(57)【要約】  本発明の高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜（１）と一対の電極（４Ａ、４Ｂ）を有する膜−電極接合体（５）と、一方の主面に溝状の第１反応ガス流路（８）が屈曲するように形成された第１セパレータ（６Ａ）と、一方の主面に溝状の第２反応ガス流路（９）が屈曲するように形成された第２セパレータ（６Ｂ）と、を備え、第１反応ガス流路（８）は、第１セパレータ（６Ａ）の厚み方向から見て、電極（４Ａ）の領域内で、その上流端から第２反応ガス流路（９）と最初に離れる部分を含む第１特定部分（５１）の幅が、第１反応ガス流路（８）の第１特定部分（５１）より上流側の部分よりも小さく、第１反応ガス流路（８）の第１特定部分（５１）より下流側の部分の幅よりも小さくなるように形成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、
板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第１反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第１セパレータと、
板状で、前記膜−電極接合体前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第２反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第２セパレータと、を備え、
前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記電極の領域内で、その上流端から最初に前記第２反応ガス流路と重なる部分より下流側で、前記第２反応ガス流路と最初に離れる部分（以下、第１部分）を含む部分（以下、第１特定部分）の幅が、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より上流側の部分の幅よりも小さく、かつ、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より下流側の部分の幅よりも小さくなるように形成されている、高分子電解質形燃料電池。
【請求項２】
前記第１セパレータの他方の主面及び／又は前記第２セパレータの他方の主面には、溝状の冷却媒体流路が形成されており、
前記第１反応ガス流路を通流する第１反応ガス及び前記第２反応ガス流路を通流する第２反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低い、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項３】
前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第１反応ガス流路の上流側の部分で構成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項４】
前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第１反応ガス流路の下流側の部分で構成されている、請求項１又は請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項５】
前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第２反応ガス流路の幅と前記第２反応ガス流路の間に形成された第２リブ部の幅との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項６】
前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第２反応ガス流路の幅に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項７】
前記第２セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第２反応ガス流路が形成されており、
前記第１特定部分は、前記第１部分から前記複数の第２反応ガス流路の幅の和と前記複数の第２反応ガス流路の間に形成された複数の第２リブ部の幅の和との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項８】
前記第２セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第２反応ガス流路が形成されており、
前記第１特定部分は、前記第１部分から前記複数の第２反応ガス流路の幅の和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項９】
前記第２反応ガス流路は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記電極の領域内で、その上流端から最初に前記第１反応ガス流路と重なる部分より下流側で、前記第１反応ガス流路と最初に離れる部分（以下、第２部分）を含む部分（以下、第２特定部分）の幅が、前記第２反応ガス流路の前記第２特定部分より上流側の部分の幅よりも小さく、かつ、前記第２反応ガス流路の前記第２特定部分より下流側の部分の幅よりも小さくなるように形成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１０】
前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第２反応ガス流路の上流側の部分で構成されている、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１１】
前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第２反応ガス流路の下流側の部分で構成されている、請求項８又は請求項９に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１２】
前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第１反応ガス流路の幅と前記第１反応ガス流路の間に形成された第１リブ部の幅との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１３】
前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第１反応ガス流路の幅に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１４】
前記第１セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第１反応ガス流路が形成されており、
前記第２特定部分は、前記第２部分から前記複数の第１反応ガス流路の幅の和と前記複数の第１反応ガス流路の間に形成された複数の第１リブ部の幅の和との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１５】
前記第１セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第１反応ガス流路が形成されており、
前記第２特定部分は、前記第２部分から前記複数の第１反応ガス流路の幅の和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１６】
前記第１反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路が、サーペンタイン状に形成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１７】
前記第１反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路が、渦巻状に形成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１８】
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に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１９】
複数の請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池が積層して締結されている、燃料電池スタック。
【請求項２０】
請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池と、
前記第１反応ガス流路に前記第１反応ガスを供給するように構成された第１反応ガス供給器と、
前記第２反応ガス流路に前記第２反応ガスを供給するように構成された第２反応ガス供給器と、
前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を供給するように構成された冷却媒体供給器と、
前記第１反応ガス流路を通流する第１反応ガス及び前記第２反応ガス流路を通流する第２反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、前記第１反応ガス供給器、前記第２反応ガス供給器、及び前記冷却媒体供給器を制御するように構成された制御装置と、を備える、燃料電池システム。
【請求項２１】
高分子電解質形燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第１反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第１セパレータと、板状で、前記膜−電極接合体前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第２反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第２セパレータと、を備え、
前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記電極の領域内で、その上流端から最初に前記第２反応ガス流路と重なる部分より下流側で、前記第２反応ガス流路と最初に離れる部分（以下、第１部分）を含む部分（以下、第１特定部分）の幅が、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より上流側の部分の幅よりも小さく、かつ、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より下流側の部分の幅よりも小さくなるように形成され、
前記第１セパレータの他方の主面及び／又は前記第２セパレータの他方の主面には、溝状の冷却媒体流路が形成されており、
前記第１反応ガス流路を通流する第１反応ガス及び前記第２反応ガス流路を通流する第２反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、第１反応ガス供給器が前記第１反応ガス流路に前記第１反応ガスを供給し、第２反応ガス供給器が前記第２反応ガス流路に前記第２反応ガスを供給し、冷却媒体供給器が前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を供給するステップを備える、燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形燃料電池及びそ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セパレータの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンなエネルギー源として、燃料電池が注目されている。燃料電池としては、例えば、高分子電解質形燃料電池が挙げられる。高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、膜−電極接合体と、この膜−電極接合体を挟みかつそれぞれアノード及びカソードに接触するように配置されたアノードセパレータ及びカソードセパレータとを備えている。膜−電極接合体は、それぞれガス拡散層及び触媒層からなるアノード及びカソード（これらを電極という）を備えている。ガス拡散層には、反応ガスの流通パスとなる細孔が存在する。アノードセパレータの一方の主面には、燃料ガス流路が形成されている。カソードセパレータの一方の主面には、酸化剤ガス流路が形成されている。燃料ガス流路からアノードに供給された燃料ガス（水素）はイオン化（Ｈ＋）され、アノードのガス拡散層及び触媒層を通過し、高分子電解質膜中を水の介在によって通過して、カソード側に移動する。カソード側に到達した水素イオンは、カソードの触媒層において以下の発電反応により、水を生成する。【０００３】
アノード側：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード側：（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応：Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
生成された水（生成水）は、蒸気又は液体のまま、カソードセパレータに形成された酸化剤ガス流路に流れ込む。また、カソード側で生成された水の一部は、アノード側に移動して（いわゆる、逆拡散）、燃料ガス流路に流れ込む。酸化剤ガス流路又は燃料ガス流路に流れ込んだ生成水は、酸化剤ガス又は燃料ガスの流れに沿って、下流側に移動する。このため、電極内における局所的な水分量のばらつきが大きくなり、その結果、局所的な発電量のばらつきが大きくなる場合がある。【０００４】
このような問題に対して、ガスが流入する第１流路と、ガスを排出する第２流路と、を備え、アノード側の第１流路とカソード側の第２流路とを電解質層を挟んで対向するように構成し、アノード側の第２流路とカソード側の第１流路とを電解質層を挟んで対向するように構成された燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、アノードガス通路とカソードガス通路とが電解質膜−電極接合体を挟んで対峙する位置関係で設けられ、かつアノードガスとカソードガスとがそれぞれ通路内を並行して流通するように構成された、固体高分子型燃料電池が知られている（例えば、特許文献２参照）。【０００５】
特許文献１に開示されている燃料電池では、燃料ガスと酸化剤ガスの流れを、いわゆる対向流とし、流路を電解質層を挟んで互いに対向するように構成することで、ガス拡散層の水分量の多い領域同士や水分量の少ない領域同士が、電解質層を挟んで対向することが抑制され、その結果、電極における局所的な発電量のばらつきが大きくなることが抑制される。【０００６】
また、特許文献２に開示されている固体高分子型燃料電池では、カソードガスよりもアノードガスの方を高加湿にすることで、カソードガス通路の入口側付近では、アノードガス通路の入口側付近を通流するアノードガスから水分が拡散して、アノード電極側からカソード電極側に向かって移動し、一方、アノードガス通路の出口側付近では、水分がカソード電極側からアノード電極側に向かって移動するため、燃料電池全体の水分の給排制御を適正に行い、燃料電池の発電性能を良好に維持することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３３１９１６号公報
【特許文献２】特開平９−２８３１６２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及び特許文献２に開示されている燃料電池においては、燃料電池を低加湿（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ので水が充分に生成されず、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、乾燥してイオン伝導性が低下し、発電効率が低下するという点で、未だ改善の余地があった。【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、特に、高分子電解質形燃料電池を低加湿条件下で運転するような場合に、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる高分子電解質形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、電極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１５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１５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、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第１反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第１セパレータと、板状で、前記膜−電極接合体前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第２反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第２セパレータと、を備え、前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記電極の領域内で、その上流端から最初に前記第２反応ガス流路と重なる部分より下流側で、前記第２反応ガス流路と最初に離れる部分（以下、第１部分）を含む部分（以下、第１特定部分）の幅が、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より上流側の部分の幅よりも小さく、かつ、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より下流側の部分の幅よりも小さくなるように形成されている。【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と接触する部分の水分含有量に比べて低くなるが、本発明においては、第１反応ガス流路は、第１特定部分の幅が、該第１特定部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成されている。このため、水分含有量が少ない、電極における第１特定部分に面する部分（以下、電極の第１特定部分という）が小さい。換言すると、第１反応ガス流路の第１特定部分の幅を小さくすることで、第１反応ガス流路の間に形成される第１リブ部の面積、又は、第１セパレータの厚み方向から見て、電極の外端と第１反応ガス流路との間の部分（以下、第１外側リブ部という）の面積が大きくなる。これにより、電極における水分含有量が多い部分（電極における第１リブ部又は第１外側リブ部に接触する部分）を大きくすることができる。そして、特に、本発明に係る高分子電解質形燃料電池を低加湿の条件で運転するような場合に、この電極の水分含有量が多い部分から、電極の第１特定部分に水が移動することで、電極の第１特定部分の乾燥を抑制することができ、ひいては、高分子電解質膜における第１反応ガス流路の第１特定部分に対向する部分の乾燥を抑制することができる。したがって、本発明の高分子電解質形燃料電池では、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。【００１４】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１セパレータの他方の主面及び／又は前記第２セパレータの他方の主面には、溝状の冷却媒体流路が形成されており、前記第１反応ガス流路を通流する第１反応ガス及び前記第２反応ガス流路を通流する第２反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低くてもよい。【００１５】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第１反応ガス流路の上流側の部分で構成されていてもよい。【００１６】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第１反応ガス流路の下流側の部分で構成されていてもよい。【００１７】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第２反応ガス流路の幅と前記第２反応ガス流路の間に形成された第２リブ部の幅との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。【００１８】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第２反応ガス流路の幅に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。【００１９】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第２セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第２反応ガス流路が形成されており、前記第１特定部分は、前記第１部分から前記複数の第２反応ガス流路の幅の和と前記複数の第２反応ガス流路の間に形成された複数の第２リブ部の幅の和との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。【００２０】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第２セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第２反応ガス流路が形成されており、前記第１特定部分は、前記第１部分から前記複数の第２反応ガス流路の幅の和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。【００２１】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第２反応ガス流路は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記電極の領域内で、その上流端から最初に前記第１反応ガス流路と重なる部分より下流側で、前記第１反応ガス流路と最初に離れる部分（以下、第２部分）を含む部分（以下、第２特定部分）の幅が、前記第２反応ガス流路の前記第２特定部分より上流側の部分の幅よりも小さく、かつ、前記第２反応ガス流路の前記第２特定部分より下流側の部分の幅よりも小さくなるように形成されていてもよい。【００２２】
上述したように、電極における第２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なるが、本発明においては、第２反応ガス流路は、第２特定部分の幅が、該第２特定部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成されている。このため、水分含有量が少ない、電極における第２特定部分に面する部分（以下、電極の第２特定部分という）が小さい。換言すると、第２反応ガス流路の第２特定部分の幅を小さくすることで、第２反応ガス流路の間に形成される第２リブ部の面積、又は、第１セパレータの厚み方向から見て、電極の外端と第２反応ガス流路との間の部分（以下、第２外側リブ部という）の面積が大きくなる。これにより、電極における水分含有量が多い部分（電極における第２リブ部又は第２外側リブ部に接触する部分）を大きくすることができる。そして、特に、本発明に係る高分子電解質形燃料電池を低加湿の条件で運転するような場合に、この電極の水分含有量が多い部分から、電極の第２特定部分に水が移動することで、電極の第２特定部分の乾燥を抑制することができ、ひいては、高分子電解質膜における第２反応ガス流路の第２特定部分に対向する部分の乾燥を抑制することができる。したがって、本発明の高分子電解質形燃料電池では、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。【００２３】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第２反応ガス流路の上流側の部分で構成されていてもよい。【００２４】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第２反応ガス流路の下流側の部分で構成されていてもよい。【００２５】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第１反応ガス流路の幅の長さと前記第１反応ガス流路の間に形成される第１リブ部の幅の長さまでの部分で構成されていてもよい。【００２６】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第１反応ガス流路の幅と前記第１反応ガス流路の間に形成された第１リブ部の幅との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。【００２７】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第１反応ガス流路の幅に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。【００２８】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第１セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第１反応ガス流路が形成されており、前記第２特定部分は、前記第２部分から前記複数の第１反応ガス流路の幅の和と前記複数の第１反応ガス流路の間に形成された複数の第１リブ部の幅の和との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。【００２９】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第１セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第１反応ガス流路が形成されており、前記第２特定部分は、前記第２部分から前記複数の第１反応ガス流路の幅の和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。【００３０】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路が、サーペンタイン状に形成されていてもよい。【００３１】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路が、渦巻状に形成されていてもよい。【００３２】
