(57)【要約】【課題】燃料電池の起動時において、燃料ガスへのガス置換と燃料効率の向上とを高い次元で両立することのできる燃料電池を提供する。【解決手段】ＭＥＡ３６が固定された発電体３４と、アノードガス流路４０と、発電体３４との間でアノードガス流路４０を挟むように設けられたセパレータ４２と、発電体３４とセパレータ４２との間に挟まれてアノードガス流路４０の外縁の一部をシールするシール部材６２と、発電体３４とセパレータ４２との間に挟まれて、アノードガス流路４０の周りを周回してシールするシール部材５０と、発電体３４とセパレータ４２との間に、シール部材６２とシール部材５０とに隔てられて形成された空間部６４と、を備える。シール部材６２は、アノードガス流路４０を流れる燃料ガスの主要な流れの下流側に開口部を有し、アノードガス流路４０と空間部６４とは当該開口部において連通している。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体が固定された発電体と、
前記膜電極接合体のアノード面に沿って配置された燃料ガス流路と、
前記発電体との間で前記燃料ガス流路を挟むように設けられたセパレータと、
前記発電体と前記セパレータとの間に挟まれて、前記燃料ガス流路の外縁の一部をシールする第１のシール部材と、
前記発電体と前記セパレータとの間に挟まれて、前記燃料ガス流路の周りを周回してシールする第２のシール部材と、
前記発電体と前記セパレータとの間に、前記第１のシール部材と前記第２のシール部材とに隔てられて形成された空間部と、を備え、
前記第１のシール部材は、前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスの主要な流れの下流側に開口部を有し、前記燃料ガス流路と前記空間部とは、前記開口部において連通していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガス流路は、
燃料ガスを導入するためのガス導入口と、
燃料ガスのオフガスを排出するためのガス排出口と、を有し、
前記第１のシール部材は、前記ガス導入口の近傍における前記ガス流路の外縁に配置され、前記開口部は前記ガス排出口近傍における前記ガス流路の外縁に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料ガス流路は矩形形状であり、前記ガス導入口および前記ガス排出口は、互いに前記矩形形状の対角に位置するように配置されており、
前記開口部は、前記燃料ガス流路における、前記ガス排出口側の２辺で形成される角部に設けられていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料ガス流路は矩形形状であり、前記ガス導入口および前記ガス排出口は、互いに前記矩形形状の対角に位置するように配置されており、
前記第１のシール部材は、前記燃料ガス流路における、前記ガス導入口側の２辺の外縁に沿って配置されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料ガス流路は、前記膜電極接合体と同等の大きさであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料ガス流路は多孔体で構成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第１のシール部材および前記第２のシール部材は、前記発電体と一体化されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部に燃料ガスを止めた状態で運転可能な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００７−１４１５９９号公報に開示されるように、燃料電池内に燃料ガスを止めて運転し、発電によって消費された分の燃料ガスを燃料電池に供給するようにした燃料電池システム（以下、「デッドエンド型システム」と称する）が知られている。このデッドエンド型システムでは、燃料ガス流路の下流端に設けられたパージ弁を閉弁した状態で発電が行われる。燃料電池の発電時には、燃料ガスの流路内の圧力が所定値に調節される。これにより、発電により燃料ガスが消費されて燃料ガス流路内の圧力が低下するときには、直ちに燃料ガスの供給部から燃料ガスが供給されるので、燃料ガス流路内では、必要量の燃料ガスが保持された状態が保たれる仕組みになっている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１４１５９９号公報
