JP2008108573A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路における反応ガスの拡散効率を向上する。
【解決手段】燃料電池は、電極の面に反応ガスを供給するための流路を形成するガス流路形成部材３０を備える。ガス流路形成部材３０は、山部３２ａと谷部３２ｂが交互に連続する波板部３２を基本構造としており、この波板部３２を複数、連結した構成である。詳細には、互いに隣接する２つの波板部３２、３２の間を、一方側の波板部３２の谷部３２ｂが他方側の波板部３２の山部３２ａと連なるようにする。そうして、ガス流路形成部材３０を、谷部３２ｂと山部３２ａの連なりにより形成される連結面Ｓの並びの方向が電極の面に平行となるように配置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガス流路形成部材を備える燃料電池に関する。

近年、水素ガスと酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池は、電解質膜に電極触媒層が形成されている膜電極接合体と、セパレータと、膜電極接合体とセパレータとの間に配置されるガス流路とが一体に構成されているスタックを複数積層した構造を有する。ガス流路は、燃料電池の発電に利用される反応ガス、例えば水素ガスや酸化ガスを膜電極接合体に送り込む。

下記の特許文献１には、ガス流路を形成する部材として、エキスパンドメタルを用いた構成が提案されている。エキスパンドメタルは、金属板に同一形状の貫通孔が規則的に形成されたもので、平板状に圧延されたものである。

特開２００５−３１０６３３号公報

しかしながら、前記従来の技術では、多数の貫通孔を有するエキスパンドメタルを用いたとしても、流路としては電極触媒層の面方向に伸びる筋状の凹部によって構成されることから、反応ガスの流れの方向はほとんどが電極触媒層の面方向であり、面に垂直な方向（以下、「面直方向」と呼ぶ）へ反応ガスは流れにくい。このために、ガス流路における反応ガスの拡散効率を十分に高められないという問題が発生した。

ガスの拡散効率の向上は、電極触媒層側においてはガス不足の解消、セパレータ側においては排水性の向上の点から重要である。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、ガス流路における反応ガスの拡散効率の向上を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
電解質層と、
前記電解質層上に形成された、触媒を備える電極と、
前記電極の側に配設され、該電極の面に反応ガスを供給するための流路を形成するガス流路形成部材と
を備えた燃料電池において、
前記ガス流路形成部材は、
山部と谷部が交互に第１の方向に連続する波板部を、前記山部と谷部の振幅方向と前記第１の方向とに交差する第２の方向に向かって複数連結した構成であるとともに、前記複数の波板部のうちの互いに隣接する２枚の波板部の間を、一方側の波板部の谷部が他方側の波板部の山部と連なるように連結して、当該谷部と山部との連結面によって段状の網目を形成した構成であり、
前記複数の波板部のそれぞれは、
該波板部の面方向を、前記電極の面に対して所定の角度で傾斜させた構成である
ことを特徴としている。

上記構成の燃料電池によれば、反応ガスは、ガス流路形成部材の複数の波板部により形成される流路を通って、電極の面に供給される。特に、複数の波板部のそれぞれが、面方向を、電極の面に対して所定の角度で傾斜させた構成となっていることから、反応ガスは、波板部の面に沿って、電極の面直方向の成分を少なくとも含む方向へ流れる。また、一方側の波板部の谷部と他方側の波板部の山部とから構成される連結面によって、流路形成部材の網目（貫通孔）が形成されていることから、電極の面直方向へのガスの流通性をより高めることができる。一方、波板部は、山部と谷部が交互に連続した構成であることから、反応ガスは谷部側にも逃れ、電極の面方向のガスの流れを損ねるようなこともない。したがって、電極の面方向に加え、電極の面直方向へも反応ガスを十分に送ることができることから、反応ガスの拡散効率を十分に高めることができる。

前記ガス流路形成部材は、前記連結面が、前記反応ガスの流れ方向に対して前記電極側に傾斜した構成としてもよい。この構成によれば、電極の面側への反応ガスの供給効率を特に高めることができることから、電解質層−電極接合体への反応ガスの積極導入が可能となる。したがって、燃料電池の高出力化を図ることができる。

あるいは、前記ガス流路形成部材は、前記連結面が、前記反応ガスの流れ方向に対して前記電極から遠ざかる側に傾斜した構成とすることもできる。この構成によれば、電極から遠ざかる側への反応ガスの流れを大きくすることができることから、反応ガスの流れを用いて、燃料電池の生成水を電極から遠ざかる側に排水することを助長させることができる。この結果、水詰まり（フラッディング）による電圧安定性の劣化を防止することができる。

前記第２の方向は、前記山部と谷部の振幅方向と前記第１の方向との双方に垂直な方向としてもよい。また、前記複数の波板部は、前記第２の方向の寸法である横幅が同一の構成としてもよい。

