易となるように構成されている、燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、さらに、
前記発電体のアノード側に配置される、反応ガスを供給するためのガス流路部材を備え、
前記撥水性及び／又は親水性の高低差は、前記ガス流路部材の前記アノードと隣接する部分に、撥水性部材が配置されることによって設けられている、燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池であって、
前記ガス流路部材は、複数の貫通孔が設けられた多孔板を有しており、
前記多孔板に前記撥水部材を塗布した撥水層が設けられている、燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池であって、
前記撥水層は、前記多孔板と前記アノードとが接触する面に設けられている、燃料電池。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の燃料電池であって、
前記撥水層は、前記複数の貫通孔の壁面に設けられている、燃料電池。
【請求項７】
請求項４または請求項５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記撥水層は、第１と第２の撥水層を含み、
前記第１の撥水層は、前記多孔板と前記アノードとの間に設けられ、
前記第２の撥水層は、前記多孔板を介して前記アノードとは反対側に設けられ、
前記第１の撥水層の撥水性が、前記第２の撥水層の撥水性とで異なる、燃料電池。
【請求項８】
請求項４ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記アノードは、ガス拡散性を有しており、
前記ガス流路部材は、前記多孔板の外側に隣接して設けられ、前記多孔板の面に沿った方向に燃料ガスを分散させて供給するための燃料ガス供給流路を形成する導電性多孔層を備え、
前記多孔板は、ガスの透過が抑制された導電性シート状部材であり、前記アノードと接するように配置される、燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池であって、
前記多孔板には、前記複数の貫通孔が、アノード側に発電反応に供されることのない不純物が局所的に滞留することによって発電が停止する領域が生じることなく、前記不純物の分布が均一化するように設けられている、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、反応ガスとして水素及び酸素の供給を受けて発電を行う。燃料電池の発電効率を向上させるためには、各電極における反応ガスの供給量分布を均一とすることが好ましい。これまで、反応ガスの配流性を向上するための種々の技術が提案されてきた(特許文献１等)。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−４８５３８号公報
【特許文献２】特開２００６−１２０４０２号公報
【特許文献３】特開平１−１２２５６５号公報
【０００４】
ところで、燃料電池は、電解質膜におけるプロトン伝導性を確保するために電解質膜を湿潤状態に保持することが好ましい。そのため、水分を含む反応ガスをカソード側に供給する場合がある。また、燃料電池反応においてはカソード側に多量の水分が発生する。こうしたカソード側に多量に発生した水分が、燃料電池内の湿度勾配に応じて電解質膜を介してアノード側に移動してしまう場合がある。こうした場合には、アノード側へと移動した水分によって水素が十分に拡散できず、電極面における水素の配流性が低下してしまう可能性がある。しかし、これまでこうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池内部の水分によって反応ガスの流れが阻害される可能性を低減できる技術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】
【０００６】
本発明の一形態は、燃料ガスを供給して行なう運転の態様として、該供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード側で消費する態様を含む燃料電池であって、アノードとカソードとで電解質膜が挟持された発電体を備え、前記発電体は、前記発電体の発電領域に含まれる水分が、前記カソード側から前記アノード側へと移動するより、前記アノード側から前記カソード側へと移動する方が容易となるように構成されていることを特徴とする。この構成によれば、いわゆる後述するアノードデッドエンド運転を行う燃料電池において、発電領域内の水分がカソード側からアノード側へと移動することを抑制できるため、アノード側において反応ガスの流れが水分によって阻害される可能性を低減することができる。
【０００７】
なお、このタイプの燃料電池は、前記燃料ガスを供給して行なう運転の態様として、該供給されたほぼすべての燃料ガスを前記燃料ガス消費面で消費する態様を含む。水素または水素を含んだガスを燃料ガスとして用いる場合、燃料ガスの供給側が電子が流れ出す側となるので、「アノード（陽極）」となる。ここで、燃料ガスのほぼすべてを消費するとは、燃料ガスの消費面から、積極的に燃料ガスを取り出して燃料ガス供給路に循環させるといった用い方をしないことを意味している。消費には、発電のための電気化学反応に用いられるだけでなく、電解質膜の反対側への透過も含まれる。また、現実に燃料電池を構成した場合に生じるリークも、消費に含ませて良い。燃料電池において、こうした燃料ガスの使い方しながら発電することを、デッドエンド運転と呼ぶ。このとき、燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用している運転の態様として捉えることができる。この場合、結果的には、燃料ガスが供給される燃料消費面は、一般的に、燃料ガスを外部に排出あるいは放出しない閉塞構造となる。
【０００８】
発電体のアノード側へ燃料ガスを供給して行なう燃料電池の運転を、アノードデッドエンド運転と呼ぶ。アノードデッドエンド運転では、燃料ガスのアノード側への供給を継続しつつ、アノード側からの燃料ガスの排出をしない状態で発電を継続する。結果的に、少なくとも定常発電時に供給された燃料ガスのほぼ全量をアノード側に留めて発電を行うことになる。発電体が、電解質膜の両面にアノードおよびカソードをそれぞれ接合してなる膜電極接合体を備え、アノード側に燃料ガス（多くは、水素または水素含有ガス）を供給して発電を行う場合には、アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用することになる。この場合、結果的には、燃料ガスが供給されるアノード側は、一般的に、燃料ガスを外部に排出あるいは放出しない閉塞構造となる。
【０００９】
本願明細書では、燃料ガスの消費面に供給されたほぼ総ての燃料ガスを燃料ガス消費面で消費する運転の態様を、デッドエンド運転と呼ぶが、燃料ガス消費面からの燃料ガスの循環を意図せず、燃料ガスの消費面から名目的に燃料ガスを取り出して利用する形態が加えられていたとしても、当該構成は、デッドエンド運転に含まれる。例えば、燃料消費面あるいはその上流から僅かな燃料ガスを取り出す流路を設け、取り出した燃料ガスを燃焼して補機などのプレヒートに用いる構成などを考えることができる。こうした名目的な燃料ガスの消費は、燃料ガスの取り出しを、燃料ガスの消費面もしくはその上流からとすることに格別な意味がなければ、本願明細書における「ほぼすべての燃料ガスの燃料ガス消費面で消費する」ことから除外される構成とはならない。
【００１０】
本願発明の燃料電池は、さらに、アノード極（水素極）の不純物（たとえば窒素）の分圧が、カソード極（空気極）の不純物（たとえば窒素）の分圧とつりあった状態で継続的に発電する運転状態を実現するものとして把握することもできる。ここで、「つりあった状態」とは、たとえば平衡状態を意味し、必ずしも両者の分圧が等しい状態に限られない。
【００１１】
本願発明の燃料電池は、さらに、たとえば図２３や図２４に示されるような構成をも含む。図２３の構成例は、第１の流路と第２の流路と有している。第１の流路は、第２の流路よりも上流側に配置されている。第１の流路および第２の流路は、第１の流路あるいは第２の流路よりも流れの抵抗が高い高抵抗連通部２１００ｘを介して連通している。これらの流路は、発電領域面外（燃料電池セルの外部）から燃料ガス導入口（マニホールド）を経由して燃料ガスを導入する。換言すれば、第２の流路への燃料ガスの供給は、主として高抵抗連通部２１００ｘを介して（たとえば高抵抗連通部２１００ｘのみを介して）第１の流路から導入される。
【００１２】
なお、第１の流路や第２の流路は、後述の実施例のように多孔体を利用しても形成可能であるが、たとえばシール材Ｓ１、Ｓ２の挟持（図２３）やハニカム構造材Ｈ２を使用した流路の形成（図２４）として構成してもよい。
