JP2021512472A - 燃料電池、単セル及びセルスタック構造体 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池、単セル及びセルスタック構造体を提供する。この燃料電池は、単セルの面内に二次元に配列された各種形状の開口部からなる内部共通マニホールド構造を備え、開口部の二次元配列は周期的またはある程度の変動がある周期性を有し、燃料電池に供給、排出させる燃料流体、冷却媒体及び酸化流体は、単セルの面内方向及び積層方向に均一に供給、排出される。単セルの各層の開口部にシール材を設置することにより、燃料流体、冷却媒体及び酸化流体を適切に対応する層へ導く。【選択図】図７

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、高出力密度で高容量の燃料電池、単セル及びセルスタック構造体に関する。

燃料電池は、水素と酸素とが電解質を介して化学反応することにより発電する装置であり、環境負荷の低減に寄与すること等から実用化、普及が有望視されている。また、燃料電池は、使用される電解質の種類によって発電温度や特性が異なり、主に電解質に何を用いるかによって分類される。大別すると、固体高分子電解質型（ＰＥＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）及び溶融炭酸塩型（ＭＣＭＦ）の４種類がある。

例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）には、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極がそれぞれ配設された電解質膜・膜電極接合体（ＭＥＡ）が備わっている。ＭＥＡは、セパレータによって挟持されることでセルを構成する。ＰＥＦＣの作動温度は６０℃〜９０℃と低く、小型化しても出力効率が良いのが特長であり、燃料電池自動車向けには、主にＰＥＦＣの燃料電池が使われている。ＰＥＦＣの燃料電池は、太陽能電池、遠地アンテナの予備電池、過疎地のドローン機などにも使用されている。

プラスとマイナスの電極板が電解質膜をはさむ構造はセルと呼ばれる。セルのプラス極（酸素極）とマイナス極（水素極）には数多くの細い流路があり、この流路を外部源から供給された酸素と水素が電解質膜をはさんで通ることによって反応が起こり、電気が発生する。１組のセルの出力は限られているため、必要な出力が得られるよう、多くのセルを重ねて一つのパッケージにしたものをスタック型燃料電池と呼ぶ。

燃料電池には、高出力密度と高容量（高エネルギー密度）とが求められる。つまり、燃料電池を効率よく発電させるためには、燃料電池スタックを構成する個々のセルを効率よく発電させる必要がある。そのためには、各セルへの水素、冷却水、空気等の各種流体の供給が均一になるように設計する必要がある。燃料電池の出力は、膜面積に比例し、その容積には比例しない。スタック型燃料電池の小型高出力化を試みるには、セルの面積（触媒反応面積）を増大させ、セルのピッチを短縮させることが最も有効である。触媒反応面積を増大させることにより、スタックの発電電流を効果的に大きくすることができる。また、ピッチを短縮させることにより、燃料電池の出力密度を高めることができる。

しかしながら、セルの面積の増大とピッチの短縮だけでは、水素、冷却水、空気等の各種流体がセルの内面を通過する際の圧力損失が大きくなってしまう。過大な圧力損失は、エネルギーの発電効率の降下につながるため、できるだけ損失を少なくする工夫が必要である。

さらに、従来技術では、マニホールドの周辺配置及び各種流体の流れの交差配置により、燃料ガス、冷却媒体または酸化ガスの流れ抵抗が大きくなり、セルの面積を大きくとることができなかった。

非特許文献１と特許文献２に開示されている燃料電池においては、マニホールドが触媒層に周設された構造になっているため、触媒反応面積を２次元展開できる柔軟性に欠けている。また、非特許文献１にて開示されている車両搭載用の燃料電池については、流路の流れ分布が３次元的に交差しているため、触媒反応面積の拡大がより一層困難になる。さらに、特許文献１にて開示されている燃料電池については、セパレータに形成される流路の溝が深いため、その流路溝の角部に接触する発電機能層に対して局部ひずみ応力が集中的に加えられ、耐久性の減少の起因となってしまい、燃料電池の寿命に大きな問題が生じるという欠点がある。

特許文献３には、幅方向のアスペクト比が低く、膜電極接合体の対向する２辺の外周に複数の燃料ガス流路開口部、冷媒流路開口部及び酸化ガス流路開口部が設けられた燃料電池が開示されている。 このような設計は、触媒反応エリアを２次元的に拡大するのに役立つものの、幅方向が拡大し続けると、単セルの内面を通過する各種流体の圧力損失は依然として許容できないほど大きくなってしまう。

燃料ガス、冷却媒体または酸化ガスの流れ抵抗、及びマニホールドに供給されるガスの高圧に対応するために、従来技術では、セルのスタック枚数を増加させることは困難であった。また、従来の問題点として、車両搭載用のセルスタックは、設置可能な空間が限られているため、セルスタック枚数の増加には限界がある。

特開２０１７−１４７１３４号公報 特開２０１６−０９６０１５号公報 国際公開番号ＷＯ２０１４／１３６９６５

２０１６年度トヨタＭＩＲＡＩセダン型燃料電池自動車の製品情報

上記の特許文献１では、燃料電池を構成する流路が、その流れ分布が複雑に３次元に交差している形状を有している。このため、燃料電池の性能を上げるキーでもある触媒反応面積の拡大が不可能になっている。従って、仕組みが複雑化するとともに、燃料電池全体の製造コストが高騰するという問題がある。

本発明の目的は、低コストで製造できる高出力密度で高容量（高エネルギー密度）なスタック型燃料電池を提供することである。

本発明は、上記の目的を達成するために、以下のように構成される燃料電池を提供する。

本発明の一態様は、単セルの一種を提供し、相対する第１のセパレータ及び第２のセパレータ、並びに前記第１及び第２のセパレータ間に積層された膜電極接合体を備え、前記膜電極接合体は、触媒付電解質膜並びに触媒付電解質膜の第一側及び第二側にそれぞれ設けられた第１のガス拡散層及び第２のガス拡散層を含み、前記単セルは、当該の単セルの拡がる面を通り抜けるように、前記第１のセパレータ、前記第２のセパレータ、及び前記膜電極接合体に設けられた複数の燃料流体用開口部、複数の冷却媒体用開口部及び複数の酸化流体用開口部を備え、少なくとも１つの燃料流体用開口部、少なくとも１つの冷却媒体用開口部、及び少なくとも１つの酸化流体用開口部は前記単セルの中央領域に配置され、前記第１のガス拡散層において、少なくとも１つの燃料流体用開口部は、単セルの拡がる方向に前記第１のガス拡散層を燃料流体が流れる燃料流体端口を有し、前記第２のガス拡散層において、少なくとも１つの燃料流体用開口部は、前記単セルの拡がる方向に燃料流体が前記第２のガス拡散層を流れるのを防ぐシール材を有し、前記第２のガス拡散層において、少なくとも１つの酸化流体用開口部は、単セルの拡がる方向に前記第２のガス拡散層を酸化流体が流れる酸化流体端口を有し、前記第１のガス拡散層において、少なくとも１つの酸化流体用開口部は、前記単セルの拡がる方向に酸化流体が前記第１のガス拡散層を流れるのを防ぐシール材を有し、前記第１のガス拡散層、前記触媒付電解質膜及び前記第２のガス拡散層において、少なくとも１つの冷却媒体用開口部は、単セルの拡がる方向に冷却媒体が前記第１のガス拡散層、前記触媒付電解質膜及び前記第２のガス拡散層を流れるのを防ぐシール材を有する。

本発明の一実施形態では、前記触媒付電解質膜は、電解質膜並びに前記電解質膜の第一側及び第二側にそれぞれ設けられた第１の触媒層及び第２の触媒層を含む。

本発明の一実施形態では、前記膜電極接合体は、更に、前記触媒付電解質膜を保持するＣＣＭホルダーフィルムを含み、前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部、及び前記複数の酸化流体用開口部は、前記ＣＣＭホルダーフィルムを貫通し、前記ＣＣＭホルダーフィルムは、少なくとも前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部、及び前記複数の酸化流体用開口部の周囲にシール材を備える。

本発明の一実施形態では、前記ＣＣＭホルダーフィルムは、嵌合構造体を有し、前記触媒付電解質膜は、前記嵌合構造体に嵌合されている。

本発明の一実施形態では、前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部、及び前記複数の酸化流体用開口部は、前記単セル全体に周期的に繰り返し又はある程度の変動周期的に繰り返され、各周期的な繰り返しは、１つ若しくは複数の同種基本単位、または複数の異種基本単位により構成されていて、中央領域以外のエッジ領域及び異種基本単位の境界の間において、前記単セルは、前記基本単位の周期的な繰り返しを終了させるエッジ構造を備えている。

本発明の一実施形態では、前記単セルに位置する前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部及び前記複数の酸化流体用開口部は、基本単位により構成されていて、前記単セルは、中央領域以外のエッジ領域において、前記基本単位を終了させるエッジ構造を備えている。

本発明の一実施形態では、前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部及び前記複数の酸化流体用開口部は、それぞれの供給用開口部及び排出用開口部を備えている。

本発明の一実施形態では、前記基本単位は、少なくとも２つの前記燃料流体用開口部と、少なくとも２つの前記冷却媒体用開口部と、少なくとも２つの前記酸化流体用開口部とで構成されている。

本発明の一実施形態では、前記基本単位は、二次元ブラベ格子配列で形成される開口部のパターンの最小繰返し配列周期を有する単位である。

本発明の一実施形態では、前記第１のガス拡散層において、少なくとも１つの燃料流体用開口部は、完全に開放された開口部又は部分が封止された開口部であり、及び／または、前記第２のガス拡散層において、少なくとも１つの酸化流体用開口部は、完全に開放された開口部又は部分が封止された開口部である。

本発明の一実施形態では、前記触媒付電解質膜、前記第１のガス拡散層及び前記第２のガス拡散層は、ラミネート方式で単セルを形成する。

本発明の一実施形態では、前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部、及び前記複数の酸化流体用開口部の少なくとも一部の形状は、全方位に設計され、すなわち、各種開口部の第Ｉ象限、第II象限、第III象限及び第IV象限に流入、流出する各流体の発散角度及び／または収束角度は、１度以上１８０度以下である。

本発明の一実施形態では、前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部、及び前記複数の酸化流体用開口部の少なくとも一部の形状は、半方位に設計され、すなわち、各種開口部に適合する第Ｉ象限及び第II象限または第III象限及び第IV象限の端口に流入、流出する各種流体の発散角度及び／または収束角度は１度以上９０度以下である。

本発明の一実施形態では、前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部、及び前記複数の酸化流体用開口部の少なくとも一部の形状は、４つの象限に単独に配置された任意の象限の端口に流入、流出する各種流体の発散角度及び／または収束角度は１度以上９０度以下であり、且つ、４つの象限のうち、２つの任意の隣接する象限の端口に流入、流出する各種流体の発散角度及び／または収束角度は１度以上１８０度以下であるように設けられる。

本発明の一実施形態では、前記少なくとも１つの燃料流体用開口部、前記少なくとも１つの冷却媒体用開口部、及び前記少なくとも１つの酸化流体用開口部の平面形状は、多角形、変形多角形、細長い形、楕円形、円形、またはこれらの組み合わせである。

本発明の一実施形態では、前記第１のガス拡散層に対して、前記燃料流体端口の周囲で前記触媒付電解質膜に近い側に燃料流体誘導流路を設け、前記燃料流体誘導流路は、前記第１のガス拡散層の両端に位置する燃料流体供給用流路及び燃料流体排出用流路を連結している。

本発明の一実施形態では、前記第２のガス拡散層に対して、前記酸化流体端口の周囲で前記触媒付電解質膜に近い側に酸化流体誘導流路を設け、前記酸化流体誘導流路は、前記第２のガス拡散層の両端に位置する酸化流体供給用流路及び酸化流体排出用流路を連結している。

本発明の一実施形態では、前記第１のガス拡散層は、前記触媒付電解質膜の側にある燃料流体供給排出路と重畳し、且つ前記セパレータの側にある燃料流体供給排出路と重畳するように構成されていて、前記第２のガス拡散層は、前記触媒付電解質膜の側にある酸化流体供給排出路と重畳し、且つ前記セパレータの側にある酸化流体供給排出路と重畳するように構成されている。

本発明の一実施形態では、全方位型開口部の二次元拡張を終了させるエッジ構造については、各流体が前記全方位型開口部の端口から放射状に流入、流出する特性を利用して、各種流体の供給用開口部の１つを中心に置く場合に、それらの排出用開口部の１つを四分割して角部に配置するか、あるいはそれらの排出用開口部の１つを二分割して縁に配置していて、半方位型開口部の二次元拡張を終了させるエッジ構造については、各流体が前記半方位型開口部の端口から扇形で流入、流出する特性を利用して、各種流体の供給用開口部の１つを中心に置く場合に、それらの排出用開口部の１つを二分割して角部に配置するか、それらの排出用開口部の１つを二分割して縁に配置するか、あるいは排出用開口部の１つを他の縁部に直接配置する。

本発明の別の態様は、セルスタック構造体を提供し、上に述べたような単セルを複数積層して形成されたスタック構造体を備え、前記複数の単セルの燃料流体用開口部、冷却媒体用開口部、及び酸化流体用開口部をそれぞれ重畳させ、前記セルスタック構造体にそれぞれの内部共用マニホールドを形成し、前記内部共用マニホールドは、燃料流体、冷却媒体及び酸化流体を前記複数の単セルに供給、排出する。

本発明の一実施形態では、前記セルスタック構造体における隣接単セルの隣接するセパレータの間には、冷却媒体の流れが提供され、前記セパレータの少なくとも１つの冷却媒体用開口部は、単セルの拡がる方向に、冷却媒体が流れる端口を備える。

本発明の一実施形態では、前記セパレータの両側には、冷却媒体の供給用流路及び排出用流路に接続された冷却媒体誘導流路が設けられている。

本発明の一実施形態では、前記隣接する単セルの第１のセパレータの上面の間の間隔は、０．１ｍｍ以上１．３ｍｍ以下である。

本発明の別の態様によれば、燃料電池の一種を提供し、上に述べたようなセルスタック構造体を有し、第１のエンドプレート、第２のエンドプレート、及び前記第１のエンドプレートと前記第２のエンドプレートにより両側から挟まれた前記セルスタック構造体を備え、前記第１のエンドプレート及び前記第２のエンドプレートのうちの少なくともいずれかには、燃料流体、冷却媒体、及び酸化流体を供給、排出するための内部共用マニホールドに対応させた外部共通マニホールドが備えられる。

本発明の一実施形態に係るスタック型燃料電池の構造を示す図であり、スタック型燃料電池の構造の外観図である。 本発明の一実施形態に係るスタック型燃料電池の構造を示す図であり、スタック型燃料電池の構造の断面図である。 本発明の一実施形態に係るスタック型燃料電池の構造を示す図であり、単セルの構造の断面図である。 本発明の一実施形態における２次元ブラベ格子（Bravais lattice）の展開の規則性を応用した単セル８の面内に穿設される開口部１１、１２、１３の配列を説明するための平面概念図である。 本発明の一実施形態における２次元ブラベ格子（Bravais lattice）の展開の規則性を応用した単セル８の面内に穿設される開口部１１、１２、１３の配列を説明するための平面概念図である。 本発明の一実施形態における２次元ブラベ格子（Bravais lattice）の展開の規則性を応用した単セル８の面内に穿設される開口部１１、１２、１３の配列を説明するための平面概念図である。 本発明の実施の一形態における開口部の様々な形状を説明するための図であって、（Ａ）は、全方位型開口部を示す図であり、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｅ）は、半方位型開口部を示す図であり、（Ｄ）は、準方位型開口部を示す図である。 本発明の実施の形態１における単セル８の面内に穿設される全方位型開口部１１、１２、１３の配列の規則性の一例を説明するための平面図である。 図４（Ａ）の全方位型開口部の端口から出入りする流れ方向を示す部分的拡大図である。 図４の単セル８の面内に穿設される全方位型開口部１１、１２、１３において、異なる形状を有する端口から流入または流出する反応ガスの全方位の流れを表した図である。 図４の単セル８の面内に穿設される全方位型開口部１１、１２、１３において、異なる形状を有する端口から流入または流出する反応ガスの全方位の流れを表した図である。 本発明の実施の一形態におけるＣＣＭ膜Ｍ１０１と、それを保持するＣＣＭホルダーフィルムＭ１０２と、ＣＣＭホルダーフィルムＭ１０２を穿設する開口部１１、１２、１３と、の総称であるＣＣＭシートＭ１００の構造を示す平面模式図である。 図６（Ａ）のII−II線に沿うＣＣＭシートＭ１００の断面図である。 本発明の実施の形態１におけるＣＣＭシートＭ１００のアノード側の流路を説明する図であって、図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図である。 本発明の実施の形態１におけるＣＣＭシートＭ１００のアノード側の流路を説明する図であって、アノード側セパレータ６を取り外した時に出現するアノード側ガス拡散層４を表示する面視図である。 本発明の実施の形態１におけるＣＣＭシートＭ１００のアノード側の流路を説明する図であって、アノード側ガス拡散層４に面するＣＣＭシートＭ１００側の面視図である。 本発明の実施の形態１におけるＣＣＭシートＭ１００のカソード側の流路を説明する図であって、図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図である。 本発明の実施の形態１におけるＣＣＭシートＭ１００のカソード側の流路を説明する図であって、カソード側セパレータ７を取り外した時に出現するカソード側ガス拡散層５を表示する面視図である。 本発明の実施の形態１におけるＣＣＭシートＭ１００のカソード側の流路を説明する図であって、カソード側ガス拡散層５に面するＣＣＭシートＭ１００側の面視図である。 本発明の実施の形態１におけるアノード側セパレータ６に形成される流路を説明する図であって、図９（Ｂ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図である。 本発明の実施の形態１におけるアノード側セパレータ６に形成される流路を説明する図であって、燃料流体の全方位型開口部１１の端口と燃料流体の流路３１とが形成されるアノード側セパレータ６の片面の構造を示す面視図である。 本発明の実施の形態１におけるカソード側セパレータ７に形成される流路を説明する図であって、図１０（Ｂ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図である。 本発明の実施の形態１におけるカソード側セパレータ７に形成される流路を説明する図であって、酸化流体の全方位型開口部１３の端口と酸化流体の流路３３とが形成されるカソード側セパレータ７の片面の構造を示す面視図である。 本発明の実施の形態１におけるアノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７の間に形成される冷却媒体の流路を説明する図であって、図１１（Ｂ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図である。 本発明の実施の形態１におけるアノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７の間に形成される冷却媒体の流路を説明する図であって、冷却媒体の全方位型開口部１２の端口と冷却媒体の流路３２とが形成されるセパレータ６、７に面する側の構造を表す面視図である。 本発明の実施の形態１におけるエッジ構造を説明する図であって、単セル８の面内に２次元展開された全方位型開口部の配列パターンＥ００１及び２つの太線で示すエッジ処理後の全方位型開口部の配置エリアＥ００２とＥ００４を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるエッジ構造を説明する図であって、全方位型開口部の配列パターンＥ００１からエッジ処理後の全方位型開口部配置エリアＥ００２を切り取って得られた、エッジ処理済開口部配置構造Ｅ００３を有する単セル８と、この単セル８からなるスタック構造体９を示す図である。 本発明の実施の一形態におけるエッジ構造を有する全方位型開口部の平面形状を表す図であって、全方位型開口部の全形状を表す図である。 本発明の実施の一形態におけるエッジ構造を有する全方位型開口部の平面形状を表す図であって、全形を２分割した全方位型開口部の形状２つを表す図である。 本発明の実施の一形態におけるエッジ構造を有する全方位型開口部の平面形状を表す図であって、全形を４分割した全方位型開口部の形状を表す図である。 本発明の実施の形態２における単セル８の面内に穿設される半方位型開口部１１、１２、１３の配列の規則性の一例を説明するための平面模式図である。 図１４（Ａ）の半方位型開口部の端口から出入りする流れ方向を示す部分的拡大図である。 図１４の単セル８の面内に穿設される半方位型開口部１１、１２、１３において、異なる形状を有する端口から流入または流出する反応ガスの半方位の流れ方向を表した図である。 図１４の単セル８の面内に穿設される半方位型開口部１１、１２、１３において、異なる形状を有する端口から流入または流出する反応ガスの半方位の流れ方向を表した図である。 本発明の実施の形態２におけるＣＣＭシートＭ１００のアノード側の流路を説明する図であって、図１６（Ｂ）及び図１６（Ｃ）のII−II線に沿う単セル８型セルの立体断面図である。 本発明の実施の形態２におけるＣＣＭシートＭ１００のアノード側の流路を説明する図であって、アノード側セパレータ６を取り外したときに出現するアノード側ガス拡散層４を表す面視図である。 本発明の実施の形態２におけるＣＣＭシートＭ１００のアノード側の流路を説明する図であって、アノード側ガス拡散層４に面するＣＣＭシートＭ１００側の面視図である。 本発明の実施の形態２におけるＣＣＭシートＭ１００のカソード側の流路を説明する図であって、図１７（Ｂ）及び図１７（Ｃ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図である。 本発明の実施の形態２におけるＣＣＭシートＭ１００のカソード側の流路を説明する図であって、カソード側セパレータ７を取り外したとき出現するカソード側ガス拡散層５を表す面視図である。 本発明の実施の形態２におけるＣＣＭシートＭ１００のカソード側の流路を説明する図であって、カソード側ガス拡散層５に面するＣＣＭシートＭ１００側の面視図である。 本発明の実施の形態２におけるアノード側セパレータ６に形成される流路を説明する図であって、図１８（Ｂ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図である。 本発明の実施の形態２におけるアノード側セパレータ６に形成される流路を説明する図であって、燃料流体の半方位型開口部１１の端口と燃料流体の流路３１とが形成されるアノード側セパレータ６の片面の構造を示す面視図である。 本発明の実施の形態２におけるカソード側セパレータ７に形成される流路を説明する図であって、図１９（Ｂ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図である。 本発明の実施の形態２におけるカソード側セパレータ７に形成される流路を説明する図であって、酸化流体の半方位型開口部１３の端口と酸化流体の流路３３とが形成されるカソード側セパレータ７の片面の構造を示す面視図である。 本発明の実施の形態２におけるアノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７の間に形成される冷却媒体の流路を説明する図であって、図２０（Ｂ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図である。 本発明の実施の形態２におけるアノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７の間に形成される冷却媒体の流路を説明する図であって、冷却媒体の半方位型開口部１２の端口と冷却媒体の流路３２が形成されるセパレータ６、７に面する側の構造を表す面視図である。 本発明の実施の形態２におけるエッジ構造を説明する図であって、単セル８の面内に２次元展開された半方位型開口部の配列パターンＥ００１及び２つの太線で示すエッジ処理後の半方位型開口部配置エリアＥ００２とＥ００４を示す図である。 本発明の実施の形態２におけるエッジ構造を説明する図であって、半方位型開口部の配列パターンＥ００１からそのエッジ処理後の半方位型開口部配置エリアＥ００２を切り取って得られた、エッジ処理済開口部配置構造Ｅ００３を有する単セル８と、この単セル８からなるスタック構造体９を示す図である。