前記ガス流路形成部材は、前記連結面の並びの方向が前記電極の面に対して平行となるような向きに配設された構成としてもよい。この構成によれば、ガス流路形成部材の全体を電極の面に対して平行とすることができることから、ガス流路形成部材の電極の側への配置が容易となる。特にこの構成において、複数の波板部のそれぞれは、横幅が同一サイズの構成であるとした場合、各連結面の電極側の端は一平面上に乗ることになり、ガス流路形成部材と電極との接触面積を大きくすることができる。したがって、ガス流路形成部材と電極との接触抵抗を低減することができ、燃料電池の高性能化を図ることができる。

前記構成の燃料電池において、前記網目が、前記第２の方向からみたときに六角形となる構成としてもよい。この構成によれば、ガス流路形成部材により形成される貫通孔としての網目が、第２の方向から見たときに、いわゆるハニカム形状となる。したがって、規則正しい貫通孔を形成することができることから、反応ガスの流通効率を高めることができる。

前記ガス流路形成部材は、金属板に直線状の切れ目を千鳥状に入れながら押し広げて製造したものとしてもよい。この構成によれば、シンプルな製造方法によりガス流路形成部材を製造することができることから、ガス流路形成部材の製造が容易である。

前記構成の燃料電池において、セパレータを備え、前記ガス流路形成部材は、前記電極とセパレータとの間に配設された構成としてもよい。そして、前記セパレータは、導電性を有する３つの導電プレートを積層して形成される三層積層型のセパレータである構成としてもよい。

三層積層型のセパレータを用いた構成によれば、セパレータにガス流路を形成する必要がなく、反応ガスの流通効率を向上できる。また、三層積層型のセパレータによりセパレータ表面をフラットな構成とすることができることから、セパレータとガス流路形成部材との接触面積を大きくすることができる。したがって、セパレータと電極との間の接触抵抗を低減することができ、燃料電池の高性能化を図ることができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の全体構成：
Ｂ．ガス流路形成部材の構成：
Ｃ．ガス流路形成部材の配設の態様：
Ｄ．ガス流路形成部材の製造方法：
Ｅ．作用・効果：
Ｆ．他の実施形態：

Ａ．燃料電池の全体構成：
図１は、本発明の一実施例における燃料電池１００の全体構成を示す説明図である。図２は、燃料電池１００を構成する燃料電池セル１０を図１のＡ−Ａ断面で切断した断面図である。本実施例の燃料電池１００は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとの供給を受け、燃料ガスと酸化ガス（以下、必要に応じてまとめて反応ガスと呼ぶ）との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池である。

図１に示すように、燃料電池１００は、燃料電池セル１０が複数積層され、その両端からエンドプレート８５，８６により狭持されている。エンドプレート８５，８６には、反応ガス等を供給あるいは排出する貫通孔が形成されており、この貫通孔を介して図示しない外部の水素タンクやコンプレッサ等から、燃料電池１００の内部に反応ガスが滞りなく供給されている。

図２に示すように、燃料電池セル１０は、ＭＥＡ２４（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、ガス拡散層２３ａ、２３ｂ、ガス流路２８、２９、シールガスケット２６、およびセパレータ４０を備える。ガス拡散層２３ａ、２３ｂはＭＥＡ２４の両面に配置されている。ＭＥＡ２４、ガス拡散層２３ａおよびガス拡散層２３ｂから構成される部材をＭＥＧＡ２５と呼ぶ。ガス流路２８、２９は、ＭＥＧＡ２５とセパレータ４０との間に配置されている。ＭＥＧＡ２５およびガス流路２８、２９は、外周をシールガスケット２６で囲われるように、シールガスケット２６と一体に形成されている。セパレータ４０は、一体に形成されているＭＥＧＡ２５、ガス流路２８、２９およびシールガスケット２６の両側に配置されている。

ＭＥＡ２４は、電解質膜２１の表面上に、カソード電極触媒層２２ａ，アノード電極触媒層２２ｂを備える。電解質膜２１は、プロトン伝導性を備え、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す固体高分子材料の薄膜であり、セパレータ４０の外形よりも小さくガス流路の外形よりも大きい長方形に形成されている。電解質膜２１は、例えば、ナフィオンである。電解質膜２１の表面上に形成されたカソード電極触媒層２２ａ，アノード電極触媒層２２ｂは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金が担持されている。カソード電極触媒層２２ａ，アノード電極触媒層２２ｂは、本発明の「触媒を備える電極」に相当する。

ガス拡散層２３ａ，２３ｂは、気孔率が約２０％程度のカーボン製の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。ガス拡散層２３ａ，２３ｂは、接合によりＭＥＡ２４と一体化されてＭＥＧＡ２５となる。なお、ガス拡散層２３ａはＭＥＡ２４のカソード側に、ガス拡散層２３ｂはアノード側に、それぞれ配置される。ガス拡散層２３ａは、カソードガスをその厚み方向に拡散して、カソード電極触媒層２２ａの全面に供給する。ガス拡散層２３ｂは、アノードガスをその厚み方向に拡散して、アノード電極触媒層２２ｂの全面に供給する。ガス拡散層２３ａ，２３ｂは、厚み方向へのガスの拡散を主目的とするため、比較的小さい気孔率を有する。

