(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を流通させるための複数の第１貫通孔を有するセパレータ、および
前記複数の第１貫通孔に対応する複数の第２貫通孔を有する電解質膜を備え、
前記複数の第２貫通孔のうち少なくとも１つは、当該第２貫通孔に対応する前記第１貫通孔よりも大きい拡大孔であり、
前記拡大孔は、当該拡大孔に対応する前記第１貫通孔に対して前記電解質膜の体積の変化に伴う移動方向とは反対方向に広がる、燃料電池。
【請求項２】
前記拡大孔は、当該拡大孔に対応する前記第１貫通孔に対して湿った状態の前記電解質膜の周縁側に広がる、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記拡大孔は、当該拡大孔に対応する前記第１貫通孔に対して乾いた状態の前記電解質膜の中心側に広がる、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池を含む、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムを含む、輸送機器。
【請求項６】
流体を流通させるための複数の第１貫通孔を有するセパレータを準備する工程、および
前記複数の第１貫通孔に対応する複数の第２貫通孔を有し、前記複数の第２貫通孔のうち少なくとも１つが当該第２貫通孔に対応する前記第１貫通孔よりも大きな拡大孔である電解質膜を準備する工程を備え、
前記拡大孔は、当該拡大孔に対応する前記第１貫通孔に対して前記電解質膜の体積の変化に伴う移動方向とは反対方向に広がる、燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池およびその製造方法に関し、より特定的には、含水率に応じてその体積が変化する電解質膜を含む燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、アノード（燃料極）、電解質膜およびカソード（空気極）からなる膜・電極接合体を一対のセパレータで挟むことによって構成される燃料電池が知られている。このような燃料電池は、水分を含む燃料がアノードに供給されるとともに酸素を含む空気がカソードに供給されることによって発電する。電解質膜およびセパレータにはそれぞれ、未使用の燃料が流通する貫通孔、未使用の空気が流通する貫通孔、アノードで発電に用いられた使用済みの燃料が流通する貫通孔、およびカソードで発電に用いられた使用済みの空気が流通する貫通孔が形成されている。電解質膜において、未使用の空気が流通する貫通孔近傍以外の部分には、カソードで生成された水分が与えられる。
【０００３】
固体高分子膜等からなる電解質膜の体積は、その含水率（湿り具合）に応じて変化する。膨潤状態の電解質膜を用いた燃料電池では、電解質膜において未使用の空気が流通する貫通孔近傍に十分な水分が与えられないことによって、電解質膜の当該貫通孔近傍が乾いて収縮するおそれがある。一方、乾燥状態の電解質膜を用いた燃料電池では、電解質膜において未使用の空気が流通する貫通孔近傍以外の部分に水分が与えられることによって、電解質膜の当該貫通孔近傍以外の部分が膨張するおそれがある。このように電解質膜が収縮または膨張してセパレータの貫通孔に対して電解質膜の貫通孔がずれると、電解質膜がセパレータの貫通孔の一部を塞いでしまう。つまり、電解質膜が空気や燃料の流れの妨げになってしまう。
【０００４】
たとえば特許文献１には、膨潤状態の電解質膜を用いた燃料電池に加湿した空気を供給する技術が開示されている。このように加湿した空気を燃料電池に供給することによって、電解質膜の収縮を予防できる。
【特許文献１】特開平６−１３２０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の技術では、空気を加湿するための手段が必要であるので構成が複雑になってしまう。また、乾燥状態の電解質膜を用いる場合、特許文献１の技術では、電解質膜が膨張するおそれがある。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、電解質膜の状態にかかわらず簡単な構成で流体を円滑に流通させることができる、燃料電池およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池は、流体を流通させるための複数の第１貫通孔を有するセパレータ、および前記複数の第１貫通孔に対応する複数の第２貫通孔を有する電解質膜を備え、前記複数の第２貫通孔のうち少なくとも１つは、当該第２貫通孔に対応する前記第１貫通孔よりも大きい拡大孔であり、前記拡大孔は、当該拡大孔に対応する前記第１貫通孔に対して前記電解質膜の体積の変化に伴う移動方向とは反対方向に広がることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の燃料電池は、請求項１に記載の燃料電池において、前記拡大孔は、当該拡大孔に対応する前記第１貫通孔に対して湿った状態の前記電解質膜の周縁側に広がることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の燃料電池は、請求項１に記載の燃料電池において、前記拡大孔は、当該拡大孔に対応する前記第１貫通孔に対して乾いた状態の前記電解質膜の中心側に広がることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の燃料電池システムは、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池を含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の輸送機器は、請求項４に記載の燃料電池システムを含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の燃料電池の製造方法は、流体を流通させるための複数の第１貫通孔を有するセパレータを準備する工程、および前記複数の第１貫通孔に対応する複数の第２貫通孔を有し、前記複数の第２貫通孔のうち少なくとも１つが当該第２貫通孔に対応する前記第１貫通孔よりも大きな拡大孔である電解質膜を準備する工程を備え、前記拡大孔は、当該拡大孔に対応する前記第１貫通孔に対して前記電解質膜の体積の変化に伴う移動方向とは反対方向に広がることを特徴とする。
【００１５】
請求項１に記載の燃料電池では、電解質膜の複数の第２貫通孔のうち電解質膜が収縮または膨張して移動するおそれのある第２貫通孔が、当該第２貫通孔に対応する第１貫通孔よりも大きい拡大孔として形成されている。これによって、電解質膜が収縮または膨張してもセパレータの第１貫通孔全体を拡大孔に重ならせることができる。つまり、電解質膜が収縮または膨張しても電解質膜がセパレータの第１貫通孔を塞ぐことを防止できる。このように複数の第２貫通孔が拡大孔を含むことによって、電解質膜の状態（含水率）にかかわらず簡単な構成で空気や燃料等の流体を円滑に流通させることができる。このような燃料電池は、たとえば請求項６に記載の燃料電池の製造方法によって簡単に得られる。
