(57)【要約】【課題】アノード対向プレートと、カソード対向プレートと、中間プレートと、を備えるセパレータであって、アノード対向プレートに二次元的に分散させて配置された複数の燃料ガス供給口を備えるセパレータを用いた燃料電池スタックにおいて、電解質膜の自己加湿を可能とする。【解決手段】ＭＥＡユニット４５とセパレータとを交互に積層して、燃料電池スタックを構成する。セパレータは、アノード対向プレート４２と、カソード対向プレート４４と、中間プレート４３と、を備える。アノード対向プレート４２は、複数の水素供給口４２２ｉと、開口部４２２ｏと、を備える。中間プレート４３は、開口部４２２ｏに水素を導入するとともに、開口部４２２ｏにおいて取り込まれた水分を含む水素を、複数の水素供給口４２２ｉに導くための流路を形成する水素供給用流路形成部４３２ｐ１，４３２ｐ２，４３２ｐ３を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させた燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、
第１の前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
前記セパレータを挟んで前記第１の積層体と互いに隣り合う第２の前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される中間プレートと、を備え、
前記アノード対向プレートは、
前記アノード対向プレートの厚さ方向に貫通する複数の燃料ガス供給口であって、前記アノード対向プレートのプレート面について二次元的に分散させて配置され、燃料ガスを前記アノードの表面に供給するための複数の燃料ガス供給口と、
前記アノード対向プレートの厚さ方向に貫通する開口部であって、前記中間プレートから導入された燃料ガスを、前記積層体に接触させるための開口部と、を備え、
前記中間プレートは、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記開口部に燃料ガスを導入するとともに、前記開口部において前記積層体に接触した燃料ガスを、前記複数の燃料ガス供給口のうちの少なくとも一部に導くための第１の燃料ガス流路を形成する第１の燃料ガス流路形成部を備える、
燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックであって、
前記アノードに供給された前記燃料ガスを、前記アノードの外部に排出することなく、発電を行うことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池スタックであって、
前記カソードの表面に沿って、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路を備え、
前記アノード対向プレートにおいて、前記開口部は、前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最下流部と対向する部位に形成されている、
燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池スタックであって、
前記中間プレートにおいて、前記第１の燃料ガス流路形成部は、前記積層体に接触した燃料ガスを、前記複数の燃料ガス供給口のうちの、前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最上流部と対向する部位に配置された燃料ガス供給口に導くように形成されている、
燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池スタックであって、
前記中間プレートにおいて、前記第１の燃料ガス流路形成部は、前記積層体に接触した燃料ガスを、前記複数の燃料ガス供給口のうちの、前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最上流部と対向する部位に配置された燃料ガス供給口のみに導くように形成されており、
前記中間プレートは、さらに、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記燃料ガスを、前記開口部に導入することなく、前記複数の燃料ガス供給口のうちの、前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最上流部と対向する部位に配置された燃料ガス供給口以外の複数の燃料ガス供給口に導くための第２の燃料ガス流路を形成する第２の燃料ガス流路形成部を備える、
燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
前記中間プレートは、前記開口部と対向する部位に、前記セパレータの厚さ方向に前記第１の燃料ガス流路を狭窄する狭窄部を備える、
燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
前記積層体は、
前記アノード、および、前記カソードが配置されている発電部と、
前記アノード、および、前記カソードの少なくとも一方が配置されていない非発電部と、を備えており、
前記アノード対向プレートにおいて、前記開口部は、前記非発電部と対向する部位に形成されている、
燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
前記積層体における少なくとも前記カソード側の面に、多孔体からなるガス拡散層を備える、
燃料電池スタック。
【請求項９】
固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させた燃料電池スタックに用いられる前記セパレータであって、
第１の前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
前記セパレータを挟んで前記第１の積層体と互いに隣り合う第２の前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される中間プレートと、を備え、
前記アノード対向プレートは、
前記アノード対向プレートの厚さ方向に貫通する複数の燃料ガス供給口であって、前記アノード対向プレートのプレート面について二次元的に分散させて配置され、燃料ガスを前記アノードの表面に供給するための複数の燃料ガス供給口と、
前記アノード対向プレートの厚さ方向に貫通する開口部であって、前記中間プレートから導入された燃料ガスを、前記積層体に接触させるための開口部と、を備え、
前記中間プレートは、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記開口部に燃料ガスを導入するとともに、前記開口部において前記積層体に接触した燃料ガスを、前記複数の燃料ガス供給口のうちの少なくとも一部に導くための第１の燃料ガス流路を形成する第１の燃料ガス流路形成部を備える、
セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型の燃料電池スタック、および、この燃料電池スタックに用いられるセパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させた燃料電池スタックの形態で利用される。
【０００３】
従来、このような燃料電池スタックに用いられるセパレータに関して、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、アノードに対向するアノード対向プレートと、カソードに対向するカソード対向プレートと、これらのプレートに挟持される中間プレートとを備えるセパレータを用いた燃料電池スタックに関する技術が記載されている。この技術では、例えば、アノード対向プレートに、複数の水素供給口（燃料ガス供給口）を二次元的に分散させて配置することによって、発電によって生成された生成水等の局所的な滞留を抑制し、発電性能の低下を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１９４０７４号公報
