燃料電池
【課題】燃料電池において、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減する技術を提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池は、第１のガス拡散層を有する発電モジュールと、第１のセパレータとを備える。第１のセパレータの面には、燃料電池の設置状態において、一次流路と、二次流路と、流路壁部と、が設けられている。第１のガス拡散層は、上部領域と、一次流下部領域とを有する。上部領域と下部領域とは、少なくとも一部において、ガス拡散性と親水性の少なくとも一方の程度が異なるように構成されている。
【解決手段】燃料電池は、第１のガス拡散層を有する発電モジュールと、第１のセパレータとを備える。第１のセパレータの面には、燃料電池の設置状態において、一次流路と、二次流路と、流路壁部と、が設けられている。第１のガス拡散層は、上部領域と、一次流下部領域とを有する。上部領域と下部領域とは、少なくとも一部において、ガス拡散性と親水性の少なくとも一方の程度が異なるように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜の両面に電極を接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ）と、ＭＥＡの両側を挟むように積層されたガス拡散層と、外部からの反応ガスをＭＥＡに供給すると共に外部へ排ガス（未反応ガス）を排出するための反応ガス流路とを備える。
【０００３】
従来、反応ガス流路として、外部からの反応ガスをガス拡散層に供給するための一次流路と、排ガスを外部へ排出するための二次流路とが、互いに独立して配置されている流路が知られている（例えば、特許文献１）。この反応ガス流路は、一次流路の末端が閉塞している。また、この反応ガス流路は、反応ガス流路が形成された部材の面方向について一次流路を挟むように二次流路が配置されている。
【０００４】
このような、反応ガス流路を有する燃料電池では、一次流路の末端が閉塞しているため、一次流路を流れる反応ガスの殆どをガス拡散層に流入させることができる。従って、ガス拡散層へ流入することなく、二次流路から外部へ排出される反応ガスの量を低減できるため、発電効率の向上が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１７１６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、燃料電池のカソード側では、電気化学反応により水が生成する。また、カソード側で生成した水の一部は、電解質膜内を移動（拡散）してアノード側に流入する。一次流路に存在する水は、外部へ排出させるためにガス拡散層を介して二次流路に移動させる必要がある。しかしながら、従来、一次流路から二次流路への水の移動が良好に行われない場合があった。この場合、一次流路の水は反応ガスの流れに沿って下流側へと移動してしまい、一次流路下流側では水が大量に滞留する場合があった。一次流路下流側で水が大量に滞留すると、一次流路下流側への反応ガスの流通が阻害され、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じ、発電効率が低下する場合があった。また、燃料電池の設置状態によっては、ガス拡散層内の水の分布にばらつきが生じる場合があった。特に、燃料電池の設置状態において、一次流路を挟んで上下に二次流路が配置される場合、重力の影響によりガス拡散層内における水の分布のばらつきが顕著になる場合があった。ガス拡散層に存在する水の分布にばらつきが生じると、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じ発電効率が低下する場合があった。
【０００７】
従って、本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池において、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することができる。
【０００９】
[適用例１]燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両面に積層された電極とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に積層された第１と第２のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、
前記発電モジュールの前記第１のガス拡散層側に更に積層された第１のセパレータと、を備え、
前記第１のセパレータの２つの面のうち前記第１のガス拡散層と対向する面には、前記燃料電池の設置状態において、
下流側が閉塞した略水平方向に延びる凹状の一次流路であって、外部から供給された第１の反応ガスを流通させる一次流路と、
上流側が閉塞し、略水平方向に延びると共に前記一次流路の上下にそれぞれ位置する凹状の二次流路であって、前記第１のガス拡散層を介して導入された前記第１の反応ガスを外部へ排出させるための二次流路と、
前記一次流路と前記二次流路との間に配置され、面方向において前記一次流路と前記二次流路とを区画する凸状の流路壁部と、が設けられ、
前記第１のガス拡散層は、前記発電モジュールの各構成の積層方向に沿って見たときに、前記一次流路の上側に設けられた前記流路壁部である上部流路壁部と重なる領域である上部領域と、前記一次流路の下側に設けられた前記流路壁部である下部流路壁部と重なる領域である下部領域とを有し、
前記上部領域と前記下部領域とは、少なくとも一部において、ガス拡散性と親水性の少なくとも一方の程度が異なるように構成されている、燃料電池。
【００１０】
適用例１に記載の燃料電池によれば、一次流路からその上下を挟む二次流路へと反応ガスが流通する際に通過する第１のガス拡散層の上部領域と下部領域について、ガス拡散性と親水性の少なくとも一方の程度が異なるように構成されている。これにより、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。ここで、本明細書において、「ガス拡散性」とは、多孔質部材などのガス透過性を有する部材において、一方の側から流入したガスが内部を通って他方の側から流出する場合における、一方の側から他方の側へのガスの移動のしやすさを表す度合いである。
【００１１】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池であって、
前記上部領域の少なくとも一部は、前記下部領域よりも高い親水性を有する、燃料電池。
【００１２】
下部領域は重力が加わる方向と反応ガスの流れが同じ方向（重力下方向）であるため、一次流路と二次流路を繋ぐような水（「水パス」ともいう。）が生じやすい。水パスが生じると、一次流路と二次流路の差圧を利用して一次流路から一次流路の下側に位置する二次流路へと容易に水を移動させることができる。これに対し、上部領域は重力が加わる方向（重力下方向）と反応ガスの流れ（重力上方向）が異なるため、一次流路から一次流路の上側に位置する二次流路へは水パスが生成されにくい。よって、反応ガスの流れを利用して水を移動させる必要がある。適用例２に記載の燃料電池によれば、上部領域の少なくとも一部は下部領域よりも親水性の程度が高いため、上部領域においても水パスの生成を促進できる。これにより、一次流路と二次流路との差圧を利用して一次流路から一次流路の上側に位置する二次流路へと水を容易に移動させることができる。これにより、一次流路内に水が滞留する可能性を低減できるため、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。
【００１３】
［適用例３］適用例１に記載の燃料電池であって、
前記上部領域の少なくとも一部は、前記下部領域よりも高いガス拡散性を有する、燃料電池。
【００１４】
下部領域は重力が加わる方向と反応ガスの流れが同じ方向（重力下方向）であるため、一次流路と二次流路を繋ぐような水（「水パス」ともいう。）が生じやすい。水パスが生じると、一次流路と二次流路の差圧を利用して一次流路から一次流路の下側に位置する二次流路へと容易に水を移動させることができる。これに対し、上部領域は重力が加わる方向（重力下方向）と反応ガスの流れ（重力上方向）が異なるため、一次流路から一次流路の上側に位置する二次流路へは水パスが生成されにくい。よって、反応ガスの流れを利用して水を移動させる必要がある。適用例３に記載の燃料電池によれば、上部領域の少なくとも一部は、下部領域よりもガス拡散性が高いため、より多くの反応ガスを一次流路から上部領域に流通させることができる。これにより、反応ガスの流れによって一次流路（特に一次流路内の上部）に存在する水を上部領域を介して二次流路へと移動させることができる。これにより、一次流路内に水が滞留する可能性を低減できるため、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。
【００１５】
［適用例４］適用例１に記載の燃料電池であって、
前記下部領域の少なくとも一部は、前記上部領域よりも高いガス拡散性を有する、燃料電池。
下部領域では、重力が加わる方向と反応ガスの流れが同じ方向（重力下方向）であるため、上部領域に比べ多くの水が存在する傾向にある。適用例４に記載の燃料電池によれば、下部領域の少なくとも一部は、上部領域よりも高いガス拡散性を有することから、一次流路を流れる第１の反応ガスのより多くを下部領域に分配することができる。よって、第１の反応ガスの流れによって、下部領域の水を二次流路へと容易に移動させることができる。これにより、下部領域に滞留する水の量を低減できるため第１のガス拡散層内の面方向の水の分布のばらつきを低減できる。よって、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。
【００１６】
［適用例５］適用例３又は適用例４に記載の燃料電池であって、
前記上部領域と前記下部領域のいずれか一方の少なくとも一部は、他の領域よりも透気度が高い部分を有する、燃料電池。
一般に、透気度が高いほど、ガス拡散性が高くなる。適用例５に記載の燃料電池によれば、上部領域と下部領域のいずれか一方の一部の透気度を、他の領域の透気度よりも高くすることで、第１のガス拡散層内の面方向の水の分布のばらつきを低減できる。ここで、「透気度」とは、板状（膜状）の繊維基材や多孔質基材について、一方の面の側と他方の面の側との間に所定の圧力差を付与したときに、当該基材を厚み方向に通過する気体の単位時間あたりの量として求めることができる値である。
【００１７】
［適用例６］適用例３に記載の燃料電池であって、
前記上部領域に、前記一次流路と前記二次流路とを繋ぐように切り込みが形成されている、燃料電池。
適用例６に記載の燃料電池によれば、第１のガス拡散層に切り込みを形成することで容易にガス拡散性の程度を高くすることができる。
【００１８】
［適用例７］適用例６に記載の燃料電池であって、
前記切り込みは、前記一次流路側から前記二次流路側に向かうに従い、前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第１の反応ガスの流れ方向について、下流側に位置するように形成されている、燃料電池。
適用例７に記載の燃料電池によれば、一次流路と二次流路の反応ガスの流れ方向に沿って切り込みが形成されていることから、第１の反応ガスの流れを効率良く利用して一次流路の水を切り込みを介して二次流路に移動させることができる。これにより、第１のガス拡散層内の面方向の水の分布のばらつきを低減し、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。
【００１９】
［適用例８］適用例６又は適用例７に記載の燃料電池であって、
前記切り込みは、複数箇所に形成され、
前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第１の反応ガスの流れ方向について、
上流側から下流側に向かうに従って、隣り合う前記切り込みの距離が短くなる、燃料電池。
一般に、一次流路や二次流路の反応ガスの流れ方向について、一次流路において、下流側の方が上流側よりも存在する水の量が多くなる傾向にある。適用例９に記載の燃料電池によれば、下流側に向かうに従って、隣り合う切り込み同士の距離が短くなることから、より多くの水が存在する領域部分において、切り込みを介して一次流路から二次流路により多くの水を移動させることができる。これにより、一次流路内に水が滞留する可能性をより低減できるため、電極に供給される反応ガスの量をより均一にできる。
【００２０】
［適用例９］適用例８に記載の燃料電池であって、
前記上流側から前記下流側に向かうに従って、前記切り込みの幅が大きくなる、燃料電池。
適用例９に記載の燃料電池によれば、一次流路の下流側に存在するより多くの水を、切り込みを介して一次流路から二次流路へと移動させることができる。これにより、一次流路内に水が滞留する可能性をより低減できるため、電極に供給される反応ガスの量をより均一にできる。
【００２１】
［適用例１０］適用例１，適用例３，適用例４のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記上部流路壁部と前記下部流路壁部のいずれか一方の流路壁部は、他方の流路壁部よりも幅の小さい狭小部分を有する、燃料電池。
適用例１０に記載の燃料電池によれば、第１のセパレータの流路壁部の幅を小さくすることによって、幅を小さくした流路壁部と重なる第１のガス拡散層のガス拡散性の程度を容易に高くすることができる。
【００２２】
［適用例１１］適用例１０に記載の燃料電池であって、
前記狭小部分の幅は、前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第１の反応ガスの流れ方向について、上流側から下流側に向かうに従って単調減少する、燃料電池。
適用例１１に記載の燃料電池によれば、水がより多く存在する一次流路及び第１のガス拡散層の下流側に向かうに従ってガス拡散性の程度を高くすることで、下流側に存在するより多くの水を一次流路から二次流路に容易に移動させることができる。これにより、第１の反応ガスの流通を良好に維持でき、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。
【００２３】
［適用例１２］適用例１，適用例３，適用例４のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記上部領域と前記下部領域のいずれか一方の領域は、他方の領域よりも厚みの大きい肉厚部分を有する、燃料電池。
適用例１２に記載の燃料電池によれば、第１のガス拡散層の厚みを大きくすることで、ガス拡散性の程度を容易に高くすることができる。
【００２４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば燃料電池、燃料電池を搭載する車両等の移動体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池１の構成を示す概略図である。
【図２】アノードセパレータ３０の詳細構成を説明するための図である。
【図３】カソードセパレータ５０の詳細構成を説明するための図である。
【図４】発電モジュール２０の詳細構成を説明するための図である。
【図５】第１実施例の効果を説明するための図である。
【図６】比較例の燃料電池１ｋを説明するための図である。
【図７】第２実施例の燃料電池１ａを説明するための図である。
【図８】第３実施例の燃料電池１ｂを説明するための図である。
【図９】第３実施例の変形態様を説明するための図である。
【図１０】第４実施例のアノードセパレータ３０ｃを説明するための図である。
【図１１】第４実施例の燃料電池１ｄを説明するための図である。
【図１２】第４実施例の変形態様のアノードセパレータ３０ｄを説明するための図である。
【図１３】第５実施例のアノードセパレータ３０ｅについて説明するための図である。
【図１４】第５実施例の燃料電池１ｅを説明するための図である。
【図１５】幅Ｔｆと幅Ｔｇの好ましい設定方法を説明するための図である。
【図１６】第６及び第７実施例の燃料電池１ｆ，１ｇを説明するための図である。
【図１７】第８実施例の燃料電池１ｈを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．各種実施例及び変形態様：
Ｂ．変形例：
【００２７】
Ａ．各種実施例及び変形態様：
Ａ−１：第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池１の構成を示す概略図である。図１では方向を特定するために互いに直交するＸＹＺ軸を付している。なお、これ以降の図についても、必要に応じて互いに直交するＸＹＺ軸を付している。燃料電池１は、水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１は、例えば車両等の移動体に搭載され、移動体の動力源として使用される。また、定置型の家庭用電源としても使用される。燃料電池１の設置状態では、Ｚ軸方向が重力方向となり、Ｚ軸負方向が重力下方向となる。燃料電池１は、複数の単セル１０が積層されたスタック構造を有する。単セル１０は、発電モジュール２０と、発電モジュール２０を挟むように両側に積層（配置）されたアノードセパレータ３０及びカソードセパレータ５０とを備える。
【００２８】
発電モジュール２０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２７と、ＭＥＡ２７の両側を挟むように積層（配置）されたアノードガス拡散層２４及びカソードガス拡散層２５と、を備える。ＭＥＡ２７は、電解質膜２１と、電解質膜２１の両側を挟むように積層（配置）された電極としてアノード２２及びカソード２３と、を備える。
【００２９】
電解質膜２１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。すなわち、電解質膜２１は、固体高分子電解質膜である。
【００３０】
アノード２２及びカソード２３は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。アノード２２及びカソード２３を形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜２１を構成する電解質と同様の電解質とを用いてペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜２１上に塗布すればよい。なお、アノード２２及びカソード２３は全域に亘って電気化学的表面積（ＥＳＣＡ）が略均一になるように作製されている。
【００３１】
アノードガス拡散層２４及びカソードガス拡散層２５は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等によって形成することができる。また、多孔質の金属焼結体を用いて形成することもできる。ＭＥＡ２７とガス拡散層２４，２５とは、ＭＥＡ２７をガス拡散層２４，２５によって挟持して、プレス接合することによって一体化されている。２つのガス拡散層２４，２５は各セパレータ３０，５０から供給された反応ガスを拡散させるために用いられる。
【００３２】
２つのセパレータ３０，５０は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成される板状部材である。各セパレータ３０，５０のうち発電モジュール２０と対向する側の面には、反応ガス（酸化剤ガスとしての空気、燃料ガスとしての水素）を発電モジュール２０に供給するための凹状（溝状）の反応ガス流路３２，５２が形成されている。具体的には、反応ガス流路３２，５２は、外部から供給された反応ガスが流通する一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎと、反応ガスを外部へ排出するための二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔとを備える。燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔとは上下に交互になるように配置されている。すなわち、燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎの上下に二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔが位置する。燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎ、及び、二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔは、略平行に延びている。図中の矢印の向きに示すように、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎを流れる反応ガスは、ガス拡散層２４，２５を介して二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔに流入する。すなわち、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔは、発電モジュール２０を介して連通している。
