(57)【要約】【課題】簡素な構成により、燃料電池に供給される湿度の低いガスに起因する電解質膜の乾燥を抑制する。【解決手段】燃料電池は、高分子電解質から成る電解質膜と、電解質膜上に形成されている一対の電極と、各電極上に配置され、電極との間にガス流路を形成するガスセパレータと、少なくとも一方のガス流路に対応して設けられた、ガス流路にガスを流入させる供給部およびガス流路から前記ガスを排出させる排出部と、を備える。少なくとも一方のガス流路は、供給部と接続される供給部近傍領域の形態が、他の領域の形態とは異なって形成されることにより、供給部近傍領域において電極上を流れるガスの流速が、供給部近傍領域以外の領域において電極上を流れるガスの流速よりも遅くなるように形成されている燃料電池。【選択図】図２
2011044297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
高分子電解質から成る電解質膜と、
前記電解質膜上に形成されている一対の電極と、
各前記電極上に配置され、前記電極との間にガス流路を形成するガスセパレータと、
少なくとも一方の前記ガス流路に対応して設けられた、該ガス流路にガスを流入させる供給部および該ガス流路から前記ガスを排出させる排出部と、
を備え、
前記少なくとも一方のガス流路は、前記供給部と接続される供給部近傍領域の形態が、他の領域の形態とは異なって形成されることにより、前記供給部近傍領域において前記電極上を流れる前記ガスの流速が、前記供給部近傍領域以外の領域において前記電極上を流れる前記ガスの流速よりも遅くなるように形成されている
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方のガス流路は、前記電極側に配置された電極近接層と、前記ガスセパレータ側に配置された電極離間層と、によって構成されており、
前記電極面に平行に前記ガスが流れる際の圧損が、前記供給部近傍領域においては前記電極近接層よりも前記電極離間層の方が小さく形成されている
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方のガス流路における前記供給部近傍領域の前記電極離間層は、同じ流路長を流れる際の流路抵抗が、前記少なくとも一方のガス流路を構成する他の部分よりも小さくなる形状に形成されている
燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方のガス流路は、前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置された多孔質体である流路形成多孔質体内に形成される細孔によって形成され、
前記流路形成多孔質体は、前記供給部近傍領域における前記電極離間層を構成する多孔質体として、前記流路形成多孔質体における他の部位よりも空隙率の高い多孔質体を備える
燃料電池。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方のガス流路における前記供給部近傍領域の前記電極近接層は、同じ流路長を流れる際の流路抵抗が、前記少なくとも一方のガス流路を構成する他の部分よりも大きくなる形状に形成されている
燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方のガス流路は、前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置された多孔質体である流路形成多孔質体内に形成される細孔によって形成され、
前記流路形成多孔質体は、前記供給部近傍領域における前記電極近接層を構成する多孔質体として、前記流路形成多孔質体における他の部位よりも空隙率の低い多孔質体を備える
燃料電池。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方のガス流路は、前記供給部近傍領域における流路断面積が、他の領域における流路断面積に比べて大きく形成されている
燃料電池。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方のガス流路における前記供給部近傍領域は、前記電極側に配置された電極近接層と、前記ガスセパレータ側に配置された電極離間層とを備え、
前記電極離間層は、前記電極近接層よりも電極面に平行にガスが流れる際の圧損が小さく形成されている
燃料電池。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方のガス流路は、前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置された多孔質体である流路形成多孔質体内に形成される細孔によって形成され、
前記流路形成多孔質体は、前記電極離間層を構成する多孔質体として、前記流路形成多孔質体における他の部位よりも空隙率の大きい多孔質体を備える
燃料電池。
【請求項１０】
請求項８記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方のガス流路は、前記電極離間層以外が、前記電極上に配置された多孔質体内に形成される細孔によって形成され、
前記電極離間層は、前記供給部近傍領域にわたって前記ガスの流れ方向に平行に形成された空間によって形成される
燃料電池。
【請求項１１】
請求項１ないし１０いずれか記載の燃料電池であって、
前記一対のガス流路のうち、アノードに対して水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス流路において、一方の端部から前記燃料ガスの供給を受けつつ、他方の端部を閉塞した状態で発電を行ない、
前記一対のガス流路のうち、前記供給部近傍領域において前記電極上を流れる前記ガスの流速が、前記供給部近傍領域以外の領域において前記電極上を流れる前記ガスの流速よりも遅くなっている前記ガス流路は、カソードに対して酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス流路である
燃料電池。
【請求項１２】
燃料電池であって、
高分子電解質から成る電解質膜と、
前記電解質膜上に形成された一対の電極と、
前記電極上に配置されたガスセパレータと、
前記電極と前記ガスセパレータとの間に形成される一対のガス流路と
を備え、
少なくとも一方の前記ガス流路を形成する前記ガスセパレータは、
前記ガス流路を形成する一方の表面において、前記ガス流路に対してガスを供給するためのガス供給口として、前記電極と重なる領域である集電領域全体にわたって２次元的に分散して設けられた複数のガス供給口を備えると共に、前記ガス流路からガスを排出するためのガス排出口として、前記集電領域全体にわたって２次元的に分散して設けられた複数のガス排出口を備え、
前記ガスセパレータの内部において、前記複数のガス供給口に対してガスを供給するガス供給流路および前記複数のガス排出口からガスを排出するガス排出流路が形成されている
燃料電池。
【請求項１３】
請求項１２記載の燃料電池であって、
前記一対のガス流路のうち、アノードに対して水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス流路において、一方の端部から前記燃料ガスの供給を受けつつ、他方の端部を閉塞した状態で発電を行ない、
前記２次元的に分散して設けられた複数のガス供給口および複数のガス排出口は、前記一対のガス流路のうち、カソードに対して酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス流路について設けられている
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池が備える高分子電解質膜は、一般に、湿潤状態であるときに良好なプロトン伝導性を示すため、電池性能を維持するために、高分子電解質膜の湿潤状態を確保することが重要である。このような固体高分子型燃料電池では、アノードに水素を含有する燃料ガスが供給されると共に、カソードに酸素を含有する酸化ガスが供給されて電気化学反応が進行し、電気化学反応の進行に伴ってカソードにおいて水（生成水）が生じる。そのため、燃料電池の内部では、ガス流れの下流側ほど、生成水によってガスが加湿されて湿度が上昇する。したがって、電解質膜の乾燥に係る問題は、より湿度が低いガスが流入するガスの供給口近傍において、乾燥したガスによって電解質膜の水分が奪われることにより引き起こされ易い問題であった。
【０００３】
従来、燃料電池においては、上記した電解質膜の乾燥の問題を含め、生成水の滞留に起因する問題や、電極面上でのガス供給の不均一に起因する問題など、ガス供給に伴う問題を解決すべく、ガス供給に係る種々の構成が提案されてきた。例えば、電極面上において、ガス流路をガス流れ方向と平行に上下２段に分離して設け、分離されたそれぞれのガス流路を流れるガスが流路の途中で上段と下段と出入れ替わる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような構成とすることにより、電極全体に対して、新鮮なガスを供給可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−９７９４４号公報
【特許文献２】特開２００７−１９４０７４号公報
【特許文献３】特開２００８−８４７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ガス流路を上下２段に分割して、それぞれに対してガスを分割供給する構成では、燃料電池に供給されるガスの湿度が低い場合、あるいは燃料電池の運転温度が高い場合には、新鮮なガスが供給される領域において、膜乾燥が生じる問題を充分に解決することができない場合があった。また、ガス流路を２段に分割してガス流れを途中で上下で入れ替える場合には、ガス流路の構成が複雑化するため、燃料電池の部品点数が増加し、製造工程が複雑化するという問題を生じる。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、簡素な構成により、燃料電池に供給されるガスに起因する電解質膜の乾燥を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池であって、
高分子電解質から成る電解質膜と、
前記電解質膜上に形成されている一対の電極と、
各前記電極上に配置され、前記電極との間にガス流路を形成するガスセパレータと、
少なくとも一方の前記ガス流路に対応して設けられた、該ガス流路にガスを流入させる供給部および該ガス流路から前記ガスを排出させる排出部と、
を備え、
