(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層及び該電解質層を挟む一対の電極を有する電解質層−電極接合体と、
板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、一方の前記電極と接触する内面に溝状の第１反応ガス流路が形成された導電性の第１セパレータと、
板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、他方の前記電極と接触する内面に溝状の第２反応ガス流路が形成された導電性の第２セパレータと、
前記電極にガスが透過するのを抑制する１以上のガス透過抑制部と、を備え、
前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの前記内面は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１反応ガス流路の第１反応ガスの通流方向における上流端から最初に一方の前記電極と接触する部分を少なくとも含む領域（以下、第１領域）を有しており、
前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの前記内面は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第２反応ガス流路の第２反応ガスの通流方向における上流端から最初に他方の前記電極と接触する部分を少なくとも含む領域（以下、第２領域）と、を有しており、
前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路の少なくとも一方の流路においては、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１領域と重なるように前記ガス透過抑制部が配置されており、かつ、前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路の少なくとも一方の流路においては、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第２領域と重なるように前記ガス透過抑制部が配置され、
前記第１反応ガス流路の前記ガス透過抑制部は、前記第１反応ガス流路の開口をカバー部材が覆うことにより形成されており、
前記第２反応ガス流路の前記ガス透過抑制部は、前記第２反応ガス流路の開口をカバー部材が覆うことにより形成されており、
前記カバー部材の前記第１反応ガス流路又は前記第２反応ガス流路を覆う部分には、貫通孔が開けられている、燃料電池。
【請求項２】
電解質層及び該電解質層を挟む一対の電極を有する電解質層−電極接合体と、
板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、一方の前記電極と接触する内面に溝状の第１反応ガス流路が形成された導電性の第１セパレータと、
板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、他方の前記電極と接触する内面に溝状の第２反応ガス流路が形成された導電性の第２セパレータと、
前記電極にガスが透過するのを抑制する１以上のガス透過抑制部と、を備え、
前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの前記内面は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１反応ガス流路の第１反応ガスの通流方向における上流端から最初に一方の前記電極と接触する部分を少なくとも含む領域（以下、第１領域）を有しており、
前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの前記内面は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第２反応ガス流路の第２反応ガスの通流方向における上流端から最初に他方の前記電極と接触する部分を少なくとも含む領域（以下、第２領域）と、を有しており、
前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路の少なくとも一方の流路においては、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１領域と重なるように前記ガス透過抑制部が配置されており、かつ、前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路の少なくとも一方の流路においては、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第２領域と重なるように前記ガス透過抑制部が配置され、
前記第１反応ガス流路の前記ガス透過抑制部は、前記第1セパレータと一体化し、前記第１セパレータをくり抜いたトンネルで構成されており、
前記第２反応ガス流路の前記ガス透過抑制部は、前記第２セパレータと一体化し、前記第２セパレータをくり抜いたトンネルで構成されている、燃料電池。
【請求項３】
電解質層及び該電解質層を挟む一対の電極を有する電解質層−電極接合体と、
板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、一方の前記電極と接触する内面に溝状の第１反応ガス流路が形成された導電性の第１セパレータと、
板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、他方の前記電極と接触する内面に溝状の第２反応ガス流路が形成された導電性の第２セパレータと、
前記電極にガスが透過するのを抑制する１以上のガス透過抑制部と、を備え、
前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの前記内面は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１反応ガス流路の第１反応ガスの通流方向における上流端から最初に一方の前記電極と接触する部分を少なくとも含む領域（以下、第１領域）を有しており、
前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの前記内面は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第２反応ガス流路の第２反応ガスの通流方向における上流端から最初に他方の前記電極と接触する部分を少なくとも含む領域（以下、第２領域）と、を有しており、
前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路の少なくとも一方の流路においては、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１領域と重なるように前記ガス透過抑制部が配置されており、かつ、前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路の少なくとも一方の流路においては、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第２領域と重なるように前記ガス透過抑制部が配置され、
前記第１反応ガス流路の前記ガス透過抑制部は、前記第１反応ガス流路の開口をカバー部材が覆うことにより形成されており、
前記第２反応ガス流路の前記ガス透過抑制部は、前記第２反応ガス流路の開口をカバー部材が覆うことにより形成されており、
前記第１セパレータ及び第２セパレータの少なくとも一方の内面の前記第１領域又は前記第２領域には、前記カバー部材の前記第１セパレータ又は前記第２セパレータと当接しない側の主面と前記第１セパレータ又は前記第２セパレータの内面とが全体として同一平面上に位置するように、凹部が設けられている、燃料電池。
【請求項４】
前記ガス透過抑制部は、暗渠状に形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記カバー部材は、導電性の材料で構成されている、請求項１又は３に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カバー部材の多孔度が、前記電極のガス拡散層の多孔度よりも小さい、請求項１又は３に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記カバー部材は、多孔度が０の材料で構成されている、請求項１又は３に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記第１セパレータの前記トンネルには、該第１セパレータの内面に開口する貫通孔が設けられ、
前記第２セパレータの前記トンネルには、該第２セパレータの内面に開口する貫通孔が設けられている、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの前記第１領域及び前記第２領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記第２反応ガス流路は、前記第２セパレータの前記第１領域及び前記第２領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの前記第１領域及び前記第２領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成され、
前記第２反応ガス流路は、前記第２セパレータの前記第１領域及び前記第２領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの前記第１領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成され、
前記第２反応ガス流路は、前記第２セパレータの前記第２領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの前記第２領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成され、
前記第２反応ガス流路は、前記第２セパレータの前記第１領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記第１反応ガス流路と前記第２反応ガス流路は、並行流となるように形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記第１反応ガス流路と前記第２反応ガス流路は、対向流となるように形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記第１反応ガス流路と前記第２反応ガス流路は、サーペンタイン状に形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記第１反応ガス流路は、第１上流ガス流路と第１下流ガス流路と前記第１上流ガス流路と前記第１下流ガス流路を連通し直線状に形成された複数の第１連通ガス流路とから構成され、
前記第２反応ガス流路は、第２上流ガス流路と第２下流ガス流路と前記第２上流ガス流路と前記第２下流ガス流路を連通し直線状に形成された複数の第２連通ガス流路とから構成され、
前記第１上流ガス流路の上流端が前記第１反応ガス流路の上流端であり、前記第１下流ガス流路の下流端が前記第１反応ガス流路の下流端であり、
前記第２上流ガス流路の上流端が前記第２反応ガス流路の上流端であり、前記第２下流ガス流路の下流端が前記第２反応ガス流路の下流端である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１８】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池が複数積層して締結されている、燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及びこれを備える燃料電池スタックの構成、特に高分子電解質形燃料電池の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素を含有する燃料ガスと空気等の酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電気と熱を同時に発生させるものである。
【０００３】
ＰＥＦＣの単電池（セル）は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極積層体）と、ガスケットと、導電性のセパレータと、を有している。セパレータには、ガス拡散電極と当接する主面に燃料ガス又は酸化剤ガス（これらを反応ガスという）を流すための溝状の反応ガス流路（燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路）が設けられている。そして、周縁部にガスケットが配置されたＭＥＡが一対のセパレータで挟まれて、セルが構成されている。また、このように構成されたセルを複数積層し、積層されたセルの両端を端板で挟み、該端板とセルとを締結具により締結することにより、ＰＥＦＣが形成される。
【０００４】
このようなＰＥＦＣのセルにおいては、アノードでは、化（１）に示す反応が起こり、カソードでは、化（２）に示す反応が起こる。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−（化１）
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ（化２）
なお、ＰＥＦＣが発電中には、カソードで生成した水の一部が逆拡散して、アノードに移動する。
【０００５】
ところで、燃料ガスとして水素を使用し、酸化剤ガスとして空気を使用する場合、水素と反応する酸素をカソードに供給するためには、水素の約２．５倍の空気が必要となるため、酸化剤ガス流路の流路幅を燃料ガス流路の流路幅よりも大きくした燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。酸化剤ガス流路の流路幅を燃料ガス流路の流路幅よりも大きくすると、両極間でセパレータと膜電極接合体との接する面積が異なる。このため、特許文献１に開示されている燃料電池では、アノード側セパレータとカソード側セパレータの少なくとも一方に、膜電極接合体（ＭＥＡ）との接触面積を両極で概略等しくするための補助部材を設けることにより、セルの両極側からかかる面圧力を均一化している。
【０００６】
また、ガスケットが反応ガス流路に落ち込むことを防止するために、ガス流路の端部に平板を取り付けてトンネル状のガス流路を形成し、平板と該平板に覆われるガス流路領域との間にシール手段を介在させた、燃料電池用プレートが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３２７１６２号公報
【特許文献２】特開２００８−９１１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池では、燃料電池を高温低加湿（例えば、反応ガスの露点を燃料電池スタック内の温度よりも低くする）の条件で運転すると、反応ガス流路の上流部では、上記反応が充分に行われていないため、水が生成されず、高分子電解質膜の反応ガス流路の上流部に対向する部分が乾燥し、膜が劣化するおそれがあった。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池、特に、高分子電解質形燃料電池を高温低加湿条件下で運転するような場合に、電解質層（高分子電解質膜）の劣化を抑制することができる燃料電池及びそれを備える燃料電池スタック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】