【特許文献２】特開２００７−２１３９６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来のデッドエンド型システムでは、運転時間の経過と共に燃料電池を構成する各単位電池のアノードガス流路内に窒素を主とした不純物が蓄積されていく。これらの不純物が膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）の表面を覆ってしまうと、電極触媒における起電反応が阻害されて、電圧の低下を招いてしまう。また、燃料ガスが一部の発電領域で不足する状態（以下、「水素欠」と称する）が発生すると、当該領域で異常電位が発生し、ＭＥＡの触媒を劣化させてしまうおそれもある。
【０００５】
特に、システムの停止時においては、燃料電池内部に窒素等の不純物が多く存在している。このため、システムの起動時には、アノード側に充満した不純物を燃料ガスに置換する動作（以下、「ガス置換」と称する）を迅速かつ確実に行わないと、所望の発電性能を得ることができないばかりか、水素欠による触媒劣化を招いてしまう。そこで、システムの起動時には、アノードに充満した不純物を燃料電池の外部に排出するためにパージ弁を開弁することが考えられる。しかしながら、パージ弁を開弁すると、不純物と一緒に燃料ガスも排出されてしまうため、燃料効率が低下してしまう。このため、上述した従来のデッドエンドシステムでは、起動時のガス置換と燃料効率の向上を両立することが困難であった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の起動時において、燃料ガスへのガス置換と燃料効率の向上とを高い次元で両立することのできる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
膜電極接合体が固定された発電体と、
前記膜電極接合体のアノード面に沿って配置された燃料ガス流路と、
前記発電体との間で前記燃料ガス流路を挟むように設けられたセパレータと、
前記発電体と前記セパレータとの間に挟まれて、前記燃料ガス流路の外縁の一部をシールする第１のシール部材と、
前記発電体と前記セパレータとの間に挟まれて、前記燃料ガス流路の周りを周回してシールする第２のシール部材と、
前記発電体と前記セパレータとの間に、前記第１のシール部材と前記第２のシール部材とに隔てられて形成された空間部と、を備え、
前記第１のシール部材は、前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスの主要な流れの下流側に開口部を有し、前記燃料ガス流路と前記空間部とは、前記開口部において連通していることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料ガス流路は、
燃料ガスを導入するためのガス導入口と、
燃料ガスのオフガスを排出するためのガス排出口と、を有し、
前記第１のシール部材は、前記ガス導入口の近傍における前記ガス流路の外縁に配置され、前記開口部は前記ガス排出口近傍における前記ガス流路の外縁に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、
前記燃料ガス流路は矩形形状であり、前記ガス導入口および前記ガス排出口は、互いに前記矩形形状の対角に位置するように配置されており、
前記開口部は、前記燃料ガス流路における、前記ガス排出口側の２辺で形成される角部に設けられていることを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第２の発明において、
前記燃料ガス流路は矩形形状であり、前記ガス導入口および前記ガス排出口は、互いに前記矩形形状の対角に位置するように配置されており、
前記第１のシール部材は、前記燃料ガス流路における、前記ガス導入口側の２辺の外縁に沿って配置されていることを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記燃料ガス流路は、前記膜電極接合体と同等の大きさであることを特徴とする。
【００１２】
第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
前記燃料ガス流路は多孔体で構成されていることを特徴とする。
【００１３】
第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、
