JP5361204B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関し、特に燃料電池スタックの酸化剤流路の構成に関する。

固体高分子型燃料電池は、基本的にプロトン伝導性を有する高分子電解質膜、及びその両面に配置された一対の触媒層、及び電極からなる。
触媒層は、一般に白金あるいは白金族金属触媒からなる。触媒層の外面には、ガス供給と集電を担うガス拡散層が設けられる。
高分子電解質膜と触媒層を一体化させたものを膜電極接合体（ＭＥＡ）と言い、一方の電極に燃料（水素）を、他方に酸化剤（酸素）を供給し、水を生成する過程で発電が行われる。
燃料を供給する側の電極を燃料極、酸化剤を供給する側の電極を酸化剤極と呼び、両側の電極から電力が取り出される。

一組の膜電極接合体から成る燃料電池単セルの理論電圧は約１．２３Ｖで、通常の運転状態においては０．７Ｖ程度で使用されることが多い。
そのため、より高い起電圧を必要とする場合には、複数のセルを積層し、各セルを電気的に直列化して用いられる。
このような積層構造は燃料電池スタックと呼ばれる。通常、スタック内では、酸化剤流路と燃料流路をセパレータと呼ばれる部材で隔離する。板状のセパレータのそれぞれに凹凸の溝を形成し、膜電極接合体に面した凹部をガス流路、凸部を集電部として構成する。
携帯電子機器に使用されるような燃料電池においては、酸化剤である空気の取り込みは、外気を自然拡散あるいはファンなどの送気手段で直接供給することが多い。また、積層型のスタック構成においては、空気の取り入れはスタック側面からのみとなる。

このような燃料電池スタックでは、複数のセルが同時に発電を行うが、積層されていることから、放熱の割合が各部で異なってくる。
即ち、積層方向の中央に位置したセルほど熱が篭りやすく、また、両端に位置したセルほど熱を放出しやすい傾向にある。
そのため、燃料電池スタックの積層方向に対して、中央で最も温度が高く、相対的に両端で温度が低いという、温度の分布を有してしまう。
これら温度の分布に対して、燃料電池スタックの各セルは異なる温度条件下で発電を行うことになる。
このため、以下のような不具合が生じやすくなる。
まず、積層方向最上段あるいは最下段に位置するセルほどフラッディング現象が生じやすくなる。
フラッディング現象は酸化剤極で生成した水が凝集し、酸化剤極内のガス拡散性を悪化させ、特性低下を引き起こす現象である。スタック内で温度に分布が生じると、温度の低いセルほど水が凝集しやすいため、両端部に位置するセルほどフラッディングが起こりやすい。
また、積層方向中央部に位置するセルほどドライアウト現象が生じやすくなる。ドライアウト現象は固体高分子電解質中の水分量が温度の上昇とともに減少し、セルの内部抵抗を高くし、特性の低下を引き起こす現象である。
温度の高いセルほど酸化剤極で生成した水の蒸散が激しくなるため、中央部に位置するセルほどドライアウトが起こりやすい。

このような温度分布に対する特性の不安定さを是正するために、特許文献１では、燃料電池スタックの各セルへの空気供給量に分布を持たせるようにした燃料電池スタックが提案されている。
この燃料電池スタックでは、各セルのセパレータに形成された酸化剤流路に対して、その流路断面積を温度の低い両端部で最も大きくする構成とされている。
このため、供給された空気の取り込み量が両端部で大きくなり、温度が低くても水の凝集が起こりにくくなり、積層方向に対するフラッディングの発生度合いのばらつきが緩和される。
また、特許文献２では、燃料電池スタックの各セルの酸化剤流路の断面積を、中央部で最も大きくするようにした燃料電池が提案されている。
ここでは、空気の供給量を中央部で最も大きくすることで、空気を介した排熱により、中央部のセルの放熱量を大きくし、ドライアウトを抑制するように構成されている。
特開２００５−３４０１７３号公報 特開２００４−３１１２７９号公報

しかしながら、上記従来例のものにおいては、つぎのような課題を有している。
すなわち、特許文献１のものにおいては、スタックの発電温度は機器側の要求出力や、動作環境要因などで大きく振られる場合が生じる。
また、温度の分布は、スタック全体の温度が高いほど大きくなる傾向にあるため、全体温度が低い場合には中央部のセルの温度も突出して高くなるということは少ない。
ここで、特許文献１では、積層方向中央部のセルの酸化剤流路の断面積が相対的に小さくなっているため、空気の取り込み量が小さく絞られている。
このため、燃料電池スタックの発電温度が十分に上がっていない場合には、逆に中央部のセルでフラッディングが生じやすくなってしまうが、これに対処するための構成について何も開示されていない。

また、特許文献２のものにおいては、加湿された燃料あるいは酸化剤を供給する外部加湿型の燃料電池スタックは別として、供給ガスを加湿しない自己加湿型の燃料電池スタックにおいては、必ずしも有効ではない。
自己加湿型の燃料電池スタックでは、外部から空気を直接取り入れるため、スタックの発電温度が外部温度よりも高ければ、供給される空気の湿度は相対的に小さなものとなる。
このような湿度の低い空気を高温になりやすい中央部に多く供給することは、ドライアウトをより起こりやすくさせる場合が生じる。

本発明は、上記課題に鑑み、空気の供給量に分布を持たせるようにした燃料電池スタックを構成するに際し、積層方向の温度分布に対して、フラッディング耐性とドライアウト耐性を、より安定に両立させることが可能となる燃料電池スタックの提供を目的とする。