【００１０】
ところで、燃料電池の運転中においては、ガス拡散電極（以下、電極という）における反応ガス流路に面する部分の水分（液体及び気体の水）含有量が、電極における隣接する反応ガス流路間に形成されたリブ部に接触する部分の水分含有量に比べて低いことが知られている。図２２は、燃料電池運転中における、電極の水分含有量を示す模式図である。
【００１１】
本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下の点を見出した。すなわち、図２２に示すように、電極２０２における隣接する反応ガス流路２０３間に形成されたリブ部２０４に接触する部分２０２Ａに存在する水が、電極２０２における反応ガス流路２０３に面する部分２０２Ｂ側に拡散して、電極２０２のリブ部２０４と反応ガス流路２０３との境界近傍は、電極２０２の部分２０２Ｂの中央部分に対して、水分含有量が高くなっていることを見出した。換言すると、電極２０２のリブ部２０４に接触する部分２０２Ａから離れると水分含有量が少なくなることを見出した。そして、本発明者等は以下に記載する構成を採用することが、上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であるということを見出し、本発明を想到した。
【００１２】
すなわち、本発明に係る燃料電池は、電解質層及び該電解質層を挟む一対の電極を有する電解質層−電極接合体と、板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、一方の前記電極と接触する内面に溝状の第１反応ガス流路が形成された導電性の第１セパレータと、板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、他方の前記電極と接触する内面に溝状の第２反応ガス流路が形成された導電性の第２セパレータと、前記電極にガスが透過するのを抑制する１以上のガス透過抑制部と、を備え、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの前記内面は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１反応ガス流路の第１反応ガスの通流方向における上流端から最初に一方の前記電極と接触する部分を少なくとも含む領域（以下、第１領域）を有しており、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの前記内面は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第２反応ガス流路の第２反応ガスの通流方向における上流端から最初に他方の前記電極と接触する部分を少なくとも含む領域（以下、第２領域）と、を有しており、前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路の少なくとも一方の流路においては、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１領域と重なるように前記ガス透過抑制部が配置されており、かつ、前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路の少なくとも一方の流路においては、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第２領域と重なるように前記ガス透過抑制部が配置されている。
【００１３】
上述したように、電極における第１反応ガス流路に面する部分の水分含有量は、電極におけるリブ部に接触する部分の水分含有量に比べて低く、特に、電極における第１反応ガス流路の第１領域及び第２反応ガス流路の第２領域に面する領域では、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応が充分に行われていないため、生成する水の量が少ない。このため、高温低加湿の条件で燃料電池の運転を行うと、電極から第１反応ガス流路又は第２反応ガス流路へ水蒸気が拡散し、電極が乾燥しやすくなる。
【００１４】
しかしながら、本発明の燃料電池では、第１反応ガス流路及び／又は第２反応ガス流路の第１領域及び／又は第２領域に形成された部分をガス透過抑制部で構成することにより、電極における第１領域及び／又は第２領域に面する領域から、当該領域に形成された第１反応ガス流路及び／又は第２反応ガス流路に水蒸気が移動するのを抑制することができ、電極、ひいては、電解質層の乾燥を抑制することができる。このため、電解質層（高分子電解質膜）の劣化を抑制することができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池では、前記ガス透過抑制部は、暗渠状に形成されていてもよい。ここで、「暗渠状」とは、流路がトンネル又は開口を蓋で覆われた溝で形成されていることをいう。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池では、前記第１反応ガス流路の前記ガス透過抑制部は、前記第１反応ガス流路の開口をカバー部材が覆うことにより形成されており、前記第２反応ガス流路の前記ガス透過抑制部は、前記第２反応ガス流路の開口をカバー部材が覆うことにより形成されていてもよい。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池では、前記カバー部材の前記第１反応ガス流路又は前記第２反応ガス流路を覆う部分には孔が開けられていてもよい。
【００１８】
これにより、電極における第１領域及び／又は第２領域に面する領域から、当該領域に形成された第１反応ガス流路及び／又は第２反応ガス流路に水蒸気が移動するのを抑制しつつ、電極における第１領域及び／又は第２領域に面する領域に反応ガスを供給することができる。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池では、前記カバー部材は、導電性の材料で構成されていてもよい。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池では、前記カバー部材の多孔度が、前記電極のガス拡散層の多孔度よりも小さくてもよい。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池では、前記カバー部材は、多孔度が０の材料で構成されていてもよい。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池では、前記第１反応ガス流路の前記ガス透過抑制部は、前記第1セパレータと一体化し、前記第１セパレータをくり抜いたトンネルで構成されており、
前記第２反応ガス流路の前記ガス透過抑制部は、前記第２セパレータと一体化し、前記第２セパレータをくり抜いたトンネルで構成されていてもよい。
【００２３】
また、本発明に係る燃料電池では、前記第１セパレータの前記トンネルには、該第１セパレータの内面に開口する貫通孔が設けられ、前記第２セパレータの前記トンネルには、該第２セパレータの内面に開口する貫通孔が設けられていてもよい。
【００２４】
これにより、電極における第１領域及び／又は第２領域に面する領域から、当該領域に形成された第１反応ガス流路及び／又は第２反応ガス流路に水蒸気が移動するのを抑制しつつ、電極における第１領域及び／又は第２領域に面する領域に反応ガスを供給することができる。
【００２５】
また、本発明に係る燃料電池では、前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの前記第１領域及び前記第２領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成されていてもよい。
【００２６】
また、本発明に係る燃料電池では、前記第２反応ガス流路は、前記第２セパレータの前記第１領域及び前記第２領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成されていてもよい。
【００２７】
また、本発明に係る燃料電池では、前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの前記第１領域及び前記第２領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成され、前記第２反応ガス流路は、前記第２セパレータの前記第１領域及び前記第２領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成されていてもよい。
【００２８】
また、本発明に係る燃料電池では、前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの前記第１領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成され、前記第２反応ガス流路は、前記第２セパレータの前記第２領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成されていてもよい。
【００２９】
また、本発明に係る燃料電池では、前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの前記第２領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成され、前記第２反応ガス流路は、前記第２セパレータの前記第１領域に形成された部分に前記ガス透過抑制部が形成されていてもよい。
【００３０】
また、本発明に係る燃料電池では、前記第１反応ガス流路と前記第２反応ガス流路は、並行流となるように形成されていてもよい。
【００３１】
また、本発明に係る燃料電池では、前記第１反応ガス流路と前記第２反応ガス流路は、対向流となるように形成されていてもよい。
【００３２】
また、本発明に係る燃料電池では、前記第１反応ガス流路と前記第２反応ガス流路は、サーペンタイン状に形成されていてもよい。
【００３３】
また、本発明に係る燃料電池では、前記第１反応ガス流路は、第１上流ガス流路と第１下流ガス流路と前記第１上流ガス流路と前記第１下流ガス流路を連通し直線状に形成された複数の第１連通ガス流路とから構成され、前記第２反応ガス流路は、第２上流ガス流路と第２下流ガス流路と前記第２上流ガス流路と前記第２下流ガス流路を連通し直線状に形成された複数の第２連通ガス流路とから構成され、前記第１上流ガス流路の上流端が前記第１反応ガス流路の上流端であり、前記第１下流ガス流路の下流端が前記第１反応ガス流路の下流端であり、前記第２上流ガス流路の上流端が前記第２反応ガス流路の上流端であり、前記第２下流ガス流路の下流端が前記第２反応ガス流路の下流端であってもよい。
【００３４】
さらに、本発明に係る燃料電池では、前記第１セパレータ及び第２セパレータの少なくとも一方の内面の前記第１領域又は前記第２領域には、前記カバー部材の前記第１セパレータ又は前記第２セパレータと当接しない側の主面と前記第１セパレータ又は前記第２セパレータの内面とが全体として同一平面上に位置するように、凹部が設けられていてもよい。
【００３５】
また、本発明に係る燃料電池スタックは、上記燃料電池が複数積層して締結されている。
【００３６】
これにより、電極における第１領域及び／又は第２領域に面する領域から、当該領域に形成された第１反応ガス流路及び／又は第２反応ガス流路に水蒸気が移動するのを抑制することができ、電極、ひいては、電解質層の乾燥を抑制することができる。このため、電解質層（高分子電解質膜）の劣化を抑制することができる。
【００３７】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の燃料電池及び燃料電池スタックによれば、特に高温低加湿の条件で運転した場合に、高分子電解質膜の乾燥を抑制し、これにより、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、図２に示す燃料電池のカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図４】図４は、図２に示す燃料電池のカソードセパレータの外面の概略構成を示す模式図である。
【図５】図５は、図２に示す燃料電池のアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図６】図６は、図５に示すＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。
【図７】図７は、図２に示す燃料電池のアノードセパレータ及びカソードセパレータの構造を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタック（燃料電池）のカソードセパレータの概略構成を示す模式図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタック（燃料電池）のアノードセパレータの概略構成を示す模式図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図１９】図１９は、図１７及び図１８に示す本実施の形態７に係る燃料電池のアノードセパレータ及びカソードセパレータの構造を示す模式図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図２１】図２１は、図２０に示す燃料電池におけるアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図２２】図２２は、燃料電池運転中における、電極の水分含有量を示す模式図である。
【図２３】図２３は、本発明の変形例１に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図２４】図２４は、本発明の変形例２に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図２５】図２５は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図２６】図２６は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図２７】図２７は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図２８】図２８は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図２９】図２９は、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図３０】図３０は、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図３１】図３１は、本発明の実施の形態１２に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図３２】図３２は、本発明の実施の形態１２に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図３３】図３３は、燃料電池の１００時間運転後のフッ化物イオンの総溶出量を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合もある。