【００３３】
２つのセパレータ３０，５０には、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎと、二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔとの間に配置された凸状の流路壁部３５，５５が設けられている。流路壁部３５，５５は、セパレータ３０，５０の面方向において一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔとを区画する。また、燃料電池１の設置状態において、流路壁部３５は、上部流路壁部３５ｆ，５５ｆと、下部流路壁部３５ｇ，５５ｇと、を備える。上部流路壁部３５ｆ、５５ｆは、燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎの上側に位置する。下部流路壁部３５ｇ，５５ｇは、燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎの下側に位置する。各セパレータ３０，５０における、上部流路壁部３５ｆ，５５ｆと、下部流路壁部３５ｇ，５５とは略同一の幅を有する。
【００３４】
図２は、アノードセパレータ３０の詳細構成を説明するための図である。図２は、アノードガス拡散層２４と対向（接触）する側の面を図示している。また、図２には、アノードセパレータ３０に設けられた流路を通過する水素の流れを矢印で図示している。なお図２には、発電モジュール２０（図１）のうち、発電領域ＧＥ（詳細は後述）の外縁と重なる部分が一点鎖線で図示されている。
【００３５】
アノードセパレータ３０の外周部分には、反応ガスや冷却媒体（例えば、冷却水）が流通するマニホールドＭ１〜Ｍ６が貫通孔として設けられている。また、アノードセパレータ３０には、供給側連絡流路３１と、分配流路３８と、一次流路３２ｉｎと、二次流路３２ｏｕｔと、合流流路３６と、排出側連絡流路３７と、を備える。マニホールドＭ１〜Ｍ６は、複数の単セル１０を積層し燃料電池１が組み立てられた場合に、積層方向に延びる流路を形成する。燃料ガス供給マニホールドＭ１には、外部からの水素が流通する。燃料ガス排出マニホールドＭ２には、外部に排出される水素や水が流通する。なお、排出される水素の少なくとも一部は、再び燃料ガス供給マニホールドＭ１に供給され、発電モジュール２０における電気化学反応に利用しても良い。酸化剤ガス供給マニホールドＭ３には、外部からの空気（酸素）が流通する。酸化剤ガス排出マニホールドＭ４には、外部に排出される空気や水が流通する。冷却媒体供給マニホールドＭ５には、外部からの冷却水が流通する。冷却媒体排出マニホールドＭ６には、外部へ排出される冷却水が流通する。冷却媒体排出マニホールドＭ６を流通した冷却水は、再び冷却媒体供給マニホールドＭ５に供給され利用される。冷却水は、燃料電池１の温度調節のために用いられる。
【００３６】
分配流路３８は、供給側連絡流路３１を介して燃料ガス供給マニホールドＭ１から流入した水素を各一次流路３２ｉｎに分配するための流路である。分配流路３８は、凹状であり底面には水素の流れ方向を分散させるための複数の突起部３３が設けられている。各突起部３３は、各一次流路３２ｉｎへの水素の分配量が均一化されるように、略千鳥状に配列されている。
【００３７】
一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔは、燃料電池１の設置状態において略水平方向に直線状に延びる凹状の流路である。また、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔは、交互になるようにアノードセパレータ３０に設けられている。また、燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔは上下方向について異なる位置に配置される。すなわち、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔとは互いに噛み合う略櫛歯状となるようにアノードセパレータ３０に設けられている。
【００３８】
反応ガス（水素）の流れ方向について、一次流路３２ｉｎは下流側が閉塞している。具体的には、一次流路３２ｉｎの下流側末端は、凸状の壁部が設けられることで閉塞している。反応ガス（水素）の流れ方向について、二次流路３２ｏｕｔは上流側が閉塞している。具体的には、二次流路３２ｏｕｔの上流側末端は、凸状の壁部が設けられることで閉塞している。
【００３９】
合流流路３６は、各二次流路３２ｏｕｔからの反応ガス（水素）や水が流入する。合流流路３６に流入した水素や水は、排出側連絡流路３７を介して燃料ガス排出マニホールドＭ２に流入する。なお、合流流路３６の底面にも、分配流路３８と同様に複数の突起部３３が設けられている。なお、アノードセパレータ３０の他方の面には、冷却水が流通する流路（図示せず）が形成されている。
【００４０】
図３は、カソードセパレータ５０の詳細構成を説明するための図である。図３は、カソードガス拡散層２５と対向（接触）する側の面を図示している。また、図３には、カソードセパレータ５０に設けられた流路を通過する空気の流れを矢印で図示している。なお図３には、発電モジュール２０（図１）のうち、発電領域ＧＥ（詳細は後述）の外縁と重なる部分が一点鎖線で図示されている。
【００４１】
カソードセパレータ５０の外周部分には、アノードセパレータ３０と同様に、反応ガスや冷却媒体（例えば、冷却水）のためのマニホールドＭ１〜Ｍ６が貫通孔として設けられている。マニホールドＭ１〜Ｍ６は、燃料電池１としてカソードセパレータ５０が積層された場合に、他の構成部材（例えば、アノードセパレータ３０）に設けられたマニホールドＭ１〜Ｍ６と重なるように設けられている。また、カソードセパレータ５０には、アノードセパレータ３０と同様に、供給側連絡流路５１と、分配流路５８と、一次流路５２ｉｎと、二次流路５２ｏｕｔと、合流流路３６と、排出側連絡流路５７と、を備える。なお、各流路の名称に付している符号は異なるが、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ５０に設けられた各流路は、同様の構成である。また、カソードセパレータ５０の分配流路５８及び合流流路５６の底面には、アノードセパレータ３０と同様に突起部５３が設けられている。なお、カソードセパレータ５０の他方の面には、冷却水が流通する流路（図示せず）が形成されている。
【００４２】
図４は、発電モジュール２０の詳細構成を説明するための図である。図４は、発電モジュール２０の２つの面のうち、アノードガス拡散層２４側の面の構成を示している。また、理解の容易のために、アノードセパレータ３０に設けられた反応ガス流路３２を流れる水素の流れを矢印で示している。さらに、アノードセパレータ３０の流路壁部３５が重なる領域を破線で示している。なお、カソードガス拡散層２５側の面の構成は、アノードガス拡散層２４側の面の構成と同様であるため、図示を省略すると共に説明を省略する。
【００４３】
発電モジュール２０は、シール一体型膜電極接合体とも呼ばれる。発電モジュール２０は、電気化学反応が行われ発電に寄与する発電領域ＧＥと、発電領域ＧＥの外周に設けられた外周シール部２８とを備える。
【００４４】
アノードガス拡散層２４は、一次領域２４ｅと、上部領域２４ｆと、下部領域２４ｇと、二次上部領域２４ｈと、二次下部領域２４ｉとを備える。各領域２４ｅ〜２４ｉは、発電モジュール２０の各構成（電解質膜２１や電極２２，２３）の積層方向（Ｙ軸方向）に沿ってアノードガス拡散層２４を見たときに、アノードセパレータ３０の異なる構成とそれぞれ重なる。一次領域２４ｅは、一次流路３２ｉｎ（図２）と重なる領域である。上部領域２４ｆは、上部流路壁部３５ｆと重なる領域である。下部領域２４ｇは、下部流路壁部３５ｇと重なる領域である。二次上部領域２４ｈは、燃料電池１の設置状態において一次流路３２ｉｎと隣り合う二次流路３２ｏｕｔのうち、上側に位置する二次流路３２ｏｕｔと重なる領域である。二次下部領域２４ｉは、燃料電池１の設置状態において一次流路３２ｉｎと隣り合う二次流路３２ｏｕｔのうち、下側に位置する二次流路３２ｏｕｔと重なる領域である。
【００４５】
アノードガス拡散層２４は、上部領域２４ｆが下部領域２４ｇを含む他の領域よりも親水性の程度が高くなるように構成されている。このようなアノードガス拡散層２４は、上部領域２４ｆにのみシリコンコートやプラズマ処理等の親水処理を行うことで作製される。また、上部領域２４ｆのみ親水性材料を用い、下部領域２４ｇを含む他の領域を上部領域２４ｆよりも親水性の程度が低い材料を用いてアノードガス拡散層２４を作製しても良い。例えば、上部領域２４ｆを二酸化チタン等のチタン酸化物で作製し、上部領域２４ｆを含む他の領域をカーボンペーパやカーボンクロスにより作製する。なお、発電モジュール２０のうち、カソードガス拡散層２５はカーボンペーパやカーボンクロスにより作製され、全領域に亘って親水性の程度は略同一である。親水性の高低は、水滴接触角の大小により判別でき、水滴接触角が低ければ親水性の程度が高いことになる。
【００４６】
外周シール部２８は、ＭＥＡ２７（図１）を一体的に保持すると共に、燃料電池１の外部への反応ガスや冷却媒体の漏洩を防止する。外周シール部２８は、樹脂部材をＭＥＡ２７の外周端を被覆するように射出成形することにより形成されている。
【００４７】
外周シール部２８には、２つのセパレータ３０，５０（図２，３）と同様に、反応ガスや冷却媒体のためのマニホールドＭ１〜Ｍ６が貫通孔として設けられている。マニホールドＭ１〜Ｍ６は、燃料電池１として発電モジュール２０が積層された場合に、他の構成部材（例えば、アノードセパレータ３０）に設けられたマニホールドＭ１〜Ｍ６と重なるように設けられている。
【００４８】
図５は、第１実施例の効果を説明するための図である。図５（Ａ）は、燃料電池１を構成したときの、図４の５−５断面図におけるアノードセパレータ３０とアノードガス拡散層２４とを示す図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）をＹ軸正方向から見た場合の、アノードガス拡散層２４の表面近傍の様子を模式的に示した図である。図５（Ａ）には、アノードガス拡散層２４の各領域２４ｅ〜２４ｉの境界には破線を付している。図５（Ｂ）には、アノードガス拡散層２４の各領域２４ｅ〜２４ｉの境界には実線を付している。
【００４９】
図５（Ａ）に示すように、燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１と下部３２ｉｎ２には水ＧＷが存在する。ここで、下部３２ｉｎ２に存在する水は、重力及び水素の流れによって、下部領域２４ｇを介して一次流路３２ｉｎの下側に位置する二次流路３２ｏｕｔの水と連続する。すなわち、下部領域２４ｇを介して一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔを繋ぐような水ＧＷ（「水パス」ともいう。）が生じる。水パスが生じると、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの差圧を利用して、一次流路３２ｉｎ及び下部領域２４ｇの水ＧＷを二次流路３２ｏｕｔに容易に移動させることができる。二次流路３２ｏｕｔに移動した水ＧＷは、反応ガスの流れによって下流側へと移動し、燃料ガス排出マニホールドＭ２から外部へ排出される。一般に、差圧を利用した方が水素の流れ（風速）を利用するよりも、水を移動させやすい。
【００５０】
また、上部領域２４ｆは他の領域に比べ親水性の程度が高いためことから、一次流路３２ｉｎと一次流路３２ｉｎの上側に位置する二次流路３２ｏｕｔを繋ぐような水ＧＷ（水パス）の生成を促進することができる。よって、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの差圧を利用して、一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎに存在する水ＧＷを二次流路３２ｏｕｔに容易に移動させることができる。二次流路３２ｏｕｔに移動した水ＧＷは、反応ガスの流れによって下流側へと移動し、燃料ガス排出マニホールドＭ２から外部へ排出される。
【００５１】
さらに理解の容易のために、図５（Ｂ）を用いて水ＧＷの移動について説明を行う。上部領域２４ｆは下部領域２４ｇに比べ親水性の程度が高いために、上部領域２４ｆにおいても下部領域２４ｇと同様に、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔとを繋ぐ水の生成が促進される。これにより、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの差圧を利用して、一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１及び下部３２ｉｎ２に存在する水ＧＷを、上部領域２４ｆ及び下部領域２４ｇを介して二次流路３２ｏｕｔへと容易に移動させることができる。特に、一次流路３２ｉｎを流れる水素の流れ方向について、一次流路３２ｉｎの中流付近においても、一次流路３２ｉｎの水を上部領域２４ｆ及び下部領域２４ｇを介して二次流路３２ｏｕｔに移動させることができるため、一次流路３２ｉｎの下流側に大量の水が滞留する可能性を低減できる。以上より、一次流路３２ｉｎの上流側から下流側に亘って反応ガスである水素を効率良く流通させることができる。よって、アノード２２（図１）の面方向について、アノードに供給される水素の量にばらつきが生じる可能性を低減し、発電効率の低下を抑制できる。
【００５２】
図６は、比較例の燃料電池１ｋを説明するための図である。図６（Ａ）は図５（Ａ）に相当する図あり、図６（Ｂ）は図５（Ｂ）に相当する図である。比較例の燃料電池１ｋと第１実施例の燃料電池１との違いは、アノードガス拡散層２４ｋの構成の違いである。その他の構成については、第１実施例の燃料電池１の構成と同様の構成であるため、同様の構成いついては同一符号を付すと共に、説明を省略する。
【００５３】
比較例の燃料電池１ｋのアノードガス拡散層２４ｋは全域において親水処理が施されていない部材（例えば、カーボンクロスやカーボンペーパ）により作製されている。図６（Ａ）に示すように、一次流路３２ｉｎと一次流路３２ｉｎの下側に位置する二次流路３２ｏｕｔとの間には、重力及び水素の流れ（風速）によってアノードガス拡散層２４ｋを介して一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔを繋ぐような水ＧＷが生成する。これにより、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、一次流路３２ｉｎの下部３２ｉｎ２に存在する水ＧＷは二次流路３２ｏｕｔに容易に移動し、外部へと排出される。一方、一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に位置する水ＧＷは、水パスが形成されにくい。よって、水素の流れ（風速）によって、一次流路３２ｉｎから一次流路３２ｉｎの上側に位置する二次流路３２ｏｕｔへと水ＧＷを移動させなければならない。しかしながら、重力に反して、水ＧＷを移動させる必要があるため、水ＧＷの一部は二次流路３２ｏｕｔに移動することなく一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に滞留することになる。一次流路３２ｉｎに水ＧＷが滞留すると、水素の流通が阻害される。特に、一次流路３２ｉｎの中流付近に滞留した水ＧＷは、水素の流れによって下流側へと移動し、一次流路３２ｉｎの下流側では大量に水が滞留する場合がある。よって、アノードガス拡散層２４ｋに水素を均一に流通させることができず、燃料電池１ｋの発電効率が低下する。なお、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示す破線の矢印は、水素は流通しているが水ＧＷは移動してない様子を示している。
【００５４】
上記のように、第１実施例の燃料電池１は、アノードガス拡散層２４のうち、上部領域２４ｆは下部領域２４ｇを含む他の領域よりも親水性の程度が高いため、一次流路３２ｉｎから一次流路３２ｉｎ上側の二次流路３２ｏｕｔを繋ぐ水（水パス）の生成を促進できる。これにより、一次流路３２ｉｎの下部３２ｉｎ２のみならず上部３２ｉｎ１に存在する水についても二次流路３２ｏｕｔにスムーズに移動させることができる。よって、一次流路３２ｉｎに滞留する水の量を低減し、一次流路３２ｉｎ内の水素の流通が阻害される可能性を低減できる。これにより、一次流路３２ｉｎの全域（全長）を利用して、アノードガス拡散層２４に水素を供給できる。よって、アノードガス拡散層２４全域で水素が拡散されてアノード２２に供給されるため、燃料電池の発電効率の低下を低減できる。また、一次流路３２ｉｎの下流（末端）に水が大量に滞留する可能性を低減できる。これにより、アノード２２の一部分が他の部分より水素濃度が低い部分（水素欠乏部分）が生じる可能性を低減できる。よって、水素欠乏部分の発生により生じる電極（特にカソード２３）の劣化を抑制できる。さらに、一次流路３２ｉｎ内に滞留する水の量を低減できるため、燃料電池１の発電を停止する際に、燃料電池１内の水を外部へ排気する動作を短時間で行うことができる。
【００５５】
なお、上記第１実施例では、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔの水素の流れ方向について、全長に亘って上部領域２４ｆが、下部領域２４ｇよりも親水性の程度を高い構成であったが、これに限定されるものではない。例えば、上部領域２４ｆの上流端から下流端の間の少なくとも一部において、少なくとも下部領域２４ｇよりも親水性の程度が高い領域（「高親水性領域」ともいう。）が設けられていれば良い。このようにしても、上部領域２４ｆは、高親水性領域を一部に有することから、水パスの形成が促進され、差圧を利用して二次流路３２ｏｕｔに上部３２ｉｎ１に存在する水を容易に移動させることができる。なお、高親水性領域は、燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎと一次流路３２ｉｎの上側に位置する二次流路３２ｏｕｔを繋ぐように上下に亘って形成されることが好ましい。こうすることで、より一層水パスの形成を促進できる。
【００５６】
Ａ−２．第２実施例：
図７は、第２実施例の燃料電池１ａを説明するための図である。図７（Ａ）は第１実施例の図５（Ａ）に相当する図であり、図７（Ｂ）は第１実施例の図５（Ｂ）に相当する図である。第２実施例の燃料電池１ａと第１実施例の燃料電池１との違いは、アノードガス拡散層２４ａの構成である。その他の構成（例えばアノードセパレータ３０等）は第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
【００５７】
図７（Ａ）に示すように、アノードガス拡散層２４ａは、上部領域２４ｆが下部領域２４ｇを含む他の領域よりも透気度が高くなるように構成されている。このようなアノードガス拡散層２４ａは、例えばカーボンペーパの作製時に用いられるバインダの量を変えることで作製できる。より具体的には、例えば、上部領域２４ｆのバインダの量を他の領域よりも少なくすることで、上部領域２４ｆの透気度を高くできる。なお、アノードガス拡散層２４ａは、第１実施例と異なり上部領域２４ｆに親水処理を施すことや、親水性材料を用いることはしていない。よって、親水性の程度は各領域２４ｅ〜２４ｉにおいて略同一である。
