(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおいて、アノード、または、カソードの表面に、少なくとも生成水が局所的に滞留することによる発電能力の低下を抑制する。【解決手段】燃料電池スタックに用いられるセパレータを、アノード対向プレート４２と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４４とを重ね合わせて接合することによって構成する。そして、アノード対向プレート４２に、プレート面について、二次元的に分散して配置された複数の水素供給口４２２ｉを設ける。【選択図】図２
2007194074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される中間プレートと、を備え、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートの少なくとも一方は、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記積層体の表面に対して垂直な方向から、所定の反応ガスを前記積層体の表面に供給するための複数の反応ガス供給口を備え、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記反応ガスを前記複数の反応ガス供給口のそれぞれに供給するための反応ガス供給流路を形成する反応ガス供給流路形成部を備え、
前記複数の反応ガス供給口は、該複数の反応ガス供給口を備えるプレートのプレート面について、二次元的に分散させて配置されている、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記複数の反応ガス供給口は、略等間隔の位置に形成されている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記複数の反応ガス供給口の開口面積は、前記反応ガス供給流路の下流側から前記反応ガスが供給される反応ガス供給口ほど広い、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記複数の反応ガス供給口の開口面積は、略同一であり、
前記複数の反応ガス供給口の形成間隔は、前記反応ガス供給流路の下流側から前記反応ガスが供給される反応ガス供給口ほど密である、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記中間プレートは、さらに、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を流すための冷却媒体流路を形成する冷却媒体流路形成部を備える、
燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池であって、
単一の前記中間プレートが、前記反応ガス供給流路形成部、および、前記冷却媒体流路形成部を備えている、
燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとのうちの前記複数の反応ガス供給口を有する少なくとも一方は、さらに、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記複数の反応ガス供給口から供給された前記反応ガスのうちの発電に利用されなかった残余のガスである排気ガスを、前記積層体の表面に対して垂直な方向に排出するための排気ガス排出口を備え、
前記中間プレートは、さらに、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記排気ガス排出口から前記排気ガスを外部に排出するための排気ガス排出流路を形成する排気ガス排出流路形成部を備える、
燃料電池。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記複数の反応ガス供給口は、前記アノード対向プレートに備えられており、
少なくとも発電中には、前記アノード対向プレートにおける前記ガス排出口から外部に、前記排気ガスは排出されない、
燃料電池。
【請求項９】
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記カソード対向プレートは、前記複数の反応ガス供給口を備え、
該複数の反応ガス供給口から供給された前記反応ガスは、外部に排出されることなく発電に利用されることを特徴とする、
燃料電池。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートと、前記中間プレートは、それぞれ平板状の部材からなる、
燃料電池。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記積層体は、該積層体の少なくともカソード側の面に、該面に沿った方向に拡散させつつ、前記反応ガスを流すための多孔体からなるガス拡散層を備える、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と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、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（水素極）とカソード（酸素極）とを配置した膜電極接合体とセパレータとを交互に積層させたスタック構造を有するものがある（以下、このようなスタック構造を有する燃料電池を、燃料電池スタックとも呼ぶ）。
【０００３】
このような燃料電池スタックに用いられるセパレータに関して、従来、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、アノードに対向する燃料ガスプレートと、カソードに対向する酸化剤ガスプレートと、これらのプレートに挟持される中間プレートとを備えるセパレータに関する技術が記載されている。この技術において、各プレートには、燃料電池に燃料ガスや、酸化剤ガスを供給したり、燃料電池を冷却する冷却媒体を流したりするための構造が備えられている。そして、燃料ガス、および、酸化剤ガスは、それぞれアノード、および、カソードの周縁の一部からアノード、および、カソードに供給され、アノード、および、カソードの表面のほぼ全体に行き渡るように供給される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−６１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池では、発電時に、水素と酸素との電気化学反応によって、水（生成水）が生成される。この生成水は、通常、排出ガスとともに外部に排出される。しかし、生成水がアノード、または、カソードの表面において局所的に滞留し、燃料ガス（水素）や、酸化剤ガス（酸素）の流路の一部が閉塞されると、そのガスがアノード、または、カソードの全体に均一に供給されなくなり、燃料電池の発電能力が低下する場合があった。このような不具合は、生成水の局所的な滞留に限らず、上記電気化学反応、すなわち、発電に供されないガス（例えば、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を利用する場合の空気中の窒素等）が、アノード、または、カソードの表面において局所的に滞留した場合にも同様に生じ得た。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて、アノード、または、カソードの表面に、少なくとも生成水が局所的に滞留することによる発電能力の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池は、
プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される中間プレートと、を備え、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートの少なくとも一方は、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記積層体の表面に対して垂直な方向から、所定の反応ガスを前記積層体の表面に供給するための複数の反応ガス供給口を備え、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記反応ガスを前記複数の反応ガス供給口のそれぞれに供給するための反応ガス供給流路を形成する反応ガス供給流路形成部を備え、
前記複数の反応ガス供給口は、該複数の反応ガス供給口を備えるプレートのプレート面について、二次元的に分散させて配置されていることを要旨とする。
【０００８】
ここで、「所定の反応ガス」とは、上記積層体、すなわち、膜電極接合体に配置されたアノード、および、カソードのそれぞれに供給される燃料ガス、および、酸化剤ガスである。
【０００９】
本発明によって、燃料電池スタックの積層体の表面、すなわち、膜電極接合体のアノード、および、カソードの少なくとも一方の表面に、複数の反応ガス供給口から対応する反応ガスを二次元的に分散させて供給することができる。したがって、発電によって生成された生成水が、アノード、および、カソードの少なくとも一方の表面において、局所的に滞留し、反応ガスの流路が閉塞されることを抑制することができる。さらに、発電に供されないガスが、アノード、および、カソードの少なくとも一方の表面において、局所的に滞留し、反応ガスの流路が閉塞されることも抑制することができる。この結果、先に説明した燃料電池スタックの発電能力の低下を抑制することができる。
【００１０】
上記燃料電池において、複数の反応ガス供給口の形状や、開口面積や、配置は、任意に設定可能であり、
前記複数の反応ガス供給口は、例えば、略等間隔の位置に形成されているようにしてもよい。
【００１１】
こうすることによって、積層体のアノード、および、カソードの少なくとも一方の表面全体に、面内分布を均一化して、対応する反応ガスを二次元的に分散させて供給するようにすることができる。この結果、効率よく発電することができる。
【００１２】
上記燃料電池において、