前記少なくとも一方のガス流路は、前記供給部と接続される供給部近傍領域の形態が、他の領域の形態とは異なって形成されることにより、前記供給部近傍領域において前記電極上を流れる前記ガスの流速が、前記供給部近傍領域以外の領域において前記電極上を流れる前記ガスの流速よりも遅くなるように形成されている
燃料電池。
【０００９】
適用例１に記載の燃料電池によれば、少なくとも一方のガス流路において供給部近傍領域の電極上を流れるガスの流速が、供給部近傍領域以外の領域の電極上を流れるガスの流速よりも遅いため、ガス流れに起因する供給部近傍領域における電解質膜の乾燥を抑制することができる。これにより、電解質膜の乾燥に起因する電池性能の低下を抑えることができる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方のガス流路は、前記電極側に配置された電極近接層と、前記ガスセパレータ側に配置された電極離間層と、によって構成されており、前記電極面に平行に前記ガスが流れる際の圧損が、前記供給部近傍領域においては前記電極近接層よりも前記電極離間層の方が小さく形成されている燃料電池。適用例２に記載の燃料電池によれば、供給部からガス流路へと流入したガスは、供給部近傍領域において、圧損が小さい電極離間層を多く流れる。そのため、供給部近傍領域における電極近接層を流れるガス流速が低下する。その結果、供給部近傍領域において電極上を流れるガス流速が、供給部近傍領域以外の領域において電極上を流れるガスの流速よりも遅くなる効果を高めることができ、供給部近傍領域における電解質膜の乾燥を抑制することができる。
【００１１】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池であって、前記少なくとも一方のガス流路における前記供給部近傍領域の前記電極離間層は、同じ流路長を流れる際の流路抵抗が、前記少なくとも一方のガス流路を構成する他の部分よりも小さくなる形状に形成されている燃料電池。適用例３に記載の燃料電池によれば、供給部からガス流路へと流入したガスは、供給部近傍領域において、流路抵抗が小さい電極離間層を多く流れる。そのため、供給部近傍領域における電極近接層を流れるガス流速が低下する。その結果、供給部近傍領域において電極上を流れるガス流速が、供給部近傍領域以外の領域において電極上を流れるガスの流速よりも遅くなる効果を高めることができ、供給部近傍領域における電解質膜の乾燥を抑制することができる。
【００１２】
［適用例４］
適用例３記載の燃料電池であって、前記少なくとも一方のガス流路は、前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置された多孔質体である流路形成多孔質体内に形成される細孔によって形成され、前記流路形成多孔質体は、前記供給部近傍領域における前記電極離間層を構成する多孔質体として、前記流路形成多孔質体における他の部位よりも空隙率の高い多孔質体を備える燃料電池。適用例４に記載の燃料電池によれば、供給部からガス流路へと流入したガスは、供給部近傍領域において、空隙率の高い多孔質体を備える電極離間層を多く流れる。そのため、供給部近傍領域における電極近接層を流れるガス流速が低下する。その結果、供給部近傍領域において電極上を流れるガス流速が、供給部近傍領域以外の領域において電極上を流れるガスの流速よりも遅くなる効果を高めることができ、供給部近傍領域における電解質膜の乾燥を抑制することができる。
【００１３】
［適用例５］
適用例２記載の燃料電池であって、前記少なくとも一方のガス流路における前記供給部近傍領域の前記電極近接層は、同じ流路長を流れる際の流路抵抗が、前記少なくとも一方のガス流路を構成する他の部分よりも大きくなる形状に形成されている燃料電池。適用例５に記載の燃料電池によれば、供給部近傍領域では、供給部からガス流路へと流入したガスのうち、流路抵抗が大きい電極近接層内を流れるガス量が抑えられる。そのため、供給部近傍領域における電極近接層を流れるガス流速が低下する。その結果、供給部近傍領域において電極上を流れるガス流速が、供給部近傍領域以外の領域において電極上を流れるガスの流速よりも遅くなる効果を高めることができ、供給部近傍領域における電解質膜の乾燥を抑制することができる。
【００１４】
［適用例６］
適用例５記載の燃料電池であって、前記少なくとも一方のガス流路は、前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置された多孔質体である流路形成多孔質体内に形成される細孔によって形成され、前記流路形成多孔質体は、前記供給部近傍領域における前記電極近接層を構成する多孔質体として、前記流路形成多孔質体における他の部位よりも空隙率の低い多孔質体を備える燃料電池。適用例６に記載の燃料電池によれば、供給部近傍領域では、供給部からガス流路へと流入したガスのうち、空隙率の低い多孔質体を備える電極近接層内を流れるガス量が抑えられる。そのため、供給部近傍領域における電極近接層を流れるガス流速が低下する。その結果、供給部近傍領域において電極上を流れるガス流速が、供給部近傍領域以外の領域において電極上を流れるガスの流速よりも遅くなる効果を高めることができ、供給部近傍領域における電解質膜の乾燥を抑制することができる。
【００１５】
［適用例７］
適用例１記載の燃料電池であって、前記少なくとも一方のガス流路は、前記供給部近傍領域における流路断面積が、他の領域における流路断面積に比べて大きく形成されている燃料電池。適用例７に記載の燃料電池によれば、供給部近傍領域の流路断面積が他の領域の流路断面積に比べて大きいため、少なくとも一方のガス流路全体として、供給部近傍領域をガスが流れる際の流速が、他の領域をガスが流れる際の流速に比べて遅くなる。そのため、供給部近傍領域において電極上を流れるガスの流速が相対的に遅くなり、供給部近傍領域において電極上を流れるガス流速が、供給部近傍領域以外の領域において電極上を流れるガスの流速よりも遅くなる効果を高めることができ、供給部近傍領域における電解質膜の乾燥を抑制することができる。
【００１６】
［適用例８］
適用例７記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方のガス流路における前記供給部近傍領域は、前記電極側に配置された電極近接層と、前記ガスセパレータ側に配置された電極離間層とを備え、前記電極離間層は、前記電極近接層よりも電極面に平行にガスが流れる際の圧損が小さく形成されている燃料電池。適用例８に記載の燃料電池によれば、流路断面積が大きい供給部近傍領域において、電極離間層の方が電極近接層よりも電極面に平行にガスが流れる際の圧損が小さく形成されているため、供給部近傍領域では、電極離間層において、ガスが流れやすくなる。そのため、電極近接層におけるガスの流速、すなわち、供給部近傍領域において電極上を流れるガスの流速がさらに遅くなり、供給部近傍領域における電解質膜の乾燥を抑制する効果を高めることができる。
【００１７】
［適用例９］
適用例８記載の燃料電池であって、前記少なくとも一方のガス流路は、前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置された多孔質体である流路形成多孔質体内に形成される細孔によって形成され、前記流路形成多孔質体は、前記電極離間層を構成する多孔質体として、前記流路形成多孔質体における他の部位よりも空隙率の大きい多孔質体を備える燃料電池。適用例９に記載の燃料電池によれば、供給部近傍領域では、より空隙率の大きい多孔質体によって構成される電極離間層においてガスが流れやすくなる。そのため、電極近接層におけるガスの流速、すなわち、供給部近傍領域において電極上を流れるガスの流速がさらに遅くなり、供給部近傍領域における電解質膜の乾燥を抑制する効果を高めることができる。
【００１８】
［適用例１０］
適用例８記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方のガス流路は、前記電極離間層以外が、前記電極上に配置された多孔質体内に形成される細孔によって形成され、前記電極離間層は、前記供給部近傍領域にわたって前記ガスの流れ方向に平行に形成された空間によって形成される燃料電池。適用例１０に記載の燃料電池によれば、供給部近傍領域では、多孔質体によって形成される電極近接層よりも、電極離間層において、ガスが流れやすくなる。そのため、電極近接層におけるガスの流速、すなわち、供給部近傍領域において電極上を流れるガスの流速がさらに遅くなり、供給部近傍領域における電解質膜の乾燥を抑制する効果を高めることができる。
【００１９】
［適用例１１］
適用例１ないし１０いずれか記載の燃料電池であって、前記一対のガス流路のうち、アノードに対して水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス流路において、一方の端部から前記燃料ガスの供給を受けつつ、他方の端部を閉塞した状態で発電を行ない、前記一対のガス流路のうち、前記供給部近傍領域において前記電極上を流れる前記ガスの流速が、前記供給部近傍領域以外の領域において前記電極上を流れる前記ガスの流速よりも遅くなっている前記ガス流路は、カソードに対して酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス流路である燃料電池。適用例１１に記載の燃料電池によれば、燃料ガスの流路においてはガスの流れが小さいために、燃料ガス中の水分を利用して酸化ガスの加湿を行なうことが困難となる場合であっても、酸化ガス流れに起因する電解質膜の乾燥を抑制することができる。
【００２０】
［適用例１２］
燃料電池であって、
高分子電解質膜から成る電解質膜と、
前記電解質膜上に形成された一対の電極と、
前記電極上に配置されたガスセパレータと、
前記電極と前記ガスセパレータとの間に形成される一対のガス流路と
を備え、
少なくとも一方の前記ガス流路を形成する前記ガスセパレータは、
前記ガス流路を形成する一方の表面において、前記ガス流路に対してガスを供給するためのガス供給部として、前記電極と重なる領域である集電領域全体にわたって２次元的に分散して設けられた複数のガス供給部を備えると共に、前記ガス流路からガスを排出するためのガス排出口として、前記集電領域全体にわたって２次元的に分散して設けられた複数のガス排出口を備え、
前記ガスセパレータの内部において、前記複数のガス供給部に対してガスを供給するガス供給流路および前記複数のガス排出口からガスを排出するガス排出流路が形成されている
燃料電池。
【００２１】