【００５８】
上部領域２４ｆが下部領域２４ｇよりも透気度が高いことで、上部領域２４ｆと下部領域２４ｇの透気度が同一の場合に比べ、一次流路３２ｉｎから上部領域２４ｆにより多くの水素を送り込む（分配する）ことができる。すなわち、一次流路３２ｉｎから一次流路３２ｉｎの上側に位置する二次流路３２ｏｕｔへと流れる水素の風速を増加させることができる。これにより、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、水素の流れによって一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に存在する水ＧＷを上部領域２４ｆを介して二次流路３２ｏｕｔへと移動させることができる。また、一次流路３２ｉｎの下部３２ｉｎ２に存在する水ＧＷは、第１実施例と同様に、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの差圧を利用して二次流路３２ｏｕｔに容易に移動できる。
【００５９】
上記のように、第２実施例の燃料電池１ａは、第１実施例と同様に、一次流路３２ｉｎの下部３２ｉｎ２のみならず上部３２ｉｎ１に存在する水についても二次流路３２ｏｕｔにスムーズに移動させることができる。よって、第１実施例と同様に、一次流路３２ｉｎの全域（全長）に亘って、アノードガス拡散層２４ａに水素を供給できる。よって、アノードガス拡散層２４ａ全域で水素が拡散されてアノード２２に水素を供給されるため、燃料電池の発電効率の低下を低減できる。また、第１実施例と同様に、水素欠乏部分の発生により生じる電極（特にカソード２３）の劣化を抑制できる。さらに、第１実施例と同様に、燃料電池１の発電を停止する際に、燃料電池１内の水を外部へ排気する動作を短時間で行うことができる。また、上部領域２４ｆの透気度が高いため、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの圧力損失を低減でき、外部から燃料電池１内部に水素を供給するための動力の負荷を低減できる。
【００６０】
なお、第２実施例の燃料電池１ａにおいて、アノードガス拡散層２４ａの上部領域２４ｆが下部領域２４ｇを含む他の領域よりも親水性の程度が高くなるように構成しても良い。このようにすることで、一次流路３２ｉｎと一次流路３２ｉｎの上側に位置する二次流路３２ｏｕｔとを繋ぐような水パスの生成が促進され、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔとの差圧を利用してよりスムーズに一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に存在する水を二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。
【００６１】
なお、上記第２実施例では、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔの水素の流れ方向について、全長に亘って上部領域２４ｆが、下部領域２４ｇよりも透気度の程度が高い構成であったが、これに限定されるものではない。上部領域２４ｆの上流端から下流端の間の少なくとも一部において、少なくとも下部領域２４ｇよりも透気度の程度が高い部分（「高透気度部分」ともいう。）が設けられていれば良い。このようにしても、上部領域２４ｆは、高透気度部分を一部に有することから、高透気度部分では水素の風速が他の領域よりも増加する。よって、一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に存在する水を、水素の流れによって二次流路３２ｏｕｔにスムーズに移動できる。なお、高透気度部分は、燃料電池１ａの設置状態において、一次流路３２ｉｎと一次流路３２ｉｎの上側に位置する二次流路３２ｏｕｔを繋ぐように上下に亘って形成することが好ましい。こうすることで、水素の流れによって、よりスムーズに一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に存在する水を二次流路３２ｏｕｔに移動できる。
【００６２】
Ａ−３．第３実施例：
図８は、第３実施例の燃料電池１ｂを説明するための図である。図８（Ａ）は第１実施例の図５（Ａ）に相当する図であり、図８（Ｂ）は第１実施例の図５（Ｂ）に相当する図である。第３実施例の燃料電池１ｂと第１実施例の燃料電池１との違いは、アノードガス拡散層２４ａの構成である。その他の構成（例えばアノードセパレータ３０等）は第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
【００６３】
アノードガス拡散層２４ｂは、カーボンペーパやカーボンクロス等により作製される。アノードガス拡散層２４ｂは、第１実施例と異なり上部領域２４ｆに親水処理を施すことや、親水性材料を用いることはしていない。よって、親水性の程度は各領域２４ｅ〜２４ｉにおいて略同一である。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、アノードガス拡散層２４ｂのうち、上部領域２４ｆには、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔとを繋ぐように切り込み２４ｚが形成されている。切り込み２４ｚは、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れ方向について、全長に亘って一定間隔毎に複数箇所形成されている。切り込み２４ｚを形成した領域は、アノードガス拡散層２４ｂの他の領域よりもガス拡散性が高い。なお、図８（Ｂ）には、複数箇所形成された切り込み２４ｚの一部を図示している。
【００６４】
また図８（Ｂ）に示すように、切り込み２４ｚは一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れに沿って形成されている。すなわち、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れ方向について、切り込み２４ｚは一次流路３２ｉｎ側から二次流路３２ｏｕｔ側に向かうに従い、下流側に位置するように形成されている。
【００６５】
上記のように、上部領域２４ｆに切り込み２４ｚを形成することで、上部領域２４ｆは下部領域２４ｇよりも一方の側である一次流路３２ｉｎから他方の側である二次流路３２ｏｕｔに水素が移動しやすい領域を有する。これにより、切り込み２４ｚを通過する水素の風速は高くなり、水素の風速によって一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に存在する水を切り込み２４ｚを介して二次流路３２ｏｕｔにスムーズに移動させることができる。また、切り込み２４ｚを形成することで、切り込み２４ｚを介して一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔを繋ぐような水パスの形成が促進される。切り込み２４ｚに水パスが形成されることで、一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に存在する水を、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの差圧を利用して二次流路３２ｏｕｔによりスムーズに移動させることができる。なお、一次流路３２ｉｎの下部３２ｉｎ２に存在する水は、上記第１及び第２実施例と同様に、水パスを形成することで一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの差圧を利用してスムーズに二次流路３２ｏｕｔへと移動する。よって、第１実施例と同様に、一次流路３２ｉｎに滞留する水の量を低減し、一次流路３２ｉｎの水素の流通が阻害される可能性を低減できる。よって、アノードガス拡散層２４全域で水素が拡散されてアノード２２に水素を供給されるため、燃料電池の発電効率の低下を低減できる。また、第１実施例と同様に、水素欠乏部分の発生により生じる電極（特にカソード２３）の劣化を抑制できる。さらに、第１実施例と同様に、一次流路３２ｉｎ内に滞留する水の量を低減できるため、燃料電池１の発電を停止する際に、燃料電池１内の水を外部へ排気する動作を短時間で行うことができる。
【００６６】
Ａ−３−１．第３実施例の変形態様：
図９は、第３実施例の変形態様を説明するための図である。図９（Ａ）は第３実施例の第１の変形態様を説明するための図である。図９（Ｂ）は第３実施例の第２の変形態様を説明するための図である。図９（Ａ）は、第１の変形態様のアノードガス拡散層２４ｂ１の構成を模式的に示した図であり、図８（Ｂ）に相当する図である。図９（Ｂ）は、第２変形態様のアノードガス拡散層２４ｂ２の構成を模式的に示した図であり、図８（Ｂ）に相当する図である。なお、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、アノードガス拡散層２４ｂ１，２４ｂ２の各領域２４ｅ〜２４ｉを全長に亘って図示している。また、図中の矢印の向きは、アノードセパレータ３０の一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素ガスの向きを表している。
【００６７】
上記第３実施例のアノードガス拡散層２４ｂ１では、上部領域２４ｆに形成された切り込み２４ｚは、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れ方向について、全長に亘って一定間隔毎に形成されていた（図８（Ｂ））。これに対し、第１変形態様のアノードガス拡散層２４ｂ１は、上部領域２４ｆに形成された切り込み２４ｚの間隔が、上流側から下流側に向かうに従って短くなっている。言い換えれば、上流側から下流側に向かうに従って、隣り合う切り込み２４ｚの距離Ｄが短くなっている。なお、その他の構成については、第３実施例と同様の構成であるため、説明は省略する。このようにすることで、第３実施例と同様の効果を奏する。また、アノードセパレータ３０の一次流路３２ｉｎに存在する水は、水素の流れと共に下流側に流される傾向にある。すなわち、一次流路３２ｉｎの長さ方向（Ｘ軸方向）において、下流側の方が上流側よりもより多くの水が存在する。よって、上部領域２４ｆの切り込み２４ｚを下流側に向かうに従い密に形成することで、一次流路３２ｉｎの下流側に存在する水を効率良く二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。
【００６８】
また、図９（Ｂ）の第２変形態様に示すように、上流側から下流側に向かうに従って隣り合う切り込み２４ｚの距離Ｄを短くすると共に、上流側から下流側に向かうに従って切り込みの幅を大きくしても良い。こうすることで、さらに効率的に一次流路３２ｉｎの下流側に存在する水を二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。なお、上部領域２４ｆに複数形成する切り込み２４ｚの間隔を一定間隔にしつつ、下流側に向かうに従って切り込み２４ｚの幅を大きくしても良い。このようにしても、一次流路３２ｉｎの下流側に存在する水を効率良く二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。
【００６９】
なお、上記第３実施例及び上記第３実施例の変形態様では、切り込み２４ｚが一次流路３２ｉｎ側から二次流路３２ｏｕｔ側に向かうに従って、下流側に位置するように構成されていたが、これに限定されるものではない。例えば、切り込み２４ｚの一次流路３２ｉｎ側と二次流路３２ｏｕｔ側が一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔの水素の流れ方向について、同一の位置にあっても良い。このようにしても、上記第３実施例及び上記第３実施例の変形態様と同様の効果を奏する。
【００７０】
Ａ−４．第４実施例：
図１０及び図１１を用いて第４実施例の説明を行う。図１０は、第４実施例のアノードセパレータ３０ｃを説明するための図である。図１０は、図２に相当する図であり、アノードセパレータ３０ｃをＹ軸正方向から見たときの図である。図１１は、第４実施例の燃料電池１ｃを説明するための図である。図１１（Ａ）は第１実施例の図５（Ａ）に相当する図であり、図１１（Ｂ）は第１実施例の図５（Ｂ）に相当する図である。なお、図１１（Ｂ）には、アノードセパレータ３０ｃの一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れを矢印で示している。第１実施例の燃料電池１（図５）との違いは、アノードセパレータ３０ｃとアノードガス拡散層２４ｃの構成である。その他の構成（例えば、一次流路３２ｉｎ等）については同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
【００７１】
図１０に示すように、上部流路壁部３５ｆｃは、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れ方向（長さ方向）全域について、下部流路壁部３５ｇよりも幅が小さい。図１１（Ａ）に示すように、燃料電池１ｃとしてアノードセパレータ３０ｃとアノードガス拡散層２４ｃを積層した場合、上部領域２４ｆの幅Ｔｆは、下部領域２４ｇよりも小さくなる。上部領域２４ｆの幅Ｔｆが下部領域２４ｇの幅Ｔｇよりも小さいことで、上部領域２４ｆは下部領域２４ｇよりもガス拡散性の程度が高くなる。なお、アノードガス拡散層２４ｃは、第１実施例と異なり上部領域２４ｆに親水処理を施すことや、親水性材料を用いることはしていない。よって、親水性の程度は各領域２４ｅ〜２４ｉにおいて略同一である。
【００７２】
上記のように、上部領域２４ｆは下部領域２４ｇよりもガス拡散性の程度が高いことから、上部領域２４ｆと下部領域２４ｇのガス拡散性の程度が略同一の場合に比べ、一次流路３２ｉｎからより多くの水素が上部領域２４ｆに流通（分配）する。すなわち、一次流路３２ｉｎから一次流路３２ｉｎの上側に位置する二次流路３２ｏｕｔへと流れる水素の風速は高くなる。よって、一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に存在する水を水素の風速によって上部領域２４ｆを介して二次流路２４ｏｕｔに容易に移動させることができる。また、上部領域２４ｆの幅Ｔｆが下部領域２４ｇの幅Ｔｇよりも小さいことから、幅が同一の場合に比べ、上部３２ｉｎ１に存在する水をよりスムーズに上部領域２４ｆを介して二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。また、第４実施例の燃料電池１ｃは、第１実施例と同様に、一次流路３２ｉｎの下流側で水が大量に滞留する可能性を低減できるため、燃料電池の発電効率の低下を低減できる。また、第１実施例と同様に、水素欠乏部分の発生により生じる電極（特にカソード２３）の劣化を抑制できる。さらに、第１実施例と同様に、燃料電池１内の水を外部へ排気する動作を短時間で行うことができる。
【００７３】
Ａ−４−１．第４実施例の変形態様：
図１２は、第４実施例の変形態様のアノードセパレータ３０ｄを説明するための図である。上記第４実施例では、上部流路壁部３５ｆｃは全長に亘って下部流路壁部３５ｇよりも幅が小さい構成であったが、これに限定されるものではない。上部流路壁部３５ｆｃの上流端から下流端の間の少なくとも一部において、下部流路壁部３５ｇよりも幅の小さい狭小部分を有すれば良い。この場合において、上流側よりも下流側の方がより幅が小さくなるように構成することが好ましい。例えば、図１２に示すように、上流側よりも下流側の方が、幅を次第に小さくすることが好ましい。上流側よりも下流側の方が上部流路壁部３５ｆｄの幅を小さくすることで、より多くの水が滞留する一次流路３２ｉｎの下流側の水を二次流路３２ｏｕｔにスムーズに移動させることができる。なお、上流側から下流側に向かうに従って、次第に幅が小さくなる構成でなくても良い。例えば、上部流路壁部３５ｆｄは、上流側から下流側に向かうに従って段階的に幅が小さくなる構成でも良い。すなわち、上部流路壁部３５ｆｄは上流側から下流側に向かうに従って幅が単調減少する構成でも良い。こうすることで、より多くの水が存在する一次流路３２ｉｎ（詳細には上部３２ｉｎ１）の水をスムーズに二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。これにより、上記第４実施例と同様の効果を奏する。
【００７４】
Ａ−５．第５実施例：
図１３及び図１４を用いて第５実施例の燃料電池１ｅについて説明を行う。図１３は、第５実施例のアノードセパレータ３０ｅについて説明するための図であり、アノードセパレータ３０ｅをＹ軸正方向側から見た図である。図１４は、第５実施例の燃料電池１ｅを説明するための図である。図１４（Ａ）は第１実施例の図５（Ａ）に相当する図であり、図１４（Ｂ）は第１実施例の図５（Ｂ）に相当する図である。なお、図１４（Ｂ）には、アノードセパレータ３０ｅの一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れを矢印で示している。第１実施例の燃料電池１（図５）との違いは、アノードセパレータ３０ｅとアノードガス拡散層２４ｅ１の構成である。その他の構成（例えば、一次流路３２ｉｎ等）については第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
【００７５】
図１３に示すように、下部流路壁部３５ｇｅは、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れ方向（長さ方向）全域について、上部流路壁部３５ｆよりも幅が小さい。図１４（Ａ）に示すように、燃料電池１ｅとしてアノードセパレータ３０ｅとアノードガス拡散層２４ｃを積層した場合、下部領域２４ｇの幅Ｔｇは、上部領域２４ｆの幅Ｔｆよりも小さくなる。ここで、アノードガス拡散層２４ｅ１内の水の分布に着目すると、図１４（Ｂ）に示すように、重力の影響によって下部領域２４ｇは上部領域２４ｆに比べ密に水が存在する。下部領域２４ｇにおいて、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔを繋ぐ水（水パス）が形成されると、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの差圧により水を二次流路３２ｏｕｔに容易に移動させることが可能となる。しかしながら、水パスが形成されるまでにはある程度の時間を要し、水パスが形成されるまでは下部領域２４ｇ内には水が密に存在し、水素の拡散が阻害される。
【００７６】
しかしながら、上記のように第５実施例の燃料電池１ｅは、水が密に存在する下部領域２４ｇの幅Ｔｇを上部領域２４ｆの幅Ｔｆよりも小さくすることで、下部領域２４ｇの幅が上部領域２４ｆの幅Ｔｆと同一の場合に比べ、アノードガス拡散層２４ｅ１内のより多くの領域によって水素を良好に拡散できる。これにより、アノード２２に供給される水素の量にばらつきが生じる可能性が低減でき、発電効率の低下を抑制できる。
【００７７】
図１５は、幅Ｔｆと幅Ｔｇの好ましい設定方法を説明するための図である。図１５（Ａ）は、幅Ｔｆと幅Ｔｇとを決定するために用いる参照燃料電池１ｋであり、図６（Ａ）の比較例に示す燃料電池１ｋと同様の燃料電池である。すなわち、上部流路壁部３５ｆ及び下部流路壁部３５ｇの幅（Ｚ軸方向の長さ）は同一であることから、上部領域２４ｆ及び下部領域２４ｇの幅も同一である。なお、理解の容易のために、アノードガス拡散層２４ｋの各領域には符号を付すと共に、各領域の境界には破線を付している。図１５（Ｂ）は、参照燃料電池１ｋの発電量と上部領域２４ｆ及び下部領域２４ｇの圧力損失の関係を示す図である。
【００７８】
図１５（Ｂ）に示すように、燃料電池１ｋに供給する反応ガスの流量を増大させ、発電量を増加させると、燃料電池１ｋ内部で生成する水の量が増大し、上部領域２４ｆ及び下部領域２４ｇの圧力損失は増大する。ここで、上部領域２４ｆ及び下部領域２４ｇの圧力損失は、各領域２４ｆ，２４ｇの含水率に依存（比例）する。よって本実施例では、各領域２４ｆ，２４ｇの含水率に基づいて圧力損失を決定している。なお、直接に各領域２４ｆ，２４ｇの圧力損失を求めても良い。
【００７９】
