JP2012003875A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の乾燥による発電性能の低下を十分に抑制する。
【解決手段】燃料電池は、電解質膜と触媒層とを含む発電体層と、アノードガス流路を有するアノードガス流路層と、カソードガス流路を有するカソードガス流路層と、を備える。発電体層へのカソードガス供給が行われるカソード有効流路部の内の最下流部分であるカソード出口近傍部と、発電体層へのアノードガス供給が行われるアノード有効流路部の内の最上流部分であるアノード入口近傍部と、が発電体層を挟んで対向し、カソード有効流路部の内の最上流部分であるカソード入口近傍部と、アノード有効流路部の内のアノード入口近傍部より下流側で、かつ、アノード有効流路部の最下流部分であるアノード出口近傍部より上流側のアノード中間部と、が発電体層を挟んで対向する。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで配置される一対の触媒層（アノード側触媒層およびカソード側触媒層）のそれぞれに反応ガス（アノードガスおよびカソードガス）を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。アノードガスは燃料ガスとも呼ばれ、カソードガスは酸化ガスとも呼ばれる。

燃料電池において、電解質膜が乾燥すると、電解質膜のイオン伝導性が低下し、発電性能が低下する。燃料電池の発電性能低下を抑制するために、反応ガスを加湿器で加湿してから燃料電池に供給する場合がある。

また、加湿器を使用せずとも乾燥による発電性能低下を抑制可能な燃料電池の一例として、アノードガス流れ方向とカソードガス流れ方向とを逆向き（対向流）とし、発電領域の外側に、一方の湿潤な反応ガスで他方の反応ガスを加湿する加湿領域を設けた燃料電池が知られている（例えば特許文献１参照）。この燃料電池では、電気化学反応によって生成された水（水蒸気）が、カソードガスによってカソードガス下流側へと運ばれ、カソードガス下流側に設けられた加湿領域においてアノード側（アノードガス上流側）に移動する。その後、水蒸気は、アノードガスによってアノードガス下流側へと運ばれ、アノードガス下流側に設けられた加湿領域においてカソード側（カソードガス上流側）に移動する。このような水の移動により、燃料電池の乾燥による発電性能低下が抑制される。

特開２００２−２５５８４号公報

しかしながら、上記従来の燃料電池では、アノードガスが上流側から下流側に移動する間に発電によって消費され、アノードガスの下流側ではアノードガス流量が低下しアノードガスに含まれる水蒸気量も少なくなるため、下流側のアノードガスによって流量の多い上流側のカソードガスを十分に加湿することができない。そのため、上記従来の燃料電池では、特にカソードガス上流側において乾燥が十分に抑制されず、発電性能の低下が十分に抑制されない、という課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の乾燥による発電性能の低下を十分に抑制することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の一方の側に配置されたアノード側触媒層と前記電解質膜の他方の側に配置されたカソード側触媒層とを含む発電体層と、
前記発電体層のアノード側に配置され、前記発電体層にアノードガスを供給するためのアノードガス流路を有するアノードガス流路層と、
前記発電体層のカソード側に配置され、前記発電体層にカソードガスを供給するためのカソードガス流路を有するカソードガス流路層と、を備え、
前記アノードガス流路層および前記カソードガス流路層は、前記カソードガス流路における前記発電体層へのカソードガス供給が行われる部分であるカソード有効流路部の内の最下流部分であるカソード出口近傍部と、前記アノードガス流路における前記発電体層へのアノードガス供給が行われる部分であるアノード有効流路部の内の最上流部分であるアノード入口近傍部と、が前記発電体層を挟んで対向し、かつ、前記カソード有効流路部の内の最上流部分であるカソード入口近傍部と、前記アノード有効流路部の内の前記アノード入口近傍部より下流側で、かつ、前記アノード有効流路部の最下流部分であるアノード出口近傍部より上流側の部分であるアノード中間部と、が前記発電体層を挟んで対向するように、構成されている、燃料電池。

この燃料電池では、カソード出口近傍部とアノード入口近傍部とが発電体層を挟んで対向しているため、カソード出口近傍部からアノード入口近傍部への水の移動によりアノード入口近傍部におけるアノードガスが十分に加湿される。また、この燃料電池では、カソード入口近傍部とアノード中間部とが発電体層を挟んで対向している。ここで、アノード中間部は、アノード有効流路部の内、アノード入口近傍部より下流側で、かつ、アノード出口近傍部より上流側の部分であるため、アノード中間部ではアノードガスの流量がアノード出口近傍部より多く水蒸気量が多い。そのため、この燃料電池では、アノード中間部からカソード入口近傍部への水の移動によって、カソード入口近傍部におけるカソードガスが十分に加湿される。従って、この燃料電池では、アノード側およびカソード側共に乾燥を十分に抑制することができ、燃料電池の乾燥による発電性能の低下を十分に抑制することができる。

［適用例２］適用例１に記載の燃料電池であって、
前記アノード中間部は、前記アノード有効流路部の内の前記アノード入口近傍部に隣接する部分である、燃料電池。

この燃料電池では、アノードガスの流量および水蒸気分圧がアノード入口近傍部を除く部分の中では最大であるアノード中間部をカソード入口近傍部と対向させることにより、カソード入口近傍部におけるカソードガスを最大限に加湿することができ、燃料電池の乾燥による発電性能の低下を最大限に抑制することができる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃料電池であって、
前記アノードガス流路と前記カソードガス流路との少なくとも一方は、前記発電体層へのガス供給が行われない部分であるバイパス流路部を含む、燃料電池。

この燃料電池では、アノードガス流路とカソードガス流路との少なくとも一方がバイパス流路部を含むため、アノードガス流路およびカソードガス流路を、カソード出口近傍部とアノード入口近傍部とが発電体層を挟んで対向し、かつ、カソード入口近傍部とアノード中間部とが発電体層を挟んで対向するように構成することができる。

［適用例４］適用例３に記載の燃料電池であって、
前記バイパス流路部は、前記アノードガス流路に含まれる前記アノード入口近傍部と前記アノード中間部とを連結する流路と、前記カソードガス流路に含まれる前記カソード有効流路部の内の前記カソード入口近傍部より下流側の部分と前記カソード出口近傍部とを連結する流路と、の少なくとも一方である、燃料電池。

この燃料電池では、バイパス流路部を利用して、アノードガス流路およびカソードガス流路を、カソード出口近傍部とアノード入口近傍部とが発電体層を挟んで対向し、かつ、カソード入口近傍部とアノード中間部とが発電体層を挟んで対向するように構成することができる。

［適用例５］燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の一方の側に配置されたアノード側触媒層と前記電解質膜の他方の側に配置されたカソード側触媒層とを含む発電体層と、
前記発電体層のアノード側に配置され、アノードガスを前記燃料電池の積層方向に略直行する所定の方向に沿って流動させつつ前記発電体層に供給するためのアノードガス流路を有するアノードガス流路層と、
前記発電体層のカソード側に配置され、カソードガスを前記所定の方向と略同一方向に沿って流動させつつ前記発電体層に供給するためのカソードガス流路を有するカソードガス流路層と、を備え、
前記アノードガス流路層および前記カソードガス流路層は、前記カソードガス流路における前記発電体層へのカソードガス供給が行われる部分であるカソード有効流路部の内の最下流部分であるカソード出口近傍部と、前記アノードガス流路における前記発電体層へのアノードガス供給が行われる部分であるアノード有効流路部の内の最上流部分であるアノード入口近傍部と、が前記発電体層を挟んで対向し、かつ、前記カソード出口近傍部および前記アノード入口近傍部が、前記カソード有効流路部の内の最上流部分であるカソード入口近傍部と前記アノード有効流路部の内の最下流部分であるアノード出口近傍部との間に挟まれるように配置されるように、構成されている、燃料電池。

