燃料電池
【課題】燃料電池において、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を抑制する。
【解決手段】燃料電池ユニット４０は、電解質膜４１の両面に、それぞれ、アノード（アノード側触媒層４２ａ、アノード側拡散層４３ａ）、および、カソード（カソード側触媒層４２ｃ、カソード側拡散層４３ｃ）を接合してなる膜電極接合体４１ｍと、膜電極接合体４１ｍにおけるアノードの表面側に設けられ、アノードに供給すべき水素を流すための燃料ガス流路を構成する流路構成部材（シート部材４４、アノード側金属多孔体４５ａ、アノード側セパレータ４６ａ）と、を備える。シート部材４４は、水素供給口４４ｉを備えており、水素供給口４４ｉは、アノード側金属多孔体４５ａからアノード側拡散層４３ａに水素が流れるときの抵抗よりも、アノード側拡散層４３ａからアノード側金属多孔体４５ａに流体が流れるときの抵抗の方が大きくなるように形成されている。
【解決手段】燃料電池ユニット４０は、電解質膜４１の両面に、それぞれ、アノード（アノード側触媒層４２ａ、アノード側拡散層４３ａ）、および、カソード（カソード側触媒層４２ｃ、カソード側拡散層４３ｃ）を接合してなる膜電極接合体４１ｍと、膜電極接合体４１ｍにおけるアノードの表面側に設けられ、アノードに供給すべき水素を流すための燃料ガス流路を構成する流路構成部材（シート部材４４、アノード側金属多孔体４５ａ、アノード側セパレータ４６ａ）と、を備える。シート部材４４は、水素供給口４４ｉを備えており、水素供給口４４ｉは、アノード側金属多孔体４５ａからアノード側拡散層４３ａに水素が流れるときの抵抗よりも、アノード側拡散層４３ａからアノード側金属多孔体４５ａに流体が流れるときの抵抗の方が大きくなるように形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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。この燃料電池は、電解質膜（例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜）の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体（例えば、膜電極接合体）を備えている。また、燃料電池において、発電体のアノード側には、アノードに供給すべき燃料ガスを流すための燃料ガス流路を構成する流路構成部材が設けられ、カソード側には、カソードに供給すべき酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路を構成する流路構成部材が設けられる。そして、発電体のアノードには、燃料ガス流路から燃料ガスが供給され、また、カソードには、酸化剤ガス流路から酸化剤ガスが供給される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２４３４７６号公報
【特許文献２】特開２００７−４８５３８号公報
【特許文献３】特開２００５−２３５５７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記発電体として、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、カソードを接合してなる膜電極接合体を用いる場合、この膜電極接合体のカソードに供給される酸化剤ガスとしては、一般に、酸素を含む空気が用いられる。そして、この場合、膜電極接合体では、空気中に含まれる発電に寄与しないガスである窒素等の不純物ガスが、電解質膜を介して、カソード側からアノード側に透過する。このため、この不純物ガスは、アノードから、燃料ガス流路に逆流する場合があった。この場合、上記不純物ガスによって、燃料ガス流路内における燃料ガスの濃度が低下して、膜電極接合体における発電分布が不均一になり、また、発電効率の低下を招く。そして、燃料ガス流路に逆流した不純物ガスは、燃料ガスの流れによって、燃料ガスの流れ方向の下流に移動するので、上述した不具合は、特に、燃料ガス流路における燃料ガスの流れ方向の下流において顕著である。
【０００５】
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、燃料電池において、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流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】
【０００６】
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。
【０００７】
［適用例１］燃料電池であって、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体と、前記発電体における前記アノードの表面側に設けられ、前記アノードに供給すべき燃料ガスを流すための燃料ガス流路を構成する流路構成部材と、を備え、前記流路構成部材は、前記燃料ガス流路中を流れる燃料ガスを前記アノードに供給するための燃料ガス供給口を備えており、前記燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路から前記アノードに前記燃料ガスが流れるときの抵抗よりも、前記アノードから前記燃料ガス流路に流体が流れるときの抵抗の方が大きくなるように形成されている、燃料電池。
【０００８】
適用例１の燃料電池では、上記流路構成部材において、上記燃料ガス供給口が、上記燃料ガス流路から上記アノードに燃料ガスが流れるときの抵抗よりも、アノードから燃料ガス流路に流体が流れるときの抵抗の方が大きくなるように形成されているので、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を抑制することができる。
【０００９】
なお、本適用例の燃料電池では、アノードと燃料ガス流路とは、完全には分離されてはいないが、流路構成部材によって、実質的に分離されており、燃料ガス流路からアノードへの燃料ガスの供給は、流路構成部材に設けられた供給口からのみ行われる。つまり、燃料ガスは、アノードと実質的に分離された燃料ガス流路中を、アノードの表面に沿った方向に流れつつ、上記供給口からアノードに供給される。
【００１０】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、前記アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてが、前記燃料電池の外部に排出されることなく、前記燃料電池の内部に滞留された状態で発電に利用されることを特徴とする、燃料電池。
【００１１】
アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてが、燃料電池の外部に排出されることなく、燃料電池の内部に滞留された状態で発電に利用される燃料電池（以下、アノードデッドエンド型燃料電池と呼ぶ）では、アノードから燃料ガス流路へ不純物ガスが逆流した場合、燃料ガス流路の内部において、燃料ガスの流れによって、上述した不純物ガスが、燃料ガスの流れ方向の下流側の領域に局所的に滞留しやすくなる傾向にある。
【００１２】
適用例２の燃料電池では、アノードデッドエンド型燃料電池において、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を抑制することができるので、上述した不純物ガスの局所的な滞留を抑制することができる。
【００１３】
発電体のアノード側へ燃料ガスを供給して行なう燃料電池の運転を、アノードデッドエンド運転と呼ぶ。アノードデッドエンド運転では、燃料ガスのアノード側への供給を継続しつつ、アノード側からの燃料ガスの排出をしない状態で発電を継続する。結果的に、少なくとも定常発電時に供給された燃料ガスのほぼ全量をアノード側に留めて発電を行うことになる。発電体が、電解質膜の両面にアノードおよびカソードをそれぞれ接合してなる膜電極接合体を備え、アノード側に燃料ガス（多くは、水素または水素含有ガス）を供給して発電を行う場合には、アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用することになる。この場合、結果的には、燃料ガスが供給されるアノード側は、一般的に、燃料ガスを外部に排出あるいは放出しない閉塞構造となる。
【００１４】
本願明細書では、燃料ガスの消費層に供給されたほぼ総ての燃料ガスを燃料ガス消費層（アノード）で消費する運転の態様を、デッドエンド運転と呼ぶが、燃料ガス消費層からの燃料ガスの循環を意図せず、燃料ガスの消費層から名目的に燃料ガスを取り出して利用する形態が加えられていたとしても、当該構成は、デッドエンド運転に含まれる。例えば、燃料ガス消費層あるいはその上流から僅かな燃料ガスを取り出す流路を設け、取り出した燃料ガスを燃焼して補機などのプレヒートに用いる構成などを考えることができる。こうした名目的な燃料ガスの消費は、燃料ガスの取り出しを、燃料ガスの消費層もしくはその上流からとすることに格別な意味がなければ、本願明細書における「ほぼすべての燃料ガスの燃料ガス消費層で消費する」ことから除外される構成とはならない。
【００１５】
本願発明の燃料電池は、さらに、アノード極（水素極）の不純物（たとえば窒素）の分圧が、カソード極（空気極）の不純物（たとえば窒素）の分圧とつりあった状態で継続的に発電する運転状態を実現するものとして把握することもできる。ここで、「つりあった状態」とは、たとえば平衡状態を意味し、必ずしも両者の分圧が等しい状態に限られない。
【００１６】
本願発明の燃料電池は、さらに、たとえば図２４や図２５に示されるような構成をも含む。図２４の構成例は、第１の流路と第２の流路と有している。第１の流路は、第２の流路よりも上流側に配置されている。第１の流路および第２の流路は、第１の流路あるいは第２の流路よりも流れの抵抗が高い高抵抗連通部２１００ｘを介して連通している。これらの流路は、発電領域面外（燃料電池セルの外部）から燃料ガス導入口（マニホールド）を経由して燃料ガスを導入する。換言すれば、第２の流路への燃料ガスの供給は、主として高抵抗連通部２１００ｘを介して（たとえば高抵抗連通部２１００ｘのみを介して）第１の流路から導入される。
【００１７】
なお、第１の流路や第２の流路は、後述の実施例のように多孔体を利用しても形成可能であるが、たとえばシール材Ｓ１、Ｓ２の挟持（図２４）やハニカム構造材Ｈ２を使用した流路の形成（図２５）として構成してもよい。
【００１８】
高抵抗連通部２１００ｘは、たとえば図２４や図２５に示されるような複数の導入部２１１０ｘ（貫通孔）が面内方向に分散した板状部材が利用可能である。高抵抗連通部２１００ｘは、以下のうちの少なくとも一つの役割を有している。第１の役割は、「第２の流路のうち燃料ガス導入口に近接する領域への燃料ガス供給を制限する役割」である。第２の役割は、「アノード反応部に沿った第２の流路の面直方向に働くガス圧の面内の不均一を抑制する役割」である。第３の役割は、「第１の流路を面内方向に流れる燃料ガスの向きを面直方向（あるいは面に交差する方向）に変換する役割」である。
【００１９】
本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード反応部で消費する態様を含む燃料電池システムであって、
発電セル内にアノードガスを導入する導入口と、
前記導入口から供給されたアノードガスをセル面内方向に導く第１のガス流路と、
前記アノード反応部に沿って延在し、
前記第１のガス流路より流れの抵抗が高く、第１のガス流路から第２のガス流路へのアノードガスの流入を妨げつつも、セル面内方向に分布した複数の連通部を介して、第１のガス流路から第２のガス流路へアノードガスを導く高抵抗部と、
を備える。
【００２０】
本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような構成を含む燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の領域で消費されるアノードガスは、前記高抵抗部のうち一の連通部を通過したガスの比率が、他の連通部を通過したガスの比率より高い、
あるいは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の連通部を通過したアノードガスは、前記アノード反応部のうちの一の領域で消費される比率が、他の領域で消費される比率より高い
といった構成も可能である。
【００２１】
一方、カソード流路は少なくとも上記高抵抗連通部が有さないことが好ましい。さらにカソード流路は、第２の流路も設けることなく、カソード導入口から供給されたカソードガスをセル面内方向に導く第１のガス流路のみとすることが好ましい。ただし、いわゆるガス拡散層を第２の流路と捉えれば、第１および第２の流路の組み合わせとしても良い。いずれにせよ、上記高抵抗連通部をカソード極からのみ省略することにより、カソードガスの送給機の仕事量の低減およびカソード極での排水性の向上が期待でき、特に、アノード極からの排水性能が低いシステム（燃料ガスの定常的排気の無い）燃料電池システムでは好適である。
【００２２】
［適用例３］適用例１または２記載の燃料電池であって、前記流路構成部材には、複数の前記燃料ガス供給口が設けられており、前記複数の燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路に沿って、二次元的に分散して配置されている、燃料電池。
【００２３】
適用例３の燃料電池では、上記流路構成部材において、複数の燃料ガス供給口が、燃料ガス流路に沿って、二次元的に分散して配置されているので、燃料ガスを、燃料ガス流路からアノードの表面に、面内均一に供給するようにすることができる。したがって、発電体における発電分布を均一化し、先に説明した発電効率の低下を抑制することができる。
【００２４】
［適用例４］適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、前記燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路側の開口面積が、前記アノード側の開口面積よりも大きくなるように形成されている、燃料電池。
【００２５】
適用例４の燃料電池では、燃料ガス供給口の燃料ガス流路側の開口面積が、アノード側の開口面積よりも大きくなるように形成されているので、燃料ガス流路からアノードに燃料ガスが流れるときの抵抗よりも、アノードから燃料ガス流路に流体が流れるときの抵抗の方が大きくなるようにすることができる。
【００２６】
なお、燃料ガス供給口の開口面積は、燃料ガス供給口の内側壁をテーパ形状とすることによって、アノード側から燃料ガス流路側に向かって、連続的に大きくなるようにしてもよいし、また、段階的に大きくなるようにしてもよい。
【００２７】
［適用例５］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、前記燃料ガス供給口には、前記アノードから前記燃料ガス流路への流体の流出を抑制するための弁が設けられている、燃料電池。
【００２８】
適用例５の燃料電池では、燃料ガス供給口に、アノードから燃料ガス流路への流体の流出を抑制するための弁が設けられているので、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を抑制することができる。
【００２９】
［適用例６］適用例５記載の燃料電池であって、前記弁は、前記燃料ガス流路から前記アノードへの前記燃料ガスの単位時間当たりの流量に応じて、前記燃料ガス供給口の有効開口面積が変化させる、燃料電池。
【００３０】
適用例６の燃料電池では、燃料ガス供給口に、上記弁が設けられているので、例えば、燃料ガス流路からアノードへの燃料ガスの単位時間当たりの流量が比較的多いときには、燃料ガス供給口の開口面積は大きくなり、燃料ガス流路からアノードへの燃料ガスの単位時間当たりの流量が比較的少ないときには、燃料ガス供給口の有効開口面積は小さくなる。したがって、燃料ガス流路からアノードへの燃料ガスの単位時間当たりの流量が比較的少なく、燃料ガスの流速が比較的遅いときであっても、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を抑制することができる。
【００３１】
［適用例７］適用例５または６記載の燃料電池であって、前記弁は、前記アノードにおける圧力が前記燃料ガス流路内の圧力よりも高いときに閉弁する、燃料電池。
【００３２】
適用例７の燃料電池では、上記弁が、アノードにおける圧力が燃料ガス流路内の圧力よりも高いときに閉弁するので、燃料ガス流路に燃料ガスが流れていないときに、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を防止することができる。
【００３３】
［適用例８］適用例１ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、前記燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路内における前記燃料ガスの流れ方向と、前記燃料ガス流路から前記アノードに前記燃料ガスが流れるときの流れ方向とのなす角度が鋭角になるように形成されている、燃料電池。
【００３４】
適用例８の燃料電池では、燃料ガス供給口が、燃料ガス流路内における燃料ガスの流れ方向と、燃料ガス流路からアノードに燃料ガスが流れるときの流れ方向とのなす角度が鋭角になるように形成されているので、燃料ガス流路からアノードに燃料ガスが供給されるときの燃料ガス供給口における燃料ガスの流速が、上記角度が直角である場合や鈍角である場合と比較して速くなる。したがって、燃料ガス流路からアノードに燃料ガスが供給されているときに、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を抑制することができる。
【００３５】
［適用例９］適用例１ないし８のいずれかに記載の燃料電池であって、前記流路構成部材は、前記発電体における前記アノードの表面側に積層され、導電性、および、ガス不透過性を有するシート状のシート部材と、前記シート部材の表面側に積層され、導電性、および、ガス拡散性を有し、前記燃料ガス流路となる多孔質部材と、前記多孔質部材の表面側に積層され、前記発電体で発電された電力を集電する集電部材と、によって構成されており、前記燃料ガス供給口は、前記シート部材の面内に形成されている、燃料電池。
【００３６】
適用例９の燃料電池では、多孔質部材を燃料ガス流路とし、シート部材と、集電部材とを、燃料ガス流路の流路壁とすることができる。
【００３７】
［適用例１０］適用例１ないし８のいずれかに記載の燃料電池であって、前記流路構成部材は、少なくとも前記発電体を挟持し、前記発電体で発電された電力を集電する集電部材であり、前記燃料ガス流路は、前記集電部材の内部に形成されており、前記燃料ガス供給口は、前記集電部材の前記アノードと対向する側の面に形成されている、燃料電池。
【００３８】
［適用例１１］適用例１０記載の燃料電池であって、前記アノードと前記集電部材との間には、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔質部材が介装されている、燃料電池。
【００３９】
適用例１１の燃料電池では、集電部材に形成された燃料ガス供給口から供給された燃料ガスを、上記多孔質部材によって十分に拡散させ、発電体のアノードに供給することができる。
【００４０】
［適用例１２］適用例１または２記載の燃料電池であって、前記燃料ガスは、水素を含み、前記流路構成部材は、前記発電体における前記アノードの表面側に積層され、導電性、および、水素選択透過性を有する水素分離膜と、前記水素分離膜の表面側に積層され、導電性、および、ガス拡散性を有し、前記燃料ガス流路となる多孔質部材と、前記多孔質部材の表面側に積層され、前記発電体で発電された電力を集電する集電部材と、によって構成されており、前記燃料ガス供給口は、前記水素分離膜が有する、水素を選択的に透過させる微細孔である、燃料電池。
【００４１】
水素分離膜は、水素を選択的に透過させる微細孔を有しており、水素を選択的に透過する性質を有しているので、燃料ガスに含まれる水素は透過するものの、燃料電池における発電に寄与しない不純物ガスは透過しない。
【００４２】
適用例１２の燃料電池では、流路構成部材の一部（燃料ガス流路の流路壁）として、導電性、および、水素選択透過性を有する水素分離膜を備えているので、この水素分離膜によって、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を防止することができる。なお、上記水素分離膜としては、例えば、パラジウム膜や、バナジウム膜等の金属膜を適用することができる。
【００４３】
本発明は、上述した種々の特徴の一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。また、本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、上述の燃料電池を備える燃料電池システムの発明とし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】
【００４４】
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．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の燃料電池を備える第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【００４５】
燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池ユニット４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各燃料電池ユニット４０は、後述するように、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、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成されている。膜電極接合体において、アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、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、燃料電池ユニット４０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。
【００４６】
図示するように、燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の燃料電池ユニット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。そして、これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている（図示省略）。また、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、各燃料電池ユニット４０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、各燃料電池ユニット４０のカソードから排出される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（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（図示省略）。
【００４７】
なお、本実施例の燃料電池スタック１００は、各燃料電池ユニット４０のアノードに供給された水素のほぼすべてが、燃料電池スタック１００の外部に排出されることなく、燃料電池スタック１００の内部に滞留された状態で発電に利用される、いわゆるアノードデッドエンド型燃料電池であるものとした。したがって、燃料電池スタック１００の内部には、各燃料電池ユニット４０のアノードから排出されるアノードオフガス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アノードオフガス排出マニホールドは形成されていない。
【００４８】
エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。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。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、図示しない出力端子が設けられており、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。
【００４９】
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。
【００５０】
燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００５１】
水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって、圧力、および、供給量が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各燃料電池ユニット４０のアノードに供給される。なお、この燃料電池システム１０００は、先に説明したように、アノードデッドエンド型の燃料電池スタック１００を備えているので、本実施例では、アノードからの排気ガスを外部に排出するための配管は備えていないものとした。
【００５２】
燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールドを介して、各燃料電池ユニット４０のカソードに、それぞれ供給される。各燃料電池ユニット４０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マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。排出配管６２からは、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。
【００５３】
燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水も供給される。この冷却水は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。
【００５４】
燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。制御ユニット８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。
【００５５】
Ａ２．燃料電池ユニットの構成：
図２は、第１実施例の燃料電池ユニット４０の概略構成を示す説明図である。図２（ａ）に、燃料電池ユニット４０の断面図を示した。また、図２（ｂ）に、図２（ａ）におけるシート部材４４を、図の上側（アノード側金属多孔体４５ａ側）から見たときの平面図を示した。シート部材４４については、後述する。なお、本実施例において、先述した各種マニホールドは、本発明の特徴とは無関係であるので、図示、および、説明は省略し、本発明の特徴に関連する事項について、詳細に説明する。これは、後述する第２ないし第５実施例においても同様である。
【００５６】
図２（ａ）に示したように、燃料電池ユニット４０において、膜電極接合体４１ｍは、電解質膜４１の一方の面に、カソード側触媒層４２ｃと、カソード側拡散層４３ｃとをこの順に積層させ、他方の面に、アノード側触媒層４２ａと、アノード側拡散層４３ａとを、この順にそれぞれ積層させたものである。これらは、例えば、ホットプレス接合によって接合されている。本実施例では、アノード側拡散層４３ａ、および、カソード側拡散層４３ｃとして、カーボンクロスを用いるものとした。カーボンクロスの代わりに、カーボンペーパ等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。アノード側触媒層４２ａ、および、アノード側拡散層４３ａは、本発明におけるアノードに相当する。また、カソード側触媒層４２ｃ、および、カソード側拡散層４３ｃは、本発明におけるカソードに相当する。
【００５７】
そして、本実施例では、膜電極接合体４１ｍのカソード側拡散層４３ｃの表面には、カソード側金属多孔体４５ｃと、カソード側セパレータ４６ｃとが、この順に積層されている。カソード側金属多孔体４５ｃは、空気供給マニホールドから供給された空気が流れる酸化剤ガス流路となる。そして、図中に破線（太線）矢印で示したように、カソード側金属多孔体４５ｃ中を拡散しつつ流れる空気は、カソード側拡散層４３ｃに供給され、さらに、カソード側触媒層４２ｃに供給される。なお、本実施例では、酸化剤ガス流路として、金属多孔体を用いるものとしたが、金属多孔体の代わりに、カーボン多孔体等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の多孔質部材を用いるようにしてもよい。
【００５８】
また、膜電極接合体４１ｍのアノード側拡散層４３ａの表面には、導電性、および、ガス不透過性を有するシート部材４４と、アノード側金属多孔体４５ａと、アノード側セパレータ４６ａとが、この順に積層されている。本実施例では、シート部材４４として、金属板を用いるものとした。そして、このシート部材４４には、その厚さ方向に貫通する複数の貫通孔（水素供給口４４ｉ）が形成されている。そして、各水素供給口４４ｉは、それぞれ、アノード側金属多孔体４５ａ側の開口面積が、アノード側拡散層４３ａ側の開口面積よりも大きくなるように形成されている。本実施例では、各水素供給口４４ｉの内側壁をテーパ形状とすることによって、水素供給口４４ｉの開口面積が、アノード側拡散層４３ａ側からアノード側金属多孔体４５ａ側に向かって、連続的に大きくなるように形成されるものとした。なお、水素供給口４４ｉにおける上記テーパ形状は、任意に設定可能であるが、アノード側金属多孔体４５ａ側の開口面積と、アノード側拡散層４３ａ側の開口面積との差がより大きくなるように形成されていることが好ましい。シート部材４４の製造方法、すなわち、シート部材４４における複数の水素供給口４４ｉの形成方法については、後述する。
【００５９】
アノード側金属多孔体４５ａは、水素供給マニホールドから供給された水素が流れる燃料ガス流路となる。そして、図中に実線矢印で示したように、アノード側金属多孔体４５ａ中を拡散しつつ流れる水素は、シート部材４４に形成された各水素供給口４４ｉを通じて、アノード側拡散層４３ａに供給され、さらに、アノード側触媒層４２ａに供給される。シート部材４４と、アノード側金属多孔体４５ａと、アノード側セパレータ４６ａとは、本発明における流路構成部材に相当する。なお、本実施例では、燃料ガス流路として、金属多孔体を用いるものとしたが、金属多孔体の代わりに、カーボン多孔体等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の多孔質部材を用いるようにしてもよい。
【００６０】
また、図２（ｂ）に示したように、シート部材４４において、複数の水素供給口４４ｉは、シート部材４４の面内に、二次元的に分散して配置されている。図示するように、本実施例では、シート部材４４において、複数の水素供給口４４ｉは、格子状に配列されており、また、各水素供給口４４ｉは、すべて同一の円形形状であるものとしたが、これらは、任意に設定可能である。例えば、水素の流れ方向の上流から下流にかけて、複数の水素供給口４４ｉ間のピッチが変化するように配列したり、水素供給口４４ｉのサイズが変化するようにしたり、水素供給口４４ｉの内側壁のテーパの角度を変化させたりしてもよい。また、複数の水素供給口４４ｉを、例えば、千鳥状に配列するようにしてもよい。このように、シート部材４４において、複数の水素供給口４４ｉを、二次元的に分散して配置することによって、アノード側金属多孔体４５ａからアノード側拡散層４３ａの全体に、水素をシャワー状に供給することができるので、アノード側拡散層４３ａ、および、アノード側触媒層４２ａにおける水素の濃度分布を均一化し、膜電極接合体４１ｍにおける発電分布を均一化することができる。
【００６１】
Ａ３．シート部材の製造方法：
図３ないし図６は、それぞれ、シート部材４４の製造方法を示す説明図である。ここでは、シート部材４４の製造方法の一例として、４種類の製造方法について説明する。
【００６２】
図３は、シート部材４４の第１の製造方法を模式的に示す説明図である。この製造方法では、シート部材４４の基材となる金属板４４ｍと、打抜機２００とを用意する。打抜機２００には、水素供給口４４ｉの形状に対応した略円錐形の形状を有する複数の凸部２００ｄが設けられている。そして、金属板４４ｍの表面から、打抜機２００によって、金属板４４ｍを打抜加工し、金属板４４ｍの裏面の水素供給口４４ｉの周縁部に生じたバリを除去することによって、シート部材４４を製造する。こうすることによって、シート部材４４に、テーパ形状の内側壁を有する複数の水素供給口４４ｉを形成することができる。
【００６３】
図４は、シート部材４４の第２の製造方法を模式的に示す説明図である。この製造方法では、まず、シート部材４４の基材となる金属板４４ｍと、打抜機２００Ａとを用意する。打抜機２００Ａには、水素供給口４４ｉのアノード側拡散層４３ａ側の開口部の形状に対応した円柱形の形状を有する複数の凸部２００Ａｄが設けられている。そして、金属板４４ｍの表面から、打抜機２００Ａによって、金属板４４ｍを打抜加工し、金属板４４ｍの裏面の水素供給口４４ｉの周縁部に生じたバリを除去することによって、シート部材４４を製造する。なお、この製造方法では、図４の中段に示したように、打抜加工時に、打抜機２００Ａに設けられた凸部２００Ａｄが金属板４４ｍの上面を押圧し、押圧された領域の周囲の領域の金属板４４ｍが、押圧力によって塑性変形することを利用している。こうすることによっても、シート部材４４に、略テーパ形状の内側壁を有する複数の水素供給口４４ｉを形成することができる。
【００６４】
図５は、シート部材４４の第３の製造方法を模式的に示す説明図である。この製造方法では、まず、シート部材４４の基材となる金属板４４ｍ上に、水素供給口４４ｉの配列に対応した開口部を有するように、マスキング材３００によってマスキングを行い、マスキングがなされていない領域の金属板４４ｍを、エッチング溶液によってウェットエッチングする。そして、金属板４４ｍからマスキング材３００を除去する。なお、この製造方法では、等方性のウェットエッチングを利用するため、例えば、金属板４４ｍとマスキング材３００との密着性を制御することによって、マスキング材３００の開口部での金属板４４ｍとマスキング材３００との界面におけるアンダーカットの量を制御し、水素供給口４４ｉの内側壁の形状を変化させることができる。こうすることによっても、シート部材４４に、略テーパ形状の内側壁を有する複数の水素供給口４４ｉを形成することができる。
【００６５】
図６は、シート部材４４の第４の製造方法を模式的に示す説明図である。この製造方法では、まず、シート部材４４の基材となる金属板４４ｍと、穴あけ機４００とを用意する。穴あけ機４００には、水素供給口４４ｉの形状に対応した略円錐形の形状を有する複数のドリル４００ｄが備えられている。そして、金属板４４ｍの表面から、穴あけ機４００によって、金属板４４ｍを穴加工し、金属板４４ｍの裏面の水素供給口４４ｉの周縁部に生じたバリを除去することによって、シート部材４４を製造する。こうすることによっても、シート部材４４に、テーパ形状の内側壁を有する複数の水素供給口４４ｉを形成することができる。
【００６６】
Ａ４．第１実施例の効果：
本実施例の燃料電池システム１０００では、酸化剤ガスとして、空気を利用しており、この空気には、燃料電池ユニット４０に備えられた膜電極接合体４１ｍにおける発電に寄与しないガスである窒素等の不純物ガスが含まれている。したがって、図２（ａ）中に、破線（細線）矢印で示したように、膜電極接合体４１ｍのカソード側拡散層４３ｃ、および、カソード側触媒層４２ｃに供給された空気に含まれる窒素（不純物ガス）は、電解質膜４１を介して、アノード側触媒層４２ａ、および、アノード側拡散層４３ａに透過する。そして、この不純物ガスがアノード側拡散層４３ａから、シート部材４４に形成された水素供給口４４ｉを通じて、アノード側金属多孔体４５ａに逆流すると、上記不純物ガスによって、アノード側金属多孔体４５ａ内における水素の濃度が低下して、膜電極接合体４１ｍにおける発電分布が不均一になり、また、発電効率の低下を招く。そして、アノード側金属多孔体４５ａに逆流した不純物ガスは、水素の流れによって、水素の流れ方向の下流に移動するので、上述した不具合は、特に、アノード側金属多孔体４５ａにおける水素の流れ方向の下流において顕著である。
【００６７】
第１実施例の燃料電池ユニット４０によれば、図２に示したように、シート部材４４に、複数の水素供給口４４ｉが形成されており、各水素供給口４４ｉは、それぞれ、アノード側金属多孔体４５ａ側の開口面積が、アノード側拡散層４３ａの開口面積よりも大きくなるように形成されているので、アノード側金属多孔体４５ａ（燃料ガス流路）からアノード側拡散層４３ａ（アノード）に水素が流れるときの抵抗よりも、アノード側拡散層４３ａからアノード側金属多孔体４５ａに流体が流れるときの抵抗を大きくすることができる。したがって、アノード側拡散層４３ａからアノード側金属多孔体４５ａへの不純物ガスの逆流を抑制することができる。この結果、上述した膜電極接合体４１ｍにおける発電分布の不均一や、発電効率の低下を抑制することができる。
【００６８】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
第２実施例の燃料電池システムの構成は、燃料電池ユニット４０Ａの構成が、第１実施例における燃料電池ユニット４０と異なっている。そして、このこと以外は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである（図１参照）。したがって、第２実施例の燃料電池システムの構成についての図示、および、説明は省略し、以下、第２実施例の燃料電池ユニット４０Ａについて説明する。
【００６９】
Ｂ２．燃料電池ユニットの構成：
図７は、第２実施例の燃料電池ユニット４０Ａの概略構成を示す説明図である。図７（ａ）に、膜電極接合体４１ｍへの反応ガス供給時、すなわち、膜電極接合体４１ｍのアノードへの水素、および、膜電極接合体４１ｍのカソードへの空気の供給時の燃料電池ユニット４０Ａの断面図を示した。また、図７（ｂ）に、膜電極接合体４１ｍへの反応ガス供給停止時、すなわち、膜電極接合体４１ｍのアノードへの水素、および、膜電極接合体４１ｍのカソードへの空気の供給停止時の燃料電池ユニット４０Ａの断面図を示した。
【００７０】
本実施例の燃料電池ユニット４０Ａは、先に説明した第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるシート部材４４の代わりに、このシート部材４４とは異なる構造を有するシート部材４４Ａを備えている。そして、このこと以外は、第１実施例の燃料電池ユニット４０と同じである。
【００７１】
シート部材４４Ａには、シート部材４４における水素供給口４４ｉの配置と同じ配置で、複数の水素供給口４４Ａｉが形成されている。ただし、本実施例では、各水素供給口４４Ａｉは、アノード側金属多孔体４５ａ側の開口部の形状（開口面積）と、アノード側拡散層４３ａ側の開口部の形状（開口面積）とは等しいものとした。また、各水素供給口４４Ａｉには、それぞれ、バルブ４４Ａｂが設けられている。このバルブ４４Ａｂは、例えば、水素供給口４４Ａｉの内側壁に、形状記憶合金等からなる小片を接合することによって形成することができる。
【００７２】
そして、図７（ａ）に示したように、反応ガス供給時には、アノード側金属多孔体４５ａ内の圧力が、供給された水素によって、アノード側拡散層４３ａにおける圧力よりも高くなり、バルブ４４Ａｂは、この圧力差によって開弁する。そして、アノード側金属多孔体４５ａからアノード側拡散層４３ａへの水素の単位時間当たりの流量に応じて、バルブ４４Ａｂの開度が変化し、水素供給口４４Ａｉの有効開口面積が変化する。つまり、アノード側金属多孔体４５ａからアノード側拡散層４３ａへの水素の単位時間当たりの流量が比較的多いときには、水素供給口４４Ａｉの有効開口面積は大きくなり、アノード側金属多孔体４５ａからアノード側拡散層４３ａへの水素の単位時間当たりの流量が比較的少ないときには、水素供給口４４Ａｉの有効開口面積は小さくなる。
【００７３】
一方、図７（ｂ）に示すように、反応ガス供給停止時には、アノード側金属多孔体４５ａからアノード側拡散層４３ａへの水素の単位時間当たりの流量がゼロとなり、また、膜電極接合体４１ｍのカソード側からアノード側に、電解質膜４１を介して透過する空気中の窒素によって、アノード側拡散層４３ａにおける圧力が、アノード側金属多孔体４５ａ内の圧力よりも高くなり、バルブ４４Ａｂは、この圧力差によって閉弁する。
【００７４】
Ｂ３．第２実施例の効果：
以上説明した第２実施例の燃料電池ユニット４０Ａによれば、シート部材４４Ａに、複数の水素供給口４４Ａｉが形成されており、各水素供給口４４ｉには、それぞれ、上述したバルブ４４Ａｂが設けられているので、アノード側拡散層４３ａからアノード側金属多孔体４５ａへの窒素（不純物ガス）の逆流を抑制することができる。したがって、先に説明した膜電極接合体４１ｍにおける発電分布の不均一や、発電効率の低下を抑制することができる。
【００７５】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．燃料電池システムの構成：
第３実施例の燃料電池システムの構成は、燃料電池ユニット４０Ｂの構成が第１実施例における燃料電池ユニット４０と異なっている。そして、このこと以外は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである（図１参照）。したがって、第３実施例の燃料電池システムの構成についての図示、および、説明は省略し、以下、第３実施例の燃料電池ユニット４０Ｂについて説明する。
【００７６】
Ｃ２．燃料電池ユニットの構成：
図８は、第３実施例の燃料電池ユニット４０Ｂの概略構成を示す説明図である。図８（ａ）に、燃料電池ユニット４０Ｂの断面図を示した。また、図８（ｂ）に、図８（ａ）におけるアノード側セパレータ４６Ｂａを、図の下側（アノード側金属多孔体４５ａ側）から見たときの平面図を示した。
【００７７】
図８（ａ）に示したように、本実施例の燃料電池ユニット４０Ｂは、先に説明した第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるシート部材４４を備えていない。また、アノード側セパレータ４６Ｂａの構造が、第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるアノード側セパレータ４６ａの構造と異なっている。そして、これらのこと以外は、第１実施例の燃料電池ユニット４０と同じである。
【００７８】
アノード側セパレータ４６Ｂａの内部には、水素供給マニホールドから供給された水素が流れる燃料ガス流路４６Ｂａｐが形成されている。また、アノード側セパレータ４６Ｂａの、アノード側金属多孔体４５ａと当接する側の面には、複数の水素供給口４６Ｂａｉが形成されている。そして、各水素供給口４６Ｂａｉの形状は、第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるシート部材４４に形成された水素供給口４４ｉの形状と同じである。すなわち、水素供給口４６Ｂａｉは、燃料ガス流路４６Ｂａｐ側の開口面積が、アノード側金属多孔体４５ａ側の開口面積よりも大きくなるように形成されており、各水素供給口４６Ｂａｉの内側壁をテーパ形状とすることによって、水素供給口４６Ｂａｉの開口面積が、アノード側金属多孔体４５ａ側から燃料ガス流路４６Ｂａｐ側に向かって、連続的に大きくなるように形成されている。
