(57)【要約】【課題】発電効率を低下させることなく、適切な水管理を行える燃料電池を提供する。【解決手段】高分子電解質膜１の両側に配置され、電気化学反応により起電力を生じるカソード２ｃおよびアノード２ａと、これらカソード２ｃ、アノード２ａの両面に隣接配置されたカソードガス拡散層３ｃおよびアノードガス拡散層３ａと、さらにこれらカソードガス拡散層３ｃとアノードガス拡散層３ａの両面に隣接配置され、電力を集電するセパレータ８ｃ、８ａを備える。また、カソード２ｃにカソードガス拡散層３ｃを介してカソードガスを供給するカソードガス流路５と、アノード２ａにアノードガス拡散層３ａを介してアノードガスを供給するアノードガス流路６と、アノードガスの一部をアノード２ａに直接導くように、アノードガス流路６に重ねて形成された貫通孔１０を備える。【選択図】      図１
2005108820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に配置され、電気化学反応により起電力を生じるカソードおよびアノードと、
これらカソード、アノードの両面に隣接配置され、カソードガスおよびアノードガスを反応面に拡散するカソードガス拡散層およびアノードガス拡散層と、
前記カソードに前記カソードガス拡散層を介して供給するカソードガスを流通するカソードガス流路と、
前記アノードに前記アノードガス拡散層を介して供給するアノードガスを流通するアノードガス流路と、を備え、
さらに、前記アノードガス拡散層として、層を構成する構成部材によるアノード側拡散領域と、前記アノードガス流路に重なる領域内に設けられた、アノードガスの少なくとも一部が前記アノードに直接接触する空間よりなる貫通領域と、を備え、
前記カソードガス拡散層として、層を構成する構成部材によるカソード側拡散領域を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記アノードガス流路を、前記アノード側拡散領域に挟まれた、少なくとも前記アノードガス拡散層に向かって開口した隙間により構成された前記貫通領域により構成する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記貫通領域を、前記アノードガス流路の上流領域に設ける請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記貫通領域を、前記カソードガス流路の下流領域に反応面に垂直な方向に重なる領域に設ける請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノードガス流路の上流領域と、前記カソードガス流路の下流領域とを、積層方向に重なるように構成する請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノードの一部に、カーボンナノファイバーを用いる請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記電解質膜として、炭素水素系の電解質膜を用いる請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項８】
電解質膜の両側に配置され、電気化学反応により起電力を生じるカソードおよびアノードと、
これらカソード、アノードの両面に隣接配置され、カソードガスおよびアノードガスを反応面に拡散するカソードガス拡散層およびアノードガス拡散層と、
前記カソードに前記カソードガス拡散層を介して供給するカソードガスを流通するカソードガス流路と、
前記アノードに前記アノードガス拡散層を介して供給するアノードガスを流通するアノードガス流路と、を備え、
さらに、前記アノードガス拡散層として、層を構成する構成部材によるアノード側拡散領域と、前記アノードガス流路に重なる領域内に設けられた、アノードガスの少なくとも一部が前記アノードに直接接触する空間よりなる貫通領域と、を有し、
前記カソードガス拡散層として、層を構成する構成部材によるカソード側拡散領域を有する燃料電池を備え、
前記燃料電池に供給するアノードガスの露点を、前記燃料電池の作動温度に比較して低くすることを特徴とす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。特に燃料電池の水管理を適切に行うための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池として、以下のようなものが知られている。
【０００３】
電解質膜と電解質膜の両面に設けられた反応電極とそれらの両面に設けられたガス透過性の拡散層とをもつ膜−電極接合体と、その膜−電極接合体の両面を狭持するセパレータとを有する。また、反応電極、拡散層及びセパレータには、反応ガスが通過するガス通路と水及び水蒸気が通過する水通路とを備える。つまり、反応ガスが通過するガス通路と水が通過する水通路とを完全に分離することで、ガス通路に要求される特性と水通路に要求される特性とをそれぞれに影響されることなく実現している（例えば、特許文献１、参照。）。
【特許文献１】特開２００３−１５１５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
反応電極である酸化剤極内にガス通路を設けた場合、電解質膜が酸化剤ガスに直接晒される面積が増大する。ここで、酸化剤ガスには一般的に空気などが用いられ、その流量が多量なことが知られている。そのため、多量の酸化剤ガスに直接晒された電解質膜からは、水分が過剰に蒸発してプロトン伝導性が低下し、燃料電池性能が低下するといった問題があった。また、燃料極側のガス拡散層において、セパレータのガス流路とリブ部の何れの部位にも接触するようにガス通路を設けた場合、排水性効果以上にセパレータリブ部との接触面積低減の影響が大きく、結果として燃料電池性能が低下するといった問題があった。
【０００５】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、発電効率を低下させることなく、適切な水管理を行うことができる燃料電池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】