この燃料電池では、カソード出口近傍部とアノード入口近傍部とが発電体層を挟んで対向しているため、カソード出口近傍部からアノード入口近傍部への水の移動によりアノード入口近傍部におけるアノードガスが十分に加湿される。また、この燃料電池では、アノードガス流路におけるアノードガスの流れ方向とカソードガス流路におけるカソードガスの流れ方向とが略同一であり、また、カソード出口近傍部およびアノード入口近傍部がカソード入口近傍部とアノード出口近傍部との間に挟まれるように配置されているため、カソード入口近傍部と、アノード有効流路部の内のアノード入口近傍部より下流側で、かつ、アノード出口近傍部より上流側の部分（アノード中間部）と、が対向することとなる。アノード中間部ではアノードガスの流量がアノード出口近傍部より多く水蒸気量が多い。そのため、この燃料電池では、アノード中間部からカソード入口近傍部への水の移動によって、カソード入口近傍部におけるカソードガスが十分に加湿される。従って、この燃料電池では、アノード側およびカソード側共に乾燥を十分に抑制することができ、燃料電池の乾燥による発電性能の低下を十分に抑制することができる。

［適用例６］適用例５に記載の燃料電池であって、
前記アノードガス流路層および前記カソードガス流路層は、それぞれ、流路層におけるガスの流動方向を規定する隔壁を有し、
前記アノード出口近傍部および前記アノード入口近傍部は、前記アノードガス流路層の前記隔壁を介して隣接しており、
前記カソード出口近傍部および前記カソード入口近傍部は、前記カソードガス流路層の前記隔壁を介して隣接している、燃料電池。

この燃料電池では、アノードガス流路においてアノードガスの流量および水蒸気分圧がアノード入口近傍部を除く部分の中では最大である部分をカソード入口近傍部と対向させることができ、カソード入口近傍部におけるカソードガスを最大限に加湿することができ、燃料電池の乾燥による発電性能の低下を最大限に抑制することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池システム等の形態で実現することができる。

第１実施例における燃料電池１０の構成を概略的に示す説明図である。 発電体モジュール１００の構成を示す説明図である。 カソード側セパレータ２００の平面構成を示す説明図である。 アノード側セパレータ３００の平面構成を示す説明図である。 冷却媒体流路層４００の平面構成を示す説明図である。 燃料電池１０における反応ガスの流れを示す説明図である。 第１実施例の燃料電池の反応ガス流路における反応ガスの流れに沿った水蒸気分圧の変化の一例を示す説明図である。 第１実施例の燃料電池１０と比較例の燃料電池を対象とした各セル温度におけるセル電圧の測定結果の一例を示す説明図である。 第２実施例における発電体モジュール１００ａの構成を示す説明図である。 第２実施例におけるカソード側セパレータ２００ａの平面構成を示す説明図である。 第２実施例におけるアノード側セパレータ３００ａの平面構成を示す説明図である。 第２実施例における冷却媒体流路層４００ａの平面構成を示す説明図である。 第２実施例の燃料電池における反応ガスの流れを示す説明図である。 第３実施例における燃料電池の発電体モジュールの構成を示す説明図である。 カソード側セパレータ２００ｂの平面構成を示す説明図である。 アノード側セパレータ３００ｂの平面構成を示す説明図である。 第３実施例の燃料電池１０における反応ガスの流れを示す説明図である。 第３実施例の燃料電池の反応ガス流路における反応ガスの流れに沿った水蒸気分圧の変化の一例を示す説明図である。 変形例における燃料電池の発電体モジュールの構成を示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例における燃料電池１０の構成を概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、発電体モジュール１００と、発電体モジュール１００の一方の側（カソード側）に配置されたカソード側セパレータ２００と、発電体モジュール１００の他方の側（アノード側）に配置されたアノード側セパレータ３００と、から構成される積層体と、冷却媒体流路層４００と、が交互に積層されたスタック構造を有している。燃料電池１０を構成する各層は、略矩形平面を有している。なお、図１には、燃料電池１０の構成をわかりやすく示すために、発電体モジュール１００とカソード側セパレータ２００とアノード側セパレータ３００と一対の冷却媒体流路層４００とで構成される１つのセルのみを示し、燃料電池１０に含まれる他のセルの図示を省略している。

図２は、発電体モジュール１００の構成を示す説明図である。図２（ａ）には、図１の方向Ｄ１から見た発電体モジュール１００の平面構成を示しており、図２（ｂ）には、図２（ａ）のＡ１−Ａ１の位置における発電体モジュール１００の断面構成を示している。図２（ｂ）に示すように、発電体モジュール１００は、発電体層１１０と、発電体層１１０の一方の側（アノード側）に配置されたアノード側多孔体層１０６と、発電体層１１０の他方の側（カソード側）に配置されカソード側多孔体層１０７と、を有している。また、発電体層１１０は、電解質膜１０１と、電解質膜１０１の一方の側に配置されたアノード側触媒層１０２と、電解質膜１０１の他方の側に配置されたカソード側触媒層１０３と、アノード側触媒層１０２の電解質膜１０１と接する側とは反対側に配置されたアノード側拡散層１０４と、カソード側触媒層１０３の電解質膜１０１と接する側とは反対側に配置されたカソード側拡散層１０５と、を含んでいる。なお、電解質膜１０１とアノード側触媒層１０２およびカソード側触媒層１０３（以下、まとめて「触媒層」とも呼ぶ）とで構成される積層体は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ（膜・電極接合体））とも呼ばれる。

電解質膜１０１は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。触媒層１０２，１０３は、電極反応を促進する触媒を提供する層であり、例えば白金を担持したカーボンと電解質とを含む材料により形成されている。アノード側拡散層１０４およびカソード側拡散層１０５（以下、まとめて「拡散層」とも呼ぶ）は、電極反応に用いられる反応ガス（アノードガスおよびカソードガス）を燃料電池１０の面方向（燃料電池１０の積層方向に略直交する方向）に沿って拡散させる層であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパーにより形成されている。アノード側多孔体層１０６およびカソード側多孔体層１０７（以下、まとめて「多孔体層」とも呼ぶ）は、反応ガスを燃料電池１０の面方向に沿って流通させる反応ガス流路として機能する層であり、金属多孔体やカーボン多孔体などの導電性を有する多孔質材料により形成されている。

発電体層１１０と多孔体層１０６，１０７とは、樹脂フレーム１４０によって一体成形されている。樹脂フレーム１４０には、図２（ａ）に示すように、各種マニホールドを構成するための燃料電池１０の積層方向に沿った複数の貫通孔が形成されている。すなわち、樹脂フレーム１４０には、アノードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１１１と、アノードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１１２と、カソードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１２１と、カソードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１２２と、冷却媒体供給マニホールドを構成する貫通孔１３１と、冷却媒体排出マニホールドを構成する貫通孔１３２と、が形成されている。

なお、本実施例の燃料電池１０では、カソードガスとして空気が用いられ、アノードガスとして水素ガスが用いられ、冷却媒体として水が用いられる。また、本実施例の燃料電池１０では、反応ガスの加湿は行われないものとする。

