(57)【要約】【課題】本発明は、燃料ガスを供給して行なう運転の態様として、供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード側で消費する態様を含む燃料電池において、燃料電池性能の低下を抑制することを目的とする。【解決手段】  燃料電池システム１０００であって、燃料電池１００と、貯留部４８と、を、備え、アノード側に配置される燃料ガス流路形成部は、燃料ガス流路形成部内に滞留する非反応流体を、貯留部に案内する非反応流体案内流路を備え、燃料電池は、燃料ガスを供給して行う運転の態様として、供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード側で消費する態様を含むことを特徴とする燃料電池システム１０００。【選択図】図１
2009026521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電解質膜の両面に、アノード側触媒層およびカソード側触媒層が、それぞれ配置されて成る発電体と、前記発電体の前記アノード側触媒層側に配置され、前記アノード側触媒層における電気化学反応に用いられる燃料ガスを流通させて、前記アノード側触媒層に供給する、燃料ガス流路形成部と、を備える燃料電池と、
前記アノード側触媒層における前記電気化学反応に用いられない非反応流体を貯留する貯留部と、
を、備え、
前記燃料ガス流路形成部は、
前記燃料ガス流路形成部内に滞留する前記非反応流体を、前記貯留部に案内する非反応流体案内流路を備え、
前記燃料電池は、前記燃料ガスを供給して行う運転の態様として、該供給されたほぼすべての燃料ガスを前記アノード側触媒層で消費する態様を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記非反応流体案内流路は、
前記燃料ガスが前記燃料ガス流路形成部内を流通する際の主たる流れの下流に配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス流路形成部は、
互いに連通する複数の空孔を有する多孔体であって、
前記非反応流体案内流路は、
前記多孔体の一部に形成される、空孔率が高くなるように形成された部分であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス流路形成部は、
互いに連通する複数の空孔を有する多孔体であって、
前記非反応流体案内流路は、
前記多孔体の表面に形成された溝部であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記貯留部は、
前記燃料電池の内部に設けられてい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、燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（水素等）と酸化剤ガス（酸素等）との電気化学反応によって発電する燃料電池において、電解質膜として固体高分子電解質膜を用い、酸化剤ガスとして空気を用いるものがある。空気には、酸素の他に窒素等が含まれる。そのため、このような燃料電池において、空気中に含まれる窒素等の不純物が、電解質膜を透過して、カソード側からアノード側に移動することがある。
【０００３】
窒素等の不純物がアノード側に存在すると、燃料ガス濃度が低くなり、出力電圧が低下するおそれがあった。
【０００４】
上記した燃料電池において、燃料ガスを供給して行なう運転の態様として、供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード側で消費する態様を含む（アノードデッドエンド運転ともいう）燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【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】
【０００６】
このような燃料電池では、供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード側で消費する態様の運転時には、アノード排ガスが排出されないため、窒素等の不純物がアノード側の燃料ガスの流れの下流に集められ、窒素等が局所的に滞留する。そうすると、窒素等が局所的に滞留する部分に、燃料ガスが供給されにくくなるため、出力電圧が著しく低下するおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明は、燃料ガスを供給して行なう運転の態様として、供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード側で消費する態様を含む燃料電池において、燃料電池性能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】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］  燃料電池システムであって、
電解質膜の両面に、アノード側触媒層およびカソード側触媒層が、それぞれ配置されて成る発電体と、前記発電体の前記アノード側触媒層側に配置され、前記アノード側触媒層における電気化学反応に用いられる燃料ガスを流通させて、前記アノード側触媒層に供給する、燃料ガス流路形成部と、を備える燃料電池と、
前記アノード側触媒層における前記電気化学反応に用いられない非反応流体を貯留する貯留部と、
を、備え、
前記燃料ガス流路形成部は、
前記燃料ガス流路形成部内に滞留する前記非反応流体を、前記貯留部に案内する非反応流体案内流路を備え、
前記燃料電池は、前記燃料ガスを供給して行う運転の態様として、該供給されたほぼすべての燃料ガスを前記アノード側触媒層で消費する態様を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【００１０】
このタイプの燃料電池は、前記燃料ガスを供給して行なう運転の態様として、供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード側触媒層で消費する態様を含む。水素または水素を含んだガスを燃料ガスとして用いる場合、燃料ガスの供給側が電子が流れ出す側となるので、「アノード（陽極）」となる。ここで、燃料ガスのほぼすべてを消費するとは、燃料ガスの消費面から、積極的に燃料ガスを取り出して燃料ガス供給路に循環させるといった用い方をしないことを意味している。消費には、発電のための電気化学反応に用いられるだけでなく、電解質膜の反対側への透過も含まれる。また、現実に燃料電池を構成した場合に生じるリークも、消費に含ませて良い。燃料電池において、こうした燃料ガスの使い方しながら発電することを、デッドエンド運転と呼ぶ。このとき、燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用している運転の態様として捉えることができる。この場合、結果的には、燃料ガスが供給される燃料消費面は、一般的に、燃料ガスを外部に排出あるいは放出しない閉塞構造となる。
【００１１】
発電体のアノード側へ燃料ガスを供給して行なう燃料電池の運転を、アノードデッドエンド運転と呼ぶ。アノードデッドエンド運転では、燃料ガスのアノード側への供給を継続しつつ、アノード側からの燃料ガスの排出をしない状態で発電を継続する。結果的に、少なくとも定常発電時に供給された燃料ガスのほぼ全量をアノード側に留めて発電を行うことになる。発電体が、電解質膜の両面にアノードおよびカソードをそれぞれ接合してなる膜電極接合体を備え、アノード側に燃料ガス（多くは、水素または水素含有ガス）を供給して発電を行う場合には、アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用することになる。この場合、結果的には、燃料ガスが供給されるアノード側は、一般的に、燃料ガスを外部に排出あるいは放出しない閉塞構造となる。
【００１２】
本願明細書では、燃料ガスの消費面に供給されたほぼ総ての燃料ガスを燃料ガス消費面で消費する運転の態様を、デッドエンド運転と呼ぶが、燃料ガス消費面からの燃料ガスの循環を意図せず、燃料ガスの消費面から名目的に燃料ガスを取り出して利用する形態が加えられていたとしても、当該構成は、デッドエンド運転に含まれる。例えば、燃料消費面あるいはその上流から僅かな燃料ガスを取り出す流路を設け、取り出した燃料ガスを燃焼して補機などのプレヒートに用いる構成などを考えることができる。こうした名目的な燃料ガスの消費は、燃料ガスの取り出しを、燃料ガスの消費面もしくはその上流からとすることに格別な意味がなければ、本願明細書における「ほぼすべての燃料ガスの燃料ガス消費面で消費する」ことから除外される構成とはならない。
【００１３】
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。