【００１３】
高抵抗連通部２１００ｘは、たとえば図２３や図２４に示されるような複数の導入部２１１０ｘ（貫通孔）が面内方向に分散した板状部材が利用可能である。高抵抗連通部２１００ｘは、以下のうちの少なくとも一つの役割を有している。第１の役割は、「第２の流路のうち燃料ガス導入口に近接する領域への燃料ガス供給を制限する役割」である。第２の役割は、「アノード反応部に沿った第２の流路の面直方向に働くガス圧の面内の不均一を抑制する役割」である。第３の役割は、「第１の流路を面内方向に流れる燃料ガスの向きを面直方向（あるいは面に交差する方向）に変換する役割」である。
【００１４】
本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード反応部で消費する態様を含む燃料電池システムであって
発電セル内にアノードガスを導入する導入口と、
前記導入口から供給されたアノードガスをセル面内方向に導く第１のガス流路と、
前記アノード反応部に沿って延在し、
前記第１のガス流路より流れの抵抗が高く、第１のガス流路から第２のガス流路へのアノードガスの流入を妨げつつも、セル面内方向に分布した複数の連通部を介して、第１のガス流路から第２のガス流路へアノードガスを導く高抵抗部と、
を備える。
【００１５】
本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような構成を含む燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の領域で消費されるアノードガスは、前記高抵抗部のうち一の連通部を通過したガスの比率が、他の連通部を通過したガスの比率より高い、
あるいは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の連通部を通過したアノードガスは、前記アノード反応部のうちの一の領域で消費される比率が、他の領域で消費される比率より高い
といった構成も可能である。
【００１６】
一方、カソード流路は少なくとも上記高抵抗連通部が有さないことが好ましい。さらにカソード流路は、第２の流路も設けることなく、カソード導入口から供給されたカソードガスをセル面内方向に導く第１のガス流路のみとすることが好ましい。ただし、いわゆるガス拡散層を第２の流路と捉えれば、第１および第２の流路の組み合わせとしても良い。いずれにせよ、上記高抵抗連通部をカソード極からのみ省略することにより、カソードガスの送給機の仕事量の低減およびカソード極での排水性の向上が期待でき、特に、アノード極からの排水性能が低いシステム（燃料ガスの定常的排気の無い）燃料電池システムでは好適である。
【００１７】
前記発電体のアノード側とカソード側とで撥水性及び／又は親水性の高低差を有することによって、前記発電体の発電領域に含まれる水分が、前記カソード側から前記アノード側へと移動するより、前記アノード側から前記カソード側へと移動する方が容易となるように構成されているものとしても良い。この構成によれば、発電領域内の水分を、撥水性及び／又は親水性の高低差による勾配に従って誘導することができる。従って、当該水分のカソード側からアノード側への移動を抑制できるため、アノード側において反応ガスの流れが水分によって阻害される可能性を低減することができる。
【００１８】
前記燃料電池は、さらに、前記発電体のアノード側に配置される、反応ガスを供給するためのガス流路部材を備え、前記撥水性及び／又は親水性の高低差は、前記ガス流路部材の前記アノードと隣接する部分に、撥水性部材が配置されることによって設けられているものとしても良い。この構成によれば、ガス流路部材に配置された撥水性部材によってガス流路部材へと水分が侵入することを抑制できる。従って、アノード側において反応ガスの流れが水分によって阻害される可能性を低減することができる。
【００１９】
前記ガス流路部材は、複数の貫通孔が設けられた多孔板を有しており、前記多孔板に前記撥水部材を塗布した撥水層が設けられているものとしても良い。この構成によれば、撥水層を設けられた多孔板によって、アノード側における反応ガスの流れが水分によって阻害される可能性を低減することができる。
【００２０】
前記撥水層は、前記多孔板と前記アノードとが接触する面に設けられているものとしても良い。この構成によれば、撥水層を設けられた多孔板によって、ガス流路部材へと水分が侵入することを抑制できる。従って、アノード側において反応ガスの流れが水分によって阻害される可能性を低減することができる。
【００２１】
前記撥水層は、前記複数の貫通孔の壁面に設けられているものとしても良い。この構成によれば、多孔板の貫通孔が水分によって塞がれてしまうことを抑制することができる。
【００２２】
前記撥水層は、第１と第２の撥水層を含み、前記第１の撥水層は、前記多孔板と前記アノードとの間に設けられ、前記第２の撥水層は、前記多孔板を介して前記アノードとは反対側に設けられ、前記第１の撥水層の撥水性が、前記第２の撥水層の撥水性とで異なるものとしても良い。この構成によれば、多孔板の貫通孔に侵入した水分を撥水性の低い面側へと誘導することが可能である。
【００２３】
前記燃料電池は、さらに、前記アノードが、ガス拡散性を有しており、前記ガス流路部材が、前記多孔板の外側に隣接して設けられ、前記多孔板の面に沿った方向に燃料ガスを分散させて供給するための燃料ガス供給流路を形成する導電性多孔層を備え、前記多孔板が、ガスの透過が抑制された導電性シート状部材であり、前記アノードと接するように配置されるものとしても良い。この構成によれば、多孔板によってカソード側からアノード側へリークしてくるリークガスが導電性多孔層に流入することを抑制することができ、アノードに燃料ガスを分散して供給することが可能となる。その結果、燃料電池全体として発電効率を向上させることができる。
【００２４】
前記燃料電池は、前記多孔板には、前記複数の貫通孔が、アノード側に発電反応に供されることのない不純物が局所的に滞留することによって発電が停止する領域が生じることなく、前記不純物の分布が均一化するように設けられているものとしても良い。
【００２５】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池を利用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、高圧水素タンク１１００と、エアコンプレッサ１２００と、制御部１３００とを備えている。
【００２７】
燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素含有ガス（空気）の供給を受けて発電を行う固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００の詳細は後述する。なお、燃料電池１００としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。
【００２８】
高圧水素タンク１１００は、燃料電池１００の燃料ガスとしての水素を貯蔵する。高圧水素タンク１１００は、水素供給配管１１１０によって燃料電池１００のアノード側のマニホールド孔（後述）と接続している。水素供給配管１１１０には、上流側に水素遮断弁１１２０と、その下流側に水素の圧力を調整するためのレギュレータ１１３０が設けられている。なお、この燃料電池システム１０００では、燃料電池１００に後述するアノードデッドエンド運転を行わせるため、アノード側に排ガスの経路が設けられていない。
【００２９】
エアコンプレッサ１２００は、燃料電池１００に酸化ガスとしての高圧空気を供給する。エアコンプレッサ１２００は、空気供給配管１２１０によって燃料電池１００のカソード側の供給用マニホールド孔（後述）と接続している。空気供給配管１２１０には加湿器が設けられているものとしても良い。なお、カソード側において生じた排ガスは、カソード側の排出用マニホールド孔（後述）に接続する排出配管１２２０から燃料電池１００の外部へと排出される。
【００３０】
制御部１３００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。制御部１３００は、遮断弁１１２０や、エアコンプレッサ１２００などと信号線を介して接続されている。
【００３１】
図２は、燃料電池１００の構成を示す概略断面図である。燃料電池１００は、複数の膜電極接合体１０と複数のセパレータ２０とが交互に積層された、いわゆるスタック構造を有している。膜電極接合体１０は、電解質膜１１と、その両面にそれぞれ配置されたアノード電極層１２ａ及びカソード電極層１２ｃとを有している。電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すフッ素系樹脂等の高分子材料によって構成することができる。
【００３２】
