(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおいて、複数の膜電極接合体のうちの一部の膜電極接合体におけるフラッディングによる発電性能の低下を抑制する。【解決手段】燃料電池スタックは、各膜電極接合体４１の少なくとも一方の表面にそれぞれ積層され、ガス拡散電極（アノード側触媒層４１１ａｃ、および、カソード側触媒層４１１ｃｃ）に供給すべき反応ガス（水素、および、空気）を流すための流路を構成する複数の流路構成部材として、エキスパンドメタル４２ａ、または、エキスパンドメタル４２ｂを備える。エキスパンドメタル４２ａ、および、エキスパンドメタル４２ｂは、エキスパンドメタル４２ｂの空隙率が、エキスパンドメタル４２ａの空隙率よりも高くなるように形成されている。そして、エキスパンドメタル４２ｂは、複数の膜電極接合体４１のうちの、反応ガスの流速が遅くなり、フラッディングが生じやすい膜電極接合体４１の表面に積層される。【選択図】図２
2009117221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に、それぞれ、ガス拡散電極を接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、
前記各膜電極接合体の少なくとも一方の表面にそれぞれ積層され、前記ガス拡散電極に供給すべき反応ガスを流すための流路を構成する、エキスパンドメタルからなる複数の流路構成部材を備え、
前記複数の流路構成部材は、
第１の空隙率を有する第１のエキスパンドメタルと、
前記第１の空隙率よりも高い第２の空隙率を有する第２のエキスパンドメタルと、を含む、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記スタック構造の積層方向の少なくとも一方の端部側に設けられ、前記燃料電池の外部から内部に前記反応ガスを供給するための反応ガス供給口と、
前記反応ガス供給口から、複数の前記膜電極接合体に、前記反応ガスを分配して供給するための反応ガス供給マニホールドと、を備え、
前記第１のエキスパンドメタルは、
前記複数の膜電極接合体のうちの、前記反応ガス供給口からの距離が比較的近い部位に配置された前記膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層されており、
前記第２のエキスパンドメタルは、
前記複数の膜電極接合体のうちの、前記反応ガス供給口からの距離が比較的遠い部位に配置された前記膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層されている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記反応ガス供給口は、前記スタック構造の積層方向の一方の端部側に設けられており、
前記第２のエキスパンドメタルは、前記反応ガス供給口が設けられている側とは反対側の端部に配置された前記膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層されている、燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第１のエキスパンドメタルは、
複数の前記膜電極接合体のうちの、前記スタック構造の積層方向の中央部に配置された前記膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層されており、
前記第２のエキスパンドメタルは、
前記複数の膜電極接合体のうちの、前記スタック構造の積層方向の両端部に配置された前記膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層されている、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第２のエキスパンドメタルは、前記膜電極接合体の少なくともカソード側の表面に積層されている、燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第１のエキスパンドメタルは、
金属薄板に、千鳥状に配置された切れ目を形成するとともに、前記金属薄板の厚さ方向に対して略垂直方向に、前記切れ目を広げるように引き伸ばして網目を形成した後、前記第１のエキスパンドメタルの厚さが第１の厚さとなるように圧延することによって作製されており、
前記第２のエキスパンドメタルは、
前記第１のエキスパンドメタルの作製に用いられる金属薄板と同一種類の金属薄板に、前記第１のエキスパンドメタルの作製に用いられる金属薄板に形成された切れ目と同一の配置で同一形状の切れ目を形成するとともに、前記金属薄板の厚さ方向に対して略垂直方向に、前記切れ目を引き伸ばして、前記第１と同一形状の網目を形成した後、前記第２のエキスパンドメタルの厚さが前記第１の厚さよりも厚い第２の厚さとなるように圧延することによって作製されている、
燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、固体高分子膜からなる、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スタック構造を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、この燃料電池には、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、ガス拡散電極（アノード、および、カソード）を接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層したスタック構造を有するものがある（以下、燃料電池スタックとも呼ぶ）。
