JP3874364B2 - 燃料電池及びこれを備える燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池（特に高分子電解質形燃料電池）及びこれを備える燃料電池スタックに関する。

高分子電解質形燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。図３３に、このような高分子電解質燃料電池の一般的な基本構成を示す。燃料電池１００は、図３３に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１０５と、膜電極接合体１０５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを含む構成の単電池（セル）を少なくとも１つ具備する。

膜電極接合体１０５は、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１０１が配置された構成を有している。更に、アノード１０４ａは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ａと、当該触媒層１０２ａとアノード側セパレータ１０６ａとの間に配置されるガス拡散層１０３ａとを少なくとも含み、カソード１０４ｂは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ｂと、当該触媒層１０２ｂとカソード側セパレータ１０６ｂとの間に配置されるガス拡散層１０３ｂとを少なくとも含む。

触媒層１０２ａ、１０２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末を主成分とする層である。また、ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。

ここで、図３３に示すように、ＭＥＡ１０５においては、ガス漏れを防止するためガスケット１０９ａ、１０９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１０１の主面の大きさが、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１０１の全外縁部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。なお、本明細書においては、これらのアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出した高分子電解質膜１０１の外縁部を「はみ出し部」ともいう（図３３中のＰ）。

アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ１０５を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ１０５を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ１０５同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂには、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ１０５の外部に運び去るためのガス流路１０７ａ、１０７ｂが一方の面（即ち、アノード側セパレータ１０６ａのアノード１０４ａに接する側の主面、及び、カソード側セパレータ１０６ｂのカソード１０４ｂに接する側の主面）に形成されている。

更に、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。

ガス流路１０７ａ、１０７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂは、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。

また、複数のＭＥＡ１０５間にアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを介在させ、複数のＭＥＡ１０５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。

また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた冷却流体供給用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。

更に、燃料電池１００においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード１０４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード１０４ａ側への漏れ、ＭＥＡ１０５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの間において、ＭＥＡ１０５の外縁部（アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外部であって高分子電解質膜１０１の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂが配置されている。

これらアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとしては、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等が用いられている。ＭＥＡ１０５の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のガスケットをＭＥＡ１０５と一体化させて用いることが多い。

このようなアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを、先に述べた高分子電解質膜１０１の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノード側セパレータ１０６ａ、高分子電解質膜１０１及びアノード側ガスケット１０９ａにより、アノード１０４ａを包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ１０６ｂ、高分子電解質膜１０１及びカソード側ガスケット１０９ｂにより、カソード１０４ｂを包み込むまた別の閉空間が形成される。これらの閉空間によって、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。

ここで、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂと、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難である。従って、図３３に示すように、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを上述の位置に配置する場合、それぞれアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂとの間に隙間（即ちアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂ）が形成され易い。

このようなアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂが形成されると、反応ガスがアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに漏れる場合がある。また、反応ガスの一部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの内部を流れずに当該アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂ内を進行してＭＥＡ１０５の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題がある。

これに対し、例えば特許文献１においては、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに、上記アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとは別のシール材を更に配置することによって、当該アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂを塞ぎ、上述のような問題を解決することを意図した技術が提案されている。
特開２００４−１１９１２１号公報

しかしながら、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに別のシール材を配置する上記の従来技術によっては、別のシール材により触媒層１０２ａ、１０２ｂやアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを歪ませてしまうことがあり、上述の問題を解決するには未だ改善の余地があった。更に、この従来技術においても、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じるため、別のシール材とアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難であり、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂを完全にシールすることは極めて困難であった。

本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、それぞれアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットとアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池及びこ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。

本発明は、上記の目的を達成するために、
アノード及びカソード並びにアノードとカソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持するようにして互いに対向配置されているアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータのうちの少なくとも一方に設けられており、前記膜電極接合体を冷却するための冷却流体を供給、排出するための冷却流体流路と、
前記アノード側セパレータに設けられており、前記膜電極接合体に反応ガスとしての燃料ガスを供給、排出するための燃料ガス流路と、
前記カソード側セパレータに設けられており、前記膜電極接合体に反応ガスとしての酸化剤ガスを供給、排出するための酸化剤ガス流路と、
前記アノード側セパレータの前記膜電極接合体側の主面のうちの、前記膜電極接合体の外側の部分に配置されており、前記反応ガスをシールするためのアノード側ガスケットと、
前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体側の主面のうちの、前記膜電極接合体の外側の部分に前記アノード側ガスケットに対向するように配置されており、前記反応ガスをシールするためのカソード側ガスケットと、
を少なくとも具備しており、
前記アノード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間に流入する前記反応ガス中の水蒸気成分及び前記カソード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に形成されるカソード側隙間に流入する前記反応ガス中の水蒸気成分が、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間のうちの少なくとも一部において凝縮し、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の少なくとも一方が凝縮水により閉塞するように、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータのうちの少なくとも一方における前記冷却流体流路の上流部分が、前記アノード側隙間に対応する領域及び前記カソード側隙間に対応する領域のうちの少なくとも一方を含むように設けられており、かつ、前記冷却流体流路の前記上流部分は、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路のうちの少なくとも一方のガス流路の中流以降の部分に対応する領域を含むように設けられており、
前記冷却流体流路、前記燃料ガス流路、及び、前記酸化剤ガス流路は、前記冷却流体流路の中流部分から下流部分への全体的な流れの進行方向と、前記燃料ガス流路、及び前記酸化剤ガス流路の上流部分から中流部分への全体的な流れの進行方向と、が略一致する並行流となるように形成されていること、
を特徴とする燃料電池を提供する。

ここで、本発明において、（Ｉ）「アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちの少なくとも一方における冷却流体流路の上流部分が、アノード側隙間に対応する領域及びカソード側隙間に対応する領域のうちの少なくとも一方を含むように設けられている」状態とは、冷却流体流路の形成されている方のセパレータの主面の法線方向から冷却流体流路と上記隙間とを同時に見た場合｛セパレータを透視（等倍に透視）して、セパレータ、ＭＥＡ及びガスケットとの間に形成される隙間を同時に見た場合｝、冷却流体流路の上流部分が、アノード側セパレータ中の「アノード側隙間に対応する領域」及びカソード側セパレータ中の「カソード側隙間に対応する領域」のうちの少なくとも一方の領域又は「当該領域の近傍」を少なくとも一部含むように形成されている状態をいう。即ち、上記のようにして見た場合、冷却流体流路の上流部分と、上記領域｛「アノード側隙間に対応する領域」と、「カソード側隙間に対応する領域」、「アノード側隙間に対応する領域の近傍」及び「カソード側隙間に対応する領域の近傍」｝のうちの少なくとも一部とが重なって見えるように形成されている状態をいう。
以下、上述の「アノード側隙間に対応する領域」、「カソード側隙間に対応する領域」、「アノード側隙間に対応する領域の近傍」、「カソード側隙間に対応する領域の近傍」及び「冷却流体流路の上流部分」について説明する。

先ず、アノード側セパレータ中の「アノード側隙間に対応する領域」とは、アノード側セパレータと、当該アノード側セパレータの内側に配置されるＭＥＡと、当該ＭＥＡの周囲に配置されるガスケットとを、アノード側セパレータの主面の法線方向から同時に見た場合｛アノード側セパレータを透視（等倍に透視）して、アノード側セパレータ、ＭＥＡ及びガスケットを同時に見た場合｝、ＭＥＡとガスケットとの間に形成される「アノード側隙間」を示す図形と同一の大きさ及び形状を有する断面を有するアノード側セパレータの領域をいう。

例えば、後述する図１及び図２を用いてより具体的に説明すると、図１及び図２の場合、アノード側セパレータの「アノード側隙間に対応する領域」は、アノード側セパレータ６ａと、当該アノード側セパレータ６ａの内側に配置されるＭＥＡ５と、当該ＭＥＡ５の周囲に配置されるガスケット９ａとを、アノード側セパレータ６ａの主面の法線方向から同時に見た場合｛アノード側セパレータを透視（等倍に透視）して、アノード側セパレータ６ａ、ＭＥＡ５及びガスケット９ａを同時に見た場合｝、ＭＥＡ５とガスケット９ａとの間に形成される「アノード側隙間」１０ａを示す図形（例えば、図２において２本の２点鎖線で示されるリング状の図形Ａ₁）と同一の大きさ及び形状を有する断面を有する筒状の領域Ａ₁をいう。例えば、図２において、アノード側セパレータ６ａ中の領域Ａ₁は、アノード側セパレータ６ａの主面の法線方向から同時に見た場合に、「アノード側隙間」１０ａを示す図形に一致した状態で重なる領域である。

なお、本発明の冷却流体流路は、アノード側隙間に連通しないように形成するものであればよく、図１に示すようにアノード側セパレータ６ａのＭＥＡ５に接しない側の主面に溝として形成してもよく、アノード側セパレータ６ａの内部に形成してもよい。例えば、冷却流体流路をアノード側セパレータの内部に形成する場合には、例えば、図１に示したアノード側セパレータ６ａの場合には、図１に示したアノード側隙間に対応する領域Ａ₁中にアノード側隙間１０ａに連通しないように設ければよい。

また、カソード側セパレータ中の「カソード側隙間に対応する領域」とは、カソード側セパレータと、当該カソード側セパレータの内側に配置されるＭＥＡと、当該ＭＥＡの周囲に配置されるガスケットとを、カソード側セパレータの主面の法線方向から同時に見た場合｛カソード側セパレータを透視（等倍に透視）して、カソード側セパレータ、ＭＥＡ及びガスケットを同時に見た場合｝、ＭＥＡとガスケットとの間に形成される「カソード側隙間」を示す図形と同一の大きさ及び形状となる断面を有するカソード側セパレータの領域をいう。

なお、上述した図１及び図２におけるアノード側隙間に対応する領域Ａ₁に関する説明を図１におけるカソード側セパレータ６ｂに適用すればこのカソード側隙間に対応する領域については容易に理解できるため、更に具体的な説明は省略する。

また、「アノード側隙間に対応する領域の近傍」とは、アノード側隙間に流入する反応ガス中の水蒸気成分を凝縮させ、当該アノード側隙間を凝縮水により閉塞させることが可能な範囲にある、上述の「アノード側隙間に対応する領域」の「周囲の領域」をいう（例えば、後述の図１に示す領域Ａ₂又は領域Ａ₃を参照）。この「周囲の領域」は、上述の「アノード側隙間に対応する領域」の内側の領域であってもよく（例えば、後述の図１に示す領域Ａ₂）、「アノード側隙間に対応する領域」外側の領域であってもよい（例えば、後述の図１に示す領域Ａ₃）。

この「アノード側隙間に対応する領域の近傍」は、アノード側セパレータの熱伝導率（構成材料）、アノード側セパレータの温度、反応ガスの温度及び流速（流量）、冷却流体（冷却水等）の温度及び流速（流量）、並びに発電出力等の燃料電池の運転条件、構成条件等によりその大きさが変わるものである。

したがって、例えば、後述の図１においては、冷却流体流路８ａは、アノード側隙間１０ａに対応する領域Ａ₁の「近傍Ａ₂に位置」しているが、アノード側隙間１０ａに対応する「領域Ａ₁に位置」するように形成されていてもよい。

また、「カソード側隙間に対応する領域の近傍」とは、カソード側隙間に流入する反応ガス中の水蒸気成分を凝縮させ、当該カソード側隙間を凝縮水により閉塞させることが可能な範囲にある、上述の「カソード側隙間に対応する領域」の「周囲の領域」をいう。この「周囲の領域」は、上述の「カソード側隙間に対応する領域」の内側の領域であってもよく、「カソード側隙間に対応する領域」の外側の領域であってもよい。

この「カソード側隙間に対応する領域の近傍」は、カソード側セパレータの熱伝導率（構成材料）、カソード側セパレータの温度、反応ガスの温度及び流速（流量）、冷却流体（冷却水等）の温度及び流速（流量）、並びに発電出力等の燃料電池の運転条件、構成条件等によりその大きさが変わるものである。

また、冷却流体流路の「上流部分」とは、冷却流体流路のうち、式：Ｌ１≦Ｌ２を満たす部分をいう。ここで、上記式中、Ｌ１は冷却流体流路の「上流部分」の流路長を示す。また、上記式中、Ｌ２は、冷却流体流路がアノード側セパレータに形成される場合にはアノード側隙間をガス流路とみなした場合の全流路長を示し、冷却流体流路がカソード側セパレータに形成される場合にはカソード側隙間をガス流路とみなした場合の全流路長を示す。そして、冷却流体流路の「上流部分」は、一端を冷却流体供給用マニホールド孔との接続端とし、他端を上記式：Ｌ１≦Ｌ２を満たす位置までとする間の部分をいう。上記式：Ｌ１≦Ｌ２を満たす冷却流体流路の「上流部分」は温度が低く、アノード側隙間及びカソード側隙間に流入する水分を含んだ反応ガスを十分に冷却することができ、以下に説明する本発明の効果を得ることができることを本発明者らは見出した。

また、本発明において、（ＩＩ）「アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちの少なくとも一方における冷却流体流路の上流部分が、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路のうちの少なくとも一方のガス流路の中流以降の部分に対応する領域を含むように設けられている」状態とは、冷却流体流路の形成されている方のセパレータの主面の法線方向から冷却流体流路と上記隙間とを同時に見た場合｛セパレータを透視（等倍に透視）して、セパレータ、ＭＥＡ及びガスケットとの間に形成される隙間を同時に見た場合｝、先に述べた本発明における「冷却流体流路の上流部分」がアノード側セパレータ中の「燃料ガス流路の中流以降の部分に対応する領域」及びカソード側セパレータ中の「酸化剤ガス流路の中流以降の部分に対応する領域」のうちの少なくとも一方の領域又は「当該領域の近傍」を少なくとも一部含むように形成されている状態をいう。即ち、上記のようにして見た場合、冷却流体流路の上流部分と、上記領域｛「燃料ガス流路の中流以降の部分に対応する領域」、「酸化剤ガス流路の中流以降の部分に対応する領域」、「燃料ガス流路の中流以降の部分に対応する領域の近傍」及び「酸化剤ガス流路の中流以降の部分に対応する領域の近傍」｝のうちの少なくとも一部とが重なって見えるように形成されている状態をいう。

以下、上述の「燃料ガス流路の中流以降の部分に対応する領域」、「酸化剤ガス流路の中流以降の部分に対応する領域」、「燃料ガス流路の中流以降の部分に対応する領域の近傍」、「酸化剤ガス流路の中流以降の部分に対応する領域の近傍」及び「ガス流路の中流以降の部分」について説明する。

先ず、「燃料ガス流路の中流以降の部分」及び「酸化剤ガス流路の中流以降の部分」について両者をあわせて説明する。「ガス流路の中流以降の部分」とは、ガス流路のうち、式：Ｌ３≦｛（２／３）×Ｌ４｝を満たす部分をいう。ここで、上記式中、Ｌ３はガス流路の「中流以降の部分」の流路長を示す。また、Ｌ４は、ガス流路（燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路）の全流路長を示す。そして、ガス流路の「中流以降の部分」は、一端を反応ガス排出用マニホールド孔との接続端とし、他端を上記式Ｌ３≦｛（２／３）×Ｌ４｝を満たす位置までとする間の部分をいう。ガス流路（燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路）は、一端を反応ガス供給用マニホールド孔との接続端とし、他端を反応ガス排出用マニホールド孔との接続端までとする部分をいう。

上流部分に含まれる反応成分｛燃料成分（還元剤成分）、酸化剤成分｝の多い反応ガスに比較して、上述のＬ３≦｛（２／３）×Ｌ４｝を満たすガス流路の「中流以降の部分」に含まれる反応ガスは、反応成分の減少や反応生成水の発生等にともない水分の含有率が大きくなる。そのため、上述のＬ３≦｛（２／３）×Ｌ４｝を満たすガス流路の「中流以降の部分」に含まれる反応ガスがアノード側隙間やカソード側隙間に流入しやすい上述の（ＩＩ）の構成とすることにより、以下に説明する本発明の効果を得ることができることを本発明者らは見出した。

なお、本発明の効果をより確実に得る観点から、「ガス流路の中流以降の部分」は式：Ｌ３≦｛（１／２）×Ｌ４｝を満たす、より下流側の部分であることが好ましく、式：Ｌ３≦｛（１／３）×Ｌ４｝を満たす、更に下流側の部分であることがより好ましい。

次に、アノード側セパレータ中の「燃料ガス流路の中流以降の部分に対応する領域」とは、アノード側セパレータの主面の法線方向から見た場合、先に述べた本発明における「燃料ガス流路の中流以降の部分」を示す図形と同一の大きさ及び形状を有する断面を有するアノード側セパレータの領域をいう。

カソード側セパレータ中の「酸化剤ガス流路の中流以降の部分に対応する領域」とは、カソード側セパレータの主面の法線方向から見た場合、先に述べた本発明における「酸化剤ガス流路の中流以降の部分」を示す図形と同一の大きさ及び形状を有する断面を有するカソード側セパレータの領域をいう。

アノード側セパレータ中の「燃料ガス流路の中流以降の部分に対応する領域の近傍」とは、燃料ガス流路からアノード側隙間に流入する反応ガス中の水蒸気成分を凝縮させ、当該アノード側隙間を凝縮水により閉塞させることが可能な範囲にある、上述の「燃料ガス流路の中流以降の部分に対応する領域」の「周囲の領域」をいう。この「周囲の領域」は、上述の「燃料ガス流路の中流以降の部分に対応する領域」の内側の領域であってもよく、「燃料ガス流路の中流以降の部分に対応する領域」の外側の領域であってもよい。

この「燃料ガス流路の中流以降の部分に対応する領域の近傍」は、アノード側セパレータの熱伝導率（構成材料）、アノード側セパレータの温度、反応ガスの温度及び流速（流量）、冷却流体（冷却水等）の温度及び流速（流量）、並びに発電出力等の燃料電池の運転条件、構成条件等によりその大きさが変わるものである。

カソード側セパレータ中の「酸化剤ガス流路の中流以降の部分に対応する領域の近傍」とは、酸化剤ガス流路からカソード側隙間に流入する反応ガス中の水蒸気成分を凝縮させ、当該カソード側隙間を凝縮水により閉塞させることが可能な範囲にある、上述の「酸化剤ガス流路の中流以降の部分に対応する領域」の「周囲の領域」をいう。この「周囲の領域」は、上述の「酸化剤ガス流路の中流以降の部分に対応する領域」の内側の領域であってもよく、「酸化剤ガス流路の中流以降の部分に対応する領域」の外側の領域であってもよい。

この「酸化剤ガス流路の中流以降の部分に対応する領域の近傍」は、カソード側セパレータの熱伝導率（構成材料）、カソード側セパレータの温度、反応ガスの温度及び流速（流量）、冷却流体（冷却水等）の温度及び流速（流量）、並びに発電出力等の燃料電池の運転条件、構成条件等によりその大きさが変わるものである。