ガス流路２８、２９は、導電性のある金属を加工して製造した流路形成部材により構成されている。流路形成部材の構造については後ほど詳述する。ガス流路２８は、ＭＥＧＡ２５のカソード側（ＭＥＡ２４のカソード側）とセパレータ４０との間に配設される。ガス流路２９は、ＭＥＧＡ２５のアノード側（ＭＥＡ２４のアノード側）とセパレータ４０との間に配設される。ガス流路２８，２９を流れる反応ガスは、流れの過程でＭＥＧＡ２５に供給され、ＭＥＧＡ２５のガス拡散層２３ａ，２３ｂにより、カソード電極触媒層２２ａ，アノード電極触媒層２２ｂに拡散され、電気化学反応に供される。

シールガスケット２６は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料からなり、ＭＥＧＡ２５およびガス流路２８，２９の外周に射出成形することでＭＥＧＡ２５およびガス流路２８，２９と一体的に形成されている。シールガスケット２６は、セパレータ４０と同様の大きさの略長方形に形成されている。図１に示すように、シールガスケット２６の４辺に沿って、反応ガスおよび冷却水のマニホールドを形成する貫通孔が設けられている。このマニホールド用の貫通孔は、セパレータ４０に設けられた貫通孔と同一であるため、セパレータ４０の構造とともに、後述する。

こうしたマニホールド用の貫通孔の周囲には、各連通孔を囲み、シールガスケット２６の厚み方向に凸の部位が形成されている。この凸の部位は、シールガスケット２６を挟むセパレータ４０に実質的に当接し、積層方向の所定の締結力を受け、潰れて変形する。その結果、凸の部位は、マニホールド内を流れる流体（水素，酸化ガス，冷却水）の漏れを抑制するシールラインＳＬを形成する。この凸の部位が、シールラインＳＬのリップ部分となる（図２参照）。

次に電気化学反応により生ずる電気を集電するセパレータ４０について説明する。セパレータ４０は、三つの金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。具体的には、酸化ガスの流路であるガス流路２８と接触するカソードプレート４１と、燃料ガスの流路であるガス流路２９と接触するアノードプレート４３と、両プレートの中間に挟まれ、主に冷却水の流路となる中間プレート４２とから構成されている。

三つのプレートは、その厚み方向に、流路用の凹凸形状のない平坦な表面を有し（つまり、ガス流路２８，２９との接触面が平坦であり）、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から構成されている。

三つのプレートには、上述の各種マニホールドを構成する貫通孔が設けられている。具体的には、図１に示すように、略長方形形状のセパレータ４０の長辺に酸化ガス供給用の貫通孔４１ａ、酸化ガス排出用の貫通孔４１ｂが設けられている。また、セパレータ４０の短辺に、燃料ガス供給用の貫通孔４１ｃ、燃料ガス排出用の貫通孔４１ｄが設けられている。セパレータ４０の短辺には、また、冷却水供給用の貫通孔４１ｅおよび冷却水排出用の貫通孔４１ｆが、それぞれ設けられている。

カソードプレート４１には、こうしたマニホールド用の貫通孔に加え、ガス流路２８への酸化ガスの出入口となる孔部４５，４６が複数形成されている。同様に、アノードプレート４３には、マニホールド用の貫通孔に加え、ガス流路２９への燃料ガスの出入口となる孔部（図示なし）が複数形成されている。

中間プレート４２に設けられた複数のマニホールド用の貫通孔のうち、酸化ガスの流れるマニホールド用の貫通孔４２ａは、カソードプレート４１の孔部４５と連通するように形成されている。また、燃料ガスの流れるマニホールド用の貫通孔４２ｂは、アノードプレート４３の孔部（図示なし）と連通するように形成されている。なお、中間プレート４２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、冷却水の流れるマニホールド用の貫通孔と連通している。

こうした構造の三つのプレートを積層して接合することで、セパレータ４０の内部には各種流体の流路が形成される。

図２に示すように、セパレータ４０およびシールガスケット２６の積層により形成されるマニホールド内を流れる酸化ガスの一部は、セパレータ４０の内部（中間プレート４２の部分）を通って、孔部５５からガス流路２８へ供給される。そして、反応に供された後の酸化ガス、あるいは、供されない酸化ガスは、ガス流路２８を図中右方から左方へ流れて、孔部５６からセパレータ４０内部を経て、マニホールドへ流れる。なお、図１においても、ガス流路２８により、酸化ガスは矢印に示すように右方から左方へ流れることになる。燃料ガスの流れについての説明は省略するが、酸化ガスの流れと同様である。図１においては、ガス流路２９により、燃料ガスは矢印に示すように前方から後方へ流れることになる。

