(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおいて、燃料ガス供給路を非循環型として燃料電池を定常的に運転する技術を提供する。【解決手段】  本発明が提供する燃料電池は、電解質と、電解質の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、電解質の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、燃料ガス消費面において予め設定された各領域に対して、直接的に各領域に燃料ガスを供給する経路を有する燃料ガス流路と、酸化剤ガス供給口から酸化剤ガス排出口までの少なくとも一部において、酸化剤ガス供給口から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス消費面に供給する酸化剤ガス流路とを備える。酸化剤ガス供給口は、酸化剤ガス排出口よりも重力の方向において下方に配置されている。【選択図】図３１
2009026518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質と、
前記電解質の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、
前記電解質の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、
前記燃料ガス消費面において予め設定された各領域に対して、直接的に前記各領域に前記燃料ガスを供給する経路を有する燃料ガス流路と、
前記燃料ガス消費面に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給口と、
前記燃料ガス消費面から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出口と、
前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス排出口までの少なくとも一部において、前記酸化剤ガス供給口から供給された酸化剤ガスを前記酸化剤ガス消費面に供給し、前記酸化剤ガス排出口に排出する酸化剤ガス流路と、
を備え、
前記燃料電池は、前記供給された流量のほぼすべての燃料ガスを前記燃料ガス消費面の各領域で消費する作動形態を有し、
前記酸化剤ガス供給口は、前記酸化剤ガス排出口よりも重力の方向において下方に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、
前記酸化剤ガス流路は、前記酸化剤ガス消費面への供給と、前記酸化剤ガス排出口への排出とを行う多孔体を有する燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池であって、
前記酸化剤ガス流路は、前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス排出口までの間の少なくとも一つの位置に迂回して酸化剤ガスを前記多孔体に供給する迂回路を有する燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記迂回路は、前記多孔体に形成された溝である燃料電池。
【請求項５】
請求項３または４に記載の燃料電池であって、
前記迂回路は、前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス排出口への方向において、前記多孔体に沿って配置された溝が形成された部材と、前記多孔体とによって形成された流路である燃料電池。
【請求項６】
請求項４または５に記載の燃料電池であって、
前記溝は、親水化処理が施されている燃料電池。
【請求項７】
請求項２ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記多孔体は、前記酸化剤ガス排出口よりも前記酸化剤ガス供給口に近い位置であって、前記燃料ガス消費面に接する位置に少なくとも一つの凹部が形成されている燃料電池。
【請求項８】
請求項２ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記多孔体は、前記酸化剤ガス排出口よりも前記酸化剤ガス供給口に近い位置であって、前記燃料ガス消費面に接する位置の近傍に親水化処理が施されている燃料電池。
【請求項９】
燃料電池であって、
電解質と、
前記電解質の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、
前記電解質の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、
前記燃料ガス消費面において予め設定された各領域に対して、直接的に前記各領域に前記燃料ガスを供給する経路を有する燃料ガス流路と、
前記燃料ガス消費面に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給口と、
前記燃料ガス消費面から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出口と、
前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス排出口までの少なくとも一部において、前記酸化剤ガス供給口から供給された酸化剤ガスを前記酸化剤ガス消費面に供給し、前記酸化剤ガス排出口に排出する多孔体を有する酸化剤ガス流路と、
を備え、
前記燃料電池は、前記供給された流量のほぼすべての燃料ガスを前記燃料ガス消費面の各領域で消費する作動形態を有する燃料電池。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池であって、
前記酸化剤ガス流路は、前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス排出口までの間の少なくとも一つの位置に迂回して酸化剤ガスを前記多孔体に供給する迂回路を有する燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池であって、
前記迂回路は、前記多孔体に形成された溝である燃料電池。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の燃料電池であって、
前記迂回路は、前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス排出口への方向において、前記多孔体に沿って配置された溝が形成された部材と、前記多孔体とによって形成された流路である燃料電池。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の燃料電池であって、
前記溝は、親水化処理が施されている燃料電池。
【請求項１４】
請求項９ないし１３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記多孔体は、前記酸化剤ガス排出口よりも前記酸化剤ガス供給口に近い位置であって、前記燃料ガス消費面に接する位置に少なくとも一つの凹部が形成されている燃料電池。
【請求項１５】
請求項９ないし１４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記多孔体は、前記酸化剤ガス排出口よりも前記酸化剤ガス供給口に近い位置であって、前記燃料ガス消費面に接する位置の近傍に親水化処理が施されている燃料電池。
【請求項１６】
請求項９ないし１５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記多孔体は、前記燃料電池の積層方向において、前記電解質に近づくほど撥水性が高い燃料電池。
【請求項１７】
請求項９ないし１６のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記多孔体は、前記燃料電池の積層方向において、前記電解質から離れるほど親水性が高い燃料電池。
【請求項１８】
請求項９ないし１７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第２の流路は、前記燃料電池の積層方向において、前記電解質から離れるほど密度が高い多孔体で構成されている燃料電池。
【請求項１９】
燃料電池を搭載する車両であって、
請求項１ないし１９のいずれかに記載の燃料電池と、
前記燃料電池からの電力の供給に応じて前記車両を駆動する駆動部と、
を備える車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池用スタックへの燃料ガスの供給の構造として循環型の燃料ガス供給路が利用されている。燃料ガス供給路が循環型とされているのは、燃料ガス供給路内部に蓄積して燃料ガスの供給を阻害する窒素ガスを燃料電池用スタックの外部に排出するためである。窒素ガスが燃料ガス供給路内部に蓄積するのは、窒素ガスが酸化剤ガス流路から電解質を経て燃料ガス供給路内部に進入するからである。一方、燃料ガス供給路を非循環型とし、窒素ガスを蓄積するバッファを燃料電池用スタック外にバルブを介して設けるとともに、バルブ閉状態での圧力上昇を伴う燃料ガス供給とバルブの開弁とを繰り返しながら燃料ガスを供給するといった非定常運転方式も提案されている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２４３４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料ガス供給路を非循環型として、燃料電池を定常的に運転することは考えられていなかった。一方、このような燃料ガス供給路に適する酸化剤ガス流路についても考えられていなかった。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて、燃料ガス供給路を非循環型として燃料電池を定常的に運転する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、第１の態様の燃料電池を提供する。第１の態様の燃料電池は、
