JP2010010069A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、燃料電池面内の限られたスペースにおいて、ガス流路と冷媒流路とを両立することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】セパレータ２０は、ガス拡散シート１２と接する側の面（表面）に、凹部２２ａと、凹部２２ａと離間して設けられる凹部２２ｂとを備える。セパレータ２０は、表裏の凹凸形状が反転関係にある。凹部２２ａ、２２ｂは、反応ガスの流路として用いられる。セパレータ２０の、ガス拡散シート１２と接しない側の面（裏面）には、セパレータ３０が重ねられる。互いに噛み合う櫛状の凹部２２ａ、２２ｂにより、セパレータ２０の裏面側に、セパレータ２０面内を蛇行して延びる空間が形成されている。この空間を、冷媒流路として用いる。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池に関する。

従来、例えば、下記の特許文献１に開示されているように、ガス流路および冷媒流路を設けた種々の構造の燃料電池が知られている。燃料電池の面内にバランスよく反応ガスを行き渡らせることは、発電状態を良好に保ったり、部分的な反応ガスの欠乏を防いだりする上で、重要である。しかしながら、その一方で、発電中に燃料電池を良好な温度状態に保つことも、肝要である。このため、燃料電池内部におけるガス流路および冷媒流路は、ガス供給機能と冷却機能の両方を満たすように設計されるのが理想である。

上記従来の技術では、多孔質体層を用いてガス流路が形成され、３枚のプレートが重ねられて１つのセパレータが構成されている。セパレータを構成するプレートのうち、中間のプレートの中央領域には、厚さ方向に突出するディンプルを多数設けた冷媒流動用のプレートが配置されている。上記従来の技術では、ディンプルの隙間を縫って冷媒を流すことにより、燃料電池面内で冷媒を効率よく分配している。

特開２００６−３１８８６３号公報 特開２００６−１２７７７０号公報

ところで、従来、セパレータの表面に溝を設けて、この溝をガス流路として用いるタイプの燃料電池が知られている。このタイプの燃料電池では、一般的に、セパレータにおける溝が設けられた面に、カーボンシート等のガス拡散シート、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）が順次重ねられる。

上記のタイプの燃料電池において、セパレータにおけるガス拡散シート側と接しない面（つまり、ガス流路用の溝の形成面とは、反対側の面）に、冷媒を流すための冷媒流路を設けるものがある。具体的には、例えば、金属製の板をプレス成型により加工する等して表面と裏面で凹凸形状が反転関係にあるプレートを作成し、この凹凸プレートをセパレータとして用いる燃料電池がある。

セパレータとして凹凸プレートを利用するタイプの燃料電池では、セパレータ面内のスペースを、ガス流路と冷媒流路が分け合うことになる。このとき、ガス供給機能および冷却機能がともに損なわれることがないように、ガス流路と冷媒流路が設けられることが望ましい。しかしながら、セパレータ面内の限りあるスペースに、両機能を共に満たすようにガス流路と冷媒流路とを配置することは容易ではない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、セパレータ面内の限られたスペースにおいて、ガス流路と冷媒流路とを両立することができる燃料電池を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極触媒層が備えられた膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に重ねられたガス拡散シートと、
前記ガス拡散シートに重ねられ、該ガス拡散シート側を向く表面と該表面の反対側の裏面とを有し、該表面と該裏面の間で形状が反転している凹凸形状を有し、かつ、該表面側に凹である部分が反応ガスの流路として用いられる第１セパレータと、
前記第１セパレータの前記裏面に重ねられた第２セパレータと、
を備え、
前記第１セパレータの前記凹凸形状が、前記表面側に凹でありかつ前記第１セパレータを平面視した場合のパターンが櫛状或いは鍵型である第１凹部と、前記表面側に凹であり前記第１凹部とは離間して配置されかつ前記第１セパレータを平面視した場合のパターンが該第１凹部と噛み合う櫛状或いは鍵型である第２凹部と、を含み、
前記第２セパレータが、前記第１セパレータの裏面側において前記第１、２凹部に対向した凸部に接することにより、該第１セパレータとの間に空間を形成し、
重ねられた状態の前記第１、２セパレータが、前記空間を外部に開放する第１開口と、該第１開口とは異なる位置で該空間を外部に開放する第２開口とを形成することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記第１セパレータの前記凹凸形状が、前記燃料電池の発電領域内で前記第１、２凹部が噛み合う方向と交差する方向に該第１セパレータを切断した場合に、前記表面側に凸の部分の底面の幅が前記第１凹部または／および第２凹部の幅よりも大きくされた部分を含むものであることを特徴とする。