適用例１２に記載の燃料電池によれば、複数のガス供給部および複数のガス排出口が、集電領域全体にわたって２次元的に分散して設けられているため、ガス流路全体にわたって、ガスの流速を抑えつつガスの流速を均一化することができる。そのため、ガス流れに起因する電解質膜の乾燥を抑制し、電解質膜の乾燥に起因する電池性能の低下を抑えることができる。
【００２２】
［適用例１３］
適用例１２記載の燃料電池であって、前記一対のガス流路のうち、アノードに対して水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス流路において、一方の端部から前記燃料ガスの供給を受けつつ、他方の端部を閉塞した状態で発電を行ない、前記２次元的に分散して設けられた複数のガス供給部および複数のガス排出口は、前記一対のガス流路のうち、カソードに対して酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス流路について設けられている燃料電池。適用例１３に記載の燃料電池によれば、燃料ガスの流路においてはガスの流れが小さいために、燃料ガス中の水分を利用して酸化ガスの加湿を行なうことが困難となる場合であっても、酸化ガス流れに起因する電解質膜の乾燥を抑制することができる。
【００２３】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の製造方法などの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。
【図２】燃料電池１５の概略構成を表わす断面模式図である。
【図３】燃料電池１５を構成する薄板状部材の概略構成を表わす説明図である。
【図４】第２実施例の燃料電池の構成の概略を表わす断面模式図である。
【図５】多孔質体１３８を配置したカソード対向プレート４３の平面図である。
【図６】第３実施例の燃料電池の構成の概略を表わす断面模式図である。
【図７】流路閉塞プレート２３８を配置したカソード対向プレート４３の平面図である。
【図８】第４実施例の燃料電池の構成の概略を表わす断面模式図である。
【図９】第５実施例の燃料電池の構成の概略を表わす断面模式図である。
【図１０】流路閉塞プレート４３８を配置したカソード対向プレート４３の平面図である。
【図１１】第６実施例の燃料電池の構成の概略を表わす断面模式図である。
【図１２】第７実施例の燃料電池の構成の概略を表わす断面模式図である。
【図１３】中間プレート６４２の構成を表わす平面図である。
【図１４】カソード対向プレート６４３の構成を表わす平面図である。
【図１５】アノード対向プレート６４１の構成を表わす平面図である。
【図１６】セパレータ上に多孔質体を配置した様子を表わす平面図である。
【図１７】変形例４の燃料電池を構成する単セルの概略構成を表わす分解斜視図である。
【図１８】多孔質体８３７が配置される領域の近傍の様子を表わす断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
Ａ．システムの全体構成：
図１は、第１実施例の燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム１０は、発電の本体である燃料電池１５と、水素供給部２０と、ブロワ２１と、冷媒給排部８０と、を備えている。
【００２６】
燃料電池１５は、その内部に、アノードに供給するための燃料ガスの流路であるセル内燃料ガス流路２７と燃料ガス供給マニホールドが形成されている。また、燃料電池１５は、その内部に、カソードに供給するための酸化ガスの流路であるセル内酸化ガス流路２８と、酸化ガス供給マニホールドおよび酸化ガス排出マニホールドが形成されている。本実施例の燃料電池１５は、セル内酸化ガス流路２８の構成に特徴があるが、燃料電池１５の詳しい構成については、後述する。
【００２７】
水素供給部２０は、燃料ガスとして燃料電池１５に供給する水素を貯蔵している。水素供給部２０としては、例えば、水素ガスを圧縮して貯蔵する水素ボンベや、水素吸蔵合金を備える水素タンクを用いることができる。ブロワ２１は、酸化ガスとして燃料電池１５に空気を供給するための装置である。
【００２８】
水素供給部２０と燃料電池１５とは、燃料ガス供給路２２によって接続されている。燃料ガス供給路２２には、圧力調整弁２３が設けられている。圧力調整弁２３は、圧力調整弁２３よりも下流側における燃料ガス供給路２２内の圧力が所定の圧力となるように、圧力調整を行なう。また、燃料ガス供給路２２において、圧力調整弁２３と燃料電池１５との間には、圧力センサ２４が設けられている。燃料ガス供給路２２は、燃料電池１５内に形成される既述した燃料ガス供給マニホールドの端部に接続されている。
【００２９】
ブロワ２１と燃料電池１５とは、酸化ガス供給路２５によって接続されている。酸化ガス供給路２５は、燃料電池１５内に形成される既述した酸化ガス供給マニホールドの端部に接続されている。また、燃料電池１５内に形成された既述した酸化ガス排出マニホールドの端部は、酸化ガス排出路２６に接続されている。燃料電池１５の発電時には、ブロワ２１によって空気の供給が継続して行なわれ、電気化学反応に供された残りのカソード排ガスは、酸化ガス排出路２６から排出される。
【００３０】
冷媒給排部８０は、冷却水などの冷媒が流れる冷媒循環路８３と、ラジエータ８１と、冷媒循環路８３内で冷媒を循環させるポンプ８２と、を備えている。燃料電池１５の内部には、冷媒が流れる冷媒流路が形成されており、この冷媒流路とラジエータ８１とが、冷媒循環路８３によって接続されている。燃料電池１５では、発電に伴って熱が生じるが、燃料電池１５の内部とラジエータ８１との間で冷媒を循環させることにより、燃料電池１５の内部温度を所定範囲に維持している。
【００３１】
燃料電池１５は、燃料ガスが供給されるアノード側流路の下流側端部を閉塞した状態で発電を行なう燃料電池（以下、アノードデッドエンド型燃料電池と呼ぶ）である。燃料電池１５の発電時には、圧力調整弁２３によって、圧力調整弁２３よりも下流側の燃料ガスの水素圧が所定値に保たれるように、水素供給状態が調節される。すなわち、燃料電池１５の発電中には、発電により消費された水素に見合う量の水素が圧力調整弁２３を介して燃料電池１５側へと供給され続け、各セル内燃料ガス流路２７内の水素圧は、所定の圧力に維持される。
【００３２】
Ｂ．燃料電池の構成：
図２は、燃料電池１５の概略構成を表わす断面模式図である。燃料電池１５は、固体高分子型燃料電池である。また、本実施例の燃料電池は、電気化学反応が進行する基本構造であるセルアセンブリ３０を複数備えると共に、各々のセルアセンブリ３０間にセパレータ４０を介在させつつセルアセンブリ３０を積層させたスタック構造を有している。
【００３３】
セルアセンブリ３０は、図２に示すように、膜−電極接合体（ＭＥＡ、Membrane Electrode Assembly）３１と、ガス拡散層３２，３３と、ガス流路形成部３４，３５と、ガスケット１６と、を備えている。ＭＥＡ３１は、電解質膜と、電解質膜の表面に形成された一対の電極（カソードおよびアノード）とを備えている。
【００３４】
電解質膜は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。カソードおよびアノードは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。ＭＥＡ３１を作製するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜を構成する電解質と同様の電解質とを用いてインクを作製し、作製した触媒インクを電解質膜上に塗布すればよい。ガス拡散層３２，３３は、カーボン製の多孔質部材であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。ＭＥＡ３１をガス拡散層３２，３３によって挟持して、プレス接合することにより、ＭＥＡ３１とガス拡散層３２，３３とを一体化することができる。ガス拡散層は、ガス流路形成部３４，３５よりも平均細孔径が小さな多孔質体によって構成されている。そのため、ガス拡散層を設けることによって、触媒電極に対するガス供給効率を向上させると共に、ガス流路形成部３４，３５と触媒電極との間の集電性を高めることができ、さらに電解質膜を保護することもできる。ただし、ガス流路形成部３４，３５の構成材料や気孔率によっては、ガス拡散層を設けないこととしても良い。
【００３５】
ガス流路形成部３４，３５は、例えば、発泡金属焼結体や、球状または繊維状の微小な金属を焼結させた焼結体や、金属メッシュなどの金属製多孔質体、あるいは、カーボン製の多孔質体といった導電性の薄板状部材を備えている。本実施例では、各ガス流路形成部３４，３５は、チタン製の発泡金属によって構成している。ガス流路形成部３４，３５は、ＭＥＡ３１上のガス拡散層およびセパレータ４０と接触するように配置されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガスが通過するセル内ガス流路として機能する。すなわち、カソードとセパレータ４０との間に配置されるガス流路形成部３４の細孔が形成する空間は、酸素を含有する酸化ガスが通過するセル内酸化ガス流路２８として機能する。また、アノードとセパレータ４０との間に配置されるガス流路形成部３５の細孔が形成する空間は、水素を含有する燃料ガスが通過するセル内燃料ガス流路２７として機能する。
【００３６】
ここで、本実施例において、セル内酸化ガス流路２８を形成するためのガス流路形成部３４は、ＭＥＡ３１側に形成される電極近接層１８と、セパレータ４０側に配置される電極離間層１９と、の２つの層によって構成されている。具体的には、ガス流路形成部３４は、３つの多孔質体である多孔質体３６〜３８を備えており、多孔質体３６は、カソード上に配置されたガス拡散層３２上に、ガス拡散層３２の表面を覆うように配置されて、電極近接層１８を構成する。また、多孔質体３７，３８は、多孔質体３６とセパレータ４０との間に配置されて、電極離間層１９を構成する。このようにセパレータ４０に接して配置された多孔質体３７，３８のうち、多孔質体３７は、多孔質体３８に比べて、酸化ガス流れの上流側の領域に配置されている。これらの多孔質体３６〜３８は、本実施例では、多数の細孔が３次元的に均一に形成された発泡金属によって構成されており、これらの多孔質体３６〜３８の中で多孔質体３７だけが、他の多孔質体３６，３８に比べて空隙率が高く形成されている。空隙率が等しい多孔質体３６，３８は、図２では別体として表わしているが、多孔質体３６，３８は一体で形成しても良い。ガス流路形成部３４における酸化ガス流れの様子については、後に詳しく説明する。
【００３７】
