燃料電池
【課題】燃料電池において、アノードに燃料ガスを分散して供給することが可能な技術を提供すること。
【解決手段】燃料電池であって、電解質膜の一方の面の外側に設けられ、分散して点在し、燃料ガスが導入される複数のガス導入スポットを有するアノードと、電解質膜の他方の面の外側に設けられるカソードと、燃料ガスが通過可能な複数のガス通過部を有し、各ガス通過部を介してアノードの各ガス導入スポットにそれぞれ燃料ガスを導入するためのガス導入部と、を備え、アノードは、燃料ガスが、各ガス導入スポットから電解質膜側の面とは反対面に沿って遠ざかる方向に分散しやすいガス分散構造である。
【解決手段】燃料電池であって、電解質膜の一方の面の外側に設けられ、分散して点在し、燃料ガスが導入される複数のガス導入スポットを有するアノードと、電解質膜の他方の面の外側に設けられるカソードと、燃料ガスが通過可能な複数のガス通過部を有し、各ガス通過部を介してアノードの各ガス導入スポットにそれぞれ燃料ガスを導入するためのガス導入部と、を備え、アノードは、燃料ガスが、各ガス導入スポットから電解質膜側の面とは反対面に沿って遠ざかる方向に分散しやすいガス分散構造である。
【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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としては、一般に、電解質膜の一方の面にアノードが、他方の面にカソードが形成された膜電極接合体（以下では、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｅ）と呼ぶ）を備える。この燃料電池では、アノード上に、燃料ガス供給流路を形成する流路形成部材が配置される（特許文献１参照）。なお、流路形成部材としては、導電性多孔体などが用いられる。また、アノードまたはカソードは、触媒層の他、ガス拡散層を備える場合もある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６１０４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、酸化ガスとして、一般的に、空気、または、空気と酸素との混合気体などを用いるが、この場合、空気中の窒素等が、カソード側からアノード側にリークしてくる場合がある。それに伴い、アノードにおいて、リークしてきた窒素等（以下では、リークガスとも呼ぶ）が燃料ガス供給流路に滞留するおそれがあった。このように、燃料ガス供給流路にリークガスが滞留すると、燃料ガスがアノード（アノード面）に対して分散して供給されず、それ故、アノードにおいて局所的に燃料ガスが供給されない部分が生じ、その部分で発電が抑制されるおそれがあった。その結果、燃料電池全体として発電効率が低下するおそれがあった。
【０００５】
特に、アノードデッドエンド運転型（例えば、燃料ガス供給流路に供給した燃料ガスを、ほぼ全量アノードに消費させて発電を行う運転態様）の燃料電池において、上記問題は、生じやすい。また、上記問題は、リークガスが滞留する場合に限られず、燃料ガス等に混ざった不活性ガスが滞留する場合にも生じる問題である。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池において、アノードに燃料ガスを分散して供給することが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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なされたものであり、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。
【０００８】
[適用例１]
燃料電池であって、電解質膜の一方の面側に設けられ、分散して点在し、燃料ガスが導入される複数のガス導入スポットを有するアノードと、前記電解質膜の他方の面側に設けられるカソードと、前記燃料ガスが通過可能な複数のガス通過部を有し、各ガス通過部を介して前記アノードの各ガス導入スポットにそれぞれ前記燃料ガスを導入するためのガス導入部と、を備え、前記アノードは、前記燃料ガスが、各ガス導入スポットからアノード面に沿って遠ざかる方向に分散しやすいガス分散構造であることを要旨とする。なお、アノード面とは、アノードにおいて、電解質膜に接する面、または、その面の反対面をいう。
【０００９】
上記構成の燃料電池によれば、燃料電池において、アノードに燃料ガスを分散して供給することができる。
【００１０】
[適用例２]適用例１に記載の燃料電池において、
前記アノードは、前記電解質膜の一方の面の外側に設けられる触媒層と、前記触媒層の外側に設けられるガス拡散層と、を備え、少なくとも、前記ガス拡散層は、前記複数のガス導入スポットを有し、前記ガス分散構造であることを特徴とする燃料電池。
【００１１】
このようにすれば、燃料電池において、ガス拡散層に燃料ガスを分散して供給することができる。
【００１２】
[適用例３]適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、
前記アノードは、前記ガス分散構造として、各ガス導入スポットから前記反対面に沿って遠ざかる方向に向かって形成される溝を有することを特徴とする燃料電池。
【００１３】
このようにすれば、アノードにおいて、各ガス導入スポットに導入された燃料ガスを溝に沿って分散させることができ、その結果、アノード全体に燃料ガスを分散させることができる。
【００１４】
[適用例４]適用例３に記載の燃料電池において、
前記溝は、前記ガス導入スポットを中心として、前記反対面に沿って、放射状、若しくは、蜘蛛の巣状に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【００１５】
このようにすれば、アノードにおいて、各ガス導入スポットに導入された燃料ガスを放射状または蜘蛛の巣状に広がる溝に沿って分散させることができ、その結果、アノード全体に燃料ガスを分散させることができる。
【００１６】
[適用例５]適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記アノードは、前記ガス分散構造として、各ガス導入スポットから前記反対面に沿って遠ざかる方向に、透気度が低くなる構造であることを特徴とする燃料電池。
【００１７】
このようにすれば、アノードにおいて、各ガス導入スポットに導入された燃料ガスを各ガス導入スポットから前記反対面に沿って遠ざかる方向に、分散させることができ、その結果、アノード全体に燃料ガスを分散させることができる。
【００１８】
[適用例６]適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池において、前記ガス導入部は、前記アノードの外側に設けられ、ガス不透過であると共にシート状の導電性シート部であり、前記ガス導入部の前記ガス通過部は、前記導電性シート部において、シート面に沿って分散して配置された複数の貫通孔であり、さらに、前記燃料電池は、前記導電性シート部の外側に設けられ、前記燃料ガスを前記導電性シート部の面に沿った方向に流すと共に、前記燃料ガスを前記導電性シートの各貫通孔に分散して供給するための燃料ガス供給流路を形成する流路形成部を備えることを特徴とする燃料電池。
【００１９】
このようにすれば、アノードに供給する燃料ガス量のばらつきを小さくすることができる。また、リークガスがアノード側から貫通孔を介して燃料ガス供給流路に進入することが抑制され、燃料ガス供給流路にリークガスが滞留することが抑制される。
【００２０】
[適用例７]適用例１ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池において、前記ガス導入部は、内部を前記燃料ガスが通過するパイプ状部材であり、前記ガス導入部の前記ガス通過部は、前記パイプ状部材において、分散して配置された複数の貫通孔であることを特徴とする燃料電池。
【００２１】
このようにすれば、アノードに供給する燃料ガス量のばらつきを小さくすることができる。
【００２２】
[適用例８]適用例１ないし適用例７のいずれかに記載の燃料電池において、前記ガス導入部は、内部を前記燃料ガスが通過するパイプ状部材であり、前記ガス導入部の前記ガス通過部は、前記パイプ状部材において、端部の開口部であることを特徴とする燃料電池。
【００２３】
このようにすれば、アノードに供給する燃料ガス量のばらつきを小さくすることができる。
【００２４】
[適用例９]適用例１ないし適用例８のいずれかに記載の燃料電池において、前記ガス導入部から前記アノードに供給された前記燃料ガスのほぼ全量をアノードで消費することを特徴とする燃料電池。
【００２５】
このような燃料電池において、特に、上記適用例１ないし８のいずれかに記載の燃料電池の構造を持つことで、リークガス等の不活性ガスの滞留を抑制し、アノードに燃料ガスを分散して供給することが可能となる。
【００２６】
[適用例１０]適用例１ないし適用例９のいずれかに記載の燃料電池において、前記アノード側は、前記アノードに供給された燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造であることを特徴とする燃料電池。
【００２７】
このような燃料電池において、特に、上記適用例１ないし９のいずれかに記載の燃料電池の構造を持つことで、リークガス等の不活性ガスの滞留を抑制し、アノードに燃料ガスを分散して供給することが可能となる。
【００２８】
このタイプの燃料電池は、前記燃料ガスを供給して行なう運転の態様として、該供給されたほぼすべての燃料ガスをアノードで消費する態様を含む。ここで、燃料ガスのほぼすべてを消費するとは、燃料ガスのアノードから、積極的に燃料ガスを取り出して燃料ガス供給路に循環させるといった用い方をしないことを意味している。消費には、発電のための電気化学反応に用いられるだけでなく、電解質膜の反対側への透過も含まれる。また、現実に燃料電池を構成した場合に生じるリークも、消費に含ませて良い。燃料電池において、こうした燃料ガスの使い方をしながら発電することを、デッドエンド運転と呼ぶ。このとき、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している運転の態様として捉えることができる。この場合、結果的には、燃料ガスが供給されるアノードは、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。
【００２９】
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ＭＥＡ（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。
【００３０】
本願明細書では、燃料ガスの消費層（アノード）に供給されたほぼ総ての燃料ガスを燃料ガス消費層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。
【００３１】
本願発明の燃料電池は、さらに、アノード（水素極）の不純物（たとえば窒素）の分圧が、カソード（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。
【００３２】
本願発明の燃料電池は、さらに、たとえば図２９や図３０に示されるような構成をも含む。図２９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（例えば、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。
【００３３】
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２９）やハニカム構造材Ｈ２を使用した流路の形成（図３０）として構成してもよい。
【００３４】
高抵抗連通部２１００ｘは、たとえば図２９や図３０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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
なお、本発明は、上記した燃料電池に限られず、ＭＥＡやアノードなど、他の装置発明の態様で実現すること可能である。また、燃料電池の製造方法など、方法発明としての態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム１０００の構成：
まず、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成について説明する。図１は、燃料電池システム１０００および第１実施例の燃料電池１００の説明図である。具体的には、図１（Ａ）は、燃料電池システム１０００のブロック図であり、図１（Ｂ）は、燃料電池１００の外観構成図である。この燃料電池システム１０００は、図１（Ａ）に示すように、主に、燃料電池１００と、高圧水素タンク１１００と、エアコンプレッサ１２００と、水素遮断弁１１２０と、レギュレータ１１３０と、制御部１３００とを備えている。
【００４０】
高圧水素タンク１１００は、燃料電池１００の燃料ガスとしての水素を貯蔵する。高圧水素タンク１１００は、水素供給配管１１１０によって、後述する燃料電池１００の燃料ガス供給マニホールドと接続している。水素供給配管１１１０には、上流側に水素遮断弁１１２０と、その下流側に水素の圧力を調整するためのレギュレータ１１３０が設けられている。
【００４１】
エアコンプレッサ１２００は、燃料電池１００に酸化ガスとしての高圧空気を供給する。エアコンプレッサ１２００は、空気供給配管１２１０によって、後述する燃料電池１００の酸化ガス供給マニホールドと接続している。空気供給配管１２１０には加湿器が設けられているものとしても良い。燃料電池１００のカソードで電気化学反応に供されなかった酸化ガスは、後述する酸化ガス排出マニホールドに接続する排出配管１２２０から燃料電池１００の外部へと排出される。
【００４２】
制御部１３００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。制御部１３００は、水素遮断弁１１２０や、エアコンプレッサ１２００などと信号線を介して接続され、これらを制御して、燃料電池１００の発電を実行する。
【００４３】
Ａ２．燃料電池１００の構成：
図２は、燃料電池１００の側面図である。図１（Ｂ）または図２に示すように、燃料電池１００は、シール一体発電アセンブリ２００とセパレータ６００とが交互に積層された構造（いわゆるスタック構造）を有している。燃料電池１００は、シール一体発電アセンブリ２００およびセパレータ６００を所定枚数積層し、それらを積層方向に所定の締結力を付与するように締結することにより、製造される。なお、図２では、各シール一体発電アセンブリ２００およびセパレータ６００との間に空間が設けられているが、実際には、この空間はなく、それぞれ互いに接している。以下では、シール一体発電アセンブリ２００およびセパレータ６００を積層する方向を積層方向とも呼ぶ。図２に示されるシール部材７００（リブ７２０）についての詳細は、後述する。
【００４４】
図１（Ｂ）に示すように、燃料電池１００には、酸化ガスが供給される酸化ガス供給マニホールド１１０と、酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールド１２０と、燃料ガスが供給される燃料ガス供給マニホールド１３０と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールド１５０と、冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールド１６０と、が設けられている。なお、本実施例の燃料電池１００は、アノード側に供給された燃料ガスを排出する構造とはなっておらず、すなわち、アノード側に供給された燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造となっている（以下では、アノードデットエンド構造とも呼ぶ）。従って、燃料電池１００は、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールドは設けられていない。また、酸化ガスとしては空気が用いられ、燃料ガスとしては水素が用いられる。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。酸化ガスとして、空気に加えて高濃度の酸素を混合した混合ガスを用いてもよい。なお、本実施例の燃料電池１００には、比較的高圧な燃料ガスが供給される。
【００４５】
Ａ３．シール一体発電アセンブリ２００：
図３は、シール一体発電アセンブリ２００の正面図（図２において、シール一体発電アセンブリ２００を右側から見た図）である。図４は、図３におけるＡ−Ａ断面の一部を示す断面図である。図４においては、シール一体発電アセンブリ２００と共に、燃料電池を構成する際にシール一体発電アセンブリ２００を挟持する２枚のセパレータ６００を図示している。
【００４６】
シール一体発電アセンブリ２００は、図２、図３および図４に示すように、積層部材８００と、シール部材７００とで構成される。
【００４７】
積層部材８００は、図４に示すように、ＭＥＡ２４と、導電性シート８６０と、アノード側多孔体８４０と、カソード側多孔体８５０とを備えている。導電性シート８６０は、ＭＥＡ２４と、アノード側多孔体８４０との間に配置される。
【００４８】
ＭＥＡ２４は、電解質膜８１０と、アノード８２０と、カソード８３０とを備えている。電解質膜８１０は、例えばフッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成され湿潤状態において良好なイオン導電性を有するイオン交換膜である。アノード８２０は、電解質膜８１０の一方の面に設けられる触媒層８２０Ａと、触媒層８２０Ａの外側に設けられるアノード側拡散層８２０Ｂとから成る。カソード８３０は、電解質膜８１０の他方の面に設けられる触媒層８３０Ａと、触媒層８３０Ａの外側に設けられるカソード側拡散層８３０Ｂとから成る。触媒層８２０Ａおよび触媒層８３０Ａは、例えば、触媒（例えば、白金など）を担持した触媒担持担体（例えば、白金担持カーボンなど）と、電解質とから形成される。アノード側拡散層８２０Ｂおよびカソード側拡散層８３０Ｂは、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成される。ＭＥＡ２４は、矩形状をしている。