【００１４】
本願発明の燃料電池は、さらに、たとえば図３２や図３３に示されるような構成をも含む。図３２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。
【００１５】
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３２）やハニカム構造材Ｈ２を使用した流路の形成（図３３）として構成してもよい。
【００１６】
高抵抗連通部２１００ｘは、たとえば図３２や図３３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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
例えば、酸化剤ガスとして、空気を用いる場合には、窒素等のカソード側触媒層における電気化学反応に用いられないガスが含まれている。カソード側触媒層における電気化学反応に用いられないガスは、電解質膜を透過して、アノード側に移動することがある。また、燃料ガスとして、改質ガス等を用いる場合には、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン等の、アノード側触媒層における電気化学反応に用いられないガスが含まれている。このように、カソード側から移動してくるガス、燃料ガス中に含まれるガス等であって、アノード側触媒層における電気化学反応に用いられないガス等を、本明細書中において、非反応流体と称する。
【００２１】
アノード排ガスを燃料電池内部に止めて運転すると、アノード排ガスが排出されないため、上記したような非反応流体が、滞留する。そうすると、滞留している非反応流体により、その部分に燃料ガスが供給されにくくなるため、燃料ガス濃度が低くなり、その部分で発電できず、出力電圧が低下するおそれがある。
【００２２】
本適用例の燃料電池によれば、滞留部に滞留する非反応流体が、非反応流体案内流路に案内されて、貯留部に流入するため、非反応流体を、アノード側から掃き出すことができる。したがって、非反応流体が局所的に滞留することによる、燃料電池性能の低下を抑制することができる。
【００２３】
［適用例２］  適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記非反応流体案内流路は、
前記燃料ガスが前記燃料ガス流路形成部内を流通する際の主たる流れの下流に配置されることを特徴とする燃料電池。
【００２４】
燃料電池を始動する際に、非反応流体は、燃料ガスの流れによって、燃料ガスの主たる流れの下流に集められ、滞留する。適用例２の燃料電池によれば、滞留する非反応流体を、効率よく、貯留部に案内することができる。
【００２５】
［適用例３］  適用例１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス流路形成部は、
互いに連通する複数の空孔を有する多孔体であって、
前記非反応流体案内流路は、
前記多孔体の一部に形成される、空孔率が高くなるように形成された部分であることを特徴とする燃料電池システム。
【００２６】
空孔率が高いと、空孔率が低い部分に比べて、ガスの流れが良くなる。滞留部と貯留部と繋ぐように、空孔率が高い部分を形成すると、滞留部に滞留する非反応流体が、優先的に空孔率が高い部分を通って貯留部に流入する。したがって、アノード側に滞留する非反応流体をアノード側から掃き出すことができる。
【００２７】
［適用例４］  適用例１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス流路形成部は、
互いに連通する複数の空孔を有する多孔体であって、
前記非反応流体案内流路は、
前記多孔体の表面に形成された溝部であることを特徴とする燃料電池システム。
【００２８】
多孔体の表面に溝部が形成されると、溝部は、ガスが流れる際の抵抗が小さいため、多孔体の他の部分に比べて、ガスの流れが良くなる。非反応流体が滞留する部分と貯留部と繋ぐような溝を形成すると、滞留する非反応流体が、優先的に溝部を通って貯留部に流入する。したがって、アノード側に滞留する非反応流体をアノード側から掃き出すことができる。
【００２９】
［適用例４］  適用例１ないし３のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記貯留部は、
前記燃料電池の内部に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【００３０】
このようにすると、例えば、燃料電池と貯留部とを接続する配管等、部品を減らすことができ、燃料電池システム全体の大きさを小さくすることができ、また、コスト低減をすることができる。
【００３１】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態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】
【００３２】
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【００３３】
本実施例の燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、燃料電池１００内の窒素等を貯留する貯留部４８と、燃料ガスとしての水素を供給する水素供給系と、酸化剤ガスとしての空気を給排する空気給排系と、燃料電池１００を冷却する冷却水循環系と、を主に備える。
【００３４】
燃料電池１００は、水素と空気とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池である。燃料電池１００は、後述する発電ユニット４００を、セパレータ３００を介在させて複数積層して成る積層体４０を、集電板３１、３２、絶縁板２１、２２、エンドプレート１１、１２によって、両側から挟持するように積層して構成されている。発電ユニット４００の積層数は、燃料電池１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００３５】
貯留部４８は、燃料電池１００内部に形成され、燃料電池１００内の窒素等を貯留する部分である（後に詳述する）。貯留部４８には、排気バルブ５７を備える配管５６が接続され、所定のタイミングで排気バルブ５７を開弁することによって、貯留部４８内の窒素等を、燃料電池１００外へ、放出する。
【００３６】
水素供給系は、水素タンク５０と、配管５３と、を備える。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、配管５３に設けられたレギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、配管５３を介して、燃料電池１００のアノードに供給される。この燃料電池１００は、アノードからの排気ガス（以下、アノード排ガスと呼ぶ）を、燃料電池１００の内部に止めて運転するものである。すなわち、アノードに供給された水素が、ほとんど全て発電に用いられるものであり、アノード排ガスを外部に排出するための配管は備えていない。このようにすることによって、燃料ガスを効率よく利用することができると共に、燃料ガスの循環に起因するコンプレッサ損失を排除して、燃料電池システム全体としての効率を高めることができる。
【００３７】
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。
【００３８】
空気給排系は、コンプレッサ６０と、配管６１と、配管６２と、を備える。コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、配管６１を介して、酸素を含有した酸化剤ガスとして、燃料電池１００のカソードに供給される。そして、カソードからの排気ガス（以下、カソード排ガスと呼ぶ）は、配管６２を介して、外部に排出される。配管６２には、カソード排ガスとともに、燃料電池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。
【００３９】
冷却水循環系は、ポンプ７０と、ラジエータ７１と、配管７２と、を備える。冷却水は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、燃料電池１００内を循環して燃料電池１００を冷却した後、ラジエータ７１によって再度冷却されて、燃料電池１００に供給される。
【００４０】
Ａ２．発電ユニットの構成：
図２は、発電ユニット４００を、アノード側から見て示す平面図、図３は、図２におけるＣ−Ｃ切断面を示す断面図である。本実施例の発電ユニット４００は、図３に示すように、シール部材一体型ＭＥＡ４２０と、水素流路形成部４４０と、空気流路形成部４６０と、から成る。
【００４１】
Ａ２．１．シール部材一体型ＭＥＡの構成：