電解質と、
前記電解質の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、
前記電解質の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、
前記燃料ガス消費面において予め設定された各領域に対して、直接的に前記各領域に前記燃料ガスを供給する経路を有する燃料ガス流路と、
前記燃料ガス消費面に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給口と、
前記燃料ガス消費面から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出口と、
前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス排出口までの少なくとも一部において、前記酸化剤ガス供給口から供給された酸化剤ガスを前記酸化剤ガス消費面に供給し、前記酸化剤ガス排出口に排出する酸化剤ガス流路と、
を備え、
前記燃料電池は、前記供給された流量のほぼすべての燃料ガスを前記燃料ガス消費面の各領域で消費する作動形態を有し、
前記酸化剤ガス供給口は、前記酸化剤ガス排出口よりも重力の方向において下方に配置されている。
【０００７】
本願発明の第１の態様の酸化剤ガス流路では、酸化剤ガス供給口が酸化剤ガス排出口よりも重力の方向において下方に配置されているので、ドライアップの問題が生じやすい酸化剤ガス供給口に近い側に重力によって水分を留めることによって適切な水分管理を実現することができる。これにより、燃料ガス消費面の各領域に直接的に燃料ガスが供給される燃料ガス流路に向き合う構成において、酸化剤ガス消費面における均一な水分管理を実現することができる。
【０００８】
上記燃料電池において、
前記酸化剤ガス流路は、前記酸化剤ガス消費面への供給と、前記酸化剤ガス排出口への排出とを行う多孔体を有するようにしても良い。多孔体は、毛細管現象によって水を速やかに酸化剤ガス消費面に拡散することができ、たとえば電解質膜の水分分布の平準化の実現を図ることができます。
【０００９】
上記燃料電池において、
前記酸化剤ガス流路は、前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス排出口までの間の少なくとも一つの位置に迂回して酸化剤ガスを前記多孔体に供給する迂回路を有するようにしても良い。こうすれば、燃料ガス消費面の各領域に直接的に燃料ガスが供給される燃料ガス流路に向き合う構成において、酸化剤ガス消費面における均一な水分管理を実現することができる。
【００１０】
上記燃料電池において、
前記迂回路は、前記多孔体に形成された溝であっても良いし、
あるいは、
前記迂回路は、前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス排出口への方向において、前記多孔体に沿って配置された溝が形成された部材と、前記多孔体とによって形成された流路であってもよいし、あるいは双方を組み合わせて構成してもよい。これらの溝は、親水化処理が施されていてもよい。
【００１１】
上記燃料電池において、
前記多孔体は、前記酸化剤ガス排出口よりも前記酸化剤ガス供給口に近い位置であって、前記燃料ガス消費面に接する位置に少なくとも一つの凹部が形成されていてもよいし、
あるいは、
前記多孔体は、前記酸化剤ガス排出口よりも前記酸化剤ガス供給口に近い位置であって、前記燃料ガス消費面に接する位置の近傍に親水化処理が施されていてもよいし、双方を組み合わせてもよい。こうすれば、ドライアップの問題が生じやすい酸化剤ガス供給口に近い側において凹部に水分を保持させることによって適切な水分管理を実現することができる。この凹部に対して親水化処理を施してもよい。
【００１２】
本発明は、第２の態様の燃料電池を提供する。第２の態様の燃料電池は、
電解質と、
前記電解質の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、
前記電解質の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、
前記燃料ガス消費面において予め設定された各領域に対して、直接的に前記各領域に前記燃料ガスを供給する経路を有する燃料ガス流路と、
前記燃料ガス消費面に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給口と、
前記燃料ガス消費面から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出口と、
前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス排出口までの少なくとも一部において、前記酸化剤ガス供給口から供給された酸化剤ガスを前記酸化剤ガス消費面に供給し、前記酸化剤ガス排出口に排出する多孔体を有する酸化剤ガス流路と、
を備え、
前記燃料電池は、前記供給された流量のほぼすべての燃料ガスを前記燃料ガス消費面の各領域で消費する作動形態を有する。
【００１３】
本願発明の第２の態様の酸化剤ガス流路では、酸化剤ガス供給口から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス消費面に供給し、酸化剤ガス排出口に排出する多孔体を有するので、多孔体の毛細管現象によって水を速やかに酸化剤ガス消費面に拡散することができ、たとえば電解質膜の水分分布の平準化の実現を図ることができる。
【００１４】
上記燃料電池において、
前記多孔体は、前記燃料電池の積層方向において、前記電解質に近づくほど撥水性が高くなるように構成されていても良いし、
あるいは、
前記多孔体は、前記燃料電池の積層方向において、前記電解質から離れるほど親水性が高くなるように構成されていても良いし、
あるいは、
前記多孔体は、前記燃料電池の積層方向において、前記電解質から離れるほど密度が高い多孔体で構成されていても良いし、これらの組合せであっても良い。
【００１５】
こうすれば、生成水の排水性を促進して酸化剤側の電極のフラッディングを効果的に抑制し、あるいは燃料ガス流路側に比較的に均一な逆拡散を実現することができる。
【００１６】
本発明は、さらに、第２の態様の燃料電池を提供する。この燃料電池は、
電解質と、
前記電解質の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、
前記電解質の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、
前記燃料ガス消費面において予め設定された各領域に対して、前記燃料ガス消費面に対して前記燃料ガス消費面に交差する方向から前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
前記燃料ガス消費面に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給口と、
前記燃料ガス消費面から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出口と、
前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス排出口までの間で前記酸化剤ガス消費面に酸化剤ガスを供給する多孔体を有する酸化剤ガス流路と、
を備え、
前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス排出口までの少なくとも一部において、前記酸化剤ガス供給口から供給された酸化剤ガスを前記酸化剤ガス消費面に供給し、前記酸化剤ガス排出口に排出する酸化剤ガス流路と、
を備え、
前記燃料電池は、前記供給された流量のほぼすべての燃料ガスを前記燃料ガス消費面の各領域で消費する作動形態を有し、
前記酸化剤ガス流路は、前記酸化剤ガス消費面への供給と、前記酸化剤ガス排出口への排出とを行う多孔体を有し、
あるいは、
前記酸化剤ガス供給口は、前記酸化剤ガス排出口よりも重力の方向において下方に配置されている。
【００１７】
本発明は、さらに、第３の態様の燃料電池を提供する。この燃料電池は、
電解質と、
前記電解質の一方に配置され、燃料ガスを消費する燃料ガス消費面を有するアノードと、
前記電解質の他方に配置され、酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費面を有するカソードと、