【００７９】
また、図８（ｂ）に示したように、アノード側セパレータ４６Ｂａにおいて、複数の水素供給口４６Ｂａｉは、第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるシート部材４４に形成された水素供給口４４ｉと同様に配列されている（図２（ｂ）参照）。アノード側セパレータ４６Ｂａは、本発明における流路構成部材に相当する。
【００８０】
Ｃ３．第３実施例の効果：
以上説明した第３実施例の燃料電池ユニット４０Ｂによれば、アノード側セパレータ４６Ｂａの内部に、燃料ガス流路４６Ｂａｐが形成されており、アノード側セパレータ４６Ｂａの、アノード側金属多孔体４５ａと当接する側の面に、複数の水素供給口４６Ｂａｉが形成されており、また、各水素供給口４６Ｂａｉは、燃料ガス流路４６Ｂａｐ側の開口面積が、アノード側金属多孔体４５ａ側の開口面積よりも大きくなるように形成されているので、燃料ガス流路４６Ｂａｐからアノード側金属多孔体４５ａに水素が流れるときの抵抗よりも、アノード側金属多孔体４５ａから燃料ガス流路４６Ｂａｐに流体が流れるときの抵抗を大きくすることができる。したがって、アノード側金属多孔体４５ａから燃料ガス流路４６Ｂａｐへの窒素（不純物ガス）の逆流を抑制することができる。したがって、先に説明した膜電極接合体４１ｍにおける発電分布の不均一や、発電効率の低下を抑制することができる。
【００８１】
Ｄ．第４実施例：
Ｄ１．燃料電池システムの構成：
第４実施例の燃料電池システムの構成は、燃料電池ユニット４０Ｃの構成が、第１実施例における燃料電池ユニット４０と異なっている。そして、このこと以外は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである（図１参照）。したがって、第４実施例の燃料電池システムの構成についての図示、および、説明は省略し、以下、第４実施例の燃料電池ユニット４０Ｃについて説明する。
【００８２】
Ｄ２．燃料電池ユニットの構成：
図９は、第４実施例の燃料電池ユニット４０Ｃの概略構成を示す説明図である。燃料電池ユニット４０Ｃの断面図を示した。
【００８３】
図示するように、本実施例の燃料電池ユニット４０Ｃでは、アノード側セパレータ４６Ｃａの構造が、先に説明した第２実施例の燃料電池ユニット４０Ｂにおけるアノード側セパレータ４６Ｂａの構造と異なっている。そして、これ以外は、第２実施例の燃料電池ユニット４０Ｂと同じである。
【００８４】
アノード側セパレータ４６Ｃａの内部には、水素供給マニホールドから供給された水素が流れる燃料ガス流路４６Ｃａｐが形成されている。また、アノード側セパレータ４６Ｃａの、アノード側金属多孔体４５ａと当接する側の面には、複数の水素供給口４６Ｃａｉが形成されている。そして、各水素供給口４６Ｃａｉは、燃料ガス流路４６Ｃａｐにおける水素の流れ方向と、燃料ガス流路４６Ｃａｐからアノード側金属多孔体４５ａに水素が流れるときの流れ方向とのなす角度が鋭角になるように形成されている。なお、図示は省略しているが、アノード側セパレータ４６Ｃａにおける複数の水素供給口４６Ｃａｉの配置は、先に説明したアノード側セパレータ４６Ｂａにおける水素供給口４６Ｂａｉの配置とほぼ同様である。
【００８５】
Ｄ３．第４実施例の効果：
以上説明した第４実施例の燃料電池ユニット４０Ｃによれば、アノード側セパレータ４６Ｃａの内部に、燃料ガス流路４６Ｃａｐが形成されており、アノード側セパレータ４６Ｃａの、アノード側金属多孔体４５ａと当接する側の面に、複数の水素供給口４６Ｃａｉが形成されており、また、各水素供給口４６Ｃａｉは、燃料ガス流路４６Ｃａｐ内における水素の流れ方向と、燃料ガス流路４６Ｃａｐからアノード側金属多孔体４５ａに水素が流れるときの流れ方向とのなす角度が鋭角になるように形成されているので、燃料ガス流路４６Ｃａｐからアノード側金属多孔体４５ａに水素が供給されるときの水素供給口４６Ｃａｉにおける水素の流速が、上記角度が直角である場合や鈍角である場合と比較して速くなる。したがって、燃料ガス流路４６Ｃａｐからアノード側金属多孔体４５ａに水素が供給されているときに、アノード側金属多孔体４５ａから燃料ガス流路４６Ｃａｐへの窒素（不純物ガス）の逆流を抑制することができる。この結果、先に説明した膜電極接合体４１ｍにおける発電分布の不均一や、発電効率の低下を抑制することができる。
【００８６】
Ｅ．第５実施例：
Ｅ１．燃料電池システムの構成：
第５実施例の燃料電池システムの構成は、燃料電池ユニット４０Ｄの構成が、第１実施例における燃料電池ユニット４０と異なっている。そして、このこと以外は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである（図１参照）。したがって、第５実施例の燃料電池システムの構成についての図示、および、説明は省略し、以下、第５実施例の燃料電池ユニット４０Ｄについて説明する。
【００８７】
Ｅ２．燃料電池ユニットの構成：
図１０は、第５実施例の燃料電池ユニット４０Ｄの概略構成を示す説明図である。燃料電池ユニット４０Ｄの断面図を示した。
【００８８】
図示するように、本実施例の燃料電池ユニット４０Ｄは、先に説明した第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるシート部材４４の代わりに、水素分離膜４７を備えている。そして、このこと以外は、第１実施例の燃料電池ユニット４０と同じである。つまり、水素分離膜４７と、アノード側金属多孔体４５ａと、アノード側セパレータ４６ａとが、本発明における流路構成部材に相当する。
【００８９】
なお、本実施例において、水素分離膜４７は、導電性、および、水素選択透過性を有する水素分離膜であり、水素以外のガスは透過しない。この水素分離膜４７としては、例えば、パラジウム膜や、バナジウム膜等の金属膜を適用することができる。
【００９０】
以上説明した第５実施例の燃料電池ユニット４０Ｄによれば、流路構成部材の一部（燃料ガス流路の流路壁）として、導電性、および、水素選択透過性を有する水素分離膜４７を備えているので、この水素分離膜４７によって、アノード側拡散層４３ａからアノード側金属多孔体４５ａへの窒素（不純物ガス）の逆流を防止することができる。したがって、先に説明した膜電極接合体４１ｍにおける発電分布の不均一や、発電効率の低下を抑制することができる。
【００９１】
Ｆ．第６実施例：
Ｆ１．燃料電池システムの構成：
第５実施例の燃料電池システムの構成は、燃料電池ユニット４０Ｅの構成が、第１実施例における燃料電池ユニット４０と異なっている。そして、このこと以外は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである（図１参照）。したがって、第６実施例の燃料電池システムの構成についての図示、および、説明は省略し、以下、第６実施例の燃料電池ユニット４０Ｅについて説明する。
【００９２】
Ｆ２．燃料電池ユニットの構成：
図１１は、第６実施例の燃料電池ユニット４０Ｅの概略構成を示す説明図である。図１１（ａ）に、膜電極接合体４１ｍへの反応ガス供給時、すなわち、膜電極接合体４１ｍのアノードへの水素、および、膜電極接合体４１ｍのカソードへの空気の供給時の燃料電池ユニット４０Ｅの断面図を示した。また、図１１（ｂ）に、膜電極接合体４１ｍへの反応ガス供給停止時、すなわち、膜電極接合体４１ｍのアノードへの水素、および、膜電極接合体４１ｍのカソードへの空気の供給停止時の燃料電池ユニット４０Ｅの断面図を示した。
【００９３】
本実施例の燃料電池ユニット４０Ｅは、先に説明した第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるシート部材４４の代わりに、このシート部材４４とは異なる構造を有するシート部材４４Ｅを備えている。そして、このこと以外は、第１実施例の燃料電池ユニット４０と同じである。
【００９４】
シート部材４４Ｅには、シート部材４４における水素供給口４４ｉの配置と同じ配置で、複数の水素供給口４４Ｅｉが形成されている。ただし、本実施例では、各水素供給口４４Ｅｉは、アノード側金属多孔体４５ａ側の開口部の形状（開口面積）が、アノード側拡散層４３ａ側の開口部の形状（開口面積）よりも小さくなるように形成されている。そして、各水素供給口４４Ｅｉ内には、それぞれ、弁体として機能する玉状部材４４Ｅｂが配置されている。この玉状部材４４Ｅｂの直径は、水素供給口４４Ｅｉのアノード側金属多孔体４５ａ側の開口部の直径よりも大きく、アノード側拡散層４３ａ側の開口部の直径よりも小さい。玉状部材４４Ｅｂとしては、耐腐食性を有する部材を用いることが好ましく、例えば、カーボンや、チタンや、金メッキが施されたＳＵＳ等を用いることができる。
【００９５】
そして、図１１（ａ）に示したように、反応ガス供給時には、アノード側金属多孔体４５ａ内の圧力が、供給された水素によって、アノード側拡散層４３ａにおける圧力よりも高くなり、弁体としての玉状部材４４Ｅｂは、この圧力差によって、アノード側拡散層４３ａ側に移動し開弁する。
【００９６】
一方、図１１（ｂ）に示すように、反応ガス供給停止時には、アノード側金属多孔体４５ａからアノード側拡散層４３ａへの水素の単位時間当たりの流量がゼロとなり、また、膜電極接合体４１ｍのカソード側からアノード側に、電解質膜４１を介して透過する空気中の窒素によって、アノード側拡散層４３ａにおける圧力が、アノード側金属多孔体４５ａ内の圧力よりも高くなり、弁体としての玉状部材４４Ｅｂは、この圧力差によって、アノード側金属多孔体４５ａ側に移動し閉弁する、すなわち、水素供給口４４Ｅｉを閉塞する。
【００９７】
Ｆ３．第６実施例の効果：
以上説明した第６実施例の燃料電池ユニット４０Ｅによれば、シート部材４４Ｅに、複数の水素供給口４４Ｅｉが形成されており、各水素供給口４４Ｅｉ内には、それぞれ、上述した弁体としての玉状部材４４Ｅｂが配置されているので、アノード側拡散層４３ａからアノード側金属多孔体４５ａへの窒素（不純物ガス）の逆流を抑制することができる。したがって、先に説明した膜電極接合体４１ｍにおける発電分布の不均一や、発電効率の低下を抑制することができる。
【００９８】
Ｇ．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。
【００９９】
Ｇ１．変形例１：
上記第１実施例、および、第３実施例では、シート部材４４に形成された水素供給口４４ｉ、および、アノード側セパレータ４６Ｂａに形成された水素供給口４６Ｂａｉの内側壁は、テーパ形状を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。各水素供給口の内側壁の形状が、段階的に変化するように形成するものとしてもよい。
【０１００】
Ｇ２．変形例２：
上記第３実施例、および、第４実施例では、アノード側セパレータ４６Ｂａと４３ａとの間、および、アノード側セパレータ４６Ｃａとアノード側拡散層４３ａとの間に、それぞれ、アノード側金属多孔体４５ａを備えるものとしたが、これを省略するようにしてもよい。
【０１０１】
Ｇ３．変形例３：
上記実施例では、図示、および、説明の都合上、アノード側セパレータと、カソード側セパレータとを、別体として描いたが、アノード側セパレータと、カソード側セパレータとを、一体的に成形するようにしてもよい。
【０１０２】
Ｇ４．変形例４：
上記第１ないし第４実施例の特徴を、適宜、組み合わせるようにしてもよい。例えば、第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるシート部材４４に形成された水素供給口４４ｉの内側壁や、第３実施例の燃料電池ユニット４０Ｂにおけるアノード側セパレータ４６Ｂａに形成された水素供給口４６Ｂａｉの内側壁や、第４実施例の燃料電池ユニット４０Ｃにおけるアノード側セパレータ４６Ｃａに形成された水素供給口４６Ｃａｉの内側壁に、第２実施例におけるバルブ４４Ａｂを設けるようにしてもよい。また、第４実施例の燃料電池ユニット４０Ｃにおけるアノード側セパレータ４６Ｃａに形成された水素供給口４６Ｃａｉの形状をテーパ形状とするようにしてもよい。
【０１０３】
Ｇ５．変形例５：
上述した実施例では、アノードに供給された燃料ガスが、ほぼ全量、アノードで消費される構造を採用しているが、係る構造での運転が可能としているアノードへの燃料供給の流路構成としては、種々の構成が採用可能である。代表的な流路構成として、ここでは、上述した構成（以下、「シャワー流路タイプ」と呼ぶ）の他、櫛歯型の構成や循環型の構成などを挙げることができる。まず、シャワー流路タイプの変形例から説明する。
【０１０４】
図１２は、第１変形例の構成を示す説明図である。第１変形例では、上述の実施例のシート部材に相当する分散板２１００が膜電極接合体２０００と一体として形成された構成を有している。膜電極接合体２０００は、水素側電極２２００と電解質膜２３００とを有している。また、分散板２１００には、所定間隔で多数の細孔（オリフィス）２１１０が設けられている。
【０１０５】
図１３は、分散板２１００の機能を説明する説明図である。燃料ガスは、分散板２１００によって水素ガスを消費する水素側電極２２００から隔離された上流側の流路で分配される。上流側の流路で分配された燃料ガスは、分散板２１００に設けられた細孔２１１０を通って、燃料ガス消費層である水素側電極２２００に局所的に供給される。つまり、本変形例では、燃料ガスは、細孔２１１０の存在位置に対応する部位の水素側電極２２００に直接的に供給される。こうした局所的な燃料ガスの供給を実現する構成としては、例えば、燃料ガスが、水素側電極２２００の他の領域を経由することなく、燃料ガスを消費する部位に直接供給する経路を有する構成、あるいは水素側電極２２００の面外の離れた方向（好ましくは水素側電極２２００から隔離された流路）から水素側電極２２００に向かって、主として垂直な方向に燃料ガスを供給する構成なども採用可能である。一方、水素側電極２２００は、窒素の滞留が発生しにくい形状とすればよい。例えば、平滑な面（フラットな面）から構成し、電解質膜２３００側に凹部などを有しない形状とすればよい。
【０１０６】
分散板２１００の細孔２１１０の径およびピッチは、実験的に定めることができるが、例えば所定の運転状態（たとえば定格運転状態）において、細孔２１１０を通過する燃料ガスの流速が窒素ガスの拡散による逆流を十分に抑制できるようにしても良い。係る条件が成立するように、細孔２１１０における十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように、細孔２１１０の間隔と流路断面積を設定すればよい。たとえば、固体高分子型燃料電池では、分散板２１００の開口率を１％程度以下とすることで、十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生することが確認された。開口率とは、分散板２１００の開口面積を分散板２１００の全面積で除した割合である。このような開口率は、循環型の燃料ガス流路と比較すると１桁から２桁程度少ないため、循環型の燃料ガス流路にコンプレッサを用いて燃料ガスの流量を確保する構成とは本質的に異なっている。本実施例および変形例では、燃料タンクからの高圧水素を直接（あるいは所定の高圧圧力まで調圧弁で調圧した状態で）、燃料電池に導くことにより、開口率の低い構造でも十分な燃料ガスを確保している。
【０１０７】
次に、上述のシャワー流路タイプの他の構成例について説明する。図１４は、第２変形例の構成を示す説明図である。この変形例では、水素側電極２２００と電解質膜２３００とを備えた膜電極接合体２２０１上に配置される分散板２１０１を、緻密な多孔体を用いて実現している。分散板２１０１の多孔体の開口率は、十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように選択されている。細孔を用いた場合には、細孔毎に、いわば離散化して、燃料ガスが局所的に供給されるのに対して、多孔体を用いた場合には、連続的に燃料ガスを供給することができるという利点を有している。また燃料ガスの水素側電極２２００への供給が一層均一化されるという利点も得られる。緻密な多孔体は、カーボン粉を焼結することによって製造しても良いし、カーボン分や金属粉をバインド剤を用いて固めることにより製造することも可能である。多孔は、連続多孔体であれば良く、厚さ方向への連続性を確保して面方向の連続性を確保しない異方性を備えたものとしても良い。多孔体の開口率については、第１変形例と同様に決定すればよい。
【０１０８】
次に第３変形例について説明する。図１５は、プレスメタルを用いて構成された分散板２１０２を示す説明図、図１６は、図１５におけるＣ−Ｃ断面を示す模式図である。分散板２１０２は、分散板２１０２の上流側の流路を形成するための突部２１０２ｔを備え、この突部２１０２ｔの側面には細孔２１１２が形成されている。この分散板２１０２は、電解質膜２３００の両側に水素側電極２２００と酸素側電極２４００とを備えた膜電極接合体２２０２の水素側電極２２００側に配置されており、図１６に示したように、突部２１０２ｔを利用して、分散板２１０２の上流側の流路を一体に形成している。燃料ガスは、この突部２１０２ｔの側面に形成された細孔２１１２を介して、水素側電極２２００に供給される。
【０１０９】
係る構成によれば、分散板２１０２をプレス加工により容易に形成することができるうえ、分散板２１０２上流の流路を簡易に形成できるという利点も得られる。細孔２１１２を通過した燃料ガスは、突部２１０２ｔ内部の空間を経て、水素側電極２２００に到るので、分散性を十分に確保することができる。細孔２１１２は、プレス加工に拠って形成しても良いし、突部２１０２ｔの形成の前工程または後工程において、放電加工など、他の手法により形成しても良い。細孔２１１２による開口率については、第１変形例と同様に決定すればよい。
【０１１０】
次に、第４変形例について説明する。図１７は、分散板２０１４ｈｍの内部に、流路を形成した構成例を示す説明図である。この変形例の分散板２０１４ｈｍは、長方形の形状の分散板２０１４ｈｍの短手方向に形成された複数の流路２１４２ｎと、この流路２１４２ｎから、分散板２０１４ｈｍの厚さ方向に設けられ、図示しない水素電極側に開披した多数の細孔２１４３ｎとを備える。分散板２０１４ｈｍは、電解質膜２３００の両側に水素側電極（図示せず）と酸素側電極２４００とを備えた膜電極接合体２２０３の水素側電極側に配置されており、分散板２０１４ｈｍを介して、燃料ガスの供給を受ける。係る構成に拠れば、各細孔２１４３ｎまでの流路を、個別に用意できるという利点が得られる。なお、図１９では、細孔２１４３ｎの配置は千鳥状としたが、格子状であってもよいし、ある程度ランダムに配置しても良い。
【０１１１】
次に、第５変形例について説明する。図１８は、パイプを使用して分散板２０１４ｈｐを形成した例を示す説明図である。分散板２０１４ｈｐは、図１８に示したように、矩形のフレーム２１４０を備え、その短手方向に亘って、中空の多数のパイプ２１３０を備えている。このパイプ２１３０の表面には、複数の細孔２１４１ｎが形成されている。この分散板２０１４ｈｐは、水素側電極２２００とで電解質膜２３００とを備えた膜電極接合体２２０４の水素側電極２２００上に設置される。分散板２０１４ｈｐのフレーム２１４０に用意されたガス流入口から燃料ガスを供給すると、燃料ガスは、分散板２０１４ｈｐの各パイプ２１３０の内部を通り、細孔２１４１ｎから、水素側電極２２００へと分配される。係る構成によれば、燃料ガスを均一に分散できるのに加えて、分散板２０１４ｈｐを構成するのに細孔２１４１ｎを除いて穴加工を行なう必要がないという利点が得られる。細孔２１４１ｎは、水素側電極２２００側に向けて配置して良いし、反対側に向けて配置してもよい。後者の場合には、燃料ガスの分散性は一層改善される。
【０１１２】
以上説明したように、燃料ガスを水素側電極２２００に分散させつつ導く構造であれば、種々の構成を採用することができる。分散板としては、多孔体やプレスメタルに限られず、燃料ガスを分配しつつ水素側電極２２００に導くように構成されていればよい。
【０１１３】
Ｇ６．変形例６：
上述した実施例では、燃料ガス流路について、詳細な説明を省略したが、燃料ガスの流路の形態は種々の構成を採ることができる。
【０１１４】
図１９は、いわゆる分岐流路タイプの燃料ガス流路を用いた構成例を示す模式図である。図示する燃料ガス流路は、上述した実施例のアノード側金属多孔体４５ａに代えて用いられる流路形成部材５０００に、櫛歯状に形成されている。具体的には、ガス流路は、燃料ガスを導入する主流路５０１０、この主流路から分岐し、主流路５０１０とは交差する方向に形成された複数本の副流路５０２０、この副流路から更に櫛歯状に分岐する櫛歯流路５０３０から形成されている。主流路５０１０および副流路５０２０は、先端の櫛歯流路５０３０と比べて流路断面積を十分に確保しているので、流路形成部材５０００の面内の圧力分布は、アノード側金属多孔体４５ａと同程度もしくはそれ以下となっている。
【０１１５】
この流路形成部材５０００は、カーボンや金属などを用いて形成することができる。カーボンを用いる場合は、型を用いてカーボン粉を高温または低温で焼結することにより、図１９に示した流路を備えた流路形成部材５０００を得ることができる。金属を用いる場合には、金属プレートから溝を削り出すことにより、同様の流路を備えた流路形成部材５０００を形成しても良いし、あるいはプレス加工により、図示する流路を備えた流路形成部材５０００を得ても良い。なお、流路形成部材５０００は、単品として設ける必要はなく、他の部材、例えばセパレータと一体に形成することも可能である。
【０１１６】
