(57)【要約】【課題】電極面内の反応ガスの濃度差を低減することができる、燃料電池スタックを提供することを目的とする。【解決手段】セル５０が１以上積層された燃料電池スタックであって、第１セパレータ６Ａの電極４Ａと接する一方の主面には、その上流端が第１反応ガス供給マニホールド１３１に接続され、その下流端が第１反応ガス排出マニホールド１３３に接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第１反応ガス流路８と、その上流端が第１反応ガス供給サブマニホールド１３２に接続され、その下流端が第１反応ガス排出マニホールド１３３に接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第１反応ガス下流サブ流路８１と、が設けられ、第１反応ガス流路８は、第１下流流路８Ｂにおいて、第１反応ガス下流サブ流路８１と互いに並走するように形成されている、燃料電池スタック。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と該電解質層を挟む一対の電極とを有する電解質層−電極接合体と、前記電解質層−電極接合体を挟持するように配設された板状の第１セパレータ及び第２セパレータと、を有するセルが１以上積層された燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックは、前記セルの積層方向に貫通するように、第１反応ガス供給マニホールド、第１反応ガス供給サブマニホールド、及び第１反応ガス排出マニホールドを備え、
前記第１セパレータの一方の前記電極と接する一方の主面には、その上流端が前記第１反応ガス供給マニホールドに接続され、その下流端が前記第１反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第１反応ガス流路と、その上流端が前記第１反応ガス供給サブマニホールドに接続され、その下流端が前記第１反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第１反応ガス下流サブ流路と、が設けられ、
前記第１反応ガス流路は、第１の部分を有しており、該第１の部分と下流端との間の部分（以下、第１下流流路）において、前記第１反応ガス下流サブ流路と互いに並走するように形成されている、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第１セパレータの一方の前記電極と接する一方の主面には、その上流端が前記第１反応ガス供給マニホールドに接続され、前記第１反応ガス流路と並走するように形成された溝状の第１反応ガス上流サブ流路が設けられ、
前記第１反応ガス上流サブ流路の下流端は、１以上の前記第１反応ガス流路のうち、少なくとも最も前記第１反応ガス上流サブ流路に近設されている前記第１反応ガス流路、又は１以上の前記第１反応ガス下流サブ流路のうち、少なくとも最も前記第１反応ガス上流サブ流路に近設されている前記第１反応ガス下流サブ流路に接続されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第１反応ガス下流サブ流路の断面積は、前記第１下流流路の断面積より小さい、請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第１反応ガス下流サブ流路の流路幅は、前記第１下流流路の流路幅より小さい、請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記燃料電池スタックは、前記セルの積層方向に貫通する、第２反応ガス供給マニホールド、第２反応ガス供給サブマニホールド、及び第２反応ガス排出マニホールドをさらに備え、
前記第２セパレータの他方の前記電極に接する一方の主面には、その上流端が前記第２反応ガス供給マニホールドに接続され、その下流端が前記第２反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第２反応ガス流路と、その上流端が前記第２反応ガス供給サブマニホールドに接続され、その下流端が前記第２反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第２反応ガス下流サブ流路と、が設けられ、
前記第２反応ガス流路は、第２の部分を有しており、前記第２の部分と下流端との間の部分（以下、第２下流流路）において、前記第２反応ガス下流サブ流路と互いに並走するように形成されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記第２セパレータの一方の前記電極と接する一方の主面には、その上流端が前記第２反応ガス供給マニホールドに接続され、前記第２反応ガス流路と並走するように形成された溝状の第２反応ガス上流サブ流路が設けられ、
前記第２反応ガス上流サブ流路の下流端は、１以上の前記第２反応ガス流路のうち、少なくとも最も前記第２反応ガス上流サブ流路に近設されている前記第２反応ガス流路、又は１以上の前記第２反応ガス下流サブ流路のうち、少なくとも最も前記第２反応ガス上流サブ流路に近設されている前記第２反応ガス下流サブ流路に接続されている、請求項５に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記第２反応ガス下流サブ流路の断面積は、前記第２下流流路の断面積より小さい、請求項５又は６に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記第２反応ガス下流サブ流路の流路幅は、前記第２下流流路の流路幅より小さい、請求項７に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記第１反応ガス流路と前記第２反応ガス流路とは、並行流となるように形成されている、請求項５に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
請求項１又は５に記載の燃料電池スタックと、
前記第１反応ガス供給マニホールドと連通し、第１反応ガスが通流する第１反応ガス供給経路と、
前記第１反応ガス供給経路に前記第１反応ガスを供給する第１反応ガス供給装置と、
前記第１反応ガス供給経路から分岐され、前記第１反応ガス供給サブマニホールドに連通する第１反応ガス供給サブ経路と、
前記第１反応ガス供給サブ経路に設けられた第１開閉弁と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、低出力運転の際には前記第１開閉弁を閉止し、
高出力運転の際には前記第１開閉弁を開放し、かつ、前記低出力運転時よりも前記第１反応ガスの供給量が多くなるように前記第１反応ガス供給装置を制御する、燃料電池システム。
【請求項１１】
前記第１反応ガス供給サブ経路には、該第１反応ガス供給サブ経路内の圧力を調整するように構成された第１圧力調整器が設けられている、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項５に記載の燃料電池スタックと、
前記第２反応ガス供給マニホールドと連通し、第２反応ガスが通流する第２反応ガス供給経路と、
前記第２反応ガス供給経路に前記第２反応ガスを供給する第２反応ガス供給装置と、
前記第２反応ガス供給経路から分岐され、前記第２反応ガス供給サブマニホールドに連通する第２反応ガス供給サブ経路と、
前記第２反応ガス供給サブ経路に設けられた第２開閉弁と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、低出力運転の際には前記第２開閉弁を閉止し、
高出力運転の際には前記第２開閉弁を開放し、かつ、前記低出力運転時よりも前記第２反応ガスの供給量が多くなるように前記第２反応ガス供給装置を制御する、燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第２反応ガス供給サブ経路には、該第２反応ガス供給サブ経路内の圧力を調整するように構成された第２圧力調整器が設けられている、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
電解質層と該電解質層を挟む一対の電極とを有する電解質層−電極接合体と、前記電解質層−電極接合体を挟持するように配設された板状の第１セパレータ及び第２セパレータと、を有するセルが１以上積層され、前記セルの積層方向に貫通するように、第１反応ガス供給マニホールド、第１反応ガス供給サブマニホールド、及び第１反応ガス排出マニホールドを備え、前記第１セパレータの一方の前記電極と接する一方の主面には、その上流端が前記第１反応ガス供給マニホールドに接続され、その下流端が前記第１反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第１反応ガス流路と、その上流端が前記第１反応ガス供給サブマニホールドに接続され、その下流端が前記第１反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第１反応ガス下流サブ流路と、が設けられ、前記第１反応ガス流路は、第１の部分を有しており、該第１の部分と下流端との間の部分（以下、第１下流流路）において、前記第１反応ガス下流サブ流路と互いに並走するように形成されている、燃料電池スタックと、
前記第１反応ガス供給マニホールドと連通し、第１反応ガスが通流する第１反応ガス供給経路と、
前記第１反応ガス供給経路に前記第１反応ガスを供給する第１反応ガス供給装置と、
前記第１反応ガス供給経路から分岐され、前記第１反応ガス供給サブマニホールドに連通する第１反応ガス供給サブ経路と、
前記第１反応ガス供給サブ経路に設けられた第１開閉弁と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、
低出力運転の際には、前記第１開閉弁は閉止され、
高出力運転の際には前記第１開閉弁は開放され、かつ、前記第１反応ガス供給装置は前記低出力運転時よりもその供給量が多くなるように前記第１反応ガスを供給する、燃料電池システムの運転方法。
【請求項１５】
前記燃料電池スタックは、
前記セルの積層方向に貫通する、第２反応ガス供給マニホールド、第２反応ガス供給サブマニホールド、及び第２反応ガス排出マニホールドをさらに備え、
前記第２セパレータの他方の前記電極に接する一方の主面には、その上流端が前記第２反応ガス供給マニホールドに接続され、その下流端が前記第２反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第２反応ガス流路と、その上流端が前記第２反応ガス供給サブマニホールドに接続され、その下流端が前記第２反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第２反応ガス下流サブ流路と、が設けられ、
