燃料電池
【課題】簡単な構成で、電解質膜に作用する応力を良好に抑制することができ、前記電解質膜の損傷を有効に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０を構成する酸化剤ガス流路２４と燃料ガス流路３０とは、それぞれのジグザグ形状の位相が反転している。酸化剤ガス流路２４を形成する複数の第１突起部２６及び燃料ガス流路３０を形成する複数の第２突起部３２では、第１傾斜部２６ａ及び第４傾斜部３２ｂが、触媒領域Ｓの一方の対角線Ｌ１と同一の傾斜角度に設定されている。さらに、第２傾斜部２６ｂ及び第３傾斜部３２ａが、触媒領域Ｓの他方の対角線Ｌ２と同一の傾斜角度に設定される。
【解決手段】燃料電池１０を構成する酸化剤ガス流路２４と燃料ガス流路３０とは、それぞれのジグザグ形状の位相が反転している。酸化剤ガス流路２４を形成する複数の第１突起部２６及び燃料ガス流路３０を形成する複数の第２突起部３２では、第１傾斜部２６ａ及び第４傾斜部３２ｂが、触媒領域Ｓの一方の対角線Ｌ１と同一の傾斜角度に設定されている。さらに、第２傾斜部２６ｂ及び第３傾斜部３２ａが、触媒領域Ｓの他方の対角線Ｌ２と同一の傾斜角度に設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ矩形状の触媒領域を有するアノード側電極及びカソード側電極が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体の両側にセパレータが積層される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。さらに、各燃料電池を構成し、互いに隣接するセパレータ間には、電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、図１３に示すように、電解質膜・電極構造体１を第１及び第２金属セパレータ２、３により挟持して構成されている。
【０００５】
燃料電池の長辺方向の上端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔４ａ及び燃料ガス供給連通孔５ａが設けられる一方、長辺方向の下端縁部には、燃料ガス排出連通孔５ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔４ｂが設けられている。燃料電池の短辺方向の一端縁部には、冷却媒体供給連通孔６ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、冷却媒体排出連通孔６ｂが設けられている。
【０００６】
電解質膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜１ａと、前記固体高分子電解質膜１ａを挟持するアノード側電極１ｂ及びカソード側電極１ｃとを備えている。
【０００７】
第１金属セパレータ２のアノード側電極１ｂに対向する面２ａには、燃料ガス流路７が複数の蛇行状（波状）突起部７ａ間に形成されている。第１金属セパレータ２の面２ｂには、燃料ガス流路７の裏面形状である冷却媒体流路８の一部が形成されている。第２金属セパレータ３のカソード側電極１ｃに対向する面３ａには、酸化剤ガス流路９が複数の蛇行状（波状）突起部９ａ間に形成されている。第２金属セパレータ３の面３ｂには、酸化剤ガス流路９の裏面形状である冷却媒体流路８の一部が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２３４４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の燃料電池では、燃料ガス流路７を形成する各突起部７ａと、酸化剤ガス流路９を構成する各突起部９ａとは、電解質膜・電極構造体１を挟んで互いに同一の位相で対向している。このため、電解質膜・電極構造体１は、各突起部７ａ、９ａによって蛇行形状に沿って拘束されており、拘束領域が大きくなっている。従って、電解質膜・電極構造体１の膨脹や収縮による応力を逃がすことができず、特に固体高分子電解質膜１に損傷が惹起するというおそれがある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電解質膜に作用する応力を良好に抑制することができ、前記電解質膜の損傷を有効に阻止することが可能な燃料電池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】
【００１１】
本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ矩形状の触媒領域を有するカソード側電極及びアノード側電極が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体の両側にセパレータが積層される燃料電池に関するものである。
【００１２】
この燃料電池では、カソード側電極に対向する一方のセパレータの面内には、複数の第１突起部間にジグザグ形状のカソード側ガス流路が形成され、且つ前記第１突起部は、互いに異なる方向に傾斜する第１及び第２傾斜部を有している。アノード側電極に対向する他方のセパレータの面内には、複数の第２突起部間にジグザグ形状のアノード側ガス流路が形成され、且つ前記第２突起部は、互いに異なる方向に傾斜する第３及び第４傾斜部を有している。
【００１３】
そして、カソード側ガス流路とアノード側ガス流路とは、積層方向一方から見てそれぞれのジグザグ形状の位相が反転するとともに、第１及び第４傾斜部は、触媒領域の一方の対角線と同一の傾斜角度に設定される一方、第２及び第３傾斜部は、前記触媒領域の他方の対角線と同一の傾斜角度に設定されている。
【００１４】
ここで、第１〜第４傾斜部の傾斜角度が、対角線の傾斜角度よりも大きいと、流路に直交する方向への変形が大きくなり、流路左右端での電解質膜の損傷が発生し易くなる。また、第１〜第４傾斜部の傾斜角度が、対角線の傾斜角度よりも小さいと、流れ方向の変形応力が大きくなり、流路上流及び流路下流で電解質膜の損傷が惹起される。従って、第１〜第４傾斜部の傾斜角度が、対角線の傾斜角度と同一に設定されることにより、電解質膜が伸縮できる距離が最大になって応力を緩和することが可能になる。
【００１５】
また、この燃料電池では、電解質膜・電極構造体を挟んで互いに対向する第１突起部と第２突起部とは、それぞれのジグザグ形状のいずれかの頂点同士が、互いに積層方向に重なり合うことが好ましい。
【００１６】