【０００３】
このような燃料電池スタックに関し、従来、各膜電極接合体に反応ガス（燃料ガス、および、酸化剤ガス）を供給するとともに、発電された電気を集電するための部材として、ラスメタル（エキスパンドメタル）を適用することが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−８７７６８号公報
【特許文献２】特開２００５−１４２００１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池スタックには、外部から供給された反応ガスを、各膜電極接合体に分配して供給するためのマニホールドが設けられており、このマニホールドの内部における圧力損失等によって、膜電極接合体ごとに反応ガスの流速にバラツキが生じる。また、燃料電池スタックでは、膜電極接合体において、上記電気化学反応によって生成水が生成されるので、この生成水が膜電極接合体の表面に過剰に滞留すると、フラッディングが生じる。そして、上記生成水は、反応ガスの流速によって燃料電池スタックの外部に排出されるため、複数の膜電極接合体のうちの、反応ガスの流速が比較的遅い一部の膜電極接合体では、反応ガスの流速は比較的速い他の膜電極接合体と比較して、フラッディングが生じやすくなり、発電性能の低下を招く。このような不具合は、燃料電池スタックへの反応ガスの供給量が少ない場合に、特に顕著である。
【０００６】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、上述した一部の膜電極接合体におけるフラッディングによる発電性能の低下ついて、何ら考慮されていなかった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて、複数の膜電極接合体のうちの一部の膜電極接合体におけるフラッディングによる発電性能の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］電解質膜の両面に、それぞれ、ガス拡散電極を接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、前記各膜電極接合体の少なくとも一方の表面にそれぞれ積層され、前記ガス拡散電極に供給すべき反応ガスを流すための流路を構成する、エキスパンドメタルからなる複数の流路構成部材を備え、前記複数のエキスパンドメタルは、第１の空隙率を有する第１のエキスパンドメタルと、前記第１の空隙率よりも高い第２の空隙率を有する第２のエキスパンドメタルと、を含む、燃料電池。
【００１０】
適用例１の燃料電池では、上記複数の流路構成部材として、第１の空隙率を有する第１のエキスパンドメタルと、第１の空隙率よりも高い第２の空隙率を有する第２のエキスパンドメタルとを備えている。ここで、エキスパンドメタルにおける空隙率とは、エキスパンドメタルが占有する体積当たりの空隙の割合を意味している。そして、本適用例の燃料電池では、第２のエキスパンドメタルの方が、第１のエキスパンドメタルよりも空隙率が高いので、第２のエキスパンドメタルに反応ガスを流したときの流路抵抗は、第１のエキスパンドメタルよりも低くなる。また、燃料電池スタックにおいて、複数の膜電極接合体のうち、フラッディングが生じやすい膜電極接合体は、実験的、あるいは、解析的に、予め知得可能である。したがって、フラッディングが比較的生じにくい膜電極接合体の少なくとも一方の表面に第１のエキスパンドメタルを積層し、フラッディングが比較的生じやすい膜電極接合体の少なくとも一方の表面に第２のエキスパンドメタルを積層するようにすれば、フラッディングが生じやすい膜電極接合体の表面における反応ガスの流速を速くし、発電によって生成された生成水を、燃料電池の外部に速やかに排出するようにすることができる。つまり、適用例１の燃料電池によって、複数の膜電極接合体のうちの一部の膜電極接合体におけるフラッディングによる発電性能の低下を抑制することができる。なお、第１のエキスパンドメタルにおける第１の空隙率、および、第２のエキスパンドメタルにおける第２の空隙率は、第２の空隙率が第１の空隙率よりも高いという条件下で、それぞれ、ガス拡散電極との接触抵抗や、反応ガスが流れるときの流路抵抗を考慮して、任意に設定可能である。
【００１１】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、前記スタック構造の積層方向の少なくとも一方の端部側に設けられ、前記燃料電池の外部から内部に前記反応ガスを供給するための反応ガス供給口と、前記反応ガス供給口から、複数の前記膜電極接合体に、前記反応ガスを分配して供給するための反応ガス供給マニホールドと、を備え、前記第１のエキスパンドメタルは、前記複数の膜電極接合体のうちの、前記反応ガス供給口からの距離が比較的近い部位に配置された前記膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層されており、前記第２のエキスパンドメタルは、前記複数の膜電極接合体のうちの、前記反応ガス供給口からの距離が比較的遠い部位に配置された前記膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層されている、燃料電池。
【００１２】