ここで、隣り合うセパレータ４０間であってＭＥＡ３１、ガス拡散層３２，３３、およびガス流路形成部３４，３５の外周部には、ガスケット１６が設けられている。ガスケット１６は、弾性材料、すなわち、ゴム（例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム）や、熱可塑性エラストマによって形成されている。図２に示すように、本実施例では、ガスケット１６は、ＭＥＡ３１およびガス拡散層３２，３３の外周部を内包して、これらと一体で形成されている。ガスケット１６の両面には、ガス止め凸部１７（シールリップ部）が形成されている。このガス止め凸部１７がセパレータ４０から押圧力を受けることによって、ガスケット１６におけるシール性が実現される。なお、ガスケット１６は、さらに、ガス流路形成部３４，３５とも一体で形成することとしても良い。
【００３８】
セパレータ４０は、図２に示すように、ガス流路形成部３４と接するカソード対向プレート４３と、ガス流路形成部３５と接するアノード対向プレート４１と、カソード対向プレート４３およびアノード対向プレート４１に挟持される中間プレート４２と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼あるいはチタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材であり、カソード対向プレート４３、中間プレート４２、アノード対向プレート４１の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の孔部を有している。セパレータ４０は、上記３枚のプレートを組み合わせることにより、その内部に、マニホールドとセル内ガス流路とを連通させる流路等が形成されている。以下に、セパレータ４０の構成についてさらに詳しく説明する。
【００３９】
図３は、燃料電池１５を構成する薄板状部材の概略構成を表わす説明図である。図３（Ａ）は、アノード対向プレート４１の形状を示す平面図であり、図３（Ｂ）は、カソード対向プレート４３の形状を示す平面図であり、図３（Ｃ）は、中間プレート４２の形状を示す平面図である。また、図３（Ｄ）は、ＭＥＡ３１およびガス拡散層３２，３３と一体化されたガスケット１６の形状を示す平面図である。なお、図３においては、各薄板状部材を組み込んだ燃料電池１５を発電のために設置したときに鉛直方向となる方向を、矢印Ａによって表わしており、水平方向となる方向を、矢印Ｂによって表わしている。
【００４０】
アノード対向プレート４１、中間プレート４２、カソード対向プレート４３、およびガスケット１６は、その外周部において、マニホールドを形成するための複数の孔部である孔部４４〜４８を備えている。上記各薄板状部材が備える孔部４４は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各セル内燃料ガス流路に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成する（図中、Ｈ2 inと表わす）。また、孔部４５は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各セル内酸化ガス流路に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Air inと表わす）、孔部４６は、各セル内酸化ガス流路から排出されて集合した酸化ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図中、Air outと表わす）。さらに、孔部４７は、燃料電池に対して供給された冷却水などの冷媒を各セパレータ４０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し、孔部４８は、各セパレータ４０から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する。これら孔部４４〜４８は、中間プレート４２に形成された孔部を除いて、いずれも略矩形に形成されている。
【００４１】
図３（Ｄ）では、ＭＥＡ３１およびガス拡散層３２，３３と一体化されたガスケット１６を示しているが、ここでは、カソード側のガス拡散層３２が露出している部分にハッチを付して示している。この、ガス拡散層３２が露出している領域は、酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて、ＭＥＡ３１が備える触媒電極で電気化学反応が進行する領域であるということができる。そこで、燃料電池内部において、上記ガス拡散層が露出している部分に重なる領域を、以下、発電領域ＤＡと呼ぶ。ガス流路形成部３４，３５は、発電領域ＤＡと略同一形状に形成されており、この領域と重なるようにＭＥＡ３１上に配置される。図３（Ａ）〜（Ｃ）では、上記した発電領域ＤＡを、一点破線で囲んで示している。また、図３（Ｄ）では、ガス止め凸部１７が形成された位置を、シールラインＳＬとして示している。なお、ガスケット１６は、シール性を実現するためのガス止め凸部１７を設けることなく表面を平坦面として形成し、例えば接着剤を用いてセパレータ４０と接着させることにより、所望のシール性を得ることとしても良い。
【００４２】
図３（Ａ）に示すアノード対向プレート４１は、発電領域ＤＡ内において、アノード対向プレート４１を貫通する複数の孔部として、燃料ガス供給口５０を備えている。燃料ガス供給口５０は、直径が互いに等しい断面円形の孔である。これら複数の燃料ガス供給口５０は、発電領域ＤＡ全体にわたって２次元的に分散された状態で、互いにほぼ等間隔に配置されている。
【００４３】
図３（Ｂ）に示すカソード対向プレート４３は、発電領域ＤＡ内において、カソード対向プレート４３を貫通して形成された複数の酸化ガス供給口５１および複数の酸化ガス排出口５２を備えている。ここで、複数の酸化ガス供給口５１は、発電領域ＤＡの外周を成す辺のうちの孔部４５に近接する辺に沿って設けられており、複数の酸化ガス排出口５２は、発電領域ＤＡの外周を成す辺のうちの孔部４６に近接する辺に沿って設けられている。これら複数の酸化ガス供給口５１および酸化ガス排出口５２は、直径が互いに等しい断面円形の孔であり、それぞれ、上記各辺に沿って、ほぼ等間隔に配置されている。
【００４４】
図３（Ｃ）に示す中間プレート４２は、孔部４４〜４８の形状が他のプレートとは異なっている。中間プレート４２の孔部４４は、この孔部４４のプレート中央部側（鉛直方向下方側）の辺が、発電領域ＤＡ内を鉛直方向下方へと突出する複数の突出部を備える形状となっている。孔部４４が有する上記複数の突出部を、燃料ガス連通部５３と呼ぶ。この燃料ガス連通部５３は、中間プレート４２とアノード対向プレート４１とが積層されたときに燃料ガス供給口５０と重なり合うように形成されており、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス供給口５０とを連通させる。また、中間プレート４２の孔部４５は、この孔部４５のプレート中央部側の辺が、発電領域ＤＡの外周部に向かって水平方向に突出する複数の突出部を備える形状となっており、同様に孔部４６は、この孔部４６のプレート中央部側の辺が、発電領域ＤＡの外周部に向かって水平方向に突出する複数の突出部を備える形状となっている。孔部４５が有する上記複数の突出部を、酸化ガス連通部５４と呼び、孔部４６が有する上記複数の突出部を、酸化ガス連通部５５と呼ぶ。これらの酸化ガス連通部５４は、中間プレート４２とカソード対向プレート４３とが積層されたときに、複数の酸化ガス供給口５１と重なり合うように形成されており、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス供給口５１とを連通させる。また、酸化ガス連通部５５は、中間プレート４２とカソード対向プレート４３とが積層されたときに、複数の酸化ガス排出口５２と重なり合うように形成されており、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出口５２とを連通させる。さらに、中間プレート４２には、孔部４７および孔部４８の双方に連通して、発電領域ＤＡ全体にわたって燃料ガス連通部５３の間を蛇行するように、中間プレート４２を貫通する冷媒流路形成部５６が形成されている。この冷媒流路形成部５６は、セパレータ４０の内部において、冷媒供給マニホールドから冷媒排出マニホールドへと冷媒を導くセル間冷媒流路を形成する。
【００４５】
燃料電池の内部において、孔部４５が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート４２の酸化ガス連通部５４が形成する空間と、カソード対向プレート４３の酸化ガス供給口５１とを介して、ガス流路形成部３４内に形成されるセル内酸化ガス流路２８へと流入する。流入した酸化ガスは、電気化学反応に供されつつ、セル内酸化ガス流路２８を通過し、ガス流路形成部３４から、カソード対向プレート４３の酸化ガス排出口５２および中間プレート４２の酸化ガス連通部５５が形成する空間を介して、孔部４６が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。
【００４６】
また、燃料電池の内部において、孔部４４が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート４２の燃料ガス連通部５３が形成する空間と、アノード対向プレート４１の燃料ガス供給口５０とを介して、ガス流路形成部３５内に形成されるセル内燃料ガス流路へと流入する。本実施例の燃料電池１５は、既述したようにアノードデッドエンド型燃料電池であり、セル内燃料ガス流路の端部が閉塞された状態で発電が行なわれる。
【００４７】
図３（Ａ）では、図２に示した断面図に相当する位置を、２−２断面として示しており、図２は、２−２断面における孔部４５に近接する領域の拡大図である。図２では、孔部４５が形成する酸化ガス供給マニホールドから、中間プレート４２の酸化ガス連通部５４およびカソード対向プレート４３の酸化ガス供給口５１を介して、ガス流路形成部３４内へと酸化ガスが供給される様子が矢印で表わされている。また、図２では、中間プレート４２の燃料ガス連通部５３と、アノード対向プレート４１の燃料ガス供給口５０とを介して、ガス流路形成部３５へと燃料ガスが供給される様子が矢印で表わされている。
【００４８】