さらに、この燃料電池では、電解質膜・電極構造体を挟んで互いに対向する第１突起部と第２突起部とは、それぞれのジグザグ形状の凸部幅が、互いに異なる寸法に設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、カソード側ガス流路とアノード側ガス流路とは、それぞれのジグザグ形状の位相が反転するため、第１突起部及び第２突起部により電解質膜を拘束する領域（面積）が削減されている。従って、電解質膜の膨張及び収縮による応力が良好に緩和され、前記電解質膜の損傷を有効に阻止することができる。
【００１８】
しかも、第１突起部及び第２突起部では、第１及び第４傾斜部が触媒領域の一方の対角線と同一の傾斜角度に設定される一方、第２及び第３傾斜部が前記触媒領域の他方の対角線と同一の傾斜角度に設定されている。これにより、簡単な構成で、電解質膜に作用する応力を良好に抑制することができ、前記電解質膜の損傷を阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの一方の正面の説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の正面の説明図である。
【図５】前記燃料電池の要部説明図である。
【図６】前記燃料電池の、図５中、ＶＩ−ＶＩ線断面説明図である。
【図７】前記燃料電池の、図５中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面説明図である。
【図８】突起部の傾斜角度が大きい場合の説明図である。
【図９】突起部の傾斜角度が小さい場合の説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部説明図である。
【図１１】前記燃料電池の、図１０中、ＸＩ−ＸＩ線断面説明図である。
【図１２】前記燃料電池の、図１０中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面説明図である。
【図１３】特許文献１に開示されている燃料電池の分解斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、矢印Ａ方向（水平方向）に複数積層されて、例えば車載用燃料電池スタック１１を構成する。燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを備える。
【００２１】
第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。
【００２２】
図１に示すように、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かう（水平方向の積層）ように構成される。なお、長辺が水平方向に向かい且つ短辺が重力方向に向かうように構成してもよく、また、セパレータ面が水平方向に向かう（鉛直方向の積層）ように構成してもよい。
【００２３】
燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔１８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２０ａとが設けられる。
【００２４】
燃料電池１０の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとが設けられる。
【００２５】
燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の両端縁部上方には、矢印Ａ方向に連通して、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体供給連通孔２２ａが対称位置に設けられる。燃料電池１０の両端縁部下方には、矢印Ａ方向に連通して、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体排出連通孔２２ｂが対称位置に設けられる。
【００２６】
図３に示すように、第１セパレータ（一方のセパレータ）１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとを連通して鉛直方向に延在する酸化剤ガス流路（カソード側ガス流路）２４が形成される。
【００２７】
酸化剤ガス流路２４は、複数の第１突起部２６間にジグザグ形状に形成される複数の流路溝２４ａを有する。なお、ジグザグ形状とは、各先端が鋭角に形成された形状の他、各先端にＲを設けた形状も含む。以下のジグザグ形状も、同様である。
【００２８】
第１突起部２６は、酸化剤ガスの流れ方向を上下方向である矢印Ｃ方向に設定するとともに、この矢印Ｃ方向に向かって互いに異なる方向（矢印Ｂ１方向及び矢印Ｂ２方向）に傾斜する第１傾斜部２６ａ及び第２傾斜部２６ｂを有する。第１及び第２傾斜部２６ａ、２６ｂは、ジグザグ形状の頂点２６ｃで連結される。
【００２９】
第１セパレータ１４の面１４ａ内には、電解質膜・電極構造体１２の触媒領域Ｓに対応して酸化剤ガス流路２４の領域が設定される。触媒領域Ｓの一方の対角線Ｌ１と第１傾斜部２６ａとは、同一の傾斜角度に設定されるとともに、前記触媒領域Ｓの他方の対角線Ｌ２と第２傾斜部２６ｂとは、同一の傾斜角度に設定される。
【００３０】
酸化剤ガス流路２４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部２７ａ及び出口バッファ部２７ｂが設けられる。第１セパレータ１４の面１４ｂ（面１４ａとは反対の面）には、後述する冷却媒体流路２８の一部が構成される。
【００３１】
図４に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２０ａと燃料ガス排出連通孔２０ｂとを連通する燃料ガス流路３０が鉛直方向に延在して形成される。
【００３２】
燃料ガス流路３０は、複数の第２突起部３２間にジグザグ形状に形成される複数の流路溝３０ａを有する。第２突起部３２は、燃料ガス流れ方向を矢印Ｃ方向に設定するとともに、この矢印Ｃ方向に向かって互いに異なる方向（矢印Ｂ２方向及び矢印Ｂ１方向）に傾斜する第３傾斜部３２ａ及び第４傾斜部３２ｂを有する。
【００３３】
第４傾斜部３２ｂは、触媒領域Ｓの一方の対角線Ｌ１と同一の傾斜角度に設定される一方、第３傾斜部３２ａは、前記触媒領域Ｓの他方の対角線Ｌ２と同一の傾斜角度に設定される。第３傾斜部３２ａと第４傾斜部３２ｂとは、ジグザグ形状の頂点３２ｃで連結される。
【００３４】
図５に示すように、酸化剤ガス流路２４と燃料ガス流路３０とは、同一方向（燃料電池１０の積層方向一端側）から見た際に、それぞれのジグザグ形状の位相が反転する。電解質膜・電極構造体１２を挟んで互いに対向する第１突起部２６と第２突起部３２は、それぞれのジグザグ形状のいずれかの頂点２６ｃ、３２ｃが互いに積層方向に重なり合う（図５及び図７参照）。
【００３５】
