(57)【要約】【課題】燃料を均一に供給することができ、下流からの不純物ガスを含む燃料の逆流を防ぐことが可能となる燃料電池セルおよび燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料ガスが導入される側に、少なくともアノードガス拡散層とアノード室流路とを備え、  前記アノード室流路の前記燃料ガスが導入される上流側に燃料ガスの供給口を備えた供給流路が接続され、下流側に燃料ガスの排出口を備えた排出流路が接続されてなる燃料流路を有する燃料電池セルであって、  前記燃料流路の流路内における前記排出流路側には、流量制限手段が前記アノードガス拡散層と接して設けられ、  前記流量制限手段によって、該流量制限手段が設置された個所から前記燃料流路の上流側と下流側とに差圧を発生させる構成を有する。【選択図】            図１
2009206076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが導入される側に、少なくともアノードガス拡散層とアノード室流路とを備え、
前記アノード室流路の前記燃料ガスが導入される上流側に燃料ガスの供給口を備えた供給流路が接続され、下流側に燃料ガスの排出口を備えた排出流路が接続されてなる燃料流路を有する燃料電池セルであって、
前記燃料流路の流路内における前記排出流路側には、第一の流量制限手段が前記アノードガス拡散層に接して配置され、
前記第一の流量制限手段によって、該第一の流量制限手段が設置された個所から前記燃料流路の上流側と下流側とに差圧を発生させることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
前記第一の流量制限手段により制限される流量は、少なくとも前記アノード室流路に侵入する窒素を含む不純物ガスの侵入流量よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
発電していない場合において、前記第一の流量制限手段により生じる燃料ガスの差圧は、少なくとも前記アノード室流路内において発電により発生する圧力損失よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記第一の流量制限手段は、前記アノードガス拡散層の一部によって構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記第一の流量制限手段は、多孔質体で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項６】
前記アノード室流路が、前記アノードガス拡散層で満たされていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項７】
前記排出口の下流に、該排出口から排出された燃料ガスの排出量を抑制する第二の流量制限手段を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項８】
前記排出口の下流に、該排出口から排出された燃料ガスを消費する燃料ガス消費手段を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項９】
前記排出口と前記燃料ガス消費手段の間に、該排出口から排出された燃料ガスの排出量を抑制する第二の流量制限手段を有することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池セル。
【請求項１０】
燃料電池セルが複数積層され、前記複数の燃料電池セルの各アノード室流路の燃料ガスが導入される上流側に燃料ガスの供給口を備えた供給流路が接続され、下流側に前記燃料ガスの排出口を備えた排出流路が接続されてなる燃料流路を有する燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックにおける前記複数の燃料電池セルが、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池セルによって構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記排出口の下流に、該排出口から排出された燃料ガスの排出量を抑制する第二の流量制限手段を有することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記排出口の下流に、該排出口から排出された燃料ガスを消費する燃料ガス消費手段を有することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記排出口と前記燃料ガス消費手段の間に、該排出口から排出された燃料ガスの排出量を抑制する第二の流量制限手段を有することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルおよび燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池セルは、プロトン導電性を有する固体高分子電解質膜、およびその両面に配置された一対の電極からなる。
電極は、白金あるいは白金族金属触媒を含む触媒層および触媒層の外面に形成されたガス供給と集電を担うガス拡散層から構成される。
一対の電極および固体高分子電解質膜を一体化させたものは膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ；  ＭＥＡ）とよばれ、一方の電極に燃料（水素）を、他方に酸化剤（酸素）を供給することで発電が行われる。
【０００３】
燃料電池セルの理論電圧は約１．２３Ｖであり、実際の運転状態においては０．７Ｖ程度の出力電圧で使用されるのが一般的である。
そのため、より高い起電圧を必要とする場合には、複数の燃料電池セルを積層し、各燃料電池セルを電気的に直列に接続して使用される。このような構造は燃料電池スタックと呼ばれる。
本件において、「燃料電池」と記した場合、燃料電池セル、及び燃料電池スタックを共に含むものとする。
【０００４】
燃料電池スタックを効率よく発電させるためには、燃料電池スタックを構成する個々の燃料電池セルを効率よく発電させる必要がある。
そのため、各燃料電池セルの温度条件や各燃料電池セルへの燃料や酸化剤の供給が均一になるように設計、制御する必要がある。