２つの電極層１２ａ、１２ｃの電解質膜１１と接する面にはそれぞれ、発電反応（燃料電池反応）を促進するための触媒が担持された触媒層（図示せず）が設けられている。一方、２つの電極層１２ａ、１２ｃの電解質膜１１とは接しない外面にはそれぞれ、供給された反応ガスを電極面全体に行き渡らせるためのガス拡散層(図示せず)が設けられている。なお、２つの電極層１２ａ,１２ｃの触媒層は、電解質膜１１と接しない側がほぼ平坦な面を構成するように設けられることが好ましい。これによって、反応ガス及び後述する非反応ガスが触媒層の外表面に滞留する可能性を低減でき、反応ガスの配流性の低下を抑制することができる。
【００３３】
膜電極接合体１０の外周縁には流体の漏洩を防止するためのシール部１３が設けられている。具体的には、シール部１３は、電解質膜１１の外周端部１１ｅ及び２つの電極層１２ａ、１２ｃの外周端部１２ｅを被覆するように成形されている。このように、シール部１３が一体的に成形された膜電極接合体１０を、以後、「シール一体型膜電極接合体１０ｓ」と呼ぶ。
【００３４】
シール部１３には、水素供給用のマニホールド孔５１と、空気の供給用及び排出用のマニホールド孔５３，５４が貫通孔として設けられている。空気供給用マニホールド孔５３は、発電領域に対して水素供給用マニホールド孔５１と同じ側に並列に設けられている。一方、空気排出用マニホールド孔５４は、発電領域を挟んで空気供給用マニホールド孔５３及び水素供給用マニホールド孔５１と反対側に設けられている。
【００３５】
シール部１３の両面のそれぞれ対向する位置には、突起部１４が設けられている。突起部１４は、マニホールド孔５１，５３，５４のそれぞれと、発電領域である２つの電極層１２ａ，１２ｃとを連続的に囲むシールラインを形成する。燃料電池１００として組み付けられたときに、この突起部１４がセパレータ２０によって押圧されて、反応ガスなどの流体がシール領域外部へと漏洩することを抑制する。
【００３６】
セパレータ２０は、アノードプレート２１と、中間プレート２２と、カソードプレート２３とを備える、いわゆる３層式セパレータである。アノードプレート２１は、膜電極接合体１０のアノード側に配置され、カソードプレート２３は、膜電極接合体１０のカソード側に配置される。中間プレート２２は、アノードプレート２１とカソードプレート２３によって挟持されている。セパレータ２０は、導電性を有する金属板等で構成することが好ましい。これによってセパレータ２０は、発電された電気を集電する機能を実現することができる。
【００３７】
セパレータ２０には、シール一体型膜電極接合体１０ｓと同様に、反応ガスのためのマニホールド孔５１，５３，５４が貫通孔として設けられている。また、セパレータ２０の各プレート２１，２２，２３には、各マニホールド孔５１，５３，５４と膜電極接合体１０の発電領域とを連通する反応ガスのためのガス流路が設けられている（後述）。即ち、セパレータ２０は、反応ガス供給路としての機能を有する。なお、セパレータ２０には、冷媒のための冷媒流路が設けられているものとしても良い。これによって、セパレータ２０は、燃料電池反応によって生じた熱を冷却する冷却機能を実現することができる。
【００３８】
セパレータ２０と２つの電極層１２ａ，１２ｃとの間にはそれぞれ、アノード用ガス流路部材３０とカソード用ガス流路部材４０とが配置される。２つのガス流路部材３０，４０は、セパレータ２０に設けられたガス流路から流入した反応ガスを各電極層１２ａ、１２ｃ全体に拡散させつつ行き渡らせるためのガス拡散流路層として機能する部材である。アノード用ガス流路部材３０については後述する。カソード用ガス流路部材４０は、導電性を有する多孔質金属や、エキスパンドメタルなどで構成することが可能である。なお、アノード用ガス流路部材３０及びカソード用ガス流路部材４０を導電性の部材で構成することによって、各電極層１２ａ，１２ｃとセパレータ２０との間の導電パスを形成している。
【００３９】
ここで、燃料電池１００における反応ガスのうちの水素の流れについて説明する。図１の矢印に示すように、水素は、水素供給用マニホールド孔５１を介して燃料電池１００へと供給される。なお、水素は加湿することなく供給されることが好ましい。この理由は、発電中にカソード側で燃料電池反応によって生じた水分がアノード側に移動してくる場合もあるため、加湿された水素ガスを供給すると、アノード側の水分が増大して、水素の流れを阻害する可能性があるからである。
【００４０】
水素供給用マニホールド孔５１の水素の一部は、各セパレータ２０において、中間プレート２２に設けられた水素流路６１へと流入し、アノードプレート２１に設けられた貫通孔である水素供給孔６２から発電領域に配置されたアノード用ガス流路部材３０へと流入する。
【００４１】
アノード用ガス流路部材３０は、第１の多孔質流路層３１と、撥水層３４が設けられたシャワー板３２とを備えている。アノード用ガス流路部材３０は、第１の多孔質流路層３１が、セパレータ２０のアノードプレート２１と接するように配置され、シャワー板３２に設けられた撥水層３４が、アノード電極層１２ａと接するように配置されている。第１の多孔質流路層３１は、導電性を有する多孔質部材によって構成されている。
【００４２】
図３（Ａ）は、シャワー板３２を示す概略図であり、撥水層３４の設けられた面側を示している。シャワー板３２は、導電性のシート状部材によって構成することができ、例えばカーボンペーパによって構成されていても良く、薄い金属板によって構成されていても良い。また、シャワー板３２は、シート表面全体にほぼ均一に分布するように設けられた複数の微小貫通孔であるシャワー孔３５を有している。なお、シャワー板３２のシート面は、ガスの透過の抑制された低通気性を有することが好ましい。
【００４３】
撥水層３４は、炭素材料と撥水剤とを混合したスラリーを撥水性部材としてシャワー板３２の表面に塗布・乾燥することによって設けることができる。撥水層３４は、他の撥水処理によって設けられるものとしても良い。
【００４４】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す３Ｂ−３Ｂ切断におけるアノード用ガス流路部材３０の概略断面図を示しており、アノード用ガス流路部材３０における水素の流れを説明するための模式図である。なお、図２（Ｂ）は、便宜上、アノード用ガス流路部材３０以外の燃料電池１００の構成要素の図示は省略してある。
【００４５】
水素は、セパレータ２０の水素供給孔６２（図２）からアノード用ガス流路部材３０の第１の多孔質流路層３１へと流入する。第１の多孔質流路層３１の内部の水素は、シャワー板３２の表面に沿って面方向に拡散しつつ移動するとともに、その一部は、各シャワー孔３５を介して、アノード電極層１２ａのガス拡散層へと至る。即ち、第１の多孔質流路層３１は、シャワー板３２の面に沿った方向に燃料ガスを分散させて供給するための燃料ガス供給流路を形成する導電性多孔層として機能する。また、アノード側の発電領域内に設けられたガス流路は、シャワー板３２の面に沿った方向に燃料ガスを分散するための流路と、燃料ガスを拡散させつつアノード電極層１２ａの触媒層に供給するための流路とを有する二段階流路として構成されているものと解釈することができる。
【００４６】
このように、アノード用ガス流路部材３０は、シャワー板３２を有することによって、第１の多孔質流路層３１において水素分子を面方向（電極面に沿った方向）へ誘導することが出来る。従って、セパレータ２０の水素供給孔６２から離れた領域への水素の供給量を増加させることでき、アノード電極層１２ａにおける面方向に渡る水素の供給量分布を改善することが出来る。
【００４７】
ところで、本実施例の燃料電池１００には水素の排出経路が設けられていない（図１，図２）。これは、この燃料電池１００では、アノード電極側への燃料ガスの供給を継続しつつ、アノード側からの燃料ガスの排出をしない状態で発電を行う、いわゆるアノードデッドエンド運転の一態様を行うためである。これによって、水素が発電に供されることなく排出されることを抑制し、水素の利用効率を向上させることが出来る。
【００４８】
図４は、燃料電池１００における反応ガスのうちの酸素の流れを説明するための模式図である。図４は、酸素用のマニホールド孔５３，５４における断面を示しており、酸素の流れを矢印で示している点以外は図１とほぼ同様である。なお、便宜上、酸素の流れる経路となるマニホールド孔及び流路を全て同一断面上に図示してある。
【００４９】
酸素は、空気供給用マニホールド孔５３から空気中の酸素以外のガス（非反応ガス）とともに、燃料電池１００へと供給される。燃料電池１００に供給された空気は、その一部が、各セパレータ２０において、中間プレート２２に設けられた酸素流路７１へと流入し、カソードプレート２３に設けられた貫通孔である酸素供給孔７２から発電領域に配置されたカソード用ガス流路部材４０へと流入する。カソード用ガス流路部材４０によって、酸素は、カソード電極層１２ｃの全体に行き渡るように供給され、燃料電池反応に供される。即ち、アノード側のガス流路が上述したように二段階流路であったのに対し、カソード側のガス流路は、一段階流路であると解釈することができる。