前記複数の反応ガス供給口の開口面積は、前記反応ガス供給流路の下流側から前記反応ガスが供給される反応ガス供給口ほど広くすることが好ましい。
【００１３】
開口面積が略同一である複数の反応ガス供給口が、反応ガス供給流路を流れる反応ガスの上流から下流にかけて略等間隔に配置されていて、積層体のアノード、および、カソードの少なくとも一方の表面に反応ガスを供給する場合、その供給圧力は、反応ガスの下流側ほど低くなる。そして、この場合、各反応ガス供給口から供給される反応ガスの単位時間当たりの供給量は、反応ガスの下流側ほど少なくなる。
【００１４】
本発明では、反応ガスの下流側ほど反応ガス供給口の開口面積を広くするので、各反応ガス供給口から供給される反応ガスの単位時間当たりの供給量を均一化することができる。この結果、さらに効率よく発電することができる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池において、
前記複数の反応ガス供給口の開口面積を略同一とし、
前記複数の反応ガス供給口の形成間隔は、前記反応ガス供給流路の下流側から前記反応ガスが供給される反応ガス供給口ほど密であるようにしてもよい。
【００１６】
こうすることによって、反応ガスの下流において、反応ガスの供給圧力が低い場合でも、アノード、およびカソードの少なくとも一方の表面への反応ガスの供給量の面内分布を均一化することができ、効率よく発電することができる。
【００１７】
上記いずれかの燃料電池において、
前記中間プレートは、さらに、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を流すための冷却媒体流路を形成する冷却媒体流路形成部を備えるようにすることが好ましい。
【００１８】
こうすることによって、冷却媒体流路をさらに別の部材を用いて形成するよりも、セパレータの厚さを薄くすることができる。この結果、燃料電池スタックを小型化することができる。
【００１９】
上記燃料電池において、複数の中間プレートを用意し、それぞれ中間プレートに反応ガス供給流路形成部、および、冷却媒体流路形成部を別々に備えるようにしてもよいが、
単一の前記中間プレートが、前記反応ガス供給流路形成部、および、前記冷却媒体流路形成部をともに備えているようにすることが好ましい。
【００２０】
こうすることによって、反応ガス供給流路形成部と、冷却媒体流路形成部とを別部材で形成するよりも、セパレータを構成する部品点数を少なくすることができる。さらに、燃料電池を小型化することができる。
【００２１】
上記いずれかの燃料電池において、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとのうちの前記複数の反応ガス供給口を有する少なくとも一方は、さらに、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記複数の反応ガス供給口から供給された前記反応ガスのうちの発電に利用されなかった残余のガスである排気ガスを、前記積層体の表面に対して垂直な方向に排出するための排気ガス排出口を備え、
前記中間プレートは、さらに、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記排気ガス排出口から前記排気ガスを外部に排出するための排気ガス排出流路を形成する排気ガス排出流路形成部を備えるようにしてもよい。
【００２２】
こうすることによって、発電で未消費の反応ガスや、発電に供されないガスを外部に排出することができる。
【００２３】
上記燃料電池において、
前記複数の反応ガス供給口は、前記アノード対向プレートに備えられており、
少なくとも発電中には、前記アノード対向プレートにおける前記ガス排出口から外部に、前記排気ガスは排出されないようにしてもよい。
【００２４】
こうすることによって、アノードに供給した燃料ガスを、少なくとも発電中には外部に排出せずに、ほぼ全てを消費するようにすることができるので、燃料ガスを効率よく利用することができる。
【００２５】
また、本発明の燃料電池において、
前記アノード対向プレートが、前記複数の反応ガス供給口を備え、
該複数の反応ガス供給口から供給された前記反応ガスは、外部に排出されることなく発電に利用されるようにしてもよい。アノード対向プレートが、上述した複数のガス供給口を備えるが、ガス排出口を備えない態様である。
【００２６】
こうすることによって、アノードに供給した燃料ガスを全て発電に利用するようにすることができるので、燃料ガスを効率よく利用することができる。
【００２７】
上記いずれかの燃料電池において、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートと、前記中間プレートは、それぞれ平板状の部材からなるものとすることが好ましい。
【００２８】
こうすることによって、アノード対向プレートと、カソード対向プレートと、中間プレートの加工を容易に行うことができる。
【００２９】
上記いずれかの燃料電池において、
前記積層体は、該積層体の少なくともカソード側の面に、該面に沿った方向に拡散させつつ、前記反応ガスを流すための多孔体からなるガス拡散層を備えるようにしてもよい。
【００３０】
こうすることによって、少なくともカソードの全面に反応ガスを効率よく拡散させて供給することができる。
【００３１】
本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、この燃料電池を備える燃料電池システムの発明として構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．変形例：
【００３３】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【００３４】
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を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。各セルは、後述するように、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。また、本実施例では、セパレータは、後述するように、３枚の金属製の平板に、それぞれ複数の貫通孔を設け、これらを重ね合わせて接合することによって、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、冷却水の流路が形成されている。なお、セルの積層数は、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。
【００３５】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０、絶縁板２０、集電板３０、複数の燃料電池モジュール４０、集電板３０、絶縁板２０、エンドプレート１０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。そして、燃料電池モジュール４０は、後述するように、セパレータ４１と、電解質膜等を備えるＭＥＡユニット４５とによって構成されている。この燃料電池モジュール４０、および、ＭＥＡユニット４５については、後に詳述する。
【００３６】
エンドプレート１０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２０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３０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３０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。
【００３７】
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００には、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、押圧力が加えられている。
【００３８】
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を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００３９】
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、アノードに供給される。なお、この燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００のアノードに供給した水素を、発電を行うために全て消費するタイプのシステムであり、アノードからの排気ガス（以下、アノードオフガスと呼ぶ）を外部に排出するための配管は備えていない。こうすることによって、燃料ガスを効率よく利用することができる。
【００４０】
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、カソードからの排気ガス（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管６２を介して、外部に排出される。配管６２には、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。
【００４１】
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。
【００４２】
Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