本発明は、つぎの（１）から（１１）のように構成した燃料電池スタックを提供するものである。
（１）本発明の燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜の両側に燃料極と酸化剤極が配置された膜電極接合体と、
前記酸化剤極側に配置され、酸化剤を供給する開口部を備えた酸化剤流路形成部材と、
前記酸化剤流路形成部材の開口部に配置され、該酸化剤流路形成部材を流通する酸化剤の流量を規制する酸化剤流量規制手段と、
を有する燃料電池セルを、セパレータを介して３セル以上積層して構成された燃料電池スタックであって、
前記酸化剤流路形成部材における酸化剤の一定圧力当たりの流量［ｓｃｃｍ］をコンダクタンスＣ１とし、前記酸化剤流量規制手段が配置された前記開口部における前記酸化剤の一定圧力当たりの流量［ｓｃｃｍ］をコンダクタンスＣ２とするとき、
前記燃料電池スタックを構成するすべての燃料電池セルにおける前記コンダクタンスＣ１と前記コンダクタンスＣ２の大小関係はＣ１＞Ｃ２の関係にあり、且つ、Ｃ１／Ｃ２の値が前記燃料電池スタックを構成する両端の燃料電池セルよりも大きい値を有する内側の燃料電池セルを、少なくとも一つ備えていることを特徴とする。
上記（１）の燃料電池スタックの構成によれば、積層方向に対して、酸化剤（空気）の供給量は中央部で小さく、両端部で大きくなる。これにより、温度の低い両端部でのフラッディングと、温度の高い中央部でのドライアウトを抑制できる。
（２）また、本発明の燃料電池スタックは、前記燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルにおける前記コンダクタンスＣ１の値が略同一であり、
前記コンダクタンスＣ２の値が前記両端の燃料電池セルよりも小さい値を有する内側の燃料電池セルを少なくとも１つ備えていることを特徴とする。
上記（２）の燃料電池スタックの構成によれば、酸化剤極近傍のコンダクタンスＣ１が各セルで等しいため、各セルでの発電部直上でのガス拡散性をより均一に保つことができる。
このため、スタックの発電温度が十分に上がりきらない場合でも、積層方向中央のセルで特別にフラッディングが生じやすいという状態を緩和することが可能となる。
（３）また、本発明の燃料電池スタックは、前記燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルにおける前記コンダクタンスＣ１の値が、前記両端の燃料電池セルよりも前記内側の燃料電池セルが大きい値を有し、
且つ、前記コンダクタンスＣ２の値が、前記両端の燃料電池セルよりも前記内側の燃料電池セルが小さい値を有することを特徴とする。
上記（３）の燃料電池スタックの構成によれば、スタックの発電温度が十分に上がりきらない場合でも、積層方向中央のセルのフラッディングに対する耐性をさらに高めることができる。
（４）また、本発明の燃料電池スタックは、前記酸化剤流路形成部材が、発泡金属によって構成されていることを特徴とする。
上記（４）の燃料電池スタックの構成によれば、ガス拡散の均一性をより高め、且つ、集電の均一性をより高めることが可能である。
（５）また、本発明の燃料電池スタックは、前記酸化剤流量規制手段が、前記開口部の開口部面積を減らす手段によって構成されていることを特徴とする。
上記（５）の燃料電池スタックの構成によれば、酸化剤流量規制手段を設けた場合でも、セルの膜電極接合体に対応する部分のガス拡散性自体を低下させることが少ない。
（６）また、本発明の燃料電池スタックは、前記開口部の開口部面積を減らす手段が、開口部面積を減らす構造遮蔽物で構成されていることを特徴とする。
上記（６）の燃料電池スタックの構成によれば、酸化剤流路形成部材の開口部に遮蔽物を配置するという簡単な構成によりコンダクタンスＣ２の調整を簡便に行うことが可能となる。
（７）また、本発明の燃料電池スタックは、前記構造遮蔽物が、梁状部材であることを特徴とする。
上記（７）の燃料電池スタックの構成によれば、複雑な形状を有さない梁状部材を用いることで開口面積の調整を簡便に行うことが可能となる。
（８）また、本発明の燃料電池スタックは、前記梁状部材が、前記酸化剤流路形成部材と膜電極接合体の間に配置されることを特徴とする。
上記（８）の燃料電池スタックの構成によれば、梁状部材と酸化剤流路形成部材とを嵌合させることができるため、アライメントが容易となり、また、組み立て性が向上する。
（９）また、本発明の燃料電池スタックは、前記梁状部材が、前記酸化剤流路形成部材と前記セパレータの間に配置されることを特徴とする。
上記（９）の燃料電池スタックの構成によれば、梁状部材をセパレータと一体的に構成することが可能となり、部材点数を削減できる。
（１０）また、本発明の燃料電池スタックは、前記梁状部材は、該梁状部材の厚さが前記燃料電池スタックを構成する前記両端の燃料電池セルよりも前記内側の燃料電池セルの方が厚いことを特徴とする。
上記（１０）の燃料電池スタックの構成によれば、梁状部材の厚みを変えるという簡便な構成でコンダクタンスＣ２の調整が可能となる。
（１１）また、本発明の燃料電池スタックは、前記開口部の開口面積を減らす手段が、前記開口部の一部を圧縮変形させる手段で構成されていることを特徴とする。
上記（１１）の燃料電池スタックの構成によれば、コンダクタンスの調整を酸化剤流路形成部材自身で行うことができるため、遮蔽物を配置する必要が無く、部材点数の削減に繋がる。

本発明によれば、空気の供給量に分布を持たせるようにした燃料電池スタックを構成するに際し、積層方向の温度分布に対して、フラッディング耐性とドライアウト耐性を、より安定に両立さることが可能となる燃料電池スタックを実現することができる。

つぎに、本発明の実施の形態における燃料電池スタックについて説明する。
図１に、本実施形態の燃料電池スタックにおけるセルの構成を説明するための模式的分解斜視図を示す。
また、図２には本実施形態における燃料電池システムの概略構成を説明するための図を示す。
本実施形態の燃料電池システムは、図１に示す構成部材からなるセルの酸化剤流路形成部材における酸化剤の一定圧力当たりの流量［ｓｃｃｍ］をコンダクタンスＣ１とし、
酸化剤流量規制手段が配置された開口部における上記酸化剤の一定圧力当たりの流量［ｓｃｃｍ］をコンダクタンスＣ２とするとき、
これらのコンダクタンスに違いを持たせたものを、セパレータ（バイポーラプレート）を介して３セル以上積層してなる燃料電池スタックを備える。
図２において、１は燃料電池システム、２は燃料タンク、３は燃料流路、４は空気供給ファン、５は燃料電池セル、６は膜電極接合体、７は燃料極、８は酸化剤極、９は電子機器、１０は燃料電池スタックである。