ここで、先に述べた従来の燃料電池におけるガス流路は、ガス漏れを防ぐ観点から、セパレータの上述の「アノード隙間に対応する領域」及び「カソード側隙間に対応する領域」を外れた部分に形成されていた。しかし、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、このようにセパレータの「隙間に対応する領域」を外れた部分にガス流路を形成しても、隙間を通じたガス漏れが起こっており、これにより発電効率が低下していることを見出した。そして、本発明者らは鋭意検討の結果、この「ガス漏れ」を逆に積極的に利用し、セパレータにおける「冷却流体流路の上流部分」を先に述べた（Ｉ）及び（ＩＩ）の状態となるように設けて、ガスケットと膜電極接合体との間に形成される隙間（アノード側隙間、カソード側隙間）に流入する反応ガス中の水蒸気成分を、この隙間の少なくとも一部において凝縮させ、かつこの隙間の少なくとも一方を凝縮水により閉塞させることが、上記目的を達成する上で極めて有効であることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。

即ち、本発明では、燃料電池中に、ガスケットと膜電極接合体との間に形成される隙間（アノード側隙間、カソード側隙間）と、温度の比較的低い冷却流体が流れる部分である冷却流体流路の「上流部分」と、水分の含有率が比較的大きなガス流路（燃料ガス流路、酸化剤ガス流路）の「中流以降の部分」との３者が、先に述べた（Ｉ）及び（ＩＩ）の状態となるように互いに近接して配置される部分を設けることにより、隙間の少なくとも一方を凝縮水により閉塞させることができ、従来の燃料電池よりも反応ガスを有効利用することができる。

更に、本発明においては、冷却流体流路、燃料ガス流路、及び、酸化剤ガス流路は、冷却流体流路の中流部分から下流部分への全体的な流れの進行方向と、燃料ガス流路、及び酸化剤ガス流路の上流部分から中流部分への全体的な流れの進行方向と、略一致する並行流となるように形成されている。
この場合、冷却流体流路、燃料ガス流路、及び、酸化剤ガス流路は、それぞれ、セパレータの主面の一端から他端の方向に伸びる長い流路と、他端に達した長い流路を再び折り返して反対端に伸ばすための曲線状の流路を含む短い流路と、を有していることがこのましい。更に、冷却流体流路、燃料ガス流路、及び、酸化剤ガス流路は、長い流路同士が互いに略平行となるように設けられている（図２〜図８、図１１〜図１７、図２１〜図２６参照）ことが好ましい。
上記の好ましい構成により、冷却流体流路、燃料ガス流路、及び、酸化剤ガス流路の本数が一致する場合であっても異なる場合であっても、少なくとも１つのＭＥＡについて、セパレータの主面に平行な面で見た場合の冷却流体流路の中流部分から下流部分への全体的な流れ方向（進行方向）と、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の上流部分から中流部分への全体的な流れ方向（進行方向）とを極めて容易に略一致させて両者を並行流とすることができるようになる。

その結果、反応ガスの流れにおいて水蒸気量の多い中流部分に、冷却流体の流れにおいて温度の高い下流部分が対応するようになるので、反応ガスの流れの中流部分以降の部分において飽和水蒸気圧（Ｐ⁰ _H2O）が上昇し、過剰な凝縮水の生成が低減されるようになる。そのため、電極面の含水状態が良好に保つことができ、ガス拡散電極の触媒層におけるフラッディングの発生をより確実に抑制することができる。また、この場合、反応ガスの流れの上流側において、飽和水蒸気圧（Ｐ⁰ _H2O）を低くし、高分子電解質膜の乾燥をより確実に防止することができる。更に、この場合、反応ガスの流れにおいて反応物の濃度が大きく反応熱の大きい上流部分に、冷却流体の流れにおいて温度の低い上流部分が対応するため、ガス拡散電極の主面の局所間における温度分布のバラツキを十分に低減できて、燃料電池をより効率的に冷却することができるようになる。

本発明においては、限られた大きさのセパレータの主面を有効に利用するため、冷却流体流路、燃料ガス流路、及び、酸化剤ガス流路は、それぞれ、セパレータの主面の一端から他端の方向に伸びる「長い流路」と、上記他端に達した上記長い流路を再び折り返して反対の端にのばすための曲線状の流路の部分を含む「短い流路」とから構成することが好ましい。限られた大きさのセパレータの主面を有効に利用する観点から、特に、本発明においては、後述の実施形態で説明するように、冷却流体流路、燃料ガス流路、及び、酸化剤ガス流路は、それぞれ、セパレータの主面の一端から他端の方向に伸びる直線状の流路（長い流路）と曲線状の流路の部分を含むターン部（短い流路）を有するサーペンタイン型構造を有する流路であることが好ましい。

そして、「冷却流体流路、燃料ガス流路、及び、酸化剤ガス流路の長い流路同士が互いに略平行」とは３種類（冷却流体流路、燃料ガス流路、及び、酸化剤ガス流路）の流路の上記「長い流路」同士が「設計の制約上不可能な領域」を除いて幾何学的に略平行な関係にあることをいう。「略平行」とは、製造条件の制約上、幾何学的に厳密な平行となる状態を実現することは困難であるため、設計上、平行となることを意図して製造する際に、ＭＥＡ、これをはさんで互いに対向配置される一対のセパレータの位置合せ時の位置ずれ（組立公差）などの幾何学的に厳密な平行となる状態からわずかにずれた状態を含んでいてもよいということである。互いに略平行な関係にある流路中を流れる流体（冷却流体、反応ガス）の流れの進行方向は、互いに並んで並走する状態（以下、必要に応じて「並行流」という）であってもよく、上記並走する状態とは逆の状態（以下、必要に応じて対向流という）であってもよい。上記対向流の関係にある部分が含まれていても、セパレータの主面に平行な面で見た場合の冷却流体流路の上流から下流への全体的な流れ方向（進行方向）と、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）上流から下流への全体的な流れ方向（進行方向）とが略一致していれば、先に述べたフラッディングの抑制、高分子電解質膜の乾燥の防止、燃料電池の効率的な冷却の効果を得ることができる（例えば、図７及び図８を参照）。
セパレータの「設計の制約上不可能な領域」とは、設計上、以下の（α）、（β）、（γ）の制約のために、当該（α）、（β）、（γ）の部分で、３種類（冷却流体流路、燃料ガス流路、及び、酸化剤ガス流路）の流路の上記「長い流路」同士を略平行な状態とすることができない領域をいう。
（α）３種類（冷却流体流路、燃料ガス流路、及び、酸化剤ガス流路）の流路を独立して設けるために、設計上、反応ガスの供給用マニホールド孔および排出用マニホールド孔、並びに、冷却流体の供給用マニホールド孔および排出用マニホールド孔をセパレータ板の異なる位置に設けなければならない。そのため、各マニホールド孔と各流路との接続部分が異なる位置に設けられることになるから、この部分では、同一のセパレータにおいて、反応ガスの流れ方向と冷却流体の流れ方向とを完全に一致させることは不可能であり、この部分では、３種類の流路の「長い流路」同士が上述の略平行な状態とならなくなる。これは、いわゆる外部マニホールド型セパレータでもいわゆる内部マニホールド型セパレータでも不可能である。
（β）セパレータの一方の主面に形成されるガス流路と、その裏の主面（又は内部）に形成される冷却流体流路とにおいて、「長い流路」の本数や、「短い流路」の本数などの条件が完全に一致しない場合がある。この場合、例えば、セパレータの主面の法線方向からみた場合、反応ガス流路の「長い流路」の一部と冷却流体流路の「短い流路」の一部とが重なって見える部分ができる。この部分でも３種類の流路の「長い流路」同士が上述の略平行な状態とならなくなる。
（γ）ガスケットと膜電極接合体との間に形成される隙間（アノード側隙間、カソード側隙間）と、温度の比較的低い冷却流体が流れる部分である冷却流体流路の「上流部分」と、水分の含有率が比較的大きなガス流路（燃料ガス流路、酸化剤ガス流路）の「中流以降の部分」との３者が、先に述べた（Ｉ）及び（ＩＩ）の状態となるように互いに近接して配置される部分を形成するため、この部分でも３種類の流路の「長い流路」同士が上述の略平行な状態とならなくなる（例えば、図３における燃料ガス流路７７ａ中の下流側の長い流路７７ｃと、図３中の他の長い流路及び図２における冷却流体流路８ａ中の上流側の長い流路７７ａ１〜７７ａ５のとの関係）。

以上説明したように、本発明の構成を有していれば、例えば燃料電池の運転条件やガス流路の幾何学的条件｛ガス流路の断面（ガスの流れ方向に略垂直な断面）形状、ガス流路の断面の周囲長、ガス流路の溝幅（セパレータの各リブ間の距離）、ガス流路の溝深さ（セパレータの各リブの高さ）、ガス流路の長さ（ガス流路の、反応ガス供給用マニホールド孔に接続された一端から反応ガス排出用マニホールド孔に接続された他端までの長さ）｝等のうちの少なくとも１つを調整することにより、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットとアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することができる。

即ち、例えば、（ｉ）入口での反応ガス（即ち燃料ガス供給用マニホールド孔における燃料ガス及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔における酸化剤ガス）の水蒸気圧（Ｐ_H2O）、（ｉｉ）冷却流体の温度及び流量並びに（ｉｉｉ）反応ガスの利用率等、更には、（ｉｖ）ガス流路の幾何学的条件及びガス流路における圧力損失（入口圧力値と出口圧力値との差）、並びに（ｖ）燃料電池の出力等の燃料電池の運転条件やガス流路の幾何学的条件等を適宜調整することによって、従来の燃料電池よりも容易かつ確実に本発明の効果を得ることができる。

より具体的には、発電によって水蒸気をより多く含む反応ガスが、アノード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるカソード側隙間のうちの一方に流れて回り込んだとしても、反応ガス中に含まれる水蒸気成分が、アノード側隙間及びカソード側隙間に対応する領域に位置する冷却流体流路の上流部分によってより効果的に冷却され、上記隙間の少なくとも一部において凝縮し、上記隙間が凝縮水により閉塞する。その結果、閉塞後に反応ガスが上記隙間を流れて回り込むことがなく、上記反応ガスをアノード又はカソード面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することができる。

更に、上記反応ガスが、上記アノード側隙間及び上記カソード側隙間の両方に流れて回り込んだとしても、反応ガス中に含まれる水蒸気成分が、アノード側隙間及びカソード側隙間に対応する領域に位置する冷却流体流路の上流部分によってより効果的に冷却され、上記隙間の少なくとも一部において凝縮し、上記隙間が凝縮水により閉塞するため、閉塞後に反応ガスが上記隙間を流れて回り込むことがなく、上記反応ガスをアノード及びカソード面内の両方に確実に供給することができる。従って、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することができる。

なお、本明細書における「反応ガス」には、燃料ガス及び酸化剤ガスはもとより、当該燃料ガス及び酸化剤ガスが、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含む場合も含まれる。

また、本発明は、複数の燃料電池が積層された構成を有する燃料電池スタックであって、燃料電池として先に述べた本発明の燃料電池が少なくとも一つ搭載されていること、を特徴とする燃料電池スタックを提供する。

本発明の燃料電池スタックによれば、先に述べた本発明の燃料電池を搭載しているので、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能となる。

本発明によれば、発電により水蒸気をより多く含む反応ガスが、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間のうちのいずれかに流れ込み、反応ガス中に含まれる水蒸気成分が、アノード側隙間及びカソード側隙間に対応する領域に位置する冷却流体流路の上流部分によって効果的に冷却されることから、上記隙間の少なくとも一部において凝縮し、上記隙間が凝縮水により閉塞する。
この結果、反応ガスが上記隙間を流れることがなく、上記反応ガスをアノード及びカソード面内に確実に供給することができ、上記反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。

更に、本発明によれば、膜電極接合体とガスケットとの間に形成される隙間の相対湿度を上げる構造のガス流路を設けたセパレータを用いるため、反応ガスが、アノード及びカソードを通ることなく上記隙間を通って反応ガス供給側マニホールド孔から反応ガス排出用マニホールド孔へ流れ出ることを抑制し、上記反応ガスをすべて発電に利用でき、高い発電効率を得ることができる燃料電池を提供することができる。

また、本発明によれば、本発明の燃料電池を搭載し、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能となる燃料電池スタックを提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一又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こともある。

［第１実施形態］
図１は、本発明の高分子電解質形燃料電池の第１実施形態の基本構成を示す要部概略断面図である。図２は、図１に示した燃料電池１０のアノード側セパレータ６ａの主面を冷却流体流路８ａ側から見た場合の正面図である。図３は、図１に示した燃料電池１０のアノード側セパレータ６ａの主面をガス流路７ａ側から見た場合の正面図である。図４は、図１に示した燃料電池１０のカソード側セパレータ６ｂの主面をガス流路７ｂ側から見た場合の正面図である。図５は、図１に示した燃料電池１０のカソード側セパレータ６ｂの主面を冷却流体流路８ｂ側から見た場合の正面図である。
図６は、図１におけるＸ−Ｘで切断した場合における燃料電池１０の断面を示す（アノードセパレータ６ａを取り除き、膜電極接合体５のアノード４ａの主面の法線方向から燃料電池１０を見た場合の正面図を示す）。図７は、図１に示した燃料電池１０のアノード側セパレータ６ａの主面を冷却流体流路８ａ側から見た場合の正面図である。図８は、図１に示した燃料電池１０のアノード側セパレータ６ａの主面をガス流路７ａ側から見た場合の正面図である。図９は、図２におけるＹ−Ｙ線で切断した場合における燃料電池１０の断面を示す概略断面図である。図１０は、図１に示した燃料電池１０を複数備える燃料電池スタック（本発明の燃料電池スタックの第１実施形態）の基本構成を示す要部概略断面図である。

図１に示す第１実施形態の燃料電池１０は、主として膜電極接合体５（以下、必要に応じて「ＭＥＡ５」という）と、膜電極接合体５を挟持する一対の板状のセパレータ（即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂ）と、膜電極接合体５のアノード４ａの周囲に配置されるアノード側ガスケット９ａと、膜電極接合体５のカソード４ｂの周囲に配置されるカソード側ガスケット９ｂと、を含む構成の単電池を少なくとも１つ含む構成を有している。

図１に示すように、膜電極接合体５は、主として、アノード４ａ及びカソード４ｂの間に陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質膜１が配置された構成を有している。

高分子電解質膜１は、固体電解質であり、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性を有する。発電中の膜電極接合体９では、アノード４ａで生成する水素イオンは、この高分子電解質膜１中をカソード４ｂに向けて移動する。

高分子電解質膜１としては、特に限定されるものではなく、通常の固体高分子形燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（例えば、米国DuPont社製のNafion（商品名）、旭硝子（株）製のFlemion（商品名）およびAciplex（商品名）、ジャパンゴアテックス（株）製のＧＳIIなど）を使用することができる。

高分子電解質膜１の陽イオン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、及びスルホンイミド基を有するものが好ましくあげられる。プロトン伝導性の観点から、高分子電解質膜１はスルホン酸基を有するものが特に好ましい。
スルホン酸基を有する高分子電解質膜を構成する樹脂としては、イオン交換容量が０．５〜１．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂であることが好ましい。高分子電解質膜のイオン交換容量が０．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂以上であると、発電時における高分子電解質膜の抵抗値の上昇をより十分に低減できるので好ましく、イオン交換容量が１．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂以下であると、高分子電解質膜の含水率を適当に保ちつつ、触媒層中の良好なガス拡散特性を十分に確保しやすいため好ましい。以上と同様の観点から、イオン交換容量は０．８〜１．２ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂が特に好ましい。

高分子電解質としては、ＣＦ₂＝ＣＦ−(ＯＣＦ₂ＣＦＸ)m−Ｏp−(ＣＦ₂)n−ＳＯ₃Ｈで表されるパーフルオロビニル化合物（ｍは０〜３の整数を示し、ｎは１〜１２の整数を示し、ｐは０又は１を示し、Ｘはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。）に基づく重合単位と、テトラフルオロエチレンに基づく重合単位とを含む共重合体であることが好ましい。

上記フルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式（１）〜（３）で表される化
合物が挙げられる。ただし、下記式中、ｑは１〜８の整数、ｒは１〜８の整数、ｔは１〜
３の整数を示す。

ＣＦ₂＝ＣＦＯ（ＣＦ₂）q−ＳＯ₃Ｈ ・・・（１）
ＣＦ₂＝ＣＦＯＣＦ₂ＣＦ（ＣＦ₃）Ｏ（ＣＦ₂）r−ＳＯ₃Ｈ ・・・（２）
ＣＦ₂＝ＣＦ（ＯＣＦ₂ＣＦ（ＣＦ₃））tＯ（ＣＦ₂）₂−ＳＯ₃Ｈ ・・・（３）

また、高分子電解質膜１は、一種又は複数種の高分子電解質で構成されていてもよい。

高分子電解質膜１は、十分な機械的強度を確保する観点から、内部に水素イオン伝導を確保できる状態で配置される補強体（充填材）を含んでいてもよい。このような補強体を構成する材料としては、例えばポリテトラフルオルエチレン又はポリフルオロアルコキシエチレンが挙げられる。上記補強体としては、その内部に高分子電解質（水素イオン伝導性を有するもの）を充填可能な孔を有する多孔体又はフィブリル状の繊維からなるものなどが挙げられる。

なお、フィブリル状の繊維とは、表面に存在するフィブリル（小繊維）が毛羽立ちささくれた状態（フィブリル化した状態）となっている繊維をいい、各フィブリルの間に微細な空気溝(孔)が形成されている繊維をいう。例えば、セルロース系繊維はすべて、フィブリルが多数集まった束であり、各フィブリルの間には微細な空気溝(孔)がある。

図１に示すように、カソード４ｂは、主として、高分子電解質膜１の主面上に配置されている触媒層２ｂ（カソード触媒層２ｂ）と、更に触媒層２ｂの外側に配置されているガス拡散層３ｂ（カソード拡散層３ｂ）と、から構成されている。

触媒層２ｂの構成は、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の燃料電池に搭載されているガス拡散電極の触媒層と同様の構成を有していても良い。例えば、カソード触媒層２ｂの構成としては、電極触媒が担持された導電性炭素粒子と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質とを含む構成を有していてもよく、更に、ポリテトラフルオロエチレンなどの撥水材料を含む構成を有していてもよい。尚、高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜１の構成材料と同種のものを使用してもよく異なる種類のものを使用してもよい。高分子電解質としては、高分子電解質膜１の構成材料として記載したものを使用することができる。

上記のカソード電極触媒は、金属粒子（例えば貴金属からなる金属粒子）からなり、導電性炭素粒子（粉末）に担持されて用いられる。当該金属粒子は、特に限定されず種々の金属を使用することができるが、電極反応活性の観点ら、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛およびスズからなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。

