(57)【要約】【課題】燃料電池の電極面における反応ガスの配流性を向上する技術を提供する。【解決手段】アノード側に配置されるアノード用ガス流路部材３０は、第１ないし第４の誘導流路層３１，３３，３５，３７と、それらに挟持される拡散流路層３２とを備える多層構造である。第１ないし第４の誘導流路層３１，３３，３５，３７のそれぞれには、貫通孔６１，６３，６５，６７が設けられている。貫通孔６１，６３，６５，６７は、アノード電極層１２ａの近くに配置される誘導流路層の貫通孔ほど、径が小さくなるとともに、数が多くなるように、各層ごとに等間隔で設けられている。拡散流路層３２は、多孔質部材によって構成される。反応ガスは、各誘導流路層の貫通孔から隣接する拡散流路層へと流入し、拡散流路層において面方向に拡散して、再び隣接する誘導流路層の貫通孔へと流入する。この繰り返しによって電極面に略均一に拡散する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜がアノードとカソードとで挟持された発電体と、
前記発電体の電極面に渡って反応ガスを供給するためのガス流路部材と、
を備え、
前記ガス流路部材は、
前記反応ガスを誘導するためのガス誘導孔が設けられた２つ以上の誘導流路層と、
前記誘導孔から供給された前記反応ガスを前記電極面に沿った方向に拡散する１つ以上の拡散流路層と、
を備え、
前記誘導流路層と前記拡散流路層とが交互に積層されている、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記複数の誘導流路層は、前記電極面に近い前記誘導流路層ほど、前記ガス誘導孔の数が増加する、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
前記ガス誘導孔は、前記誘導流路層の表面上に略同一間隔で設けられている、燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記ガス流路部材は、アノード側に配置されており、
前記ガス誘導孔は、アノード電極面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。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池であって、
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アノード側で消費する態様を含む、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がマニホールド孔を介して供給されることによって発電を行う。即ち、反応ガスは、供給用のマニホールド孔から発電領域である電極面を経て、排出用のマニホールド孔へと流れる(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２０００−５８０７３号公報
【０００４】
しかし、上述のような反応ガスの供給経路によれば、ガス流路の圧力損失の影響により、供給用マニホールド孔に近い電極面の領域ほど反応ガスの供給量が多くなる。一方、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ほぼ均一とすることが好ましい。しかし、これまで、そうした反応ガスの配流性の向上に対する工夫が十分に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、燃料電池の電極面における反応ガスの配流性を向上す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、燃料電池であって、電解質膜がアノードとカソードとで挟持された発電体と、前記発電体の電極面に渡って反応ガスを供給するためのガス流路部材とを備え、前記ガス流路部材は、前記反応ガスを誘導するためのガス誘導孔が設けられた２つ以上の誘導流路層と、前記誘導孔から供給された前記反応ガスを前記電極面に沿った方向に拡散する１つ以上の拡散流路層とを備え、前記誘導流路層と前記拡散流路層とが交互に積層されていることを特徴とする。この構成によれば、反応ガスを、誘導流路層によってガス流路部材の厚み方向に誘導しつつ、隣接する拡散流路層によって面方向に拡散させることが出来る。従って、各層の厚みや、誘導孔の配置などによって、反応ガスの配流性を制御することが出来る。
【０００７】
前記複数の誘導流路層は、前記電極面に近い前記誘導流路層ほど、前記ガス誘導孔の数が増加するものとしても良い。この構成によれば、電極面に近づくほど反応ガスの拡散領域が広がるようにすることが出来る。従って、反応ガスの配流性を向上することができる。
【０００８】
前記ガス誘導孔は、前記誘導流路層の表面上に略同一間隔で設けられているものとしても良い。この構成によれば、反応ガスの供給量分布の不均一さをより低減することが出来る。
【０００９】
前記ガス流路部材は、アノード側に配置されており、前記ガス誘導孔は、アノード電極面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。
【００１０】
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アノード側で消費する態様を含むものとしても良い。
【００１１】
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。
【００１２】