本発明の上述の目的、特徴、利点をより明確に分かりやすくするために、これから図面を用いて本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。

以下の説明では、本発明を十分に理解するために多くの具体的な詳細が説明されているが、本発明は、ここでの説明と異なる他の方式で実施されてもよいので、以下に開示される具体的な実施形態によって制限されない。

本出願及び特許請求の範囲に示されるように、文脈が例外的な状況を明示的に提示しない限り、「一」、「一個」、「一種」、及び／または「該当」などの単語は、特に単数ではなく、複数を含むことができる。一般的に、用語「含む」と「備える」は、明確に識別されたステップ及び要素を単に含むことを示すが、これらのステップ及び要素は、排他的な羅列を構成しない。方法または装置は、他のステップまたは要素を含むこともできる。

ここでは、本発明のスタック型燃料電池について、図面を参照して、好ましい実施形態を例示して詳細に説明する。なお、以下の説明では、燃料電池を固体高分子型燃料電池とする場合を例に挙げて説明する。なお、本発明の一実施形態に記載された構造部材の材質、サイズ、形状、角度、その相対配置等は、特に特定の記載がない限り、本発明の範囲はこれらの記載に限られない。

本発明の一態様によると、単セルは、相対する第１のセパレータ及び第２のセパレータ、並びに前記第１及び第２のセパレータ間に積層された膜電極接合体を含む。単セルは、単セルの拡がる面を通り抜けるように、前記第１のセパレータ、前記第２セパレータ、及び前記膜電極接合体に設けられた複数の燃料流体用開口部、複数の冷却媒体用開口部及び複数の酸化流体用開口部を備える。そのうち、少なくとも１つの燃料流体用開口部、少なくとも１つの冷却媒体用開口部、及び少なくとも１つの酸化流体用開口部を前記単セルの中央領域に配置している。第１のガス拡散層において、少なくとも１つの燃料流体用開口部は、単セルの拡がる方向に前記第１のガス拡散層を燃料流体が流れる燃料流体端口を有し、第２のガス拡散層において、少なくとも１つの燃料流体用開口部は、前記単セルの拡がる方向に燃料流体が前記第２のガス拡散層を流れるのを防ぐシール材を有する。第２のガス拡散層において、少なくとも１つの酸化流体用開口部は、単セルの拡がる方向に前記第２のガス拡散層を酸化流体が流れる酸化流体端口を有し、前記第１のガス拡散層において、少なくとも１つの酸化流体用開口部は、前記単セルの拡がる方向に酸化流体が前記第１のガス拡散層を流れるのを防ぐシール材を有する。前記第１のガス拡散層、前記触媒付電解質膜及び前記第２のガス拡散層において、少なくとも１つの冷却媒体用開口部は、単セルの拡がる方向に冷却媒体が前記第１のガス拡散層、前記触媒付電解質膜及び前記第２のガス拡散層を流れるのを防ぐシール材を有する。

端部だけに配置された開口部と比べて、中央領域に配置された開口部は、燃料流体、冷却媒体、酸化流体の単セル内の流れをより均衡させることができる。開口部は中央領域の一部に配置できることが理解できる。本発明の文脈では、用語「中央領域」の範囲は、単セルの中心の小領域に限定されることなく広く理解されるべきである。例えば、中央領域の面積はセルの表面の８０％またはそれ以上に達することができる。

本発明の一実施形態では、複数の燃料流体用開口部、複数の冷却媒体用開口部及び複数の酸化流体用開口部は、単セル全体に周期的に繰り返し又はある程度の変動周期的に繰り返され、各周期的な繰り返しは、１つ若しくは複数の同種基本単位、または複数の異種基本単位により構成される。中央領域以外のエッジ領域及び異種基本単位の境界の間において、前記単セルは、前記基本単位の周期的な繰り返しを終了させるエッジ構造を備えている。この実施の形態では、開口部は中央領域に配置されているだけでなく、中央領域以外のエッジ領域に配置されている。また、単セルは、中央領域以外のエッジ領域において、前記基本単位を終了させるエッジ構造を備えている。周期的な繰り返しがその開口部の構成または配列が異なる複数の異種基本単位を有する場合、単セルは、異種の基本単位の境界間に、基本単位の周期的な繰り返しを終了させるエッジ構造を有してもよい。簡略化された実施形態では、複数の燃料流体用開口部、複数の冷却媒体用開口部及び複数の酸化流体用開口部は、セル全体に一つの基本単位により構成され、また、単セルは、中央領域以外のエッジ領域において、基本単位を終了させるエッジ構造を有する。

以下、本発明の実施の一形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１はスタック型燃料電池を示す。図１（Ａ）は、スタック型燃料電池の構造の外観図であり、図１（Ｂ）は、スタック型燃料電池の構造の断面図であり、図１（Ｃ）は、単セルの構造を断面図である。

図１（Ａ）に示すように、複数の単セル８を積み重ねて得られたスタック構造体９（後述するスタック構造体）の両端は、エンドプレート１０１、１０２によって締め付けられている。また、図１（Ｂ）に示すように、エンドプレート１０１、１０２には、外部共用マニホールド５１、５２、５３が設けられ、スタック構造体９には、内部共用マニホールド４１、４２、４３が内設され、燃料流体、冷却媒体及び酸化流体を含む各種流体がそれぞれ供給され排出される。

単セル８は、図１（Ｂ）に示すラミネート構造を備え、１は電解質膜であり、電解質膜１を挟んで一対の電極触媒層２、３（すなわち、カソード側触媒層と、アノード側触媒層）が配置される。そして、電極触媒層２、３の外側には各々ガス拡散層４、５が配置され、各々ガス拡散層４、５のさらに外側には一対のセパレータ６、７が配置される。膜電極接合体は層１−５から構成されている。

本発明の各実施形態の燃料流体と酸化流体は、気体を例に説明する。本発明の各実施形態の電気ヒープ型燃料電池は、純水素、メタノール等の各種燃料を燃料として使用することができる。以下の例では水素を燃料として説明する。

（燃料電池のメカニズム）
スタック型燃料電池のメカニズムは以下のとおりである。アノード（燃料極と呼ばれる）には水素ガスが供給され、触媒の助けを借りて、供給された水素ガスから電子が離れ外部回路に移動する。ここで水素は水素イオン（プロトンと呼ばれる）に変わる。一方、カソード（空気極と呼ばれる）には酸素が供給される。酸素は電解質膜から通過してくるプロトンと外部回路から流入してくる電子とに反応して水が生成される。

本発明のスタック型燃料電池は、一例として、電解質膜１に固体高分子電解質を使用し、この電解質膜１にアノード側触媒層２及びカソード側触媒層３を添わせ、アノード側触媒層２にアノード側ガス拡散層４を介在させてアノード側セパレータ６を合わせるとともに、カソード側触媒層３にカソード側ガス拡散層５を介在させてカソード側セパレータ７に合わせることにより単セル８を構成し、図１（Ａ）に示すような、この単セル８を多数スタックした固体高分子燃料電池が構成される。本発明において、単セル８の面内に穿設される開口部１１、１２、１３の配列レイアウトを２次元ブラベ格子に沿って各種開口部が配列するパターンの繰り返しの基本単位１６を用いて設計し、発電に必要最小限な開口部１１、１２、１３の種類については最小発電体１７を用いて説明を試みる。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）に示した単セル８の概念図は、図１のスタック構造体９を構成するための単セル８の一枚を表現している。図２は、２次元展開のブラベ格子の規則性を応用した、本発明の単セル８の面内に穿設される開口部１１、１２、１３の配列を示している。図２に示す開口部１１、１２、１３のそれぞれを供給用開口部と排出用開口部として次のように区別する。燃料流体供給用開口部１１Ａ、冷却媒体供給用開口部１２Ａ、酸化流体供給用開口部１３Ａ、燃料流体排出用開口部１１Ｂ、冷却媒体排出用開口部１２Ｂ、酸化流体排出用開口部１３Ｂがある。

ここでは、図２（Ａ）は、開口部が複数の周期的に繰り返される同じ基本単位を構成する例を示している。図２（Ｂ）は、開口部が１つの基本単位を構成する例を示している。図２（Ｃ）は、開口部が周期的に繰り返される複数の異種基本単位を構成する例を示している。図２に示す通り、基本単位１６は、ベクトルＡ（図２の符号１４）とベクトルＢ（図２の符号１５）により描かれた２次元ブラベ格子に沿って各種開口部が配列されるパターンの繰り返し最小単位を表している。最小発電体１７には、発電に必要最小限な供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ及び排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの６種類が含まれている。以下の説明では、図２（Ａ）を例に説明する。

なお、図２（Ａ）、図２（Ｃ）に記載の四方に展開する点線矢印が表すのは、作図の都合上、繰り返しで配列し続ける開口部１１、１２、１３を省略した部分であるが、その繰り返し配列が無限に展開するという意味合いを含むものではない。また、図２（Ａ）、図２（Ｃ）の単セル８の四辺に表現された波状の輪郭線は、省略部分を切り取った状態を表している。図２（Ａ）の点線矢印で「繰り返し」を表現した意図は、その時その場に具合よく適するよう２次元展開による開口部１１、１２、１３の配列を実現させるためである。また、図２では、各種流体の供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａの記号は×印で表示され、各種流体の排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの記号は黒丸印で表示されている。

図２（Ａ）における本発明の単セル８の開口部１１、１２、１３の列の間に描かれた右下がりの破線が表すのは、各種流体それぞれに対応する供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａと排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの間に形成される流路（燃料流体の供給排出流路３１、冷却媒体の供給排出流路３２、酸化流体の供給排出流路３３）を表す概念上の線であるが、これらは実際の流路３１、３２、３３と必ずしも同じとは限らない。なお、各種流体は、供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａから最も近い対応位置にある排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂへと流れるものの、たとえ最も近い対応位置に排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂが存在していたとしても、供給排出流路３１、３２、３３が導いていない非対応の排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂに向かって流れることはない。

さて、構成概念である２次元展開のブラベ格子の規則性を応用した開口部１１、１２、１３の配列の考え方の特徴の一つは、図２（Ａ）で示した通り、２次元展開のブラベ格子に沿って配列するパターンの基本単位１６を繰り返し単位として開口部１１、１２、１３を配列させている点にある。具体的には、ベクトルＡ（図２の符号１４）とベクトルＢ（図２の符号１５）を用いて描かれた斜方格子をかたどる基本単位１６に囲繞された領域の内側にかかる開口部１１、１２、１３の数としては、その４本の線分にかかっている４つの燃料流体の開口部１１Ａ、１１Ｂは、その内側はそれぞれ２分の１なので、合わせて２つ（１／２×４＝２）とカウントされる。２本の線分にかかっている２つの冷却媒体の開口部１２Ａは、その内側は２分の１なので、合わせると１つ（１／２×２＝１）になり、線分にかからない内側にある冷却媒体の開口部１２Ｂが１つあるので、両者を合わせると２つ（１／２×２＋１＝２）とカウントされる。基本単位１６の４隅にある４つの酸化流体の開口部１３Ａは、その内側は略４分の１なので、合わせると１つ（１／４×４＝１）になり、線分にかからない内側にある酸化流体の開口部１３Ｂが１つあるので、両者を合わせると２つ（１／４×４＋１＝２）とカウントされる。全てをあわせると、２つの燃料流体の開口部１１、２つの冷却媒体の開口部１２、そして２つの酸化流体の開口部１３であわせて６つの供給用開口部及び排出用開口部となる。これが斜方格子の基本単位１６の構成である。ここで言う「囲繞」とは、２次元ブラベ格子の斜方格子をかたどる基本単位１６の４本の線分（ベクトル）に囲まれた内側の領域にかかる開口部を含む、という意味である。なお、２次元ブラベ格子に沿って配列するパターンの基本単位１６は、特に斜方格子に限定されるわけではなく、長方格子、六方格子、正方格子、面心長方格子にも適用してもよい。

当然のことながら、本発明のスタック型燃料電池を発電させるのに必要最小限な開口部１１、１２、１３は、燃料流体供給用開口部１１Ａ、冷却媒体供給用開口部１２Ａ、酸化流体供給用開口部１３Ａ、燃料流体排出用開口部１１Ｂ、冷却媒体排出用開口部１２Ｂ、酸化流体排出用開口部１３Ｂの６種類である。これを最小発電体１７として図２（Ａ）に示している。

図２（Ａ）によれば、最小発電体１７には、各種流体の開口部１１、１２、１３の個数としては、４分の１以上または４分の１未満の燃料流体の供給用開口部１１Ａ、４分の１以上または４分の１未満の燃料流体の排出用開口部１１Ｂ、２分の１以上または２分の１未満の冷却媒体の供給用開口部１２Ａ、２分の１以上または２分の１未満の冷却媒体の排出用開口部１２Ｂ、４分の１以上または４分の１未満の酸化流体の供給用開口部１３Ａ、４分の１以上または４分の１未満の酸化流体の排出用開口部１３Ｂが含まれている。

図３に示す通り、単セル８の面内に穿設される開口部１１、１２、１３の端口の平面形状について、燃料流体の開口部１１と酸化流体の開口部１３は形状的に類似している。また、図３（Ａ）は、全方位型開口部の端口を示す図であり、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｅ）は、半方位型開口部の端口を示す図であり、図３（Ｄ）は、準方位型開口部の端口を示す図である。本明細書で言及する「端口」とは、流体の出入りが行われる開口部の外周の縁と第１の誘導流路との境界部分のことであり、図３に示すＰ１−５で代表した線である。単セル８を構成するある特定の機能層と接する開口部の外周の全体にシール材１９で施すことで、開口部からこの機能層への供給流れ、若しくは開口部からこの機能層と隣接層間への供給流れ、またはこの機能層から開口部への排出流れ、あるいはこの機能層と隣接層間から開口部への排出流れが完全に塞がれる。一方、図３に示す通り、単セル８を構成するある特定の機能層と接する開口部の外周の一部にシール材１９で施すことで、開口部からこの機能層への供給流れ、若しくは開口部からこの機能層と隣接層間への供給流れ、またはこの機能層から開口部への排出流れ、若しくはこの機能層と隣接層間から開口部への排出流れが形成される。つまり、各種流体の単セル８への出入りは、シール材１９により制御されるといえよう。

前記開口部１１、１２、１３の平面形状とシール材１９が施される箇所に基づいて開口部の形状を分類することができる。図３では、５種類の開口部の端口を２本のＹ軸と１本のＸ軸を用いて、第Ｉ象限、第ＩＩ象限、第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限を用いて区画した。図３に示した全ての開口部（Ａ）〜（Ｅ）において、第Ｉ象限の回転角度は０〜９０度となる。第ＩＩ象限の回転角度は９０〜１８０度となる。第ＩＩＩ象限の回転角度は、１８０〜２７０度となる。第ＩＶ象限の回転角度は、２７０〜３６０度となる。Ｙ１軸とＹ２軸との間は、シール材１９が施されており、そこは流体の流れが塞がれているところであり、どの象限にも属さない。図３によると、各象限に存在する開口部の端口の発散角度（α1、β1）及び収束角度（α2、β2）は、次の通りになる。発散角度α1は、１〜１８０度、発散角度β1は、１〜９０度、収束角度α2は、１〜１８０度、収束角度β2は、１〜９０度である。

図３の各図について、詳細に説明する。図３（Ａ）に示す全方位型開口部の例では、その開口部の端口Ｐ１が全ての第Ｉ象限、第ＩＩ象限、第ＩＩＩ象限、第ＩＶ象限内に配置され、各象限の全部または一部には、１箇所または１箇所以上の端口が配置される。シール材１９が施される位置は、どの象限にも属さない非動作ゾーンであるＹ１軸とＹ２軸の間である。この例では、端口の数は４つである。半方位型開口部の端口は、第Ｉ象限、第ＩＩ象限、第ＩＩＩ象限、第ＩＶ象限の４象限から選んだ任意なる２象限内の全部または一部に配置される。図３（Ｂ）に示す半方位型開口部の例では、その開口部の端口Ｐ２が第Ｉ象限及び第ＩＩ象限内の全部または一部に配置される。シール材１９が施されるのは、どの象限にも属さない非動作ゾーンであるＹ１軸とＹ２軸の間と、第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限内の全部に配置される。この例では、端口の数は２つである。この半方位型開口部には、反転タイプの形状が存在する。図３（Ｃ）に示す別の半方位型開口部の例では、その開口部の端口Ｐ３が、第Ｉ象限及び第ＩＩＩ象限内の全部または一部に配置される。シール材１９が施されるのは、どの象限にも属さない非動作ゾーンであるＹ１軸とＹ２軸の間と、第ＩＩ象限及び第ＩＶ象限内の全部に配置される。この例では、端口の数は２つである。この半方位型開口部には、反転タイプの形状が存在する。準方位型開口部の端口は、第Ｉ象限、第ＩＩ象限、第ＩＩＩ象限、第ＩＶ象限の４象限から選んだ任意なる３象限内の全部または一部に配置される。図３（Ｄ）に示す準方位型開口部の例では、その開口部の端口Ｐ４が第Ｉ象限、第ＩＩＩ象限、第ＩＶ象限内の全部または一部に配置される。シール材１９が施される位置は、どの象限にも属さない非動作ゾーンであるＹ１軸とＹ２軸の間と、第ＩＩ象限の全部に配置されている。この例では、端口の数は３つである。この準方位型開口部には、反転タイプの形状が存在する。図３（Ｅ）に示す別の半方位型開口部の例では、その開口部の端口Ｐ５が、第ＩＩ象限及び第ＩＩＩ象限内の全部または一部に配置される。シール材１９が施されるのは、どの象限にも属さない非動作ゾーンであるＹ１軸とＹ２軸の間と、第Ｉ象限及び第ＩＶ象限内の全部に配置される。この例では、端口の数は２つである。この半方位型開口部には、反転タイプの形状が存在する。

なお、図３では、３通りの開口部の形状を示したが、本発明はこれらの形状だけに限定されることはない。

（実施の形態１）
本発明を実施するための形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

以下、図１、図４〜図１３を用いて、本発明の実施の形態１におけるスタック型燃料電池について説明する。なお、本発明は、実施の形態１のみに限定されるものではない。

本発明の実施の一形態における単セル８を構成するのは、電解質膜１、電極触媒層２、３、ガス拡散層４、５及びセパレータ６、７を含む部材である。本発明の実施の形態１では、これらの構成部材と、それらに関連する要素が組み込まれたスタック型燃料電池について説明する。

内部共用マニホールド４１、４２、４３を構成する単セル８の面内には、図４に示す全方位型開口部１１、１２、１３が穿設されている。図７〜図１１に示す通り、アノード側ガス拡散層４、カソード側ガス拡散層５、アノード側セパレータ６及びカソード側セパレータ７には、内部共用マニホールド４１、４２、４３を構成する全方位型開口部１１、１２、１３が穿設されている。全方位型開口部１１、１２、１３の配列が展開された複数の単セル８をスタックした結果、内部共用マニホールド４１、４２、４３がスタック構造体９の内側に形成される。

本発明の実施の一形態に係わる単セル８は、アノード側セパレータ６、アノード側ガス拡散層４、アノード側触媒層２、電解質膜１、カソード側触媒層３、カソード側ガス拡散層５、カソード側セパレータ７の順で合わせて７枚の機能層でラミネートされており、現在において通常使われている燃料単セルの厚みよりも薄厚で作成することが好ましい。図７〜図１１を参考にし、本発明の実施の一形態によるスタック構造体９の周期の厚さ、すなわち２つの相隣単セル８の上表面（あるいは下表面）の間の距離（Ｔｈ）は、その厚みがＴｈ＝０.９ｍｍ以上１.２ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましいのはＴｈ＝０.５ｍｍ以上０．９ｍｍ以下である。更に好ましいのは、Ｔｈ＝０．１ｍｍ以上１．２ｍｍ以下である。この間隔は、単セル８の厚さと単セル８間の冷却媒体流路３２の隙間を含む。単セル８の厚さの最大値は１．２ｍｍを超えないことがわかる。通常、厚さが大きいほど、製造コストは抑えられるものの、セルのエネルギー密度が低くなってしまう。逆に、厚さが薄ければ、製造コストが上昇してしまうが、セルの出力密度を高めることができる。上記の範囲で適切な厚みを選択して、製造コストとセルの出力密度の間でバランスをとることができる。

本発明の実施の一形態に係わる単セル８の構成部材とそれらに関連する要素については、周知の基材を用いて形成することができる。また、慣用技術を用いて、単セル８の構成部材とそれらに関連する要素を作製することができる。本発明では、周知の基材と慣用技術については、特に限定しない。以降、各構成部材について、手短に説明する。

[電解質膜]
起電部である電解質膜１としては、一般的には、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜に大別される。フッ素系及び炭化水素系のどちらでも好ましく用いることができる。また、１種類の電解質を単独で用いても、２種類以上を複数あわせて用いてもよい。電解質膜１に求められる主な機能は、良好なプロトン伝導性、反応ガスの不透過性、電子絶縁性並びに物理的及び化学的高耐久性が挙げられる。