さらに、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、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。【００３３】
また、本発明に係る燃料電池スタックは、複数の前記高分子電解質形燃料電池が積層して締結されている。【００３４】
これにより、本発明に係る燃料電池スタックは、上記本発明に係る高分子電解質形燃料電池を備えているため、特に、本発明に係る燃料電池スタックを低加湿の条件で運転するような場合に、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。【００３５】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記高分子電解質形燃料電池と、前記第１反応ガス流路に前記第１反応ガスを供給するように構成された第１反応ガス供給器と、前記第２反応ガス流路に前記第２反応ガスを供給するように構成された第２反応ガス供給器と、前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を供給するように構成された冷却媒体供給器と、前記第１反応ガス流路を通流する第１反応ガス及び前記第２反応ガス流路を通流する第２反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、前記第１反応ガス供給器、前記第２反応ガス供給器、及び前記冷却媒体供給器を制御するように構成された制御装置と、を備える。【００３６】
さらに、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、高分子電解質形燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第１反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第１セパレータと、板状で、前記膜−電極接合体前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第２反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第２セパレータと、を備え、前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記電極の領域内で、その上流端から最初に前記第２反応ガス流路と重なる部分より下流側で、前記第２反応ガス流路と最初に離れる部分（以下、第１部分）を含む部分（以下、第１特定部分）の幅が、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より上流側の部分の幅よりも小さく、かつ、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より下流側の部分の幅よりも小さくなるように形成され、前記第１セパレータの他方の主面及び／又は前記第２セパレータの他方の主面には、溝状の冷却媒体流路が形成されており、前記第１反応ガス流路を通流する第１反応ガス及び前記第２反応ガス流路を通流する第２反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、第１反応ガス供給器が前記第１反応ガス流路に前記第１反応ガスを供給し、第２反応ガス供給器が前記第２反応ガス流路に前記第２反応ガスを供給し、冷却媒体供給器が前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を供給するステップを備える。【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、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の高分子電解質形燃料電池、それを備える燃料電池スタック、燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法によれば、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高分子電解質形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に示す高分子電解質形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４】図４は、図２に示す高分子電解質形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５】図５は、本変形例１の燃料電池スタックにおける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６】図６は、本変形例２の燃料電池スタックにおける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７】図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、図７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９】図９は、図７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における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における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における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における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１４】図１４は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図１５】図１５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。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、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。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【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、適宜な配管が設けられている。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】
[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の構成について図２を参照しながら説明する。
【００４６】
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。
【００４７】
図２に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池１００は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）５と、ガスケット７と、アノードセパレータ６Ａと、カソードセパレータ６Ｂと、を備えている。
【００４８】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード電極４Ａと、カソード電極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電極４Ａとカソード電極４Ｂ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、酸化剤ガス排出マニホールド孔等の各マニホールド孔（図示せず）が厚み方向に貫通するように設けられている。
【００４９】
アノード電極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（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層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、カソード電極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（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層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。
【００５０】
また、ＭＥＡ５のアノード電極４Ａ及びカソード電極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等のマニホールド孔（図示せず）が設けられている。
【００５１】
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（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、又は、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。
【００５２】
アノードセパレータ６Ａのアノード電極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のカソード電極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。
【００５３】
これにより、アノード電極４Ａ及びカソード電極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、水や不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）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。
【００５４】
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。
【００５５】
[セパレータの構成]
次に、カソードセパレータ６Ｂ及びアノードセパレータ６Ａについて、図２乃至図４を参照しながら詳細に説明する。
【００５６】
図３は、図２に示す燃料電池１００のカソードセパレータ６Ｂの概略構成を示す模式図である。また、図４は、図２に示す燃料電池１００のアノードセパレータ６Ａ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及び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ている。また、図４においては、酸化剤ガス流路９の一部を仮想線（二点差線）で示している。
【００５７】
まず、カソードセパレータ６Ｂの構成について、図２及び図３を参照しながら詳細に説明する。
【００５８】
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（第２反応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が配設さ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が配設さ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（第１反応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。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、中心線を挟んで互いに対向するように設けられている。
【００５９】
そして、図２及び図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、１つの溝で構成されており、該溝は、直線部９ａと折り返し部９ｂとで実質的に構成されている。
【００６０】
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、上記延在パターンを２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直線部９ａを構成し、下方に延びる部分が折り返し部９ｂを構成している。そして、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（正確には、直線部９ａ）と溝（正確には、直線部９ａ）との間の部分が、カソード電極４Ｂと当接する第２リブ部１２を形成する。
【００６１】
なお、本実施の形態１においては、酸化剤ガス流路９は、１本の溝で形成したが、これに限定されず、複数の溝をカソードセパレータ６Ｂの内面に形成して、複数の酸化剤ガス流路群を形成してもよい。この場合、各酸化剤ガス流路９を構成する溝（正確には、直線部９ａ）と溝（正確には、直線部９ａ）との間の部分が、第２リブ部１２を形成する。
【００６２】
次に、アノードセパレータ６Ａ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。
【００６３】
図２及び図４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。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する。
【００６４】
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。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、並行流とは、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９は、一部に酸化剤ガスと燃料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）酸化剤ガスと燃料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いう。
【００６５】
また、図４に示すように、燃料ガス流路８は、ここでは、１つの溝で構成されており、該溝は、直線部８ａと折り返し部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、上記のような延在パターンを２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直線部８ａを構成し、下方に延びる部分が折り返し部８ｂを構成している。なお、燃料ガス流路８を構成する溝（正確には、直線部８ａ）と溝（正確には、直線部８ａ）との間の部分が、アノード６Ａと当接する第１リブ部１１を形成する。
【００６６】
なお、本実施の形態１においては、燃料ガス流路８は、１本の溝で形成したが、これに限定されず、複数の溝をアノードセパレータ６Ａの内面に形成して、複数の酸化剤ガス流路群を形成してもよい。この場合、各燃料ガス流路８を構成する溝（正確には、直線部８ａ）と溝（正確には、直線部８ａ）との間の部分が、第１リブ部１１を形成する。
【００６７】
また、燃料ガス流路８は、第１部分４１を有している。第１部分４１は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード電極４Ａ（又はカソード電極４Ｂ）の領域（アノード電極４Ａ（又はカソード電極４Ｂ）が形成された範囲）内で、燃料ガス流路８の上流端から酸化剤ガス流路９と重なって最初に離れる部分である。具体的には、本実施の形態１においては、１つ目の直線部８ａの下流端（１つ目の折り返し部８ｂの上流端）が、第１部分４１を構成する。
【００６８】
さらに、燃料ガス流路８は、第１部分４１を含む第１特定部分５１を有する。第１特定部分は、本実施の形態１においては、第１部分４１からその上流側の部分と、第１部分４１からその下流側の部分と、から構成されている。具体的には、第１特定部分５１の上流端は、第１部分４１から上流側に所定の距離Ｎ１延びた部分であり、第１特定部分５１の下流端は、第１部分４１から下流側に所定の距離Ｎ１延びた部分である。
【００６９】
ここで、所定の距離Ｎ１は、燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスという）の露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路８や酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成等によって異なるが、酸化剤ガス流路９の幅の長さと第２リブ部１２の幅の長さの和に相当する長さ以下であってもよく、酸化剤ガス流路９の幅に相当する長さ以下であってもよい。なお、第２リブ部１２の幅の長さとは、第２リブ部１２を形成する溝（正確には、直線部９ａ）と溝（正確には、直線部９ａ）の間の長さをいう。また、酸化剤ガス流路９の幅とは、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、酸化剤ガスが、酸化剤ガス流路９を通流する方向に対して、垂直な方向の長さをいう。
【００７０】
そして、燃料ガス流路８の第１特定部分５１は、燃料ガス流路８の第１特定部分５１の幅が、燃料ガス流路８の第１特定部分５１以外の幅よりも小さくなるように形成されている。これにより、アノード電極４Ａにおける、燃料ガス流路８の第１特定部分５１に面する部分（以下、アノード電極４Ａの第１特定部分という）を小さくすることができる。換言すると、燃料ガス流路８の第１特定部分５１の幅を小さくすることで、燃料ガス流路８を形成する溝（正確には、直線部８ａ）と溝（正確には、直線部８ａ）との間に形成される第１リブ部１１の面積を大きくすることができる。
【００７１】
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４を参照しながら説明する。
【００７２】
[燃料電池スタック（燃料電池）の作用効果]
上述したように、アノード電極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、アノード電極４Ａにおける第１リブ部１１に接触する部分の水分含有量に比べて低くなる。燃料電池スタック６１を低加湿の条件（燃料ガス流路８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点が、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体（ここでは、水）の温度よりも低い条件）で運転するような場合に、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード電極４Ａにおける燃料ガス流路８の上流側部分に面する部分では、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における燃料ガス流路８の上流側部分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の当該部分が劣化するおそれがある。ここで、燃料ガス流路８の上流側部分とは、燃料ガス流路８の幅寸法等の構成や、反応ガスの露点、冷却媒体の温度等によって、その下流端は異なるが、少なくとも、一端を燃料ガス流路８の上流端とし、他端を式：Ｌ１≦Ｌ２を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ１は、燃料ガス流路８の上流側部分の流路長を示し、Ｌ２は、燃料ガス流路８の全流路長を示す。
【００７３】
そして、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード電極４Ａにおける燃料ガス流路８の第１特定部分５１に面する部分では、反応ガスの反応による生成水が、特に、充分ではないため、高分子電解質膜１における燃料ガス流路８の第１特定部分５１に対向する部分では、特に乾燥しやすくなり、高分子電解質膜１の当該部分が劣化するおそれが高くなる。
【００７４】
しかしながら、本実施の形態１に係る燃料電池１００及びそれを備える燃料電池スタック６１では、燃料ガス流路８の第１部分４１を含む第１特定部分５１の流路の幅が、燃料ガス流路８の第１特定部分５１以外の部分の流路の幅よりも小さくなるように形成されている。このため、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード電極４Ａにおける第１特定部分５１に面する部分（以下、アノード電極４Ａの第１特定部分という）を小さくすることができる。
【００７５】
これにより、水分含有量が少ないアノード電極４Ａの第１特定部分を小さくすることで、アノード電極４Ａの第１特定部分の乾燥を抑制することができる。ひいては、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における燃料ガス流路８の第１特定部分５１に対向する部分の乾燥を抑制することができる。
【００７６】
さらに、燃料ガス流路８の第１特定部分５１近傍に形成される第１リブ部１１の面積を大きくすることで、当該第１リブ部１１に面するアノード電極４Ａの水分含有量が多い部分を大きくすることができる。そして、この水分含有量が多い、アノード電極４Ａの第１リブ部１１に面する部分から、水分含有量が少ない、アノード電極４Ａの第１特定部分に水が移動することで、アノード電極４Ａの第１特定部分の乾燥を抑制することができ、ひいては、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における燃料ガス流路８の第１特定部分５１に対向する部分の乾燥を抑制することができる。したがって、本実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。
【００７７】
なお、本実施の形態１においては、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としても同様の作用効果を奏する。
【００７８】
また、本実施の形態１においては、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９ともに、その流路をサーペンタイン状に形成したが、これに限定されず、燃料ガス流路８のみをサーペンタイン状に形成してもよく、酸化剤ガス流路９のみをサーペンタイン状に形成してもよい。
【００７９】
さらに、本実施の形態１においては、燃料ガス流路８の第１特定部分５１近傍に形成される第１リブ部１１の面積を大きくするように構成したが、これに限定されず、燃料ガス流路８の第１特定部分５１近傍に形成される第１リブ部１１の面積を他の第１リブ部１１の面積と同じになるように構成し、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の内面のうち、アノード電極４Ａの外端と燃料ガス流路８の第１特定部分５１との間の部分（以下、第１外側リブ部１１Ａという（図４参照））の面積を大きくするように構成してもよい。この場合、第１外側リブ部１１Ａの面積を大きくすることで、当該第１外側リブ部１１Ａに面する、アノード電極４Ａの水分含有量が多い部分を大きくすることができる。そして、この水分含有量が多い、アノード電極４Ａの第１外側リブ部１１Ａに面する部分から、水分含有量が少ない、アノード電極４Ａの第１特定部分に水が移動することで、アノード電極４Ａの第１特定部分の乾燥を抑制することができ、ひいては、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における燃料ガス流路８の第１特定部分５１に対向する部分の乾燥を抑制することができる。