本願明細書では、燃料ガスの消費層に供給されたほぼ総ての燃料ガスを燃料ガス消費層で消費する運転の態様を、デッドエンド運転と呼ぶが、燃料ガス消費層からの燃料ガスの循環を意図せず、燃料ガスの消費層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、燃料ガス消費層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。こうした多目的な燃料ガスの消費は、燃料ガスの取り出しを、燃料ガスの消費層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層で消費する」ことから除外される構成とはならない。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
図２（Ａ）は、本発明の一実施例としての燃料電池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。
【００２７】
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解質膜１１の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。
【００２８】
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、水素の配流性の低下を抑制することができる。
【００２９】
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。なお、シール部１３が上記のように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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
なお、セパレータ２０としては、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。また、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。
【００３５】
セパレータ２０と２つの電極層１２ａ，１２ｃ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の全体に拡散し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。
【００３６】
カソード用ガス流路部材４０は、多孔質部材や、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を導電性を有する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。
【００３７】
図２（Ｂ）は、アノード側に配置されたアノード用ガス流路部材３０を示す概略断面図である。アノード用ガス流路３０は、複数の誘導流路層３１，３３，３５，３７のそれぞれの間に、導電性の多孔質部材によって構成される拡散流路層３２が配置されて、積層体として構成される。
【００３８】
複数の誘導流路層３１，３３，３５，３７はそれぞれ、導電性を有するシート状の部材に１つ又は複数の貫通孔６１，６３，６５，６７が設けられた、いわゆるシャワー板として構成される。なお、図１（Ａ），（Ｂ）には、理解を容易にするため便宜的に、各誘導流路層３１，３３，３５，３７に設けられた各貫通孔６１，６３，６５，６７を同一断面に図示してある。
【００３９】
図３（Ａ）は、第１の誘導流路層３１の構成を示す概略図である。第１の誘導流路層３１は、その表面中央部に１つの貫通孔６１が設けられている。図３（Ｂ）は、第２の誘導流路層３３を示す概略図である。図３（Ｂ）には、アノード用ガス流路部材３０として積層された際に第１の誘導流路層３１の貫通孔６１と重なる領域（「貫通孔６１の配置領域」と呼ぶ）を破線で示してある。第２の誘導流路層３３は、貫通孔６１の配置領域を囲むように４つの貫通孔６３が設けられている。なお、第１の誘導流路層３１の貫通孔６１と、第２の通道流路層３３の４つの貫通孔６３のそれぞれとの距離は、ほぼ等しい。
【００４０】
図３（Ｃ）は、第３の誘導流路層３５の構成を示す概略図である。図３（Ｃ）には、図３（Ｂ）と同様に、第２の誘導流路層３３に設けられた４つの貫通孔６３の配置領域を破線で示してある。第３の誘導流路層３５には、縦（図の上下方向）に３列、横（図の左右方向）に４列となるように計１２個の貫通孔６５が互いにほぼ等距離で配列されている。なお、貫通孔６５は、４つの貫通孔６３のいずれにも重ならないように設けられており、隣接する貫通孔６５のそれぞれからほぼ等距離の位置に設けられている。
【００４１】
図３（Ｄ）は、第４の誘導流路層３７の構成を示す概略図である。図３（Ｄ）には、図３（Ｃ）と同様に、第３の誘導流路層３５に設けられた１２個の貫通孔６５の配置領域を破線で示してある。第４の誘導流路層３７には、縦に１２列、横に１６列となるように計１９２個の貫通孔６７が互いにほぼ等距離で配列されている。なお、貫通孔６７は、第３の誘導流路層３５の貫通孔６５とは重ならないように設けられ、隣接する貫通孔６７のそれぞれからほぼ等距離の位置に設けられている。
【００４２】
