(57)【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、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記アノードの表面に沿って、第１の方向に燃料ガスを流すためのアノード側ガス流路と、
前記カソードの表面に沿って、前記第１の方向と互いに対向する第２の方向に酸化剤ガスを流すためのカソード側ガス流路と、
前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部、および、前記カソード側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のうちの少なくとも前記カソード側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に設けられ、前記アノードから排出される排出ガスであるアノードオフガスに含まれる、発電時に生成された生成水、および、前記カソードから排出される排出ガスであるカソードオフガスに含まれる、前記生成水のうちの少なくとも前記カソードオフガスに含まれる前記生成水を捕捉するための生成水捕捉部と、
を備え、
前記生成水捕捉部は、前記アノード側ガス流路内、および、前記カソード側ガス流路内のうちの少なくとも前記カソード側ガス流路内に形成された、前記生成水を含むガスを滞留させるための空隙であり、
前記空隙は、前記空隙内の流路抵抗が、前記空隙が設けられた側の流路内の前記空隙以外の部位における流路抵抗よりも大きくなる形状を有しており、
前記空隙は、前記第１の方向、または、前記第２の方向に対して蛇行するように形成されており、
前記空隙内には、吸湿性を有する吸湿部材が充填されており、
前記カソード側に配置されるセパレータは、前記カソードオフガスを、前記カソード側ガス流路から、前記カソードの表面に対して略垂直方向に排出するためのカソードオフガス排出口を備えており、
前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記カソードオフガス排出口は、前記生成水捕捉部よりも前記酸化剤ガスの流れ方向の上流側に形成されている、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記アノード側に配置されるセパレータは、外部から供給された前記燃料ガスを、前記アノード側ガス流路に、前記アノードの表面に対して略垂直方向に供給するための燃料ガス供給口を備えており、
前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記燃料ガス供給口は、前記膜電極接合体を挟んで、前記生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、
燃料電池。
【請求項３】
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、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記アノードの表面に沿って、第１の方向に燃料ガスを流すためのアノード側ガス流路と、
前記カソードの表面に沿って、前記第１の方向と互いに対向する第２の方向に酸化剤ガスを流すためのカソード側ガス流路と、
前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部、および、前記カソード側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のうちの少なくとも前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部に設けられ、前記アノードから排出される排出ガスであるアノードオフガスに含まれる、発電時に生成された生成水、および、前記カソードから排出される排出ガスであるカソードオフガスに含まれる、前記生成水のうちの少なくとも前記アノードオフガスに含まれる前記生成水を捕捉するための生成水捕捉部と、
を備え、
前記生成水捕捉部は、前記アノード側ガス流路内、および、前記カソード側ガス流路内のうちの少なくとも前記アノード側ガス流路内に形成された、前記生成水を含むガスを滞留させるための空隙であり、
前記空隙は、前記空隙内の流路抵抗が、前記空隙が設けられた側の流路内の前記空隙以外の部位における流路抵抗よりも大きくなる形状を有しており、
前記空隙は、前記第１の方向、または、前記第２の方向に対して蛇行するように形成されており、
前記空隙内には、吸湿性を有する吸湿部材が充填されており、
前記アノード側に配置されるセパレータは、前記アノードオフガスを、前記アノード側ガス流路から、前記アノードの表面に対して略垂直方向に排出するためのアノードオフガス排出口を備えており、
前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記アノードオフガス排出口は、前記生成水捕捉部よりも前記燃料ガスの流れ方向の上流側に形成されている、
燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記カソード側に配置されるセパレータは、外部から供給された前記酸化剤ガスを、前記カソード側ガス流路に、前記カソードの表面に対して略垂直方向に供給するための酸化剤ガス供給口を備えており、
前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記酸化剤ガス供給部は、前記膜電極接合体を挟んで、前記生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、
燃料電池。
【請求項５】
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、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記アノードの表面に沿って、第１の方向に燃料ガスを流すためのアノード側ガス流路と、
前記カソードの表面に沿って、前記第１の方向と互いに対向する第２の方向に酸化剤ガスを流すためのカソード側ガス流路と、
前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部に設けられ、前記アノードから排出される排出ガスであるアノードオフガスに含まれる、発電時に生成された生成水を捕捉するためのアノード側生成水捕捉部と、
前記カソード側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に設けられ、前記カソードから排出される排出ガスであるカソードオフガスに含まれる、前記生成水を捕捉するためのカソード側生成水捕捉部と、
を備え、
前記アノード側生成水捕捉部、および、前記カソード側生成水捕捉部は、それぞれ、前記アノード側ガス流路内、および、前記カソード側ガス流路内に形成された、前記生成水を含むガスを滞留させるための空隙であり、
前記空隙は、前記空隙内の流路抵抗が、前記空隙が設けられた側の流路内の前記空隙以外の部位における流路抵抗よりも大きくなる形状を有しており、
前記空隙は、前記第１の方向、または、前記第２の方向に対して蛇行するように形成されており、
前記空隙内には、吸湿性を有する吸湿部材が充填されており、
前記カソード側に配置されるセパレータは、
外部から供給された前記酸化剤ガスを、前記カソード側ガス流路に、前記カソードの表面に対して略垂直方向に供給するための酸化剤ガス供給口と、
前記カソードオフガスを、前記カソード側ガス流路から、前記カソードの表面に対して略垂直方向に排出するためのカソードオフガス排出口と、を備えており、
前記アノード側に配置されるセパレータは、
外部から供給された前記燃料ガスを、前記アノード側ガス流路に、前記アノードの表面に対して略垂直方向に供給するための燃料ガス供給口と、
前記アノードオフガスを、前記アノード側ガス流路から、前記アノードの表面に対して略垂直方向に排出するためのアノードオフガス排出口と、を備えており、
前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記カソードオフガス排出口は、前記カソード側生成水捕捉部よりも前記酸化剤ガスの流れ方向の上流側に形成されており、
前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記燃料ガス供給口は、前記膜電極接合体を挟んで、前記カソード側生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されており、
前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記アノードオフガス排出口は、前記アノード側生成水捕捉部よりも前記燃料ガスの流れ方向の上流側に形成されており、
前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記酸化剤ガス供給部は、前記膜電極接合体を挟んで、前記アノード側生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、
燃料電池。
【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であって、
前記吸湿性部材は、多孔質部材である、
燃料電池。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池であって、
前記多孔質部材の細孔内には、親水処理が施されている、
燃料電池。
【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を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、および、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、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。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子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、所望の発電性能を得るために、電解質膜を適正な湿潤状態に維持し、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保つ必要がある。このため、固体高分子型燃料電池では、発電中に、電解質膜の加湿が必要となる。
【０００３】
従来、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムでは、電解質膜（固体高分子膜）を加湿するために、カソードに供給される酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）を加湿する加湿器が備えられることが多い。そして、この加湿器を備えることは、燃料電池システムの大型化を招いていた。このため、燃料電池システムの小型化を図るために、加湿器を小型化して低加湿のガスを用いて発電を行うこと、さらには、加湿器を省略して無加湿のガスを用いて発電を行うことが求められている。このような要請は、搭載スペースに制限がある車両に燃料電池システムを搭載する場合に特に強い。
【０００４】
そこで、近年では、発電時に上記電気化学反応によって生成された生成水を、燃料電池の内部で再循環させて、電解質膜の加湿を行う技術が提案されている（例えば、下記特許文献１，２参照）。以下、発電によって生成された生成水を、燃料電池の内部で再循環させて、電解質膜の加湿を行うことを、「自己加湿」と呼ぶ。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−４０５６３号公報
【特許文献２】特開２００２−４２８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１，２に記載された技術によれば、アノード、および／または、カソードの同一面内における自己加湿は可能ではある。しかし、上記特許文献１，２に記載された技術では、十分かつ効果的な電解質膜の自己加湿を行うことができず、さらなる改善の余地があった。
【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、固体高分子型燃料電池において、効果的な電解質膜の自己加湿を行うことを目的とする。
【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、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、前記アノードの表面に沿って、第１の方向に燃料ガスを流すためのアノード側ガス流路と、前記カソードの表面に沿って、前記第１の方向と互いに対向する第２の方向に酸化剤ガスを流すためのカソード側ガス流路と、前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部、および、前記カソード側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の少なくとも一方に設けられ、前記アノードから排出される排出ガスであるアノードオフガスに含まれる、発電時に生成された生成水、および、前記カソードから排出される排出ガスであるカソードオフガスに含まれる、前記生成水の少なくとも一方を捕捉するための生成水捕捉部と、を備える燃料電池。
【００１０】
膜電極接合体において、発電時にカソードで生成された生成水は、酸化剤ガス、あるいは、カソードオフガスの流れによって、これらのガスの流れ方向の下流に移動する。また、発電時にカソードで生成された生成水は、電解質膜を介して、アノード側に透過し、このアノード側に透過した生成水は、燃料ガス、あるいは、アノードオフガスの流れによって、これらのガスの流れ方向の下流に移動する。そして、適用例１の燃料電池では、燃料ガスの流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向とが互いに対向しており、アノード側ガス流路における燃料ガスの流れ方向の最下流部（すなわち、カソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最上流部と膜電極接合体を挟んで互いに対向する部位）、および、カソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最下流部（すなわち、アノード側ガス流路における燃料ガスの流れ方向の最上流部と膜電極接合体を挟んで互いに対向する部位）の少なくとも一方に、上記生成水捕捉部を備えている。
【００１１】
このため、カソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最下流部に生成水捕捉部を備えるようにすれば、この生成水捕捉部によって、カソードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、カソード側ガス流路から燃料電池の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜を介して、アノード側ガス流路における燃料ガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このアノード側に透過した生成水を、燃料ガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。また、アノード側ガス流路における燃料ガスの流れ方向の最下流部に生成水捕捉部を備えるようにすれば、この生成水捕捉部によってアノードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、アノード側ガス流路から燃料電池の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜を介して、カソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このカソード側に透過した生成水を、酸化剤ガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。
【００１２】
したがって、本適用例によって、固体高分子型燃料電池において、効果的な電解質膜の自己加湿を行うことができる。なお、上述した内容から分かるように、生成水捕捉部は、アノード側ガス流路における燃料ガスの流れ方向の最下流部、および、カソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最下流部の双方に備えるようにすることが好ましい。
【００１３】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、前記生成水捕捉部は、前記アノード側ガス流路内、および、前記カソード側ガス流路内の少なくとも一方に形成された、前記生成水を含むガスを滞留させるための空隙である、燃料電池。
【００１４】
適用例２の燃料電池では、上記空隙内に生成水を含むガスを滞留させ、このガスに含まれる生成水を捕捉することができる。
【００１５】
［適用例３］適用例２記載の燃料電池であって、前記空隙は、前記空隙内の流路抵抗が、前記空隙が設けられた側の流路内の前記空隙以外の部位における流路抵抗よりも大きくなる形状を有している、燃料電池。
【００１６】
適用例３の燃料電池では、上記空隙は、空隙内の流路抵抗が、空隙が設けられた側の流路内の空隙以外の部位における流路抵抗よりも大きくなる形状を有しているので、この空隙内に滞留させた生成水を含むガスの移動を抑制し、さらに効果的に生成水を捕捉することができる。
【００１７】
［適用例４］適用例２または３記載の燃料電池であって、前記空隙は、前記第１の方向、または、前記第２の方向に対して蛇行するように形成されている、燃料電池。
【００１８】
