燃料電池
【課題】燃料電池の水分の排出性を向上させる。
【解決手段】ガス流路層４０の備える第１流路構成体１４０は、発電体層３５の側に凸な第１凸部１４１とセパレーター７０の側に凸な第２凸部１４２とを繰り返し有する。第２流路構成体２４０も同様であり、第１凸部２４１と第２凸部２４２とを繰り返し有する。第１流路構成体１４０は、第１凸部１４１の側方の第１ガス流路１４３を発電体層側流路とし、その体積をセパレーター側流路である第２ガス流路１４４の体積より大きくしている。第２流路構成体２４０は、第１凸部２４１の側方の第１ガス流路２４３を発電体層側流路とし、その体積をセパレーター側流路である第２ガス流路２４４の体積より小さくしている。その上で、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０は、第２ガス流路１４４が第２ガス流路２４４の内側に位置するようにして連設されている。
【解決手段】ガス流路層４０の備える第１流路構成体１４０は、発電体層３５の側に凸な第１凸部１４１とセパレーター７０の側に凸な第２凸部１４２とを繰り返し有する。第２流路構成体２４０も同様であり、第１凸部２４１と第２凸部２４２とを繰り返し有する。第１流路構成体１４０は、第１凸部１４１の側方の第１ガス流路１４３を発電体層側流路とし、その体積をセパレーター側流路である第２ガス流路１４４の体積より大きくしている。第２流路構成体２４０は、第１凸部２４１の側方の第１ガス流路２４３を発電体層側流路とし、その体積をセパレーター側流路である第２ガス流路２４４の体積より小さくしている。その上で、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０は、第２ガス流路１４４が第２ガス流路２４４の内側に位置するようにして連設されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池内での水分の排出技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば、固体高分子形燃料電池は、電解質膜を挟んで配置される一対の電極（アノードおよびカソード）にそれぞれ反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【０００３】
従来、燃料電池において、電解質膜と一対の電極とを含む発電体層とセパレーターとの間にメタルラスやエキスパンドメタルを用いて形成されたガス流路層を設けることにより、反応ガスの拡散性を向上させ、燃料電池の発電効率を向上させる技術が知られている（例えば、下記特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２１４０２０号公報
【特許文献２】特開２００８−２８７９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術では、発電に伴って生成される生成水など、反応ガスに含まれる水分による燃料電池の性能への影響について十分に考慮されておらず、燃料電池の性能に向上の余地があった。かかる問題は、発電体層とセパレーターとの間にガス流路層を備える燃料電池一般に共通する問題であった。
【０００６】
本発明は、上述した従来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、燃料電池内を流通する反応ガスに含まれる水分の排出性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決することを目的としてなされたものであり、以下の構成を採用した。
【０００８】
[適用１：燃料電池]
燃料電池であって、
電解質膜を備えた発電体層と、
前記発電体層を間に挟んで配置された一対のセパレーターと、
前記発電体層と前記一対のセパレーターの少なくとも一方との間に配置され、前記発電体層での発電反応に供される反応ガスを前記電解質膜の膜面に沿ったガス流れ方向に流す流路を形成するガス流路層と、を備え
該ガス流路層は、
前記発電体層の側に凸な第１の凸部と前記セパレーターの側に凸な第２の凸部とが流路形成領域において並んだ波形断面の波形要素を前記流路の形成のための要素とし、前記波形要素を繰り返し有する波形要素含有部を、前記ガス流れ方向に沿って複数連設して備え、
前記波形要素含有部のそれぞれは、前記繰り返される前記波形要素における前記第１の凸部の前記波形要素の繰り返しに沿った側方領域を、前記流路を前記発電体層の側でなす発電体層側流路とし、前記波形要素における前記第２の凸部の前記波形要素の繰り返しに沿った側方領域を、前記流路を前記セパレーターの側でなすセパレーター側流路とし、
前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部は、一方の前記波形要素含有部が前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より大きくし、他方の前記波形要素含有部が前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より小さくすると共に、前記セパレーター側流路を前記ガス流れ方向に沿って重ねている
ことを要旨とする。
【０００９】
上記構成を備える燃料電池では、発電体層での発電反応に供される反応ガスは、波形要素含有部をガス流れ方向に沿って複数連設したガス流路層の流路を流れる。波形要素含有部は、発電体層の側に凸な第１の凸部とセパレーターの側に凸な第２の凸部とが流路形成領域において並んだ波形断面の波形要素を繰り返し有することから、反応ガスの流路は複数連設された波形要素含有部で次のように形成される。
【００１０】
波形要素含有部のそれぞれは、繰り返される波形要素における第１の凸部の繰り返しに沿った側方領域を、発電体層の側の発電体層側流路とし、この波形要素における第２の凸部の繰り返しに沿った側方領域を、セパレーターの側のセパレーター側流路とする。つまり、発電体層側流路は、発電体層の側で反応ガスの流路をなし、セパレーター側流路は、セパレーターの側で反応ガスの流路をなす。そして、繰り返される波形要素における第１の凸部と第２の凸部とは、前者が発電体層の側に凸で後者がセパレーターの側に凸であることから、発電体層側流路とセパレーター側流路とは、第１の凸部から第２の凸部に延びる或いはこの逆に延びる凸部傾斜部により仕切られることになる。
【００１１】
このように流路をなす波形要素含有部は、ガス流れ方向に沿って複数連設されていると共に、ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの波形要素含有部は、セパレーター側流路をガス流れ方向に沿って重ねている。このため、セパレーター側流路は、ガスの流れ方向に波形要素含有部の連設範囲、即ちガス流路層の範囲におけるセパレーターの側の反応ガス流路となり、反応ガスは、セパレーター側流路をセパレーターの側においてガスの流れ方向に流れることになる。この場合、セパレーター側流路がガス流れ方向に沿って重なれば、発電体層側流路にあっても、ガス流れ方向に沿って重なることになり、ガスの流れ方向に波形要素含有部の連設範囲（ガス流路層の範囲）における発電体層の側の反応ガス流路となるので、反応ガスは、発電体層側流路を発電体層の側においてガスの流れ方向に流れることになる。
【００１２】
このように反応ガスを流すようにした上記構成の燃料電池は、ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの波形要素含有部を、セパレーター側流路がガス流れ方向に沿って重なるように連設しただけではなく、ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの波形要素含有部の一方の波形要素含有部については、これを、発電体層側流路の体積をセパレーター側流路の体積より大きくし、他方の波形要素含有部については、発電体層側流路の体積をセパレーター側流路の体積より小さくした。このため、発電体層側流路の体積がセパレーター側流路の体積より大きい、即ち、セパレーター側流路の体積が発電体層側流路の体積より小さい一方の波形要素含有部と、この逆で、セパレーター側流路の体積が発電体層側流路の体積より大きい他方の波形要素含有部とにおける反応ガスの通過は次のようになる。
【００１３】
セパレーター側流路の体積が発電体層側流路の体積より小さい一方の波形要素含有部は、自身のセパレーター側流路を既述したように隣り合う他方の波形要素含有部のセパレーター側流路に重ねる。しかも、この一方の波形要素含有部は、自身のセパレーター側流路と発電体層側流路とを、第１の凸部と第２の凸部との間で延びる凸部傾斜部で仕切っているので、自身の発電体層側流路についても、他方の波形要素含有部のセパレーター側流路に重ねる。よって、一方の波形要素含有部の発電体層側流路を通過する反応ガスは、この発電体層側流路が他方の波形要素含有部のセパレーター側流路に重なる範囲において、他方の波形要素含有部のセパレーター側流路を通過することになる。こうしたことがガス流れ方向に沿って隣り合う二つの波形要素含有部について起こることから、上記構成の燃料電池によれば、発電体層の水、例えば発電反応により生じた生成水や反応ガス自体に含まれていた水は、一方の波形要素含有部の発電体層側流路を経て他方の波形要素含有部のセパレーター側流路に反応ガスによって運ばれるので、水分の排水性を高めることができる。
【００１４】
なお、隣り合う二つの波形要素含有部において上記構成となればよいので、例えば隣り合う三つの波形要素含有部では、その内の隣り合う二つの波形要素含有部において上記構成となればよい。隣り合う四つ以上の波形要素含有部においても同じである。
【００１５】
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部を、前記ガスの流れ方向から見て、前記一方の前記波形要素含有部が有する前記セパレーター側流路が前記他方の前記波形要素含有部が有する前記セパレーター側流路の内側に位置するよう隣り合うように連設するようにできる。こうすれば、隣り合う二つの波形要素含有部のセパレーター側流路を容易且つ確実に重なることができると共に、一方の波形要素含有部の発電体層側流路から他方の波形要素含有部のセパレーター側流路への水分の排水を容易且つ確実に図ることができる。
【００１６】
この場合、前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部を連設するに当たり、前記波形要素における前記第１の凸部と前記第２の凸部との間において延びる凸部傾斜部において接合するようにできる。こうすれば、隣り合う二つの波形要素含有部の第１の凸部と第２の凸部を、それぞれの凸部の頂上面が反応ガスの流れ方向に対して水平となるようにできる。よって、隣り合う二つの波形要素含有部の一方の波形要素含有部の第１の凸部と他方の波形要素含有部の第２の凸部とが同じ面となるようにプレスする既存のエキスパンドメタル成型手法に比べ、次の利点がある。
【００１７】
既存のエキスパンドメタル成型手法では、一方の波形要素含有部の第１の凸部と他方の波形要素含有部の第２の凸部とが同じ面となるようにプレスすることから、凸部の頂上面および流路は階段状となる。よって、凸部の頂上面を反応ガスの流れ方向に対して水平となるようにするには、上記のプレス後に、階段状の凸部頂上面を改めて水平とするようプレスする必要がある。これに対し、上記の態様の燃料電池では、隣り合う二つの波形要素含有部が凸部傾斜部において接合した上で、それぞれの凸部の頂上面が反応ガスの流れ方向に対して水平であるので、隣り合う二つの波形要素含有部に適合したプレス刃を有するプレス機にて順送りプレスするだけで、或いは、隣り合う二つの波形要素含有部に適合したプレス刃をロール状に有するロールプレス機にて順送りプレスするだけで製造できるので、生産性の向上、延いてはコスト低減を図ることができる。
【００１８】
また、前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部のうちの前記一方の前記波形要素含有部については、これを、前記第１の凸部の頂上面を前記ガス流れ方向に沿った幅が広く前記波形要素の繰り返しに沿った幅を狭くした上で、前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より大きくし、前記他方の前記波形要素含有部については、前記第１の凸部の頂上面を前記ガス流れ方向に沿った幅が狭く前記波形要素の繰り返しに沿った幅を広くした上で、前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より小さくすることができる。こうすれば、ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの波形要素含有部における第１の凸部の頂上面の並びを、発電体層の側においてガス流れ方向に沿って幅広の頂上面と波形要素の繰り返しに沿って幅広の頂上面の並びとできる。
【００１９】
この場合、前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部を、前記発電体層の表面に前記第１の凸部の頂上面が当接する際の接触幅を予め定めた接触幅以下となるようにすることができる。こうすれば、次の利点がある。第１の凸部は、その頂上面を発電体層に当接させることから、頂上面が発電体層に当接する当接幅（接触幅）が広くなればなるほど、頂上面が当接する範囲の発電体層に当該範囲周囲から反応ガスが拡散し難くなる。このため、水が当該範囲の発電体層に留まり易くなって、水による濃度過電圧が起き易くなり、この濃度過電圧の回避の上からは、頂上面が発電体層に当接する当接幅（接触幅）を狭くしてガス拡散性を高めることが望ましい。こうした事情から、頂上面が当接する範囲の発電体層へのその周囲からのガス拡散を確保できる接触幅を、上記した予め定めた接触幅とすれば、頂上面が当接する範囲の発電体層のガス拡散性を確保できるので、既述した排水性の向上に加え、水による濃度過電圧の増加を抑制して、電池性能の維持、延いては能力向上を図ることができる。
【００２０】
また、本発明は、燃料電池の発電反応に供される反応ガスの流路を、発電体層の電解質膜の膜面に沿って形成するガス流路形成部材として適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施例の燃料電池スタック１００の概略構成を燃料電池２０の概略構成と合わせて示す説明図である。
【図２】ガス流路層４０の概略構造を示す説明図である。
【図３】隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０をガス上流側から見て示す説明図である。
【図４】隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０の連設の様子を示す説明図である。