一般的に、燃料電池スタックの燃料流路および酸化剤流路は各燃料電池セルに並列に形成されており、燃料および酸化剤が各燃料電池セルへ並列に分配される。このような燃料電池において、特許文献１では、３次元網目構造の多孔質体からなる整流部材を燃料電池スタックのガス出入り口に設置し、各燃料電池セルへ燃料や酸化剤を均一に供給する技術が開示されている。
【０００５】
また、一方において、燃料電池を含むシステムの小型化および燃料の利用効率向上を図るため、燃料電池スタックの燃料流路下流で燃料流路を閉じた、いわゆるデッドエンド型の燃料電池が知られている。
デッドエンド型の燃料電池においては、システムの小型化および燃料の利用効率向上を実現できる一方で、窒素や水蒸気などの不純物ガスの滞留により燃料電池の性能が低下するという問題がある。
そこで、各燃料電池セル内に不純物ガスを滞留させないように、燃料電池スタック下流で燃料をわずかに定常的に流す構成が考えられてきた。
また、特許文献２では、このようなデッドエンド型の燃料電池において、燃料電池内の水素の消費量に応じて排気バルブを開閉することで、排出される未反応水素量を減少させながら不純物ガスを排出する燃料電池システムが開示されている。
一方、特許文献３では、燃料電池スタックの供給側流路、発電部に相当する支流路、排出側流路の各流路抵抗を設計することにより、燃料ガスの均一な供給および効率的な不純物ガスの排出を実現する燃料電池装置が開示されている。
【特許文献１】特開平０８−２１３０４４号公報
【特許文献２】特開２００２−００８６９１号公報
【特許文献３】特開２００７−２２７３６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術は、燃料を定常的に流す構成においては効果を有するものの、デッドエンド型や燃料流量を燃料電池スタックの燃料流路下流で小さく絞った系においては、燃料を各燃料電池セルへ均一に供給することが困難であった。
これは、各燃料電池セルの流路抵抗がそれぞれの燃料電池セル内で不均一であることや、各燃料電池セル間でばらつきを持つこと、発電で燃料が消費されることにより発電部で圧力損失が発生する等の問題により、下流からの逆流や滞留が発生するためである。
また、特許文献２に記載の燃料電池システムは、排気バルブの開閉により、低下した性能を一時的に回復させる手段であり、不純物ガスの滞留そのものを抑制することはできない。
さらに、上記した各燃料電池セルの流路抵抗の不均一性により、不純物ガスの滞留が特定の燃料電池セルで起こり、著しく性能を低下させるという問題を生じる。
これは、燃料電池スタックの排出流路からの不純物ガスを含む燃料ガスの逆流が特定の燃料電池セルに集中するためと考えられている。
そのため、排気バルブを頻繁に開閉して不純物ガスを含む燃料を排出する必要があり、水素の利用効率が低くなるという問題があった。
特許文献３に記載の燃料電池装置は、燃料ガスの均一な供給および効率的な不純物ガスの排出を実現できるが、各燃料電池セル間の流路抵抗ばらつきが大きい場合や、発電により発生する水による流路抵抗の変化などに対する対策が十分でないといった問題があった。特に、長時間の発電により燃料流路内で結露が発生し、水滴によって流路が閉塞することに対する対策は十分とはいえない。そのため、各燃料電池セル間の流路抵抗ばらつきや長時間の発電により発生する水による流路の閉塞に対する対策が求められていた。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決し、各燃料電池セル間の流路抵抗にばらつきがあっても、燃料を均一に供給することができ、下流からの不純物ガスを含む燃料の逆流を防ぐことが可能な燃料電池セルおよび燃料電池スタックを提供することを目的とするものである。
更に、本発明は、長時間の発電により発生する水による流路の閉塞を抑制することのできる燃料電池セルおよび燃料電池スタックを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成した燃料電池セルおよび燃料電池スタックを提供するものである。
本発明の燃料電池セルは、燃料ガスが導入される側に、少なくともアノードガス拡散層とアノード室流路とを備え、
前記アノード室流路の前記燃料ガスが導入される上流側に燃料ガスの供給口を備えた供給流路が接続され、下流側に燃料ガスの排出口を備えた排出流路が接続されてなる燃料流路を有する燃料電池セルであって、
前記燃料流路の流路内における前記排出流路側には、第一の流量制限手段が前記アノードガス拡散層に接して配置され、
前記第一の流量制限手段によって、該第一の流量制限手段が設置された個所から前記燃料流路の上流側と下流側とに差圧を発生させることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、前記第一の流量制限手段が、前記アノードガス拡散層に接して配置されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、前記第一の流量制限手段により制限される流量は、少なくとも前記アノード室流路に侵入する窒素を含む不純物ガスの侵入流量よりも大きいことを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、発電していない場合において、前記第一の流量制限手段により生じる燃料ガスの差圧は、少なくとも前記アノード室流路内において発電により発生する圧力損失よりも大きいことを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、前記第一の流量制限手段は、多孔質体で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、前記アノード室流路が、前記アノードガス拡散層で満たされていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、前記排出口の下流に、該排出口から排出された燃料ガスの排出量を抑制する第二の流量制限手段を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、前記排出口の下流に、該排出口から排出された燃料ガスを消費する燃料ガス消費手段を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、前記排出口と前記燃料ガス消費手段の間に、該排出口から排出された燃料ガスの排出量を抑制する第二の流量制限手段を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池スタックは、