前記燃料ガス消費面の各領域に対して、前記各領域における燃料ガスの消費の変動に起因する前記各領域への燃料ガスの供給量の変動を抑制するように前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
前記燃料ガス消費面に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給口と、
前記燃料ガス消費面から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出口と、
前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス排出口までの少なくとも一部において、前記酸化剤ガス供給口から供給された酸化剤ガスを前記酸化剤ガス消費面に供給し、前記酸化剤ガス排出口に排出する酸化剤ガス流路と、
を備え、
前記燃料電池は、前記供給された流量のほぼすべての燃料ガスを前記燃料ガス消費面の各領域で消費する作動形態を有し、
前記酸化剤ガス流路は、前記酸化剤ガス消費面への供給と、前記酸化剤ガス排出口への排出とを行う多孔体を有し、
あるいは、
前記酸化剤ガス供給口は、前記酸化剤ガス排出口よりも重力の方向において下方に配置されている。
【００１８】
本発明は、燃料電池を搭載する車両を提供する。この車両は、
上記記載の燃料電池と、
前記燃料電池からの電力の供給に応じて前記車両を駆動する駆動部と、
を備える。
【００１９】
本願発明の燃料電池は、さらに、アノード極（水素極）の不純物（たとえば窒素）の分圧が、カソード極（空気極）の不純物（たとえば窒素）の分圧とつりあった状態で継続的に発電する運転状態を実現するものとして把握することもできる。ここで、「つりあった状態」とは、たとえば平衡状態を意味し、必ずしも両者の分圧が等しい状態に限られない。
【００２０】
本願発明の燃料電池は、さらに、たとえば図３８や図３９に示されるような構成をも含む。図３８の構成例は、第１の流路と第２の流路と有している。第１の流路は、第２の流路よりも上流側に配置されている。第１の流路および第２の流路は、第１の流路あるいは第２の流路よりも流れの抵抗が高い高抵抗連通部２１００ｘを介して連通している。これらの流路は、発電領域面外（燃料電池セルの外部）から燃料ガス導入口（マニホールド）を経由して燃料ガスを導入する。換言すれば、第２の流路への燃料ガスの供給は、主として高抵抗連通部２１００ｘを介して（たとえば高抵抗連通部２１００ｘのみを介して）第１の流路から導入される。
【００２１】
なお、第１の流路や第２の流路は、後述の実施例のように多孔体を利用しても形成可能であるが、たとえばシール材Ｓ１、Ｓ２の挟持（図３８）やハニカム構造材Ｈ２を使用した流路の形成（図３９）として構成してもよい。
【００２２】
高抵抗連通部２１００ｘは、たとえば図３８や図３９に示されるような複数の導入部２１１０ｘ（貫通孔）が面内方向に分散した板状部材が利用可能である。高抵抗連通部２１００ｘは、以下のうちの少なくとも一つの役割を有している。第１の役割は、「第２の流路のうち燃料ガス導入口に近接する領域への燃料ガス供給を制限する役割」である。第２の役割は、「アノード反応部に沿った第２の流路の面直方向に働くガス圧の面内の不均一を抑制する役割」である。第３の役割は、「第１の流路を面内方向に流れる燃料ガスの向きを面直方向（あるいは面に交差する方向）に変換する役割」である。
【００２３】
本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード反応部で消費する態様を含む燃料電池システムであって
発電セル内にアノードガスを導入する導入口と、
前記導入口から供給されたアノードガスをセル面内方向に導く第１のガス流路と、
前記アノード反応部に沿って延在し、
前記第１のガス流路より流れの抵抗が高く、第１のガス流路から第２のガス流路へのアノードガスの流入を妨げつつも、セル面内方向に分布した複数の連通部を介して、第１のガス流路から第２のガス流路へアノードガスを導く高抵抗部と、
を備える。
【００２４】
本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような構成を含む燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の領域で消費されるアノードガスは、前記高抵抗部のうち一の連通部を通過したガスの比率が、他の連通部を通過したガスの比率より高い、
あるいは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の連通部を通過したアノードガスは、前記アノード反応部のうちの一の領域で消費される比率が、他の領域で消費される比率より高い、
といった構成も可能である。
【００２５】
一方、カソード流路は少なくとも上記高抵抗連通部が有さないことが好ましい。さらにカソード流路は、第２の流路も設けることなく、カソード導入口から供給されたカソードガスをセル面内方向に導く第１のガス流路のみとすることが好ましい。ただし、いわゆるガス拡散層を第２の流路と捉えれば、第１および第２の流路の組み合わせとしても良い。いずれにせよ、上記高抵抗連通部をカソード極からのみ省略することにより、カソードガスの送給機の仕事量の低減およびカソード極での排水性の向上が期待でき、特に、アノード極からの排水性能が低いシステム（燃料ガスの定常的排気の無い）燃料電池システムでは好適である。
【００２６】
なお、本発明は、燃料電池、燃料電池スタック製造方法、燃料電池システム、燃料電池搭載車両、膜電極接合体その他の種々の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池搭載車両の構成：
Ｂ．比較例と実施例における燃料電池システムの構成：
Ｃ．比較例と実施例における燃料電池スタックの構成：
Ｃ−１．比較例の燃料電池スタックの構成：
Ｃ−２．実施例の燃料電池スタックの構成：
Ｄ．実施例の燃料電池スタックの製造：
Ｅ．変形例：
【００２８】
Ａ．本発明の実施例における燃料電池搭載車両の構成：
図１は、本発明の実施例における燃料電池搭載車両１０００の概略構成図である。燃料電池搭載車両１０００は、電源システム２００と、負荷部３００と、制御部２５０とを備えている。電源システム２００は、燃料電池搭載車両１０００の動力源としての電力を供給する。負荷部３００は、供給された電力を燃料電池搭載車両１０００を駆動するための機械的動力に変換する。制御部２５０は、電源システム２００と負荷部３００とを制御する。
【００２９】
電源システム２００は、燃料電池システム２１０ｎと、２次電池２２６（キャパシタとも呼ばれる。）と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６４と、を備えている。負荷部３００は、駆動回路３６０と、モータ３１０と、ギヤ機構３２０と、車輪３４０とを備えている。燃料電池システム２１０ｎには、車両に搭載するために、小型、軽量、および高出力といった特徴が求められる。
【００３０】
制御部２５０は、燃料電池システム２１０ｎと、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６４と、駆動回路３６とに電気的に接続されており、これらの回路の制御を含む各種の制御を実行する。制御部２５０の各種の制御動作は、制御部２５０に内蔵されている図示しないメモリ内に格納されたコンピュータプログラムを、制御部２５０が実行することによって実現される。このメモリとしては、ＲＯＭやハードディスクなどの種々の記録媒体を利用することが可能である。
【００３１】
図２は、比較例の燃料電池システム２１０の構成を示すブロック図である。燃料電池システム２１０は、燃料電池スタック１００と、燃料電池スタック１００に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給系統２３０と、燃料電池スタック１００に燃料ガスとしての水素ガスを循環させる水素ガス循環系統２２０と、水素ガス循環系統２２０に水素ガスを供給する水素ガス供給系統２４０とを備えている。制御部２５０は、空気供給系統２３０、水素ガス供給系統２４０、および水素ガス循環系統２２０を制御する。
【００３２】
燃料電池スタック１００は、後述する燃料電池セルを複数積層したスタック構造を有する固体高分子電解質型の燃料電池である。燃料電池セルの各々は、空気流路２３５と燃料ガス流路２２５とを内部に備える。
【００３３】
空気供給系統２３０は、燃料電池内空気流路３５に加湿された空気を供給するための系統である。空気供給系統２３０は、外気を吸入するブロワ２３１と、吸入された空気を加湿する加湿器２３９と、この加湿された空気を空気流路２３５に供給する加湿空気供給配管２３４と、空気流路２３５から排気するための排気管２３６とを備える。
【００３４】
水素ガス供給系統２４０は、水素ガスを貯蔵する水素タンク２４２と、水素ガス循環系統２２０への水素ガスの供給を制御する水素バルブ２４１とを備える。
【００３５】
水素ガス循環系統２２０は、水素ガス循環系統２２０の内部に水素ガスを循環させるための循環ポンプ２２８と、循環ポンプ２２８から吐出された水素ガスを燃料ガス流路２２５に供給する水素ガス供給配管２２４と、燃料ガス流路２２５から水を含んだ水素ガスを気液分離部２２９に供給する排ガス配管２２６と、水と水素ガスを分離して循環ポンプ２２８に水素ガスを供給する気液分離部２２９と、排水バルブ２２９Ｖとを備える。
