(57)【要約】【課題】  不純物の排出を促進することができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】  本発明に係る燃料電池スタック（２００）は、セルが複数積層され、燃料ガスの排出が停止または抑制された状態で発電を行う燃料電池スタックであって、セルのそれぞれには、セルの発電領域に沿って設けられ発電領域に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路（３３）が形成され、燃料ガス流路と燃料電池スタックの燃料ガス排出マニホールド（１１）との間には、第１連通路（５１，６１）と第１連通路よりも大きい流路抵抗を有する第２連通路（３１）とが設けられていることを特徴とするものである。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルが複数積層され、燃料ガスの排出が停止または抑制された状態で発電を行う燃料電池スタックであって、
前記セルのそれぞれには、前記セルの発電領域に沿って設けられ前記発電領域に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成され、
前記燃料ガス流路と前記燃料電池スタックの燃料ガス排出マニホールドとの間には、第１連通路と前記第１連通路よりも大きい流路抵抗を有する第２連通路とが設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第１連通路の流路抵抗をＫａとし、前記第２連通路の流路抵抗をＫｂとし、前記第１連通路の断面積をＳａとし、前記発電領域の面積をＳｃとした場合に、（Ｋｂ／Ｋａ）＞（０．０１１６×（Ｓｃ／Ｓａ））の関係式を満たすことを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記セルは、電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が設けられた膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体を挟持するセパレータと、を備え、
前記第１連通路は、前記セパレータに形成されたガス排出用流路であり、
前記第２連通路は、前記発電領域からの前記ガス拡散層の延長領域であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記ガス拡散層は、カーボンペーパまたはカーボンクロスであることを特徴とする請求項３記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記セルは、膜−電極接合体とセパレータとの間に多孔体流路を備え、
前記第１連通路は、前記セパレータに形成されたガス排出用流路であり、
前記第２連通路は、前記発電領域からの前記多孔体流路の延長領域であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記セルは、膜−電極接合体とセパレータとを備え、
前記第１連通路は、前記セパレータに形成された第１のガス排出用流路であり、
前記第２連通路は、前記セパレータに形成され前記第１のガス排出用流路よりも大きい流路抵抗を有する第２のガス排出用流路であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
セルが複数積層され、燃料ガスの排出が停止または抑制された状態で発電を行う燃料電池スタックであって、
前記燃料ガスの排出用の第１マニホールドと、前記燃料ガスの排出用であって、前記第１マニホールドよりも大きい流路抵抗を有する第２マニホールドと、が形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池においては、アノードに水素を含むアノードガスが供給され、カソードに酸素を含むカソードガスが供給されることによって発電が行われる。発電に供されなかったアノードガスおよびカソードガスは、それぞれアノードガス排出マニホールドおよびカソードガス排出マニホールドを通って、燃料電池から排出される。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池の燃料極から排出される燃料極排出ガスの流路途中にバルブ手段を設け、バルブ手段を実質的に閉とし、あるいはその開度を絞った状態で起動運転した後、所定の周期で所定時間間欠的にバルブ手段の開度を大きくして運転する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３１２１６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池の発電時においてカソードガスに含まれる窒素（Ｎ２）等の不純物がカソードからアノードに透過する場合がある。この場合、燃料電池に出力低下、劣化等が生じるおそれがある。したがって、透過した不純物は燃料電池から排出されることが好ましい。しかしながら、特許文献１に係る燃料電池を複数積層して燃料電池スタックを構成した場合には、各燃料電池（以下、セルと称する）間における流路抵抗のバラツキによって、セルから排出されたアノードガスが特定のセルに逆流入するおそれがある。この場合、逆流入が生じたセルにおいては、不純物を排出することが困難となるおそれがある。
【０００７】