本実施の形態の燃料電池システム１は、燃料極と酸化剤極とを含む発電部と、発電部に燃料を供給する燃料タンクとを備えている。
そして、燃料として純水素やメタノール等、どのような燃料を供給する方式のものでも用いることができる。
また、燃料電池の発電部の基本構成とし、両面に触媒層を設けたプロトン伝導性の高分子電解質膜からなる膜電極接合体６、両側の触媒層上に各々ガス拡散層、流路形成部材等からなる燃料極７、酸化剤極８の二つの電極を有する。
燃料極へは燃料タンク２から燃料流路３を通じて燃料が供給され、また、酸化剤極へは空気供給ファン４を介して外気中の空気が供給される。
燃料タンク２は、燃料を燃料電池に供給できるものならばどのようなものを用いても良い。
また、燃料としては、純水素や水素吸蔵材料に吸蔵された水素、メタノールやエタノールなどの液体燃料が挙げられる。
また、液体燃料及びその改質器を有して改質水素を燃料電池に供給する方式を用いることもできる。
高出力密度の燃料電池を得るためには、燃料として純水素を供給する方式が用いられ、燃料タンクに水素吸蔵合金を使用すれば、より低圧で効率良く純水素を蓄えることができる。
燃料流路３は、燃料タンクから供給された水素燃料を系外へリークさせることのないよう、部品間の接続部分にはシール部材が配置されている。

次に、本実施の形態の燃料電池スタックにおけるセルの構造について、図１を用いて説明する。
図１において、２１は膜電極接合体、２２、２６はガス拡散層、２３、３１は電極板、２４は燃料極室、２５はシール材、２７は酸化剤流路形成部材、２８は支持部材、２９は構造保持部材、３０は酸化剤流量規制手段、３２はボルト穴、３３は燃料流路である。
本実施の形態における燃料電池セルの構成は、膜電極接合体２１を間に挟む形で、燃料極側には電極板２３、ガス拡散層２２、シール材２５を備えている。
また、酸化剤極側にはガス拡散層２６、酸化剤流路形成部材２７、支持部材２８、構造保持部材２９、酸化剤流量規制手段３０、電極板３１を備えている。
燃料極側電極板２３は、導電性のステンレス等の金属に金メッキが施されたものであり、燃料極に対応する位置には燃料極室２４が設けられている。
ガス拡散層２２はカーボンペーパーやカーボンクロス等の通気性のある導電性部材であり、前記燃料極室に収められている。
シール材２５はシール機能を有する材料であって、電極板の外周縁を囲むように配置されており、締結時に膜電極接合体２１と電極板２３との間に密閉空間を形成し、燃料極室からの水素の漏れを防いでいる。
これらシール材には、ガスケットやＯ−リング、接着剤などが用いられる。
酸化剤極側には、ガス拡散層２６と酸化剤流路形成部材２７が積層され、また、酸化剤流路形成部材の開口部には酸化剤流量規制手段３０が配置される。
ガス拡散層２６には燃料極側のガス拡散層２２と同様にカーボンペーパーやカーボンクロス等が用いられる。
酸化剤流路形成部材２７の材料としては、ステンレスやニッケル−クロムの合金等を用いることができる。
酸化剤流路形成部材２７の形状としては、それらの金属を多孔質化させた発泡金属が均一性の高い流路形成と電極部材からの集電性に優れており、好ましく用いることができる。
また、それらの金属から成る柱状部材で構成される並列柱状部材、もしくは三次元格子状の部材などでも良く、これらを用いれば、より大きな流路を形成でき、生成した水によって流路が閉塞される可能性を減らすことができる。

ガス拡散層２６と膜電極接合体２１の接触部分の周囲を囲み、かつ、燃料極側のシール材２５に対応する位置には、支持部材２８が配置されている。
支持部材２８の材料としては、導電性は必要ないが、耐腐食性及び剛性が高いことが求められ、ステンレス等の金属やセラミックスあるいはプラスチックが用いられ得る。
また、支持部材２８の高分子電解質膜と接触する面との反対側には酸化剤流路形成部材２７が設けられており、締結時には、支持部材２８の少なくとも一部に対して、酸化剤流路形成部材２７から直接的あるいは間接的に圧力を印加する。
これによって、締結の圧力をシール材に均等に与えることができるため、燃料の封止をより確実なものにすることができる。
構造保持部材２９は少なくとも酸化剤流路形成部材２７よりも剛性の高い部材で形成され、セルの高さ、具体的にはガス拡散層２６と酸化剤流路形成部材２７の厚さを規定することで、ガス拡散層２６と酸化剤流路形成部材２７の過度の変形を防止する部材である。
また、構造保持部材２９はボルト穴３２を有している。
また、構造保持部材２９には燃料流路３３が形成されており、燃料電池スタックを構成した後にはセルの積層方向に対して燃料マニホルドとなる。
燃料マニホルドからの燃料の漏洩を防止するために、燃料の種類に応じて適宜シール部材が各構成部材間に挿入されることがある。
このように形成した燃料マニホルドは、剛性の高い構造保持部材２９で形成されるため、締結時もしくは締結後の変形や位置ずれによる燃料の漏洩を防止することができる。
構造保持部材２９の材料として好適に用いられる剛性の高い材料としては、ステンレス等の金属やセラミックス、プラスチックが挙げられる。
構造保持部材が支持部材上に設けられていると、締結の圧力は構造保持部材を通して支持部材に伝えられることになり、支持部材のアライメント精度が向上する。
構造保持部材２９と支持部材２８は別々に構成されても良いが、それらが一体に構成されていると、燃料電池製造時のアライメントが不要となる。

