JPWO2010029758A1 - 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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Abstract

本発明の高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜（１）の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極（４ａ、４ｂ）を有する膜−電極接合体（５）と、第１セパレータ（６ａ）と、第２セパレータ（６ｂ）と、を備え、第１セパレータ（６ａ）の一方の主面には、第１反応ガス流路（８）が形成され、第２セパレータ（６ｂ）の一方の主面には、第２リブ部（１２）を有するように第２反応ガス流路（９）が形成され、第１反応ガス流路（８）は、その上流部（１８ｂ）における第１反応ガス流路幅の第２リブ部（１２）に対する割合が、その下流部（１８ｃ）における第１反応ガス流路幅の第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、その上流部（１８ｂ）における第１反応ガス流路幅の第２リブ部（１２）に対する割合が所定の割合になるように形成されている、高分子電解質形燃料電池。

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がストの接触面積が、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、さらに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１５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１５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、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設された導電性の第１セパレータと、板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設された導電性の第２セパレータと、を備え、前記第１セパレータの前記電極と接触する一方の主面には、複数の第１リブ部が並走するように第１反応ガス流路が形成され、前記第２セパレータの前記電極と接触する一方の主面には、複数の第１リブ部が並走するように第２反応ガス流路が形成され、前記第１反応ガス流路は、その上流端から最初に前記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（以下、第１反応ガス流路の上流部）における、前記第１セパレータの厚み方向から見て前記第１反応ガス流路の幅方向の前記第２セパレータの前記第２リブ部と重なる部分の前記第１反応ガス流路の全幅に対する割合（以下、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反応ガス流路の前記上流部以外の部分（以下、第１反応ガス流路の下流部）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になるように形成されている。
上述したように、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、電極におけるリブ部に接触する部分の水分含有量に比べて低くなるが、本発明においては、第１セパレータの厚み方向から見て、第１反応ガス流路の上流部の少なくとも一部が、第２セパレータの第２リブ部と重なるように形成されている。すなわち、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、一方の電極における第１反応ガス流路の上流部に面する部分（以下、一方の電極の流路対向部分）の少なくとも一部と、他方の電極における第２セパレータの第２リブ部と接触する部分（以下、他方の電極のリブ部対向部分）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一方の電極の流路対向部分には、水分含有量が多い他方の電極のリブ部対向部分から水が移動するため、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。
ところで、ＭＥＡ（正確には、電極）における第１リブ部（第２リブ部）と接触する部分には、高分子電解質形燃料電池を締結したときに、圧力がかかるが、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、ＭＥＡ（正確には、電極）における第１リブ部（第２リブ部）の端部と接触する部分に応力が集中して、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。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１／２以上、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。
これにより、一方の電極の流路対向部分と、他方の電極のリブ部対向部分と、が、第１セパレータの厚み方向から見て、第１反応ガス流路の幅方向において、互いに重なるように構成されている。このため、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より抑制することができ、高分子電解質膜の劣化をより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、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、前記第１反応ガス流路の上流部は、第１上流部と該第１上流部よりも下流側に位置する第２上流部を有しており、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反応ガス流路の第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、本発明の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、本発明の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１／２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。
上述したように、高分子電解質膜の反応ガス流路の下流部に対向する部分は、反応ガス流路を通流する生成水によって加湿されている。一方、ＭＥＡ（正確には、電極）における第１リブ部（第２リブ部）と接触する部分には、高分子電解質形燃料電池を締結したときに、圧力がかかるが、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、ＭＥＡ（正確には、電極）における第１リブ部（第２リブ部）の端部と接触する部分に応力が集中して、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反応ガス流路の下流部のうち第２反応ガス流路と並走する部分で形成される第１リブ部の少なくとも一部を、第１セパレータの厚み方向から見て、第２リブ部と重なるように形成することにより、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セパレータの他方の主面及び／又は前記第２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。
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反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路が、サーペンタイン状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反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路が、渦巻状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反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路は、上流ガス流路と下流ガス流路と前記上流ガス流路と前記下流ガス流路を連通し直線状に形成された複数の連通ガス流路とから構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反応ガス流路と前記第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セパレータ及び前記第２セパレータには、それぞれ、厚み方向に貫通する第１反応ガス供給マニホールド孔及び第２反応ガス供給マニホールド孔が互いに対向するように設けられていてもよい。
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、該第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、以下の好適な実施態様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４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５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの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６は、図５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内面の概略構成を示す模式図である。 図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックの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８は、図７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内面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４に係る燃料電池スタックの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１０は、図９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５に係る燃料電池スタック（高分子電解質形燃料電池）のカソ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１２は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタック（高分子電解質形燃料電池）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１３は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池スタック（高分子電解質形燃料電池）のカソ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６に係る燃料電池スタック（高分子電解質形燃料電池）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１５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。 図１６は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）の概略構成を模式的に示す断面図である。 図１７は、図１６に示す燃料電池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１８は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池スタックのカソ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８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２０は、本実施の形態８に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図２１は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池スタックのカソ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２２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の内面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９に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図２４は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池スタックのカソ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２５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。 図２６は、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池スタックのカソ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２７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の内面の概略構成を示す模式図である。 図２８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。 図２９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の内面の概略構成を示す模式図である。 図３０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。
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。
（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。なお、板状の燃料電池１００は、鉛直面に平行に延在しており、燃料電池１００の積層方向は水平方向となっている。
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の第１の側部の酸化剤ガス供給マニホールド１３３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、冷却媒体供給マニホールド１３５が設けられており、同様に、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、燃料ガス供給マニホールド１３１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。
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。なお、図２においては、一部を省略している。
図２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４ａと、カソード電極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、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むアノード触媒層２ａと、アノード触媒層２ａの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３ａと、を有している。同様に、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、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むカソード触媒層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、を有している。
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。
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。同様に、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。
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、燃料電池１００を積層する場合には、冷却媒体流路１０を単電池２〜３個ごとに設ける構成としてもよい。さらに、単電池間に冷却媒体流路１０を設けない場合には、２つのＭＥＡ５に挟まれたセパレータを、一方の主面に燃料ガス流路８を設け、他方の主面に酸化剤ガス流路９を設けた、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを兼ねるセパレータを使用してもよい。また、ここでは、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としてもよい。
[セパレータの構成]
次に、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４を参照しながら詳細に説明する。
図３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。また、図４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３及び図４において、カソードセパレータ６ｂ及び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。また、図４においては、酸化剤ガス流路９の一部を仮想線（二点差線）で示している。
まず、カソードセパレータ６ｂの構成について、図２及び図３を参照しながら詳細に説明する。
図３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（第２反応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、第１の側部の酸化剤ガス供給マニホールド孔３３が配設されている上部の内側には、冷却媒体供給マニホールド孔３５が設けられており、同様に、冷却媒体排出マニホールド孔３６が配設されている下部の内側には、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、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）３１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。なお、燃料ガス供給マニホールド孔３１と酸化剤ガス供給マニホールド孔３３は、中心線を挟んで互いに対向するように設けられている。
そして、図２及び図３に示すように、カソードセパレータ６ｂの内面には、溝状の酸化剤ガス流路９が、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３と酸化剤ガス排出マニホールド孔３４とを結ぶようにサーペンタイン状に形成されている。ここでは、酸化剤ガス流路９は、１つの溝で構成されており、該溝は、往復部９ａと反転部９ｂとで実質的に構成されている。