【００４１】
（実施の形態１）
[燃料電池スタックの構成]
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、図１において、燃料電池スタックの上下方向を図における上下方向として表している。
【００４２】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタック６１は、板状の全体形状を有する高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）１００がその厚み方向に積層されてなるセル積層体６２と、セル積層体６２の両端に配置された第１及び第２の端板６３、６４と、セル積層体６２と第１及び第２の端板６３、６４とを燃料電池１００の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。また、第１及び第２の端板６３、６４には、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。なお、板状の燃料電池１００は、鉛直面に平行に延在しており、燃料電池１００の積層方向は水平方向となっている。
【００４３】
セル積層体６２における一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、酸化剤ガス供給マニホールド１３３が設けられており、その下部には、冷却媒体排出マニホールド１３６が設けられている。また、セル積層体６２の第１の側部の酸化剤ガス供給マニホールド１３３が配設されている上部の内側には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、冷却媒体供給マニホールド１３５が設けられており、同様に、冷却媒体排出マニホールド１３６が配設されている下部の内側には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、燃料ガス排出マニホールド１３２が設けられている。さらに、セル積層体６２における他方の側部（図面右側の側部：以下、第２の側部）の上部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、燃料ガス供給マニホールド１３１が設けられており、その下部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、酸化剤ガス排出マニホールド１３４が設けられている。
【００４４】
そして、それぞれのマニホールドには、適宜な配管が接続されている。これにより、適宜な配管を介して、燃料電池スタック６１に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体が供給され、排出される。
【００４５】
なお、本実施の形態１においては、燃料電池１００がその厚み方向に積層されてなるセル積層体６２を用いて、燃料電池スタック６１を構成したが、これに限定されず、１つの燃料電池１００を第１及び第２の端板６３、６４等で挟み、締結して、燃料電池スタック６１を構成してもよい。
【００４６】
[高分子電解質形燃料電池の構成]
次に、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池１００の構成について図２を参照しながら説明する。
【００４７】
図２は、図１に示す燃料電池スタック６１における燃料電池１００の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図２においては、一部を省略している。
【００４８】
図２に示すように、実施の形態１に係る燃料電池１００は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体（電解質層−電極接合体））５と、ガスケット７と、アノードセパレータ（第１セパレータ）６ａと、カソードセパレータ（第２セパレータ）６ｂと、カバー部材１１と、を備えている。
【００４９】
まず、ＭＥＡ５について説明する。
【００５０】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（電解質層）１と、アノード４ａと、カソード４ｂと、を有している。高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード４ａとカソード４ｂ（これらを、ガス拡散電極（電極）という）がそれぞれ設けられている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、後述する酸化剤ガス排出マニホールド孔３４等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
【００５１】
アノード４ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするアノード触媒層２ａと、アノード触媒層２ａの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３ａと、を有している。同様に、カソード４ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするカソード触媒層２ｂと、カソード触媒層２ｂの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３ｂと、を有している。なお、ここでは、アノード触媒層２ａの端部とカソード触媒層２ｂの端部、アノードガス拡散層３ａの端部とカソードガス拡散層３ｂの端部が、それぞれ、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、互いに一致する、すなわち、アノード４ａとカソード４ｂの端部が、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、互いに一致するように構成されている。
【００５２】
次に、ＭＥＡ５の各要素について説明する。
【００５３】
高分子電解質膜１は、プロトン伝導性を有している。高分子電解質膜１としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、及びスルホンイミド基を有するものが好ましい。また、プロトン伝導性の観点から、高分子電解質膜１は、スルホン酸基を有するものがより好ましい。
【００５４】
高分子電解質膜１を構成するスルホン酸基を有する樹脂としては、イオン交換容量が０．５〜１．５ｍｅｑ／ｇの乾燥樹脂であることが好ましい。高分子電解質膜１を構成する乾燥樹脂のイオン交換容量が０．５ｍｅｑ／ｇ以上であると、発電時における高分子電解質膜１の抵抗値の上昇を充分に低減することができるので好ましく、また、乾燥樹脂のイオン交換容量が１．５ｍｅｑ／ｇ以下であると、高分子電解質膜の含水率が増大せず、膨潤しにくくなり、後述する触媒層２中の細孔が閉塞するおそれがないため好ましい。また、以上と同様の観点から、乾燥樹脂のイオン交換容量は、０．８〜１．２ｍｅｑ／ｇであることがより好ましい。
【００５５】
高分子電解質としては、ＣＦ２＝ＣＦ−(ＯＣＦ２ＣＦＸ)ｍ−Ｏｐ−(ＣＦ2)ｎ−ＳＯ３Ｈで表されるパーフルオロビニル化合物（ｍは０〜３の整数を示し、ｎは１〜１２の整数を示し、ｐは０または１を示し、Ｘはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。）に基づく重合単位と、テトラフルオロエチレンに基づく重合単位と、を含む共重合体であることが好ましい。
【００５６】
上記フルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式（１）〜（３）で表される化合物が挙げられる。ただし、下記式中、ｑは１〜８の整数、ｒは１〜８の整数、ｔは１〜３の整数を示す。
【００５７】
ＣＦ２＝ＣＦＯ（ＣＦ２）ｑ−ＳＯ３Ｈ      ・・・（１）
ＣＦ２＝ＣＦＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）Ｏ（ＣＦ２）r−ＳＯ３Ｈ  ・・・（２）
ＣＦ２＝ＣＦ（ＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３））ｔＯ（ＣＦ２）２−ＳＯ３Ｈ  ・・・（３）
アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂは、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の燃料電池におけるガス拡散電極の触媒層と同様の構成を有していてもよく、例えば、電極触媒が担持された導電性炭素粒子（粉末）と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質と、を含むような構成であってもよく、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水材料を更に含むような構成であってもよい。また、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの構成は、同一であってもよく、異なっていてもよい。
【００５８】
なお、高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜１を構成する材料と同種のものを使用してもよく、また、異なる種類のものを使用してもよい。また、電極触媒としては、金属粒子を用いることができる。当該金属粒子としては、特に限定されず種々の金属を使用することができるが、電極反応活性の観点から、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛及びスズからなる金属群より選択される少なくとも１以上の金属であることが好ましい。なかでも、白金、又は白金と上記金属群より選択される少なくとも１以上の金属との合金が好ましく、白金とルテニウムの合金が、アノード触媒層２ａにおいて触媒の活性が安定することから特に好ましい。
【００５９】
また、電極触媒に用いる上記金属粒子は、平均粒径１〜５ｎｍであることが好ましい。平均粒径１ｎｍ以上の電極触媒は工業的に調製が容易であるため好ましく、また、５ｎｍ以下であると、電極触媒質量あたりの活性をより充分に確保しやすくなるため、燃料電池のコストダウンにつながり好ましい。
【００６０】
上記導電性炭素粒子は、比表面積が５０〜１５００ｍ２／ｇであることが、好ましい。比表面積が５０ｍ２／ｇ以上であると、電極触媒の担持率を上げることが容易であり、得られた触媒層２の出力特性をより充分に確保できることから好ましく、比表面積が１５００ｍ２／ｇ以下であると、充分な大きさの細孔をより容易に確保できるようになり、かつ、高分子電解質による被覆がより容易となり、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂの出力特性をより充分に確保できることから好ましい。上記と同様の観点から、比表面積は２００〜９００ｍ２／ｇであることが、より好ましい。
【００６１】
また、導電性炭素粒子は、その平均粒径が０．１〜１．０μｍであることが好ましい。導電性炭素粒子の平均粒径が０．１μｍ以上であると、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂ中のガス拡散性をより充分に確保し易くなり、フラッディングをより確実に防止できるようになるため好ましい。また、導電性炭素粒子の平均粒径が１．０μｍ以下であると、高分子電解質による電極触媒の被覆状態をより容易に良好な状態とし易くなり、高分子電解質による電極触媒の被覆面積をより充分に確保し易くなるため、充分な電極性能をより確保し易くなり好ましい。
【００６２】
なお、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂは、貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。また、アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂを構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができ、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質基材を用いることができる。また、この導電性多孔質基材には、従来公知の方法で撥水処理を施しても構わない。
【００６３】
アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂとしては、例えば、ガス透過性を持たせるために、高表面積のカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパー又はカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いてもよい。また、充分な排水性を得る観点から、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをアノードガス拡散層３ａ又はカソードガス拡散層３ｂの中に分散させてもよい。さらに、充分な電子伝導性を得る観点から、カーボン繊維、金属繊維又はカーボン微粉末などの電子伝導性材料でアノードガス拡散層３ａ又はカソードガス拡散層３ｂを構成してもよい。
【００６４】
また、アノードガス拡散層３ａとアノード触媒層２ａとの間、及び、カソードガス拡散層３ｂとカソード触媒層２ｂとの間には、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けてもよい。これにより、ＭＥＡ５における水管理（ＭＥＡ５の良好な特性維持に必要な水の保持、及び、不必要な水の迅速な排水）をより容易に、かつ、より確実に行うことができる。
【００６５】
次に、燃料電池１００の他の要素について説明する。
【００６６】
ＭＥＡ５のアノード４ａ及びカソード４ｂ（正確には、アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂ）の周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池１００内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット７の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる酸化剤ガス排出マニホールド孔３４等のマニホールド孔が設けられている。
【００６７】
また、ＭＥＡ５とガスケット７を挟むように、導電性のアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の燃料電池１００をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ６ａ、６ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
【００６８】