【００１６】
また、請求項１に記載の燃料電池では、対応する第１貫通孔に対して拡大孔が電解質膜の収縮または膨張に伴う移動方向とは反対方向に広がる。これによって、電解質膜が第１貫通孔を塞ぐことのない範囲で拡大孔を必要最低限の大きさにでき、電解質膜を有効に利用できる。このような燃料電池は、たとえば請求項６に記載の燃料電池の製造方法によって簡単に得られる。
【００１７】
膨潤状態の電解質膜を用いる場合は、未使用の空気が流通する第２貫通孔のように、その近傍が乾燥するおそれのある第２貫通孔を拡大孔にすればよい。そして、請求項２に記載するように、当該拡大孔が対応する第１貫通孔に対して電解質膜の周縁側に広がるようにすればよい。これによって、電解質膜の当該拡大孔近傍が収縮しても、電解質膜が第１貫通孔を塞ぐことを防止できる。
【００１８】
また、乾燥状態の電解質膜を用いる場合は、未使用の空気が流通する第２貫通孔以外の第２貫通孔のように、その近傍に水分が与えられる第２貫通孔を拡大孔にすればよい。そして、請求項３に記載するように、当該拡大孔が対応する第１貫通孔に対して電解質膜の中心側に広がるようにすればよい。これによって、電解質膜の未使用の空気が流通する第２貫通孔近傍以外の部分が膨張しても、電解質膜が第１貫通孔を塞ぐことを防止できる。
【００１９】
燃料電池の出力を大きくするためには、アノードおよびカソードを大きくする必要がある。これに伴って、電解質膜も大きくする必要がある。このように電解質膜を大きくすると、電解質膜が大きく収縮または膨張するおそれがある。ひいては、第２貫通孔が大きく移動して、電解質膜が第１貫通孔を大きく塞ぐおそれがある。この発明の燃料電池を含む請求項４に記載の燃料電池システムでは、大きな電力を得るために大きな電解質膜を用いても燃料電池内で円滑に流体を流通させることができ、電気機器に安定して電力を供給できる。したがって、請求項５に記載するように、請求項４に記載の燃料電池システムは、駆動に大きな電力を要する輸送機器に好適に用いられる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、電解質膜の状態にかかわらず簡単な構成で流体を円滑に流通させることができる燃料電池が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。
ここでは、この発明の燃料電池を含む燃料電池システム１００を、輸送機器の一例である自動二輪車１０に搭載した場合について説明する。
まず、自動二輪車１０について説明する。この発明の実施の形態における左右、前後、上下とは、自動二輪車１０のシートにドライバがそのハンドル２４に向かって着座した状態を基準とした左右、前後、上下を意味する。
【００２２】
図１を参照して、自動二輪車１０は車体フレーム１２を有する。車体フレーム１２は、ヘッドパイプ１４、ヘッドパイプ１４から後方へ斜め下方に延びる縦断面Ｉ字型のフロントフレーム１６、およびフロントフレーム１６の後端部に連結されかつ後方へ斜め上方に立ち上がるリヤフレーム１８を備えている。
【００２３】
フロントフレーム１６は、上下方向に幅を有して後方へ斜め下方に延びかつ左右方向に対して直交する板状部材１６ａと、それぞれ板状部材１６ａの上端縁および下端縁に形成されかつ左右方向に幅を有して後方へ斜め下方に延びるフランジ部１６ｂおよび１６ｃと、板状部材１６ａの両表面に突設される補強リブ１６ｄとを備えている。補強リブ１６ｄは、フランジ部１６ｂおよび１６ｃとともに板状部材１６ａの両表面を区画して、後述する燃料電池システム１００の構成部材を収納する収納スペースを形成している。
【００２４】
一方、リヤフレーム１８は、それぞれ前後方向に幅を有して後方へ斜め上方に延びかつフロントフレーム１６の後端部を挟むように左右に配置される一対の板状部材を含む。リヤフレーム１８の一対の板状部材の上端部には、図示しないシートを設けるためのシートレール２０が固設されている。なお、図１には、リヤフレーム１８の左側の板状部材が示されている。
【００２５】
ヘッドパイプ１４内には、ステアリング軸２２が回動自在に挿通されている。ステアリング軸２２の上端にはハンドル２４が固定されたハンドル支持部２６が取り付けられている。ハンドル支持部２６の上端には表示操作部２８が配置されている。
【００２６】
表示操作部２８は、電動モータ３８（後述）の各種データを計測表示するためのメータ、各種情報提供用のたとえば液晶ディスプレイ等で構成される表示部、および各種指示や各種情報入力用の入力部を一体的に設けたものである。
【００２７】
また、ステアリング軸２２の下端には左右一対のフロントフォーク３０が取り付けられており、フロントフォーク３０それぞれの下端には前輪３２が回転自在に取り付けられている。
【００２８】
また、リヤフレーム１８の下端部には、スイングアーム（リヤアーム）３４が揺動自在に取り付けられている。スイングアーム３４の後端部３４ａには、後輪３６に連結されかつ後輪３６を回転駆動させるためのたとえばアキシャルギャップ型の電動モータ３８が内蔵されている。また、スイングアーム３４には、電動モータ３８に電気的に接続される駆動ユニット４０が内蔵されている。駆動ユニット４０は、電動モータ３８の回転駆動を制御するためのモータコントローラ４２、および二次電池１２４（後述）の蓄電量を検出する蓄電量検出器４４を含む。
【００２９】
このような自動二輪車１０には、車体フレーム１２に沿って燃料電池システム１００の構成部材が配置されている。燃料電池システム１００は、電動モータ３８や補機類等を駆動するための電気エネルギを生成する。
【００３０】
以下、図１および図２を参照して、燃料電池システム１００について説明する。
燃料電池システム１００は、メタノール（メタノール水溶液）を改質せずにダイレクトに電気エネルギの生成（発電）に利用する直接メタノール型燃料電池システムである。
燃料電池システム１００は、燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという）１０２を含む。図１に示すように、セルスタック１０２は、フランジ部１６ｃから吊るされ、フロントフレーム１６の下方に配置されている。
【００３１】
図２に示すように、セルスタック１０２は、それぞれメタノールに基づく水素イオンと酸素（酸化剤）との電気化学反応によって発電できる複数の燃料電池１０４を、積層（スタック）して構成されている。燃料電池１０４については後に詳しく説明する。
【００３２】
図１に示すように、フロントフレーム１６の下方でありかつセルスタック１０２の上方には、ラジエータユニット１０６が配置されている。