図２、図３に示すように、シール部材一体型ＭＥＡ４２０は、外形が略長方形状を成すＭＥＡ４２６（図２において、図示の都合上、水素流路形成部４４０の下に隠れている。）と、ＭＥＡ４２６の周囲に一体的に形成されるシール部材４２８と、から成る。
【００４２】
図３に示すように、ＭＥＡ４２６は、電解質膜４２１の一方の面にアノード側触媒層４２２と、アノード側拡散層４２３とを積層し、他方の面にカソード側触媒層４２４と、カソード側拡散層４２５とを積層して成る膜電極接合体である。ＭＥＡ４２６において、触媒層と拡散層とで、ガス拡散電極として機能している。本実施例におけるＭＥＡ４２６が、請求項における発電体に相当する。
【００４３】
図２に示すように、シール部材４２８には、第１の水素供給用貫通孔４０２ｓ、第２の水素供給用貫通孔４０４ｓが、それぞれ１つずつ形成されている。また、空気供給用貫通孔４０６ｓ、空気排出用貫通孔４０８ｓが、それぞれ３つずつ形成されている。さらに、冷却水供給用貫通孔４１０ｓ、冷却水排出用貫通孔４１２ｓが、それぞれ、１つずつ形成されている。なお、各貫通孔の周囲には、燃料電池１００を構成した際に、反応ガスの漏洩を防止するためのシール部が形成されている（図２において、破線で示す。）。上記したように、本実施例の燃料電池１００は、アノード排ガスを、燃料電池１００の内部に止めて運転するものであるので、水素排出用貫通孔は、形成されていない。
【００４４】
さらに、シール部材４２８には、貯留部用貫通孔４８０ｓが、１つ形成されている。そして、図２、３に示すように、後述する水素流路形成部４４０に形成されている非反応流体案内流路４４２と、貯留部用貫通孔４８０ｓとを繋ぐ、溝部４２９が形成されている。なお、本実施例において、溝部４２９は、シール部材４２８に形成されているが、例えば、アノード対向プレート３１０に非反応流体案内流路４４２と、貯留部用貫通孔４８０ａとを繋ぐような溝（または、貫通孔）を形成してもよい。
【００４５】
Ａ２．２．反応ガス流路形成部の構成：
水素流路形成部４４０および空気流路形成部４６０は、図２に示すように、略長方形状を成す平板状に形成されており、図３に示すように、その外縁がシール部材４２８の内枠に一致するように配置されている。水素流路形成部４４０および空気流路形成部４６０は、互いに連通する複数の空孔を備える金属多孔体である。金属多孔体は、例えば、耐食性を有するステンレス鋼の粉末を用いて、発泡焼結法によって作成される。ステンレス鋼の代わりに、チタン等のその他の金属を用いてもよいし、炭素等の導電性を有する材料を用いてもよい。また、発泡焼結法の代わりに、スラリー発泡法や、粉末焼結法によって、多孔体を作成してもよい。
【００４６】
水素流路形成部４４０は、図２に示すように、水素流路形成部４４０の中心付近から、長辺に平行に短辺まで延びる溝状に形成される、非反応流体案内流路４４２を備える(図２において、クロスハッチング付して示す。)。水素流路形成部４４０に非反応流体案内流路４４２が形成されていることにより、水素流路形成部４４０中に滞留する窒素等を、貯留部４８に案内することができる。なお、空気流路形成部４６０には、同様の溝は形成されていない。
【００４７】
本実施例における水素流路形成部４４０が、請求項における燃料ガス流路形成部に相当する。
【００４８】
Ａ３．セパレータの構成：
セパレータ３００は、アノード対向プレート３１０、中間プレート３２０、カソード対向プレート３３０を、この順に積層して、ホットプレス接合することによって作製される。本実施例では、アノード対向プレート３１０と、中間プレート３２０と、カソード対向プレート３３０とは、上記した発電ユニット４００の外形と同一の略長方形状を成す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３１０と、中間プレート３２０と、カソード対向プレート３３０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。
【００４９】
図４は、水素流路形成部４４０と当接するアノード対向プレート３１０を示す平面図である。図示するように、アノード対向プレート３１０には、上記したシール部材４２８に形成されている貫通孔と同様の、第１の水素供給用貫通孔４０２ａ、第２の水素供給用貫通孔４０４ａが、それぞれ１つずつ、空気供給用貫通孔４０６ａ、空気排出用貫通孔４０８ａが、それぞれ３つずつ、冷却水供給用貫通孔４１０ａ、冷却水排出用貫通孔４１２ａ、貯留部用貫通孔４８０ａが、それぞれ、１つずつ形成されている。
【００５０】
さらに、複数の第１の水素供給口４０２ｈ、第２の水素供給口４０４ｈが、形成されている。第１の水素供給口４０２ｈ、第２の水素供給口４０４ｈは、燃料電池１００を構成したときに、水素流路形成部４４０の２つの長辺に沿うように配置されている。図に矢印で示すように、第１の水素供給口４０２ｈ、第２の水素供給口４０４ｈから、発電ユニット４００の水素流路形成部４４０に水素が供給される。すなわち、水素流路形成部４４０の２つの長辺側から中央に向かって、両側から水素が供給されることになる。
【００５１】
図５は、中間プレート３２０を示す平面図である。図示するように、中間プレート３２０には、上記したシール部材４２８に形成されている貫通孔と同様の、第１の水素供給用貫通孔４０２ｍ、第２の水素供給用貫通孔４０４ｍが、それぞれ１つずつ、空気供給用貫通孔４０６ｍ、空気排出用貫通孔４０８ｍが、それぞれ３つずつ、冷却水供給用貫通孔４１０ｍ、冷却水排出用貫通孔４１２ｍ、貯留部用貫通孔４８０ｍが、それぞれ、１つずつ形成されている。
【００５２】
さらに、第１の水素供給用貫通孔４０２ｍから複数の第１の水素供給口４０２ｈに水素が流れるように、第１の水素供給用貫通孔４０２ｍと複数の第１の水素供給口４０２ｈとを接続する水素供給用接続部４０２ｊ、が形成されている。同様に、第２の水素供給用貫通孔４０４ｍと複数の第２の水素供給口４０４ｈとを接続する水素供給用接続部４０４ｊが、形成されている。
【００５３】
また、３つの空気供給用貫通孔４０６ｍから、後述する複数の空気供給口４０６ｈに空気が流れるように、空気供給用貫通孔４０６ｍと複数の空気供給口４０６ｈとを接続する空気供給用接続部４０６ｊ、が形成されている。同様に、後述する複数の空気排出口４０８ｈから、３つの空気排出用貫通孔４０８ｍにカソード排ガスが流れるように、複数の空気排出口４０８ｈと空気排出用貫通孔４０８ｍとを接続する空気排出用接続部４０８ｊ、が形成されている。
【００５４】
また、発電によって燃料電池１００の温度が上昇するのを抑制するために、発電ユニット４００の発熱部（ＭＥＡ４２６）全体を冷却するように、セパレータ３００内に冷却水を流す、冷却水流路４１０ｐが、形成されている。
【００５５】
図６は、空気流路形成部４６０と当接するカソード対向プレート３３０を示す平面図である。図示するように、カソード対向プレート３３０には、上記したシール部材４２８に形成されている貫通孔と同様の、第１の水素供給用貫通孔４０２ｃ、第２の水素供給用貫通孔４０４ｃが、それぞれ１つずつ、空気供給用貫通孔４０６ｃ、空気排出用貫通孔４０８ｃが、それぞれ３つずつ、冷却水供給用貫通孔４１０ｃ、冷却水排出用貫通孔４１２ｃ、貯留部用貫通孔４８０ｃが、それぞれ、１つずつ形成されている。
【００５６】
さらに、複数の空気供給口４０６ｈ、空気排出口４０８ｈが、形成されている。空気供給口４０６ｈ、空気排出口４０８ｈは、燃料電池１００を構成したときに、空気流路形成部４６０の２つの長辺に沿うように配置されている。図に矢印で示すように、空気供給口４０６ｈから、発電ユニット４００の空気流路形成部４６０に空気が供給され、カソード排ガスが、空気排出口４０８ｈを介して排出される。
【００５７】
図７は、セパレータ３００の平面図である。セパレータ３００は、先に説明したように、アノード対向プレート３１０と、中間プレート３２０と、カソード対向プレート３３０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３１０側から見た様子を示した。図から分かるように、アノード対向プレート３１０と、中間プレート３２０と、カソード対向プレート３３０を積層した際に、各貫通孔が重なって、セパレータ３００を貫通する各貫通孔が形成される。そのため、後述するように、燃料電池１００を構成した際に、発電ユニット４００の積層方向に沿って積層体４０を貫通する、各マニホールドが形成される。
【００５８】
また、アノード対向プレート３１０、中間プレート３２０、カソード対向プレート３３０を重ねることによって、図示するように、第１の水素供給用貫通孔４０２と、水素供給用接続部４０２ｊと、第１の水素供給口４０２ｈとが繋がって、水素の供給路が形成される。同様に、空気の供給路、排出路が形成される。
【００５９】
Ａ４．貯留部の構成：