アノードセパレータ６ａのアノード４ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路（第１反応ガス流路）８が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。同様に、カソードセパレータ６ｂのカソード４ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）９が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。
【００６９】
これにより、アノード４ａ及びカソード４ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の冷却媒体を冷却媒体流路１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。
【００７０】
なお、このように構成された燃料電池１００を単電池（セル）として使用してもよく、燃料電池１００を複数積層して燃料電池スタック６１として使用してもよい。また、燃料電池１００を積層する場合には、冷却媒体流路１０を単電池２〜３個ごとに設ける構成としてもよい。さらに、単電池間に冷却媒体流路１０を設けない場合には、２つのＭＥＡ５に挟まれたセパレータを、一方の主面に燃料ガス流路８を設け、他方の主面に酸化剤ガス流路９を設けた、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを兼ねるセパレータを使用してもよい。また、ここでは、第１セパレータをアノードセパレータ６ａとし、第２セパレータをカソードセパレータ６ｂとし、また、第１反応ガス流路を燃料ガス流路８とし、第２反応ガス流路を酸化剤ガス流路９としたが、これに限定されず、第１セパレータをカソードセパレータ６ｂとし、第２セパレータをアノードセパレータ６ａとし、また、第１反応ガス流路を酸化剤ガス流路９とし、第２反応ガス流路を燃料ガス流路８としてもよい。
【００７１】
[セパレータの構成]
次に、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂについて、図２乃至図６を参照しながら詳細に説明する。
【００７２】
まず、カソードセパレータ６ｂの構成について図２乃至図４を参照しながら詳細に説明する。図３は、図２に示す燃料電池１００のカソードセパレータ６ｂの内面の概略構成を示す模式図であり、図４は、図２に示す燃料電池１００のカソードセパレータ６ｂの外面の概略構成を示す模式図である。なお、図３及び図４において、カソードセパレータ６ｂにおける上下方向を図における上下方向として表し、図３においては、燃料ガス流路の一部を仮想線で示している。
【００７３】
図３に示すように、カソードセパレータ６ｂは、板状で、略４角形（ここでは、矩形）に形成されており、その周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔が、厚み方向に貫通するように設けられている。具体的には、カソードセパレータ６ｂにおける一方の側部（以下、第１の側部という）の上部には、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３が設けられており、その下部には、冷却媒体排出マニホールド孔３６が設けられている。また、第１の側部の酸化剤ガス供給マニホールド孔３３が設けられている上部の内側には、冷却媒体供給マニホールド孔３５が設けられており、同様に、冷却媒体排出マニホールド孔３６が設けられている下部の内側には、燃料ガス排出マニホールド孔３２が設けられている。さらに、カソードセパレータ６ｂにおける他方の側部（以下、第２の側部）の上部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１が設けられており、その下部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４が設けられている。
【００７４】
なお、燃料ガス供給マニホールド孔３１と酸化剤ガス供給マニホールド孔３３は、カソードセパレータ６ｂの中央部を挟んで互いに対向するように設けられている。ここで、カソードセパレータ６ｂの中央部とは、カソードセパレータ６ｂの外周に対する中央部分をいう。
【００７５】
そして、図３に示すように、カソードセパレータ６ｂの内面には、溝状の酸化剤ガス流路９が、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３と酸化剤ガス排出マニホールド孔３４とを結ぶようにサーペンタイン状に形成されている。ここでは、酸化剤ガス流路９は、３つの溝で構成されており、該溝は、往復部９ａと反転部９ｂとで実質的に構成されている。
【００７６】
具体的には、酸化剤ガス流路９を構成する溝は、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３から第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、その到達点から、第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、上記延在パターンを３回繰り返し、そこから、第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４に到るように下方に延びている。このような、酸化剤ガス流路９の水平方向に延びる部分が往復部９ａを構成し、下方に延びる部分が反転部９ｂを構成している。なお、図２及び図３に示すように、酸化剤ガス流路９を構成する溝と溝との間の部分が、カソード４ｂと当接するリブ部１４を形成する。
【００７７】
また、図３に示すように、カソードセパレータ６ｂの内面には、第１領域２１と第２領域２２を有している。第１領域２１及び第２領域２２は、アノードセパレータ６ａの第１領域２１及び第２領域２２と同様に構成されており、その詳細な説明は後述する。同様に、カソードセパレータ６ｂの内面には、部分４１及び部分４２を有している。部分４１及び部分４２は、アノードセパレータ６ａの部分４１及び部分４２と同様に構成されており、その詳細な説明は後述する。
【００７８】
また、図４に示すように、カソードセパレータ６ｂの外面には、溝状の冷却媒体流路１０が、冷却媒体供給マニホールド孔３５と冷却媒体排出マニホールド孔３６とを結ぶようにサーペンタイン状に形成されている。なお、冷却媒体流路１０は、酸化剤ガス流路９と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
【００７９】
次に、アノードセパレータ６ａの構成について、図２、図５及び図６を参照しながら詳細に説明する。図５は、図２に示す燃料電池１００のアノードセパレータ６ａの内面の概略構成を示す模式図であり、図６は、図５に示すＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。なお、図５及び図６において、アノードセパレータ６ａにおける上下方向を図における上下方向として表し、図５においては、酸化剤ガス流路の一部を仮想線で示し、図６においては、一部を省略している。
【００８０】
図５に示すように、アノードセパレータ６ａは、板状で、略４角形（ここでは、矩形）に形成されており、その周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔が、厚み方向に貫通するように設けられている。アノードセパレータ６ａの外面には、溝状の冷却媒体流路１０が、冷却媒体供給マニホールド孔３５と冷却媒体排出マニホールド孔３６とを結ぶようにサーペンタイン状に形成されている。なお、各マニホールド孔の配置は、カソードセパレータ６ｂと同じなので、その詳細な説明は省略し、また、冷却媒体流路１０は、酸化剤ガス流路９と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
【００８１】
また、アノードセパレータ６ａの内面には、溝状の燃料ガス流路８が、燃料ガス供給マニホールド孔３１と燃料ガス排出マニホールド孔３２とを結ぶようにサーペンタイン状に形成されている。
【００８２】
燃料ガス流路８は、３つの溝で構成されており、該溝は、往復部８ａと反転部８ｂとで実質的に構成されている。具体的には、燃料ガス流路８を構成する溝は、燃料ガス供給マニホールド孔３１から第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、その到達点から、第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、上記延在パターンを３回繰り返し、そこから、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、燃料ガス排出マニホールド孔３２に到るように下方に延びている。このような、燃料ガス流路８の水平方向に延びる部分が往復部８ａを構成し、下方に延びる部分が反転部８ｂを構成している。なお、燃料ガス流路８を構成する溝と溝との間の部分が、アノード４ａと当接するリブ部１４を形成する。
【００８３】
そして、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９は、いわゆる並行流となるように構成されている。ここで、並行流について、図７を参照しながら説明する。
【００８４】
図７は、図２に示す燃料電池１００のアノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂの構造を示す模式図である。なお、図７において、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂは、燃料電池１００の厚み方向から見て透視的に描かれている。また、アノードセパレータ６ａの燃料ガス流路８の溝及びカソードセパレータ６ｂの酸化剤ガス流路９の溝をそれぞれ１本の線で代表するようにして示し、各セパレータ６ａ、６ｂにおける上下方向を図における上下方向として表している。さらに、図７においては、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９のそれぞれの流路を見やすくするために、互いに上下方向に位置をずらして示している。
【００８５】
図７に示すように、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９が、一部に燃料ガスと酸化剤ガスが互いに対向するように流れる部分を有するが、燃料電池１００の厚み方向から見て、巨視的に（全体として）燃料ガスと酸化剤ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が互いに一致するように構成されていることを、並行流という。
【００８６】
また、図５及び図６に示すように、アノードセパレータ６ａの内面は、第１領域２１と第２領域２２を有している。
【００８７】
第１領域２１は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、燃料ガス流路８の上流端から最初にアノード４ａと接触する部分４１と、酸化剤ガス流路９（図５に仮想線（二点差線で示す）の上流端から最初にカソード４ｂと接触する部分４２と、の間の領域であって、燃料ガス流路８の部分４１から燃料ガス流路８に沿って所定の距離Ｌ１延びた領域である。すなわち、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第１領域２１の水平方向における一方の端部（第１の側部側端部）は、燃料ガス流路８の上流端から最初にアノード４ａと接触する部分４１であり、また、第１領域２１の水平方向における他方の端部（第２の側部側端部）は、燃料ガス流路８の部分４１から燃料ガス流路８に沿って所定の距離Ｌ１延びた部分である。また、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第１領域２１の上側端部は、アノード４ａの上側端部であり、第１領域２１の下側端部は、３本の並走する（互いに並んで設けられた）燃料ガス流路８のうち、最も下側に位置する燃料ガス流路８が形成するリブ部１４である。
【００８８】
なお、本実施の形態１においては、第１領域２１の水平方向における他方の端部は、燃料ガス流路８の部分４１から燃料ガス流路８に沿って所定の距離Ｌ１延びた部分としたが、これに限定されず、燃料ガス流路８の酸化剤ガス流路９と重なってから最初に離れる部分であってもよく、また、部分４２であってもよい。
【００８９】
また、本実施の形態１においては、上述したように、アノード４ａの端部とカソード４ｂの端部が、高分子電解質膜１の厚み方向から見て（アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て）、互いに一致しているため、第１領域２１の上側端部は、アノード４ａの上側端部としたが、アノード４ａの端部とカソード４ｂの端部が、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、互いに一致していない場合には、高分子電解質膜１の乾燥を抑制する観点から、第１領域２１の上側端部は、より上方に位置する方の電極の端部とすることが好ましい。
【００９０】
また、本実施の形態１においては、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９の本数（溝の数）が同じで、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、その配置されている位置も同じであるため、第１領域２１の下側端部が、最も下側に位置する燃料ガス流路８が形成するリブ部１４としたが、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９の本数及び／又はその配置されている位置が異なる場合には、高分子電解質膜１の乾燥を抑制する観点から、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９のうち、より下側に配置されている流路によって形成されるリブ部１４が、第１領域２１の下流側端部とすることが好ましい。
【００９１】
また、第２領域２２は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路９の上流端から最初にカソード４ｂと接触する部分４２と、燃料ガス流路８の上流端から最初にアノード４ａと接触する部分４１と、の間の領域であって、酸化剤ガス流路９の部分４２から酸化剤ガス流路９に沿って所定の距離Ｌ２延びた領域である。すなわち、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第２領域２２の水平方向における一方の端部（第２の側部側端部）は、酸化剤ガス流路９の上流端から最初にアノード４ａと接触する部分４２であり、また、第２領域２２の水平方向における他方の端部（第１の側部側端部）は、酸化剤ガス流路９の部分４２から酸化剤ガス流路９に沿って所定の距離Ｌ２延びた部分である。また、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第２領域２２の上側端部は、アノード４ａの上側端部であり、第２領域２２の下側端部は、３本の並走する（互いに並んで設けられた）燃料ガス流路８のうち、最も下側に位置する燃料ガス流路８が形成するリブ部１４である。
【００９２】
なお、本実施の形態１においては、第２領域２２の水平方向における他方の端部は、酸化剤ガス流路９の部分４２から酸化剤ガス流路９に沿って所定の距離Ｌ２延びた部分としたが、これに限定されず、酸化剤ガス流路９の燃料ガス流路８と重なってから最初に離れる部分であってもよく、また、部分４１であってもよい。