図６及び図７に示すように、第１突起部２６と第２突起部３２とは、それぞれのジグザグ形状の凸部幅ｔ１、ｔ２が互いに異なる寸法に設定される。具体的には、酸化剤ガス流路２４を形成する第１突起部２６の凸部幅ｔ１は、燃料ガス流路３０を形成する第２突起部３２の凸部幅ｔ２よりも小さな寸法に設定される（ｔ１＜ｔ２）。
【００３６】
図４に示すように、燃料ガス流路３０の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３３ａ及び出口バッファ部３３ｂが設けられる。
【００３７】
第２セパレータ１６の面１６ｂと第１セパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２２ａ、２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂ、２２ｂとに連通する冷却媒体流路２８が形成される（図１及び図３参照）。冷却媒体流路２８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３４ａ及び出口バッファ部３４ｂが設けられる。
【００３８】
第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材３６が一体成形される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端縁部を周回して第２シール部材３８が一体成形される。第１シール部材３６及び第２シール部材３８としては、例えば、弾性を有するＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
【００３９】
図１に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａには、第１シール部材３６を切り欠いて、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス流路２４とを連通する複数の連結通路４０ａが形成される。面１４ａには、第１シール部材３６を切り欠いて、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂと酸化剤ガス流路２４とを連通する複数の連結通路４０ｂが形成される。
【００４０】
図４に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａには、第２シール部材３８を切り欠いて、燃料ガス供給連通孔２０ａと燃料ガス流路３０とを連通する複数の連結通路４２ａが形成される。面１６ａには、第２シール部材３８を切り欠いて、燃料ガス排出連通孔２０ｂと燃料ガス流路３０とを連通する複数の連結通路４２ｂが形成される。
【００４１】
図１に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、第２シール部材３８を切り欠いて、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａ、２２ａと冷却媒体流路２８とを連通する複数の連結通路４４ａが形成される。面１６ｂには、第２シール部材３８を切り欠いて、一対の冷却媒体排出連通孔２２ｂ、２２ｂと冷却媒体流路２８とを連通する複数の連結通路４４ｂが形成される。
【００４２】
図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４６と、前記固体高分子電解質膜４６を挟持するカソード側電極４８及びアノード側電極５０とを備える。
【００４３】
カソード側電極４８及びアノード側電極５０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層４８ａ、５０ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層４８ａ、５０ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層４８ｂ、５０ｂとを有する。電極触媒層４８ｂ、５０ｂは、固体高分子電解質膜４６の両面に形成される。カソード側電極４８及びアノード側電極５０は、発電部領域である触媒領域Ｓを有する。
【００４４】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４５】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４６】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔１８ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路２４に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２４に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極４８に供給される。
【００４７】
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２０ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路３０に供給される。燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス流路３０に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極５０に供給される（図１及び図２参照）。
【００４８】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極４８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００４９】
次いで、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極４８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極５０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５０】
また、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６間の冷却媒体流路２８に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動した後、矢印Ｃ方向（重力方向）に移動して電解質膜・電極構造体１２を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｂ方向両側に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される。