また、電極触媒の粒子は平均粒径１〜５ｎｍであることがより好ましい。平均粒径１ｎｍ以上の電極触媒は工業的に調製が容易であるため好ましく、また、５ｎｍ以下であると、電極触媒質量あたりの活性をより十分に確保しやすくなるため、燃料電池のコストダウンにつながり好ましい。

上記の導電性炭素粒子は比表面積が５０〜１５００ｍ²／ｇであることが好ましい。比表面積が５０ｍ²／ｇ以上であると、電極触媒の担持率を上げることが容易であり、得られたカソード触媒層２ｂの出力特性をより十分に確保できることから好ましく、比表面積が１５００ｍ²／ｇ以下であると、十分な大きさの細孔をより容易に確保できるようになりかつ高分子電解質による被覆がより容易となり、カソード触媒層２ｂの出力特性をより十分に確保できることから好ましい。上記と同様の観点から、比表面積は２００〜９００ｍ²／ｇが特に好ましい。

また、導電性炭素粒子は、その平均粒径が０．１〜１．０μｍであることが好ましい。０．１μｍ以上であると、カソード触媒層２ｂ中のガス拡散性をより十分に確保し易くなり、フラッディングをより確実に防止できるようになるため好ましい。また、導電性炭素粒子の平均粒径が１．０μｍ以下であると、高分子電解質による電極触媒の被覆状態をより容易に良好な状態とし易くなり、高分子電解質による電極触媒の被覆面積をより十分に確保し易くなるため、十分な電極性能をより確保し易くなり好ましい。

ガス拡散層３ｂとしては、ガス透過性を持たせるために、高表面積のカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いてもよい。また、十分な排水性を得る観点から、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをガス拡散層３ｂの中に分散させてもよい。さらに、十分な電子伝導性を得る観点から、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料でガス拡散層３ｂを構成してもよい。

図１に示すように、アノード４ａは、主として、高分子電解質膜１の主面上に配置されている触媒層２ａ（アノード触媒層２ａ）と、更に触媒層２ａの外側に配置されているガス拡散層３ａ（アノードガス拡散層３ａ）と、から構成されている。
触媒層２ａは、電極触媒をカーボン粉末に担持させて得られる触媒担持カーボンと、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを含む構成を有している。アノード電極触媒としては特に限定されず、公知の高分子電解質形燃料電池のアノードに使用される電極触媒を使用することができる。例えば、Ｐｔ構成元素として含む金属微粒子を用いてもよく、一酸化炭素に対する良好な耐久性を持たせるため、Ｐｔ及びＲｕを構成元素として含む金属微粒子を用いてもよい。

ガス拡散層３ａの構成は、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の燃料電池に搭載されているガス拡散電極のガス拡散層と同様の構成を有していてもよい。例えば、先に述べたガス拡散層３ｂ（カソードガス拡散層３ｂ）と同一の構成を有していても良い。また、ガス拡散層３ａの構成及びガス拡散層３ｂの構成は、同一であってもよく、異なっていてもよい。

図１、図６及び図９に示すように、ＭＥＡ５は、ガス漏れを防止するためのアノード側ガスケット９ａ、カソード側ガスケット９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１の主面の大きさが、アノード４ａ及びカソード４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１の全外縁部（図１中のＰで示す領域）がアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁端部よりも外側に突出する構成を有している。なお、図６に示すアノード側ガスケット９ａとアノード４ａ（ガス拡散層３ａ及び触媒層２ａ）との間のアノード側隙間１０ａの奥には図示しない高分子電解質膜１（の主面）が存在している。また、なお、本明細書においては、上述したように、これらのアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁端部よりも外側に突出した高分子電解質膜１の外縁部Ｐを「はみ出し部」ともいう。

以下、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂについて説明する。アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ５を機械的に固定するとともに、複数の単電池を積層して用いる場合、隣接するＭＥＡ５同士を互いに電気的に直列に接続するものである。

アノード４ａには、これに反応ガス（燃料ガス）を供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ５の外部に運び去るためのガス流路７ａが一方の面（即ちアノード側セパレータ６ａのＭＥＡ５に接する側の主面）に形成されている。
カソード４ｂには、反応ガス（酸化剤ガス）を供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ５の外部に運び去るためのガス流路７ｂが一方の面（即ちカソード側セパレータ６ｂのＭＥＡ５に接する側の主面）に形成されている。

また、アノード側セパレータ６ａのガス流路７ａの形成されている主面と反対側の主面には、発電中の電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路８ａが形成されている。また、カソード側セパレータ６ｂのガス流路７ｂの形成されている主面と反対側の主面には、発電中の電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池１０と外部に配置した熱交換器（図示せず）との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。

製造工程を簡素化できる等の利点から、ガス流路７ａは、アノード側セパレータ６ａのＭＥＡ５に接する側の主面に溝を設けることにより形成されている。また、上記と同様の利点から、冷却流体流路８ａも、アノード側セパレータ６ａのガス流路７ａの形成されている主面と反対側の主面に溝を設けることにより形成されている。更に、上記と同様の利点から、ガス流路７ｂも、カソード側セパレータ６ｂのＭＥＡ５に接する側の主面に溝を設けることにより形成されている。また、上記と同様の利点から、冷却流体流路８ｂも、カソード側セパレータ６ｂのガス流路７ｂの形成されている主面と反対側の主面に溝を設けることにより形成されている。
なお、第１実施形態の燃料電池１０の場合、図５に示すように、カソード側セパレータ６ｂの冷却流体流路８ｂの形状は、図２に示すアノード側セパレータ６ａを冷却流体流路８ａと同じである。

１つの燃料電池１０が出力できる電圧値は限られるため（理論上、還元剤に水素ガス、酸化剤に酸素を用いた場合には約１．２３Ｖ）、使用環境に応じて所望の出力電圧を得る観点から、燃料電池１０は、図１０に示す燃料電池スタック３０を構成する単電池として用いられる。特に図１０に示す燃料電池スタック３０の場合、これを構成する全ての燃料電池が図１〜図９に示す燃料電池１０となっている。

図１０に示すように、燃料電池スタック３０は、複数のＭＥＡ５間にアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを介在させ、複数のＭＥＡ５を電気的に直列に積層して得られる。この場合、燃料電池スタック３０を構成するには、外部のガスライン（図示せず）を通じて燃料電池スタック３０に供給される反応ガスをさらに分岐して各ＭＥＡ５に供給するためのマニホールド、各ＭＥＡ５から排出さられるガスをまとめて燃料電池スタック３０の外部に排出するためのマニホールド、外部の冷却流体ライン（図示せず）を通じて燃料電池スタック３０に供給される冷却流体を必要な数に分岐させてアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂのうちの少なくとも１つに供給するためのマニホールドが必要となる。

そのため、図２、図３、図４及び図５に示すように、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、燃料ガス供給用マニホールド孔１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、冷却流体供給用マニホールド孔１６、冷却流体排出用マニホールド孔１７、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている。

また、各燃料電池１０のアノード側セパレータ６ａにおいて、冷却流体流路８ａの一端は冷却流体供給用マニホールド孔１６に接続され他端が冷却流体排出用マニホールド孔１７に接続されている。更に、各燃料電池のアノード側セパレータ６ａにおいて、ガス流路７ａの一端は燃料ガス供給用マニホールド孔１４に接続され他端が燃料ガス排出用マニホールド孔１５に接続されている。また、各燃料電池１０のカソード側セパレータ６ｂにおいて、冷却流体流路８ｂの一端は冷却流体供給用マニホールド孔１６に接続され他端が冷却流体排出用マニホールド孔１７に接続されている。更に、各燃料電池のカソード側セパレータ６ｂにおいて、ガス流路７ｂの一端は酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８に接続され他端が酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９に接続されている。
即ち、本実施形態の燃料電池１０はセパレータ中にマニホールドを有するいわゆる「内部マニホールド型」の構成を有している。

そして、この燃料電池１０の場合、図２及び図３に示すように、先に述べた本発明の効果を得るために、アノード側セパレータ６ａについて以下の構成が採用されている。すなわち、アノード側セパレータ６ａでは、アノード側ガスケット９ａとＭＥＡ５との間に形成されるアノード側隙間１０ａと、冷却流体流路８ａの「上流部分」と、燃料ガス流路７ａ「中流以降の部分」（この燃料電池１０では特に下流以降の部分）との３者が、先に述べた（Ｉ）及び（ＩＩ）の状態となるように互いに近接して配置される部分が設けられている。これにより、アノード側隙間１０ａを凝縮水により閉塞させることができるので、従来の燃料電池よりも反応ガスを有効利用することができる。

ここで、燃料電池スタック３０においては、これを構成する燃料電池１０のアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの複数の燃料ガス供給用マニホールド孔１４が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス供給用マニホールド（図示せず）が形成されている。また、燃料電池スタック３０においては、これを構成する燃料電池１０のアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの複数の燃料ガス排出用マニホールド孔１５が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス排出用マニホールド（図示せず）が形成されている。さらに、燃料電池スタック３０においては、冷却流体供給用マニホールド孔１６、冷却流体排出用マニホールド孔１７、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９についても、上述の燃料ガス供給用マニホールドと同様に、複数のマニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされてマニホールド（図示せず）が形成されている。

また、図６は、図１におけるＸ−Ｘ線断面を示す図（即ち、図１の燃料電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、ＭＥＡ５の主面の法線方向から見た場合の正面図である。図１及び図６に示すように、本発明の燃料電池１０においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード４ａ側への漏れ、ＭＥＡ５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの間において、ＭＥＡ５の外縁部（アノード４ａ及びカソード４ｂの外部であって高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐ）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂが配置されている。

これらのアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂは、例えば断面形状が略矩形の連続環状体の構造（リング状の構造）を有しており、先に述べた高分子電解質膜１の全てのはみ出し部Ｐを挟み込んでいる。そして、アノード側セパレータ６ａ、高分子電解質膜１及びアノード側ガスケット９ａにより、アノード４ａを包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ６ｂ、高分子電解質膜１及びカソード側ガスケット９ｂにより、カソード４ｂを包み込むまた別の閉空間が形成される。これらの閉空間によって、アノード４ａ及びカソード４ｂに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。

なお、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂの構成材料としては優れたガスシール性を有していれば特に限定されず、公知の高分子電解質形燃料電池のガスケットに使用されているものを使用することができる。例えば、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂは、Ｏリング、ゴム状シート（フッ素ゴムからなるシート等）、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート、フッ素系の合成樹脂シート等を用いて従来公知の方法によって作製することができる。

しかしながら、上述のように、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂを上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと、アノード４ａ及びカソード４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難である。従って、図１に示すように、それぞれアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂとアノード４ａ及びカソード４ｂとの間に隙間（即ち、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂ）が形成され易い。

即ち、燃料電池１０の場合、高分子電解質膜１、アノード側ガスケット９ａ、アノード側セパレータ６ａ及びアノード４ａの端面を含んで画成される空間からなるアノード側隙間１０ａが形成されている。また、燃料電池１０の場合、高分子電解質膜１、カソード側ガスケット９ｂ、カソード側セパレータ６ｂ及びカソード４ｂの端面を含んで画成される空間からなるカソード側隙間１０ｂが形成されている。

このようなアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂが形成されると、反応ガス（の一部）がガス流路７ａ及びガス流路７ｂを流れずにアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに漏れて回り込む場合があり、また、反応ガスの一部がアノード４ａ及びカソード４ｂの内部を流れずに当該アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂ内を進行してＭＥＡ５の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが困難になるという問題があるところ、従来の技術ではこのような問題を充分に解決することはできなかった。

そこで、図１、図２および図３に示すように、燃料電池１０においては、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間１０ａの少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞するように、アノード側セパレータ６ａにおける冷却流体流路８ａの上流部分が、アノード側隙間１０ａに対応する領域に設けられており、かつ、燃料ガス流路７ａの中流以降の部分に対応する領域を含むように設けられている。

なお、図２において、「アノード側隙間１０ａに対応する領域」は、図２中一点鎖線で示されている領域Ａ₁と、領域Ａ₁の周囲の領域Ａ₂（領域Ａ₁の内側）及び領域Ａ₃（領域Ａ₁の外側）とをあわせた領域である。燃料電池１０の場合、図１及び図２に示すように冷却流体流路８ａの上流部分は、「アノード側隙間１０ａに対応する領域」のうちの領域Ａ₂にその一部が位置するように形成されている。また、図１及び図２に示すようにアノード側セパレータ６ａのガス流路７ａの中流以降の部分は、図１中の領域Ｂ₂にその一部が位置するように形成されている。この領域Ｂ₂も「アノード側隙間１０ａに対応する領域」の一部であり、ＭＥＡ５の主面の法線方向から見た場合には、領域Ａ₂に重なり合う領域である。ここで、先にも述べたように、この「アノード側隙間１０ａに対応する領域」は、アノード側セパレータ６ａの熱伝導率（構成材料）、アノード側セパレータ６ａの温度、反応ガスの温度及び流速（流量）、冷却流体（冷却水等）の温度及び流速（流量）、並びに発電出力等の燃料電池の運転条件、構成条件等によりその大きさが変わるものである。

特に、アノード側隙間１０ａの場合では、図２に示す冷却流体流路８ａの上流部分のうちでも温度のより低い冷却流体供給用マニホールド孔１６に近い領域２０と、図３に示すガス流路７ａの中流以降の部分のうちでも水分の含有率が大きな燃料ガス排出用マニホールド孔１５に近い領域２１とがアノード側隙間１０ａに対応する領域の一部と近接して配置されている。これにより、アノード側隙間１０ａを凝縮水により閉塞させることができるので、従来の燃料電池よりも反応ガスを有効利用することができる。

なお、図１０に示すように、燃料電池スタック３０の場合、カソード側セパレータ６ｂの冷却流体流路８ｂの形状は、図２に示すアノード側セパレータ６ａを冷却流体流路８ａと同じであり、２つのＭＥＡ５の間に配置されるアノード側セパレータ６ａの冷却流体流路８ａとカソード側セパレータ６ｂの冷却流体流路８ｂは全域にわたり結合して冷却流体流路８ｃを構成する。より詳しくは、冷却流体流路８ａと冷却流体流路８ｂとは、アノード側セパレータ６ａとカソード側セパレータ６ｂとの接触面において互いに鏡像の関係にある。図１０に示す各冷却流体流路８ｂはこれらが隣接する各アノード側セパレータ６ａに対して上述の冷却流体流路８ａと同様の効果を発揮する。

なお、図１０に示す燃料電池スタック３０の場合、末端に配置される燃料電池１０の外側にはエンドセパレータ６Ｃが配置される。図１０に示すように、末端に配置される燃料電池１０の外側のセパレータがカソード側セパレータ６ｂの場合には、更にその外側に配置されるエンドセパレータ６Ｃの内面には、カソード側セパレータ６ｂの冷却流体流路８ｂと全域にわたり結合して冷却流体流路８ｅを画成する冷却流体流路８ｄが形成されている。より詳しくは、冷却流体流路８ｂと冷却流体流路８ｄとは、カソード側セパレータ６ｂとエンドセパレータ６Ｃとの接触面において互いに鏡像の関係にある。

エンドセパレータ６Ｃを配置することにより、末端に配置される燃料電池１０の外側のセパレータの外側の冷却流体流路も冷却流体流路として使用することが可能になる。なお、末端に配置される燃料電池１０の外側のセパレータの外側の冷却流体流路を使用しなくとも、燃料電池１０を十分に冷却できる場合には、冷却流体流路（図１０の場合は冷却流体流路８ｅ）に冷却流体を流さない構成としてもよく、末端に配置される燃料電池１０の外側のセパレータの外側の冷却流体流路をふさぐ凸部を有する別のエンドセパレータを配置してもよく、末端に配置される燃料電池１０の外側のセパレータのみ冷却流体流路（図１０の場合は冷却流体流路８ｄ）を設けずに、エンドセパレータを配置しない構成としてもよい。エンドセパレータは集電板の機能を兼ねていてもよい。また、図１０のエンドセパレータ６Ｃのかわりに、冷却流体流路８ｄを設けていない平板状のエンドセパレータを、配置してもよい。

以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池１０及び燃料電池スタック３０では、発電により水蒸気等水分をより多く含む水分の含有率の高い反応ガスが、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流れ込む。一般的にガスの露点が周囲温度を上回ると、当該反応ガスに含まれる水分が凝縮を始める。燃料電池１０及び燃料電池スタック３０では、冷却流体流路８ａの上流部分２０及び冷却流体流路８ｂの上流部分（図示せず）が、アノード側隙間１０ａに対応する領域に設けられかつ燃料ガス流路７ａの中流以降の部分に対応する領域を含むように設けられているので、反応ガスに含まれる水蒸気成分が、供給直後で最も温度の低い冷却流体が流れる上記の上流部分によって効果的に冷却され、アノード側隙間１０ａの少なくとも一部において凝縮し、上記アノード側隙間１０ａを凝縮水により閉塞することができる。

この燃料電池１０ように、空気を反応ガスとして使用できるカソードに対し、化石燃料を改質して得られる水素を主成分として含む改質ガス、水の電気分解で得られる水素ガスなどコストの高い反応ガスを使用するアノードにおいて、反応ガス（燃料ガス）の利用効率を向上させることは重要である。

上述のようにアノード側隙間１０ａで水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、ガス流路７ｂ以外の部分、即ち、アノード側隙間１０ａを流れることがなく、当該反応ガスをガス流路７ａ及びガス流路７ｂに確実に供給することができるようになる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能となる。

また、図２に示すアノード側セパレータ６ａにおいて、冷却流体流路８ａは、限られた大きさのアノード側セパレータ６ａの主面（略矩形状の主面）を有効に利用するため、冷却流体供給用マニホールド孔１６からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部、即ち図２中、２つの一点鎖線のうち内側の一点鎖線に囲まれた電極に接触する部分に対応する部分）まで延びている。また、アノード側セパレータ６ａの主面を有効に利用するため、冷却流体流路８ａはサーペンタイン構造を有している。より詳しく説明すると、冷却流体流路８ａは水平方向（図２のアノード側セパレータ６ａにおいて、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる１３本の直線部７７ａ（長い流路）と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する１２個のターン部７７ｂ（短い流路）とを有する。