第１の発明によれば、第１凹部に反応ガスを流入させることにより、この反応ガスを、ガス拡散シート内を経由して、第２凹部内へと流すことができる。このようなガス流れを生じさせることによって、ガス拡散シートの平面方向に沿うガス供給を、良好に行うことができる。更に、第１の発明によれば、第１、２開口の間で冷媒を流すことにより、第１セパレータの裏面側に第１、２凹部の間を縫って形成された空間を冷媒流路として用いることができる。これにより、燃料電池の面内を冷却することができる。このように、第１の発明によれば、セパレータ面内の限られたスペースを、ガス供給機能と冷却性能とを両立するように有効活用することができる。

第２の発明によれば、表面側に凸の部分の底面の幅（以下、「山側幅」とも称す）が、表面側に凹の部分の幅（以下、「溝側幅」とも称す）よりも大きくされている。山側幅は、第１セパレータがガス拡散シートに接する領域の広さを決める寸法である。第２の発明によれば、山側幅を大きくして、第１セパレータとガス拡散シートとの接触領域を大きく取ることができる。第１の発明の効果によってガス拡散シートの平面方向に沿うガス供給が良好に行われるため、ガス供給の性能を損なうことなく第１セパレータとガス拡散シートとの接触領域を大きく取ることができる。さらに、第１セパレータは表裏で凹凸形状が反転しているので、山側幅は第１セパレータ裏面側の空間の大きさを決める寸法でもある。よって、接触領域の拡大に伴って、冷媒を流す空間を大きく取ることができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、実施の形態１の燃料電池２の構成を説明するための平面図である。燃料電池２は、図１の紙面を貫通する方向に、セパレータ２０、セパレータ３０、多孔質体層３４、ガス拡散シート１４、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０、ガス拡散シート１２、セパレータ２０、セパレータ３０の順に、各部材が積層されたものである。

本実施形態では、上記の積層構造を図１紙面貫通方向に繰り返し重ねて、燃料電池２を燃料電池スタックとして構成している。つまり、図１の紙面表面側には、更に、ガス拡散シート１２、ＭＥＡ１０、ガス拡散シート１４といったように、積層構造が繰り返し設けられている。また、図１では便宜上セパレータ２０の表面を目視できるように図示しているが、実際には、積層方向の両端にはスタックエンドプレートなどが配置されている。なお、図１において点線で囲った領域Ｅは、セパレータ２０に積層されたＭＥＡ１０の面内で発電反応に用いられる領域を示している。以下、発電領域Ｅと称す。

ＭＥＡ１０は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層が備えられたものである。ガス拡散シート１２、１４は、カーボンシートやカーボン不織布などからなる。ガス拡散シート１２、１４は、いわゆるガス拡散層として機能する。

図１において目視できるセパレータ２０は、その外形が矩形状であり、外周側には複数の貫通穴（貫通穴２６、２８、２９）が設けられている。これらの貫通穴は、燃料電池スタック内に各種マニホールドを形成するために設けられている。セパレータ２０は、１枚の金属板をプレス加工することによって形成され、表面と裏面との間で凹凸形状が反転している。

セパレータ２０は、紙面左上の貫通穴２６から伸びる凹部２２ａと、紙面右下の貫通穴２６から伸びる凹部２２ｂとを備えている。凹部２２ａ、２２ｂは、ともに、図１の紙面表側に開口している。図１に示すように、凹部２２ａは、貫通穴２６に連通して紙面の横方向に延びる１本の凹部と、この１本の凹部から紙面下方に延びる複数の凹部とを有している。同様に、凹部２２ｂは、貫通穴２６に連通して紙面の横方向に延びる１本の凹部と、この１本の凹部から紙面上方に延びる複数の凹部とを有している。すなわち、燃料電池２では、セパレータ２０を平面視した場合に、凹部２２ａ、２２ｂがそれぞれ櫛状のパターンになっており、かつ、これら２つの櫛状のパターンが、噛み合うように配置されている。