図４（Ａ）は、燃料電池１００における水素の流れを説明するための模式図である。図４（Ａ）は、図２（Ａ）と同様に、燃料電池１００の概略断面図を示している。ただし、図４（Ａ）は、説明の便宜のために、アノード側のセパレータ２０とシール一体型膜電極接合体１０ｓとを分離して図示するとともに、アノード用ガス流路部材３０の各層３１，３２，３３，３５，３７を分離して図示してある。また、図４（Ａ）には、セパレータ２０に設けられたガス流路である水素供給流路７１及び水素供給孔７２を追加して図示してある。なお、セパレータ２０の水素供給流路７１及び水素供給孔７２は、説明の便宜上同一断面上に図示してある。図中の矢印は、水素の経路を示している。
【００４３】
水素は、水素供給用マニホールド孔５１から燃料電池１００の内部へと供給される。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。
【００４４】
水素供給用マニホールド孔５１の水素の一部は、セパレータ２０の中間プレート２２に設けられた水素供給流路７１へと流入する。水素供給流路７１の水素は、アノードプレート２１のほぼ中央部に設けられた水素供給孔７２を介して、第１の誘導流路層３１に設けられた貫通孔６１からアノード用ガス流路部材３０の内部へと供給される。
【００４５】
第１の誘導流路層３１に至った水素は、貫通孔６１によって、第１の誘導流路層３１に隣接する拡散流路層３２へと誘導される。拡散流路層３２内の水素は、拡散流路層３２の厚み方向へと拡散しつつ、第２の誘導流路層３３の表面に沿った面方向へと拡散する。その後、第２の誘導流路層３３の貫通孔６３を介して、さらに下層の拡散流路層３２へと流入する。以下同様に、水素は、第３と第４の誘導流路層３５，３７のそれぞれの貫通孔６５，６７及びそれらに挟持された拡散流路層３２を経て、アノード電極層１２ａへと供給される。
【００４６】
図３（Ａ）〜（Ｄ）で説明したように、アノード用ガス流路部材３０は、アノード電極層１２ａの近くに配置される誘導流路層ほど貫通孔の数が多くなるとともにその径が小さくなっている。従って、アノード用ガス流路部材３０に流入した水素は、図４（Ａ）の矢印に示すように、各層ごとに、拡散領域を広げつつ、アノード電極層１２ａに向かって移動する。このように、水素は、アノード用ガス流路部材３０のアノードプレート２１との接触面側のほぼ中央部から、アノード電極層１２ａに向かって均一に拡散しつつ供給される。従って、本実施例のアノード用ガス流路部材３０によれば、電極層に供給されるアノードガスの配流性を向上することが出来る。
【００４７】
ところで、一般に、多孔質部材によって構成されたガス流路において、水素の配流性を向上させるためには、水素が電極の面方向に行き渡るように、面方向の拡散性を向上させることが好ましい。そのために、略均一な気孔率を有する単層構造の多孔質部材によってガス流路を構成する場合がある。この場合には、水素を面方向へ行き渡らせるために、当該多孔質部材の厚みを増すことによって水素の拡散領域を確保することができる。しかし、多孔質部材の厚みを増すと、水素の移動距離が増加して、電極に到達する時間が遅延する原因となる。また、燃料電池が大型化してしまい、好ましくない。
【００４８】
しかし、このアノード用ガス流路部材３０によれば、各拡散流路層３２における水素の面方向への移動距離は、隣接する上層の誘導流路層に設けられた貫通孔から、隣接する下層の誘導流路層に設けられた貫通孔までの距離を確保できればよい。従って、各誘導流路層に設けられた各貫通孔の間隔（ピッチ）によっては、拡散流路層３２の厚みを薄くすることが可能である。
【００４９】
一方、ガス流路部材として、電極層との接触面に流路溝等を設けた部材を配置する場合には、当該流路部材から電極面が受ける面圧は、流路溝等のために不均一となる場合がある。すると、当該流路部材と電極面との接触抵抗が不均一となり、発電効率が低下する原因となる。
【００５０】
しかし、本実施例の構成によれば、アノード電極層１２ａと接する第４の誘導流路層３７に設けられた貫通孔６７を微小(例えば直径１ｍｍ以下)な貫通孔として電極面内に均一に分散するように設けることができる。これによって、アノード用ガス流路部材３０とアノード電極層１２ａとの接触抵抗の不均一さを低減させることができる。
【００５１】
ところで、本実施例の燃料電池１００にはアノード側にガスの排出経路が設けられていない。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、アノード電極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することが出来る。
【００５２】
図４（Ｂ）は、燃料電池１００における酸素の流れを説明するための模式図である。図４（Ｂ）は、酸素用のマニホールド孔５３，５４における燃料電池１００の断面を示しており、酸素の経路を矢印で図示している点以外は図２（Ａ）と同様である。また、図４（Ｂ）のセパレータ２０には、セパレータ２０に設けられたガス流路７３，７４，７５，７６が図示されている。なお、図４（Ｂ）には、酸素の流路を、説明の便宜上同一断面に図示してある。
【００５３】
酸素は他の空気中の不純ガスとともに、酸素供給用マニホールド孔５３から燃料電池１００の内部へと供給される。酸素供給用マニホールド孔５３の酸素及び不純ガスの一部は、セパレータ２０の中間プレート２２に設けられた酸素供給流路７３へと流入し、カソードプレート２３の酸素供給孔７４を介してカソード用ガス流路部材４０へと流入する。酸素及び不純ガスは、カソード用ガス流路部材４０の内部を拡散しつつ膜電極接合体１０のカソード電極層１２ｃへと至り、酸素は燃料電池反応に供される。
【００５４】