そして、図２に示すように、冷却流体流路８ａの上流のうちの冷却流体供給用マニホールド孔１６に近い領域２０が、アノード側隙間１０ａに対応する領域に設けられている。より詳しくは、冷却流体流路８ａの上流のうちの、先に述べた「上流部分」である「式：Ｌ１≦Ｌ２を満たす部分」にほぼ相当する領域｛即ち、最上流の直線部（水平方向に延びる直線部）を含む上流側の５本の直線部７７ａ（７７ａ１〜７７ａ５）と、これら５本の直線部７７ａと結合する上流側の４つのターン部７７ｂ（７７ｂ１〜７７ｂ４）とからなる領域｝が、アノード側隙間１０ａに対応する領域に設けられている。
なお、本実施形態においては、最上流の直線部７７ａだけでなく、水平方向に延びる直線部のうちの最下流の直線部もアノード側隙間１０ａに対応する領域に設けられている（図２において、一端が冷却流体排出用マニホールド１７に接続されている直線部７７ａの部分）。

また、本実施形態においては、図３に示すアノード側セパレータ６ａにおけるガス流路７ａは、限られた大きさのアノード側セパレータ６ａの主面を有効に利用するため、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からカソード側隙間１０ａを最短距離で交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。電極部において、ガス流路７ａはサーペンタイン構造を有している。

より詳しく説明すると、ガス流路７ａは、水平方向（図３のアノード側セパレータ６ａにおいて燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部７７ａ（長い流路）と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部７７ｂ（短い流路）とを有している。更に、ガス流路７ａは、ターン部７７ｂから電極部の左側（図３のアノード側セパレータ６ａにおいて燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び冷却流体排出用マニホールド孔１７が設けられている部分側）に位置する１本の垂直方向に延びる直線部７７ｃ（長い流路）を有している。更に、ガス流路７ａは、電極部の上側（図２のアノード側セパレータ６ａにおいて燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側）において、直線部７７ｃから水平方向に延びる直線部７７ｅ（長い流路）と、一端が燃料ガス排出用マニホールド孔１５に接続されている最下流の直線部７７ｆ（長い流路）と、直線部７７ｅと直線部７７ｆを上流側から下流側へ連結する１個のターン部７７ｄ（短い流路）とを有する。

ここで、ガス流路７ａは、先に述べた「中流以降の部分」のうちの好ましい部分（下流部分）に相当する「式：Ｌ３≦｛（１／３）×Ｌ４｝を満たす部分にほぼ相当する領域２１｛即ち、図３中の直線部７７ｆと、ターン部７７ｄと、直線部７７ｅと、直線部７７ｃのうちの下流側の一部を含む領域７７ｃ１｝が、アノード側隙間１０ａに対応する領域に設けられている。更にこの領域２１は、先に述べた冷却流体流路８ａの上流のうちの「上流部分」にほぼ相当する領域２０に近接して設けられている。

また、図５に示すように、カソード側セパレータ６ｂにおける冷却流体流路８ｂも、図２に示すアノード側セパレータ６ａにおける冷却流体流路８ａと同様の形状を有する。

更に、図４に示すように、カソード側セパレータ６ｂにおけるガス流路７ｂは、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８からカソード側隙間１０ｂを最短距離で交差してカソード４ｂに対応する部分（電極部）まで延びている。電極部において、ガス流路７ｂはサーペンタイン構造を有している。即ち、ガス流路７ｂは、水平方向（図４のカソード側セパレータ６ｂにおいて酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる１１本の直線部７７ａ（長い流路）と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する１０個のターン部７７ｂ（短い流路）とを有する。

また、図３に示すように、アノード側セパレータ６ａにおいては、ガス流路７ａに連通する燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が、アノード側ガスケット９ａの外側に設けられている。換言すると、燃料ガス供給用マニホールド孔１４は矩形状の主面を有するアノード側セパレータ６ａの１つの辺上の側縁部に設けられ、燃料ガス排出用マニホールド孔１５はアノード側セパレータ６ａの対向する別の辺上における端縁部に設けられている。そして、アノード側隙間１０ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からの反応ガスが侵入するルートとして、第１のルート（図３において燃料ガス供給用マニホールド孔１４に近い点Ｑ₁から酸化剤ガス供給用マニホールド１８に近い点Ｑ₂を経て燃料ガス排出用マニホールド孔１５に近い点Ｑ₃へ続く部分）と、当該第１のルートより長い第２のルート（図３において点Ｑ₁から点Ｑ₄及び点Ｑ₅を経由して点Ｑ₃へと続く部分、即ち図２において点Ｐ₁から点Ｐ₂へと続く部分）を有している。

そして、アノード側セパレータ６ａにおける冷却流体流路８ａの先に述べた上流部分２０と先に述べたガス流路７ａの中流以降の部分の領域２１とが、アノード側隙間１０ａの第１のルートの一部に対応する領域、及び、第２ルートのうちの燃料ガス排出用マニホールド孔１５に近い下流の一部に対応する領域の両方に近接して設けられている。これにより、アノード側隙間１０ａの第１のルート及び第２ルートの両方を凝縮水により閉塞させることができるので、従来の燃料電池よりも反応ガスを有効利用することができる。特に、このような構成の場合、反応ガスは長い第２のルートよりも短い第１のルートを回り込み易いため、冷却流体流路８ａのうちの最も温度の低い最上流の直線部７７ａを第１のルートの近くに配置することができるので、第１のルートを優先的に水を凝縮させて閉塞することができ、反応ガスの回り込みをより有効に防ぐことができる。

また、この燃料電池１０及び燃料電池スタック３０の場合、図２、図３、図４、図５、図７及び図８に示すように、全てのアノード側セパレータ６ａ及び全てのカソード側セパレータ６ｂについて、冷却流体流路８ａ、冷却流体流路８ｂ、燃料ガス流路７ａ、及び、酸化剤ガス流路７ｂが、先に述べたように、「それぞれの長い流路同士が互いに略平行」となるように設けられている。

これにより全てのＭＥＡ５について、アノード側セパレータ６ａの主面及び全てのカソード側セパレータ６ｂの主面に平行な面で見た場合の冷却流体流路の中流部分から下流部分への全体的な流れ方向（進行方向）と、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の上流部分から中流部分への全体的な流れ方向（進行方向）とを極めて容易に略一致させることができるようになる。
その結果、反応ガスの流れにおいて水蒸気量の多い中流部分以降の部分に、冷却流体の流れにおいて温度の高い下流部分が対応するようになるので、反応ガスの流れの中流部分以降の部分において飽和水蒸気圧（Ｐ⁰ _H2O）が上昇し、過剰な凝縮水の生成が低減されるようになる。そのため、電極面の含水状態が良好に保すことができ、触媒層２ａ及び触媒層２ｂにおけるフラッディングの発生をより確実に抑制することができる。

また、この場合、反応ガスの流れの上流側において、飽和水蒸気圧（Ｐ⁰ _H2O）を低くし、高分子電解質膜１の乾燥をより確実に防止することができる。更に、この場合、反応ガスの流れにおいて反応物の濃度が大きく反応熱の大きい上流部分に、冷却流体の流れにおいて温度の低い上流部分が対応するため、アノード４ａの主面の局所間における温度分布のバラツキ及びカソード４ｂの主面の局所間における温度分布のバラツキを十分に低減できて、燃料電池１０及びこれを複数積層した燃料電池スタック３０をより効率的に冷却することができるようになる。

より詳しく説明すると、図７及び図８に示すように、本実施形態においては、冷却流体流路８ａの内部領域を流れる冷却流体の中流部分から下流部分への全体的な流れ方向Ｄ₁と、ガス流路７ａの内部領域を流れる反応ガス（ここでは燃料ガス）の上流部分から中流部分への全体的な流れ方向Ｄ₂とが、略一致するように構成されている。即ち、冷却流体の中流部分から下流部分への全体的な流れ方向Ｄ₁と反応ガス（ここでは燃料ガス）の上流部分から中流部分への全体的な流れ方向Ｄ₂とが略並行となって並走するように構成されている。本構成によれば、反応ガスの流れにおいて水蒸気量の多い中流部分以降の部分に、冷却水の流れにおいて温度の高い下流部分が対応するため、反応ガスの流れの中流部分以降の部分において飽和水蒸気圧（Ｐ⁰ _H2O）が上昇し、過剰な凝縮水の生成が低減される。そのため、電極面の含水状態が良好に保たれるようになり、触媒層２ａや触媒層２ｂにおけるフラッディングの発生をより確実に抑制することができる。また、本構成によれば、反応ガスの流れの上流側において、飽和水蒸気圧（Ｐ⁰ _H2O）を低くし、高分子電解質膜の乾燥をより確実に防止することができる。更に、本構成によれば、反応ガスの流れにおいて反応物の濃度が大きく反応熱の大きい上流部分に、冷却水の流れにおいて温度の低い上流部分が対応するため、ガス拡散電極３ａ及び３ｂの主面の局所間における温度分布のバラツキを十分に低減できて、より効率的に単電池１０（燃料電池スタック３０）を冷却することができるようになる。

ここで、燃料電池１０では、図９に示すように、カソード側セパレータ６ｂの酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８からカソード側隙間１０ｂを経て電極部に到達する部分において、酸化剤ガスが直接カソード側隙間１０ｂに流れ込まないように、遮断板２３を配置する。この遮断板２３の寸法及び形状は、ガス流路７ｂを通る酸化剤ガスがカソード側隙間１０ｂに入り込むことを有効に防止するように、当該部分においてカソード側隙間１０ｂを閉塞し、かつ本発明の効果を損なわない範囲で適宜決定することができる。

従って、図示していないが、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９からのガス流路が、それぞれアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂと交差する部分にも、同様に遮断板を配置することが好ましい。なお、遮断板の材質としては、反応ガスを透過させにくく、かつ反応ガスによって腐食しにくい材料であれば特に制限はなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択すればよい。

次に、燃料電池１０及び燃料電池スタックの製造方法について説明する。
まず、膜電極接合体５を製造する。膜電極接合体５の製造方法は特に限定されるものではなく、公知の高分子電解質形燃料電池の膜電極接合体を製造する再に採用されている薄膜製造技術を用いて製造することができる。例えば、カソード触媒層２ｂは、以下に例示するカソード触媒層形成用ペーストを調製し、これを用いて形成することができる。即ち、例えばＰｔを５０ｗｔ％担持したカーボン粒子を触媒として、これに陽イオン交換樹脂溶液、例えば高分子電解質膜１と同質のフッ素系スルホン酸高分子樹脂溶液(例えば当該樹脂の固形分１０ｗｔ％をエタノール、水の混合溶液に配合した溶液)に徐々に加え、触媒の単位面積当たりの樹脂固形分が、例えば２ｍｇ/ｍ²相当となるまでＰｔを担持したカーボン粒子を混合し、カソード触媒層形成用のペーストにする。

カソード触媒層形成用ペーストに含有させる陽イオン交換樹脂溶液の量は、カーボン粒子の比表面積、細孔サイズ、分散性により変化する。比表面積が大きいほど、分散性がいいほど、樹脂量は多くなる。例えば、樹脂が進入することができないほど小さな細孔によって比表面積が大きくなっている場合に最適樹脂量は少なくなる。例えば、ケッチェンブラックの場合、単位ｇ当たりの最適樹脂量は１．４ｇ/ｇである。また、使用するカーボンの種類は結晶化、グラファイト化したものであれば、カーボンの酸化を抑制することができ、より望ましい。

アノード触媒層２ａは、以下に例示するアノード触媒層形成用ペーストを調整し、これを用いて形成することができる。アノード触媒層形成用ペーストは、アノード電極触媒をカーボン粉末に担持させた触媒担持カーボンを用いる場合は、上記のＰｔを担持したカーボン粒子の代わりに、Ｐｔ及びＲｕを構成元素として含む微粒子を担持したカーボン粒子を用いる以外は、先に述べたカソード触媒層形成用ペーストと同様の方法で調製すればよい。

より詳しくは、電極触媒としてのＰｔ及びＲｕを構成元素として含む微粒子をカーボンに担持させたものをアノード電極触媒とし、これに陽イオン交換樹脂溶液、例えば高分子電解質膜１と同質のフッ素系スルホン酸高分子樹脂溶液(例えば当該樹脂の固形分１０ｗｔ％をエタノール、水の混合溶液に配合した溶液)に徐々に加え、調製する。

なお、アノード電極触媒をカーボン粉末に担持させた触媒担持カーボンを用いる場合は、アノード触媒層形成用ペーストに含有させる陽イオン交換樹脂溶液の量は、先に述べたカソード触媒層形成用ペーストと同様に用いればよい。

次に、先に述べた製造方法により作製されたカソード触媒層形成用ペースト、またはアノード触媒層形成用ペーストを、それぞれＰＰフィルムなどの合成樹脂フィルムにバーコーターにより塗布した後、乾燥させる。乾燥後、所望の電極サイズにカットして、高分子電解質膜にホットプレスにより転写させ、カソード触媒層２ｂ、及びアノード触媒層２ａを形成する。触媒層形成方法はこの方法に限定されるものではなく、膜に触媒層ペーストを印刷する方法や、膜に触媒層ペーストをスプレー塗工する方法などでもよい。その時、用いられる高分子電解質膜については、特に限定はなく、先に述べたように、スルホン酸基を有する高分子電解質交換膜を用いることができる。

更に、従来公知の薄膜積層体の製造方法を用いて、図１及び図６に示す状態となるようにアノード触媒層２ａまたはカソード触媒層２ｂの外側にそれぞれ、ガス拡散層３ａとガス拡散層３ｂを積層させる。次に、アノード４ａ及びカソード４ｂの間に高分子電解質膜１を挟んで配置させる。このとき、ガスケット９ａ及びガスケット９ｂを、アノード４ａ及びカソード４ｂの周囲に配置する。

次に、膜電極接合体５の外側に、アノード側セパレータ６ａ、カソード側セパレータ６ｂを図１で示したように配置させ、燃料電池１０を形成する。次に、燃料電池１０を複数積層することにより、燃料電池スタック３０を製造する。

ここで、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、ガス流路７ａ、ガス流路7ｂ、冷却流体流路８ａ、及び、冷却流体流路８ｂを先に述べた形状で形成すること以外は、従来の高分子電解質形燃料電池のセパレータの製造方法を用いて製造することができる。構成材料も従来の高分子電解質形燃料電池のセパレータの構成材料を使用することができる。例えば、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、導電性の平板を切削加工する工程を含む製造方法により形成してもよく、構成材料を含む流体を金型に入れて成型加工するといった金型を用いる工程を含む製造方法（圧縮成型技術などによる方法）により形成してもよい。

次に、以上説明した燃料電池１０（単電池）において得られる効果を、アノード４ａ及びカソード４ｂの主面の面積を１００ｃｍ²に設定し、これらアノード４ａ及びカソード４ｂの大きさに対応する大きさを有するアノード側セパレータ６ａ（図２に示す冷却流体流路８ａ及び図３に示す燃料ガス用のガス流路７ａを有する）及びカソード側セパレータ６ｂ（図４に示す酸化剤ガス用のガス流路７ｂ及び図５に示す冷却流体流路８ｂを有する）を用いることを想定した場合の１つの燃料電池１０についてのシミュレーション結果を用いてより詳しく説明する。

冷却流体流路８ａに供給する冷却水について、７０℃の冷却水が冷却流体供給用マニホールド１６から供給され、７４℃の冷却水が冷却流体排出用マニホールド１７から排出されるように設定する。
また、燃料ガスとして水素と二酸化炭素との混合ガス（体積比を８：２とする）を用い、燃料ガス利用率が７０％となり、燃料ガスの露点が７０℃となるように、当該燃料ガスを加湿して燃料ガス供給用マニホールド孔１４に供給することとする。更に、酸化剤ガスとして空気を用い、酸化剤ガス利用率が４５％となり、酸化剤ガスの露点が６８℃となるように、当該酸化剤ガスを加湿して酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８に供給することとする。なお、燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９は大気中（常圧）に開放する構成とする。また、互いに対向配置された一対の集電板の間に図１に示した燃料電池１０を配置し、この集電板を通じて０．３ Ａ／ｃｍ²の条件で連続発電を行う構成とする。

上記のように設定による電流密度と電極面積とから、燃料電池１０の発電により、１秒間に生成される生成水の量は理論的に１．５５×１０^-4 ｍｏｌ／ｓとなる。この生成水がカソード４ｂから高分子電解質膜１を通じてアノード４ａへ移動しないと仮定すると、燃料ガス排出用マニホールド孔１５から出てくる水蒸気の量は、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から供給された、加湿された燃料ガスに含まれた水の量となる。

このとき、燃料ガス供給用マニホールド孔１４における燃料ガス及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８における酸化剤ガスの露点が、それぞれアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの一番低い温度に対して、−４℃〜＋４℃の間となるように加湿条件を設定して計算する。なお、以上の運転条件の場合、生成水がカソード４ｂから高分子電解質膜１を通じてアノード４ａへ移動すると仮定しても同様の結果が得られることを確認した。

また、燃料ガス排出用マニホールド孔１５から排出されるガスの組成は、外部から供給される燃料ガスから発電のために消費された水素を引いたものとなり、計算の結果、水蒸気分圧は２９６．８ｍｍＨｇとなる。更に、このとき排出されるガスの露点は７５．６℃となる。燃料ガス用のガス流路７ａについて、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から燃料ガス排出用マニホールド孔１５にかけて燃料ガスの露点の変化を計算すると、燃料ガスの露点が７０℃から７５．６℃まで徐々に変化することがわかった。
ここで、上記の運転条件では冷却水の温度がＭＥＡ５の温度よりも約２℃低く、ＭＥＡ５の温度も冷却流体流路８ａを流れる冷却水の温度の変化に応じて、冷却流体流路８ａに沿うように変化する。そこで、ＭＥＡ５の温度の変化を計算すると、冷却流体供給用マニホールド孔１６の近傍領域から冷却流体排出用マニホールド孔１７の近傍領域にかけて７２℃から７６℃まで徐々に変化することがわかった。

熱力学的には、ガス流路７ａを流れる燃料ガスの露点が、ＭＥＡ５の温度よりも上回ると、燃料ガスに含まれる水が凝縮することとなる。上述のようにガス流路７ａの上流から下流にかけて燃料ガスの露点が上昇していることから、熱力学的には、図３におけるガス流路７ａの先に述べた「中流以降の部分」のうちの好ましい部分である下流の領域２１（特に、最下流側に位置する直線部７７ｆ）に含まれる水分の含有率の多い反応ガスをアノード側隙間１０ａに対応する領域で利用すれば当該アノード側隙間１０ａに対応する領域において水の凝縮を起こさせることができることとなる。

そして、この燃料電池１０では、冷却流体流路８ａの上流部分２０及びガス流路７ａの下流の領域２１がアノード側隙間１０ａに対応する領域に設けられており、冷却流体流路８ａの先に述べた上流部分２０において最も冷却効果が強いことと、上述の計算結果のとおり当該上流部分２０に近接するガス流路７ａの下流の領域２１において燃料ガスの露点が最も上昇することから、アノード側隙間１０ａにおいて容易かつ効果的に凝縮水を生成させることができることがわかる。