[触媒層]
電解質膜１の両側に配置されるアノード側触媒層２とカソード側触媒層３では、アノード及びカソードの燃料電池反応が起こる。アノード側触媒層２では、水素をプロトン及び電子に解離する反応（水素酸化反応）が促進される。カソード側触媒層３では、プロトンと電子と酸素から水を作成する反応（酸素還元反応）が促進される。触媒担持カーボンブラックと白金などの触媒粒子からなる。アノード側触媒層２及びカソード側触媒層３は、例えば、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を含んでいる。

図６を参照し、電解質膜１と、前記電解質膜１の両側に配置されるアノード側触媒層２及びカソード側触媒層３とからなる触媒付電解質膜（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ， ＣＣＭ）であるＣＣＭ膜Ｍ１０１と、ＣＣＭホルダーフィルムＭ１０２と、嵌合構造体Ｍ１０３とから、ＣＣＭシートＭ１００を構成する。

[ガス拡散層]
アノード側ガス拡散層４は、ＣＣＭシートＭ１００とアノード側セパレータ６の間に位置し、カソードガス拡散層５は、ＣＣＭシートＭ１００とカソード側セパレータ７の間に位置する。ガス拡散層４、５は、化学反応に必要な水素と空気を電解質膜１の面方向に沿って効率よく導くように機能する層である。つまり、各図面に示したように、アノード側ガス拡散層４には燃料流体が拡散し、カソード側ガス拡散層５には酸化流体が拡散できるよう流路が設けられている。アノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成されることが好ましい。

[セパレータ]
セパレータとは、発電体である単セル８同士を区切る金属シートであり、一対のセパレータ６、７間には発電に必要な電解質膜１、アノード側触媒層２、カソード側触媒層３、アノード側ガス拡散層４、カソード側ガス拡散層５が納められていて、アノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７のガス拡散層４、５側に接する面それぞれには、反応ガスが流れる第１の誘導流路、第２の誘導流路及び主流路が構成されており、アノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７の反対側の面それぞれには、冷却媒体を流すための流路が形成されている。

セパレータ６、７は、ガス遮断性、化学的安定性及び電子伝導性を有するシートによって構成されている。セパレータとしては、例えば、アルミ、銅、ステンレスなど様々な金属シート、金属箔、金属薄膜などを用いることができる。このような金属シート、金属箔、金属薄膜は耐腐食性と機械強度を持つ導電性材料からなることが好ましい。さらに、前記金属シート、金属箔、金属薄膜は、表面塗布、コーティング及び表面物理化学処理により耐腐食性、機械強度及び導電性がより高くなることがより好ましい。

また、本発明における構成部材の形態は、上述した構成に限定されることはなく、適宜変更することが可能である。

以下、図３、図４を参照しながら、本発明の実施の形態１における単セル８の面内に配列される全方位型開口部の端口の特徴と、その配列レイアウトについて説明する。

図４は、２次元展開のブラベ格子の規則性を応用した、本発明の単セル８の面内に穿設される全方位型開口部１１、１２、１３の配列を示している。図４に示す全方位型開口部１１、１２、１３のそれぞれを各種流体の供給用開口部及び排出用開口部として次のように区別する。燃料流体供給用開口部１１Ａ、冷却媒体供給用開口部１２Ａ、酸化流体供給用開口部１３Ａ、燃料流体排出用開口部１１Ｂ、冷却媒体排出用開口部１２Ｂ、酸化流体排出用開口部１３Ｂがある。図４には、多様な開口部の形状の一案として全方位型が示されている故に、この全方位型開口部に発散角度をもたせ流出を設定することができる。図４に示した例では、全方位型開口部１１、１２、１３の端口の配置は、第Ｉ象限及び第ＩＶ象限または第ＩＩ象限及び第ＩＩＩ象限に配置する端口を経由して流出する各種流体が、発散角度が１度以上１８０度以下である全方位で各種流体が流出するよう設計されている。また、前記の象限に配置する端口は、収束角度が１度以上１８０度以下である全方位で各種流体が流入するよう設計されている。

各種流体の流れは目に見えないため、矢印を使って流れを可視化するようにしている。第Ｉ象限、第ＩＩ象限、第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限に配置する全方位型開口部の端口に向かうように描かれた矢印は、各種流体が全方位型開口部に流れ込む方向を指している。第Ｉ象限、第ＩＩ象限、第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限に配置する全方位型開口部の端口から放射状に放出するように描かれた矢印は、各種流体が全方位型開口部から流れ出る方向を指している。図４では、全方位型開口部の形状は、冷却媒体の開口部１２が矩形であり、燃料流体の開口部１１及び酸化流体の開口部１３が各々の面積の異なる六角形で形成されている（すなわち、酸化流体の開口部１３の面積は、燃料流体の開口部１１の面積より大きい）。なお、図３（Ａ）に示した全方位型開口部の形状は、対称であるため、その反転タイプは存在しない。

基本単位１６は、ベクトルＡ（図４の符号１４）とベクトルＢ（図４の符号１５）により描かれた２次元ブラベ格子に沿って開口部が配列するパターンの最小繰り返し単位を表し、ここでは、全方位型開口部の２次元の配列を展開させる繰り返し単位である（２次元展開が適用されるのは、図２、図４中、Ａ軸とＢ軸からなる平面に位置する単セル８の面内である）。全方位型開口部の配列パターンとは、ベクトルＡ（図４の符号１４）のＡ方向及び／またはその逆方向及びベクトルＢ（図４の符号１５）のＢ方向及び／またはその逆方向に沿って、この基本単位１６を繰り返しながら平行移動させて得られたパターンである。全方位型開口部の配置は、このパターンに従って周期的または準周期的に配列される。最小発電体１７とは、発電に必要な全方位型開口部の種類を有する最小構成体であり、この最小構成体１７には、発電に必要最小限な各種流体の供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ及び各種流体の排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの６種類が含まれている。

なお、図４に記載の四方に展開する点線矢印が表すのは、作図の都合上、繰り返しで配列し続ける全方位型開口部１１、１２、１３を省略した部分であるが、その繰り返し配列が無限に展開するという意味合いを含むものではない。また、図４の単セル８の四辺に表現された波状の輪郭線は、省略部分を切り取った状態を表している。図４の点線矢印で「繰り返し」を表現した意図は、その時その場に具合よく適するよう２次元展開による全方位型開口部１１、１２、１３の配列を実現させるためである。また、図４では、各種流体の供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａの記号は×印で表示され、各種流体の排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの記号は黒丸印で表示されている。

図４に示した本発明の単セル８の全方位型開口部１１、１２、１３の列の間に描かれた右下がりの破線が表すのは、各種流体それぞれに対応する供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａと排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの間に形成される流路（燃料流体の供給排出流路３１、冷却媒体の供給排出流路３２、酸化流体の供給排出流路３３）を表す概念上の線であるが、これらは実際の流路３１、３２、３３と必ずしも同じとは限らない。なお、各種流体は、供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａから最も近い対応位置にある排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂへと流れるものの、たとえ最も近い対応位置に排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂが存在していたとしても、供給排出流路３１、３２、３３が導いていない非対応の排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂに向かって流れることはない。

さて、本発明の実施の形態１における２次元展開のブラベ格子の規則性を応用した全方位型開口部１１、１２、１３の配列の考え方の特徴の一つは、図４で示した通り、２次元展開のブラベ格子に沿って配列するパターンの基本単位１６を最小繰り返し単位として全方位型開口部１１、１２、１３を配列させている点にある。一例として、ベクトルＡ（図４の符号１４）とベクトルＢ（図４の符号１５）を用いて描かれた斜方格子をかたどる基本単位１６に囲繞された領域の内側にかかる全方位型開口部１１、１２、１３の面積としては、その４本の線分かっている４つの燃料流体の開口部１１Ａ、１１Ｂは、その内側は２分の１なので、合わせて開口部２個分（１／２×４＝２）とカウントされる。うち２本の線分にかかっている４つの冷却媒体の開口部１２Ａにおいては、その内側は２分の１なので、合わせると開口部２個分（１／２×４＝２）になり、線分にかからない内側にある冷却媒体の開口部１２Ｂが２個あるので、両者を合わせると開口部４個分（１／２×４＋２＝４）とカウントされる。基本単位１６の４隅にある４つの酸化流体の開口部１３Ａは、その内側は４分の１なので、合わせると開口部１個分（１／４×４＝１）になり、線分にかからない内側にある酸化流体の開口部１３Ｂが１つあるので、両者を合わせると開口部２個分（１／４×４＋１＝２）とカウントされる。４本の線分にかからない内側にある開口部１２Ｂ、１３Ｂをも含め、全てをあわせると、２個の燃料流体の開口部１１、４個の冷却媒体の開口部１２、そして２個の酸化流体の開口部１３の全部であわせて８個の供給用開口部及び排出用開口部となる。これが斜方格子の基本単位１６の構成である。ここで言う「囲繞」とは、２次元ブラベ格子の斜方格子をかたどる基本単位１６の４本の線分（ベクトル）に囲まれた内側の領域にかかる全方位型開口部を含む、という意味である。なお、２次元ブラベ格子の基本単位１６としては、特に斜方格子に限定されるわけではなく、長方格子、六方格子、正方格子、面心長方格子にも適用してもよい。

当然のことながら、本発明の実施の形態１におけるスタック型燃料電池を発電させるのに必要最小限な全方位型開口部１１、１２、１３は、燃料流体供給用開口部１１Ａ、冷却媒体供給用開口部１２Ａ、酸化流体供給用開口部１３Ａ、燃料流体排出用開口部１１Ｂ、冷却媒体排出用開口部１２Ｂ、酸化流体排出用開口部１３Ｂの６種類である。これを最小発電体１７として図４に示している。本発明の実施の形態１における全方位型開口部１１、１２、１３の配列レイアウトの設計を行う上で必要になる点としては、高出力密度及び高容量であるスタック型燃料電池を得るには、単セル８のアノード側触媒層２とカソード側触媒層３の発電エリアに反応ガスを最も効果的に行き渡らせるために、更に、効率良く熱を冷却させるために、必要最小限な６種類の全方位型開口部１１、１２、１３を設けることが好ましい。また、少なくとも、基本単位１６を利用して設計される全方位型開口部１１、１２、１３の種類とそれらの面積が、最小発電体１７の全方位型開口部１１、１２、１３の種類とそれらの面積を満たしていなければならない。全方位型開口部１１、１２、１３の種類と面積については、基本単位１６と最小発電体１７はイコールでも良いし、基本単位１６が最小発電体１７より大きくても良いが、基本単位１６が最小発電体１７より小さいという関係では成り立たないということである。

図４によると、最小発電体１７に囲繞される全方位型開口部１１、１２、１３の面積は次のとおりである。１つの燃料流体の供給用開口部１１Ａの面積の４分の１、１つの燃料流体の排出用開口部１１Ｂの面積の４分の１、１つの冷却媒体の供給用開口部１２Ａの面積の２分の１、１つの冷却媒体の排出用開口部１２Ｂの面積の２分の１、１つの酸化流体の供給用開口部１３Ａの面積の４分の１、１つの酸化流体の排出用開口部１３Ｂの４分の１である。

以下、図５を用いて全方位型開口部の端口から流入・流出する各種流体（反応ガス）の流れについて説明する。但し、本発明は、この形状（全方位型）に限定されるものではない。

図５における全方位型開口部に関与する流れを表した例によれば、各々の開口部の第Ｉ象限及び第ＩＶ象限または第ＩＩ象限及び第ＩＩＩ象限に配置する端口から流出する反応ガス（燃料流体、酸化流体）の発散角度が１度以上１８０度以下になるよう端口形状が設計されている。また、各種反応ガスの流れは目に見えないため、図５では矢印を使って流れを可視化するようにしている。全方位型開口部の端口に向かうように描かれた矢印は、反応ガスが第１の誘導流路から端口を通って排出用全方位型開口部１１Ｂ、１３Ｂに流れ込むまでの流線を表している。全方位型開口部の端口から放射状に放出するよう描かれた矢印は、反応ガスが供給用全方位型開口部１１Ａ、１３Ａから端口を通って第１の誘導流路へ流れ出るまでの流線を表している。図５には、燃料流体の全方位型開口部１１及び酸化流体の全方位型開口部１３の左右の位置（つまり、第Ｉ象限から第ＩＶ象限まで）に存在する端口に各種反応ガスが流入・流出する様子が描写されている。図５（Ａ）には、燃料流体の全方位型開口部１１及び酸化流体の全方位型開口部１３において異なる面積を有する六角形の端口形状が図示されている。図５（Ｂ）には、丸みを帯びた稜線を有する同様の端口形状が図示されている。なお、本発明による端口形状は、多角形、変形多角形、非円形、円形及びそれらの細長形状のいずれであっても、またはそれらの組み合わせであっても、実施可能である。また、本発明の端口形状としては、本発明の実施の形態１における全方位型開口部の単一構造に限定する必要はなく、後述する他の端口形状（半方位型、準方位型など）との様々な組み合わせで単セル８に形成しても構わない。

上述した通り、本発明の実施の形態１における全方位型開口部１１、１２、１３の端口形状を変えることにより、流路設計が最適化されるため、ＣＣＭの発電量を最大化させることができる。

以下、本発明の実施の一形態における単セル８の一部を構成するＣＣＭシートＭ１００について詳述する。ＣＣＭとは、Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅの略称であり、３層ＭＥＡとも呼ばれている。ＣＣＭシートＭ１００とは、電解質膜１、アノード側触媒層２及びカソード側触媒層３から構成されたＣＣＭ膜Ｍ１０１と、そのＣＣＭ膜Ｍ１０１を保持するＣＣＭホルダーフィルムＭ１０２と、それらに穿設した開口部１１、１２、１３と、その他等の総称である。

図６（Ａ）は、本発明の実施の一形態におけるＣＣＭ膜Ｍ１０１と、それを保持するＣＣＭホルダーフィルムＭ１０２と、開口部１１、１２、１３と、を含むＣＣＭシートＭ１００の構造を示す平面模式図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のII−ＩＩ線に沿うＣＣＭシートＭ１００の断面図である。

図６に示す開口部１１、１２、１３の列の両側には、ＣＣＭ膜Ｍ１０１が配置されている。図６が示すのは、本実施の一形態における全方位のケースであるが、後述する実施の形態２に記載の半方位及びその他変形例に記載の準方位のケースも同じである。図６（Ｂ）の断面図が示すように、ＣＣＭホルダーフィルムＭ１０２には、嵌合構造体Ｍ１０３が備わっており、複数のＣＣＭ膜Ｍ１０１を嵌合する。嵌合構造体Ｍ１０３の両端には、ＣＣＭ膜Ｍ１０１を嵌め込むようにして保持する保持方式をとる。図６に示す通り、ＣＣＭホルダーフィルムＭ１０２のベースに開口部１１、１２、１３が穿設されている。更に、開口部１１、１２、１３の近傍には、第１の誘導流路と第２の誘導流路が形成される。ＣＣＭホルダーフィルムＭ１０２は、少なくとも開口部１１、１２、１３の周囲に封止材を有し、燃料流体、冷却媒体、酸化流体が開口部１１、１２、１３から単セル８の延長方向にＣＣＭ膜Ｍ１０１内に流入するのを阻止する。典型的には、ＣＣＭホルダーフィルムＭ１０２全体を封止材で構成することができる。ＣＣＭホルダーフィルムＭ１０２が少なくとも開口部１１、１２、１３の周囲に封止材を有する場合、この層の封止材はシール材１９と同じ材料を選択しても良いし、異なる材料を選択しても良い。図６に示す通り、ＣＣＭホルダーフィルムＭ１０２のベースに開口部１１、１２、１３が穿設されおり、ＣＣＭホルダーフィルムＭ１０２の端部にある嵌合構造体Ｍ１０３により、ＣＣＭ膜Ｍ１０１が挟まれている。これらによりＣＣＭシートＭ１００が構成される。アノード側では、燃料流体の供給用開口部１１Ａの端口より、燃料流体、水、水蒸気が供給され、両側に挟まれているＣＣＭ膜Ｍ１０１に流通し、触媒反応より得られた水素イオンがＣＣＭ膜Ｍ１０１を透過し、未反応の燃料流体、水、水蒸気が燃料流体の排出用開口部１１Ｂの端口より排出される。カソード側では、酸化流体の供給用開口部１３Ａの端口より、酸化流体、水、水蒸気が供給され、酸化流体がＣＣＭ膜Ｍ１０１を透過した水素イオンと反応して水が形成され、反応形成された水が未反応の酸化流体、水、水蒸気と共に酸化流体の排出用開口部１３Ｂの端口より排出される。

開口部１１、１２、１３とＣＣＭ膜Ｍ１０１とを交互に挟むという設計デザインを応用すれば、細かく裁断されたＣＣＭ膜Ｍ１０１の一片も無駄にすることなく利用することができるので、高価なＣＣＭ膜Ｍ１０１の有効利用を可能とし、生産性の向上につながるメリットがある。

次に、図７〜図１１、図１６〜図２０を参照しながらシール材１９と、ガス拡散層４、５に係わる流路形成について説明する。なお、これらの図面において、図面の見やすさ及び説明の便宜を図るため、正確な縮尺にはなっておらず、肉厚の薄い部材の肉厚が大きく表示されていることに注意されたい。図面中、同様の部材は同一符号で示される。

本発明の実施の一形態において、シール材１９を施す箇所は、開口部１１、１２、１３の周辺である。シール材１９が施されない開口部１１、１３の周辺には、反応ガスが流入・流出する箇所となる端口がある。その端口は、第１の誘導流路３１Ｍ１、３３Ｍ１と直結している。第１の誘導流路３１Ｍ１、３３Ｍ１は、細かい髭状の線で表現している。

本発明の実施の一形態において、シール材１９は、単セル８内部と単セル８間に適切に作りこんで、２枚の隣り合う単セル８の間に形成される冷却媒体の供給排出流路３２と各種流体の開口部１１、１２、１３との接続部、及び、燃料流体の供給排出流路３１、酸化流体の供給排出流路３３と各種流体の開口部１１、１２、１３との接続部を形成させる。これにより、シール材１９は、反応ガス及び冷却媒体を単セル８に供給し、単セル８より排出する流れを誘導する機能を担う。

本発明で使用可能なシール材１９としては、特に限定されないが、平坦部にスクリーン印刷によって塗布できるゴム、粘着テープ、ゴムシール、シーラント接着剤などが利用できる。シール材１９は、前記供給用開口部及び排出用開口部の外周の縁に施されている。ガスシールが必要な部分については、完全に密着してガス漏れがない状態とすることが必要である。更に、化学的、熱学的な安定性と、強度耐久性の良いシーリング構造体を得ることがより好ましい。

まず、本発明の実施の形態１における単セル８のアノード側の流路及び全方位型開口部１１、１２、１３周辺の構造について、図７を参照しながら説明する。

図７は、本発明の実施の形態１におけるＣＣＭシートＭ１００のアノード側の流路を説明する図であって、図７（Ａ）は、図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図であり、図７（Ｂ）は、アノード側セパレータ６を取り外したときに出現するアノード側ガス拡散層４の面視図であり、図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）のアノード側ガス拡散層４を取り外したときに出現するＣＣＭシートＭ１００の面視図である。図７（Ａ）の左上にある縦両矢印Ｃは、単セル８のスタック方向Ｃを示している。一枚の単セル８が示された図７（Ａ）の左側には、供給排出流路３１、３２、３３の位置関係を示している。アスタリスク「＊」が付いている流路、図７（Ａ）の例では、流路３１がアクティブな流路であるが、実際に燃料電池が稼働している時には、他の流路も活動しているということは、当事者であれば理解できるだろう。図７（Ａ）のアクティブな流路３１の中に引いてある横矢印が示すのは、燃料流体が燃料流体の流路３１を流れる方向である。上向きの縦矢印は、燃料流体の供給用内部共用マニホールド４１Ａの流れを示し、下向きの縦矢印は、燃料流体の排出用内部共用マニホールド４１Ｂの流れを示している。

本発明の実施の形態１によれば、全方位型開口部１１、１２、１３の周辺にあるシール材１９により各種流体の流れが制御される仕組みになっている。具体的には、図７（Ｂ）のアノード側ガス拡散層４の面視図を見れば明らかなように、水素イオンをＣＣＭ膜Ｍ１０１に透過させるために、アノード側ガス拡散層４に冷却媒体と酸化流体が流れ込まないよう冷却媒体の供給排出用開口部１２Ａ、１２Ｂと、酸化流体の供給排出用開口部１３Ａ、１３Ｂの周囲に対してシール材１９を施すことで塞ぎ、アノード側ガス拡散層４に燃料流体が流れ込むよう燃料流体の供給排出用開口部１１Ａ、１１Ｂの端口にはシール材１９が設けられていない。

図７（Ｃ）のＣＣＭシートＭ１００の面視図を見て分かるように、アノード側ガス拡散層４に面するＣＣＭシートＭ１００側の燃料流体の供給排出用開口部１１Ａ、１１Ｂの周辺には、第１の誘導流路３１Ｍ１Ａ、３１Ｍ１Ｂと第２の誘導流路３１Ｍ２Ａ、３１Ｍ２Ｂが設けられている。該当しない冷却媒体の開口部１２と酸化流体の開口部１３の周辺には、シール材１９が設けられている。このシール材１９は、全方位型開口部１２、１３ごとつながっていても良いし、つながっていなくても良い。

図７（Ａ）の立体断面図は、燃料流体の供給用開口部１１Ａと排出用開口部１１Ｂのシーリング部位を示す。アノード側ガス拡散層４及びそれに隣接する第１の誘導流路３１Ｍ１Ａ、３１Ｍ１Ｂに繋がる燃料流体の開口部１１Ａ、１１Ｂの端口にはシール材１９を施していないので、流路３１への燃料流体の流れが確保される。同時に、カソード側ガス拡散層５及び酸化流体流路３３と接する燃料流体開口部１１Ａ、１１Ｂの部位、及びアノード側セパレータ６とそれに隣接するカソード側セパレータ７の間にある冷却媒体の流路３２と接する燃料流体開口部１１Ａ、１１Ｂの部位は全てシール材１９によって塞がれ、燃料流体が上記の無関係な流路、すなわち流路３２、３３へ流れ込まないようにしている。