【図５】発電体層３５の表面における凸部頂上面の当接の様子を模式的に示す説明図である。
【図６】プレス加工装置３００を用いたガス流路層４０の製造の様子を模式的に示す説明図である。
【図７】上下のプレス刃構成を概略的に示す説明図である。
【図８】第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０のプレス成型の様子をプレス刃の噛み合わせと共に示す説明図である。
【図９】変形例のガス流路層４０Ａの概略構造を示す説明図である。
【図１０】また別の変形例のガス流路層４０Ｂの概略構造を示す説明図である。
【図１１】ガス流路層４０Ｂにおいて隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０をガス上流側から見て示す説明図である。
【図１２】多列刃群を有するプレス加工装置３００を用いてガス流路層４０を多列毎に製造する様子を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本実施例の燃料電池スタック１００の概略構成を燃料電池２０の概略構成と合わせて示す説明図である。図示するように、燃料電池スタック１００は、固体高分子形の燃料電池２０を複数積層し、その両端にターミナルおよびインシュレータ（図示省略）を配置して、これをエンドプレート９５，９６で挟持して構成される。この燃料電池スタック１００では、燃料ガスとしての水素ガスおよび酸化ガスとしての空気が水素供給マニホールド９５ａ、空気供給マニホールド９５ｂから燃料電池２０に供給され、その排ガスが水素排出マニホールド９５ｃおよび空気排出マニホールド９５ｄから排出される。また、冷却水が冷却水供給マニホールド９５ｅから燃料電池２０に供給され、その排水が冷却水排出マニホールド９５ｆから排出される。
【００２３】
燃料電池２０は、発電体層３５の両面に、ガス流路層４０、６０、セパレーター７０、８０を積層して構成される。発電体層３５は、電解質膜・電極接合体としてのＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）３４の両面にガス拡散層３３ａ、３３ｂを接合して構成される。ＭＥＡ３４は、電解質膜３１の表面上に、カソード電極３２ａとアノード電極３２ｂとを備える。電解質膜３１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜である。本実施例では、電解質膜３１には、ナフィオン（登録商標）を用いた。カソード電極３２ａおよびアノード電極３２ｂは、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極であり、本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜３１を構成する高分子電解質と同質の電解質とを備えている。
【００２４】
ガス拡散層３３ａ，３３ｂ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、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。本実施例においては、ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、カーボンペーパを用いた。ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、酸化ガスまたは燃料ガスを拡散して、カソード電極３２ａまたはアノード電極３２ｂの全面に供給する。ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、後述するガス流路層４０、６０と比べて小さい気孔率を有しており、ガス拡散機能の他に、集電機能や、ＭＥＡ３４の保護機能も担っている。なお、このガス拡散層３３ａおよび３３ｂには、ＭＥＡ３４の水分量を調節する機能などを持たせてもよい。
【００２５】
かかる発電体層３５は、その外周に配されたシールガスケット３６と一体形成される。シールガスケット３６には、水素供給マニホールド３０ａ、空気供給マニホールド３０ｂ、水素排出マニホールド３０ｃ、空気排出マニホールド３０ｄ、冷却水供給マニホールド３０ｅ、冷却水排出マニホールド３０ｆを備えている。また、シールガスケット３６には、厚み方向に、各マニホールドと発電体層３５の外周部とをそれぞれ囲む凸状の部位が形成されており、当該部位は、シールガスケット３６の両側に積層されるセパレーター７０、８０と当接し、マニホールド内や発電体層３５内からの流体（燃料ガス、酸化ガス、冷却水）の漏れを抑制するシールとして機能する。
【００２６】
ガス流路層４０、６０は、発電体層３５にガスを供給するガス流路を形成する。ガス流路層４０は、発電体層３５のアノード電極３２ｂ側とセパレーター７０との間（流路形成領域）に配設され、セパレーター７０を介して供給された燃料ガス（ここでは水素ガス）を、ＭＥＡ３４の電極面の側方の一方の側から他方の側に向けた流れで流しつつ、燃料ガスを発電体層３５のアノード電極３２ｂ側に供給する。同様に、ガス流路層６０は、酸化ガス（ここでは空気）を発電体層３５のカソード電極３２ａ側に供給する。かかるガス流路層４０、６０は、耐食性と導電性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼やチタン、チタン合金などによって形成されるが、本実施例では、ステンレス鋼を用いた。ガス流路層４０、６０の詳細な構造については後述する。なお、本実施例では、発電体層３５の両面にガス流路層４０、６０を備える構成としたが、発電体層３５の片面のみに備える構成としてもよい。
【００２７】
セパレーター７０、８０は、反応ガスの隔壁として機能する部材であり、同一の構成を有している。以下、セパレーター７０について説明する。セパレーター７０は、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやステンレス鋼から成る部材によって形成される。本実施例では、ステンレス鋼を用いた。セパレーター７０は、カソード電極３２ａ側に設けられる平坦なカソード側セパレーター７１と、アノード電極３２ｂ側に設けられる平坦なアノード側セパレーター７３と、それらの間に配置される中間セパレーター７２とが一体となって構成される。カソード側セパレーター７１は、水素供給マニホールド７１ａ、空気供給マニホールド７１ｂ、水素排出マニホールド７１ｃ、空気排出マニホールド７１ｄ、冷却水供給マニホールド７１ｅ、冷却水排出マニホールド７１ｆ、空気連通孔７５，７６を備えている。空気供給マニホールド７１ｂに供給された空気は、中間セパレーター７２の空気連通孔７２ｂおよび空気連通孔７５を介して、カソード側セパレーター７１に面して設けられる他の燃料電池２０のガス流路層６０（図示省略）に導かれる。また、その排ガスは、空気連通孔７６および中間セパレーター７２の連通孔（図示省略）を介して、空気排出マニホールド７１ｄに排出される。
【００２８】
同様に、水素供給マニホールド７１ａに供給された水素は、中間セパレーター７２の水素連通孔７２ａおよびアノード側セパレーター７３の連通孔（図示省略）を介して、ガス流路層４０に導かれ、ガス流路層４０を流れた後、中間セパレーター７２およびアノード側セパレーター７３の連通孔（図示せず）を介して、水素排出マニホールド７１ｃに排出される。また、中間セパレーター７２には、略長方形外形の長辺方向に沿って複数の切欠が形成され、その切欠の両端はそれぞれ、冷却水排出マニホールド７１ｆおよび冷却水供給マニホールド７１ｅと連通している。なお、セパレーター７０は、上述した３層構造のものに限るものではない。例えば、カソード側セパレーター７１とアノード側セパレーター７３との２層構造とし、中間セパレーター７２に形成される連通孔に相当する形状をカソード側セパレーター７１および／またはアノード側セパレーター７３の内側に形成してもよい。
【００２９】
次に、ガス流路層４０、６０について説明する。本実施例においては、ガス流路層４０とガス流路層６０とは同一の構造を有しているので、以下では、ガス流路層４０の構造として説明する。図２はガス流路層４０の概略構造を示す説明図である。図２において、ガス流路層４０の上方は、燃料電池２０におけるセパレーター７０側であり、下方は発電体層３５側である。図示するように、ガス流路層４０は、ガスの流路形成のための第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０を、ガスの流れ方向（図におけるガス流Ｐ１、Ｐ２）に沿って複数連設して備える。第１流路構成体１４０は、発電体層３５の側に凸な第１凸部１４１とセパレーター７０の側に凸な第２凸部１４２とがガス流Ｐ１、Ｐ２の方向と交差する交差方向（以下、この交差方向をガス交差方向と称する）に沿って並んだ波形断面の波形要素ＷＳＥを流路形成のための要素とし、この波形要素ＷＳＥをガス交差方向に沿って繰り返し有する。この波形要素ＷＳＥは、流路形成領域において、第１凸部１４１と第２凸部１４２とを並べる。第１流路構成体１４０は、第１凸部１４１を発電体層３５に当接させ、第２凸部１４２をセパレーター７０に当接させることで、ガス交差方向に沿った第１凸部１４１の側方領域を、第１ガス流路１４３とし、ガス交差方向に沿った第２凸部１４２の側方領域を、第２ガス流路１４４とする。第１ガス流路１４３は、発電体層３５の側で開口した発電体層側流路となり、第２ガス流路１４４は、セパレーター７０の側で開口したセパレーター側流路となり、これらガス流路は凸部傾斜部１４５で仕切られる。本実施例において、第１流路構成体１４０は、第１凸部１４１と第２凸部１４２を同一ピッチで繰り返し備える。
【００３０】
第２流路構成体２４０についても同様であり、この第２流路構成体２４０は、発電体層３５の側に凸な第１凸部２４１とセパレーター７０の側に凸な第２凸部２４２とがガス交差方向に沿って並んだ波形断面の波形要素ＷＳＥを流路形成のための要素とし、この波形要素ＷＳＥをガス交差方向に沿って繰り返し有する。この第２流路構成体２４０は、第１凸部２４１を発電体層３５に当接させ、第２凸部２４２をセパレーター７０に当接させることで、ガス交差方向に沿った第１凸部２４１の側方領域を、第１ガス流路２４３とし、ガス交差方向に沿った第２凸部２４２の側方領域を、第２ガス流路２４４とする。この第２流路構成体２４０にあっても、第１ガス流路２４３は、発電体層３５の側で開口した発電体層側流路となり、第２ガス流路２４４は、セパレーター７０の側で開口したセパレーター側流路となり、両凸部は同一ピッチで形成されている。
【００３１】
図２に示すように、第１流路構成体１４０は、ガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に幅広とされているので、第１凸部１４１の頂上面をガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に沿って幅が広くガス交差方向に沿って幅が狭い頂上面とし、発電体層側流路である第１ガス流路１４３の体積をセパレーター側流路である第２ガス流路１４４の体積より大きくしている。この第１流路構成体１４０に連設する第２流路構成体２４０にあっては、ガス流Ｐ１、Ｐ２の方向の幅が狭くされているので、第１凸部２４１の頂上面をガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に沿って幅が狭くガス交差方向に沿って幅が広い頂上面とし、発電体層側流路である第１ガス流路２４３の体積をセパレーター側流路である第２ガス流路２４４の体積より小さくしている。
【００３２】
隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０は、それぞれの第１凸部と第２凸部との間において延びる凸部傾斜部１４５、２４５において接合している。詳しくは、第１流路構成体１４０の凸部傾斜部１４５と第２流路構成体２４０の凸部傾斜部２４５とは、その軌跡に沿って連設して、ガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に沿って連設する。第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０は、ガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に交互に並ぶことから、ある一つの第２流路構成体２４０は、ガス流Ｐ１、Ｐ２の上流側と下流側で第１流路構成体１４０と隣り合い、既述したようにそれぞれの凸部傾斜部１４５、２４５でその軌跡において接合する。図３は隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０をガス上流側から見て示す説明図である。図では、上流側の流路構成体を実線で示し、下流側の流路構成体を波線で示している。
【００３３】
第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０は、図３に示すように、ガス上流側から見て、第２ガス流路１４４が第２ガス流路２４４の内側に位置するようにしてガス流れ方向に沿って重なるよう、また、第１ガス流路２４３が第１ガス流路１４３の内側に位置するようにしてガス流れ方向に沿って重なるよう、隣り合って連設されている。こうした流路の重なりが繰り返されることから、第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４の重なり合った流路（セパレーター側流路）、および第１ガス流路１４３と第１ガス流路２４３との重なり合った流路（発電体層側流路）は、ガス流路層４０においてガス流Ｐ１、Ｐ２に沿って繋がることになる。
【００３４】
上記したように両流路構成体を連設するに当たり、本実施例では、第２流路構成体２４０（最上流側の第２流路構成体２４０_1）は、これより上流側の第１流路構成体１４０_1の凸部傾斜部１４５と凸部傾斜部２４５を接合させ（図３（Ａ））、凸部傾斜部２４５は、第１凸部２４１の右方側となる。また、この第２流路構成体２４０_1は、これより下流側の第１流路構成体１４０_2の凸部傾斜部１４５と凸部傾斜部２４５を接合させ（図３（Ｂ））、凸部傾斜部２４５は、第１凸部２４１の左方側となる。こうした接合を図２に示すように第２流路構成体２４０_6まで維持し、第２流路構成体２４０_7からはその逆とする。こうすることで、第２流路構成体２４０_7を境にして、隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０の連設の様子が異なるようにした。このため、本実施例では、第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４の重なり合った流路（セパレーター側流路）、および第１ガス流路１４３と第１ガス流路２４３との重なり合った流路（発電体層側流路）を、図２に示すように屈曲させて繋げる。そして、ガス流路層４０は、図２に示すように燃料電池２０に組み込まれ、この屈曲した経路のガス流Ｐ１、Ｐ２として水素ガスを流す。ガス流路層６０にあっては、上記したガス流路層４０と同様の構成を備え、空気を屈曲した経路のガス流Ｐ１、Ｐ２として流す。