図２に示すように、ラジエータユニット１０６は、水溶液用のラジエータ１０６ａと気液分離用のラジエータ１０６ｂとを一体的に設けたものである。ラジエータユニット１０６の裏面側には、ラジエータ１０６ａを冷却するためのファン１０８と、ラジエータ１０６ｂを冷却するためのファン１１０とが設けられている。なお、図１においては、ラジエータ１０６ａと１０６ｂとが左右に配置されているものとし、左側のラジエータ１０６ａを冷却するためのファン１０８が示されている。
【００３３】
また、図１に示すように、リヤフレーム１８の一対の板状部材の間には、上方から順に燃料タンク１１２、水溶液タンク１１４および水タンク１１６が配置されている。
燃料タンク１１２は、セルスタック１０２の電気化学反応の燃料となる高濃度（たとえば、メタノールを約５０ｗｔ％含む）のメタノール燃料（高濃度メタノール水溶液）を収容している。水溶液タンク１１４は、燃料タンク１１２からのメタノール燃料をセルスタック１０２の電気化学反応に適した濃度（たとえば、メタノールを約３ｗｔ％含む）に希釈したメタノール水溶液を収容している。水タンク１１６は、水溶液タンク１１４に供給すべき水を収容している。
【００３４】
燃料タンク１１２にはレベルセンサ１１８が装着され、水溶液タンク１１４にはレベルセンサ１２０が装着され、水タンク１１６にはレベルセンサ１２２が装着されている。レベルセンサ１１８，１２０および１２２は、それぞれフロートセンサであり、タンク内の液面の高さ（液位）を検出する。
【００３５】
燃料タンク１１２の前側でありかつフロントフレーム１６の上側には、二次電池１２４が配置されている。二次電池１２４は、セルスタック１０２の出力を補完するものであり、セルスタック１０２からの電力によって充電され、その放電によって電動モータ３８や補機類等に電力を供給する。二次電池１２４の上側には、燃料ポンプ１２６が配置されている。また、燃料タンク１１２の前側かつ二次電池１２４の後方斜め上側には、キャッチタンク１２８が配置されている。
【００３６】
また、フロントフレーム１６の左側の収納スペースには、水溶液ポンプ１３０およびエアポンプ１３２が収納されている。エアポンプ１３２の左側にはエアチャンバ１３４が配置されている。また、フロントフレーム１６の右側の収納スペースには、コントローラ１３６、ストップバルブ１３８および水ポンプ１４０が配置されている。
【００３７】
さらに、フロントフレーム１６には、フロントフレーム１６の収納スペースを右側から左側に貫通するようにメインスイッチ１４２が設けられている。メインスイッチ１４２がオンされることによってコントローラ１３６に運転開始指示が与えられ、メインスイッチ１４２がオフされることによってコントローラ１３６に運転停止指示が与えられる。
【００３８】
図２に示すように、燃料タンク１１２と燃料ポンプ１２６とはパイプＰ１によって連通され、燃料ポンプ１２６と水溶液タンク１１４とはパイプＰ２によって連通され、水溶液タンク１１４と水溶液ポンプ１３０とはパイプＰ３によって連通され、水溶液ポンプ１３０とセルスタック１０２とはパイプＰ４によって連通されている。パイプＰ４はセルスタック１０２のアノード入口Ｉ１に接続されている。水溶液ポンプ１３０を駆動させることによってセルスタック１０２にメタノール水溶液が供給される。
【００３９】
セルスタック１０２のアノード入口Ｉ１付近には、セルスタック１０２に供給されたメタノール水溶液の濃度（メタノール水溶液におけるメタノールの割合）に対応する濃度情報をメタノール水溶液の電気化学的特性を利用して検出する電圧センサ１４４が設けられている。電圧センサ１４４は、燃料電池１０４の開回路電圧（Open Circuit Voltage）を検出し、その電圧値を電気化学的な濃度情報とする。
【００４０】
また、セルスタック１０２のアノード入口Ｉ１付近には、セルスタック１０２に供給されたメタノール水溶液の温度ひいてはセルスタック１０２の温度を検出する温度センサ１４６が設けられている。
【００４１】
セルスタック１０２と水溶液用のラジエータ１０６ａとはパイプＰ５によって連通され、ラジエータ１０６ａと水溶液タンク１１４とはパイプＰ６によって連通されている。パイプＰ５はセルスタック１０２のアノード出口Ｉ２に接続されている。
上述したパイプＰ１〜Ｐ６は主として燃料の流路となる。
【００４２】
また、エアチャンバ１３４にはパイプＰ７が接続され、エアチャンバ１３４とエアポンプ１３２とはパイプＰ８によって連通され、エアポンプ１３２とストップバルブ１３８とはパイプＰ９によって連通され、ストップバルブ１３８とセルスタック１０２とはパイプＰ１０によって連通されている。パイプＰ１０はセルスタック１０２のカソード入口Ｉ３に接続されている。ストップバルブ１３８を開いた状態でエアポンプ１３２を駆動させることによって外部からセルスタック１０２に酸素（酸化剤）を含む空気（エア）が供給される。
【００４３】
セルスタック１０２と気液分離用のラジエータ１０６ｂとはパイプＰ１１によって連通され、ラジエータ１０６ｂと水タンク１１６とはパイプＰ１２によって連通され、水タンク１１６にはパイプ（排気管）Ｐ１３が設けられている。パイプＰ１１は、セルスタック１０２のカソード出口Ｉ４に接続されている。パイプＰ１３は水タンク１１６の排気口に設けられ、セルスタック１０２からの排気を外部に排出する。
上述したパイプＰ７〜Ｐ１３は主として酸化剤の流路となる。
【００４４】
また、水タンク１１６と水ポンプ１４０とはパイプＰ１４によって連通され、水ポンプ１４０と水溶液タンク１１４とはパイプＰ１５によって連通されている。
上述したパイプＰ１４，Ｐ１５は水の流路となる。
【００４５】
さらに、水溶液タンク１１４とキャッチタンク１２８とはパイプＰ１６，Ｐ１７によって連通されている。また、キャッチタンク１２８にはパイプＰ１８が接続されており、パイプＰ１８はパイプＰ１０の接続部Ｊに接続されている。
上述したパイプＰ１６〜Ｐ１８は燃料処理用の流路となる。
【００４６】
コントローラ１３６（図１参照）には、メインスイッチ１４２および表示操作部２８の入力部からの入力信号が入力される。また、コントローラ１３６には、レベルセンサ１１８，１２０，１２２、電圧センサ１４４および温度センサ１４６からの検出信号が入力される。さらに、コントローラ１３６には、蓄電量検出器４４からの蓄電量検出値が入力される。
【００４７】
また、コントローラ１３６は、燃料ポンプ１２６、水溶液ポンプ１３０、エアポンプ１３２、水ポンプ１４０、ファン１０８，１１０およびストップバルブ１３８等の補機類を制御する。また、コントローラ１３６は、表示操作部２８の表示部を制御する。
【００４８】
このような燃料電池システム１００で注目すべきは、セルスタック１０２を構成する燃料電池１０４である。ついで、図３〜図７を参照して、この発明の燃料電池１０４について詳しく説明する。
