(57)【要約】 【課題】燃料電池スタックにおいて、燃料ガス供給路を非循環型として燃料電池を定常的に運転する技術を提供する。【解決手段】本発明は、燃料電池を提供する。この燃料電池は、電解質と、電解質の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、電解質の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、燃料ガス消費面において予め設定された各領域に対して、直接的に燃料ガスを供給する経路を有する燃料ガス流路とを備える。燃料電池は、供給された流量のほぼすべての燃料ガスを燃料ガス消費面で消費する作動形態を有する。【選択図】図４
2008218383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質と、
前記電解質の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、
前記電解質の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、
前記燃料ガス消費面において予め設定された各領域に対して、燃料ガスを供給する経路を有する燃料ガス流路と、
を備え、
前記燃料電池は、前記供給された流量のほぼすべての燃料ガスを前記燃料ガス消費面で消費する作動形態を有する燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記燃料ガス流路は、
前記各領域に対して燃料ガスを分配する第１の流路と、
前記分配された燃料ガスを前記各領域に供給する第２の流路と、
前記第２の流路から前記第１の流路への逆流を抑制する逆流抑制部と、
を備える燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記逆流抑制部は、予め設定された運転状態における窒素の拡散速度に基づいて決定された流速以上の流速で前記燃料ガスを供給する燃料電池。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記逆流抑制部は、前記第１の流路と前記第２の流路との間に配置され、予め設定された運転状態における窒素の拡散速度に基づいて決定された流速以上の流速で前記燃料ガスを供給する複数の貫通孔が形成されている燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池であって、
前記第２の流路には、前記複数の貫通孔の少なくとも一部に連通する複数の孔が形成されている燃料電池。
【請求項６】
請求項２ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第１の流路と前記第２の流路とは、いずれも反応ガスを透過する多孔体を有し、
前記第１の流路が有する多孔体の単位長さ当たりの圧力損失は、前記第２の流路が有する多孔体の単位長さ当たりの圧力損失よりも小さい燃料電池。
【請求項７】
請求項２ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第１の流路と前記第２の流路とは、いずれも反応ガスを透過する多孔体を有し、
前記第２の流路が有する多孔体の単位長さ当たりの圧力損失は、前記第１の流路が有する多孔体の単位長さ当たりの圧力損失よりも小さい燃料電池。
【請求項８】
請求項２ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第２の流路は、前記燃料電池の積層方向において、前記電解質に近づくほど撥水性が高い燃料電池。
【請求項９】
請求項２ないし８のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第２の流路は、前記燃料電池の積層方向において、前記電解質から離れるほど親水性が高い燃料電池。
【請求項１０】
請求項２ないし９のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第２の流路は、前記燃料電池の積層方向において、前記電解質から離れるほど密度が高い多孔体で構成されている燃料電池。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記酸化剤ガスは、少なくともその一部に空気を用い、
電解質の一方の面の外側に隣接して設けられ、ガス拡散性を有するアノードと、
前記電解質膜の他方の面の外側に隣接して設けられ、ガス拡散性を有するカソードと、
前記アノードの外側に隣接して設けられ、ガス不透過であると共にシート状であって、シート面に沿って二次元的に分散して配置された複数の貫通孔を有する導電性シート部と、
前記導電性シート部の外側に隣接して設けられ、前記導電性シート部の面に沿った方向に燃料ガスを分散させて供給するための燃料ガス供給流路を形成する導電性多孔体部と、
前記導電性多孔体部の外側に隣接して設けられるセパレータと、を備える燃料電池。
【請求項１２】
燃料電池であって、
電解質と、
前記電解質の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、
前記電解質の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、
前記燃料ガス消費面において予め設定された各領域に対して、前記燃料ガス消費面に対して前記燃料ガス消費面に交差する方向から前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
を備え、
前記燃料電池は、前記供給された流量のほぼすべての燃料ガスを前記燃料ガス消費面で消費する作動形態を有する燃料電池。
【請求項１３】
請求項１２記載の燃料電池であって、
前記燃料ガス流路は、
前記燃料ガス消費面の面から隔離され、前記各領域に燃料ガスを分配する第１の流路と、
前記分配された燃料ガスを前記各領域に供給する第２の流路と、
前記第２の流路から前記第１の流路への逆流を抑制する逆流抑制部と、
を備える燃料電池。
【請求項１４】
請求項１３記載の燃料電池であって、
前記逆流抑制部は、予め設定された運転状態における窒素の拡散速度に基づいて決定された流速以上の流速で前記燃料ガスを供給する燃料電池。
【請求項１５】
燃料電池であって、
電解質と、
前記電解質の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、
前記電解質の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、
前記燃料ガス消費面の各領域に対して、前記各領域における燃料ガスの消費の変動に起因する前記各領域への燃料ガスの供給量の変動を抑制するように前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
を備え、
前記燃料電池は、前記供給された流量のほぼすべての燃料ガスを前記燃料ガス消費面で消費する作動形態を有する燃料電池。
【請求項１６】
請求項１５記載の燃料電池であって、
前記燃料ガス流路は、前記燃料ガスの供給量に応じて、予め設定された圧力損失を発生させる圧力損失部を有する燃料電池。
【請求項１７】
請求項１ないし１６のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池である燃料電池。
【請求項１８】
燃料電池を搭載する車両であって、
請求項１ないし１７のいずれかに記載の燃料電池と、
前記燃料電池からの電力の供給に応じて前記車両を駆動する駆動部と、
を備える車両。
【請求項１９】
固体高分子型燃料電池に使用される膜電極接合体であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、
前記電解質膜の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、
前記燃料ガス消費面において予め設定された各領域に対して、前記燃料ガス消費面に対して前記燃料ガス消費面に交差する方向から予め設定された所定の開口率で前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給板と、
を有する膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池用スタックへの燃料ガスの供給の構造として循環型の燃料ガス供給路が利用されている。燃料ガス供給路が循環型とされているのは、燃料ガス供給路内部に蓄積して燃料ガスの供給を阻害する窒素ガスを燃料電池用スタックの外部に排出するためである。窒素ガスが燃料ガス供給路内部に蓄積するのは、窒素ガスが酸化剤ガス流路から電解質を経て燃料ガス供給路内部に侵入するからである。一方、燃料ガス供給路を非循環型とし、窒素ガスを蓄積するバッファを燃料電池用スタック外にバルブを介して設けるとともに、バルブ閉状態での圧力上昇を伴う燃料ガス供給とバルブの開弁とを繰り返しながら燃料ガスを供給するといった非定常運転方式も提案されている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２４３４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料ガス供給路を非循環型として、燃料電池を定常的に運転することは考えられていなかった。
【０００５】
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、燃料電池スタックにおいて、燃料ガス供給路を非循環型として燃料電池を定常的に運転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】
【０００６】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、第１の態様の燃料電池を提供する。この燃料電池は、
電解質と、
前記電解質の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、
前記電解質の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、
前記燃料ガス消費面において予め設定された各領域に対して、燃料ガスを供給する経路を有する燃料ガス流路と、
を備え、
前記燃料電池は、前記供給された流量のほぼすべての燃料ガスを前記燃料ガス消費面で消費する作動形態を有する。
【０００７】
本発明の燃料電池では、燃料ガス消費面において予め設定された各領域に対して、各領域に燃料ガスが供給されるので、他の領域における水素ガスの消費や窒素ガスの混入を抑制して、燃料ガス消費面の各領域への水素ガスの供給を均一に近づけることができる。
【０００８】
これにより、本発明の燃料電池は、このようにして供給された流量のほぼすべての燃料ガスを燃料ガス消費面の各領域で消費して発電することができるので、燃料ガスの排気系統を不要として、システムを簡素化することができるとともに、燃料ガスの循環に起因するコンプレッサ損失を排除してシステム効率を高めることができる。
【０００９】
ここで、「燃料ガス消費面」とは、燃料ガスを消費する層が燃料ガス流路に露出する面を意味し、「酸化剤ガス消費面」とは、燃料ガスを消費する層が燃料ガス流路に露出する面を意味する。なお、「消費」は、広い意味を有し、反応のための消費とクロスリークの双方を含む。「作動形態を有する」とは、常時、このような作動を行う必要はなく、たとえば整備用に定期的に燃料ガスを排気するような他の作動形態を有する燃料電池を含む意味である。「予め設定された各領域」とは、たとえば各細孔によって燃料ガスが供給される領域を意味する。
【００１０】
上記燃料電池において、
前記燃料ガス流路は、
前記各領域に対して燃料ガスを分配する第１の流路と、
前記分配された燃料ガスを前記各領域に供給する第２の流路と、
前記第２の流路から前記第１の流路への逆流を抑制する逆流抑制部と、
を備えるようにしても良い。
【００１１】
なお、「第１の流路」は、実施例では、たとえば水素極側多孔体流路１４ｈに相当する。「第２の流路」は、実施例では、たとえば水素極側電極層２２に相当する。「逆流抑制部」は、実施例では、たとえば燃料ガス供給板２１ｎに相当する。
【００１２】
上記燃料電池において、
前記逆流抑制部は、予め設定された運転状態における窒素の拡散速度に基づいて決定された流速以上の流速で前記燃料ガスを供給するようにしてもよいし、
あるいは、
前記逆流抑制部は、前記第１の流路と前記第２の流路との間に配置され、予め設定された運転状態における窒素の拡散速度に基づいて決定された流速以上の流速で前記燃料ガスを供給する複数の貫通孔が形成されていてもよい。こうすれば、第２の流路から第１の流路への窒素ガスの拡散流を適切に抑制することができる。
【００１３】
上記燃料電池において、
前記第２の流路には、前記複数の貫通孔の少なくとも一部に連通する複数の孔が形成されていても良い。こうすれば、燃料ガスの供給によって生成水の膜を分断して効果的にフラッディングを抑制することができる。
【００１４】
上記燃料電池において、
前記第１の流路と前記第２の流路とは、いずれも反応ガスを透過する多孔体を有し、
前記第１の流路が有する多孔体の単位長さ当たりの圧力損失は、前記第２の流路が有する多孔体の単位長さ当たりの圧力損失よりも小さくしても良い。こうすれば、逆流抑制部への燃料ガスの圧力を簡易に均一化させることができる。
【００１５】
上記燃料電池において、
前記第１の流路と前記第２の流路とは、いずれも反応ガスを透過する多孔体を有し、
前記第２の流路が有する多孔体の単位長さ当たりの圧力損失は、前記第１の流路が有する多孔体の単位長さ当たりの圧力損失よりも小さくしても良い。こうすれば、第２の流路内での窒素ガスの拡散を促進し、第２の流路から第１の流路への窒素ガスの侵入を抑制することができる。
【００１６】
上記燃料電池において、
前記第２の流路は、前記燃料電池の積層方向において、前記電解質に近づくほど撥水性が高くなるように構成されていても良いし、
あるいは、
前記第２の流路は、前記燃料電池の積層方向において、前記電解質から離れるほど親水性が高くなるように構成されていても良いし、
あるいは、