本実施例における貯留部４８は、燃料電池１００内部に形成される。上記した発電ユニット４００のシール部材４２８に形成される貯留部用貫通孔４８０ｓ、セパレータ３００に形成される貯留部用貫通孔４８０ａ、４８０ｍ、４８０ｃによって、積層体４０を貫通する貫通孔が形成される。図１に示すように、積層体４０は、集電板３１、３２、絶縁板２１、２２、エンドプレート１１、１２によって、両側から挟持されている。そのため、貯留部用貫通孔４８０ａ、４８０ｍ、４８０ｃによって、積層体４０を貫通する貫通孔は、両端が、集電板３１、３２によって封止され、燃料電池１００内に、所定の内容積を有する貯留部４８（図１）が形成される。
【００６０】
なお、エンドプレート１２、絶縁板２２、集電板３２には、配管５６を接続可能な大きさの貫通孔が設けられており、配管５６が接続されている。したがって、配管５６に設けられている排気バルブ５７を開弁することによって、貯留部４８内の窒素等を、燃料電池１００外へ、放出することができる。
【００６１】
Ａ５．水素および空気の流れ：
図８は、燃料電池１００の断面構成および空気の流れを概略的に示す説明図である。図８では、図２〜７におけるＡ−Ａ断面図を示している。なお、燃料電池１００の一部を抜き出して表示し、その他の部分は表示を省略する。
【００６２】
燃料電池１００を構成した際に、空気供給用貫通孔４０６ｓ、４０６ａ、４０６ｍ、４０６ｃによって、発電ユニット４００の積層方向に沿って積層体４０を貫通する空気供給マニホールド、空気排出用貫通孔４０８ｓ、４０８ａ、４０８ｍ、４０８ｃによって、空気排出マニホールドが、それぞれ形成される。
【００６３】
図１に示すように、空気は、コンプレッサ６０によって圧縮され、配管６１を通って燃料電池１００に供給される。そして、供給された空気は、図８に矢印で示すように、発電ユニット４００およびセパレータ３００に形成された空気供給用貫通孔４０６ｓ、４０６ａ、４０６ｍ、４０６ｃによって構成される空気供給マニホールドを通って、各セパレータ３００の空気供給用接続部４０６ｊに分配されて、空気供給口４０６ｈを介して、空気流路形成部４６０に供給される。供給された空気中の酸素が、カソード側触媒層４２４における電気化学反応に用いられ、残りのガスがアノード排ガスとして、空気排出口４０８ｈ、空気排出用接続部４０８ｊ、および空気排出マニホールドを流通し、配管６２を介して大気中に排出される。
【００６４】
図９は、燃料電池１００の断面構成および水素の流れを概略的に示す説明図である。図９では、図２〜７におけるＢ−Ｂ断面図を示している。なお、燃料電池１００の一部を抜き出して表示し、その他の部分は表示を省略する。
【００６５】
燃料電池１００を構成した際に、第１の水素供給用貫通孔４０２ａ、４０２ｍ、４０２ｃによって、発電ユニット４００の積層方向に沿って積層体４０を貫通する第１の水素供給マニホールドが形成される。同様に、第２の水素供給用貫通孔４０４ａ、４０４ｍ、４０４ｃによって、第２の水素供給マニホールドが形成される。
【００６６】
図１に示すように、水素は、水素タンク５０から配管５３を通って燃料電池１００に供給される。そして、供給された水素は、図９に矢印で示すように、発電ユニット４００およびセパレータ３００に形成された第２の水素供給用貫通孔４０４ｓ、４０４ａ、４０４ｍ、４０４ｃによって構成される水素供給マニホールドを通って、各セパレータ３００の水素供給用接続部４０４ｊに分配される。そして、水素供給用接続部４０４ｊを流通しつつ、第２の水素供給口４０４ｈを介して、水素流路形成部４４０に供給される。なお、上記したように、本実施例において、アノード排ガスを排出するための排出口等は、形成されておらず、供給される水素は、全て、アノード側触媒層４２２における電気化学反応に用いられる。
【００６７】
図８に示すように、酸素は、空気供給口４０６ｈを介して発電ユニット４００のカソード側に供給され、カソード側触媒層４２４における電気化学反応に用いられつつ、カソード側を流通し、空気排出口４０８ｈを介してカソード排ガスとして排出される。一方、水素は、第１の水素供給口４０２ｈを介して発電ユニット４００のアノード側に供給されると共に、第２の水素供給口４０４ｈを介して発電ユニット４００のアノード側に供給される。すなわち、図８に示すように、発電ユニット４００のアノード側において、対向するように水素が流通する。
【００６８】
Ａ６．第１の実施例の効果：
図１０は、発電ユニット４００をアノード側から見て示した平面図である。図１０において、水素の流れを矢印で示している。図１０に矢印で示すように、第１の水素供給口４０２ｈおよび第２の水素供給口４０４ｈを介して水素流路形成部４４０に供給された水素は、主に、互いに向かい合うように流れる。
【００６９】
燃料電池に供給されたほぼすべての水素をアノード側触媒層で消費して運転される（いわゆる、アノードデッドエンド運転）燃料電池では、燃料電池内部にアノード排ガスを止めて運転することになり、空気中の窒素等が、電解質膜４２１を介してアノード側に移動する場合に、その窒素等がアノード側から排出されないため、アノード側に滞留してしまう。特に、燃料電池の運転が停止した際には、カソード側のガスの流れもなくなるため、燃料電池内の窒素等の濃度が高くなり、アノード側に滞留する窒素等の量も多くなる。したがって、燃料電池の始動時に、図８、１０に示すような水素の流れによって、窒素等の多くが中央付近に集められる。そうすると、窒素が多く滞留する部分は、相対的に水素濃度が低くなるため、発電効率が低下するおそれがある。
【００７０】
図１１は、燃料電池１００の断面構成および窒素等の流れを概略的に示す説明図である。図１１では、図２〜７におけるＣ−Ｃ断面図を示している。なお、燃料電池１００の一部を抜き出して表示し、その他の部分は表示を省略する。
【００７１】
本実施例の燃料電池１００において、上記したように、水素流路形成部４４０には、第１の水素供給口４０２ｈと、第２の水素供給口４０４ｈとから水素が供給されるため、両側から供給される水素の主たる流れの下流は、図１０に示すように、水素流路形成部４４０の短辺に平行な位置における中央付近になる。上記したように、水素流路形成部４４０には、水素流路形成部４４０の中心付近から、長辺に平行な溝状を成す非反応流体案内流路４４２が形成されている。そのため、図１０に示すように、燃料電池１００の始動時に、水素の流れによって、中央付近に集められた窒素等が、図１０に太線矢印で示すように、非反応流体案内流路４４２に案内されて、シール部材４２８の溝部４２９を介して、貯留部４８に流入する。なお、図１１に示すように、シール部材４２８には、非反応流体案内流路４４２と貯留部４８とを繋ぐような溝部４２９が形成されているため、水素流路形成部４４０内に滞留する窒素等は、非反応流体案内流路４４２に案内されて、シール部材４２８の溝部４２９を介して、貯留部４８に流入する。
【００７２】
したがって、水素流路形成部４４０内に、窒素等が局所的に滞留するのを抑制することができ、発電効率の低下を抑制することができる。
【００７３】
なお、予め、燃料電池１００の運転停止時に、アノード側に滞留する窒素等の量を、予測して、その窒素等によって、貯留部４８が満たされるような容積に、貯留部４８を形成する。そうすると、燃料電池１００の始動時に、アノード側に滞留する窒素等が、アノード側から掃き出されて、貯留部４８流入し、貯留部４８が一杯になると、その後、水素流路形成部４４０に供給される水素が、非反応流体案内流路４４２に案内されて、貯留部４８に流入するということが少なくなるため、水素を無駄にしない。例えば、燃料電池１００の運転中は、排気バルブ５７を閉弁した状態にしておき、運転停止後、所定の時間、排気バルブ５７を開弁することによって、貯留部４８内の窒素等を燃料電池１００外へ放出するようにしてもよい。このようにすると、次に燃料電池１００を始動する際に、窒素等を、貯留部４８内に流入させることができる。
【００７４】
Ｂ．第２の実施例：
図１２は、第２の実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。第１の実施例の燃料電池システム１０００において、窒素等を貯留するための貯留部４８は、燃料電池１００内に形成されているが、第２の実施例の燃料電池システム１０００Ａは、燃料電池１００Ａとは別個に、貯留部４８Ａを備える。
【００７５】
本実施例の燃料電池システム１０００Ａは、貯留部４８Ａの構成が第１の実施例と異なるが、その他の構成は、第１の実施例と同様であるため、燃料電池システム１０００Ａの構成の詳しい説明は、省略する。
【００７６】
貯留部４８Ａは、配管５８を介して燃料電池１００Ａに接続されている。貯留部４８Ａは所定の内容積を有しており、燃料電池１００Ａのアノード側に滞留する窒素等を、その内部に貯留することができる。貯留部４８には、排気バルブ５７を備える配管５６が接続され、所定のタイミングで排気バルブ５７を開弁することによって、貯留部４８Ａ内の窒素等を、燃料電池１００外へ、放出する。
【００７７】
Ｂ１．発電ユニットおよびセパレータの構成：
上記したように、本実施例の燃料電池システム１０００Ａは、燃料電池１００Ａ外に貯留部４８Ａを備えているため、それに伴い、発電ユニット４００Ａおよびセパレータ３００Ａに形成される貫通孔の一部が、第１の実施例と異なっている。