【００８０】
［変形例１］
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。
【００８１】
図５は、本変形例１の燃料電池スタックにおける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５において、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ている。また、図５においては、酸化剤ガス流路の一部を仮想線（二点差線）で示している。
【００８２】
図５に示すように、本変形例１の燃料電池スタック６１は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１と基本的構成は同じであるが、第１特定部分５１の構成が異なる。具体的には、本変形例１の第１特定部分５１は、第１部分４１からその下流側に所定の距離Ｎ延びた部分で構成されている。すなわち、第１特定部分５１の上流端は、第１部分４１であり、第１特定部分５１の下流端は、第１部分４１から下流側に所定の距離Ｎ１延びた部分である。
【００８３】
ここで、所定の距離Ｎ１は、燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスという）の露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路８や酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成等によって異なるが、酸化剤ガス流路９の幅の長さと第２リブ部１２の幅の長さの和以下であってもよく、酸化剤ガス流路９の幅の長さ以下であってもよい。なお、第２リブ部１２の幅の長さとは、第２リブ部１２を形成する溝（正確には、直線部９ａ）と溝（正確には、直線部９ａ）の間の長さをいう。
【００８４】
このように構成された本変形例１の燃料電池スタック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。
【００８５】
［変形例２］
図６は、本変形例２の燃料電池スタックにおける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６において、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ている。また、図６においては、酸化剤ガス流路の一部を仮想線（二点差線）で示している。
【００８６】
図６に示すように、本変形例２の燃料電池スタック６１は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１と基本的構成は同じであるが、第１特定部分５１の構成が異なる。具体的には、本変形例１の第１特定部分５１は、第１部分４１からその上流側に所定の距離Ｎ延びた部分で構成されている。すなわち、第１特定部分５１の上流端は、第１部分４１から上流側に所定の距離Ｎ１延びた部分であり、第１特定部分５１の下流端は、第１部分４１である。
【００８７】
ここで、所定の距離Ｎ１は、燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスという）の露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路８や酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成等によって異なるが、酸化剤ガス流路９の幅の長さと第２リブ部１２の幅の長さの和以下であってもよく、酸化剤ガス流路９の幅の長さ以下であってもよい。なお、第２リブ部１２の幅の長さとは、第２リブ部１２を形成する溝（正確には、直線部９ａ）と溝（正確には、直線部９ａ）の間の長さをいう。
【００８８】
このように構成された本変形例２の燃料電池スタック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。
【００８９】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。また、図８は、図７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り、図９は、図７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。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（二点差線）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（二点差線）で示している。
【００９０】
図７乃至図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（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、酸化剤ガス流路９の一部の流路の幅が、それ以外の流路の幅よりも小さくなるように形成されている点が異なる。以下、詳細に説明する。
【００９１】
酸化剤ガス流路９は、第２部分４２を有している。第２部分４２は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、カソード電極４Ｂ（又はアノード電極４Ａ）の領域（アノード電極４Ａ（又はカソード電極４Ｂ）が形成された範囲）内で、酸化剤ガス流路９の上流端から燃料ガス流路８と重なって最初に離れる部分である。具体的には、本実施の形態１においては、１つ目の直線部９ａの下流端（１つ目の折り返し部９ｂの上流端）が、第２部分４２を構成する。
【００９２】
さらに、酸化剤ガス流路９は、第２部分４２を含む第２特定部分５２を有する。第２特定部分は、本実施の形態２においては、第２部分４２からその上流側の部分と、第２部分４２からその下流側の部分と、から構成されている。具体的には、第２特定部分５２の上流端は、第２部分４２から上流側に所定の距離Ｎ２延びた部分であり、第２特定部分５２の下流端は、第２部分４２から下流側に所定の距離Ｎ２延びた部分である。
【００９３】
ここで、所定の距離Ｎ２は、燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスという）の露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路８や酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成等によって異なるが、燃料ガス流路８の幅の長さと第１リブ部１１の幅の長さの和に相当する長さ以下であってもよく、燃料ガス流路８の幅に相当する長さ以下であってもよい。なお、第１リブ部１１の幅の長さとは、第１リブ部１１を形成する溝（正確には、直線部８ａ）と溝（正確には、直線部８ａ）の間の長さをいう。また、燃料ガス流路８の幅とは、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、燃料ガスが、燃料ガス流路８を通流する方向に対して、垂直な方向の長さをいう。
【００９４】
そして、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２は、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２の幅が、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２以外の幅よりも小さくなるように形成されている。
【００９５】
これにより、カソード電極４Ｂにおける、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２に面する部分（以下、カソード電極４Ｂの第２特定部分という）を小さくすることができる。換言すると、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２の幅を小さくすることで、酸化剤ガス流路９を形成する溝（正確には、直線部９ａ）と溝（正確には、直線部９ａ）との間に形成される第２リブ部１２（より正確には、第２特定部分５２近傍に形成される第２リブ部１２）の面積を大きくすることができる。
【００９６】
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）では、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。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）では、水分含有量が少ないカソード電極４Ｂの第２特定部分を小さくすることで、カソード電極４Ｂの第２特定部分の乾燥を抑制することができる。ひいては、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２に対向する部分の乾燥を抑制することができる。
【００９７】
さらに、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２近傍に形成される第２リブ部１２の面積を大きくすることで、当該第２リブ部１２に面するカソード電極４Ｂの水分含有量が多い部分を大きくすることができる。そして、この水分含有量が多い、カソード電極４Ｂの第２リブ部１２に面する部分から、水分含有量が少ない、カソード電極４Ｂの第２特定部分に水が移動することで、カソード電極４Ｂの第２特定部分の乾燥を抑制することができ、ひいては、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２に対向する部分の乾燥を抑制することができる。したがって、本実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。
【００９８】
なお、本実施の形態２においては、燃料ガス流路８の第１特定部分５１は、燃料ガス流路８の第１部分４１から上流側の部分と、第１部分４１から下流側の部分と、から構成したが、これに限定されず、変形例１のように、第１部分４１から下流側の部分で構成してもよく、また、変形例２のように、第１部分４１から上流側の部分で構成してもよい。同様に、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２は、酸化剤ガス流路９の第２部分４２から上流側の部分と、第２部分４２から下流側の部分と、から構成したが、これに限定されず、第２部分４２から下流側の部分で構成してもよく、また、第２部分４２から上流側の部分で構成してもよい。
【００９９】
また、本実施の形態２においては、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２近傍に形成される第２リブ部１２の面積を大きくするように構成したが、これに限定されず、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２近傍に形成される第２リブ部１２の面積を他の第２リブ部１２の面積と同じになるように構成し、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、カソードセパレータ６Ｂの内面のうち、カソード電極４Ｂの外端と酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２との間の部分（以下、第２外側リブ部１２Ａという（図８参照））の面積を大きくするように構成してもよい。この場合、第２外側リブ部１２Ａの面積を大きくすることで、当該第２外側リブ部１２Ａに面する、カソード電極４Ｂの水分含有量が多い部分を大きくすることができる。そして、この水分含有量が多い、カソード電極４Ｂの第２外側リブ部１２Ａに面する部分から、水分含有量が少ない、カソード電極４Ｂの第２特定部分に水が移動することで、カソード電極４Ｂの第２特定部分の乾燥を抑制することができ、ひいては、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２に対向する部分の乾燥を抑制することができる。
【０１００】
（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における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における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。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（二点差線）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（二点差線）で示している。
【０１０１】
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及び酸化剤ガス流路９が、それぞれ、複数（本実施の形態では、３本）の流路（溝）で構成されている点が異なる。
【０１０２】
そして、本実施の形態３においては、図１０に示すように、複数の酸化剤ガス流路９のそれぞれが、第２特定部分５２の幅が、該第２特定部分５２以外の部分の幅よりも小さくなるように形成されている。本実施の形態３においては、第２特定部分５２は、第２部分４２からその上流側の部分と、第２部分４２からその下流側の部分と、から構成されている。具体的には、第２特定部分５２の上流端は、第２部分４２から上流側に所定の距離Ｎ２延びた部分であり、第２特定部分５２の下流端は、第２部分４２から下流側に所定の距離Ｎ２延びた部分である。
【０１０３】
ここで、所定の距離Ｎ２は、燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスという）の露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路８や酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成等によって異なるが、複数（ここでは、３本）の燃料ガス流路８の幅の和と複数（ここでは、３本）の燃料ガス流路８の間に形成される複数（ここでは、２つ）の第１リブ部１１の幅の和を足し合わせた長さ（複数の燃料ガス流路８の幅の和と、複数の燃料ガス流路８の間に形成される複数の第１リブ部１１の幅の和と、の和に相当する長さ）以下であってもよく、燃料ガス流路８の幅に相当する長さ以下であってもよい。なお、第１リブ部１１の幅の長さとは、第１リブ部１１を形成する溝（正確には、直線部８ａ）と溝（正確には、直線部８ａ）の間の長さをいう。
【０１０４】
同様に、図１１に示すように、複数の燃料ガス流路８のそれぞれが、第１特定部分５１の幅が、該第１特定部分５１以外の部分の幅よりも小さくなるように形成されている。本実施の形態３においては、第１特定部分５１は、第１部分４１からその上流側の部分と、第１部分４１からその下流側の部分と、から構成されている。具体的には、第１特定部分５１の上流端は、第１部分４１から上流側に所定の距離Ｎ１延びた部分であり、第１特定部分５１の下流端は、第１部分４１から下流側に所定の距離Ｎ１延びた部分である。
【０１０５】
ここで、所定の距離Ｎ１は、燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスという）の露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路８や酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成等によって異なるが、複数（ここでは、３本）の酸化剤ガス流路９の幅の和と複数（ここでは、３本）の酸化剤ガス流路９の間に形成される複数（ここでは、２つ）の第２リブ部１２の幅の和とを足し合わせた長さ（複数の酸化剤ガス流路９の幅の和と、複数の酸化剤ガス流路９の間に形成される複数の第２リブ部１２の幅の和と、の和に相当する長さ）以下であってもよく、酸化剤ガス流路９の幅に相当する長さ以下であってもよい。なお、第２リブ部１２の幅の長さとは、第２リブ部１２を形成する溝（正確には、直線部９ａ）と溝（正確には、直線部９ａ）の間の長さをいう。
【０１０６】
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。
【０１０７】
なお、本実施の形態３においては、複数の流路のそれぞれが、第１特定部分５１又は第２特定部分５２の幅を、当該部分以外の部分の幅よりも小さくするように構成したが、これに限定されず、複数の流路のうち、少なくとも１本の流路における第１特定部分５１又は第２特定部分５２の幅が、当該部分以外の部分の幅よりも小さくするように構成していればよく、第１特定部分５１又は第２特定部分５２の幅を小さくする流路の本数は任意である。
【０１０８】
また、高分子電解質膜１の乾燥を効率よく抑制する観点から、複数の燃料ガス流路８のうち、その第１部分４１が、最もアノード電極４Ａの周縁部に近い側（最も外方側）の流路における、第１特定部分５１の幅を、当該部分以外の部分の幅よりも小さくすることが好ましい。高分子電解質膜１の乾燥をより抑制する観点から、第１特定部分５１の幅を、当該部分以外の部分の幅よりも小さくする流路の本数は、多い方が好ましい。同様に、複数の酸化剤ガス流路９のうち、その第２部分４２が、最もカソード電極４Ｂの周縁部に近い側（最も外方側）の流路における、第２特定部分５２の幅を、当該部分以外の部分の幅よりも小さくすることが好ましい。高分子電解質膜１の乾燥をより抑制する観点から、第２特定部分５２の幅を、当該部分以外の部分の幅よりも小さくする流路の本数は、多い方が好ましい。
【０１０９】
なお、複数の第１特定部分５１の上流端は、第１部分４１から、それぞれ、上流側に所定の距離Ｎ１延びた部分としたが、これに限定されない。例えば、最も外方側の第１特定部分５１の上流端は、第１部分４１から上流側に所定の距離Ｎ１延びた部分とし、最も外方側以外の第１特定部分５１の上流端は、第１部分４１から上流側に所定の距離Ｎ１より短い距離延びた部分としてもよい。また、複数の第１特定部分の下流端は、第１部分４１から、それぞれ、下流側に所定の距離Ｎ１延びた部分としたが、これに限定されない。最も外方側の第１特定部分５１の下流端は、第１部分４１から下流側に所定の距離Ｎ１延びた部分とし、最も外方側以外の第１特定部分５１の下流端は、第１部分４１から下流側に所定の距離Ｎ１より短い距離延びた部分としてもよい。
【０１１０】
同様に、複数の第２特定部分５２の上流端は、第２部分４２から、それぞれ、上流側に所定の距離Ｎ２延びた部分としたが、これに限定されない。例えば、最も外方側の第２特定部分５２の上流端は、第２部分４２から上流側に所定の距離Ｎ２延びた部分とし、最も外方側以外の第２特定部分５２の上流端は、第２部分４２から上流側に所定の距離Ｎ２より短い距離延びた部分としてもよい。また、複数の第２特定部分の下流端は、第２部分４２から、それぞれ、下流側に所定の距離Ｎ２延びた部分としたが、これに限定されない。最も外方側の第２特定部分５２の下流端は、第２部分４２から下流側に所定の距離Ｎ２延びた部分とし、最も外方側以外の第２特定部分５２の下流端は、第２部分４２から下流側に所定の距離Ｎ２より短い距離延びた部分としてもよい。
【０１１１】
また、本実施の形態３においては、第１特定部分５１を第１部分４１の上流側の部分と第１部分４１の下流側の部分とで構成したが、これに限定されず、第１部分４１の上流側の部分のみで構成してもよく、第１部分４１の下流側の部分のみで構成してもよい。同様に、第２特定部分５２第２部分４２の上流側の部分と第２部分４２の下流側の部分とで構成したが、これに限定されず、第２部分４２の上流側の部分のみで構成してもよく、第２部分４２の下流側の部分のみで構成してもよい。
【０１１２】
さらに、本実施の形態３においては、第１特定部分５１と第２特定部分５２の両方の部分の幅を、当該部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成したが、これに限定されず、第１特定部分５１の幅のみを、当該部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成してもよく、第２特定部分５２の幅のみを、当該部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成してもよい。
【０１１３】
（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における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における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。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（二点差線）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（二点差線）で示している。
【０１１４】
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、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９が、渦巻状に形成されている点が異なる。
【０１１５】
図１２に示すように、酸化剤ガス流路９は、水平方向に延びるように形成された水平部９ａと、上下方向に延びるように形成された垂直部９ｂと、から実質的に構成されている。そして、カソードセパレータ６Ｂの周縁部から中央部に向かって収束するように、時計回りに流路が形成され、カソードセパレータ６Ｂの中央部で折り返して、カソードセパレータ６Ｂの周縁部に向かって発散するように、反時計回りに流路が形成されている。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。そして、酸化剤ガス流路９の第２部分４２は、１つ目の水平部９ａの下流端（１つ目の垂直部９ｂの上流端）となる。
【０１１６】
同様に、図１３に示すように、燃料ガス流路８は、水平方向に延びるように形成された水平部８ａと、上下方向に延びるように形成された垂直部８ｂと、から実質的に構成されている。そして、アノードセパレータ６Ａの周縁部から中央部に向かって収束するように、時計回りに流路が形成され、アノードセパレータ６Ａの中央部で折り返して、アノードセパレータ６Ａの周縁部に向かって発散するように、反時計回りに流路が形成されている。ここで、アノードセパレータ６Ａの中央部とは、アノードセパレータ６Ａの外周に対する中央部分をいう。そして、燃料ガス流路８の第１部分４１は、１つ目の水平部８ａの下流端（一つ目の垂直部８ｂの上流端）となる。
【０１１７】
このように構成された、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）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。
【０１１８】
なお、本実施の形態４においては、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９ともに、その流路を渦巻状に形成したが、これに限定されず、燃料ガス流路８のみを渦巻状に形成してもよく、酸化剤ガス流路９のみを渦巻状に形成してもよい。
【０１１９】
また、本実施の形態４においては、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９ともに、１つの溝（流路）で構成したが、これに限定されず、複数の溝（流路）で構成してもよい。
【０１２０】
また、燃料ガス流路８の第１特定部分５１を第１部分４１の上流側の部分と第１部分４１の下流側の部分とで構成したが、これに限定されず、第１部分４１の上流側の部分のみで構成してもよく、第１部分４１の下流側の部分のみで構成してもよい。同様に、第２特定部分５２第２部分４２の上流側の部分と第２部分４２の下流側の部分とで構成したが、これに限定されず、第２部分４２の上流側の部分のみで構成してもよく、第２部分４２の下流側の部分のみで構成してもよい。
【０１２１】
さらに、本実施の形態４においては、第１特定部分５１と第２特定部分５２の両方の部分の幅を、当該部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成したが、これに限定されず、第１特定部分５１の幅のみを、当該部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成してもよく、第２特定部分５２の幅のみを、当該部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成してもよい。
【０１２２】