前記第２の流路は、前記燃料電池の積層方向において、前記電解質から離れるほど密度が高い多孔体で構成されていても良いし、これらの組合せであっても良い。
【００１７】
こうすれば、生成水の排水性を促進して燃料ガス側の電極のフラッディングを効果的に抑制することができる。
【００１８】
上記燃料電池において、
前記酸化剤ガスは、少なくともその一部に空気を用い、
電解質の一方の面の外側に隣接して設けられ、ガス拡散性を有するアノードと、
前記電解質膜の他方の面の外側に隣接して設けられ、ガス拡散性を有するカソードと、
前記アノードの外側に隣接して設けられ、ガス不透過であると共にシート状であって、シート面に沿って二次元的に分散して配置された複数の貫通孔を有する導電性シート部と、
前記導電性シート部の外側に隣接して設けられ、前記導電性シート部の面に沿った方向に燃料ガスを分散させて供給するための燃料ガス供給流路を形成する導電性多孔体部と、
前記導電性多孔体部の外側に隣接して設けられるセパレータと、を備える用にしても良い。
【００１９】
こうすれば、導電性シート部によってカソード側からアノード側へリークしてくるリークガスが導電性多孔体部に流入することを抑制することができ、アノードに燃料ガスを分散して供給することが可能となる。その結果、燃料電池全体として発電効率を向上させることができる。
【００２０】
本発明は、さらに、第２の態様の燃料電池を提供する。この燃料電池は、
電解質と、
前記電解質の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、
前記電解質の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、
前記燃料ガス消費面において予め設定された各領域に対して、前記燃料ガス消費面に対して前記燃料ガス消費面に交差する方向から前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
を備え、
前記燃料電池は、前記供給された流量のほぼすべての燃料ガスを前記燃料ガス消費面で消費する作動形態を有する。
【００２１】
上記燃料電池において、
前記燃料ガス流路は、
前記燃料ガス消費面から隔離され、前記各領域に燃料ガスを分配する第１の流路と、
前記分配された燃料ガスを前記各領域に供給する第２の流路と、
前記第２の流路から前記第１の流路への逆流を抑制する逆流抑制部と、
を備えるようにしても良い。ここで、「隔離」は、広い意味を有し、完全に隔離されている場合のみならず、接触や流体の移動が抑制されている場合も含む。
【００２２】
上記燃料電池において、
前記逆流抑制部は、予め設定された運転状態における窒素の拡散速度に基づいて決定された流速以上の流速で前記燃料ガスを供給するようにしてもよい。
【００２３】
本発明は、さらに、第３の態様の燃料電池を提供する。この燃料電池は、
電解質と、
前記電解質の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、
前記電解質の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、
前記燃料ガス消費面の各領域に対して、前記各領域における燃料ガスの消費の変動に起因する前記各領域への燃料ガスの供給量の変動を抑制するように前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
を備え、
前記燃料電池は、前記供給された流量のほぼすべての燃料ガスを前記燃料ガス消費面で消費する作動形態を有する。
【００２４】
本発明の第３の態様の燃料電池では、燃料ガス消費面の各領域における全圧の変動による燃料ガスの供給量の変動を抑制するように燃料ガスが供給されるので、たとえば窒素ガスその他の燃料ガス以外のガスの滞留が発生しても、燃料ガス消費面の各領域に安定して燃料ガスを供給することができる。これにより、本発明の燃料電池は、このようにして供給された流量のほぼすべての燃料ガスを燃料ガス消費面の各領域で消費して発電することができるので、燃料ガスの排気系統を不要として、システムを簡素化することができるとともに、燃料ガスの循環に起因するコンプレッサ損失を排除してシステム効率を高めることができる。
【００２５】
上記燃料電池において、
前記燃料ガス流路は、前記燃料ガスの供給量に応じて、予め設定された圧力損失を発生させる圧力損失部を有するようにしてもよい。
【００２６】
上記燃料電池において、
前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池でもよい。
【００２７】
本発明は、燃料電池を搭載する車両を提供する。この車両は、
上記記載の燃料電池と、
前記燃料電池からの電力の供給に応じて前記車両を駆動する駆動部と、
を備える。
【００２８】
本発明は、固体高分子型燃料電池に使用される膜電極接合体を提供する。この膜電極接合体は、
電解質膜と、
前記電解質膜の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、
前記電解質膜の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、
前記燃料ガス消費面において予め設定された各領域に対して、前記燃料ガス消費面に対して前記燃料ガス消費面に交差する方向から予め設定された所定の開口率で前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給板と、
を有する。ここで、「開口率」とは、開口部分の面積の和を燃料ガス供給板の全面積で除した値を意味する。
【００２９】
本願発明の燃料電池は、さらに、アノード極（水素極）の不純物（たとえば窒素）の分圧が、カソード極（空気極）の不純物（たとえば窒素）の分圧とつりあった状態で継続的に発電する運転状態を実現するものとして把握することもできる。ここで、「つりあった状態」とは、たとえば平衡状態を意味し、必ずしも両者の分圧が等しい状態に限られない。
【００３０】
本願発明の燃料電池は、さらに、たとえば図５０や図５１に示されるような構成をも含む。図５０の構成例は、第１の流路と第２の流路と有している。第１の流路は、第２の流路よりも上流側に配置されている。第１の流路および第２の流路は、第１の流路あるいは第２の流路よりも流れの抵抗が高い高抵抗連通部２１００ｘを介して連通している。これらの流路は、発電領域面外（燃料電池セルの外部）から燃料ガス導入口（マニホールド）を経由して燃料ガスを導入する。換言すれば、第２の流路への燃料ガスの供給は、主として高抵抗連通部２１００ｘを介して（たとえば高抵抗連通部２１００ｘのみを介して）第１の流路から導入される。
【００３１】
なお、第１の流路や第２の流路は、後述の実施例のように多孔体を利用しても形成可能であるが、たとえばシール材Ｓ１、Ｓ２の挟持（図５０）やハニカム構造材Ｈ２を使用した流路の形成（図５１）として構成してもよい。
【００３２】
高抵抗連通部２１００ｘは、たとえば図５０や図５１に示されるような複数の導入部２１１０ｘ（貫通孔）が面内方向に分散した板状部材が利用可能である。高抵抗連通部２１００ｘは、以下のうちの少なくとも一つの役割を有している。第１の役割は、「第２の流路のうち燃料ガス導入口に近接する領域への燃料ガス供給を制限する役割」である。第２の役割は、「アノード反応部に沿った第２の流路の面直方向に働くガス圧の面内の不均一を抑制する役割」である。第３の役割は、「第１の流路を面内方向に流れる燃料ガスの向きを面直方向（あるいは面に交差する方向）に変換する役割」である。
【００３３】
本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード反応部で消費する態様を含む燃料電池システムであって
発電セル内にアノードガスを導入する導入口と、
前記導入口から供給されたアノードガスをセル面内方向に導く第１のガス流路と、
前記アノード反応部に沿って延在し、
前記第１のガス流路より流れの抵抗が高く、第１のガス流路から第２のガス流路へのアノードガスの流入を妨げつつも、セル面内方向に分布した複数の連通部を介して、第１のガス流路から第２のガス流路へアノードガスを導く高抵抗部と、
を備える。
【００３４】
本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような構成を含む燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の領域で消費されるアノードガスは、前記高抵抗部のうち一の連通部を通過したガスの比率が、他の連通部を通過したガスの比率より高い、
あるいは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の連通部を通過したアノードガスは、前記アノード反応部のうちの一の領域で消費される比率が、他の領域で消費される比率より高い、
といった構成も可能である。
【００３５】
一方、カソード流路は少なくとも上記高抵抗連通部が有さないことが好ましい。さらにカソード流路は、第２の流路も設けることなく、カソード導入口から供給されたカソードガスをセル面内方向に導く第１のガス流路のみとすることが好ましい。ただし、いわゆるガス拡散層を第２の流路と捉えれば、第１および第２の流路の組み合わせとしても良い。いずれにせよ、上記高抵抗連通部をカソード極からのみ省略することにより、カソードガスの送給機の仕事量の低減およびカソード極での排水性の向上が期待でき、特に、アノード極からの排水性能が低いシステム（燃料ガスの定常的排気の無い）燃料電池システムでは好適である。
【００３６】
なお、本発明は、燃料電池、燃料電池スタック製造方法、燃料電池システム、燃料電池搭載車両、膜電極接合体その他の種々の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池搭載車両の構成：
Ｂ．比較例と実施例における燃料電池システムの構成：
Ｃ．比較例と実施例における燃料電池スタックの構成：
Ｃ−１．比較例の燃料電池スタックの構成：
Ｃ−２．実施例の燃料電池スタックの構成：
Ｄ．実施例の燃料電池スタックの製造：
Ｅ．変形例：
【００３８】
Ａ．本発明の実施例における燃料電池搭載車両の構成：
図１は、本発明の実施例における燃料電池搭載車両１０００の概略構成図である。燃料電池搭載車両１０００は、電源システム２００と、負荷部３００と、制御部２５０とを備えている。電源システム２００は、燃料電池搭載車両１０００の動力源としての電力を供給する。負荷部３００は、供給された電力を燃料電池搭載車両１０００を駆動するための機械的動力に変換する。制御部２５０は、電源システム２００と負荷部３００とを制御する。
【００３９】
電源システム２００は、燃料電池システム２１０ｎと、２次電池２２６（キャパシタとも呼ばれる。）と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６４と、を備えている。負荷部３００は、駆動回路３６０と、モータ３１０と、ギヤ機構３２０と、車輪３４０とを備えている。燃料電池システム２１０ｎには、車両に搭載するために、小型、軽量、および高出力といった特徴が求められる。
【００４０】
制御部２５０は、燃料電池システム２１０ｎと、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６４と、駆動回路３６とに電気的に接続されており、これらの回路の制御を含む各種の制御を実行する。制御部２５０の各種の制御動作は、制御部２５０に内蔵されている図示しないメモリ内に格納されたコンピュータプログラムを、制御部２５０が実行することによって実現される。このメモリとしては、ＲＯＭやハードディスクなどの種々の記録媒体を利用することが可能である。
【００４１】
図２は、比較例の燃料電池システム２１０の構成を示すブロック図である。燃料電池システム２１０は、燃料電池スタック１００と、燃料電池スタック１００に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給系統２３０と、燃料電池スタック１００に燃料ガスとしての水素ガスを循環させる水素ガス循環系統２２０と、水素ガス循環系統２２０に水素ガスを供給する水素ガス供給系統２４０とを備えている。制御部２５０は、空気供給系統２３０、水素ガス供給系統２４０、および水素ガス循環系統２２０を制御する。
【００４２】
燃料電池スタック１００は、後述する燃料電池セルを複数積層したスタック構造を有する固体高分子電解質型の燃料電池である。燃料電池セルの各々は、空気流路２３５と燃料ガス流路２２５とを内部に備える。
【００４３】
空気供給系統２３０は、燃料電池内空気流路３５に加湿された空気を供給するための系統である。空気供給系統２３０は、外気を吸入するブロワ２３１と、吸入された空気を加湿する加湿器２３９と、この加湿された空気を空気流路２３５に供給する加湿空気供給配管２３４と、空気流路２３５から排気するための排気管２３６とを備える。
【００４４】
水素ガス供給系統２４０は、水素ガスを貯蔵する水素タンク２４２と、水素ガス循環系統２２０への水素ガスの供給を制御する水素バルブ２４１とを備える。
【００４５】
水素ガス循環系統２２０は、水素ガス循環系統２２０の内部に水素ガスを循環させるための循環ポンプ２２８と、循環ポンプ２２８から吐出された水素ガスを燃料ガス流路２２５に供給する水素ガス供給配管２２４と、燃料ガス流路２２５から水を含んだ水素ガスを気液分離部２２９に供給する排ガス配管２２６と、水と水素ガスを分離して循環ポンプ２２８に水素ガスを供給する気液分離部２２９と、排水バルブ２２９Ｖとを備える。
【００４６】
このような循環路２２６、２２９、２２８が装備されているのは、従来の技術では、空気流路２３５から後述する電解質層を経て侵入した窒素ガスが燃料ガス流路２２５の内部に蓄積して、燃料電池スタック１００が発電不能となるからである。
【００４７】
図３は、比較例の燃料電池システム２１０において燃料ガス流路２２５の循環を停止したときにおける作動状態を示すグラフＧ１、Ｇ２を示している。グラフＧ１は、燃料ガスの排気停止からの経過時間とセル電圧の関係を示している。グラフＧ２は、燃料ガスの排気停止からの経過時間とガス分圧（燃料ガス流路２２５の内部）の関係を示している。