酸化剤流量規制手段３０は酸化剤流路形成部材２７の開口部に形成されている。配置箇所は、開口部の全面であっても良いし、一部であっても構わない。
また、開口部の片側のみに配置されてあっても良く、両側に配置されても良い。これら、酸化剤流量規制手段は、酸化剤流路形成部材の開口部面積を減らす構造遮蔽物であって、その形状や材質は任意に選択可能である。板状の部材や梁状部材でも良いし、網目状の部材であっても良い。
酸化剤流路形成部材の多孔度よりも小さな多孔度を有したフィルター状部材であっても良いし、粘状物質であって、酸化剤流路形成部材の開口部付近に含浸して、開口部を遮蔽するようなものであっても構わない。
また、開口部の一部を圧縮変形させる手段で構成するようにしてもよい。

本実施形態においは、上記したように、コンダクタンスに違いを持たせたものを複数積層してなる燃料電池スタックを備える。
ここで、セルの酸化剤流路形成部材における酸化剤の一定圧力当たりの流量［ｓｃｃｍ］をコンダクタンスＣ１とし、
酸化剤流量規制手段が配置された開口部における酸化剤の一定圧力当たりの流量［ｓｃｃｍ］をコンダクタンスＣ２とするとき、
コンダクタンスＣ２をコンダクタンスＣ１より小さな値を持つように構成される。
このため、セルの空気の供給はコンダクタンスＣ２によって規制されることになる。

次に、本実施の形態の燃料電池スタックについて説明する。
図３から図８に、本実施の形態の燃料電池における燃料電池スタックの構成を説明するための図を示す。
なお、図６は図５のＡ−Ａ断面を示す図であり、図８は図５のＢ−Ｂ断面を示す図である。
図３から図８において、１０は燃料電池スタック、１１はスタックボルト、１２はカプラ、１３はエンドプレートである。
本実施の形態の燃料電池スタック１０は、電子機器の負荷に応じて複数個のセルが直列に接続されて構成されている（本実施の形態では図として４つのセルを接続した構成例を示す）。
各セルにはそれぞれボルト穴と燃料流路があり、図７に示すように積層してエンドプレート１３で挟み込む。
そして、ボルト穴にスタックボルト１１を通し締結する。この際に、各セル及びエンドプレート１３が電気的に導通してしまわないよう、電気絶縁性を有するボルトを用いるか、ボルトと接触する可能性のある部材とボルトの間に絶縁部材を挿入する。これにより、各セルが電気的に直列に接続され、各燃料電池セル間の燃料極が燃料流路によって連結される。

また、このように電気的に直列にセルを積層した構成では、前述の燃料極側・酸化剤極側の電極板はセパレータと共通化されバイポーラプレートとなる。

図４に示すように、燃料電池スタック１０の燃料流路には、燃料タンクがカプラ１２を通して接続されている。
燃料は図６に矢印で示すように燃料流路を通って各燃料電池セルに供給される。また、酸化剤である空気は、燃料電池スタックの側面の酸化剤流路形成部材２７が露われた部分から、自然拡散あるいは空気供給ファンなどを介して供給される。
燃料電池スタックを構成する各セルにはそれぞれ酸化剤流路形成部材に酸化剤流量規制手段が配置されている。
図８において、上記したように酸化剤流路形成部材２７の内部のコンダクタンスをＣ１、酸化剤流量規制手段３０が設けられた開口部のコンダクタンスをＣ２としたとき、
本実施形態の燃料電池スタックは、その両端のセルのＣ１／Ｃ２の値よりも大きいＣ１／Ｃ２の値を有するセルが内側に配置されている。
ここで、各セルのＣ１とＣ２の大小関係は全てＣ１＞Ｃ２であり、空気の供給量はよりコンダクタンスの小さいＣ２によって規制されることから、Ｃ１／Ｃ２の値が大きいセルほど空気は流れにくいことになる。
従って、燃料電池スタックの積層方向両端のセルで相対的に空気の流れは大きくなり、中央部のセルで相対的に空気の流れは小さくなる。

以上の本実施形態の燃料電池スタックの構成によれば、燃料電池スタックの積層方向の温度分布に対して、各セル毎の酸化剤流路の構成を設計することで、燃料電池スタックの安定駆動を可能とする。
具体的には、温度が相対的に低いセルに対して、フラッディングを抑制することが可能である。
また、温度の高いセルに対して、ドライアウトを抑制することが可能である。
これにより、セル毎の発電性能のばらつきを抑えられ、高出力で安定した発電が可能な燃料電池スタックを提供することができる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、上記した実施形態における構成を適用した燃料電池スタックについて説明する。
図９に、本実施例の燃料電池スタックにおけるセルの構成を説明するための模式的分解斜視図を示す。
また、図１０に図５の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図を示す。
また、図１１に図１０の断面線Ｃ−Ｃに対応する位置で支持部材４８を切断した断面図を示す。
本実施例では、まずセルの構成に基づいてコンダクタンスＣ１及びＣ２の設計手法について説明する。
酸化剤流路形成部材にはステンレスやニッケル−クロム合金等を多孔質化させた発泡金属を使用する。発泡金属４７は部材圧損の少ないもの、即ち空気流通のコンダクタンスが大きなものを使用する。
構造保持部材４９と支持部材４８は、それぞれが独立した部材からなり、図９で示すように構造保持部材が支持部材上に設けられる構成となっている。
これら構造保持部材と支持部材の材料としてはステンレスを使用する。ガス拡散層と発泡金属の厚みの和は、締結時に構造保持部材と支持部材の高さの和で規定される。