なお、この流路形成部材５０００は、アノード側金属多孔体４５ａに代えて用いてもよいが、アノード側金属多孔体４５ａおよびシート部材４４ごと代替してもよい。この場合には、櫛歯流路５０３０を十分に細い流路とし、副流路５０２０から、いわば毛細血管のように細かくかつ多数に分岐させておけばよい。また、図１９では、主流路５０１０を流路形成部材５０００の一縁部に沿って設けたが、流路形成部材５０００面内の燃料ガスの圧力差を小さくするために、主流路５０１０を複数の縁部に設けて、副流路５０２０の長さを短くしたり、あるいは主流路５０１０を流路形成部材の中心に設けて、副流路５０２０を主流路５０１０の左右に配置しても良い。同様に、櫛歯流路５０３０は、副流路５０２０の両側に設けても差し支えない。
【０１１７】
次に、図２０に基づいて、サーペンタイン型の流路構成について説明する。図２０は、流路が葛籠折れの形状をとっているサーペンタイン型流路を備えた流路形成部材の構成例を模式的に示す模式図である。図２０（Ａ）は、燃料ガスの流路が単一のタイプの流路形成部材５１００を例示し、図２０（Ｂ）は、燃料ガス流路が複数本統合されたタイプの流路形成部材５２００を例示している。
【０１１８】
図示するように、図２０（Ａ）に例示した流路形成部材５１００は、燃料ガスの流路を囲う外壁のうち対向する外壁５１１０，５１１５から、内側に向けて交互に延長された複数の流路壁５１２０を備える。流路壁５１２０で区切られた部分が連続する流路となっている。この一端に流入口５１５０が形成されており、燃料ガスはここから流路に供給される。この流路形成部材５１００は、図１９の流路形成部材５０００と同様、上述した実施例のアノード側金属多孔体４５ａに代えて用いられる。
【０１１９】
図２０（Ｂ）は、このサーペンタイン型流路が、複数本の流路の束として構成された例を示している。この場合、外壁５２１０および５２１５から内側に向けて交互に延長された複数の流路壁５２２０の間に、外壁５２１０，５２１５とは連設されていない仕切壁５２３０，５２４０が設けられている。また、流路の入り口には、流入口５２５０が形成されている。流入口５２５０から流入した燃料ガスは、仕切壁５２３０，５２４０を備えた幅広のサーペンタイン型流路を流れて、流路形成部材５２００の面方向にくまなく行き渡る。この流路形成部材５２００は、図２０の流路形成部材５０００と同様、上述した実施例のアノード側金属多孔体４５ａに代えて用いられる。
【０１２０】
図２０に示した流路形成部材５１００，５２００は、図１９に示した櫛歯型の流路を備えた流路形成部材５０００と同様に、カーボンや金属から形成される。その形成方法も同様である。これらの流路形成部材５１００，５２００は、単品として設ける必要はなく、他の部材、例えばセパレータと一体に形成することも可能である。
【０１２１】
Ｇ７．変形例７：
図２１は、燃料ガスの供給形態の変形例の一つとして、循環路タイプの燃料電池６０００の内部構成を模式的に示す説明図である。図示するように、本変形例の燃料電池６０００では、アノード側セパレータ６２００に、燃料ガス流路となる凹部６２２０と燃料ガス入口ポート６２１０と規制板６２３０とが設けられている。燃料ガス流路となる凹部６２２０は、アノード側セパレータ６２００の膜電極接合体のアノード６１００と対向する領域に亘って形成されている。アノード側セパレータ６２００における燃料ガス入口ポート６２１０には、ノズル６３００が、凹部６２２０に向けて燃料ガスを噴出可能に取り付けられている。このノズル６３００から燃料ガスを噴出することによって、燃料ガス入口ポート６２１０から、凹部６２２０内に燃料ガスが供給される。規制板６２３０は、燃料ガスの流れ方向を規制する部材であり、ノズル６３００の近傍から、凹部６２２０の中心付近に向けて、凹部６２２０の底面から立設されている。規制板６２３０のノズル６３００に近い側の端部は、ノズル６３００の側面形状に合わせて湾曲され、ノズル６３００との間で通路Ａを形成している。
【０１２２】
このような燃料電池６０００では、燃料ガス入口ポート６２１０から供給された燃料ガスが、ノズル６３００の噴射孔６３２０から燃料ガス流路（凹部６２２０）内に噴射されると、この燃料ガスは、アノード側セパレータ６２００の凹部６２２０の内側壁、および、規制板６２３０によって流れ方向が規制され、図中に白抜き矢印で示したように、アノード６１００の表面に沿って、図示した上流側から下流側に流れる。このとき、ノズル６３００から噴出する高速の燃料ガスによって生じるエゼクタ効果により、下流側の燃料ガスおよび不純物ガスを含む流体は、規制板６２３０の一方の端部とノズル６３００との間の隙間（通路Ａ）から吸引され、上流側に循環する。こうすることによって、燃料ガス流路、および、アノード６１００表面における上記流体の滞留を抑制することができる。
【０１２３】
なお、上記変形例７の燃料電池６０００では、エゼクタ効果を利用して、上記流体をアノード６１００の表面に沿った方向に循環させるものとしたが、燃料電池の内部において、アノードの表面に沿った方向に上記流体を循環させることが可能な構造であれば、他の構成を用いても良い。例えば、燃料電池６０００において、ノズル６３００や規制板６２３０の代わりに、アノード側セパレータ６２００や、アノード６１００の面内等、燃料ガス流路となり得る部位に、整流板を設けるようにし、この整流板、および燃料ガスの流れによって、上記流体をアノード６１００の表面に沿った方向に循環させるようにしてもよい。あるいは凹部６２２０などのガス流路に、微小なアクチュエータ（例えばマイクロマシン）を循環路に沿って組み込んで、燃料ガスの循環を起こさせる構造としても良い。このほか、凹部６２２０内に温度差を設けて対流を利用して循環を起こさせる構成も考えられる。
【０１２４】
Ｇ８．変形例８，９：
図２２及び図２３を用いて、上述した実施例の変形例８及び変形例９について説明する。図２２は、変形例８についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。図２３は、変形例９についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。まず、両変形例に共通する構成から説明する。これらの変形例８，９の燃料電池では、発電体は、フレーム７５５０と膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）７５１０と多孔体７５４０を備える。フレーム７５５０の中央部には、ＭＥＧＡ７５１０を嵌め込むための開口部７５５５が設けられており、この開口部７５５５を覆うように、ＭＥＧＡ７５１０が配置される。多孔体７５４０はＭＥＧＡ７５１０の上に配置される。また、フレーム７５５０の外周部には、燃料ガスや空気、あるいは冷却水が通る貫通孔が複数設けられているのは、上述した実施例と同一である。
【０１２５】
変形例８と変形例９とは、上記の全体構造はほぼ同一であり、燃料ガスが、図示しないアノード対向プレートを介して供給される点も同一である。変形例８と変形例９とでは、多孔体７５４０への燃料ガスの供給方向が異なっている。変形例８では、多孔体７５４０に燃料を供給するための複数の燃料ガス供給口７４１７ａは、フレーム７５５０の開口部７５５５の外縁部のうち、一つの長辺近傍に一列に設けられ、もう一列の複数の燃料ガス供給口７４１７ｂは、対向するもう一つの長辺近傍に配置されている。他方、変形例９では、図２３に示したように、複数の燃料ガス供給口７５１７ａ及び燃料ガス供給口７５１７ｂは、それぞれ、開口部７５５５の対向する２つの短辺に隣接して配置されている。
【０１２６】
変形例８では、燃料ガスは、燃料ガス供給口７４１７ａや燃料ガス供給口７４１７ｂを通り、多孔体７５４０の中で長辺端部側から中央方向、すなわち矢印７６００ａの方向（図２２において上から下へ）へ、あるいは矢印７６００ｂの方向（図２２において下から上へ）に供給される。このとき、燃料ガス供給口７４１７ａを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスと燃料ガス供給口７４１７ｂを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスは、モジュールの中央付近でぶつかり混合する。一方、変形例９では、燃料ガスは、燃料ガス供給口７５１７ａや燃料ガス供給口７５１７ｂを通り、多孔体７５４０の中で短辺端部側から中央方向、すなわち矢印７７００ａの方向（図２３において左から右へ）及び矢印７７００ｂの方向（図２３において右から左へ）に流れる。変形例９でも、燃料ガス供給口７５１７ａを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスと燃料ガス供給口７５１７ｂを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスは、モジュールの中央付近でぶつかり混合する。
【０１２７】
以上説明した変形例８、９によれば、燃料ガスは、多孔体７５４０に対して、対向する２つの辺の端部側に設けられた複数の燃料ガス供給口７４１７ａおよび燃料ガス供給口７４１７ｂ（あるいは燃料ガス供給口７５１７ａおよび燃料ガス供給口７５１７ｂ）から、対向する２方向に供給される。対向流として供給された燃料ガスは、多孔体７５４０の中央部でぶつかって互いに混合するので、窒素ガスなどの不純物が局在化しにくいという利点が得られる。したがって、燃料電池の発電効率を向上させることができる。もとより、対向する２辺から燃料ガスを供給することにより、多孔体７５４０内での燃料ガスの分布の偏りが抑制されるという利点も得られる。なお、変形例８、９ではガス流路として多孔体を用いているが、ガス流路は多孔体に限られず、種々の供給方式が利用可能である。
【０１２８】
Ｇ９．変形例１０：
上記実施例の燃料電池において、カソード側の酸化剤ガス供給流路を、一層のカソード側金属多孔体４５ｃによって形成しているが、酸化剤ガスの供給路の構成はこれに限られるものではない。例えば、酸化剤ガス供給流路を、セパレータに形成されたリブを用いて、ストレート型若しくはサーペンタイン型に形成してもよいし、複数のディンプルを用いて形成してもよい。このようにすれば、簡易な構成で酸化剤ガス供給流路を形成することができる。燃料電池全体の構成や使用条件などに合わせて適切な構成を採用すればよい。
【０１２９】
Ｇ１０．変形例１１：
つぎに、上記実施例の燃料電池の始動時制御について説明する。変形例１１の燃料電池では、始動時において、アノード側の燃料ガス流路に燃料ガスの供給が開始され、所定時間ＴＡ経過後、初めて負荷を接続し、燃料電池から電流を取り出している。このようにすれば、燃料電池の発電終了後にカソード側からアノード側にリーク（透過）し滞留しているリークガス（窒素ガスまたは不活性ガス）は、所定時間ＴＡの間に、燃料ガスの圧力で、カソード側に押し返され、リークガス滞留量が減少してから負荷が接続されることになる。したがって、アノードにおいて、燃料電池の始動時に燃料ガスが欠乏した状態で運転されるという事態の発生を抑制することができる。なお、この場合の「始動」とは、燃料電池に反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を供給すると共に、燃料電池に負荷を接続することをいう。燃料電池の停止時にリークガスがアノード側に滞留するのは、燃料ガスの供給が停止された結果、アノード側の燃料ガス圧力が低下するためである。特にアノードデッドエンドの構成を採用した場合、燃料ガスの供給によるリークガスの排出路への排出が期待できない。したがって、燃料ガスの供給を開始してから、負荷を接続するまでに十分な時間を確保することは有効である。
【０１３０】
なお、燃料電池の始動時において、燃料ガスの供給量および電気的な負荷を接続するまでの所定時間ＴＡのうち少なくとも一方を、燃料電池の運転開始時におけるリークガス滞留量に基づいて決定する構成とすることも可能である。このリークガス滞留量は、例えば、燃料電池において前回の起動終了時から今回の始動時までの燃料電池停止期間や燃料電池の温度から推定するようにしてもよい。燃料電池の温度は、例えば、燃料電池を冷却する冷媒の温度等に基づいて検出することができる。このようにすれば、燃料電池の始動時間の短縮化を実現しつつ、アノード側の燃料ガス流路におけるリークガス滞留量を減少させることができる。
【０１３１】
また、燃料電池の始動時に負荷を接続するタイミングを、アノード側の水素濃度や、不純物ガス濃度に基づいて決定しても良い。上記実施例の燃料電池において、水素濃度センサをアノード側の燃料ガス流路内の所定部位に取り付け、始動時において、アノード側の燃料ガス流路に燃料ガスの供給が開始された後、水素濃度センサから検出される水素濃度値を監視する。水素濃度値が、所定の閾値より高くなった場合に、電気的な負荷を接続するものとすれば、アノードにおいて、水素欠乏運転となることを抑制することができる。このほか、アノード側の圧力や温度から、電気的な負荷の接続のタイミングを求める構成なども可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本発明の燃料電池を備える第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例の燃料電池ユニット４０の概略構成を示す説明図である。
【図３】シート部材４４の第１の製造方法を模式的に示す説明図である。
【図４】シート部材４４の第２の製造方法を模式的に示す説明図である。
【図５】シート部材４４の第３の製造方法を模式的に示す説明図である。
【図６】シート部材４４の第４の製造方法を示す説明図である。
【図７】第２実施例の燃料電池ユニット４０Ａの概略構成を示す説明図である。
【図８】第３実施例の燃料電池ユニット４０Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図９】第４実施例の燃料電池ユニット４０Ｃの概略構成を示す説明図である。
【図１０】第５実施例の燃料電池ユニット４０Ｄの概略構成を示す説明図である。
【図１１】第６実施例の燃料電池ユニット４０Ｅの概略構成を示す説明図である。
【図１２】第１変形例の構成を示す説明図である。
【図１３】分散板２１００の機能を説明する説明図である。
【図１４】第２変形例の構成を示す説明図である。
【図１５】プレスメタルを用いて構成された分散板２１０２を示す説明図である。
【図１６】図１５におけるＣ−Ｃ断面を示す模式図である。
【図１７】分散板２０１４ｈｍの内部に流路を形成した構成例を示す説明図である。
【図１８】パイプを使用して分散板２０１４ｈｐを形成した例を示す説明図である。
【図１９】分岐流路タイプの燃料ガス流路を用いた構成例を示す模式図である。
【図２０】流路が葛籠折れの形状をとっているサーペンタイン型流路を備えた流路形成部材の構成例を模式的に示す模式図である。
【図２１】燃料ガスの供給形態の変形例の一つとして循環路タイプの燃料電池６０００の内部構成を模式的に示す説明図である。
【図２２】変形例８についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。
【図２３】変形例９についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。
【図２４】燃料電池の構成例を示す説明図である。
【図２５】燃料電池の構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１３３】
１０００...燃料電池システム
１００...燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ...エンドプレート
２０ａ，２０ｂ...絶縁板
３０ａ，３０ｂ...集電板
４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅ...燃料電池ユニット
４１...電解質膜
４１ｍ...膜電極接合体
４２ａ...アノード側触媒層
４２ｃ...カソード側触媒層
４３ａ...アノード側拡散層
４３ｃ...カソード側拡散層
４４，４４Ａ，４４Ｅ...シート部材
４４ｉ，４４Ａｉ，４４Ｅｉ...水素供給口
４４ｍ...金属板
４４Ａｂ...バルブ
４４Ｅｂ...玉状部材
４５ａ...アノード側金属多孔体
４５ｃ...カソード側金属多孔体
４６ａ...アノード側セパレータ
４６ｃ...カソード側セパレータ
４６Ｂａ...アノード側セパレータ
４６Ｃａ...アノード側セパレータ
４６Ｂａｐ，４６Ｃａｐ...燃料ガス流路
４６Ｂａｉ，４６Ｃａｉ...水素供給口
４７...水素分離膜
５０...水素タンク
５１...シャットバルブ
５２...レギュレータ
５３...配管
６０...コンプレッサ
６１...配管
６２...排出配管
７０...ポンプ
７１...ラジエータ
７２...配管
８０...制御ユニット
２００，２００Ａ...打抜機
２００ｄ，２００Ａｄ...凸部
３００...マスキング材
４００...穴あけ機
４００ｄ...ドリル
２０００...膜電極接合体
２０１４ｈｍ...分散板
２０１４ｈｐ...分散板
２１００，２１０１，２１０２...分散板
２１０２ｔ...突部
２１１０，２１１２...細孔
２１３０...パイプ
２１４０...フレーム
２１４１ｎ...細孔
２１４２ｎ...流路
２１４３ｎ...細孔
２２００...水素側電極
２２０１，２２０２，２２０３，２２０４...膜電極接合体
２３００...電解質膜
２４００...酸素側電極
５０００...流路形成部材
５０１０...主流路
５０２０...副流路
５０３０...櫛歯流路
５１００...流路形成部材
５１１０...外壁
５１２０...流路壁
５１５０...流入口
５２００...流路形成部材
５２１０...外壁
５２２０...流路壁
５２３０...仕切壁
５２５０...流入口
６０００...燃料電池
６１００...アノード
６２００...アノード側セパレータ
６２１０...燃料ガス入口ポート
６２２０...凹部
６２３０...規制板
６３００...ノズル
６３２０...噴射孔
７４１７ａ，７４１７ｂ...燃料ガス供給口
７５１７ａ，７５１７ｂ...燃料ガス供給口
７５４０...多孔体
７５５０...フレーム
７５５５...開口部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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。この燃料電池は、電解質膜（例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜）の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体（例えば、膜電極接合体）を備えている。また、燃料電池において、発電体のアノード側には、アノードに供給すべき燃料ガスを流すための燃料ガス流路を構成する流路構成部材が設けられ、カソード側には、カソードに供給すべき酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路を構成する流路構成部材が設けられる。そして、発電体のアノードには、燃料ガス流路から燃料ガスが供給され、また、カソードには、酸化剤ガス流路から酸化剤ガスが供給される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２４３４７６号公報
【特許文献２】特開２００７−４８５３８号公報
【特許文献３】特開２００５−２３５５７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記発電体として、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、カソードを接合してなる膜電極接合体を用いる場合、この膜電極接合体のカソードに供給される酸化剤ガスとしては、一般に、酸素を含む空気が用いられる。そして、この場合、膜電極接合体では、空気中に含まれる発電に寄与しないガスである窒素等の不純物ガスが、電解質膜を介して、カソード側からアノード側に透過する。このため、この不純物ガスは、アノードから、燃料ガス流路に逆流する場合があった。この場合、上記不純物ガスによって、燃料ガス流路内における燃料ガスの濃度が低下して、膜電極接合体における発電分布が不均一になり、また、発電効率の低下を招く。そして、燃料ガス流路に逆流した不純物ガスは、燃料ガスの流れによって、燃料ガスの流れ方向の下流に移動するので、上述した不具合は、特に、燃料ガス流路における燃料ガスの流れ方向の下流において顕著である。
【０００５】
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、燃料電池において、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流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】
【０００６】
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。
【０００７】
［適用例１］燃料電池であって、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体と、前記発電体における前記アノードの表面側に設けられ、前記アノードに供給すべき燃料ガスを流すための燃料ガス流路を構成する流路構成部材と、を備え、前記流路構成部材は、前記燃料ガス流路中を流れる燃料ガスを前記アノードに供給するための燃料ガス供給口を備えており、前記燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路から前記アノードに前記燃料ガスが流れるときの抵抗よりも、前記アノードから前記燃料ガス流路に流体が流れるときの抵抗の方が大きくなるように形成されている、燃料電池。
【０００８】
適用例１の燃料電池では、上記流路構成部材において、上記燃料ガス供給口が、上記燃料ガス流路から上記アノードに燃料ガスが流れるときの抵抗よりも、アノードから燃料ガス流路に流体が流れるときの抵抗の方が大きくなるように形成されているので、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を抑制することができる。