なお、アノード側隙間１０ａ内には電極触媒が存在せず、発電に伴う熱が発生しないことから、アノード側隙間１０ａ内の温度は低い。そのため、この観点からも、アノード側隙間１０ａ内で水が凝縮し易いと考えられる。

上記のように水を凝縮させてアノード側隙間１０ａを閉塞した後には、反応ガスがガス流路７ａ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａに確実に供給することができる。従って、燃料電池１０は、反応ガスを効率的に使用でき良好な発電性能を得ることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第２実施形態について説明する。この第２実施形態の燃料電池及び燃料電池スタック（ともに図示せず）は、図１に示した第１実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータ及びカソード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ以外の構成は第１実施形態の燃料電池１０及び燃料電池スタック３０と同様である。

以下、第２実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ及びカソード側セパレータについて説明する。
ここで、図１１は、本発明の燃料電池の第２実施形態に備えられるアノード側セパレータ２６ａの主面を冷却流体流路８ａ側から見た場合の正面図である。図１２は、本発明の燃料電池の第２実施形態に備えられるアノード側セパレータ２６ａの主面をガス流路７ａ側から見た場合の正面図である。図１３は本発明の第２実施形態の燃料電池に備えられるカソード側セパレータ２６ｂの主面を冷却流体流路８ｂ側から見た場合の正面図である。

そして、この燃料電池の場合、図１１〜図１３に示すように、先に述べた本発明の効果を得るために、アノード側セパレータ２６ａ及びカソード側セパレータ２６ｂの両方について以下の構成が採用されている。
すなわち、アノード側セパレータ２６ａでは、アノード側ガスケット９ａ（図１参照）とＭＥＡ５（図１参照）との間に形成されるアノード側隙間１０ａ（図１参照）と、冷却流体流路８ａの「上流部分」と、燃料ガス流路７ａ「中流以降の部分」（この燃料電池では特に下流以降の部分）との３者が、先に述べた（Ｉ）及び（ＩＩ）の状態となるように互いに近接して配置される部分が設けられている。これにより、アノード側隙間１０ａを凝縮水により閉塞させることができるので、従来の燃料電池よりも反応ガスを有効利用することができる。
また、カソード側セパレータ２６ｂでは、カソード側ガスケット９ｂとＭＥＡ５との間に形成されるカソード側隙間１０ｂ（図１参照）と、冷却流体流路８ｂの「上流部分」と、燃料ガス流路７ｂ「中流以降の部分」（この燃料電池では特に下流以降の部分）との３者が、先に述べた（Ｉ）及び（ＩＩ）の状態となるように互いに近接して配置される部分が設けられている。これにより、カソード側隙間１０ｂを凝縮水により閉塞させることができるので、従来の燃料電池よりも反応ガスを有効利用することができる。

なお、図１１及び図１２に示すアノード側セパレータ２６ａ、並びに、図１３に示すカソード側セパレータ２６ｂにおいて、アノード側セパレータ２６ａの冷却流体流路８ａとカソード側セパレータ２６ｂの冷却流体流路８ｂとは同一の構造を有する。例えば、図１０に示した燃料電池スタック３０と同様の状態で積層した場合（同種のマニホールド孔同士が連結するようにして積層した場合）に、冷却流体流路８ａと冷却流体流路８ｂとは略完全に重なり合う状態となる。また、アノード側セパレータ２６ａのガス流路７ａとカソード側セパレータ２６ｂのガス流路７ｂとは同一の構造を有する。例えば、図１０に示した燃料電池スタック３０と同様の状態で積層した場合（同種のマニホールド孔同士が連結するようにして積層した場合）に、ガス流路７ａとガス流路７ｂとは略完全に重なり合う状態となる。
そのため、以下の説明では、主としてアノード側セパレータ２６ａについて説明し、カソード側セパレータ２６ｂについてはアノード側セパレータ２６ａと重複する説明は省略する。

図１１に示すアノード側セパレータ２６ａにおいて、冷却流体流路８ａは、冷却流体供給用マニホールド孔１６からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差して、アノード４ａに対応する部分（電極部、即ち図１１中、２つの一点鎖線のうち内側の一点鎖線に囲まれた電極に接触する部分に対応する部分）まで延びている。また、アノード側セパレータ２６ａの主面を有効に利用するため、冷却流体流路８ａはサーペンタイン構造を有している。より詳しく説明すると、冷却流体流路８ａは水平方向（図１１のアノード側セパレータ２６ａにおいて冷却流体供給用マニホールド孔１６及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる１本の直線部７７ａ１及び垂直方向に延びる１本の直線部７７ｃを経て、水平方向に延びる１１本の直線部７７ａ（長い流路）と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する１０個のターン部７７ｂ（短い流路）とを有する。

そして、図１１に示すように、冷却流体流路８ａの上流のうちの冷却流体供給用マニホールド孔１６に近い領域２０が、アノード側隙間１０ａに対応する領域に設けられている。より詳しくは、冷却流体流路８ａの上流のうちの、先に述べた「上流部分」である「式：Ｌ１≦Ｌ２を満たす部分」にほぼ相当する領域｛即ち、先に述べた上流側の直線部７７ａ１、直線部７７ｃ、直線部７７ｅ、及び、ターン部７７ｂ１（４つのターン部７７ｂのうちの最上流側に位置する流路）とからなる領域｝が、アノード側隙間１０ａに対応する領域に設けられている。

また、図１２に示すアノード側セパレータ２６ａのガス流路７ａは、図３に示した第１実施形態の燃料電池１０に備えられるアノード側セパレータ２６ａのガス流路７ａと同一の構造を有する。

即ち、より詳しく説明すると、ガス流路７ａは、水平方向（図１２のアノード側セパレータ２６ａにおいて燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部７７ａ（長い流路）と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部７７ｂ（短い流路）とを有している。更に、ガス流路７ａは、ターン部７７ｂから電極部の左側（図１２のアノード側セパレータ２６ａにおいて燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている部分側）に位置する１本の垂直方向に延びる直線部７７ｃ（長い流路）を有している。更に、ガス流路７ａは、電極部の上側（図１２のアノード側セパレータ２６ａにおいて燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側）において、直線部７７ｃから水平方向に延びる直線部７７ｅ（長い流路）と、一端が燃料ガス排出用マニホールド孔１５に接続されている最下流の直線部７７ｆ（長い流路）と、直線部７７ｅと直線部７７ｆを上流側から下流側へ連結する１個のターン部７７ｄ（短い流路）とを有する。

ここで、ガス流路７ａは、先に述べた「中流以降の部分」のうちの好ましい部分（下流部分）に相当する「式：Ｌ３≦｛（１／３）×Ｌ４｝を満たす部分にほぼ相当する領域２１｛即ち、図１２中の直線部７７ｆと、ターン部７７ｄと、直線部７７ｅと、直線部７７ｃのうちの下流側の一部を含む領域７７ｃ１｝が、アノード側隙間１０ａに対応する領域に設けられている。更にこの領域２１は、先に述べた図１１の冷却流体流路８ａの上流のうちの「上流部分」にほぼ相当する領域２０に近接して設けられている。

以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池及び燃料電池スタックでは、発電により水蒸気をより多く含む反応ガスが、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されるカソード側隙間１０ｂのうちの少なくとも一方に流れ込む。一般的にガスの露点が周囲温度を上回ると、当該反応ガスに含まれる水分が凝縮を始める。燃料電池及び燃料電池スタックでは、冷却流体流路８ａの上流部分２０及び冷却流体流路８ｂの上流部分２０がそれぞれアノード側隙間１０ａに対応する領域及びカソード側隙間１０ｂに対応する領域に設けられているので、反応ガスに含まれる水蒸気成分が、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂにおいて効果的に冷却され、アノード側隙間１０ａの少なくとも一部及びカソード側隙間１０ｂの少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを凝縮水により閉塞することができる。

上述のようにアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂで水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、ガス流路７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをガス流路７ａ及びガス流路７ｂに確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能となる。

また、本実施形態においては、アノード側隙間１０ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からの反応ガスが侵入するルートとして、第１のルート（図３と同様に図１２において燃料ガス供給用マニホールド孔１４に近い点Ｑ₁から酸化剤ガス供給用マニホールド１８に近い点Ｑ₂を経て燃料ガス排出用マニホールド孔１５に近い点Ｑ₃へ続く部分）と、当該第１のルートより長い第２のルート（図３と同様に図１２において点Ｑ₁から点Ｑ₄及び点Ｑ₅を経由して点Ｑ₃へと続く部分）を有している。

そして、アノード側セパレータ２６ａにおける冷却流体流路８ａの先に述べた上流部分２０と先に述べたガス流路７ａの中流以降の部分の領域２１とが、アノード側隙間１０ａの第１のルートの一部に対応する領域、及び、第２ルートのうちの燃料ガス排出用マニホールド孔１５に近い下流の一部に対応する領域の両方に近接して設けられている。これにより、アノード側隙間１０ａの第１のルート及び第２ルートの両方を凝縮水により閉塞させることができるので、従来の燃料電池よりも反応ガスを有効利用することができる。特に、このような構成の場合、反応ガスは長い第２のルートよりも短い第１のルートを回り込み易いため、冷却流体流路８ａのうちの最も温度の低い最上流の直線部７７ａを第１のルートの近くに配置することができるので、第１のルート優先的に水を凝縮させて閉塞することができ、反応ガスの回り込みをより有効に防ぐことができる。

なお、カソード側セパレータ２６ｂはアノード側セパレータ２６ａと同一の構造を有するため、以上説明したアノード側セパレータ２６ａにおいて得られる効果が、カソード側セパレータ２６ｂでも得られることは明らかである。

また、先に述べた第１実施形態の燃料電池１０及び燃料電池スタック３０と同様に、本実施形態の燃料電池及び燃料電池スタックも、図１１〜図１３に示すように全てのアノード側セパレータ２６ａ及び全てのカソード側セパレータ２６ｂについて、冷却流体流路８ａ、冷却流体流路８ｂ、燃料ガス流路７ａ、及び、酸化剤ガス流路７ｂが、先に述べたように、「それぞれの長い流路同士が互いに略平行」となるように設けられている。

これにより全てのＭＥＡ５について、アノード側セパレータ２６ａの主面及び全てのカソード側セパレータ２６ｂの主面に平行な面で見た場合の冷却流体流路の中流部分から下流部分への全体的な流れ方向（進行方向）と、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の上流部分から中流部分への全体的な流れ方向（進行方向）とを極めて容易に略一致させることができるようになる。
その結果、反応ガスの流れにおいて水蒸気量の多い中流部分以降の部分に、冷却流体の流れにおいて温度の高い下流部分が対応するようになるので、反応ガスの流れの中流部分以降の部分において飽和水蒸気圧（Ｐ⁰ _H2O）が上昇し、過剰な凝縮水の生成が低減されるようになる。そのため、電極面の含水状態が良好に保すことができ、触媒層２ａ及び触媒層２ｂにおけるフラッディングの発生をより確実に抑制することができる。

また、この場合、反応ガスの流れの上流側において、飽和水蒸気圧（Ｐ⁰ _H2O）を低くし、高分子電解質膜１の乾燥をより確実に防止することができる。更に、この場合、反応ガスの流れにおいて反応物の濃度が大きく反応熱の大きい上流部分に、冷却流体の流れにおいて温度の低い上流部分が対応するため、アノード４ａの主面の局所間における温度分布のバラツキ及びカソード４ｂの主面の局所間における温度分布のバラツキを十分に低減できて、燃料電池及びこれを複数積層した燃料電池スタックをより効率的に冷却することができるようになる。

次に、以上説明した第２実施形態の燃料電池において得られる効果を、アノード４ａ及びカソード４ｂの主面の面積を１００ｃｍ²に設定して行うシミュレーション結果を用いてより詳しく説明する。なお、ここでは、図１１〜図１３に示したアノード側セパレータ２６ａ及びカソード側セパレータ２６ｂを用いること以外は、先に述べた第１実施形態の燃料電池１０について行ったシミュレーションと同様のシミュレーションを行い説明する。

その結果、ガス流路７ａの上流から下流にかけて燃料ガスの露点が上昇していることから、熱力学的には、図１１におけるガス流路７ａの先に述べた「中流以降の部分」のうちの好ましい部分である下流の領域２１（特に、最下流側に位置する直線部７７ｆ）に含まれる水分の含有率の多い反応ガスをアノード側隙間１０ａに対応する領域で利用すれば当該アノード側隙間１０ａに対応する領域において水の凝縮を起こさせることができることとなる。

そして、この燃料電池でも、冷却流体流路８ａの上流部分２０及びガス流路７ａの下流の領域２１がアノード側隙間１０ａに対応する領域に設けられており、冷却流体流路８ａの先に述べた上流部分２０において最も冷却効果が強いことと、上述の計算結果のとおり当該上流部分２０に近接するガス流路７ａの下流の領域２１において燃料ガスの露点が最も上昇することから、アノード側隙間１０ａにおいて容易かつ効果的に凝縮水を生成させることができることがわかる。

なお、アノード側隙間１０ａ内には電極触媒が存在せず、発電に伴う熱が発生しないことから、アノード側隙間１０ａ内の温度は低い。そのため、この観点からも、アノード側隙間１０ａ内で水が凝縮し易いと考えられる。

上記のように水を凝縮させてアノード側隙間１０ａを閉塞した後には、反応ガスがガス流路７ａ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａに確実に供給することができる。

なお、カソード側セパレータ２６ｂはアノード側セパレータ２６ａと同一の構造を有するため、以上説明したアノード側セパレータ２６ａにおいて得られる効果が、カソード側セパレータ２６ｂでも得られることは明らかである。

従って、第２実施形態の燃料電池は、反応ガスを効率的に使用でき良好な発電性能を得ることがより確実にできる。

［第３実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第３実施形態について説明する。この第３実施形態の燃料電池及び燃料電池スタック（ともに図示せず）は、図１に示した第１実施形態の燃料電池１０におけるアノード側セパレータ及びカソード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ以外の構成は第１実施形態の燃料電池１０及び燃料電池スタック３０と同様である。

以下、第３実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ及びカソード側セパレータについて説明する。
ここで、図１４は、本発明の燃料電池の第３実施形態に備えられるアノード側セパレータ４６ａの主面を冷却流体流路８ａ側から見た場合の正面図である。図１５は、本発明の第３実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ４６ａの主面をガス流路７ａ側から見た場合の正面図である。図１６は、本発明の燃料電池の第３実施形態に備えられるカソード側セパレータ４６ｂの主面をガス流路７ｂ側から見た場合の正面図である。図１７は、本発明の燃料電池の第３実施形態に備えられるカソード側セパレータ４６ｂの主面を冷却流体流路８ｂ側から見た場合の正面図である。

そして、この燃料電池及び燃料電池スタックの場合、図１４〜図１７に示すように、先に述べた本発明の効果を得るために、アノード側セパレータ４６ａ及びカソード側セパレータ４６ｂの両方について以下の構成が採用されている。
すなわち、アノード側セパレータ４６ａでは、アノード側ガスケット９ａ（図１参照）とＭＥＡ５（図１参照）との間に形成されるアノード側隙間１０ａ（図１参照）と、冷却流体流路８ａの「上流部分」と、燃料ガス流路７ａの「中流以降の部分」（この燃料電池では特に下流以降の部分）との３者が、先に述べた（Ｉ）及び（ＩＩ）の状態となるように互いに近接して配置される部分が設けられている。これにより、アノード側隙間１０ａを凝縮水により閉塞させることができるので、従来の燃料電池よりも反応ガスを有効利用することができる。
また、カソード側セパレータ４６ｂでは、カソード側ガスケット９ｂとＭＥＡ５との間に形成されるカソード側隙間１０ｂ（図１参照）と、冷却流体流路８ｂの「上流部分」と、酸化剤ガス流路７ｂの「中流以降の部分」（この燃料電池では特に下流以降の部分）との３者が、先に述べた（Ｉ）及び（ＩＩ）の状態となるように互いに近接して配置される部分が設けられている。これにより、カソード側隙間１０ｂを凝縮水により閉塞させることができるので、従来の燃料電池よりも反応ガスを有効利用することができる。

なお、図１４及び図１５に示すアノード側セパレータ４６ａ、並びに、図１６及び図１７に示すカソード側セパレータ４６ｂにおいて、アノード側セパレータ４６ａの冷却流体流路８ａとカソード側セパレータ４６ｂの冷却流体流路８ｂとは同一の構造を有する。例えば、図１０に示した燃料電池スタック３０と同様の状態で積層した場合（同種のマニホールド孔同士が連結するようにして積層した場合）に、冷却流体流路８ａと冷却流体流路８ｂとは略完全に重なり合う状態となる。また、アノード側セパレータ４６ａのガス流路７ａとカソード側セパレータ４６ｂのガス流路７ｂとは同一の構造を有する。例えば、図１０に示した燃料電池スタック３０と同様の状態で積層した場合（同種のマニホールド孔同士が連結するようにして積層した場合）に、ガス流路７ａとガス流路７ｂとは略完全に重なり合う状態となる。
そのため、以下の説明では、主としてアノード側セパレータ４６ａについて説明し、カソード側セパレータ４６ｂについてはアノード側セパレータ４６ａと重複する説明は省略する。

図１４に示すアノード側セパレータ４６ａにおいて、冷却流体流路８ａは、冷却流体供給用マニホールド孔１６から２本の冷却流体流路として領域Ａ1（アノード側隙間１０ａに対応する領域に含まれる領域）に沿うようにしてアノード４ａに対応する部分（電極部、即ち図１４中、２つの一点鎖線のうち内側の一点鎖線に囲まれた電極に接触する部分に対応する部分）まで延びている。上記２本の冷却流体流路は、図１４の領域Ａ₁のうちの冷却流体供給用マニホールド孔１６に最も近い点Ｔ₄から燃料ガス供給用マニホールド孔１４に最も近い点Ｔ₃を経て冷却流体排出用マニホールド孔１７に最も近い点Ｔ₂に達する側の領域に沿うように設けられている流路７７ａと、図１４の領域Ａ₁のうちの冷却流体供給用マニホールド孔１６に最も近い点Ｔ₄から燃料ガス排出用マニホールド孔１５に最も近い点Ｔ₁を経て冷却流体排出用マニホールド孔１７に最も近い点Ｔ₂に達する側の領域に沿うように設けられている流路７７ｅとからなる。

より詳しく説明すると、冷却流体供給用マニホールド孔１６から延びる流路７７ａは、水平方向（図１４のアノード側セパレータ４６ａにおいて冷却流体供給用マニホールド孔１６及び燃料ガス供給用マニホールド孔１４が設けられている部分側の辺に略平行な方向）において、領域Ａ₁に沿うように設けられており（より具体的には、アノード側セパレータ４６ａの主面の法線方向からみた場合、領域Ａ₁とほぼ重なる位置に設けられており）、燃料ガス排出用マニホールド孔１５近傍の領域Ａ₁における点Ｔ₃付近において、直線部７７ｂに接続されている。