本発明は、電解質膜の両側に配置され、電気化学反応により起電力を生じるカソードおよびアノードと、これらカソード、アノードの両面に隣接配置され、カソードガスおよびアノードガスを反応面に拡散するカソードガス拡散層およびアノードガス拡散層と、を備える。また、前記カソードに前記カソードガス拡散層を介して供給するカソードガスを流通するカソードガス流路と、前記アノードに前記アノードガス拡散層を介して供給するアノードガスを流通するアノードガス流路と、を備える。さらに、前記アノードガス拡散層として、層を構成する構成部材によるアノード側拡散領域と、前記アノードガス流路に重なる領域内に設けられた、アノードガスの少なくとも一部が前記アノードに直接接触する空間よりなる貫通領域と、を備え、前記カソードガス拡散層として、層を構成する構成部材によるカソード側拡散領域を備える。
【０００７】
また、このような燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池に供給するアノードガスの露点を、前記燃料電池の作動温度に比較して低くする。
【発明の効果】
【０００８】
前記アノードガス拡散層として、層を構成する構成部材による拡散領域と、アノードガスの少なくとも一部がアノードに直接接触する空間である貫通領域と、を備えることにより、アノードからアノードガス内に蒸発する水分量を増大することができる。そのため、カソードから電解質膜を介してアノードに移動する水分量を増大することができ、カソードにおけるフラッディングを抑制することができる。また、貫通領域を、アノードガス流路に重なる領域内に設けるため、アノードガス拡散層とセパレータの接触面積が低減されることにより集電機能が低下し、発電効率が低下するのを避けることができる。さらに、カソードガスではなく比較的流量の少ないアノードガス内に蒸発させることにより、蒸発を抑制することができ、アノード、ひいては電解質膜が局所的に乾燥するのを抑制することができる。
【０００９】
また、燃料電池に供給するアノードガスの露点を、燃料電池の作動温度に比較して低くすることにより、アノードガスへの、特に貫通領域からの水の蒸発を促進することができる。これにより、カソード側のフラッディングをより確実に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の実施形態について説明する。ここで用いる固体高分子型燃料電池１１の概略構成を、図１を用いて説明する。図１（ａ）には、後述するカソードガス流路５およびアノードガス流路６の流路軸に沿った方向の断面を、図１（ｂ）には流路軸に垂直な方向の断面を示す。図１（ｂ）は、図１（ａ）を図中の矢印Ａの方向から見た断面となる。
【００１１】
燃料電池１１を、膜電極接合体４とセパレータ８とから構成した単位セル９を複数積層することにより構成する。各々の単位セル９を、膜電極接合体４を、アノード側セパレータ８ａとカソード側セパレータ８ｃとで狭持することにより構成する。
【００１２】
アノード側セパレータ８ａの膜電極接合体４に接触する表面には、溝状のアノードガス流路６を設ける。ここでは、図１（ｂ）に示すように、積層面上に複数のアノードガス流路６を互いに平行に、かつ、等間隔に構成する。隣り合うアノードガス流路６間のピッチｄ1を、例えば３ｍｍとする。隣り合うアノードガス流路６間には、流路を仕切る隔壁７ａが形成される。アノード側セパレータ８ａのうち少なくともこの隔壁７ａを、導電性部材により構成する。つまり、アノード側セパレータ８ａは、水素等のアノードガスを流通するアノードガス流路６を構成する役割と、膜電極接合体４で生じた起電力により流れる電流を隔壁７ａを介して集電する役割を担う。
【００１３】
また、カソード側セパレータ８ｃの膜電極接合体４に接触する表面には、溝状のカソードガス流路５を設ける。ここでは、図１（ｂ）に示すように、積層面上に複数のカソードガス流路５を互いに平行に、かつ、等間隔に構成する。隣り合うカソードガス流路５間のピッチｄ2は、アノードガス流路６間のピッチｄ1と同様に、例えば３ｍｍとする。隣り合うカソードガス流路５間には、流路を仕切る隔壁７ｃが形成される。カソード側セパレータ８ｃのうち少なくともこの隔壁７ｃを、導電性部材により構成する。つまり、カソード側セパレータ８ｃは、空気等のカソードガスを流通するカソードガス流路５を構成する役割と、膜電極接合体４で生じた起電力により流れる電流を隔壁７ｃを介して集電する役割を担う。
【００１４】
また、図１（ａ）に示すように、カソードガス流路５内のカソードガスの流れが、前述したアノードガス流路６内のアノードガスの流れと対向（逆向）するように構成する。つまり、カソードガス流路５の下流領域５ｄと、アノードガス流路６の上流領域６ｕとが、積層方向について重なり、カソードガス流路５の上流領域５ｕと、アノードガス流路６の下流領域６ｄとが、積層方向について重なるように構成する。
【００１５】
なお、ここではアノード側セパレータ８ａ、カソード側セパレータ８ｃを備えたが、一つのセパレータにおいて、一方の面にカソードガス流路５を、もう一方の面にアノードガス流路６を形成してもよい。
【００１６】
次に、アノード側セパレータ８ａ、カソード側セパレータ８ｃに狭持され、発電反応を生じる膜電極接合体４について説明する。
【００１７】
図１に示すように、膜電極接合体４を、高分子電解質膜１と、電極２と、ガス拡散層３とから構成する。高分子電解質膜１を、電極２であるアノード２ａとカソード２ｃで狭持し、さらにその外側からアノードガス拡散層３ａとカソードガス拡散層３ｃで狭持することにより膜電極接合体４を構成する。
【００１８】
電極２には触媒を担持させ、ここにアノードガスまたはカソードガスを供給することにより発電反応を生じさせる。触媒の担持体としては、カーボンナノファイバー（例えば、「カルベール」：株式会社ＧＳＩクレオス商標。）を用いる。なお、電極２の触媒担持体はカーボンナノファイバーに限るわけではない。例えば、アノード２ａにはカーボンナノファイバーを用い、カソード２ｃにはその他のものを用いてもよい。
【００１９】
また、電極２の外側に配置されたガス拡散層を、ガス拡散可能な部材を用いて、アノードガス流路６またはカソードガス流路５に少なくとも一部が接触するように構成する。例えば、ガス拡散層３として、炭素繊維からなるカーボンペーパーなどのカーボン不織布やカーボンクロス等を用いる。
【００２０】
カソードガス拡散層３ｃは、一部が集電機能を有する隔壁７ｃに接触するように構成する。また、カソードガス拡散層３ｃ全体を、カソードガス流路５から供給されるカソードガスをカソード２ｃに拡散・供給する拡散領域１３から構成する。一方、アノードガス拡散層３ａを、一部が集電機能を有する隔壁７ａに接触し、アノードガス流路６から供給されるアノードガスをアノード２ａに拡散・供給する拡散領域１２と、アノード２ａの表面の一部を直接アノードガスに晒す貫通領域とから構成する。
【００２１】