また、図７（Ａ）の拡大図を見れば明らかなように、燃料流体の供給用内部共用マニホールド４１Ａより供給される燃料流体の流れが、燃料流体の供給用開口部１１Ａにて２つに分岐している。この２通りの流れのうち、上側の矢印で示す流れは、図１１で後述する単セル８の一部を構成するアノード側セパレータ６に設けられた第１の誘導流路３１Ｓ１Ａ、第２の誘導流路３１Ｓ２Ａ及び主流路３１Ｓ０への流れを示し、下側の矢印で示す流れは、アノード側ガス拡散層４側に面するＣＣＭシートＭ１００に設けられた第１の誘導流路３１Ｍ１Ａと第２の誘導流路３１Ｍ２Ａへの流れを示している。よって、アクティブな流路である燃料流体の流路３１は、この２通りの流路から構成される。その一方の流路は、アノード側セパレータ６に設けられた流路であり、第１の誘導流路３１Ｓ１Ａ、第２の誘導流路３１Ｓ２Ａ及び主流路３１Ｓ０からなる。他方の流路は、ＣＣＭシートＭ１００に設けられた流路であり、第１の誘導流路３１Ｍ１Ａ及び第２の誘導流路３１Ｍ２Ａから構成される。同様に、上述の分岐した２通りの未反応の燃料流体の流れは、燃料流体の排出用開口部１１Ｂで合流し、燃料流体の排出用内部共用マニホールド４１Ｂへ排出される。

燃料流体の流れる経路３１は、次の順となる。すなわち、燃料流体の供給経路は、１）燃料流体の供給用開口部１１Ａ→第１の誘導流路３１Ｓ１Ａ→第２の誘導流路３１Ｓ２Ａ→主流路３１Ｓ０→アノード側ガス拡散層４、により編成されるアノード側セパレータ６側の経路と、２）燃料流体の供給用開口部１１Ａ→第１の誘導流路３１Ｍ１Ａ→第２の誘導流路３１Ｍ２Ａ→アノード側ガス拡散層４、により編成されるＣＣＭシートＭ１００側の経路である。供給された燃料流体の一部がアノード側ガス拡散層４に拡散し、アノード側触媒層２では水素酸化反応が起き、水素イオンがＣＣＭ膜Ｍ１０１を透過する。その一方で未反応の燃料流体の排出経路は、１）主流路３１Ｓ０（アノード側ガス拡散層４→主流路３１Ｓ０を含む）→第２の誘導流路３１Ｓ２Ｂ→第１の誘導流路３１Ｓ１Ｂ→燃料流体の排出用開口部１１Ｂ、により編成されるアノード側セパレータ６側の経路と、２）アノード側ガス拡散層４→第２の誘導流路３１Ｍ２Ｂ→第１の誘導流路３１Ｍ１Ｂ→燃料流体の排出用開口部１１Ｂ、により編成されるＣＣＭシートＭ１００側の経路である。このような供給・排出の経路のことを「供給排出流路３１」と称する。なお、誘導流路は、上述した数々の誘導流路に限定されないものとする。例えば、第３の誘導流路が編成されても良い。

更に、単セル８の一部を構成するアノード側セパレータ６と、それに隣接する単セル８の一部を構成するカソード側セパレータ７との間には、冷却媒体の流路３２が設けられる（後述する）。

なお、図７（Ｂ）と図７（Ｃ）に示した通り、酸化流体の全方位型開口部１３の周辺に施されるシール材１９と、冷却媒体の全方位型開口部１２の周辺に施されるシール材１９とは一体化していてもよいし、シール材１９の加工が容易になるようつながってなくてもよい。

また、図７（Ａ）で明らかなように、アノード側ガス拡散層４は、そのＣＣＭシートＭ１００側に形成される燃料流体の供給排出流路３１（第１の誘導流路３１Ｍ１、第２の誘導流路３１Ｍ２）に合わせるよう載置される。同時に、このアノード側ガス拡散層４は、そのアノード側セパレータ６に面する側に形成される燃料流体の供給排出流路３１（第１の誘導流路３１Ｓ１、第２の誘導流路３１Ｓ２、主流路３１Ｓ０）に合わせるよう載置させている。

更に、図７に示す全方位型開口部の配列レイアウトは、各種流体の供給用開口部と排出用開口部とが、同じ一列には同種流体の供給用開口部のみまたは排出用開口部のみを設けている例であり、各種流体の供給用開口部と排出用開口部とからなる列の間は、略等間隔になるように設けられている。なお、全方位型開口部の配列レイアウトは、特にこの例に限定されるわけではない。

次に、本発明の実施の形態１における単セル８のカソード側の流路及び全方位型開口部１１、１２、１３周辺の構造について、図８を参照しながら説明する。

図８は、本発明の実施の形態１におけるＣＣＭシートＭ１００のカソード側の流路を説明する図であって、図８（Ａ）は、図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図であり、図８（Ｂ）は、カソード側セパレータ７を取り外した時に出現するカソード側ガス拡散層５側の面視図であり、図８（Ｃ）は、図８（Ｂ）のカソード側ガス拡散層５を取り外した時に出現するＣＣＭシートＭ１００側の面視図である。図８（Ａ）の左上にある縦両矢印Ｃは、単セル８のスタック方向Ｃを示している。一枚の単セル８が示された図８（Ａ）の左側には、供給排出流路３１、３２、３３の位置関係を示している。アスタリスク「＊」が付いている流路、図８（Ａ）の例では流路３３が、アクティブな流路であるが、実際に燃料電池が稼働している時には、他の流路も活動しているということは、当事者であれば理解できるだろう。図８（Ａ）のアクティブな流路３３の中に引いてある横矢印が示すのは、酸化流体が流路３３を流れる方向である。上向きの縦矢印は、酸化流体の供給用内部共用マニホールド４３Ａの流れを示し、下向きの縦矢印は、酸化流体の排出用内部共用マニホールド４３Ｂの流れを示している。

本発明の実施の形態１によれば、全方位型開口部１１、１２、１３の周辺にあるシール材１９により各種流体の流れが制御される仕組みになっている。具体的には、図８（Ｂ）のカソード側ガス拡散層５側の面視図を見れば明らかなように、ＣＣＭ膜Ｍ１０１から透過されてきた水素イオンと酸化流体との反応を促進させるために、カソード側ガス拡散層５に燃料流体と冷却媒体が流れ込まないよう燃料流体の供給排出用開口部１１Ａ、１１Ｂと、冷却媒体の供給排出用開口部１２Ａ、１２Ｂに対してシール材１９を施すことで塞ぎ、カソード側ガス拡散層５に酸化流体が流れ込むよう酸化流体の供給排出用開口部１３Ａ、１３Ｂの端口にはシール材１９が設けられていない。

図８（Ｃ）のＣＣＭシートＭ１００側の面視図を見て分かるように、カソード側ガス拡散層５に面するＣＣＭシートＭ１００側の酸化流体の供給排出用開口部１３Ａ、１３Ｂの周辺には、第１の誘導流路３３Ｍ１Ａ、３３Ｍ１Ｂと第２の誘導流路３３Ｍ２Ａ、３３Ｍ２Ｂが設けられている。該当しない燃料流体の開口部１１と冷却媒体の開口部１２の周辺には、シール材１９が設けられている。このシール材１９は、全方位型開口部１１、１２ごとにつながっていても良いし、つながっていなくても良い。

図８（Ａ）の立体断面図は、酸化流体の供給用開口部１３Ａと排出用開口部１３Ｂのシーリング部位を示す。カソード側ガス拡散層５及びそれに隣接する酸化流体の第１の誘導流路３３Ｍ１Ａ、３３Ｍ１Ｂに繋がる酸化流体の開口部１３Ａ、１３Ｂの端口にはシール材１９を施していないので、流路３３への酸化流体の流れが確保される。同時に、アノード側ガス拡散層４及び燃料流体流路３１と接する酸化流体の開口部１３Ａ、１３Ｂの部位、及びアノード側セパレータ６とそれに隣接するカソード側セパレータ７間にある冷却媒体の流路３２と接する酸化流体の開口部１３Ａ、１３Ｂの部位は全てシール材１９によって塞がれ、酸化流体が上記の無関係な流路、すなわち流路３１、３２へ流れ込まないようにしている。

また、図７（Ａ）の拡大図で示した燃料流体の流れと同様に、図８（Ａ）を見れば明らかなように、酸化流体の供給用内部共用マニホールド４３Ａより供給される酸化流体の流れが、酸化流体の供給用開口部１３Ａにて２つに分岐している。この２通りの流れのうち、下側の流れ（カソード側セパレータ７側）は、後述する単セル８の一部を構成するカソード側セパレータ７に設けられた第１の誘導流路３３Ｓ１Ａ、第２の誘導流路３３Ｓ２Ａ及び主流路３３Ｓ０への流れを示し、上側の流れ（ＣＣＭシートＭ１００側）は、カソード側ガス拡散層５側に面するＣＣＭシートＭ１００に設けられた第１の誘導流路３３Ｍ１Ａと第２の誘導流路３３Ｍ２Ａへの流れを示している。よって、アクティブな流路である酸化流体の供給流路３３は、この２通りの流路からなる。その一方の流路は、カソード側セパレータ７に設けられた流路であり、第１の誘導流路３３Ｓ１Ａ、第２の誘導流路３３Ｓ２Ａ及び主流路３３Ｓ０から構成される。他方の流路は、ＣＣＭシートＭ１００に設けられた流路であり、第１の誘導流路３３Ｍ１Ａ及び第２の誘導流路３３Ｍ２Ａから構成される。同じく、図８（Ａ）の拡大図を見れば明らかなように、上述の分岐した２通りの未反応の酸化流体の流れは、酸化流体の排出用開口部１３Ｂで合流し、酸化流体の排出用内部共用マニホールド４３Ｂへ排出される。

酸化流体の流れる経路３３は、次の順となる。すなわち、酸化流体の供給経路は、１）酸化流体の供給用開口部１３Ａ→第１の誘導流路３３Ｓ１Ａ→第２の誘導流路３３Ｓ２Ａ→主流路３３Ｓ０→カソード側ガス拡散層５、により編成されるカソード側セパレータ７側の経路と、２）酸化流体の供給用開口部１３Ａ→第１の誘導流路３３Ｍ１Ａ→第２の誘導流路３３Ｍ２Ａ→カソード側ガス拡散層５、により編成されるＣＣＭシートＭ１００側の経路である。供給された酸化流体の一部がカソード側ガス拡散層５に拡散し、カソード側触媒層３でＣＣＭ膜Ｍ１０１から透過してきた水素イオンと酸素還元反応を起こす。その一方で未反応の酸化流体の排出経路は、１）主流路３３Ｓ０（カソード側ガス拡散層５→主流路３３Ｓ０を含む）→第２の誘導流路３３Ｓ２Ｂ→第１の誘導流路３３Ｓ１Ｂ→酸化ガスの排出用開口部１３Ｂ、により編成されるカソード側セパレータ７側の経路と、２）カソード側ガス拡散層５→第２の誘導流路３３Ｍ２Ｂ→第１の誘導流路３３Ｍ１Ｂ→酸化流体の排出用開口部１３Ｂ、により編成されるＣＣＭシートＭ１００側の経路である。このような供給・排出の経路のことを「供給排出流路３３」と称する。なお、誘導流路は、上述した数々の誘導流路に限定されないものとする。例えば、第３の誘導流路が編成されても良い。

更に、単セル８の一部を構成するカソード側セパレータ７と、それに隣接する単セル８の一部を構成するアノード側セパレータ６との間には、冷却媒体の流路３２が設けられる（後述する）。

なお、図８（Ｂ）と図８（Ｃ）に示した通り、燃料流体の全方位型開口部１１の周辺に施されるシール材１９と、冷却媒体の全方位型開口部１２の周辺に施されるシール材１９とは一体化していてもよいし、シール材１９の加工が容易になるようつながってなくてもよい。

また、図８（Ａ）で明らかなように、カソード側ガス拡散層５は、そのＣＣＭシートＭ１００側に形成される酸化流体の供給排出流路３３（第１の誘導流路３３Ｍ１、第２の誘導流路３３Ｍ２）に合わせるよう載置される。同時に、このカソード側ガス拡散層５は、そのカソード側セパレータ７に面する側に形成される酸化流体の供給排出流路３３（第１の誘導流路３３Ｓ１、第２の誘導流路３３Ｓ２、主流路３３Ｓ０）に合わせるよう載置させている。

更に、図８に示す全方位型開口部の配列レイアウトは、各種流体の供給用開口部と排出用開口部とが、同じ一列には同種流体の供給用開口部または排出用開口部のみを設けている例であり、各種流体の供給用開口部と排出用開口部とからなる列の間は、略等間隔になるように設けられている。なお、全方位型開口部の配列レイアウトは、特にこの例に限定されるわけではない。

次に、図９、図１０、図１１を参照しながらセパレータに係わる流路形成について説明する。なおこれらの図面において、図面の見やすさ及び説明の便宜を図るため、正確な縮尺にはなっておらず、肉厚の薄い部材の肉厚が大きく表示されていることに注意されたい。

図９は、本発明の実施の形態１におけるアノード側セパレータ６に形成される流路を説明する図であって、図９（Ａ）は、図９（Ｂ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図であり、図９（Ｂ）は、燃料流体の全方位型開口部１１の端口と燃料流体の流路３１が形成されるアノード側セパレータ６の片面の構造を示す図である。

図１０は、本発明の実施の形態１におけるカソード側セパレータ７に形成される流路を説明する図であって、図１０（Ａ）は、図１０（Ｂ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図であり、図１０（Ｂ）は、酸化流体の全方位型開口部１３の端口と酸化流体の流路３３が形成されるカソード側セパレータ７の片面の構造を示す図である。

図１１は、本発明の実施の形態１におけるアノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７間に形成される冷却媒体の流路３２を説明する図であって、図１１（Ａ）は、図１１（Ｂ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図であり、図１１（Ｂ）は、冷却媒体の全方位型開口部１２の端口と冷却媒体の流路３２が形成されるセパレータ６、７それぞれに面する側の構造を表す面視図である。そこには、隣接するセパレータ６、７との間に冷却媒体の流路３２を形成するため、第１の誘導流路３２Ｓ１及び主流路３２Ｓ０が設けられている。

図９（Ｂ）によると、本発明の実施の形態１におけるアノード側セパレータ６の両面のうちアノード側ガス拡散層４に対面する面には、アノードガスである燃料流体の供給排出流路３１（第１の誘導流路３１Ｓ１、第２の誘導流路３１Ｓ２及び主流路３１Ｓ０）が形成されている。図９（Ｂ）は、アノード側セパレータ６を取り外した時のセパレータ６のアノード側の面視図である。つまり、供給用内部共用マニホールド４１Ａから供給される燃料流体は、その供給用開口部１１Ａを通って、第１の誘導流路３１Ｓ１Ａ→第２の誘導流路３１Ｓ２Ａ→主流路３１Ｓ０に流入し、アノード側ガス拡散層４に拡散される。一方、未反応の燃料流体を、主流路３１Ｓ０→第２の誘導流路３１Ｓ２Ｂ→第１の誘導流路３１Ｓ１Ｂ→排出用開口部１１Ｂに流通させる。

図９のアノード側セパレータ６の両面のうちアノード側ガス拡散層４が位置する側とは反対側の面には、冷却媒体が流通する供給用排出流路３２が形成されている（図１１を参照）。内部共用マニホールドから供給された冷却媒体が、冷却媒体の供給用開口部１２Ａを通って、第１の誘導流路３２Ｓ１Ａ→主流路３２Ｓ０に流入する。この冷却媒体は発電エリアを冷却しながら、主流路３２Ｓ０→第１の誘導流路３２Ｓ１Ｂを経由し、排出用内部共用マニホールド４２Ｂに導出される。なお、図１１が示す通り、アノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７に対面する面に形成される誘導流路には、第１の誘導流路３２Ｓ１のみが形成されているが、第２の誘導流路を設けても構わない。なお、誘導流路は、上述した数々の誘導流路に限定されないものとする。例えば、第３の誘導流路が編成されても良い。

また、図１０（Ｂ）によると、本発明の実施の形態１におけるカソード側セパレータ７の両面のうちカソード側ガス拡散層５に対面する面には、カソードガスである酸化流体の供給排出流路３３（第１の誘導流路３３Ｓ１、第２の誘導流路３３Ｓ２及び主流路３３Ｓ０を含む）が形成されている。図１０（Ｂ）は、カソード側セパレータ７を取り外した時のセパレータ７のカソード側の面視図である。つまり、供給用内部共用マニホールド４３Ａから供給される酸化流体は、その供給用開口部１３Ａを通って、第１の誘導流路３３Ｓ１Ａ→第２の誘導流路３３Ｓ２Ａ→主流路３３Ｓ０に流入し、カソード側ガス拡散層５に拡散される。一方、未反応の酸化流体を主流路３３Ｓ０→第２の誘導流路３３Ｓ２Ｂ→第１の誘導流路３３Ｓ１Ｂから排出用開口部１３Ｂに流通させる。

図１０のカソード側セパレータ７の両面のうちカソード側ガス拡散層５が位置する側とは反対側の面には、冷却媒体が流通する冷却媒体用の供給排出流路３２が形成されている（図１１を参照）。内部共用マニホールドから供給された冷却媒体が、冷却媒体の供給用開口部１２Ａを通って、第１の誘導流路３２Ｓ１Ａ→主流路３２Ｓ０に流入する。この冷却媒体は発電エリアを冷却しながら、主流路３２Ｓ０→第１の誘導流路３２Ｓ１Ｂを経由し、排出用内部共用マニホールド４２Ｂに導出される。なお、図１１が示す通り、カソード側セパレータ７とアノード側セパレータ６に対面する面に形成される誘導流路には、第１の誘導流路３２Ｓ１のみが形成されているが、第２の誘導流路を設けても構わない。なお、誘導流路は、上述した数々の誘導流路に限定されないものとする。例えば、第３の誘導流路が編成されても良い。

本発明の実施の形態１によれば、供給排出流路３１、３２，３３には、それぞれ第１の誘導流路、第２の誘導流路及び主流路を設けているが、特にこれに限定されるわけではなく、その他の様々な誘導流路、主流路を設けてもよい。

以下、本発明の実施の一形態におけるスタック型燃料電池の内部共用マニホールド４１、４２、４３及び外部共用マニホールド５１、５２、５３に施されるエッジ処理について、図３、図１２、図１３、図２１を用いて詳述する。なお、本発明では、内部共用マニホールド４１、４２、４３に施されるエッジ構造のみについて言及する。

実際には、単セル８の面内に穿設される開口部１１、１２、１３の２次元的展開はどこまでも続くわけではなく、必ずエッジを設けて展開を終端させなくてはならない。外部ＢＯＰ（Ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔ：発電補助システム）から注入される各種流体の、エンドプレート１０１、１０２に内設される外部共用マニホールド５１、５２、５３と、単セル８をスタックすることにより構成されたスタック構造体９に内設される内部共用マニホールド４１、４２、４３とへの供給、そして排出が均衡するよう、内部共用マニホールド４１、４２、４３と外部共用マニホールド５１、５２、５３の双方にエッジ構造を設ける必要がある。

２次元展開のブラベ格子に沿う開口部配列の周期性（繰り返し）に基づく基本単位１６と、発電に必要最小限である最小発電体１７については既に述べた通りである。本発明の実施の一形態では、２次元ブラベ格子の斜方格子を一例として説明したが、これに限る訳ではなく、その他のブラベ格子の対称性を適用した周期性あるいはある程度のゆらぎがある周期性を有する開口部の配列レイアウトとしても構わない。「ゆらぎ」とは、単セル８の面内にレイアウト設計される開口部１１、１２、１３の寸法、形状及び配列位置が、完璧でなくてもよく、少々ゆらぎのある寸法、形状及び位置があっても構わないという意味である。

以降、図１２、図１３を用いて、本発明の実施の形態１おけるエッジ構造について説明する。

図１２に示す本発明の実施の形態１におけるエッジ構造には、全方位型開口部の配列パターンＥ００１のＢ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図１２のＡ方向）と、全方位型開口部の配列パターンＥ００１のＡ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図１２のＢ方向）がある。これら２端部のエッジ構造を形成するためには、図１２（Ａ）で示した２次元ブラベ格子の規則性に基づく全方位型開口部の配列パターンＥ００１を基本セグメント１８で区切り、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）の太線で囲んだ「エッジ処理後の全方位型開口部の配置エリアＥ００２」を切り出すことになる。

図１２（Ａ）は、単セル８の面内に２次元展開された全方位型開口部の配列パターンＥ００１と２つのエッジ処理後の全方位型開口部配置エリア（Ａｓｓｉｇｎｅｄ ａｒｅａ）Ｅ００２を示している。図１２（Ｂ）が示すのは、全方位型開口部の配列パターンＥ００１よりエッジ処理後の全方位型開口部配置エリアＥ００２を切り出して得られた、エッジ処理済開口部配置構造Ｅ００３を有する単セル８と、この単セル８をスタックして形成されたスタック構造体９の概念図である。エッジ処理後の全方位型開口部配置エリアＥ００２内において、各種流体の供給総流量及び分布と排出総流量及び分布をそれぞれ均衡させるため、各種流体の供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａの面積（エッジ部と中間部を含む）と排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの面積（エッジ部と中間部を含む）とをそれぞれ合わせた総面積が同等またはほぼ同等になるよう設計し、エッジ処理を行っている。