前記第１のシール部材および前記第２のシール部材は、前記発電体と一体化されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、発電体とセパレータとの間の隙間には、第１のシール部材と第２のシール部材とにより隔てられた空間部が形成されている。また、燃料ガス流路の外縁をシールする第１のシール部材は、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの主要な流れの下流側において開口部を有している。このような構成によれば、燃料電池の停止中に燃料ガス流路に滞留していた窒素等の不純物は、起動とともに燃料ガス流に流されて第１のシール部材の開口部から流出し、燃料電池内に形成された当該空間部へ蓄積される。このため、本発明によれば、デッドエンド運転で燃料電池を起動した場合においても、迅速かつ確実なガス置換を行うことができるので、燃料効率の向上と良好なガス置換を高い次元で両立することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、第１のシール部材は、燃料ガス流路におけるガス導入口の近傍の外縁をシールし、ガス排出口の近傍に開口部が設けられる。このため、本発明によれば、ガス導入口から燃料ガス流路内に導入された燃料ガスが当該ガス流路の上流側で空間部に流出してしまう事態を効果的に抑制するとともに、燃料ガスの流れを整流して、燃料ガス流路に滞留していた不純ガスを、当該開口部から空間部へ効果的に移動させることができる。
【００１６】
第３の発明によれば、第１のシール部材の開口部は、燃料ガス流路におけるガス排出口側の２辺で形成される角部の近傍に設けられる。このため、本発明によれば、燃料ガス流路内の不純ガスが燃料ガスに置換される前に、当該燃料ガスが当該空間部に流出してしまう事態を効果的に抑制することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、第１のシール部材は、燃料ガス流路におけるガス導入口側の２辺に沿って配置される。このため、本発明によれば、簡易なシール構造で、燃料ガス流路内の不純ガスが燃料ガスに置換される前に、当該燃料ガスが当該空間部に流出してしまう事態を効果的に抑制することができる。
【００１８】
第５の発明によれば、燃料ガス流路は、膜電極接合体と同等の大きさとされる。このため、本発明によれば、第１のシール部材と第２のシール部材とに隔てられて形成された空間部の容積を最大限に確保することができる。
【００１９】
第６の発明によれば、燃料ガス流路として、多孔体を用いることができる。
【００２０】
第７の発明によれば、第１のシール部材および第２のシール部材は、発電体と一体化されている。このため、本発明によれば、組み立て性の向上、および部品点数削減による製造コストの削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２２】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
本発明の実施の形態としての燃料電池は、図１に示すような燃料電池システムに使用される。図１は、本発明にかかる燃料電池を用いたデッドエンド型の燃料電池システム構成を模式的に示す図である。尚、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池の内部における燃料ガスの流路構造に特徴がある。このため、本実施の形態においては、燃料ガスの供給／排気系の構成、および燃料電池のアノード側の内部構造について詳細に説明し、特に限定のない空気の供給／排気系の構成、および燃料電池のカソード側の内部構造についての説明は省略する。
【００２３】
燃料電池システムは、燃料電池１０によって発電してその電力をモータ等の負荷に供給するシステムである。燃料電池１０は、複数の単位電池１２を積層し、その積層方向の両端を一対のエンドプレート１４，１６で挟んで構成されている。単位電池１２の構成に関しては詳細を後述する。
【００２４】
燃料電池１０には、燃料電池１０に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管２０と、燃料電池１０から燃料ガスのオフガスを抜き出すための排気管２４とが接続されている。本実施の形態の燃料電池システムは、燃料ガスとして高濃度水素若しくは純水素を使用し、燃料ガスの供給源として高圧水素タンク１８を備える。高濃度の水素若しくは純水素の使用により、供給する燃料ガスのほとんどを燃料電池１０に消費させることができる。したがって、燃料電池１０からは、内部で生じた不純物だけをオフガスとして抜き出せばよく、オフガスの排気量は少なくて済む。燃料ガスの供給源としては、高圧水素タンク１８と同様に高濃度の水素若しくは純水素を供給することが可能な水素吸蔵材を用いてもよい。
【００２５】