【００５０】
反応に供されることのなかった酸素及び非反応ガス(排ガス)は、セパレータ２０のカソードプレート２３に設けられた酸素排出孔７３を介して、中間プレート２２に設けられた酸素排出流路７４へと流入する。酸素排出流路７４は、空気排出用マニホールド孔５４に連通するように設けられており、酸素排出流路７４の排ガスは、空気排出用マニホールド孔５４から燃料電池１００の外部へと排出される。
【００５１】
ここで、図５を用いて、本実施例に対する比較例としての燃料電池１００Ａを説明する。図５は、第１実施例のアノード用ガス流路部材３０に換えて、構成の異なるアノード用ガス流路部材３０Ａが用いられている点以外は、図２とほぼ同じである。
【００５２】
アノード用ガス流路部材３０Ａは、第１実施例のアノード用ガス流路部材３０と同様に、第１の多孔質流路層３１とシャワー板３２とを備えているが、撥水層３４に換えて、第２の多孔質流路層３３が設けられている。即ち、この燃料電池１００Ａでは、第１実施例の燃料電池１００と同様にシャワー板３２によって水素の配流性が向上している。シャワー板３２のシャワー孔３５を通過した水素は、第２の多孔質流路層３３へと流入し、さらに拡散してアノード電極層１２ａへと供給されることになる。
【００５３】
ところで、第２の多孔質流路層３３は、水素の拡散性を向上するために設けられている。しかし、通常、カソード側では、燃料電池反応において多量の水分が生成される。この水分の一部は、図４で説明したカソード側の排ガスとともに燃料電池の外部へと排出されるが、残りの水分は図中の破線矢印に示すように、電解質膜１１を介してカソード電極層１２ｃからアノード電極層１２ａへと移動してしまう場合がある。すると、当該移動水分は、親水性の高い第２の多孔質路層３３まで移動してしまい、水素の拡散性を阻害するおそれがある。さらに、移動水分量が著しい場合には、シャワー板３２のシャワー孔３５が、この水分によって塞がれてしまい、水素の流路を阻害してしまう場合もある。
【００５４】
このように、この比較例の燃料電池１００Ａでは、アノード用ガス流路部材３０Ａのシャワー板３２によって水素の配流性を向上しているが、アノード電極層１２ａ側への移動水分によって、その効果が低減されてしまう可能性がある。
【００５５】
図６は第１実施例の燃料電池１００のアノード用ガス流路部材３０における撥水層３４の機能を説明するための模式図である。図６は、説明の便宜のため、燃料電池１００の他の構成要素の図示は省略されている。
【００５６】
第１実施例の燃料電池１００でも、比較例の燃料電池１００Ａと同様に、発電の際にカソード側の水分が電解質膜１１を介してアノード側へと移動する場合がある。しかし、第１実施例のアノード用ガス流路部材３０のアノード電極層１２ａ側には、撥水層３４が設けられているため、図５の破線矢印に示すように、シャワー板３２及び第１の多孔質流路層３１へと水分が移動することを抑制することが出来る。従って、余分な水分によって、アノード用ガス流路部材３０における水素の拡散性が低下することを抑制することができる。
【００５７】
また、この燃料電池１００のアノード用ガス流路部材３０には、比較例のアノード用ガス流路部３０Ａ（図５）とは異なり、第２の多孔質流路層３３が設けられておらず、撥水層３４とアノード電極層１２ａとが直接的に接している。従って、撥水層３４によってカソード側へと誘導された移動水分は、膜電極接合体１０のアノード電極層１２ａに滞留する可能性が高くなり、電解質膜１１の湿潤状態を保つことができる。一般に、電解質膜１１は湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すため、第１実施例の燃料電池１００は、比較例の燃料電池１００Ａより、発電効率が向上される。
【００５８】
ところで、一般に、カソード側に酸素とともに供給された非反応ガス（主に窒素）の一部は、アノード側へと移動してしまうことが知られている。通常、アノード側に水素の排出経路が設けられている場合には、当該非反応ガスは、反応に供されることのなかった水素とともに排ガスとして排出される。しかし、アノードデッドエンド運転を行うために発電の際にアノード側の水素の排出が抑制される燃料電池においては、アノード側に移動した非反応ガスの排出が困難となる。従って、非反応ガスを排出せずに発電を継続すると、非反応ガスは、水素の供給口から離れた領域に局所的に滞留してしまうことが知られている。すると、燃料電池の発電効率は低下してしまい、非反応ガスが滞留している領域は、発電停止にまで陥る場合がある。
【００５９】
しかし、第１実施例の燃料電池１００では、シャワー板３２のシャワー孔３５の径や配置・分布を調整することによって、発電の際にシャワー孔３５からアノード電極層１２ａへと流入する水素の流速や流量を調整することが出来る。従って、各シャワー孔３５からほぼ均一の流速で水素が噴出するなどして、アノード側に移動してきた非反応ガスを分散させることが可能である。これによって、アノードデッド運転を行う燃料電池において、非反応ガスの局所的な滞留のために、燃料電池の発電効率が低下してしまうことを抑制できる。
【００６０】
また、シャワー孔３５から所定の流速で水素を噴出させることによって、非反応ガスがシャワー板３２のシャワー孔３５から第１の多孔質流路層３１へと侵入することを抑制することができる。即ち、シャワー板３２は、発電中にアノード電極層１２ａに存在する水素と非反応ガスとを含む混合ガスと、第１の多孔質流路層３１に供給された高濃度水素ガスとが混合することを抑制する分離板として機能している。
【００６１】
このように、第１実施例の燃料電池１００Ａは、アノード側に撥水層３４を備えることによって、アノード側の方がカソード側より撥水性の高い材料を多量に含む構成としてある。即ち、アノード側の撥水性がカソード側の撥水性より高い構成である。ここで、本明細書中における「撥水性」について説明する。
【００６２】
図７は、本明細書における「撥水性」を説明するための説明図である。図７は物質表面５００に水滴５１０が付着した状態を模式的に示している。なお、図面下方向を重力方向として図示してある。
【００６３】
ここで、物質表面５００と水滴５１０との接触界面５０１と水滴５１０の表面との交点５０２を通る水滴５１０の表面接線を「接触界面接線５２０」と呼ぶ。また、接触界面５０１と接触界面接線５２０とのなす角を「接触角θ」と呼ぶ。このとき、一般に接触角θが９０°以上となるとき、物質表面５００は「撥水性を有する」という。そこで、本明細書においては、「撥水性が高い」とは、この接触角θがより大きいことを意味するものとする。一方、一般に接触角θが４０°以下となるときに、物質表面５００は「親水性を有する」という。そこで、本明細書においては、「親水性が高い」とは、この接触角θがより小さいことを意味するものとする。なお、これらの定義より、「撥水性が高い」とは、「親水性が低い」と考えることができ、「撥水性が低い」とは、「親水性が高い」と考えることもできる。
【００６４】
このように、第１実施例では、撥水層３４をアノード側に設けることによって、アノード側の撥水性を高くし、カソード側からの移動水分によってアノード側のガス流路におけるの水素の配流性の低下を抑制することができる。
【００６５】
Ｂ．第２実施例：
図８（Ａ）は、本発明の第２実施例としての燃料電池１００Ｂを示す概略断面図である。図８（Ａ）は、アノード用ガス流路部材３０と構成の異なるアノード用ガス流路部材３０Ｂがアノード側に配置されている点以外は、図２とほぼ同じである。なお、この燃料電池１００Ｂのアノード用ガス流路部材３０Ｂは、シャワー板３２に設けられた撥水層３４が、アノード電極層１２ａとの接触面ではなく、各シャワー孔３５の壁面に設けられている。
【００６６】
図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す破線領域８Ｂの拡大図である。ここで、カソード側からアノード側へと水分が移動し、シャワー板３２のシャワー孔３５に侵入した場合を想定する。すると、図８（Ｂ）の矢印に示すように、水分は、撥水層３４によって撥水性が高くなっているシャワー孔３５から、より撥水性の低い第１の多孔質流路層３１や、アノード電極層１２ａへと誘導される。従って、シャワー孔３５が水分によって塞がれてしまう可能性を低減でき、アノード側のガス配流性の低下を抑制することができる。
【００６７】
Ｃ．第３実施例：
図９（Ａ）は、本発明の第３実施例としての燃料電池１００Ｃを示す概略断面図である。図９（Ａ）は、アノード用ガス流路部材３０Ｂと構成の異なるアノード用ガス流路部材３０Ｃがアノード側に配置されている点以外は、図８（Ａ）とほぼ同じである。
【００６８】