図２は、燃料電池モジュール４０の構成部品の平面図である。先に説明したように、燃料電池モジュール４０は、セパレータ４１と、ＭＥＡユニット４５とを重ね合わせることによって構成されている。そして、セパレータ４１は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた３枚の平板、すなわち、アノード対向プレート４２と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４４とを、この順に重ね合わせ、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、アノード対向プレート４２と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４４とは、同一の四角形の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。アノード対向プレート４２と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４４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、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各プレートは、後述するように、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。
【００４３】
図２（ａ）は、ＭＥＡユニット４５のアノード側の面と当接するアノード対向プレート４２の平面図である。図示するように、アノード対向プレート４２は、水素供給用貫通孔４２２ａと、複数の水素供給口４２２ｉと、空気供給用貫通孔４２４ａと、空気排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとを備えている。本実施例では、水素供給用貫通孔４２２ａと、空気供給用貫通孔４２４ａと、空気排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとは、ほぼ矩形であるものとした。これらの形状や、大きさや、配置位置は、任意に設定可能である。また、複数の水素供給口４２２ｉは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の水素供給口４２２ｉは、ＭＥＡユニット４５のアノードの全面に、面内分布を均一化して水素を供給可能なように、ＭＥＡユニット４５のＭＥＡ部４５１と対向する領域に、二次元的に分散させて、ほぼ等間隔に配置されている。
【００４４】
図２（ｂ）は、ＭＥＡユニット４５のカソード側の面と当接するカソード対向プレート４４の平面図である。図示するように、カソード対向プレート４４は、水素供給用貫通孔４４２ａと、空気供給用貫通孔４４４ａと、複数の空気供給口４４４ｉと、複数の空気排出口４４４ｏと、空気排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとを備えている。水素供給用貫通孔４４２ａと、空気供給用貫通孔４４４ａと、空気排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとは、アノード対向プレート４２と同様に、ほぼ矩形であるものとした。また、複数の空気供給口４４４ｉと、複数の空気排出口４４４ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の空気供給口４４４ｉ、および、複数の空気排出口４４４ｏは、それぞれ空気供給用貫通孔４４４ａ、および、空気排出用貫通孔４４４ｂに近いＭＥＡユニット４５のカソードの周縁部から空気の供給、および、カソードオフガスの排出を行うことができるように配置されている。
【００４５】
図２（ｃ）は、中間プレート４３の平面図である。図示するように、中間プレート４３は、水素供給用貫通孔４３２ａと、空気供給用貫通孔４３４ａと、空気排出用貫通孔４３４ｂと、冷却水供給用貫通孔４３６ａと、冷却水排出用貫通孔４３６ｂとを備えている。水素供給用貫通孔４３２ａと、空気供給用貫通孔４３４ａと、空気排出用貫通孔４３４ｂと、冷却水供給用貫通孔４３６ａと、冷却水排出用貫通孔４３６ｂとは、アノード対向プレート４２や、カソード対向プレート４４と同様に、ほぼ矩形であるものとした。そして、水素供給用貫通孔４３２ａには、水素供給用貫通孔４３２ａからアノード対向プレート４２の複数の水素供給口４２２ｉに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４３２ｐが設けられている。また、空気供給用貫通孔４３４ａには、空気供給用貫通孔４３４ａからカソード対向プレート４４の複数の空気供給口４４４ｉに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４３４ｐｉが設けられている。また、空気排出用貫通孔４３４ｂには、カソード対向プレート４４の複数の空気排出口４４４ｏから空気排出用貫通孔４３４ｂにカソードオフガスを流すための複数の空気排出用流路形成部４３４ｐｏが設けられている。また、図示するように、ＭＥＡユニット４５の発熱部位全体を冷却するために、冷却水が複数の水素供給用流路形成部４３２ｐの間を蛇行して流れるように、冷却水供給用貫通孔４３６ａと、冷却水排出用貫通孔４３６ｂとを接続する冷却水流路形成部４３６ｐが形成されている。
【００４６】
図２（ｄ）は、ＭＥＡユニット４５のカソード側から見た平面図である。また、図３は、ＭＥＡユニット４５のＭＥＡ部４５１の断面図である。
【００４７】
ＭＥＡユニット４５の中央に配置されているＭＥＡ部４５１は、図３に示したように、電解質膜４６の一方（カソード側）の面に、カソード用触媒層４７ｃと、カソード用拡散層４８ｃとをこの順に積層させ、他方（アノード側）の面に、アノード用触媒層４７ａと、アノード用拡散層４８ａとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極積層体である。本実施例では、アノード用拡散層４８ａ、および、カソード用拡散層４８ｃとして、カーボン多孔体を用いるものとした。さらに、本実施例では、ＭＥＡ部４５１の両面に、セパレータ４１と積層させたときに水素および空気を流すためのガス流路層として機能する金属多孔体層４９がそれぞれ配置されている。カソード用拡散層４８ｃ、および、アノード用拡散層４８ａと、金属多孔体層４９とを用いることによって、アノード、および、カソードの全面に、効率よく拡散させてガスを供給することができる。ガス流路層として、金属多孔体の代わりに、カーボン等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。
【００４８】
そして、ＭＥＡユニット４５は、このＭＥＡ部４５１を、シリコーンゴム製のフレームによって支持したものである。シリコーンゴムの代わりに、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。なお、図示は省略するが、フレームには、セパレータ４１との積層時に、ガスや、冷却水の漏れを防止するためのシール構造が一体的に形成されている。このフレームは、例えば、射出成形によって形成される。
【００４９】
図２（ｄ）に示したように、ＭＥＡユニット４５は、ＭＥＡ部４５１と、フレームに設けられた水素供給用貫通孔４５２ａと、空気供給用貫通孔４５４ａと、空気排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとを備えている。水素供給用貫通孔４５２ａと、空気供給用貫通孔４５４ａと、空気排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとは、アノード対向プレート４２や、カソード対向プレート４４や、中間プレート４３と同様に、ほぼ矩形であるものとした。
【００５０】
図４は、セパレータ４１の平面図である。セパレータ４１は、先に説明したように、アノード対向プレート４２と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４４とを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４２側から見た様子を示した。
【００５１】
図から分かるように、アノード対向プレート４２と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４４において、水素供給用貫通孔４２２ａと、水素供給用貫通孔４３２ａと、水素供給用貫通孔４４２ａとは、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気供給用貫通孔４２４ａと、空気供給用貫通孔４３４ａと、空気供給用貫通孔４４４ａも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔４２４ｂと、空気排出用貫通孔４３４ｂと、空気排出用貫通孔４４４ｂも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水供給用貫通孔４３６ａと、冷却水供給用貫通孔４４６ａも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔４２６ｂと、冷却水排出用貫通孔４３６ｂと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００５２】
図５は、燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。図５（ａ）には、図４におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図５（ｂ）には、図４におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００５３】
ＭＥＡユニット４５におけるＭＥＡ部４５１のアノード用拡散層４８ａ側の金属多孔体層４９は、ＭＥＡユニット４５と、セパレータ４１とを積層させたときに、セパレータ４１のアノード対向プレート４２と当接するように配置されている。また、カソード用拡散層４８ｃ側の金属多孔体層４９は、ＭＥＡユニット４５と、セパレータ４１とを積層させたときに、セパレータ４１のカソード対向プレート４４と当接するように配置されている。
【００５４】
図５（ａ）の図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール４０において、カソード対向プレート４４の水素供給用貫通孔４４２ａ、中間プレート４３の水素供給用貫通孔４３２ａ、アノード対向プレート４２の水素供給用貫通孔４２２ａを流れる水素は、中間プレート４３の水素供給用貫通孔４３２ａから分岐して、水素供給用流路形成部４３２ｐを通り、アノード対向プレート４２の複数の水素供給口４２２ｉから、アノード側の金属多孔体層４９に流れ、アノード用拡散層４８ａの全面に分散して供給される。