前記第２反応ガス流路は、第２の部分を有しており、前記第２の部分と下流端との間の部分（以下、第２下流流路）において、前記第２反応ガス下流サブ流路と互いに並走するように形成され、
前記燃料電池システムは、
前記第２反応ガス供給経路に前記第２反応ガスを供給する第２反応ガス供給装置と、
前記第２反応ガス供給経路から分岐され、前記第２反応ガス供給サブマニホールドに連通する第２反応ガス供給サブ経路と、
前記第２反応ガス供給サブ経路に設けられた第２開閉弁と、を備え、
低出力運転の際には、前記第２開閉弁は閉止され、
高出力運転の際には前記第２開閉弁は開放され、かつ、前記第２反応ガス供給装置は前記低出力運転時よりもその供給量が多くなるように前記第２反応ガスを供給する、請求項１４に記載の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、燃料電池スタック、それを備える燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、一般に、セル（単電池）が複数積層された構造を有しており、各セルは、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、アノードに接触しながら燃料ガスが流れるように形成された燃料ガス流路と、カソードに接触しながら酸化剤ガスが流れるように形成された酸化剤ガス流路と、を備えている。
【０００３】
ところで、燃料電池スタックの発電運転中に、電極面内の発電分布が燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の上流側部分と対向する領域に偏るため、燃料電池スタックの発電出力が低下するという問題があった。このような問題に対して、少なくとも一つの流体の流体通流溝が二つ以上互いに独立して設けられている燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている燃料電池では、２つ以上の流体通流溝が互いに点対称（又は線対称）になるように設けることにより、電極面の反応ガスの濃度差を小さくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１８２６３６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、特許文献１に開示されている燃料電池では、２つ以上の流体通流溝が互いに点対称に設けた場合、セパレータの入口から出口に向かう方向の後半部に流体（反応ガス）を流す流体通流溝が、前半部を通過するように設けられているため、下流部に流体が到達する前に、反応ガスの濃度が低下するという課題があった。また、流体通流溝を線対称に設けた場合には、流体通流溝が、前半部と後半部と分かれるため、電極面の反応ガス濃度差を容易に小さくすることができないという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、電極面内の反応ガスの濃度差を従来技術に比して低減することができる、燃料電池スタック、それを備える燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転の方法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】
【０００７】
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池スタックは、電解質層と該電解質層を挟む一対の電極とを有する電解質層−電極接合体と、前記電解質層−電極接合体を挟持するように配設された板状の第１セパレータ及び第２セパレータと、を有するセルが１以上積層された燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックは、前記セルの積層方向に貫通するように、第１反応ガス供給マニホールド、第１反応ガス供給サブマニホールド、及び第１反応ガス排出マニホールドを備え、前記第１セパレータの一方の前記電極と接する一方の主面には、その上流端が前記第１反応ガス供給マニホールドに接続され、その下流端が前記第１反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第１反応ガス流路と、その上流端が前記第１反応ガス供給サブマニホールドに接続され、その下流端が前記第１反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第１反応ガス下流サブ流路と、が設けられ、前記第１反応ガス流路は、第１の部分を有しており、該第１の部分と下流端との間の部分（以下、第１下流流路）において、前記第１反応ガス下流サブ流路と互いに並走するように形成されている。
【０００８】
これにより、電極における第１反応ガス流路の第１下流流路に対向する領域（以下、電極の下流領域）に第１反応ガス下流サブ流路により反応ガスが供給されるため、電極面内における第１反応ガス流路の上流側部分（第１下流流路以外の部分）に対抗する領域と電極の下流領域との間の反応ガス濃度差を低減することができる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記第１セパレータの一方の前記電極と接する一方の主面には、その上流端が前記第１反応ガス供給マニホールドに接続され、前記第１反応ガス流路と並走するように形成された溝状の第１反応ガス上流サブ流路が設けられ、前記第１反応ガス上流サブ流路の下流端は、１以上の前記第１反応ガス流路のうち、少なくとも最も前記第１反応ガス上流サブ流路に近設されている前記第１反応ガス流路、又は１以上の前記第１反応ガス下流サブ流路のうち、少なくとも最も前記第１反応ガス上流サブ流路に近設されている前記第１反応ガス下流サブ流路に接続されていてもよい。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記第１反応ガス下流サブ流路の断面積は、前記第１下流流路の断面積より小さくてもよい。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記第１反応ガス下流サブ流路の流路幅は、前記第１下流流路の流路幅より小さくてもよい。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池スタックは、前記セルの積層方向に貫通する、第２反応ガス供給マニホールド、第２反応ガス供給サブマニホールド、及び第２反応ガス排出マニホールドをさらに備え、前記第２セパレータの他方の前記電極に接する一方の主面には、その上流端が前記第２反応ガス供給マニホールドに接続され、その下流端が前記第２反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第２反応ガス流路と、その上流端が前記第２反応ガス供給サブマニホールドに接続され、その下流端が前記第２反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第２反応ガス下流サブ流路と、が設けられ、前記第２反応ガス流路は、第２の部分を有しており、前記第２の部分と下流端との間の部分（以下、第２下流流路）において、前記第２反応ガス下流サブ流路と互いに並走するように形成されていてもよい。
【００１３】
これにより、電極における第２反応ガス流路の第２下流流路に対向する領域（以下、電極の下流領域）に第２反応ガス下流サブ流路により反応ガスが供給されるため、電極面内における第２反応ガス流路の上流側部分（第２下流流路以外の部分）に対抗する領域と電極の下流領域との間の反応ガス濃度差を低減することができる。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記第２セパレータの一方の前記電極と接する一方の主面には、その上流端が前記第２反応ガス供給マニホールドに接続され、前記第２反応ガス流路と並走するように形成された溝状の第２反応ガス上流サブ流路が設けられ、前記第２反応ガス上流サブ流路の下流端は、１以上の前記第２反応ガス流路のうち、少なくとも最も前記第２反応ガス上流サブ流路に近設されている前記第２反応ガス流路、又は１以上の前記第２反応ガス下流サブ流路のうち、少なくとも最も前記第２反応ガス上流サブ流路に近設されている前記第２反応ガス下流サブ流路に接続されていてもよい。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記第２反応ガス下流サブ流路の断面積は、前記第２下流流路の断面積より小さてもよい。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記第２反応ガス下流サブ流路の流路幅は、前記第２下流流路の流路幅より小さくてもよい。
【００１７】
さらに、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記第１反応ガス流路と前記第２反応ガス流路とは、並行流となるように形成されていてもよい。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池スタックと、前記第１反応ガス供給マニホールドと連通し、第１反応ガスが通流する第１反応ガス供給経路と、前記第１反応ガス供給経路に前記第１反応ガスを供給する第１反応ガス供給装置と、前記第１反応ガス供給経路から分岐され、前記第１反応ガス供給サブマニホールドに連通する第１反応ガス供給サブ経路と、前記第１反応ガス供給サブ経路に設けられた第１開閉弁と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、低出力運転の際には前記第１開閉弁を閉止し、高出力運転の際には前記第１開閉弁を開放し、かつ、前記低出力運転時よりも前記第１反応ガスの供給量が多くなるように前記第１反応ガス供給装置を制御する。
【００１９】
これにより、燃料電池スタックで発電運転中に、燃料電池スタックから取り出す電力を低出力から高出力に変動する場合に、電極面内での反応ガスの濃度差を低減することができる。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１反応ガス供給サブ経路には、該第１反応ガス供給サブ経路内の圧力を調整するように構成された第１圧力調整器が設けられていてもよい。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池スタックと、前記第２反応ガス供給マニホールドと連通し、第２反応ガスが通流する第２反応ガス供給経路と、前記第２反応ガス供給経路に前記第２反応ガスを供給する第２反応ガス供給装置と、前記第２反応ガス供給経路から分岐され、前記第２反応ガス供給サブマニホールドに連通する第２反応ガス供給サブ経路と、前記第２反応ガス供給サブ経路に設けられた第２開閉弁と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、低出力運転の際には前記第２開閉弁を閉止し、高出力運転の際には前記第２開閉弁を開放し、かつ、前記低出力運転時よりも前記第２反応ガスの供給量が多くなるように前記第２反応ガス供給装置を制御する。