本発明は、不純物の排出を促進することができる燃料電池スタック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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池スタックは、セルが複数積層され、燃料ガスの排出が停止または抑制された状態で発電を行う燃料電池スタックであって、セルのそれぞれには、セルの発電領域に沿って設けられ発電領域に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成され、燃料ガス流路と燃料電池スタックの燃料ガス排出マニホールドとの間には、第１連通路と第１連通路よりも大きい流路抵抗を有する第２連通路とが設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係る燃料電池スタックによれば、第２連通路の流路抵抗が第１連通路の流路抵抗に比較して大きいことから、第２連通路の逆流入ガスの流速を、第１連通路の逆流入ガスの流速に比較して小さくすることができる。その結果、第２連通路における不純物の拡散による排出を促進することができる。それにより、不純物の排出を促進することができる。
【００１０】
上記構成において、第１連通路の流路抵抗をＫａとし、第２連通路の流路抵抗をＫｂとし、第１連通路の断面積をＳａとし、発電領域の面積をＳｃとした場合に、（Ｋｂ／Ｋａ）＞（０．０１１６×（Ｓｃ／Ｓａ））の関係式を満たしてもよい。この構成によれば、不純物を第２ガス連通路から排出することができるとともに、第２ガス連通路を流れる逆流入ガスの速度を単位電流密度（１Ａ／ｃｍ２）当たり１ｃｍ／ｓ以下にすることができる。
【００１１】
上記構成において、セルは、電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が設けられた膜−電極接合体と、膜−電極接合体を挟持するセパレータと、を備え、第１連通路は、セパレータに形成されたガス排出用流路であり、第２連通路は、発電領域からのガス拡散層の延長領域であってもよい。
【００１２】
上記構成において、ガス拡散層は、カーボンペーパまたはカーボンクロスであってもよい。
【００１３】
上記構成において、セルは、膜−電極接合体とセパレータとの間に多孔体流路を備え、第１連通路は、セパレータに形成されたガス排出用流路であり、第２連通路は、発電領域からの多孔体流路の延長領域であってもよい。
【００１４】
上記構成において、セルは、膜−電極接合体とセパレータとを備え、第１連通路は、セパレータに形成された第１のガス排出用流路であり、第２連通路は、セパレータに形成され第１のガス排出用流路よりも大きい流路抵抗を有する第２のガス排出用流路であってもよい。
【００１５】
本発明に係る他の燃料電池スタックは、セルが複数積層され、燃料ガスの排出が停止または抑制された状態で発電を行う燃料電池スタックであって、燃料ガスの排出用の第１マニホールドと、燃料ガスの排出用であって、第１マニホールドよりも大きい流路抵抗を有する第２マニホールドと、が形成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明に係る他の燃料電池スタックによれば、第２マニホールドの流路抵抗が第１マニホールドの流路抵抗に比較して大きいことから、第２マニホールドの逆流入ガスの流速を、第１マニホールドの逆流入ガスの流速に比較して小さくすることができる。その結果、第２マニホールドにおける不純物の拡散による排出を促進することができる。それにより、不純物の排出を促進することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、不純物の排出を促進することができる燃料電池スタックを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の実施例１に係る燃料電池スタック２００について説明する。図１は、燃料電池スタック２００の模式的断面図である。燃料電池スタック２００は、水素を含むアノードガスおよび酸素を含むカソードガスが供給されて発電するセル５が複数積層されて構成されている。
【００２０】
燃料電池スタック２００には、各セルにアノードガスを供給するためのアノードガス供給マニホールド１０と、各セルからアノードガスを排出するためのアノードガス排出マニホールド１１と、が形成されている。また、燃料電池スタック２００には、各セルにカソードガスを供給するためのカソードガス供給マニホールド（図示せず）と、各セルからカソードガスを排出するためのカソードガス排出マニホールド（図示せず）と、各セルに冷媒を供給するための冷媒供給マニホールド（図示せず）と、各セルから冷媒を排出するための冷媒排出マニホールド（図示せず）と、が形成されている。
【００２１】
アノードガス排出マニホールド１１の下流には、アノードガス排出バルブ２０が配置されている。アノードガス排出バルブ２０は、燃料電池スタック２００の発電中は、閉止または絞られた状態となっている。つまり、燃料電池スタック２００は、燃料ガス（アノードガス）の排出が停止または抑制された状態で発電を行う燃料電池スタックである。
【００２２】
図２は、セル５の分解斜視図である。セル５は、それぞれ膜−電極接合体３０と、ガス拡散層３１およびガス拡散層３２と、多孔体流路３３および多孔体流路３４と、セパレータ３５と、シール部８０と、を有している。
【００２３】