ここでは、拡散領域１２において、アノードガス拡散層３ａを積層方向に貫通して設けた貫通孔１０を、貫通領域とする。貫通孔１０は、アノードガス拡散層３ａに隣接するアノードガス流路６内とアノード２ａの表面とを連通するように構成され、図１（ｂ）に示すように、貫通孔１０を、アノードガス流路６に重なる領域に、貫通孔１０の軸が積層面に垂直な方向となるように構成する。
【００２２】
アノードガス拡散層３ａの平面図を図２に示す。貫通孔１０の直径を０．５ｍｍとする。また、アノードガス流路６と積層方向に重なるように、貫通孔１０間のピッチｄ3×ｄ4を３ｍｍ×３ｍｍとする。ここでは、積層面のアノードガス流路６に沿って領域全体に均等に貫通孔１０を設ける。このように構成することで、アノード側セパレータ８ａとアノードガス拡散層３ａを積層した際に、アノードガス流路６の流路軸に沿って、等間隔に貫通孔１０が形成される。
【００２３】
なお、ここでは、全てのアノードガス流路６の流路軸に沿って貫通孔１０を設けたが、この限りではなく、いくつかの流路毎に設けても良い。この場合には、アノードガス流路６の流路軸に直交する方向についてのピッチｄ3を、アノードガス流路６のピッチｄ1の整数倍とする。また、貫通孔１０の形状、個数、配置、直径等は、図２に示す限りではない。
【００２４】
次に、このような構成の燃料電池１１における発電時のガスの流通状態について説明する。
【００２５】
カソードガス流路５内にカソードガスが供給されると、その一部がカソードガス拡散層３ｃ内に拡散し、カソード２ｃに到達する。カソード２ｃで、水の生成が伴う電気化学反応（１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ）を生じることにより発電を行う。水管理が適切でない場合には、この生成水によりカソードガス流路５にフラッディングが生じてカソードガスの拡散が妨げられ、発電効率が低下する可能性がある。このフラッディングは、カソードガス流路５の上流領域５ｕに比べて下流領域５ｄで生じ易い。
【００２６】
一方、アノードガス流路６内にアノードガスが供給されると、一部のアノードガスは、アノードガス拡散層３ａ内に拡散してアノード２ａに到達する。また、一部のアノードガスは、貫通孔１０からアノード２ａに直接供給される。アノード２ａで電気化学反応（Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-）を生じることにより、発電を行う。
【００２７】
ここで、貫通孔１０からアノード２ａにアノードガスが直接供給されるということは、言い換えれば、アノード２ａの一部がアノードガスに直接晒されている状態であるということである。この部分では、アノードガス拡散層３ａの拡散領域１２のような抵抗を受けず、アノード２ａからの水分の蒸発が促進される。このため、アノード２ａの含有水分量が貫通孔１０を設けない場合に比較して小さくなり、生成水が生じて含有水分量が多くなるカソード２ｃの水分を、高分子電解質膜１を介してアノード２ａ側に逆拡散させることができる。これにより、カソード２ｃでフラッディングが生じるのを抑制することができる。なお、逆拡散の程度は、貫通領域である貫通孔１０の断面積により調整することができる。
【００２８】
前述したように、カソードガス流路５のフラッディングは、カソードガス流路５の下流領域５ｄにおいて生じ易い。また、アノードガスは、貫通孔１０から水分が蒸発することにより、アノードガス流路６内で下流にいくに従って含有水分量が多くなる。従って、アノードガス流路６を流れるアノードガスに水分を蒸発させる機能、言い換えれば、カソード２ｃの水分を逆拡散させる機能は、下流領域６ｄに比べて上流領域６ｕで優れている。そこで、ここでは、カソードガス流路５の下流領域５ｄと、アノードガス流路６の上流領域６ｕと、を、膜電極接合体４を介して隣接して構成する。
【００２９】
なお、貫通孔１０は、カソードガス拡散層３ｃには設けず、アノードガス拡散層３ａのみに設ける。酸化剤ガスとして空気を用いた場合などには、カソードガス流路５を流通する反応ガス流量は、アノードガス流路６を流通する反応ガス流量に比較して多量となる。そのため、カソード２ｃの一部が酸化剤ガス流に晒されると、アノード２ａ側に比べて水分の蒸発が急激に盛んとなる。その結果、高分子電解質膜１が局所的に乾燥して、発電効率が低下する可能性がある。そこで、アノード２ａ側のみの表面から貫通孔１０を介して蒸発を生じさせることにより、膜電極接合体４からの蒸発速度を抑制しつつ、カソード２ｃでフラッディングが生じるのを抑制している。
【００３０】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３１】
高分子電解質膜１の両側に配置され、電気化学反応により起電力を生じるカソード２ｃおよびアノード２ａと、これらカソード２ｃ、アノード２ａの両面に隣接配置され、カソードガスおよびアノードガスを反応面に拡散するカソードガス拡散層３ｃおよびアノードガス拡散層３ａを備える。また、カソード２ｃにカソードガス拡散層３ｃを介して供給するカソードガスを流通するカソードガス流路５と、アノード２ａにアノードガス拡散層３ａを介して供給するアノードガスを流通するアノードガス流路６を備える。さらに、アノードガス拡散層３ａとして、層を構成する構成部材による拡散領域１２と、アノードガス流路６に重なる領域内に設けられた、アノードガスの少なくとも一部がアノードに直接接触する空間よりなる貫通領域を備え、カソードガス拡散層３ｃとして、層を構成する構成部材による拡散領域１３を備える。
【００３２】
ここでは、カソード２ｃに隣接して形成され、少なくとも一部が起電力により生じた電流を集電する集電部（隔壁７ｃ）に接触し、カソードガス流路５から供給されたカソードガスをカソード２ｃに拡散・供給する拡散領域１３からなるカソードガス拡散層３ｃを備える。また、アノード２ａに隣接して形成され、少なくとも一部が起電力により生じた電流を集電する集電部（隔壁７ａ）に接触し、アノードガス流路６から供給されるアノードガスをアノード２ａに拡散・供給する拡散領域１２と、アノードガス流路６と反応面に垂直な方向について重なる領域の少なくとも一部に設けた、アノード２ａの表面の一部を直接アノードガスに晒す貫通領域（貫通孔１０）と、を有するアノードガス拡散層３ａを備える。
【００３３】
