JP4938912B2 - 高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックの構成、特に、高分子電解質形燃料電池のセパレータ及びガス拡散電極の構成に関する。
近年、クリーンなエネルギー源として、燃料電池が注目されている。燃料電池としては、例えば、高分子電解質形燃料電池が挙げられる。高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、膜−電極接合体と、この膜−電極接合体を挟みかつそれぞれアノード及びカソードに接触するように配置されたアノードセパレータ及びカソードセパレータとを備えている。膜−電極接合体は、それぞれガス拡散層及び触媒層からなるアノード及びカソード（これらを電極という）を備えている。ガス拡散層には、反応ガスの流通パスとなる細孔が存在する。アノードセパレータの一方の主面には、燃料ガス流路が形成されている。カソードセパレータの一方の主面には、酸化剤ガス流路が形成されている。燃料ガス流路からアノードに供給された燃料ガス（水素）はイオン化（Ｈ＋）され、アノードのガス拡散層及び触媒層を通過し、高分子電解質膜中を水の介在によって通過して、カソード側に移動する。カソード側に到達した水素イオンは、カソードの触媒層において以下の発電反応により、水を生成する。
アノード側：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード側：（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応：Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
生成された水（生成水）は、蒸気又は液体のまま、カソードセパレータに形成された酸化剤ガス流路に流れ込む。また、カソード側で生成された水の一部は、アノード側に移動して（いわゆる、逆拡散）、燃料ガス流路に流れ込む。酸化剤ガス流路又は燃料ガス流路に流れ込んだ生成水は、酸化剤ガス又は燃料ガスの流れに沿って、下流側に移動する。このため、電極内における局所的な水分量のばらつきが大きくなり、その結果、局所的な発電量のばらつきが大きくなる場合がある。
このような問題に対して、ガスが流入する第１流路と、ガスを排出する第２流路と、を備え、アノード側の第１流路とカソード側の第２流路とを電解質層を挟んで対向するように構成し、アノード側の第２流路とカソード側の第１流路とを電解質層を挟んで対向するように構成された燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、アノードガス通路とカソードガス通路とが電解質膜−電極接合体を挟んで対峙する位置関係で設けられ、かつアノードガスとカソードガスとがそれぞれ通路内を並行して流通するように構成された、固体高分子型燃料電池が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特許文献１に開示されている燃料電池では、燃料ガスと酸化剤ガスの流れを、いわゆる対向流とし、流路を電解質層を挟んで互いに対向するように構成することで、ガス拡散層の水分量の多い領域同士や水分量の少ない領域同士が、電解質層を挟んで対向することが抑制され、その結果、電極における局所的な発電量のばらつきが大きくなることが抑制される。
また、特許文献２に開示されている固体高分子型燃料電池では、カソードガスよりもアノードガスの方を高加湿にすることで、カソードガス通路の入口側付近では、アノードガス通路の入口側付近を通流するアノードガスから水分が拡散して、アノード電極側からカソード電極側に向かって移動し、一方、アノードガス通路の出口側付近では、水分がカソード電極側からアノード電極側に向かって移動するため、燃料電池全体の水分の給排制御を適正に行い、燃料電池の発電性能を良好に維持することができる。
また、反応ガス流路の上流領域において、反応ガス流路を構成する溝の壁面と反応ガスとの接触面積が、他の領域よりも大きくなるように構成することで、高分子電解質膜の乾燥を抑制する固体高分子型燃料電池が知られている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３に開示されている固体高分子型燃料電池では、壁内面または壁面上に存在する水の蒸発を促進することにより、溝壁面側から反応ガス内に蒸発する水量を増大することで、固体高分子膜側からの水の蒸発を抑制し、固体高分子膜の乾燥を抑制することができる。
さらに、燃料ガス流路と酸素含有ガス流路のうち、少なくとも一方のガス流路に対向する面の電極触媒層の設置面積を減少させ、燃料ガス流路と酸素含有ガス流路を電解質膜面方向に交互に配置した燃料電池が知られている（例えば、特許文献４参照）。特許文献４に開示されている燃料電池では、対極へのガスの透過を抑制することで燃料電池の発電電圧を増加させることができる。
特開２００６−３３１９１６号公報 特開平９−２８３１６２号公報 特開２００５−２３５４１８号公報 特開２００３−２９７３９５号公報
しかしながら、特許文献１乃至特許文献４に開示されている燃料電池においては、燃料電池を高温低加湿（例えば、反応ガスの露点を燃料電池スタック内の温度よりも低くする）の条件で運転すると、反応ガス流路の上流部では、上記反応が充分に行われていないので水が充分に生成されず、高分子電解質膜の反応ガス流路の上流部に対向する部分が、乾燥してイオン伝導性が低下し、発電効率が低下するという点で、未だ改善の余地があった。
また、特許文献３に開示されている固体高分子型燃料電池では、アノードセパレータに形成された溝と溝との間（リブ部）と、カソードセパレータに形成された溝と溝との間（リブ部）と、が重なる部分と重ならない部分とが、不均一に形成されているため、高分子電解質膜に機械的ストレスがかかり、固体高分子膜（高分子電解質膜）が劣化するおそれがあり、未だ改善の余地があった。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、特に、高分子電解質形燃料電池を高温低加湿条件下で運転するような場合に、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックを提供することを目的とする。
ところで、燃料電池の運転中においては、電極における反応ガス流路に面する部分の水分（液体及び気体の水）含有量が、電極における隣接する反応ガス流路間に形成されたリブ部に接触する部分の水分含有量に比べて低いことが知られている。図３７は、燃料電池運転中における、電極の水分含有量を示す模式図である。
本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下の点を見出した。すなわち、図３７に示すように、電極２０２における隣接する反応ガス流路２０３間に形成されたリブ部２０４に接触する部分２０２Ａに存在する水が、電極２０２における反応ガス流路２０３に面する部分２０２Ｂ側に拡散して、電極２０２のリブ部２０４と反応ガス流路２０３との境界近傍は、電極２０２の部分２０２Ｂの中央部分に対して、水分含有量が高くなっていることを見出した。換言すると、電極２０２のリブ部２０４に接触する部分２０２Ａから離れると水分含有量が少なくなることを見出した。そして、本発明者等は以下に記載する構成を採用することが、上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であるということを見出し、本発明を想到した。
すなわち、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜、並びに、前記高分子電解質膜の一対の主面を挟む第１電極及び第２電極を有する膜電極接合体と、板状に形成され、前記膜電極接合体の前記第１電極と接触するように配置された導電性の第１セパレータと、板状に形成され、前記膜電極接合体の前記第２電極と接触するように配置された導電性の第２セパレータと、を備え、前記第１セパレータの前記第１電極と接触する一方の主面には、複数の直線状の第１リブ部が並走するように溝状の第１反応ガス流路が形成され、前記第２電極の前記第２セパレータと接触する一方の主面には、複数の直線状の第２リブ部が並走するように溝状の第２反応ガス流路が形成され、前記第１反応ガス流路の上流端から最初に前記第１電極と接触する部分から下流に向かって所定の長さに亘る部分を第１反応ガス流路の上流部と定義し、前記第１反応ガス流路の上流部より下流側に位置する部分を第１反応ガス流路の下流部と定義し、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１反応ガス流路の全幅に対する前記第１反応ガス流路の幅方向の第２リブ部と重なる部分の割合を第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合と定義した場合に、前記第１反応ガス流路の少なくとも上流部における第１反応ガス流路幅の第２リブに対する割合が、０より大きく１以下である。
上述したように、第１セパレータの厚み方向から見て、第１電極における第１反応ガス流路の上流部に面する部分の水分含有量は、第１電極における第１反応ガス流路の第１リブ部に接触する部分の水分含有量に比べて低くなる。同様に、第１セパレータの厚み方向から見て、第２電極における第２反応ガス流路と重なる部分の水分含有量は、第２電極における第２リブ部と重なる部分の水分含有量に比べて低くなる。
しかしながら、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、第１電極における第１反応ガス流路の上流部に面する部分（以下、第１電極の流路対向部分）の少なくとも一部と、第２電極の第２リブ部と、が、第１セパレータの厚み方向から見て、重なるように構成されている。このため、水分含有量が少ない第１電極の流路対向部分には、水分含有量が多い第２電極の第２リブ部と重なる部分から水が移動し、高分子電解質膜の第１反応ガス流路の上流部に対向する部分の乾燥を抑制することができる。その結果、本発明に係る高分子電解質形燃料電池を、特に、高温低加湿の条件で運転するような場合に、高分子電解質膜における第１反応ガス流路の上流部に対向する部分の乾燥を抑制することができ、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜、並びに、前記高分子電解質膜の一対の主面を挟む第１電極及び第２電極を有する膜電極接合体と、板状に形成され、前記膜電極接合体の前記第１電極と接触するように配置された導電性の第１セパレータと、板状に形成され、前記膜電極接合体の前記第２電極と接触するように配置された導電性の第２セパレータと、を備え、前記第１電極の前記第１セパレータと接触する一方の主面には、複数の直線状の第１リブ部が並走するように溝状の第１反応ガス流路が形成され、前記第２電極の前記第２セパレータと接触する一方の主面には、複数の直線状の第２リブ部が並走するように溝状の第２反応ガス流路が形成され、前記第１反応ガス流路の上流端から最初に前記第１電極と接触する部分から下流に向かって所定の長さに亘る部分を第１反応ガス流路の上流部と定義し、前記第１反応ガス流路の上流部より下流側に位置する部分を第１反応ガス流路の下流部と定義し、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１反応ガス流路の全幅に対する前記第１反応ガス流路の幅方向の第２リブ部と重なる部分の割合を第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合と定義した場合に、前記第１反応ガス流路の少なくとも上流部における第１反応ガス流路幅の第２リブに対する割合が、０より大きく１以下である。
これにより、本発明に係る高分子電解質形燃料電池を、特に、高温低加湿の条件で運転するような場合に、高分子電解質膜における第１反応ガス流路の上流部に対向する部分の乾燥を抑制することができ、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガス流路の上流部における第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が、前記第１反応ガス流路の下流部における第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合よりも大きくなるように形成され、かつ、前記第１反応ガスの上流部における前記第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が所定の割合となるように形成されていてもよい。
ところで、第１電極における第１反応ガス流路の第１リブ部と接触する部分及び第２電極における第２リブ部には、高分子電解質形燃料電池を締結したときに圧力がかかる。そして、第１セパレータの厚み方向から見て、第１リブ部と第２リブ部とが重ならないように形成されると、第１電極における第１リブ部の端部と接触する部分や第２リブ部の端部に応力が集中して、その結果、高分子電解質膜におけるこれらの端部と重なる部分には、機械的ストレスがかかる。そして、上記特許文献３に開示されている固体高分子型燃料電池のように、アノードセパレータに形成された溝と溝との間（リブ部）と、カソードセパレータに形成された溝と溝との間（リブ部）と、が重なる部分と重ならない部分とが、不均一に形成されると、さらに高分子電解質膜に機械的ストレスがかかり、高分子電解質膜が劣化するおそれがある。
しかしながら、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、第１反応ガス流路が、第１反応ガス流路の上流部における第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が所定の割合になるように第１セパレータに形成されているので、高分子電解質膜にかかる圧力が不均一になることを抑制することができる。その結果、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガス流路の上流部における前記第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が、０より大きく、かつ、１以下であってもよい。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガスの上流部における前記第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が１であってもよい。