適用例４の燃料電池によって、比較的容易に、上記空隙内の流路抵抗が、上記空隙が設けられた側の流路内の上記空隙以外の部位における流路抵抗よりも大きくなるようにすることができる。
【００１９】
［適用例５］適用例２ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、前記空隙内には、吸湿性を有する吸湿部材が充填されている、燃料電池。
【００２０】
適用例５の燃料電池では、上記空隙内に、吸湿性を有する吸湿部材が充填されているので、さらに効果的に生成水捕捉部に生成水を捕捉することができる。
【００２１】
［適用例６］適用例５記載の燃料電池であって、前記吸湿性部材は、多孔質部材である、燃料電池。
【００２２】
適用例６の燃料電池によって、比較的容易に、吸湿部材を構成することができる。
【００２３】
［適用例７］適用例６記載の燃料電池であって、前記多孔質部材の細孔内には、親水処理が施されている、燃料電池。
【００２４】
適用例７の燃料電池によって、上記多孔質部材の吸湿性を向上させることができる。
【００２５】
［適用例８］適用例１記載の燃料電池であって、前記アノード側ガス流路、および、前記カソード側ガス流路の少なくとも一方は、前記生成水捕捉部として、ガスの流れ方向への前記生成水の移動を抑制する移動抑制部材を備える、燃料電池。
【００２６】
適用例８の燃料電池では、上記移動抑制部材によって、ガスに含まれる生成水の排出口への移動を抑制し、効果的に生成水を捕捉することができる。
【００２７】
［適用例９］適用例８記載の燃料電池であって、前記アノード側ガス流路、および、前記カソード側ガス流路の少なくとも一方は、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に介装することによって形成されており、前記多孔体は、第１の多孔体と、前記移動抑制部材として、前記第１の多孔体よりも圧力損失が大きい第２の多孔体と、を備える、燃料電池。
【００２８】
適用例９の燃料電池では、上記第２の多孔体によって、ガスに含まれる生成水の排出口への移動を抑制し、効果的に生成水を捕捉することができる。なお、上記第１の多孔体、および、上記第２の多孔体としては、例えば、発泡金属焼結体や、金属メッシュや、エキスパンドメタル等、種々の部材を用いることができる。
【００２９】
［適用例１０］適用例９記載の燃料電池であって、前記第２の多孔体におけるガスの流れ方向の流路抵抗は、前記第１の多孔体におけるガスの流れ方向の流路抵抗よりも大きい、燃料電池。
【００３０】
適用例１０の燃料電池によって、上記第２の多孔体における圧力損失を、上記第１の多孔体における圧力損失よりも大きくすることができる。
【００３１】
［適用例１１］適用例９または１０記載の燃料電池であって、前記第２の多孔体の気孔率は、前記第１の多孔体の気孔率よりも低い、燃料電池。
【００３２】
適用例１１の燃料電池によって、上記第２の多孔体における圧力損失、および、流路抵抗を、上記第１の多孔体における圧力損失、および、流路抵抗よりも大きくすることができる。
【００３３】
［適用例１２］適用例９ないし１１のいずれかに記載の燃料電池であって、前記第２の多孔体には、親水処理が施されている、燃料電池。
【００３４】
適用例１２の燃料電池によって、上記第２の多孔体に、より効果的に生成水を捕捉することができる。
【００３５】
［適用例１３］適用例１記載の燃料電池であって、前記アノード側ガス流路、および、前記カソード側ガス流路の少なくとも一方は、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に介装することによって形成されており、前記生成水捕捉部は、前記アノード側に配置されるセパレータの前記アノード側ガス流路を形成する多孔体と当接する表面、および、前記カソード側に配置されるセパレータの前記カソード側ガス流路を形成する多孔体と当接する表面の少なくとも一方に設けられ、前記生成水を含むガスを滞留させるための凹部である、燃料電池。
【００３６】
適用例３の燃料電池では、上記凹部内に生成水を含むガスを滞留させ、このガスに含まれる生成水を捕捉することができる。
【００３７】
［適用例１４］適用例１３記載の燃料電池であって、前記セパレータは、少なくとも一方に前記凹部が形成された２枚の金属板を互いに接合することによって作製されている、燃料電池。
【００３８】
適用例１４の燃料電池によって、上記凹部が形成されたセパレータを、比較的容易に作製することができる。
【００３９】
［適用例１５］適用例１３または１４記載の燃料電池であって、前記凹部には、親水処理が施されている、燃料電池。
【００４０】
適用例１５の燃料電池によって、上記凹部に、より効果的に生成水を捕捉することができる。
【００４１】
［適用例１６］適用例１ないし１５のいずれかに記載の燃料電池であって、前記生成水捕捉部は、前記カソード側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に設けられており、前記カソード側に配置されるセパレータは、前記カソードオフガスを、前記カソード側ガス流路から、前記カソードの表面に対して略垂直方向に排出するためのカソードオフガス排出口を備えており、前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記カソードオフガス排出口は、前記生成水捕捉部よりも前記酸化剤ガスの流れ方向の上流側に形成されている、燃料電池。
【００４２】
適用例１６の燃料電池によって、生成水捕捉部に捕捉された生成水がカソードオフガス排出口から燃料電池の外部に排出されるのを効果的に抑制することができる。燃料電池において、カソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最下流部が最も生成水の多くなる傾向にあるため、本適用例は効果的である。
【００４３】
［適用例１７］適用例１６記載の燃料電池であって、前記アノード側に配置されるセパレータは、外部から供給された前記燃料ガスを、前記アノード側ガス流路に、前記アノードの表面に対して略垂直方向に供給するための燃料ガス供給口を備えており、前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記燃料ガス供給口は、前記膜電極接合体を挟んで、前記生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、燃料電池。
【００４４】
適用例１７の燃料電池によって、さらに、生成水捕捉部に捕捉され、電解質膜を介して、アノード側に透過した生成水を、燃料ガスの流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。
【００４５】
［適用例１８］適用例１ないし１５のいずれかに記載の燃料電池であって、前記生成水捕捉部は、前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部に設けられており、前記アノード側に配置されるセパレータは、前記アノードオフガスを、前記アノード側ガス流路から、前記アノードの表面に対して略垂直方向に排出するためのアノードオフガス排出口を備えており、前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記アノードオフガス排出口は、前記生成水捕捉部よりも前記燃料ガスの流れ方向の上流側に形成されている、燃料電池。
【００４６】
適用例１８の燃料電池によって、生成水捕捉部に捕捉された生成水がアノードオフガス排出口から燃料電池の外部に排出されるのを効果的に抑制することができる。さらに、本適用例によって、最も乾燥しやすいカソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最上流部を効果的に自己加湿することができる。
【００４７】
［適用例１９］適用例１８記載の燃料電池であって、前記カソード側に配置されるセパレータは、外部から供給された前記酸化剤ガスを、前記カソード側ガス流路に、前記カソードの表面に対して略垂直方向に供給するための酸化剤ガス供給口を備えており、前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記酸化剤ガス供給部は、前記膜電極接合体を挟んで、前記生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、燃料電池。
【００４８】
適用例１９の燃料電池によって、さらに、生成水捕捉部に捕捉され、電解質膜を介して、カソード側に透過した生成水を、酸化剤ガスの流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。
【００４９】
［適用例２０］適用例１ないし１５のいずれかに記載の燃料電池であって、前記生成水捕捉部は、前記カソード側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に設けられたカソード側生成水捕捉部と、前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部に設けられたアノード側生成水捕捉部と、を含み、前記カソード側に配置されるセパレータは、外部から供給された前記酸化剤ガスを、前記カソード側ガス流路に、前記カソードの表面に対して略垂直方向に供給するための酸化剤ガス供給口と、前記カソードオフガスを、前記カソード側ガス流路から、前記カソードの表面に対して略垂直方向に排出するためのカソードオフガス排出口と、を備えており、前記アノード側に配置されるセパレータは、外部から供給された前記燃料ガスを、前記アノード側ガス流路に、前記アノードの表面に対して略垂直方向に供給するための燃料ガス供給口と、前記アノードオフガスを、前記アノード側ガス流路から、前記アノードの表面に対して略垂直方向に排出するためのアノードオフガス排出口と、を備えており、前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記カソードオフガス排出口は、前記カソード側生成水捕捉部よりも前記酸化剤ガスの流れ方向の上流側に形成されており、前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記燃料ガス供給口は、前記膜電極接合体を挟んで、前記カソード側生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されており、前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記アノードオフガス排出口は、前記アノード側生成水捕捉部よりも前記燃料ガスの流れ方向の上流側に形成されており、前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記酸化剤ガス供給部は、前記膜電極接合体を挟んで、前記アノード側生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、燃料電池。
【００５０】
適用例２０の燃料電池では、カソード側生成水捕捉部に捕捉された生成水がカソードオフガス排出口から燃料電池の外部に排出されるのを効果的に抑制するとともに、カソード側生成水捕捉部に捕捉され、電解質膜を介して、アノード側に透過した生成水を、燃料ガスの流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。また、アノード側生成水捕捉部に捕捉された生成水がアノードオフガス排出口から燃料電池の外部に排出されるのを効果的に抑制するとともに、アノード側生成水捕捉部に捕捉され、電解質膜を介して、カソード側に透過した生成水を、酸化剤ガスの流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。
【００５１】
［適用例２１］適用例１記載の燃料電池であって、前記生成水捕捉部は、前記電解質膜に親水処理を施すことによって形成されている、燃料電池。
【００５２】
適用例２１の燃料電池によって、生成水補足部を電解質膜の内部に形成し、効果的に生成水を捕捉し、この生成水を、電解質膜の一方の面から他方の面に透過させることができる。
【００５３】
［適用例２２］適用例２１記載の燃料電池であって、前記親水処理は、前記電解質膜よりも高い親水性を有する酸化物、および、前記電解質膜よりも高い親水性を有する金属の少なくとも一方を含む添加物を、前記電解質膜に添加する処理である、燃料電池。
【００５４】
適用例２２の燃料電池によって、比較的容易に、電解質膜の内部に生成水捕捉部を形成することができる。なお、上記酸化物としては、例えば、酸化チタンや、酸化ケイ素や、酸化セリウム（セリア）等が挙げられる。また、上記金属としては、例えば、白金や、白金合金等が挙げられる。
【００５５】
［適用例２３］適用例２２記載の燃料電池であって、前記添加物は、さらに、前記電解質膜を劣化させるラジカルの発生を抑制する性質を有する、燃料電池。
【００５６】
固体高分子型燃料電池では、一般に、発電時に、ヒドロキシラジカルが発生し、このヒドロキシラジカルは、電解質膜を劣化させる。適用例２３の燃料電池では、上記添加物が、さらに、電解質膜を劣化させるラジカル（ヒドロキシラジカル）の発生する性質を有しているので、さらに、生成水捕捉部における電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００５７】
［適用例２４］適用例２３記載の燃料電池であって、前記添加物は、セリア、および、白金の少なくとも一方を含む、燃料電池。
【００５８】
セリア（酸化セリウム（IV））や、白金は、電解質膜よりも高い親水性、および、電解質膜を劣化させるラジカルの発生を抑制する性質を有している。したがって、適用例２４の燃料電池によって、電解質膜に形成された生成水捕捉部において、生成水の捕捉、および、電解質膜を劣化させるラジカルの発生の抑制を効果的に行うことができる。また、白金は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応を促進する触媒として性質も有しているため、上記添加物として、白金を用いることによって、さらに、電解質膜の内部で生成水を生成し、自己加湿に利用することも可能となる。
【００５９】
［適用例２５］適用例１ないし２４のいずれかに記載の燃料電池を備える燃料電池システム。
【００６０】
適用例２５の燃料電池システムでは、上述した効果的な電解質膜の自己加湿を行うことが可能な燃料電池を備えているので、燃料電池システムに備えられる先に説明した加湿器を小型化したり、さらに、省略したりすることができる。この結果、燃料電池システムの燃費（エネルギ効率）を向上させることもできる。
【００６１】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６２】
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．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【００６３】
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モジュール４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各セルモジュール４０は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。各セパレータには、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（水、エチレングリコール等）の流路が形成されている。なお、セルモジュール４０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。
【００６４】
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、複数のセルモジュール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。また、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各セルモジュール４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各セルモジュール４０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。
【００６５】
エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するため、鋼等の金属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。
【００６６】
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００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、所定の締結荷重が加えられた状態で、締結部材によって締結されている。
【００６７】
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リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００６８】
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、水素供給マニホールドを介して、各セルモジュール４０のアノードに供給される。各セルモジュール４０から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管５６を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出することができる。なお、アノードオフガスを燃料電池スタック１００の外部に排出する際には、アノードオフガスに含まれる水素は、図示しない希釈器等によって処理される。
【００６９】