【００４９】
アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成され、例えば、エキスパンドメタル、パンチングメタル、メッシュ、または、フェルトなどが用いられる。また、アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、シール一体発電アセンブリ２００とセパレータ６００とを積層して燃料電池１００を構成した際に、それぞれ、後述するセパレータ６００の発電領域ＤＡに接触する。さらに、アノード側多孔体８４０は、後述するように、燃料ガスをアノード８２０に供給するための燃料ガス供給流路として機能し、カソード側多孔体８５０は、後述するように、酸化ガスをカソード８３０に供給するための酸化ガス供給流路として機能する。また、アノード側拡散層８２０Ｂは、比較的透気度（ガス拡散性）が低く形成され、アノード側多孔体８４０より透気度が低く形成されている。
【００５０】
図５は、導電性シート８６０の正面図である。具体的には、図５は、図４において導電性シート８６０を上側から見た図を示す。導電性シート８６０は、図５（Ａ）に示すように、シート状（薄膜状）に形成され、その表面に分散して設けられた多数の貫通孔８６５を有している。各貫通孔８６５は、円形で共に口径が等しく（すなわち、同形状であり）、導電性シート８６０の厚さ方向に貫通し、また、導電性シート８６０の表面に、格子状に設けられる。導電性シート８６０において、シート面の面積に対して各貫通孔８６５の開口部分が占める割合を開口率と呼ぶ。導電性シート８６０は、この開口率が比較的小さく設定される。導電性シート８６０の開口率は、５％未満が好ましく、３％未満がさらに好ましく、１％未満が特に好ましい。そのため、導電性シート８６０において、貫通孔８６５の口径は、比較的小さく、各貫通孔８６５間のピッチは比較的広くなっている。それに伴い、各貫通孔８６５を通過する燃料ガスは、大きな圧力損失を伴う。この導電性シート８６０は、金で形成されており、アノード側多孔体８４０の一方の面に、熱圧着、ろう付け、溶接などによって接合される。以下では、燃料電池１００において、積層部材８００の各部材の面に沿った方向を面方向とも呼ぶ。
【００５１】
図６は、アノード側拡散層８２０Ｂの様子を表す図である。具体的には、図６（Ａ）は、図４においてアノード側拡散層８２０Ｂを上側から見た図を示し、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）におけるＡ１−Ａ１断面を示す図である。なお、図６（Ａ）には、アノード側拡散層８２０Ｂと導電性シート８６０とを積層した場合において、アノード側拡散層８２０Ｂに対向する貫通孔８６５の位置が点線で示されている。このアノード側拡散層８２０Ｂにおいて、導電性シート８６０が積層される側の面（以下では、シート積層面とも呼ぶ）には、図６（Ａ）に示すように、貫通孔８６５に対応する部分を中心として、その部分から遠ざかる方向に、言い換えれば、放射状に、切欠き溝８２１が形成されている。この切欠き溝８２１は、図６（Ｂ）に示すように、シート積層面に三角柱状に形成される溝である。この切欠き溝８２１の機能についての詳細は、後述する。なお、この切欠き溝８２１は、三角柱状に限られず、例えば、シート積層面に四角柱、台形柱状等に形成されてもよい。
【００５２】
シール部材７００は、面方向の外周に亘って配置されている。シール部材７００は、成形材料を射出成形することによって作製され、積層部材８００の外周端に隙間なく気密に一体化されている。シール部材７００は、ガス不透性と弾力性と燃料電池の運転温度域における耐熱性とを有する材料、例えば、ゴムやエラストマーによって形成される。具体的には、シリコン系ゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、フッ素系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、スチレン系エラストマー、フッ素系エラストマーなどが用いられ得る。
【００５３】
シール部材７００は、図２〜図４に示すように、支持部７１０と、支持部７１０の両側に配置され、シールラインを形成するリブ７２０とを備えている。支持部７１０には、図３に示すように、各マニホールド１２０〜１５０（図１参照）に対応する貫通孔（マニホールド孔）が形成されている。リブ７２０は、シール一体発電アセンブリ２００とセパレータ６００が積層された際に、隣接するセパレータ６００に密着してセパレータ６００との間をシールし、反応ガスや冷却水の漏洩を防止する。リブ７２０は、図３に示すように、積層部材８００の全周を囲むシールラインと、個々のマニホールド孔の全周を囲むシールラインとを形成する。
【００５４】
Ａ４．セパレータ６００の構成：
図７は、セパレータ６００のうちカソードプレート４００の形状を示す説明図である。図８は、セパレータ６００のうちアノードプレート３００の形状を示す説明図である。図９は、セパレータ６００のうち中間プレート５００の形状を示す説明図である。図１０は、セパレータ６００の正面図である。次に、図７〜図１０を参照して、セパレータ６００の構成を説明する。セパレータ６００は、図７〜図９に示すカソードプレート４００、アノードプレート３００、および、中間プレート５００から構成されている。なお、図７、図８、図９は、各プレート４００、３００、５００を、図１０は、セパレータ６００を、それぞれ図２の右側から見た様子を示している。また、図１０における黒塗りまたは白抜きの矢印についての説明は、後述する。
【００５５】
図７〜図１０において、各プレート３００、４００、５００およびセパレータ６００の中央部に破線で示す領域ＤＡは、セパレータ６００がシール一体発電アセンブリ２００と共に積層され燃料電池１００を構成する際に、シール一体発電アセンブリ２００の積層部材８００に含まれるＭＥＡ２４に対向する領域である。ＭＥＡ２４は、実際に発電が行われる領域であるので、この領域を以下では、発電領域ＤＡと呼ぶ。発電領域ＤＡは、ＭＥＡ２４が矩形であるため、当然に矩形である。
【００５６】
カソードプレート４００（図７）は、例えば、ステンレス鋼で形成されている。カソードプレート４００は、５個のマニホールド形成部４２２〜４３２と、酸化ガス供給スリット４４０と、酸化ガス排出スリット４４４と、を備えている。マニホールド形成部４２２〜４３２は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。酸化ガス供給スリット４４０は、略長方形の長孔であり、発電領域ＤＡの内側であって発電領域ＤＡの上方の辺に沿って配置されている。酸化ガス排出スリット４４４は、酸化ガス供給スリット４４０と同様に略長方形の長孔であり、発電領域ＤＡの内側であって、発電領域ＤＡの下方の辺に沿って配置されている。
【００５７】
アノードプレート３００（図８）は、カソードプレート４００と同様に、例えば、ステンレス鋼で形成されている。アノードプレート３００は、カソードプレート４００同様、５個のマニホールド形成部３２２〜３３２と、燃料ガス供給スリット３５０を備えている。マニホールド形成部３２２〜３３２は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。燃料ガス供給スリット３５０は、発電領域ＤＡの内側であって発電領域ＤＡの右方の辺に沿って、セパレータ６００を構成した際にカソードプレート４００における上述した酸化ガス排出スリット４４４と重ならないように配置されている。
【００５８】
中間プレート５００（図９）は、上述の各プレート３００、４００同様、例えば、ステンレス鋼で形成されている。中間プレート５００は、厚さ方向に貫通する貫通部として、反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）を供給／排出のための３つのマニホールド形成部５２２〜５２６と、複数の酸化ガス導入流路形成部５４２と、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４と、一つの燃料ガス導入流路形成部５４６とを備えている。中間プレート５００は、さらに、複数の冷却媒体流路形成部５５０を備えている。マニホールド形成部５２２〜５２６は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００、アノードプレート３００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。
【００５９】
各冷却媒体流路形成部５５０は、発電領域ＤＡを図９における左右方向に横断する長孔形状を有しており、その両端は、発電領域ＤＡの外側に至っている。
【００６０】
中間プレート５００（図９）において、複数の酸化ガス導入流路形成部５４２の一端は、それぞれ、マニホールド形成部５２２と連通しており、複数の酸化ガス導入流路形成部５４２とマニホールド形成部５２２は、全体として櫛歯形状の貫通孔を形成している。複数の酸化ガス導入流路形成部５４２の他端は、それぞれに、３つのプレートを接合してセパレータ６００を構成した際に、上述したカソードプレート４００における酸化ガス供給スリット４４０と重なる位置まで延びている。この結果、セパレータ６００を構成した際に、各酸化ガス導入流路形成部５４２は、それぞれ、酸化ガス供給スリット４４０と連通する。
【００６１】
中間プレート５００（図９）において、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４の一端は、それぞれ、マニホールド形成部５２４と連通しており、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４とマニホールド形成部５２４は、全体として櫛歯形状の貫通孔を形成している。複数の酸化ガス排出流路形成部５４４の他端は、それぞれに、３つのプレートを接合してセパレータ６００を構成した際に、上述したカソードプレート４００における酸化ガス排出スリット４４４と重なる位置まで延びている。この結果、セパレータ６００を構成した際に、各酸化ガス排出流路形成部５４４は、それぞれ、酸化ガス排出スリット４４４と連通する。
【００６２】
中間プレート５００（図９）において、燃料ガス導入流路形成部５４６の一端は、マニホールド形成部５２６と連通している。燃料ガス導入流路形成部５４６は、上述した酸化ガス排出流路形成部５４４と重ならない位置に、発電領域ＤＡの下方の辺に沿って延び、その他端は発電領域ＤＡの左方の辺近くにまで達している。燃料ガス導入流路形成部５４６のうち、発電領域ＤＡの内側の部分は、３つのプレートを接合してセパレータ６００を構成した際に、上述したアノードプレート３００における燃料ガス供給スリット３５０と重なる。この結果、セパレータ６００を構成した際に、燃料ガス導入流路形成部５４６は燃料ガス供給スリット３５０と連通する。
【００６３】
セパレータ６００（図１０）は、中間プレート５００をアノードプレート３００およびカソードプレート４００で挟持するようにそれぞれ接合し、中間プレート５００における冷却媒体供給マニホールド１５０および冷却媒体排出マニホールド１６０に対応する領域に露出している部分を打ち抜いて作製される。３枚のプレートの接合方法は、例えば、熱圧着、ろう付け、溶接などが用いられ得る。この結果、図１０においてハッチングで示す貫通部である５つのマニホールド１１０〜１６０と、複数の酸化ガス導入流路６５０と、複数の酸化ガス排出流路６６０と、燃料ガス導入流路６３０と、複数の冷却媒体流路６７０とを備えたセパレータ６００が得られる。
【００６４】
図１０に示すように、複数の酸化ガス導入流路６５０は、それぞれ、上述したカソードプレート４００の酸化ガス供給スリット４４０と、中間プレート５００の酸化ガス導入流路形成部５４２の一つとによって形成される。各酸化ガス導入流路６５０は、セパレータ６００の内部を通る内部流路であり、一端が酸化ガス供給マニホールド１１０と連通し、他端がカソードプレート４００側の表面（カソード側表面）に至り、カソード側表面に開口する流路である。また、図１０に示すように、複数の酸化ガス排出流路６６０は、上述したカソードプレート４００の酸化ガス排出スリット４４４と、中間プレート５００の酸化ガス排出流路形成部５４４の一つとによって形成される。各酸化ガス排出流路６６０は、セパレータ６００の内部を通る内部流路であり、一端が酸化ガス排出マニホールド１２０と連通し、他端がカソードプレート４００側のカソード側表面に至り、カソード側表面に開口する流路である。
【００６５】
図１０に示すように、燃料ガス導入流路６３０は、上述したアノードプレート３００の燃料ガス供給スリット３５０と、中間プレート５００の燃料ガス供給スリット３５０とによって形成される。燃料ガス導入流路６３０は、一端が燃料ガス供給マニホールド１３０と連通し、他端がアノード側表面に開口する内部流路である。また、複数の冷却媒体流路６７０は、上述した中間プレート５００に形成された冷却媒体流路形成部５５０（図９）によって形成され、一端が冷却媒体供給マニホールド１５０に、他端が冷却媒体排出マニホールド１６０に連通している。
【００６６】
Ａ５．燃料電池１００の動作：
図１１は、本実施例の燃料電池１００内における反応ガスの流れを示す説明図である。図１２は、図１１のＸ領域の拡大図である。図を見やすくするため、図１１においては、２つのシール一体発電アセンブリ２００と２つのセパレータ６００が積層された様子のみを図示している。図１１（Ａ）は、図１０におけるＢ−Ｂ断面に対応する断面図を示している。図１１（Ｂ）は、右側の半分が図１０におけるＤ−Ｄ断面に対応する断面図を示し、左側の半分が図１０におけるＣ−Ｃ断面に対応する断面図を示している。また、図１１、図１２では、反応ガスの流れを矢印で示している。図１２において、燃料ガスが右から左に流れているので、右側を上流側、左側を下流側とも呼ぶ。なお、この図１２におけるアノード側拡散層８２０Ｂは、図６のＥ−Ｅ断面と対応している。
【００６７】
燃料電池１００は、酸化ガス供給マニホールド１１０に酸化ガスが供給されると共に、燃料ガス供給マニホールド１３０に燃料ガスが供給されることにより、発電を行う。また、発電中の燃料電池１００には、発電に伴う発熱による燃料電池１００の温度上昇を抑制するために、冷却媒体供給マニホールド１５０に冷却媒体が供給され、その後、冷却媒体流路６７０に供給される。冷却媒体流路６７０に供給された冷却媒体は、冷却媒体流路６７０の一端から他端まで流動しつつ熱交換を行い、冷却媒体排出マニホールド１６０に排出される。
【００６８】
酸化ガス供給マニホールド１１０に供給された酸化ガスは、図１１（Ａ）において矢印で示すように、酸化ガス供給マニホールド１１０から酸化ガス導入流路６５０を通って、酸化ガス供給スリット４４０（図７）からカソード側多孔体８５０に流入する。カソード側多孔体８５０に流入した酸化ガスは、酸化ガス供給流路として機能するカソード側多孔体８５０の内部を図１０において白抜きの矢印で示すように上方から下方に流動する。そして、酸化ガスは、酸化ガス排出スリット４４４（図７）から酸化ガス排出流路６６０に流入し、酸化ガス導入流路６５０を通って、酸化ガス排出マニホールド１２０へ排出される。カソード側多孔体８５０を流動する酸化ガスの一部は、カソード側多孔体８５０に当接しているカソード側拡散層８３０Ｂ全体に亘って拡散し、触媒層８３０Ａでカソード反応（例えば、２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ）に供される。
【００６９】
燃料ガス供給マニホールド１３０に供給された燃料ガスは、図１１（Ｂ）において矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド１３０から燃料ガス導入流路６３０を通って、燃料ガス供給スリット３５０（図８）からアノード側多孔体８４０に流入する。アノード側多孔体８４０に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給流路として機能するアノード側多孔体８４０の内部を図１０において黒塗りの矢印で示すように下方から上方に流動する。この際、燃料ガスは、図１２に示すように、アノード側多孔体８４０に当接する導電性シート８６０の各貫通孔８６５を介して、面方向に垂直な方向（積層方向または厚さ方向）からアノード側拡散層８２０Ｂに流入する。そして、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて、流入した燃料ガスは、図１２に示すように、貫通孔８６５に対向する部分から、切欠き溝８２１を流れて、面方向（放射状）に広がりつつ、アノード側拡散層８２０Ｂ内部に拡散する。アノード側拡散層８２０Ｂに拡散した燃料ガスは、触媒層８２０Ａでアノード反応（例えば、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-）に供される。
【００７０】
本実施例の燃料電池１００は、アノードデットエンド構造となっており、燃料ガス排出口または燃料ガス排出流路がなく、アノード側多孔体８４０に供給された燃料ガスは、ほぼ全量、アノード８２０に吸収され、消費される。ここで、「消費」とは、燃料ガスが、アノード８２０で電気化学反応によって発電に用いられることの他、燃料ガスがカソード８３０側へリークすることも含む概念である。
【００７１】
本実施例の燃料電池１００は、比較的高圧な燃料ガスが供給され、積層部材８００において、アノード８２０（アノード側拡散層８２０Ｂ）とアノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）との間に、開口率が比較的小さい複数の貫通孔８６５を有する導電性シート８６０を設けている。このようにすれば、燃料ガスが、各貫通孔８６５を通過する際の圧力損失が大きくなり、アノード側多孔体８４０における燃料ガスの圧力分布を小さくすることができ、それにより、導電性シート８６０における各貫通孔８６５からアノード側拡散層８２０Ｂに供給する燃料ガス量のばらつきを小さくすることができる。また、以上のようにすれば、アノード８２０（アノード側拡散層８２０Ｂ）とアノード側多孔体８４０との間には、大きな圧力差が生じ、アノード８２０（アノード側拡散層８２０Ｂ）に比べて、アノード側多孔体８４０の方が、圧力がかなり高くなる。それに伴い、各貫通孔８６５において、燃料ガスの流速が速くなり、リークガスの拡散速度より燃料ガスの流速が速くなる。その結果、導電性シート８６０によって、リークガスがアノード側拡散層８２０Ｂから貫通孔８６５を介してアノード側多孔体８４０に進入することが抑制され、アノード側多孔体８４０にリークガスが滞留することが抑制される。