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガスの下流部における前記第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が０であってもよい。
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガス流路の上流部は、第１上流部と前記第１上流部より下流側に位置する第２上流部とを有しており、前記第１反応ガス流路は、前記第１反応ガス流路の第１上流部における前記第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が第１の所定の割合となるように、かつ、前記第１反応ガスの第２上流部における前記第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が第２の所定の割合となるように形成されていてもよい。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１の所定の割合が前記第２の所定の割合よりも大きくてもよい。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１の所定の割合が１であり、前記第２の所定の割合が、０より大きく、かつ、１より小さくてもよい。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガス流路の下流部で形成される前記第１リブ部は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第２リブ部と重なり合うように形成されていてもよい。
これにより、高分子電解質膜に機械的ストレスがかかることを抑制し、その結果、機械的ストレスによる高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガス流路の上流部及び下流部における第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が、０より大きく、かつ、１以下であってもよい。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガス流路の上流部及び下流部における第１反応ガス流路幅の第２リブに対する割合が１であってもよい。
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１セパレータの他方の主面には、溝状の冷却媒体流路が形成されており、前記第１反応ガス流路を通流する第１反応ガス及び前記第２反応ガス流路を通流する第２反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低くてもよい。
さらに、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第１反応ガス流路の前記上流部の幅が、前記第１反応ガス流路の下流部の幅よりも小さく形成されていてもよい。
これにより、一方の電極における第１反応ガス流路の上流部と面する部分を小さくすることができ、当該部分の乾燥を抑制することができ、ひいては、高分子電解質膜における第１反応ガス流路の上流部に対向する部分の乾燥を抑制することができ、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
また、本発明に係る燃料電池スタックは、複数の前記高分子電解質形燃料電池が積層して締結されている。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックによれば、高温低加湿の条件で運転した場合に、高分子電解質膜の乾燥を抑制し、これにより、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１に示す燃料電池スタックにおける高分子電解質形燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図３は、図２に示す高分子電解質形燃料電池を展開した模式図である。 図４は、図２に示す高分子電解質形燃料電池のカソード電極の概略構成を示す模式図である。 図５は、図２に示す高分子電解質形燃料電池のカソードセパレータの概略構成を示す模式図である。 図６は、図２に示す高分子電解質形燃料電池のカソードセパレータにカソード電極を重ねて、カソードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。 図７は、図２に示す高分子電解質形燃料電池のアノードセパレータの概略構成を示す模式図である。 図８は、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図９は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックのカソードセパレータにカソード電極を重ねて、カソードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。 図１０は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。 図１１は、本発明の実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図１２は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックのカソードセパレータにカソード電極を重ねて、カソードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。 図１３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。 図１４は、本発明の実施の形態３に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図１５は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。 図１６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックのカソードセパレータにカソード電極を重ねて、カソードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。 図１７は、本発明の実施の形態４に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図１８は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。 図１９は、本発明の実施の形態５に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図２０は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。 図２１は、本発明の実施の形態６に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図２２は、変形例１の高分子電解質形燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図２３は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池スタックにおける高分子電解質形燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図２４は、図２３に示す高分子電解質形燃料電池のアノード電極の概略構成を示す模式図である。 図２５は、図２３に示す高分子電解質形燃料電池のアノードセパレータの概略構成を示す模式図である。 図２６は、図２３に示す高分子電解質形燃料電池のアノードセパレータにアノード電極を重ねて、アノードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。 図２７は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池スタックのアノードセパレータにアノード電極を重ねて、アノードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。 図２８は、本発明の実施の形態８に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図２９は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池スタックのアノードセパレータにアノード電極を重ねて、アノードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。 図３０は、本発明の実施の形態９に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図３１は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池スタックのアノードセパレータにアノード電極を重ねて、アノードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。 図３２は、本発明の実施の形態１０に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図３３は、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池スタックのアノードセパレータにアノード電極を重ねて、アノードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。 図３４は、本発明の実施の形態１１に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図３５は、本発明の実施の形態１２に係る燃料電池スタックのアノードセパレータにアノード電極を重ねて、アノードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。 図３６は、本発明の実施の形態１２に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図３７は、燃料電池運転中における、電極の水分含有量を示す模式図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
（実施の形態１）
［燃料電池スタックの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、図１において、燃料電池スタックの上下方向を図における上下方向として表している。
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタック６１は、板状の全体形状を有する高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）１００がその厚み方向に積層されてなるセル積層体６２と、セル積層体６２の両端に配置された第１及び第２の端板６３、６４と、セル積層体６２と第１及び第２の端板６３、６４とを燃料電池１００の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。また、第１及び第２の端板６３、６４には、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。
セル積層体６２における一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、酸化剤ガス供給マニホールド孔１３３が設けられており、その下部には、冷却媒体排出マニホールド１３６が設けられている。また、セル積層体６２の冷却媒体排出マニホールド１３６が配設されている下部の内側には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、燃料ガス排出マニホールド１３２が設けられている。さらに、セル積層体６２における他方の側部（図面右側の側部：以下、第２の側部）の上部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、冷却媒体供給マニホールド１３５が設けられており、その下部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、酸化剤ガス排出マニホールド１３４が設けられている。また、セル積層体６２の冷却媒体供給マニホールド１３５が配設されている上部の内側には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、燃料ガス供給マニホールド１３１が設けられている。
そして、それぞれのマニホールドには、適宜な配管が設けられている。これにより、適宜な配管を介して、燃料電池スタック６１に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体が供給され、排出される。
[高分子電解質形燃料電池の構成]
次に、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の構成について図２及び図３を参照しながら説明する。
図２は、図１に示す燃料電池スタック６１における燃料電池１００の概略構成を模式的に示す断面図である。また、図３は、図２に示す燃料電池１００を展開した模式図である。なお、図２及び図３においては、一部を省略している。
図２及び図３に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池１００は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）５と、ガスケット７と、アノードセパレータ６ａと、カソードセパレータ６ｂと、を備えている。