【００５１】
この場合、第１の実施形態では、図１及び図５に示すように、酸化剤ガス流路２４と燃料ガス流路３０とは、それぞれのジグザグ形状の位相が反転している。このため、酸化剤ガス流路２４を形成する第１突起部２６及び燃料ガス流路３０を形成する第２突起部３２を介し、固体高分子電解質膜４６を拘束する領域（面積）が削減されている。従って、固体高分子電解質膜４６の膨張及び収縮による応力が良好に緩和され、前記固体高分子電解質膜４６の損傷を有効に阻止することができる。
【００５２】
しかも、第１突起部２６及び第２突起部３２では、第１傾斜部２６ａ及び第４傾斜部３２ｂが、触媒領域Ｓの一方の対角線Ｌ１と同一の傾斜角度に設定されている。一方、第２傾斜部２６ｂ及び第３傾斜部３２ａが、触媒領域Ｓの他方の対角線Ｌ２と同一の傾斜角度に設定されている。
【００５３】
ここで、図８に示すように、傾斜部６０ａ、６０ｂの傾斜角度θ１が、対角線Ｌ１、Ｌ２の傾斜角度φよりも大きいと、流路左右方向の固体高分子電解質膜４６の変形が大きくなってしまう。これにより、固体高分子電解質膜４６に応力が発生するおそれがある。
【００５４】
一方、図９に示すように、傾斜部６２ａ、６２ｂの傾斜角度θ２が、対角線Ｌ１、Ｌ２の傾斜角度φよりも小さいと、流れ方向（上下方向）の変形応力が大きくなる。このため、流路上流及び流路下流で、固体高分子電解質膜４６の損傷が惹起されるおそれがある。
【００５５】
これにより、第１の実施形態では、簡単な構成で、固体高分子電解質膜４６に作用する応力を良好に抑制することができ、前記固体高分子電解質膜４６の損傷を阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００５６】
さらに、第１の実施形態では、図５に示すように、第１突起部２６と第２突起部３２とは、積層方向に沿って固体高分子電解質膜４６を挟んで互いに重なり合う部分を有するとともに、特に頂点２６ｃ、３２ｃのいずれか同士が、前記積層方向に重なり合っている。
【００５７】
従って、固体高分子電解質膜４６に作用する応力は、斜め方向（矢印方向）に逃がすことができ、応力の緩和が容易且つ確実に図られるという利点が得られる。
【００５８】
また、図６及び図７に示すように、電解質膜・電極構造体１２を挟んで互いに対向する第１突起部２６と第２突起部３２とは、それぞれのジグザグ形状の凸部幅ｔ１、ｔ２が互いに異なる寸法（ｔ１＜ｔ２）に設定されている。このため、酸化剤ガス流路２４を形成するリブ幅寸法を狭くすることにより、固体高分子電解質膜４６の拘束面積を有効に削減することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜４６の膨脹及び収縮によって、前記固体高分子電解質膜４６に作用する応力を良好に抑制することができるという利点がある。
【００５９】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池７０の要部説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６０】
燃料電池７０では、酸化剤ガス流路２４は、複数の第１突起部７２間にジグザグ形状に形成される複数の流路溝２４ａを有するとともに、燃料ガス流路３０は、複数の第２突起部７４間にジグザグ形状に形成される複数の流路溝３０ａを有する。第１突起部７２は、第１傾斜部７２ａと第２傾斜部７２ｂとを頂点７２ｃを介して交互に設ける。第２突起部７４は、第３傾斜部７４ａと第４傾斜部７４ｂとを頂点７４ｃを介して交互に設ける。
【００６１】
第１突起部７２と第２突起部７４とは、積層方向に対して第１傾斜部７２ａ及び第２傾斜部７２ｂと第３傾斜部７４ａ及び第４傾斜部７４ｂとが交差する部位で重なり合っている。それぞれの頂点７２ｃ、７４ｃは、積層方向に重なり合う部位を有していない。
【００６２】
第１突起部７２及び第２突起部７４は、頂点７２ｃ、７４ｃのいずれもが積層方向に重なり合わない他、上記の第１の実施形態の第１突起部２６及び第２突起部３２と同様に構成される（図１０〜図１２参照）。
【００６３】
このように構成される第２の実施形態では、第１突起部７２と第２突起部７４とによる固体高分子電解質膜４６の拘束点が、縦方向及び横方向に配列されている。従って、固体高分子電解質膜４６に作用する応力は、縦方向及び横方向（矢印方向）に良好に逃がすことができ、応力の緩和が図られる他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６４】
１０…燃料電池 １１…燃料電池スタック
１２…電解質膜・電極構造体 １４、１６…セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス供給連通孔 １８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２０ａ…燃料ガス供給連通孔 ２０ｂ…燃料ガス排出連通孔
２２ａ…冷却媒体供給連通孔 ２２ｂ…冷却媒体排出連通孔
２４…酸化剤ガス流路 ２４ａ、３０ａ…流路溝
２６、３２…突起部 ２６ａ、２６ｂ、３２ａ、３２ｂ…傾斜部
２６ｃ、３２ｃ…頂点 ３０…燃料ガス流路
４６…固体高分子電解質膜 ４８…カソード側電極
５０…アノード側電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ矩形状の触媒領域を有するアノード側電極及びカソード側電極が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体の両側にセパレータが積層される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。さらに、各燃料電池を構成し、互いに隣接するセパレータ間には、電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、図１３に示すように、電解質膜・電極構造体１を第１及び第２金属セパレータ２、３により挟持して構成されている。
【０００５】
燃料電池の長辺方向の上端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔４ａ及び燃料ガス供給連通孔５ａが設けられる一方、長辺方向の下端縁部には、燃料ガス排出連通孔５ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔４ｂが設けられている。燃料電池の短辺方向の一端縁部には、冷却媒体供給連通孔６ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、冷却媒体排出連通孔６ｂが設けられている。
【０００６】