膜−電極接合体３０は、電解質膜（図示せず）と、電解質膜のアノード側に配置されたアノード触媒層（図示せず）と、電解質膜のカソード側に配置されたカソード触媒層（図示せず）と、を有している。電解質膜として、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用いられる。アノード触媒層は、水素のプロトン化を促進する機能を有する。カソード触媒層は、プロトンと酸素との反応を促進する機能を有する。アノード触媒層およびカソード触媒層は、例えば白金を担持したカーボンからなる。膜−電極接合体３０は、水素がアノード触媒層に供給され、酸素がカソード触媒層に供給されて発電する。膜−電極接合体３０はセルの発電領域に相当する。
【００２４】
ガス拡散層３１は、膜−電極接合体３０のアノード側に配置されている。ガス拡散層３２は、膜−電極接合体３０のカソード側に配置されている。ガス拡散層３１およびガス拡散層３２は、導電性およびガス透過性を備えた材料からなる。導電性およびガス透過性を備えた材料として、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン繊維が用いられる。
【００２５】
多孔体流路３３は、ガス拡散層３１の膜−電極接合体３０と反対側に配置されている。多孔体流路３４は、ガス拡散層３２の膜−電極接合体３０と反対側に配置されている。多孔体流路３３および多孔体流路３４は、多孔質状の導電性材料からなる。多孔質状の導電性材料として、例えば発泡焼結金属等が用いられる。
【００２６】
シール部８０は、シール材からなり、例えばシールガスケット等を用いることができる。シール部８０の中央部には、膜−電極接合体３０、ガス拡散層３１，３２および多孔体流路３３，３４が配置されるための孔が形成されている。膜−電極接合体３０、ガス拡散層３１，３２および多孔体流路３３，３４が上記孔に配置されることによって、膜−電極接合体３０、ガス拡散層３１，３２および多孔体流路３３，３４がシールされる。
【００２７】
セパレータ３５は、アノード対向プレート３６、中間プレート３７およびカソード対向プレート３８を備える。アノード対向プレート３６、中間プレート３７およびカソード対向プレート３８は、多孔体流路３３上に順に積層されている。アノード対向プレート３６、中間プレート３７およびカソード対向プレート３８は、それぞれ導電性を有する金属材料からなる。なお、多孔体流路３４の膜−電極接合体３０と反対側には、隣接する他のセル５のセパレータ３５が配置されている。
【００２８】
アノード対向プレート３６、カソード対向プレート３８およびシール部８０の外周縁には、孔４０〜孔４５が形成されている。中間プレート３７には、孔４０〜孔４３が形成されている。アノード対向プレート３６、中間プレート３７、カソード対向プレート３８およびシール部８０の各孔４０は、アノードガス供給マニホールド１０を形成する。同様に、各孔４１は、アノードガス排出マニホールド１１を形成する。各孔４２は、カソードガス供給マニホールド１２を形成する。各孔４３は、カソードガス排出マニホールド１３を形成する。各孔４４は、冷媒供給マニホールド１４を形成する。各孔４５は、冷媒排出マニホールド１５を形成する。
【００２９】
中間プレート３７には、アノードガス供給用コモンレール５０、アノードガス排出用コモンレール５１、カソードガス供給用コモンレール５２、カソードガス排出用コモンレール５３および冷媒用流路５４が形成されている。これらは、中間プレート３７に形成された貫通溝によって構成されている。アノードガス供給用コモンレール５０の一端は孔４０に接続され、他端は閉塞している。アノードガス排出用コモンレール５１の一端は孔４１に接続され、他端は閉塞している。カソードガス供給用コモンレール５２の一端は孔４２に接続され、他端は閉塞している。カソードガス排出用コモンレール５３の一端は孔４３に接続され、他端は閉塞している。冷媒用流路５４の一端は冷媒供給マニホールド１４に接続され、冷媒用流路５４の他端は冷媒排出マニホールド１５に接続されている。
【００３０】
アノード対向プレート３６には、アノードガス供給用連通流路６０およびアノードガス排出用連通流路６１が形成されている。アノードガス供給用連通流路６０およびアノードガス排出用連通流路６１は、ぞれぞれアノードガス供給用コモンレール５０およびアノードガス排出用コモンレール５１に対応する位置に形成されている。アノードガス供給用連通流路６０は、アノードガス供給用コモンレール５０と多孔体流路３３とを連通する流路としての機能を有する。また、アノードガス排出用連通流路６１は、アノードガス排出用コモンレール５１と多孔体流路３３とを連通する流路としての機能を有する。
【００３１】
カソード対向プレート３８には、カソードガス供給用連通流路７０およびカソードガス排出用連通流路７１が形成されている。カソードガス供給用連通流路７０およびカソードガス排出用連通流路７１は、ぞれぞれカソードガス供給用コモンレール５２およびカソードガス排出用コモンレール５３に対応する位置に形成されている。カソードガス供給用連通流路７０は、カソードガス供給用コモンレール５２と多孔体流路３４とを連通する流路としての機能を有する。また、カソードガス排出用連通流路７１は、カソードガス排出用コモンレール５３と多孔体流路３４とを連通する流路としての機能を有する。
【００３２】
図３は、セル５のアノードガス排出マニホールド１１付近の拡大断面図である。図３に示すように、多孔体流路３３とアノードガス排出マニホールド１１との間、膜−電極接合体３０とアノードガス排出マニホールド１１との間、ガス拡散層３２とアノードガス排出マニホールド１１との間および多孔体流路３４とアノードガス排出マニホールド１１との間は、それぞれシール部８０によってシールされている。
【００３３】