酸化剤流量規制手段には、支持部材４８をもってその機能を持たせる。即ち、図１１で示す、支持部材の梁状部分（梁状部材）４８ａの厚みをもって、発泡金属の開口部面積の調整が可能に構成されている。例えば、図１０に示すように、梁状部材の厚さを前記燃料電池スタックを構成する両端の燃料電池セルよりも内側の燃料電池セルの方を厚くすること、等によりこれらの開口部面積の調整が可能となる。
この場合、発泡金属は支持部材の梁状部分に嵌合するよう凸形状を有している。該形状への加工には、ワイヤー加工等によって、支持部材に接する部分の発泡金属を削り落とすことで可能である。
また、燃料電池の組立てを行なう前に、発泡金属と支持部材と構造保持部材とを重ね合わせた状態でプレスすることで、全体の厚みを保ちつつ支持部材に接する部分の発泡金属を潰したものを予め形成することができる。
上記構成によって、酸化剤流路形成部材である発泡金属４７は、内部のコンダクタンスＣ１に対して、それよりも小さいコンダクタンスＣ２を開口部に設けることが可能となる。

また、図１０で示されるように、本実施例の燃料電池スタックは、上記梁状部材を酸化剤流路形成部材と膜電極接合体の間に配置して構成されたセルを、複数積層することで形成される。このとき、Ｃ１／Ｃ２の値が両端のセルよりも内側のセルで大きくなるように調整することができる。
Ｃ１／Ｃ２の値は、発泡金属４７の開口部の面積によって変えることができる。このとき、燃料電池スタックの各セルのＣ１を等しく設定すれば、各セルの発電面直上でのガス拡散性を等しくすることが可能となり好ましい。
各セルのＣ１を等しくし、Ｃ２をセル間で変えるためには、構造保持部材４９と支持部材４８の高さの和を各セルとも同一とし、かつ構造保持部材と支持部材の高さの比率を変化させれば良い。
これにより、各セルにおけるコンダクタンスＣ１の値を略同一とし、コンダクタンスＣ２の値が前記両端の燃料電池セルよりも小さい値を有する内側のセルを少なくとも１つ備えた燃料電池スタックを構成することができる。

本実施例によれば、温度が低くなりやすい燃料電池スタック両端部のセルに対して、空気の供給量を大きくし、また、温度が高くなりやすい中央部のセルに対して、空気の供給量を小さくすることが可能となる。
したがって、セル毎の発電性能のばらつきを抑えられ、高出力で安定した発電が可能な燃料電池スタックを提供することができる。
また、支持部材の梁状部分と発泡金属を嵌合させる構成により、部材間のアライメントが容易となり、組み立て性が向上する。

（実施例１の構成例）
つぎに、上記実施例１の燃料電池スタックにおいて、代表的な材料と数値を用いて作製した場合における具体的構成例について説明する。
まず、本実施例で使用したセルの構成について説明する。
ここでは、セルの外形を短冊状とし、幅は約１０ｍｍ、長さは約３５ｍｍとした。
固体高分子電解質膜には、ナフィオン（登録商標：Ｎａｆｉｏｎ）膜（デュポン社製、ＮＲＥ−２１２ ＣＳ）を使用した。
また、これにスパッタリング法により形成された微細構造を有する白金堆積物を、該表面上に高分子電解質溶液を塗布した後に、両側から高分子電解質膜に熱圧着させることで膜電極接合体４１を得た。
高分子電解質膜は燃料電池の外形同様に幅は約１０ｍｍ、長さは約３５ｍｍであり、電解質膜中央に触媒電極を設けた。触媒電極の反応面積は約２ｃｍ²とした。
燃料極室４４からの水素の漏れを防ぐために、燃料極側電極板４３の外周縁にはシール材４５を配置し、締結時に膜電極接合体４１と電極板４３の間で密閉空間を形成した。
酸化剤極側には、ガス拡散層として厚み約０．３５ｍｍのカーボンクロス（Ｅ−ＴＥＫ社製）と、酸化剤流路形成部材として発泡金属（住友電気工業社製）を配置した。発泡金属はニッケル−クロムを主成分とする剛性の高い材料であり、呼び孔径が約９００μｍ、気孔率が約９５％のものを使用した。
構造保持部材４９と支持部材４８はステンレス材料をもって個別に形成されたものを用いた。
構造保持部材が支持部材上に設けられる構成とし、また、構造保持部材と支持部材はカーボンクロス４６の周囲を覆うように、かつ、燃料極側のシール材４５に対応するように配置した。
発泡金属４７には支持部材４８の梁状部分４８ａと嵌合するように凸形状を形成し、梁状部分の厚みと凸部の高さを規定することで、カーボンクロス４６の圧縮量を揃えた。

まず、図１２（ａ）で示すような支持部材４８の梁状部分４８ａの高さを圧縮後のカーボンクロス４６の厚みと揃うようにしたセルに対して、発泡金属４７の厚みを変えた場合のコンダクタンスの関係を図１３（ａ）に示した。
コンダクタンスはセルの開口部の片側に外部マニホルドを設置し、供給された空気が発泡金属内を通過するときの風量およびマニホルド内の圧力から傾きを求め、１Ｐａあたりに流れる風量［ｓｃｃｍ］という値で定義した。
図１３（ａ）に示すように、開口部高さに対してコンダクタンスの値を制御良く変化させることが可能であった。
この場合、支持部材４８の梁状部分４８ａは発泡金属４７の開口面積を減らすことがないので、発泡金属の厚みは開口部の高さとなる。
また、図１４には、開口部の高さに対して、導入圧を調整して２０ｓｃｃｍという一定量の空気を供給した場合の、セルの最大出力密度の関係を示した。
図１４から明らかなように、空気の供給量自体が一定であっても、ある出力を取り出すためには、最低限必要な開口部高さが存在することが分かる。
一般に、セルの出力密度が１００ｍＷ／ｃｍ^２以上であれば、種々の利用に供することができるため、発泡金属開口部の高さは、０．４ｍｍ以上であることが好ましい。