また、配管５３、および、排出配管５６には、アノードオフガスを配管５３に再循環させるための循環配管５４が接続されている。そして、排出配管５６の循環配管５４との接続部の下流側には、排気バルブ５７が配設されている。また、循環配管５４には、ポンプ５５が配設されている。ポンプ５５、および、排気バルブ５７の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管５３に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管５３に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。
【００７０】
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、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールドを介して、各セルモジュール４０のカソードに供給される。各セルモジュール４０のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。排出配管６２からは、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。
【００７１】
燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、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。
【００７２】
燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。制御ユニット８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。
【００７３】
なお、電解質膜として固体高分子膜を用いた燃料電池を備える燃料電池システムでは、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保ち、所望の発電性能を得るために、電解質膜を適正な湿潤状態に維持する必要があるため、例えば、酸化剤ガスとしての空気を加湿するための加湿器が備えられることが多い。そして、この加湿器を備えることは、燃料電池システムの大型化や、燃費（エネルギ効率）の低下を招いていた。これに対し、本実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池スタック１００を構成する各セルモジュール４０は、後述するように、発電時に生成された生成水を、各セルモジュール４０内で再循環させて、各セルモジュール４０が備える電解質膜の自己加湿を効率的に行うことが可能な構造をそれぞれ有している。したがって、燃料電池システム１０００は、酸化剤ガスとしての空気や、燃料ガスとしての水素の加湿を行うための加湿器を備えておらず、小型化されており、燃費（エネルギ効率）の向上が図られている。
【００７４】
以下、本発明の特徴である、電解質膜の効率的な自己加湿を行うことが可能な種々のセルモジュール４０について説明する。なお、以下に説明する種々の実施例のセルモジュールは、それぞれ異なる構造を有しているが、すべて「セルモジュール４０」と統一して呼ぶものとする。
【００７５】
Ｂ．第１実施例：
第１実施例のセルモジュール４０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の周囲にシールガスケットを配置したユニット（以下、シールガスケット一体型ＭＥＡと呼ぶ）を、後述するカソード側セパレータ、および、アノード側セパレータによって挟持することによって構成されている。
【００７６】
図２は、第１実施例のセルモジュール４０におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４１の概略構成を示す説明図である。図２（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のアノード側から見た平面図を示した。また、図２（ｂ）には、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００７７】
図２（ａ）に示したように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１は、矩形形状を有しており、矩形形状を有するＭＥＡ４１１の周囲に、シールガスケット４１０を一体形成したものである。シールガスケット４１０としては、ゴムや、樹脂等、絶縁性、耐熱性、および、ガス不透過性を有する種々の材料を用いることができる。
【００７８】
そして、シールガスケット４１０の図示した左側短辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４１２ｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４１４ｏとが、上下に配置して形成されている。また、シールガスケット４１０の図示した右側短辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４１４ｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏとが、上下に配置して形成されている。また、シールガスケット４１０の図示した上側長辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４１６ｉが、シールガスケット４１０の上側長辺に沿って形成されている。また、シールガスケット４１０の図示した下側長辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４１６ｏが、シールガスケット４１０の下側長辺に沿って形成されている。
【００７９】
ＭＥＡ４１１は、図２（ｂ）に示したように、電解質膜４１１ｍの両面に、それぞれカソード４１１ｃ（カソード側触媒層４１１ｃｃ、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄ）、および、アノード４１１ａ（アノード側触媒層４１１ａｃ、アノード側ガス拡散層４１１ａｄ）を接合したものである。
【００８０】
図３は、第１実施例のセルモジュール４０におけるカソード側セパレータ４２ＣＡ１の概略構成を示す説明図である。図３（ａ）に、カソード側セパレータ４２ＣＡ１をＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃと当接する側から見た平面図を示した。また、図３（ｂ）に、図３（ａ）に示したカソード側セパレータ４２ＣＡ１を裏面側から見た平面図を示した。
【００８１】
カソード側セパレータ４２ＣＡ１は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１と同一の矩形形状を有している。そして、カソード側セパレータ４２ＣＡ１には、図示するように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のシールガスケット４１０に形成された空気供給用貫通孔４１２ｉ、アノードオフガス排出用貫通孔４１４ｏ、水素供給用貫通孔４１４ｉ、カソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏ、冷却水供給用貫通孔４１６ｉ、冷却水排出用貫通孔４１６ｏとそれぞれ対応する位置に、空気供給用貫通孔４２２ｉ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏ、水素供給用貫通孔４２４ｉ、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏ、冷却水供給用貫通孔４２６ｉ、冷却水排出用貫通孔４２６ｏが形成されている。
【００８２】
また、図３（ａ）に示したように、カソード側セパレータ４２ＣＡ１の表面には、空気供給用貫通孔４２２ｉから、ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃの表面に沿って、空気が流れるように、複数の溝部４２２ｄ１，４２２ｄ２、および、複数のリブ部４２２ｒ１，４２２ｒ２が形成されており、これらはカソード側ガス流路を形成する。そして、図示するように、複数の溝部４２２ｄ１と複数の溝部４２２ｄ２との間、および、複数のリブ部４２２ｒ１と複数のリブ部４２２ｒ２との間、すなわち、カソード側ガス流路の途中に、カソード側セパレータ４２ＣＡ１の厚さ方向に貫通し、カソード側ガス流路からカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出口４２２ｅが形成されている。つまり、複数の溝部４２２ｄ２、および、複数のリブ部４２２ｒ２は、カソードオフガス排出口４２２ｅよりも、空気、あるいは、カソードオフガスの流れ方向の下流側に形成されている。なお、カソードオフガス排出口４２２ｅから排出されたカソードオフガスは、カソード側セパレータ４２ＣＡ１の裏面に形成された溝部４２２ｄ３（図３（ｂ）参照）を通って、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏに流出する。
【００８３】
また、図３（ｂ）に示したように、カソード側セパレータ４２ＣＡ１の裏面には、冷却水供給用貫通孔４２６ｉから冷却水排出用貫通孔４２６ｏに冷却水が流れるように、複数の溝部４２６ｄ、および、複数のリブ部４２６ｒが形成されている。
【００８４】
図４は、第１実施例のセルモジュール４０におけるアノード側セパレータ４２ＡＮ１の概略構成を示す説明図である。図４（ａ）に、アノード側セパレータ４２ＡＮ１をＭＥＡ４１１のアノード４１１ａと当接する側から見た平面図を示した。また、図４（ｂ）に、図４（ａ）に示したアノード側セパレータ４２ＡＮ１を裏面側から見た平面図を示した。
【００８５】
アノード側セパレータ４２ＡＮ１は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１と同一の矩形形状を有している。そして、アノード側セパレータ４２ＡＮ１には、図示するように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１のシールガスケット４１０に形成された空気供給用貫通孔４１２ｉ、アノードオフガス排出用貫通孔４１４ｏ、水素供給用貫通孔４１４ｉ、カソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏ、冷却水供給用貫通孔４１６ｉ、冷却水排出用貫通孔４１６ｏとそれぞれ対応する位置に、空気供給用貫通孔４２２ｉ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏ、水素供給用貫通孔４２４ｉ、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏ、冷却水供給用貫通孔４２６ｉ、冷却水排出用貫通孔４２６ｏが形成されている。
【００８６】
また、図４（ａ）に示したように、アノード側セパレータ４２ＡＮ１の表面には、水素供給用貫通孔４２４ｉから、ＭＥＡ４１１のアノード４１１ａの表面に沿って、水素が流れるように、複数の溝部４２４ｄ１，４２４ｄ２、および、複数のリブ部４２４ｒ１，４２４ｒ２が形成されており、これらはアノード側ガス流路を形成する。そして、図示するように、複数の溝部４２４ｄ１と複数の溝部４２４ｄ２との間、および、複数のリブ部４２４ｒ１と複数のリブ部４２４ｒ２との間、すなわち、アノード側ガス流路の途中に、アノード側セパレータ４２ＡＮ１の厚さ方向に貫通し、アノード側ガス流路からアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出口４２４ｅが形成されている。つまり、複数の溝部４２４ｄ２、および、複数のリブ部４２４ｒ２は、アノードオフガス排出口４２４ｅよりも、水素、あるいは、アノードオフガスの流れ方向の下流側に形成されている。なお、アノードオフガス排出口４２４ｅから排出されたアノードオフガスは、アノード側セパレータ４２ＡＮ１の裏面に形成された溝部４２４ｄ３（図４（ｂ）参照）を通って、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏに流出する。
【００８７】
また、図４（ｂ）に示したように、アノード側セパレータ４２ＡＮ１の裏面には、冷却水供給用貫通孔４２６ｉから冷却水排出用貫通孔４２６ｏに冷却水が流れるように、複数の溝部４２６ｄ、および、複数のリブ部４２６ｒが形成されている。
【００８８】
図５は、第１実施例のセルモジュール４０の断面構造を示す説明図である。図中に描かれた一点鎖線の上側に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１を、カソード側セパレータ４２ＣＡ１、および、アノード側セパレータ４２ＡＮ１によって挟持したときの、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図中に描かれた一点鎖線の下側に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１を、カソード側セパレータ４２ＣＡ１、および、アノード側セパレータ４２ＡＮ１によって挟持したときの、図４（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００８９】
図示するように、燃料電池スタック１００の外部から供給された空気は、カソード側セパレータ４２ＣＡ１に形成された空気供給用貫通孔４２２ｉから分岐して、溝部４２２ｄ１内を図示した左から右に流れる。このとき、発電時に生成された生成水も、空気、および、カソードオフガスの流れによって移動する。そして、生成水を含むカソードオフガスの一部は、空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部に位置する溝部４２２ｄ２内の空隙に流れ込んで滞留し、残りのカソードオフガスは、この空隙よりも上流側に形成されたカソードオフガス排出口４２２ｅ、および、溝部４２２ｄ３を通って、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏを通じて燃料電池スタック１００の外部に排出される。溝部４２２ｄ２内の空隙に滞留したカソードオフガスに含まれる生成水は、ここで捕捉される。この空隙は、本発明における生成水捕捉部に相当する（以下、カソード側生成水捕捉部とも呼ぶ）。
【００９０】
一方、燃料電池スタック１００の外部から供給された水素は、アノード側セパレータ４２ＡＮ１に形成された水素供給用貫通孔４２４ｉから分岐して、溝部４２４ｄ１内を図示した右から左に流れる。このとき、発電時に生成された生成水も、水素、および、アノードオフガスの流れによって移動する。そして、生成水を含むアノードオフガスの一部は、水素、および、アノードオフガスの流れ方向の最下流部に位置する溝部４２４ｄ２内の空隙に流れ込んで滞留し、残りのアノードオフガスは、この空隙よりも上流側に形成されたアノードオフガス排出口４２４ｅ、および、溝部４２４ｄ２を通って、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏを通じて燃料電池スタック１００の外部に排出される。溝部４２４ｄ２内の空隙に滞留したアノードオフガスに含まれる生成水は、ここで捕捉される。この空隙は、本発明における生成水捕捉部に相当する（以下、アノード側生成水捕捉部とも呼ぶ）。
【００９１】
以上説明した第１実施例のセルモジュール４０では、カソード側ガス流路における空気、および、カソードオフガスの流れ方向と、アノード側ガス流路における水素および、アノードオフガスの流れ方向とが互いに対向している。また、セルモジュール４０は、カソード側ガス流路における空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部（すなわち、アノード側ガス流路における水素、および、アノードオフガスの流れ方向の最上流部とＭＥＡ４１１を挟んで互いに対向する部位）に、カソード側生成水捕捉部を備えている。また、アノード側ガス流路における水素、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部（すなわち、カソード側ガス流路における空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最上流部とＭＥＡ４１１を挟んで互いに対向する部位）に、アノード側生成水捕捉部を備えている。
【００９２】
このため、カソード側生成水捕捉部によって、カソードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、カソード側ガス流路からセルモジュール４０の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜４１１ｍを介して、アノード側ガス流路における水素、および、アノードオフガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このアノード４１１ａ側に透過した生成水を、水素、および、アノードオフガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。また、アノード側生成水捕捉部によってアノードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、アノード側ガス流路からセルモジュール４０の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜４１１ｍを介して、カソード側ガス流路における空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このカソード４１１ｃ側に透過した生成水を、酸化剤ガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。したがって、第１実施例のセルモジュール４０によれば、効果的な電解質膜４１１ｍの自己加湿を行うことができる。