【００３６】
このような循環路２２６、２２９、２２８が装備されているのは、従来の技術では、空気流路２３５から後述する電解質層を経て侵入した窒素ガスが燃料ガス流路２２５の内部に蓄積して、燃料電池スタック１００が発電不能となるからである。
【００３７】
図３は、比較例の燃料電池システム２１０において燃料ガス流路２２５の循環を停止したときにおける作動状態を示すグラフＧ１、Ｇ２を示している。グラフＧ１は、燃料ガスの排気停止からの経過時間とセル電圧の関係を示している。グラフＧ２は、燃料ガスの排気停止からの経過時間とガス分圧（燃料ガス流路２２５の内部）の関係を示している。
【００３８】
グラフＧ１から分かるように、セル電圧は、時間の経過とともに徐々に低下する。セル電圧の低下は、グラフＧ２に示されるような燃料ガス流路２２５の内部における水素分圧の低下に起因するものである。このような水素分圧の低下は、前述のように空気流路２３５から侵入してきた窒素ガスの分圧の上昇に伴うものである。このような水素分圧の低下を抑制するため、たとえば特許文献１が提供する技術では、窒素分圧の上昇に打ち勝って水素分圧を維持するように敢えて全圧を上昇させつつ水素ガスを供給するように構成されている。しかし、許容できる全圧には限度があるため、定期的に排気する必要がある。
【００３９】
図４は、本発明の実施例の燃料電池システム２１０ｎの構成を示すブロック図である。燃料電池システム２１０ｎは、循環路２２６、２２９、２２８が省略され、整備用の排ガス配管２２７と、排気バルブ２３０Ｖとを備えている。一方、燃料電池スタック１００が燃料電池スタック１００ｎに変更されている。燃料電池スタック１００ｎは、燃料ガスの排気を停止しても安定的に作動できるように考案された新規な燃料電池スタックである。
【００４０】
Ｃ．比較例と実施例における燃料電池スタックの構成：
新規に考案された燃料電池スタック１００ｎの説明の前に、図５〜図９を用いて従来の燃料電池スタックの一般的構成と、発明者によって明らかにされた窒素滞留のメカニズムと、について説明する。
【００４１】
Ｃ−１．比較例における燃料電池スタックの構成：
図５は、比較例の燃料電池スタック１００の概略構成を示す説明図である。比較例と後述する実施例では、固形高分子形の燃料電池を例にとって説明する。燃料電池スタック１００は、本比較例では、膜電極接合体２０と、水素極側多孔体流路１４ｈと、空気極側多孔体流路１４ａと、セパレータ４０が交互に積層され、その積層体の両端から図示しないターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持されて形成されている。
【００４２】
膜電極接合体２０は、燃料電池の電気化学反応が行われる部位であり、水素極側電極層２２と、電解質膜２３と、空気極側電極層２４とを備えている。電解質膜２３は、固体高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜を有する。水素極側電極層２２及び空気極側電極層２４は、導電性を有する担体上に触媒を担持させることによって形成されている。
【００４３】
水素極側多孔体流路１４ｈおよび空気極側多孔体流路１４ａは、膜電極接合体２０での電気化学反応に供される反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化剤ガス）の流路になるとともに集電機能を有する。多孔体流路１４ｈ、１４ａは、一般的に、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンナノチューブなどによって形成することができる。
【００４４】
膜電極接合体２０及び２つの多孔体流路１４ｈ、１４ａの外周部には、多孔体流路１４ｈ、１４ａによって形成される反応ガスの流路のシール性を確保するためにシール部５０が設けられている。このシール部５０は、ガスケット５２と、枠状シール５４とを備えている。
【００４５】
セパレータ４０は、反応ガスの流路となる多孔体流路１４ｈ、１４ａの壁面を形成するように構成されている。セパレータ４０は、反応ガスが透過しない導電性部材、たとえば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや焼成カーボン、あるいはステンレス鋼といった種々の材料が使用可能である。本実施例では、セパレータ４０は、空気極側多孔体流路１４ａと接触するカソード側セパレータ４１と、水素極側多孔体流路１４ｈと接触するアノード側セパレータ４３と、これらの間に配される中間セパレータ４２とが一体となった３層セパレータとして構成されている。
【００４６】
図６は、図５とともに比較例の燃料電池スタック１００の内部流路を示す説明図である。燃料電池スタック１００の内部流路は、燃料ガス流路２２５（図２）と、空気流路２３５（図２）と、冷却水流路とを備えている。冷却水流路は、冷却水供給マニホールド１１ｗｍと、冷却水供給路１２ｗと、冷却水排出マニホールド１３ｗｍと、を備え、この順序で冷却水が流れるように構成されている。
【００４７】
燃料ガス流路２２５（図２）は、２つの燃料ガス供給マニホールド１１ｈｍＬ、１１ｈｍｒと、燃料ガス供給路１２ｈと、燃料ガス供給孔１３ｈと、水素極側多孔体流路１４ｈと、燃料ガス排出孔１５ｈと、燃料ガス排出路１６ｈ（図５）と、２つの燃料ガス排出マニホールド１７ｈｍＬ、１７ｈｍＲ（図５）と、を備え、この順序で燃料ガスが流れるように構成されている。
【００４８】
空気流路２３５（図２）は、空気供給マニホールド１１ａｍと、空気供給路１２ａと、空気供給孔１３ａと、空気極側多孔体流路１４ａと、空気排出孔１５ａと、空気排出路１６ａ（図５）と、空気排出マニホールド１７ａｍ（図５）と、を備え、この順序で空気が流れるように構成されている。
【００４９】
図７は、比較例の燃料電池スタック１００の内部で燃料ガスの排気停止によって窒素の滞留Ｃｎが発生している様子を示す説明図である。図７から分かるように、窒素の滞留Ｃｎは、水素極側多孔体流路１４ｈの下流域において発生している。
【００５０】
図８は、本願発明者によって推察された燃料ガス流路内部に窒素ガスの滞留が発生するメカニズムを示すフローチャートである。図９は、燃料ガス流路内部に窒素ガスの滞留が発生する様子を示す説明図である。従来の燃料ガス流路では、図９から分かるように、燃料ガスを消費する膜電極接合体２０の反応面（燃料ガス消費面）に沿って燃料ガスが供給されるので、上流から下流に流れるに従って燃料ガス中の水素ガスの分圧が低下するという現象が生じていた。なお、この推察は、本願発明の創作の過程における推察であり、本願発明が、このようなメカニズムの存在を前提とするものではない。
【００５１】
たとえば発電開始時において燃料流路内（水素極側多孔体流路１４ｈ）の水素ガスの分圧は均一であるとの仮定の下で発電が開始されたとすると、この発電によって、膜電極接合体２０が水素を吸引して消費することによって燃料ガスの供給が開始されることになる。ただし、燃料ガスの供給は、膜電極接合体２０の反応面の各領域（領域Ａ〜領域Ｄ）で水素ガスが消費されるので、この消費に応じて下流域に行くほど燃料ガス中の水素分圧が低下することになる。
【００５２】
具体的には、燃料ガスの供給において、領域Ａから領域Ｂに燃料ガスが移動する際には、膜電極接合体２０の領域Ａにおける水素ガスの消費によって（ステップＳ１１００）、領域Ｂに供給される燃料ガス中の水素ガスの分圧が低下する（ステップＳ１２００）。このような水素ガスの分圧の低下は、領域Ｂから領域Ｃへの移動、領域Ｂから領域Ｃへの移動、および領域Ｃから領域Ｄへの移動でも発生することになる。
【００５３】
このように、下流域である領域Ｄにおいては、領域Ａよりも極度に水素分圧が低い燃料ガスが供給されることになる（ステップＳ１３００）。このような極度な水素分圧の低下は、図９の２０分経過後の状態から分かるように、領域Ｄにおける水素消費を抑制し（ステップＳ１４００）、これにより燃料ガスの供給自体（流速自体）の抑制につながることになる（ステップＳ１５００）。このような燃料ガスの供給の抑制は、領域Ｄに対する燃料ガスの停止まで相乗的かつ循環的に継続されることになる（ステップＳ１６００）。
【００５４】
この結果、図９の４０分経過後の状態から分かるように、領域Ｄは、窒素ガスの滞留領域となって、もはや燃料ガスの供給は行われないことになる（ステップＳ１７００）。さらに、このような相乗的な悪循環によって、窒素ガスの滞留領域は、領域Ｄから領域Ｃや領域Ｂといった上流域に拡大することになる。
【００５５】
Ｃ−２．実施例における燃料電池スタックの構成：
図１０は、実施例の燃料電池スタック１００ｎの概略構成を示す説明図である。燃料電池スタック１００ｎは、燃料ガス流路２２５（図２）が新規に創作された燃料ガス流路２２５ｎ（図３）に変更されている点で相違し、空気流路２３５並びに冷却水流路は比較例と同一である。
【００５６】
図１１は、図１０とともに実施例の燃料電池スタック１００の内部流路を示す説明図である。燃料ガス流路２２５ｎは、燃料ガスの排気停止で燃料ガス流路２２５に発生した窒素ガスの滞留を抑制する燃料ガス供給板２１ｎと、水素極側電極層２２の周囲を覆うガスケット１４ｈｇおよびガスケット５２ｎと、を有する点で比較例の燃料ガス流路２２５と相違する。燃料ガス供給板２１ｎには、たとえば２ｃｍピッチで１ｍｍ程の径を有する細孔２１１ｎが多数形成されているとともに、空気供給マニホールド１１ａｍと連通する空気口２１２ｎが３個形成されている。