このように、アノード２ａの一部がアノードガスに晒されることで、アノードガス拡散層３ａの拡散領域１２に比べて、アノード２ａからの水分の蒸発を促進することができ、カソード２ｃから高分子電解質膜１を介してアノード２ａに逆拡散する水分量を増大することができる。その結果、カソード２ｃにおけるフラッディングを抑制することができる。また、貫通孔１０は、アノードガス流路６と重なる位置に設けられているので、アノードガス中への水の蒸発が促進される。また、集電部である隔壁７ａに接触する部分以外に貫通孔１０を設けるため、アノード側セパレータ８ａとアノードガス拡散層３ａの接触面積が低減するのを避けることができ、発電効率を維持することができる。さらに、比較的流量の少ないアノードガス側に蒸発させるので、膜電極接合体４、特に高分子電解質膜１に局所的な乾燥が生じるのを抑制することができる。
【００３４】
ここでは、カソードガス流路５を、カソードガス拡散層３ｃに隣接するカソード側セパレータ８ｃ表面に溝状に構成し、アノードガス流路６を、アノードガス拡散層３ｃに隣接するアノード側セパレータ８ａ表面に溝状に構成する。貫通領域として、アノードガス拡散層３ａに、アノードガス流路６内とアノード２ａ表面を連通する貫通孔１０を設ける。これにより、簡単な構成で、上述したような効果を得ることができる。
【００３５】
また、アノードガス流路６の上流領域６ｕと、カソードガス流路５の下流領域５ｄとを、積層方向に重なるように構成する。これにより、生成水が溜まり易いカソード２ｃの下流領域において、カソード２ｃから蒸発機能の優れたアノード２ａへの逆拡散を促進させることができるので、電池性能を著しく向上することができる。
【００３６】
さらに、アノード２ａの一部に、カーボンナノファイバーを用いる。これにより、触媒の担持体として分散をよくする機能に加えて、アノード２ａの反応面内の電気抵抗を小さくすることができる。そのため、導電性が増すためにアノード２ａ面内で電子移動性を低下させても、セル電圧の低下を招くことがなくなる。また、触媒における熱伝導性も向上するために、局所的な高温による高分子電解質膜１などの電解質成分の劣化を招くことがなくなる。
【００３７】
また、アノードガス拡散層３ａ全体に貫通孔１０を設けているので、運転条件の変化に伴い逆拡散を促進させたい領域が変化しても対応可能となる。
【００３８】
その結果、カソード２ｃでの生成水滞留による燃料電池１１の電圧低下を抑制し、水管理方法に優れた高性能で安定した燃料電池１１を得ることができる。
【００３９】
次に、第２の実施形態について説明する。固体高分子型燃料電池３１の概略構成を図３に示す。図３（ａ）には、カソードガス流路２５およびアノードガス流路２６の流路軸に沿った方向の断面を、図３（ｂ）には流路軸に垂直な方向の断面を示す。図３（ｂ）は、図３（ａ）を図中の矢印Ａの方向から見た断面となる。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４０】
膜電極接合体２４とセパレータ２８を積層することにより構成した単位セル２９を、複数積層することにより燃料電池３１を構成する。ここでは、アノード側セパレータ（８ａ）を用いずに、膜電極接合体２４とカソード側セパレータ２８ｃとから単位セル２９を構成する。つまり、燃料電池３１を、膜電極接合体２４とカソード側セパレータ２８ｃを交互に積層することにより構成する。
【００４１】
カソード側セパレータ２８ｃのカソードガス拡散層２３ｃに接触する面には、第１の実施形態と同様にカソードガス流路２５を構成する。また、膜電極接合体２４を、高分子電解質膜２１を、電極２２であるアノード２２ａとカソード２２ｃで狭持し、さらにその外側に、アノードガス拡散層２３ａとカソードガス拡散層２３ｃを配置することにより構成する。
【００４２】
次に、アノードガス拡散層２３ａの構成について説明する。アノードガス拡散層２３ａの平面図を図４に示す。これは、アノードガス拡散層２３ａを図３（ｂ）における矢印Ｂ方向から見た平面図である。
【００４３】
柱状の複数の隔壁２７ａを、互いに平行に、かつ等間隔に配置する。隣り合う隔壁２７ａ間にそれぞれ形成されたスリット状の隙間により、アノードガス流路２６を形成する。また、隔壁２７ａの位置決めを確実にさせるために、連結材３０を用いる。隔壁２７ａの軸方向に垂直に、全隔壁２７ａに対して連結材３０を渡すことにより隔壁２７ａの位置決めを向上する。また、連結材３０を複数個用い、隔壁２７ａの軸方向に沿って等間隔に配置する。
【００４４】
また、図３（ｂ）に示すように、連結材３０の厚さｔ2を、隔壁２７ａの厚さｔ1より小さくなるように構成する。また、連結材３０の一面３０ａが、アノード２２ａに接触するように構成する。
【００４５】
このようなアノードガス拡散層２３ａと、アノード２２ａおよびカソード側セパレータ２８ｃを積層すると、図３に示すような構成となる。
【００４６】
アノードガス拡散層２３ａは、拡散領域３２となる隔壁２７ａと、貫通領域３４となるアノードガス流路２６を有する。拡散領域３２である隔壁２７は、カソード側セパレータ８のカソードガス流路２５を設けた面の背面３５に接触し、この接触部分が集電部となる。一方、アノードガス流路２６は、隣り合う隔壁２７ａ間の隙間であり、アノード２２ａの表面と、カソード側セパレータ２８ｃの背面３５との間に形成され、アノード２２ａとカソード側セパレータ２８ｃに直接アノードガスが接触する。なお、このアノードガス流路２６中には、図３（ａ）に示すように複数の連結材３０が存在するが、連結材３０の厚さｔ2を、流路の深さ、つまり隔壁２７の厚さｔ1より小さく構成しているため、流路軸に沿って一方向にアノードガスが流れる。
【００４７】
アノードガス流路２６をアノードガスが流通する際には、アノード２２ａのアノードガス流路２６に積層方向について重なる領域は、アノードガスに晒された状態となる。これにより、アノード２２ａにアノードガスが供給されて電気化学反応が生じる。また、アノード２２ａに直接アノードガスの流れが触れるため、アノード２２ａ内の含有水分がアノードガス中に蒸発し易くなる。その結果、高分子電解質膜２１を介してカソード２２ｃ側から逆拡散する水分量が増大するので、カソード２２ｃでフラッディングが生じるのを抑制することができる。
【００４８】
なお、アノードガス流路２６を流通するアノードガスの一部は、隔壁２７ａや連結材３０内に拡散して、それらとアノード２２ａが接触する面を介してアノード２２ａに到達する。つまり、アノードガスは反応面全体に供給されるので、発電反応は反応面全体で行われる。
【００４９】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５０】