燃料電池セルが複数積層され、前記複数の燃料電池セルの各アノード室流路の燃料ガスが導入される上流側に燃料ガスの供給口を備えた供給流路が接続され、下流側に前記燃料ガスの排出口を備えた排出流路が接続されてなる燃料流路を有する燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックにおける前記複数の燃料電池セルが、上記したいずれかに記載の燃料電池セルによって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池スタックは、前記排出口の下流に、該排出口から排出された燃料ガスの排出量を抑制する第二の流量制限手段を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池スタックは、前記排出口の下流に、該排出口から排出された燃料ガスを消費する燃料ガス消費手段を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池スタックは、前記排出口と前記燃料ガス消費手段の間に、該排出口から排出された燃料ガスの排出量を抑制する第二の流量制限手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料を均一に供給することができ、下流からの不純物ガスを含む燃料の逆流を防ぐことが可能となる燃料電池セルおよび燃料電池スタックを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】
【００１０】
本発明の上記構成によれば、上記した燃料流路の流路内における排出流路側に配置された第一の流量制限手段によって、該第一の流量制限手段が設置された個所から前記燃料流路の上流側と下流側とで大きな差圧を生じさせることができる。
これにより、燃料電池の供給流路から発電部を含むアノード室流路まで均一に燃料を供給することが可能になり、同時に排出流路から不純物ガスを含む燃料ガスの逆流を防止することができる。
さらに、流量制限手段をアノードガス拡散層に接して配置することにより、燃料電池の発電反応に伴って生じアノード室流路内に拡散した水分が、結露することによる流路の閉塞を防ぐことができる。
アノード室流路と流量制限手段の間での流路の閉塞は、アノード室流路内に侵入してくる不純物ガスの排出を阻害するため、燃料電池性能の低下につながる。
流量制限手段をアノードガス拡散層に接して配置することで、流量制限手段を発電部と同等の、もしくは近い温度条件下に設置することが可能となり、結露を防止することができる。その結果、燃料電池を安定的に駆動することができる。
【００１１】
このような構成によれば、デッドエンド型もしくは燃料流量を燃料電池スタックの燃料流路下流で小さく絞った系でも、燃料電池および燃料電池スタックの各燃料電池セルへ燃料を均一に供給し、下流からの不純物ガスの逆流や滞留などを防ぐことができる。
さらに、アノード室流路と前記第一の流量制限手段の間の流路が結露により閉塞することがないため、燃料電池を安定的に駆動させることができる。
また、各燃料電池セルのアノードガス拡散層に接して前記第一の流量制限手段を設置した燃料電池スタックにおいて、その排出流路下流に第二の流量制限手段としてニードルバルブのような流量調整機構を有する構成とすることもできる。
このような構成を採ることで、流量調整機構にて流量を絞ることで、燃料の利用効率を向上することができる。
また、各燃料電池セルのアノードガス拡散層に接して流量制限部材を設置した燃料電池スタックの排出流路下流においては、別途流量制限手段を持たない構成とすることもできる。
アノードガス拡散層と接して配置された流量制限部材により各燃料電池セルへのガス逆流が防止できるため、例えば燃料電池スタックの排出口を大気に開放してもスタック性能へ影響を与えることはない。
【００１２】
以下、本発明の燃料ガスが導入される側に、アノードガス拡散層とアノード室流路とを備え、前記燃料ガスを導入する前記アノード室流路の上流側に燃料ガスの供給流路が接続され、
下流側に燃料ガスの排出流路が接続されてなる燃料流路を有する燃料電池セルおよび燃料電池スタックの各実施形態について、図面を参照して更に詳細に説明する。
【００１３】
［実施形態１］
本実施形態においては、燃料電池の燃料流路内において流量制限手段を構成する流量制限部材をアノードガス拡散層の側面に隣接して配置した構成例について説明する。
図１に、本実施形態の燃料電池単セルの構成例を説明する断面模式図を示す。
図２は図１の流量制限部材周辺の拡大図、図３は本実施形態の燃料電池単セルが複数積層されてなる燃料電池スタックの構成を説明する断面模式図である。
図１および図２中、１は燃料電池単セル、２は膜電極接合体、３はアノードガス拡散層、４はカソードガス拡散層、５は酸化剤供給層である。
６はアノード集電体、７はカソード集電体、８は絶縁板、９はエンドプレート、１０は供給流路、１１はアノード室流路、１２は排出流路、１３は第一の流量制限手段を構成する流量制限部材、１４は供給口、１５は排出口である。
また、図３中、１６は燃料電池スタックである。
【００１４】
図１に示すように、実施形態１の燃料電池単セル１はアノード室流路１１内のアノードガス拡散層３側面に隣接して第一の流量制限手段を構成する流量制限部材１３を備える。
燃料電池単セル１には、膜電極接合体２が中心に配置され、両面にそれぞれアノードガス拡散層３、カソードガス拡散層４が配置される。
膜電極接合体２は、周知のように、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を含む電極を形成したものである。
固体高分子電解質膜には、一般にパーフルオロスルホン酸系のプロトン交換樹脂膜などが用いられるが、本発明は固体高分子電解質膜の種類によらず実施することができる。
固体高分子電解質膜の両面に形成される触媒層は、通常燃料電池反応を促進する触媒とプロトン導電性を有する電解質からなり、必要に応じて触媒担体や疎水剤、親水剤などを含む。
一般に用いられる触媒としては、白金や白金合金の微粒子、白金担持カーボンなどが知られているが、本発明はこれらの触媒の種類に限られることなく実施することができる。
【００１５】