前述したように、セパレータ２０は、表面と裏面との間で凹凸形状が反転している。つまり、図１紙面裏面側からセパレータ２０を目視した場合、凹部２２ａ、２２ｂの位置が出張っており、凸部２４の位置が凹んでいる。つまり、図１紙面裏面側から見た場合には、セパレータ２０には櫛状の凸部が設けられ、かつ、セパレータ２０面内を蛇行する凹部が設けられている。

前述したように、図１におけるセパレータ２０の紙面裏面側には、セパレータ３０がさらに重ねられている。セパレータ３０は、一枚の平板であり、セパレータ２０と同じ位置に貫通穴２６、２８および２９を備えている。セパレータ３０の材料は、セパレータ２０と同じく金属とする。このように、実施の形態１では、セパレータ２０、３０がセパレータアッセンブリを構成し、燃料電池２のセパレータとして機能する。

既述したように、図１紙面裏面側から見た場合には、セパレータ２０面内を蛇行する凹部が設けられている。セパレータ２０とセパレータ３０とが重なることにより、セパレータ２０裏面側の凹部に蓋がされる。その結果、セパレータ２０、３０の間に、セパレータ２０面内を蛇行する空間が形成される。図１に、この空間が延びる方向を、蛇行する矢印で示している。なお、図１では図示を省略しているが、実際には、セパレータ２０、３０の間に適宜にシーリング部材が配置され、２つの貫通穴２９がこの空間と接続させられる。その結果、図１に示した蛇行する矢印のように、紙面左側の貫通穴２９から紙面右側の貫通穴２９へと、連続した流路が形成される。燃料電池２では、この空間が、冷却液を流すための流路として用いられる。以下の説明では、当該空間を、「冷媒流路」とも称す。

図２は、図１のＡ−Ａ矢印線に従って燃料電池２を切断した場合の、燃料電池２の断面図である。図２における紙面の上方から下方に向かって、前述したように、セパレータ２０、セパレータ３０、多孔質体層３４、ガス拡散シート１４、ＭＥＡ１０、ガス拡散シート１２、セパレータ２０、セパレータ３０の順に各部材が積層されている。図３は、図２の断面図に示した個々の部材を分解したものである。図３に示すように、実施の形態１では、凸部２４の幅Ｗ_１が、凹部２２ａ、２２ｂの幅Ｗ_２よりも大きくされている。

なお、燃料電池２は、アノード側のガス流路構造が、セパレータ２０、３０を含む所謂溝型ガス流路構造であるのに対し、カソード側のガス流路構造が、多孔質体層３４を用いたタイプのガス流路構造になっている。つまり、アノードとカソードとで、異なるガス流路構造を用いている。図１には特に図示していないが、実際には、適宜にシーリング部材が配置されることにより、多孔質体層３４が２つの貫通穴２８とそれぞれ接続させられる。具体的には、例えば、多孔質体層３４の外周を囲うようにシール枠が配置される。多孔質体層を用いてガス流路を形成する技術そのものは、既に公知の技術となっているので、ここではこれ以上の説明は省略する。

［実施の形態１の動作および効果］
燃料電池２が発電を行う際には、図１紙面左上の貫通穴２６により形成されるマニホールドを介して、凹部２２ａに、高圧の水素ガスが供給される。一方、凹部２２ｂは、図１紙面右下の貫通穴２６により形成されるマニホールドを介して、燃料電池システムのアノードガス排気系に接続される。また、貫通穴２９により形成されるマニホールドが、冷却液を流通させるための冷却系に接続される。その結果、前述した冷媒流路が、冷却系と接続する。

凹部２２ａに供給された水素ガスは、セパレータ２０の図１紙面表側に位置するガス拡散シート１２を経由して、隣接する凹部２２ｂへと流れ込む。図１に、このような水素ガスの流れを、多数の矢印で示している。また、図２にも、矢印で、凹部２２ａからガス拡散シート１２を介して凹部２２ｂへと向かう水素の流れが図示されている。このような流れの過程で、ガス拡散シート１４から、ＭＥＡ１０のアノードの電極触媒層に、水素が供給される。