図２（ａ）に示すように、カソードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１２１は、発電体モジュール１００の略矩形平面における一の外周辺付近に形成されており、カソードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１２２は、発電体モジュール１００の略矩形平面における上記一の外周辺の対向辺付近に形成されている。以下では、説明の便宜上、発電体モジュール１００の平面において、貫通孔１２１から貫通孔１２２に向かう方向をＴ方向と呼び、Ｔ方向の逆方向をＢ方向と呼び、Ｔ方向およびＢ方向に直交する一の方向をＲ方向と呼び、Ｒ方向の逆方向をＬ方向と呼ぶものとする。また、これらの方向の呼び方は、燃料電池１０を構成する他の層の平面においても同様とする。

上述したように、カソードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１２１は、Ｂ方向端部付近に形成され、カソードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１２２は、Ｔ方向端部付近に形成されている。また、アノードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１１１は、Ｔ方向端部付近のＬ方向側に形成され、アノードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１１２は、Ｂ方向端部付近のＬ方向側に形成されている。また、冷却媒体供給マニホールドを構成する貫通孔１３１は、Ｌ方向端部付近に形成され、冷却媒体排出マニホールドを構成する貫通孔１３２は、Ｒ方向端部付近に形成されている。

また、本実施例の燃料電池１０では、アノード側に、樹脂フレーム１４０の一部として隔壁１４２が形成されている。隔壁１４２は、貫通孔１２１と貫通孔１２２とを結ぶ方向に略直交する方向（Ｒ（Ｌ）方向）に沿った壁体形状であり、アノード側拡散層１０４およびアノード側多孔体層１０６をＴ（Ｂ）方向に沿って２つの部分に分断している。本実施例では、隔壁１４２は、Ｔ（Ｂ）方向に沿って貫通孔１２２および貫通孔１１１に比較的近い側の位置に形成されている。

図３は、カソード側セパレータ２００の平面構成を示す説明図である。本実施例のカソード側セパレータ２００は、孔あけ加工が施された金属プレートである。カソード側セパレータ２００には、アノードガス供給マニホールドを構成する貫通孔２１１と、アノードガス排出マニホールドを構成する貫通孔２１２と、カソードガス供給マニホールドを構成する貫通孔２２１と、カソードガス排出マニホールドを構成する貫通孔２２２と、冷却媒体供給マニホールドを構成する貫通孔２３１と、冷却媒体排出マニホールドを構成する貫通孔２３２と、が形成されている。カソード側セパレータ２００における各貫通孔の位置は、発電体モジュール１００における各貫通孔の位置に対応する位置（すなわち、積層時に発電体モジュール１００における各貫通孔と連通するような位置）となっている。

なお、図３には、発電体層１１０における実際に発電が行われる領域である発電領域ＧＡ（電解質膜１０１において触媒層１０２，１０３が形成されている領域）に対向するカソード側セパレータ２００上の領域を破線で示している（他の層の平面構成を示す他の図においても同様）。また、図３には、カソード側セパレータ２００に対向するカソード側多孔体層１０７（図２）におけるカソードガスの流れ方向を示している。これについては、後に詳述する。

図４は、アノード側セパレータ３００の平面構成を示す説明図である。本実施例のアノード側セパレータ３００は、孔あけ加工が施された金属プレートである。アノード側セパレータ３００には、アノードガス供給マニホールドを構成する貫通孔３１１と、アノードガス排出マニホールドを構成する貫通孔３１２と、カソードガス供給マニホールドを構成する貫通孔３２１と、カソードガス排出マニホールドを構成する貫通孔３２２と、冷却媒体供給マニホールドを構成する貫通孔３３１と、冷却媒体排出マニホールドを構成する貫通孔３３２と、が形成されている。アノード側セパレータ３００における各貫通孔の位置は、発電体モジュール１００における各貫通孔の位置に対応する位置（すなわち、積層時に発電体モジュール１００における各貫通孔と連通するような位置）となっている。

アノード側セパレータ３００には、さらに、アノードガス供給マニホールドとアノードガス排出マニホールドとを結ぶアノードガス流路の一部を構成する貫通孔が形成されている。すなわち、アノード側セパレータ３００には、貫通孔３１１からＲ方向に伸びるスリット状の貫通孔であって発電領域ＧＡのＴ方向端部付近に対向する貫通孔３１５と、Ｒ（Ｌ）方向に沿って伸びるスリット状の貫通孔であって発電領域ＧＡにおける隔壁１４２とＴ方向に隣接する領域に対向する貫通孔３１６と、Ｒ（Ｌ）方向に沿って伸びるスリット状の貫通孔であって発電領域ＧＡのＢ方向端部付近に対向する貫通孔３１８と、貫通孔３１６と貫通孔３１８とを発電領域ＧＡに対向しない位置で連通する貫通孔３１７と、Ｒ（Ｌ）方向に沿って伸びるスリット状の貫通孔であって発電領域ＧＡにおける隔壁１４２のＢ方向に隣接する領域に対向する貫通孔３１９と、貫通孔３１９と貫通孔３１２とを発電領域ＧＡに対向しない位置で連通する貫通孔３１３と、が形成されている。

なお、図４には、アノード側セパレータ３００の各貫通孔およびアノード側セパレータ３００に対向するアノード側多孔体層１０６（図２）におけるアノードガスの流れ方向を示している。これについては、後に詳述する。

図５は、冷却媒体流路層４００の平面構成を示す説明図である。本実施例の冷却媒体流路層４００は、孔あけ加工が施された金属プレートである。冷却媒体流路層４００には、アノードガス供給マニホールドを構成する貫通孔４１１と、アノードガス排出マニホールドを構成する貫通孔４１２と、カソードガス供給マニホールドを構成する貫通孔４２１と、カソードガス排出マニホールドを構成する貫通孔４２２と、冷却媒体供給マニホールドを構成する貫通孔４３１と、冷却媒体排出マニホールドを構成する貫通孔４３２と、が形成されている。冷却媒体流路層４００における各貫通孔の位置は、発電体モジュール１００における各貫通孔の位置に対応する位置（すなわち、積層時に発電体モジュール１００における各貫通孔と連通するような位置）となっている。

冷却媒体流路層４００は、また、冷却媒体流路４４０を有している。冷却媒体流路４４０は、冷却媒体流路層４００の貫通孔４３１と貫通孔４３２とを結ぶ位置に貫通孔が形成され、当該貫通孔に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路として機能する金属多孔体やカーボン多孔体などの導電性を有する多孔質材料がはめ込まれることによって形成される。

燃料電池１０において、各層の貫通孔１３１，２３１，３３１，４３１により構成される冷却媒体供給マニホールドから供給される冷却媒体は、図５に示すように、冷却媒体流路層４００において冷却媒体流路４４０内を貫通孔４３１から貫通孔４３２の方向（Ｒ方向）に流動し、各層の貫通孔１３２，２３２，３３２，４３２により構成される冷却媒体排出マニホールドへと排出される。これによって、冷却媒体を用いた燃料電池１０の冷却が実現される。

図６は、燃料電池１０における反応ガスの流れを示す説明図である。以下、図６および図３，４を用いて、燃料電池１０における反応ガスの流れを説明する。燃料電池１０のカソード側では、各層の貫通孔１２１，２２１，３２１，４２１により構成されるカソードガス供給マニホールドにカソードガスが供給されると、カソードガスは、発電体モジュール１００のカソード側多孔体層１０７内に流入し、各層の貫通孔１２２，２２２，３２２，４２２により構成されるカソードガス排出マニホールドに向けてカソード側多孔体層１０７内を流動しつつ発電体層１１０に供給されて発電体層１１０における発電に使用され、使用されなかったカソードガスはカソードガス排出マニホールドへと排出される（図３，６参照）。