なお、上述した本実施の形態１乃至４においては、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９の幅を同じにする構成としたが、これに限定されず、流路の幅をそれぞれ異なるように構成してもよい。また、本発明の作用効果が得られる範囲において、燃料ガス流路８における第１特定部分５１の一部の幅が、燃料ガス流路８の該第１特定部分５１以外の部分の幅よりも大きくなるように形成されていてもよく、また、燃料ガス流路８における第１特定部分５１以外の部分の一部の幅が、燃料ガス流路８の第１特定部分５１の幅よりも小さくなるように形成されていてもよい。同様に、本発明の作用効果が得られる範囲において、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２の幅が、酸化剤ガス流路９の該第２特定部分５２以外の部分の幅よりも大きくなるように形成されていてもよく、また、酸化剤ガス流路９における第２特定部分５２以外の部分の一部の幅が、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２の幅よりも小さくなるように形成されていてもよい。
【０１２３】
また、上述した本実施の形態１乃至４においては、燃料ガス流路８における第１特定部分５１の深さと、該第１特定部分５１以外の部分の深さと、を同じになるように構成したが、これに限定されず、第１特定部分５１の流路抵抗と該第１特定部分５１以外の流路抵抗を同じようにする観点から、第１特定部分５１の深さを、該第１特定部分５１以外の部分の深さよりも深くなるように構成してもよい。同様に、上述した本実施の形態１乃至４においては、酸化剤ガス流路９における第２特定部分５２の深さと、該第２特定部分５２以外の部分の深さと、を同じになるように構成したが、これに限定されず、第２特定部分５２の流路抵抗と該第２特定部分５２以外の流路抵抗を同じようにする観点から、第２特定部分５２の深さを、該第２特定部分５２以外の部分の深さよりも深くなるように構成してもよい。
【０１２４】
また、上述した本実施の形態１乃至４においては、燃料ガス供給マニホールド孔３１、燃料ガス排出マニホールド孔３２、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４、冷却媒体供給マニホールド孔３５及び冷却媒体排出マニホールド孔３６の位置は、これに限定されない。例えば、上述した本実施の形態１乃至４において、酸化剤ガス供給マニホールド孔（第２反応ガス供給マニホールド孔）３３は、カソードセパレータ６Ｂ及びアノードセパレータ６Ａの第１の側部の上部に設けられる構成としたが、これに限定されない。例えば、酸化剤ガス供給マニホールド孔（第２反応ガス供給マニホールド孔）３３は、カソードセパレータ６Ｂの酸化剤ガス流路９より上方の第１の側部側に設けられ、アノードセパレータ６Ａの燃料ガス流路８より上方の第１の側部側に設けられる構成としてもよい。この場合、カソードセパレータ６Ｂの酸化剤ガス流路９を構成する溝は、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３から下方に向かってある距離延び、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る構成としてもよい。
【０１２５】
また、例えば、上述した本実施の形態１乃至４において、燃料ガス供給マニホールド孔（第１反応ガス供給マニホールド孔）３１は、カソードセパレータ６Ｂ及びアノードセパレータ６Ａの第２の側部の上部に設けられる構成としたが、これに限定されない。例えば、燃料ガス供給マニホールド孔（第１反応ガス供給マニホールド孔）３１は、カソードセパレータ６Ｂの酸化剤ガス流路９より上方の第２の側部側に設けられ、アノードセパレータ６Ａの燃料ガス流路８より上方の第２の側部側に設けられる構成としてもよい。この場合、アノードセパレータ６Ａの燃料ガス流路８を構成する溝は、燃料ガス供給マニホールド孔３１から下方に向かってある距離延び、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る構成としてもよい。
【０１２６】
さらに、上述した実施の形態１乃至４においては、いわゆる内部マニホールド形の燃料電池を採用したが、これに限定されず、いわゆる外部マニホールド形の燃料電池を採用してもよい。また、上述した本実施の形態１乃至４においては、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９をいわゆる並行流になるように形成したが、これに限定されず、いわゆる対向流になるように形成してもよい。
【０１２７】
（実施の形態５）
［燃料電池システムの構成］
図１４は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【０１２８】
図１４に示すように、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システム２００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、燃料処理器（第１反応ガス供給器）１０１と、酸化剤ガス供給器（第２反応ガス供給器）１０２と、冷却媒体供給器１０３と、制御装置１１０と、を備えていて、制御装置１１０が、燃料ガス流路８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点が、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、燃料処理器１０１、酸化剤ガス供給器１０２、及び冷却媒体供給器１０３を制御する。
【０１２９】
燃料処理器１０１は、改質器（図示せず）、原料供給器１０１Ａ、水供給器１０１Ｂ、及びバーナ１０１Ｃを有している。原料供給器１０１Ａは、改質器に原料の流量を調整して供給することができれば、どのような形態であってもよく、例えば、流量調整弁単体やブースターポンプ単体で構成されていてもよく、また、ブースターポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。また、水供給器１０１Ｂは、改質器に水の流量を調整して供給することができれば、どのような形態であってもよく、例えば、水の流量を調整する流量調整器であってもよい。流量調整器としては、流量調整弁単体やポンプ単体で構成されていてもよく、また、ポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。
【０１３０】
なお、原料としては、例えば、エタン、プロパン等の炭化水素といった、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むものを使用することができる。本実施の形態５においては、都市ガス（天然ガス）やＬＰガスといったガスインフララインから供給されるガスが用いられる。なお、原料供給器１０１Ａには、メタンを主成分とする都市ガス（天然ガス）等に含まれる臭気成分（例えば、メルカプタン等）を除去する脱臭器を有するように構成されていてもよい。この場合、脱臭器は、活性炭やフィルターを有する構成としてもよく、臭気成分を吸着により除去するゼオライト系吸着剤を用いる構成としてもよく、或いは、水添脱硫触媒を用いる構成としてもよい。
【０１３１】
燃料処理器１０１の改質器は、原料と水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質触媒を有している。そして、改質器では、原料供給器１０１Ａ及び水供給器１０１Ｂから供給された原料ガスと水とが改質反応され、水素含有ガスが生成され、生成された水素含有ガスは、燃料ガスとして、燃料ガス供給経路１５１に供給される。
【０１３２】
燃料処理器１０１は、燃料ガス供給経路１５１を介して、燃料電池スタック６１の燃料ガス内部流路６１Ａの入口と接続されている。燃料ガス内部流路６１Ａは、燃料ガス供給マニホールド１３１、燃料ガス流路８、及び燃料ガス排出マニホールド１３２（図１及び図２等参照）を有している。また、燃料ガス内部流路６１Ａの出口には、オフ燃料ガス経路１５２を介して、バーナ１０１Ｃが接続されている。
【０１３３】
また、バーナ１０１Ｃには、燃焼空気供給経路を介して燃焼空気供給器（いずれも図示せず）が接続されている。そして、バーナ１０１Ｃでは、燃焼用燃料と燃焼用空気が供給され、これらが燃焼して、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、改質器等を加熱した後、燃焼排ガス経路（図示せず）を通流して燃料電池システム２００外に排出される。燃焼用燃料としては、例えば、原料や改質器で生成された水素含有ガスが挙げられる。
【０１３４】
なお、本実施の形態５においては、改質器で生成された水素含有ガスが、燃料ガス供給経路１５１に送出される構成としたが、これに限定されない。例えば、燃料電池システム２００は、燃料ガス供給器１０１内に改質器より送出された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するための変成触媒（例えば、銅−亜鉛系触媒）を有する変成器や、酸化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）や、メタン化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）を有する一酸化炭素除去器を設けておき、これらの機器を通過した後の水素含有ガスが燃料ガス供給経路１５１に送出される構成としてもよい。
【０１３５】
酸化剤ガス供給器１０２は、燃料電池スタック６１（燃料電池１００）に酸化剤ガス（空気）をその流量及び加湿量を調整しながら供給することができれば、どのような態様であってもよい。本実施の形態５においては、酸化剤ガス供給器１０２は、ブロワやシロッコファン等のファン類と、全熱交換器１０４を有している（図１及び図２等参照）。酸化剤ガス供給器１０２には、酸化剤ガス供給経路１５３を介して、燃料電池スタック６１の酸化剤ガス内部流路６１Ｂの入口が接続されている。酸化剤ガス内部流路６１Ｂは、酸化剤ガス供給マニホールド１３３、酸化剤ガス流路９、及び酸化剤ガス排出マニホールド１３４を有している。また、酸化剤ガス内部流路６１Ｂの出口には、オフ酸化剤ガス経路１５４が接続されている。全熱交換器１０４は、酸化剤ガス供給経路１５３とオフ酸化剤ガス経路１５４とを跨ぐように設けられている。
【０１３６】
全熱交換器１０４としては、酸化剤ガス内部流路６１Ｂに供給される酸化剤ガスを加湿することができれば、どのような態様であってもよく、例えば、一次流体が通流するセパレータ、水蒸気透過膜、及び二次流体が通流するセパレータを有するセルが複数積層された静止型全熱交換器を用いてもよい。この場合、水蒸気透過膜の面積を小さくしたり、セルの積層数を少なくしたりして、酸化剤ガス内部流路６１Ｂに供給される酸化剤ガスの加湿量を小さくするようにしてもよい。これにより、酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点を、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くすることができる。
【０１３７】
なお、本実施の形態５においては、オフ酸化剤ガスと全熱交換する全熱交換器１０４により、酸化剤ガス内部流路６１Ｂに供給される酸化剤ガスを加湿するように構成したが、これに限定されない。例えば、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体が水である場合、冷却媒体と全熱交換する全熱交換器を設けて、該全熱交換器により、酸化剤ガスを加湿してもよく、オフ燃料ガスと全熱交換する全熱交換器を設けて、該全熱交換器により、酸化剤ガスを加湿してもよい。また、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして酸化剤ガスを加湿する、いわゆる加湿器により、酸化剤ガスを加湿してもよい。この場合、制御装置１１０は、酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点を、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、加湿器を制御してもよい。具体的には、制御装置１１０は、加湿器の加湿量を小さくなるように、加湿器を制御する。
【０１３８】
また、燃料電池スタック６１には、冷却媒体内部流路６１Ｃが設けられている。冷却媒体内部流路６１Ｃは、冷却媒体供給マニホールド１３５、冷却媒体流路１０、及び冷却媒体排出マニホールド１３６を有している（図１及び図２等参照）。冷却媒体内部流路６１Ｃには、冷却媒体循環経路１５５が接続されている。冷却媒体循環経路１５５の途中には、冷却媒体供給器１０３及び冷却媒体タンク１０５が設けられている。
【０１３９】
冷却媒体供給器１０３は、冷却媒体を冷却媒体流路１０にその流量と温度を調整して供給することができれば、どのような態様であってもよい。冷却媒体供給器１０３は、例えば、水の流量を調整する流量調整器と、温度調整器を有していてもよい。流量調整器としては、ポンプ単体で構成されていてもよく、また、ポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。また、温度調整器としては、例えば、電気ヒータで構成されていてもよい。
【０１４０】
制御装置１１０は、燃料電池システム２００を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよい。制御装置１１０は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。そして、制御装置１１０は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む燃料電池システム２００に関する各種の制御を行う。
【０１４１】
なお、制御装置１１０は、単独の制御装置で構成される形態だけでなく、複数の制御装置が協働して燃料電池システム２００の制御を実行する制御装置群で構成される形態であっても構わない。また、制御装置１１０は、マイクロコントロールで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ(ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)、論理回路等によって構成されていてもよい。
【０１４２】
［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態５に係る燃料電池システム２００の動作（発電動作）について、図１４を参照しながら説明する。
【０１４３】
まず、制御装置１１０は、燃料電池システム２００の作動指令が入力されると、燃料電池システム２００を構成する各機器に運転開始指令を出力する。なお、燃料電池システム２００の作動指令としては、例えば、燃料電池システム２００の使用者が、図示されないリモコンを操作して、燃料電池システム２００を作動させるように、指示した場合や予め設定された燃料電池システム２００の運転開始時刻になった場合等が挙げられる。
【０１４４】
次に、制御装置１１０は、原料供給器１０１Ａを作動させて、燃料処理器１０１の改質器、燃料ガス供給経路１５１、燃料ガス内部流路６１Ａ、及びオフ燃料ガス経路１５２を介して、バーナ１０１Ｃに原料を燃焼用燃料として供給させる。また、制御装置１１０は、バーナ１０１Ｃに、燃焼用空気供給器を作動させて、燃料用空気を供給させる。バーナ１０１Ｃでは、供給された原料と燃焼用空気が燃焼されて、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、燃料処理器１０１の改質器等を加熱した後、燃焼排ガス経路（図示せず）を通流して燃料電池システム２００外に排出される。
【０１４５】
次に、制御装置１１０は、燃料処理器１０１の改質器が充分に加熱されると、水供給器１０１Ｂを作動させて、改質器に水を供給させる。改質器では、供給された原料と水とが、改質反応して、水素含有ガスが生成される。生成された水素含有ガス（水蒸気を含む）は、変成器等で一酸化炭素が低減されて、燃料ガスとして、燃料ガス供給経路１５１を介して、燃料電池スタック６１の燃料ガス内部流路６１Ａに供給される。燃料ガス内部流路６１Ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス内部流路６１Ａを通流する間に、燃料電池１００の燃料ガス流路８に供給される。このとき、制御装置１１０は、水供給器１０１Ｂの操作量を制御する（小さくする）ことにより、燃料ガス中に含まれる水蒸気量を調整することで、燃料電池１００の燃料ガス流路８に供給される（燃料ガス流路８を通流する）燃料ガスの露点を、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるようにしてもよい。
【０１４６】
また、制御装置１１０は、酸化剤ガス供給器１０２を作動させて、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給経路１５３を介して、燃料電池スタック６１の酸化剤ガス内部流路６１Ｂに供給させる。酸化剤ガス内部流路６１Ｂに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス内部流路６１Ｂを通流する間に、燃料電池１００の酸化剤ガス流路９に供給される。
【０１４７】
燃料ガス流路８に供給された燃料ガスは、燃料ガス流路８を通流する間に、アノード電極４Ａに供給される。また、酸化剤ガス流路９に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路９を通流する間に、カソード電極４Ｂに供給される。そして、アノード電極４Ａに供給された燃料ガス中の水素と、カソード電極４Ｂに供給された酸化剤ガス中の酸素と、が、電気化学的に反応して、水が生成され、電気と熱が発生する。なお、生成された水は、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する。また、発生した電気は、図示されない出力制御器により、外部電力負荷（例えば、家庭の電気機器）に供給される。
【０１４８】
アノード電極４Ａで使用されなかった燃料ガスは、オフ燃料ガスとして、オフ燃料ガス経路１５２に排出され、オフ燃料ガス経路１５２に排出されたオフ燃料ガスは、バーナ１０１Ｃに供給される。また、カソード電極４Ｂで使用されなかった酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガスとして、オフ酸化剤ガス経路１５４から燃料電池システム２００外に排出される。オフ酸化剤ガス経路１５４に排出されたオフ酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガス経路１５４を通流する間に、全熱交換器１０４で、酸化剤ガス内部流路６１Ｂに供給される酸化剤ガスと熱交換及び水分交換して、酸化剤ガス内部流路６１Ｂに供給される酸化剤ガスを加湿する。
【０１４９】
さらに、制御装置１１０は、冷却媒体供給器１０３を作動させて、燃料電池スタック６１の冷却媒体内部流路６１Ｃを介して、冷却媒体流路１０に冷却媒体を供給する。冷却媒体流路１０に供給された冷却媒体は、水素と酸素の電気化学反応により、発生した熱を回収して、冷却媒体循環経路１５５から冷却媒体タンク１０５に供給される。このとき、制御装置１１０は、冷却媒体供給器１０３の流量調整器の操作量を制御して（小さくして）、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の流速を小さくすることで、燃料ガス流路８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点を、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるようにしてもよい。また、制御装置１１０は、温度調整器の操作量を制御して（大きくして）、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度を高くすることで、燃料ガス流路８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点を、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるようにしてもよい。
【０１５０】
すなわち、本実施の形態５に係る燃料電池システム２００では、制御装置１１０が、低加湿の運転条件（燃料ガス流路８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点が、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度よりも低い条件）となるように、燃料処理器１０１（水供給器１０１Ｂ）、酸化剤ガス供給器１０２、及び冷却媒体供給器１０３等を制御するように構成されている。
【０１５１】
このように構成された本実施の形態５に係る燃料電池システム２００では、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）を備えているため、制御装置１１０が、低加湿条件で運転するように、燃料処理器１０１、酸化剤ガス供給器１０２、及び冷却媒体供給器１０３を制御しても、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。
【０１５２】
なお、本実施の形態５においては、燃料電池１００に燃料ガスを供給する燃料ガス供給器として、燃料処理器を例示したが、これに限定されない。燃料ガス供給器は、燃料電池１００に燃料ガスをその流量及び加湿量を調整しながら供給することができれば、どのような態様であってもよい。例えば、水素ボンベ、又は水素吸蔵合金等の水素ガスを供給するように構成された機器と、加湿器と、流量調整器と、から構成されていてもよい。
【０１５３】
また、本実施の形態５においては、燃料処理器１０１が第１反応ガス供給器を構成し、酸化剤ガス供給器１０２が第２反応ガス供給器を構成したが、これに限定されない。燃料処理器１０１が、第２反応ガス供給器を構成し、酸化剤ガス供給器１０２が、第１反応ガス供給器を構成してもよい。
【０１５４】
さらに、本実施の形態５においては、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）を備える形態を採用したが、これに限定されず、実施の形態１の変形例１又は変形例２の燃料電池スタック６１（燃料電池１００）、又は実施の形態２乃至４に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）のいずれかの燃料電池スタック６１（燃料電池１００）を備える形態を採用してもよい。
【０１５５】
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。したがって、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形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨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。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
【産業上の利用可能性】
【０１５６】
本発明の高分子電解質形燃料電池、それを備える燃料電池スタック、燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法は、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でき、燃料電池の分野で有用である。
【符号の説明】
【０１５７】
１  高分子電解質膜
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  アノード電極
４Ｂ  カソード電極
５  ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−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
８ａ  直線部（水平部）
８ｂ  折り返し部（垂直部）
９  酸化剤ガス流路
９ａ  直線部（水平部）
９ｂ  折り返し部（垂直部）
１０  冷却媒体流路
１１  第１リブ部
１１Ａ  第１外側リブ部
１２  第２リブ部
１２Ａ  第２外側リブ部
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  第１部分
４２  第２部分
５１  第１特定部分
５２  第２特定部分
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
６１Ａ  燃料ガス内部流路
６１Ｂ  酸化剤ガス内部流路
６１Ｃ  冷却媒体内部流路
１０１  燃料処理器
１０１Ａ  原料供給器
１０１Ｂ  水供給器
１０１Ｃ  バーナ
１０２  酸化剤ガス供給器
１０３  冷却媒体供給器
１０４  全熱交換器
１０５  冷却媒体タンク
１１０  制御装置
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
１５１  燃料ガス供給経路
１５２  オフ燃料ガス経路
１５３  酸化剤ガス供給経路
１５４  オフ酸化剤ガス経路
１５５  冷却媒体循環経路
２００  燃料電池システム
２０２  電極
２０２Ａ  部分
２０２Ｂ  部分
２０３  反応ガス流路
２０４  リブ部
【図１】
2011074191.tif 000003
【図２】
2011074191.tif 000004