具体的には、酸化剤ガス流路９を構成する溝は、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３から第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、その到達点から、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、上記延在パターンを５回繰り返し、そこから、第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４に到るように下方に延びている。このような、酸化剤ガス流路９の水平方向に延びる部分が往復部９ａを構成し、下方に延びる部分が反転部９ｂを構成している。そして、図２及び図３に示すように、酸化剤ガス流路９を構成する溝（正確には、往復部９ａ）と溝（正確には、往復部９ａ）との間の部分が、カソード４ｂと当接する第２リブ部１２を形成する。
すなわち、酸化剤ガス流路９は、複数の第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。
また、酸化剤ガス流路９は、最上流部１９ａ、上流部１９ｂ、及び下流部１９ｃを有している。最上流部１９ａは、その上流端が、酸化剤ガス流路９の上流端である酸化剤ガス供給マニホールド孔３３とし、その下流端は、カソードセパレータ６ｂの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路９の上流端から最初にカソード４ｂと接続する部分４２である。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、一端を部分４２とし、他端を式：Ｌ４≦｛（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、Ｌ４は、酸化剤ガス流路９の上流部１９ｂの流路長を示し、Ｌ５は、酸化剤ガス流路９の全流路長を示す。また、上流部１９ｂの他端は、式：Ｌ４≦Ｌ５を満たす部分であることがより好ましい。本実施の形態１においては、上流部１９ｂの他端は、上流側から１つ目の往復部９ａの下流端である。すなわち、上流部１９ｂは、酸化剤ガス流路９の部分４２から、第２の側部に向かって水平方向に延びて到達した点までの部分（酸化剤ガス流路９の部分４２から１つ目の往復部９ａの下流端までの部分）で構成される。
下流部１９ｃは、一端を酸化剤ガス流路９の下流端である酸化剤ガス排出マニホールド孔３４とし、他端を式：Ｌ６≦｛（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、Ｌ６は、酸化剤ガス流路９の下流部１９ｃの流路長を示す。また、下流部１９ｃの他端は、式：Ｌ６≦Ｌ５を満たす部分であることがより好ましい。本実施の形態１においては、下流部１９ｃの他端は、１つ目の往復部９ａの下流端である。
なお、本実施の形態１においては、酸化剤ガス流路９は、１本の溝で形成したが、これに限定されず、複数の溝をカソードセパレータ６ｂの内面に形成して、複数の酸化剤ガス流路群を形成してもよい。この場合、各酸化剤ガス流路９を構成する溝（正確には、往復部９ａ）と溝（正確には、往復部９ａ）との間の部分が、第２リブ部１２を形成する。
次に、アノードセパレータ６ａ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２及び図４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、燃料ガス供給マニホールド孔３１と燃料ガス排出マニホールド孔３２とを結ぶようにサーペンタイン状に形成されている。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。
また、図４に示すように、燃料ガス流路８は、ここでは、１つの溝で構成されており、該溝は、往復部８ａと反転部８ｂとで実質的に構成されている。具体的には、燃料ガス流路８を構成する溝は、燃料ガス供給マニホールド孔３１から第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、その到達点から、第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、上記のような延在パターンを５回繰り返し、そこから、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、燃料ガス排出マニホールド孔３２に到るように下方に延びている。このような、燃料ガス流路８の水平方向に延びる部分が往復部８ａを構成し、下方に延びる部分が反転部８ｂを構成している。なお、燃料ガス流路８を構成する溝（正確には、往復部８ａ）と溝（正確には、往復部８ａ）との間の部分が、アノード６ａと当接する第１リブ部１１を形成する。
すなわち、燃料ガス流路８は、複数の第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。
なお、本実施の形態１においては、燃料ガス流路８は、１本の溝で形成したが、これに限定されず、複数の溝をアノードセパレータ６ａの内面に形成して、複数の酸化剤ガス流路群を形成してもよい。この場合、各燃料ガス流路８を構成する溝（正確には、往復部８ａ）と溝（正確には、往復部８ａ）との間の部分が、第１リブ部１１を形成する。
また、燃料ガス流路８は、最上流部１８ａ、上流部１８ｂ、及び下流部１８ｃ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４ａと接続する部分４１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：Ｌ１≦｛（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、Ｌ１は、燃料ガス流路８の上流部１８ｂの流路長を示し、Ｌ２は、燃料ガス流路８の全流路長を示す。また、上流部１８ｂの他端は、式：Ｌ１≦Ｌ２を満たす部分であることがより好ましい。本実施の形態１においては、上流部１８ｂの他端は、上流側から１つ目の往復部８ａの下流端である。すなわち、上流部１８ｂは、燃料ガス流路８の部分４１から、第１の側部に向かって水平方向に延びて到達した点までの部分（燃料ガス流路８の部分４１から１つ目の往復部８ａの下流端までの部分）で構成される。
下流部１８ｃは、一端を燃料ガス流路８の下流端である燃料ガス排出マニホールド孔３２とし、他端を式：Ｌ３≦｛（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、Ｌ３は、燃料ガス流路８の下流部１８ｃの流路長を示す。また、下流部１８ｃの他端は、式：Ｌ３≦Ｌ２を満たす部分であることがより好ましい。本実施の形態１においては、下流部１８ｃの他端は、１つ目の往復部８ａの下流端である。
そして、図２乃至図４に示すように、燃料ガス流路８は、酸化剤ガス流路９と並走する部分を有する。ここで、並走するとは、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、流路が互いに並んで設けられていることをいう。本実施の形態においては、燃料ガス流路８の最上流部１８a及び上流部１８ｂを除く、すなわち、燃料ガス流路８の下流部１８ｃを構成する往復部８ａと酸化剤ガス流路９の往復部９ａが、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、互いに重なるように設けられている。
また、燃料ガス流路８の上流部１８ｂは、酸化剤ガス流路９の１つ目の往復部９ａと２つ目の往復部９ａとの間に形成される第２リブ部１２と、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、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、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、水分含有量が少ないアノード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）部分と、カソード４ｂにおける第２リブ部１２と接触する部分と、が、互いに重なるように配設されている。これにより、カソード４ｂにおける第２リブ部１２と接触する部分からアノード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。
そして、燃料ガス流路８の上流部１８ｂにおける、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の幅方向のカソードセパレータ６ｂの第２リブ部１２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１２に対する割合という）を所定の割合、ここでは、１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。
なお、酸化剤ガス流路９の上流部（酸化剤ガス流路９のカソード４ｂと最初に接触する部分から１つ目の往復部９ａの下流端までの間に形成された部分）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。このため、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における酸化剤ガス流路９の上流部と対向する部分においても、当該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。
一方、燃料ガス流路８の下流部１８ｃは、下流部１８ｃを構成する往復部８ａが、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路９の往復部９ａと互いに重なるように設けられている。換言すると、燃料ガス流路８の下流部１８ｃを構成する往復部８ａ間に形成される第１リブ部１１と、酸化剤ガス流路９の往復部９ａ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。このため、燃料ガス流路８の下流部１８ｃでは、ＭＥＡ５のアノード４ａ及びカソード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。
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４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、アノード４ａにおける燃料ガス流路８に面する部分の水分含有量は、アノード４ａにおける第１リブ部１１に接触する部分の水分含有量に比べて低くなるが、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、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、アノード４ａにおける燃料ガス流路８の上流部１８ｂに面する部分では、反応ガスの反応による生成水が充分ではないため、水分含有量が少ない。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に対向する部分では、乾燥しやすくなり、高分子電解質膜１の当該部分が劣化するおそれがある。
しかしながら、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では、燃料ガス流路８の上流部１８ｂにおける、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の幅方向のカソードセパレータ６ｂの第２リブ部１２と重なる部分の燃料ガス流路８の全幅に対する割合（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している。
すなわち、本実施の形態１においては、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、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に対する割合を１と所定の割合とし、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、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に対する割合を０としている。
これにより、カソード４ｂにおける第２リブ部１２と接触する部分からアノード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）部分へ水が移動し、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。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、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。
また、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では、燃料ガス流路８の下流部１８ｃを構成し、酸化剤ガス流路９と並走する部分である往復部８ａ間に形成される第１リブ部１１と、酸化剤ガス流路９の往復部９ａ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４ａ及びカソード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。
なお、本実施形態１においては、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９ともに、その流路をサーペンタイン状に形成したが、これに限定されず、燃料ガス流路８のみをサーペンタイン状に形成してもよく、酸化剤ガス流路９のみをサーペンタイン状に形成してもよい。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）の概略構成を模式的に示す断面図であり、図６は、図５に示す燃料電池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。なお、図５においては、一部を省略し、図６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、酸化剤ガス流路の一部を仮想線（二点差線）で示している。
図５及び図６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（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の上流部１８ｂの一部が、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路９と重なるように構成さ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の幅方向（上下方向）の上側半分が、酸化剤ガス流路９と互いに重なるように構成され、燃料ガス流路８の上流部１８ｂの上下方向（幅方向）の下側半分が、カソードセパレータ６ｂの第２リブ部１２と互いに重なるように構成されている。すなわち、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１／２となるように構成されている。
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、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とカソードセパレータ６ｂの第２リブ部１２とが互いに重なる部分（ここでは、燃料ガス流路８の上流部１８ｂの下側半分）と対向する部分については、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
また、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、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に対する割合を１／２と所定の割合としているため、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、高分子電解質膜１にかかる圧力が不均一になることが抑制され、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２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、燃料ガス流路８の下流部１８ｃが、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様に形成されているため、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３）
図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）の概略構成を模式的に示す断面図であり、図８は、図７に示す燃料電池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。なお、図７においては、一部を省略し、図８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、酸化剤ガス流路の一部を仮想線（二点差線）で示している。
図７及び図８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るが、燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂの流路の幅が、下流部１８ｃの流路の幅よりも小さくなるように形成されている点が異なる。
具体的には、燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂの流路の幅と下流部１８ｃの流路の幅が、それぞれ、一定に形成されていて、燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂの流路の幅が、下流部１８ｃの流路の幅よりも小さくなるように形成されている。また、燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂの流路の深さは、下流部１８ｃの流路の深さよりも深くなるように形成されていて最上流部１８ａ及び上流部１８ｂを構成する溝の燃料ガスの流れに対して垂直方向の断面積（以下、単に流路の断面積という）が、下流部１８ｃの流路の断面積と略一致するように形成されている。これにより燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂと下流部１８ｃの圧力損失が同じになり、最上流部１８ａ及び上流部１８ｂと下流部１８ｃを通流する燃料ガスの流量が実質的に同じになる。
なお、ここでは、燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂの流路の幅を同じにしたが、これに限定されず、最上流部１８ａの流路の幅を下流部１８ｃの流路の幅と同じにしてもよく、また、上流部１８ｂの流路の幅を異なるようにしてもよい。また、酸化剤ガス流路９の上流部の流路の幅を酸化剤ガス流路９の下流部の流路の幅よりも小さくしてもよい。
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。
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）では、燃料ガス流路８の上流部１８ｂの流路の幅を小さくすることにより、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、アノード４ａにおける燃料ガス流路８の上流部１８ｂと面する部分を小さくすることができ、水分含有量の少ない領域を小さくすることができる。このため、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における燃料ガス流路８の上流部１８ｂと対向する部分が小さくなり、高分子電解質膜１の乾燥を抑制し、その結果、高分子電解質膜１の劣化をより抑制することができる。
さらに、本実施の形態３に係る燃料電池スタック（燃料電池１００）では、燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂの流路の断面積が、下流部１８ｃの流路の断面積と略一致するように形成されているため、燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂと下流部１８ｃの圧力損失が同じになる。このため、燃料ガス流路８における最上流部１８ａ及び上流部１８ｂと下流部１８ｃを通流する燃料ガスの流量が実質的に同じにすることができ、発電性能を維持することができる。