反応に供されることのなかった酸素及び不純ガスは、排ガスとして燃料電池１００の外部へと排出される。具体的には、排ガスは、燃料電池反応によって生成された水分とともに、カソード用ガス流路部材４０からカソードプレート２３の酸素排出孔７５及び中間プレート２２の酸素排出流路７６を経て、酸素排出用マニホールド孔５４から排出される。
【００５５】
ところで、一般に、カソード側に酸素とともに供給された不純ガス（主に窒素、以下「非反応ガス」とも呼ぶ）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（図４（Ｂ）の破線矢印）。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、反応に供されることのなかった水素とともに、アノード側へと移動した不純ガスは、排ガスとして排出される。しかし、上述したように本実施例の燃料電池１００には、アノード側に水素の排出経路が設けられていない。従って、この燃料電池１００では、アノード側に移動した不純ガスの排出が困難となる。すると、アノード側の窒素分布によってアノード側の水素分布が影響を受けるため、燃料電池１００の発電効率が低下する場合がある。
【００５６】
図５（Ａ）は、燃料電池１００の発電中におけるアノード電極層１２ａの発電領域における窒素分布を示す模式図であり、図中の微小な黒点は窒素分子を示している。なお、図５（Ａ）には、便宜のため、発電領域を単位セル領域１２ａｃごとに区分けして示してある。また、アノード電極層１２ａに接するアノード用ガス流路部材３０の第４の誘導流路層３７に設けられた貫通孔６７の配置領域を破線で示してある。
【００５７】
本実施例のアノード用ガス流路部材３０によれば、第４の誘導流路層３７（図３（Ｄ））の各貫通孔６７の径及びピッチを調整することによって、水素がほぼ等しい流量及び流速でほぼ均一にアノード電極層１２ａへと供給させることが可能である。これによって、カソード側から窒素等の不純ガスが移動してきた場合であっても、図に示すように、供給水素によって窒素が均一に分布した状態を保持することが可能である。このように窒素が均一に分布した状態が保持されていれば、アノード側とカソード側とで窒素分圧の均衡がとれた状態で発電を継続することが可能である。
【００５８】
図５（Ｂ）は、比較例として他の構成を有する燃料電池の発電中におけるアノード電極層１２ａＡの窒素分布を、図５（Ａ）と同様に示す模式図である。この比較例の燃料電池は、本実施例の燃料電池１００と同様に水素の排出経路が設けられていない。また、この比較例の燃料電池では、アノード側への水素の供給を、アノード用ガス流路部材３０（図４（Ａ））を用いることなく、カソード用ガス流路部材４０（図４（Ｂ））と同様な多孔質性の流路部材によって行う。なお、水素は、図中の矢印に示すように、発電領域の一方の側（図の右側）から供給されている。
【００５９】
ここで、窒素分子は水素分子よりも拡散速度が遅い。そのため、この比較例のように一方の側から水素が供給されるような場合には、カソード側から移動してきた窒素は、図に示すように、水素の供給孔とは反対側へと凝縮された分布となってしまう。このように不純ガスが局所的に存在すると、その発電領域は発電不能に陥る可能性がある。なお、図５（Ｂ）には、窒素の局所的分布によって発電停止に陥った単位セル領域１２ａｃを×印で示してある。この発電不能領域において異常電位が生じた場合には、触媒層の劣化などを引きおこすおそれもある。従って、アノードデッドエンド運転を行う燃料電池には、本実施例のアノード用ガス流路部材３０を用いた構成が好ましい。
【００６０】
なお、アノード電極層１２ａに接する最下層の誘導流路層の貫通孔から所定の流速で水素を噴出させることによって、アノード側に移動してきた非反応ガスがアノード用ガス流路部材３０へと侵入することを抑制できる。これによって、非反応ガスによって、アノード用ガス流路部材３０の内部における水素の拡散が阻害される可能性を低減できる。即ち、本実施例における誘導流路層は、マニホールド孔から供給された高濃度の水素ガスと、アノード電極層１２ａに存在する非反応ガス及び水素の混合ガスとを分離する分離板として機能していると解釈することも可能である。
【００６１】
このように、本実施例の構成によれば、アノード側における排気処理が省略されているような場合であっても、アノード側への水素の供給をほぼ均一化することによって、発電を良好に続行することが出来る。
【００６２】
Ｂ．アノード用ガス流路部材の他の構成例：
上記第１実施例で説明したアノード用ガス流路部材３０は、以下に説明する他の構成によっても実現することが可能である。以下に、図６〜図１０を用いてアノード用ガス流路部材の他の構成例を説明する。なお、図６〜図１０にはそれぞれ、複数の誘導流路層の構成のみ図示されているが、複数の誘導流路層に拡散流路層が挟持される構成は、上記実施例と同様である。また、図６〜図１０に示された誘導流路層には、図３と同様に、アノード電極層１２ａを下側と見たときに、上側に配置される誘導流路層に設けられた貫通孔の配置領域が破線で図示してある。
【００６３】
Ｂ１．第１構成例：
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、アノード用ガス流路部材の第１構成例として、第１ないし第４の誘導流路層の構成を示す説明図である。図６（Ａ）〜（Ｄ）は、図６（Ｄ）に示す第４の誘導流路層３７Ａの貫通孔６７の形成領域が異なる点以外は、上記実施例で説明した図３（Ａ）〜（Ｄ）とほぼ同じである。
【００６４】
図６（Ｄ）に示す第４の誘導流路層３７Ａは、図３（Ｄ）に示す第４の誘導流路層３７と異なり、貫通孔６７が、面中央の領域７０には設けられておらず、その周辺領域に周状に配列して設けられている。このような構成とすることによって、中央領域７０の周辺領域における水素の供給量を増加させることが出来る。