図３に示すように、各燃料電池（燃料電池セル）１０４は、電解質膜１４８、電解質膜１４８を挟んで互いに対向するアノード（燃料極）１５０およびカソード（空気極）１５２、電解質膜１４８を挟んで互いに対向する一対のガスケット１５４、ならびに電解質膜１４８、アノード１５０、カソード１５２および一対のガスケット１５４を挟んで互いに対向する一対のセパレータ１５６を含む。
【００４９】
図３および図４に示すように、電解質膜１４８は、長方形の主面１４８ａ，１４８ｂを有する。電解質膜１４８としては、パーフルオロスルホン酸系高分子電解質膜の一例であるＮＡＦＩＯＮ(登録商標：デュポン社製)等の固体高分子膜が用いられる。このような電解質膜１４８は、水を含むことによって膨張し、含まれる水が蒸散することによって収縮する。つまり、電解質膜１４８の体積は、その含水率（湿り具合）に応じて変化する。図４には、その全体が十分に湿った状態（膨潤状態）の電解質膜１４８が実線で示され、その全体が完全に乾いた状態（乾燥状態）の電解質膜１４８が一点鎖線で示されている。一例として、この実施形態に用いられる電解質膜１４８では、膨潤状態におけるカソード１５２側の主面１４８ａおよびアノード１５０側の主面１４８ｂの寸法が縦１００ｍｍ×横２００ｍｍ程度になる。一方、電解質膜１４８では、乾燥状態における主面１４８ａ，１４８ｂの寸法が縦９０ｍｍ×横１８０ｍｍ程度になる。なお、電解質膜１４８の厚みは、０．１８ｍｍ程度と非常に薄く、膨潤状態と乾燥状態とでほとんど変わらない。後述するように、燃料電池１０４は、膨潤状態の電解質膜１４８を用いて製造される。
【００５０】
また、図４に示すように、電解質膜１４８の主面１４８ａには、メタノール水溶液または空気等の流体を主面１４８ａ（一方主面）側から主面１４８ｂ（他方主面）側に流通させるための貫通孔１５８ａ〜１５８ｄが形成されている。貫通孔１５８ａ〜１５８ｄはそれぞれ、上下に延びる楕円形状に形成されている。貫通孔１５８ａ，１５８ｃおよび１５８ｄはそれぞれ、同寸法に形成されている。貫通孔１５８ｂは、貫通孔１５８ａよりも大きく形成されている。
【００５１】
貫通孔１５８ａは主面１４８ａの左上隅近傍に位置している。貫通孔１５８ｂは主面１４８ａの右上隅近傍に位置している。貫通孔１５８ｃは主面１４８ａの右下隅近傍に位置している。貫通孔１５８ｄは主面１４８ａの左下隅近傍に位置している。
【００５２】
膨潤状態の電解質膜１４８において、貫通孔１５８ａから主面１４８ａの長辺までの距離Ｄ１は、４ｍｍ程度に設定され、貫通孔１５８ａから主面１４８ａの短辺までの距離Ｄ２は、４ｍｍ程度に設定されている。また、膨潤状態の電解質膜１４８において、貫通孔１５８ａの中心から主面１４８ａの長辺までの距離Ｄ３は、１５ｍｍ程度に設定され、貫通孔１５８ａの中心から主面１４８ａの短辺までの距離Ｄ４は７ｍｍ程度に設定されている。貫通孔１５８ｃ，１５８ｄと主面１４８ａの長辺および短辺との関係についても、貫通孔１５８ａと同様に設定されている。
【００５３】
これに対して、膨潤状態の電解質膜１４８において、貫通孔１５８ｂから主面１４８ａの長辺までの距離Ｄ５は、２ｍｍ程度に設定され、貫通孔１５８ｂから主面１４８ａの短辺までの距離Ｄ６は、２ｍｍ程度に設定されている。また、膨潤状態の電解質膜１４８において、貫通孔１５８ｂの中心から主面１４８ａの長辺までの距離Ｄ７は、１４ｍｍ程度に設定され、貫通孔１５８ｂの中心から主面１４８ａの短辺までの距離Ｄ８は６ｍｍ程度に設定されている。
【００５４】
このように、貫通孔１５８ｂは、貫通孔１５８ａ，１５８ｃおよび１５８ｄよりも大きく、貫通孔１５８ａ，１５８ｃおよび１５８ｄよりも主面１４８ａの周縁寄りに位置している。
【００５５】
貫通孔１５８ａにはアノード１５０に供給すべきメタノール水溶液（未使用のメタノール水溶液）が流通する。貫通孔１５８ｂにはカソード１５２に供給すべき空気（未使用の空気）が流通する。貫通孔１５８ｃにはアノード１５０で発電に使用されたメタノール水溶液（使用済みのメタノール水溶液）が流通する。貫通孔１５８ｄにはカソード１５２で発電に使用された空気（使用済みの空気）が流通する。
【００５６】
貫通孔１５８ａ〜１５８ｄは、電解質膜１４８の収縮に伴って電解質膜１４８の中心方向に移動する。図４には、電解質膜１４８の収縮に伴う貫通孔１５８ｂの移動方向が矢印Ａ１として示されている。
【００５７】
図３に示すように、アノード１５０およびカソード１５２はそれぞれ、長方形の一方主面および他方主面を有するシート状に形成されている。アノード１５０およびカソード１５２はそれぞれ、電解質膜１４８側に設けられる白金触媒層を含む。
【００５８】
図３および図５に示すように、一対のガスケット１５４はそれぞれ、アノード１５０またはカソード１５２と略同形状の抜き部（貫通孔）１５５を中央部に有する枠状に形成されている。ガスケット１５４の主面であって抜き部１５５の残りの部分（以下、環状面という）１５４ａ，１５４ｂの外形は長方形である。環状面１５４ａ，１５４ｂの外形は、膨潤状態の電解質膜１４８の主面１４８ａ，１４８ｂと同寸法（ここでは縦１００ｍｍ×横２００ｍｍ）である。ガスケット１５４としては、ポリイミド基材のシリコンゴムシート、ゴム、ポリアミド繊維、グラスファイバーおよび膨張黒鉛等を混合したシート（ジョイントシート）、ゴムシート、テフロン（登録商標）シート、または膨張黒鉛シート等が用いられる。
【００５９】
また、図５に示すように、環状面１５４ａには、電解質膜１４８の貫通孔１５８ａ〜１５８ｄに対応する貫通孔１６０ａ〜１６０ｄが形成されている。貫通孔１６０ａ〜１６０ｄはそれぞれ、膨潤状態の電解質膜１４８の貫通孔１５８ａと同形状かつ同寸法に形成されている。
【００６０】
膨潤状態の電解質膜１４８の貫通孔１５８ａと同様に、貫通孔１６０ａから環状面１５４ａの外周の長辺までの距離は、Ｄ１（ここでは４ｍｍ）に設定され、貫通孔１６０ａから環状面１５４ａの外周の短辺までの距離は、Ｄ２（ここでは４ｍｍ）に設定されている。貫通孔１６０ｂ〜１６０ｄについても貫通孔１６０ａと同様に外周の長辺までの距離および外周の短辺までの距離が設定されている。
【００６１】
図３および図６に示すように、一対のセパレータ１５６はそれぞれ、長方形の主面１５６ａ，１５６ｂを有する板状に形成されている。セパレータ１５６の主面１５６ａ，１５６ｂは、膨潤状態の電解質膜１４８の主面１４８ａ，１４８ｂと同寸法である。セパレータ１５６としては、カーボンと樹脂との複合板、ステンレス板またはアルミニウム板等が用いられる。セルスタック１０２では、隣り合う２つの燃料電池１０４においてセパレータ１５６が共用されている（図２参照）。
【００６２】
図６に示すように、セパレータ１５６の主面１５６ａには、ガスケット１５４の貫通孔１６０ａ〜１６０ｄおよび電解質膜１４８の貫通孔１５８ａ〜１５８ｄに対応する貫通孔１６２ａ〜１６２ｄが形成されている。貫通孔１６２ａ〜１６２ｄはそれぞれ、膨潤状態の電解質膜１４８の貫通孔１５８ａと同形状かつ同寸法に形成されている。
【００６３】