図１２（Ａ）で示した通り、Ｂ軸とＡ軸の２つの軸方向展開を終端させるエッジ構造は、それぞれ軸方向展開に対応する基本セグメント１８の整数倍になる区切りを基準としている。基本セグメント１８には、発電機能を維持するために、燃料流体、冷却媒体及び酸化流体の３種類の開口部１１、１２、１３から構成されるという特徴、及び／または各種流体の供給用開口部と排出用開口部とで一対―の関係で構成されるという特徴がある。単セル８内を流れる各反応ガスと２枚の単セル８の間を流れる冷却媒体において、それぞれの供給と排出の均衡が保たれるよう、基本セグメント１８の整数倍になる区切りを基準に全方位型開口部のＢ軸とＡ軸の２つの軸方向展開を終端さている。

以下、２×４のエッジ構造を例に挙げて説明するが、本発明のエッジ構造はこれに限定されるものではないことは言うまでもない。

本発明の実施の形態１における全方位型開口部の配列パターンＥ００１のＢ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図１２（Ｂ）のＡ方向）というのは、図１２（Ａ）のエッジ処理後の全方位型開口部配置エリアＥ００２のＡ方向に沿って設けられるエッジ構造のことである。図１２（Ａ）で示す通り、全方位型開口部の配列パターンＥ００１のＢ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図１２（Ｂ）のＡ方向）の区切り基準は、基本セグメントＳＢ１、ＳＢ２、ＳＢ３の整数倍である。基本セグメントＳＢ１及び／または基本セグメントＳＢ２及び／または基本セグメントＳＢ３の区切り（セグメント）を基準として、それを整数倍にし、全方位型開口部の配列パターンＥ００１のＢ軸の２方向展開を終端させている。図３（Ａ）によると、全方位型開口部の端口は、全ての第Ｉ象限、第ＩＩ象限、第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限内に配置されており、全方位型開口部の配列パターンＥ００１のＢ軸の２方向展開を終端させるには、第Ｉ象限と第ＩＶ象限の間と、第ＩＩ象限と第ＩＩＩ象限の間とにあるゾーンを切り通し、図１３に示すように全方位型開口部を２分割にする。図１２によれば、基本セグメントＳＢ１、ＳＢ２及びＳＢ３の起点となる全方位型開口部は、終点となる全方位型開口部と同じ類にしており、それぞれ２分割した燃料流体開口部１１、２分割した冷却媒体開口部１２、２分割した酸化流体開口部１３である。よって、図１２（Ａ）に示された様に、基本セグメントＳＢ１は、２つの２分割された燃料流体開口部１１、２つの２分割された冷却媒体の開口部１２と、１つの酸化流体の開口部１３とから構成される。基本セグメントＳＢ２は、２つの２分割した冷却媒体の開口部１２、１つの燃料流体の開口部１１、１つの冷却媒体の開口部１２と、１つの酸化流体の開口部１３とから構成される。基本セグメントＳＢ３は、２つの２分割した酸化流体開口部１３、２つの冷却媒体の開口部１２と、１つの燃料流体の開口部１１とから構成される。基本セグメントＳＢ１、ＳＢ２、ＳＢ３の長さ（Ｂ方向の長さ）は、同じでもよいが、異なっていてもよい。Ｂ方向の長さが同じケースというのは、図１２の例では、燃料流体の開口部１１、冷却媒体の開口部１２と、酸化流体の開口部１３とも同じ列にまっすぐ配列させ、基本セグメントＳＢ１、ＳＢ２及びＳＢ３は均等の長さをもつ。一方、燃料流体の開口部１１、冷却媒体の開口部１２と、酸化流体の開口部１３がＢ方向にジグザグに配列されている場合、Ｂ方向に沿う基本セグメントＳＢ１、ＳＢ２及びＳＢ３の長さは、異なることになる。よって、図１２（Ｂ）で示す２×４のエッジ構造では、Ｂ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図１２のＡ方向）は２つの基本セグメントＳＢ１と２つの基本セグメントＳＢ３とから構成されている。

本発明の実施の形態１における全方位型開口部の配列パターンＥ００１のＡ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図１２（Ｂ）のＢ方向）というのは、図１２（Ａ）のエッジ処理後の全方位型開口部配置エリアＥ００２のＢ方向に沿って設けられるエッジ構造のことである。図１２（Ａ）で示す通り、全方位型開口部のパターンＥ００１のＡ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図１２（Ｂ）のＢ方向）の区切り基準は、基本セグメントＳＡ１、ＳＡ２、ＳＡ３の整数倍である。基本セグメントＳＡ１及び／または基本セグメントＳＡ２及び／または基本セグメントＳＡ３の区切り（セグメント）を基準として、それを整数倍にし、全方位型開口部のパターンＥ００１のＡ軸の２方向展開を終端させている。図３（Ａ）によると、全方位型開口部の端口は、全ての第Ｉ象限、第ＩＩ象限、第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限内に配置されており、全方位型開口部のＡ軸の２方向展開を終端させるには、第Ｉ象限と第ＩＩ象限の間と、第ＩＩＩ象限と第ＩＶ象限の間とにあるゾーンの中間を切り通し、図１３に示すように全方位型開口部を２分割にする。図１２によれば、基本セグメントＳＡ１、ＳＡ２及びＳＡ３の起点となる全方位型開口部は、終点となる全方位型開口部と同じ類にしており、それぞれ２分割した燃料流体開口部１１、２分割した冷却媒体開口部１２、２分割した酸化流体開口部１３である。よって、図１２（Ａ）に示された様に、基本セグメントＳＡ１は、１つの２分割した燃料流体の供給用開口部１１Ａと、１つの２分割した燃料流体の排出用開口部１１Ｂから構成される。基本セグメントＳＡ２は、１つの２分割した冷却媒体の供給用開口部１２Ａと、１つの２分割した冷却媒体の排出用開口部１２Ｂから構成される。基本セグメントＳＡ３は、１つの２分割した酸化流体の供給用開口部１３Ａと、１つの２分割した酸化流体の排出用開口部１３Ｂから構成される。図１２（Ａ）に示された例では、燃料流体の開口部１１と、冷却媒体の開口部１２と、酸化流体の開口部１３は、同じＢ列に配列されているので、基本セグメントＳＡ１、ＳＡ２、ＳＡ３の長さはＢ列間の距離となり同じである。基本セグメントＳＡ１、ＳＡ２、ＳＡ３の長さ（Ａ方向の長さ）は同じでもよいが、異なっていてもよい。燃料流体の開口部１１、冷却媒体の開口部１２と、酸化流体の開口部１３がＡ方向にジグザグに配列されている場合、基本セグメントＳＡ１、ＳＡ２、ＳＡ３の長さは異なることになる。

よって、図１２（Ｂ）で示す２×４のエッジ構造では、Ａ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図１２のＢ方向）は４つの基本セグメントＳＡ１、４つの基本セグメントＳＡ２及び４つの基本セグメントＳＡ３とから構成されている。

以上の様にして、図１２（Ａ）、（Ｂ）に示す、２×４で区切った基本セグメントによるエッジ構造が形成される。同様に、図２（Ｂ）を参照して、基本単位が１つしかない単セル８においても、エッジ処理が行われている。図２（Ｃ）のように、周期的に繰り返される複数の異種基本単位の単セル８においても、異種基本単位の境界間でエッジ処理が行われている。

従って、本発明の実施の形態１における全方位型開口部１１、１２、１３が配列された単セル８の面内においては、各種流体の供給用内部共用マニホールド４１Ａ、４２Ａ、４３Ａの配置及び断面積（供給流れ分布及び流量）と、各種流体の排出用内部共用マニホールド４１Ｂ、４２Ｂ、４３Ｂの配置及び断面積（排出流れ分布及び流量）とを均衡させている。

以下の表１は、図１２（Ｂ）のエッジ処理済開口部配置構造Ｅ００３に含まれる全方位型開口部の数を示している。

上記の表１に示すように、図１２（Ｂ）のエッジ処理済開口部配置構造Ｅ００３に含まれる、同種類の供給用開口部の数（面積）の合計と排出用開口部の数（面積）の合計とが、同じになっていることが分かる。

図１２（Ｂ）を見れば分かる通り、太線で囲ったエッジ処理済開口部配置構造Ｅ００３を有する全方位型開口部の配列レイアウトが示す例では、すなわち２×４の基本セグメントで区切ったエッジ構造には、その４隅にある全方位型開口部（この例では、全て酸化流体供給用開口部１３Ａである）は、中間部にある全形の全方位型開口部（この例では、酸化流体供給用開口部１３Ｂ）の面積を１とすれば、その４分の１である。供給排出の均衡（総合的に１対１の関係が確立しているか）がとれていることが、各全方位型開口部の数（面積）を数え合わせることで確認できる。

その結果、図１２（Ａ）の２次元展開の全方位型開口部の配列パターンＥ００１から、エッジ処理後の全方位型開口部配置エリアＥ００２を切り出すことで、供給排出のバランス関係が成立したエッジ処理済開口部配置構造Ｅ００３を有する、全方位型開口部１１、１２、１３を配列させた単セル８が出来上がる。図１２では、ブラベ格子の規則性を応用した全方位型開口部配列の２次元展開パターンＥ００１の上を「エッジ処理後の全方位型開口部の配置エリアＥ００２」として太線で囲み、その部分を切り出している。本発明における実施の形態１では、「エッジ処理後の全方位型開口部の配置エリアＥ００２」に基づいて単セル８の面内に全方位型開口部１１、１２、１３を配列させている。

本発明の特徴の一つであるエッジ構造を形成するのに利用される全方位型開口部１１、１２、１３の形状の特殊な例について、図１３を参照しながら具体的に説明する。図１３は、実施の形態１におけるエッジ構造を有する酸化流体の全方位型開口部１３の面内形状を表す図であって、図１３（Ａ）は、全形としての全方位型開口部の形状、図１３（Ｂ）は、全形を２分割した全方位型開口部の形状２つ、図１３（Ｃ）は、全形を４分割した全方位型開口部の形状を表す図である。

エッジ処理を実施し、２次元展開を終端させるというのは、具体的には、図１３（Ｂ）の全方位型開口部に示した通り、全方位型開口部の全面積の半分にした形状を、スタック構造体９のエッジ部分（縁部）に配置させることである。図１３（Ｂ）に示すような、面積を半分にした全方位型開口部をエッジ部分に配置した場合（例えば、酸化流体供給用開口部１３Ａ）、エッジ部以外の位置である中間部に全形の酸化流体の排出用開口部１３Ｂを設け、対面側のエッジ部に面積が半分の酸化流体の供給用開口部１３Ａを設けることにより、全体の供給と排出の均衡がとれ、エッジ構造が成立する。本発明でエッジ構造を形成するというのは、図１３（Ａ）に図示した全形としての全方位型開口部の面積が１だとすれば、図１３（Ｂ）、図１３（Ｃ）に図示する１未満（２分の１または４分の１）の全方位型開口部をエッジ部（縁部と角部）に設けることである。結果として、２×４のエッジ構造が形成される。簡単に言えば、全方位型開口部からの流れは、全方位のパノラマ（３６０度）であるので、全方位型開口部を２分割すれば、エッジ部（縁部）の全方位型開口部として利用できる構成になっている、ということである。また、全方位型開口部を４分割にすれば、エッジ部（角部）の全方位型開口部として利用できる構成になっている、ということである。

なお、図１３（Ｂ）に示す２分割の全方位型開口部には、２タイプが示されている。それぞれのタイプには反転タイプが存在するので、２分割された全方位型開口部には、合計４種類ある。図１３（Ｃ）の４分割の全方位型開口部には、合計４種類ある。以上のような様々な向きの全方位型開口部を配置可能な位置に適宜に設置させることにより、エッジ構造が首尾よく形成される。図１３の例では、酸化流体の開口部１３のみ描写したが、燃料流体の開口部１１と冷却媒体の開口部１２の形状についても、同様コンセプトにてエッジ構造を形成することができる。

図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）、図１３（Ｃ）に示した通り、本発明の実施の形態１における全方位型開口部に係わるエッジ構造の特徴は、単セル８の縁部に沿って設けられる全方位型開口部の寸法、形状及び面積（２分の１以上または２分の１未満）、角部に位置する全方位型開口部の寸法、形状及び面積（４分の１以上または４分の１未満）、それら以外の位置にある全方位型開口部、すなわち、中間部に位置する全方位型開口部の寸法、形状及び面積（１以上または１未満）がそれぞれ異なっている点にある。括弧書きの中に示した値は、全形の全方位型開口部の面積を１とした時の数値である。

以上、単セル８の面内のエッジ構造について、全方位型開口部の観点で説明した。次に、全方位型開口部に連通する内部共用マニホールドに係わるエッジ構造について述べる。内部共用マニホールドは、本発明の単セル８をスタックしたスタック構造体９の内側に形成される。よって、１枚の単セル８の面内で、各種流体の全方位型開口部１１、１２、１３の供給排出の均衡がとれていれば、たとえ内部共用マニホールドの形状及びサイズに対して変形が加えられたとしても、総合的には、内部共用マニホールドの供給排出の均衡も取れているということになる。

つまり、内部共用マニホールドの断面形状及び断面積と、全方位型開口部の面内形状及び面積とは、基本的に同じである。単セル８の面内に設けられる全方位型開口部の面内形状及び面積と同様に、内部共用マニホールドの断面形状及び断面積は、その角部と縁部（エッジ部分）と中間部（エッジ以外の部分）とでそれぞれ異なっている。比較してみると、中間部にある全形の内部共用マニホールド断面積を１とした場合、縁部の内部共用マニホールド断面積は、中間部の内部共用マニホールド断面積より小さく、略２分の１である。角部の内部共用マニホールド断面積は、中間部の内部共用マニホールド断面積より小さく、略４分の１である。上述したような構造は、内部共用マニホールドと外部共用マニホールドの双方に適用される。

そのため、本発明の実施の形態１における単セル８の面内においては、燃料流体の供給用内部共用マニホールド４１Ａの配置及び断面積（供給流れ分布及び流量）と、燃料流体の排出用内部共用マニホールド４１Ｂの配置及び断面積（排出流れ分布及び流量）とは均衡している。また、冷却媒体の供給用内部共用マニホールド４２Ａの配置及び断面積（供給流れ分布及び流量）と、冷却媒体の排出用内部共用マニホールド４２Ｂの配置及び断面積（排出流れ分布及び流量）とは均衡している。更に、酸化流体の供給用内部共用マニホールド４３Ａの配置及び断面積（供給流れ分布及び流量）と、酸化流体の排出用内部共用マニホールド４３Ｂの配置及び断面積（排出流れ分布及び流量）とは均衡している。

本発明の実施の形態１における全方位型開口部のケースでは、２次元ブラベ格子に沿う配列の展開を終端させることは、上述したようなエッジ構造を設けることにより実現できる。

上述したように、本発明の実施の形態１に係わるエッジ構造はあくまで一例であり、本明細書に記載された内容に限定されるわけではないことは言うまでもない。

その効果は、全方位型開口部１１、１２、１３が配列された単セル８に供給排出される各種流体の有効利用と均一化された供給と排出である。

エッジ構造を施さなければ、端部近傍にある各種流体の供給と排出のバランスが崩れ、局部反応が強まり、触媒層に大きなダメージを与え、破損につながり、また、耐久性も著しく低下するだろう。

（実施の形態２）
次に、図１〜図３、図１４〜図２１を用いて、本発明の実施の形態２におけるスタック型燃料電池について説明する。なお、本発明は、実施の形態２のみに限定されるものではない。

本発明の実施の形態２においては、図１〜図３、図１４〜図２１に示す通り、単セル８の面内に半方位型開口部を配列させたレイアウトで実施されている点が主に異なり、他の構造やメカニズムについては、図１〜図１３に示す実施の形態１とほぼ同一である。なお、本発明の実施の形態１の図１〜図１３の内容と重複する部分には、同一の符号を付して、その説明は一部省略する。

以下、図３、図１４を参照しながら、本発明の実施の形態２における単セル８の面内に配列される半方位型開口部の端口の特徴と、その配列レイアウトについて説明する。

図１４は、２次元展開のブラベ格子の規則性を応用した、本発明の単セル８の面内に穿設される半方位型開口部１１、１２、１３の配列を示している。図１４に示す半方位型開口部１１、１２、１３のそれぞれを各種流体の供給用開口部及び排出用開口部として次のように区別する。燃料流体供給用開口部１１Ａ、冷却媒体供給用開口部１２Ａ、酸化流体供給用開口部１３Ａ、燃料流体排出用開口部１１Ｂ、冷却媒体排出用開口部１２Ｂ、酸化流体排出用開口部１３Ｂがある。図１４には、多様な開口部の形状の一案として半方位型が示されている故に、この半方位型開口部に発散角度をもたせ流出を設定することができる。図１４に示した例では、半方位型開口部１１、１２、１３の端口の配置は、第Ｉ象限及び第ＩＩ象限、または第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限に配置する端口を経由して流出する各種流体が、発散角度が１度以上９０度以下である半方位で流出するよう設計されている。また、前記の象限に配置する端口を経由して流入する各種流体は、収束角度が１度以上９０度以下である半方位で流入するよう設計されている。

各種流体の流れは目に見えないため、矢印を使って流れを可視化するようにしている。第Ｉ象限及び第ＩＩ象限に配置する半方位型開口部の端口または第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限に配置する半方位型開口部の端口に向かうように描かれた矢印は、各種流体が半方位型開口部に流れ込む方向を指している。第Ｉ象限及び第ＩＩ象限に配置する半方位型開口部の端口または第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限に配置する半方位型開口部の端口から扇状に放出するように描かれた矢印は、各種流体が半方位型開口部から流れ出る方向を指している。図１４では、半方位型開口部の形状は、冷却媒体の開口部１２が矩形であり、燃料流体の開口部１１及び酸化流体の開口部１３が各々の面積の異なる台形で形成されている（すなわち、酸化流体開口部１３の面積は、燃料流体の開口部１１の面積より大きい）。

図３（Ｂ）に示した反応ガスの半方位型開口部の形状は、上下非対称であることからも、それぞれ反転タイプが存在する。この特性を利用して、図１４で示した例では、供給用開口部として上向き端口（正の台形）を有する半方位型開口部を用い、排出用開口部としてその下向き端口（反転の台形）を有する半方位型開口部を用いる。これにより、供給用開口部の端口は、第Ｉ象限及び第ＩＩ象限に位置し、対応する排出用開口部の端口が、第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限に位置するので、端口からの反応ガスの流れが、供給と排出の流路方向に首尾よくお互いを向いておりマッチングしている。なお、図１４で示した例に限らず、同様に、排出用開口部の端口は、第Ｉ象限及び第ＩＩ象限に位置し、対応する供給用開口部の端口が、第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限に位置することもでき、端口からの反応ガスの流れが、供給と排出の流路方向に首尾よくお互いを向いておりマッチングしている。また、図３（Ｃ）に示した反応ガスの半方位型開口部の形状は、非対称の形状であることからも、反転タイプが存在する。更に、図３（Ｅ）に示した反応ガスの半方位型開口部の形状は、非対称の形状であることからも、反転タイプが存在する。

基本単位１６は、ベクトルＡ（図１４の符号１４）とベクトルＢ（図１４の符号１５）により描かれた２次元ブラベ格子に従って開口部が配列するパターンの繰り返し配列の最小単位を表し、ここでは、半方位型開口部の２次元の配列を展開させる繰り返し最小単位である（２次元展開が適用されるのは、図２、図１４中、Ａ軸とＢ軸からなる平面に位置する単セル８の面内である）。半方位型開口部の配列パターンとは、ベクトルＡ（図１４の符号１４）のＡ方向またはその逆方向及び／またはベクトルＢ（図１４の符号１５）のＢ方向及び／またその逆方向に沿って、この基本単位１６を繰り返しながら平行移動させたパターンである。半方位型開口部の配置は、このパターンに従って周期的または準周期的に配列される。最小発電体１７とは、発電に必要な半方位型開口部の種類を有する最小構成体であり、この最小発電体１７には、発電に最小限必要な各種流体の供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ及び各種流体の排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの６種類が含まれている。

なお、図１４に記載の四方に展開する点線矢印が表すのは、作図の都合上、繰り返しで配列し続ける半方位型開口部１１、１２、１３を省略した部分であるが、その繰り返し配列が無限に展開するという意味合いを含むものではない。また、図１４の単セル８の四辺に表現された波状の輪郭線は、省略部分を切り取った状態を表している。図１４の点線矢印で「繰り返し」を表現した意図は、その時その場に具合よく適するよう２次元展開による半方位型開口部１１、１２、１３の配列を実現させるためである。また、図１４では、各種流体の供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａの記号は×印で表示され、各種流体の排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの記号は黒丸印で表示されている。

図１４に示した本発明の単セル８の半方位型開口部１１、１２、１３の列の間に描かれた右下がりの破線が表すのは、各種流体それぞれに対応する供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａと排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの間に形成される流路（燃料流体の供給排出流路３１、冷却媒体の供給排出流路３２、酸化流体の供給排出流路３３）を表す概念上の線であるが、これらは実際の流路３１、３２、３３と必ずしも同じとは限らない。なお、各種流体は、供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａから最も近い対応位置にある排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂへと流れるものの、たとえ最も近い対応位置に排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂが存在していたとしても、供給排出流路３１、３２、３３が導いていない非対応の排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂに向かって流れることはない。

