(57)【要約】【課題】高密度出力化のために、流路内のガス圧力を高めて均等にし、ガスの逆流を防止し、セル位置に応じて適切なガス圧力を設定する手段を提供する。【解決手段】燃料電池のセパレータ２０１において、ガス流路部２００の出口２０３に気孔率の小さい多孔質部材２０４を設置する。ガスはセパレータ流路の出口付近でせきとめられるので、ガス圧力は、セパレータ内で一様に高くなる。ガスは、多孔質部材内で生じた圧力勾配により出口から排出されるので、多孔質部材内を逆流してセパレータ流路に浸入しない。また、セパレータ流路のガス流速が遅くなるので、電解質膜の含水率の低下を防止することができる。さらに、燃料電池セルを複数積み重ねて構成するスタック形式の燃料電池では、多孔質部材の気孔率や形状をセル位置に応じて変えることにより、セルごとに適切な流路圧力を設定することができる。【選択図】図１
2009037860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、電解質層を挟んで対向配置される燃料極および酸素極と、前記燃料極に沿って燃料ガス流路を形成するセパレータと、前記酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成するセパレータとを備えた燃料電池において、
前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうち少なくともいずれか一方の流路の出口に多孔質部材を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質層と、電解質層を挟んで対向配置される燃料極および酸素極と、前記燃料極に沿って燃料ガス流路を形成するセパレータと、前記酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成するセパレータとを備えた燃料電池において、
前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうち少なくともいずれか一方の流路は、第１の多孔質部材により形成され、この流路の出口に第２の多孔質部材が形成され、前記第２の多孔質部材の気孔率が前記第１の多孔質部材の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池において、
前記燃料電池は、前記電解質層、燃料極、酸素極、およびセパレータを有する燃料電池用セルを複数重ねてなるスタックタイプの燃料電池であって、それぞれのセルにおける前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうち少なくともいずれか一方の流路の出口に多孔質部材が設けられ、かつその多孔質部材の気孔率は、セルの積層位置に応じて異なるように設定されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、スタックの中央に位置する燃料電池用セルの前記流路の出口に設けた前記多孔質部材の気孔率よりも、外層の燃料電池用セルの前記流路の出口に設けた前記多孔質部材の気孔率を小さくしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池において、前記各セルの前記流路出口に設けられる多孔質部材の気孔率は、前記流路の排気マニホールドにおける上流位置に対応するセルの流路出口の多孔質部材よりも、下流位置に対応するセルの流路出口の多孔質部材の気孔率を小さくしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
酸化剤ガス流路あるいは燃料ガス流路と、その流路入口および流路出口を有する燃料電池用のセパレータにおいて、
前記セパレータの流路の一端に多孔質部材を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
酸化剤ガス流路あるいは燃料ガス流路と、その流路入口および流路出口を有する燃料電池用のセパレータにおいて、