【００７８】
図１３は、水素流路形成部４４０と当接するアノード対向プレート３１０Ａを示す平面図、図１４は、中間プレート３２０Ａを示す平面図、図１５は、空気流路形成部４６０と当接するカソード対向プレート３３０Ａを示す平面図、図１６は、発電ユニット４００Ａを、アノード側から見て示す平面図である。本実施例のセパレータ３００Ａ、発電ユニット４００Ａは、第１の実施例のセパレータ３００、発電ユニット４００と同様に、水素流路形成部４４０に水素を供給するための水素供給路を構成する第１の水素供給用貫通孔４０２ａ、第２の水素供給用貫通孔４０４ａ等、空気流路形成部４６０に空気を供給するための空気供給路を構成する空気供給用貫通孔４０６ａ等、カソード排ガスを燃料電池１００Ａ外へ排出するための空気排出路を形成する空気排出用貫通孔４０８ａ等、冷却水を燃料電池１００Ａ内に循環させるための冷却水供給用貫通孔４１０ａ、冷却水排出用貫通孔４１２ａ等が、各プレートおよびシール部材４２８Ａに、それぞれ形成されている。
【００７９】
本実施例のセパレータ３００Ａが、第１の実施例のセパレータ３００と異なる点は、貯留部用貫通孔４８０ａ、４８０ｍ、４８０ｃに代えて、図１３〜１５に示すように、窒素流通用貫通孔４８２ａ、４８２ｍ、４８２ｃが形成されている点である。また、本実施例の発電ユニット４００Ａが、第１の実施例の発電ユニット４００と異なる点は、貯留部用貫通孔４８０ｓに代えて、図１６に示すように、窒素流通用貫通孔４８２ｓが形成されている点である。すなわち、発電ユニット４００ＡにおけるＭＥＡ４２６、水素流路形成部４４０、空気流路形成部４６０は、第１の実施例と同一のものである。
【００８０】
窒素流通用貫通孔４８２ａ等は、貯留部用貫通孔４８０ａ等に比べて、開口面積が小さい。図１６に示すように、非反応流体案内流路４４２の幅と一致するような大きさに形成されている。このようにすることによって、燃料電池１００Ａを構成した際に、非反応流体案内流路４４２に案内されて窒素流通用貫通孔４８２ｓに流入した窒素は、所定の流速で窒素流通用貫通孔４８２ａ等によって構成される窒素流路内を流通して、配管５８を介して貯留部４８Ａ内に流入する。
【００８１】
Ｂ２．第２の実施例の効果：
図１７は、燃料電池１００Ａの断面構成および窒素の流れを概略的に示す説明図である。図１７では、図１４〜１６におけるＡ−Ａ断面図を示している。なお、燃料電池１００Ａの一部を抜き出して表示し、その他の部分は表示を省略する。
【００８２】
本実施例における燃料電池１００Ａにおいて、第１の実施例と同様に、第１の水素供給口４０２ｈおよび第２の水素供給口４０４ｈを介して水素流路形成部４４０に供給された水素は、主に、互いに向かい合うように流れる（図１０に矢印でしめすのと同様）。燃料電池１００Ａのアノード側において、燃料電池１００Ａの始動時に水素流路形成部４４０の中央付近に集められた窒素等は、図１７に示すように、非反応流体案内流路４４２に案内されて、溝部４２９を介して、窒素流通用貫通孔４８２ｓ等によって構成される窒素流路４８２に流入する。そして、その窒素等は、窒素流路４８２を流通して、配管５８を介して貯留部４８Ａ(図１２)に貯留される。
【００８３】
したがって、第１の実施例と同様に、水素流路形成部４４０内に、窒素等が局所的に滞留するのを抑制することができ、発電効率の低下を抑制することができる。
【００８４】
なお、第１の実施例と同様に、貯留部４８Ａの内容積を、燃料電池１００の運転停止時に、アノード側に滞留する窒素等の容積と略同一にすると、第１の実施例で述べたように、水素を無駄に放出する量を低減することができる。
【００８５】
Ｃ．非反応流体案内流路の変形例：
上記した第１の実施例および第２の実施例において、水素流路形成部４４０のセパレータと当接する面に、溝状に形成される非反応流体案内流路４４２を示したが、非反応流体案内流路４４２の形状は、上記した形状に限定されない。
【００８６】
（１）図１８は、非反応流体案内流路４４２の第１の変形例の非反応流体案内流路４４２Ｖ１を示す説明図、図１９は、第２の変形例の非反応流体案内流路４４２Ｖ２を示す説明図、図２０は、第３の変形例の非反応流体案内流路４４２Ｖ３を示す説明図、図２１は、第４の変形例の非反応流体案内流路４４２Ｖ４を示す説明図である。図１８〜２１は、変形例の発電ユニット４４０Ｖ１〜４の、図２におけるＡ−Ａ切断面を示す。なお、非反応流体案内流路４４２Ｖ１〜４は、それぞれ、第１の実施例および第２の実施例と同様に、水素流路形成部４４０の中心付近から、長辺に平行に、貯留部用貫通孔４８０ｓ（または窒素流通用貫通孔４８２ｓ）まで延びている。
【００８７】
図１８に示すように、非反応流体案内流路４４２Ｖ１は、水素流路形成部４４０のＭＥＡ４２６と当接する面に、溝状に形成される。図１９に示すように、非反応流体案内流路４４２Ｖ２は、水素流路形成部４４０を厚さ方向に貫通する貫通孔として形成される。図２０に示すように、非反応流体案内流路４４２Ｖ３は、水素流路形成部４４０内に空洞として形成される。非反応流体案内部を、第１〜３の変形例のようにしても、非反応流体案内部の流路抵抗が他の部分に比べて低くなるため、水素流路形成部内に滞留する窒素等の非反応流体は、非反応流体案内流路に案内されて、貯留部に流入する。
【００８８】
（２）図２１に示すように、非反応流体案内流路４４２Ｖ３は、水素流路形成部４４０の他の部分よりも、空孔率が高くなるように形成してもよい。空孔率が高い部分は、空孔率が低い部分に比べて、流路抵抗が低くなるため、ガスが流れ易い。したがって、非反応流体案内流路を、空孔率が高くなるように形成すると、水素流路形成部内に滞留する窒素等の非反応流体は、非反応流体案内流路に案内されて、貯留部に流入する。
【００８９】
（３）また、非反応流体案内流路４４２が形成される位置は、上記した実施例に限定されない。例えば、第１の実施例において、発電ユニット４００およびセパレータ３００に第２の水素供給用貫通孔４０４ｓや第２の水素供給口４０４ｈ等が形成されず、水素流路形成部４４０に対して第１の水素供給口４０２ｈのみから水素が供給される場合、窒素等は、水素流路形成部４４０において、空気排出用貫通孔４０８ｓ寄りの部分に集められると考えられる。そこで、非反応流体案内流路４４２を、水素流路形成部４４０における空気排出用貫通孔４０８ｓ寄りに形成すると、集められた窒素等を、効率よく、貯留部４８に案内することができる。
【００９０】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９１】
上述した実施例では、アノードに供給された燃料ガスが、ほぼ全量、アノードで消費される構造を採用しているが、係る構造での運転が可能としているアノードへの燃料供給の流路構成としては、種々の構成が採用可能である。代表的な流路構成として、ここでは、シャワー流路タイプの他、櫛歯型の構成や循環型の構成などを挙げることができる。まず、シャワー流路タイプの変形例から説明する。
【００９２】
（１−１）上記した実施例において、膜電極接合体と、水素流路形成部との間に、さらに、分散板を有する構成にしてもよい。
【００９３】
図２２は、膜電極接合体と水素流路形成部との間に、シャワー流路タイプの分散板を配置した構成例を示す模式図である。分散板２１００は、図２２に示すように、シート状（薄膜状）に形成され、その表面に分散して設けられた多数の貫通孔２１１０を有している。各貫通孔２１１０は、円形で共に口径が等しく（すなわち、同形状であり）、分散板２１００の厚さ方向に貫通し、また、分散板２１００の表面に、格子状に設けられる。分散板２１００において、シート面の面積に対して各貫通孔２１１０の開口部分が占める割合を開口率と呼ぶ。分散板２１００は、この開口率が比較的小さく設定される。分散板２１００の開口率は、５％未満が好ましく、３％未満がさらに好ましく、１％未満が特に好ましい。そのため、分散板２１００において、貫通孔２１１０の口径は、比較的小さく、各貫通孔２１１０間のピッチは比較的広くなっている。それに伴い、各貫通孔２１１０を通過する燃料ガスは、大きな圧力損失を伴う。この分散板２１００は、金で形成されている。なお、水素流路形成部４４０の一方の面に、熱圧着、ろう付け、溶接などによって接合されてもよい。また、分散板２１００を、ポリマー型導電性ペーストで形成してもよい。このポリマー型導電性ペーストは、例えば、銀ペースト、カーボンペースト、銀・カーボンペーストなどがある。この場合、ポリマー型導電性ペーストをシート状にした後に、水素流路形成部４４０の一方の面に熱圧着により接合するようにしてもよい。なお、分散板２１００は、膜電極接合体２０００と一体的に形成されるようにしてもよい。
【００９４】