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード電極（第１電極）４ａと、カソード電極（第２電極）４ｂと、を有している。高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード電極４ａとカソード電極４ｂがそれぞれ設けられている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔等の各マニホールド孔（図示せず）が厚み方向に貫通するように設けられている。
アノード電極４ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。また、アノード電極４ａは、アノード触媒層２ａと、アノード触媒層２ａの上に設けられたアノードガス拡散層３ａと、を有している。アノード触媒層２ａは、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含んで構成されている。また、アノードガス拡散層３ａは、ガス通気性と導電性を兼ね備えていて、アノードガス拡散層３ａを構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができ、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質基材を用いることができる。また、この導電性多孔質基材には、従来公知の方法で撥水処理を施しても構わない。
カソード電極４ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。また、カソード電極４ｂは、カソード触媒層２ｂと、カソード触媒層２ｂの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３ｂと、を有していて、カソード電極４ｂ（正確には、カソードガス拡散層３ｂ）のカソードセパレータ６ｂと接触する主面には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）９が形成されている。カソード触媒層２ｂは、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含んで構成されている。なお、酸化剤ガス流路９の詳細な構成については、後述する。
また、カソードガス拡散層３ｂは、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材を用いずに、バインダー樹脂と導電性粒子とを含むシートで構成されている。バインダー樹脂としては、例えば、フッ素樹脂が挙げられ、導電性粒子としては、例えば、カーボンからなる粒子が挙げられる。
フッ素樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等が挙げられ、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点からＰＴＦＥが好ましい。ＰＴＦＥの原料としては、ディスパージョン及び粉末状の形状があげられるが、ディスパージョンが、作業性の点から好ましい。
また、カーボン材料としては、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等が挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。また、上記カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状でもよい。
そして、カソードガス拡散層３ｂには、バインダーとしての機能を奏させる観点から、バインダー樹脂が、５重量％以上含まれていることが好ましく、カソードガス拡散層３ｂを均一な厚さにするための圧延プロセス時の条件を簡易にする観点から、５０重量％以下で含まれていることが好ましい。また、上記と同様の観点から、１０〜３０重量％の量で含まれていることがより好ましい。
なお、カソードガス拡散層３ｂには、バインダー樹脂及び導電性粒子以外に、分散溶媒、界面活性剤等が含まれていてもよい。分散溶媒としては、水、メタノールやエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。また、界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等のノニオン系、アルキルアミンオキシド等の両性イオン系が挙げられる。また、分散溶媒量、界面活性剤量は、カソードガス拡散層３ｂを構成する導電性粒子の材料（カーボン材料）、バインダー樹脂（フッ素樹脂）の種類、バインダー樹脂（フッ素樹脂）と導電性粒子（カーボン）の配合比等により適宜選択可能である。一般的には、分散溶媒量、界面活性剤量が多いほど、バインダー樹脂（フッ素樹脂）と導電性粒子（カーボン）が均一分散しやすいが、流動性が高くなり、シート化が難しくなる傾向がある。
ここで、カソードガス拡散層３ｂの製造方法について説明する。
カソードガス拡散層３ｂは、バインダー樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造する。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌・混錬機に投入後、混錬して粉砕・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。ついで、バインダー樹脂であるフッ素樹脂をさらに攪拌・混錬機に投下して、攪拌及び混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒、界面活性剤を除去することでカソードガス拡散層３ｂを形成するシートが製造される。そして、このようにして製造されたシートの主面に、適宜な方法（例えば、プレス機等を用いた成型や、切削機等を用いた切削）により、酸化剤ガス流路９となる溝を形成して、カソードガス拡散層３ｂが得られる。なお、界面活性剤は、導電性粒子の材料（カーボン材料）、分散溶媒の種類により適宜選択でき、また、界面活性剤を使用しなくてもよい。
なお、このようにして製造されたカソードガス拡散層３ｂは、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材よりも多孔度が低いものの、反応ガス（酸化剤ガス）が、充分に移動できる程度の多孔度となるように構成されている。このため、上記製造方法で製造されたカソードガス拡散層３ｂであっても、ガス拡散層としての役割を充分に果たす。
また、ＭＥＡ５のアノード電極４ａ及びカソード電極４ｂ（正確には、アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂ）の周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池１００内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット７の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる酸化剤ガス排出マニホールド孔等のマニホールド孔（図示せず）が設けられている。なお、ガスケット７は、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池１００内でこれらのガスが互いに混合されることが防止されれば、その形状は任意である。
また、ＭＥＡ５とガスケット７を挟むように、導電性のアノードセパレータ（第１セパレータ）６ａとカソードセパレータ（第２セパレータ）６ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の燃料電池１００をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ６ａ、６ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
アノードセパレータ６ａのアノード電極４ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路（第１反応ガス流路）８が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。また、カソードセパレータ６ｂのカソード電極４ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３から酸化剤ガス流路９に酸化剤ガスを供給するための上流サブガス流路９１と酸化剤ガス流路９を通流した酸化剤ガスを酸化剤ガス排出マニホールド孔３４に排出するための下流サブガス流路９３が設けられている（図５参照）。なお、冷却媒体流路１０の構成は、任意であり、例えば、サーペンタイン状に形成されていてもよく、ストレート状に形成されていてもよい。また、本実施の形態１においては、冷却媒体流路１０は、アノードセパレータ６ａの外面に設ける形態を採用したが、これに限定されず、カソードセパレータ６ｂの外面に設ける形態を採用してもよく、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂのそれぞれの外面に設ける形態を採用してもよい。
これにより、アノード電極４ａ及びカソード電極４ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらの反応ガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の冷却媒体を冷却媒体流路１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。
なお、このように構成された燃料電池１００を単電池（セル）として使用してもよく、燃料電池１００を複数積層して燃料電池スタック６１として使用してもよい。また、本実施の形態１においては、第１セパレータをアノードセパレータ６ａとし、第２セパレータをカソードセパレータ６ｂとし、また、第１反応ガス流路を燃料ガス流路８とし、第２反応ガス流路を酸化剤ガス流路９としたが、これに限定されず、第１セパレータをカソードセパレータ６ｂとし、第２セパレータをアノードセパレータ６ａとし、また、第１反応ガス流路を酸化剤ガス流路９とし、第２反応ガス流路を燃料ガス流路８としてもよい。
[反応ガス流路及びセパレータの構成]
次に、カソード電極４ｂに設けられた酸化剤ガス流路９、カソードセパレータ６ｂ、及びアノードセパレータ６ａについて、図２乃至図７を参照しながら詳細に説明する。
図４は、図２に示す燃料電池１００のカソード電極４ｂの概略構成を示す模式図である。また、図５は、図２に示す燃料電池１００のカソードセパレータ６ｂの概略構成を示す模式図である。さらに、図６は、図２に示す燃料電池１００のカソードセパレータ６ｂにカソード電極４ｂを重ねて、カソードセパレータ６ｂの厚み方向から透視した模式図である。なお、図４及び図６において、カソードセパレータ６ｂにおける上下方向を図における上下方向として表し、図５において、カソード電極４ｂにおける上下方向を図における上下方向として表している。また、図６においては、酸化剤ガス流路９を仮想線（二点差線）で示している。
まず、カソード電極４ｂに設けられた酸化剤ガス流路９及びカソードセパレータ６ｂの構成について、図２乃至図４を参照しながら詳細に説明する。
図４に示すように、カソード電極４ｂ（正確には、カソードガス拡散層３ｂ）の主面には、溝状の酸化剤ガス流路９が、上下方向に直線状に延びるように形成されている。また、酸化剤ガス流路９は、酸化剤ガス流路９を構成する溝の断面形状（酸化剤ガス流路９を構成する溝における酸化剤ガスの通流方向に対する垂直方向の断面）が、底面から開口に向かって狭くなるように、テーパー状に形成されている。なお、本実施の形態１においては、酸化剤ガス流路９の断面形状を、テーパー状に形成したが、これに限定されず、矩形状に形成してもよい。また、酸化剤ガス流路９を構成する溝と溝との間の部分が、第２リブ部１２を形成する。
また、酸化剤ガス流路９は、複数の直線状の第２リブ部１２が並走するように形成されている。ここで、並走するとは、互いに並んで設けられていることをいい、複数の第２リブ部１２のうち、１の第２リブ部１２を特定し、該特定した第２リブ部１２に沿って、他の第２リブ部１２が形成されていることをいう。そして、「酸化剤ガス流路９が、複数の直線状の第２リブ部１２が並走するように形成されている」とは、複数の酸化剤ガス流路が、その上流端から下流端に向かって、全体として、それぞれの流路を通流する酸化剤ガスの流れる方向が一致するように、複数の酸化剤ガス流路が設けられていることをいう。従って、複数の酸化剤ガス流路が、その上流端から下流端まで完全に並んで設けられている必要がなく、複数の酸化剤ガス流路が、互いに並んで設けられていない部分を有していてもよい。
さらに、酸化剤ガス流路９は、上流部１９ｂ及び下流部１９ｃを有している。上流部１９ｂは、酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成や、反応ガスの露点、冷却媒体の温度等によって、その下流端は異なるが、少なくとも、一端を酸化剤ガス流路９の上流端とし、他端を式：Ｌ１≦｛（１／３）×Ｌ２｝を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ１は、酸化剤ガス流路９の上流部１９ｂの流路長を示し、Ｌ２は、酸化剤ガス流路９の全流路長を示す。
下流部１９ｃは、一端を酸化剤ガス流路９の下流端とし、他端を式：Ｌ３≦｛（２／３）×Ｌ２｝を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ３は、酸化剤ガス流路９の下流部１９ｃの流路長を示す。