同様に、燃料電池１０のアノード側では、各層の貫通孔１１１，２１１，３１１，４１１により構成されるアノードガス供給マニホールドにアノードガスが供給されると、アノードガスは、発電体モジュール１００のアノード側多孔体層１０６内に流入し、各層の貫通孔１１２，２１２，３１２，４１２により構成されるアノードガス排出マニホールドに向けてアノード側多孔体層１０６内を流動しつつ発電体層１１０に供給されて発電体層１１０における発電に使用され、使用されなかったアノードガスはアノードガス排出マニホールドへと排出される。より詳細には、アノードガス供給マニホールドに供給されたアノードガスは、アノード側セパレータ３００における発電領域ＧＡのＴ方向端部付近に対向する位置に形成された貫通孔３１５を介してアノード側多孔体層１０６内に流入し、貫通孔３１６に対向する位置（隔壁１４２のＴ方向に隣接する位置）に向けてアノード側多孔体層１０６内を流動し、隔壁１４２の直前の位置でアノード側多孔体層１０６から貫通孔３１６内に移動する（図４，６参照）。貫通孔３１６内に移動したアノードガスは、発電領域ＧＡに対向しない位置に形成された貫通孔３１７を通って、発電領域ＧＡのＢ方向端部付近に対向する位置に形成された貫通孔３１８に至り、貫通孔３１８から再びアノード側多孔体層１０６内に流入する。その後、アノードガスは、貫通孔３１９に対向する位置（隔壁１４２のＢ方向に隣接する位置）に向けてアノード側多孔体層１０６内を流動し、隔壁１４２の直前の位置でアノード側多孔体層１０６から貫通孔３１９内に移動し、発電領域ＧＡに対向しない位置に形成された貫通孔３１３を通ってアノードガス排出マニホールド内に排出される。

このように、本実施例の燃料電池１０では、カソード側ではカソード側多孔体層１０７がカソードガス流路を有するカソードガス流路層として機能し、アノード側ではアノード側多孔体層１０６およびアノード側セパレータ３００がアノードガス流路を有するアノードガス流路層として機能する。なお、カソードガス流路において、発電体層１１０の発電領域ＧＡに面し実際に発電体層１１０へのカソードガスの供給が行われる部分を、カソード有効流路部と呼ぶものとし、アノードガス流路において、発電体層１１０の発電領域ＧＡに面し実際に発電体層１１０へのアノードガスの供給が行われる部分を、アノード有効流路部と呼ぶものとする。カソードガス流路においては、図３，６に示すように、ほぼすべての部分がカソード有効流路部として機能する。一方、アノードガス流路においては、図４，６に示すように、アノード側セパレータ３００の貫通孔３１７や貫通孔３１３により構成される部分は、アノード有効流路部として機能せず、アノード有効流路部を連結するバイパス流路部として機能する。

本実施例の燃料電池１０では、図６にＸ１と示した位置において、カソードガス流路におけるカソード有効流路部の内の最下流部分（以下、「カソード出口近傍部」とも呼ぶ）と、アノードガス流路におけるアノード有効流路部の内の最上流部分（以下、「アノード入口近傍部」とも呼ぶ）とが、発電体層１１０を挟んで対向している。また、本実施例の燃料電池１０では、図６にＸ２と示した位置において、カソード有効流路部の内の最上流部分（以下、「カソード入口近傍部」とも呼ぶ）と、アノード有効流路部の内のアノード入口近傍部より下流側で、かつ、アノード有効流路部の内の最下流部分（以下、「アノード出口近傍部」とも呼ぶ）より上流側の部分（以下、「アノード中間部」とも呼ぶ）とが、発電体層１１０を挟んで対向している。より詳細には、本実施例の燃料電池１０におけるカソード入口近傍部に対向するアノード中間部は、アノード有効流路部の内のアノード入口近傍部の直後の部分、すなわちアノード入口近傍部の下流側に隣接する部分である。なお、図４に示すように、アノード側セパレータ３００に形成された貫通孔３１７は、アノード有効流路部に含まれないため、アノード有効流路部の内のアノード入口近傍部の直後の部分（アノード入口近傍部の下流側に隣接する部分）とは、アノード側多孔体層１０６におけるアノード側セパレータ３００の貫通孔３１８近傍部分を意味することとなる。貫通孔３１７は、アノード入口近傍部とアノード中間部とを連結するバイパス流路として機能する。

なお、燃料電池１０を構成する各層の平面における位置Ｘ１の領域の面積は、発電領域ＧＡの面積の約１０％から２５％の範囲であることが好ましい。同様に、燃料電池１０を構成する各層の平面における位置Ｘ２の領域の面積は、発電領域ＧＡの面積の約１０％から２５％の範囲であることが好ましい。従って、発電体モジュール１００の平面における隔壁１４２のＴ（Ｂ）方向に沿った位置は（図２）、隔壁１４２によって分断されるアノード側拡散層１０４およびアノード側多孔体層１０６のＴ方向側の部分の面積が全体面積の約１０％から２５％の範囲となるような位置であることが好ましい。

このように構成された本実施例の燃料電池１０では、以下に説明するように、燃料電池の乾燥による発電性能の低下を十分に抑制することができる。図７は、第１実施例の燃料電池の反応ガス流路における反応ガスの流れに沿った水蒸気分圧の変化の一例を示す説明図である。図７の横軸は、燃料電池１０の多孔体層１０６，１０７におけるＴ（Ｂ）方向に沿った位置を表している。

一般に、燃料電池１０の運転中には、カソード側における電気化学反応によって生成された水（水蒸気）がカソードガスによってカソードガス流路の下流側へと運ばれるため、カソードガス流路を流動するカソードガスの水蒸気分圧は、図７に示すように、カソード出口近傍部（図のＸ１の位置）において最大となる。本実施例の燃料電池１０では、上述したように、図のＸ１の位置において、カソード出口近傍部とアノード入口近傍部とが対向しているため、カソード出口近傍部からアノード入口近傍部への水の移動により、アノード入口近傍部におけるアノードガスが十分に加湿される。従って、アノードガスの水蒸気分圧は、アノード入口近傍部において急上昇する。

また、本実施例の燃料電池１０では、上述したように、図のＸ２の位置において、カソード入口近傍部とアノード中間部とが対向している。ここで、アノード中間部は、アノード出口近傍部より上流側の部分であるため、アノード中間部では、アノードガスの流量がアノード出口近傍部より多く、水蒸気分圧も高い。そのため、アノード中間部からカソード入口近傍部への水の移動により、カソード入口近傍部におけるカソードガスが十分に加湿され、カソードガスの水蒸気分圧が上昇する。従って、本実施例の燃料電池１０では、アノード側およびカソード側共に乾燥を十分に抑制することができ、燃料電池の乾燥による発電性能の低下を十分に抑制することができる。

特に、本実施例の燃料電池１０では、カソード入口近傍部に対向するアノード中間部がアノード入口近傍部の下流側に隣接する部分であるため、カソード入口近傍部に対向するアノード中間部におけるアノードガスの流量および水蒸気分圧は、アノード入口近傍部を除く部分の中では最大である。そのため、本実施例の燃料電池１０では、カソード入口近傍部におけるカソードガスが最大限に加湿され、燃料電池の乾燥による発電性能の低下を最大限に抑制することができる。