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）の概略構成を模式的に示す断面図であり、図１０は、図９に示す燃料電池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。なお、図９においては、一部を省略し、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、酸化剤ガス流路の一部を仮想線（二点差線）で示している。
図９及び図１０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の上流部１８ｂの他端が、上流側から２つ目の往復部８ａの下流端である点が異なる。すなわち、燃料ガス流路８の上流部１８ｂは、燃料ガス流路８の部分４１から、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから下方にある距離延び、その到達点から第２の側部に向かって水平方向に延びた点までの部分で構成されている。
そして、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、上流側から１つ目の往復部８ａが、酸化剤ガス流路９の上流側から１つ目の往復部９ａと２つ目の往復部９ａとの間に形成された第２リブ部１２と互いに重なるように構成され、また、上流側から２つ目の往復部８ａが、酸化剤ガス流路９の上流側から２つ目の往復部９ａと３つ目の往復部９ａとの間に形成された第２リブ部１２と互いに重なるように構成されている。
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。
（実施の形態５）
図１１は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタック（高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という））のカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図１２は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタック（燃料電池）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。なお、図１１及び図１２においては、カソードセパレータ及び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。
図１１及び図１２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が、渦巻状に形成されている点が異なる。なお、以下の説明においては、酸化剤ガス流路９は、燃料ガス流路８と同様に構成されているので、燃料ガス流路８について説明する。
図１２に示すように、燃料ガス流路８は、水平方向に延びるように形成された水平部８ａと、上下方向に延びるように形成された垂直部８ｂと、から実質的に構成されており、アノードセパレータ６ａの周縁部から中央部に向かって収束するように、時計回りに流路が形成され、アノードセパレータ６ａの中央部で折り返して、アノードセパレータ６ａの周縁部に向かって発散するように、反時計回りに流路が形成されている。ここで、アノードセパレータ６ａの中央部とは、アノードセパレータ６ａの外周に対する中央部分をいう。
そして、燃料ガス流路８の上流部１８ｂは、ここでは、燃料ガス流路８の上流端から最初にアノード４ａと接触する部分４１と第１の側部に向かって水平方向に延びて到達した点までの部分との間（換言すると、上流部１８ｂは、燃料ガス流路８の部分４１から１つ目の水平部８ａの下流端までの部分）の流路で構成されている。また、燃料ガス流路８の上流部１８ｂは、酸化剤ガス流路９の上流側から１つ目の水平部９ａと、該水平部９ａの下方に隣接する水平部９ａと、の間で形成される第２リブ部１２と、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、互いに重なるように形成されている。
このように構成された、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）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、本実施形態５においては、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９ともに、その流路を渦巻状に形成したが、これに限定されず、燃料ガス流路８のみを渦巻状に形成してもよく、酸化剤ガス流路９のみを渦巻状に形成してもよい。
（実施の形態６）
図１３は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池スタック（高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という））のカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図１４は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池スタック（燃料電池）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。なお、図１３及び図１４においては、カソードセパレータ及び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。
図１３及び図１４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及び酸化剤ガス流路９が、いわゆる対向流となるように構成され、燃料ガス供給マニホールド孔３１等のマニホールド孔の位置が異なる。ここで、対向流とは、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９が、一部に燃料ガスと酸化剤ガスが並走するように流れる部分を有するが、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、巨視的に（全体として）燃料ガスと酸化剤ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が互いに反対になるように構成されていることをいう。
次に、アノードセパレータ６ａにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置について、図１４を参照しながら説明する。なお、カソードセパレータ６ｂにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置は、アノードセパレータ６ａにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔と同様に設けられているため、その詳細な説明は省略する。
図１４に示すように、アノードセパレータ６ａにおける第１の側部の上部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４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。冷却媒体排出マニホールド孔３６が設けられている下部の内側には、燃料ガス排出マニホールド孔３２が設けられている。また、アノードセパレータ６ａにおける第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、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３が設けられている。また、冷却媒体供給マニホールド孔３５が設けられている上部の内側には、燃料ガス供給マニホールド孔３１が設けられている。
また、燃料ガス流路８を構成する溝は、燃料ガス供給マニホールド孔３１から下方にある距離延び、そこから、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、その到達点から、第２の側部に向かって水平方向にある距離延びている。そして、上記のような延在パターンを５回繰り返し、そこから、下方にある距離延び、そこから、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、燃料ガス排出マニホールド孔３２に到るように下方に延びている。
そして、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔及び燃料ガス流路８がこのように構成されているため、燃料ガス流路８の上流部１８ｂは、以下のように構成される。すなわち、燃料ガス流路８の上流部１８ｂは、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路９の下流側から１つ目の往復部９ａと２つ目の往復部９ａとの間に形成される第２リブ部１２と互いに重なるように構成されている。
このように構成された、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）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。
（実施の形態７）
図１６は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）の概略構成を模式的に示す断面図であり、図１７は、図１６に示す燃料電池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。なお、図１６においては、一部を省略し、図１７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、酸化剤ガス流路の一部を仮想線（二点差線）で示している。
図１６及び図１７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の上流部１８ｂは、第１上流部１８１と第２上流部１８２（図１７の一点差線で囲まれた部分）を有している点が異なり、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が、酸化剤ガス流路９と重ならないように構成されていて、第２上流部１８２の一部が、酸化剤ガス流路９と重なるように構成されている点が異なる。
具体的には、上流部１８ｂの第１上流部１８１は、上流側から１つ目の往復部８ａと、上流側から１つ目の反転部８ｂと、上流側から２つ目の往復部８ａと、で構成されている。
すなわち、第１上流部１８１は、燃料ガス流路８の部分４１から、第１の側部に向かって水平方向にある距離延びて、そこから下方にある距離延び、その到達点から第２の側部に向かって水平方向に延びた点までの部分で構成されている。
そして、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、上流側から１つ目の往復部８ａが、酸化剤ガス流路９の上流側から１つ目の往復部９ａと２つ目の往復部９ａとの間に形成された第２リブ部１２と互いに重なるように構成され、また、上流側から２つ目の往復部８ａが、酸化剤ガス流路９の上流側から２つ目の往復部９ａと３つ目の往復部９ａとの間に形成された第２リブ部１２と互いに重なるように構成されている。すなわち、第１上流部１８１は、該第１上流部１８１における燃料ガス流路幅の第２リブ部に対する割合（第１の所定の割合）が１となるように構成されている。
また、上流部１８ｂの第２上流部１８２は、上流側から２つ目の反転部８ｂと、上流側から３つ目の往復部８ａと、上流側から３つ目の反転部８ｂと、上流側から４つ目の往復部８ａと、で構成されている。すなわち、第２上流部１８２は、第１上流部の下流端から、下方にある距離延び、そこから第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から下方にある距離延び、そこから第２の側部に向かって水平方向にある距離延びた点までの部分で構成されている。
そして、第２上流部１８２は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第２上流部１８２を構成する上流側から３つ目と４つ目の往復部８ａの幅方向（上下方向）の上側半分が、酸化剤ガス流路９と互いに重なるように構成され、第２上流部１８２を構成する上流側から３つ目と４つ目の往復部８ａの上下方向（幅方向）の下側半分が、カソードセパレータ６ｂの第２リブ部１２と互いに重なるように構成されている。すなわち、第２上流部１８２は、該第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（第２の所定の割合）が１／２となるように構成されている。
このように、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、第１の所定の割合が第２の所定の割合よりも大きくなるように構成されている。
そして、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）においては、第１上流部１８１では、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏し、第２上流部１８２では、燃料ガス流路８の第２上流部１８２とカソードセパレータ６ｂの第２リブ部１２とが互いに重なる部分（ここでは、第２上流部１８２の下側半分）と対向する部分については、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
また、本実施の形態７に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、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に対する割合を１と所定の割合とし、第２上流部１８２における燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合を１／２と所定の割合としているため、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、高分子電解質膜１にかかる圧力が不均一になることが抑制され、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７に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、燃料ガス流路８の下流部１８ｃが、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様に形成されているため、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７においては、燃料ガス流路８における上流部１８ｂの第１上流部１８１は、燃料ガス流路８の部分４１から、上流側から２つ目の往復部８ａの下流端までの部分で構成したが、これに限定されない。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、一端を部分４１とし、他端を式：Ｌ７＜｛（２／３）×Ｌ２｝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、Ｌ７は、燃料ガス流路８の第１上流部１８１の流路長を示し、Ｌ２は、燃料ガス流路８の全流路長を示す。また、第１上流部１８１の他端は、式：Ｌ７≦Ｌ２を満たす部分であることがより好ましく、式：Ｌ７≦｛（１／３）×Ｌ２｝を満たす部分であることがさらに好ましい。
また、燃料ガス流路８における上流部１８ｂの第２上流部１８２は、第１上流部１８１の下流端から上流側から４つ目の往復部８ａの下流端までの部分で構成したが、これに限定されない。第２上流部１８２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、一端を第１上流部１８１の下流端とし、他端を式：Ｌ８≦｛（２／３）×Ｌ２｝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、燃料ガス流路８の第２上流部１８２の流路長を示し、Ｌ２は、燃料ガス流路８の全流路長を示す。また、第２上流部１８２の他端は、式：Ｌ８≦Ｌ２を満たす部分であることがより好ましく、式：Ｌ８≦｛（１／３）×Ｌ２｝を満たす部分であることがさらに好ましい。
（実施の形態８）
図１８は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池スタックのカソ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８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。なお、図１８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１９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。さらに、図１８及び図１９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。
図１８及び図１９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と燃料ガス流路８が、いわゆるストレート状に形成されている点が異なり、また、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置が異なる。以下、具体的に説明する。
まず、カソードセパレータ６ｂにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置について、図１８を参照しながら説明する。なお、アノードセパレータ６ａにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置は、カソードセパレータ６ｂにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔と同様に設けられているため、その詳細な説明は省略する。
図１８に示すように、カソードセパレータ６ｂにおける第１の側部の上部には、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、燃料ガス排出マニホールド孔３２が設けられている。また、カソードセパレータ６ｂにおける第２の側部の上部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１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、図１８に示すように、酸化剤ガス流路９は、上流ガス流路９ｃと、下流ガス流路９ｄと、上流ガス流路９ｃと下流ガス流路９ｄを連通する複数の連通ガス流路９ｅと、を有している。上流ガス流路９ｃの上流端は、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３に接続され、酸化剤ガス流路９の上流端を構成する。また、上流ガス流路９ｃは、上下方向に延びる部分と水平方向に（第１の側部から第２の側部に向かって）延びる部分とから構成されている。また、下流ガス流路９ｄ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、酸化剤ガス流路９の下流端を構成する。また、下流ガス流路９ｄは、上下方向に延びる部分と水平方向に（第１の側部から第２の側部に向かって）延びる部分とから構成されている。さらに、連通ガス流路９ｅは、上下方向に直線状に延びるように形成されている。
図１９に示すように、燃料ガス流路８は、酸化剤ガス流路９と同様に、上流ガス流路８ｃと、下流ガス流路８ｄと、上流ガス流路８ｃと下流ガス流路８ｄを連通する複数の連通ガス流路８ｅと、を有している。上流ガス流路８ｃ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、上流ガス流路８ｃは、上下方向に延びる部分と水平方向に（第２の側部から第１の側部に向かって）延びる部分とから構成されている。また、下流ガス流路８ｄ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、下流ガス流路８ｄは、上下方向に延びる部分と水平方向に（第２の側部から第１の側部に向かって）延びる部分とから構成されている。さらに、連通ガス流路８ｅ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る。