また、図５に示すように、カソードセパレータ６ｂは、板状で、略４角形（ここでは、矩形）に形成されており、その周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔が、厚み方向に貫通するように設けられている。具体的には、カソードセパレータ６ｂにおける一方の側部（以下、第１の側部という）の上部には、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３が設けられており、その下部には、冷却媒体排出マニホールド孔３６が設けられている。また、カソードセパレータ６ｂにおける冷却媒体排出マニホールド孔３６の下部の内側には、燃料ガス排出マニホールド孔３２が設けられている。さらに、カソードセパレータ６ｂにおける他方の側部（以下、第２の側部）の上部には、冷却媒体供給マニホールド孔３５が設けられており、その下部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４が設けられている。また、カソードセパレータ６ｂにおける冷却媒体供給マニホールド孔３５の上部の内側には、燃料ガス供給マニホールド孔３１が設けられている。
そして、図５及び図６に示すように、カソードセパレータ６ｂの内面には、酸化剤ガス流路９と連通するように、溝状の上流サブガス流路９１と溝状の下流サブガス流路９３が設けられている。上流サブガス流路９１は、その上流端が、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３に接続されていて、その下流端は、酸化剤ガス流路９（の上流端側）に連通されている。また、上流サブガス流路９１は、複数の酸化剤ガス流路９にそれぞれ連通する連通部分９１ｂと、該連通部分９１ｂに酸化剤ガスを分流する分流部分９１ａと、を有している。連通部分９１ｂは、酸化剤ガス流路９と同様に、連通部分９１ｂを構成する溝の断面形状が、底面から開口に向かって狭くなるように、テーパー状に形成されている。下流サブガス流路９３は、その上流端が、酸化剤ガス流路９（の下流端側）に連通されていて、その下流端は、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４に接続されている。また、下流サブガス流路９３は、複数の酸化剤ガス流路９にそれぞれ連通する連通部分９３ｂと該連通部分９３ｂからの酸化剤ガスが合流する合流部分９３ａを有する。連通部分９３ｂは、酸化剤ガス流路９と同様に、連通部分９３ｂを構成する溝の断面形状が、底面から開口に向かって狭くなるように、テーパー状に形成されている。なお、本実施の形態１においては、連通部分９１ｂ及び連通部分９３ｂの断面形状をテーパー状に形成したが、これに限定されず、例えば、矩形状に形成してもよい。
次に、アノードセパレータ６ａの構成について、図２、図３、及び図７を参照しながら詳細に説明する。
図７は、図２に示す燃料電池１００のアノードセパレータ６ａの概略構成を示す模式図である。なお、図７において、アノードセパレータ６ａにおける上下方向を図における上下方向として表している。
図７に示すように、アノードセパレータ６ａは、板状で、略４角形（ここでは、矩形）に形成されており、その周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔が、厚み方向に貫通するように設けられている。なお、各マニホールド孔の配置は、カソードセパレータ６ｂと同じなので、その詳細な説明は省略する。
アノードセパレータ６ａの内面には、溝状の燃料ガス流路８が、いわゆるストレート状に形成されている。そして、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９は、いわゆる並行流となるように構成されている。ここで、並行流とは、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９は、一部に酸化剤ガスと燃料ガスが互いに対向するように流れる部分を有するが、燃料電池１００の厚み方向から見て、巨視的に（全体として）酸化剤ガスと燃料ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が互いに一致するように構成されていることをいう。
燃料ガス流路８は、上流サブガス流路８１と、下流サブガス流路８３と、上流サブガス流路８１と下流サブガス流路８３を連通する複数の連通ガス流路８２と、を有している。上流サブガス流路８１の上流端は、燃料ガス供給マニホールド孔３１に接続され、燃料ガス流路８の上流端を構成する。また、上流サブガス流路８１は、複数の連通ガス流路８２にそれぞれ連通する連通部分８１ｂと、該連通部分８１ｂに燃料ガスを分流する分流部分８１ａと、を有している。連通部分８１ｂは、連通部分８１ｂを構成する溝の断面形状が、底面から開口に向かって狭くなるように、テーパー状に形成されている。また、下流サブガス流路８３の下流端は、燃料ガス排出マニホールド孔３２に接続され、燃料ガス流路８の下流端を構成する。また、下流サブガス流路８３は、複数の連通ガス流路８２にそれぞれ連通する連通部分８３ｂと該連通部分８３ｂからの燃料ガスが合流する合流部分８３ａを有する。連通部分８３ｂは、連通部分８３ｂを構成する溝の断面形状が、底面から開口に向かって狭くなるように、テーパー状に形成されている。さらに、連通ガス流路８２は、上下方向にほぼ直線状（Ｓ字状）に延びるように形成されていて、連通ガス流路８２を構成する溝の断面形状が、底面から開口に向かって狭くなるように、テーパー状に形成されている。なお、連通ガス流路８２を構成する溝と溝との間の部分が第１リブ部１１を形成する。また、本実施の形態１においては、連通部分８１ｂ、連通ガス流路８２、及び連通部分８３ｂの断面形状をテーパー状に形成したが、これに限定されず、例えば、矩形状に形成してもよい。
そして、燃料ガス流路８は、複数の直線状の第１リブ部１１が並走するように形成されている。ここで、並走するとは、互いに並んで設けられていることをいい、複数の第１リブ部１１のうち、１の第１リブ部１１を特定し、該特定した第１リブ部１１に沿って、他の第１リブ部１１が形成されていることをいう。そして、「燃料ガス流路８が、複数の直線状の第１リブ部１１が並走するように形成されている」とは、燃料ガス流路を構成する複数の連通ガス流路が、その上流端から下流端に向かって、全体として、該連通ガス流路を通流する燃料ガスの流れる方向が一致するように設けられていることをいう。従って、複数の連通ガス流路が、その上流端から下流端まで完全に並んで設けられている必要がなく、複数の連通ガス流路が、互いに並んで設けられていない部分を有していてもよい。なお、本実施の形態１においては、第１リブ部１１と第２リブ部１２は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、並走するように形成されている。
また、燃料ガス流路８は、最上流部１８ａ、上流部１８ｂ、下流部１８ｃ、及び最下流部１８ｄを有している。最上流部１８ａは、その上流端が、燃料ガス流路８の上流端である燃料ガス供給マニホールド孔３１とし、その下流端は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、燃料ガス流路８の上流端から最初にアノード電極４ａと面する部分４１である。また、最下流部１８ｄは、その下流端が、燃料ガス流路８の下流端である燃料ガス排出マニホールド孔３２とし、その上流端は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、燃料ガス流路８の下流端から上流側に遡って（辿って）、最初にアノード電極４ａと面する部分４２である。
上流部１８ｂは、燃料ガス流路８の幅寸法等の構成や、反応ガスの露点、冷却媒体の温度等によって、その下流端は異なるが、少なくとも、一端を部分４１とし、他端を式：Ｌ４≦｛（１／３）×Ｌ５｝を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ４は、燃料ガス流路８の上流部１８ｂの流路長を示し、Ｌ５は、燃料ガス流路８における部分４１と部分４２との間の流路長を示す。
下流部１８ｃは、一端を部分４２とし、他端を式：Ｌ６≦｛（２／３）×Ｌ５｝を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ６は、燃料ガス流路８の下流部１８ｃの流路長を示す。
次に、図７及び図８を参照しながら、燃料ガス流路８の連通ガス流路８２の構成についてより詳細に説明する。
図８は、本実施の形態１に係る燃料電池１００の概略構成を示す模式図である。なお、図８において、燃料電池１００の一部のみを示し、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂは、燃料電池１００（アノードセパレータ６ａ）の厚み方向から見て透視的に描かれている。また、図８においては、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９のそれぞれの流路を見やすくするために、互いに水平方向に位置をずらして示している。
図７及び図８に示すように、燃料ガス流路８の連通ガス流路８２は、上流部１８ｂ及び下流部１８ｃを有していて、上流部１８ｂは、第１上流部１８１及び第２上流部１８２を有している。ここで、第１上流部１８１は、燃料ガス流路８の幅寸法等の構成や、反応ガスの露点、冷却媒体の温度等によって、その下流端は異なるが、少なくとも、一端を部分４１とし、他端を式：Ｌ７≦｛（２／３）×Ｌ４｝を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ４は、燃料ガス流路８の上流部１８ｂの流路長を示し、Ｌ７は、燃料ガス流路８の第１上流部１８１の流路長を示す。なお、第１上流部１８１は、高分子電解質膜１の劣化を抑制する観点から、その長さは長い方が好ましい。
そして、燃料ガス流路８の少なくとも上流部１８ｂにおける燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合は、０より大きく１以下となっている。具体的には、燃料ガス流路８の上流部１８ｂにおける燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が、燃料ガス流路８の下流部１８ｃにおける燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合よりも大きくなるように形成され、かつ、燃料ガス流路８の上流部１８ｂにおける燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が所定の割合となるように形成されている。また、所定の割合は、０より大きく、かつ、１以下である。
すなわち、連通ガス流路８２は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第１上流部１８１では、第２リブ部１２と互いに重なるように（対向するように）形成されている。また、第２上流部１８２では、その一部が第２リブ部１２と対向するように（正確には、第１の側部から第２の側部に向かって、斜めに燃料ガスが通流するように）形成されている。さらに、下流部１８ｃでは、酸化剤ガス流路９と互いに重なるように（対向するように）形成されている。
換言すると、燃料ガス流路８の連通ガス流路８２は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第１上流部１８１では、燃料ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が第１の所定の割合になるように形成されていて、第２上流部１８２では、燃料ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が第２の所定の割合となるように形成されている。また、第２の所定の割合が、第１の所定の割合よりも小さくなるように形成されている。より詳細には、燃料ガス流路８の連通ガス流路８２は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第１上流部１８１では、第１の所定の割合が１になるように形成されていて、第２上流部１８２では、第２の所定の割合が０より大きく、かつ、１より小さくなるように形成されている。また、下流部１８ｃでは、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が０になるように形成されている。
これにより、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第１リブ部１１と第２リブ部１２とが重なる部分と、重ならない部分とが、均一に形成され、高分子電解質膜１にかかる圧力が不均一になることを抑制することができる。その結果、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。
次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）の作用効果について、図１乃至図８を参照しながら説明する。
[燃料電池スタック（燃料電池）の作用効果]
上述したように、本実施の形態１に係る燃料電池１００及びそれを備える燃料電池スタック６１（以下、本実施の形態１に係る燃料電池１００（燃料電池スタック６１）と省略する）では、特に、燃料電池スタック６１を高温低加湿の条件（燃料ガス流路８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス流路９を通流する酸化剤ガスの露点が、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体（ここでは、水）の温度よりも低い条件）で運転するような場合に、燃料ガス流路８の上流部１８ｂを、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、流路の幅方向においてカソードセパレータ６ｂに形成された第２リブ部１２と重なるように形成している。一方、燃料ガス流路の下流部１８ｃを、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、流路の幅方向においてカソードセパレータ６ｂに形成された第２リブ部１２と全く重ならないように形成している。