【００３５】
ここで、上記した流路の重なりとガスの流れる様子について説明する。図４は隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０の連設の様子を示す説明図である。図示するように、第１流路構成体１４０は、発電体層３５の側に開口した第１ガス流路１４３の体積をセパレーター７０の側に開口した第２ガス流路１４４より大きくした上で、第２ガス流路１４４を第２流路構成体２４０の第２ガス流路２４４に重ね、第１ガス流路１４３については、第２流路構成体２４０の第１ガス流路２４３に重ねる。
【００３６】
これらガス流路については、既述したようにその体積が調整されていることから、図示するように、第１流路構成体１４０の第１ガス流路１４３は、第２流路構成体２４０の第２ガス流路２４４とも流路一部において重なる。この第２ガス流路２４４は、体積が大きいことから上流の第２ガス流路１４４と重なると共に下流の第１ガス流路１４３とも重なる。第１流路構成体１４０の第２ガス流路１４４は、第１流路構成体１４０の第１ガス流路１４３と流路一部で重なる第２流路構成体２４０の第２ガス流路２４４に重なる。つまり、ガス流路層４０は、第１ガス流路１４３と第１ガス流路２４３の繋がりで発電体層側流路を形成し、第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４の繋がりでセパレーター側流路を形成し、これら流路にガス流Ｐ１、Ｐ２に沿ってガスを流す。
【００３７】
ガス流路層４０は、隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０とで既述したようにガス流路を形成することから、発電体層３５の表面に次のように第１凸部１４１と第１凸部２４１の頂上面を当接させる。図５は発電体層３５の表面における凸部頂上面の当接の様子を模式的に示す説明図である。図示するように、第１流路構成体１４０は、その第１凸部１４１をガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に対していわゆる縦長に配置させ、第２流路構成体２４０は、その第１凸部２４１をガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に対していわゆる横長に配置させる。よって、発電体層３５の表面には、第１凸部１４１の頂上面が当接した縦長の凸部当接部１４１ＴＳと、第１凸部２４１の頂上面が当接した横長の凸部当接部２４１ＴＳとが、ガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に交差するガス交差方向に並ぶことになる。
【００３８】
次に、上記したガス流路層４０とガス流路層６０の製造手法について、ガス流路層４０を例に上げて説明する。図６はプレス加工装置３００を用いたガス流路層４０の製造の様子を模式的に示す説明図である。
【００３９】
図６に示すように、ガス流路層４０の製造に当たっては、板状の基材１５０（例えば、ステンレス鋼板）を用意し、これをプレス加工装置３００に送り出す。プレス加工装置３００は、従動ローラ３１０と駆動ローラ３２０にて基材１５０をプレス台３３０に向けて所定ピッチで送りつつ、下刃群と上刃群でプレス加工を行って、ガス流路層４０を製造する。
【００４０】
既述したように、ガス流路層４０は、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０とを連設するに当たり、第１流路構成体１４０の凸部傾斜部１４５と第２流路構成体２４０の凸部傾斜部２４５を接合させるので、両凸部傾斜部の一方端側の第１凸部１４１と第１凸部２４１とを同じ面に位置させ、他方端の第２凸部１４２と第２凸部２４２についてもこれを同じ面に位置させる。その上で、板状の基材１５０から第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０とが連設するようこれらをプレス成型するため、プレス加工装置３００の次のようなプレス刃構成を備える。図７は上下のプレス刃構成を概略的に示す説明図、図８は第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０のプレス成型の様子をプレス刃の噛み合わせと共に示す説明図である。
【００４１】
図７に示すように、プレス加工装置３００は、第１流路構成体１４０の成型用の第１下刃３４０と第１上刃３６０とを上下に向かい合わせて備え、第２流路構成体２４０の成型用の第２下刃３５０と第２上刃３７０とを上下に向かい合わせて備える。プレス加工装置３００は、第１下刃３４０と第２下刃３５０を、第１上刃３６０と第２上刃３７０を並べて備え、それぞれの上刃・下刃を図示するように機材送り方向に対して左右方向に移動させつつ、上刃についてはこれを上下方向に移動してガス流路層４０のプレス成型を行うが、図においては、説明の便宜上、上刃・下刃を分離して示してある。
【００４２】
第１下刃３４０は、基材１５０の送り方向と交差して、凸部３４１と凹部３４２とを所定のピッチで交互に配列して備える。第１上刃３６０は、基材１５０の送り方向と交差して、凸部３６１と凹部３６２とを所定のピッチで交互に配列して備え、凸部３６１が凹部３４２の中央位置となるよう、第１下刃３４０の上方に位置する。第１下刃３４０と第１上刃３６０は、この上下位置関係を維持したまま、図示しないアクチュエータによって、左右方向に往復動可能に構成され、第１上刃３６０は、図示しないアクチュエータによって上下動される。基材送り方向の第１下刃３４０と第１上刃３６０の幅は、ガスの流れ方向に沿った第１流路構成体１４０の幅とされている。この場合、基材１５０に、凸部傾斜部１４５および凸部傾斜部２４５に相当する部位以外の箇所にスリットが形成されていれば、第１下刃３４０と第１上刃３６０には剪断刃は不要となるが、スリット無しの基材１５０からガス流路層４０をプレス成型するのであれば、凸部３４１および凸部３６１に剪断刃を備えるようにすればよい。
【００４３】
第２下刃３５０と第２上刃３７０についても、上記した第１下刃３４０と第１上刃３６０と同様の凹凸を備え、基材送り方向の幅については、ガスの流れ方向に沿った第２流路構成体２４０の幅とされている。剪断刃の有無についても同様である。
【００４４】
ガス流路層４０のプレス成型に際しては、プレス加工装置３００に基材１５０をセットし、基材１５０を、その端部が第１下刃３４０と第１上刃３６０との間に位置するまで送り出す。次いで、第１上刃３６０を第２下刃３５０に向けて、第２上刃３７０を第１上刃３６０に向けて降下させることで、第１下刃３４０と第１上刃３６０の噛み合わせ、第２下刃３５０と第２上刃３７０の噛み合わせにより、基材１５０にその端部側において上刃・下刃に倣った凹凸形状が形成される。つまり、第１下刃３４０と第１上刃３６０の噛み合わせでは、図８（Ａ）に示すように、凹部３４２に噛み合う凸部３６１で押されて第１凸部１４１が形成され、凹部３６２に噛み合う凸部３４１で押されて第２凸部１４２が第１凸部１４１に並んで形成される。これにより、第１凸部１４１と第２凸部１４２とが凹部・凸部のピッチで交互に並んだ波形要素ＷＳＥを繰り返し有する第１流路構成体１４０がプレス成型される。また、第２下刃３５０と第２上刃３７０の噛み合わせでは、図８（Ｂ）に示すように、凹部３５２に噛み合う凸部３７１で押されて第１凸部２４１が形成され、凹部３７２に噛み合う凸部３５１で押されて第２凸部２４２が第１凸部２４１に並んで形成される。これにより、第１凸部２４１と第２凸部２４２とが凹部・凸部のピッチで交互に並んだ波形要素ＷＳＥを繰り返し有する第２流路構成体２４０が、第１流路構成体１４０に並んでプレス成型される。
【００４５】
次に、上刃・下刃を元の位置に戻し、基材１５０を所定ピッチ（基材送り方向の第１流路構成体１４０の幅と第２流路構成体２４０の幅の和に相当する長さ）だけ基材送り方向に移動させる。これと並行して、上記の各下刃および各上刃を左右方向の一方に波形要素ＷＳＥのピッチだけ移動させた後、改めて上記の各下刃および各上刃の噛み合わせ（プレス）を行うことで、新たに第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０とが連設してプレス成型される。かかる工程を繰り返せば、図２に示すガス流路層４０が形成される。この場合、既述したように隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０の連設の様子が異なるようにするには、連設の様子の切り替えの境となる第２流路構成体２４０の成型後に、上記の各下刃および各上刃の左右方向の移動の様子を変えればよい。
【００４６】
以上説明したように、本実施例の燃料電池２０は、発電体層３５に水素ガスと空気を供給するに当たり、アノード側ではガス流路層４０により、カソード側ではガス流路層６０によりガス流路を形成する。ガス流路層４０は、発電体層３５の側に凸な第１凸部１４１とセパレーター７０の側に凸な第２凸部１４２とがガス流れ方向と交差する交差方向に沿って並んだ波形断面の波形要素ＷＳＥをガス交差方向に沿って繰り返し有する第１流路構成体１４０と、発電体層３５の側に凸な第１凸部２４１とセパレーター７０の側に凸な第２凸部２４２とがガス交差方向に沿って並んだ波形断面の波形要素ＷＳＥをガス交差方向に沿って繰り返し有する第２流路構成体２４０とをガスの流れ方向に連設して、発電体層３５の側のガス流路とセパレーター７０の側のガス流路を、図２〜図４に示すように形成する。ガス流路層６０にあっても同様である。
【００４７】
図４に示すように、第１流路構成体１４０は、凸部傾斜部１４５にて第１凸部１４１から仕切った第１ガス流路１４３を、発電体層３５の側に開口した流路とし、凸部傾斜部１４５にて第２凸部１４２から仕切った第２ガス流路１４４を、セパレーター７０の側に開口した流路とする。その上で、第１流路構成体１４０は、発電体層３５の側に開口した第１ガス流路１４３の体積をセパレーター７０の側に開口した第２ガス流路１４４より大きくする。この第１流路構成体１４０に隣り合う第２流路構成体２４０は、凸部傾斜部２４５にて第１凸部２４１から仕切った第１ガス流路２４３を、発電体層３５の側に開口した流路とし、凸部傾斜部２４５にて第２凸部２４２から仕切った第２ガス流路２４４を、セパレーター７０の側に開口した流路とする。その上で、第２流路構成体２４０は、第１流路構成体１４０とは逆に、発電体層３５の側に開口した第１ガス流路１４３の体積をセパレーター７０の側に開口した第２ガス流路１４４より小さくする。
【００４８】
本実施例の燃料電池２０では、ガス流路形成のために隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０とを連設するに当たり、上記したように流路の体積を調整した上で、図４に示すように、第１流路構成体１４０の第２ガス流路１４４を第２流路構成体２４０の第２ガス流路２４４に重ねる。また、第１流路構成体１４０の第１ガス流路１４３については、これを第２流路構成体２４０の第１ガス流路２４３に重ねると共に、第１流路構成体１４０の第２ガス流路１４４と重なる第２ガス流路２４４とも流路一部において重ねる。こうした流路の重ね合わせが、隣り合う流路構成体で繰り返されるので、本実施例の燃料電池２０では、反応ガス（水素ガス）は、第１流路構成体１４０の第１ガス流路１４３と第２ガス流路１４４を通過し、第１ガス流路１４３を通過したガスは、当該流路に続く第２流路構成体２４０の第１ガス流路２４３を通過すると共に、第２流路構成体２４０の第２ガス流路２４４をも通過する。この第２ガス流路２４４は、上流の第２ガス流路１４４と重なると共に下流の第１ガス流路１４３とも重なる。よって、発電体層側流路である第１ガス流路１４３において発電体層３５の表面を流れたガスは、そのまま下流に発電体層側流路の第１ガス流路１４３と第１ガス流路２４３を通過すると共に、セパレーター側流路である第２ガス流路１４４を流れるガスと合流する。この逆に、セパレーター側流路である第２ガス流路１４４を流れたガスは、そのまま下流にセパレーター側流路の第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４を通過すると共に、発電体層側流路である第１ガス流路１４３を流れるガスと合流する。つまり、ガス流路層４０は、第１ガス流路１４３と第１ガス流路２４３の繋がりで形成される発電体層側流路と、第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４の繋がりで形成されるセパレーター側流路とにおいてガスを流すに当たり、ガスの合流および分流を起こしつつ、ガス流Ｐ１、Ｐ２に沿ってガスを流すことになる。ガス流路層６０についても同様である。
【００４９】
こうしたガスの合流および分流がガス流れ方向に沿って隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０について起こることから、発電体層３５の水、例えば発電反応により生じた生成水やガス自体に含まれていた水は、発電体層側流路である第１流路構成体１４０の第１ガス流路１４３を経てセパレーター側流路である第２流路構成体２４０の第２ガス流路２４４にガスによって運ばれることになる。よって、本実施例の燃料電池２０によれば、水分の排水性を高めることができる。なお、発電体層側流路である第２流路構成体２４０の第１ガス流路２４３を通過するガスは、そのまま下流の第１流路構成体１４０の第１ガス流路１４３を通過するので、発電体層３５に運ばれるガスが少なくなるような事態は起きない。
【００５０】
また、本実施例の燃料電池２０では、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０とを連設するに当たり、ガスの流れ方向から見て、第１流路構成体１４０が有するセパレーター側流路の第２ガス流路１４４を、図３に示すように、第２流路構成体２４０が有するセパレーター側流路の第２ガス流路２４４の内側に位置するようした。よって、本実施例の燃料電池２０によれば、隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０のセパレーター側流路（第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４）を容易且つ確実に重なることができる。しかも、第１流路構成体１４０の発電体層側流路である第１ガス流路１４３を第２流路構成体２４０のセパレーター側流路である第２ガス流路２４４に確実に重ねるので、水分の排水を容易且つ確実に図ることができる。