燃料電池２と、従来の溝型ガス流路を備える燃料電池との比較説明により、実施の形態１の効果を述べる。ガス拡散シート１２、１４は、カーボン繊維により折り込まれたカーボンシートを用いている。一般的に、ガス拡散層として用いる部材は、カーボンシートやカーボン不織布などの部材が用いられることが多い。これらの部材に対して、凹部２２ａのような溝型ガス流路を備えたセパレータを取り付け、当該溝型ガス流路にガスを供給した場合、溝型ガス流路内でのガスの流れが支配的になる。仮に、凹部２２ａと２２ｂとがセパレータ２０面内で繋がっているとすると、２つの貫通穴２６を凹部が連結してしまう。従来の溝型ガス流路では、このように、セパレータ面内に連続した凹部（溝）が設けられている。このような場合、多くの水素ガスが凹部を流れるのみとなり、ガス拡散層側への水素供給が円滑に行われない。この点、実施の形態１の燃料電池２では、図１や図２に矢印で示したように、凹部２２ａ側から凹部２２ｂ側へと水素ガスが流れる過程で、ガス拡散シート１２内に強制的に水素が流れる。このため、実施の形態１によれば、ガス拡散シート１２を介したＭＥＡ１０への水素供給を円滑に行うことができる。

また、燃料電池２の発電中に、冷媒流路を介して一方の貫通穴２９から他方の貫通穴２９へと冷却液を流すことができる。このように冷却液が流れることにより、燃料電池２の発電領域Ｅが冷却される。このように、実施の形態１の燃料電池２によれば、セパレータ２０面内の限りあるスペースに、ガス供給機能と冷却機能を共に満たすようにガス流路と冷媒流路とを配置することができる。

特に、燃料電池２では、冷却液が燃料電池２面内において図１紙面上を横切るように流れている。また、燃料電池２では、貫通穴２６から凹部２２ａに流れ込んだ水素ガスが燃料電池２面内を図１紙面横方向に流れた後、この水素ガスはさらに紙面縦方向に向かって燃料電池２面内の中央側へと導入されている。このように、実施の形態１によれば、表裏の凹凸形状が反転関係にあるセパレータにおいて、燃料電池２面内で冷却液の流れと水素ガスの流れとを交差させるようなマニホールド配置が成立している。

なお、実施の形態１によれば、燃料電池２が下記２つの効果をも奏する。
（i）燃料電池２内のアノードの排水性の向上
（ii）セパレータ２０とガス拡散シート１２とのコンタクト面積の確保（電気抵抗の低減、十分な面圧の確保）
以下、個々の効果を説明する。

（i）燃料電池２内のアノードの排水性の向上
実施の形態１では、燃料電池２を発電させるためのシステムに、燃料電池２のアノードを良好な湿潤状態に置くためのアノード加湿機構が含まれているものとする。アノード加湿機構は、具体的には、水素ガスを高圧に貯留する水素タンクと、燃料電池２との間に介在し、水素ガスを加湿したり、水素ガスに対して水を噴霧したりする機構とすることができる。また、アノードを良好な湿潤状態におくために、ＭＥＡ１０を、バックリフュージョン（逆拡散）機能が高いタイプの電解質膜を用いて構成してもよい。なお、アノード加湿機構に関しては上記のもの以外にも種々の技術が公知となっており、これらの技術を利用することが可能である。このため、これ以上の説明は省略する。

アノード内を良好な湿潤状態におくことは、燃料電池内部の発電反応を良好に進める上で重要である。しかしながら、その一方で、アノードに存在する水が過度に多くなると、発電が阻害され、却って発電状態が悪化してしまう。実施の形態１の燃料電池２では、前述したように、図１の多数の矢印の方向に、ガス拡散シート１２内にガスの流れが生じる。このガス流れによって、ガス拡散シート１２の面内で水分を押し流し、凹部２２ｂ内に排出することができる。その結果、燃料電池２内のアノードの排水性を、向上することができる。

（ii）セパレータ２０とガス拡散シート１２とのコンタクト面積の確保（電気抵抗の低減、十分な面圧の確保）
また、燃料電池２は、次の効果も奏する。図３に示したように、燃料電池２では、凸部２４の幅Ｗ_１が、凹部２２ａ、２２ｂの幅Ｗ_２よりも大きくされている。このような構成によれば、凸部２４がガス拡散シート１２に接する領域（以下「接触領域」とも称す）が、凹部２２ａ、２２ｂがガス拡散シート１２に対して開口する領域（以下、「開口領域」）に比して、大きくなる。