燃料電池スタックにおいて、積層されたすべての膜電極接合体の少なくとも一方の表面に、上記流路構成部材として、同一の空隙率を有するエキスパンドメタルを積層した場合、燃料電池スタックの内部における圧力損失等によって、上記反応ガス供給口からの距離が比較的遠い部位に配置された膜電極接合体の表面では、上記反応ガス供給口からの距離が比較的近い部位に配置された膜電極接合体の表面よりも、反応ガスの流速が遅くなる。このため、上記反応ガス供給口からの距離が比較的遠い部位に配置された膜電極接合体では、フラッディングが生じやすくなる。ここで、「反応ガス供給口からの距離が比較的遠い部位に配置された膜電極接合体」および、「反応ガス供給口からの距離が比較的近い部位に配置された膜電極接合体」とは、１枚に限られず、複数枚であってもよい。
【００１３】
適用例２の燃料電池では、上記反応ガス供給口からの距離が比較的近い部位に配置された膜電極接合体の少なくとも一方の表面に第１のエキスパンドメタルを積層し、上記反応ガス供給口からの距離が比較的遠い部位に配置された膜電極接合体の少なくとも一方の表面に第２のエキスパンドメタルを積層するので、反応ガスの流速が遅くなり、フラッディングが生じやすい膜電極接合体の表面における反応ガスの流速を速くし、上記生成水を、燃料電池の外部に速やかに排出するようにすることができる。
【００１４】
［適用例３］適用例２記載の燃料電池であって、前記反応ガス供給口は、前記スタック構造の積層方向の一方の端部側に設けられており、前記第２のエキスパンドメタルは、前記反応ガス供給口が設けられている側とは反対側の端部に配置された前記膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層されている、燃料電池。
【００１５】
反応ガス供給口が、スタック構造の積層方向の一方の端部側に設けられている場合、反応ガス供給口が設けられている側とは反対側の端部に配置された膜電極接合体の表面において、反応ガスの流速が遅くなり、フラッディングが生じやすくなる。ここで、「端部に配置された膜電極接合体」とは、１枚に限られず、複数枚であってもよい。
【００１６】
適用例３の燃料電池では、反応ガス供給口が設けられている側とは反対側の端部に配置された膜電極接合体の少なくとも一方の表面に、第２のエキスパンドメタルが積層されるので、反応ガスの流速が遅くなり、フラッディングが生じやすい膜電極接合体の表面における反応ガスの流速を速くし、上記生成水を、燃料電池の外部に速やかに排出するようにすることができる。
【００１７】
なお、適用例２の燃料電池において、上記反応ガス供給口が、スタック構造の積層方向の両方の端部側に設けられている場合には、スタック構造の積層方向の中央部に配置された膜電極接合体の表面において、反応ガスの流速が遅くなり、フラッディングが生じやすくなるので、第２のエキスパンドメタルが、スタック構造の積層方向の中央部に配置された膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層されているようにしてもよい。
【００１８】
［適用例４］適用例１記載の燃料電池であって、前記第１のエキスパンドメタルは、複数の前記膜電極接合体のうちの、前記スタック構造の積層方向の中央部に配置された前記膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層されており、前記第２のエキスパンドメタルは、前記複数の膜電極接合体のうちの、前記スタック構造の積層方向の両端部に配置された前記膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層されている、燃料電池。
【００１９】
燃料電池スタックでは、一般に、スタック構造の積層方向の両端部に配置された膜電極接合体は、放熱によって中央部に配置された膜電極接合体よりも温度が低くなりやすい。このため、燃料電池スタックの両端部に配置された膜電極接合体では、蒸気圧が低下し、上記生成水が凝縮して滞留しやすくなり、フラッディングが生じやすくなる。ここで、「中央部に配置された膜電極接合体」、および、「両端部に配置された膜電極接合体」とは、１枚に限られず、複数枚であってもよい。
【００２０】
適用例４の燃料電池では、第２のエキスパンドメタルが、複数の膜電極接合体のうちの、スタック構造の積層方向の両端部に配置された膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層されているので、フラッディングが生じやすい膜電極接合体の表面における反応ガスの流速を速くし、上記生成水を、燃料電池の外部に速やかに排出するようにすることができる。
【００２１】
［適用例５］適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、前記第２のエキスパンドメタルは、前記膜電極接合体の少なくともカソード側の表面に積層されている、燃料電池。
【００２２】
上記生成水は、カソード反応によって生成されるため、一般に、フラッディングは、膜電極接合体のカソード側で生じやすい。適用例５の燃料電池によって、膜電極接合体の少なくともカソード側でのフラッディングを効果的に抑制することができる。さらに、第２のエキスパンドメタルを、膜電極接合体のアノード側の表面にも積層するようにすれば、電解質膜を介して、カソードからアノードに透過した生成水を効果的に排出することができる。
【００２３】
［適用例６］適用例１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、前記第１のエキスパンドメタルは、金属薄板に、千鳥状に配置された切れ目を形成するとともに、前記金属薄板の厚さ方向に対して略垂直方向に、前記切れ目を広げるように引き伸ばして網目を形成した後、前記第１のエキスパンドメタルの厚さが第１の厚さとなるように圧延することによって作製されており、前記第２のエキスパンドメタルは、前記第１のエキスパンドメタルの作製に用いられる金属薄板と同一種類の金属薄板に、前記第１のエキスパンドメタルの作製に用いられる金属薄板に形成された切れ目と同一の配置で同一形状の切れ目を形成するとともに、前記金属薄板の厚さ方向に対して略垂直方向に、前記切れ目を引き伸ばして、前記第１と同一形状の網目を形成した後、前記第２のエキスパンドメタルの厚さが前記第１の厚さよりも厚い第２の厚さとなるように圧延することによって作製されている、燃料電池。