【００７２】
以下では、下記の図１３および図１４に示す比較例１および比較例２としての燃料電池と比較して、本実施例の燃料電池１００のさらなる有効性を検討する。図１３は、比較例１としての燃料電池であって、比較的透気度が高いアノード側拡散層８２０Ｂにおける燃料ガスの拡散の様子を示す図である。図１４は、比較例２としての燃料電池であって、切欠き溝８２１を有さないアノード側拡散層８２０Ｂにおける燃料ガスの拡散の様子を示す図である。比較例１の燃料電池では、本実施例の燃料電池１００のアノード側拡散層８２０Ｂより比較的透気度が高いアノード側拡散層８２０Ｂａが用いられ、比較例２の燃料電池では、比較的透気度が低い、本実施例の燃料電池１００と同様なアノード側拡散層８２０Ｂが用いられる。これら比較例における燃料電池の各部の符号は、上記実施例と同様なものを用いる。また、各図において、右側を上流側、左側を下流側とも呼ぶ。
【００７３】
比較例１の燃料電池において、アノード側多孔体８４０では、内部の流動抵抗により、上流側から下流側に向けて燃料ガスの流速は、徐々に弱まる。それに伴い、各貫通孔８６５において、下流側に位置する各貫通孔８６５ほど、通過する燃料ガスの流速も徐々に弱まる。この場合、アノード側拡散層８２０Ｂの透気度が比較的高い場合には、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて、燃料ガスの面方向の拡散流速も、下流側ほど徐々に弱まり、その結果、図１３に示すように、上流側から下流側に向かって燃料ガスの流れが生じるおそれがあった。
【００７４】
このようにアノード側拡散層８２０Ｂにおいて、上流側から下流側に向かって燃料ガスの流れが生じると、リークガスがその流れに逆らって拡散することができず、アノード側拡散層８２０Ｂの下流側に蓄積されるおそれがあった。それに伴い、アノード側拡散層８２０Ｂにおいてリークガスが蓄積された部分に対応する触媒層８２０Ａに燃料ガスの供給が阻害されるおそれがあった。
【００７５】
一方、以上のように、本実施例の燃料電池１００は、アノード側拡散層８２０Ｂは、透気度が比較的低く形成されているので、上流側から下流側に向かって燃料ガスの流れが生じることを抑制することができる。
【００７６】
また、比較例２の燃料電池のアノード側拡散層８２０Ｂにおいて、導電性シート８６０の各貫通孔８６５から導入された燃料ガスは、アノード側拡散層８２０Ｂの透気度が比較的低いため、各貫通孔８６５に対応する部分から遠い領域では、図１４に示すように、燃料ガスがあまり拡散していない不拡散領域が生じ、この不拡散領域にリークガスが滞留するおそれがあった。そうすると、触媒層８２０Ａにおいて、不拡散領域に対応する部分では、燃料ガスがあまり供給されないので、その部分では、発電量が減少するおそれがあり、その結果、燃料電池全体の発電効率が低下するおそれがあった。
【００７７】
一方、以上のように、本実施例の燃料電池１００は、アノード側拡散層８２０Ｂのシート積層面において、各貫通孔８６５と対向する部分から放射状に切欠き溝８２１が形成されている。このようにすれば、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて、貫通孔８６５に対向する部分から導入された燃料ガスは、切欠き溝８２１を流れて、面方向に沿って放射状に広がりつつ、アノード側拡散層８２０Ｂ内部に拡散するので、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて燃料ガスの不拡散領域が生じることを抑制することができる。その結果、触媒層８２０Ａに燃料ガスを略均一に供給することができ、燃料電池全体の発電効率を向上させることができる。このように、本実施例の燃料電池１００は、アノード８２０において、燃料ガスが分散しやすいガス分散構造となっている。
【００７８】
上記実施例において、アノード８２０は、請求項におけるアノードに該当し、カソード８３０は、請求項におけるカソードに該当し、導電性シート８６０は、請求項におけるガス導入部に該当し、切欠き溝８２１は、請求項における溝に該当し、貫通孔８６５は、請求項における貫通孔に該当し、アノードにおいて、貫通孔８６５に対応する部分は、請求項におけるガス導入スポットに該当する。
【００７９】
Ｂ．第２実施例：
図１５は、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００Ａにおける切欠き溝８２１ａの構造を説明する説明図である。この図１５は、第１実施例の燃料電池１００の図６（Ａ）の拡大部分に対応する。本実施例の燃料電池１００Ａは、基本的に第１実施例の燃料電池１００と同様の構成であるが、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて、第１実施例の切欠き溝８２１とは、異なる切欠き溝８２１ａを備える。燃料電池１００Ａにおいて、第１実施例と同様の構成の部分には、同じ符号を付し、説明を省略する。
【００８０】
本実施例の燃料電池１００Ａのアノード側拡散層８２０Ｂにおける切欠き溝８２１ａは、導電性シート８６０の各貫通孔８６５に対応する部分を中心として、蜘蛛の巣状に形成されている。このようにすれば、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて、貫通孔８６５に対向する部分から導入された燃料ガスは、切欠き溝８２１ａを流れて、面方向に沿って蜘蛛の巣状に広がりつつ、アノード側拡散層８２０Ｂ内部に拡散するので、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて燃料ガスの不拡散領域が生じることを抑制することができる。その結果、触媒層８２０Ａに燃料ガスを略均一に供給することができ、燃料電池全体の発電効率を向上させることができる。このように、本実施例の燃料電池１００Ａは、アノード８２０において、燃料ガスが分散しやすいガス分散構造となっている。切欠き溝８２１ａは、請求項における溝に該当する。
【００８１】
Ｃ．第３実施例：
図１６は、本発明の第３実施例に係る燃料電池１００Ｂにおけるアノード側拡散層８２０Ｂ１の構造を説明する説明図である。この図１６は、第１実施例の燃料電池１００の図６（Ａ）の拡大部分に対応する。本実施例の燃料電池１００Ｂは、基本的に第１実施例の燃料電池１００と同様の構成であるが、第１実施例のアノード側拡散層８２０Ｂとは、異なるアノード側拡散層８２０Ｂ１を備える。燃料電池１００Ｂにおいて、第１実施例と同様の構成の部分には、同じ符号を付し、説明を省略する。
【００８２】
本実施例の燃料電池１００Ｂにおいて、アノード側拡散層８２０Ｂ１は、導電性シート８６０の各貫通孔８６５に対応する部分を中心として、面方向に沿って遠ざかる方向に、または、面方向に沿って放射状に徐々に透気度が高くなるように形成されている。具体的には、アノード側拡散層８２０Ｂ１は、導電性シート８６０の各貫通孔８６５に対応する部分を中心として、面方向に沿って遠ざかる方向に、気孔率が大きくなるように形成されている。このようにすれば、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて、貫通孔８６５に対向する部分から導入された燃料ガスは、面方向に沿って放射状に広がりつつ、アノード側拡散層８２０Ｂ内部に拡散するので、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて燃料ガスの不拡散領域が生じることを抑制することができる。その結果、触媒層８２０Ａに燃料ガスを略均一に供給することができ、燃料電池全体の発電効率を向上させることができる。なお、上記では、アノード側拡散層８２０Ｂ１の透気度を、気孔率を変化させることにより変化させているが、これに限られず、アノード側拡散層８２０Ｂ１の透気度を、アノード側拡散層８２０Ｂ１内部の細孔の口径、アノード側拡散層８２０Ｂ１の材質、または、これらの組み合わせによって、変化させるようにしてもよい。このように、本実施例の燃料電池１００Ｂは、アノード８２０において、燃料ガスが分散しやすいガス分散構造となっている。
【００８３】
Ｄ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００８４】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池において、アノード側拡散層は、アノード側多孔体８４０より透気度が高いものが用いられていたが、本発明はこれに限られるものではなく、アノード側多孔体８４０は、アノード側拡散層より透気度が高いものを用いてもよい。このようにすれば、アノード側多孔体８４０において、燃料ガスが分散しやすくなり、導電性シート８６０の各貫通孔８６５に分散して燃料ガスを供給することができる。
【００８５】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池は、酸化ガスとして、空気を用いているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化ガスとして、酸素を含めばよく、酸素以外のガスが混合した所定の混合ガスを用いることができる。
【００８６】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例の燃料電池は、アノードデットエンド運転型の燃料電池であり、燃料ガスを循環ポンプ等で循環させる必要がなく、省スペース化、または、循環のためのポンプ動力を削減することができ、エネルギ効率を向上させることができる。従って、上記実施例の燃料電池は、自動車、電車、飛行機、船舶、リニアモータカなどの移動体に搭載するのに好適である。
【００８７】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池は、アノードデットエンド運転型の燃料電池であるが、本発明はこれに限られるものではなく、燃料ガスを循環させる循環型燃料電池に適用してもよい。
【００８８】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池は、固体高分子型の燃料電池であったが、本発明は、これに限られず、水素分離膜型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、リン酸型燃料電池等、種々の燃料電池に適用可能である。
【００８９】
Ｄ６．変形例６：
上記実施例の燃料電池において、導電性シートの各貫通孔の口径は、同様であったが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電性シートの各貫通孔において、酸化ガス供給スリット４４０（すなわち、カソード８３０に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給口）からの相対距離が遠くなる程、言い換えれば、酸化ガス排出スリット４４４（すなわち、カソード８３０から酸化ガスを排出するための酸化ガス排出口）からの相対距離が近くなるほど、その口径が大きくなるようにしてもよい。
【００９０】
Ｄ７．変形例７：
上記実施例の燃料電池において、導電性シートは、金シートが用いられているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電性シートは、金以外の導電性部材で形成されていてもよく、例えば、チタン、ステンレスで形成されてもよい。この場合、導電性シートは、アノード側多孔体８４０の一方の面に、熱圧着、ろう付け、溶接などによって接合される。
【００９１】
また、導電性シートを、ポリマー型導電性ペーストで形成してもよい。このポリマー型導電性ペーストは、例えば、銀ペースト、カーボンペースト、銀・カーボンペーストなどがある。この場合、ポリマー型導電性ペーストをシート状にした後に、アノード側多孔体８４０の一方の面に熱圧着により接合するようにしてもよい。
【００９２】
Ｄ８．変形例８：
上記実施例の燃料電池において、アノード側に供給された燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造（アノードデットエンド構造）となっているが、本発明はこれに限られるものではなく、アノード８２０側から燃料ガスを排出するための機構、例えば、燃料ガス排出口や燃料ガス排出流路、燃料ガス排出マニホールドなどを有していてもよい。この場合、この燃料電池は、燃料電池の外部に、燃料ガス排出マニホールドから排出される燃料ガスを遮断可能な遮断弁（以下では、遮断弁Ｎと呼ぶ）を備え、その遮断弁Ｎを閉弁した状態で、アノード側多孔体８４０(アノード側)に供給した燃料ガスのほぼ全量を、アノード８２０に吸収させ、消費させる作動モードを有していてもよい。このようにしても上記実施例の燃料電池と同様の効果を奏することができる
【００９３】
Ｄ９．変形例９：
上記実施例の燃料電池では、アノード８２０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８２０への燃料ガス供給の流路構成としては、種々の構成が採用可能である。以下では、上記実施例の燃料電池のように、アノード８２０にシャワー状に燃料ガスを供給する構成（シャワー流路タイプとも呼ぶ）の変形例を以下に説明する。
【００９４】
シャワー流路の第１変形例：図１７は、シャワー流路の第１変形例の構成を示す説明図である。第１変形例は、上記実施例の導電性シート８６０に相当する分散板２１００がＭＥＡ２０００と一体として形成された構成を有している。ＭＥＡ２０００は、アノード２２００と電解質膜２３００とを有している。また、分散板２１００には、所定間隔で多数の貫通孔（オリフィス）２１１０が設けられている。
【００９５】
図１８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アノード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に設けられた貫通孔２１１０を通って、燃料ガス消費層であるアノード２２００に局所的に供給される。つまり、本変形例の燃料電池では、燃料ガスは、貫通孔２１１０の存在位置に対応する部位のアノード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、アノード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、あるいはアノード２２００の面外の離れた方向（好ましくはアノード２２００から隔離された流路）からアノード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、アノード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。
【００９６】
分散板２１００の貫通孔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、貫通孔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、貫通孔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、貫通孔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。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。
【００９７】
シャワー流路の第２変形例：図１９は、シャワー流路の第２変形例の構成を示す説明図である。この変形例では、アノード２２００と電解質膜２３００とを備えたＭＥＡ２２０１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。また燃料ガスのアノード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。多孔体は、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、シャワー流路の第１変形例と同様に決定すればよい。
【００９８】
シャワー流路の第３変形例：図２０は、シャワー流路の第３変形例として、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２１は、図２０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の両側にアノード２２００とカソード２４００とを備えたアノード２２００側に配置されており、図２１に示すように、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、アノード２２００に供給される。
【００９９】
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、アノード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、シャワー流路の第１変形例と同様に決定すればよい。
【０１００】
シャワー流路の第４変形例：図２２は、シャワー流路の第４変形例として、分散板２０１４ｈｍの内部に、流路を形成した構成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、図示しないアノード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）とカソード２４００とを備えたＭＥＡ２２０３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２２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。
【０１０１】