このような構成にすれば、燃料ガスが、各貫通孔２１１０を通過する際の圧力損失が大きくなり、水素流路形成部４４０における燃料ガスの圧力分布を小さくすることができ、それにより、分散板２１００における各貫通孔２１１０からアノード側拡散層８２０Ｂに供給する燃料ガス量のばらつきを小さくすることができる。また、以上のようにすれば、水素側電極２２００と水素流路形成部４４０との間には、大きな圧力差が生じ、水素側電極２２００に比べて、水素流路形成部４４０の方が、圧力がかなり高くなる。それに伴い、各貫通孔２１１０において、燃料ガスの流速が速くなり、リークガスの拡散速度より燃料ガスの流速が速くなる。その結果、分散板２１００によって、リークガスが水素側電極２２００から貫通孔２１１０を介して水素流路形成部４４０に進入することが抑制され、水素流路形成部４４０にリークガスが滞留することが抑制される。
【００９５】
さらに、詳しく説明する。図２３は、分散板２１００の機能を説明する説明図である。燃料ガスは、分散板２１００によって水素ガスを消費する水素側電極２２００から隔離された上流側の流路で分配される。上流側の流路で分配された燃料ガスは、分散板２１００に設けられた貫通孔２１１０を通って、燃料ガス消費層である水素側電極２２００に局所的に供給される。つまり、本変形例では、燃料ガスは、貫通孔２１１０の存在位置に対応する部位の水素側電極２２００に直接的に供給される。こうした局所的な燃料ガスの供給を実現する構成としては、例えば、燃料ガスが、水素側電極２２００の他の領域を経由することなく、燃料ガスを消費する部位に直接供給する経路を有する構成、あるいは水素側電極２２００の面外の離れた方向（好ましくは水素側電極２２００から隔離された流路）から水素側電極２２００に向かって、主として垂直な方向に燃料ガスを供給する構成なども採用可能である。一方、水素側電極２２００は、窒素の滞留が発生しにくい形状とすればよい。例えば、平滑な面（フラットな面）から構成し、電解質膜２３００側に凹部などを有しない形状とすればよい。
【００９６】
分散板２１００の貫通孔２１１０の径およびピッチは、実験的に定めることができるが、例えば所定の運転状態（たとえば定格運転状態）において、貫通孔２１１０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ようにしても良い。係る条件が成立するように、貫通孔２１１０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、貫通孔２１１０の間隔と流路断面積を設定すればよい。たとえば、固体高分子型燃料電池では、分散板２１００の開口率を１％程度以下とすることで、十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生することが確認された。開口率とは、分散板２１００の開口面積を分散板２１００の全面積で除した割合である。このような開口率は、循環型の燃料ガス流路と比較すると１桁から２桁程度少ないため、循環型の燃料ガス流路にコンプレッサを用いて燃料ガスの流量を確保する構成とは本質的に異なっている。本実施例および変形例では、燃料タンクからの高圧水素を直接（あるいは所定の高圧圧力まで調圧弁で調圧した状態で）、燃料電池に導くことにより、開口率の低い構造でも十分な燃料ガスを確保している。
【００９７】
（１−２）次に、上述のシャワー流路タイプの他の構成例について説明する。図２４は、シャワー流路タイプの他の構成例を示す説明図である。この変形例では、水素側電極２２００と電解質膜２３００とを備えた膜電極接合体２２０１上に配置される分散板２１０１を、緻密な多孔体を用いて実現している。分散板２１０１の多孔体の開口率は、十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように選択されている。貫通孔を用いた場合には、貫通孔毎に、いわば離散化して、燃料ガスが局所的に供給されるのに対して、多孔体を用いた場合には、連続的に燃料ガスを供給することができるという利点を有している。また燃料ガスの水素側電極２２００への供給が一層均一化されるという利点も得られる。緻密な多孔体は、カーボン粉を焼結することによって製造しても良いし、カーボン分や金属粉をバインド剤を用いて固めることにより製造することも可能である。多孔は、連続多孔体であれば良く、厚さ方向への連続性を確保して面方向の連続性を確保しない異方性を備えたものとしても良い。多孔体の開口率については、（１−１）に説明したのと同様に決定すればよい。
【００９８】
（１−３）図２５は、プレスメタルを用いて構成された分散板２１０２を示す説明図、図２６は、そのＣ−Ｃ断面を示す模式図である。分散板２１０２は、分散板２１０２の上流側の流路を形成するための突部２１０２ｔを備え、この突部２１０２ｔの側面には貫通孔２１１２が形成されている。この分散板２１０２は、電解質膜２３００の両側に水素側電極２２００と酸素側電極２４００とを備えた膜電極接合体２２０２の水素側電極２２００側に配置されており、図１８に示したように、突部２１０２ｔを利用して、分散板２１０２の上流側の流路を一体に形成している。燃料ガスは、この突部２１０２ｔの側面に形成された貫通孔２１１２を介して、水素側電極２２００に供給される。
【００９９】
係る構成によれば、分散板２１０２をプレス加工により容易に形成することができるうえ、分散板２１０２上流の流路を簡易に形成できるという利点も得られる。貫通孔２１１２を通過した燃料ガスは、突部２１０２ｔ内部の空間を経て、水素側電極２２００に到るので、分散性を十分に確保することができる。貫通孔２１１２は、プレス加工に拠って形成しても良いし、突部２１０２ｔの形成の前工程または後工程において、放電加工など、他の手法により形成しても良い。貫通孔２１１２による開口率については、変形例１と同様に決定すればよい。
【０１００】
（１−４）図２７は、分散板２０１４ｈｍの内部に、流路を形成した構成例を示す説明図である。この変形例の分散板２０１４ｈｍは、長方形の形状の分散板２０１４ｈｍの短手方向に形成された複数の流路２１４２ｎと、この流路２１４２ｎから、分散板２０１４ｈｍの厚さ方向に設けられ、図示しない水素電極側に開披した多数の貫通孔２１４３ｎとを備える。分散板２０１４ｈｍは、電解質膜２３００の両側に水素側電極（図示せず）と酸素側電極２４００とを備えた膜電極接合体２２０３の水素側電極側に配置されており、分散板２０１４ｈｍを介して、燃料ガスの供給を受ける。係る構成に拠れば、各貫通孔２１４３ｎまでの流路を、個別に用意できるという利点が得られる。なお、図１９では、貫通孔２１４３ｎの配置は千鳥状としたが、格子状であってもよいし、ある程度ランダムに配置しても良い。
【０１０１】
（１−５）図２８は、パイプを使用して分散板２０１４ｈｐを形成した例を示す説明図である。分散板２０１４ｈｐは、図２８に示したように、矩形のフレーム２１４０を備え、その短手方向に亘って、中空の多数のパイプ２１３０を備えている。このパイプ２１３０の表面には、複数の貫通孔２１４１ｎが形成されている。この分散板２０１４ｈｐは、水素側電極２２００とで電解質膜２３００とを備えた膜電極接合体２２０４の水素側電極２２００上に設置される。分散板２０１４ｈｐのフレーム２１４０に用意されたガス流入口から燃料ガスを供給すると、燃料ガスは、分散板２０１４ｈｐの各パイプ２１３０の内部を通り、貫通孔２１４１ｎから、水素側電極２２００へと分配される。係る構成によれば、燃料ガスを均一に分散できるのに加えて、分散板２０１４ｈｐを構成するのに貫通孔２１４１ｎを除いて穴加工を行なう必要がないという利点が得られる。貫通孔２１４１ｎは、水素側電極２２００側に向けて配置して良いし、反対側に向けて配置してもよい。後者の場合には、燃料ガスの分散性は一層改善される。
【０１０２】
以上説明したように、燃料ガスを水素側電極２２００に分散させつつ導く構造であれば、種々の構成を採用することができる。分散板としては、多孔体やプレスメタルに限られず、燃料ガスを分配しつつ水素側電極２２００に導くように構成されていればよい。
【０１０３】
（２）上述した実施例では、多孔体の空隙を、水素流路（燃料ガスの流路）として利用するものを示したが、燃料ガスの流路の形態は種々の構成を採ることができる。
【０１０４】
図２９は、いわゆる分岐流路タイプの燃料ガス流路を用いた構成例を示す模式図である。図示する燃料ガス流路は、上述した実施例の水素流路形成部４４０と、セパレータ３００との間に配置される流路形成部材５０００に、櫛歯状に形成されている。具体的には、ガス流路は、燃料ガスを導入する主流路５０１０、この主流路から分岐し、主流路５０１０とは交差する方向に形成された複数本の副流路５０２０、この副流路から更に櫛歯状に分岐する櫛歯流路５０３０から形成されている。主流路５０１０および副流路５０２０は、先端の櫛歯流路５０３０と比べて流路断面積を十分に確保しているので、流路形成部材５０００の面内の圧力分布は、水素流路形成部４４０と同程度もしくはそれ以下となっている。
【０１０５】