前記ガス流路を第１の多孔質部材で形成し、前記セパレータの流路の一端に前記第１の多孔質部材よりも気孔率の小さい第２の多孔質部材を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池およびそれに用いるセパレータに係わり、定置用電源および移動体用電源として有用な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させ、発電した電気を供給するものである。燃料電池の重要な構成要素にセパレータがある。セパレータは、燃料ガスと酸化剤ガスを分離し、ガスが均等に拡散層に行き渡るように工夫された流路構造を持ち、膜・電極接合体（MEA）で発電された電気を集電するものである。セパレータは黒鉛材料と金属材料のものが開発されている。金属材料のセパレータは、腐食への対策が必要になるが、金属材料をプレス成形にて流路を形成するので、コスト低減化や薄型化、軽量化が可能であり、体積あたりの出力向上が期待できる。従って、高密度出力化や低コスト化のニーズに伴い、金属材料セパレータは広い分野で展開が進められている。
【０００３】
燃料電池は、電気化学反応で発電する電気量が小さいので、発電単位要素であるセルを複数重ねて構成されるスタックと呼ばれる形式をとる。スタックでは、燃料ガスおよび酸化剤ガスを各発電セルに供給するために、マニホールドと呼ばれる大きな流路が設けられている。マニホールドは、各発電セルにガスを供給するための吸気マニホールドと、各発電セルから使用済みガスを排出するための排気マニホールドがある。吸気マニホールドから各セルに供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、吸気マニホールドの入口に設置される加圧器を用いて供給される。
【０００４】
一方、小さな燃料電池で、大きな出力を得るための高密度出力化の工夫が開発されている。例えば、電気化学反応における活性は燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力に比例することから、高密度出力化を実現させるためにガス流路内の圧力を高めて用いる場合がある。セパレータのガス流路内の圧力を高める手法に、排気マニホールドの出口に圧力調整弁を備え、これを用いる手段、または、各セルにおけるセパレータの流路出口で流路の高さ（厚さ）を調整する手段がある（例えば特許文献１および特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６-３３１９１３号公報
【特許文献２】特開２００５-３１７４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
圧力調整弁を用いた手段は、排気マニホールドの出口を絞り、流路全体の圧力を一様に高めるものである。従って、複数のセルで構成されるスタック形式の燃料電池においては、各セルにおけるガス流路内の圧力を高め、電気化学反応を活性化させ、高い出力を得ることができる。しかし、全てのセルで流路圧力が一様になるため、セルが配置される位置に応じて、適切な流路圧力を設定することはできない。また、圧力調整弁を用いた手段は、排気マニホールド内の圧力も高めてしまう。この結果、排気マニホールド内の圧力がセルの流路出口における圧力と同じレベルになるので、排気マニホールド流路内のガスは、セルの流路に逆流するおそれがある。排気マニホールド内のガスは、電気化学反応で使われた使用済みガスであるため、水蒸気を多く含む。この使用済みガスがセルの流路に逆流すると、ガスは飽和水蒸気量を超え凝縮水を生成しやすくなる。生成された凝縮水は流路を防ぎ、性能低下の原因となる。
【０００７】
一方、セパレータ流路の出口付近の流路高さ（厚さ）を調整する手段は、流路の一部の高さを低くし拡散層の厚みを増やすことで、ガス流路内の圧力を高めている。しかし、流路の高さや拡散層の厚みを部分的に変えると、燃料電池を組み立てた場合、均等な面圧を実現するのが困難になる。この結果、接触抵抗の不均性から均等な電気集電ができず、性能や寿命に影響する。また、出口面積が小さくなるので、ガスの流速はその分、速くなる。従って、流速が速くなる分、出口付近の拡散層では水分が多く蒸発し、電解質膜における含水率が低下し、プロトン伝導率が低化して、性能低下の要因となる。これを防止するには、出口付近の拡散層の気孔率を下げ、保水性を上げなければならない。ところが、セパレータ流路の出口付近の流路高さ（厚さ）を調整する手段では、流路高さを低くした分、拡散層への面圧が小さくなり、拡散層の気孔率を逆に大きくしてしまう。