開口領域の広さは、すなわち、凹部２２ａ、２２ｂにより得られる溝型ガス流路の広さに対応する。通常、溝型ガス流路を備えるタイプの燃料電池では、ガス拡散層側に十分に反応ガスを供給するために、この開口領域を広めに設定することが多い。つまり、反応ガス供給という観点からは、セパレータ２０面内のスペースに、できる限り広めに開口領域を設けたい。

一方、接触領域の広さは、セパレータ２０がガス拡散シート１２に接触する面積の大きさに対応する。既述したようにセパレータ２０は金属製であり、燃料電池２において集電板としても機能する。接触領域が広ければ広いほど、セパレータ２０とガス拡散シート１２との接触抵抗を小さくでき、燃料電池２内部の電気抵抗を小さくすることができる。従って、燃料電池２の発電電力を効率よく取り出す観点からは、接触領域は広くしたい。また、既述したように、燃料電池２は、図２に示した積層構造が繰り返されて挟持されることにより構成された燃料電池スタックである。燃料電池スタックの両端部には、積層される個々の部材を挟持するように締結力が加えられる。ガス拡散シート１２に対して面圧を加える観点からは、接触領域を広めに取りたい。また、仮に開口領域を広くすべく幅Ｗ_１を小さめに設計したとすると、凸部２４がガス拡散シート１２を押し付けた際にこの押付けによりガス拡散シート１２が大きく歪んでしまう。このガス拡散シート１２の歪みを抑制するためには、接触領域を広めに取って面圧を分散させたい。

以上述べたように、開口領域と接触領域は、ともに、セパレータ面内に広めにとることが好ましい。しかしながら、セパレータ面内のスペースには限りがある。

そこで、実施の形態１では、ガス拡散シート１２に対して凹部２２ａ、２２ｂを有するセパレータ２０を重ね、その上で、接触領域を優先的に大きくすべく幅Ｗ_１を大きめに取っている。前述したように、燃料電池２によれば、セパレータ２０において、凹部２２ａに水素ガスを流入させることにより、この水素ガスを、ガス拡散シート１２内を強制的に経由させて、凹部２２ｂ内へと流すことができる。このようなガス流れを生じさせることによって、ガス拡散シート１２の平面方向に沿うガス供給を、良好に行うことができる。従って、燃料電池２によれば、開口領域をある程度少なめにしたとしても、ガス供給の機能は損なわれない。すなわち、燃料電池２では、ガス供給の機能が損なわれることなく、広い接触領域が確保されている。その結果、燃料電池２では、既述した接触抵抗の低減、面圧の付与、ガス拡散シート１２の歪み低減といった効果が、ガス供給の機能が損なわれることなく実現されている。

しかも、実施の形態１によれば、セパレータ２０の凹凸形状がセパレータ２０の表面と裏面で反転関係にあるので、幅Ｗ_１を大きくすることに伴って、冷媒流路の空間も増加する。従って、燃料電池２によれば、セパレータ２０面内の限りあるスペースにおいて、ガス供給機能、コンタクト面積および冷却性という様々な要素を両立させることができる。

尚、上述した実施の形態１の燃料電池２では、ＭＥＡ１０が前記第１の発明における「膜電極接合体」に、ガス拡散シート１２が前記第１の発明における「ガス拡散シート」に、それぞれ相当している。また、燃料電池２では、セパレータ２０が前記第１の発明における「第１セパレータ」に、セパレータ２０の図１紙面表側の面が、前記第１の発明における「表面」に、セパレータ２０の図１紙面裏側の面が、前記第１の発明における「裏面」に、それぞれ相当している。また、燃料電池２では、セパレータ３０が、前記第１の発明における「第２セパレータ」に相当している。また、燃料電池２では、凹部２２ａが、前記第１の発明における「第１凹部」に、凹部２２ｂが、前記第１の発明における「第２凹部」に、それぞれ相当している。また、図１中に矢印を用いて示した、セパレータ２０裏面側に形成されてセパレータ２０面内を蛇行するように延びる空間が、前記第１の発明における「空間」に相当している。また、燃料電池２では、２つの貫通穴２９のうち、一方の貫通穴２９が前記第１の発明における「第１開口」に、他方の貫通穴２９が前記第１の発明における「第２開口」に、それぞれ相当している。