ここで、図２０を参照しながら、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅの構成についてより詳細に説明する。
図２０は、本実施の形態８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２０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２０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２０に示すように、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅは、第１上流部１８１、第２上流部１８２、及び下流部１８ｃを有している。そして、連通ガス流路８ｅ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の連通ガス流路９ｅ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、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅ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（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、燃料ガス流路幅の第２リブ部に対する割合（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。
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）においても、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（１００）と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態９）
図２１は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池スタックのカソ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２２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の内面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２１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２２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２１及び図２２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２３において、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２３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２１乃至図２３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８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の連通ガス流路９ｅ及び燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅの構成が異なる。
具体的には、酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９ｅは、第１上流部１９１、第２上流部１９２、及び下流部１９ｃ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、一端を部分４２とし、他端を式：Ｌ９＜｛（２／３）×Ｌ２｝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、Ｌ９は、酸化剤ガス流路９の第１上流部１９１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。また、第１上流部１９１の他端は、式：Ｌ９≦Ｌ２を満たす部分であることがより好ましく、式：Ｌ９≦｛（１／３）×Ｌ２｝を満たす部分であることがさらに好ましい。
また、第２上流部１９２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、一端を第１上流部１９１の下流端とし、他端を式：Ｌ１０≦｛（２／３）×Ｌ２｝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、Ｌ１０は、酸化剤ガス流路９の第２上流部１９２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。また、第２上流部１９２の他端は、式：Ｌ１０≦Ｌ２を満たす部分であることがより好ましく、式：Ｌ１０≦｛（１／３）×Ｌ２｝を満たす部分であることがさらに好ましい。
そして、酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９ｅは、第１上流部１９１では、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の連通ガス流路９ｅは、第１上流部１９１では、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、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅ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、第２上流部１９２では、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８ｅ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８ｅ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１９ｃでは、酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９ｅ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９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８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９においては、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅ及び酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９ｅは、その上流端から第２上流部１８２（１９２）の下流端までの流路幅が、連通ガス流路８ｅ（連通ガス流路９ｅ）の下流部１８ｃ（１９ｃ）の流路幅の略半分としている。
（実施の形態１０）
図２４は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池スタックのカソ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２５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２４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、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２５において、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２５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２４及び図２５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８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、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９ｅの構成が異なる。
具体的には、本実施の形態１０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、実施の形態８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と同様に構成されている。一方、本実施の形態１０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の連通ガス流路９ｅには、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、島状の第２リブ部１２ａが設けられている。なお、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１０においては、第２リブ部１２ａ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が、第２上流部１９２を構成する。
そして、図２５に示すように、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅ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９ｅ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１０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８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２６は、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池スタックのカソ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２７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の内面の概略構成を示す模式図である。図２８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２６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ている。また、図２６及び図２７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２８において、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２８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２６乃至図２８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８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の連通ガス流路９ｅの構成が異なる。
具体的には、本実施の形態１１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、実施の形態１０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と同様に構成されている。一方、酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９ｅ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８ｅ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、連通ガス流路９ｅ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、連通ガス流路９ｅ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８ｅ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２８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１２ａ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１１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８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１１においては、酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９ｅ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１２ａ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１２ａに対する割合よりも大きければ、連通ガス流路９ｅ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８ｅと重なるように形成してもよい。
（実施の形態１２）
図２９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の内面の概略構成を示す模式図である。図３０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ている。また、図３０において、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３０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２９及び図３０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１１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、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅの構成が異なる。
具体的には、本実施の形態１２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８ｅは、上流ガス流路８ｃの下流端と下流ガス流路８ｄの上流端とを連通する凹部８０と、該凹部８０の底面から立設された複数の島状の第１リブ部１１ａ及び第１リブ部１１ｂと、から構成されている。
凹部８０は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、略矩形状に形成されている。また、第１リブ部１１ａは、連通ガス流路８ｅ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て、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。そして、複数の第１リブ部１１ａは、それぞれ、並走するように設けられている。
また、第１リブ部１１ｂは、連通ガス流路８ｅの第２上流部１８２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ている。そして、複数の第１リブ部１１ｂは、それぞれ、並走するように設けられていて、燃料ガスの流れ方向において、第１リブ部１１ａの間に位置するように配設されている。
そして、図３０に示すように、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅ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９ｅ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１２ａ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１２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１１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７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及び酸化剤ガス流路９の流路を、それぞれ、１つの溝で形成する構成としたが、これに限定されず、複数の溝で形成する構成としてもよい。
また、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。
また、上記実施の形態１乃至７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の上流部１８ｂ及び酸化剤ガス流路９の上流部１９ｂの構成を、実施の形態９乃至１２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の上流部１８ｂ及び酸化剤ガス流路９の上流部１９ｂと同様の構成にしてもよい。
さらに、上記実施の形態１乃至１１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）
８ａ 往復部（水平部）
８ｂ 反転部（垂直部）
８ｃ 上流ガス流路
８ｄ 下流ガス流路
８ｅ 連通ガス流路
９ 酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）
９ａ 往復部（水平部）
９ｂ 反転部（垂直部）
９ｃ 上流ガス流路
９ｄ 下流ガス流路
９ｅ 連通ガス流路
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
１９ａ 最上流部
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
８０ 凹部
１００ 高分子電解質形燃料電池
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
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がストの接触面積が、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、さらに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１５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１５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、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設された導電性の第１セパレータと、板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設された導電性の第２セパレータと、を備え、前記第１セパレータの前記電極と接触する一方の主面には、複数の第１リブ部が並走するように第１反応ガス流路が形成され、前記第２セパレータの前記電極と接触する一方の主面には、複数の第１リブ部が並走するように第２反応ガス流路が形成され、前記第１反応ガス流路は、その上流端から最初に前記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（以下、第１反応ガス流路の上流部）における、前記第１セパレータの厚み方向から見て前記第１反応ガス流路の幅方向の前記第２セパレータの前記第２リブ部と重なる部分の前記第１反応ガス流路の全幅に対する割合（以下、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反応ガス流路の前記上流部以外の部分（以下、第１反応ガス流路の下流部）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になるように形成されている。