【０００８】
本発明の目的は、高密度出力化のためにガス流路内の圧力を高める手段において、セルが配置される位置に応じて、適切な流路圧力を設定し、排気マニホールドからセル流路への逆流を防止し、かつ、面圧の不均性からくる不具合や、保水性の不具合を解消する手段を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、セパレータ流路の出口に多孔質部材を設置する。多孔質部材は、多くの気孔が連なりあってできる連通孔と呼ばれる流路を有している。連通孔は複雑にねじれ、絡み合っているので、ガスの通りやすさを示すガス透過係数の値が非常に小さく、狭い領域に対して大きな圧力勾配を付けることができる。
【００１０】
図6は、カーボンペーパと呼ばれる多孔質部材について、気孔率とガス透過係数の関係を示したグラフである。図6において、横軸はカーボンペーパの気孔率を、縦軸はカーボンペーパのガス透過係数を示している。縦軸の値が対数で取られていることに注意すると、このグラフから、カーボンペーパの気孔率を少しだけ変えれば、ガスの通りやすさを示すガス透過係数が著しく変化することが分る。例えば、気孔率が0.6のカーボンペーパと0.8のカーボンペーパとでは、ガス透過係数の値が一桁違う。従って、気孔率の小さな調整で、ガスの通り易さを大きく変える事ができる。
【００１１】
それ故、気孔率の小さい多孔質部材をセパレータ流路の出口に設置すれば、加圧器で生じるガスの流れは、セパレータ流路の出口付近でせきとめられ、ガスの圧力がセパレータ内で一様に高い状態が得られる。多孔質部材内では圧力勾配が生まれ、連通孔で形成される流路では、圧力が出口に向かって徐々に小さくなる。この圧力勾配により、出口からガスが排出される。従って、排出されたガスは、多孔質部材内を逆流してセパレータ流路に浸入することは無い。また、セパレータ流路のガス流速が遅くなるので、電解質膜の含水率の低下を防止することができる。
【００１２】
さらに、多孔質部材の気孔率や形状を変えることにより、狭い領域に対しても圧力勾配を様々な値に設定することができる。複数のセルで構成されるスタック形式の燃料電池を作成する際、セルが配置される位置に応じて気孔率や形状の異なる多孔質部材をセパレータ流路の出口に設置すれば、セルごとに適切な流路圧力を設定することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、高密度出力化のためにガス流路内の圧力を高める手段において、セルが配置される位置に応じて、適切な流路圧力を設定し、排気マニホールドからセル流路への逆流を防止し、かつ、面圧の不均性からくる不具合や、保水性の不具合を解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明に関する第１の実施形態を示した燃料電池用セパレータ１０１の概念図である。セパレータ１０１は、例えば、ステンレスやチタン、アルミニュウムなどの、厚さ０．２ｍｍの薄い金属の材料をプレス加工で形成したものである。燃料ガスと酸化剤ガスを分離し、ガスが均等に拡散層に行き渡るように工夫された流路構造を持ち、後で述べる膜・電極接合体（以下、MEAと称する）で発電された電気を集電する機能を持つ。セパレータ１０１は、ガスが注入される入口１０２、ガスが流れる流路１００、電気集電部１０６、ガスが排出される出口１０３、出口１０３に面して設置される多孔質部材１０４、およびガスが外に漏れないように設置したシール材１０５からなる。本発明のセパレータ１０１は、出口１０３に面して多孔質部材１０４を設置したことを特徴とする。ここで、多孔質部材１０４は、気孔率が例えば４０％のものを用い、横幅１ｍｍ、厚さ０．２ｍｍで、長さ（縦幅）は出口部分と同じである。また、電気集電部１０６は、プレス加工で形成され、縦方向０．７５ｍｍ間隔に配置された３６本のリブ（凸設部）を有する。リブの長さ（横幅）は１４４mmで、高さ（図1で紙面方向の長さ）は、流路１００の面から０．２ｍｍである。