【００５１】
また、本実施例の燃料電池２０では、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０とを連設するに当たり、波形要素ＷＳＥにおける第１、第２の凸部の間の第１流路構成体１４０の凸部傾斜部１４５と第２流路構成体２４０の凸部傾斜部２４５が繋がるようにこの凸部傾斜部において接合するようにした。よって、本実施例の燃料電池２０によれば、隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０のそれぞれの第１凸部１４１と第１凸部２４１を、およびそれぞれの第２凸部１４２と第２凸部２４２を、その頂上面が反応ガスの流れ方向に対して水平となるようにできる。この結果、本実施例の燃料電池２０によれば、図６〜図８で説明したように、プレス加工装置３００を用いた単純な順送りプレス成型だけで容易にガス流路層４０やガス流路層６０を製造でき、生産性の向上と、コスト低下を図ることができる。
【００５２】
また、本実施例の燃料電池２０では、図５に示すように、第１流路構成体１４０については、これをその第１凸部１４１がガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に対して縦長に配置させ、第２流路構成体２４０については、これをその第１凸部２４１がガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に対して横長に配置させた。よって、発電体層３５の表面には、第１凸部１４１の頂上面が当接した縦長矩形形状の凸部当接部１４１ＴＳと、第１凸部２４１の頂上面が当接した横長矩形形状の凸部当接部２４１ＴＳとが、ガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に交差するガス交差方向に並ぶようにできる。
【００５３】
そして、本実施例の燃料電池２０では、この凸部当接部１４１ＴＳと凸部当接部２４１ＴＳとを、これら当接部が発電体層に当接する当接幅（接触幅）が予め定めた接触幅以下となるようにした。よって、次の利点がある。凸部当接部１４１ＴＳや凸部当接部２４１ＴＳにおいては、発電体層３５に第１凸部１４１あるいは第１凸部２４１がその頂上面を当接させる範囲は、上記したような矩形形状範囲であることから、凸部当接部１４１ＴＳや凸部当接部２４１ＴＳの当接幅（短寸方向の幅）が広くなればなるほど、凸部当接部１４１ＴＳや凸部当接部２４１ＴＳの発電体層にその周囲から反応ガスが拡散し難くなり、水が凸部当接部１４１ＴＳや凸部当接部２４１ＴＳの発電体層に留まり易くなって、水による濃度過電圧が起き易くなる。ところが、上記した予め定めた接触幅を、凸部当接部１４１ＴＳや凸部当接部２４１ＴＳの上記した当接幅における発電体層へのガス拡散を確保できる接触幅としたので、本実施例の燃料電池２０によれば、凸部当接部１４１ＴＳや凸部当接部２４１ＴＳの上記した当接幅を狭くして発電体層へのガス拡散を確実に確保できる。このため、本実施例の燃料電池２０によれば、既述した排水性の向上に加え、水による濃度過電圧の増加を抑制して、電池性能の維持、延いては能力向上を図ることができる。この場合、ガス拡散を確保できる当接幅は、発電体層３５のガス拡散性やガスの供給状況等により実験的に予め定めることができる。
【００５４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。図９は変形例のガス流路層４０Ａの概略構造を示す説明図である。この変形例のガス流路層４０Ａは、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０は、既述した実施例と同じであるものの、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０の接合の様子において相違する。つまり、このガス流路層４０Ａは、ある第２流路構成体２４０と、その上流・下流で接合する第１流路構成体１４０とにおいて、これら流路構成体を同じ側の凸部傾斜部１４５と凸部傾斜部２４５で接合させている。このため、第１流路構成体１４０の第１凸部１４１と第２凸部１４２は、各列の第１流路構成体１４０でガスの流れ方向に並び、第１ガス流路１４３と第２ガス流路１４４についても並ぶ。その上で、第２流路構成体２４０の第１凸部２４１と第２凸部２４２、第１ガス流路２４３および第２ガス流路２４４についても、各列の第２流路構成体２４０でガスの流れ方向に並ぶことになる。この変形例のガス流路層４０Ａであっても、発電体層側流路である第１ガス流路１４３を通過したガスは、セパレーター側流路である第２ガス流路２４４と発電体層側流路である第１ガス流路２４３を通過するので、既述した効果を奏することができる。
【００５５】
図１０はまた別の変形例のガス流路層４０Ｂの概略構造を示す説明図、図１１は隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０をガス上流側から見て示す説明図である。この変形例のガス流路層４０Ｂは、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０は、既述した実施例と同じであるものの、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０の接合の様子が、また相違する。つまり、図１１に示すように、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０は、凸部傾斜部１４５と凸部傾斜部２４５同士がその軌跡に沿って連設するのではなく、凸部傾斜部１４５或いは凸部傾斜部２４５は、図１１における左右方向にオフセットするよう、傾斜部の一部が隣の第１流路構成体１４０或いは第２流路構成体２４０の部位と交差して接合し、その接合箇所において隣の流路構成体と接合する。この変形例のガス流路層４０Ｂであっても、発電体層側流路である第１ガス流路１４３を通過したガスは、セパレーター側流路である第２ガス流路２４４と発電体層側流路である第１ガス流路２４３を通過し、セパレーター側流路である第１ガス流路１４３を通過したガスは、セパレーター側流路である第２ガス流路２４４と発電体層側流路である第１ガス流路２４３を通過するので、既述した効果を奏することができる。
【００５６】
この他、次のように変形することもできる。既述した実施例では、発電体層３５の両側（カソード電極３２ａ側とアノード電極３２ｂ側）に、本発明の実施形態としての構成を有するガス流路層を備える構成としたが、かかる構成のガス流路層は、カソード電極３２ａ側、アノード電極３２ｂ側のいずれか一方のみに用いられてもよい。
【００５７】
また、上記の実施例では、上刃・下刃を有するプレス加工装置３００を用いてガス流路層４０やガス流路層６０を製造したが、例えば、図２に示すガス流路層４０における第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０の並びの順にこれら流路構成体の形成用のプレス刃を上下のロール表面に有するロールプレス装置を用いることもできる。このロールプレス装置であっても、基材１５０を順送りしてプレスするだけで製造できるので、生産性の向上、延いてはコスト低減を図ることができる。
【００５８】
この他、ガス流路層４０を多列の第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０を単位に多列毎に製造することもできる。図１２は多列刃群を有するプレス加工装置３００を用いてガス流路層４０を多列毎に製造する様子を模式的に示す説明図である。図示するように、プレス台３３０には、基材１５０の上方に３列の第１上刃３６０と第２上刃３７０が配置され、基材１５０の下方には３列の第１下刃３４０と第２下刃３５０が配置されている。この場合、隣り合う第１上刃３６０と第２上刃３７０の関係、および第１下刃３４０と第２下刃３５０の関係は記述したとおりであり、３列に並んだ第１上刃３６０と第２上刃３７０および第１下刃３４０と第２下刃３５０は、図２における第１流路構成体１４０_1〜１４０_3と第２流路構成体２４０_1〜２４０_3を一度のプレスで成形する。つまり、各列の上刃・下刃は、波形要素ＷＳＥのピッチに合わせてずれるように並べられている。図１２のプレス加工装置３００を用いれば、３列の第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０を単位に多列毎にガス流路層４０を製造でき、既述したロールプレスと同様に、生産性の向上、延いてはコスト低減を図ることができる。
【００５９】
また、隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０において、上記した流路体積調整を経て第１ガス流路１４３と第１ガス流路２４３の重なり、および第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４の重なりが確保できればよいので、例えば隣り合う三つの流路構成体では、その内の隣り合う二つの流路構成体において上記構成となればよい。具体的には、第１ガス流路について三つの流路構成体で大中小の関係にありながら、隣り合う二つの流路構成体において上記の体積調整がなされ、その上で、流路が重なるようにすればよい。隣り合う四つ以上の流路構成体においても同じである。
【００６０】
この他、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０におけるセパレーター側流路である第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４とを、その流路表面において親水性を有するようにすることが好ましい。こうすれば、第１ガス流路１４３を経てガスが第２ガス流路２４４に流れるような場合に、流路表面に水膜を形成でき、この水膜が各列の第２ガス流路１４４や第２ガス流路２４４に繋がるので、排水性がより高まる。この場合、ガス流路表面に親水性を付与するには、図６のプレス成型に先だって、第２ガス流路１４４および第２ガス流路２４４の成型面側に親水処理を施せばよい。
【００６１】
また、上記の実施例では固体高分子形燃料電池を例に説明したが、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池に適用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
２０…燃料電池
３０ａ…水素供給マニホールド
３０ｂ…空気供給マニホールド
３０ｃ…水素排出マニホールド
３０ｄ…空気排出マニホールド
３０ｅ…冷却水供給マニホールド
３０ｆ…冷却水排出マニホールド
３１…電解質膜
３２ａ…カソード電極
３２ｂ…アノード電極
３３ａ…ガス拡散層
３４…ＭＥＡ
３５…発電体層
３６…シールガスケット
４０、４０Ａ〜４０Ｂ…ガス流路層
６０…ガス流路層
７０…セパレーター
７１…カソード側セパレーター
７１ａ…水素供給マニホールド
７１ｂ…空気供給マニホールド
７１ｃ…水素排出マニホールド
７１ｄ…空気排出マニホールド
７１ｅ〜７１ｆ…冷却水排出マニホールド
７２…中間セパレーター
７２ａ…水素連通孔
７２ｂ…空気連通孔
７３…アノード側セパレーター
７５〜７６…空気連通孔
９５…エンドプレート
９５ａ…水素供給マニホールド
９５ｂ…空気供給マニホールド
９５ｃ…水素排出マニホールド
９５ｄ…空気排出マニホールド
９５ｅ〜９５ｆ…冷却水排出マニホールド
１００…燃料電池スタック
１４０…第１流路構成体
１４１…第１凸部
１４１ＴＳ…凸部当接部
１４２…第２凸部
１４３…第１ガス流路
１４４…第２ガス流路
１４５…凸部傾斜部
１５０…基材
２４０…第２流路構成体
２４１…第１凸部
２４１ＴＳ…凸部当接部
２４２…第２凸部
２４３…第１ガス流路
２４４…第２ガス流路
２４５…凸部傾斜部
３００…プレス加工装置
３１０…従動ローラ
３２０…駆動ローラ
３３０…プレス台
３４０…第１下刃
３４１…凸部
３４２…凹部
３５０…第２下刃
３５１…凸部
３５２…凹部
３６０…第１上刃
３６１…凸部
３６２…凹部
３７０…第２上刃
３７１…凸部
３７２…凹部
ＷＳＥ…波形要素
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池内での水分の排出技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば、固体高分子形燃料電池は、電解質膜を挟んで配置される一対の電極（アノードおよびカソード）にそれぞれ反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【０００３】
従来、燃料電池において、電解質膜と一対の電極とを含む発電体層とセパレーターとの間にメタルラスやエキスパンドメタルを用いて形成されたガス流路層を設けることにより、反応ガスの拡散性を向上させ、燃料電池の発電効率を向上させる技術が知られている（例えば、下記特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２１４０２０号公報
【特許文献２】特開２００８−２８７９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術では、発電に伴って生成される生成水など、反応ガスに含まれる水分による燃料電池の性能への影響について十分に考慮されておらず、燃料電池の性能に向上の余地があった。かかる問題は、発電体層とセパレーターとの間にガス流路層を備える燃料電池一般に共通する問題であった。
【０００６】
本発明は、上述した従来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、燃料電池内を流通する反応ガスに含まれる水分の排出性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決することを目的としてなされたものであり、以下の構成を採用した。
【０００８】
[適用１：燃料電池]
燃料電池であって、
電解質膜を備えた発電体層と、
前記発電体層を間に挟んで配置された一対のセパレーターと、
前記発電体層と前記一対のセパレーターの少なくとも一方との間に配置され、前記発電体層での発電反応に供される反応ガスを前記電解質膜の膜面に沿ったガス流れ方向に流す流路を形成するガス流路層と、を備え
該ガス流路層は、
前記発電体層の側に凸な第１の凸部と前記セパレーターの側に凸な第２の凸部とが流路形成領域において並んだ波形断面の波形要素を前記流路の形成のための要素とし、前記波形要素を繰り返し有する波形要素含有部を、前記ガス流れ方向に沿って複数連設して備え、