これにより、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、カソード電極４ｂにおける第２リブ部１２と重なる部分からアノード電極４ａにおける燃料ガス流路８の上流部１８ｂに面する（対向する）部分へ水が移動する。このため、高分子電解質膜１における燃料ガス流路８の上流部１８ｂと対向する部分の乾燥を抑制することができ、その劣化を抑制することができる。同様に、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、アノード電極４ａにおける燃料ガス流路８の第１リブ部１１と接触する部分からカソード電極４ｂにおける酸化剤ガス流路９と重なる部分へ水が移動する。このため、高分子電解質膜１における酸化剤ガス流路９と対向する部分の乾燥を抑制することができ、その劣化を抑制することができる。
また、本実施の形態１に係る燃料電池１００（燃料電池スタック６１）は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第１リブ部１１と第２リブ部１２とが重なる部分と、重ならない部分とが、均一に形成されているため、高分子電解質膜１にかかる圧力が不均一になることを抑制することができる。その結果、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。
さらに、本実施の形態１に係る燃料電池１００（燃料電池スタック６１）では、燃料ガス流路８の下流部１８ｃ間に形成される第１リブ部１１と、酸化剤ガス流路９の間に形成される第２リブ部１２と、が、互いに重なるように形成されているため、ＭＥＡ５のアノード電極４ａ及びカソード電極４ｂにおける第１リブ部１１及び第２リブ部１２の端部と接触する部分に応力が集中することが抑制され、ひいては、高分子電解質膜１に機械的ストレスがかかることが抑制され、その結果、機械的ストレスによる高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。
（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックのカソードセパレータにカソード電極を重ねて、カソードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。図１０は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。図１１は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。なお、図９においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、図１０においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表している。また、図９及び図１０においては、冷却媒体供給マニホールド孔及び冷却媒体排出マニホールド孔を省略している。また、図１１においては、燃料電池の一部のみを示し、アノードセパレータ及びカソードセパレータは、燃料電池（アノードセパレータ）の厚み方向から見て透視的に描かれている。さらに、図１１においては、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路のそれぞれの流路を見やすくするために、互いに水平方向に位置をずらして示している。
図９乃至図１１に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス流路９及び燃料ガス流路８の連通ガス流路８２の構成が異なる。
具体的には、酸化剤ガス流路９は、上流部１９ｂ及び下流部１９ｃを有していて、上流部１９ｂは、第１上流部１９１と第２上流部１９２を有している。ここで、第１上流部１９１は、酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成や、反応ガスの露点、冷却媒体の温度等によって、その下流端は異なるが、一端を酸化剤ガス流路９の上流端とし、他端を式：Ｌ８＜｛（２／３）×Ｌ１｝を満たす部分とし、これらの間の部分であればよい。上記式中、Ｌ８は、酸化剤ガス流路９の第１上流部１９１の流路長を示し、Ｌ１は、酸化剤ガス流路９の上流部１８ｂの流路長を示す。なお、第１上流部１９１は、高分子電解質膜１の劣化を抑制する観点から長い方が好ましい。
そして、酸化剤ガス流路９の第１上流部１９１は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、アノードセパレータ６ａの内面（第１リブ部１１）と互いに重なるように（対向するように）形成されている。すなわち、酸化剤ガス流路９の第１上流部１９１は、その流路幅が、下流部１９ｃの流路幅よりも小さくなるように形成されていて、燃料ガス流路８の連通ガス流路８２に対して、第２の側部側にずれるように形成されている。また、燃料ガス流路８の第２上流部１９２は、その一部が第１リブ部１１と対向するように形成されている。さらに、下流部１９ｃでは、燃料ガス流路８の連通ガス流路８２と互いに重なるように（対向するように）形成されている。
同様に、燃料ガス流路８の連通ガス流路８２は、第１上流部１８１では、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第２リブ部１２と互いに重なるように（対向するように）形成されている。また、第２上流部１８２では、その一部が第２リブ部１２と重なるように形成されている。さらに、下流部１８ｃでは、酸化剤ガス流路９の下流部１９ｃと互いに重なるように（対向するように）形成されている。
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
なお、本実施の形態２においては、燃料ガス流路８の連通ガス流路８２は、その上流端から第１上流部１８１の下流端までの流路幅が、燃料ガス流路８の下流部１８ｃの流路幅の略半分となるように形成されていて、酸化剤ガス流路９の第１上流部１９１は、その流路幅が酸化剤ガス流路９の下流部１９ｃの流路幅の略半分となるように形成されている。また、本実施の形態２においては、燃料ガス流路８の連通ガス流路８２、酸化剤ガス流路９、連通部分９１ｂ、及び連通部分９３ｂは、反応ガスの通流する方向に対する垂直方向の断面が、矩形に形成されているが、これに限定されず、実施の形態１と同様に、テーパー状に形成されていてもよい。
（実施の形態３）
図１２は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックのカソードセパレータにカソード電極を重ねて、カソードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。図１３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。図１４は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。なお、図１２においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、図１３においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表している。また、図１２及び図１３においては、冷却媒体供給マニホールド孔及び冷却媒体排出マニホールド孔を省略している。また、図１４においては、燃料電池の一部のみを示し、アノードセパレータ及びカソードセパレータは、燃料電池（アノードセパレータ）の厚み方向から見て透視的に描かれている。さらに、図１４においては、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路のそれぞれの流路を見やすくするために、互いに水平方向に位置をずらして示している。
図１２乃至図１４に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであり、酸化剤ガス流路９及び燃料ガス流路８の構成が異なる。
具体的には、本実施の形態３に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）の酸化剤ガス流路９は、その上流端から上流部１９ｂの下流端の間に、上下方向に延びるように形成された、島状のリブ部１２１が設けられている。また、カソードセパレータ６ｂに設けられた上流サブガス流路９１の連通部分９１ｂには、連通部分９１ｂの上流端から下流端の間に、上下方向に延びるように形成された島状のリブ部１２２が、リブ部１２１と接続するように設けられている。なお、リブ部１２１とリブ部１２２が第２リブ部１２ａを形成し、第２リブ部１２ａは、第２リブ部１２と並走するように設けられている。また、本実施の形態３においては、リブ部１２１は、その下端部が、テーパー状（正確には、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、三角形状）に形成されていて、該テーパー状の部分の上下方向の長さが、第２上流部１９２の上下方向の長さとなる。
また、本実施の形態３に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）の燃料ガス流路８は、連通ガス流路８２が直線状に形成されていて、上流サブガス流路８１の連通部分８１ｂ、連通ガス流路８２、及び下流サブガス流路８３の連通部分８３ｂを構成する溝の断面形状が矩形に形成されている。
そして、図１４に示すように、燃料ガス流路８の連通ガス流路８２は、上流部１８ｂでは、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第２リブ部１２ａと互いに重なっていて（対向していて）、下流部１８ｃでは、酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９２と互いに重なっている（対向している）。このため、燃料ガス流路８の上流部１８ｂにおける、燃料ガス流路８の幅方向のカソードセパレータ６ｂの第２リブ部１２ａと重なる部分の燃料ガス流路８の全幅に対する割合（以下、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２ａに対する割合という）が、燃料ガス流路８の下流部１８ｃにおける、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２ａに対する割合よりも大きい。また、燃料ガス流路８の第１上流部１８１における、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２ａに対する割合が、第２上流部１８２における、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２ａに対する割合よりも大きい。
このように構成された、本実施の形態３に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。なお、本実施の形態３においては、燃料ガス流路８の連通ガス流路８２、酸化剤ガス流路９、連通部分９１ｂ、及び連通部分９３ｂは、反応ガスの通流する方向に対する垂直方向の断面が、矩形に形成されているが、これに限定されず、実施の形態１と同様に、テーパー状に形成されていてもよい。
（実施の形態４）
図１５は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。図１６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックのカソードセパレータにカソード電極を重ねて、カソードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。図１７は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。なお、図１５においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、図１６においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表している。また、図１５及び図１６においては、冷却媒体供給マニホールド孔及び冷却媒体排出マニホールド孔を省略している。また、図１７においては、燃料電池の一部のみを示し、アノードセパレータ及びカソードセパレータは、燃料電池（アノードセパレータ）の厚み方向から見て透視的に描かれている。さらに、図１７においては、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路のそれぞれの流路を見やすくするために、互いに水平方向に位置をずらして示している。
図１５乃至図１７に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９の構成が異なる。
具体的には、本実施の形態４に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）の燃料ガス流路８の連通ガス流路８２は、その上流端（部分４１）から上流部１８ｂの下流端の間に、上下方向に延びるように形成された、島状のリブ部１１１が設けられている。また、燃料ガス流路８の上流サブガス流路８１の連通部分８１ｂには、連通部分８１ｂの上流端から下流端の間に、上下方向に延びるように形成された島状のリブ部１１２が、リブ部１１１と接続するように設けられている。なお、リブ部１１１とリブ部１１２が第１リブ部１１ａを形成し、第１リブ部１１ａは、第１リブ部１１ｂと並走するように設けられている。また、本実施の形態４においては、リブ部１１１は、その下端部が、テーパー状（正確には、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、三角形状）に形成されていて、該テーパー状の部分の上下方向の長さが、第１上流部１８２の上下方向の長さとなる。
また、本実施の形態４に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）の酸化剤ガス流路９は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、その上流端から第１上流部１９１の下流端までがアノードセパレータ６ａの内面（燃料ガス流路８の連通ガス流路８２内）に形成された第１リブ部１１ａと互いに重なるように（対向するように）形成されている。また、酸化剤ガス流路９の第２上流部１９２では、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第１リブ部１１ａの一部と重なるように形成されている。さらに、酸化剤ガス流路９の下流部１９ｃでは、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、燃料ガス流路８の連通ガス流路８２の下流部１８ｃと互いに重なるように（対向するように）形成されている。