この燃料電池１００Ｃのアノード用ガス流路部材３０Ｃには撥水性の度合いが異なる第１と第２の撥水層３４ａ，３４ｂが設けられている。具体的には、第１の撥水層３４ａは、シャワー板３２の第１の多孔質流路層３１との接触面に設けられ、第２の撥水層３４ｂは、シャワー板３２のアノード電極層１２ａとの接触面に設けられている。具体的には、第１の撥水層３４ａは金メッキによる薄膜として設けられ、第２の撥水層３４ｂは炭素コートによる薄膜として設けられている。即ち、第１の撥水層３４ａの撥水性が、第２の撥水層３４ｂの撥水性より低くなるように設けられている。
【００６９】
図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示す破線領域９Ｂの拡大図である。図中の矢印に示すように、カソード側からアノード側へと水分が移動してきた場合、この燃料電池１００Ｃでは、第１実施例の燃料電池１００と同様に、第２の撥水層３４ｂによってアノード用ガス流路部材３０Ｃへの水分移動を抑制する。また、第１と第２の撥水層３４ａ，３４ｂの撥水性の高低差によって、シャワー孔３５に侵入してしまった水分を、同じく図中の矢印が示すように、第１の多孔質流路層３１へと誘導することができる。
【００７０】
このように、第３実施例の構成によれば、発電領域内に撥水性の高低差（勾配）を設けてあるため、アノード用ガス流路部材３０Ｃにおける水分の移動方向を誘導することができる。また、これによって、アノード用ガス流路部材３０Ｃのシャワー孔３５が水分によって塞がれてしまう可能性を低減できる。従って、アノード側のガス配流性の低下を抑制することができる。
【００７１】
Ｄ．第４実施例：
図１０（Ａ）は、本発明の第４実施例としての燃料電池１００Ｄを示す概略断面図である。図１０（Ａ）は、第１と第２の撥水層３４ａ，３４ｂの配置が逆になっている点以外は図９（Ａ）とほぼ同じである。即ち、この燃料電池１００Ｄでは、第１の撥水層３４ａが、アノード電極層１２ａ側に設けられ、第２の撥水層３４ｂが、第１の多孔質流路層３１側に設けられている。即ち、シャワー板３２の第１の多孔質流路層３１側の撥水性が、アノード電極層１２ａ側の撥水性より高くなっている。
【００７２】
図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示す破線領域１０Ｂの拡大図である。図９（Ｂ）と図１０（Ｂ）とを比較すると、上述したように第１と第２の撥水層３４ａ，３４ｂの配置が逆になっているため、撥水性の勾配も逆となる。従って、シャワー板３２のシャワー孔３５に侵入した水分が誘導される方向も逆となる。このような構成であっても、アノード側への移動水分によるアノード側のガス配流性の低下を抑制することができる。
【００７３】
Ｅ．第１ないし第４実施例の変形例：
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。
【００７４】
Ｅ１．第１ないし第４実施例の変形例１：
上記実施例において、燃料電池のアノード側には排ガスのための流路が設けられていなかったが、カソード側と同様に排ガスのためのガス流路が設けられるものとしても良い。また、上記実施例において、燃料電池は、アノードデッドエンド運転を行っていたが、アノードガスを燃料電池外部へと排出しつつ発電を行う通常の運転も行うものとしても良い。また、アノードガスを燃料電池システム内において循環させる運転を行うものとしても良い。
【００７５】
Ｅ２．第１ないし第４実施例の変形例２：
上記実施例において、アノード側には、シャワー板３２を備える多層構造のアノード用ガス流路部材３０が設けられていたが、カソード側と同様にシャワー板３２を備えない単層構造のガス流路部材が配置されるものとしても良い。即ち、アノード側のガス流路を二段階流路とすることなくカソード側のガス流路と同様に一段階流路とするものとしても良い。
【００７６】
また、アノード用ガス流路部材３０に替えて、アノード電極層１２ａとの接触面に燃料ガスのための流路溝が設けられた流路部材が配置されるものとしても良い。また、この流路部材のアノード電極層１２ａとの接触面側には、撥水層３４と同様な撥水処理がなされているものとしても良い。しかし、この場合には、アノード電極層１２ａが、当該流路部材から受ける面圧が流路溝のために不均一となる可能性がある。面圧が不均一になると、当該流路部材とアノード電極層１２ａとの接触抵抗が不均一となり、発電効率低下の原因となる。一方、上記実施例のようにシャワー板３３２を備えたアノード用ガス流路部材３０であれば、シャワー板３２のシャワー孔３５を微小な貫通孔（例えば直径１ｍｍ以下）として電極面内にほぼ均一に分散して設けることによって、接触抵抗の不均一さを低減することが出来る。従って、シャワー板３２を備えるアノード用ガス流路部材３０を用いることが好ましい。
【００７７】
Ｅ３．第１ないし第４実施例の変形例３：
上記実施例において、シャワー板３２に撥水層３４が設けられていたが、撥水層３４は設けられていなくとも良い。この場合には、以下の方法により、課題を解決することが考えられる。
【００７８】
アノード側に撥水性を有する材料を配置することなく、カソード側に親水性の高い材料を配置するものとしても良い。このような構成としても、発電領域内の水分は、アノード側とカソード側との親水性／撥水性の高低差によって、カソード側からアノード側に向かう方向よりも、アノード側からカソード側に向かう方向への移動が容易となる。従って、アノード側に水分が移動することによって燃料ガスの流れが阻害される可能性を低減できる。なお、この場合には、アノード側に親水性を有する部材を配置することも可能である。ただし、アノード側の親水性部材の親水性は、カソード側の親水性部材の親水性より低いことが好ましい。
【００７９】
また、アノード側に撥水性を有する部材を配置するとともに、カソード側にも撥水性を有する部材を配置するものとしても良い。この場合には、アノード側の撥水性がカソード側の撥水性よりも高くなることが好ましい。このような構成であっても、発電領域内部の水分は、アノード側とカソード側との撥水性の高低差によって、カソード側からアノード側に向かう方向よりも、アノード側からカソード側に向かう方向への移動が容易となる。
【００８０】
このように、本願発明の燃料電池は、燃料ガスを供給して行なう運転の態様として、該供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード側で消費する態様を含む燃料電池であって、アノードとカソードとで電解質膜が挟持された発電体を備え、前記発電体は、前記発電体の発電領域に含まれる水分が、前記カソード側から前記アノード側へと移動するより、前記アノード側から前記カソード側へと移動する方が容易となるように構成されていればよい。
【００８１】
Ｅ４．第１ないし第４実施例の変形例４：
上記実施例において、撥水層３４を設けた多孔板３２をアノード電極層１２ａと接触するように配置していたが、多孔板３２は、他の部位に配置されるものとしても良い。例えば、発電中にアノード側への移動水が著しく多くなる領域にのみ多孔板３２を配置しても良い。
【００８２】
Ｅ５．第１ないし第４実施例の変形例５：
上記第１実施例及び上記第２実施例は組み合わせて実施することも可能である。即ち、撥水層３４は、多孔板３２のアノード電極層１２ａとの接触面及びシャワー孔３５の壁面に設けられるものとしても良い。
【００８３】
Ｆ．他の変形例：
上述した実施例では、アノードに供給された燃料ガスが、ほぼ全量、アノードで消費される構造を採用しているが、係る構造での運転が可能としているアノードへの燃料供給の流路構成としては、種々の構成が採用可能である。代表的な流路構成として、ここでは、上述した構成（以下、「シャワー流路タイプ」と呼ぶ）の他、櫛歯型の構成や循環型の構成などを挙げることができる。まず、シャワー流路タイプの変形例から説明する。
【００８４】
Ｆ１．ガス流路構造の変形例（シャワー流路タイプ）：
第１変形例：図１１は、第１変形例の構成を示す説明図である。第１変形例は、上述の実施例のシャワー板３２に相当する分散板２１００が膜電極接合体２０００と一体として形成された構成を有している。膜電極接合体２０００は、水素側電極２２００と電解質膜２３００とを有している。また、分散板２１００には、所定間隔で多数の細孔（オリフィス）２１１０が設けられている。
【００８５】
図１２は、分散板２１００の機能を説明する説明図である。燃料ガスは、分散板２１００によって水素ガスを消費する水素側電極２２００から隔離された上流側の流路で分配される。上流側の流路で分配された燃料ガスは、分散板２１００に設けられた細孔２１１０を通って、燃料ガス消費層である水素側電極２２００に局所的に供給される。つまり、本変形例では、燃料ガスは、細孔２１１０の存在位置に対応する部位の水素側電極２２００に直接的に供給される。こうした局所的な燃料ガスの供給を実現する構成としては、例えば、燃料ガスが、水素側電極２２００の他の領域を経由することなく、燃料ガスを消費する部位に直接供給する経路を有する構成、あるいは水素側電極２２００の面外の離れた方向（好ましくは水素側電極２２００から隔離された流路）から水素側電極２２００に向かって、主として垂直な方向に燃料ガスを供給する構成なども採用可能である。一方、水素側電極２２００は、窒素の滞留が発生しにくい形状とすればよい。例えば、平滑な面（フラットな面）から構成し、電解質膜２３００側に凹部などを有しない形状とすればよい。