【図３】
2011074191.tif 000005
【図４】
2011074191.tif 000006
【図５】
2011074191.tif 000007
【図６】
2011074191.tif 000008
【図７】
2011074191.tif 000009
【図８】
2011074191.tif 000010
【図９】
2011074191.tif 000011
【図１０】
2011074191.tif 000012
【図１１】
2011074191.tif 000013
【図１２】
2011074191.tif 000014
【図１３】
2011074191.tif 000015
【図１４】
2011074191.tif 000016
【図１５】
2011074191.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月2日(2011.8.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形燃料電池及びそ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セパレータの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンなエネルギー源として、燃料電池が注目されている。燃料電池としては、例えば、高分子電解質形燃料電池が挙げられる。高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、膜−電極接合体と、この膜−電極接合体を挟みかつそれぞれアノード及びカソードに接触するように配置されたアノードセパレータ及びカソードセパレータとを備えている。膜−電極接合体は、それぞれガス拡散層及び触媒層からなるアノード及びカソード（これらを電極という）を備えている。ガス拡散層には、反応ガスの流通パスとなる細孔が存在する。アノードセパレータの一方の主面には、燃料ガス流路が形成されている。カソードセパレータの一方の主面には、酸化剤ガス流路が形成されている。燃料ガス流路からアノードに供給された燃料ガス（水素）はイオン化（Ｈ＋）され、アノードのガス拡散層及び触媒層を通過し、高分子電解質膜中を水の介在によって通過して、カソード側に移動する。カソード側に到達した水素イオンは、カソードの触媒層において以下の発電反応により、水を生成する。
【０００３】
アノード側：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード側：（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応：Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
生成された水（生成水）は、蒸気又は液体のまま、カソードセパレータに形成された酸化剤ガス流路に流れ込む。また、カソード側で生成された水の一部は、アノード側に移動して（いわゆる、逆拡散）、燃料ガス流路に流れ込む。酸化剤ガス流路又は燃料ガス流路に流れ込んだ生成水は、酸化剤ガス又は燃料ガスの流れに沿って、下流側に移動する。このため、電極内における局所的な水分量のばらつきが大きくなり、その結果、局所的な発電量のばらつきが大きくなる場合がある。
【０００４】
このような問題に対して、ガスが流入する第１流路と、ガスを排出する第２流路と、を備え、アノード側の第１流路とカソード側の第２流路とを電解質層を挟んで対向するように構成し、アノード側の第２流路とカソード側の第１流路とを電解質層を挟んで対向するように構成された燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、アノードガス通路とカソードガス通路とが電解質膜−電極接合体を挟んで対峙する位置関係で設けられ、かつアノードガスとカソードガスとがそれぞれ通路内を並行して流通するように構成された、固体高分子型燃料電池が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
特許文献１に開示されている燃料電池では、燃料ガスと酸化剤ガスの流れを、いわゆる対向流とし、流路を電解質層を挟んで互いに対向するように構成することで、ガス拡散層の水分量の多い領域同士や水分量の少ない領域同士が、電解質層を挟んで対向することが抑制され、その結果、電極における局所的な発電量のばらつきが大きくなることが抑制される。
【０００６】
また、特許文献２に開示されている固体高分子型燃料電池では、カソードガスよりもアノードガスの方を高加湿にすることで、カソードガス通路の入口側付近では、アノードガス通路の入口側付近を通流するアノードガスから水分が拡散して、アノード電極側からカソード電極側に向かって移動し、一方、アノードガス通路の出口側付近では、水分がカソード電極側からアノード電極側に向かって移動するため、燃料電池全体の水分の給排制御を適正に行い、燃料電池の発電性能を良好に維持することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３３１９１６号公報
【特許文献２】特開平９−２８３１６２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及び特許文献２に開示されている燃料電池においては、燃料電池を低加湿（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ので水が充分に生成されず、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、乾燥してイオン伝導性が低下し、発電効率が低下するという点で、未だ改善の余地があった。
【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、特に、高分子電解質形燃料電池を低加湿条件下で運転するような場合に、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる高分子電解質形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、電極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１５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１５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、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第１反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第１セパレータと、板状で、前記膜−電極接合体前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第２反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第２セパレータと、を備え、前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記電極の領域内で、その上流端から最初に前記第２反応ガス流路と重なる部分より下流側で、前記第２反応ガス流路と最初に離れる部分（以下、第１部分）を含む部分（以下、第１特定部分）の幅が、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より上流側の部分の幅よりも小さく、かつ、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より下流側の部分の幅よりも小さくなるように形成されている。
【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と接触する部分の水分含有量に比べて低くなるが、本発明においては、第１反応ガス流路は、第１特定部分の幅が、該第１特定部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成されている。このため、水分含有量が少ない、電極における第１特定部分に面する部分（以下、電極の第１特定部分という）が小さい。換言すると、第１反応ガス流路の第１特定部分の幅を小さくすることで、第１反応ガス流路の間に形成される第１リブ部の面積、又は、第１セパレータの厚み方向から見て、電極の外端と第１反応ガス流路との間の部分（以下、第１外側リブ部という）の面積が大きくなる。これにより、電極における水分含有量が多い部分（電極における第１リブ部又は第１外側リブ部に接触する部分）を大きくすることができる。そして、特に、本発明に係る高分子電解質形燃料電池を低加湿の条件で運転するような場合に、この電極の水分含有量が多い部分から、電極の第１特定部分に水が移動することで、電極の第１特定部分の乾燥を抑制することができ、ひいては、高分子電解質膜における第１反応ガス流路の第１特定部分に対向する部分の乾燥を抑制することができる。したがって、本発明の高分子電解質形燃料電池では、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００１４】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１セパレータの他方の主面及び／又は前記第２セパレータの他方の主面には、溝状の冷却媒体流路が形成されており、前記第１反応ガス流路を通流する第１反応ガス及び前記第２反応ガス流路を通流する第２反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低くてもよい。
【００１５】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第１反応ガス流路の上流側の部分で構成されていてもよい。
【００１６】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第１反応ガス流路の下流側の部分で構成されていてもよい。
【００１７】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第２反応ガス流路の幅と前記第２反応ガス流路の間に形成された第２リブ部の幅との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。
【００１８】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第２反応ガス流路の幅に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。
【００１９】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第２セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第２反応ガス流路が形成されており、前記第１特定部分は、前記第１部分から前記複数の第２反応ガス流路の幅の和と前記複数の第２反応ガス流路の間に形成された複数の第２リブ部の幅の和との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。
【００２０】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第２セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第２反応ガス流路が形成されており、前記第１特定部分は、前記第１部分から前記複数の第２反応ガス流路の幅の和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。
【００２１】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第２反応ガス流路は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記電極の領域内で、その上流端から最初に前記第１反応ガス流路と重なる部分より下流側で、前記第１反応ガス流路と最初に離れる部分（以下、第２部分）を含む部分（以下、第２特定部分）の幅が、前記第２反応ガス流路の前記第２特定部分より上流側の部分の幅よりも小さく、かつ、前記第２反応ガス流路の前記第２特定部分より下流側の部分の幅よりも小さくなるように形成されていてもよい。
【００２２】
上述したように、電極における第２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なるが、本発明においては、第２反応ガス流路は、第２特定部分の幅が、該第２特定部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成されている。このため、水分含有量が少ない、電極における第２特定部分に面する部分（以下、電極の第２特定部分という）が小さい。換言すると、第２反応ガス流路の第２特定部分の幅を小さくすることで、第２反応ガス流路の間に形成される第２リブ部の面積、又は、第１セパレータの厚み方向から見て、電極の外端と第２反応ガス流路との間の部分（以下、第２外側リブ部という）の面積が大きくなる。これにより、電極における水分含有量が多い部分（電極における第２リブ部又は第２外側リブ部に接触する部分）を大きくすることができる。そして、特に、本発明に係る高分子電解質形燃料電池を低加湿の条件で運転するような場合に、この電極の水分含有量が多い部分から、電極の第２特定部分に水が移動することで、電極の第２特定部分の乾燥を抑制することができ、ひいては、高分子電解質膜における第２反応ガス流路の第２特定部分に対向する部分の乾燥を抑制することができる。したがって、本発明の高分子電解質形燃料電池では、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００２３】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第２反応ガス流路の上流側の部分で構成されていてもよい。
【００２４】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第２反応ガス流路の下流側の部分で構成されていてもよい。
【００２５】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第１反応ガス流路の幅の長さと前記第１反応ガス流路の間に形成される第１リブ部の幅の長さまでの部分で構成されていてもよい。
【００２６】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第１反応ガス流路の幅と前記第１反応ガス流路の間に形成された第１リブ部の幅との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。
【００２７】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第１反応ガス流路の幅に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。
【００２８】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第１セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第１反応ガス流路が形成されており、前記第２特定部分は、前記第２部分から前記複数の第１反応ガス流路の幅の和と前記複数の第１反応ガス流路の間に形成された複数の第１リブ部の幅の和との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。
【００２９】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第１セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第１反応ガス流路が形成されており、前記第２特定部分は、前記第２部分から前記複数の第１反応ガス流路の幅の和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。
【００３０】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路が、サーペンタイン状に形成されていてもよい。
【００３１】
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路が、渦巻状に形成されていてもよい。
【００３２】
さらに、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、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。
【００３３】
また、本発明に係る燃料電池スタックは、複数の前記高分子電解質形燃料電池が積層して締結されている。
【００３４】
これにより、本発明に係る燃料電池スタックは、上記本発明に係る高分子電解質形燃料電池を備えているため、特に、本発明に係る燃料電池スタックを低加湿の条件で運転するような場合に、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００３５】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記高分子電解質形燃料電池と、前記第１反応ガス流路に前記第１反応ガスを供給するように構成された第１反応ガス供給器と、前記第２反応ガス流路に前記第２反応ガスを供給するように構成された第２反応ガス供給器と、前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を供給するように構成された冷却媒体供給器と、前記第１反応ガス流路を通流する第１反応ガス及び前記第２反応ガス流路を通流する第２反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、前記第１反応ガス供給器、前記第２反応ガス供給器、及び前記冷却媒体供給器を制御するように構成された制御装置と、を備える。
【００３６】
さらに、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、高分子電解質形燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第１反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第１セパレータと、板状で、前記膜−電極接合体前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第２反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第２セパレータと、を備え、前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記電極の領域内で、その上流端から最初に前記第２反応ガス流路と重なる部分より下流側で、前記第２反応ガス流路と最初に離れる部分（以下、第１部分）を含む部分（以下、第１特定部分）の幅が、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より上流側の部分の幅よりも小さく、かつ、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より下流側の部分の幅よりも小さくなるように形成され、前記第１セパレータの他方の主面及び／又は前記第２セパレータの他方の主面には、溝状の冷却媒体流路が形成されており、前記第１反応ガス流路を通流する第１反応ガス及び前記第２反応ガス流路を通流する第２反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、第１反応ガス供給器が前記第１反応ガス流路に前記第１反応ガスを供給し、第２反応ガス供給器が前記第２反応ガス流路に前記第２反応ガスを供給し、冷却媒体供給器が前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を供給するステップを備える。
【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、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の高分子電解質形燃料電池、それを備える燃料電池スタック、燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法によれば、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高分子電解質形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に示す高分子電解質形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４】図４は、図２に示す高分子電解質形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５】図５は、本変形例１の燃料電池スタックにおける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６】図６は、本変形例２の燃料電池スタックにおける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７】図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、図７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９】図９は、図７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における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における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における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における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１４】図１４は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図１５】図１５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。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、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。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【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、適宜な配管が設けられている。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】
[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の構成について図２を参照しながら説明する。
【００４６】
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。
【００４７】
図２に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池１００は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）５と、ガスケット７と、アノードセパレータ６Ａと、カソードセパレータ６Ｂと、を備えている。
【００４８】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード電極４Ａと、カソード電極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電極４Ａとカソード電極４Ｂ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、酸化剤ガス排出マニホールド孔等の各マニホールド孔（図示せず）が厚み方向に貫通するように設けられている。
【００４９】
アノード電極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（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層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、カソード電極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（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層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。