そして、図１７に示すように、燃料ガス流路８の上流部１８ｂにおける、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が、燃料ガス流路８の下流部１８ｃにおける、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合よりも大きい。また、燃料ガス流路８の第１上流部１８１における、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が、第２上流部１８２における、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合よりも大きい。
このように構成された本実施の形態４に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
なお、本実施の形態４においては、酸化剤ガス流路９は、第１リブ部１１ａと互いに重なるように（対向するように）形成したが、これに限定されず、燃料ガス流路８の上流部１８ｂにおける、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が、燃料ガス流路８の下流部１８ｃにおける、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合よりも大きければ、酸化剤ガス流路９の一部が、第１リブ部１１ａと重なるように、すなわち、燃料ガス流路８の連通ガス流路８２と重なるように形成してもよい。
（実施の形態５）
図１８は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。図１９は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。なお、図１８においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、冷却媒体供給マニホールド孔及び冷却媒体排出マニホールド孔を省略している。また、図１９においては、燃料電池の一部のみを示し、アノードセパレータ及びカソードセパレータは、燃料電池（アノードセパレータ）の厚み方向から見て透視的に描かれている。さらに、図１９においては、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路のそれぞれの流路を見やすくするために、互いに水平方向に位置をずらして示している。
図１８及び図１９に示すように、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態４に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス流路８の構成が異なる。
具体的には、本実施の形態５に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）の燃料ガス流路８は、上流サブガス流路８１の連通部分８１ｂの流路の幅が、両端部（第１の側部側端部と第２の側部側端部）を除いて、下流サブガス流路８３の連通部分８３ｂの流路の幅よりも大きくなるように構成されている。より詳細には、複数の第１リブ部１１ａが、水平方向において所定の間隔で、連通部分８１ｂの上流端から上流部１８ｂの下流端の間に、上下方向に延びるように形成されている。また、複数の第１リブ部１１ｂが、水平方向において第１リブ部１１ａの間に位置するように、第２上流部１８２の上流端から連通部分８３ｂの下流端の間に、上下方向に延びるように形成されている。また、第１リブ部１１ａは、その下端部が、テーパー状（正確には、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、三角形状）に形成されている。複数の第１リブ部１１ａ及び第１リブ部１１ｂは、それぞれ、並走するように設けられている。
そして、図１９に示すように、燃料ガス流路８の連通ガス流路８２は、上流部１８ｂでは、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第２リブ部１２と互いに重なっていて（対向していて）、下流部１８ｃでは、酸化剤ガス流路９と互いに重なっている（対向している）。このため、燃料ガス流路８の上流部１８ｂにおける、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が、燃料ガス流路８の下流部１８ｃにおける、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合よりも大きい。また、燃料ガス流路８の第１上流部１８１における、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が、第２上流部１８２における、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合よりも大きい。
このように構成された本実施の形態５に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、実施の形態４に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態６）
図２０は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池スタックのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。図２１は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。なお、図２０においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、冷却媒体供給マニホールド孔及び冷却媒体排出マニホールド孔を省略している。また、図２１においては、燃料電池の一部のみを示し、アノードセパレータ及びカソードセパレータは、燃料電池（アノードセパレータ）の厚み方向から見て透視的に描かれている。
図２０及び図２１に示すように、本発明の実施の形態６に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス流路８の構成が異なる。
具体的には、本実施の形態６に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、燃料ガス流路８の上流部１８ｂ及び下流部１８ｃ（連通ガス流路８２）が、燃料ガス流路８の幅方向において、酸化剤ガス流路９と重ならない部分を有するように形成されている。すなわち、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、燃料ガス流路８の上流部１８ｂだけでなく、下流部１８ｃも、燃料ガス流路８の幅方向において、第２リブ部１２と重なるように形成されている。換言すると、燃料ガス流路８の上流部１８ｂ及び下流部１８ｃにおける燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が、０より大きく、かつ、１以下となるように、燃料ガス流路８が形成されている。なお、本実施の形態６においては、燃料ガス流路８の上流部１８ｂ及び下流部１８ｃにおける燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が０．５となるように、燃料ガス流路８が形成されている。
このように構成された本実施の形態６に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様に、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、カソード電極４ｂにおける第２リブ部１２と重なる部分からアノード電極４ａにおける燃料ガス流路８の上流部１８ｂに面する（対向する）部分へ水が移動する。このため、高分子電解質膜１における燃料ガス流路８の上流部１８ｂと対向する部分の乾燥を抑制することができ、その劣化を抑制することができる。同様に、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、アノード電極４ａにおける燃料ガス流路８の第１リブ部１１と接触する部分からカソード電極４ｂにおける酸化剤ガス流路９と重なる部分へ水が移動する。このため、高分子電解質膜１における酸化剤ガス流路９と対向する部分の乾燥を抑制することができ、その劣化を抑制することができる。
また、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第１リブ部１１と第２リブ部１２とが重なる部分と、重ならない部分とが、均一に形成されているため、高分子電解質膜１にかかる圧力が不均一になることを抑制することができる。その結果、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。
［変形例］
次に、本実施の形態６に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）の変形例について、図２２を参照しながら説明する。
図２２は、変形例１の燃料電池の概略構成を示す模式図である。なお、図２２においては、燃料電池の一部のみを示し、アノードセパレータ及びカソードセパレータは、燃料電池（アノードセパレータ）の厚み方向から見て透視的に描かれている。
図２２に示すように、本変形例１の燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、燃料ガス流路８の上流部１８ｂ及び下流部１８ｃ（連通ガス流路８２）が、燃料ガス流路８の幅方向において、酸化剤ガス流路９と重ならないように形成されている。すなわち、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、燃料ガス流路８の上流部１８ｂ及び下流部１８ｃが、全体として、第２リブ部１２と重なるように形成されている。換言すると、燃料ガス流路８の上流部１８ｂ及び下流部１８ｃにおける燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が１となるように、燃料ガス流路８が形成されている。
このように構成された本変形例１の燃料電池スタック６１（燃料電池１００）であっても、実施の形態６に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態７）
図２３は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。図２４は、図２３に示す燃料電池のアノード電極の概略構成を示す模式図である。また、図２５は、図２３に示す燃料電池のアノードセパレータの概略構成を示す模式図である。さらに、図２６は、図２３に示す燃料電池のアノードセパレータにアノード電極を重ねて、アノードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。なお、図２３においては、一部を省略している。また、図２４及び図２６においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、図２５においては、アノード電極における上下方向を図における上下方向として表している。また、図２６においては、燃料ガス流路を仮想線（二点差線）で示している。
図２３に示すように、本発明の実施の形態７に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス流路８がアノード電極４ａに形成されている点が異なる。以下、図２３乃至図２６を参照しながら、アノード電極４ａに設けられた燃料ガス流路８及びアノードセパレータ６ａの構成について説明する。
図２４に示すように、アノード電極４ａ（正確には、アノードガス拡散層３ａ）の主面には、溝状の燃料ガス流路８が、上下方向にほぼ直線状（Ｓ字状）に延びるように形成されている。また、燃料ガス流路８は、燃料ガス流路８を構成する溝の断面形状（燃料ガス流路８を構成する溝における酸化剤ガスの通流方向に対する垂直方向の断面）が、底面から開口に向かって狭くなるように、テーパー状に形成されている。
また、燃料ガス流路８は、本実施の形態７においては、上流部１８ｂ及び下流部１８ｃを有している。上流部１８ｂは、燃料ガス流路８の幅寸法等の構成や、反応ガスの露点、冷却媒体の温度等によって、その下流端は異なるが、少なくとも、一端を燃料ガス流路８の上流端とし、他端を式：Ｌ４≦｛（１／３）×Ｌ５｝を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ４は、燃料ガス流路８の上流部１８ｂの流路長を示し、Ｌ５は、燃料ガス流路８の全流路長を示す。
下流部１８ｃは、一端を燃料ガス流路８の下流端とし、他端を式：Ｌ６≦｛（２／３）×Ｌ５｝を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ６は、燃料ガス流路８の下流部１８ｃの流路長を示す。
また、図２５及び図２６に示すように、アノードセパレータ６ａの内面には、燃料ガス流路８と連通するように、溝状の上流サブガス流路８１と溝状の下流サブガス流路８３が設けられている。なお、上流サブガス流路８１及び下流サブガス流路８３は、実施の形態１のアノードセパレータ６ａの内面に形成された上流サブガス流路８１及び下流サブガス流路８３と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