【００２２】
これにより、燃料電池スタックで発電運転中に、燃料電池スタックから取り出す電力を低出力から高出力に変動する場合に、電極面内での反応ガスの濃度差を低減することができる。
【００２３】
さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第２反応ガス供給サブ経路には、該第２反応ガス供給サブ経路内の圧力を調整するように構成された第２圧力調整器が設けられていてもよい。
【００２４】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、電解質層と該電解質層を挟む一対の電極とを有する電解質層−電極接合体と、前記電解質層−電極接合体を挟持するように配設された板状の第１セパレータ及び第２セパレータと、を有するセルが１以上積層され、前記セルの積層方向に貫通するように、第１反応ガス供給マニホールド、第１反応ガス供給サブマニホールド、及び第１反応ガス排出マニホールドを備え、前記第１セパレータの一方の前記電極と接する一方の主面には、その上流端が前記第１反応ガス供給マニホールドに接続され、その下流端が前記第１反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第１反応ガス流路と、その上流端が前記第１反応ガス供給サブマニホールドに接続され、その下流端が前記第１反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第１反応ガス下流サブ流路と、が設けられ、前記第１反応ガス流路は、第１の部分を有しており、該第１の部分と下流端との間の部分（以下、第１下流流路）において、前記第１反応ガス下流サブ流路と互いに並走するように形成されている、燃料電池スタックと、前記第１反応ガス供給マニホールドと連通し、第１反応ガスが通流する第１反応ガス供給経路と、前記第１反応ガス供給経路に前記第１反応ガスを供給する第１反応ガス供給装置と、前記第１反応ガス供給経路から分岐され、前記第１反応ガス供給サブマニホールドに連通する第１反応ガス供給サブ経路と、前記第１反応ガス供給サブ経路に設けられた第１開閉弁と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、
低出力運転の際には、前記第１開閉弁は閉止され、高出力運転の際には前記第１開閉弁は開放され、かつ、前記第１反応ガス供給装置は前記低出力運転時よりもその供給量が多くなるように前記第１反応ガスを供給する。
【００２５】
これにより、燃料電池スタックで発電運転中に、燃料電池スタックから取り出す電力を低出力から高出力に変動する場合に、電極面内での反応ガスの濃度差を低減することができる。
【００２６】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記燃料電池スタックは、前記セルの積層方向に貫通する、第２反応ガス供給マニホールド、第２反応ガス供給サブマニホールド、及び第２反応ガス排出マニホールドをさらに備え、前記第２セパレータの他方の前記電極に接する一方の主面には、その上流端が前記第２反応ガス供給マニホールドに接続され、その下流端が前記第２反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第２反応ガス流路と、その上流端が前記第２反応ガス供給サブマニホールドに接続され、その下流端が前記第２反応ガス排出マニホールドに接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の第２反応ガス下流サブ流路と、が設けられ、前記第２反応ガス流路は、第２の部分を有しており、前記第２の部分と下流端との間の部分（以下、第２下流流路）において、前記第２反応ガス下流サブ流路と互いに並走するように形成され、前記燃料電池システムは、前記第２反応ガス供給経路に前記第２反応ガスを供給する第２反応ガス供給装置と、前記第２反応ガス供給経路から分岐され、前記第２反応ガス供給サブマニホールドに連通する第２反応ガス供給サブ経路と、前記第２反応ガス供給サブ経路に設けられた第２開閉弁と、を備え、低出力運転の際には、前記第２開閉弁は閉止され、高出力運転の際には前記第２開閉弁は開放され、かつ、前記第２反応ガス供給装置は前記低出力運転時よりもその供給量が多くなるように前記第２反応ガスを供給してもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の燃料電池スタック、これを備える燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法によれば、電極面内における反応ガスの濃度差を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１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２】図２は、図１に示す燃料電池システムの燃料電池スタックの概略構成を示す模式図である。
【図３】図３は、図２に示す燃料電池スタックにおけるセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、図３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５】図５は、図３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６】図６は、図１に示す燃料電池システムの運転処理を模式的に示すフローチャートである。
【図７】図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）の第１セパレータの概略構成を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）の第１セパレータの概略構成を示す模式図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）の第１セパレータの概略構成を示す模式図である。
【図１０】図１０は、実施の形態４における変形例１の燃料電池システム（燃料電池スタック）のセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図１１】図１１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１２】図１２は、本発明の実施の形態６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１３】図１３は、図１２に示す燃料電池システムの燃料電池スタックの概略構成を示す模式図である。
【図１４】図１４は、図１３に示す燃料電池スタック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１５】図１５は、図１２に示す燃料電池システムの運転処理を模式的に示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）の第２セパレータの概略構成を示す模式図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）の第２セパレータの概略構成を示す模式図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）の第２セパレータの概略構成を示す模式図である。
【図１９】図１９は、本実施の形態９における変形例１の燃料電池システム（燃料電池スタック）のセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施の形態１０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。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一また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。
【００３０】
（実施の形態１）
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１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。
【００３１】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０１と、燃料ガス（第１反応ガス）が通流する燃料ガス供給経路（第１反応ガス供給経路）２０１と、燃料ガス供給経路２０１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（第１反応ガス供給装置）１０２と、燃料ガス供給経路２０１から分岐された燃料ガス供給サブ経路（第１反応ガス供給サブ経路）２０２と、燃料ガス供給サブ経路２０２に設けられた第１開閉弁１０３と、制御装置１１０と、を備える。そして、制御装置１１０は、低出力運転の際には第１開閉弁１０３を閉止し、高出力運転の際には第１開閉弁１０３を開放し、かつ、低出力運転時よりも燃料ガスの供給量が多くなるように燃料ガス供給装置１０２を制御する。
【００３２】
また、燃料電池システム１００は、酸化剤ガス（第２反応ガス）が通流する酸化剤ガス供給経路（第２反応ガス供給経路）２０４と、酸化剤ガス供給経路２０４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（第２反応ガス供給装置）１０４と、燃料ガス排出経路２０３と、酸化剤ガス排出経路２０６と、出力制御装置１０８と、を備える。
【００３３】
燃料ガス供給装置１０２は、燃料ガス供給経路２０１及び／又は燃料ガス供給サブ経路２０２を介して、燃料電池スタック１０１に燃料ガスを供給するように構成されていれば、どのような形態であってもよく、例えば、水素ガスを貯蔵したタンクで構成されていてもよく、また、メタン等の原料ガスと水から改質反応により水素を生成する水素生成装置で構成されていてもよい。なお、水素生成装置を用いる場合、改質反応により生じた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備えることが好ましい。
【００３４】