【特許文献２】特開２００７−２３４３５３号公報
【特許文献３】特開２００７−２５０４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池には、固体高分子からなる電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、この固体高分子型燃料電池では、電解質膜が乾燥すると、電解質膜のプロトン伝導性が低下し、発電性能が低下するため、電解質膜を湿潤状態に維持する必要がある。電解質膜を湿潤状態に維持するためには、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する加湿器を用いることも可能ではあるが、この場合、燃料電池システムの大型化を招く。そこで、近年では、加湿器を用いずに、上記生成水を、燃料電池の内部で循環させることによって、電解質膜の加湿（自己加湿）を行うことが提案されている。
【０００６】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、電解質膜の自己加湿については考慮されていなかった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、アノード対向プレートと、カソード対向プレートと、中間プレートと、を備えるセパレータであって、アノード対向プレートに二次元的に分散させて配置された複数の燃料ガス供給口を備えるセパレータを用いた燃料電池スタックにおいて、電解質膜の自己加湿を可能とする技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させた燃料電池スタックであって、前記セパレータは、第１の前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、前記セパレータを挟んで前記第１の積層体と互いに隣り合う第２の前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される中間プレートと、を備え、前記アノード対向プレートは、前記アノード対向プレートの厚さ方向に貫通する複数の燃料ガス供給口であって、前記アノード対向プレートのプレート面について二次元的に分散させて配置され、燃料ガスを前記アノードの表面に供給するための複数の燃料ガス供給口と、前記アノード対向プレートの厚さ方向に貫通する開口部であって、前記中間プレートから導入された燃料ガスを、前記積層体に接触させるための開口部と、を備え、前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記開口部に燃料ガスを導入するとともに、前記開口部において前記積層体に接触した燃料ガスを、前記複数の燃料ガス供給口のうちの少なくとも一部に導くための第１の燃料ガス流路を形成する第１の燃料ガス流路形成部を備える、燃料電池スタック。
【００１０】
燃料電池において、発電による生成水は、カソードにおいて生成される。そして、この生成水（水分）は、電解質膜を介してカソード側からアノード側に透過する。適用例１の燃料電池スタックでは、燃料ガスを上記開口部に導入して上記積層体に接触させることによって、電解質膜を介してカソード側からアノード側に透過した水分を燃料ガス中に取り込むことができる。そして、この水分を含む燃料ガスを、複数の燃料ガス供給口のうちの少なくとも一部に導くことができる。したがって、電解質膜の自己加湿を行うことができる。この結果、電解質膜の乾燥による燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制することができる。
【００１１】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池スタックであって、前記アノードに供給された前記燃料ガスを、前記アノードの外部に排出することなく、発電を行うことを特徴とする、燃料電池スタック。
【００１２】
適用例２の燃料電池スタックによって、燃料ガスを効率よく発電に利用することができる。なお、本適用例の燃料電池スタックは、アノードから排出されるアノードオフガスを燃料電池スタックの外部に排出するためのアノードオフガス排出口を備えない構成としてもよいし、アノードオフガス排出口を備える構成としてもよい。アノードオフガス排出口を備える構成とする場合、少なくとも一部の発電期間に、アノードオフガス排出口が閉塞されていればよい。
【００１３】
［適用例３］適用例１または２記載の燃料電池スタックであって、前記カソードの表面に沿って、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路を備え、前記アノード対向プレートにおいて、前記開口部は、前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最下流部と対向する部位に形成されている、燃料電池スタック。
【００１４】
カソードにおいて生成された生成水は、酸化剤ガス中に取り込まれつつ、酸化剤ガスとともに酸化剤ガス流路内を流れる。このため、酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向について、下流ほど酸化剤ガス中に含まれる水分量が多くなる。適用例３の燃料電池スタックでは、上記開口部が、酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最下流部と対向する部位、すなわち、電解質膜を介してカソード側からアノード側に透過する水分量が多くなる部位に形成されているので、電解質膜を介して透過した水分を、上記開口部から燃料ガス中に効果的に取り込むことができる。なお、酸化剤ガスの流れ方向の最下流部とは、厳密に最も下流の部位である必要はなく、例えば、酸化剤ガス流路の下流側１／４の範囲内の領域等とすることができる。
【００１５】
［適用例４］適用例３記載の燃料電池スタックであって、前記中間プレートにおいて、前記第１の燃料ガス流路形成部は、前記積層体に接触した燃料ガスを、前記複数の燃料ガス供給口のうちの、前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最上流部と対向する部位に配置された燃料ガス供給口に導くように形成されている、燃料電池スタック。
【００１６】
先に説明したように、発電時にカソードにおいて生成された生成水は、酸化剤ガスとともに酸化剤ガス流路内を流れるため、酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向について、上流ほど酸化剤ガス中に含まれる水分量が少なくなり、この部位において、電解質膜が乾燥しやすくなる。適用例４の燃料電池スタックでは、第１の燃料ガス流路形成部が、上記積層体に接触して水分を含む燃料ガスを、複数の燃料ガス供給口のうちの、酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最上流部と対向する部位に配置された燃料ガス供給口に導くように形成されているので、電解質膜の乾燥しやすい部位を、上記水分を含む燃料ガスを用いて、効果的に加湿することができる。なお、酸化剤ガスの流れ方向の最下流部とは、厳密に最も上流の部位である必要はなく、例えば、酸化剤ガス流路の上流側１／４の範囲内の領域等とすることができる。
【００１７】