【００８６】
分散板２１００の細孔２１１０の径およびピッチは、実験的に定めることができるが、例えば所定の運転状態（たとえば定格運転状態）において、細孔２１１０を通過する燃料ガスの流速が窒素ガスの拡散による逆流を十分に抑制できるようにしても良い。係る条件が成立するように、細孔２１１０における十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように、細孔２１１０の間隔と流路断面積を設定すればよい。たとえば、固体高分子型燃料電池では、分散板２１００の開口率を１％程度以下とすることで、十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生することが確認された。開口率とは、分散板２１００の開口面積を分散板２１００の全面積で除した割合である。このような開口率は、循環型の燃料ガス流路と比較すると１桁から２桁程度少ないため、循環型の燃料ガス流路にコンプレッサを用いて燃料ガスの流量を確保する構成とは本質的に異なっている。本実施例および変形例では、燃料タンクからの高圧水素を直接（あるいは所定の高圧圧力まで調圧弁で調圧した状態で）、燃料電池に導くことにより、開口率の低い構造でも十分な燃料ガスを確保している。
【００８７】
次に、上述のシャワー流路タイプの他の構成例について説明する。図１３は、第２変形例の構成を示す説明図である。この変形例では、水素側電極２２００と電解質膜２３００とを備えた膜電極接合体２２０１上に配置される分散板２１０１を、緻密な多孔体を用いて実現している。分散板２１０１の多孔体の開口率は、十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように選択されている。細孔を用いた場合には、細孔毎に、いわば離散化して、燃料ガスが局所的に供給されるのに対して、多孔体を用いた場合には、連続的に燃料ガスを供給することができるという利点を有している。また燃料ガスの水素側電極２２００への供給が一層均一化されるという利点も得られる。緻密な多孔体は、カーボン粉を焼結することによって製造しても良いし、カーボン分や金属粉をバインド剤を用いて固めることにより製造することも可能である。多孔は、連続多孔体であれば良く、厚さ方向への連続性を確保して面方向の連続性を確保しない異方性を備えたものとしても良い。多孔体の開口率については、変形例１と同様に決定すればよい。
【００８８】
次に第３変形例について説明する。図１４は、プレスメタルを用いて構成された分散板２１０２を示す説明図、図１５は、そのＣ−Ｃ断面を示す模式図である。分散板２２０２は、分散板２１０２の上流側の流路を形成するための突部２１０２ｔを備え、この突部２１０２ｔの側面には細孔２１１２が形成されている。この分散板２２０２は、電解質膜２３００の両側に水素側電極２２００と酸素側電極２４００とを備えた膜電極接合体２２０２の水素側電極２２００側に配置されており、図１５に示したように、突部２１０２ｔを利用して、分散板２１０２の上流側の流路を一体に形成している。燃料ガスは、この突部２１０２ｔの側面に形成された細孔２１１２を介して、水素側電極２２００に供給される。
【００８９】
係る構成によれば、分散板２１０２をプレス加工により容易に形成することができるうえ、分散板２１０２上流の流路を簡易に形成できるという利点も得られる。細孔２１１２を通過した燃料ガスは、突部２１０２ｔ内部の空間を経て、水素側電極２２００に到るので、分散性を十分に確保することができる。細孔２１１２は、プレス加工に拠って形成しても良いし、突部２１０２ｔの形成の前工程または後工程において、放電加工など、他の手法により形成しても良い。細孔２１１２による開口率については、変形例１と同様に決定すればよい。
【００９０】
次に、第４変形例について説明する。図１６は、分散板２０１４ｈｍの内部に、流路を形成した構成例を示す説明図である。この変形例の分散板２０１４ｈｍは、長方形の形状の分散板２０１４ｈｍの短手方向に形成された複数の流路２１４２ｎと、この流路２１４２ｎから、分散板２０１４ｈｍの厚さ方向に設けられ、図示しない水素電極側に開披した多数の細孔２１４３ｎとを備える。分散板２０１４ｈｍは、電解質膜２３００の両側に水素側電極（図示せず）と酸素側電極２４００とを備えた膜電極接合体２２０３の水素側電極側に配置されており、分散板２０１４ｈｍを介して、燃料ガスの供給を受ける。係る構成に拠れば、各細孔２１４３ｎまでの流路を、個別に用意できるという利点が得られる。なお、図１６では、細孔２１４３ｎの配置は千鳥状としたが、格子状であってもよいし、ある程度ランダムに配置しても良い。
【００９１】
次に、第５変形例について説明する。図１７は、パイプを使用して分散板２０１４ｈｐを形成した例を示す説明図である。分散板２０１４ｈｐは、図１７に示したように、矩形のフレーム２１４０を備え、その短手方向に亘って、中空の多数のパイプ２１３０を備えている。このパイプ２１３０の表面には、複数の細孔２１４１ｎが形成されている。この分散板２０１４ｈｐは、水素側電極２２００とで電解質膜２３００とを備えた膜電極接合体２２０４の水素側電極２２００上に設置される。分散板２０１４ｈｐのフレーム２１４０に用意されたガス流入口から燃料ガスを供給すると、燃料ガスは、分散板２０１４ｈｐの各パイプ２１３０の内部を通り、細孔２１４１ｎから、水素側電極２２００へと分配される。係る構成によれば、燃料ガスを均一に分散できるのに加えて、分散板２０１４ｈｐを構成するのに細孔２１４１ｎを除いて穴加工を行なう必要がないという利点が得られる。細孔２１４１ｎは、水素側電極２２００側に向けて配置して良いし、反対側に向けて配置してもよい。後者の場合には、燃料ガスの分散性は一層改善される。
【００９２】
以上説明したように、燃料ガスを水素側電極２２００に分散させつつ導く構造であれば、種々の構成を採用することができる。分散板としては、多孔体やプレスメタルに限られず、燃料ガスを分配しつつ水素側電極２２００に導くように構成されていればよい。
【００９３】
Ｆ２．ガス流路構造の変形例（櫛歯流路タイプ）：
上述した実施例では、燃料ガスの流路は、燃料ガスをシャワー板３２のシート面に沿った方向に拡散（分散）させつつ電極全体に行き渡らせる多孔質流路タイプのものを用いたが、燃料ガスの流路の形態は種々の構成を採ることができる。
【００９４】
図１８は、いわゆる分岐流路タイプの燃料ガス流路を用いた構成例を示す模式図である。図示する燃料ガス流路は、上述した実施例のアノード用ガス流路部材３０に代えて用いられる流路形成部材５０００に、櫛歯状に形成されている。具体的には、ガス流路は、燃料ガスを導入する主流路５０１０、この主流路から分岐し、主流路５０１０とは交差する方向に形成された複数本の副流路５０２０、この副流路から更に櫛歯状に分岐する櫛歯流路５０３０から形成されている。主流路５０１０および副流路５０２０は、先端の櫛歯流路５０３０と比べて流路断面積を十分に確保しているので、流路形成部材５０００の面内の圧力分布は、第１の多孔質流路層３１と同程度もしくはそれ以下となっている。
【００９５】
この流路形成部材５０００は、カーボンや金属などを用いて形成することができる。カーボンを用いる場合は、型を用いてカーボン粉を高温または低温で焼結することにより、図１８に示した流路を備えた流路形成部材５０００を得ることができる。金属を用いる場合には、金属プレートから溝を削り出すことにより、同様の流路を備えた流路形成部材５０００を形成しても良いし、あるいはプレス加工により、図示する流路を備えた流路形成部材５０００を得ても良い。なお、流路形成部材５０００は、単品として設ける必要はなく、他の部材、例えばセパレータと一体に形成することも可能である。
【００９６】
なお、この流路形成部材５０００は、各拡散流路層３２ごとに代えて用いてもよいが、各拡散流路層３２および各誘導流路層３１，３３，３５，３７ごとに代替してもよい。この場合には、櫛歯流路５０３０を十分に細い流路とし、副流路５０２０から、いわば毛細血管のように細かくかつ多数に分岐させておけばよい。また、図１８では、主流路５０１０を流路形成部材５０００の一縁部に沿って設けたが、流路形成部材５０００面内の燃料ガスの圧力差を小さくするために、主流路５０１０を複数の縁部に設けて、副流路５０２０の長さを短くしたり、あるいは主流路５０１０を流路形成部材の中心に設けて、副流路５０２０を主流路５０１０の左右に配置しても良い。同様に、櫛歯流路５０３０は、副流路５０２０の両側に設けても差し支えない。
【００９７】