Ｂ．ガス流路形成部材の構成：
ガス流路２８、２９を構成するガス流路形成部材について、以下に説明する。ガス流路形成部材は、酸化ガスのガス流路２８用、燃料ガスのガス流路２９用ともにほぼ同一の構成を備えていることから、ここでは酸化ガスのガス流路２８用としてまず説明する。

図３は本実施例におけるガス流路形成部材３０を示す斜視図であり、図４はガス流路形成部材３０の平面図であり、図５はガス流路形成部材３０の正面図であり、図６はガス流路形成部材３０を図４のＢ−Ｂ断面で切断した断面図である。これらの図に示すように、ガス流路形成部材３０は、山部３２ａと谷部３２ｂが交互に連続する波板部３２を基本構造としており、この波板部３２を複数、連結した構成である。複数の波板部３２は、同一の形状であり、横幅Ｗも同一のサイズである。なお、山部３２ａ、谷部３２ｂは、開口部が上辺（底辺）よりも開いた、すなわち、側辺が垂直方向に対して傾斜した形状となっている。

図３中の破線は、隣接する２つの波板部３２の間を区分けするために便宜的に付けたものである。図３ないし図５において、波板部３２は、連結数が６つであるものとして例示している。

複数の波板部３２の連結は、詳細には次のようなものである。山部３２ａと谷部３２ｂの振幅の方向をｘ軸方向、山部３２ａと谷部３２ｂが連続する方向をｙ軸方向（ｘ軸方向に対して垂直方向）とすると、複数の波板部３２は、ｘ軸方向、ｙ軸方向の双方に垂直なｚ軸方向に向かって順に連結される。この連結は、互いに隣接する２つの波板部３２、３２の間が、図３に示すように、一方側の波板部３２の谷部３２ｂが他方側の波板部３２の山部３２ａと連なるようにしたものである。詳細には、上記他方側の波板部３２を、上記一方側の波板部３２に対して表裏を反転させたものとして、谷部３２ｂを山部３２ａに、山部３２ａを谷部３２ｂにそれぞれ変換した上で、その山部３２ａを、上記一方側の波板部３２の谷部３２ｂに連なるようにする。

上記連結の結果、図５に示すように、正面方向から見たとき、互いに隣接する２つの波板部３２、３２は、ｙ軸方向に山部３２ａと谷部３２ｂの周期Ｔの２分の１分だけずれ、ｘ軸方向に山部３２ａと谷部３２ｂの振幅Ｈだけずれた位置関係となる。上記谷部３２ｂと山部３２ａの連結部分は、一平面（以下、この平面を「連結面」と呼ぶ）Ｓを形成することから、図示からわかるように、一つの連結面Ｓ１と、次の谷部３２ｂと山部３２ａで形成された連結面Ｓ２との間に六角形の貫通孔Ｃが形成される。六角形の貫通孔Ｃは千鳥状に配列されることになり、正面方向から見たとき、いわゆるハニカム形状となる。なお、この実施例では、上記六角形は、各辺の長さが等しく、角も１２０度と一定な正六角形である。各辺の長さは０．２６［ｍｍ］である。波板部３２の横幅Ｗは０．３［ｍｍ］である。この実施例の変形例として、正六角形以外の六角形とすることもできる。

図３ないし図６の例示では、山部３２ａと谷部３２ｂの繰り返しの回数（以下、単に「山谷の周波数」と呼ぶ）は３であり、波板部３２の連結数は６つであることから、図３，５に示すように、六角形の貫通孔Ｃは、３＋２＋３＋２＋３の１３個だけ形成することができる。なお、本実施例の酸化ガスのガス流路２８用としてのガス流路形成部材３０は、実際は、山谷の周波数は３５０程度であり、波板部３２の連結数は２５０程度であり、８７０００個程度の六角形の貫通孔Ｃを備える構成となっている。

Ｃ．ガス流路形成部材の配設の態様：
以上のように構成されたガス流路形成部材３０により構成されるガス流路２８は、前述したように、ＭＥＧＡ２５のカソード側（ＭＥＡ２４のカソード側）とセパレータ４０との間に配設される（図１，図２参照）が、その配設の態様について、次に説明する。

図６に示すように、前述した構成のガス流路形成部材３０では、隣接する谷部３２ｂと山部３２ａで形成される複数の連結面Ｓは一方向に向かって並ぶ。この並びの方向は、複数の連結面Ｓの中心点を結んだ方向によって示され、図中ではＡＸ軸方向となっている。各波板部３２の横幅Ｗは同一サイズであることから、各連結面Ｓのｚ軸方向の一方側（図中において左側）の辺Ｌ１は、上記ＡＸ軸に平行な一平面（以下、上面と呼ぶ）ＵＳ上に乗る。また、連結面Ｓの他方側（図中において右側）の辺Ｌ２は、上記ＡＸ軸に平行な一平面（以下、下面と呼ぶ）ＤＳ上に乗る。すなわち、上面ＵＳと底面ＤＳとは平行となる。