カソードガス流路２５を、カソードガス拡散層２３ｃに隣接するカソード側セパレータ２８ｃ表面に溝状に構成する。アノードガス流路２６を、拡散領域３２に挟まれた、少なくともアノード２２ａに向かって開口した隙間により構成された貫通領域３４により構成する。ここでは、アノード２３ａとカソード側セパレータ２８ｃの背面３５と隔壁２７ａに囲まれた空間によりアノードガス流路２６を構成する。これにより、アノードガス流路２６としてアノードガスが流通する貫通領域３４では、アノードガスが直接アノード２２ａに接するために、拡散領域３２のような抵抗を受けることなく水分を蒸発でき、カソード２２ｃからアノード２２ａへの水分の逆拡散を促進することができる。また、アノードガス流路２６を形成するためにアノード側セパレータを用いる必要がないので、燃料電池３１の厚さを低減することができる。
【００５１】
その結果、カソード２２ｃでの生成水滞留による燃料電池３１の電圧低下を招くことがなくなり、水管理方法に優れた高性能で安定した燃料電池３１を得ることができる。加えてコンパクトで出力密度が高い燃料電池３１を提供することができる。
【００５２】
次に、第３の実施形態について説明する。固体高分子型燃料電池５１の構成を図５に示す。図５（ａ）には、カソードガス流路４５およびアノードガス流路４６の流路軸に沿った方向の断面を、図５（ｂ）には流路軸に垂直な方向の断面を示す。図５（ｂ）は、図５（ａ）を図中の矢印Ａの方向から見た断面である。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５３】
ここでは、貫通孔５０を、アノードガス拡散層４３ａのアノードガス流路４６の上流領域４６ｕに重なる領域のみに設ける。言い換えれば、貫通孔５０を、アノードガス拡散層４３ａのうち、カソードガス流路４５の下流領域４５ｄに重なる領域のみに設ける。なお、第１の実施形態と同様に、アノードガス拡散層４３ａを貫通する貫通孔５０は、アノード側セパレータ４８ａとアノードガス拡散層４３ａを積層した際に、アノードガス流路４６と重なる領域に構成する。
【００５４】
図６に、アノードガス拡散層４３ａの平面図を示す。アノード側セパレータ４８ａを積層した際に、アノードガス流路４６に重なる部分を点線で示す。
【００５５】
ここでは、ピッチｄ3×ｄ4を３ｍｍ×１．５ｍｍとする。また、貫通孔５０の直径を０．５ｍｍとする。アノードガス流路４６の上流領域４６ｕに重なる部分のみに貫通孔５０を設ける。つまり、第１の実施形態に比較して上流領域４６ｕに重なる部分では、貫通孔５０の密度が倍となるように構成する。反応面全体に存在する貫通孔５０の数は、第１の実施形態と同様となる。
【００５６】
なお、貫通孔５０の形状、個数、配置、直径等は、図６に示す限りではない。また、アノードガス流路４６の上流領域４６ｕを上流側半分の領域としているが、この限りではなく、例えば、上流領域４６ｕは積層方向に重なるカソード４２ｃにおいてフラディングが生じる可能性がある領域とする。
【００５７】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態とは異なる効果について説明する。
【００５８】
貫通領域（貫通孔５０）を、アノードガス流路４６の上流領域４６ｕに設ける。ここで、アノードガス流路４６を流通するアノードガスは、下流領域４６ｄに比べて上流領域４６ｕで含有水量が少なく、つまりは上流領域４６ｕでアノード４２ａの水分を蒸発させる機能に優れている。よって、上流領域４６ｕに貫通孔５０を設けることで、効率的な蒸発を行うことができ、カソード４２ｃからアノード４２ａへの逆拡散を促進することができる。
【００５９】
また、貫通領域（貫通孔５０）を、カソードガス流路４５の下流領域４５ｄに反応面に垂直な方向に重なる領域に設ける。ここで、カソード４２ｃは、上流側に比べて下流側でフラッディングが生じ易い。よって、下流領域４５ｄに貫通孔５０を設けることで、フラッディングの発生をより効果的に抑制することができる。
【００６０】
その結果、カソード４２ｃにおける生成水滞留に起因する燃料電池５１の電圧低下をさらに抑制することができ、水管理方法に優れた高性能で安定した燃料電池５１を得ることができる。
【００６１】
次に、第４の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６２】
ポリイミド系炭化水素の電解質膜１を用いた膜電極複合体４を使用し、第１実施形態と同様にアノードガス拡散層３ａに貫通孔１０を設けた燃料電池１１を用いて発電試験を行った。また、貫通孔１０をカソードガス拡散層３ｃのみに設けた場合（比較例Ｉ）と、貫通孔１０をアノードガス拡散層３ａとカソードガス拡散層３ｃに設けた場合（比較例ＩＩ）の燃料電池を用いて発電試験を行った。
【００６３】
このとき、それぞれの実験において、貫通孔１０を、アノードガス流路６、カソードガス流路５に積層方向に重なる位置に設けた。また、アノードガス拡散層３ａ側のみに貫通孔１０を設ける場合（本実施形態）と、アノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃに貫通孔１０を設ける場合（比較例II）と、のアノードガス拡散層３ａ側の貫通孔１０の形状を同じに構成した。また、カソードガス拡散層３ｃ側のみに貫通孔１０を設ける場合（比較例I）と、アノードガス拡散層３ａおよびカソードガス拡散層３ｃ側に貫通孔１０を設ける場合（比較例II）のカソードガス拡散層３ｃ側の貫通孔１０の形状はそれぞれ同じに構成した。さらには、アノードガス拡散層３ａとカソードガス拡散層３ｃとを重ねた場合、それぞれの貫通孔１０の位置が重なるように構成した。
【００６４】
さらに、燃料電池１１の差動温度は９０℃、作動圧力（背圧）は１５０ｋＰａ−ａｂｓであり、アノードガスとして相対湿度７０％の純水素、カソードガスとして相対湿度７０％の空気をそれぞれ使用した。
【００６５】
実験の結果を図７に示す。電流に相当する出力を２０％、４０％、６０％、８０％、１００％と変化させたところ、何れの出力においてもアノードガス拡散層３ａ側のみに貫通孔１０を設けた本実施形態のセル電圧が最も良好であった。この時、燃料電池１１の膜抵抗をインピーダンス法（1ｋＨ）で測定したところ、アノードガス拡散層３ａ側のみに貫通孔１０を設けた場合の膜抵抗が何れの出力においても最も小さかった。
【００６６】
このような特性は、アノードガス及びカソードガスの相対湿度を未飽和（１００％未満）とした場合、並びにＳ−ＰＰＢＰ（スルホン化ポリフェノキシベンゾイルフェニレン）、Ｓ−ＰＥＥＫ（スルホン化ポリエーテルエーテルケトン）など他の種類の炭化水素系電解質膜を用いた場合でも同様に確認された。
【００６７】
炭化水素系の電解質膜１は、膜中に水分を含まないとプロトン伝導性が悪化してしまうという特徴を有し、ナフィオン等のフッ素系の電解質膜１に比較して水管理が難しい。また、炭化水素系の電解質膜１の特徴として、１００℃前後の高温運転が可能であるが、その反面、この温度領域では水管理が困難となる。