ここで、本実施例では、既述したように、酸化ガスが流れるガス流路形成部３４は、電極近接層１８と電極離間層１９の２つの層によって構成されており、電極離間層１９における酸化ガス流れの上流側の領域に配置された多孔質体３７のみが、他の多孔質体よりも空隙率が高く形成されている。すなわち、セル内酸化ガス流路２８における酸化ガス流れの上流側領域では、電極離間層１９の方が電極近接層１８よりも酸化ガスが流れる際の圧損が小さく形成されている。そのため、カソード対向プレート４３の酸化ガス供給口５１を介してガス流路形成部３４へと流入した酸化ガスは、その多くが、電極離間層１９を構成する多孔質体３７の内部を面方向に下流側へと流れる。
【００４９】
電極離間層１９において多孔質体３７の下流側に配置された多孔質体３８は、電極近接層１８を構成する多孔質体３６と同等の空隙率であって、多孔質体３７よりも下流側を酸化ガスが流れる際の圧損が、多孔質体３６と同程度である。すなわち、セル内酸化ガス流路２８における多孔質体３７よりも下流側の領域では、電極近接層１８と電極離間層１９との間で、同じ流路長をガスが流れる際の流路抵抗がほぼ同じになっている。そのため、多孔質体３７の内部を流れて多孔質体３８との境界に到った酸化ガスは、多孔質体３６における上流領域の内部を通過した酸化ガスと共に、多孔質体３７よりも下流側に配置された多孔質体３８および多孔質体３６の内部に広がって流れる。これにより、多孔質体３７よりも下流側では、電極近接層１８および電極離間層１９の全体にわたって、酸化ガス流れは、より均一になる。このような、セル内酸化ガス流路２８において酸化ガスが流れる様子を、図２において矢印で示している。図２に示す矢印の太さは、各多孔質体を流れる酸化ガスの流量の相対的な多さを表わしている。
【００５０】
上記のように、セル内酸化ガス流路２８における上流領域、すなわち、セル内酸化ガス流路２８における酸化ガス供給口５１との接続部を含む領域（以下、供給部近傍領域と呼ぶ）の電極離間層１９を構成する多孔質体３７の空隙率が、他の部位を構成する多孔質体の空隙率よりも高いため、上記供給部近傍領域では、より多くの酸化ガスが電極離間層１９側を流れる構成となっている。そのため、ＭＥＡ３１に到達する酸化ガスの流量は、多孔質体３７の配置箇所に対応する供給部近傍領域では、他の領域に比べて少なくなる。そして、ＭＥＡ３１上（カソード上）を流れる酸化ガスの流速は、上記供給部近傍領域では他の領域に比べて遅くなる。このように、セル内酸化ガス流路２８の供給部近傍領域においてＭＥＡ３１上を流れる酸化ガスの流量および流速を抑えることにより、上記供給部近傍領域において、ＭＥＡ３１を構成する電解質膜における酸化ガス流れに起因する乾燥（酸化ガスによる電解質膜中の水分の持ち去り）を抑制することができる。なお、セル内酸化ガス流路２８においては、発電に伴ってカソードで生成水が生じるため、下流側を流れる酸化ガスほど、上記生成水によって加湿されることによって湿度が高まる。そのため、ＭＥＡ３１上を流れる酸化ガス流量が比較的多く、流速が比較的速い場合であっても、酸化ガス流れの下流に位置する領域ほど、電解質膜の乾燥は生じにくくなる。
【００５１】
なお、発電領域ＤＡ全体における上記供給部近傍領域の位置、すなわち、多孔質体３７の配置箇所を、図３（Ｂ）において一点鎖線で示している。セル内酸化ガス流路２８において多孔質体３７が配置された領域は、ＭＥＡ３１（カソード、さらには電解質膜）に到達する酸化ガスの流速および流量が抑制された領域であるため、以下、ＭＥＡ３１に平行な面において多孔質体３７が配置された位置に対応する領域を、膜上流速抑制領域とも呼ぶ。
【００５２】
ここで、膜上流速抑制領域は、セル内酸化ガス流路２８への酸化ガスの流入位置（本実施例では、酸化ガス供給口５１の位置）を含み、外部から供給される乾燥した酸化ガスに起因する電解質膜の乾燥が懸念される領域とすればよい。このような膜上流速抑制領域の広さは、発電領域ＤＡの中で、上記酸化ガスの流入位置から１／１０〜１／２の広さとすればよい。すなわち、発電領域ＤＡの中で、酸化ガス供給口５１が設けられた辺から、酸化ガス排出口５２が設けられた辺に向かって、１／１０〜１／２の距離にわたって、多孔質体３７を配置すればよい。膜上流速抑制領域が上記範囲よりも狭い場合には、電極離間層１９側の酸化ガス流量を増加させることによる膜乾燥抑制の効果が不十分となる可能性がある。また、膜上流速抑制領域が上記範囲よりも広い場合には、膜上流速抑制領域における電極近接層１８の酸化ガス流量が抑えられることに起因する膜上流速抑制領域における発電性能の抑制により、電池性能が望ましくない程度に低下する可能性がある。膜上流速抑制領域の広さは、燃料電池に供給する酸化ガスの温度や流量、燃料電池の温度、セル内燃料ガス流路２７の形状、供給される酸化ガスの湿度、各多孔質体の空隙率（圧損）、燃料電池における発電量（生成水量）など、燃料電池の運転条件を考慮して、適宜設定すればよい。
【００５３】
以上のように構成された本実施例の燃料電池１５によれば、セル内酸化ガス流路２８における供給部近傍領域において、電極離間層１９の方が電極近接層１８よりも圧損を小さくすることによって、供給部近傍領域の電極近接層１８における酸化ガスの流速および流量を抑制することができる。これにより、燃料電池１５に供給する酸化ガス量を確保しつつ、供給部近傍領域における電解質膜の乾燥を抑えることができる。そのため、セル内酸化ガス流路２８を、空隙率の異なる複数の多孔質体を組み合わせて積層することにより形成するという簡素な構成により、電解質膜の乾燥に起因する電池性能の低下を抑制することができる。
【００５４】
このように、本実施例の燃料電池１５によれば、酸化ガス流れの供給部近傍領域においてＭＥＡ３１上の酸化ガス流量を抑制して、供給部近傍領域における電解質膜の乾燥を抑制するため、燃料電池１５をより高温で運転しても電池性能を確保することが可能になり、発電温度をより高く設定することによる発電効率の向上および冷却能力の向上を図ることができる。また、燃料電池１５に供給するガスの湿度をより低くしても、電池性能を確保することが可能になるため、燃料電池１５に供給するガスを加湿する装置を小型化し、あるいは不要として、システム構成の簡素化を図ることができる。
【００５５】
上記のように、セル内酸化ガス流路２８を構成する多孔質体の構成により、供給部近傍領域におけるＭＥＡ３１上の酸化ガス流量を抑えて電解質膜の乾燥を抑制するため、本実施例の燃料電池１５は、燃料ガス側から供給する水分に依存することなく、電解質膜の水分量を確保することが可能になる。ここで、セル内酸化ガス流路を流れる酸化ガスの流れと、セル内燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流れとを、例えば対向流とする場合には、燃料ガス中の水分を利用して、供給部近傍領域における酸化ガスを加湿することができる。すなわち、セル内燃料ガス流路中を燃料ガスが流れる場合には、下流側を流れる燃料ガスほど湿度が高くなるため、このようなセル内燃料ガス流路の下流領域と電解質膜を挟んで隣り合うセル内酸化ガス流路内の領域が、湿度が低い酸化ガスが流入する上流領域である場合には、水蒸気分圧差を利用して、燃料ガスによる酸化ガスの加湿を行なうことができる。これに対して、本実施例の燃料電池１５は、燃料ガスを２次元的に分散供給するアノードデッドエンド型燃料電池であるため、セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れが少なく、電解質膜におけるアノード側からカソード側への水分移動を充分に行なわせることが困難となる場合がある。燃料ガスを２次元的に分散供給する構成は、アノード面全体に対する燃料ガスの供給を均一化できる優れた方法であるが、アノードデッドエンド型燃料電池であるために、上記した対向流の場合とは異なり、燃料ガス中の水分を利用したカソード側の加湿を充分には行ない難くなる場合がある。また、電解質膜のアノード側では発電に伴う随伴水の移動によって水分不足となり易く、さらに、燃料ガスを２次元的に分散供給することによって燃料ガス流量が抑えられると、電解質膜全体としてカソード側からアノード側への水供給が抑えられることになり、アノード側ではさらに水不足となる場合がある。しかしながら、本実施例によれば、アノード側の燃料ガスの供給を均一供給性に優れた２次元的な分散供給とするアノードデッドエンド型燃料電池において、水分が不足しがちなアノード側からの水分供給に依存することなく、セル内酸化ガス流路２８の供給部近傍領域における電解質膜の乾燥を抑制することが可能になる。
【００５６】
Ｃ．第２実施例：
第１実施例では、ガス流路形成部３４の供給部近傍領域における電極離間層１９に、他の部位よりも空隙率が高く形成された多孔質体３７を配置することとしたが、異なる構成としても良い。図４は、第２実施例の燃料電池の構成の概略を表わす断面模式図である。第２実施例の燃料電池は、図１に示す燃料電池システム１０において燃料電池１５に代えて用いられるものであり、第１実施例と共通する部分については第１実施例と同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００５７】
第２実施例の燃料電池は、ガス流路形成部３４を構成する多孔質体として、多孔質体３８に代えて多孔質体１３８を備え、多孔質体３７を有していない点が、第１実施例とは異なっている。図５は、第２実施例の燃料電池において、セパレータ４０を構成するカソード対向プレート４３上に、多孔質体１３８を配置した様子を表わす平面図である。図５に示すように、多孔質体１３８には、酸化ガス供給口５１が設けられた位置に対応する辺から水平方向に形成された切れ込み部としての、複数のスリット１６０が設けられている。各スリット１６０は、カソード対向プレート４３において酸化ガス供給口５１が形成された位置と重なる位置に形成されている。そして、各スリット１６０は、第１実施例において多孔質体３７が配置されていた範囲にわたって形成されている。すなわち、多孔質体１３８は、供給部近傍領域に対応する領域において、酸化ガス供給口５１が形成される位置を避けて水平方向に延出するように設けられた複数の突出部１６１を有している。このような多孔質体１３８は、電極近接層１８を構成する多孔質体３６と同等の空隙率を示す多孔質体から成る。
【００５８】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池によれば、酸化ガス供給口５１からセル内酸化ガス流路へと流入した酸化ガスは、その多くが、圧損の小さいスリット１６０が形成する空間を流れる。そして、多孔質体３６および１３８は、空隙率が等しい多孔質体によって構成されているため、酸化ガスは、スリット１６０が形成する空間の端部に達すると、多孔質体３６および多孔質体１３８内の細孔が形成する空間へと広がって流れる。そのため、スリット１６０が形成された領域（供給部近傍領域）では、ＭＥＡ３１上を流れる酸化ガスの流量が、他の領域に比べて少なくなる。このように、スリット１６０が形成された供給部近傍領域は膜上流速抑制領域となる。これにより、第２実施例の燃料電池は、電解質膜の乾燥を抑制する第１実施例と同様の効果を奏することができる。