【００９３】
上述した第１実施例のセルモジュール４０による自己加湿の効果を検証するために、第１実施例のセルモジュール４０と、比較例のセルモジュール４０Ｒとの発電性能の比較実験を行った。この実験では、第１実施例のセルモジュール４０、および、比較例のセルモジュール４０Ｒを用いてそれぞれ無加湿運転（発電）を行ったときの、所定の下限電圧を所定時間維持できる冷却水の最高温度を比較した。セルモジュール４０，４０Ｒでは、冷却水の温度上昇、すなわち、セルモジュール４０，４０Ｒの温度上昇とともに、電解質膜４１１ｍのドライアップ（水分不足）が生じ、起電力が低下するからである。
【００９４】
図６は、比較例のセルモジュール４０Ｒの構成を示す説明図である。比較例のセルモジュール４０Ｒは、第１実施例のセルモジュール４０と同様に、図２に示したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１を、カソード側セパレータ４２ＣＡＲ、および、アノード側セパレータ４２ＡＮＲによって挟持することによって構成されている。図６（ａ）に、カソード側セパレータ４２ＣＡＲをＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃと当接する側から見た平面図を示した。また、図６（ｂ）に、アノード側セパレータ４２ＡＮＲをＭＥＡ４１１のアノード４１１ａと当接する側から見た平面図を示した。また、図６（ｃ）に、セルモジュール４０Ｒの断面構造を示した。図６（ｃ）において、図中に描かれた一点鎖線の上側に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１を、カソード側セパレータ４２ＣＡＲ、および、アノード側セパレータ４２ＡＮＲによって挟持したときの、図６（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図中に描かれた一点鎖線の下側に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１を、カソード側セパレータ４２ＣＡＲ、および、アノード側セパレータ４２ＡＮＲによって挟持したときの、図６（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００９５】
図６（ａ）と図３との比較から分かるように、カソード側セパレータ４２ＣＡＲには、カソード側セパレータ４２ＣＡ１と同じ位置に、空気供給用貫通孔４２２ｉ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏ、水素供給用貫通孔４２４ｉ、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏ、冷却水供給用貫通孔４２６ｉ、冷却水排出用貫通孔４２６ｏが形成されている。また、カソード側セパレータ４２ＣＡＲの表面には、空気供給用貫通孔４２２ｉからカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏに、ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃの表面に沿って、空気が流れるように、複数の溝部４２２ｄ、および、複数のリブ部４２２ｒが形成されており、これらはカソード側ガス流路を形成する。そして、カソード側セパレータ４２ＣＡＲは、カソード側セパレータ４２ＣＡ１とは異なり、カソード側ガス流路の途中からカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出口４２２ｅ、および、溝部４２２ｄ３や、カソード側生成水捕捉部を備えていない（図６（ｃ）参照）。なお、図示は省略しているが、カソード側セパレータ４２ＣＡＲの裏面には、カソード側セパレータ４２ＣＡ１と同様に、冷却水供給用貫通孔４２６ｉから冷却水排出用貫通孔４２６ｏに冷却水が流れるように、複数の溝部４２６ｄ、および、複数のリブ部４２６ｒが形成されている。
【００９６】
また、図６（ｂ）と図４との比較から分かるように、アノード側セパレータ４２ＡＮＲには、アノード側セパレータ４２ＡＮ１と同じ位置に、空気供給用貫通孔４２２ｉ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏ、水素供給用貫通孔４２４ｉ、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏ、冷却水供給用貫通孔４２６ｉ、冷却水排出用貫通孔４２６ｏが形成されている。また、アノード側セパレータ４２ＡＮＲの表面には、水素供給用貫通孔４２４ｉからアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏに、ＭＥＡ４１１のアノード４１１ａの表面に沿って、水素が流れるように、複数の溝部４２４ｄ、および、複数のリブ部４２４ｒが形成されており、これらはアノード側ガス流路を形成する。そして、アノード側セパレータ４２ＡＮＲは、アノード側セパレータ４２ＡＮ１とは異なり、アノード側ガス流路の途中からアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出口４２４ｅ、および、溝部４２４ｄ３や、アノード側生成水捕捉部を備えていない（図６（ｃ）参照）。なお、図示は省略しているが、アノード側セパレータ４２ＡＮＲの裏面には、アノード側セパレータ４２ＡＮ１と同様に、冷却水供給用貫通孔４２６ｉから冷却水排出用貫通孔４２６ｏに冷却水が流れるように、複数の溝部４２６ｄ、および、複数のリブ部４２６ｒが形成されている。
【００９７】
図７は、比較実験の実験結果を示す説明図である。第１実施例のセルモジュール４０では、比較例のセルモジュール４０Ｒに対して、５（℃）のゲインが得られた。すなわち、第１実施例のセルモジュール４０では、比較例のセルモジュール４０Ｒよりも５（℃）高い最高温度で、同じ下限電圧を維持することができた。この結果から、第１実施例のセルモジュール４０において、効果的に電解質膜４１１ｍの自己加湿が行われることが分かる。また、第１実施例のセルモジュール４０を燃料電池スタック１００に適用した場合、比較例のセルモジュール４０Ｒを燃料電池スタック１００に適用した場合よりも、燃料電池システム１０００におけるラジエータ７１の大きさを小型化し、燃料電池システム１０００の小型化を図ることもできることが分かる。
【００９８】
Ｃ．第２実施例：
第２実施例のセルモジュール４０の構成は、第１実施例のセルモジュール４０の構成とほぼ同じである。ただし、第２実施例のセルモジュール４０では、カソード側セパレータ４２ＣＡ２、および、アノード側セパレータ４２ＡＮ２の構成が、それぞれ、第１実施例のセルモジュール４０におけるカソード側セパレータ４２ＣＡ１、および、アノード側セパレータ４２ＡＮ１の構成と一部異なっている。
【００９９】
図８は、第２実施例のセルモジュール４０の構成を示す説明図である。第２実施例のセルモジュール４０は、第１実施例のセルモジュール４０と同様に、図２に示したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１を、カソード側セパレータ４２ＣＡ２、および、アノード側セパレータ４２ＡＮ２によって挟持することによって構成されている。図８（ａ）に、カソード側セパレータ４２ＣＡ２をＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃと当接する側から見た平面図を示した。また、図８（ｂ）に、アノード側セパレータ４２ＡＮ２をＭＥＡ４１１のアノード４１１ａと当接する側から見た平面図を示した。また、図８（ｃ）に、セルモジュール４０の断面構造を示した。図８（ｃ）において、図中に描かれた一点鎖線の上側に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１を、カソード側セパレータ４２ＣＡ２、および、アノード側セパレータ４２ＡＮ２によって挟持したときの、図８（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図中に描かれた一点鎖線の下側に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１を、カソード側セパレータ４２ＣＡ２、および、アノード側セパレータ４２ＡＮ２によって挟持したときの、図８（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【０１００】
図８（ａ）と図３との比較から分かるように、カソード側セパレータ４２ＣＡ２には、カソード側セパレータ４２ＣＡ１と同じ位置に、空気供給用貫通孔４２２ｉ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏ、水素供給用貫通孔４２４ｉ、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏ、冷却水供給用貫通孔４２６ｉ、冷却水排出用貫通孔４２６ｏが形成されている。また、カソード側セパレータ４２ＣＡ２の表面には、空気供給用貫通孔４２２ｉから、ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃの表面に沿って、空気が流れるように、複数の溝部４２２ｄ１，４２２ｄ２、および、複数のリブ部４２２ｒ１，４２２ｒ２が形成されており、これらはカソード側ガス流路を形成する。そして、カソード側セパレータ４２ＣＡ１と同様に、複数の溝部４２２ｄ１と複数の溝部４２２ｄ２との間、および、複数のリブ部４２２ｒ１と複数のリブ部４２２ｒ２との間、すなわち、カソード側ガス流路の途中に、カソード側セパレータ４２ＣＡ２の厚さ方向に貫通し、カソード側ガス流路からカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出口４２２ｅが形成されている。つまり、複数の溝部４２２ｄ２、および、複数のリブ部４２２ｒ２は、カソードオフガス排出口４２２ｅよりも、空気、あるいは、カソードオフガスの流れ方向の下流側に形成されている。ただし、図示するように、本実施例におけるカソード側セパレータ４２ＣＡ２では、カソード側セパレータ４２ＣＡ１と異なり、複数の溝部４２２ｄ２、および、複数のリブ部４２２ｒ２は、カソード側ガス流路が蛇行するように形成されている。
【０１０１】
なお、図示は省略しているが、カソード側セパレータ４２ＣＡ２の裏面には、カソード側セパレータ４２ＣＡ１と同様に、冷却水供給用貫通孔４２６ｉから冷却水排出用貫通孔４２６ｏに冷却水が流れるように、複数の溝部４２６ｄ、および、複数のリブ部４２６ｒが形成されている。また、カソード側セパレータ４２ＣＡ２の裏面には、カソードオフガス排出口４２２ｅから排出されたカソードオフガスをカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏに流出させるための溝部４２２ｄ３が形成されている。
【０１０２】
また、図８（ｂ）と図４との比較から分かるように、アノード側セパレータ４２ＡＮ２には、アノード側セパレータ４２ＡＮ１と同じ位置に、空気供給用貫通孔４２２ｉ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏ、水素供給用貫通孔４２４ｉ、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏ、冷却水供給用貫通孔４２６ｉ、冷却水排出用貫通孔４２６ｏが形成されている。また、アノード側セパレータ４２ＡＮ２の表面には、水素供給用貫通孔４２４ｉから、ＭＥＡ４１１のアノード４１１ａの表面に沿って、水素が流れるように、複数の溝部４２４ｄ１，４２４ｄ２、および、複数のリブ部４２４ｒ１，４２４ｒ２が形成されており、これらはアノード側ガス流路を形成する。そして、アノード側セパレータ４２ＡＮ１と同様に、複数の溝部４２４ｄ１と複数の溝部４２４ｄ２との間、および、複数のリブ部４２４ｒ１と複数のリブ部４２４ｒ２との間、すなわち、アノード側ガス流路の途中に、アノード側セパレータ４２ＡＮ１の厚さ方向に貫通し、アノード側ガス流路からアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出口４２４ｅが形成されている。つまり、複数の溝部４２４ｄ２、および、複数のリブ部４２４ｒ２は、アノードオフガス排出口４２４ｅよりも、水素、あるいは、アノードオフガスの流れ方向の下流側に形成されている。ただし、図示するように、本実施例におけるアノード側セパレータ４２ＡＮ２では、アノード側セパレータ４２ＡＮ１と異なり、複数の溝部４２４ｄ２、および、複数のリブ部４２４ｒ２は、アノード側ガス流路が蛇行するように形成されている。
【０１０３】
なお、図示は省略しているが、アノード側セパレータ４２ＡＮ２の裏面には、アノード側セパレータ４２ＡＮ１と同様に、冷却水供給用貫通孔４２６ｉから冷却水排出用貫通孔４２６ｏに冷却水が流れるように、複数の溝部４２６ｄ、および、複数のリブ部４２６ｒが形成されている。また、アノード側セパレータ４２ＡＮ２の裏面には、アノードオフガス排出口４２４ｅから排出されたアノードオフガスをアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏに流出させるための溝部４２４ｄ３が形成されている。
【０１０４】
図８（ｃ）に示したように、燃料電池スタック１００の外部から供給された空気は、カソード側セパレータ４２ＣＡ２に形成された空気供給用貫通孔４２２ｉから分岐して、溝部４２２ｄ１内を図示した左から右に流れる。このとき、発電時に生成された生成水も、空気、および、カソードオフガスの流れによって移動する。そして、生成水を含むカソードオフガスの一部は、空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部に位置する溝部４２２ｄ２内の、蛇行した形状を有する空隙に流れ込んで滞留し、残りのカソードオフガスは、この空隙よりも上流側に形成されたカソードオフガス排出口４２２ｅ、および、溝部４２２ｄ３を通って、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏを通じて燃料電池スタック１００の外部に排出される。溝部４２２ｄ２内の、蛇行した形状を有する空隙に滞留したカソードオフガスに含まれる生成水は、ここで捕捉される。この空隙は、本発明における生成水捕捉部に相当する。
【０１０５】
一方、燃料電池スタック１００の外部から供給された水素は、アノード側セパレータ４２ＡＮ２に形成された水素供給用貫通孔４２４ｉから分岐して、溝部４２４ｄ１内を図示した右から左に流れる。このとき、発電時に生成された生成水も、水素、および、アノードオフガスの流れによって移動する。そして、生成水を含むアノードオフガスの一部は、水素、および、アノードオフガスの流れ方向の最下流部に位置する溝部４２４ｄ２内の、蛇行した形状を有する空隙に流れ込んで滞留し、残りのアノードオフガスは、この空隙よりも上流側に形成されたアノードオフガス排出口４２４ｅ、および、溝部４２４ｄ２を通って、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏを通じて燃料電池スタック１００の外部に排出される。溝部４２４ｄ２内の、蛇行した形状を有する空隙に滞留したアノードオフガスに含まれる生成水は、ここで捕捉される。この空隙は、本発明における生成水捕捉部に相当する。
【０１０６】
以上説明した第２実施例のセルモジュール４０では、第１実施例のセルモジュール４０と同様に、カソード側生成水捕捉部によって、カソードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、カソード側ガス流路からセルモジュール４０の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜４１１ｍを介して、アノード側ガス流路における水素、および、アノードオフガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このアノード４１１ａ側に透過した生成水を、水素、および、アノードオフガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。また、アノード側生成水捕捉部によってアノードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、アノード側ガス流路からセルモジュール４０の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜４１１ｍを介して、カソード側ガス流路における空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このカソード４１１ｃ側に透過した生成水を、酸化剤ガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。したがって、第２実施例のセルモジュール４０によれば、効果的な電解質膜４１１ｍの自己加湿を行うことができる。
【０１０７】
なお、本実施例のセルモジュール４０では、上述したように、カソード側生成水捕捉部の形状が蛇行した形状を有しているため、カソード側流路において、カソード側生成水捕捉部の流路抵抗が、他の部位における流路抵抗よりも大きくなっている。同様に、アノード側生成水捕捉部の形状も蛇行した形状を有しているため、アノード側流路において、アノード側生成水捕捉部の流路抵抗が、他の部位における流路抵抗よりも大きくなっている。したがって、第２実施例のセルモジュール４０では、カソード側生成水捕捉部、および、アノード側生成水捕捉部に捕捉した生成水が外部へ排出されるのを抑制する効果が、第１実施例のセルモジュール４０よりも高くなる。
【０１０８】
上述した第２実施例のセルモジュール４０による自己加湿の効果を検証するために、第１実施例のセルモジュール４０と、第２実施例のセルモジュール４０との発電性能の比較実験を行った。この実験では、先に第１実施例で説明したのと同様に、第１実施例のセルモジュール４０、および、第２実施例のセルモジュール４０を用いてそれぞれ無加湿運転（発電）を行ったときの、所定の下限電圧を所定時間維持できる冷却水の最高温度を比較した。