【００４８】
グラフＧ１から分かるように、セル電圧は、時間の経過とともに徐々に低下する。セル電圧の低下は、グラフＧ２に示されるような燃料ガス流路２２５の内部における水素分圧の低下に起因するものである。このような水素分圧の低下は、前述のように空気流路２３５から侵入してきた窒素ガスの分圧の上昇に伴うものである。このような水素分圧の低下を抑制するため、たとえば特許文献１が提供する技術では、窒素分圧の上昇に打ち勝って水素分圧を維持するように敢えて全圧を上昇させつつ水素ガスを供給するように構成されている。しかし、許容できる全圧には限度があるため、定期的に排気する必要がある。
【００４９】
図４は、本発明の実施例の燃料電池システム２１０ｎの構成を示すブロック図である。燃料電池システム２１０ｎは、循環路２２６、２２９、２２８が省略され、整備用の排ガス配管２２７と、排気バルブ２３０Ｖとを備えている。一方、燃料電池スタック１００が燃料電池スタック１００ｎに変更されている。燃料電池スタック１００ｎは、燃料ガスの排気を停止しても安定的に作動できるように考案された新規な燃料電池スタックである。
【００５０】
Ｃ．比較例と実施例における燃料電池スタックの構成：
新規に考案された燃料電池スタック１００ｎの説明の前に、図５〜図９を用いて従来の燃料電池スタックの一般的構成と、発明者によって明らかにされた窒素滞留のメカニズムと、について説明する。
【００５１】
Ｃ−１．比較例における燃料電池スタックの構成：
図５は、比較例の燃料電池スタック１００の概略構成を示す説明図である。比較例と後述する実施例では、固形高分子形の燃料電池を例にとって説明する。燃料電池スタック１００は、本比較例では、膜電極接合体２０と、水素極側多孔体流路１４ｈと、空気極側多孔体流路１４ａと、セパレータ４０が交互に積層され、その積層体の両端から図示しないターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持されて形成されている。
【００５２】
膜電極接合体２０は、燃料電池の電気化学反応が行われる部位であり、水素極側電極層２２と、電解質膜２３と、空気極側電極層２４とを備えている。電解質膜２３は、固体高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜を有する。水素極側電極層２２及び空気極側電極層２４は、導電性を有する担体上に触媒を担持させることによって形成されている。
【００５３】
水素極側多孔体流路１４ｈおよび空気極側多孔体流路１４ａは、膜電極接合体２０での電気化学反応に供される反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化剤ガス）の流路になるとともに集電機能を有する。多孔体流路１４ｈ、１４ａは、一般的に、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンナノチューブなどによって形成することができる。
【００５４】
膜電極接合体２０及び２つの多孔体流路１４ｈ、１４ａの外周部には、多孔体流路１４ｈ、１４ａによって形成される反応ガスの流路のシール性を確保するためにシール部５０が設けられている。このシール部５０は、ガスケット５２と、枠状シール５４とを備えている。
【００５５】
セパレータ４０は、反応ガスの流路となる多孔体流路１４ｈ、１４ａの壁面を形成するように構成されている。セパレータ４０は、反応ガスが透過しない導電性部材、たとえば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや焼成カーボン、あるいはステンレス鋼といった種々の材料が使用可能である。本実施例では、セパレータ４０は、空気極側多孔体流路１４ａと接触するカソード側セパレータ４１と、水素極側多孔体流路１４ｈと接触するアノード側セパレータ４３と、これらの間に配される中間セパレータ４２とが一体となった３層セパレータとして構成されている。
【００５６】
図６は、図５とともに比較例の燃料電池スタック１００の内部流路を示す説明図である。燃料電池スタック１００の内部流路は、燃料ガス流路２２５（図２）と、空気流路２３５（図２）と、冷却水流路とを備えている。冷却水流路は、冷却水供給マニホールド１１ｗｍと、冷却水供給路１２ｗと、冷却水排出マニホールド１３ｗｍと、を備え、この順序で冷却水が流れるように構成されている。
【００５７】
燃料ガス流路２２５（図２）は、２つの燃料ガス供給マニホールド１１ｈｍＬ、１１ｈｍｒと、燃料ガス供給路１２ｈと、燃料ガス供給孔１３ｈと、水素極側多孔体流路１４ｈと、燃料ガス排出孔１５ｈと、燃料ガス排出路１６ｈ（図５）と、２つの燃料ガス排出マニホールド１７ｈｍＬ、１７ｈｍＲ（図５）と、を備え、この順序で燃料ガスが流れるように構成されている。
【００５８】
空気流路２３５（図２）は、空気供給マニホールド１１ａｍと、空気供給路１２ａと、空気供給孔１３ａと、空気極側多孔体流路１４ａと、空気排出孔１５ａと、空気排出路１６ａ（図５）と、空気排出マニホールド１７ａｍ（図５）と、を備え、この順序で空気が流れるように構成されている。
【００５９】
図７は、比較例の燃料電池スタック１００の内部で燃料ガスの排気停止によって窒素の滞留Ｃｎが発生している様子を示す説明図である。図７から分かるように、窒素の滞留Ｃｎは、水素極側多孔体流路１４ｈの下流域において発生している。
【００６０】
図８は、本願発明者によって推察された燃料ガス流路内部に窒素ガスの滞留が発生するメカニズムを示すフローチャートである。図９は、燃料ガス流路内部に窒素ガスの滞留が発生する様子を示す説明図である。従来の燃料ガス流路では、図９から分かるように、燃料ガスを消費する膜電極接合体２０の反応面（燃料ガス消費面）に沿って燃料ガスが供給されるので、上流から下流に流れるに従って燃料ガス中の水素ガスの分圧が低下するという現象が生じていた。なお、この推察は、本願発明の創作の過程における推察であり、本願発明が、このようなメカニズムの存在を前提とするものではない。
【００６１】
たとえば発電開始時において燃料流路内（水素極側多孔体流路１４ｈ）の水素ガスの分圧は均一であるとの仮定の下で発電が開始されたとすると、この発電によって、膜電極接合体２０が水素を吸引して消費することによって燃料ガスの供給が開始されることになる。ただし、燃料ガスの供給は、膜電極接合体２０の反応面の各領域（領域Ａ〜領域Ｄ）で水素ガスが消費されるので、この消費に応じて下流域に行くほど燃料ガス中の水素分圧が低下することになる。
【００６２】
具体的には、燃料ガスの供給において、領域Ａから領域Ｂに燃料ガスが移動する際には、膜電極接合体２０の領域Ａにおける水素ガスの消費によって（ステップＳ１１００）、領域Ｂに供給される燃料ガス中の水素ガスの分圧が低下する（ステップＳ１２００）。このような水素ガスの分圧の低下は、領域Ｂから領域Ｃへの移動、領域Ｂから領域Ｃへの移動、および領域Ｃから領域Ｄへの移動でも発生することになる。
【００６３】
このように、下流域である領域Ｄにおいては、領域Ａよりも極度に水素分圧が低い燃料ガスが供給されることになる（ステップＳ１３００）。このような極度な水素分圧の低下は、図９の２０分経過後の状態から分かるように、領域Ｄにおける水素消費を抑制し（ステップＳ１４００）、これにより燃料ガスの供給自体（流速自体）の抑制につながることになる（ステップＳ１５００）。このような燃料ガスの供給の抑制は、領域Ｄに対する燃料ガスの停止まで相乗的かつ循環的に継続されることになる（ステップＳ１６００）。
【００６４】
この結果、図９の４０分経過後の状態から分かるように、領域Ｄは、窒素ガスの滞留領域となって、もはや燃料ガスの供給は行われないことになる（ステップＳ１７００）。さらに、このような相乗的な悪循環によって、窒素ガスの滞留領域は、領域Ｄから領域Ｃや領域Ｂといった上流域に拡大することになる。
【００６５】
Ｃ−２．実施例における燃料電池スタックの構成：
図１０は、実施例の燃料電池スタック１００ｎの概略構成を示す説明図である。燃料電池スタック１００ｎは、燃料ガス流路２２５（図２）が新規に創作された燃料ガス流路２２５ｎ（図３）に変更されている点で相違し、空気流路２３５並びに冷却水流路は比較例と同一である。
【００６６】
図１１は、図１０とともに実施例の燃料電池スタック１００の内部流路を示す説明図である。燃料ガス流路２２５ｎは、燃料ガスの排気停止で燃料ガス流路２２５に発生した窒素ガスの滞留を抑制する燃料ガス供給板２１ｎと、水素極側電極層２２の周囲を覆うガスケット１４ｈｇおよびガスケット５２ｎと、を有する点で比較例の燃料ガス流路２２５と相違する。燃料ガス供給板２１ｎには、たとえば２ｃｍピッチで１ｍｍ程の径を有する細孔２１１ｎが多数形成されているとともに、空気供給マニホールド１１ａｍと連通する空気口２１２ｎが３個形成されている。
【００６７】
ガスケット１４ｈｇおよびガスケット５２ｎは、水素極側電極層２２よりも剛性を有し、厚み方向の圧縮力に対して耐変形性を備えた材質であることが好ましい。水素極側電極層２２の周囲を覆うガスケット１４ｈｇは、水素極側電極層２２の周囲にガスケットを含侵させて形成しても良い。
【００６８】
図１２は、実施例の燃料電池スタック１００ｎにおける燃料ガス供給板２１ｎの配置状態を示す説明図である。燃料ガス供給板２１ｎは、水素極側多孔体流路１４ｈと膜電極接合体２０の水素極側電極層２２との間に挟持される。燃料ガス供給板２１ｎは、本実施例では、燃料ガスと酸化剤ガスとの間の漏洩を抑制する一体の金属板として構成されるので、膜電極接合体２０ｎの剛性を高めて熱収縮を抑制するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスと間の差圧に対する耐性を強靱とする利点を有している。
【００６９】
なお、燃料ガス供給板２１ｎは、本実施例のように膜電極接合体２０に貼り付けて膜電極接合体２０ｎの一部として構成しても良いし、あるいは水素極側多孔体流路１４ｈに貼り付けて、その一部として構成しても良く、独立した構成部品として構成しても良い。  また、燃料ガス流路は、必ずしも多孔体でを形成する必要はなく、燃料ガス供給板２１ｎの少なくとも一方に配置され、燃料ガス供給板２１ｎの上流側と下流側の少なくとも一方を形成するスペーサ（図示せず）であってもよい。
【００７０】
図１３は、実施例の燃料電池スタック１００ｎにおいて燃料ガス供給板２１ｎが燃料ガスを供給する様子を示す説明図である。燃料ガス供給孔１３ｈ（図１１）から供給された燃料ガスは、水素極側多孔体流路１４ｈを介して燃料ガス供給板２１ｎの各細孔２１１ｎに分配供給される。各細孔２１１ｎは、水素側電極２２に燃料ガスを供給する。
【００７１】
このように、燃料ガスを各細孔２１１ｎに分配供給するための流路となる水素極側多孔体流路１４ｈが燃料ガス供給板２１ｎによって水素側電極２２から隔離されているので、前述の水素分圧の低下現象（図８、図９）が抑制されることになる。一方、発明者の解析と実験とによって、空気極側多孔体流路１４ａから膜電極接合体２０を透過して水素側電極２２側に発生している窒素ガスは、水素極側多孔体流路１４ｈから空気極側多孔体流路１４ａへも透過するため平衡状態が維持可能であることが確認された。なお、本明細書では、「隔離」は、広い意味を有し、完全に隔離されている場合のみならず、接触や流体の移動が抑制されている場合も含む。
【００７２】
このように、一例として、膜電極接合体２０の近傍に窒素ガスを分散させた状態で安定させることができれば、水素側電極２２側に燃料ガスを持続的に供給し、燃料ガスの排気循環を行うことなく継続的に安定して電力を発生させることができることが発明者の実験によって確認された。
【００７３】
図１４は、水素ガスの供給安定化メカニズムの推定の一例を示すフローチャートである。図１５は、燃料ガス流路内で窒素ガスの滞留が拡散する様子を示す説明図である。この推定例は、何らかの外乱によって窒素の分圧上昇が部分的に発生しても、窒素の分圧上昇が解消するメカニズムを示している。すなわち、ある領域で窒素ガスの分圧上昇が発生したとしても、以下のようなメカニズムによって窒素ガスの分圧上昇が解消されることになる。
【００７４】
具体的には、たとえば図１４に示されるように、ある領域で窒素ガスの分圧上昇が発生したと仮定すると（ステップＳ２１００）、その領域において相対的に水素ガスの分圧が減少するので、その領域の膜電極接合体２０による水素ガスの吸収量が低下することになる（ステップＳ２２００）。これにより、細孔２１１ｎにおける燃料ガスの流速ｖ１と圧力損失（＝Ｐｕ−ｐ１）が低下することになる（ステップＳ２３００）。
【００７５】
このような圧力損失（＝Ｐｕ−ｐ１）の低下は、細孔２１１ｎから水素側電極２２への燃料ガスの供給圧の上昇をもたらすことになる（ステップＳ２４００）。すなわち、細孔２１１ｎからの燃料ガスの供給圧ｐ１は、細孔２１１ｎの上流側の圧力Ｐｕに近づくことになる。これにより、この領域は、全圧の一時的に上昇をもたらし（ステップＳ２５００）、窒素ガスの周囲への拡散を引き起こすことになる（ステップＳ２６００）。この現象は、流速ｖ１の流速の遅い領域から流速ｖ０の流速の遅い領域へのベルヌーイ吸引現象として把握することもできる。
【００７６】
なお、かかる解析は、現時点での推定ではあるが、何らかの物理的現象によって、上記構成が燃料ガス流路の循環を行うことなく、数時間単位での安定かつ定常的な発電を行うことができることが発明者の実験によって実証された。
【００７７】
燃料ガス供給板２１ｎの細孔２１１ｎの径およびピッチは、発明者の解析と実験とによれば、細孔２１１ｎを通過する燃料ガスの流速が窒素ガスの拡散による逆流を十分に抑制できるほどに、所定の運転状態（たとえば定格運転状態）において、細孔２１１ｎにおける十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように設定されることが「好ましい」ことが実験と解析とによって初めて明らかにされた。たとえば、固体高分子型燃料電池では、燃料ガス供給板２１ｎの開口率を１％程度以下とすることで、一例として好ましい流速あるいは圧力損失が発生することが確認された。開口率とは、全細孔２１１ｎの開口面積の和を燃料ガス供給板２１ｎの全面積で除した値である。このような好ましい実施形態では、開口率が循環型の燃料ガス流路の百分の一といったオーダーであるため、循環のための循環ポンプ（コンプレッサ）２２８（図２）の動力損失が過大となって非現実的な値であることが発明者の計算によって確認されている。