【００２４】
適用例６の燃料電池では、同一の金属薄板に同一の配置で同一形状の切れ目を形成するとともに、金属薄板の厚さ方向に対して略垂直方向に、前記切れ目を引き伸ばした後、圧延によって、エキスパンドメタルの厚さを変えるのみで、第１のエキスパンドメタルと、第２のエキスパンドメタルとを作製することができる。したがって、第１のエキスパンドメタルと、第２のエキスパンドメタルとの生産性、ひいては、燃料電池の生産性を向上させることができる。
【００２５】
なお、第１のエキスパンドメタルと第２のエキスパンドメタルとの厚さを同一とし、金属薄板の厚さや、金属薄板に形成される切れ目の配置や、形状が互いに異なるようにすることによって、空隙率が互いに異なるようにしてもよい。例えば、厚さが互いに異なる金属薄板に、互いに異なる配置で、互いに異なる形状の切れ目を形成するとともに、各金属薄板の厚さ方向に対して略垂直方向に、切れ目を広げるように引き伸ばして網目を形成した後、同一の厚さとなるように圧延することによって、第１のエキスパンドメタル、および、第２のエキスパンドメタルを作製するようにしてもよい。
【００２６】
［適用例７］適用例１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、前記電解質膜は、固体高分子膜からなる、燃料電池。
【００２７】
電解質膜として固体高分子膜を用いる固体高分子型燃料電池は、他の電解質膜を用いた燃料電池と比較して、動作温度が低温（８０（℃）程度）であるため、生成水が凝縮しやすく、フラッディングが生じやすい。適用例７の燃料電池によって、固体高分子型の燃料電池スタックにおける部分的なフラッディングを効果的に抑制することができる。
【００２８】
本発明は、上述した種々の特徴の一部を、適宜、組み合わせて構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、セパレータは、図示は省略するが、３層構造を有しており、セパレータ内には、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、燃料電池スタック１００における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００３０】
燃料電池スタック１００は、図示するように、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の燃料電池モジュール４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。本実施例では、これらは、それぞれ略矩形形状を有している。そして、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各膜電極接合体に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各膜電極接合体のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。
【００３１】
そして、図示するように、エンドプレート１０ａの下側長辺の内側には、下側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する空気供給口１２ｉが形成されている。また、エンドプレート１０ａの上側長辺の内側には、上側長辺に沿って、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出口１２ｏが形成されている。また、エンドプレート１０ａの左側短辺の内側には、水素供給マニホールドを構成する水素供給口１４ｉ、および、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給口１６ｉが、上下に互いに隣接して形成されている。また、エンドプレート１０ａの右側短辺には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出口１６ｏ、および、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出口１４ｏが、上下に互いに隣接して形成されている。
【００３２】
水素供給口１４ｉには、図示しない水素タンクから、燃料ガスとしての水素が供給され、燃料電池スタック１００のアノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出口１４ｏから排出される。また、空気供給口１２ｉには、図示しないエアコンプレッサによって圧縮された酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が供給され、燃料電池スタック１００のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出口１２ｏから排出される。また、冷却水供給口１６ｉには、図示しないラジエータによって冷却され、ポンプによって加圧された冷却水が供給され、燃料電池スタック１００の内部を流れて、冷却水排出口１６ｏから排出されて循環する。
【００３３】
エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するために、鋼等の金属によって形成されている。また、絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。また、集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ出力端子３２ａ，３２ｂが設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００３４】
Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
図２は、第１実施例における燃料電池モジュール４０の概略構成を示す説明図である。図２（ａ）に、第１実施例の燃料電池スタック１００の概略側面図を模式的に示した。なお、本実施例では、図２（ａ）中に破線で示したように、燃料電池スタック１００において、図１に示した空気供給口１２ｉ、および、水素供給口１４ｉから比較的近い部分を近側部と呼び、空気供給口１２ｉ、および、水素供給口１４ｉから比較的遠い部分を端部と呼ぶものとする。
【００３５】
燃料電池スタック１００において、上記端部に配置された燃料電池モジュール４０では、水素供給マニホールド、および、空気供給マニホールドから各膜電極接合体４１に供給される水素、および、空気の流速は、圧力損失等によって、上記近側部に配置された燃料電池モジュール４０の各膜電極接合体４１に供給される水素、および、空気の流速よりも遅くなる傾向にある。このため、上記端部に配置された燃料電池モジュール４０の膜電極接合体４１では、上記近側部に配置された燃料電池モジュール４０の膜電極接合体４１と比較して、発電によって生成された生成水により、フラッディングが生じやすくなる。そこで、本実施例では、燃料電池モジュール４０に、以下に説明する構成を適用した。
【００３６】
図２（ｂ）に、上記近側部に配置された燃料電池モジュール４０の断面構造を示した。また、図２（ｃ）に、上記端部に配置された燃料電池モジュール４０の断面構造を示した。
【００３７】
図２（ｂ）に示したように、上記近側部に配置された燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体４１の両面に、それぞれ、エキスパンドメタル４２ａを積層させ、これらをセパレータ４３によって挟持することによって構成されている。本実施例において、膜電極接合体４１は、電解質膜４１１ｍの一方の面に、アノードとして、アノード側触媒層４１１ａｃと、アノード側ガス拡散層４１１ａｄとがこの順に接合され、電解質膜４１１ｍの他方の面に、カソードとして、カソード側触媒層４１１ｃｃと、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄとがこの順に接合されたものである。アノード側ガス拡散層４１１ａｄ、および、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄとしては、例えば、カーボンクロスや、カーボンペーパ等を適用可能である。アノード、および、カソードは、本発明におけるガス拡散電極に相当する。
【００３８】
エキスパンドメタル４２ａは、膜電極接合体４１のアノード、および、カソードに、それぞれ供給すべき水素、および、空気を流すための流路を構成する。なお、エキスパンドメタルは、周知であるため、エキスパンドメタル４２ａについての詳細な説明は省略するが、エキスパンドメタル４２ａは、金属薄板に、千鳥状に配置された切れ目を形成するとともに、金属薄板の厚さ方向に対して略垂直方向に、上記切れ目を広げるように引き伸ばして網目を形成した後、エキスパンドメタル４２ａの厚さＤが所定の厚さｄ１となるように圧延することによって作製されている。
【００３９】
また、図２（ｃ）に示したように、上記端部に配置された燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体４１の両面に、それぞれ、エキスパンドメタル４２ｂを積層させ、これらをセパレータ４３によって挟持することによって構成されている。上記端部に配置された燃料電池モジュール４０において、エキスパンドメタル４２ｂは、先に説明したエキスパンドメタル４２ａと同様に、金属薄板に、千鳥状に配置された切れ目を形成するとともに、金属薄板の厚さ方向に対して略垂直方向に、上記切れ目を広げるように引き伸ばして網目を形成した後、エキスパンドメタル４２ｂの厚さＤが所定の厚さｄ２となるように圧延することによって作製されている。
【００４０】
なお、本実施例において、エキスパンドメタル４２ａ、および、エキスパンドメタル４２ｂは、ともに、同一の金属薄板に同一の配置で同一形状の切れ目を形成する工程を経て作製されており、厚さのみが互いに異なっている。そして、エキスパンドメタル４２ｂの厚さｄ２は、エキスパンドメタル４２ａの厚さｄ１よりも厚く設定されている。したがって、エキスパンドメタル４２ｂの空隙率は、エキスパンドメタル４２ａの空隙率よりも高い。そして、エキスパンドメタル４２ｂの空隙率が、エキスパンドメタル４２ａの空隙率よりも高いので、エキスパンドメタル４２ｂに反応ガス（水素、および、空気）を流したときの流路抵抗は、エキスパンドメタル４２ａに反応ガスを流したときの流路抵抗よりも低くなる。エキスパンドメタル４２ａの空隙率、および、エキスパンドメタル４２ｂの空隙率、すなわち、金属薄板の厚さや、切れ目の配置、および、サイズや、厚さｄ１，ｄ２は、エキスパンドメタル４２ｂの空隙率がエキスパンドメタル４２ａの空隙率よりも高いという条件下で、それぞれ、アノード側ガス拡散層４１１ａｄ、および、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄとの接触抵抗や、水素や空気が流れるときの流路抵抗を考慮して、任意に設定可能である。エキスパンドメタル４２ａは、本発明における第１のエキスパンドメタルに相当する。また、エキスパンドメタル４２ｂは、本発明における第２のエキスパンドメタルに相当する。