アノードガス拡散層２４ｋ内部の水の滞留は、水素の流量が比較的低い低負荷電流領域で顕著に発生する傾向にある。よって、低負荷電流領域（例えば、電流密度０．２Ａ／ｃｍ２）における上部領域２４ｆと下部領域２４ｇの圧力損失の比に基づいて、第５実施例のアノードセパレータ３０ｅの幅Ｔｆと幅Ｔｇ（図１４（Ａ））の比を決定することが好ましい。具体的には、以下の式（１）の関係が成立するように幅Ｔｆと幅Ｔｇを決定する。
幅Ｔｆ：幅Ｔｇ＝Ｐｇ：Ｐｆ （１）
ここで、Ｐｆは所定の発電量（発電量Ｗｔ）における上部領域２４ｆの圧力損失であり、Ｐｇは所定の発電量（発電量Ｗｔ）における下部領域２４ｇの圧力損失である。
【００８０】
例えば、Ｐｆ：Ｐｇ＝１：２である場合、幅Ｔｆ：幅Ｔｇ＝２：１の関係になるようにアノードセパレータ３０ｅの幅Ｔｆと幅Ｔｇを設定する。
【００８１】
上記のように、幅Ｔｆと幅Ｔｇとを、低負荷電流領域の上部領域２４ｆと下部領域２４ｇの圧力損失の比によって定めることで、アノードガス拡散層２４ｅ１内の水素をより均一に流通させることができ、アノード２２への水素の均一配流を達成することが可能となる。これにより、燃料電池１ｅの発電効率の低下をより一層抑制することができる。また、圧力損失が高くなる下部領域２４ｇの幅Ｔｇを小さくすることで、燃料電池１ｅ全体の圧力損失を低減させ、燃料電池１ｅの運転効率を向上できる。
【００８２】
Ａ−６．第６及び第７実施例：
図１６は第６及び第７実施例の燃料電池１ｆ，１ｇを説明するための図である。図１６（Ａ）は第６実施例の燃料電池１ｆを説明するための図であり、第１実施例の図５（Ａ）に相当する図である。図１６（Ｂ）は第７実施例の燃料電池１ｇを説明するための図であり、第１実施例の図１６（Ｂ）に相当する図である。第６実施例の燃料電池１ｆと第１実施例の燃料電池１との違いは、アノードガス拡散層２４ｆ１の構成である。その他の構成（例えば、一次流路３２ｉｎ等）については第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。また、第７実施例の燃料電池１ｇと第１実施例の燃料電池１との違いは、アノードガス拡散層２４ｇ１とアノードセパレータ３０ｇの構成である。その他の構成については第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
【００８３】
図１６（Ａ）に示すように、第６実施例のアノードガス拡散層２４ｆ１は、下部領域２４ｇが上部領域２４ｆを含む他の領域よりも透気度が高くなるように構成されている。なお、アノードガス拡散層２４ｆ１は、第１実施例と異なり特定の領域（例えば上部領域２４ｆ）に親水処理を施すことや、親水性材料を用いることはしていない。よって、親水性の程度は各領域２４ｅ〜２４ｉにおいて略同一である。
【００８４】
上記のように、第６実施例の燃料電池１ｆは、下部領域２４ｇが少なくとも上部領域２４ｆよりも透気度が高くなるように構成されている。よって、下部領域２４ｇと上部領域２４ｆの透気度が同じ場合に比べ、一次流路３２ｉｎから下部領域２４ｇにより多くの水素を送り込む（分配する）ことができる。すなわち、一次流路３２ｉｎから一次流路３２ｉｎの下側に位置する二次流路３２ｏｕｔへと流れる水素の風速を増加させることができる。これにより、アノードガス拡散層２４ｆ１内において、上部領域２４ｆよりも下部領域２４ｇに大量に存在する水を、水素の流れによって二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。これにより、下部領域２４ｇのガス拡散性を向上させ、アノード２２に供給される水素の量にばらつきが生じる可能性を低減できる。よって、燃料電池１ｆの発電効率の低下を抑制できる。
【００８５】
図１６（Ｂ）に示すように、第７実施例のアノードガス拡散層２４ｇ１は、下部領域２４ｇが上部領域２４ｆを含む他の領域よりも厚さ（Ｙ軸方向における長さ、燃料電池１ｇの各構成の積層方向における長さ）が大きい。すなわち、アノードガス拡散層２４ｇ１について、一次流路３２ｉｎから二次流路３２ｏｕｔに向かって水素が流れる方向（Ｚ軸方向）と垂直な面である通気断面の面積を、厚さを大きくすることで大きくする。また、下部領域２４ｇの厚さを大きくするために、下部流路壁部３５ｇｇの厚さは（Ｙ軸方向における長さ）は、上部流路壁部３５ｆの厚さよりも小さい。なお、アノードガス拡散層２４ｇ１は、第１実施例と異なり特定の領域（例えば上部領域２４ｆ）に親水処理を施すことや、親水性材料を用いることはしていない。よって、親水性の程度は各領域２４ｅ〜２４ｉにおいて略同一である。
【００８６】
下部領域２４ｇを、上部領域２４ｆを含む他の領域よりも厚さを大きくすることで、下部領域２４ｇは上部領域２４ｆよりもガス拡散性が高くなる。よって、厚さが一定のアノードガス拡散層に比べ、一次流路３２ｉｎから下部領域２４ｇにより多くの水素を送り込む（分配する）ことができる。すなわち、一次流路３２ｉｎから一次流路３２ｉｎの下側に位置する二次流路３２ｏｕｔへと流れる水素の風速を増加させることができる。これにより、アノードガス拡散層２４ｇ１内において、上部領域２４ｆよりも下部領域２４ｇに大量に存在する水を、水素の流れによって二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。これにより、アノード２２に供給される水素の量にばらつきが生じる可能性を低減でき、燃料電池１ｇの発電効率の低下を抑制できる。
【００８７】
なお、上記第６及び第７実施例では、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔの水素の流れ方向について、下部領域２４ｇの全長に亘って、上部領域２４ｆよりも透気度の程度が高い構成であったり、又は、厚さが大きい構成であったりしたが、これに限定されるものではない。下部領域２４ｇの上流端から下流端の間の少なくとも一部において、少なくとも上部領域２４ｆよりも透気度の程度が高い領域（「高透気度部分」ともいう。）、又は、少なくとも上部領域２４ｆよりも厚さが大きい部分（「肉厚部分」ともいう。）が設けられていれば良い。このようにしても、高透気度部分又は肉厚部分では水素の風速が他の領域よりも増加することから、下部領域２４ｇに存在する水を高透気度部分又は肉厚部分が設けられていない場合に比べ、二次流路３２ｏｕｔにスムーズに移動させることができる。なお、高透気度部分又は肉厚部分は、燃料電池１ｆ，１ｇの設置状態において、一次流路３２ｉｎと一次流路３２ｉｎの下側に位置する二次流路３２ｏｕｔを繋ぐように上下に亘って形成することが好ましい。こうすることで、水素の流れによって、よりスムーズに下部領域２４ｇに存在する水を二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。さらに、第６実施例と第７実施例を組み合わせても良い。すなわち、下部領域２４ｇが上部領域２４ｆよりも、透気度の程度が高く、かつ、厚さが大きくなるように構成されても良い。こうすることで、下部領域２４ｇに存在する水をより一層スムーズに二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。
【００８８】
Ａ−６−１．第６実施例の変形態様：
上記第６実施例では、下部領域２４ｇは、上部領域２４ｆを含む他の領域よりも透気度の程度が高い構成であったが、上部領域２４ｆの透気度の程度を、下部領域２４ｇを含む他の領域よりも低くしても良い。このようにしても、第６実施例と同様の効果を奏する。
【００８９】
Ａ−６−２．第７実施例の変形態様：
上記第７実施例では、下部領域２４ｇは、上部領域２４ｆを含む他の領域よりも厚さが大きい構成であったが、上部領域２４ｆの厚さを、下部領域２４ｇを含む他の領域よりも小さくしても良い。このようにしても、第７実施例と同様の効果を奏する。例えば、上部流路壁部３５ｆの厚さを下部流路壁部３５ｇｇの厚さよりも大きくし、上部領域２４ｆへの荷重を増加させることで、厚さを小さくする。
【００９０】
Ａ−７．第８実施例：
図１７は、第８実施例の燃料電池１ｈを説明するための図である。図１７（Ａ）は、第１実施例の図５（Ａ）に相当する図であり、ＭＥＡ２０も図示されている。図１７（Ｂ）は、第８実施例のアノード２２ｋの作製方法を説明するための図である。第１実施例の燃料電池１との違いは、アノードガス拡散層２４ｋの構成と、アノード２２ｋの構成である。その他の構成（アノードセパレータ３０等）については、第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
【００９１】
図１７（Ａ）に示すように、アノード２２ｋは、一次電極領域２２ｅと、上部電極領域２２ｆと、下部電極領域２２ｇと、二次上部電極領域２２ｈと、二次下部電極領域２２ｉとを備える。各領域２２ｅ〜２２ｉは、発電モジュール２０の各構成（電解質膜２１、電極２２ｋ，２３）の積層方向（Ｙ軸方向）に沿ってアノード２２ｋを見たときに、アノードセパレータ３０の異なる構成と重なる。一次電極領域２２ｅは、一次流路３２ｉｎと重なる領域である。上部電極領域２２ｆは、上部流路壁部３５ｆと重なる領域である。下部電極領域２２ｇは、下部流路壁部３５ｇと重なる領域である。二次上部電極領域２２ｈは、燃料電池１ｈの設置状態において一次流路３２ｉｎと隣り合う二次流路３２ｏｕｔのうち、上側に位置する二次流路３２ｏｕｔと重なる領域である。二次下部電極領域２２ｉは、燃料電池１ｈの設置状態において一次流路３２ｉｎと隣り合う二次流路３２ｏｕｔのうち、上側に位置する二次流路３２ｏｕｔと重なる領域である。なお、各領域２２ｅ〜２２ｉの境界には破線を付している。第１実施例のアノード２２との違いは、下部電極領域２２ｇが少なくとも上部電極領域２２ｆよりも電気化学的表面積が大きいことである。なお、アノードガス拡散層２４ｋは、第１実施例と異なり、全域において親水処理が施されていない部材（例えば、カーボンクロスやカーボンペーパ）により作製されている。
【００９２】
図１７（Ｂ）に示すように、アノード２２ｋの作製方法の一例を示す。作製方法Ｎｏ．１は、下部電極領域２２ｇの触媒量（例えば、白金の量）を少なくとも上部電極領域２２ｆの触媒量よりも多くする作製方法である。作製方法Ｎｏ．２は、下部電極領域２２ｇの触媒の粒子径の平均値を少なくとも上部電極領域２２ｆの触媒の粒子径の平均値よりも小さくする作製方法である。作製方法Ｎｏ．３は、下部電極領域２２ｇの触媒粒子の表面粗さを少なくとも上部電極領域２２ｆの触媒粒子の表面粗さよりも大きくする作製方法である。作製方法Ｎｏ．４は、下部電極領域２２ｇの電解質と導電性を有する担体との含有質量比率（Ｉ／Ｃ：Ｉｏｎｏｍｅｒ／Ｃａｒｂｏｎ）を少なくとも上部電極領域２２ｆのＩ／Ｃよりも多くする作製方法である。上記作製方法Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４のいずれか１つの方法、又は、作製方法を２つ以上組み合わせて作製する方法によって、下部電極領域２２ｇの電気化学的表面積を少なくとも上部電極領域２２ｆの電気化学的表面積よりも大きくできる。
【００９３】
ここで、アノードガス拡散層２４ｋにおいて、重力の影響により、下部領域２４ｇは他の領域よりも水が密に存在するため、水素の流通が阻害される。よって、下部電極領域２２ｇに到達する水素の量が上部電極領域２２ｆを含む他の電極領域に比べ少なくなる。しかしながら、第８実施例の燃料電池１ｈによれば、下部電極領域２２ｇの電気化学的表面積は、少なくとも上部電極領域２２ｆの電気化学的表面積よりも大きいことから、下部電極領域２２ｇにおいて水素の消費効率を向上させ、燃料電池１ｈの発電効率の低下を抑制できる。
【００９４】
Ｂ．変形例：
なお、上記実施例における構成要素の中の、特許請求の範囲の独立項に記載した要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９５】
Ｂ−１．第１変形例：
上記実施例では、アノードガス拡散層２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｂ１，２４ｂ２，２４ｃ，２４ｅにおいて、上部領域２４ｆと下部領域２４ｇとが少なくとも一部について親水性の程度やガス拡散性の程度が異なるように構成されていたが、これに限定されるものではない。カソードガス拡散層２５においても、上部領域と下部領域とが少なくとも一部において親水性の程度やガス拡散性の程度が異なるように構成されても良い。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏する。また、両方のガス拡散層２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｂ１，２４ｂ２，２４ｃ，２４ｅ，２５において、上部領域と下部領域とが少なくとも一部において親水性の程度やガス拡散性の程度が異なるように構成されても良い。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏する。
また、上記実施例では、アノードセパレータ３０ｃ，３０ｄ，３０ｅについて、上部流路壁部３５ｆと下部流路壁部３５ｇのいずれか一方の少なくとも一部の幅を小さくするようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、カソードセパレータ５０においても、上部流路壁部と下部流路壁部のいずれか一方の少なくとも一部の幅を小さくするようにしても良いし、両方のセパレータ３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，５０について、上部流路壁部と下部流路壁部のいずれか一方の少なくとも一部の幅を小さくするようにしても良い。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏する。
また、上記実施例では、アノード２２ｋ（図１７）において、電気化学的表面積を変化させたが、カソード２３に適用しても良い。また、両極に適用しても良い。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏する。
【００９６】
Ｂ−２．第２実施例：
上記実施例では、燃料電池１〜１ｈに固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池を用いることができる。
【符号の説明】
【００９７】
１…燃料電池
１ａ…燃料電池
１ｂ…燃料電池
１ｃ…燃料電池
１ｄ…燃料電池
１ｅ…燃料電池
１ｆ…燃料電池
１ｇ…燃料電池
１ｈ…燃料電池
１ｋ…参照燃料電池
１０…単セル
２０…発電モジュール
２１…電解質膜
２２…アノード
２２ｅ…一次電極領域
２２ｆ…上部電極領域
２２ｇ…下部電極領域
２２ｈ…二次上部電極領域
２２ｉ…二次下部電極領域
２２ｋ…アノード
２３…カソード
２４ｏｕｔ…二次流路
２４…アノードガス拡散層
２４ａ…アノードガス拡散層
２４ｂ…アノードガス拡散層
２４ｃ…アノードガス拡散層
２４ｅ…一次領域
２４ｆ…上部領域
２４ｇ…下部領域
２４ｈ…二次上部領域
２４ｉ…二次下部領域
２４ｋ…アノードガス拡散層
２４ｂ１…アノードガス拡散層
２４ｂ２…アノードガス拡散層
２４ｅ１…アノードガス拡散層
２４ｆ１…アノードガス拡散層
２４ｇ１…アノードガス拡散層
２５…カソードガス拡散層
２８…外周シール部
３０…アノードセパレータ
３０ｃ…アノードセパレータ
３０ｄ…アノードセパレータ
３０ｅ…アノードセパレータ
３０ｇ…アノードセパレータ
３１…供給側連絡流路
３２ｉｎ…一次流路
３２ｏｕｔ…二次流路
３２ｉｎ１…上部
３２ｉｎ２…下部
３２…反応ガス流路
３３…突起部
３５…流路壁部
３５ｆ…上部流路壁部
３５ｇ…下部流路壁部
３５ｆｃ…上部流路壁部
３５ｆｄ…上部流路壁部
３５ｇｃ…下部流路壁部
３５ｇｅ…下部流路壁部
３５ｇｇ…下部流路壁部
３６…合流流路
３７…排出側連絡流路
３８…分配流路
５０…カソードセパレータ
５１…供給側連絡流路
５２ｏｕｔ…二次流路
５２ｉｎ…一次流路
５３…突起部
５６…合流流路
５７…排出側連絡流路
５８…分配流路
Ｍ１…燃料ガス供給マニホールド
Ｍ２…燃料ガス排出マニホールド
Ｍ３…酸化剤ガス供給マニホールド
Ｍ４…酸化剤ガス排出マニホールド
Ｍ５…冷却媒体供給マニホールド
Ｍ６…冷却媒体排出マニホールド
ＧＥ…発電領域
ＧＷ…水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜の両面に電極を接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ）と、ＭＥＡの両側を挟むように積層されたガス拡散層と、外部からの反応ガスをＭＥＡに供給すると共に外部へ排ガス（未反応ガス）を排出するための反応ガス流路とを備える。
【０００３】
従来、反応ガス流路として、外部からの反応ガスをガス拡散層に供給するための一次流路と、排ガスを外部へ排出するための二次流路とが、互いに独立して配置されている流路が知られている（例えば、特許文献１）。この反応ガス流路は、一次流路の末端が閉塞している。また、この反応ガス流路は、反応ガス流路が形成された部材の面方向について一次流路を挟むように二次流路が配置されている。
【０００４】
このような、反応ガス流路を有する燃料電池では、一次流路の末端が閉塞しているため、一次流路を流れる反応ガスの殆どをガス拡散層に流入させることができる。従って、ガス拡散層へ流入することなく、二次流路から外部へ排出される反応ガスの量を低減できるため、発電効率の向上が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１７１６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、燃料電池のカソード側では、電気化学反応により水が生成する。また、カソード側で生成した水の一部は、電解質膜内を移動（拡散）してアノード側に流入する。一次流路に存在する水は、外部へ排出させるためにガス拡散層を介して二次流路に移動させる必要がある。しかしながら、従来、一次流路から二次流路への水の移動が良好に行われない場合があった。この場合、一次流路の水は反応ガスの流れに沿って下流側へと移動してしまい、一次流路下流側では水が大量に滞留する場合があった。一次流路下流側で水が大量に滞留すると、一次流路下流側への反応ガスの流通が阻害され、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じ、発電効率が低下する場合があった。また、燃料電池の設置状態によっては、ガス拡散層内の水の分布にばらつきが生じる場合があった。特に、燃料電池の設置状態において、一次流路を挟んで上下に二次流路が配置される場合、重力の影響によりガス拡散層内における水の分布のばらつきが顕著になる場合があった。ガス拡散層に存在する水の分布にばらつきが生じると、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じ発電効率が低下する場合があった。
【０００７】
従って、本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池において、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することができる。
【０００９】
[適用例１]燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両面に積層された電極とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に積層された第１と第２のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、
前記発電モジュールの前記第１のガス拡散層側に更に積層された第１のセパレータと、を備え、
前記第１のセパレータの２つの面のうち前記第１のガス拡散層と対向する面には、前記燃料電池の設置状態において、
下流側が閉塞した略水平方向に延びる凹状の一次流路であって、外部から供給された第１の反応ガスを流通させる一次流路と、
上流側が閉塞し、略水平方向に延びると共に前記一次流路の上下にそれぞれ位置する凹状の二次流路であって、前記第１のガス拡散層を介して導入された前記第１の反応ガスを外部へ排出させるための二次流路と、
前記一次流路と前記二次流路との間に配置され、面方向において前記一次流路と前記二次流路とを区画する凸状の流路壁部と、が設けられ、