膨潤状態の電解質膜１４８の貫通孔１５８ａと同様に、貫通孔１６２ａから主面１５６ａの長辺までの距離は、Ｄ１に設定され、貫通孔１６２ａから主面１５６ａの短辺までの距離は、Ｄ２に設定されている。貫通孔１６２ｂ〜１６２ｄについても貫通孔１６２ａと同様に長辺までの距離および短辺までの距離が設定されている。
【００６４】
また、アノード１５０側の主面１５６ａ（図３の左側のセパレータ１５６参照）には、アノード１５０にメタノール水溶液を供給するための複数の溝１６４ａが蛇行するように形成されている。複数（ここでは４本）の溝１６４ａの一端はそれぞれ貫通孔１６２ａに繋がっている。また、複数の溝１６４ａの他端はそれぞれ貫通孔１６２ｃに繋がっている。
【００６５】
さらに、図７に示すように、カソード１５２側の主面１５６ｂ（図３の右側のセパレータ１５６参照）には、カソード１５２に空気を供給するための複数の溝１６４ｂが蛇行するように形成されている。複数（ここでは６本）の溝１６４ｂの一端はそれぞれ貫通孔１６２ｂに繋がっている。また、複数の溝１６４ｂの他端はそれぞれ貫通孔１６２ｄに繋がっている。
【００６６】
ついで、このような構成部材からなる燃料電池１０４の製造方法について説明する。
まず、貫通孔１５８ａ〜１５８ｄが形成された膨潤状態の電解質膜１４８（図３および図４参照）を準備する。つづいて、膨潤状態の電解質膜１４８において、主面１４８ａにカソード１５２を接着しかつ主面１４８ｂにアノード１５０を接着する。これによって、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）が得られる。また、抜き部１５５および貫通孔１６０ａ〜１６０ｄが形成された一対のガスケット１５４を準備する（図３および図５参照）。さらに、貫通孔１６２ａ〜１６２ｄおよび溝１６４ａ，１６４ｂが形成された一対のセパレータ１５６（図３、図６および図７参照）を準備する。
【００６７】
つづいて、電解質膜１４８（膜・電極接合体）、一対のガスケット１５４および一対のセパレータ１５６を、セパレータ１５６、ガスケット１５４、電解質膜１４８、ガスケット１５４、セパレータ１５６の順にそれぞれの四隅を合わせて積層する（重ねる）。
【００６８】
図３を参照して、一方（カソード１５２側）のガスケット１５４は、環状面１５４ｂを電解質膜１４８の主面１４８ａに対向させて電解質膜１４８に重ねられる。このときカソード１５２は、当該ガスケット１５４の抜き部１５５内に位置する。また、一方（カソード１５２側）のセパレータ１５６は、主面１５６ｂを当該ガスケット１５４の環状面１５４ａおよびカソード１５２に対向させて当該ガスケット１５４およびカソード１５２に重ねられる。
【００６９】
他方（アノード１５０側）のガスケット１５４は、環状面１５４ａを電解質膜１４８の主面１４８ｂに対向させて電解質膜１４８に重ねられる。このときアノード１５０は、当該ガスケット１５４の抜き部１５５内に位置する。また、他方（アノード１５０側）のセパレータ１５６は、主面１５６ａを当該ガスケット１５４の環状面１５４ｂおよびアノード１５０に対向させて当該ガスケット１５４およびアノード１５０に重ねられる。
【００７０】
アノード１５０側のガスケット１５４とセパレータ１５６と（図３参照）を重ねた状態を、電解質膜１４８側からみると図８に示すようになる。図８に示すように、ガスケット１５４とセパレータ１５６とを重ねた状態では、ガスケット１５４の貫通孔１６０ａとセパレータ１５６の貫通孔１６２ａとが互いにずれなく重なる。言い換えれば、ガスケット１５４の貫通孔１６０ａとセパレータ１５６の貫通孔１６２ａとが一致する。ガスケット１５４の貫通孔１６０ｂ〜１６０ｄとセパレータ１５６の貫通孔１６２ｂ〜１６２ｄとについても同様である。
【００７１】
なお、カソード１５２側のガスケット１５４とセパレータ１５６とを重ねた状態を電解質膜１４８側からみても、貫通孔１６０ａ〜１６０ｄと貫通孔１６２ａ〜１６２ｄとの関係は図８と左右対称になる以外は同様である。
【００７２】
また、電解質膜１４８とアノード１５０側のガスケット１５４およびセパレータ１５６と（図３参照）を重ねた状態を、カソード１５２側からみると図９に示すようになる。図９に示すように、電解質膜１４８とガスケット１５４とセパレータ１５６とを重ねた状態では、電解質膜１４８ａの貫通孔１５８ａとガスケット１５４の貫通孔１６０ａとが互いにずれなく重なる。電解質膜１４８の貫通孔１５８ｃ，１５８ｄとガスケット１５４の貫通孔１６０ｃ，１６０ｄとについても同様である。
【００７３】
ここで注目すべきは、電解質膜１４８の貫通孔１５８ｂと、ガスケット１５４の貫通孔１６０ｂひいてはセパレータ１５６の貫通孔１６２ｂとの関係である。貫通孔１５８ｂは、貫通孔１６０ｂ，１６２ｂよりも大きな拡大孔である。また、貫通孔１５８ｂは、貫通孔１６０ｂ，１６２ｂに対して電解質膜１４８の収縮に伴う移動方向（矢印Ａ１方向：図４参照）とは反対方向（矢印Ａ２方向）に広がっている。つまり、貫通孔１５８ｂは、貫通孔１６０ｂ，１６２ｂに対して電解質膜１４８の周縁側に広がっている。
【００７４】
なお、電解質膜１４８とカソード１５２側のガスケット１５４およびセパレータ１５６とを重ねた状態をアノード１５０側からみても、貫通孔１５８ａ〜１５８ｄと貫通孔１６０ａ〜１６０ｄ（１６２ａ〜１６２ｄ）との関係は図９と左右対称になる以外は同様である。
【００７５】
セルスタック１０２は、このように製造される燃料電池１０４のセパレータ１５６に、ガスケット１５４、膜・電極接合体およびセパレータ１５６をさらに積層していくことによって得られる。セルスタック１０２を構成する複数の燃料電池１０４は、図示しないナットおよびスタットボルト等によって積層方向に圧接されている。これによって、各燃料電池１０４では電解質膜１４８が一対のガスケット１５４に強固に挟まれている。
【００７６】
なお、電解質膜１４８の貫通孔１５８ａ〜１５８ｄは、燃料電池１０４の構成部材を積層する直前に積層する場所で形成してもよいし、燃料電池１０４の構成部材を積層する前に別の場所で予め形成しておいてもよい。一対のガスケット１５４の抜き部１５５および貫通孔１６０ａ〜１６０ｄ、ならびに一対のセパレータ１５６の貫通孔１６２ａ〜１６２ｄおよび溝１６４ａ，１６４ｂについても同様である。
【００７７】
また、膨潤状態の固体高分子膜に貫通孔１５８ａ〜１５８ｄを形成することによって膨潤状態の電解質膜１４８を準備するようにしてもよいし、乾燥状態の固体高分子膜に貫通孔１５８ａ〜１５８ｄを形成した後に当該固体高分子膜を加湿することによって膨潤状態の電解質膜１４８を準備するようにしてもよい。
【００７８】
この実施形態では、セパレータ１５６の貫通孔１６２ａ〜１６２ｄが第１貫通孔に相当し、電解質膜１４８の貫通孔１５８ａ〜１５８ｄが第２貫通孔に相当する。また、貫通孔１５８ａ〜１５８ｄのうち貫通孔１５８ｂが拡大孔に相当する。
【００７９】
ついで、燃料電池システム１００における基本的な発電動作について説明する。