シャワー流路の第５変形例：図２３は、シャワー流路の第５変形例として、パイプを使用して分散板２０１４ｈｐを形成した構成を示す説明図である。分散板２０１４ｈｐは、図２３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、アノード２２００とで電解質膜２３００とを備えたＭＥＡ２２０４のアノード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、アノード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、アノード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。
【０１０２】
以上説明したように、燃料ガスをアノード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アノード２２００に導くように構成されていればよい。
【０１０３】
Ｄ１０．変形例１０：
上記実施例の燃料電池では、燃料ガス供給流路は、多孔体を用いた多孔体タイプの流路であったが、燃料ガス供給流路の形態は種々の構成を採ることができる。以下では、燃料ガス供給流路の変形例を説明する。
【０１０４】
図２４は、いわゆる分岐流路タイプの燃料ガス供給流路を用いた構成例を示す模式図である。図示する燃料ガス供給流路は、上記実施例の燃料電池におけるアノード側多孔体８４０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、アノード側多孔体８４０と同程度もしくはそれ以下となっている。
【０１０５】
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２４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。
【０１０６】
なお、この流路形成部材５０００は、アノード側多孔体８４０ごと代えて用いてもよいが、アノード側多孔体８４０および導電性シート８６０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２４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。
【０１０７】
次に、図２５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２５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２５（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２５（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。
【０１０８】
図示するように、図２５（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２４の流路形成部材５０００と同様、上記実施例のアノード側多孔体８４０に代えて用いられる。
【０１０９】
図２５（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２４の流路形成部材５０００と同様、上述した実施例の多孔体８４０に代えて用いられる。
【０１１０】
図２５に示した流路形成部材５１００，５２００は、図２４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。
【０１１１】
Ｄ１１．変形例１１：
図２６は、燃料ガス供給流路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、燃料ガス供給流路となる凹部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。燃料ガス供給流路となる凹部６２２０は、アノード側セパレータ６２００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。
【０１１２】
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から燃料ガス供給流路（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リークガス（不活性ガス）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、燃料ガス供給流路、および、アノード６１２０表面における上記流体の滞留を抑制することができる。
【０１１３】
なお、上記変形例の燃料電池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、燃料ガス供給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。
【０１１４】
Ｄ１２．変形例１２：
図２７及び図２８を用いて、上記実施例の燃料電池における燃料ガス供給形態の変形例について説明する。図２７は、燃料ガス供給形態の第１変形例としての燃料ガスの流れを説明する説明図である。図２８は、燃料ガス供給形態の第２変形例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２つの燃料電池では、発電体は、フレーム７５５０とＭＥＡ７５１０とアノード側多孔体７５４０を備える。フレーム７５５０の中央部には、ＭＥＡ７５１０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、ＭＥＡ７５１０が配置される。アノード側多孔体７５４０はＭＥＡ７５１０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。
【０１１５】
燃料ガス供給形態の第１変形例および第２変形例は、上記実施例と比較して、アノード側多孔体において、２つの方向から燃料ガスが供給される点で異なる。燃料ガス供給形態の第１変形例と第２変形例は、全体構造はほぼ同一であり、燃料ガスが、図示しないセパレータを介して供給される点は、同一であるが、アノード側多孔体７５４０への燃料ガスの供給方向が互いに異なっている。燃料ガス供給形態の第１変形例では、図２７に示すように、アノード側多孔体７５４０に燃料ガスを供給するための一つの燃料ガス供給スリット７４１７ａは、フレーム７５５０の開口部７５５５の外縁部のうち、一つの長辺近傍に設けられ、もう一つの燃料ガス供給スリット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、第２の変形例では、図２８に示したように、燃料ガス供給スリット７５１７ａ及び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。
【０１１６】
燃料ガス供給形態の第１変形例では、燃料ガスは、燃料ガス供給スリット７４１７ａや燃料ガス供給スリット７４１７ｂを通り、アノード側多孔体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２７において上から下）へ、あるいは矢印７６００ｂの方向（図２８において下から上）に供給される。このとき、燃料ガス供給スリット７４１７ａを通ってアノード側多孔体７５４０に供給された燃料ガスと燃料ガス供給スリット７４１７ｂを通ってアノード側多孔体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、燃料ガス供給形態の第２変形例では、燃料ガスは、燃料ガス供給スリット７５１７ａや燃料ガス供給スリット７５１７ｂを通り、アノード側多孔体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２８において左から右）及び矢印７７００ｂの方向（図２８において右から左）に流れる。燃料ガス供給形態の第２の変形例でも、燃料ガス供給スリット７５１７ａを通ってアノード側多孔体７５４０に供給された燃料ガスと燃料ガス供給スリット７５１７ｂを通ってアノード側多孔体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。
【０１１７】
以上説明した燃料ガス供給形態の第１と第２の変形例によれば、燃料ガスは、アノード側多孔体７５４０に対して、対向する２つの辺の端部側に設けられた燃料ガス供給スリット７４１７ａおよび７４１７ｂ（あるいは燃料ガス供給スリット７５１７ａおよび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、アノード側多孔体７５４０の中央部でぶつかって互いに混合するので、リークガス（不活性ガス）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、アノード側多孔体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、燃料ガス供給形態の第１と第２の変形例では燃料ガス供給流路として多孔体を用いているが、燃料ガス供給流路は多孔体に限られず、後述する種々の供給方式が利用可能である。
【０１１８】
Ｄ１３．変形例１３：
上記実施例の燃料電池の始動時制御について説明する。本変形例の燃料電池では、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８２０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ＴＡを確保することは有効である。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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８２０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】
【０１２１】
【図１】燃料電池システム１０００および第１実施例の燃料電池１００の説明図である。
【図２】燃料電池１００の側面図である。
【図３】シール一体発電アセンブリ２００の正面図（図２においてシール一体発電アセンブリ２００を右側から見た図）である。
【図４】図３におけるＡ−Ａ断面の一部を示す断面図である。
【図５】導電性シート８６０の正面図である。
【図６】アノード側拡散層８２０Ｂの様子を表す図である。
【図７】セパレータ６００のうちカソードプレート４００の形状を示す説明図である。
【図８】セパレータ６００のうちアノードプレート３００の形状を示す説明図である。
【図９】セパレータ６００のうち中間プレート５００の形状を示す説明図である。
【図１０】セパレータ６００の正面図である。
【図１１】燃料電池１００内における反応ガスの流れを示す説明図である。
【図１２】図１１のＸ領域の拡大図である。
【図１３】比較例１としての燃料電池であって比較的透気度が高いアノード側拡散層８２０Ｂにおける燃料ガスの拡散の様子を示す図である。
【図１４】比較例２としての燃料電池であって切欠き溝８２１を有さないアノード側拡散層８２０Ｂにおける燃料ガスの拡散の様子を示す図である。
【図１５】本発明の第２実施例に係る燃料電池１００Ａにおける切欠き溝８２１ａの構造を説明する説明図である。
【図１６】本発明の第３実施例に係る燃料電池１００Ｂにおけるアノード側拡散層８２０Ｂ１の構造を説明する説明図である。
【図１７】シャワー流路の第１変形例の構成を示す説明図である。
【図１８】分散板２１００の機能を説明する説明図である。
【図１９】シャワー流路の第２変形例の構成を示す説明図である。
【図２０】シャワー流路の第３変形例として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２１】図２０におけるＣ−Ｃ断面を示す模式図である。
【図２２】シャワー流路の第４変形例として分散板２０１４ｈｍの内部に流路を形成した構成を示す説明図である。
【図２３】シャワー流路の第５変形例としてパイプを使用して分散板２０１４ｈｐを形成した構成を示す説明図である。
【図２４】いわゆる分岐流路タイプの燃料ガス供給流路を用いた構成例を示す模式図である。
【図２５】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２６】燃料ガス供給流路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２７】燃料ガス供給形態の第１変形例としての燃料ガスの流れを説明する説明図である。
【図２８】燃料ガス供給形態の第２変形例についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。
【図２９】本発明の燃料電池の一つの構成例（その１）を示す図である。
【図３０】本発明の燃料電池の一つの構成例（その２）を示す図である。
【符号の説明】
【０１２２】
２４…ＭＥＡ
１００，１００Ａ，１００Ｂ…燃料電池
１１０…酸化ガス供給マニホールド
１２０…酸化ガス排出マニホールド
１３０…燃料ガス供給マニホールド
１５０…冷却媒体供給マニホールド
１６０…冷却媒体排出マニホールド
２００…シール一体発電アセンブリ
３００…アノードプレート
３２２…マニホールド形成部
３５０…燃料ガス供給スリット
４００…カソードプレート
４００同様…カソードプレート
４２２…マニホールド形成部
４４０…酸化ガス供給スリット
４４４…酸化ガス排出スリット
５００…中間プレート
５２２〜５２６…マニホールド形成部
５４２…酸化ガス導入流路形成部
５４４…酸化ガス排出流路形成部
５４６…燃料ガス導入流路形成部
５５０…冷却媒体流路形成部
６００…セパレータ
６３０…燃料ガス導入流路
６５０…酸化ガス導入流路
６６０…酸化ガス排出流路
６７０…冷却媒体流路
７００…シール部材
７１０…支持部
７２０…リブ
８００…積層部材
８１０…電解質膜
８２０…アノード
８２０Ａ…触媒層
８２０Ｂ，８２０Ｂ１，８２０Ｂａ…アノード側拡散層
８２１，８２１ａ…切欠き溝
８３０…カソード
８３０Ａ…触媒層
８３０Ｂ…カソード側拡散層
８４０…アノード側多孔体
８４０…多孔体
８５０…カソード側多孔体
８６０…導電性シート
８６５…貫通孔
１０００…燃料電池システム
１１００…高圧水素タンク
１１１０…水素供給配管
１１２０…水素遮断弁
１１２０…遮断弁
１１３０…レギュレータ
１２００…エアコンプレッサ
１２１０…空気供給配管
１２２０…排出配管
１３００…制御部
２０００…ＭＥＡ
２０１４ｈｍ…分散板
２０１４ｈｐ…分散板
２１００…分散板
２１０１…分散板
２１０２…分散板
２１０２ｔ…突部
２１１０…貫通孔
２１１２…細孔
２１３０…パイプ
２１４０…フレーム
２１４１ｎ…細孔
２１４２ｎ…流路
２１４３ｎ…細孔
２２００…アノード
２２０１…ＭＥＡ
２２０３…ＭＥＡ
２２０４…ＭＥＡ
２３００…電解質膜
２４００…カソード
５０００…流路形成部材
５０００面…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
６１２０表面…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…燃料ガス供給スリット
７４１７ｂ…燃料ガス供給スリット
７５１０…ＭＥＡ
７５１７ａ…燃料ガス供給スリット
７５１７ｂ…燃料ガス供給スリット
７５４０…アノード側多孔体
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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としては、一般に、電解質膜の一方の面にアノードが、他方の面にカソードが形成された膜電極接合体（以下では、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｅ）と呼ぶ）を備える。この燃料電池では、アノード上に、燃料ガス供給流路を形成する流路形成部材が配置される（特許文献１参照）。なお、流路形成部材としては、導電性多孔体などが用いられる。また、アノードまたはカソードは、触媒層の他、ガス拡散層を備える場合もある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６１０４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、酸化ガスとして、一般的に、空気、または、空気と酸素との混合気体などを用いるが、この場合、空気中の窒素等が、カソード側からアノード側にリークしてくる場合がある。それに伴い、アノードにおいて、リークしてきた窒素等（以下では、リークガスとも呼ぶ）が燃料ガス供給流路に滞留するおそれがあった。このように、燃料ガス供給流路にリークガスが滞留すると、燃料ガスがアノード（アノード面）に対して分散して供給されず、それ故、アノードにおいて局所的に燃料ガスが供給されない部分が生じ、その部分で発電が抑制されるおそれがあった。その結果、燃料電池全体として発電効率が低下するおそれがあった。
【０００５】
特に、アノードデッドエンド運転型（例えば、燃料ガス供給流路に供給した燃料ガスを、ほぼ全量アノードに消費させて発電を行う運転態様）の燃料電池において、上記問題は、生じやすい。また、上記問題は、リークガスが滞留する場合に限られず、燃料ガス等に混ざった不活性ガスが滞留する場合にも生じる問題である。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池において、アノードに燃料ガスを分散して供給することが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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なされたものであり、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。
【０００８】
[適用例１]
燃料電池であって、電解質膜の一方の面側に設けられ、分散して点在し、燃料ガスが導入される複数のガス導入スポットを有するアノードと、前記電解質膜の他方の面側に設けられるカソードと、前記燃料ガスが通過可能な複数のガス通過部を有し、各ガス通過部を介して前記アノードの各ガス導入スポットにそれぞれ前記燃料ガスを導入するためのガス導入部と、を備え、前記アノードは、前記燃料ガスが、各ガス導入スポットからアノード面に沿って遠ざかる方向に分散しやすいガス分散構造であることを要旨とする。なお、アノード面とは、アノードにおいて、電解質膜に接する面、または、その面の反対面をいう。
【０００９】