電解質膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜１ａと、前記固体高分子電解質膜１ａを挟持するアノード側電極１ｂ及びカソード側電極１ｃとを備えている。
【０００７】
第１金属セパレータ２のアノード側電極１ｂに対向する面２ａには、燃料ガス流路７が複数の蛇行状（波状）突起部７ａ間に形成されている。第１金属セパレータ２の面２ｂには、燃料ガス流路７の裏面形状である冷却媒体流路８の一部が形成されている。第２金属セパレータ３のカソード側電極１ｃに対向する面３ａには、酸化剤ガス流路９が複数の蛇行状（波状）突起部９ａ間に形成されている。第２金属セパレータ３の面３ｂには、酸化剤ガス流路９の裏面形状である冷却媒体流路８の一部が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２３４４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の燃料電池では、燃料ガス流路７を形成する各突起部７ａと、酸化剤ガス流路９を構成する各突起部９ａとは、電解質膜・電極構造体１を挟んで互いに同一の位相で対向している。このため、電解質膜・電極構造体１は、各突起部７ａ、９ａによって蛇行形状に沿って拘束されており、拘束領域が大きくなっている。従って、電解質膜・電極構造体１の膨脹や収縮による応力を逃がすことができず、特に固体高分子電解質膜１に損傷が惹起するというおそれがある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電解質膜に作用する応力を良好に抑制することができ、前記電解質膜の損傷を有効に阻止することが可能な燃料電池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】
【００１１】
本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ矩形状の触媒領域を有するカソード側電極及びアノード側電極が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体の両側にセパレータが積層される燃料電池に関するものである。
【００１２】
この燃料電池では、カソード側電極に対向する一方のセパレータの面内には、複数の第１突起部間にジグザグ形状のカソード側ガス流路が形成され、且つ前記第１突起部は、互いに異なる方向に傾斜する第１及び第２傾斜部を有している。アノード側電極に対向する他方のセパレータの面内には、複数の第２突起部間にジグザグ形状のアノード側ガス流路が形成され、且つ前記第２突起部は、互いに異なる方向に傾斜する第３及び第４傾斜部を有している。
【００１３】
そして、カソード側ガス流路とアノード側ガス流路とは、積層方向一方から見てそれぞれのジグザグ形状の位相が反転するとともに、第１及び第４傾斜部は、触媒領域の一方の対角線と同一の傾斜角度に設定される一方、第２及び第３傾斜部は、前記触媒領域の他方の対角線と同一の傾斜角度に設定されている。
【００１４】
ここで、第１〜第４傾斜部の傾斜角度が、対角線の傾斜角度よりも大きいと、流路に直交する方向への変形が大きくなり、流路左右端での電解質膜の損傷が発生し易くなる。また、第１〜第４傾斜部の傾斜角度が、対角線の傾斜角度よりも小さいと、流れ方向の変形応力が大きくなり、流路上流及び流路下流で電解質膜の損傷が惹起される。従って、第１〜第４傾斜部の傾斜角度が、対角線の傾斜角度と同一に設定されることにより、電解質膜が伸縮できる距離が最大になって応力を緩和することが可能になる。
【００１５】
また、この燃料電池では、電解質膜・電極構造体を挟んで互いに対向する第１突起部と第２突起部とは、それぞれのジグザグ形状のいずれかの頂点同士が、互いに積層方向に重なり合うことが好ましい。
【００１６】
さらに、この燃料電池では、電解質膜・電極構造体を挟んで互いに対向する第１突起部と第２突起部とは、それぞれのジグザグ形状の凸部幅が、互いに異なる寸法に設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、カソード側ガス流路とアノード側ガス流路とは、それぞれのジグザグ形状の位相が反転するため、第１突起部及び第２突起部により電解質膜を拘束する領域（面積）が削減されている。従って、電解質膜の膨張及び収縮による応力が良好に緩和され、前記電解質膜の損傷を有効に阻止することができる。
【００１８】
しかも、第１突起部及び第２突起部では、第１及び第４傾斜部が触媒領域の一方の対角線と同一の傾斜角度に設定される一方、第２及び第３傾斜部が前記触媒領域の他方の対角線と同一の傾斜角度に設定されている。これにより、簡単な構成で、電解質膜に作用する応力を良好に抑制することができ、前記電解質膜の損傷を阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの一方の正面の説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の正面の説明図である。
【図５】前記燃料電池の要部説明図である。
【図６】前記燃料電池の、図５中、ＶＩ−ＶＩ線断面説明図である。
【図７】前記燃料電池の、図５中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面説明図である。
【図８】突起部の傾斜角度が大きい場合の説明図である。
【図９】突起部の傾斜角度が小さい場合の説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部説明図である。
【図１１】前記燃料電池の、図１０中、ＸＩ−ＸＩ線断面説明図である。
【図１２】前記燃料電池の、図１０中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面説明図である。
【図１３】特許文献１に開示されている燃料電池の分解斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、矢印Ａ方向（水平方向）に複数積層されて、例えば車載用燃料電池スタック１１を構成する。燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを備える。
【００２１】
第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。
【００２２】
図１に示すように、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かう（水平方向の積層）ように構成される。なお、長辺が水平方向に向かい且つ短辺が重力方向に向かうように構成してもよく、また、セパレータ面が水平方向に向かう（鉛直方向の積層）ように構成してもよい。