前記第１のガス拡散層は、前記発電モジュールの各構成の積層方向に沿って見たときに、前記一次流路の上側に設けられた前記流路壁部である上部流路壁部と重なる領域である上部領域と、前記一次流路の下側に設けられた前記流路壁部である下部流路壁部と重なる領域である下部領域とを有し、
前記上部領域と前記下部領域とは、少なくとも一部において、ガス拡散性と親水性の少なくとも一方の程度が異なるように構成されている、燃料電池。
【００１０】
適用例１に記載の燃料電池によれば、一次流路からその上下を挟む二次流路へと反応ガスが流通する際に通過する第１のガス拡散層の上部領域と下部領域について、ガス拡散性と親水性の少なくとも一方の程度が異なるように構成されている。これにより、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。ここで、本明細書において、「ガス拡散性」とは、多孔質部材などのガス透過性を有する部材において、一方の側から流入したガスが内部を通って他方の側から流出する場合における、一方の側から他方の側へのガスの移動のしやすさを表す度合いである。
【００１１】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池であって、
前記上部領域の少なくとも一部は、前記下部領域よりも高い親水性を有する、燃料電池。
【００１２】
下部領域は重力が加わる方向と反応ガスの流れが同じ方向（重力下方向）であるため、一次流路と二次流路を繋ぐような水（「水パス」ともいう。）が生じやすい。水パスが生じると、一次流路と二次流路の差圧を利用して一次流路から一次流路の下側に位置する二次流路へと容易に水を移動させることができる。これに対し、上部領域は重力が加わる方向（重力下方向）と反応ガスの流れ（重力上方向）が異なるため、一次流路から一次流路の上側に位置する二次流路へは水パスが生成されにくい。よって、反応ガスの流れを利用して水を移動させる必要がある。適用例２に記載の燃料電池によれば、上部領域の少なくとも一部は下部領域よりも親水性の程度が高いため、上部領域においても水パスの生成を促進できる。これにより、一次流路と二次流路との差圧を利用して一次流路から一次流路の上側に位置する二次流路へと水を容易に移動させることができる。これにより、一次流路内に水が滞留する可能性を低減できるため、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。
【００１３】
［適用例３］適用例１に記載の燃料電池であって、
前記上部領域の少なくとも一部は、前記下部領域よりも高いガス拡散性を有する、燃料電池。
【００１４】
下部領域は重力が加わる方向と反応ガスの流れが同じ方向（重力下方向）であるため、一次流路と二次流路を繋ぐような水（「水パス」ともいう。）が生じやすい。水パスが生じると、一次流路と二次流路の差圧を利用して一次流路から一次流路の下側に位置する二次流路へと容易に水を移動させることができる。これに対し、上部領域は重力が加わる方向（重力下方向）と反応ガスの流れ（重力上方向）が異なるため、一次流路から一次流路の上側に位置する二次流路へは水パスが生成されにくい。よって、反応ガスの流れを利用して水を移動させる必要がある。適用例３に記載の燃料電池によれば、上部領域の少なくとも一部は、下部領域よりもガス拡散性が高いため、より多くの反応ガスを一次流路から上部領域に流通させることができる。これにより、反応ガスの流れによって一次流路（特に一次流路内の上部）に存在する水を上部領域を介して二次流路へと移動させることができる。これにより、一次流路内に水が滞留する可能性を低減できるため、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。
【００１５】
［適用例４］適用例１に記載の燃料電池であって、
前記下部領域の少なくとも一部は、前記上部領域よりも高いガス拡散性を有する、燃料電池。
下部領域では、重力が加わる方向と反応ガスの流れが同じ方向（重力下方向）であるため、上部領域に比べ多くの水が存在する傾向にある。適用例４に記載の燃料電池によれば、下部領域の少なくとも一部は、上部領域よりも高いガス拡散性を有することから、一次流路を流れる第１の反応ガスのより多くを下部領域に分配することができる。よって、第１の反応ガスの流れによって、下部領域の水を二次流路へと容易に移動させることができる。これにより、下部領域に滞留する水の量を低減できるため第１のガス拡散層内の面方向の水の分布のばらつきを低減できる。よって、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。
【００１６】
［適用例５］適用例３又は適用例４に記載の燃料電池であって、
前記上部領域と前記下部領域のいずれか一方の少なくとも一部は、他の領域よりも透気度が高い部分を有する、燃料電池。
一般に、透気度が高いほど、ガス拡散性が高くなる。適用例５に記載の燃料電池によれば、上部領域と下部領域のいずれか一方の一部の透気度を、他の領域の透気度よりも高くすることで、第１のガス拡散層内の面方向の水の分布のばらつきを低減できる。ここで、「透気度」とは、板状（膜状）の繊維基材や多孔質基材について、一方の面の側と他方の面の側との間に所定の圧力差を付与したときに、当該基材を厚み方向に通過する気体の単位時間あたりの量として求めることができる値である。
【００１７】
［適用例６］適用例３に記載の燃料電池であって、
前記上部領域に、前記一次流路と前記二次流路とを繋ぐように切り込みが形成されている、燃料電池。
適用例６に記載の燃料電池によれば、第１のガス拡散層に切り込みを形成することで容易にガス拡散性の程度を高くすることができる。
【００１８】
［適用例７］適用例６に記載の燃料電池であって、
前記切り込みは、前記一次流路側から前記二次流路側に向かうに従い、前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第１の反応ガスの流れ方向について、下流側に位置するように形成されている、燃料電池。
適用例７に記載の燃料電池によれば、一次流路と二次流路の反応ガスの流れ方向に沿って切り込みが形成されていることから、第１の反応ガスの流れを効率良く利用して一次流路の水を切り込みを介して二次流路に移動させることができる。これにより、第１のガス拡散層内の面方向の水の分布のばらつきを低減し、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。
【００１９】
［適用例８］適用例６又は適用例７に記載の燃料電池であって、
前記切り込みは、複数箇所に形成され、
前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第１の反応ガスの流れ方向について、
上流側から下流側に向かうに従って、隣り合う前記切り込みの距離が短くなる、燃料電池。
一般に、一次流路や二次流路の反応ガスの流れ方向について、一次流路において、下流側の方が上流側よりも存在する水の量が多くなる傾向にある。適用例９に記載の燃料電池によれば、下流側に向かうに従って、隣り合う切り込み同士の距離が短くなることから、より多くの水が存在する領域部分において、切り込みを介して一次流路から二次流路により多くの水を移動させることができる。これにより、一次流路内に水が滞留する可能性をより低減できるため、電極に供給される反応ガスの量をより均一にできる。
【００２０】
［適用例９］適用例８に記載の燃料電池であって、
前記上流側から前記下流側に向かうに従って、前記切り込みの幅が大きくなる、燃料電池。
適用例９に記載の燃料電池によれば、一次流路の下流側に存在するより多くの水を、切り込みを介して一次流路から二次流路へと移動させることができる。これにより、一次流路内に水が滞留する可能性をより低減できるため、電極に供給される反応ガスの量をより均一にできる。
【００２１】
［適用例１０］適用例１，適用例３，適用例４のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記上部流路壁部と前記下部流路壁部のいずれか一方の流路壁部は、他方の流路壁部よりも幅の小さい狭小部分を有する、燃料電池。
適用例１０に記載の燃料電池によれば、第１のセパレータの流路壁部の幅を小さくすることによって、幅を小さくした流路壁部と重なる第１のガス拡散層のガス拡散性の程度を容易に高くすることができる。
【００２２】
［適用例１１］適用例１０に記載の燃料電池であって、
前記狭小部分の幅は、前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第１の反応ガスの流れ方向について、上流側から下流側に向かうに従って単調減少する、燃料電池。
適用例１１に記載の燃料電池によれば、水がより多く存在する一次流路及び第１のガス拡散層の下流側に向かうに従ってガス拡散性の程度を高くすることで、下流側に存在するより多くの水を一次流路から二次流路に容易に移動させることができる。これにより、第１の反応ガスの流通を良好に維持でき、電極に供給される反応ガスの量にばらつきが生じる可能性を低減できる。
【００２３】
［適用例１２］適用例１，適用例３，適用例４のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記上部領域と前記下部領域のいずれか一方の領域は、他方の領域よりも厚みの大きい肉厚部分を有する、燃料電池。
適用例１２に記載の燃料電池によれば、第１のガス拡散層の厚みを大きくすることで、ガス拡散性の程度を容易に高くすることができる。
【００２４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば燃料電池、燃料電池を搭載する車両等の移動体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池１の構成を示す概略図である。
【図２】アノードセパレータ３０の詳細構成を説明するための図である。
【図３】カソードセパレータ５０の詳細構成を説明するための図である。
【図４】発電モジュール２０の詳細構成を説明するための図である。
【図５】第１実施例の効果を説明するための図である。
【図６】比較例の燃料電池１ｋを説明するための図である。
【図７】第２実施例の燃料電池１ａを説明するための図である。
【図８】第３実施例の燃料電池１ｂを説明するための図である。
【図９】第３実施例の変形態様を説明するための図である。
【図１０】第４実施例のアノードセパレータ３０ｃを説明するための図である。
【図１１】第４実施例の燃料電池１ｄを説明するための図である。
【図１２】第４実施例の変形態様のアノードセパレータ３０ｄを説明するための図である。
【図１３】第５実施例のアノードセパレータ３０ｅについて説明するための図である。
【図１４】第５実施例の燃料電池１ｅを説明するための図である。
【図１５】幅Ｔｆと幅Ｔｇの好ましい設定方法を説明するための図である。
【図１６】第６及び第７実施例の燃料電池１ｆ，１ｇを説明するための図である。
【図１７】第８実施例の燃料電池１ｈを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．各種実施例及び変形態様：
Ｂ．変形例：
【００２７】
Ａ．各種実施例及び変形態様：
Ａ−１：第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池１の構成を示す概略図である。図１では方向を特定するために互いに直交するＸＹＺ軸を付している。なお、これ以降の図についても、必要に応じて互いに直交するＸＹＺ軸を付している。燃料電池１は、水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１は、例えば車両等の移動体に搭載され、移動体の動力源として使用される。また、定置型の家庭用電源としても使用される。燃料電池１の設置状態では、Ｚ軸方向が重力方向となり、Ｚ軸負方向が重力下方向となる。燃料電池１は、複数の単セル１０が積層されたスタック構造を有する。単セル１０は、発電モジュール２０と、発電モジュール２０を挟むように両側に積層（配置）されたアノードセパレータ３０及びカソードセパレータ５０とを備える。
【００２８】
発電モジュール２０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２７と、ＭＥＡ２７の両側を挟むように積層（配置）されたアノードガス拡散層２４及びカソードガス拡散層２５と、を備える。ＭＥＡ２７は、電解質膜２１と、電解質膜２１の両側を挟むように積層（配置）された電極としてアノード２２及びカソード２３と、を備える。
【００２９】
電解質膜２１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。すなわち、電解質膜２１は、固体高分子電解質膜である。
【００３０】
アノード２２及びカソード２３は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。アノード２２及びカソード２３を形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜２１を構成する電解質と同様の電解質とを用いてペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜２１上に塗布すればよい。なお、アノード２２及びカソード２３は全域に亘って電気化学的表面積（ＥＳＣＡ）が略均一になるように作製されている。
【００３１】
アノードガス拡散層２４及びカソードガス拡散層２５は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等によって形成することができる。また、多孔質の金属焼結体を用いて形成することもできる。ＭＥＡ２７とガス拡散層２４，２５とは、ＭＥＡ２７をガス拡散層２４，２５によって挟持して、プレス接合することによって一体化されている。２つのガス拡散層２４，２５は各セパレータ３０，５０から供給された反応ガスを拡散させるために用いられる。
【００３２】
２つのセパレータ３０，５０は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成される板状部材である。各セパレータ３０，５０のうち発電モジュール２０と対向する側の面には、反応ガス（酸化剤ガスとしての空気、燃料ガスとしての水素）を発電モジュール２０に供給するための凹状（溝状）の反応ガス流路３２，５２が形成されている。具体的には、反応ガス流路３２，５２は、外部から供給された反応ガスが流通する一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎと、反応ガスを外部へ排出するための二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔとを備える。燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔとは上下に交互になるように配置されている。すなわち、燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎの上下に二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔが位置する。燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎ、及び、二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔは、略平行に延びている。図中の矢印の向きに示すように、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎを流れる反応ガスは、ガス拡散層２４，２５を介して二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔに流入する。すなわち、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔは、発電モジュール２０を介して連通している。
【００３３】
２つのセパレータ３０，５０には、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎと、二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔとの間に配置された凸状の流路壁部３５，５５が設けられている。流路壁部３５，５５は、セパレータ３０，５０の面方向において一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔ，５２ｏｕｔとを区画する。また、燃料電池１の設置状態において、流路壁部３５は、上部流路壁部３５ｆ，５５ｆと、下部流路壁部３５ｇ，５５ｇと、を備える。上部流路壁部３５ｆ、５５ｆは、燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎの上側に位置する。下部流路壁部３５ｇ，５５ｇは、燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎ，５２ｉｎの下側に位置する。各セパレータ３０，５０における、上部流路壁部３５ｆ，５５ｆと、下部流路壁部３５ｇ，５５とは略同一の幅を有する。
【００３４】
図２は、アノードセパレータ３０の詳細構成を説明するための図である。図２は、アノードガス拡散層２４と対向（接触）する側の面を図示している。また、図２には、アノードセパレータ３０に設けられた流路を通過する水素の流れを矢印で図示している。なお図２には、発電モジュール２０（図１）のうち、発電領域ＧＥ（詳細は後述）の外縁と重なる部分が一点鎖線で図示されている。
【００３５】
アノードセパレータ３０の外周部分には、反応ガスや冷却媒体（例えば、冷却水）が流通するマニホールドＭ１〜Ｍ６が貫通孔として設けられている。また、アノードセパレータ３０には、供給側連絡流路３１と、分配流路３８と、一次流路３２ｉｎと、二次流路３２ｏｕｔと、合流流路３６と、排出側連絡流路３７と、を備える。マニホールドＭ１〜Ｍ６は、複数の単セル１０を積層し燃料電池１が組み立てられた場合に、積層方向に延びる流路を形成する。燃料ガス供給マニホールドＭ１には、外部からの水素が流通する。燃料ガス排出マニホールドＭ２には、外部に排出される水素や水が流通する。なお、排出される水素の少なくとも一部は、再び燃料ガス供給マニホールドＭ１に供給され、発電モジュール２０における電気化学反応に利用しても良い。酸化剤ガス供給マニホールドＭ３には、外部からの空気（酸素）が流通する。酸化剤ガス排出マニホールドＭ４には、外部に排出される空気や水が流通する。冷却媒体供給マニホールドＭ５には、外部からの冷却水が流通する。冷却媒体排出マニホールドＭ６には、外部へ排出される冷却水が流通する。冷却媒体排出マニホールドＭ６を流通した冷却水は、再び冷却媒体供給マニホールドＭ５に供給され利用される。冷却水は、燃料電池１の温度調節のために用いられる。
【００３６】
分配流路３８は、供給側連絡流路３１を介して燃料ガス供給マニホールドＭ１から流入した水素を各一次流路３２ｉｎに分配するための流路である。分配流路３８は、凹状であり底面には水素の流れ方向を分散させるための複数の突起部３３が設けられている。各突起部３３は、各一次流路３２ｉｎへの水素の分配量が均一化されるように、略千鳥状に配列されている。
【００３７】
一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔは、燃料電池１の設置状態において略水平方向に直線状に延びる凹状の流路である。また、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔは、交互になるようにアノードセパレータ３０に設けられている。また、燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔは上下方向について異なる位置に配置される。すなわち、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔとは互いに噛み合う略櫛歯状となるようにアノードセパレータ３０に設けられている。
【００３８】