【０１０９】
図９は、比較実験の実験結果を示す説明図である。第２実施例のセルモジュール４０では、第１実施例のセルモジュール４０Ｒに対して、３（℃）のゲインが得られた。すなわち、第２実施例のセルモジュール４０では、第１実施例のセルモジュール４０よりも３（℃）高い最高温度で、同じ下限電圧を維持することができた。この結果から、第２実施例のセルモジュール４０において、第１実施例のセルモジュール４０よりも効果的に電解質膜４１１ｍの自己加湿が行われることが分かる。また、第２実施例のセルモジュール４０を燃料電池スタック１００に適用した場合、第１実施例のセルモジュール４０を燃料電池スタック１００に適用した場合よりも、燃料電池システム１０００におけるラジエータ７１の大きさを小型化し、燃料電池システム１０００の小型化を図ることもできることが分かる。
【０１１０】
Ｄ．第３実施例：
第３実施例のセルモジュール４０の構成は、第１実施例のセルモジュール４０の構成とほぼ同じである。ただし、第３実施例のセルモジュール４０では、カソード側セパレータ４２ＣＡ３、および、アノード側セパレータ４２ＡＮ３の構成が、それぞれ、第１実施例のセルモジュール４０におけるカソード側セパレータ４２ＣＡ１、および、アノード側セパレータ４２ＡＮ１の構成と一部異なっている。
【０１１１】
図１０は、第３実施例のセルモジュール４０の構成を示す説明図である。第３実施例のセルモジュール４０は、第１実施例のセルモジュール４０と同様に、図２に示したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１を、カソード側セパレータ４２ＣＡ３、および、アノード側セパレータ４２ＡＮ２によって挟持することによって構成されている。図１０（ａ）に、カソード側セパレータ４２ＣＡ３をＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃと当接する側から見た平面図を示した。また、図１０（ｂ）に、アノード側セパレータ４２ＡＮ３をＭＥＡ４１１のアノード４１１ａと当接する側から見た平面図を示した。また、図１０（ｃ）に、セルモジュール４０の断面構造を示した。図１０（ｃ）において、図中に描かれた一点鎖線の上側に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１を、カソード側セパレータ４２ＣＡ３、および、アノード側セパレータ４２ＡＮ３によって挟持したときの、図１０（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図中に描かれた一点鎖線の下側に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１を、カソード側セパレータ４２ＣＡ３、および、アノード側セパレータ４２ＡＮ３によって挟持したときの、図１０（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【０１１２】
図１０（ａ）と図３との比較から分かるように、カソード側セパレータ４２ＣＡ３には、カソード側セパレータ４２ＣＡ１と同じ位置に、空気供給用貫通孔４２２ｉ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏ、水素供給用貫通孔４２４ｉ、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏ、冷却水供給用貫通孔４２６ｉ、冷却水排出用貫通孔４２６ｏが形成されている。また、カソード側セパレータ４２ＣＡ３の表面には、空気供給用貫通孔４２２ｉから、ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃの表面に沿って、空気が流れるように、複数の溝部４２２ｄ１，４２２ｄ２、および、複数のリブ部４２２ｒ１，４２２ｒ２が形成されており、これらはカソード側ガス流路を形成する。そして、カソード側セパレータ４２ＣＡ１と同様に、複数の溝部４２２ｄ１と複数の溝部４２２ｄ２との間、および、複数のリブ部４２２ｒ１と複数のリブ部４２２ｒ２との間、すなわち、カソード側ガス流路の途中に、カソード側セパレータ４２ＣＡ２の厚さ方向に貫通し、カソード側ガス流路からカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出口４２２ｅが形成されている。つまり、複数の溝部４２２ｄ２、および、複数のリブ部４２２ｒ２は、カソードオフガス排出口４２２ｅよりも、空気、あるいは、カソードオフガスの流れ方向の下流側に形成されている。ただし、図示するように、本実施例におけるカソード側セパレータ４２ＣＡ３では、カソード側セパレータ４２ＣＡ１と異なり、複数の溝部４２２ｄ２内に、多孔質部材からなる吸湿材４２２ａが充填されている。多孔質部材としては、多数の細孔を有する種々の部材を適用可能である。この吸湿材４２２ａ（多孔質部材）の細孔内には、吸湿性を高めるため、親水処理が施されている。
【０１１３】
なお、図示は省略しているが、カソード側セパレータ４２ＣＡ３の裏面には、カソード側セパレータ４２ＣＡ１と同様に、冷却水供給用貫通孔４２６ｉから冷却水排出用貫通孔４２６ｏに冷却水が流れるように、複数の溝部４２６ｄ、および、複数のリブ部４２６ｒが形成されている。また、カソード側セパレータ４２ＣＡ３の裏面には、カソードオフガス排出口４２２ｅから排出されたカソードオフガスをカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏに流出させるための溝部４２２ｄ３が形成されている。
【０１１４】
また、図１０（ｂ）と図４との比較から分かるように、アノード側セパレータ４２ＡＮ３には、アノード側セパレータ４２ＡＮ１と同じ位置に、空気供給用貫通孔４２２ｉ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏ、水素供給用貫通孔４２４ｉ、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏ、冷却水供給用貫通孔４２６ｉ、冷却水排出用貫通孔４２６ｏが形成されている。また、アノード側セパレータ４２ＡＮ３の表面には、水素供給用貫通孔４２４ｉから、ＭＥＡ４１１のアノード４１１ａの表面に沿って、水素が流れるように、複数の溝部４２４ｄ１，４２４ｄ２、および、複数のリブ部４２４ｒ１，４２４ｒ２が形成されており、これらはアノード側ガス流路を形成する。そして、アノード側セパレータ４２ＡＮ１と同様に、複数の溝部４２４ｄ１と複数の溝部４２４ｄ２との間、および、複数のリブ部４２４ｒ１と複数のリブ部４２４ｒ２との間、すなわち、アノード側ガス流路の途中に、アノード側セパレータ４２ＡＮ１の厚さ方向に貫通し、アノード側ガス流路からアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出口４２４ｅが形成されている。つまり、複数の溝部４２４ｄ２、および、複数のリブ部４２４ｒ２は、アノードオフガス排出口４２４ｅよりも、水素、あるいは、アノードオフガスの流れ方向の下流側に形成されている。ただし、図示するように、本実施例におけるアノード側セパレータ４２ＡＮ３では、アノード側セパレータ４２ＡＮ１と異なり、複数の溝部４２４ｄ２内に、多孔質部材からなる吸湿材４２４ａが充填されている。多孔質部材としては、多数の細孔を有する種々の部材を適用可能である。この吸湿材４２４ａ（多孔質部材）の細孔内には、吸湿性を高めるため、親水処理が施されている。
【０１１５】
なお、図示は省略しているが、アノード側セパレータ４２ＡＮ３の裏面には、アノード側セパレータ４２ＡＮ１と同様に、冷却水供給用貫通孔４２６ｉから冷却水排出用貫通孔４２６ｏに冷却水が流れるように、複数の溝部４２６ｄ、および、複数のリブ部４２６ｒが形成されている。また、アノード側セパレータ４２ＡＮ３の裏面には、アノードオフガス排出口４２４ｅから排出されたアノードオフガスをアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏに流出させるための溝部４２４ｄ３が形成されている。
【０１１６】
図１０（ｃ）に示したように、燃料電池スタック１００の外部から供給された空気は、カソード側セパレータ４２ＣＡ３に形成された空気供給用貫通孔４２２ｉから分岐して、溝部４２２ｄ１内を図示した左から右に流れる。このとき、発電時に生成された生成水も、空気、および、カソードオフガスの流れによって移動する。そして、生成水を含むカソードオフガスの一部は、空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部に位置する溝部４２２ｄ２内に充填された吸湿材４２２ａに流れ込んで滞留し、残りのカソードオフガスは、吸湿材４２２ａよりも上流側に形成されたカソードオフガス排出口４２２ｅ、および、溝部４２２ｄ３を通って、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｏを通じて燃料電池スタック１００の外部に排出される。吸湿材４２２ａ内に滞留したカソードオフガスに含まれる生成水は、ここで捕捉される。この吸湿材４２２ａは、本発明における生成水捕捉部に相当する。
【０１１７】
一方、燃料電池スタック１００の外部から供給された水素は、アノード側セパレータ４２ＡＮ３に形成された水素供給用貫通孔４２４ｉから分岐して、溝部４２４ｄ１内を図示した右から左に流れる。このとき、発電時に生成された生成水も、水素、および、アノードオフガスの流れによって移動する。そして、生成水を含むアノードオフガスの一部は、水素、および、アノードオフガスの流れ方向の最下流部に位置する溝部４２４ｄ２内に充填された吸湿材４２４ａに流れ込んで滞留し、残りのアノードオフガスは、吸湿材４２４ａよりも上流側に形成されたアノードオフガス排出口４２４ｅ、および、溝部４２４ｄ２を通って、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｏを通じて燃料電池スタック１００の外部に排出される。吸湿材４２４ａ内に滞留したアノードオフガスに含まれる生成水は、ここで捕捉される。この吸湿材４２４ａは、本発明における生成水捕捉部に相当する。
【０１１８】
以上説明した第３実施例のセルモジュール４０では、第１実施例のセルモジュール４０と同様に、カソード側生成水捕捉部によって、カソードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、カソード側ガス流路からセルモジュール４０の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜４１１ｍを介して、アノード側ガス流路における水素、および、アノードオフガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このアノード４１１ａ側に透過した生成水を、水素、および、アノードオフガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。また、アノード側生成水捕捉部によってアノードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、アノード側ガス流路からセルモジュール４０の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜４１１ｍを介して、カソード側ガス流路における空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このカソード４１１ｃ側に透過した生成水を、酸化剤ガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。したがって、第３実施例のセルモジュール４０によれば、効果的な電解質膜４１１ｍの自己加湿を行うことができる。
【０１１９】
なお、本実施例のセルモジュール４０では、上述したように、カソード側生成水捕捉部として、吸湿材４２２ａを備えているため、カソード側流路において、カソード側生成水捕捉部の流路抵抗が、他の部位における流路抵抗よりも大きくなり、かつ、捕捉する生成水の量も多くなる。同様に、アノード側生成水捕捉部として、吸湿材４２４ａを備えているため、アノード側流路において、アノード側生成水捕捉部の流路抵抗が、他の部位における流路抵抗よりも大きくなり、かつ、捕捉する生成水の量も多くなる。したがって、第３実施例のセルモジュール４０では、カソード側生成水捕捉部、および、アノード側生成水捕捉部に捕捉した生成水が外部へ排出されるのを抑制する効果が、第１実施例のセルモジュール４０よりも高くなる。
【０１２０】
上述した第３実施例のセルモジュール４０による自己加湿の効果を検証するために、第１実施例のセルモジュール４０と、第３実施例のセルモジュール４０との発電性能の比較実験を行った。この実験では、先に第１実施例で説明したのと同様に、第１実施例のセルモジュール４０、および、第３実施例のセルモジュール４０を用いてそれぞれ無加湿運転（発電）を行ったときの、所定の下限電圧を所定時間維持できる冷却水の最高温度を比較した。
【０１２１】
図１１は、比較実験の実験結果を示す説明図である。第３実施例のセルモジュール４０では、第１実施例のセルモジュール４０Ｒに対して、５（℃）のゲインが得られた。すなわち、第３実施例のセルモジュール４０では、第１実施例のセルモジュール４０よりも５（℃）高い最高温度で、同じ下限電圧を維持することができた。この結果から、第３実施例のセルモジュール４０において、第１実施例のセルモジュール４０よりも効果的に電解質膜４１１ｍの自己加湿が行われることが分かる。また、第３実施例のセルモジュール４０を燃料電池スタック１００に適用した場合、第１実施例のセルモジュール４０や、第２実施例のセルモジュール４０を燃料電池スタック１００に適用した場合よりも、燃料電池システム１０００におけるラジエータ７１の大きさを小型化し、燃料電池システム１０００の小型化を図ることもできることが分かる。
【０１２２】
Ｅ．第４実施例：
第４実施例のセルモジュール４０は、後述するように、シールガスケット一体型ＭＥＡの両面に、金属多孔体を積層させ、これらを、セパレータによって挟持することによって構成されている。
【０１２３】
図１２は、第４実施例のセルモジュール４０におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａの概略構造を示す説明図である。図１２（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａのカソード側から見た平面図を示した。また、図１２（ｂ）には、図１２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【０１２４】
図１２（ａ）に示したように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａは、矩形形状を有しており、矩形形状を有するＭＥＡ４１１の周囲に、シリコーンゴムからなるシールガスケット４１０Ａを一体形成したものである。ＭＥＡ４１１は、先に図２を用いて説明したＭＥＡ４１１と同じものであり、電解質膜４１１ｍの両面に、それぞれカソード４１１ｃ（カソード側触媒層４１１ｃｃ、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄ）、および、アノード４１１ａ（アノード側触媒層４１１ａｃ、アノード側ガス拡散層４１１ａｄ）を接合したものである。
【０１２５】
そして、シールガスケット４１０Ａの図示した左側短辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４１６ｉとが、上下に配置して形成されている。また、シールガスケット４１０Ａの図示した右側短辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４１６ｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４１４ｏとが、上下に配置して形成されている。また、シールガスケット４１０Ａの図示した上側長辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４１４ｉが、シールガスケット４１０Ａの上側長辺に沿って形成されている。また、シールガスケット４１０Ａの図示した下側長辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４１２ｉが、シールガスケット４１０Ａの下側長辺に沿って形成されている。
【０１２６】
また、シールガスケット４１０Ａにおける、上述した各貫通孔、および、ＭＥＡ４１１の周囲には、図１２（ｂ）に示したように、シールガスケット４１０Ａの両面にライン状の突起部を形成することによって、シールラインＳＬがそれぞれ形成されている。このシールラインＳＬによって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａと後述するセパレータ４２Ａとを積層したときに、上述した各貫通孔内を流れる水素や、空気や、冷却水、および、ＭＥＡ４１１の表面を流れる水素や、空気等の外部へ漏洩を抑制することができる。
【０１２７】
図１３は、セパレータ４２Ａの構成部品の平面図である。本実施例におけるセパレータ４２Ａは、それぞれ複数の貫通孔が設けられた３枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート４２ｃと、中間プレート４２ｍと、アノード対向プレート４２ａとから構成されている。そして、セパレータ４２Ａは、中間プレート４２ｍを、カソード対向プレート４２ｃと、アノード対向プレート４２ａとによって挟み、これらを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、カソード対向プレート４２ｃと、中間プレート４２ｍと、アノード対向プレート４２ａとは、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａと同一の矩形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。カソード対向プレート４２ｃと、中間プレート４２ｍと、アノード対向プレート４２ａ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、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。