［適用例５］適用例４記載の燃料電池スタックであって、前記中間プレートにおいて、前記第１の燃料ガス流路形成部は、前記積層体に接触した燃料ガスを、前記複数の燃料ガス供給口のうちの、前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最上流部と対向する部位に配置された燃料ガス供給口のみに導くように形成されており、前記中間プレートは、さらに、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記燃料ガスを、前記開口部に導入することなく、前記複数の燃料ガス供給口のうちの、前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最上流部と対向する部位に配置された燃料ガス供給口以外の複数の燃料ガス供給口に導くための第２の燃料ガス流路を形成する第２の燃料ガス流路形成部を備える、燃料電池スタック。
【００１８】
適用例５の燃料電池スタックでは、上記開口部を通過して水分を含んだ燃料ガスを、酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最上流部と対向する部位、すなわち、電解質膜の比較的乾燥しやすい部位に配置された燃料ガス供給口のみに導き、これら以外の、電解質膜の比較的乾燥しにくい部位に配置された複数の燃料ガス供給口には導かない。したがって、電解質膜の乾燥しやすい部位を、上記水分を含む燃料ガスを用いて、集中的に加湿することができる。
【００１９】
［適用例６］適用例１ないし５のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、前記中間プレートは、前記開口部と対向する部位に、前記セパレータの厚さ方向に前記第１の燃料ガス流路を狭窄する狭窄部を備える、燃料電池スタック。
【００２０】
適用例６の燃料電池スタックでは、上記狭窄部によって、上記開口部に対向する部位における第１の燃料ガス流路の流路断面積を小さくすることができるので、燃料ガスを上記積層体に接触しやすくすることができる。したがって、電解質膜を介してカソード側からアノード側に透過した水分を、上記開口部から燃料ガス中に、より効果的に取り込むことができる。
【００２１】
［適用例７］適用例１ないし６のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、前記積層体は、前記アノード、および、前記カソードが配置されている発電部と、前記アノード、および、前記カソードの少なくとも一方が配置されていない非発電部と、を備えており、前記アノード対向プレートにおいて、前記開口部は、前記非発電部と対向する部位に形成されている、燃料電池スタック。
【００２２】
上記非発電部は、アノード、および、カソードの少なくとも一方が配置されていないため、電解質膜を介してカソード側からアノード側に水が移動するときの抵抗が、上記発電部よりも低い。したがって、適用例７の燃料電池スタックによって、電解質膜を介してカソード側からアノード側に透過した水分を、燃料ガス中に効果的に取り込むことができる。
【００２３】
［適用例８］適用例１ないし７のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、前記積層体における少なくとも前記カソード側の面に、多孔体からなるガス拡散層を備える、燃料電池スタック。
【００２４】
適用例８の燃料電池スタックによって、少なくともカソードの全面に酸化剤ガスを効果的に拡散させて供給することができる。
【００２５】
本発明は、上述の燃料電池スタックとしての構成の他、この燃料電池スタックを備える燃料電池システムの発明として構成することもできる。また、上記燃料電池スタックに用いられるセパレータの発明として構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池モジュール４０の構成部品の平面図である。
【図３】ＭＥＡユニット４５におけるＭＥＡ部４５１の断面図である。
【図４】セパレータ４１の平面図である。
【図５】燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。
【図６】第２実施例の燃料電池スタックにおける燃料電池モジュール４０Ａの構成部品の平面図である。
【図７】第２実施例におけるセパレータ４１Ａの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【００２８】
燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルを、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。各セルは、後述するように、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。また、本実施例では、セパレータは、後述するように、３枚の金属製の平板に、それぞれ複数の貫通孔を設け、これらを重ね合わせて接合することによって、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水（ＬＬＣ）の流路が形成されている。なお、セルの積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００２９】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の燃料電池モジュール４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている。そして、燃料電池モジュール４０は、後述するように、セパレータ４１と、電解質膜等を備えるＭＥＡユニット４５とによって構成されている。この燃料電池モジュール４０、および、ＭＥＡユニット４５については、後に詳述する。
【００３０】
エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するため、鋼等の金属部材によって形成されている。絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００３１】
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。
【００３２】
燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００３３】
水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、アノードに供給される。なお、この燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００のアノードに供給された水素を、発電を行うためにすべて消費するタイプのシステムであり、アノードからの排気ガス（以下、アノードオフガスと呼ぶ）を外部に排出するための排出配管は備えていない。こうすることによって、燃料ガスを効率よく利用することができる。
【００３４】
燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、カソードからの排気ガス（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管６２を介して、外部に排出される。配管６２には、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。
【００３５】
燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水も供給される。この冷却水は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。
【００３６】
Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