【００６５】
Ｂ２．第２構成例：
図７（Ａ）〜（Ｄ）は、アノード用ガス流路部材の第２構成例として、各誘導流路層の構成を示す説明図である。図７（Ａ）〜（Ｄ）は、図７（Ｄ）に示す第４の誘導流路層３７Ｂに径の異なる２種類の貫通孔６７ａ、６７ｂが設けられている点以外は、図３（Ａ）〜（Ｄ）とほぼ同じである。
【００６６】
第４の誘導流路層３７Ｂには、径の大きい第１の貫通孔６７ａが、径の小さい第２の貫通孔６７の形成された領域の外周を囲むように配列して設けられている。なお、各貫通孔６７ａ，６７ｂの形成位置は、上記実施例の第４の誘導流路層３７（図３（Ｄ））と同様である。この構成によれば、第１の貫通孔６７ａの設けられた領域の水素供給量を増加させることが出来る。
【００６７】
Ｂ３．第３構成例：
図８（Ａ）〜（Ｄ）は、アノード用ガス流路部材の第３構成例として、各誘導流路層の構成を示す説明図である。図８（Ａ）〜（Ｄ）は、図８（Ａ）に示す第１の誘導流路層３１Ｃに設けられた貫通孔６１の形成領域が異なる点と、図８（Ｄ）に示す第４の誘導流路層３７Ｃに設けられた貫通孔６７の形成領域が異なる点以外は、図３（Ａ）〜（Ｄ）とほぼ同じである。
【００６８】
この第３構成例では、第１の誘導流路層３１Ｃの貫通孔６１が、一方の側（紙面に対して右側）に片寄って設けられている（図７（Ａ））。また、第４の誘導流路層３７Ｃの貫通孔６７は、その反対の側（紙面に対して左側）の方が数が多くなるように片寄って設けられている。このように、アノード用ガス流路部材３０へ水素が供給される位置に応じて第４の誘導流路層３７Ｃ（アノード電極層１２ａに最も近い誘導流路層）の貫通孔６７の形成位置を決定しても良い。
【００６９】
Ｂ４．第４構成例：
図９（Ａ），（Ｂ）は、アノード用ガス流路部材の第４構成例として、第１と第２の誘導流路層の構成を示す説明図である。図９（Ａ）は、第１の誘導流路層３１Ｄを示しており、図３（Ａ）に示す第１の誘導流路層３１とほぼ同じである。図９（Ｂ）は、第２の誘導流路層３３Ｄを示しており、図３（Ｃ）に示す第３の誘導流路層３５とほぼ同じである。即ち、この第４構成例のアノード用ガス流路部材は、図３で説明した第２と第４の誘導流路層３３，３７が省略されており、２つの誘導流路層３１Ｄ，３３Ｄに１つの拡散流路層３２が挟持された構成である。このように、アノード用ガス流路部材は、誘導流路層及び拡散流路層の数を少なくして構成しても良い。
【００７０】
Ｂ５．第５構成例：
図１０（Ａ）〜（Ｄ）は、アノード用ガス流路部材の第５構成例として、各誘導流路層の構成を示す説明図である。この第５構成例の４つの誘導流路層３１Ｅ，３３Ｅ，３５Ｅ，３７Ｅには、それぞれ同じ径の大きさで同じ数の貫通孔６１，６３，６５，６７が設けられている。ただし、各誘導流路層３１Ｅ，３３Ｅ，３５Ｅ，３７Ｅごとに貫通孔６１，６３，６５，６７の形成位置が異なっている。具体的には、各誘導流路層３１Ｅ，３３Ｅ，３５Ｅ，３７Ｅの貫通孔６１，６３，６５，６７は、縦３列、横３列で等間隔に配列されているが、アノード電極層１２ａの近くに配置される誘導流路層ほど、貫通孔６１，６３，６５，６７の間隔が広くなるように設けられている。このような構成であっても、供給水素の拡散性を向上させることが可能である。
【００７１】
Ｂ６．まとめ：
このように、誘導流路層に設けられる貫通孔の位置や大きさなどは、任意に構成することが出来る。但し、貫通孔は、アノード電極面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、不純物の分布が均一化するように設けられていることが好ましい。
【００７２】
Ｃ．第１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。
【００７３】
Ｃ１．第１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を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。
【００７４】
Ｃ２．第１実施例の変形例２：
上記第１実施例において、第１ないし第４の誘導流路層３１，３３，３５，３７が設けられていたが、さらに複数の誘導流路層が設けられているものとしても良い。誘導流路層は少なくとも、２層以上設けられていれば良い。
【００７５】
Ｃ３．第１実施例の変形例３：
上記第１実施例において、拡散流路層３２には、導電性の多孔質部材を配置していたが、他の部材を配置するものとしても良い。例えば、隣接する各誘導流路層の貫通孔同士を連結する流路溝が設けられた板状部材としても良いし、いわゆるエキスパンドメタルによって構成されていても良い。
【００７６】
また、拡散流路層３２は、単なる空間（中空）として設けられているものとしても良い。ただし、この場合には、各誘導流路層の間に距離を設けるためのスペーサ部材が配置されるとともに、各誘導流路層間に導電経路が設けられることが好ましい。
【００７７】
Ｄ．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、上述したシャワー板を有する構成（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。
【００７８】
Ｄ１．ガス流路構造の変形例（シャワー流路タイプ）：