図７は、ＭＥＧＡ２５のカソード側とセパレータ４０との間に配設された状態のガス流路形成部材３０の断面図である。図示するように、ガス流路形成部材３０についての上述した上面ＵＳがＭＥＧＡ２５のカソード側の表面と接し、ガス流路形成部材３０についての上述した底面ＤＳがセパレータ４０の表面と接するように、ガス流路形成部材３０はＭＥＧＡ２５のカソード側とセパレータ４０との間に配設されている。

換言すれば、ガス流路形成部材３０は、上面ＵＳおよび底面ＤＳの方向がＭＥＧＡ２５のカソード側の表面（または、セパレータ４０の表面）と平行となるようにして、ＭＥＧＡ２５のカソード側とセパレータ４０との間に配設（積層）されている。なお、上面ＵＳおよび底面ＤＳは、複数の連結面Ｓの並びの方向であるＡＸ軸方向に対して平行であることから、ガス流路形成部材３０は、複数の連結面Ｓの並びの方向であるＡＸ軸方向がＭＥＧＡ２５のカソード側の表面（または、セパレータ４０の表面）と平行となるようにして、ＭＥＧＡ２５のカソード側とセパレータ４０との間に配設されているとも言える。

なお、図７において、ガス流路２８における酸化ガスの全体の流れの方向は、図２と同様に、図中の矢印Ｒ１に示すように、右方から左方への方向となっている。一方、ガス流路形成部材３０で形成される連結面Ｓの方向は、ＭＥＧＡ２５のカソード側の表面と交差する方向となっており、その交差する直線は、上記矢印Ｒ１の方向と直交する方向となっている。すなわち、上記交差する直線は、図中における紙面に垂直な方向となっている。そして、ガス流路形成部材３０で形成される連結面Ｓは、上記交差する直線の方向を軸として矢印Ｒ１の方向から右回り（時計回り）に所定の角度θ（０度＜θ＜９０度）だけ傾斜している。換言すれば、連結面Ｓは、酸化ガスの全体の流れ方向Ｒ１に対してＭＥＧＡ２５のカソード側に傾斜した構成となっている。

ここで、θの値は、波板部３２で形成される貫通孔Ｃの正六角形のＨ寸法（後述する製造方法における上刃が成型板に接触してからの降下距離）と波板部３２の横幅Ｗとから定まる値で、この実施例では、＋３７度である。

上記のように配設されたガス流路形成部材３０では、酸化ガスは、図中、太線に示すように、連結面Ｓの表面を沿って、ＭＥＧＡ２５のカソード側の表面に向かって流れる。ＭＥＧＡ２５のカソード側に到達した酸化ガスであって反応に供されなかった分については、カソード側のガス拡散層２３ａを通ってガス流路２８側に戻り、次の連結面Ｓに至り、連結面Ｓの表面を沿って、ＭＥＧＡ２５のカソード側の表面に向かって流れる。

図８は、連結面Ｓの表面に沿うガスの流れをより詳細に示す説明図である。図示するように、連結面Ｓの表面に沿うガスの流れは、前述したＭＥＧＡ２５のカソード側の表面に向かう流れＧ１だけではなく、連結面Ｓの両側の谷部３２ｂの方向Ｇ２，Ｇ３にも向かう。このため、酸化ガスは谷部３２ｂ側にも逃れ、ＭＥＧＡ２５のカソードの面方向のガスの流れを損ねるようなこともない。このようにして、酸化ガスは、カソード側のガス拡散層２３ａに向かう図７中の上向きに拡散されつつ、全体としては図７中、右方から左方に向かって流れる。

次に、燃料ガスのガス流路２９に用いられるガス流路形成部材について説明する。燃料ガスのガス流路２９用のガス流路形成部材は、酸化ガスのガス流路２８用のガス流路形成部材３０と比較して、縦横のサイズ、すなわち、波板部３２の山谷の周波数と波板部３２の連結数が相違するだけである。縦横のサイズが相違するのは、ＭＥＧＡ２５の縦横のサイズが相違することに起因するもので、基本的な構成は、酸化ガスのガス流路２８用のガス流路形成部材３０と同一である。

図９は、ＭＥＧＡ２５のアノード側とセパレータ４０との間に配設された状態の燃料ガスのガス流路２９用のガス流路形成部材３０′の断面図である。図示するように、ガス流路２９用のガス流路形成部材３０′は、酸化ガスのガス流路２８用のガス流路形成部材３０と同様に、ガス流路形成部材３０′についての上面（あるいは底面）がＭＥＧＡ２５のアノード側の表面と接し、ガス流路形成部材３０についての底面（あるいは上面）がセパレータ４０の表面と接するように、ガス流路形成部材３０′はＭＥＧＡ２５のアノード側とセパレータ４０との間に配設されている。