【０００９】
なお、本適用例の燃料電池では、アノードと燃料ガス流路とは、完全には分離されてはいないが、流路構成部材によって、実質的に分離されており、燃料ガス流路からアノードへの燃料ガスの供給は、流路構成部材に設けられた供給口からのみ行われる。つまり、燃料ガスは、アノードと実質的に分離された燃料ガス流路中を、アノードの表面に沿った方向に流れつつ、上記供給口からアノードに供給される。
【００１０】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、前記アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてが、前記燃料電池の外部に排出されることなく、前記燃料電池の内部に滞留された状態で発電に利用されることを特徴とする、燃料電池。
【００１１】
アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてが、燃料電池の外部に排出されることなく、燃料電池の内部に滞留された状態で発電に利用される燃料電池（以下、アノードデッドエンド型燃料電池と呼ぶ）では、アノードから燃料ガス流路へ不純物ガスが逆流した場合、燃料ガス流路の内部において、燃料ガスの流れによって、上述した不純物ガスが、燃料ガスの流れ方向の下流側の領域に局所的に滞留しやすくなる傾向にある。
【００１２】
適用例２の燃料電池では、アノードデッドエンド型燃料電池において、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を抑制することができるので、上述した不純物ガスの局所的な滞留を抑制することができる。
【００１３】
発電体のアノード側へ燃料ガスを供給して行なう燃料電池の運転を、アノードデッドエンド運転と呼ぶ。アノードデッドエンド運転では、燃料ガスのアノード側への供給を継続しつつ、アノード側からの燃料ガスの排出をしない状態で発電を継続する。結果的に、少なくとも定常発電時に供給された燃料ガスのほぼ全量をアノード側に留めて発電を行うことになる。発電体が、電解質膜の両面にアノードおよびカソードをそれぞれ接合してなる膜電極接合体を備え、アノード側に燃料ガス（多くは、水素または水素含有ガス）を供給して発電を行う場合には、アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用することになる。この場合、結果的には、燃料ガスが供給されるアノード側は、一般的に、燃料ガスを外部に排出あるいは放出しない閉塞構造となる。
【００１４】
本願明細書では、燃料ガスの消費層に供給されたほぼ総ての燃料ガスを燃料ガス消費層（アノード）で消費する運転の態様を、デッドエンド運転と呼ぶが、燃料ガス消費層からの燃料ガスの循環を意図せず、燃料ガスの消費層から名目的に燃料ガスを取り出して利用する形態が加えられていたとしても、当該構成は、デッドエンド運転に含まれる。例えば、燃料ガス消費層あるいはその上流から僅かな燃料ガスを取り出す流路を設け、取り出した燃料ガスを燃焼して補機などのプレヒートに用いる構成などを考えることができる。こうした名目的な燃料ガスの消費は、燃料ガスの取り出しを、燃料ガスの消費層もしくはその上流からとすることに格別な意味がなければ、本願明細書における「ほぼすべての燃料ガスの燃料ガス消費層で消費する」ことから除外される構成とはならない。
【００１５】
本願発明の燃料電池は、さらに、アノード極（水素極）の不純物（たとえば窒素）の分圧が、カソード極（空気極）の不純物（たとえば窒素）の分圧とつりあった状態で継続的に発電する運転状態を実現するものとして把握することもできる。ここで、「つりあった状態」とは、たとえば平衡状態を意味し、必ずしも両者の分圧が等しい状態に限られない。
【００１６】
本願発明の燃料電池は、さらに、たとえば図２４や図２５に示されるような構成をも含む。図２４の構成例は、第１の流路と第２の流路と有している。第１の流路は、第２の流路よりも上流側に配置されている。第１の流路および第２の流路は、第１の流路あるいは第２の流路よりも流れの抵抗が高い高抵抗連通部２１００ｘを介して連通している。これらの流路は、発電領域面外（燃料電池セルの外部）から燃料ガス導入口（マニホールド）を経由して燃料ガスを導入する。換言すれば、第２の流路への燃料ガスの供給は、主として高抵抗連通部２１００ｘを介して（たとえば高抵抗連通部２１００ｘのみを介して）第１の流路から導入される。
【００１７】
なお、第１の流路や第２の流路は、後述の実施例のように多孔体を利用しても形成可能であるが、たとえばシール材Ｓ１、Ｓ２の挟持（図２４）やハニカム構造材Ｈ２を使用した流路の形成（図２５）として構成してもよい。
【００１８】
高抵抗連通部２１００ｘは、たとえば図２４や図２５に示されるような複数の導入部２１１０ｘ（貫通孔）が面内方向に分散した板状部材が利用可能である。高抵抗連通部２１００ｘは、以下のうちの少なくとも一つの役割を有している。第１の役割は、「第２の流路のうち燃料ガス導入口に近接する領域への燃料ガス供給を制限する役割」である。第２の役割は、「アノード反応部に沿った第２の流路の面直方向に働くガス圧の面内の不均一を抑制する役割」である。第３の役割は、「第１の流路を面内方向に流れる燃料ガスの向きを面直方向（あるいは面に交差する方向）に変換する役割」である。
【００１９】
本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード反応部で消費する態様を含む燃料電池システムであって、
発電セル内にアノードガスを導入する導入口と、
前記導入口から供給されたアノードガスをセル面内方向に導く第１のガス流路と、
前記アノード反応部に沿って延在し、
前記第１のガス流路より流れの抵抗が高く、第１のガス流路から第２のガス流路へのアノードガスの流入を妨げつつも、セル面内方向に分布した複数の連通部を介して、第１のガス流路から第２のガス流路へアノードガスを導く高抵抗部と、
を備える。
【００２０】
本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような構成を含む燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の領域で消費されるアノードガスは、前記高抵抗部のうち一の連通部を通過したガスの比率が、他の連通部を通過したガスの比率より高い、
あるいは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の連通部を通過したアノードガスは、前記アノード反応部のうちの一の領域で消費される比率が、他の領域で消費される比率より高い
といった構成も可能である。
【００２１】
一方、カソード流路は少なくとも上記高抵抗連通部が有さないことが好ましい。さらにカソード流路は、第２の流路も設けることなく、カソード導入口から供給されたカソードガスをセル面内方向に導く第１のガス流路のみとすることが好ましい。ただし、いわゆるガス拡散層を第２の流路と捉えれば、第１および第２の流路の組み合わせとしても良い。いずれにせよ、上記高抵抗連通部をカソード極からのみ省略することにより、カソードガスの送給機の仕事量の低減およびカソード極での排水性の向上が期待でき、特に、アノード極からの排水性能が低いシステム（燃料ガスの定常的排気の無い）燃料電池システムでは好適である。
【００２２】
［適用例３］適用例１または２記載の燃料電池であって、前記流路構成部材には、複数の前記燃料ガス供給口が設けられており、前記複数の燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路に沿って、二次元的に分散して配置されている、燃料電池。
【００２３】
適用例３の燃料電池では、上記流路構成部材において、複数の燃料ガス供給口が、燃料ガス流路に沿って、二次元的に分散して配置されているので、燃料ガスを、燃料ガス流路からアノードの表面に、面内均一に供給するようにすることができる。したがって、発電体における発電分布を均一化し、先に説明した発電効率の低下を抑制することができる。
【００２４】
［適用例４］適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、前記燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路側の開口面積が、前記アノード側の開口面積よりも大きくなるように形成されている、燃料電池。
【００２５】
適用例４の燃料電池では、燃料ガス供給口の燃料ガス流路側の開口面積が、アノード側の開口面積よりも大きくなるように形成されているので、燃料ガス流路からアノードに燃料ガスが流れるときの抵抗よりも、アノードから燃料ガス流路に流体が流れるときの抵抗の方が大きくなるようにすることができる。
【００２６】
なお、燃料ガス供給口の開口面積は、燃料ガス供給口の内側壁をテーパ形状とすることによって、アノード側から燃料ガス流路側に向かって、連続的に大きくなるようにしてもよいし、また、段階的に大きくなるようにしてもよい。
【００２７】
［適用例５］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、前記燃料ガス供給口には、前記アノードから前記燃料ガス流路への流体の流出を抑制するための弁が設けられている、燃料電池。
【００２８】
適用例５の燃料電池では、燃料ガス供給口に、アノードから燃料ガス流路への流体の流出を抑制するための弁が設けられているので、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を抑制することができる。
【００２９】
［適用例６］適用例５記載の燃料電池であって、前記弁は、前記燃料ガス流路から前記アノードへの前記燃料ガスの単位時間当たりの流量に応じて、前記燃料ガス供給口の有効開口面積が変化させる、燃料電池。
【００３０】
適用例６の燃料電池では、燃料ガス供給口に、上記弁が設けられているので、例えば、燃料ガス流路からアノードへの燃料ガスの単位時間当たりの流量が比較的多いときには、燃料ガス供給口の開口面積は大きくなり、燃料ガス流路からアノードへの燃料ガスの単位時間当たりの流量が比較的少ないときには、燃料ガス供給口の有効開口面積は小さくなる。したがって、燃料ガス流路からアノードへの燃料ガスの単位時間当たりの流量が比較的少なく、燃料ガスの流速が比較的遅いときであっても、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を抑制することができる。
【００３１】
［適用例７］適用例５または６記載の燃料電池であって、前記弁は、前記アノードにおける圧力が前記燃料ガス流路内の圧力よりも高いときに閉弁する、燃料電池。
【００３２】
適用例７の燃料電池では、上記弁が、アノードにおける圧力が燃料ガス流路内の圧力よりも高いときに閉弁するので、燃料ガス流路に燃料ガスが流れていないときに、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を防止することができる。
【００３３】
［適用例８］適用例１ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、前記燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路内における前記燃料ガスの流れ方向と、前記燃料ガス流路から前記アノードに前記燃料ガスが流れるときの流れ方向とのなす角度が鋭角になるように形成されている、燃料電池。
【００３４】
適用例８の燃料電池では、燃料ガス供給口が、燃料ガス流路内における燃料ガスの流れ方向と、燃料ガス流路からアノードに燃料ガスが流れるときの流れ方向とのなす角度が鋭角になるように形成されているので、燃料ガス流路からアノードに燃料ガスが供給されるときの燃料ガス供給口における燃料ガスの流速が、上記角度が直角である場合や鈍角である場合と比較して速くなる。したがって、燃料ガス流路からアノードに燃料ガスが供給されているときに、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を抑制することができる。
【００３５】
［適用例９］適用例１ないし８のいずれかに記載の燃料電池であって、前記流路構成部材は、前記発電体における前記アノードの表面側に積層され、導電性、および、ガス不透過性を有するシート状のシート部材と、前記シート部材の表面側に積層され、導電性、および、ガス拡散性を有し、前記燃料ガス流路となる多孔質部材と、前記多孔質部材の表面側に積層され、前記発電体で発電された電力を集電する集電部材と、によって構成されており、前記燃料ガス供給口は、前記シート部材の面内に形成されている、燃料電池。
【００３６】
適用例９の燃料電池では、多孔質部材を燃料ガス流路とし、シート部材と、集電部材とを、燃料ガス流路の流路壁とすることができる。
【００３７】
［適用例１０］適用例１ないし８のいずれかに記載の燃料電池であって、前記流路構成部材は、少なくとも前記発電体を挟持し、前記発電体で発電された電力を集電する集電部材であり、前記燃料ガス流路は、前記集電部材の内部に形成されており、前記燃料ガス供給口は、前記集電部材の前記アノードと対向する側の面に形成されている、燃料電池。
【００３８】
［適用例１１］適用例１０記載の燃料電池であって、前記アノードと前記集電部材との間には、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔質部材が介装されている、燃料電池。
【００３９】
適用例１１の燃料電池では、集電部材に形成された燃料ガス供給口から供給された燃料ガスを、上記多孔質部材によって十分に拡散させ、発電体のアノードに供給することができる。
【００４０】
［適用例１２］適用例１または２記載の燃料電池であって、前記燃料ガスは、水素を含み、前記流路構成部材は、前記発電体における前記アノードの表面側に積層され、導電性、および、水素選択透過性を有する水素分離膜と、前記水素分離膜の表面側に積層され、導電性、および、ガス拡散性を有し、前記燃料ガス流路となる多孔質部材と、前記多孔質部材の表面側に積層され、前記発電体で発電された電力を集電する集電部材と、によって構成されており、前記燃料ガス供給口は、前記水素分離膜が有する、水素を選択的に透過させる微細孔である、燃料電池。
【００４１】
水素分離膜は、水素を選択的に透過させる微細孔を有しており、水素を選択的に透過する性質を有しているので、燃料ガスに含まれる水素は透過するものの、燃料電池における発電に寄与しない不純物ガスは透過しない。
【００４２】
適用例１２の燃料電池では、流路構成部材の一部（燃料ガス流路の流路壁）として、導電性、および、水素選択透過性を有する水素分離膜を備えているので、この水素分離膜によって、アノードから燃料ガス流路への不純物ガスの逆流を防止することができる。なお、上記水素分離膜としては、例えば、パラジウム膜や、バナジウム膜等の金属膜を適用することができる。
【００４３】
本発明は、上述した種々の特徴の一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。また、本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、上述の燃料電池を備える燃料電池システムの発明とし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】
【００４４】
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．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の燃料電池を備える第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【００４５】
燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池ユニット４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各燃料電池ユニット４０は、後述するように、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、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成されている。膜電極接合体において、アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、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、燃料電池ユニット４０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。
【００４６】
図示するように、燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の燃料電池ユニット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。そして、これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている（図示省略）。また、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、各燃料電池ユニット４０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、各燃料電池ユニット４０のカソードから排出される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（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（図示省略）。
【００４７】
なお、本実施例の燃料電池スタック１００は、各燃料電池ユニット４０のアノードに供給された水素のほぼすべてが、燃料電池スタック１００の外部に排出されることなく、燃料電池スタック１００の内部に滞留された状態で発電に利用される、いわゆるアノードデッドエンド型燃料電池であるものとした。したがって、燃料電池スタック１００の内部には、各燃料電池ユニット４０のアノードから排出されるアノードオフガス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アノードオフガス排出マニホールドは形成されていない。
【００４８】
エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。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。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、図示しない出力端子が設けられており、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。
【００４９】
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。
【００５０】
燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００５１】
水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって、圧力、および、供給量が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各燃料電池ユニット４０のアノードに供給される。なお、この燃料電池システム１０００は、先に説明したように、アノードデッドエンド型の燃料電池スタック１００を備えているので、本実施例では、アノードからの排気ガスを外部に排出するための配管は備えていないものとした。
【００５２】
燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールドを介して、各燃料電池ユニット４０のカソードに、それぞれ供給される。各燃料電池ユニット４０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マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。排出配管６２からは、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。
【００５３】
燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水も供給される。この冷却水は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。
【００５４】
燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。制御ユニット８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。
【００５５】
Ａ２．燃料電池ユニットの構成：
図２は、第１実施例の燃料電池ユニット４０の概略構成を示す説明図である。図２（ａ）に、燃料電池ユニット４０の断面図を示した。また、図２（ｂ）に、図２（ａ）におけるシート部材４４を、図の上側（アノード側金属多孔体４５ａ側）から見たときの平面図を示した。シート部材４４については、後述する。なお、本実施例において、先述した各種マニホールドは、本発明の特徴とは無関係であるので、図示、および、説明は省略し、本発明の特徴に関連する事項について、詳細に説明する。これは、後述する第２ないし第５実施例においても同様である。
【００５６】