【００５７】
ガスケット１４ｈｇおよびガスケット５２ｎは、水素極側電極層２２よりも剛性を有し、厚み方向の圧縮力に対して耐変形性を備えた材質であることが好ましい。水素極側電極層２２の周囲を覆うガスケット１４ｈｇは、水素極側電極層２２の周囲にガスケットを含侵させて形成しても良い。
【００５８】
図１２は、実施例の燃料電池スタック１００ｎにおける燃料ガス供給板２１ｎの配置状態を示す説明図である。燃料ガス供給板２１ｎは、水素極側多孔体流路１４ｈと膜電極接合体２０の水素極側電極層２２との間に挟持される。燃料ガス供給板２１ｎは、本実施例では、燃料ガスと酸化剤ガスとの間の漏洩を抑制する一体の金属板として構成されるので、膜電極接合体２０ｎの剛性を高めて熱収縮を抑制するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスと間の差圧に対する耐性を強靱とする利点を有している。
【００５９】
なお、燃料ガス供給板２１ｎは、本実施例のように膜電極接合体２０に貼り付けて膜電極接合体２０ｎの一部として構成しても良いし、あるいは水素極側多孔体流路１４ｈに貼り付けて、その一部として構成しても良く、独立した構成部品として構成しても良い。  また、燃料ガス流路は、必ずしも多孔体でを形成する必要はなく、燃料ガス供給板２１ｎの少なくとも一方に配置され、燃料ガス供給板２１ｎの上流側と下流側の少なくとも一方を形成するスペーサ（図示せず）であってもよい。
【００６０】
図１３は、実施例の燃料電池スタック１００ｎにおいて燃料ガス供給板２１ｎが燃料ガスを供給する様子を示す説明図である。燃料ガス供給孔１３ｈ（図１１）から供給された燃料ガスは、水素極側多孔体流路１４ｈを介して燃料ガス供給板２１ｎの各細孔２１１ｎに分配供給される。各細孔２１１ｎは、水素側電極２２に燃料ガスを供給する。
【００６１】
このように、燃料ガスを各細孔２１１ｎに分配供給するための流路となる水素極側多孔体流路１４ｈが燃料ガス供給板２１ｎによって水素側電極２２から隔離されているので、前述の水素分圧の低下現象（図８、図９）が抑制されることになる。一方、発明者の解析と実験とによって、空気極側多孔体流路１４ａから膜電極接合体２０を透過して水素側電極２２側に発生している窒素ガスは、水素極側多孔体流路１４ｈから空気極側多孔体流路１４ａへも透過するため平衡状態が維持可能であることが確認された。なお、本明細書では、「隔離」は、広い意味を有し、完全に隔離されている場合のみならず、接触や流体の移動が抑制されている場合も含む。
【００６２】
このように、一例として、膜電極接合体２０の近傍に窒素ガスを分散させた状態で安定させることができれば、水素側電極２２側に燃料ガスを持続的に供給し、燃料ガスの排気循環を行うことなく継続的に安定して電力を発生させることができることが発明者の実験によって確認された。
【００６３】
図１４は、水素ガスの供給安定化メカニズムの推定の一例を示すフローチャートである。図１５は、燃料ガス流路内で窒素ガスの滞留が拡散する様子を示す説明図である。この推定例は、何らかの外乱によって窒素の分圧上昇が部分的に発生しても、窒素の分圧上昇が解消するメカニズムを示している。すなわち、ある領域で窒素ガスの分圧上昇が発生したとしても、以下のようなメカニズムによって窒素ガスの分圧上昇が解消されることになる。
【００６４】
具体的には、たとえば図１４に示されるように、ある領域で窒素ガスの分圧上昇が発生したと仮定すると（ステップＳ２１００）、その領域において相対的に水素ガスの分圧が減少するので、その領域の膜電極接合体２０による水素ガスの吸収量が低下することになる（ステップＳ２２００）。これにより、細孔２１１ｎにおける燃料ガスの流速ｖ１と圧力損失（＝Ｐｕ−ｐ１）が低下することになる（ステップＳ２３００）。
【００６５】
このような圧力損失（＝Ｐｕ−ｐ１）の低下は、細孔２１１ｎから水素側電極２２への燃料ガスの供給圧の上昇をもたらすことになる（ステップＳ２４００）。すなわち、細孔２１１ｎからの燃料ガスの供給圧ｐ１は、細孔２１１ｎの上流側の圧力Ｐｕに近づくことになる。これにより、この領域は、全圧の一時的に上昇をもたらし（ステップＳ２５００）、窒素ガスの周囲への拡散を引き起こすことになる（ステップＳ２６００）。この現象は、流速ｖ１の流速の遅い領域から流速ｖ０の流速の遅い領域へのベルヌーイ吸引現象として把握することもできる。
【００６６】
なお、かかる解析は、現時点での推定ではあるが、何らかの物理的現象によって、上記構成が燃料ガス流路の循環を行うことなく、数時間単位での安定かつ定常的な発電を行うことができることが発明者の実験によって実証された。
【００６７】
燃料ガス供給板２１ｎの細孔２１１ｎの径およびピッチは、発明者の解析と実験とによれば、細孔２１１ｎを通過する燃料ガスの流速が窒素ガスの拡散による逆流を十分に抑制できるほどに、所定の運転状態（たとえば定格運転状態）において、細孔２１１ｎにおける十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように設定されることが「好ましい」ことが実験と解析とによって初めて明らかにされた。たとえば、固体高分子型燃料電池では、燃料ガス供給板２１ｎの開口率を１％程度以下とすることで、一例として好ましい流速あるいは圧力損失が発生することが確認された。開口率とは、全細孔２１１ｎの開口面積の和を燃料ガス供給板２１ｎの全面積で除した値である。このような好ましい実施形態では、開口率が循環型の燃料ガス流路の百分の一といったオーダーであるため、循環のための循環ポンプ（コンプレッサ）２２８（図２）の動力損失が過大となって非現実的な値であることが発明者の計算によって確認されている。
【００６８】
図１６は、燃料ガス流路の第１変形例を示す説明図である。第１変形例では、水素極側多孔体流路１４ｈよりも「緻密（高密度）」あるいは「圧損」が大きな緻密多孔体２１ｖ１が燃料ガス供給板２１ｎとして機能している。すなわち、緻密多孔体２１ｖ１は、燃料ガスの分配流路である水素極側多孔体流路１４ｈを水素側電極２２から隔離するとともに、好ましくは、予め設定された圧力損失あるいは燃料ガスの内部流速を実現するように構成されている。
【００６９】
図１７および図１８は、燃料ガス流路の第２変形例を示す説明図である。第２変形例では、燃料ガス供給板２１ｖ２がプレスメタルで形成されている。燃料ガス供給板２１ｖ２は、燃料ガス供給板２１ｖ２の上流側の流路を形成するための突部２１ｖ２ｔと、突部２１ｖ２ｔに形成された細孔２１１ｖ２とを有している。この構成は、燃料ガス供給板２１ｖ２の上流側の流路も一体として形成できるので、実施例の水素極側多孔体流路１４ｈを省略することができるという利点を有している。
【００７０】
図１９は、第２変形例の他の構成例を示す説明図である。この例は、導電性を有する定寸部２１ｖ２ｃで上流側の流路を形成するように構成されている。この構成では、燃料ガス供給板２１ｖ２ａの突部２１ｖ２ｔａが燃料電池スタック１００ｎの積層荷重を受けなくて良いので、燃料ガス供給板２１ｖ２ａの形状の自由度が高いという利点を有している。たとえば突部２１ｖ２ｔａは、燃料ガス供給板２１ｖ２ａの上部から見て菱形の形状を有するように構成してもよい。
【００７１】
図２０は、燃料ガス流路の第３変形例を示す説明図である。第３変形例の流路１４ｈｖ３は、多孔体の内部に形成された導通孔２１０ｖ３と、導通孔２１０ｖ３から外部に形成された細孔２１１ｖ３とによって、燃料ガスを各領域に分配する構成を実現した例である。このように、多孔体に燃料ガスの分配機能を持たせるように構成しても良い。
【００７２】
図２１は、燃料ガス流路の第４変形例を示す説明図である。第４変形例の流路１４ｈｖ４は、多孔体やプレスメタルでなく、細孔２１１ｖ４が形成されたパイプ２１０ｖ４を使用して、細孔２１１ｖ４から燃料ガスを各領域に分配する構成を実現している。このように、多孔体やプレスメタルに限られず、燃料ガスを各領域に分配するように構成されていればよい。
【００７３】
このように、燃料ガス供給板２１ｎを有する燃料ガス流路並びにその変形例は、燃料ガス消費面である水素側電極２２の他の領域を経由することなく、水素側電極２２の各領域に（たとえば直接的に）燃料ガスを供給する経路を有するような構成、あるいは水素側電極２２の面外の離れた方向（好ましくは水素側電極２２から隔離された流路）から水素側電極２２に向かって、電解質２３の反応面（図示しない触媒面）に交差する方向に燃料ガスを供給することが好ましい。ここで、「消費」は、広い意味を有し、反応のための消費とクロスリークの双方を含む。一方、水素側電極２２は、凹部における窒素の滞留が発生しないように、平滑な面（フラットな面）を有することが好ましい。
【００７４】
さらに、上述の各実施例や変形例において、所定の流速や圧力損失を発生させることは必須の構成ではないが、所定の流速や圧力損失を発生させることによって顕著な効果を奏することができることが発明者の実験と解析とによって確認されている。
【００７５】
このような燃料ガスの循環を省略した構成は、燃料電池システムの効率的な高圧運転を実現することができるという出願時の当業者には到底予測不能な効果をも奏する。たとえば図２２に示されるように、燃料電池の起電力は、ネルンストの式に従い、燃料電池システムの燃料ガス流路を高圧化すれば高出力が実現できることが分かっている。ところが、循環型の燃料ガス供給システムは、燃料ガス流路の高圧化が燃料ガスの循環ポンプの負担を増大させ、システム効率化を抑制するという問題を生じさせていた。