更に、直線部７７ｂは、垂直方向（図１７のアノード側セパレータ４６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び冷却流体排出用マニホールド孔１７が設けられている部分側の辺に略平行な方向）において、領域Ａ₁に沿うように設けられており（より具体的には、アノード側セパレータ４６ａの主面の法線方向からみた場合、領域Ａ₁とほぼ重なる位置に設けられており）、冷却流体排出用マニホールド孔１７近傍において、直線部７７ｃに接続されている。

また、直線部７７ｃは、垂直方向において、アノード側隙間１０ａに対応する領域（より具体的には、アノード側セパレータ４６ａの主面の法線方向からみた場合、領域Ａ₁とほぼ重なる位置）に設けられており、燃料ガス供給用マニホールド孔１４近傍において、水平方向に延びる直線部７７ｄに接続されている。

特に、アノード側セパレータ４６ａの主面の法線方向からみた場合、流路７７ａのうち直線部７７ｂ及び直線部７７ｃは、当該直線部７７ｂと当該直線部７７ｃとの間に領域Ａ₁の一部が配置されるように配置されている。

一方、冷却流体供給用マニホールド孔１６から延びる流路７７ｅは、垂直方向において、領域Ａ₁に沿うように設けられており（より具体的には、アノード側セパレータ４６ａの主面の法線方向からみた場合、領域Ａ₁とほぼ重なる位置に設けられており）、領域Ａ₁における点Ｔ₁付近において、直線部７７ｆに接続されている。

直線部７７ｆは、水平方向において、領域Ａ₁に沿うように設けられており（より具体的には、アノード側セパレータ４６ａの主面の法線方向からみた場合、領域Ａ₁とほぼ重なる位置に設けられており）、酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９近傍において、直線部７７ｇに接続されている。

直線部７７ｇは、水平方向において、領域Ａ₁に沿うように設けられており（より具体的には、アノード側セパレータ４６ａの主面の法線方向からみた場合、領域Ａ₁とほぼ重なる位置に設けられており）、領域Ａ₁における点Ｔ₁付近において、直線部７７ｈに接続されている。

また、直線部７７ｈは、垂直方向において、領域Ａ₁に沿うように設けられている（より具体的には、アノード側セパレータ４６ａの主面の法線方向からみた場合、領域Ａ₁とほぼ重なる位置に設けられている）。

特に、アノード側セパレータ４６ａの主面の法線方向からみた場合、流路７７ｅのうち直線部７７ｆ及び直線部７７ｇは、当該直線部７７ｆと当該直線部７７ｇとの間に領域Ａ₁の一部が配置されるように配置されている。更に、アノード側セパレータ４６ａの主面の法線方向からみた場合、流路７７ｅのうち直線部７７ｍ及び直線部７７ｈは、当該直線部７７ｍと当該直線部７７ｆとの間に領域Ａ₁の一部が配置されるように配置されている。

更に、図１４に示す冷却流体流路８ａは、上述のように冷却流体供給用マニホールド孔１６から２本の流路７７ａ及び流路７７ｅとしてのびた後、図１７における点Ｃにおいて流路７７ａの直線部７７ｄ及び流路７７ｅの直線部７７ｈが連結することにより、一本の流路となる構成を有している。アノード側セパレータ４６ａの主面を有効に利用するため、冷却流体流路８ａは、図１７における点Ｃより下流側においては、水平方向に延びる７本の直線部７７ｉ（長い流路）と、隣接する直線部ｉの端を上流側から下流側へ連結する６個のターン部７７ｊ（短い流路）とを有するサーペンタイン構造を有している。

そして、図１４に示すように、冷却流体流路８ａの上流のうちの冷却流体供給用マニホールド孔１６に近い領域２０が、アノード側隙間１０ａに対応する領域に設けられている。より詳しくは、冷却流体流路８ａの上流のうちの、先に述べた「上流部分」である「式：Ｌ１≦Ｌ２を満たす部分」にほぼ相当する領域｛即ち、先に述べた上流側の流路７７ａ（直線部７７ｋ、直線部７７ｂ、直線部７７ｃ、及び、直線部７７ｄからなる流路）と、及び、流路７７ｅ（直線部７７ｍ、直線部７７ｆ、直線部７７ｇ、及び、直線部７７ｈからなる流路）｝が、アノード側隙間１０ａに対応する領域に設けられている

図１５に示すアノード側セパレータ４６ａにおいて、ガス流路７ａは、以下に示す直線部及びターン部を含む流路がアノード４ａに対応する部分（電極部、即ち図１５中、２つの一点鎖線のうち内側の一点鎖線に囲まれた電極に接触する部分に対応する部分）に形成された、サーペンタイン構造を有している。
より詳しく説明すると、図１５に示すガス流路７ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを最短距離で交差して、アノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。更に、ガス流路７ａは、水平方向（図１５のアノード側セパレータ４６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる１１本の直線部７７ａ（長い流路）と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する１０個のターン部７７ｂ（短い流路）とを有している。更に、ガス流路７ａは、一端が最下流の直線部７７ａ（後述の直線部７７ｆ）の最下流端に接続されており他端が燃料ガス排出用マニホールド孔１５に接続される直線部７７ｇを有している。

ここで、ガス流路７ａは、先に述べた「中流以降の部分」うちの好ましい部分（下流部分）に相当する「式：Ｌ３≦｛（１／３）×Ｌ４｝を満たす部分にほぼ相当する領域２１｛即ち、図１５中の直線部７７ｇと、直線部７７ｆと、ターン部７７ｄと、直線部７７ｅと、ターン部７７ｈと、直線部７７ｃと、ターン部７７ｉと、直線部７７ｊと、ターン部７７ｋを含む領域｝が、アノード側隙間１０ａに対応する領域に設けられている。更にこの領域２１は、先に述べた図１４の冷却流体流路８ａの上流のうちの「上流部分」にほぼ相当する領域２０に近接して設けられている。

以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池及び燃料電池スタックでは、発電により水蒸気をより多く含む反応ガスが、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されるカソード側隙間１０ｂのうちの少なくとも一方に流れ込む。一般的にガスの露点が周囲温度を上回ると、当該反応ガスに含まれる水分が凝縮を始める。燃料電池及び燃料電池スタックでは、冷却流体流路８ａの上流部分２０及び冷却流体流路８ｂの上流部分２０がそれぞれアノード側隙間１０ａに対応する領域及びカソード側隙間１０ｂに対応する領域に設けられているので、反応ガスに含まれる水蒸気成分が、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂにおいて効果的に冷却され、アノード側隙間１０ａの少なくとも一部及びカソード側隙間１０ｂの少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを凝縮水により閉塞することができる。

上述のようにアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂで水が凝縮する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、ガス流路７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをガス流路７ａ及びガス流路７ｂに確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能となる。

また、本実施形態においては、アノード側隙間１０ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からの反応ガスが侵入するルートとして、冷却流体流路８ａの上流部分２０が、アノード側隙間１０ａの第１のルート（図１４において燃料ガス供給用マニホールド孔１４に近い点Ｔ₃から冷却水排出用マニホールドに近い点Ｔ₂を経て燃料ガス排出用マニホールド孔１５に近い点Ｔ₁付近と続く部分）と、当該第１のルートより長い第２のルート（図１４において燃料ガス供給用マニホールド孔１４に近い点Ｔ₃から酸化剤ガス供給用マニホールド１８点Ｔ₄を経て燃料ガス排出用マニホールド孔１５に近い点Ｔ₁へと続く部分）を有している。

そして、アノード側セパレータ４６ａにおける冷却流体流路８ａの先に述べた上流部分２０と先に述べたガス流路７ａの中流以降の部分の領域２１とが、アノード側隙間１０ａの第１のルートの一部に対応する領域、及び、第２ルートのうちの燃料ガス排出用マニホールド孔１５に近い下流の一部に対応する領域の両方に近接して設けられている。これにより、アノード側隙間１０ａの第１のルート及び第２ルートの両方を凝縮水により閉塞させることができるので、従来の燃料電池よりも反応ガスを有効利用することができる。特に、このような構成の場合、反応ガスは長い第２のルートよりも短い第１のルートを回り込み易いため、冷却流体流路８ａのうちの最も温度の低い最上流の流路７７ａ及び７７ｅの一部を第１のルートの近くに配置することができるので、第１のルート優先的に水を凝縮させて閉塞することができ、反応ガスの回り込みをより有効に防ぐことができる。

なお、カソード側セパレータ４６ｂはアノード側セパレータ４６ａと同一の構造を有するため、以上説明したアノード側セパレータ４６ａにおいて得られる効果が、カソード側セパレータ４６ｂでも得られることは明らかである。

また、先に述べた第１実施形態の燃料電池１０及び燃料電池スタック３０と同様に、本実施形態の燃料電池及び燃料電池スタックも、図１４〜図１７に示すように全てのアノード側セパレータ４６ａ及び全てのカソード側セパレータ４６ｂについて、冷却流体流路８ａ、冷却流体流路８ｂ、燃料ガス流路７ａ、及び、酸化剤ガス流路７ｂが、先に述べたように、「それぞれの長い流路同士が互いに略平行」となるように設けられている。

これにより全てのＭＥＡ５について、アノード側セパレータ４６ａの主面及び全てのカソード側セパレータ４６ｂの主面に平行な面で見た場合の冷却流体流路の中流部分から下流部分への全体的な流れ方向（進行方向）と、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の上流から中流部分への全体的な流れ方向（進行方向）とを極めて容易に略一致させることができるようになる。
その結果、反応ガスの流れにおいて水蒸気量の多い中流部分以降の部分に、冷却流体の流れにおいて温度の高い下流部分が対応するようになるので、反応ガスの流れの中流部分以降の部分において飽和水蒸気圧（Ｐ⁰ _H2O）が上昇し、過剰な凝縮水の生成が低減されるようになる。そのため、電極面の含水状態が良好に保すことができ、触媒層２ａ及び触媒層２ｂにおけるフラッディングの発生をより確実に抑制することができる。

また、この場合、反応ガスの流れの上流側において、飽和水蒸気圧（Ｐ⁰ _H2O）を低くし、高分子電解質膜１の乾燥をより確実に防止することができる。更に、この場合、反応ガスの流れにおいて反応物の濃度が大きく反応熱の大きい上流部分に、冷却流体の流れにおいて温度の低い上流部分が対応するため、アノード４ａの主面の局所間における温度分布のバラツキ及びカソード４ｂの主面の局所間における温度分布のバラツキを十分に低減できて、燃料電池及びこれを複数積層した燃料電池スタックをより効率的に冷却することができるようになる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
図１８は、本発明の燃料電池及び燃料電池スタックの第４実施形態の基本構成を示す要部概略断面図である。

図１８に示す第４実施形態の燃料電池スタック３０Ａは、図１に示した燃料電池１０と異なる構成を有する燃料電池１０Ａを複数搭載していることと図１０に示したエンドセパレータ６ｃの代わりにエンドセパレータ６ｄを搭載していること以外は図１０に示した第１実施形態の燃料電池スタック３０と同様の構成を有している。

より詳しく説明すると、図１８に示す燃料電池１０Ａは、図１に示した燃料電池１０のアノード側セパレータ６ａの代わりに、当該アノード側セパレータ６ａの冷却流体流路８ａを有しないアノード側セパレータ６Ａを有すること以外は図１に示した燃料電池１０と同様の構成を有している。また、図１８に示すエンドセパレータ６ｄは図１０に示したエンドセパレータ６ｃの冷却流体流路８ｄを有しないこと以外はエンドセパレータ６ｃと同様の構成を有している。

この構成の場合、外部から燃料電池スタック３０Ａに冷却流体を供給するための供給手段（例えば、冷却流体が冷却水の場合、送水ポンプ）の負荷を低減でき、発電システムのシステム効率を向上させることができる。

そして、このように、カソード側セパレータ６ｂのみに冷却流体流路８ｂを有する燃料電池スタック３０Ａの場合であっても、先に述べた本発明の効果を得ることができる。すなわち、燃料電池スタック３０Ａの場合、１つの冷却流体流路８ｂにより、当該冷却流体流路８ｂに近接するアノード側セパレータ６Ａ及びカソード側セパレータ６ｂの両方を十分に冷却することができる。

すなわち、アノード側セパレータ６Ａでは、アノード側ガスケット９ａ（図１参照）とＭＥＡ５（図１参照）との間に形成されるアノード側隙間１０ａ（図１参照）に対して、冷却流体流路「８ａ」の「上流部分」と、燃料ガス流路７ａの「中流以降の部分」（この燃料電池では特に下流以降の部分）との３者が、先に述べた（Ｉ）及び（ＩＩ）の状態となるように互いに近接して配置される部分が設けられている。これにより、アノード側隙間１０ａを凝縮水により閉塞させることができるので、従来の燃料電池よりも反応ガスを有効利用することができる。

また、カソード側セパレータ６ｂでも、カソード側ガスケット９ｂとＭＥＡ５との間に形成されるカソード側隙間１０ｂ（図１参照）と、冷却流体流路「８ｂ」の「上流部分」と、燃料ガス流路７ｂ「中流以降の部分」（この燃料電池では特に下流以降の部分）との３者が、先に述べた（Ｉ）及び（ＩＩ）の状態となるように互いに近接して配置される部分が設けられている。これにより、カソード側隙間１０ｂを凝縮水により閉塞させることができるので、従来の燃料電池よりも反応ガスを有効利用することができる、

なお、本実施形態と逆の構成を採用しても同様に本発明の効果を得ることができる。即ち、図１に示した燃料電池１０のカソード側セパレータ６ｂの代わりに、当該カソード側セパレータ６ｂの冷却流体流路８ｂを有しないカソード側セパレータ（図示せず）を有する構成を採用しても同様に本発明の効果を得ることができる。

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。
図１９は、本発明の燃料電池スタックの第５実施形態の基本構成を示す要部概略断面図である。図２０は、図１９に示した第５実施形態の燃料電池スタック３０Ｂの構成を有する燃料電池スタックの一例を示す概略断面図である。

図１９に示す第５実施形態の燃料電池スタック３０Ｂは、図１８に示した第４実施形態の燃料電池１０Ａと異なる構成を有する燃料電池１０Ｂを、２つの燃料電池１０Ａの間に配置していると以外は図１８に示した第４実施形態の燃料電池スタック３０Ａと同様の構成を有している。

より詳しく説明すると、図１９に示す燃料電池１０Ｂは、図１８に示した燃料電池１０Ａのカソード側セパレータ６ｂのかわりに、当該カソード側セパレータ６ｂの冷却流体流路８ｂを有しないカソード側セパレータ６Ｂを有すること以外は図１８に示した燃料電池１０Ａと同様の構成を有している。

例えば、図１９に示す燃料電池スタック３０Ｂとして、４つのＭＥＡ５が積層された構成を採用する場合の具体例としては、図２０に示す構成の燃料電池スタック３０Ｃがあげられる。なお、図２０に示す燃料電池スタック３０Ｃは、図１９に示す燃料電池スタック３０Ｂにおいて、エンドセパレータ６ｄから最も遠い上部に配置されている燃料電池１０Ａの上に、２つめ燃料電池１０Ｂを配置し更に当該燃料電池１０Ｂ上にエンドセパレータ６ｅが配置された構成を有する。なお、本実施形態の場合、図２０に示すエンドセパレータ６ｅのアノード側セパレータ６Ａの側の主面には、燃料電池スタック３０Ｃには、カソード側セパレータ６ｂと同一の冷却流体流路（図示せず）が設けられている。

図１８に示した燃料電池スタック３０Ａと同様に、この燃料電池スタック３０Ｂの場合にも、外部から燃料電池スタック３０Ｂに冷却流体を供給するための供給手段（例えば、冷却流体が冷却水の場合、送水ポンプ）の負荷を低減でき、発電システムのシステム効率を向上させることができる。

そして、このように、冷却流体流路８ｂを有しない燃料電池１０Ｂを、カソード側セパレータ６ｂのみに冷却流体流路８ｂを有する燃料電池１０Ａの間に配置する場合であっても、先に述べた本発明の効果を得ることができる。すなわち、燃料電池スタック３０Ｂの場合、隣り合う２つの燃料電池１０Ａの２つの冷却流体流路８ｂにより、当該２つの燃料電池１０Ａ自体に加えて当該２つの燃料電池１０Ａの間に配置される燃料電池１０Ｂも十分に冷却することができる。

なお、本発明の効果が得られる範囲であれば、２つの燃料電池１０Ａの間に２つ以上の燃料電池１０Ｂからなる積層体を配置してもよい。本発明の効果をより確実に得る観点からは２つ以上の燃料電池１０Ｂからなる積層体中の燃料電池１０Ｂの数は２つが好ましい。

また、燃料電池１０Ａのアノード側セパレータ６Ａ上に燃料電池１０Ｂのカソード側セパレータ６Ｂが配置される場合、これらのアノード側セパレータ６Ａ及びカソード側セパレータ６Ｂは、一体化された１枚のセパレータとして作製してもよい。

［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態について説明する。この第６実施形態の燃料電池スタックは、図２０に示した燃料電池１０Ａ及び燃料電池スタック３０Ｃにおけるカソード側セパレータ６ｂ、アノード側セパレータ６Ａ、カソード側セパレータ６Ｂ及びエンドセパレータ６ｅを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ以外の構成は図２０に示した燃料電池１０Ａ及び燃料電池スタック３０Ｃと同様である。

以下、第６実施形態の燃料電池スタックに備えられるカソード側セパレータ６ｂ、アノード側セパレータ６Ａ、カソード側セパレータ６Ｂ及びエンドセパレータ６ｅについて説明する。

図２１は、本発明の燃料電池及び燃料電池スタックの第６実施形態に搭載されるカソード側セパレータ６ｂの主面を冷却流体流路８ｂ側から見た場合の正面図である。図２２は、本発明の燃料電池及び燃料電池スタックの第６実施形態に搭載されるカソード側セパレータ６ｂの主面をガス流路７ｂ側から見た場合の正面図である。図２３は、本発明の燃料電池及び燃料電池スタックの第６実施形態に搭載されるアノード側セパレータ６Ａの主面をガス流路７ａ側から見た場合の正面図である。図２４は、本発明の燃料電池及び燃料電池スタックの第６実施形態に搭載されるカソード側セパレータ６Ｂの主面をガス流路７ｂ側から見た場合の正面図である。図２５は、本発明の燃料電池及び燃料電池スタックの第６実施形態に搭載されるアノード側セパレータ６Ａの主面をガス流路７ａの形成されていない面の側から見た場合の正面図である。

第６実施形態の燃料電池スタックに備えられるカソード側セパレータ６ｂは、図２０に示したカソード側セパレータ６ｂの冷却流体流路８ｂのかわりに、図２１に示す構成の複数の冷却流体流路８ｂを有している。また、第６実施形態の燃料電池スタックに備えられるカソード側セパレータ６ｂは、図２０に示したカソード側セパレータ６ｂのガス流路７ｂのかわりに、図２２に示す構成の複数のガス流路７ａを有している。