図９におけるガス流路２９の全体の流れの方向は、図中の矢印Ｒ２に示すように、右方から左方への方向となっている。一方、ガス流路形成部材３０′で形成される連結面Ｓは、カソード側と同様に、反応ガス（燃料ガス）の全体の流れ方向Ｒ２に対してＭＥＧＡ２５の電極（アノード）側に傾斜した構成となっている。これらのことから、燃料ガスは、図中、太線に示すように、連結面Ｓの表面を沿って、ＭＥＧＡ２５のアノード側の表面に向かって流れる。ＭＥＧＡ２５のアノード側に到達した燃料ガスであって反応に供されなかった分については、アノード側のガス拡散層２３ｂを通ってガス流路２９側に戻り、次の連結面Ｓに至り、連結面Ｓの表面を沿って、ＭＥＧＡ２５のアノード側の表面に向かって流れる。また、図８に示したガス流路２８側と同様に、燃料ガスは谷部３２ｂ側にも逃れ、ＭＥＧＡ２５のアノードの面方向のガスの流れを損ねるようなこともない。このようにして、燃料ガスは、アノード側のガス拡散層２３ｂに向かう図９中の下向きに拡散されつつ、全体としては図９中、右方から左方に向かって流れる。

Ｄ．ガス流路形成部材の製造方法：
図１０は、ガス流路形成部材３０の製造方法を示す説明図である。図中の（ａ）に示すように、最初に、素材Ｍを、送りローラＯＲによって上刃Ｄ１および下刃Ｄ２からなる刃型Ｄに送る。素材Ｍは、薄肉金属板であり、詳細には、板厚が０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のステンレス板（例えば、フェライト系ステンレス）である。なお、ステンレス板に替えて、チタン、チタン合金等とすることもできる。

図１１は、上刃Ｄ１の正面図である。図示するように、上刃Ｄ１の刃部Ｄ１ｃは、素材Ｍに対して千鳥配置に切れ目を順次加工するように山形に形成されており、山形の頂上が平らとなっている。

図１０に戻り、次いで、（ｂ）に示すように、上刃Ｄ１を所定位置まで下げて、その後、上げる。続いて、（ｃ）に示すように、素材Ｍを送りローラＯＲによって所定の距離だけ新たに送る。この所定の距離は、波板部３２の横幅Ｗに一致する。続いて、（ｄ）に示すように、上刃Ｄ１を横方向に移動する。この移動距離は、波板部３２における山部３２ａと谷部３２ｂの周期Ｔの２分の１に一致する。

続いて、（ｅ）に示すように、上刃Ｄ１を下げる。この作業により、素材Ｍに直線状の切れ目を千鳥状に入れながら押し広げることができ、素材Ｍに段状の網目が形成される（（ｆ）を参照）。続いて、（ｆ）に示すように、上刃Ｄ１を上記（ｃ）による移動前の位置に戻して、上記（ａ）〜（ｆ）までの作業を繰り返し実行する。

上記製造方法は、エキスパンドメタルの製造方法と似通ったもので、相違点は次の通りである。エキスパンドメタルは、平板状に圧延されたものであり、上述したと同様の手法で製造した段状の網目をフラットローラに掛けることにより、ストランドとボンド部が同一平面となるようにしている。これに対して、本実施例のガス流路形成部材３０の製造方法は、フラットローラを用いたフラット加工は不要である。さらに、エキスパンドメタルの製造時に用いる上刃は、ジグザグの三角形状であるが、これに対して、本実施例で用いる上刃Ｄ１は、頂上が平らとなった山形のものである。この平らな部分を備えることで、山部３２ａと谷部３２ｂとの連なりである平面Ｓの形成が可能となっている。

Ｅ．作用・効果：
以上説明した本実施例の燃料電池１００によれば、反応ガスは、ガス流路形成部材３０により形成されるガス流路２８，２９を通って、ＭＥＧＡ２５に供給される。ガス流路形成部材３０は、複数の波板部３２により谷部３２ｂと山部３２ａとの連なりである連結面Ｓを形成して、これら連結面Ｓによって段状の網目を形成している。この連結面Ｓは、面方向を、ＭＥＧＡ２５の電極側の面に対して所定の角度で傾斜させた構成となっていることから、反応ガスは、連結面Ｓの表面を沿って電極側の表面に向かって流れる。また、反応ガスは、連結面Ｓの両側の谷部３２ｂの方向にも向かうことから、反応ガスは谷部３２ｂ側にも逃れ、電極の面方向のガスの流れを損ねるようなこともない。したがって、電極の面方向に加え、電極の面直方向へも反応ガスを十分に送ることができることから、反応ガスの拡散効率を十分に高めることができる。特に、本実施例では、電極の面側への反応ガスの供給効率を高めることができることから、ＭＥＧＡ２５への反応ガスの積極導入が可能となる。したがって、燃料電池１００の高出力化を図ることができる。