上記構成の燃料電池によれば、燃料電池において、アノードに燃料ガスを分散して供給することができる。
【００１０】
[適用例２]適用例１に記載の燃料電池において、
前記アノードは、前記電解質膜の一方の面の外側に設けられる触媒層と、前記触媒層の外側に設けられるガス拡散層と、を備え、少なくとも、前記ガス拡散層は、前記複数のガス導入スポットを有し、前記ガス分散構造であることを特徴とする燃料電池。
【００１１】
このようにすれば、燃料電池において、ガス拡散層に燃料ガスを分散して供給することができる。
【００１２】
[適用例３]適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、
前記アノードは、前記ガス分散構造として、各ガス導入スポットから前記反対面に沿って遠ざかる方向に向かって形成される溝を有することを特徴とする燃料電池。
【００１３】
このようにすれば、アノードにおいて、各ガス導入スポットに導入された燃料ガスを溝に沿って分散させることができ、その結果、アノード全体に燃料ガスを分散させることができる。
【００１４】
[適用例４]適用例３に記載の燃料電池において、
前記溝は、前記ガス導入スポットを中心として、前記反対面に沿って、放射状、若しくは、蜘蛛の巣状に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【００１５】
このようにすれば、アノードにおいて、各ガス導入スポットに導入された燃料ガスを放射状または蜘蛛の巣状に広がる溝に沿って分散させることができ、その結果、アノード全体に燃料ガスを分散させることができる。
【００１６】
[適用例５]適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記アノードは、前記ガス分散構造として、各ガス導入スポットから前記反対面に沿って遠ざかる方向に、透気度が低くなる構造であることを特徴とする燃料電池。
【００１７】
このようにすれば、アノードにおいて、各ガス導入スポットに導入された燃料ガスを各ガス導入スポットから前記反対面に沿って遠ざかる方向に、分散させることができ、その結果、アノード全体に燃料ガスを分散させることができる。
【００１８】
[適用例６]適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池において、前記ガス導入部は、前記アノードの外側に設けられ、ガス不透過であると共にシート状の導電性シート部であり、前記ガス導入部の前記ガス通過部は、前記導電性シート部において、シート面に沿って分散して配置された複数の貫通孔であり、さらに、前記燃料電池は、前記導電性シート部の外側に設けられ、前記燃料ガスを前記導電性シート部の面に沿った方向に流すと共に、前記燃料ガスを前記導電性シートの各貫通孔に分散して供給するための燃料ガス供給流路を形成する流路形成部を備えることを特徴とする燃料電池。
【００１９】
このようにすれば、アノードに供給する燃料ガス量のばらつきを小さくすることができる。また、リークガスがアノード側から貫通孔を介して燃料ガス供給流路に進入することが抑制され、燃料ガス供給流路にリークガスが滞留することが抑制される。
【００２０】
[適用例７]適用例１ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池において、前記ガス導入部は、内部を前記燃料ガスが通過するパイプ状部材であり、前記ガス導入部の前記ガス通過部は、前記パイプ状部材において、分散して配置された複数の貫通孔であることを特徴とする燃料電池。
【００２１】
このようにすれば、アノードに供給する燃料ガス量のばらつきを小さくすることができる。
【００２２】
[適用例８]適用例１ないし適用例７のいずれかに記載の燃料電池において、前記ガス導入部は、内部を前記燃料ガスが通過するパイプ状部材であり、前記ガス導入部の前記ガス通過部は、前記パイプ状部材において、端部の開口部であることを特徴とする燃料電池。
【００２３】
このようにすれば、アノードに供給する燃料ガス量のばらつきを小さくすることができる。
【００２４】
[適用例９]適用例１ないし適用例８のいずれかに記載の燃料電池において、前記ガス導入部から前記アノードに供給された前記燃料ガスのほぼ全量をアノードで消費することを特徴とする燃料電池。
【００２５】
このような燃料電池において、特に、上記適用例１ないし８のいずれかに記載の燃料電池の構造を持つことで、リークガス等の不活性ガスの滞留を抑制し、アノードに燃料ガスを分散して供給することが可能となる。
【００２６】
[適用例１０]適用例１ないし適用例９のいずれかに記載の燃料電池において、前記アノード側は、前記アノードに供給された燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造であることを特徴とする燃料電池。
【００２７】
このような燃料電池において、特に、上記適用例１ないし９のいずれかに記載の燃料電池の構造を持つことで、リークガス等の不活性ガスの滞留を抑制し、アノードに燃料ガスを分散して供給することが可能となる。
【００２８】
このタイプの燃料電池は、前記燃料ガスを供給して行なう運転の態様として、該供給されたほぼすべての燃料ガスをアノードで消費する態様を含む。ここで、燃料ガスのほぼすべてを消費するとは、燃料ガスのアノードから、積極的に燃料ガスを取り出して燃料ガス供給路に循環させるといった用い方をしないことを意味している。消費には、発電のための電気化学反応に用いられるだけでなく、電解質膜の反対側への透過も含まれる。また、現実に燃料電池を構成した場合に生じるリークも、消費に含ませて良い。燃料電池において、こうした燃料ガスの使い方をしながら発電することを、デッドエンド運転と呼ぶ。このとき、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している運転の態様として捉えることができる。この場合、結果的には、燃料ガスが供給されるアノードは、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。
【００２９】
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ＭＥＡ（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。
【００３０】
本願明細書では、燃料ガスの消費層（アノード）に供給されたほぼ総ての燃料ガスを燃料ガス消費層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。
【００３１】
本願発明の燃料電池は、さらに、アノード（水素極）の不純物（たとえば窒素）の分圧が、カソード（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。
【００３２】
本願発明の燃料電池は、さらに、たとえば図２９や図３０に示されるような構成をも含む。図２９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（例えば、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。
【００３３】
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２９）やハニカム構造材Ｈ２を使用した流路の形成（図３０）として構成してもよい。
【００３４】
高抵抗連通部２１００ｘは、たとえば図２９や図３０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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
なお、本発明は、上記した燃料電池に限られず、ＭＥＡやアノードなど、他の装置発明の態様で実現すること可能である。また、燃料電池の製造方法など、方法発明としての態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム１０００の構成：
まず、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成について説明する。図１は、燃料電池システム１０００および第１実施例の燃料電池１００の説明図である。具体的には、図１（Ａ）は、燃料電池システム１０００のブロック図であり、図１（Ｂ）は、燃料電池１００の外観構成図である。この燃料電池システム１０００は、図１（Ａ）に示すように、主に、燃料電池１００と、高圧水素タンク１１００と、エアコンプレッサ１２００と、水素遮断弁１１２０と、レギュレータ１１３０と、制御部１３００とを備えている。
【００４０】
高圧水素タンク１１００は、燃料電池１００の燃料ガスとしての水素を貯蔵する。高圧水素タンク１１００は、水素供給配管１１１０によって、後述する燃料電池１００の燃料ガス供給マニホールドと接続している。水素供給配管１１１０には、上流側に水素遮断弁１１２０と、その下流側に水素の圧力を調整するためのレギュレータ１１３０が設けられている。
【００４１】
エアコンプレッサ１２００は、燃料電池１００に酸化ガスとしての高圧空気を供給する。エアコンプレッサ１２００は、空気供給配管１２１０によって、後述する燃料電池１００の酸化ガス供給マニホールドと接続している。空気供給配管１２１０には加湿器が設けられているものとしても良い。燃料電池１００のカソードで電気化学反応に供されなかった酸化ガスは、後述する酸化ガス排出マニホールドに接続する排出配管１２２０から燃料電池１００の外部へと排出される。
【００４２】
制御部１３００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。制御部１３００は、水素遮断弁１１２０や、エアコンプレッサ１２００などと信号線を介して接続され、これらを制御して、燃料電池１００の発電を実行する。
【００４３】
Ａ２．燃料電池１００の構成：
図２は、燃料電池１００の側面図である。図１（Ｂ）または図２に示すように、燃料電池１００は、シール一体発電アセンブリ２００とセパレータ６００とが交互に積層された構造（いわゆるスタック構造）を有している。燃料電池１００は、シール一体発電アセンブリ２００およびセパレータ６００を所定枚数積層し、それらを積層方向に所定の締結力を付与するように締結することにより、製造される。なお、図２では、各シール一体発電アセンブリ２００およびセパレータ６００との間に空間が設けられているが、実際には、この空間はなく、それぞれ互いに接している。以下では、シール一体発電アセンブリ２００およびセパレータ６００を積層する方向を積層方向とも呼ぶ。図２に示されるシール部材７００（リブ７２０）についての詳細は、後述する。
【００４４】
図１（Ｂ）に示すように、燃料電池１００には、酸化ガスが供給される酸化ガス供給マニホールド１１０と、酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールド１２０と、燃料ガスが供給される燃料ガス供給マニホールド１３０と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールド１５０と、冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールド１６０と、が設けられている。なお、本実施例の燃料電池１００は、アノード側に供給された燃料ガスを排出する構造とはなっておらず、すなわち、アノード側に供給された燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造となっている（以下では、アノードデットエンド構造とも呼ぶ）。従って、燃料電池１００は、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールドは設けられていない。また、酸化ガスとしては空気が用いられ、燃料ガスとしては水素が用いられる。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。酸化ガスとして、空気に加えて高濃度の酸素を混合した混合ガスを用いてもよい。なお、本実施例の燃料電池１００には、比較的高圧な燃料ガスが供給される。
【００４５】
Ａ３．シール一体発電アセンブリ２００：
図３は、シール一体発電アセンブリ２００の正面図（図２において、シール一体発電アセンブリ２００を右側から見た図）である。図４は、図３におけるＡ−Ａ断面の一部を示す断面図である。図４においては、シール一体発電アセンブリ２００と共に、燃料電池を構成する際にシール一体発電アセンブリ２００を挟持する２枚のセパレータ６００を図示している。
【００４６】
シール一体発電アセンブリ２００は、図２、図３および図４に示すように、積層部材８００と、シール部材７００とで構成される。
【００４７】
積層部材８００は、図４に示すように、ＭＥＡ２４と、導電性シート８６０と、アノード側多孔体８４０と、カソード側多孔体８５０とを備えている。導電性シート８６０は、ＭＥＡ２４と、アノード側多孔体８４０との間に配置される。
【００４８】
ＭＥＡ２４は、電解質膜８１０と、アノード８２０と、カソード８３０とを備えている。電解質膜８１０は、例えばフッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成され湿潤状態において良好なイオン導電性を有するイオン交換膜である。アノード８２０は、電解質膜８１０の一方の面に設けられる触媒層８２０Ａと、触媒層８２０Ａの外側に設けられるアノード側拡散層８２０Ｂとから成る。カソード８３０は、電解質膜８１０の他方の面に設けられる触媒層８３０Ａと、触媒層８３０Ａの外側に設けられるカソード側拡散層８３０Ｂとから成る。触媒層８２０Ａおよび触媒層８３０Ａは、例えば、触媒（例えば、白金など）を担持した触媒担持担体（例えば、白金担持カーボンなど）と、電解質とから形成される。アノード側拡散層８２０Ｂおよびカソード側拡散層８３０Ｂは、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成される。ＭＥＡ２４は、矩形状をしている。
【００４９】
アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成され、例えば、エキスパンドメタル、パンチングメタル、メッシュ、または、フェルトなどが用いられる。また、アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、シール一体発電アセンブリ２００とセパレータ６００とを積層して燃料電池１００を構成した際に、それぞれ、後述するセパレータ６００の発電領域ＤＡに接触する。さらに、アノード側多孔体８４０は、後述するように、燃料ガスをアノード８２０に供給するための燃料ガス供給流路として機能し、カソード側多孔体８５０は、後述するように、酸化ガスをカソード８３０に供給するための酸化ガス供給流路として機能する。また、アノード側拡散層８２０Ｂは、比較的透気度（ガス拡散性）が低く形成され、アノード側多孔体８４０より透気度が低く形成されている。
【００５０】
図５は、導電性シート８６０の正面図である。具体的には、図５は、図４において導電性シート８６０を上側から見た図を示す。導電性シート８６０は、図５（Ａ）に示すように、シート状（薄膜状）に形成され、その表面に分散して設けられた多数の貫通孔８６５を有している。各貫通孔８６５は、円形で共に口径が等しく（すなわち、同形状であり）、導電性シート８６０の厚さ方向に貫通し、また、導電性シート８６０の表面に、格子状に設けられる。導電性シート８６０において、シート面の面積に対して各貫通孔８６５の開口部分が占める割合を開口率と呼ぶ。導電性シート８６０は、この開口率が比較的小さく設定される。導電性シート８６０の開口率は、５％未満が好ましく、３％未満がさらに好ましく、１％未満が特に好ましい。そのため、導電性シート８６０において、貫通孔８６５の口径は、比較的小さく、各貫通孔８６５間のピッチは比較的広くなっている。それに伴い、各貫通孔８６５を通過する燃料ガスは、大きな圧力損失を伴う。この導電性シート８６０は、金で形成されており、アノード側多孔体８４０の一方の面に、熱圧着、ろう付け、溶接などによって接合される。以下では、燃料電池１００において、積層部材８００の各部材の面に沿った方向を面方向とも呼ぶ。
【００５１】
図６は、アノード側拡散層８２０Ｂの様子を表す図である。具体的には、図６（Ａ）は、図４においてアノード側拡散層８２０Ｂを上側から見た図を示し、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）におけるＡ１−Ａ１断面を示す図である。なお、図６（Ａ）には、アノード側拡散層８２０Ｂと導電性シート８６０とを積層した場合において、アノード側拡散層８２０Ｂに対向する貫通孔８６５の位置が点線で示されている。このアノード側拡散層８２０Ｂにおいて、導電性シート８６０が積層される側の面（以下では、シート積層面とも呼ぶ）には、図６（Ａ）に示すように、貫通孔８６５に対応する部分を中心として、その部分から遠ざかる方向に、言い換えれば、放射状に、切欠き溝８２１が形成されている。この切欠き溝８２１は、図６（Ｂ）に示すように、シート積層面に三角柱状に形成される溝である。この切欠き溝８２１の機能についての詳細は、後述する。なお、この切欠き溝８２１は、三角柱状に限られず、例えば、シート積層面に四角柱、台形柱状等に形成されてもよい。
【００５２】
シール部材７００は、面方向の外周に亘って配置されている。シール部材７００は、成形材料を射出成形することによって作製され、積層部材８００の外周端に隙間なく気密に一体化されている。シール部材７００は、ガス不透性と弾力性と燃料電池の運転温度域における耐熱性とを有する材料、例えば、ゴムやエラストマーによって形成される。具体的には、シリコン系ゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、フッ素系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、スチレン系エラストマー、フッ素系エラストマーなどが用いられ得る。
【００５３】