この流路形成部材５０００は、カーボンや金属などを用いて形成することができる。カーボンを用いる場合は、型を用いてカーボン粉を高温または低温で焼結することにより、図２２に示した流路を備えた流路形成部材５０００を得ることができる。金属を用いる場合には、金属プレートから溝を削り出すことにより、同様の流路を備えた流路形成部材５０００を形成しても良いし、あるいはプレス加工により、図示する流路を備えた流路形成部材５０００を得ても良い。なお、流路形成部材５０００は、単品として設ける必要はなく、他の部材、例えばセパレータと一体に形成することも可能である。
【０１０６】
なお、図２９では、主流路５０１０を流路形成部材５０００の一縁部に沿って設けたが、流路形成部材５０００面内の燃料ガスの圧力差を小さくするために、主流路５０１０を複数の縁部に設けて、副流路５０２０の長さを短くしたり、あるいは主流路５０１０を流路形成部材の中心に設けて、副流路５０２０を主流路５０１０の左右に配置しても良い。同様に、櫛歯流路５０３０は、副流路５０２０の両側に設けても差し支えない。
【０１０７】
次に、図３０に基づいて、サーペンタイン型の流路構成について説明する。図３０は、流路が葛籠折れの形状をとっているサーペンタイン型流路を備えた流路形成部材の構成例を模式的に示す模式図である。図２３（Ａ）は、燃料ガスの流路が単一のタイプの流路形成部材５１００を例示し、図２３（Ｂ）は、燃料ガス流路が複数本統合されたタイプの流路形成部材５２００を例示している。
【０１０８】
図示するように、図３０（Ａ）に例示した流路形成部材５１００は、燃料ガスの流路を囲う外壁のうち対向する外壁５１１０，５１１５から、内側に向けて交互に延長された複数の流路壁５１２０を備える。流路壁５１２０で区切られた部分が連続する流路となっている。この一端に流入口５１５０が形成されており、燃料ガスはここから流路に供給される。この流路形成部材５１００は、図２２の流路形成部材５０００と同様、上述した実施例の水素流路形成部４４０とセパレータ３００との間に、配置される。
【０１０９】
図３０（Ｂ）は、このサーペンタイン型流路が、複数本の流路の束として構成された例を示している。この場合、外壁５２１０および５２１５から内側に向けて交互に延長された複数の流路壁５２２０の間に、外壁５２１０，５２１５とは連設されていない仕切壁５２３０，５２４０が設けられている。また、流路の入り口には、流入口５２５０が形成されている。流入口５２５０から流入した燃料ガスは、仕切壁５２３０，５２４０を備えた幅広のサーペンタイン型流路を流れて、流路形成部材５２００の面方向にくまなく行き渡る。この流路形成部材５２００は、図２９の流路形成部材５０００と同様、上述した実施例の水素流路形成部４４０とセパレータ３００との間に、配置される。
【０１１０】
図３０に示した流路形成部材５１００，５２００は、図２９に示した櫛歯型の流路を備えた流路形成部材５０００と同様に、カーボンや金属から形成される。その形成方法も同様である。これらの流路形成部材５１００，５２００は、単品として設ける必要はなく、他の部材、例えばセパレータと一体に形成することも可能である。
【０１１１】
このように、流路形成部材５０００、５１００または５２００をさらに備える場合には、水素流路形成部４４０において、流路形成部材５０００等における水素の下流に相当する位置に、非反応流体案内流路４４２を形成すれば、上記した実施例と同様の効果を得ることができる。
【０１１２】
（３）図３１は、燃料ガスの供給形態の変形例の一つとして、循環路タイプの燃料電池６０００の内部構成を模式的に示す説明図である。図示するように、本変形例の燃料電池６０００では、アノード側セパレータ６２００に、燃料ガス流路となる凹部６２２０と燃料ガス入口ポート６２１０と規制板６２３０とが設けられている。燃料ガス流路となる凹部６２２０は、アノード側セパレータ６２００の膜電極接合体のアノード６１００と対向する領域に亘って形成されている。アノード側セパレータ６２００における燃料ガス入口ポート６２１０には、ノズル６３００が、凹部６２２０に向けて燃料ガスを噴出可能に取り付けられている。このノズル６３００から燃料ガスを噴出することによって、燃料ガス入口ポート６２１０から、凹部６２２０内に燃料ガスが供給される。規制板６２３０は、燃料ガスの流れ方向を規制する部材であり、ノズル６３００の近傍から、凹部６２２０の中心付近に向けて、凹部６２２０の底面から立設されている。規制板６２３０のノズル６３００に近い側の端部は、ノズル６３００の側面形状に合わせて湾曲され、ノズル６３００との間で通路Ａを形成している。
【０１１３】
このような燃料電池６０００では、燃料ガス入口ポート６２１０から供給された燃料ガスが、ノズル６３００の噴射孔６３２０から燃料ガス流路（凹部６２２０）内に噴射されると、この燃料ガスは、アノード側セパレータ６２００の凹部６２２０の内側壁、および、規制板６２３０によって流れ方向が規制され、図中に白抜き矢印で示したように、アノード６１００の表面に沿って、図示した上流側から下流側に流れる。このとき、ノズル６３００から噴出する高速の燃料ガスによって生じるエゼクタ効果により、下流側の燃料ガスおよび不純物ガスを含む流体は、規制板６２３０の一方の端部とノズル６３００との間の隙間（通路Ａ）から吸引され、上流側に循環する。こうすることによって、燃料ガス流路、および、アノード６１２０表面における上記流体の滞留を抑制することができる。
【０１１４】
なお、本変形例の燃料電池６０００では、エゼクタ効果を利用して、上記流体をアノード６１００の表面に沿った方向に循環させるものとしたが、燃料電池の内部において、アノードの表面に沿った方向に上記流体を循環させることが可能な構造であれば、他の構成を用いても良い。例えば、燃料電池６０００において、ノズル６３００や規制板６２３０の代わりに、アノード側セパレータ６２００や、アノード６１００の面内等、燃料ガス流路となり得る部位に、整流板を設けるようにし、この整流板、および燃料ガスの流れによって、上記流体をアノード６１００の表面に沿った方向に循環させるようにしてもよい。あるいは凹部６２２０などのガス流路に、微小なアクチュエータ（例えばマイクロマシン）を循環路に沿って組み込んで、燃料ガスの循環を起こさせる構造としても良い。このほか、凹部６２２０内に温度差を設けて対流を利用して循環を起こさせる構成も考えられる。
【０１１５】
このアノード側セパレータ６２００（と対応するカソード側セパレータ）を、本実施例のセパレータ３００に代えて用いる場合も、水素流路形成部４４０において、アノード側セパレータ６２００における水素の下流に相当する位置（図３１において、「下流」と記載されている位置付近）に、非反応流体案内流路４４２を形成すれば、上記した実施例と同様の効果を得ることができる。
【０１１６】
（４）上記した実施例では、セパレータ３００において、第１の水素供給口４０２ｈ、第２の水素供給口４０４ｈが、水素流路形成部４４０の長辺に沿って配置されるものを示したが、水素供給口の配置は、上記した実施例の配置に限定されない。例えば、第１の水素供給口４０２ｈ、第２の水素供給口４０４ｈを、水素流路形成部４４０の短辺に沿って配置されるようにしてもよい。
【０１１７】
また、例えば、水素流路形成部４４０の一方の長辺側からのみ、水素が供給されるようにしてもよい。すなわち、第２の水素供給口４０４ｈが配置されないようにしてもよい。このようにしても、非反応流体案内流路４４２を、水素の流れの下流に相当する位置に配置すれば、上記した実施例と同様の効果を得ることができる。
【０１１８】
（５）上記実施例の燃料電池において、カソード側の酸化剤ガス供給流路を、一層の多孔体（空気流路形成部４６０）によって形成しているが、酸化剤ガスの供給路の構成はこれに限られるものではない。例えば、酸化剤ガス供給流路を、リブを用いて、ストレート型若しくはサーペンタイン型に形成してもよいし、複数のディンプルを用いて形成してもよい。このようにすれば、簡易な構成で酸化剤ガス供給流路を形成することができる。燃料電池全体の構成や使用条件などに合わせて適切な構成を採用すればよい。
【０１１９】
（６−１）つぎに、上記実施例の燃料電池の始動時制御について説明する。変形例の燃料電池では、始動時において、アノード側の燃料ガス流路に燃料ガスの供給が開始され、所定時間ＴＡ経過後、初めて負荷を接続し、燃料電池から電流を取り出している。このようにすれば、燃料電池の発電終了後にカソード側からアノード側にリークし滞留しているリークガス（窒素ガスまたは不活性ガス）は、所定時間ＴＡの間に、燃料ガスの圧力で、カソード側に押し返され、リークガス滞留量が減少してから負荷が接続されることになる。したがって、アノード８２０において、燃料電池の始動時に燃料ガスが欠乏した状態で運転されるという事態の発生を抑制することができる。なお、この場合の「始動」とは、燃料電池に反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を供給すると共に、燃料電池に負荷を接続することをいう。燃料電池の停止時にリークガスがアノード側に滞留するのは、燃料ガスの供給が停止された結果、アノード側の燃料ガス圧力が低下するためである。特にアノードデッドエンドの構成を採用した場合、燃料ガスの供給によるリークガスの排出路への排出が期待できない。したがって、燃料ガスの供給を開始してから、負荷を接続するまでに十分な時間ＴＡを確保することは有効である。