【００１６】
図２は、本発明に関する第２の実施形態を示した燃料電池用セパレータ２０１の概念図である。本実施例のセパレータ２０１は、リブを有さない平板状の集電板（図２では、第１の多孔質部材２００で覆われているため、図示せず。図５の符号２０１’がこれを示す）、集電板２０１’上に配置した第１の多孔質部材により形成された流路部２００、ガスが注入される入口２０２、ガスが排出される出口２０３、出口２０３に面して設置される第２の多孔質部材２０４、ガスが外に漏れないように設置したシール材２０５からなる。セパレータ２０１のうち、集電板２０１’は、例えば、ステンレスやチタン、アルミニュウムなどの、厚さ０．２ｍｍの薄い金属の材料をプレス加工した薄板である。流路部２００は、この薄板上に設置され、そのコア部がニッケルなどの多孔質金属であり、耐食用にクロム、チタンなどでコーティングした、厚さ０．２ｍｍ、気孔率９５％である多孔質部材（第１の多孔質部材）を使用する。また、流路部２００は、電気集電部も兼ね備えている。第２の多孔質部材２０４は、気孔率が流路部２００に比べて小さい値、例えば４０％であり、横幅１ｍｍ、厚さ０．２ｍｍで、長さ（縦幅）は出口部分と同じである。
【００１７】
図３は、本発明のセパレータを用いて作成する燃料電池セル３００を説明する図である。発電の基本ユニットである燃料電池セル３００は、MEA３０２を、アノード側セパレータ３０１とカソード側セパレータ３０３とで、両側から挟むようにして形成される。アノード側セパレータ３０１とカソード側セパレータ３０３は、同じ形式のセパレータを２枚用意し、図３では図１のセパレータ１０１を使用する。このアノード側およびカソード側のセパレータは、図２のセパレータ２０１を用いてもよい。両セパレータは、一方のセパレータを、図３においてMEA３０２の横方向中央に設定したZ軸を中心に１８０度回転させて、もう一方のセパレータと重なる位置に来るように向きを整え、使用する。MEA３０２の大きさは、アノード側セパレータ３０１、カソード側セパレータ３０３として使用するセパレータ１０１あるいはセパレータ２０１の、それぞれの流路１００および２００の領域をカバーする大きさである。例えば、流路の大きさが横幅１７０ｍｍ、縦幅９４ｍｍであると、MEA３０２の大きさも横幅１７０ｍｍ、縦幅９４ｍｍである。なお、図３の例では、セパレータは、その両面に流路を形成し、その一方が燃料流路、他方が酸化剤流路となり、スタックタイプの各セルに使用される。これらの流路は、スタックタイプのセパレータで使用した場合、各セルの隣り合わせの流路を形成することになる（図４参照）。また、スタック構造では、最端のセパレータの片側が端板３０４で覆われる。
【００１８】
図４および図５は、燃料電池セル３００を、図３のZ軸に沿って中央で切断したときの断面図で、一部分を拡大して示したものである。
【００１９】
図４の断面図は、セパレータに、図１で説明したセパレータ１０１が使われている場合である。アノード側セパレータ３０１とカソード側セパレータ３０３がMEA４０３を挟み込むように構成されている。アノード側セパレータ３０１の流路の断面４０５および電気集電部の断面４０７は、それぞれ０．７５ｍｍ間隔に配置されるようプレス加工されている。電気集電部の断面４０７は、MEA４０３に接続され、MEA４０３で発電された電気を伝導することができる。同様に、カソード側セパレータ３０３の流路の断面４０６および電気集電部の断面４０８は、それぞれ、０．７５ｍｍ間隔に配置されるようプレス加工されている。電気集電部の断面４０８は、MEA４０３に接続され、MEA４０３で発電された電気を伝導することができる。
【００２０】
図５は、セパレータに、図２で説明したセパレータ２０１が使われている場合の断面図である。アノード側セパレータ５０１とカソード側セパレータ５０２がMEA５０３を挟み込むように構成されている。アノード側セパレータ５０１およびカソード側セパレータ５０２の流路部２００は、それぞれ気孔率９５％、厚さ０．２ｍｍの第１の多孔質部材が用いられている。上記流路部２００は、多孔質部材のコア部（多孔質金属）である電気集電部と多孔質部材の気孔部とからなり、電気伝導とガス流の２つの機能を有する。アノード側、カソード側セパレータの各集電板２０１’は、厚さ０．２ｍｍのアルミニュウムまたはニッケルなどの金属性の板で、電気集電を行うと同時に流路内のガスが漏れないようにしている。