燃料ガス供給管２０の途中には、高圧水素タンク１８から供給される燃料ガスの圧力を所望の圧力に調整するための調圧弁２２が配置されている。燃料電池１０には、調圧弁２２で調圧された燃料ガスが供給される。燃料電池１０に供給された燃料ガスは、燃料電池１０内に形成されたアノード入口マニホールド２８によって各単位電池１２のアノードに分配されて、後述するＭＥＡ３６において使用される。
【００２６】
燃料電池１０内には、後述する各単位電池１２のアノードガス流路４０の出口に連通するアノード出口マニホールド３０が形成されている。アノードガス流路を通過した燃料ガスのオフガスは、アノード出口マニホールド３０に集められて排気管２４に排出される。排気管２４には、系外との連通を遮断／許容するための排気弁２６が配置されている。排気弁２６としては、デューティ制御が可能なインジェクタが好ましい。また、排気弁２６からオフガスをそのまま大気中に放出するのではなく、希釈器や燃焼器等の水素濃度を低減するための装置を介して放出するようにしてもよい。
【００２７】
（従来の燃料電池の構成）
次に、本実施の形態の燃料電池１０における特徴的な構成を説明するにあたり、先ず、図２及び図３を参照して、従来の燃料電池の構造、およびシステム起動時のガス置換の動作について説明する。図２は従来の燃料電池における単位電池の構造を説明するための模式図である。図２（Ａ）は、単位電池内のアノードガス流路周辺を積層方向から見た模式図である。尚、図２（Ａ）においては、説明の都合上、内部を一部透視して示している。また、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）における単位電池をII−II線に沿って切断した場合の断面図を示している。尚、図２（Ｂ）においては、アノード側の断面構造のみを示し、カソード側の断面構造については図示を省略している。
【００２８】
図２に示すとおり、従来の単位電池１００は発電体３４を内蔵している。発電体３４には、ＭＥＡ（膜電極接合体）３６が固定されている。ＭＥＡ３６は、固体高分子電解質膜の両面に触媒が一体化されたものであり、更にその各面には、カーボンシート等で作られたガス拡散層（ＧＤＬ）３８が一体化されている。発電体３４のアノード側には、アノードガス流路４０（ＭＥＡ３６面内に形成されたアノードに接するガス流路）が配置され、更にその隣には、隣接する発電体３４を隔離するためのセパレータ４２が配置されている。アノードガス流路４０は、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発砲焼結金属（例えば、空隙率ε＝０．８程度）や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体、或いは、いわゆるエキスパンドメタル等により形成されている。
【００２９】
アノードガス流路４０の周囲には、発電体３４とセパレータ４２との間に挟まれて、当該アノードガス流路４０の外周を密閉するためのシール部材５０が配置されている。シール部材５０は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性の樹脂材料によって形成されている。
【００３０】
図２に示すように、セパレータ４２には、矩形形状の長手方向に延在するようにコモンレール４４，４６がそれぞれ形成されている。アノード入口マニホールド２８とコモンレール４４の一端、および出口マニホールド３０とコモンレール４６の一端とは、それぞれ当該セパレータ４２内に形成された小経路で連通している。尚、コモンレール４６における出口マニホールド３０との連通部は、コモンレール４４における連通部の対角となる一端に設けられている。
【００３１】
アノード入口マニホールド２８に供給された燃料ガスは、当該コモンレール４４内をアノードガス流路４０の長手方向に沿って流動するとともに、当該コモンレール４４から対向するコモンレール４６に向かって、アノードガス流路４０内を拡散する。
【００３２】
（従来の燃料電池における起動時のガス置換）
燃料電池の発電が停止されて放置状態となると、窒素（Ｎ２）等が外部から燃料電池内に透過してくる場合がある。また、クロスリークしたガスが触媒において直接反応し、窒素（Ｎ２）等が燃料電池内に充満する場合がある。また、放置状態で不要な反応が起きることを回避するため、発電の停止中にあえて燃料電池内を窒素等の不活性ガスで置換する場合もある。このため、システムの起動時には、アノード側に充満したこれらの不純ガスを燃料ガスに置換する動作（ガス置換）を速やかに行うことが求められる。
【００３３】