図２１に示す冷却流体流路８ｂは、図１４に示した冷却流体流路８ａの上流側の合流・分岐点Ｃまでの構成は同じであり、冷却流体供給用マニホールド１６から２本の流路８ｂ１（図１４の７７ａに相当）及び流路８ｂ２（図１４の７７ｅに相当）が領域Ａ₁に沿うように設けられている。また、図２１に示す冷却流体流路８ｂと図１４に示した冷却流体流路８ａとの相違点は、合流・分岐点Ｃ以後において４本の流路（流路８ｂ３、流路８ｂ４、流路８ｂ５及び流路８ｂ６）に分岐していることとである。図１４に示した冷却流体流路８ａと同様に、図２１に示す冷却流体流路８ｂの上記４本の流路（流路８ｂ３、流路８ｂ４、流路８ｂ５及び流路８ｂ６）は、７本の直線部と、６つのターン部を有している。

更に、図２１に示すカソード側セパレータ６ｂでは、冷却流体供給用マニホールド１６及び酸化剤ガス供給用マニホールド１８の配置位置が図１４に示したアノード側セパレータ６ａのマニホールド１６及びマニホールド１８の配置位置と逆になっている。図２１に示すカソード側セパレータ６ｂでは、冷却流体排出用マニホールド１７及び酸化剤ガス排出用マニホールド１９の配置位置が図１４に示したアノード側セパレータ６ａのマニホールド１７及びマニホールド１９の配置位置と逆になっている。

なお、図１４に示した冷却流体流路８ａはアノード側セパレータ６ａの流路であるが図２１に示す冷却流体流路８ｂは、カソード側セパレータ６ｂの流路である。
図２１に示すカソード側セパレータ６ｂのうち上述の冷却流体流路８ｂの形成されている主面の裏面には、酸化剤ガスのためのガス流路７ｂが形成されている。ガス流路７ｂは４本の流路（流路７ｂ１、流路７ｂ２、流路７ｂ３、流路７ｂ４）からなり、４本の流路は、それぞれの一端が酸化剤ガス供給用マニホールド１８に接続されており、それぞれの他端が酸化剤ガス排出用マニホールド１９に接続されている。

そして、４本の流路は、それぞれ７本の直線部と６つのターン部とを有するサーペンタイン構造を有している。４本の流路は互いに等間隔でほぼ平行に並走するように形成されている。この４本の流路（流路７ｂ１、流路７ｂ２、流路７ｂ３、流路７ｂ４）同士の間隔は、図２１に示した冷却流体流路８ｂにおける４本の流路（流路８ｂ３、流路８ｂ４、流路８ｂ５及び流路８ｂ６）同士の間隔とほぼ等しくされている。また４本の流路（流路７ｂ１、流路７ｂ２、流路７ｂ３、流路７ｂ４）と４本の流路（流路８ｂ３、流路８ｂ４、流路８ｂ５及び流路８ｂ６）とは互いに、先に述べたように、「それぞれの長い流路同士が互いに略平行」となるように設けられている。

なお、カソード側セパレータ６ｂにおけるガス流路７ｂと冷却流体流路８ｂとの概略的な位置関係を示すために、図２１においてはガス流路７ｂを一点鎖線で示し、図２２においては冷却流体流路８ｂを一点鎖線で示した。

第６実施形態の燃料電池スタックに備えられるアノード側セパレータ６Ａは、図２０に示したアノード側セパレータ６Ａのガス流路７ａのかわりに、図２３に示す構成のガス流路７ａを有している。このガス流路７ａは３本の流路（流路７ａ１、流路７ａ２、流路７ａ３）からなり、３本の流路は、それぞれの一端が燃料ガス供給用マニホールド１４に接続されており、それぞれの他端が燃料ガス排出用マニホールド１５に接続されている。

そして、３本の流路は、それぞれ９本の直線部と８つのターン部とを有するサーペンタイン構造を有している。３本の流路は互いに等間隔でほぼ平行に並走するように形成されている。この３本の流路（流路７ａ１、流路７ａ２、流路７ａ３）同士の間隔は、図２１に示した冷却流体流路８ｂにおける４本の流路（流路８ｂ３、流路８ｂ４、流路８ｂ５及び流路８ｂ６）同士の間隔とほぼ等しくされている。また３本の流路（流路７ａ１、流路７ａ２、流路７ａ３）と図２１に示した４本の流路（流路８ｂ３、流路８ｂ４、流路８ｂ５及び流路８ｂ６）とは互いに、先に述べたように、「それぞれの長い流路同士が互いに略平行」となるように設けられている。

なお、アノード側セパレータ６Ａにおけるガス流路７ａとカソード側セパレータ６Ｂにおけるガス流路７ｂとの概略的な位置関係を示すために、図２３においてはガス流路７ｂを一点鎖線で示し、後述する図２４においてはガス流路７ａを一点鎖線で示した。また、アノード側セパレータ６Ａのガス流路７ａの形成されていない主面を図２５に示す。

また、図２４に示すように、第６実施形態の燃料電池スタックに備えられるカソード側セパレータ６Ｂは冷却流体流路を有していないこと以外は、上述の図２２に示したカソード側セパレータ６ｂと同様の構成を有している。すなわち、第６実施形態の燃料電池スタックに備えられるカソード側セパレータ６Ｂは図２２に示したガス流路７ｂと同一のガス流路（４本の流路）を有している。このガス流路も、図２１に示した冷却流体流路８ｂにおける４本の流路と、「それぞれの長い流路同士が互いに略平行」となるように設けられている。

また、第６実施形態の燃料電池スタックに備えられるエンドセパレータ６ｅは、図２６に示す冷却流体流路８ｂを有すること以外は図２０に示したエンドセパレータ６ｅと同様の構成を有する。ここで、第６実施形態の燃料電池スタックに備えられるエンドセパレータ６ｅは、図２１に示した第６実施形態の燃料電池スタックに備えられるカソードセパレータ６ｂに形成されている冷却流体流路８ｂと同一の冷却流体流路を有している。この図２６に示す冷却流体流路８ｂも図２２に示したガス流路７ｂと、「それぞれの長い流路同士が互いに略平行」となるように設けられている。

以上の構成を有する第６実施形態の燃料電池スタックにおいては、例えば、燃料電池１０Ａと燃料電池１０Ｂとが積層されている部分のカソード側セパレータ６ｂ及びアノード側セパレータ６Ａにおいて、カソード側ガスケット９ｂとＭＥＡ５との間に形成されるカソード側隙間１０ｂと、アノード側ガスケット９ａとＭＥＡ５との間に形成されるアノード側隙間１０ａと、カソード側セパレータ６ｂの冷却流体流路８ｂの「上流部分」と、カソード側セパレータ６ｂの酸化剤ガス流路７ｂの「中流以降の部分」（この燃料電池では特に下流以降の部分）と、アノード側セパレータ６Ａの燃料ガス流路７ａの「中流以降の部分」（この燃料電池では特に下流以降の部分）との５者が、先に述べた（Ｉ）及び（ＩＩ）の状態となるように互いに近接して配置される部分（例えば、図２１中の領域Ｒ３及び領域Ｒ４を含む領域）が設けられている。これにより、アノード側セパレータ６Ａ側のカソード側隙間１０ｂ及びカソード側セパレータ６ｂの側のアノード側隙間１０ａを凝縮水により閉塞させることができるので、従来の燃料電池よりも反応ガスを有効利用することができる。

また、図２６に示したエンドセパレータ６ｅの冷却流体流路８ｂにおいても、例えば、図２６中の領域Ｒ３及び領域Ｒ４を含む領域において、アノード側セパレータ６Ａ側のアノード側隙間１０ａを凝縮水により閉塞させることができる。

ここで、設計上、セパレータの冷却流体流路は、当該流路に冷却流体を供給するための供給手段（送水ポンプなど）の負荷、供給手段（送水ポンプなど）から複数のセパレータへの各冷却流体流路への冷却水の分配性などを考慮して、流路の断面積、直線部の本数、ターン部の数などの条件が決定される。そのため、この第６実施形態のように複数の流路からなる冷却流体流路を設ける場合もある。

また、セパレータの酸化剤ガス流路は、その裏面にある冷却水の流路との関係よりもむしろ、電解質膜を介して対向配置される別のセパレータのアノードの燃料ガス流路との関係を重視して直線部の本数や、ターン部の数などの条件が設定される場合がある。これは、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を設計する際に、高分子電解質膜の機械的損傷・ガス漏れ発生等の不具合を防止する観点から、酸化剤ガスのガス圧と燃料ガスのガス圧の差を十分に低減する必要があること、酸化剤と燃料（還元剤）との化学量論比を考慮する必要があること、酸化剤ガス中の活物質（酸化剤）の濃度及び燃料ガス中の活物質（還元剤）の濃度を考慮する必要があること、などの理由があるからである。そのため、この第６実施形態のように複数の流路からなる反応ガス流路を設ける場合もある。

本発明では複数の流路からなる冷却流体流路、複数の流路からなる反応ガス流路を設ける場合であってもカソード側隙間１０ｂ及びアノード側隙間１０ａのうちの少なくとも一方を凝縮水により閉塞させることができるので、従来の燃料電池よりも反応ガスを有効利用することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。また、上述のそれぞれの実施形態において他の実施形態の構成の一部を採用することも可能である。
例えば、水素と酸素との化学量論反応を考慮すると、水素は酸素の２倍体積必要となるが、酸化剤ガスに空気を用いる場合、空気中の酸素濃度は約２０体積％であるため、カソードへの空気の流量がアノードへの燃料ガスの流量よりも多くなる。更に、燃料利用率の向上という点からも、燃料ガスの流量を少なくする必要がある。そのため、燃料ガス用のガス流路は、酸化剤ガス用のガス流路よりも蛇行部分が多くかつ長くなって、アノード側のガス流路の長さとアノード側隙間の長さとの差が、カソード側のガス流路の長さとカソード側隙間の長さとの差よりも大きくなるため、反応ガスはカソード側隙間よりもアノード側隙間に流れ易い環境となる。従って、アノード側隙間に対して閉塞させる構造をとることが、より有効である。

しかし、本発明の思想においては、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのいずれか一方又は両方における冷却流体流路の上流部分を、アノード側隙間及びカソード側隙間に対応する領域に設ければよい。そうすると、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間に流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間及びカソード側隙間のいずれかを必ず凝縮水により閉塞させることができる。

また、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一方が、それぞれ第１のルート及び当該第１のルートより長い第２のルートを有する場合、上述のように、より反応ガスが入り込み易い短い第１のルートに対応する領域に冷却流体流路の上流部分を配置するのが好ましい。しかしながら、上記冷却流体流路の上流部分は、第１のルート及び第２のルートのいずれか一方又は両方に対応する領域に設けてもよい。第２のルートにも反応ガスは流入し得るし、更に第１のルート及び第２のルートの両方の近傍に対応する領域に上記冷却流体流路の上流部分を設ければ、より確実に反応ガスの回り込みを防止することができる。

また、例えば、ガス流路が複数本の溝からなる場合、複数本の溝間で屈曲方向の数の違いより流路長（行路長）に差が生じる。この場合、複数本の溝のうち、反応ガス供給用マニホールド孔から反応ガス排出用マニホールド孔までの距離が長い方の溝の断面積を、反応ガス供給用マニホールド孔から反応ガス排出用マニホールド孔までの距離が短い方の溝の断面積よりも大きくするのが好ましい。この構成によれば、流路長の異なる溝間における圧損差をなくすことができ、反応ガスの流れを安定させることができる。

また、上流側のガス流路と下流側のガス流路とが隣接する領域においては、ガス流路間の幅（即ちリブ部の幅）を太くすることが好ましい。これにより、上流側のガス流路から下流側のガス流路へと反応ガスが直接流れ込むことを防止することができる。
また、燃料ガスと酸化剤ガスとのクロスリークを防止するとともに、両者がガス流路の部分を流れることを有効に防止するという観点から、アノード側セパレータ６ａにおいては、図３に示すように燃料ガス供給用マニホールド孔１４の位置と燃料ガス排出用マニホールド孔１５の位置とを離し、カソード側セパレータ６ｂにおいては、図４に示すように酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８の位置と酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９の位置とを離しておくのが好ましい。仮にマニホールド孔同士を近接させる場合には、マニホールド孔近辺において当該マニホールド孔に連通するガス流路間のリブ部の幅を厚めに設定するのが好ましい。

本発明においては、アノード側セパレータにおける冷却流体流路の構成と、カソード側セパレータにおける冷却流体流路の構成とを互いに入れかえてもよく、両者の構成を同じ構成としても構わない。また、上記の直線部の数及びターン部の数も特に限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。
加えて、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータにおけるガス流路の形状も、上記実施の形態に限定されず、本発明の効果を損なわない範囲で、反応ガス供給用マニホールド孔と反応ガス排出用マニホールド孔とを連通する従来と同様の構成を採用することができる。

また、冷却流体流路は、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちの少なくとも一方に設ければよく、必ずしも両方に設ける必要はない。特に、単電池を複数積層する場合には、単電池２個毎に１つの冷却流体流路を形成してもよい。この場合、例えばアノード側セパレータの一方の面に燃料ガス用のガス流路を形成するとともに、他方の面に冷却流体流路を形成し、カソード側セパレータの一方の面に酸化剤ガス用のガス流路を形成するとともに、他方の面は平面状としておいてもよい。

また、例えば、上述の各実施形態においては、図１に示したように、ガス拡散電極として触媒層とガス拡散層を含む構成の電極を搭載する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の燃料電池は、例えば、図１おけるアノードガス拡散層３ａとアノード触媒層２ａとの間に、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けた構成のアノードを搭載していてもよい。また、本発明の燃料電池は、例えば、図１おけるカソードガス拡散層３ｂとカソード触媒層２ｂとの間に、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けた構成のカソードを搭載していてもよい。撥水カーボン層を設けることにより、膜電極接合体における水管理（膜電極接合体の良好な特性維持に必要な水の保持、及び、不必要な水の迅速な排水）をより容易かつより確実に行うことができる。

更に、上述の各実施形態においては、例えば、図１に示した燃料電池１０のように、ガス流路７ａはアノード側セパレータ６ａの主面設けられた溝からなる構成のものが採用されているが、ガス流路７ａはアノード側セパレータ６ａとは別に設けることもできる。例えば、板状のセパレータの主面上に、セパレータよりも小さな板を複数並べることにより溝を画成した構成を採用してもよい。なお、この構成の変更はカソードのガス流路７ｂについても同様に採用可能である。

また、上述の各実施形態においては、図１に示したように、アノード側ガスケット９ａとカソード側ガスケット９ｂとの間に高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐが配置され、アノード側ガスケット９ａとカソード側ガスケット９ｂとは直接接合されていない構成について説明したが、本発明の燃料電池の構成はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の燃料電池では、図２７に示すように、高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐの外側でアノード側ガスケット９ａの一部とカソード側ガスケット９ｂの一部とが直接接合する構成を採用してもよい。

更に、本発明の燃料電池においては、高分子電解質膜１の周縁部（高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐ）の機械的強度を向上させる観点から、高分子電解質膜１の周縁部のうちのアノード側の主面上及びカソード側の主面上のうちの少なくとも一方に、リング状の膜補強部材を配置する構成を採用してもよい。膜補強部材は薄膜上の部材で高分子電解質膜１に密着して配置されるものである。

例えば、高分子電解質膜１の周縁部（例えば、高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐ）のアノード側の主面上に膜補強部材を設ける構成としては、例えば、図２８に示す燃料電池の構成と図２９に示す燃料電池の構成が挙げられる。
図２８及び図２９に示す燃料電池（要部のみ図示する）は、高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐのアノード側の面に膜補強部材１２を配置すること以外は図１に示した燃料電池１０と同様の構成を有する。

より詳しくは、図２８に示す燃料電池の場合、膜補強部材１２の外縁部がアノード側ガスケット９Ａ１と高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐとの間に挿入されており、膜補強部材１２の内縁部は触媒層２ａに接触している。そして、図２８に示す燃料電池の場合、更に、アノード側ガスケット９Ａ１の外縁部と高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐの外縁部は一部直接接合されている。また、図２８に示す燃料電池に比較して、図２９に示す燃料電池の場合、アノード側ガスケット９Ａ２と高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐとの間に膜補強部材１２の外縁部がのびて配置されおり、アノード側ガスケット９Ａ２の外縁部と高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐは直接接合していない構成を有している。

図２８及び図２９に示した燃料電池の場合、アノード側隙間１０ａは、膜補強部材１２、アノード側ガスケット９ａ、アノード側セパレータ６ａ及びアノード４ａの端面（ガス拡散層３ａの端面）を含んで画成される空間からなることとなる。

また、図２８に示した構成では、膜補強部材１２の外縁部がアノード側ガスケット９Ａ１と高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐとの間に挿入されている場合について説明したが、膜補強部材１２を設ける場合の構成は、この構成に限定されない。

例えば、図２８において、膜補強部材１２の外縁部がアノード側ガスケット９Ａ１と高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐとの間に挿入されず、膜補強部材１２の外縁部とアノード側ガスケット９Ａ１とが接触せずに、膜補強部材１２の外縁部とアノード側ガスケット９Ａ１との間に隙間が存在していてもよい。この場合、高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐの一部が膜補強部材１２の外縁部とアノード側ガスケット９Ａ１との間にできる上記隙間で露出することとなる。

この場合、アノード側隙間１０ａは、膜補強部材１２、高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐの露出している主面の部分、アノード側ガスケット９ａ、アノード側セパレータ６ａ及びアノード４ａの端面（ガス拡散層３ａの端面）を含んで画成される空間からなることとなる。

なお、この図２８に示した構成は高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐのカソード４ｂの側の面においても同様に採用可能である。また、図２９に示した構成も高分子電解質膜１のはみ出し部Ｐのカソード４ｂの側の面においても同様に採用可能である。

なお、図２８に示した膜補強部材１２及び図２９に示した膜補強部材１２Ａを設ける場合、た膜補強部材１２及び膜補強部材１２Ａを構成する構成材料は、化学的安定性および機械的安定性などの耐久性の観点から、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、フルオロエチレン−プロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリスルフィド、ポリイミド、及び、ポリイミドアミドからなる群より選択される少なくとも１種の合成樹脂であることが好ましい。

以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。

（実施例１）
本実施例においては、以下の構成の違い［１］及び［２］を除いて、先に述べた本発明の第６実施形態の燃料電池スタックと同一の構成を有する燃料電池スタックを作製した。より具体的には、図２０に記載の燃料電池スタック３０Ｃのように、ＭＥＡを４つ積層した構成を有し、図２１から図２６に示した複数の流路からなる反応ガス流路と複数の冷却流体流路とを有するセパレータを備えた燃料電池（４セルスタック）を作製した。