燃料電池システム１００は、メインスイッチ１４２がオンされることを契機として運転を開始する。運転開始後、二次電池１２４の蓄電率が所定値（たとえば４０％）未満になることを契機として、二次電池１２４からの電力によって水溶液ポンプ１３０やエアポンプ１３２等の補機類の駆動を開始し、セルスタック１０２に発電を開始させる。
【００８０】
図２を参照して、水溶液タンク１１４内のメタノール水溶液は、水溶液ポンプ１３０の駆動によってパイプＰ３，Ｐ４を介してアノード入口Ｉ１からセルスタック１０２に供給される。セルスタック１０２に供給されたメタノール水溶液は、各燃料電池１０４の貫通孔１５８ａ，１６０ａおよび１６２ａを流通する（図３参照）。そして、各燃料電池１０４のセパレータ１５６において、貫通孔１６２ａを流通するメタノール水溶液の一部が主面１５６ａの溝１６４ａに流入する（図６参照）。これによって、各燃料電池１０４のアノード１５０にメタノール水溶液がダイレクトに供給される。
【００８１】
一方、エアポンプ１３２の駆動によってパイプＰ７を介して吸入された空気（エア）は、エアチャンバ１３４に流入することによって消音される。そして、エアチャンバ１３４に与えられた空気が、パイプＰ８を介してエアポンプ１３２に流入し、さらに、パイプＰ９、ストップバルブ１３８およびパイプＰ１０を介してカソード入口Ｉ３からセルスタック１０２に供給される。セルスタック１０２に供給された空気は、各燃料電池１０４の貫通孔１５８ｂ，１６０ｂおよび１６２ｂを流通する（図３参照）。そして、各燃料電池１０４のセパレータ１５６において、貫通孔１６２ｂを流通する空気の一部が主面１５６ｂの溝１６４ｂに流入する（図７参照）。これによって、各燃料電池１０４のカソード１５２に空気が供給される。
【００８２】
また、水溶液タンク１１４内にある二酸化炭素、気化したメタノールおよび水蒸気等は、パイプＰ１６を介してキャッチタンク１２８に与えられる。キャッチタンク１２８内では気化したメタノールと水蒸気とが冷却される。そして、キャッチタンク１２８内で得られたメタノール水溶液が、パイプＰ１７を介して水溶液タンク１１４に戻される。また、キャッチタンク１２８内の二酸化炭素、液化されなかったメタノールおよび水蒸気等は、パイプＰ１８および接続部Ｊを介してパイプＰ１０に流入する。外部からの空気と同様に、パイプＰ１０に流入したキャッチタンク１１４からの二酸化炭素、液化されなかったメタノールおよび水蒸気等が各燃料電池１０４のカソード１５２に供給される。
【００８３】
各燃料電池１０４のアノード１５０では、供給されたメタノール水溶液におけるメタノールと水とが化学反応し、二酸化炭素および水素イオンが生成される。生成された水素イオンは、電解質膜１４８を介してカソード１５２に流入し、そのカソード１５２に供給された空気中の酸素と電気化学反応して水分（水および水蒸気）および電気エネルギが生成される。つまり、各燃料電池１０４ひいてはセルスタック１０２において発電が行われる。
【００８４】
セルスタック１０２の温度は各種反応に伴って上昇し、セルスタック１０２の出力はその温度上昇に伴って上昇する。燃料電池システム１００はセルスタック１０２が約６０℃で定常的に発電可能な通常運転に移行する。セルスタック１０２からの電力は、二次電池１２４の充電や自動二輪車１０の走行駆動等に利用される。
【００８５】
各燃料電池１０４のセパレータ１５６では、アノード１５０で生成された二酸化炭素、および未反応メタノールを含むメタノール水溶液（使用済みのメタノール水溶液）が溝１６４ａを通って貫通孔１６２ｃに流入する（図６参照）。その後、使用済みのメタノール水溶液等は、セルスタック１０２のアノード出口Ｉ２およびパイプＰ５を介してラジエータ１０６ａに与えられ、ファン１０８の駆動によって冷却される。ラジエータ１０６ａからの使用済みのメタノール水溶液等は、パイプＰ６を介して水溶液タンク１１４に還流される。つまり、水溶液ポンプ１３０を駆動させることによって、水溶液タンク１１４内のメタノール水溶液がセルスタック１０２に循環供給される。
【００８６】
一方、各燃料電池１０４のセパレータ１５６では、カソード１５２で生成された水分（水および水蒸気）、および未反応の酸素を含む空気（使用済みの空気）が溝１６４ｂを通って貫通孔１６２ｄに流入する（図７参照）。
【００８７】
また、各燃料電池１０４では、キャッチタンク１２８からの気化したメタノールおよびクロスオーバーによってカソード１５２に移動したメタノールが白金触媒層で酸素と化学反応して無害な水分および二酸化炭素に分解される。各燃料電池１０４のセパレータ１５６では、当該水分および二酸化炭素が溝１６４ｂを通って貫通孔１６２ｄに流入する。
【００８８】
さらに、各燃料電池１０４では、水のクロスオーバーによってカソード１５２に水分が移動する。各燃料電池１０４のセパレータ１５６では、当該水分が溝１６４ｂを通って貫通孔１６２ｄに流入する。各燃料電池１０４の貫通孔１６２ｄに流入した、水分、二酸化炭素および使用済みの空気は、排気としてセルスタック１０２のカソード出口Ｉ４から排出される。
【００８９】
カソード出口Ｉ４からの排気は、パイプＰ１１を介してラジエータ１０６ｂに与えられる。各燃料電池１０４のカソード１５２からの水分の大部分は液化して水となって（液体の状態で）カソード出口Ｉ４から排出されるが、飽和水蒸気分は水蒸気として（ガス状態で）排出される。カソード出口Ｉ４から排出された水蒸気の一部は、ラジエータ１０６ｂで冷却されその温度が露点以下になることによって液化される。ラジエータ１０６ｂによる水蒸気の液化動作は、ファン１１０を動作させることによって行われる。ラジエータ１０６ｂからの排気は、パイプＰ１２を介して水タンク１１６に与えられる。そして、水タンク１１６で水が回収された後に、水蒸気、二酸化炭素および使用済みの空気を含む排気がパイプＰ１３を介して外部に排出される。
【００９０】
水タンク１１６内の水は、水ポンプ１４０の駆動によってパイプＰ１４，Ｐ１５を介して水溶液タンク１１４に適宜供給される。また、燃料タンク１１２内のメタノール燃料は、燃料ポンプ１２６の駆動によってパイプＰ１，Ｐ２を介して水溶液タンク１１４に適宜供給される。
【００９１】
このような発電動作では、セルスタック１０２の各電解質膜１４８において、貫通孔１５８ａおよび１５８ｃにはメタノール水溶液が流通し、貫通孔１５８ｄには排気に含まれる水分が流通する。さらに各電解質膜１４８の中央部（セパレータ１５６の溝１６４ａ，１６４ｂに対応する部分）では、アノード１５０側からカソード１５２側にメタノールおよび水分がクロスオーバーする。このように十分な水分が与えられることによって、電解質膜１４８の貫通孔１５８ａ，１５８ｃおよび１５８ｄ近傍ならびに電解質膜１４８の中央部は含水率を維持できる。
【００９２】