なお、本実施例の燃料電池１０では、燃料電池の乾燥による発電性能の低下を抑制することができるため、加湿器を省略した燃料電池システムにも容易に適用することができ、燃料電池システムの小型化・コスト低減を図ることができる。

また、燃料電池の乾燥による発電性能の低下は、特に高温運転時において問題となる。図８は、第１実施例の燃料電池１０と比較例の燃料電池を対象とした各セル温度におけるセル電圧の測定結果の一例を示す説明図である。比較例の燃料電池は、カソードガスの流動方向とアノードガスの流動方向とが逆方向（対向する方向）となっている、いわゆるカウンターフロー型の燃料電池であり、カソード出口近傍部とアノード入口近傍部とが対向している点は本実施例の燃料電池１０と同様であるが、カソード入口近傍部とアノード出口近傍部とが対向している点が本実施例の燃料電池１０と異なっている。

比較例の燃料電池では、カソード入口近傍部がアノードガスの流量も水蒸気分圧も小さいアノード出口近傍部と対向しているため、カソード入口近傍部において乾燥が十分に抑制されず、図８に示すように、特に高温運転時において発電性能の低下が著しい。これに対して、本実施例の燃料電池１０では、カソード入口近傍部においても乾燥が十分に抑制されるため、高温運転時においても比較的発電性能の低下が小さい。従って、本実施例の燃料電池１０は、比較的高温運転を行う燃料電池システムにも適用可能であり、燃料電池システムにおいて冷却効率を向上させることによる冷却系装置の小型化・簡素化を図ることができる。

Ｂ．第２実施例：
図９ないし１２は、第２実施例における燃料電池の構成を示す説明図である。第２実施例における燃料電池は、第１実施例と同様に、カソード出口近傍部とアノード入口近傍部とが発電体層１１０を挟んで対向すると共に、カソード入口近傍部とアノード中間部とが発電体層１１０を挟んで対向するように、構成されている。第２実施例における燃料電池では、以下に説明するように、アノード側ではなくカソード側にバイパス流路を設けることにより、このような構成を実現している点が、第１実施例の燃料電池とは異なっている。

図９は、第２実施例における発電体モジュール１００ａの構成を示す説明図である。図９（ａ）には、発電体モジュール１００ａの平面構成を示しており、図９（ｂ）には、図９（ａ）のＡ２−Ａ２の位置における発電体モジュール１００ａの断面構成を示している。第１実施例と同様に、発電体モジュール１００ａの樹脂フレーム１４０には、各マニホールドを構成する貫通孔が形成されている。また、図９（ｂ）に示すように、第２実施例の発電体モジュール１００ａでは、隔壁１４２ａが、アノード側ではなくカソード側に形成されている。隔壁１４２ａは、カソード側拡散層１０５およびカソード側多孔体層１０７をＴ（Ｂ）方向に沿って２つの部分に分断している。

図１０は、第２実施例におけるカソード側セパレータ２００ａの平面構成を示す説明図である。カソード側セパレータ２００ａには、第１実施例と同様に、各マニホールドを構成する貫通孔が形成されている。カソード側セパレータ２００ａには、さらに、カソードガス供給マニホールドとカソードガス排出マニホールドとを結ぶカソードガス流路の一部を構成する貫通孔が形成されている。すなわち、カソード側セパレータ２００ａには、Ｒ（Ｌ）方向に伸びるスリット状の貫通孔であって発電領域ＧＡにおける隔壁１４２ａとＢ方向に隣接する領域に対向する貫通孔２２５と、貫通孔２２５と貫通孔２２１とを発電領域ＧＡに対向しない位置で連通する貫通孔２２４と、Ｒ（Ｌ）方向に沿って伸びるスリット状の貫通孔であって発電領域ＧＡのＢ方向端部付近に対向する貫通孔２２６と、Ｒ（Ｌ）方向に伸びるスリット状の貫通孔であって発電領域ＧＡにおける隔壁１４２ａとＴ方向に隣接する領域に対向する貫通孔２２８と、貫通孔２２６と貫通孔２２８とを発電領域ＧＡに対向しない位置で連通する貫通孔２２７と、が形成されている。

図１１は、第２実施例におけるアノード側セパレータ３００ａの平面構成を示す説明図である。アノード側セパレータ３００ａには、第１実施例と同様に、各マニホールドを構成する貫通孔が形成されている。

図１２は、第２実施例における冷却媒体流路層４００ａの平面構成を示す説明図である。冷却媒体流路層４００ａには、第１実施例と同様に、各マニホールドを構成する貫通孔が形成されている。また、冷却媒体流路層４００ａは、第１実施例と同様に、冷却媒体流路４４０を有している。

図１３は、第２実施例の燃料電池における反応ガスの流れを示す説明図である。燃料電池のアノード側では、各層の貫通孔１１１，２１１，３１１，４１１により構成されるアノードガス供給マニホールドにアノードガスが供給されると、アノードガスは、発電体モジュール１００ａのアノード側多孔体層１０６内に流入し、各層の貫通孔１１２，２１２，３１２，４１２により構成されるアノードガス排出マニホールドに向けてアノード側多孔体層１０６内を流動しつつ発電体層１１０に供給されて発電体層１１０における発電に使用され、使用されなかったアノードガスはアノードガス排出マニホールドへと排出される（図１１，１３参照）。

同様に、燃料電池のカソード側では、各層の貫通孔１２１，２２１，３２１，４２１により構成されるカソードガス供給マニホールドにカソードガスが供給されると、カソードガスは、カソード側セパレータ２００ａの発電領域ＧＡに対向しない位置に形成された貫通孔２２４を通り、隔壁１４２ａのＢ方向に隣接する位置に形成された貫通孔２２５を介してカソード側多孔体層１０７内に流入し、発電領域ＧＡのＢ方向端部付近に向けてカソード側多孔体層１０７内を流動し、発電領域ＧＡのＢ方向端部付近でカソード側多孔体層１０７から貫通孔２２６内に移動する（図１０，１３参照）。貫通孔２２６内に移動したカソードガスは、発電領域ＧＡに対向しない位置に形成された貫通孔２２７を通って、隔壁１４２ａのＴ方向に隣接する位置に形成された貫通孔２２８に至り、貫通孔２２８から再びカソード側多孔体層１０７内に流入する。その後、カソードガスは、カソードガス排出マニホールドに向けてカソード側多孔体層１０７内を流動し、カソードガス排出マニホールド内に排出される。

このように、第２実施例の燃料電池では、アノード側ではアノード側多孔体層１０６がアノードガス流路を有するアノードガス流路層として機能し、カソード側ではカソード側多孔体層１０７およびカソード側セパレータ２００ａがカソードガス流路を有するカソードガス流路層として機能する。アノードガス流路においては、図１１，１３に示すように、ほぼすべての部分がアノード有効流路部として機能する。一方、カソードガス流路においては、図１０，１３に示すように、カソード側セパレータ２００ａの貫通孔２２４や貫通孔２２７により構成される部分は、カソード有効流路部として機能せず、カソード有効流路部を連結するバイパス流路部として機能する。