一方、ガス拡散層３１とアノードガス排出マニホールド１１との間には、シール部８０が設けられていない。ガス拡散層３１は、ガス拡散層３１の延長領域を介してアノードガス排出マニホールド１１と直接接続されている。この場合、多孔体流路３３とアノードガス排出マニホールド１１とはガス拡散層３１を介して連通することになる。
【００３４】
燃料電池スタック２００は、発電時において以下のように作用する。まず、図１に示すアノードガス排出バルブ２０は、閉止または絞られる。ストイキ比は、およそ１である。そして、図２および図３に示すように、アノードガスは、アノードガス供給マニホールド１０に供給された後に、アノードガス供給用コモンレール５０およびアノードガス供給用連通流路６０を通って、多孔体流路３３に供給される。一方、カソードガスは、カソードガス供給マニホールド１２に供給された後に、カソードガス供給用コモンレール５２およびカソードガス供給用連通流路７０を通って、多孔体流路３４に供給される。また、冷媒は、冷媒供給マニホールド１４に供給された後に、冷媒用流路５４および冷媒排出マニホールド１５を流動する。
【００３５】
多孔体流路３３に供給されたアノードガスは、多孔体流路３３を流動しつつガス拡散層３１を拡散して、膜−電極接合体３０のアノード触媒層に到達する。アノード触媒層において、アノードガスに含まれる水素は電子を放出してプロトンになる。プロトンは、膜−電極接合体３０の電解質膜を伝導してカソード触媒層側に移動する。
【００３６】
多孔体流路３４に供給されたカソードガスは、多孔体流路３４を流動しつつガス拡散層３２を拡散して、カソード触媒層に到達する。カソード触媒層においては、カソードガスに含まれる酸素と外部から供給される電子とプロトンとが反応する。それにより、発電が行われるとともに、水が生成される。
【００３７】
発電に供されなかったアノードガスは、各セルに滞留する。滞留したアノードガスは、アノードガス排出バルブ２０が絞られた状態で、アノードガス排出用連通流路６１およびアノードガス排出用コモンレール５１を通って、アノードガス排出マニホールド１１から少量排気される。発電に供されなかったカソードガスは、カソードガス排出用連通流路７１およびカソードガス排出用コモンレール５３を通って、カソードガス排出マニホールド１３から排出される。以上のように燃料電池スタック２００は作用する。
【００３８】
ここで、燃料電池スタック２００において、各セル間における流路抵抗のバラツキによって、排出されるアノードガスが特定のセルに逆流入する現象が生じる場合がある。この場合、逆流入が生じたセルにおいては、不純物を排出することが困難となるおそれがある。
【００３９】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、逆流入現象のメカニズムを説明するための図である。２本のガス流路（ガス流路１００およびガス流路１０１）をモデルにして、逆流入現象のメカニズムを説明する。図４（ａ）は、デッドエンドの場合を示している。図４（ｂ）は、ガス流路１００およびガス流路１０１が出口で接続されている場合を示している。
【００４０】
図４（ａ）および図４（ｂ）において、ガス流路１００およびガス流路１０１には、上流側から下流側にかけてアノードガスが通過する。ガス流路１００およびガス流路１０１の上流側におけるアノードガスの圧力（Ｐｏ）は同じである。ここで、ガス流路１００の流路抵抗（ガスの流動に対する抵抗）はガス流路１０１の流路抵抗に比較して大きいとする。この場合、図４（ａ）において、ガス流路１００の下流側のガス圧力をＰｂとし、ガス流路１０１の下流側のガス圧力をＰａとした場合、下記式（１）の関係式が成立する。
（Ｐｏ−Ｐｂ）＞（Ｐｏ−Ｐａ）・・・（１）
【００４１】
よって、式（１）から下記式（２）が導き出せる。
Ｐａ＞Ｐｂ・・・（２）
【００４２】
つまり、デッドエンドの場合、流路抵抗の大きいガス流路１００の下流側のガス圧力（Ｐｂ）は、流路抵抗の小さいガス流路１０１の下流側のガス圧力（Ｐａ）に比較して小さくなる。
【００４３】
一方、図４（ｂ）においては、ガス流路１００およびガス流路１０１の下流側のガス圧力は同じ値（Ｐｃ）を有する。それにより、下記式（３）の関係式が成立する。
Ｐｂ＝Ｐａ＝Ｐｃ・・・（３）
【００４４】
ここで、式（３）が成立するためには、流路抵抗の大きいガス流路１００を流れるアノードガスの流量は、流路抵抗の小さいガス流路１０１を流れるアノードガスの流量に比較して小さくなる必要がある。そのため、ガス流路１００およびガス流路１０１に供給されるアノードガスのガス流量が等しい場合には、ガス流路１００においては、下流側から不足分のアノードガスを補うようにアノードガスが逆流入してくる。
【００４５】
燃料電池スタック２００は、図４（ｂ）と同様の構成を有している。つまり、燃料電池スタック２００においては、アノードガス排出マニホールド１１の下流側が閉止または絞られた状態で発電が行われるため、各セルにおけるアノードガス用ガス流路の下流側のガス圧力は等しい。また、各アノードガス用ガス流路の上流側のガス圧力は等しく、各アノードガス用ガス流路に供給されるアノードガス量も等しい。したがって、燃料電池スタック２００において、各セルのアノードガス用ガス流路の流路抵抗にバラツキがある場合には、流路抵抗の小さいアノードガス用ガス流路を有するセルから排出されたアノードガスが、流路抵抗の大きいアノードガス用ガス流路を有するセルに逆流入する。以上のメカニズムで、逆流入現象が生じると考えられる。
【００４６】