【０１２８】
図１３（ａ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａのカソード側の面と当接するカソード対向プレート４２ｃの平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を表している。
【０１２９】
図示するように、カソード対向プレート４２ｃには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ｃｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｃｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ｃｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ｃｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ｃｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｃｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【０１３０】
また、カソード対向プレート４２ｃには、図示するように、空気供給用貫通孔４２２ｃｉ近傍のＭＥＡ４１１の下端部と対向する位置に配置された空気供給口４２２ｏｓと、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｃｏ近傍のＭＥＡ４１１の上端部と対向する位置から所定間隔下方の位置に配置されたカソードオフガス排出口４２２ｏｅとが形成されている。本実施例では、空気供給口４２２ｏｓと、カソードオフガス排出口４２２ｏｅとは、ＭＥＡ４１１の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。
【０１３１】
図１３（ｂ）は、中間プレート４２ｍの平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１ＡにおけるＭＥＡ４１１に対応する領域を表している。
【０１３２】
図示するように、中間プレート４２ｍには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ｍｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ｍｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。また、中間プレート４２ｍには、冷却水供給マニホールドを構成する複数の冷却水流路形成用貫通孔４２６ｍも形成されている。
【０１３３】
また、中間プレート４２ｍにおいて、空気供給用貫通孔４２２ｍｉには、空気供給用貫通孔４２２ｍｉから、カソード対向プレート４２ｃに形成された空気供給口４２２ｏｓに、空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４２２ｍｉｐが、櫛歯状に設けられている。また、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏには、カソード対向プレート４２ｃに形成されたカソードオフガス排出口４２２ｏｅから、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏに、カソードオフガスを流すためのカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐが設けられている。また、水素供給用貫通孔４２４ｍｉには、この水素供給用貫通孔４２４ｍｉから、後述するアノード対向プレート４２ａに形成された水素供給口４２４ｈｓに、水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４２４ｍｉｐが、櫛歯状に設けられている。また、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏには、後述するアノード対向プレート４２ａに形成されたアノードオフガス排出口４２４ｈｅから、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏに、アノードオフガスを流すためのアノードオフガス排出用流路形成部４２４ｍｏｐが設けられている。
【０１３４】
図１３（ｃ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａ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、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１ＡにおけるＭＥＡ４１１に対応する領域を表している。
【０１３５】
図示するように、アノード対向プレート４２ａには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ａｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ａｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ａｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ａｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａにおいて、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【０１３６】
また、アノード対向プレート４２ａには、図示するように、水素供給用貫通孔４２４ａｉ近傍のＭＥＡ４１１の上端部と対向する位置に配置された水素供給口４２４ｈｓと、空気供給用貫通孔４２２ａｉ近傍のＭＥＡ４１１の下端部と対向する位置から所定間隔上方の位置に配置されたアノードオフガス排出口４２４ｈｅとが形成されている。本実施例では、水素供給口４２４ｈｓと、アノードオフガス排出口４２４ｈｅとは、カソード対向プレート４２ｃに形成された空気供給口４２２ｏｓ、および、カソードオフガス排出口４２２ｏｅと同様に、ＭＥＡ４１１の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。
【０１３７】
図１４は、セパレータ４２Ａの平面図である。このセパレータ４２Ａは、先に説明したように、カソード対向プレート４２ｃと、中間プレート４２ｍと、アノード対向プレート４２ａとを、ホットプレス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。
【０１３８】
図から分かるように、アノード対向プレート４２ａにおいて、水素供給口４２４ｈｓは、中間プレート４２ｍに形成された複数の水素供給用流路形成部４２４ｍｉｐの各下端部と重なるように形成されている。また、アノード対向プレート４２ａにおいて、アノードオフガス排出口４２４ｈｅは、中間プレート４２ｍに形成されたアノードオフガス排出用流路形成部４２４ｍｏｐと重なるように形成されている。
【０１３９】
また、カソード対向プレート４２ｃにおいて、空気供給口４２２ｏｓは、中間プレート４２ｍに形成された複数の空気供給用流路形成部４２２ｍｉｐの各上端部と重なるように形成されている。また、カソード対向プレート４２ｃにおいて、カソードオフガス排出口４２２ｏｅは、中間プレート４２ｍに形成されたカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐと重なるように形成されている。
【０１４０】
また、中間プレート４２ｍにおいて、複数の冷却水流路形成用貫通孔４２６ｍは、それぞれ、図示した左側の端部が、アノード対向プレート４２ａに形成された冷却水供給用貫通孔４２６ａｉ、および、カソード対向プレート４２ｃに形成された冷却水供給用貫通孔４２６ｃｉと重なるとともに、図示した右側の端部が、アノード対向プレート４２ａに形成された冷却水排出用貫通孔４２６ａｏ、および、カソード対向プレート４２ｃに形成された冷却水排出用貫通孔４２６ｃｏと重なるように形成されている。
【０１４１】
図１５は、第４実施例のセルモジュール４０の断面構造を示す説明図である。セパレータ４２Ａと、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａとを積層させたときの、図１４におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【０１４２】
本実施例のセルモジュール４０では、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａのアノード４１１ａと、セパレータ４２Ａのアノード対向プレート４２ａとの間には、導電性、および、ガス拡散性を有する金属多孔体（アノード側金属多孔体４３ａ）が介装され、アノード側ガス拡散層４１１ａｄの表面に沿って水素を流すためのアノード側流路が形成されている。そして、図示するように、アノード側金属多孔体４３ａにおいて、水素、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部であって、空気供給口４２２ｏｓとＭＥＡ４１１を挟んで対向する部位には、他の部位よりも気孔率が低いアノード側金属多孔体４３ａｓが配置されている。そして、アノード側金属多孔体４３ａにおいて、アノード側金属多孔体４３ａｓにおける圧力損失、および、ガスの流れ方向の流路抵抗は、他の部位に配置された金属多孔体における圧力損失、および、ガスの流れ方向の流路抵抗よりも高い。なお、このアノード側金属多孔体４３ａｓには、保水性を高めるために、親水処理が施されている。このアノード側金属多孔体４３ａｓは、本発明における第２の多孔体、移動抑制部材に相当する。また、アノード側金属多孔体４３ａにおけるアノード側金属多孔体４３ａｓ以外の領域に配置された金属多孔体は、本発明における第１の多孔体に相当する。
【０１４３】
また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａのカソード４１１ｃと、セパレータ４２Ａのカソード対向プレート４２ｃとの間にも、導電性、および、ガス拡散性を有する金属多孔体（カソード側金属多孔体４３ｃ）が介装され、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄの表面に沿って空気を流すためのカソード側流路が形成されている。そして、図示するように、カソード側金属多孔体４３ｃにおいて、空気、および、アノードオフガスの流れ方向の最下流部であって、水素供給口４２４ｈｓとＭＥＡ４１１を挟んで対向する部位には、他の部位よりも気孔率が低いカソード側金属多孔体４３ｃｓが配置されている。そして、カソード側金属多孔体４３ｃにおいて、カソード側金属多孔体４３ｃｓにおける圧力損失、および、ガスの流れ方向の流路抵抗は、他の部位に配置された金属多孔体における圧力損失、および、ガスの流れ方向の流路抵抗よりも高い。なお、このカソード側金属多孔体４３ｃｓには、保水性を高めるために、親水処理が施されている。このカソード側金属多孔体４３ｃｓは、本発明における第２の多孔体、移動抑制部材に相当する。また、カソード側金属多孔体４３ｃにおけるカソード側金属多孔体４３ｃｓ以外の領域に配置された金属多孔体は、本発明における第１の多孔体に相当する。
【０１４４】
本実施例では、アノード側金属多孔体４３ａ（アノード側金属多孔体４３ａｓを含む）、および、カソード側金属多孔体４３ｃ（カソード側金属多孔体４３ｃｓを含む）として、発泡金属焼結体を用いるものとしたが、この代わりに、例えば、金属メッシュや、エキスパンドメタルや、パンチングメタルを波板状に加工したもの等、種々の部材を用いることができる。
【０１４５】
図中に矢印で示したように、セルモジュール４０において、燃料電池スタック１００の外部から供給された空気は、アノード対向プレート４２ａの空気供給用貫通孔４２２ａｉを通り、中間プレート４２ｍの空気供給用貫通孔４２２ｍｉから分岐して、空気供給用流路形成部４２２ｍｉｐを通り、カソード対向プレート４２ｃの空気供給口４２２ｏｓから、カソード側金属多孔体４３ｃの表面に対して垂直な方向に供給される。
【０１４６】
そして、図１４、および、図１５から分かるように、空気供給口４２２ｏｓから供給された空気は、カソード側金属多孔体４３ｃ中、および、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄ中を拡散しつつ流れ、カソード対向プレート４２ｃのカソードオフガス排出口４２２ｏｅから、カソード側金属多孔体４３ｃの表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート４２ｍのカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐ、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏを通って、アノード対向プレート４２ａのカソードオフガス排出用貫通孔４２２ａｏを通じて、燃料電池スタック１００の外部に排出される。このとき、生成水を含むカソードオフガスの一部は、カソードオフガス排出口４２２ｏｅよりも下流側のカソード側金属多孔体４３ｃｓに流れ込んで滞留し、カソードオフガスに含まれる生成水は、カソード側金属多孔体４３ｃｓによって捕捉される。カソード側金属多孔体４３ｃｓは、本発明におけるカソード側生成水捕捉部に相当する。
【０１４７】
また、図中に矢印で示したように、燃料電池スタック１００の外部から供給された水素は、カソード対向プレート４２ｃの水素供給用貫通孔４２４ｃｉを通り、中間プレート４２ｍの水素供給用貫通孔４２４ｍｉから分岐して、水素供給用流路形成部４２４ｍｉｐを通り、アノード対向プレート４２ａの水素供給口４２４ｈｓから、アノード側金属多孔体４３ａの表面に対して垂直な方向に供給される。
【０１４８】
そして、図１４、および、図１５から分かるように、水素供給口４２４ｈｓから供給された水素は、アノード側金属多孔体４３ａ中、および、アノード側ガス拡散層４１１ａｄ中を拡散しつつ流れ、アノード対向プレート４２ａのアノードオフガス排出口４２４ｈｅから、アノード側金属多孔体４３ａの表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート４２ｍのアノードオフガス排出用流路形成部４２４ｍｏｐ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏを通って、カソード対向プレート４２ｃのアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｃｏ等を通じて、燃料電池スタック１００の外部に排出される。このとき、生成水を含むアノードオフガスの一部は、アノードオフガス排出口４２４ｈｅよりも下流側のアノード側金属多孔体４３ａｓに流れ込んで滞留し、アノードオフガスに含まれる生成水は、アノード側金属多孔体４３ａｓによって捕捉される。アノード側金属多孔体４３ａｓは、本発明におけるアノード側生成水捕捉部に相当する。
【０１４９】
また、図１４、および、図１５から分かるように、燃料電池スタック１００の外部から供給された冷却水は、アノード対向プレート４２ａの冷却水供給用貫通孔４２６ａｉ、中間プレート４２ｍの冷却水流路形成用貫通孔４２６ｍを通って、アノード対向プレート４２ａの冷却水排出用貫通孔４２６ａｏ等を通じて、燃料電池スタック１００の外部に排出される。
【０１５０】
以上説明した第５実施例のセルモジュール４０では、カソード側金属多孔体４３ｃｓ（カソード側生成水捕捉部）に捕捉された生成水がカソードオフガス排出口４２２ｏｅからセルモジュール４０の外部に排出されるのを効果的に抑制するとともに、カソード側金属多孔体４３ｃｓに捕捉され、電解質膜４１１ｍを介して、アノード側に透過した生成水を、水素の流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。また、アノード側金属多孔体４３ａｓ（アノード側生成水捕捉部）に捕捉された生成水がアノードオフガス排出口４２４ｈｅからセルモジュール４０の外部に排出されるのを効果的に抑制するとともに、アノード側金属多孔体４３ａｓに捕捉され、電解質膜４１１ｍを介して、カソード側に透過した生成水を、空気の流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。したがって、第５実施例のセルモジュール４０によれば、効果的な電解質膜４１１ｍの自己加湿を行うことができる。
【０１５１】
Ｆ．第５実施例：
第５実施例のセルモジュール４０は、第４実施例のセルモジュール４０と同様に、シールガスケット一体型ＭＥＡの両面に金属多孔体を積層させ、これらを、セパレータによって挟持することによって構成されている。
【０１５２】
図１６は、第５実施例のセルモジュール４０におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂの概略構造を示す説明図である。シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂのカソード側から見た平面図を示した。
【０１５３】