第２実施例の燃料電池では、第１実施例と同様に、図１３にＸ１ａと示した位置において、カソード出口近傍部とアノード入口近傍部とが発電体層１１０を挟んで対向しており、図１３にＸ２ａと示した位置において、カソード入口近傍部とアノード中間部とが発電体層１１０を挟んで対向している。より詳細には、第２実施例の燃料電池におけるカソード入口近傍部に対向するアノード中間部は、アノード有効流路部の内のアノード入口近傍部の直後の部分、すなわちアノード入口近傍部の下流側に隣接する部分である。なお、カソード側セパレータ２００ａの貫通孔２２７は、カソード入口近傍部より下流側の部分とカソード出口近傍部とを連結するバイパス流路として機能する。

以上説明したように、第２実施例の燃料電池では、第１実施例の燃料電池と同様に、カソード出口近傍部とアノード入口近傍部とが対向しており、かつ、カソード入口近傍部とアノード中間部とが対向しているため、カソード出口近傍部からアノード入口近傍部への水の移動によってアノード入口近傍部におけるアノードガスが十分に加湿されると共に、アノード中間部からカソード入口近傍部への水の移動によってカソード入口近傍部におけるカソードガスが十分に加湿されるため、アノード側およびカソード側共に乾燥を十分に抑制することができ、燃料電池の乾燥による発電性能の低下を十分に抑制することができる。

Ｃ．第３実施例：
図１４は、第３実施例における燃料電池の発電体モジュールの構成を示す説明図である。なお、第３実施例の燃料電池１０も、図１に示した第１実施例と同様に、発電体モジュール１００ｂとカソード側セパレータ２００ｂとアノード側セパレータ３００ｂとから構成される積層体と、冷却媒体流路層４００と、が交互に積層されたスタック構造を有している。図１４（ａ）には、図１の方向Ｄ１から見た発電体モジュール１００ｂの平面構成を示しており、図１４（ｂ）には、図１４（ａ）のＡ３−Ａ３の位置における発電体モジュール１００ｂの断面構成を示している。図１４（ａ）に示すように、第３実施例の発電体モジュール１００ｂの平面形状は、略円形である。また、図１４（ｂ）に示すように、第３実施例の発電体モジュール１００ｂは、図２に示した第１実施例と同様に、発電体層１１０（電解質膜１０１、アノード側触媒層１０２、カソード側触媒層１０３、アノード側拡散層１０４、カソード側拡散層１０５の積層体）とアノード側多孔体層１０６ｂとカソード側多孔体層１０７ｂとを有している。発電体層１１０と多孔体層１０６ｂ，１０７ｂとは、樹脂フレーム１４０ｂによって一体成形されている。

樹脂フレーム１４０ｂには、図１４（ａ）に示すように、アノードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１１１と、アノードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１１２とが、互いに隣接して形成されている。樹脂フレーム１４０ｂには、また、カソードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１２１と、カソードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１２２とが、互いに隣接して形成されている。アノードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１１１とカソードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１２２とは、互いに隣接して配置されている。すなわち、４つの貫通孔１１２，１１１，１２２，１２１は、この順に隣接して配置されている。なお、樹脂フレーム１４０ｂには、図示しない冷却媒体供給マニホールドを構成する貫通孔と冷却媒体排出マニホールドを構成する貫通孔とも形成されている。

発電体モジュール１００ｂには、図１４（ａ）に示すように、アノード側およびカソード側のそれぞれに、樹脂フレーム１４０ｂの一部として隔壁１４２ｂが形成されている。アノード側の隔壁１４２ｂは、アノードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１１１とアノードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１１２との間の位置から発電体モジュール１００ｂの略円形平面の中心付近に向かって伸びる壁体形状であり、アノード側拡散層１０４およびアノード側多孔体層１０６ｂにおける反応ガスの流動方向を規定している。カソード側の隔壁１４２ｂは、カソードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１２１とカソードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１２２との間の位置から発電体モジュール１００ｂの略円形平面の中心付近に向かって伸びる壁体形状であり、カソード側拡散層１０５およびカソード側多孔体層１０７ｂにおける反応ガスの流動方向を規定している。

図１５は、カソード側セパレータ２００ｂの平面構成を示す説明図である。第３実施例のカソード側セパレータ２００ｂは、第１実施例と同様に、孔あけ加工が施された金属プレートである。カソード側セパレータ２００ｂには、アノードガス供給マニホールドを構成する貫通孔２１１と、アノードガス排出マニホールドを構成する貫通孔２１２と、カソードガス供給マニホールドを構成する貫通孔２２１と、カソードガス排出マニホールドを構成する貫通孔２２２と、冷却媒体供給マニホールドを構成する貫通孔（不図示）と、冷却媒体排出マニホールドを構成する貫通孔（不図示）と、が形成されている。カソード側セパレータ２００ｂにおける各貫通孔の位置は、発電体モジュール１００ｂ（図１４（ａ））における各貫通孔の位置に対応する位置となっている。

図１６は、アノード側セパレータ３００ｂの平面構成を示す説明図である。第３実施例のアノード側セパレータ３００ｂは、第１実施例と同様に、孔あけ加工が施された金属プレートである。アノード側セパレータ３００ｂには、アノードガス供給マニホールドを構成する貫通孔３１１と、アノードガス排出マニホールドを構成する貫通孔３１２と、カソードガス供給マニホールドを構成する貫通孔３２１と、カソードガス排出マニホールドを構成する貫通孔３２２と、冷却媒体供給マニホールドを構成する貫通孔（不図示）と、冷却媒体排出マニホールドを構成する貫通孔（不図示）と、が形成されている。アノード側セパレータ３００ｂにおける各貫通孔の位置は、発電体モジュール１００ｂにおける各貫通孔の位置に対応する位置となっている。

図１７は、第３実施例の燃料電池１０における反応ガスの流れを示す説明図である。多孔体層１０６ｂ，１０７ｂにおける反応ガスの流れを示すために、図１７（ａ）には、多孔体層１０６ｂ，１０７ｂを囲む樹脂フレーム１４０ｂの概略斜視図を示しており、図１７（ｂ）には、多孔体層１０６ｂ，１０７ｂを囲む樹脂フレーム１４０ｂの概略平面図を示している。以下、図１７および図１４〜１６を参照して、燃料電池１０における反応ガスの流れを説明する。

燃料電池１０のカソード側では、各層の貫通孔１２１，２２１，３２１により構成されるカソードガス供給マニホールドにカソードガス（空気）が供給されると、カソードガスは、発電体モジュール１００ｂのカソード側多孔体層１０７ｂ内に流入し、各層の貫通孔１２２，２２２，３２２により構成されるカソードガス排出マニホールドに向けてカソード側多孔体層１０７ｂ内を流動しつつ発電体層１１０に供給されて発電体層１１０における発電に使用され、使用されなかったカソードガスはカソードガス排出マニホールドへと排出される。カソード側には、カソードガス供給マニホールドとカソードガス排出マニホールドとの間の位置から発電体モジュール１００ｂの略円形平面の中心付近に向かって伸びる隔壁１４２ｂが設けられているため、カソード側多孔体層１０７ｂにおけるカソードガスの流れ方向（燃料電池１０の積層方向と略直行する流れ方向）は、環状方向（図１７の視点においては右回りの環状方向）となる。そして、カソード出口近傍部（カソードガス流路におけるカソード有効流路部の内の最下流部分）およびカソード入口近傍部（カソード有効流路部の内の最上流部分）は、カソード側の隔壁１４２ｂを介して互いに隣接することとなる。