反応ガス（水素）の流れ方向について、一次流路３２ｉｎは下流側が閉塞している。具体的には、一次流路３２ｉｎの下流側末端は、凸状の壁部が設けられることで閉塞している。反応ガス（水素）の流れ方向について、二次流路３２ｏｕｔは上流側が閉塞している。具体的には、二次流路３２ｏｕｔの上流側末端は、凸状の壁部が設けられることで閉塞している。
【００３９】
合流流路３６は、各二次流路３２ｏｕｔからの反応ガス（水素）や水が流入する。合流流路３６に流入した水素や水は、排出側連絡流路３７を介して燃料ガス排出マニホールドＭ２に流入する。なお、合流流路３６の底面にも、分配流路３８と同様に複数の突起部３３が設けられている。なお、アノードセパレータ３０の他方の面には、冷却水が流通する流路（図示せず）が形成されている。
【００４０】
図３は、カソードセパレータ５０の詳細構成を説明するための図である。図３は、カソードガス拡散層２５と対向（接触）する側の面を図示している。また、図３には、カソードセパレータ５０に設けられた流路を通過する空気の流れを矢印で図示している。なお図３には、発電モジュール２０（図１）のうち、発電領域ＧＥ（詳細は後述）の外縁と重なる部分が一点鎖線で図示されている。
【００４１】
カソードセパレータ５０の外周部分には、アノードセパレータ３０と同様に、反応ガスや冷却媒体（例えば、冷却水）のためのマニホールドＭ１〜Ｍ６が貫通孔として設けられている。マニホールドＭ１〜Ｍ６は、燃料電池１としてカソードセパレータ５０が積層された場合に、他の構成部材（例えば、アノードセパレータ３０）に設けられたマニホールドＭ１〜Ｍ６と重なるように設けられている。また、カソードセパレータ５０には、アノードセパレータ３０と同様に、供給側連絡流路５１と、分配流路５８と、一次流路５２ｉｎと、二次流路５２ｏｕｔと、合流流路３６と、排出側連絡流路５７と、を備える。なお、各流路の名称に付している符号は異なるが、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ５０に設けられた各流路は、同様の構成である。また、カソードセパレータ５０の分配流路５８及び合流流路５６の底面には、アノードセパレータ３０と同様に突起部５３が設けられている。なお、カソードセパレータ５０の他方の面には、冷却水が流通する流路（図示せず）が形成されている。
【００４２】
図４は、発電モジュール２０の詳細構成を説明するための図である。図４は、発電モジュール２０の２つの面のうち、アノードガス拡散層２４側の面の構成を示している。また、理解の容易のために、アノードセパレータ３０に設けられた反応ガス流路３２を流れる水素の流れを矢印で示している。さらに、アノードセパレータ３０の流路壁部３５が重なる領域を破線で示している。なお、カソードガス拡散層２５側の面の構成は、アノードガス拡散層２４側の面の構成と同様であるため、図示を省略すると共に説明を省略する。
【００４３】
発電モジュール２０は、シール一体型膜電極接合体とも呼ばれる。発電モジュール２０は、電気化学反応が行われ発電に寄与する発電領域ＧＥと、発電領域ＧＥの外周に設けられた外周シール部２８とを備える。
【００４４】
アノードガス拡散層２４は、一次領域２４ｅと、上部領域２４ｆと、下部領域２４ｇと、二次上部領域２４ｈと、二次下部領域２４ｉとを備える。各領域２４ｅ〜２４ｉは、発電モジュール２０の各構成（電解質膜２１や電極２２，２３）の積層方向（Ｙ軸方向）に沿ってアノードガス拡散層２４を見たときに、アノードセパレータ３０の異なる構成とそれぞれ重なる。一次領域２４ｅは、一次流路３２ｉｎ（図２）と重なる領域である。上部領域２４ｆは、上部流路壁部３５ｆと重なる領域である。下部領域２４ｇは、下部流路壁部３５ｇと重なる領域である。二次上部領域２４ｈは、燃料電池１の設置状態において一次流路３２ｉｎと隣り合う二次流路３２ｏｕｔのうち、上側に位置する二次流路３２ｏｕｔと重なる領域である。二次下部領域２４ｉは、燃料電池１の設置状態において一次流路３２ｉｎと隣り合う二次流路３２ｏｕｔのうち、下側に位置する二次流路３２ｏｕｔと重なる領域である。
【００４５】
アノードガス拡散層２４は、上部領域２４ｆが下部領域２４ｇを含む他の領域よりも親水性の程度が高くなるように構成されている。このようなアノードガス拡散層２４は、上部領域２４ｆにのみシリコンコートやプラズマ処理等の親水処理を行うことで作製される。また、上部領域２４ｆのみ親水性材料を用い、下部領域２４ｇを含む他の領域を上部領域２４ｆよりも親水性の程度が低い材料を用いてアノードガス拡散層２４を作製しても良い。例えば、上部領域２４ｆを二酸化チタン等のチタン酸化物で作製し、上部領域２４ｆを含む他の領域をカーボンペーパやカーボンクロスにより作製する。なお、発電モジュール２０のうち、カソードガス拡散層２５はカーボンペーパやカーボンクロスにより作製され、全領域に亘って親水性の程度は略同一である。親水性の高低は、水滴接触角の大小により判別でき、水滴接触角が低ければ親水性の程度が高いことになる。
【００４６】
外周シール部２８は、ＭＥＡ２７（図１）を一体的に保持すると共に、燃料電池１の外部への反応ガスや冷却媒体の漏洩を防止する。外周シール部２８は、樹脂部材をＭＥＡ２７の外周端を被覆するように射出成形することにより形成されている。
【００４７】
外周シール部２８には、２つのセパレータ３０，５０（図２，３）と同様に、反応ガスや冷却媒体のためのマニホールドＭ１〜Ｍ６が貫通孔として設けられている。マニホールドＭ１〜Ｍ６は、燃料電池１として発電モジュール２０が積層された場合に、他の構成部材（例えば、アノードセパレータ３０）に設けられたマニホールドＭ１〜Ｍ６と重なるように設けられている。
【００４８】
図５は、第１実施例の効果を説明するための図である。図５（Ａ）は、燃料電池１を構成したときの、図４の５−５断面図におけるアノードセパレータ３０とアノードガス拡散層２４とを示す図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）をＹ軸正方向から見た場合の、アノードガス拡散層２４の表面近傍の様子を模式的に示した図である。図５（Ａ）には、アノードガス拡散層２４の各領域２４ｅ〜２４ｉの境界には破線を付している。図５（Ｂ）には、アノードガス拡散層２４の各領域２４ｅ〜２４ｉの境界には実線を付している。
【００４９】
図５（Ａ）に示すように、燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１と下部３２ｉｎ２には水ＧＷが存在する。ここで、下部３２ｉｎ２に存在する水は、重力及び水素の流れによって、下部領域２４ｇを介して一次流路３２ｉｎの下側に位置する二次流路３２ｏｕｔの水と連続する。すなわち、下部領域２４ｇを介して一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔを繋ぐような水ＧＷ（「水パス」ともいう。）が生じる。水パスが生じると、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの差圧を利用して、一次流路３２ｉｎ及び下部領域２４ｇの水ＧＷを二次流路３２ｏｕｔに容易に移動させることができる。二次流路３２ｏｕｔに移動した水ＧＷは、反応ガスの流れによって下流側へと移動し、燃料ガス排出マニホールドＭ２から外部へ排出される。一般に、差圧を利用した方が水素の流れ（風速）を利用するよりも、水を移動させやすい。
【００５０】
また、上部領域２４ｆは他の領域に比べ親水性の程度が高いためことから、一次流路３２ｉｎと一次流路３２ｉｎの上側に位置する二次流路３２ｏｕｔを繋ぐような水ＧＷ（水パス）の生成を促進することができる。よって、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの差圧を利用して、一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎに存在する水ＧＷを二次流路３２ｏｕｔに容易に移動させることができる。二次流路３２ｏｕｔに移動した水ＧＷは、反応ガスの流れによって下流側へと移動し、燃料ガス排出マニホールドＭ２から外部へ排出される。
【００５１】
さらに理解の容易のために、図５（Ｂ）を用いて水ＧＷの移動について説明を行う。上部領域２４ｆは下部領域２４ｇに比べ親水性の程度が高いために、上部領域２４ｆにおいても下部領域２４ｇと同様に、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔとを繋ぐ水の生成が促進される。これにより、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの差圧を利用して、一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１及び下部３２ｉｎ２に存在する水ＧＷを、上部領域２４ｆ及び下部領域２４ｇを介して二次流路３２ｏｕｔへと容易に移動させることができる。特に、一次流路３２ｉｎを流れる水素の流れ方向について、一次流路３２ｉｎの中流付近においても、一次流路３２ｉｎの水を上部領域２４ｆ及び下部領域２４ｇを介して二次流路３２ｏｕｔに移動させることができるため、一次流路３２ｉｎの下流側に大量の水が滞留する可能性を低減できる。以上より、一次流路３２ｉｎの上流側から下流側に亘って反応ガスである水素を効率良く流通させることができる。よって、アノード２２（図１）の面方向について、アノードに供給される水素の量にばらつきが生じる可能性を低減し、発電効率の低下を抑制できる。
【００５２】
図６は、比較例の燃料電池１ｋを説明するための図である。図６（Ａ）は図５（Ａ）に相当する図あり、図６（Ｂ）は図５（Ｂ）に相当する図である。比較例の燃料電池１ｋと第１実施例の燃料電池１との違いは、アノードガス拡散層２４ｋの構成の違いである。その他の構成については、第１実施例の燃料電池１の構成と同様の構成であるため、同様の構成いついては同一符号を付すと共に、説明を省略する。
【００５３】
比較例の燃料電池１ｋのアノードガス拡散層２４ｋは全域において親水処理が施されていない部材（例えば、カーボンクロスやカーボンペーパ）により作製されている。図６（Ａ）に示すように、一次流路３２ｉｎと一次流路３２ｉｎの下側に位置する二次流路３２ｏｕｔとの間には、重力及び水素の流れ（風速）によってアノードガス拡散層２４ｋを介して一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔを繋ぐような水ＧＷが生成する。これにより、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、一次流路３２ｉｎの下部３２ｉｎ２に存在する水ＧＷは二次流路３２ｏｕｔに容易に移動し、外部へと排出される。一方、一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に位置する水ＧＷは、水パスが形成されにくい。よって、水素の流れ（風速）によって、一次流路３２ｉｎから一次流路３２ｉｎの上側に位置する二次流路３２ｏｕｔへと水ＧＷを移動させなければならない。しかしながら、重力に反して、水ＧＷを移動させる必要があるため、水ＧＷの一部は二次流路３２ｏｕｔに移動することなく一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に滞留することになる。一次流路３２ｉｎに水ＧＷが滞留すると、水素の流通が阻害される。特に、一次流路３２ｉｎの中流付近に滞留した水ＧＷは、水素の流れによって下流側へと移動し、一次流路３２ｉｎの下流側では大量に水が滞留する場合がある。よって、アノードガス拡散層２４ｋに水素を均一に流通させることができず、燃料電池１ｋの発電効率が低下する。なお、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示す破線の矢印は、水素は流通しているが水ＧＷは移動してない様子を示している。
【００５４】
上記のように、第１実施例の燃料電池１は、アノードガス拡散層２４のうち、上部領域２４ｆは下部領域２４ｇを含む他の領域よりも親水性の程度が高いため、一次流路３２ｉｎから一次流路３２ｉｎ上側の二次流路３２ｏｕｔを繋ぐ水（水パス）の生成を促進できる。これにより、一次流路３２ｉｎの下部３２ｉｎ２のみならず上部３２ｉｎ１に存在する水についても二次流路３２ｏｕｔにスムーズに移動させることができる。よって、一次流路３２ｉｎに滞留する水の量を低減し、一次流路３２ｉｎ内の水素の流通が阻害される可能性を低減できる。これにより、一次流路３２ｉｎの全域（全長）を利用して、アノードガス拡散層２４に水素を供給できる。よって、アノードガス拡散層２４全域で水素が拡散されてアノード２２に供給されるため、燃料電池の発電効率の低下を低減できる。また、一次流路３２ｉｎの下流（末端）に水が大量に滞留する可能性を低減できる。これにより、アノード２２の一部分が他の部分より水素濃度が低い部分（水素欠乏部分）が生じる可能性を低減できる。よって、水素欠乏部分の発生により生じる電極（特にカソード２３）の劣化を抑制できる。さらに、一次流路３２ｉｎ内に滞留する水の量を低減できるため、燃料電池１の発電を停止する際に、燃料電池１内の水を外部へ排気する動作を短時間で行うことができる。
【００５５】
なお、上記第１実施例では、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔの水素の流れ方向について、全長に亘って上部領域２４ｆが、下部領域２４ｇよりも親水性の程度を高い構成であったが、これに限定されるものではない。例えば、上部領域２４ｆの上流端から下流端の間の少なくとも一部において、少なくとも下部領域２４ｇよりも親水性の程度が高い領域（「高親水性領域」ともいう。）が設けられていれば良い。このようにしても、上部領域２４ｆは、高親水性領域を一部に有することから、水パスの形成が促進され、差圧を利用して二次流路３２ｏｕｔに上部３２ｉｎ１に存在する水を容易に移動させることができる。なお、高親水性領域は、燃料電池１の設置状態において、一次流路３２ｉｎと一次流路３２ｉｎの上側に位置する二次流路３２ｏｕｔを繋ぐように上下に亘って形成されることが好ましい。こうすることで、より一層水パスの形成を促進できる。
【００５６】
Ａ−２．第２実施例：
図７は、第２実施例の燃料電池１ａを説明するための図である。図７（Ａ）は第１実施例の図５（Ａ）に相当する図であり、図７（Ｂ）は第１実施例の図５（Ｂ）に相当する図である。第２実施例の燃料電池１ａと第１実施例の燃料電池１との違いは、アノードガス拡散層２４ａの構成である。その他の構成（例えばアノードセパレータ３０等）は第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
【００５７】
図７（Ａ）に示すように、アノードガス拡散層２４ａは、上部領域２４ｆが下部領域２４ｇを含む他の領域よりも透気度が高くなるように構成されている。このようなアノードガス拡散層２４ａは、例えばカーボンペーパの作製時に用いられるバインダの量を変えることで作製できる。より具体的には、例えば、上部領域２４ｆのバインダの量を他の領域よりも少なくすることで、上部領域２４ｆの透気度を高くできる。なお、アノードガス拡散層２４ａは、第１実施例と異なり上部領域２４ｆに親水処理を施すことや、親水性材料を用いることはしていない。よって、親水性の程度は各領域２４ｅ〜２４ｉにおいて略同一である。
【００５８】
上部領域２４ｆが下部領域２４ｇよりも透気度が高いことで、上部領域２４ｆと下部領域２４ｇの透気度が同一の場合に比べ、一次流路３２ｉｎから上部領域２４ｆにより多くの水素を送り込む（分配する）ことができる。すなわち、一次流路３２ｉｎから一次流路３２ｉｎの上側に位置する二次流路３２ｏｕｔへと流れる水素の風速を増加させることができる。これにより、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、水素の流れによって一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に存在する水ＧＷを上部領域２４ｆを介して二次流路３２ｏｕｔへと移動させることができる。また、一次流路３２ｉｎの下部３２ｉｎ２に存在する水ＧＷは、第１実施例と同様に、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの差圧を利用して二次流路３２ｏｕｔに容易に移動できる。
【００５９】
上記のように、第２実施例の燃料電池１ａは、第１実施例と同様に、一次流路３２ｉｎの下部３２ｉｎ２のみならず上部３２ｉｎ１に存在する水についても二次流路３２ｏｕｔにスムーズに移動させることができる。よって、第１実施例と同様に、一次流路３２ｉｎの全域（全長）に亘って、アノードガス拡散層２４ａに水素を供給できる。よって、アノードガス拡散層２４ａ全域で水素が拡散されてアノード２２に水素を供給されるため、燃料電池の発電効率の低下を低減できる。また、第１実施例と同様に、水素欠乏部分の発生により生じる電極（特にカソード２３）の劣化を抑制できる。さらに、第１実施例と同様に、燃料電池１の発電を停止する際に、燃料電池１内の水を外部へ排気する動作を短時間で行うことができる。また、上部領域２４ｆの透気度が高いため、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの圧力損失を低減でき、外部から燃料電池１内部に水素を供給するための動力の負荷を低減できる。
【００６０】
なお、第２実施例の燃料電池１ａにおいて、アノードガス拡散層２４ａの上部領域２４ｆが下部領域２４ｇを含む他の領域よりも親水性の程度が高くなるように構成しても良い。このようにすることで、一次流路３２ｉｎと一次流路３２ｉｎの上側に位置する二次流路３２ｏｕｔとを繋ぐような水パスの生成が促進され、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔとの差圧を利用してよりスムーズに一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に存在する水を二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。
【００６１】
なお、上記第２実施例では、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔの水素の流れ方向について、全長に亘って上部領域２４ｆが、下部領域２４ｇよりも透気度の程度が高い構成であったが、これに限定されるものではない。上部領域２４ｆの上流端から下流端の間の少なくとも一部において、少なくとも下部領域２４ｇよりも透気度の程度が高い部分（「高透気度部分」ともいう。）が設けられていれば良い。このようにしても、上部領域２４ｆは、高透気度部分を一部に有することから、高透気度部分では水素の風速が他の領域よりも増加する。よって、一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に存在する水を、水素の流れによって二次流路３２ｏｕｔにスムーズに移動できる。なお、高透気度部分は、燃料電池１ａの設置状態において、一次流路３２ｉｎと一次流路３２ｉｎの上側に位置する二次流路３２ｏｕｔを繋ぐように上下に亘って形成することが好ましい。こうすることで、水素の流れによって、よりスムーズに一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に存在する水を二次流路３２ｏｕｔに移動できる。
【００６２】
Ａ−３．第３実施例：
図８は、第３実施例の燃料電池１ｂを説明するための図である。図８（Ａ）は第１実施例の図５（Ａ）に相当する図であり、図８（Ｂ）は第１実施例の図５（Ｂ）に相当する図である。第３実施例の燃料電池１ｂと第１実施例の燃料電池１との違いは、アノードガス拡散層２４ａの構成である。その他の構成（例えばアノードセパレータ３０等）は第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
【００６３】
アノードガス拡散層２４ｂは、カーボンペーパやカーボンクロス等により作製される。アノードガス拡散層２４ｂは、第１実施例と異なり上部領域２４ｆに親水処理を施すことや、親水性材料を用いることはしていない。よって、親水性の程度は各領域２４ｅ〜２４ｉにおいて略同一である。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、アノードガス拡散層２４ｂのうち、上部領域２４ｆには、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔとを繋ぐように切り込み２４ｚが形成されている。切り込み２４ｚは、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れ方向について、全長に亘って一定間隔毎に複数箇所形成されている。切り込み２４ｚを形成した領域は、アノードガス拡散層２４ｂの他の領域よりもガス拡散性が高い。なお、図８（Ｂ）には、複数箇所形成された切り込み２４ｚの一部を図示している。