【００６８】
そこで、炭化水素系の電解質膜１を有する燃料電池１１に対して、アノードガス拡散層３ａ側のみに、アノードガスの少なくとも一部を直接接触させる貫通領域である貫通孔１０を設ける。これにより、水が電解質膜１内をカソードからアノードへ移動する水の逆拡散を促進させることができ、電解質膜１のプロトン伝導性を良好な状態に保つことができる。その結果、水管理に優れ、高温運転が可能な炭化水素系の電解質膜１を用いた燃料電池１１を得ることができる。
【００６９】
次に、第５の実施形態について説明する。図８を参照して、燃料電池システムの構成を説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００７０】
第１の実施形態に用いた燃料電池１１を複数積層し、両端部にエンドプレートを配して構成した燃料電池スタック６１を備える。また、燃料電池スタック６１のアノード（２ａ）に供給する純水素を貯蔵する水素ボンベ６２と、水素ボンベ６２から燃料電池スタック６１に水素を供給するアノード供給ライン６９を備える。さらに、水素ボンベ６２の取り出し口の下流側に設けられ、水素ボンベ６２から燃料電池スタック６１に導入される水素の圧力を調整する減圧バルブ６３を備える。
【００７１】
また、燃料電池スタック６１のアノード側出口の下流側を、アノード排出ライン６６とアノード循環ライン６４に分岐させる。アノード排出ライン６６に排出バルブ６５を備え、排出バルブ６５の開閉を制御することにより、燃料電池スタック６１のアノードガス流路（６）およびアノード循環ライン６４のガスのパージを制御する。一方、アノード循環ライン６４は、燃料電池スタック６１の下流側と上流側を接続するラインであり、ここでは、燃料電池スタック６１のアノードガス排出口と排出バルブ６５の間と、減圧バルブ６３と燃料電池スタック６１のアノードガス導入口との間を接続する。また、アノード循環ライン６４には、調圧バルブ６７と、その下流側に水素循環ポンプ６８を備える。調圧バルブ６７の開度によりアノード循環ライン６４内の圧力が調整される。
【００７２】
一方、燃料電池スタック６１にカソードガスとして空気を供給する系としては、カソード供給ライン７１と、カソード排出ライン７２、カソード排出ライン７２を流れる空気を用いてカソード供給ライン７１を流れる空気を加湿する空気加湿器７０を備える。また、カソード排出ライン７２の空気加湿器７０の下流には調圧バルブ７３を備え、燃料電池スタック６１のカソード圧力を調整可能に構成する。
【００７３】
さらに、燃料電池スタック６１から取り出す電力を制御するコントローラ７４を備える。コントローラ７４により、燃料電池スタック６１から取り出す電流値に併せて供給する水素の流量を図示しない流量調整器で、また空気流量を図示しないコンプレッサの回転数でそれぞれ制御する。また、コントローラ７４は、各バルブ６３、６６、６７、７３の開度を制御する。
【００７４】
なお、ここには図示しないが、燃料電池システムには燃料電池スタック６１を冷却するための冷却システムを備え、冷媒を循環させることにより燃料電池スタック６１の作動温度を制御する。ここでは、燃料電池スタック６１の標準作動温度を９０℃、作動圧力（背圧）を１５０ｋＰａ−ａｂｓとする。
【００７５】
運転時には、アノードガスは、高圧の水素ボンベ６２より減圧バルブ６３により減圧され、図示しない流量調整器を介して燃料電池スタック６１のアノードガス入口に供給される。燃料電池スタック６１内でアノードガスの一部の水素が発電により消費される。消費されずに燃料電池スタック６１から排出されたガスは、アノード循環ライン６４を通って燃料電池スタック６１の上流部に再度供給される。また、選択的に、燃料電池スタック６１の出口側より排出されたガスを、アノード排出ライン６６および排出バルブ６５を介してシステム外部にパージする。なお、燃料電池スタック６１から排出されたアノード排ガスの一部はアノード循環ライン６４を介して再導入され、一部がアノード排出ライン６６を通ってパージされるように制御してもよい。
【００７６】
一方、燃料電池スタック６１のカソードガス入口には、コンプレッサ（図示せず）等の昇圧機により加圧され、空気加湿器７０で加湿された空気がカソード供給ライン７１を通って導入される。燃料電池スタック６１に導入されて発電に用いられた空気は、比較的、高温高湿の状態で燃料電池スタック６１から排出される。この空気は、カソード排出ライン７２を通って空気加湿器７０に供給される。空気加湿器７０では、供給空気と排出空気の間で熱交換を行い、排出空気の熱と水の一部を供給空気に移動させることにより、燃料電池スタック６１に導入する以前の空気の加熱および加湿を行う。空気加湿器７０で、燃料電池スタック６１に導入される以前の空気の加熱源、加湿源となった排出側の空気は、圧力調整バルブ７３を介してシステム外部に排出される。
【００７７】
このとき、燃料電池スタック６１に導入されるアノードガスの露点は、燃料電池スタック６１の作動温度よりも低くなる。そのため、特に貫通領域となる貫通孔１０を介して、電解質膜２１からアノードガス中への水の蒸発が促進される。とりわけ、高圧の水素ボンベ６２の水素をアノードガスとする場合、水素ボンベ６２から取り出された水素ガスはドライである。この水素をアノードに導入される前に加湿する場合には、システムが複雑になってしまうという問題があるため、ドライの状態のままアノードに導入されることが多い。このような場合にも、特に貫通孔１０を介して、電解質膜２１からアノードガス中への水の蒸発が促進される。
【００７８】
その結果、特別な制御を用いずに、既存の燃料電池システムでカソード側のフラッディングを抑制し、水管理に優れた燃料電池スタック６１を備えた燃料電池システムを構成することができる。
【００７９】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００８０】
燃料電池スタック６１に供給するアノードガスの露点を、燃料電池１１の作動温度に比較して低くする。これにより、アノードガスが燃料電池スタック６１内を流通する際に、特に貫通孔１０を通ってアノードガス内に水が蒸発するのを促進することができる。これにより、カソード側にフラッディングが生じて発電効率が低下するのを抑制することができる。
【００８１】
次に第６の実施形態いついて説明する。燃料電池システムの構成を図９に示す。以下、第５の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８２】
ここでは、燃料改質反応により生成した水素リッチガスを燃料電池スタック６１のアノードガスとして用いる場合を説明する。