すなわち、本実施の形態７に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、アノード電極４ａに設けられた燃料ガス流路８と、アノードセパレータ６ａの内面に設けられた上流サブガス流路８１及び下流サブガス流路８３が、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）における燃料ガス流路８と同様の形状になるように、燃料ガス流路８、上流サブガス流路８１、及び下流サブガス流路８３が構成されている。なお、アノード電極４ａのアノードガス拡散層３ａの製造方法は、上述したカソードガス拡散層３ｂの製造方法と同じであるため、その詳細な説明は省略する。
このように構成された本実施の形態７に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）であっても、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態８）
図２７は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池スタックのアノードセパレータにアノード電極を重ねて、アノードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。図２８は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。なお、図２７においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、冷却媒体供給マニホールド孔及び冷却媒体排出マニホールド孔を省略し、燃料ガス流路を仮想線（二点差線）で示している。また、図２８においては、燃料電池の一部のみを示し、アノードセパレータ及びカソードセパレータは、燃料電池（アノードセパレータ）の厚み方向から見て透視的に描かれている。
図２７及び図２８に示すように、本発明の実施の形態８に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス流路８が実施の形態７と同様に、アノード電極４ａに設けられている点が異なる。
具体的には、燃料ガス流路８は、上流部１８ｂ及び下流部１８ｃを有していて、上流部１８ｂは、第１上流部１８１及び第２上流部１８２を有している。ここで、第１上流部１８１は、燃料ガス流路８の幅寸法等の構成や、反応ガスの露点、冷却媒体の温度等によって、その下流端は異なるが、少なくとも、一端を燃料ガス流路８の上流端とし、他端を式：Ｌ７≦｛（２／３）×Ｌ４｝を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ４は、燃料ガス流路８の上流部１８ｂの流路長を示し、Ｌ７は、燃料ガス流路８の第１上流部１８１の流路長を示す。なお、第１上流部１８１は、高分子電解質膜１の劣化を抑制する観点から、その長さは長い方が好ましい。
そして、燃料ガス流路８の第１上流部１８１は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、カソード電極４ｂの第２リブ部１２と互いに重なるように（対向するように）形成されている。すなわち、燃料ガス流路８の第１上流部１８１は、その流路幅が、下流部１８ｃの流路幅よりも小さくなるように形成されていて、酸化剤ガス流路９に対して、第１の側部側にずれるように形成されている。また、燃料ガス流路８の第２上流部１８２は、その一部が第２リブ部１２と対向するように形成されている。さらに、下流部１８ｃでは、酸化剤ガス流路９と互いに重なるように（対向するように）形成されている。
なお、上流サブガス流路８１及び下流サブガス流路８３は、実施の形態２のアノードセパレータ６ａの内面に形成された上流サブガス流路８１及び下流サブガス流路８３と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
すなわち、本実施の形態８に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、アノード電極４ａに設けられた燃料ガス流路８と、アノードセパレータ６ａの内面に設けられた上流サブガス流路８１及び下流サブガス流路８３が、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）における燃料ガス流路８と同様の形状になるように、燃料ガス流路８、上流サブガス流路８１、及び下流サブガス流路８３が構成されている。
このように構成された本実施の形態８に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）であっても、実施の形態２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態９）
図２９は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池スタックのアノードセパレータにアノード電極を重ねて、アノードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。図３０は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。なお、図２９においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、冷却媒体供給マニホールド孔及び冷却媒体排出マニホールド孔を省略し、燃料ガス流路を仮想線（二点差線）で示している。また、図３０においては、燃料電池の一部のみを示し、アノードセパレータ及びカソードセパレータは、燃料電池（アノードセパレータ）の厚み方向から見て透視的に描かれている。
図２９及び図３０に示すように、本発明の実施の形態９に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態３に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス流路８が実施の形態７と同様に、アノード電極４ａに設けられている点が異なる。
具体的には、燃料ガス流路８は、直線状に形成されている。なお、上流サブガス流路８１及び下流サブガス流路８３は、実施の形態３のアノードセパレータ６ａの内面に形成された上流サブガス流路８１及び下流サブガス流路８３と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
すなわち、本実施の形態９に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、アノード電極４ａに設けられた燃料ガス流路８と、アノードセパレータ６ａの内面に設けられた上流サブガス流路８１及び下流サブガス流路８３が、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、実施の形態３に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）における燃料ガス流路８と同様の形状になるように、燃料ガス流路８、上流サブガス流路８１、及び下流サブガス流路８３が構成されている。
このように構成された本実施の形態９に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）であっても、実施の形態３に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態１０）
図３１は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池スタックのアノードセパレータにアノード電極を重ねて、アノードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。図３２は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。なお、図３１においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、冷却媒体供給マニホールド孔及び冷却媒体排出マニホールド孔を省略し、燃料ガス流路を仮想線（二点差線）で示している。また、図３２においては、燃料電池の一部のみを示し、アノードセパレータ及びカソードセパレータは、燃料電池（アノードセパレータ）の厚み方向から見て透視的に描かれている。
図３１及び図３２に示すように、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態４に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス流路８が実施の形態７と同様に、アノード電極４ａに設けられている点が異なる。
具体的には、燃料ガス流路８は、その上流端から上流部１８ｂの下流端の間に、上下方向に延びるように形成された、島状のリブ部１１１が設けられている。なお、上流サブガス流路８１及び下流サブガス流路８３は、実施の形態４のアノードセパレータ６ａの内面に形成された上流サブガス流路８１及び下流サブガス流路８３と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
すなわち、本実施の形態１０に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、アノード電極４ａに設けられた燃料ガス流路８と、アノードセパレータ６ａの内面に設けられた上流サブガス流路８１及び下流サブガス流路８３が、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、実施の形態４に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）における燃料ガス流路８と同様の形状になるように、燃料ガス流路８、上流サブガス流路８１、及び下流サブガス流路８３が構成されている。
このように構成された本実施の形態１０に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）であっても、実施の形態４に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態１１）
図３３は、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池スタックのアノードセパレータにアノード電極を重ねて、アノードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。図３４は、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。なお、図３３においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、冷却媒体供給マニホールド孔及び冷却媒体排出マニホールド孔を省略し、燃料ガス流路を仮想線（二点差線）で示している。また、図３４においては、燃料電池の一部のみを示し、アノードセパレータ及びカソードセパレータは、燃料電池（アノードセパレータ）の厚み方向から見て透視的に描かれている。
図３３及び図３４に示すように、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態５に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス流路８が実施の形態７と同様に、アノード電極４ａに設けられている点が異なる。
具体的には、燃料ガス流路８は、上流部１８ｂの流路の幅が、両端部（第１の側部側端部と第２の側部側端部）を除いて、下流部１８ｃの流路の幅よりも大きくなるように構成されている。より詳細には、複数の第１リブ部１１ａが、水平方向において所定の間隔で、上流部１８ｂの上流端と下流端との間に、上下方向に延びるように形成されている。また、複数の第１リブ部１１ｂが、水平方向において第１リブ部１１ａの間に位置するように、第２上流部１８２の上流端から燃料ガス流路８の下流端の間に、上下方向に延びるように形成されている。また、第１リブ部１１ａは、その下端部が、テーパー状（正確には、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、三角形状）に形成されている。複数の第１リブ部１１ａ及び第１リブ部１１ｂは、それぞれ、並走するように設けられている。
そして、図３４に示すように、燃料ガス流路８は、上流部１８ｂでは、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第２リブ部１２と互いに重なっていて（対向していて）、下流部１８ｃでは、酸化剤ガス流路９と互いに重なっている（対向している）。このため、燃料ガス流路８の上流部１８ｂにおける、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が、燃料ガス流路８の下流部１８ｃにおける、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合よりも大きい。また、燃料ガス流路８の第１上流部１８１における、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が、第２上流部１８２における、燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合よりも大きい。
このように構成された、本実施の形態１１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）であっても、実施の形態５に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態１２）
図３５は、本発明の実施の形態１２に係る燃料電池スタックのアノードセパレータにアノード電極を重ねて、アノードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。図３６は、本発明の実施の形態１２に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。なお、図３５においては、アノードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、冷却媒体供給マニホールド孔及び冷却媒体排出マニホールド孔を省略し、燃料ガス流路を仮想線（二点差線）で示している。また、図３６においては、燃料電池の一部のみを示し、アノードセパレータ及びカソードセパレータは、燃料電池（アノードセパレータ）の厚み方向から見て透視的に描かれている。