図２は、燃料電池モジュール４０の構成部品の平面図である。燃料電池モジュール４０は、セパレータ４１と、ＭＥＡユニット４５とを交互に重ね合わせることによって構成されている。そして、セパレータ４１は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた３枚の平板、すなわち、アノード対向プレート４２と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４４とを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、アノード対向プレート４２と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４４とは、同一の四角形の形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。アノード対向プレート４２と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４４として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各プレートは、後述するように、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。
【００３７】
図２（ａ）は、ＭＥＡユニット４５のアノード側の面と当接するアノード対向プレート４２の平面図である。図中の破線で囲った領域は、後述するＭＥＡユニット４５におけるＭＥＡ部４５１に対応する領域を表している。
【００３８】
図示するように、アノード対向プレート４２には、水素供給用貫通孔４２２と、複数の水素供給口４２２ｉと、空気供給用貫通孔４２４ａと、空気排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとが形成されている。本実施例では、水素供給用貫通孔４２２と、空気供給用貫通孔４２４ａと、空気排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとは、ほぼ矩形であるものとした。これらの形状や、大きさや、配置位置は、任意に設定可能である。
【００３９】
また、複数の水素供給口４２２ｉは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の水素供給口４２２ｉは、ＭＥＡユニット４５のアノードの全面に、面内分布を均一化して水素を供給可能なように、ＭＥＡユニット４５のＭＥＡ部４５１における後述する発電部４５１ｇと対向する領域に、二次元的に分散させて、ほぼ等間隔に配置されている。
【００４０】
また、アノード対向プレート４２には、ＭＥＡ部４５１における後述する非発電部４５１ｎの上端部と対向する部位に、開口部４２２ｏが形成されている。この開口部４２２ｏについては、後述する。
【００４１】
図２（ｂ）は、ＭＥＡユニット４５のカソード側の面と当接するカソード対向プレート４４の平面図である。図中の破線で囲った領域は、後述するＭＥＡユニット４５におけるＭＥＡ部４５１に対応する領域を表している。
【００４２】
図示するように、カソード対向プレート４４には、水素供給用貫通孔４４２と、空気供給用貫通孔４４４ａと、複数の空気供給口４４４ｉと、複数の空気排出口４４４ｏと、空気排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとが形成されている。水素供給用貫通孔４４２と、空気供給用貫通孔４４４ａと、空気排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとは、アノード対向プレート４２と同様に、ほぼ矩形であるものとした。
【００４３】
また、複数の空気供給口４４４ｉと、複数の空気排出口４４４ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の空気供給口４４４ｉ、および、複数の空気排出口４４４ｏは、それぞれ空気供給用貫通孔４４４ａ、および、空気排出用貫通孔４４４ｂに近いＭＥＡユニット４５のカソードの周縁部から空気の供給、および、カソードオフガスの排出を行うことができるように配置されている。
【００４４】
図２（ｃ）は、中間プレート４３の平面図である。図中の破線で囲った領域は、後述するＭＥＡユニット４５におけるＭＥＡ部４５１に対応する領域を表している。
【００４５】
図示するように、中間プレート４３には、水素供給用貫通孔４３２と、空気供給用貫通孔４３４ａと、空気排出用貫通孔４３４ｂと、冷却水供給用貫通孔４３６ａと、冷却水排出用貫通孔４３６ｂとが形成されている。水素供給用貫通孔４３２と、空気供給用貫通孔４３４ａと、空気排出用貫通孔４３４ｂと、冷却水供給用貫通孔４３６ａと、冷却水排出用貫通孔４３６ｂとは、アノード対向プレート４２や、カソード対向プレート４４と同様に、ほぼ矩形であるものとした。
【００４６】
そして、水素供給用貫通孔４３２には、水素供給用貫通孔４３２からアノード対向プレート４２に形成された開口部４２２ｏに水素を導入するための流路を形成する水素供給用流路形成部４３２ｐ１が設けられている。また、中間プレート４３には、水素供給用流路形成部４３２ｐ１から開口部４２２ｏに導入された水素を、アノード対向プレート４２に形成された複数の水素供給口４２２ｉに導くための流路を形成する水素供給用流路形成部４３２ｐ２、および、複数の水素供給用流路形成部４３２ｐ３が形成されている。本実施例において、水素供給用流路形成部４３２ｐ１，４３２ｐ２，４３２ｐ３は、［課題を解決するための手段］における第１の燃料ガス流路形成部に相当する。
【００４７】
なお、水素供給用流路形成部４３２ｐ１と、水素供給用流路形成部４３２ｐ２との間の部材は、開口部４２２ｏと対向する部位において、セパレータ４１の厚さ方向に水素供給用流路を狭窄する機能を奏するため、狭窄部４３２ｎと呼ぶ。
【００４８】
また、空気供給用貫通孔４３４ａには、空気供給用貫通孔４３４ａからカソード対向プレート４４に形成された複数の空気供給口４４４ｉに、それぞれ空気を流すための流路を形成する複数の空気供給用流路形成部４３４ｐｉが設けられている。また、空気排出用貫通孔４３４ｂには、カソード対向プレート４４に形成された複数の空気排出口４４４ｏから空気排出用貫通孔４３４ｂにカソードオフガスを流すための流路を形成する複数の空気排出用流路形成部４３４ｐｏが設けられている。
【００４９】
また、中間プレート４３には、冷却水供給用貫通孔４３６ａから冷却水排出用貫通孔４３６ｂに冷却水を流すための流路を形成する冷却水流路形成部４３６ｐが形成されている。この冷却水流路形成部４３６ｐは、冷却水が複数の水素供給用流路形成部４３２ｐ３の間を蛇行して流れるように形成されている。
【００５０】
図２（ｄ）は、ＭＥＡユニット４５のカソード側から見た平面図である。また、図３は、ＭＥＡユニット４５におけるＭＥＡ部４５１の断面図である。
【００５１】
ＭＥＡユニット４５の中央に配置されているＭＥＡ部４５１は、図３に示したように、電解質膜４６の一方（カソード側）の面に、カソードとして、カソード側触媒層４７ｃと、カソード側拡散層４８ｃとをこの順に積層させ、他方（アノード側）の面に、アノードとして、アノード側触媒層４７ａと、アノード側拡散層４８ａとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体である。本実施例では、アノード側拡散層４８ａ、および、カソード側拡散層４８ｃとして、カーボン多孔体を用いるものとした。なお、本実施例のＭＥＡ部４５１は、電解質膜４６の表面に、アノード、および、カソードが配置された発電部４５１ｇと、アノード、および、カソードが配置されていない非発電部４５１ｎとを備えている。ＭＥＡ部４５１において、空気供給用貫通孔４５４ａに近い領域は、後述する酸化剤ガス流路における空気の流れ方向の最上流部４５１ａである。本実施例では、ＭＥＡ部４５１において、酸化剤ガス流路の上流側１／４の範囲内の領域を最上流部４５１ａとした。また、ＭＥＡ部４５１において、空気排出用貫通孔４５４ｂに近い領域は、後述する酸化剤ガス流路における空気の流れ方向の最下流部４５１ｂである。本実施例では、ＭＥＡ部４５１において、酸化剤ガス流路の下流側１／４の範囲内の領域を最下流部４５１ｂとした。そして、本実施例では、非発電部４５１ｎは、酸化剤ガス流路における空気の流れ方向の最下流部４５１ｂに配置されているものとした。