次に、図１３に本発明の実施例１の検討で用いられた燃料電池セルの開口部高さに対するコンダクタンスの関係を示す。
ここには、図１２（ｂ）で示す発泡金属４７が支持部材４８の梁状部分４８ａと嵌合するセルに対して、構造保持部材４９と支持部材の高さの和を１ｍｍと一定に保ちつつ、支持部材の梁状部分の厚みを種々変えた場合のコンダクタンスの関係が示されている。
コンダクタンスの測定方法は前述通りである。この場合も、開口部高さに対してコンダクタンスの値を制御良く変化させることが可能であり、コンダクタンスの規制は発泡金属全体の高さではなく、開口部高さであることが分かる。また、コンダクタンスＣ１は、発泡金属の全高に依存し、コンダクタンスＣ２は開口部高さに依存している。
さらに、図１２（ａ）、（ｂ）の構成のセルに対して、発電温度や風量を種々変えた場合の、安定出力値を見積もった。
図１５は、発電温度と風量の二軸のマップ上に、セルの安定出力値をプロットしていき、ある任意の出力値以上の領域を囲っていったものである。
セルの発電温度はヒータによる温度調節を使用し、また、出力値は３５０ｍＡ／ｃｍ²の電流密度で３０分駆動させた後の値を用いている。出力の領域は２３０ｍＷ／ｃｍ²以上を示した部分が等高線的に囲繞されてある。

図１５（ａ）の結果は、図１２（ａ）のセルに対して、構造保持部材４９と支持部材４８の高さの和を１ｍｍとし、支持部材の梁状部分４８ａの厚みを０．１ｍｍとした場合のものである。
カーボンクロス４６は０．１ｍｍにまで圧縮され、開口部の高さ（発泡金属全高）は０．９ｍｍとなっている。
また、図１５（ｂ）の結果は、図１２（ａ）のセルに対して、構造保持部材と支持部材の高さの和を０．７ｍｍとし、支持部材の梁状部分の厚みを０．１ｍｍとした場合のものである。
この場合もカーボンクロスは０．１ｍｍにまで圧縮され、開口部の高さ（発泡金属全高）は０．６ｍｍとなっている。
また、図１５（ｃ）の結果は、図１２（ｂ）のセルに対して、構造保持部材と支持部材の高さの和を１ｍｍとし、支持部材の梁状部分の厚みを０．４ｍｍとした場合のものである。
発泡金属の凸面の高さを規定することで、締結時にカーボンクロスは０．１ｍｍにまで圧縮されている。
また、発泡金属の全高が０．９ｍｍであるのに対して、開口部の高さは０．６ｍｍとなっている。
図１５（ａ）では、安定領域が、温度が低く風量の低い領域を示していることから、フラッディングに対して耐性を有する構成であることが分かる。
一方で、温度が高く風量の大きい右上の領域では出力が減じていることから、ドライな環境に弱いことが分かる。
また、温度が高くても風量の小さい左上の領域に安定領域が存在することから、ドライに対して耐性を持たせるためには、温度が高い状態でも風量を小さく抑えれば良いことが分かる。
図１５（ａ）の構成に対して、風量を小さく抑えるためには、図１３で示したように発泡金属の開口部高さを小さくする、図１５（ｂ）或いは図１５（ｃ）の構成をとれば良い。
ここで、図１５（ａ）に対して、図１５（ｂ）の安定領域は、風量が大きく発電温度の高い右上へとシフトし、しかもその領域は狭くなっている。
温度の低く風量の小さい領域で出力が減じたことから、この構成のセルでは、ドライな環境に対しては耐性を有するが、逆にウェットな環境に対してはフラッディングが起こりやすいことを示している。
単純に発泡金属全高を小さくするだけでは安定領域を広げる効果は無いことを示している。

一方、図１５（ａ）に対して、図１５（ｃ）の安定領域は、温度の低く風量の小さい領域をやや減じながらも保ちつつ、温度が高く風量の大きい領域へと広がっている。
これから、この構成のセルでは、フラッディング耐性を保ちつつ、ドライな環境に対しても耐性を有していることを示している。
即ち、発泡金属のコンダクタンスＣ１とＣ２の関係において、Ｃ１＞Ｃ２の関係を有したセル構成でフラッディング耐性を保ちつつ、ドライな環境に対しても耐性を上げていくことができた。
また、支持部材の梁状部分の厚みでＣ２の値を変化させることで、空気の流量を制御し、安定領域を左右にシフトさせることが可能となる。
図１６は、空気の供給量が一定のセルにおいて、支持部材の梁状部分の厚みを振り、開口部高さ変えたときの、各温度に対する出力値を示したものである。
出力値は３５０ｍＡ／ｃｍ²の電流密度で６０分駆動させた後の値を用いている。図から、発泡金属開口部の高さに応じて、それぞれ最適な温度域を持たせることができている。

本実施例の燃料電池スタックは、上記セルを複数個積層して形成した。
燃料電池スタックの積層方向の温度分布、即ち、両端部で温度が低く、中央部で温度が高いということを考慮して、積層方向に対して空気のコンダクタンスに分布を持たせた構成とした。
ここで、本実施例の燃料電池スタックとして、１２セルを積層したスタックについて述べていく。
まず、酸化剤流路構成に違いを持たせることなく、発泡金属厚みと開口部高さの等しいセルを１２層積層したスタックを作製した。
発泡金属の厚みは１ｍｍ、開口部高さは０．９ｍｍとした。この燃料電池スタックを３５０ｍＡ／ｃｍ²の定格電流で駆動した場合に、スタック温度が何度に到達するかを測定した。
スタックは、気温２５℃、湿度５０％の環境下に置かれ、環境下と等しい温度／湿度の空気を供給した。
また、スタック側面の構造保持部材が連なる箇所には、３５℃の水が循環した冷却部材を押し当てた。
燃料電池スタックの温度は起動初期から上昇し、数分後にはほぼ一定の値を示すようになった。
このとき、スタック両端のセルが約５５℃、端部から２番目のそれぞれのセルが約６０℃、端部から３番目のそれぞれのセルが約６５℃であった。
また、それ以外の内側のセルでは、温度はほぼ等しく約７０℃であった。
温度分布に対し、酸化剤流路の設計を行わなかった上記スタックでは、両端のセルでフラッディングが起こりやすく、また、フラッディングを避けるために空気の供給量を上げた場合には、中央のセルでドライアウトしやすかった。
空気の供給量を変化させた場合でも安定して駆動できる領域が見つからず、特性が不安定であった。