【００４１】
Ａ３．効果：
図３は、第１実施例の効果を示す説明図である。本実施例の燃料電池スタック１００の端部に配置された燃料電池モジュール４０と、比較例の燃料電池スタックの端部に配置された燃料電池モジュールとについて、発電時間と電圧（いわゆるセル電圧）との関係を示した。図中に示した実線は、本実施例の燃料電池スタック１００の端部に配置された燃料電池モジュール４０における発電時間と電圧との関係を示しており、破線は、比較例の燃料電池スタックの端部に配置された燃料電池モジュールにおける発電時間と電圧との関係を示している。なお、比較例の燃料電池スタックの構成は、上記端部に配置された燃料電池モジュールにおいて、膜電極接合体４１の両面に積層されるエキスパンドメタルの厚さＤが、Ｄ＝ｄ１であること以外は、本実施例の燃料電池スタック１００の構成と同じである。
【００４２】
比較例の燃料電池スタックでは、図中に破線で示したように、上記端部に配置された燃料電池モジュールの膜電極接合体４１において、ある時間でフラッディングが生じ、電圧が急激に低下した。これに対し、本実施例の燃料電池スタック１００では、図中に実線で示したように、上記端部に配置された燃料電池モジュール４０の膜電極接合体４１において、フラッディングは生じず、急激な電圧の低下は生じなかった。
【００４３】
以上説明した第１実施例の燃料電池スタック１００では、複数の膜電極接合体４１のうちの、上記近側部に配置された燃料電池モジュール４０の膜電極接合体４１の両面に、エキスパンドメタル４２ａを積層し、上記端部に配置された燃料電池モジュール４０の膜電極接合体４１の両面に、エキスパンドメタル４２ａよりも空隙率が高いエキスパンドメタル４２ｂを積層している。したがって、反応ガスの流速が遅くなり、フラッディングが生じやすい膜電極接合体４１の表面における反応ガスの流速を速くし、発電によって生成された生成水を、燃料電池スタック１００の外部に速やかに排出するようにすることができる。つまり、第１実施例の燃料電池スタック１００によって、複数の膜電極接合体４１のうちの一部の膜電極接合体４１におけるフラッディングによる発電性能の低下を抑制することができる。
【００４４】
また、第１実施例の燃料電池スタック１００では、同一の金属薄板に同一の配置で同一形状の切れ目を形成するとともに、金属薄板の厚さ方向に対して略垂直方向に、前記切れ目を引き伸ばした後、圧延によって、エキスパンドメタルの厚さを変えるのみで、エキスパンドメタル４２ａ、および、エキスパンドメタル４２ｂを作製することができる。したがって、エキスパンドメタル４２ａ、および、エキスパンドメタル４２ｂの生産性、ひいては、燃料電池スタック１００の生産性を向上させることができる。
【００４５】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池スタックの構成：
第２実施例の燃料電池スタックの構成は、図１に示した第１実施例の燃料電池スタック１００の構成とほぼ同じである。したがって、第２実施例の燃料電池スタックの構成についての詳細な説明は省略する。ただし、第２実施例の燃料電池スタックでは、複数の燃料電池モジュール４０のうちの一部の燃料電池モジュール４０の構成が、第１実施例の燃料電池スタック１００と異なっている。以下、第２実施例の燃料電池モジュール４０について説明する。
【００４６】
Ｂ２．燃料電池モジュールの構成：
図４は、第２実施例における燃料電池モジュール４０の概略構成を示す説明図である。図４（ａ）に、燃料電池スタックの概略側面図を模式的に示した。なお、本実施例では、図４（ａ）中に破線で示したように、燃料電池スタックにおいて、燃料電池モジュール４０の積層方向の両端部を端部と呼び、この両端部以外の部分を中央部と呼ぶものとする。
【００４７】
燃料電池スタックにおいて、両端部に配置された燃料電池モジュール４０における膜電極接合体４１は、放熱によって中央部に配置された燃料電池モジュール４０における膜電極接合体４１よりも温度が低くなりやすい。このため、燃料電池スタックの両端部に配置された燃料電池モジュール４０における膜電極接合体４１では、蒸気圧が低下し、発電によって生成された生成水が凝縮して滞留しやすくなり、フラッディングが生じやすくなる。そこで、本実施例では、燃料電池モジュール４０に、以下に説明する構成を適用した。
【００４８】
図４（ｂ）に、上記中央部に配置された燃料電池モジュール４０の断面構造を示した。また、図４（ｃ）に、上記両端部に配置された燃料電池モジュール４０の断面構造を示した。
【００４９】
図４（ｂ）に示したように、上記中央部に配置された燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体４１の両面に、それぞれ、エキスパンドメタル４２ａを積層させ、これらをセパレータ４３によって挟持することによって構成されている。そして、上記中央部に配置された燃料電池モジュール４０の構成は、図２との比較から分かるように、先に説明した第１実施例の燃料電池スタック１００における近側部に配置された燃料電池モジュール４０の構成と同じである。
【００５０】
また、図４（ｃ）に示したように、上記両端部に配置された燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体４１の両面に、それぞれ、エキスパンドメタル４２ｂを積層させ、これらをセパレータ４３によって挟持することによって構成されている。そして、上記両端部に配置された燃料電池モジュール４０の構成は、図２との比較から分かるように、先に説明した第１実施例の燃料電池スタック１００における端部に配置された燃料電池モジュール４０の構成と同じである。