同様に、燃料電池１０のアノード側では、各層の貫通孔１１１，２１１，３１１により構成されるアノードガス供給マニホールドにアノードガス（水素）が供給されると、アノードガスは、発電体モジュール１００ｂのアノード側多孔体層１０６ｂ内に流入し、各層の貫通孔１１２，２１２，３１２により構成されるアノードガス排出マニホールドに向けてアノード側多孔体層１０６ｂ内を流動しつつ発電体層１１０に供給されて発電体層１１０における発電に使用され、使用されなかったアノードガスはアノードガス排出マニホールドへと排出される。アノード側には、アノードガス供給マニホールドとアノードガス排出マニホールドとの間の位置から発電体モジュール１００ｂの略円形平面の中心付近に向かって伸びる隔壁１４２ｂが設けられているため、アノード側多孔体層１０６ｂにおけるアノードガスの流れ方向（燃料電池１０の積層方向と略直行する流れ方向）は、環状方向（図１７の視点においては右回りの環状方向）となる。そして、アノード出口近傍部（アノードガス流路におけるアノード有効流路部の内の最下流部分）およびアノード入口近傍部（アノード有効流路部の内の最上流部分）は、アノード側の隔壁１４２ｂを介して互いに隣接することとなる。

すなわち、第３実施例の燃料電池１０では、カソード側多孔体層１０７ｂにおけるカソードガスの流れ方向とアノード側多孔体層１０６ｂにおけるアノードガスの流れ方向とは、略同一である。

上述したように、第３実施例の発電体モジュール１００ｂでは、アノードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１１２と、アノードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１１１と、カソードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１２２と、カソードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１２１とが、この順に隣接して配置されている（図１４（ａ）参照）。そのため、第３実施例の発電体モジュール１００ｂでは、図１４〜１７にＸ１ｂと示した位置において、カソード出口近傍部（カソードガス流路におけるカソード有効流路部の内の最下流部分）と、アノード入口近傍部（アノードガス流路におけるアノード有効流路部の内の最上流部分）とが、発電体層１１０を挟んで対向する。また、第３実施例の発電体モジュール１００ｂでは、平面視の位置に関して、Ｘ１ｂの位置のカソード出口近傍部およびアノード入口近傍部が、Ｘ２ｂの位置のカソード入口近傍部（カソード有効流路部の内の最上流部分）とＸ３ｂの位置のアノード出口近傍部（アノード有効流路部の内の最下流部分）との間に挟まれている。より詳細には、アノード出口近傍部（Ｘ３ｂの位置）とアノード入口近傍部（Ｘ１ｂの位置）とは、アノード側の隔壁１４２ｂを介して互いに隣接しており、カソード出口近傍部（Ｘ１ｂの位置）とカソード入口近傍部（Ｘ２ｂの位置）とは、カソード側の隔壁１４２ｂを介して互いに隣接している。

このように構成された第３実施例の燃料電池１０では、以下に説明するように、第１実施例と同様に、燃料電池の乾燥による発電性能の低下を十分に抑制することができる。図１８は、第３実施例の燃料電池の反応ガス流路における反応ガスの流れに沿った水蒸気分圧の変化の一例を示す説明図である。図１８の横軸は、燃料電池１０の多孔体層１０６ｂ，１０７ｂにおける環状のガス流れ方向に沿った位置を表している。

一般に、燃料電池１０の運転中には、カソード側における電気化学反応によって生成された水（水蒸気）がカソードガスによってカソードガス流路の下流側へと運ばれるため、カソードガス流路を流動するカソードガスの水蒸気分圧は、図１８に示すように、カソード出口近傍部（図のＸ１ｂの位置）において最大となる。本実施例の燃料電池１０では、上述したように、図のＸ１ｂの位置において、カソード出口近傍部とアノード入口近傍部とが対向しているため、カソード出口近傍部からアノード入口近傍部への水の移動により、アノード入口近傍部におけるアノードガスが十分に加湿される。従って、アノードガスの水蒸気分圧は、アノード入口近傍部において急上昇する。

また、第３実施例の燃料電池１０では、上述したように、Ｘ１ｂの位置のカソード出口近傍部およびアノード入口近傍部が、Ｘ２ｂの位置のカソード入口近傍部とＸ３ｂの位置のアノード出口近傍部との間に挟まれている。そのため、図のＸ２ｂの位置において、カソード入口近傍部とアノード中間部（アノード有効流路部の内のアノード入口近傍部より下流側で、かつ、アノード出口近傍部より上流側の部分）とが対向することとなる。アノード中間部は、アノード出口近傍部より上流側の部分であるため、アノード中間部では、アノードガスの流量がアノード出口近傍部より多く、水蒸気分圧も高い。そのため、アノード中間部からカソード入口近傍部への水の移動により、カソード入口近傍部におけるカソードガスが十分に加湿され、カソードガスの水蒸気分圧が上昇する。従って、第３実施例の燃料電池１０では、第１実施例と同様に、アノード側およびカソード側共に乾燥を十分に抑制することができ、燃料電池の乾燥による発電性能の低下を十分に抑制することができる。

特に、第３実施例の燃料電池１０では、カソード出口近傍部およびカソード入口近傍部がカソード側の隔壁１４２ｂを介して互いに隣接し、アノード出口近傍部およびアノード入口近傍部がアノード側の隔壁１４２ｂを介して互いに隣接しているため、カソード入口近傍部に対向するアノード中間部はアノード入口近傍部の下流側に隣接する部分となる。カソード入口近傍部に対向するアノード中間部におけるアノードガスの流量および水蒸気分圧は、アノード入口近傍部を除く部分の中では最大である。そのため、第３実施例の燃料電池１０では、第１実施例と同様に、カソード入口近傍部におけるカソードガスが最大限に加湿され、燃料電池の乾燥による発電性能の低下を最大限に抑制することができる。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態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において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。

Ｄ１．変形例１：
上記各実施例における燃料電池１０の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記各実施例では、発電体層１１０が拡散層１０４，１０５を含むとしているが、発電体層１１０が拡散層１０４，１０５を含まないとしてもよい。

また、上記各実施例では、発電体モジュール１００がアノード側多孔体層１０６およびカソード側多孔体層１０７を含み、アノード側多孔体層１０６およびカソード側多孔体層１０７が反応ガス流路として機能するとしているが、発電体モジュール１００がアノード側多孔体層１０６およびカソード側多孔体層１０７の代わりに、多孔体以外の反応ガス流路として機能する材料（例えば、反応ガス流路として機能する溝が形成された導電体材料）を含むとしてもよい。

また、上記第１，２実施例では、バイパス流路がカソード側セパレータ２００またはアノード側セパレータ３００により形成されているが、バイパス流路が他の層、例えば、多孔体層１０６，１０７自身により形成されるとしてもよい。