アノードガス拡散層３およびカソードガス拡散層４は、ガス透過性と電気伝導性を有する層である。
すなわち、電極反応を効率良く行わせるために燃料や酸化剤を触媒の反応領域へ均一かつ充分に供給し、電極反応によって生じる電荷をセル外部に取り出す機能を有している。
一般に、ガス拡散層は多孔質カーボン材料が用いられ、本発明においてもこれら一般的な材料を用いることができる。
【００１６】
酸化剤供給層５は、カソードガス拡散層４の外側に配置され、カソードガス拡散層４表面へ空気もしくは酸素などの酸化剤を供給する機能と、カソード集電体７とカソードガス拡散層４の電気的接続を付与する機能を有する。
酸化剤供給層５としては、発泡金属や多孔質カーボン構造体、金属メッシュ、酸化剤供給用の溝を有する導電体板などが例示できる。
図１では、カソード側にのみ供給層が配置された燃料電池を例示しているが、アノードガス拡散層３外側に同様の機能を有する燃料供給層を配置する構成でも良い。
本実施形態においては、アノードガス拡散層３がガス拡散層としての機能と燃料供給層としての機能を兼ねている。
【００１７】
アノード集電体６およびカソード集電体７は、金属やカーボンなどの導電性材料により形成された板状の部材であり、燃料電池反応により生成した電子を外部へ取り出す機能を有する。
したがって、アノード集電体６およびカソード集電体７は、それぞれアノードガス拡散層３および酸化剤供給層５に接触して配置され、外部へ出力を取り出すための端子を有する。
【００１８】
絶縁板８は、エンドプレート９とアノード集電体６もしくはカソード集電体７間を電気的に絶縁する機能を有する。
絶縁板８は、例えば樹脂などで形成することができる。エンドプレート９は、燃料電池および燃料電池スタックに対して均一に締結圧を伝達する機能を有する。エンドプレート９は、剛性材料、例えばＳＵＳなどで形成することができる。
本実施形態において、一対のエンドプレート９の一方に燃料ガスの供給口１４および排出口１５を有する構成例が示されているが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。
【００１９】
本実施形態において、第一の流量制限手段を構成する流量制限部材１３は、供給流路１０、アノード室流路１１および排出流路１２により構成される燃料流路の中で、アノード室流路１１の排出流路１２側アノードガス拡散層３の側面に接して配置される。
この流量制限部材１３は、燃料流に対してガス流路抵抗を与える機能を有している。
そのため、供給流路１０から供給された燃料がアノード室流路１１に長く留まり、アノード室流路１１内に均一に燃料を供給することが可能となる。
図３に示すように、このような流量制限部材１３を備えた燃料電池セルを複数積層されて構成された燃料電池スタック１６においては、各燃料電池セルの流路抵抗がセル間でばらつきを持つ場合であっても、燃料を各燃料電池セルへ均一に供給することができる。
また、流量制限部材１３は、燃料電池セルおよび燃料電池スタックにおける排出流路１２内に存在する不純物ガスを含む燃料ガス（排出口１５から逆流する大気中の空気を含む）が、アノード室流路１１へ逆流するのを防ぐ機能を有している。
最も逆流が発生しやすい状況としては、燃料電池の発電開始直後が挙げられる。
発電を開始することによって、アノード室流路１１内に充填された燃料ガスが消費されることでアノード室流路１１内の燃料ガスの圧力が低下し、排出流路１２を含むアノード室流路１１よりも下流からガスの逆流が発生する。
逆流するガスに含まれる不純物ガスの濃度が大きいほど、燃料電池性能に大きく影響を与える。
また、アノード室流路１１内の圧力低下量は消費される燃料ガスの量に依存し、発電量が大きいほど圧力低下が大きい。
このような不純物ガスを含む燃料ガスの逆流を防ぐために、燃料流路の流路内における前記排出流路側に流量制限手段を配置することで、アノード室流路１１内への逆流を防止することができる。
アノード室流路１１内への逆流を防止するための流量制限手段の流路抵抗の下限値は、発電により発生するアノード室流路１１内の圧力損失の大きさにより決定される。発電していない場合において、流量制限手段により生じる燃料ガスの差圧は、少なくとも前記アノード室流路内において発電により発生する圧力損失よりも大きいことを特徴とする。
このときの発電電流は、燃料電池が発電しうる最大の電流量を想定して設計されることが好ましい。
このように、流量制限手段により発生する差圧を設計することにより、最も逆流が発生しやすい状況である燃料電池の発電開始直後であっても、アノード室流路１１内への逆流を防止することができる。
また、この流量制限部材１３は、上記の図３に示す燃料電池スタック１６を構成した際に、排出流路１２から不純物ガスを含む燃料ガスがある特定のセルのアノード室流路１１へ逆流するのを防ぐ機能も有している。
【００２０】
一方、流量制限部材１３は、アノード室流路１１に侵入してくる窒素や二酸化炭素、水蒸気などの不純物ガスを排出流路１２へ排出する機能を有している。
アノード室流路１１へ侵入する不純物ガスは、主に膜電極接合体２を透過してアノード室流路１１へ侵入する。
その透過速度は、固体高分子電解質膜の種類や温度、湿度、分圧などにより大きく変動するが、アノード室流路１１内へ侵入した不純物ガスは燃料電池性能へ影響を与えるため速やかに排出流路１２へ排出する必要がある。
そのため、流量制限部材１３からなる第一の流量制限手段により制限される流量は、少なくともアノード室流路１１に侵入する窒素を含む不純物ガスの侵入流量よりも大きい流量に設計することが好ましい。
つまり、流量制限手段による流路抵抗の上限値は、不純物ガスの侵入流量により決定されることになる。このように設計することにより、アノード室流路１１内に不純物ガスが対流することなく、燃料電池セル１を安定に発電させることができる。
図２においては、流量制限部材１３は排出流路１２に達するまでの領域全てに形成されているが、上記機能を満たす限度内において排出流路１２に達するまでの領域の一部にのみ形成するようにしても良い。
【００２１】
流量制限部材１３は、アノードガス拡散層３の側面と隣接して配置されているため、燃料電池単セル１の発電安定性を高めることが可能となる。
流量制限部材１３とアノードガス拡散層３が離れた位置に配置された場合、流量制限部材１３より上流で水の結露により流路が閉塞してしまう可能性がある。
その結果、アノード室流路１１から不純物ガスの排出が滞ることにより、燃料電池性能の低下が発生する。