図３は、図２に示す従来の燃料電池において、デッドエンド運転でガス置換を行った場合の様子を説明するための図である。この図に示すとおり、デッドエンド運転でガス置換を行うと、アノードガス流路４０内に滞留していた不純ガスをアノード出口マニホールド３０および排気管１６内に完全に圧縮することができず、ＭＥＡ３６面（発電領域）上に水素欠（水素濃度０％）の領域が発生してしまっている。このため、当該水素欠領域において異常電位が発生し、触媒の腐食反応が進行してしまうおそれがある。
【００３４】
上記起動時の水素欠を回避するために、窒素等の不純ガスを溜めておくためのバッファを燃料電池外部に取り付けることが考えられる。しかしながら、燃料電池内の不純ガスをすべて蓄えるためには、大容量(例えば、１０Ｌ)のバッファが必要となるため、システムの大型化の弊害が生じる。また、上記起動時の水素欠を回避するために、燃料ガスの供給圧(例えば、７００ｋＰａ．ａ)とすることが考えられる。しかしながら、アノード側のガス圧を高圧とすると、カソード側のガス圧との差圧により電解質膜が破損するおそれがある。
【００３５】
（本発明の実施の形態における燃料電池の特徴的な構成）
上述した課題を解決するために、本実施の形態では、燃料電池内に不純ガスを溜めるための空間を設ける構造とする。図４は、本実施の形態の燃料電池における単位電池の特徴的構造を説明するための模式図である。図４（Ａ）は、単位電池１２内のアノードガス流路周辺を積層方向から見た模式図である。尚、図４（Ａ）においては、説明の都合上、内部を一部透視して示している。また、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）における単位電池１２をIV−IV線に沿って切断した場合の断面図を示している。尚、図４（Ｂ）においては、アノード側の断面構造のみを示し、カソード側の断面構造については図示を省略している。
【００３６】
図４に示すとおり、多孔体流路４０には、ＭＥＡ３６（或いはガス拡散層３８）と同等の大きさのものが使用される。このため、アノードガス流路４０の外側の領域は、発電体３４、セパレータ４２、およびシール部材５０に囲まれた空間になっている。
【００３７】
また、発電体３４とセパレータ４２との間には、シール部材５２ａ，５２ｂ(以下、これらを特に区別しないときには、単に「シール部材５２」と称する)がアノードガス流路４０の矩形形状に沿ってＬ字型に配置されている。より具体的には、アノードガス流路４０とアノード入口マニホールド２８との連通部近傍をＬ字形状の角部として、シール部材５２ａは当該アノードガス流路４０の長手方向に沿って、シール部材５２ｂは当該アノードガス流路４０の短手方向に沿って、それぞれ配置されている。尚、シール部材５２の外側（アノードガス流路４０が配置されていない側）とシール部材５０との間に形成された空間を空間部５４と称する。
【００３８】
（本実施の形態の燃料電池における起動時のガス置換）
図５は、図４に示す本実施の形態の燃料電池において、デッドエンド運転でガス置換を行った場合の様子を説明するための図である。この図に示すとおり、アノード入口マニホールド２８から導入された燃料ガスは、当該アノード入口マニホールド２８とコモンレール４４との連通部からアノードガス流路の長手方向（コモンレール４４の延在方向）および短手方向（コモンレール４４からコモンレール４６への方向）へアノードガス流路４０内を徐々に拡散していく。アノードガス流路４０内に滞留していた窒素等の不純ガスは、当該燃料ガスに押し出されて、コモンレール４６を介してアノード出口マニホールド３０内に滞留するとともに、シール部材５０とシール部材５２との間の空間部５４へ流動する。これにより、単位電池１２におけるＭＥＡ３６面（発電領域）は速やかに燃料ガスに置換されることとなる。
【００３９】
以上説明したとおり、本発明の実施の形態によれば、排気弁２６を閉弁した状態で、起動時のガス置換を迅速かつ確実に行うことができるので、燃料効率の向上と良好なガス置換を高い次元で両立することができる。  
【００４０】
また、本発明の実施の形態によれば、シール部材５０とシール部材５２ａ，５２ｂとの間にＮ２等の不純ガスを溜めるための空間部５４が形成されているので、不純ガスを溜めるためのバッファを別途燃料電池外部に取り付ける必要がない。このため、システムの大型化を回避することができる。また、シール部材５２の追加という簡易な方法で不純ガスを溜めるための空間を形成することができるので、軽量化、およびコスト低減を図ることができる。
【００４１】
また、本実施の形態によれば、アノードガス流路４０は発電体３４におけるＭＥＡ３６面、すなわち発電領域と同等の大きさまで小さくされているので、空間部５４の容積を効果的に確保することができる。
【００４２】