【００５２】
ＭＥＡユニット４５は、このＭＥＡ部４５１を、シリコーンゴム製のフレームによって支持したものである。シリコーンゴムの代わりに、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。なお、図示は省略するが、フレームには、セパレータ４１との積層時に、ガスや、冷却水の漏れを防止するためのシール構造が一体的に形成されている。このフレームは、例えば、射出成形によって形成される。
【００５３】
図２（ｄ）に示したように、ＭＥＡユニット４５のフレームには、水素供給用貫通孔４５２と、空気供給用貫通孔４５４ａと、空気排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとが形成されている。水素供給用貫通孔４５２と、空気供給用貫通孔４５４ａと、空気排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとは、アノード対向プレート４２や、カソード対向プレート４４や、中間プレート４３と同様に、ほぼ矩形であるものとした。
【００５４】
図４は、セパレータ４１の平面図である。セパレータ４１は、先に説明したように、アノード対向プレート４２と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４４とを接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート４２側から見た様子を示した。
【００５５】
図から分かるように、アノード対向プレート４２と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４４において、水素供給用貫通孔４２２と、水素供給用貫通孔４３２と、水素供給用貫通孔４４２とは、互いに同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気供給用貫通孔４２４ａと、空気供給用貫通孔４３４ａと、空気供給用貫通孔４４４ａも、互いに同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔４２４ｂと、空気排出用貫通孔４３４ｂと、空気排出用貫通孔４４４ｂも、互いに同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水供給用貫通孔４３６ａと、冷却水供給用貫通孔４４６ａも、互いに同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔４２６ｂと、冷却水排出用貫通孔４３６ｂと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂも、互いに同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００５６】
また、アノード対向プレート４２における開口部４２２ｏは、中間プレート４３における水素供給用流路形成部４３２ｐ１の一部と重なるように形成されている。また、中間プレート４３における水素供給用流路形成部４３２ｐ２は、アノード対向プレート４２における開口部４２２ｏの一部と重なるように形成されている。
【００５７】
図５は、燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。図４におけるＡ−Ａ断面図を示した。図４、および、図５を参照して、燃料電池モジュール４０における空気、水素、冷却の流れについて説明する
【００５８】
ＭＥＡユニット４５におけるＭＥＡ部４５１のカソード側拡散層４８ｃ側の表面には、ＭＥＡユニット４５と、セパレータ４１とを積層させたときに、カソード側拡散層４８ｃ、および、セパレータ４１のカソード対向プレート４４と当接するように、金属多孔体層４９が配置されている。この金属多孔体層４９は、カソード側拡散層４８ｃの表面に沿って、空気を流すための酸化剤ガス流路を構成する。
【００５９】
図中に矢印で示したように、空気は、燃料電池モジュール４０において、アノード対向プレート４２における空気供給用貫通孔４２４ａ、中間プレート４３における空気供給用貫通孔４３４ａ、カソード対向プレート４４における空気供給用貫通孔４４４ａ、ＭＥＡユニット４５における空気供給用貫通孔４５４ａを流れる。そして、この空気は、中間プレート４３おける空気供給用貫通孔４３４ａから分岐して、空気供給用流路形成部４３４ｐｉを通り、カソード対向プレート４４における空気供給口４４４ｉから、金属多孔体層４９の表面に対して垂直な方向に供給される。そして、この空気は、金属多孔体層４９、および、カソード側拡散層４８ｃ中を拡散しつつ流れ、カソードオフガスは、カソード対向プレート４４における空気排出口４４４ｏから、金属多孔体層４９の表面に対して垂直な方向に排出される。そして、このカソードオフガスは、中間プレート４３における空気排出用流路形成部４３４ｐｏ、アノード対向プレート４２における空気排出用貫通孔４２４ｂ、ＭＥＡユニット４５における空気排出用貫通孔４５４ｂ等を通って、外部に排出される。
【００６０】
なお、発電時に、カソードにおいて生成された生成水は、カソードに供給された空気中に取り込まれつつ、空気とともに酸化剤ガス流路（金属多孔体層４９、および、カソード側拡散層４８ｃ）内を流れる。このため、酸化剤ガス流路における空気の流れ方向について、下流（図の下方）ほど空気中に含まれる水分量が多くなる。一方、酸化剤ガス流路における空気の流れ方向について、上流（図の上方）ほど空気中に含まれる水分量が少なくなり、この部位において、電解質膜４６が乾燥しやすくなる。
【００６１】
また、図５、および、図４から分かるように、水素は、燃料電池モジュール４０において、アノード対向プレート４２における水素供給用貫通孔４２２、中間プレート４３における水素供給用貫通孔４３２、カソード対向プレート４４における水素供給用貫通孔４４２、ＭＥＡユニット４５における水素供給用貫通孔４５２を流れる。そして、この水素は、中間プレート４３における水素供給用貫通孔４３２から分岐して、水素供給用流路形成部４３２ｐ１を通り、アノード対向プレート４２において、酸化剤ガス流路における空気の流れ方向の最下流部４５１ｂと対向する部位に形成された開口部４２２ｏに導入される。この開口部４２２ｏでは、導入された水素がＭＥＡ部４５１と接触して、電解質膜４６を介してカソード側からアノード側に透過した水分が、導入された水素中に取り込まれる。そして、開口部４２２ｏから取り込まれた水分を含む水素は、水素供給用流路形成部４３２ｐ２から複数の水素供給用流路形成部４３２ｐ３に流れ、アノード対向プレート４２における複数の水素供給口４２２ｉから、アノード側拡散層４８ａの表面に分散して供給される。
【００６２】
また、図示は省略するが、冷却水は、アノード対向プレート４２における冷却水供給用貫通孔４２６ａ、中間プレート４３における冷却水供給用貫通孔４３６ａ、カソード対向プレート４４における冷却水供給用貫通孔４４６ａ、ＭＥＡユニット４５における冷却水供給用貫通孔４５６ａを流れる。そして、この冷却水は、中間プレート４３における冷却水供給用貫通孔４３６ａから分岐して、冷却水流路形成部４３６ｐを通り、冷却水排出用貫通孔４３６ｂ等から、外部に排出される。
【００６３】
以上説明した第１実施例の燃料電池スタック１００によれば、アノード対向プレート４２にほぼ等間隔に配置され複数の水素供給口４２２ｉから、発電を行うＭＥＡ部４５１のアノードのほぼ全面に二次元的に分散させて水素を供給することができる。そして、この際に、電解質膜４６を介してカソード側からアノード側に透過した水分を、アノード対向プレート４２に形成された開口部４２２ｏから水素中に取り込んで、この水分を含む水素を、複数の水素供給口４２２ｉに導くことができる。したがって、電解質膜４６の自己加湿を行うことができる。この結果、電解質膜４６の乾燥による燃料電池スタック１００の発電能力の低下を抑制することができる。