また、上述した実施の形態１では、凸部２４の幅Ｗ_１が、前記第２の発明における「前記表面側に凸の部分の底面の幅」に、凹部２２ａ、２２ｂの幅Ｗ_２が、前記第２の発明における「前記第１凹部または／および第２凹部の幅」に、それぞれ相当している。

［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、アノード側とカソード側とで、燃料電池２のガス流路構造を異なるものにした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。アノード側とカソード側のそれぞれのガス流路構造を、ともにセパレータ２０、３０を用いた溝型ガス流路構造にしてもよい。

（第２変形例）
実施の形態１の燃料電池２は、アノード側にセパレータ２０、３０を、カソード側に多孔質体層３４を、それぞれ備えている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。アノード側とカソード側とで、構造を逆にしても良い。

アノードに水素が、カソードに空気がそれぞれ供給されることにより、燃料電池２は発電する。ここで、水素ガスは、空気に比べて拡散性が高い。このため、セパレータ２０、３０の構造をアノードに配置することで、水素ガスの拡散性の高さを活用することができる。また、アノードに供給する水素ガスが高圧状態でタンクに貯留されているタイプの燃料電池システムでは、通常運転中に、凹部２２ａ内の空間のほうが凹部２２ｂ内の空間よりも高圧状態に保たれる。仮に、セパレータ２０、３０の構造をカソードに配置した燃料電池を、空気供給系にエアコンプレッサを用いるシステムで発電させるとする。そうすると、このような場合には、ガス拡散シート１２内のガス流れを円滑に生じさせる程度まで凹部２２ａを高圧にするために、エアコンプレッサの電力消費量が増大するおそれがある。このような観点からも、燃料電池２のようにアノードにセパレータ２０を用いる構成はメリットがある。

一方、カソード側にセパレータ２０、３０を配置した場合にも、以下に述べるような利点がある。燃料電池の発電反応に伴って、カソードには水が生成する。前述したように、セパレータ２０の構成がガス拡散シート１２面内に生じさせるガス流れにより、排水性の向上という効果が得られる。このため、カソード側にセパレータ２０、３０を配置すれば、発電生成水を円滑に排出することができるようになる。また、特に、高負荷（言い換えれば、出力電流が大きめ）で発電を行うタイプの燃料電池では、生成水の量も多めになる。従って、カソード側で水の量が多くなりすぎないように、在る程度高い排水性が要求される。このような要求がある状況下では、カソード側にセパレータ２０、３０を配置することはメリットが高い。

（第３変形例）
実施の形態１では、幅Ｗ_１＞幅Ｗ_２の関係が成立するように、セパレータ２０の凹凸形状を設計した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。幅Ｗ_１≦幅Ｗ_２となるようにしてもよい。

また、実施の形態１では、凹部２２ａと凹部２２ｂをともに幅Ｗ_２に設計したが、凹部２２ａと凹部２２ｂは必ずしも同じ幅とされていなくともよい。すなわち、図２、３の切断面上において凹部２２ａの幅をＷ_１ａとし凹部２２ｂの幅をＷ_１ｂとした場合、Ｗ_１ａとＷ_１ｂのうち、一方が幅Ｗ_１よりも小さく、他方が幅Ｗ_１よりも大きくされていてもよい。

また、凹部２２ａ、２２ｂは、一定の幅Ｗ_２でセパレータ２０面内に設けられているが、部分的に幅を変更してもよい。

（第４変形例）
実施の形態１では、凹部２２ａ、２２ｂを、それぞれ、図１に示すように、貫通穴２６から伸びる１本の凹部と、この１本の凹部から分岐して延びる３本の凹部（以下、「分岐部」とも称す）とを備える櫛状のパターンとした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。凹部２２ａ、２２ｂを、３本以上の、より多数の分岐部を備える櫛状パターンにしてもよい。また、逆に、分岐部の本数をより少なく（２本あるいは１本）してもよい。なお、分岐部の本数が１本である場合には、セパレータ２０を平面視した場合の凹部２２ａ、２２ｂのパターンは、櫛状ではなく、鍵型になる。

また、１つの分岐部から、更にいくつかの凹部（「副分岐部」とも称す）が分岐していてもよい。

また、実施の形態１では、凹部２２ａ、２２ｂの分岐部の本数を同じ本数にした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、凹部２２ａ、２２ｂの分岐部の本数を相違させてもよい。例えば、凹部２２ａは４本の分岐部を備えるパターンとし、凹部２２ｂは３本の分岐部を備えるパターンとして、凹部２２ａ、２２ｂを噛み合わせても良い。