【００２１】
次に、膜・電極接合体（MEA）４０３および５０３について説明する。MEAは、カソード側電極およびアノード側電極が固体高分子電解質膜を両面から挟み込む形で構成される。固体高分子電解質膜には、プロトン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、ナフィオン１１７（Ｎａｆｉｏｎ１１７、１７５μｍ、ＤｕＰｏｎｔ社製）等を用いたフッ素系イオン交換膜が用いられる。カソード側電極およびアノード側電極は、拡散層と触媒反応層とで形成される。
【００２２】
カソード側電極およびアノード側電極の拡散層は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの拡散性を高めるとともに、発電により発生した反応生成水の排出機能および電子伝導性を併せ持つ必要がある。その材料としては、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス等の導電性多孔質材料に、撥水処理を施したものを適用することができる。ここでは、導電性多孔質材料として厚さ０．２ｍｍのカーボン不織布（東レ社製ＴＧＰ−Ｈ０６０）を用い、撥水処理を施すためフッ素系撥水剤のエマルジョン液（ダイキン製Ｄ１）に浸し、乾燥後３５０℃で１０分間熱処理し、拡散層を形成した。
【００２３】
カソード側電極およびアノード側電極の触媒反応層は、触媒金属を担持した導電性炭素粒子と高分子電解質を主成分とした厚さ０．００５ｍｍ程度の薄膜である。アノード側触媒反応層には、平均一次粒子径が３０ｎｍである導電性炭素粒子のケッチェンブラック（ＡＫＺＯ  Ｃｈｅｍｉｅ社製）に、白金とルテニウムをそれぞれ２５重量％担持させた、アノード用触媒担持粒子を使用した。カソード側触媒反応層には、ケッチェンブラックに白金を５０重量％担持させた、カソード用触媒担持粒子を使用した。
【００２４】
ここで、カソード側触媒反応層およびアノード側触媒反応層の形成方法を述べる。まず、それぞれの触媒担持粒子をイソプロパノール水溶液に分散させた溶液と、高分子電解質、例えばナフィオン１１７をエタノールに分散させた溶液とを、触媒担持粒子と高分子電解質との重量比が１：１になるように混合する。次に、混合溶液をビーズミルで高分散させることにより、カソード用とアノード用のスラリーを作製する。このスラリーを、先に作成したカソード側拡散層およびアノード側拡散層に、スプレークオーターを用いて塗布し、これを大気中常温で６時間乾燥させる。このようにして、カソード側触媒反応層およびアノード側触媒反応層を形成することができる。カソード側電極とアノード側電極は、以上のように、各拡散層を形成し、それに触媒反応層をそれぞれ形成することで作成した。
【００２５】
次に、本発明に関する実施形態である燃料電池セル３００について、多孔質部材の効果をシミュレーションを行って検証する。ここでは、セパレータとして、図２に示した、本発明に関する第２の実施形態における燃料電池用セパレータ２０１を用いた場合を検証する。
【００２６】
まず、解析モデルについて説明する。図７は、燃料電池セル３００を解析対象とし、これをモデル化した形状データを説明する図である。形状データの正面図７０１において、燃料電池セル３００の発電部分は、横幅１７０ｍｍ、縦幅９４ｍｍ、厚さ１．０４mmである。正面図７０１で、中央のA−Aを結ぶ線でモデルを切断したときの断面図が７０２である。断面図７０２において、領域７０４を拡大した図が７０３である。拡大図７０３に示すように、モデル化した燃料電池セル３００は、中央に電解質膜があり、カソード側およびアノード側の触媒層（触媒反応層）、拡散層（GDL）、流路、および集電板が、この順序で電解質膜を両側から挟むようにして構成されている。集電板、流路、拡散層（GDL）、触媒層、および電解質膜の厚さおよび物性については、拡大図７０３内の表に示したとおりである。集電板と流路を合わせた物が、図２に示した、本発明に関する第２の実施形態における燃料電池用セパレータ２０１である。
【００２７】