アノードガス拡散層３の側面に隣接して設置することにより、燃料電池発電部の温度とほぼ同じ温度条件に流量制限部材１３が置かれるため、結露しにくくなる。
同時に、流量制限部材１３がアノードガス拡散層３の側面に隣接していることにより、流路が完全に閉塞されることが無く、流量制限部材１３を通過するフローを保つことができる。
【００２２】
本実施形態において、流量制限手段を構成する流量制限部材１３は、例えば、多孔質体によって構成することができる。
多孔質体としては、上述のような範囲の流路抵抗（流量制限）を実現することができる多孔質体であればどのような材料でも使用することができる。
流量制限部材１３のサイズや、構成する部材の開口率、開口径等の、流路抵抗を規定するパラメータは、前記範囲内の求められる流路抵抗に応じて設計されるべきものである。
流量制限部材１３として用いられる多孔質体としては、化学的・機械的安定性が高いといった特徴から多孔質ＰＴＦＥ製のフィルターなどを用いることができる。
また、微粒子とバインダーを混合して多孔質体を形成することもできる。微粒子とバインダーの混合により形成される多孔質体は、微粒子サイズやディスパージョン濃度などにより、多孔質体の細孔径や細孔分布などを制御することが可能であるため、所望の流路抵抗を実現できる。
バインダーとしては、化学的安定性が高いことからＰＴＦＥディスパージョンなどが例示できる。微粒子としては、カーボン、白金担持カーボン、白金黒などの化学的安定性が高い微粒子や水素吸蔵材料などの機能性微粒子を用いることができる。
例えば、微粒子として白金担持カーボンや白金黒を用いることで流量制限部材１３に触媒能を与え、流量制限手段の機能に加えて、燃料を外気へ安全に放出するための燃焼器としての機能を付与することができる。
また、水素吸蔵材料など機能性微粒子を用いることで、水素に触れると体積が変化したり、水分に触れると体積が変化したりすることで流量制限手段の流路抵抗を制御することも可能となる。
【００２３】
［実施形態２］
実施形態２においては、実施形態１のように流量制限部材１３を、アノードガス拡散層３の側面と隣接して配置するのではなく、背面に接して設置した構成例について説明する。
図４に、本実施形態の燃料電池単セルにおける構成例を説明する流量制限部材の周辺を拡大した断面模式図を示す。
【００２４】
図４に示すように、流量制限部材１３の設置される位置以外は実施形態１と同様の燃料電池セル構成である。
流量制限部材１３は、アノード室流路１１内のアノードガス拡散層３に少なくとも一部が接しており、かつ排出流路１２側に配置されていればよい。
本実施形態では、図４に示すように流量制限部材１３はアノードガス拡散層３の背面に配置した構成が採られている。
これにより、流量制限部材１３としてシート状やフィルム状といった形状の材質を用いることができるため、流量制限部材１３として用いる材質の選択肢が広がる。
例えば、ＰＴＦＥ製フィルターや親水性ＰＴＦＥ製フィルター、セルロース混合エステル製フィルターなどが挙げられる。
また、セル形状や流路形状の自由度が向上するため、燃料電池の小型化や製造プロセスの簡易化などが可能となる。
【００２５】
［実施形態３］
実施形態３においては、実施形態１の流量制限部材１３をアノードガス拡散層３のアノード室流路下流側の一部を改変することにより構成した例について説明する。
図５に、本実施形態の燃料電池単セルにおける構成例を説明する流量制限部材の周辺を拡大した断面模式図を示す。
【００２６】
本実施形態は、上記したようにアノードガス拡散層３の一部を改変した以外は、実施形態１に示した燃料電池セルと同様の構成である。
実施形態１および実施形態２においては、流量制限部材１３はアノードガス拡散層３とは別途設置された部材から構成されているのに対して、本実施形態ではアノードガス拡散層３の一部が流量制限部材１３を構成するようにした点に特徴を有している。
ガス透過性の高いアノードガス拡散層３における燃料流路下流側の一部のガス透過性を下げることで、上記の構成を達成することができる。
アノードガス拡散層３のガス透過性を下げる手段としては、例えば、ガス拡散層を圧縮する手段や、ガス拡散層内に充填剤などを充填する手段、もしくは前記充填手段と前記圧縮手段を併用する手段、などを挙げることができる。
【００２７】
［実施形態４］
実施形態４においては、実施形態１から実施形態３に示した流量制限部材１３を備えた燃料電池を複数積層して構成した燃料電池スタックの構成例について説明する。
図６に、本実施形態の燃料電池スタックの構成例を説明する断面模式図を示す。
【００２８】
本実施形態においては、流量制限部材１３を有する燃料電池スタック１６の排口１５より下流には、別途流量制限手段を持たなくても良い。
各アノード室流路１１に設けられた流量制限部材１３により排出流路１２からの逆流を抑止できるため、例えば排出口１５は大気開放でも良い。
供給される燃料の利用効率や安全性の観点から、流量制限部材１３にて燃料流量を大幅に絞る構成が好ましい。
電子機器への組み込みの際の位置自由度を高めるために、排出口より下流には燃料希釈器や、白金等の触媒を設けて排出ガスに含まれる燃料と大気中の酸素を徐々に反応させる燃焼器などの手段を用いて燃料を消費する機構を設けても良い。
【００２９】
［実施形態５］
実施形態５においては、実施形態１から実施形態３に示した流量制限部材１３を有する燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタック１６において、排出口１５より下流に第二の流量制限手段を構成する流量調整機構が設置された構成例について説明する。
図７に、本実施形態の燃料電池スタックの構成例を説明する断面模式図を示す。
【００３０】
流量制限部材１３を有する燃料電池スタック１６の排出口１５より下流に第二の流量制限手段としてニードルバルブのような流量調整機構１７が配置されている。
流量調整機構１７は、燃料電池スタック１６から排出される不純物ガスを含む燃料ガスの排出量を抑える機能を有している。
このような流量調整機構１７は、例えば、上記不純物ガスを含む燃料ガスの排出量を制御する制御弁によって構成することができる。
流量調整機構１７を通過するガスの流量は、膜電極接合体２を透過してアノード室流路１１に入りこむ不純物ガスの量に合わせて定められる。
このような構成を取ることにより、燃料電池スタック１６に供給される燃料の利用効率を高めながら、不純物ガス蓄積を防ぐことが出来る。