【００６４】
また図８（Ｂ）に示すように、切り込み２４ｚは一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れに沿って形成されている。すなわち、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れ方向について、切り込み２４ｚは一次流路３２ｉｎ側から二次流路３２ｏｕｔ側に向かうに従い、下流側に位置するように形成されている。
【００６５】
上記のように、上部領域２４ｆに切り込み２４ｚを形成することで、上部領域２４ｆは下部領域２４ｇよりも一方の側である一次流路３２ｉｎから他方の側である二次流路３２ｏｕｔに水素が移動しやすい領域を有する。これにより、切り込み２４ｚを通過する水素の風速は高くなり、水素の風速によって一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に存在する水を切り込み２４ｚを介して二次流路３２ｏｕｔにスムーズに移動させることができる。また、切り込み２４ｚを形成することで、切り込み２４ｚを介して一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔを繋ぐような水パスの形成が促進される。切り込み２４ｚに水パスが形成されることで、一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に存在する水を、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの差圧を利用して二次流路３２ｏｕｔによりスムーズに移動させることができる。なお、一次流路３２ｉｎの下部３２ｉｎ２に存在する水は、上記第１及び第２実施例と同様に、水パスを形成することで一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの差圧を利用してスムーズに二次流路３２ｏｕｔへと移動する。よって、第１実施例と同様に、一次流路３２ｉｎに滞留する水の量を低減し、一次流路３２ｉｎの水素の流通が阻害される可能性を低減できる。よって、アノードガス拡散層２４全域で水素が拡散されてアノード２２に水素を供給されるため、燃料電池の発電効率の低下を低減できる。また、第１実施例と同様に、水素欠乏部分の発生により生じる電極（特にカソード２３）の劣化を抑制できる。さらに、第１実施例と同様に、一次流路３２ｉｎ内に滞留する水の量を低減できるため、燃料電池１の発電を停止する際に、燃料電池１内の水を外部へ排気する動作を短時間で行うことができる。
【００６６】
Ａ−３−１．第３実施例の変形態様：
図９は、第３実施例の変形態様を説明するための図である。図９（Ａ）は第３実施例の第１の変形態様を説明するための図である。図９（Ｂ）は第３実施例の第２の変形態様を説明するための図である。図９（Ａ）は、第１の変形態様のアノードガス拡散層２４ｂ１の構成を模式的に示した図であり、図８（Ｂ）に相当する図である。図９（Ｂ）は、第２変形態様のアノードガス拡散層２４ｂ２の構成を模式的に示した図であり、図８（Ｂ）に相当する図である。なお、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、アノードガス拡散層２４ｂ１，２４ｂ２の各領域２４ｅ〜２４ｉを全長に亘って図示している。また、図中の矢印の向きは、アノードセパレータ３０の一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素ガスの向きを表している。
【００６７】
上記第３実施例のアノードガス拡散層２４ｂ１では、上部領域２４ｆに形成された切り込み２４ｚは、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れ方向について、全長に亘って一定間隔毎に形成されていた（図８（Ｂ））。これに対し、第１変形態様のアノードガス拡散層２４ｂ１は、上部領域２４ｆに形成された切り込み２４ｚの間隔が、上流側から下流側に向かうに従って短くなっている。言い換えれば、上流側から下流側に向かうに従って、隣り合う切り込み２４ｚの距離Ｄが短くなっている。なお、その他の構成については、第３実施例と同様の構成であるため、説明は省略する。このようにすることで、第３実施例と同様の効果を奏する。また、アノードセパレータ３０の一次流路３２ｉｎに存在する水は、水素の流れと共に下流側に流される傾向にある。すなわち、一次流路３２ｉｎの長さ方向（Ｘ軸方向）において、下流側の方が上流側よりもより多くの水が存在する。よって、上部領域２４ｆの切り込み２４ｚを下流側に向かうに従い密に形成することで、一次流路３２ｉｎの下流側に存在する水を効率良く二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。
【００６８】
また、図９（Ｂ）の第２変形態様に示すように、上流側から下流側に向かうに従って隣り合う切り込み２４ｚの距離Ｄを短くすると共に、上流側から下流側に向かうに従って切り込みの幅を大きくしても良い。こうすることで、さらに効率的に一次流路３２ｉｎの下流側に存在する水を二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。なお、上部領域２４ｆに複数形成する切り込み２４ｚの間隔を一定間隔にしつつ、下流側に向かうに従って切り込み２４ｚの幅を大きくしても良い。このようにしても、一次流路３２ｉｎの下流側に存在する水を効率良く二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。
【００６９】
なお、上記第３実施例及び上記第３実施例の変形態様では、切り込み２４ｚが一次流路３２ｉｎ側から二次流路３２ｏｕｔ側に向かうに従って、下流側に位置するように構成されていたが、これに限定されるものではない。例えば、切り込み２４ｚの一次流路３２ｉｎ側と二次流路３２ｏｕｔ側が一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔの水素の流れ方向について、同一の位置にあっても良い。このようにしても、上記第３実施例及び上記第３実施例の変形態様と同様の効果を奏する。
【００７０】
Ａ−４．第４実施例：
図１０及び図１１を用いて第４実施例の説明を行う。図１０は、第４実施例のアノードセパレータ３０ｃを説明するための図である。図１０は、図２に相当する図であり、アノードセパレータ３０ｃをＹ軸正方向から見たときの図である。図１１は、第４実施例の燃料電池１ｃを説明するための図である。図１１（Ａ）は第１実施例の図５（Ａ）に相当する図であり、図１１（Ｂ）は第１実施例の図５（Ｂ）に相当する図である。なお、図１１（Ｂ）には、アノードセパレータ３０ｃの一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れを矢印で示している。第１実施例の燃料電池１（図５）との違いは、アノードセパレータ３０ｃとアノードガス拡散層２４ｃの構成である。その他の構成（例えば、一次流路３２ｉｎ等）については同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
【００７１】
図１０に示すように、上部流路壁部３５ｆｃは、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れ方向（長さ方向）全域について、下部流路壁部３５ｇよりも幅が小さい。図１１（Ａ）に示すように、燃料電池１ｃとしてアノードセパレータ３０ｃとアノードガス拡散層２４ｃを積層した場合、上部領域２４ｆの幅Ｔｆは、下部領域２４ｇよりも小さくなる。上部領域２４ｆの幅Ｔｆが下部領域２４ｇの幅Ｔｇよりも小さいことで、上部領域２４ｆは下部領域２４ｇよりもガス拡散性の程度が高くなる。なお、アノードガス拡散層２４ｃは、第１実施例と異なり上部領域２４ｆに親水処理を施すことや、親水性材料を用いることはしていない。よって、親水性の程度は各領域２４ｅ〜２４ｉにおいて略同一である。
【００７２】
上記のように、上部領域２４ｆは下部領域２４ｇよりもガス拡散性の程度が高いことから、上部領域２４ｆと下部領域２４ｇのガス拡散性の程度が略同一の場合に比べ、一次流路３２ｉｎからより多くの水素が上部領域２４ｆに流通（分配）する。すなわち、一次流路３２ｉｎから一次流路３２ｉｎの上側に位置する二次流路３２ｏｕｔへと流れる水素の風速は高くなる。よって、一次流路３２ｉｎの上部３２ｉｎ１に存在する水を水素の風速によって上部領域２４ｆを介して二次流路２４ｏｕｔに容易に移動させることができる。また、上部領域２４ｆの幅Ｔｆが下部領域２４ｇの幅Ｔｇよりも小さいことから、幅が同一の場合に比べ、上部３２ｉｎ１に存在する水をよりスムーズに上部領域２４ｆを介して二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。また、第４実施例の燃料電池１ｃは、第１実施例と同様に、一次流路３２ｉｎの下流側で水が大量に滞留する可能性を低減できるため、燃料電池の発電効率の低下を低減できる。また、第１実施例と同様に、水素欠乏部分の発生により生じる電極（特にカソード２３）の劣化を抑制できる。さらに、第１実施例と同様に、燃料電池１内の水を外部へ排気する動作を短時間で行うことができる。
【００７３】
Ａ−４−１．第４実施例の変形態様：
図１２は、第４実施例の変形態様のアノードセパレータ３０ｄを説明するための図である。上記第４実施例では、上部流路壁部３５ｆｃは全長に亘って下部流路壁部３５ｇよりも幅が小さい構成であったが、これに限定されるものではない。上部流路壁部３５ｆｃの上流端から下流端の間の少なくとも一部において、下部流路壁部３５ｇよりも幅の小さい狭小部分を有すれば良い。この場合において、上流側よりも下流側の方がより幅が小さくなるように構成することが好ましい。例えば、図１２に示すように、上流側よりも下流側の方が、幅を次第に小さくすることが好ましい。上流側よりも下流側の方が上部流路壁部３５ｆｄの幅を小さくすることで、より多くの水が滞留する一次流路３２ｉｎの下流側の水を二次流路３２ｏｕｔにスムーズに移動させることができる。なお、上流側から下流側に向かうに従って、次第に幅が小さくなる構成でなくても良い。例えば、上部流路壁部３５ｆｄは、上流側から下流側に向かうに従って段階的に幅が小さくなる構成でも良い。すなわち、上部流路壁部３５ｆｄは上流側から下流側に向かうに従って幅が単調減少する構成でも良い。こうすることで、より多くの水が存在する一次流路３２ｉｎ（詳細には上部３２ｉｎ１）の水をスムーズに二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。これにより、上記第４実施例と同様の効果を奏する。
【００７４】
Ａ−５．第５実施例：
図１３及び図１４を用いて第５実施例の燃料電池１ｅについて説明を行う。図１３は、第５実施例のアノードセパレータ３０ｅについて説明するための図であり、アノードセパレータ３０ｅをＹ軸正方向側から見た図である。図１４は、第５実施例の燃料電池１ｅを説明するための図である。図１４（Ａ）は第１実施例の図５（Ａ）に相当する図であり、図１４（Ｂ）は第１実施例の図５（Ｂ）に相当する図である。なお、図１４（Ｂ）には、アノードセパレータ３０ｅの一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れを矢印で示している。第１実施例の燃料電池１（図５）との違いは、アノードセパレータ３０ｅとアノードガス拡散層２４ｅ１の構成である。その他の構成（例えば、一次流路３２ｉｎ等）については第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
【００７５】
図１３に示すように、下部流路壁部３５ｇｅは、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔを流れる水素の流れ方向（長さ方向）全域について、上部流路壁部３５ｆよりも幅が小さい。図１４（Ａ）に示すように、燃料電池１ｅとしてアノードセパレータ３０ｅとアノードガス拡散層２４ｃを積層した場合、下部領域２４ｇの幅Ｔｇは、上部領域２４ｆの幅Ｔｆよりも小さくなる。ここで、アノードガス拡散層２４ｅ１内の水の分布に着目すると、図１４（Ｂ）に示すように、重力の影響によって下部領域２４ｇは上部領域２４ｆに比べ密に水が存在する。下部領域２４ｇにおいて、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔを繋ぐ水（水パス）が形成されると、一次流路３２ｉｎと二次流路３２ｏｕｔの差圧により水を二次流路３２ｏｕｔに容易に移動させることが可能となる。しかしながら、水パスが形成されるまでにはある程度の時間を要し、水パスが形成されるまでは下部領域２４ｇ内には水が密に存在し、水素の拡散が阻害される。
【００７６】
しかしながら、上記のように第５実施例の燃料電池１ｅは、水が密に存在する下部領域２４ｇの幅Ｔｇを上部領域２４ｆの幅Ｔｆよりも小さくすることで、下部領域２４ｇの幅が上部領域２４ｆの幅Ｔｆと同一の場合に比べ、アノードガス拡散層２４ｅ１内のより多くの領域によって水素を良好に拡散できる。これにより、アノード２２に供給される水素の量にばらつきが生じる可能性が低減でき、発電効率の低下を抑制できる。
【００７７】
図１５は、幅Ｔｆと幅Ｔｇの好ましい設定方法を説明するための図である。図１５（Ａ）は、幅Ｔｆと幅Ｔｇとを決定するために用いる参照燃料電池１ｋであり、図６（Ａ）の比較例に示す燃料電池１ｋと同様の燃料電池である。すなわち、上部流路壁部３５ｆ及び下部流路壁部３５ｇの幅（Ｚ軸方向の長さ）は同一であることから、上部領域２４ｆ及び下部領域２４ｇの幅も同一である。なお、理解の容易のために、アノードガス拡散層２４ｋの各領域には符号を付すと共に、各領域の境界には破線を付している。図１５（Ｂ）は、参照燃料電池１ｋの発電量と上部領域２４ｆ及び下部領域２４ｇの圧力損失の関係を示す図である。
【００７８】
図１５（Ｂ）に示すように、燃料電池１ｋに供給する反応ガスの流量を増大させ、発電量を増加させると、燃料電池１ｋ内部で生成する水の量が増大し、上部領域２４ｆ及び下部領域２４ｇの圧力損失は増大する。ここで、上部領域２４ｆ及び下部領域２４ｇの圧力損失は、各領域２４ｆ，２４ｇの含水率に依存（比例）する。よって本実施例では、各領域２４ｆ，２４ｇの含水率に基づいて圧力損失を決定している。なお、直接に各領域２４ｆ，２４ｇの圧力損失を求めても良い。
【００７９】
アノードガス拡散層２４ｋ内部の水の滞留は、水素の流量が比較的低い低負荷電流領域で顕著に発生する傾向にある。よって、低負荷電流領域（例えば、電流密度０．２Ａ／ｃｍ２）における上部領域２４ｆと下部領域２４ｇの圧力損失の比に基づいて、第５実施例のアノードセパレータ３０ｅの幅Ｔｆと幅Ｔｇ（図１４（Ａ））の比を決定することが好ましい。具体的には、以下の式（１）の関係が成立するように幅Ｔｆと幅Ｔｇを決定する。
幅Ｔｆ：幅Ｔｇ＝Ｐｇ：Ｐｆ （１）
ここで、Ｐｆは所定の発電量（発電量Ｗｔ）における上部領域２４ｆの圧力損失であり、Ｐｇは所定の発電量（発電量Ｗｔ）における下部領域２４ｇの圧力損失である。
【００８０】
例えば、Ｐｆ：Ｐｇ＝１：２である場合、幅Ｔｆ：幅Ｔｇ＝２：１の関係になるようにアノードセパレータ３０ｅの幅Ｔｆと幅Ｔｇを設定する。
【００８１】
上記のように、幅Ｔｆと幅Ｔｇとを、低負荷電流領域の上部領域２４ｆと下部領域２４ｇの圧力損失の比によって定めることで、アノードガス拡散層２４ｅ１内の水素をより均一に流通させることができ、アノード２２への水素の均一配流を達成することが可能となる。これにより、燃料電池１ｅの発電効率の低下をより一層抑制することができる。また、圧力損失が高くなる下部領域２４ｇの幅Ｔｇを小さくすることで、燃料電池１ｅ全体の圧力損失を低減させ、燃料電池１ｅの運転効率を向上できる。
【００８２】
Ａ−６．第６及び第７実施例：
図１６は第６及び第７実施例の燃料電池１ｆ，１ｇを説明するための図である。図１６（Ａ）は第６実施例の燃料電池１ｆを説明するための図であり、第１実施例の図５（Ａ）に相当する図である。図１６（Ｂ）は第７実施例の燃料電池１ｇを説明するための図であり、第１実施例の図１６（Ｂ）に相当する図である。第６実施例の燃料電池１ｆと第１実施例の燃料電池１との違いは、アノードガス拡散層２４ｆ１の構成である。その他の構成（例えば、一次流路３２ｉｎ等）については第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。また、第７実施例の燃料電池１ｇと第１実施例の燃料電池１との違いは、アノードガス拡散層２４ｇ１とアノードセパレータ３０ｇの構成である。その他の構成については第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
【００８３】
図１６（Ａ）に示すように、第６実施例のアノードガス拡散層２４ｆ１は、下部領域２４ｇが上部領域２４ｆを含む他の領域よりも透気度が高くなるように構成されている。なお、アノードガス拡散層２４ｆ１は、第１実施例と異なり特定の領域（例えば上部領域２４ｆ）に親水処理を施すことや、親水性材料を用いることはしていない。よって、親水性の程度は各領域２４ｅ〜２４ｉにおいて略同一である。
【００８４】
上記のように、第６実施例の燃料電池１ｆは、下部領域２４ｇが少なくとも上部領域２４ｆよりも透気度が高くなるように構成されている。よって、下部領域２４ｇと上部領域２４ｆの透気度が同じ場合に比べ、一次流路３２ｉｎから下部領域２４ｇにより多くの水素を送り込む（分配する）ことができる。すなわち、一次流路３２ｉｎから一次流路３２ｉｎの下側に位置する二次流路３２ｏｕｔへと流れる水素の風速を増加させることができる。これにより、アノードガス拡散層２４ｆ１内において、上部領域２４ｆよりも下部領域２４ｇに大量に存在する水を、水素の流れによって二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。これにより、下部領域２４ｇのガス拡散性を向上させ、アノード２２に供給される水素の量にばらつきが生じる可能性を低減できる。よって、燃料電池１ｆの発電効率の低下を抑制できる。
【００８５】
図１６（Ｂ）に示すように、第７実施例のアノードガス拡散層２４ｇ１は、下部領域２４ｇが上部領域２４ｆを含む他の領域よりも厚さ（Ｙ軸方向における長さ、燃料電池１ｇの各構成の積層方向における長さ）が大きい。すなわち、アノードガス拡散層２４ｇ１について、一次流路３２ｉｎから二次流路３２ｏｕｔに向かって水素が流れる方向（Ｚ軸方向）と垂直な面である通気断面の面積を、厚さを大きくすることで大きくする。また、下部領域２４ｇの厚さを大きくするために、下部流路壁部３５ｇｇの厚さは（Ｙ軸方向における長さ）は、上部流路壁部３５ｆの厚さよりも小さい。なお、アノードガス拡散層２４ｇ１は、第１実施例と異なり特定の領域（例えば上部領域２４ｆ）に親水処理を施すことや、親水性材料を用いることはしていない。よって、親水性の程度は各領域２４ｅ〜２４ｉにおいて略同一である。
【００８６】
下部領域２４ｇを、上部領域２４ｆを含む他の領域よりも厚さを大きくすることで、下部領域２４ｇは上部領域２４ｆよりもガス拡散性が高くなる。よって、厚さが一定のアノードガス拡散層に比べ、一次流路３２ｉｎから下部領域２４ｇにより多くの水素を送り込む（分配する）ことができる。すなわち、一次流路３２ｉｎから一次流路３２ｉｎの下側に位置する二次流路３２ｏｕｔへと流れる水素の風速を増加させることができる。これにより、アノードガス拡散層２４ｇ１内において、上部領域２４ｆよりも下部領域２４ｇに大量に存在する水を、水素の流れによって二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。これにより、アノード２２に供給される水素の量にばらつきが生じる可能性を低減でき、燃料電池１ｇの発電効率の低下を抑制できる。
【００８７】