上述したように、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、電極におけるリブ部に接触する部分の水分含有量に比べて低くなるが、本発明においては、第１セパレータの厚み方向から見て、第１反応ガス流路の上流部の少なくとも一部が、第２セパレータの第２リブ部と重なるように形成されている。すなわち、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、一方の電極における第１反応ガス流路の上流部に面する部分（以下、一方の電極の流路対向部分）の少なくとも一部と、他方の電極における第２セパレータの第２リブ部と接触する部分（以下、他方の電極のリブ部対向部分）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一方の電極の流路対向部分には、水分含有量が多い他方の電極のリブ部対向部分から水が移動するため、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。
ところで、ＭＥＡ（正確には、電極）における第１リブ部（第２リブ部）と接触する部分には、高分子電解質形燃料電池を締結したときに、圧力がかかるが、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、ＭＥＡ（正確には、電極）における第１リブ部（第２リブ部）の端部と接触する部分に応力が集中して、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。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１／２以上、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。
これにより、一方の電極の流路対向部分と、他方の電極のリブ部対向部分と、が、第１セパレータの厚み方向から見て、第１反応ガス流路の幅方向において、互いに重なるように構成されている。このため、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より抑制することができ、高分子電解質膜の劣化をより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、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、前記第１反応ガス流路の上流部は、第１上流部と該第１上流部よりも下流側に位置する第２上流部を有しており、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反応ガス流路の第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、本発明の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、本発明の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１／２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。
上述したように、高分子電解質膜の反応ガス流路の下流部に対向する部分は、反応ガス流路を通流する生成水によって加湿されている。一方、ＭＥＡ（正確には、電極）における第１リブ部（第２リブ部）と接触する部分には、高分子電解質形燃料電池を締結したときに、圧力がかかるが、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、ＭＥＡ（正確には、電極）における第１リブ部（第２リブ部）の端部と接触する部分に応力が集中して、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反応ガス流路の下流部のうち第２反応ガス流路と並走する部分で形成される第１リブ部の少なくとも一部を、第１セパレータの厚み方向から見て、第２リブ部と重なるように形成することにより、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セパレータの他方の主面及び／又は前記第２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。
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反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路が、サーペンタイン状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反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路が、渦巻状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反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路は、上流ガス流路と下流ガス流路と前記上流ガス流路と前記下流ガス流路を連通し直線状に形成された複数の連通ガス流路とから構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反応ガス流路と前記第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セパレータ及び前記第２セパレータには、それぞれ、厚み方向に貫通する第１反応ガス供給マニホールド孔及び第２反応ガス供給マニホールド孔が互いに対向するように設けられていてもよい。
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、該第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、以下の好適な実施態様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４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５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの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６は、図５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内面の概略構成を示す模式図である。 図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックの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８は、図７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内面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４に係る燃料電池スタックの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１０は、図９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５に係る燃料電池スタック（高分子電解質形燃料電池）のカソ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１２は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタック（高分子電解質形燃料電池）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１３は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池スタック（高分子電解質形燃料電池）のカソ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６に係る燃料電池スタック（高分子電解質形燃料電池）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１５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。 図１６は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）の概略構成を模式的に示す断面図である。 図１７は、図１６に示す燃料電池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１８は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池スタックのカソ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８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２０は、本実施の形態８に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図２１は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池スタックのカソ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２２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の内面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９に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。 図２４は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池スタックのカソ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２５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。 図２６は、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池スタックのカソ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２７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の内面の概略構成を示す模式図である。 図２８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。 図２９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の内面の概略構成を示す模式図である。 図３０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。
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。
（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。なお、板状の燃料電池１００は、鉛直面に平行に延在しており、燃料電池１００の積層方向は水平方向となっている。
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の第１の側部の酸化剤ガス供給マニホールド１３３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、冷却媒体供給マニホールド１３５が設けられており、同様に、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、燃料ガス供給マニホールド１３１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。
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。なお、図２においては、一部を省略している。
図２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４ａと、カソード電極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、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むアノード触媒層２ａと、アノード触媒層２ａの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３ａと、を有している。同様に、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、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むカソード触媒層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、を有している。
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。
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。同様に、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。
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、燃料電池１００を積層する場合には、冷却媒体流路１０を単電池２〜３個ごとに設ける構成としてもよい。さらに、単電池間に冷却媒体流路１０を設けない場合には、２つのＭＥＡ５に挟まれたセパレータを、一方の主面に燃料ガス流路８を設け、他方の主面に酸化剤ガス流路９を設けた、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを兼ねるセパレータを使用してもよい。また、ここでは、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としてもよい。
[セパレータの構成]
次に、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４を参照しながら詳細に説明する。
図３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。また、図４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３及び図４において、カソードセパレータ６ｂ及び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。また、図４においては、酸化剤ガス流路９の一部を仮想線（二点差線）で示している。
まず、カソードセパレータ６ｂの構成について、図２及び図３を参照しながら詳細に説明する。
図３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（第２反応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、第１の側部の酸化剤ガス供給マニホールド孔３３が配設されている上部の内側には、冷却媒体供給マニホールド孔３５が設けられており、同様に、冷却媒体排出マニホールド孔３６が配設されている下部の内側には、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、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）３１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。なお、燃料ガス供給マニホールド孔３１と酸化剤ガス供給マニホールド孔３３は、中心線を挟んで互いに対向するように設けられている。
そして、図２及び図３に示すように、カソードセパレータ６ｂの内面には、溝状の酸化剤ガス流路９が、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３と酸化剤ガス排出マニホールド孔３４とを結ぶようにサーペンタイン状に形成されている。ここでは、酸化剤ガス流路９は、１つの溝で構成されており、該溝は、往復部９ａと反転部９ｂとで実質的に構成されている。
具体的には、酸化剤ガス流路９を構成する溝は、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３から第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、その到達点から、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、上記延在パターンを５回繰り返し、そこから、第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４に到るように下方に延びている。このような、酸化剤ガス流路９の水平方向に延びる部分が往復部９ａを構成し、下方に延びる部分が反転部９ｂを構成している。そして、図２及び図３に示すように、酸化剤ガス流路９を構成する溝（正確には、往復部９ａ）と溝（正確には、往復部９ａ）との間の部分が、カソード４ｂと当接する第２リブ部１２を形成する。
すなわち、酸化剤ガス流路９は、複数の第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。
また、酸化剤ガス流路９は、最上流部１９ａ、上流部１９ｂ、及び下流部１９ｃを有している。最上流部１９ａは、その上流端が、酸化剤ガス流路９の上流端である酸化剤ガス供給マニホールド孔３３とし、その下流端は、カソードセパレータ６ｂの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路９の上流端から最初にカソード４ｂと接続する部分４２である。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、一端を部分４２とし、他端を式：Ｌ４≦｛（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、Ｌ４は、酸化剤ガス流路９の上流部１９ｂの流路長を示し、Ｌ５は、酸化剤ガス流路９の全流路長を示す。また、上流部１９ｂの他端は、式：Ｌ４≦Ｌ５を満たす部分であることがより好ましい。本実施の形態１においては、上流部１９ｂの他端は、上流側から１つ目の往復部９ａの下流端である。すなわち、上流部１９ｂは、酸化剤ガス流路９の部分４２から、第２の側部に向かって水平方向に延びて到達した点までの部分（酸化剤ガス流路９の部分４２から１つ目の往復部９ａの下流端までの部分）で構成される。
下流部１９ｃは、一端を酸化剤ガス流路９の下流端である酸化剤ガス排出マニホールド孔３４とし、他端を式：Ｌ６≦｛（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、Ｌ６は、酸化剤ガス流路９の下流部１９ｃの流路長を示す。また、下流部１９ｃの他端は、式：Ｌ６≦Ｌ５を満たす部分であることがより好ましい。本実施の形態１においては、下流部１９ｃの他端は、１つ目の往復部９ａの下流端である。
なお、本実施の形態１においては、酸化剤ガス流路９は、１本の溝で形成したが、これに限定されず、複数の溝をカソードセパレータ６ｂの内面に形成して、複数の酸化剤ガス流路群を形成してもよい。この場合、各酸化剤ガス流路９を構成する溝（正確には、往復部９ａ）と溝（正確には、往復部９ａ）との間の部分が、第２リブ部１２を形成する。