【００８３】
燃料電池スタック６１に空気を供給するカソード供給ライン７１と、カソード供給ライン７１を流れる空気に水を直接噴射するインジェクタ８１を備える。インジェクタ８１には、後述する水タンク８９に貯蔵された水の一部が供給され、その水を燃料電池スタック６１に導入される以前の空気中に噴射することにより空気を加湿する。また、燃料電池スタック６１から排出されたカソード排ガスを流通するカソード排出ライン７２と、カソード排出ライン７２を流れる比較的高温高湿のカソード排ガスを冷却する熱交換器８２を備える。熱交換器８２で高温高湿のカソード排ガスが冷却されることにより、一部の水分が凝縮して後述する水タンク８９に回収される。
【００８４】
また、燃料電池スタック６１に導入するアノードガスとしての水素含有ガスを、改質燃料を改質することにより生成する改質システムを備える。ここでは、改質燃料としてはガソリン（Ｃ6Ｈ14等を含むＣxＨy）を用いる。改質システムは、脱硫後のガソリンを改質する水蒸気型改質器８３と、水蒸気型改質器８３を加熱するための燃焼器９０を備える。水蒸気改質型改質器８３には、ガソリンと後述するスチームセパレータ８７で水循環系から分離された水蒸気が供給され、ＣＯを含む水素リッチな改質ガスが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、水蒸気改質型改質器８３と熱交換可能な燃焼器９０に、空気と燃料電池スタック６１からのアノード排ガスを導入し、水蒸気改質型改質器８３を反応に適した温度に維持する。
【００８５】
また、水蒸気改質型改質器８３で生成された水素リッチガス中のＣＯ濃度を低減するシフト反応器８４を備える。シフト反応器８４には、後述するスチームセパレータ８７で分離された水蒸気が導入され、水と水素リッチガス中のＣＯとが反応することにより、改質ガスのＣＯ濃度が低減される。シフト反応器８４の下流側には、さらに改質ガスのＣＯ濃度を低減する選択酸化器８５を備える。選択酸化器８５では、外部から導入された空気中の酸素を用いて、選択的にＣＯを酸化する。これにより燃料電池スタック６１のアノードに導入される改質ガスのＣＯ濃度を低減し、触媒の劣化を抑制する。水蒸気改質反応、シフト反応、選択酸化反応の代表例を次式に示す。
【００８６】
水蒸気改質反応：Ｃ6Ｈ14＋６Ｈ2Ｏ→１３Ｈ2＋６ＣＯ（吸熱反応）
Ｃ6Ｈ14＋１２Ｈ2Ｏ→１９Ｈ2＋６ＣＯ2（吸熱反応）
シフト反応：ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2（吸熱反応）
選択酸化反応：２ＣＯ＋Ｏ2→２ＣＯ2（発熱反応）
なお、各反応に適した温度は、水蒸気改質反応が最も高く、シフト反応、選択酸化反応の順に低くなる。
【００８７】
このように生成された低ＣＯ濃度の改質ガスを燃料電池スタック６１のアノード２ａに導入して発電反応を生じる。未反応のアノードガスは燃料電池スタック６１から排出される。アノード排ガスが流通するアノード排出ライン６６には、アノード排ガスを冷却するための熱交換器８８を備える。アノード排ガスを冷却することにより、ガス中の水分の一部を凝縮し、水タンク８９に回収する。その後、アノード排ガスは、前述したように水蒸気改質型改質器８３と熱交換可能な燃焼器９０に導入され、水蒸気改質反応に必要な熱を生じた後、システム外部に排出される。
【００８８】
また、改質システムで用いる水蒸気を生成する水循環系を備える。水循環系には、前述したようにカソード排ガス、アノード排ガス中から回収された水分を貯蔵する水タンク８９を備える。水タンク８９内の水は、図示しないポンプにより取り出されて加熱される。ここでは、水の加熱手段としては、選択酸化器８５から排出された低ＣＯ濃度の改質ガスと熱交換を行う熱交換器８６ｆ、選択酸化器８５と熱交換可能な熱交換器８６ｐ、シフト反応器８４と熱交換可能な熱交換器８６ｓを備える。なお、これら全てを備える必要はなく、例えば、熱交換器８６ｐ、８６ｓのうち一方のみを備えるように構成してもよい。
【００８９】
なお、熱交換器８６ｆで水と熱交換を行った後の水素含有ガスが、その後導入される燃料電池スタック６１の作動温度に近づくように、熱交換器８６ｆを構成する。
【００９０】
また、シフト反応は吸熱反応であるが、シフト反応は水蒸気改質反応より反応に適した温度が低くなるため、熱交換器８６ｓで改質ガスとの熱交換を行い、水を加熱することができる。
【００９１】
熱交換器８６を流れることにより水は加熱され、液水と水蒸気の二相状態となる。そこで、この液水と水蒸気を分離するスチームセパレータ８７を備える。スチームセパレータ８７で分離された水蒸気は、図示しない比例バルブ等を介して、前述したように水蒸気改質型改質器８３とシフト反応器８４に導入されて各反応に用いられる。このときに導入される水蒸気量が各反応に応じた量となるように、燃料電池システムの運転負荷に応じて図示しないポンプ等を用いて水循環系の圧力を制御するのが好ましい。また、水チームセパレータ８７から排出された水は、水タンク８９に再度貯蔵される。
【００９２】
このように、燃料電池スタック６１に供給するアノードガスの露点を、燃料電池１１の作動温度に比較して低くする。ここでは、燃料電池スタック６１に導入される改質ガスの温度が燃料電池スタック６１の作動温度と同等になるように、熱交換器８６ｆで改質ガスの冷却を行う。また、改質システムに導入される水蒸気量を各反応に応じた量となるように制御することにより、生成される改質ガスの湿度が過剰になるのを避ける。これにより、アノードガスが燃料電池スタック６１内を流通する際に、特に貫通孔１０を通ってアノードガス内に水が蒸発するのを促進することができ、カソード側にフラッディングが生じて発電効率が低下するのを抑制することができる。
【００９３】
また、ガソリンなど炭素原子を多く含む炭化水素燃料を改質して水素含有ガスを得る場合、炭素が多いために水素含有ガス中のＣＯ2量が多くなり、水素濃度が比較的低いガスとなるため、メタン（ＣＨ4）などの改質で得られた水素濃度の高いガスと比べた時に、同じ水素ＳＲ（利用率）でアノードに供給するときにガス中に蒸発する水の量が多くなる。その結果、特別な制御を用いずに、既存の燃料電池システムでカソードのフラッディングを抑制し、水管理に優れた燃料電池スタック６１を備えた燃料電池システムを構成することができる。
【００９４】
なお、本実施形態では、第５の実施形態と同様に、燃料電池スタック６１から取り出す電流値に応じて、コントローラ７４により、導入するガソリン流量および空気流量を制御する。また、燃料電池スタック６１の作動温度は図示しない冷却系により調整する。
【００９５】