また、本実施例の燃料電池１００によれば、ガス流路形成部材３０は、複数の連結面Ｓの並びの方向が電極の面に対して平行となるような向きに配設されており、しかも、連結面Ｓを形成する複数の波板部３２は同一の形状であることから、各連結面Ｓの一方側の辺は一平面に含まれる構成となり、また、各連結面Ｓの他方側の辺は他の平面に含まれる構成となる。このために、ガス流路形成部材３０により構成されるガス流路２８，２９と電極との間、およびガス流路２８，２９とセパレータ４０との間の接触面積を大きくすることができる。したがって、ガス流路形成部材３０とＭＥＧＡ２との接触抵抗を低減することができ、燃料電池１００の高性能化を図ることができる。

さらに、本実施例では、三層積層型のセパレータ４０を用いていることから、セパレータ４０にガス流路２８，２９を形成する必要がなく、反応ガスの流通効率を向上できる。また、三層積層型のセパレータ４０によりセパレータ表面をフラットな構成とすることができることから、セパレータ４０とガス流路形成部材３０との接触面積をより大きくすることができる。

本実施例の燃料電池１００によれば、ガス流路形成部材３０は、金属板に直線状の切れ目を千鳥状に入れながら押し広げて製造したものである。このために、シンプルな製造方法によりガス流路形成部材３０を製造することができることから、ガス流路形成部材３０の製造が容易である。

Ｆ．他の実施形態：
なお、この発明は前記の実施例やその変形例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態様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。

（１）第１変形例：
図１２は、第１変形例の燃料電池２００のガス流路１２８周辺の断面図である。この第１変形例は、前記実施例と比較して、ガス流路１２８の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。ガス流路１２８は、前記実施例のガス流路２８と比べて、同一の構成のガス流路形成部材３０が用いられてはいるが、ガス流路形成部材３０の配設の態様が相違する。すなわち、前記実施例と比較して、第１変形例のガス流路形成部材３０は、上面ＵＳと底面ＤＳとが反転するように配設されており、底面ＤＳがＭＥＧＡ２５のカソード側の表面と接し、上面ＵＳがセパレータ４０の表面と接している。この結果、ガス流路形成部材３０で形成される連結面Ｓは、紙面に垂直な方向を軸として矢印Ｒ１の方向から左回り（反時計回り）に所定の角度θ（０度＜θ＜９０度）だけ傾斜している。すなわち、連結面Ｓは、酸化ガスの全体の流れ方向Ｒ１に対してセパレータ４０側に傾斜した構成となっている。

上記のように配設されたガス流路形成部材３０では、酸化ガスは、図中、太線に示すように、連結面Ｓの表面を沿って、セパレータ４０の表面に向かって流れる。この結果、ＭＥＧＡ２５の電極から遠ざかる側への酸化ガスの流れを大きくすることができることから、酸化ガスの流れを用いて、生成水を電極から遠ざかる側に排水することを助長させることができる。この結果、フラッディングによる電圧安定性の劣化を防止することができる。

以上説明した第１変形例の燃料電池２００によれば、前記実施例と同様に、電極の面方向に加え、電極の面直方向へも酸化ガスを十分に送ることができることから、酸化ガスの拡散効率を十分に高めることができる。特に、電極から遠ざかる側への酸化ガスの流れを大きくすることができることから、酸化ガスの流れを用いて生成水を電極から遠ざかる側に排水することを助長させることができる。

なお、この第１変形例は、ＭＥＧＡのカソード側のガス流路２８だけに適用し、アノード側のガス流路２９については前記実施例と同一の構成としていたが、これに換えて、カソード側のガス流路２８、アノード側のガス流路２９双方に第１変形例を適用する構成としてもよい。また、アノード側のガス流路２９だけに第１変形例を適用する構成とすることもできる。

（２）第２変形例：
図１３は、第２変形例の燃料電池に備えられるガス流路形成部材２３０を示す斜視図である。前記実施例では、ガス流路形成部材３０の複数の連結面Ｓの間に形成される貫通孔Ｃが正面方向から見たとき六角形となる構成としていたが、これに換えて、この第２変形例では、図１３に示すように、ガス流路形成部材２３０は、正面方向から見たとき四角形となる構成とした。すなわち、ガス流路形成部材２３０を構成する波板部２３２は、すべての角部が直角形状となった山部２３２ａと谷部２３２ｂが交互に連続するものとして、貫通孔が四角形となる構成とした。

この第２変形例の構成によっても、前記実施例と同様に、電極の面方向に加え、電極の面直方向へも反応ガスを十分に送ることができることから、反応ガスの拡散効率を十分に高めることができる。

（３）第３変形例：
前記実施例では、ガス流路形成部材３０は、金属板に直線状の切れ目を千鳥状に入れながら押し広げて製造したものであるが、これに換えて、複数の波板部３２をもともとは個別の部材として、これら個別の部材を溶接等により一々連結して製造した構成としてもよい。

（４）第４変形例：
前記実施例では、セパレータ４０は、三層積層型のものとして表面のフラット化が容易であるものとしたが、これに換えて、表面が平坦な他の板状部材としてもよい。また、必ずしも表面が平坦なセパレータに限る必要もない。