燃料ガス供給経路２０１は、その上流端が、燃料ガス供給装置１０２に接続されていて、その下流端は、燃料電池スタック１０１の燃料ガス供給マニホールド１３１（図２参照）に接続されている。また、燃料ガス供給経路２０１の途中には、燃料ガス供給サブ経路２０２の上流端が接続されていて、その下流端は、燃料ガス供給サブマニホールド１３２（図２参照）に接続されている。燃料ガス供給サブ経路２０２の途中には、第１開閉弁１０３が設けられている。
【００３５】
第１開閉弁１０３としては、その開閉動作により、燃料ガス供給サブ経路２０２における燃料ガスの通流を許可／阻止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、電磁弁等の開閉弁を用いてもよく、また、燃料ガスの流量を調整することができる流量調整弁を用いてもよい。
【００３６】
酸化剤ガス供給装置１０４としては、燃料電池スタック１０１に酸化剤ガスを供給するように構成されていれば、どのような形態であってもよく、例えば、シロッコファンやブロワ等のファン類で構成されていてもよい。また、酸化剤ガス供給装置１０４には、酸化剤ガス供給経路２０４を介して燃料電池スタック１０１の酸化剤ガス供給マニホールド１３４（図２参照）に接続されている。
【００３７】
燃料電池スタック１０１は、アノード電極４Ａとカソード電極４Ｂを有している（図３参照）。アノード電極４Ａには、燃料ガス供給装置１０２から燃料ガス供給経路２０１及び／又は燃料ガス供給サブ経路２０２を介して燃料ガスが供給され、カソード電極４Ｂには、酸化剤ガス供給装置１０４から酸化剤ガス供給経路２０４を介して酸化剤ガスが供給される。そして、アノード電極４Ａに供給された燃料ガスと、カソード電極４Ｂに供給された酸化剤ガスと、が電気化学的に反応して、電気と熱が発生する。また、燃料電池スタック１０１には、水や不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等の冷却媒体が図示されない冷却媒体経路を通流することにより、発生した熱の回収が行われる。なお、冷却媒体が回収した熱は、更に水と熱交換して、お湯としてタンクに貯えられるように構成してもよい。
【００３８】
燃料電池スタック１０１には、配線３０１を介して出力制御装置１０８が接続されている。出力制御装置１０８は、燃料電池スタック１０１から取り出す電力量を制御するように構成されていて、燃料電池スタック１０１で発生した電力を昇圧し、また、直流電流を交流電流に変換する。そして、出力制御装置１０８は、交流電流を外部負荷に供給する。出力制御装置１０８としては、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣインバータを有する構成としてもよい。
【００３９】
制御装置１１０は、燃料ガス供給装置１０２等の燃料電池システム１００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く、例えば、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等で構成することができる。なお、制御装置１１０は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム１００の制御を実行する制御器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、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部だけでなく、メモリ等からなる記憶部及び計時部を有していてもよく、マイクロコンピュータで構成されていてもよい。
【００４０】
［燃料電池スタックの構成］
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタック１０１の構成について、図２を参照しながら詳細に説明する。
【００４１】
図２は、図１に示す燃料電池システム１００の燃料電池スタック１０１の概略構成を示す模式図である。
【００４２】
図２に示すように、燃料電池スタック１０１は、複数の高分子電解質形燃料電池（セル）５０がその厚み方向に積層されたセル積層体７０と、該セル積層体７０の両端に配置された端板６１、６２と、セル積層体７０と端板６１、６２を高分子電解質形燃料電池５０の積層方向において締結する締結具（図示せず）と、を有する。また、端板６１とセル積層体７０の間には、絶縁板及び集電板（いずれも図示せず）が配置されていて、端板６２とセル積層体７０との間には、絶縁板及び集電板（いずれも図示せず）が配置されている。
【００４３】
セル積層体７０には、高分子電解質形燃料電池５０の積層方向に延びるように、燃料ガス供給マニホールド１３１、燃料ガス供給サブマニホールド１３２、酸化剤ガス供給マニホールド１３４、冷却媒体供給マニホールド１３７、燃料ガス排出マニホールド１３３、酸化剤ガス排出マニホールド１３６、及び冷却媒体排出マニホールド１３８が設けられている。
【００４４】
［高分子電解質形燃料電池の構成］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１０１における高分子電解質形燃料電池５０の構成について、図３を参照しながら説明する。
【００４５】
図３は、図２に示す燃料電池スタック１０１におけるセル積層体７０の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図３においては、一部を省略している。
【００４６】
図３に示すように、高分子電解質形燃料電池５０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。
【００４７】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（電解質層）１と、アノード電極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、燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）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。
【００４８】
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と、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層と、を有している。アノード触媒層は、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されていて、アノード触媒層の他方の主面には、アノードガス拡散層が配置されている。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と、カソード触媒層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層と、を有している。カソード触媒層は、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されていて、カソード触媒層の他方の主面には、カソードガス拡散層が配置されている。
【００４９】
また、ＭＥＡ５のアノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂ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、高分子電解質形燃料電池５０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燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）等の各マニホールド孔が設けられている。
【００５０】
また、ＭＥＡ５とガスケット７を挟むように、導電性のアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の高分子電解質形燃料電池５０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。
【００５１】
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及び燃料ガス下流サブ流路（第１反応ガス下流サブ流路）８１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。なお、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂのそれぞれの周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）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。また、冷却媒体流路１０の形状は任意であり、例えば、高分子電解質形燃料電池５０の厚み方向から見て、サーペンタイン状に形成されていてもよく、ストレート形状に形成されていてもよい。
【００５２】
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。
【００５３】
そして、このように形成された高分子電解質形燃料電池５０がその厚み方向に積層されることにより、セル積層体７０が形成される。このとき、高分子電解質膜１等に設けられた燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）等の各マニホールド孔がつながって、燃料ガス供給マニホールド１３１等の各マニホールドが形成される（図２参照）。
【００５４】
［セパレータの構成］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１０１におけるカソードセパレータ６Ｂ及びアノードセパレータ６Ａの構成について、図３乃至図５を参照しながら詳細に説明する。
【００５５】
図４は、図３に示す高分子電解質形燃料電池５０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。図５は、図３に示す高分子電解質形燃料電池５０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４においては、カソードセパレータ６Ｂにおける上下方向を図における上下方向として表し、図５においては、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。
【００５６】
図４に示すように、カソードセパレータ６Ｂは、板状で、かつ、略矩形に構成されている。カソードセパレータ６Ｂの主面の周縁部には、厚み方向に貫通する複数の貫通孔が形成されており、これらの貫通孔が燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔を構成する。
【００５７】