また、本実施形態は、代表的なガソリン水蒸気改質システムである水蒸気改質型改質器８３を用いていればよく、シフト反応器８４、選択酸化器８５、さらには、水の流通経路や熱交換器８６の位置などは、上述したものに限らない。また、炭素原子を複数持つ例としてガソリンを上げたが、他の炭化水素燃料を用いてもよい。
【００９６】
次に、第７の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図１０に示す。以下、第６の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００９７】
カソード系を第５の実施形態と同様に構成する。アノード系には、改質反応として部分酸化反応を行う改質システムを備える。改質燃料としては、脱硫後のメタン（ＣＨ4）を用いる。
【００９８】
改質器として部分酸化型改質器９１を備える。代表的な部分酸化反応を次式に示す。
【００９９】
部分酸化反応：２ＣＨ4＋Ｏ2→４Ｈ2＋２ＣＯ（発熱反応）
ＣＨ4＋Ｏ2→２Ｈ2＋ＣＯ2（発熱反応）
このように、部分酸化型改質器９１で生じる反応が発熱反応であるため、燃焼器９０を備える必要はない。また、部分酸化型改質器９１で発生した熱を除去するために、部分酸化型改質器９１と水循環系を循環する水との熱交換が可能な熱交換器８６ｒを備える。ここでは水循環系は、水の加熱手段として熱交換器８６ｆ、８６ｐ、８６ｒを備える。
【０１００】
このような燃料電池システムの運転中には、部分酸化型改質器９１に、改質燃料および外部からの空気が導入されて、部分酸化反応を生じることによりＣＯを含む改質ガスが生成される。このとき、部分酸化反応に伴って熱が生じるが、熱交換器８６を流通する水タンク８９から取り出された水により熱が回収されるため、部分酸化型改質器９１の温度が適切に維持される。生成された改質ガスのＣＯ濃度は、シフト反応器８４でスチームセパレータ８７において分離された水蒸気とＣＯが反応し、さらに選択酸化器８５で空気中の酸素とＣＯが選択的に反応することにより低減される。所定のＣＯ濃度まで低減された改質ガスを、熱交換器８６ｆで燃料電池スタック６１の作動温度に近づけてから、燃料電池スタック６１に導入し発電に用いる。発電後のアノード排ガスは、燃料電池スタック６１から排出され、熱交換器８８に冷却されて水を回収された後、図示しない燃焼器により燃焼処理されてからシステム外部に排出される。
【０１０１】
このように、部分酸化型の改質方法を用いた場合、炭化水素系燃料と空気中の酸素とを反応させて水素を含有するアノードガスを得るが、空気を用いるために不活性ガスである窒素がアノードガス中に多く含まれる。そのため、同じ水素ＳＲ（利用率）でアノードに供給するときにアノードガスの総流量が増大するので、アノードガス中に蒸発する水蒸気量が多くなる。その結果、特別な制御を用いずに、既存の燃料電池システムでカソード２ｃのフラッディングを抑制し、水管理に優れた燃料電池スタック６１を備えた燃料電池システムを構成することができる。
【０１０２】
なお、本実施形態は、代表的なメタン部分酸化型改質システムであり、部分酸化型改質器９１を用いていればよく、シフト反応器８４、選択酸化器８５、さらには、水の流通経路や熱交換器８６の位置などは、上述したものに限らない。また、改質燃料はメタンに限らず、タの炭化水素系燃料を用いても良い。さらに、部分酸化反応を使用している改質器であればよく、オートサーマル法による改質器に対しても適用することができる。
【０１０３】
また、第４〜第７実施形態においては、第１の実施形態に示した燃料電池１１を用いた燃料電池スタック６１について説明しているが、第２〜第３の実施形態に示した燃料電池３１、５１のいずれに適用してもよい。
【０１０４】
このように、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を為し得ることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明は、燃料電池および燃料電池システムに適用することができる。特に電解質における水管理が必要となる固体高分子電解質膜型燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。
【図３】第２の実施形態に用いる燃料電池の概略構成図である。
【図４】第２の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。
【図５】第３の実施形態に用いる燃料電池の概略構成図である。
【図６】第３の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。
【図７】第４の実施形態における実験結果を示す図である。
【図８】第５の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図９】第６の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図１０】第７の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１、２１、４１    高分子電解質膜
２、２２、４２    電極
２ａ、２２ａ、４２ａ  アノード
２ｃ、２２ｃ、４２ｃ  カソード
３、２３、４２    ガス拡散層
４、２４、４４    膜電極接合体
５、２５、４５    カソードガス流路
５ｄ、２５ｄ、４５ｄ  （カソードの）下流領域
６、２６、４６    アノードガス流路
６ｕ、２６ｕ、４６ｕ  （アノードの）上流領域
７、２７、４７    隔壁（７、４７・・・集電部）
８ｃ、２８ｃ、４８ｃ  酸化剤ガスセパレータ
８ａ、４８ａ  燃料ガスセパレータ
９、２９、４９    単位セル
１０、５０  貫通孔（貫通領域）
１１、３１、５１  燃料電池
１２、３２、５２    （アノードガス拡散層の）拡散領域
１３、３３、５３    （カソードガス拡散層の）拡散領域
３０    連結材
３４    貫通領域
【図１】
2005108820.tif 000003
【図２】
2005108820.tif 000004
【図３】
2005108820.tif 000005
【図４】
2005108820.tif 000006
【図５】
2005108820.tif 000007
【図６】
2005108820.tif 000008
【図７】
2005108820.tif 000009
【図８】
2005108820.tif 000010
【図９】
2005108820.tif 000011
【図１０】
2005108820.tif 000012