【００７６】
なお、図２２において、式Ｆ１は、起電力Ｅ（ＥＭＦ）が水素ガスの活性（水素分圧÷標準圧力）や酸素ガスの活性（水素分圧÷標準圧力）と正の相関を有することを示している。式Ｆ２は、水素ガスの項を取り出した式で、水素分圧の圧力上昇（Ｐ1→Ｐ2）による起電力の上昇を示している。
【００７７】
本実施例は、非循環型の燃料電池を実現して循環ポンプの負担増大を回避してシステムの高圧化を実現することができるので、特に車両への搭載にあたって重要なシステムの小型化や軽量化と高出力化を実現することができるという顕著な利点を有している。特に、小型の燃料電池システムでは、高圧化は、燃料電池システムの効率を低下させることが当業者の技術常識であったため出願時の当業者には到底予測不可能な効果である。
【００７８】
さらに、小型で軽量な固体高分子型の燃料電池は、高分子電解質を使用しているので、燃料ガス側流路のみ高圧化とする差圧運転が容易で、かつ、Ｐａｒｓｏｎｓ  Ｉｎｃ．の２０００年の実験式Ｆ３（図２３）によれば高圧化による高出力化が顕著であることが分かるので、車両搭載用に特に好適である（出典：解説  燃料電池システム（原題：Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｅｘｐｌａｉｎｅｄ  ２ｎｄ  ｅｄ．）、Ｊａｍｅｓ  Ｌａｒｍｉｎｉｅ／Ａｎｄｒｅｗ  Ｄｉｃｋｓ著、２００３年出版）。なお、実験式Ｆ３は、高温型燃料電池と相関の高い理論式である式Ｆ２に相当する実験式である。
【００７９】
加えて、本実施例では、水素側電極２２から水素極側多孔体流路１４ｈへの窒素ガスの拡散流を抑制して、水素極側多孔体流路１４ｈを水素側電極２２から隔離することが望ましい。このような隔離は、窒素ガスの拡散速度が早くなるに従って困難となるが、運転温度が低い固体高分子型燃料電池では、比較的に簡易に隔離を実現することができる。拡散速度は、運転温度の上昇に応じて顕著に高速化するからである。一方、燃料ガスの高圧化は、拡散速度の低下をもたらすので、固体高分子型燃料電池の高圧運転は極めて好適な実施形態となる。
【００８０】
図２４は、定常流に関するフィックの第１法則を表す式Ｆ３を示している。式Ｆ３において、窒素ガスの拡散速度は、窒素ガスの濃度傾斜と拡散係数とに比例する。拡散係数は、温度と正の相関を有し、圧力に負の相関を有することが分かっている。よって、上述の効果が得られることが分かる。
【００８１】
図２５は、実施例の燃料ガス供給板２１ｎの上流側の水素極側多孔体流路１４ｈと下流側の水素側電極２２のガス拡散層の密度の相違を示す説明図である。実施例では、上流側の水素極側多孔体流路１４ｈの材料の方が、下流側の水素側電極２２のガス拡散層の材料よりも緻密度が低く（低密度）あるいは圧力損失が小さくなるように構成されている。このような構成は、水素極側多孔体流路１４ｈの内部を燃料ガスが流れる際の圧力降下を低減させる効果をそうするので、複数の細孔２１１ｎの各々に加えられる燃料ガスの圧力を簡易に均一化させることができるという利点を有している。
【００８２】
一方、図２５の第１変形例では、逆に、下流側の水素側電極２２のガス拡散層の材料の方が、上流側の水素極側多孔体流路１４ｈの材料よりも緻密度が低く（低密度）あるいは圧力損失が小さくなるように構成されている。このような構成は、水素側電極２２ｖ１のガス拡散層から上流側の水素極側多孔体流路１４ｈｖ１への窒素ガスの侵入を抑制することができるという利点を有している。水素極側多孔体流路１４ｈｖ１は、緻密度が高くあるいは圧力損失が大きいので、窒素ガスの拡散の方向が水素極側多孔体流路１４ｈｖ１よりも水素側電極２２ｖ１の内部の面方向に向く傾向が強くなるからである。なお、複数の細孔２１１ｎの各々に加えられる燃料ガスの圧力の均一化は、たとえば複数の細孔２１１ｎの各々の径やピッチを可変とすることによって実現することもできる。
【００８３】
図２６は、第２変形例における水素側電極２２ｖ２のガス拡散層を示す説明図である。第２変形例では、水素側電極２２ｖ２のガス拡散層が２層となっている。この２層のガス拡散層のうち電解質膜２３に隣接する層の材料の方が、他方の層の材料よりも緻密度が低く（低密度）あるいは圧力損失が小さくなるように構成されている。このような構成は、電解質膜２３から排出された生成水を水素極側多孔体流路１４ｈの方向に拡散し、フラッディングによるガス供給の阻害を抑制する効果を有するという利点を有している。
【００８４】
このような生成水の排水は、緻密度が高く（高密度）あるいは圧力損失が大きい多孔体ほど毛管力による水の吸引力が強いという物理的性質を利用したものである。よって、電解質膜２３から離れるほど毛管力が強くなるように構成されていればよく、緻密度等に傾斜を持たせた単層多孔体でも３層以上の多孔体でも良い。
【００８５】
図２７は、第３変形例における水素側電極２２ｖ３のガス拡散層を示す説明図である。第３変形例では、水素側電極２２ｖ２のガス拡散層が３層となっている。この３層のガス拡散層のうち、電解質膜２３に近いほど各層の材料の撥水性が高くなるように構成され、あるいは電解質膜２３に近いほど各層の材料の親水性が低くなるように構成されている。このような構成も、電解質膜２３から排出された生成水を拡散し、フラッディングを抑制する効果を有するという利点を有している。
【００８６】
このような生成水の拡散排水は、第２変形例の緻密度等を親水性あるいは撥水性に置き換えた構成である。よって、電解質膜２３から離れるほど親水性が高く（あるいは撥水性が弱く）なるように構成されていればよく、親水性等に傾斜を持たせた単層多孔体でも３層以上の多孔体でも良い。なお、親水性と撥水性とを組み合わせてもよく、さらに、緻密度等を組み合わせても良い。
【００８７】
図２８は、第４変形例における水素側電極２２ｖ４のガス拡散層を示す説明図である。第４変形例のガス拡散層では、燃料ガス供給板２１ｎの細孔２１１ｎと連通する位置に連通孔２１２ｖ４が形成されている点で上述の各構成と相違する。連通孔２１２ｖ４は、水素側電極２２ｖ４の触媒層（図示せず）の表面に滞留した生成水を分断して、拡散する機能を有している。特に、第４変形例では、連通孔２１２ｖ４は、細孔２１１ｎよりも小さい径を有し、連通孔２１２ｖ４から排出された生成水ｗｄが水素側電極２２ｖ４に吸収されるように構成されているので、生成水による細孔２１１ｎの閉塞を抑制するという効果をも奏する。
【００８８】
図２９は、第５変形例における水素側電極２２ｖ５のガス拡散層を示す説明図である。第５変形例のガス拡散層では、燃料ガス供給板２１ｎの細孔２１１ｎと連通する位置に連通孔２１２ｖ５が形成され、水素側電極２２ｖ５の触媒層の表面に滞留した生成水を分断して拡散する機能を有する点では第４変形例と共通する。ただし、第５変形例では、連通孔２１２ｖ５は、細孔２１１ｎよりも大きい径を有する点で相違する。連通孔２１２ｖ５においては、連通孔２１２ｖ５から排出された生成水ｗｄが燃料ガス供給板２１ｎでブロックされて水素側電極２２ｖ５に吸収されるように構成されているので、第４変形例と同様に生成水による細孔２１１ｎの閉塞を抑制するという効果をも奏する。
【００８９】
ただし、連通孔２１２ｖ４や連通孔２１２ｖ５は、細孔２１１ｎと連通していれば生成水の分断を実現することができるので、細孔２１１ｎと径が相違することは必須の構成ではない。
【００９０】
図３０は、第６変形例における水素側電極２２ｖ６のガス拡散層を示す説明図である。第６変形例では、燃料ガス供給板２１ｎの細孔２１１ｎと連通する位置に連通孔２１２ｖ５が形成されるとともに、連通孔２１２ｖ５が細孔２１１ｎよりも大きい径を有する点で第５変形例と共通する。ただし、第６変形例の燃料ガス供給板２１ｖ６は、細孔２１１ｎと水素側電極２２ｖ６との位置関係を規定する位置決め部材Ｃｇを備えている点で第５変形例と相違する。位置決め部材Ｃｇは、燃料ガス供給板２１ｖ６の細孔２１１ｎと連通孔２１２ｖ５の間の位置関係を規定し、上述の各効果の達成を容易に実現させることができるという利点を有している。
【００９１】
このような方法によるフラッディング抑制効果は、発電時における燃料ガスの定常的排気を行わないシステムでは特に重要である。発電時に燃料ガスの定常的排気を行わないシステムでは、燃料ガスの排気による水蒸気の排出の利用が困難だからである。上述の各構成は、燃料ガスの排気による水蒸気の排出を行わなくても生成水を適切に拡散し、燃料ガスの加湿に利用するサイクルを円滑として燃料ガスの循環を行わない燃料電池システムの定常運転の実現を可能とする重要な機能を担っているのである。
【００９２】
図３１〜図３５は、空気極側多孔体流路１４ａの各変形例を示す説明図である。これらの変形例は、燃料ガスの供給系統を非循環とすることに起因する空気流路側の問題を解決する技術として構成されている。この問題は、発明者によって初めて見いだされた新規な課題である。
【００９３】