【００５９】
上記のように、第２実施例の燃料電池は、第１実施例の燃料電池と同様に、供給部近傍領域の電極離間層が、他の領域よりも流路抵抗が小さくなる形状に形成されることにより、供給部近傍領域を膜上流速抑制領域とする効果を実現している。ここで、電極離間層あるいは他の領域における流路抵抗とは、同じ流路長をガスが流れる際の流路抵抗をいう。
【００６０】
なお、図４および図５に示した第２実施例では、電極離間層１９を構成する多孔質体１３８に複数のスリット１６０を設けることによって、電極離間層１９の供給部近傍領域における圧損を小さくしたが、異なる構成としても良い。例えば、電極離間層１９に設ける多孔質体は、第１実施例と同様に膜上流速抑制領域以外の領域のみに配置し、カソード対向プレート４３に、図５に示した多孔質体１３８が備える複数の突出部１６１と同様の形状の複数の凸部を設けても良い。
【００６１】
Ｄ．第３実施例：
第１または第２実施例では、セル内酸化ガス流路を電極近接層１８および電極離間層１９によって構成し、供給部近傍領域において電極電極近接層１８よりも電極離間層１９の方が圧損を小さくすることによって、供給部近傍領域のＭＥＡ３１上を流れる酸化ガスの流量を他の領域に比べて少なくしたが、異なる構成としても良い。図６は、第３実施例の燃料電池の構成の概略を表わす断面模式図である。第３実施例の燃料電池は、図１に示す燃料電池システム１０において燃料電池１５に代えて用いられるものであり、第１実施例と共通する部分については第１実施例と同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００６２】
第３実施例の燃料電池は、ガス流路形成部３４を構成する多孔質体として、多孔質体３７に代えて多孔質体２３７を備え、多孔質体３８を有することなく流路閉塞プレート２３８を備えている点が、第１実施例とは異なっている。多孔質体２３７は、第１実施例の多孔質体３７と同様の位置（供給部近傍領域であって電極から離間する位置）に設けられているが、多孔質体３７とは異なり多孔質体３６と同等の空隙率を示す。図７は、第３実施例の燃料電池において、セパレータ４０を構成するカソード対向プレート４３上に、流路閉塞プレート２３８を配置した様子を表わす平面図である。図７に示すように、流路閉塞プレート２３８は、発電領域ＤＡにおいて、多孔質体２３７が配置される領域および酸化ガス排出口５２が形成される領域以外の領域を覆う位置に設けられている。また、流路閉塞プレート２３８は、多孔質体２３７と同じ厚みに形成されている。このような流路閉塞プレート２３８は、ガス不透過な導電性部材によって構成されている。
【００６３】
以上のように構成された第３実施例の燃料電池によれば、酸化ガス供給口５１からセル内酸化ガス流路へと流入した酸化ガスは、供給部近傍領域において、空隙率が同等である多孔質体３６および多孔質体２３７に均等に広がって下流側へと流れる。そして、多孔質体２３７内を流れた酸化ガスは、流路閉塞プレート２３８の端部に当接すると、多孔質体３６内に流入する。すなわち、多孔質体２３７が配置された領域よりも下流の領域では、流路断面積が小さくなっており、酸化ガスの全量が多孔質体３６内を流れるようになる。このように、セル内酸化ガス流路の供給部近傍領域においてのみ、多孔質体３６に加えて多孔質体２３７内にも酸化ガスが流れることができ、セル内酸化ガス流路の供給部近傍領域の流路断面積は、他の領域の流路断面積に比べて大きくなっている。そのため、多孔質体２３７が配置された領域では、ＭＥＡ３１上を流れる酸化ガスの流量が、他の領域に比べて少なくなる。したがって、多孔質体２３７が配置された供給部近傍領域は膜上流速抑制領域となり、電解質膜の乾燥を抑制する第１実施例と同様の効果を奏する。
【００６４】
Ｅ．第４実施例：
第３実施例では、セル内酸化ガス流路の供給部近傍領域であって電極から離間する位置に配置される多孔質体２３７は、多孔質体３６と同等の空隙率を示すこととしたが、異なる構成としても良い。図８は、第４実施例の燃料電池の構成の概略を表わす断面模式図である。第４実施例の燃料電池は、多孔質体２３７に代えて多孔質体３３７を有する点以外は、第３実施例と同様の構成を有しているため、第３実施例と共通する部分については第３実施例と同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００６５】
第４実施例の燃料電池が備える多孔質体３３７は、多孔質体３６よりも空隙率が高く形成されている。そのため、第４実施例の燃料電池では、酸化ガス供給口５１からセル内酸化ガス流路へと流入した酸化ガスの多くは、ＭＥＡ３１に近い多孔質体３６内ではなく、多孔質体３３７内を流れるようになる。そして、多孔質体３３７内を流れた酸化ガスは、流路閉塞プレート２３８の端部に当接すると、多孔質体３６内に流入し、酸化ガスの全量が多孔質体３６内を流れるようになる。このように、第４実施例の燃料電池によれば、セル内酸化ガス流路の供給部近傍領域であって電極から離間する位置に、多孔質体３６よりも空隙率の高い多孔質体３３７を配置することにより、上記供給部近傍領域のＭＥＡ３１上を流れる酸化ガスの流量を、他の領域のＭＥＡ３１上を流れる酸化ガスの流量に比べて少なくする第３実施例と同様の効果を、さらに高めることができる。これにより、セル内酸化ガス流路の供給部近傍領域（膜上流速抑制領域）における電解質膜の乾燥を抑制する効果を高めることができる。
【００６６】
Ｆ．第５実施例：
第４実施例では、セル内酸化ガス流路の供給部近傍領域であって電極から離間する側の層に配置される多孔質体３３７の空隙率をより高めることで、セル内酸化ガス流路の供給部近傍領域のＭＥＡ３１上における酸化ガス流量を抑制する効果を高めたが、異なる構成としても良い。図９は、第５実施例の燃料電池の構成の概略を表わす断面模式図である。第５実施例の燃料電池は、流路閉塞プレート２３８に代えて流路閉塞プレート４３８を備え、多孔質体２３７を有していない点以外は、第３実施例と同様の構成を有しているため、第３実施例と共通する部分については第３実施例と同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００６７】
図１０は、第５実施例の燃料電池において、セパレータ４０を構成するカソード対向プレート４３上に、流路閉塞プレート４３８を配置した様子を表わす平面図である。図１０に示すように、流路閉塞プレート４３８は、発電領域ＤＡにおいて、第３実施例の流路閉塞プレート２３８が配置される領域と同じ領域に設けられると共に、さらに、酸化ガス供給口５１が設けられた位置に対応する辺へと水平方向に延出する複数の突出部４６１を有している。これら複数の突出部４６１の間には、水平方向の切れ込み部としての複数のスリット４６０が形成されている。各スリット４６０は、カソード対向プレート４３において酸化ガス供給口５１が形成された位置と重なる位置に設けられている。
【００６８】
以上のように構成された第５実施例の燃料電池によれば、酸化ガス供給口５１からセル内酸化ガス流路へと流入した酸化ガスは、その多くが、圧損の小さいスリット４６０が形成する空間を流れる。そして、スリット４６０が形成する空間の端部に達すると、多孔質体３６内に流入し、酸化ガスの全量が多孔質体３６内を流れるようになる。このように、第５実施例の燃料電池によれば、スリット４６０を設けた流路閉塞プレート４３８を配置することによって、セル内酸化ガス流路の供給部近傍領域であって電極から離間する側の位置において、多孔質体３６よりも圧損が小さい空間を形成しているため、上記供給部近傍領域のＭＥＡ３１上を流れる酸化ガスの流量を、他の領域のＭＥＡ３１上を流れる酸化ガスの流量に比べて少なくする第３実施例と同様の効果を、さらに高めることができる。これにより、セル内酸化ガス流路の供給部近傍領域（膜上流速抑制領域）における電解質膜の乾燥を抑制する効果を高めることができる。
【００６９】
Ｇ．第６実施例：
第１または第２実施例では、電極近接層１８および電極離間層１９から成るセル内ガス流路において、供給部近傍領域の電極離間層１９を、他の領域よりも、同じ流路長をガスが流れる際の流路抵抗が小さくなる形状に形成することによって、供給部近傍領域を膜上流速抑制領域としたが、異なる構成としても良い。図１１は、第６実施例の燃料電池の構成の概略を表わす断面模式図である。第６実施例の燃料電池は、図１に示す燃料電池システム１０において燃料電池１５に代えて用いられるものであり、第１実施例と共通する部分については第１実施例と同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００７０】
第６実施例の燃料電池は、ガス流路形成部３４を構成する多孔質体として、第１実施例の多孔質体３６，３７，３８に代えて、多孔質体５３６，５３７，５３８を備えている。第６実施例では、ガス流路形成部３４における電極離間層１９は、単一の多孔質体５３８によって構成されている。そして、電極近接層１８は、多孔質体５３７および５３６によって構成されている。ここで、多孔質体５３７は、第１実施例の電極離間層１９において多孔質体３７が配置されていた供給部近傍領域に対応する領域に配置されており、多孔質体５３６は、残余の下流領域に配置されている。第６実施例では、多孔質体５３６および５３８は、同様の空隙率を示す多孔質体であり、多孔質体５３７だけが、他の多孔質体に比べて空隙率が低く形成されている。なお、空隙率が等しい多孔質体５３６，５３８は、図１１では別体として表わしているが、多孔質体５３６，５３８は一体で形成しても良い。
【００７１】
以上のように構成された第６実施例の燃料電池によれば、酸化ガス供給口５１からセル内酸化ガス流路へと酸化ガスが流入すると、供給部近傍領域においては、酸化ガスの多くは、多孔質体５３７よりも圧損の小さい多孔質体５３８内を流れる。そして、多孔質体５３７が配置された供給部近傍領域よりも下流側では、多孔質体５３６と５３８の圧損が等しいため、酸化ガスは、セル内酸化ガス流路全体にほぼ均一に流れる。その結果、多孔質体５３７が配置された領域（電極離間層１９の供給部近傍領域）では、ＭＥＡ３１上を流れる酸化ガスの流量が、他の領域に比べて少なくなる。このように、多孔質体５３７が配置された供給部近傍領域は膜上流速抑制領域となり、電解質膜の乾燥を抑制する第１実施例と同様の効果を奏する。上記のように、第６実施例の燃料電池は、供給部近傍領域の電極近接層が、他の領域よりも、同じ流路長をガスが流れる際の流路抵抗が大きくなる形状に形成されることにより、供給部近傍領域を膜上流速抑制領域とする効果を実現している。