正面図７０１で見えているのは、拡大図７０３で右方の、カソード側セパレータの集電板の部分である。正面図７０１において、カソード側セパレータの集電板の奥にあるのは、カソード側セパレータの流路（以後、カソード流路と称する）である。この流路の入口は、右上に示したAir Inletと呼ばれる面で、縦幅は３２ｍｍ、奥行き（厚さ）は流路の厚さと同じ０．２ｍｍである。同様に、カソード流路の出口は、左下に示したAir Outletと呼ばれる面で、縦幅は３２ｍｍ、奥行き（厚さ）は流路の厚さと同じ０．２ｍｍである。
【００２８】
正面図７０１において、カソード流路の次に配置されるのがカソード側GDLである。以下、順に、カソード側触媒層、電解質膜、アノード側触媒層、アノード側GDL、アノード側セパレータの流路（以後、アノード流路と称する）、アノード側セパレータの集電板と配置されている。
【００２９】
また、正面図７０１において、アノード流路の入口が、左上に示したH2 Inletと呼ばれる面で、縦幅３２ｍｍ、奥行き（厚さ）は流路の厚さと同じ０．２ｍｍである。同様に、アノード流路の出口が、右下に示したH2 Outletと呼ばれる面で、縦幅３２ｍｍ、奥行き（厚さ）は流路の厚さと同じ０．２ｍｍである。
【００３０】
図８は、図７に示した燃料電池セル３００をモデル化した形状データにおいて、カソード流路の解析メッシュのみを抜き出し、カソード流路のモデルを詳述した図である。図８において、カソード流路８０１には、先に述べた入口８０２（Air Inlet）と出口８０３（Air Outlet）の他に、出口８０３に多孔質部材８０４が設置されている。多孔質部材８０４の形状は、横幅は１ｍｍで、縦幅と厚さは出口の形状と同じ３２ｍｍと０．２ｍｍである。多孔質部材８０４は、コア部がニッケル製の多孔質体であり、耐食用にチタンでコーティングをし、気孔率が４０％のものを用いた。アノード流路に対しては、出口（H2 Outlet）に多孔質部材を設置しなかった。
【００３１】
図７に示した燃料電池セル３００をモデル化した形状データを使って、シミュレーションによる解析を行った。解析は、水素利用率６０％、酸素利用率４０％、カソード電圧０．１５Vの条件の下に、カソード流路の出口８０３（Air Outlet）に多孔質部材８０４が有る場合と無い場合について行った。
【００３２】
以下に、解析結果を述べる。図９は、シミュレーションの結果を、カソード流路出口に多孔質部材無しの場合と有りの場合について比較したものである。図９をみると、多孔質部材有りの場合は無しの場合に比べ、流路内ガスは、平均圧力が１０倍ほど高く、平均流速が約３分の１となりゆっくりと流れ、カソード側触媒層における酸素濃度は、約２．５倍高くなった。また、電解質膜の性能を示す含水率は約２．６倍、燃料電池の性能の指標となる電流密度は約１７％向上することが分った。
【００３３】
図１０は、シミュレーション結果から、カソード流路内のガスの圧力分布を、カソード流路出口に多孔質部材無しの場合と有りの場合について比較したものである。図１０をみると、カソード流路出口に多孔質部材が無しの場合、カソード流路内の圧力分布は、入口から出口にかけて徐々に低くなり、出口付近に圧力勾配が無いことが分る。一方、カソード流路出口に多孔質部材が有る場合は、カソード流路内の圧力分布は、入口から出口にかけて均等であるが、出口付近にだけ圧力勾配１００１があることが分る。
【００３４】
以上の結果から、本発明のようにセパレータ流路の出口に多孔質部材を設置することにより、セパレータ流路のガスの圧力を均等に高められ、燃料電池の性能の指標となる電流密度が向上し、かつ、セパレータ流路の出口付近のガスに圧力勾配が生じることが分った。出口付近の圧力勾配により、出口から流出した使用済みガスが、逆流してセパレータ流路に戻ることはない。また、セパレータ流路のガス流速を遅くし、電解質膜の含水率の低下を防止することができるので、プロトン伝導率の低下による燃料電池の性能低下といった保水性の不具合を解消することができる。
【００３５】
このシミュレーションによる検証は、セパレータに、図２に示した、本発明に関する第２の実施形態における燃料電池用セパレータ２０１を用いた場合であったが、図１に示した、本発明に関する第１の実施形態である燃料電池用セパレータ１０１を用いた場合でも同様の結果が得られた。