前記波形要素含有部のそれぞれは、前記繰り返される前記波形要素における前記第１の凸部の前記波形要素の繰り返しに沿った側方領域を、前記流路を前記発電体層の側でなす発電体層側流路とし、前記波形要素における前記第２の凸部の前記波形要素の繰り返しに沿った側方領域を、前記流路を前記セパレーターの側でなすセパレーター側流路とし、
前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部は、一方の前記波形要素含有部が前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より大きくし、他方の前記波形要素含有部が前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より小さくすると共に、前記セパレーター側流路を前記ガス流れ方向に沿って重ねている
ことを要旨とする。
【０００９】
上記構成を備える燃料電池では、発電体層での発電反応に供される反応ガスは、波形要素含有部をガス流れ方向に沿って複数連設したガス流路層の流路を流れる。波形要素含有部は、発電体層の側に凸な第１の凸部とセパレーターの側に凸な第２の凸部とが流路形成領域において並んだ波形断面の波形要素を繰り返し有することから、反応ガスの流路は複数連設された波形要素含有部で次のように形成される。
【００１０】
波形要素含有部のそれぞれは、繰り返される波形要素における第１の凸部の繰り返しに沿った側方領域を、発電体層の側の発電体層側流路とし、この波形要素における第２の凸部の繰り返しに沿った側方領域を、セパレーターの側のセパレーター側流路とする。つまり、発電体層側流路は、発電体層の側で反応ガスの流路をなし、セパレーター側流路は、セパレーターの側で反応ガスの流路をなす。そして、繰り返される波形要素における第１の凸部と第２の凸部とは、前者が発電体層の側に凸で後者がセパレーターの側に凸であることから、発電体層側流路とセパレーター側流路とは、第１の凸部から第２の凸部に延びる或いはこの逆に延びる凸部傾斜部により仕切られることになる。
【００１１】
このように流路をなす波形要素含有部は、ガス流れ方向に沿って複数連設されていると共に、ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの波形要素含有部は、セパレーター側流路をガス流れ方向に沿って重ねている。このため、セパレーター側流路は、ガスの流れ方向に波形要素含有部の連設範囲、即ちガス流路層の範囲におけるセパレーターの側の反応ガス流路となり、反応ガスは、セパレーター側流路をセパレーターの側においてガスの流れ方向に流れることになる。この場合、セパレーター側流路がガス流れ方向に沿って重なれば、発電体層側流路にあっても、ガス流れ方向に沿って重なることになり、ガスの流れ方向に波形要素含有部の連設範囲（ガス流路層の範囲）における発電体層の側の反応ガス流路となるので、反応ガスは、発電体層側流路を発電体層の側においてガスの流れ方向に流れることになる。
【００１２】
このように反応ガスを流すようにした上記構成の燃料電池は、ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの波形要素含有部を、セパレーター側流路がガス流れ方向に沿って重なるように連設しただけではなく、ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの波形要素含有部の一方の波形要素含有部については、これを、発電体層側流路の体積をセパレーター側流路の体積より大きくし、他方の波形要素含有部については、発電体層側流路の体積をセパレーター側流路の体積より小さくした。このため、発電体層側流路の体積がセパレーター側流路の体積より大きい、即ち、セパレーター側流路の体積が発電体層側流路の体積より小さい一方の波形要素含有部と、この逆で、セパレーター側流路の体積が発電体層側流路の体積より大きい他方の波形要素含有部とにおける反応ガスの通過は次のようになる。
【００１３】
セパレーター側流路の体積が発電体層側流路の体積より小さい一方の波形要素含有部は、自身のセパレーター側流路を既述したように隣り合う他方の波形要素含有部のセパレーター側流路に重ねる。しかも、この一方の波形要素含有部は、自身のセパレーター側流路と発電体層側流路とを、第１の凸部と第２の凸部との間で延びる凸部傾斜部で仕切っているので、自身の発電体層側流路についても、他方の波形要素含有部のセパレーター側流路に重ねる。よって、一方の波形要素含有部の発電体層側流路を通過する反応ガスは、この発電体層側流路が他方の波形要素含有部のセパレーター側流路に重なる範囲において、他方の波形要素含有部のセパレーター側流路を通過することになる。こうしたことがガス流れ方向に沿って隣り合う二つの波形要素含有部について起こることから、上記構成の燃料電池によれば、発電体層の水、例えば発電反応により生じた生成水や反応ガス自体に含まれていた水は、一方の波形要素含有部の発電体層側流路を経て他方の波形要素含有部のセパレーター側流路に反応ガスによって運ばれるので、水分の排水性を高めることができる。
【００１４】
なお、隣り合う二つの波形要素含有部において上記構成となればよいので、例えば隣り合う三つの波形要素含有部では、その内の隣り合う二つの波形要素含有部において上記構成となればよい。隣り合う四つ以上の波形要素含有部においても同じである。
【００１５】
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部を、前記ガスの流れ方向から見て、前記一方の前記波形要素含有部が有する前記セパレーター側流路が前記他方の前記波形要素含有部が有する前記セパレーター側流路の内側に位置するよう隣り合うように連設するようにできる。こうすれば、隣り合う二つの波形要素含有部のセパレーター側流路を容易且つ確実に重なることができると共に、一方の波形要素含有部の発電体層側流路から他方の波形要素含有部のセパレーター側流路への水分の排水を容易且つ確実に図ることができる。
【００１６】
この場合、前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部を連設するに当たり、前記波形要素における前記第１の凸部と前記第２の凸部との間において延びる凸部傾斜部において接合するようにできる。こうすれば、隣り合う二つの波形要素含有部の第１の凸部と第２の凸部を、それぞれの凸部の頂上面が反応ガスの流れ方向に対して水平となるようにできる。よって、隣り合う二つの波形要素含有部の一方の波形要素含有部の第１の凸部と他方の波形要素含有部の第２の凸部とが同じ面となるようにプレスする既存のエキスパンドメタル成型手法に比べ、次の利点がある。
【００１７】
既存のエキスパンドメタル成型手法では、一方の波形要素含有部の第１の凸部と他方の波形要素含有部の第２の凸部とが同じ面となるようにプレスすることから、凸部の頂上面および流路は階段状となる。よって、凸部の頂上面を反応ガスの流れ方向に対して水平となるようにするには、上記のプレス後に、階段状の凸部頂上面を改めて水平とするようプレスする必要がある。これに対し、上記の態様の燃料電池では、隣り合う二つの波形要素含有部が凸部傾斜部において接合した上で、それぞれの凸部の頂上面が反応ガスの流れ方向に対して水平であるので、隣り合う二つの波形要素含有部に適合したプレス刃を有するプレス機にて順送りプレスするだけで、或いは、隣り合う二つの波形要素含有部に適合したプレス刃をロール状に有するロールプレス機にて順送りプレスするだけで製造できるので、生産性の向上、延いてはコスト低減を図ることができる。
【００１８】
また、前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部のうちの前記一方の前記波形要素含有部については、これを、前記第１の凸部の頂上面を前記ガス流れ方向に沿った幅が広く前記波形要素の繰り返しに沿った幅を狭くした上で、前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より大きくし、前記他方の前記波形要素含有部については、前記第１の凸部の頂上面を前記ガス流れ方向に沿った幅が狭く前記波形要素の繰り返しに沿った幅を広くした上で、前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より小さくすることができる。こうすれば、ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの波形要素含有部における第１の凸部の頂上面の並びを、発電体層の側においてガス流れ方向に沿って幅広の頂上面と波形要素の繰り返しに沿って幅広の頂上面の並びとできる。
【００１９】
この場合、前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部を、前記発電体層の表面に前記第１の凸部の頂上面が当接する際の接触幅を予め定めた接触幅以下となるようにすることができる。こうすれば、次の利点がある。第１の凸部は、その頂上面を発電体層に当接させることから、頂上面が発電体層に当接する当接幅（接触幅）が広くなればなるほど、頂上面が当接する範囲の発電体層に当該範囲周囲から反応ガスが拡散し難くなる。このため、水が当該範囲の発電体層に留まり易くなって、水による濃度過電圧が起き易くなり、この濃度過電圧の回避の上からは、頂上面が発電体層に当接する当接幅（接触幅）を狭くしてガス拡散性を高めることが望ましい。こうした事情から、頂上面が当接する範囲の発電体層へのその周囲からのガス拡散を確保できる接触幅を、上記した予め定めた接触幅とすれば、頂上面が当接する範囲の発電体層のガス拡散性を確保できるので、既述した排水性の向上に加え、水による濃度過電圧の増加を抑制して、電池性能の維持、延いては能力向上を図ることができる。
【００２０】
また、本発明は、燃料電池の発電反応に供される反応ガスの流路を、発電体層の電解質膜の膜面に沿って形成するガス流路形成部材として適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施例の燃料電池スタック１００の概略構成を燃料電池２０の概略構成と合わせて示す説明図である。
【図２】ガス流路層４０の概略構造を示す説明図である。
【図３】隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０をガス上流側から見て示す説明図である。
【図４】隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０の連設の様子を示す説明図である。
【図５】発電体層３５の表面における凸部頂上面の当接の様子を模式的に示す説明図である。
【図６】プレス加工装置３００を用いたガス流路層４０の製造の様子を模式的に示す説明図である。
【図７】上下のプレス刃構成を概略的に示す説明図である。
【図８】第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０のプレス成型の様子をプレス刃の噛み合わせと共に示す説明図である。
【図９】変形例のガス流路層４０Ａの概略構造を示す説明図である。
【図１０】また別の変形例のガス流路層４０Ｂの概略構造を示す説明図である。
【図１１】ガス流路層４０Ｂにおいて隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０をガス上流側から見て示す説明図である。
【図１２】多列刃群を有するプレス加工装置３００を用いてガス流路層４０を多列毎に製造する様子を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本実施例の燃料電池スタック１００の概略構成を燃料電池２０の概略構成と合わせて示す説明図である。図示するように、燃料電池スタック１００は、固体高分子形の燃料電池２０を複数積層し、その両端にターミナルおよびインシュレータ（図示省略）を配置して、これをエンドプレート９５，９６で挟持して構成される。この燃料電池スタック１００では、燃料ガスとしての水素ガスおよび酸化ガスとしての空気が水素供給マニホールド９５ａ、空気供給マニホールド９５ｂから燃料電池２０に供給され、その排ガスが水素排出マニホールド９５ｃおよび空気排出マニホールド９５ｄから排出される。また、冷却水が冷却水供給マニホールド９５ｅから燃料電池２０に供給され、その排水が冷却水排出マニホールド９５ｆから排出される。
【００２３】
燃料電池２０は、発電体層３５の両面に、ガス流路層４０、６０、セパレーター７０、８０を積層して構成される。発電体層３５は、電解質膜・電極接合体としてのＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）３４の両面にガス拡散層３３ａ、３３ｂを接合して構成される。ＭＥＡ３４は、電解質膜３１の表面上に、カソード電極３２ａとアノード電極３２ｂとを備える。電解質膜３１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜である。本実施例では、電解質膜３１には、ナフィオン（登録商標）を用いた。カソード電極３２ａおよびアノード電極３２ｂは、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極であり、本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜３１を構成する高分子電解質と同質の電解質とを備えている。
【００２４】
ガス拡散層３３ａ，３３ｂ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、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。本実施例においては、ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、カーボンペーパを用いた。ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、酸化ガスまたは燃料ガスを拡散して、カソード電極３２ａまたはアノード電極３２ｂの全面に供給する。ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、後述するガス流路層４０、６０と比べて小さい気孔率を有しており、ガス拡散機能の他に、集電機能や、ＭＥＡ３４の保護機能も担っている。なお、このガス拡散層３３ａおよび３３ｂには、ＭＥＡ３４の水分量を調節する機能などを持たせてもよい。
【００２５】
かかる発電体層３５は、その外周に配されたシールガスケット３６と一体形成される。シールガスケット３６には、水素供給マニホールド３０ａ、空気供給マニホールド３０ｂ、水素排出マニホールド３０ｃ、空気排出マニホールド３０ｄ、冷却水供給マニホールド３０ｅ、冷却水排出マニホールド３０ｆを備えている。また、シールガスケット３６には、厚み方向に、各マニホールドと発電体層３５の外周部とをそれぞれ囲む凸状の部位が形成されており、当該部位は、シールガスケット３６の両側に積層されるセパレーター７０、８０と当接し、マニホールド内や発電体層３５内からの流体（燃料ガス、酸化ガス、冷却水）の漏れを抑制するシールとして機能する。