ここで、燃料電池スタック２００においては、カソード側からアノード側へ窒素等の不純物が透過することがある。この不純物は、主としてアノード側の多孔体流路である多孔体流路３３に蓄積される。不純物は、セルの外部へ排出される必要があるが、逆流入現象が生じた場合、以下の問題が生じるおそれがある。図５（ａ）は、逆流入現象が生じた場合の問題点を説明するための図である。具体的には、流路断面積が一様な直線流路１１０をモデルにして、逆流入現象が生じた場合の問題点を説明する。直線流路１１０の一方の側を領域１１１とし、他方の側を領域１１２とする。領域１１１および領域１１２の界面を界面１１３とする。領域１１１および領域１１２には、それぞれ濃度の異なるガスが存在している。領域１１１のガス濃度は、領域１１２のガス濃度に比較して高くなっている。
【００４７】
この場合、領域１１１および領域１１２のガスの濃度差をΔＣとし、直線流路１１０の流路長をＸとすると、直線流路１１０におけるガスの濃度勾配は（ΔＣ／ΔＸ）で表される。したがって、ガスの拡散係数をＤとすると、領域１１１から領域１１２へ界面１１３を通過して拡散するガスの単位面積当たりの移動量Ｍ１は、下記式（４）で表される。
Ｍ１＝Ｄ×（ΔＣ／ΔＸ）・・・（４）
【００４８】
一方、領域１１２から領域１１１へ逆流入ガスが流動すると仮定した場合、逆流入ガスの単位面積当たりの対流による移動量Ｍ２は、逆流入ガスの速度をＵとすると、下記式（５）で表される。
Ｍ２＝Ｃ×Ｕ・・・（５）
【００４９】
よって、領域１１１に存在するガスの領域１１２への移動量Ｍ３は、界面１１３の面積をＳとした場合、下記式（６）で表される。
Ｍ３＝Ｓ×（Ｄ×（ΔＣ／ΔＸ）−Ｃ×Ｕ）・・・（６）
【００５０】
式（６）によれば、逆流入ガスの速度（Ｕ）が大きくなると、拡散による移動量よりも対流による移動量の方が大きくなる。この場合、領域１１１から領域１１２へのガスの拡散が困難になると考えられる。
【００５１】
図５（ｂ）は、逆流入ガスの速度と拡散による窒素の排出比との関係を示すグラフである。なお、図５（ｂ）は、直線流路１１０の流路長（Ｘ）を８５ｍｍとして逆流入ガスの速度と拡散による窒素の排出比とを計算した計算結果をグラフにしたものである。また、燃料電池スタック２００における不純物の主成分は窒素であることから、ガスとして窒素を用いて計算を行った。横軸は、逆流入ガスの速度（Ｕ）を示し、縦軸は、窒素の排出比（透過量（Ｃ×Ｕ）に対する窒素量（Ｄ×（ΔＣ／ΔＸ））の割合）を示す。図５（ｂ）から、窒素の排出比は、逆流入ガスの速度が速くなると、小さくなる。
【００５２】
したがって、燃料電池スタック２００において、逆流入ガスの速度が大きくなると、不純物の拡散による移動量よりも逆流入ガスの対流による移動量の方が大きくなる。この場合、不純物をセルの外部へ排出することが困難となる。これが、逆流入現象が生じた場合の問題点である。
【００５３】
そこで、燃料電池スタック２００においては、図３に示すように、多孔体流路３３とアノードガス排出マニホールド１１との間に、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１からなる流路と、ガス拡散層３１の延長領域からなる流路と、が設けられている。
【００５４】
ここで、ガス拡散層３１はカーボンペーパ等からなるのに対してアノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１は空洞であることから、ガス拡散層３１の流路抵抗は、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１の流路抵抗に比較して大きい。したがって、ガス拡散層３１における逆流入ガスの流速は、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１における逆流入ガスの流速に比較して小さくなる。この場合、多孔体流路３３に蓄積された不純物は、ガス拡散層３１を拡散してアノードガス排出マニホールド１１に到達しやすくなる。したがって、不純物の排出を促進することができる。
【００５５】
なお、図５（ｂ）から、ガス拡散層３１を通過する逆流入ガスの流速は、１０ｍｍ／ｓ以下であることが好ましい。逆流入ガスの流速がこの範囲内にあれば、不純物の排出比は約２以上となり、不純物の排出を十分に行うことができるからである。
【００５６】
続いて、アノードガス排出用コモンレール５１の流路抵抗に対するガス拡散層３１の流路抵抗の比率の好ましい範囲について説明する。図６は、流路抵抗比率の好ましい範囲を説明するためのモデル図である。膜−電極接合体３０とアノードガス排出マニホールド１１との間に、異なる流路抵抗を有するガス流路１２０およびガス流路１２１が接続されている。ガス流路１２０およびガス流路１２１には、アノードガス排出マニホールド１１から逆流入ガスが流入する。
【００５７】
ガス流路１２０およびガス流路１２１の流路抵抗を、それぞれＫａおよびＫｂとする。ＫｂはＫａに比較して大きい。また、ガス流路１２０およびガス流路１２１の逆流入ガスの速度を、それぞれＵａおよびＵｂとする。このとき、膜−電極接合体３０とアノードガス排出マニホールド１１との間における圧力差をΔＰとすると、下記式（７）が成立する。
ΔＰ＝Ｕａ×Ｋａ＝Ｕｂ×Ｋｂ・・・（７）
【００５８】
また、膜−電極接合体３０（すなわち発電領域）の面積をＳｃとし、平均電流密度をＩとし、発電反応に必用なアノードガスの量をＱｃとした場合、下記式（８）が成立する。なお、式（８）において、Ｆはファラデー定数であり、その値は９６４８０Ｃ／ｍｏｌである。また、Ｑｋの値は２２４００ｃｍ３／ｍｏｌである。
Ｑｃ＝Ｓｃ×（Ｉ／（２Ｆ））×Ｑｋ・・・（８）
【００５９】