シール部材７００は、図２〜図４に示すように、支持部７１０と、支持部７１０の両側に配置され、シールラインを形成するリブ７２０とを備えている。支持部７１０には、図３に示すように、各マニホールド１２０〜１５０（図１参照）に対応する貫通孔（マニホールド孔）が形成されている。リブ７２０は、シール一体発電アセンブリ２００とセパレータ６００が積層された際に、隣接するセパレータ６００に密着してセパレータ６００との間をシールし、反応ガスや冷却水の漏洩を防止する。リブ７２０は、図３に示すように、積層部材８００の全周を囲むシールラインと、個々のマニホールド孔の全周を囲むシールラインとを形成する。
【００５４】
Ａ４．セパレータ６００の構成：
図７は、セパレータ６００のうちカソードプレート４００の形状を示す説明図である。図８は、セパレータ６００のうちアノードプレート３００の形状を示す説明図である。図９は、セパレータ６００のうち中間プレート５００の形状を示す説明図である。図１０は、セパレータ６００の正面図である。次に、図７〜図１０を参照して、セパレータ６００の構成を説明する。セパレータ６００は、図７〜図９に示すカソードプレート４００、アノードプレート３００、および、中間プレート５００から構成されている。なお、図７、図８、図９は、各プレート４００、３００、５００を、図１０は、セパレータ６００を、それぞれ図２の右側から見た様子を示している。また、図１０における黒塗りまたは白抜きの矢印についての説明は、後述する。
【００５５】
図７〜図１０において、各プレート３００、４００、５００およびセパレータ６００の中央部に破線で示す領域ＤＡは、セパレータ６００がシール一体発電アセンブリ２００と共に積層され燃料電池１００を構成する際に、シール一体発電アセンブリ２００の積層部材８００に含まれるＭＥＡ２４に対向する領域である。ＭＥＡ２４は、実際に発電が行われる領域であるので、この領域を以下では、発電領域ＤＡと呼ぶ。発電領域ＤＡは、ＭＥＡ２４が矩形であるため、当然に矩形である。
【００５６】
カソードプレート４００（図７）は、例えば、ステンレス鋼で形成されている。カソードプレート４００は、５個のマニホールド形成部４２２〜４３２と、酸化ガス供給スリット４４０と、酸化ガス排出スリット４４４と、を備えている。マニホールド形成部４２２〜４３２は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。酸化ガス供給スリット４４０は、略長方形の長孔であり、発電領域ＤＡの内側であって発電領域ＤＡの上方の辺に沿って配置されている。酸化ガス排出スリット４４４は、酸化ガス供給スリット４４０と同様に略長方形の長孔であり、発電領域ＤＡの内側であって、発電領域ＤＡの下方の辺に沿って配置されている。
【００５７】
アノードプレート３００（図８）は、カソードプレート４００と同様に、例えば、ステンレス鋼で形成されている。アノードプレート３００は、カソードプレート４００同様、５個のマニホールド形成部３２２〜３３２と、燃料ガス供給スリット３５０を備えている。マニホールド形成部３２２〜３３２は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。燃料ガス供給スリット３５０は、発電領域ＤＡの内側であって発電領域ＤＡの右方の辺に沿って、セパレータ６００を構成した際にカソードプレート４００における上述した酸化ガス排出スリット４４４と重ならないように配置されている。
【００５８】
中間プレート５００（図９）は、上述の各プレート３００、４００同様、例えば、ステンレス鋼で形成されている。中間プレート５００は、厚さ方向に貫通する貫通部として、反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）を供給／排出のための３つのマニホールド形成部５２２〜５２６と、複数の酸化ガス導入流路形成部５４２と、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４と、一つの燃料ガス導入流路形成部５４６とを備えている。中間プレート５００は、さらに、複数の冷却媒体流路形成部５５０を備えている。マニホールド形成部５２２〜５２６は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００、アノードプレート３００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。
【００５９】
各冷却媒体流路形成部５５０は、発電領域ＤＡを図９における左右方向に横断する長孔形状を有しており、その両端は、発電領域ＤＡの外側に至っている。
【００６０】
中間プレート５００（図９）において、複数の酸化ガス導入流路形成部５４２の一端は、それぞれ、マニホールド形成部５２２と連通しており、複数の酸化ガス導入流路形成部５４２とマニホールド形成部５２２は、全体として櫛歯形状の貫通孔を形成している。複数の酸化ガス導入流路形成部５４２の他端は、それぞれに、３つのプレートを接合してセパレータ６００を構成した際に、上述したカソードプレート４００における酸化ガス供給スリット４４０と重なる位置まで延びている。この結果、セパレータ６００を構成した際に、各酸化ガス導入流路形成部５４２は、それぞれ、酸化ガス供給スリット４４０と連通する。
【００６１】
中間プレート５００（図９）において、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４の一端は、それぞれ、マニホールド形成部５２４と連通しており、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４とマニホールド形成部５２４は、全体として櫛歯形状の貫通孔を形成している。複数の酸化ガス排出流路形成部５４４の他端は、それぞれに、３つのプレートを接合してセパレータ６００を構成した際に、上述したカソードプレート４００における酸化ガス排出スリット４４４と重なる位置まで延びている。この結果、セパレータ６００を構成した際に、各酸化ガス排出流路形成部５４４は、それぞれ、酸化ガス排出スリット４４４と連通する。
【００６２】
中間プレート５００（図９）において、燃料ガス導入流路形成部５４６の一端は、マニホールド形成部５２６と連通している。燃料ガス導入流路形成部５４６は、上述した酸化ガス排出流路形成部５４４と重ならない位置に、発電領域ＤＡの下方の辺に沿って延び、その他端は発電領域ＤＡの左方の辺近くにまで達している。燃料ガス導入流路形成部５４６のうち、発電領域ＤＡの内側の部分は、３つのプレートを接合してセパレータ６００を構成した際に、上述したアノードプレート３００における燃料ガス供給スリット３５０と重なる。この結果、セパレータ６００を構成した際に、燃料ガス導入流路形成部５４６は燃料ガス供給スリット３５０と連通する。
【００６３】
セパレータ６００（図１０）は、中間プレート５００をアノードプレート３００およびカソードプレート４００で挟持するようにそれぞれ接合し、中間プレート５００における冷却媒体供給マニホールド１５０および冷却媒体排出マニホールド１６０に対応する領域に露出している部分を打ち抜いて作製される。３枚のプレートの接合方法は、例えば、熱圧着、ろう付け、溶接などが用いられ得る。この結果、図１０においてハッチングで示す貫通部である５つのマニホールド１１０〜１６０と、複数の酸化ガス導入流路６５０と、複数の酸化ガス排出流路６６０と、燃料ガス導入流路６３０と、複数の冷却媒体流路６７０とを備えたセパレータ６００が得られる。
【００６４】
図１０に示すように、複数の酸化ガス導入流路６５０は、それぞれ、上述したカソードプレート４００の酸化ガス供給スリット４４０と、中間プレート５００の酸化ガス導入流路形成部５４２の一つとによって形成される。各酸化ガス導入流路６５０は、セパレータ６００の内部を通る内部流路であり、一端が酸化ガス供給マニホールド１１０と連通し、他端がカソードプレート４００側の表面（カソード側表面）に至り、カソード側表面に開口する流路である。また、図１０に示すように、複数の酸化ガス排出流路６６０は、上述したカソードプレート４００の酸化ガス排出スリット４４４と、中間プレート５００の酸化ガス排出流路形成部５４４の一つとによって形成される。各酸化ガス排出流路６６０は、セパレータ６００の内部を通る内部流路であり、一端が酸化ガス排出マニホールド１２０と連通し、他端がカソードプレート４００側のカソード側表面に至り、カソード側表面に開口する流路である。
【００６５】
図１０に示すように、燃料ガス導入流路６３０は、上述したアノードプレート３００の燃料ガス供給スリット３５０と、中間プレート５００の燃料ガス供給スリット３５０とによって形成される。燃料ガス導入流路６３０は、一端が燃料ガス供給マニホールド１３０と連通し、他端がアノード側表面に開口する内部流路である。また、複数の冷却媒体流路６７０は、上述した中間プレート５００に形成された冷却媒体流路形成部５５０（図９）によって形成され、一端が冷却媒体供給マニホールド１５０に、他端が冷却媒体排出マニホールド１６０に連通している。
【００６６】
Ａ５．燃料電池１００の動作：
図１１は、本実施例の燃料電池１００内における反応ガスの流れを示す説明図である。図１２は、図１１のＸ領域の拡大図である。図を見やすくするため、図１１においては、２つのシール一体発電アセンブリ２００と２つのセパレータ６００が積層された様子のみを図示している。図１１（Ａ）は、図１０におけるＢ−Ｂ断面に対応する断面図を示している。図１１（Ｂ）は、右側の半分が図１０におけるＤ−Ｄ断面に対応する断面図を示し、左側の半分が図１０におけるＣ−Ｃ断面に対応する断面図を示している。また、図１１、図１２では、反応ガスの流れを矢印で示している。図１２において、燃料ガスが右から左に流れているので、右側を上流側、左側を下流側とも呼ぶ。なお、この図１２におけるアノード側拡散層８２０Ｂは、図６のＥ−Ｅ断面と対応している。
【００６７】
燃料電池１００は、酸化ガス供給マニホールド１１０に酸化ガスが供給されると共に、燃料ガス供給マニホールド１３０に燃料ガスが供給されることにより、発電を行う。また、発電中の燃料電池１００には、発電に伴う発熱による燃料電池１００の温度上昇を抑制するために、冷却媒体供給マニホールド１５０に冷却媒体が供給され、その後、冷却媒体流路６７０に供給される。冷却媒体流路６７０に供給された冷却媒体は、冷却媒体流路６７０の一端から他端まで流動しつつ熱交換を行い、冷却媒体排出マニホールド１６０に排出される。
【００６８】
酸化ガス供給マニホールド１１０に供給された酸化ガスは、図１１（Ａ）において矢印で示すように、酸化ガス供給マニホールド１１０から酸化ガス導入流路６５０を通って、酸化ガス供給スリット４４０（図７）からカソード側多孔体８５０に流入する。カソード側多孔体８５０に流入した酸化ガスは、酸化ガス供給流路として機能するカソード側多孔体８５０の内部を図１０において白抜きの矢印で示すように上方から下方に流動する。そして、酸化ガスは、酸化ガス排出スリット４４４（図７）から酸化ガス排出流路６６０に流入し、酸化ガス導入流路６５０を通って、酸化ガス排出マニホールド１２０へ排出される。カソード側多孔体８５０を流動する酸化ガスの一部は、カソード側多孔体８５０に当接しているカソード側拡散層８３０Ｂ全体に亘って拡散し、触媒層８３０Ａでカソード反応（例えば、２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ）に供される。
【００６９】
燃料ガス供給マニホールド１３０に供給された燃料ガスは、図１１（Ｂ）において矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド１３０から燃料ガス導入流路６３０を通って、燃料ガス供給スリット３５０（図８）からアノード側多孔体８４０に流入する。アノード側多孔体８４０に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給流路として機能するアノード側多孔体８４０の内部を図１０において黒塗りの矢印で示すように下方から上方に流動する。この際、燃料ガスは、図１２に示すように、アノード側多孔体８４０に当接する導電性シート８６０の各貫通孔８６５を介して、面方向に垂直な方向（積層方向または厚さ方向）からアノード側拡散層８２０Ｂに流入する。そして、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて、流入した燃料ガスは、図１２に示すように、貫通孔８６５に対向する部分から、切欠き溝８２１を流れて、面方向（放射状）に広がりつつ、アノード側拡散層８２０Ｂ内部に拡散する。アノード側拡散層８２０Ｂに拡散した燃料ガスは、触媒層８２０Ａでアノード反応（例えば、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-）に供される。
【００７０】
本実施例の燃料電池１００は、アノードデットエンド構造となっており、燃料ガス排出口または燃料ガス排出流路がなく、アノード側多孔体８４０に供給された燃料ガスは、ほぼ全量、アノード８２０に吸収され、消費される。ここで、「消費」とは、燃料ガスが、アノード８２０で電気化学反応によって発電に用いられることの他、燃料ガスがカソード８３０側へリークすることも含む概念である。
【００７１】
本実施例の燃料電池１００は、比較的高圧な燃料ガスが供給され、積層部材８００において、アノード８２０（アノード側拡散層８２０Ｂ）とアノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）との間に、開口率が比較的小さい複数の貫通孔８６５を有する導電性シート８６０を設けている。このようにすれば、燃料ガスが、各貫通孔８６５を通過する際の圧力損失が大きくなり、アノード側多孔体８４０における燃料ガスの圧力分布を小さくすることができ、それにより、導電性シート８６０における各貫通孔８６５からアノード側拡散層８２０Ｂに供給する燃料ガス量のばらつきを小さくすることができる。また、以上のようにすれば、アノード８２０（アノード側拡散層８２０Ｂ）とアノード側多孔体８４０との間には、大きな圧力差が生じ、アノード８２０（アノード側拡散層８２０Ｂ）に比べて、アノード側多孔体８４０の方が、圧力がかなり高くなる。それに伴い、各貫通孔８６５において、燃料ガスの流速が速くなり、リークガスの拡散速度より燃料ガスの流速が速くなる。その結果、導電性シート８６０によって、リークガスがアノード側拡散層８２０Ｂから貫通孔８６５を介してアノード側多孔体８４０に進入することが抑制され、アノード側多孔体８４０にリークガスが滞留することが抑制される。
【００７２】
以下では、下記の図１３および図１４に示す比較例１および比較例２としての燃料電池と比較して、本実施例の燃料電池１００のさらなる有効性を検討する。図１３は、比較例１としての燃料電池であって、比較的透気度が高いアノード側拡散層８２０Ｂにおける燃料ガスの拡散の様子を示す図である。図１４は、比較例２としての燃料電池であって、切欠き溝８２１を有さないアノード側拡散層８２０Ｂにおける燃料ガスの拡散の様子を示す図である。比較例１の燃料電池では、本実施例の燃料電池１００のアノード側拡散層８２０Ｂより比較的透気度が高いアノード側拡散層８２０Ｂａが用いられ、比較例２の燃料電池では、比較的透気度が低い、本実施例の燃料電池１００と同様なアノード側拡散層８２０Ｂが用いられる。これら比較例における燃料電池の各部の符号は、上記実施例と同様なものを用いる。また、各図において、右側を上流側、左側を下流側とも呼ぶ。
【００７３】
比較例１の燃料電池において、アノード側多孔体８４０では、内部の流動抵抗により、上流側から下流側に向けて燃料ガスの流速は、徐々に弱まる。それに伴い、各貫通孔８６５において、下流側に位置する各貫通孔８６５ほど、通過する燃料ガスの流速も徐々に弱まる。この場合、アノード側拡散層８２０Ｂの透気度が比較的高い場合には、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて、燃料ガスの面方向の拡散流速も、下流側ほど徐々に弱まり、その結果、図１３に示すように、上流側から下流側に向かって燃料ガスの流れが生じるおそれがあった。
【００７４】
このようにアノード側拡散層８２０Ｂにおいて、上流側から下流側に向かって燃料ガスの流れが生じると、リークガスがその流れに逆らって拡散することができず、アノード側拡散層８２０Ｂの下流側に蓄積されるおそれがあった。それに伴い、アノード側拡散層８２０Ｂにおいてリークガスが蓄積された部分に対応する触媒層８２０Ａに燃料ガスの供給が阻害されるおそれがあった。
【００７５】
一方、以上のように、本実施例の燃料電池１００は、アノード側拡散層８２０Ｂは、透気度が比較的低く形成されているので、上流側から下流側に向かって燃料ガスの流れが生じることを抑制することができる。
【００７６】
また、比較例２の燃料電池のアノード側拡散層８２０Ｂにおいて、導電性シート８６０の各貫通孔８６５から導入された燃料ガスは、アノード側拡散層８２０Ｂの透気度が比較的低いため、各貫通孔８６５に対応する部分から遠い領域では、図１４に示すように、燃料ガスがあまり拡散していない不拡散領域が生じ、この不拡散領域にリークガスが滞留するおそれがあった。そうすると、触媒層８２０Ａにおいて、不拡散領域に対応する部分では、燃料ガスがあまり供給されないので、その部分では、発電量が減少するおそれがあり、その結果、燃料電池全体の発電効率が低下するおそれがあった。
【００７７】
一方、以上のように、本実施例の燃料電池１００は、アノード側拡散層８２０Ｂのシート積層面において、各貫通孔８６５と対向する部分から放射状に切欠き溝８２１が形成されている。このようにすれば、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて、貫通孔８６５に対向する部分から導入された燃料ガスは、切欠き溝８２１を流れて、面方向に沿って放射状に広がりつつ、アノード側拡散層８２０Ｂ内部に拡散するので、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて燃料ガスの不拡散領域が生じることを抑制することができる。その結果、触媒層８２０Ａに燃料ガスを略均一に供給することができ、燃料電池全体の発電効率を向上させることができる。このように、本実施例の燃料電池１００は、アノード８２０において、燃料ガスが分散しやすいガス分散構造となっている。
【００７８】
上記実施例において、アノード８２０は、請求項におけるアノードに該当し、カソード８３０は、請求項におけるカソードに該当し、導電性シート８６０は、請求項におけるガス導入部に該当し、切欠き溝８２１は、請求項における溝に該当し、貫通孔８６５は、請求項における貫通孔に該当し、アノードにおいて、貫通孔８６５に対応する部分は、請求項におけるガス導入スポットに該当する。