具体的には、カソードセパレータ６Ｂの一方の側部（図面の左側の側部：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３４が設けられていて、その下部には、燃料ガス排出マニホールド孔３３が設けられている。また、燃料ガス排出マニホールド孔３３の下部の内側には、冷却媒体排出マニホールド孔３８が設けられている。また、カソードセパレータ６Ｂの他方の側部（図面の右側の側部：以下、第２の側部という）の上部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１が設けられていて、その下部には、燃料ガス供給サブマニホールド孔３２が設けられている。また、燃料ガス供給サブマニホールド孔３２の下部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔３６が設けられている。さらに、燃料ガス供給マニホールド孔３１の上部の内側には、冷却媒体供給マニホールド孔３７が設けられている。
【００５８】
そして、カソードセパレータ６Ｂの内面には、酸化剤ガス供給マニホールド孔３４と酸化剤ガス排出マニホールド孔３６とを連通するように、酸化剤ガス流路９が配設されている。酸化剤ガス流路９は、複数（ここでは、２本）の溝で構成されていて、カソード電極４Ｂ（図４において、二重鎖線で示した部分）の主面の全域に酸化剤ガスが供給されるように、屈曲するように（ここでは、サーペンタイン状に）形成されている。
【００５９】
また、図５に示すように、アノードセパレータ６Ａは、板状で、かつ、略矩形に構成されている。アノードセパレータ６Ａの主面の周縁部には、カソードセパレータ６Ｂと同様に、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設けられている。
【００６０】
アノードセパレータ６Ａの内面には、その上流端が燃料ガス供給マニホールド孔３１に接続され、その下流端が燃料ガス排出マニホールド孔３３に接続され、屈曲するように、１以上の燃料ガス流路８（本実施の形態１では、１本の燃料ガス流路８）が配設されている。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、高分子電解質形燃料電池５０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。
【００６１】
燃料ガス流路８は、第１の部分４１を有していて、燃料ガス流路８の上流端から第１の部分４１までの部分が、第１上流流路８Ａを構成し、第１の部分４１から燃料ガス流路８の下流端までが、第１下流流路８Ｂを構成する。ここで、第１の部分４１は、式：Ｌ１≦｛（２／３）×Ｌ２｝を満たす部分である。なお、上記式中、Ｌ１は、燃料ガス流路８の第１上流流路８Ａの流路長を示し、Ｌ２は、燃料ガス流路８の全流路長を示す。また、第１の部分４１は、式：Ｌ１≦｛（１／２）×Ｌ２｝を満たす部分であることがより好ましい。
【００６２】
また、燃料ガス流路８は、本実施の形態１では、サーペンタイン状に形成されている。なお、本実施の形態１においては、燃料ガス流路８を構成する溝を１本としたが、これに限定されず、複数の燃料ガス流路８が互いに並走するように設けてもよい。この場合、互いに並走するとは、複数の燃料ガス流路が、互いに並んで設けられていることをいう。すなわち、複数の燃料ガス流路のうち１の燃料ガス流路を特定し、該特定した燃料ガス流路に沿って、他の燃料ガス流路が設けられていることをいう。換言すると、複数の燃料ガス流路が、その上流端から下流端に向かって、全体として、それぞれの流路を通流する燃料ガスの流れる方向が一致するように、複数の燃料ガス流路が設けられていることをいう。従って、複数の燃料ガス流路が、その上流端から下流端まで完全に並んで設けられている必要がなく、複数の燃料ガス流路が、互いに並んで設けられていない部分を有していてもよい。
【００６３】
そして、アノードセパレータ６Ａの内面には、その上流端が燃料ガス供給サブマニホールド孔３２に接続され、その下流端が燃料ガス排出マニホールド孔３３に接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の燃料ガス下流サブ流路８１が配設されている。燃料ガス下流サブ流路８１は、燃料ガス流路８の第１下流流路８Ｂと互いに並走するように形成されている。ここで、互いに並走するとは、１以上の燃料ガス流路８の第１下流流路８Ｂと１以上の燃料ガス下流サブ流路８１とが、互いに並んで設けられていることをいう。すなわち、１以上の第１下流流路８Ｂと１以上の燃料ガス下流サブ流路８１のうち、１の流路を特定し、該特定した流路に沿って、他の流路が設けられていることをいう。換言すると、１以上の燃料ガス流路８の第１下流流路８Ｂと１以上の燃料ガス下流サブ流路８１が、上流から下流に向かって、全体として、それぞれの流路を通流する燃料ガスの流れる方向が一致するように、設けられていることをいう。従って、１以上の燃料ガス流路８の第１下流流路８Ｂと１以上の燃料ガス下流サブ流路８１が、完全に並んで設けられている必要がなく、互いに並んで設けられていない部分を有していてもよい。
【００６４】
これにより、高分子電解質形燃料電池５０の厚み方向から見て、アノード電極４Ａの燃料ガス流路８の第１上流流路８Ａに対向する領域（以下、アノード電極４Ａの上流領域）で燃料ガスが消費されて、第１下流流路８Ｂを通流する燃料ガスの濃度が小さくなっても、アノード電極４Ａの第１下流流路８Ｂに対向する領域（以下、アノード電極４Ａの下流領域）には、別途、燃料ガス下流サブ流路８１から燃料ガスが供給されるため、アノード電極４Ａの上流領域と下流領域の間の燃料ガスの濃度差を低減することができる。このため、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１０１では、電池性能を向上させることができ、安定した電力を確保することができる。
【００６５】
［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作について、図１及び図６を参照しながら説明する。
【００６６】
図６は、図１に示す燃料電池システム１００の運転処理を模式的に示すフローチャートである。
【００６７】
図６に示すように、例えば、予め設定された燃料電池システム１００の運転開始時間になった場合や使用者がリモコンを操作して燃料電池システム１００の運転開始を指示したような場合、制御装置１１０に運転開始指令が入力され、制御装置１１０は燃料電池システム１００の運転開始指令を出力する（ステップＳ１０１）。
【００６８】
次に、制御装置１１０は、出力制御装置１０８に指令する、外部負荷に出力する電力量が、所定の出力以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０２）。ここで、所定の出力は、例えば、燃料電池システム１００の定格運転時の出力の５０％と定義し、この所定の出力以上の出力で燃料電池システム１００を運転する場合を高出力運転とし、所定の出力よりも小さい出力で燃料電池システム１００の運転する場合を低出力運転とする。なお、所定の出力は、適宜変更することができる。
【００６９】
所定の出力以上の場合（ステップＳ１０２でＹｅｓ）には、制御装置１１０は、第１開閉弁１０３が開放状態であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。第１開閉弁１０３が開放されている場合（ステップＳ１０３でＹｅｓ）には、そのままステップＳ１０７に進み、第１開閉弁１０３が閉止されている場合（ステップＳ１０３でＮｏ）には、第１開閉弁１０３を開放させて（ステップＳ１０４）、ステップＳ１０７に進む。
【００７０】
一方、所定の出力よりも小さい場合（ステップＳ１０２でＮｏ）にも、制御装置１１０は、第１開閉弁１０３が開放状態であるか否かを判断する（ステップＳ１０５）。第１開閉弁１０３が開放されている場合（ステップＳ１０５でＹｅｓ）には、第１開閉弁１０３を閉止させて（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０７に進み、第１開閉弁１０３が閉止されている場合（ステップＳ１０５でＮｏ）には、そのままステップＳ１０７に進む。
【００７１】
ステップＳ１０７では、制御装置１１０は、燃料ガス供給装置１０２及び酸化剤ガス供給装置１０４に作動指令を出力する。これにより、燃料ガス供給装置１０２から燃料ガスが燃料電池スタック１０１に供給され、酸化剤ガス供給装置１０４から酸化剤ガスが燃料電池スタック１０１に供給される。
【００７２】
次に、制御装置１１０は、出力制御装置１０８に作動指令を出力する（ステップＳ１０８）。これにより、出力制御装置１０８は、燃料電池スタック１０１で発生した電力を交流電流に変換して、外部負荷に供給する。
【００７３】
そして、制御装置１１０は、出力制御装置１０８から外部負荷に出力する電力を変動させるか否かを監視し（ステップＳ１０９）、出力を変動する場合（ステップＳ１０９でＹｅｓ）には、ステップＳ１０２に戻り、ステップＳ１０２からステップＳ１０８までの一連の処理を行う。
【００７４】
このように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、高出力運転をする際には、第１開閉弁１０３を開放して、燃料ガス供給サブ経路２０２にも燃料ガスを通流させて、燃料ガス供給サブマニホールド１３２を介して、燃料ガス下流サブ流路８１に燃料ガスを供給する。これにより、アノード電極４Ａの上流領域で燃料ガスが消費されて、燃料ガス流路８の第１下流流路８Ｂを通流する燃料ガスの濃度が小さくなっても、アノード電極４Ａの下流領域には、燃料ガス下流サブ流路８１から燃料ガスが供給されるため、アノード電極４Ａの上流領域と下流領域の間の燃料ガスの濃度差を低減することができる。特に、低出力運転から高出力運転に変更する際には、アノード電極４Ａの上流領域で電気化学反応が集中するが、反応の集中を低減することができ、安定したスタック性能を確保することができる。このため、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０１の電池性能を向上させることができ、安定した電力を確保することができる。
【００７５】
なお、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）では、燃料ガス流路８を第１反応ガス流路とし、酸化剤ガス流路を第２反応ガス流路として、構成したが、これに限定されず、酸化剤ガス流路９を第１反応ガス流路とし、燃料ガス流路８を第２反応ガス流路として構成しても同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の高出力運転時に、第１開閉弁１０３の弁体の開度を調整して、燃料ガス流路８と燃料ガス下流サブ流路８１の圧力損失が同じになるように制御してもよい。