（５）第５変形例：
前記実施例では、カソード側のガス流路２８、アノード側のガス流路２９の双方、サイズが相違するだけの同一のガス流路形成部材３０、３０′により構成していたが、これに換えて、ガス流路２８，２９のいずれか一方をガス流路形成部材３０により構成としてもよい。すなわち、ガス流路２８，２９のいずれか一方をガス流路形成部材３０により構成とし、他方を、多孔質体を用いた構成等、他のタイプの流路形成部材により構成してもよい。

（６）第６変形例：
また、前記実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。

本発明の一実施例における燃料電池１００の全体構成を示す説明図である。 燃料電池１００を構成する燃料電池セル１０を図１のＡ−Ａ断面で切断した断面図である。 本実施例におけるガス流路形成部材３０を示す斜視図である。 ガス流路形成部材３０の平面図である。 ガス流路形成部材３０の正面図である。 ガス流路形成部材３０を図４のＢ−Ｂ断面で切断した断面図である。 ＭＥＧＡ２５のカソード側とセパレータ４０との間に配設された状態のガス流路形成部材３０の断面図である。 連結面Ｓの表面に沿うガスの流れを詳細に示す説明図である。 ＭＥＧＡ２５のアノード側とセパレータ４０との間に配設されたガス流路形成部材３０′の断面図である。 ガス流路形成部材３０の製造方法を示す説明図である。 上刃Ｄ１の正面図である。 第１変形例の燃料電池２００のガス流路１２８周辺の断面図である。 第２変形例の燃料電池に備えられるガス流路形成部材２３０を示す斜視図である。

符号の説明

１０…燃料電池セル
２１…電解質膜
２２ａ…カソード電極触媒層
２２ｂ…アノード電極触媒層
２３ａ…ガス拡散層
２３ｂ…ガス拡散層
２６…シールガスケット
２８…ガス流路
２９…ガス流路
３０…ガス流路形成部材
３２…波板部
３２ａ…山部
３２ｂ…谷部
４０…セパレータ
４１…カソードプレート
４１ａ〜４１ｆ…貫通孔
４２…中間プレート
４２ａ，４２ｂ…貫通孔
４３…アノードプレート
４５…孔部
５５…孔部
５６…孔部
８５…エンドプレート
１００…燃料電池
１２８…ガス流路
２００…燃料電池
２３０…ガス流路形成部材
２３２…波板部
２３２ａ…山部
２３２ｂ…谷部
Ｃ…貫通孔
Ｓ…連結面
ＵＳ…上面
ＤＳ…底面
Ｍ…素材
Ｄ…刃型
Ｄ１…上刃
Ｄ２…下刃
Ｄ１ｃ…刃部

Claims (10)

1. 電解質層と、
   前記電解質層上に形成された、触媒を備える電極と、
   前記電極の側に配設され、該電極の面に反応ガスを供給するための流路を形成するガス流路形成部材と
   を備えた燃料電池において、
   前記ガス流路形成部材は、
   山部と谷部が交互に第１の方向に連続する波板部を、前記山部と谷部の振幅方向と前記第１の方向とに交差する第２の方向に向かって複数連結した構成であるとともに、前記複数の波板部のうちの互いに隣接する２枚の波板部の間を、一方側の波板部の谷部が他方側の波板部の山部と連なるように連結して、当該谷部と山部との連結面によって段状の網目を形成した構成であり、
   前記複数の波板部のそれぞれは、
   該波板部の面方向を、前記電極の面に対して所定の角度で傾斜させた構成である
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記ガス流路形成部材は、
   前記連結面が、前記反応ガスの流れ方向に対して前記電極側に傾斜した構成である
   燃料電池。
3. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記ガス流路形成部材は、
   前記連結面が、前記反応ガスの流れ方向に対して前記電極から遠ざかる側に傾斜した構成である
   燃料電池。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記第２の方向は、前記山部と谷部の振幅方向と前記第１の方向との双方に垂直な方向である
   燃料電池。
5. 請求項４に記載の燃料電池であって、
   前記複数の波板部は、前記第２の方向の横幅が同一サイズの構成である
   燃料電池。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記ガス流路形成部材は、
   前記連結面の並びの方向が前記電極の面に対して平行となるような向きに配設された構成である
   燃料電池。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記網目が、前記第２の方向からみたときに六角形となる構成である
   燃料電池。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記ガス流路形成部材は、
   金属板に直線状の切れ目を千鳥状に入れながら押し広げて製造したものである
   燃料電池。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池であって、
   セパレータを備え、
   前記ガス流路形成部材は、
   前記電極とセパレータとの間に配設された構成である
   燃料電池。
10. 請求項９に記載の燃料電池であって、
    前記セパレータは、
    導電性を有する３つの導電プレートを積層して形成される三層積層型のセパレータである
    燃料電池。

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