【００７８】
図１６は、燃料ガス流路の第１変形例を示す説明図である。第１変形例では、水素極側多孔体流路１４ｈよりも「緻密（高密度）」あるいは「圧損」が大きな緻密多孔体２１ｖ１が燃料ガス供給板２１ｎとして機能している。すなわち、緻密多孔体２１ｖ１は、燃料ガスの分配流路である水素極側多孔体流路１４ｈを水素側電極２２から隔離するとともに、好ましくは、予め設定された圧力損失あるいは燃料ガスの内部流速を実現するように構成されている。
【００７９】
図１７および図１８は、燃料ガス流路の第２変形例を示す説明図である。第２変形例では、燃料ガス供給板２１ｖ２がプレスメタルで形成されている。燃料ガス供給板２１ｖ２は、燃料ガス供給板２１ｖ２の上流側の流路を形成するための突部２１ｖ２ｔと、突部２１ｖ２ｔに形成された細孔２１１ｖ２とを有している。この構成は、燃料ガス供給板２１ｖ２の上流側の流路も一体として形成できるので、実施例の水素極側多孔体流路１４ｈを省略することができるという利点を有している。
【００８０】
図１９は、第２変形例の他の構成例を示す説明図である。この例は、導電性を有する定寸部２１ｖ２ｃで上流側の流路を形成するように構成されている。この構成では、燃料ガス供給板２１ｖ２ａの突部２１ｖ２ｔａが燃料電池スタック１００ｎの積層荷重を受けなくて良いので、燃料ガス供給板２１ｖ２ａの形状の自由度が高いという利点を有している。たとえば突部２１ｖ２ｔａは、燃料ガス供給板２１ｖ２ａの上部から見て菱形の形状を有するように構成してもよい。
【００８１】
図２０は、燃料ガス流路の第３変形例を示す説明図である。第３変形例の流路１４ｈｖ３は、多孔体の内部に形成された導通孔２１０ｖ３と、導通孔２１０ｖ３から外部に形成された細孔２１１ｖ３とによって、燃料ガスを各領域に分配する構成を実現した例である。このように、多孔体に燃料ガスの分配機能を持たせるように構成しても良い。
【００８２】
図２１は、燃料ガス流路の第４変形例を示す説明図である。第４変形例の流路１４ｈｖ４は、多孔体やプレスメタルでなく、細孔２１１ｖ４が形成されたパイプ２１０ｖ４を使用して、細孔２１１ｖ４から燃料ガスを各領域に分配する構成を実現している。このように、多孔体やプレスメタルに限られず、燃料ガスを各領域に分配するように構成されていればよい。
【００８３】
このように、燃料ガス供給板２１ｎを有する燃料ガス流路並びにその変形例は、燃料ガス消費面である水素側電極２２の他の領域を経由することなく、水素側電極２２の各領域に（たとえば直接的に）燃料ガスを供給する経路を有するような構成、あるいは水素側電極２２の面外の離れた方向（好ましくは水素側電極２２から隔離された流路）から水素側電極２２に向かって、電解質２３の反応面（図示しない触媒面）に交差する方向に燃料ガスを供給することが好ましい。ここで、「消費」は、広い意味を有し、反応のための消費とクロスリークの双方を含む。一方、水素側電極２２は、凹部における窒素の滞留が発生しないように、平滑な面（フラットな面）を有することが好ましい。
【００８４】
さらに、上述の各実施例や変形例において、所定の流速や圧力損失を発生させることは必須の構成ではないが、所定の流速や圧力損失を発生させることによって顕著な効果を奏することができることが発明者の実験と解析とによって確認されている。
【００８５】
このような燃料ガスの循環を省略した構成は、燃料電池システムの効率的な高圧運転を実現することができるという出願時の当業者には到底予測不能な効果をも奏する。たとえば図２２に示されるように、燃料電池の起電力は、ネルンストの式に従い、燃料電池システムの燃料ガス流路を高圧化すれば高出力が実現できることが分かっている。ところが、循環型の燃料ガス供給システムは、燃料ガス流路の高圧化が燃料ガスの循環ポンプの負担を増大させ、システム効率化を抑制するという問題を生じさせていた。
【００８６】
なお、図２２において、式Ｆ１は、起電力Ｅ（ＥＭＦ）が水素ガスの活性（水素分圧÷標準圧力）や酸素ガスの活性（水素分圧÷標準圧力）と正の相関を有することを示している。式Ｆ２は、水素ガスの項を取り出した式で、水素分圧の圧力上昇（Ｐ1→Ｐ2）による起電力の上昇を示している。
【００８７】
本実施例は、非循環型の燃料電池を実現して循環ポンプの負担増大を回避してシステムの高圧化を実現することができるので、特に車両への搭載にあたって重要なシステムの小型化や軽量化と高出力化を実現することができるという顕著な利点を有している。特に、小型の燃料電池システムでは、高圧化は、燃料電池システムの効率を低下させることが当業者の技術常識であったため出願時の当業者には到底予測不可能な効果である。
【００８８】
さらに、小型で軽量な固体高分子型の燃料電池は、高分子電解質を使用しているので、燃料ガス側流路のみ高圧化とする差圧運転が容易で、かつ、Ｐａｒｓｏｎｓ  Ｉｎｃ．の２０００年の実験式Ｆ３（図２３）によれば高圧化による高出力化が顕著であることが分かるので、車両搭載用に特に好適である（出典：解説  燃料電池システム（原題：Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｅｘｐｌａｉｎｅｄ  ２ｎｄ  ｅｄ．）、Ｊａｍｅｓ  Ｌａｒｍｉｎｉｅ／Ａｎｄｒｅｗ  Ｄｉｃｋｓ著、２００３年出版）。なお、実験式Ｆ３は、高温型燃料電池と相関の高い理論式である式Ｆ２に相当する実験式である。
【００８９】
加えて、本実施例では、水素側電極２２から水素極側多孔体流路１４ｈへの窒素ガスの拡散流を抑制して、水素極側多孔体流路１４ｈを水素側電極２２から隔離することが望ましい。このような隔離は、窒素ガスの拡散速度が早くなるに従って困難となるが、運転温度が低い固体高分子型燃料電池では、比較的に簡易に隔離を実現することができる。拡散速度は、運転温度の上昇に応じて顕著に高速化するからである。一方、燃料ガスの高圧化は、拡散速度の低下をもたらすので、固体高分子型燃料電池の高圧運転は極めて好適な実施形態となる。
【００９０】
図２４は、定常流に関するフィックの第１法則を表す式Ｆ３を示している。式Ｆ３において、窒素ガスの拡散速度は、窒素ガスの濃度傾斜と拡散係数とに比例する。拡散係数は、温度と正の相関を有し、圧力に負の相関を有することが分かっている。よって、上述の効果が得られることが分かる。
【００９１】
図２５は、実施例の燃料ガス供給板２１ｎの上流側の水素極側多孔体流路１４ｈと下流側の水素側電極２２のガス拡散層の密度の相違を示す説明図である。実施例では、上流側の水素極側多孔体流路１４ｈの材料の方が、下流側の水素側電極２２のガス拡散層の材料よりも緻密度が低く（低密度）あるいは圧力損失が小さくなるように構成されている。このような構成は、水素極側多孔体流路１４ｈの内部を燃料ガスが流れる際の圧力降下を低減させる効果をそうするので、複数の細孔２１１ｎの各々に加えられる燃料ガスの圧力を簡易に均一化させることができるという利点を有している。
【００９２】
一方、図２５の第１変形例では、逆に、下流側の水素側電極２２のガス拡散層の材料の方が、上流側の水素極側多孔体流路１４ｈの材料よりも緻密度が低く（低密度）あるいは圧力損失が小さくなるように構成されている。このような構成は、水素側電極２２ｖ１のガス拡散層から上流側の水素極側多孔体流路１４ｈｖ１への窒素ガスの侵入を抑制することができるという利点を有している。水素極側多孔体流路１４ｈｖ１は、緻密度が高くあるいは圧力損失が大きいので、窒素ガスの拡散の方向が水素極側多孔体流路１４ｈｖ１よりも水素側電極２２ｖ１の内部の面方向に向く傾向が強くなるからである。なお、複数の細孔２１１ｎの各々に加えられる燃料ガスの圧力の均一化は、たとえば複数の細孔２１１ｎの各々の径やピッチを可変とすることによって実現することもできる。
【００９３】
図２６は、第２変形例における水素側電極２２ｖ２のガス拡散層を示す説明図である。第２変形例では、水素側電極２２ｖ２のガス拡散層が２層となっている。この２層のガス拡散層のうち電解質膜２３に隣接する層の材料の方が、他方の層の材料よりも緻密度が低く（低密度）あるいは圧力損失が小さくなるように構成されている。このような構成は、電解質膜２３から排出された生成水を水素極側多孔体流路１４ｈの方向に拡散し、フラッディングによるガス供給の阻害を抑制する効果を有するという利点を有している。
【００９４】
このような生成水の排水は、緻密度が高く（高密度）あるいは圧力損失が大きい多孔体ほど毛管力による水の吸引力が強いという物理的性質を利用したものである。よって、電解質膜２３から離れるほど毛管力が強くなるように構成されていればよく、緻密度等に傾斜を持たせた単層多孔体でも３層以上の多孔体でも良い。
【００９５】
図２７は、第３変形例における水素側電極２２ｖ３のガス拡散層を示す説明図である。第３変形例では、水素側電極２２ｖ２のガス拡散層が３層となっている。この３層のガス拡散層のうち、電解質膜２３に近いほど各層の材料の撥水性が高くなるように構成され、あるいは電解質膜２３に近いほど各層の材料の親水性が低くなるように構成されている。このような構成も、電解質膜２３から排出された生成水を拡散し、フラッディングを抑制する効果を有するという利点を有している。
【００９６】
このような生成水の拡散排水は、第２変形例の緻密度等を親水性あるいは撥水性に置き換えた構成である。よって、電解質膜２３から離れるほど親水性が高く（あるいは撥水性が弱く）なるように構成されていればよく、親水性等に傾斜を持たせた単層多孔体でも３層以上の多孔体でも良い。なお、親水性と撥水性とを組み合わせてもよく、さらに、緻密度等を組み合わせても良い。
【００９７】
図２８は、第４変形例における水素側電極２２ｖ４のガス拡散層を示す説明図である。第４変形例のガス拡散層では、燃料ガス供給板２１ｎの細孔２１１ｎと連通する位置に連通孔２１２ｖ４が形成されている点で上述の各構成と相違する。連通孔２１２ｖ４は、水素側電極２２ｖ４の触媒層（図示せず）の表面に滞留した生成水を分断して、拡散する機能を有している。特に、第４変形例では、連通孔２１２ｖ４は、細孔２１１ｎよりも小さい径を有し、連通孔２１２ｖ４から排出された生成水ｗｄが水素側電極２２ｖ４に吸収されるように構成されているので、生成水による細孔２１１ｎの閉塞を抑制するという効果をも奏する。
【００９８】
図２９は、第５変形例における水素側電極２２ｖ５のガス拡散層を示す説明図である。第５変形例のガス拡散層では、燃料ガス供給板２１ｎの細孔２１１ｎと連通する位置に連通孔２１２ｖ５が形成され、水素側電極２２ｖ５の触媒層の表面に滞留した生成水を分断して拡散する機能を有する点では第４変形例と共通する。ただし、第５変形例では、連通孔２１２ｖ５は、細孔２１１ｎよりも大きい径を有する点で相違する。連通孔２１２ｖ５においては、連通孔２１２ｖ５から排出された生成水ｗｄが燃料ガス供給板２１ｎでブロックされて水素側電極２２ｖ５に吸収されるように構成されているので、第４変形例と同様に生成水による細孔２１１ｎの閉塞を抑制するという効果をも奏する。
【００９９】
ただし、連通孔２１２ｖ４や連通孔２１２ｖ５は、細孔２１１ｎと連通していれば生成水の分断を実現することができるので、細孔２１１ｎと径が相違することは必須の構成ではない。
【０１００】
図３０は、第６変形例における水素側電極２２ｖ６のガス拡散層を示す説明図である。第６変形例では、燃料ガス供給板２１ｎの細孔２１１ｎと連通する位置に連通孔２１２ｖ５が形成されるとともに、連通孔２１２ｖ５が細孔２１１ｎよりも大きい径を有する点で第５変形例と共通する。ただし、第６変形例の燃料ガス供給板２１ｖ６は、細孔２１１ｎと水素側電極２２ｖ６との位置関係を規定する位置決め部材Ｃｇを備えている点で第５変形例と相違する。位置決め部材Ｃｇは、燃料ガス供給板２１ｖ６の細孔２１１ｎと連通孔２１２ｖ５の間の位置関係を規定し、上述の各効果の達成を容易に実現させることができるという利点を有している。
【０１０１】
このような方法によるフラッディング抑制効果は、発電時における燃料ガスの定常的排気を行わないシステムでは特に重要である。発電時に燃料ガスの定常的排気を行わないシステムでは、燃料ガスの排気による水蒸気の排出と、このようにして排出された水蒸気による燃料電池スタック１００の外部での加湿とが、いずれも困難だからである。上述の各構成は、燃料ガスの排気による水蒸気の排出を行わなくても生成水を適切に拡散し、燃料電池スタック１００のにおける燃料ガスの加湿に利用する水のサイクルを円滑として燃料ガスの循環を行わない燃料電池システムの定常運転の実現を可能とする重要な機能を担っているのである。
【０１０２】
図３１〜図３５は、空気極側多孔体流路１４ａの各変形例を示す説明図である。これらの変形例は、燃料ガスの供給系統を非循環とすることに起因する空気流路側の問題を解決する技術として構成されている。この問題は、発明者によって初めて見いだされた新規な課題である。
【０１０３】
具体的には、本願発明者は、燃料ガスを非循環とする構成が燃料ガス流路だけの問題ではなくて、空気流路の設計にも影響を与えることを見出した。たとえば、図５の比較例から分かるように、従来は、燃料ガスの流れと空気の流れを対向流とすることによって、膜電極接合体２０における湿潤状態を均一化する技術が利用可能であった。すなわち、比較例の反応ガス流路では、水素極側電極層２２並びに空気極側電極層２４からの排水によって反応ガスが加湿され、流路の入り口から出口に向かって反応ガスの湿度が高くなるので、一方の極側の入り口の近傍に他方の出口を近づける対向流とすることで湿潤状態を均一化するように構成可能であった。
【０１０４】
しかし、上述の実施例と各変形例では、燃料ガスは、燃料ガスを循環する場合と比較して均一な水素分圧を有する状態で膜電極接合体２０に供給されるので、対向流による上述の効果を得ることができないからである。本願発明者は、このような新規な課題を解決する手段として以下のような構成を新たに創作した。
【０１０５】