さて、本発明の実施の形態２における２次元展開のブラベ格子の規則性を応用した半方位型開口部１１、１２、１３の配列の考え方の特徴の一つは、図１４で示した通り、２次元展開のブラベ格子に沿って基本単位１６を最小繰り返し単位として半方位型開口部１１、１２、１３を配列させている点にある。一例として、ベクトルＡ（図１４の符号１４）とベクトルＢ（図１４の符号１５）を用いて描かれた斜方格子をかたどる基本単位１６に囲繞された領域の内側にかかる半方位型開口部１１、１２、１３の面積としては、その４本の線分かっている４つの燃料流体の開口部１１Ａ、１１Ｂは、その内側は略２分の１なので、合わせて開口部２個分（１／２×４＝２）とカウントされる。うち２本の線分にかかっている２つの冷却媒体の開口部１２Ａにおいては、その内側は２分の１なので、合わせると開口部１個分（１／２×２＝１）になり、線分にかからない内側にある冷却媒体の開口部１２Ｂが１個あるので、両者を合わせると開口部２個分（１／２×２＋１＝２）とカウントされる。基本単位１６の４隅にある４つの酸化流体の開口部１３Ａは、その内側は略４分の１なので、合わせると開口部１個分（１／４×４＝１）になり、線分にかからない内側にある酸化ガスの開口部１３Ｂが１つあるので、両者を合わせると開口部２個分（１／４×４＋１＝２）とカウントされる。線分にかからない内側にある開口部１２Ｂ、１３Ｂをも含め、全てをあわせると、２個の燃料流体の開口部１１、２個の冷却媒体の開口部１２、そして２個の酸化ガスの開口部１３の全部であわせて６個の供給用開口部及び排出用開口部となる。これが斜方格子の基本単位１６の構成である。ここで言う「囲繞」とは、２次元ブラベ格子の斜方格子をかたどる基本単位１６の４本の線分（ベクトル）に囲まれた内側の領域にかかる半方位型開口部を含む、という意味である。なお、２次元ブラベ格子の基本単位１６としては、特に斜方格子に限定されるわけではなく、長方格子、六方格子、正方格子、面心長方格子を含む単位を適用してもよい。

当然のことながら、本発明の実施の形態２におけるスタック型燃料電池を発電させるのに必要最小限な半方位型開口部１１、１２、１３は、燃料流体供給用開口部１１Ａ、冷却媒体供給用開口部１２Ａ、酸化流体供給用開口部１３Ａ、燃料流体排出用開口部１１Ｂ、冷却媒体排出用開口部１２Ｂ、酸化流体排出用開口部１３Ｂの６種類である。これを最小発電体１７として図１４に示している。本発明の実施の形態２における半方位型開口部１１、１２、１３の配列レイアウトの設計を行う上で必要になる点としては、高出力密度及び高容量であるスタック型燃料電池を得るには、単セル８のアノード側触媒層２とカソード側触媒層３の発電エリアに反応ガスを最も効果的に行き渡らせるために、更に、効率良く熱を冷却させるために、必要最小限な６種類の半方位型開口部１１、１２、１３を設けることが好ましい。また、少なくとも、基本単位１６を用いて設計される半方位型開口部１１、１２、１３の６種類とそれらの面積が、最小発電体１７の半方位型開口部１１、１２、１３の６種類とそれらの面積を満たしていなければならない。半方位型開口部１１、１２、１３の６種類とそれらの面積については、基本単位１６と最小発電体１７はイコールでも良いし、基本単位１６は最小発電体１７より大きくても良いが、基本単位１６は最小発電体１７より小さいという関係では成り立たないということである。

図１４によると、最小発電体１７に囲繞される半方位型開口部１１、１２、１３の面積は次のとおりである。１つの燃料流体の供給用開口部１１Ａの面積の略４分の１、１つの燃料流体の排出用開口部１１Ｂの面積の略４分の１、１つの冷却媒体の供給用開口部１２Ａの面積の２分の１、１つの冷却媒体の供給排出用開口部１２Ｂの面積の２分の１、１つの酸化流体の供給用開口部１３Ａの面積の略４分の１、１つの酸化流体の排出用開口部１３Ｂの略４分の１である。

以下、図１５を用いて半方位型開口部の端口から流入・流出する各種流体（反応ガス）の流れについて説明する。但し、本発明は、この形状（半方位型）に限定されるものではない。

図１５における半方位型開口部に関与する流れを表した例によれば、各々の開口部の第Ｉ象限及び第ＩＩ象限に配置する端口から流出する反応ガス（燃料流体、酸化流体）の発散角度が１度以上９０度以下になるよう端口形状が設計されている。また、各種反応ガスの流れは目に見えないため、図１５では矢印を使って流れを可視化するようにしている。半方位型開口部の端口に向かうように描かれた矢印は、反応ガスが第１の誘導流路から端口を通って排出用半方位型開口部１１Ｂ、１３Ｂに流れ込むまでの流線を表している。半方位型開口部の端口から扇状に放出するよう描かれた矢印は、反応ガスが供給用半方位型開口部１１Ａ、１３Ａから端口を通って第１の誘導流路へ流れ出るまでの流線を表している。図１５には、燃料流体の半方位型開口部１１及び酸化流体の半方位型開口部１３の左右の位置（つまり、第Ｉ象限から第ＩＶ象限まで）に存在する端口に各種反応ガスが流入・流出する様子が描写されている。図１５（Ａ）には、燃料流体の半方位型開口部１１及び酸化流体の半方位型開口部１３において異なる面積を有する台形の端口形状が図示されている。図１５（Ｂ）には、丸みを帯びた稜線を有する同様の端口形状が図示されている。なお、本発明による端口形状は、多角形、変形多角形、非円形、円形及びそれらの細長形状のいずれであっても、またはそれらの組み合わせであっても、実施可能である。また、本発明の端口形状としては、本実施の形態２における半方位型開口部の単一構造に限定する必要はなく、実施の形態１で述べた全方位型開口部の端口形状と、後述するその他変形例の端口形状（準方位型）との様々な組み合わせで単セル８に形成させても構わない。

上述した通り、本発明の実施の形態２における半方位型開口部１１、１２、１３の端口形状を変えることにより、流路設計が最適化されるため、ＣＣＭの発電量を最大化させることができる。

次に、図１６、１７を参照しながらシール材１９と、ガス拡散層４、５に係わる流路形成について説明する。なお、これらの図面において、図面の見やすさ及び説明の便宜を図るため、正確な縮尺にはなっておらず、肉厚の薄い部材の肉厚が大きく表示されていることに注意されたい。図面中、同様の部材は同一符号で示される。

まず、本発明の実施の形態２における単セル８のアノード側の流路及び半方位型開口部１１、１２、１３周辺の構造について、図１６を参照しながら説明する。なお、図１６は、実施の形態１で説明した図７とほぼ同じであり、重複する部分には、同一の符号を付している。

図１６は、本発明の実施の形態２におけるＣＣＭシートＭ１００のアノード側の流路を説明する図であって、図１６（Ａ）は、図１６（Ｂ）及び図１６（Ｃ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図であり、図１６（Ｂ）は、アノード側セパレータ６を取り外したときに出現するアノード側ガス拡散層４の面視図であり、図１６（Ｃ）は、図１６（Ｂ）のアノード側ガス拡散層４を取り外したときに出現するＣＣＭシートＭ１００の面視図である。図１６（Ａ）の左上にある縦両矢印Ｃは、単セル８のスタック方向Ｃを示している。一枚の単セル８が示された図１６（Ａ）の左側には、供給排出流路３１、３２、３３の位置関係を示している。アスタリスク「＊」が付いている流路、図１６（Ａ）の例では流路３１が、アクティブな流路であるが、実際に電池が稼働している時には、他の流路も活動していることが理解できる。図１６（Ａ）のアクティブな流路３１の中に引いてある横矢印が示すのは、燃料流体が流路３１を流れる方向である。上向きの縦矢印は、燃料流体の供給用内部共用マニホールド４１Ａの流れを示し、下向きの縦矢印は、燃料流体の排出用内部共用マニホールド４１Ｂの流れを示している。

本発明の実施の形態２によれば、半方位型開口部１１、１２、１３の周辺にあるシール材１９により各種流体の流れが制御される仕組みになっている。具体的には、図１６（Ｂ）のアノード側ガス拡散層４の面視図を見れば明らかなように、水素イオンをＣＣＭ膜Ｍ１０１に透過させるために、アノード側ガス拡散層４に冷却媒体と酸化流体が流れ込まないよう冷却媒体の供給排出用開口部１２Ａ、１２Ｂと、酸化流体の供給排出用開口部１３Ａ、１３Ｂに対してシール材１９を施すことで塞ぎ、アノード側ガス拡散層４に燃料流体が流れ込むよう燃料流体の供給排出用開口部１１Ａ、１１Ｂにはシール材１９が設けられていない。

図１６（Ｃ）のＣＣＭシートＭ１００の面視図を見て分かるように、アノード側ガス拡散層４に面するＣＣＭシートＭ１００側の燃料流体の供給排出用開口部１１Ａ、１１Ｂの周辺には、第１の誘導流路３１Ｍ１Ａ、Ｂと第２の誘導流路３１Ｍ２Ａ、Ｂが設けられている。該当しない冷却媒体の開口部１２と酸化流体の開口部１３の周辺には、シール材１９が設けられている。このシール材１９は、半方位型開口部１２、１３ごとつながっていても良いし、つながっていなくても良い。

図１６（Ａ）の立体断面図は、燃料流体の供給用開口部１１Ａと排出用開口部１１Ｂのシーリング部位を示す。アノード側ガス拡散層４及びそれに隣接する第１の誘導流路３１Ｍ１Ａ、３１Ｍ１Ｂに繋がる燃料流体の開口部１１Ａ、１１Ｂの端口にはシール材１９を施していないので、流路３１への燃料流体の流れが確保される。同時に、カソード側ガス拡散層５及び酸化流体流路３３と接する燃料流体開口部１１Ａ、１１Ｂの部位、並びにアノード側セパレータ６とそれに隣接するカソード側セパレータ７の間にある冷却媒体の流路３２と接する燃料流体開口部１１Ａ、１１Ｂの部位は全てシール材１９によって塞がれ、燃料流体が上記の無関係な流路、すなわち流路３２、３３へ流れ込まないようにしている。

また、図１６（Ａ）の拡大図を見れば明らかなように、燃料流体の供給用内部共用マニホールド４１Ａより供給される燃料流体の流れが、燃料流体の供給用開口部１１Ａにて２つに分岐している。この２通りの流れのうち、上側の矢印で示す流れは、図２０で後述する単セル８の一部を構成するアノード側セパレータ６に設けられた第１の誘導流路３１Ｓ１Ａ、第２の誘導流路３１Ｓ２Ａ及び主流路３１Ｓ０への流れを示し、下側の矢印で示す流れは、アノード側ガス拡散層４側に面するＣＣＭシートＭ１００に設けられた第１の誘導流路３１Ｍ１Ａ及び第２の誘導流路３１Ｍ２Ａへの流れを示している。よって、アクティブな流路である燃料流体の流路３１は、この２通りの流路から構成される。その一方の流路は、アノード側セパレータ６に設けられた流路であり、第１の誘導流路３１Ｓ１Ａ、第２の誘導流路３１Ｓ２Ａ及び主流路３１Ｓ０からなる。他方の流路は、ＣＣＭシートＭ１００に設けられた流路であり、第１の誘導流路３１Ｍ１Ａと第２の誘導流路３１Ｍ２Ａから構成される。同様に、上述の分岐した２通りの未反応の燃料流体の流れは、燃料流体の排出用開口部１１Ｂで合流し、燃料流体の排出用内部共用マニホールド４１Ｂへ排出される。

燃料流体の流れる経路３１は、次の順となる。すなわち、燃料流体の供給経路は、１）燃料流体の供給用開口部１１Ａ→第１の誘導流路３１Ｓ１Ａ→第２の誘導流路３１Ｓ２Ａ→主流路３１Ｓ０→アノード側ガス拡散層４、により編成されるアノード側セパレータ６側の経路と、２）燃料流体の供給用開口部１１Ａ→第１の誘導流路３１Ｍ１Ａ→第２の誘導流路３１Ｍ２Ａ→アノード側ガス拡散層４、により編成されるＣＣＭシートＭ１００側の経路である。供給された燃料流体の一部がアノード側ガス拡散層４に拡散し、アノード側触媒層２では水素酸化反応が起き、水素イオンがＣＣＭ膜Ｍ１０１を透過する。その一方で未反応の燃料流体の排出経路は、１）主流路３１Ｓ０（アノード側ガス拡散層４→主流路３１Ｓ０を含む）→第２の誘導流路３１Ｓ２Ｂ→第１の誘導流路３１Ｓ１Ｂ→燃料流体の排出用開口部１１Ｂ、により編成されるアノード側セパレータ６側の経路と、２）アノード側ガス拡散層４→第２の誘導流路３１Ｍ２Ｂ→第１の誘導流路３１Ｍ１Ｂ→燃料流体の排出用開口部１１Ｂ、により編成されるＣＣＭシートＭ１００側の経路である。このような供給・排出の経路のことを「供給排出流路３１」と称する。なお、誘導流路は、上述した数々の誘導流路に限定されないものとする。例えば、第３の誘導流路が編成されても良い。

更に、単セル８の一部を構成するアノード側セパレータ６と、それに隣接する単セル８の一部を構成するカソード側セパレータ７との間には、冷却媒体の流路３２が設けられる（後述する）。

なお、図１６（Ｂ）と図１６（Ｃ）に示した通り、酸化流体の半方位型開口部１３の周辺に施されるシール材１９と、冷却媒体の半方位型開口部１２の周辺に施されるシール材１９とは一体化していてもよいし、シール材１９の加工が容易になるようつながってなくてもよい。

また、図１６（Ａ）で明らかなように、アノード側ガス拡散層４は、そのＣＣＭシートＭ１００側に形成される燃料流体の供給排出流路３１（第１の誘導流路３１Ｍ１、第２の誘導流路３１Ｍ２）に合わせるよう載置される。同時に、このアノード側ガス拡散層４は、そのアノード側セパレータ６に面する側に形成される燃料流体の供給排出流路３１（第１の誘導流路３１Ｓ１、第２の誘導流路３１Ｓ２、主流路３１Ｓ０）に合わせるよう載置させている。

更に、図１６に示す半方位型開口部の配列レイアウトは、各種流体の供給用開口部と排出用開口部とが、同じ一列には同種流体の供給用開口部のみまたは排出用開口部のみを設けている例であり、各種流体の供給用開口部と排出用開口部とからなる列の間は、略等間隔になるように設けられている。なお、半方位型開口部の配列レイアウトは、特にこの例に限定されるわけではない。

次に、本発明の実施の形態２における単セル８のカソード側の流路及び半方位型開口部１１、１２、１３周辺の構造について、図１７を参照しながら説明する。なお、図１７は、実施の形態１で説明した図８とほぼ同じであり、重複する部分には、同一の符号を付している。

図１７は、本発明の実施の形態２におけるＣＣＭシートＭ１００のカソード側の流路を説明する図であって、図１７（Ａ）は、図１７（Ｂ）及び図１７（Ｃ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図であり、図１７（Ｂ）は、カソード側セパレータ７を取り外した時に出現するカソード側ガス拡散層５側の面視図であり、図１７（Ｃ）は、図１７（Ｂ）のカソード側ガス拡散層５を取り外した時に出現するＣＣＭシートＭ１００側の面視図である。図１７（Ａ）の左上にある縦両矢印Ｃは、単セル８のスタック方向Ｃを示している。一枚の単セル８が示された図１７（Ａ）の左側には、供給排出流路３１、３２、３３の位置関係を示している。アスタリスク「＊」が付いている流路、図１７（Ａ）の例では流路３３が、アクティブな流路であるが、実際に燃料電池が稼働している時には、他の流路も活動しているということは、当事者であれば理解できるだろう。図１７（Ａ）のアクティブな流路３３の中に引いてある横矢印が示すのは、酸化流体が流路３３を流れる方向である。上向きの縦矢印は、酸化流体の供給用内部共用マニホールド４３Ａの流れを示し、下向きの縦矢印は、酸化流体の排出用内部共用マニホールド４３Ｂの流れを示している。

本発明の実施の形態２によれば、半方位型開口部１１、１２、１３の周辺にあるシール材１９により各種流体の流れが制御される仕組みになっている。具体的には、図１７（Ｂ）のカソード側ガス拡散層５側の面視図を見れば明らかなように、ＣＣＭ膜Ｍ１０１から透過されてきた水素イオンと酸化流体との反応を促進させるために、カソード側ガス拡散層５に燃料流体と冷却媒体が流れ込まないよう燃料流体の供給排出用開口部１１Ａ、１１Ｂと、冷却媒体の供給排出用開口部１２Ａ、１２Ｂに対してシール材１９を施すことで塞ぎ、カソード側ガス拡散層５に酸化流体が流れ込むよう酸化流体の供給排出用開口部１３Ａ、１３Ｂの端口にはシール材１９が設けられていない。

図１７（Ｃ）のＣＣＭシートＭ１００側の面視図を見て分かるように、カソード側ガス拡散層５に面するＣＣＭシートＭ１００側の酸化流体の供給排出用開口部１３Ａ、１３Ｂの周辺には、第１の誘導流路３３Ｍ１Ａ、３３Ｍ１Ｂと第２の誘導流路３３Ｍ２Ａ、３３Ｍ２Ｂが設けられている。該当しない燃料流体の開口部１１と冷却媒体の開口部１２の周辺には、シール材１９が設けられている。このシール材１９は、半方位型開口部１１、１２ごとにつながっていても良いし、つながっていなくても良い。

図１７（Ａ）の立体断面図は、酸化流体の供給用開口部１３Ａと排出用開口部１３Ｂのシーリング部位を示す。カソード側ガス拡散層５及びそれに隣接する酸化流体の第１の誘導流路３３Ｍ１Ａ、３３Ｍ１Ｂに繋がる酸化流体の開口部１３Ａ、１３Ｂの端口にはシール材１９を施していないので、流路３３への酸化流体の流れが確保される。同時に、アノード側ガス拡散層４及び燃料流体流路３１と接する酸化流体の開口部１３Ａ、１３Ｂの部位、並びにアノード側セパレータ６とそれに隣接するカソード側セパレータ７間にある冷却媒体の流路３２と接する酸化流体の開口部１３Ａ、１３Ｂの部位は全てシール材１９によって塞がれ、酸化流体が上記の無関係な流路、すなわち流路３１、３２へ流れ込まないようにしている。

また、図１６（Ａ）の拡大図で示した燃料流体の流れと同様に、図１７（Ａ）を見れば明らかなように、酸化流体の供給用内部共用マニホールド４３Ａより供給される酸化流体の流れが、酸化流体の供給用開口部１３Ａにて２つに分岐している。この２通りの流れのうち、下側の流れ（カソード側セパレータ７側）は、後述する単セル８の一部を構成するカソード側セパレータ７に設けられた第１の誘導流路３３Ｓ１Ａ、第２の誘導流路３３Ｓ２Ａ及び主流路３３Ｓ０への流れを示し、上側の流れ（ＣＣＭシートＭ１００側）は、カソード側ガス拡散層５側に面するＣＣＭシートＭ１００に設けられた第１の誘導流路３３Ｍ１Ａと第２の誘導流路３３Ｍ２Ａへの流れを示している。よって、アクティブな流路である酸化流体の供給流路３３は、この２通りの流路からなる。その一方の流路は、カソード側セパレータ７に設けられた流路であり、第１の誘導流路３３Ｓ１Ａ、第２の誘導流路３３Ｓ２Ａ及び主流路３３Ｓ０から構成される。他方の流路は、ＣＣＭシートＭ１００に設けられた流路であり、第１の誘導流路３３Ｍ１Ａ及び第２の誘導流路３３Ｍ２Ａから構成される。同じく、図１７（Ａ）の拡大図を見れば明らかなように、上述の分岐した２通りの未反応の酸化流体の流れは、酸化流体の排出用開口部１３Ｂで合流し、酸化流体の排出用内部共用マニホールド４３Ｂへ排出される。

酸化流体の流れる経路３３は、次の順となる。すなわち、酸化流体の供給経路は、１）酸化流体の供給用開口部１３Ａ→第１の誘導流路３３Ｓ１Ａ→第２の誘導流路３３Ｓ２Ａ→主流路３３Ｓ０→カソード側ガス拡散層５、により編成されるカソード側セパレータ７側の経路と、２）酸化流体の供給用開口部１３Ａ→第１の誘導流路３３Ｍ１Ａ→第２の誘導流路３３Ｍ２Ａ→カソード側ガス拡散層５、により編成されるＣＣＭシートＭ１００側の経路である。供給された酸化流体の一部がカソード側ガス拡散層５に拡散し、カソード側触媒層３でＣＣＭ膜Ｍ１０１から透過してきた水素イオンと酸素還元反応を起こす。その一方で未反応の酸化流体の排出経路は、１）主流路３３Ｓ０（カソード側ガス拡散層５→主流路３３Ｓ０を含む）→第２の誘導流路３３Ｓ２Ｂ→第１の誘導流路３３Ｓ１Ｂ→酸化流体の排出用開口部１３Ｂ、により編成されるカソード側セパレータ７側の経路と、２）カソード側ガス拡散層５→第２の誘導流路３３Ｍ２Ｂ→第１の誘導流路３３Ｍ１Ｂ→酸化流体の排出用開口部１３Ｂ、により編成されるＣＣＭシートＭ１００側の経路である。このような供給・排出の経路のことを「供給排出流路３３」と称する。なお、誘導流路は、上述した数々の誘導流路に限定されないものとする。例えば、第３の誘導流路が編成されても良い。

更に、単セル８の一部を構成するカソード側セパレータ７と、それに隣接する単セル８の一部を構成するアノード側セパレータ６の間とには、冷却媒体の流路３２が設けられる（後述する）。

なお、図１７（Ｂ）と図１７（Ｃ）に示した通り、燃料流体の半方位型開口部１１の周辺に施されるシール材１９と、冷却媒体の半方位型開口部１２の周辺に施されるシール材１９とは一体化していてもよいし、シール材１９の加工が容易になるようつながってなくてもよい。

また、図１７（Ａ）で明らかなように、カソード側ガス拡散層５は、そのＣＣＭシートＭ１００側に形成される酸化流体の供給排出流路３３（第１の誘導流路３３Ｍ１、第２の誘導流路３３Ｍ２）に合わせるよう載置される。同時に、このカソード側ガス拡散層５は、そのカソード側セパレータ７に面する側に形成される酸化流体の供給排出流路３３（第１の誘導流路３３Ｓ１、第２の誘導流路３３Ｓ２、主流路３３Ｓ０）に合わせるよう載置させている。