Ｄ２．変形例２：
上記第３実施例では、発電体モジュール１００ｂの平面形状が略円形であるとしているが、発電体モジュールの平面形状は略円形でなくてもよい。図１９は、変形例における燃料電池の発電体モジュールの構成を示す説明図である。図１９に示した変形例における発電体モジュール１００ｃの平面形状は、第１，２実施例（図２，９）と同様に、矩形形状である。変形例における発電体モジュール１００ｃでは、第３実施例と同様に、発電体層と多孔体層とが樹脂フレーム１４０ｃによって一体成形されている。樹脂フレーム１４０ｃには、第３実施例と同様に、アノードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１１２と、アノードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１１１と、カソードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１２２と、カソードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１２１とが、この順に隣接して配置されている。樹脂フレーム１４０ｃには、アノードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１１１とアノードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１１２との間の位置から発電体モジュール１００ｃの平面の中心付近に向かって伸びるアノード側隔壁１４２ｃと、カソードガス供給マニホールドを構成する貫通孔１２１とカソードガス排出マニホールドを構成する貫通孔１２２との間の位置から発電体モジュール１００ｃの平面の中心付近に向かってカソード側隔壁１４２ｃとが形成されている。このため、アノード側多孔体層１０６におけるアノードガスの流れ方向とカソード側多孔体層１０７におけるカソードガスの流れ方向とは、共に、環状方向（図１９の視点においては右回りの環状方向）となる。また、図１９に示した変形例における発電体モジュール１００ｃでは、Ｘ１ｃの位置においてカソード出口近傍部とアノード入口近傍部とが対向し、Ｘ１ｃの位置のカソード出口近傍部およびアノード入口近傍部がＸ２ｃの位置のカソード入口近傍部とＸ３ｃの位置のアノード出口近傍部との間に挟まれている。そのため、図１９に示した変形例における発電体モジュール１００ｃでは、第３実施例と同様に、Ｘ１ｃの位置においてカソード出口近傍部からアノード入口近傍部への水の移動によりアノード入口近傍部におけるアノードガスが十分に加湿され、アノードガスの水蒸気分圧はアノード入口近傍部において急上昇する。また、変形例における発電体モジュール１００ｃでは、Ｘ２ｃの位置においてカソード入口近傍部とアノード中間部（より詳細にはアノード入口近傍部の下流側に隣接する部分）とが対向し、アノード中間部からカソード入口近傍部への水の移動によりカソード入口近傍部におけるカソードガスが十分に加湿され、カソードガスの水蒸気分圧が上昇する。そのため、変形例における発電体モジュール１００ｃでは、第３実施例と同様に、アノード側およびカソード側共に乾燥を十分に抑制することができ、燃料電池の乾燥による発電性能の低下を十分に抑制することができる。

Ｄ３．変形例３：
上記各実施例では、燃料電池１０の各層の材料を特定しているが、これらの材料に限定されるものではなく、適正な種々の材料を用いることができる。例えば、上記各実施例では、カソード側セパレータ２００およびアノード側セパレータ３００や冷却媒体流路層４００が金属製であるとしているが、これらの各層が金属以外の導電性材料により形成されるとしてもよい。また、隔壁１４２は、樹脂フレーム１４０と一体成形されている必要はなく、樹脂フレーム１４０と同材料または異なる材料を用いて、樹脂フレーム１４０とは独立して形成されるとしてもよい。

また、上記各実施例において、カソードガスとして空気以外のガスが用いられてもよく、アノードガスとして水素以外のガスが用いられてもよく、冷却媒体として水以外の媒体（エチレングリコール等の不凍水や空気）が用いられてもよい。

また、上記各実施例では、燃料電池１０は固体高分子型燃料電池であるとしているが、本発明は他の種類の燃料電池（例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池やリン酸形燃料電池）にも適用可能である。

１０…燃料電池
１００…発電体モジュール
１０１…電解質膜
１０２…アノード側触媒層
１０３…カソード側触媒層
１０４…アノード側拡散層
１０５…カソード側拡散層
１０６…アノード側多孔体層
１０７…カソード側多孔体層
１１０…発電体層
１１１，１１２，１２１，１２２，１３１，１３２…貫通孔
１４０…樹脂フレーム
１４２…隔壁
２００…カソード側セパレータ
２１１，２１２，２２１，２２２，２２４，２２５，２２６，２２７，２２８，２３１，２３２…貫通孔
３００…アノード側セパレータ
３１１，３１２，３１３，３１５，３１６，３１７，３１８，３１９，３２１，３２２，３３１，３３２…貫通孔
４００…冷却媒体流路層
４１１，４１２，４２１，４２２，４３１，４３２…貫通孔
４４０…冷却媒体流路

Claims (6)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と前記電解質膜の一方の側に配置されたアノード側触媒層と前記電解質膜の他方の側に配置されたカソード側触媒層とを含む発電体層と、
   前記発電体層のアノード側に配置され、前記発電体層にアノードガスを供給するためのアノードガス流路を有するアノードガス流路層と、
   前記発電体層のカソード側に配置され、前記発電体層にカソードガスを供給するためのカソードガス流路を有するカソードガス流路層と、を備え、
   前記アノードガス流路層および前記カソードガス流路層は、前記カソードガス流路における前記発電体層へのカソードガス供給が行われる部分であるカソード有効流路部の内の最下流部分であるカソード出口近傍部と、前記アノードガス流路における前記発電体層へのアノードガス供給が行われる部分であるアノード有効流路部の内の最上流部分であるアノード入口近傍部と、が前記発電体層を挟んで対向し、かつ、前記カソード有効流路部の内の最上流部分であるカソード入口近傍部と、前記アノード有効流路部の内の前記アノード入口近傍部より下流側で、かつ、前記アノード有効流路部の最下流部分であるアノード出口近傍部より上流側の部分であるアノード中間部と、が前記発電体層を挟んで対向するように、構成されている、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記アノード中間部は、前記アノード有効流路部の内の前記アノード入口近傍部に隣接する部分である、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記アノードガス流路と前記カソードガス流路との少なくとも一方は、前記発電体層へのガス供給が行われない部分であるバイパス流路部を含む、燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池であって、
   前記バイパス流路部は、前記アノードガス流路に含まれる前記アノード入口近傍部と前記アノード中間部とを連結する流路と、前記カソードガス流路に含まれる前記カソード有効流路部の内の前記カソード入口近傍部より下流側の部分と前記カソード出口近傍部とを連結する流路と、の少なくとも一方である、燃料電池。
5. 燃料電池であって、
   電解質膜と前記電解質膜の一方の側に配置されたアノード側触媒層と前記電解質膜の他方の側に配置されたカソード側触媒層とを含む発電体層と、
   前記発電体層のアノード側に配置され、アノードガスを前記燃料電池の積層方向に略直行する所定の方向に沿って流動させつつ前記発電体層に供給するためのアノードガス流路を有するアノードガス流路層と、
   前記発電体層のカソード側に配置され、カソードガスを前記所定の方向と略同一方向に沿って流動させつつ前記発電体層に供給するためのカソードガス流路を有するカソードガス流路層と、を備え、
   前記アノードガス流路層および前記カソードガス流路層は、前記カソードガス流路における前記発電体層へのカソードガス供給が行われる部分であるカソード有効流路部の内の最下流部分であるカソード出口近傍部と、前記アノードガス流路における前記発電体層へのアノードガス供給が行われる部分であるアノード有効流路部の内の最上流部分であるアノード入口近傍部と、が前記発電体層を挟んで対向し、かつ、前記カソード出口近傍部および前記アノード入口近傍部が、前記カソード有効流路部の内の最上流部分であるカソード入口近傍部と前記アノード有効流路部の内の最下流部分であるアノード出口近傍部との間に挟まれるように配置されるように、構成されている、燃料電池。
6. 請求項５に記載の燃料電池であって、
   前記アノードガス流路層および前記カソードガス流路層は、それぞれ、流路層におけるガスの流動方向を規定する隔壁を有し、
   前記アノード出口近傍部および前記アノード入口近傍部は、前記アノードガス流路層の前記隔壁を介して隣接しており、
   前記カソード出口近傍部および前記カソード入口近傍部は、前記カソードガス流路層の前記隔壁を介して隣接している、燃料電池。

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