【００６４】
また、燃料電池スタック１００では、アノード対向プレート４２において、開口部４２２ｏが、酸化剤ガス流路における空気の流れ方向の最下流部４５１ｂと対向する部位、すなわち、電解質膜４６を介してカソード側からアノード側に透過する水分量が多くなる部位に形成されている。したがって、電解質膜４６を介して透過した水分を、開口部４２２ｏから水素中に効果的に取り込むことができる。
【００６５】
また、燃料電池スタック１００では、中間プレート４３において、水素供給用流路形成部４３２ｐ１，４３２ｐ２，４３２ｐ３は、開口部４２２ｏから取り込まれた水分を含む水素を、複数の水素供給口４２２ｉのうちの、酸化剤ガス流路における空気の流れ方向の最上流部４５１ａと対向する部位に配置された水素供給口４２２ｉに導くように形成されている。したがって、電解質膜４６の乾燥しやすい部位を、水分を含む水素を用いて、効果的に加湿することができる。
【００６６】
また、燃料電池スタック１００では、中間プレート４３は、アノード対向プレート４２に形成された開口部４２２ｏと対向する部位に、セパレータ４１の厚さ方向に水素の流路を狭窄する狭窄部４３２ｎを備えているので、狭窄部４３２ｎを備えていない場合よりも、開口部４２２ｏに対向する部位における水素の流路の流路断面積を小さくすることができる。したがって、開口部４２２ｏにおいて、水素をＭＥＡ部４５１に接触しやすくすることができ、電解質膜４６を介してカソード側からアノード側に透過した水分を、開口部４２２ｏから水素中に、効果的に取り込むことができる。
【００６７】
また、燃料電池スタック１００では、ＭＥＡ部４５１は、発電部４５１ｇと、非発電部４５１ｎとを備えており、アノード対向プレート４２において、開口部４２２ｏは、非発電部４５１ｎと対向する部位に形成されている。そして、非発電部４５１ｎは、アノード、および、カソードが配置されていないため、電解質膜４６を介してカソード側からアノード側に水が移動するときの抵抗が、発電部４５１ｇよりも低い。したがって、電解質膜４６を介してカソード側からアノード側に透過した水分を、水素中に効果的に取り込むことができる。
【００６８】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池システムは、燃料電池スタックが第１実施例における燃料電池スタック１００と異なること以外は、第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである。したがって、以下、第２実施例の燃料電池スタックについて説明する。
【００６９】
図６は、第２実施例の燃料電池スタックにおける燃料電池モジュール４０Ａの構成部品の平面図である。第２実施例における燃料電池モジュール４０Ａも、第１実施例における燃料電池モジュール４０と同様に、セパレータ４１Ａと、ＭＥＡユニットと交互に重ね合わせることによって構成されている。そして、セパレータ４１Ａは、アノード対向プレート４２Ａと、第１中間プレート４３ａと、第２中間プレート４３ｂと、カソード対向プレート４４Ａとを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例において、アノード対向プレート４２Ａと、第１中間プレート４３ａと、第２中間プレート４３ｂと、カソード対向プレート４４Ａとは、同一の四角形の形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。
【００７０】
なお、第２実施例の燃料電池スタックにおけるＭＥＡユニットは、第１実施例の燃料電池スタック１００におけるＭＥＡユニット４５と、貫通孔の形状、および、配置が一部異なっていること以外は同じである。したがって、第２実施例の燃料電池スタックにおけるＭＥＡユニットについての図示、および、詳細な説明は省略する。
【００７１】
図６（ａ）は、ＭＥＡユニットのアノード側の面と当接するアノード対向プレート４２Ａの平面図である。図中の破線で囲った領域は、ＭＥＡユニットにおけるＭＥＡ部４５１に対応する領域を表している。
【００７２】
図示するように、アノード対向プレート４２Ａには、第１実施例におけるアノード対向プレート４２と同様に、水素供給用貫通孔４２２ａと、複数の水素供給口４２２ｉと、空気供給用貫通孔４２４ａと、空気排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとが形成されている。本実施例においても、水素供給用貫通孔４２２ａと、空気供給用貫通孔４２４ａと、空気排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとは、ほぼ矩形であるものとし、複数の水素供給口４２２ｉも、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の水素供給口４２２ｉは、第１実施例と同様に、ＭＥＡユニットのアノードの全面に、面内分布を均一化して水素を供給可能なように、ＭＥＡユニットのＭＥＡ部４５１と対向する領域に、二次元的に分散させて、ほぼ等間隔に配置されている。
【００７３】
また、アノード対向プレート４２Ａには、ＭＥＡ部４５１における非発電部４５１ｎの上端部と対向する部位であって、図示した左右両端の部位に、開口部４２２ｏ１、および、開口部４２２ｏ２が形成されている。これらの開口部４２２ｏ１，４２２ｏ２については、後述する。
【００７４】
図６（ｂ）は、ＭＥＡユニットのカソード側の面と当接するカソード対向プレート４４の平面図である。図中の破線で囲った領域は、ＭＥＡユニットにおけるＭＥＡ部４５１に対応する領域を表している。
【００７５】
図示するように、カソード対向プレート４４Ａは、第１実施例におけるカソード対向プレート４４と同様に、水素供給用貫通孔４４２ａと、空気供給用貫通孔４４４ａと、複数の空気供給口４４４ｉと、複数の空気排出口４４４ｏと、空気排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとを備えている。水素供給用貫通孔４４２ａと、空気供給用貫通孔４４４ａと、空気排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとは、アノード対向プレート４２Ａと同様に、ほぼ矩形であるものとした。また、複数の空気供給口４４４ｉ、および、複数の空気排出口４４４ｏの形状、および、配置は、第１実施例におけるカソード対向プレート４４と同じである。
【００７６】
図６（ｃ）は、第１中間プレート４３ａの平面図である。図中の破線で囲った領域は、ＭＥＡユニットにおけるＭＥＡ部４５１に対応する領域を表している。
【００７７】
図示するように、第１中間プレート４３ａには、水素供給用貫通孔４３２ａと、空気供給用貫通孔４３４ａａと、空気排出用貫通孔４３４ａｂと、冷却水供給用貫通孔４３６ａａと、冷却水排出用貫通孔４３６ａｂとが形成されている。水素供給用貫通孔４３２ａと、空気供給用貫通孔４３４ａａと、空気排出用貫通孔４３４ａｂと、冷却水供給用貫通孔４３６ａａと、冷却水排出用貫通孔４３６ａｂとは、アノード対向プレート４２Ａや、カソード対向プレート４４Ａと同様に、ほぼ矩形であるものとした。
【００７８】