これに対して、各電解質膜１４８において、主に未使用の空気が流通する貫通孔１５８ｂ近傍には十分な水分が与えられないので、貫通孔１５８ｂ近傍では含水率を維持することが困難である。貫通孔１５８ｂにはキャッチタンク１２８からの水蒸気および気化したメタノール等も流通するが、これらは貫通孔１５８ｂ近傍を十分に加湿する量には達しない。このために、一対のガスケット１５４に強固に挟まれている電解質膜１４８であっても、貫通孔１５８ｂ近傍のみが収縮し、貫通孔１５８ｂが矢印Ａ１方向（図４参照）に移動してしまうおそれがある。
【００９３】
図１０に示すように、このような燃料電池１０４では、電解質膜１４８の収縮に伴って貫通孔１５８ｂが移動しても、ガスケット１５４の貫通孔１６０ｂ全体およびセパレータ１５６の貫通孔１６２ｂ全体を拡大孔である貫通孔１５８ｂに重ねることができる。つまり、貫通孔１５８ｂが移動しても電解質膜１４８が貫通孔１６０ｂ，１６２ｂを塞ぐことを防止できる。したがって、電解質膜１４８の状態（含水率）にかかわらず簡単な構成で未使用の空気を円滑に流通させることができる。
【００９４】
貫通孔１５８ｂが貫通孔１６０ｂ，１６２ｂに対して矢印Ａ２方向（図９参照）に広がっていることによって、収縮に伴って電解質膜１４８が貫通孔１６０ｂ，１６２ｂを塞ぐことのない範囲で貫通孔１５８ｂを必要最低限の大きさにできる。したがって、電解質膜１４８の主面１４８ａ，１４８ｂにおいて発電に用いられる部分（アノード１５０とカソード１５２とに挟まれる部分）が占める割合を大きくできる。つまり、電解質膜１４８を有効に利用できる。
【００９５】
燃料電池システム１００では、大きな電力を得るために大きな電解質膜１４８を用いてもセルスタック１０２内で円滑に空気を流通させることができ、電動モータ３８や補機類等に安定して電力を供給できる。したがって、燃料電池システム１００は、駆動に大きな電力を要する自動二輪車１０に好適に用いられる。
【００９６】
ついで、図１１〜１３を参照して、この発明の他の実施形態の燃料電池２００について説明する。
図１１に示すように、燃料電池２００は、上述の燃料電池１０４と同様に、電解質膜２０２、電解質膜２０２を挟んで互いに対向するアノード２０４およびカソード２０６、電解質膜２０２を挟んで互いに対向する一対のガスケット２０８、ならびに電解質膜２０２、アノード２０４、カソード２０６および一対のガスケット２０８を挟んで互いに対向する一対のセパレータ２１０を含む。
【００９７】
燃料電池２００は、上述の燃料電池１０４と同様に、アノード２０４とカソード２０６とが接着された電解質膜２０２、外形が電解質膜２０２の主面２０２ａ，２０２ｂよりも大きい環状面２０８ａ，２０８ｂをそれぞれ有する一対のガスケット２０８、および電解質膜２０２の主面２０２ａ，２０２ｂよりも大きい主面２１０ａ，２１０ｂをそれぞれ有する一対のセパレータ２１０を積層することによって製造される。燃料電池２００は乾燥状態の電解質膜２０２を用いて製造される。
【００９８】
図１１および図１２に示すように、電解質膜２０２の主面２０２ａには、貫通孔２１２ａ〜２１２ｄが形成されている。ガスケット２０８の環状面２０８ａには、電解質膜２０２の貫通孔２１２ａ〜２１２ｄに対応する貫通孔２１４ａ〜２１４ｄが形成されている。セパレータ２１０の主面２１０ａには、ガスケット２０８の貫通孔２１４ａ〜２１４ｄおよび電解質膜２０２の貫通孔２１２ａ〜２１２ｄに対応する貫通孔２１６ａ〜２１６ｄが形成されている。
【００９９】
また、セパレータ２１０の主面２１０ａ，２１０ｂには、上述のセパレータ１５６と同様に複数の溝が形成されている。セパレータ２１０において、貫通孔２１６ａは主面２１０ａの複数の溝の一端に繋がり、貫通孔２１６ｃは主面２１０ａの複数の溝に他端に繋がっている。また、貫通孔２１６ｂは主面２１０ｂの複数の溝の一端に繋がり、貫通孔２１６ｄは主面２１０ｂの複数の溝の他端に繋がっている。
【０１００】
図１２に示すように、電解質膜２０２の貫通孔２１２ｂと、ガスケット２０８の貫通孔２１４ａ〜２１４ｄと、セパレータ２１０の貫通孔２１６ａ〜２１６ｄとは、同形状かつ同寸法に形成されている。電解質膜２０２の貫通孔２１２ｂと、ガスケット２０８の貫通孔２１４ｂ（セパレータ２１０の貫通孔２１６ｂ）とは、互いにずれなく重なる。
【０１０１】
電解質膜２０２の貫通孔２１２ａは、ガスケット２０８の貫通孔２１４ａおよびセパレータ２１０の貫通孔２１６ａよりも大きな拡大孔である。貫通孔２１２ａは、貫通孔２１４ａ，２１６ａに対して電解質膜２０２の膨張に伴う移動方向（矢印Ａ３方向）とは反対方向（矢印Ａ４方向）に広がっている。つまり、貫通孔２１２ａは、貫通孔２１４ａ，２１６ａに対して電解質膜２０２の中心側に広がっている。貫通孔２１２ｃ，２１２ｄについても貫通孔２１２ａと同様に拡大孔として形成されている。
【０１０２】
発電動作に伴って、貫通孔２１２ａ，２１４ａおよび２１６ａには、未使用のメタノール水溶液が流通する。貫通孔２１２ｂ，２１４ｂおよび２１６ｂには、未使用の空気が流通する。貫通孔２１２ｃ，２１４ｃおよび２１６ｃには、使用済みのメタノール水溶液が流通する。貫通孔２１２ｄ，２１４ｄおよび２１６ｄには、使用済みの空気が流通する。
【０１０３】
乾燥状態の電解質膜２０２では、未使用の空気が流れる貫通孔２１２ｂ近傍以外の部分が発電動作に伴って膨張するおそれがある。つまり、貫通孔２１２ａ，２１２ｃおよび２１２ｄが電解質膜２０２の周縁側に移動するおそれがある。
【０１０４】
図１３に示すように、このような燃料電池２００では、電解質膜２０２の貫通孔２１２ｂ近傍以外の部分が膨張しても、貫通孔２１２ａ，２１２ｃおよび２１２ｄが拡大孔であることによって電解質膜２０２がガスケット２０８の貫通孔２１４ａ，２１４ｃおよび２１４ｄを塞ぐことを防止できる。したがって、燃料電池２００では、電解質膜２０２の状態（含水率）にかかわらず簡単な構成で未使用の空気を円滑に流通させることができる。
【０１０５】
ついで、燃料電池システム１００において、セルスタック１０２を用いた場合と、セルスタック１０２に代えてセルスタック１を用いた場合との出力（ここでは電圧）の比較例について説明する。
【０１０６】
セルスタック１は、従来技術の複数の燃料電池２を積層することによって構成されている。燃料電池２は、電解質膜３、一対のガスケット４および一対のセパレータ５を含む（図１５参照）。燃料電池２では、電解質膜３の各貫通孔がガスケットの貫通孔およびセパレータの貫通孔とずれなく重なっている。言い換えれば、燃料電池２では、電解質膜３の複数の貫通孔のうち未使用の空気が流通する貫通孔が拡大孔に形成されていない。それ以外については、燃料電池１０４と２とは同様に構成されている。
【０１０７】
図１４および図１５に示すように、ここでは、７つの燃料電池によってセルスタックを構成し、上流側２番目の燃料電池の電解質膜において未使用の空気が流通する貫通孔が移動した場合について各燃料電池の電圧を測定した。
【０１０８】
なお、図１４は、セルスタック１０２内における空気の流れを表すための図解図であり、図１４に示されているセルスタック１０２の構造は実際のものとは異なる。図１５に示されているセルスタック１についても同様である。