【００２６】
ガス流路層４０、６０は、発電体層３５にガスを供給するガス流路を形成する。ガス流路層４０は、発電体層３５のアノード電極３２ｂ側とセパレーター７０との間（流路形成領域）に配設され、セパレーター７０を介して供給された燃料ガス（ここでは水素ガス）を、ＭＥＡ３４の電極面の側方の一方の側から他方の側に向けた流れで流しつつ、燃料ガスを発電体層３５のアノード電極３２ｂ側に供給する。同様に、ガス流路層６０は、酸化ガス（ここでは空気）を発電体層３５のカソード電極３２ａ側に供給する。かかるガス流路層４０、６０は、耐食性と導電性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼やチタン、チタン合金などによって形成されるが、本実施例では、ステンレス鋼を用いた。ガス流路層４０、６０の詳細な構造については後述する。なお、本実施例では、発電体層３５の両面にガス流路層４０、６０を備える構成としたが、発電体層３５の片面のみに備える構成としてもよい。
【００２７】
セパレーター７０、８０は、反応ガスの隔壁として機能する部材であり、同一の構成を有している。以下、セパレーター７０について説明する。セパレーター７０は、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやステンレス鋼から成る部材によって形成される。本実施例では、ステンレス鋼を用いた。セパレーター７０は、カソード電極３２ａ側に設けられる平坦なカソード側セパレーター７１と、アノード電極３２ｂ側に設けられる平坦なアノード側セパレーター７３と、それらの間に配置される中間セパレーター７２とが一体となって構成される。カソード側セパレーター７１は、水素供給マニホールド７１ａ、空気供給マニホールド７１ｂ、水素排出マニホールド７１ｃ、空気排出マニホールド７１ｄ、冷却水供給マニホールド７１ｅ、冷却水排出マニホールド７１ｆ、空気連通孔７５，７６を備えている。空気供給マニホールド７１ｂに供給された空気は、中間セパレーター７２の空気連通孔７２ｂおよび空気連通孔７５を介して、カソード側セパレーター７１に面して設けられる他の燃料電池２０のガス流路層６０（図示省略）に導かれる。また、その排ガスは、空気連通孔７６および中間セパレーター７２の連通孔（図示省略）を介して、空気排出マニホールド７１ｄに排出される。
【００２８】
同様に、水素供給マニホールド７１ａに供給された水素は、中間セパレーター７２の水素連通孔７２ａおよびアノード側セパレーター７３の連通孔（図示省略）を介して、ガス流路層４０に導かれ、ガス流路層４０を流れた後、中間セパレーター７２およびアノード側セパレーター７３の連通孔（図示せず）を介して、水素排出マニホールド７１ｃに排出される。また、中間セパレーター７２には、略長方形外形の長辺方向に沿って複数の切欠が形成され、その切欠の両端はそれぞれ、冷却水排出マニホールド７１ｆおよび冷却水供給マニホールド７１ｅと連通している。なお、セパレーター７０は、上述した３層構造のものに限るものではない。例えば、カソード側セパレーター７１とアノード側セパレーター７３との２層構造とし、中間セパレーター７２に形成される連通孔に相当する形状をカソード側セパレーター７１および／またはアノード側セパレーター７３の内側に形成してもよい。
【００２９】
次に、ガス流路層４０、６０について説明する。本実施例においては、ガス流路層４０とガス流路層６０とは同一の構造を有しているので、以下では、ガス流路層４０の構造として説明する。図２はガス流路層４０の概略構造を示す説明図である。図２において、ガス流路層４０の上方は、燃料電池２０におけるセパレーター７０側であり、下方は発電体層３５側である。図示するように、ガス流路層４０は、ガスの流路形成のための第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０を、ガスの流れ方向（図におけるガス流Ｐ１、Ｐ２）に沿って複数連設して備える。第１流路構成体１４０は、発電体層３５の側に凸な第１凸部１４１とセパレーター７０の側に凸な第２凸部１４２とがガス流Ｐ１、Ｐ２の方向と交差する交差方向（以下、この交差方向をガス交差方向と称する）に沿って並んだ波形断面の波形要素ＷＳＥを流路形成のための要素とし、この波形要素ＷＳＥをガス交差方向に沿って繰り返し有する。この波形要素ＷＳＥは、流路形成領域において、第１凸部１４１と第２凸部１４２とを並べる。第１流路構成体１４０は、第１凸部１４１を発電体層３５に当接させ、第２凸部１４２をセパレーター７０に当接させることで、ガス交差方向に沿った第１凸部１４１の側方領域を、第１ガス流路１４３とし、ガス交差方向に沿った第２凸部１４２の側方領域を、第２ガス流路１４４とする。第１ガス流路１４３は、発電体層３５の側で開口した発電体層側流路となり、第２ガス流路１４４は、セパレーター７０の側で開口したセパレーター側流路となり、これらガス流路は凸部傾斜部１４５で仕切られる。本実施例において、第１流路構成体１４０は、第１凸部１４１と第２凸部１４２を同一ピッチで繰り返し備える。
【００３０】
第２流路構成体２４０についても同様であり、この第２流路構成体２４０は、発電体層３５の側に凸な第１凸部２４１とセパレーター７０の側に凸な第２凸部２４２とがガス交差方向に沿って並んだ波形断面の波形要素ＷＳＥを流路形成のための要素とし、この波形要素ＷＳＥをガス交差方向に沿って繰り返し有する。この第２流路構成体２４０は、第１凸部２４１を発電体層３５に当接させ、第２凸部２４２をセパレーター７０に当接させることで、ガス交差方向に沿った第１凸部２４１の側方領域を、第１ガス流路２４３とし、ガス交差方向に沿った第２凸部２４２の側方領域を、第２ガス流路２４４とする。この第２流路構成体２４０にあっても、第１ガス流路２４３は、発電体層３５の側で開口した発電体層側流路となり、第２ガス流路２４４は、セパレーター７０の側で開口したセパレーター側流路となり、両凸部は同一ピッチで形成されている。
【００３１】
図２に示すように、第１流路構成体１４０は、ガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に幅広とされているので、第１凸部１４１の頂上面をガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に沿って幅が広くガス交差方向に沿って幅が狭い頂上面とし、発電体層側流路である第１ガス流路１４３の体積をセパレーター側流路である第２ガス流路１４４の体積より大きくしている。この第１流路構成体１４０に連設する第２流路構成体２４０にあっては、ガス流Ｐ１、Ｐ２の方向の幅が狭くされているので、第１凸部２４１の頂上面をガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に沿って幅が狭くガス交差方向に沿って幅が広い頂上面とし、発電体層側流路である第１ガス流路２４３の体積をセパレーター側流路である第２ガス流路２４４の体積より小さくしている。
【００３２】
隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０は、それぞれの第１凸部と第２凸部との間において延びる凸部傾斜部１４５、２４５において接合している。詳しくは、第１流路構成体１４０の凸部傾斜部１４５と第２流路構成体２４０の凸部傾斜部２４５とは、その軌跡に沿って連設して、ガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に沿って連設する。第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０は、ガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に交互に並ぶことから、ある一つの第２流路構成体２４０は、ガス流Ｐ１、Ｐ２の上流側と下流側で第１流路構成体１４０と隣り合い、既述したようにそれぞれの凸部傾斜部１４５、２４５でその軌跡において接合する。図３は隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０をガス上流側から見て示す説明図である。図では、上流側の流路構成体を実線で示し、下流側の流路構成体を波線で示している。
【００３３】
第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０は、図３に示すように、ガス上流側から見て、第２ガス流路１４４が第２ガス流路２４４の内側に位置するようにしてガス流れ方向に沿って重なるよう、また、第１ガス流路２４３が第１ガス流路１４３の内側に位置するようにしてガス流れ方向に沿って重なるよう、隣り合って連設されている。こうした流路の重なりが繰り返されることから、第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４の重なり合った流路（セパレーター側流路）、および第１ガス流路１４３と第１ガス流路２４３との重なり合った流路（発電体層側流路）は、ガス流路層４０においてガス流Ｐ１、Ｐ２に沿って繋がることになる。
【００３４】
上記したように両流路構成体を連設するに当たり、本実施例では、第２流路構成体２４０（最上流側の第２流路構成体２４０_1）は、これより上流側の第１流路構成体１４０_1の凸部傾斜部１４５と凸部傾斜部２４５を接合させ（図３（Ａ））、凸部傾斜部２４５は、第１凸部２４１の右方側となる。また、この第２流路構成体２４０_1は、これより下流側の第１流路構成体１４０_2の凸部傾斜部１４５と凸部傾斜部２４５を接合させ（図３（Ｂ））、凸部傾斜部２４５は、第１凸部２４１の左方側となる。こうした接合を図２に示すように第２流路構成体２４０_6まで維持し、第２流路構成体２４０_7からはその逆とする。こうすることで、第２流路構成体２４０_7を境にして、隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０の連設の様子が異なるようにした。このため、本実施例では、第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４の重なり合った流路（セパレーター側流路）、および第１ガス流路１４３と第１ガス流路２４３との重なり合った流路（発電体層側流路）を、図２に示すように屈曲させて繋げる。そして、ガス流路層４０は、図２に示すように燃料電池２０に組み込まれ、この屈曲した経路のガス流Ｐ１、Ｐ２として水素ガスを流す。ガス流路層６０にあっては、上記したガス流路層４０と同様の構成を備え、空気を屈曲した経路のガス流Ｐ１、Ｐ２として流す。
【００３５】
ここで、上記した流路の重なりとガスの流れる様子について説明する。図４は隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０の連設の様子を示す説明図である。図示するように、第１流路構成体１４０は、発電体層３５の側に開口した第１ガス流路１４３の体積をセパレーター７０の側に開口した第２ガス流路１４４より大きくした上で、第２ガス流路１４４を第２流路構成体２４０の第２ガス流路２４４に重ね、第１ガス流路１４３については、第２流路構成体２４０の第１ガス流路２４３に重ねる。
【００３６】
これらガス流路については、既述したようにその体積が調整されていることから、図示するように、第１流路構成体１４０の第１ガス流路１４３は、第２流路構成体２４０の第２ガス流路２４４とも流路一部において重なる。この第２ガス流路２４４は、体積が大きいことから上流の第２ガス流路１４４と重なると共に下流の第１ガス流路１４３とも重なる。第１流路構成体１４０の第２ガス流路１４４は、第１流路構成体１４０の第１ガス流路１４３と流路一部で重なる第２流路構成体２４０の第２ガス流路２４４に重なる。つまり、ガス流路層４０は、第１ガス流路１４３と第１ガス流路２４３の繋がりで発電体層側流路を形成し、第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４の繋がりでセパレーター側流路を形成し、これら流路にガス流Ｐ１、Ｐ２に沿ってガスを流す。
【００３７】
ガス流路層４０は、隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０とで既述したようにガス流路を形成することから、発電体層３５の表面に次のように第１凸部１４１と第１凸部２４１の頂上面を当接させる。図５は発電体層３５の表面における凸部頂上面の当接の様子を模式的に示す説明図である。図示するように、第１流路構成体１４０は、その第１凸部１４１をガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に対していわゆる縦長に配置させ、第２流路構成体２４０は、その第１凸部２４１をガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に対していわゆる横長に配置させる。よって、発電体層３５の表面には、第１凸部１４１の頂上面が当接した縦長の凸部当接部１４１ＴＳと、第１凸部２４１の頂上面が当接した横長の凸部当接部２４１ＴＳとが、ガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に交差するガス交差方向に並ぶことになる。
【００３８】
次に、上記したガス流路層４０とガス流路層６０の製造手法について、ガス流路層４０を例に上げて説明する。図６はプレス加工装置３００を用いたガス流路層４０の製造の様子を模式的に示す説明図である。
【００３９】
図６に示すように、ガス流路層４０の製造に当たっては、板状の基材１５０（例えば、ステンレス鋼板）を用意し、これをプレス加工装置３００に送り出す。プレス加工装置３００は、従動ローラ３１０と駆動ローラ３２０にて基材１５０をプレス台３３０に向けて所定ピッチで送りつつ、下刃群と上刃群でプレス加工を行って、ガス流路層４０を製造する。
【００４０】
既述したように、ガス流路層４０は、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０とを連設するに当たり、第１流路構成体１４０の凸部傾斜部１４５と第２流路構成体２４０の凸部傾斜部２４５を接合させるので、両凸部傾斜部の一方端側の第１凸部１４１と第１凸部２４１とを同じ面に位置させ、他方端の第２凸部１４２と第２凸部２４２についてもこれを同じ面に位置させる。その上で、板状の基材１５０から第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０とが連設するようこれらをプレス成型するため、プレス加工装置３００の次のようなプレス刃構成を備える。図７は上下のプレス刃構成を概略的に示す説明図、図８は第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０のプレス成型の様子をプレス刃の噛み合わせと共に示す説明図である。