図２（ａ）に示したように、燃料電池ユニット４０において、膜電極接合体４１ｍは、電解質膜４１の一方の面に、カソード側触媒層４２ｃと、カソード側拡散層４３ｃとをこの順に積層させ、他方の面に、アノード側触媒層４２ａと、アノード側拡散層４３ａとを、この順にそれぞれ積層させたものである。これらは、例えば、ホットプレス接合によって接合されている。本実施例では、アノード側拡散層４３ａ、および、カソード側拡散層４３ｃとして、カーボンクロスを用いるものとした。カーボンクロスの代わりに、カーボンペーパ等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。アノード側触媒層４２ａ、および、アノード側拡散層４３ａは、本発明におけるアノードに相当する。また、カソード側触媒層４２ｃ、および、カソード側拡散層４３ｃは、本発明におけるカソードに相当する。
【００５７】
そして、本実施例では、膜電極接合体４１ｍのカソード側拡散層４３ｃの表面には、カソード側金属多孔体４５ｃと、カソード側セパレータ４６ｃとが、この順に積層されている。カソード側金属多孔体４５ｃは、空気供給マニホールドから供給された空気が流れる酸化剤ガス流路となる。そして、図中に破線（太線）矢印で示したように、カソード側金属多孔体４５ｃ中を拡散しつつ流れる空気は、カソード側拡散層４３ｃに供給され、さらに、カソード側触媒層４２ｃに供給される。なお、本実施例では、酸化剤ガス流路として、金属多孔体を用いるものとしたが、金属多孔体の代わりに、カーボン多孔体等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の多孔質部材を用いるようにしてもよい。
【００５８】
また、膜電極接合体４１ｍのアノード側拡散層４３ａの表面には、導電性、および、ガス不透過性を有するシート部材４４と、アノード側金属多孔体４５ａと、アノード側セパレータ４６ａとが、この順に積層されている。本実施例では、シート部材４４として、金属板を用いるものとした。そして、このシート部材４４には、その厚さ方向に貫通する複数の貫通孔（水素供給口４４ｉ）が形成されている。そして、各水素供給口４４ｉは、それぞれ、アノード側金属多孔体４５ａ側の開口面積が、アノード側拡散層４３ａ側の開口面積よりも大きくなるように形成されている。本実施例では、各水素供給口４４ｉの内側壁をテーパ形状とすることによって、水素供給口４４ｉの開口面積が、アノード側拡散層４３ａ側からアノード側金属多孔体４５ａ側に向かって、連続的に大きくなるように形成されるものとした。なお、水素供給口４４ｉにおける上記テーパ形状は、任意に設定可能であるが、アノード側金属多孔体４５ａ側の開口面積と、アノード側拡散層４３ａ側の開口面積との差がより大きくなるように形成されていることが好ましい。シート部材４４の製造方法、すなわち、シート部材４４における複数の水素供給口４４ｉの形成方法については、後述する。
【００５９】
アノード側金属多孔体４５ａは、水素供給マニホールドから供給された水素が流れる燃料ガス流路となる。そして、図中に実線矢印で示したように、アノード側金属多孔体４５ａ中を拡散しつつ流れる水素は、シート部材４４に形成された各水素供給口４４ｉを通じて、アノード側拡散層４３ａに供給され、さらに、アノード側触媒層４２ａに供給される。シート部材４４と、アノード側金属多孔体４５ａと、アノード側セパレータ４６ａとは、本発明における流路構成部材に相当する。なお、本実施例では、燃料ガス流路として、金属多孔体を用いるものとしたが、金属多孔体の代わりに、カーボン多孔体等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の多孔質部材を用いるようにしてもよい。
【００６０】
また、図２（ｂ）に示したように、シート部材４４において、複数の水素供給口４４ｉは、シート部材４４の面内に、二次元的に分散して配置されている。図示するように、本実施例では、シート部材４４において、複数の水素供給口４４ｉは、格子状に配列されており、また、各水素供給口４４ｉは、すべて同一の円形形状であるものとしたが、これらは、任意に設定可能である。例えば、水素の流れ方向の上流から下流にかけて、複数の水素供給口４４ｉ間のピッチが変化するように配列したり、水素供給口４４ｉのサイズが変化するようにしたり、水素供給口４４ｉの内側壁のテーパの角度を変化させたりしてもよい。また、複数の水素供給口４４ｉを、例えば、千鳥状に配列するようにしてもよい。このように、シート部材４４において、複数の水素供給口４４ｉを、二次元的に分散して配置することによって、アノード側金属多孔体４５ａからアノード側拡散層４３ａの全体に、水素をシャワー状に供給することができるので、アノード側拡散層４３ａ、および、アノード側触媒層４２ａにおける水素の濃度分布を均一化し、膜電極接合体４１ｍにおける発電分布を均一化することができる。
【００６１】
Ａ３．シート部材の製造方法：
図３ないし図６は、それぞれ、シート部材４４の製造方法を示す説明図である。ここでは、シート部材４４の製造方法の一例として、４種類の製造方法について説明する。
【００６２】
図３は、シート部材４４の第１の製造方法を模式的に示す説明図である。この製造方法では、シート部材４４の基材となる金属板４４ｍと、打抜機２００とを用意する。打抜機２００には、水素供給口４４ｉの形状に対応した略円錐形の形状を有する複数の凸部２００ｄが設けられている。そして、金属板４４ｍの表面から、打抜機２００によって、金属板４４ｍを打抜加工し、金属板４４ｍの裏面の水素供給口４４ｉの周縁部に生じたバリを除去することによって、シート部材４４を製造する。こうすることによって、シート部材４４に、テーパ形状の内側壁を有する複数の水素供給口４４ｉを形成することができる。
【００６３】
図４は、シート部材４４の第２の製造方法を模式的に示す説明図である。この製造方法では、まず、シート部材４４の基材となる金属板４４ｍと、打抜機２００Ａとを用意する。打抜機２００Ａには、水素供給口４４ｉのアノード側拡散層４３ａ側の開口部の形状に対応した円柱形の形状を有する複数の凸部２００Ａｄが設けられている。そして、金属板４４ｍの表面から、打抜機２００Ａによって、金属板４４ｍを打抜加工し、金属板４４ｍの裏面の水素供給口４４ｉの周縁部に生じたバリを除去することによって、シート部材４４を製造する。なお、この製造方法では、図４の中段に示したように、打抜加工時に、打抜機２００Ａに設けられた凸部２００Ａｄが金属板４４ｍの上面を押圧し、押圧された領域の周囲の領域の金属板４４ｍが、押圧力によって塑性変形することを利用している。こうすることによっても、シート部材４４に、略テーパ形状の内側壁を有する複数の水素供給口４４ｉを形成することができる。
【００６４】
図５は、シート部材４４の第３の製造方法を模式的に示す説明図である。この製造方法では、まず、シート部材４４の基材となる金属板４４ｍ上に、水素供給口４４ｉの配列に対応した開口部を有するように、マスキング材３００によってマスキングを行い、マスキングがなされていない領域の金属板４４ｍを、エッチング溶液によってウェットエッチングする。そして、金属板４４ｍからマスキング材３００を除去する。なお、この製造方法では、等方性のウェットエッチングを利用するため、例えば、金属板４４ｍとマスキング材３００との密着性を制御することによって、マスキング材３００の開口部での金属板４４ｍとマスキング材３００との界面におけるアンダーカットの量を制御し、水素供給口４４ｉの内側壁の形状を変化させることができる。こうすることによっても、シート部材４４に、略テーパ形状の内側壁を有する複数の水素供給口４４ｉを形成することができる。
【００６５】
図６は、シート部材４４の第４の製造方法を模式的に示す説明図である。この製造方法では、まず、シート部材４４の基材となる金属板４４ｍと、穴あけ機４００とを用意する。穴あけ機４００には、水素供給口４４ｉの形状に対応した略円錐形の形状を有する複数のドリル４００ｄが備えられている。そして、金属板４４ｍの表面から、穴あけ機４００によって、金属板４４ｍを穴加工し、金属板４４ｍの裏面の水素供給口４４ｉの周縁部に生じたバリを除去することによって、シート部材４４を製造する。こうすることによっても、シート部材４４に、テーパ形状の内側壁を有する複数の水素供給口４４ｉを形成することができる。
【００６６】
Ａ４．第１実施例の効果：
本実施例の燃料電池システム１０００では、酸化剤ガスとして、空気を利用しており、この空気には、燃料電池ユニット４０に備えられた膜電極接合体４１ｍにおける発電に寄与しないガスである窒素等の不純物ガスが含まれている。したがって、図２（ａ）中に、破線（細線）矢印で示したように、膜電極接合体４１ｍのカソード側拡散層４３ｃ、および、カソード側触媒層４２ｃに供給された空気に含まれる窒素（不純物ガス）は、電解質膜４１を介して、アノード側触媒層４２ａ、および、アノード側拡散層４３ａに透過する。そして、この不純物ガスがアノード側拡散層４３ａから、シート部材４４に形成された水素供給口４４ｉを通じて、アノード側金属多孔体４５ａに逆流すると、上記不純物ガスによって、アノード側金属多孔体４５ａ内における水素の濃度が低下して、膜電極接合体４１ｍにおける発電分布が不均一になり、また、発電効率の低下を招く。そして、アノード側金属多孔体４５ａに逆流した不純物ガスは、水素の流れによって、水素の流れ方向の下流に移動するので、上述した不具合は、特に、アノード側金属多孔体４５ａにおける水素の流れ方向の下流において顕著である。
【００６７】
第１実施例の燃料電池ユニット４０によれば、図２に示したように、シート部材４４に、複数の水素供給口４４ｉが形成されており、各水素供給口４４ｉは、それぞれ、アノード側金属多孔体４５ａ側の開口面積が、アノード側拡散層４３ａの開口面積よりも大きくなるように形成されているので、アノード側金属多孔体４５ａ（燃料ガス流路）からアノード側拡散層４３ａ（アノード）に水素が流れるときの抵抗よりも、アノード側拡散層４３ａからアノード側金属多孔体４５ａに流体が流れるときの抵抗を大きくすることができる。したがって、アノード側拡散層４３ａからアノード側金属多孔体４５ａへの不純物ガスの逆流を抑制することができる。この結果、上述した膜電極接合体４１ｍにおける発電分布の不均一や、発電効率の低下を抑制することができる。
【００６８】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
第２実施例の燃料電池システムの構成は、燃料電池ユニット４０Ａの構成が、第１実施例における燃料電池ユニット４０と異なっている。そして、このこと以外は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである（図１参照）。したがって、第２実施例の燃料電池システムの構成についての図示、および、説明は省略し、以下、第２実施例の燃料電池ユニット４０Ａについて説明する。
【００６９】
Ｂ２．燃料電池ユニットの構成：
図７は、第２実施例の燃料電池ユニット４０Ａの概略構成を示す説明図である。図７（ａ）に、膜電極接合体４１ｍへの反応ガス供給時、すなわち、膜電極接合体４１ｍのアノードへの水素、および、膜電極接合体４１ｍのカソードへの空気の供給時の燃料電池ユニット４０Ａの断面図を示した。また、図７（ｂ）に、膜電極接合体４１ｍへの反応ガス供給停止時、すなわち、膜電極接合体４１ｍのアノードへの水素、および、膜電極接合体４１ｍのカソードへの空気の供給停止時の燃料電池ユニット４０Ａの断面図を示した。
【００７０】
本実施例の燃料電池ユニット４０Ａは、先に説明した第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるシート部材４４の代わりに、このシート部材４４とは異なる構造を有するシート部材４４Ａを備えている。そして、このこと以外は、第１実施例の燃料電池ユニット４０と同じである。
【００７１】
シート部材４４Ａには、シート部材４４における水素供給口４４ｉの配置と同じ配置で、複数の水素供給口４４Ａｉが形成されている。ただし、本実施例では、各水素供給口４４Ａｉは、アノード側金属多孔体４５ａ側の開口部の形状（開口面積）と、アノード側拡散層４３ａ側の開口部の形状（開口面積）とは等しいものとした。また、各水素供給口４４Ａｉには、それぞれ、バルブ４４Ａｂが設けられている。このバルブ４４Ａｂは、例えば、水素供給口４４Ａｉの内側壁に、形状記憶合金等からなる小片を接合することによって形成することができる。
【００７２】
そして、図７（ａ）に示したように、反応ガス供給時には、アノード側金属多孔体４５ａ内の圧力が、供給された水素によって、アノード側拡散層４３ａにおける圧力よりも高くなり、バルブ４４Ａｂは、この圧力差によって開弁する。そして、アノード側金属多孔体４５ａからアノード側拡散層４３ａへの水素の単位時間当たりの流量に応じて、バルブ４４Ａｂの開度が変化し、水素供給口４４Ａｉの有効開口面積が変化する。つまり、アノード側金属多孔体４５ａからアノード側拡散層４３ａへの水素の単位時間当たりの流量が比較的多いときには、水素供給口４４Ａｉの有効開口面積は大きくなり、アノード側金属多孔体４５ａからアノード側拡散層４３ａへの水素の単位時間当たりの流量が比較的少ないときには、水素供給口４４Ａｉの有効開口面積は小さくなる。
【００７３】
一方、図７（ｂ）に示すように、反応ガス供給停止時には、アノード側金属多孔体４５ａからアノード側拡散層４３ａへの水素の単位時間当たりの流量がゼロとなり、また、膜電極接合体４１ｍのカソード側からアノード側に、電解質膜４１を介して透過する空気中の窒素によって、アノード側拡散層４３ａにおける圧力が、アノード側金属多孔体４５ａ内の圧力よりも高くなり、バルブ４４Ａｂは、この圧力差によって閉弁する。
【００７４】
Ｂ３．第２実施例の効果：
以上説明した第２実施例の燃料電池ユニット４０Ａによれば、シート部材４４Ａに、複数の水素供給口４４Ａｉが形成されており、各水素供給口４４ｉには、それぞれ、上述したバルブ４４Ａｂが設けられているので、アノード側拡散層４３ａからアノード側金属多孔体４５ａへの窒素（不純物ガス）の逆流を抑制することができる。したがって、先に説明した膜電極接合体４１ｍにおける発電分布の不均一や、発電効率の低下を抑制することができる。
【００７５】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．燃料電池システムの構成：
第３実施例の燃料電池システムの構成は、燃料電池ユニット４０Ｂの構成が第１実施例における燃料電池ユニット４０と異なっている。そして、このこと以外は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである（図１参照）。したがって、第３実施例の燃料電池システムの構成についての図示、および、説明は省略し、以下、第３実施例の燃料電池ユニット４０Ｂについて説明する。
【００７６】
Ｃ２．燃料電池ユニットの構成：
図８は、第３実施例の燃料電池ユニット４０Ｂの概略構成を示す説明図である。図８（ａ）に、燃料電池ユニット４０Ｂの断面図を示した。また、図８（ｂ）に、図８（ａ）におけるアノード側セパレータ４６Ｂａを、図の下側（アノード側金属多孔体４５ａ側）から見たときの平面図を示した。
【００７７】
図８（ａ）に示したように、本実施例の燃料電池ユニット４０Ｂは、先に説明した第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるシート部材４４を備えていない。また、アノード側セパレータ４６Ｂａの構造が、第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるアノード側セパレータ４６ａの構造と異なっている。そして、これらのこと以外は、第１実施例の燃料電池ユニット４０と同じである。
【００７８】
アノード側セパレータ４６Ｂａの内部には、水素供給マニホールドから供給された水素が流れる燃料ガス流路４６Ｂａｐが形成されている。また、アノード側セパレータ４６Ｂａの、アノード側金属多孔体４５ａと当接する側の面には、複数の水素供給口４６Ｂａｉが形成されている。そして、各水素供給口４６Ｂａｉの形状は、第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるシート部材４４に形成された水素供給口４４ｉの形状と同じである。すなわち、水素供給口４６Ｂａｉは、燃料ガス流路４６Ｂａｐ側の開口面積が、アノード側金属多孔体４５ａ側の開口面積よりも大きくなるように形成されており、各水素供給口４６Ｂａｉの内側壁をテーパ形状とすることによって、水素供給口４６Ｂａｉの開口面積が、アノード側金属多孔体４５ａ側から燃料ガス流路４６Ｂａｐ側に向かって、連続的に大きくなるように形成されている。
【００７９】
また、図８（ｂ）に示したように、アノード側セパレータ４６Ｂａにおいて、複数の水素供給口４６Ｂａｉは、第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるシート部材４４に形成された水素供給口４４ｉと同様に配列されている（図２（ｂ）参照）。アノード側セパレータ４６Ｂａは、本発明における流路構成部材に相当する。
【００８０】
Ｃ３．第３実施例の効果：
以上説明した第３実施例の燃料電池ユニット４０Ｂによれば、アノード側セパレータ４６Ｂａの内部に、燃料ガス流路４６Ｂａｐが形成されており、アノード側セパレータ４６Ｂａの、アノード側金属多孔体４５ａと当接する側の面に、複数の水素供給口４６Ｂａｉが形成されており、また、各水素供給口４６Ｂａｉは、燃料ガス流路４６Ｂａｐ側の開口面積が、アノード側金属多孔体４５ａ側の開口面積よりも大きくなるように形成されているので、燃料ガス流路４６Ｂａｐからアノード側金属多孔体４５ａに水素が流れるときの抵抗よりも、アノード側金属多孔体４５ａから燃料ガス流路４６Ｂａｐに流体が流れるときの抵抗を大きくすることができる。したがって、アノード側金属多孔体４５ａから燃料ガス流路４６Ｂａｐへの窒素（不純物ガス）の逆流を抑制することができる。したがって、先に説明した膜電極接合体４１ｍにおける発電分布の不均一や、発電効率の低下を抑制することができる。
【００８１】
Ｄ．第４実施例：
Ｄ１．燃料電池システムの構成：
第４実施例の燃料電池システムの構成は、燃料電池ユニット４０Ｃの構成が、第１実施例における燃料電池ユニット４０と異なっている。そして、このこと以外は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである（図１参照）。したがって、第４実施例の燃料電池システムの構成についての図示、および、説明は省略し、以下、第４実施例の燃料電池ユニット４０Ｃについて説明する。
【００８２】
Ｄ２．燃料電池ユニットの構成：
図９は、第４実施例の燃料電池ユニット４０Ｃの概略構成を示す説明図である。燃料電池ユニット４０Ｃの断面図を示した。
【００８３】
図示するように、本実施例の燃料電池ユニット４０Ｃでは、アノード側セパレータ４６Ｃａの構造が、先に説明した第２実施例の燃料電池ユニット４０Ｂにおけるアノード側セパレータ４６Ｂａの構造と異なっている。そして、これ以外は、第２実施例の燃料電池ユニット４０Ｂと同じである。
【００８４】
アノード側セパレータ４６Ｃａの内部には、水素供給マニホールドから供給された水素が流れる燃料ガス流路４６Ｃａｐが形成されている。また、アノード側セパレータ４６Ｃａの、アノード側金属多孔体４５ａと当接する側の面には、複数の水素供給口４６Ｃａｉが形成されている。そして、各水素供給口４６Ｃａｉは、燃料ガス流路４６Ｃａｐにおける水素の流れ方向と、燃料ガス流路４６Ｃａｐからアノード側金属多孔体４５ａに水素が流れるときの流れ方向とのなす角度が鋭角になるように形成されている。なお、図示は省略しているが、アノード側セパレータ４６Ｃａにおける複数の水素供給口４６Ｃａｉの配置は、先に説明したアノード側セパレータ４６Ｂａにおける水素供給口４６Ｂａｉの配置とほぼ同様である。
【００８５】
Ｄ３．第４実施例の効果：
以上説明した第４実施例の燃料電池ユニット４０Ｃによれば、アノード側セパレータ４６Ｃａの内部に、燃料ガス流路４６Ｃａｐが形成されており、アノード側セパレータ４６Ｃａの、アノード側金属多孔体４５ａと当接する側の面に、複数の水素供給口４６Ｃａｉが形成されており、また、各水素供給口４６Ｃａｉは、燃料ガス流路４６Ｃａｐ内における水素の流れ方向と、燃料ガス流路４６Ｃａｐからアノード側金属多孔体４５ａに水素が流れるときの流れ方向とのなす角度が鋭角になるように形成されているので、燃料ガス流路４６Ｃａｐからアノード側金属多孔体４５ａに水素が供給されるときの水素供給口４６Ｃａｉにおける水素の流速が、上記角度が直角である場合や鈍角である場合と比較して速くなる。したがって、燃料ガス流路４６Ｃａｐからアノード側金属多孔体４５ａに水素が供給されているときに、アノード側金属多孔体４５ａから燃料ガス流路４６Ｃａｐへの窒素（不純物ガス）の逆流を抑制することができる。この結果、先に説明した膜電極接合体４１ｍにおける発電分布の不均一や、発電効率の低下を抑制することができる。
【００８６】
Ｅ．第５実施例：
Ｅ１．燃料電池システムの構成：
第５実施例の燃料電池システムの構成は、燃料電池ユニット４０Ｄの構成が、第１実施例における燃料電池ユニット４０と異なっている。そして、このこと以外は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである（図１参照）。したがって、第５実施例の燃料電池システムの構成についての図示、および、説明は省略し、以下、第５実施例の燃料電池ユニット４０Ｄについて説明する。
【００８７】
Ｅ２．燃料電池ユニットの構成：
図１０は、第５実施例の燃料電池ユニット４０Ｄの概略構成を示す説明図である。燃料電池ユニット４０Ｄの断面図を示した。
【００８８】
図示するように、本実施例の燃料電池ユニット４０Ｄは、先に説明した第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるシート部材４４の代わりに、水素分離膜４７を備えている。そして、このこと以外は、第１実施例の燃料電池ユニット４０と同じである。つまり、水素分離膜４７と、アノード側金属多孔体４５ａと、アノード側セパレータ４６ａとが、本発明における流路構成部材に相当する。