【００５５】
また、図５（ｂ）の図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール４０において、アノード対向プレート４２の空気供給用貫通孔４２４ａ、中間プレート４３の空気供給用貫通孔４３４ａ、カソード対向プレート４４の空気供給用貫通孔４４４ａを流れる空気は、中間プレート４３の空気供給用貫通孔４３４ａから分岐して、空気供給用流路形成部４３４ｐｉを通り、カソード対向プレート４４の空気供給口４４４ｉから、カソード側の金属多孔体層４９の表面に対して垂直な方向に供給される。そして、この空気は、金属多孔体層４９、カソード用拡散層４８ｃ中を拡散しつつ流れ、カソードオフガスは、カソード対向プレート４４の空気排出口４４４ｏから、金属多孔体層４９の表面に対して垂直な方向に排出され、ＭＥＡユニット４５の空気排出用流路形成部４３４ｐｏ、および、空気排出用貫通孔４３４ｂを通って、アノード対向プレート４２の空気排出用貫通孔４２４ｂから排出される。
【００５６】
また、図示は省略するが、アノード対向プレート４２の冷却水供給用貫通孔４２６ａ、中間プレート４３の冷却水供給用貫通孔４３６ａ、カソード対向プレート４４の冷却水供給用貫通孔４４６ａを流れる冷却水は、中間プレート４３の冷却水供給用貫通孔４３６ａから分岐して、冷却水流路形成部４３６ｐを通り、冷却水排出用貫通孔４３６ｂから排出される。
【００５７】
以上説明した第１実施例の燃料電池スタック１００によれば、アノード対向プレート４２にほぼ等間隔に配置され複数の水素供給口４２２ｉから、発電を行うＭＥＡ部４５１のアノードの表面に対して垂直な方向から、アノードのほぼ全面に二次元的に分散させて水素を供給することができる。したがって、カソード側からアノード側に電解質膜４６を透過した生成水が、アノードの表面に局所的に滞留し、水素の流路が閉塞されることを抑制することができる。さらに、発電に供されない窒素等のガスが、カソード側からアノード側に透過して、アノードの表面に局所的に滞留し、水素の流路が閉塞されることも抑制することができる。この結果、燃料電池スタック１００の発電能力の低下を抑制することができる。
【００５８】
第１実施例の燃料電池システム１０００は、先に説明したように、燃料電池スタック１００のアノードに供給した水素を、発電を行うために全て消費するタイプのシステムであり、アノードオフガスを外部に排出するための配管は備えていない。このため、本願発明を適用しない場合には、先に説明したように、カソード側から透過した発電に供されない窒素等のガスがアノードの表面に局所的に滞留しやすく、この滞留による燃料電池スタック１００の発電能力の低下が顕著だった。燃料電池システム１０００に第１実施例の燃料電池スタック１００を適用することによって、上述したように、発電に供されない窒素等のガスがアノードの表面に局所的に滞留することを効果的に抑制することができるので、燃料電池スタック１００の発電能力の低下を抑制する効果が高い。
【００５９】
また、本実施例では、中間プレート４３に冷却水流路形成部４３６ｐを設けているので、冷却水を流すための構造を他の部材を用いて形成するよりも、セパレータの厚さを薄くすることができる、この結果、燃料電池スタックを小型化することができる。
【００６０】
さらに、水素供給用流路形成部４３２ｐや、空気供給用流路形成部４３４ｐｉや、空気排出用流路形成部４３４ｐｏや、冷却水流路形成部４３６ｐを、単一の部材を加工することによって、形成しているので、それぞれを別部材で形成するよりも、セパレータを構成する部品点数を少なくすることができる。
【００６１】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池システムは、燃料電池スタックが第１実施例における燃料電池スタック１００と異なること以外は、第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである。したがって、以下、第２実施例の燃料電池スタックについて説明する。
【００６２】
図６は、第２実施例の燃料電池スタックにおける燃料電池モジュール４０Ａの構成部品の平面図である。第２実施例における燃料電池モジュール４０Ａも、第１実施例における燃料電池モジュール４０と同様に、セパレータ４１Ａと、ＭＥＡユニット４５Ａとを重ね合わせることによって構成されている。そして、セパレータ４１Ａは、アノード対向プレート４２Ａと、中間プレート４３Ａと、カソード対向プレート４４Ａとを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例においても、アノード対向プレート４２Ａと、中間プレート４３Ａと、カソード対向プレート４４Ａとは、同一の四角形の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。
【００６３】
図６（ａ）は、ＭＥＡユニット４５Ａ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。図示するように、アノード対向プレート４２Ａは、水素供給用貫通孔４２２Ａａと、複数の水素供給口４２２Ａｉと、空気供給用貫通孔４２４Ａａと、空気排出用貫通孔４２４Ａｂと、冷却水供給用貫通孔４２６Ａａと、冷却水排出用貫通孔４２６Ａｂとを備えている。本実施例においても、水素供給用貫通孔４２２Ａａと、空気供給用貫通孔４２４Ａａと、空気排出用貫通孔４２４Ａｂと、冷却水供給用貫通孔４２６Ａａと、冷却水排出用貫通孔４２６Ａｂとは、ほぼ矩形であるものとし、複数の水素供給口４２２Ａｉも、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の水素供給口４２２Ａｉは、第１実施例と同様に、ＭＥＡユニット４５Ａのアノードの全面に、面内分布を均一化して水素を供給可能なように、ＭＥＡユニット４５ＡのＭＥＡ部４５１と対向する領域に、二次元的に分散させて、ほぼ等間隔に配置されている。
【００６４】
図６（ｂ）は、ＭＥＡユニット４５Ａのカソード側の面と当接するカソード対向プレート４４Ａの平面図である。図示するように、カソード対向プレート４４Ａは、水素供給用貫通孔４４２Ａａと、空気供給用貫通孔４４４Ａａと、複数の空気供給口４４４Ａｉと、複数の空気排出口４４４Ａｏと、空気排出用貫通孔４４４Ａｂと、冷却水供給用貫通孔４４６Ａａと、冷却水排出用貫通孔４４６Ａｂとを備えている。水素供給用貫通孔４４２Ａａと、空気供給用貫通孔４４４Ａａと、空気排出用貫通孔４４４Ａｂと、冷却水供給用貫通孔４４６Ａａと、冷却水排出用貫通孔４４６Ａｂとは、アノード対向プレート４２Ａと同様に、ほぼ矩形であるものとし、複数の空気供給口４４４Ａｉ、および、複数の空気排出口４４４Ａｏは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の空気供給口４４４Ａｉは、ＭＥＡユニット４５Ａのカソードの全面に、面内分布を均一化して空気を供給可能なように、ＭＥＡユニット４５ＡのＭＥＡ部４５１と対向する領域に、二次元的に分散させて、ほぼ等間隔に配置されている。また、複数の空気排出口４４４Ａｏは、空気排出用貫通孔４４４Ａｂに近いＭＥＡユニット４５Ａのカソードの周縁部からカソードオフガスの排出を行うことができるように配置されている。
【００６５】
図６（ｃ）は、中間プレート４３Ａの平面図である。図示するように、中間プレート４３Ａは、水素供給用貫通孔４３２Ａａと、空気供給用貫通孔４３４Ａａと、空気排出用貫通孔４３４Ａｂと、冷却水供給用貫通孔４３６Ａａと、冷却水排出用貫通孔４３６Ａｂとを備えている。水素供給用貫通孔４３２Ａａと、空気供給用貫通孔４３４Ａａと、空気排出用貫通孔４３４Ａｂと、冷却水供給用貫通孔４３６Ａａと、冷却水排出用貫通孔４３６Ａｂとは、アノード対向プレート４２Ａや、カソード対向プレート４４Ａと同様に、ほぼ矩形であるものとした。そして、水素供給用貫通孔４３２Ａａには、水素供給用貫通孔４３２Ａａからアノード対向プレート４２Ａの複数の水素供給口４２２Ａｉに、それぞれ水素を流すための水素供給用流路形成部４３２Ａｐが設けられている。また、空気供給用貫通孔４３４Ａａには、空気供給用貫通孔４３４Ａａからカソード対向プレート４４Ａの複数の空気供給口４４４Ａｉに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４３４Ａｐｉが設けられている。また、空気排出用貫通孔４３４Ａｂには、カソード対向プレート４４Ａの複数の空気排出口４４４Ａｏから空気排出用貫通孔４３４Ａｂにカソードオフガスを流すための複数の空気排出用流路形成部４３４Ａｐｏが設けられている。また、図示するように、ＭＥＡユニット４５Ａの発熱部位全体を冷却するために、冷却水が水素供給用流路形成部４３２Ａｐ、および、複数の空気供給用流路形成部４３４ｐｉの間を蛇行して流れるように、冷却水供給用貫通孔４３６Ａａと、冷却水排出用貫通孔４３６Ａｂとを接続する冷却水流路形成部４３６Ａｐが形成されている。
【００６６】
図６（ｄ）は、ＭＥＡユニット４５Ａのカソード側から見た平面図である。図示するように、ＭＥＡユニット４５Ａは、ＭＥＡ部４５１と、フレームに設けられた水素供給用貫通孔４５２Ａａと、空気供給用貫通孔４５４Ａａと、空気排出用貫通孔４５４Ａｂと、冷却水供給用貫通孔４５６Ａａと、冷却水排出用貫通孔４５６Ａｂとを備えている。水素供給用貫通孔４５２Ａａと、空気供給用貫通孔４５４Ａａと、空気排出用貫通孔４５４Ａｂと、冷却水供給用貫通孔４５６Ａａと、冷却水排出用貫通孔４５６Ａｂとは、アノード対向プレート４２Ａや、カソード対向プレート４４Ａや、中間プレート４３Ａと同様に、ほぼ矩形であるものとした。これ以外は、第１実施例におけるＭＥＡユニット４５と同じである。
【００６７】
図７は、セパレータ４１Ａの平面図である。セパレータ４１Ａは、第１実施例におけるセパレータ４１と同様に、アノード対向プレート４２Ａと、中間プレート４３Ａと、カソード対向プレート４４Ａとを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。