更に、図１７に示す半方位型開口部の配列レイアウトは、各種流体の供給用開口部と排出用開口部とが、同じ一列には同種流体の供給用開口部または排出用開口部のみを設けている例であり、各種流体の供給用開口部と排出用開口部とからなる列の間は、略等間隔になるように設けられている。なお、半方位型開口部の配列レイアウトは、特にこの例に限定されるわけではない。

次に、図１８、図１９、図２０を参照しながらセパレータに係わる流路形成について説明する。なおこれらの図面において、図面の見やすさ及び説明の便宜を図るため、正確な縮尺にはなっておらず、肉厚の薄い部材の肉厚が大きく表示されていることに注意されたい。

図１８は、本発明の実施の形態２におけるアノード側セパレータ６に形成される流路を説明する図であって、図１８（Ａ）は、図１８（Ｂ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図であり、図１８（Ｂ）は、燃料流体の半方位型開口部１１の端口と燃料流体の流路３１が形成されるアノード側セパレータ６の片面の構造を示す図である。なお、図１８は、実施の形態１で説明した図９とほぼ同じであり、重複する部分には、同一の符号を付している。

図１９は、本発明の実施の形態２におけるカソード側セパレータ７に形成される流路を説明する図であって、図１９（Ａ）は、図１９（Ｂ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図であり、図１９（Ｂ）は、酸化流体の半方位型開口部１３の端口と酸化流体の流路３３が形成されるカソード側セパレータ７の片面の構造を示す図である。なお、図１９は、実施の形態１で説明した図１０とほぼ同じであり、重複する部分には、同一の符号を付している。

図２０は、本発明の実施の形態２におけるアノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７との間を流れる冷却媒体の流路３２を説明する図であって、図２０（Ａ）は、図２０（Ｂ）のII−II線に沿う単セル８の立体断面図であり、図２０（Ｂ）は、冷却媒体の半方位型開口部１２の端口と冷却媒体の流路３２が形成されるセパレータ６、７それぞれに面する側の構造を表す面視図である。そこには、隣接するセパレータ６、７との間に冷却媒体の流路３２を形成するために、第１の誘導流路３２Ｓ１及び主流路３２Ｓ０が設けられている。なお、図２０は、実施の形態１で説明した図１１とほぼ同じであり、重複する部分には、同一の符号を付している。

図１８（Ｂ）によると、本発明の実施の形態２におけるアノード側セパレータ６の両面のうちアノード側ガス拡散層４に対面する面には、アノードガスである燃料流体の供給排出流路３１（第１の誘導流路３１Ｓ１、第２の誘導流路３１Ｓ２及び主流路３１Ｓ０）が形成されている。図１８（Ｂ）は、アノード側セパレータ６を取り外した時のセパレータ６のアノード側の面視図である。つまり、供給用内部共用マニホールド４１Ａから供給される燃料流体は、その供給用開口部１１Ａを通って、第１の誘導流路３１Ｓ１Ａ→第２の誘導流路３１Ｓ２Ａ→主流路３１Ｓ０に流入し、アノード側ガス拡散層４に拡散される。一方、未反応の燃料流体を、主流路３１Ｓ０→第２の誘導流路３１Ｓ２Ｂ→第１の誘導流路３１Ｓ１Ｂ→排出用開口部１１Ｂに流通させる。

図１８のアノード側セパレータ６の両面のうちアノード側ガス拡散層４が位置する側とは反対側の面には、冷却媒体が流通する供給用排出流路３２が形成されている（図２０を参照）。内部共用マニホールドから供給された冷却媒体が、冷却媒体の供給用開口部１２Ａを通って、第１の誘導流路３２Ｓ１Ａ→主流路３２Ｓ０に流入する。この冷却媒体は発電エリアを冷却しながら、主流路３２Ｓ０→第１の誘導流路３２Ｓ１Ｂを経由し、排出用の内部共用マニホールド４２Ｂに導出される。なお、図２０が示す通り、アノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７に対面する面に形成される誘導流路には、第１の誘導流路３２Ｓ１のみが形成されているが、第２の誘導流路を設けても構わない。

また、図１９（Ｂ）によると、本発明の実施の形態２におけるカソード側セパレータ７の両面のうちカソード側ガス拡散層５に対面する面には、カソードガスである酸化流体の供給排出流路３３（第１の誘導流路３３Ｓ１、第２の誘導流路３３Ｓ２及び主流路３３Ｓ０を含む）が形成されている。図１９（Ｂ）は、カソード側セパレータ７を取り外した時のセパレータ７のカソード側の面視図である。つまり、供給用内部共用マニホールド４３Ａから供給される酸化流体は、その供給用開口部１３Ａを通って、第１の誘導流路３３Ｓ１Ａ→第２の誘導流路３３Ｓ２Ａ→主流路３３Ｓ０に流入し、カソード側ガス拡散層５に拡散される。一方、未反応の酸化流体を主流路３３Ｓ０→第２の誘導流路３３Ｓ２Ｂ→第１の誘導流路３３Ｓ１Ｂから排出用開口部１３Ｂに流通させる。

図１９のカソード側セパレータ７の両面のうちカソード側ガス拡散層５が位置する側とは反対側の面には、冷却媒体が流通する冷却媒体用の供給排出流路３２が形成されている（図２０を参照）。内部共用マニホールドから供給された冷却媒体が、冷却媒体の供給用開口部１２Ａを通って、第１の誘導流路３２Ｓ１Ａ→主流路３２Ｓ０に流入する。この冷却媒体は発電エリアを冷却しながら、主流路３２Ｓ０→第１の誘導流路３２Ｓ１Ｂを経由し、排出用内部共用マニホールド４２Ｂに導出される。なお、図２０が示す通り、カソード側セパレータ７とアノード側セパレータ６に対面する面に形成される誘導流路には、第１の誘導流路３２Ｓ１のみが形成されているが、第２の誘導流路を設けても構わない。なお、誘導流路は、上述した数々の誘導流路に限定されないものとする。例えば、第３の誘導流路が編成されても良い。

本発明の実施の形態２によれば、供給排出流路３１、３２，３３には、それぞれ第１の誘導流路、第２の誘導流路及び主流路を設けているが、特にこれに限定されるわけではなく、その他の様々な誘導流路、主流路を設けてもよい。

以降、図１３、図２１を用いて、本発明の実施の形態２おけるエッジ構造について説明する。なお、図２１は、実施の形態１のエッジ構造で説明した図１２とほぼ同じであり、重複する部分には、同一の符号を付している。

図２１に示す本発明の実施の形態２におけるエッジ構造には、半方位型開口部の配列パターンＥ００１のＢ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図２１のＡ方向）と、半方位型開口部の配列パターンＥ００１のＡ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図２１のＢ方向）がある。これら２端部のエッジ構造を形成するためには、図２１（Ａ）で示した２次元ブラベ格子の規則性に基づく半方位型開口部の配列パターンＥ００１を基本セグメント１８で区切り、図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）の太線で囲んだ「エッジ処理後の半方位型開口部の配置エリアＥ００２」を切り出すことになる。

図２１（Ａ）は、単セル８の面内に２次元展開された半方位型開口部の配列パターンＥ００１とエッジ処理後の半方位型開口部配置エリア（Ａｓｓｉｇｎｅｄ ａｒｅａ）Ｅ００２を示している。図２１（Ｂ）が示すのは、半方位型開口部の配列パターンＥ００１からエッジ処理後の半方位型開口部配置エリアＥ００２を切り出して得られた、エッジ処理済開口部配置構造Ｅ００３を有する単セル８と、この単セル８をスタックして形成されたスタック構造体９の概念図である。エッジ処理後の半方位型開口部配置エリア内Ｅ００２において、各種流体の供給総流量及び分布と排出総流量及び分布をそれぞれ均衡させるため、各種流体の供給用開口部１１Ａ、１２Ａ、１３Ａの面積（エッジ部と中間部を含む）と排出用開口部１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの面積（エッジ部と中間部を含む）とをそれぞれ合わせた総面積が同等またはほぼ同等になるように設計し、エッジ処理を行っている。

図２１（Ａ）で示した通り、Ｂ軸とＡ軸の２つの軸方向展開を終端させるエッジ構造は、それぞれ軸方向展開に対応する基本セグメント１８の整数倍になる区切りを基準としている。基本セグメント１８には、発電機能を維持するために、燃料流体、冷却媒体及び酸化流体の３種類の開口部１１、１２、１３から構成されているという特徴、及び／または各種流体の供給用開口部と排出用開口部とで一対―の関係で構成されるという特徴がある。単セル８内を流れる各反応ガスと２枚の単セル８の間を流れる冷却媒体において、それぞれの供給と排出の均衡が保たれるよう、基本セグメント１８の整数倍になる区切りを基準に半方位型開口部のＢ軸とＡ軸の２つの軸方向展開を終端させている。

以下、２×３のエッジ構造を例に挙げて説明するが、本発明のエッジ構造はこれに限定されるものではないことは言うまでもない。

本発明の実施の形態２における半方位型開口部の配列パターンＥ００１のＢ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図２１（Ｂ）のＡ方向）というのは、図２１（Ａ）のエッジ処理後の半方位型開口部配置エリアＥ００２のＡ方向に沿って設けられるエッジ構造のことである。図２１（Ａ）で示す通り、半方位型開口部の配列パターンＥ００１のＢ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図２１（Ｂ）のＡ方向）の区切り基準は、基本セグメントＳＢ１及びＳＢ２の整数倍である。基本セグメントＳＢ１及び／または基本セグメントＳＢ２の区切り（セグメント）を基準として、それを整数倍にし、半方位型開口部の配列パターンＥ００１のＢ軸の２方向展開を終端させている。図３（Ｂ）によると、半方位型開口部の端口は、すべての象限に端口を持つ全方位型開口部の端口配置とは異なり、第Ｉ象限及び第ＩＩ象限内または第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限内に配置されている。全方位型開口部の端口配置と流れは、Ｂ方向に沿って上向きと下向きが共存する特徴を持ち、エッジ構造を形成するには、全方位型開口部自体を上下２分割で区切っている。一方、半方位型開口部の端口の特徴は、そこへの出入りする流れが放射状の流線ではなく、半方位型開口部の上半分または下半分のいずれかに扇状に広がっている点にある。つまり、半方位型開口部の端口を出入りする流れは、上半分または下半分のいずれかに集合する。この半方位型開口部の端口配置及び流れは、Ｂ方向に沿って上向きまたは下向きのみとなっており、上向きと下向きが共存する全方位型開口部の端口配置及び流れとは異なり、半方位型開口部の配列パターンＥ００１のＢ軸の２方向展開を終端させるには、半方位型開口部自体を２分割にする必要はなく、隣り合う２つの半方位型開口部の間に区切りを入れるようにすればよい。さらに、発電機能を維持する燃料流体と酸化流体の流れを形成させるために、基本セグメントＳＢ１及び基本セグメントＳＢ２のそれぞれは、上向き端口を有する燃料流体の半方位開口部１１と下向き端口を有する酸化流体の半方位開口部１３とで一対―の対面関係をもたせ、上向き端口を有する酸化流体の半方位開口部１３と下向き端口を有する燃料流体の半方位開口部１１とで一対―の対面関係を有する。

よって、図２１（Ａ）に示された様に、基本セグメントＳＢ１は、１つの上向き端口を有する燃料流体開口部１１、１つの冷却媒体の開口部１２と、１つの下向き端口を有する酸化流体の開口部１３とから構成される。基本セグメントＳＢ２は、１つの上向き端口を有する酸化流体開口部１３、１つの冷却媒体の開口部１２と、１つの下向き端口を有する燃料流体の開口部１１とから構成される。基本セグメントＳＢ１及びＳＢ２の長さ（Ｂ方向の長さ）は、同じでもよいが、異なっていてもよい。Ｂ方向の長さが同じケースというのは、図２１の例では、燃料流体の開口部１１、冷却媒体の開口部１２、及び酸化流体の開口部１３とも同じ列にまっすぐ配列させ、基本セグメントＳＢ１及びＳＢ２の長さが均等となる。一方、燃料流体の開口部１１、冷却媒体の開口部１２、及び酸化流体の開口部１３がＢ方向にジグザグに配列されている場合、Ａ方向に沿う基本セグメントＳＢ１及びＳＢ２の長さは、異なることになる。よって、図２１（Ｂ）で示す２×３のエッジ構造では、Ｂ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図２１のＡ方向）は２つの基本セグメントＳＢ１と２つの基本セグメントＳＢ２とから構成されている。

本発明の実施の形態２における半方位型開口部の配列パターンＥ００１のＡ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図２１（Ｂ）のＢ方向）というのは、図２１（Ａ）のエッジ処理後の半方位型開口部配置エリアＥ００２のＢ方向に沿って設けられるエッジ構造のことである。図２１（Ａ）で示す通り、半方位型開口部の配列パターンＥ００１のＡ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図２１（Ｂ）のＢ方向）の区切り基準は、基本セグメントＳＡ１、ＳＡ２、ＳＡ３の整数倍である。基本セグメントＳＡ１及び／または基本セグメントＳＡ２及び／または基本セグメントＳＡ３の区切り（セグメント）を基準として、それを整数倍にし、半方位型開口部の配列パターンＥ００１のＡ軸の２方向展開を終端させている。図３（Ｂ）によると、半方位型開口部の端口は、第Ｉ象限及び第ＩＩ象限内または第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限内に配置されており、半方位型開口部のＡ軸の２方向展開を終端させるには、第Ｉ象限と第ＩＩ象限の間と、第ＩＩＩ象限と第ＩＶ象限の間とにあるゾーンの中間を切り通し、半方位型開口部を２分割にする。図２１によれば、発電機能を維持する燃料流体と酸化流体の流れを形成させるために、基本セグメントＳＡ１、ＳＡ２及びＳＡ３は、それぞれの供給用半方位型開口部の端口と排出用半方位型開口部の端口とで一対―の対面関係を有する。よって、図２１（Ａ）に示された様に、基本セグメントＳＡ１は、１つの２分割した燃料流体の供給用開口部１１Ａと、１つの２分割した燃料流体の排出用開口部１１Ｂから構成される。基本セグメントＳＡ２は、１つの２分割した冷却媒体の供給用開口部１２Ａと、１つの２分割した冷却媒体の排出用開口部１２Ｂから構成される。基本セグメントＳＡ３は、１つの２分割した酸化流体の供給用開口部１３Ａと、１つの２分割した酸化流体の排出用開口部１３Ｂから構成される。図２１（Ａ）に示された例では、燃料流体の開口部１１と、冷却媒体の開口部１２と、酸化流体の開口部１３は、同じＢ列に配列しているので、基本セグメントＳＡ１、ＳＡ２、ＳＡ３の長さはＢ列間の距離となり同じである。基本セグメントＳＡ１、ＳＡ２、ＳＡ３の長さ（Ａ方向の長さ）は同じでもよいが、異なっていてもよい。燃料流体の開口部１１と酸化流体の開口部１３がＡ方向にジグザグに配列されている場合、基本セグメントＳＡ１、ＳＡ２、ＳＡ３の長さは異なることになる。

よって、図２１（Ｂ）で示す２×３のエッジ構造では、Ａ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造（図２１のＢ方向）は３つの基本セグメントＳＡ１、ＳＡ２及びＳＡ３から構成されている。

以上の様にして、図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）に示す、２×３で区切った基本セグメントによるエッジ構造が形成される。

従って、本発明の実施の形態２における半方位型開口部１１、１２、１３が配列された単セル８の面内においては、各種流体の半方位型開口部からなる供給用内部共用マニホールド４１Ａ、４２Ａ、４３Ａの配置及び断面積（供給流れ分布及び流量）と、各種流体の半方位型開口部からなる排出用内部共用マニホールド４１Ｂ、４２Ｂ、４３Ｂの配置及び断面積（排出流れ分布及び流量）とを均衡させている。

以下の表２は、図２１（Ｂ）のエッジ処理済開口部配置構造Ｅ００３に含まれる半方位型開口部の数を示している。

上記の表２に示すように、図２１（Ｂ）のエッジ処理済開口部配置構造Ｅ００３に含まれる同種類の供給用開口部の数（面積）の合計と排出用開口部の数（面積）の合計とが、同じになっていることが分かる。

図２１（Ｂ）を見れば分かる通り、太線で囲ったエッジ処理済開口部配置構造Ｅ００３が示す例では、すなわち、２×３の基本セグメントで区切ったエッジ構造には、その２隅にある半方位型開口部（この例では、燃料流体供給用開口部１１Ａ、酸化流体供給用開口部１３Ａ、燃料流体排出用開口部１１Ｂ、酸化流体排出用開口部１３Ｂである）は、中間部にある全形の半方位型開口部（この例では、燃料流体供給用開口部１１Ａ、酸化流体供給用開口部１３Ａ、燃料流体排出用開口部１１Ｂ、酸化流体排出用開口部１３Ｂである）の面積を１とすれば、その２分の１である。供給排出の均衡（総合的に１対１の関係が確立しているか）がとれていることが、各半方位型開口部の数（面積）を数え合わせることで確認できる。

その結果、図２１（Ａ）の２次元展開の半方位型開口部の配列パターンＥ００１から、エッジ処理後の半方位型開口部配置エリアＥ００２を切り出すことで、供給排出のバランス関係が成立したエッジ処理済開口部配置構造Ｅ００３を有する、半方位型開口部１１、１２、１３を配列させた単セル８が出来上がる。

図２１では、ブラベ格子の規則性を応用した半方位型開口部配列の２次元展開パターンＥ００１の上を「エッジ処理後の半方位型開口部の配置エリアＥ００２」として太線で囲み、その部分を切り出している。本発明における実施の形態２では、「エッジ処理後の半方位型開口部の配置エリアＥ００２」に基づいて単セル８の面内に半方位型開口部１１、１２、１３を配列させている。

以上、単セル８の面内のエッジ構造について、半方位型開口部の観点で説明した。次に、半方位型開口部に連通する内部共用マニホールドに係わるエッジ構造について述べる。

内部共用マニホールドは、本発明の単セル８をスタックしたスタック構造体９の内側に形成される。よって、１枚の単セル８の面内で、各種流体の半方位型開口部１１、１２、１３の供給排出の均衡がとれていれば、たとえ内部共用マニホールドの形状及びサイズに対して変形が加えられたとしても、総合的には、内部共用マニホールドの供給排出の均衡も取れているということになる。

つまり、内部共用マニホールドの断面形状及び断面積と、半方位型開口部の面内形状及び面積とは、基本的に同じである。単セル８の面内に設けられる半方位型開口部の面内形状及び面積と同様に、内部共用マニホールドの断面形状及び断面積は、その角部と縁部（エッジ部分）と中間部（エッジ以外の部分）とでそれぞれ異なっている。つまり、エッジ構造を有する内部共用マニホールドについては、中間部に位置する全形の内部共用マニホールド断面積を１とすれば、図２１のＢ方向に沿うエッジ部分（縁部と角部）に位置する内部共用マニホールドの断面積は、中間部にある全形状の内部共用マニホールドの断面積の略２分の１になるよう形成されている。一方、図２１のＡ方向に沿うエッジ部分の縁部に位置する内部共用マニホールドの断面積は、中間部にある全形状の内部共用マニホールドの断面積と同じように形成されている。上述したような構造は、内部共用マニホールドと外部共用マニホールドの双方に適用される。

そのため、本発明の実施の形態２における単セル８の面内においては、燃料流体の供給用内部共用マニホールド４１Ａの配置及び断面積（供給流れ分布及び流量）と、燃料流体の排出用内部共用マニホールド４１Ｂの配置及び断面積（排出流れ分布及び流量）とは均衡している。また、冷却媒体の供給用内部共用マニホールド４２Ａの配置及び断面積（供給流れ分布及び流量）と、冷却媒体の排出用内部共用マニホールド４２Ｂの配置及び断面積（排出流れ分布及び流量）とは均衡している。更に、酸化流体の供給用内部共用マニホールド４３Ａの配置及び断面積（供給流れ分布及び流量）と、酸化流体の排出用内部共用マニホールド４３Ｂの配置及び断面積（排出流れ分布及び流量）とは均衡している。

本発明の実施の形態２における半方位型開口部のケースでは、２次元ブラベ格子の展開を終端させることは、上述したようなエッジ構造を設けることにより実現できる。

上述したように、本発明の実施の形態２に係わるエッジ構造はあくまで一例であり、本明細書に記載された内容に限定されるわけではないことは言うまでもない。

（その他変形例）
次に、図３を用いて、本発明のその他変形例を適用させたスタック型燃料電池について説明する。

その他変形例においては、図３（Ｄ）に示す準方位型開口部を用いた配列レイアウトで実施されている点が主に異なり、他の構造やメカニズムについては、図１〜図１３で示した実施の形態１と、図１〜図３、図１４〜図２１で示した実施の形態２と基本的に同じである。

本発明の特徴の一つである開口部の形状について、図３（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｅ）に示した半方位型開口部と同様、図３（Ｄ）に示した準方位型開口部は、非対称の形状であることからも、それぞれ反転タイプが存在する。なお、図３（Ａ）に示した全方位型開口部は、対称の形状であるため、反転タイプは存在しないが、対称の形状ではない場合は、反転タイプが存在する。

本発明におけるその他変形例によれば、２次元展開のブラベ格子の規則性を応用した本発明の単セル８の面内に準方位型開口部１１、１２、１３を配列させることができる。図３（Ｄ）に示された準方位型開口部の端口の配置は、第Ｉ象限、第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限に配置する端口を経由して流出する各種流体が、発散角度１度以上９０度以下及び１度以上１８０度以下である準方位で流出するよう設計されている。また、前記の象限に配置する端口を経由して流入する各種流体が、収束角度１度以上９０度以下及び１度以上１８０度以下である準方位で流入するよう設計されている。

また、既述の実施の形態１では、全方位型開口部を用いた配列レイアウトで実施することを詳細に説明し、既述の実施の形態２では、半方位型開口部を用いた配列レイアウトで実施することを詳細に説明し、その他変形例では、準方位型開口部を用いた配列レイアウトで実施することを簡潔に述べたが、本発明はこれら開口部形状の単一構造による配列レイアウトに限定されるものではく、全方位型開口部、半方位型開口部または準方位型開口部を適切に組み合わせて実施するのでもよい。