【００７２】
Ｈ．第７実施例：
第１ないし第６実施例では、矩形に形成されたガス流路形成部３４の一辺近傍に設けた酸化ガス供給口５１から、上記一辺に対向する辺の近傍に設けた酸化ガス排出口５２へと酸化ガスが流れる燃料電池において、供給部近傍領域の電極近接層１８における酸化ガスの流量および流速を抑制することによって、上記供給部近傍領域における電解質膜の乾燥を抑えているが、異なる構成としても良い。図１２は、第７実施例の燃料電池の構成の概略を表わす断面模式図である。第７実施例の燃料電池は、図１に示す燃料電池システム１０において燃料電池１５に代えて用いられるものであり、第１実施例と共通する部分については第１実施例と同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００７３】
第７実施例の燃料電池は、ガス流路形成部３４を構成する多孔質体として単一の多孔質体６３７を備えると共に、セパレータ４０に代えてセパレータ６４０を備えている。セパレータ６４０は、セパレータ４０と同様に、３枚のプレートを重ね合わせて成る３層構造を有しているが、各々のプレートに設けられた孔部等の形状および配置が第１実施例とは異なっている。図１３は、セパレータ６４０が備える中間プレート６４２の構成を表わす平面図であり、図１４は、セパレータ６４０が備えるカソード対向プレート６４３の構成を表わす平面図であり、図１５は、セパレータ６４０が備えるアノード対向プレート６４１の構成を表わす平面図である。
【００７４】
図１３ないし図１５に示すように、セパレータ６４０には、その外周近傍に、燃料ガスや酸化ガスや冷媒が流れるマニホールドを形成するための孔部４４〜４８、および孔部６４９が形成されている。ここで、中間プレート６４２には、図１３に示すように、酸化ガス供給マニホールドを形成するための孔部４５に連通する複数の酸化ガス連通部５４が形成されているが、この酸化ガス連通部５４は、第１実施例の酸化ガス連通部５４とは異なり、発電領域ＤＡ内を水平方向（矢印Ｂに平行な方向）に延出する形状となっている。同様に、中間プレート６４２には、酸化ガス排出マニホールドを形成するための孔部４６に連通する複数の酸化ガス連通部５５が形成されているが、この酸化ガス連通部５５は、発電領域ＤＡ内を、水平方向であって酸化ガス連通部５４が延出する向きと対向する向きに延出する形状となっている。このように水平方向に延出して形成された酸化ガス連通部５４と酸化ガス連通部５５とは、鉛直方向に交互に設けられている。
【００７５】
また、中間プレート６４２には、燃料ガス供給マニホールドを形成するための孔部４４と燃料ガス排出マニホールドを形成するための孔部６４９とを連通させる燃料ガス連通部５３が設けられている。さらに、中間プレート６４２には、冷媒供給マニホールドを形成するための孔部４７と冷媒排出マニホールドを形成するための孔部４８とを連通させる冷媒流路形成部５６が設けられている。これらの燃料ガス連通部５３および冷媒流路形成部５６は、発電領域ＤＡ全体にわたって蛇行するように形成されている。そして、中間プレート６４２では、酸化ガス連通部５４，５５と、燃料ガス連通部５３と、冷媒流路形成部５６とが、互いに干渉しないように配置されている。
【００７６】
なお、第７実施例では、セパレータ６４０に孔部６４９が形成されており、燃料電池内に燃料ガス排出マニホールドが形成されているが、第１ないし第６実施例と同様に、孔部６４９を設けることなく各燃料ガス連通部５３の端部を閉塞させることとしても良い。第７実施例に示したようにアノードデッドエンド型燃料電池において燃料ガス排出マニホールドを設ける場合には、燃料ガス排出マニホールドの端部に開閉弁を設け、燃料電池の発電中や燃料電池の起動時に、上記開閉弁を短時間開弁するパージ処理を行なうことが可能になる。
【００７７】
図１４に示すように、カソード対向プレート６４３には、複数の酸化ガス供給口５１および酸化ガス排出口５２が形成されている。これら複数の酸化ガス供給口５１は、カソード対向プレート６４３を中間プレート６４２と重ね合わせたときに中間プレート６４２の酸化ガス連通部５４と重なる位置に、水平方向に並んで形成されている。また、複数の酸化ガス排出口５２は、カソード対向プレート６４３を中間プレート６４２と重ね合わせたときに中間プレート６４２の酸化ガス連通部５５と重なる位置に、水平方向に並んで形成されている。このように、複数の酸化ガス供給口５１および酸化ガス排出口５２は、発電領域ＤＡ全体にわたって、２次元的に分散して形成されている。
【００７８】
第７実施例の燃料電池に対して酸化ガスが供給される際には、孔部４５が形成する酸化ガス供給マニホールドから、酸化ガス連通部５４が形成する空間および酸化ガス供給口５１を介して、セル内酸化ガス流路２８（ガス流路形成部３４）に対して、酸化ガスが２次元的に供給される。これにより、酸化ガスは、各々の酸化ガス供給口５１に分散された状態で、カソード面全体に供給される。このように、カソード面全体に分散供給された酸化ガスは、電気化学反応に供された後、酸化ガス排出口５２および酸化ガス連通部５５を介して、孔部４６が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。ここで、酸化ガス供給口５１と酸化ガス排出口５２とは、いずれも２次元的に分散配置されており、互いに近接して設けられているため、酸化ガス供給口５１からセル内酸化ガス流路２８に流入した酸化ガスは、流入した酸化ガス供給口５１の周囲に広がって、近傍に配置されたいずれかの酸化ガス排出口５２から排出される。
【００７９】
以上のように構成された第７実施例の燃料電池によれば、複数の酸化ガス供給口５１および複数の酸化ガス排出口５２のそれぞれを、カソード面全体に対して２次元的に分散配置しているため、カソード面全体において、ガスの流速および流量を、均一化しつつ抑制することができる。すなわち、酸化ガス供給口５１が２次元的に配置されることにより、酸化ガスが流入する流入口がカソード面上で広く確保されて、カソード面全体が広くガス供給部近傍領域となる。これにより、酸化ガスの流入口の流路断面積が、セル内酸化ガス流路２８全体で実質的により広く形成されて、供給部近傍領域におけるガスの流速および流量が抑えられる。また、複数の酸化ガス供給口５１と共に複数の酸化ガス排出口５２が２次元的に分散して設けられることにより、カソード面全体において、ガスが流れる際の流路長が短くなり、酸化ガスは、カソード面上の限られた範囲のみを流れてセル内酸化ガス流路から排出されることになる。したがって、カソード面全体において広く形成されるガス供給部近傍領域における流速および流量がさらに抑えられて、カソード面全体において広く形成されるガス供給部近傍領域が、膜上流速抑制領域となり、電解質膜の乾燥を抑制する第１実施例と同様の効果を奏することができる。
【００８０】
また、本実施例の燃料電池によれば、上記のように酸化ガス排出口５２が酸化ガス供給口５１に近接して２次元的に分散配置されて、ガス流路長が短く形成されているため、セル内酸化ガス流路２８内における酸化ガスの流れをカソード面全体で均一化することができる。これにより、発電に伴ってカソードで生じた生成水の排水が、より容易になるという効果を奏する。
【００８１】
なお、第７実施例の燃料電池では、アノード対向プレート６４１において、アノード対向プレート６４１を中間プレート６４２と重ね合わせたときに中間プレート６４２の燃料ガス連通部５３と重なる位置に、複数の燃料ガス供給口５０が２次元的に分散配置されている。そのため、第１ないし第６実施例と同様に、アノード面全体に対して、燃料ガスを均一に供給することが可能になり、アノードデッドエンド型燃料電池であっても、セル内燃料ガス流路２７における水や不純物（カソード側から拡散する窒素や水蒸気）の局所的な滞留を抑制することができる。
【００８２】
さらに、第７実施例の燃料電池によれば、水平方向に延出する酸化ガス連通部５４，５５と、蛇行する形状の燃料ガス連通部５３および冷媒流路形成部５６とが、発電領域ＤＡ全体にわたって、互いに干渉しないように配置された中間プレート６４２を用いている。そのため、所定形状の貫通孔を有する３枚のプレートを重ね合わせてセパレータを形成するという簡素な構成により、上記した酸化ガスおよび燃料ガスを２次元的に分散供給する構成を容易に実現することが可能になる。
【００８３】
Ｉ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８４】
Ｉ１．変形例１：
第１ないし第７実施例では、セル内燃料ガス流路２７に対する燃料ガスの供給は、２次元的な分散供給としたが、異なる構成としても良い。燃料ガスをアノード面全体に対して分散供給する構成は、既述したようにアノード面全体で燃料ガスの流れを均一化できて望ましいが、第１ないし第６実施例においてセル内酸化ガス流路２８内に酸化ガスを供給する場合のように、燃料ガス供給口５０を、より局所的に設けることとしても良い。
【００８５】
Ｉ２．変形例２：
第１ないし第７実施例では、燃料電池は、アノードデッドエンド型燃料電池としたが、異なる構成としても良い。燃料電池から排出された燃料ガス（水素ガス）を再び燃料電池に供給して、燃料ガスを循環させる場合や、アノードに供給された燃料ガスをそのまま燃料電池の外部に排出してしまう場合であっても、本願を適用することにより、酸化ガス流れに起因する電解質膜の乾燥を抑制する同様の効果を得ることができる。このとき、燃料ガスの流れ方向に係る構成は、電極面上で酸化ガスと直交する直交流、酸化ガスと同じ方向に流れる順向流、酸化ガスと対向する向きに流れる対向流など、種々の構成を選択可能である。既述したように、対向流の場合には、湿度が高まった下流側の燃料ガス中の水分を利用して上流側の酸化ガスを加湿することが可能であるが、本願構成を適用することにより、燃料ガスの流れ方向にかかわらず、酸化ガス上流部における電解質膜の乾燥を抑制する効果を得ることができる。
【００８６】
Ｉ３．変形例３：
第１ないし第７実施例では、セパレータを、３枚のプレートを積層して成る３層構造セパレータとしており、セル内ガス流路とガスマニホールドとを連通させる流路がセパレータ内に潜り込むように形成しているが、異なる構成としても良い。以下に説明する変形例３の燃料電池は、図１に示す燃料電池システム１０において燃料電池１５に代えて用いられるものであり、第１実施例と共通する部分については第１実施例と同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００８７】