［１］図２１及び図２６に示した合流・分岐点Ｃ以降の流路の本数が８本の冷却流路を有するカソード側セパレータ６ｂ及びエンドセパレータ６ｅを使用した。［２］図１９及び図２０に示したカソード側セパレータ６ｂにおけるカソードガス流路７ｂ及びカソード側セパレータ６Ｂにおけるカソードガス流路７ｂの本数をそれぞれ７本とした。
なおアノード側セパレータのガス流路としては図２３に示した３本のガス流路７ａと同様の３本の流路を形成した。

また、ＭＥＡとしては、図１に示した構成を有する株式会社ゴア製の「ＰＲＩＭＥＡ（商品名）」を４つ用意し、ホットプレスにより、図１に示した構成となるように高分子電解質膜の外周部にガスケットを接合した。

ついで、先に説明した構造を有するアノード側セパレータ、カソード側セパレータ、エンドセパレータを４つのＭＥＡの間に配置し、図２０に示した燃料電池スタック３０Ｃと同様の４セルスタックを得た。４セルスタックの両端にそれぞれ集電板および絶縁板を重ね合わせ、得られた積層体を一対のエンドプレートの間に配置し、バネおよび締結具を用いて積層体を一対のエンドプレートの間に固定することにより本実施例の燃料電池を得た。

なお、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータは、上記ＭＥＡの大きさにあわせた導電性の平板の一方の主面にガス流路を切削加工により形成し、更に冷却流体流路を設ける場合には、ガス流路を形成した主面の裏面に冷却流体流路を切削加工により形成する方法により作成した。なお、この実施例の場合、図２１及び図２６における領域Ｒ₃における（１００×Ｌ３／Ｌ４）は約１６％〜約２５％であり、領域Ｒ₄における（１００×Ｌ３／Ｌ４）は約５％〜約２５％であると考えられる。

（比較例１）
実施例１の４セルスタックと比較し、アノード側隙間及びカソード側隙間のうちの少なくとも一方と、冷却流体流路の上流部分と、反応ガス流路の中流以降の部分と、が近接しない構成を有すること以外は実施例１と同様の構成を有する４セルスタックを作成した。

具体的には、図３０に示す冷却流体流路（４本の流路）と類似のサーペンタイン構造を有する冷却流体流路（７本の流路）を形成したカソード側セパレータ及びエンドセパレータを使用したことと、図３２に示す冷却流体流路（４本の流路、図３０に示す冷却流体流路と同一の構造のもの）と類似のサーペンタイン構造を有する冷却流体流路（７本の流路）を形成したエンドセパレータを使用したこと以外は、実施例１と同様の構成を有する４セルスタックを作成した。なお、図３０及び図３２では説明の便宜上（図示の都合上）４本の流路からなる冷却流体流路を示したが、この比較例１では、７本の流路の流路からなる冷却流体流路を使用した。

また、比較例１における冷却流体流路とカソード反応ガスの反応ガス流路との位置関係の概略を説明するために、図３１に比較例１に使用したカソード側セパレータの酸化剤ガスのガス流路（７本）と類似のサーペンタイン構造を有するガス流路（４本の流路）を示す。なお、図３１では説明の便宜上（図示の都合上）４本の流路からなるガス流路（カソード側セパレータ）を示したが、この比較例１では、７本の流路からなるガス流路を使用した。

図３０〜図３２から明らかなように、比較例１においては、冷却流体流路と酸化剤ガスのガス流路は、それぞれの一端が矩形のセパレータの主面の１つの角部に互いに近接して配置された冷却流体供給用マニホールド１６０と酸化剤ガス供給用マニホールド１８０とに接続され、それぞれの他端がセパレータの主面の上記角部の対角線上にある角部に互いに近接して配置された冷却流体排出用マニホールド１７０と酸化剤ガス排出用マニホールド１９０に接続されている。そして、冷却流体流路と酸化剤ガスのガス流路は、セパレータの主面内で常に互いに平行かつ並走する状態となっている。更に、７本の冷却流体流路のうち両端にある２本の流路のうちの何れかがカソード隙間に対応する領域又はアノード隙間に対応する領域の近傍に沿うように上流から下流にかけて形成されている。また、７本のガス流路のうち両端にある２本の流路のうちの何れかがカソード隙間に対応する領域又はアノード隙間に対応する領域の近傍に沿うように上流から下流にかけて形成されている。そのため、比較例１においては、冷却流体流路と酸化剤ガスのガス流路は、互いの上流部同士、互いの中流部同士、互いの下流部同士がそれぞれ近接して配置された構成となっている。
なおアノード側セパレータのガス流路としては図２３に示した３本のガス流路７ａと同様の３本の流路を形成した。

［評価試験］
実施例１の燃料電池スタック（４セルスタック）及び比較例１の燃料電池スタック（４セルスタック）を用い、以下の作動条件で限界燃料ガス利用率を測定した。結果を表１に示す。

なお、この評価試験においては、実施例１の燃料電池スタック及び比較例１の燃料電池スタックのそれぞれを構成する単電池ごとに限界燃料ガス利用率を求め、相加平均を算出してこれを限界燃料ガス利用率とした。また、「限界燃料ガス利用率」とは、燃料電池が電圧降下を起こさずに安定して発電できる最大の燃料利用率をいう。

・燃料電池の作動温度：６２℃
・燃料ガス（Ｈ₂）利用率：７０〜９５％
・酸化剤ガス（Ｏ₂）利用率：４５％固定
・冷却水温度（入口）：６１℃
・冷却水温度（出口）：６３℃
・燃料ガス及び酸化剤ガス加湿温度：６４℃

実施例１においては、燃料ガス利用率を９５％にしても、４つの単電池すべてにおいて電圧降下が起こらなかった。一方、比較例１においては、燃料利用率が９０％を超えると電圧降下が始まった。例えば、実施例１では安定した発電が可能であった９５％においては、４つの単電池すべてにおいて５〜３０ｍＶの電圧低下が起こった。
表１に示した結果から明らかなように、本発明の燃料電池及び燃料電池スタックは、高い限界燃料ガス利用率を有し、充分な発電性能を発揮することが確認された。

本発明の固体高分子型燃料電池は、反応ガスの利用効率低下を抑制し、高分子型固体電解質膜を用いた燃料電池、特に定置型コジェネレーションシステムや電気自動車等に応用できる。

本発明の高分子電解質形燃料電池の第１実施形態の基本構成を示す要部概略断面図である。 図１に示した燃料電池１０のアノード側セパレータ６ａの主面を冷却流体流路８ａ側から見た場合の正面図である。 図１に示した燃料電池１０のアノード側セパレータ６ａの主面をガス流路７ａ側から見た場合の正面図である。 図１に示した燃料電池１０のカソード側セパレータ６ｂの主面をガス流路７ｂ側から見た場合の正面図である。 図１に示した燃料電池１０のカソード側セパレータ６ｂの主面を冷却流体流路８ｂ側から見た場合の正面図である。 図１におけるＸ−Ｘで切断した場合における燃料電池１０の断面を示す（アノードセパレータ６ａを取り除き、膜電極接合体５のアノード４ａの主面の法線方向から燃料電池１０を見た場合の正面図を示す）。 図１に示した燃料電池１０のアノード側セパレータ６ａの主面を冷却流体流路８ａ側から見た場合の正面図である。 図１に示した燃料電池１０のアノード側セパレータ６ａの主面をガス流路７ａ側から見た場合の正面図である。 図２におけるＹ−Ｙ線で切断した場合における燃料電池１０の断面を示す概略断面図である。 図１に示した燃料電池１０を複数備える燃料電池スタック（本発明の燃料電池スタックの第１実施形態）の基本構成を示す要部概略断面図である。 本発明の燃料電池の第２実施形態に備えられるアノード側セパレータ２６ａの主面を冷却流体流路８ａ側から見た場合の正面図である。 本発明の燃料電池の第２実施形態に備えられるアノード側セパレータ２６ａの主面をガス流路７ａ側から見た場合の正面図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池に備えられるカソード側セパレータ２６ｂの主面を冷却流体流路８ｂ側から見た場合の正面図である。 本発明の燃料電池の第３実施形態に備えられるアノード側セパレータ４６ａの主面を冷却流体流路８ａ側から見た場合の正面図である。 本発明の第３実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ４６ａの主面をガス流路７ａ側から見た場合の正面図である。 本発明の燃料電池の第３実施形態に備えられるカソード側セパレータ４６ｂの主面をガス流路７ｂ側から見た場合の正面図である。 本発明の燃料電池の第３実施形態に備えられるカソード側セパレータ４６ｂの主面を冷却流体流路８ｂ側から見た場合の正面図である。 本発明の燃料電池及び燃料電池スタックの第４実施形態の基本構成を示す要部概略断面図である。 本発明の燃料電池スタックの第５実施形態の基本構成を示す要部概略断面図である。 図１９に示した第５実施形態の燃料電池スタック３０Ｂの構成を有する燃料電池スタックの一例を示す概略断面図である。 本発明の燃料電池及び燃料電池スタックの第６実施形態に搭載されるカソード側セパレータ６ｂの主面を冷却流体流路８ｂ側から見た場合の正面図である。 本発明の燃料電池及び燃料電池スタックの第６実施形態に搭載されるカソード側セパレータ６ｂの主面をガス流路７ｂ側から見た場合の正面図である。 本発明の燃料電池及び燃料電池スタックの第６実施形態に搭載されるアノード側セパレータ６Ａの主面をガス流路７ａ側から見た場合の正面図である。 本発明の燃料電池及び燃料電池スタックの第６実施形態に搭載されるカソード側セパレータ６Ｂの主面をガス流路７ｂ側から見た場合の正面図である。 本発明の燃料電池及び燃料電池スタックの第６実施形態に搭載されるアノード側セパレータ６Ａの主面をガス流路７ａの形成されていない面の側から見た場合の正面図である。 本発明の燃料電池スタックの第７実施形態に搭載されるエンドセパレータ６ｅの主面を冷却流体流路８ｆ側から見た場合の正面図である。 本発明の燃料電池の他の実施形態の基本構成を示す要部概略断面図である。 本発明の燃料電池の他の実施形態の基本構成を示す要部概略断面図である。 本発明の燃料電池の他の実施形態の基本構成を示す要部概略断面図である。 比較例のセパレータ６０ｂの主面を冷却流体流路８０ｂ側から見た場合の正面図である。 比較例のセパレータ６０ｂの主面をガス流路７０ｂ側から見た場合の正面図である。 比較例のエンドセパレータ６０ｅの主面を冷却流体流路８０ｆ側から見た場合の正面図である。 従来の高分子電解質形燃料電池の基本構成を示す要部概略断面図である。

符号の説明

１・・・高分子電解質膜、２ａ，２ｂ・・・触媒層、３ａ，３ｂ・・・ガス拡散層、４ａ・・・アノード、４ｂ・・・カソード、５・・・ＭＥＡ，６ａ，２６ａ，３６ａ，４６ａ・・・アノード側セパレータ、６ｂ、２６ｂ，３６ｂ，４６ｂ・・・カソード側セパレータ、６ｄ，６ｅ・・・エンドセパレータ、７ａ・・・燃料ガス用のガス流路、７ｂ、１０７ｂ・・・酸化剤ガス用のガス流路、８ａ，８ｂ・・・冷却流体流路、９ａ，９Ａ，９Ａ１，９ｂ・・・ガスケット、１０，１０Ａ，１０Ｂ・・・燃料電池、１０ａ・・・アノード側隙間、１０ｂ・・・カソード側隙間、１２，１２Ａ・・・膜補強部材、１４・・・燃料ガス供給用マニホールド孔、１５・・・燃料ガス排出用マニホールド孔、１６・・・冷却流体供給用マニホールド孔、１７・・・冷却流体排出用マニホールド孔、１８・・・酸化剤ガス供給用マニホールド孔、１９・・・酸化剤ガス排出用マニホールド孔、２０・・・上流部分、２１・・・下流部分、２３・・・遮断板、３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ・・・燃料電池スタック。

Claims (12)

1. アノード及びカソード並びに前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟持するようにして互いに対向配置されているアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、
   前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータのうちの少なくとも一方に設けられており、前記膜電極接合体を冷却するための冷却流体を供給、排出するための冷却流体流路と、
   前記アノード側セパレータに設けられており、前記膜電極接合体に反応ガスとしての燃料ガスを供給、排出するための燃料ガス流路と、
   前記カソード側セパレータに設けられており、前記膜電極接合体に反応ガスとしての酸化剤ガスを供給、排出するための酸化剤ガス流路と、
   前記アノード側セパレータの前記膜電極接合体側の主面のうちの、前記膜電極接合体の外側の部分に配置されており、前記反応ガスをシールするためのアノード側ガスケットと、
   前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体側の主面のうちの、前記膜電極接合体の外側の部分に前記アノード側ガスケットに対向するように配置されており、前記反応ガスをシールするためのカソード側ガスケットと、
   を少なくとも具備しており、
   前記アノード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間に流入する前記反応ガス中の水蒸気成分及び前記カソード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に形成されるカソード側隙間に流入する前記反応ガス中の水蒸気成分が、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間のうちの少なくとも一部において凝縮し、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の少なくとも一方が凝縮水により閉塞するように、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータのうちの少なくとも一方における前記冷却流体流路の上流部分が、前記アノード側隙間に対応する領域及び前記カソード側隙間に対応する領域のうちの少なくとも一方を含むように設けられており、かつ、前記冷却流体流路の前記上流部分は、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路のうちの少なくとも一方のガス流路の中流部分以降の部分に対応する領域を含むように設けられており、
   前記冷却流体流路、前記燃料ガス流路、及び、前記酸化剤ガス流路は、前記冷却流体流路の中流部分から下流部分への全体的な流れの進行方向と、前記燃料ガス流路、及び前記酸化剤ガス流路の上流部分から中流部分への全体的な流れの進行方向と、が略一致する並行流となるように形成されていること、
   を特徴とする燃料電池。
2. 前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータのうちの少なくとも一方における前記冷却流体流路の上流部分と、前記ガス流路の下流部分と、が対応するように構成されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記冷却流体流路、前記燃料ガス流路、及び、前記酸化剤ガス流路は、それぞれ、セパレータの主面の一端から他端の方向に伸びる長い流路と、前記他端に達した前記長い流路を再び折り返して反対の端に伸ばすための曲線状の流路を含む短い流路と、を有していること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記冷却流体流路の中流部分から下流部分への前記長い流路と、前記燃料ガス流路の上流部分から中流部分への前記長い流路と、が互いに略平行となるように設けられており、かつ、
   前記冷却流体流路の中流部分から下流部分への前記長い流路と、前記酸化剤ガス流路の上流部分及び中流部分の前記長い流路と、が互いに略平行となるように設けられていること、
   を特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記高分子電解質膜の主面の大きさが、前記アノードの主面の大きさ及び前記カソードの主面の大きさのいずれよりも大きく、かつ、前記高分子電解質膜の主面の全外縁部が前記アノードの主面の外縁部及び前記カソードの主面の外縁部のいずれよりも外側に突出しており、
   前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットが、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間において、互いに対向して前記高分子電解質膜の前記全外縁部を挟持するようにして配置されており、
   前記アノード側隙間が、少なくとも前記高分子電解質膜、前記アノード側ガスケット、前記アノード側セパレータ及び前記アノードの端面を含む空間からなり、
   前記カソード側隙間が、少なくとも前記高分子電解質膜、前記カソード側ガスケット、前記カソード側セパレータ及び前記カソードの端面を含む空間からなること、
   を特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載の燃料電池。
6. 前記アノード側隙間に流入する前記反応ガス中の水蒸気成分が、前記アノード側隙間の少なくとも一部において凝縮し、前記アノード側隙間が凝縮水により閉塞するように、前記アノード側セパレータにおける前記冷却流体流路の上流部分が、前記アノード側隙間に対応する領域に設けられていること、
   を特徴とする請求項１〜５のうちのいずれかに記載の燃料電池。
7. 前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの両方における前記冷却流体流路の上流部分が、前記アノード側隙間に対応する領域及び前記カソード側隙間に対応する領域のうちの少なくとも一方を含むように設けられており、かつ、前記冷却流体流路の前記上流部分は、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路のうちの少なくとも一方のガス流路の中流部分以降の部分に対応する領域を含むように設けられていること、
   を特徴とする請求項１〜６のうちのいずれかに記載の燃料電池。
8. 前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットが連続環状体であり、
   前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータにおいて、前記冷却流体流路に連通する冷却流体供給用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が、それぞれ前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットの外側に設けられ、
   前記アノード側隙間が、第１のルート及び前記第１のルートよりも長い第２のルートからなり、
   前記アノード側隙間において、前記第１のルートの一端は、前記アノード側隙間のうちの前記燃料ガス流路の入口に最も近い位置にあり、前記第１のルートの他端は、前記アノード側隙間のうちの前記燃料ガス流路の出口に最も近い位置にあり、前記第２のルートの一端は、前記アノード側隙間のうちの前記燃料ガス流路の入口に最も近い位置にあり、前記第２のルートの他端は、前記アノード側隙間のうちの前記燃料ガス流路の出口に最も近い位置にあり、
   前記カソード側隙間が、第１のルート及び前記第１のルートよりも長い第２のルートからなり、
   前記カソード側隙間において、前記第１のルートの一端は、前記カソード側隙間のうちの前記酸化剤ガス流路の入口に最も近い位置にあり、前記第１のルートの他端は、前記カソード側隙間のうちの前記酸化剤ガス流路の出口に最も近い位置にあり、前記第２のルートの一端は、前記カソード側隙間のうちの前記酸化剤ガス流路の入口に最も近い位置にあり、前記第２のルートの他端は、前記カソード側隙間のうちの前記酸化剤ガス流路の出口に最も近い位置にあること、
   を特徴とする請求項１〜７のうちのいずれかに記載の燃料電池。
9. 前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの少なくとも一方における前記冷却流体流路の上流部分が、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の前記第１のルートに対応する領域に設けられていること、
   を特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの少なくとも一方における前記冷却流体流路の上流部分が、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の前記第２のルートに対応する領域のうちの少なくとも一部に設けられていること、
    を特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池。
11. 前記冷却流体流路がサーペンタイン構造を有しており、前記燃料ガス流路がサーペンタイン構造を有しており、かつ、前記酸化剤ガス流路がサーペンタイン構造を有していること、を特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれかに記載の燃料電池。
12. 複数の燃料電池が積層された構成を有する燃料電池スタックであって、
    前記燃料電池として請求項１〜１１のうちのいずれかに記載の燃料電池が少なくとも一つ搭載されていること、
    を特徴とする燃料電池スタック。

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