【０１２０】
（６−２）燃料電池の始動時において、燃料ガスの供給量および電気的な負荷を接続するまでの所定時間ＴＡのうち少なくとも一方を、燃料電池の運転開始時におけるリークガス滞留量に基づいて決定する構成とすることも可能である。このリークガス滞留量は、例えば、燃料電池において前回の起動終了時から今回の始動時までの燃料電池停止期間や燃料電池の温度から推定するようにしてもよい。燃料電池の温度は、例えば、燃料電池を冷却する冷媒の温度等に基づいて検出することができる。このようにすれば、燃料電池の始動時間の短縮化を実現しつつ、アノード側の燃料ガス流路におけるリークガス滞留量を減少させることができる。
【０１２１】
（６−３）また、燃料電池の始動時に負荷を接続するタイミングを、アノード側の水素濃度に基づいて決定しても良い。上記実施例の燃料電池において、水素濃度センサをアノード側の燃料ガス流路内の所定部位に取り付け、始動時において、アノード側の燃料ガス流路に燃料ガスの供給が開始された後、水素濃度センサから検出される水素濃度値を監視する。水素濃度値が、所定の閾値より高くなった場合に、電気的な負荷を接続するものとすれば、アノード８２０において、水素欠乏運転となることを抑制することができる。このほか、アノード側の圧力や温度から、電気的な負荷の接続のタイミングを求める構成なども可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明の第１の実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】発電ユニット４００をアノード側から見て示す平面図である。
【図３】発電ユニット４０のＣ−Ｃ切断面を示す断面図である。
【図４】アノード対向プレート３１０を示す平面図である。
【図５】中間プレート３２０を示す平面図である。
【図６】カソード対向プレート３３０を示す平面図である。
【図７】セパレータ３００の平面図である。
【図８】燃料電池１００の断面構成および空気の流れを概略的に示す説明図である。
【図９】燃料電池１００の断面構成および水素の流れを概略的に示す説明図である。
【図１０】発電ユニット４００をアノード側から見て示した平面図である。
【図１１】燃料電池１００の断面構成および窒素等の流れを概略的に示す説明図である。
【図１２】第２の実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図１３】アノード対向プレート３１０Ａを示す平面図である。
【図１４】中間プレート３２０Ａを示す平面図である。
【図１５】カソード対向プレート３３０Ａを示す平面図である。
【図１６】発電ユニット４００Ａをアノード側から見て示す平面図である。
【図１７】燃料電池１００Ａの断面構成および窒素の流れを概略的に示す説明図である。
【図１８】非反応流体案内流路４４２の第１の変形例の非反応流体案内流路４４２Ｖ１を示す説明図である。
【図１９】第２の変形例の非反応流体案内流路４４２Ｖ２を示す説明図である。
【図２０】第３の変形例の非反応流体案内流路４４２Ｖ３を示す説明図である。
【図２１】第４の変形例の非反応流体案内流路４４２Ｖ４を示す説明図である。
【図２２】膜電極接合体と水素流路形成部との間にシャワー流路タイプの分散板を配置した構成例を示す模式図である。
【図２３】分散板２１００の機能を説明する説明図である。
【図２４】シャワー流路タイプの他の構成例を示す説明図である。
【図２５】プレスメタルを用いて構成された分散板２１０２を示す説明図である。
【図２６】分散板２１０２のＣ−Ｃ断面を示す模式図である。
【図２７】分散板２０１４ｈｍの内部に流路を形成した構成例を示す説明図である。
【図２８】パイプを使用して分散板２０１４ｈｐを形成した例を示す説明図である。
【図２９】いわゆる分岐流路タイプの燃料ガス流路を用いた構成例を示す模式図である。
【図３０】流路が葛籠折れの形状をとっているサーペンタイン型流路を備えた流路形成部材の構成例を模式的に示す模式図である。
【図３１】燃料ガスの供給形態の変形例の一つとして循環路タイプの燃料電池６０００の内部構成を模式的に示す説明図である。
【図３２】本願発明の燃料電池の他の構成例（その１）を示す説明図である。
【図３３】本願発明の燃料電池の他の構成例（その２）を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１２３】
１１、１２...エンドプレート
２１、２２...絶縁板
３１、３２...集電板
４０...積層体
４８、４８Ａ...貯留部
５０...水素タンク
５１...シャットバルブ
５２...レギュレータ
５３、５６、５８、６１、６２、７２...配管
５７...排気バルブ
６０...コンプレッサ
７０...ポンプ
７１...ラジエータ
１００、１００Ａ...燃料電池
３００、３００Ａ...セパレータ
３１０、３１０Ａ...アノード対向プレート
３２０、３２０Ａ...中間プレート
３３０、３３０Ａ...カソード対向プレート
４００、４００Ａ...発電ユニット
４０２ａ、４０２ｃ、４０２ｍ、４０２ｓ...第１の水素供給用貫通孔
４０２ｈ...第１の水素供給口
４０２ｊ...水素供給接続部
４０４ａ、４０４ｃ、４０４ｍ、４０４ｓ...第２の水素供給用貫通孔
４０４ｈ...第２の水素供給口
４０４ｊ...水素供給用接続部
４０６ａ、４０６ｃ、４０６ｍ、４０６ｓ...空気供給用貫通孔
４０６ｈ...空気供給口
４０６ｊ...空気供給用接続部
４０８ａ、４０８ｃ、４０８ｍ、４０８ｓ...空気排出用貫通孔
４０８ｈ...空気排出口
４０８ｊ...空気排出用接続部
４１０ａ、４１０ｃ、４１０ｍ、４１０ｓ...冷却水供給用貫通孔
４１０ｐ...冷却水流路
４１２ａ、４１２ｃ、４１２ｍ、４１２ｓ...冷却水排出用貫通孔
４２０...シール部材一体型ＭＥＡ
４２１...電解質膜
４２２...アノード側触媒層
４２３...アノード側拡散層
４２４...カソード側触媒層
４２５...カソード側拡散層
４２８、４２８Ａ...シール部材
４２９...溝部
４４０...水素流路形成部
４４２...非反応流体案内流路
４６０...空気流路形成部
４８０ａ、４８０ｃ、４８０ｍ、４８０ｓ...貯留部用貫通孔
４８２...窒素流路
４８２ａ、４８２ｓ...窒素流通用貫通孔
１０００、１０００Ａ...燃料電池システム
２０００...膜電極接合体
２０１４ｈｍ、２０１４ｈｐ、２１００、２１０１、２１０２...分散板
２１０２ｔ...突部
２１１０、２１１２...貫通孔
２１３０...パイプ
２１４０...フレーム
２１４１ｎ...貫通孔
２１４２ｎ...流路
２１４３ｎ...貫通孔
２２００...水素側電極
２２０１、２２０２、２２０３、２２０４...膜電極接合体
２３００...電解質膜
２４００...酸素側電極
５０００、５１００、５２００...流路形成部材
５０１０...主流路
５０２０...副流路
５０３０...櫛歯流路
５１１０...外壁
５１２０、５２２０...流路壁
５１５０、５２５０...流入口
５２１０...外壁
５２３０...仕切壁
６０００...燃料電池
６１００...アノード
６２００...アノード側セパレータ
６２１０...燃料ガス入口ポート
６２２０...凹部
６２３０...規制板
６３００...ノズル
６３２０...噴射孔
【図１】
2009026521.tif 000003
【図２】
2009026521.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009026521.tif 000007
【図６】
2009026521.tif 000008
【図７】
2009026521.tif 000009
【図８】
2009026521.tif 000010
【図９】
2009026521.tif 000011
【図１０】
2009026521.tif 000012
【図１１】
2009026521.tif 000013
【図１２】
2009026521.tif 000014
【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】
2009026521.tif 000020
【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】
2009026521.tif 000031
【図３０】
2009026521.tif 000032
【図３１】
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【図３２】
2009026521.tif 000034
【図３３】
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