図１１は、ガス流路の第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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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、シャワー流路の第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。
【００８２】
次にシャワー流路の第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。
【００８３】
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。
【００８４】
次に、シャワー流路の第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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
Ｄ２．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、燃料ガスを各拡散流路層３１，３３，３５，３７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。
【００８８】
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の拡散流路層３２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、拡散流路層３２と同程度もしくはそれ以下となっている。
【００８９】
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。
【００９０】
なお、この流路形成部材５０００は、全ての拡散流路層３２に代えて用いてもよいが、一部の拡散流路層３２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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
Ｄ３．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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
Ｄ４．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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
Ｄ５−１．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。
【０１０３】
Ｄ５−２．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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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】
【０１０６】
【図１】燃料電池システムの構成を示すブロック図。
【図２】燃料電池及びアノード用ガス流路部材の構成を示す概略断面図。
【図３】誘導流路層の構成を示す概略図。
【図４】燃料電池内における反応ガスの流れを説明するための模式図。
【図５】アノード側の発電領域における窒素分布を説明するための説明図。
【図６】誘導流路層の他の構成例を示す概略図。
【図７】誘導流路層の他の構成例を示す概略図。
【図８】誘導流路層の他の構成例を示す概略図。
【図９】誘導流路層の他の構成例を示す概略図。
【図１０】誘導流路層の他の構成例を示す概略図。
【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】
【０１０７】
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，１２ａＡ…アノード電極層
１２ａｃ…単位セル領域
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…アノード用ガス流路
３０…アノード用ガス流路部材
３１，３１Ｃ，３１Ｄ，３１Ｅ…第１の誘導流路層
３３，３３Ｄ、３３Ｅ…第２の誘導流路層
３５，３５Ｅ…第３の誘導流路層
３７，３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｅ…第４の誘導流路層
３２…拡散流路層
４０…カソード用ガス流路部材
５１，５３，５４…マニホールド孔
６１，６３，６５，６７，６７ａ，６７ｂ…貫通孔
７０…中央領域
７１…水素供給流路
７２…水素供給孔
７３…酸素供給流路
７４…酸素供給孔
７５…酸素排出孔
７６…酸素排出流路
１００…燃料電池
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】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2009026527.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2009026527.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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