【００９３】
また、本実施の形態においては、上述したように、アノード４ａの端部とカソード４ｂの端部が、高分子電解質膜１の厚み方向から見て（アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て）、互いに一致しているため、第２領域２２の上側端部は、アノード４ａの上側端部としたが、アノード４ａの端部とカソード４ｂの端部が、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、互いに一致していない場合には、高分子電解質膜１の乾燥を抑制する観点から、第２領域２２の上側端部は、より上方に位置する方の電極の端部とすることが好ましい。
【００９４】
また、本実施の形態においては、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９の本数（溝の数）が同じで、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、その配置されている位置も同じであるため、第２領域２２の下側端部が、最も下側に位置する燃料ガス流路８（酸化剤ガス流路９）が形成するリブ部１４としたが、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９の本数及び／又はその配置されている位置が異なる場合には、高分子電解質膜１の乾燥を抑制する観点から、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９のうち、より下側に配置されている流路によって形成されるリブ部１４が、第２領域２２の下流側端部とすることが好ましい。
【００９５】
さらに、第１領域２１と第２領域２２は、ここでは、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、互いに重なり合う部分を有していないが、互いに重なり合う部分を有してもよい。
【００９６】
そして、図６に示すように、アノードセパレータ６ａにおける第１領域２１及び第２領域２２は、アノードセパレータ６ａの周縁部の内面より一定の深さ窪んだ凹状に形成されていて、該第１領域２１及び第２領域２２には、それぞれ、カバー部材１１及びカバー部材１２が、第１領域２１及び第２領域２２を覆うように（溝状の燃料ガス流路８の開口を覆うように）配置されている。カバー部材１１及びカバー部材１２は、板状に形成されていて、その厚み寸法は、第１領域２１及び第２領域２２の深さ寸法と一致するように形成されている。すなわち、カバー部材１１及びカバー部材１２は、第１領域２１及び第２領域２２に、それぞれ、嵌合するように配置されている。
【００９７】
これにより、燃料ガス流路８の第１領域２１及び第２領域２２を通過する部分が、暗渠状（トンネル状）に形成される。このように、本実施の形態１においては、ガス透過抑制部は、カバー部材１１及びカバー部材１２が、燃料ガス流路８の開口を覆うことにより形成されている。
【００９８】
また、カバー部材１１及びカバー部材１２の主面には、貫通孔１３が複数設けられており、該貫通孔１３は、燃料ガス流路８に沿って並ぶように設けられている。これにより、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、アノードセパレータ６ａの第１領域２１及び第２領域２２に対向するＭＥＡ５（正確には、アノード４ａ）の部分から燃料ガス流路８への水蒸気の拡散を抑制することができ、ＭＥＡ５（特に、高分子電解質膜１）の乾燥を抑制することができる。
【００９９】
なお、貫通孔１３は、ＭＥＡ５から燃料ガス流路８への水蒸気の移動を抑制しつつ、燃料ガス流路８からＭＥＡ５への燃料ガスを供給することができるようにする観点から、燃料ガス流路８の幅（燃料ガス流路８の燃料ガスの流れ方向に対して垂直な方向の長さ）よりも小さいことが好ましい。さらに、貫通孔１３の数については、カバー部材１１及びカバー部材１２の大きさ、燃料ガス流路８の溝幅、燃料ガス流路８を通流する燃料ガスの流量等から、適宜設計することができる。また、本実施の形態１においては、貫通孔１３の開口形状を円にしたが、これに限定されず、貫通孔１３の開口形状を長円や長方形等にしてもよい。
【０１００】
また、カバー部材１１及びカバー部材１２としては、ガスを通しにくいように構成されていることが好ましく、例えば、チタンやステンレス等の金属で形成された金属板や、テフロン（登録商標）やシリコン等の樹脂で形成された樹脂膜や、カーボン粉末やカーボン粉末と樹脂で形成された薄膜等で構成されていてもよい。
【０１０１】
また、カバー部材１１及びカバー部材１２は、当該カバー部材１１及びカバー部材１２の貫通孔１３以外の部分で発電ができるようにする観点から、導電性の材料で構成されていることが好ましい。導電性の材料としては、例えば、金属が挙げられる。また、カバー部材１１及びカバー部材１２は、該カバー部材１１及びカバー部材１２の貫通孔１３以外の部分から酸化剤ガス流路９への水蒸気の移動を抑制する観点から、アノードガス拡散層３ａ又はカソードガス拡散層３ｂを構成する多孔質構造を有する導電性基材の多孔度よりも小さい多孔度を有する材料で構成されていることが好ましく、多孔度が０の材料で構成されていることがより好ましい。多孔度が０の材料としては、例えば、金属が挙げられる。
【０１０２】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）の作用効果について、図１乃至図７を参照しながら説明する。
【０１０３】
[燃料電池スタック（燃料電池）の作用効果]
上述したように、アノード４ａにおける燃料ガス流路８に面する部分の水分含有量は、アノード４ａにおけるリブ部１４に接触する部分の水分含有量に比べて低くなるが、特に、燃料電池スタック６１を高温低加湿の条件で運転するような場合に、アノード４ａにおけるアノードセパレータ６ａの第１領域２１及び第２領域２２（特に、部分４１及び部分４２）と対向する部分では、反応ガスの反応による生成水が充分ではないため、水分含有量が少ない。このため、高分子電解質膜１におけるアノードセパレータ６ａの第１領域２１及び第２領域２２（特に、部分４１及び部分４２）に対向する部分では、乾燥しやすくなり、高分子電解質膜１の当該部分でのプロトン伝導率の低下や、高分子電解質膜１の劣化するおそれがある。
【０１０４】
しかしながら、本実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においては、アノードセパレータ６ａの第１領域２１及び第２領域２２にカバー部材１１及びカバー部材１２を覆うように配置することにより、当該アノードセパレータ６ａの第１領域２１及び第２領域２２に対向するＭＥＡ５（正確には、アノード４ａ）の部分から燃料ガス流路８への水蒸気の拡散を抑制することができ、ＭＥＡ５（特に、高分子電解質膜１）の乾燥を抑制することができる。
【０１０５】
また、本実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においては、カバー部材１１及びカバー部材１２の主面に、燃料ガス流路８に沿って並ぶように複数の貫通孔１３を設けることにより、ＭＥＡ５（正確には、アノード４ａ）から燃料ガス流路８への水蒸気の移動を抑制しつつ、燃料ガス流路８からＭＥＡ５への燃料ガスを供給することができる。
【０１０６】
また、本実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においては、カバー部材１１及びカバー部材１２を多孔度が０の材料で構成することにより、カバー部材１１及びカバー部材１２の貫通孔１３以外の部分から燃料ガス流路８への水蒸気の移動を抑制することができ、ＭＥＡ５（特に、高分子電解質膜１）の乾燥をより抑制することができる。
【０１０７】
さらに、本実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においては、カバー部材１１及びカバー部材１２を導電性を有する材料で構成することにより、当該カバー部材１１及びカバー部材１２の貫通孔１３以外の部分で発電ができ、燃料電池スタック６１（燃料電池１００）の発電能力を維持することができる。また、この発電により、生成水が生成されるので、ＭＥＡ５（特に、高分子電解質膜１）の乾燥をより抑制することができる。
【０１０８】
なお、本実施の形態１においては、カバー部材１１及びカバー部材１２に貫通孔１３を設けることにより、水蒸気の拡散を抑制しつつ、ＭＥＡ５への反応ガス（ここでは、燃料ガス）が供給できるように構成したが、これに限定されず、カバー部材１１及びカバー部材１２の多孔度を調整する（例えば、カバー部材１１及びカバー部材１２をセラミックで構成し、セラミックを焼成する際に多孔度を調整する）ことにより、水蒸気の拡散を抑制しつつ、ＭＥＡ５への反応ガスが供給できるように構成してもよい。
【０１０９】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）の変形例について説明する。
【０１１０】
［変形例１］
図２３は、本発明の変形例１に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図２３では、一部を省略している。
【０１１１】
図２３に示すように、本発明の変形例１に係る燃料電池スタック６１のアノードセパレータ６ａは、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１のアノードセパレータ６ａと基本的構成は同じであるが、カバー部材１１が、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、長円形状に形成されている点が異なる。
【０１１２】
このように構成された本変形例１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。なお、本変形例１においては、カバー部材１１が、長円形状に形成されているとしたが、これに限定されず、カバー部材１２が長円形状に形成されていてもよく、カバー部材１１及びカバー部材１２の少なくとも一方が、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、多角形状に形成されていてもよく、円形状に形成されていてもよい。すなわち、カバー部材１１及びカバー部材１２のアノードセパレータ６ａの厚み方向から見た形状は、任意な形状をとることができる。
【０１１３】
［変形例２］
図２４は、本発明の変形例２に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図２４では、一部を省略している。
【０１１４】
図２４に示すように、本発明の変形例２に係る燃料電池スタック６１のアノードセパレータ６ａは、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１のアノードセパレータ６ａと基本的構成は同じであるが、カバー部材１１及び第１領域２１の断面形状が台形状に形成されている点が異なる。
【０１１５】
このように構成された本変形例２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。なお、本変形例２においては、カバー部材１１と第１領域２１の断面形状が、台形状に形成されているとしたが、これに限定されず、カバー部材１２と第２領域２２が台形状に形成されていてもよく、カバー部材１１と第１領域２１及びカバー部材１２と第２領域２２の少なくとも一方の断面形状が、多角形状に形成されていてもよく、円形状に形成されていてもよく、また、長円形状に形成されていてもよい。すなわち、カバー部材１１と第１領域２１及びカバー部材１２と第２領域２２の断面形状は、任意な形状をとることができる。
【０１１６】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図９は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図８においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、燃料ガス流路の一部を仮想線で示している。また、図９においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、酸化剤ガス流路の一部を仮想線で示している。
【０１１７】
図８及び図９に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、アノードセパレータ６ａにカバー部材１１及びカバー部材１２が配置されずに、カソードセパレータ６ｂにカバー部材１１及びカバー部材１２が配置されている点が異なる。
【０１１８】
具体的には、図８に示すように、カソードセパレータ６ｂにおける第１領域２１及び第２領域２２は、カソードセパレータ６ｂの周縁部の内面より一定の深さ窪んだ凹状に形成されていて、該第１領域２１及び第２領域２２には、それぞれ、カバー部材１１及びカバー部材１２が、第１領域２１及び第２領域２２を覆うように配置されている。
【０１１９】
また、カバー部材１１及びカバー部材１２の主面には、貫通孔１３が複数設けられており、該貫通孔１３は、酸化剤ガス流路９に沿って並ぶように設けられている。これにより、カソードセパレータ６ｂの厚み方向から見て、カソードセパレータ６ｂの第１領域２１及び第２領域２２に対向するＭＥＡ５（正確には、カソード４ｂ）の部分から酸化剤ガス流路９への水蒸気の拡散を抑制することができ、ＭＥＡ５（特に、高分子電解質膜１）の乾燥を抑制することができる。
【０１２０】
なお、貫通孔１３は、ＭＥＡ５から酸化剤ガス流路９への水蒸気の移動を抑制しつつ、酸化剤ガス流路９からＭＥＡ５への酸化剤ガスを供給することができるようにする観点から、酸化剤ガス流路９の幅（酸化剤ガス流路９の酸化剤ガスの流れ方向に対して垂直な方向の長さ）よりも小さいことが好ましい。なお、貫通孔１３の数については、カバー部材１１及びカバー部材１２の大きさ、酸化剤ガス流路９の溝幅、酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの流量等から、適宜設計することができる。
【０１２１】
また、本実施の形態２においては、貫通孔１３の開口形状を円にしたが、これに限定されず、貫通孔１３の開口形状を長円や長方形等にしてもよい。
【０１２２】
また、カバー部材１１及びカバー部材１２としては、ガスを通しにくいように構成されていることが好ましく、例えば、チタンやステンレス等の金属で形成された金属板や、テフロン（登録商標）やシリコン等の樹脂で形成された樹脂膜や、カーボン粉末やカーボン粉末と樹脂で形成された薄膜等で構成されていてもよい。
【０１２３】
また、カバー部材１１及びカバー部材１２は、当該カバー部材１１及びカバー部材１２の貫通孔１３以外の部分で発電ができるようにする観点から、導電性の材料で構成されていることが好ましい。導電性の材料としては、例えば、金属が挙げられる。また、カバー部材１１及びカバー部材１２は、該カバー部材１１及びカバー部材１２の貫通孔１３以外の部分から酸化剤ガス流路９への水蒸気の移動を抑制する観点から、多孔度が０の材料で構成されていることが好ましい。多孔度が０の材料としては、例えば、金属が挙げられる。
【０１２４】