また、本実施の形態によれば、起動時のガス置換において、シール部材５０とシール部材５２ａ，５２ｂとの間の空間部５４に不純ガスが溜まるため、燃料電池１０内における発電領域以外の領域に燃料ガスが漏れる事態を効果的に抑制することができ、燃料ガスの使用率を高めることができる。
【００４３】
ところで、上述した実施の形態１においては、シール部材５０，５２が発電体３４とセパレータ４２との間に挟まれて配置されているが、シール部材５０，５２の構成はこれに限らず、発電体３４と一体として成型されていてもよい。
【００４４】
尚、上述した実施の形態１においては、アノードガス流路４０が前記第１の発明における「燃料ガス流路」に、シール部材５２が前記第１の発明における「第１のシール部材」に、シール部材５０が前記第１の発明における「第２のシール部材」に、空間部５４が前記第１の発明における「空間部」に、それぞれ相当している。
【００４５】
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴的構成］
次に、図６および図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。図６は、本発明の実施の形態２の燃料電池における単位電池の特徴的構造を説明するための模式図である。図６（Ａ）は、単位電池６０内のアノードガス流路周辺を積層方向から見た模式図である。尚、図６（Ａ）においては、説明の都合上、内部を一部透視して示している。また、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）における単位電池６０をVI−VI線に沿って切断した場合の断面図を示している。尚、図６（Ｂ）においては、アノード側の断面構造のみを示し、カソード側の断面構造については図示を省略している。また、図６に示す単位電池６０において、図４に示す単位電池１２と共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００４６】
図６に示すとおり、単位電池６０は、図４に示す単位電池１２の構成におけるシール部材５２を、シール部材６２に置き替えたことに特徴がある。より具体的には、シール部材６２は、シール部材５２ａと同形状のシール部材６２ａ、およびシール部材５２ｂと同形状のシール部材６２ｂに加えて、シール部材６２ｂの他端（シール部材６２ａが接続されていない一端）からアノードガス流路４０の長手方向に沿って配置されたシール部材６２ｃ、およびシール部材６２ａの他端（シール部材６２ｂが接続されていない一端）からアノードガス流路４０の短手方向に沿って配置されたシール部材６２ｄにより構成されている(以下、これらを特に区別しないときには、単に「シール部材６２」と称する)。尚、シール部材６２の外側（アノードガス流路４０が配置されていない側）とシール部材５０との間に形成された空間を空間部６４と称する。
【００４７】
また、シール部材６２ｃおよびシール部材６２ｄは、これらに対応するアノード流路４０の辺の長さよりも短く設定されている。このため、シール部材６２により囲まれた領域（発電領域）には、シール部材６２ｂとシール部材６２ｄとの間に開口部が形成されている。つまり、シール部材６２で囲まれた発電領域とシール部材５０とシール部材６２との間に形成された空間部６４とが、アノード出口マニホールド３０とコモンレール４６との連通部の近傍において連通している。
【００４８】
（本実施の形態２の燃料電池における起動時のガス置換）
上述した実施の形態１における燃料電池では、アノードガス流路４０における上流側の２辺に沿ってシール部材５２ａ，５２ｂを配置することとしている。これにより、アノード入口マニホールド２８からアノードガス流路４０に導入された燃料ガスを当該アノードガス流路４０内で拡散させ、かつ、不純ガスをデッドスペースに押し出して良好なガス置換を行うこととしている。
【００４９】
ここで、燃料ガスの起動圧が２５０ｋＰａ．ａ以上で燃料ガスの供給を行うような高圧起動においては、コモンレール４４内のガス流速が大きくなる。このため、上述した実施の形態１における燃料電池では、アノードガス流路４０内の不純ガスが燃料ガスに完全に置換される前に、当該アノードガス流路を通過した燃料ガスが空間部５４へ流れてしまうおそれがある。このため、発電に使用されない燃料ガス量が増大してしまい、燃費が悪化するおそれがある。
【００５０】