次に、アノードセパレータ６ａ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２及び図４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、燃料ガス供給マニホールド孔３１と燃料ガス排出マニホールド孔３２とを結ぶようにサーペンタイン状に形成されている。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。
また、図４に示すように、燃料ガス流路８は、ここでは、１つの溝で構成されており、該溝は、往復部８ａと反転部８ｂとで実質的に構成されている。具体的には、燃料ガス流路８を構成する溝は、燃料ガス供給マニホールド孔３１から第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、その到達点から、第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、上記のような延在パターンを５回繰り返し、そこから、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、燃料ガス排出マニホールド孔３２に到るように下方に延びている。このような、燃料ガス流路８の水平方向に延びる部分が往復部８ａを構成し、下方に延びる部分が反転部８ｂを構成している。なお、燃料ガス流路８を構成する溝（正確には、往復部８ａ）と溝（正確には、往復部８ａ）との間の部分が、アノード６ａと当接する第１リブ部１１を形成する。
すなわち、燃料ガス流路８は、複数の第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。
なお、本実施の形態１においては、燃料ガス流路８は、１本の溝で形成したが、これに限定されず、複数の溝をアノードセパレータ６ａの内面に形成して、複数の酸化剤ガス流路群を形成してもよい。この場合、各燃料ガス流路８を構成する溝（正確には、往復部８ａ）と溝（正確には、往復部８ａ）との間の部分が、第１リブ部１１を形成する。
また、燃料ガス流路８は、最上流部１８ａ、上流部１８ｂ、及び下流部１８ｃ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４ａと接続する部分４１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：Ｌ１≦｛（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、Ｌ１は、燃料ガス流路８の上流部１８ｂの流路長を示し、Ｌ２は、燃料ガス流路８の全流路長を示す。また、上流部１８ｂの他端は、式：Ｌ１≦Ｌ２を満たす部分であることがより好ましい。本実施の形態１においては、上流部１８ｂの他端は、上流側から１つ目の往復部８ａの下流端である。すなわち、上流部１８ｂは、燃料ガス流路８の部分４１から、第１の側部に向かって水平方向に延びて到達した点までの部分（燃料ガス流路８の部分４１から１つ目の往復部８ａの下流端までの部分）で構成される。
下流部１８ｃは、一端を燃料ガス流路８の下流端である燃料ガス排出マニホールド孔３２とし、他端を式：Ｌ３≦｛（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、Ｌ３は、燃料ガス流路８の下流部１８ｃの流路長を示す。また、下流部１８ｃの他端は、式：Ｌ３≦Ｌ２を満たす部分であることがより好ましい。本実施の形態１においては、下流部１８ｃの他端は、１つ目の往復部８ａの下流端である。
そして、図２乃至図４に示すように、燃料ガス流路８は、酸化剤ガス流路９と並走する部分を有する。ここで、並走するとは、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、流路が互いに並んで設けられていることをいう。本実施の形態においては、燃料ガス流路８の最上流部１８a及び上流部１８ｂを除く、すなわち、燃料ガス流路８の下流部１８ｃを構成する往復部８ａと酸化剤ガス流路９の往復部９ａが、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、互いに重なるように設けられている。
また、燃料ガス流路８の上流部１８ｂは、酸化剤ガス流路９の１つ目の往復部９ａと２つ目の往復部９ａとの間に形成される第２リブ部１２と、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、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、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、水分含有量が少ないアノード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）部分と、カソード４ｂにおける第２リブ部１２と接触する部分と、が、互いに重なるように配設されている。これにより、カソード４ｂにおける第２リブ部１２と接触する部分からアノード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。
そして、燃料ガス流路８の上流部１８ｂにおける、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の幅方向のカソードセパレータ６ｂの第２リブ部１２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１２に対する割合という）を所定の割合、ここでは、１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。
なお、酸化剤ガス流路９の上流部（酸化剤ガス流路９のカソード４ｂと最初に接触する部分から１つ目の往復部９ａの下流端までの間に形成された部分）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。このため、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における酸化剤ガス流路９の上流部と対向する部分においても、当該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。
一方、燃料ガス流路８の下流部１８ｃは、下流部１８ｃを構成する往復部８ａが、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路９の往復部９ａと互いに重なるように設けられている。換言すると、燃料ガス流路８の下流部１８ｃを構成する往復部８ａ間に形成される第１リブ部１１と、酸化剤ガス流路９の往復部９ａ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。このため、燃料ガス流路８の下流部１８ｃでは、ＭＥＡ５のアノード４ａ及びカソード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。
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４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、アノード４ａにおける燃料ガス流路８に面する部分の水分含有量は、アノード４ａにおける第１リブ部１１に接触する部分の水分含有量に比べて低くなるが、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、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、アノード４ａにおける燃料ガス流路８の上流部１８ｂに面する部分では、反応ガスの反応による生成水が充分ではないため、水分含有量が少ない。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に対向する部分では、乾燥しやすくなり、高分子電解質膜１の当該部分が劣化するおそれがある。
しかしながら、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では、燃料ガス流路８の上流部１８ｂにおける、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の幅方向のカソードセパレータ６ｂの第２リブ部１２と重なる部分の燃料ガス流路８の全幅に対する割合（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している。
すなわち、本実施の形態１においては、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、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に対する割合を１と所定の割合とし、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、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に対する割合を０としている。
これにより、カソード４ｂにおける第２リブ部１２と接触する部分からアノード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）部分へ水が移動し、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。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、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。
また、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では、燃料ガス流路８の下流部１８ｃを構成し、酸化剤ガス流路９と並走する部分である往復部８ａ間に形成される第１リブ部１１と、酸化剤ガス流路９の往復部９ａ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４ａ及びカソード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。
なお、本実施形態１においては、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９ともに、その流路をサーペンタイン状に形成したが、これに限定されず、燃料ガス流路８のみをサーペンタイン状に形成してもよく、酸化剤ガス流路９のみをサーペンタイン状に形成してもよい。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）の概略構成を模式的に示す断面図であり、図６は、図５に示す燃料電池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。なお、図５においては、一部を省略し、図６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、酸化剤ガス流路の一部を仮想線（二点差線）で示している。
図５及び図６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（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の上流部１８ｂの一部が、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路９と重なるように構成さ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の幅方向（上下方向）の上側半分が、酸化剤ガス流路９と互いに重なるように構成され、燃料ガス流路８の上流部１８ｂの上下方向（幅方向）の下側半分が、カソードセパレータ６ｂの第２リブ部１２と互いに重なるように構成されている。すなわち、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１／２となるように構成されている。
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、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とカソードセパレータ６ｂの第２リブ部１２とが互いに重なる部分（ここでは、燃料ガス流路８の上流部１８ｂの下側半分）と対向する部分については、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
また、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、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に対する割合を１／２と所定の割合としているため、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、高分子電解質膜１にかかる圧力が不均一になることが抑制され、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２に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、燃料ガス流路８の下流部１８ｃが、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様に形成されているため、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３）
図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）の概略構成を模式的に示す断面図であり、図８は、図７に示す燃料電池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。なお、図７においては、一部を省略し、図８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、酸化剤ガス流路の一部を仮想線（二点差線）で示している。
図７及び図８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るが、燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂの流路の幅が、下流部１８ｃの流路の幅よりも小さくなるように形成されている点が異なる。
具体的には、燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂの流路の幅と下流部１８ｃの流路の幅が、それぞれ、一定に形成されていて、燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂの流路の幅が、下流部１８ｃの流路の幅よりも小さくなるように形成されている。また、燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂの流路の深さは、下流部１８ｃの流路の深さよりも深くなるように形成されていて最上流部１８ａ及び上流部１８ｂを構成する溝の燃料ガスの流れに対して垂直方向の断面積（以下、単に流路の断面積という）が、下流部１８ｃの流路の断面積と略一致するように形成されている。これにより燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂと下流部１８ｃの圧力損失が同じになり、最上流部１８ａ及び上流部１８ｂと下流部１８ｃを通流する燃料ガスの流量が実質的に同じになる。
なお、ここでは、燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂの流路の幅を同じにしたが、これに限定されず、最上流部１８ａの流路の幅を下流部１８ｃの流路の幅と同じにしてもよく、また、上流部１８ｂの流路の幅を異なるようにしてもよい。また、酸化剤ガス流路９の上流部の流路の幅を酸化剤ガス流路９の下流部の流路の幅よりも小さくしてもよい。
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。
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）では、燃料ガス流路８の上流部１８ｂの流路の幅を小さくすることにより、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、アノード４ａにおける燃料ガス流路８の上流部１８ｂと面する部分を小さくすることができ、水分含有量の少ない領域を小さくすることができる。このため、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜１における燃料ガス流路８の上流部１８ｂと対向する部分が小さくなり、高分子電解質膜１の乾燥を抑制し、その結果、高分子電解質膜１の劣化をより抑制することができる。
さらに、本実施の形態３に係る燃料電池スタック（燃料電池１００）では、燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂの流路の断面積が、下流部１８ｃの流路の断面積と略一致するように形成されているため、燃料ガス流路８の最上流部１８ａ及び上流部１８ｂと下流部１８ｃの圧力損失が同じになる。このため、燃料ガス流路８における最上流部１８ａ及び上流部１８ｂと下流部１８ｃを通流する燃料ガスの流量が実質的に同じにすることができ、発電性能を維持することができる。
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）の概略構成を模式的に示す断面図であり、図１０は、図９に示す燃料電池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。なお、図９においては、一部を省略し、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、酸化剤ガス流路の一部を仮想線（二点差線）で示している。
図９及び図１０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の上流部１８ｂの他端が、上流側から２つ目の往復部８ａの下流端である点が異なる。すなわち、燃料ガス流路８の上流部１８ｂは、燃料ガス流路８の部分４１から、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから下方にある距離延び、その到達点から第２の側部に向かって水平方向に延びた点までの部分で構成されている。
そして、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、上流側から１つ目の往復部８ａが、酸化剤ガス流路９の上流側から１つ目の往復部９ａと２つ目の往復部９ａとの間に形成された第２リブ部１２と互いに重なるように構成され、また、上流側から２つ目の往復部８ａが、酸化剤ガス流路９の上流側から２つ目の往復部９ａと３つ目の往復部９ａとの間に形成された第２リブ部１２と互いに重なるように構成されている。
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。
（実施の形態５）
図１１は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタック（高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という））のカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図１２は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池スタック（燃料電池）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。なお、図１１及び図１２においては、カソードセパレータ及び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。
図１１及び図１２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が、渦巻状に形成されている点が異なる。なお、以下の説明においては、酸化剤ガス流路９は、燃料ガス流路８と同様に構成されているので、燃料ガス流路８について説明する。