また、流量調整機構１７よりも下流には、前記の燃料希釈器や燃焼器などの手段を用いて燃料ガスを消費する機構を設けても良い。
排出口１５と燃料消費手段の間に流量調整機構１７を設けることによって、燃料ガス消費手段に応じて燃料流量を制御する。
【００３１】
以上に説明した本発明の各実施形態の構成によれば、上記した前記第一の流量制限手段によって、該第一の流量制限手段が設置された個所から前記燃料流路の上流側と下流側とで大きな差圧を生じさせることができる。
これにより、燃料電池の供給流路から発電部を含むアノード室流路まで均一に燃料を供給することが可能になり、同時に排出流路から不純物ガスを含む燃料ガスの逆流を防止することができる。
さらに、流量制限手段をアノードガス拡散層に接して配置することにより、燃料電池の発電反応に伴って生じアノード室流路内に拡散した水分が、結露することによる流路の閉塞を防ぐことができる。
アノード室流路と流量制限手段の間での流路の閉塞は、アノード室流路内に侵入してくる不純物ガスの排出を阻害するため、燃料電池性能の低下につながる。
流量制限手段をアノードガス拡散層に接して配置することで、流量制限手段を発電部と同等の、もしくは近い温度条件下に設置することが可能となり、結露を防止することができる。その結果、燃料電池を安定的に駆動することが出来る。
【００３２】
このような本発明の実施形態によれば、デッドエンド型もしくは燃料流量を燃料電池スタックの燃料流路下流で小さく絞った系であっても、
燃料電池および燃料電池スタックの各燃料電池セルへ燃料を均一に供給し、下流からの不純物ガスの逆流や滞留などを防ぐことができる。
さらに、アノード室流路と前記第一の流量制限手段の間の流路が結露により閉塞することがないため、燃料電池を安定的に駆動させることができる。
また、各燃料電池セルのアノードガス拡散層に接して前記第一の流量制限手段を設置した燃料電池スタックにおいて、実施形態５のようにその排出流路下流に第二の流量制限手段としてニードルバルブのような流量調整機構を有する構成とすることもできる。
この構成では、流量調整機構にて流量を絞ることで、燃料の利用効率を向上することができる。
また、各燃料電池セルのアノードガス拡散層に接して流量制限部材を設置した燃料電池スタックの排出流路下流においては、別途流量制限手段を持たない構成とすることもできる。
アノードガス拡散層と接して配置された流量制限部材により各燃料電池セルへのガス逆流が防止できるため、例えば燃料電池スタックの排出口を大気に開放してもスタック性能へ影響を与えることはない。
【実施例】
【００３３】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、図１に示した流量制限部材１３にＰＴＦＥフィルターを用いて、アノードガス拡散層に接して配置した燃料電池の構成例について説明する。
本実施例では、膜電極接合体を次のような工程により作製したものを用いた。
固体高分子電解質膜として、Ｎａｆｉｏｎ膜（ナフィオン（登録商標）デュポン社製、ＮＲＥ−２１２  ＣＳ）を用いた。
また、触媒層として、白金酸化物からなる樹枝状構造体を適切な還元処理を行うことで得られる白金樹枝状構造体を含む触媒層を用いた。
白金酸化物からなる樹枝状構造体を形成する基材として、ＰＴＦＥシート（日東電工社製、ニトフロン（登録商標））を用い、反応性スパッタ法により、触媒前駆体である白金酸化物からなる樹枝状構造体を２μｍの厚さで形成した。
このときのＰｔ担持量は０．６８ｍｇ／ｃｍ２であった。
なお、Ｐｔ担持量は蛍光Ｘ線分析により測定した。反応性スパッタは、全圧４Ｐａ、酸素流量比（ＱＯ２／（ＱＡｒ＋ＱＯ２））７０％、基板温度２５℃、投入パワー４．９Ｗ／ｃｍ２の条件にて行った。
得られた白金酸化物からなる樹枝状構造体に適切な疎水化処理を施した後に、プロトン導電性電解質の塗布を行った。
プロトン導電性電解質は５ｗｔ．％Ｎａｆｉｏｎ溶液（ナフィオン（登録商標）和光純薬工業社製）をイソプロピルアルコール（和光純薬工業社製、特級）を用いて５倍に希釈した溶液を１ｃｍ２当たり１０μｌ塗布後、溶媒を揮発させることで触媒層を形成した。
【００３４】
得られた触媒層を切り出し、固体高分子電解質膜の両面に配置してホットプレス（４ＭＰａ、１５０℃、３０分間）を行うことで、膜電極接合体を得た。
なお、固体高分子電解質膜の有効面積は２ｃｍ２となるように作製した。
アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層にはカーボンクロス（Ｅ−ＴＥＫ社製、アノード：ＬＴ  ２５００−Ｗ、カソード：ＬＴ  １２００−Ｗ）、酸化剤供給層には発泡金属（住友電工社製、セルメット＃５）を用いた。
アノードおよびカソード集電体は、ＳＵＳ板を加工したものを用いた。加工したＳＵＳ板の表面に接触抵抗を低減させるための金メッキを施したものを使用した。
【００３５】
図８に、本実施例のアノード集電体の構成を説明する斜視図を示す。
アノード集電体６にはアノードガス拡散層３の厚さに対応する深さの凹部１８が掘り込まれており、アノード室流路１１はアノードガス拡散層３で満たされる構成とした。
この構成では、アノードガス拡散層がアノード室流路の機能を有する。アノードガス拡散層３で満たされたアノード室流路１１の水素流量は、水素圧力を０．１ＭＰａ（ゲージ圧、以下同じ）で供給したときに０．５ｍｌ／ｓｅｃであった。流量制限部材１３には、多孔質ＰＴＦＥシート（Ｄｏｎａｌｄｓｏｎ社製、ＭＤ５８４３、ポアサイズ０．３５μｍ）を用いた。
図１のように、アノードガス拡散層３の下流側側面に隣接して多孔質ＰＴＦＥシートから成る流量制限部材１３を設置し、水素圧力を０．１ＭＰａで供給したときの水素フロー量が０．１ｍｌ／ｓｅｃとなるように調整した。
ここで、上記の通り調整した、有効面積が２ｃｍ２である固体高分子電解質膜（ＮＲＥ−２１２  ＣＳ）の４０℃、両面加湿（９０％Ｒ．Ｈ．）におけるＮ２透過流量は、２．３×１０−５ｍｌ／ｓｅｃ・ａｔｍであった。
これらのことから、アノード流路１１内に侵入してくる不純物ガスを排出するのに充分な流量が確保されていることが分かる。
また、圧力損失の関係についても確認した。３５０ｍＡ／ｃｍ２の定電流で発電を行った際の、燃料の消費による圧力損失は１１ｋＰａであった。