そこで、本実施の形態２の燃料電池では、図６に示すように、シール部材６２によってアノードガス流路４０の４辺をシールする構造としている。図７は、図６に示す単位電池構造を有する燃料電池において、デッドエンド運転でガス置換を行った場合の様子を説明するための図である。この図に示すとおり、デッドエンド運転でガス置換を行うと、アノード入口マニホールド２８との連通部からコモンレール４４に導入された燃料ガスは、シール部材６２で囲まれたアノードガス流路４０内（発電領域内）を拡散していく。このため、アノードガス流路４０内に滞留していた窒素等の不純ガスは、シール部材６２ｃの端部とシール部材６２ｄの間に形成された開口部、すなわちアノードガス流路４０における燃料ガスの導入部から最も離れた最下流部から、出口マニホールド３０および空間部６４へと流動する。
【００５１】
以上説明したとおり、本発明の実施の形態によれば、発電領域と空間部６４とが、アノードガス流路４０の最下流部において連通しているので、当該アノードガス流路４０に滞留していた不純ガスが燃料ガスに置換される前に燃料ガスが当該空間部６４に流れてしまう事態を効果的に抑制することができる。このため、燃料効率の向上と良好なガス置換を高い次元で両立することができる。  
【００５２】
また、本発明の実施の形態によれば、シール部材５０とシール部材６２との間にＮ２等の不純ガスを溜めるための空間部６４が形成されているので、不純ガスを溜めるためのバッファを別途燃料電池外部に取り付ける必要がない。このため、システムの大型化を回避することができる。また、シール部材６２の追加という簡易な方法で不純ガスを溜めるための空間を形成することができるので、軽量化、およびコスト低減を図ることができる。
【００５３】
また、本実施の形態によれば、アノードガス流路４０は発電体３４におけるＭＥＡ３６面、すなわち発電領域と同等の大きさまで小さくされているので、空間部６４の容積を効果的に確保することができる。
【００５４】
また、本実施の形態によれば、起動時のガス置換において、シール部材５０とシール部材６２との間の空間部６４に不純ガスが溜まるため、燃料電池１０内における発電領域以外の領域に燃料ガスが漏れる事態を効果的に抑制することができ、燃料ガスの使用率を高めることができる。
【００５５】
ところで、上述した実施の形態２においては、シール部材５０，６２が発電体３４とセパレータ４２との間に挟まれて配置されているが、シール部材の構成はこれに限らず、発電体３４と一体として成型されていてもよい。
【００５６】
また、上述した実施の形態２においては、シール部材６２ｃおよびシール部材６２ｄが、これらに対応するアノードガス流路４０の辺の長さよりも短く形成されることにより、シール部材６２により囲まれる発電領域に開口部が形成されているが、当該開口部の大きさや位置はこれに限られない。すなわち、アノードガス流路４０におけるガスの流れの下流部において発電領域と空間部６４とが連通するように開口部が形成されているのであれば、種々の大きさや位置を採ることができる。
【００５７】
尚、上述した実施の形態２においては、アノードガス流路４０が前記第１の発明における「燃料ガス流路」に、シール部材６２が前記第１の発明における「第１のシール部材」に、シール部材５０が前記第１の発明における「第２のシール部材」に、空間部６４が前記第１の発明における「空間部」に、それぞれ相当している。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明にかかる燃料電池を用いたデッドエンド型の燃料電池システム構成を模式的に示す図である。
【図２】従来の燃料電池における単位電池の構造を説明するための模式図である。
【図３】図２に示す従来の燃料電池において、デッドエンド運転でガス置換を行った場合の様子を説明するための図である。
【図４】本実施の形態１の燃料電池における単位電池の特徴的構造を説明するための模式図である。
【図５】本実施の形態１の燃料電池において、デッドエンド運転でガス置換を行った場合の様子を説明するための図である。
【図６】本実施の形態２の燃料電池における単位電池の特徴的構造を説明するための模式図である。
【図７】本実施の形態２の燃料電池において、デッドエンド運転でガス置換を行った場合の様子を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０  燃料電池
１２，６０  単位電池
１４，１６  エンドプレート
１６  排気管
１８  高圧水素タンク
２０  燃料ガス供給管
２２  調圧弁
２４  排気管
２６  排気弁
２８  アノード入口マニホールド
３０  アノード出口マニホールド
３４  発電体
４０  アノードガス流路
４２  セパレータ
４４，４６  コモンレール
５０，５２，６２  シール部材
５４，６４  空間部
【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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