【０１０９】
セルスタック１０２の各燃料電池１０４の電圧、およびセルスタック１の各燃料電池２の電圧を表１に示す。
【０１１０】
【表１】
0005198813.tif 000002
【０１１１】
図１４を参照して、上流側２番目の燃料電池１０４において電解質膜１４８が収縮して貫通孔１５８ｂが移動しても、未使用の空気を円滑に流通させることができ、各カソード１５２に十分な空気を供給できた。これによって、表１に示すように、各燃料電池１０４の電圧を０．５Ｖ（ボルト）以上にすることができた。
【０１１２】
一方、図１５を参照して、セルスタック１では、上流側２番目の燃料電池２において電解質膜３の貫通孔が移動することで、電解質膜３がガスケット４の貫通孔の一部を塞いでしまった。このために、上流側２番目の燃料電池２以降では、未使用の空気を円滑に流通させることができなくなり、カソード６に供給される空気が少なくなってしまった。その結果、表１に示すように、上流側２番目の燃料電池２以降では、電圧が０．５Ｖ未満になってしまった。特に、上流側３番目の燃料電池２では、セパレータ５の溝に空気が流入しにくくなり、電圧が小さくなってしまった。
【０１１３】
このように、従来技術の燃料電池２を用いたセルスタック１では、セルスタック１内で流体（ここでは未使用の空気）を円滑に流通させることができなくなるおそれがあり、安定した電力（出力）を得ることができないおそれがあった。これに対して、この発明の燃料電池１０４によって構成されるセルスタック１０２では、電解質膜１４８の状態にかかわらず、未使用の空気を円滑に流通させることができ、安定した電力を得ることができた。
【０１１４】
なお、上述の各実施形態では、外形が長方形の電解質膜、一対のガスケットおよび一対のセパレータを用いる場合について説明したが、電解質膜、一対のガスケットおよび一対のセパレータの形状は特に限定されない。
【０１１５】
また、上述の各実施形態では、電解質膜、一対のガスケットおよび一対のセパレータの貫通孔が楕円形状である場合について説明したが、電解質膜、一対のガスケットおよび一対のセパレータの貫通孔の形状は特に限定されない。
【０１１６】
さらに、上述の各実施形態では、電解質膜、一対のガスケットおよび一対のセパレータの四隅に貫通孔を形成する場合について説明したが、この発明はこれに限定されない。電解質膜、一対のガスケットおよび一対のセパレータにおいて、互いの貫通孔を対応させることができれば貫通孔を形成する位置は任意に設定できる。
【０１１７】
なお、上述の各実施形態では、電解質膜とセパレータとの間にガスケットを介挿する場合について説明したが、この発明はこれに限定されない。セパレータの主面に電極（アノードまたはカソード）が配置される凹部を形成し、ガスケットを省略するようにしてもよい。
【０１１８】
また、上述の各実施形態では、電解質膜の一部の貫通孔を拡大孔とする場合について説明したが、この発明はこれに限定されない。電解質膜の全ての貫通孔をそれに対応するセパレータの貫通孔よりも大きい拡大孔としてもよい。
【０１１９】
なお、上述の各実施形態では、燃料としてメタノールを、燃料水溶液としてメタノール水溶液を用いたが、これに限定されず、燃料としてエタノール等のアルコール系燃料、燃料水溶液としてエタノール水溶液等のアルコール系水溶液を用いてもよい。
【０１２０】
また、この発明の燃料電池は、水素ガスを燃料として燃料電池に供給する水素型燃料電池システムや改質器搭載型燃料電池システムにも適用できる。
【０１２１】
さらに、この発明の燃料電池を含む燃料電池システムは、自動二輪車だけではなく、自動車、船舶等の任意の輸送機器に好適に用いることができる。
【０１２２】
なお、この発明の燃料電池は、据え付けタイプの燃料電池システムにも適用でき、さらに、パーソナルコンピュータ、携帯機器等の電子機器に搭載される可搬型の燃料電池システムにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】この発明の一実施形態の自動二輪車を示す左側面図である。
【図２】この発明の燃料電池システムの配管を示すシステム図である。
【図３】この発明の燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図４】電解質膜の一方主面を示す図解図である。
【図５】ガスケットの一方の環状面を示す図解図である。
【図６】セパレータの一方主面を示す図解図である。
【図７】セパレータの他方主面を示す図解図である。
【図８】ガスケットとセパレータとを重ねた状態を示す図解図である。
【図９】電解質膜とガスケットとセパレータとを重ねた状態を示す図解図である。
【図１０】電解質膜の一部が収縮した状態における電解質膜の貫通孔とガスケットの貫通孔とセパレータの貫通孔との位置関係を示す図解図である。
【図１１】この発明の他の燃料電池を示す分解斜視図である。
【図１２】電解質膜とガスケットとセパレータとを重ねた状態を示す図解図である。
【図１３】電解質膜の一部が膨張した状態における電解質膜の貫通孔とガスケットの貫通孔とセパレータの貫通孔との位置関係を示す図解図である。
【図１４】この発明の燃料電池を用いたセルスタックにおける空気の流れを示す図解図である。
【図１５】従来の燃料電池を用いたセルスタックにおける空気の流れを示す図解図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１０      自動二輪車
１００      燃料電池システム
１０２      燃料電池セルスタック
１０４，２００      燃料電池（燃料電池セル）
１４８，２０２      電解質膜
１５０，２０４      アノード
１５２，２０６      カソード
１５４，２０８      ガスケット
１５６，２１０      セパレータ
１５８ａ〜１５８ｄ，１６０ａ〜１６０ｄ，１６２ａ〜１６２ｄ，２１２ａ〜２１２ｄ，２１４ａ〜２１４ｄ，２１６ａ〜２１６ｄ      貫通孔
【図１】
0005198813.tif 000003
【図２】
0005198813.tif 000004
【図３】
0005198813.tif 000005
【図４】
0005198813.tif 000006
【図５】
0005198813.tif 000007
【図６】
0005198813.tif 000008
【図７】
0005198813.tif 000009
【図８】
0005198813.tif 000010
【図９】
0005198813.tif 000011
【図１０】
0005198813.tif 000012
【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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