図３１は、第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１を示す説明図である。図３２は、第２変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ２を示す説明図である。図３３は、第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１を有する燃料電池スタックの内部流路を示す説明図である。第２変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ２は、溝流路（たとえばパンチングメタル）１４ｃを実施例の空気極側多孔体流路１４ａに装備して、第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１と同様の効果が得られるように構成されたものである。溝流路１４ｃの装備は、空気極側多孔体流路１４ａｖ１への溝の形成と組み合わせて行ってもよい。この溝に親水化処理が施されていてもよい。
【０１０６】
第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１は、空気極側多孔体流路１４ａｖ１が接する空気極側電極層２４と反対側に複数の溝１４ａｇ１が形成されている点で、実施例の空気極側多孔体流路１４ａと相違する。この構成は、複数の溝１４ａｇ１を経由して空気極側多孔体流路１４ａｖ１に空気が供給されるので、上流域と下流域の湿度の傾斜を緩和することができる。これにより、空気供給孔１３ａ（入り口側）の近傍における空気極側多孔体流路１４ａｖ１のドライアウトや空気排出路１６ａ（出口側）の近傍における空気極側多孔体流路１４ａｖ１のフラッディングを抑制することができる。
【０１０７】
さらに、図３２に示された空気極側多孔体流路１４ａｖ１は、空気供給孔１３ａ（入り口側）の近傍において親水化処理が施されているとともに、下方から上方に向かって空気が流れるように流路が設定されている。親水化処理は、水分を留めてドライアウトを抑制する効果を有し、下方から上方に向かった空気の流れは、重力によって下方に水分を留める効果を有している。
【０１０８】
図５の比較例では、対向流を形成するために下方から上方に向かって空気が流れるように流路が設定されているので、燃料ガスの流れる方向が逆向きであったと仮定すると、空気流路も逆に構成されるものである。しかし、各実施例や変形例では、膜電極接合体２０に対して直接的かつ均一的に燃料ガスが供給されるので、膜電極接合体２０に関しては上述の上流や下流といった概念が無く、下方から上方に向かって空気が流れるように空気流路を設定することが好ましい。
【０１０９】
図３４は、第３変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ３を示す説明図である。第３変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ３は、空気排出路１６ａ（出口側）の近傍において空気極側電極層２４に接する側に水分保持溝１４ａｇｖ１を有している点で、第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１と相違する。水分保持溝１４ａｇｖ１は、溝幅を１ｍｍ程度あるいは１ｍｍより大きくすることが好ましいことが発明者の実験によって確認された。
【０１１０】
水分保持溝１４ａｇｖ１は、たとえば空気極側多孔体流路１４ａｖ３を貫通（分断）するものであっても良い。さらに、図３５に示されるように、水分保持溝１４ａｇｖ１自体が分断されていてもよく、幅や長さが位置によって変化するように構成されていても良い。さらに、水分保持溝１４ａｇｖ１が親水化処理が施されていてもよい。
【０１１１】
さらに、上述の実施例と各変形例では、燃料ガスは、ほぼ均一な水素分圧を有する状態で膜電極接合体２０に供給されるので、水分管理の問題だけでなく反応分布並びに反応分布に伴う発熱分布の均一化についても従来とは相違する問題が発生する。
【０１１２】
前述のように燃料ガスの流れと空気の流れとを対向流とすれば、湿潤状態だけでなくネルンストの式（図２２）から分かるように、反応分布の均一化にも効果を奏していた。具体型には、水素分圧の高い燃料ガスの上流域（図９）では、酸素分圧の低い空気流路の下流域が対抗し、一方、水素分圧の低い燃料ガスの下流域では、酸素分圧の高い空気流路の下流域が対抗するので、膜電極接合体２０の各領域における反応を均一化することができたからである。
【０１１３】
図３１に示される第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１は、供給する空気中の酸素分圧の上流域と下流域での差を小さくするような効果をも奏するので、上述の問題を解決することができるという利点をも有する。ただし、各実施例や変形例では、燃料ガスと異なり空気の排出を前提とするので、空気の供給動力と供給される酸素分圧の均一化のトレードオフの問題となる。
【０１１４】
さらに、空気流路における水分管理は、水の逆拡散を介して燃料ガス流路にも影響を有するので、燃料ガス流路への影響をも考慮して空気流路を設計することが好ましい。特に、前述のように発電時における燃料ガスの定常的排気を行わないシステムでは、燃料ガスの加湿が空気流路から拡散された水によって賄われるので、この点が重要である。具体的には、生成水の排水性を促進して酸化剤側の電極のフラッディングを効果的に抑制し、あるいは燃料ガス流路側に比較的に均一な逆拡散を実現することが好ましい。このような効果は、以下のような構成によっても実現することができ、上述の各構成と組み合わせてもよい。
【０１１５】
具体的には、第３変形例（図２７）における水素側電極２２ｖ３の多層構成（２層構成を含む）は、空気極側電極層２４にも適用可能である。前述の第３変形例では、水素側電極２２ｖ２のガス拡散層が３層となっている。この３層のガス拡散層のうち、電解質膜２３に近いほど各層の材料の撥水性が高くなるように構成され、あるいは電解質膜２３に近いほど各層の材料の親水性が低くなるように構成されている。このような構成も、電解質膜２３から排出された生成水を拡散し、フラッディングを抑制する効果を有するという利点を有する点は空気流路についても同様である。
【０１１６】
このような生成水の拡散排水は、電解質膜２３から離れるほど親水性が高く（あるいは撥水性が弱く）なるように構成されていればよく、親水性等に傾斜を持たせた単層多孔体でも３層以上の多孔体でも良い。なお、親水性と撥水性とを組み合わせてもよく、さらに、緻密度等を組み合わせても良い。このような観点から、空気流路の水分管理と燃料ガス流路の水分管理とを協調して管理することによって、好ましい逆拡散を実現して燃料ガス流路の適切な水分管理を実現することができる。
【０１１７】
Ｄ．実施例の燃料電池スタックの製造：
図３６は、第５変形例の燃料ガス供給板２１ｖ５を示す説明図である。上述の実施例や各変形例では、燃料ガス供給板２１ｖ５の追加によって、燃料ガス供給板２１ｖ５の積層という新規の製造プロセスが追加されることになる。第５変形例の燃料ガス供給板２１ｖ５は、燃料ガス供給板２１ｖ５の積層において位置合わせを容易にするために、燃料ガス供給板２１ｖ５の端部を折り曲げたものである。
【０１１８】
図３７は、第６変形例の燃料ガス供給板２１ｖ６を示す説明図である。第６変形例では、水素極側電極層２２が流路内に２本の位置決めピン２２ｒｅｆ１、２２ｒｅｆ２を有し、燃料ガス供給板２１ｖ６が位置決め用の嵌合孔２１ｒｅｆ１、２１ｒｅｆ２を有し、水素極側多孔体流路１４ｈｖ６が位置決め用の嵌合孔１４ｒｅｆ１、１４ｒｅｆ２を有するように構成されている。
【０１１９】
このように、２本の位置決めピン２２ｒｅｆ１、２２ｒｅｆ２を流路内部に配置することは、位置決めピンを流路外に配置するという出願時の技術常識に反するものである。出願時の技術常識において、位置決めピンを流路外に配置するのは、嵌合孔とピントの隙間からガスが漏洩するからである。しかし、本願発明者は、このような技術常識にとらわれることなく、構成を検討した結果、仮に漏洩しても燃料ガス間の漏洩なので大きな問題を生じさせないことに着目した。これにより、流路外部における位置決めピン用のスペースを排除してコンパクト化と軽量化とを達成することができることとなった。
【０１２０】
Ｅ．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。特に、上記各実施例における構成要素中の独立請求項に記載された要素以外の要素は、付加的な要素なので適宜省略可能である。さらに、たとえば以下のような変形例も実施可能である。
【０１２１】
Ｅ−１．本発明は、さらに以下の構成を含むようにしてもよい。
（１）燃料ガス供給板から燃料ガスが供給される各領域は、相互に隔壁で隔離されるように構成してもよい。
（２）水素極側電極層は、燃料ガス供給板の細孔からの面に沿って、細孔から遠ざかる方向に分散しやすい分散構造（たとえば放射状あるいは蜘蛛の巣状の溝や透気度の変化）を有している。
（３）水素極側電極層は、細孔によって燃料ガスが供給される各領域間の燃料ガスの移動を抑制する隔壁を有する。ただし、各細孔と各ブロックは、必ずしも一対一に対応する必要はない。各ブロックの形状は、ハニカム構造を有するように形成されていてもよい。各ブロックのサイズは、各細孔からの単位面積当たりの燃料ガス供給量が均一に近づくように変化させてもよい。水素極側電極層は、たとえば燃料ガスの供給が阻害されやすい水素極側多孔体流路の下流域に近づくほど気孔率が高くなるように構成してもよい。
（４）燃料ガス供給板の上流側と下流側の流路の少なくとも一方は、たとえばエゼクタその他の流体循環デバイスで拡散して窒素の濃縮（たとえば図８、図９の悪循環）を抑制するように構成してもよい。
（５）燃料電池システムは、燃料ガス供給路に対して窒素ガスその他の非反応流体を貯留する貯留部を設けるようにしてもよい。
（６）燃料ガス供給路は、燃料ガス供給板による燃料ガスの供給機能に近似する機能を実現するように、流路の一部の流路抵抗の変化や調整（気孔率や溝の調整、溝幅の調整（変化））あるいは流路の経路・方向の設定といった構成を有するようにしてもよい。具体的には、燃料ガス供給路において、複数の相違する方向（たとえば外縁部から中央部に向けて）に燃料ガスを供給するようにしてもよい。
（７）燃料電池システムは、燃料電池の起動時の出力を予め設定された範囲（禁止を含む）に制限することによって不意の出力低下を抑制する。このような起動時の出力制限は、たとえば水素ガスの消費抑制による窒素ガス濃度の平衡状態への到達促進あるいは水素極側電極層内部の水素ガス分圧の適正化の促進を実現する。
（８）燃料電池システムは、燃料ガス供給マニホルドを複数有する燃料電池に対して燃料ガスを供給するものであってもよく、この場合には、各マニホルドに供給する燃料ガスの流量や圧力をマニホルド毎に独立して調整することによって水素極側電極層への燃料ガスの供給の均一化を図るようにしてもよい。
（９）燃料電池システムは、燃料電池内部あるいは外部において、燃料ガス供給路にバッファタンクを備えるようにしてもよい。このバッファタンクには、バルブを介して燃料ガス供給路に接続されており、始動時にバルブを開けて停止時の滞留した窒素ガス等を貯留させるとともに停止時にバルブを再び開けて貯留した窒素ガス等を排出するように構成してもよい。
（１０）燃料ガス供給板は、水素極側電極層側のほぼ全ての面あるいは細孔に撥水処理を行うようにしてもよい。さらに、燃料ガス供給板の表裏で親水性や撥水性に差を設けるように構成してもよい。親水性や撥水性の付加は、たとえば金メッキや撥水性コーティングで実現可能である。
（１１）燃料ガス供給板は、複数の層を有するようにしてもよい。複数の層を有する構成では、たとえば上流側の層ほど貫通孔が少なく、あるいは下流側の層ほど貫通孔が多くなるように構成してもよい。
【０１２２】
Ｅ−２．上述の各実施例では、固体高分子型燃料電池が例示されているが、これに限られず固体酸化物型燃料電池や溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池といった他の型の燃料電池に適用することができる。ただし、固体高分子型燃料電池に適用した場合には、上述のように顕著な効果を奏することができることが発明者によって突き止められた。
【０１２３】
Ｅ−３．上記実施例では、燃料ガスとして純水素が使用されているが、たとえば不純物を透過する電解質を利用すれば、このような不純物を含む改質ガスを使用するようにしても良い。
【０１２４】
Ｅ−４．本発明の燃料電池は、たとえば以下のような態様で構成することもできる。すなわち、本発明の燃料電池は、酸化ガスとして、少なくともその一部に空気を用いる燃料電池であって、電解質膜の一方の面の外側に隣接して設けられ、ガス拡散性を有するアノードと、前記電解質膜の他方の面の外側に隣接して設けられ、ガス拡散性を有するカソードと、前記アノードの外側に隣接して設けられ、ガス不透過であると共にシート状であって、シート面に沿って二次元的に分散して配置された複数の貫通孔を有する導電性シート部と、前記導電性シート部の外側に隣接して設けられ、前記導電性シート部の面に沿った方向に燃料ガスを分散させて供給するための燃料ガス供給流路を形成する導電性多孔体部と、前記導電性多孔体部の外側に隣接して設けられるセパレータと、を備えることを要旨とする。
【０１２５】
上記構成の燃料電池によれば、導電性シート部によってカソード側からアノード側へリークしてくるリークガスが導電性多孔体部に流入することを抑制することができ、アノードに燃料ガスを分散して供給することが可能となる。その結果、燃料電池全体として発電効率を向上させることができる。
【０１２６】
上記燃料電池において、前記燃料ガス供給流路に供給する前記燃料ガスの供給圧力、または、前記カソードに供給する酸化ガスの供給圧力の少なくともどちらか一方は、前記燃料ガス供給流路を流れる前記燃料ガスの圧力の最小値が、前記アノードにおいて、前記酸化ガスの中から前記カソード側から前記電解質膜を介してリークしてくるリークガスの分圧の最大値より高くなるように、設定されることが好ましい。
【０１２７】
このようにすれば、アノード側にリークしてきた窒素がアノードから導電性シート部の貫通孔を介して導電性多孔体部に流入することをより抑制することができる。
【０１２８】
上記燃料電池において、前記アノードは、
前記導電性シートと隣接し、前記導電性多孔体部より、ガスの流動抵抗が低いガス拡散層を有することが好ましい。