ここで、燃料電池スタック２００を構成する各セルのうち最大の流路抵抗を有するセルの流路抵抗が、各セルの流路抵抗の平均値のＲｋ倍であるとする。この場合、最大の流路抵抗を有するセルにおける逆流入ガスの流量Ｑａは、下記式（９）で表される。
Ｑａ＝０．５×（Ｒｋ−１）×Ｑｃ・・・（９）
【００６０】
式（８）を式（９）に代入して整理すると、下記式（１０）が得られる。
Ｑａ＝Ｓｃ×Ｉ×（Ｒｋ−１）×Ｑｋ／（４Ｆ）・・・（１０）
【００６１】
図６のガス流路１２０の流路断面積をＳａとすると、Ｕａは下記式（１１）で表される。
Ｕａ＝Ｑａ／Ｓａ・・・（１１）
【００６２】
式（１１）に式（１０）を代入して整理すると、下記式（１２）が得られる。
Ｕａ＝（Ｓｃ／Ｓａ）×Ｉ×（Ｒｋ−１）×Ｑｋ／（４Ｆ）・・・（１２）
【００６３】
一方、式（７）を変形すると、Ｕｂは下記式（１３）で表される。
Ｕｂ＝（Ｋａ／Ｋｂ）×Ｕａ・・・（１３）
【００６４】
式（１３）に式（１２）を代入して整理すると、Ｕｂは下記式（１４）のようになる。
Ｕｂ＝（Ｋａ／Ｋｂ）×（Ｓｃ／Ｓａ）×Ｉ×（Ｒｋ−１）×Ｑｋ／（４Ｆ）・・・（１４）
【００６５】
ここで、燃料電池スタック２００を運転する場合、電流密度としては０．２Ａ／ｃｍ２が多く用いられるが、この場合にＵｂは０．２ｃｍ／ｓ以下であることが好まれる。よって、単位電流密度（１Ａ／ｃｍ２）当たりＵｂが１ｃｍ／ｓ以下になるためには、下記式（１５）が成立する必要がある。
Ｕｂ＝（Ｋａ／Ｋｂ）×（Ｓｃ／Ｓａ）×Ｉ×（Ｒｋ−１）×Ｑｋ／（４Ｆ）＜１・・・（１５）
【００６６】
式（１５）にＱｋの値（２２４００ｃｍ３／ｍｏｌ）およびＦの値（９６４８０Ｃ／ｍｏｌ）を代入すると、下記式（１６）が得られる。
Ｕｂ＝（（Ｋａ／Ｋｂ）×（Ｓｃ／Ｓａ）×Ｉ×（Ｒｋ−１）×２２４００／（４×９６４８０））＜１・・・（１６）
【００６７】
式（１６）を整理すると、下記式（１７）が得られる。
Ｋｂ＞０．０５８×（Ｒｋ−１）×（Ｓｃ／Ｓａ）×Ｋａ・・・（１７）
【００６８】
一般にＲｋは１．２程度であると考えられるため、式（１７）にＲｋ＝１．２を代入して整理すると、下記式（１８）が得られる。
（Ｋｂ／Ｋａ）＞（０．０１１６×（Ｓｃ／Ｓａ））・・・（１８）
【００６９】
したがって、ガス流路１２０の流路抵抗に対するガス流路１２１の流路抵抗の比率が式（１８）の関係式を満たす場合には、不純物の排出を促進することができるとともに、ガス流路１２１の逆流入ガスの単位電流密度（１Ａ／ｃｍ２）当たりの速度を１ｃｍ／ｓ以下にすることができる。
【００７０】
本実施例において、ガス流路１２１はガス拡散層３１の延長領域に相当する。またガス流路１２０はアノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１に相当する。
【００７１】
したがって、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１の流路抵抗に対するガス拡散層３１の延長領域の流路抵抗の比率が式（１８）の関係式を満たすことが、不純物の排出を促進することができるとともに、ガス拡散層３１の逆流入ガスの単位電流密度（１Ａ／ｃｍ２）当たりの速度を１ｃｍ／ｓ以下にすることができる点で、好ましい。
【００７２】
本実施例において、多孔体流路３３が、発電領域に沿って設けられ発電領域に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路に相当し、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１が第１連通路に相当し、ガス拡散層３１の膜−電極接合体３０からの延長領域が第２連通路に相当する。
【実施例２】
【００７３】
続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池スタック２００ａ（図示せず）について説明する。燃料電池スタック２００ａは、セル５の代わりにセル５ａを有する点で、図１に示す燃料電池スタック２００と異なる。図７は、セル５ａのアノードガス排出マニホールド１１付近の拡大断面図である。セル５ａは、多孔体流路３３の代わりに多孔体流路３３ａを備える点で、図３のセル５と異なる。多孔体流路３３ａは、膜−電極接合体３０からの延長領域がアノードガス排出マニホールド１１に接続されている点で、多孔体流路３３と異なる。その他の構成は、セル５と同様のため説明を省略する。
【００７４】
セル５ａにおいて、アノードガス排出マニホールド１１からの逆流入ガスは、アノードガス排出用コモンレール５１、アノードガス排出用連通流路６１、多孔体流路３３ａおよびガス拡散層３１に流入する。多孔体流路３３ａおよびガス拡散層３１の流路抵抗は、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１の流路抵抗よりも大きい。
【００７５】
セル５ａにおいて、ガス拡散層３１および多孔体流路３３ａの逆流入ガスの流速は、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１の逆流入ガスの流速に比較して小さい。その結果、ガス拡散層３１および多孔体流路３３ａから不純物の拡散による排出を促進することができる。
【００７６】
また、本実施例においても、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１の流路抵抗に対するガス拡散層３１または多孔体流路３３ａの流路抵抗の比率が式（１８）の関係式を満たすことが好ましい。
【００７７】