なお、本発明の実施の形態１における全方位型開口部に備わっている端口形状の一例は、図３（Ａ）に示した通りである。本発明の実施の形態２における半方位型開口部に備わっている端口形状の一例は、図３（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｅ）に示した通りである。本発明のその他変形例における準方位型開口部に備わっている端口形状の一例は、図３（Ｄ）に示した通りである。因みに、本発明の端口形状としては、全方位型、半方位型または準方位型のいずれかの単一構造に限定する必要はなく、様々な組み合わせで単セル８に展開させても構わない。

また、図５の全方位型開口部に備わっている端口の平面形状は、図３（Ａ）に示した六角形以外にも、多角形、変形多角形、非円形、円形及びそれらの細長形状のいずれでも組み合わせでも良い。同様に、図１５の半方位型開口部に備わっている端口の平面形状についても、図３（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｅ）に示した台形、平行四辺形、五角形以外にも、多角形、変形多角形、非円形、円形及びそれらの細長形状のいずれでも組み合わせでも良い。同様に、準方位型開口部に備わっている端口の平面形状についても、図３（Ｄ）に示した変形五角形以外にも、多角形、変形多角形、非円形、円形及びそれらの細長形状のいずれでも組み合わせでも良い。

その他変形例においては、準方位型開口部を含む様々な形状の開口部の特徴を鑑みつつ、それらを多様に組み合わせて単セル８に配列させ、それらの特性及び組み合わせることによってもたらされる新たな特性に応じて流路設計を実施することができる。また、様々な開口部の形状に応じてエッジ処理を行うことにより、各種流体の供給及び排出の均衡を保つことができる。

設計仕様に応じて、様々な形状の開口部を適切に選択すれば、流れ方位、発散角度、収束角度を自由自在に選べるため、反応の効率を高める流路設計を実現することができる。

（発明の効果）
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。

本発明によれば、セパレータでは、流路部と金属部が一体となるように形成されているので、部品点数が減少するとともに、単セルをスタックして燃料電池を製造する際に、その組み付けが容易になるとともに、確実となる。

本発明によれば、耐久性を発揮するとともに、安価であり、しかも容易に製造することができる燃料電池の単セルを提供することができる。製造コスト削減などの見地から好ましいということは言うまでもない。

本発明の実施の一形態によれば、冷却媒体による燃料電池の冷却効率を向上させることが可能となる。また、流路全体にわたって、反応ガスが均一に分散されるという効果が得られる。

前記単セルの面内方向に２次元展開を実現できる様々な形状の開口部、内部共用マニホールド及び外部共用マニホールドにより、燃料電池の高パワー密度を達成できる。また、大量廉価材料の採用により、量産適用性によるコスト削減、組み立て点数を削減させることにより安価で製造することができる効果が得られることを期待できる。このように構成された燃料電池によれば、各機能層の表面に、２次元的に分散させて配置された様々な形状の開口部を備えているので、ほぼ全面に、濃度が等しい反応ガスを供給することができるという効果が得られる。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

本発明の実施の一形態は、車両搭載用の燃料電池として利用することができる。

本発明は、上述の実施の形態１、２、その他変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、本発明の明細書の実施の形態１、２、その他変形例に記載した技術的特徴は、上述の課題及び効果の一部又は全部を解決するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。

１ 電解質膜
２ アノード側触媒層
３ カソード側触媒層
４ アノード側ガス拡散層
５ カソード側ガス拡散層
６ アノード側セパレータ
７ カソード側セパレータ
８ 単セル
９ セルスタック構造体
１１ 燃料流体の開口部
１１Ａ 燃料流体の供給用開口部
１１Ｂ 燃料流体の排出用開口部
１２ 冷却媒体の開口部
１２Ａ 冷却媒体の供給用開口部
１２Ｂ 冷却媒体の排出用開口部
１３ 酸化流体の開口部
１３Ａ 酸化流体の供給用開口部
１３Ｂ 酸化流体の排出用開口部
１４ ベクトルＡ
１５ ベクトルＢ
１６ ２次元ブラベ格子に沿う開口部の繰り返し配列の基本単位
１７ 最小発電体
１８ 基本セグメント
ＳＢ１ 基本セグメント、Ｂ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造
ＳＢ２ 基本セグメント、Ｂ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造
ＳＢ３ 基本セグメント、Ｂ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造
ＳＡ１ 基本セグメント、Ａ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造
ＳＡ２ 基本セグメント、Ａ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造
ＳＡ３ 基本セグメント、Ａ軸の２方向展開を終端させるエッジ構造
P1-P5 端口
１９ シール材
３１ 燃料流体の供給排出流路
３２ 冷却媒体の供給排出流路
３３ 酸化流体の供給排出流路
４１ 燃料流体の内部共用マニホールド
４１Ａ 燃料流体の供給用内部共用マニホールド
４１Ｂ 燃料流体の排出用内部共用マニホールド
４２ 冷却媒体の内部共用マニホールド
４２Ａ 冷却媒体の供給用内部共用マニホールド
４２Ｂ 冷却媒体の排出用内部共用マニホールド
４３ 酸化流体の内部共用マニホールド
４３Ａ 酸化流体の供給用内部共用マニホールド
４３Ｂ 酸化流体の排出用内部共用マニホールド
５１ 燃料流体の外部共用マニホールド
５１Ａ 燃料流体の供給用外部共用マニホールド
５１Ｂ 燃料流体の排出用外部共用マニホールド
５２ 冷却媒体の外部共用マニホールド
５２Ａ 冷却媒体の供給用外部共用マニホールド
５２Ｂ 冷却媒体の排出用外部共用マニホールド
５３ 酸化流体の外部共用マニホールド
５３Ａ 酸化流体の供給用外部共用マニホールド
５３Ｂ 酸化流体の排出用外部共用マニホールド
１０１ エンドプレート
１０２ エンドプレート
Ｂ 開口部のＢ列
Ｃ 単セルのスタック方向
Ｔｈ 単セルの厚さ
Ｍ１００ ＣＣＭシート
Ｍ１０１ ＣＣＭ膜
Ｍ１０２ ＣＣＭホルダーフィルム
Ｍ１０３ 嵌合構造体
３１Ｍ１ 燃料流体、第１の誘導流路、アノード側ガス拡散層のＣＣＭシート側
３１Ｍ１Ａ 燃料流体、供給、第１の誘導流路、アノード側ガス拡散層のＣＣＭシート側
３１Ｍ１Ｂ 燃料流体、排出、第１の誘導流路、アノード側ガス拡散層のＣＣＭシート側
３１Ｍ２ 燃料流体、第２の誘導流路、アノード側ガス拡散層のＣＣＭシート側
３１Ｍ２Ａ 燃料流体、供給、第２の誘導流路、アノード側ガス拡散層のＣＣＭシート側
３１Ｍ２Ｂ 燃料流体、排出、第２の誘導流路、アノード側ガス拡散層のＣＣＭシート側
３１Ｓ１ 燃料流体、第１の誘導流路、アノード側ガス拡散層のセパレータ６側
３１Ｓ１Ａ 燃料流体、供給、第１の誘導流路、アノード側ガス拡散層のセパレータ６側
３１Ｓ１Ｂ 燃料流体、排出、第１の誘導流路、アノード側ガス拡散層のセパレータ６側
３１Ｓ２ 燃料流体、第２の誘導流路、アノード側ガス拡散層のセパレータ６側
３１Ｓ２Ａ 燃料流体、供給、第２の誘導流路、アノード側ガス拡散層のセパレータ６側
３１Ｓ２Ｂ 燃料流体、排出、第２の誘導流路、アノード側ガス拡散層のセパレータ６側
３１Ｓ０ 燃料流体、主流路、アノード側ガス拡散層のセパレータ６側
３３Ｍ１ 酸化流体、第１の誘導流路、カソード側ガス拡散層のＣＣＭシート側
３３Ｍ１Ａ 酸化流体、供給、第１の誘導流路、カソード側ガス拡散層のＣＣＭシート側
３３Ｍ１Ｂ 酸化流体、排出、第１の誘導流路、カソード側ガス拡散層のＣＣＭシート側
３３Ｍ２ 酸化流体、第２の誘導流路、カソード側ガス拡散層のＣＣＭシート側
３３Ｍ２Ａ 酸化流体、供給、第２の誘導流路、カソード側ガス拡散層のＣＣＭシート側
３３Ｍ２Ｂ 酸化流体、排出、第２の誘導流路、カソード側ガス拡散層のＣＣＭシート側
３３Ｓ１ 酸化流体、第１の誘導流路、カソード側ガス拡散層のセパレータ７側
３３Ｓ１Ａ 酸化流体、供給、第１の誘導流路、カソード側ガス拡散層のセパレータ７側
３３Ｓ１Ｂ 酸化流体、排出、第１の誘導流路、カソード側ガス拡散層のセパレータ７側
３３Ｓ２ 酸化流体、第２の誘導流路、カソード側ガス拡散層のセパレータ７側
３３Ｓ２Ａ 酸化流体、供給、第２の誘導流路、カソード側ガス拡散層のセパレータ７側
３３Ｓ２Ｂ 酸化流体、排出、第２の誘導流路、カソード側ガス拡散層のセパレータ７側
３３Ｓ０ 酸化流体、主流路、カソード側ガス拡散層のセパレータ７側
３２Ｓ１ 冷却媒体、第１の誘導流路
３２Ｓ１Ａ 冷却媒体、供給、第１の誘導流路
３２Ｓ１Ｂ 冷却媒体、排出、第１の誘導流路
３２Ｓ０ 冷却媒体、主流路
Ｅ００１ ２次元展開の開口部の配列パターン
Ｅ００２ エッジ処理後の開口部配置エリア
Ｅ００３ エッジ処理済開口部配置構造

本発明の一実施形態では、全方位型開口部の二次元拡張を終了させるエッジ構造については、各流体が前記全方位型開口部の端口から放射状に流入、流出する特性を利用して、各種流体の排出用または供給用開口部の１つを中心に置く場合に、それらの排出用または供給用開口部の１つを四分割して角部に配置するか、あるいはそれらの排出用または供給用開口部の１つを二分割して縁に配置していて、半方位型開口部の二次元拡張を終了させるエッジ構造については、各流体が前記半方位型開口部の端口から扇形で流入、流出する特性を利用して、各種流体の排出用または供給用開口部の１つを中心に置く場合に、それらの排出用または供給用開口部の１つを二分割して角部に配置するか、それらの排出用または供給用開口部の１つを二分割して縁に配置するか、あるいは排出用または供給用開口部の１つを他の縁部に直接配置する。
本発明の一実施形態では、前記第１のガス拡散層の角部または縁部における燃料流体排出用開口部は、前記燃料流体が単セルの拡がる方向に流れる燃料流体端口を有し、前記第２のガス拡散層の角部又は縁部における燃料流体排出用開口部は、前記単セルの拡がる方向に酸化流体が流れるのを阻止するシール材を有していて、前記第２のガス拡散層の角部または縁部における酸化流体排出用開口部は、前記酸化流体が単セルの拡がる方向に流れる酸化流体端口を有し、前記第１のガス拡散層の角部又は縁部における酸化流体排出用開口部は、前記単セルの拡がる方向に燃料流体が流れるのを阻止するシール材を有していて、前記第１のガス拡散層、前記触媒付電解質膜及び前記第２のガス拡散層の角部又は縁部における冷却媒体排出用開口部は、前記単セルの拡がる方向に冷却媒体が流れるのを阻止するシール材を有する。

本発明の一実施形態では、前記隣接する単セルの第１のセパレータの上面の間の間隔は、０．１ｍｍ以上１．２ｍｍ以下である。

Claims (25)

1. 単セルの一種であって、相対する第１のセパレータ及び第２のセパレータ並びに前記第１及び第２のセパレータ間の膜電極接合体を備え、
   前記膜電極接合体は、触媒付電解質膜並びに前記触媒付電解質膜の第一側及び第二側にそれぞれ設けられた第１のガス拡散層及び第２のガス拡散層を含み、
   前記単セルは、当該単セルの拡がる面を通り抜けるように、前記第１のセパレータ、前記第２のセパレータ、及び前記膜電極接合体に設けられた複数の燃料流体用開口部、複数の冷却媒体用開口部及び複数の酸化流体用開口部を備え、そのうち、少なくとも１つの燃料流体用開口部、少なくとも１つの冷却媒体用開口部、及び少なくとも１つの酸化流体用開口部は前記単セルの中央領域に配置され、
   前記第１のガス拡散層において、少なくとも１つの燃料流体用開口部は、前記単セルの拡がる方向に前記第１のガス拡散層を燃料流体が流れる燃料流体端口を有し、前記第２のガス拡散層において、少なくとも１つの燃料流体用開口部は、前記単セルの拡がる方向に燃料流体が前記第２のガス拡散層を流れるのを防ぐシール材を有し、
   前記第２のガス拡散層において、少なくとも１つの酸化流体用開口部は、前記単セルの拡がる方向に前記第２のガス拡散層を酸化流体が流れる酸化流体端口を有し、前記第１のガス拡散層において、少なくとも１つの酸化流体用開口部は、前記単セルの拡がる方向に酸化流体が前記第１のガス拡散層を流れるのを防ぐシール材を有し、
   前記第１のガス拡散層、前記触媒付電解質膜及び前記第２のガス拡散層において、少なくとも１つの冷却媒体用開口部は、前記単セルの拡がる方向に冷却媒体が前記第１のガス拡散層、前記触媒付電解質膜及び前記第２のガス拡散層を流れるのを防ぐシール材を有することを特徴とした単セル。
2. 前記触媒付電解質膜は、電解質膜並びに前記電解質膜の第一側及び第二側にそれぞれ設けられた第１の触媒層及び第２の触媒層を含むことを特徴とする請求項１記載の単セル。
3. 前記膜電極接合体は、更に、前記触媒付電解質膜を保持するＣＣＭホルダーフィルムを含み、前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部、及び前記複数の酸化流体用開口部は、前記ＣＣＭホルダーフィルムを貫通し、前記ＣＣＭホルダーフィルムは、少なくとも前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部、及び前記複数の酸化流体用開口部の周囲にシール材を備えることを特徴とする請求項１記載の単セル。
4. 前記ＣＣＭホルダーフィルムは、嵌合構造体を有し、前記触媒付電解質膜は、前記嵌合構造体に嵌合されていることを特徴とする請求項３記載の単セル。
5. 前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部、及び前記複数の酸化流体用開口部は、前記単セル全体に周期的に繰り返し又はある程度の変動周期的に繰り返され、各周期的な繰り返しは、１つ若しくは複数の同種基本単位、または複数の異種基本単位により構成されていて、中央領域以外のエッジ領域及び異種基本単位の境界の間において、前記単セルは、前記基本単位の周期的な繰り返しを終了させるエッジ構造を備えていることを特徴とする請求項１記載の単セル。
6. 前記単セルに位置する前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部及び前記複数の酸化流体用開口部は、基本単位により構成されていて、前記単セルは、中央領域以外のエッジ領域において、前記基本単位を終了させるエッジ構造を備えていることを特徴とする請求項１記載の単セル。
7. 前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部及び前記複数の酸化流体用開口部は、それぞれの供給用開口部及び排出用開口部を備えていることを特徴とする請求項１記載の単セル。
8. 前記基本単位は、少なくとも２つの前記燃料流体用開口部と、少なくとも２つの前記冷却媒体用開口部と、少なくとも２つの前記酸化流体用開口部とで構成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の単セル。
9. 前記基本単位は、二次元ブラベ格子配列で形成される各種開口部のパターンの最小繰返し配列周期を有する単位であることを特徴とする請求項５記載の単セル。
10. 前記第１のガス拡散層において、少なくとも１つの燃料流体用開口部は、完全に開放された開口部又は部分が封止された開口部であること、及び／または、
    前記第２のガス拡散層において、少なくとも１つの酸化流体用開口部は、完全に開放された開口部又は部分が封止された開口部であることを特徴とする請求項５記載の単セル。
11. 前記触媒付電解質膜、前記第１のガス拡散層及び前記第２のガス拡散層は、ラミネート方式で単セルを形成することを特徴とする請求項５記載の単セル。
12. 前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部、及び前記複数の酸化流体用開口部の少なくとも一部の形状は、全方位型としての設計であること、すなわち、各種開口部の第Ｉ象限、第ＩＩ象限、第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限に流入、流出する各種流体の発散角度及び／または収束角度が１度以上１８０度以下であることを特徴とする請求項１記載の単セル。
13. 前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部、及び前記複数の酸化流体用開口部の少なくとも一部の形状は、半方位型としての設計であること、すなわち、各種開口部に適合する第Ｉ象限及び第ＩＩ象限または第ＩＩＩ象限及び第ＩＶ象限の端口に流入、流出する各種流体の発散角度及び／または収束角度が１度以上９０度以下であることを特徴とする請求項１記載の単セル。
14. 前記複数の燃料流体用開口部、前記複数の冷却媒体用開口部、及び前記複数の酸化流体用開口部の少なくとも一部の形状は、４つの象限のうち、単独で配置される任意の象限の端口へ流入、流出する各種流体の発散角度及び／または収束角度が１度以上９０度以下であり、且つ、４つの象限のうち、２つの任意の隣接する象限の端口に流入、流出する各種流体の発散角度及び／または収束角度が１度以上１８０度以下であるように設けられることを特徴とする請求項１記載の単セル。
15. 前記少なくとも１つの燃料流体用開口部、前記少なくとも１つの冷却媒体用開口部、及び前記少なくとも１つの酸化流体用開口部の平面形状は、多角形、変形多角形、細長い形、楕円形、円形、またはこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１記載の単セル。
16. 前記第１のガス拡散層に対して、前記燃料流体端口の周囲で前記触媒付電解質膜に近い側に燃料流体誘導流路を設け、前記燃料流体誘導流路は、前記第１のガス拡散層の両端に位置する燃料流体供給用流路及び燃料流体排出用流路を連結していることを特徴とする請求項１記載の単セル。
17. 前記第２のガス拡散層に対して、前記酸化流体端口の周囲で前記触媒付電解質膜に近い側に酸化流体誘導流路を設け、前記酸化流体誘導流路は、前記第２のガス拡散層の両端に位置する酸化流体供給用流路及び酸化流体排出用流路を連結していることを特徴とする請求項１記載の単セル。
18. 前記第１のガス拡散層は、前記触媒付電解質膜の側にある燃料流体供給排出路と重畳し、且つ前記セパレータの側にある燃料流体供給排出路と重畳するように構成されていて、前記第２のガス拡散層は、前記触媒付電解質膜の側にある酸化流体供給排出路と重畳し、且つ前記セパレータの側にある酸化流体供給排出路と重畳するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の単セル。
19. 全方位型開口部の二次元拡張を終了させるエッジ構造については、各種流体が前記全方位型開口部の端口から放射状に流入、流出する特性を利用して、各種流体の供給用開口部の１つを中心に置く場合に、それらの排出用開口部の１つを四分割して角部に配置するか、あるいはそれらの排出用開口部の１つを二分割して縁に配置していて、
    半方位型開口部の二次元拡張を終了させるエッジ構造については、各種流体が前記半方位型開口部の端口から扇形で流入、流出する特性を利用して、各種流体の供給用開口部の１つを中心に置く場合に、それらの排出用開口部の１つを二分割して角部に配置するか、、それらの排出用開口部の１つを二分割して縁に配置するか、あるいはそれらの排出用開口部の１つを他の縁部に直接配置することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の単セル。
20. 前記第１のガス拡散層の角部または縁部における燃料流体排出用開口部は、前記燃料流体が単セルの拡がる方向に流れる燃料流体端口を有し、前記第２のガス拡散層の角部又は縁部における燃料流体排出用開口部は、前記単セルの拡がる方向に酸化流体が流れるのを阻止するシール材を有していて、
    前記第２のガス拡散層の角部または縁部における酸化流体排出用開口部は、前記酸化流体が単セルの拡がる方向に流れる酸化流体端口を有し、前記第１のガス拡散層の角部又は縁部における酸化流体排出用開口部は、前記単セルの拡がる方向に燃料流体が流れるのを阻止するシール材を有していて、
    前記第１のガス拡散層、前記触媒付電解質膜及び前記第２のガス拡散層の角部又は縁部における冷却媒体排出用開口部は、前記単セルの拡がる方向に冷却媒体が流れるのを阻止するシール材を有することを特徴とする請求項１９記載の単セル。
21. セルスタック構造体の一種であり、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の単セルを複数積層して形成されたセルスタック構造体を備え、
    前記複数の単セルの燃料流体用開口部、冷却媒体用開口部、及び酸化流体用開口部をそれぞれ重畳させ、前記セルスタック構造体にそれぞれの内部共用マニホールドを形成し、前記内部共用マニホールドは、燃料流体、冷却媒体及び酸化流体を前記複数の単セルに供給、排出するセルスタック構造体。
22. 前記セルスタック構造体における隣接単セルの隣接するセパレータの間には、冷却媒体の流れが提供され、前記セパレータの少なくとも１つの冷却媒体用開口部は、単セルの拡がる方向に、冷却媒体が流れる端口を備えることを特徴とする請求項２１記載のセルスタック構造体。
23. 前記セパレータの両側には、冷却媒体の供給用流路及び排出用流路に接続された冷却媒体誘導流路が設けられていることを特徴とする請求項２２記載のセルスタック構造体。
24. 前記隣接する単セルの第１のセパレータの上面の間の間隔は、０．１ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２１記載のセルスタック構造体。
25. 燃料電池の一種であり、請求項２１〜２４のいずれか１項に記載のセルスタック構造体を有し、第１のエンドプレート、第２のエンドプレート、及び前記第１のエンドプレートと前記第２のエンドプレートにより両側から挟まれた前記セルスタック構造体を備え、前記第１のエンドプレート及び前記第２のエンドプレートのうちの少なくともいずれかには、燃料流体、冷却媒体及び酸化流体を供給、排出するための内部共用マニホールドに対応させた外部共通マニホールドが備えられる燃料電池。

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