【００２３】
燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔１８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２０ａとが設けられる。
【００２４】
燃料電池１０の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとが設けられる。
【００２５】
燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の両端縁部上方には、矢印Ａ方向に連通して、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体供給連通孔２２ａが対称位置に設けられる。燃料電池１０の両端縁部下方には、矢印Ａ方向に連通して、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体排出連通孔２２ｂが対称位置に設けられる。
【００２６】
図３に示すように、第１セパレータ（一方のセパレータ）１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとを連通して鉛直方向に延在する酸化剤ガス流路（カソード側ガス流路）２４が形成される。
【００２７】
酸化剤ガス流路２４は、複数の第１突起部２６間にジグザグ形状に形成される複数の流路溝２４ａを有する。なお、ジグザグ形状とは、各先端が鋭角に形成された形状の他、各先端にＲを設けた形状も含む。以下のジグザグ形状も、同様である。
【００２８】
第１突起部２６は、酸化剤ガスの流れ方向を上下方向である矢印Ｃ方向に設定するとともに、この矢印Ｃ方向に向かって互いに異なる方向（矢印Ｂ１方向及び矢印Ｂ２方向）に傾斜する第１傾斜部２６ａ及び第２傾斜部２６ｂを有する。第１及び第２傾斜部２６ａ、２６ｂは、ジグザグ形状の頂点２６ｃで連結される。
【００２９】
第１セパレータ１４の面１４ａ内には、電解質膜・電極構造体１２の触媒領域Ｓに対応して酸化剤ガス流路２４の領域が設定される。触媒領域Ｓの一方の対角線Ｌ１と第１傾斜部２６ａとは、同一の傾斜角度に設定されるとともに、前記触媒領域Ｓの他方の対角線Ｌ２と第２傾斜部２６ｂとは、同一の傾斜角度に設定される。
【００３０】
酸化剤ガス流路２４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部２７ａ及び出口バッファ部２７ｂが設けられる。第１セパレータ１４の面１４ｂ（面１４ａとは反対の面）には、後述する冷却媒体流路２８の一部が構成される。
【００３１】
図４に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２０ａと燃料ガス排出連通孔２０ｂとを連通する燃料ガス流路３０が鉛直方向に延在して形成される。
【００３２】
燃料ガス流路３０は、複数の第２突起部３２間にジグザグ形状に形成される複数の流路溝３０ａを有する。第２突起部３２は、燃料ガス流れ方向を矢印Ｃ方向に設定するとともに、この矢印Ｃ方向に向かって互いに異なる方向（矢印Ｂ２方向及び矢印Ｂ１方向）に傾斜する第３傾斜部３２ａ及び第４傾斜部３２ｂを有する。
【００３３】
第４傾斜部３２ｂは、触媒領域Ｓの一方の対角線Ｌ１と同一の傾斜角度に設定される一方、第３傾斜部３２ａは、前記触媒領域Ｓの他方の対角線Ｌ２と同一の傾斜角度に設定される。第３傾斜部３２ａと第４傾斜部３２ｂとは、ジグザグ形状の頂点３２ｃで連結される。
【００３４】
図５に示すように、酸化剤ガス流路２４と燃料ガス流路３０とは、同一方向（燃料電池１０の積層方向一端側）から見た際に、それぞれのジグザグ形状の位相が反転する。電解質膜・電極構造体１２を挟んで互いに対向する第１突起部２６と第２突起部３２は、それぞれのジグザグ形状のいずれかの頂点２６ｃ、３２ｃが互いに積層方向に重なり合う（図５及び図７参照）。
【００３５】
図６及び図７に示すように、第１突起部２６と第２突起部３２とは、それぞれのジグザグ形状の凸部幅ｔ１、ｔ２が互いに異なる寸法に設定される。具体的には、酸化剤ガス流路２４を形成する第１突起部２６の凸部幅ｔ１は、燃料ガス流路３０を形成する第２突起部３２の凸部幅ｔ２よりも小さな寸法に設定される（ｔ１＜ｔ２）。
【００３６】
図４に示すように、燃料ガス流路３０の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３３ａ及び出口バッファ部３３ｂが設けられる。
【００３７】
第２セパレータ１６の面１６ｂと第１セパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２２ａ、２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂ、２２ｂとに連通する冷却媒体流路２８が形成される（図１及び図３参照）。冷却媒体流路２８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３４ａ及び出口バッファ部３４ｂが設けられる。
【００３８】
第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材３６が一体成形される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端縁部を周回して第２シール部材３８が一体成形される。第１シール部材３６及び第２シール部材３８としては、例えば、弾性を有するＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
【００３９】
図１に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａには、第１シール部材３６を切り欠いて、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス流路２４とを連通する複数の連結通路４０ａが形成される。面１４ａには、第１シール部材３６を切り欠いて、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂと酸化剤ガス流路２４とを連通する複数の連結通路４０ｂが形成される。
【００４０】
図４に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａには、第２シール部材３８を切り欠いて、燃料ガス供給連通孔２０ａと燃料ガス流路３０とを連通する複数の連結通路４２ａが形成される。面１６ａには、第２シール部材３８を切り欠いて、燃料ガス排出連通孔２０ｂと燃料ガス流路３０とを連通する複数の連結通路４２ｂが形成される。
【００４１】