そして、水素供給用貫通孔４３２ａには、水素供給用貫通孔４３２ａからアノード対向プレート４２Ａに形成された開口部４２２ｏ１，４２２ｏ２に水素を導入するための流路を形成する水素供給用流路形成部４３２ａｐ１が設けられている。また、中間プレート４３には、図示するように、水素供給用流路形成部４３２ａｐ１から開口部４２２ｏ１，４２２ｏ２に導入された水素を、アノード対向プレート４２Ａに形成された複数の水素供給口４２２ｉのうちの、酸化剤ガス流路における空気の流れ方向の最上流部４５１ａと対向する部位に配置された水素供給口４２２ｉに導くための流路を形成する水素供給用流路形成部４３２ｐ４が形成されている。また、水素供給用流路形成部４３２ａｐ１には、図示するように、水素を、開口部４２２ｏ１，４２２ｏ２に導入することなく、水素供給用流路形成部４３２ａｐ１からアノード対向プレート４２Ａに形成された複数の水素供給口４２２ｉのうちの、酸化剤ガス流路における空気の流れ方向の最上流部４５１ａと対向する部位に配置された水素供給口４２２ｉ以外の複数の水素供給口４２２ｉに導くための流路を形成する複数の水素供給用流路形成部４３２ａｐ３が設けられている。本実施例において、水素供給用流路形成部４３２ａｐ１，４３２ａｐ４は、［課題を解決するための手段］における第１の燃料ガス流路形成部に相当する。また、水素供給用流路形成部４３２ａｐ１，４３２ａｐ３は、［課題を解決するための手段］における第２の燃料ガス流路形成部に相当する。
【００７９】
図６（ｄ）は、第２中間プレート４３ｂの平面図である。図中の破線で囲った領域は、ＭＥＡユニットにおけるＭＥＡ部４５１に対応する領域を表している。
【００８０】
図示するように、第２中間プレート４３ｂには、水素供給用貫通孔４３２ｂと、空気供給用貫通孔４３４ｂａと、空気排出用貫通孔４３４ｂｂと、冷却水供給用貫通孔４３６ｂａと、冷却水排出用貫通孔４３６ｂｂとが形成されている。水素供給用貫通孔４３２ｂと、空気供給用貫通孔４３４ｂａと、空気排出用貫通孔４３４ｂｂと、冷却水供給用貫通孔４３６ｂａと、冷却水排出用貫通孔４３６ｂｂとは、アノード対向プレート４２Ａや、カソード対向プレート４４Ａと同様に、ほぼ矩形であるものとした。
【００８１】
空気供給用貫通孔４３４ｂａには、空気供給用貫通孔４３４ｂａからカソード対向プレート４４Ａに形成された複数の空気供給口４４４ｉに、それぞれ空気を流すための流路を形成する複数の空気供給用流路形成部４３４ｐｉが設けられている。また、空気排出用貫通孔４３４ｂｂには、カソード対向プレート４４Ａに形成された複数の空気排出口４４４ｏから空気排出用貫通孔４３４ｂｂにカソードオフガスを流すための流路を形成する複数の空気排出用流路形成部４３４ｐｏが設けられている。
【００８２】
また、第２中間プレート４３ｂには、冷却水供給用貫通孔４３６ｂａから冷却水排出用貫通孔４３６ｂｂに冷却水を流すための流路を形成する冷却水流路形成部４３６ｐが形成されている。この冷却水流路形成部４３６ｐは、冷却水が、第１中間プレート４３ａに形成された複数の水素供給用流路形成部４３２ａｐ３、および、水素供給用流路形成部４３２ｐ４の間の領域に対向する部位を蛇行して流れるように形成されている。
【００８３】
図７は、第２実施例におけるセパレータ４１Ａの平面図である。セパレータ４１Ａは、アノード対向プレート４２Ａと、第１中間プレート４３ａと、第２中間プレート４３ｂと、カソード対向プレート４４Ａとを接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート４２Ａ側から見た様子を示した。
【００８４】
図から分かるように、アノード対向プレート４２Ａと、第１中間プレート４３ａと、第２中間プレート４３ｂと、カソード対向プレート４４Ａにおいて、水素供給用貫通孔４２２と、水素供給用貫通孔４３２ａと、水素供給用貫通孔４３２ｂと、水素供給用貫通孔４４２とは、互いに同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気供給用貫通孔４２４ａと、空気供給用貫通孔４３４ａａと、空気供給用貫通孔４３４ｂａと、空気供給用貫通孔４４４ａも、互いに同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔４２４ｂと、空気排出用貫通孔４３４ａｂと、空気排出用貫通孔４３４ｂｂと、空気排出用貫通孔４４４ｂも、互いに同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水供給用貫通孔４３６ａａと、冷却水供給用貫通孔４３６ｂａと、冷却水供給用貫通孔４４６ａも、互いに同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔４２６ｂと、冷却水排出用貫通孔４３６ａｂと、冷却水排出用貫通孔４３６ｂｂと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂも、互いに同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００８５】
また、アノード対向プレート４２Ａにおける開口部４２２ｏ１，４２２ｏ２は、それぞれ、第１中間プレート４３ａにおける水素供給用流路形成部４３２ａｐ１、および、水素供給用流路形成部４３２ｐ４の一部と重なるように形成されている。
【００８６】
以上説明したセパレータ４１Ａを用いた第２実施例の燃料電池モジュールでは、空気、水素、冷却水は、それぞれ、以下に説明するように流れる。
【００８７】
空気は、第２実施例の燃料電池モジュールにおいて、アノード対向プレート４２Ａにおける空気供給用貫通孔４２４ａ、第１中間プレート４３ａにおける空気供給用貫通孔４３４ａａ、第２中間プレート４３ｂにおける空気供給用貫通孔４３４ｂａ、カソード対向プレート４４Ａにおける空気供給用貫通孔４４４ａ、ＭＥＡユニットにおける空気供給用貫通孔４５４ａを流れる。そして、この空気は、第２中間プレート４３ｂにおける空気供給用貫通孔４３４ｂａから分岐して、空気供給用流路形成部４３４ｐｉを通り、カソード対向プレート４４Ａにおける空気供給口４４４ｉから、金属多孔体層４９の表面に対して垂直な方向に供給される。そして、この空気は、金属多孔体層４９、および、カソード側拡散層４８ｃ中を拡散しつつ流れ、カソードオフガスは、カソード対向プレート４４Ａにおける空気排出口４４４ｏから、金属多孔体層４９の表面に対して垂直な方向に排出される。そして、このカソードオフガスは、第２中間プレート４３ｂにおける空気排出用流路形成部４３４ｐｏ、第１中間プレート４３ａにおける空気排出用貫通孔４３４ａｂ、アノード対向プレート４２における空気排出用貫通孔４２４ｂ、ＭＥＡユニットにおける空気排出用貫通孔４５４ｂ等を通って、外部に排出される。
【００８８】
また、水素は、第２実施例の燃料電池モジュールにおいて、アノード対向プレート４２Ａにおける水素供給用貫通孔４２２、第１中間プレート４３ａにおける水素供給用貫通孔４３２ａ、第２中間プレート４３ｂにおける水素供給用貫通孔４３２ｂ、カソード対向プレート４４Ａにおける水素供給用貫通孔４４２、ＭＥＡユニットにおける水素供給用貫通孔４５２を流れる。そして、この水素は、第１中間プレート４３ａにおける水素供給用貫通孔４３２ａから分岐して、水素供給用流路形成部４３２ａｐ１を通り、アノード対向プレート４２Ａにおいて、酸化剤ガス流路における空気の流れ方向の最下流部４５１ｂと対向する部位に形成された開口部４２２ｏ１，４２２ｏ２に導入される。これらの開口部４２２ｏ１，４２２ｏ２では、導入された水素がＭＥＡ部４５１と接触して、電解質膜４６を介してカソード側からアノード側に透過した水分が、導入された水素中に取り込まれる。そして、開口部４２２ｏ１，４４２ｏ２から取り込まれた水分を含む水素は、水素供給用流路形成部４３２ｐ４に流れ、アノード対向プレート４２において、酸化剤ガス流路における空気の流れ方向の最上流部４５１ａと対向する部位に配置された複数の複数の水素供給口４２２ｉから、アノード側拡散層４８ａの表面に分散して供給される。
【００８９】
また、第１中間プレート４３ａにおける水素供給用貫通孔４３２ａから分岐して、水素供給用流路形成部４３２ａｐ１に流入した水素は、複数の水素供給用流路形成部４３２ａｐ３を通り、アノード対向プレート４２Ａに形成された複数の水素供給口４２２ｉのうちの、酸化剤ガス流路における空気の流れ方向の最上流部４５１ａと対向する部位に配置された水素供給口４２２ｉ以外の複数の水素供給口４２２ｉに導かれ、これらの水素供給口４２２ｉから、アノード側拡散層４８ａの表面に分散して供給される。