次に、図１９に基づいて、サーペンタイン型の流路構成について説明する。図１９は、流路が葛籠折れの形状をとっているサーペンタイン型流路を備えた流路形成部材の構成例を模式的に示す模式図である。図１９（Ａ）は、燃料ガスの流路が単一のタイプの流路形成部材５１００を例示し、図１９（Ｂ）は、燃料ガス流路が複数本統合されたタイプの流路形成部材５２００を例示している。
【００９８】
図示するように、図１９（Ａ）に例示した流路形成部材５１００は、燃料ガスの流路を囲う外壁のうち対向する外壁５１１０，５１１５から、内側に向けて交互に延長された複数の流路壁５１２０を備える。流路壁５１２０で区切られた部分が連続する流路となっている。この一端に流入口５１５０が形成されており、燃料ガスはここから流路に供給される。この流路形成部材５１００は、図１８の流路形成部材５０００と同様、上述した実施例の多孔体８４０に代えて用いられる。
【００９９】
図１９（Ｂ）は、このサーペンタイン型流路が、複数本の流路の束として構成された例を示している。この場合、外壁５２１０および５２１５から内側に向けて交互に延長された複数の流路壁５２２０の間に、外壁５２１０，５２１５とは連設されていない仕切壁５２３０，５２４０が設けられている。また、流路の入り口には、流入口５２５０が形成されている。流入口５２５０から流入した燃料ガスは、仕切壁５２３０，５２４０を備えた幅広のサーペンタイン型流路を流れて、流路形成部材５２００の面方向にくまなく行き渡る。この流路形成部材５２００は、図１９の流路形成部材５０００と同様、上述した実施例の多孔体８４０に代えて用いられる。
【０１００】
図１９に示した流路形成部材５１００，５２００は、図１８に示した櫛歯型の流路を備えた流路形成部材５０００と同様に、カーボンや金属から形成される。その形成方法も同様である。これらの流路形成部材５１００，５２００は、単品として設ける必要はなく、他の部材、例えばセパレータと一体に形成することも可能である。
【０１０１】
Ｆ３．燃料ガスの供給形態の第１の変形例：
図２０は、燃料ガスの供給形態の変形例の一つとして、循環路タイプの燃料電池６０００の内部構成を模式的に示す説明図である。図示するように、本変形例の燃料電池６０００では、アノード側セパレータ６２００に、燃料ガス流路となる凹部６２２０と燃料ガス入口ポート６２１０と規制板６２３０とが設けられている。燃料ガス流路となる凹部６２２０は、アノード側セパレータ６２００の膜電極接合体のアノード６１００と対向する領域に亘って形成されている。アノード側セパレータ６２００における燃料ガス入口ポート６２１０には、ノズル６３００が、凹部６２２０に向けて燃料ガスを噴出可能に取り付けられている。このノズル６３００から燃料ガスを噴出することによって、燃料ガス入口ポート６２１０から、凹部６２２０内に燃料ガスが供給される。規制板６２３０は、燃料ガスの流れ方向を規制する部材であり、ノズル６３００の近傍から、凹部６２２０の中心付近に向けて、凹部６２２０の底面から立設されている。規制板６２３０のノズル６３００に近い側の端部は、ノズル６３００の側面形状に合わせて湾曲され、ノズル６３００との間で通路Ａを形成している。
【０１０２】
このような燃料電池６０００では、燃料ガス入口ポート６２１０から供給された燃料ガスが、ノズル６３００の噴射孔６３２０から燃料ガス流路（凹部６２２０）内に噴射されると、この燃料ガスは、アノード側セパレータ６２００の凹部６２２０の内側壁、および、規制板６２３０によって流れ方向が規制され、図中に白抜き矢印で示したように、アノード６１００の表面に沿って、図示した上流側から下流側に流れる。このとき、ノズル６３００から噴出する高速の燃料ガスによって生じるエゼクタ効果により、下流側の燃料ガスおよび不純物ガスを含む流体は、規制板６２３０の一方の端部とノズル６３００との間の隙間（通路Ａ）から吸引され、上流側に循環する。こうすることによって、燃料ガス流路、および、アノード６１２０表面における上記流体の滞留を抑制することができる。
【０１０３】
なお、上記変形例の燃料電池６０００では、エゼクタ効果を利用して、上記流体をアノード６１００の表面に沿った方向に循環させるものとしたが、燃料電池の内部において、アノードの表面に沿った方向に上記流体を循環させることが可能な構造であれば、他の構成を用いても良い。例えば、燃料電池６０００において、ノズル６３００や規制板６２３０の代わりに、アノード側セパレータ６２００や、アノード６１００の面内等、燃料ガス流路となり得る部位に、整流板を設けるようにし、この整流板、および燃料ガスの流れによって、上記流体をアノード６１００の表面に沿った方向に循環させるようにしてもよい。あるいは凹部６２２０などのガス流路に、微小なアクチュエータ（例えばマイクロマシン）を循環路に沿って組み込んで、燃料ガスの循環を起こさせる構造としても良い。このほか、凹部６２２０内に温度差を設けて対流を利用して循環を起こさせる構成も考えられる。
【０１０４】
Ｆ４．燃料ガスの供給形態の第２の変形例及び第３の変形例：
図２１及び図２２を用いて、上述した実施例の燃料ガス供給形態の変形例について説明する。図２１は、第２の変形例としての燃料ガスの流れを説明する説明図である。図２２は、第３の変形例についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。まず、両変形例に共通する構成から説明する。これら２つのの燃料電池では、発電体は、フレーム７５５０と膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）７５１０と多孔体７５４０を備える。フレーム７５５０の中央部には、ＭＥＧＡ７５１０を嵌め込むための開口部７５５５が設けられており、この開口部７５５５を覆うように、ＭＥＧＡ７５１０が配置される。多孔体７５４０はＭＥＧＡ７５１０の上に配置される。また、フレーム７５５０の外周部には、燃料ガスや空気、あるいは冷却水が通る貫通孔が複数設けられているのは、上述した実施例と同一である。
【０１０５】
第２の変形例と第３の変形例とは、上記の全体構造はほぼ同一であり、燃料ガスが、図示しないアノード対向プレートを介して供給される点も同一である。第２と第３の変形例では、多孔体７５４０への燃料ガスの供給方向が異なっている。第２の変形例では、多孔体７５４０に燃料を供給するための複数のガス供給口７４１７ａは、フレーム７５５０の開口部７５５５の外縁部のうち、一つの長辺近傍に一列に設けられ、もう一列の複数のガス供給口７４１７ｂは、対向するもう一つの長辺近傍に配置されている。他方、第３の変形例では、図２２に示したように、複数の燃料ガス供給孔７５１７ａ及び７５１７ｂは、それぞれ、開口部７５５５の対向する２つの短辺に隣接して配置されている。
【０１０６】
第２の変形例では、燃料ガスは、燃料ガス供給孔７４１７ａや燃料ガス供給孔７４１７ｂを通り、多孔体７５４０の中で長辺端部側から中央方向、すなわち矢印７６００ａの方向（図２１において上から下へ）へ、あるいは矢印７６００ｂの方向（図２２において下から上へ）に供給される。このとき、燃料ガス供給孔７４１７ａを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスと燃料ガス供給孔７４１７ｂを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスは、モジュールの中央付近でぶつかり混合する。一方、第３の変形例では、燃料ガスは、燃料ガス供給孔７５１７ａや燃料ガス供給孔７５１７ｂを通り、多孔体７５４０の中で短辺端部側から中央方向、すなわち矢印７７００ａの方向（図２２において左から右へ）及び矢印７７００ｂの方向（図２２において右から左へ）に流れる。第３の変形例でも、燃料ガス供給孔７５１７ａを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスと燃料ガス供給孔７５１７ｂを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスは、モジュールの中央付近でぶつかり混合する。
【０１０７】
以上説明した第２と第３の変形例によれば、燃料ガスは、多孔体７５４０に対して、対向する２つの辺の端部側に設けられた複数の燃料ガス供給孔７４１７ａおよび７４１７ｂ（あるいは燃料ガス供給孔７５１７ａおよび７５１７ｂ）から、対向する２方向に供給される。対向流として供給された燃料ガスは、多孔体７５４０の中央部でぶつかって互いに混合するので、窒素ガスなどの不純物が局在化しにくいという利点が得られる。したがって、燃料電池の発電効率を向上させることができる。もとより、対向する２辺から燃料ガスを供給することにより、多孔体７５４０内での燃料ガスの分布の偏りが抑制されるという利点も得られる。なお、第２と第３の変形例ではガス流路として多孔体を用いているが、ガス流路は多孔体に限られず、種々の供給方式が利用可能である。
【０１０８】
Ｆ５−１．燃料電池に始動性制御時における変形例１：