【００５０】
また、ＭＥＡ５のアノード電極４Ａ及びカソード電極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等のマニホールド孔（図示せず）が設けられている。
【００５１】
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（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、又は、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。
【００５２】
アノードセパレータ６Ａのアノード電極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のカソード電極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。
【００５３】
これにより、アノード電極４Ａ及びカソード電極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、水や不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）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。
【００５４】
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。
【００５５】
[セパレータの構成]
次に、カソードセパレータ６Ｂ及びアノードセパレータ６Ａについて、図２乃至図４を参照しながら詳細に説明する。
【００５６】
図３は、図２に示す燃料電池１００のカソードセパレータ６Ｂの概略構成を示す模式図である。また、図４は、図２に示す燃料電池１００のアノードセパレータ６Ａ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及び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ている。また、図４においては、酸化剤ガス流路９の一部を仮想線（二点差線）で示している。
【００５７】
まず、カソードセパレータ６Ｂの構成について、図２及び図３を参照しながら詳細に説明する。
【００５８】
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（第２反応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が配設さ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が配設さ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（第１反応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。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、中心線を挟んで互いに対向するように設けられている。
【００５９】
そして、図２及び図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、１つの溝で構成されており、該溝は、直線部９ａと折り返し部９ｂとで実質的に構成されている。
【００６０】
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、上記延在パターンを２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直線部９ａを構成し、下方に延びる部分が折り返し部９ｂを構成している。そして、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（正確には、直線部９ａ）と溝（正確には、直線部９ａ）との間の部分が、カソード電極４Ｂと当接する第２リブ部１２を形成する。
【００６１】
なお、本実施の形態１においては、酸化剤ガス流路９は、１本の溝で形成したが、これに限定されず、複数の溝をカソードセパレータ６Ｂの内面に形成して、複数の酸化剤ガス流路群を形成してもよい。この場合、各酸化剤ガス流路９を構成する溝（正確には、直線部９ａ）と溝（正確には、直線部９ａ）との間の部分が、第２リブ部１２を形成する。
【００６２】
次に、アノードセパレータ６Ａ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。
【００６３】
図２及び図４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。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する。
【００６４】
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。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、並行流とは、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９は、一部に酸化剤ガスと燃料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）酸化剤ガスと燃料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いう。
【００６５】
また、図４に示すように、燃料ガス流路８は、ここでは、１つの溝で構成されており、該溝は、直線部８ａと折り返し部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、上記のような延在パターンを２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直線部８ａを構成し、下方に延びる部分が折り返し部８ｂを構成している。なお、燃料ガス流路８を構成する溝（正確には、直線部８ａ）と溝（正確には、直線部８ａ）との間の部分が、アノード６Ａと当接する第１リブ部１１を形成する。
【００６６】
なお、本実施の形態１においては、燃料ガス流路８は、１本の溝で形成したが、これに限定されず、複数の溝をアノードセパレータ６Ａの内面に形成して、複数の酸化剤ガス流路群を形成してもよい。この場合、各燃料ガス流路８を構成する溝（正確には、直線部８ａ）と溝（正確には、直線部８ａ）との間の部分が、第１リブ部１１を形成する。
【００６７】
また、燃料ガス流路８は、第１部分４１を有している。第１部分４１は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード電極４Ａ（又はカソード電極４Ｂ）の領域（アノード電極４Ａ（又はカソード電極４Ｂ）が形成された範囲）内で、燃料ガス流路８の上流端から酸化剤ガス流路９と重なって最初に離れる部分である。具体的には、本実施の形態１においては、１つ目の直線部８ａの下流端（１つ目の折り返し部８ｂの上流端）が、第１部分４１を構成する。
【００６８】
さらに、燃料ガス流路８は、第１部分４１を含む第１特定部分５１を有する。第１特定部分は、本実施の形態１においては、第１部分４１からその上流側の部分と、第１部分４１からその下流側の部分と、から構成されている。具体的には、第１特定部分５１の上流端は、第１部分４１から上流側に所定の距離Ｎ１延びた部分であり、第１特定部分５１の下流端は、第１部分４１から下流側に所定の距離Ｎ１延びた部分である。
【００６９】
ここで、所定の距離Ｎ１は、燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスという）の露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路８や酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成等によって異なるが、酸化剤ガス流路９の幅の長さと第２リブ部１２の幅の長さの和に相当する長さ以下であってもよく、酸化剤ガス流路９の幅に相当する長さ以下であってもよい。なお、第２リブ部１２の幅の長さとは、第２リブ部１２を形成する溝（正確には、直線部９ａ）と溝（正確には、直線部９ａ）の間の長さをいう。また、酸化剤ガス流路９の幅とは、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、酸化剤ガスが、酸化剤ガス流路９を通流する方向に対して、垂直な方向の長さをいう。
【００７０】
そして、燃料ガス流路８の第１特定部分５１は、燃料ガス流路８の第１特定部分５１の幅が、燃料ガス流路８の第１特定部分５１以外の幅よりも小さくなるように形成されている。これにより、アノード電極４Ａにおける、燃料ガス流路８の第１特定部分５１に面する部分（以下、アノード電極４Ａの第１特定部分という）を小さくすることができる。換言すると、燃料ガス流路８の第１特定部分５１の幅を小さくすることで、燃料ガス流路８を形成する溝（正確には、直線部８ａ）と溝（正確には、直線部８ａ）との間に形成される第１リブ部１１の面積を大きくすることができる。
【００７１】
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４を参照しながら説明する。
【００７２】
[燃料電池スタック（燃料電池）の作用効果]
上述したように、アノード電極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、アノード電極４Ａにおける第１リブ部１１に接触する部分の水分含有量に比べて低くなる。燃料電池スタック６１を低加湿の条件（燃料ガス流路８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点が、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体（ここでは、水）の温度よりも低い条件）で運転するような場合に、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード電極４Ａにおける燃料ガス流路８の上流側部分に面する部分では、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における燃料ガス流路８の上流側部分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の当該部分が劣化するおそれがある。ここで、燃料ガス流路８の上流側部分とは、燃料ガス流路８の幅寸法等の構成や、反応ガスの露点、冷却媒体の温度等によって、その下流端は異なるが、少なくとも、一端を燃料ガス流路８の上流端とし、他端を式：Ｌ１≦Ｌ２を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ１は、燃料ガス流路８の上流側部分の流路長を示し、Ｌ２は、燃料ガス流路８の全流路長を示す。
【００７３】
そして、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード電極４Ａにおける燃料ガス流路８の第１特定部分５１に面する部分では、反応ガスの反応による生成水が、特に、充分ではないため、高分子電解質膜１における燃料ガス流路８の第１特定部分５１に対向する部分では、特に乾燥しやすくなり、高分子電解質膜１の当該部分が劣化するおそれが高くなる。
【００７４】
しかしながら、本実施の形態１に係る燃料電池１００及びそれを備える燃料電池スタック６１では、燃料ガス流路８の第１部分４１を含む第１特定部分５１の流路の幅が、燃料ガス流路８の第１特定部分５１以外の部分の流路の幅よりも小さくなるように形成されている。このため、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード電極４Ａにおける第１特定部分５１に面する部分（以下、アノード電極４Ａの第１特定部分という）を小さくすることができる。
【００７５】
これにより、水分含有量が少ないアノード電極４Ａの第１特定部分を小さくすることで、アノード電極４Ａの第１特定部分の乾燥を抑制することができる。ひいては、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における燃料ガス流路８の第１特定部分５１に対向する部分の乾燥を抑制することができる。
【００７６】
さらに、燃料ガス流路８の第１特定部分５１近傍に形成される第１リブ部１１の面積を大きくすることで、当該第１リブ部１１に面するアノード電極４Ａの水分含有量が多い部分を大きくすることができる。そして、この水分含有量が多い、アノード電極４Ａの第１リブ部１１に面する部分から、水分含有量が少ない、アノード電極４Ａの第１特定部分に水が移動することで、アノード電極４Ａの第１特定部分の乾燥を抑制することができ、ひいては、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における燃料ガス流路８の第１特定部分５１に対向する部分の乾燥を抑制することができる。したがって、本実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。
【００７７】
なお、本実施の形態１においては、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としても同様の作用効果を奏する。
【００７８】
また、本実施の形態１においては、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９ともに、その流路をサーペンタイン状に形成したが、これに限定されず、燃料ガス流路８のみをサーペンタイン状に形成してもよく、酸化剤ガス流路９のみをサーペンタイン状に形成してもよい。
【００７９】
さらに、本実施の形態１においては、燃料ガス流路８の第１特定部分５１近傍に形成される第１リブ部１１の面積を大きくするように構成したが、これに限定されず、燃料ガス流路８の第１特定部分５１近傍に形成される第１リブ部１１の面積を他の第１リブ部１１の面積と同じになるように構成し、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の内面のうち、アノード電極４Ａの外端と燃料ガス流路８の第１特定部分５１との間の部分（以下、第１外側リブ部１１Ａという（図４参照））の面積を大きくするように構成してもよい。この場合、第１外側リブ部１１Ａの面積を大きくすることで、当該第１外側リブ部１１Ａに面する、アノード電極４Ａの水分含有量が多い部分を大きくすることができる。そして、この水分含有量が多い、アノード電極４Ａの第１外側リブ部１１Ａに面する部分から、水分含有量が少ない、アノード電極４Ａの第１特定部分に水が移動することで、アノード電極４Ａの第１特定部分の乾燥を抑制することができ、ひいては、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における燃料ガス流路８の第１特定部分５１に対向する部分の乾燥を抑制することができる。
【００８０】
［変形例１］
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。
【００８１】
図５は、本変形例１の燃料電池スタックにおける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５において、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ている。また、図５においては、酸化剤ガス流路の一部を仮想線（二点差線）で示している。
【００８２】
図５に示すように、本変形例１の燃料電池スタック６１は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１と基本的構成は同じであるが、第１特定部分５１の構成が異なる。具体的には、本変形例１の第１特定部分５１は、第１部分４１からその下流側に所定の距離Ｎ延びた部分で構成されている。すなわち、第１特定部分５１の上流端は、第１部分４１であり、第１特定部分５１の下流端は、第１部分４１から下流側に所定の距離Ｎ１延びた部分である。
【００８３】
ここで、所定の距離Ｎ１は、燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスという）の露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路８や酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成等によって異なるが、酸化剤ガス流路９の幅の長さと第２リブ部１２の幅の長さの和以下であってもよく、酸化剤ガス流路９の幅の長さ以下であってもよい。なお、第２リブ部１２の幅の長さとは、第２リブ部１２を形成する溝（正確には、直線部９ａ）と溝（正確には、直線部９ａ）の間の長さをいう。
【００８４】
このように構成された本変形例１の燃料電池スタック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。
【００８５】
［変形例２］
図６は、本変形例２の燃料電池スタックにおける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６において、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ている。また、図６においては、酸化剤ガス流路の一部を仮想線（二点差線）で示している。
【００８６】
図６に示すように、本変形例２の燃料電池スタック６１は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１と基本的構成は同じであるが、第１特定部分５１の構成が異なる。具体的には、本変形例１の第１特定部分５１は、第１部分４１からその上流側に所定の距離Ｎ延びた部分で構成されている。すなわち、第１特定部分５１の上流端は、第１部分４１から上流側に所定の距離Ｎ１延びた部分であり、第１特定部分５１の下流端は、第１部分４１である。
【００８７】
ここで、所定の距離Ｎ１は、燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスという）の露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路８や酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成等によって異なるが、酸化剤ガス流路９の幅の長さと第２リブ部１２の幅の長さの和以下であってもよく、酸化剤ガス流路９の幅の長さ以下であってもよい。なお、第２リブ部１２の幅の長さとは、第２リブ部１２を形成する溝（正確には、直線部９ａ）と溝（正確には、直線部９ａ）の間の長さをいう。
【００８８】
このように構成された本変形例２の燃料電池スタック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。
【００８９】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。また、図８は、図７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り、図９は、図７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。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（二点差線）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（二点差線）で示している。
【００９０】
図７乃至図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（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、酸化剤ガス流路９の一部の流路の幅が、それ以外の流路の幅よりも小さくなるように形成されている点が異なる。以下、詳細に説明する。
【００９１】
酸化剤ガス流路９は、第２部分４２を有している。第２部分４２は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、カソード電極４Ｂ（又はアノード電極４Ａ）の領域（アノード電極４Ａ（又はカソード電極４Ｂ）が形成された範囲）内で、酸化剤ガス流路９の上流端から燃料ガス流路８と重なって最初に離れる部分である。具体的には、本実施の形態１においては、１つ目の直線部９ａの下流端（１つ目の折り返し部９ｂの上流端）が、第２部分４２を構成する。
【００９２】
さらに、酸化剤ガス流路９は、第２部分４２を含む第２特定部分５２を有する。第２特定部分は、本実施の形態２においては、第２部分４２からその上流側の部分と、第２部分４２からその下流側の部分と、から構成されている。具体的には、第２特定部分５２の上流端は、第２部分４２から上流側に所定の距離Ｎ２延びた部分であり、第２特定部分５２の下流端は、第２部分４２から下流側に所定の距離Ｎ２延びた部分である。
【００９３】
ここで、所定の距離Ｎ２は、燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスという）の露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路８や酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成等によって異なるが、燃料ガス流路８の幅の長さと第１リブ部１１の幅の長さの和に相当する長さ以下であってもよく、燃料ガス流路８の幅に相当する長さ以下であってもよい。なお、第１リブ部１１の幅の長さとは、第１リブ部１１を形成する溝（正確には、直線部８ａ）と溝（正確には、直線部８ａ）の間の長さをいう。また、燃料ガス流路８の幅とは、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、燃料ガスが、燃料ガス流路８を通流する方向に対して、垂直な方向の長さをいう。
【００９４】
そして、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２は、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２の幅が、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２以外の幅よりも小さくなるように形成されている。
【００９５】
これにより、カソード電極４Ｂにおける、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２に面する部分（以下、カソード電極４Ｂの第２特定部分という）を小さくすることができる。換言すると、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２の幅を小さくすることで、酸化剤ガス流路９を形成する溝（正確には、直線部９ａ）と溝（正確には、直線部９ａ）との間に形成される第２リブ部１２（より正確には、第２特定部分５２近傍に形成される第２リブ部１２）の面積を大きくすることができる。
【００９６】
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）では、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。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）では、水分含有量が少ないカソード電極４Ｂの第２特定部分を小さくすることで、カソード電極４Ｂの第２特定部分の乾燥を抑制することができる。ひいては、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２に対向する部分の乾燥を抑制することができる。
【００９７】
さらに、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２近傍に形成される第２リブ部１２の面積を大きくすることで、当該第２リブ部１２に面するカソード電極４Ｂの水分含有量が多い部分を大きくすることができる。そして、この水分含有量が多い、カソード電極４Ｂの第２リブ部１２に面する部分から、水分含有量が少ない、カソード電極４Ｂの第２特定部分に水が移動することで、カソード電極４Ｂの第２特定部分の乾燥を抑制することができ、ひいては、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２に対向する部分の乾燥を抑制することができる。したがって、本実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。
【００９８】