なお、上記第６及び第７実施例では、一次流路３２ｉｎ及び二次流路３２ｏｕｔの水素の流れ方向について、下部領域２４ｇの全長に亘って、上部領域２４ｆよりも透気度の程度が高い構成であったり、又は、厚さが大きい構成であったりしたが、これに限定されるものではない。下部領域２４ｇの上流端から下流端の間の少なくとも一部において、少なくとも上部領域２４ｆよりも透気度の程度が高い領域（「高透気度部分」ともいう。）、又は、少なくとも上部領域２４ｆよりも厚さが大きい部分（「肉厚部分」ともいう。）が設けられていれば良い。このようにしても、高透気度部分又は肉厚部分では水素の風速が他の領域よりも増加することから、下部領域２４ｇに存在する水を高透気度部分又は肉厚部分が設けられていない場合に比べ、二次流路３２ｏｕｔにスムーズに移動させることができる。なお、高透気度部分又は肉厚部分は、燃料電池１ｆ，１ｇの設置状態において、一次流路３２ｉｎと一次流路３２ｉｎの下側に位置する二次流路３２ｏｕｔを繋ぐように上下に亘って形成することが好ましい。こうすることで、水素の流れによって、よりスムーズに下部領域２４ｇに存在する水を二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。さらに、第６実施例と第７実施例を組み合わせても良い。すなわち、下部領域２４ｇが上部領域２４ｆよりも、透気度の程度が高く、かつ、厚さが大きくなるように構成されても良い。こうすることで、下部領域２４ｇに存在する水をより一層スムーズに二次流路３２ｏｕｔに移動させることができる。
【００８８】
Ａ−６−１．第６実施例の変形態様：
上記第６実施例では、下部領域２４ｇは、上部領域２４ｆを含む他の領域よりも透気度の程度が高い構成であったが、上部領域２４ｆの透気度の程度を、下部領域２４ｇを含む他の領域よりも低くしても良い。このようにしても、第６実施例と同様の効果を奏する。
【００８９】
Ａ−６−２．第７実施例の変形態様：
上記第７実施例では、下部領域２４ｇは、上部領域２４ｆを含む他の領域よりも厚さが大きい構成であったが、上部領域２４ｆの厚さを、下部領域２４ｇを含む他の領域よりも小さくしても良い。このようにしても、第７実施例と同様の効果を奏する。例えば、上部流路壁部３５ｆの厚さを下部流路壁部３５ｇｇの厚さよりも大きくし、上部領域２４ｆへの荷重を増加させることで、厚さを小さくする。
【００９０】
Ａ−７．第８実施例：
図１７は、第８実施例の燃料電池１ｈを説明するための図である。図１７（Ａ）は、第１実施例の図５（Ａ）に相当する図であり、ＭＥＡ２０も図示されている。図１７（Ｂ）は、第８実施例のアノード２２ｋの作製方法を説明するための図である。第１実施例の燃料電池１との違いは、アノードガス拡散層２４ｋの構成と、アノード２２ｋの構成である。その他の構成（アノードセパレータ３０等）については、第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
【００９１】
図１７（Ａ）に示すように、アノード２２ｋは、一次電極領域２２ｅと、上部電極領域２２ｆと、下部電極領域２２ｇと、二次上部電極領域２２ｈと、二次下部電極領域２２ｉとを備える。各領域２２ｅ〜２２ｉは、発電モジュール２０の各構成（電解質膜２１、電極２２ｋ，２３）の積層方向（Ｙ軸方向）に沿ってアノード２２ｋを見たときに、アノードセパレータ３０の異なる構成と重なる。一次電極領域２２ｅは、一次流路３２ｉｎと重なる領域である。上部電極領域２２ｆは、上部流路壁部３５ｆと重なる領域である。下部電極領域２２ｇは、下部流路壁部３５ｇと重なる領域である。二次上部電極領域２２ｈは、燃料電池１ｈの設置状態において一次流路３２ｉｎと隣り合う二次流路３２ｏｕｔのうち、上側に位置する二次流路３２ｏｕｔと重なる領域である。二次下部電極領域２２ｉは、燃料電池１ｈの設置状態において一次流路３２ｉｎと隣り合う二次流路３２ｏｕｔのうち、上側に位置する二次流路３２ｏｕｔと重なる領域である。なお、各領域２２ｅ〜２２ｉの境界には破線を付している。第１実施例のアノード２２との違いは、下部電極領域２２ｇが少なくとも上部電極領域２２ｆよりも電気化学的表面積が大きいことである。なお、アノードガス拡散層２４ｋは、第１実施例と異なり、全域において親水処理が施されていない部材（例えば、カーボンクロスやカーボンペーパ）により作製されている。
【００９２】
図１７（Ｂ）に示すように、アノード２２ｋの作製方法の一例を示す。作製方法Ｎｏ．１は、下部電極領域２２ｇの触媒量（例えば、白金の量）を少なくとも上部電極領域２２ｆの触媒量よりも多くする作製方法である。作製方法Ｎｏ．２は、下部電極領域２２ｇの触媒の粒子径の平均値を少なくとも上部電極領域２２ｆの触媒の粒子径の平均値よりも小さくする作製方法である。作製方法Ｎｏ．３は、下部電極領域２２ｇの触媒粒子の表面粗さを少なくとも上部電極領域２２ｆの触媒粒子の表面粗さよりも大きくする作製方法である。作製方法Ｎｏ．４は、下部電極領域２２ｇの電解質と導電性を有する担体との含有質量比率（Ｉ／Ｃ：Ｉｏｎｏｍｅｒ／Ｃａｒｂｏｎ）を少なくとも上部電極領域２２ｆのＩ／Ｃよりも多くする作製方法である。上記作製方法Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４のいずれか１つの方法、又は、作製方法を２つ以上組み合わせて作製する方法によって、下部電極領域２２ｇの電気化学的表面積を少なくとも上部電極領域２２ｆの電気化学的表面積よりも大きくできる。
【００９３】
ここで、アノードガス拡散層２４ｋにおいて、重力の影響により、下部領域２４ｇは他の領域よりも水が密に存在するため、水素の流通が阻害される。よって、下部電極領域２２ｇに到達する水素の量が上部電極領域２２ｆを含む他の電極領域に比べ少なくなる。しかしながら、第８実施例の燃料電池１ｈによれば、下部電極領域２２ｇの電気化学的表面積は、少なくとも上部電極領域２２ｆの電気化学的表面積よりも大きいことから、下部電極領域２２ｇにおいて水素の消費効率を向上させ、燃料電池１ｈの発電効率の低下を抑制できる。
【００９４】
Ｂ．変形例：
なお、上記実施例における構成要素の中の、特許請求の範囲の独立項に記載した要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９５】
Ｂ−１．第１変形例：
上記実施例では、アノードガス拡散層２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｂ１，２４ｂ２，２４ｃ，２４ｅにおいて、上部領域２４ｆと下部領域２４ｇとが少なくとも一部について親水性の程度やガス拡散性の程度が異なるように構成されていたが、これに限定されるものではない。カソードガス拡散層２５においても、上部領域と下部領域とが少なくとも一部において親水性の程度やガス拡散性の程度が異なるように構成されても良い。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏する。また、両方のガス拡散層２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｂ１，２４ｂ２，２４ｃ，２４ｅ，２５において、上部領域と下部領域とが少なくとも一部において親水性の程度やガス拡散性の程度が異なるように構成されても良い。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏する。
また、上記実施例では、アノードセパレータ３０ｃ，３０ｄ，３０ｅについて、上部流路壁部３５ｆと下部流路壁部３５ｇのいずれか一方の少なくとも一部の幅を小さくするようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、カソードセパレータ５０においても、上部流路壁部と下部流路壁部のいずれか一方の少なくとも一部の幅を小さくするようにしても良いし、両方のセパレータ３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，５０について、上部流路壁部と下部流路壁部のいずれか一方の少なくとも一部の幅を小さくするようにしても良い。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏する。
また、上記実施例では、アノード２２ｋ（図１７）において、電気化学的表面積を変化させたが、カソード２３に適用しても良い。また、両極に適用しても良い。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏する。
【００９６】
Ｂ−２．第２実施例：
上記実施例では、燃料電池１〜１ｈに固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池を用いることができる。
【符号の説明】
【００９７】
１…燃料電池
１ａ…燃料電池
１ｂ…燃料電池
１ｃ…燃料電池
１ｄ…燃料電池
１ｅ…燃料電池
１ｆ…燃料電池
１ｇ…燃料電池
１ｈ…燃料電池
１ｋ…参照燃料電池
１０…単セル
２０…発電モジュール
２１…電解質膜
２２…アノード
２２ｅ…一次電極領域
２２ｆ…上部電極領域
２２ｇ…下部電極領域
２２ｈ…二次上部電極領域
２２ｉ…二次下部電極領域
２２ｋ…アノード
２３…カソード
２４ｏｕｔ…二次流路
２４…アノードガス拡散層
２４ａ…アノードガス拡散層
２４ｂ…アノードガス拡散層
２４ｃ…アノードガス拡散層
２４ｅ…一次領域
２４ｆ…上部領域
２４ｇ…下部領域
２４ｈ…二次上部領域
２４ｉ…二次下部領域
２４ｋ…アノードガス拡散層
２４ｂ１…アノードガス拡散層
２４ｂ２…アノードガス拡散層
２４ｅ１…アノードガス拡散層
２４ｆ１…アノードガス拡散層
２４ｇ１…アノードガス拡散層
２５…カソードガス拡散層
２８…外周シール部
３０…アノードセパレータ
３０ｃ…アノードセパレータ
３０ｄ…アノードセパレータ
３０ｅ…アノードセパレータ
３０ｇ…アノードセパレータ
３１…供給側連絡流路
３２ｉｎ…一次流路
３２ｏｕｔ…二次流路
３２ｉｎ１…上部
３２ｉｎ２…下部
３２…反応ガス流路
３３…突起部
３５…流路壁部
３５ｆ…上部流路壁部
３５ｇ…下部流路壁部
３５ｆｃ…上部流路壁部
３５ｆｄ…上部流路壁部
３５ｇｃ…下部流路壁部
３５ｇｅ…下部流路壁部
３５ｇｇ…下部流路壁部
３６…合流流路
３７…排出側連絡流路
３８…分配流路
５０…カソードセパレータ
５１…供給側連絡流路
５２ｏｕｔ…二次流路
５２ｉｎ…一次流路
５３…突起部
５６…合流流路
５７…排出側連絡流路
５８…分配流路
Ｍ１…燃料ガス供給マニホールド
Ｍ２…燃料ガス排出マニホールド
Ｍ３…酸化剤ガス供給マニホールド
Ｍ４…酸化剤ガス排出マニホールド
Ｍ５…冷却媒体供給マニホールド
Ｍ６…冷却媒体排出マニホールド
ＧＥ…発電領域
ＧＷ…水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両面に積層された電極とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に積層された第１と第２のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、
前記発電モジュールの前記第１のガス拡散層側に更に積層された第１のセパレータと、を備え、
前記第１のセパレータの２つの面のうち前記第１のガス拡散層と対向する面には、前記燃料電池の設置状態において、
下流側が閉塞した略水平方向に延びる凹状の一次流路であって、外部から供給された第１の反応ガスを流通させる一次流路と、
上流側が閉塞し、略水平方向に延びると共に前記一次流路の上下にそれぞれ位置する凹状の二次流路であって、前記第１のガス拡散層を介して導入された前記第１の反応ガスを外部へ排出させるための二次流路と、
前記一次流路と前記二次流路との間に配置され、面方向において前記一次流路と前記二次流路とを区画する凸状の流路壁部と、が設けられ、
前記第１のガス拡散層は、前記発電モジュールの各構成の積層方向に沿って見たときに、前記一次流路の上側に設けられた前記流路壁部である上部流路壁部と重なる領域である上部領域と、前記一次流路の下側に設けられた前記流路壁部である下部流路壁部と重なる領域である下部領域とを有し、
前記上部領域と前記下部領域とは、少なくとも一部において、ガス拡散性と親水性の少なくとも一方の程度が異なるように構成されている、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記上部領域の少なくとも一部は、前記下部領域よりも高い親水性を有する、燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記上部領域の少なくとも一部は、前記下部領域よりも高いガス拡散性を有する、燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記下部領域の少なくとも一部は、前記上部領域よりも高いガス拡散性を有する、燃料電池。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池であって、
前記上部領域と前記下部領域のいずれか一方の少なくとも一部は、他の領域よりも透気度が高い部分を有する、燃料電池。
【請求項６】
請求項３に記載の燃料電池であって、
前記上部領域に、前記一次流路と前記二次流路とを繋ぐように切り込みが形成されている、燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池であって、
前記切り込みは、前記一次流路側から前記二次流路側に向かうに従い、前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第１の反応ガスの流れ方向について、下流側に位置するように形成されている、燃料電池。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載の燃料電池であって、
前記切り込みは、複数箇所に形成され、
前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第１の反応ガスの流れ方向について、
上流側から下流側に向かうに従って、隣り合う前記切り込みの距離が短くなる、燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池であって、
前記上流側から前記下流側に向かうに従って、前記切り込みの幅が大きくなる、燃料電池。
【請求項１０】
請求項１，請求項３，請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記上部流路壁部と前記下部流路壁部のいずれか一方の流路壁部は、他方の流路壁部よりも幅の小さい狭小部分を有する、燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池であって、
前記狭小部分の幅は、前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第１の反応ガスの流れ方向について、上流側から下流側に向かうに従って単調減少する、燃料電池。
【請求項１２】
請求項１，請求項３，請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記上部領域と前記下部領域のいずれか一方の領域は、他方の領域よりも厚みの大きい肉厚部分を有する、燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両面に積層された電極とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に積層された第１と第２のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、
前記発電モジュールの前記第１のガス拡散層側に更に積層された第１のセパレータと、を備え、
前記第１のセパレータの２つの面のうち前記第１のガス拡散層と対向する面には、前記燃料電池の設置状態において、
下流側が閉塞した略水平方向に延びる凹状の一次流路であって、外部から供給された第１の反応ガスを流通させる一次流路と、
上流側が閉塞し、略水平方向に延びると共に前記一次流路の上下にそれぞれ位置する凹状の二次流路であって、前記第１のガス拡散層を介して導入された前記第１の反応ガスを外部へ排出させるための二次流路と、
前記一次流路と前記二次流路との間に配置され、面方向において前記一次流路と前記二次流路とを区画する凸状の流路壁部と、が設けられ、
前記第１のガス拡散層は、前記発電モジュールの各構成の積層方向に沿って見たときに、前記一次流路の上側に設けられた前記流路壁部である上部流路壁部と重なる領域である上部領域と、前記一次流路の下側に設けられた前記流路壁部である下部流路壁部と重なる領域である下部領域とを有し、
前記上部領域と前記下部領域とは、少なくとも一部において、ガス拡散性と親水性の少なくとも一方の程度が異なるように構成されている、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記上部領域の少なくとも一部は、前記下部領域よりも高い親水性を有する、燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記上部領域の少なくとも一部は、前記下部領域よりも高いガス拡散性を有する、燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記下部領域の少なくとも一部は、前記上部領域よりも高いガス拡散性を有する、燃料電池。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池であって、
前記上部領域と前記下部領域のいずれか一方の少なくとも一部は、他の領域よりも透気度が高い部分を有する、燃料電池。
【請求項６】
請求項３に記載の燃料電池であって、
前記上部領域に、前記一次流路と前記二次流路とを繋ぐように切り込みが形成されている、燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池であって、
前記切り込みは、前記一次流路側から前記二次流路側に向かうに従い、前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第１の反応ガスの流れ方向について、下流側に位置するように形成されている、燃料電池。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載の燃料電池であって、
前記切り込みは、複数箇所に形成され、
前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第１の反応ガスの流れ方向について、
上流側から下流側に向かうに従って、隣り合う前記切り込みの距離が短くなる、燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池であって、
前記上流側から前記下流側に向かうに従って、前記切り込みの幅が大きくなる、燃料電池。
【請求項１０】
請求項１，請求項３，請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記上部流路壁部と前記下部流路壁部のいずれか一方の流路壁部は、他方の流路壁部よりも幅の小さい狭小部分を有する、燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池であって、
前記狭小部分の幅は、前記一次流路及び前記二次流路を流れる前記第１の反応ガスの流れ方向について、上流側から下流側に向かうに従って単調減少する、燃料電池。
【請求項１２】
請求項１，請求項３，請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記上部領域と前記下部領域のいずれか一方の領域は、他方の領域よりも厚みの大きい肉厚部分を有する、燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−６９３８４（Ｐ２０１２−６９３８４Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１３２９７（Ｐ２０１０−２１３２９７）
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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