【００７９】
Ｂ．第２実施例：
図１５は、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００Ａにおける切欠き溝８２１ａの構造を説明する説明図である。この図１５は、第１実施例の燃料電池１００の図６（Ａ）の拡大部分に対応する。本実施例の燃料電池１００Ａは、基本的に第１実施例の燃料電池１００と同様の構成であるが、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて、第１実施例の切欠き溝８２１とは、異なる切欠き溝８２１ａを備える。燃料電池１００Ａにおいて、第１実施例と同様の構成の部分には、同じ符号を付し、説明を省略する。
【００８０】
本実施例の燃料電池１００Ａのアノード側拡散層８２０Ｂにおける切欠き溝８２１ａは、導電性シート８６０の各貫通孔８６５に対応する部分を中心として、蜘蛛の巣状に形成されている。このようにすれば、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて、貫通孔８６５に対向する部分から導入された燃料ガスは、切欠き溝８２１ａを流れて、面方向に沿って蜘蛛の巣状に広がりつつ、アノード側拡散層８２０Ｂ内部に拡散するので、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて燃料ガスの不拡散領域が生じることを抑制することができる。その結果、触媒層８２０Ａに燃料ガスを略均一に供給することができ、燃料電池全体の発電効率を向上させることができる。このように、本実施例の燃料電池１００Ａは、アノード８２０において、燃料ガスが分散しやすいガス分散構造となっている。切欠き溝８２１ａは、請求項における溝に該当する。
【００８１】
Ｃ．第３実施例：
図１６は、本発明の第３実施例に係る燃料電池１００Ｂにおけるアノード側拡散層８２０Ｂ１の構造を説明する説明図である。この図１６は、第１実施例の燃料電池１００の図６（Ａ）の拡大部分に対応する。本実施例の燃料電池１００Ｂは、基本的に第１実施例の燃料電池１００と同様の構成であるが、第１実施例のアノード側拡散層８２０Ｂとは、異なるアノード側拡散層８２０Ｂ１を備える。燃料電池１００Ｂにおいて、第１実施例と同様の構成の部分には、同じ符号を付し、説明を省略する。
【００８２】
本実施例の燃料電池１００Ｂにおいて、アノード側拡散層８２０Ｂ１は、導電性シート８６０の各貫通孔８６５に対応する部分を中心として、面方向に沿って遠ざかる方向に、または、面方向に沿って放射状に徐々に透気度が高くなるように形成されている。具体的には、アノード側拡散層８２０Ｂ１は、導電性シート８６０の各貫通孔８６５に対応する部分を中心として、面方向に沿って遠ざかる方向に、気孔率が大きくなるように形成されている。このようにすれば、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて、貫通孔８６５に対向する部分から導入された燃料ガスは、面方向に沿って放射状に広がりつつ、アノード側拡散層８２０Ｂ内部に拡散するので、アノード側拡散層８２０Ｂにおいて燃料ガスの不拡散領域が生じることを抑制することができる。その結果、触媒層８２０Ａに燃料ガスを略均一に供給することができ、燃料電池全体の発電効率を向上させることができる。なお、上記では、アノード側拡散層８２０Ｂ１の透気度を、気孔率を変化させることにより変化させているが、これに限られず、アノード側拡散層８２０Ｂ１の透気度を、アノード側拡散層８２０Ｂ１内部の細孔の口径、アノード側拡散層８２０Ｂ１の材質、または、これらの組み合わせによって、変化させるようにしてもよい。このように、本実施例の燃料電池１００Ｂは、アノード８２０において、燃料ガスが分散しやすいガス分散構造となっている。
【００８３】
Ｄ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００８４】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池において、アノード側拡散層は、アノード側多孔体８４０より透気度が高いものが用いられていたが、本発明はこれに限られるものではなく、アノード側多孔体８４０は、アノード側拡散層より透気度が高いものを用いてもよい。このようにすれば、アノード側多孔体８４０において、燃料ガスが分散しやすくなり、導電性シート８６０の各貫通孔８６５に分散して燃料ガスを供給することができる。
【００８５】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池は、酸化ガスとして、空気を用いているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化ガスとして、酸素を含めばよく、酸素以外のガスが混合した所定の混合ガスを用いることができる。
【００８６】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例の燃料電池は、アノードデットエンド運転型の燃料電池であり、燃料ガスを循環ポンプ等で循環させる必要がなく、省スペース化、または、循環のためのポンプ動力を削減することができ、エネルギ効率を向上させることができる。従って、上記実施例の燃料電池は、自動車、電車、飛行機、船舶、リニアモータカなどの移動体に搭載するのに好適である。
【００８７】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池は、アノードデットエンド運転型の燃料電池であるが、本発明はこれに限られるものではなく、燃料ガスを循環させる循環型燃料電池に適用してもよい。
【００８８】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池は、固体高分子型の燃料電池であったが、本発明は、これに限られず、水素分離膜型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、リン酸型燃料電池等、種々の燃料電池に適用可能である。
【００８９】
Ｄ６．変形例６：
上記実施例の燃料電池において、導電性シートの各貫通孔の口径は、同様であったが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電性シートの各貫通孔において、酸化ガス供給スリット４４０（すなわち、カソード８３０に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給口）からの相対距離が遠くなる程、言い換えれば、酸化ガス排出スリット４４４（すなわち、カソード８３０から酸化ガスを排出するための酸化ガス排出口）からの相対距離が近くなるほど、その口径が大きくなるようにしてもよい。
【００９０】
Ｄ７．変形例７：
上記実施例の燃料電池において、導電性シートは、金シートが用いられているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電性シートは、金以外の導電性部材で形成されていてもよく、例えば、チタン、ステンレスで形成されてもよい。この場合、導電性シートは、アノード側多孔体８４０の一方の面に、熱圧着、ろう付け、溶接などによって接合される。
【００９１】
また、導電性シートを、ポリマー型導電性ペーストで形成してもよい。このポリマー型導電性ペーストは、例えば、銀ペースト、カーボンペースト、銀・カーボンペーストなどがある。この場合、ポリマー型導電性ペーストをシート状にした後に、アノード側多孔体８４０の一方の面に熱圧着により接合するようにしてもよい。
【００９２】
Ｄ８．変形例８：
上記実施例の燃料電池において、アノード側に供給された燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造（アノードデットエンド構造）となっているが、本発明はこれに限られるものではなく、アノード８２０側から燃料ガスを排出するための機構、例えば、燃料ガス排出口や燃料ガス排出流路、燃料ガス排出マニホールドなどを有していてもよい。この場合、この燃料電池は、燃料電池の外部に、燃料ガス排出マニホールドから排出される燃料ガスを遮断可能な遮断弁（以下では、遮断弁Ｎと呼ぶ）を備え、その遮断弁Ｎを閉弁した状態で、アノード側多孔体８４０(アノード側)に供給した燃料ガスのほぼ全量を、アノード８２０に吸収させ、消費させる作動モードを有していてもよい。このようにしても上記実施例の燃料電池と同様の効果を奏することができる
【００９３】
Ｄ９．変形例９：
上記実施例の燃料電池では、アノード８２０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８２０への燃料ガス供給の流路構成としては、種々の構成が採用可能である。以下では、上記実施例の燃料電池のように、アノード８２０にシャワー状に燃料ガスを供給する構成（シャワー流路タイプとも呼ぶ）の変形例を以下に説明する。
【００９４】
シャワー流路の第１変形例：図１７は、シャワー流路の第１変形例の構成を示す説明図である。第１変形例は、上記実施例の導電性シート８６０に相当する分散板２１００がＭＥＡ２０００と一体として形成された構成を有している。ＭＥＡ２０００は、アノード２２００と電解質膜２３００とを有している。また、分散板２１００には、所定間隔で多数の貫通孔（オリフィス）２１１０が設けられている。
【００９５】
図１８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アノード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に設けられた貫通孔２１１０を通って、燃料ガス消費層であるアノード２２００に局所的に供給される。つまり、本変形例の燃料電池では、燃料ガスは、貫通孔２１１０の存在位置に対応する部位のアノード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、アノード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、あるいはアノード２２００の面外の離れた方向（好ましくはアノード２２００から隔離された流路）からアノード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、アノード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。
【００９６】
分散板２１００の貫通孔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、貫通孔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、貫通孔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、貫通孔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。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。
【００９７】
シャワー流路の第２変形例：図１９は、シャワー流路の第２変形例の構成を示す説明図である。この変形例では、アノード２２００と電解質膜２３００とを備えたＭＥＡ２２０１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。また燃料ガスのアノード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。多孔体は、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、シャワー流路の第１変形例と同様に決定すればよい。
【００９８】
シャワー流路の第３変形例：図２０は、シャワー流路の第３変形例として、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２１は、図２０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の両側にアノード２２００とカソード２４００とを備えたアノード２２００側に配置されており、図２１に示すように、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、アノード２２００に供給される。
【００９９】
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、アノード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、シャワー流路の第１変形例と同様に決定すればよい。
【０１００】
シャワー流路の第４変形例：図２２は、シャワー流路の第４変形例として、分散板２０１４ｈｍの内部に、流路を形成した構成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、図示しないアノード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）とカソード２４００とを備えたＭＥＡ２２０３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２２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。
【０１０１】
シャワー流路の第５変形例：図２３は、シャワー流路の第５変形例として、パイプを使用して分散板２０１４ｈｐを形成した構成を示す説明図である。分散板２０１４ｈｐは、図２３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、アノード２２００とで電解質膜２３００とを備えたＭＥＡ２２０４のアノード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、アノード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、アノード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。
【０１０２】
以上説明したように、燃料ガスをアノード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アノード２２００に導くように構成されていればよい。
【０１０３】
Ｄ１０．変形例１０：
上記実施例の燃料電池では、燃料ガス供給流路は、多孔体を用いた多孔体タイプの流路であったが、燃料ガス供給流路の形態は種々の構成を採ることができる。以下では、燃料ガス供給流路の変形例を説明する。
【０１０４】
図２４は、いわゆる分岐流路タイプの燃料ガス供給流路を用いた構成例を示す模式図である。図示する燃料ガス供給流路は、上記実施例の燃料電池におけるアノード側多孔体８４０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、アノード側多孔体８４０と同程度もしくはそれ以下となっている。
【０１０５】
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２４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。
【０１０６】
なお、この流路形成部材５０００は、アノード側多孔体８４０ごと代えて用いてもよいが、アノード側多孔体８４０および導電性シート８６０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２４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。
【０１０７】
次に、図２５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２５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２５（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２５（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。
【０１０８】
図示するように、図２５（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２４の流路形成部材５０００と同様、上記実施例のアノード側多孔体８４０に代えて用いられる。
【０１０９】
図２５（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２４の流路形成部材５０００と同様、上述した実施例の多孔体８４０に代えて用いられる。
【０１１０】
図２５に示した流路形成部材５１００，５２００は、図２４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。
【０１１１】
Ｄ１１．変形例１１：
図２６は、燃料ガス供給流路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、燃料ガス供給流路となる凹部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。燃料ガス供給流路となる凹部６２２０は、アノード側セパレータ６２００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。
【０１１２】
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から燃料ガス供給流路（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リークガス（不活性ガス）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、燃料ガス供給流路、および、アノード６１２０表面における上記流体の滞留を抑制することができる。
【０１１３】
なお、上記変形例の燃料電池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、燃料ガス供給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。