つぎに、上記実施例の燃料電池の始動時制御について説明する。変形例の燃料電池では、始動時において、アノード側の燃料ガス流路に燃料ガスの供給が開始され、所定時間ＴＡ経過後、初めて負荷を接続し、燃料電池から電流を取り出している。このようにすれば、燃料電池の発電終了後にカソード側からアノード側にリークし滞留しているリークガス（窒素ガスまたは不活性ガス）は、所定時間ＴＡの間に、燃料ガスの圧力で、カソード側に押し返され、リークガス滞留量が減少してから負荷が接続されることになる。したがって、アノードにおいて、燃料電池の始動時に燃料ガスが欠乏した状態で運転されるという事態の発生を抑制することができる。なお、この場合の「始動」とは、燃料電池に反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を供給すると共に、燃料電池に負荷を接続することをいう。燃料電池の停止時にリークガスがアノード側に滞留するのは、燃料ガスの供給が停止された結果、アノード側の燃料ガス圧力が低下するためである。特にアノードデッドエンドの構成を採用した場合、燃料ガスの供給によるリークガスの排出路への排出が期待できない。したがって、燃料ガスの供給を開始してから、負荷を接続するまでに十分な時間ＴＡを確保することは有効である。
【０１０９】
Ｆ５−２．燃料電池に始動性制御時における変形例２：
燃料電池の始動時において、燃料ガスの供給量および電気的な負荷を接続するまでの所定時間ＴＡのうち少なくとも一方を、燃料電池の運転開始時におけるリークガス滞留量に基づいて決定する構成とすることも可能である。このリークガス滞留量は、例えば、燃料電池において前回の起動終了時から今回の始動時までの燃料電池停止期間や燃料電池の温度から推定するようにしてもよい。燃料電池の温度は、例えば、燃料電池を冷却する冷媒の温度等に基づいて検出することができる。このようにすれば、燃料電池の始動時間の短縮化を実現しつつ、アノード側の燃料ガス流路におけるリークガス滞留量を減少させることができる。
【０１１０】
また、燃料電池の始動時に負荷を接続するタイミングを、アノード側の水素濃度に基づいて決定しても良い。上記実施例の燃料電池において、水素濃度センサをアノード側の燃料ガス流路内の所定部位に取り付け、始動時において、アノード側の燃料ガス流路に燃料ガスの供給が開始された後、水素濃度センサから検出される水素濃度値を監視する。水素濃度値が、所定の閾値より高くなった場合に、電気的な負荷を接続するものとすれば、アノードにおいて、水素欠乏運転となることを抑制することができる。このほか、アノード側の圧力や温度から、電気的な負荷の接続のタイミングを求める構成なども可能である。
【０１１１】
なお、上記実施例、変形例では、発電体として膜電極接合体を用いた固体高分子型の燃料電池を例に取り説明したが、本発明が利用可能な燃料電池の種類はこれに限られない。本発明は、例えば、リン酸型、固体酸化物型、溶融炭酸塩型など固体高分子型以外の燃料電池にも利用可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】燃料電池システムの構成を示すブロック図。
【図２】第１実施例の燃料電池の構成を示す概略断面図。
【図３】第１実施例のアノード用ガス流路部材のシャワー板の構成を説明するための概略図。
【図４】第１実施例の燃料電池における酸素の流れを説明するための概略断面図。
【図５】比較例の燃料電池の構成を示す概略断面図。
【図６】第１実施例のシャワー板に設けられた撥水層の効果を説明するための概略図。
【図７】本明細書における「撥水性」を説明するための説明図。
【図８】第２実施例の燃料電池の構成を示す概略断面図。
【図９】第３実施例の燃料電池の構成を示す概略断面図。
【図１０】第４実施例の燃料電池の構成を示す概略断面図。
【図１１】変形例のシャワー流路の構成を示す概略斜視図。
【図１２】変形例のシャワー流路の構成を説明するための概略断面図。
【図１３】変形例のシャワー流路の構成を示す概略斜視図。
【図１４】変形例のシャワー流路の構成を示す概略斜視図。
【図１５】変形例のシャワー流路の構成を示す概略断面図。
【図１６】変形例のシャワー流路の構成を示す概略斜視図。
【図１７】変形例のシャワー流路の構成を示す概略斜視図。
【図１８】変形例の燃料ガス流路として分岐ガス流路の構成を示す概略図。
【図１９】変形例の燃料ガス流路として分岐ガス流路の構成を示す概略図。
【図２０】変形例の燃料ガス流路として循環流路タイプのガス流路の構成を示す概略図。
【図２１】変形例の燃料ガス供給形態を説明するための模式図。
【図２２】変形例の燃料ガス供給形態を説明するための模式図。
【図２３】燃料電池の他の構成例を示す概略図。
【図２４】燃料電池の他の構成例を示す概略図。
【符号の説明】
【０１１３】
１０…膜電極接合体
１０ｓ…シール一体型膜電極接合体
１１…電解質膜
１１ｅ…外周端部
１２ａ…アノード電極層
１２ｃ…カソード電極層
１２ｅ…外周端部
１３…シール部
１４…突起部
２０…セパレータ
２１…アノードプレート
２２…中間プレート
２３…カソードプレート
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…アノード用ガス流路部材
３１…第１の多孔質流路層
３２…シャワー板
３３…第２の多孔質流路層
３４，３４ａ，３４ｂ…撥水層
３５…シャワー孔
４０…カソード用ガス流路部材
５１，５３，５４…マニホールド孔
６１…水素流路
６２…水素供給孔
７１…酸素流路
７２…酸素供給孔
７３…酸素排出孔
７４…酸素排出流路
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ…燃料電池
５００…物質表面
５０１…接触界面
５０２…交点
５１０…水滴
５２０…接触界面接線
θ…接触角
１０００…燃料電池システム
１１００…高圧水素タンク
１１１０…水素供給配管
１１２０…遮断弁
１１２０…水素遮断弁
１１３０…レギュレータ
１２００…エアコンプレッサ
１２１０…空気供給配管
１２２０…排出配管
１３００…制御部
２０００…膜電極接合体
２０１４ｈｍ…分散板
２０１４ｈｐ…分散板
２１００…分散板
２１０１…分散板
２１０２…分散板
２１０２ｔ…突部
２１１０…細孔
２１１２…細孔
２１３０…パイプ
２１４０…フレーム
２１４１ｎ…細孔
２１４２ｎ…流路
２１４３ｎ…細孔
２２００…水素側電極
２２０１…膜電極接合体
２２０２…分散板
２２０２…膜電極接合体
２２０３…膜電極接合体
２２０４…膜電極接合体
２３００…電解質膜
２４００…酸素側電極
２１００ｘ…高抵抗連通部
２１１０ｘ…導入部
Ｈ２…ハニカム構造材
Ｓ１…シール材
５０００…流路形成部材
５０１０…主流路
５０２０…副流路
５０３０…櫛歯流路
５１００，５２００…流路形成部材
５１００…流路形成部材
５１１０，５１１５…外壁
５１２０…流路壁
５１５０…流入口
５２００…流路形成部材
５２１０，５２１５…外壁
５２１０…外壁
５２２０…流路壁
５２３０，５２４０…仕切壁
５２５０…流入口
６０００…燃料電池
６１００…アノード
６１２０…アノード
６２００…アノード側セパレータ
６２１０…燃料ガス入口ポート
６２２０…凹部
６２３０…規制板
６３００…ノズル
６３２０…噴射孔
７４１７ａ…ガス供給口
７４１７ａ…燃料ガス供給孔
７４１７ｂ…ガス供給口
７４１７ｂ…燃料ガス供給孔
７５１０…ＭＥＧＡ
７５１７ａ…燃料ガス供給孔
７５１７ｂ…燃料ガス供給孔
７５４０…多孔体
７５５０…フレーム
７５５５…開口部
【図１】
2009026526.tif 000003
【図２】
2009026526.tif 000004
【図３】
2009026526.tif 000005
【図４】
2009026526.tif 000006
【図５】
2009026526.tif 000007
【図６】
2009026526.tif 000008
【図７】
2009026526.tif 000009
【図８】
2009026526.tif 000010
【図９】
2009026526.tif 000011
【図１０】
2009026526.tif 000012
【図１１】
2009026526.tif 000013
【図１２】
2009026526.tif 000014
【図１３】
2009026526.tif 000015
【図１４】
2009026526.tif 000016
【図１５】
2009026526.tif 000017
【図１６】
2009026526.tif 000018
【図１７】
2009026526.tif 000019
【図１８】
2009026526.tif 000020
【図１９】
2009026526.tif 000021
【図２０】
2009026526.tif 000022
【図２１】
2009026526.tif 000023
【図２２】
2009026526.tif 000024
【図２３】
2009026526.tif 000025
【図２４】
2009026526.tif 000026