【００５１】
なお、本実施例におけるエキスパンドメタル４２ａ、および、エキスパンドメタル４２ｂは、第１実施例における４２ａ、および、エキスパンドメタル４２ｂとそれぞれ同一である。
【００５２】
以上説明した第２実施例の燃料電池スタックでは、複数の膜電極接合体４１のうちの、上記中央部に配置された燃料電池モジュール４０の膜電極接合体４１の両面にエキスパンドメタル４２ａを積層し、上記両端部に配置された燃料電池モジュール４０の膜電極接合体４１の両面に、エキスパンドメタル４２ａよりも空隙率が高いエキスパンドメタル４２ｂを積層している。したがって、放熱によって、温度が低くなり、フラッディングが生じやすい膜電極接合体４１の表面における反応ガスの流速を速くし、発電によって生成された生成水を、燃料電池スタックの外部に速やかに排出するようにすることができる。つまり、第２実施例の燃料電池スタックによって、複数の膜電極接合体４１のうちの一部の膜電極接合体４１におけるフラッディングによる発電性能の低下を抑制することができる。
【００５３】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．燃料電池スタックの構成：
第３実施例の燃料電池スタックの構成は、図１に示した第１実施例の燃料電池スタック１００の構成とほぼ同じである。したがって、第３実施例の燃料電池スタックについての詳細な説明は省略する。ただし、図示は省略するが、第３実施例の燃料電池スタックでは、エンドプレート１０ｂ（図１参照）にも空気供給口が形成されており、燃料電池スタックにおける複数の燃料電池モジュール４０の積層方向の両側から、燃料電池スタックの内部に空気を供給する構成としている。これに伴い、複数の燃料電池モジュール４０のうちの一部の燃料電池モジュール４０の構成が、第１実施例の燃料電池スタック１００と異なっている。以下、第３実施例の燃料電池モジュール４０について説明する。
【００５４】
Ｃ２．燃料電池モジュールの構成：
図５は、第３実施例における燃料電池モジュール４０の概略構成を示す説明図である。図５（ａ）に、第３実施例の燃料電池スタックの概略側面図を模式的に示した。なお、本実施例では、図５（ａ）中に破線で示したように、燃料電池スタックにおいて、エンドプレート１０ａ，１０ｂに設けられた２つの空気供給口から比較的近い部分を近側部と呼び、２つの空気供給口から比較的遠い中央部分を中央部と呼ぶものとする。
【００５５】
第３実施例の燃料電池スタックにおいて、上記中央部に配置された燃料電池モジュール４０では、空気供給マニホールドから各膜電極接合体４１に供給される空気の流速は、圧力損失等によって、上記近側部に配置された燃料電池モジュール４０の各膜電極接合体４１に供給される空気の流速よりも遅くなる傾向にある。このため、上記中央部に配置された燃料電池モジュール４０の膜電極接合体４１では、上記近側部に配置された燃料電池モジュール４０の膜電極接合体４１と比較して、発電によって生成された生成水により、フラッディングが生じやすくなる。そこで、本実施例では、燃料電池モジュール４０に、以下に説明する構成を適用した。
【００５６】
図５（ｂ）に、上記近側部に配置された燃料電池モジュール４０の断面構造を示した。また、図５（ｃ）に、上記中央部に配置された燃料電池モジュール４０の断面構造を示した。
【００５７】
図５（ｂ）に示したように、上記近側部に配置された燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体４１の両面に、それぞれ、エキスパンドメタル４２ａを積層させ、これらをセパレータ４３によって挟持することによって構成されている。そして、上記近側部に配置された燃料電池モジュール４０の構成は、図２との比較から分かるように、先に説明した第１実施例の燃料電池スタック１００における近側部に配置された燃料電池モジュール４０の構成と同じである。
【００５８】
また、図５（ｃ）に示したように、上記中央部に配置された燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体４１の両面に、それぞれ、エキスパンドメタル４２ｂを積層させ、これらをセパレータ４３によって挟持することによって構成されている。そして、上記中央部に配置された燃料電池モジュール４０の構成は、図２との比較から分かるように、先に説明した第１実施例の燃料電池スタック１００における端部に配置された燃料電池モジュール４０の構成と同じである。
【００５９】
なお、本実施例におけるエキスパンドメタル４２ａ、および、エキスパンドメタル４２ｂは、第１実施例における４２ａ、および、エキスパンドメタル４２ｂとそれぞれ同一である。
【００６０】
以上説明した第３実施例の燃料電池スタックでは、複数の膜電極接合体４１のうちの、上記近側部に配置された燃料電池モジュール４０の膜電極接合体４１の両面に、エキスパンドメタル４２ａを積層し、上記中央部に配置された燃料電池モジュール４０の膜電極接合体４１の両面に、エキスパンドメタル４２ａよりも空隙率が高いエキスパンドメタル４２ｂを積層している。したがって、反応ガスの流速が遅くなり、フラッディングが生じやすい膜電極接合体４１の表面における反応ガスの流速を速くし、発電によって生成された生成水を、燃料電池スタック１００の外部に速やかに排出するようにすることができる。つまり、第３実施例の燃料電池スタックによって、複数の膜電極接合体４１のうちの一部の膜電極接合体４１におけるフラッディングによる発電性能の低下を抑制することができる。