【００８９】
なお、本実施例において、水素分離膜４７は、導電性、および、水素選択透過性を有する水素分離膜であり、水素以外のガスは透過しない。この水素分離膜４７としては、例えば、パラジウム膜や、バナジウム膜等の金属膜を適用することができる。
【００９０】
以上説明した第５実施例の燃料電池ユニット４０Ｄによれば、流路構成部材の一部（燃料ガス流路の流路壁）として、導電性、および、水素選択透過性を有する水素分離膜４７を備えているので、この水素分離膜４７によって、アノード側拡散層４３ａからアノード側金属多孔体４５ａへの窒素（不純物ガス）の逆流を防止することができる。したがって、先に説明した膜電極接合体４１ｍにおける発電分布の不均一や、発電効率の低下を抑制することができる。
【００９１】
Ｆ．第６実施例：
Ｆ１．燃料電池システムの構成：
第５実施例の燃料電池システムの構成は、燃料電池ユニット４０Ｅの構成が、第１実施例における燃料電池ユニット４０と異なっている。そして、このこと以外は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである（図１参照）。したがって、第６実施例の燃料電池システムの構成についての図示、および、説明は省略し、以下、第６実施例の燃料電池ユニット４０Ｅについて説明する。
【００９２】
Ｆ２．燃料電池ユニットの構成：
図１１は、第６実施例の燃料電池ユニット４０Ｅの概略構成を示す説明図である。図１１（ａ）に、膜電極接合体４１ｍへの反応ガス供給時、すなわち、膜電極接合体４１ｍのアノードへの水素、および、膜電極接合体４１ｍのカソードへの空気の供給時の燃料電池ユニット４０Ｅの断面図を示した。また、図１１（ｂ）に、膜電極接合体４１ｍへの反応ガス供給停止時、すなわち、膜電極接合体４１ｍのアノードへの水素、および、膜電極接合体４１ｍのカソードへの空気の供給停止時の燃料電池ユニット４０Ｅの断面図を示した。
【００９３】
本実施例の燃料電池ユニット４０Ｅは、先に説明した第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるシート部材４４の代わりに、このシート部材４４とは異なる構造を有するシート部材４４Ｅを備えている。そして、このこと以外は、第１実施例の燃料電池ユニット４０と同じである。
【００９４】
シート部材４４Ｅには、シート部材４４における水素供給口４４ｉの配置と同じ配置で、複数の水素供給口４４Ｅｉが形成されている。ただし、本実施例では、各水素供給口４４Ｅｉは、アノード側金属多孔体４５ａ側の開口部の形状（開口面積）が、アノード側拡散層４３ａ側の開口部の形状（開口面積）よりも小さくなるように形成されている。そして、各水素供給口４４Ｅｉ内には、それぞれ、弁体として機能する玉状部材４４Ｅｂが配置されている。この玉状部材４４Ｅｂの直径は、水素供給口４４Ｅｉのアノード側金属多孔体４５ａ側の開口部の直径よりも大きく、アノード側拡散層４３ａ側の開口部の直径よりも小さい。玉状部材４４Ｅｂとしては、耐腐食性を有する部材を用いることが好ましく、例えば、カーボンや、チタンや、金メッキが施されたＳＵＳ等を用いることができる。
【００９５】
そして、図１１（ａ）に示したように、反応ガス供給時には、アノード側金属多孔体４５ａ内の圧力が、供給された水素によって、アノード側拡散層４３ａにおける圧力よりも高くなり、弁体としての玉状部材４４Ｅｂは、この圧力差によって、アノード側拡散層４３ａ側に移動し開弁する。
【００９６】
一方、図１１（ｂ）に示すように、反応ガス供給停止時には、アノード側金属多孔体４５ａからアノード側拡散層４３ａへの水素の単位時間当たりの流量がゼロとなり、また、膜電極接合体４１ｍのカソード側からアノード側に、電解質膜４１を介して透過する空気中の窒素によって、アノード側拡散層４３ａにおける圧力が、アノード側金属多孔体４５ａ内の圧力よりも高くなり、弁体としての玉状部材４４Ｅｂは、この圧力差によって、アノード側金属多孔体４５ａ側に移動し閉弁する、すなわち、水素供給口４４Ｅｉを閉塞する。
【００９７】
Ｆ３．第６実施例の効果：
以上説明した第６実施例の燃料電池ユニット４０Ｅによれば、シート部材４４Ｅに、複数の水素供給口４４Ｅｉが形成されており、各水素供給口４４Ｅｉ内には、それぞれ、上述した弁体としての玉状部材４４Ｅｂが配置されているので、アノード側拡散層４３ａからアノード側金属多孔体４５ａへの窒素（不純物ガス）の逆流を抑制することができる。したがって、先に説明した膜電極接合体４１ｍにおける発電分布の不均一や、発電効率の低下を抑制することができる。
【００９８】
Ｇ．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。
【００９９】
Ｇ１．変形例１：
上記第１実施例、および、第３実施例では、シート部材４４に形成された水素供給口４４ｉ、および、アノード側セパレータ４６Ｂａに形成された水素供給口４６Ｂａｉの内側壁は、テーパ形状を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。各水素供給口の内側壁の形状が、段階的に変化するように形成するものとしてもよい。
【０１００】
Ｇ２．変形例２：
上記第３実施例、および、第４実施例では、アノード側セパレータ４６Ｂａと４３ａとの間、および、アノード側セパレータ４６Ｃａとアノード側拡散層４３ａとの間に、それぞれ、アノード側金属多孔体４５ａを備えるものとしたが、これを省略するようにしてもよい。
【０１０１】
Ｇ３．変形例３：
上記実施例では、図示、および、説明の都合上、アノード側セパレータと、カソード側セパレータとを、別体として描いたが、アノード側セパレータと、カソード側セパレータとを、一体的に成形するようにしてもよい。
【０１０２】
Ｇ４．変形例４：
上記第１ないし第４実施例の特徴を、適宜、組み合わせるようにしてもよい。例えば、第１実施例の燃料電池ユニット４０におけるシート部材４４に形成された水素供給口４４ｉの内側壁や、第３実施例の燃料電池ユニット４０Ｂにおけるアノード側セパレータ４６Ｂａに形成された水素供給口４６Ｂａｉの内側壁や、第４実施例の燃料電池ユニット４０Ｃにおけるアノード側セパレータ４６Ｃａに形成された水素供給口４６Ｃａｉの内側壁に、第２実施例におけるバルブ４４Ａｂを設けるようにしてもよい。また、第４実施例の燃料電池ユニット４０Ｃにおけるアノード側セパレータ４６Ｃａに形成された水素供給口４６Ｃａｉの形状をテーパ形状とするようにしてもよい。
【０１０３】
Ｇ５．変形例５：
上述した実施例では、アノードに供給された燃料ガスが、ほぼ全量、アノードで消費される構造を採用しているが、係る構造での運転が可能としているアノードへの燃料供給の流路構成としては、種々の構成が採用可能である。代表的な流路構成として、ここでは、上述した構成（以下、「シャワー流路タイプ」と呼ぶ）の他、櫛歯型の構成や循環型の構成などを挙げることができる。まず、シャワー流路タイプの変形例から説明する。
【０１０４】
図１２は、第１変形例の構成を示す説明図である。第１変形例では、上述の実施例のシート部材に相当する分散板２１００が膜電極接合体２０００と一体として形成された構成を有している。膜電極接合体２０００は、水素側電極２２００と電解質膜２３００とを有している。また、分散板２１００には、所定間隔で多数の細孔（オリフィス）２１１０が設けられている。
【０１０５】
図１３は、分散板２１００の機能を説明する説明図である。燃料ガスは、分散板２１００によって水素ガスを消費する水素側電極２２００から隔離された上流側の流路で分配される。上流側の流路で分配された燃料ガスは、分散板２１００に設けられた細孔２１１０を通って、燃料ガス消費層である水素側電極２２００に局所的に供給される。つまり、本変形例では、燃料ガスは、細孔２１１０の存在位置に対応する部位の水素側電極２２００に直接的に供給される。こうした局所的な燃料ガスの供給を実現する構成としては、例えば、燃料ガスが、水素側電極２２００の他の領域を経由することなく、燃料ガスを消費する部位に直接供給する経路を有する構成、あるいは水素側電極２２００の面外の離れた方向（好ましくは水素側電極２２００から隔離された流路）から水素側電極２２００に向かって、主として垂直な方向に燃料ガスを供給する構成なども採用可能である。一方、水素側電極２２００は、窒素の滞留が発生しにくい形状とすればよい。例えば、平滑な面（フラットな面）から構成し、電解質膜２３００側に凹部などを有しない形状とすればよい。
【０１０６】
分散板２１００の細孔２１１０の径およびピッチは、実験的に定めることができるが、例えば所定の運転状態（たとえば定格運転状態）において、細孔２１１０を通過する燃料ガスの流速が窒素ガスの拡散による逆流を十分に抑制できるようにしても良い。係る条件が成立するように、細孔２１１０における十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように、細孔２１１０の間隔と流路断面積を設定すればよい。たとえば、固体高分子型燃料電池では、分散板２１００の開口率を１％程度以下とすることで、十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生することが確認された。開口率とは、分散板２１００の開口面積を分散板２１００の全面積で除した割合である。このような開口率は、循環型の燃料ガス流路と比較すると１桁から２桁程度少ないため、循環型の燃料ガス流路にコンプレッサを用いて燃料ガスの流量を確保する構成とは本質的に異なっている。本実施例および変形例では、燃料タンクからの高圧水素を直接（あるいは所定の高圧圧力まで調圧弁で調圧した状態で）、燃料電池に導くことにより、開口率の低い構造でも十分な燃料ガスを確保している。
【０１０７】
次に、上述のシャワー流路タイプの他の構成例について説明する。図１４は、第２変形例の構成を示す説明図である。この変形例では、水素側電極２２００と電解質膜２３００とを備えた膜電極接合体２２０１上に配置される分散板２１０１を、緻密な多孔体を用いて実現している。分散板２１０１の多孔体の開口率は、十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように選択されている。細孔を用いた場合には、細孔毎に、いわば離散化して、燃料ガスが局所的に供給されるのに対して、多孔体を用いた場合には、連続的に燃料ガスを供給することができるという利点を有している。また燃料ガスの水素側電極２２００への供給が一層均一化されるという利点も得られる。緻密な多孔体は、カーボン粉を焼結することによって製造しても良いし、カーボン分や金属粉をバインド剤を用いて固めることにより製造することも可能である。多孔は、連続多孔体であれば良く、厚さ方向への連続性を確保して面方向の連続性を確保しない異方性を備えたものとしても良い。多孔体の開口率については、第１変形例と同様に決定すればよい。
【０１０８】
次に第３変形例について説明する。図１５は、プレスメタルを用いて構成された分散板２１０２を示す説明図、図１６は、図１５におけるＣ−Ｃ断面を示す模式図である。分散板２１０２は、分散板２１０２の上流側の流路を形成するための突部２１０２ｔを備え、この突部２１０２ｔの側面には細孔２１１２が形成されている。この分散板２１０２は、電解質膜２３００の両側に水素側電極２２００と酸素側電極２４００とを備えた膜電極接合体２２０２の水素側電極２２００側に配置されており、図１６に示したように、突部２１０２ｔを利用して、分散板２１０２の上流側の流路を一体に形成している。燃料ガスは、この突部２１０２ｔの側面に形成された細孔２１１２を介して、水素側電極２２００に供給される。
【０１０９】
係る構成によれば、分散板２１０２をプレス加工により容易に形成することができるうえ、分散板２１０２上流の流路を簡易に形成できるという利点も得られる。細孔２１１２を通過した燃料ガスは、突部２１０２ｔ内部の空間を経て、水素側電極２２００に到るので、分散性を十分に確保することができる。細孔２１１２は、プレス加工に拠って形成しても良いし、突部２１０２ｔの形成の前工程または後工程において、放電加工など、他の手法により形成しても良い。細孔２１１２による開口率については、第１変形例と同様に決定すればよい。
【０１１０】
次に、第４変形例について説明する。図１７は、分散板２０１４ｈｍの内部に、流路を形成した構成例を示す説明図である。この変形例の分散板２０１４ｈｍは、長方形の形状の分散板２０１４ｈｍの短手方向に形成された複数の流路２１４２ｎと、この流路２１４２ｎから、分散板２０１４ｈｍの厚さ方向に設けられ、図示しない水素電極側に開披した多数の細孔２１４３ｎとを備える。分散板２０１４ｈｍは、電解質膜２３００の両側に水素側電極（図示せず）と酸素側電極２４００とを備えた膜電極接合体２２０３の水素側電極側に配置されており、分散板２０１４ｈｍを介して、燃料ガスの供給を受ける。係る構成に拠れば、各細孔２１４３ｎまでの流路を、個別に用意できるという利点が得られる。なお、図１９では、細孔２１４３ｎの配置は千鳥状としたが、格子状であってもよいし、ある程度ランダムに配置しても良い。
【０１１１】
次に、第５変形例について説明する。図１８は、パイプを使用して分散板２０１４ｈｐを形成した例を示す説明図である。分散板２０１４ｈｐは、図１８に示したように、矩形のフレーム２１４０を備え、その短手方向に亘って、中空の多数のパイプ２１３０を備えている。このパイプ２１３０の表面には、複数の細孔２１４１ｎが形成されている。この分散板２０１４ｈｐは、水素側電極２２００とで電解質膜２３００とを備えた膜電極接合体２２０４の水素側電極２２００上に設置される。分散板２０１４ｈｐのフレーム２１４０に用意されたガス流入口から燃料ガスを供給すると、燃料ガスは、分散板２０１４ｈｐの各パイプ２１３０の内部を通り、細孔２１４１ｎから、水素側電極２２００へと分配される。係る構成によれば、燃料ガスを均一に分散できるのに加えて、分散板２０１４ｈｐを構成するのに細孔２１４１ｎを除いて穴加工を行なう必要がないという利点が得られる。細孔２１４１ｎは、水素側電極２２００側に向けて配置して良いし、反対側に向けて配置してもよい。後者の場合には、燃料ガスの分散性は一層改善される。
【０１１２】
以上説明したように、燃料ガスを水素側電極２２００に分散させつつ導く構造であれば、種々の構成を採用することができる。分散板としては、多孔体やプレスメタルに限られず、燃料ガスを分配しつつ水素側電極２２００に導くように構成されていればよい。
【０１１３】
Ｇ６．変形例６：
上述した実施例では、燃料ガス流路について、詳細な説明を省略したが、燃料ガスの流路の形態は種々の構成を採ることができる。
【０１１４】
図１９は、いわゆる分岐流路タイプの燃料ガス流路を用いた構成例を示す模式図である。図示する燃料ガス流路は、上述した実施例のアノード側金属多孔体４５ａに代えて用いられる流路形成部材５０００に、櫛歯状に形成されている。具体的には、ガス流路は、燃料ガスを導入する主流路５０１０、この主流路から分岐し、主流路５０１０とは交差する方向に形成された複数本の副流路５０２０、この副流路から更に櫛歯状に分岐する櫛歯流路５０３０から形成されている。主流路５０１０および副流路５０２０は、先端の櫛歯流路５０３０と比べて流路断面積を十分に確保しているので、流路形成部材５０００の面内の圧力分布は、アノード側金属多孔体４５ａと同程度もしくはそれ以下となっている。
【０１１５】
この流路形成部材５０００は、カーボンや金属などを用いて形成することができる。カーボンを用いる場合は、型を用いてカーボン粉を高温または低温で焼結することにより、図１９に示した流路を備えた流路形成部材５０００を得ることができる。金属を用いる場合には、金属プレートから溝を削り出すことにより、同様の流路を備えた流路形成部材５０００を形成しても良いし、あるいはプレス加工により、図示する流路を備えた流路形成部材５０００を得ても良い。なお、流路形成部材５０００は、単品として設ける必要はなく、他の部材、例えばセパレータと一体に形成することも可能である。
【０１１６】
なお、この流路形成部材５０００は、アノード側金属多孔体４５ａに代えて用いてもよいが、アノード側金属多孔体４５ａおよびシート部材４４ごと代替してもよい。この場合には、櫛歯流路５０３０を十分に細い流路とし、副流路５０２０から、いわば毛細血管のように細かくかつ多数に分岐させておけばよい。また、図１９では、主流路５０１０を流路形成部材５０００の一縁部に沿って設けたが、流路形成部材５０００面内の燃料ガスの圧力差を小さくするために、主流路５０１０を複数の縁部に設けて、副流路５０２０の長さを短くしたり、あるいは主流路５０１０を流路形成部材の中心に設けて、副流路５０２０を主流路５０１０の左右に配置しても良い。同様に、櫛歯流路５０３０は、副流路５０２０の両側に設けても差し支えない。
【０１１７】
次に、図２０に基づいて、サーペンタイン型の流路構成について説明する。図２０は、流路が葛籠折れの形状をとっているサーペンタイン型流路を備えた流路形成部材の構成例を模式的に示す模式図である。図２０（Ａ）は、燃料ガスの流路が単一のタイプの流路形成部材５１００を例示し、図２０（Ｂ）は、燃料ガス流路が複数本統合されたタイプの流路形成部材５２００を例示している。
【０１１８】
図示するように、図２０（Ａ）に例示した流路形成部材５１００は、燃料ガスの流路を囲う外壁のうち対向する外壁５１１０，５１１５から、内側に向けて交互に延長された複数の流路壁５１２０を備える。流路壁５１２０で区切られた部分が連続する流路となっている。この一端に流入口５１５０が形成されており、燃料ガスはここから流路に供給される。この流路形成部材５１００は、図１９の流路形成部材５０００と同様、上述した実施例のアノード側金属多孔体４５ａに代えて用いられる。
【０１１９】
図２０（Ｂ）は、このサーペンタイン型流路が、複数本の流路の束として構成された例を示している。この場合、外壁５２１０および５２１５から内側に向けて交互に延長された複数の流路壁５２２０の間に、外壁５２１０，５２１５とは連設されていない仕切壁５２３０，５２４０が設けられている。また、流路の入り口には、流入口５２５０が形成されている。流入口５２５０から流入した燃料ガスは、仕切壁５２３０，５２４０を備えた幅広のサーペンタイン型流路を流れて、流路形成部材５２００の面方向にくまなく行き渡る。この流路形成部材５２００は、図２０の流路形成部材５０００と同様、上述した実施例のアノード側金属多孔体４５ａに代えて用いられる。
【０１２０】
図２０に示した流路形成部材５１００，５２００は、図１９に示した櫛歯型の流路を備えた流路形成部材５０００と同様に、カーボンや金属から形成される。その形成方法も同様である。これらの流路形成部材５１００，５２００は、単品として設ける必要はなく、他の部材、例えばセパレータと一体に形成することも可能である。
【０１２１】
Ｇ７．変形例７：
図２１は、燃料ガスの供給形態の変形例の一つとして、循環路タイプの燃料電池６０００の内部構成を模式的に示す説明図である。図示するように、本変形例の燃料電池６０００では、アノード側セパレータ６２００に、燃料ガス流路となる凹部６２２０と燃料ガス入口ポート６２１０と規制板６２３０とが設けられている。燃料ガス流路となる凹部６２２０は、アノード側セパレータ６２００の膜電極接合体のアノード６１００と対向する領域に亘って形成されている。アノード側セパレータ６２００における燃料ガス入口ポート６２１０には、ノズル６３００が、凹部６２２０に向けて燃料ガスを噴出可能に取り付けられている。このノズル６３００から燃料ガスを噴出することによって、燃料ガス入口ポート６２１０から、凹部６２２０内に燃料ガスが供給される。規制板６２３０は、燃料ガスの流れ方向を規制する部材であり、ノズル６３００の近傍から、凹部６２２０の中心付近に向けて、凹部６２２０の底面から立設されている。規制板６２３０のノズル６３００に近い側の端部は、ノズル６３００の側面形状に合わせて湾曲され、ノズル６３００との間で通路Ａを形成している。
【０１２２】
このような燃料電池６０００では、燃料ガス入口ポート６２１０から供給された燃料ガスが、ノズル６３００の噴射孔６３２０から燃料ガス流路（凹部６２２０）内に噴射されると、この燃料ガスは、アノード側セパレータ６２００の凹部６２２０の内側壁、および、規制板６２３０によって流れ方向が規制され、図中に白抜き矢印で示したように、アノード６１００の表面に沿って、図示した上流側から下流側に流れる。このとき、ノズル６３００から噴出する高速の燃料ガスによって生じるエゼクタ効果により、下流側の燃料ガスおよび不純物ガスを含む流体は、規制板６２３０の一方の端部とノズル６３００との間の隙間（通路Ａ）から吸引され、上流側に循環する。こうすることによって、燃料ガス流路、および、アノード６１００表面における上記流体の滞留を抑制することができる。
【０１２３】
なお、上記変形例７の燃料電池６０００では、エゼクタ効果を利用して、上記流体をアノード６１００の表面に沿った方向に循環させるものとしたが、燃料電池の内部において、アノードの表面に沿った方向に上記流体を循環させることが可能な構造であれば、他の構成を用いても良い。例えば、燃料電池６０００において、ノズル６３００や規制板６２３０の代わりに、アノード側セパレータ６２００や、アノード６１００の面内等、燃料ガス流路となり得る部位に、整流板を設けるようにし、この整流板、および燃料ガスの流れによって、上記流体をアノード６１００の表面に沿った方向に循環させるようにしてもよい。あるいは凹部６２２０などのガス流路に、微小なアクチュエータ（例えばマイクロマシン）を循環路に沿って組み込んで、燃料ガスの循環を起こさせる構造としても良い。このほか、凹部６２２０内に温度差を設けて対流を利用して循環を起こさせる構成も考えられる。
【０１２４】
Ｇ８．変形例８，９：