【００６８】
図から分かるように、アノード対向プレート４２Ａと、中間プレート４３Ａと、カソード対向プレート４４Ａにおいて、水素供給用貫通孔４２２Ａａと、水素供給用貫通孔４３２Ａａと、水素供給用貫通孔４４２Ａａとは、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気供給用貫通孔４２４Ａａと、空気供給用貫通孔４３４Ａａと、空気供給用貫通孔４４４Ａａも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔４２４Ａｂと、空気排出用貫通孔４３４Ａｂと、空気排出用貫通孔４４４Ａｂも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水供給用貫通孔４２６Ａａと、冷却水供給用貫通孔４３６Ａａと、冷却水供給用貫通孔４４６Ａａも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔４２６Ａｂと、冷却水排出用貫通孔４３６Ａｂと、冷却水排出用貫通孔４４６Ａｂも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００６９】
図８は、燃料電池モジュール４０Ａの断面構造を示す説明図である。図８（ａ）には、図７におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図８（ｂ）には、図７におけるＢ−Ｂ断面図を示した。また、図８（ｃ）には、図７におけるＣ−Ｃ断面図を示した。
【００７０】
図７、および、図８から分かるように、燃料電池モジュール４０Ａにおいて、カソード対向プレート４４Ａの水素供給用貫通孔４４２Ａａ、中間プレート４３Ａの水素供給用貫通孔４３２Ａａ、アノード対向プレート４２Ａの水素供給用貫通孔４２２Ａａを流れる水素は、中間プレート４３Ａの水素供給用貫通孔４３２Ａａから分岐して、水素供給用流路形成部４３２Ａｐを通り、アノード対向プレート４２Ａの複数の水素供給口４２２Ａｉから、アノード側の金属多孔体層４９に流れ、アノード用拡散層４８ａの全面に分散して供給される。
【００７１】
また、燃料電池モジュール４０Ａにおいて、アノード対向プレート４２Ａの空気供給用貫通孔４２４Ａａ、中間プレート４３Ａの空気供給用貫通孔４３４Ａａ、カソード対向プレート４４Ａの空気供給用貫通孔４４４Ａａを流れる空気は、中間プレート４３Ａの空気供給用貫通孔４３４Ａａから分岐して、空気供給用流路形成部４３４Ａｐｉを通り、カソード対向プレート４４Ａの複数の空気供給口４４４Ａｉから、カソード側の金属多孔体層４９に流れ、カソード用拡散層４８ｃの全面に分散して供給される。そして、この空気は、カソード用拡散層４８ｃ中を拡散しつつ流れ、カソードオフガスは、カソード対向プレート４４Ａの空気排出口４４４Ａｏから、金属多孔体層４９の表面に対して垂直な方向に排出され、ＭＥＡユニット４５Ａの空気排出用流路形成部４３４Ａｐｏ、および、空気排出用貫通孔４３４Ａｂを通って、アノード対向プレート４２Ａの空気排出用貫通孔４２４Ａｂから排出される。
【００７２】
また、アノード対向プレート４２Ａの冷却水供給用貫通孔４２６Ａａ、中間プレート４３Ａの冷却水供給用貫通孔４３６Ａａ、カソード対向プレート４４Ａの冷却水供給用貫通孔４４６Ａａを流れる冷却水は、中間プレート４３Ａの冷却水供給用貫通孔４３６Ａａから分岐して、冷却水流路形成部４３６Ａｐを通り、冷却水排出用貫通孔４３６Ａｂから排出される。
【００７３】
以上説明した第２実施例の燃料電池スタックによれば、アノード対向プレート４２Ａにほぼ等間隔に配置され複数の水素供給口４２２Ａｉから、発電を行うＭＥＡ部４５１のアノードの表面に対して垂直な方向から、アノードのほぼ全面に二次元的に分散させて水素を供給することができる。さらに、カソード対向プレート４４Ａにほぼ等間隔に配置され複数の空気供給口４４４Ａｉから、発電を行うＭＥＡ部４５１のカソードの表面に対して垂直な方向から、カソードのほぼ全面に二次元的に分散させて空気を供給することができる。したがって、燃料電池スタックのアノードにおいては、カソード側からアノード側に電解質膜４６を透過した生成水や、発電に供されない窒素等のガスが、アノードの表面に局所的に滞留し、水素の流路が閉塞されることを抑制することができ、カソードにおいては、カソードで生成された生成水が、カソードの表面に局所的に滞留し、空気の流路が閉塞されることを抑制することができる。この結果、燃料電池スタックの発電能力の低下を抑制することができる。
【００７４】
Ｃ．第３実施例：
図９は、第３実施例としての燃料電池スタック１００Ｂを備える燃料電池システム１０００Ｂの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００Ｂは、第１実施例の燃料電池システム１０００と異なり、燃料電池スタック１００Ｂのアノードオフガスを外部に排出するための排出配管５６と、アノードオフガスを水素供給用の配管５３に再循環させるための循環配管５４とを備えている。なお、排出配管５６には、排気バルブ５７が配設されており、循環配管５４には、ポンプ５５が配設されている。また、燃料電池スタック１００Ｂは、後述するように、アノードオフガスを排出するための構造を備えている。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に循環させるかを切り換えることができる。この他は、第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである。
【００７５】
図１０は、第３実施例の燃料電池スタック１００Ｂにおける燃料電池モジュール４０Ｂの構成部品の平面図である。第３実施例における燃料電池モジュール４０Ｂも、第１実施例における燃料電池モジュール４０と同様に、セパレータ４１Ｂと、ＭＥＡユニット４５Ｂとを重ね合わせることによって構成されている。そして、セパレータ４１Ｂは、アノード対向プレート４２Ｂと、中間プレート４３Ｂと、カソード対向プレート４４Ｂとを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例においても、アノード対向プレート４２Ｂと、中間プレート４３Ｂと、カソード対向プレート４４Ｂとは、同一の四角形の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。
【００７６】
図１０（ａ）は、ＭＥＡユニット４５Ｂのアノード側の面と当接するアノード対向プレート４２Ｂの平面図である。図示するように、アノード対向プレート４２Ｂは、水素供給用貫通孔４２２Ｂａと、複数の水素供給口４２２Ｂｉと、複数の水素排出口４２２Ｂｏと、水素排出用貫通孔４２２Ｂｂと、空気供給用貫通孔４２４Ｂａと、空気排出用貫通孔４２４Ｂｂと、冷却水供給用貫通孔４２６Ｂａと、冷却水排出用貫通孔４２６Ｂｂとを備えている。水素供給用貫通孔４２２Ｂａと、水素排出用貫通孔４２２Ｂｂと、空気供給用貫通孔４２４Ｂａと、空気排出用貫通孔４２４Ｂｂと、冷却水供給用貫通孔４２６Ｂａと、冷却水排出用貫通孔４２６Ｂｂとは、ほぼ矩形であるものとした。また、複数の水素供給口４２２Ｂｉ、および、水素排出口４２２Ｂｏは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の水素供給口４２２Ｂｉは、第１実施例と同様に、ＭＥＡユニット４５Ｂのアノードの全面に面内分布を均一化して水素を供給可能なように、ＭＥＡユニット４５ＢのＭＥＡ部４５１と対向する領域に、二次元的に分散させて、ほぼ等間隔に配置されている。また、複数の水素排出口４２２Ｂｏは、水素排出用貫通孔４２２Ｂｂに近いＭＥＡユニット４５Ｂのアノードの周縁部からアノードオフガスの排出を行うことができるように配置されている。
【００７７】
図１０（ｂ）は、ＭＥＡユニット４５Ｂのカソード側の面と当接するカソード対向プレート４４Ｂの平面図である。図示するように、カソード対向プレート４４Ｂは、水素供給用貫通孔４４２Ｂａと、水素排出用貫通孔４４２Ｂｂと、空気供給用貫通孔４４４Ｂａと、複数の空気供給口４４４Ｂｉと、複数の空気排出口４４４Ｂｏと、空気排出用貫通孔４４４Ｂｂと、冷却水供給用貫通孔４４６Ｂａと、冷却水排出用貫通孔４４６Ｂｂとを備えている。水素供給用貫通孔４４２Ｂａと、水素排出用貫通孔４４２Ｂｂと、空気供給用貫通孔４４４Ｂａと、空気排出用貫通孔４４４Ｂｂと、冷却水供給用貫通孔４４６Ｂａと、冷却水排出用貫通孔４４６Ｂｂとは、アノード対向プレート４２Ｂと同様に、ほぼ矩形であるものとし、複数の空気供給口４４４Ｂｉ、および、複数の空気排出口４４４Ｂｏは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の空気供給口４４４Ｂｉ、および、複数の空気排出口４４４Ｂｏは、それぞれ空気供給用貫通孔４４４Ｂａ、および、空気排出用貫通孔４４４Ｂｂに近いＭＥＡユニット４５Ｂのカソードの周縁部から空気の供給、および、カソードオフガスの排出を行うことができるように配置されている。
【００７８】
図１０（ｃ）は、中間プレート４３Ｂの平面図である。図示するように、中間プレート４３Ｂは、水素供給用貫通孔４３２Ｂａと、水素排出用貫通孔４３２Ｂｂと、空気供給用貫通孔４３４Ｂａと、空気排出用貫通孔４３４Ｂｂと、冷却水供給用貫通孔４３６Ｂａと、冷却水排出用貫通孔４３６Ｂｂとを備えている。水素供給用貫通孔４３２Ｂａと、水素排出用貫通孔４３２Ｂｂと、空気供給用貫通孔４３４Ｂａと、空気排出用貫通孔４３４Ｂｂと、冷却水供給用貫通孔４３６Ｂａと、冷却水排出用貫通孔４３６Ｂｂとは、アノード対向プレート４２Ｂや、カソード対向プレート４４Ｂと同様に、ほぼ矩形であるものとした。そして、水素供給用貫通孔４３２Ｂａには、水素供給用貫通孔４３２Ｂａからアノード対向プレート４２Ｂの複数の水素供給口４２２Ｂｉに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４３２Ｂｐが設けられている。また、水素排出用貫通孔４３２Ｂｂには、アノード対向プレート４２Ｂの複数の水素排出口４２２Ｂｏから水素排出用貫通孔４３２Ｂｂにアノードオフガスを流すための複数の水素排出用流路形成部４３２Ｂｐｏが設けられている。また、空気供給用貫通孔４３４Ｂａには、空気供給用貫通孔４３４Ｂａからカソード対向プレート４４Ｂの複数の空気供給口４４４Ｂｉに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４３４Ｂｐｉが設けられている。また、空気排出用貫通孔４３４Ｂｂには、カソード対向プレート４４Ｂの複数の空気排出口４４４Ｂｏから空気排出用貫通孔４３４Ｂｂにカソードオフガスを流すための複数の空気排出用流路形成部４３４Ｂｐｏが設けられている。また、図示するように、ＭＥＡユニット４５Ｂの発熱部位全体を冷却するために、冷却水が水素供給用流路形成部４３２Ｂｐの間を蛇行して流れるように、冷却水供給用貫通孔４３６Ｂａと、冷却水排出用貫通孔４３６Ｂｂとを接続する冷却水流路形成部４３６Ｂｐが形成されている。