一方、多孔質ＰＴＦＥシートから成る流量制限部材１３による圧力損失は２１ｋＰａであった。このように、流量制限手段１３により生じる燃料ガスの差圧は、発電により発生する圧力損失よりも大きいことが確認された。
【００３６】
上記部材を用いて図１に示した燃料電池を作製し、燃料電池特性の評価を行った。
評価は温度２５℃相対湿度５０％の環境下、アノードに無加湿の純水素を０．１ＭＰａの圧力で供給し、カソードには空気を一定フロー量供給した状態で、３５０ｍＡ／ｃｍ２の定電流測定を行った。
本実施例の燃料電池特性評価の結果を、図１０に示す。これらの結果を、つぎのように比較例１と比較した。
【００３７】
（比較例１）
比較例１においては、実施例１のように流量制限部材１３をアノードガス拡散層３に接して配置した燃料電池単セルに対して、アノードガス拡散層３と流量制限部材１３の間に空間を設けて配置した燃料電池単セルを作製した。
すなわち、本比較例においては図９に示すように、アノードガス拡散層３の側面と流量制限部材１３が接触しないように、両者の間に空間１９が存在するように設置した。
その際、流量制限部材１３の位置以外は、実施例１と同様の構成とした。
【００３８】
実施例１と同様の条件下で燃料電池特性の評価を行った。
本比較例の燃料電池特性評価の結果を、図１１に示す。
比較例１の燃料電池においては、図１１に示したようにカソードフロー量が小さいときにセル性能が不安定となる現象が見られた。
カソードフロー量が大きい条件では、カソードフローにより燃料電池反応により発生した生成水が除去されるため、膜電極接合体を透過するアノード室への逆拡散水量が少ない。
一方、カソードフロー量が小さい条件下では、カソード側に生成水が残存する量が多いため、アノード室への逆拡散水量が多くなる。
アノード室への逆拡散水量が多い条件下では、アノードガス拡散層３と流量制限部材１３の間に存在する空間１９内で結露が発生し、燃料流路が閉塞する。
その結果、次第に蓄積される不純物ガスによってアノード室内の水素分圧が減少し、セル性能へ影響を与えたと考えられる。
これに対して、アノードガス拡散層３と流量制限部材１３が隣接して配置された実施例１においては、図１０に示すように、セル性能が安定した現象が見られた。
これらは、実施例１においては、アノード室への逆拡散水量が多い条件下でも、アノードガス拡散層と流量制限部材の間において結露による流路の閉塞が抑制されたと考えられる。
その結果、実施例１においては、アノード室流路内で不純物ガスを蓄積させることがないため、安定に燃料電池を駆動することが可能となる。
【００３９】
［実施例２］
実施例２においては、実施例１のように流量制限部材１３としてＰＴＦＥフィルターを用いた燃料電池セルに対して、流量制限部材１３として微粒子とバインダーから構成される多孔質体を用いた燃料電池セルの構成例について説明する。
すなわち、本実施例においては図２に示す位置に流量制限部材１３として以下のように作製した多孔質体を充填して流量制限部材１３とした。その際、流量制限部材１３以外は、実施例１と同様の構成とした。
微粒子には粒径７５μｍに揃えられたＬａＮｉ５粉末を、また、バインダーにはＰＴＦＥディスパージョン（ダイキン工業社製、Ｄ−１Ｅ）を使用した。
ＬａＮｉ５粉末に対してＰＴＦＥの重量比が１０ｗｔ．％となるようにＰＴＦＥディスパージョンを調整した後に瑪瑙乳鉢内にＬａＮｉ5粉末を入れ、乳棒で混ぜながらＰＴＦＥディスパージョンを加えていった。
このとき、混合しやすくするためにエタノールを大量に加えていった。ガム状になるまで練り込んだ後、風乾させてエタノールを飛ばしたペースト体を電極板の流路中における流量制限手段１３設置場所に押し込むように設置した。
水素圧力を０．１ＭＰａで供給したときの水素フロー量は約３．３×１０−３ｍｌ／ｓｅｃとなった。
【００４０】
流量制限手段１３を微粒子とバインダーから構成される多孔質体とした以外は実施例１と同様にして燃料電池セルを作製した。
評価は温度２５℃相対湿度５０％の環境下、アノードに無加湿の純水素を０．１ＭＰａの圧力で供給し、排出口１５は大気開放とした。
カソードには空気を自然吸気で供給するＡｉｒ−Ｂｒｅａｔｈｉｎｇ式をとり、３５０ｍＡ／ｃｍ２の定電流測定を行った。本実施例の燃料電池特性評価の結果を、図１２に示す。
【００４１】
実施例１と同様に流量制限手段１３とアノードガス拡散層３が接して配置されているため、長時間発電しても電圧値が安定していることが分かる。自然吸気による空気供給は非常にカソードに生成水が溜まりやすく、アノード側への逆拡散水が多くなるが、アノード流路内が閉塞することなく燃料が安定に供給されていることがわかる。
また、排出口１５を大気開放状態にしていても、アノード流路内に空気が逆流して性能へ悪影響を与えることもなかった。
微粒子とバインダーによる多孔質体であっても、所望のフロー量へ流量を制限可能であり、実施例１と同様に長時間の駆動安定性を実現できた。
【００４２】
［実施例３］
実施例３においては、実施例１に示した燃料電池を４層積層した燃料電池スタックの構成例について説明する。
各燃料電池セルの構成は実施例１に示した構成と同様とした。
燃料電池を４層積層する際に、各燃料電池セル間の電気的接続は、アノード集電体とカソード集電体を一体化したバイポーラプレート２４を介して行うこととした。
燃料流路は供給流路１０から各燃料電池セルのアノード室流路１１へ並列に供給されるように構成し、排出流路１２に接続される。
流量制限部材１３は、水素圧力を０．１ＭＰａで供給したときの水素フロー量がスタック全体で０．１ｍｌ／ｓｅｃとなるように調整した。
図１３に本実施例の燃料電池スタックの構成を示す。排出口１５は大気開放にして、実施例１と同様に燃料電池スタック特性評価を行った。
燃料電池スタック特性の評価結果を、図１６に示す。これらの結果を、つぎのように比較例２と比較した。
【００４３】
［実施例４］
実施例４においては、実施例３の燃料電池スタックにおいて、スタック燃料流路下流に第二の流量制限手段である流量調整機構１７としてニードルバルブを設置した燃料電池スタックの構成例について説明する。
図１４に、本実施例の燃料電池スタックの構成例を説明する断面模式図を示す。実施例３と同様のスタックを作製し、さらに排出口１５にニードルバルブを設置し、水素圧力を０．１ＭＰａで供給したときの水素フロー量がスタック全体で０．０５ｍｌ／ｓｅｃとなるように調整した。
実施例１と同様に燃料電池スタック特性評価を行った。
燃料電池スタック特性の評価結果を、図１７に示す。これらの結果を、つぎのように比較例２と比較した。