そこで、本実施例の燃料電池スタックでは、１ｍｍの厚さを持つ発泡金属の開口部の高さを、温度分布に対応するよう変化させた。また、温度と開口部高さの関係は図１６を参考にした。
安定後に約５５℃であった両端のセルの開口部高さを０．９ｍｍ、約６０℃であった端部から２番目のそれぞれのセルの開口部高さを０．８ｍｍとした。
また、約６５℃であった端部から３番目のそれぞれのセルの開口部高さを０．７ｍｍ、約７０℃であったそれ以外のセルの開口部高さを０．６ｍｍとした。
これらの構成により、温度が低い両端のセルで空気の供給量を大きくし、温度が高い内側のセルで空気の供給量を小さくした。
本実施例の燃料電池スタックでは、３５０ｍＡ／ｃｍ²での駆動に対して、発電温度が想定温度域に到達している状態で、安定駆動が可能であった。
即ち、温度の低い両端部でのフラッディングを抑制し、温度の高い中央部でのドライアウトを抑制する効果を有していた。
また、スタック温度が十分に上がりきらない場合を想定して、発電環境温度を低く設定しても中央部のセルでフラッディングが特に生じやすいという状況にはならなかった。

（比較例）
本実施例のスタックの比較例として、支持部材４８の梁状部分４８ａで流量規制を施されない、図１２（ａ）の構成のセルを複数積層した燃料電池スタックを作製した。
比較例の燃料電池の構成は、支持部材の梁状部分で発泡金属４７の開口部高さが小さくならない以外は実施例１と同様であって、１２セルを積層した構成である。
図１７に、比較例の燃料電池におけるセルの構成を説明するための図５の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図を示す（図として４つのセルを接続した構成例を示す）。
燃料電池スタックは、図１３（ａ）で見られるように発泡金属全高を変えることで空気の流量を制御した。
温度の低い両端部では、発泡金属全高を大きくして流量を大きくし、温度の高い中央部では、発泡金属全高を小さくして流量を小さくした。
これら発泡金属の全高は、図１６と同様に発泡金属全高を変えたときの、各温度に対する出力値の関係から選択した。
燃料電池スタックの発電温度が想定温度域にまで到達している状態で、比較例の燃料電池スタックは安定駆動が可能であった。
即ち、温度の低い両端部のフラッディングを抑制し、温度の高い中央部のドライアウトを抑制する効果を有していた。
しかしながら、スタック温度が十分に上がりきらない場合を想定して、発電環境温度を低く設定したところ、中央部のセルでフラッディングによる特性低下が見られた。

［実施例２］
実施例２においては、上記した実施形態における構成を適用した上記実施例１とは別の形態の燃料電池スタックについて説明する。
本実施例の燃料電池スタックの構成は、開口部面積を減らす構造遮蔽物を構成する梁状部材５０を酸化剤極側電極板５１側に別に形成した以外は、基本的には図９に示した実施例１と同様である。
図１８に、本実施例の燃料電池における燃料電池スタックの構成を説明するための図５の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図を示す。
本実施例では、支持部材４８には同一部材を使用する。新たに酸化剤流路形成部材を構成する発泡金属と電極板（セパレータ）の間に梁状部材５０が配置され、該梁状部材の厚みによって、発泡金属の開口部高さを規定し、コンダクタンスＣ１およびＣ２の関係を有させることができる。
また、該構成のセルの開口部高さを変えたときの、各温度に対する安定出力値の関係も実施例１と同様である。
本実施例の燃料電池スタックは、上記構成のセルを複数積層して形成される。
本実施例の構成によれば、積層方向の温度分布に応じて各セルのコンダクタンスを両端部で大きく、中央部で小さく調整することにより、燃料電池スタックのより安定な駆動が可能となる。
また、梁状部材５０を電極板５１側に設置することで、両者の一体的な形成が可能となる。また、発泡金属４７は支持部材４８の梁状部分４８ａと、電極側の梁状部材５０との両方に嵌合するため、嵌め込み式で組み立て性が容易になる。

［実施例３］
実施例３においては、上記した実施形態における構成を適用し上記各実施例とは別の形態の燃料電池スタックについて説明する。
本実施例の燃料電池スタックの構成は、後述するように発泡金属４７の形成に特徴を持たせた以外は、基本的には図９に示した実施例１と同様である。
本実施例は、支持部材４８には同一部材を使用して、梁状部分４８ａの厚みを振ることはしない。
発泡金属４７は、例えば、図１９で示すような開口部となる部分が厚みを持った構造体として用意される。
燃料電池の組み立てを行う前に、該構造の発泡金属と支持部材と構造保持部材とを重ね合わせた状態でプレスすることで、発泡金属の形状を凸状にすることができる。
このとき、発泡金属の開口部はその他の部分よりも潰し量が大きくなるため、開口部で気孔率が相対的に小さくなる。
これによって、発泡金属に対して、コンダクタンスＣ１およびＣ２の関係を与えることができる。
本実施例の燃料電池スタックは、上記構成のセルを複数積層して形成される。
本実施例によれば、積層方向の温度分布に応じて各セルのコンダクタンスを両端部で大きく、中央部で小さく調整することにより、燃料電池スタックのより安定な駆動が可能となる。