本実施例において、多孔体流路３３ａが、発電領域に沿って設けられ発電領域に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路に相当し、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１が第１連通路に相当し、ガス拡散層３１および多孔体流路３３ａの膜−電極接合体３０からの延長領域が第２連通路に相当する。
【実施例３】
【００７８】
続いて、本発明の実施例３に係る燃料電池スタック２００ｂ（図示せず）について説明する。燃料電池スタック２００ｂは、セル５ａの代わりにセル５ｂを有する点で、実施例２に係る燃料電池スタック２００ａと異なる。図８は、セル５ｂのアノードガス排出マニホールド１１付近の拡大断面図である。セル５ｂは、多孔体流路３３ａの代わりに多孔体流路３３ｂを備える点で、図７のセル５ａと異なる。多孔体流路３３ｂは、アノードガス排出マニホールド１１との接続部分に、逆流入ガスの通過に対する抵抗となる抵抗体９０が配置されている点で、多孔体流路３３ａと異なる。その他の構成は、セル５ａと同様のため説明を省略する。
【００７９】
抵抗体９０は、例えば多孔体流路３３ｂのアノードガス排出マニホールド１１との接続部分に、樹脂等を含浸させることによって形成される。抵抗体９０を有することによって、多孔体流路３３ｂの膜−電極接合体３０からの延長領域の流路抵抗は、ガス拡散層３１の流路抵抗と同程度になる。
【００８０】
セル５ｂにおいて、ガス拡散層３１および多孔体流路３３ｂの流路抵抗は、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１の流路抵抗よりも大きい。
【００８１】
したがって、ガス拡散層３１および多孔体流路３３ｂの逆流入ガスの流速は、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１の逆流入ガスの流速に比較して小さい。その結果、ガス拡散層３１および多孔体流路３３ｂから不純物の拡散による排出を促進することができる。
【００８２】
また、本実施例においても、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１の流路抵抗に対するガス拡散層３１または多孔体流路３３ｂの流路抵抗の比率が式（１８）の関係式を満たすことが好ましい。
【００８３】
本実施例において、多孔体流路３３ｂが、発電領域に沿って設けられ発電領域に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路に相当し、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１が第１連通路に相当し、ガス拡散層３１および多孔体流路３３ｂの膜−電極接合体３０からの延長領域が第２連通路に相当する。
【実施例４】
【００８４】
続いて、本発明の実施例４に係る燃料電池スタック２００ｃ（図示せず）について説明する。燃料電池スタック２００ｃは、セル５の代わりにセル５ｃを有する点で、実施例１に係る燃料電池スタック２００と異なる。セル５ｃは、中間プレート３７の代わりに中間プレート３７ｃを有する点で、セル５と異なる。図９は、中間プレート３７ｃのアノードガス排出マニホールド１１付近をアノード側から見た上面図である。中間プレート３７ｃは、流路５５をさらに有する点で、中間プレート３７と異なる。その他の構成は中間プレート３７と同様のため、説明を省略する。
【００８５】
流路５５は、一端がアノードガス排出マニホールド１１に接続され、アノードガス排出マニホールド１１とは異なる方向に所定範囲に亘って形成された流路である。流路５５は、アノードガス排出用連通流路６１を介して多孔体流路３３に接続されている。それにより、流路５５には、多孔体流路３３の不純物が逆流することができる。
【００８６】
また、流路５５には、逆流入ガスの通過に対する抵抗となる抵抗体９１が配置されている。抵抗体９１の逆流入ガスの通過率は特に限定されないが、例えば９０％程度である。抵抗体９１として、例えば空孔率が数％程度の樹脂等が用いられる。
【００８７】
流路５５が抵抗体９１を有することによって、流路５５およびアノードガス排出用連通流路６１の逆流入ガスの流路抵抗は、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１の流路抵抗に比較して大きくなる。この場合、多孔体流路３３に蓄積された不純物は、流路５５およびアノードガス排出用連通流路６１を拡散してアノードガス排出マニホールド１１に到達しやすくなる。それにより、流路５５およびアノードガス排出用連通流路６１から不純物の拡散による排出を促進することができる。
【００８８】
また、本実施例においても、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１の流路抵抗に対する流路５５およびアノードガス排出用連通流路６１の流路抵抗の比率が式（１８）の関係式を満たすことが好ましい。
【００８９】
本実施例において、多孔体流路３３が、発電領域に沿って設けられ発電領域に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路に相当し、アノードガス排出用コモンレール５１およびアノードガス排出用連通流路６１が第１連通路に相当し、流路５５およびアノードガス排出用連通流路６１が第２連通路に相当する。
【実施例５】
【００９０】