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においては、カソードセパレータ６ｂの第１領域２１及び第２領域２２に対向するＭＥＡ５（正確には、カソード４ｂ）の部分から酸化剤ガス流路９への水蒸気の拡散を抑制することができ、ＭＥＡ５（特に、高分子電解質膜１）の乾燥を抑制することができる。
【０１２５】
また、本実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においては、カバー部材１１及びカバー部材１２の主面に、酸化剤ガス流路９に沿って並ぶように複数の貫通孔１３を設けることにより、ＭＥＡ５（正確には、カソード４ｂ）から酸化剤ガス流路９への水蒸気の移動を抑制しつつ、酸化剤ガス流路９からＭＥＡ５への酸化剤ガスを供給することができる。
【０１２６】
また、本実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においては、カバー部材１１及びカバー部材１２を多孔度が０の材料で構成することにより、カバー部材１１及びカバー部材１２の貫通孔１３以外の部分から酸化剤ガス流路９への水蒸気の移動を抑制することができ、ＭＥＡ５（特に、高分子電解質膜１）の乾燥をより抑制することができる。
【０１２７】
さらに、本実施の形態２に係る燃料電池スタック（燃料電池）においては、カバー部材１１及びカバー部材１２を導電性を有する材料で構成することにより、当該カバー部材１１及びカバー部材１２の貫通孔１３以外の部分で発電ができ、燃料電池スタック（燃料電池）の発電能力を維持することができる。また、この発電により、生成水が生成されるので、ＭＥＡ５（特に、高分子電解質膜１）の乾燥をより抑制することができる。
【０１２８】
なお、本実施の形態２においては、カバー部材１１及びカバー部材１２に貫通孔１３を設けることにより、水蒸気の拡散を抑制しつつ、ＭＥＡ５への反応ガス（ここでは、酸化剤ガス）が供給できるように構成したが、これに限定されず、カバー部材１１及びカバー部材１２の多孔度を調整する（例えば、カバー部材１１及びカバー部材１２をセラミックで構成し、セラミックを焼成する際に多孔度を調整する）ことにより、水蒸気の拡散を抑制しつつ、ＭＥＡ５への反応ガスが供給できるように構成してもよい。
【０１２９】
（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタック（燃料電池）のカソードセパレータの概略構成を示す模式図であり、図１１は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタック（燃料電池）のアノードセパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図１０においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、燃料ガス流路の一部を仮想線で示している。また、図１１においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、酸化剤ガス流路の一部を仮想線で示している。
【０１３０】
図１０及び図１１に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態１及び実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、カソードセパレータ６ｂにカバー部材１１が配置され、アノードセパレータ６ａにカバー部材１２が配置されている点が異なる。
【０１３１】
具体的には、図１０に示すように、カソードセパレータ６ｂにおける第１領域２１は、カソードセパレータ６ｂの周縁部の内面より一定の深さ窪んだ凹状に形成されていて、該第１領域２１には、カバー部材１１が、第１領域２１を覆うように配置されている。また、図１１に示すように、アノードセパレータ６ａにおける第２領域２２は、アノードセパレータ６ａの周縁部の内面より一定の深さ窪んだ凹状に形成されていて、該第２領域２２には、カバー部材１２が、第２領域２２を覆うように配置されている。
【０１３２】
なお、カバー部材１１及びカバー部材１２の材料等の構成は、実施の形態１及び実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）のカバー部材１１及びカバー部材１２と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
【０１３３】
このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においては、カソードセパレータ６ｂの第１領域２１に対向するＭＥＡ５（正確には、カソード４ｂ）の部分から酸化剤ガス流路９への水蒸気の拡散を抑制することができ、アノードセパレータ６ａの第２領域２２に対向するＭＥＡ５（正確には、アノード４ａ）の部分から燃料ガス流路８への水蒸気の拡散を抑制することができ、ＭＥＡ５（特に、高分子電解質膜１）の乾燥を抑制することができる。なお、カバー部材１１及びカバー部材１２の材料等の構成による作用効果は、実施の形態１及び実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様である。
【０１３４】
（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図１３は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図１２においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、燃料ガス流路の一部を仮想線で示している。また、図１３においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、酸化剤ガス流路の一部を仮想線で示している。
【０１３５】
図１２及び図１３に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、アノードセパレータ６ａの第１領域２１と第２領域２２が互いに重なり合うように（一致する）ように構成され、１つの領域を構成している点が異なる。
【０１３６】
具体的には、図１３に示すように、アノードセパレータ６ａにおける第１領域２１（換言すると、第２領域２２）は、燃料ガス流路８の上流端から最初にアノード４ａと接触する部分４１と、酸化剤ガス流路９の上流端から最初にカソード４ｂと接触する部分４２と、の間の領域であって、燃料ガス流路８の部分４１から燃料ガス流路８に沿って部分４２まで延びた領域である。すなわち、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第１領域２１の水平方向における一方の端部（第１の側部側端部）は、燃料ガス流路８の上流端から最初にアノード４ａと接触する部分４１であり、また、第１領域２１の水平方向における他方の端部（第２の側部側端部）は、酸化剤ガス流路９の上流端から最初にカソード４ｂと接触する部分４２である。
【０１３７】
そして、アノードセパレータ６ａにおける第１領域２１（第２領域２２）には、カバー部材１１（換言すると、カバー部材１２）が、該第１領域２１（第２領域２２）を覆うように配置されている。なお、カバー部材１１（カバー部材１２）の材料等の構成は、実施の形態１に係る燃料電池スタック（燃料電池）のカバー部材１１及びカバー部材１２と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
【０１３８】
このように構成された本実施の形態４に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
【０１３９】
（実施の形態５）
図１４は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図１５は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図１４においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、燃料ガス流路の一部を仮想線で示している。また、図１５においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、酸化剤ガス流路の一部を仮想線で示している。
【０１４０】
図１４及び図１５に示すように、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、カソードセパレータ６ｂが、実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）のカソードセパレータ６ｂと同様に構成されている点が異なる。
【０１４１】
すなわち、本実施の形態５に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂの両方に、カバー部材１１及びカバー部材１２が配置されている。なお、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂの両方に配置されたカバー部材１１及びカバー部材１２の材料等の構成は、実施の形態１及び実施の形態２に係る燃料電池スタック（燃料電池）のカバー部材１１及びカバー部材１２と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
【０１４２】
このように構成された本実施の形態５に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、実施の形態１及び実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）の両方の作用効果を奏する。すなわち、本実施の形態５に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂの第１領域２１及び第２領域２２に、それぞれ、カバー部材１１及びカバー部材１２を覆うように配置することにより、当該アノードセパレータ６ａの第１領域２１及び第２領域２２に対向するＭＥＡ５（正確には、アノード４ａ）の部分から燃料ガス流路８への水蒸気の拡散を抑制することができ、また、カソードセパレータ６ｂの第１領域２１及び第２領域２２に対向するＭＥＡ５（正確には、カソード４ｂ）の部分から酸化剤ガス流路９への水蒸気の拡散を抑制することができる。このため、ＭＥＡ５（特に、高分子電解質膜１）の乾燥をより抑制することができる。
【０１４３】
なお、本実施の形態５に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂの第１領域２１及び第２領域２２を互いに重ならないように構成したが、これに限定されず、第１領域２１及び第２領域２２が、互いに重なり合う部分を有するように構成してもよく、例えば、実施の形態４に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）のアノードセパレータ６ａのように、第１領域２１と第２領域２２が互いに一致するように構成してもよい。
【０１４４】
（実施の形態６）
図１６は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図１６においては、一部を省略している。
【０１４５】
図１６に示すように、本発明の実施の形態６に係る燃料電池スタック６１の燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、アノードセパレータ６ａの第１領域２１及び第２領域２２（図示せず）が、アノードセパレータ６ａの周縁部の内面から窪んだ凹状に形成されていない点と、アノードガス拡散層３ａのカバー部材１１及びカバー部材１２と接触する部分が、厚み方向に窪んで凹状に形成されている点が異なる。
【０１４６】
すなわち、本実施の形態６に係る燃料電池１００のアノードセパレータ６ａは、カソードセパレータ６ｂと同様に形成されている。また、アノードガス拡散層３ａは、炭素繊維（カーボンペーパー又はカーボン繊維織布等）からなる基材を用いる場合には、炭素繊維からなる基材の圧縮率が大きいため、燃料電池１００を締結部材（図示せず）で締結したときに、アノードガス拡散層３ａは、厚み方向に充分に圧縮される。このため、アノードガス拡散層３ａの一方の主面（カバー部材１１及びカバー部材１２と接触する主面）におけるカバー部材１１及びカバー部材１２が接触する部分を、予め凹状に形成しても、また、凹状に形成しなくてもよい。一方、炭素繊維からなる基材を用いない場合には、アノードガス拡散層３ａの圧縮率が小さいため、カバー部材１１及びカバー部材１２の厚みを吸収することができない場合があるため、アノードガス拡散層３ａの一方の主面におけるカバー部材１１及びカバー部材１２が接触する部分を、予め凹状に形成していることが好ましい。
【０１４７】
このように構成された本実施の形態６に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
【０１４８】
（実施の形態７）
図１７は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図１８は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図１７においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、燃料ガス流路の一部を仮想線で示している。また、図１８においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、酸化剤ガス流路の一部を仮想線で示している。
【０１４９】
図１７及び図１８に示すように、本発明の実施の形態７に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９が、いわゆる対向流となるように構成されている点が異なり、また、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置が異なる。
【０１５０】
まず、カソードセパレータ６ｂにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置について、図１７を参照しながら説明する。なお、アノードセパレータ６ａにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置は、カソードセパレータ６ｂにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔と同様に設けられているため、その詳細な説明は省略する。
【０１５１】
図１７に示すように、カソードセパレータ６ｂにおける第１の側部の上部には、冷却媒体供給マニホールド孔３５が設けられており、その下部には、冷却媒体排出マニホールド孔３６が設けられている。また、第１の側部の冷却媒体排出マニホールド孔３６が設けられている下部の内側には、燃料ガス排出マニホールド孔３２が設けられている。また、カソードセパレータ６ｂにおける第２の側部の上部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１が設けられており、その下部には、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３が設けられている。さらに、第２の側部の燃料ガス供給マニホールド孔３１が設けられている下部の外側には、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４が設けられている。