［実施例４］
実施例４においては、上記した実施形態における構成を適用し上記各実施例とは別の形態の燃料電池スタックについて説明する。
本実施例の燃料電池スタックの構成は、後述するようにＣ１とＣ２の各セル間での関係を規定した以外は、基本的には図９に示した実施例１と同様である。
図２０に、本実施例の燃料電池における燃料電池スタックの構成を説明するための図５の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図を示す。
本実施例では、発泡金属４７の内部のコンダクタンスＣ１が、スタック両端のセルよりも内側のセルで大きく、且つ、開口部のコンダクタンスＣ２が、スタック両端のセルよりも内側のセルで小さくなるように構成されている。
具体的には、発泡金属４７の全高はスタック両端のセルよりも内側のセルで大きく、且つ、支持部材４８の梁状部分４８ａによって規定される発泡金属の開口部高さは、スタック両端のセルよりも内側のセルで小さくなっている。
本実施例の構成により、温度が低くなりやすい燃料電池スタック両端部のセルに対して、空気の供給量を大きくし、また、温度が高くなりやすい中央部のセルに対して、空気の供給量を小さくすることが可能となる。
これにより、温度が低い両端部のセルに対して、フラッディングを抑制することが可能である。
また、温度の高い中央部のセルに対して、ドライアウトを抑制することが可能である。
加えて、スタックの発電温度が十分に上がりきらないときに懸念される中央部のセルでのフラッディングに対しても、耐性をさらに高めることが可能となる。

本発明の実施の形態の燃料電池スタックにおける燃料電池セルの構成を説明するための分解斜視図。 本発明の実施の形態における燃料電池システムの概略構成を説明するための図。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を説明するための斜視図。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を説明するための断面図。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックにおける構成を説明するための斜視図。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックにおける構成を説明するための図５の断面線Ａ−Ａに対応する位置で切断した断面図。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックにおける構成を説明するための斜視図。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を説明するための図５の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図。 本発明の実施例１の燃料電池スタックにおける燃料電池セルの構成を説明するための分解斜視図。 本発明の実施例１の燃料電池スタックにおける構成を説明するための図５の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図。 本発明の実施例１の燃料電池スタックにおけるセル構成を説明するための図１０の断面線Ｃ−Ｃに対応する位置で切断した断面図。 本発明の実施例１における燃料電池セルの構成を説明するための図５の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図。 本発明の実施例１における燃料電池セルの開口部高さに対するコンダクタンスの関係を表す図。 本発明の実施例１における燃料電池セルの開口部高さに対する最大出力値の関係を表す図。 本発明の実施例１における燃料電池セルの温度と風量に対する安定出力領域を表す図。 本発明の実施例１における燃料電池セルの開口部高さと温度に対する出力値の関係を表す図。 本発明の実施例１との比較例の燃料電池スタックの構成を説明するための図５の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図。 本発明の実施例２の燃料電池スタックにおける構成を説明するための図５の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図。 本発明の実施例３の燃料電池スタックにおける発泡金属の構成を説明するための図。 本発明の実施例４の燃料電池スタックにおける構成を説明するための図５の断面線Ｂ−Ｂに対応する位置で切断した断面図。

符号の説明

１：燃料電池システム
２：燃料タンク
３：燃料流路
４：空気供給ファン
５：燃料電池セル
６：膜電極接合体
７：燃料極
８：酸化剤極
９：電子機器
１０：燃料電池スタック
１１：スタックボルト
１２：カプラ
１３：エンドプレート
２１：膜電極接合体
２２，２６：ガス拡散層
２３,３１：電極板
２４：燃料極室
２５：シール材
２７：酸化剤流路形成部材
２８：支持部材
２９：構造保持部材
３０：酸化剤流量規制手段
３２：ボルト穴
３３：燃料流路
４１：膜電極接合体
４２，４６：カーボンクロス
４３,５１：電極板
４４：燃料極室
４５：シール材
４７：発泡金属
４８：支持部材
４８ａ：梁状部分
４９：構造保持部材
５０：梁状部材

Claims (11)

1. 固体高分子電解質膜の両側に燃料極と酸化剤極が配置された膜電極接合体と、
   前記酸化剤極側に配置され、酸化剤を供給する開口部を備えた酸化剤流路形成部材と、
   前記酸化剤流路形成部材の開口部に配置され、該酸化剤流路形成部材を流通する酸化剤の流量を規制する酸化剤流量規制手段と、
   を有する燃料電池セルを、セパレータを介して３セル以上積層して構成された燃料電池スタックであって、
   前記酸化剤流路形成部材における酸化剤の一定圧力当たりの流量［ｓｃｃｍ］をコンダクタンスＣ１とし、前記酸化剤流量規制手段が配置された前記開口部における前記酸化剤の一定圧力当たりの流量［ｓｃｃｍ］をコンダクタンスＣ２とするとき、
   前記燃料電池スタックを構成するすべての燃料電池セルにおける前記コンダクタンスＣ１と前記コンダクタンスＣ２の大小関係はＣ１＞Ｃ２の関係にあり、且つ、Ｃ１／Ｃ２の値が前記燃料電池スタックを構成する両端の燃料電池セルよりも大きい値を有する内側の燃料電池セルを、少なくとも一つ備えていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルにおける前記コンダクタンスＣ１の値が略同一であり、
   前記コンダクタンスＣ２の値が前記両端の燃料電池セルよりも小さい値を有する内側の燃料電池セルを少なくとも１つ備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルにおける前記コンダクタンスＣ１の値が、前記両端の燃料電池セルよりも前記内側の燃料電池セルが大きい値を有し、
   且つ、前記コンダクタンスＣ２の値が、前記両端の燃料電池セルよりも前記内側の燃料電池セルが小さい値を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
4. 前記酸化剤流路形成部材は、発泡金属によって構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
5. 前記酸化剤流量規制手段は、前記開口部の開口部面積を減らす手段によって構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
6. 前記開口部の開口部面積を減らす手段は、開口部面積を減らす構造遮蔽物で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタック。
7. 前記構造遮蔽物は、梁状部材であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池スタック。
8. 前記梁状部材は、前記酸化剤流路形成部材と膜電極接合体の間に配置されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池スタック。
9. 前記梁状部材は、前記酸化剤流路形成部材と前記セパレータの間に配置されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池スタック。
10. 前記梁状部材は、該梁状部材の厚さが前記燃料電池スタックを構成する前記両端の燃料電池セルよりも前記内側の燃料電池セルの方が厚いことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の燃料電池スタック。
11. 前記開口部の開口面積を減らす手段は、前記開口部の一部を圧縮変形させる手段で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタック。

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