なお、本実施の形態２においては、燃料ガス流路８の第１特定部分５１は、燃料ガス流路８の第１部分４１から上流側の部分と、第１部分４１から下流側の部分と、から構成したが、これに限定されず、変形例１のように、第１部分４１から下流側の部分で構成してもよく、また、変形例２のように、第１部分４１から上流側の部分で構成してもよい。同様に、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２は、酸化剤ガス流路９の第２部分４２から上流側の部分と、第２部分４２から下流側の部分と、から構成したが、これに限定されず、第２部分４２から下流側の部分で構成してもよく、また、第２部分４２から上流側の部分で構成してもよい。
【００９９】
また、本実施の形態２においては、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２近傍に形成される第２リブ部１２の面積を大きくするように構成したが、これに限定されず、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２近傍に形成される第２リブ部１２の面積を他の第２リブ部１２の面積と同じになるように構成し、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、カソードセパレータ６Ｂの内面のうち、カソード電極４Ｂの外端と酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２との間の部分（以下、第２外側リブ部１２Ａという（図８参照））の面積を大きくするように構成してもよい。この場合、第２外側リブ部１２Ａの面積を大きくすることで、当該第２外側リブ部１２Ａに面する、カソード電極４Ｂの水分含有量が多い部分を大きくすることができる。そして、この水分含有量が多い、カソード電極４Ｂの第２外側リブ部１２Ａに面する部分から、水分含有量が少ない、カソード電極４Ｂの第２特定部分に水が移動することで、カソード電極４Ｂの第２特定部分の乾燥を抑制することができ、ひいては、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２に対向する部分の乾燥を抑制することができる。
【０１００】
（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における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における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。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（二点差線）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（二点差線）で示している。
【０１０１】
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及び酸化剤ガス流路９が、それぞれ、複数（本実施の形態では、３本）の流路（溝）で構成されている点が異なる。
【０１０２】
そして、本実施の形態３においては、図１０に示すように、複数の酸化剤ガス流路９のそれぞれが、第２特定部分５２の幅が、該第２特定部分５２以外の部分の幅よりも小さくなるように形成されている。本実施の形態３においては、第２特定部分５２は、第２部分４２からその上流側の部分と、第２部分４２からその下流側の部分と、から構成されている。具体的には、第２特定部分５２の上流端は、第２部分４２から上流側に所定の距離Ｎ２延びた部分であり、第２特定部分５２の下流端は、第２部分４２から下流側に所定の距離Ｎ２延びた部分である。
【０１０３】
ここで、所定の距離Ｎ２は、燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスという）の露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路８や酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成等によって異なるが、複数（ここでは、３本）の燃料ガス流路８の幅の和と複数（ここでは、３本）の燃料ガス流路８の間に形成される複数（ここでは、２つ）の第１リブ部１１の幅の和を足し合わせた長さ（複数の燃料ガス流路８の幅の和と、複数の燃料ガス流路８の間に形成される複数の第１リブ部１１の幅の和と、の和に相当する長さ）以下であってもよく、燃料ガス流路８の幅に相当する長さ以下であってもよい。なお、第１リブ部１１の幅の長さとは、第１リブ部１１を形成する溝（正確には、直線部８ａ）と溝（正確には、直線部８ａ）の間の長さをいう。
【０１０４】
同様に、図１１に示すように、複数の燃料ガス流路８のそれぞれが、第１特定部分５１の幅が、該第１特定部分５１以外の部分の幅よりも小さくなるように形成されている。本実施の形態３においては、第１特定部分５１は、第１部分４１からその上流側の部分と、第１部分４１からその下流側の部分と、から構成されている。具体的には、第１特定部分５１の上流端は、第１部分４１から上流側に所定の距離Ｎ１延びた部分であり、第１特定部分５１の下流端は、第１部分４１から下流側に所定の距離Ｎ１延びた部分である。
【０１０５】
ここで、所定の距離Ｎ１は、燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスという）の露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路８や酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成等によって異なるが、複数（ここでは、３本）の酸化剤ガス流路９の幅の和と複数（ここでは、３本）の酸化剤ガス流路９の間に形成される複数（ここでは、２つ）の第２リブ部１２の幅の和とを足し合わせた長さ（複数の酸化剤ガス流路９の幅の和と、複数の酸化剤ガス流路９の間に形成される複数の第２リブ部１２の幅の和と、の和に相当する長さ）以下であってもよく、酸化剤ガス流路９の幅に相当する長さ以下であってもよい。なお、第２リブ部１２の幅の長さとは、第２リブ部１２を形成する溝（正確には、直線部９ａ）と溝（正確には、直線部９ａ）の間の長さをいう。
【０１０６】
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。
【０１０７】
なお、本実施の形態３においては、複数の流路のそれぞれが、第１特定部分５１又は第２特定部分５２の幅を、当該部分以外の部分の幅よりも小さくするように構成したが、これに限定されず、複数の流路のうち、少なくとも１本の流路における第１特定部分５１又は第２特定部分５２の幅が、当該部分以外の部分の幅よりも小さくするように構成していればよく、第１特定部分５１又は第２特定部分５２の幅を小さくする流路の本数は任意である。
【０１０８】
また、高分子電解質膜１の乾燥を効率よく抑制する観点から、複数の燃料ガス流路８のうち、その第１部分４１が、最もアノード電極４Ａの周縁部に近い側（最も外方側）の流路における、第１特定部分５１の幅を、当該部分以外の部分の幅よりも小さくすることが好ましい。高分子電解質膜１の乾燥をより抑制する観点から、第１特定部分５１の幅を、当該部分以外の部分の幅よりも小さくする流路の本数は、多い方が好ましい。同様に、複数の酸化剤ガス流路９のうち、その第２部分４２が、最もカソード電極４Ｂの周縁部に近い側（最も外方側）の流路における、第２特定部分５２の幅を、当該部分以外の部分の幅よりも小さくすることが好ましい。高分子電解質膜１の乾燥をより抑制する観点から、第２特定部分５２の幅を、当該部分以外の部分の幅よりも小さくする流路の本数は、多い方が好ましい。
【０１０９】
なお、複数の第１特定部分５１の上流端は、第１部分４１から、それぞれ、上流側に所定の距離Ｎ１延びた部分としたが、これに限定されない。例えば、最も外方側の第１特定部分５１の上流端は、第１部分４１から上流側に所定の距離Ｎ１延びた部分とし、最も外方側以外の第１特定部分５１の上流端は、第１部分４１から上流側に所定の距離Ｎ１より短い距離延びた部分としてもよい。また、複数の第１特定部分の下流端は、第１部分４１から、それぞれ、下流側に所定の距離Ｎ１延びた部分としたが、これに限定されない。最も外方側の第１特定部分５１の下流端は、第１部分４１から下流側に所定の距離Ｎ１延びた部分とし、最も外方側以外の第１特定部分５１の下流端は、第１部分４１から下流側に所定の距離Ｎ１より短い距離延びた部分としてもよい。
【０１１０】
同様に、複数の第２特定部分５２の上流端は、第２部分４２から、それぞれ、上流側に所定の距離Ｎ２延びた部分としたが、これに限定されない。例えば、最も外方側の第２特定部分５２の上流端は、第２部分４２から上流側に所定の距離Ｎ２延びた部分とし、最も外方側以外の第２特定部分５２の上流端は、第２部分４２から上流側に所定の距離Ｎ２より短い距離延びた部分としてもよい。また、複数の第２特定部分の下流端は、第２部分４２から、それぞれ、下流側に所定の距離Ｎ２延びた部分としたが、これに限定されない。最も外方側の第２特定部分５２の下流端は、第２部分４２から下流側に所定の距離Ｎ２延びた部分とし、最も外方側以外の第２特定部分５２の下流端は、第２部分４２から下流側に所定の距離Ｎ２より短い距離延びた部分としてもよい。
【０１１１】
また、本実施の形態３においては、第１特定部分５１を第１部分４１の上流側の部分と第１部分４１の下流側の部分とで構成したが、これに限定されず、第１部分４１の上流側の部分のみで構成してもよく、第１部分４１の下流側の部分のみで構成してもよい。同様に、第２特定部分５２第２部分４２の上流側の部分と第２部分４２の下流側の部分とで構成したが、これに限定されず、第２部分４２の上流側の部分のみで構成してもよく、第２部分４２の下流側の部分のみで構成してもよい。
【０１１２】
さらに、本実施の形態３においては、第１特定部分５１と第２特定部分５２の両方の部分の幅を、当該部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成したが、これに限定されず、第１特定部分５１の幅のみを、当該部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成してもよく、第２特定部分５２の幅のみを、当該部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成してもよい。
【０１１３】
（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における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における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。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（二点差線）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（二点差線）で示している。
【０１１４】
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、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９が、渦巻状に形成されている点が異なる。
【０１１５】
図１２に示すように、酸化剤ガス流路９は、水平方向に延びるように形成された水平部９ａと、上下方向に延びるように形成された垂直部９ｂと、から実質的に構成されている。そして、カソードセパレータ６Ｂの周縁部から中央部に向かって収束するように、時計回りに流路が形成され、カソードセパレータ６Ｂの中央部で折り返して、カソードセパレータ６Ｂの周縁部に向かって発散するように、反時計回りに流路が形成されている。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。そして、酸化剤ガス流路９の第２部分４２は、１つ目の水平部９ａの下流端（１つ目の垂直部９ｂの上流端）となる。
【０１１６】
同様に、図１３に示すように、燃料ガス流路８は、水平方向に延びるように形成された水平部８ａと、上下方向に延びるように形成された垂直部８ｂと、から実質的に構成されている。そして、アノードセパレータ６Ａの周縁部から中央部に向かって収束するように、時計回りに流路が形成され、アノードセパレータ６Ａの中央部で折り返して、アノードセパレータ６Ａの周縁部に向かって発散するように、反時計回りに流路が形成されている。ここで、アノードセパレータ６Ａの中央部とは、アノードセパレータ６Ａの外周に対する中央部分をいう。そして、燃料ガス流路８の第１部分４１は、１つ目の水平部８ａの下流端（一つ目の垂直部８ｂの上流端）となる。
【０１１７】
このように構成された、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）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。
【０１１８】
なお、本実施の形態４においては、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９ともに、その流路を渦巻状に形成したが、これに限定されず、燃料ガス流路８のみを渦巻状に形成してもよく、酸化剤ガス流路９のみを渦巻状に形成してもよい。
【０１１９】
また、本実施の形態４においては、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９ともに、１つの溝（流路）で構成したが、これに限定されず、複数の溝（流路）で構成してもよい。
【０１２０】
また、燃料ガス流路８の第１特定部分５１を第１部分４１の上流側の部分と第１部分４１の下流側の部分とで構成したが、これに限定されず、第１部分４１の上流側の部分のみで構成してもよく、第１部分４１の下流側の部分のみで構成してもよい。同様に、第２特定部分５２第２部分４２の上流側の部分と第２部分４２の下流側の部分とで構成したが、これに限定されず、第２部分４２の上流側の部分のみで構成してもよく、第２部分４２の下流側の部分のみで構成してもよい。
【０１２１】
さらに、本実施の形態４においては、第１特定部分５１と第２特定部分５２の両方の部分の幅を、当該部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成したが、これに限定されず、第１特定部分５１の幅のみを、当該部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成してもよく、第２特定部分５２の幅のみを、当該部分以外の部分の幅よりも小さくなるように形成してもよい。
【０１２２】
なお、上述した本実施の形態１乃至４においては、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９の幅を同じにする構成としたが、これに限定されず、流路の幅をそれぞれ異なるように構成してもよい。また、本発明の作用効果が得られる範囲において、燃料ガス流路８における第１特定部分５１の一部の幅が、燃料ガス流路８の該第１特定部分５１以外の部分の幅よりも大きくなるように形成されていてもよく、また、燃料ガス流路８における第１特定部分５１以外の部分の一部の幅が、燃料ガス流路８の第１特定部分５１の幅よりも小さくなるように形成されていてもよい。同様に、本発明の作用効果が得られる範囲において、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２の幅が、酸化剤ガス流路９の該第２特定部分５２以外の部分の幅よりも大きくなるように形成されていてもよく、また、酸化剤ガス流路９における第２特定部分５２以外の部分の一部の幅が、酸化剤ガス流路９の第２特定部分５２の幅よりも小さくなるように形成されていてもよい。
【０１２３】
また、上述した本実施の形態１乃至４においては、燃料ガス流路８における第１特定部分５１の深さと、該第１特定部分５１以外の部分の深さと、を同じになるように構成したが、これに限定されず、第１特定部分５１の流路抵抗と該第１特定部分５１以外の流路抵抗を同じようにする観点から、第１特定部分５１の深さを、該第１特定部分５１以外の部分の深さよりも深くなるように構成してもよい。同様に、上述した本実施の形態１乃至４においては、酸化剤ガス流路９における第２特定部分５２の深さと、該第２特定部分５２以外の部分の深さと、を同じになるように構成したが、これに限定されず、第２特定部分５２の流路抵抗と該第２特定部分５２以外の流路抵抗を同じようにする観点から、第２特定部分５２の深さを、該第２特定部分５２以外の部分の深さよりも深くなるように構成してもよい。
【０１２４】
また、上述した本実施の形態１乃至４においては、燃料ガス供給マニホールド孔３１、燃料ガス排出マニホールド孔３２、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４、冷却媒体供給マニホールド孔３５及び冷却媒体排出マニホールド孔３６の位置は、これに限定されない。例えば、上述した本実施の形態１乃至４において、酸化剤ガス供給マニホールド孔（第２反応ガス供給マニホールド孔）３３は、カソードセパレータ６Ｂ及びアノードセパレータ６Ａの第１の側部の上部に設けられる構成としたが、これに限定されない。例えば、酸化剤ガス供給マニホールド孔（第２反応ガス供給マニホールド孔）３３は、カソードセパレータ６Ｂの酸化剤ガス流路９より上方の第１の側部側に設けられ、アノードセパレータ６Ａの燃料ガス流路８より上方の第１の側部側に設けられる構成としてもよい。この場合、カソードセパレータ６Ｂの酸化剤ガス流路９を構成する溝は、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３から下方に向かってある距離延び、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る構成としてもよい。
【０１２５】
また、例えば、上述した本実施の形態１乃至４において、燃料ガス供給マニホールド孔（第１反応ガス供給マニホールド孔）３１は、カソードセパレータ６Ｂ及びアノードセパレータ６Ａの第２の側部の上部に設けられる構成としたが、これに限定されない。例えば、燃料ガス供給マニホールド孔（第１反応ガス供給マニホールド孔）３１は、カソードセパレータ６Ｂの酸化剤ガス流路９より上方の第２の側部側に設けられ、アノードセパレータ６Ａの燃料ガス流路８より上方の第２の側部側に設けられる構成としてもよい。この場合、アノードセパレータ６Ａの燃料ガス流路８を構成する溝は、燃料ガス供給マニホールド孔３１から下方に向かってある距離延び、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る構成としてもよい。
【０１２６】
さらに、上述した実施の形態１乃至４においては、いわゆる内部マニホールド形の燃料電池を採用したが、これに限定されず、いわゆる外部マニホールド形の燃料電池を採用してもよい。また、上述した本実施の形態１乃至４においては、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９をいわゆる並行流になるように形成したが、これに限定されず、いわゆる対向流になるように形成してもよい。
【０１２７】
（実施の形態５）
［燃料電池システムの構成］
図１４は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【０１２８】
図１４に示すように、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システム２００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、燃料処理器（第１反応ガス供給器）１０１と、酸化剤ガス供給器（第２反応ガス供給器）１０２と、冷却媒体供給器１０３と、制御装置１１０と、を備えていて、制御装置１１０が、燃料ガス流路８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点が、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、燃料処理器１０１、酸化剤ガス供給器１０２、及び冷却媒体供給器１０３を制御する。
【０１２９】
燃料処理器１０１は、改質器（図示せず）、原料供給器１０１Ａ、水供給器１０１Ｂ、及びバーナ１０１Ｃを有している。原料供給器１０１Ａは、改質器に原料の流量を調整して供給することができれば、どのような形態であってもよく、例えば、流量調整弁単体やブースターポンプ単体で構成されていてもよく、また、ブースターポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。また、水供給器１０１Ｂは、改質器に水の流量を調整して供給することができれば、どのような形態であってもよく、例えば、水の流量を調整する流量調整器であってもよい。流量調整器としては、流量調整弁単体やポンプ単体で構成されていてもよく、また、ポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。
【０１３０】
なお、原料としては、例えば、エタン、プロパン等の炭化水素といった、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むものを使用することができる。本実施の形態５においては、都市ガス（天然ガス）やＬＰガスといったガスインフララインから供給されるガスが用いられる。なお、原料供給器１０１Ａには、メタンを主成分とする都市ガス（天然ガス）等に含まれる臭気成分（例えば、メルカプタン等）を除去する脱臭器を有するように構成されていてもよい。この場合、脱臭器は、活性炭やフィルターを有する構成としてもよく、臭気成分を吸着により除去するゼオライト系吸着剤を用いる構成としてもよく、或いは、水添脱硫触媒を用いる構成としてもよい。
【０１３１】
燃料処理器１０１の改質器は、原料と水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質触媒を有している。そして、改質器では、原料供給器１０１Ａ及び水供給器１０１Ｂから供給された原料ガスと水とが改質反応され、水素含有ガスが生成され、生成された水素含有ガスは、燃料ガスとして、燃料ガス供給経路１５１に供給される。
【０１３２】
燃料処理器１０１は、燃料ガス供給経路１５１を介して、燃料電池スタック６１の燃料ガス内部流路６１Ａの入口と接続されている。燃料ガス内部流路６１Ａは、燃料ガス供給マニホールド１３１、燃料ガス流路８、及び燃料ガス排出マニホールド１３２（図１及び図２等参照）を有している。また、燃料ガス内部流路６１Ａの出口には、オフ燃料ガス経路１５２を介して、バーナ１０１Ｃが接続されている。
【０１３３】
また、バーナ１０１Ｃには、燃焼空気供給経路を介して燃焼空気供給器（いずれも図示せず）が接続されている。そして、バーナ１０１Ｃでは、燃焼用燃料と燃焼用空気が供給され、これらが燃焼して、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、改質器等を加熱した後、燃焼排ガス経路（図示せず）を通流して燃料電池システム２００外に排出される。燃焼用燃料としては、例えば、原料や改質器で生成された水素含有ガスが挙げられる。
【０１３４】
なお、本実施の形態５においては、改質器で生成された水素含有ガスが、燃料ガス供給経路１５１に送出される構成としたが、これに限定されない。例えば、燃料電池システム２００は、燃料ガス供給器１０１内に改質器より送出された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するための変成触媒（例えば、銅−亜鉛系触媒）を有する変成器や、酸化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）や、メタン化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）を有する一酸化炭素除去器を設けておき、これらの機器を通過した後の水素含有ガスが燃料ガス供給経路１５１に送出される構成としてもよい。
【０１３５】
酸化剤ガス供給器１０２は、燃料電池スタック６１（燃料電池１００）に酸化剤ガス（空気）をその流量及び加湿量を調整しながら供給することができれば、どのような態様であってもよい。本実施の形態５においては、酸化剤ガス供給器１０２は、ブロワやシロッコファン等のファン類と、全熱交換器１０４を有している（図１及び図２等参照）。酸化剤ガス供給器１０２には、酸化剤ガス供給経路１５３を介して、燃料電池スタック６１の酸化剤ガス内部流路６１Ｂの入口が接続されている。酸化剤ガス内部流路６１Ｂは、酸化剤ガス供給マニホールド１３３、酸化剤ガス流路９、及び酸化剤ガス排出マニホールド１３４を有している。また、酸化剤ガス内部流路６１Ｂの出口には、オフ酸化剤ガス経路１５４が接続されている。全熱交換器１０４は、酸化剤ガス供給経路１５３とオフ酸化剤ガス経路１５４とを跨ぐように設けられている。
【０１３６】
全熱交換器１０４としては、酸化剤ガス内部流路６１Ｂに供給される酸化剤ガスを加湿することができれば、どのような態様であってもよく、例えば、一次流体が通流するセパレータ、水蒸気透過膜、及び二次流体が通流するセパレータを有するセルが複数積層された静止型全熱交換器を用いてもよい。この場合、水蒸気透過膜の面積を小さくしたり、セルの積層数を少なくしたりして、酸化剤ガス内部流路６１Ｂに供給される酸化剤ガスの加湿量を小さくするようにしてもよい。これにより、酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点を、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くすることができる。