図１に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、第２シール部材３８を切り欠いて、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａ、２２ａと冷却媒体流路２８とを連通する複数の連結通路４４ａが形成される。面１６ｂには、第２シール部材３８を切り欠いて、一対の冷却媒体排出連通孔２２ｂ、２２ｂと冷却媒体流路２８とを連通する複数の連結通路４４ｂが形成される。
【００４２】
図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４６と、前記固体高分子電解質膜４６を挟持するカソード側電極４８及びアノード側電極５０とを備える。
【００４３】
カソード側電極４８及びアノード側電極５０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層４８ａ、５０ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層４８ａ、５０ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層４８ｂ、５０ｂとを有する。電極触媒層４８ｂ、５０ｂは、固体高分子電解質膜４６の両面に形成される。カソード側電極４８及びアノード側電極５０は、発電部領域である触媒領域Ｓを有する。
【００４４】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４５】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４６】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔１８ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路２４に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２４に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極４８に供給される。
【００４７】
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２０ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路３０に供給される。燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス流路３０に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極５０に供給される（図１及び図２参照）。
【００４８】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極４８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００４９】
次いで、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極４８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極５０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５０】
また、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６間の冷却媒体流路２８に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動した後、矢印Ｃ方向（重力方向）に移動して電解質膜・電極構造体１２を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｂ方向両側に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される。
【００５１】
この場合、第１の実施形態では、図１及び図５に示すように、酸化剤ガス流路２４と燃料ガス流路３０とは、それぞれのジグザグ形状の位相が反転している。このため、酸化剤ガス流路２４を形成する第１突起部２６及び燃料ガス流路３０を形成する第２突起部３２を介し、固体高分子電解質膜４６を拘束する領域（面積）が削減されている。従って、固体高分子電解質膜４６の膨張及び収縮による応力が良好に緩和され、前記固体高分子電解質膜４６の損傷を有効に阻止することができる。
【００５２】
しかも、第１突起部２６及び第２突起部３２では、第１傾斜部２６ａ及び第４傾斜部３２ｂが、触媒領域Ｓの一方の対角線Ｌ１と同一の傾斜角度に設定されている。一方、第２傾斜部２６ｂ及び第３傾斜部３２ａが、触媒領域Ｓの他方の対角線Ｌ２と同一の傾斜角度に設定されている。
【００５３】
ここで、図８に示すように、傾斜部６０ａ、６０ｂの傾斜角度θ１が、対角線Ｌ１、Ｌ２の傾斜角度φよりも大きいと、流路左右方向の固体高分子電解質膜４６の変形が大きくなってしまう。これにより、固体高分子電解質膜４６に応力が発生するおそれがある。
【００５４】
一方、図９に示すように、傾斜部６２ａ、６２ｂの傾斜角度θ２が、対角線Ｌ１、Ｌ２の傾斜角度φよりも小さいと、流れ方向（上下方向）の変形応力が大きくなる。このため、流路上流及び流路下流で、固体高分子電解質膜４６の損傷が惹起されるおそれがある。
【００５５】
これにより、第１の実施形態では、簡単な構成で、固体高分子電解質膜４６に作用する応力を良好に抑制することができ、前記固体高分子電解質膜４６の損傷を阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００５６】
さらに、第１の実施形態では、図５に示すように、第１突起部２６と第２突起部３２とは、積層方向に沿って固体高分子電解質膜４６を挟んで互いに重なり合う部分を有するとともに、特に頂点２６ｃ、３２ｃのいずれか同士が、前記積層方向に重なり合っている。
【００５７】
従って、固体高分子電解質膜４６に作用する応力は、斜め方向（矢印方向）に逃がすことができ、応力の緩和が容易且つ確実に図られるという利点が得られる。
【００５８】
また、図６及び図７に示すように、電解質膜・電極構造体１２を挟んで互いに対向する第１突起部２６と第２突起部３２とは、それぞれのジグザグ形状の凸部幅ｔ１、ｔ２が互いに異なる寸法（ｔ１＜ｔ２）に設定されている。このため、酸化剤ガス流路２４を形成するリブ幅寸法を狭くすることにより、固体高分子電解質膜４６の拘束面積を有効に削減することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜４６の膨脹及び収縮によって、前記固体高分子電解質膜４６に作用する応力を良好に抑制することができるという利点がある。