【００７６】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）は第１セパレータの一方の主面に、第１反応ガス流路と並走するように形成された溝状の第１反応ガス上流サブ流路が設けられ、第１反応ガス上流サブ流路の下流端が、１以上の第１反応ガス流路のうち、少なくとも最も第１反応ガス上流サブ流路に近設されている第１反応ガス流路に接続されている態様を例示するものである。
【００７７】
図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）の第１セパレータ（アノードセパレータ）の概略構成を示す模式図である。
【００７８】
図７に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス上流サブ流路８２が設けられている点が異なる。具体的には、燃料ガス上流サブ流路８２は、その上流端が燃料ガス供給マニホールド孔３１に接続され、その下流端は、燃料ガス流路８の途中（正確には、燃料ガス流路８の第１の部分４１近傍）に接続されている。
【００７９】
また、燃料ガス上流サブ流路８２は、燃料ガス流路８（第１上流流路８Ａ）と互いに並走するように形成されている。なお、本実施の形態２においては、燃料ガス流路８が１本の溝で構成されているが、複数本の溝で構成されている場合、燃料ガス上流サブ流路８２は、複数の燃料ガス流路８のうち、少なくとも燃料ガス上流サブ流路８２に近接されている燃料ガス流路８と接続されているのが好ましい。この場合、燃料ガス上流サブ流路８２は、最も近接されている燃料ガス流路８以外の燃料ガス流路８と連通されていてもよい。ここで、近設されている燃料ガス流路８とは、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、燃料ガス上流サブ流路８２に最も近い位置に設けられている燃料ガス流路８をいう。
【００８０】
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）と同様の作用効果を奏する。
【００８１】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）は、第１反応ガス上流サブ流路の下流端が、第１反応ガス下流サブ流路に接続されている態様を例示するものである。
【００８２】
図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）の第１セパレータ（アノードセパレータ）の概略構成を示す模式図である。
【００８３】
図８に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）は、実施の形態２に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス上流サブ流路８２の下流端が燃料ガス下流サブ流路８１に接続されている点が異なる。なお、本実施の形態３においては、燃料ガス下流サブ流路８１が１本の溝で構成されているが、複数の燃料ガス下流サブ流路８１が設けられている形態である場合、燃料ガス上流サブ流路８２の下流端は、複数の燃料ガス下流サブ流路８１のうち、最も燃料ガス上流サブ流路８２に近接されている燃料ガス下流サブ流路８１と接続されていることが好ましい。また、この場合、燃料ガス上流サブ流路８２は、燃料ガス上流サブ流路８２が接続された燃料ガス下流サブ流路８１以外の燃料ガス下流サブ流路８１と連通するように構成されていてもよい。
【００８４】
このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）においても、実施の形態２に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）では、燃料ガス上流サブ流路８２が燃料ガス下流サブ流路８１と連通するように形成されているため、燃料ガス流路８と燃料ガス下流サブ流路８１（燃料ガス上流サブ流路８２）の圧力損失が同じにすることができ、アノード電極４Ａの面方向における燃料ガスの供給のばらつきを低減することができる。
【００８５】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）は、第１反応ガス下流サブ流路の断面積が、第１下流流路の断面積よりも小さい態様を例示するものである。ここで、流路の断面積とは、反応ガスの通流方向に垂直な方向の断面積をいう。
【００８６】
図９は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）の第１セパレータ（アノードセパレータ）の概略構成を示す模式図である。
【００８７】
図９に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス下流サブ流路８１の断面積が、燃料ガス流路８の第１下流流路８Ｂの断面積よりも小さくなるように構成されている点が異なる。
【００８８】
具体的には、燃料ガス下流サブ流路８１は、その流路幅が、第１下流流路８Ｂの流路幅よりも小さくなるように構成されている。これにより、燃料ガス流路８と燃料ガス下流サブ流路８１の圧力損失が同じにすることができ、アノード電極４Ａの面方向における燃料ガスの供給のばらつきを低減することができる。また、燃料ガス下流サブ流路８１の断面積が小さいため、燃料ガス下流サブ流路８１を通流する燃料ガスの流速を早くすることができ、アノード電極４Ａへの燃料ガスの拡散を大きくすることができる。さらに、燃料ガス下流サブ流路８１の流路幅が小さいため、アノードセパレータ６Ａの内面とアノード電極４Ａとの接触面積を大きくすることができ、高分子電解質膜１の含水率を高くすることができる。
【００８９】
このように構成された本実施の形態４に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）と同様の作用効果を奏する。
【００９０】
［変形例１］
次に、本実施の形態４に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）の変形例１について、図１０を参照しながら説明する。
【００９１】
図１０は、実施の形態４における変形例１の燃料電池システム（燃料電池スタック）のセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【００９２】
図１０に示すように、本変形例１の燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）では、燃料ガス下流サブ流路８１を構成する溝の深さが、第１下流流路８Ｂを構成する溝の深さよりも小さくなるように形成されている。このように構成された本変形例１の燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）であっても、燃料ガス流路８と燃料ガス下流サブ流路８１の圧力損失が同じにすることができ、アノード電極４Ａの面方向における燃料ガスの供給のばらつきを低減することができる。また、燃料ガス下流サブ流路８１の断面積が小さいため、燃料ガス下流サブ流路８１を通流する燃料ガスの流速を早くすることができ、アノード電極４Ａへの燃料ガスの拡散を大きくすることができる。
【００９３】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムは、第１反応ガス供給サブ経路に、該第１反応ガス供給サブ経路内の圧力を調整する第１圧力調整器が設けられている態様を例示するものである。
【００９４】
図１１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。
【００９５】
図１１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１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、燃料ガス供給サブ経路２０２に第１圧力調整器１０６が設けられている点が異なる。上記実施の形態２及び３の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０１の燃料ガス下流サブ流路８１の構成を変更することにより、燃料ガス流路８と燃料ガス下流サブ流路８１の圧力損失が同じになるようにしたが、本実施の形態４においては、燃料ガス供給サブ経路２０２内の圧力を第１圧力調整器１０６で調整することにより、燃料ガス流路８と燃料ガス下流サブ流路８１の圧力損失が同じになるようにするものである。
【００９６】
第１圧力調整器１０６としては、燃料ガス供給サブ経路２０２内の圧力を調整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、オリフィス板が挙げられる。また、第１圧力調整器１０６は、燃料ガス供給サブ経路２０２を通流する燃料ガスを押し出す（圧力をかける）ことができるポンプであってもよい。さらに、第１圧力調整器１０６は、燃料ガス供給サブ経路２０２を構成する配管の断面積を、燃料ガス供給経路２０１を構成する配管の断面積よりも小さくすることで代用してもよい。
【００９７】
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１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
【００９８】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムは、第２反応ガス供給経路から分岐された第２反応ガス供給サブ経路と、該第２反応ガス供給サブ経路に設けられた第２開閉弁と、を備える態様を例示するものである。
【００９９】
［燃料電池システムの構成］
図１２は、本発明の実施の形態６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。
【０１００】
図１２に示すように、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス供給サブ経路（第２反応ガス供給サブ経路）２０５と第２開閉弁１０５が設けられている点が異なる。具体的には、酸化剤ガス供給サブ経路２０５の上流端は、酸化剤ガス供給経路２０４の途中に接続されていて、その下流端は、酸化剤ガス供給サブマニホールド１３５（図１３参照）に接続されている。酸化剤ガス供給サブ経路２０５の途中には、第２開閉弁１０５が設けられている。
【０１０１】
第２開閉弁１０５としては、その開閉動作により酸化剤ガス供給サブ経路２０５における酸化剤ガスの通流を許可／阻止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、電磁弁等の開閉弁を用いてもよく、また、酸化剤ガスの流量を調整することができる流量調整弁を用いてもよい。