また、実施の形態１では、セパレータ２０を平面視した場合の凹部２２ａ、２２ｂのパターンを、セパレータ２０面内において進路を直角に変更しながら延びるパターンとした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。進路を、直角ではなく、鋭角あるいは鈍角に変更しながら延びるパターンでもよい。また、曲線を含むものであってもよい。

（第５変形例）
実施の形態１では、セパレータ３０をフラットな１枚の板にした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。セパレータ２０の凹部２２ａ、２２ｂの部分と接触してセパレータ２０裏面側に蛇行する空間を形成するものであれば、必ずしも完全に平らな板でなくともよい。

なお、実施の形態１では、セパレータ２０、３０を金属製にしたが、本発明はこれに限られるものではない。適宜に導電性材料を用いてセパレータ２０、３０を作製すればよい。

なお、実施の形態１には、セパレータ面内におけるガス流路と冷媒流路の両立という第１の思想とは別に、アノード側とカソード側のガス流路構造を異ならしめるという第２の思想も含まれている。具体的には、実施の形態１では、アノード側とカソード側のうち、一方の側のガス流路構造を溝型ガス流路構造にし、他方の側のガス流路構造を多孔質体層を用いるガス流路構造にするという思想が含まれている。このような第２思想のみを個別に用いて、燃料電池を構成してもよい。

上記の第２の思想は、例えば、
「電解質膜の両面に電極触媒層が備えられた膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の一方の面に重ねられた第１ガス拡散シートと、前記膜電極接合体の他方の面に重ねられた第２ガス拡散シートと、
前記第１ガス拡散シートに重ねられ、該ガス拡散シート側を向く面に凹部を備え、該凹部が該第１ガス拡散シートに接して該凹部が反応ガスの流路として用いられる第１ガス供給部材と、
前記第２ガス拡散シートに重ねられ、該第２ガス拡散シートに接する多孔質体層と、該多孔質体層に重ねられ該多孔質体層へのガス供給路を備えた第２ガス供給部材と、
を備える燃料電池」
として提供される。

本発明の実施の形態１の燃料電池の構成を示す平面図である。 実施の形態１の燃料電池を図１のＡ−Ａ矢印線に従って切断した場合の断面を示す図である。 図２に示した実施の形態１の燃料電池の積層構造を分解して示す図である。

符号の説明

２ 燃料電池
１２ ガス拡散シート
１４ ガス拡散シート
２０、３０ セパレータ
２２ａ、２２ｂ 凹部
２４ 凸部
２６、２８、２９ 貫通穴
３４ 多孔質体層

Claims (2)

1. 電解質膜の両面に電極触媒層が備えられた膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体に重ねられたガス拡散シートと、
   前記ガス拡散シートに重ねられ、該ガス拡散シート側を向く表面と該表面の反対側の裏面とを有し、該表面と該裏面の間で形状が反転している凹凸形状を有し、かつ、該表面側に凹である部分が反応ガスの流路として用いられる第１セパレータと、
   前記第１セパレータの前記裏面に重ねられた第２セパレータと、
   を備え、
   前記第１セパレータの前記凹凸形状が、前記表面側に凹でありかつ前記第１セパレータを平面視した場合のパターンが櫛状或いは鍵型である第１凹部と、前記表面側に凹であり前記第１凹部とは離間して配置されかつ前記第１セパレータを平面視した場合のパターンが該第１凹部と噛み合う櫛状或いは鍵型である第２凹部と、を含み、
   前記第２セパレータが、前記第１セパレータの裏面側において前記第１、２凹部に対向した凸部に接することにより、該第１セパレータとの間に空間を形成し、
   重ねられた状態の前記第１、２セパレータが、前記空間を外部に開放する第１開口と、該第１開口とは異なる位置で該空間を外部に開放する第２開口とを形成することを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記第１セパレータの前記凹凸形状が、前記燃料電池の発電領域内で前記第１、２凹部が噛み合う方向と交差する方向に該第１セパレータを切断した場合に、前記表面側に凸の部分の底面の幅が前記第１凹部または／および第２凹部の幅よりも大きくされた部分を含むものであることを特徴とする燃料電池。

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