【００５９】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池７０の要部説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６０】
燃料電池７０では、酸化剤ガス流路２４は、複数の第１突起部７２間にジグザグ形状に形成される複数の流路溝２４ａを有するとともに、燃料ガス流路３０は、複数の第２突起部７４間にジグザグ形状に形成される複数の流路溝３０ａを有する。第１突起部７２は、第１傾斜部７２ａと第２傾斜部７２ｂとを頂点７２ｃを介して交互に設ける。第２突起部７４は、第３傾斜部７４ａと第４傾斜部７４ｂとを頂点７４ｃを介して交互に設ける。
【００６１】
第１突起部７２と第２突起部７４とは、積層方向に対して第１傾斜部７２ａ及び第２傾斜部７２ｂと第３傾斜部７４ａ及び第４傾斜部７４ｂとが交差する部位で重なり合っている。それぞれの頂点７２ｃ、７４ｃは、積層方向に重なり合う部位を有していない。
【００６２】
第１突起部７２及び第２突起部７４は、頂点７２ｃ、７４ｃのいずれもが積層方向に重なり合わない他、上記の第１の実施形態の第１突起部２６及び第２突起部３２と同様に構成される（図１０〜図１２参照）。
【００６３】
このように構成される第２の実施形態では、第１突起部７２と第２突起部７４とによる固体高分子電解質膜４６の拘束点が、縦方向及び横方向に配列されている。従って、固体高分子電解質膜４６に作用する応力は、縦方向及び横方向（矢印方向）に良好に逃がすことができ、応力の緩和が図られる他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６４】
１０…燃料電池 １１…燃料電池スタック
１２…電解質膜・電極構造体 １４、１６…セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス供給連通孔 １８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２０ａ…燃料ガス供給連通孔 ２０ｂ…燃料ガス排出連通孔
２２ａ…冷却媒体供給連通孔 ２２ｂ…冷却媒体排出連通孔
２４…酸化剤ガス流路 ２４ａ、３０ａ…流路溝
２６、３２…突起部 ２６ａ、２６ｂ、３２ａ、３２ｂ…傾斜部
２６ｃ、３２ｃ…頂点 ３０…燃料ガス流路
４６…固体高分子電解質膜 ４８…カソード側電極
５０…アノード側電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に、それぞれ矩形状の触媒領域を有するカソード側電極及びアノード側電極が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体の両側にセパレータが積層される燃料電池であって、
前記カソード側電極に対向する一方のセパレータの面内には、複数の第１突起部間にジグザグ形状のカソード側ガス流路が形成され、且つ前記第１突起部は、互いに異なる方向に傾斜する第１及び第２傾斜部を有し、
前記アノード側電極に対向する他方のセパレータの面内には、複数の第２突起部間にジグザグ形状のアノード側ガス流路が形成され、且つ前記第２突起部は、互いに異なる方向に傾斜する第３及び第４傾斜部を有し、
前記カソード側ガス流路と前記アノード側ガス流路とは、積層方向一方から見てそれぞれのジグザグ形状の位相が反転するとともに、
前記第１及び第４傾斜部は、前記触媒領域の一方の対角線と同一の傾斜角度に設定される一方、
前記第２及び第３傾斜部は、前記触媒領域の他方の対角線と同一の傾斜角度に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記電解質膜・電極構造体を挟んで互いに対向する前記第１突起部と前記第２突起部とは、それぞれのジグザグ形状のいずれかの頂点同士が、互いに前記積層方向に重なり合うことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記電解質膜・電極構造体を挟んで互いに対向する前記第１突起部と前記第２突起部とは、それぞれのジグザグ形状の凸部幅が、互いに異なる寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
電解質膜の両側に、それぞれ矩形状の触媒領域を有するカソード側電極及びアノード側電極が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体の両側にセパレータが積層される燃料電池であって、
前記カソード側電極に対向する一方のセパレータの面内には、複数の第１突起部間にジグザグ形状のカソード側ガス流路が形成され、且つ前記第１突起部は、互いに異なる方向に傾斜する第１及び第２傾斜部を有し、
前記アノード側電極に対向する他方のセパレータの面内には、複数の第２突起部間にジグザグ形状のアノード側ガス流路が形成され、且つ前記第２突起部は、互いに異なる方向に傾斜する第３及び第４傾斜部を有し、
前記カソード側ガス流路と前記アノード側ガス流路とは、積層方向一方から見てそれぞれのジグザグ形状の位相が反転するとともに、
前記第１及び第４傾斜部は、前記触媒領域の一方の対角線と同一の傾斜角度に設定される一方、
前記第２及び第３傾斜部は、前記触媒領域の他方の対角線と同一の傾斜角度に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記電解質膜・電極構造体を挟んで互いに対向する前記第１突起部と前記第２突起部とは、それぞれのジグザグ形状のいずれかの頂点同士が、互いに前記積層方向に重なり合うことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記電解質膜・電極構造体を挟んで互いに対向する前記第１突起部と前記第２突起部とは、それぞれのジグザグ形状の凸部幅が、互いに異なる寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−４３５５６（Ｐ２０１２−４３５５６Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８１５４１（Ｐ２０１０−１８１５４１）
【出願日】平成２２年８月１６日（２０１０．８．１６）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１６日（２０１０．８．１６）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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