図１６に示したように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂは、矩形形状を有しており、矩形形状を有するＭＥＡ４１１の周囲に、シリコーンゴムからなるシールガスケット４１０Ｂを一体形成したものである。ＭＥＡ４１１は、先に図２を用いて説明したＭＥＡ４１１と同じものであり、電解質膜４１１ｍの両面に、それぞれカソード４１１ｃ（カソード側触媒層４１１ｃｃ、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄ）、および、アノード４１１ａ（アノード側触媒層４１１ａｃ、アノード側ガス拡散層４１１ａｄ）を接合したものである。
【０１５４】
そして、シールガスケット４１０Ｂの図示した左側短辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４１４ｏと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４１６ｉとが、上下に配置して形成されている。また、シールガスケット４１０Ｂの図示した右側短辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４１６ｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４１４ｉとが、上下に配置して形成されている。また、シールガスケット４１０Ｂの図示した上側長辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４１２ｉが、シールガスケット４１０Ｂの上側長辺に沿って形成されている。また、シールガスケット４１０Ｂの図示した下側長辺部のＭＥＡ４１１の近傍領域には、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏが、シールガスケット４１０Ｂの下側長辺に沿って形成されている。
【０１５５】
また、シールガスケット４１０Ｂにおける、上述した各貫通孔、および、ＭＥＡ４１１の周囲には、第４実施例におけるシールガスケット４１０Ａと同様に、シールガスケット４１０Ｂの両面にライン状の突起部を形成することによって、シールラインＳＬがそれぞれ形成されている。このシールラインＳＬによって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂと後述するセパレータ４２Ｂとを積層したときに、上述した各貫通孔内を流れる水素や、空気や、冷却水、および、ＭＥＡ４１１の表面を流れる水素や、空気等の外部へ漏洩を抑制することができる。
【０１５６】
図１７は、セパレータ４２Ｂの構成部品の平面図である。本実施例におけるセパレータ４２Ｂは、それぞれ複数の貫通孔が設けられた２枚の金属製のプレート、すなわち、カソード対向プレート４２ｃ、および、アノード対向プレート４２ａと、樹脂製の中間プレート４２ｍとから構成されている。中間プレート４２ｍとして、金属の代わりに樹脂を用いることによって、セパレータ４２Ｂの軽量化を図ることができる。そして、セパレータ４２Ｂは、中間プレート４２ｍを、カソード対向プレート４２ｃと、アノード対向プレート４２ａとによって挟み、これらを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、カソード対向プレート４２ｃ、および、アノード対向プレート４２ａは、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂと同一の矩形形状を有するステンレス鋼製のプレートを用いるものとした。なお、カソード対向プレート４２ｃ、および、アノード対向プレート４２ａには、後述するように、プレス加工によって凹凸が形成されている。
【０１５７】
図１７（ａ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂのカソード側の面と当接するカソード対向プレート４２ｃの平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１におけるＭＥＡ４１１に対応する領域を表している。
【０１５８】
図示するように、カソード対向プレート４２ｃには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ｃｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｃｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ｃｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ｃｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ｃｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｃｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【０１５９】
また、カソード対向プレート４２ｃには、図示するように、空気供給用貫通孔４２２ｃｉ近傍のＭＥＡ４１１の上端部と対向する位置に配置された空気供給口４２２ｏｓと、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｃｏ近傍のＭＥＡ４１１の下端部と対向する位置に配置されたカソードオフガス排出口４２２ｏｅとが形成されている。本実施例では、空気供給口４２２ｏｓと、カソードオフガス排出口４２２ｏｅとは、ＭＥＡ４１１の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。また、図示するように、冷却水供給用貫通孔４２６ｃｉと冷却水排出用貫通孔４２６ｃｏとの間の領域には、複数の凹部４２７が形成されている。これら複数の凹部４２７は、後述するように、カソード対向プレート４２ｃと、中間プレート４２ｍと、アノード対向プレート４２ａとを重ねて、これらをホットプレス接合したときに、アノード対向プレート４２ａと当接するように形成されている。これは、カソード対向プレート４２ｃとアノード対向プレート４２ａとの電気的導通を確保するためである。
【０１６０】
図１７（ｂ）は、中間プレート４２ｍの平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１ＢにおけるＭＥＡ４１１に対応する領域を表している。
【０１６１】
図示するように、中間プレート４２ｍには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ｍｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ｍｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。また、中間プレート４２ｍには、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水流路形成用貫通孔４２６ｍも形成されている。
【０１６２】
また、中間プレート４２ｍにおいて、空気供給用貫通孔４２２ｍｉには、空気供給用貫通孔４２２ｍｉから、カソード対向プレート４２ｃに形成された空気供給口４２２ｏｓに、空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４２２ｍｉｐが、櫛歯状に設けられている。また、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏには、カソード対向プレート４２ｃに形成されたカソードオフガス排出口４２２ｏｅから、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏに、カソードオフガスを流すための複数のカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐが、櫛歯状に設けられている。また、水素供給用貫通孔４２４ｍｉには、この水素供給用貫通孔４２４ｍｉから、後述するアノード対向プレート４２ａに形成された水素供給口４２４ｈｓに、水素を流すための水素供給用流路形成部４２４ｍｉｐが設けられている。また、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏには、後述するアノード対向プレート４２ａに形成されたアノードオフガス排出口４２４ｈｅから、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏに、アノードオフガスを流すためのアノードオフガス排出用流路形成部４２４ｍｏｐが設けられている。
【０１６３】
図１７（ｃ）は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂ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、先に説明したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１ＢにおけるＭＥＡ４１１に対応する領域を表している。
【０１６４】
図示するように、アノード対向プレート４２ａには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４２２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４２２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４２４ａｉと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４２６ａｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４２６ａｏと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４２４ａｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂにおいて、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
【０１６５】
また、アノード対向プレート４２ａには、図示するように、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ａｏ近傍のＭＥＡ４１１の下端部と対向する位置から所定間隔上方の位置に配置された水素供給口４２４ｈｓと、空気供給用貫通孔４２２ａｉ近傍のＭＥＡ４１１の上端部と対向する位置から所定間隔下方の位置に配置されたアノードオフガス排出口４２４ｈｅとが形成されている。本実施例では、水素供給口４２４ｈｓと、アノードオフガス排出口４２４ｈｅとは、カソード対向プレート４２ｃに形成された空気供給口４２２ｏｓ、および、カソードオフガス排出口４２２ｏｅと同様に、ＭＥＡ４１１の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。また、図示するように、冷却水供給用貫通孔４２６ａｉと冷却水排出用貫通孔４２６ａｏとの間であって、先に説明したカソード対向プレート４２ｃにおける複数の凹部４２７と対向する部位よりも上方の領域には、複数の凸部４２８が、千鳥状に配置されて形成されている。これら複数の凸部４２８は、後述するように、カソード対向プレート４２ｃと、中間プレート４２ｍと、アノード対向プレート４２ａとを重ねて、これらをホットプレス接合したときに、カソード対向プレート４２ｃと当接するように形成されている。これは、先に説明したカソード対向プレート４２ｃにおける凹部４２７と同様に、カソード対向プレート４２ｃとアノード対向プレート４２ａとの電気的導通を確保するためである。
【０１６６】
図１８は、セパレータ４２Ｂの平面図である。このセパレータ４２Ｂは、先に説明したように、カソード対向プレート４２ｃと、中間プレート４２ｍと、アノード対向プレート４２ａとを、ホットプレス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。
【０１６７】
図から分かるように、アノード対向プレート４２ａにおいて、水素供給口４２４ｈｓは、中間プレート４２ｍに形成された水素供給用流路形成部４２４ｍｉｐと重なるように形成されている。また、アノード対向プレート４２ａにおいて、アノードオフガス排出口４２４ｈｅは、中間プレート４２ｍに形成されたアノードオフガス排出用流路形成部４２４ｍｏｐと重なるように形成されている。
【０１６８】
また、カソード対向プレート４２ｃにおいて、空気供給口４２２ｏｓは、中間プレート４２ｍに形成された複数の空気供給用流路形成部４２２ｍｉｐの各下端部と重なるように形成されている。また、カソード対向プレート４２ｃにおいて、カソードオフガス排出口４２２ｏｅは、中間プレート４２ｍに形成された複数のカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐの各上端部と重なるように形成されている。
【０１６９】
また、中間プレート４２ｍにおいて、冷却水流路形成用貫通孔４２６ｍは、図示した左側の端部が、アノード対向プレート４２ａに形成された冷却水供給用貫通孔４２６ａｉ、および、カソード対向プレート４２ｃに形成された冷却水供給用貫通孔４２６ｃｉと重なるとともに、図示した右側の端部が、アノード対向プレート４２ａに形成された冷却水排出用貫通孔４２６ａｏ、および、カソード対向プレート４２ｃに形成された冷却水排出用貫通孔４２６ｃｏと重なるように形成されている。
【０１７０】
図１９は、第５実施例のセルモジュール４０の断面構造を示す説明図である。セパレータ４２Ｂと、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂとを積層させたときの、図１８におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【０１７１】
本実施例のセルモジュール４０では、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂのアノード４１１ａと、セパレータ４２Ｂのアノード対向プレート４２ａとの間には、導電性、および、ガス拡散性を有する金属多孔体（アノード側金属多孔体４３ａ）が介装され、アノード側ガス拡散層４１１ａｄの表面に沿って水素を流すためのアノード側流路が形成されている。
【０１７２】
また、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂのカソード４１１ｃと、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂのカソード対向プレート４２ｃとの間にも、導電性、および、ガス拡散性を有する金属多孔体（カソード側金属多孔体４３ｃ）が介装され、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄの表面に沿って空気を流すためのカソード側流路が形成されている。
【０１７３】
本実施例では、アノード側金属多孔体４３ａ（アノード側金属多孔体４３ａｓを含む）、および、カソード側金属多孔体４３ｃ（カソード側金属多孔体４３ｃｓを含む）として、発泡金属焼結体を用いるものとしたが、この代わりに、例えば、金属メッシュや、エキスパンドメタルや、パンチングメタルを波板状に加工したもの等、種々の部材を用いることができる。
【０１７４】
図中に矢印で示したように、セルモジュール４０において、燃料電池スタック１００の外部から供給された空気は、アノード対向プレート４２ａの空気供給用貫通孔４２２ａｉを通り、中間プレート４２ｍの空気供給用貫通孔４２２ｍｉから分岐して、空気供給用流路形成部４２２ｍｉｐを通り、カソード対向プレート４２ｃの空気供給口４２２ｏｓから、カソード側金属多孔体４３ｃの表面に対して垂直な方向に供給される。
【０１７５】
そして、空気供給口４２２ｏｓから供給された空気は、カソード側金属多孔体４３ｃ中、および、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄ中を拡散しつつ流れ、カソード対向プレート４２ｃのカソードオフガス排出口４２２ｏｅから、カソード側金属多孔体４３ｃの表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート４２ｍのカソードオフガス排出用流路形成部４２２ｍｏｐ、カソードオフガス排出用貫通孔４２２ｍｏを通って、アノード対向プレート４２ａのカソードオフガス排出用貫通孔４２２ａｏを通じて、燃料電池スタック１００の外部に排出される。このとき、生成水を含むカソードオフガスの一部は、カソード対向プレート４２ｃに形成され凹部４２７に流れ込んで滞留し、カソードオフガスに含まれる生成水は、この凹部４２７で捕捉される。なお、凹部４２７の内壁には、保水性を高めるために、親水処理が施されている。凹部４２７は、本発明における生成水捕捉部に相当する。
【０１７６】
また、図１８、および、図１９から分かるように、燃料電池スタック１００の外部から供給された水素は、カソード対向プレート４２ｃの水素供給用貫通孔４２４ｃｉを通り、中間プレート４２ｍの水素供給用貫通孔４２４ｍｉから分岐して、水素供給用流路形成部４２４ｍｉｐを通り、アノード対向プレート４２ａの水素供給口４２４ｈｓから、アノード側金属多孔体４３ａの表面に対して垂直な方向に供給される。
【０１７７】
そして、水素供給口４２４ｈｓから供給された水素は、アノード側金属多孔体４３ａ中、および、アノード側ガス拡散層４１１ａｄ中を拡散しつつ流れ、アノード対向プレート４２ａのアノードオフガス排出口４２４ｈｅから、アノード側金属多孔体４３ａの表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート４２ｍのアノードオフガス排出用流路形成部４２４ｍｏｐ、アノードオフガス排出用貫通孔４２４ｍｏを通って、カソード対向プレート４２ｃのアノードオフガス排出用貫通孔４２４ｃｏを通じて、燃料電池スタック１００の外部に排出される。このとき、生成水を含むアノードオフガスの一部は、アノード側金属多孔体４３ａの水素、および、カソードオフガスの流れ方向のアノードオフガス排出口４２４ｈｅよりも下流側の最下流部に流れ込んで滞留し、アノードオフガスに含まれる生成水は、ここで捕捉される。この部位は、本発明における生成水捕捉部に相当する。