【０１２９】
このようにすれば、アノードにおいて、導電性シート部の貫通孔を介して、供給された燃料ガスがアノード全体に亘って拡散することを促進することができる。
【０１３０】
上記燃料電池において、少なくとも通常発電中に、前記アノードに供給された燃料ガスを外部に排出しないようにしてもよい。また、この場合、前記アノード側は、前記アノードに供給された前記燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造としてもよい。
【０１３１】
上記燃料電池において、前記導電性シート部は、前記導電性多孔体部の一方の面に金属材料をメッキ処理、または、前記導電性多孔体部の一方の面にポリマー型導電性ペーストを含浸処理させると共に、処理面に対して前記複数の貫通孔の孔加工を施すことにより形成されることが好ましい。
【０１３２】
このようにすれば、導電性シートと導電性多孔体部との間の接触抵抗を低減させることができる。
【０１３３】
上記燃料電池において、前記カソードに前記酸化ガスを供給するための酸化ガス供給口と、前記カソードで電気化学反応に供された前記酸化ガスを排出するための酸化ガス排出口と、を備え、前記導電性シート部において、各貫通孔の大きさを、前記酸化ガス供給口、または、前記酸化ガス排出口からの相対距離に応じて変化させ、前記酸化ガス供給口に近い前記貫通孔の方が、前記酸化ガス排出口に近い前記貫通孔より、その口径が小さいことが好ましい。
【０１３４】
このようにすれば、導電性シート部において、アノードのリークガス分圧が高い部分に対応する領域では、貫通孔の口径が小さいので、燃料ガスの流速が強くなり、リークガスが導電性多孔体部に流入することを抑制することができ、一方で、アノードのリークガス分圧が比較的低い部分に対応する領域では、各貫通孔の口径が比較的大きいので、カソードからアノードにリークしてきた生成水を、貫通孔を介して導電性多孔体部に排出することが可能となる。
【０１３５】
上記燃料電池において、前記セパレータは、前記導電性多孔体部の表面に対して略垂直な方向から、前記燃料ガスを前記導電性多孔体部の表面に供給するための燃料ガス供給口を備えるプレートを含む複数の導電性プレートが積層されて成ると共に、内部に冷却媒体流路を備えることが好ましい。
【０１３６】
なお、本発明は、上記した燃料電池などの装置発明の態様に限ることなく、燃料電池の製造方法など他の方法発明としての態様で実現することも可能である。
【０１３７】
以下、本発明に係る燃料電池の実装について、図面を参照しつつ、実装例に基づいて説明する。
Ｅ−４−Ａ．実装例：
Ｅ−４−Ａ１．燃料電池１００ｓの構成：
本発明の実装例に係る燃料電池１００ｓの概略構成について説明する。図３８は、本実装例における燃料電池１００ｓの外観構成を示す説明図である。図３９は、燃料電池１００ｓの側面図である。図３８または図３９に示すように、燃料電池１００ｓは、シール一体発電アセンブリ２００ｓとセパレータ６００ｓとが交互に積層された構造（いわゆるスタック構造）を有している。燃料電池１００ｓは、シール一体発電アセンブリ２００ｓおよびセパレータ６００ｓを所定枚数積層し、それらを積層方向に所定の締結力を負荷するように締結することにより、製造される。なお、図３９では、各シール一体発電アセンブリ２００ｓおよびセパレータ６００ｓとの間に空間が設けられているが、実際には、この空間はなく、それぞれ互いに接している。以下では、シール一体発電アセンブリ２００ｓおよびセパレータ６００ｓを積層する方向を積層方向とも呼ぶ。図３９に示されるシール部材７００ｓ（リブ７２０ｓ）についての詳細は、後述する。
【０１３８】
図３８に示すように、燃料電池１００ｓには、酸化ガスが供給される酸化ガス供給マニホールド１１０ｓと、酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールド１２０ｓと、燃料ガスが供給される燃料ガス供給マニホールド１３０ｓと、冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールド１５０ｓと、冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールド１６０ｓと、が設けられている。なお、本実装例の燃料電池１００ｓは、アノード側に供給された燃料ガスを排出する構造とはなっておらず、すなわち、アノード側に供給された燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造となっている（以下では、アノードデットエンド構造とも呼ぶ）。従って、燃料電池１００ｓは、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールドは設けられていない。また、酸化ガスとしては空気が用いられ、燃料ガスとしては水素が用いられる。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。酸化ガスとして、空気に加えて高濃度の酸素を混合した混合ガスを用いてもよい。
【０１３９】
Ｅ−４−Ａ２．シール一体発電アセンブリ２００ｓ：
図４０は、シール一体発電アセンブリ２００ｓの正面図（図３９において、シール一体発電アセンブリ２００ｓを右側から見た図）である。図４１は、図４０におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。図４１においては、シール一体発電アセンブリ２００ｓと共に、積層された燃料電池を構成する際にシール一体発電アセンブリ２００ｓを挟持する２枚のセパレータ６００ｓを図示している。
【０１４０】
図３９、図４０および図４１に示すように、シール一体発電アセンブリ２００ｓは、積層部材８００ｓと、シール部材７００ｓとで構成される。
【０１４１】
積層部材８００ｓは、図４１に示すように、ＭＥＡ２４ｓと、本発明の特徴部分である導電性シート８６０ｓと、アノード側多孔体８４０ｓと、カソード側多孔体８５０ｓとを備えている。
【０１４２】
ＭＥＡ２４ｓは、電解質膜８１０ｓと、アノード８２０ｓと、カソード８３０ｓとを備えている。電解質膜８１０ｓは、例えばフッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成され湿潤状態において良好なイオン導電性を有するイオン交換膜である。アノード８２０ｓは、電解質膜８１０ｓの一方の面に設けられる触媒層８２０Ａｓと、触媒層８２０Ａｓの外側に設けられるアノード側拡散層８２０Ｂｓとから成る。カソード８３０ｓは、電解質膜８１０ｓの他方の面に設けられる触媒層８３０Ａｓと、触媒層８３０Ａｓの外側に設けられるカソード側拡散層８３０Ｂｓとから成る。触媒層８２０Ａｓおよび触媒層８３０Ａｓは、例えば、触媒（例えば、白金など）を担持した触媒担持担体（例えば、白金担持カーボンなど）と、電解質とから形成される。アノード側拡散層８２０Ｂｓおよびカソード側拡散層８３０Ｂｓは、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成される。ＭＥＡ２４ｓは、矩形状をしている。
【０１４３】
アノード側多孔体８４０ｓおよびカソード側多孔体８５０ｓは、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成され、例えば、エキスパンドメタル、パンチングメタル、メッシュ、および、フェルトなどが用いられる。また、アノード側多孔体８４０ｓおよびカソード側多孔体８５０ｓは、シール一体発電アセンブリ２００ｓとセパレータ６００ｓとを積層して燃料電池１００ｓを構成した際に、それぞれ、後述するセパレータ６００ｓの発電領域ＤＡに接触する。さらに、アノード側多孔体８４０ｓは、後述するように、燃料ガスをアノード８２０ｓに供給するための燃料ガス供給流路として機能し、カソード側多孔体８５０ｓは、後述するように、酸化ガスをカソード８３０ｓに供給するための酸化ガス供給流路として機能する。なお、上述したアノード側拡散層８２０Ｂｓおよびカソード側拡散層８３０Ｂｓは、内部におけるガスの流動抵抗がアノード側多孔体８４０ｓおよびカソード側多孔体８５０ｓよりそれぞれ低いものが用いられる。
【０１４４】
図４２は、本発明の特徴部分である導電性シート８６０ｓの正面図（図４１において、導電性シート８６０ｓを上側から見た図）である。導電性シート８６０ｓは、図４２に示すように、シート状（薄膜状）に形成されてなり、その表面に二次元的に分散して設けられた多数の貫通孔８６５ｓを有している。各貫通孔８６５ｓは、円形で共に口径が等しく（すなわち、同形状であり）、また、導電性シート８６０ｓの表面に、千鳥状に設けられる。この導電性シート８６０ｓは、金で形成されており、アノード側多孔体８４０ｓの一方の面に、熱圧着、ろう付け、溶接などによって接合される。なお、導電性シート８６０ｓにおいて、貫通孔８６５ｓは、格子状に設けられていてもよい。
【０１４５】
シール部材７００ｓは、積層部材８００ｓの面に沿った方向（以下では、面方向とも呼ぶ）の外周に亘って配置されている。シール部材７００ｓは、金型のキャビティに積層部材８００ｓの外周端部を臨ませて、成形材料を射出成形することによって作製され、これによって積層部材８００ｓの外周端に隙間なく気密に一体化されている。シール部材７００ｓは、ガス不透性と弾力性と燃料電池の運転温度域における耐熱性とを有する材料、例えば、ゴムやエラストマーによって形成される。具体的には、シリコン系ゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、フッ素系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、スチレン系エラストマー、フッ素系エラストマーなどが用いられ得る。
【０１４６】
シール部材７００ｓは、図３９〜図４１に示すように、支持部７１０ｓと、支持部７１０ｓの両側に配置され、シールラインを形成するリブ７２０ｓとを備えている。支持部７１０ｓには、図４０に示すように、各マニホールド１２０ｓ〜１５０ｓ（図３８参照）に対応する貫通孔（マニホールド孔）が形成されている。リブ７２０ｓは、シール一体発電アセンブリ２００ｓとセパレータ６００ｓが積層された際に、隣接するセパレータ６００ｓに密着してセパレータ６００ｓとの間をシールし、反応ガスや冷却水の漏洩を防止する。リブ７２０ｓは、図４０に示すように、積層部材８００ｓの全周を囲むシールラインと、個々のマニホールド孔の全周を囲むシールラインとを形成する。
【０１４７】
Ｅ−４−Ａ３．セパレータ６００ｓの構成：
図４３は、セパレータ６００ｓのうちカソードプレート４００ｓの形状を示す説明図である。図４４は、セパレータ６００ｓのうちアノードプレート３００ｓの形状を示す説明図である。図４５は、セパレータ６００ｓのうち中間プレート５００ｓの形状を示す説明図である。図４６は、セパレータ６００ｓの正面図である。次に、図４３〜図４６を参照して、セパレータ６００ｓの構成を説明する。セパレータ６００ｓは、図４３〜図４５に示すカソードプレート４００ｓ、アノードプレート３００ｓ、および、中間プレート５００ｓから構成されている。なお、図４３、図４４、図４５は、各プレート４００ｓ、３００ｓ、５００ｓを、図４６は、セパレータ６００ｓを、それぞれ図３９の右側から見た様子を示している。また、図４６における黒塗りまたは白抜きの矢印についての説明は、後述する。
【０１４８】
図４３〜図４６において、各プレート３００ｓ、４００ｓ、５００ｓおよびセパレータ６００ｓの中央部に破線で示す領域ＤＡは、セパレータ６００ｓがシール一体発電アセンブリ２００ｓと共に積層され燃料電池１００ｓを構成する際に、シール一体発電アセンブリ２００ｓの積層部材８００ｓに含まれるＭＥＡ２４ｓに対向する領域である。ＭＥＡ２４ｓは、実際に発電が行われる領域であるので、この領域ＤＡを以下では、発電領域ＤＡと呼ぶ。発電領域ＤＡは、ＭＥＡ２４ｓが矩形であるため、当然に矩形である。発電領域ＤＡの図４３〜図４６における上方の辺Ｓ１を第１の辺と呼び、同様に、右方の辺Ｓ２を第２の辺、下方の辺Ｓ３を第３の辺、左方の辺Ｓ４を第４の辺と、それぞれ呼ぶ。第１の辺Ｓ１と第３の辺Ｓ３とは、互いに向かい合う辺である。同様に、第２の辺Ｓ２と第４の辺Ｓ４とは、互いに向かい合う辺である。また、第１の辺Ｓ１と第２の辺Ｓ２は、互いに隣接する辺である。同様に、第２の辺Ｓ２と第３の辺Ｓ３、第３の辺Ｓ３と第４の辺Ｓ４、第４の辺Ｓ４と第１の辺Ｓ１は、それぞれ、互いに隣接する辺である。
【０１４９】
カソードプレート４００ｓ（図４３）は、例えば、ステンレス鋼で形成されている。カソードプレート４００ｓは、５個のマニホールド形成部４２２ｓ〜４３２ｓと、酸化ガス供給スリット４４０ｓと、酸化ガス排出スリット４４４ｓと、を備えている。マニホールド形成部４２２ｓ〜４３２ｓは、燃料電池１００ｓを構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。酸化ガス供給スリット４４０ｓは、略長方形の長孔であり、発電領域ＤＡの内側に第１の辺Ｓ１に沿って配置されている。また、酸化ガス供給スリット４４０ｓは、第１の辺Ｓ１のほぼ全長に亘って配置されている。酸化ガス排出スリット４４４ｓは、酸化ガス供給スリット４４０ｓと同様に略長方形の長孔であり、発電領域ＤＡの内側に第３の辺Ｓ３に沿って配置されている。また、酸化ガス排出スリット４４４ｓは、第３の辺Ｓ３のほぼ全長に亘って形成されている。
【０１５０】
アノードプレート３００ｓ（図４４）は、カソードプレート４００ｓと同様に、例えば、ステンレス鋼で形成されている。アノードプレート３００ｓは、カソードプレート４００ｓ同様、５個のマニホールド形成部３２２ｓ〜３３２ｓと、燃料ガス供給スリット３５０ｓを備えている。マニホールド形成部３２２ｓ〜３３２ｓは、燃料電池１００ｓを構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００ｓと同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。燃料ガス供給スリット３５０ｓは、発電領域ＤＡの内側に第３の辺Ｓ３に沿って、セパレータ６００ｓを構成した際にカソードプレート４００ｓにおける上述した酸化ガス排出スリット４４４ｓと重ならないように配置されている。