【００６１】
Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００６２】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池モジュール４０において、エキスパンドメタル４２ａ、および、エキスパンドメタル４２ｂは、ともに、同一の金属薄板に同一の配置で同一形状の切れ目を形成する工程を経て作製されており、厚さのみが互いに異なるようにすることによって、空隙率が互いに異なるようにしたが、本発明は、これに限られない。２種類のエキスパンドメタルの厚さを同一とし、金属薄板の厚さや、金属薄板に形成される切れ目の配置や、形状が互いに異なるようにすることによって、空隙率が互いに異なるようにしてもよい。例えば、厚さが互いに異なる金属薄板に、互いに異なる配置で、互いに異なる形状の切れ目を形成するとともに、各金属薄板の厚さ方向に対して略垂直方向に、切れ目を広げるように引き伸ばして網目を形成した後、同一の厚さとなるように圧延することによって、空隙率が互いに異なる２種類のエキスパンドメタルを作製するようにしてもよい。
【００６３】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、複数の燃料電池モジュール４０の各膜電極接合体４１について、互いに空隙率が異なる２種類のエキスパンドメタル（エキスパンドメタル４２ａ、または、エキスパンドメタル４２ｂ）をそれぞれ積層するものとしたが、本発明は、これに限られない。互いに空隙率が異なる３種類以上のエキスパンドメタルを用いるようにしてもよい。この場合、第１実施例の燃料電池スタック１００では、各膜電極接合体４１の表面における反応ガスの流速の観点から、空気供給口１２ｉ、および、水素供給口１４ｉからの距離が遠くなるにしたがって、各燃料電池モジュール４０に、空隙率がより高いエキスパンドメタルを用いるようにすることが好ましい。これは、第３実施例の燃料電池スタックについても同様である。また、第２実施例の燃料電池スタックでは、放熱による各膜電極接合体４１の温度の低下の観点から、上記中央部から離れるにしたがって、各燃料電池モジュール４０に、空隙率がより高いエキスパンドメタルを用いるようにすることが好ましい。
【００６４】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、燃料電池スタックにおいて、フラッディングが生じやすい端部に配置された燃料電池モジュール４０に、エキスパンドメタル４２ａよりも空隙率が高いエキスパンドメタル４２ｂを、膜電極接合体４１のアノード側とカソード側との双方に積層するものとしたが、カソード側のみに積層し、アノード側には、エキスパンドメタル４２ｂよりも空隙率が低いエキスパンドメタル４２ａを積層するようにしてもよい。発電によって生成される生成水は、カソード反応によって生成されるため、一般に、フラッディングは、膜電極接合体４１のカソード側で生じやすいからである。
【００６５】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、燃料電池スタックの端部（両端部を含む）、または、中央部に配置された燃料電池モジュール４０の膜電極接合体４１の両面に、エキスパンドメタル４２ａよりも空隙率が高いエキスパンドメタル４２ｂを積層するものとしたが、本発明は、これに限られない。一般に、燃料電池スタックにおいて、他の燃料電池モジュール４０と比較して、フラッディングが生じやすい燃料電池モジュール４０の膜電極接合体４１の少なくとも一方の表面に、エキスパンドメタル４２ａよりも空隙率が高いエキスパンドメタル４２ｂを積層するものとすればよい。
【００６６】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、膜電極接合体４１は、アノード側ガス拡散層４１１ａｄ、および、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄを備えるものとしたが、これらのうちの少なくとも一方を省略するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。
【図２】第１実施例における燃料電池モジュール４０の概略構成を示す説明図である。
【図３】第１実施例の効果を示す説明図である。
【図４】第２実施例における燃料電池モジュール４０の概略構成を示す説明図である。
【図５】第３実施例における燃料電池モジュール４０の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６８】
１００…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
１２ｉ…空気供給口
１２ｏ…カソードオフガス排出口
１４ｉ…水素供給口
１４ｏ…アノードオフガス排出口
１６ｉ…冷却水供給口
１６ｏ…冷却水排出口
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
３２ａ，３２ｂ…出力端子
４０…燃料電池モジュール
４１…膜電極接合体
４１１ｍ…電解質膜
４１１ａｃ…アノード側触媒層
４１１ａｄ…アノード側ガス拡散層
４１１ｃｃ…カソード側触媒層
４１１ｃｄ…カソード側ガス拡散層
４２ａ，４２ｂ…エキスパンドメタル
４３…セパレータ
【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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