【００４１】
図７に示すように、プレス加工装置３００は、第１流路構成体１４０の成型用の第１下刃３４０と第１上刃３６０とを上下に向かい合わせて備え、第２流路構成体２４０の成型用の第２下刃３５０と第２上刃３７０とを上下に向かい合わせて備える。プレス加工装置３００は、第１下刃３４０と第２下刃３５０を、第１上刃３６０と第２上刃３７０を並べて備え、それぞれの上刃・下刃を図示するように機材送り方向に対して左右方向に移動させつつ、上刃についてはこれを上下方向に移動してガス流路層４０のプレス成型を行うが、図においては、説明の便宜上、上刃・下刃を分離して示してある。
【００４２】
第１下刃３４０は、基材１５０の送り方向と交差して、凸部３４１と凹部３４２とを所定のピッチで交互に配列して備える。第１上刃３６０は、基材１５０の送り方向と交差して、凸部３６１と凹部３６２とを所定のピッチで交互に配列して備え、凸部３６１が凹部３４２の中央位置となるよう、第１下刃３４０の上方に位置する。第１下刃３４０と第１上刃３６０は、この上下位置関係を維持したまま、図示しないアクチュエータによって、左右方向に往復動可能に構成され、第１上刃３６０は、図示しないアクチュエータによって上下動される。基材送り方向の第１下刃３４０と第１上刃３６０の幅は、ガスの流れ方向に沿った第１流路構成体１４０の幅とされている。この場合、基材１５０に、凸部傾斜部１４５および凸部傾斜部２４５に相当する部位以外の箇所にスリットが形成されていれば、第１下刃３４０と第１上刃３６０には剪断刃は不要となるが、スリット無しの基材１５０からガス流路層４０をプレス成型するのであれば、凸部３４１および凸部３６１に剪断刃を備えるようにすればよい。
【００４３】
第２下刃３５０と第２上刃３７０についても、上記した第１下刃３４０と第１上刃３６０と同様の凹凸を備え、基材送り方向の幅については、ガスの流れ方向に沿った第２流路構成体２４０の幅とされている。剪断刃の有無についても同様である。
【００４４】
ガス流路層４０のプレス成型に際しては、プレス加工装置３００に基材１５０をセットし、基材１５０を、その端部が第１下刃３４０と第１上刃３６０との間に位置するまで送り出す。次いで、第１上刃３６０を第２下刃３５０に向けて、第２上刃３７０を第１上刃３６０に向けて降下させることで、第１下刃３４０と第１上刃３６０の噛み合わせ、第２下刃３５０と第２上刃３７０の噛み合わせにより、基材１５０にその端部側において上刃・下刃に倣った凹凸形状が形成される。つまり、第１下刃３４０と第１上刃３６０の噛み合わせでは、図８（Ａ）に示すように、凹部３４２に噛み合う凸部３６１で押されて第１凸部１４１が形成され、凹部３６２に噛み合う凸部３４１で押されて第２凸部１４２が第１凸部１４１に並んで形成される。これにより、第１凸部１４１と第２凸部１４２とが凹部・凸部のピッチで交互に並んだ波形要素ＷＳＥを繰り返し有する第１流路構成体１４０がプレス成型される。また、第２下刃３５０と第２上刃３７０の噛み合わせでは、図８（Ｂ）に示すように、凹部３５２に噛み合う凸部３７１で押されて第１凸部２４１が形成され、凹部３７２に噛み合う凸部３５１で押されて第２凸部２４２が第１凸部２４１に並んで形成される。これにより、第１凸部２４１と第２凸部２４２とが凹部・凸部のピッチで交互に並んだ波形要素ＷＳＥを繰り返し有する第２流路構成体２４０が、第１流路構成体１４０に並んでプレス成型される。
【００４５】
次に、上刃・下刃を元の位置に戻し、基材１５０を所定ピッチ（基材送り方向の第１流路構成体１４０の幅と第２流路構成体２４０の幅の和に相当する長さ）だけ基材送り方向に移動させる。これと並行して、上記の各下刃および各上刃を左右方向の一方に波形要素ＷＳＥのピッチだけ移動させた後、改めて上記の各下刃および各上刃の噛み合わせ（プレス）を行うことで、新たに第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０とが連設してプレス成型される。かかる工程を繰り返せば、図２に示すガス流路層４０が形成される。この場合、既述したように隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０の連設の様子が異なるようにするには、連設の様子の切り替えの境となる第２流路構成体２４０の成型後に、上記の各下刃および各上刃の左右方向の移動の様子を変えればよい。
【００４６】
以上説明したように、本実施例の燃料電池２０は、発電体層３５に水素ガスと空気を供給するに当たり、アノード側ではガス流路層４０により、カソード側ではガス流路層６０によりガス流路を形成する。ガス流路層４０は、発電体層３５の側に凸な第１凸部１４１とセパレーター７０の側に凸な第２凸部１４２とがガス流れ方向と交差する交差方向に沿って並んだ波形断面の波形要素ＷＳＥをガス交差方向に沿って繰り返し有する第１流路構成体１４０と、発電体層３５の側に凸な第１凸部２４１とセパレーター７０の側に凸な第２凸部２４２とがガス交差方向に沿って並んだ波形断面の波形要素ＷＳＥをガス交差方向に沿って繰り返し有する第２流路構成体２４０とをガスの流れ方向に連設して、発電体層３５の側のガス流路とセパレーター７０の側のガス流路を、図２〜図４に示すように形成する。ガス流路層６０にあっても同様である。
【００４７】
図４に示すように、第１流路構成体１４０は、凸部傾斜部１４５にて第１凸部１４１から仕切った第１ガス流路１４３を、発電体層３５の側に開口した流路とし、凸部傾斜部１４５にて第２凸部１４２から仕切った第２ガス流路１４４を、セパレーター７０の側に開口した流路とする。その上で、第１流路構成体１４０は、発電体層３５の側に開口した第１ガス流路１４３の体積をセパレーター７０の側に開口した第２ガス流路１４４より大きくする。この第１流路構成体１４０に隣り合う第２流路構成体２４０は、凸部傾斜部２４５にて第１凸部２４１から仕切った第１ガス流路２４３を、発電体層３５の側に開口した流路とし、凸部傾斜部２４５にて第２凸部２４２から仕切った第２ガス流路２４４を、セパレーター７０の側に開口した流路とする。その上で、第２流路構成体２４０は、第１流路構成体１４０とは逆に、発電体層３５の側に開口した第１ガス流路１４３の体積をセパレーター７０の側に開口した第２ガス流路１４４より小さくする。
【００４８】
本実施例の燃料電池２０では、ガス流路形成のために隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０とを連設するに当たり、上記したように流路の体積を調整した上で、図４に示すように、第１流路構成体１４０の第２ガス流路１４４を第２流路構成体２４０の第２ガス流路２４４に重ねる。また、第１流路構成体１４０の第１ガス流路１４３については、これを第２流路構成体２４０の第１ガス流路２４３に重ねると共に、第１流路構成体１４０の第２ガス流路１４４と重なる第２ガス流路２４４とも流路一部において重ねる。こうした流路の重ね合わせが、隣り合う流路構成体で繰り返されるので、本実施例の燃料電池２０では、反応ガス（水素ガス）は、第１流路構成体１４０の第１ガス流路１４３と第２ガス流路１４４を通過し、第１ガス流路１４３を通過したガスは、当該流路に続く第２流路構成体２４０の第１ガス流路２４３を通過すると共に、第２流路構成体２４０の第２ガス流路２４４をも通過する。この第２ガス流路２４４は、上流の第２ガス流路１４４と重なると共に下流の第１ガス流路１４３とも重なる。よって、発電体層側流路である第１ガス流路１４３において発電体層３５の表面を流れたガスは、そのまま下流に発電体層側流路の第１ガス流路１４３と第１ガス流路２４３を通過すると共に、セパレーター側流路である第２ガス流路１４４を流れるガスと合流する。この逆に、セパレーター側流路である第２ガス流路１４４を流れたガスは、そのまま下流にセパレーター側流路の第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４を通過すると共に、発電体層側流路である第１ガス流路１４３を流れるガスと合流する。つまり、ガス流路層４０は、第１ガス流路１４３と第１ガス流路２４３の繋がりで形成される発電体層側流路と、第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４の繋がりで形成されるセパレーター側流路とにおいてガスを流すに当たり、ガスの合流および分流を起こしつつ、ガス流Ｐ１、Ｐ２に沿ってガスを流すことになる。ガス流路層６０についても同様である。
【００４９】
こうしたガスの合流および分流がガス流れ方向に沿って隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０について起こることから、発電体層３５の水、例えば発電反応により生じた生成水やガス自体に含まれていた水は、発電体層側流路である第１流路構成体１４０の第１ガス流路１４３を経てセパレーター側流路である第２流路構成体２４０の第２ガス流路２４４にガスによって運ばれることになる。よって、本実施例の燃料電池２０によれば、水分の排水性を高めることができる。なお、発電体層側流路である第２流路構成体２４０の第１ガス流路２４３を通過するガスは、そのまま下流の第１流路構成体１４０の第１ガス流路１４３を通過するので、発電体層３５に運ばれるガスが少なくなるような事態は起きない。
【００５０】
また、本実施例の燃料電池２０では、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０とを連設するに当たり、ガスの流れ方向から見て、第１流路構成体１４０が有するセパレーター側流路の第２ガス流路１４４を、図３に示すように、第２流路構成体２４０が有するセパレーター側流路の第２ガス流路２４４の内側に位置するようした。よって、本実施例の燃料電池２０によれば、隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０のセパレーター側流路（第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４）を容易且つ確実に重なることができる。しかも、第１流路構成体１４０の発電体層側流路である第１ガス流路１４３を第２流路構成体２４０のセパレーター側流路である第２ガス流路２４４に確実に重ねるので、水分の排水を容易且つ確実に図ることができる。
【００５１】
また、本実施例の燃料電池２０では、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０とを連設するに当たり、波形要素ＷＳＥにおける第１、第２の凸部の間の第１流路構成体１４０の凸部傾斜部１４５と第２流路構成体２４０の凸部傾斜部２４５が繋がるようにこの凸部傾斜部において接合するようにした。よって、本実施例の燃料電池２０によれば、隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０のそれぞれの第１凸部１４１と第１凸部２４１を、およびそれぞれの第２凸部１４２と第２凸部２４２を、その頂上面が反応ガスの流れ方向に対して水平となるようにできる。この結果、本実施例の燃料電池２０によれば、図６〜図８で説明したように、プレス加工装置３００を用いた単純な順送りプレス成型だけで容易にガス流路層４０やガス流路層６０を製造でき、生産性の向上と、コスト低下を図ることができる。
【００５２】
また、本実施例の燃料電池２０では、図５に示すように、第１流路構成体１４０については、これをその第１凸部１４１がガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に対して縦長に配置させ、第２流路構成体２４０については、これをその第１凸部２４１がガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に対して横長に配置させた。よって、発電体層３５の表面には、第１凸部１４１の頂上面が当接した縦長矩形形状の凸部当接部１４１ＴＳと、第１凸部２４１の頂上面が当接した横長矩形形状の凸部当接部２４１ＴＳとが、ガス流Ｐ１、Ｐ２の方向に交差するガス交差方向に並ぶようにできる。
【００５３】
そして、本実施例の燃料電池２０では、この凸部当接部１４１ＴＳと凸部当接部２４１ＴＳとを、これら当接部が発電体層に当接する当接幅（接触幅）が予め定めた接触幅以下となるようにした。よって、次の利点がある。凸部当接部１４１ＴＳや凸部当接部２４１ＴＳにおいては、発電体層３５に第１凸部１４１あるいは第１凸部２４１がその頂上面を当接させる範囲は、上記したような矩形形状範囲であることから、凸部当接部１４１ＴＳや凸部当接部２４１ＴＳの当接幅（短寸方向の幅）が広くなればなるほど、凸部当接部１４１ＴＳや凸部当接部２４１ＴＳの発電体層にその周囲から反応ガスが拡散し難くなり、水が凸部当接部１４１ＴＳや凸部当接部２４１ＴＳの発電体層に留まり易くなって、水による濃度過電圧が起き易くなる。ところが、上記した予め定めた接触幅を、凸部当接部１４１ＴＳや凸部当接部２４１ＴＳの上記した当接幅における発電体層へのガス拡散を確保できる接触幅としたので、本実施例の燃料電池２０によれば、凸部当接部１４１ＴＳや凸部当接部２４１ＴＳの上記した当接幅を狭くして発電体層へのガス拡散を確実に確保できる。このため、本実施例の燃料電池２０によれば、既述した排水性の向上に加え、水による濃度過電圧の増加を抑制して、電池性能の維持、延いては能力向上を図ることができる。この場合、ガス拡散を確保できる当接幅は、発電体層３５のガス拡散性やガスの供給状況等により実験的に予め定めることができる。
【００５４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。図９は変形例のガス流路層４０Ａの概略構造を示す説明図である。この変形例のガス流路層４０Ａは、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０は、既述した実施例と同じであるものの、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０の接合の様子において相違する。つまり、このガス流路層４０Ａは、ある第２流路構成体２４０と、その上流・下流で接合する第１流路構成体１４０とにおいて、これら流路構成体を同じ側の凸部傾斜部１４５と凸部傾斜部２４５で接合させている。このため、第１流路構成体１４０の第１凸部１４１と第２凸部１４２は、各列の第１流路構成体１４０でガスの流れ方向に並び、第１ガス流路１４３と第２ガス流路１４４についても並ぶ。その上で、第２流路構成体２４０の第１凸部２４１と第２凸部２４２、第１ガス流路２４３および第２ガス流路２４４についても、各列の第２流路構成体２４０でガスの流れ方向に並ぶことになる。この変形例のガス流路層４０Ａであっても、発電体層側流路である第１ガス流路１４３を通過したガスは、セパレーター側流路である第２ガス流路２４４と発電体層側流路である第１ガス流路２４３を通過するので、既述した効果を奏することができる。