【０１５１】
中間プレート５００ｓ（図４５）は、上述の各プレート３００ｓ、４００ｓ同様、例えば、ステンレス鋼で形成されている。中間プレート５００ｓは、厚さ方向に貫通する貫通部として、反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）を供給／排出のための３つのマニホールド形成部５２２ｓ〜５２６ｓと、複数の酸化ガス導入流路形成部５４２ｓと、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４ｓと、一つの燃料ガス導入流路形成部５４６ｓとを備えている。中間プレート５００ｓは、さらに、複数の冷却媒体流路形成部５５０ｓを備えている。マニホールド形成部５２２ｓ〜５２８ｓは、燃料電池１００ｓを構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００ｓ、アノードプレート３００ｓと同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。
【０１５２】
各冷却媒体流路形成部５５０ｓは、発電領域ＤＡを図４５における左右方向に横断する長孔形状を有しており、その両端は、発電領域ＤＡの外側に至っている。すなわち、各中間プレート５００ｓは、発電領域ＤＡの第２の辺Ｓ２および第４の辺Ｓ４を横切るように形成されている。冷却媒体流路形成部５５０ｓは、図４５における上下方向に、所定間隔をあけて並設されている。
【０１５３】
中間プレート５００ｓ（図４５）において、複数の酸化ガス導入流路形成部５４２ｓの一端は、それぞれ、マニホールド形成部５２２ｓと連通しており、複数の酸化ガス導入流路形成部５４２ｓとマニホールド形成部５２２ｓは、全体として櫛歯形状の貫通孔を形成している。複数の酸化ガス導入流路形成部５４２ｓの他端は、それぞれに、３つのプレートを接合してセパレータ６００ｓを構成した際に、上述したカソードプレート４００ｓにおける酸化ガス供給スリット４４０ｓと重なる位置まで延びている。この結果、セパレータ６００ｓを構成した際に、各酸化ガス導入流路形成部５４２ｓは、それぞれ、酸化ガス供給スリット４４０ｓと連通する。
【０１５４】
中間プレート５００ｓ（図４５）において、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４ｓの一端は、それぞれ、マニホールド形成部５２４ｓと連通しており、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４ｓとマニホールド形成部５２４ｓは、全体として櫛歯形状の貫通孔を形成している。複数の酸化ガス排出流路形成部５４４ｓの他端は、それぞれに、３つのプレートを接合してセパレータ６００ｓを構成した際に、上述したカソードプレート４００ｓにおける酸化ガス排出スリット４４４ｓと重なる位置まで延びている。この結果、セパレータ６００ｓを構成した際に、各酸化ガス排出流路形成部５４４ｓは、それぞれ、酸化ガス排出スリット４４４ｓと連通する。
【０１５５】
中間プレート５００ｓ（図４５）において、燃料ガス導入流路形成部５４６ｓの一端は、マニホールド形成部５２６ｓと連通している。燃料ガス導入流路形成部５４６ｓは、第２の辺Ｓ２を横切って、上述した酸化ガス排出流路形成部５４４ｓと重ならない位置に、第３の辺Ｓ３に沿って延び、その他端は発電領域ＤＡの第４の辺Ｓ４近くにまで達している。つまり、燃料ガス導入流路形成部５４６ｓは概ね第３の辺Ｓ３の全長に亘って延びている。燃料ガス導入流路形成部５４６ｓのうち、発電領域ＤＡの内側の部分は、３つのプレートを接合してセパレータ６００ｓを構成した際に、上述したアノードプレート３００ｓにおける燃料ガス供給スリット３５０ｓと重なる。この結果、セパレータ６００ｓを構成した際に、燃料ガス導入流路形成部５４６ｓは燃料ガス供給スリット３５０ｓと連通する。
【０１５６】
セパレータ６００ｓ（図４６）は、中間プレート５００ｓをアノードプレート３００ｓおよびカソードプレート４００ｓで挟持するようにそれぞれ接合し、中間プレート５００ｓにおける冷却媒体供給マニホールド１５０ｓおよび冷却媒体排出マニホールド１６０ｓに対応する領域に露出している部分を打ち抜いて作製される。３枚のプレートの接合方法は、例えば、熱圧着、ろう付け、溶接などが用いられ得る。この結果、図４６においてハッチングで示す貫通部である５つのマニホールド１１０ｓ〜１６０ｓと、複数の酸化ガス導入流路６５０ｓと、複数の酸化ガス排出流路６６０ｓと、燃料ガス導入流路６３０ｓと、複数の冷却媒体流路６７０ｓとを備えたセパレータ６００ｓが得られる。
【０１５７】
図４６に示すように、複数の酸化ガス導入流路６５０ｓは、それぞれ、上述したカソードプレート４００ｓの酸化ガス供給スリット４４０ｓと、中間プレート５００ｓの酸化ガス導入流路形成部５４２ｓの一つとによって形成される。各酸化ガス導入流路６５０ｓは、セパレータ６００ｓの内部を通る内部流路であり、一端が酸化ガス供給マニホールド１１０ｓと連通し、他端がカソードプレート４００ｓ側の表面（カソード側表面）に至り、カソード側表面に開口する流路である。また、図４６に示すように、複数の酸化ガス排出流路６６０ｓは、上述したカソードプレート４００ｓの酸化ガス排出スリット４４４ｓと、中間プレート５００ｓの酸化ガス排出流路形成部５４４ｓの一つとによって形成される。各酸化ガス排出流路６６０ｓは、セパレータ６００ｓの内部を通る内部流路であり、一端が酸化ガス排出マニホールド１２０ｓと連通し、他端がカソードプレート４００ｓ側のカソード側表面に至り、カソード側表面に開口する流路である。
【０１５８】
図４６に示すように、燃料ガス導入流路６３０ｓは、上述したアノードプレート３００ｓの燃料ガス供給スリット３５０ｓと、中間プレート５００ｓの燃料ガス供給スリット３５０ｓとによって形成される。燃料ガス導入流路６３０ｓは、一端が燃料ガス供給マニホールド１３０ｓと連通し、他端がアノード側表面に開口する内部流路である。また、複数の冷却媒体流路６７０ｓは、上述した中間プレート５００ｓに形成された冷却媒体流路形成部５５０ｓ（図４５）によって形成され、一端が冷却媒体供給マニホールド１５０ｓに、他端が冷却媒体排出マニホールド１６０ｓに連通している。
【０１５９】
Ｅ−４−Ａ４．燃料電池１００ｓの動作：
図４７は、本実装例の燃料電池１００ｓ内における反応ガスの流れを示す説明図である。図４８は、図４７のＸ領域の拡大図である。図を見やすくするため、図４７においては、２つのシール一体発電アセンブリ２００ｓと２つのセパレータ６００ｓが積層された様子のみを図示している。図４７（ａ）は、図４６におけるＢ−Ｂ断面に対応する断面図を示している。図４７（ｂ）は、右側の半分が図４６におけるＤ−Ｄ断面に対応する断面図を示し、左側の半分が図４６におけるＣ−Ｃ断面に対応する断面図を示している。また、図４７、図４８では、反応ガスの流れを矢印で示している。
【０１６０】
燃料電池１００ｓは、酸化ガス供給マニホールド１１０ｓに酸化ガスが供給されると共に、燃料ガス供給マニホールド１３０ｓに燃料ガスが供給されることにより、発電を行う。また、発電中の燃料電池１００ｓには、発電に伴う発熱による燃料電池１００ｓの温度上昇を抑制するために、冷却媒体供給マニホールド１５０ｓに冷却媒体が供給される。
【０１６１】
冷却媒体供給マニホールド１５０ｓに供給された冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールド１５０ｓから冷却媒体流路６７０ｓに供給される。冷却媒体流路６７０ｓに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路６７０ｓの一端から他端まで流動しつつ熱交換を行い、冷却媒体排出マニホールド１６０ｓに排出される。
【０１６２】
酸化ガス供給マニホールド１１０ｓに供給された酸化ガスは、図４７（ａ）において矢印で示すように、酸化ガス供給マニホールド１１０ｓから酸化ガス導入流路６５０ｓを通って、酸化ガス供給スリット４４０ｓ（図４３）からカソード側多孔体８５０ｓに流入する。カソード側多孔体８５０ｓに流入した酸化ガスは、酸化ガス供給流路として機能するカソード側多孔体８５０ｓの内部を図４６において白抜きの矢印で示すように上方から下方に流動する。そして、酸化ガスは、酸化ガス排出スリット４４４ｓ（図４３）から酸化ガス排出流路６６０ｓに流入し、酸化ガス導入流路６５０ｓを通って、酸化ガス排出マニホールド１２０ｓへ排出される。カソード側多孔体８５０ｓを流動する酸化ガスの一部は、カソード側多孔体８５０ｓに当接しているカソード８３０ｓの全体に亘って拡散し、カソード反応（例えば、２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ）に供される。
【０１６３】
燃料ガス供給マニホールド１３０ｓに供給された燃料ガスは、図４７（ｂ）において矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド１３０ｓから燃料ガス導入流路６３０ｓを通って、燃料ガス供給スリット３５０ｓ（図４４）からアノード側多孔体８４０ｓに流入する。アノード側多孔体８４０ｓに流入した燃料ガスは、燃料ガス供給流路として機能するアノード側多孔体８４０ｓの内部を図４６において黒塗りの矢印で示すように下方から上方に流動する。この際、燃料ガスは、図４８に示すように、アノード側多孔体８４０ｓに当接する導電性シート８６０ｓの各貫通孔８６５ｓを介して、アノード８２０ｓ（アノード側拡散層８２０Ｂｓ）に流入し、アノード反応（例えば、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-）に供される。なお、アノード側拡散層８２０Ｂｓにおける燃料ガスの拡散の詳細は、図４８を参照して後述する。本実装例の燃料電池１００ｓは、アノードデットエンド構造となっており、燃料ガス排出口または燃料ガス排出流路がなく、アノード側多孔体８４０ｓに供給された燃料ガスは、基本的に、アノード８２０ｓで消費される。
【０１６４】
ところで、燃料電池１００ｓにおいて、酸化ガス中の窒素等が、カソード８３０ｓ側からアノード８２０ｓ側へリークしてくる場合がある。この窒素等を、以下ではリークガスとも呼ぶ。本実装例の燃料電池１００ｓでは、燃料ガス供給流路に供給する燃料ガスの供給圧力（以下では、燃料ガス供給圧とも呼ぶ）、および、酸化ガス供給流路に供給する酸化ガスの供給圧力（酸化ガス供給圧とも呼ぶ）は、燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスの圧力の最小値が、アノード８２０ｓにおいて、カソード８３０ｓ側から電解質膜８１０ｓを介してリークしてくるリークガスの分圧の最大値より高くなるように、設定されている。この場合、燃料ガス供給圧、または、酸化ガス供給圧のどちらか一方のみを調整して上記のように設定してもよいし、燃料ガス供給圧、および、酸化ガス供給圧の両方を調整して上記のように設定してもよい。なお、燃料ガス供給圧、または、酸化ガス供給圧の設定値は、例えば、実験的に定められる実験データに基づいて、決定される。
【０１６５】
以上のように、本実装例の燃料電池１００ｓは、積層部材８００ｓにおいて、アノード８２０ｓ（アノード側拡散層８２０Ｂｓ）とアノード側多孔体８４０ｓとの間に導電性シート８６０ｓを設けている。このようにすれば、リークガスがアノード側拡散層８２０Ｂｓからアノード側多孔体８４０ｓ（燃料ガス供給流路）に進入することを抑制することができ、アノード側多孔体８４０ｓ（燃料ガス供給流路）にリークガスが滞留することを抑制することができる。
【０１６６】
加えて、導電性シート８６０ｓは、面方向に沿って貫通孔８６５ｓが二次元的に分散して配置されている。これにより、アノード側多孔体８４０ｓに導入された燃料ガスは、各貫通孔８６５ｓから、アノード８２０ｓ（アノード側拡散層８２０Ｂｓ）の面に沿った方向（面方向）に対して垂直方向（積層方向）からアノード側拡散層８２０Ｂｓに流入し、アノード側拡散層８２０Ｂｓ全体に亘って拡散しつつ、触媒層８２０Ａｓに供給される（図４８参照）。すなわち、アノード側多孔体８４０ｓに導入された燃料ガスは、アノード８２０ｓに分散して供給され、アノード８２０ｓ（触媒層８２０Ａｓ）全体において発電を行うことができる。その結果、燃料電池１００ｓの発電効率を向上させることができる。
【０１６７】
また、本実装例の燃料電池１００ｓは、燃料ガス供給圧、および、酸化ガス供給圧が調整され、燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスの水素分圧の最小値が、カソード８３０ｓ側から電解質膜８１０ｓを介してアノード８２０ｓ側へリークしてくる酸化ガス中の窒素の窒素分圧の最大値より高くなるようになっている。このようにすれば、リークガスがアノード８２０ｓ（アノード側拡散層８２０Ｂｓ）から導電性シート８６０ｓの貫通孔８６５ｓを介してアノード側多孔体８４０ｓに流入することを大幅に抑制することができる。
【０１６８】
さらに、本実装例の燃料電池１００ｓでは、アノード側拡散層８２０Ｂｓは、内部におけるガスの流動抵抗がアノード側多孔体８４０ｓより高いものを用いている。このようにすれば、アノード側拡散層８２０Ｂｓにおいて、導電性シート８６０ｓの貫通孔８６５ｓを介して、供給された燃料ガスがアノード側拡散層８２０Ｂｓ全体に亘って拡散することを促進することができる。
【０１６９】
上記実装例において、アノード８２０ｓ及びカソード８３０ｓは、それぞれ請求項におけるアノード及びカソードに該当し、アノード側拡散層８２０Ｂｓは、請求項におけるガス拡散層に該当し、導電性シート８６０ｓは、請求項における導電性シート部に該当し、貫通孔８６５ｓは、請求項における貫通孔に該当し、アノード側多孔体８４０ｓは、請求項における導電性多孔体部に該当し、セパレータ６００ｓは、請求項におけるセパレータに該当する。
【０１７０】
Ｅ−４−Ｂ．実装例の変形例：
なお、本発明では、上記した実施の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て実施することが可能である。
【０１７１】
Ｅ−４−Ｂ１．実装例の変形例１：