【０１０２】
［燃料電池スタックの構成］
次に、本発明の実施の形態６に係る燃料電池スタックの構成について、図１３を参照しながら説明する。
【０１０３】
図１３は、図１２に示す燃料電池システム１００の燃料電池スタック１０１の概略構成を示す模式図である。
【０１０４】
図１３に示すように、本発明の実施の形態６に係る燃料電池スタック１０１は、高分子電解質形燃料電池５０の積層方向に貫通するように、酸化剤ガス供給サブマニホールド１３５が設けられている。なお、酸化剤ガス供給サブマニホールド１３５の配置については、後述する酸化剤ガス供給サブマニホールド孔３５の配置と同じであるので、ここでは、説明を省略する。
【０１０５】
［セパレータの構成］
図１４は、図１３に示す燃料電池スタック１０１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。なお、図１４においては、カソードセパレータ６Ｂにおける上下方向を図における上下方向として表している。
【０１０６】
図１４に示すように、カソードセパレータ６Ｂには、酸化剤ガス供給サブマニホールド孔３５が設けられている。具体的には、本実施の形態５では、酸化剤ガス供給サブマニホールド孔３５は、酸化剤ガス供給マニホールド孔３４と燃料ガス排出マニホールド孔３３の間に設けられている。
【０１０７】
また、酸化剤ガス流路９は、第２の部分５１を有していて、酸化剤ガス流路９の上流端から第２の部分５１までの部分が、第２上流流路９Ａを構成し、第２の部分５１から酸化剤ガス流路９の下流端までが、第２下流流路９Ｂを構成する。ここで、第２の部分５１は、式：Ｌ３≦｛（２／３）×Ｌ４｝を満たす部分である。なお、上記式中、Ｌ３は、酸化剤ガス流路９の第２上流流路９Ａの流路長を示し、Ｌ４は、酸化剤ガス流路９の全流路長を示す。また、第２の部分５１は、式：Ｌ３≦｛（１／２）×Ｌ４｝を満たす部分であることがより好ましい。
【０１０８】
また、酸化剤ガス流路９は、本実施の形態６では、サーペンタイン状に形成されている。なお、本実施の形態６においては、酸化剤ガス流路９を構成する溝を１本としたが、これに限定されず、複数の酸化剤ガス流路９が互いに並走するように設けてもよい。ここで、並走するとは、複数の酸化剤ガス流路が、互いに並んで設けられていることをいう。すなわち、複数の酸化剤ガス流路のうち１の酸化剤ガス流路を特定し、該特定した酸化剤ガス流路に沿って、他の酸化剤ガス流路が設けられていることをいう。換言すると、複数の酸化剤ガス流路が、その上流端から下流端に向かって、全体として、それぞれの流路を通流する酸化剤ガスの流れる方向が一致するように、複数の酸化剤ガス流路が設けられていることをいう。従って、複数の酸化剤ガス流路が、その上流端から下流端まで完全に並んで設けられている必要がなく、複数の酸化剤ガス流路が、互いに並んで設けられていない部分を有していてもよい。
【０１０９】
そして、カソードセパレータ６Ｂの内面には、その上流端が酸化剤ガス供給サブマニホールド孔３５に接続され、その下流端が酸化剤ガス排出マニホールド孔３６に接続され、屈曲するように形成された１以上の溝状の酸化剤ガス下流サブ流路（第２反応ガス下流サブ流路）９１が配設されている。酸化剤ガス下流サブ流路９１は、酸化剤ガス流路９の第２下流流路９Ｂと互いに並走するように形成されている。ここで、互いに並走するとは、１以上の酸化剤ガス流路９の第２下流流路９Ｂと１以上の酸化剤ガス下流サブ流路９１とが、互いに並んで設けられていることをいう。すなわち、１以上の第２下流流路９Ｂと１以上の酸化剤ガス下流サブ流路９１のうち、１の流路を特定し、該特定した流路に沿って、他の流路が設けられていることをいう。換言すると、１以上の第２下流流路９Ｂと１以上の酸化剤ガス下流サブ流路９１が、上流から下流に向かって、全体として、それぞれの流路を通流する酸化剤ガスの流れる方向が一致するように、設けられていることをいう。従って、１以上の第２下流流路９Ｂと１以上の酸化剤ガス下流サブ流路９１が、完全に並んで設けられている必要がなく、互いに並んで設けられていない部分を有していてもよい。また、第２下流流路９Ｂと酸化剤ガス下流サブ流路９１が、その途中で互いに連通するように形成されていてもよい。
【０１１０】
これにより、高分子電解質形燃料電池５０の厚み方向から見て、カソード電極４Ｂの酸化剤ガス流路９の第２上流流路９Ａに対向する領域（以下、カソード電極４Ｂの上流領域）で酸化剤ガスが消費されて、第２下流流路９Ｂを通流する酸化剤ガスの濃度が小さくなっても、カソード電極４Ｂの第２下流流路９Ｂに対向する領域（以下、カソード電極４Ｂの下流領域）には、別途、酸化剤ガス下流サブ流路９１から燃料ガスが供給されるため、カソード電極４Ｂの上流領域と下流領域の間の酸化剤ガスの濃度差を低減することができる。このため、本実施の形態６に係る燃料電池スタック１０１では、電池性能を向上させることができ、安定した電力を確保することができる。
【０１１１】
［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態６に係る燃料電池システム１００の動作について、図１２及び図１５を参照しながら説明する。
【０１１２】
図１５は、図１２に示す燃料電池システム１００の運転処理を模式的に示すフローチャートである。
【０１１３】
図１５に示すように、本実施の形態６に係る燃料電池システム１００の運転処理は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転処理と基本的処理は同じであるが、制御装置１１０が、第１開閉弁１０３だけでなく第２開閉弁１０５の開閉動作を行う点が異なる。具体的には、制御装置１１０は、実施の形態１と同様に、ステップＳ１０１及びステップＳ１０２を進む。そして、制御装置１１０は、ステップＳ１０３で第１開閉弁１０３及び第２開閉弁１０５が開放状態であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。第１開閉弁１０３及び第２開閉弁１０５が開放されている場合（ステップＳ１０３でＹｅｓ）には、そのままステップＳ１０７に進み、第１開閉弁１０３及び第２開閉弁１０５が閉止されている場合（ステップＳ１０３でＮｏ）には、第１開閉弁１０３及び第２開閉弁１０５を開放させて（ステップＳ１０４）、ステップＳ１０７に進む。
【０１１４】
一方、所定の出力よりも小さい場合（ステップＳ１０２でＮｏ）にも、制御装置１１０は、第１開閉弁１０３及び第２開閉弁１０５が開放状態であるか否かを判断する（ステップＳ１０５）。第１開閉弁１０３及び第２開閉弁１０５が開放されている場合（ステップＳ１０５でＹｅｓ）には、第１開閉弁１０３及び第２開閉弁１０５を閉止させて（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０７に進み、第１開閉弁１０３及び第２開閉弁１０５が閉止されている場合（ステップＳ１０５でＮｏ）には、そのままステップＳ１０７に進む。
【０１１５】
そして、ステップＳ１０７以降の各処理は、実施の形態１と同様に行われる。
【０１１６】
このように、本実施の形態６に係る燃料電池システム１００では、高出力運転をする際には、第１開閉弁１０３だけでなく第２開閉弁１０５も開放する。このため、アノード電極４Ａの上流領域と下流領域の間の燃料ガスの濃度差を低減することができるだけでなく、カソード電極４Ｂの上流領域と下流領域の間の酸化剤ガスの濃度差を低減することができる。したがって、本実施の形態６に係る燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０１の電池性能をより向上させることができ、より安定した電力を確保することができる。
【０１１７】
（実施の形態７）
本発明の実施の形態７に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）は第２セパレータの一方の主面に、第２反応ガス流路と並走するように形成された溝状の第２反応ガス上流サブ流路が設けられ、第２反応ガス上流サブ流路の下流端が、１以上の第２反応ガス流路のうち、少なくとも最も第２反応ガス上流サブ流路に近設されている第２反応ガス流路に接続されている態様を例示するものである。
【０１１８】
図１６は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）の第２セパレータ（カソードセパレータ）の概略構成を示す模式図である。
【０１１９】
図１６に示すように、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）は、実施の形態６に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス上流サブ流路９２が設けられている点が異なる。具体的には、酸化剤ガス上流サブ流路９２は、その上流端が酸化剤ガス供給マニホールド孔３４に接続され、その下流端は酸化剤ガス流路９の途中（正確には、酸化剤ガス流路９の第２の部分５１近傍）に接続されている。
【０１２０】
また、酸化剤ガス上流サブ流路９２は、第２下流流路９Ｂ（第２上流流路９Ａ）と互いに並走するように形成されている。なお、本実施の形態７においては、酸化剤ガス流路９が１本の溝で構成されているが、複数本の溝で構成されている場合、酸化剤ガス上流サブ流路９２は、複数の酸化剤ガス流路９のうち、少なくとも酸化剤ガス上流サブ流路９２に近接されている酸化剤ガス流路９と接続されているのが好ましい。この場合、酸化剤ガス上流サブ流路９２、最も近接されている酸化剤ガス流路９以外の酸化剤ガス流路９と連通されていてもよい。ここで、近設されている酸化剤ガス流路９とは、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、酸化剤ガス上流サブ流路９２に最も近い位置に設けられている酸化剤ガス流路９をいう。
【０１２１】
このように構成された本実施の形態７に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）であっても、実施の形態６に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）と同様の作用効果を奏する。
【０１２２】
（実施の形態８）
本発明の実施の形態８に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）は、第２反応ガス上流サブ流路の下流端が、第２反応ガス下流サブ流路に接続されている態様を例示するものである。
【０１２３】
図１７は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）の第２セパレータ（カソードセパレータ）の概略構成を示す模式図である。
【０１２４】