具体的には、本願発明者は、燃料ガスを非循環とする構成が燃料ガス流路だけの問題ではなくて、空気流路の設計にも影響を与えることを見出した。たとえば、図５の比較例から分かるように、従来は、燃料ガスの流れと空気の流れを対向流とすることによって、膜電極接合体２０における湿潤状態を均一化する技術が利用可能であった。すなわち、比較例の反応ガス流路では、水素極側電極層２２並びに空気極側電極層２４からの排水によって反応ガスが加湿され、流路の入り口から出口に向かって反応ガスの湿度が高くなるので、一方の極側の入り口の近傍に他方の出口を近づける対向流とすることで湿潤状態を均一化するように構成可能であった。
【００９４】
しかし、上述の実施例と各変形例では、燃料ガスは、燃料ガスを循環する場合と比較して均一な水素分圧を有する状態で膜電極接合体２０に供給されるので、対向流による上述の効果を得ることができないからである。本願発明者は、このような新規な課題を解決する手段として以下のような構成を新たに創作した。
【００９５】
図３１は、第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１を示す説明図である。図３２は、第２変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ２を示す説明図である。図３３は、第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１を有する燃料電池スタックの内部流路を示す説明図である。第２変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ２は、溝流路（たとえばパンチングメタル）１４ｃを実施例の空気極側多孔体流路１４ａに装備して、第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１と同様の効果が得られるように構成されたものである。溝流路１４ｃの装備は、空気極側多孔体流路１４ａｖ１への溝の形成と組み合わせて行ってもよい。この溝に親水化処理が施されていてもよい。
【００９６】
第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１は、空気極側多孔体流路１４ａｖ１が接する空気極側電極層２４と反対側に複数の溝１４ａｇ１が形成されている点で、実施例の空気極側多孔体流路１４ａと相違する。この構成は、複数の溝１４ａｇ１を経由して空気極側多孔体流路１４ａｖ１に空気が供給されるので、上流域と下流域の湿度の傾斜を緩和することができる。これにより、空気供給孔１３ａ（入り口側）の近傍における空気極側多孔体流路１４ａｖ１のドライアウトや空気排出路１６ａ（出口側）の近傍における空気極側多孔体流路１４ａｖ１のフラッディングを抑制することができる。
【００９７】
さらに、図３２に示された空気極側多孔体流路１４ａｖ１は、空気供給孔１３ａ（入り口側）の近傍において親水化処理が施されているとともに、下方から上方に向かって空気が流れるように流路が設定されている。親水化処理は、水分を留めてドライアウトを抑制する効果を有し、下方から上方に向かった空気の流れは、重力によって下方に水分を留める効果を有している。
【００９８】
図５の比較例では、対向流を形成するために下方から上方に向かって空気が流れるように流路が設定されているので、燃料ガスの流れる方向が逆向きであったと仮定すると、空気流路も逆に構成されるものである。しかし、各実施例や変形例では、膜電極接合体２０に対して直接的かつ均一的に燃料ガスが供給されるので、膜電極接合体２０に関しては上述の上流や下流といった概念が無く、下方から上方に向かって空気が流れるように空気流路を設定することが好ましい。
【００９９】
図３４は、第３変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ３を示す説明図である。第３変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ３は、空気排出路１６ａ（出口側）の近傍において空気極側電極層２４に接する側に水分保持溝１４ａｇｖ１を有している点で、第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１と相違する。水分保持溝１４ａｇｖ１は、溝幅を１ｍｍ程度あるいは１ｍｍより大きくすることが好ましいことが発明者の実験によって確認された。
【０１００】
水分保持溝１４ａｇｖ１は、たとえば空気極側多孔体流路１４ａｖ３を貫通（分断）するものであっても良い。さらに、図３５に示されるように、水分保持溝１４ａｇｖ１自体が分断されていてもよく、幅や長さが位置によって変化するように構成されていても良い。さらに、水分保持溝１４ａｇｖ１が親水化処理が施されていてもよい。
【０１０１】
さらに、上述の実施例と各変形例では、燃料ガスは、ほぼ均一な水素分圧を有する状態で膜電極接合体２０に供給されるので、水分管理の問題だけでなく反応分布並びに反応分布に伴う発熱分布の均一化についても従来とは相違する問題が発生する。
【０１０２】
前述のように燃料ガスの流れと空気の流れとを対向流とすれば、湿潤状態だけでなくネルンストの式（図２２）から分かるように、反応分布の均一化にも効果を奏していた。具体型には、水素分圧の高い燃料ガスの上流域（図９）では、酸素分圧の低い空気流路の下流域が対抗し、一方、水素分圧の低い燃料ガスの下流域では、酸素分圧の高い空気流路の下流域が対抗するので、膜電極接合体２０の各領域における反応を均一化することができたからである。
【０１０３】
図３１に示される第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１は、供給する空気中の酸素分圧の上流域と下流域での差を小さくするような効果をも奏するので、上述の問題を解決することができるという利点をも有する。ただし、各実施例や変形例では、燃料ガスと異なり空気の排出を前提とするので、空気の供給動力と供給される酸素分圧の均一化のトレードオフの問題となる。
【０１０４】
さらに、空気流路における水分管理は、水の逆拡散を介して燃料ガス流路にも影響を有するので、燃料ガス流路への影響をも考慮して空気流路を設計することが好ましい。特に、前述のように発電時における燃料ガスの定常的排気を行わないシステムでは、燃料ガスの加湿が空気流路から拡散された水によって賄われるので、この点が重要である。具体的には、生成水の排水性を促進して酸化剤側の電極のフラッディングを効果的に抑制し、あるいは燃料ガス流路側に比較的に均一な逆拡散を実現することが好ましい。このような効果は、以下のような構成によっても実現することができ、上述の各構成と組み合わせてもよい。
【０１０５】
具体的には、第３変形例（図２７）における水素側電極２２ｖ３の多層構成（２層構成を含む）は、空気極側電極層２４にも適用可能である。前述の第３変形例では、水素側電極２２ｖ２のガス拡散層が３層となっている。この３層のガス拡散層のうち、電解質膜２３に近いほど各層の材料の撥水性が高くなるように構成され、あるいは電解質膜２３に近いほど各層の材料の親水性が低くなるように構成されている。このような構成も、電解質膜２３から排出された生成水を拡散し、フラッディングを抑制する効果を有するという利点を有する点は空気流路についても同様である。
【０１０６】
このような生成水の拡散排水は、電解質膜２３から離れるほど親水性が高く（あるいは撥水性が弱く）なるように構成されていればよく、親水性等に傾斜を持たせた単層多孔体でも３層以上の多孔体でも良い。なお、親水性と撥水性とを組み合わせてもよく、さらに、緻密度等を組み合わせても良い。このような観点から、空気流路の水分管理と燃料ガス流路の水分管理とを協調して管理することによって、好ましい逆拡散を実現して燃料ガス流路の適切な水分管理を実現することができる。
【０１０７】
Ｄ．実施例の燃料電池スタックの製造：
図３６は、第５変形例の燃料ガス供給板２１ｖ５を示す説明図である。上述の実施例や各変形例では、燃料ガス供給板２１ｖ５の追加によって、燃料ガス供給板２１ｖ５の積層という新規の製造プロセスが追加されることになる。第５変形例の燃料ガス供給板２１ｖ５は、燃料ガス供給板２１ｖ５の積層において位置合わせを容易にするために、燃料ガス供給板２１ｖ５の端部を折り曲げたものである。
【０１０８】
図３７は、第６変形例の燃料ガス供給板２１ｖ６を示す説明図である。第６変形例では、水素極側電極層２２が流路内に２本の位置決めピン２２ｒｅｆ１、２２ｒｅｆ２を有し、燃料ガス供給板２１ｖ６が位置決め用の嵌合孔２１ｒｅｆ１、２１ｒｅｆ２を有し、水素極側多孔体流路１４ｈｖ６が位置決め用の嵌合孔１４ｒｅｆ１、１４ｒｅｆ２を有するように構成されている。
【０１０９】
このように、２本の位置決めピン２２ｒｅｆ１、２２ｒｅｆ２を流路内部に配置することは、位置決めピンを流路外に配置するという出願時の技術常識に反するものである。出願時の技術常識において、位置決めピンを流路外に配置するのは、嵌合孔とピントの隙間からガスが漏洩するからである。しかし、本願発明者は、このような技術常識にとらわれることなく、構成を検討した結果、仮に漏洩しても燃料ガス間の漏洩なので大きな問題を生じさせないことに着目した。これにより、流路外部における位置決めピン用のスペースを排除してコンパクト化と軽量化とを達成することができることとなった。
【０１１０】
Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。特に、上記各実施例における構成要素中の独立請求項に記載された要素以外の要素は、付加的な要素なので適宜省略可能である。さらに、たとえば以下のような変形例も実施可能である。