図４９は、変形例１における燃料電池の導電性シート８６０Ａｓを説明するための図である。この図４９では、導電性シート８６０ｓを含む積層部材８００ｓとセパレータ６００ｓとを積層させた状態において、本変形例における導電性シート８６０Ａｓの正面図と、上記セパレータ６００ｓにおけるカソードプレート４００ｓ（点線）のみが示されている。なお、他のセパレータ６００ｓのプレートや他の積層部材８００ｓ（アノード側多孔体８４０ｓなど）は省略している。
【０１７２】
上記実装例の燃料電池１００ｓにおいて、導電性シート８６０ｓは、各貫通孔８６５ｓが同様の口径であったが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、本変形例１における導電性シート８６０Ａｓのように、各貫通孔８６５Ａｓを以下のようにしてもよい。具体的には、図４９に示すように、各貫通孔８６５Ａｓにおいて、酸化ガス供給スリット４４０ｓ（すなわち、カソード８３０ｓに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給口）からの相対距離が遠くなる程、言い換えれば、酸化ガス排出スリット４４４ｓ（すなわち、カソード８３０ｓから酸化ガスを排出するための酸化ガス排出口）からの相対距離が近くなるほど、その口径が大きくなるようにしてもよい。一方、図４９に示すように、アノード８２０ｓ側において、酸化ガス供給スリット４４０ｓからの相対距離が近い程、アノード８２０ｓにおけるリークガス分圧は大きく、酸化ガス排出スリット４４４ｓからの相対距離が遠くなる程、アノード８２０ｓにおけるリークガス分圧は、小さい。
【０１７３】
以上のように、本変形例１の燃料電池では、導電性シート８６０Ａｓにおいて、酸化ガス供給スリット４４０ｓに近いほど、すなわち、アノード８２０ｓにおけるリークガス分圧が高い程、各貫通孔８６５Ａｓの口径を小さくし、酸化ガス排出スリット４４４ｓに近いほど（酸化ガス供給スリット４４０ｓから遠いほど）、すなわち、アノード８２０ｓにおけるリークガス分圧が比較的低い程、各貫通孔８６５Ａｓの口径を大きくしている。これにより、導電性シート８６０Ａｓにおいて、アノード８２０ｓにおけるリークガス分圧が高い部分に対応する領域では、各貫通孔８６５Ａｓの口径が小さいので、燃料ガスの流速が強くなり、リークガスがアノード側多孔体８４０ｓに流入することを抑制することができ、一方で、アノード８２０ｓにおけるリークガス分圧が比較的低い部分に対応する領域では、各貫通孔８６５Ａｓの口径が大きいので、カソード８３０ｓからアノード８２０ｓにリークしてきた生成水（以下では、リーク水とも呼ぶ）を、貫通孔８６５Ａｓを介してアノード側多孔体８４０ｓに排出することが可能となる。
【０１７４】
Ｅ−４−Ｂ２．実装例の変形例２：
上記実装例の燃料電池１００ｓにおいて、導電性シート８６０ｓは、金シートが用いられているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電性シート８６０ｓは、金以外の導電性部材で形成されていてもよく、例えば、チタン、ステンレスで形成されてもよい。この場合、導電性シート８６０ｓは、アノード側多孔体８４０ｓの一方の面に、熱圧着、ろう付け、溶接などによって接合される。
【０１７５】
また、導電性シート８６０ｓを、ポリマー型導電性ペーストで形成してもよい。このポリマー型導電性ペーストは、例えば、銀ペースト、カーボンペースト、銀・カーボンペーストなどがある。この場合、ポリマー型導電性ペーストをシート状にした後に、アノード側多孔体８４０ｓの一方の面に熱圧着により接合するようにしてもよいし、以下の方法で、アノード側多孔体８４０ｓと接合するようにしてもよい。
【０１７６】
具体的には、ポリマー型導電性ペーストを用意し、これをアノード側多孔体８４０ｓの一方の面に塗布し、アノード側多孔体８４０ｓにやや含浸させた後、熱圧着する。このようにすれば、導電性シート８６０ｓとアノード側多孔体８４０ｓとの間の接触抵抗を低減させることができる。なお、このポリマー型導電性ペーストを用いる場合には、例えば、上記貫通孔８６５ｓは、剣山状部材で加工（開孔）する。また、上述のように、ポリマー型導電性ペーストをシート状にする場合には、複数の突起を備えた鋳型を用いて上記貫通孔８６５ｓを加工するようにしてもよい。この場合には、鋳型の突起部分が貫通孔８６５ｓを形成する。
【０１７７】
さらに、導電性シート８６０ｓを、金属材料（例えば、金。以下では、材料Ｍと呼ぶ）を用いて、以下の方法で、アノード側多孔体８４０ｓと接合するようにしてもよい。具体的には、材料Ｍを用意し、これをアノード側多孔体８４０ｓの一方の面にメッキ処理する。このようにすれば、導電性シート８６０ｓとアノード側多孔体８４０ｓとの愛段の接触抵抗を低減させることができる。なお、このようにメッキ処理する場合、アノード側多孔体８４０ｓのメッキ処理面に、予めマスキングしておき、メッキ処理後、そのマスキングを除去することにより、上記貫通孔８６５ｓを形成するようにしてもよい。
【０１７８】
Ｅ−４−Ｂ３．実装例の変形例３：
上記実装例の燃料電池１００ｓでは、セパレータ６００ｓは３層の金属板を積層した構成であり、その形状は表面が平坦な形状であるとしているが、セパレータ６００ｓの構成は他の任意の構成とすることが可能であり、またセパレータ６００ｓの形状は他の任意の形状とすることが可能である。
【０１７９】
Ｅ−４−Ｂ４．実装例の変形例４：
上記実装例の燃料電池１００ｓでは、積層部材８００ｓの各部材やセパレータ６００ｓの各部材の材料を特定しているが、これらの材料に限定されるものではなく、適正な種々の材料を用いることができる。例えば、アノード側多孔体８４０ｓおよびカソード側多孔体８５０ｓを、金属多孔体を用いて形成するとしているが、例えばカーボン多孔体といった他の材料を用いて形成することも可能である。また、セパレータ６００ｓは、金属を用いて形成するとしているが、例えばカーボンといった他の材料を用いることも可能である。
【０１８０】
Ｅ−４−Ｂ５．実装例の変形例５：
上記実装例の燃料電池１００ｓにおいて、アノード側に供給された燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造（アノードデットエンド構造）となっているが、本発明はこれに限られるものではなく、アノード８２０ｓ側から燃料ガスを排出するための機構、例えば、燃料ガス排出口や燃料ガス排出流路、燃料ガス排出マニホールドなどを有していてもよい。この場合、例えば、燃料電池１００ｓの外部に、燃料ガス排出マニホールドから排出される燃料ガスを遮断可能な遮断弁（以下では、遮断弁Ｎと呼ぶ）を備え、少なくとも通常発電中には、その遮断弁Ｎを閉弁し、アノード８２０ｓに供給された燃料ガスを外部に排出しないようにする構造であってもよい。このようにしても上記実装例の燃料電池１００ｓと同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１８１】
【図１】本発明の実施例における燃料電池搭載車両１０００の概略構成図。
【図２】比較例の燃料電池システム２１０の構成を示すブロック図。
【図３】比較例の燃料電池システム２１０において燃料ガス流路２２５の循環を停止したときにおける作動状態を示すグラフ。
【図４】本発明の実施例の燃料電池システム２１０ｎの構成を示すブロック図。
【図５】比較例の燃料電池スタック１００の概略構成を示す説明図。
【図６】比較例の燃料電池スタック１００の内部流路を示す説明図。
【図７】比較例の燃料電池スタック１００の内部で燃料ガスの排気停止によって窒素の滞留Ｃｎが発生している様子を示す説明図。
【図８】本願発明者によって推察された燃料ガス流路内部に窒素ガスの滞留が発生するメカニズムを示すフローチャート。
【図９】燃料ガス流路内部に窒素ガスの滞留が発生する様子を示す説明図。
【図１０】実施例の燃料電池スタック１００ｎの概略構成を示す説明図。
【図１１】実施例の燃料電池スタック１００の内部流路を示す説明図。
【図１２】実施例の燃料電池スタック１００ｎにおける燃料ガス供給板２１ｎの配置状態を示す説明図。
【図１３】実施例の燃料電池スタック１００ｎにおいて燃料ガス供給板２１ｎが燃料ガスを供給する様子を示す説明図。
【図１４】水素ガスの供給安定化メカニズムの推定の一例を示すフローチャート。
【図１５】燃料ガス流路内で窒素ガスの滞留が拡散する様子を示す説明図。
【図１６】燃料ガス流路の第１変形例を示す説明図。
【図１７】燃料ガス流路の第２変形例を示す説明図。
【図１８】燃料ガス流路の第２変形例を示す説明図。
【図１９】第２変形例の他の構成例を示す説明図。
【図２０】燃料ガス流路の第３変形例を示す説明図。
【図２１】燃料ガス流路の第４変形例を示す説明図。
【図２２】燃料電池の性能に関する各計算式を示す説明図。
【図２３】燃料電池の性能に関する各計算式を示す説明図。
【図２４】燃料電池の性能に関する各計算式を示す説明図。
【図２５】実施例の燃料ガス供給板２１ｎの上流側の水素極側多孔体流路１４ｈと下流側の水素側電極２２のガス拡散層の密度の相違を示す説明図。
【図２６】第２変形例における水素側電極２２ｖ２のガス拡散層を示す説明図。
【図２７】第３変形例における水素側電極２２ｖ３のガス拡散層を示す説明図。
【図２８】第４変形例における水素側電極２２ｖ４のガス拡散層を示す説明図。
【図２９】第５変形例における水素側電極２２ｖ５のガス拡散層を示す説明図。
【図３０】第６変形例における水素側電極２２ｖ６のガス拡散層を示す説明図。
【図３１】第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１を示す説明図。
【図３２】第２変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ２を示す説明図。
【図３３】第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１を有する燃料電池スタックの内部流路を示す説明図。
【図３４】第３変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ３を示す説明図。
【図３５】空気極側多孔体流路１４ａの各変形例を示す説明図。
【図３６】第５変形例の燃料ガス供給板２１ｖ５を示す説明図。
【図３７】第６変形例の燃料ガス供給板２１ｖ６を示す説明図。
【図３８】上記実施例における燃料電池１００ｓの外観構成を示す説明図である。
【図３９】燃料電池１００ｓの側面図である。
【図４０】シール一体発電アセンブリ２００ｓの正面図である。
【図４１】Ａ−Ａ断面を示す断面図である。
【図４２】本発明の特徴部分である導電性シート８６０ｓの正面図である。
【図４３】セパレータ６００ｓのうちカソードプレート４００ｓの形状を示す説明図である。
【図４４】セパレータ６００ｓのうちアノードプレート３００ｓの形状を示す説明図である。
【図４５】セパレータ６００ｓのうち中間プレート５００ｓの形状を示す説明図である。
【図４６】セパレータ６００ｓの正面図である。
【図４７】本実施例の燃料電池１００ｓ内における反応ガスの流れを示す説明図である。
【図４８】Ｘ領域の拡大図である。
【図４９】実装例の変形例１における燃料電池の導電性シート８６０Ａｓを説明するための図である。
【図５０】燃料電池流路の他の構成例（その１）
【図５１】燃料電池流路の他の構成例（その２）
【符号の説明】
【０１８２】
１１ｈｍＬ、１１ｈｍＲ…燃料ガス供給マニホールド
１２ｈ…燃料ガス供給路
１３ｈ…燃料ガス供給孔
１４ｈ…水素極側多孔体流路
１５ｈ…燃料ガス排出孔
１６ｈ…燃料ガス排出路
１７ｈｍＬ、１７ｈｍＲ…燃料ガス排出マニホールド
１１ａｍ…空気供給マニホールド
１２ａ…空気供給路
１３ａ…空気供給孔
１４ａ…空気極側多孔体流路
１５ａ…空気排出孔
１６ａ…空気排出路
１７ａｍ…空気排出マニホールド
１１ｗｍ…冷却水供給マニホールド
１２ｗ…冷却水供給路
１３ｗｍ…冷却水排出マニホールド
１４ｈｇ…ガスケット
２０、２０ｎ…膜電極接合体
２１ｎ…燃料ガス供給板
２２…水素極側電極層
２３…電解質膜
２４…空気極側電極層
３５…燃料電池内空気流路
３６…駆動回路
４０…セパレータ
４１…カソード側セパレータ
４２…中間セパレータ
４３…アノード側セパレータ
５０…シール部
５２…ガスケット
５２ｎ…ガスケット
５４…枠状シール
１００、１００ｎ…燃料電池スタック
２００…電源システム
２１０…燃料電池システム
２１０ｎ…燃料電池システム
２１１ｎ…細孔
２１２ｎ…空気口
２２０…水素ガス循環系統
２２４…水素ガス供給配管
２２５…燃料ガス流路
２２６…排ガス配管
２２７…排ガス配管
２２８…循環ポンプ
２２９…気液分離部
２２９Ｖ…排水バルブ
２３０…空気供給系統
２３０Ｖ…排気バルブ
２３１…ブロワ
２３４…加湿空気供給配管
２３５…空気流路
２３６…排気管
２３９…加湿器
２４０…水素ガス供給系統
２４１…水素バルブ
２４２…水素タンク
２５０…制御部
３００…負荷部
３１０…モータ
３２０…ギヤ機構
３４０…車輪
３６０…駆動回路
１０００…燃料電池搭載車両
１００ｓ…燃料電池
１１０〜１６０ｓ…マニホールド
２００ｓ…シール一体発電アセンブリ
３００ｓ…アノードプレート
３２２ｓ…マニホールド形成部
３５０ｓ…燃料ガス供給スリット
４００ｓ…カソードプレート
４４０ｓ…酸化ガス供給スリット
４４４ｓ…酸化ガス排出スリット
５００ｓ…中間プレート
５４２ｓ…酸化ガス導入流路形成部
５４４ｓ…酸化ガス排出流路形成部
５４６ｓ…燃料ガス導入流路形成部
５５０ｓ…冷却媒体流路形成部
６００ｓ…セパレータ
６３０ｓ…燃料ガス導入流路
６５０ｓ…酸化ガス導入流路
６６０ｓ…酸化ガス排出流路
７００ｓ…シール部材
７１０ｓ…支持部
７２０ｓ…リブ
８００ｓ…積層部材
８１０ｓ…電解質膜
８２０ｓ…アノード
８２０Ａｓ…触媒層
８２０Ｂｓ…アノード側拡散層
８３０ｓ…カソード
８３０Ａｓ…触媒層
８３０Ｂｓ…カソード側拡散層
８４０ｓ…アノード側多孔体
８５０ｓ…カソード側多孔体
８６０ｓ…導電性シート
８６５ｓ…貫通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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