【００３６】
図１１は、図３にある燃料電池セル３００を複数積み重ねて構成する、スタック形式の燃料電池１１００を説明する概念図である。スタック形式の燃料電池１１００は、図３で説明した燃料電池セル３００を、例えば４枚（１１０６、１１０７、１１０８、１１０９）積層し、各燃料電池セルの流路の入口を、吸気マニホールド１１０２と呼ばれる流路に接続し、各燃料電池セルの流路の出口を、排気マニホールド１１０３と呼ばれる流路に接続するものである。吸気マニホールド１１０２の入口部には、加圧器１１０１が設置され、ガスを加圧器１１０１で加圧して流路に供給する。排気マニホールド１１０３の出口部には、圧力調整弁１１０５が備え付けられている。図１１に示したスタック形式の燃料電池１１００は、４枚の燃料電池セルを積層して構築したが、１つの燃料電池セルから得られる電力は小さいので、４０枚から６０枚程度の燃料電池セルを積層する場合がある。
【００３７】
このように多くの燃料電池セルを積層させると、中央に位置する燃料電池セルでは、電気化学反応に伴う反応熱の影響で温度が高くなる。一方、一番上や一番下など外層に位置する燃料電池セルでは、外壁に近く熱が逃げやすくなるので温度が低くなる。このような温度不均性が生じると、電気化学反応に不均一が生じる上に、不均一な熱応力が発生するのでスタックの歪みの原因となる。また、排気用マニホールド１１０３は、使用済みのガスが流れるので、水蒸気を多く含む。従って、燃料電池セルは、流路の出口が排気用マニホールド１１０３の下流に位置するほど、使用済みガスに含まれる水蒸気の影響を受けやすくなり、性能が低下しやすくなる。以上のように、スタック形式の燃料電池では、積層する燃料電池セルの位置により温度や流路出口の条件が異なるので、燃料電池セルごとに流路内のガス圧力を設定し、温度不均性や性能低下を防止する手段が必要である。
【００３８】
図１または図２に示した本発明のセパレータを用いて、使用する多孔質部材の気孔率や形状を燃料電池セルごとに調整すれば、積層する燃料電池セルの位置に応じた流路内圧力の設定が可能となる。例えば、上述の、中央に位置する燃料電池セルは温度が高く、外層に位置する燃料電池セルは温度が低い場合は、中央の燃料電池セルの流路出口に設けた多孔質部材の気孔率よりも、外層の燃料電池セルの流路出口に設けた多孔質部材の気孔率を小さくする。このようにすると、外層の燃料電池セルの電気化学反応を盛んにすることができるので、温度を均一化することができる。また、上述の、排気用マニホールド１１０３の下流に位置するほど、使用済みガスに含まれる水蒸気の影響を受けて、燃料電池セルの性能が低下する場合に対しては、下流位置に対応する燃料電池セルの流路出口に設けた多孔質部材の気孔率を、上流位置に対応する燃料電池セルの流路出口に設けた多孔質部材の気孔率よりも小さくする。このようにすると、下流位置に対応する燃料電池セルの電気化学反応を盛んにし、性能を向上させることができる。
【００３９】
図１２および図１３は、スタック形式の燃料電池１１００について、領域ごとのガスの圧力を説明する概略図である。図１２および図１３において、横軸はガスが通る位置を示し、縦軸はガスの圧力を示している。ガスの圧力は、吸気マニホールド、セパレータ流路、排気マニホールドの順に進むにつれ、低下していく。図１２は、排気マニホールドの出口に圧力調整弁を設置し、圧力調整弁によりセパレータ流路内の圧力を高めている様子を示している。この圧力調整弁によるセパレータ流路内の圧力設定方法では、セパレータ流路出口と排気マニホールドの圧力差が小さく、排気マニホールドからセパレータ流路出口に向かってガスが逆流するおそれがあることが図１２から分る。一方、図１３は、セパレータ流路出口に多孔質部材を設置し、圧力勾配を設けたので、排気マニホールドからセパレータ流路出口に向かってガスが逆流することがないことを示している。
【００４０】