【０１５２】
そして、図１７及び図１８に示すように、酸化剤ガス流路９が、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３と酸化剤ガス排出マニホールド孔３４を結ぶように、サーペンタイン状に形成され、同様に、燃料ガス流路８が、燃料ガス供給マニホールド孔３１と燃料ガス排出マニホールド孔３２を結ぶように、サーペンタイン状に形成されていて、これらの流路は、上述したように、いわゆる対向流となるように構成されている。ここで、対向流について、図１９を参照しながら説明する。
【０１５３】
図１９は、図１７及び図１８に示す本実施の形態７に係る燃料電池１００のアノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂの構造を示す模式図である。なお、図１９において、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂは、燃料電池１００の厚み方向から見て透視的に描かれている。また、アノードセパレータ６ａの燃料ガス流路８の溝及びカソードセパレータ６ｂの酸化剤ガス流路９の溝をそれぞれ１本の線で代表するようにして示し、各セパレータ６ａ、６ｂにおける上下方向を図における上下方向として表している。さらに、図１９においては、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９のそれぞれの流路を見やすくするために、互いに上下方向に位置をずらして示している。
【０１５４】
図１９に示すように、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９が、一部に燃料ガスと酸化剤ガスが並走するように流れる部分を有するが、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、巨視的に（全体として）燃料ガスと酸化剤ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が互いに反対になるように構成されていることを、対向流という。
【０１５５】
そして、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔、燃料ガス流路８、及び酸化剤ガス流路９がこのように構成されているため、第１領域２１及び第２領域２２が、以下のように構成される。すなわち、第１領域２１の水平方向における一方の端部（第２の側部側端部）は、図１８に示すように、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、アノード４ａの第２の側部側端部であり、第１領域２１の水平方向における他方の端部（第１の側部側端部）は、第１領域２１の水平方向における一方の端部（第２の側部側端部）から燃料ガス流路８に沿って所定の距離Ｌ１延びた部分である。また、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第１領域２１の上側端部は、燃料ガス流路８の上流端から最初にアノード４ａと接触する部分４１であり、第１領域２１の下側端部は、３本の並走する（互いに並んで設けられた）燃料ガス流路８のうち、最も下側に位置する燃料ガス流路８が形成するリブ部１４である。
【０１５６】
また、第２領域２２の水平方向における一方の端部（第２の側部側端部）は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、アノード４ａの第２の側部側端部であり、また、第２領域２２の水平方向における他方の端部（第１の側部側端部）は、第２領域２２の水平方向における一方の端部（第２の側部側端部）から酸化剤ガス流路９に沿って所定の距離Ｌ２延びた部分である。また、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第２領域２２の上側端部は、３本の並走する（互いに並んで設けられた）燃料ガス流路８のうち、最も下側に位置する燃料ガス流路８が形成するリブ部１４であり、第２領域２２の下側端部は、アノード４ａの下側端部（換言すると、酸化剤ガス流路９の上流端から最初にアノード４ａと接触する部分４２）である。
【０１５７】
なお、本実施の形態７においては、第１領域２１の水平方向における他方の端部は、第１領域２１の水平方向における一方の端部（第２の側部側端部）から燃料ガス流路８に沿って所定の距離Ｌ１延びた部分としたが、これに限定されず、燃料ガス流路８の酸化剤ガス流路９と重なってから最初に離れる部分であってもよい。また、第２領域２２の水平方向における他方の端部は、第２領域２２の水平方向における一方の端部（第２の側部側端部）から酸化剤ガス流路９に沿って所定の距離延びた部分Ｌ２としたが、これに限定されず、酸化剤ガス流路９の燃料ガス流路８と重なってから最初に離れる部分であってもよい。
【０１５８】
このように構成された本実施の形態７に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）についても、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
【０１５９】
なお、本実施の形態７に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、カバー部材１１及びカバー部材１２を、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様に、アノードセパレータ６ａの第１領域２１及び第２領域２２に配置する構成としたが、これに限定されず、実施の形態２〜６に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様に構成してもよい。
【０１６０】
（実施の形態８）
図２０は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図であり、図２１は、図２０に示す燃料電池におけるアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図２０においては、一部を省略し、図２１においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、酸化剤ガス流路の一部を仮想線で示している。
【０１６１】
図２０及び図２１に示すように、本発明の実施の形態８に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、アノードセパレータ６ａにおける第１領域２１及び第２領域２２の構成が異なる。
【０１６２】
具体的には、アノードセパレータ６ａにおける燃料ガス流路８の第１領域２１及び第２領域２２を通過する部分が、溝状の燃料ガス流路８の開口を、アノードセパレータ６ａの内面が覆うように形成されている。すなわち、アノードセパレータ６ａにおける燃料ガス流路８の第１領域２１及び第２領域２２を通過する部分が、アノードセパレータ６ａをくり抜いたトンネルで構成されている（暗渠状（トンネル状）に形成されている）。そして、アノードセパレータ６ａの該トンネル部分が、ガス透過抑制部を構成し、このトンネル部分には、複数の燃料ガス流路８と連通する（換言すると、アノードセパレータ６ａの内面に開口する）貫通孔１３が設けられている。
【０１６３】
このように構成された、本実施の形態８に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）についても、実施の形態１に係る燃料電池スタック（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
【０１６４】
（実施の形態９）
図２５は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図２６は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図２５においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、酸化剤ガス流路の一部を仮想線で表している。また、図２６においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、燃料ガス流路の一部を仮想線で表している。さらに、図２５及び図２６においては、冷却媒体供給マニホールド孔及び冷却媒体排出マニホールド孔を省略している。
【０１６５】
図２５及び図２６に示すように、本発明の実施の形態９に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９が、いわゆるストレート状に形成されている点が異なり、また、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置が異なる。以下、具体的に説明する。
【０１６６】
まず、アノードセパレータ６ａにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置について、図２５を参照しながら説明する。なお、カソードセパレータ６ｂにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置は、アノードセパレータ６ａにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔と同様に設けられているため、その詳細な説明は省略する。
【０１６７】
図２５に示すように、アノードセパレータ６ａにおける第１の側部の上部には、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３が設けられており、その下部には、燃料ガス排出マニホールド孔３２が設けられている。また、アノードセパレータ６ａにおける第２の側部の上部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１が設けられており、その下部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４が設けられている。
【０１６８】
また、図２５に示すように、燃料ガス流路８は、第１上流ガス流路８ｃと、第１下流ガス流路８ｄと、第１上流ガス流路８ｃと第１下流ガス流路８ｄを連通し直線状に形成された複数の第１連通ガス流路８ｅと、を有している。
【０１６９】
第１上流ガス流路８ｃの上流端は、燃料ガス供給マニホールド孔３１に接続され、燃料ガス流路８の上流端を構成する。また、第１上流ガス流路８ｃは、上下方向に延びる部分と水平方向に（第２の側部から第１の側部に向かって）延びる部分とから構成されている。また、第１下流ガス流路８ｄの下流端は、燃料ガス排出マニホールド孔３２に接続され、燃料ガス流路８の下流端を構成する。また、第１下流ガス流路８ｄは、上下方向に延びる部分と水平方向に（第２の側部から第１の側部に向かって）延びる部分とから構成されている。さらに、第１連通ガス流路８ｅは、上下方向に延びるように形成されている。
【０１７０】
さらに、図２６に示すように、カソードセパレータ６ｂにおける酸化剤ガス流路９も、図２５に示す燃料ガス流路８と同様に構成されている。具体的には、酸化剤ガス流路９は、第２上流ガス流路９ｃと、第２下流ガス流路９ｄと、第２上流ガス流路９ｃと第２下流ガス流路９ｄを連通し直線状に形成された複数の第２連通ガス流路９ｅと、を有している。
【０１７１】
第２上流ガス流路９ｃの上流端は、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３に接続され、酸化剤ガス流路９の上流端を構成する。また、第２上流ガス流路９ｃは、上下方向に延びる部分と水平方向に（第１の側部から第２の側部に向かって）延びる部分とから構成されている。また、第２下流ガス流路９ｄの下流端は、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４に接続され、酸化剤ガス流路９の下流端を構成する。また、第２下流ガス流路９ｄは、上下方向に延びる部分と水平方向に（第１の側部から第２の側部に向かって）延びる部分とから構成されている。さらに、第２連通ガス流路９ｅは、上下方向に延びるように形成されている。なお、冷却媒体流路１０の形状は任意であり、実施の形態１のようにサーペンタイン状に形成してもよく、本実施の形態９の燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９のようにストレート状に形成してもよい。
【０１７２】
そして、このように燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９が構成されているため、図２５に示すように、第１領域２１と第２領域２２が互いに重なり合っている（一致している）。第１領域２１は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、燃料ガス流路８の上流端から最初にアノード４ａと接触する部分４１と、燃料ガス流路８の部分４１から燃料ガス流路８に沿って所定の距離Ｌ１延びた領域である。すなわち、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第１領域２１の上側端部は、燃料ガス流路８の上流端から最初にアノード４ａと接触する部分４１（アノード４ａの上側端部）であり、第１領域２１の下側端部は、燃料ガス流路８の部分４１から燃料ガス流路８に沿って所定の距離Ｌ１延びた部分である。また、第１領域２１の水平方向における一方の端部（第１の側部側端部）は、アノード４ａの第１の側部側端部であり、第１領域２１の水平方向における他方の端部（第２の側部側端部）は、アノード４ａの第２の側部側端部である。
【０１７３】
同様に、第２領域２２は、酸化剤ガス流路９の上流端から最初にカソード４ｂと接触する部分４２と、酸化剤ガス流路９の部分４２から酸化剤ガス流路９に沿って所定の距離Ｌ１延びた部分との間の領域である。なお、本実施の形態９においては、第１連通ガス流路８ｅ及び第２連通ガス流路９ｅを上下方向に延びるように形成したので、第１領域２１及び第２領域２２は、上記のように構成されたが、第１連通ガス流路８ｅ及び第２連通ガス流路９ｅを水平方向に延びるように形成すると、第１領域２１及び第２領域２２は、実施の形態１のように構成される。また、第１領域２１には、カバー部材１１が配置されている。このカバー部材１１は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）のカバー部材１１と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
【０１７４】
このように構成された本実施の形態９に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）であっても、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
【０１７５】
なお、本実施の形態９においては、アノードセパレータ６ａにカバー部材１１を設け、カソードセパレータ６ｂには、カバー部材１１を設けない構成としたが、これに限定されず、アノードセパレータ６ａには、カバー部材１１を設けず、カソードセパレータ６ｂにカバー部材１１を設ける構成としてもよい。このように構成した場合は、実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