【００５５】
図１０はまた別の変形例のガス流路層４０Ｂの概略構造を示す説明図、図１１は隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０をガス上流側から見て示す説明図である。この変形例のガス流路層４０Ｂは、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０は、既述した実施例と同じであるものの、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０の接合の様子が、また相違する。つまり、図１１に示すように、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０は、凸部傾斜部１４５と凸部傾斜部２４５同士がその軌跡に沿って連設するのではなく、凸部傾斜部１４５或いは凸部傾斜部２４５は、図１１における左右方向にオフセットするよう、傾斜部の一部が隣の第１流路構成体１４０或いは第２流路構成体２４０の部位と交差して接合し、その接合箇所において隣の流路構成体と接合する。この変形例のガス流路層４０Ｂであっても、発電体層側流路である第１ガス流路１４３を通過したガスは、セパレーター側流路である第２ガス流路２４４と発電体層側流路である第１ガス流路２４３を通過し、セパレーター側流路である第１ガス流路１４３を通過したガスは、セパレーター側流路である第２ガス流路２４４と発電体層側流路である第１ガス流路２４３を通過するので、既述した効果を奏することができる。
【００５６】
この他、次のように変形することもできる。既述した実施例では、発電体層３５の両側（カソード電極３２ａ側とアノード電極３２ｂ側）に、本発明の実施形態としての構成を有するガス流路層を備える構成としたが、かかる構成のガス流路層は、カソード電極３２ａ側、アノード電極３２ｂ側のいずれか一方のみに用いられてもよい。
【００５７】
また、上記の実施例では、上刃・下刃を有するプレス加工装置３００を用いてガス流路層４０やガス流路層６０を製造したが、例えば、図２に示すガス流路層４０における第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０の並びの順にこれら流路構成体の形成用のプレス刃を上下のロール表面に有するロールプレス装置を用いることもできる。このロールプレス装置であっても、基材１５０を順送りしてプレスするだけで製造できるので、生産性の向上、延いてはコスト低減を図ることができる。
【００５８】
この他、ガス流路層４０を多列の第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０を単位に多列毎に製造することもできる。図１２は多列刃群を有するプレス加工装置３００を用いてガス流路層４０を多列毎に製造する様子を模式的に示す説明図である。図示するように、プレス台３３０には、基材１５０の上方に３列の第１上刃３６０と第２上刃３７０が配置され、基材１５０の下方には３列の第１下刃３４０と第２下刃３５０が配置されている。この場合、隣り合う第１上刃３６０と第２上刃３７０の関係、および第１下刃３４０と第２下刃３５０の関係は記述したとおりであり、３列に並んだ第１上刃３６０と第２上刃３７０および第１下刃３４０と第２下刃３５０は、図２における第１流路構成体１４０_1〜１４０_3と第２流路構成体２４０_1〜２４０_3を一度のプレスで成形する。つまり、各列の上刃・下刃は、波形要素ＷＳＥのピッチに合わせてずれるように並べられている。図１２のプレス加工装置３００を用いれば、３列の第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０を単位に多列毎にガス流路層４０を製造でき、既述したロールプレスと同様に、生産性の向上、延いてはコスト低減を図ることができる。
【００５９】
また、隣り合う第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０において、上記した流路体積調整を経て第１ガス流路１４３と第１ガス流路２４３の重なり、および第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４の重なりが確保できればよいので、例えば隣り合う三つの流路構成体では、その内の隣り合う二つの流路構成体において上記構成となればよい。具体的には、第１ガス流路について三つの流路構成体で大中小の関係にありながら、隣り合う二つの流路構成体において上記の体積調整がなされ、その上で、流路が重なるようにすればよい。隣り合う四つ以上の流路構成体においても同じである。
【００６０】
この他、第１流路構成体１４０と第２流路構成体２４０におけるセパレーター側流路である第２ガス流路１４４と第２ガス流路２４４とを、その流路表面において親水性を有するようにすることが好ましい。こうすれば、第１ガス流路１４３を経てガスが第２ガス流路２４４に流れるような場合に、流路表面に水膜を形成でき、この水膜が各列の第２ガス流路１４４や第２ガス流路２４４に繋がるので、排水性がより高まる。この場合、ガス流路表面に親水性を付与するには、図６のプレス成型に先だって、第２ガス流路１４４および第２ガス流路２４４の成型面側に親水処理を施せばよい。
【００６１】
また、上記の実施例では固体高分子形燃料電池を例に説明したが、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池に適用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
２０…燃料電池
３０ａ…水素供給マニホールド
３０ｂ…空気供給マニホールド
３０ｃ…水素排出マニホールド
３０ｄ…空気排出マニホールド
３０ｅ…冷却水供給マニホールド
３０ｆ…冷却水排出マニホールド
３１…電解質膜
３２ａ…カソード電極
３２ｂ…アノード電極
３３ａ…ガス拡散層
３４…ＭＥＡ
３５…発電体層
３６…シールガスケット
４０、４０Ａ〜４０Ｂ…ガス流路層
６０…ガス流路層
７０…セパレーター
７１…カソード側セパレーター
７１ａ…水素供給マニホールド
７１ｂ…空気供給マニホールド
７１ｃ…水素排出マニホールド
７１ｄ…空気排出マニホールド
７１ｅ〜７１ｆ…冷却水排出マニホールド
７２…中間セパレーター
７２ａ…水素連通孔
７２ｂ…空気連通孔
７３…アノード側セパレーター
７５〜７６…空気連通孔
９５…エンドプレート
９５ａ…水素供給マニホールド
９５ｂ…空気供給マニホールド
９５ｃ…水素排出マニホールド
９５ｄ…空気排出マニホールド
９５ｅ〜９５ｆ…冷却水排出マニホールド
１００…燃料電池スタック
１４０…第１流路構成体
１４１…第１凸部
１４１ＴＳ…凸部当接部
１４２…第２凸部
１４３…第１ガス流路
１４４…第２ガス流路
１４５…凸部傾斜部
１５０…基材
２４０…第２流路構成体
２４１…第１凸部
２４１ＴＳ…凸部当接部
２４２…第２凸部
２４３…第１ガス流路
２４４…第２ガス流路
２４５…凸部傾斜部
３００…プレス加工装置
３１０…従動ローラ
３２０…駆動ローラ
３３０…プレス台
３４０…第１下刃
３４１…凸部
３４２…凹部
３５０…第２下刃
３５１…凸部
３５２…凹部
３６０…第１上刃
３６１…凸部
３６２…凹部
３７０…第２上刃
３７１…凸部
３７２…凹部
ＷＳＥ…波形要素
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜を備えた発電体層と、
前記発電体層を間に挟んで配置された一対のセパレーターと、
前記発電体層と前記一対のセパレーターの少なくとも一方との間に配置され、前記発電体層での発電反応に供される反応ガスを前記電解質膜の膜面に沿ったガス流れ方向に流す流路を形成するガス流路層と、を備え
該ガス流路層は、
前記発電体層の側に凸な第１の凸部と前記セパレーターの側に凸な第２の凸部とが流路形成領域において並んだ波形断面の波形要素を前記流路の形成のための要素とし、前記波形要素を繰り返し有する波形要素含有部を、前記ガス流れ方向に沿って複数連設して備え、
前記波形要素含有部のそれぞれは、前記繰り返される前記波形要素における前記第１の凸部の前記波形要素の繰り返しに沿った側方領域を、前記流路を前記発電体層の側でなす発電体層側流路とし、前記波形要素における前記第２の凸部の前記波形要素の繰り返しに沿った側方領域を、前記流路を前記セパレーターの側でなすセパレーター側流路とし、
前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部は、一方の前記波形要素含有部が前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より大きくし、他方の前記波形要素含有部が前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より小さくすると共に、前記セパレーター側流路を前記ガス流れ方向に沿って重ねている
燃料電池。
【請求項２】
前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部は、前記ガスの流れ方向から見て、前記一方の前記波形要素含有部が有する前記セパレーター側流路が前記他方の前記波形要素含有部が有する前記セパレーター側流路の内側に位置するよう隣り合っている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部は、前記波形要素における前記第１の凸部と前記第２の凸部との間において延びる凸部傾斜部において接合している請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部のうちの前記一方の前記波形要素含有部は、前記第１の凸部の頂上面を前記ガス流れ方向に沿った幅が広く前記波形要素の繰り返しに沿った幅を狭くした上で、前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より大きくし、前記他方の前記波形要素含有部は、前記第１の凸部の頂上面を前記ガス流れ方向に沿った幅が狭く前記波形要素の繰り返しに沿った幅を広くした上で、前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より小さくしている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部は、前記発電体層の表面に前記第１の凸部の頂上面が当接する際の接触幅を予め定めた接触幅以下としている請求項４に記載の燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜を備えた発電体層と、
前記発電体層を間に挟んで配置された一対のセパレーターと、
前記発電体層と前記一対のセパレーターの少なくとも一方との間に配置され、前記発電体層での発電反応に供される反応ガスを前記電解質膜の膜面に沿ったガス流れ方向に流す流路を形成するガス流路層と、を備え
該ガス流路層は、
前記発電体層の側に凸な第１の凸部と前記セパレーターの側に凸な第２の凸部とが流路形成領域において並んだ波形断面の波形要素を前記流路の形成のための要素とし、前記波形要素を繰り返し有する波形要素含有部を、前記ガス流れ方向に沿って複数連設して備え、
前記波形要素含有部のそれぞれは、前記繰り返される前記波形要素における前記第１の凸部の前記波形要素の繰り返しに沿った側方領域を、前記流路を前記発電体層の側でなす発電体層側流路とし、前記波形要素における前記第２の凸部の前記波形要素の繰り返しに沿った側方領域を、前記流路を前記セパレーターの側でなすセパレーター側流路とし、
前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部は、一方の前記波形要素含有部が前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より大きくし、他方の前記波形要素含有部が前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より小さくすると共に、前記セパレーター側流路を前記ガス流れ方向に沿って重ねている
燃料電池。
【請求項２】
前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部は、前記ガスの流れ方向から見て、前記一方の前記波形要素含有部が有する前記セパレーター側流路が前記他方の前記波形要素含有部が有する前記セパレーター側流路の内側に位置するよう隣り合っている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部は、前記波形要素における前記第１の凸部と前記第２の凸部との間において延びる凸部傾斜部において接合している請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部のうちの前記一方の前記波形要素含有部は、前記第１の凸部の頂上面を前記ガス流れ方向に沿った幅が広く前記波形要素の繰り返しに沿った幅を狭くした上で、前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より大きくし、前記他方の前記波形要素含有部は、前記第１の凸部の頂上面を前記ガス流れ方向に沿った幅が狭く前記波形要素の繰り返しに沿った幅を広くした上で、前記発電体層側流路の体積を前記セパレーター側流路の体積より小さくしている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス流れ方向に沿って隣り合う二つの前記波形要素含有部は、前記発電体層の表面に前記第１の凸部の頂上面が当接する際の接触幅を予め定めた接触幅以下としている請求項４に記載の燃料電池。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−７４２６６（Ｐ２０１２−７４２６６Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１８３７９（Ｐ２０１０−２１８３７９）
【出願日】平成２２年９月２９日（２０１０．９．２９）
【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１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２９日（２０１０．９．２９）
【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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