以上に示した燃料電池用セパレータの実施形態では、カソード流路の出口に多孔質部材を設置したが、アノード流路の出口に多孔質部材を設置しても、上述したのと同様の効果を期待できる。すなわち、アノード流路内ではガス圧力が均等に高まり、ガス流速が遅くなるので電解質膜の含水率の低下を防止することができ、流路の出口付近ではガスの圧力勾配が生じて出口から流出した使用済みガスの逆流を防止することができ、触媒層内ではガス（例えば水素）の濃度や電流密度が高くなるなど、燃料電池セルの性能を向上させることができる。また、燃料電池セルを複数積み重ねて構成するスタック形式の燃料電池に対しても、アノード流路の出口に多孔質部材を設置するのは、上記と同様の理由により有効である。すなわち、燃料電池セルごとに使用する多孔質部材の気孔率や形状を調整することにより、積層する燃料電池セルの位置に応じたアノード流路内圧力の設定が可能となる。
【００４１】
さらに、カソード流路とアノード流路の両方の出口に多孔質部材を設置すると、上述の効果に加えて、次のような効果も期待できる。すなわち、電解質層の両面の圧力バランスを均衡させて、電解質層の一方側に偏った圧力が加わるのを防止する効果である。これにより、両面の圧力不均衡に起因する電解質層の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に関する第１の実施形態を示した燃料電池用セパレータ。
【図２】本発明に関する第２の実施形態を示した燃料電池用セパレータ。
【図３】本発明のセパレータを用いて作成する燃料電池セル。
【図４】第１の実施形態のセパレータを用いて作成した燃料電池セルを中央で切断した断面図。
【図５】第２の実施形態のセパレータを用いて作成した燃料電池セルを中央で切断した断面図。
【図６】カーボンペーパの気孔率とガス透過係数の関係を示したグラフ。
【図７】燃料電池セルをモデル化した解析形状データを説明する図。
【図８】カソード側セパレータの流路の解析モデルを示した図。
【図９】シミュレーション結果を説明する図。
【図１０】シミュレーション結果の圧力分布を説明する図。
【図１１】スタック形式の燃料電池を説明する模式図。
【図１２】ガスが通る位置と圧力の関係を説明する模式図（排気マニホールドの出口に圧力調整弁を設置した場合）。
【図１３】ガスが通る位置と圧力の関係を説明する模式図（セパレータ流路出口に多孔質部材を設置した場合）。
【符号の説明】
【００４３】
１００…流路、１０１…第１の実施形態を示した燃料電池用セパレータ、１０２…第１の実施形態の入口、１０３…第１の実施形態の出口、１０４…第１の実施形態の多孔質部材、１０５…第１の実施形態のシール材、１０６…電気集電部、２００…流路部、２０１…第２の実施形態を示した燃料電池用セパレータ、２０１’…セパレータ２０１の集電板、２０２…第２の実施形態の入口、２０３…第２の実施形態の出口、２０４…第２の実施形態の多孔質部材、２０５…第２の実施形態のシール材、３００…セパレータを用いて作成する燃料電池セル、３０１…アノード側セパレータ、３０２…膜・電極接合体（MEA）、３０３…カソード側セパレータ、３０４…端板、４０３…膜・電極接合体（MEA）、４０５…アノード側セパレータの流路の断面、４０６…カソード側セパレータの流路の断面、４０７…アノード側セパレータの電気集電部の断面、４０８…カソード側セパレータの電気集電部の断面、５０１…アノード側セパレータ、５０２…カソード側セパレータ、５０３…膜・電極接合体（MEA）、７０１…解析形状データの正面図、７０２…解析形状データの断面図、７０３…領域７０４の拡大図、７０４…断面図７０２の領域、８０１…解析形状データのカソード側セパレータの流路、８０２…解析形状データの入口（Air Inlet）、８０３…解析形状データの出口（Air Outlet）、８０４…解析形状データの多孔質部材、１００１…圧力勾配、１１００…スタック形式の燃料電池、１１０１…加圧器、１１０２…吸気マニホールド、１１０３…排気マニホールド、１１０５…圧力調整弁、１１０６…スタック形式の燃料電池の燃料電池セル、１１０７…スタック形式の燃料電池の燃料電池セル、１１０８…スタック形式の燃料電池の燃料電池セル、１１０９…スタック形式の燃料電池の燃料電池セル。
【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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