【０１１１】
Ｅ−１．本発明は、さらに以下の構成を含むようにしてもよい。
（１）燃料ガス供給板から燃料ガスが供給される各領域は、相互に隔壁で隔離されるように構成してもよい。
（２）水素極側電極層は、燃料ガス供給板の細孔からの面に沿って、細孔から遠ざかる方向に分散しやすい分散構造（たとえば放射状あるいは蜘蛛の巣状の溝や透気度の変化）を有している。
（３）水素極側電極層は、細孔によって燃料ガスが供給される各領域間の燃料ガスの移動を抑制する隔壁を有する。ただし、各細孔と各ブロックは、必ずしも一対一に対応する必要はない。各ブロックの形状は、ハニカム構造を有するように形成されていてもよい。各ブロックのサイズは、各細孔からの単位面積当たりの燃料ガス供給量が均一に近づくように変化させてもよい。水素極側電極層は、たとえば燃料ガスの供給が阻害されやすい水素極側多孔体流路の下流域に近づくほど気孔率が高くなるように構成してもよい。
（４）燃料ガス供給板の上流側と下流側の流路の少なくとも一方は、たとえばエゼクタその他の流体循環デバイスで拡散して窒素の濃縮（たとえば図８、図９の悪循環）を抑制するように構成してもよい。
（５）燃料電池システムは、燃料ガス供給路に対して窒素ガスその他の非反応流体を貯留する貯留部を設けるようにしてもよい。
（６）燃料ガス供給路は、燃料ガス供給板による燃料ガスの供給機能に近似する機能を実現するように、流路の一部の流路抵抗の変化や調整（気孔率や溝の調整、溝幅の調整（変化））あるいは流路の経路・方向の設定といった構成を有するようにしてもよい。具体的には、燃料ガス供給路において、複数の相違する方向（たとえば外縁部から中央部に向けて）に燃料ガスを供給するようにしてもよい。
（７）燃料電池システムは、燃料電池の起動時の出力を予め設定された範囲（禁止を含む）に制限することによって不意の出力低下を抑制する。このような起動時の出力制限は、たとえば水素ガスの消費抑制による窒素ガス濃度の平衡状態への到達促進あるいは水素極側電極層内部の水素ガス分圧の適正化の促進を実現する。
（８）燃料電池システムは、燃料ガス供給マニホルドを複数有する燃料電池に対して燃料ガスを供給するものであってもよく、この場合には、各マニホルドに供給する燃料ガスの流量や圧力をマニホルド毎に独立して調整することによって水素極側電極層への燃料ガスの供給の均一化を図るようにしてもよい。
（９）燃料電池システムは、燃料電池内部あるいは外部において、燃料ガス供給路にバッファタンクを備えるようにしてもよい。このバッファタンクには、バルブを介して燃料ガス供給路に接続されており、始動時にバルブを開けて停止時の滞留した窒素ガス等を貯留させるとともに停止時にバルブを再び開けて貯留した窒素ガス等を排出するように構成してもよい。
（１０）燃料ガス供給板は、水素極側電極層側のほぼ全ての面あるいは細孔に撥水処理を行うようにしてもよい。さらに、燃料ガス供給板の表裏で親水性や撥水性に差を設けるように構成してもよい。親水性や撥水性の付加は、たとえば金メッキや撥水性コーティングで実現可能である。
（１１）燃料ガス供給板は、複数の層を有するようにしてもよい。複数の層を有する構成では、たとえば上流側の層ほど貫通孔が少なく、あるいは下流側の層ほど貫通孔が多くなるように構成してもよい。
【０１１２】
Ｅ−２．上述の各実施例では、固体高分子型燃料電池が例示されているが、これに限られず固体酸化物型燃料電池や溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池といった他の型の燃料電池に適用することができる。ただし、固体高分子型燃料電池に適用した場合には、上述のように顕著な効果を奏することができることが発明者によって突き止められた。
【０１１３】
Ｅ−３．上記実施例では、燃料ガスとして純水素が使用されているが、たとえば不純物を透過する電解質を利用すれば、このような不純物を含む改質ガスを使用するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の実施例における燃料電池搭載車両１０００の概略構成図。
【図２】比較例の燃料電池システム２１０の構成を示すブロック図。
【図３】比較例の燃料電池システム２１０において燃料ガス流路２２５の循環を停止したときにおける作動状態を示すグラフ。
【図４】本発明の実施例の燃料電池システム２１０ｎの構成を示すブロック図。
【図５】比較例の燃料電池スタック１００の概略構成を示す説明図。
【図６】比較例の燃料電池スタック１００の内部流路を示す説明図。
【図７】比較例の燃料電池スタック１００の内部で燃料ガスの排気停止によって窒素の滞留Ｃｎが発生している様子を示す説明図。
【図８】本願発明者によって推察された燃料ガス流路内部に窒素ガスの滞留が発生するメカニズムを示すフローチャート。
【図９】燃料ガス流路内部に窒素ガスの滞留が発生する様子を示す説明図。
【図１０】実施例の燃料電池スタック１００ｎの概略構成を示す説明図。
【図１１】実施例の燃料電池スタック１００の内部流路を示す説明図。
【図１２】実施例の燃料電池スタック１００ｎにおける燃料ガス供給板２１ｎの配置状態を示す説明図。
【図１３】実施例の燃料電池スタック１００ｎにおいて燃料ガス供給板２１ｎが燃料ガスを供給する様子を示す説明図。
【図１４】水素ガスの供給安定化メカニズムの推定の一例を示すフローチャート。
【図１５】燃料ガス流路内で窒素ガスの滞留が拡散する様子を示す説明図。
【図１６】燃料ガス流路の第１変形例を示す説明図。
【図１７】燃料ガス流路の第２変形例を示す説明図。
【図１８】燃料ガス流路の第２変形例を示す説明図。
【図１９】第２変形例の他の構成例を示す説明図。
【図２０】燃料ガス流路の第３変形例を示す説明図。
【図２１】燃料ガス流路の第４変形例を示す説明図。
【図２２】燃料電池の性能に関する各計算式を示す説明図。
【図２３】燃料電池の性能に関する各計算式を示す説明図。
【図２４】燃料電池の性能に関する各計算式を示す説明図。
【図２５】実施例の燃料ガス供給板２１ｎの上流側の水素極側多孔体流路１４ｈと下流側の水素側電極２２のガス拡散層の密度の相違を示す説明図。
【図２６】第２変形例における水素側電極２２ｖ２のガス拡散層を示す説明図。
【図２７】第３変形例における水素側電極２２ｖ３のガス拡散層を示す説明図。
【図２８】第４変形例における水素側電極２２ｖ４のガス拡散層を示す説明図。
【図２９】第５変形例における水素側電極２２ｖ５のガス拡散層を示す説明図。
【図３０】第６変形例における水素側電極２２ｖ６のガス拡散層を示す説明図。
【図３１】第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１を示す説明図。
【図３２】第２変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ２を示す説明図。
【図３３】第１変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ１を有する燃料電池スタックの内部流路を示す説明図。
【図３４】第３変形例の空気極側多孔体流路１４ａｖ３を示す説明図。
【図３５】空気極側多孔体流路１４ａの各変形例を示す説明図。
【図３６】第５変形例の燃料ガス供給板２１ｖ５を示す説明図。
【図３７】第６変形例の燃料ガス供給板２１ｖ６を示す説明図。
【図３８】燃料電池流路の他の構成例（その１）
【図３９】燃料電池流路の他の構成例（その２）
【符号の説明】
【０１１５】
１１ｈｍＬ、１１ｈｍＲ…燃料ガス供給マニホールド
１２ｈ…燃料ガス供給路
１３ｈ…燃料ガス供給孔
１４ｈ…水素極側多孔体流路
１５ｈ…燃料ガス排出孔
１６ｈ…燃料ガス排出路
１７ｈｍＬ、１７ｈｍＲ…燃料ガス排出マニホールド
１１ａｍ…空気供給マニホールド
１２ａ…空気供給路
１３ａ…空気供給孔
１４ａ…空気極側多孔体流路
１５ａ…空気排出孔
１６ａ…空気排出路
１７ａｍ…空気排出マニホールド
１１ｗｍ…冷却水供給マニホールド
１２ｗ…冷却水供給路
１３ｗｍ…冷却水排出マニホールド
１４ｈｇ…ガスケット
２０、２０ｎ…膜電極接合体
２１ｎ…燃料ガス供給板
２２…水素極側電極層
２３…電解質膜
２４…空気極側電極層
３５…燃料電池内空気流路
３６…駆動回路
４０…セパレータ
４１…カソード側セパレータ
４２…中間セパレータ
４３…アノード側セパレータ
５０…シール部
５２…ガスケット
５２ｎ…ガスケット
５４…枠状シール
１００、１００ｎ…燃料電池スタック
２００…電源システム
２１０…燃料電池システム
２１０ｎ…燃料電池システム
２１１ｎ…細孔
２１２ｎ…空気口
２２０…水素ガス循環系統
２２４…水素ガス供給配管
２２５…燃料ガス流路
２２６…排ガス配管
２２７…排ガス配管
２２８…循環ポンプ
２２９…気液分離部
２２９Ｖ…排水バルブ
２３０…空気供給系統
２３０Ｖ…排気バルブ
２３１…ブロワ
２３４…加湿空気供給配管
２３５…空気流路
２３６…排気管
２３９…加湿器
２４０…水素ガス供給系統
２４１…水素バルブ
２４２…水素タンク
２５０…制御部
３００…負荷部
３１０…モータ
３２０…ギヤ機構
３４０…車輪
３６０…駆動回路
１０００…燃料電池搭載車両
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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