図３５及び図３６に示すように、本発明の実施の形態１２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）は、実施の形態６に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と基本的構成は同じであるが、燃料ガス流路８が実施の形態７と同様に、アノード電極４ａに設けられている点が異なる。
具体的には、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、燃料ガス流路８の上流部１８ｂ及び下流部１８ｃが、燃料ガス流路８の幅方向において、酸化剤ガス流路９と重ならない部分を有するように形成されている。すなわち、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、燃料ガス流路８の上流部１８ｂだけでなく、下流部１８ｃも、燃料ガス流路８の幅方向において、第２リブ部１２と重なるように形成されている。換言すると、燃料ガス流路８の上流部１８ｂ及び下流部１８ｃにおける燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が、０より大きく、かつ、１以下となるように、燃料ガス流路８が形成されている。なお、本実施の形態１２においては、燃料ガス流路８の上流部１８ｂ及び下流部１８ｃにおける燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が０．５となるように、燃料ガス流路８が形成されているが、これに限定されず、燃料ガス流路８の上流部１８ｂ及び下流部１８ｃにおける燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合が１となるように、燃料ガス流路８が形成されていてもよい。
このように構成された、本実施の形態１２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）であっても、実施の形態６に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
なお、上記実施の形態１乃至１２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、燃料ガス流路８の上流部１８ｂを流路の延在方向（燃料ガスが流通する方向）の全範囲が、カソードセパレータ６ｂの第２リブ部１２と重なるように構成したが、流路の延在方向において、その一部が第２リブ部１２と重ならないように構成してもよい。
さらに、上記実施の形態１乃至６に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）では、第１セパレータをアノードセパレータ６ａとし、第２セパレータをカソードセパレータ６ｂとし、また、第１反応ガス流路を燃料ガス流路８とし、第２反応ガス流路を酸化剤ガス流路９としたが、これに限定されず、第１セパレータをカソードセパレータ６ｂとし、第２セパレータをアノードセパレータ６ａとし、また、第１反応ガス流路を酸化剤ガス流路９とし、第２反応ガス流路を燃料ガス流路８としても同様の作用効果を奏する。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
本発明の高分子電解質形燃料電池及び燃料電池スタックは、高温低加湿の条件で運転した場合に、高分子電解質膜の乾燥を抑制し、これにより、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能な高分子電解質形燃料電池及び燃料電池スタックとして有用である。
１ 高分子電解質膜
２ａ アノード触媒層
２ｂ カソード触媒層
３ａ アノードガス拡散層
３ｂ カソードガス拡散層
４ａ アノード電極
４ｂ カソード電極
５ ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）
６ａ アノードセパレータ
６ｂ カソードセパレータ
７ ガスケット
８ 燃料ガス流路（第１反応ガス流路）
９ 酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）
１０ 冷却媒体流路
１１ 第１リブ部
１１ａ 第１リブ部
１１ｂ 第１リブ部
１２ 第２リブ部
１２ａ 第２リブ部
１８ａ 最上流部
１８ｂ 上流部
１８ｃ 下流部
１８ｄ 最下流部
１９ｂ 上流部
１９ｃ 下流部
３１ 燃料ガス供給マニホールド孔（第１反応ガス供給マニホールド孔）
３２ 燃料ガス排出マニホールド孔
３３ 酸化剤ガス供給マニホールド孔（第２反応ガス供給マニホールド孔）
３４ 酸化剤ガス排出マニホールド孔
３５ 冷却媒体供給マニホールド孔
３６ 冷却媒体排出マニホールド孔
４１ 部分
４２ 部分
６１ 燃料電池スタック
６２ セル積層体
６３ 第１の端板
６４ 第２の端板
８１ 上流サブガス流路
８１ｂ 連通部分
８１ａ 分流部分
８２ 連通ガス流路
８３ 下流サブガス流路
８３ｂ 連通部分
８３ａ 合流部分
９１ 上流サブガス流路
９１ｂ 連通部分
９１ａ 分流部分
９３ 下流サブガス流路
９３ｂ 連通部分
９３ａ 合流部分
１００ 高分子電解質形燃料電池
１１１ リブ部
１１２ リブ部
１２１ リブ部
１２２ リブ部
１３１ 燃料ガス供給マニホールド
１３２ 燃料ガス排出マニホールド
１３３ 酸化剤ガス供給マニホールド
１３４ 酸化剤ガス排出マニホールド
１３５ 冷却媒体供給マニホールド
１３６ 冷却媒体排出マニホールド
１８１ 第１上流部
１８２ 第２上流部
１９１ 第１上流部
１９２ 第２上流部
２０２ 電極
２０２Ａ 部分
２０２Ｂ 部分
２０３ 反応ガス流路
２０４ リブ部

Claims (18)

  1. 高分子電解質膜、並びに、前記高分子電解質膜の一対の主面を挟む第１電極及び第２電極を有する膜電極接合体と、
    板状に形成され、前記膜電極接合体の前記第１電極と接触するように配置された導電性の第１セパレータと、
    板状に形成され、前記膜電極接合体の前記第２電極と接触するように配置された導電性の第２セパレータと、を備え、
    前記第１セパレータの前記第１電極と接触する一方の主面には、複数の直線状の第１リブ部が並走するように溝状の第１反応ガス流路が形成され、
    前記第２電極の前記第２セパレータと接触する一方の主面には、複数の直線状の第２リブ部が並走するように溝状の第２反応ガス流路が形成され、
    前記第１反応ガス流路の上流端から最初に前記第１電極と接触する部分から下流に向かって所定の長さに亘る部分を第１反応ガス流路の上流部と定義し、
    前記第１反応ガス流路の上流部より下流側に位置する部分を第１反応ガス流路の下流部と定義し、
    前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１反応ガス流路の全幅に対する前記第１反応ガス流路の幅方向の第２リブ部と重なる部分の割合を第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合と定義した場合に、
    前記第１反応ガス流路の少なくとも上流部における第１反応ガス流路幅の第２リブに対する割合が、０より大きく１以下である、高分子電解質形燃料電池。
  2. 高分子電解質膜、並びに、前記高分子電解質膜の一対の主面を挟む第１電極及び第２電極を有する膜電極接合体と、
    板状に形成され、前記膜電極接合体の前記第１電極と接触するように配置された導電性の第１セパレータと、
    板状に形成され、前記膜電極接合体の前記第２電極と接触するように配置された導電性の第２セパレータと、を備え、
    前記第１電極の前記第１セパレータと接触する一方の主面には、複数の直線状の第１リブ部が並走するように溝状の第１反応ガス流路が形成され、
    前記第２電極の前記第２セパレータと接触する一方の主面には、複数の直線状の第２リブ部が並走するように溝状の第２反応ガス流路が形成され、
    前記第１反応ガス流路の上流端から最初に前記第１電極と接触する部分から下流に向かって所定の長さに亘る部分を第１反応ガス流路の上流部と定義し、
    前記第１反応ガス流路の上流部より下流側に位置する部分を第１反応ガス流路の下流部と定義し、
    前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１反応ガス流路の全幅に対する前記第１反応ガス流路の幅方向の第２リブ部と重なる部分の割合を第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合と定義した場合に、
    前記第１反応ガス流路の少なくとも上流部における第１反応ガス流路幅の第２リブに対する割合が、０より大きく１以下である、高分子電解質形燃料電池。
  3. 前記第１反応ガス流路の上流部における第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が、前記第１反応ガス流路の下流部における第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合よりも大きくなるように形成され、かつ、前記第１反応ガス流路の上流部における前記第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が所定の割合となるように形成されている、請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池。
  4. 前記第１反応ガスの上流部における前記第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が、０より大きく、かつ、１以下である、請求項３に記載の高分子電解質形燃料電池。
  5. 前記第１反応ガスの上流部における前記第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が１である、請求項４に記載の高分子電解質形燃料電池。
  6. 前記第１反応ガスの下流部における前記第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が０である、請求項４に記載の高分子電解質形燃料電池。
  7. 前記第１反応ガス流路の上流部は、第１上流部と前記第１上流部より下流側に位置する第２上流部とを有しており、
    前記第１反応ガス流路は、前記第１反応ガス流路の第１上流部における前記第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が第１の所定の割合となるように、かつ、前記第１反応ガスの第２上流部における前記第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が第２の所定の割合となるように形成されている、請求項３に記載の高分子電解質形燃料電池。
  8. 前記第１の所定の割合が前記第２の所定の割合よりも大きい、請求項７に記載の高分子電解質形燃料電池。
  9. 前記第１の所定の割合が１であり、前記第２の所定の割合が、０より大きく、かつ、１より小さい、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
  10. 前記第１反応ガス流路の下流部で形成される前記第１リブ部は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第２リブ部と重なり合うように形成されている、請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池。
  11. 前記第１反応ガス流路の上流部及び下流部における第１反応ガス流路幅の第２リブ部に対する割合が、０より大きく、かつ、１以下である、請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池。
  12. 前記第１反応ガス流路の上流部及び下流部における第１反応ガス流路幅の第２リブに対する割合が１である、請求項１１に記載の高分子電解質形燃料電池。
  13. 前記第１セパレータの他方の主面には、溝状の冷却媒体流路が形成されており、
    前記第１反応ガス流路を通流する第１反応ガス及び前記第２反応ガス流路を通流する第２反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低い、請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池。
  14. 前記第１リブ部及び前記第２リブ部は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、並走するように形成されている、請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池。
  15. 前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路は、並行流となるように形成されている、請求項１４に記載の高分子電解質形燃料電池。
  16. 前記第１反応ガス流路は、上流サブガス流路、下流サブガス流路、及び、前記上流サブガス流路と前記下流サブガス流路とを連通し互いに並走するように形成された複数の連通ガス流路を有し、
    前記第１反応ガス流路の上流部及び下流部は前記連通ガス流路の一部である、請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池。
  17. 前記第１反応ガス流路の前記上流部の幅が、前記第１反応ガス流路の下流部の幅よりも小さく形成されている、請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池。
  18. 複数の請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池が積層して締結されている、燃料電池スタック。
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