【００４４】
（比較例２）
本比較例は、実施例４の燃料電池スタックでは流量制限部材１３を設置しているのに対して、各燃料電池セルのアノード室流路内に流量制限部材１３を設置していない燃料電池スタックを構成した。
図１５に、本比較例の燃料電池スタックを示す。
実施例４の燃料電池スタックにおいて、流量制限部材１３が設置されていない以外は同様の構成とした。
第二の流量制限手段である流量調整機構１７としてニードルバルブを設置し、水素圧力を０．１ＭＰａで供給したときの水素フロー量がスタック全体で０．０５ｍｌ／ｓｅｃとなるように調節した。実施例１と同様に燃料電池スタック特性評価を行った。
本比較例の燃料電池スタック特性の評価結果を、図１６に示す。
【００４５】
つぎに、本比較例の評価結果を示す図１６と、上記した実施例３、４の評価結果を示す図１４、１５を用いて、これらを比較した。
これらの図中で、夫々の燃料電池スタック中での各燃料電池セルを、上から順にセル１〜４と名づけた。
図１６、図１７および図１８には、各燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルの電圧挙動をそれぞれ示している。
比較例２の燃料電池スタックの評価結果（図１８）において、特定の燃料電池セル（セル４）に性能低下が見られた。
この性能低下は、カソード側のフラッディングや固体高分子電解質膜のドライアウトといった原因ではないことがインピーダンス測定結果より確認できた。
連続駆動時間が１２０分となる手前でニードルバルブを一時開放してアノード流路内のガスをパージしたところ、セル４およびセル１において性能の回復が見られた。
この結果から、比較例２の燃料電池スタックにおける特定の燃料電池セルの性能低下は、アノード室流路内の不純物ガス蓄積由来での性能低下であると考えられる。
セル２やセル３において性能の低下は見られなかったことから、各燃料電池セルの不純物ガスを含む燃料ガスの一部がニードルバルブを通じて外に排出されずにある特定の燃料電池セル（セル４）に逆流・蓄積してしまったものと考えられる。
図１９に比較例２の燃料電池スタックにおける燃料流の模式図を示す。
ニードルバルブの一時開放による性能回復が見られたことから、図１９に示したような不均一な燃料流が発生していることが推測される。このような不均一な燃料流の原因の一つとして、積層された各燃料電池セルのアノード室流路における流路抵抗のばらつきが挙げられる。
【００４６】
これに対して、各燃料電池セルのアノード室流路内に流量制限部材１３を設けた燃料電池スタックである実施例３および実施例４においては、図１６および１７に示すように、アノード室流路内の不純物ガス蓄積による性能低下は見られなかった。
流量制限部材１３が設置されている効果により、燃料電池スタックの各燃料電池セルへ燃料が均一に供給され、排出流路１２からの不純物ガスを含む燃料ガスや大気の逆流が抑制された結果と考えられる。
図２０に実施例４の燃料電池スタックにおける燃料流の模式図を示す。
実施例３および実施例４における流量制限部材１３は非常に大きな差圧を発生可能に構成されているため、流量制限部材より上流の各燃料電池セルに均一な燃料供給が可能となる。
同時に、排出流路１２からの逆流を抑制することができ、燃料電池スタック内のある燃料電池セルの性能が低下したり不安定になったりすることを防ぐことができる。
また、アノードガス拡散層３と流量制限部材１３が接して配置されていることから、結露した水よる性能への悪影響を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態１における燃料電池単セルの構成例を説明する断面模式図である。
【図２】本発明の実施形態１における図１に示す燃料電池単セルでの流量制限部材周辺の拡大図である。
【図３】本発明の実施形態１における燃料電池スタックの構成例を説明する断面模式図である。
【図４】本発明の実施形態２における燃料電池単セルの構成例を説明する流量制限部材の周辺を拡大した断面模式図である。
【図５】本発明の実施形態３における燃料電池単セルの構成例を説明する流量制限部材の周辺を拡大した断面模式図である。
【図６】本発明の実施形態４における燃料電池スタックの構成例を説明する断面模式図である。
【図７】本発明の実施形態５における燃料電池スタックの構成例を説明する断面模式図である。
【図８】本発明の実施例１におけるアノード集電体の構成例を示す斜視図である。
【図９】比較例１の燃料電池単セルの構成例を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施例１における燃料電池単セルの性能を示す図である。
【図１１】比較例１の燃料電池単セルの性能を示す図である。
【図１２】本発明の実施例２における燃料電池単セルの性能を示す図である。
【図１３】本発明の実施例３における燃料電池スタックの構成例を説明する断面模式図である。
【図１４】本発明の実施例４における燃料電池スタックの構成例を説明する断面模式図である。
【図１５】比較例２の燃料電池スタックの構成例を説明する断面模式図である。
【図１６】本発明の実施例３における燃料電池スタックの性能を示す図である。
【図１７】本発明の実施例４における燃料電池スタックの性能を示す図である。
【図１８】比較例２の燃料電池スタックの性能を示す図である。
【図１９】比較例２における燃料の流れを示す模式図である。
【図２０】本発明の実施例４における燃料の流れを示す模式図である。
【符号の説明】
【００４８】
１：燃料電池単セル
２：膜電極接合体
３：アノードガス拡散層
４：カソードガス拡散層
５：酸化剤供給層
６：アノード集電体
７：カソード集電体
８：絶縁板
９：エンドプレート
１０：供給流路
１１：アノード室流路
１２：排出流路
１３：第一の流量制限手段を構成する流量制限部材
１４：供給口
１５：排出口
１６：燃料電池スタック
１７：第二の流量制限手段を構成する流量調整機構
１８：アノードガス拡散層用凹部
１９：空間
２０：セル１
２１：セル２
２２：セル３
２３：セル４
【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】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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