【００９０】
また、冷却水は、アノード対向プレート４２Ａにおける冷却水供給用貫通孔４２６ａ、第１中間プレート４３ａにおける冷却水供給用貫通孔４３６ａａ、第２中間プレート４３ｂにおける冷却水供給用貫通孔４３６ｂａ、カソード対向プレート４４Ａにおける冷却水供給用貫通孔４４６ａ、ＭＥＡユニットにおける冷却水供給用貫通孔４５６ａを流れる。そして、この冷却水は、第２中間プレート４３ｂにおける冷却水供給用貫通孔４３６ｂａから分岐して、冷却水流路形成部４３６ｐを通り、冷却水排出用貫通孔４３６ｂｂ等から、外部に排出される。
【００９１】
以上説明した第２実施例の燃料電池スタックによっても、第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、アノード対向プレート４２Ａにほぼ等間隔に配置され複数の水素供給口４２２ｉから、発電を行うＭＥＡ部４５１のアノードの表面に対して垂直な方向から、アノードのほぼ全面に二次元的に分散させて水素を供給することができる。そして、この際に、電解質膜４６を介してカソード側からアノード側に透過した水分を、アノード対向プレート４２Ａに形成された開口部４２２ｏ１，４２２ｏ２から水素中に取り込んで、この水分を含む水素を、複数の水素供給口４２２ｉに導くことができる。したがって、電解質膜４６の自己加湿を行うことができる。この結果、電解質膜４６の乾燥による燃料電池スタックの発電能力の低下を抑制することができる。
【００９２】
また、第２実施例の燃料電池スタックでは、アノード対向プレート４２Ａにおいて、開口部４２２ｏ１，４２２ｏ２を通過して水分を含んだ水素を、酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最上流部４５１ａと対向する部位、すなわち、電解質膜４６の比較的乾燥しやすい部位に配置された水素供給口４２２ｉのみに導き、これら以外の、電解質膜４６の比較的乾燥しにくい部位に配置された複数の水素供給口４２２ｉには導かない。したがって、電解質膜４６の乾燥しやすい部位を、水分を含む水素を用いて、集中的に加湿することができる。
【００９３】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００９４】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００のアノードに供給された水素を、発電を行うためにすべて消費するタイプのシステムであるものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池システム１０００に、さらに、アノードオフガスを外部に排出するための排出配管等を備えるようにしてもよい。この場合、燃料電池スタック１００内に、さらに、アノードオフガスが流れる流路を設けるようにすればよい。
【００９５】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、例えば、アノード対向プレート４２において、開口部４２２ｏは、酸化剤ガス流路における空気の流れ方向の最下流部４５１ｂと対向する部位に形成されているものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード対向プレート４２において、開口部４２２ｏを、電解質膜４６を介してカソード側からアノード側に透過した水分を水素中に取り込み可能な他の部位に形成するようにしてもよい。
【００９６】
Ｃ３．変形例３：
上記第１実施例では、中間プレート４３は、開口部４２２ｏと対向する部位に、セパレータ４１の厚さ方向に水素流路を狭窄する狭窄部４３２ｎを備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。中間プレート４３が、狭窄部４３２ｎを備えないものとしてもよい。これは、中間プレート４３において（図２参照）、水素供給用流路形成部４３２ｐ１と、水素供給用流路形成部４３２ｐ２とが分離されていない構成である。
【００９７】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、ＭＥＡユニット４５におけるＭＥＡ部４５１は、発電部４５１ｇと、非発電部４５１ｎと、を備えており、例えば、アノード対向プレート４２において、開口部４２２ｏは、非発電部４５１ｎと対向する部位に形成されているものとしたが、本発明は、これに限られない。ＭＥＡ部４５１が、非発電部４５１ｎを備えず、ほぼ全面が発電部４５１ｇであるものとし、アノード対向プレート４２において、発電部４５１ｇと対向する部位に開口部４２２ｏを形成するようにしてもよい。
【００９８】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、燃料電池モジュール４０において、ＭＥＡユニット４５におけるＭＥＡ部４５１のカソード側拡散層４８ｃ側の表面には、ＭＥＡユニット４５と、セパレータ４１とを積層させたときに、カソード側拡散層４８ｃ、および、セパレータ４１のカソード対向プレート４４と当接するように、金属多孔体層４９が配置されているものとしたが、本発明は、これに限られない。金属多孔体層４９を省略するようにしてもよい。また、ＭＥＡユニット４５におけるＭＥＡ部４５１のアノード側拡散層４８ａの表面に、カソード側と同様に、金属多孔体層を配置するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００９９】
１０００…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
４０…燃料電池モジュール
４１，４１Ａ…セパレータ
４２，４２Ａ…アノード対向プレート
４２２，４２２ａ…水素供給用貫通孔
４２２ｉ…水素供給口
４２４ａ…空気供給用貫通孔
４２４ｂ…空気排出用貫通孔
４２６ａ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｂ…冷却水排出用貫通孔
４３…中間プレート
４３ａ…第１中間プレート
４３ｂ…第２中間プレート
４３２，４３２ａ，４３２ｂ…水素供給用貫通孔
４３２ｐ１，４３２ｐ２，４３２ｐ３，４３２ｐ４，４３２ａｐ１，４３２ａｐ４…水素供給用流路形成部
４３４ａ，４３４ａａ，４３４ｂａ…空気供給用貫通孔
４３４ｂ，４３４ａｂ，４３４ｂｂ…空気排出用貫通孔
４３４ｐｉ…空気供給用流路形成部
４３４ｐｏ…空気排出用流路形成部
４３６ａ，４３６ａａ，４３６ｂａ…冷却水供給用貫通孔
４３６ｂ，４３６ａｂ，４３６ｂｂ…冷却水排出用貫通孔
４３６ｐ…冷却水流路形成部
４４，４４Ａ…カソード対向プレート
４４２…水素供給用貫通孔
４４４ａ…空気供給用貫通孔
４４４ｂ…空気排出用貫通孔
４４４ｉ…空気供給口
４４４ｏ…空気排出口
４４６ａ…冷却水供給用貫通孔
４４６ｂ…冷却水排出用貫通孔
４５…ＭＥＡユニット
４５１…ＭＥＡ部
４５１ｇ…発電部
４５１ｎ…非発電部
４５１ａ…酸化剤ガスの流れ方向の最上流部
４５１ｂ…酸化剤ガスの流れ方向の最下流部
４５２…水素供給用貫通孔
４５４ａ…空気供給用貫通孔
４５４ｂ…空気排出用貫通孔
４５６ａ…冷却水供給用貫通孔
４５６ｂ…冷却水排出用貫通孔
４６…電解質膜
４７ａ…アノード側触媒層
４７ｃ…カソード側触媒層
４８ａ…アノード側拡散層
４８ｃ…カソード側拡散層
４９…金属多孔体層
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
６０…コンプレッサ
６１，６２…配管
７０…ポンプ
７１…ラジエータ
７２…配管
【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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