【０１７８】
また、図１８、および、図１９から分かるように、燃料電池スタック１００の外部から供給された冷却水は、アノード対向プレート４２ａの冷却水供給用貫通孔４２６ａｉ、中間プレート４２ｍの冷却水流路形成用貫通孔４２６ｍを通って、アノード対向プレート４２ａの冷却水排出用貫通孔４２６ａｏ等を通じて、燃料電池スタック１００の外部に排出される。
【０１７９】
以上説明した第５実施例のセルモジュール４０では、カソード対向プレート４２ｃに形成された凹部４２７で捕捉された生成水がカソードオフガス排出口４２２ｏｅからセルモジュール４０の外部に排出されるのを効果的に抑制するとともに、凹部４２７で捕捉され、電解質膜４１１ｍを介して、アノード側に透過した生成水を、水素の流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。また、アノード側金属多孔体４３ａの水素、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部で捕捉された生成水がアノードオフガス排出口４２４ｈｅからセルモジュール４０の外部に排出されるのを効果的に抑制するとともに、アノード側金属多孔体４３ａの水素、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部で捕捉され、電解質膜４１１ｍを介して、カソード側に透過した生成水を、空気の流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。したがって、第５実施例のセルモジュール４０によれば、効果的な電解質膜４１１ｍの自己加湿を行うことができる。
【０１８０】
Ｇ．第６実施例：
上記第１ないし第５実施例のセルモジュール４０では、主として、カソード側ガス流路、および、アノード側ガス流路を改良することによって、効率的な電解質膜４１１ｍの自己加湿を実現した。第６実施例では、ＭＥＡ４１１に改良を加えることによって、効果的な電解質膜４１１ｍの自己加湿を実現した。なお、本実施例のＭＥＡ４１１は、水素と酸素とが、ＭＥＡ４１１を挟んで互いに対向する方向に流れる構成を有する種々のセルモジュール４０に適用可能であり、上記第１ないし第５実施例のセルモジュール４０、または、先に説明した比較例のセルモジュール４０Ｒのいずれにも適用することができる。
【０１８１】
図２０は、第６実施例のＭＥＡ４１１を示す説明図である。第６実施例のＭＥＡ４１１の断面図を示した。なお、図中の白抜き矢印は、生成水の移動の様子を示している。
【０１８２】
図示するように、第６実施例のＭＥＡ４１１では、電解質膜４１１ｍの一方の面（図示した上側の面）に、カソード側触媒層４１１ｃｃが形成されており、他方の面（図示した下側の面）に、アノード側触媒層４１１ａｃが形成されている。なお、図示した例では、カソード側触媒層４１１ｃｃ、および、アノード側触媒層４１１ａｃは、電解質膜４１１ｍの全面に形成されていないが、カソード側触媒層４１１ｃｃ、および、アノード側触媒層４１１ａｃを、電解質膜４１１ｍの全面に形成するようにしてもよい。また、この図では、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄ、および、アノード側ガス拡散層４１１ａｄは描かれていないが、これらを備えるようにしてもよい。
【０１８３】
そして、本実施例のＭＥＡ４１１では、電解質膜４１１ｍにおける空気の流れ方向の最下流部（すなわち、水素の流れ方向の最上流部）、および、水素の流れ方向の最下流部（すなわち、空気の流れ方向の最上流部）に、白金（Ｐｔ）の粒子が添加物として添加されている。白金は、電解質膜４１１ｍの親水性よりも高い親水性を有しているので、発電時に生成されたカソードオフガスに含まれる生成水を、電解質膜４１１ｍにおける白金が添加された空気の流れ方向の最下流部の領域で捕捉し、この生成水を効果的にアノード側の水素の流れ方向の最上流部に透過させることができる。また、アノードオフガスに含まれる生成水を、電解質膜４１１ｍにおける白金が添加された水素の流れ方向の最下流部の領域で捕捉し、この生成水を効果的にカソード側の空気の流れ方向の最上流部に移動させることができる。したがって、第６実施例のＭＥＡ４１１をセルモジュール４０に適用することによって、効果的な電解質膜４１１ｍの自己加湿を行うことができる。
【０１８４】
また、白金は、電解質膜４１１ｍを劣化させるラジカル（ヒドロキシラジカル）の発生を抑制する性質を有している。そして、第６実施例のＭＥＡ４１１では、電解質膜４１１ｍに添加する添加剤として、白金を用いているので、さらに、ヒドロキシラジカルによる電解質膜４１１ｍの劣化を抑制することもできる。
【０１８５】
また、白金は、水素と酸素との反応を促進する触媒としての性質を有しているので、電解質膜４１１ｍに添加する添加物として、白金を用いることによって、さらに、電解質膜４１１ｍの内部で生成水を生成し、自己加湿に利用することも可能となる。
【０１８６】
Ｈ．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、以下のような変形が可能である。
【０１８７】
Ｈ１．変形例１：
上記第１ないし第５実施例のセルモジュール４０では、カソード側ガス流路、および、アノード側ガス流路の双方に、生成水捕捉部を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。カソード側ガス流路、および、アノード側ガス流路の少なくとも一方に生成水捕捉部を備えるようにすればよい。
【０１８８】
また、上記第１ないし第５実施例のセルモジュール４０では、ＭＥＡ４１１の全面にカソード側触媒層４１１ｃｃ、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄ、および、アノード側触媒層４１１ａｃ、アノード側ガス拡散層４１１ａｄが形成されているものとしたが、生成水捕捉部に対応する領域について、これらを形成しないようにしてもよい。こうすることによって、生成水が透過するときの抵抗を抑制することができる。
【０１８９】
Ｈ２．変形例２：
上記第２実施例のセルモジュール４０では、カソード側生成水捕捉部、および、アノード側生成水捕捉部は、蛇行した形状を有する空隙であるものとしたが、本発明は、これに限られない。これらの形状は、流路抵抗が、各ガス流路内の他の部位における流路抵抗よりも大きくなるような形状とすればよい。
【０１９０】
Ｈ３．変形例３：
上記第２実施例のセルモジュール４０において、カソード側セパレータ４２ＣＡ２の溝部４２２ｄ２、および、溝部４２４ｄ２の内部に、第３実施例のセルモジュール４０で用いた吸湿材４２２ａ、および、吸湿材４２４ａをそれぞれ充填するようにしてもよい。
【０１９１】
Ｈ４．変形例４：
上記第３実施例のセルモジュール４０では、吸湿材４２２ａ、および、吸湿材４２４ａに、それぞれ親水処理を施すものとしたが、親水処理を省略するようにしてもよい。
【０１９２】
Ｈ５．変形例５：
上記第４実施例のセルモジュール４０では、図１５に示したように、カソード側金属多孔体４３ｃの、ＭＥＡ４１１を挟んで水素供給口４２４ｈｓと対向する部位に、他の部位よりも気孔率が低いカソード側金属多孔体４３ｃｓを配置し、アノード側金属多孔体４３ａの、４１１を挟んで空気供給口４２２ｏｓと対向する部位に、他の部位よりも気孔率が低いアノード側金属多孔体４３ａｓを配置するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、カソード側金属多孔体４３ｃｓや、アノード側金属多孔体４３ａｓを省略するようにしてもよい。この場合、カソード側金属多孔体４３ｃｓや、アノード側金属多孔体４３ａｓを配置していた部位を空隙としてもよいし、カソード側金属多孔体４３ｃや、アノード側金属多孔体４３ａを延在させるようにしてもよい。
【０１９３】
Ｈ６．変形例６：
上記第５実施例のセルモジュール４０では、図１９に示したように、セパレータ４２Ｂに設けられた凹部４２７で、カソードオフガスに含まれる生成水を捕捉するものとしたが、さらに、アノードオフガスに含まれる生成水を捕捉するための凹部を設けるようにしてもよい。
【０１９４】
また、第５実施例のセルモジュール４０では、凹部４２７の内壁に親水処理を施すものとしたが、親水処理を省略するようにしてもよい。
【０１９５】
Ｈ７．変形例７：
上記第６実施例では、電解質膜４１１ｍに添加する添加物として、白金を用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。添加物として、例えば、セリアや、白金合金を用いるようにしてもよい。セリアや、白金合金も、白金と同様に、電解質膜４１１ｍよりも高い親水性を有するとともに、ヒドロキシラジカルの発生を抑制する性質を有しているので、同様の効果を得ることができる。つまり、電解質膜４１１ｍに添加する添加物としては、セリア、および、白金の少なくとも一方を含むようにすればよい。
【０１９６】
また、上記第６実施例、および、上記変形例では、電解質膜４１１ｍに添加する添加物として、電解質膜４１１ｍよりも高い親水性を有するとともに、ヒドロキシラジカルの発生を抑制する性質を有する白金やセリアを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。ヒドロキシラジカルの発生を抑制する性質は有していないが、電解質膜４１１ｍよりも高い親水性を有する材料を添加物として用いるようにしてもよい。このような材料としては、例えば、酸化チタンや、酸化ケイ素等の酸化物が挙げられる。このような添加物を電解質膜４１１ｍに添加することによっても、電解質膜４１１ｍの内部に生成水を保水して、電解質膜４１１ｍの一方のから他方に透過させ、電解質膜４１１ｍの自己加湿を行うことができる。
【０１９７】
Ｈ８．変形例８：
上記第１ないし第６実施例のセルモジュール４０における特徴部分を、適宜、組み合わせてもよい。また、上記第１ないし第３実施例では、空気、および、水素の流路はストレートであるものとしたが、本発明では、一般に、これらの流れ方向が互いに対向する方向になるようにすればよく、いわゆるサーペンタイン型のガス流路を適用するようにしてもよい。
【０１９８】
Ｈ９．変形例９：
上記実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池スタック１００を構成するセルモジュール４０において、電解質膜４１１ｍの自己加湿を効果的に行うことが可能であるため、空気や、水素を加湿するための加湿器を備えないものとしたが、高温での運転時に補助的に用いられる小型の加湿器を備えるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１９９】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例のセルモジュール４０におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４１の概略構成を示す説明図である。
【図３】第１実施例のセルモジュール４０におけるカソード側セパレータ４２ＣＡ１の概略構成を示す説明図である。
【図４】第１実施例のセルモジュール４０におけるアノード側セパレータ４２ＡＮ１の概略構成を示す説明図である。
【図５】第１実施例のセルモジュール４０の断面構造を示す説明図である。
【図６】比較例のセルモジュール４０Ｒの構成を示す説明図である。
【図７】比較実験の実験結果を示す説明図である。
【図８】第２実施例のセルモジュール４０の構成を示す説明図である。
【図９】比較実験の実験結果を示す説明図である。
【図１０】第３実施例のセルモジュール４０の構成を示す説明図である。
【図１１】比較実験の実験結果を示す説明図である。
【図１２】第４実施例のセルモジュール４０におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａの概略構造を示す説明図である。
【図１３】セパレータ４２Ａの構成部品の平面図である。
【図１４】セパレータ４２Ａの平面図である。
【図１５】第４実施例のセルモジュール４０の断面構造を示す説明図である。
【図１６】第５実施例のセルモジュール４０におけるシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂの概略構造を示す説明図である。
【図１７】セパレータ４２Ｂの構成部品の平面図である。
【図１８】セパレータ４２Ｂの平面図である。
【図１９】第５実施例のセルモジュール４０の断面構造を示す説明図である。
【図２０】第６実施例のＭＥＡ４１１を示す説明図である。
【符号の説明】
【０２００】
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
４０，４０Ｒ…セルモジュール
４１…シールガスケット一体型ＭＥＡ
４１１…ＭＥＡ
４１１ｍ…電解質膜
４１１ａ…アノード
４１１ａｃ…アノード側触媒層
４１１ａｄ…アノード側ガス拡散層
４１１ｃ…カソード
４１１ｃｃ…カソード側触媒層
４１１ｃｄ…カソード側ガス拡散層
４１０，４１０Ａ，４１０Ｂ…シールガスケット
４１２ｉ…空気供給用貫通孔
４１２ｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４１４ｉ…水素供給用貫通孔
４１４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４１６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４１６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４２ＣＡ１，４２ＣＡ２，４２ＣＡ３，４２ＣＡＲ…カソード側セパレータ
４２ＡＮ１，４２ＡＮ２，４２ＡＮ３，４２ＡＮＲ…アノード側セパレータ
４２２ｉ…空気供給用貫通孔
４２２ｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４２２ｅ…カソードオフガス排出口
４２２ｄ，４２２ｄ１，４２２ｄ２，４２２ｄ３…溝部
４２２ｒ，４２２ｒ１，４２２ｒ２…リブ部
４２２ａ…吸湿材
４２４ｉ…水素供給用貫通孔
４２４ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４２４ｅ…アノードオフガス排出口
４２４ｄ，４２４ｄ１，４２４ｄ２，４２４ｄ３…溝部
４２４ｒ，４２４ｒ１，４２４ｒ２…リブ部
４２４ａ…吸湿材
４２６ｉ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｏ…冷却水排出用貫通孔
４２６ｄ…溝部
４２６ｒ…リブ部
４１Ａ，４１Ｂ…シールガスケット一体型ＭＥＡ
４２Ａ，４２Ｂ…セパレータ
４２ｃ…カソード対向プレート
４２２ｃｉ…空気供給用貫通孔
４２２ｃｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４２２ｏｓ…空気供給口
４２２ｏｅ…カソードオフガス排出口
４２４ｃｉ…水素供給用貫通孔
４２４ｃｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４２６ｃｉ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｃｏ…冷却水排出用貫通孔
４２７…凹部
４２ｍ…中間プレート
４２２ｍｉ…空気供給用貫通孔
４２２ｍｉｐ…空気供給用流路形成部
４２２ｍｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４２２ｍｏｐ…カソードオフガス排出用流路形成部
４２４ｍｉ…水素供給用貫通孔
４２４ｍｉｐ…水素供給用流路形成部
４２４ｍｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４２４ｍｏｐ…アノードオフガス排出用流路形成部
４２６ｍ…冷却水流路形成用貫通孔
４２ａ…アノード対向プレート
４２２ａｉ…空気供給用貫通孔
４２２ａｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４２４ａｉ…水素供給用貫通孔
４２４ａｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４２４ｈｓ…水素供給口
４２４ｈｅ…アノードオフガス排出口
４２６ａｉ…冷却水供給用貫通孔
４２６ａｏ…冷却水排出用貫通孔
４２８…凸部
４３ａ，４３ａｓ…アノード側金属多孔体
４３ｃ，４３ｃｓ…カソード側金属多孔体
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…循環配管
５５…ポンプ
５６…排出配管
５７…排気バルブ
６０…コンプレッサ
６１…配管
６２…排出配管
７０…ポンプ
７１…ラジエータ
７２…配管
８０…制御ユニット
ＳＬ…シールライン
【図１】
0004665978.tif 000002
【図２】
0004665978.tif 000003
【図３】
0004665978.tif 000004
【図４】
0004665978.tif 000005
【図５】
0004665978.tif 000006
【図６】
0004665978.tif 000007
【図７】
0004665978.tif 000008
【図８】
0004665978.tif 000009
【図９】
0004665978.tif 000010
【図１０】
0004665978.tif 000011
【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】
0004665978.tif 000017
【図１７】
0004665978.tif 000018
【図１８】
0004665978.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
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