【０１３７】
なお、本実施の形態５においては、オフ酸化剤ガスと全熱交換する全熱交換器１０４により、酸化剤ガス内部流路６１Ｂに供給される酸化剤ガスを加湿するように構成したが、これに限定されない。例えば、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体が水である場合、冷却媒体と全熱交換する全熱交換器を設けて、該全熱交換器により、酸化剤ガスを加湿してもよく、オフ燃料ガスと全熱交換する全熱交換器を設けて、該全熱交換器により、酸化剤ガスを加湿してもよい。また、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして酸化剤ガスを加湿する、いわゆる加湿器により、酸化剤ガスを加湿してもよい。この場合、制御装置１１０は、酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点を、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、加湿器を制御してもよい。具体的には、制御装置１１０は、加湿器の加湿量を小さくなるように、加湿器を制御する。
【０１３８】
また、燃料電池スタック６１には、冷却媒体内部流路６１Ｃが設けられている。冷却媒体内部流路６１Ｃは、冷却媒体供給マニホールド１３５、冷却媒体流路１０、及び冷却媒体排出マニホールド１３６を有している（図１及び図２等参照）。冷却媒体内部流路６１Ｃには、冷却媒体循環経路１５５が接続されている。冷却媒体循環経路１５５の途中には、冷却媒体供給器１０３及び冷却媒体タンク１０５が設けられている。
【０１３９】
冷却媒体供給器１０３は、冷却媒体を冷却媒体流路１０にその流量と温度を調整して供給することができれば、どのような態様であってもよい。冷却媒体供給器１０３は、例えば、水の流量を調整する流量調整器と、温度調整器を有していてもよい。流量調整器としては、ポンプ単体で構成されていてもよく、また、ポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。また、温度調整器としては、例えば、電気ヒータで構成されていてもよい。
【０１４０】
制御装置１１０は、燃料電池システム２００を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよい。制御装置１１０は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。そして、制御装置１１０は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む燃料電池システム２００に関する各種の制御を行う。
【０１４１】
なお、制御装置１１０は、単独の制御装置で構成される形態だけでなく、複数の制御装置が協働して燃料電池システム２００の制御を実行する制御装置群で構成される形態であっても構わない。また、制御装置１１０は、マイクロコントロールで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ(ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)、論理回路等によって構成されていてもよい。
【０１４２】
［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態５に係る燃料電池システム２００の動作（発電動作）について、図１４を参照しながら説明する。
【０１４３】
まず、制御装置１１０は、燃料電池システム２００の作動指令が入力されると、燃料電池システム２００を構成する各機器に運転開始指令を出力する。なお、燃料電池システム２００の作動指令としては、例えば、燃料電池システム２００の使用者が、図示されないリモコンを操作して、燃料電池システム２００を作動させるように、指示した場合や予め設定された燃料電池システム２００の運転開始時刻になった場合等が挙げられる。
【０１４４】
次に、制御装置１１０は、原料供給器１０１Ａを作動させて、燃料処理器１０１の改質器、燃料ガス供給経路１５１、燃料ガス内部流路６１Ａ、及びオフ燃料ガス経路１５２を介して、バーナ１０１Ｃに原料を燃焼用燃料として供給させる。また、制御装置１１０は、バーナ１０１Ｃに、燃焼用空気供給器を作動させて、燃料用空気を供給させる。バーナ１０１Ｃでは、供給された原料と燃焼用空気が燃焼されて、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、燃料処理器１０１の改質器等を加熱した後、燃焼排ガス経路（図示せず）を通流して燃料電池システム２００外に排出される。
【０１４５】
次に、制御装置１１０は、燃料処理器１０１の改質器が充分に加熱されると、水供給器１０１Ｂを作動させて、改質器に水を供給させる。改質器では、供給された原料と水とが、改質反応して、水素含有ガスが生成される。生成された水素含有ガス（水蒸気を含む）は、変成器等で一酸化炭素が低減されて、燃料ガスとして、燃料ガス供給経路１５１を介して、燃料電池スタック６１の燃料ガス内部流路６１Ａに供給される。燃料ガス内部流路６１Ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス内部流路６１Ａを通流する間に、燃料電池１００の燃料ガス流路８に供給される。このとき、制御装置１１０は、水供給器１０１Ｂの操作量を制御する（小さくする）ことにより、燃料ガス中に含まれる水蒸気量を調整することで、燃料電池１００の燃料ガス流路８に供給される（燃料ガス流路８を通流する）燃料ガスの露点を、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるようにしてもよい。
【０１４６】
また、制御装置１１０は、酸化剤ガス供給器１０２を作動させて、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給経路１５３を介して、燃料電池スタック６１の酸化剤ガス内部流路６１Ｂに供給させる。酸化剤ガス内部流路６１Ｂに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス内部流路６１Ｂを通流する間に、燃料電池１００の酸化剤ガス流路９に供給される。
【０１４７】
燃料ガス流路８に供給された燃料ガスは、燃料ガス流路８を通流する間に、アノード電極４Ａに供給される。また、酸化剤ガス流路９に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路９を通流する間に、カソード電極４Ｂに供給される。そして、アノード電極４Ａに供給された燃料ガス中の水素と、カソード電極４Ｂに供給された酸化剤ガス中の酸素と、が、電気化学的に反応して、水が生成され、電気と熱が発生する。なお、生成された水は、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する。また、発生した電気は、図示されない出力制御器により、外部電力負荷（例えば、家庭の電気機器）に供給される。
【０１４８】
アノード電極４Ａで使用されなかった燃料ガスは、オフ燃料ガスとして、オフ燃料ガス経路１５２に排出され、オフ燃料ガス経路１５２に排出されたオフ燃料ガスは、バーナ１０１Ｃに供給される。また、カソード電極４Ｂで使用されなかった酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガスとして、オフ酸化剤ガス経路１５４から燃料電池システム２００外に排出される。オフ酸化剤ガス経路１５４に排出されたオフ酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガス経路１５４を通流する間に、全熱交換器１０４で、酸化剤ガス内部流路６１Ｂに供給される酸化剤ガスと熱交換及び水分交換して、酸化剤ガス内部流路６１Ｂに供給される酸化剤ガスを加湿する。
【０１４９】
さらに、制御装置１１０は、冷却媒体供給器１０３を作動させて、燃料電池スタック６１の冷却媒体内部流路６１Ｃを介して、冷却媒体流路１０に冷却媒体を供給する。冷却媒体流路１０に供給された冷却媒体は、水素と酸素の電気化学反応により、発生した熱を回収して、冷却媒体循環経路１５５から冷却媒体タンク１０５に供給される。このとき、制御装置１１０は、冷却媒体供給器１０３の流量調整器の操作量を制御して（小さくして）、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の流速を小さくすることで、燃料ガス流路８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点を、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるようにしてもよい。また、制御装置１１０は、温度調整器の操作量を制御して（大きくして）、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度を高くすることで、燃料ガス流路８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点を、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるようにしてもよい。
【０１５０】
すなわち、本実施の形態５に係る燃料電池システム２００では、制御装置１１０が、低加湿の運転条件（燃料ガス流路８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点が、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体の温度よりも低い条件）となるように、燃料処理器１０１（水供給器１０１Ｂ）、酸化剤ガス供給器１０２、及び冷却媒体供給器１０３等を制御するように構成されている。
【０１５１】
このように構成された本実施の形態５に係る燃料電池システム２００では、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）を備えているため、制御装置１１０が、低加湿条件で運転するように、燃料処理器１０１、酸化剤ガス供給器１０２、及び冷却媒体供給器１０３を制御しても、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。
【０１５２】
なお、本実施の形態５においては、燃料電池１００に燃料ガスを供給する燃料ガス供給器として、燃料処理器を例示したが、これに限定されない。燃料ガス供給器は、燃料電池１００に燃料ガスをその流量及び加湿量を調整しながら供給することができれば、どのような態様であってもよい。例えば、水素ボンベ、又は水素吸蔵合金等の水素ガスを供給するように構成された機器と、加湿器と、流量調整器と、から構成されていてもよい。
【０１５３】
また、本実施の形態５においては、燃料処理器１０１が第１反応ガス供給器を構成し、酸化剤ガス供給器１０２が第２反応ガス供給器を構成したが、これに限定されない。燃料処理器１０１が、第２反応ガス供給器を構成し、酸化剤ガス供給器１０２が、第１反応ガス供給器を構成してもよい。
【０１５４】
さらに、本実施の形態５においては、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）を備える形態を採用したが、これに限定されず、実施の形態１の変形例１又は変形例２の燃料電池スタック６１（燃料電池１００）、又は実施の形態２乃至４に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）のいずれかの燃料電池スタック６１（燃料電池１００）を備える形態を採用してもよい。
【０１５５】
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。したがって、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形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨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。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
【産業上の利用可能性】
【０１５６】
本発明の高分子電解質形燃料電池、それを備える燃料電池スタック、燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法は、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でき、燃料電池の分野で有用である。
【符号の説明】
【０１５７】
１  高分子電解質膜
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  アノード電極
４Ｂ  カソード電極
５  ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−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
８ａ  直線部（水平部）
８ｂ  折り返し部（垂直部）
９  酸化剤ガス流路
９ａ  直線部（水平部）
９ｂ  折り返し部（垂直部）
１０  冷却媒体流路
１１  第１リブ部
１１Ａ  第１外側リブ部
１２  第２リブ部
１２Ａ  第２外側リブ部
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  第１部分
４２  第２部分
５１  第１特定部分
５２  第２特定部分
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
６１Ａ  燃料ガス内部流路
６１Ｂ  酸化剤ガス内部流路
６１Ｃ  冷却媒体内部流路
１０１  燃料処理器
１０１Ａ  原料供給器
１０１Ｂ  水供給器
１０１Ｃ  バーナ
１０２  酸化剤ガス供給器
１０３  冷却媒体供給器
１０４  全熱交換器
１０５  冷却媒体タンク
１１０  制御装置
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
１５１  燃料ガス供給経路
１５２  オフ燃料ガス経路
１５３  酸化剤ガス供給経路
１５４  オフ酸化剤ガス経路
１５５  冷却媒体循環経路
２００  燃料電池システム
２０２  電極
２０２Ａ  部分
２０２Ｂ  部分
２０３  反応ガス流路
２０４  リブ部
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、
板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第１反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第１セパレータと、
板状で、前記膜−電極接合体前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第２反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第２セパレータと、を備え、
前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記電極の領域内で、その上流端から最初に前記第２反応ガス流路と重なる部分より下流側で、前記第２反応ガス流路と最初に離れる部分（以下、第１部分）を含む部分（以下、第１特定部分）の幅が、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より上流側の部分の幅よりも小さく、かつ、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より下流側の部分の幅よりも小さくなるように形成されている、高分子電解質形燃料電池。
【請求項２】
前記第１セパレータの他方の主面及び／又は前記第２セパレータの他方の主面には、溝状の冷却媒体流路が形成されており、
前記第１反応ガス流路を通流する第１反応ガス及び前記第２反応ガス流路を通流する第２反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低い、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項３】
前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第１反応ガス流路の上流側の部分で構成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項４】
前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第１反応ガス流路の下流側の部分で構成されている、請求項１又は請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項５】
前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第２反応ガス流路の幅と前記第２反応ガス流路の間に形成された第２リブ部の幅との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項６】
前記第１特定部分は、前記第１部分から前記第２反応ガス流路の幅に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項７】
前記第２セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第２反応ガス流路が形成されており、
前記第１特定部分は、前記第１部分から前記複数の第２反応ガス流路の幅の和と前記複数の第２反応ガス流路の間に形成された複数の第２リブ部の幅の和との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項８】
前記第２セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第２反応ガス流路が形成されており、
前記第１特定部分は、前記第１部分から前記複数の第２反応ガス流路の幅の和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項９】
前記第２反応ガス流路は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記電極の領域内で、その上流端から最初に前記第１反応ガス流路と重なる部分より下流側で、前記第１反応ガス流路と最初に離れる部分（以下、第２部分）を含む部分（以下、第２特定部分）の幅が、前記第２反応ガス流路の前記第２特定部分より上流側の部分の幅よりも小さく、かつ、前記第２反応ガス流路の前記第２特定部分より下流側の部分の幅よりも小さくなるように形成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１０】
前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第２反応ガス流路の上流側の部分で構成されている、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１１】
前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第２反応ガス流路の下流側の部分で構成されている、請求項８又は請求項９に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１２】
前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第１反応ガス流路の幅と前記第１反応ガス流路の間に形成された第１リブ部の幅との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１３】
前記第２特定部分は、前記第２部分から前記第１反応ガス流路の幅に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１４】
前記第１セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第１反応ガス流路が形成されており、
前記第２特定部分は、前記第２部分から前記複数の第１反応ガス流路の幅の和と前記複数の第１反応ガス流路の間に形成された複数の第１リブ部の幅の和との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１５】
前記第１セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第１反応ガス流路が形成されており、
前記第２特定部分は、前記第２部分から前記複数の第１反応ガス流路の幅の和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１６】
前記第１反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路が、サーペンタイン状に形成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１７】
前記第１反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路が、渦巻状に形成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１８】
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に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１９】
複数の請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池が積層して締結されている、燃料電池スタック。
【請求項２０】
請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池と、
前記第１反応ガス流路に前記第１反応ガスを供給するように構成された第１反応ガス供給器と、
前記第２反応ガス流路に前記第２反応ガスを供給するように構成された第２反応ガス供給器と、
前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を供給するように構成された冷却媒体供給器と、
前記第１反応ガス流路を通流する第１反応ガス及び前記第２反応ガス流路を通流する第２反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、前記第１反応ガス供給器、前記第２反応ガス供給器、及び前記冷却媒体供給器を制御するように構成された制御装置と、を備える、燃料電池システム。
【請求項２１】
高分子電解質形燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第１反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第１セパレータと、板状で、前記膜−電極接合体前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第２反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第２セパレータと、を備え、
前記第１反応ガス流路は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記電極の領域内で、その上流端から最初に前記第２反応ガス流路と重なる部分より下流側で、前記第２反応ガス流路と最初に離れる部分（以下、第１部分）を含む部分（以下、第１特定部分）の幅が、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より上流側の部分の幅よりも小さく、かつ、前記第１反応ガス流路の前記第１特定部分より下流側の部分の幅よりも小さくなるように形成され、
前記第１セパレータの他方の主面及び／又は前記第２セパレータの他方の主面には、溝状の冷却媒体流路が形成されており、
前記第１反応ガス流路を通流する第１反応ガス及び前記第２反応ガス流路を通流する第２反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、第１反応ガス供給器が前記第１反応ガス流路に前記第１反応ガスを供給し、第２反応ガス供給器が前記第２反応ガス流路に前記第２反応ガスを供給し、冷却媒体供給器が前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を供給するステップを備える、燃料電池システムの運転方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【国際調査報告】
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