変形例３の燃料電池は、ガス流路形成部３４に隣接するセパレータ７４３と、ガス流路形成部３５に隣接するセパレータ７４２を備える。図１６（Ａ）は、セパレータ７４３上にガス流路形成部３４を構成する多孔質体を配置した様子を表わす平面図であり、図１６（Ｂ）は、セパレータ７４２上にガス流路形成部３５を構成する多孔質体を配置した様子を表わす平面図である。セパレータ７４３の表面には、ガス流路形成部３４を構成する多孔質体が丁度嵌り込むと共に、ガス流路形成部３４と孔部４５，４６とを連通させる凹部７６２が設けられている。図１６（Ａ）に示すように、凹部７６２には、上記多孔質体に覆われていない領域であって、上記多孔質体の孔部４５よりの辺に沿って、互いに離間して設けられた複数の突起部７６４が設けられた分配領域７６５が形成されている。同様に、凹部７６２には、上記多孔質体によって覆われていない領域であって、上記多孔質体の孔部４６よりの辺に沿って、同様の分配領域７６５が形成されている。孔部４５が形成する酸化ガス供給マニホールドから、ガス流路形成部３４が形成するセル内酸化ガス流路２８へと酸化ガスが供給される際には、酸化ガスは、ガス流路形成部３４へと流入するのに先立って、上記分配領域７６５が形成する空間内に広がる。ガスセパレータ７４２においても同様に、ガス流路形成部３５を構成する多孔質体が丁度嵌り込むと共に、ガス流路形成部３５と孔部４４，７４９とを連通させる凹部７６３が設けられている。
【００８８】
このような燃料電池において、セパレータ７４３上に配置するガス流路形成部３４を構成する多孔質体を２層に分割して形成すると共に、図１６（Ａ）に供給部近傍領域（膜上流速抑制領域）として一点鎖線で囲んだ領域に、他の部位とは空隙率の異なる多孔質体を配置することにより、実施例と同様の効果を得ることができる。具体的には、供給部近傍領域におけるセパレータ７４３と接する側の層（電極離間層）に、他の部位よりも空隙率の低い多孔質体を配置することで、図２に示した第１実施例と同様の構成を実現することができる。あるいは、供給部近傍領域におけるガス拡散層３２と接する側の層（電極近接層）に、他の領域よりも空隙率の低い多孔質体を配置することにより、図１１に示した第６実施例と同様の構成を実現することができる。
【００８９】
なお、セパレータ７４２，７４３の裏面には、孔部４７，４８が形成する冷媒マニホールドと連通して冷媒流路を形成するための所定形状の凹部が形成されている。このような変形例３の燃料電池を組み立てる際には、セパレータ７４３上に配置された多孔質体とガス拡散層３２が接し、セパレータ７４２上に配置された多孔質体とガス拡散層３３とが接するように、セパレータ７４２，７４３と共にＭＥＡ３１およびガス拡散層３２，３３を所定の順序で重ね合わせて積層すればよい。
【００９０】
Ｉ４．変形例４：
また、セル内酸化ガス流路２８およびセル内燃料ガス流路２７の全体を多孔質体によって構成するのではなく、異なる構成とすることも可能である。以下に説明する変形例４の燃料電池は、図１に示す燃料電池システム１０において燃料電池１５に代えて用いられるものであり、第１実施例と共通する部分については第１実施例と同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００９１】
図１７は、変形例４の燃料電池を構成する単セルの概略構成を表わす分解斜視図である。変形例４の燃料電池は、ガス拡散層３２（図１７では図示せず）に隣接するセパレータ８４３と、ガス拡散層３３と隣接するセパレータ８４２を備える。セパレータ８４３の一方の表面には、ガス拡散層３２との間にセル内酸化ガス流路２８を形成するために、孔部４５と孔部４６とを連通させる複数の溝を備える凹凸構造が形成されている。同様に、セパレータ８４２の一方の表面には、ガス拡散層３３との間にセル内燃料ガス流路２７を形成するために、孔部４４と孔部８４９とを連通させる複数の溝を備える凹凸構造が形成されている。ここで、セパレータ８４３に形成された上記複数の溝は、孔部４５から一定の距離だけ浅く形成されており、これら複数の溝を形成する線状の凸部には、全体として段差が形成されている。このような段差が形成された部分には、多孔質体８３７が嵌め込まれている。このような多孔質体８３７は、上記複数の線状の凸部に設けられた段差と等しい厚みを有している。
【００９２】
図１８は、変形例４の燃料電池を構成する単セルにおける多孔質体８３７が配置される領域の近傍の様子を表わす断面模式図である。図１８に示す断面の位置を、図１７において、１８−１８断面として示している。図１８に示すように、セル内酸化ガス流路２８に流入した酸化ガスは、その多くが、圧損のより小さい溝流路内を流れるため、供給部近傍領域においては、多孔質体８３７を介してＭＥＡ３１へと供給される酸化ガスの流量および流速が抑制される。そして、多孔質体８３７よりも下流では、酸化ガスは、各々の溝流路全体に広がって流れる。このように、変形例４の燃料電池では、多孔質体８３７が嵌め込まれた領域が、膜上流速抑制領域となり、実施例と同様の効果を奏する。上記のように、変形例４の燃料電池は、供給部近傍領域の電極近接層が、他の領域よりも、同じ流路長をガスが流れる際の流路抵抗が大きくなる形状に形成されることにより、供給部近傍領域を膜上流速抑制領域とする効果を実現している。
【００９３】
なお、セパレータ８４２，８４３の裏面には、孔部４７，４８が形成する冷媒マニホールドと連通して冷媒流路を形成するための凹部８５６が形成されている。このような変形例４の燃料電池を組み立てる際には、セパレータ８４３上の所定の位置に多孔質体８３７を配置し、このようなセパレータ８４３と共に、セパレータ８４２、ＭＥＡ３１およびガス拡散層３２，３３を所定の順序で重ね合わせて積層すればよい。
【００９４】
Ｉ５．変形例５：
セル内酸化ガス流路を多孔質体によって形成している第１ないし第６実施例では、セル内酸化ガス流路２８における供給部近傍領域でＭＥＡ３１上を流れる酸化ガスの流速および流量を抑制するために供給部近傍領域に配置された多孔質体以外の多孔質体は、同じ空隙率の多孔質体を用いているが、異なる構成としても良い。ここで、第１実施例では、供給部近傍領域の電極離間層１９に、他の部分よりも空隙率の高い多孔質体３７を配置し、他の部分に配置される多孔質体３６，３８としては、同じ空隙率の多孔質体を用いている。これに対して、例えば電極近接層１８全体を均質な多孔質体３６によって構成するのではなく、電極近接層１８における供給部近傍領域と、より下流側の領域とでは、配置する多孔質体の空隙率を異ならせても良い。少なくとも供給部近傍領域においては、電極近接層１８に配置される多孔質体よりも電極離間層１９に配置される多孔質体の空隙率を高めることで、流入した酸化ガスのより多くを、電極離間層に導くことができる。また、供給部近傍領域よりも下流の領域では、電極近接層１８と電極離間層１９に配置された多孔質体の空隙率が等しければ、上記下流の領域全体で、ガス流れを均一化させることができる。その結果、ＭＥＡ３１上を流れる酸化ガスの流速および流量を、供給部近傍領域において他の領域よりも抑えることによる効果を得ることができる。このように、セル内酸化ガス流路は、圧損（流路抵抗）を異ならせたり流路断面積を異ならせる等により、供給部近傍領域の形態が他の領域の形態とは異なって形成されており、且つ、供給部近傍領域よりも下流側における流路抵抗との関係により、セル内酸化ガス流路全体として、供給部近傍領域においてＭＥＡ３１上を流れる酸化ガスの流速が、供給部近傍領域以外の領域においてＭＥＡ３１上を流れる酸化ガスの流速よりも遅くなるように構成されていればよい。
【００９５】
Ｉ６．変形例６：
第１ないし第７実施例では、セル内酸化ガス流路２８において、膜上流速抑制領域を設け、酸化ガスの流れに起因する電解質膜の乾燥を抑制したが、同様の構成を、セル内酸化ガス流路２８側に代えて、あるいはセル内酸化ガス流路２８側に加えて、セル内燃料ガス流路２７側において適用しても良い。
【００９６】
例えば、アノードデッドエンド型燃料電池とは異なり、燃料電池に供給した燃料ガスを燃料電池の外部に排出する燃料電池において、比較的湿度が低い（例えば、飽和蒸気圧に達していない）燃料ガスが供給される場合には、セル内燃料ガス流路の供給部近傍領域においても、燃料ガス流れに起因する同様の膜乾燥の問題が生じ得る。このような場合に、第１ないし第７実施例と同様の構成を適用して、セル内燃料ガス流路の供給部近傍領域を膜上流速抑制領域と成すならば、上記した電解質膜の乾燥の問題を抑制することができる。
【符号の説明】
【００９７】
１０…燃料電池システム
１５…燃料電池
１６…ガスケット
１７…ガス止め凸部
１８…電極近接層
１９…電極離間層
２０…水素供給部
２１…ブロワ
２２…燃料ガス供給路
２３…圧力調整弁
２４…圧力センサ
２５…酸化ガス供給路
２６…酸化ガス排出路
２７…セル内燃料ガス流路
２８…セル内酸化ガス流路
３０…セルアセンブリ
３１…ＭＥＡ
３２，３３…ガス拡散層
３４，３５…ガス流路形成部
３６，３７，３８，１３８，２３７，３３７…多孔質体
４０，６４０…セパレータ
４１，６４１…アノード対向プレート
４２，６４２…中間プレート
４３，６４３…カソード対向プレート
４４〜４８，６４９，７４９，８４９…孔部
５０…燃料ガス供給口
５１…酸化ガス供給口
５２…酸化ガス排出口
５３…燃料ガス連通部
５４，５５…酸化ガス連通部
５６…冷媒流路形成部
８０…冷媒給排部
８１…ラジエータ
８２…ポンプ
８３…冷媒循環路
１６０…スリット
１６１…突出部
２３８，４３８…流路閉塞プレート
４６０…スリット
４６１…突出部
５３６，５３７，５３８，６３７…多孔質体
７４２，７４３…セパレータ
７６２，７６３…凹部
７６４…突起部
７６５…分配領域
８３７…多孔質体
８４２，８４３…セパレータ
８５６…凹部
【図１】
2011044297.tif 000003
【図２】
2011044297.tif 000004
【図３】
2011044297.tif 000005
【図４】
2011044297.tif 000006
【図５】
2011044297.tif 000007
【図６】
2011044297.tif 000008
【図７】
2011044297.tif 000009
【図８】
2011044297.tif 000010
【図９】
2011044297.tif 000011
【図１０】
2011044297.tif 000012
【図１１】
2011044297.tif 000013
【図１２】
2011044297.tif 000014
【図１３】
2011044297.tif 000015
【図１４】
2011044297.tif 000016
【図１５】
2011044297.tif 000017
【図１６】
2011044297.tif 000018
【図１７】
2011044297.tif 000019
【図１８】
2011044297.tif 000020