【０１１４】
Ｄ１２．変形例１２：
図２７及び図２８を用いて、上記実施例の燃料電池における燃料ガス供給形態の変形例について説明する。図２７は、燃料ガス供給形態の第１変形例としての燃料ガスの流れを説明する説明図である。図２８は、燃料ガス供給形態の第２変形例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２つの燃料電池では、発電体は、フレーム７５５０とＭＥＡ７５１０とアノード側多孔体７５４０を備える。フレーム７５５０の中央部には、ＭＥＡ７５１０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、ＭＥＡ７５１０が配置される。アノード側多孔体７５４０はＭＥＡ７５１０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。
【０１１５】
燃料ガス供給形態の第１変形例および第２変形例は、上記実施例と比較して、アノード側多孔体において、２つの方向から燃料ガスが供給される点で異なる。燃料ガス供給形態の第１変形例と第２変形例は、全体構造はほぼ同一であり、燃料ガスが、図示しないセパレータを介して供給される点は、同一であるが、アノード側多孔体７５４０への燃料ガスの供給方向が互いに異なっている。燃料ガス供給形態の第１変形例では、図２７に示すように、アノード側多孔体７５４０に燃料ガスを供給するための一つの燃料ガス供給スリット７４１７ａは、フレーム７５５０の開口部７５５５の外縁部のうち、一つの長辺近傍に設けられ、もう一つの燃料ガス供給スリット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、第２の変形例では、図２８に示したように、燃料ガス供給スリット７５１７ａ及び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。
【０１１６】
燃料ガス供給形態の第１変形例では、燃料ガスは、燃料ガス供給スリット７４１７ａや燃料ガス供給スリット７４１７ｂを通り、アノード側多孔体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２７において上から下）へ、あるいは矢印７６００ｂの方向（図２８において下から上）に供給される。このとき、燃料ガス供給スリット７４１７ａを通ってアノード側多孔体７５４０に供給された燃料ガスと燃料ガス供給スリット７４１７ｂを通ってアノード側多孔体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、燃料ガス供給形態の第２変形例では、燃料ガスは、燃料ガス供給スリット７５１７ａや燃料ガス供給スリット７５１７ｂを通り、アノード側多孔体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２８において左から右）及び矢印７７００ｂの方向（図２８において右から左）に流れる。燃料ガス供給形態の第２の変形例でも、燃料ガス供給スリット７５１７ａを通ってアノード側多孔体７５４０に供給された燃料ガスと燃料ガス供給スリット７５１７ｂを通ってアノード側多孔体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。
【０１１７】
以上説明した燃料ガス供給形態の第１と第２の変形例によれば、燃料ガスは、アノード側多孔体７５４０に対して、対向する２つの辺の端部側に設けられた燃料ガス供給スリット７４１７ａおよび７４１７ｂ（あるいは燃料ガス供給スリット７５１７ａおよび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、アノード側多孔体７５４０の中央部でぶつかって互いに混合するので、リークガス（不活性ガス）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、アノード側多孔体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、燃料ガス供給形態の第１と第２の変形例では燃料ガス供給流路として多孔体を用いているが、燃料ガス供給流路は多孔体に限られず、後述する種々の供給方式が利用可能である。
【０１１８】
Ｄ１３．変形例１３：
上記実施例の燃料電池の始動時制御について説明する。本変形例の燃料電池では、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８２０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ＴＡを確保することは有効である。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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８２０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】
【０１２１】
【図１】燃料電池システム１０００および第１実施例の燃料電池１００の説明図である。
【図２】燃料電池１００の側面図である。
【図３】シール一体発電アセンブリ２００の正面図（図２においてシール一体発電アセンブリ２００を右側から見た図）である。
【図４】図３におけるＡ−Ａ断面の一部を示す断面図である。
【図５】導電性シート８６０の正面図である。
【図６】アノード側拡散層８２０Ｂの様子を表す図である。
【図７】セパレータ６００のうちカソードプレート４００の形状を示す説明図である。
【図８】セパレータ６００のうちアノードプレート３００の形状を示す説明図である。
【図９】セパレータ６００のうち中間プレート５００の形状を示す説明図である。
【図１０】セパレータ６００の正面図である。
【図１１】燃料電池１００内における反応ガスの流れを示す説明図である。
【図１２】図１１のＸ領域の拡大図である。
【図１３】比較例１としての燃料電池であって比較的透気度が高いアノード側拡散層８２０Ｂにおける燃料ガスの拡散の様子を示す図である。
【図１４】比較例２としての燃料電池であって切欠き溝８２１を有さないアノード側拡散層８２０Ｂにおける燃料ガスの拡散の様子を示す図である。
【図１５】本発明の第２実施例に係る燃料電池１００Ａにおける切欠き溝８２１ａの構造を説明する説明図である。
【図１６】本発明の第３実施例に係る燃料電池１００Ｂにおけるアノード側拡散層８２０Ｂ１の構造を説明する説明図である。
【図１７】シャワー流路の第１変形例の構成を示す説明図である。
【図１８】分散板２１００の機能を説明する説明図である。
【図１９】シャワー流路の第２変形例の構成を示す説明図である。
【図２０】シャワー流路の第３変形例として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２１】図２０におけるＣ−Ｃ断面を示す模式図である。
【図２２】シャワー流路の第４変形例として分散板２０１４ｈｍの内部に流路を形成した構成を示す説明図である。
【図２３】シャワー流路の第５変形例としてパイプを使用して分散板２０１４ｈｐを形成した構成を示す説明図である。
【図２４】いわゆる分岐流路タイプの燃料ガス供給流路を用いた構成例を示す模式図である。
【図２５】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２６】燃料ガス供給流路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２７】燃料ガス供給形態の第１変形例としての燃料ガスの流れを説明する説明図である。
【図２８】燃料ガス供給形態の第２変形例についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。
【図２９】本発明の燃料電池の一つの構成例（その１）を示す図である。
【図３０】本発明の燃料電池の一つの構成例（その２）を示す図である。
【符号の説明】
【０１２２】
２４…ＭＥＡ
１００，１００Ａ，１００Ｂ…燃料電池
１１０…酸化ガス供給マニホールド
１２０…酸化ガス排出マニホールド
１３０…燃料ガス供給マニホールド
１５０…冷却媒体供給マニホールド
１６０…冷却媒体排出マニホールド
２００…シール一体発電アセンブリ
３００…アノードプレート
３２２…マニホールド形成部
３５０…燃料ガス供給スリット
４００…カソードプレート
４００同様…カソードプレート
４２２…マニホールド形成部
４４０…酸化ガス供給スリット
４４４…酸化ガス排出スリット
５００…中間プレート
５２２〜５２６…マニホールド形成部
５４２…酸化ガス導入流路形成部
５４４…酸化ガス排出流路形成部
５４６…燃料ガス導入流路形成部
５５０…冷却媒体流路形成部
６００…セパレータ
６３０…燃料ガス導入流路
６５０…酸化ガス導入流路
６６０…酸化ガス排出流路
６７０…冷却媒体流路
７００…シール部材
７１０…支持部
７２０…リブ
８００…積層部材
８１０…電解質膜
８２０…アノード
８２０Ａ…触媒層
８２０Ｂ，８２０Ｂ１，８２０Ｂａ…アノード側拡散層
８２１，８２１ａ…切欠き溝
８３０…カソード
８３０Ａ…触媒層
８３０Ｂ…カソード側拡散層
８４０…アノード側多孔体
８４０…多孔体
８５０…カソード側多孔体
８６０…導電性シート
８６５…貫通孔
１０００…燃料電池システム
１１００…高圧水素タンク
１１１０…水素供給配管
１１２０…水素遮断弁
１１２０…遮断弁
１１３０…レギュレータ
１２００…エアコンプレッサ
１２１０…空気供給配管
１２２０…排出配管
１３００…制御部
２０００…ＭＥＡ
２０１４ｈｍ…分散板
２０１４ｈｐ…分散板
２１００…分散板
２１０１…分散板
２１０２…分散板
２１０２ｔ…突部
２１１０…貫通孔
２１１２…細孔
２１３０…パイプ
２１４０…フレーム
２１４１ｎ…細孔
２１４２ｎ…流路
２１４３ｎ…細孔
２２００…アノード
２２０１…ＭＥＡ
２２０３…ＭＥＡ
２２０４…ＭＥＡ
２３００…電解質膜
２４００…カソード
５０００…流路形成部材
５０００面…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
６１２０表面…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…燃料ガス供給スリット
７４１７ｂ…燃料ガス供給スリット
７５１０…ＭＥＡ
７５１７ａ…燃料ガス供給スリット
７５１７ｂ…燃料ガス供給スリット
７５４０…アノード側多孔体
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、
電解質膜の一方の面側に設けられ、分散して点在し、燃料ガスが導入される複数のガス導入スポットを有するアノードと、
前記電解質膜の他方の面側に設けられるカソードと、
前記燃料ガスが通過可能な複数のガス通過部を有し、各ガス通過部を介して前記アノードの各ガス導入スポットにそれぞれ前記燃料ガスを導入するためのガス導入部と、
を備え、
前記アノードは、前記燃料ガスが、各ガス導入スポットからアノード面に沿って遠ざかる方向に分散しやすいガス分散構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記アノードは、
前記電解質膜の一方の面の外側に設けられる触媒層と、前記触媒層の外側に設けられるガス拡散層と、を備え、
少なくとも、前記ガス拡散層は、前記複数のガス導入スポットを有し、前記ガス分散構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記アノードは、前記ガス分散構造として、各ガス導入スポットから前記反対面に沿って遠ざかる方向に向かって形成される溝を有す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、
前記溝は、前記ガス導入スポットを中心として、前記反対面に沿って、放射状、若しくは、蜘蛛の巣状に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記アノードは、前記ガス分散構造として、各ガス導入スポットから前記反対面に沿って遠ざかる方向に、透気度が低くなる構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記ガス導入部は、
前記アノードの外側に設けられ、ガス不透過であると共にシート状の導電性シート部であり、
前記ガス導入部の前記ガス通過部は、
前記導電性シート部において、シート面に沿って分散して配置された複数の貫通孔であり、
さらに、前記燃料電池は、
前記導電性シート部の外側に設けられ、前記燃料ガスを前記導電性シート部の面に沿った方向に流すと共に、前記燃料ガスを前記導電性シートの各貫通孔に分散して供給するための燃料ガス供給流路を形成する流路形成部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記ガス導入部は、
内部を前記燃料ガスが通過するパイプ状部材であり、
前記ガス導入部の前記ガス通過部は、
前記パイプ状部材において、分散して配置された複数の貫通孔であることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記ガス導入部は、
内部を前記燃料ガスが通過するパイプ状部材であり、
前記ガス導入部の前記ガス通過部は、
前記パイプ状部材において、端部の開口部であることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池において、
前記ガス導入部から前記アノードに供給された前記燃料ガスのほぼ全量をアノードで消費することを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の燃料電池において、
前記アノード側は、前記アノードに供給された燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の一方の面側に設けられ、分散して点在し、燃料ガスが導入される複数のガス導入スポットを有するアノードと、
前記電解質膜の他方の面側に設けられるカソードと、
前記燃料ガスが通過可能な複数のガス通過部を有し、各ガス通過部を介して前記アノードの各ガス導入スポットにそれぞれ前記燃料ガスを導入するためのガス導入部と、
を備え、
前記アノードは、前記燃料ガスが、各ガス導入スポットからアノード面に沿って遠ざかる方向に分散しやすいガス分散構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記アノードは、
前記電解質膜の一方の面の外側に設けられる触媒層と、前記触媒層の外側に設けられるガス拡散層と、を備え、
少なくとも、前記ガス拡散層は、前記複数のガス導入スポットを有し、前記ガス分散構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記アノードは、前記ガス分散構造として、各ガス導入スポットから前記反対面に沿って遠ざかる方向に向かって形成される溝を有す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、
前記溝は、前記ガス導入スポットを中心として、前記反対面に沿って、放射状、若しくは、蜘蛛の巣状に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記アノードは、前記ガス分散構造として、各ガス導入スポットから前記反対面に沿って遠ざかる方向に、透気度が低くなる構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記ガス導入部は、
前記アノードの外側に設けられ、ガス不透過であると共にシート状の導電性シート部であり、
前記ガス導入部の前記ガス通過部は、
前記導電性シート部において、シート面に沿って分散して配置された複数の貫通孔であり、
さらに、前記燃料電池は、
前記導電性シート部の外側に設けられ、前記燃料ガスを前記導電性シート部の面に沿った方向に流すと共に、前記燃料ガスを前記導電性シートの各貫通孔に分散して供給するための燃料ガス供給流路を形成する流路形成部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記ガス導入部は、
内部を前記燃料ガスが通過するパイプ状部材であり、
前記ガス導入部の前記ガス通過部は、
前記パイプ状部材において、分散して配置された複数の貫通孔であることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記ガス導入部は、
内部を前記燃料ガスが通過するパイプ状部材であり、
前記ガス導入部の前記ガス通過部は、
前記パイプ状部材において、端部の開口部であることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池において、
前記ガス導入部から前記アノードに供給された前記燃料ガスのほぼ全量をアノードで消費することを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の燃料電池において、
前記アノード側は、前記アノードに供給された燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造であることを特徴とする燃料電池。
【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２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【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２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【公開番号】特開２００９−２６５１２（Ｐ２００９−２６５１２Ａ）
【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２００７−１８６６１５（Ｐ２００７−１８６６１５）
【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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