続いて、本発明の実施例５に係る燃料電池スタック２００ｄ（図示せず）について説明する。燃料電池スタック２００ｄは、アノードガス排出マニホールド１６をさらに備える点で、実施例１に係る燃料電池スタック２００と異なる。図１０は、燃料電池スタック２００ｄの多孔体流路３３のアノードガス排出マニホールド１１付近をアノード側から見た上面図である。アノードガス排出マニホールド１６は、アノードガスを排出するためのマニホールドである。アノードガス排出マニホールド１６およびアノードガス排出マニホールド１１は、下流において合流して図１に示すアノードガス排出バルブ２０に接続されている。
【００９１】
アノードガス排出マニホールド１１と多孔体流路３３とは接続されている。アノードガス排出マニホールド１６と多孔体流路３３とは接続されている。つまり、アノードガス排出マニホールド１１およびアノードガス排出マニホールド１６と、多孔体流路３３と、の間には、シール部８０は配置されていない。したがって、逆流入ガスは、アノードガス排出マニホールド１６およびアノードガス排出マニホールド１１から多孔体流路３３に流入する。
【００９２】
また、アノードガス排出マニホールド１６は抵抗体９２を有している。抵抗体９２として、抵抗体９１と同様の抵抗体を用いることができる。この場合、アノードガス排出マニホールド１６の流路抵抗はアノードガス排出マニホールド１１の流路抵抗に比較して大きくなる。
【００９３】
本実施例において、アノードガス排出マニホールド１６の逆流入ガスの流路抵抗は、アノードガス排出マニホールド１１の流路抵抗に比較して大きい。この場合、多孔体流路３３に蓄積された不純物は、アノードガス排出マニホールド１１に比較してアノードガス排出マニホールド１６を拡散しやすくなる。それにより、不純物の拡散による排出を促進することができる。
【００９４】
なお、アノードガス排出マニホールド１１とアノードガス排出マニホールド１６とは、例えば中間プレート３７のアノードガス排出用コモンレール５１によって接続されていてもよい。
【００９５】
本実施例において、多孔体流路３３が、発電領域に沿って設けられ発電領域に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路に相当し、アノードガス排出マニホールド１１が第１マニホールドに相当し、アノードガス排出マニホールド１６が第２マニホールドに相当する。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池スタック２００の模式的断面図である。
【図２】図２は、実施例１に係るセル５の分解斜視図である。
【図３】図３は、実施例１に係るセル５のアノードガス排出マニホールド１１付近の拡大断面図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、逆流入現象のメカニズムを説明するための図である。図４（ａ）は、デッドエンドの場合を示している。図４（ｂ）は、ガス流路１００およびガス流路１０１が出口で接続されている場合を示している。
【図５】図５（ａ）は、逆流入現象が生じた場合の問題点を説明するための図である。図５（ｂ）は、逆流入ガスの速度と拡散による窒素の排出比との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、流路抵抗比率の好ましい範囲を説明するためのモデル図である。
【図７】図７は、実施例２に係るセル５ａのアノードガス排出マニホールド１１付近の拡大断面図である。
【図８】図８は、実施例３に係るセル５ｂのアノードガス排出マニホールド１１付近の拡大断面図である。
【図９】図９は、実施例４に係るセル５ｃの中間プレート３７ｃのアノードガス排出マニホールド１１付近をアノード側から見た上面図である。
【図１０】図１０は、実施例５に係る燃料電池スタック２００ｄの多孔体流路３３のアノードガス排出マニホールド１１付近をアノード側から見た上面図である。
【符号の説明】
【００９７】
５  セル
１０  アノードガス供給マニホールド
１１  アノードガス排出マニホールド
１２  カソードガス供給マニホールド
１３  カソードガス排出マニホールド
１４  冷媒供給マニホールド
１５  冷媒排出マニホールド
１６  アノードガス排出マニホールド
２０  アノードガス排出バルブ
３０  膜−電極接合体
３１，３２  ガス拡散層
３３，３４  多孔体流路
３５  セパレータ
３６  アノード対向プレート
３７  中間プレート
３８  カソード対向プレート
４０，４１，４２，４３，４４，４５  孔
５０  アノードガス供給用コモンレール
５１  アノードガス排出用コモンレール
５２  カソードガス供給用コモンレール
５３  カソードガス排出用コモンレール
５４  冷媒用流路
５５  流路
６０  アノードガス供給用連通流路
６１  アノードガス排出用連通流路
７０  カソードガス供給用連通流路
７１  カソードガス排出用連通流路
８０  シール部
９０，９１，９２  抵抗体
１００，１０１  ガス流路
１１０  直線流路
１１１，１１２  領域
１１３  界面
１２０，１２１  ガス流路
２００  燃料電池スタック
【図１】
2009301849.tif 000003
【図２】
2009301849.tif 000004
【図３】
2009301849.tif 000005
【図４】
2009301849.tif 000006
【図５】
2009301849.tif 000007
【図６】
2009301849.tif 000008
【図７】
2009301849.tif 000009
【図８】
2009301849.tif 000010
【図９】
2009301849.tif 000011
【図１０】
2009301849.tif 000012