【００７９】
図１０（ｄ）は、ＭＥＡユニット４５Ｂのカソード側から見た平面図である。図示するように、ＭＥＡユニット４５Ｂは、ＭＥＡ部４５１と、フレームに設けられた水素供給用貫通孔４５２Ｂａと、水素排出用貫通孔４５２Ｂｂと、空気供給用貫通孔４５４Ｂａと、空気排出用貫通孔４５４Ｂｂと、冷却水供給用貫通孔４５６Ｂａと、冷却水排出用貫通孔４５６Ｂｂとを備えている。水素供給用貫通孔４５２Ｂａと、水素排出用貫通孔４５２Ｂｂと、空気供給用貫通孔４５４Ｂａと、空気排出用貫通孔４５４Ｂｂと、冷却水供給用貫通孔４５６Ｂａと、冷却水排出用貫通孔４５６Ｂｂとは、アノード対向プレート４２Ｂや、カソード対向プレート４４Ｂや、中間プレート４３Ｂと同様に、ほぼ矩形であるものとした。これ以外は、第１実施例におけるＭＥＡユニット４５と同じである。
【００８０】
図１１は、セパレータ４１Ｂの平面図である。セパレータ４１Ｂは、第１実施例におけるセパレータ４１と同様に、アノード対向プレート４２Ｂと、中間プレート４３Ｂと、カソード対向プレート４４Ｂとを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４２Ｂ側から見た様子を示した。
【００８１】
図から分かるように、アノード対向プレート４２Ｂと、中間プレート４３Ｂと、カソード対向プレート４４Ｂにおいて、水素供給用貫通孔４２２Ｂａと、水素供給用貫通孔４３２Ｂａと、水素供給用貫通孔４４２Ｂａとは、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素排出用貫通孔４２２Ｂｂと、水素排出用貫通孔４３２Ｂｂと、水素排出用貫通孔４４２Ｂｂとは、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気供給用貫通孔４２４Ｂａと、空気供給用貫通孔４３４Ｂａと、空気供給用貫通孔４４４Ｂａも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔４２４Ｂｂと、空気排出用貫通孔４３４Ｂｂと、空気排出用貫通孔４４４Ｂｂも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水供給用貫通孔４２６Ｂａと、冷却水供給用貫通孔４３６Ｂａと、冷却水供給用貫通孔４４６Ｂａも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔４２６Ｂｂと、冷却水排出用貫通孔４３６Ｂｂと、冷却水排出用貫通孔４４６Ｂｂも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００８２】
図１２は、燃料電池モジュール４０Ｂの断面構造を示す説明図である。図１２（ａ）には、図１１におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図１２（ｂ）には、図１１におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００８３】
図１２（ａ）の図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール４０Ｂにおいて、カソード対向プレート４４Ｂの水素供給用貫通孔４４２Ｂａ、中間プレート４３Ｂの水素供給用貫通孔４３２Ｂａ、アノード対向プレート４２Ｂの水素供給用貫通孔４２２Ｂａを流れる水素は、中間プレート４３Ｂの水素供給用貫通孔４３２Ｂａから分岐して、水素供給用流路形成部４３２Ｂｐを通り、アノード対向プレート４２Ｂの複数の水素供給口４２２Ｂｉから、アノード側の金属多孔体層４９に流れ、アノード用拡散層４８ａの全面に分散して供給される。そして、アノードオフガスは、アノード対向プレート４２Ｂの水素排出口４２２Ｂｏから、金属多孔体層４９の表面に対して垂直な方向に排出され、ＭＥＡユニット４５Ｂの水素排出用流路形成部４３２Ｂｐｏ、および、水素排出用貫通孔４３２Ｂｂを通って、カソード対向プレート４４Ｂの水素排出用貫通孔４４２Ｂｂから排出される。
【００８４】
また、図１２（ｂ）の図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール４０Ｂにおいて、アノード対向プレート４２Ｂの空気供給用貫通孔４２４Ｂａ、中間プレート４３Ｂの空気供給用貫通孔４３４Ｂａ、カソード対向プレート４４Ｂの空気供給用貫通孔４４４Ｂａを流れる空気は、中間プレート４３Ｂの空気供給用貫通孔４３４Ａａから分岐して、空気供給用流路形成部４３４Ｂｐｉを通り、カソード対向プレート４４Ｂの複数の空気供給口４４４Ｂｉから、カソード側の金属多孔体層４９の表面に対して垂直な方向に供給される。そして、この空気は、金属多孔体層４９、カソード用拡散層４８ｃ中を拡散しつつ流れ、カソードオフガスは、カソード対向プレート４４Ｂの空気排出口４４４Ｂｏから、金属多孔体層４９の表面に対して垂直な方向に排出され、ＭＥＡユニット４５Ｂの空気排出用流路形成部４３４Ｂｐｏ、および、空気排出用貫通孔４３４Ｂｂを通って、アノード対向プレート４２Ｂの空気排出用貫通孔４２４Ｂｂから排出される。
【００８５】
また、アノード対向プレート４２Ｂの冷却水供給用貫通孔４２６Ｂａ、中間プレート４３Ｂの冷却水供給用貫通孔４３６Ｂａ、カソード対向プレート４４Ｂの冷却水供給用貫通孔４４６Ｂａを流れる冷却水は、中間プレート４３Ｂの冷却水供給用貫通孔４３６Ｂａから分岐して、冷却水流路形成部４３６Ｂｐを通り、冷却水排出用貫通孔４３６Ｂｂから排出される。
【００８６】
以上説明した第３実施例の燃料電池スタック１００Ｂによれば、第１実施例と同様に、アノード対向プレート４２Ｂにほぼ等間隔に配置され複数の水素供給口４２２Ｂｉから、発電を行うＭＥＡ部４５１のアノードの表面に対して垂直な方向から、アノードのほぼ全面に二次元的に分散させて水素を供給することができる。したがって、カソード側からアノード側に電解質膜４６を透過した生成水が、アノードの表面に局所的に滞留し、水素の流路が閉塞されることを抑制することができる。この結果、燃料電池スタックの発電能力の低下を抑制することができる。また、発電に供されないガスを含むアノードオフガスを、燃料電池スタック１００Ｂの外部に排出することができる。
【００８７】
Ｄ．第４実施例：
第４実施例の燃料電池システムは、燃料電池スタックが第３実施例における燃料電池スタック１００Ｂと異なること以外は、第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂと同じである。したがって、以下、第４実施例の燃料電池スタックについて説明する。
【００８８】
図１３は、第４実施例の燃料電池スタックにおける燃料電池モジュール４０Ｃの構成部品の平面図である。第４実施例における燃料電池モジュール４０Ｃは、第１実施例における燃料電池モジュール４０と同様に、セパレータ４１Ｃと、ＭＥＡユニット４５Ｃとを重ね合わせることによって構成されている。そして、セパレータ４１Ｃは、アノード対向プレート４２Ｃと、中間プレート４３Ｃと、カソード対向プレート４４Ｃとを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例においても、アノード対向プレート４２Ｃと、中間プレート４３Ｃと、カソード対向プレート４４Ｃとは、同一の四角形の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。
【００８９】
図１３（ａ）は、ＭＥＡユニット４５Ｃのアノード側の面と当接するアノード対向プレート４２Ｃの平面図である。図示するように、アノード対向プレート４２Ｃは、水素供給用貫通孔４２２Ｃａと、複数の水素供給口４２２Ｃｉと、複数の水素排出口４２２Ｃｏと、水素排出用貫通孔４２２Ｃｂと、空気供給用貫通孔４２４Ｃａと、空気排出用貫通孔４２４Ｃｂと、冷却水供給用貫通孔４２６Ｃａと、冷却水排出用貫通孔４２６Ｃｂとを備えている。水素供給用貫通孔４２２Ｃａと、水素排出用貫通孔４２２Ｃｂと、空気供給用貫通孔４２４Ｃａと、空気排出用貫通孔４２４Ｃｂと、冷却水供給用貫通孔４２６Ｃａと、冷却水排出用貫通孔４２６Ｃｂとは、ほぼ矩形であるものとした。また、複数の水素供給口４２２Ｃｉ、および、水素排出口４２２Ｃｏは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の水素供給口４２２Ｃｉは、第３実施例と同様に、ＭＥＡユニット４５Ｃのアノードの全面に面内分布を均一化して水素を供給可能なように、ＭＥＡユニット４５ＣのＭＥＡ部４５１と対向する領域に、二次元的に分散させて、ほぼ等間隔に配置されている。また、複数の水素排出口４２２Ｃｏは、水素排出用貫通孔４２２Ｃｂに近いＭＥＡユニット４５Ｃのアノードの周縁部からアノードオフガスの排出を行うことができるように配置されている。
【００９０】