図１２に示すように、燃料ガス流路８は、水平方向に延びるように形成された水平部８ａと、上下方向に延びるように形成された垂直部８ｂと、から実質的に構成されており、アノードセパレータ６ａの周縁部から中央部に向かって収束するように、時計回りに流路が形成され、アノードセパレータ６ａの中央部で折り返して、アノードセパレータ６ａの周縁部に向かって発散するように、反時計回りに流路が形成されている。ここで、アノードセパレータ６ａの中央部とは、アノードセパレータ６ａの外周に対する中央部分をいう。
そして、燃料ガス流路８の上流部１８ｂは、ここでは、燃料ガス流路８の上流端から最初にアノード４ａと接触する部分４１と第１の側部に向かって水平方向に延びて到達した点までの部分との間（換言すると、上流部１８ｂは、燃料ガス流路８の部分４１から１つ目の水平部８ａの下流端までの部分）の流路で構成されている。また、燃料ガス流路８の上流部１８ｂは、酸化剤ガス流路９の上流側から１つ目の水平部９ａと、該水平部９ａの下方に隣接する水平部９ａと、の間で形成される第２リブ部１２と、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、互いに重なるように形成されている。
このように構成された、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）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、本実施形態５においては、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９ともに、その流路を渦巻状に形成したが、これに限定されず、燃料ガス流路８のみを渦巻状に形成してもよく、酸化剤ガス流路９のみを渦巻状に形成してもよい。
（実施の形態６）
図１３は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池スタック（高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という））のカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図１４は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池スタック（燃料電池）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。なお、図１３及び図１４においては、カソードセパレータ及び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。
図１３及び図１４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及び酸化剤ガス流路９が、いわゆる対向流となるように構成され、燃料ガス供給マニホールド孔３１等のマニホールド孔の位置が異なる。ここで、対向流とは、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９が、一部に燃料ガスと酸化剤ガスが並走するように流れる部分を有するが、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、巨視的に（全体として）燃料ガスと酸化剤ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が互いに反対になるように構成されていることをいう。
次に、アノードセパレータ６ａにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置について、図１４を参照しながら説明する。なお、カソードセパレータ６ｂにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置は、アノードセパレータ６ａにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔と同様に設けられているため、その詳細な説明は省略する。
図１４に示すように、アノードセパレータ６ａにおける第１の側部の上部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４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。冷却媒体排出マニホールド孔３６が設けられている下部の内側には、燃料ガス排出マニホールド孔３２が設けられている。また、アノードセパレータ６ａにおける第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、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３が設けられている。また、冷却媒体供給マニホールド孔３５が設けられている上部の内側には、燃料ガス供給マニホールド孔３１が設けられている。
また、燃料ガス流路８を構成する溝は、燃料ガス供給マニホールド孔３１から下方にある距離延び、そこから、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、その到達点から、第２の側部に向かって水平方向にある距離延びている。そして、上記のような延在パターンを５回繰り返し、そこから、下方にある距離延び、そこから、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、燃料ガス排出マニホールド孔３２に到るように下方に延びている。
そして、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔及び燃料ガス流路８がこのように構成されているため、燃料ガス流路８の上流部１８ｂは、以下のように構成される。すなわち、燃料ガス流路８の上流部１８ｂは、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路９の下流側から１つ目の往復部９ａと２つ目の往復部９ａとの間に形成される第２リブ部１２と互いに重なるように構成されている。
このように構成された、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）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。
（実施の形態７）
図１６は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）の概略構成を模式的に示す断面図であり、図１７は、図１６に示す燃料電池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。なお、図１６においては、一部を省略し、図１７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、酸化剤ガス流路の一部を仮想線（二点差線）で示している。
図１６及び図１７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の上流部１８ｂは、第１上流部１８１と第２上流部１８２（図１７の一点差線で囲まれた部分）を有している点が異なり、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が、酸化剤ガス流路９と重ならないように構成されていて、第２上流部１８２の一部が、酸化剤ガス流路９と重なるように構成されている点が異なる。
具体的には、上流部１８ｂの第１上流部１８１は、上流側から１つ目の往復部８ａと、上流側から１つ目の反転部８ｂと、上流側から２つ目の往復部８ａと、で構成されている。
すなわち、第１上流部１８１は、燃料ガス流路８の部分４１から、第１の側部に向かって水平方向にある距離延びて、そこから下方にある距離延び、その到達点から第２の側部に向かって水平方向に延びた点までの部分で構成されている。
そして、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、上流側から１つ目の往復部８ａが、酸化剤ガス流路９の上流側から１つ目の往復部９ａと２つ目の往復部９ａとの間に形成された第２リブ部１２と互いに重なるように構成され、また、上流側から２つ目の往復部８ａが、酸化剤ガス流路９の上流側から２つ目の往復部９ａと３つ目の往復部９ａとの間に形成された第２リブ部１２と互いに重なるように構成されている。すなわち、第１上流部１８１は、該第１上流部１８１における燃料ガス流路幅の第２リブ部に対する割合（第１の所定の割合）が１となるように構成されている。
また、上流部１８ｂの第２上流部１８２は、上流側から２つ目の反転部８ｂと、上流側から３つ目の往復部８ａと、上流側から３つ目の反転部８ｂと、上流側から４つ目の往復部８ａと、で構成されている。すなわち、第２上流部１８２は、第１上流部の下流端から、下方にある距離延び、そこから第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から下方にある距離延び、そこから第２の側部に向かって水平方向にある距離延びた点までの部分で構成されている。
そして、第２上流部１８２は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、第２上流部１８２を構成する上流側から３つ目と４つ目の往復部８ａの幅方向（上下方向）の上側半分が、酸化剤ガス流路９と互いに重なるように構成され、第２上流部１８２を構成する上流側から３つ目と４つ目の往復部８ａの上下方向（幅方向）の下側半分が、カソードセパレータ６ｂの第２リブ部１２と互いに重なるように構成されている。すなわち、第２上流部１８２は、該第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（第２の所定の割合）が１／２となるように構成されている。
このように、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、第１の所定の割合が第２の所定の割合よりも大きくなるように構成されている。
そして、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）においては、第１上流部１８１では、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏し、第２上流部１８２では、燃料ガス流路８の第２上流部１８２とカソードセパレータ６ｂの第２リブ部１２とが互いに重なる部分（ここでは、第２上流部１８２の下側半分）と対向する部分については、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様の作用効果を奏する。
また、本実施の形態７に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、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に対する割合を１と所定の割合とし、第２上流部１８２における燃料ガス流路幅の第２リブ部１２に対する割合を１／２と所定の割合としているため、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、高分子電解質膜１にかかる圧力が不均一になることが抑制され、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７に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）においても、燃料ガス流路８の下流部１８ｃが、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（燃料電池１００）と同様に形成されているため、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７においては、燃料ガス流路８における上流部１８ｂの第１上流部１８１は、燃料ガス流路８の部分４１から、上流側から２つ目の往復部８ａの下流端までの部分で構成したが、これに限定されない。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、一端を部分４１とし、他端を式：Ｌ７＜｛（２／３）×Ｌ２｝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、Ｌ７は、燃料ガス流路８の第１上流部１８１の流路長を示し、Ｌ２は、燃料ガス流路８の全流路長を示す。また、第１上流部１８１の他端は、式：Ｌ７≦Ｌ２を満たす部分であることがより好ましく、式：Ｌ７≦｛（１／３）×Ｌ２｝を満たす部分であることがさらに好ましい。
また、燃料ガス流路８における上流部１８ｂの第２上流部１８２は、第１上流部１８１の下流端から上流側から４つ目の往復部８ａの下流端までの部分で構成したが、これに限定されない。第２上流部１８２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、一端を第１上流部１８１の下流端とし、他端を式：Ｌ８≦｛（２／３）×Ｌ２｝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、燃料ガス流路８の第２上流部１８２の流路長を示し、Ｌ２は、燃料ガス流路８の全流路長を示す。また、第２上流部１８２の他端は、式：Ｌ８≦Ｌ２を満たす部分であることがより好ましく、式：Ｌ８≦｛（１／３）×Ｌ２｝を満たす部分であることがさらに好ましい。
（実施の形態８）
図１８は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池スタックのカソ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８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。なお、図１８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１９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。さらに、図１８及び図１９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。
図１８及び図１９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と燃料ガス流路８が、いわゆるストレート状に形成されている点が異なり、また、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置が異なる。以下、具体的に説明する。
まず、カソードセパレータ６ｂにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置について、図１８を参照しながら説明する。なお、アノードセパレータ６ａにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔の設けられている位置は、カソードセパレータ６ｂにおける燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔と同様に設けられているため、その詳細な説明は省略する。
図１８に示すように、カソードセパレータ６ｂにおける第１の側部の上部には、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、燃料ガス排出マニホールド孔３２が設けられている。また、カソードセパレータ６ｂにおける第２の側部の上部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１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、図１８に示すように、酸化剤ガス流路９は、上流ガス流路９ｃと、下流ガス流路９ｄと、上流ガス流路９ｃと下流ガス流路９ｄを連通する複数の連通ガス流路９ｅと、を有している。上流ガス流路９ｃの上流端は、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３に接続され、酸化剤ガス流路９の上流端を構成する。また、上流ガス流路９ｃは、上下方向に延びる部分と水平方向に（第１の側部から第２の側部に向かって）延びる部分とから構成されている。また、下流ガス流路９ｄ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、酸化剤ガス流路９の下流端を構成する。また、下流ガス流路９ｄは、上下方向に延びる部分と水平方向に（第１の側部から第２の側部に向かって）延びる部分とから構成されている。さらに、連通ガス流路９ｅは、上下方向に直線状に延びるように形成されている。
図１９に示すように、燃料ガス流路８は、酸化剤ガス流路９と同様に、上流ガス流路８ｃと、下流ガス流路８ｄと、上流ガス流路８ｃと下流ガス流路８ｄを連通する複数の連通ガス流路８ｅと、を有している。上流ガス流路８ｃ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、上流ガス流路８ｃは、上下方向に延びる部分と水平方向に（第２の側部から第１の側部に向かって）延びる部分とから構成されている。また、下流ガス流路８ｄ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、下流ガス流路８ｄは、上下方向に延びる部分と水平方向に（第２の側部から第１の側部に向かって）延びる部分とから構成されている。さらに、連通ガス流路８ｅ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る。
ここで、図２０を参照しながら、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅの構成についてより詳細に説明する。
図２０は、本実施の形態８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２０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２０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２０に示すように、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅは、第１上流部１８１、第２上流部１８２、及び下流部１８ｃを有している。そして、連通ガス流路８ｅ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の連通ガス流路９ｅ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、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅ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（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、燃料ガス流路幅の第２リブ部に対する割合（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。
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）においても、実施の形態１に係る燃料電池スタック６１（１００）と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態９）
図２１は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池スタックのカソ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２２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の内面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２１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２２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２１及び図２２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２３において、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２３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２１乃至図２３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８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の連通ガス流路９ｅ及び燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅの構成が異なる。