図２２及び図２３を用いて、上述した実施例の変形例８及び変形例９について説明する。図２２は、変形例８についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。図２３は、変形例９についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。まず、両変形例に共通する構成から説明する。これらの変形例８，９の燃料電池では、発電体は、フレーム７５５０と膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）７５１０と多孔体７５４０を備える。フレーム７５５０の中央部には、ＭＥＧＡ７５１０を嵌め込むための開口部７５５５が設けられており、この開口部７５５５を覆うように、ＭＥＧＡ７５１０が配置される。多孔体７５４０はＭＥＧＡ７５１０の上に配置される。また、フレーム７５５０の外周部には、燃料ガスや空気、あるいは冷却水が通る貫通孔が複数設けられているのは、上述した実施例と同一である。
【０１２５】
変形例８と変形例９とは、上記の全体構造はほぼ同一であり、燃料ガスが、図示しないアノード対向プレートを介して供給される点も同一である。変形例８と変形例９とでは、多孔体７５４０への燃料ガスの供給方向が異なっている。変形例８では、多孔体７５４０に燃料を供給するための複数の燃料ガス供給口７４１７ａは、フレーム７５５０の開口部７５５５の外縁部のうち、一つの長辺近傍に一列に設けられ、もう一列の複数の燃料ガス供給口７４１７ｂは、対向するもう一つの長辺近傍に配置されている。他方、変形例９では、図２３に示したように、複数の燃料ガス供給口７５１７ａ及び燃料ガス供給口７５１７ｂは、それぞれ、開口部７５５５の対向する２つの短辺に隣接して配置されている。
【０１２６】
変形例８では、燃料ガスは、燃料ガス供給口７４１７ａや燃料ガス供給口７４１７ｂを通り、多孔体７５４０の中で長辺端部側から中央方向、すなわち矢印７６００ａの方向（図２２において上から下へ）へ、あるいは矢印７６００ｂの方向（図２２において下から上へ）に供給される。このとき、燃料ガス供給口７４１７ａを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスと燃料ガス供給口７４１７ｂを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスは、モジュールの中央付近でぶつかり混合する。一方、変形例９では、燃料ガスは、燃料ガス供給口７５１７ａや燃料ガス供給口７５１７ｂを通り、多孔体７５４０の中で短辺端部側から中央方向、すなわち矢印７７００ａの方向（図２３において左から右へ）及び矢印７７００ｂの方向（図２３において右から左へ）に流れる。変形例９でも、燃料ガス供給口７５１７ａを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスと燃料ガス供給口７５１７ｂを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスは、モジュールの中央付近でぶつかり混合する。
【０１２７】
以上説明した変形例８、９によれば、燃料ガスは、多孔体７５４０に対して、対向する２つの辺の端部側に設けられた複数の燃料ガス供給口７４１７ａおよび燃料ガス供給口７４１７ｂ（あるいは燃料ガス供給口７５１７ａおよび燃料ガス供給口７５１７ｂ）から、対向する２方向に供給される。対向流として供給された燃料ガスは、多孔体７５４０の中央部でぶつかって互いに混合するので、窒素ガスなどの不純物が局在化しにくいという利点が得られる。したがって、燃料電池の発電効率を向上させることができる。もとより、対向する２辺から燃料ガスを供給することにより、多孔体７５４０内での燃料ガスの分布の偏りが抑制されるという利点も得られる。なお、変形例８、９ではガス流路として多孔体を用いているが、ガス流路は多孔体に限られず、種々の供給方式が利用可能である。
【０１２８】
Ｇ９．変形例１０：
上記実施例の燃料電池において、カソード側の酸化剤ガス供給流路を、一層のカソード側金属多孔体４５ｃによって形成しているが、酸化剤ガスの供給路の構成はこれに限られるものではない。例えば、酸化剤ガス供給流路を、セパレータに形成されたリブを用いて、ストレート型若しくはサーペンタイン型に形成してもよいし、複数のディンプルを用いて形成してもよい。このようにすれば、簡易な構成で酸化剤ガス供給流路を形成することができる。燃料電池全体の構成や使用条件などに合わせて適切な構成を採用すればよい。
【０１２９】
Ｇ１０．変形例１１：
つぎに、上記実施例の燃料電池の始動時制御について説明する。変形例１１の燃料電池では、始動時において、アノード側の燃料ガス流路に燃料ガスの供給が開始され、所定時間ＴＡ経過後、初めて負荷を接続し、燃料電池から電流を取り出している。このようにすれば、燃料電池の発電終了後にカソード側からアノード側にリーク（透過）し滞留しているリークガス（窒素ガスまたは不活性ガス）は、所定時間ＴＡの間に、燃料ガスの圧力で、カソード側に押し返され、リークガス滞留量が減少してから負荷が接続されることになる。したがって、アノードにおいて、燃料電池の始動時に燃料ガスが欠乏した状態で運転されるという事態の発生を抑制することができる。なお、この場合の「始動」とは、燃料電池に反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を供給すると共に、燃料電池に負荷を接続することをいう。燃料電池の停止時にリークガスがアノード側に滞留するのは、燃料ガスの供給が停止された結果、アノード側の燃料ガス圧力が低下するためである。特にアノードデッドエンドの構成を採用した場合、燃料ガスの供給によるリークガスの排出路への排出が期待できない。したがって、燃料ガスの供給を開始してから、負荷を接続するまでに十分な時間を確保することは有効である。
【０１３０】
なお、燃料電池の始動時において、燃料ガスの供給量および電気的な負荷を接続するまでの所定時間ＴＡのうち少なくとも一方を、燃料電池の運転開始時におけるリークガス滞留量に基づいて決定する構成とすることも可能である。このリークガス滞留量は、例えば、燃料電池において前回の起動終了時から今回の始動時までの燃料電池停止期間や燃料電池の温度から推定するようにしてもよい。燃料電池の温度は、例えば、燃料電池を冷却する冷媒の温度等に基づいて検出することができる。このようにすれば、燃料電池の始動時間の短縮化を実現しつつ、アノード側の燃料ガス流路におけるリークガス滞留量を減少させることができる。
【０１３１】
また、燃料電池の始動時に負荷を接続するタイミングを、アノード側の水素濃度や、不純物ガス濃度に基づいて決定しても良い。上記実施例の燃料電池において、水素濃度センサをアノード側の燃料ガス流路内の所定部位に取り付け、始動時において、アノード側の燃料ガス流路に燃料ガスの供給が開始された後、水素濃度センサから検出される水素濃度値を監視する。水素濃度値が、所定の閾値より高くなった場合に、電気的な負荷を接続するものとすれば、アノードにおいて、水素欠乏運転となることを抑制することができる。このほか、アノード側の圧力や温度から、電気的な負荷の接続のタイミングを求める構成なども可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本発明の燃料電池を備える第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例の燃料電池ユニット４０の概略構成を示す説明図である。
【図３】シート部材４４の第１の製造方法を模式的に示す説明図である。
【図４】シート部材４４の第２の製造方法を模式的に示す説明図である。
【図５】シート部材４４の第３の製造方法を模式的に示す説明図である。
【図６】シート部材４４の第４の製造方法を示す説明図である。
【図７】第２実施例の燃料電池ユニット４０Ａの概略構成を示す説明図である。
【図８】第３実施例の燃料電池ユニット４０Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図９】第４実施例の燃料電池ユニット４０Ｃの概略構成を示す説明図である。
【図１０】第５実施例の燃料電池ユニット４０Ｄの概略構成を示す説明図である。
【図１１】第６実施例の燃料電池ユニット４０Ｅの概略構成を示す説明図である。
【図１２】第１変形例の構成を示す説明図である。
【図１３】分散板２１００の機能を説明する説明図である。
【図１４】第２変形例の構成を示す説明図である。
【図１５】プレスメタルを用いて構成された分散板２１０２を示す説明図である。
【図１６】図１５におけるＣ−Ｃ断面を示す模式図である。
【図１７】分散板２０１４ｈｍの内部に流路を形成した構成例を示す説明図である。
【図１８】パイプを使用して分散板２０１４ｈｐを形成した例を示す説明図である。
【図１９】分岐流路タイプの燃料ガス流路を用いた構成例を示す模式図である。
【図２０】流路が葛籠折れの形状をとっているサーペンタイン型流路を備えた流路形成部材の構成例を模式的に示す模式図である。
【図２１】燃料ガスの供給形態の変形例の一つとして循環路タイプの燃料電池６０００の内部構成を模式的に示す説明図である。
【図２２】変形例８についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。
【図２３】変形例９についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。
【図２４】燃料電池の構成例を示す説明図である。
【図２５】燃料電池の構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１３３】
１０００...燃料電池システム
１００...燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ...エンドプレート
２０ａ，２０ｂ...絶縁板
３０ａ，３０ｂ...集電板
４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅ...燃料電池ユニット
４１...電解質膜
４１ｍ...膜電極接合体
４２ａ...アノード側触媒層
４２ｃ...カソード側触媒層
４３ａ...アノード側拡散層
４３ｃ...カソード側拡散層
４４，４４Ａ，４４Ｅ...シート部材
４４ｉ，４４Ａｉ，４４Ｅｉ...水素供給口
４４ｍ...金属板
４４Ａｂ...バルブ
４４Ｅｂ...玉状部材
４５ａ...アノード側金属多孔体
４５ｃ...カソード側金属多孔体
４６ａ...アノード側セパレータ
４６ｃ...カソード側セパレータ
４６Ｂａ...アノード側セパレータ
４６Ｃａ...アノード側セパレータ
４６Ｂａｐ，４６Ｃａｐ...燃料ガス流路
４６Ｂａｉ，４６Ｃａｉ...水素供給口
４７...水素分離膜
５０...水素タンク
５１...シャットバルブ
５２...レギュレータ
５３...配管
６０...コンプレッサ
６１...配管
６２...排出配管
７０...ポンプ
７１...ラジエータ
７２...配管
８０...制御ユニット
２００，２００Ａ...打抜機
２００ｄ，２００Ａｄ...凸部
３００...マスキング材
４００...穴あけ機
４００ｄ...ドリル
２０００...膜電極接合体
２０１４ｈｍ...分散板
２０１４ｈｐ...分散板
２１００，２１０１，２１０２...分散板
２１０２ｔ...突部
２１１０，２１１２...細孔
２１３０...パイプ
２１４０...フレーム
２１４１ｎ...細孔
２１４２ｎ...流路
２１４３ｎ...細孔
２２００...水素側電極
２２０１，２２０２，２２０３，２２０４...膜電極接合体
２３００...電解質膜
２４００...酸素側電極
５０００...流路形成部材
５０１０...主流路
５０２０...副流路
５０３０...櫛歯流路
５１００...流路形成部材
５１１０...外壁
５１２０...流路壁
５１５０...流入口
５２００...流路形成部材
５２１０...外壁
５２２０...流路壁
５２３０...仕切壁
５２５０...流入口
６０００...燃料電池
６１００...アノード
６２００...アノード側セパレータ
６２１０...燃料ガス入口ポート
６２２０...凹部
６２３０...規制板
６３００...ノズル
６３２０...噴射孔
７４１７ａ，７４１７ｂ...燃料ガス供給口
７５１７ａ，７５１７ｂ...燃料ガス供給口
７５４０...多孔体
７５５０...フレーム
７５５５...開口部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体と、
前記発電体における前記アノードの表面側に設けられ、前記アノードに供給すべき燃料ガスを流すための燃料ガス流路を構成する流路構成部材と、を備え、
前記流路構成部材は、前記燃料ガス流路中を流れる燃料ガスを前記アノードに供給するための燃料ガス供給口を備えており、
前記燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路から前記アノードに前記燃料ガスが流れるときの抵抗よりも、前記アノードから前記燃料ガス流路に流体が流れるときの抵抗の方が大きくなるように形成されている、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてが、前記燃料電池の外部に排出されることなく、前記燃料電池の内部に滞留された状態で発電に利用されることを特徴とする、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記流路構成部材には、複数の前記燃料ガス供給口が設けられており、
前記複数の燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路に沿って、二次元的に分散して配置されている、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路側の開口面積が、前記アノード側の開口面積よりも大きくなるように形成されている、
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、
前記燃料ガス供給口には、前記アノードから前記燃料ガス流路への流体の流出を抑制するための弁が設けられている、
燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池であって、
前記弁は、前記燃料ガス流路から前記アノードへの前記燃料ガスの単位時間当たりの流量に応じて、前記燃料ガス供給口の有効開口面積が変化させる、
燃料電池。
【請求項７】
請求項５または６記載の燃料電池であって、
前記弁は、前記アノードにおける圧力が前記燃料ガス流路内の圧力よりも高いときに閉弁する、
燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路内における前記燃料ガスの流れ方向と、前記燃料ガス流路から前記アノードに前記燃料ガスが流れるときの流れ方向とのなす角度が鋭角になるように形成されている、
燃料電池。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記流路構成部材は、
前記発電体における前記アノードの表面側に積層され、導電性、および、ガス不透過性を有するシート状のシート部材と、
前記シート部材の表面側に積層され、導電性、および、ガス拡散性を有し、前記燃料ガス流路となる多孔質部材と、
前記多孔質部材の表面側に積層され、前記発電体で発電された電力を集電する集電部材と、によって構成されており、
前記燃料ガス供給口は、前記シート部材の面内に形成されている、
燃料電池。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記流路構成部材は、少なくとも前記発電体を挟持し、前記発電体で発電された電力を集電する集電部材であり、
前記燃料ガス流路は、前記集電部材の内部に形成されており、
前記燃料ガス供給口は、前記集電部材の前記アノードと対向する側の面に形成されている、
燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池であって、
前記アノードと前記集電部材との間には、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔質部材が介装されている、
燃料電池。
【請求項１２】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記燃料ガスは、水素を含み、
前記流路構成部材は、
前記発電体における前記アノードの表面側に積層され、導電性、および、水素選択透過性を有する水素分離膜と、
前記水素分離膜の表面側に積層され、導電性、および、ガス拡散性を有し、前記燃料ガス流路となる多孔質部材と、
前記多孔質部材の表面側に積層され、前記発電体で発電された電力を集電する集電部材と、によって構成されており、
前記燃料ガス供給口は、前記水素分離膜が有する、水素を選択的に透過させる微細孔である、
燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体と、
前記発電体における前記アノードの表面側に設けられ、前記アノードに供給すべき燃料ガスを流すための燃料ガス流路を構成する流路構成部材と、を備え、
前記流路構成部材は、前記燃料ガス流路中を流れる燃料ガスを前記アノードに供給するための燃料ガス供給口を備えており、
前記燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路から前記アノードに前記燃料ガスが流れるときの抵抗よりも、前記アノードから前記燃料ガス流路に流体が流れるときの抵抗の方が大きくなるように形成されている、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてが、前記燃料電池の外部に排出されることなく、前記燃料電池の内部に滞留された状態で発電に利用されることを特徴とする、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記流路構成部材には、複数の前記燃料ガス供給口が設けられており、
前記複数の燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路に沿って、二次元的に分散して配置されている、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路側の開口面積が、前記アノード側の開口面積よりも大きくなるように形成されている、
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、
前記燃料ガス供給口には、前記アノードから前記燃料ガス流路への流体の流出を抑制するための弁が設けられている、
燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池であって、
前記弁は、前記燃料ガス流路から前記アノードへの前記燃料ガスの単位時間当たりの流量に応じて、前記燃料ガス供給口の有効開口面積が変化させる、
燃料電池。
【請求項７】
請求項５または６記載の燃料電池であって、
前記弁は、前記アノードにおける圧力が前記燃料ガス流路内の圧力よりも高いときに閉弁する、
燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記燃料ガス供給口は、前記燃料ガス流路内における前記燃料ガスの流れ方向と、前記燃料ガス流路から前記アノードに前記燃料ガスが流れるときの流れ方向とのなす角度が鋭角になるように形成されている、
燃料電池。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記流路構成部材は、
前記発電体における前記アノードの表面側に積層され、導電性、および、ガス不透過性を有するシート状のシート部材と、
前記シート部材の表面側に積層され、導電性、および、ガス拡散性を有し、前記燃料ガス流路となる多孔質部材と、
前記多孔質部材の表面側に積層され、前記発電体で発電された電力を集電する集電部材と、によって構成されており、
前記燃料ガス供給口は、前記シート部材の面内に形成されている、
燃料電池。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記流路構成部材は、少なくとも前記発電体を挟持し、前記発電体で発電された電力を集電する集電部材であり、
前記燃料ガス流路は、前記集電部材の内部に形成されており、
前記燃料ガス供給口は、前記集電部材の前記アノードと対向する側の面に形成されている、
燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池であって、
前記アノードと前記集電部材との間には、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔質部材が介装されている、
燃料電池。
【請求項１２】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記燃料ガスは、水素を含み、
前記流路構成部材は、
前記発電体における前記アノードの表面側に積層され、導電性、および、水素選択透過性を有する水素分離膜と、
前記水素分離膜の表面側に積層され、導電性、および、ガス拡散性を有し、前記燃料ガス流路となる多孔質部材と、
前記多孔質部材の表面側に積層され、前記発電体で発電された電力を集電する集電部材と、によって構成されており、
前記燃料ガス供給口は、前記水素分離膜が有する、水素を選択的に透過させる微細孔である、
燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２００９−２６５１１（Ｐ２００９−２６５１１Ａ）
【公開日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８６５９５（Ｐ２００７−１８６５９５）
【出願日】平成１９年７月１８日（２００７．７．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１８日（２００７．７．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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