【０１７６】
また、本実施の形態９においては、カバー部材１１と第１領域２１のアノードセパレータ６ａの厚み方向から見た形状を、矩形としたが、これに限定されず、変形例１のように、円形状等の任意の形状にしてもよい。さらに、カバー部材１１と第１領域２１の断面形状についても、変形例２のように、台形状等の任意の形状にしてもよい。
【０１７７】
（実施の形態１０）
図２７は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図２８は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図２７においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、酸化剤ガス流路の一部を仮想線で表している。また、図２８においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、燃料ガス流路の一部を仮想線で表している。図２７及び図２８においては、冷却媒体供給マニホールド孔及び冷却媒体排出マニホールド孔を省略している。
【０１７８】
図２７及び図２８に示すように、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態９に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、カソードセパレータ６ｂの第１領域２１（第２領域２２）にカバー部材１２が配置されている点が異なる。なお、カバー部材１２は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）のカバー部材１２と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
【０１７９】
このように構成された本実施の形態１０に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、実施の形態９に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）の作用効果を奏し、また、カソードセパレータ６ｂの第２領域２２（第１領域２１）に対向するＭＥＡ５（正確には、カソード４ｂ）の部分から酸化剤ガス流路９への水蒸気の拡散を抑制することができ、ＭＥＡ５（特に、高分子電解質膜１）の乾燥を抑制することができる。
【０１８０】
（実施の形態１１）
図２９は、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図３０は、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図２９においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、酸化剤ガス流路の一部を仮想線で表している。また、図３０においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、燃料ガス流路の一部を仮想線で表している。さらに、図２９及び図３０においては、冷却媒体供給マニホールド孔及び冷却媒体排出マニホールド孔を省略している。
【０１８１】
図２９及び図３０に示すように、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態９に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９が、いわゆる対向流となるように構成されている点が異なり、また、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置が異なる。
【０１８２】
まず、アノードセパレータ６ａにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置について、図２９を参照しながら説明する。なお、カソードセパレータ６ｂにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置は、アノードセパレータ６ａにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔と同様に設けられているため、その詳細な説明は省略する。
【０１８３】
図２９に示すように、アノードセパレータ６ａにおける第１の側部の上部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４が設けられており、その下部には、燃料ガス排出マニホールド孔３２が設けられている。また、アノードセパレータ６ａにおける第２の側部の上部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１が設けられており、その下部には、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３が設けられている。
【０１８４】
また、図２９に示すように、第２領域２２は、酸化剤ガス流路９の上流端から最初にカソード４ｂと接触する部分４２と、酸化剤ガス流路９の部分４２から酸化剤ガス流路９に沿って所定の距離Ｌ１延びた部分との間の領域である。すなわち、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第２領域２２の下側端部は、酸化剤ガス流路９の上流端から最初にカソード４ｂと接触する部分４２（カソード４ｂの下側端部）であり、第２領域２２の上側端部は、酸化剤ガス流路９の部分４２から酸化剤ガス流路９に沿って所定の距離Ｌ２延びた部分である。また、第１領域２１の水平方向における一方の端部（第１の側部側端部）は、アノード４ａの第１の側部側端部であり、第１領域２１の水平方向における他方の端部（第２の側部側端部）は、アノード４ａの第２の側部側端部である。
【０１８５】
そして、第１領域２１には、カバー部材１１が配置され、第２領域２２には、カバー部材１２が配置されている。これらのカバー部材１１、１２は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）のカバー部材１１、１２と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
【０１８６】
このように構成された実施の形態１１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）であっても、実施の形態９ひいては実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
【０１８７】
（実施の形態１２）
図３１は、本発明の実施の形態１２に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図３２は、本発明の実施の形態１２に係る燃料電池スタックのカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図３１においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、酸化剤ガス流路の一部を仮想線で表している。また、図３２においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、燃料ガス流路の一部を仮想線で表している。さらに、図２９及び図３０においては、冷却媒体供給マニホールド孔及び冷却媒体排出マニホールド孔を省略している。
【０１８８】
図３１及び図３２に示すように、本発明の実施の形態１２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態１１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、カソードセパレータ６ｂの第１領域２１にカバー部材１１が配置され、カソードセパレータ６ｂの第２領域２２にカバー部材１２が配置されている点が異なる。
【０１８９】
このように構成された本実施の形態１２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、実施の形態１１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏し、また、カソードセパレータ６ｂの第１領域２１及び第２領域２２に対向するＭＥＡ５（正確には、カソード４ｂ）の部分から酸化剤ガス流路９への水蒸気の拡散を抑制することができ、ＭＥＡ５（特に、高分子電解質膜１）の乾燥を抑制することができる。
【０１９０】
なお、上記実施形態１〜１２においては、燃料電池スタックとして、各マニホールド孔がセパレータに設けられたいわゆる内部マニホールド形を採用したが、これに限定されず、燃料電池スタックとして、外部マニホールド形を採用してもよい。
【０１９１】
また、上記実施の形態１〜８においては、燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９、及び冷却媒体流路１０をサーペンタイン状に形成し、実施の形態９〜１２においては、燃料ガス流路８又は酸化剤ガス流路９をストレート状に形成したが、これに限定されず、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂの主面のほぼ全域を反応ガス又は冷却媒体が通流するようにすれば、どのような形状であってもよい。
【０１９２】
また、上記実施の形態１〜５においては、アノードセパレータ６ａ又はカソードセパレータ６ｂの内面とカバー部材１１及びカバー部材１２の主面とが面一になるように構成したが、これに限定されず、カバー部材１１及びカバー部材１２の主面が、アノードセパレータ６ａ又はカソードセパレータ６ｂの内面よりも凹むように構成されていてもよい。すなわち、アノードセパレータ６ａ又はカソードセパレータ６ｂの第１領域２１及び第２領域２２の窪みの深さが、カバー部材１１及びカバー部材１２の高さよりも小さくなるように形成されていてもよい。
【０１９３】
さらに、上記実施の形態９〜１２においては、ガス透過抑制部を、カバー部材１１及びカバー部材１２が、燃料ガス流路８の開口を覆うことにより形成したが、これに限定されず、実施の形態８のように、ガス透過抑制部をアノードセパレータ６ａ又はカソードセパレータ６ｂをくり抜いたトンネルで構成してもよい。
【０１９４】
［実施例］
次に、本発明の作用効果について、実施例を用いてさらに説明する。
【０１９５】
実施例の燃料電池１００は、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂともに、図１３に示すようなカバー部材１１を設ける構成とした。すなわち、カバー部材１１を燃料ガス流路８の上流端から最初にアノード４ａと接触する部分４１と、酸化剤ガス流路９の上流端から最初にカソード４ｂと接触する部分４２と、の間の領域を覆うように、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂに設けた。なお、実施例の燃料電池１００の他の部分については、実施の形態１に示す燃料電池（単電池）１００を作製した。
【０１９６】
一方、比較例の燃料電池１００は、実施例の燃料電池１００にカバー部材１１を設けない構成とした。
【０１９７】
そして、これらの燃料電池１００を、それぞれ、発電条件を、電流密度０．０２Ａ／ｃｍ２、燃料ガスの利用率２％、酸化剤ガスの利用率１．４％、燃料ガスには水素７５％、二酸化炭素２５％の混合ガスを用い、酸化剤ガスには１００％酸素ガスを用い、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を６５℃及び電池温度を９０℃として、１００時間運転した。そして、各燃料電池１００の燃料ガス流路８の排出水及び酸化剤ガス流路９の排出水を、燃料電池運転の間回収して、イオンクロマトグラフィーによりフッ化物イオンの量を測定し、その積算量を高分子電解質膜の劣化量とした。その結果を示したのが、図３３である。
【０１９８】
図３３は、燃料電池１００の１００時間運転後のフッ化物イオンの総溶出量を示したグラフである。図３３に示すように、実施例の燃料電池１００では、フッ化物イオンの総溶出量が、２．３７４μｇ／ｃｍ２／ｄａｙであり、比較例の燃料電池１００では、フッ化物イオンの総溶出量が、７．０９８μｇ／ｃｍ２／ｄａｙであった。このように、実施例の燃料電池１００では、比較例の燃料電池１００に比べて、フッ化物イオンの溶出量が１／３程度であることが示された。すなわち、実施例の燃料電池１００は、比較例の燃料電池１００に比べて、ガス透過抑制部を設けることにより、アノード４ａ（アノードガス拡散層３ａ）におけるアノードセパレータ６ａの第１領域２１及び第２領域２２に対向する部分から燃料ガス流路８への水蒸気の拡散を抑制し、また、カソード４ｂ（カソードガス拡散層３ｂ）におけるカソードセパレータ６ｂの第１領域２１及び第２領域２２に対向する部分から酸化剤ガス流路９への水蒸気の拡散を抑制することにより、高分子電解質膜１の劣化が抑制されることが示された。
【０１９９】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０２００】
本発明の燃料電池及び燃料電池スタックは、高温低加湿の条件で運転した場合に、電解質層（高分子電解質膜）の乾燥を抑制することにより、電解質層の劣化を抑制することが可能な燃料電池及び燃料電池スタックとして有用である。
【符号の説明】
【０２０１】
１  高分子電解質膜（電解質層）
２ａ  アノード触媒層
２ｂ  カソード触媒層
３ａ  アノードガス拡散層
３ｂ  カソードガス拡散層
４ａ  アノード
４ｂ  カソード
５  ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体（電解質層−電極接合体））
６ａ  アノードセパレータ
６ｂ  カソードセパレータ
７  ガスケット
８  燃料ガス流路（第１反応ガス流路）
８ａ  往復部
８ｂ  反転部
９  酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）
９ａ  往復部
９ｂ  反転部
１０  冷却媒体流路
１１  カバー部材
１２  カバー部材
１３  貫通孔
１４  リブ部
２１  第１領域
２２  第２領域
３１  燃料ガス供給マニホールド孔
３２  燃料ガス排出マニホールド孔
３３  酸化剤ガス供給マニホールド孔
３４  酸化剤ガス排出マニホールド孔
３５  冷却媒体供給マニホールド孔
３６  冷却媒体排出マニホールド孔
４１  部分
４２  部分
６１  燃料電池スタック
６２  セル積層体
６３  第１の端板
６４  第２の端板
１００  燃料電池
１３１  燃料ガス供給マニホールド
１３２  燃料ガス排出マニホールド
１３３  酸化剤ガス供給マニホールド
１３４  酸化剤ガス排出マニホールド
１３５  冷却媒体供給マニホールド
１３６  冷却媒体排出マニホールド
２０２  電極
２０２Ａ  部分
２０２Ｂ  部分
２０３  反応ガス流路
２０４  リブ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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