図１３（ｂ）は、ＭＥＡユニット４５Ｃのカソード側の面と当接するカソード対向プレート４４Ｃの平面図である。図示するように、カソード対向プレート４４Ｃは、水素供給用貫通孔４４２Ｃａと、水素排出用貫通孔４４２Ｃｂと、空気供給用貫通孔４４４Ｃａと、複数の空気供給口４４４Ｃｉと、複数の空気排出口４４４Ｃｏと、空気排出用貫通孔４４４Ｃｂと、冷却水供給用貫通孔４４６Ｃａと、冷却水排出用貫通孔４４６Ｃｂとを備えている。水素供給用貫通孔４４２Ｃａと、水素排出用貫通孔４４２Ｃｂと、空気供給用貫通孔４４４Ｃａと、空気排出用貫通孔４４４Ｃｂと、冷却水供給用貫通孔４４６Ｃａと、冷却水排出用貫通孔４４６Ｃｂとは、アノード対向プレート４２Ｃと同様に、ほぼ矩形であるものとし、複数の空気供給口４４４Ｃｉ、および、複数の空気排出口４４４Ｃｏは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の空気供給口４４４Ｃｉは、第３実施例と同様に、ＭＥＡユニット４５Ｃのカソードの全面に面内分布を均一化して空気を供給可能なように、ＭＥＡユニット４５ＣのＭＥＡ部４５１と対向する領域に、二次元的に分散させて、ほぼ等間隔に配置されている。また、複数の空気排出口４４４Ｃｏは、空気排出用貫通孔４４４Ｃｂに近いＭＥＡユニット４５Ｃのカソードの周縁部からカソードオフガスの排出を行うことができるように配置されている。
【００９１】
図１３（ｃ）は、中間プレート４３Ｃの平面図である。図示するように、中間プレート４３Ｃは、水素供給用貫通孔４３２Ｃａと、水素排出用貫通孔４３２Ｃｂと、空気供給用貫通孔４３４Ｃａと、空気排出用貫通孔４３４Ｃｂと、冷却水供給用貫通孔４３６Ｃａと、冷却水排出用貫通孔４３６Ｃｂとを備えている。水素供給用貫通孔４３２Ｃａと、水素排出用貫通孔４３２Ｃｂと、空気供給用貫通孔４３４Ｃａと、空気排出用貫通孔４３４Ｃｂと、冷却水供給用貫通孔４３６Ｃａと、冷却水排出用貫通孔４３６Ｃｂとは、アノード対向プレート４２Ｃや、カソード対向プレート４４Ｃと同様に、ほぼ矩形であるものとした。そして、水素供給用貫通孔４３２Ｃａには、水素供給用貫通孔４３２Ｃａからアノード対向プレート４２Ｃの複数の水素供給口４２２Ｃｉに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４３２Ｃｐが設けられている。また、水素排出用貫通孔４３２Ｃｂには、アノード対向プレート４２Ｃの複数の水素排出口４２２Ｃｏから水素排出用貫通孔４３２Ｃｂにアノードオフガスを流すための複数の水素排出用流路形成部４３２Ｃｐｏが設けられている。また、空気供給用貫通孔４３４Ｃａには、空気供給用貫通孔４３４Ｃａからカソード対向プレート４４Ｃの複数の空気供給口４４４Ｃｉに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４３４Ｃｐが設けられている。また、空気排出用貫通孔４３４Ｃｂには、カソード対向プレート４４Ｃの複数の空気排出口４４４Ｃｏから空気排出用貫通孔４３４Ｃｂにカソードオフガスを流すための複数の空気排出用流路形成部４３４Ｃｐｏが設けられている。また、図示するように、ＭＥＡユニット４５Ｃの発熱部位全体を冷却するために、冷却水が水素供給用流路形成部４３２Ｃｐ、および、空気供給用流路形成部４３４Ｃｐの間を蛇行して流れるように、冷却水供給用貫通孔４３６Ｃａと、冷却水排出用貫通孔４３６Ｃｂとを接続する冷却水流路形成部４３６Ｃｐが形成されている。
【００９２】
図１３（ｄ）は、ＭＥＡユニット４５Ｃのカソード側から見た平面図である。図示するように、ＭＥＡユニット４５Ｃは、ＭＥＡ部４５１と、フレームに設けられた水素供給用貫通孔４５２Ｃａと、水素排出用貫通孔４５２Ｃｂと、空気供給用貫通孔４５４Ｃａと、空気排出用貫通孔４５４Ｃｂと、冷却水供給用貫通孔４５６Ｃａと、冷却水排出用貫通孔４５６Ｃｂとを備えている。水素供給用貫通孔４５２Ｃａと、水素排出用貫通孔４５２Ｃｂと、空気供給用貫通孔４５４Ｃａと、空気排出用貫通孔４５４Ｃｂと、冷却水供給用貫通孔４５６Ｃａと、冷却水排出用貫通孔４５６Ｃｂとは、アノード対向プレート４２Ｃや、カソード対向プレート４４Ｃや、中間プレート４３Ｃと同様に、ほぼ矩形であるものとした。これ以外は、第１実施例におけるＭＥＡユニット４５と同じである。
【００９３】
図１４は、セパレータ４１Ｃの平面図である。セパレータ４１Ｃは、第１実施例におけるセパレータ４１と同様に、アノード対向プレート４２Ｃと、中間プレート４３Ｃと、カソード対向プレート４４Ｃとを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４２Ｃ側から見た様子を示した。
【００９４】
図から分かるように、アノード対向プレート４２Ｃと、中間プレート４３Ｃと、カソード対向プレート４４Ｃにおいて、水素供給用貫通孔４２２Ｃａと、水素供給用貫通孔４３２Ｃａと、水素供給用貫通孔４４２Ｃａとは、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素排出用貫通孔４２２Ｃｂと、水素排出用貫通孔４３２Ｃｂと、水素排出用貫通孔４４２Ｃｂとは、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気供給用貫通孔４２４Ｃａと、空気供給用貫通孔４３４Ｃａと、空気供給用貫通孔４４４Ｃａも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔４２４Ｃｂと、空気排出用貫通孔４３４Ｃｂと、空気排出用貫通孔４４４Ｃｂも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水供給用貫通孔４２６Ｃａと、冷却水供給用貫通孔４３６Ｃａと、冷却水供給用貫通孔４４６Ｃａも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔４２６Ｃｂと、冷却水排出用貫通孔４３６Ｃｂと、冷却水排出用貫通孔４４６Ｃｂも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００９５】
図１５は、燃料電池モジュール４０Ｃの断面構造を示す説明図である。図１５（ａ）には、図１４におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図１５（ｂ）には、図１４におけるＢ−Ｂ断面図を示した。また、図１５（ｃ）には、図１４におけるＣ−Ｃ断面図を示した。また、図１５（ｄ）には、図１４におけるＤ−Ｄ断面図を示した。
【００９６】
図１４、および、図１５から分かるように、燃料電池モジュール４０Ｃにおいて、カソード対向プレート４４Ｃの水素供給用貫通孔４４２Ｃａ、中間プレート４３Ｃの水素供給用貫通孔４３２Ｃａ、アノード対向プレート４２Ｃの水素供給用貫通孔４２２Ｃａを流れる水素は、中間プレート４３Ｃの水素供給用貫通孔４３２Ｃａから分岐して、水素供給用流路形成部４３２Ｃｐを通り、アノード対向プレート４２Ｃの複数の水素供給口４２２Ｃｉから、アノード側の金属多孔体層４９の全面に分散して供給される。そして、アノードオフガスは、アノード対向プレート４２Ｃの水素排出口４２２Ｃｏから、アノード用拡散層４８ａの表面に対して垂直な方向に排出され、ＭＥＡユニット４５Ｃの水素排出用流路形成部４３２Ｃｐｏ、および、水素排出用貫通孔４３２Ｃｂを通って、カソード対向プレート４４Ｂの水素排出用貫通孔４４２Ｃｂから排出される。
【００９７】
また、燃料電池モジュール４０Ｃにおいて、アノード対向プレート４２Ｃの空気供給用貫通孔４２４Ｃａ、中間プレート４３Ｃの空気供給用貫通孔４３４Ｃａ、カソード対向プレート４４Ｃの空気供給用貫通孔４４４Ｃａを流れる空気は、中間プレート４３Ｃの空気供給用貫通孔４３４Ｃａから分岐して、空気供給用流路形成部４３４Ｃｐを通り、カソード対向プレート４４Ｃの複数の空気供給口４４４Ｃｉから、カソード側の金属多孔体層４９の全面に分散して供給される。そして、この空気は、金属多孔体層４９、カソード用拡散層４８ｃ中を拡散しつつ流れ、カソードオフガスは、カソード対向プレート４４Ｃの空気排出口４４４Ｃｏから、金属多孔体層４９の表面に対して垂直な方向に排出され、ＭＥＡユニット４５Ｃの空気排出用流路形成部４３４Ｃｐｏ、および、空気排出用貫通孔４３４Ｃｂを通って、アノード対向プレート４２Ｃの空気排出用貫通孔４２４Ｃｂから排出される。
【００９８】
また、アノード対向プレート４２Ｃの冷却水供給用貫通孔４２６Ｃａ、中間プレート４３Ｃの冷却水供給用貫通孔４３６Ｃａ、カソード対向プレート４４Ｃの冷却水供給用貫通孔４４６Ｃａを流れる冷却水は、中間プレート４３Ｃの冷却水供給用貫通孔４３６Ｃａから分岐して、冷却水流路形成部４３６Ｃｐを通り、冷却水排出用貫通孔４３６Ｃｂから排出される。
【００９９】
以上説明した第４実施例の燃料電池スタックによっても、アノード対向プレート４２Ｃにほぼ等間隔に配置され複数の水素供給口４２２Ｃｉから、発電を行うＭＥＡ部４５１のアノードの表面に対して垂直な方向から、アノードのほぼ全面に二次元的に分散させて水素を供給することができる。さらに、カソード対向プレート４４Ｃにほぼ等間隔に配置され複数の空気供給口４４４Ｃｉから、発電を行うＭＥＡ部４５１のカソードの表面に対して垂直な方向から、カソードのほぼ全面に二次元的に分散させて空気を供給することができる。したがって、燃料電池スタックのアノードにおいては、カソード側からアノード側に電解質膜４６を透過した生成水が、アノードの表面に局所的に滞留し、水素の流路が閉塞されることを抑制することができ、カソードにおいては、カソードで生成された生成水が、カソードの表面に局所的に滞留し、空気の流路が閉塞されることを抑制することができる。この結果、燃料電池スタックの発電能力の低下を抑制することができる。また、発電に供されないガスを含むアノードオフガスを、燃料電池スタックの外部に排出することができる。
【０１００】
Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【０１０１】
Ｅ１．変形例１：
図１６は、変形例としての燃料電池システム１０００Ｄの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００Ｄは、上記第３、および、第４実施例の燃料電池システムから循環配管５４、および、ポンプ５５を取り除いたシステムである。この燃料電池システム１０００Ｄに用いられる燃料電池スタック１００Ｄは、第３実施例の燃料電池スタック１００Ｂ、または、第４実施例の燃料電池スタックである。そして、この燃料電池システム１０００Ｄでは、発電中には、燃料電池スタック１００Ｄのアノードに供給した水素をほぼ全て消費するように、排気バルブ５７を閉弁して、排気ガスを外部に排出しない状態で運転するとともに、所定のタイミングで、排気バルブ５７を開弁して、内部に貯留した発電に供されないガスを、外部に放出する。こうすることによって、燃料ガスを効率よく利用することができる。