図１７に示すように、本発明の実施の形態８に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）は、実施の形態７に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス上流サブ流路９２の下流端が酸化剤ガス下流サブ流路９１に接続されている点が異なる。なお、本実施の形態８においては、酸化剤ガス下流サブ流路９１が１本の溝で構成されているが、複数の酸化剤ガス下流サブ流路９１が設けられている形態である場合、酸化剤ガス上流サブ流路９２の下流端は、複数の酸化剤ガス下流サブ流路９１のうち、最も酸化剤ガス上流サブ流路９２に近接されている酸化剤ガス下流サブ流路９１と接続されていることが好ましい。また、この場合、酸化剤ガス上流サブ流路９２は、酸化剤ガス上流サブ流路９２が接続された酸化剤ガス下流サブ流路９１以外の酸化剤ガス下流サブ流路９１と連通するように構成されていてもよい。
【０１２５】
このように構成された本実施の形態８に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）においても、実施の形態７に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態８に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）では、酸化剤ガス上流サブ流路９２が酸化剤ガス下流サブ流路９１と連通するように形成されているため、酸化剤ガス流路９と酸化剤ガス下流サブ流路９１（酸化剤ガス上流サブ流路９２）の圧力損失が同じにすることができ、カソード電極４Ｂの面方向における酸化剤ガスの供給のばらつきを低減することができる。
【０１２６】
（実施の形態９）
本発明の実施の形態９に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）は、第２反応ガス下流サブ流路の断面積が、第２下流流路の断面積よりも小さい態様を例示するものである。ここで、流路の断面積とは、反応ガスの通流方向に垂直な方向の断面積をいう。
【０１２７】
図１８は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池システム（燃料電池スタック）の第２セパレータ（カソードセパレータ）の概略構成を示す模式図である。
【０１２８】
図１８に示すように、本発明の実施の形態９に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）は、実施の形態６に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス下流サブ流路９１の断面積が、酸化剤ガス流路９の第２下流流路９Ｂの断面積よりも小さくなるように構成されている点が異なる。
【０１２９】
具体的には、酸化剤ガス下流サブ流路９１は、その流路幅が、第２下流流路９Ｂの流路幅よりも小さくなるように構成されている。これにより、酸化剤ガス流路９と酸化剤ガス下流サブ流路９１の圧力損失が同じにすることができ、カソード電極４Ｂの面方向における酸化剤ガスの供給のばらつきを低減することができる。また、酸化剤ガス下流サブ流路９１の断面積が小さいため、酸化剤ガス下流サブ流路９１を通流する酸化剤ガスの流速を早くすることができ、カソード電極４Ｂへの酸化剤ガスの拡散を大きくすることができる。さらに、酸化剤ガス下流サブ流路９１の流路幅が小さいため、カソードセパレータ６Ｂの内面とカソード電極４Ｂとの接触面積を大きくすることができ、高分子電解質膜１の含水率を高くすることができる。
【０１３０】
このように構成された本実施の形態９に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）であっても、実施の形態６に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）と同様の作用効果を奏する。
【０１３１】
［変形例１］
次に、本実施の形態９に係る燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）の変形例１について、図１９を参照しながら説明する。
【０１３２】
図１９は、本実施の形態９における変形例１の燃料電池システム（燃料電池スタック）のセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【０１３３】
図１９に示すように、本変形例１の燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）では、酸化剤ガス下流サブ流路９１を構成する溝の深さが、第２下流流路９Ｂを構成する溝の深さよりも小さくなるように形成されている。このように構成された本変形例１の燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）であっても、酸化剤ガス流路９と酸化剤ガス下流サブ流路９１の圧力損失が同じにすることができ、カソード電極４Ｂの面方向における酸化剤ガスの供給のばらつきを低減することができる。また、酸化剤ガス下流サブ流路９１の断面積が小さいため、酸化剤ガス下流サブ流路９１を通流する酸化剤ガスの流速を早くすることができ、カソード電極４Ｂへの酸化剤ガスの拡散を大きくすることができる。
【０１３４】
（実施の形態１０）
本発明の実施の形態１０に係る燃料電池システムは、第２反応ガス供給サブ経路に、該第２反応ガス供給サブ経路内の圧力を調整する第２圧力調整器が設けられている態様を例示するものである。
【０１３５】
図２０は、本発明の実施の形態１０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。
【０１３６】
図２０に示すように、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池システム１００は、実施の形態６に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス供給サブ経路２０５に第２圧力調整器１０７が設けられている点が異なる。上記実施の形態５及び６の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０１の酸化剤ガス下流サブ流路９１の構成を変更することにより、酸化剤ガス流路９と酸化剤ガス下流サブ流路９１の圧力損失が同じになるようにしたが、本実施の形態８においては、酸化剤ガス供給サブ経路２０５内の圧力を第２圧力調整器１０７で調整することにより、酸化剤ガス流路９と酸化剤ガス下流サブ流路９１の圧力損失が同じになるようにするものである。
【０１３７】
第２圧力調整器１０７としては、酸化剤ガス供給サブ経路２０５内の圧力を調整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、オリフィス板が挙げられる。また、第２圧力調整器１０７は、酸化剤ガス供給サブ経路２０５を通流する酸化剤ガスを押し出す（圧力をかける）ことができるポンプであってもよい。さらに、第２圧力調整器１０７は、酸化剤ガス供給サブ経路２０５を構成する配管の断面積を、燃料ガス供給サブ経路２０２を構成する配管の断面積よりも小さくすることで代用してもよい。
【０１３８】
このように構成された本実施の形態１０に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態６に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
【０１３９】
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態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の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】
【０１４０】
本発明の燃料電池スタック、これを備える燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法によれば、電極面内における反応ガスの濃度差を低減することが可能なため、燃料電池の分野で有用である。
【符号の説明】
【０１４１】
１  高分子電解質膜（電解質層）
４Ａ  アノード電極
４Ｂ  カソード電極
６Ａ  アノードセパレータ
６Ｂ  カソードセパレータ
７  ガスケット
８  燃料ガス流路（第１反応ガス流路）
８Ａ  第１上流流路
８Ｂ  第１下流流路
９  酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）
９Ａ  第２上流流路
９Ｂ  第２下流流路
１０  冷却媒体流路
３１  燃料ガス供給マニホールド孔
３２  燃料ガス供給サブマニホールド孔
３３  燃料ガス排出マニホールド孔
３４  酸化剤ガス供給マニホールド孔
３５  酸化剤ガス供給サブマニホールド孔
３６  酸化剤ガス排出マニホールド孔
３７  冷却媒体供給マニホールド孔
３８  冷却媒体排出マニホールド孔
４１  第１の部分
５０  高分子電解質形燃料電池（セル）
５１  第２の部分
６１  端板
６２  端板
７０  セル積層体
８１  燃料ガス下流サブ流路（第１反応ガス下流サブ流路）
８２  燃料ガス上流サブ流路（第１反応ガス上流サブ流路）
９１  酸化剤ガス下流サブ流路
９２  酸化剤ガス上流サブ流路（第２反応ガス上流サブ流路）
１００  燃料電池システム
１０１  燃料電池スタック
１０２  燃料ガス供給装置（第１反応ガス供給装置）
１０３  第１開閉弁
１０４  酸化剤ガス供給装置
１０４  酸化剤ガス供給装置（第２反応ガス供給装置）
１０５  第２開閉弁
１０６  第１圧力調整器
１０７  第２圧力調整器
１０８  出力制御装置
１１０  制御装置
１３１  燃料ガス供給マニホールド
１３２  燃料ガス供給サブマニホールド
１３３  燃料ガス排出マニホールド
１３４  酸化剤ガス供給マニホールド
１３５  酸化剤ガス供給サブマニホールド
１３６  酸化剤ガス排出マニホールド
１３７  冷却媒体供給マニホールド
１３８  冷却媒体排出マニホールド
２０１  燃料ガス供給経路（第１反応ガス供給経路）
２０２  燃料ガス供給サブ経路（第１反応ガス供給サブ経路）
２０３  燃料ガス排出経路
２０４  酸化剤ガス供給経路（第２反応ガス供給経路）
２０５  酸化剤ガス供給サブ経路（第２反応ガス供給サブ経路）
２０６  酸化剤ガス排出経路
３０１  配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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