具体的には、酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９ｅは、第１上流部１９１、第２上流部１９２、及び下流部１９ｃ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、一端を部分４２とし、他端を式：Ｌ９＜｛（２／３）×Ｌ２｝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、Ｌ９は、酸化剤ガス流路９の第１上流部１９１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。また、第１上流部１９１の他端は、式：Ｌ９≦Ｌ２を満たす部分であることがより好ましく、式：Ｌ９≦｛（１／３）×Ｌ２｝を満たす部分であることがさらに好ましい。
また、第２上流部１９２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、一端を第１上流部１９１の下流端とし、他端を式：Ｌ１０≦｛（２／３）×Ｌ２｝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、Ｌ１０は、酸化剤ガス流路９の第２上流部１９２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。また、第２上流部１９２の他端は、式：Ｌ１０≦Ｌ２を満たす部分であることがより好ましく、式：Ｌ１０≦｛（１／３）×Ｌ２｝を満たす部分であることがさらに好ましい。
そして、酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９ｅは、第１上流部１９１では、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の連通ガス流路９ｅは、第１上流部１９１では、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、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅ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、第２上流部１９２では、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８ｅ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８ｅ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１９ｃでは、酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９ｅ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９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８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９においては、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅ及び酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９ｅは、その上流端から第２上流部１８２（１９２）の下流端までの流路幅が、連通ガス流路８ｅ（連通ガス流路９ｅ）の下流部１８ｃ（１９ｃ）の流路幅の略半分としている。
（実施の形態１０）
図２４は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池スタックのカソ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２５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２４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、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２５において、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２５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２４及び図２５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８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、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９ｅの構成が異なる。
具体的には、本実施の形態１０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、実施の形態８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と同様に構成されている。一方、本実施の形態１０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の連通ガス流路９ｅには、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、島状の第２リブ部１２ａが設けられている。なお、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１０においては、第２リブ部１２ａ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が、第２上流部１９２を構成する。
そして、図２５に示すように、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅ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９ｅ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１０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８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２６は、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池スタックのカソ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２７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の内面の概略構成を示す模式図である。図２８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２６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ている。また、図２６及び図２７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２８において、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２８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２６乃至図２８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８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の連通ガス流路９ｅの構成が異なる。
具体的には、本実施の形態１１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、実施の形態１０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と同様に構成されている。一方、酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９ｅ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８ｅ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、連通ガス流路９ｅ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、連通ガス流路９ｅ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８ｅ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２８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１２ａ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１１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８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１１においては、酸化剤ガス流路９の連通ガス流路９ｅ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１２ａ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１２ａに対する割合よりも大きければ、連通ガス流路９ｅ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８ｅと重なるように形成してもよい。
（実施の形態１２）
図２９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の内面の概略構成を示す模式図である。図３０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ている。また、図３０において、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３０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２９及び図３０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１１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、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅの構成が異なる。
具体的には、本実施の形態１２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８ｅは、上流ガス流路８ｃの下流端と下流ガス流路８ｄの上流端とを連通する凹部８０と、該凹部８０の底面から立設された複数の島状の第１リブ部１１ａ及び第１リブ部１１ｂと、から構成されている。
凹部８０は、アノードセパレータ６ａの厚み方向から見て、略矩形状に形成されている。また、第１リブ部１１ａは、連通ガス流路８ｅ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て、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。そして、複数の第１リブ部１１ａは、それぞれ、並走するように設けられている。
また、第１リブ部１１ｂは、連通ガス流路８ｅの第２上流部１８２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ている。そして、複数の第１リブ部１１ｂは、それぞれ、並走するように設けられていて、燃料ガスの流れ方向において、第１リブ部１１ａの間に位置するように配設されている。
そして、図３０に示すように、燃料ガス流路８の連通ガス流路８ｅ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９ｅ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１２ａ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１２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１１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７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及び酸化剤ガス流路９の流路を、それぞれ、１つの溝で形成する構成としたが、これに限定されず、複数の溝で形成する構成としてもよい。
また、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。
また、上記実施の形態１乃至７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の上流部１８ｂ及び酸化剤ガス流路９の上流部１９ｂの構成を、実施の形態９乃至１２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の上流部１８ｂ及び酸化剤ガス流路９の上流部１９ｂと同様の構成にしてもよい。
さらに、上記実施の形態１乃至１１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）
８ａ 往復部（水平部）
８ｂ 反転部（垂直部）
８ｃ 上流ガス流路
８ｄ 下流ガス流路
８ｅ 連通ガス流路
９ 酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）
９ａ 往復部（水平部）
９ｂ 反転部（垂直部）
９ｃ 上流ガス流路
９ｄ 下流ガス流路
９ｅ 連通ガス流路
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
１９ａ 最上流部
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
８０ 凹部
１００ 高分子電解質形燃料電池
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 (16)

  1. 高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、
    板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設された導電性の第１セパレータと、
    板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設された導電性の第２セパレータと、を備え、
    前記第１セパレータの前記電極と接触する一方の主面には、複数の第１リブ部が並走するように第１反応ガス流路が形成され、
    前記第２セパレータの前記電極と接触する一方の主面には、複数の第２リブ部が並走するように第２反応ガス流路が形成され、
    前記第１反応ガス流路は、その上流端から最初に前記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（以下、第１反応ガス流路の上流部）における、前記第１セパレータの厚み方向から見て前記第１反応ガス流路の幅方向の前記第２セパレータの前記第２リブ部と重なる部分の前記第１反応ガス流路の全幅に対する割合（以下、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反応ガス流路の前記上流部以外の部分（以下、第１反応ガス流路の下流部）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になるように形成されている、高分子電解質形燃料電池。
  2. 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１／２以上、かつ、１以下である、請求項１に記載の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１に記載の高分子電解質形燃料電池。
  4. 前記第１反応ガス流路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１に記載の高分子電解質形燃料電池。
  5. 前記第１反応ガス流路の上流部は、第１上流部と該第１上流部よりも下流側に位置する第２上流部を有しており、
    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反応ガス流路の第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１に記載の高分子電解質形燃料電池。
  6. 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５に記載の高分子電解質形燃料電池。
  7. 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１／２である、請求項５に記載の高分子電解質形燃料電池。
  8. 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に記載の高分子電解質形燃料電池。
  9. 前記第１セパレータの他方の主面及び／又は前記第２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反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路が、サーペンタイン状に形成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
  11. 前記第１反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路が、渦巻状に形成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
  12. 前記第１反応ガス流路及び／又は前記第２反応ガス流路は、上流ガス流路と下流ガス流路と前記上流ガス流路と前記下流ガス流路を連通し直線状に形成された複数の連通ガス流路とから構成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
  13. 前記第１反応ガス流路と前記第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１に記載の高分子電解質形燃料電池。
  14. 前記第１セパレータ及び前記第２セパレータには、それぞれ、厚み方向に貫通する第１反応ガス供給マニホールド孔及び第２反応ガス供給マニホールド孔が互いに対向するように設けられている、請求項１３に記載の高分子電解質形燃料電池。
  15. 前記第１反応ガス流路の前記上流部の幅が、該第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に記載の高分子電解質形燃料電池。
  16. 複数の請求項１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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