【０１０２】
Ｅ２．変形例２：
上記第１実施例では、アノード対向プレート４２において、複数の水素供給口４２２ｉは、全て直径が同一の円形であり、ほぼ等間隔に配置されているものとしたが、これに限られない。複数の水素供給口４２２ｉの形状や、大きさや、配置位置は、ＭＥＡ部４５１のアノードの全面に、二次元的に分散させて水素を供給可能なように、任意に設定可能である。
【０１０３】
図１７は、第１実施例におけるアノード対向プレート４２の変形例としてのアノード対向プレート４２Ｅ、４２Ｆ、４２Ｇの平面図である。
【０１０４】
図１７（ａ）に示しアノード対向プレート４２Ｅでは、複数の水素供給口４２２Ｅｉは、ほぼ等間隔に配置されており、その直径（開口面積）が、ガスの下流ほど大きくなっている。開口面積が同一である複数の水素供給口を、水素の流れの上流から下流にかけて等間隔に配置し、ＭＥＡ部４５１のアノードの表面に水素を供給する場合、その供給圧力は、下流側ほど低くなる。そして、この場合、各水素供給口から供給される水素の単位時間当たりの供給量は、下流側ほど少なくなる。このような場合に、アノード対向プレート４２Ｅによれば、各水素供給口４２２Ｅｉから供給される水素の単位時間当たりの供給量を均一化することができる。
【０１０５】
また、図１７（ｂ）に示しアノード対向プレート４２Ｆでは、複数の水素供給口４２２Ｆｉは、その開口面積は同一であるが、ガスの下流ほど、配置位置の間隔が狭くなっている。こうすることによって、ガスの下流において、水素の供給圧力が低い場合でも、アノードの表面への水素の供給量の面内分布を均一化することができる。
【０１０６】
また、図１７（ｃ）に示したように、アノード対向プレート４２Ｇにおいて、複数の水素供給口４２２Ｇｉの形状をスリット状にしてもよい。さらに、他の形状にしてもよい。
【０１０７】
なお、これらは、他の実施例のアノード対向プレートにおける水素供給口や、第２実施例、および、第４実施例のカソード対向プレートにおける空気供給口にも適用可能である。
【０１０８】
Ｅ３．変形例３：
図１８は、第１実施例の燃料電池モジュール４０の変形例としての燃料電池モジュールの断面構造を示す説明図である。図１８（ａ）の左側に、ＭＥＡユニットのＭＥＡ部の断面図を示し、右側に、図４におけるＡ−Ａ断面図に相当する図を示した。また、図１８（ｂ）に、図４におけるＢ−Ｂ断面図に相当する図を示した。水素や、空気や、冷却水の流れは、第１実施例と同じであるから、詳細な説明は省略する。図示するように、ＭＥＡユニットのＭＥＡ部のアノード側に、金属多孔体層を備えていないようにしてもよい。ＭＥＡ部のアノード側に金属多孔体層を備えていなくても、アノード対向プレート４２に設けられた複数の水素供給口４２２ｉからアノードのほぼ全体に水素を供給することができるからである。
【０１０９】
Ｅ４．変形例４：
上記実施例では、アノード対向プレートが二次元的に分散して配置された複数の水素供給口を備える場合と、アノード対向プレート、および、カソード対向プレートが二次元的に分散して配置された複数の水素供給口、および、空気供給口を備える場合について説明したが、アノード対向プレート、および、カソード対向プレートの少なくとも一方が、二次元的に分散して配置された複数の供給口を備えるようにすればよい。
【０１１０】
Ｅ５．変形例５：
上記実施例では、冷却水流路を中間プレートの内部に形成するようにしたが、これに限られず、他の部材を用いて冷却水流路を形成するようにしてもよい。ただし、上記実施例によれば、冷却水流路を別の部材を用いて形成するよりも、セパレータの厚さを薄くすることができる。この結果、燃料電池スタックを小型化することができる。また、上記実施例によれば、ガス流路と冷却水流路とを単一の部材を加工することによって形成しているので、これらを別部材を用いて形成するよりも部品点数をすくなくすることができる。
【０１１１】
Ｅ６．変形例６：
上記実施例では、アノード対向プレートと、中間プレートと、カソード対向プレートとは、すべて平板としたが、これに限られない。先に示した特許文献１に記載された技術のような、溝状のガス流路が形成されたアノード対向プレートと、カソード対向プレートを用いたセパレータとしてもよい。ただし、アノード対向プレートと、中間プレートと、カソード対向プレートとを平板とすれば、加工を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池モジュール４０の構成部品の平面図である。
【図３】ＭＥＡユニット４５のＭＥＡ部４５１の断面図である。
【図４】セパレータ４１の平面図である。
【図５】燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。
【図６】第２実施例の燃料電池スタックにおける燃料電池モジュール４０Ａの構成部品の平面図である。
【図７】セパレータ４１Ａの平面図である。
【図８】燃料電池モジュール４０Ａの断面構造を示す説明図である。
【図９】第３実施例としての燃料電池スタック１００Ｂを備える燃料電池システム１０００Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図１０】第３実施例の燃料電池スタック１００Ｂにおける燃料電池モジュール４０Ｂの構成部品の平面図である。
【図１１】セパレータ４１Ｂの平面図である。
【図１２】燃料電池モジュール４０Ｂの断面構造を示す説明図である。
【図１３】第４実施例の燃料電池スタックにおける燃料電池モジュール４０Ｃの構成部品の平面図である。
【図１４】セパレータ４１Ｃの平面図である。
【図１５】燃料電池モジュール４０Ｃの断面構造を示す説明図である。
【図１６】変形例としての燃料電池システム１０００Ｄの概略構成を示す説明図である。
【図１７】第１実施例におけるアノード対向プレート４２の変形例としてのアノード対向プレート４２Ｅ，４２Ｆ，４２Ｇの平面図である。
【図１８】第１実施例の燃料電池モジュール４０の変形例としての燃料電池モジュールの断面構造を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１０…エンドプレート
２０…絶縁板
３０…集電板
４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ…燃料電池モジュール
４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ…セパレータ
４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｅ，４２Ｆ，４２Ｇ…アノード対向プレート
４２２ａ，４２２Ａａ，４２２Ｂａ，４２２Ｃａ…水素供給用貫通孔
４２２ｉ，４２２Ａｉ，４２２Ｂｉ，４２２Ｃｉ，４２２Ｅｉ，４２２Ｆｉ，４２２Ｇｉ…水素供給口
４２２Ｂｂ，４２２Ｃｂ…水素排出用貫通孔
４２２Ｂｏ，４２２Ｃｏ…水素排出口
４２４ａ，４２４Ａａ，４２４Ｂａ，４２４Ｃａ…空気供給用貫通孔
４２４ｂ，４２４Ａｂ，４２４Ｂｂ，４２４Ｃｂ…空気排出用貫通孔
４２６ａ，４２６Ａａ，４２６Ｂａ，４２６Ｃａ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｂ，４２６Ａｂ，４２６Ｂｂ，４２６Ｃｂ…冷却水排出用貫通孔
４３，４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ…中間プレート
４３２ａ，４３２Ａａ，４３２Ｂａ，４３２Ｃａ…水素供給用貫通孔
４３２Ｂｐｏ，４３２Ｃｐｏ…水素排出用流路形成部
４３２ｐ，４３２Ａｐ，４３２Ｂｐ，４３２Ｃｐ…水素供給用流路形成部
４３２Ｂｂ，４３２Ｃｂ…水素排出用貫通孔
４３４ａ，４３４Ａａ，４３４Ｂａ，４３４Ｃａ…空気供給用貫通孔
４３４ｂ，４３４Ａｂ，４３４Ｂｂ，４３４Ｃｂ…空気排出用貫通孔
４３４ｐｉ，４３４Ａｐｉ，４３４Ｂｐｉ，４３４Ｃｐ…空気供給用流路形成部
４３４ｐｏ，４３４Ａｐｏ，４３４Ｂｐｏ，４３４Ｃｐｏ…空気排出用流路形成部
４３６ａ，４３６Ａａ，４３６Ｂａ，４３６Ｃａ…冷却水供給用貫通孔
４３６ｂ，４３６Ａｂ，４３６Ｂｂ，４３６Ｃｂ…冷却水排出用貫通孔
４３６ｐ，４３６Ａｐ，４３６Ｂｐ，４３６Ｃｐ…冷却水流路形成部
４４，４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ…カソード対向プレート
４４２ａ，４４２Ａａ，４４２Ｂａ，４４２Ｃａ…水素供給用貫通孔
４４２Ｂｂ，４４２Ｃｂ，水素排出用貫通孔
４４４ａ，４４４Ａａ，４４４Ｂａ，４４４Ｃａ…空気供給用貫通孔
４４４ｂ，４４４Ａｂ，４４４Ｂｂ，４４４Ｃｂ…空気排出用貫通孔
４４４ｉ，４４４Ａｉ，４４４Ｂｉ，４４４Ｃｉ…空気供給口
４４４ｏ，４４４Ａｏ，４４４Ｂｏ，４４４Ｃｏ…空気排出口
４４６ａ，４４６Ａａ，４４６Ｂａ，４４６Ｃａ…冷却水供給用貫通孔
４４６ｂ，４４６Ａｂ，４４６Ｂｂ，４４６Ｃｂ…冷却水排出用貫通孔
４５，４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ…ＭＥＡユニット
４５１…ＭＥＡ部
４５２ａ，４５２Ａａ，４５２Ｂａ，４５２Ｃａ…水素供給用貫通孔
４５２Ｂｂ，４５２Ｃｂ…水素排出用貫通孔
４５４ａ，４５４Ａａ，４５４Ｂａ，４５４Ｃａ…空気供給用貫通孔
４５４ｂ，４５４Ａｂ，４５４Ｂｂ，４５４Ｃｂ…空気排出用貫通孔
４５６ａ，４５６Ａａ，４５６Ｂａ，４５６Ｃａ…冷却水供給用貫通孔
４５６ｂ，４５６Ａｂ，４５６Ｂｂ，４５６Ｃｂ…冷却水排出用貫通孔
４６…電解質膜
４７ａ…アノード用触媒層
４７ｃ…カソード用触媒層
４８ａ…アノード用拡散層
４８ｃ…カソード用拡散層
４９…金属多孔体層
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
６１，６２…配管
７０…ポンプ
７１…ラジエータ
７２…配管
１００，１００Ｂ，１００Ｄ…燃料電池スタック
１０００，１０００Ｂ，１０００Ｄ…燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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